광운대 김남영 교수(전자공학과) 연구팀, 미약 신호 감지를 위한 초감응 용량식 촉각 센서 개발에 성공

- JCR 1% Q1, IF: 16.774 과학전문지Chemical Engineering Journal 게재 -

- 미약 신호 감지를 위한 초감응 용량식 촉각 센서 개발에 성공 -

<(좌)우문삼 박사과정 연구원 (우)김남영 교수>

본교 김남영 교수(전자공학과？)가 이끄는 연구팀은 전자공학과 우문삼 박사과정(제1저자)과 함께 나노 미약 신호 감지를 위한 초감응 용량식 촉각 센서 개발에 성공했다.

세계적으로 COVID-19가 심화됨에 따라 헬스케어 모니터링 시스템에 대한 성능 수요가 증가하여 특히 높은 감도와 빠른 반응/이완 시간으로 우수한 감지 성능을 제공하기 위해 내장된 촉각 센서가 필요하다. 그 중 높은 감도는 높은 신호 대 잡음비로 작은 신호 변동을 정확하게 식별할 수 있게 하는 반면, 빠른 응답/완화 시간은 고주파 신호의 정밀한 포착을 가능하게 한다. 유전체층 또는 전극층에 미세구조를 도입하여 감도 및 응답/이완 시간이 어느 정도 향상되지만, 여전히 상대적으로 낮고 지적화의 요구를 충족시키기 어렵다. 한편, 유전체층과 전극층 모두에 미세구조를 도입하는 새로운 공정 기술을 도입하였다.

현재 헤테로 구조를 이용한 저항성 촉각 센서를 일반적으로 널리 사용하고 있지만, 헤테로 구조를 갖는 용량성 촉각 센서는 거의 연구되지 않으며, 용량성 촉각 센서에서 헤테로 구조가 가져오는 성능 우수성은 체계적으로 설명되지 않는 상황이다.

작은 신호 인식을 위한 계층적 TiO2 입자-마이크로 포어(HSP-MP) 성게 구조를 갖는 지각층(P(VDF-TrFE)-TiO2)과 계층적 마이크로 콘(HM) 구조 전극층(Ag-PDMS)을 기반으로 하는 초민감 용량성 촉각 센서를 개발하였다. 구체적으로는 HSP-MP 구조 및 HM 구조는 각각 MSPS(mixed solvent phase separation) 방법 및 레이저 마킹 Cu template transfer 방법을 사용하여 구현하였다. HSP-MP&HM 구조 촉각 센서는 10.5kPa-1의 초감도와 초고속 응답/완화 시간(5.6/5.6ms), 초저검출 한계(0.1Pa), 우수한 안정성과 재현성(100사이클 이상)을 나타낸다. 제안된 촉각 센서가 작은 신호 인식을 달성할 수 있음을 설명하기 위해, (1) 심혈관 질환 진단 및 예방을 위한 손끝 펄스 인식 및 파형 특징 분석. (2) 모스 코드 전송을 위한 손목 근육의 확장(약지) 및 수축(검지)을 측정한다. (3) 100개의 촉각 센서 유닛으로 구성된 유연한 지각 배열(10×10 매트릭스)은 고해상도 압력 매핑(질량, 모양, 위치)에서 적용하도록 개발되었다. HSP-MP&HM 구조 촉각 센서와 제안된 작은 신호 인식 애플리케이션이 지능형 의료 모니터링 기술의 발전에 기여하는 연구이다.

[사진설명: HSP-MP&HM 구조 촉각 센서를 기반으로 한 작은 신호 지각에 대한 개략도. (a) 촉각 센서의 3D 구조에 대한 개략도. (b) HSP-MP 구조를 갖는 P(VDF-TrFE)-TiO2 유전체층의 SEM 이미지. (c) M(Method) 구조를 갖는 Ag-PDMS 전극층의 SEM 이미지. 손끝 펄스 지각, 근육 운동 지각 및 유연한 지각 배열을 포함하는 HSP-MP&HM 구조 촉각 센서의 응용 다이어그램.]

이번 연구는 교육부에서 지원하는 한국연구재단(NRF) 중점연구소 지원사업과 한국 환경부(MOE) 대학원을 통한 기초 과학 연구 프로그램의 지원을 받았다. 연구결과는 Elsevier에서 발간하는 국제 저명 논문지인 Chemical Engineering Journal (IF=16.774) “Ultrasensitive capacitive tactile sensor with heterostructured active layers for tiny signal perception” 제목으로 실렸다.

(https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S138589472203741X)