연세대 심우영·이태윤 교수 연구진이 주변에서 쉽게 구할 수 있는 종이와 연필을 이용해 고감도 3D 터치 센서를 개발해 미세구조의 높은 민감도는 유지하면서 공정 과정을 대폭 줄여 저비용 고성능의 압력센서 제작을 가능하게 만들었다.

다양한 외부 요인의 센싱과 모니터링은 미래의 융복합 스마트기기의 핵심 중 하나이다. IoT (사물인터넷) 시대를 맞이하여 다양한 센서 기술 개발에 대한 수요가 지속적으로 증가하고 있으며, 특히 터치/압력센서는 일상적인 생활환경 부분 전반에 걸쳐서 복합적으로 사용되기에 그 중요성이 더욱 크다.

높은 민감도와 유연성을 가지는 압력센서에 대한 연구가 활발히 진행되고 있으며 최근의 연구 동향은 표면에 인공적인 미세구조를 형성하여 민감도를 높이는 방향으로 진행되어 왔다.

하지만 미세구조 형성은 종종 고가의 재료를 필요로 하고 포토리소그래피(Photolithography), 증착(deposition) 및 애칭(etching) 등의 공정을 거쳐하기 때문에 제작이 복잡하고 비용이 많이 드는 단점이 있다.

이러한 단점은 장기적으로 폭증하는 센서 수요를 감당하는 데에 큰 장애가 될 것으로 예상되므로 재료 및 공정비용을 최소화 할 수 있는 새로운 개념의 압력센서 개발이 요구되었다.

연구진은 인공적인 미세구조 형성 과정 없이 종이 자체의 표면 거칠기를 활용해 고민감도 압력센서를 제작했다.

종이 소재는 표면에 미세한 굴곡을 가지고 있어 두 장의 종이를 겹쳐놓을 시 이러한 요철들에 의해 면과 면이 완전히 접촉하지 않아 두 종이 사이에 공기 층(Air gap)이 생기는 특징이 있다.

이러한 공기 층은 접촉 부위의 유효 영률(Effective Young’s modulus)을 감소시켜 두 장의 종이가 외부압력에 쉽게 눌리도록 한다.

연구진은 두 장의 종이에 전극과 얇은 유전층을 형성하여 겹쳐놓음으로써 정전식 압력센서(Capacitive pressrue sensor)를 제작하였고 두 장의 종이가 미세한 표면 굴곡에 의해 쉽게 눌리는 특성을 이용해 고민감도 압력 감지 기능을 구현하였다.

이 연구의 압력센서는 종이 기판위에 연필로 전극을 그리고 PDMS (Polydimethylsiloxane) 유전층을 도포하여 제작하였다.

유전층 도포과정에서 종이의 거칠기를 최대한 보존하기 위해 Heptain을 용매로 사용하여 PDMS를 희석해 사용하였으며 이를 통해 표면 거칠기 4 μm를 가지는 압력센서를 제작하였다.

제작된 압력센서는 민감도 0.62 kPa-1, 반응시간 200 ms의 우수한 성능을 보였으며 5000번 이상의 반복 누름, 1000번 이상의 반복 굽힘에도 성능저하가 없는 뛰어난 안전성을 보였다.

이는 기존의 고가 재료나 복잡한 공정을 통해 제작되는 압력센서에 상응하거나 더 높은 수준에 해당한다.

개발된 종이압력센서를 활용해 3D 포스터치가 가능한 종이 키보드를 제작하였다. 종이키보드는 개별 압력센서로 구성된 키를 가지고 있어 이를 통해 사용자의 터치 세기를 연속적으로 감지할 수 있다.

이러한 기능을 활용하여 사용자의 터치 세기에 따라 소문자, 대문자를 자동으로 구분하여 출력하는 기능을 구현했다.

즉 이렇게 완성된 압력센서는 쌀 한 톨(8mg) 무게를 구분할 정도의 초고감도 특성을 보였으며, 사용자의 터치 세기에 따라 소문자와 대문자를 출력하는 3D 터치 기능을 구현했다.

연구진은 인공적인 미세구조 형성 과정없이 종이 소재 고유의 표면거칠기를 활용하여 고민감도 센서를 제작하고,. 이를 통해 제작 공정의 용이성을 크게 향상시켜 저비용의 고성능 압력센서를 제작할 수 있게 하였다.

개발된 종이 압력센서는 높은 민감도를 가질 뿐만 아니라 종이 소재의 특징인 가볍고 유연한 장점을 가지고 있어 웨어러블 디바이스 및 각종 비평면 장치에 쉽게 적용할 수 있다.

심우영 교수는 “종이 자체의 표면 특성을 통해 압력센서의 민감도와 제작의 용이성을 크게 높이고, 재료 자체의 거칠기를 활용하는 압력센서 연구의 새로운 패러다임을 제시했다”며 “종이압력센서는 저비용의 공정, 높은 민감도 및 기계적 특성을 장점으로 헬스케어, 사용자터치인터페이스, 각종 모니터링 기기 및 IT 기기에 널리 활용될 것으로 기대된다”고 설명했다.

또 “.기존의 연구들은 민감도를 향상시키기 위해 표면의 미세구조를 인위적으로 형성하였다. 따라서 미세구조를 형성하는 데에 고가의 재료 및 높은 비용이 드는 복잡한 공정들이 수반되었고 이는 경제적인 측면에서 큰 단점이 되고 있었다”며 “ 본 연구는 인위적인 미세구조 형성 공정 없이 재료자체의 존재하는 높은 표면 거칠기를 이용하여 센서의 민감도를 향상시켰고 결과적으로 적은 공정으로 고성능의 압력센서를 제작할 수 있었고,. 이러한 방식은 미세구조의 높은 민감도는 유지하면서 공정 과정을 대폭 줄여 저비용 고성능의 압력센서 제작을 가능하게 한다”고 밝혔다.

아울러 “이번 연구의 압력센서는 높은 민감도와 저비용의 공정을 동시에 이루었지만 연필로 직접 그려서 제작하는 방식의 특성상 대량생산이 용이하지 못했다”면서 “향후 연구는 지금과 같은 구조를 인쇄공정과 같이 대량으로 제작하는 방법을 고안하여 지금보다 더 생산성을 높인 압력센서를 개발하고 싶다”고 말했다.

과학기술정보통신부․한국연구재단 기초연구지원사업(개인‧집단연구) 등의 지원으로 수행된 이 연구 성과는 국제학술지 스몰(Small) 11월 14일자 표지논문으로 게재되었다.

(논문명 : Rough-Surface-Enabled Capacitive Pressure Sensors with 3D Touch Capability)