주름구조 이온-젤 필름에 기반한 넓은 감지범위의 정전식 박형 압력 센서

Abstract

4차 산업혁명의 핵심 요소인 사물 인터넷(IoT), 스마트헬스케어, 로봇 등은 다양한 센서를 필요로 하고, 특히 박막 형태의 압력센서는 인공피부, 휴먼-머신 인터페이스, 헬스케어 등에 활용될 수 있어 많은 관심을 받고 있다. 이러한 응용을 위한 압력센서는 낮은 압력에서 고민감도를 가지고 넓은 압력범위를 감지할 수 있어야 하며, 또한 다양한 표면에 적용하고 유연할 수 있도록 얇은 두께를 가져야 할 것이다. 이에, 다양한 재료와 구조를 이용한 필름형 압력 센서 연구가 진행되어 왔다. 하지만, 기존의 연구는 낮은 압력 범위에 대한 고민감도와 넓은 압력범위에 대한 고른 민감도를 모두 충족하기 어려웠으며, 특히 이러한 특성을 얇은 두께의 필름으로 구현하지 못하여 고유연성을 필요로 하는 응용에 적용하기 어려웠다. 본 연구에서는, 전극 / 유전층 / 전극 수직 적층 구조이고 유전층으로 주름진 이온-젤 필름 재료를 사용한 정전식 압력 센서를 구현한다. 이온-젤 필름은 전기적으로는 전기 이중층으로 인한 높은 정전용량 값을 가지고 기계적으로 고무와 같은 낮은 영률의 탄성체 성질을 가지므로 고 민감성 압력 감지 재료로써 적합하다. 이온-젤 필름의 표면에 수 $\mu m$ 수준의 주름구조를 사용하고, 주름구조와 전극 사이에 갇힌 공기의 압축을 활용함으로써 200 Pa의 낮은 압력에서는 $12.15 kPa_{-1}$의 높은 감도를 가지고, 100 kPa의 높은 압력까지 선형의 고른 특성을 가진 압력센서를 제작할 수 있었다. 제작된 압력센서는 총 두께 $19 \mu m$ 수준의 이온-젤 필름을 사용함으로써 얇은 필름형으로 제작할 수 있고, 따라서 곡면에 부착되어 접촉, 맥박, 무게 등과 같은 다양한 자극을 감지 할 수 있다. 이런 플렛폼은 저렴한 가격과 간단한 공정으로 미래의 다양한 장치에 적용할 수 있을 것으로 기대된다.