금속의 두께가 크랙센서의 민감도에 미치는 영향

Abstract

스마트폰 보급의 확대와 더불어 사물인터넷(IoT), 가상현실 및 증강현실(VR, AR) 그리고 인공지능(AI) 기술과의 융합이 이루어지며 웨어러블 디바이스 시장이 연평균 12.5 %라는 수치로 급격하게 증가하고 있다. 웨어러블 디바이스 시스템을 이루고 있는 여러 파트들 중에 중요한 것들 중 하나가 바로 사람의 동작을 모니터링하고 구별하는 센싱 파트이다. 센싱 파트를 구성하기 위하여 그래핀, CNT, 금 나노와이어 등의 여러 재료를 사용하여 사람의 동작을 성공적으로 센싱 한 연구결과들이 보고되어지고 있지만, 내구성 및 신축성 등의 이슈들이 도전과제로 남아있다. 얇은 필름위에 금속을 증착하고 나노미터 크기의 크랙을 생성하여 만드는 크랙센서는 굉장히 우수한 민감도와 함께 우수한 내구성과 신축성에서도 강점을 가지고 있고, 이 센서를 이용하여 압력, 진동, 음성인식 등 다양한 것들을 성공적으로 센싱하였다. 후속연구로 더 높은 민감도, 내구성, 투명성과 등의 여러 연구결과들이 보고되고 있지만 다소 공정과정이 까다롭고 시간이 오래 걸린다는 단점이 남아있었다. 한 후속연구 결과를 참고한 결과, 기존의 PET 필름 위에 백금을 증착하여 만들던 크랙센서를 발전시켜 폴리머 필름 위에 다양한 종류의 금속을 증착시켜 기존보다 우수한 성능을 가진 센서를 만들 수 있음을 확인하였다. 그 중에서도 크랙을 생성시키는 금속 층으로 크롬을 사용하고 전류를 흘리기 위해 필요한 금을 증착하여 만든 센서의 성능이 우수한 것을 확인하였다. 본 연구에서는 금과 크롬 층의 금속 두께가 센서의 성능에 어떠한 영향을 미치는지를 연구해보았고, 크랙센서를 보다 효율적이고 경제적으로 제작할 수 있는 방법을 제시함과 더불어 이 센서를 이용하여 웨어러블 디바이스 시스템을 구성하였다. 크랙센서의 민감도는 크랙이 벌어지는 틈의 너비와 크랙의 깊이에 의해 결정된다. 크랙이 형성되어지는 크롬 층의 두께가 두꺼워질 때에 특정 두께(60 nm)까지는 센서의 민감도가 증가하였는데, 이는 크랙의 밀도와 관련되어 있는 것을 확인했다. 크롬의 두께가 60 nm를 초과하면, 센서에 크랙을 제작하는 과정에서 충분한 힘이 가해지지 못해 오히려 크랙의 밀도가 감소하여 센서의 성능이 감소한다. 금 층의 두께가 두꺼워질 때에는 크랙의 밀도가 감소함에 따라 센서의 민감도가 감소하는 것을 확인했다. 또한 금속의 전체 두께가 일정할 때에 금과 크롬 두 금속의 비율에 따른 센서의 특징을 살펴본 결과 금의 비율이 적을 때, 즉 금의 두께가 얇고 크롬의 두께가 두꺼울 때에 센서의 성능과 함께 빛의 투과도 또한 우수한 것을 확인했다. 이 연구결과를 종합하면, 값이 비싼 금을 조금만 사용하고, 크롬은 60 nm 이하로 증착하는 것이 경제성과 함께 기능적으로도 유리하다는 것을 알 수 있다. 라텍스 장갑의 각 손가락에 크랙센서를 부착하여 장갑 형태의 웨어러블 시스템을 구성해보았다. 그리고 크랙센서가 부착된 손가락이 구부러지고 펴지는 정도에 따른 신호크기 변화를 이용하여 미국에서 사용하는 수화(American Sign Language)의 몇몇 알파벳들을 구별하는데 성공하였다. 신축성과 내구성이 우수하고 민감도가 우수한 크랙센서의 특징을 잘 살린다면 좀 더 다양한 웨어러블 디바이스를 만들 수 있을 것으로 기대된다.