Pressures sensor has been used for a variety of application such as microphone, health care, electronic skin and humanoid robot. Humanoid robot act on behalf of the person in diverse environments like natural disasters, precision surgery and home. In recently, tactile sensor of humanoid robot is one of the next-generation application of pressure sensor. The first requirement of tactile sensor is wide sensing pressure range because it used to diverse environment. Additional requirements of tactile sensor are transparency and flexibility because of using human artificial skin and installed on curved surface.
Conventionally, in order to recognize pressure, many researchers use capacitive tactile sensor due to advantage of power consumption and sensible dynamic/static pressure. For wide pressure range sensible capacitive tactile sensor, it broads the measurement range using a high spring constant between electrode. However, this have low sensitivity because of low deflection. To increase sensitivity of wide pressure range sensible tactile sensor, floating electrode was inserted between vertical electrodes. In that case, many electrode layers reduce transparency. Therefore, capacitive tactile sensor of vertical electrode type remains the challenge to improve the sensitivity with a wide pressure range, transparency, flexibility.
In this thesis, to solve the transparency problem, we use coplanar electrode instead of vertical electrode. However, coplanar electrodes have low sensitivity because of fixed electrode gap. For this reason, by using the nanograting as stress concentration structure, change of dielectric constant is increased. As a results, the sensitivity of the transparent flexible tactile sensor was improved
To fabricate real sample, the silicon nanograting of 400nm pitch imprint on polyethylene terephthalate(PET)/ polyurethane-acrylate (PUA) for concentration stress. After that, deposited interdigitated electrode covered SU-8 as dielectric material is reached a transmittance of 73.5%.
Average stress on the simulation of tactile sensor used nanograting 1.56 times greater than tactile sensor used flat substrate. On experiment results, sensitivity of nanograting 1.6 times greater than flat substrate. Additionally, for increasing change of dielectric constant, 0.2wt% gold nanoparticles are dispersed in SU-8. Consequently, maximum sensitivity reached 0.0096kPa-1. It shows that using coplanar electrode on nanograting as stress concentrated structure improves sensitivity and transparent.
압력 센서는 마이크로 폰, 헬스케어, 전자 피부, 인간형 로봇과 같이 다양한 영역에서 활용이 되고 있다. 그 중에서도 인간형 로봇의 경우 자연재해, 정밀 수술, 가정과 같이 다양한 환경에서 사람을 대신하여 사용되고 있다. 그래서 인간형 로봇의 촉각 센서의 경우 다양한 환경에서 사용되기 위해 넓은 범위의 압력을 측정할 수 있어야 한다. 더불어 촉각 센서의 경우 인공 피부와 같은 다양한 분야에 활용이 되기 위해 높은 투과도와 유연성이 필요 조건이 된다. 따라서 위의 조건을 만족시키기 위한 연구를 많이 진행 하고 있다.
가장 먼저 압력 센서를 구현하기 위해 많은 연구들이 압력에 따른 정전용량의 변화를 측정 하며 센서를 구현하고 있다. 정전 용량의 변화를 이용한 압력 센서는 낮은 전력 소모와 정적인 압력과 동적인 압력을 다 인식할 수 있다는 장점이 있어 많이 이용이 된다. 정전용량을 이용한 압력 센서에서 넓은 압력 측정범위를 가지게 하기 위해 전극 사이에 높은 용수철 상수를 삽입하여 측정 범위를 넓히게 된다. 하지만, 이는 민감도가 낮아진다는 단점이 있다. 따라서 넓은 범위에서 구동이 가능하면서 민감도를 향상시키기위해 전극 사이에 플로팅 전극을 사용하여 전극 사이를 줄임으로써 민감도를 향상시키게 된다. 하지만 현재는 전극이 수직으로 형성이 되어 있어 전극과 플로팅 전극에 의해 투과도가 감소하는 단점이 있다. 따라서 기존에 존재하는 수직방향의 전극을 가진 정전용량 방식의 촉각 센서의 경우 넓은 압력 측정 범위, 투과도와 유연성을 가지며 민감도를 향상 시키는 것은 해결해야 할 과제로 남아 있다.
본 연구에서는 넓은 압력 측정 범위를 가지는 촉각 센서의 경우 민감도 향상 시 문제가 되는 낮은 투과도를 해결하기 위해 수직 방향의 전극을 대신하여 수평으로 전극을 형성하였다. 하지만 수평으로 전극을 형성 할 경우 두 전극의 거리가 변하지 않아 민감도가 낮다는 단점이 있다. 이를 위해 응력 집중 구조로서 나노그레팅을 사용함으로써 압력에 따른 유전 상수의 변화를 증가시켜 투명 유연 촉각 센서의 민감도를 향상시켰다.
이를 구현하기 위해, 400nm 주기의 실리콘 나노격자구조의 모양을 PET/PUA 위에 각인하여 투명 유연 응력 집중 기판을 형성하였다. 나노격자구조 위에 얇은 맞 물린 형태의 전극을 형성하여 투명하게 유지하였다. 또한, 유전물질로서 SU-8로 전극을 덮음으로써 나노격자구조의 응력 집중에 따른 민감도 향상을 확인하였다.
나노격자구조 기판의 응력 집중이 평평한 기판 보다 시뮬레이션 상에 평균 응력이 1.56배가 됨을 확인하였다. 실험적으로 측정한 결과 민감도가 평평한 기판 보다 나노격자구조 기판을 이용한 센서가 1.6배를 향상되었다. 추가적으로 유전 상수의 변화 크게 하기 위해 SU-8에 0.2 wt.%의 금 나노 입자를 섞음으로써 민감도를 0.0096kPa-1까지 도달 시켜 유전 물질에 나노 입자가 없는 평평한 기판 보다 민감도를 76배 향상 시켰다. 따라서, 본 연구는 수평 전극과 나노격자구조을 이용하여 투명 유연 촉각 센서를 구현하였으며 응력 집중 구조와 적은 농도의 나노 입자를 사용하여 투명하고 유연하면서 민감도를 향상 시킬 수 있는 방법을 연구하였다.
