광운대학교 김남영 교수(전자공학과) 연구팀, 인간과 컴퓨터의 상호 작용, 상태 모니터링 및 동작 감지를 위한 촉각 센서 개발

(좌)요소 교수 (우)김남영 교수

광운대학교 김남영 교수 연구팀(전자공학과)은 청도대학교 요소 교수와의 공동연구를 통하여 나노 미약 신호 감지를 위한 인간과 컴퓨터의 상호 작용 유연 촉각 센서 개발에 성공했다.

본 연구는 매우 민감하고 광범위한 유연 압력 센서의 개발은 인간과 컴퓨터의 상호 작용, 상태 모니터링 및 동작 감지에 실용적인 응용을 실현할 수 있다. 나노 균열 폴리비닐피롤리돈(PVP) 계층적 나노섬유막(HNM) 유전체층은 전기 방사된 BiI3/PVP 복합 나노섬유막(NM)에서 BiI3를 1단계 어닐 공정을 통해 제작하였다.

다공성 레이저 유도 그래핀(LIG)의 상부 및 하부 전극은 폴리이미드(PI) 기판에 각인 공정을 활용하였다. 동작 자세 인식을 위한 향상된 감도와 검출 범위를 입증하는 상부 및 하부 LIG 전극으로 중간 PVP HNM 유전체층을 조립하여 유연한 용량성 압력 센서를 구성하였다. 실험 결과는 본 연구에서 조립된 센서가 기존 PVP NM 기반 압력 센서에 비해 22배 높은 감도(2-100kPa)와 4배 넓은 검출 범위(0-200kPa)를 얻었다.

또한, 센서는 29/41ms의 빠른 응답/복구 시간과 2.7Pa의 예외적으로 낮은 검출 한계, 3000 사이클의 뛰어난 안정성을 확보하였다. 컨볼루션 신경망(CNN) 알고리듬을 활용하여 다중 센서에 의해 슈팅 자세 인식 시스템을 개발하여 농구 선수의 슈팅 자세를 정확하게 식별(정확도: 93.89%)하였다.

이번 연구는 교육부에서 지원하는 한국연구재단(NRF) 중점연구소 지원사업 (No. 2018R1A6A1A03025242)의 연구결과는 Elsevier에서 발간하는 국제 저명 논문지인 Chemical Engineering Journal (IF=16.774) “Enhanced sensitivity and detection range of a flexible pressure sensor utilizing a nano-cracked PVP hierarchical nanofiber membrane formed by BiI3 sublimation” 제목으로 실렸다.

촉각 센서를 기반으로 한 작은 신호 지각에 대한 개략도. (a) PVP HNM 및 (b) LIG 준비 개략도. (c) CPS의 구조. (d) 사격 자세 인식 시스템 개략도. (e) PVP NM의 SEM 이미지. (f) (e) PVP HNM의 SEM 이미지. (g) (h) (g) (g) (g) (i) PVP 계층적 나노섬유의 단면도. (j) PVP NM 및 BiI3@PVP 복합 NM의 TG/DTG 곡선. (k) PVP NM, BiI3@PVP 복합 NM 및 PVP HNM의 XPS 스펙트럼. (l) BiI3@PVP 복합 NM 및 PVP HNM의 Bi 4f의 고해상도 XPS 스펙트럼. (m) SEM 이미지, (n) N2 흡착 등온선 곡선, (o) TEM 이미지, (p) LIG의 라만 스펙트럼.

촉각 센서를 기반으로 한 작은 신호 지각에 대한 개략도. (a) 촬영 자세 인식 시스템의 사진. (b) 시스템 구성의 개략도. (c) 자세 A~F의 평균 정전용량 데이터. (d) 촬영 자세 인식을 위한 CNN 모델. (e) 자세 A~F의 해당 데이터에 대한 PCA 시각화 결과. (f) CNN 분류 결과에 대한 혼동 행렬.

온라인 중앙일보