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