갈륨 미세입자 탄성 복합체 기반 고민감도와 광대역폭을 갖는 가변 강성 압력센서

1. 서 론

인간의 오감을 모방한 전자 기기는 증강 현실, 로보틱스, 의료 공학, 인간-기계 인터페이스 등 다양한 분야에 응용될 수 있어 많은 관심을 받고 있다[1-3]. 이에 따라 인간의 청각 및 시각을 모방하는 전자기기는 각각 오디오와 카메라의 기술 발전을 통해 인간의 감각을 뛰어넘는 수준으로 성장하였으나, 외부 압력 변화를 감지하는 촉각 인지 기술은 아직 초기 연구 단계에 머무르고 있다[4,5]. 인간 피부의 감지 능력을 모방하는 압력센서가 개발된다면, 인간이 도달하기 위험한 장소나 작업이 어려운 극한 환경의 압력 변화를 측정할 수 있기 때문에 다양한 활용이 가능할 것이다[6].

많은 연구자들이 인체 촉각 감지 능력을 모방한 압력센서를 개발하기 위해 노력하였으며 특히 인간 피부의 민감도를 모사하기 위한 연구가 집중적으로 이뤄졌다. 연구자들은 고민감도 압력센서 구현을 위해 센서의 재료로 쉽게 변형 가능한 물질을 사용하거나 내부 구조를 피라미드 구조, 주름 구조, 다공성 구조 등 예민한 압력 변화 감지가 가능한 형태로 제작하였다[7-11]. 적합한 재료 사용과 기하학적 내부 구조 변형을 통해 성공적으로 인간 피부와 비슷하거나 그보다 더 뛰어난 감도를 달성했지만, 이렇게 미세한 압력 감지를 위해 개발된 센서들은 기계적 특성이 약하며 큰 압력을 견디지 못해 좁은 압력 감지 범위의 한계를 보였다[12-14].

이를 해결하기 위해 기존 압력센서의 고민감도를 유지하면서 광범위한 압력 측정이 가능한 가변 강성 압력센서가 등장하였다. 새로 등장한 가변 강성 압력센서는 상변화 겔 (phase-change-gel)을 기반으로 제작되었으며 온도 변화에 따라 겔의 상태를 조절하여 압력센서의 강성도를 변화시킬 수 있다[15]. 고온에서의 상변화 겔은 부드러운 상태가 되어 센서가 미세한 외압이 감지 가능한 고감도 모드가 되고, 저온에서의 겔은 단단한 상태가 되어 센서는 높은 압력이 측정 가능한 광범위 압력 모드가 된다. 그러나 상변화 겔을 사용한 가변 강성 압력센서는 광범위 압력 모드에서 고감도 모드에 비해 상대적으로 큰 압력을 측정할 수는 있으나 겔의 강성도가 충분히 크지 않아 여전히 측정 가능한 압력 범위가 낮고 (~350 kPa), 구조물의 견고성이 떨어지는 한계점이 있었다.

이 한계를 해결하기 위하여 온도에 따라 강성도가 변화하며 액체 상태와 고체 상태의 강성 변화율 차이가 극명한 액체 금속 갈륨을 사용한 가변 강성 압력센서가 등장하였다[16]. 갈륨의 경우 고체 상태에서 9.8 GPa이라는 높은 강성도를 보여 광범위 압력 모드에서 넓은 범위의 압력 측정이 가능했으나, 제작된 센서는 내부 미세 갈륨 알갱이들의 크기가 불균일하여 센서 간 다양성이 높고 재현성이 낮다는 문제가 발생하였다.

본 연구에서는 기존 압력센서들의 상기한 문제점을 극복한 새로운 가변 강성 정전 용량형 압력센서를 제작하였다. 미세 유체 기반 제작방식을 통해 센서 내부에 액체 금속 갈륨을 균일하게 제조하여, 압력센서의 균일성과 재현성을 확보하였다. 열적 자극으로 센서 내부 갈륨 미세방울들의 액체-고체간 상변화가 가능하며, 이를 통해 압력센서의 두 가지 모드 – i)고감도 모드와 ii)광범위 압력 모드 – 중 원하는 모드를 선택하여 용도에 맞게 적절히 사용할 수 있다. 고감도 모드에서 압력센서는 인간의 측정할 수 있는 최소 압력인 100 Pa 보다 훨씬 작은 3 Pa의 미세한 압력까지 측정 가능한 높은 민감도(16.97 kPa^-1)를 보였고, 광범위 압력 모드에서 압력센서는 인간이 견딜 수 있는 압력인 400 kPa를 뛰어넘어1.45 MPa까지 측정 가능하였다. 또한 우리의 가변 강성 압력센서의 간단한 제작과정과 센서 간 높은 균일성을 기반으로 단일 압력센서를 2D 어레이로 확장하여 가변 강성 전자피부를 개발하였다. 제작된 가변 강성 전자피부로 혈중 맥박부터 아기 체중까지 다양한 범위의 압력을 성공적으로 측정하여 고감도/광범위 압력 측정 능력을 입증하였으며, 단일 전자피부로 효율적인 헬스케어가 가능함을 보여주었다.

2. 연구 방법

Fig. 1은 T자형 미세 유체관을 이용하여 갈륨 미세방울을 균일하게 도포하는 과정을 보여준다. T자형 미세 유체관의 두 개의 삽입관에 각각 탄성체 (Polydimethylsiloxane (PDMS))와 액체 갈륨을 넣으면 PDMS에 균일하게 내제된 갈륨 미세방울이 출구관으로 배출된다. T자형 미세 유체관을 사용시 균일한 크기의 갈륨 미세방울 제작이 가능하고, 두 삽입관에 유입되는 PDMS와 갈륨의 속도 조절 시 쉽게 갈륨 미세방울의 크기를 조절할 수 있다는 장점이 있다.

Fig. 1.

Schematic diagram of the uniform gallium droplet production.

PDMS 주입 속도 대비 갈륨 주입 속도가 빨라질수록 갈륨 미세방울 크기는 커지는 경향을 보였으며, 각 삽입관의 유체 속도를 조절하여 Fig. 2의 서로 다른 세 가지 사이즈의 갈륨 미세방울(사이즈1: 345 μm, 사이즈2: 452 μm, 사이즈 3: 883 μm)을 제작하였다. 갈륨 미세방울의 크기는 센서 성능 – 민감도, 이력형상, 과냉각 정도 – 에 직접적인 영향이 있어 압력센서에 적합한 갈륨 크기를 찾는 것이 중요하다. 각 사이즈의 갈륨 미세방울을 내포한 센서 제작 후 센서의 성능을 분석한 결과, 사이즈 1의 갈륨 미세방울을 내포한 압력센서는 낮은 민감도와 낮은 온도에서도 얼지 않는 심각한 과냉각 문제를 보였다. 과냉각 현상이란 녹는점 아래의 온도에서 액체가 고체로 상변화 하지 않고 액체 상태를 유지하는 현상으로, 갈륨 미세방울의 사이즈가 작을수록 갈륨 방울에 내제된 결정핵 생성제의 비율이 낮아 심각한 과냉각 현상을 보였다. 사이즈 3의 갈륨 미세방울을 내포한 압력센서는 내부 미세방울 크기들의 크기 편차가 커서 센서 간 균일성이 떨어지며 센서의 신뢰성을 저해하는 이력현상이 심각하게 나타난다는 한계점이 있었다. 이러한 열적 특성과 기계적 특성 분석을 통해, 압력센서에 적합한 갈륨 방울 사이즈는 452 μm인 사이즈 2임을 입증하였다.

Fig. 2.

Various size of gallium microdroplet in PDMS – Size 1: 345 μm, Size 2: 452 μm, Size 3: 883 μm.

제작한 가변 강성 압력센서를 효율적으로 사용하기 위해서는 센서의 빠른 강성도 변화가 필수적이다. 가변 강성 압력센서를 최적화된 크기(452 μm)의 갈륨 미세방울로 제작하였으나, 여전히 갈륨 자체의 과냉각 현상으로 센서의 모드 전환 속도가 늦는 문제가 존재하였다. 이러한 갈륨의 과냉각 현상을 억제하기 위해 갈륨에 결정핵 생성제를 첨가하였다. 기존 연구를 통해 알려진 그래핀, 철 등 다양한 결정핵 생성제 중 액체 PDMS에 고르게 섞일 수 있는 철 미세입자를 사용하였다. Fig. 3은 철 미세입자를 통한 갈륨의 과냉각 현상 감소를 보여준다. Fig. 3(a)를 통해 갈륨 미세방울에 철 미세입자가 부착된 것을 확인할 수 있으며 Fig. 3(b)는 순수 갈륨 미세방울에 비해 철 미세입자가 첨가된 경우 어는점이 얼마나 상승했는지를 보여준다. 10˚C, 20 ^oC, 22 ^oC의 서로 다른 저온에서 철 미세입자가 부착된 갈륨-탄성 중합체와 순수 갈륨-탄성 중합체를 동결시킬 때, 철 미세입자가 갈륨의 과냉각 현상을 억제하여 철을 첨가한 갈륨이 순수 갈륨에 비해 더 높은 온도에서 얼기 시작했다. 22 ^oC의 냉각기에서 얼린 경우, 순수 갈륨-탄성 중합체는 녹는점인 29.7 ^oC 보다 낮은 온도임에도 과냉각 현상으로 인해 액체 상태로 유지되었고, 철 입자가 첨가된 갈륨-탄성 중합체만 어는 것을 확인하였다.

Fig. 3.

Supercooling reduction by adding iron microparticles. (a) Optical image of iron added gallium-elastomer composite. (b) Freezing temperatures of gallium microdroplet with and without iron microparticles.

3. 결과 및 고찰

인체 촉각 감지 능력을 모방하기 위해 압력센서는 높은 민감도와 광범위한 압력 감지능력이 필요하다. 이러한 센싱 능력을 갖기 위해 우리는 철 미세입자가 첨가된 사이즈 2 (452 μm)의 갈륨 미세입자를 내포한 가변 강성 정전 용량형 압력센서를 제작하였다. 제작된 가변 강성 압력센서는 외부 열적 자극 하에 내부 갈륨 미세 방울의 상변화가 일어나며 갈륨 상태에 따라 압력센서의 모드가 결정된다. Fig. 4는 가변 강성 압력센서의 고감도 모드와 광범위 압력 모드에서의 센싱 능력을 보여준다. 내제된 갈륨이 액체 상태인 고감도 모드의 압력센서는 16.97 kPa^-1의 높은 민감도를 보이며 3 Pa의 미세한 압력 변화까지 감지할 수 있고, 갈륨이 고체 상태인 광범위 압력 모드의 압력센서는 아주 큰 압력인1.45 MPa까지 측정할 수 있다. 더 나아가 광범위 압력 모드에서 가변 강성 압력센서는 항복 강도 (yield strength)가 7.43MPa이며 이는 170 kg의 오토바이의 바퀴로 누르는 힘(3.5MPa)의 두 배 이상의 압력을 견딜 수 있는 만큼 견고함을 보여준다 [17].

Fig. 4.

Plot comparing sensitivity and bandwidth in large bandwidth and high sensitivity mode, respectively.

제작된 가변 강성 압력센서는 단일 센서의 2D 어레이로 확장을 위한 세 가지 조건 – 센서 간 균일성, 센서 성능 재현성, 대량 생산 가능성–을 만족시킨다. 기존의 갈륨 기반 압력센서는 막자와 막자사발을 통해 인공적으로 탄성체 내부에 갈륨 미세방울을 제작하여 센서 내부에 불균일한 갈륨을 내포하였으나, 이와 다르게 우리는 T자형 미세 유체관을 이용하여 고른 크기의 갈륨 알갱이 제작 시 센서 간 균일성과 재현성을 확보하였다. 센서 간 균일성을 입증하기 위하여 9개의 압력센서를 웨이퍼 위에서 서로 다른 위치에서 제작한 후 각 센서의 민감도와 압력 측정 범위를 비교하였다. Fig. 5는 각 9개의 압력센서는 민감도와 압력 측정 범위가 각 모드에서 모두 균일하다 것을 보여주는 그래프이다. 또한 T자형 미세 유체관을 이용한 갈륨-탄성 중합체 제작 과정은 아주 간단하여 센서의 대량 생산이 가능하다. 따라서 가변 강성 압력센서의 균일성, 재현성, 대량 생산 가능성을 기반으로 단일 센서를 2D 어레이로 확장하였으며, 이를 활용하여 가변 강성 전자피부를 제작하였다.

Fig. 5.

Uniformity test for nine different pressure sensors for the large bandwidth mode and high sensitivity mode, respectively.

Fig. 6은 온도 조절기와 가변 강성 압력센서 2D어레이를 활용하여 제작한 가변 강성 전자피부의 모식도이다. 가변 강성 전자피부의 고감도 모드와 광범위 압력 모드의 양방향 능동 전환을 위해 균일 압력센서 어레이 아래에 미세 유체 기반 온도 조절기를 제작하였다. 유입하는 액체의 온도 설정을 통해 목적에 맞게 가변 강성 전자피부의 모드를 전환이 가능하다. 미세 유체 기반 온도 조절기에 갈륨의 녹는점보다 높은 온도의 액체를 유입시키면 전자피부 내부의 갈륨이 액체 상태인 고감도 모드가 되고, 갈륨의 녹는점보다 낮은 온도의 액체를 유입 시 갈륨이 고체 상태인 광범위 압력 모드가 된다. 유입 액체의 온도에 따라 전자피부의 모드 전환 시간이 조절되며 미세 유체 온도 조절기에 58 ^oC의 물을 유입 시 27초 후 내부 갈륨이 고체에서 액체로 상변화 하여 전자피부는 미세한 압력 측정이 가능한 고감도 모드로 전환되었고, 약 3 ^oC의 물을 유입 시, 49초 후 내부 갈륨이 액체에서 고체로 상변화 하여 강한 기계적 특성을 가지며 무거운 압력 감지가 가능한 광범위 압력 모드로 전환되었다.

Fig. 6.

Schematic diagram of adaptive e-skin based on 2D array of adaptive pressure sensor.

가변 강성 전자피부는 온도 조절기에 유입된 액체의 온도에 따라 모드를 선택할 수 있고, 광범위 압력 모드와 고감도 모드를 활용하면 단일 전자피부로 다양한 헬스 케어가 가능하다. Fig. 7의 각 모드에서의 센싱 사진과 그래프를 통해 가변 강성 전자 피부를 이용하여 광범위 압력 모드에서는 아기의 몸무게를 측정할 수 있고 고감도 모드에서는 미세한 압력 변화인 맥박 측정이 가능함을 확인할 수 있다. 이 외에도 전자피부를 이용하여 고감도 모드에서 물방울을 감지하고 무당벌레 무게를 측정하였으며, 광범위 압력 모드에서 망치로 내리치는 힘과 사람의 발걸음을 측정하였다. 미세한 압력부터 무거운 압력까지 광범위한 압력 측정 시연을 통해 가변 강성 전자 피부의 다양한 기능과 유용성을 검증하였다.

Fig. 7.

Optical image and sensing graphs of the adaptive e-skin in two different modes – (a) baby’s weight measurement in the large bandwidth mode and (b) blood pressure measurement in the high sensitivity mode.

4. 결 론

결론적으로, 우리는 인간 피부의 감지 능력을 넘어선 새로운 가변 강성 압력센서를 제작하였다. 갈륨의 상 변화 특성을 활용하여 우리 압력센서의 모드를 전환하였고, 원하는 목적에 맞게 고감도 혹은 광범위한 동적 범위를 달성할 수 있었다. 미세유체 기반 제작 방식을 이용하여 압력센서에 균일하게 제작한 갈륨 미세방울을 통해 기존의 갈륨 기반 압력센서들이 갖는 한계점인 높은 이력현상과 낮은 센서 간 균일성 문제를 해결하였다. 제작한 가변 강성 압력센서의 균일성, 재현성, 대량 생산 가능성의 장점을 통해 단일 가변 강성 압력센서를 2D 어레이로 확장할 수 있었고 이를 기반으로 가변 강성 전자피부를 제작하였다. 센서 어레이 아래 부착한 온도 조절기의 내부 유체 온도를 컨트롤하여 전자피부의 압력 측정 민감도와 동작 범위를 변경하였고 고감도 모드에서 맥박을, 광범위 압력 모드에서 아기의 무게를 측정하였다. 단일 전자피부로 다양한 압력 측정을 하는 성공적인 시연을 통해 제작한 압력센서만의 독보적이며 다용도적인 특징을 입증하였다. 해당 가변 강성 전자피부는 인간이 도달할 수 없는 곳에서 감도 및 외압 측정을 수행하는 로봇 산업에 사용이 가능하며 로봇의 굴곡 구조에 맞게 형태를 변형시킬 수 있어 미래의 잠재성, 활용성 측면에서 높은 가치를 가질 것이라고 기대한다.

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