3D 프린팅 기반 다축 에어갭 구조 압력 센서 구현에 관한 연구

Abstract

최근 생체의 다양한 정보 수집이 가능한 웨어러블 디바이스에 대한 관심이 높아지면서 이에 적용되는 압력 센서에 대한 연구가 활발히 이루어지고 있다. 웨어러블 디바이스에 적용되는 압력 센서는 다양한 자극을 효과적으로 수용하고 외부 영향을 견딜 수 있도록 높은 민감도, 넓은 측정 범위, 출력의 안정성, 빠른 응답 속도, 높은 내구성과 같은 성능을 필요로 한다. 본 연구에서는 압력 센서에 적용되는 기존 연구에서의 복잡한 제조 과정, 성능 재현성 문제를 극복하기 위해 3D 프린팅 기술을 활용하여 간소화된 공정을 통해 일관된 성능을 가진 다축 에어갭 구조의 압력 센서를 제작하였다. 에어갭 구조의 축, 틸팅 각도, 기공 크기를 매개 변수로 설정하여 설정한 구조에 따른 민감도를 분석하였고, 최종적으로 3축, 틸팅 각도 15°, 기공 크기 900 μm의 압력 센서 구조를 최적으로 선정하였다. 정전용량 원리를 기반으로 한 이 센서는 1 kPa에서 0.135 kPa^-1의 높은 감도를 나타내며, 내부 기공이 없는 Bulk 유전체를 사용한 기존 센서보다 최대 26배의 민감도 향상을 이룰 수 있었다. 뿐만 아니라, 성능의 일관성, 500 kPa까지의 넓은 압력 측정 범위, 100 ms의 빠른 응답 시간, 50 Pa의 저압 감지 한계, 1000 사이클 이상의 작동 신뢰성을 나타내었다. 또한 센서는 발바닥 압력 감지 및 분포 어플리케이션에서도 효과적으로 구현되어 사용자 체중과 발바닥 압력 분포의 변화에 민감하게 반응하여 우수한 성능을 나타내었다. 이를 통해 제안된 다축 에어갭 구조 압력 센서가 간단한 제작 공정과 우수한 기능적 특성으로 인해 웨어러블 디바이스 응용 분야에 적용 가능함을 확인하였다.