표면 질감 분석을 위한 고감도 생체 모방형 촉각센서 연구개발

Abstract

인간은 오감(시각, 청각, 후각, 미각, 촉각)을 이용하여 주변 환경의 상황과 특색을 파악하여, 그에 상응하는 행위를 위한 정보로 활용한다. 그중에서 촉각은 피부와 물체의 접촉을 통하여 압력, 거칠기, 온도와 같은 물리량을 얻어 딱딱함, 매끄러움, 거침, 따뜻함, 차가움과 같은 촉감을 창출하는 복합적인 감각이다. 이러한 촉각에 관한 연구는 두 가지 관점에서 접근되어 연구 되어 지고 있는데, 인간의 촉각기관에 관한 해부학적, 기능적 요소를 연구하는 생물학적 접근과 인간의 촉각기관을 재현하여 인간이 가지고 있는 능력을 초월하는 센서개발을 목표로 하는 공학적 관점이다. 기존의 촉각센서들은 센서의 감도를 증가시키기 위하여 기계적 변형을 전기신호로 출력하기 용이한 재료연구와 더불어 기계적 변형을 극대화 할 수 있는 연구에 중점을 두고 있다. 그 결과 센서의 감도는 증가 하였으나, 기계적 안정성과 센서의 신뢰성을 확보하기 위한 추가적인 연구가 진행 되고 있다. 또한 단순한 외부압력의 분포를 감지하여 출력하는 방법으로 물체의 표면구조를 분석하고 있으나, 이는 물체의 표면특성을 규정할 수 있는 물리량을 제시하는 방법은 아니다. 즉 표면특성에 관한 물리량이 규정되어 센서가 그 물리량을 정확히 전기적 신호로 변환 할 수 있다면 물체의 어떠한 표면구조도 감지하여 그 표면의 특성을 인지 할 수 있을 것이다. 이러한 센서는 인간의 촉각소체를 대신하여 기계에 능동적 감각기능의 부여가 가능 할 것이며, 물체의 2차원적 표면구조를 정량화함으로서 인간이 감성적으로 분석하는 물체의 표면특성을 구체적인 물리량으로 정량화가 가능 할 것이다. 또한 극지 탐사를 위한 기구의 감각정보 제공 기관, 최소 침습 수술용 로봇의 촉각기관으로 응용의 가능성과 인공피부로의 개발이 가능할 것으로 예상되어진다.

이 논문은 압력 증폭 구조가 겸비된 고감도 촉각 (Pressure Amplifying Tactile Sensor : PAT sensor) 센서의 제작과 센서의 전기적 특성 및 응용에 관하 연구와 관계된다. 개발 하고자 하는 센서는 압력 증폭구조체가 제작 된 하부기판과 함께, 지문구조가 제작된 탄소나노 튜브 박막/PDMS 하이브리드 형태의 감지 층으로 이루어져 구성 된다. 외부 자극이 장치에 센서 동작을 일으키며, 압력 확장 구조 (Pressure Amplifying Structure : PAS)에서 local strain 이 유도되어 감지 층의 국부 변형에 의해 감지됩니다. 종래의 촉각 센서에 비해 PAT 센서는 더 민감하고, 넓은 압력감지 범위를 가지고 있습니다.

촉각 센서의 하부 기판은 압력 증폭 구조인 PAS 와 전극으로 이루어져 있다. 이 PAS 구조는 전자빔 리소그라피 방법에 의해 패턴을 생성 하였으며, 이후 에칭을 위해 금속 에칭 마스크를 증착한 후, 건식 식각과 습식 식각을 통하여 구조체를 완성 하였다. 탄소 나노튜브 박막 / PDMS 감지 층의 제조는 진공 여과 방법에 의해 그 활성 감지층을 제작 하였으며, 스템프 방법에 의해 PDMS 박막의 표면으로 활성 감지층을 전도 시키는 공정을 실시하였다. 또한 지문 구조는 지문 구조의 패턴을 SU-8 네거티브 포토리지스트를 이용하여 금형으로 몰드 틀을 제작 하였으며, 제작된 금형을 통하여 PDMS의 상부에 지문구조를 균일하게 제작 하였다. 이 두 층은 전도성 폴리머 접착제를 사용하여 전극구조와 함께 접합하여 전기적, 기계적으로 안정적인 접합을 하였다.

센서를 통하여 수행된 전기적 측정에서 가해진 외부 압력의 크기에 따라 센서의 저항이 종속적으로 변화하는 것을 확인 할 수 있었다. 센서의 감지 특성은 하부의 압력 증폭구조의 수를 조절하여 변화 시킬 수 있는 것을 확인 하였으며, 압력 증폭구조에 의해 하부 접촉 면적이 증가하고 그에 따라 변형되는 감지층의 기계적 변형이 더욱 커지기 때문이며, 이를 이용하여 더욱 민감한 촉각센서를 제작 할 수 있음을 확인 하였다.

질감 감지 특성을 확인하기 위하여, 간단한 실험 장치를 제작 하였고, 센서의 표면에 압력이 가해지지 않은 상태로 측정을 위한 scanning tip 을 접촉하여, 일정한 속도로 센서의 지문구조와 수직하게 tip 을 이동 시키면서 센서의 전도특성 변화를 관찰 하였다. 결과 지문 구조와 팁의 접촉에 의한 전도 특성 변화가 있음을 확인 하였으며, 이는 주기적인 출력 신호를 발생한다는 것을 알 수 있었다. 이러한 특성을 확인 하여 실제 천의 표면 질감에 대하여 어떠한 특성을 보이는지 확인을 위하여 같은 실험조건하에 scanning tip 을 대신하여 일정한 직조 무늬가 있는 폴리에스테르 옷감을 이용하여 측정을 실시하였다. 마찬가지로 일정한 주기를 갖는 출력 신호를 보였으며, 이 신호를 Fast Fourier Transform을 이용하여 주파수 성분을 분석한 결과 천의 직조 무늬의 주기성을 반영하는 출력 신호가 감지 된 것을 확인 할 수 있었다.