이미지 크게보기 그래픽=송재우 기자

■ 서울대, 냉·열감 구현 전자피부 개발

현재는 시·청각 체험만 가능
스트레처블 소재는 세계 최초

‘펠티에 원리’로 냉·온 조절
물체 만지면 피부로 전해져

軍 훈련·의료실습 등서 활용
통증 느끼는 VR기술도 성큼

신종 코로나바이러스 감염증(코로나19) 대유행으로 비대면 문화가 자리 잡으며 원격 회의·수업·진료도 폭발적으로 증가했다. 이에 따라 평면 2D 스크린을 넘어 입체적인 체험까지 가능하게 해주는 가상현실(VR)·증강현실(AR)기술에 대한 관심도 그만큼 커지고 있다. 그러나 현재 상용화된 VR·AR 장비는 주로 시각·청각 체험에 치우쳐 있어 거칠기, 단단함, 압력, 온도 등을 인식하는 촉각 정보를 놓칠 수밖에 없다. 실제 사물을 만지는 느낌을 생생하게 전달하기 어려운 것이다. 그런데 국내 연구진이 가상현실에서 냉·열감을 구현하는 전자 피부를 개발했다. 차가운 콜라병이나 따뜻한 커피잔을 만졌을 때 가상의 온도가 느껴지는 소프트 웨어러블 열적 햅틱(thermo-haptic) 소자를 만들어 가능했다. 온도를 감지하는 원격 정보기술(IT)은 있었지만 신체에 부착 가능한 스트레처블(Stretchable) 소재는 세계 최초다. 앞으로 스티븐 스필버그의 영화 ‘레디 플레이어원’처럼 말랑말랑한 감촉이나 세게 부딪혀 통증을 느끼는 VR 기술도 기대할 수 있게 됐다.

서울대 공대 기계항공공학부 응용 나노 및 열공학 연구실 고승환 교수는 서울대 기계항공공학부 인터랙티브·네트워크 로보틱스 연구실 이동준 교수와 협력해 가상현실 세계에서 가상의 냉·열감을 자유자재로 구현하는 피부 형태의 웨어러블 소자를 개발했다. 연구 결과는 지난 2월 9일 어드밴스드 펑셔널 머터리얼즈(Advanced Functional Materials) 온라인에 ‘가상현실상 인공 냉·열감 재현 신축 피부형 장치(Stretchable Skin-Like Cooling/Heating Device for Reconstruction of Artificial Thermal Sensation in Virtual Reality)’란 제목의 논문으로 실렸다.

국내외 연구진은 그동안 가상현실 기기에서 촉각을 느낄 수 있도록 외부 자극을 인식하는 수용체가 고도로 발달한 손의 촉각을 재현할 수 있는 웨어러블 소자 개발에 심혈을 기울여왔다. 연구팀은 촉각 중에서도 온도에 대한 열감에 주목해 가상현실상에서 접촉한 물체 표면의 온도를 자유자재로 구현할 수 있는 소자를 개발했다. 이 소자는 원래 크기의 두 배 이상 늘어날 만큼 유연한 형태로 제작돼 피부에 밀착시킬 수 있도록 착용감을 높이고, 소자와 피부 간 열전도율도 향상해 몰입감을 최대화시켰다. 연구진은 가상현실에서 사용자가 가상 물체를 만지면 펠티에 원리(Peltier Effect)를 이용해 사용자 손 피부의 온도를 물체 온도와 상응하게 바꿔줄 수 있도록 했다. 또 소자 배선 형태를 직선이 아닌 꼬불꼬불한 서펜타인(serpentine) 구조로 제작해 응력을 분산시켜서 소자를 고무같이 늘일 수 있게 했다. 이뿐만 아니라 연구진은 손가락의 위치를 실시간 감지할 수 있는 웨어러블 장갑에 소자를 삽입해 피부에 손상을 주지 않는 범위(10∼45도)로 피부 온도까지 조절했다. 그 결과 가상현실에서 차가운 맥주병이나 뜨거운 커피잔을 만졌을 때 온도뿐 아니라 물질에 따른 열전도 감각의 차이 등 다양한 열적 정보를 전달할 수 있게 됐다. 이 같은 가상현실의 냉·열감은 게임을 비롯해 군대 혹한기·혹서기 훈련이나 의료 실습, 예비 소방관 훈련 등에 폭넓게 활용될 수 있다. 얼마 전 방영된 MBC 스페셜 특집 VR 휴먼다큐멘터리 ‘너를 만났다’에서처럼 가상현실에서 세상을 떠난 딸과 만나는 일도 가능해졌다. 당시 방송에서는 가상현실 속 아이의 몸짓, 걸음걸이, 목소리, 말투 등을 자연스럽게 구현해 화제를 모았다. 서울대 고승환 교수는 “여기에 온도에 대한 촉각을 더할 수 있었다면 더 따뜻한 딸을 안을 수 있었을 것”이라며 “나아가 방문하기 어려운 장소에 가거나 만날 수 없는 사람을 만나는 가상 체험도 가능하다”고 연구 배경을 설명했다. 그는 “가상현실의 무궁무진한 잠재력을 최대한 활용하려면 보거나 듣는 것에서 나아가 몸으로 직접 느낄 수 있어야 한다”며 “촉각 중 하나인 온도에 대한 감각을 구현한 이번 성과가 그 첫걸음이 될 것”이라고 말했다.


■ 용어설명

열적 햅틱(thermo-haptic) 소자 : 햅틱 소자는 보통 가상 촉각 경험을 제공하는 소자를 일컫는다. 지금까지는 힘, 진동 혹은 움직임에 대한 햅틱 소자가 많이 개발됐는데, 열적 햅틱 소자는 온도 및 열전도에 대한 정보를 사용자의 피부를 통해 전달해 열적 촉각 경험을 느낄 수 있게 한다.

펠티에 원리(Peltier Effect) : 펠티에 소자는 전압을 걸어주면 전하 운반체가 한 방향으로 순간적으로 정렬돼 소자의 한 면은 냉각되고 반대편 면은 가열된다. 전류의 방향을 반대로 흘려주게 되면 냉각·가열 면이 바뀌게 된다. 즉, 전류 방향 및 전압 크기에 따라서 냉각·가열을 자유자재로 미세 조절할 수 있게 되는 것이다.

노성열 기자 nosr@munhwa.com