[논문]종이접기 기반 자극 반응성 하이드젤 온도 센서 연구

나준희

doi:10.5369/jsst.2017.26.1.35

종이접기 기반 자극 반응성 하이드젤 온도 센서 연구
Origami inspired Temperature Sensor based on Stimuli-Responsive Hydrogel 원문보기

Journal of sensor science and technology = 센서학회지, v.26 no.1, 2017년, pp.35 - 38

나준희 (충남대학교 전기전자통신공학교육과)

Abstract ▼ AI-Helper

A thermally responsive hydrogel has reversibility with temperature during swelling. Here, we proposed origami inspired temperature sensor by using multi-layered hydrogel film. The formation of patterned stripes on microscale film drives bending to an angle that can be controlled linearly. Although temperature range was not wide, measured sensitivity of sensors has high resolution and accuracy. It providing a powerful platform for the design of sensitive sensors and that easily adapt other type of sensors in microscale.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

본 논문에서는 외부 온도변화에 자발적으로 팽창과 수축이 가능한 하이드로젤 고분자를 능동층 (active material) 으로 사용하고, 종이접기 (origami) 원리를 활용한 온도센서에 대해 연구하였다. 하이드로젤 필름의 상부와 하부에 상대적으로 Young’s modulus 가 높고, 온도 변화에 민감하지 않은 polystyrene 계열 물질을 도포한 다중 박막형태의 구조를 제작하고, 이에 미세 패턴을 형성함으로써 온도 변화에 따른 하이드로젤 필름의 swelling 을 필름의 휨 혹은 접힘과 같은 기계적 변화로 구현하였다.
본 연구에서는 온도 반응성 하이드로젤 고분자 물질에 종이 접기를 접목하여 외부자극(온도)을 기계적 변화로 변환하는 센서를 제안하였다. 이를 구현하기위해 본 연구에서는 다중 고분자 박막에 미세패턴을 형성하였고, 자세한 제작 공정은 다음과 같다[8].
본 연구에서는 온도에 자발적으로 부피 변화가 가능한 하이드로젤과 종이접기 원리를 접목한 온도 센서를 제안하였다. 하이드로젤 상/하부에 상대적으로 단단하고, 온도변화에 민감하지 않은 polystyrene 계열 물질의 패턴을 형성함으로써, 온도 변화 시 방향성을 갖는 접힘을 구현하였다.
하지만 색깔을 정보로 하는 센서의 경우 휘도와 같은 외부 환경에 따라 감지되는 정량적 해석에 어려움이 있다. 이에 본연구에서는 기존 온도 센서의 응용 확장 한계 요인으로 지적되는 외부 구동 회로가 필요 없고, 미세한 온도 변화도 감지할 수 있는 온도 센서를 제안하고자 한다.

제안 방법

이는 원형의 디스크 (disk)로 제작된 PNIPAM 필름을 버퍼용액에서 정밀 온도 조절기를 활용하여 ~2°C 씩 온도를 변화시키며 관찰하였다. 또한 측정의 정확도를 높이기 위해 온도 변화 후 ~30분의 안정화 시간이 지나고 부피의 변화를 관찰하였다.
본 연구에서는 3개의 박막을 적층한 다층 박막 구조의 필름을 종이접기에 활용하였고, 이 접는 현상 내부에는 열팽창 계수가 다른 두 물질간의 mismatch strain 이 있음을 간과할 수 없다. PpMS 는 상대적으로 Young’s modulus 가 높고, 온도 변화에 따른 swelling 은 매우 작은 반면, PNIPAM 물질의 경우 modulus 관점에서 약 10³ 정도 작고, 온도에 따른 swelling 정도가 매우 크기 때문에 이 두 물질을 접합할 경우 strain 차이가 발생한다.
하이드로젤이 상온(~22°C) 에서 최대로 swell 된 상태이고, 온도가 증가함에 따라 deswell 되면서 부피가 감소하게 되며, 고온 (~50°C) 에서 초기 대비 약 40% 까지 감소한다. 이는 원형의 디스크 (disk)로 제작된 PNIPAM 필름을 버퍼용액에서 정밀 온도 조절기를 활용하여 ~2°C 씩 온도를 변화시키며 관찰하였다. 또한 측정의 정확도를 높이기 위해 온도 변화 후 ~30분의 안정화 시간이 지나고 부피의 변화를 관찰하였다.
이때 코팅의 속도나 농도에 의해 두께 조절이 가능하고 본 연구에서는 10-100 nm 정도의 두께를 사용하였다. 이후 종이접기와 같은 folding 을 구현하기 위한 미세패턴은 마이크로 미러어레이 (Digital micromirror array device (DMD), DLP Discovery 4100, 0.7 XGA, Texas Instruments)를 기반으로한 maskless lithography 공정을 적용하였다. 이때 광원은 365 nm 파장의 LED type UV 램프 (pE-100, CoolLED)를 사용하였으며, inverted 타입의 광학현미경 (Nikon ECLIPSE Ti)에 dichroic mirror 와 같은 광학 부품을 활용하였다.
본 연구에서는 온도에 자발적으로 부피 변화가 가능한 하이드로젤과 종이접기 원리를 접목한 온도 센서를 제안하였다. 하이드로젤 상/하부에 상대적으로 단단하고, 온도변화에 민감하지 않은 polystyrene 계열 물질의 패턴을 형성함으로써, 온도 변화 시 방향성을 갖는 접힘을 구현하였다. 온도에 따른 부피변화를 기계적 각도 변화 혹은 형태 변화로 변환해 줌으로써, 기존 온도 센서가 가지고 있던 시인성 한계를 극복하고, 아울러 심미적 효과를 통해 디자인적 요소를 가미할 수 있으며, 건축물의 외장재와 같은 분야에서 활용 할 수 있을 것으로 기대된다.
본 논문에서는 외부 온도변화에 자발적으로 팽창과 수축이 가능한 하이드로젤 고분자를 능동층 (active material) 으로 사용하고, 종이접기 (origami) 원리를 활용한 온도센서에 대해 연구하였다. 하이드로젤 필름의 상부와 하부에 상대적으로 Young’s modulus 가 높고, 온도 변화에 민감하지 않은 polystyrene 계열 물질을 도포한 다중 박막형태의 구조를 제작하고, 이에 미세 패턴을 형성함으로써 온도 변화에 따른 하이드로젤 필름의 swelling 을 필름의 휨 혹은 접힘과 같은 기계적 변화로 구현하였다.

대상 데이터

본 논문에서 사용한 물질은 온도 반응성 하이드로젤, poly(Nisopropyl acrylamide-co-sodium acrylate; PNIPAM) 으로 lower critical solution temperature (LCST)를 갖는 것을 특성으로 온도에 따라 swelling 정도가 변화한다. Fig.
jp/ TT/software/) [11] 를 활용한 계산 결과이다. 본 실험에서 사용한 샘플은 중앙에 single crease 를 갖고 있으며, PpMS/PNIPAM/ PpMS 와 같은 삼중 박막 형태로 구성되어 있다. 아울러 하부 PpMS 필름에만 패턴이 형성되어 있어서 온도 변화 시 중앙하부에서만 자유로운 swelling 이 발생할 수 있다.

성능/효과

물론 온도 변화의 폭이 30°C 로 상대적으로 넓지 않을 수 있지만, 20°C 에서 50°C 도 사이에서 온도에 따른 부피의 변화가 선형적 임을 확인할 수 있었고, 이는 온도 센서로 사용하기에 적합하다. 참고로 그 외의 온도구간에서는 부피 변화가 상대적으로 비선형적으로 변화하며, 변화율이 감소하여 포화 됨을 확인할 수 있었다[6,7].
실제 온도 센서로 활용하기 위해서는 hysteric 경향보다는 선형 특성을 갖는 것이 유리하기 때문에, φ 가 15° 인 샘플을 살펴보면 약 30 에서 45°C 사이에서 선형적 변형 특성을 갖음을 확인할 수 있다. 물론 선형 변형 구간이 약 15°C 로 매우 작은 것이 단점이지만, 이는 본 실험에서 사용한 온도 감응 물질, PNIPAM, 의 고유 특성에서 기인한 것으로 소재측면에서 추가 적인 연구가 필요할 것으로 사료된다.

후속연구

또한 시뮬레이션을 통해 다양한 형태의 온도 센서로의 응용 가능성도 함께 제안한다.
실제 온도 센서로 활용하기 위해서는 hysteric 경향보다는 선형 특성을 갖는 것이 유리하기 때문에, φ 가 15° 인 샘플을 살펴보면 약 30 에서 45°C 사이에서 선형적 변형 특성을 갖음을 확인할 수 있다. 물론 선형 변형 구간이 약 15°C 로 매우 작은 것이 단점이지만, 이는 본 실험에서 사용한 온도 감응 물질, PNIPAM, 의 고유 특성에서 기인한 것으로 소재측면에서 추가 적인 연구가 필요할 것으로 사료된다.
하이드로젤 상/하부에 상대적으로 단단하고, 온도변화에 민감하지 않은 polystyrene 계열 물질의 패턴을 형성함으로써, 온도 변화 시 방향성을 갖는 접힘을 구현하였다. 온도에 따른 부피변화를 기계적 각도 변화 혹은 형태 변화로 변환해 줌으로써, 기존 온도 센서가 가지고 있던 시인성 한계를 극복하고, 아울러 심미적 효과를 통해 디자인적 요소를 가미할 수 있으며, 건축물의 외장재와 같은 분야에서 활용 할 수 있을 것으로 기대된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	적외선 센서의 단점은?	기존 온도센서의 경우[1-4] 중 대표적인 열전대 온도센서 (thermocouple) 와 저항 온도계 (thermistor) 의 경우 온도의 변화가 발생하는 특정시점에서 전기적 신호 변화를 감지하여 센서로 구동하게 되는 특징을 가지지만 변화율이 비선형적이고, 전기적 신호를 구동/해석하기 위한 추가적인 구동 회로가 필요한 것이 단점이다. 또한 비접촉식 온도센서의 대표인 적외선 센서는 피사체에서 방사하는 열 복사를 통해 온도를 계측하지만, 기존 접촉식 센서에 비해 정확도에 한계가 있고, 역시 복사열 해석을 위한 추가 요소가 필요한 센서이다.
	빛이나 온도에 의하여 색상이 변하는 온도 센서의 단점은?	섬유에 포함된 마이크로 캡슐의 색소가 변화하는 것으로 온도에 의해 반응하는 섬유 (thermochromic fiber) [5]가 대표적이 다. 하지만 색깔을 정보로 하는 센서의 경우 휘도와 같은 외부 환경에 따라 감지되는 정량적 해석에 어려움이 있다. 이에 본연구에서는 기존 온도 센서의 응용 확장 한계 요인으로 지적되는 외부 구동 회로가 필요 없고, 미세한 온도 변화도 감지할 수 있는 온도 센서를 제안하고자 한다.
	열전대 온도센서 (thermocouple) 와 저항 온도계 (thermistor)의 장단점은?	아울러 이런 정보를 감지하는 센서 기술은 점차 고도화, 소형화 되고 있으며, 특히 감지된 정보를 구분하고, 해석하는데 기본이 되는 정보의 시인성은 무엇 보다 중요하다. 기존 온도센서의 경우[1-4] 중 대표적인 열전대 온도센서 (thermocouple) 와 저항 온도계 (thermistor) 의 경우 온도의 변화가 발생하는 특정시점에서 전기적 신호 변화를 감지하여 센서로 구동하게 되는 특징을 가지지만 변화율이 비선형적이고, 전기적 신호를 구동/해석하기 위한 추가적인 구동 회로가 필요한 것이 단점이다. 또한 비접촉식 온도센서의 대표인 적외선 센서는 피사체에서 방사하는 열 복사를 통해 온도를 계측하지만, 기존 접촉식 센서에 비해 정확도에 한계가 있고, 역시 복사열 해석을 위한 추가 요소가 필요한 센서이다.

참고문헌 (11)

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http://www.tsg.ne.jp/TT/software/ (retrieved on Aug. 25, 2016).

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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