첨단세라믹스   센서

카본 마이크로 코일(CMC)을 이용한 초고감도 미소 촉각센서

元島栖二  岐阜大學工學部
河憲次    CMC Technology Development co., Ltd

 1. 들어가며
촉각이란 협의로는 생물이 체표(體表)에 기계적인 자극을 받았음을 감수(感受)하는 감각인데, 광의로는 접촉에 의해 생기는 감각:압각(壓覺), 역각(力覺), 온각, 냉각, 통각, 단단함·부드러움 등의 탄성특성 인식, 매끈매끈·거칠거칠 등의 표면형상 인식 등도 포함된다. 인간의 피부는 이러한 모든 것을 고감도로 지각할 수 있다. 즉, 인간의 손은 우수한 액추에이터임과 동시에 우수한 촉각 센싱 특성(피부감각)을 가지고 있다. 최근 이러한 인간의 우수한 피부감각을 기계기능으로 구현시키고자 하는 연구가 활발하게 이루어지기 시작했다. 기존의 촉각센서로는 정전용량형, 피에소저항형, 광학형, 왜(歪)게이지형 등 여러 가지 방식이 있다. 모두 압력의 절대치만을 검출하는 단일기능으로, 검출감도도 낮고 미소화가 곤란하며, 유연성도 없다.
카본마이크로코일(CMC)는 코일 지름이 수 ㎛~ 수백 nm인 3차원 헤리컬/나선구조라는 종래의 소재에서는 찾아볼 수 없는 특이한 구조를 가지며, 전자파 흡수재, 마이크로파 발열재, 생물활성화제 등 폭넓은 응용이 기대되는 기능성 신소재이다. CMC는 비정질로 상당히 탄력성이 있어 작은 응력에도 쉽게 신축되고 그때 전기특성도 변화한다.
필자 등은 최근, 소량의 CMC를 탄력성 수지 속에 균일하게 분산시킨 복합재는 인간의 피부에 필적하는 고도의 촉각센서특성이 있다는 것을 발견했다. 따라서 본고에서는 CMC를 이용한 신규의 초고감도·미소 촉각센서의 개발 현상을 소개하겠다.

2. 개발의 컨셉
-인간의 피부감각구조(촉각센서)를 통해 배우다-
피부에는 마이스너소체(小體), 퍼티니소체, 루피니소체, 메르켈 소체 등 여러 가지 외부자극을 감수·식별하는 많은 수용기가 있다. 그중에서 촉각수용기로서 중요한 것은 마이스너 소체로, 지문 바로 아래에 2줄로 1500/cm2의 밀도로 존재하고 있다. 마이스너소체는 CMC와 유사한 3D헤리컬/나선구조로 이루어져 있고, 이것이 외부응력에 따라서 신축함으로써 고도의 촉각기능을 발현하고 있다. 이 피부의 고도·고차원 구조에서 배워, 탄력성 수지 속에 탄력성이 우수한 CMC를 첨가·복합화시키면 인간의 피부감각기능을 가진 탄력성이 있는 고감도 센서 혹은 인공피부가 얻어질 것을 기대할 수 있다. 그러한 기본 컨셉 하에 CMC를 이용한 신규 촉각 센서의 개발을 실시하였다.

3. 촉각센싱 원리
시판되는 촉각 센서에는 정전용량형(압력에 의한 2장의 전극간거리의 변화를 정전용량의 변화로 검출), 전기저항형(압력에 의한 도전성 분말간의 거리의 변화에 따른 저항변화, 압력에 의한 피에조 저항변화, 혹은 압력에 의한 형상(뒤틀림) 변화에 따른 저항변화를 검출), 혹은 광학형(압력에 의한 광 도파로의 변화를 검출) 등 여러 가지 방식이 있는데, 모두 단일한 물리량(압력)의 변화만을 검출하고, 자극의 종류는 식별하지 못한다. 한편 CMC촉각센서의 경우는 그림 1에 나타나 있듯이 외부압력에 의해 탄력성 수지가 신축하고, 그때 그 안의 CMC도 신축한다. CMC는 전기적 LCR성분(L:인덕턴스, C:캐퍼시턴스, R:레지스턴스)를 갖고 있고, 또 매트릭스는 C성분을 가지고 있다. CMC는 신축에 따라 내부 뒤틀림의 양이 변화하고, 또 단위 길이 당 코일의 권수(卷數)도 변화하여 인가(印加)교체전자계가 변조되어, 코일 안에 흐르는 전류값도 바뀌어 LCR 패러미터가 변화한다. 예를 들면, 압력을 바꾸면 LC성분은 증가하고, R성분은 감소한다. 따라서 자극이 가해졌을 경우, 그림 2에 나타나 있듯이 이들 전기성분 사이에서 복합공진 공명이 일어난다고 생각된다. 이 전기적 LCR 복합공진은 기계적으로 미소 용수철로 3차원적으로 맺어진 질점의 진동으로 치환시켜 생각할 수 있다. 공진 혹은 진동 모드는 가해진 자극의 종류에 따라 변화하므로 자극의 종류에 대한 식별이 가능하다. 즉 CMC 촉각 센서에 의한 촉각센싱은 신규 LCR복합공진회로 형성에 기초하는 것이며, 미소응력·자극을 고감도로 검출·식별할 수 있다는 큰 특징이 있다. 

4. 센서 소자 원료
그림 3a에 센서소자 원료로 사용한 대표적인 CMC의 SEM사진을 제시했다. CMC는 비교적 규칙적으로 일정한 코일 지름과 코일 피치로 2중 나선형으로 감겨 있다. 이 CMC는 상당히 탄력성이 있고, 코일에 따라서 거의 직성상태로까지 늘어난다(그림 3b). 본 연구에서는 주로 코일 지름 1~10㎛, 코일 길이 300
~500㎛의 코일을 이용했다. 그림 4에 코일에 인가한 하중(응력)과 신축의 길이와의 관계를 나타내었다. CMC는 인가응력에 비례해서 재현성 좋게 신축한다는 것을 알 수 있다. 코일 지름이 20~50㎛인 CMC
(초탄력성 CMC)의 경우는 코일의 원래 길이의 10~
15배까지 재현성 우수하게 신축한다. R성분(전기저항)은 CMC를 늘이면 증가하고 수축시키면 감소한다. 또 L성분(인덕턴스) 및 C성분(캐퍼시턴스)도 CMC의 신축에 따라서 변화한다. 본 연구에서는 탄력성 매트릭스로서 탄력성 실리콘 수지(信越실리콘, KE-103)를 이용했다.

5. 소자의 작성법 및 센서 특성 평가법
CMC촉각센서 소자는 그림 1에 나타나 있듯이 CMC를 실리콘 수지 속에 균일하게 분산·복합화시켰을 뿐인 극히 간단한 구조를 갖고 있고, 제작방법도 대단히 간단하다. 우선, 실리콘 모재(母材)+경화제 혼합액에 0.1~20wt%의 CMC를 첨가하고, 원심탈포기 속에서 균일하게 교반·분산·탈포(脫泡)한 후, 주형(鑄型)에 부어넣고, 다시 탈포한 후, 실온에서 7시간 방치하여 경화시켜 각종 크기·두께의 CMC 촉각센서 소자를 제작했다. 이것을 구리제 전극(간격:3mm) 사이에 세트하고, 위에서 머니퓨레이터를 이용하여 일정한 하중(압력)을 인가하여, 그때의 LCR파라미터의 변화를 인피던스 아날라이저를 이용하여 0.5V, 200KHz에서 측정했다. 인가하중(압력)의 크기는 전자저울로 측정했다.

6. 센서 특성
⒜ CMC의 첨가량:실리콘 속으로 CMC의 첨가량을 증가시키면 검출감도는 증가한다. 그러나 10wt% 이상 첨가하면 CMC분산 실리콘 액의 점도가 증가하여 성형성이 나빠지고, 또 성형품(소자)가 단단해진 결과, 감도는 그 이상 증가하지 않고 일정값을 나타내게 된다. 한편, CMC첨가량은 1% 이하에서도 충분한 신호의 양(量)을 얻을 수 있다. 예를 들면, 코일 길이가 90㎛이하인 CMC를 0.1wt% 첨가한 두께 0.1mm인 소자의 경우는, 200Pa의 압력을 인가한 경우, L성분은 1.5mH, C성분은 300fT, R성분은 300Ω변화했다. 즉, CMC를 미소량 첨가하는 것만으로 충분한 센서 신호를 얻을 수 있는데, 이때 CMC끼리는 서로 전혀 접촉하지 않아 파코레이션(코일끼리의 접촉) 구조를 형성하지 않는다.
⒝ 센서의 초미소화:CMC촉각센서소자의 커다란 특징은 탄력성 실리콘 수지 속에 CMC를 소량 균일하게 분산시켰을 뿐인 단순한 구조이며, 상당히 탄력성이 풍부하다는 점이다. 또 소자를 가위 등으로 점점 작게 잘라서 초미소화해도 선세로서의 특성은 변하지 않는다. 원리적으로 한 줄의 코일이 탄력성 수지 속에 복합화되어 있으면 센서 특성이 발현된다. 예를 들어, CMC를 5wt% 첨가한 10×10×3mm3 크기의 소자를 초음파 메스로 재단·미소화하여 0.1×0.1×10mm3 크기의 초미소 소자를 얻었다. 이것을 2 장의 미소전극 사이에 세트하고, 그 위에서 500Pa의 압력을 인가하자, L성분은 3-5mH증가하고(그림 5b), C성분은 250~400fF 증가하며, R성분은 200~400Ω감소했다. 이 값들은 큰 센서 소자의 경우(그림 5a)와 거의 같아 미소화해도 센서감도는 줄어들지 않는다는 것을 알 수 있다. 또 두께 50㎛의 초박막 센서의 경우도 충분한 신호변화를 검출할 수 있다. 따라서 CMC센서소자는 초미소·초박막 촉각센서 소자로서 매우 유용하다.
⒞ 최소검출감도:그림 6에 미소압력을 인가했을 때의 L성분의 변화를 나타내었다. 인가압력에 의존한 신호변화가 관찰되며, 1Pa의 초미소 압력에서도 충분한 L성분변화를 관찰할 수 있다. C성분에 대해서도 같은 변화를 관찰할 수 있었다. 즉 CMC센서의 압력검출감도는 1Pa 이하이며, 이것은 시판되는 촉각 센서 감도의 1000~10000배 이상의 고감도이다. 한편, TSP서 소자면의 수직방향의 변위에 대한 최소검출감도는 약 0.5㎛이다.
⒟ 다이내믹 렌지:고감도와 검출범위(다이내믹 렌지)는 통상 상반되는 특성이지만, CMC촉각센서의 경우, 신호강도는 하중의 대수에 비례하므로, 폭넓은 다이내믹 렌지를 얻을 수 있다. 예를 들면, CMC를 1wt% 첨가한 두께가 0.1mm인 소자의 경우, C성분은 1Pa의 압력에서는 50fF, 10Pa에서는 200fF, 100Pa에서는 600fF변화한다. 또 소자의 위층에 탄력성이 높은 매트릭스를 이용한 고감도용 센서층을, 아래층에 탄력성이 낮은 매트릭스 수지를 이용한 무거운 하중용 센서층을 적층시킴으로써 폭넓은 다이내믹 렌지를 달성할 수 있다.
⒠ 식별능 : 촉각센서를 카테테르, 내시경, 겸자(鉗子) 등의 의료용 기구, 혹은 간호용 로봇 등의 피부감각을 가진 인공피부로서 이용할 경우, 단단함, 부드러움, 매끈매끈함, 거칠거칠함 등의 탄성 특성과 표면특성, 혹은 피부와 같은 온도·음향 등 여러 가지 자극을 식별할 필요가 있다. CMC촉각센서는 표면을 얼굴(面)로 누른 경우, 끝이 뾰족한 것으로 찌른 경우, 브러시로 문지른 경우 등에 표출되는 신호의 파형이 다르기 때문에 이들을 식별할 수 있다. 센서에 손을 50mm까지 댄 경우 및 200℃로 가열한 납땜인두를 50mm까지 가까이 댄 경우의 L성분의 변화를 그림 7에 나타내었다. 모든 경우에 L성분의 분명한 변화(감소)를 관찰할 수 있다. 손의 경우, 열보다도 적외선이 방사되고 있으므로 이 신호는 적외선에 대한 응답이라고 생각할 수 있다. 또 휴대전화(1GHz) 혹은 음향(약 2000Hz)을 가까이 대어도 신호의 검출이 관찰되어, 전자파 혹은 음향에도 민감하다. IR, 음향, 전자파 등은 일종의 파동이며, CMC는 이들과 강한 상호작용을 나타내므로 이것이 LCR복합공진에 강한 영향을 미친다. 따라서 CMC촉각센서소자는 여러 가지 자극을 검출할 수 있는 다기능성을 나타내는 것이라고 생각할 수 있다.

7. 맺음말
기존의 센서와의 성능비교를 표 1에 나타내었다. CMC촉각센서는 CMC를 탄력성수지(실리톤수지 등) 속에 균일하게 분산·복합화시켰을 뿐인 극히 간단한 구조인데, 탄력성이 풍부하고, 초미소화·박막화가 용이하고, LCR복합공진회로형성으로 검출감도 및 식별능 등의 센서 특성은 기존 센서와 비교해서 매우 우수하다. 따라서 의료용 고감도·기식별능 촉각 센서, 로봇용 피부감각을 가진 인공피부, 각종 응력·변위센서, 적외선·온도·음향센서 등 폭넓은 응용을 기대할 수 있다.

8. 앞으로의 전망
CMC촉각센서는 2003~2007년도 文部科學省 지적(知的) 크러스터 창생(創生)사업 ‘岐阜·大垣지구 로보테이크 첨단의료 크러스터’중에서 중핵기술로서 취급되어 첨단의료용 촉각선세로서의 실용화가 추진되게 되었다. 또 의료용뿐 아니라 널리 산업용 선진센서로서 산학관 공동연구에 의해 실용화 연구가 활발하게 이루어지고 있다.             (Ceramics Japan)

그림 1. CMC촉각센서의 원리도
그림 2. CMC센서소자의 LCR복합진공회로 모델
그림 3. ⒜소자원료의 대표적 카본 마이크로 코일(CMC) 
          ⒝이것을 편 상태
그림 4. CMC의 하중과 신장의 관계
그림 5. 미소센서소자의 인덕턴스 변화
        센서소자의 크기⒜1×1×1mm3 : ⒝ 0.1×0.1×0.1mm3,
        CMC의 길이 : 300-500㎛, 코일 지름 : 1-10㎛,
        CMC첨가량 : 5wt%, 인가압력 : 500Pa
그림 6. CMC센서소자의 미소 가중에 의한 인덕턴스 변화
        소자의 두 0.2mm, CMC의 길이 300~500㎛,
        코일 지름 1-10㎛, CMC의 첨가량 : 1wt%.
        압력 : ⒜200Pa, ⒝100Pa, ⒞50Pa, ⒟20Pa, ⒠10Pa,
        ⒡5Pa, ⒢1Pa. 파선은 압력 제로 시의 신호 레벨을
        나타낸다
그림 7. CMC센서소자에 여러 가지 자극을 가했을 때의 인덕턴스 변화
        소자의 두께 : 0.2mm, CMC 길이 : 300-500㎛,
        코일지름 : 1-10㎛, CMC첨가량 : 1wt%. ⒜미소압력(200Pa)을
        인가, ⒝손을 50mm까지 대었을 때, ⒞약 200℃로 가열한
        납땜인두를 50mm까지 대었을 경우. 파선은 자극을
        가하지 않았을 때의 신호 레벨을 나타낸다