유연 압저항 센서는 압력에 따라 소재 또는 소자의 물리적 변형이나 접촉으로 인해 추가적인 전도성 경로가 형성되어 저항 변화가 발생하는 메커니즘을 가지며, 일반적으로 전도성 필러 및 고분자 기질로 구성된 복합재나 고분자 기판 위 전도성 박막이 코팅된 형태의 구조를 가진다[23,34].

유연 압저항 센서의 기판 및 복합재의 기질은 기계적 유연성을 부여하며, 전도성 박막 또는 필러로 사용되는 감지 소재는 압력에 따른 전기 신호 변화에 결정적인 역할을 하므로, 우수한 성능의 유연하고 신축 가능한 센서를 제작하기 위해 적절한 소재를 선택하는 것은 중요하다[35]. 먼저 기판 또는 기질은 불규칙한 곡면이 있는 표면에 접착할 수 있고 신축 및 굽힘을 견딜 수 있어야 한다. 따라서 polydimethylsiloxane (PDMS), polyurethane (PU), polyethylenenaphthalate (PEN), polyethylene terephthalate (PET)와 같은 탄성중합체(elastomer)가 주로 사용된다[36,37]. 특히 PDMS는 1 MPa 이하의 낮은 영률, 우수한 화학적 및 열적 안정성을 가지며 생체 적합성이 우수하여 유연 압력 센서의 기판 및 복합재의 기질로서 널리 사용되고 있다[38]. 감지 소재로는 전기 신호의 효과적인 전달을 위해 높은 전기전도성을 가지는 금속 소재가 선호되지만, 소재 자체의 강성(rigidity)과 피로(fatigue)에 대한 민감성으로 인해 신축 및 압축 변형 하에서 소재의 기능이 저하될 우려가 있다[39]. 따라서 최근에는 전기전도성과 함께 우수한 기계적 특성을 가지는 카본블랙[40], 그래핀[41], 카본나노튜브(carbon nanotube, CNT) [42]와 같은 탄소 기반 소재의 센서가 많이 연구되고 있는 추세이다. 이와 함께 polyacetylene (PA), polyaniline (PANI), poly(3,4-ethylenedioxythiophene):polystyrene sulfonate (PEDOT:PSS)과 같은 전도성 고분자를 사용하기도 한다[43]. 우수한 기계적, 전기적 특성의 기판 및 기질과 감지 소재의 선택과 더불어, 소재 및 소자의 구조에 대한 다양한 설계를 통해 유연 압저항 센서의 민감도를 향상시키고자 하는 연구가 진행되었으며, 아래에서 그에 대한 연구 동향을 자세하게 알아보고자 한다.

전도성 나노 물질 기반의 유연 압저항 센서는 소재의 변형 및 나노 입자 간 접촉으로 발생하는 저항 변화를 통해 압력을 감지하며[34,44], 이 때 나노 입자의 형태나 전기적 특성, 압력에 따른 전도성 경로 형성 메커니즘 등이 센서의 특성 구현에 중요한 역할을 하게 된다.

나노 물질은 형태에 따라 0, 1, 2차원으로 분류될 수 있다. 0차원 나노 물질은 금속[45,46] 또는 탄소 기반[47,48] 나노 입자가 해당되며, 높은 밀도와 비표면적을 가지며 복합재의 전도성 필러 및 강화제로 전도성 층의 기계적 특성을 향상시킬 수 있다는 장점이 있다[49]. Lee 등은 Au(III) 및 Ag(I) 이온의 상대적 비율을 조절함으로써 성게 모양의 금속 나노 입자(sea-urchin shaped metal nanoparticles, SSNP)를 합성하였다[50]. SSNP는 뾰족한 스파이크 구조 때문에 외부 압력의 작은 변화에서도 입자 사이의 효과적인 양자 터널링 효과를 유발하며, 그림 1(a)에서 구형 나노 입자(spherical metal NPs)로 구성된 센서보다 압력에 따른 더 큰 저항 변화를 보임을 확인할 수 있다.

1차원 나노 물질로는 높은 종횡비를 갖는 금속 나노와이어[51] 및 CNT [52]가 대표적이며, 이러한 소재는 느슨한 네트워크 구조를 형성하기 쉬워 팽창 및 수축 특성이 뛰어나다는 특징이 있다[53,54]. Zhao 등은 금속과 이온 결합의 배위를 통해 4.9 × 10⁴ S m^–1의 높은 전도성과 약 200의 높은 종횡비를 가지는 Mo₂S₃ 나노와이어를 합성하였다[55]. 또한 그림 1(b)와 같이 액체/액체 계면 자기 조립(self-assembly)을 활용한 간단한 방법으로 500 nm 이하 두께의 초박형 전자피부를 제작하였다. 제작된 전자피부는 압력에 따른 나노와이어 사이의 거리 변화로 인해 접촉 저항이 증가함으로써 압력을 감지하며, 높은 전단계수로 인해 얇은 두께에서도 5.65 kPa^-1의 높은 민감도를 달성하였다.

그래핀 및 맥신과 같은 2차원 나노 물질은 일반적으로 높은 영률의 우수한 기계적 특성을 가지며, 전도성 박막으로의 호환성이 뛰어나다는 장점을 가지고 있다[56-58]. 맥신은 2011년에 처음 발견된 2차원 평면 구조의 세라믹 물질로, 전이금속에 탄소 또는 질소가 결합되어 있는 원자 두께의 층상 형태로 이루어져 있다. 금속의 전기 전도성과 더불어 우수한 기계적 유연성을 가져 유연 센서의 나노 물질로 많은 연구가 진행되고 있지만, 층간 반데르발스 힘으로 인한 응집 경향으로 인해 압력 하에서 다양한 전도성 경로를 생성하는 데 제한이 있다[59,60]. Cheng 등은 셀룰로오스 나노 섬유(cellulose nanofibers, CNF)를 삽입하여 개선된 가스 발포 효과를 통해 다공성의 맥신 에어로겔을 제조함으로써 인가된 압력 하에서 더 많은 내부 접촉 영역을 유도하였다[61]. 또한 그림 1(c)의 in situ mechanical SEM 이미지를 통해 맥신 에어로겔의 기공 면적을 실시간으로 계산하여 압력이 증가함에 따라 맥신 나노 시트의 층 간 접촉이 증가하고, 외부 압력이 제거되면 다시 다공성 구조로 회복되어 압력을 민감하게 감지할 수 있음을 보여주었다. 기공이 많을수록 특정 압력 하에서 접촉 면적이 커지며, 2.6 kPa 이내의 압력 범위에서 최대 306 kPa^-1의 민감도를 나타냈는데, 이는 작은 압력에서 작은 기공들이 서로 많이 접촉하기 때문이다.

또한, 0,1,2차원 형태의 나노 물질 간 접촉 저항 변화를 극대화하기 위해, 나노 물질 상단 표면에 구조적 결함을 형성하여 외부 물리적 자극에 민감한 기하학적 변형을 통해 고민감도의 유연 압저항 센서를 개발하는 연구가 진행되었다[62-64]. Kang 등은 거미의 주변 진동을 민감하게 감지하는 균열 모양의 틈 기관을 모방한 구조의 센서를 제안하였다[65]. Polyurethane acrylates (PUA) 위에 20 nm 두께의 Pt 층을 증착한 후 기계적으로 구부려 제어된 나노 크기의 균열을 생성시키는 간단한 방법으로 민감한 유연 압저항 센서를 제작하였다. 그리고 그림 1(d)와 같이 유한 요소 해석(finite element analysis, FEA) 컴퓨터 시뮬레이션 기술을 통해 초기의 5 nm 이하의 작은 간격이 인장률이 증가함에 따라 50 nm 깊이의 균열 간격으로 넓어짐을 보여주었다. 제작된 센서는 0~2 % 인장률 범위에서 2000 이상의 높은 게이지 계수를 가지며, 특히 0.5 % 변화율에서 균열이 없는 경우보다 240배 더 높은 저항 변화를 가져 초고도 기계적 민감성을 보여주었다.

전도성 나노 물질 기반의 유연 압저항 센서는 센서의 특성이 재료적 특성에만 의존하게 되므로, 낮은 민감도 및 좁은 작동 압력 범위를 가진다는 한계가 있다[66]. 이러한 문제를 해결하기 위해 다양한 형태의 마이크로 규모의 표면 미세 구조를 도입하여 센서의 민감도를 향상시키는 연구가 진행되었다[34,67,68]. 평면 구조 기반 센서의 경우 재료의 벌크 저항에 의해 영향을 받는 반면, 미세 구조 기반의 센서는 인접한 두 미세구조 사이의 접촉 저항이 센서의 압저항 특성에 지배적이게 된다[69]. 미세 구조의 작은 접촉 지점에서의 국부적인 응력 집중은 작은 압력 하에서도 접촉 면적의 큰 변화를 유발시키며, 이로써 접촉 저항이 민감하게 감소하여 센서의 민감도가 향상될 수 있다[70,71]. Park 등은 미세 구조 형태를 통해 다방향 힘에 대해 감지 가능한 압저항 전자 피부를 제작하였다[72]. 포토리소그래피 및 식각 공정을 통해 제작된 실리콘 몰드를 사용하여 마이크로 패턴의 배열을 가진 MWCNT/PDMS 복합재를 제작하였으며, 다양한 미세 구조의 형상에 따른 압저항 특성을 조사하였다. 마이크로 돔, 피라미드, 기둥 구조의 압저항 센서는 각 18.3, 12.6, 5.3 kPa^-1의 다른 선형 압력 민감도를 보였으며, 모두 0.5 kPa^-1의 민감도를 갖는 평면 구조의 압저항 센서보다 훨씬 우수한 특성을 보였다. 그림 2(a)에서 볼 수 있듯이 FEA 시뮬레이션을 통해 계산된 압력에 따른 접촉 면적 변화와 실험적인 전류 변화값을 비교하였으며, 접촉 면적 변화율이 가장 큰 마이크로 돔 구조가 실제 실험에서도 가장 높은 압력 대비 전류 변화율을 나타냄을 확인할 수 있다. 또한 힘의 방향에 따라 각 미세 구조의 압저항 특성을 조사하였을 때, 수직, 인장 및 굽힘 응력에 대해서는 마이크로 돔 구조가 가장 높은 민감도를, 전단 응력의 경우 마이크로 기둥 기조가 가장 높은 민감도를 나타냄을 확인할 수 있다. 본 연구 결과는 미세 구조의 기하학적 구조에 따라 민감도가 향상되는 효과를 체계적으로 분석했을 뿐만 아니라, 다양한 응용 분야에 적용될 수 있는 압저항 전자 피부로 사용되기 위한 다방향 힘에 대한 감지 가능성을 보여주었음에 의의가 있다.

유연 압저항 센서의 실용화를 위해서는 간단하고 쉬운 공정을 통해 높은 민감도의 센서를 제작하는 것이 중요하다. 다단계 및 고비용이 요구되는 포토리소그래피를 통해 몰드를 제작하는 하향식(top-down) 제조 방법 대신, 구형 입자의 자기 조립을 통해 정렬된 구조를 구축하는 상향식(bottom-up) 접근 방법에 대한 연구가 진행되었다. Zhang 등은, 그림 2(b)와 같이 polystyrene (PS) 단분산 콜로이드 입자의 자기 조립을 통해 마이크로 돔 패턴의 PDMS 기판을 제작하였다[73]. 또한 다른 직경 크기를 가지는 PS 콜로이드 입자를 사용하여 센서의 민감도 및 선형 작동 압력 범위를 조정 가능함을 보여주었다. Pang 등은 인간 피부의 중요한 압력 인식 조직 역할을 하는 표피의 표면 구조를 모방한 미세 구조를 가진 민감한 압저항 센서를 제안하였다[74]. 압력 수용기인 메르켈 디스크로 구성된 진피의 spinosum 미세 구조는 압력 수용기 근처의 능선 부분에서 높고 국소화된 응력 집중을 생성할 수 있다. 이러한 미세 구조와 유사한 지형을 가지는 연마지를 템플릿으로 사용하여 무작위 높이의 분포를 가지는 spinosum 표면 구조(random distribution spinosum, RDS)의 PDMS 기판을 제작하였다. 날카로운 미세구조는 작은 힘에도 접촉 면적이 크게 증가하여 민감도를 높일 수 있지만, 접촉 면적 변화의 빠른 포화로 인해 민감도가 급격히 감소한다. 그림 2(c)는 FEA 시뮬레이션에서 피라미드와 반구 구조는 상단 영역에 응력이 집중되어 쉽게 변형이 포화되는 반면, 해당 구조는 더 균일한 압력 분포를 나타내는 결과를 보여준다. 또한 불규칙한 표면의 형상으로 인해 압력 인가에 따라 새로운 접촉점이 생성되어 접촉 면적이 급격히 증가함으로써, 표면 미세 구조 중에서 25.1 kPa^-1의 가장 높은 민감도와 0~2.6 kPa의 가장 넓은 선형 작동 압력 범위를 나타내었다. Jung 등은 미세 구조 표면을 제작하기 위해 공정의 자유도가 낮은 기존의 몰드 제작 대신 열팽창성 마이크로 캡슐의 내부 팽창을 이용한 새로운 미세 구조 제작 방식을 제안하였다[75]. 열팽창성 마이크로 캡슐은 외부 쉘의 열가소성 수지와 내부 코어의 액상탄화수소로 구성되며, 그림 2(d)와 같이 특정 온도에서 내부 코어의 액체가 기체로 상변화하고 얇아진 외부 껍질을 통해 침투한 뒤 PDMS 복합재로 확산되어 3~6배로 부피가 팽창하게 된다. 이렇게 형성된 불규칙한 크기의 마이크로 돔 구조는 압력이 증가함에 따라 레이저 유도 그래핀(laser inducedgraphene, LIG) 기반의 interdigitated electrode (IDE) 전극 기판과 추가적인 접촉이 형성되어 50 Pa 이하의 압력 범위에서 최대 50.45 kPa^-1의 높은 민감도를 보여주었다.

마이크로 규모의 단일 표면 구조는 저압 영역에서 응력을 효과적으로 집중시킬 수 있어 접촉 면적을 빠르게 증가시켜 민감도를 크게 향상시킬 수 있지만, 압력이 증가함에 따라 기존 접촉 영역에 응력이 축적되어 민감도가 감소하고, 결과적으로 선형 작동 압력 범위가 저하된다는 한계가 있다[76]. 근래에는 다중 규모의 계층적 구조(hierarchical structure)를 도입하여 넓은 압력 범위에서도 높은 민감도를 가질 수 있도록 하는 연구가 진행되었다. Kim 등은 마이크로 구조의 넓은 작동 압력 범위와 나노 입자의 높은 민감도의 장점을 결합한 계층적 나노/마이크로 구조의 압저항 센서를 제작하였다[77]. 두 개의 서로 다른 표면 형태의 PANI@silica core-shell 구조의 전도성 나노 입자의 농도 비율을 조절하여 민감도 및 작동 압력 범위 내 선형성을 향상시켰다. 그림 3(a)는 Ni-Cu 합금의 유연한 직물 전극 위 PANI@silica/TPU 복합재를 스프레이 코팅하여 형성된 무작위로 분포된 스파이크/구형 나노 입자와 거친 표면 및 불규칙한 다공성 구조를 갖는 계층적 마이크로/나노 구조 표면을 보여준다. 다단계 계층 구조에서 나노 입자 사이, 미세 구조 표면 및 내부 기공에서의 접촉 영역의 큰 변화와 압력 증가에 따른 점진적인 전류 활성화로 인해 0.008~120 kPa의 넓은 선형 작동 압력 범위에서의 17.5 kPa^-1의 높은 민감도를 달성하였음을 보고하였다. Shi 등은 나노 크기의 돌기 tomenta로 덮여 있는 마이크로 크기의 돌기 papillae로 구성된 연잎의 표면 구조를 템플릿으로 사용하여 계층적 구조의 센서를 제작하였다[76]. 그림 3(b) 와 같이 FEA 시뮬레이션을 통해 계층적 구조에서 압력에 따라 돌출된 나노 돔으로 인해 접촉점 수가 빠르게 증가하여 총 접촉 면적이 빠르게 증가함을 보여주었다. 이러한 접촉 면적 변화와 비례하여 실험적으로 0~25 kPa의 넓은 선형 작동 압력 범위에서 1.2 kPa^-1의 높은 민감도를 나타냄을 보여주었다. 한편, 레이저 공정은 빠르고 간단하게 복잡한 구조를 제작할 수 있어 미세 구조 제작 기술로 근래에 많이 사용되고 있다[78,79]. Li 등은 달팽이 촉수의 촉각 감지 기능에 영감을 받아 레이저 공정을 통해 계층적 미세 구조를 갖춘 몰드를 제작하였다[80]. 그림 3(c)는 제작된 계층적 구조를 보여주며, 원추형 마이크로 기둥은 응력을 효과적으로 집중시켜 10 Pa 이하의 미세한 압력에서의 큰 저항 변화를 유도하며, 원통형 마이크로 기둥은 1 kPa 이상의 고압에서의 압력을 감지하는 기능을 가지고, 다공성 마이크로 돔은 압축성을 향상시켜 10 Pa~1 kPa의 중간 압력에서의 제한적인 민감도를 보완하는 역할로 사용되었다. 이러한 자연 모방 구조는 2 Pa~ 23 kPa의 넓은 선형 작동 압력 범위와 최대 35.51 kPa^-1의 높은 민감도를 달성하였다. Zhang 등은 MWCNT/PDMS 복합재에 직접 레이저 가공을 함으로써, 몰드 제작을 생략하여 간단하고 빠른 계층적 구조 제조 공정을 사용하였다[81]. 레이저 직접 묘화(laser direct writing, LDW) 공정으로 복합재 표면의 1차 미세 구조 배열을 처리하고, 레이저 그리드 마킹(laser gridded marking, LGM) 공정을 통해 2차 미세 구조를 형성하여 계층적 구조의 센서를 제작하였다 (그림 3(d)). 제작한 2차 미세 구조의 센서는 압력 증가에 따른 1차 구조의 변형과 동시에 작은 2차 구조의 수의 증가로 인해 20 kPa의 넓은 선형 작동 압력 범위와 단일 레벨의 미세 구조의 센서보다 20배 더 높은 최대 11.06 kPa^-1의 높은 민감도를 나타내었다.

표 1은 다양한 나노 물질과 미세 구조의 설계를 통한 유연 압저항 센서의 성능을 요약한 것으로, 소자의 실용화에 중요한 제작 공정을 포함한다.

앞서 언급한 우수한 성능을 바탕으로 한 유연 압저항 센서는 건강 모니터링, 로봇 공학, 인간-기계 인터페이스 등을 포함하는 다양한 응용 분야에서 사용될 수 있다. 특히 센서의 피부와의 우수한 호환성과 뛰어난 휴대성으로 맥박, 호흡, 움직임 등의 생체 신호를 실시간으로 모니터링할 수 있어 의료 분야에서의 활용도가 기대되고 있다. 맥박은 혈액 순환 중 동맥계를 따라 감지할 수 있는 중요한 생체 신호 중 하나로, 맥박 강도, 주파수 등을 수집하여 혈압, 심박수, 혈관 기능 등 다양한 정보를 유추하여 심혈관 질환의 진단 및 예방이 가능하다[82]. 맥박 신호는 강도가 약하고 짧은 주기를 가지므로, 정확한 감지를 위해서는 센서의 높은 민감도와 빠른 응답 속도를 필요로 한다[32]. Wu 등은 레이저 스크라이빙 그래핀 (laser scribing graphene, LSG)을 사용하여 인가 압력에 따라 그래핀 표면에 무작위 균열이 나타나 저항이 급격히 증가하는 초고감도의 유연한 압력 센서로 맥파 측정이 가능함을 보여주었다[83]. 그림 4(a)에서 볼 수 있듯이 단일 맥박에서 명확히 구분 가능한 시작점 (S), 충격파 (P), 조류 (T), 중맥파 (D)의 맥파 특성이 관찰되었으며, 경동맥, 상완동맥, 요골동맥, 발등동맥 측정 시에 상업용 혈압계를 사용한 측정과 매우 일치하는 맥파를 나타내었다.

신체 동작을 감지하는 것은 건강 모니터링 뿐만 아니라 인공 보철물, 스포츠 및 재활 분야, 인간-기계 인터페이스에서의 응용을 가능하게 한다[84,85]. Yang 등은 다층 구조를 통한 압력의 분기 전달로 800 kPa의 작동 압력 범위와 13.1 kPa^-1의 고감도를 통해 인간의 운동 및 움직임의 변화를 성공적으로 감지하였다[86]. 그림 4(b)는 해당 센서가 넓은 작동 압력 범위를 통해 호흡 모니터링과 같은 저압부터 근육 기능 평가, 제스처 및 보행 인식과 같은 고압까지의 다양한 압력 범위를 가지는 응용 분야에서 사용될 수 있음을 보여준다. 호흡 패턴은 기본적인 생리적 활동으로서 신체적, 정신적 상태를 나타내며, 고혈압, 심장마비 등의 위험을 증가시킬 수 있는 수면 무호흡 증후군의 진단과 치료를 위해서는 지속적인 호흡 모니터링이 필요하다[87]. 해당 센서는 분당 20회의 정상 호흡과 무호흡 및 비정상적인 호흡 구별이 가능함을 보여주었다. 근육은 수축/이완을 통해 신체의 움직임을 지원하고 관절의 안정성을 유지하는 중요한 역할을 한다. 해당 센서는 신호 강도를 기반으로 근육 상태를 추정하여 손의 제스처를 구분하며, 물의 양이 다른 비커를 집어들 때의 근력을 측정하여 근육의 기능을 평가할 수 있음을 보여주었다. 또한 발뒤꿈치에 센서를 부착하여 상이한 보행에 따른 서로 다른 패턴의 신호 관찰함으로써 보행 모니터링이 가능하며, 목 위에 센서를 부착하여 각기 다른 단어에 대한 신호를 구별할 수 있음을 보여주었다. 결과적으로 해당 센서는 유연 압저항 센서가 음성인식, 수화번역, 지능형 보철물, VR 게임, 로봇 모션 최적화, 건강 모니터링에 활용할 수 있음을 입증하였다.

그와 더불어 압력 센서는 인간-컴퓨터 인터페이스에서의 매개체로서 사용자와 기계 간의 압력 관련 정보를 감지하고 전달할 수 있다. 특히 특정 방향 및 고해상도의 감지가 가능한 압력 센서 어레이는 사용자의 손의 압력 변화나 제스처를 감지하여 터치 스크린 및 키패드에서 유용하게 사용될 수 있다. Jung 등은 앞서 언급한 불규칙한 마이크로 돔 구조 기반의 저압 범위에서의 우수한 감지 성능을 가지는 센서로 구성된 10x16 픽셀의 압력 센서 어레이 패드를 제작하였다[75]. 그림 4(c)와 같이 해당 센서 어레이 패드에 손가락 끝으로 점차 압력을 증가시키며 곡선 궤적을 그렸을 때, 2D 및 3D 압력 매핑을 통해 손가락의 위치 및 민감한 압력 변화를 정확하게 감지할 수 있음이 입증되었다. 해당 연구 그룹은 이러한 센서 어레이 패드를 활용하면 사용자의 촉각 정보의 미세한 변화를 감지하고 컴퓨터로 전송하여 인간-컴퓨터 상호 작용 분야에서의 다양한 응용이 가능할 것임을 제시하였다.