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생체 전해액을 활용한 민감도 조절이 가능한 그래핀 기반 자가발전 웨어러블 촉각센서 개발
조현호(Hyeonho Cho),이효은(Hyoeun Lee),이상민(Sangmin Lee),김승한(Sunghan Kim) 대한기계학회 2021 대한기계학회 춘추학술대회 Vol.2021 No.4
4차 산업혁명이 도래함에 따라 빅 데이터, 로봇공학, 사물인터넷, 헬스케어 등과 같은 기술분야들은 주목받아 왔다. 이러한 분야들은 외부 환경을 잘 인지하는 웨어러블 센서 개발이 우선 과제이기 때문에 관련된 많이 연구가 진행되고 있다. 이러한 센서 중 특히 촉각을 활용한 센서가 활용성이 높아 많은 연구자들은 웨어러블 촉각센서를 연구하고 개발하였다. 하지만, 실제 신체에 적용하여 사용하기 위해서는 촉각센서에 전력을 공급하는 별도의 전원장치를 요구하기 때문에 실질적인 적용이 어렵다. 또한, 센서의 민감도를 조절하는 것은 중요한 문제이다. 센서가 과도하게 민감하면 노이즈가 발생하는 반면 너무 둔감하게 되면 외부환경을 적절히 파악하지 못한다. 본 연구는 인체의 땀을 활용한 자가발전 및 민감도 조절이 가능한 촉각센서를 환원된 산화 그래핀이 코팅된 다공성 구조의 폴리우레탄을 활용하여 제작하였다. 제작된 센서는 압력에 따른 변화하는 기공의 거동을 활용하여 전기적인 신호를 변화시킨다. 이러한 원리를 이용하여 압력 기반의 촉각센서로 활용할 수 있음을 확인하였다. 또한, 갈바니 전지의 원리와 인체 피부에서 생성되는 땀을 활용하여 촉각센서에 전원을 공급할 수 있는 땀 촉발 갈바니 전지를 구현하였다. 이러한 갈바니 전지를 직렬 연결하여 촉각센서의 민감도를 조절할 수 있음을 확인하였다. 위와 같은 메커니즘을 활용한 촉각센서 소자를 실제 인체에 적용하여 점자를 읽거나 촉각을 대신할 수 있음을 확인하였다. 이와 같은 연구 결과는 전자피부, 로봇공학, 체성감각 복구와 같은 분야에 활용될 수 있다고 사료된다. Wearable tactile sensors have been fascinated rapidly in recent years with advances of robotics, healthcare, E-skin, and human-machine interaction. However, these tactile sensors have been suffered from insufficient self-powered and sensitivity-tunable functions as requiring an extra-power supply including an inconvenient battery. Herein, we fabricated self-powered, sensitivity-tunable, and wearable tactile sensor based on a porous polyurethane (PP) coated with a reduced graphene oxide (rGO). The rGO-coated porous polyurethane (rGO-PP) was prepared with dip-coating to graphene oxide (GO) on PP, and then, thermal reduction. The micropores of porous structure facilitated a deformed of the rGO-PP by applied pressure, resulting in a changed conductive path and electrical signals. Bio-electrolyte provided from human skin generated power exploiting the simple principle of galvanic cell and supply power to rGO-PP tactile sensor. The bio-electrolyte triggered self-power overcame the limitation of inconvenient extra-battery, thereby improving practical use as wearable device. A simple design of electrically serial circuit give rise to tailorable sensitivity widely ranged from 0.46 to 3.05 kPa<sub>-1</sub>. Therefore, rGO-PP tactile sensor with such multifarious functions can be exploited in the improvement of applications such as braille recognition, the restoration of somatosensory, and E-skin.