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