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곽현수(포항공과대학교 기계공학부)
흔히 일상에서 볼 수 있는 거미나 곤충들은 작은 외부 자극에 인간보다 빠르게 반응하여 잡기 힘든 경험을 해보았을 것입니다. 이들의 감각기관 구조를 자세히 들여다보면 어떻게 민감히 반응을 할 수 있는지 그리고 생체 모방을 통해 어떻게 기술에 적용을 하였는지 보고자 합니다. 
거미는 외골격(exoskeleton) 몸체를 가진 동물로 내부에는 부드러운 살과 외부에는 단단한 껍질로 둘러싸여 있습니다. 이때, 거미의 다리는 Fig 1과 같이 slit(슬릿) 구조를 띠고 있는데 외부로부터 힘이 가해지면 내부의 부드러운 살이 움직임과 동시에 붙어있던 슬릿 형태의 껍질이 움직이게 됩니다. 다음과 같이 슬릿 구조는 mechanical compliance(탄성체 변형을 통해 힘과 모션을 전달을 달성하는 메커니즘)을 바탕으로 아주 작은 변위에도 민감하게 반응할 수 있습니다. 그리고 이러한 슬릿 사이사이에는 점탄성(viscoelasticity)을 띠는 신경들이 분포하며 이들의 변형을 통해 민감하게 반응할 수 있습니다. 
연구자들은 거미 다리의 슬릿 구조를 모방하여 strain gauge(스트레인 게이지)를 발명을 하였습니다. 스트레인 게이지란, 가해지는 힘에 따라 저항이 변하는 센서로 일반적으로 힘, 무게, 압력 등에 따라 전기 저항이 커지게 되고 이를 통해 간접적으로 게이지에 가해진 변위를 측정하게 됩니다. 스트레인 게이지의 중요성은 웨어러블 디바이스의 등장으로 기술의 수요가 점차 커지고 있으며 인간의 피부에 부착할 수 있으며 민감한 감도, 유연성 및 내구성을 모두 만족하는 다 기능 센서의 개발은 여전히 풀어야 할 과제로 남아있습니다. 연구자들은 부드러운 탄성체 위에 단단한 전기 전도성 코팅을 통해 거미 다리를 생체 모방한 스트레인 게이지를 만들었습니다. Fig.1 C은 개발된 스트레인 게이지로 아래 황색의 polymer(폴리머) 위에 회색의 전도성 물질이 코팅되어 있는 것을 볼 수 있습니다. 이때 이 시편을 단축 방향으로 당기게 되면 부드러운 물질은 잘 늘어나는 반면 코팅된 단단한 물질은 부서지게 됩니다. 단축 방향으로 당겼기 때문에 당긴 방향과 수직한 방향으로 균열이 나타나게 되는데 연구자들은 이러한 균열을 통해 거미 다리의 슬릿 구조를 모방한 균열 기반 스트레인 게이지를 개발하였습니다. 
연구자들은 폴리 우레탄 아크릴(PUA) 위에 백금을 화학기상증착법(CVD)을 통해 20nm 두께로 코팅하였습니다. 그리고 코팅된 PUA 필름에 균열을 만들기 위해 곡률 반경이 수 mm으로 구부려 그림과 같이 단단한 백금 코팅층에 균열을 만들었습니다. 늘린 PUA 필름은 다시 원래대로 돌리게 되면 그림과 같이 균열이 남아있게 됩니다. 이때 필름은 중간에 점탄성을 띠는 PUA 필름과 단단한 외골격 역할을 하는 백금층으로 구성된 거미 다리 모방형 균열 기반 스트레인 게이지가 완성됩니다. 단단한 백금층에서 일어나는 균열은 유리가 순식간에 깨지는 것처럼 한순간에 일어나는 dynamic crack propagation(동적 균열 전파)를 통한 결과물입니다. 이러한 균열 전파는 물질의 입자 배열, 표면 거칠기 등에 따라 판이하게 전파 방향과 속도가 달라지기 때문에 완전한 일자 균열이 있을 수가 없다. 이는 깨진 유리의 표면에서 쉽게 볼 수 있다. 연구자들은 이를 이용하여 스트레인 게이지를 발명하였다. Fig 4과 같이 균일하지 않은 균열로 인한 인접한 조각들은 빨간색, 파란색으로 표현하였습니다. 그리고 위아래 조각에는 전극을 설치하여 전류를 흘려주어 스트레인 게이지의 저항을 측정하게 됩니다. 그림과 같이 처음에는 각 조각이 완전히 인접하여 전류가 활발하게 흐르는 낮은 저항 상태입니다. 이때 위아래로 각 조각에 변위가 발생하면 II와 같이 서로 멀어지게 될 것입니다. 이때 잡아 당겨진 방향과 반대 방향으로는 수축이 일어나게 될 것이며, 수평 방향으로의 추가 변위는 III과 같이 조각들이 완전히 떨어지는 일은 발생하지 않지만 I과는 다르게 각 조각 간의 접촉 면적이 줄어 변위가 가해짐에 따라 저항값이 증가하는 현상이 일어나게 될 것입니다. 연구자들은 다음과 같은 메커니즘을 통해 균열 기반 스트레인 게이지를 개발하였습니다. 
최종적으로 IV이후에는 각 조각이 완전히 멀어져 저항을 측정할 수 없을 만큼 커지게 됩니다. 연구자들은 개발된 스트레인 게이지의 성능 측정을 위해 변위에 따른 저항 변화를 측정해보았습니다. Fig 5의 첫번째 그래프를 통해 0 ~ 2.0 %의 변위에서 센서가 작동하는 것을 확인할 수 있었으며 gauge factor(GF)가 2000이상으로 타 스트레인 게이지에 비해 높은 민감도를 확인할 수 있었습니다. 또한, 0.5, 1.0, 2 % 변위를 통해 스트레인 게이지의 가역성을 확인해보았고 두번째 그래프를 통해 모든 경우에서 그래프가 하나의 선을 따르는 것을 볼 수 있었습니다.  마지막으로 총 5,000회의 반복 변형 테스트를 통해 내구성 검증을 시도하였고 세번째 그래프와 같이 항상 일정한 저항 변화 곡선을 얻을 수 있었습니다. 다음 세가지 테스트를 통해 생체 모방 균열 기반 스트레인 게이지의 민감도, 반복성 그리고 내구성을 모두 검증하였으며 해당 연구를 시작으로 많은 균열 기반 스트레인 게이지의 연구가 활발히 진행되고 있습니다.  |
- 스트레인 게이지
- gauge factor(GF)
- 폴리 우레탄 아크릴(PUA)
- 화학기상증착법(CVD)
- 백금 코팅층
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