3D 프린팅으로 만든 렌즈 내장 연성 광센서 SOLen

초록

본 논문은 단일 재료와 원스텝 3D 프린팅으로 제작 가능한 연성 광센서에 렌즈를 통합한 새로운 설계(SOLen)를 제시한다. 변형에 따라 렌즈가 회전하면서 초점점이 이동하고, Y‑형 파형가이드를 따라 빛이 두 수신 브랜치에 재분배되어 방향과 변형량을 차동 전압 신호로 인코딩한다. 아크릴계 폴리우레탄 수지를 라우릴아크릴레이트로 개질해 투명도와 연성을 높였으며, 단일 레이어 광학 측정으로 파장 의존 굴절률과 투과율을 확보한다. 얻은 굴절률을 기반으로 카르테시안 타원을 이용해 렌즈 형상을 설계·시뮬레이션하고, DLP 프린팅으로 0.25 mm 이하 정밀도로 구현하였다. 회전 테스트에서 여러 사이클에 걸쳐 신호 전환이 재현 가능함을 확인함으로써, 복합 코팅 없이도 광 경로를 정밀 제어할 수 있는 방법론을 제시한다.

상세 분석

본 연구는 연성 로봇에 필수적인 고감도·다방향 감지를 위해 광학적 신호 제어를 렌즈 회전 메커니즘에 의존하도록 설계하였다. 기존 연성 광센서는 투명 재료 내부에서 빛이 무작위로 퍼지는 문제(외부 조명 결합, 누설, 산란)로 신호‑대‑노이즈 비가 낮았다. 이를 해결하기 위해 저자들은 Y‑형 파형가이드 앞에 프린팅된 미세 렌즈를 배치하고, 변형 시 렌즈가 회전하면서 초점점이 좌우 브랜치 사이를 이동하도록 하였다. 초점점이 한쪽 브랜치에 집중되면 해당 수신기에서 빛 강도가 증가하고, 반대쪽에서는 감소한다. 이 차동 신호는 전압 형태로 바로 읽을 수 있어 변형 방향과 크기를 동시에 파악할 수 있다.

재료 측면에서는 기존 아크릴 폴리우레탄(a‑PU)의 강성을 낮추고 투과율을 높이기 위해 25 wt% 라우릴아크릴레이트(LA)를 혼합하였다. LA는 단일 기능성 단량체로, 교차결합 밀도를 감소시켜 탄성률을 낮추고 광학적 흡수와 산란을 억제한다. DLP(디지털 라이트 프로세싱) 프린팅 조건을 최적화해 2 s 노출(약 40 mJ/cm²)에서 200 µm 이상의 경화 깊이를 확보했으며, 25 µm 레이어 두께로도 안정적인 적층이 가능함을 확인하였다.

광학 특성은 단일 레이어 샘플을 이용해 UV‑Vis 측정으로 투과율(T > 85 %)과 흡수율을 파장 450–900 nm 구간에서 최소화하였다. 반사율과 투과율 데이터를 이용한 역산 모델로 굴절률을 구했으며, 평균 n ≈ 1.50, 파장에 따라 약간의 변동을 보였다. 이 굴절률 값을 기반으로 카르테시안 타원 방정식( n₁·(z+s)² + x² + n₂·(x²+(s′−z)²) − (n₁·s + n₂·s′)=0 )을 사용해 목표 초점거리(렌즈에서 20 mm)와 발광원 거리(1 mm)를 만족하는 렌즈 프로파일을 설계하였다. 시뮬레이션은 2D 레이 옵틱스 모델을 COMSOL에서 구현했으며, ±3° 회전 시 초점점이 약 3 mm 이동해 각각의 브랜치에 빛을 집중시키는 것을 확인했다.

프린팅 결과, 설계된 세 가지 굴절률(1.44, 1.49, 1.54) 대응 렌즈를 실제로 제작했으며, 현미경 이미지와 설계 곡선이 610 µm(가로)·25 µm(세로) 수준의 해상도로 일치함을 검증하였다. 최종 센서 테스트에서는 860 nm LED와 해당 굴절률(1.44) 기반 렌즈를 사용해 회전 스테이지로 ±3° 회전시켰을 때, 수신기 전압이 명확히 반전되는 차동 신호를 5 사이클 이상 반복 재현했다. 렌즈가 없는 대조 실험에서는 신호 변화가 거의 없었으며, 이는 렌즈가 광 경로를 효과적으로 제어한다는 증거이다.

이와 같이, 단일 재료·단계 프린팅으로 구현 가능한 렌즈 기반 광센서는 코팅이나 다중 재료 인터페이스 없이도 광 손실을 최소화하고, 변형에 따른 방향 감지를 직관적인 전기 신호로 변환한다. 향후 복합 로봇 구조에 통합하거나, 다양한 파장·광원에 맞춰 렌즈 설계를 변형함으로써 광학적 감지 성능을 맞춤형으로 확장할 수 있는 기반을 제공한다.