휴머노이드 얼굴 피부 소재 비교: 실리콘·TPU·라텍스, 두께와 경도로 선택하기

휴머노이드 얼굴의 “자연스러움”은 고가 액추에이터보다 피부의 소재 물성에서 먼저 결정되는 경우가 많습니다. 같은 구동 구조라도 피부가 늘어나는 방식, 주름이 생기는 타이밍, 표면의 광택도가 달라지면 로봇이 주는 인상이 완전히 바뀝니다. 실제로 제가 진행했던 프로젝트 경험에 비춰보면, 소재 선택 실패로 재작업에 들어간 경우가 구동계 문제보다 훨씬 많았습니다.

 

이번 글은 휴머노이드 얼굴 스킨 제작에 가장 많이 사용되는 실리콘, TPU, 라텍스 3가지 소재를 두께 0.8~2.0mm, 경도(Shore A), 찢김 강도, 발열/변색/오염/코팅성을 기준으로 심층 비교하고, 저의 실제 적용 경험을 바탕으로 목적별 최적의 조합을 제시합니다.

휴머노이드 얼굴 피부 소재 비교: 실리콘·TPU·라텍스, 두께와 경도로 선택하기

핵심 요약

• 실리콘: 압도적인 촉감과 탄성 회복력이 강점입니다. 표정 주름과 볼륨 이동이 가장 자연스럽게 표현되지만, 비용과 진공 탈포 공정 난이도가 가장 높습니다.
• TPU: 내구성과 생산성이 뛰어나 대량 생산이나 장기적인 실사용 운영에 유리합니다. 표면 질감과 광택을 잘 세팅하면 '실사용형' 로봇에 가장 적합한 현실적인 선택지입니다.
• 라텍스: 얇은 두께 구현에 유리하지만, 자연 노화/경화가 빠르고 알레르기 이슈가 있어 장기 운영이나 상용 제품에는 신중한 접근이 필요합니다.

1) 휴머노이드 피부 소재 선택의 7가지 핵심 기준

휴머노이드 피부 소재는 단순한 탄성만 보는 것이 아니라, 장기적인 운영 환경을 고려해야 합니다.

• 두께: 0.8mm / 1.2mm / 1.5mm / 2.0mm. 얇을수록 표정이 섬세하나, 찢김 저항이 급격히 낮아집니다.
• 경도 (Shore A): 경도 ShA 10~20은 인간의 피부와 가장 유사한 부드러움을 제공하여 자연스러운 표정 주름을 만들지만, 내구는 약합니다. ShA 25~35는 내구성이 확보되는 타협점입니다.
• 찢김 강도 (Tear Resistance): 특히 입꼬리, 콧방울, 눈가 등 힘이 집중적으로 모이는 부위에서 소재의 찢김 저항성이 절대적인 품질 기준이 됩니다.
• 연신율 (Elongation) 및 복원력: 늘어남(연신율)이 커야 표정이 자연스러우나, 복원력이 낮으면 시간이 지남에 따라 '영구 변형(복원 드리프트)'이 발생하여 표정이 굳어 보일 수 있습니다.
• 내열/발열 영향: 로봇 내부의 모터 열이나 외부 조명 열이 쌓이면 피부 소재의 경도가 변하거나 변색/변형이 발생할 수 있습니다. 이는 장기 운영의 치명적인 실패 요인입니다.
• 변색/오염 및 코팅 호환성: UV 광선, 실내 먼지, 사용자의 손기름, 메이크업 또는 보호 코팅제와의 화학적 상용성을 반드시 확인해야 합니다. 실리콘은 코팅제가 잘 붙지 않아 별도의 프라이머 처리가 필수입니다.
• 가공성 및 비용: 액체 실리콘 캐스팅(LSR), TPU 사출/프린팅, 라텍스 몰딩 등 공정 방식과 난이도에 따라 제작 비용이 수십 배까지 차이 날 수 있습니다.

2) 휴머노이드 피부 소재별 특징과 실무 적용 비교

항목	실리콘 (LSR, Platinum Cure)	TPU (Thermoplastic Polyurethane)	라텍스 (Natural Rubber)
표정 자연스러움	최상. 주름 발생 및 볼륨 이동이 사람의 피부와 가장 유사함.	중∼상. 질감 및 광택 세팅에 따라 크게 달라짐.	중. 얇게 만들 수 있으나, 시간이 지날수록 경화되어 표정이 부자연스러워짐.
내구/수명	중∼상. 찢김은 설계에 좌우되나, 소재 자체의 화학적 안정성이 높음.	최상. 마모, 충격, 화학적 내성이 뛰어나 장기 운영에 가장 유리함.	하∼중. UV 노화 및 경화(Curing)가 빨라 장기 전시/운영에 부적합함.
권장 두께 (mm)	1.2∼2.0mm. 1.5mm가 표정과 내구의 균형점.	0.8∼1.5mm. 얇은 두께 구현이 용이함.	0.8∼1.2mm. 매우 얇게 제작 시에만 경쟁력 있음.
권장 경도 (Shore A)	ShA 10∼25. 20 이하에서 촉감이 가장 좋음.	ShA 70∼95. 경도 범위가 넓어 선택의 폭이 다양함.	상대적으로 낮게 세팅 가능.
코팅/도색	난이도 상. 프라이머 및 표면 에칭 처리가 없으면 코팅이 박리(peeling)됨.	중. 코팅 호환성이 넓어 도색 관리가 상대적으로 용이함.	중. 수명이 짧고 박리/변색 이슈로 관리가 어려움.
오염/변색	오염 방지 코팅(Anti-fouling)이 필수. 코팅이 없으면 먼지가 쉽게 고착됨.	UV 안정화 레시피가 중요. TPU는 장기간 태양광 노출 시 황변 가능성이 있음.	땀, 유분, 광 노출에 극도로 민감.
제작 난이도	중∼상. 정밀 금형, 진공 탈포, 혼합비 관리 등 고난이도 공정 요구.	중. 사출/3D 프린팅 등 공정 선택폭이 넓음.	중. 장기 품질 유지를 위한 몰드 관리와 숙련도가 중요함.

3) 실제 제작 환경에서의 두께 0.8∼2.0mm 선택 가이드

피부 두께는 표정의 '관성 모멘트'와 직결됩니다. 얇을수록 모터 토크 소모가 적고 움직임이 빠르지만, 내구성이 급감하는 교차점을 찾는 것이 중요합니다.

• 0.8mm (극세 표현용)
  장점: 눈가/입술처럼 미세한 근육 움직임이 요구되는 곳에 부분 적용 시 표정 디테일이 극대화됩니다.
  주의: 찢김, 구멍, 오염에 가장 취약합니다. 전면 적용은 피해야 하며, 내부 보강재(패치)를 반드시 사용해야 합니다.
• 1.2mm (표정/내구 밸런스)
  실제 적용: 가장 많은 서비스형/전시형 로봇에 사용되는 황금 비율입니다. 표정 움직임과 기본적인 찢김 방지 내구성을 확보할 수 있습니다.
• 1.5mm (센서 및 내구 강화)
  장점: 내구도를 높이면서도 표정이 크게 둔해지지 않는 타협점입니다. 특히 정전식/압력 센서를 피부 아래에 내장할 때 센서의 오작동을 줄이는 데 유리합니다.
• 2.0mm (내구 최우선)
  주의: 표정이 눈에 띄게 무겁게 느껴질 수 있습니다. 볼, 광대처럼 큰 볼륨 이동만 요구되는 구간이나, 반복적인 마찰이 예상되는 목 연결부 등에만 부분적으로 적용하는 것이 효율적입니다.

4) 목적별 최적의 소재 조합 및 실제 경험 기반 조언

전시/연구용 (최고의 표정 디테일 및 촉감)

• 목표: 최고 수준의 표정 디테일, 사람과 유사한 촉감.
• 추천 조합: 실리콘 중심 (ShA 10∼20) + 핵심 구간(눈가/입가) 0.8∼1.2mm 얇게 + 나머지 1.5mm.
• 실무 팁: 부드러운 실리콘(ShA 10∼15)을 사용할 때는 금형 표면을 무광 처리하여 미세 요철을 만드세요. 이는 광택으로 인한 인공적인 느낌을 줄여줍니다.

서비스/매장 운영용 (내구, 오염, 유지보수 용이성)

• 목표: 장기간의 마찰/오염 방지, 쉽고 빠른 교체 및 유지보수.
• 추천 조합: TPU 중심 (내마모성/UV 안정화 등급) + 표면 무광 코팅 + 교체형 스킨 모듈 구조.
• 실무 팁: 어두운 톤이나 약간의 텍스처가 있는 TPU를 사용하면 먼지나 작은 긁힘이 티가 덜 나서, 체감 품질 수명을 획기적으로 늘릴 수 있습니다.

이동형/실외 대응 (UV, 온도 변화, 발열 대응)

• 목표: 극한의 환경 변화에 대한 안정성, 발열로 인한 변형 최소화.
• 추천 조합: UV 안정화 등급이 높은 TPU 또는 특수 실리콘 + 내열 보호 코팅 + 내부 온도 모니터링 시스템 필수.
• 실무 팁: 실리콘은 열전도율이 낮아 내부 열을 가두기 쉽습니다. 따라서 열 방출 덕트나 방열 패드를 피부 안쪽에 밀착시키는 구조 설계가 가장 중요합니다.

5) 휴머노이드 피부 제작 현장에서 자주 발생하는 실패 사례 4가지와 해결책

실제로 제작자나 연구자들이 흔히 겪는, 설계 단계에서 놓치기 쉬운 실패 사례와 이를 해결하기 위한 실무적 접근법을 공유합니다.

실패 1) 입꼬리 주변의 반복적 찢김 (Tearing)

• 원인: 표정을 지을 때 힘이 한 점(특이점)에 집중되고, 두께가 너무 얇거나(0.8mm 단독) 소재의 찢김 강도가 낮은 경우입니다.
• 해결: 찢김이 발생하는 힘의 방향을 분석하여, 내부 보강 패치(Mesh)를 적용하거나 해당 구간의 두께를 1.2mm 이상으로 부분적으로 높여 힘을 주변으로 분산시키도록 설계해야 합니다.

실패 2) 표면이 끈적해지고 먼지가 고착됨 (Tackiness)

• 원인: 실리콘의 경우, 경화 촉매 잔여물이나 코팅 부재, 또는 주변 환경의 가소제/유분 성분과의 반응 때문입니다. 특히 싸구려 실리콘에서 자주 발생합니다.
• 해결: 플래티넘 경화 실리콘을 사용하고, 실리콘 전용 탑코트로 마감해야 합니다. 주 1회 표면 클리닝 루틴 (IPA나 전용 세정액 사용)을 정립하여 관리해야 합니다.

실패 3) 색상 변색 (황변/백화) (Discoloration)

• 원인: UV 노출, 열 축적, 실리콘 내부의 첨가제나 안료의 화학적 불안정성 등 복합적입니다. TPU는 황변, 실리콘은 백화 현상이 대표적입니다.
• 해결: 제작 시 UV 안정제가 첨가된 레시피를 사용하고, 내부 발열을 40°C 이하로 제어해야 합니다. 색상은 밝은 톤보다는 약간 미디엄 톤이 미세한 변색이 티 나지 않습니다.

실패 4) 표정 움직임이 “무겁게” 느껴짐 (Sluggishness)

• 원인: 피부 두께가 전면 2.0mm 이상이거나, 경도가 과도하고, 무엇보다 구동 모터의 토크 대비 피부 저항이 지나치게 높기 때문입니다.
• 해결: 표정 움직임의 효율을 높이는 레버/케이블 메커니즘을 설계해야 합니다. 또한, 반드시 표정 움직임의 임계 토크를 측정하여 피부 소재를 최종 확정해야 합니다.

6) 피부 소재의 ‘장기 운영 품질’ 최소 테스트 체크리스트

피부 소재의 선택은 단기적인 성능보다 장기적인 안정성을 기준으로 테스트해야 합니다.

• 촉감 및 광택 평가: 실내 스튜디오 조명과 일반 매장 조명 2가지 조건에서 촉감과 무광/유광 상태의 외관을 확인합니다.
• 오염 및 세정 테스트: 손기름이나 먼지(카본 블랙 등)를 접촉시킨 후 24시간 방치합니다. 이후 전용 클리너로 닦았을 때 얼룩이나 잔여물 유무를 확인합니다.
• 열 부하 및 변형 테스트: 로봇을 35∼45°C 구간에서 4시간 이상 연속 구동합니다. 구동 전후의 경도(Shore A) 변화나 미세 변형 (특히 이음새 부위)을 정밀 측정합니다.
• 반복 피로 테스트: 가장 움직임이 큰 표정(예: 입꼬리 최대치 올리기)을 10,000회 이상 반복합니다. 찢김 발생, 코팅 박리, 복원 드리프트(영구 변형) 발생 여부를 체크합니다.
• 마찰 및 압력 안전성: 사람의 손이나 물체가 반복적으로 닿는 부위의 표면 마모나 긁힘에 대한 저항성을 평가합니다.

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8) 결론 및 최종 조언

휴머노이드 얼굴 피부 소재의 최종 선택은 표현하고자 하는 목표와 실제 운영 환경의 두 축을 모두 고려해야 합니다.

• 표현 디테일을 최우선으로 한다면, 실리콘에 부분 얇은 두께 설계가 유리합니다.
• 장기 운영 내구와 유지보수 용이성을 최우선으로 한다면, TPU에 교체형 모듈 구조가 가장 현실적입니다.
• 가장 안전한 방법은 소재 자체의 물성표를 신뢰하기보다, 운영 환경을 가정한 오염/발열 테스트를 표준화하여 실제 환경에서의 품질을 검증하는 것입니다.

Q&A 

Q1) 경도(Shore A) 20 이하의 실리콘을 사용할 때 주의할 점은 무엇인가요?

• ShA 20 이하는 촉감은 매우 우수하나, 표면 에너지가 높아 먼지 고착이 쉽고 찢김 강도가 급격히 낮아집니다. 반드시 표면 코팅(탑코트)과 내부 보강 섬유를 적용하고, 금형 탈형 시 표면 손상이 가지 않도록 숙련된 기술자가 작업해야 합니다.

Q2) TPU를 선택했을 때 실리콘과 같은 ‘자연스러운 주름’을 구현할 수 있을까요?

• TPU는 실리콘처럼 부드럽지 않아 자체적인 미세 주름은 어렵습니다. 대신, 피부 아래에 기계적인 주름 유도 가이드를 설계하여, TPU 스킨이 특정 움직임에서만 접히도록 유도하는 하이브리드 메커니즘을 적용하는 것이 해법입니다.

Q3) ‘복원 드리프트’는 왜 생기며, 실리콘과 TPU 중 어느 것이 더 심한가요?

• 복원 드리프트는 소재가 장시간 늘어나 있는 상태에서 분자 구조가 재배열되어 원래 상태로 돌아가지 않는 현상입니다. 저경도 실리콘이 낮은 탄성률 때문에 더 취약합니다. TPU는 열가소성 폴리우레탄 특성상 복원력이 우수해 드리프트 현상이 비교적 적습니다.

Q4) 가장 먼저 해야 할 테스트 1가지를 고른다면, 어떤 것을 추천하시겠습니까?

• 오염 및 세정 테스트를 최우선으로 추천합니다. 현장에서는 먼지/손기름/조명 반사가 누적되면서 로봇의 외관이 빠르게 저하되어 ‘싼 티’가 나기 쉽습니다. 외관 품질이 체감 만족도를 가장 크게 좌우합니다.

똑같은 소재라도 조명·먼지·온도 조건이 달라지면 결과가 달라져요.
따라서 운영 환경을 가정한 테스트부터 표준화해 두는 편이 훨씬 유리합니다.