KAIST 신소재공학과 스티브박 교수, 기계공학과 김정 교수, 한국전자통신연구원(ETRI) 심주용 박사 공동 연구팀이 균일한 성능과 이력현상이 낮은 인공 피부 제작 기술을 개발했습니다. <Small>에 게재된 논문에 따르면 연구팀이 개발한 기술은 향후 인공 피부, 헬스케어 장비 등 다양한 분야에 적용될 것으로 기대됩니다.
촉각 센서 개발이 어려운 이유
최근 로봇의 활용도가 높아짐에 따라 로봇에도 인간 수준의 감각을 구현하기 위한 촉각 센서에 대한 연구가 활발히 진행되고 있습니다. 하지만 다양한 연구결과가 매년 발표되고 있는 데 반해 개발 된 촉각 센서들의 상용화는 이루어지지 않고 있는 실정입니다. 이는 아직 촉각 센서 분야에서 해결되어야 할 문제점들이 존재하기 때문인데요. 문제점들 중 우선적으로 해결돼야 할 과제는 높은 이력현상과 낮은 균일성입니다.
이력현상이란 위의 그림과 같이 센서에 압력이 가해질 때와 제거될 때 센서의 전기적 신호의 변화 양상이 차이를 보이는 것입니다. 이러한 차이가 심할 경우 센서는 같은 압력에 대해서 다른 전기적 신호를 보일 수 있어 센서의 측정 정확도를 떨어뜨립니다. 따라서 낮은 이력현상의 촉각 센서 제작이 요구되죠.
두 번째로 센서의 균일성은 동일한 조건으로 제작 된 센서들이 동일한 성능을 나타내는 것을 뜻합니다. 즉, 높은 재현성을 말하는데요. 같은 조건으로 제작된 센서의 압력에 대한 민감도가 서로 다르면 센서의 측정 신뢰도가 떨어지게 됩니다. 센서의 재현성이 현저히 떨어진다면 센서를 상용화할 수 없기에 높은 균일성의 센서 제작 기술이 필요합니다.
연구팀의 해결책은?
연구팀은 낮은 이력현상과 센서 간 높은 균일성을 확보하기 위해 미세유체공정과 화학증착 기법을 활용했습니다. 연구팀은 균일한 기판을 제작하기 위해 미세유체공정을 활용해 균일한 기공 크기의 고분자 스펀지를 제작했습니다. 미세유체공정이란 T정션에 물상과 기름상을 서로 다른 유속으로 주입하여 두 상의 상분리를 활용하는 기술을 말하는데요. 본 미세유체공정에서는 물과 기름상의 유속을 조절해 기공의 크기 또한 조절이 가능하다고 합니다. 스펀지 기공의 크기는 1.43%의 변동계수 값을 나타냈습니다. 연구팀은 전산 시뮬레이션을 통해 스펀지의 기공의 크기의 변동계수 값이 클수록 센서 간 균일성이 낮아짐을 확인했습니다.
연구팀은 다음으로 제작 된 고분자 스펀지에 화학증착 기법을 활용해 전도성 고분자인 폴리피롤을 코팅했습니다. 화학증착 기법은 기판에 고분자를 화학반응을 통해 증착 시키는 방법으로 반응 시간을 조절하여 원하는 양의 고분자를 코팅하는 것이 가능합니다. 따라서 균일한 양의 전도성 고분자를 고분자 스펀지에 코팅할 수 있죠. 그 결과 제작된 센서는 센서 간 성능의 변동계수 값이 2.43%로 높은 균일성을 보였습니다. 또한 연구팀은 고분자 스펀지와 전도성 고분자가 강한 공유 결합을 형성해 2% 수준의 낮은 이력현상을 보임을 확인했습니다.
높은 이력현상의 경우 기판과 전도성 물질의 낮은 결합력에 의해 발생하는데요. 본 연구에서는 고분자 스펀지와 전도성 고분자가 강한 공유 결합으로 결합되었기 때문에 센서가 낮은 이력현상을 보였다고 합니다.
연구팀이 개발한 기술은 향후 인공 피부, 헬스케어 장비 등 다양한 분야에서 적용 가능할 것으로 기대됩니다. 이번 연구를 주도한 스티브 박 교수는 "이 기술은 실질적으로 센서의 상용화에 필요한 센서의 균일성을 높이며 이력현상은 감소시킬 수 있는 기술로, 센서의 상용화에 핵심기술로 활용할 수 있을 것으로 기대한다"고 말했습니다.
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