Electronic skin are devices that mimic the functionalities of human skin, which require high sensitivity, large dynamic range, high spatial uniformity, low-cost and large area processability, and the capacity to differentiate various external inputs. Moreover, to accurately probe the tactile information on soft skin, it is critical for the pressure sensing array to be free of noise and inter-taxel crosstalk, irrespective of the measurement condition. However, on dynamically moving and soft surfaces, which are common conditions for on-skin and robotic applications, obtaining precise measurement without compromising the sensing performance is a significant challenge due to mechanical coupling between the sensors and with the moving surface. In this work, a versatile droplet-based microfluidic-assisted emulsion self-assembly process were firstly introduced to generate 3-dimensional microstructure based high-performance capacitive and piezoresistive pressure sensors for electronic skin applications. The technique can generate uniformly sized micropores that are self-assembled in an orderly close-packed manner over a large area, which results in high spatial uniformity. The size of the micropores can easily be tuned from 100-500 μm, through which sensitivity and dynamic range were controlled to as high as 0.86 $kPa^-1$ and up to 100 kPa. This microporous structure can be printed on curvilinear surfaces and be molded into various shapes. Furthermore, by simultaneously utilizing capacitive and piezoresistive pressure sensors, the device can distinguish between pressure and temperature, or between pressure and proximity. In addition to this, multi-level architectural design of micro-pyramids and trapezoid-shaped mechanical barrier array was implemented to enable accurate spatiotemporal tactile sensing on soft surfaces under dynamic deformations. Trade-off relationship between limit of detection and bending insensitivity was discovered, which was overcome by employing micropores in barrier structures. Finally, in-situ pressure mapping on dynamically moving soft surfaces without signal distortion is demonstrated while human skin and/or soft robots are performing complicated tasks such as reading Braille and handling the artificial organs.
사람의 감각 기관을 완벽히 모사하기 위한 전자 피부 개발을 위한 연구가 활발히 진행이 되고 있다. 사람의 피부 수준 이상의 전자 피부 개발을 위해서는 높은 감도, 넓은 동적 범위, 높은 공간적 균일성을 다양한 외부 자극을 간섭없이 구분하는 촉각 센서 개발이 필요하며, 이러한 센서를 저비용으로 대면적으로 생산할 수 있는 생산 기술은 전자 피부의 상용화를 위해 반드시 개발 되어야한다. 또한 이러한 센서의 주된 적용 분야는 온스킨과 로봇 분야로 움직임이 자유롭고 부드러운 표면에 부착되어 사용이 된다. 이 때, 압력 감지 성능을 저하시키지 않고 정확하게 압력을 측정을 하기 위해서는 압력과 구부러짐, 늘어남에서 확실히 구분해야만 한다. 본 연구에서는 따라서 앞서 언급한 성능들을 만족시키며 동시에 스케일업에 매우 유리한 새로운 압력 센서 제작 공정 방법을 제안하며, 실제로 피부/로봇에 적용하여 사용하였을 때 신뢰성 있는 압력 신호를 얻을 수 있는 압력 센서 미세 구조를 제안하고자 한다. 먼저 미세유체공정 기반 에멀젼 공정을 통해 높은 수준의 전자 피부 개발을 위한 압력, 온도, 물체의 근접을 구분할 수 있는 다공성 촉각 센서 개발을 다루고 있다. 미세유체공정 기반 공정은 다공성 구조의 기공 크기 조절이 가능함과 동시에 매우 균일한 기공 형성이 가능하다. 이는 높은 감도(0.86 $kPa^-1$), 넓은 동적 범위 (>100 kPa) 동시에 높은 공간적 균일성을 확보하는데 도움을 준다. 또한 용액 공정으로 개발이 되어 저비용으로 넓은 면적으로 제작하는데 이점을 가지고 있다. 이와 더불어 움직임의 자유도가 높은 부드러운 표면에서 정확한 압력 감지가 가능하도록 마이크로 피라미드와 사다리꼴 모양의 기계적 장벽 배열의 다단계 건축 설계를 구현했다. 특히 이러한 구조에서 피할 수 없는 압력 민감도와 압력과 벤딩 구분 능력의 반비례 관계는 마이크로 기공을 사용하는 방법으로 해결하여 사람의 피부 및/또는 소프트 로봇이 점자를 읽고 인공 장기를 다루는 것과 같은 복잡한 작업을 수행하는 동안 신호 왜곡 없이 신뢰성 있게 압력을 감지할 수 있다는 것을 입증하였다.
