본 논문에서는 그래핀 잉크와 PDMS탄성중합체를 활용하여 유연하고 민감한 변위/압력 측정용 센서를 개발하고 다양한 분야에 적용하기 위한 연구를 진행하였다. 변위 및 압력용 유연 센서 소자는 웨어러블 산업과 사람의 동작을 인식하는 전자 소자 분야에서 매우 중요한 역할을 하고 있다. 특히 사람의 다양하고 넓은 범위의 동작들을 감지하고 인식하기 위해서는 작은 진동부터 큰 동작까지 감지가 가능해야 하며 이를 위해서는 넓은 측정 범위와 높은 탄력성이 필수적으로 요구된다. 또한 센서로서의 필수적인 요소인 빠른 반응속도와 민감도까지 갖추어야 하며 동시에 사람의 피부나 옷에 부착하기 위해서는 얇은 두께와 높은 투명도도 중요한 요소 중 하나이다. 이번 연구에서는 앞서 서술한 센서로서 필요한 다양한 요소들을 충족시키기 위해 그래핀과 탄성중합체를 활용하여 매우 얇고 유연하며 높은 민감도를 갖는 센서를 개발하였다. 그래핀 탄성중합체 센서는 PDMS(polydimethylsiloxane) 필름 사이에 그래핀 잉크를 코팅하여 제작 하였고 그래핀 잉크는 ...
본 논문에서는 그래핀 잉크와 PDMS탄성중합체를 활용하여 유연하고 민감한 변위/압력 측정용 센서를 개발하고 다양한 분야에 적용하기 위한 연구를 진행하였다. 변위 및 압력용 유연 센서 소자는 웨어러블 산업과 사람의 동작을 인식하는 전자 소자 분야에서 매우 중요한 역할을 하고 있다. 특히 사람의 다양하고 넓은 범위의 동작들을 감지하고 인식하기 위해서는 작은 진동부터 큰 동작까지 감지가 가능해야 하며 이를 위해서는 넓은 측정 범위와 높은 탄력성이 필수적으로 요구된다. 또한 센서로서의 필수적인 요소인 빠른 반응속도와 민감도까지 갖추어야 하며 동시에 사람의 피부나 옷에 부착하기 위해서는 얇은 두께와 높은 투명도도 중요한 요소 중 하나이다. 이번 연구에서는 앞서 서술한 센서로서 필요한 다양한 요소들을 충족시키기 위해 그래핀과 탄성중합체를 활용하여 매우 얇고 유연하며 높은 민감도를 갖는 센서를 개발하였다. 그래핀 탄성중합체 센서는 PDMS(polydimethylsiloxane) 필름 사이에 그래핀 잉크를 코팅하여 제작 하였고 그래핀 잉크는 스프레이 코팅 방식을 사용하여 균일하게 코팅 할 수 있었다. 그래핀 잉크는 액상 박리 방법을 이용하여 제조하였고 코팅 된 그래핀 층은 PDMS 탄성중합체를 한번 더 코팅하여 외부의 습기와 손상으로부터 완벽하게 차단하였다. 또한 그래핀 잉크의 농도 및 코팅 두께를 통해 센서의 투명도를 조절하거나 마스크를 이용하여 그래핀 코팅 패턴을 조절하여 센서의 디자인도 자유자재로 조절이 가능하도록 하였다. 그래핀 탄성중복합체 센서는 작은 변위부터 높은 변위까지 매우 민감하게 반응하여 감지할 수 있고 압력에도 민감하게 반응하여 여러 센서 분야에 두루 적용 할 수 있다는 장점을 가지고 있다. 그래핀의 훌륭한 전기적 특성과 PDMS의 월등한 물리적 특성이 조화를 이룸으로써 빠른 반응 시간을 갖는 고감도, 고탄력 센서를 만들 수 있었고 이를 통해 빠르고 정확하게 사람의 구부림, 당김, 진동 등의 동작을 감지할 수 있었다. PDMS의 높은 탄력성을 바탕으로 그래핀 탄성중합체 센서는 최대 290%까지 손상 없이 늘릴 수 있고 2,500번 이상 반복적으로 변위를 가하더라도 센서의 성능에 전혀 문제가 없음을 확인 할 수 있었다. 더욱이 매우 얇은 두께를 가지고 있어 굴곡이 있거나 고르지 못한 표면이나 사람의 피부에 주름 없이 쉽게 부착할 수 있어 웨어러블 소자로 사용하기 매우 적합한 특성을 지니고 있다. 이번 논문의 연구를 통해 사람의 동작을 감지하기 위한 스마트 디바이스 및 센서 어플리케이션 분야에 있어 그래핀 탄성중합체 센서의 활용 가능성을 보여주었고 앞으로 지속적인 연구 개발을 통해 실제 산업에 적용 가능한 센서를 제작 할 수 있을 것으로 기대하고 있다.
본 논문에서는 그래핀 잉크와 PDMS 탄성중합체를 활용하여 유연하고 민감한 변위/압력 측정용 센서를 개발하고 다양한 분야에 적용하기 위한 연구를 진행하였다. 변위 및 압력용 유연 센서 소자는 웨어러블 산업과 사람의 동작을 인식하는 전자 소자 분야에서 매우 중요한 역할을 하고 있다. 특히 사람의 다양하고 넓은 범위의 동작들을 감지하고 인식하기 위해서는 작은 진동부터 큰 동작까지 감지가 가능해야 하며 이를 위해서는 넓은 측정 범위와 높은 탄력성이 필수적으로 요구된다. 또한 센서로서의 필수적인 요소인 빠른 반응속도와 민감도까지 갖추어야 하며 동시에 사람의 피부나 옷에 부착하기 위해서는 얇은 두께와 높은 투명도도 중요한 요소 중 하나이다. 이번 연구에서는 앞서 서술한 센서로서 필요한 다양한 요소들을 충족시키기 위해 그래핀과 탄성중합체를 활용하여 매우 얇고 유연하며 높은 민감도를 갖는 센서를 개발하였다. 그래핀 탄성중합체 센서는 PDMS(polydimethylsiloxane) 필름 사이에 그래핀 잉크를 코팅하여 제작 하였고 그래핀 잉크는 스프레이 코팅 방식을 사용하여 균일하게 코팅 할 수 있었다. 그래핀 잉크는 액상 박리 방법을 이용하여 제조하였고 코팅 된 그래핀 층은 PDMS 탄성중합체를 한번 더 코팅하여 외부의 습기와 손상으로부터 완벽하게 차단하였다. 또한 그래핀 잉크의 농도 및 코팅 두께를 통해 센서의 투명도를 조절하거나 마스크를 이용하여 그래핀 코팅 패턴을 조절하여 센서의 디자인도 자유자재로 조절이 가능하도록 하였다. 그래핀 탄성중복합체 센서는 작은 변위부터 높은 변위까지 매우 민감하게 반응하여 감지할 수 있고 압력에도 민감하게 반응하여 여러 센서 분야에 두루 적용 할 수 있다는 장점을 가지고 있다. 그래핀의 훌륭한 전기적 특성과 PDMS의 월등한 물리적 특성이 조화를 이룸으로써 빠른 반응 시간을 갖는 고감도, 고탄력 센서를 만들 수 있었고 이를 통해 빠르고 정확하게 사람의 구부림, 당김, 진동 등의 동작을 감지할 수 있었다. PDMS의 높은 탄력성을 바탕으로 그래핀 탄성중합체 센서는 최대 290%까지 손상 없이 늘릴 수 있고 2,500번 이상 반복적으로 변위를 가하더라도 센서의 성능에 전혀 문제가 없음을 확인 할 수 있었다. 더욱이 매우 얇은 두께를 가지고 있어 굴곡이 있거나 고르지 못한 표면이나 사람의 피부에 주름 없이 쉽게 부착할 수 있어 웨어러블 소자로 사용하기 매우 적합한 특성을 지니고 있다. 이번 논문의 연구를 통해 사람의 동작을 감지하기 위한 스마트 디바이스 및 센서 어플리케이션 분야에 있어 그래핀 탄성중합체 센서의 활용 가능성을 보여주었고 앞으로 지속적인 연구 개발을 통해 실제 산업에 적용 가능한 센서를 제작 할 수 있을 것으로 기대하고 있다.
There have been a wide variety of efforts to develop flexible elastomer sensors that satisfy both mechanical stretchability and sensitivity, as a response to growing demands on stretchable and wearable devices. In this thesis, I fabricated the flexible graphene-based PDMS sensors for detection ...
There have been a wide variety of efforts to develop flexible elastomer sensors that satisfy both mechanical stretchability and sensitivity, as a response to growing demands on stretchable and wearable devices. In this thesis, I fabricated the flexible graphene-based PDMS sensors for detection of strains and pressures with superb sensitivity. I newly introduce the spray coating method using the liquid exfoliated graphene ink that is not only scalable but also cost-effective. By applying the method on PDMS, I will show that the stretchable pressure sensor with high sensitivity can be readily achievable. Additionally, the encapsulation of PDMS reduces the adverse atmospheric effect to the graphene channel so that the durability of sensor can be significantly improved. From the waterproof test result, the graphene coated PDMS sensor was not degradation and maintained the electrical properties in the water for 1 hour. The transparency and sensitivity of graphene coated PDMS sensors were controlled by changing the density of graphene ink and using different patterns of graphene coatings. I achieved high strain sensitivity and short response time of the graphene coated PDMS sensors because of superior electrical properties of graphene, which enable us to quickly measure various human body motions, such as bending, stretching, and vibrating. I applied 50% of strain, the resistance change ratio (∆R/R_0) of sensor measured at 1.5 and repeatedly applied 50% of strain about 2,500 times, the performance of sensor was not decreased and it showed good durability. In the stretch sensor, current flows through the overlapped graphene flakes within the percolation network. When strain is generated along the longitudinal direction, the total overlapped area decreases losing the electric connections which results in the increase of resistance. In the frequency test, the periodic strain was applied to the graphene coated PDMS sensor by the stretching machine in a triangular-like fashion. Considering the daily human motion, the frequency of the motion lies in the range extending from 0.1 to 6 Hz, the graphene coated PDMS sensor can detect all range of human motion. Graphene coated PDMS sensors showed maximum endurable strain of 280% without any damage or fracture. Graphene flakes were perfectly encapsulated by PDMS films, to prevent the damages and moistures, it lead to good durability and high stretchability. Additional novelty of our strain sensor is the proximity sensing function. Different from the usual tactile sensors that only detect the physical touch, our sensor is capable of detecting the noncontact motion of nearby objects as well as touching motion. The finger approach at 1cm of distance, the resistance change ratio (ΔR/R0) of sensor measured at 0.5 and it was not reported any researches. When two materials with dissimilar contact electrification are in contact or spaced in the proximity range, the mobile charges in the facing sides of two materials is spontaneously redistributed to screen the generated electric field. Due to the partial electric field screening of PDSM with the external materials, the contribution of graphene electrons to the electric field screening is, in turn, relieved so as to drive the excess electron movement that induces the resistance change of the sensor. In spite of the using by low cost, fabricated by simple process, our sensor showed high sensitivity, high stretchability and good durability. Flexibility and conformability of the graphene coated PDMS sensors allow us to attach them onto various surfaces, even a rough human skin, with conformal contact and without wrinkles. Moreover, graphene coated PDMS sensor can detect the electrostatic, first reported in the sensor research field, it shows the great potential of graphene coated PDMS sensors for wearable smart devices and sensing applications of human motions.
There have been a wide variety of efforts to develop flexible elastomer sensors that satisfy both mechanical stretchability and sensitivity, as a response to growing demands on stretchable and wearable devices. In this thesis, I fabricated the flexible graphene-based PDMS sensors for detection of strains and pressures with superb sensitivity. I newly introduce the spray coating method using the liquid exfoliated graphene ink that is not only scalable but also cost-effective. By applying the method on PDMS, I will show that the stretchable pressure sensor with high sensitivity can be readily achievable. Additionally, the encapsulation of PDMS reduces the adverse atmospheric effect to the graphene channel so that the durability of sensor can be significantly improved. From the waterproof test result, the graphene coated PDMS sensor was not degradation and maintained the electrical properties in the water for 1 hour. The transparency and sensitivity of graphene coated PDMS sensors were controlled by changing the density of graphene ink and using different patterns of graphene coatings. I achieved high strain sensitivity and short response time of the graphene coated PDMS sensors because of superior electrical properties of graphene, which enable us to quickly measure various human body motions, such as bending, stretching, and vibrating. I applied 50% of strain, the resistance change ratio (∆R/R_0) of sensor measured at 1.5 and repeatedly applied 50% of strain about 2,500 times, the performance of sensor was not decreased and it showed good durability. In the stretch sensor, current flows through the overlapped graphene flakes within the percolation network. When strain is generated along the longitudinal direction, the total overlapped area decreases losing the electric connections which results in the increase of resistance. In the frequency test, the periodic strain was applied to the graphene coated PDMS sensor by the stretching machine in a triangular-like fashion. Considering the daily human motion, the frequency of the motion lies in the range extending from 0.1 to 6 Hz, the graphene coated PDMS sensor can detect all range of human motion. Graphene coated PDMS sensors showed maximum endurable strain of 280% without any damage or fracture. Graphene flakes were perfectly encapsulated by PDMS films, to prevent the damages and moistures, it lead to good durability and high stretchability. Additional novelty of our strain sensor is the proximity sensing function. Different from the usual tactile sensors that only detect the physical touch, our sensor is capable of detecting the noncontact motion of nearby objects as well as touching motion. The finger approach at 1cm of distance, the resistance change ratio (ΔR/R0) of sensor measured at 0.5 and it was not reported any researches. When two materials with dissimilar contact electrification are in contact or spaced in the proximity range, the mobile charges in the facing sides of two materials is spontaneously redistributed to screen the generated electric field. Due to the partial electric field screening of PDSM with the external materials, the contribution of graphene electrons to the electric field screening is, in turn, relieved so as to drive the excess electron movement that induces the resistance change of the sensor. In spite of the using by low cost, fabricated by simple process, our sensor showed high sensitivity, high stretchability and good durability. Flexibility and conformability of the graphene coated PDMS sensors allow us to attach them onto various surfaces, even a rough human skin, with conformal contact and without wrinkles. Moreover, graphene coated PDMS sensor can detect the electrostatic, first reported in the sensor research field, it shows the great potential of graphene coated PDMS sensors for wearable smart devices and sensing applications of human motions.
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