KR102659978B1 - 이종 구조의 초고감도 정전용량형 촉각 센서 및 그 제조방법 - Google Patents

이종 구조의 초고감도 정전용량형 촉각 센서 및 그 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명에서는 간단하고 경제적인 전략을 사용하여, 미세기공 내에 성게형 TiO2 입자를 포함하는 계층적 구조의 P(VDF-TrFE)-TiO2 유전층과 계층적 마이크로콘 구조를 갖는 두 개의 Ag-PDMS 전극층으로 통합된 초고감도 정전용량형 촉각 센서를 개시한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 이종 구조의 초고감도 정전용량형 촉각 센서는, 미세기공 내 성게형 TiO2 입자가 포함된 계층적 구조(HSP-MP structure)를 가지는 유전층; 및 계층적 마이크로콘 구조(HM structure)를 가지고, 상기 마이크로콘이 상기 유전층을 향하도록 상기 유전층의 상부와 하부에 배치되는 전극층;을 포함한다.

Description

이종 구조의 초고감도 정전용량형 촉각 센서 및 그 제조방법 {Ultrasensitive capacitive tactile sensor with heterostructure and manufacturing method thereof}
본 발명은 초고감도와 초고속 응답/이완 기능을 모두 갖춘 정전용량형 촉각 센서에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 유전층과 전극층에 이종 미세구조를 도입하여 소신호를 원활히 감지할 수 있는 초고감도 정전용량형 촉각 센서 및 그 제조방법에 관한 것이다.
인체에서 가장 큰 감각 기관인 피부는 루피니 말단(Ruffini ending), 파시니안 소체(Pacinian corpuscle), 마이스너 소체(Meissner corpuscle) 및 메르켈 세포(Merkel cell)를 포함하여 기계수용체(mechanoreceptor)로 알려진 여러 감각 뉴런 하위 유형의 신경 분포를 받는다. 피부 표피와 진피에 존재하는 이러한 기계수용체는 외부 자극을 구심 신경을 통해 뇌의 감각 피질로 전달하여 외부 환경과의 정상적인 의사소통 및 상호작용을 달성한다.
인간의 피부를 모방하기 위해 촉각 정보를 전기 신호로 직접 변환할 수 있는 일련의 전자 장치를 탐구했는데, 이를 전자피부(e-skin)라고 한다. 전자피부의 핵심인 플렉서블 촉각 센서는 의료 모니터링, 지능형 보철(prosthetics) 및 인공지능에 잠재적으로 응용될 수 있어 전례 없는 관심을 받고 있다. 많은 유형의 촉각 센서 중에서 정전용량형 촉각 센서는 단순한 장치 구조, 낮은 소비전력 및 넓은 적용 범위의 장점으로 인해 지배적인 관심을 받고 있다.
최근 COVID-19의 세계적 대유행으로 미세한 생리적 신호까지 감지하는 헬스케어 모니터링 시스템의 지능화 요구가 지속적으로 증가하고 있는 가운데, 이를 위해서는 장착된 촉각 센서의 높은 감도와 빠른 응답/이완 시간을 필요로 한다. 촉각 센서는 우수한 감도를 통해 높은 SN비(SNR, signal-to-noise ratio)로 미세한 신호 변화를 정확하게 식별할 수 있으며, 빠른 응답/이완 시간으로 고주파 신호를 정확하게 캡처할 수 있다.
전통적인 전략은 주로 촉각 센서의 유전체 층에 미세 구조를 도입하는 것이었다. 2010년에 비특허문헌 1에서 미세 피라미드 배열이 있는 PDMS 엘라스토머 유전층이 처음 제안되었으며, 이는 전례 없는 감도와 매우 짧은 응답 시간을 갖는 정전용량형 압력 센서를 제공하였다. 그 후, 자기 보조 방법, 템플릿 방법 및 전기방사를 포함한 마이크로 나노 공정법을 사용하여 미세구조를 갖는 일련의 유전체 층을 설계하고 준비하여 왔다.
최근 몇 년 동안 미세 구조 전극층에 대한 몇 가지 전략이 제안되었다. 예를 들어 비특허문헌 2는 정전용량형 압력 센서의 초고감도(7.68kPa-1)와 빠른 응답(30ms)을 달성하기 위해 제어 가능한 미세구조와 완벽하게 등각적인 그래핀 전도성 필름을 가진 3차원(3D) 미세 등각 그래핀 전극층을 제안하였다. 비특허문헌 3에서는 전자피부가 msec 범위에서 더 높은 감도와 빠른 응답 시간을 얻을 수 있도록 하는 자연에서 영감을 받은 필로택시 나선형 배열 피라미드 미세구조 전극을 제안하였다. 구조화된 유전체 또는 전극층은 소자의 감도와 응답/완화 시간을 다소 개선하지만 여전히 상대적으로 낮으며, 소신호에 대한 명확하고 안정적인 지각이 어려운 문제가 있었다. 이를 바탕으로 유전체층과 전극층 모두에 미세구조를 도입하여 만족스러운 센싱 성능을 얻을 수 있는지에 대한 연구가 시급하다.
또한, 미세구조의 유형도 장치의 감지능에 중요하다. 지난 10년 동안 보고된 촉각 센서의 대부분은 microdome, micropillar, micropyramid 및 microcone 구조와 같은 규칙적이고 단일한 미세구조에 초점을 맞추어 왔다. 어느 정도 높은 감도를 달성하기는 하지만 그 정도가 충분하지 않으며, 감도가 높은 촉각 센서는 미세하게 이격된 미세구조를 갖는 경향이 있어 언로딩 중에 계면 접착이 일어나기 쉬우므로 이완 시간(히스테리시스)이 과도하게 길어지게 된다.
위에서 언급한 문제를 해결하기 위해 연구자들은 다중 레벨 분포를 갖는 일련의 미세구조, 즉 이종 구조(heterostructure)를 설계하고 감도와 히스테리시스를 최적화하기 위해 이를 저항성 촉각 센서에 도입하였다. 예를 들어 비특허문헌 4에서는 구리 메쉬에 MOF 하이브리드 어레이(MHA)의 계층 구조(hierarchical structure)를 합성하고 빠른 응답/이완 시간(<1ms) 및 고감도(307kPa-1)를 갖는 MHA@Mesh 기반의 플렉서블 압력 센서를 제작하였다. 그러나 이종 구조를 갖는 정전용량형 촉각 센서는 거의 연구되지 않았고 정전용량형 촉각 센서에서 이종 구조가 제공하는 성능의 우월성은 체계적으로 규명되지 않았다. 따라서 이종 구조를 갖는 유전층과 전극층 모두 소신호 인지를 가능하게 하는 초고감도 정전용량형 촉각 센서를 구축하기 위해서는 철저한 평가가 필요하다.
S. C. B. Mannsfeld, B. C.-K. Tee, R. M. Stoltenberg, C. V. H.-H. Chen, S. Barman, B. V. O. Muir, A. N. Sokolov, C. Reese, Z, Bao. Highly sensitive flexible pressure sensors with microstructured rubber dielectric layers. Nat. Mater. 9, 859-864 (2010). J. Yang, S. Luo, X. Zhou, J. Li, J. Fu, W. Yang, D. Wei. Flexible, tunable, and ultrasensitive capacitive pressure sensor with microconformal graphene electrodes. ACS Appl. Mater. Interfaces 11, 14997-15006 (2019). C. M. Boutry, M. Negre, M. Jorda, O. Vardoulis, A. Chortos, O. Khatib, Z. Bao. A hierarchically patterned, bioinspired e-skin able to detect the direction of applied pressure for robotics. Sci. Robot. 3, eaau6914 (2018). K. Zhou, C. Zhang, Z. Xiong, H.-Y. Chen, T. Li, G. Ding, B. Yang, Q. Liao, Y. Zhou, S.-T. Han. Template-directed growth of hierarchical MOF hybrid arrays for tactile sensor. Adv. Funct. Mater. 30, 2001296 (2020).
본 발명에서는 간단하고 경제적인 전략을 사용하여, 미세기공 내에 성게형 TiO2 입자를 포함하는 계층적 구조의 P(VDF-TrFE)-TiO2 유전층과 계층적 마이크로콘 구조를 갖는 두 개의 Ag-PDMS 전극층으로 통합된 초고감도 정전용량형 촉각 센서를 제공하고자 한다.
실시예들에서 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 사항들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 기술적 과제들은 이하 설명할 다양한 실시예들로부터 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 고려될 수 있다.
본 발명의 미세기공 내에 성게형 TiO2 입자를 포함하는 계층적 구조(hierarchical sea-urchin TiO2 particle-in-micropore structure, 이하 'HSP-MP 구조'라 한다)의 유전층에서 상기 성게형 TiO2 입자는 열수법으로 합성되어 혼합용매 상분리법(MSPS)으로 준비되고, 계층적 마이크로콘 구조(hierarchical microcone structure, 이하 'HM 구조'라 한다)의 전극층은 레이저 마킹법을 이용한 Cu 템플릿 전사를 통해 제조된다.
이를 기반으로 소신호 인식을 위한 HSP-MP&HM 구조의 촉각 센서의 응용 프로그램으로 모스 부호 전송 및 다양한 물체(질량, 모양 및 위치)의 압력 매핑 윤곽을 정확하게 반영하기 위한 고해상도의 플렉서블 인식 매트릭스가 제공될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 이종 구조의 초고감도 정전용량형 촉각 센서는, 미세기공 내 성게형 TiO2 입자가 포함된 계층적 구조(HSP-MP structure)를 가지는 유전층; 및 계층적 마이크로콘 구조(HM structure)를 가지고, 상기 마이크로콘이 상기 유전층을 향하도록 상기 유전층의 상부와 하부에 배치되는 전극층;을 포함한다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 유전층은 P(VDF-TrFE) 멤브레인의 미세기공에 성게형 TiO2가 포함된 HSP-MP 구조의 P(VDF-TrFE)-TiO2이며, 상기 전극층은 HM 구조의 PDMS 필름에 은(Ag)이 증착된 Ag-PDMS일 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 전극층의 HM 구조는 큰 마이크로콘 및 작은 마이크로콘을 포함하고, 격자 배열의 큰 마이크로콘 주위에 복수 개의 작은 마이크로콘이 분포되도록 배치되며, 상기 작은 마이크로콘은 압력 인가시 히스테리시스를 감소시킬 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 접촉 가압력에 따른 상대 정전용량 응답 크기를 구별하여 감지하며, 감지 한계 압력은 0.1 Pa 이상일 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 촉각 센서의 감도는 100 Pa 미만의 압력 범위에서 9 kPa-1 이상 및 100 내지 500 Pa 압력 범위에서 0.15 내지 0.3 kPa-1을 나타내고, 상기 촉각 센서의 응답 및 이완 시간은 100 Pa 가압력에서 각각 10 ms 미만일 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 촉각 센서의 감도는 100 Pa 미만의 압력 범위에서 10 내지 11 kPa-1을 나타내고, 상기 촉각 센서의 응답 및 이완 시간은 100 Pa 가압력에서 각각 6 ms 이하일 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 10,000회 이상의 2 kPa의 가압 및 해제 사이클에도 상대 정전용량 응답이 저하 없이 유지될 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 굽힘 각도에 따른 상대 정전용량 응답 크기를 구별하여 감지하며, 12,000회 이상의 30° 굽힘 반복 사이클에도 상대 정전용량 응답이 저하 없이 유지될 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상술한 정전용량형 촉각 센서를 포함하는 맥박 모니터링 또는 근육 움직임 인식을 위한 패치가 제공될 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상술한 정전용량형 촉각 센서를 복수 개 포함하고, 상기 복수 개의 촉각 센서가 다수의 행과 열을 이루도록 그리드(grid) 형태로 배열되는 고해상도 플렉서블 매트릭스가 제공될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 이종 구조의 초고감도 정전용량형 촉각 센서의 제조방법은 하기의 단계를 포함한다.
(S1) 멤브레인의 미세기공 내 성게형 TiO2 입자가 포함된 계층적 구조(HSP-MP 구조)의 P(VDF-TrFE)-TiO2 유전층 및 은(Ag)이 증착된 계층적 마이크로콘 구조(HM 구조)의 Ag-PDMS 전극층을 준비하는 단계;
(S2) 상기 유전층 상부 및 하부에 상기 전극층을 샌드위치 구조로 조립하되, 상기 계층적 마이크로콘 구조가 상기 유전층을 향하도록 배치하는 단계; 및
(S3) 조립된 구조체를 캡슐화하는 단계;
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 (S1) 단계의 P(VDF-TrFE)-TiO2 유전층은 하기의 단계를 포함하는 제조방법에 의해 제조될 수 있다.
(a) 테트라부틸 티타네이트의 알코올 분해에 의해 생성된 구형 티타늄 옥시하이드레이트를 글리세롤과 반응시켜 티타늄 글리세롤레이트 착물을 생성하고, 가열 및 냉각 후 소성하여 성게형 TiO2 입자를 준비하는 단계;
(b) 상부 임계공용온도(UCST) 이상의 온도에서 DMF 및 옥탄 혼합 용매에 성게형 TiO2 입자 및 P(VDF-TrFE)를 용해시키고, 혼합 용매 상분리법(MSPS)으로 HSP-MP 구조의 P(VDF-TrFE)-TiO2 유전층을 제조하는 단계;
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 (S1) 단계의 Ag-PDMS 전극층은 하기의 단계를 포함하는 제조방법에 의해 제조될 수 있다.
(x) HM 구조가 레이저 마킹된 금속 템플릿 상에 PMMA 및 DMF 혼합 용액을 스핀 코팅하고, 증발 및 박리하여 역HM 구조의 PMMA 템플릿을 준비하는 단계;
(y) 경화제 및 베이스 모노머와 혼합한 PDMS를 상기 PMMA 템플릿에 스핀 코팅하고, 기포 제거 후 경화시켜 PMMA 필름을 얻는 단계; 및
(z) 상기 PMMA 필름 표면에 은(Ag)을 마그네트론 스퍼터링 증착시켜 HM 구조의 Ag-PMMA 전극층을 제조하는 단계;
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 금속 템플릿은 구리(Cu) 템플릿이며, 상기 HM 구조는 큰 마이크로콘 및 작은 마이크로콘을 포함하고, 격자 배열의 큰 마이크로콘 주위에 복수 개의 작은 마이크로콘이 분포되도록 배치될 수 있다.
실시예들에 따르면, 유전층의 미세기공 내 성게형 TiO2 포함 계층적 구조(HSP-MP 구조)가 미세기공 영역 근처에 응력 집중을 유도하여 촉각 센서의 감도 및 인성을 크게 향상시킬 수 있다. 또한 전극층의 계층적 마이크로콘 구조(HM 구조)의 경우, 이격된 큰 마이크로콘은 감도를 향상시키는 반면 작은 마이크로콘은 계면 접착으로 인한 히스테리시스를 감소시킨다.
본 발명에 따른 촉각 센서는 HSP-MP 구조 및 HM 구조의 시너지 효과를 통해 10.5 kPa-1의 초감도, 5.6/5.6 ms의 초고속 응답/이완 시간, 0.1 Pa의 초저 감지 한계를 달성할 수 있다. 이러한 초고감도 감지 특성은 인간의 손가락 끝 맥박에 대한 소신호 인식, 모스 부호 전송을 위한 소근육 운동 인식, 압력 매핑 기능을 갖는 고해상도 플렉서블 인식 매트릭스를 포함한 다양한 분야에 응용될 수 있다.
실시예들로부터 얻을 수 있는 효과들은 이상에서 언급된 효과들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 이하의 상세한 설명을 기반으로 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 도출되고 이해될 수 있다.
도 1 a) HSP-MP 구조의 P(VDF-TrFE)-TiO2 유전층과 HM 구조의 Ag-PDMS 전극층의 두 가지 주된 구성 요소로 구성된 정전용량형 촉각 센서의 개략도, b) HSP-MP 구조의 P(VDF-TrFE)-TiO2 유전층의 SEM 이미지, c) HM 구조의 Ag-PDMS 전극층의 SEM 이미지를 나타낸다.
도 2 a) HSP-MP&HM 구조의 촉각 센서의 개략도, b-d) 압축 과정에서 평면 구조, HSP-MP 구조 및 HSP-MP&HM 구조의 촉각 센서의 변화에 대한 개략도이다.
도 3은 다양한 압력에서 평면 구조, HSP-MP 구조 및 HSP-MP&HM 구조 촉각 센서의 응력 분포 및 변형에 대한 FEA 시뮬레이션 결과를 보여준다.
도 4는 본 발명에 따른 이종 구조 정전용량형 촉각 센서의 감지 특성에 관한 것으로, a) 평면 구조, HSP-MP 구조 및 HSP-MP&HM 구조의 상대 정전용량의 압력 응답 그래프, b) 100Pa의 압력에서 응답/이완 시간, c) 촉각 센서 감지 한계 압력, d) 다양한 가압력에서 반복성 평가, e) 2kPa 압력에서 10,000회 이상의 연속 압축 평가, f) 본 발명의 촉각 센서와 표 1의 타 센서의 감도 및 응답 시간 비교를 나타낸다.
도 5는 본 발명에 따른 이종 구조 정전용량형 촉각 센서의 내구성에 관한 것으로, a) 30°, 45°, 60°의 굽힘 각도에서 반복성 평가, b) 30° 각도에서 12,000회 이상의 연속 굽힘 평가, c) 90° 접힘에 대한 반복성 평가, b) 90° 비틀림에 대한 반복성 평가를 나타낸다.
도 6은 본 발명의 HSP-MP&HM 구조 촉각 센서의 전체 제조 절차에 대한 개략도이다.
도 7은 a) 성게형 TiO2 입자의 SEM 및 확대 이미지, b) HSP-MP 구조의 P(VDF-TrFE)-TiO2 유전층의 SEM 이미지, c) 역HM 구조의 PMMA 템플릿 SEM 이미지, d) HM 구조의 레이저 마킹 Cu 템플릿 SEM 이미지이다.
도 8은 a) HM 구조의 Ag-PDMS 전극 SEM 이미지와, b) Ag-PDMS 전극의 증착된 Ag 원소의 EDS 스펙트럼이다.
도 9는 손가락 끝의 맥박 모니터링 패치에 관한 것으로, a-b) 손목(오목한 표면)과 손가락 끝(볼록한 표면)에 대한 맥박 인식의 개략도, c-d) 요골 및 손가락 끝 동맥의 정적 및 동적 맥박 모니터링, e) 운동 전후의 손가락 끝 맥박 신호 및 혈관 확장 및 수축의 변화, f) 운동 전후에 기록된 손가락 끝 맥박 신호의 FFT 결과, g) 다양한 접촉 압력에서 모니터링되는 손가락 끝 맥박 신호, h-i) 해당 FFT 결과에서 지속적으로 모니터링되는 손가락 끝 맥박 신호를 나타낸다.
도 10은 근육 움직임 인식 패치에 관한 것으로, a) 상대 정전용량 신호의 모스 부호 전송을 위한 손목 근육의 확장(약지) 및 수축(검지)에 대한 개략도, b) 모스 부호의 "점" 및 "대시"에 해당하는 양수 및 음수 상대 정전용량 신호, c) 26개의 영문자의 모스 부호 표, d-f) 영문자, 단어 및 문장의 모스 부호 전송을 보여준다.
도 11은 1g 및 2g의 추가 올려진 플렉서블 매트릭스(10×10)의 사진이다.
도 12는 고해상도 플렉서블 매트릭스에 관한 것으로, a) 플렉서블 매트릭스의 사진 및 개략도, b) 플렉서블 매트릭스에 올려진 1g 및 2g의 추 개략도와 c) 이에 대한 압력 매핑, d) 문자 블록("K", "W", "U")이 올려진 플렉서블 매트릭스 개략도 및 e) 이에 대한 압력 매핑, f) 플렉서블 매트릭스가 부착된 장갑으로 컵 그립을 위한 단계 및 g) 이에 대한 압력 매핑을 나타낸다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함(comprising 또는 including)"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 또한, 명세서에 기재된 "...부", "...기", "모듈" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다. 또한, "일(a 또는 an)", "하나(one)", "그(the)" 및 유사 관련어는 다양한 실시예들을 기술하는 문맥에 있어서(특히, 이하의 청구항의 문맥에서) 본 명세서에 달리 지시되거나 문맥에 의해 분명하게 반박되지 않는 한, 단수 및 복수 모두를 포함하는 의미로 사용될 수 있다.
본 명세서에서는 가압력에 대한 상대 정전용량 응답 변화인 촉각 센서의 "perception"에 대하여 '지각', '자각' 등의 사전적 의미 외에 촉각 센서의 '감지', '인식', '인지' 등으로 다양하게 표현될 수 있다.
본 발명에서 'HSP-MP 구조'는 "Hierarchical Sea-urchin Particle-in-MicroPore (HSP-MP) structure"로 "멤브레인의 미세기공 내에 성게형 입자가 포함된 계층적 구조"를 의미하며, 'HM 구조'는 "Hierarchical Microcone structure"로 마이크로콘이 형성된 계층적 구조를 의미한다. 이하, 상기 내용들을 혼용하여 설명하도록 한다.
유전층 및 전극층의 이종 구조(heterostructure)
초고감도와 초고속 응답/이완 기능을 모두 갖춘 정전용량형 촉각 센서의 개발은 지능형 의료 모니터링 기술의 발전을 촉진하는 데 큰 의미가 있다. 유전층 또는 전극층에 미세구조를 도입함으로써 감지 성능을 효과적으로 향상시킬 수 있지만 지능화 요구에 부응하기는 여전히 어렵다. 여기에서 본 발명자들은 유전층 및 전극층에 동시에 미세구조를 도입하는 전략을 제안하고자 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 이종 구조의 초고감도 정전용량형 촉각 센서는, 미세기공 내 성게형 TiO2 입자가 포함된 계층적 구조(HSP-MP 구조)를 가지는 유전층; 및 계층적 마이크로콘 구조(HM 구조)를 가지고, 상기 마이크로콘이 상기 유전층을 향하도록 상기 유전층의 상부와 하부에 배치되는 전극층;을 포함한다.
구체적으로, 상기 유전층은 P(VDF-TrFE) 멤브레인의 미세기공에 성게형 TiO2가 포함된 HSP-MP 구조의 P(VDF-TrFE)-TiO2이며, 상기 전극층은 HM 구조의 PDMS 필름에 은(Ag)이 증착된 Ag-PDMS일 수 있다.
도 1 a는 HSP-MP 구조의 P(VDF-TrFE)-TiO2 유전층과 HM 구조의 Ag-PDMS 전극층의 두 가지 주된 구성 요소로 구성된 정전용량형 촉각 센서의 개략도를 보여준다. 도 1 b는 P(VDF-TrFE) 멤브레인의 미세기공 내 성게형 TiO2 입자가 포함된 계층적 구조의 유전층 SEM 이미지를, 도 1 c는 마이크로콘이 형성된 계층적 구조의 Ag-PDMS 전극층 SEM 이미지를 나타낸다.
압력 감지 메커니즘
본 발명에 따른 촉각 센서의 초고감도 및 초고속 응답/이완 시간은 HSP-MP&HM 구조에 기인해야 한다. HSP-MP&HM 구조의 제안된 개념을 검증하고 해당 감지 메커니즘을 설명하기 위해 구성된 기하학적 모델이 도 2 a에 나타나 있다. 정전용량 C=εA/4kπd의 정의에 따르면(여기서, ε은 유효 유전상수, d는 두 전극 사이의 거리, k는 쿨롱 상수, A는 전극의 유효 면적), 소자의 정전용량은 원칙적으로 ε, d 및 A의 변화를 제어하여 변경할 수 있다. 그러나 A는 외부 압력 하에서 일정하게 유지된다. 따라서 ε 및 d는 센서의 정전용량 변화를 결정하게 된다. 도 2 b, c, d는 각각 평면 구조, HSP-MP 구조 및 HSP-MP&HM 구조의 3가지 구조 촉각 센서에 동일한 압력이 가해질 때 ε 및 d의 변화를 개략적으로 보여준다. 그 중 평면 구조의 촉각 센서의 ε과 d는 무시할 정도로 변화하는 반면, HSP-MP 구조의 촉각 센서의 ε과 d는 어느 정도 변화한다. 대조적으로, HSP-MP&HM 구조의 촉각 센서는 이격 거리가 급격히 감소함에 따라 ε 및 d가 크게 변경되어 압축될 가능성이 더 높음을 관찰할 수 있다.
도 3은 앞서 언급한 세 가지 구조의 감지 메커니즘을 확인하기 위한 COMSOL 유한요소분석(FEA)과 결합된 외부 압력 하에서의 응력 분포 및 변형에 대한 FEA 시뮬레이션 결과를 나타낸다. 평면 구조 소자의 경우 유전층과 전극층 사이의 긴밀한 접촉으로 인해 계면에 응력이 균일하게 분포되어 결과적으로 심각한 구조적 변형이나 압축이 관찰되지 않는다(도 3 a). 그러나 HSP-MP 구조의 촉각 센서의 경우 유전층의 미세기공은 밀도가 높고 균일한 분포로 인해 쉽게 압축되어 d의 상당한 감소를 초래한다.
한편, TiO2는 고유전율 물질(~100)로서 P(VDF-TrFE)-TiO2 복합체의 유전상수를 효과적으로 향상시킬 수 있다. 일반적인 Lichterecker 혼합 규칙에 따르면, 유전층의 유효 유전상수는 εα = Vair·εair α + Vc·εc α 로 표현된다. 여기서 Vair 및 Vc는 각각 공기 및 P(VDF-TrFE)-TiO2 복합체의 부피 분율(Vair+Vc=1)이고, εair 및 εc는 각각 공기 및 P(VDF-TrFE)-TiO2 복합체의 유전상수이다. α는 혼합 규칙의 유형을 결정하는 매개변수이다. 높은 εc와 낮은 εair(~1)에 의해 형성된 많은 수의 미세기공이 있는 HSP-MP 구조의 유전층이 주어지면 공기는 작은 압력 하에서 쉽게 압착되어 εα가 향상된다.
또한, 성게형 TiO2 입자와 미세기공의 조합은 기계적 강도와 인성을 향상시키는 데 도움이 되며, 외부 압력이 가해지면 HSP-MP 구조가 미세기공 영역 근처에 응력 집중을 유도하여 감도를 크게 향상시킬 수 있다. 개념 증명으로 성게형 TiO2 입자가 미세기공에 포함된 HSP-MP 구조를 기반으로 하는 추상 모델을 도 3 b와 같이 구성한다. 결과는 압력이 증가함에 따라 미세기공이 점진적으로 압축 변형되고 성게형 TiO2 입자와 접촉할 때 높은 농도의 국부 응력을 생성함을 보여주며, 이는 이전 해석과 일치한다.
앞의 두 가지 경우와 달리 HSP-MP&HM 구조의 촉각 센서는 도 3 c에 나타난 바와 같이 HSP-MP 구조를 기반으로 전극층에 HM 구조를 도입하는 것을 의미한다. 저압에서 더 높은 수준의 변형을 달성하고 더 높은 응력이 마이크로콘 팁에 집중된다. 압력이 점차 증가함에 따라 경계면에서 공기가 압착되어 d는 감소하고 ε은 증가하므로, 작은 압력에서 더 큰 상대 정전용량과 감도의 추가 개선을 얻을 수 있다.
전극층의 HM 구조는 큰 마이크로콘 및 작은 마이크로콘을 포함하며, 격자 배열의 큰 마이크로콘 주위에 복수 개의 작은 마이크로콘이 분포되도록 배치될 수 있다. 큰 마이크로콘 주위에 분포된 작은 마이크로콘은 폴리머의 점탄성, 특히 계면 접착으로 인한 히스테리시스를 감소시켜 외부 압력에 대한 빠른 응답을 가능하게 한다. HSP-MP&HM 구조의 시너지 효과로 저압 및 초고속 응답/이완 시간에서 초고감도를 구현할 수 있다.
다음으로, 이종 구조의 초고감도 정전용량형 촉각 센서의 제조방법을 설명한다. 본 발명의 일 실시예에 따른 이종 구조의 초고감도 정전용량형 촉각 센서의 제조방법은 하기의 단계를 포함한다.
(S1) 멤브레인의 미세기공 내 성게형 TiO2 입자가 포함된 계층적 구조(HSP-MP 구조)의 P(VDF-TrFE)-TiO2 유전층 및 은(Ag)이 증착된 계층적 마이크로콘 구조(HM 구조)의 Ag-PDMS 전극층을 준비하는 단계;
(S2) 상기 유전층 상부 및 하부에 상기 전극층을 샌드위치 구조로 조립하되, 상기 계층적 마이크로콘 구조가 상기 유전층을 향하도록 배치하는 단계; 및
(S3) 조립된 구조체를 캡슐화하는 단계;
여기서, 상기 (S1) 단계의 P(VDF-TrFE)-TiO2 유전층은 하기의 단계를 포함하는 제조방법에 의해 제조될 수 있다.
(a) 테트라부틸 티타네이트의 알코올 분해에 의해 생성된 구형 티타늄 옥시하이드레이트를 글리세롤과 반응시켜 티타늄 글리세롤레이트 착물을 생성하고, 가열 및 냉각 후 소성하여 성게형 TiO2 입자를 준비하는 단계;
(b) 상부 임계공용온도(UCST) 이상의 온도에서 DMF 및 옥탄 혼합 용매에 성게형 TiO2 입자 및 P(VDF-TrFE)를 용해시키고, 혼합 용매 상분리법(MSPS)으로 HSP-MP 구조의 P(VDF-TrFE)-TiO2 유전층을 제조하는 단계;
성게형 TiO2 입자는 높은 유전상수 도펀트로서 열수 반응에 의해 합성된다. 먼저, 테트라부틸 티타네이트(tetrabutyl titanate)와 에탄올 사이의 알코올 분해에 의해 구형 티타늄 옥시하이드레이트 입자를 생성한다. 이후, 구형 고체 티타늄 옥시하이드레이트는 글리세롤과 점진적으로 반응하여 티타네이트 옥시하이드레이트의 하이드록실기를 대체함으로써 티타늄 글리세롤레이트 착물을 형성하게 되고, 이에 따라 자발적으로 성게형 구조를 갖는 TiO2 입자가 형성된다.
HSP-MP 구조를 형성하기 위해, 합성된 성게형 TiO2 입자와 P(VDF-TrFE)를 옥탄 및 DMF 용액에 혼합하고 혼합 용매 상분리법(MSPS)을 이용한다. 이 방법은 상부 임계공용온도(UCST)의 혼합 용매를 기반으로 하며 폴리머는 한 용매에만 용해되고 다른 용매에는 용해되지 않는다. UCST 거동은 혼합 용매와 폴리머가 고온에서 균질한 용액을 형성하도록 하지만 임계점 이하로 온도를 낮추면 혼합 용매가 스피노달 분해(spinodal decomposition)에 의해 상분리되어 규칙적인 나노도메인이 생성된다. 이 과정에서 폴리머는 용해성 용매 영역으로 이동하여 농축되고, 그런 다음 멤브레인을 비용매 욕조에 담가 폴리머를 침전시키고 용매를 제거한다. 이를 통해 표면 기공 밀도가 높은 다공성 멤브레인이 얻어진다. HSP-MP 구조는 미세기공의 조밀한 배열과 그 안에 고르게 분포된 성게형 TiO2 입자로 구성되어 유전층에 높은 다공성과 우수한 기계적 특성을 제공할 수 있다.
한편, 상기 (S1) 단계의 Ag-PDMS 전극층은 하기의 단계를 포함하는 제조방법에 의해 제조될 수 있다.
(x) HM 구조가 레이저 마킹된 금속 템플릿 상에 PMMA 및 DMF 혼합 용액을 스핀 코팅하고, 증발 및 박리하여 역HM 구조의 PMMA 템플릿을 준비하는 단계;
(y) 경화제 및 베이스 모노머와 혼합한 PDMS를 상기 PMMA 템플릿에 스핀 코팅하고, 기포 제거 후 경화시켜 PMMA 필름을 얻는 단계; 및
(z) 상기 PMMA 필름 표면에 은(Ag)을 마그네트론 스퍼터링 증착시켜 HM 구조의 Ag-PMMA 전극층을 제조하는 단계;
HM 구조의 전극층은 복제 전사에 의해 제조될 수 있다. 상기 PMMA(Poly(methyl methacrylate)) 템플릿은 레이저 마킹 금속 템플릿에서 역 미세구조를 복제하는 희생층 역할을 한다. 아래 실시예에서 후술할 도 7 c, d의 SEM 이미지에 나타난 같이 PMMA 템플릿 필름은 금속 템플릿과 반대의 미세구조를 나타낸다. PDMS에 PMMA 템플릿 필름의 역 구조를 복제한 다음 PMMA 템플릿 필름을 제거하게 되면 금속 템플릿의 미세구조(격자 배열의 큰 마이크로콘 주위에 고르게 분포된 작은 마이크로콘)가 PDMS 필름에 완전히 나타난다. 마지막으로 Ag 전극은 미세 구조화된 PDMS 필름의 표면에 스퍼터링하여 형성할 수 있다. 스퍼터링을 통해 균일하고 조밀하게 증착된 은(Ag) 전극을 통해 우수한 전도도를 보장할 수 있다.
이하 구체적인 실시예를 통해 본 발명을 더욱 상세히 설명한다. 본 발명이 이러한 실시예들에 한정되는 것은 아니다.
<이종 구조 정전용량형 촉각 센서의 제조 및 측정 준비>
도 6은 HSP-MP 구조의 유전층과 HM 구조의 전극층을 포함한 이종 구조 촉각 센서의 전체 제조 절차를 나타내는 개략도이다. 유전층 및 전극층 각 구성요소는 경제적으로 실행 가능한 재료로 이루어지며, 후술하는 바와 같이 미세 구조 또한 간단하고 경제적인 방법으로 구현할 수 있다. 이하, 도 6을 참조하여 촉각 센서의 제조과정을 설명한다.
성게형 TiO 2 입자 합성
5 ml 글리세롤(99.5%, Aladdin, 중국)과 15 ml 에탄올(99.5%, Macklin, 중국)을 혼합하고, 1g 테트라부틸 티타네이트(99.0%, Aladdin, 중국)를 혼합물에 용해하여 투명한 용액을 형성하였다. 이어서, 용액을 50mL 폴리테트라플루오로에틸렌(teflon) 라이닝된 스테인리스 오토클레이브에 옮기고 180℃에서 24시간 동안 가열하였다. 오토클레이브를 상온으로 자연 냉각한 후 침전물을 세척, 건조, 공기 중에서 3시간 동안 450℃에서 소성하여 성게형 TiO2 입자를 얻었다(도 6 a).
합성된 성게형 TiO2 입자의 SEM 확대 이미지는 도 7 a에 나타내었다.
HSP-MP 구조 P(VDF-TrFE)-TiO 2 유전층의 제조
55중량% N,N-디메틸포름아미드(DMF, 99.9%, Aladdin, China) 및 30중량% 옥탄(99%, Aladdin, China)에 1:5의 중량비로 혼합한 TiO2와 P(VDF-TrFE)(Kunshan Hisense Electronics Co., Ltd, 중국)를 15중량% 첨가하여 균일한 혼합 용액을 형성하였다(도 6 b). 90℃의 고온 챔버 내부의 유리판에 멤브레인을 주조하고(도 6 c-d), 멤브레인을 유리 페트리 접시로 덮고 실온에 두었다(도 6 e). 1분 동안 기다린 후 멤브레인이 분리될 때까지 실온의 DI water 응고욕(coagulation bath)에 담궈 두었다(도 6 f). 그런 다음 멤브레인을 제거하고 24시간 동안 다른 새로운 탈이온수에 보관하여 미량의 용매를 제거하였다.
제조된 HSP-MP 구조의 P(VDF-TrFE)-TiO2 유전층 멤브레인의 SEM 이미지는 도 7 b에 나타내었다.
HM 구조 금속 템플릿의 준비
금속 템플릿으로 구리(Cu) 템플릿을 사용하였으며, HM 구조 Cu 템플릿은 파이버 레이저 시스템(Universal LSF20D, 25 W, Hgtech Laser, 파장: 1064 nm, 레이저 출력: 70%, 레이저 속도: 1000 mm/s, 주파수: 20kHz)으로 제작되었다(도 6 h). 레이저 마킹 패턴은 EzCad2에서 설계한 다음 레이저 마킹 기계에서 읽을 수 있도록 CAD 파일로 보내졌다.
HM 구조의 Ag-PDMS 전극층의 제조
Polymethyl methacrylate(PMMA, Aladdin, China)를 DMF(중량비 1:10)에 녹인 후 5시간 동안 교반하여 혼합액을 제조하였다. 위에서 구성된 PMMA 용액을 HM 구조의 Cu 템플릿에 스핀 코팅하고, 용매 증발 후 박리하여 희생 템플릿으로 역HM 구조의 PMMA 필름을 얻었다(도 6 i). PDMS는 경화제와 베이스 모노머(Dow Corning Sylgard 184, 베이스 대 가교제의 중량비 10:1)를 완전히 혼합하여 제조되었다. PDMS 혼합물을 역HM 구조의 PMMA 템플릿에 스핀 코팅하고, 기포를 진공으로 제거하고, 실온에서 20분 동안 탈기하고, HM 구조 PDMS 필름이 80℃에서 2시간 동안 완전히 경화된 후 PMMA 필름은 DMF에 의해 희생되었다. 또한 직류(DC) 마그네트론 스퍼터링을 사용하여 PDMS 필름 표면에 Ag를 증착하여 HM 구조의 Ag-PDMS 전극을 얻었다(도 6 j).
역HM 구조의 PMMA 템플릿 필름 및 HM 구조의 레이저 마킹 Cu 템플릿의 SEM 이미지는 도 7 c, d에 나타내었다. 또한 도 8 b의 EDS(Energy Dispersive Spectrometer) 스펙트럼은 PDMS 표면에 Ag 원소가 균일하고 조밀하게 분포되어 있음을 보여주고 있다.
정전용량형 촉각 센서의 조립
플렉서블 정전용량형 촉각 센서는 일반적인 샌드위치 구조, 즉 HSP-MP 구조의 P(VDF-TrFE)-TiO2 유전층과 HM 구조의 Ag-PDMS 상단/하단 전극을 기반으로 조립되었다. VHB 테이프(VHB-4905, 3M)로 캡슐화되어 정전식 촉각 센서를 성공적으로 구성했습니다(도 6 k).
고해상도 플렉서블 매트릭스의 준비
먼저 10×10 금속 마스크 보드를 HM 구조의 PDMS 기판에 단단히 부착하였다. 다음으로, Ag 박막은 DC 마그네트론 스퍼터링에 의해 기판에 증착되었다. 마지막으로 HSP-MP 구조의 P(VDF-TrFE)-TiO2 유전층을 Ag-PDMS 전극 사이에 끼워 고해상도의 플렉서블 10×10 매트릭스를 얻었다.
특성화 및 측정
Regulus-8100 주사 전자 현미경을 사용하여 주사 전자 현미경(SEM) 이미지를 얻었으며, 정전용량 측정은 Agilent(E4980AL) Precision LCR 미터에서 기록되었다.
<이종 구조 촉각 센서의 감지능 및 내구성 평가<
압력 감지능 평가
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 촉각 센서의 감도는 100 Pa 미만의 압력 범위에서 9 kPa-1 이상, 바람직하게는 10 내지 11 kPa-1을 나타내며, 100 내지 500 Pa 압력 범위에서 0.15 내지 0.3 kPa-1을 나타낼 수 있다.
정전용량형 촉각 센서의 압력 감도는 S=δ(ΔC/C0)/δP로 정의되며, 여기서 ΔC는 정전용량 변화, C0은 압력이 없는 정전용량, P는 적용된 압력이다. 압력에 대한 상대 정전용량 플롯(ΔC/C0)에서 촉각 센서의 감도는 도 4 a(HSP-MP&HM)와 같이 0.5 내지 5 kPa의 압력 범위에서 10.5kPa-1(<100Pa)의 초감도와 0.23kPa-1의 선형 감도의 두 영역으로 대략 나뉘어진다. 평면 구조 또는 HSP-MP 구조 유전층을 포함하는 추가 2개의 촉각 센서의 감도 또한 도 4 a에 비교를 위해 표시된다. 이들의 감도는 HSP-MP&HM 구조보다 훨씬 낮으며 해당 감지 메커니즘은 상술한 바와 같다.
또한, 본 발명에 따른 촉각 센서의 응답 및 이완 시간은 100 Pa 가압력에서 각각 10 ms 미만일 수 있으며, 바람직하게는 100 Pa 가압력에서 각각 6 ms 이하일 수 있다. 도 4 b에 도시된 바와 같이 100 Pa의 가압력에서 촉각 센서의 응답 및 이완 시간은 모두 5.6 ms로, 인간 피부(30~50ms)보다 우수한 초고속 압력 응답을 나타낸다.
또한, 본 발명에 따른 촉각 센서는 접촉 가압력에 따른 상대 정전용량 응답 크기를 구별하여 감지하며, 감지 한계 압력은 0.1 Pa 이상일 수 있다. 도 4 c에 나타난 바와 같이, 저압에서 촉각 센서의 성능을 테스트할 경우 감지 한계는 촉각 센서에 놓인 작은 말린 꽃잎 조각에 의해 생성되는 압력인 약 0.1 Pa만큼 낮을 수 있다. 도 4 d는 다양한 압력(0.2, 0.7, 2, 5kPa)에 대한 센서의 정전용량 응답을 보여준다. 상대 정전용량(ΔC/C0)은 외부 압력이 증가함에 따라 크게 증가한다.
압축 안정성 및 굽힘 내구성 평가
또한, 본 발명에 따른 촉각 센서는 10,000회 이상의 2 kPa의 가압 및 해제 사이클에도 상대 정전용량 응답이 저하 없이 유지될 수 있다. 도 4 e에 나타난 바와 같이, 2 kPa의 압력에서 10,000회 반복된 로딩-언로딩 사이클 후의 감지 응답은 안정성을 유지하고 명백한 저하를 나타내지 않는다. 본 발명의 이종 구조 촉각 센서와 최근에 보고된 정전용량형 촉각 센서를 도 4 f에서 비교하면, 본 발명의 촉각 센서의 감도와 응답 시간이 최근에 제안된 센서보다 훨씬 높아 우수성을 입증한다. 감도, 응답/이완 시간, 감지 한계 및 압축 안정성을 포함한 플렉서블 정전용량형 촉각 센서들의 보다 자세한 성능 비교는 아래 표 1에 나타나 있다.
구분 최대 감도
(kPa-1)		 응답/이완 시간 (ms) 감지 한계
(Pa)		 압축 안정성
(cycle)
Ref. 14 정전용량/마찰전기 대전층 하이브리드 유전체 0.314 200/300 - 5,000
Ref. 15 고다공성 나노복합체템플릿 방법 3.13 94/- - 5,000
Ref. 17 3D 미세 등각 그래핀 전극층 (비특허문헌 2) 7.68 30/28 - 500
Ref. 18 필로택시 나선형 배열 피라미드 미세구조 전극 (비특허문헌 3) 0.19 30/30 500 3,000
Ref. 30 비대칭 연동 나노콘 배열 6.583 48/36 3 10,000
Ref. 31 세라믹 나노섬유 기반 4.4 16/46 0.8 50,000
Ref. 32 CaCu3Ti4O12 랩핑 하이브리드 스폰지 0.73 84/105 - 7,600
Ref. 33 나노메쉬 압력센서 0.141 190/215 - 300
Ref. 34 은 나노와이어-박테리아 셀룰로오스 복합 섬유 기반 5.49 75/- - 2,000
본 발명 HSP-MP & HM 이종구조 10.5 5.6/5.6 0.1 10,000
또한, 본 발명에 따른 촉각 센서는 굽힘 각도에 따른 상대 정전용량 응답 크기를 구별하여 감지하며, 12,000회 이상의 30° 굽힘 반복 사이클에도 상대 정전용량 응답이 저하 없이 유지될 수 있다.촉각 센서의 기계적 굽힘 특성을 평가하기 위해 자유롭게 구부릴 수 있는 플라스틱 판에 부착되어 다양한 각도(30°, 45°, 60°)에서의 굽힘 능력이 평가되었으며, 그 결과가 도 5 a에 나타난 바와 같이 다양한 각도에서 안정적인 성능을 보여주었다. 또한, 30° 각도로 12,000번의 굽힘 사이클로 정전용량 변화를 테스트한 결과에서도 도 5 b에 나타난 바와 같이 뚜렷한 저하를 보이지 않았다. 또한, 높은 각도의 굽힘 및 비틀린 상태에서 센서의 응용 가능성을 확인하기 위해 90° 접힘 및 비틀림 조건에서 반복적으로 테스트되었다. 그 결과, 도 5 c, d와 같이 정전용량 응답의 저하 없이 안정적인 결과를 나타내었다. 모든 테스트 결과를 고려할 때 본 발명의 HSP-MP&HM 구조의 촉각 센서는 신뢰할 수 있는 감지 성능과 우수한 견고성을 가지는 것을 확인할 수 있다.
<응용 분야에 대한 고찰>
맥박 모니터링 패치
본 발명의 일 실시예에 따르면, 이종 구조의 초고감도 플렉서블 정전용량형 촉각 센서를 포함하는 맥박 모니터링을 위한 패치가 제공될 수 있다.
맥박은 심장의 리드미컬한 수축기 및 이완기를 동반하는 동맥 박동으로, 이에 따라 동맥벽이 확장 및 수축되어 표재 동맥에 촉지할 수 있는 맥동이 발생한다. 맥박 진단은 심장 박동의 촉각 동맥 촉진을 나타내며, 일반적으로 손목 요골 동맥의 맥박을 지속적으로 모니터링하여 생리학적 정보를 추출할 수 있다. 그러나 도 9 a에 나타난 바와 같이, 손목의 오목한 표면은 촉각 센서를 손목 피부에 부착할 때 등각 접촉을 형성하기 어려워 맥박 모니터링에 방해가 된다. 이와 대조적으로, 손가락 끝은 곡률 반경이 작은 볼록한 표면을 가지고 있기 때문에 촉각 센서는 모든 정적, 동적 상태에서 손가락 끝 피부에 완벽하게 부착될 수 있다(도 9 b). 불행히도 손가락 끝의 맥박 신호가 상당히 작기 때문에 기존의 촉각 센서 대다수는 이를 효과적으로 감지하기 어려웠다.
본 발명의 HSP-MP&HM 구조의 촉각 센서는 손가락 끝 맥박 모니터링을 가능케 하는 초고감도를 가진다. 개념 증명으로, 본 발명의 촉각 센서를 정적 및 동적 맥박 모니터링을 위해 손목의 요골 동맥과 중지 손가락 끝에 패치 형태로 부착하였다. 해당 맥박 신호는 도 9 c, d에 나타내었다. 도 9 c의 결과는 손목을 앞으로 구부릴 때 요골 동맥에 부착된 촉각 센서 패치의 맥박 신호 크기가 작아지고 진폭이 작아지는 것을 보여준다. 반대로, 손가락 끝에 부착된 촉각 센서 패치는 동적으로 손가락을 구부리는 동안에도 여전히 유효하고 안정적인 맥박 신호를 얻을 수 있었다. 이를 통해, 손목 요골 대비 손가락 끝 맥박 감지가 더 이상적인 선택임을 증명할 수 있었다.
심혈관 질환의 비율이 증가함에 따라 맥박 신호의 정확한 모니터링은 심혈관 건강을 예방하고 평가하는 중요한 수단이 되었다. 전형적인 손가락 끝 동맥압 파동은 percussion wave (P), tidal wave (T) 및 dicrotic wave (D)의 세 가지 구별 가능한 피크로 구성된다. 맥박 파형의 분석을 통해 심혈관 건강에 대한 귀중한 정보를 얻을 수 있다. 예를 들어, 디지털 체적 맥박 시간(digital volume pulse time, ΔtDVP)과 요골 파형증가지수(AIr=R2/R1)를 사용하여 동맥 강성을 평가할 수 있다.
도 9 e에서 전형적인 3개의 피크(P, T, D)는 운동 전 측정한 26세 남성 지원자의 손가락 끝 맥박 파형과 명확하고 안정적으로 구별할 수 있으며, ΔtDVP와 AIr의 계산값은 각각 0.21 s와 0.7821로 정상 수치에 해당한다(AIr 값은 일반적으로 0.5 내지 1.3 범위이며, AIr 값이 클수록 심혈관 질환 위험이 높음). 운동 후 맥박 파형의 진폭과 주파수는 크게 증가하는 반면 ΔtDVP와 AIr 값은 감소하는데, 이는 혈관 확장에 기인하며 규칙적인 운동이 동맥 혈관의 강인함을 높이는 데 기여함을 확인시켜준다. 또한, 해당 FFT(고속 푸리에 변환)를 도 9 f에 나타내었다. 추출된 맥박 신호의 고조파 성분은 주로 0 내지 5Hz 범위에 분포하고, 운동 전과 후의 심박수는 각각 77 및 91 bpm(회/분)으로 지원자의 건강 상태가 양호함을 나타낸다.
또한, 도 9 g와 같이 손가락 끝에 부착된 촉각 센서 패치의 접촉 압력(낮음, 중간 및 높음)을 점진적으로 높이고, 지속적으로 모니터링되는 펄스 파형을 얻었다. 그 결과 접촉 압력이 증가함에 따라 펄스 파형의 진폭이 크게 증가하다가 접촉 압력이 높아지게 되면 손가락 끝의 혈관이 과압축되어 측정되는 펄스 진폭이 감소하는 것으로 나타났다. 이를 기반으로 도 9 h, i에 표시된 것처럼 서로 다른 압력에서 펄스 신호에 대해 FFT를 수행하였다. 분석 결과 다른 주파수의 진폭이 동일하지 않아 외부 압력의 진폭이 펄스 신호의 주파수 영역 분포에 영향을 미치지 않는다는 것을 확인할 수 있었으며, 이는 해당 주파수 영역 신호는 파형 분포에 거의 변화가 없음을 나타냅니다.
전반적으로 본 발명에 따른 HSP-MP&HM 구조의 촉각 센서 패치는 손가락 끝의 작은 맥박 신호를 모니터링할 수 있는 잠재적 응용 가능성을 보여주며, 미래에 한의학 기반 맥박 진단을 효과적으로 대체할 수 있는 토대를 마련할 것으로 기대된다.
근육 움직임 인식 패치
본 발명의 일 실시예에 따르면, 이종 구조의 초고감도 플렉서블 정전용량형 촉각 센서를 포함하는 근육 움직임 인식을 위한 패치가 제공될 수 있다.
본 발명의 HSP-MP&HM 구조의 촉각 센서는 손가락 끝의 작은 맥박에 대한 감지 외에도 손목의 작은 근육 움직임(특정 압력의 전부하)을 인식하는 데에도 적용될 수 있다. 도 10 a의 왼쪽에 표시된 그림과 같이 촉각 센서를 패치 형태로 손목에 등각으로 부착한다. 도 10 a의 오른쪽 그림과 같이 약지 또는 검지의 굴곡이 수행될 때, 촉각 센서 패치 아래의 근육이 팽창하거나 수축하며 가해지는 압력이 증가하거나 감소하게 되며 상대 정전 용량도 그에 따라 증가하거나 감소한다.
이에 따르면, 상기 근육 움직임에 의해 생성된 신호 모드는 모스 부호 통신에 사용될 수 있다. 점이나 선으로 표현되는 짧거나 긴 전류를 나타내는 기존의 모스 부호 시스템과 달리 근육 확장 및 수축을 제어하여 촉각 센서에서 생성된 두 개의 겹치지 않는 상대 정전용량 신호, 즉 상대 정전용량의 증가(양수) 및 감소(음수)를 도 10 b와 같이 모스 부호에서 각각 "점" 및 "대시"로 인코딩할 수 있다. 예를 들어, 도 10 c의 모스 부호 표의 일부 영문자들인 "A", "B", "C", "D", "E", "F", "G" "H", "I", "J", "K"의 코딩은 도 10 d와 같이 약지 또는 집게 손가락을 단순히 구부리는 것으로 시연될 수 있다. 본 발명의 촉각 센서의 효과로써, 모스 부호 전송에서 "점" 및 "대시"의 상응하는 양 및 음의 상대 정전용량 신호가 영문자의 인코딩에서 잘 반복될 수 있음을 관찰할 수 있었다.
상기 영문자의 인코딩을 기반으로 촉각 센서 패치는 도 10 e와 같이 "YES" 및 "NO"와 같은 단어에 대한 모스 부호 전송도 구현할 수 있다. 더 복잡한 정보의 전송 기능을 추가로 확인하기 위해, 도 10 f에 표시된 것처럼 "점" 및 "대시" 상대 정전 용량 신호의 다양한 조합을 기록하여 "NICE TO MEET Y"의 코딩된 정보를 성공적으로 전송하였다.
따라서 HSP-MP&HM 구조의 촉각 센서를 이용한 모스부호 체계는 특정 집단의 사람들 사이의 일상적인 의사소통을 돕는 도구가 될 수 있으며, 특히 표현(말하기와 쓰기)에 어려움을 겪는 환자와 의사, 가족 간의 효과적인 의사소통을 향상시키는 도구로 적용될 수 있다.
고해상도 플렉서블 매트릭스
본 발명의 일 실시예에 따르면, 이종 구조의 초고감도 플렉서블 정전용량형 촉각 센서를 복수 개 포함하고, 상기 복수 개의 촉각 센서가 다수의 행과 열을 이루도록 그리드(grid) 형태로 배열되는 고해상도 플렉서블 압력 감지 매트릭스(High-resolution flexible pressure perception matrix)가 제공될 수 있다.
플렉서블 로봇 및 지능형 보철(prosthetic)과 같은 분야에서는 지속적인 개발을 통해 여러 촉각 센서를 통합함으로써 인간 피부의 넓은 영역 인식을 완전히 모방하고 압력 매핑을 달성하고자 한다. 그러나 보고된 대부분의 플렉서블 인식 매트릭스는 해상도가 낮고 실제 응용에서의 요구 사항을 충족하는 데에 어려움을 겪고 있다.
본 발명에서는 100개의 촉각 센서 유닛으로 구성된 고해상도의 플렉서블 매트릭스 어레이(10×10, 면적 2×2 ㎠)를 제작하여 각 유닛의 상대 정전 용량 감지를 통해 압력 분포를 측정하였다. 도 11 및 도 12 a는 HSP-MP 구조의 P(VDF-TrFE)-TiO2 유전층과 HM 구조의 Ag-PDMS 전극층으로 구성된 플렉서블 매트릭스의 사진과 전체 구조를 개략적으로 보여준다. 도 11 및 도 12 b와 같이, 1g 및 2g의 추(Φ1=5㎜, Φ2=7㎜)가 플렉서블 매트릭스에 동시에 배치될 때, 압력 매핑은 도 12 c와 같이 나타난다. 매핑 결과는 플렉서블 매트릭스가 두 가중치의 질량, 모양 및 위치의 차이를 정확하게 구별할 수 있음을 보여주었다.
또한, 도 12 d에 도시된 3D 인쇄된 문자 블록("K", "W", "U")을 플렉서블 매트릭스에 배치하면, 생성된 3D 히스토그램 및 색상 대비 맵은 도 12 e와 같이 압력 매핑 윤곽선(상대 정전용량)이 문자 블록과 매우 일치함을 명확하게 확인할 수 있다.
본 발명의 플렉서블 매트릭스의 고해상도 인식 기능을 추가로 검증하기 위해, 도 12 f에 표시된 것처럼 장갑에 부착하고 비스듬한 윤곽이 있는 유리컵의 단계별 그립 프로세스(초기 상태, 가벼운 터치, 일반 그립, 무거운 그립)를 수행하였다. 매트릭스는 그립 과정에서 정확히 한 모서리에 위치하기 때문에, 도 12 g에 나타나듯이 그립 강도가 점차 증가함에 따라 모서리의 압력 매핑 윤곽이 더 명확해졌다. 의심할 여지 없이, 본 발명에 따른 플렉서블 매트릭스는 강력한 고해상도 압력 매핑 기능을 보여줌으로써 플렉서블 로봇과 지능형 보철에 진정한 대면적 전자피부를 부여하기 위한 토대를 마련할 수 있을 것으로 기대된다.
상술한 다양한 실시예들은 그 기술적 아이디어 및 필수적 특징을 벗어나지 않는 범위에서 다른 특정한 형태로 구체화될 수 있다. 따라서, 상기의 상세한 설명은 모든 면에서 제한적으로 해석되어서는 아니되고 예시적인 것으로 고려되어야 한다. 다양한 실시예들의 범위는 첨부된 청구항의 합리적 해석에 의해 결정되어야 하고, 다양한 실시예들의 등가적 범위 내에서의 모든 변경은 다양한 실시예들의 범위에 포함된다. 또한, 특허청구범위에서 명시적인 인용 관계가 있지 않은 청구항들을 결합하여 실시예를 구성하거나 출원 후의 보정에 의해 새로운 청구항으로 포함할 수 있다.

Claims (14)

  1. 미세기공 내 성게형 TiO2 입자가 포함된 계층적 구조(HSP-MP structure)를 가지는 유전층; 및
    계층적 마이크로콘 구조(HM structure)를 가지고, 상기 마이크로콘이 상기 유전층을 향하도록 상기 유전층의 상부와 하부에 배치되는 전극층;
    을 포함하는 이종 구조의 초고감도 정전용량형 촉각 센서.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 유전층은 P(VDF-TrFE) 멤브레인의 미세기공에 성게형 TiO2가 포함된 HSP-MP 구조의 P(VDF-TrFE)-TiO2이며,
    상기 전극층은 HM 구조의 PDMS 필름에 은(Ag)이 증착된 Ag-PDMS인 이종 구조의 초고감도 정전용량형 촉각 센서.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 전극층의 HM 구조는 큰 마이크로콘 및 작은 마이크로콘을 포함하고,
    격자 배열의 큰 마이크로콘 주위에 복수 개의 작은 마이크로콘이 분포되도록 배치되며,
    상기 작은 마이크로콘은 압력 인가시 히스테리시스를 감소시키는 것을 특징으로 하는 이종 구조의 초고감도 정전용량형 촉각 센서.
  4. 제1항에 있어서,
    접촉 가압력에 따른 상대 정전용량 응답 크기를 구별하여 감지하며,
    감지 한계 압력은 0.1 Pa 이상인 이종 구조의 초고감도 정전용량형 촉각 센서.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 촉각 센서의 감도는, 100 Pa 미만의 압력 범위에서 9 kPa-1 이상 및 100 내지 500 Pa 압력 범위에서 0.15 내지 0.3 kPa-1을 나타내고,
    상기 촉각 센서의 응답 및 이완 시간은, 100 Pa 가압력에서 각각 10 ms 미만인 이종 구조의 초고감도 정전용량형 촉각 센서.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 촉각 센서의 감도는, 100 Pa 미만의 압력 범위에서 10 내지 11 kPa-1을 나타내고,
    상기 촉각 센서의 응답 및 이완 시간은, 100 Pa 가압력에서 각각 6 ms 이하인 이종 구조의 초고감도 정전용량형 촉각 센서.
  7. 제1항에 있어서,
    10,000회 이상의 2 kPa의 가압 및 해제 사이클에도 상대 정전용량 응답이 저하 없이 유지되는 이종 구조의 초고감도 정전용량형 촉각 센서.
  8. 제1항에 있어서,
    굽힘 각도에 따른 상대 정전용량 응답 크기를 구별하여 감지하며,
    12,000회 이상의 30° 굽힘 반복 사이클에도 상대 정전용량 응답이 저하 없이 유지되는 이종 구조의 초고감도 정전용량형 촉각 센서.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항의 정전용량형 촉각 센서를 포함하는,
    맥박 모니터링 또는 근육 움직임 인식을 위한 패치.
  10. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항의 정전용량형 촉각 센서를 복수 개 포함하고,
    상기 복수 개의 촉각 센서가 다수의 행과 열을 이루도록 그리드(grid) 형태로 배열되는 고해상도 플렉서블 매트릭스.
  11. (S1) 멤브레인의 미세기공 내 성게형 TiO2 입자가 포함된 계층적 구조(HSP-MP 구조)의 P(VDF-TrFE)-TiO2 유전층 및 은(Ag)이 증착된 계층적 마이크로콘 구조(HM 구조)의 Ag-PDMS 전극층을 준비하는 단계;
    (S2) 상기 유전층 상부 및 하부에 상기 전극층을 샌드위치 구조로 조립하되, 상기 계층적 마이크로콘 구조가 상기 유전층을 향하도록 배치하는 단계; 및
    (S3) 조립된 구조체를 캡슐화하는 단계;를 포함하는 이종 구조의 초고감도 정전용량형 촉각 센서 제조방법.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 (S1) 단계의 P(VDF-TrFE)-TiO2 유전층은 하기의 단계를 포함하는 제조방법에 의해 제조되는 이종 구조의 초고감도 정전용량형 촉각 센서 제조방법:
    (a) 테트라부틸 티타네이트의 알코올 분해에 의해 생성된 구형 티타늄 옥시하이드레이트를 글리세롤과 반응시켜 티타늄 글리세롤레이트 착물을 생성하고, 가열 및 냉각 후 소성하여 성게형 TiO2 입자를 준비하는 단계;
    (b) 상부 임계공용온도(UCST) 이상의 온도에서 DMF 및 옥탄 혼합 용매에 성게형 TiO2 입자 및 P(VDF-TrFE)를 용해시키고, 혼합 용매 상분리법(MSPS)으로 HSP-MP 구조의 P(VDF-TrFE)-TiO2 유전층을 제조하는 단계.
  13. 제11항에 있어서,
    상기 (S1) 단계의 Ag-PDMS 전극층은 하기의 단계를 포함하는 제조방법에 의해 제조되는 이종 구조의 초고감도 정전용량형 촉각 센서 제조방법:
    (x) HM 구조가 레이저 마킹된 금속 템플릿 상에 PMMA 및 DMF 혼합 용액을 스핀 코팅하고, 증발 및 박리하여 역HM 구조의 PMMA 템플릿을 준비하는 단계;
    (y) 경화제 및 베이스 모노머와 혼합한 PDMS를 상기 PMMA 템플릿에 스핀 코팅하고, 기포 제거 후 경화시켜 PMMA 필름을 얻는 단계; 및
    (z) 상기 PMMA 필름 표면에 은(Ag)을 마그네트론 스퍼터링 증착시켜 HM 구조의 Ag-PMMA 전극층을 제조하는 단계.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 금속 템플릿은 구리(Cu) 템플릿이며,
    상기 HM 구조는 큰 마이크로콘 및 작은 마이크로콘을 포함하고, 격자 배열의 큰 마이크로콘 주위에 복수 개의 작은 마이크로콘이 분포되도록 배치되는 이종 구조의 초고감도 정전용량형 촉각 센서 제조방법.
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