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온도에 따라 팽창하는 마이크로 입자를 활용한 압력센서 표면 형태 제어 원천기술 개발

하이거 2022. 8. 16. 13:28

온도에 따라 팽창하는 마이크로 입자를 활용한 압력센서 표면 형태 제어 원천기술 개발

 

등록일2022.08.05.

 


온도에 따라 팽창하는 마이크로 입자를 활용한
압력센서 표면 형태 제어 원천기술 개발
- 헬스케어 및 차세대 사용자 맞춤형 고성능 센서 구현 - 
  

□ 국내 연구진이 온도에 따라 풍선과 같이 팽창하는 마이크로 입자를 이용하여 웨어러블 기기 센서에 활용할 수 있는 불규칙한 마이크로 돔 구조 제작 기술을 개발했다.

□ 한국연구재단(이사장 이광복)은 박인규 교수(한국과학기술원), 조한철 박사(한국생산기술연구원) 연구팀의 공동연구로 3D 마이크로 구조 기반의 센서 표면 형태 제어 기술과 이를 압력센서에 적용할 수 있는 원천기술을 개발했다고 밝혔다.

□ 최근 인간-전자기기 상호작용 기술의 중요성이 높아짐에 따라, 표면에 3D 마이크로 구조를 갖는 필름을 사용하여 센서의 민감도나 응답속도 등을 증가시키려는 연구가 활발히 진행되고 있다.
  ○ 센서에 이용되는 기존 필름은 원하는 패턴으로 준비된 틀에 액상 탄성중합체*를 부어 만드는 몰딩 방식에 의존하기 때문에,
  ○ 별도의 몰드 제작이 필요할 뿐만 아니라 3D 마이크로 구조의 크기, 밀도 등을 제어하는 데 한계가 있어 제작에 어려움이 있었다.
    * 탄성중합체 : 고무처럼 탄성이 좋은 고분자 화합물을 통틀어 이루는 말로, 합성 고무 등이 있다.

□ 이에 연구팀은 특정 온도를 가하면 기존 대비 크기가 3배 이상 팽창하는 마이크로캡슐과 탄성중합체를 혼합하여 유연한 필름을 제작, 간단한 열처리를 통해 필름 표면에 3D 마이크로 돔 구조 형성이 가능한 것을 확인했다.

□ 또한, 제작한 필름을 고감도 유연 압력센서에 적용한 결과, 표면에 형성된 불규칙한 3D 마이크로 돔 구조가 규칙적인 구조에 비해 작은 힘에도 큰 변형과 압축으로 신호를 받아들여 기존 몰딩 방식 압력센서 보다 약 3배 높은 감도를 보였다.
 ○ 이렇게 개발된 센서는 물 1방울과 같은 미세한 질량의 압력까지도 정밀하게 감지하였으며, 다양한 센서 평가(검출한계*, 내구성, 응답속도 등)에서도 기존과 유사한 성능을 나타냈다. 
    * 검출한계: 그 기기 자체로부터 발생하는 잡음으로부터 분석물이 나타내는 신호를 
      구분할 수 있는 분석물의 최소량
 ○ 또한, 개발된 압력센서는 손가락의 미세한 맥박 변화까지도 정교한 감지가 가능하였으며,
 ○ 손목의 움직임 감지로 마우스 커서를 움직일 수 있는 대면적 어레이 센서* 구현을 통해 인간-컴퓨터 상호작용 기술 활용의 가능성을 검증하였다.
    * 대면적 어레이 센서 : 개발된 센서를 여러 개 배열하여 외부에서 가해지는 힘의 
      크기 및 위치를 감지할 수 있는 기술
 
□ 박인규 교수는 “이번 연구는 온도에 의해 팽창하는 입자를 통해 3D 마이크로 구조를 형성하는 새로운 제작 방법을 고안한 것”이라며, “지속적인 연구를 통해 실시간 건강정보 확인, 인간-기계 상호작용, 전자 피부 등 다양한 분야에서의 활용 가능성을 기대한다”라고 전했다.
 
□ 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 중견연구, 신진연구 및 교육부와 한국연구재단이 추진하는 창의ㆍ도전연구사업 등의 지원으로 수행된 이번 연구의 성과는 재료 분야 국제학술지 ‘어드밴스드 펑셔널 머티리얼즈(Advanced Functional Materials)’에 7월 4일(한국시간) 정식출간본 표지 논문으로 게재되었다.

주요 내용 설명

 <작성 : 한국과학기술원 박인규 교수>


논문명
Irregular Microdome Structure-Based Sensitive Pressure Sensor Using Internal Popping of Microspheres
저널명 
Advanced Functional Materials
키워드 
flexible pressure sensors (유연 압력센서), irregular microstructure (불규칙한 마이크로 구조), laser-induced graphene (레이저 유도 그래핀), microdome (마이크로돔), surface morphology (표면 형태)
DOI
https://doi.org/10.1002/adfm.202201147
저  자
박인규 교수(공동 교신저자/한국과학기술원), 
조한철 박사 (공동 교신저자/한국생산기술연구원), 
정영 박사(공동 제1저자/한국과학기술원), 
최중락 박사과정 (공동 제1저자/한국과학기술원)


1. 연구의 필요성
○ 최근 IoT (사물인터넷) 시대를 맞이하면서 다양한 센서 기술에 대한 수요가 급증하고 있다. 이러한 고성능 센서 기술은 스마트 기기, 보안 및 안전, 의료 및 헬스케어 분야와 같은 고부가가치 산업에 주로 적용되고 있다.
○ 최근에는 뛰어난 센서 특성과 함께 유연한 특성을 활용하여 사람의 피부와 같이 굴곡진 부위에 부착하는 웨어러블 센서 응용에 관한 관심도 지속해서 증가하고 있다. 특히, 표면에 3D 마이크로 구조가 배열된 필름을 사용하면 센서의 전반적인 특성을 향상시킬 수 있어, 3D 마이크로 구조의 크기 및 밀도를 제어할 수 있는 기술이 필수적으로 요구된다.

 2. 연구내용 
 ○ 온도에 의해 팽창하는 입자를 이용하여 표면에 3D 마이크로 구조를 제작하는 기술을 개발하였다. 
 ○ 본 연구에서 핵심으로 사용한 물질은 열팽창성 마이크로 캡슐로 마이크로 크기의 풍선으로 생각하면 된다. 초기 6~11㎛ 크기를 가지는 입자에 온도를 가하게 되면 내/외부의 상변화로 인해 약 30~50㎛ 크기로 기존 대비 3~5배 팽창하게 된다.
 ○ 해당 입자를 유연 탄성중합체와 혼합하여 유연 필름을 제작한 뒤에 온도를 가하여 열팽창성 마이크로 캡슐을 팽창시키면, 표면에 마이크로 돔 구조가 형성된 유연 필름의 제작이 가능하다.
 ○ 3D 마이크로 구조가 형성된 유연 필름을 압저항형 기반 유연 압력센서에 적용하였으며, 기존 센서에 비해 높은 감도를 가지고 내구성 / 검출한계 / 응답속도 등에서도 기존과 유사한 성능을 가진 것을 확인하였다.
 ○ 개발된 유연 압력센서를 활용하여 다양한 사용자 맞춤형 애플리케이션에 적용하였는데, 첫 번째로는 손가락형 압력센서에 적용하여 미세한 맥박 감지, 물체를 누르는 힘 등에 대해 정밀하게 감지/구분할 수 있음을 확인하였다.
 ○ 두 번째로는 대면적 어레이 센서를 제작하여 인간-컴퓨터 상호작용에 적용하여 손목의 움직임을 감지하고 이를 기계 학습에 적용하여 마우스 커서를 움직일 수 있음을 검증하였다.

3. 연구성과/기대효과
○ 본 연구는 패턴 몰드 없이 3D 마이크로 구조를 제작하는 기술을 개발하였으며 이를 통해 제작 유연성이 크게 향상하여 저비용/고성능 압력센서를 제작할 수 있게 하였다. 
○ 본 연구를 통해 개발된 불규칙한 돔 구조 기반 압력센서는 높은 민감도를 가질 뿐만 아니라 탄성중합체의 특성인 유연한 장점이 있어 웨어러블 디바이스를 비롯한 다양한 애플리케이션에 쉽게 적용할 수 있다.
○ 개발된 유연 압력센서는 저비용/고성능/대면적화가 가능한 장점이 있어 헬스케어, 인간-기계 상호작용, 개인 보안 등 고부가가치 산업에 널리 활용될 것으로 기대된다.


그림 설명




(그림1) 열팽창성 마이크로캡슐 입자의 팽창 메커니즘 (좌) 및 팽창 전/후의 관찰 사진
온도에 의해 팽창하는 열팽창성 마이크로캡슐 입자의 상변화 메커니즘과 팽창 전/후의 크기가 변한 것을 관찰한 사진입니다.



그림 설명 및 그림 제공 : 한국과학기술원 박인규 교수

[출처] Y. Jung, J. Choi, W. Lee, J. S. Ko, H. Cho*, I. Park*, “Irregular Microdome Structure-Based Sensitive Pressure Sensor Using Internal Popping of Microspheres”, Advanced Functional Materials, 32, 27 (2022).

https://doi.org/10.1002/adfm.202201147




(그림2) 유연 압력센서의 구조                         
열팽창성 마이크로 캡슐을 통해 제작된 불규칙한 마이크로 돔 구조를 활용하여 고감도의 유연 압력센서로 활용하였습니다. 상부의 층은 3D 마이크로 구조가 형성된 유연 필름에 금속을 증착하여 전도성 특성을 부여하였으며, 하부층은 레이저에 의해 유도된 그래핀 전극을 이용하였습니다.


그림 설명 및 그림 제공 : 한국과학기술원 박인규 교수

[출처] Y. Jung, J. Choi, W. Lee, J. S. Ko, H. Cho*, I. Park*, “Irregular Microdome Structure-Based Sensitive Pressure Sensor Using Internal Popping of Microspheres”, Advanced Functional Materials, 32, 27 (2022).

https://doi.org/10.1002/adfm.202201147









(그림3) 유연 압력센서의 애플리케이션, 손가락형 압력센서 (좌), 대면적 어레이 센서 (우)        
개발된 3D 마이크로 구조가 형성된 유연 필름을 이용하여 사용자 맞춤형 애플리케이션에 적용한 내용입니다. 손가락형 압력센서를 제작하여 미세한 맥박 감지에 적용하였으며 대면적 어레이 센서를 개발하여 손목의 움직임을 감지하고 기계 학습을 통해 마우스 커서를 움직이는 것에 적용하였습니다.


그림 설명 및 그림 제공 : 한국과학기술원 박인규 교수

[출처] Y. Jung, J. Choi, W. Lee, J. S. Ko, H. Cho*, I. Park*, “Irregular Microdome Structure-Based Sensitive Pressure Sensor Using Internal Popping of Microspheres”, Advanced Functional Materials, 32, 27 (2022).

https://doi.org/10.1002/adfm.202201147

(그림4) 선정된 표지 논문(Back cover article)      


그림 설명 및 그림 제공 : 한국과학기술원 박인규 교수

[출처] Y. Jung, J. Choi, W. Lee, J. S. Ko, H. Cho*, I. Park*, “Irregular Microdome Structure-Based Sensitive Pressure Sensor Using Internal Popping of Microspheres”, Advanced Functional Materials, 32, 27 (2022).

https://doi.org/10.1002/adfm.202201147





연구 이야기

                                 <작성 : 한국과학기술원 박인규 교수>
□ 연구를 시작한 계기나 배경은? 

유연 압력센서는 헬스케어, 인간-로봇 상호작용, 전자 피부 등 미래 IT 기기 등에 폭넓게 적용될 것으로 기대되고 있습니다. 이에 따라 압력센서 제작 관련 연구가 활발히 진행되고 있습니다. 압력센서의 성능 향상을 위해 주로 사용되는 방법은 표면에 3D 마이크로 구조가 배열된 필름을 이용하는 것입니다. 3D 마이크로 구조는 센서의 민감도뿐만 아니라 응답속도, 안정성 등 센서의 전반적인 특성이 향상됩니다. 또한, 3D 마이크로 구조는 형태/크기/밀도 등에 따라서 센서의 성능 특성을 조절할 수 있다는 큰 장점이 있습니다. 그러나, 이러한 3D 마이크로 구조의 제작 방법은 기제작된 패턴 몰드에 액상의 엘라스토머를 부어 제작하기 때문에 제작 공정이 복잡합니다. 또한, 다른 크기/밀도의 구조를 제작하기 위해서는 몰드를 추가로 제작해야 한다는 장점이 있습니다. 이처럼 3D 마이크로 구조 제작 시에 몰드 없이 제작할 수 있다면 공정도 단순화되며 제작 유연성을 높일 수 있을 것으로 생각하여 본 연구를 진행하게 되었습니다.


□ 연구 전개 과정에 대한 소개

몰드 없이 3D 마이크로 구조를 제작하기 위해 다양한 물질에 대한 조사를 진행하였습니다. 열, 자외선, 초음파와 같은 외부 자극으로 부피 변화를 하는 물질을 조사하였고 온도에 의해 팽창하는 미소 입자를 확인하여 이를 통해 평가를 진행하였습니다. 최적 팽창 온도, 온도에 따라 변화된 크기, 엘라스토머와의 혼합 조건 등 다양한 변수를 변화시켜가며 마이크로 구조 제작에 관한 확인을 진행하였고 이에 대한 정량적 평가를 진행하였습니다. 그리고 반도체 공정 없이 마이크로 구조를 제작할 수 있다는 본 연구의 장점을 극대화하기 위해 압력센서의 전극층도 레이저를 통해 유도된 그래핀을 이용하였습니다. 개발된 압력센서의 뛰어난 성능 특성을 보여주기 위해 다양한 센서 평가를 진행하였으며 사용자 맞춤형 애플리케이션을 통해 검증하였습니다.


□ 연구하면서 어려웠던 점이나 장애 요소는 무엇인지? 어떻게 극복(해결)하였는지?

본 연구를 진행하면서 어려웠었던 점은 불규칙한 마이크로 돔 구조가 과연 센서의 성능을 크게 향상시키는 지에 대한 점이었습니다. 기존에 개발되었던 3D 마이크로 구조 기반 센서는 패턴 몰드를 이용하기 때문에 규칙적으로 배열된 마이크로 구조지만, 본 연구에서 개발한 필름은 불규칙한 마이크로 구조이기 때문에 이러한 구조가 센서의 성능에 어떠한 영향을 주는지에 대한 검증이 필요하였습니다. 실험을 통해 본 연구에서 제안한 구조가 기존 대비 높은 성능 특성을 갖는 것을 확인하였고 FEA 해석을 통해 이를 검증함으로써 문제 해결을 진행하였습니다.




□ 이번 성과, 무엇이 다른가? 

기존의 연구들은 표면에 3D 마이크로 구조를 형성하기 위해 역상의 패턴 몰드를 이용하였으며 다양한 나노 물질을 혼합함으로써 센서의 성능을 향상시키는 형태로 연구를 진행하였습니다. 그러나, 몰드를 이용하는 방법은 몰드 제작에 있어서 다양한 반도체 공정이 요구되며, 크기/밀도 등을 변화시키는 부분에 있어서 한계가 존재하였습니다. 본 연구는 온도에 의해 팽창하는 입자를 이용하여 3D 마이크로 구조를 제작하는 방법을 제안하였으며 이에 대한 정량적 분석을 진행하였습니다. 또한 불규칙한 마이크로 돔 구조의 변형 메커니즘을 규명함으로써 개발된 센서의 높은 감도에 대한 분석도 진행하였습니다.


□ 실용화된다면 어떻게 활용될 수 있나? 실용화를 위한 과제는? 

본 연구는 3D 마이크로 제작에 있어서 패턴 몰드 없이 제작할 수 있다는 큰 장점이 있습니다. 따라서 크기/밀도 등을 쉽게 조절할 수 있으며 대면적으로도 쉽게 제작할 수 있습니다. 이러한 점을 통해 대면적 어레이 센서 등에 쉽게 적용할 수 있을 것으로 생각됩니다. 또한 유연한 특성의 엘라스토머 기반으로 제작하여 굴곡진 부위에도 쉽게 부착할 수 있다는 큰 장점이 있으므로 웨어러블 센서 등에도 적용될 수 있을 것으로 생각됩니다. 개발된 3D 마이크로 구조 기반 필름의 실용화를 위해서 전도성 특성을 어떠한 형태로 가지게 하는지에 대한 추후 연구가 필요할 것으로 생각됩니다.


□ 꼭 이루고 싶은 목표나 후속 연구계획은? 

이번 연구는 몰드 없이 3D 마이크로 구조를 제작한 것과 고성능 압력센서를 제작했다는 두 가지 의의가 있다고 생각합니다. 추후에는 이를 좀 더 발전시키고자 합니다. 센서의 성능 특성을 사용자 맞춤형으로 조절하기 위해 불규칙한 마이크로 구조를 원하는 형태로 배열하고자 합니다. 또한, 현재는 금속 증착을 통해 압력센서로 사용하였는데 어떠한 반도체 공정 없이 압력센서를 제작할 수 있는 구조를 제안하고자 합니다.