[논문]미세구조를 활용한 고감도 압력센서

심우영

미세구조를 활용한 고감도 압력센서 원문보기

세라미스트 = Ceramist, v.20 no.2, 2017년, pp.58 - 65

심우영 (연세대학교 신소재공학과)

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문제 정의

1에 정리하였다. 본 논문에서는 시각상호작용이 가능한 압력센서에 관해 현재까지 진행된 연구를 소개하여 이에 대한 기본적인 이해를 돕고자 한다.
현재까지 다양한 구조를 기반으로 압력센서 개발이 이루어지고 있으며, 자극의 세기를 구분할 수 있는 압력센서의 장점을 바탕으로 응용분야가 확장되는 추세이다. 본 논문을 통해 미세구조를 활용한 압력센서의 연구동향과 다양한 응용분야에 대해서 논하려고 한다.
본 연구팀은 발열층과 서모크로믹 물질을 포함한 다층구조 PDMS 복합재와 저항식 압력센서를 이용하여 사용자의 압력에 대해 외부의 신호처리 없이 즉각적인 반응을 제공하는 시각 상호작용형 압력센서를 개발하였다.¹⁹⁾ 서모크로믹 물질은 특정온도를 기준으로 서로 다른 색을 가지는 마이크로 캡슐 형태의 염료다.

제안 방법

대표적인 연구결과로써, 마이크로 돔(microdome) 형태의 미세구조를 도입한 저항식 압력센서가 있다.⁵⁾ 탄성중합체인 PDMS (polydimethylsiloxane)와 전도성 물질인 탄소나노튜브의 복합체로 이루어진 마이크로 돔을 특징으로 하는 해당 압력센서는, 압력이 가해질 경우 교차구조(interlocked structure)가 형성되어 접촉저항이 크게 증가하는 특성을 이용하였다. 또한 최근에는 피라미드(pyramid) 형태의 미세구조를 기반으로 하는 저항식 압력센서가 소개된 바 있다.
서모크로믹 물질은 색변화의 구동력으로 열을 사용하기 때문에 액추에이터(Actuator)의 제작이 간단할 뿐만 아니라 유연성 폴리머와 혼합하여 손쉽게 유연성, 신축성을 가질 수 있는 장점이 있다. 본 연구팀은 압력이 가해짐에 따라 저항이 감소하는 센서를 이용하여 전기적 신호로 압력을 감지하고 저항식 센서 작동에 수반하는 줄열을 서모크로믹 색변화의 구동 열로 사용하였다. 이를 통해 전체 디바이스 구조를 단순화하고 미세구조 압력센서의 높은 공간해상도를 시각 반응 표시에 적용되도록 하였다.
본 연구팀은 압력이 가해짐에 따라 저항이 감소하는 센서를 이용하여 전기적 신호로 압력을 감지하고 저항식 센서 작동에 수반하는 줄열을 서모크로믹 색변화의 구동 열로 사용하였다. 이를 통해 전체 디바이스 구조를 단순화하고 미세구조 압력센서의 높은 공간해상도를 시각 반응 표시에 적용되도록 하였다. 이러한 방식의 시각 상호작용형 압력센서는 구조 및 공정이 간단하고 높은 공간 해상도를 가지며 기존의 디스플레이와 달리 수동소자만으로 구성가능한 장점이 있다.

성능/효과

고분자 복합재료에 미세구조가 도입된 저항식 압력센서는, 압력이 가해질 경우 접촉저항이 크게 증가하기 때문에 감도 특성이 크게 개선될 수 있다. 또한 미세구조가 도입될 경우 고분자 복합재료의 점탄성(viscoelasticity) 특성을 최소화하여 압력센서의 반응속도 및 회복속도, 안정성 측면이 크게 개선됨이 확인되었다. 대표적인 연구결과로써, 마이크로 돔(microdome) 형태의 미세구조를 도입한 저항식 압력센서가 있다.
특히 전극표면의 거칠기를 활용한 압력센서는 지배방정식의 세 가지 파라미터인 전극간의 거리(d), 상대유전율(εr), 전극간의 면적(d)을 동시에 조절함으로써 감도, 감지속도 및 회복속도, 안정성 측면에서 매우 우수한 특성을 보임이 확인되었다.

후속연구

고감도 압력센서는 미래의 사물인터넷 시대의 핵심기술로 헬스케어 및 지능형 자동차, 각종 전자기기에 폭넓게 적용될 전망이다. 특히 미래의 전자기기가 점차적으로 소형화, 웨어러블, 지능화로 발전됨에 따라 이에 대응할 수 있는 고감도 압력센서 기술의 중요성이 더욱 부각되고 있다.
그러나 이러한 중앙처리장치를 매개로 하는 상호작용 방식은 입출력 변환에 따른 연산장치의 신호처리 부담을 가중시킬 뿐만 아니라 그에 따른 반응 지연시간이 필연적으로 발생할 수밖에 없는 단점이 있다. 또한 입력장치와 연산장치, 출력장치로 구성된 시스템은 부피 감소에 제한점이 되어 사물인터넷 시대의 큰 장애가 될 것으로 예상된다. 이러한 문제를 극복하기 위해 최근 압력센서와 디스플레이를 통합 구성하여 외부 연산장치 없이 즉각적인 상호작용을 제공하는 인터페이스에 대한 연구가 이루어지고 있다.
이러한 요구에 따라 압력센서 기술은 최근 몇 년간 감지 성능의 상당한 발전이 이루었으며 미래에도 상당한 연구가 진행될 것으로 전망된다. 미래의 압력센서는 장차 디스플레이와 결합하여 입출력을 통합적으로 제공하는 HCI 인터페이스로 발전하여 모든 사물에 IT를 적용하는 진정한 의미의 사물인터넷을 구현하는데 중요한 토대가 될 것으로 예상된다. 압력센서 기술은 그 자체의 활용뿐만 아니라 다른 산업의 부품으로서의 중요성 또한 크기 때문에 점차 그 활용이 증가함에 따라 미래의 중요산업으로 부상할 전망이다.
이러한 문제를 극복하기 위해 최근 압력센서와 디스플레이를 통합 구성하여 외부 연산장치 없이 즉각적인 상호작용을 제공하는 인터페이스에 대한 연구가 이루어지고 있다. 이러한 연구는 종전의 입력장치에 국한되었던 압력센서의 응용범위를 확장시켜 미래의 통합 HCI 상호작용기기로서 높은 가능성을 지닐 것으로 전망된다.
특히 미래의 전자기기가 점차적으로 소형화, 웨어러블, 지능화로 발전됨에 따라 이에 대응할 수 있는 고감도 압력센서 기술의 중요성이 더욱 부각되고 있다. 이러한 요구에 따라 압력센서 기술은 최근 몇 년간 감지 성능의 상당한 발전이 이루었으며 미래에도 상당한 연구가 진행될 것으로 전망된다. 미래의 압력센서는 장차 디스플레이와 결합하여 입출력을 통합적으로 제공하는 HCI 인터페이스로 발전하여 모든 사물에 IT를 적용하는 진정한 의미의 사물인터넷을 구현하는데 중요한 토대가 될 것으로 예상된다.
그러나 아직까지 많은 압력센서기술이 연구단계에 머물러 상용화까지 이어지지 못하는 실정이다. 이에 따라 제조공정에 이용되는 재료 및 공정비용을 최소화하고 사용자가 필요로 하는 기능성에 부합할 수 있는 새로운 개념의 공정 기술을 개발하기 위한 노력이 산학 양면에서 더욱더 이루어져야 할 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	압력의 정의는?	최근 IoT(사물인터넷) 시대를 맞이하여 개인 전자 장치부터 헬스 케어 및 인공 지능 시스템에 폭넓은 적용이 가능한 압력센서에 대한 수요가 끊임없이 증가하고 있다. 압력은 단위 면적당 가해지는 힘으로 정의되며, 이를 정확히 감지하는 것은 단순히 터치(touch)를 인식하는 것 이상의 중대한 의미가 있다. 압력센서는 단순히 터치를 감지하는 2차원적인 의미를 넘어서서, 압력의 강도를 구분할 수 있는 3차원적인 의미를 살린 다양한 분야로 응용 가능한 장점이 있기 때문이다.
	압력센서의 장점은?	압력은 단위 면적당 가해지는 힘으로 정의되며, 이를 정확히 감지하는 것은 단순히 터치(touch)를 인식하는 것 이상의 중대한 의미가 있다. 압력센서는 단순히 터치를 감지하는 2차원적인 의미를 넘어서서, 압력의 강도를 구분할 수 있는 3차원적인 의미를 살린 다양한 분야로 응용 가능한 장점이 있기 때문이다.1,2) 따라서 Fig.
	압력센서의 압력범위는 어떻게 나누는가?	1,2) 따라서 Fig. 1과 같이 극미세 압력범위(<1 Pa), 미세 압력범위(1 Pa-1 kPa), 낮은 압력범위(1-10 kPa), 중간 압력범위(10-100 kPa) 등으로 나뉘어서 각각의 압력범위마다 다양하게 응용되고 있다.

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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