나노그레이팅 강화 유연 도파관을 이용한 고성능 촉각 센싱

요약

광학 도파관의 특성과 유연 광학 소재의 물성을 바탕으로 촉각 인식을 위한 유연하고 신축성 있는 광학 도파관 구조를 제안합니다. 이 도파관의 센싱 원리는 외부 힘에 의한 기계적 변형이 출력 광 손실을 유발한다는 점에 기반합니다. 이는 불규칙한 표면에 적응하지 못하는 기존 경질 광학 도파관 소자의 한계를 극복합니다. 유연 신축성 도파관은 나노 복제 몰딩 공정으로 제작되었으며, 촉각 센싱 분야에서 압력과 변형률 측정에 적용되었습니다. 제작된 도파관은 0~12.5%의 변형률 검출 범위와 0~23×10^–3 N의 외부 힘 검출 범위를 보였습니다.

서론

광학 도파관은 빛 파동의 전송을 안내하는 구조입니다[1-4]. 기존의 딱딱한 광학 도파관은 유연 전자공학과 소프트 로보틱스의 요구사항을 충족할 수 없습니다[5-7]. 유연 신축성 소자는 로봇 촉각 센싱 시스템의 핵심 요소로, 인간-기계 상호작용 인식을 실현하며 높은 유연성, 신축성, 적응성, 민감도, 생체적합성, 전자기 간섭 내성을 갖추고 있습니다[8-12]. Wang 등은 Ti₃C₂/MC 생체복합 박막 기반의 생체모방 유연 압력 센서를 제작하여 24.63 kPa⁻¹의 압력 민감도를 달성했고, 실크 피브로인-MXene 박막도 생체적합성과 고성능을 갖춘 압력 센서로 활용되었습니다[13, 14]. Ran 등은 고대비 적외선(IR) 영상을 위한 유연 생체모방 IR 검출 증폭 시스템을 제작했으며, 1342 nm 파장에서 최대 광감도 7.6×10⁴를 기록했습니다[15]. 나노그레이팅 구조 기반의 유연 신축성 광학 도파관은 유연성과 신축성을 갖춘 촉각 센싱 소자로 제작 가능하며, 웨어러블 전자기기와 로봇공학 분야에 폭넓게 응용될 수 있습니다. Li 등은 구부릴 수 있는 칼코게나이드 유리 기반의 유연 도파관 소자를 제작하고, 다중 신경축 이론을 이용해 변형률 분포를 최적화했습니다[16]. 또한 유리 도파관은 지그재그 형태로 설계되어 42%의 인장 변형률을 달성했습니다. 새로운 유연 광학 소재 외에도 다양한 최첨단 제조 기술이 유연 신축성 도파관 제작에 활용되고 있습니다[17, 18]. Samusjew 등은 잉크젯 프린팅으로 광중합 유연 신축성 광학 도파관을 제작하여 120%의 신축성을 구현했습니다[19]. 나노그레이팅 구조 기반의 유연 신축성 광학 도파관 소자를 실현하려면 광투명성을 가진 새로운 연성 소재가 필수적입니다. 최근 유연 신축성 광자 센싱 소재 개발이 지속적으로 이루어지고 있습니다[11, 20]. 이들 소재는 투명성, 유연성, 신축성이라는 공통된 특성을 가지며, 엘라스토머, 콜로이드 결정, 하이드로겔, 합성 오팔 등으로 분류됩니다[21-23]. 유연 광학 소재와 미세/나노 제조 기술의 발전으로 유연 신축성 광학 도파관의 촉각 인지, 웨어러블 전자기기, 개인 건강 진단 분야 적용이 확대되고 있습니다. Andreas 등은 폴리스티렌 폴리머를 덮개층으로, 불소화 폴리머를 전송층으로 사용하여 300% 이상의 인장 강도를 갖는 초고신축성 엘라스토플라스틱 광학 도파관 센싱 소자를 제작했습니다[24]. Alexander 등은 홀로그래피 기술과 UV 템플릿 경화법으로 벤조페논 광감응 분자가 혼합된 PDMS 소재에 유연 회절 격자 광을 형성했습니다[25]. 많은 연구자들이 유연 또는 신축성 광학 도파관을 구현했지만, 특히 로봇 촉각 센싱 분야에서 유연 '및' 신축성 광학 도파관에 대한 연구 진전은 여전히 부족한 실정입니다.

본 논문에서는 나노 복제 몰딩 공정으로 새로운 유연 신축성 광학 도파관을 설계 및 제작했습니다. 이 도파관은 중요한 촉각 센싱 소자로서 웨어러블 및 헬스케어 응용을 위한 압력 및 변형률 센싱에 활용될 수 있습니다. 유연 신축성 도파관은 실리콘 마스터 웨이퍼 위에 PDMS 기판으로 제작되었습니다. 나노그레이팅 마스터 웨이퍼를 이용해 도파관의 입/출력 커플러 역할을 하는 그레이팅 구조를 형성했습니다. 제작 공정 중 모든 관련 파라미터를 분석 및 계산했습니다. 제작된 유연 신축성 광학 도파관은 촉각 센싱 분야에서 압력과 변형률 측정에 적용되었습니다.

연구 방법

유연 신축성 도파관의 원리

유연 신축성 광학 도파관 센서에서 도파층의 굴절률은 n_waveguide, 주변 환경의 굴절률은 n_external이며 다음 관계를 만족합니다.

$$n_{waveguide} > n_{external}$$ (1)

본 연구에서는 PDMS를 광학 도파층으로 선택했으며, 그 굴절률(1.41)이 공기(1.0)보다 높아 단순 광학 도파관으로 기능할 수 있습니다. 촉각 센싱 구현을 위해서는 유연 신축성 광학 도파관이 주변 환경의 다양한 물리적 파라미터(압력, 변형률 등)를 검출해야 합니다. 외부 환경의 영향을 받을 때 출력 광 파워 강도는 응력이나 변형에 의한 기계적 교란과 본질적으로 연관됩니다. 출력 광 강도 변화를 통해 외부 환경 힘에 의한 도파관 변형을 정량화할 수 있으며, 이를 통해 외부 물리량 변화를 정량적으로 측정합니다.

유연 신축성 광학 도파관 센싱 소자의 개략도는 그림 1a와 같습니다. 구성 요소: 1) 유연 신축성 광학 도파관 필름, 2) 주기적 나노그레이팅 깊이, 3) 광학 도파관 길이, 4) 나노그레이팅 주기, 5) 나노그레이팅 폭, 6) 그레이팅 커플링 입력부, 7) 그레이팅 커플링 출력부. 그레이팅 커플링은 6번 입력부와 7번 출력부로 구성되어 광 강도를 입/출력합니다. 센싱은 외부 물리량(압력, 변형률 등)에 의한 유연 신축성 도파관의 변화를 출력 광 강도 변화와 연관 지어 수행합니다(그림 1b).

일정한 각도로 그레이팅 커플러를 통해 빛이 도파관에 결합되어 거리 L을 전파한 후 출력 그레이팅 커플러로 출력됩니다. 이때 출력 광 강도를 I₀라 합니다. 외부 압력 F나 변형률 S가 가해져 도파관 구조가 변형되면 출력 광 강도 변화 ΔI₀가 발생하며, 압력과의 관계는 다음과 같습니다.

$$\Delta I_{0} = f\left( F \right)$$ (2)

변형률과의 관계는 다음과 같습니다.

$$\Delta I_{0} = f\left( S \right)$$ (3)

시뮬레이션 결과 및 분석

유연 신축성 광학 도파관 소재는 유연성과 신축성을 가진 연성 소재입니다. 촉각 센싱 수행 시 변형 과정에서 발생하는 응력으로 인해 소자가 손상되거나 정상 작동하지 않을 수 있으므로, 제조 시 다양한 소재로 준비된 포토닉 크리스탈 구조에 대해 정적 시뮬레이션을 수행하여 외부 힘에 의한 인장 변형 시 내부 응력과 변형률 분포를 분석해야 합니다. ABAQUS 소프트웨어로 유한 요소 시뮬레이션을 수행했습니다. 모델 파라미터: 그레이팅 주기 850 nm, 듀티 사이클 0.5, 소재 두께 2 mm, 그레이팅 높이 200 µm, 영률 1 MPa, 푸아송비 0.48, PDMS 밀도 0.98 g/cm³. 하중은 도파관 양쪽에 인장 변위를 가하고 다른 방향은 고정하여 수평 방향으로 10% 신장시켰습니다. PDMS 광학 도파관의 응력-변형률 모달 분포는 그림 2와 같습니다. 그림 2a에서 변형률 형태 변화는 주로 그레이팅층 구조 하부에 분포하며, 양쪽에 대칭적으로 균일하게 분포합니다. 응력 집중은 그레이팅과 블록 구조가 연결된 부분에 있으며, 최대 응력은 0.13 MPa 미만입니다(그림 2b). 기계적 시뮬레이션 분석 결과 PDMS 기반 그레이팅 구조 도파관은 우수한 인장 특성을 가지며, 이는 유연 신축성 광학 도파관 구조의 변형률 센싱 기능 안정성을 뒷받침합니다.

유연 광학 도파관 촉각 센서의 센싱 원리는 빛이 도파관에 결합되어 전파될 때 외부 응력과 변형률로 인한 광 전송 손실이 발생하며, 이 손실을 계산하여 응력과 변형률을 센싱한다는 것입니다. 따라서 나노그레이팅 구조 기반의 설계된 광학 도파관 소자에 대해 전자기장 시뮬레이션을 수행하여 도파관 내 빛의 전송 상태를 검증해야 합니다. 전자기 시뮬레이션에는 FDTD 전자기 시뮬레이션 소프트웨어를 사용했습니다. 설계된 광학 도파관은 대칭 구조이므로 양단 그레이팅 커플러 중 하나를 연구 대상으로 선정했습니다. 그레이팅 듀티 사이클 0.5, 주기 및 높이는 각각 설정되었습니다. 기본 구조는 그림 3a와 같습니다. 가우시안 적색광 빔이 13.54° 입사각으로 도파관에 결합될 때 대부분의 백색광 빔이 도파관에 결합되어 수평 방향으로 전파됩니다. 실험 결과 특정 입사각에서 빔이 도파관에 부분적으로 전파되어 커플링 출력됨을 확인했습니다(그림 3b).

제작

유연 신축성 광학 도파관의 입/출력 모드는 그레이팅 커플링이며, Si 마스터 그레이팅 템플릿을 이용한 나노 복제 몰딩으로 제작됩니다. 제작에 사용 가능한 유연 광학 소재로는 PDMS, SU8, PMMA, 구부릴 수 있는 칼코게나이드 유리 등이 있습니다. 제작 공정은 다음과 같습니다. (1) 마스터 웨이퍼 템플릿: 나노그레이팅 템플릿의 주기 850 nm, 충전율 0.5(LightSmyth Technologies, Inc.). (2) 표면 개질: 실리콘 웨이퍼 템플릿을 소수성 실란에 15분 담근 후 IPA로 세척하고 질소 가스로 건조하여 Si 그레이팅 템플릿 표면 특성을 친수성에서 소수성으로 변경. (3) 희생층: 폴리비닐알코올(PVA) 용액(농도 10%)을 4인치 Si 웨이퍼에 스핀 코팅하고 75°C에서 30분 건조. (4) 그레이팅 도파관 템플릿: 두 개의 855 nm Si 그레이팅을 PVA 희생층 위에 배치. 두 템플릿의 방향이 동일하고 그레이팅이 위를 향하도록 하며, 템플릿 간 상대 거리 유지. (5) 미경화 PDMS 코팅: 미경화 PDMS와 경화제를 10:1 비율로 혼합 후 균일하게 교반. 진공 박스에서 10분 탈기. 그레이팅 도파관 템플릿 위에 스핀 코팅. (6) PDMS 기반 도파관 박리: PVA 위에 고화된 광학 도파관을 물에 10시간 담가 PVA 용해. 유연 신축성 광학 도파관을 꺼내 실리콘 그레이팅 템플릿에서 박리(그림 4). 본 논문에서 설계된 유연 신축성 광학 도파관 구조의 크기는 조절 가능합니다. 후속 응용에서 연구자는 포장 요구사항에 따라 도파관 구조 크기를 적응적으로 설계 및 제작할 수 있습니다. 크기 조절은 주로 두 가지 측면에서 가능합니다: (1) Si 템플릿 크기 축소, (2) 그레이팅 전송층 거리 축소.

나노그레이팅 구조는 대면적 복제 몰딩으로 제작됩니다. 선택된 실리콘 그레이팅 템플릿은 주기 850 nm, 듀티 사이클 0.5, 그레이팅 높이 200 nm입니다(그림 5a). 나노그레이팅 형상의 품질은 입/출력 광의 커플링 효율을 결정합니다. 복제 몰딩 기반 나노그레이팅의 AFM 이미지는 그림 5b와 같습니다. 그림에서 나노그레이팅 구조가 실리콘 그레이팅 템플릿에서 PDMS 기판으로 우수한 일관성으로 전사됨을 확인할 수 있습니다. 따라서 선택된 나노 복제 몰딩 방법이 유연 신축성 광학 도파관 제작 요구사항을 충족함을 알 수 있습니다.

결과 및 논의

센싱 플랫폼

유연 신축성 도파관을 이용한 촉각 센싱용 응력 및 변형률 측정을 위해 유연 촉각 센싱 플랫폼을 구축했습니다. 전체 실험 플랫폼은 그림 6a와 같으며 주로 다음 과정으로 구성됩니다: (1) 입사 광원: 파장 632.8 nm의 레이저 포인트 사용. (2) 광원 위치 및 자세 조정 장치: 입사 광원 위치를 고정하고 입사각을 실시간 조정하는 기계 장치. (3) 인장 측정 장치: 버니어 캘리퍼스와 비표준 고정 부품으로 구성되어 유연 신축성 광학 도파관의 초기 길이와 실험 중 신장 길이 변화를 정확하게 측정. (4) 광검출기: 광검출기 PM100D(Thorlabs, Inc.)는 500 nW~500 mW의 광 강도 검출 범위를 가지며, 유연 신축성 PDMS 기반 광학 도파관의 출력 광 강도 변화를 검출하고 이를 통해 관련 압력과 변형률을 계산. 이 촉각 센싱 실험 플랫폼은 저비용, 호환성이 뛰어나며 촉각 센싱용 압력과 변형률 검출에 활용 가능합니다. 변형률 정밀도는 0.1%(버니어 캘리퍼스 정밀도 0.02 mm)에 도달하며, 광검출기로 출력 광 강도 변화를 검출하고 포토다이오드 프로브 해상도는 10 pW입니다. 나노 복제 몰딩으로 제작된 유연 신축성 광학 도파관은 그림 6과 같습니다. 다채로운 사각 영역은 도파관의 입/출력부이며, 중앙의 투명 영역은 광 전송 영역입니다. 다채로운 효과는 그레이팅 표면에서의 빛 회절에 의해 생성됩니다. 유연 신축성 광학 도파관은 그림 6b와 같으며, 컬러 영역은 입/출력 포트, 중앙 투명 영역은 전송 영역입니다. 그레이팅 커플링 입/출력 포트의 컬러 이미지는 그레이팅 표면에서의 빛 회절로 인한 것입니다.

촉각 센싱 실험

촉각 센싱에서 압력과 변형률은 로봇 촉각 센서가 외부 환경과 상호작용할 때 관여하는 두 가지 물리량입니다. 압력과 변형률을 실시간 정확히 인지하면 로봇이 외부 물체와의 상호작용에서 기계적 변형 정도를 정밀하게 포착하여 최적의 피드백 동작을 수행할 수 있습니다.

유연 신축성 광학 도파관 테스트 방법은 다음과 같습니다: (1) 안정한 광빔을 고정각으로 커플링 그레이팅을 통해 도파관 전송층에 입사시킵니다. 도파관 소자의 타단에서 광검출기로 출력 그레이팅 커플러의 출력 광을 수집합니다. (2) 외부 힘이 가해지면 도파관 구조가 변화하여 출력 광 강도가 감쇠합니다. 광 강도 감쇠 분석을 통해 외부 힘을 정확히 측정합니다. (3) 외부 변형률이 가해지면 출력 광 강도 변화에 따라 변형률을 정확히 측정합니다. 유연 신축성 광학 도파관의 압력 테스트를 수행했습니다. 실험에서 도파관은 두 버니어 캘리퍼스 슬라이딩 헤드로 고정하고, 632.8 nm 레이저 광원을 최적 각도로 입력 그레이팅 포트에 커플링했습니다. 최적 각도 위치는 출력단 그레이팅에서 파워 미터가 수신하는 최대 파워와 관련됩니다. 도파관 중앙 영역에 압력계를 이용해 점차 압력을 가하고, 해당 압력값과 광 강도 데이터를 기록했습니다.

실험 결과는 그림 7a에 나와 있습니다. 그림에서 도파관의 출력 광 강도는 가해진 압력이 증가함에 따라 감소하며, 압력 변화와 출력 커플링 광 강도 사이에 선형 상관관계가 있음을 알 수 있습니다. 유연 신축성 광학 도파관의 압력 센싱 범위는 0~25×10^–3 N입니다.

유연 신축성 광학 도파관의 변형률 센싱 실험은 눈금이 있는 신장 메커니즘으로 수행했습니다. 먼저 도파관을 예비 신장하여 중력으로 인한 휨을 방지하고 수평 상태에서 초기 길이 L₀를 버니어 캘리퍼스로 기록합니다. 그런 다음 양단 버니어 캘리퍼스 클램핑 메커니즘으로 도파관을 신장하고 신장 후 길이 L을 기록하여 변형률 S를 계산합니다:

$${\text{S}} = \frac{{L - L_{0} }}{{L_{0} }}$$ (4)

유연 신축성 광학 도파관 기반 변형률 센싱 실험 결과는 그림에 나와 있습니다. 그림에서 가해진 변형률이 증가함에 따라 도파관의 출력 광 강도가 점차 감소하며, 광 파워는 변형률 증가에 따라 감소하고 둘 사이에 선형 상관관계가 있습니다. 한편 유연 신축성 광학 도파관의 변형률 센싱 범위는 0~12.5%이며, 변형률 정밀도는 0.1%입니다(그림 7b).

센싱 시스템은 유연 신축성 광학 도파관과 광검출기(PM100D 디지털 파워 미터) 두 부분으로 나뉩니다. PDMS 기반 광학 센서에서 빛 전송 지연은 매우 낮아 무시할 수 있으므로, 응답 및 회복 속도는 주로 광검출기에 의존합니다. 검출 시스템의 파워 미터 응답률은 25 Hz이므로, 유연 신축성 광학 도파관 센서의 응답 시간은 40 ms입니다. 유연 신축성 광학 센서의 주기 안정성은 가해진 변형률과 압력의 로딩/언로딩으로 조사했습니다. 일정 하중 조건에서 반복 실험을 통해 신장 횟수를 측정했습니다. 결과적으로 3000회 이상 안정적으로 신장 가능함을 확인했습니다. 또한 PDMS 소재에 PAAm(폴리아크릴아미드)을 혼합하면 30,000회 이상의 하중 사이클에서도 생존 가능합니다[26].

현재 유연 신축성 광학 소자 제작에는 몇 가지 과제가 있습니다. 주된 이유는 신축성에 적합한 투명 유연 광학 소재가 매우 제한적이기 때문입니다. 또 다른 이유는 유연 광학 소재 기반의 미세/나노 구조를 신속 시제작 및 제작할 수 있는 새로운 제조 기술 개발이 필요하기 때문입니다. 유연 신축성 광학 도파관은 독창적 설계로, PDMS를 도파관 코어층으로 사용할 때 도파관 손실이 증가합니다. 최근 몇 가지 유연 광학 소재가 제안되었습니다[21, 27-30]. Wan 등은 셀룰로오스 나노결정과 수성 폴리우레탄 라텍스로 유연 포토닉 페이퍼를 제작했습니다[31]. 향후 이러한 유연 광학 소재로 광학 도파관 구조를 개선할 수 있을 것입니다.

결론

요약하자면, 유연 신축성 도파관은 촉각 센싱, 헬스케어, 유연 전자공학 분야 응용에 적합합니다. 유연 신축성 광학 도파관은 실리콘 그레이팅 템플릿을 이용해 유연 광학 소재 위에 제작되며, 나노그레이팅 구조는 나노 복제 몰딩으로 유연 광학 소재에 전사됩니다. 제작된 유연 신축성 광학 도파관은 신속 시제작, 저비용, 쉬운 제작이라는 장점을 가집니다. 유연 신축성 광학 도파관 제작 기술을 연구하고, 희생층 제조 공정, 실리콘 그레이팅 템플릿 제조, 소수성 처리, 유연 소재 제조 기술의 조합으로 최적의 제작 기술을 개발했습니다. 유연 신축성 광학 도파관은 0~12.5%의 변형률 검출 범위와 0~23×10^–3 N의 외부 힘 검출 범위를 보였습니다. 유연 신축성 광학 도파관 기반 센싱 소자는 기존 경질 광학 도파관과 비교해 유연성, 신축성, 곡면 적응성이라는 특성을 가집니다. 본 소자에 사용된 유연 광학 소재인 PDMS는 유연 신축성 광학 도파관의 인장 특성을 50% 이상 향상시킬 수 있습니다. 이 소자는 유연 신축성 광학 도파관의 신축성과 유연성을 충분히 발휘하여 외부 물리량(압력, 변형률 등) 변화에 의한 도파관 출력 광 파워 강도 변화를 정확히 측정할 수 있습니다.

데이터 및 자료 가용성

모든 데이터는 제한 없이 완전히 이용 가능합니다.

약어

IPA:

이소프로필 알코올

DI water:

탈이온수

FDTD:

유한차분 시간영역

PDMS:

폴리디메틸실록세인