We present a conductive polymer capacitive sensor for the direct and quantitative monitoring of piloerection. The piloerection is a representative symptom of sudden body temperature change and emotional touch, from which human status such as thermal comfort and emotion change can be monitored. The previous indirect piloerection monitoring methods based on image analysis cause unintentional physical stimulus, preventing from an accurate estimation of the human conditions. The previous skin attachable piezoresistive sensors, measuring skin deformation directly with the minimal physical stimulus, need complex fabrication process using thin (~300 nm) silicon substrates, and require temperature compensation for the piezoresistive detection. In this thesis, we propose a skin-contact conductive polymer capacitive sensor suitable for direct and quantitative piloerection monitoring with the minimal physical stimulus. The capacitive sensor made of conductive polymer enables the simple and inexpensive fabrication, and temperature insensitive piloerection measurement.
The piloerection monitoring capacitive sensor contains a 3×3 spiral coplanar capacitor array of conductive polymer (PEDOT:PSS) sandwiched by the outer layers of silicone rubber (Ecoflex 0030). Each of the coplanar capacitors consists of two conductive polymer electrode spirals having an identical width of 30μm with the inter-spiral gap of 10μm, so that the capacitance between the spiral electrode pair is decreased due to the increase of inter-spiral gaps when piloerection is evoked on the skin. We fabricate the conductive polymer layer using vacuum-assisted capillary micromolding process, followed by silicone layer enclosure process; thus making the entire sensor’s bending stiffness (1.21×10-9 N·m) small enough to make conformal contact to the human skin.
We characterize the performance of the fabricated sensor using artificial bumps and have obtained the sensitivity of -0.00252%/μm and nonlinearity of 25.9% in the bump deformation range of 0~318μm. The fabricated sensor measures two successive piloerection having 3.5 s duration on the subject’s dorsal forearms, thus resulting in the capacitance change of -6 fF and -12 fF for the maximum deformation or the piloerection intensity of 142 μm and 240 μm, respectively.
It is experimentally verified that the conductive polymer capacitive sensors provide direct and quantitative piloerection monitoring capability for the interactive human-machine interfaces, applicable to human status-dependent cognitive air-conditioning and smart automotive electronics systems.
본 연구에서는 인간이 급격한 온도변화나 감정 변화를 겪을 때 발생하는 입모근 수축에 의한 피부 변형을 객관적, 정량적으로 측정함으로써, 인간의 열적 쾌적감과 감정변화를 모니터링 할 수 있는 입모근 수축 모니터링용 전도성 폴리머 정전용량형 센서를 제안하였다.
개인별 열적 쾌적감 맞춤 냉난방이 가능한 스마트 공조 시스템, 개인별 감정에 맞춰 운전 환경을 조절하는 스마트 카 등 인간의 주관적 상태에 따라 반응하는 인간-기계 인터페이스를 구성하기 위해서는 인간의 주관적 상태를 객관적으로 측정할 필요가 있다. 입모근 수축현상은 열적 쾌적감, 감정 등의 개인별 주관적 상태를 반영하는 지표로 활용될 가능성이 있어 주목을 받아왔다. 기존의 입모근 수축 현상을 측정하는 방식 중 맨눈으로 관찰하는 방법으로는 정량적, 객관적 측정이 어려웠고, 피부 전도도를 측정하는 방식으로는 입모근 수축 현상의 경향성 정도만을 볼 수 있었으며, 피부 표면을 영상 장비로 찍는 방식은 영상 장비의 크기와 무게 때문에 불필요한 물리적 자극을 준다는 단점이 있었다. 피부 형상 변화의 정량적, 객관적 측정이 가능하며 물리적 자극을 최소화한 기존의 피부에 붙일 수 있는 piezoresistive 센서의 경우 공정이 복잡하고 가격이 비싼 단점이 있었으며, piezoresistive 방식은 온도 변화에 민감하다는 단점이 있었다. 본 연구에서는 물리적 자극을 최소화 하며 피부 형상을 따라 완전히 붙어서 그 형상 변화를 객관적이고 정량적으로 측정할 수 있고 저렴한 전도성 폴리머를 이용한 간단한 공정으로 제작될 수 있으며 온도변화에 둔감한 입모근 수축 모니터링용 정전용량형 센서를 제안하고자 한다.
제안된 센서는 유연하고 늘어나는 두 개의 폴리머 층과 그 사이에 위치한 전극 층으로 구성된다. 폴리머 층과 전극 층은 피부 부착성과 공정 가능성을 고려하여 각각 30 μm, 1.2 μm로 설계 되었다. 전극 층에는 단위 커패시터가 3x3 어레이 형태로 배치되었다. 외부 압력에 대한 변형성을 크게 하기 위하여 전극의 소재는 금속에 비해 영 계수가 낮은 전도성 폴리머가 이용되었으며 단위 커패시터의 구조는 나선형으로 설계되었다. 단위 커패시터를 이루고 있는 두 전극의 너비와 간격은 민감도와 선형성을 고려하여 각각 30 μm, 10 μm로 설계되었다. 각 커패시터는 표면의 형상 변화에 따라 변형 되면서 커패시터를 이루고 있는 두 전극 간 거리가 달라짐에 따라 정전용량이 감소하는 특성을 가진다.
제안된 입모근 수축 모니터링 센서의 전극 패턴은 유연하고 늘어나는 폴리머 층 위에 PDMS 마이크로 채널을 얹고 전도성 폴리머를 모세관 현상과 진공을 이용하여 채널을 채워 굳힌 후 PDMS 마이크로 채널만 떼어내어 제작된다. 제작된 단위 커패시터의 기본 정전용량과 RMS 노이즈를 측정하였고 각각 2.414 pF, 0.620 fF으로 측정되었다. 실제 소름의 크기를 고려했을 때 단위 커패시터의 최대 변형은 11.5 fF의 정전용량 변화를 유발할 것으로 예측되었으며, 이에 따른 신호 대 노이즈 비는 입모근 수축 현상을 재기에 충분한 18.5으로 예측되었다. 인공 범프 위에 제작된 소자를 붙이고 성능평가를 한 결과 -0.00252%/μm의 민감도와 25.9%의 비선형성을 가지고 318 μm 까지의 형상 변화를 측정 가능하였다. 실제 피험자의 피부 위에 제작된 소자를 붙이고 입모근 수축 현상을 유발하여 표면 형상 변화를 측정한 결과, 6초 간격으로 일어난 두 번의 연속적인 입모근 수축 현상으로부터 각각 3.5 초의 지속시간을 가짐을 측정하였고, -6 fF, -12 fF의 신호 변화가 측정되었으며, 이로부터 입모근 수축 현상으로 인해 유발된 피부의 최대 변위는 각각 142 μm, 240 μm로 환산 되어 제안한 센서가 입모근 수축 현상을 정량적으로 측정할 수 있음을 보였다.
본 연구에서는, 인간의 피부에 부착되어 그 형상 변화에 따라 변형됨으로써 입모근 수축 현상을 정량적, 객관적으로 측정할 수 있는 입모근 수축 모니터링용 전도성 폴리머 정전용량형 센서를 제안하고 그 성능을 실험적으로 검증하였다. 본 연구에서 제안된 센서는 향후 입모근 수축 현상 측정을 통해 인간의 주관적 열적 쾌적감 및 인간의 감정 상태를 측정하여 이에 반응하는 인간-기계 인터페이스를 구성하는 데에 쓰일 수 있다.
