손가락으로 누르는 힘의 세기에 따라 대소문자를 구별하는 고감도 3D터치 키보드에 투명함과 유연함이 더해졌다. 심우영 교수(연세대학교) 연구팀이 나노입자를 활용해 고감도 투명 플렉시블 압력센서를 개발했다고 한국연구재단이 밝혔다.
유리처럼 투명하고 종이처럼 휘어지는 웨어러블 기기에 대한 관심이 증가하고 있지만, 기술적인 한계로 인해 대중화되지 못하고 있다. 복잡한 고비용 표면처리 공정이 요구되는 것은 물론이고, 터치센서의 민감도를 높이기 위한 표면의 미세구조로 인해 투명도가 저하되기 때문에 민감도와 투명도를 동시에 향상시키는 것이 불가능했다.
연구팀은 빛이 잘 투과하는 실리카 나노입자가 터치센서 표면에 돌출되도록 제작했다. 거친 표면을 이용해 압력감지 성능을 극대화했고, 터치센서를 투과해도 색깔의 변화 없이 선명하게 보일 정도로 투명도도 우수하다.
개발된 터치센서는 공정이 간단할 뿐만 아니라 주방에서 사용하는 랩, OHP 필름 등 다양한 일상적인 재료 위에 제작할 수 있어 매우 경제적인 장점이 있다.
심우영 교수는 “이 연구는 트레이드오프 관계로 여겨지던 민감도와 투명성을 동시에 구현한 압력센서를 개발한 것”이라며, “혈압 측정 헬스케어 기기와 3D터치 키보드에 기술을 적용하는 데에 성공했으며, 향후 고성능 사용자 터치 인터페이스와 웨어러블 기기 등으로 널리 활용될 것으로 기대된다”라고 연구의 의의를 설명했다.
이 연구는 과학기술정보통신부·한국연구재단 기초연구사업(중견연구, 선도연구센터) 등의 지원으로 수행되었다. 국제학술지 스몰(Small) 2월 22일에 게재됐으며 표지논문으로 선정됐다.
개발된 투명 터치센서
(a) 고감도 및 광투과성을 겸비한 플렉서블 압력센서
(b) 3D 포스터치가 가능한 키보드. 사용자의 터치 강도에 따라 자동으로 대문자와 소문자를 구별해 출력할 수 있다.
국제학술지 스몰(Small) 표지논문 선정
★ 연구 이야기 ★
Q. 연구를 시작한 계기나 배경은.
A. 유리처럼 투명하면서도 곡선으로 휘어져 말아지는 투명 유연 디바이스는 미래를 위한 디바이스로 크게 각광받고 있다. 그러나 투명 유연 디바이스는 기술적인 한계로 대중화되지 못하고 있었다. 이러한 문제를 해결하기 위해 연구진은 대량생산이 가능한 신개념 고성능 투명 유연 압력센서를 개발하고자 했다.
Q. 연구 전개 과정에 대한 소개.
A. 연구 초기에는 나노 및 미세입자에 대한 연구가 우선적으로 진행됐다. 입자크기에 대한 광투과도 시뮬레이션, 전자현미경을 이용한 표면 분석, 분산 구조의 재현성 및 안정성 평가 등이 진행됐다. 그 후 절연층으로 사용될 비드의 종류와 크기를 선정했는데 일반적으로 많이 사용되며 뛰어난 광투과 특성을 보이는 SiO2가 비드물질로 선정됐다. 다양한 크기의 SiO2 비드를 선정해 정전용량(Capacitance) 감지방식의 실제 압력센서로 제작했다. 최종적으로 표면분석, 민감도 및 광투과도 최적화를 통해 가장 뛰어난 성능을 보이는 나노비드를 포함한 압력센서를 완성했다.
Q. 연구하면서 어려웠던 점이나 장애요소는 무엇인지. 이를 어떻게 극복(해결)했나.
A. 센서의 성능 평가 및 메커니즘 분석을 위해 압입(Indentation) 평가 및 영률(Young’s modulus) 분석이 필요했다. 다행히 물성 평가 분야에서 풍부한 연구경험을 지닌 이형석 교수님(연세대학교) 연구팀과 협동 연구를 시작한 이후로는 일의 진행속도가 빨라져 성공적으로 연구를 마무리할 수 있었다.
Q. 이번 성과는 기존과 무엇이 다른가.
A. 단순히 고감도 및 투명성을 겸비한 압력센서의 개발이 아닌 종래의 복잡한 공정과정 없이 다양한 프로토타입 어플리케이션에 광범위하게 사용될 수 있는 접근법을 개발했다는 점에서 기존 연구와는 큰 차별성를 가지고 있다.
Q. 실용화된다면 어떻게 활용될 수 있나. 실용화를 위한 과제는.
A. 이 연구를 통해 개발된 압력센서는 눌린 위치만을 감지하는 기존의 터치센서와는 달리 누르는 세기까지 정량적으로 입력받을 수 있어 터치센서 외에도 3D 포스터치 디바이스, 헬스케어 맥박센서 등 다양한 IT기기에 활용될 수 있다. 이를 위해서는 센서의 압력에 따른 정전용량 변화를 고속으로 감지할 수 있는 알고리즘 및 구동회로가 필요하다. 통합 스마트 모듈 구동 회로와 디바이스 연동 인터페이스를 개발하여 사용자 편의성을 확보해 신개념 고성능 투명 유연 압력센서 실용화가 가능하다.
Q. 꼭 이루고 싶은 목표나 후속 연구계획은.
A. 이번 연구의 압력센서는 높은 민감도 및 투명도와 저비용의 공정을 동시에 이루었지만 스핀코팅 공정의 특성 상 대면적으로 제작하기에 용이하지 못했다. 향후 연구는 지금과 같은 공정방법을 잉크젯 프린팅 등과 같이 대면적으로 생산 가능한 제작공정으로 변경해 가격 경쟁력을 유지하면서 대면적 센서로 생산 가능한 압력센서를 개발하고 싶다.
Q. 기타 특별한 에피소드가 있었다면.
A. 이번 연구를 수행하는데 있어서 여러 학과 저자들과의 풍부한 토론을 통해 센서의 다양한 물성 평가가 가능했다. 이러한 공동 연구를 통해 지식의 범위를 넓힐 수 있다는 것을 깨달았으며 다양한 관점에서 문제에 접근해 보다 깊은 이해를 도출할 수 있음을 절실히 느끼게 됐다.
