정밀 IoT(Internet of Things) 부품을 위한 그래핀 박막 마이크로-액추에이터 구현

2.1 Graphene을 사용한 진동 제어 시스템

기존의 미세 진동 제어를 위한 액추에이터 부품은 보이스 코일이나 압전 소자를 이용한 전자석 구동이 대부분이었다. 때문에, 진동자와 고정자의 상호작용에 의한 수직 진동 생성을 위한 공간이 필요하게 되었으며, 내부의 소자들의 부피로 인해 고정적인 형태에서 벗어나기 어렵다[2]. 외부의 환경 영향과 설치 공간의 한정을 고려하면, 얇고 유연성이 있으면서도 고온/고습, 고진동을 견뎌낼 수 있는 것이 중요하다.

그래핀 소자는 환경적인 내구성이 높은 소자이면서, 가볍고 유연하여 두께가 매우 얇다. 특히 RGO를 사용한 그래핀 박막 패널은 제작이 편리하여 생산성도 높다. 본 연구에서는 그래핀 소자가 가진 특성을 사용한 Thermal acoustic을 이용한 미세 진동자를 구현한다. Thermal acoustic은 그래핀 소재가 가진 빠른 열교환 특성을 사용하여 패널 앞쪽의 공기의 수축/팽창을 통해 소밀파를 구성하여 공기의 진동을 발생시키는 것이다[3].

RGO를 사용한 최근 연구 경향은 주로 물리적인 상태 변화에서 발생하는 저항 변동을 응용하고 있다. 디스플레이 표면에서 온도나 습도를 정밀하게 검출하여, 표면의 손상이 없는 투명 박막 형태의 센서로 이용한다[4]. 그래핀이 가지고 있는 열반응성에 대하여 입력 센서의 형태로 응용되고 있으며, 열 교환을 이용한 신호 발생으로의 연구는 미진한 편이다.

그리고 RGO와 Thermal acoustic을 동시에 적용한 최근 연구의 경우, RGO의 물성과 열교환 신호 발생의 효율 탐색은 진전되었으나 소밀파로 형성되는 진동을 사용한 2차 응용에 관한 연구는 부족하였다[5]. 작은 박막형 모듈로 생성할 수 있는 미세 진동자로서의 기능성만을 확인한 정도이다. 따라서 본 연구에서는 이 가능성에 대한 실질적인 구동이 가능하도록 구현화 하였다.

그림 1은 본 연구에서 구현한 Thermal acoustic을 이용한 RGO 미세진동 패널의 적층 구조이다. 밀폐된 RGO 소자 위의 공기층이 소밀파를 형성하여 상단의 PI 필름을 진동시키게 되는 구조다.

Fig. 1.

Structure of RGO panel using thermal acoustic

기존에 사용된 그래핀을 직접적인 진동자로 구현하는 방법의 경우, 고온 공진을 사용하기 때문에 배터리로 지속 구동하기 어려운 고전압이 필요하고 일반 환경에서 유지하기 어려운 환경과 생산의 고난이도가 요구된다. 하지만 본 연구에서 구현한 RGO 패널은 공기층 진동을 이용한 PI 필름의 2차 진동을 사용하기 때문에 비교적 저전압에서 미세 진동을 제어할 수 있다. 또한 균일한 RGO 패널 제작과 고주파를 사용하는 입력 신호 제어를 통해 진동 패턴을 안정화할 수 있다. 패널형태 진동의 경우 분할 진동이 발생하여 무효 진동을 발생하거나 방향성이 분산되는 형태가 많은데, 본 연구에서는 RGO의 균일한 특성 확보와 입력 신호의 주파수에 따른 진동 특성을 고려하여 최대한 선형적인 특성을 확보하였다[6].

2.2 RGO 패널의 기술적 구성

RGO 패널은 그림 2의 공정으로 제작되었다. 먼저 그림 2(a)와 같이 글라스 위에 전극을 제작하였다. 그림 1(b)와 같이 PET(Polyethylene Terephthalate) 로 가이드를 형성하고, 40 µL의 산화 그래핀 수용액을 올렸다. 24시간 건조시킨 후, 레이저를 이용하여 산화 그래핀을 환원하였다. 마지막으로 상용 켑톤 테이프(Polyimide, Kapton)를 환원된 산화 그래핀 표면 위에 100µm 두께로 사용하여 PI 인캡슐화된 환원 산화 그래핀을 제작하였다.

Fig. 2.

Fabrication process of RGO panel, (a) Glass substrate, (b) Graphene oxide coating and laser irradiation reduction, (c) Polyimide film encapsulation

우리는 실제로 PET, 폴리염화비닐(PVC), PI의 고체 필름을 테스트 해 보았다. PET와 PVC 인캡슐화 환원된 산화 그래핀 센서 모두 일부 노이즈 신호가 쉽게 관찰됐고, 측정 과정에서 캡슐화된 표면도 손상됐다. 반면 PI 필름은 100℃의 고열에도 안정적으로 유지되었으며, 388℃까지 품질을 유지할 수 있었다. 따라서 우리는 환원된 산화 그래핀의 빈 공간에 대한 솔리드 필름 후보로 PI를 선택했다.

3.1 RGO 패널의 구조 및 설계

외력에 의한 변형을 방지하기 위해 RGO 온도센서의 주 재료로 유리기판을 준비하였으며, 센서 제작 전 과정은 그림 2에 소개하였다. 산화인듐(ITO) 전극은 두 전극 사이에 형성된 5mm×10mm의 면적을 가진 유리 기판의 단자로 패턴화 되었다. 광열 레이저 조사(레이저 전력: 1000mW, 레이저 파장: 405nm)로 그래핀 옥사이드 표면의 산소기들을 제거하여 환원 그래핀 옥사이드를 형성하였다. 이후 접촉저항을 줄이기 위해 ITO 전극의 가장자리를 실버 페이스트(CAN, ELCOAT, 도전성 10-3·Ω·mm)로 처리하였다.

3.2 RGO 패널의 진동 구현 및 구동 실험

그림 3은 본 연구를 위해 구현한 RGO 패널의 진동을 측정하기 위한 실험 사진이다. 고해상도 레이저 센서와 신호 발생기, 3D 시뮬레이션 시스템을 통해 주파수별 입력 신호에 대한 RGO 패널의 미세 진동을 스캔하고 분석한다. 신호의 입출력을 기준으로 하는 실험 장비의 구성은 그림 4와 같다.

Fig. 3.

Vibration displacement measurement

Fig. 4.

Configuration diagram of test equipment

KLIPPEL R&D SYSTEM은 정밀한 진동에 대한 변위를 레이저 측정하고 3D 형태로 시뮬레이션하여 분석할 수 있는 종합 측정 장비이다. 그림 4와 같이 내장된 신호 발생기에서 RGO 패널로 5V의 주파수별 아날로그 사인파를 입력한다.

레이저 센서를 통해 RGO 패널에 발생하는 진동을 주파수별로 스캔하여 분석기로 전달한다. 전달된 주파수별 진동 데이터는 3D 패턴으로 변환되어 측정된 진동 특성을 표현한다. 이 3D 시뮬레이션은 예상치가 아닌 측정한 결과를 재현하여 나타내는 것으로 RGO 패널의 진동 현상을 시각화해 준다. 때문에, 이 시각화 데이터를 살펴봄으로써 이 연구를 통해 구현한 마이크로 액추에이터의 특성을 파악할 수 있다.

4.1 진동 특성 결과

그림 5는 임의로 선정한 주파수인 6kHz의 Sine wave 입력신호에서 RGO 패널의 진동 변위를 3D 영상 패턴으로 분석한 결과이다. 정밀한 레이저 센서가 미세 진동하는 박막의 변위 이동을 읽어서 운동영역을 시각화해 준다.

Fig. 5.

6kHz upward vibration analysis of RGO panel

그림 5는 그래핀 소자의 Thermal acoustic 구동을 통해 패널의 박막이 상향으로 진동하는 것을 확인할 수 있는데, 선형적인 강체 진동이 아닌 물결이 퍼지는 듯한 원형 분할진동을 확인할 수 있다.

그림 6은 그림 5와 동일한 조건에서 하향으로 진동했을 때의 운동 형상이다. 반대 방향에서의 원형의 분할 진동 패턴을 확인할 수 있다. 다른 방향으로 진동하는 분할진동 패턴이 많이 나타나면, 진동 방향의 제어나 전체 진동 변위를 유지하기 어려워진다. 또한 입력 신호의 에너지를 다른 방향의 진동으로 상쇄시키는 무효 진동의 양도 늘어나게 된다[6].

Fig. 6.

6kHz downward vibration aAnalysis of RGO panel

그림 7은 분할진동이 일어나고 있는 진동 박막의 단면도이다. 검은색의 얇은 실선이 진동의 중립 지점이고 붉은색의 두꺼운 선이 분할진동을 포함한 진동이 적용된 형태이다. 상하 직선 운동을 목표로 하고 있지만, 진동의 방향성이 집중되지 않고 전달 표면적도 불규칙한 것을 확인할 수 있다.

Fig. 7.

Motion cross section of 6kHz vibrating film

따라서 본 연구에서 구현한 RGO 패널에서 5V 신호 입력을 통한 미세 진동의 변위는 확인되었으나, 진동의 패턴이나 방향성에 있어서 최적화될 필요성을 확인할 수 있다.

4.2 최적 지점의 산출 및 분석

안정적인 마이크로 액추에이터 구현을 위해 RGO 패널에서 최적의 진동 특성이 발생하는 설정값을 산출할 필요성이 있다. 그림 8은 1kHz ~ 10kHz 까지의 입력 주파수에 따른 진동 변위의 운동량을 나타내는 그래프이다. Y축은 입력 신호에 대한 최대 변위량을 0으로 하여 0.5 단위의 dB 스케일로 표시한 것이고 X축은 입력 신호의 주파수 값이다. Total acceleration은 전체 진동 변위의 운동량을 나타낸 것이고 Effective acceleration는 전체 진동 변위의 운동량 중에서 유효한 운동 성분을 나타낸다. Quadrature acceleration은 전체 변위에서의 무효한 운동 성분을 나타내는 것으로, 이 값이 클수록 진동의 효율성이 떨어지고 부정적인 분할진동 패턴이 나타날 수 있다[8][9].

Fig. 8.

Analysis of reactive and effective vibrations from total vibrations

그림 8의 그래프를 분석해보면, Effective acceleration이 Total acceleration에 근접한 지점에서 무효 진동량이 줄어들며, 분할진동의 영향이 줄어들어 선형적인 진동 특성을 나타낼 것으로 예상할 수 있다. 따라서 변위가 크고 가장 무효진동량이 낮은 8.5kHz 지점을 선택하고 진동 특성을 산출한다.

그림 9는 선정한 8.5kHz의 입력 신호 조건에서의 상향 진동을 분석한 영상 패턴이다. 원형으로 퍼지는 분할진동의 영향이 크게 줄어들고 진동 박막 전체가 상승하는 형태가 분명하게 드러난다. 같은 조건에서 입력 신호의 최적 주파수를 입력해 주는 것으로 RGO 패널의 진동 패턴이 안정화된 것을 확인할 수 있다.

Fig. 9.

8.5kHz upward vibration analysis of RGO panel

그림 10은 8.5kHz 입력에서의 하향 진동 분석 결과이다. 그림 10의 상향 진동과 같이 하향 진동 역시 원형이 분할진동 영향이 크게 줄어들고 진동 방향에 대한 균일성이 증가한다. 구동되는 진동 면적 전체적으로 미세 진동자 기능을 구현할 수 있게 된다.

Fig. 10.

8.5kHz downward vibration analysis of RGO panel

그림 11은 동일 조건에서의 진동 박막의 운동 단면이다. 검은색 실선으로 표시되는 중립 지점에서 확실하게 전체 진동면이 분리되어 움직이는 것을 확인할 수 있다. 진동 최적화 지점을 고려하지 않은 그림 7과는 확연하게 다른 진동 특성을 보여준다. 박막 중립지점의 표면적이 매끄럽지 못한 것은, 실험에 사용된 RGO 패널은 자동화되지 않은 소형 장비를 통한 제작이기에 박막의 인장력을 정밀하게 맞추지 못한 것으로 파악된다. 산업용 박막 증착 장비를 사용할 경우 전체 진동 면적이 강체에 가까운 진동 단면을 보여줄 것으로 예상한다[10].

Fig. 11.

Motion cross section of 6kHz vibrating film

지금까지의 대부분의 그래핀 소자를 사용한 Thermal acoustic 응용연구는 물성의 자체 특성과 1차적인 신호 생성에 대한 부분으로 주로 이루어졌다. 결과의 검증과 실험 부분도 실제로 부품화 가능한 형태로 구현되는 것이 아니라 실험적인 환경에서 이루어지는 신호 분석에 가까웠다. 때문에, 그래핀 소자에 대한 열음향 연구도 광학과 열에 대한 신호적인 분류와 계산 알고리즘 위주로 진행되는 것이 대부분이다[11]. 본 연구에서는 RGO의 제작 편의성을 이용하여 생산 가능한 형태의 그래핀 미세진동자 모듈을 구현하였다. 그리고 고정밀 레이저를 통한 변위 측정을 통해서 진동의 특성과 안정화 된 주파수를 산출하였다. 전체 압력의 크기나 최적 진동 영역을 알수 없었던 기존의 연구들과 달리, Thermal acoustic으로 인가하는 미세 진동의 특성을 산출하고 제어하는 기준점을 제시할 수 있었다.