유연한 촉각 센서에 관하여

유연 촉각 센서의 기능과 요건

센서 기술은 과학, 공학, 산업 전반에 걸쳐 전통적으로 근간이 되는 계측 기술에서 진화되어 이제는 생활 전반에 걸쳐 안전 및 편의성 증대와 관련된 핵심기술로 그 중요도가 점점 높아지고 있다. 그 중 촉각 센서는 과거 단방향의 외부 물리적 정보를 전달하는 소모성 수단에서 최근에는 양방향의 인지와 반응을 감지하는 인공 감각으로 발전하고 있다. 이러한 인공 감각 기술은 최근 민감하고 유연한 촉각 센서를 통하여 로봇에게 인간과 유사한 실감을 제공할 뿐만 아니라 인간과 원활한 소통을 가능하게 하는 핵심 기술이 되고 있다. 인공 감각을 위해 센서가 갖춰야 하는 대표적인 세 가지 핵심 요소 기술들을 살펴보면 다음과 같다.

첫 번째는 사람의 피부와 같이 유연성(soft)과 신축성(flexible)이 있는 소재를 활용한 유연 소자 제작 기술이다. 기반 소재로는 실리콘(silicone rubber)과 같이 점탄성 고분자 재료가 사용되고 있다. 두 번째는 의류, 장갑, 신발과 같이 사람이 항시 착용이 가능하 며 편리하여 거부감 없이 소통이 가능한 웨어러블(wearable) 기술이다. 최근 연구 개발되고 있는 웨어러블 센서의 경우 의류 일체형으로 전도성 실 및 섬유, 직물 등을 활용하여 제작이 가능할 뿐만 아니라 패치 형태로 인체에 탈부착이 가능하다. 세 번째는 기계를 통하여 인간에게 실감을 제공해 주는 햅틱(haptic) 기술이다. 햅틱 기술이란 기존의 시청각 정보를 벗어나 촉각과 힘 및 운동감을 느끼게 하는 기술로, 스마트폰 및 컴퓨터의 입력 장치인 키보드, 마우스 등에 적용될 뿐만 아니라 의학 분야에 주로 활용되어 연구·개발 되고 있다. 따라서 이 글에서는 인공 감각 구현을 위한 유연 촉각 센서의 기본 원리와 이를 활용한 연구·개발 사례에 대하여 소개하고자 한다.

유연 촉각 센서의 원리와 응용 사례

기술적인 관점에서 촉각 센서의 기본 원리는 크게 세 가지로 구분이 될 수 있다. 첫 번째로는 전왜성(piezo-resistivity) 방식으로 센서를 구성하는 재료가 가지는 전기적인 저항을 활용하여 외력에 의한 저항의 변화를 통해 작용힘의 크기를 파악하는 방법이다. 두 번째로는 정전 용량(capacitance) 방식으로 도체의 평형판 가운데 절연체를 구성하고 이들 평형판이 외부 압력이나 움직임에 의하여 변위가 발생하면 그 간극이 변형되어 정전 용량이 변화해 이를 통해 작용되는 힘을 측정할 수 있는 방법이다. 세 번째로는 전자 소재를 전하 이송층으로 사용하는 유기 전계 효과 트랜지스터(field effect transistor) 방식으로 압력을 트랜지스터에 인가하였을 때 트랜지스터 내부의 소스-드레인(source-drain) 사이의 미세
한 전류 변화를 감지하여 외부 자극에 대한 신호를 획득하는 방법이다.

첫 번째 전왜성 방식을 활용하여 널리 활용되는 스트레인 게이지가 있으며, 여기에는 금속선을 센서부로 활용하고 있다. 금속선 스트레인 게이지는 “물체의 전기 저항값은 길이와 단면적 변화에 의하여 변화한다”는 외력에 대한 전기 전도체의 형상 변형에 따른 저항 변화 원리를 이용하고 있다. 그러나 이들은 금속선이 외부 하중에 약하고 측정 범위가 작아 최근 전기 전도성을 지닌 입자를 충진재(filler)로 하고 이를 고분자 기지 재료(matrix)와 혼합하여 전기 전도성을 지닌 복합 소재로 개발하여 내구성과 유연성을 향상시킨 새로운 형태의 스트레인 게이지가 연구 개발
되고 있다. 전기 전도성을 지닌 충진 재료는 탄소 나노 튜브(CNT: Carbon Nanotube)나 그래핀(graphene)과 같은 탄소 나노 동소체가 활용되고 있다. 나노 재료를 기반으로 하는 전왜성 방식 센서는 전기 전도성을 지닌 충전재가 이를 포함하고 있는 기지 재료 내에서 외부 하중 조건의 변화에 따른 충전재 상호 간 전기 접촉 저항의 변화를 기반으로 힘이나 변형을 계측하는 새로운 형태의 센서이다.

두 번째의 정전 용량 방식은 두 전극 사이에 유전체의 구조로 이루어져 있어 유전체의 유연율과 면적, 두께에 따라 정전 용량이 결정된다. 소자의 물리적 변형에 의한 유전체의 두께 변화 또는 접촉 면적 변화가 정전 용량의 변화를 유도하게 된다. 이러한 방식은 미세한 압력 감지가 가능하나 압력이 위한 변형량이 작을 경우에 한정되어 사용되고 있다. 유연성을 갖추기 위해서는 외부 물리적 자극에 대하여 유전체의 형상 변화에 유리하지만 탄성력이 뛰어난 소재를 유전층으로 사용할 수 있다. 특별히 유전층에는 미세한 힘의 위치를 검출할 수 있는 격자 요소를 배열하여 국부적으로 격자 요소에 전달되는 힘에 의해 접촉 패턴을 얻게 구성할 수도 있다. 

세 번째 유기 전계 효과 트랜지스터 방식은 화학 및 바이오, 광, 압력/촉각 등 다양한 외부 환경 감지를 위하여 일반적으로 복합 센서로 구성되어 이용되고 있다. 이들은 여러 센서들이 MEMS 공정에 의해 패턴화된 기능형 집적 회로로 제작되어, 단일 유닛보다는 여러 개의 역할을 수행하는 유닛들이 연결되어 복합적으로 사용되고 있다. 유연한 필름 형태로 제작된 유기 트랜지스터는 촉각에 대해 민감하여 높은 감도를 가지고 있다.

맺음말

이 글에서는 인간과 로봇의 상호 작용을 위한 핵심 기술인 유연/촉각 센서의 기본적인 원리들에 대한 내용과 함께 응용 사례들에 대하여 소개하였다. 기술의 고도화로 인하여 점차 기반 기술들에 대한 중요성이 부각되고 있지만 국내 관련 현황은 기술적 수요에 못미친다고 판단된다. 4차 산업 혁명 시대에서 센서 기술은 많은 공학 분야의 근간이 되는 핵심 요소 기술이다. 4차 산업 혁명 시대의 수요를 만족시키기 위한 센서 기술 공학 분야에만 한정되지 않고 과학 기술 전반에 걸쳐 다양한 학제 간의 교류를 통하여 개발되고 발전할 수 있을 것이다. 새로운 센서의 등장은 관련 기술 시장을 성장뿐만 아니라 국가 기술 경쟁력을 향상시킬 수 있으므로 그 개발과 연구의 가치는 매우 높다고 사료된다.

이상, 출처; 기계저널, 2019년 9월