광섬유 굽힘 손실의 실험적 연구 및 광섬유 촉각센서 개발

Abstract

인간은 시각, 촉각, 청각, 후각, 미각의 5가지 감각을 통해 외부 환경을 인지하게 된다. 만약 인간이 이 5가지 감각을 느낄 수 없었다면 지능 또한 있을 수 없으며 존재 자체가 무의미하게 될 것이다. 이와 같이 인간을 모방한 지능형 로봇 또한 인간이 만들어 놓은 사회체계에서 살아 남고, 인간과 소통하기 위해서는 이 5가지 감각이 필수적으로 요구된다. 그 중에서도 물건을 잡거나 사람과 악수하는 것 등의 접촉을 할 수 있는 환경이 많은 지능형 로봇의 경우에는 안정적인 작동을 위한 촉각센서가 요구되고 있다. 많은 촉각센서들 중에 크기가 작고 좋은 민감도를 장점으로 가지는 실리콘 웨이퍼 기반의MEMS 기술을 활용한 촉각센서들이 큰 부류를 이루고 있다. 이들은 압전재료(piezoelectric material), 압저항재료(piezoresistive material) 또는 용량형(capacity type), 인턱터형(inductor type) 등을 이용한 것 들이 대부분이다. 이러한 MEMS 기술을 이용한 실리콘 웨이퍼(silicon wafer)를 기본 재료로 사용하는 촉각센서들은 실리콘 웨이퍼 자체가 가지는 외력에 대한 깨지기 쉬운 성질로 인해 센서의 내구성 문제와 곡면 적용에 필요한 유연성 결핍 문제가 제기되어 왔다. 그러나 최근에는 유연성과 외력에 대한 내성이 좋은 고분자 재료를 함께 사용함으로써 이런 문제들을 많이 보완하고 있다. 그럼에도 불구하고 MEMS 기반의 촉각센서들은 전기적 특성을 띠고 있어 산업전반에 걸쳐 사용되는 전자기시스템의 전자기장에 쉽게 영향을 받을 수 있으며, 단위 센서가 그 수를 늘려 분포형 센서로 확장해 나감에 따라 늘어나는 배선에 대한 부담은 여전히 해결해야 할 문제점으로 남아있다. 압저항을 이용한 촉각센서를 예로 들면, 단위 센서 하나에 입ㆍ출력 전압을 위한 배선 2개와 저항 변화 또는 전압차를 감지하기 위한 배선 2개가 필요하므로 단위 센서 하나에 총 4개의 배선이 필요하게 된다. 따라서 200개의 단위 셀(단위 센서)을 가진 분포형 촉각센서의 경우 배선수는 모두 800개로 그 수는 기하급수적으로 늘어나게 된다. 이와 같은 문제점들을 해결하기 위해 본 연구에서는 광섬유의 굽힘 손실(bending loss)을 이용한 직물을 기반의 광섬유 촉각센서를 제안하고자 한다. 광섬유는 빛을 정보전달의 매개체로 하므로 전자기장에 영향을 받지 않으며 뛰어난 유연성과 열 화학적으로 높은 내성을 가지고 있다. FBG 광섬유 촉각센서의 경우 광섬유에 격자를 새기는 등의 제작비 및 광 측정장비가 고가이고 측정장비의 부피가 크다는 단점을 가지고 있다. 따라서 본 연구에서는 굽힘 손실에 유리한 언덕형 굴절률의 다중모드 광섬유(graded-index multimode optical fiber, GIMM (625.5/125 $\mu$m) fibre, YOFC社)를 사용하여 광섬유의 곡률반경에 따른 굽힘손실을 실험적으로 연구하였으며, 이를 바탕으로 저렴하고 간단한 구조를 가지는 직물 기반의 광섬유 촉각센서를 제작하고 그 성능을 다양한 환경에서 평가하고 Harmon의 디자인 기준 및 기존의 광섬유 촉각센서 성능들과 비교 평가하였다.