휴머노이드 얼굴용 실리콘 복합 재질 혁신: 실리콘 하나로는 부족하고, ‘층’을 설계해야 합니다

휴머노이드 얼굴 피부 재질은 단순한 외형을 넘어, 로봇의 감성적 표현력과 장기적인 운영 안정성을 결정하는 핵심 요소입니다. 특히 피부(스킨) 재질은 미세한 표정 해상도(0.5mm 미세 변형에 대한 반응성), 반복 구동에 대한 내구성(최소 50,000~100,000 사이클), 내부 메커니즘에서 발생하는 열 안정성(35℃ 이상 누적 온도), 그리고 시간이 지나도 변치 않는 색 안정성(변색 및 오염 저항) 등 복합적인 기술 기준을 충족해야 합니다.

 

수년간 이 분야를 연구하고 실무를 진행해 본 경험에 따르면, 전통적인 실리콘 단일 소재는 '부드러운 촉감'과 '뛰어난 내구성'이라는 상반된 목표 사이에서 큰 트레이드오프(Trade-off)를 발생시켰습니다. 이러한 한계를 극복하기 위해, 최근 휴머노이드 개발 분야에서는 실리콘 복합(하이브리드) 재질 설계를 채택하는 추세가 늘고 있습니다. 실리콘+TPE, 실리콘 코어+표면 코팅, 다층(코어-완충층-표피) 구조 등 기능을 층으로 분리하는 방식은 단일 소재로는 불가능했던 성능의 동시 확보를 가능하게 합니다.

 

이 글에서는 제가 직접 경험하고 검증한 복합 재질의 종류와 구체적인 수치 기반 설계 기준, 그리고 실제 현장에서 발생했던 실패 패턴까지 깊이 있게 다루어 보겠습니다.

 

휴머노이드 얼굴용 실리콘 복합 재질 혁신: 실리콘 하나로는 부족하고, ‘층’을 설계해야 합니다

핵심 설계 요약: 현장 실무자를 위한 가이드

• 복합 재질을 사용하는 궁극적인 목적은 단순히 '더 리얼한' 외형이 아니라, 내구, 열 안정성, 촉감, 색 안정성이라는 네 가지 핵심 성능을 동시에 확보하는 것입니다.
• 실무 프로젝트에서는 대부분 피부 두께 0.8~2.0mm, 경도 Shore A 10~20 범위를 초기 설계 기준으로 잡고 시작합니다.
• 가장 안정적인 복합 구조는 기능을 명확히 나눈 2층(코어+표피) 또는 3층(코어+완충층+표피) 구조이며, 특히 움직임이 많은 부위에 적합합니다.
• 품질 관리를 위해서는 표정 구동 테스트 시 50,000 사이클을 최소 기준으로, 100,000 사이클까지의 반복 피로 시험 기준을 설정하는 것이 필수적입니다.
• 현장에서 가장 흔한 실패 패턴은 극도의 부드러움(ShA 10 이하)에 집착하여, 찢김, 영구 늘어짐, 그리고 급격한 변색 등의 장기적 결함이 빠르게 나타나는 경우입니다.

1) 단일 실리콘 소재의 한계와 복합 재질의 필요성

• 한계 1: 촉감과 내구의 양립 불가능성 (Trade-off 이슈)
  • 인체 피부와 유사한 부드러움(ShA 10)을 추구하면, 장력이나 반복되는 표정 구동 스트레스에 취약해져 찢김이나 영구적인 늘어짐이 쉽게 발생합니다.
  • 반대로 내구성을 위해 경도를 높이면(ShA 20 이상), 피부 변형이 둔해져 표정의 섬세함이 크게 떨어집니다.
• 한계 2: 내부 열 누적으로 인한 변형 리스크 증대
  • 얼굴 내부는 다수의 모터와 전장품이 밀집되어 열 방출이 어렵습니다.
  • 실리콘 소재의 온도가 35℃를 초과하는 환경에 장시간 노출되면 재질이 변형되거나 끈적임이 발생하여 탄성이 저하되는 현상이 관찰됩니다.
• 한계 3: 장기적인 색상 및 표면 광택 유지의 어려움
  • UV, 실내 조명, 사람의 손 접촉(유분, 화장품 성분)에 의해 미세하게 변색되거나 오염이 누적됩니다.
  • 특히 표면 코팅 설계가 부재할 경우, 사용 기간이 길어질수록 표면이 반사되어 '장난감 같은 질감'으로 변질되어 몰입도를 저해할 수 있습니다.

2) 휴머노이드 피부를 위한 복합 재질의 대표 구조 4가지

• 구조 A: 실리콘(표피) + TPE(완충/내구층)
  • 표피층은 부드러운 실리콘으로 촉감을 담당하고, 하부에는 인장 강도가 높은 TPE 계열 소재를 배치하여 찢김이나 영구 늘어짐에 대한 저항성을 확보합니다.
  • 주의점: 실리콘과 TPE 계면(접착면)의 안정성을 확보하는 것이 핵심이며, 접착력이 약하면 반복 구동 시 층 분리(Delamination) 현상이 가장 먼저 발생합니다.
• 구조 B: 실리콘 코어 + 표면 코팅(내오염/광택 제어)
  • 실리콘 코어가 변형 성능과 기본적인 내구를 유지하며, 표면에 특수 코팅층을 추가하여 색상, 광택, 오염 저항성 같은 외관 품질을 장기적으로 관리합니다.
  • 주의점: 코팅층의 두께와 경도가 미세 표정(특히 0.5mm 이하의 미세 변형)의 움직임을 둔화시키지 않도록 신중하게 설계해야 합니다.
• 구조 C: 3층 구조 (코어+완충층+표피)
  • 표정 구동이 강한 부위(예: 입꼬리, 광대, 눈가)에 특히 유리하며, 중간의 완충층이 응력(Stress)을 분산시켜 "부드러우면서도 찢어지지 않는" 이상적인 설계를 가능하게 합니다.
  • 주의점: 공정이 매우 복잡해지며, 층별 결합 공정의 품질 안정성 확보가 생산 수율(Yield) 관리의 핵심이 됩니다.
• 구조 D: 국부 보강(Reinforce) 구조
  • 피부 전체를 복잡한 복합 재질로 만들지 않고, 장력이 집중되는 취약 부위만 섬유나 고강도 필름 등으로 보강하는 방식입니다.
  • 장점: 비용과 공정 부담이 적으면서도 찢김 방지 효과가 즉각적이며, 프로토타입이나 연구 단계에서 효율적입니다.

3) 수치 기반 설계 기준: 실패를 줄이는 구체적인 가이드

• 두께(Thickness)
  • 권장 시작점: 0.8mm~2.0mm
  • 0.8mm 근처: 표정 해상도는 좋지만 찢김/오염 리스크가 높아질 수 있습니다.
  • 2.0mm 근처: 내구는 좋아지지만 미세 표정이 둔해질 수 있습니다.
• 경도(Hardness)
  • 권장 시작점: Shore A 10~20
  • ShA 10: 촉감/변형에 유리하지만 장력 설계가 까다롭습니다.
  • ShA 20: 내구/형상 유지에 유리하지만 표정이 '무거워' 보일 수 있습니다.
• 내열/열 예산(Heat Budget)
  • 설계 목표: 내부 온도 상승을 억제하고, 장시간 운용 시 변형 임계로 접근하지 않게 합니다.
  • 실무에서는 열관리(팬/히트싱크)와 함께 "피부층이 열을 어떻게 버티는지"를 동시에 평가해야 합니다.
• 내구 목표
  • 반복 구동 시험: 50,000~100,000 사이클
  • 품질 목표 예시: 장기 사용 후 경도 변화율 5% 이하 유지

4) 장기 변색 방지 전략 5가지: '색'은 소재 자체보다 '운영 시스템'의 문제입니다

• 전략 1: 표면 코팅으로 오염 및 광택을 제어합니다
  • 무광/반무광 코팅은 강한 조명 반사를 막아 플라스틱 같은 느낌을 줄이는 데 효과적입니다.
  • 다만, 코팅이 너무 두껍지 않도록 두께를 엄격히 제한해야 표정 움직임을 방해하지 않습니다.
• 전략 2: 자외선/조명 조건을 분리하여 시험을 설계합니다
  • 실내(LED 조명)와 실외(UV)는 변색 메커니즘이 다를 수 있습니다.
  • 로봇의 주된 운영 환경에 맞추어 변색 시험 조건을 다르게 설정하는 것이 안전합니다.
• 전략 3: 접촉 오염(손/화장품) 시나리오를 가정합니다
  • 서비스 로봇 환경에서는 사람의 손 접촉이 빈번하기 때문에 오염 방어 능력이 필수적입니다.
  • 오염 제거를 위한 세정 가능성(세척 후 색상 및 광택 변화 최소화)을 시험 항목에 포함해야 합니다.
• 전략 4: 복합 재질의 층 분리(계면) 안정성을 확보합니다
  • 복합 구조에서는 계면의 접착력이 약해지면 표면의 색상이나 촉감보다 먼저 '층이 뜨는' 구조적 실패가 발생할 수 있습니다.
  • 계면 강도 확보는 장기적인 외관 품질 유지의 핵심입니다.
• 전략 5: 보관 조건을 품질 시스템에 포함합니다
  • 장기 보관 기간 동안의 온습도 기준을 명확히 설정해야 재질의 경화나 변형을 예방할 수 있습니다.
  • 잘못된 보관 조건은 아무리 좋은 재질도 '노화'를 앞당기는 주범이 됩니다.

5) 실제 적용 예시 3가지: 목적에 따른 최적화된 복합 구조

• 예시 1: 장시간 운용되는 서비스 로봇
  • 우선순위: 내열성, 내구력, 오염 저항성
  • 권장 방향: 표면 코팅 및 국부 보강 적용, 열관리 시스템 설계 병행
  • 품질 목표: 외관이 최소 12~18개월 이상 초기 품질을 유지하도록 운영 기준을 설정합니다.
• 예시 2: 전시 및 홍보용 로봇 (외형 품질 최우선)
  • 우선순위: 촉감, 사실적인 질감, 조명 아래에서의 반응성
  • 권장 방향: 부드러운 표피층(실리콘) 중심 + 표면 텍스처/코팅 최적화
  • 주의 사항: 내구성이 낮을 수 있으므로, 주기적인 교체 및 유지보수(Maintenance) 계획을 별도로 수립해야 합니다.
• 예시 3: 연구 개발 및 프로토타입 (반복 실험용)
  • 우선순위: 제작의 용이성, 낮은 비용, 빠른 교체 가능성
  • 권장 방향: 장력이 큰 부위에 대한 국부 보강 구조 + 모듈 교체형 구조
  • 품질 목표: 피부 교체 시간이 짧고(5분 이내), 교체 비용이 저렴해야 실험 반복 속도를 저해하지 않습니다.

6) 현장에서 발생한 실패 사례 7가지: 복합 재질의 리스크 관리

• 사례 1: 계면 접착이 약해, 표정 반복 구동이 지속되면서 층이 들뜨고 벌어지는 델라미네이션이 빠르게 발생했습니다.
• 사례 2: 장기 외관 유지를 위해 두꺼운 표면 코팅을 적용했으나, 코팅층이 단단해져 결과적으로 0.5mm 이하의 미세 표정 변화를 막아버렸습니다.
• 사례 3: 내부 온도가 35℃ 이상으로 누적되는 조건에서 피부 재질이 끈적임(Tackiness)을 띠게 되어 공기 중의 먼지나 오염 물질이 더 잘 흡착되는 문제가 생겼습니다.
• 사례 4: 촉감을 최우선하여 너무 연하게 설계(ShA 10 이하)한 결과, 특정 표정에서 장력이 한 곳에 집중되어 찢김이 발생했습니다.
• 사례 5: 두께를 0.8mm 이하로 극단적으로 얇게 설계했으나, 외부 마찰에 대한 보호층이 부족하여 특정 부위의 마모가 예상보다 훨씬 빨랐습니다.
• 사례 6: 강한 조명 아래에서 표면 광택이 과도하게 반사되어 로봇의 얼굴이 플라스틱처럼 비현실적으로 보이는 문제가 발생했습니다(광택 설계 실패).
• 사례 7: 세척 과정에서 표면 코팅이 손상되거나 광택 및 색상이 미묘하게 변하여 '관리할수록 망가지는' 역효과가 나타났습니다.

관련 글

• 휴머노이드 얼굴 피부 소재 비교
• 휴머노이드 얼굴 고급 피부 텍스처 제작 기술
• 휴머노이드 얼굴의 열관리 시스템
• 휴머노이드 얼굴의 노화 표현 기술
• 휴머노이드 얼굴의 장기 저장·보관 문제

결론: 휴머노이드 피부 기술의 미래

• 실리콘 복합 재질 기술은 휴머노이드의 피부를 단순히 '더 리얼하게' 만드는 미적 기술이 아닙니다. 이것은 내구력, 열 안정성, 색상 유지, 촉감이라는 네 가지 핵심 성능의 트레이드오프를 층(Layer) 설계로 분리하여 해결하는 고도화된 엔지니어링 솔루션입니다.
• 개발 단계에서 두께(0.8~2.0mm), 경도(ShA 10~20), 그리고 반복 피로 시험(50,000~100,000 사이클) 같은 명확한 수치 기준을 잡고 시작하면 개발 방향을 명확하게 설정할 수 있습니다.
• 복합 구조의 가장 큰 리스크는 외형이 아닌 계면(층 분리)과 코팅(미세 표정 둔화)에 있다는 점을 명심하고, 눈으로 보이는 '좋은 샘플'보다 '장기적인 운용 환경에서의 시험 결과'를 우선해야 현장형 로봇의 성공적인 적용이 가능합니다.

Q&A

Q1) 실리콘만으로는 왜 부족합니까

• 부드러운 촉감과 높은 내구라는 상반된 요구사항, 그리고 내부 모터 열에 의한 변형 및 외부 환경에 의한 변색이라는 복합적인 안정성 요구를 단 하나의 실리콘 경도로는 모두 만족시키기 어렵기 때문입니다.

Q2) 복합 재질에서 가장 중요한 설계 포인트는 무엇입니까

• 층 분리(Delamination)를 원천적으로 막는 계면 접착 설계입니다. 계면이 불안정하면 촉감이나 색상 변화보다 먼저 구조적인 실패가 발생하여 로봇 운영에 치명적인 영향을 줍니다.

Q3) 두께와 경도는 어떻게 시작하는 것이 안전합니까

• 두께 0.8~2.0mm, 경도 Shore A 10~20 범위 내에서 시작하고, 표정 구동 시 장력이 집중되는 부위에만 국부 보강(Reinforcement)을 적용하는 것이 성능과 내구성을 모두 확보하는 안정적인 접근법입니다.

Q4) 변색 방지는 코팅만으로 해결됩니까

• 코팅이 중요하지만 충분하지는 않습니다. UV/조명 조건, 사람의 접촉 오염, 그리고 오염 발생 시 세척 가능성까지 모두 포함하는 '운영 시스템' 관점에서 설계해야만 장기적인 품질이 유지됩니다.

현장형 로봇에게는 "처음 1주일"보다 "3개월 후의 안정적인 운영"이 훨씬 중요합니다. 복합 재질은 그 장기적인 신뢰성을 확보하기 위한 가장 현실적인 선택입니다.