인간상호작용 인터페이스 기반 고감도 유연압전시스템 개발

Abstract

기존 MEMS 공정에 의한 전자소자 및 회로는 일반적으로 단단하고, 깨지기 쉬운 재료적 특성과 평평하기 때문에 3차원의 복잡한 형상을 갖는 인간이나 자연의 표면 및 형상에 융합되기 힘들다. 이에 따라 유연성을 보장하는 전 자기기 및 회로에 많은 연구가 진행되어왔고, 재료 과학 및 공학 그리고 공정 및 구조적 설계와 같은 다양한 분야의 기술들이 발전을 거듭하며 융화되어 웨어러블 유연 전자소자들이 제시되고 있다. 본 연구에서는 압전 유기 폴리머의 전기방사 공정과 압전 나노 섬유 기반의 고감도 유연압전시스템을 다룬다. 공정변수의 최적화와 레이저 조사공정을 통해 제작한 ZnSnO3-CNR의 첨가를 첨가하여 출력 전압은 87배, 출력 전류는 16배 향상하였다. 또한 이를 통하여 금 박막 공정을 통해 제작한 PDMS 전극과 압전 폴리머 PVDF_TrFE를 사용하여 압전센서시스템을 제안하였다. 이렇게 개발한 센서시스템의 선형성과 내구성와 같은 시스템의 선응을 검증하였다. 다음으로 스핀 코팅 공정과 전기방사 공정을 이용하여 극도로 얇은 PDMS와 압전섬유의 제작 조건을 규명하였고, 이를 이용하여 전체 시스템의 두께가 100 μm 미만인 인체 부착형 유연압전시스템을 제안하였다. 이러한 초박막 센서시스템을 통해 노동맥과 경동맥의 움직임에 따른 미세한 피부 변형에 대해인지가 가능하였다. 마지막으로 3D 프린팅 공정을 이용하여 복잡한 3차원 자유 곡면을 보유한 인체 형상을 복사한 PDMS 인터페이스를 개발하였다. 개발한 인터페이스를 이용하여 3차원 인체 형상의 PDMS 기판이 압전 나노 섬유 매트릭스와 조화롭게 통합된 인체 형상과의 친밀한 유연 센서를 개발하였다. 본 3차원 형상의 센서의 기기와 인체의 접촉은 기존 필름형 2차원 기기들보다 접촉이 긴밀하게 작용하기에 촉각력이 나 피시험자의 맥박으로 인한 미세한 피부 변형과 같은 다양한 신체적 자극에 대한인지가 가능케 하였다. 본 학위 논문은 복잡한 인체형상에서 오는 기기-인체간의 형상 이질적 문제에 대한 다양한 해결법과 기존 무기 세라믹 압전 물질 대비 낮은 출력의 유기 폴리머 압전 물질의 단점을 나노 구조화, 공정 최적화 및 첨가제를 통해 극복하고 1 μm 이하의 기계적 자극을 인지할 수 있는 고감도 유연 신축 센서를 개발하였다는 점과 3D 스캐닝 및 프린팅 인체형상모사를 새롭게 접근하여 웨어러블 장치에 시도하였다는 데에 의의가 있다. 이에 본 연구를 통해 다양한 전자기기, 소프트 로보틱스 및 전자 피부와 같은 연구 분야에 잠재적으로 응용이 가능할 것으로 기대한다.

주제어 : 웨어러블 기기, 전자피부, 고감도 유연압전센서, 헬스 모니터링 기기, 3D프린팅