Soft tactile sensor의 응용처

기존의 tactile sensor는 딱딱한 기판을 사용하여 응용처가 제한되어 있었다면, soft tactile sensor는 유연하게 휠 수 있는 강점을 갖고 있어 다양한 분야에 폭넓게 응용이 되고 있다.

많은 soft tactile sensor의 응용처 중에 몇 분야를 선택해서 나타내면 다음과 같다.

• 터치 스크린
• 의료 기기
• 산업계
• 로봇 관련 분야

1) 터치 스크린

기계와 사람 사이의 상호 의사 소통의 가장 원초적이며 성공적인 사례 중 하나가 터치스크린일 것이다. 터치 스크린은 현재 단계에서 기술적 진보로나, 상업화 측면이나 많은 부분이 달성된 상태이다. 하지만 현재 단계에서 대부분의 터치스크린의 응용은 딱딱한 평판 상태에서 이루어져 왔다.

기존의 딱딱한 기판에서 벗어나, soft tactile sensor 기술을 접목시켜 유연하게 휠 수 있는 flexible touch screen이 하나의 중요한 기술로 떠오르고 있다. 이 기술의 발전은 추후 wearable electronics에도 접목이 되면서 삶의 모습을 크게 변화시킬 것으로 예상된다.

2) 의료 기기

현대에 들어 의료 기기의 발전은 수술실의 모습을 상당수 변화시키고 있다. 이 가운데 압력의 분포를 알아낼 수 있는 tactile sensor의 응용처는 매우 다양하다. 아래는 다양한 응용처 중 일부를 적어놓았다.

• Minimal invasive surgery
• Management of diabetic foot
• Gait analysis
• Orthotic assessment
• Optization of the seating and positioning of the neurologically compromised people
• Prosthesis and brace fitting
• Orthopaedic joint research
• Dental Prosthesis

특히 의료 로봇으로 최소 침습 수술의 경우, 실제 의료 도구가 어느 정도의 세기로 반력을 받는 지와 같은 haptic sensing 능력이 현재 부족하다. 따라서 이와 관련된 연구가 많이 진행되고 있으며, 특히 sensing 능력을 구현해주기 위해 soft tactile sensor가 하나의 답으로 생각되어지고 있다.

Gait 분석은 사람의 걸음 걸이를 분석해서 의도치 않은 토크나 압력에 의한 증상 등을 확인하는 데 사용되고 있다. 이 때에도 soft tactile sensor가 응용이 되어 wearable sensor나 portable platform으로 이용하려는 연구가 진행되고 있다.

3) 산업계

일반적인 산업계에서도 tactile sensor의 요구가 많다. 인간공학적 디자인을 적용할 경우나, 역학적 설계 시 힘의 분포 등을 알기 위해서는 힘의 분포를 알아야 하며 tactile sensor가 많이 이용이 된다.

예를 들어 자동차 업계에서 tactile sensor가 필요한 부분은 다음과 같다

• Dynamic pressure 분포 측정을 통한 brakepad의 설계
• Hinge와 latches에 걸리는 하중을 통한 차문 설치 시의 평가
• Windshield wiper의 blade에 걸리는 하중을 통한 wiper의 설계
• 하중 분포 확인을 통한 tire tread의 설계
• 차량용 의자의 설계

4) 로봇 관련 분야

로봇과 사람 사이의 상호연결(HRI)에서 큰 주제 중 하나가 촉각을 구현하는 것이다. 결국 로봇에 tactile sensor를 설치하고 이를 통해 사람에게 haptic interface로 전달을 해야한다. 또한 로봇이 인간에 가까워지기 위해서는 딱딱한 부품이 아닌 사람의 피부와 같이 유연한 재질로 제작이 되어야하며, 이에 soft tactile sensor 기술이 적용되고 있다.

출처

[1] P. Girao et al., 2013, "Tactile sensors for robotic applications", Measurement, 46, 1257-1271

Soft tactile sensor의 원리: Optoelectric type

Optoelectric type은 빛을 매개로 외부의 압력을 측정하는 방식의 tactile sensor를 의미한다. 보통 빛을 만드는 light emitter, 빛이 통과하는 transmission medium, 통과해 온 빛을 측정하는 detector로 구성되어 있다.

위의 그림은 Optoelectric type의 pressure sensor의 한 예시를 나타낸 것이다. 센서의 왼쪽과 위쪽 부분에서 빛을 만들어서 보내주게 되면 가운데에 있는 PDMS를 통해서 빛이 전파되게 된다. 이렇게 전파된 빛은 센서의 오른쪽 및 아래쪽 부분에서 관측되게 된다.

센싱 원리는 위와 같다. Light emitter를 통해 생성된 빛은 waveguide를 통해 흐르게 된다. 만약 이때 외부의 압력에 의해 waveguide에 변화가 생기면 이 부분을 통과할 수 있는 빛의 mode 개수가 변화하게 된다. 따라서 빛의 세기 등이 달라지며 photodetector를 통해 이 변화를 관측하여 외부 압력을 관측하게 된다.

Optoelectric type tactile sensor는 다른 센서 방식에 비해 매우 뛰어난 민감도와 정확성을 갖는다는 장점이 있다. 하지만 매개채로 사용하는 빛을 만들어야하기 때문에 power consumption이 상대적으로 크다는 단점이 있다.

출처

[1] Hammock M et al., 2013, “25th anniversary article: The evolution of electronic skin(e-skin): a brief history design considerations, and recent progress”, Adv. Mater., 25, 5997-6038

[2] M. Ramuz et al., 2012 "Transparent, Optical, Pressure-Sensitive ArtificialSkin for Large-area Stretchable Electronics", Adv. Mater., 24, 3223-3227

Soft tactile sensor의 원리: Capacitor type

Capacitor란 우리말로 축전기로서, 전하를 축적하고 있을 수 있는 형태의 전기적 소자를 의미한다. 대표적인 형태로서 두 개의 평행한 평판이다. 처음 전기적 퍼텐셜이 두 평판에 가해지면 두 평판으로 전자가 이동을 한다. 이후 두 평판 중 한 평판에 전자가 쌓이고 다른 한 평판은 상대적으로 전자가 적어 양전하로 대전된 상태로 간주된다. 이 때 양전하와 전자의 인력으로 서로를 고정시키게 된다.

위의 그림은 일반적인 capacitor를 나타낸 그림이다. capacitor의 성능을 나타내는 척도는 통상 capacitance, C로 나타내게 되며, 변수는 ε_r, A, D가 있다. 여기서 ε_0는 진공의 유전율로 8.855E-12 F/m이며, ε_r은 물질의 유전율, A는 평판의 넓이, D는 평판의 거리이다.

1. Capacitor type tactile sensor의 측정 원리

만약 capacitor 형태의 물체에 수직 힘이 가해질 경우를 생각하자. (그림의 상단부) 이 때 물체가 압축이 되면서, 두 판 사이의 거리가 감소하게 된다. 따라서 capacitance가 증가하게 된다.

이와 반대로 만약 수평적인 힘이 가해질 경우 (그림 하단부) 판이 미끌리면서 판이 마주하는 면적이 줄어들게 된다. 따라서 capacitance가 감소하게 된다.

따라서 변화하는 capacitance의 값를 측정한 뒤, 가해진 힘과의 관계를 밝혀 tactile sensor로 사용할 수 있다.

2. Capacitive type sensor 성능의 trade-off 사항

Capacitive type의 가장 큰 장점은 구조 자체가 단순하기 때문에 소형화하기 용이하다는 점이다. 따라서 capacitor array를 방대하게 깔아 tactile sensor array를 쉽게 만들 수 있다. 또한 작을 수록 power consumption이 작아지는 장점이 있다.

하지만 capacitor의 크기가 감소함에 따라(A가 감소함에 따라) capacitance 값 자체가 감소하게 된다. Sensor에 가해지는 압력을 계산하기 위해서는 capacitance의 변화를 관찰해야하나, capacitance의 값이 작아질 수록 관측기기 성능에 의해 측정하기가 힘들어진다. 또한 외부에 의한 간섭이 더욱 dominant 해지게 된다. 따라서 센서의 signal-to-noise ratio가 감소하게 되어 센서 특성이 나빠지게 된다.

따라서, sensor의 소형화와 sensor 성능 사이에는 trade-off 관계가 있다.

3. Capacitor 내부의 dielectric 물질

Capacitance의 크기는 두 평판 사이의 유전물질(ε_r) 에 의해서도 결정이 된다. Capacitor가 쉽게 눌리고 변형이 생겨 capacitance의 변화를 유도하기 위해서는 elastomeric한 유전물질을 사용하는 게 좋다.

하지만, 일반적인 경우, elastomeric polymer를 유전물질로 사용하더라도, 압축 가능한 정도가 매우 크지 않고 viscoelastic한 영향으로 response time에 영향을 주는 경우가 많다.

따라서 polymer 내부에 공기 구멍을 내어 변형이 잘 일어나도록 하는 연구가 많이 진행되고 있다. 하지만, 공기의 유전율(ε_r)이 매우 낮아 capacitance의 감소를 유발하고 SNR이 감소하는 문제점이 있다.

4. Capacitive type tactile sensor

이와 같은 capacitor를 이용하여 tactile sensor로 많이 응용되어 있다. 단순하게 평판의 형태가 아니라 굴곡이 지거나, 다양한 형태로 capacitor를 만들어 sensitivity를 높이려는 노력이 많이 이루어 지고 있다.

위의 그림에서 처럼, capacitor의 형태를 피라미드 array나 trench 형으로 만드는 경우도 있으며, 구부러질 수 있는 polymer 기판 위에 capacitor array를 만드는 경우도 있다. 현재의 연구 단계에서는 파리가 센서에 올라간 것 또한 충분히 감지해낼 수 있을 만큼 sensitive한 tactile sensor를 구현할 수 있는 정도이다.


출처
[1]Hammock M et al., 2013, “25th anniversary article: The evolution of electronic skin(e-skin): a brief history design considerations, and recent progress”, Adv. Mater., 25, 5997-6038
[2] S. Mannsfeld et al., 2010, "Highly sensitive flexible pressure sensors with microstructured rubber dielectric layers", Nat. Mater., 9

Soft tactile sensor의 원리: Piezoelectric type

Piezoelectric은 압전압의 의미를 갖고 있으며, 외부의 압력에 의한 변형에 따라 물질 자체가 전기적 퍼텐셜을 형성하는 것을 의미한다. 이런 현상은 대부분 물질의 구조적 특성에 의거하여 발생한다.

Piezoelectricity

위의 그림을 살펴보자. 위의 그림은 Quartz의 경우인데 별도의 하중이 없을 때는 전기적 인력, 반발력이 균형을 맞춘 상태가 된다.

여기서 좌우로 잡아 당기는 인장을 가하게 되면, oxygen 분자는 내부로 들어가며 silicon분자는 바깥으로 빠지게 된다. 이 때 구조의 상단부는 부분적으로 silicon atom에 의해 양전하가 우세하며 하단부는 oxygen atom에 의해 음전하가 우세하게 된다. 전체적으로 놓고 보았을 때 결정의 윗부분은 양극, 아랫부분은 음극을 띠게 된다. 즉 아래로 향하는 dipole moment를 갖게 된다.

이와 반대로 압축이 가해지게 될 경우, oxygen 분자는 위로 빠지게 되어 상단부는 음전하가 우세하며, 하단부는 양전하가 우세하게 된다. 즉 위로 향하는 dipole moment를 갖게 된다.

따라서 인장과 압축을 반복할 경우, 물질의 내부 구조 변화로 인해 전기적 퍼텐셜이 발생하게 되며 전류가 흐르게 된다. 이러한 현상을 piezoelectricity(압전압) 현상이라고 한다.

Piezoelectricity 성질을 갖는 물질의 대표적인 예는 다음과 같다.

• 무기물 : Lead Zirconate titanate (PZT), Zinc oxide (ZnO)
• 유기물 : Poly(vinylidenedifluoride) (PVDF)

Piezoelectric type의 tactile sensor

위에서 설명한 것에 연유해 piezoelectric 물질은 외부의 동적인 압력에 대해서 계속적인 전압을 형성한다. 따라서 어떤 정적인 압력에 대해서는 piezoelectric type으로 관찰이 불가능하다.

이런 이유로 piezoelectric type은 대개 진동을 감지할 수 있는 tactile sensor로 적용이 많이 된다.

위의 사진은 Piezoelectric 물질로 PZT를 사용해, 손가락에서 물체가 slip이 되는 것을 감지하는 센서를 만든 내용이다. 상단의 그림은 손가락에 집적된 slip sensor를 나타내는 그림이다.

물체가 손가락에서 미끄러질 때는 그냥 미끄러지는 것이 아닌, 진동을 일으키면서 미끄러지게 된다. 이는 물체의 이동에 따라 signal을 주는 rotary encoder를 사용해서 관측하였으며 하단 그림 중 왼쪽을 의미한다. 이에 따른 piezoelectric signal을 관찰한 게 오른쪽으로 물체의 slip과 piezoelectric signal이 연관관계를 지을 수 있음을 확인할 수 있다.

출처
[1]Hammock M et al., 2013, “25th anniversary article: The evolution of electronic skin(e-skin): a brief history design considerations, and recent progress”, Adv. Mater., 25, 5997-6038
[2] http://www.creationscience.com/onlinebook/Radioactivity2.html
[3] D. Cotton et al., 2007, "A Novel Thick-film Piezoelectric Slip Sensor for a Prosthetic Hand", IEEE Sensors J., 7, 752

보조 개념: 터널링 효과(tunneling effect)

터널링 효과는 양자역학에서 비롯된 개념으로 본디 전자가 에너지 장벽을 뚫지 못하지만, 소량의 확률로 이를 극복할 수 있다는 개념이다.

위의 그림과 같이 전자가 물질 사이에서 이동하기 위해서는 일정 수준 이상의 에너지를 필요로 하게 되며 이를 보통 에너지 장벽이라고 말한다. 이 에너지 장벽을 이겨낼 만큼의 에너지를 갖지 못하면 전자는 다른 물질로 이동할 수 없다.

하지만, 작은 확률로 전자가 에너지 장벽을 그냥 지나가는 경우가 있으며 이를 터널링 효과라고 한다.


출처
[1] http://scixchange.missouri.edu/blog-post/technology-in-our-modern-world-lasers-quantum-wells-and-the-limitless-possibilities-they-bring/quantum-tunneling/
[2] http://en.wikipedia.org/wiki/Tunneling_effect

보조 개념: Piezoresistive polymer composite과 piezoresistive 현상

Piezoresistive polymer composite

Piezoresistive polymer composite은 일반적으로 비전도체인 polymer 속에 전도성이 있는 입자를 섞음으로써 전도성을 띠는 polymer를 의미한다.

대개 전도성이 있는 입자는 작은 크기(나노~수 십 마이크로 미터)의 입자를 사용하며 그 종류는 metal particle(Au, Ag 등), Carbon nano tubes, graphite 등 다양하다.

polymer가 어느 수준 이상으로 전도성 입자를 함유하게 될 경우 전도성 입자들이 서로 연결된 network를 이루며 polymer 전반으로 전기가 흐를 수 있는 통로(current path)를 형성하게 된다. 이때 전기적 통로는 다분히 확률적으로 생성이 되며 이에 영향을 미치는 파라미터로는 입자의 크기, 입자의 aspect ratio, 입자의 질량분율, 입자의 정렬 방향 등이 있다.

이와 같은 현상을 보통 percolation이라 말하며 이를 접근하는 방법을 percolation theory라고 한다.

Piezoresistive polymer composite에서의 piezoresistive 현상

Piezoresistive polymer composite에서의 piezoresistive 현상은 아래와 같은 원리에 의해 일어난다.

• 내부 전도성 물질 자체의 비전도도 변화
• 내부 전도성 물질 사이의 터널링 효과 변화
• 변형에 의한 전기적 통로 개수의 변화

1) 내부 전도성 물질 자체의 비전도도 변화

이 현상은 앞서 설명한 물질 자체의 비저항 변화로 인해 설명될 수 있다. Polymer composite이 압축을 받으면서 내부의 물질이 하중을 받으며 변형을 하게 되면, 전도성 입자들 또한 변형을 받게 된다. 이 때 전도성 입자의 구조적 변화에 의해 비전도(ρ)도가 변화하게 되며 composite의 전체적인 저항이 변화하게 된다.

일례로 Si, carbon nano tubes(CNTs)와 graphene 등이 해당 성질을 가지며, CNTs와 graphene의 경우는 별도의 포스트에서 설명을 하였다.

2) 내부 전도성 물질 사이의 터널링 효과 변화

Composite 내부에서 전자가 이동하는 경로는 대개 다음과 같다.

• 전도성 입자를 통해 흐르는 것
• 전도성 입자와 전도성 입자 사이가 polymer이지만 이를 뚫고 흐르는 것 (터널링 효과)

전류가 보통은 대개 전도성 입자를 통해서 흐르게 되지만 일부 전류는 터널링 효과에 의해 확장된 전기적 통로에 기인해 흐르게 된다.

Composite이 압축되거나 인장이 될 경우 전도성 입자 사이의 polymer matrix의 양이 감소하거나 증가할 수 있다. 이에 따라 터널링 효과가 일어날 수 있는 확률은 매우 큰 폭으로 차이가 나게 된다. 일반적으로 일정 수준의 변형에는 터널링 효과가 크게 의미 없지만, 큰 변형에서는 큰 영향을 주게 된다.

3) 변형에 의한 전기적 통로 개수 변화

Piezoresistive polymer composite는 기본적으로 내부 전도성 입자의 연결로 인해 전기적 도전성을 갖게 된다. Composite이 변형이 일어났을 때 내부 전도성 입자의 위치 또한 이동하게 된다. 이 때 원래 이루고 있던 전기적 통로가 끊어지거나 혹은 새로운 전기적 통로가 생성되기도 한다. 따라서 composite의 저항값이 변화하게 된다.

위의 그림은 전도성 물질로 나노와이어를 사용하며 인장이 가해질 때의 내부 와이어들의 이동에 관한 그림이다. 그림에서 보는 것과 같이 처음에는 상당히 많은 수의 나노와이어들이 연결을 이루고 있다. 하지만 인장이 가해짐에 따라 나노와이어들이 움직이게 되며 이에 따른 연결이 감소하는 것을 알 수 있다. 이런 현상에 의해 전기적 통로 또한 감소하게 되며, 저항값이 증가하게 된다.

출처

[1] J. Nicolic et al., 2007, "Electrically Conductive Adhesives", Micro- and Opto-electric Materials and Structures: Physics, Mechanics, Design, reliability, Packaging, 571-610

[2] M. Park et al., 2008, "Strain-dependent electrical resistance of multi-walled carbon nanotube/polymer composite films", Nanotechnology, 19, 055705

[3] M. Amjadi et al., "Highly Stretchable and Sensitive Strain Sensor based on Ag NWs-Elastomer Nanocomposite", ACS Nano, 8, 5154-5163
[4] Hammock M et al., 2013, “25th anniversary article: The evolution of electronic skin(e-skin): a brief history design considerations, and recent progress”, Adv. Mater., 25, 5997-6038

보조 개념: Graphene, CNTs에서의 piezoresistivity

Graphene과 Carbon nano tubes(CNTs)은 전기적 특성이 매우 우수한 것으로 알려져 있다.

Graphene과 CNTs의 주성분은 탄소로 다이아몬드나 흑연과 동일한 성분이다. 탄소는 일반적으로 sp3의 혼성 결합으로 매우 강하게 주변의 탄소와 결합을 한다. (CNTs는 graphene이 튜브 형태로 말려있는 것을 의미한다.) 하지만 graphene이나 CNTs는 2차원 배열로 sp3의 결합이 모두 채워지는 것이 아니라 1개의 결합이 남은 상태로 자유롭게 움직일 수 있는 전자를 추가적 내놓게 된다. 따라서 매우 우수한 전기적 특성을 갖게 된다.

하지만 CNTs가 변형을 받게 될 경우, 한 쪽 면에 있던 탄소 분자들이 반대편의 분자들과 인접하게 된다. 이 때 해당 부분의 sp2 결합이 인접한 반대의 분자들과 결합을 하면서 sp3 결합을 이루게 된다. 따라서 carrier의 개수가 줄어들게 되며 전기적 특성이 떨어지게 된다. (아래 그림, 빨간 원자는 변형이 일어난 뒤 sp3 결합을 이루는 원자이다.)

따라서 CNTs와 graphene의 경우 재료 자체가 심한 압력을 받게 될 경우, 물질 자체의 비저항값이 증가하게 되며 ρ가 변화하는 piezoresistive 특성을 띠게 된다.

출처

[1] 분자 구조 사진 : http://what-when-how.com/nanoscience-and-nanotechnology/fulle renes-and-carbon-nanotubes-nanotechnology/
[2] T. W. Tombler et al., 2000, Nature, 405,769

보조 개념: Gauge factor

Piezoresistive type의 센서의 경우 민감도(sensitivity)를 나타내는 기준으로 흔히 gauge factor를 사용한다.

Gauge factor의 의미는 다음과 같다

• 기계적 strain의 양 ε과 저항 R의 변화에 관한 상대적 비율

따라서, 가해진 변화에 대해 얼마나 많이 저항값이 변화하는 가를 의미하게 되며, 이는 곧 piezoresistive type의 sensor의 민감도를 나타내게 된다.

출처

[1] http://en.wikipedia.org/wiki/Gauge_factor

Soft tactile sensor의 원리: Piezoresistive type

 서두에서 말했듯이 Piezoresistive는 압저항의 의미를 갖고 있으며, 외부의 압력에 의한 변형에 따라 물체의 저항이 바뀌는 방식을 의미한다. 대개 우리가 관찰하는 파라미터는 전기적 저항치이며 변화한 전기적 변화와 외부 압력의 관계를 파악한다.

1. 기본 원리

 Piezoresistive는 결국 저항의 변화를 이용한 것이기 때문에 물체가 갖고있는 저항이 가장 중요한 파라미터이다. 아래는 우리가 익히 알고있는, 물체가 가진 저항을 계산하는 방식이다.

여기서의 R, ρ, L, A는 각각 물체의 저항, 물질의 비저항, 물체의 폭, 물체 넓이이다. 물체의 폭과 단면은 전류가 물체를 통해 흐를 때 전류의 방향과 같은 방향이 폭, 수직한 방향이 단면넓이이다. 따라서 위의 관계식을 통해 저항이 바뀔 수 있는 파라미터는 ρ, L, A 총 3개가 된다. 만약 외부의 압력이 물체에 가해지게 되면, ρ, L 혹은 A 등이 바뀌게 되며 그 결과로 물체의 저항이 변화하게 된다.

Piezoresistive type pressure sensor는 기본적으로 위의 원리를 이용하게 된다. 하지만 이는 하나의 물체 자체의 관점에서 본 것이며, 여러 개의 물체 사이의 관계를 이용하는 방법 또한 있다. 이는 따로 자세히 설명할 것이다.

정리하면 piezoresistive type의 저항 변화는 다음의 방법들로 이루어질 수 있다.

• 물체의 형상이 변화해 L, A의 값이 변화하며 이에 따른 R의 변화가 유도됨
• 물체 자체가 갖고 있던 성질(ρ)이 외부 압력에 의해 변화해 R의 변화가 유도됨
• 두 물체가 나란히 있을 때, 외부 압력에 의한 접촉 저항의 변화로 R의 변화가 유도됨
• 외부의 압력에 의해 서로 연결된 전도성 입자의 수가 변화할 때 R의 변화가 유도됨

1) 물체의 형상이 변화해 L, A의 값이 변화하며 이에 따른 R의 변화가 유도됨

위의 변화 파라미터 중에서 물체의 변형에 의한 L, A의 변화를 이용하는 방법이다.

위의 그림에서와 같이 물체가 압력을 받았을 때 물체는 변형을 받는다. 만약 물체 내부 물질의 폭이 반이 되었을 때, L 값이 반이 되므로 물질의 저항은 반으로 줄어들게 된다. 이 원리를 이용했을 때는 센서의 gauge factor가 이론적으로 2 이상 넘을 수 없는 단점이 있다.

2) 물체 자체가 갖고 있던 성질(ρ)이 외부 압력에 의해 변화해 R의 변화가 유도됨

일반적으로 비저항(ρ)값은 물질의 고유 특성이라고 알고 있다. 하지만 물질이 변형을 받음에 따라 물질의 특성 자체가 변화하는 경우 또한 존재하며 대표적인 예로 silicon이나 carbon nano tubes(CNTs), graphene이 있다.

물질이 변형을 하게 되면 원래 갖고있던 구조가 바뀌게 되며, 특수한 경우에는 전자가 오히려 binding 되거나 오히려 방출되기도 한다. 따라서 전기를 흐르게하는 carrier의 숫자가 바뀌게 되며 이것이 물질 자체의 비저항(ρ)값을 바꾸게 된다.

하나의 예로 CNTs와 graphene의 경우를 별도의 포스트에 설명하였다.

3) 두 물체가 나란히 있을 때, 외부 압력에 의한 접촉 저항의 변화로 R의 변화가 유도됨

 기본적으로 아무리 매끄러워 보이는 표면이라도 마이크로 나노 단위에서는 거친 표면을 가질 수밖에 없다. 만약 두 매끄러운 금속이 서로 맞닿아 있더라도 두 금속 사이의 계면은 울퉁불퉁한 표면이 서로 점 접촉의 형태로 있게 된다. (아래 그림)

따라서 전기는 서로 만나는 접촉 점을 따라서 흐르게 되며 이로 인해 발생되는 저항을 접촉저항(contact resistance, Rc)라고 한다.

만약 두 금속 판을 누르게 되면 변형으로 인해 점접촉 부위의 숫자가 증가하게 되며 전류가 통할 수 있는 양이 증가하게 된다. 즉 접촉 저항이 감소한다. 이런 방식을 이용해 두 물체를 하나의 물체로 보았을 때 piezoresistive type형 물질로 생각할 수 있다. 접촉 저항과 가해지는 힘의 크기는 다음의 관계를 갖는다고 알려져 있다.

여기서, Rc는 접촉 저항, F는 가한 힘의 크기이다. 이 방식의 장점은 온도에 영향을 크게 받지 않으며, 측정하기 원하는 힘의 대역을 쉽게 조정 가능하다는 점, 또한 구부러진 형태로 쉽게 만들 수 있다는 점이다. 하지만 hysteresis 특성을 갖거나, 원치않은 drift가 발생된다는 단점 또한 있다.

4)외부의 압력에 의해 서로 연결된 전도성 입자의 수가 변화할 때 R의 변화가 유도됨

이 형태의 방식은 일반적으로 polymer와 전도성 물질의 혼합체에서 의미가 있다. 원래 거의 모든 polymer는 강한 비전도체이며 전류가 거의 흐르지 않는다. 따라서 이 polymer 속에 전도성 입자를 넣어 도전성이 있도록 만드는 형태가 일반적이다. 

만약 외부의 힘이 가해져서 물체가 압축이 되면 polymer 내부에 있는 물질이 압축되어 여러 현상을 겪게되며, 그로인해 piezoresitive 성질을 갖게 된다. 이 때 일어나는 현상들은 다음과 같으며 별도의 포스트에서 설명을 하였다.

• 내부 전도성 물질 자체의 비전도도 변화
• 내부 전도성 물질 사이의 터널링 효과 변화
• 변형에 의한 전기적 통로 개수의 변화

출처
[1] Hammock M et al., 2013, “25th anniversary article: The evolution of electronic skin(e-skin): a brief history design considerations, and recent progress”, Adv. Mater., 25, 5997-6038

[2] R. Timsit, 1999, "Electrical Contact Resistance: Properties of Stationary Interfaces", IEEE Trans. Comp. Packag. Technol., 22, 85-98

Soft tactile sensor의 원리: 개괄

일반적인 tactile sensor의 목적은 외부에서 가해지는 압력을 감지하고 정량화하는 데에 있다. 이는 결국 pressure sensor가 갖고 있는 목적과 동등하며 사실 상 원리 또한 동일하다.

Pressure sensor를 구현하기 위한 방법은 매우 다양하나, 가장 크게 많이 이루어지고 있는 방법은 아래의 4개와 같다.

1. Piezoresistive type (압저항 방식)
2. Piezoelectric type (압전압 방식)
3. Capacitor type (캐패시터(축전) 방식)
4. Optoelectric type (광전자 방식)

이번 포스트에서는 각각의 방식이 갖는 원리를 간단히만 설명을 하며, 구체적인 내용은 각각의 새로운 포스트에서 더 자세하게 밝힌다.

1. Piezoresistive type

Piezoresistive는 '압력'이라는 의미의 piezo라는 접두사와 '저항'을 의미하는 resist가 함께 연결된 합성어이다. 따라서 외부의 압력에 의해 물체의 저항이 바뀌며, 바뀐 저항을 읽어들여 외부의 압력을 계산하는 방식이다. piezoresistivity를 구현하는 방법은 매우 다양하며 크게 물체가 가진 외형적 변화를 이용하거나, 물체 자체의 비저항을 변화하는 방법으로 나뉜다.

2. Piezoelectric type

Piezoelectric은 piezoresistive와 비슷하게, 외부의 압력에 의해 물체 자체가 내부에서 전기적 퍼텐셜을 갖게 되고 외부로 이어진 회로에 전류가 흐르는 점을 이용한 것이다. 대개 이는 재료 자체의 구조, 결정 특성에 기인한 것으로 압저항 방식에 비해 사용되는 재료가 한정적이다. 또한 재료가 전압을 띠는 원리가 반복적인 구조 변형에 따른 dipole 진동에 의한 것이기 때문에, 동적 외력에 의해서만 작용할 수 있다는 단점이 있다.

3. Capacitor type

Capacitor type은 말 그대로 축전효과를 응용한 방법이다. 두 평행한 평판이 축적할 수 있는 전하량은 평판의 크기에 비례하고 거리에 반비례한다는 기본적인 원리를 이용한다. 원리가 매우 간단하기 때문에, 단순하게 소자를 설계할 수 있다는 큰 장점이 있다.

4. Optoelectric type

Optoelectric type은 빛이 매질을 통과할 때, 외부 압력에 의해 매질이 변형됨에 따라 바뀌는 빛의 양을 측정하여 압력을 계산한다. 매질이 변형됨에 따라 매질을 통과할 수 있는 빛의 mode의 수가 변화하여 빛의 세기가 변화하는 점을 이용한 방법이다.

크게 위의 네가지 형태가 있으며, 각각 방법이 가진 장단점을 아래 표에 작성하였다.

참고문헌

[1] Hammock M et al., 2013, “25th anniversary article: The evolution of electronic skin(e-skin): a brief history design considerations, and recent progress”, Adv. Mater., 25, 5997-6038

[2] R. A. rahim et al., 2012, “Current Trend of Tactile Sensor in Advanced Applications”, Sensors & Transducers Journal, 143, 8, 32-43

Soft tactile sensor란?

Soft tactile sensor란 연성을 의미하는 soft와 촉각 센서를 의미하는 tactile sensor의 의미가 합쳐진 단어이다. 따라서 말 그대로 부드럽게 휠 수 있는 촉각 센서를 의미한다. 

Tactile sensor는 원래 metal 자체를 사용하거나, silicon을 기판으로 사용해서 많은 개발이 이뤄져 왔다. 하지만 tactile sensor의 응용처 자체가 사람의 피부 및 촉각계를 모사해야하는 환경에서 이루어진다는 점을 생각할 때, 기존의 tactile sensor는 부드럽게 휠 수 없고 부드러운 느낌을 줄 수 없다는 문제점이 있었다.

따라서 이런 tactile sensor를 부드럽거나 자유롭게 인장, 압축이 될 수 있는 polymer를 기판으로 제작하는 기술이 크게 관심을 받으며 많은 연구, 개발이 진행되고 있다. polymer의 경우는, 특히 silicon-based polymer의 경우는, brittle한 특성을 갖는 기존의 silicon 기판의 tactile sensor에 비해 인장 압축이 300~500%까지 자유롭게 가능해 우수한 인장, 압축 특성을 갖는다. 또한 일부 polymer는 재질 혹은 촉감이 사람의 피부와 거의 유사하다는 장점이 있다. 또한 PDMS나 ecoflex와 같은 polymer-based elastomer는 액체를 원하는 틀에 넣거나 모양을 만들어서 굳히기 때문에, 원하는 형상으로 쉽게 공정이 가능한 장점이 있다.

사실, 정확하게 말하면, polymer를 기판으로 사용하여 다양한 application은 매우 광범위하며 통상 flexible electronics라고 불리운다. 이 분야는 polymer위에 metal이나 다양한 반도체 물질을 패터닝하는 방법, 기판이 휘어질 때의 회로 안정성 등 매우 폭넓은 분야이며, 이 분야의 application 중 일부분이 tactile sensor로 응용되고 있다.

이 블로그를 통해 밝히고자 하는 soft tactile sensor의 내용은 다음과 같다.

• Soft tactile sensor의 원리
• Soft tactile sensor의 응용처

각각의 세부적인 내용은, 각각에 할당된 page를 통해 설명하고자 한다.