Since the emerging of the 4th industrial revolution, research on electronic skin (E-skin) has been widely explored as a key element for realizing the internet of things-based hyper-connected society. E-skin which mimics the sensory recognition ability of natural consist of various sensors that can detect external stimuli such as pressure, temperature, and light. Especially, advanced multi-functional or flexible e-skin has attracted huge interest for its capability of being adopted in user interfaces for interacting human-machine systems, immersive displays, humanoid robots, and health care applications in contrast to conventional rigid single sensor technology. Various studies such as materials, structure, and process have been reported to realize the e-skin, but materials and processes with high compatibility with conventional semiconductor process required for large area mass production are still remaining as a challenge. In this study, we fabricated an artificial nerve system that mimics the mechanoreceptor in human skin that can be operated with low power and is suitable for high density integration by utilizing the piezoelectric properties of hafnia. Especially in the consideration of applications to vertically stacked high-density integration and flexible devices, a high-pressure electromagnetic wave induction annealing process was developed to solve the problem of high-temperature annealing required to form a specific crystal phase for the piezoelectric films. Since this hafnia piezoelectric-based artificial nerve system can be applied to semiconductor process-compatible e-skin and low-temperature process-based flexible electronics, we expect this approach to be applied to various industrial fields.
4차 산업혁명의 등장 이후 사물인터넷 기반의 초연결 사회를 구현하기 위한 핵심 요소로 전자피부에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 자연의 감각 인지 능력을 모방하는 전자피부는 압력, 온도, 빛과 같은 외부 자극을 감지할 수 있는 다양한 센서로 구성된다. 특히, 다기능 또는 유연성을 갖는 전자피부는 기존의 단일 센서 기술과 달리 인간과 기계의 상호작용을 위한 사용자 인터페이스, 실감형 디스플레이, 휴머노이드 로봇, 헬스케어 등 다양한 분야에 적용될 수 있어 큰 관심을 받고 있다. 전자피부 구현을 위한 재료, 구조, 공정 등 다양한 연구가 보고되고 있지만, 대면적 양산을 위한 전통적인 반도체 공정과의 호환성이 높은 재료와 공정은 여전히 난제로 남아있다. 본 연구에서는 하프니아 강유전체의 압전 특성을 활용하여 피부의 압력 수용기를 모방한 저전력 구동 및 고밀도 집적이 용이한 인공신경을 제작하였다. 특히 수직 적층형 집적 및 유연소자로의 적용을 고려하여 압전 박막 특성 발현을 위한 특정 결정상 형성에 요구되는 고온 열처리에 대한 문제를 해결하고자 고압 전자기파 유도가열 공정을 개발하였다. 이러한 하프니아 압전체 기반 인공 신경 기술은 반도체 공정 기반의 전자피부 기술 구현과 나아가서 저온 공정 기반의 유연 소자에도 적용할 수 있으므로 다양한 산업 분야에 적용되기를 기대한다.
