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진동체의 공진 주파수는 진동체의 질량에 반비례하고, 강성에 비례하여 증가합니다. 압전 캔틸레버 센서는 이 원리를 이용하여 미세 질량을 측정하는 센서입니다. 위의 그림은 마이크로 머시닝으로 캔틸레버를 형성하고, 그 위에 압전 물질을 증착하여 제작한 삼각형 모양의 압전 캔틸레버 센서입니다. 압전체는 자가발진 회로와 연결되어 캔틸레버를 공진 주파수로 구동 시키고, 이 때, 캔틸레버의 몸체에 외부 물질이 부착되면, 질량의 증가 현상으로 인해 공진 주파수가 낮아지게 됩니다. 이렇게 낮아진 공진 주파수를 측정하여 질량의 변화를 측정하는 것입니다.

이 센서는 캔틸레버의 끝단에 금을 증착하고, 항원-항체 반응을 일으킬 수 있는 항체를 부착하여, 특정 항원 검출을 위한 생명공학 분야의 진단기로 사용하고 있습니다. 항원-항체 반응을 통해 캔틸레버에 부착된 항원에 의한 질량 변화를 측정하는 것입니다. 이 때에는 캔틸레버를 물속에서 사용하기 때문에 추가 질량(added mass) 효과와 절연에 의한 부수적인 문제점들이 발생하는 데, 이러한 문제점을 극복하기 위한 설계 기술도 많은 부분 연구가 되어 있고, 꾸준히 개선하고 있습니다.

정전용량 변위센서는 두 도체의 상대적인 위치 변화에 따라 정전용량이 변하는 것을 측정함으로서 두 도체간의 상대적인 위치 변화를 측정하는 센서입니다. 이 때, 두 도체 중 하나를 고정시킴으로서, 이동하는 도체의 변위를 측정할 수 있게 됩니다. 이러한 정전용량 변위센서는 일반적으로 간단한 구조를 가지면서도 분해능은 나노미터 또는 그 이하의 크기로 매우 높지만, 측정할 수 있는 변위의 크기가 마이크로 미터 수준으로 작기 때문에, 보통 다수의 구동기가 존재하는 시스템에서 부품간의 간극을 측정하는 갭센서(gap sensor)로 많이 사용됩니다. 이러한 단점을 극복하기 위해 저희 연구실에서는 정전용량 센서의 높은 민감도를 유지한 채, 측정할 수 있는 변위의 크기를 센티미터 수준으로 확장시킬 수 있는 새로운 타입의 정전용량 선형 인코더를 개발하였습니다. 이 과정에서 고체 윤활제를 사용하는 접촉 구동 방식이라는 독자적인 구동 메커니즘을 개발하였고, 접촉 구동 방식의 정전용량 선형 인코더를 사용할 수 있는 접촉 유지 기구의 개발도 수행하고 있습니다.

이 센서는 저희 연구실에서 개발한 새로운 센서로서, 센서를 사용하기 위한 read-out 회로, 접촉 유지 기구를 포함하는 스테이지, 변위 측정을 위한 소프트웨어를 비롯한 변위 측정 시스템 전체를 독자적으로 개발하였습니다. 이를 통해 센서 자체의 설계와 제작 기술은 물론, 센서를 활용하기 위한 보조 기술들도 모두 자체적으로 확보하고 있습니다. 더 나아가 이 센서를 활용한 위치 제어 시스템을 개발하여 나노/마이크로 측정 및 가공 시스템으로서의 확장을 위한 연구를 진행하고 있습니다.

전기장을 측정하는 것은 시편의 전기적 특성을 분석하는 데 많이 사용됩니다. 저희 연구실에서는 이러한 전기장 측정 센서의 분해능과 측정 속도를 향상시키기 위해, FET (Field Effect Transitor)를 내장한 모델의 센서를 연구하고 있습니다. 측정 분해능 향상을 위해서는 한번에 측정하는 영역의 면적이 작아져야 하므로, 전기장에 영향을 받는 영역도 작아지게 됩니다. 때문에, 신호의 크기 역시 작아지게 되는데, 트랜지스터를 센서에 내장함으로서 이러한 작은 전하 이동에 의한 신호도 측정할 수 있게 되었습니다.

현재 센서는 미세 영역의 전기장을 측정하기 위해 주사 탐침 현미경 (SPM)에 응용하여 사용할 수 있는 탐침의 형태로 개발하고 있습니다. 탐침은 집중 이온 빔 (Focused Ion Beam)을 사용하여 매우 미세하게 형성되며, 최근에는 나노 기술을 활용하여 팁을 형성함으로서 분해능을 더욱 향상시키는 연구를 수행 중입니다.

초음파는 가청 대역 바깥에 있기 때문에, 보통의 경우는 사람이 들을 수 없는 소리에 해당합니다만, 음파의 비선형 현상을 이용하면 초음파를 적절히 조합하여 원하는 가청 대역의 2차 음파가 생성되도록 할 수 있습니다. 한편, 초음파는 가청 대역의 음파에 비해 주파수가 높으므로 음파의 직진성이 높은데, 가청 대역의 2차 음파 역시 이러한 직진성을 그대로 가지고 있습니다. 이를 활용하여 직진성이 높은 소리를 생성하는 스피커를 제작할 수 있습니다. 특히 다수의 작은 초음파 스피커 소자를 배열하여 사용하면, 소리의 방향을 조절할 수도 있습니다.

저희 연구실에서는 마이크로 머시닝을 사용하여 이러한 배열형 초음파 스피커를 설계 및 제작하는 연구는 물론, 이러한 스피커의 공기 중 방사 효율을 향상 시키기 위한 연구를 진행하고 있습니다. 또한, 초지향성 스피커의 연구는 초음파를 다루는 기술을 동시에 확보할 수 있도록 해 주므로, 연구를 통해 개발된 기술을 활용한 다양한 초음파 방사기와 센서를 연구 개발하고 있습니다.

우리 연구실은 POSTECH, 한국로봇융합연구원 416호에 위치하고 있습니다. 연구에 관심과 열정이 있으신 분들에게 저희 연구실은 언제나 열려 있습니다.
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