인공지능의 발전으로 환경을 인지하고 인간-기계와 원활하게 연결된 점점 더 유연한 센서를 구현할 수 있게 되었습니다. 수많은 유연한 센서 중에서 가장 널리 연구되는 것은 전자 스킨입니다. 전자 피부는 압력 센서, 온도 센서, 습도 센서, 변형 센서 등 다양한 센서 배열로, 생물학적 피부 감지 환경을 모방합니다. 구조가 단순하며 외피나 장비 표면에 부착할 수 있습니다.



생물학적 피부에는 다양한 형태, 질감, 온도 변화와 압력을 감지하고 이러한 복잡한 신호를 전기 신호로 변환할 수 있는 여러 종류의 조직과 신경이 있습니다. 이 전기 신호들이 중추신경계에서 처리된 후, 생물들은 환경 자극과 상호작용할 수 있습니다. 생물학적 피부의 작동 원리에 기반하여, 외부 자극을 전기 신호로 변환하는 다양한 전도 방법을 사용하는 것이 전자 피부 연구의 기본 이론적 기초입니다.

전자 스킨은 일반적으로 전극, 유전체 재료, 활성 물질, 유연한 기판으로 구성됩니다. 능동 기능 계층은 환경 자극을 감지 가능한 점 신호로 변환합니다. 유전체 재료는 보통 능동 기능층 양쪽에 전기 신호를 수신하고 송신하는 전극층으로 사용되며, 유연한 기판은 전자 피부를 전달하는 역할을 하면서 생물학적 피부를 보장합니다. 또는 다른 재료와의 호환성도 마찬가지입니다.



전자 피부의 원리는 복잡하지 않지만, 외부 부품으로서 전자 피부는 쉽게 손상되고 자주 변형 특성을 겪어 재료 선택에 큰 어려움을 겪고 있습니다. 유연한 기판과 활성 재료는 전자 피부의 개발과 선택에 매우 중요합니다.
 
유연한 기판
기존 센서는 보통 무기 실리콘을 기반으로 합니다. 유연한 센서에 사용되는 유연한 기판은 미적이고 복잡한 기계적 변형을 달성하기 위해 투명하고 부드러워야 하며, 무기 실리콘 기판의 절연 기능도 필요합니다. 기존의 유연한 기판에는 폴리디메틸실록산(PDMS), 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET), 폴리이미드(PI), 폴리에틸렌(PE), 폴리우레탄(PU)이 포함됩니다. 전자 피부는 PDMS와 PI를 기질로 채택합니다. 이는 PDMS가 우수한 유연성과 유연성을 가지고 있고, PDMS가 전자 재료와의 접합이 잘 되기 때문입니다. PDMS는 구조적 요구사항을 충족하기 위해 특정 기하학적 형태로 준비할 수 있습니다. PI는 단열성과 화학적 안정성에 뛰어날 뿐만 아니라 강한 굽힘 특성을 가지고 있으며, 큰 응력 조건에서도 물리적 손상이 없어 전자 스킨에 널리 사용됩니다.




능동 기능 계층
활성 기능층은 전자 피부에서 가장 중요한 구성 요소입니다. 이 장치는 온도, 습도, 압력과 같은 환경 자극을 전기 신호를 통해 정량적으로 표현하며, 전자 피부가 환경을 인지할 수 있는 능력을 부여합니다. 일부 고정밀 유연한 센서는 인간 피부보다 더 민감하며, 미세한 공기 변동과 호흡에 의한 심장 박동 진동을 구분할 수 있습니다.



전자 피부 기능 층 연구에서, 압력 기능층에서 가장 널리 연구되는 촉각 클래스는 압력 전자 피부 또는 촉각 전자 피부라고 불립니다. 기능층 원리에 따라 압력 전자 외피는 압저항형, 압력-정전형, 압전형, 그리고 마찰형으로 나뉩니다.


압저항형:외부 힘은 저항의 변화(가해진 압력의 제곱근에 비례)로 변환되어, 전기 시험 시스템을 통해 외부 힘의 변화를 간접적으로 감지하기 쉽습니다. 전도성 재료 간의 전도 경로 변화는 압저항성 감지 신호를 얻는 일반적인 메커니즘입니다. 이 센서들은 단순한 장치와 신호 읽기 메커니즘 덕분에 널리 사용됩니다.
압력-정전용량형: 정전용량은 평행판 사이에 전하를 유지하는 능력을 측정하는 물리량입니다. 기존 정전용량 센서는 반대 면적 s와 평행판 간격 d를 변화시켜 압력, 전단력 등 다양한 힘을 감지합니다. 압력 용량의 주요 장점은 힘에 민감하여 작은 정적 힘을 감지하기 위해 낮은 정적 에너지를 달성할 수 있다는 점입니다.

압전형:압전 재료는 기계적 압력 하에서 전하를 생성할 수 있는 특수 재료입니다. 이 압전 특성은 존재하는 전기 쌍극자 모멘트에 의해 발생합니다. 전기 쌍극자 모멘트는 방향성이 있는 비중심대칭 결정 구조나 기공에 전하가 남아 있는 다공성 일렉트렛의 변형에 의해 얻어집니다. 압전 계수는 압전 재료의 에너지 변환 효율을 측정하는 물리량입니다. 압전 계수가 높을수록 에너지 변환 효율도 높아집니다. 고민도, 빠른 반응, 고전압 전기 압전 재료는 압력을 전기 신호로 변환하는 센서에 널리 사용됩니다.

탄소 나노튜브(CNT)와 그래핀은 우수한 기계적 특성과 화학적 안정성을 가지고 있습니다. 또한 전자 전달 능력이 매우 높으며, 전자 이동도는 10,000 cm2 V-1S-1 ~20000 cm2 V-1S-1에 이릅니다. 우수한 압저항성 및 압전 특성을 지니며, 압저항성 및 압전 활성 기능층에 우수한 재료입니다. 단순 실리콘(Si), 산화아연(ZnO), 갈륨 비소(GaAs), 카드뮴 셀레나이드(CdSe)는 대면적의 유연한 전자 스킨에 사용하기 어렵지만, 이들 재료는 엘라스토머(PDMS, 스펀지)와 함께 사용할 수 있습니다. , 다공성 물질) 유기 혼합물은 효율적인 활성 물질로 만들기 위한 것입니다.



요약
재료 과학, 유연한 전자공학, 나노기술의 급속한 발전으로 전자 피부 감도, 범위, 크기, 공간 해상도의 기본 성능은 인간 피부를 넘어 빠르게 향상되었습니다. 동시에, 힘, 열, 습도, 가스, 생물학, 화학 및 기타 다중 자극 해상도의 감지 요구사항에 적응하기 위해 장치 설계는 더 컴팩트하고 통합 방식도 더 성숙해졌습니다. 생체 적합성, 생분해성, 자기 수리, 자기 에너지, 시각화 등 실용적인 기능을 갖춘 스마트 센서 장치도 등장했습니다. 또한 전자 스킨은 통합으로 발전하고 있는데, 터치 센서는 특정 용도에 맞게 전원 공급 장치, 무선 송수신기 모듈, 신호 처리, 액추에이터 등 관련 기능 부품과 효과적으로 통합되어 우수한 유연성, 공간 적응성 및 기능적 웨어러블 플랫폼을 제공합니다. 이러한 도전을 극복함으로써 새로운 기회가 열리고, 관련 재료 준비, 장치 처리 및 시스템 통합의 향후 방향을 제시할 것입니다. 전자 피부는 더 유연하고, 더 얇으며, 지능적이고, 다기능적이며, 인간감 있게 다가올 것입니다.