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인간은 표면 거칠기 또는 질감 등에 있어 매우 미묘한 차이를 촉각을 통해 감지해 낼 수 있다. 인간의 이러한 능력은 촉감이 중요시되는 휴대용 기기나 인터페이스 제조업체에게는 큰 고민거리를 안겨 주기도 한다. 제품의 기능 자체는 사용자의 요구를 충분히 충족시키는 반면, 제품의 촉감에 대한 불만족으로 인해 제품 전반에 대한 평가가 나빠지는 경우가 발생하기 때문이다. 따라서 제조업체들은 시각뿐만 아니라 촉각 측면에서도 표면 품질을 향상시키기 위해 상당한 노력을 기울인다.

제품의 표면에서 발견되는 단차는 표면 품질을 저해하는 대표적인 예인데, 이는 사출성형으로 제조된 플라스틱 제품의 표면에서 종종 발견되며 금형 인서트를 구성하는 부품이 완벽한 평면을 이루지 못해 흔히 발생한다. 단차에 의한 품질 저하를 막기 위해서는 금형 설계를 변경하면 되지만, 이는 금형의 복잡성 및 제조비용의 증가를 초래할 수 있다. 따라서 경우에 따라서는 사람들이 인지할 수 없는 수준으로 단차의 높이를 제어하는 것이 필요할 수 있다.

이와 관련하여 본 연구에서는 사람들이 인지할 수 있는 최소 수준의 단차(절대 역치)는 얼마인지, 그리고 그 값은 접촉되는 손끝 움직임 방향에 따라 어떻게 달라지는지를 살펴본다. 이를 위해 본 연구에서는 MEMS (microelectromechanical systems)제조 기술을 활용하여 수 마이크로미터 크기의 단차를 갖는 시편을 나노미터 수준의 정밀도로 제작하고, 이를 절대 역치 측정 실험에 사용한다. 실험 참가자들에게는 주로 사용하는 손의 검지손가락 끝을 사용하여 움직이는 방향을 바꿔가며 단차를 인지해 보도록 한다. 역치 측정은 정신물리학(psychophysics)연구에서 흔히 사용되는 항상자극법(method of constant stimuli)을 통해 이루어지며, 분석 결과를 토대로 단차에 대한 불량 판정 기준 및 정보 전달을 위한 매체로서 단차의 활용 방안이 제시된다.

단차에 대한 역치 측정과 관련된 연구는 하나 또는 반복된 미세 돌기를 인지하기 위한 최소 높이(절대 역치, absolute threshold)를 구하기 위한 연구와 서로 다른 단차의 차이를 인지하기 위한 최소 높이 차(상대 역치, differential threshold)를 구하기 위한 연구로 나눌 수 있다.

먼저 절대 역치 측정과 관련된 연구로는 Johansson & LaMotte의 매끈한 평면에 만들어진 단일 미세 돌기를 대상으로 한 연구가 있다^[1]. Johansson & LaMotte는 포토(photo lithography) 리소그래피와 식각(etching) 공정을 이용하여 실리콘 웨이퍼 상에 원뿔대 형상의 단일 돌기를 지름과 높이를 변화시키면서 제작하였고, 이를 이용하여 미세 돌기 인지를 위한 절대 역치를 측정하였다. 그 결과, 인지를 위한 최소 높이는 미세 돌기의 반지름이 증가할수록 작아져 지름이 500 μm 이상으로 커지면 그 값이 1 μm 정도가 된다고 보고하였다. 하지만 이러한 일련의 실험은 상대적으로 적은 수의 시편(동일한 지름에 대해 4가지 높이)이 사용되어 정확도 측면에서 신뢰성이 부족하다고 할 수 있다. 또한, 원뿔대가 45°의 경사를 가지도록 제작되어 90°의 경사를 지닌 단차에 대해서는 그 값이 어떻게 달라지는지 확실치 않으며, 손가락 움직임 방향에 대한 고려가 없어 이에 대한 영향을 알 수 없다는 한계가 있다.

한편, LaMotte & Whitehouse는 유리에 만들어진 미세 돌기(20° 경사를 갖는 원뿔대)를 이용하여 Johansson & LaMotte가 수행한 것과 유사한 연구를 수행하였다[2]. 하지만 이 연구에서는 앞선 연구와 달리 손가락을 자유롭게 움직이는 능동적 방식의 실험이 아니라 손가락은 고정된 채 시편이 움직이는 수동적 방식의 실험이 사용되었다. 그 결과 인지 방식(능동적, 수동적)이 미세 돌기를 인지하기 시작하는 최소 높이에 큰 영향을 주지 않음을 알 수 있었다. 또한, LaMotte & Srinivasan은 유리에 경사각이 20°인 원뿔대 또는 평행 막대가 반복적으로 배치된 시편을 만들어 절대 역치를 측정하였다^[3]. 그 결과 피실험자가 인지하기 시작하는 미세 형상의 높이는 원뿔대보다 사각뿔대가 더 작음을 알 수 있었다.

상대 역치 측정과 관련해선 Kawamura, Ohka, Miyaoka & Mitsuya가 90° 경사각을 갖는 미세 단차를 구현할 수 있는 시스템을 압전소자(Piezo electric acuator)를 이용하여 개발하고 PEST (Parameter Estimation by Sequential Testing) 방법을 이용하여 상대 역치를 측정하였다^[4]. 그 결과, 5-15 μm 범위에 있는 기준 단차에 대해 그 차이를 인지할 수 있는 최소 수준의 차이값은 2-3 μm임이 보고되었다. 더불어 이 값은 손가락과 시편의 접촉 방식이 수동적이냐 능동적이냐에 관계없이 유사한 값을 지닌다고 보고되었다. 하지만 Kawamura, Otobe & Tani에 의한 후속 연구^[5]에서는 기준 단차가 50 μm 이상인 경우에는 접촉 방식이 능동적일 때가 수동적일 때보다 상대 역치가 작다고 보고되었다. 이 외에도 미세 단차에 대한 상대 역치에 영향을 줄 수 있는 인자들에 대한 연구가 이루어졌다. 그 예로서 Ohka, Kawamura, Miyaoka & Mitsuya는 시편 움직임 속도를 달리하여 단차에 대한 상대 역치를 측정함으로써 시편 속도가 증가할수록 상대 역치는 커진다는 사실을 밝혀냈다^[6]. 또한, Kawamura, Tanaka & Tani는 Fig. 1. 과 같이 자극이 움직이는 방향이 단차를 인지하는 인간의 촉감에 어떻게 영향을 미치는지 상대 역치 측정을 통해 알아보았다^[7]. 그 결과, 기준 시편과 비교 시편이 동일한 방향으로 주어졌을 경우에는 방향에 따른 상대 역치의 차이가 없음이 보고되었다. 하지만 기준 시편과 비교 시편이 다른 방향으로 주어졌을 경우(예: 0° vs. 45°, 0° vs. 90°)에는 동일한 방향으로 주어졌을 때(예: 0° vs. 0°)와 비교하여 유의미한 차이가 있음이 보고되었다. 한편, Kawamura, Tani & Yamada는 Fig. 2와 같이 시편과의 접촉 부위가 달라짐에 따라 상대 역치가 어떻게 달라지는지 비교해 보았는데^[8], 손가락 끝의 중심부에서 접촉이 이루어질 때가 상부에서 이루어질 때보다 상대 역치가 작아짐을 알 수 있었다.

Fig. 1 
Presentation angle of the step (redrawn from [8])

Fig. 2 
Fingertip region in contact with the step (redrawn from [8])

앞선 연구와 관련하여 본 연구는 다음과 같은 사항들에 주안점을 두고 수행될 예정이다. 첫째, 본 연구에서는 Johansson & LaMotte의 연구^[1]에서와 같이 포토 리소그래피와 식각 공정을 이용하여 미세 단차를 가진 시편을 만들고 정신물리학 실험을 통해 절대 역치를 측정한다. 단, Johansson & LaMotte가 사용한 미세 돌기는 실리콘 웨이퍼에 제작된 경우 45°, 유리판에 제작된 경우 20°의 경사각을 지니나 본 연구에 사용되는 미세 단차는 90°의 경사각을 지니도록 제작된다. 또한 본 연구에서 사용되는 시편의 경우 수 나노미터 단위의 단차 제어 및 충분한 수의 시편 확보가 가능하여 앞선 연구(0.3-1.8 μm 범위에서 4개의 시편 사용)에 비해 보다 정확한 측정이 가능하다고 판단된다. 더불어, 본 연구에서는 20명 이상의 피실험자를 확보하여 앞선 연구에 비해 통계적으로 보다 신뢰할 만한 측정이 가능하다고 판단된다.

둘째, 본 연구에서는 Kawamura, Tanaka & Tani의 연구 방법^[7]을 받아들여 손가락 움직임 방향이 인지에 미치는 영향을 살펴보는데 주안점을 둔다. 단, 본 연구에서는 단차에 대한 상대 역치 측정이 아닌 절대 역치 측정을 통해 이를 수행할 예정인데, 손가락 움직임 방향은 45° 방향을 제외한 민감도가 가장 높은 0°와 가장 낮은 90°만을 고려할 예정이다. 더불어 그 결과에 대한 논의 역시 신경생리학적(neurophysiology) 관점에 주안점을 둔 앞선 연구와 달리, 제품의 불량 판정 기준 및 디자인적 활용 방안을 위한 토대를 세우는데 집중될 예정이다.