누르면 압력 느끼는 센서 "상용화 수준"
누르면 압력 느끼는 센서 "상용화 수준"
  • 함예솔
  • 승인 2018.09.21 20:00
  • 조회수 3927
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KAIST 전기및전자공학부 유재영 박사과정과 서민호 박사 연구팀이 플렉서블 기기에 적용할 수 있는 상용화 수준의 고민감도 투명 유연 포스터치(Force touch)센서를 개발했습니다. 이 센서는 스마트폰 뿐 아니라 다양한 곡률에서 사용되는 플렉서블 기기, 헬스케어 웨어러블 기기 등 다양한 터치 인터페이스에 적용 가능할 것으로 기대됩니다.

 

포스터치(Force Touch)센서는, 인식되는 터치의 위치 정보와 누를 때의 압력도 인식할 수 있는 기술입니다. 실제 스마트폰에 집적돼 한 번의 터치만으로 다양한 기능을 제공할 수 있습니다. 최근 포스터치 센서를 스마트폰 뿐 아니라 플렉서블 기기를 포함한 다양한 응용 제품에 적용하기 위해 마이크로-나노 크기의 미세구조를 이용한 민감도 및 유연성 향상 연구가 활발히 진행되고 있습니다. 

 

그러나 기존의 고성능 센서들은 특정 성능만을 향상시켜서 실제로 필요한 민감도, 유연도, 투명도, 재현성, 다양한 사용 환경에서의 동작 신뢰성 등 총체적 성능을 동시에 만족시키지 못해 사용화에 한계가 있었습니다. 

 

투명 유연 포스 터치 구조와 작동 원리. 출처: KAIST
투명 유연 포스 터치 구조와 작동 원리. 출처: KAIST

연구팀은 문제 해결을 위해 기존 상식인, '포스터치센서는 공기를 포함한 간격을 갖는다'는 생각에서 벗어나 속이 가득찬 센서를 개발하는데 집중했습니다.

 

연구팀은 센서 내부에 압력에 따라 유전율 변화를 극대화할 수 있는 금속 나노입자가 포함된 투명 나노 복합 절연층과 가해진 압력을 집중시켜 민감도를 높일 수 있는 나노그레이팅 구조를 개발해 고민감도의 투명 유연 포스터치 센서를 제작하는데 성공했습니다. 참고로 나노 그레이팅은 수백 나노미터 정도의 라인(line) 형태의 돌기가 일정한 주기를 가지며 돌출돼 있는 나노 크기의 구조를 말합니다.

 

시계에 포스터치센서 부착 해 맥박 측정 모듈 구현. 출처: KAIST
시계에 포스터치센서 부착해 맥박 측정 모듈 구현. 출처: KAIST

연구팀은 감지 전극을 감지층의 상하부에 형성한다는 기존 방식에서 벗어나 동일 평면(기계적 중립면)에 배치함으로써 볼펜심 정도(곡률 반경=2.5mm)의 극대화된 굽힘 정도에서도 성능의 변화 없이 동작하는 것을 확인했습니다.

 

여기서 기계적 중립면이란 어떤 물질을 굽힐 때 한 면은 늘어나는 반면, 다른 면은 압축이 발생하게 되는데 이때 늘어난 면과 압축된 면 사이의 늘어나지도 줄어들지도 않는 안정적인 면을 말합니다.

 

연구팀이 제작한 대면적 7인치 투명 유연 포스터치 센서. 출처: KAIST
연구팀이 제작한 대면적 7인치 투명 유연 포스터치센서. 출처: KAIST

또한 연구팀은 대량 양산 시 주요 고려 사항인 대면적 규일성, 제작 재현성, 온도 및 장기 사용에 따른 신뢰성 역시 상용화 수준임을 증명해냈습니다. 연구팀은 개발한 센서를 맥박 모니터링이 가능한 헬스케어 웨어러블 기기에 적용해 실시간 맥박을 감지해냈습니다.

 

논문 표지 이미지. 출처: KAIST
후면 표지 논문 이미지. 출처: KAIST

연구를 주도한 유재영 박사과정은 "간단한 구조, 공정을 이용해 상용화 수준의 포스터치센서를 개발했으며 다양한 실제 사용 환경에서도 높은 신뢰성 수준에서 동작함으로써 사용자 터치 인터페이스와 웨어러블 기기에 널리 사용될 수 있을 것"이라고 전했습니다. 이번 연구는 국제학술지 <어드밴스드 펑셔널 멀티리얼즈>에 게재됐습니다.


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