[논문]샌드위치 구조를 갖는 은 나노와이어 기반 고감도 저항성 압력 센서

이진영; 김기은; 신동균; 박종운

[국내논문] 샌드위치 구조를 갖는 은 나노와이어 기반 고감도 저항성 압력 센서
Sandwich-structured High-sensitivity Resistive Pressure Sensor based on Silver Nanowire 원문보기

반도체디스플레이기술학회지 = Journal of the semiconductor & display technology, v.17 no.2, 2018년, pp.1 - 5

이진영 (한국기술교육대학교 창의융합공학협동과정) , 김기은 (한국기술교육대학교 창의융합공학협동과정) , 신동균 (한국기술교육대학교 창의융합공학협동과정) , 박종운 (한국기술교육대학교 창의융합공학협동과정)

Abstract ▼ AI-Helper

Elastic resistive pressure sensor is fabricated by a direct spray coating of silver nanowires (AgNWs) on uncured polydimethylsiloxane (PDMS) and an additional coating of a conductive polymer, poly(3,4-ethylenedioxythiophene): poly (styrene sulfonate) (PEDOT:PSS). To improve the sensitive and stability, we have fabricated sandwich-structured AgNW/polymer sensor where two AgNW/polymer-coated PDMS films are laminated with the conducting surfaces contacted by pressure lamination. It shows a resistance decrease upon loading due to the formation of dense network of AgNWs. It is demonstrated that the sandwich-structured AgNW/polymer sensor exhibits very high sensitivity ($2.59kPa^{-1}$) and gauge factor (37.8) in the low pressure regime. It can also detect a subtle placement and removal of a weight as low as 3.4 mg, the corresponding pressure of which is about 5.4 Pa. It is shown that the protrusion of AgNWs from PDMS is suppressed substantially by the over-coated PEDOT:PSS layer, thereby reducing hysteresis and rendering the sensor more stable.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

따라서 저압에서의 감도가 매우 낮으며 압력/해제 사이클 후 저항이 초기값으로 완전히 복구되지 않은 문제점을 보인다. 본 연구에서는 bilayer구조 (AgNW/polymer)를 사용하여 특히 저압 영역에서 민감하고 안정적인 저항성 압력 센서를 제작하였다. 두 개의 AgNW/polymer가 코팅된 PDMS 필름을 합착하여sandwich 구조로 제작함으로써 저압 영역에서 감도가 크게 향상되고 히스테리시스 특성이 개선됨을 입증하였다.
본 연구에서는 저비용의 솔루션 프로세스를 기반으로 이중층(AgNW/polymer) 및 샌드위치 구조에 의해 높은 감도와 안정성을 갖춘 새로운 유형의 저항성 압력 센서를 개발하였다. Sandwich-structured AgNW/polymer sensor는 저압영역에서 안정적인 시간 응답과 높은 감도 (2.

제안 방법

이런 샌드위치 구조에서 두 PDMS 필름은 보호층(encapsulation) 역할을 한다. Fig. 1과 같이 실버 페이스트(silver paste)를 이용하여 리드선을 센서의 각 막에 부착한 후 압력을 가하여 저항의 변화를 측정하였다. 압력을 가하지 않은 sandwich-structured AgNW/polymer 센서의 초기 저항은 1,003 Ω으로 측정되었다.
다음으로 sandwich-structured AgNW/polymer 센서의 장기 안정성을 조사하였다. 이를 위해 1 kPa의 압력에서 시간응답(time response)을 측정하여 Fig.
또한 센서 특성을 나타내는 gauge factor(GF=(ΔR/R0)/ε)를 계산하였다.
마지막으로 sandwich-structured AgNW/polymer 센서의 감지능력 (최소 검출 가능 압력)을 조사하였다. 이를 위하여 35.
마지막으로 건조가 완료된 두 개의 이중층 막을 서로 마주 겹치게 놓은 뒤 20 kPa 정도의 압력에서 합착하여 sandwich-structured AgNW/polymer 센서를 제작하였다. 이렇게 압력을 주는 이유는 두 막들 사이에 존재하는 공기층을 제거하여 센서가 안정적인 동작을 하도록 하기 위함이다.
먼저, IPA 용매에 분산되어 있는 AgNWs(지름: 32 ± 5 nm, 길이: 25 ± 5 μm)를 미경화(uncured) 상태의 PDMS 기판에 스프레이 코팅하였다.
센서의 감도를 정량화 하기 위하여 선형 영역(저압 영역)에서의 기울기(δ(ΔR/R0)/δPr)로 정의되는 센서의 감도를 계산하였다[2].
다음으로 AgNW층의 평탄화를 위하여 100 ℃에서 4분간 부분 건조한 뒤 AgNWs가 코팅된 표면에 평탄한 유리를 붙이고 코팅 면을 아래 방향으로 향한 상태로 80 ℃ 에서 2시간 동안 완전 경화하였다. 완전 경화가 끝난 뒤 평탄한 유리를 떼고 AgNWs가 코팅된 표면에 PEDOT:PSS를 2,000 rpm 속도로 스핀코팅하고 80 ℃에서 20분간 건조하여 이중층 막을 제작하였다.
압력을 가하지 않은 sandwich-structured AgNW/polymer 센서의 초기 저항은 1,003 Ω으로 측정되었다. 인장 및 압축 테스트 장비를 사용하여 센서에 압력을 주고 센서의 특성을 측정하였다.
추가적으로 1,000회의 반복적인 압력(1 kPa)을 가하여 반복 사이클 실험을 진행하였다. Fig.
평탄화 공정을 거친 이중층 막을 기본으로 하여 제작된 sandwich-structured AgNW/polymer 센서의 정적 특성인 감도(sensitivity), 히스테리시스(hysteresis)와 동적 특성인 시간 응답(time response)을 측정/분석하였다. 보통 샌드위치 구조를 갖지 않는 AgNW 단일층 센서의 경우 압력이 가해지면 저항이 증가한다.

성능/효과

추가적으로 1,000회의 반복적인 압력(1 kPa)을 가하여 반복 사이클 실험을 진행하였다. Fig. 5에서 보듯이 1,000회의 압력이 가해진 후에도 sandwich-structured AgNW/polymer 센서는 뚜렷한 저항 변화가 나타나지 않았으며 이를 통해 sandwich-structured AgNW/polymer 센서가 안정적인 응답 특성을 가질 수 있음을 알 수 있다.
본 연구에서는 저비용의 솔루션 프로세스를 기반으로 이중층(AgNW/polymer) 및 샌드위치 구조에 의해 높은 감도와 안정성을 갖춘 새로운 유형의 저항성 압력 센서를 개발하였다. Sandwich-structured AgNW/polymer sensor는 저압영역에서 안정적인 시간 응답과 높은 감도 (2.59 kPa^-1) 특성을 보였다. 또한, 5.
6은 0 kPa에서 20 kPa까지 압력을 가하여 측정한 sandwich-structured AgNW/polymer 센서의 히스테리시스 곡선을 보여준다. Sandwich-structured AgNW/polymer 센서의 초기저항은 압력을 가하고 해제할 때 거의 동일한 값으로 회복하지만 저압 영역에서 히스테리시스가 나타났다. 또한 압력이 가해지는 시간이 빨라질수록 히스테리시스가 커지는 경향을 보였다.
본 연구에서는 bilayer구조 (AgNW/polymer)를 사용하여 특히 저압 영역에서 민감하고 안정적인 저항성 압력 센서를 제작하였다. 두 개의 AgNW/polymer가 코팅된 PDMS 필름을 합착하여sandwich 구조로 제작함으로써 저압 영역에서 감도가 크게 향상되고 히스테리시스 특성이 개선됨을 입증하였다. 또한 감지하기 힘들 정도로 매우 낮은 무게를 가진 물질을 실제 감지할 수 있음을 실험을 통해 검증하였다.
샌드위치 구조의 sensor는 초기 저항이 크고 압력이 가해질 때 AgNW층의 밀도가 높아지기 때문에 높은 감도를 나타낼 수 있었다. 또한 PEDOT:PSS층에 의해 AgNW가 PDMS 표면으로부터 돌출되어 나오는 현상이 억제됨으로써 매우 안정적인 센서를 만들 수 있었다.
두 개의 AgNW/polymer가 코팅된 PDMS 필름을 합착하여sandwich 구조로 제작함으로써 저압 영역에서 감도가 크게 향상되고 히스테리시스 특성이 개선됨을 입증하였다. 또한 감지하기 힘들 정도로 매우 낮은 무게를 가진 물질을 실제 감지할 수 있음을 실험을 통해 검증하였다.
59 kPa^-1) 특성을 보였다. 또한, 5.4 Pa압력에 상응하는 3.4 mg만큼 매우 낮은 무게의 미묘한 배치 및 제거를 신뢰성 있게 감지 할 수 있었다. 샌드위치 구조의 sensor는 초기 저항이 크고 압력이 가해질 때 AgNW층의 밀도가 높아지기 때문에 높은 감도를 나타낼 수 있었다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	Sandwich-structured AgNW/polymer sensor의 특징은?	4 mg만큼 매우 낮은 무게의 미묘한 배치 및 제거를 신뢰성 있게 감지 할 수 있었다. 샌드위치 구조의 sensor는 초기 저항이 크고 압력이 가해질 때 AgNW층의 밀도가 높아지기 때문에 높은 감도를 나타낼 수 있었다. 또한 PEDOT:PSS층에 의해 AgNW가 PDMS 표면으로부터 돌출되어 나오는 현상이 억제됨으로써 매우 안정적인 센서를 만들 수 있었다
	AgNWs의 특징은?	Polydimethylsiloxane (PDMS)를 사용한 신축성 센서들의 경우, 제작 비용을 줄이기 위해 용액 공정을 주로 이용하며 전도성 고분자(conductive polymer), 그래핀(graphene), 탄소 나노튜브(carbon nanotubes CNT), 은 나노와이어(silver nanowires, AgNWs)와 같이 가격이 저렴하고 유연한 소재가 많이 사용된다[3-4]. 이 중 AgNWs는 인장 변형이 가해지면 높은 종횡비를 가지는 나노 와이어가 스스로 인장 변형에 정렬하기 때문에 스트레칭 시 전기적 연결이 쉽게 깨지지 않는 특성을 가져 신축성 센서 연구에 많은 관심을 받아왔다. 최근 용량성 압력 센서(capacitive pressure sensor)의 감도를 향상시키기 위해 AgNWs와 PDMS 혼합 막이 제작되었고 거친 표면을 가진 막이 일반적인 금속 필름을 사용하는 것 보다 3배의감도를 향상시킨다는 것이 입증되었다[2].
	용량성 압력 센서의 장점 및 단점은?	용량성 센서 성능을 예측할 수 있는 설계 툴에 대한 연구도 진행되었다 [5]. 일반적으로 용량성 압력 센서는 높은 감도와 안정성을 보이지만 제작 공정이 복잡하여 제조 비용이 높다[6]. 이와 달리 저항성 압력 센서(resistive pressure sensor)는 구조가 간단하여 제조 비용이 낮다.

참고문헌 (11)

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