물방울에서 촉각까지, 자연의 원리를 공학으로 구현
국가장학사업에서 나란히 연구 역량 인정받아

기계공학부 이영훈 교수 연구실 소속 대학원생들이 국가 우수 장학생으로 나란히 선정됐다. 석사과정 이기범 학생은 과학기술정보통신부와 한국장학재단이 주관하는 ‘대학원 대통령과학장학금’에 석박사통합과정 최경태 학생은 한국장학재단의 ‘이공계 석사우수장학금’에 이름을 올렸다. 두 장학 모두 우수한 연구 역량과 성장 가능성을 갖춘 이공계 대학원생을 발굴해 미래 과학기술 인재로 성장하도록 지원하는 국가 장학사업인 만큼 이영훈 교수 연구실의 탄탄한 연구 역량을 보여준다.

알로에에서 찾은 물방울 발전소자의 해답

빗방울, 낙수, 응축수처럼 일상에서 쉽게 만나는 물방울도 에너지원이 될 수 있다. 물방울이 우산이나 창문, 건물 외벽에 부딪힐 때 발생하는 작은 움직임 에너지와 물과 표면 사이에서 생기는 전기적 현상을 이용하면 전기를 만들 수 있다. 이 원리를 이용한 물방울 발전소자(DEG)는 별도의 연료를 태우지 않고도 주변에서 쉽게 얻을 수 있는 물을 활용할 수 있어 친환경 소형 전원으로 주목받고 있다. 다만 기존 장치는 물방울이 전극 가까이에 정확히 떨어져야만 전기를 잘 만들 수 있다는 한계가 있었다. 물방울이 사방으로 퍼지거나 멀리 떨어지면 에너지를 모으기 어려웠기 때문이다.

이기범 학생은 이 한계를 극복할 해답을 알로에에서 찾았다. 알로에 잎이 빗물을 뿌리 방향으로 모으는 생존 전략을 공학적으로 재해석해, 물방울을 전극까지 안내하는 곡률 기반 채널 구조와 물이 달라붙지 않는 인공 큐티클 표면을 함께 설계했다. 그 결과 에너지를 모을 수 있는 영역을 기존 약 2cm에서 최대 8cm까지 넓혔고, 전하 출력도 기존 평면형 소자 대비 약 236% 향상시켰다. 아울러 97%의 높은 광학 투과도를 구현해 태양광 패널과의 결합 가능성도 함께 제시했다. 이 연구는 재료과학 분야 세계적 학술지 『Advanced Materials(IF=29.1, JCR 2.3%)』에 표지 논문으로 게재됐다.

대통령과학장학금 선발에는 연구 실적과 함께 향후 연구 계획이 중요하게 평가됐다. 기존 물방울 발전소자 연구는 좋은 성능을 얻기 위해 형태와 재료를 여러 차례 바꿔보는 경험적 시행착오에 의존해 왔다면 이기범 학생은 앞으로 물방울 통로의 폭·깊이·곡률과 표면의 미끄러운 성질이 물방울의 속도, 퍼짐, 이동 방향에 미치는 영향을 수식과 전산유체해석(CFD)으로 규명할 계획이다.

시뮬레이션과 실제 실험 결과를 비교해 예측 정확도 90% 이상을 확보하고, 어떤 구조를 설계하면 어느 정도의 전기적 출력을 얻을 수 있는지를 예측할 수 있는 설계 기준을 세우는 것이 목표다. 이를 위해 유체역학, 계면공학, 에너지 하베스팅을 유기적으로 학습해 앞으로의 박사과정에서는 빗방울뿐 아니라 낙수, 결로 등 다양한 유체 기반 에너지 하베스팅 시스템으로 연구 범위를 넓혀갈 예정이다.

인체 피부를 닮은 촉각 센서로 인간·기계 인터페이스에 도전

최경태 학생은 어린 시절 신체적 제약을 보완하는 웨어러블 로봇을 접한 경험을 계기로, 공학기술이 인간의 신체적 한계를 극복할 수 있다는 가치관을 갖게 됐다. 기계공학을 전공하며 기존 강체 기반 인공 의수가 지닌 불편한 착용감과 제한적인 변형 능력의 한계를 개선할 방법을 모색하던 중 인체 피부와 유사한 물성을 지니면서도 신호 전달이 가능한 신소재 ‘하이드로젤’에 주목했다. 이후 학부연구생으로서 하이드로젤 기반 자가발전 소자 연구를 시작해 외부 전원 없이 촉각 정보를 감지하고 전달하는 차세대 인공 피부 개발을 목표로 연구를 진행 중이다.

대학원 과정에서는 소재 이해, 구조 설계, 정량 평가라는 세 갈래의 연구 흐름을 통해 독립적인 연구 수행 역량을 다질 계획이다. 구체적으로는 단일 이온 소재층으로 위치와 압력을 동시에 감지하는 정전마찰 기반 자가발전 촉각 센서를 구현하고, 고신축성과 생체적합성을 동시에 갖춘 고분자 구조를 설계해 인체 피부와 기계적 물성이 95% 이상 일치하도록 만드는 것이 목표다. 아울러 온·습도 변화에 따른 센서 신뢰성을 정량적으로 검증해, 실제 일상 환경에서도 안정적으로 동작하는 일체형 이오닉 인공 피부 시스템을 완성할 계획이다. 학위 취득 후에는 하이드로젤 프린팅 공정을 통해 복잡한 다층 제조 공정을 단순화하고, 이를 통해 저비용·고성능 인공 피부를 대량 생산해 인공 의수에 정밀한 촉각 피드백을 구현하기 위해 연구할 계획이다. 장기적으로는 로봇이 인간과 유사한 방식으로 주변 환경을 인식하고 안전하게 상호작용하는 원천 기술 개발에 도전할 전망이다.

이기범 학생은 학부연구생 시절부터 이어온 물방울 에너지 연구를 독자적인 연구 주제로 발전시켜 친환경 에너지 문제 해결에 기여하는 연구자로, 최경태 학생은 하이드로젤 소재와 촉각 센서 기술을 결합해 인공 의수와 휴머노이드 로봇의 감각 기능을 향상시키는 인간 중심의 공학자를 목표로 연구를 이어 나갈 계획이다. 이 과정에서 이영훈 교수는 에너지 하베스팅, 기능성 하이드로젤, 소프트 센서 및 인간·로봇 상호작용 분야의 연구를 거듭하며 후속 연구 세대의 성장을 위해 이바지하고자 한다.