한국연구재단, 신개념 3차원 입체 표면 기술 소개

[충청뉴스 이성현 기자] 가상 세계 속 물체의 촉각을 현실에서 그대로 느끼게 해주는 기술이 국내 연구진의 주도로 개발됐다.

이 기술은 자기장 기반의 초고속 구동 방식을 적용해 무려 1030가지 이상의 입체 형상을 자유자재로 표현할 수 있을 뿐만 아니라 사람의 거친 터치나 물리적 충격에도 손상 없이 스스로 원래 형태를 찾아가는 자가 복원 능력까지 갖췄다.

한국연구재단은 경희대학교 신소재공학과 박윤석 교수 연구팀이 자기부상열차의 구동 방식을 결합해 자유롭게 형태를 바꾸고 실시간 자가 감지와 시각 출력까지 하나의 유기적 플랫폼으로 구현한 차세대 ‘소프트 메카니컬 메타표면’ 시스템을 개발했다고 9일 밝혔다.

메타버스, 원격 의료, 소프트 로봇 시장이 급성장함에 따라 사용자가 화면을 직접 만지며 실시간으로 물리적 정보를 교환하는 ‘촉각 기반 플랫폼’의 수요는 나날이 급증하고 있다.

그러나 기존의 메타표면 기술은 열 확산이나 이온 이동 방식을 채택해 반응 속도가 너무 느렸고, 사람의 손짓 등 물리적 충격에 쉽게 영구 변형이 일어나는 치명적 약점이 있었다.

더욱이 표면의 형태 변화를 알아채려면 부피가 큰 외부 깊이 카메라 장비를 따로 설치해야 해 일상생활 속 상용화는 사실상 불가능에 가까웠다. 게다가 외부 카메라는 사용자가 손으로 표면을 만지는 순간 시야가 가려져 작동이 멈추는 고질적인 한계를 안고 있었다.

연구팀은 유연하면서도 단단한 이중 레이어 구조의 탄성 고분자에 강한 자성을 가진 희토류 금속인 ‘네오디뮴 자기입자’를 균일하게 혼합하는 방법을 이용했다. 연구팀은 6×6 픽셀 배열의 전자석 어레이와 결합한 시스템을 구축한 뒤, 미세한 전압 조절이 가능한 펄스 폭 변조 방식을 도입했다.

실험 결과 각 픽셀의 높이를 –5mm에서 +3.5mm 범위 내에서 정밀하게 개별 제어하는 데 성공했다.

특히 구동 지연 시간이 1000분의 8초(8ms)에 불과해 사람의 움직임을 실시간으로 부드럽게 따라잡을 수 있으며 이론적으로 1030가지 이상의 입체 형상을 즉각적으로 표현해 낼 수 있음을 확인했다.

이번 성과의 가장 독보적인 차별점은 ‘자가 감지’와 ‘시각 피드백’ 기능까지 단 하나의 소프트 플랫폼에 완벽히 통합했다는 점이다. 연구팀은 표면 구동층 내부에 가속도계와 자이로스코프가 결합한 소형 관성 측정 장치(IMU) 센서 6개를 직접 매립했다.

이 덕분에 거추장스러운 외부 카메라 없이도 표면이 비틀리거나 변하는 모습을 자체적으로 정밀하게 감지한다.

여기에 역설계 기반의 자가 재구성 알고리즘을 결합해 사용자가 표면을 강하게 눌러 일시적으로 형태가 일그러지더라도 전압이 자동으로 재조정되며 목표한 입체 형상으로 즉각 자율 복원되는 능동형 상호작용 시스템을 구현해 냈다.

연구팀은 5000회에 달하는 혹독한 반복 작동 시험을 통해서도 구조적 손상이나 성능 저하가 전혀 없음을 증명하며 압도적인 내구성을 확인했으며 표면에 7×7 RGB LED 배열을 함께 심어, IMU가 측정하는 높이 데이터를 실시간 색상으로 매핑해 눈으로도 즐기는 ‘3차원 형상 반응형 디스플레이’까지 완성했다.

이를 통해 심장 박동 모사, 파도 위 종이배 연출, 물방울 파문 효과 등 역동적인 생체모사 시나리오까지 실증해 냈다.

박윤석 교수는 “이번 연구는 형태 변환과 자가 감지, 그리고 시각 출력이 하나의 소프트웨어 플랫폼 안에서 완벽하게 유기적으로 통합될 수 있음을 보여준 세계 첫 사례”라며 “현재 5000회 수준인 내구성을 수만회 이상으로 끌어올리고 대면적화 및 무선화 과제를 해결해 나갈 것”이라고 설명했다.

그러면서 “향후 촉각 인터페이스를 넘어 메타버스 공간에서 가상 물체를 직접 만지는 햅틱 디스플레이, 원격지 환자를 촉각으로 진찰하는 실감형 원격 의료, 인간의 감각 피부를 완벽히 재현하는 휴머노이드 로봇 등 미래 첨단 산업의 핵심 게임 체인저가 될 것”이라고 덧붙였다.