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문제 정의
- 본 연구에서는 유연한 기판 위에 유기태양전지에 주로 사용되는 P형 전도성 고분자 물질인 PEDOT:PSS 잉크를 이용하여, 잉크젯 프린팅 기법으로 유연성 온·습도 감지 소자를 개발하고, 구조 별 소자의 특성을 비교했다.
제안 방법
- 연구에서는 잉크젯 프린팅 기법을 이용하여 필름 위에 온·습도 감지 물질의 전극을 인쇄한 유연성 온·습도센서를 제작했다.
- 유연성 온도센서 제작을 위해 PEDOT:PSS(Heraeus 社, CLEVIOS ™ PH500)에 적당한 점도를 갖기 위해 Ethylene glycol과 DeionizedWater(DI-water)로 희석한 잉크를 잉크젯 프린터(Microfab 社, Jetlab4)를 이용하여 센서 전극을 인쇄했다.
- 제작된 센서가 온도 측정용으로 사용 시 습도에 의한 영향을 최소화하기 위하여 열 융용형 접착제인 surlyn을 사용하여 Encapsulation 처리를 했다. 제작된 온도센서 패턴 위에 surlyn을 형성한 뒤 오븐에서 120°C, 3분 열처리하여 센서에 외부 수분이 침투하는 것을 방지했다[18-20](Fig.
- 챔버 안의 온·습도를 일정하게 제어 가능한 장비인 항온항습기를 이용하여 −50~80°C의 온도 범위 내에서 1°C씩 변화를 주며 각각의 구조로 제작된 센서의 온도 변화에 따른 저항 특성 변화를 디지털 멀티미터로 측정했다.
- 항온 항습기를 이용하여 20°C의 온도를 유지하며 30~85 %RH 습도 범위 내에서 1% RH씩 변화를 주며 각각의 구조로 제작된 센서의 습도에 따른 저항변화를 디지털 멀티 미터로 측정했다.
대상 데이터
- 사용된 잉크젯 프린터는 50 μ m 크기의 노즐을 이용하여 패턴을 형성했다.
- 3 mm로 최적화했다. 잉크젯프린터를 사용하여 Fig. 1과 같이 PEDOT:PSS 잉크를 잉크젯용 Overhead project (OHP) 필름 상에 직렬 구조, 메시 구조 및 병렬 구조 형태로 각각 형성했다. 직렬 구조는 세로 10 mm ×8 개의 라인 패턴을 0.
- 연구에서는 잉크젯 프린팅 기법을 이용하여 필름 위에 온·습도 감지 물질의 전극을 인쇄한 유연성 온·습도센서를 제작했다. 제작된 센서의 기판은 OHP 필름을 사용했으며, P형 유기반도체 재료인 PEDOT:PSS 잉크를 이용하여 직렬, 메시, 병렬 구조의 전극 패턴을 형성했다. 온도 특성 실험 시, 습도의 영향을 최소화하기 위해 밀봉하여 제작된 센서는 온도의 변화에 따라 각 구조 별로 140 Ω/°C, 29 Ω/°C, 1.
이론/모형
- Piezoelectric 방식은 잉크가 노즐 안의 piezo 소자를 진동시키면 piezo 소자가 잉크에 압력을 주어 노즐로 토출시키는 방식으로, 잉크에 열을 가하지 않기 때문에 헤드의 수명, 잉크의 넓은 선택폭 등의 장점을 가지고 있다. 본 연구에서는 DOD 방식 가운데 piezoelectric 방식을 사용했다. 유연성 온도센서 제작을 위해 PEDOT:PSS(Heraeus 社, CLEVIOS ™ PH500)에 적당한 점도를 갖기 위해 Ethylene glycol과 DeionizedWater(DI-water)로 희석한 잉크를 잉크젯 프린터(Microfab 社, Jetlab4)를 이용하여 센서 전극을 인쇄했다.
성능/효과
- 또한 습도의 변화에 각 구조 별로 400 Ω/°C, 3.4 Ω/°C, 3 Ω/°C의 감도를 가지는 특성을 나타냈으며, 각 96.8%, 93.9%, 99.3%의 선형성을 보여 습도센서로써도 우수한 동작 특성을 가지는 것을 확인했다.
- 이때, -16 V(600 Hz)의 인가전압, 2 m/s의 속도로 분사했으며, 액적의 분사 간격(Drop space)은 40 μ m이다. 센서 제작 시 일정한 선 폭, 패턴 간 일정 간격의 확보, 단선에 대한 대비 등을 고려한 반복 실험의 결과로 패턴 간 간격을 0.3 mm로 최적화했다. 잉크젯프린터를 사용하여 Fig.
- 항온 항습기를 이용하여 20°C의 온도를 유지하며 30~85 %RH 습도 범위 내에서 1% RH씩 변화를 주며 각각의 구조로 제작된 센서의 습도에 따른 저항변화를 디지털 멀티 미터로 측정했다. 습도(30~85 %RH)에 따른 저항변화를 관찰한 결과, Fig. 5에서 나타낸 것과 같이 습도가 증가할수록 각각의 구조마다 변화 폭은 다르지만 3가지 구조의 센서 모두 습도가 증가할수록 전체 저항이 감소하는 것을 확인했다.
- 온도 변화(−50~80°C)에 따른 저항 특성 변화를 관찰한 결과, Fig. 4에서 나타낸 것과 같이 각각의 구조마다 변화 폭은 다르지만 3가지 구조의 센서 모두 온도가 증가할수록 전체 저항이 감소하는 것을 확인했다(NegativeTemperature Coefficient of Resistance, NTC).
- 온도 특성 실험 시, 습도의 영향을 최소화하기 위해 밀봉하여 제작된 센서는 온도의 변화에 따라 각 구조 별로 140 Ω/°C, 29 Ω/°C, 1.4 Ω/°C의 감도를 가지는 특성을 나타냈으며, 각 96.9%, 99.2%, 98.7%의 선형성을 확보하고 있어 온도센서로서 우수한 동작 특성을 가지는 것을 확인했다.
- 직렬 구조의 센서는 3.60~2.19 M Ω의 범위 안에서 1.4 k Ω/°C의 감도로 97.0%의 선형성을 가지며 감소했고, 메시 구조의 센서는 9.87~6.11 k Ω의 범위 안에서 29Ω/°C의 감도로 99.2%의 선형성을 가지며 감소했고, 병렬 구조의 센서는 1.22~1.04 k Ω의 범위 안에서 1.4Ω/°C의 감도로 98.8%의 선형성을 가지며 감소했다.
- 직렬구조의 센서는 1.09~1.12 M Ω의 범위 안에서 400 Ω/°C의 감도로 96.8%의 선형성을 가지며 감소했고, 메시 구조는 4.42~4.47 k Ω의 범위 안에서 3.4 Ω/°C의 감도로 94.0%의 선형성을 가지며 감소했고, 병렬구조는 1.06~1.24 k Ω의 범위 안에서 3 Ω/°C의 감도로 99.3%의 선형성을 가지며 감소했다.
- PEDOT:PSS는 압력 변화에 대해서도 반응하는 소재이기 때문에 [26], 피부 등의 굴곡을 가진 피검 출 물에 부착 시 발생하는 휨에 의한 저항변화를 방지하기 위해 평판 고정형의 기판에 감지영역(sensing area)이 필요하다. 하지만 본 연구에서는 잉크젯 프린팅을 이용하여 감지 영역이 미세한 크기로 제작 가능하여 휨에 대한 저항변화의 최소화가 가능하다. Table 2에서는 각 구조로 제작된 유연성 센서의 습도에 따른 특성을 요약했다.
후속연구
- 3%의 선형성을 보여 습도센서로써도 우수한 동작 특성을 가지는 것을 확인했다. 본 센서는 구부러지고 휘는 모양으로 유연성은 물론 비교적 저렴하고 간단한 공정 기반의 신속한 소자 제작과 경량 및 소형의 제작이 가능한 장점이 있어, 전자기기, 의료·바이오, 농업현장 등의 다양한 분야에의 적용이 기대된다.
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