정전용량식 촉각센서는 낮은 온도 민감도(low temperature sensitivity), 저전력 소비(low power consumption), 안정적 인 구조(robust structure) 등의 장점을 가져 자동차, 제조 업, 휴머노이드 로봇, 의료 기기 등 다양한 분야에서 활 용되고 있다^[1]. 기존의 정전용량식 촉각센서는 대부분 힘이 센서에 인가되었을 시, 한 쌍의 전극 판 사이의 거 리에 따라 변화하는 정전용량을 측정한다. 이러한 방식 은 약 10 pF 이내의 좁은 범위의 다이내믹 레인지(dynamic range)를 갖는다^[2-9]. 좁은 다이내믹 레인지는 작은 신호 분해능(resolution)을 야기하므로, 계측을 위해 LCR 미 터와 같은 정밀하고 복잡한 기기를 필요로 한다. 이는 계측 시스템의 가격과 크기가 커지는 문제점을 발생시 킨다.

최근 촉각센서의 곡면 적용에 대한 중요성이 높아지 면서 유연 기판 기반의 정전용량식 촉각센서 관련 연구가 활발히 진행되고 있다^[2,3,5,8]. 대부분 연구들에서의 센서 구조는 전극이 증착되어 있는 유연 기판(e.g., FPCB, 폴 리에틸렌 나프탈레이트(Polyethylene naphthalate) (PEN) 필름, polydimethylsiloxane (PDMS), etc.)과 전극이 증착 되어 있는 PDMS 기반의 멤브레인(memsbrane) 두 파트 로 이루어져 있다. 두 파트를 부착하기 위해 유전층으로 주로 PDMS를 사용하는데, PDMS의 상대 유전율은 약 3으로써 SiO₂의 상대 유전율이 약 4인 것에 비하면 낮아, 높은 다이내믹 레인지를 갖는데 한계점으로 작용한다. 또 한 PDMS를 수천 옴스트롱(Å) 수준으로 얇게 도포하기 위해 주로 n-헥산(n-Hexane)을 섞어 얇게 만드는데 이는 쉽게 뜯어져 강인성(robustness) 측면에서 좋지 않다^[8].

본 연구실에서는 액체 금속 액적(liquid metal droplet)을 이용하여 넓은 다이내믹 레인지(~100 pF)를 가지는 촉각센 서를 제작한 바 있다^[10]. 액체 금속과 전극판이 유전층으로 나누어져 있는 구조로써, 액체 금속이 압력을 받았을 때 표면 위에서 퍼지면 전극간의 접촉 면적이 커지는 성질을 이용하였다. 이 때 액체 금속과 전극판 사이의 거리가 유전 층의 두께(4000 Å)로 얇게 유지되기 때문에 기존 정전용량 식 촉각센서에 비해 약 10배 이상 넓은 다이내믹 레인지를 가질 수 있다. 하지만 선행 연구에서 제작한 디바이스는 유리 기판(glass substrate)을 사용해 제작하여 곡면에 적용 할 수 없다는 단점이 있다.

본 논문에서는 멤스(MEMS) 기술을 적용해 4 mm의 공 간 분해능을 가지는 5 by 5 셀(cell)의 어레이 타입 유연 촉각 센서를 제작하였다. 기존 액체 금속 액적을 이용한 촉각 센서의 유리 기판을 PEN 필름 기반의 유연 기판으로 대체하 고, 폴리-4-비닐페놀(poly-4-vinylphenol)(PVP)을 유전층으 로 사용하였다. PVP는 상대유전율이 3.6으로써 PDMS (상대유전율: 3)보다 높고 수천 옴스트롱 수준으로 얇게 제작하여도 열처리 후에는 robustness가 좋다는 장점이 있어 thin fim transistor (TFT) 등 다양한 응용 분야에서 유전층으로 사용되고 있다^[11]. 뿐만 아니라 PVP는 하이 드록실기(hydroxyl group)를 갖고 있어 PDMS의 하이드 록실기와 O₂ 플라즈마 처리 후 접합할 수 있는 가능성을 갖고 있다. 본 논문에서는 두 물질의 접착 여부를 실험을 통해 검증하였다. 제작한 디바이스의 다이내믹 레인지 를 측정하기 위해 단일 셀 실험을 진행하였고, 약 60 pF 의 다이내믹 레인지를 갖는 것을 알 수 있었다.

Fig. 1(a)은 개발한 촉각 센서의 구조를 나타내고 있고, 니켈 테이프가 접착되어 있는 상판 PDMS 막, 액체 금속 액적(수은)을 보관하는 PDMS 챔버층, PVP 유전층이 코팅 되어 있는 PEN 필름 기반의 하판 전극판으로 이루어져 있 다. 측정 원리는 앞서 본 연구실에서 개발한 센서와 유사하 다^[10]. 수은은 높은 표면장력(0.465 N/m)을 갖고 있어 구의 형태를 유지하려는 성질이 있다. 따라서 센서에 힘이 인가 되기 전까지는 구에 가까운 형태를 유지해 유전층과의 접촉 면적이 크지 않아 작은 정전용량을 갖는다. 반면에, 센서에 힘이 인가된 후에는 액체금속 액적이 유전층 위에서 퍼지면 서 접촉면적이 넓어지게 되고, 이에 정전용량이 커지게 된 다(Fig. 1(b)).

Fig. 1 

(a) Schematic of device and (b) operation principle of developed sensor

본 논문에서는 멤스(MEMS) 기술을 적용해 4 mm의 공간 분해능을 가지는 5 by 5 셀의 어레이 타입 유연 촉각 센서를 제작하였다. 폴리에틸렌 나프탈레이트(Polyethylene naphthalate) (PEN) 필름 기반의 유연 기판 위에 폴리-4-비 닐페놀(poly-4vinylphenol)(PVP)을 유전층으로 사용하였 다. PVP 표면에 있는 하이드록실기(-OH)와 활성화된 PDMS 사이의 접착력을 시험하기 위해 PVP와 PDMS에 O₂ 플라즈마 처리 조건을 달리하여 접착 테스트를 진행하 였다. 실험을 통해 PVP 표면에 O₂ 플라즈마 처리를 하지 않은 시편만 O₂ 플라즈마 처리를 한 PDMS와 접착하는 것을 확인할 수 있었다. 센서의 다이내믹 레인지를 측정하 기 위해 단일 셀 테스트를 진행하였고, 실험을 통해 약 60 pF로 기존 정전용량식 촉각 센서에 비해 6배 이상 넓은 다이내믹 레인지를 갖는 것을 확인하였다. 추후에 PVP 유 전층의 공정 조건 및 표면 개질 조건을 최적화 하여 디바이 스의 성능 개선을 진행할 예정이다. 뿐만 아니라, 최적화된 촉각센서를 실제 휴머노이드 로봇등에 적용하기 위해서 반응속도(response time), 수명(life time), 중력에 의한 영 향 분석 및 다중 셀 측정 테스트도 함께 진행할 예정이다.