폴리이미드/Pb(Zr,Ti)O3 복합체 기반 유연 압전 어레이 센서의 공정 최적화와 전기적 특성 평가 = Optimization of a Polyimide/Pb(Zr,Ti)O₃Piezoelectric Composite Array and Electrical Characterization for Force-Kinesthetic Sensing

국문 초록 (Abstract)

인간과 유사한 힘 조절을 웨어러블 시스템에 구현하기 위해서는 근육 사용량과 관절 동작을 정량화할 수 있는 유연 역감 센서가 필요하다. 기존 압저항·정전용량 기반 센서는 온도 의존성, 장기 드리프트, 외란 및 응답 속도 한계로 인해 빠른 생체 하중을 안정적으로 계측하기 어렵다. 본 연구에서는 polyimide/Pb(Zr,Ti)O₃(PI/PZT) 복합체를 기반으로 한 유연 압전 센서를 제작하고, 이를 역감 센서 플랫폼으로 활용하기 위한 공정 최적화를 수행하였다. PZT 분말(10–60 wt%)을 polyamic acid 전구체에 분산시킨 0–3형 복합체를 열 이미드화·폴링하여 제조하였으며, 그 결과 30 wt% PZT 조성에서 균열 없이 유연성을 유지하면서 향상된 압전 계수를 확보하였다. 최적 조성으로 제작한 단일 cell을 손목에 부착하여 tapping, bending, 0–30 kg 범위의 grip 하중 및 손목 회전에 대한 전압 출력을 측정한 결과, 하중 크기와 방향에 따른 신호 구분이 가능함을 확인하였다. 또한 3×3 PI/PZT 어레이를 전완 및 상완에 부착하여 팔꿈치 굴곡 시 근육 수축 분포를 공간적으로 구분하고, 이두컬과 해머컬과 같은 운동 간 차이를 셀 별 전압 패턴으로 식별할 수 있음을 보였다. 이를 통해 최적화된 PI/PZT 유연 압전 구조체가 근육 활동의 크기와 공간 분포를 동시에 읽어낼 수 있는 역감 센서 후보임을 확인하였다.

목차 (Table of Contents)

• List of Figures iv
• 요약 vii
• Chapter 1 1
• Chapter 2 3
• 2.1. 역감(kinesthetic sense)의 정의 3
• 2.2. 역감 계측을 위한 센서 기술 3
• 2.2.1. 모션 캡쳐 (Motion Capture) 3
• 2.2.2. 압저항 (Piezoresistive) 4
• 2.2.3. 정전용량 (Capacitive) 4
• 2.2.4. 압전(Piezoelectric) 5
• 2.3. 압전이란 7
• 2.3.1. 우르자이트(wurtzite) 압전소재 7
• 2.3.2. 고분자 압전소재 8
• 2.3.3. 페로브스카이트(perovskite, ABO3) 계열 세라믹 압전소재 8
• 2.4. PI(polyimide)/PZT composite 11
• 3. Experimental Section 14
• 3.1. PI/PZT 유연 압전복합체 제작 14
• 3.2. PI/PZT 유연 압전 복합체 특성분석 14
• 4. Results and Discussion 17
• 4.1. PI/PZT 혼합 공정 및 PZT 함량에 따른 미세구조 비교 17
• 4.2. PI/PZT 박막 두께 제어 및 전기·유전 특성 20
• 4.2.1. FT-IR 화학구조 분석 24
• 4.2.2. XRD 결정구조 분석 24
• 4.2.3. TGA 분석 25
• 4.2.4. PI/PZT 복합체 제작 공정 최적화 27
• 4.3. 단일 cell sensor의 전기적 측정 28
• 4.3.1. Tapping 측정 28
• 4.3.2. Bending 측정 30
• 4.4 3x3 sensor array의 전기적 측정 34
• 4.4.1 손목 동작(굴곡·회전·쥐기)에 따른 센서 응답 34
• 4.4.2. 전완 위치별 그립 신호 분포 38
• 4.4.3. 이두근 부착 컬 (biceps/hammer curl) 측정 41
• 5. Conclusion 44
• ABSTRACT 51