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[유기재료의 특징을 살린 분자제어와 일렉트로닉스의 응용(Ⅱ) ③]
초전형 유기 인체감지센서
투명형 웨어러블 센서 응용
본고에서는 유기재료의 물리적·전기적 성질이 유리하게 작용하는 초전형 유기 적외선 센서의 기본적인 특성과 유기 강유전체의 투명성을 활용한 투명인체감지센서에 대해 소개한다.
정리 편집부
인체감지센서에서의 유기재료 가능성
초전형 적외선 센서
인체감지 센싱에는 비디오카메라, 초음파, 적외선 등을 이용한 기법이 존재하는데 개인정보 보호 및 검출거리, 암소(暗所) 이용 등의 관점에서 대상물의 온도를 원방(遠方)에서 비파괴·비접촉으로 측정할 수 있는 ‘적외선 검지형 인체감지센서’가 세간의 관심을 모으고 있다. 적외선 센서는 크게 양자형과 열형으로 나뉜다.
양자형 적외선 센서는 광기전력 효과 및 광도전 효과 등을 동작원리로 하고, 고감도·고속응답이나 파장대역의 제한이 있어 소자 냉각이 필요한 경우가 많다. 열형 적외선 센서에도 몇 가지 방식이 존재하는데 그 중에서도 초전형 적외선 센서는 비냉각 단순 구조임에도 불구하고 비교적 높은 응답감도를 나타내므로 광범위한 분야에서 응용되고 있다.
초전형 적외선 센서의 구성부재로는 지르콘산 티탄산납(PZT)으로 대표되는 무기 강유전체가 시장의 약 절반을 차지하고 있는데 PZT는 유독한 납을 포함하고 있어 인체 및 환경에 대한 장기적인 영향이 문제시되고 있다. 향후 사회 인프라와 생활공간, 더 나아가서는 옷이나 신체에 방대한 수의 센서군이 설치되는 것을 고려하면 센서 부재에 환경부하가 적은 탈납(脫鉛) 부재로의 전환이 절실히 요망됨에 따라 현재 유기/무기를 불문하고 비납계 강유전체, 압전체, 초전체 재료의 개발연구가 활발하게 진행되고 있다. 여기서 초전형 적외선 센서의 성능지표의 하나로서 초전능률 F.M.=|p|/(Cv·ε)에 대해 생각해본다. F.M.은 초전계수 p를 비유전율 ε와 체적비열 Cv로 나눈 값이며, 단위열 유입량에 대한 발생 전압량의 지표이다. 유기 강유전성 분자의 초전계수는 PZT에 비해 작고 유전율도 작기 때문에 종합하면 초전능률 F.M.은 PZT 센서류와 동등 또는 상회하는 이론치([표 1] 참조)가 산출된다. 또 적은 열량으로도 온도가 상승할 수 있도록 소자 재료는 낮은 열용량성의 것이 바람직하며, 입사된 열의 외부유실 및 인접소자 간의 신호간섭(이미지 흐림) 억제에는 열전도성이 낮은 기판재가 유리하다.
초전현상과 인체감지 센싱
물체는 그 온도에 따른 전자파를 방사하는데, 평균체온 36℃ 정도의 사람에게서는 5~15μm대의 폭넓은 적외선이 방사되고 있다. 적외선 센서는 인체에서 방사된 이 미약한 적외선을 계측함으로써 인체감지를 가능케 하고 있다. 인간의 눈이 대략 360~750㎚대의 전자파를 감지한다는 것을 감안하면 인간은 적외선을 시각적으로 인지하지 못한다. 반대로 말하면 인간의 시각을 자극하지 않고, 대상물의 온도와 위치, 이동정보를 측정할 수 있음을 의미한다. 초전형 센서에서는 초전체에 열이 유입했을 때의 자발분극의 요동, 체적변화에 따른 분극밀도의 변화 등을 외부회로를 통해 검출한다. 전형적으로는 (1) 디바이스에 대한 적외선 입사, (2) 초전재료 또는 변환재에서의 적외선→열변환, (3) 초전재료의 온도변화, (4) 온도변화에 의한 초전전하의 발생이라는 단계를 통해 초전현상이 발생한다. 후술하는 바와 같이 초전전하량은 온도변화량(dT/dt)에 의존하므로 열용량이 작고 열저항이 크다. 즉, 특성상 미약한 에너지에서도 쉽게 온도가 상승하고 주위에 열을 뺏기지 않는 재료군이 유리하다.
유기 강유전체와 유전 히스테리시스
강유전성 유기분자로는 티오요소(-尿素, thiourea, 티오우레아) 및 최근 개발된 페나진 클로르아닐산, 크로콘산 등이 존재하며, 폴리불화비닐리덴(PVDF) 및 3불화 에틸렌과의 랜덤 공중합체인 P(VDF/TrFE)가 대표적이다. PVDF는 탄소 주쇄(主鎖)에 수소와 불소가 교대로 결합한 VDF 유닛(CH₂CF₂)을 반복 단위로 가지는 고분자이며, 수소와 불소 간의 전기음성도 차이(差)에 의해 분자쇄 수직방향으로 영구 전기쌍극자 모멘트를 갖는다.
초전 센서와 같은 열형 센서의 경우, 유기재료의 ▲저(低)유전율성 ▲저(低)열용량성 ▲저(低)열전도성의 재료 물성치가 센서 출력을 향상시키는 데 유리하게 작용한다. 본 연구에서는 고분자 유래의 낮은 결정성, 성막 시의 막두께 제어성과 패터닝 특성을 고려하여 PVDF의 저분자량체인 VDF 올리고머(CF₃-(CH₂CF₂)-I;n=10~30)를 이용했다. VDF계 재료의 기본적인 분자구조를 [그림 1]에 나타냈다. 기판으로 폴리이미드 필름을 사용하여 진공증착법에 의해 VDF 올리고머를 형성한 후 상부 전극을 진공증착하여 강유전 커패시터를 형성했다. 측정한 유전(D-E) 히스테리시스 특성을 [그림 2]에 나타냈다. 구형(矩形)의 D-E 히스테리시스가 관측되었으며, 잔류분극량(Pr)은 100~130mC/m², 항전계(Ec)는 약 100-120MV/m을 나타냈다. VDF 올리고머의 Pr값은 VDF계 폴리머막에서 보고된 전형적인 값(60mC/m²)의 약 2배로, 유기재료 중에서도 최고 수준에 있다. 플렉서블 디바이스로서의 동작해석을 위해 수평 상태(평탄)에서 굽어져 가는(만곡) 순간에 생긴 유도전하를 측정한 결과, 약 100μC/m²의 전하 발생이 관측되었다. 분극 방향의 반전에 따라 극성이 변화하기 때문에 압전효과를 확인할 수 있고, 또 굽힘 정도를 검지하는 만곡 센서로의 기능도 동시에 발현 가능하다.
  초전특성 초전전류 Ip는 초전계수 p, 수광면적(受光面積) S, 온도 T, 시간 t, 열 임피던스 Zt, 입사 적외광 에너지 Pin을 이용하여 이하의 식으로 나타난다.
위의 식으로부터 센서 성능의 향상에 초전계수(p)가 큰 것이 유리하여 그동안 초전계수가 큰 무기 강유전체(PZT 등)가 사용되어 왔다. 한편, 디바이스 구조로 개선 가능한 것이 면적 S와 열적 임피던스 Zt이다. 유기 초전체는 초전계수가 작지만 열 임피던스가 크다. 또 박막에 비해 큰 두께를 갖는 기판재가 열욕(熱浴, hot bath) 역할을 하면서 소자의 열 임피던스를 지배하는 큰 요인이 된다. 초전성 유기분자는 저온 성막 프로세스가 가능하기 때문에 열 임피던스가 큰 플라스틱 기판상에 직접 성막할 수 있으며 센서 형상의 유연성뿐만 아니라 센서 특성상에서도 그 이점이 크다. 사실, Si 웨이퍼(525μm 두께) 기판에서는 초전응답의 관측이 어려웠던 박막이라도 플라스틱 기판으로 변경함으로써 측정할 수 있는 것이 많다.
유기 강유전체 박막의 적외선 센서 특성 초전형 적외선 센서의 전형적인 측정장치 구성을 [그림 3]에 나타냈다. 적외광 광원에는 흑체복사로(黑體輻射爐)를 사용했다. 흑체복사로에서 방사된 적외광은 기계적 초퍼를 이용해 간헐적으로 시료에 조사(照射)한다. 변조주파수 f는 인간의 움직임과의 대응을 고려해 0.2~200Hz로 했다. 적외광 조사 시에 시료에서 흐르는 전류는 I-V 변환기에 의해 전압을 변환한 후 오실로스코프 및 로크인 앰프에 입력하여 데이터를 해석한다.
초전결정(焦電結晶)에서 얻어지는 출력신호는 온도변화(dT/dt)에 의존하므로 시료온도가 변화하는 동안 출력전압이 발생하고, 온도가 일정해지면 출력이 0이 된다. 이 미분형 응답성으로부터 초전형 센서는 정온측정(定溫測定) 및 정태관측(靜態觀測)에는 입사 적외광의 초핑이 필요한 반면, 열변화 및 열원이동에 민감하여 인체의 모션센싱에 유리한 특성을 나타낸다.
필름기판(100μm 두께)상에 제작한 유기 적외선 센서 소자의 분극처리 전후의 초전전류 특성을 [그림 4]에 나타냈다. 잔류분극량 Pr이 100mC/m² 이상이 될 때까지 분극처리한 샘플에서는 적외선 조사 ON/OFF 시에 명확한 초전전류가 관측되어 적외선 센서로서 동작하고 있음을 확인할 수 있으며, 분극처리 전후의 샘플 간 초전전류치가 2자릿수 이상 차이 나는 값을 보이고 있다. 또 분극 방향을 반전한 경우, 역극성의 전류특성이 관측되므로 이 특성이 유기 강유전체 박막의 자발분극에 기여하는 초전응답임을 알 수 있다. [그림 5]에 초전신호의 주파수 특성에 관해 기판 필름의 두께 의존성을 나타냈다. 기판 필름의 두께가 얇아짐에 따라 초전전류가 커지는데 예를 들어 3.5μm 두께의 필름기판상에 제작한 센서 소자는 100μm 두께의 필름기판상의 것과 비교해 한 자릿수 이상의 초전전류치가 증가한다. 이것은 기판의 박막화에 의한 열용량 저감과 열절연의 향상에 따른 것이다. 궁극적으로는 기판 없이 초전재의 자립막으로 하여 기판재에 불필요한 열확산을 억제함으로써 고감도화가 가능해질 것으로 전망된다. 실제로 강유전성 폴리머 P(VDF/TrFE)에서 막두께 500~3500nm의 자립막 구조를 제작하여 그 기본 물성 평가를 실시한 결과, 기판 장착 센서에 비해 초전전류에서 약 20배의 값을 나타내는 등 명확한 성능향상이 확인되었다. 인체감지용으로는 사람의 움직임·속도를 고려해 0.1~10Hz 부근의 주파수대에서 감도가 저하되지 않도록 회로를 고안했다. 전압감도의 측정에 있어서도 플라스틱 기판의 박형화가 효과적이며, 2μm 이하의 필름기판상에 제작한 유기 센서에서 시판 센서와 동등한 전압감도인 1000V/W, 비검출능(比檢出能) D*=1×108cm/√Hz/W 정도가 관찰되었다.
 
만곡형 인체감지센서 어레이 시험제작
LT 및 TGS가 단결정으로 포인트 센서용이라는 점에 대해 유기 초전체는 비교적 용이하게 ▲대면적화 ▲패터닝화 ▲어레이화가 가능하다는 점이 장점으로 꼽히고 있다. [그림 6]에 1장의 필름기판상에 복수의 유기 적외선 센서를 어레이상으로 형성하고 만곡시킴으로써 360도의 검출 시야각을 확보한 만곡형 인체감지센서 어레이 시스템을 나타냈다. 소자 피치 및 탑재수는 임의로 설정할 수 있다. 각 소자 간의 신호 상관관계를 분석하여 사람의 움직임, 방향성, 속도 등을 판정할 수 있게 된다. 이 기술을 응용함으로써 특정공간의 출입(입퇴출) 상황을 감지하는 인원수 카운트 시스템 및 트래킹 시스템을 구축할 수 있게 된다.
투명인체감지센서의 개발
유기 강유전체의 소재 특성 중 하나로 ‘투명성’이 있다. 투명한 기판, 기능층(機能層), 전극으로 구성된 눈에 보이지 않는 투명인체감지센서는 가시광 영역(약 380~780nm)의 시각정보를 손상시키지 않고 기능을 제공한다. 인체에서 방출되는 적외선은 파장 5~15μm의 중적외선이며, 가시광선과의 중복이 없기 때문에 「가시광선은 투과하고 적외선은 검출한다」는 특징을 활용하면 투명인체감지센서를 개발할 수 있다. 투명전극으로는 ITO, 유기 도전성 고분자 등을 이용할 수 있다. 여기서는 PET 필름 기판상에 상부/하부전극으로 PEDOT: PSS를, 유기 초전체로 P(VDF/TrFE)를 마이크로 콘택트 프린팅법(μCP)에 의해 패터닝 적층 성막함으로써 투명 유기 인체감지센서를 개발했다. 그 가시광 영역에서의 투과율을 측정한 결과, 시험제작한 투명 유기 초전 디바이스의 투과율은 약 60~70%로, 투명함을 육안으로 확인할 수 있었다([그림 7] 참조). 이어 시험제작한 투명 유기 초전소자에서 입사 적외선에 대한 명확한 초전전압 출력이 관측되었고, 최대 전압감도 400V/W 이상의 동작에 성공하면서 투명 적외선 센서에 대한 새로운 가능성을 확인했다.
<Energy News>
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