[논문]은 나노와이어 기반 하이브리드 이중층 압력 센서

이진영; 신동균; 김기은; 서유석; 박종운

[국내논문] 은 나노와이어 기반 하이브리드 이중층 압력 센서
A Hybrid Bilayer Pressure Sensor based on Silver Nanowire 원문보기

반도체디스플레이기술학회지 = Journal of the semiconductor & display technology, v.16 no.3, 2017년, pp.31 - 35

이진영 (한국기술교육대학교 전기.전자.통신공학부) , 신동균 (한국기술교육대학교 전기.전자.통신공학부) , 김기은 (한국기술교육대학교 전기.전자.통신공학부) , 서유석 ((주)율촌화학 기술연구소 선행연구팀) , 박종운 (한국기술교육대학교 전기.전자.통신공학부)

Abstract ▼ AI-Helper

We have fabricated flexible and stretchable pressure sensors using silver nanowires (AgNWs) and analyzed their electric responses. AgNWs are spray coated directly onto uncured polydimethylsiloxane (PDMS) such that AgNWs penetrate into the uncured PDMS, enhancing the adhesion properties of AgNWs. However, the single-layered AgNW sensor exhibits unstable electric response and low pressure sensitivity. To tackle it, we have coated a conductive polymer, poly(3,4-ethylenedioxythiophene):poly(styrene sulfonate) (PEDOT:PSS) onto the AgNW layer. Such a hybrid bilayer sensor ensures a stable electric response because the over-coating layer of PEDOT:PSS effectively suppresses the protrusion of AgNWs from PDMS during release. To enhance the sensitivity further, we have also fabricated a stacked bilayer AgNW sensor. However, its electric response varies depending sensitively on the initial overlap pressure.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

문제 정의

이를 위해 본 연구에서는 신축성 기판에 은 나노와이어를 스프레이 코팅하는 방식으로 저항형 압력센서를 제작하고 전기적 반응을 분석하였다. 단일층 AgNW 센서의 감도 향상 및 안정적 반응 특성을 얻기 위하여 전도성 고분자 poly(3,4-ethylenedioxythiophene):poly(styrenesulfonate) (PEDOT:PSS)가 적용된 hybrid 이중층 구조에 대한 연구를 진행하였다.

제안 방법

이를 위해 본 연구에서는 신축성 기판에 은 나노와이어를 스프레이 코팅하는 방식으로 저항형 압력센서를 제작하고 전기적 반응을 분석하였다. 단일층 AgNW 센서의 감도 향상 및 안정적 반응 특성을 얻기 위하여 전도성 고분자 poly(3,4-ethylenedioxythiophene):poly(styrenesulfonate) (PEDOT:PSS)가 적용된 hybrid 이중층 구조에 대한 연구를 진행하였다. 센서의 감도를 더욱 향상하기 위해 단일층 AgNW 센서가 서로 겹쳐진 stacked 이중층 AgNW 압력 센서에 대해서도 연구하였으며 서로의 특성을 비교/분석하였다.
단일층 AgNW 센서의 감도 향상 및 안정적 반응 특성을 얻기 위하여 전도성 고분자 poly(3,4-ethylenedioxythiophene):poly(styrenesulfonate) (PEDOT:PSS)가 적용된 hybrid 이중층 구조에 대한 연구를 진행하였다. 센서의 감도를 더욱 향상하기 위해 단일층 AgNW 센서가 서로 겹쳐진 stacked 이중층 AgNW 압력 센서에 대해서도 연구하였으며 서로의 특성을 비교/분석하였다.
또한 압력에 의한 전기적 응답 특성 비교를 위해 단일층 AgNW 센서 두 개를 서로 맞물리게 겹쳐 제작한 stacked 이중층 AgNW 센서를 제작하였다. 이중층 AgNW 센서는 저항의 크기를 크게 만들어 외부 압력이 가해졌을 때 전기적 반응(저항 변화율)이 크게 일어나도록 제작하였다.

데이터처리

1N의 압력을 가했을 때 측정된 전기적 응답 특성을 보여준다. Hybrid 이중층 센서는 경화된 PDMS 와 미경화된 PDMS 두 조건에서 제작하여 특성을 비교하였다. 먼저 이 센서들은 압력이 가해졌을 때 저항이 증가하게 되는데 이는 Fig.
경화된 PDMS에서 제작된 hybrid 이중층 센서의 경우, AgNWs가 경화된 PDMS 표면에 존재함으로 PDMS안에 박혀있는 경우보다 덜 안정적이다. 압력에 의한 안정적인 전기적 응답 특성을 확인하기 위하여 Fig. 5와 같이 1초 간격으로 0.1N의 압력을 100회 가했을 때 센서의 전기적 응답을 측정하였다. 앞서 Fig.

성능/효과

본 연구에서는 AgNW를 이용하여 세 종류(단일층 AgNW, hybrid 이중층 AgNW/PEDOT:PSS, stacked 이중층 AgNW)의 센서를 제작하고 외부압력에 따른 전기적 응답 특성을 비교/분석하였다. 단일층 AgNW 센서는 물리적 접촉에 의한 압력이 가해질 때 불안정한 응답 특성과 낮은 감도를 보였다. 하지만 단일층 AgNW 센서에 PEDOT:PSS 층을 추가하여 hybrid 이중층을 형성할 경우 보다 안정적이고 감도가 뛰어난 압력 센서를 얻을 수 있음을 알 수 있었다.
하지만 단일층 AgNW 센서에 PEDOT:PSS 층을 추가하여 hybrid 이중층을 형성할 경우 보다 안정적이고 감도가 뛰어난 압력 센서를 얻을 수 있음을 알 수 있었다. 또한, 접촉에 의한 손상을 방지하고 감도를 향상시키기 위하여 단일층 AgNW 센서 두 개를 서로 맞물리게 겹쳐 이중층 압력 센서를 제작하였으나 AgNW층이 맞물리며 발생하는 불안정 응답 특성이 나타났다. 향후 뛰어난 압력 감도를 갖는 센서를 제작하기 위해서는 laminated 이중층 AgNW 센서에 대한 추가적인 연구가 필요하다.
단일층 AgNW 센서는 물리적 접촉에 의한 압력이 가해질 때 불안정한 응답 특성과 낮은 감도를 보였다. 하지만 단일층 AgNW 센서에 PEDOT:PSS 층을 추가하여 hybrid 이중층을 형성할 경우 보다 안정적이고 감도가 뛰어난 압력 센서를 얻을 수 있음을 알 수 있었다. 또한, 접촉에 의한 손상을 방지하고 감도를 향상시키기 위하여 단일층 AgNW 센서 두 개를 서로 맞물리게 겹쳐 이중층 압력 센서를 제작하였으나 AgNW층이 맞물리며 발생하는 불안정 응답 특성이 나타났다.

후속연구

또한, 접촉에 의한 손상을 방지하고 감도를 향상시키기 위하여 단일층 AgNW 센서 두 개를 서로 맞물리게 겹쳐 이중층 압력 센서를 제작하였으나 AgNW층이 맞물리며 발생하는 불안정 응답 특성이 나타났다. 향후 뛰어난 압력 감도를 갖는 센서를 제작하기 위해서는 laminated 이중층 AgNW 센서에 대한 추가적인 연구가 필요하다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	신축성을 갖는 센서를 제작하기 위해 어떤 기술들이 연구되고 있는가?	압력센서(pressure sensor)는 터치 인터페이스, 헬스 모니터링, 인공 피부 등 다양한 분야에서 활용되고 있으며 구부림 또는 늘림 상태에도 원래의 기능을 유지하여야 한다[1-2]. 신축성을 갖는 센서를 제작하기 위하여 에어로졸젯 프린팅, 잉크젯 프린팅, 스크린 프린팅, 스프레이 코팅 등의 용액 공정 기술들이 연구되고 있으며 이를 이용하여 제작된 전자소자들은 물리적으로 유연하고 작은 면적을 가지며 높은 감도를 가지고 있어 기존 strain gauge의 성능을 뛰어넘고 있다[3-4]. 하지만 압력에 의한 변형을 감지하는 소자들의 경우 부드러운 접촉에 의해서도 쉽게 손상을 입을 수 있기 때문에 주변 환경 및 반복된 접촉에도 일정한 응답 특성을 유지할 수 있어야 한다 [2], [5-6].
	압력센서는 어디에 활용되고 있는가?	압력센서(pressure sensor)는 터치 인터페이스, 헬스 모니터링, 인공 피부 등 다양한 분야에서 활용되고 있으며 구부림 또는 늘림 상태에도 원래의 기능을 유지하여야 한다[1-2]. 신축성을 갖는 센서를 제작하기 위하여 에어로졸젯 프린팅, 잉크젯 프린팅, 스크린 프린팅, 스프레이 코팅 등의 용액 공정 기술들이 연구되고 있으며 이를 이용하여 제작된 전자소자들은 물리적으로 유연하고 작은 면적을 가지며 높은 감도를 가지고 있어 기존 strain gauge의 성능을 뛰어넘고 있다[3-4].
	indium-tinoxide(ITO)를 대체할 수 있는 전극 물질로 AgNW가 각광받는 이유는?	이러한 신축성 센서 소자를 위해 전도성 고분자(conductive polymer), 그래핀(graphene), 탄소나노튜브(carbon nanotube, CNT), 은 나노와이어(silver nanowires, AgNWs) 등과 같은 가격이 저렴하고 유연하며 액상공정이 가능한 소재들이 연구되고 있다. 이들 중AgNW는 높은 종횡비에 의해 strain이 가해지면 스스로 strain에 정렬하기 때문에 스트레칭 시 전기적 연결이 쉽게 깨지지 않는 우수한 특성을 가진다. 이러한 우수한 특성 때문에 AgNW는 CNT와 함께 indium-tinoxide(ITO)를 대체할 수 있는 전극 물질로 각광받고 있다.

참고문헌 (6)

Sujie, C., Xiaojun, G., "Improving the Sensitivity of Elastic Capacitive Pressure Sensors Using Silver Nanowire Mesh Electrodes," IEEE Transactions on nanotechnology, vol. 14, pp. 619-623, (2015).

상세보기
Morteza, A., Aekachan, P., Sangjun, L., Seunghwa, R., Inkyu, P., "Highly Stretchable and Sensitive Strain Sensor Based on Silver Nanowire-Elastomer Nanocomposite," ACS Nano, vol. 8, pp. 5154-5163, (2014).

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Banseok, Y., Chuljon, H., Youngmin, K., Byeongkwon, J., Jongwoong, K., "A wearable piezocapacitive pressure sensor with a single layer of silver nanowire-based elastomeric composite electrodes," Journal of Materials Chemisty A, vol. 4, pp. 10435-10443, (2016).

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Muhammad, S., Wasim A, K., Khalid, R., "Fabrication of cost effective and high sensitivity resistive strain gauge using DIW technique," Sensors and Actuators A: Physical, vol. 258, pp. 123-130, 2017.

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Takeo, Y., Yuhei, H., Yuki, Y., Yoshiki, Y., Ali, I., Don N, F., Kenji, H., "A stretchable carbon nanotube strain sensor for human-motion detection," Nature Nanotechnology, vol. 6, pp. 296-301, (2011).

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Junpeng, L., Jiajie, L., Lu, L., Fengbo, R., Wei, H., Juan, L., Shuhua, Q., Qibing, P., "Healable Capacitive Touch Screen Sensors Based on Transparent Composite Electrodes Comprising Silver Nanowires and a Furan/Maleimide Diels-Alder Cycloaddition Polymer," ACS NANO, vol. 8, pp. 12874-12882, (2014).

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