[논문]Poly-dimethylsiloxane (PDMS) 기판 위에 형성된 나노구조를 이용한 시각 인장센서의 개발

김건휘; 우현수; 임근배; 안태창

doi:10.5369/jsst.2018.27.6.392

Poly-dimethylsiloxane (PDMS) 기판 위에 형성된 나노구조를 이용한 시각 인장센서의 개발
Development of Optical Strain Sensor with Nanostructures on a Poly-dimethylsiloxane (PDMS) Substrate 원문보기

Journal of sensor science and technology = 센서학회지, v.27 no.6, 2018년, pp.392 - 396

김건휘 (포항공과대학교 기계공학과) , 우현수 (포항공과대학교 기계공학과) , 임근배 (포항공과대학교 기계공학과) , 안태창 (국립안동대학교 기계설계공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

Structural color has many advantages over pigment based color. In recent years, researches are being conducted to apply these advantages to applications such as wearable devices. In this study, strain sensor, a kind of wearable device, was developed using structural color. The use of structural color has the advantage of not using energy and complex measuring equipment to measure strain rate. Wrinkle structure was fabricated on the surface of Poly-dimethylsiloxane (PDMS) and used it as a sensor which color changes according to the applied strain. In addition, a transmittance-changing sensor was developed and fabricated by synthesizing additional glass nanoparticles. Furthermore, a strain sensor was developed that is largely transparent at the target strain and opaque otherwise.

주제어

표/그림 (4)

그림 Fig. 1. (A) A method for producing a PDMS film having a wrinkle structure when stretched. (a) O₂ plasma treatment is performed on the PDMS substrate. (b) A thin SiO₂ thin film is formed on the surface of the PDMS substrate. (c) When strain is applied, wrinkles are formed in a direction parallel to the strain. (B) Photograph of the wrinkle structure observed with an optical microscope. (C) Photograph of the wrinkle structure observed with a scanning electron microscope.
그림 Fig. 2. The optical photograph and colors of a tensile sensor fabricated by wrinkle structure. Depending on the degree of the strain, the size and spacing of the wrinkle structure changes, resulting in a change in structural color.
그림 Fig. 3. The optical photograph of tensile sensor fabricated by wrinkle structure and glass nanoparticles. As the strain is applied, diffuse reflection occurs due to the glass nanoparticle and wrinkle structure, and the transmittance is decreased.
그림 Fig. 4. (A) A method of making a tensile sensor that exhibits the highest transmittance at a particular tensile rate. (B) Scanning electron microscope image of fabricated strain sensor. (C) Photograph of a tensile sensor designed to have the highest transmittance at a tensile rate of 20%.

AI 본문요약
AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

이러한 특징은 인장센서로 활용하기에 정확한 인장률을 계산하기가 힘들다는 단점으로 작용할 수 있다. 따라서 이를 보완하기 위해 투과도의 변화로 인장률을 측정할 수 있는 센서의 제작을 수행하였다. 이를 위해 유리 나노 파티클의 합성을 추가적으로 수행하였으며, 인장이 일어날 때에 빛이 확산되는 원리에 의해 투과도가 떨어지는 현상을 확인할 수 있었다.
보다 효율적인 시각 인장 센서를 개발하기 위해서는 원하는 인장률을 정확히 감지할 수 있어야 한다. 본 연구에서는 특정 인장률에서 기판의 주름이 사라지고 가장 높은 투과도를 가지는 시각 인장센서를 제작하여, 원하는 인장률을 빠르게 감지할 수 있는 시각인장 센서를 제작하였다.
사각형으로 표시한 ‘안동’이라는 글씨 위에 부분만 선택적으로 플라즈마 처리를 통해 주름구조를 형성하도록 하였으며, 이후 모든 영역에 유리 나노 파티클을 코팅하였다. 유리 나노 파티클이 상온의 수용액 상에서 구 형태로 쉽게 합성이 가능하며, 광특성이 좋은 물질이기에 본 연구에 사용하였다. 순차적으로 인장하며 투과도의 변화를 관찰한 결과, 주름구조가 형성되는 ‘안동’ 글씨 위의 투과도만 인장이 진행될수록 떨어지며 글씨가 흐릿하게 보이는 현상을 관찰할 수 있었다.

가설 설정

(a) O₂ plasma treatment is performed on the PDMS substrate. (b) A thin SiO₂ thin film is formed on the surface of the PDMS substrate. (c) When strain is applied, wrinkles are formed in a direction parallel to the strain.

제안 방법

1. A(a) 에서 경화된 PDMS 시편을 플라즈마 장비 (CUTE, FEMTO SCIENCE, Korea) 로 산소 플라즈마 (O₂ plasma) 처리 (100 W, 60 sec) 하였다. Fig.
구조색은 백색 LED 조명을 45° 로 입사시키고 45° 의 반사각으로 나오는 반사광을 관찰하였다 (D7100, Nikon, Japan).
구조색은 백색 LED 조명을 45° 로 입사시키고 45° 의 반사각으로 나오는 반사광을 관찰하였다 (D7100, Nikon, Japan). 또한 투명도를 측정할 때에는 정확히 수직 방향에서 투명도의 변화를 측정하였다. 인장을 가할 때에는 1축 스테이지 2개를 연결하여 제작한 시편을 변형시켰다.
이를 위해 유리 나노 파티클의 합성을 추가적으로 수행하였으며, 인장이 일어날 때에 빛이 확산되는 원리에 의해 투과도가 떨어지는 현상을 확인할 수 있었다. 또한 특정 인장률에서 투과도가 가장 높은 인장센서의 개발도 수행하였다. 전인장을 가한 상황에서 얇은 이산화규소 박막을 형성시키고 그 위에 유리 나노 파티클의 합성을 똑같이 수행하고 나서 인장을 없애 주면 인장률이 0% 에서 투명한 특징을 가지는 앞에서 제작한 인장 센서들과 달리 특정 인장률에서 가장 투과도가 높은 인장 센서의 제작이 가능했다.
인장과 수축 과정에서 주름구조의 크기와 간격이 변하는 것을 이용해 구조색의 변화를 유도하였으며, 각도에 따라 구조색이 민감하게 변하는 현상을 보완하기 위해 유리 나노 파티클을 표면에 코팅하여 투명도를 조절하는 연구도 수행하였다. 또한, 투명도가 가장 수축시켰을 때나 가장 인장시켰을 때 가장 높은 것이 아닌 목표로 하는 특정 인장 정도에서 투명도가 가장 높게 프로그램이 가능하도록 공정개발을 수행하였다.
본 연구에서는 PDMS 위에 나노구조를 형성시켜 구조색을 형성시키고, 이를 인장센서로 활용하였다. 산소 플라즈마 처리를 수행하여 얇은 이산화규소 박막을 표면에 형성시키고, 원래의 PDMS와의 물성차이를 이용해 주름구조가 형성되는 것을 확인하였다.
본 연구에서는, PDMS 위에 단순한 산소 플라즈마 (O₂ plasma) 처리를 하여 경화된 얇은 이산화규소 (SiO₂) 박막을 형성시키고, 이를 이용해 수백 나노 스케일의 주름구조를 형성시켰다. 인장과 수축 과정에서 주름구조의 크기와 간격이 변하는 것을 이용해 구조색의 변화를 유도하였으며, 각도에 따라 구조색이 민감하게 변하는 현상을 보완하기 위해 유리 나노 파티클을 표면에 코팅하여 투명도를 조절하는 연구도 수행하였다.
사각형으로 표시한 ‘안동’이라는 글씨 위에 부분만 선택적으로 플라즈마 처리를 통해 주름구조를 형성하도록 하였으며, 이후 모든 영역에 유리 나노 파티클을 코팅하였다.
2 에서 제작한 구조색 인장센서는 색을 관찰하는위치에 따라 민감하게 색이 변한다는 한계점이 있다. 실제 인장 센서를 사용하는 상황을 가정해 본다면 보는 위치에 따라 일정한 변화가 일어나는 인장센서의 개발이 필수적이기에 본 연구진은 구조색을 나타내는 구조에 추가적으로 투명도를 조절할 수있는 기능성을 부여하는 공정을 수행하였다.
유리 나노 파티클 합성 용액을 제작하는 방법은 다음과 같다. 에탄올 (Ethyl alcohol, anhydrous, 99.9%, SAMCHUN) 용액에 암모니아수 (Ammonia solution, 28.0~30.0%, SAMCHUN) 와 테트라에틸 규산염 (Tetraethyl orthosilicate, TEOS, Sigma-Aldrich) 용액을 각각 10% v/v, 1% v/v 의 비율로 첨가한다. 위에서 제작한 인장된 PDMS 시편을 완성된 유리 나노 파티클 용액에 담근 후 초음파분산조에 넣고 2시간 정도 합성을 진행하여 주름 구조 위에 유리 나노 파티클의 합성을 수행했다.
0%, SAMCHUN) 와 테트라에틸 규산염 (Tetraethyl orthosilicate, TEOS, Sigma-Aldrich) 용액을 각각 10% v/v, 1% v/v 의 비율로 첨가한다. 위에서 제작한 인장된 PDMS 시편을 완성된 유리 나노 파티클 용액에 담근 후 초음파분산조에 넣고 2시간 정도 합성을 진행하여 주름 구조 위에 유리 나노 파티클의 합성을 수행했다.
따라서 이를 보완하기 위해 투과도의 변화로 인장률을 측정할 수 있는 센서의 제작을 수행하였다. 이를 위해 유리 나노 파티클의 합성을 추가적으로 수행하였으며, 인장이 일어날 때에 빛이 확산되는 원리에 의해 투과도가 떨어지는 현상을 확인할 수 있었다. 또한 특정 인장률에서 투과도가 가장 높은 인장센서의 개발도 수행하였다.
) 박막을 형성시키고, 이를 이용해 수백 나노 스케일의 주름구조를 형성시켰다. 인장과 수축 과정에서 주름구조의 크기와 간격이 변하는 것을 이용해 구조색의 변화를 유도하였으며, 각도에 따라 구조색이 민감하게 변하는 현상을 보완하기 위해 유리 나노 파티클을 표면에 코팅하여 투명도를 조절하는 연구도 수행하였다. 또한, 투명도가 가장 수축시켰을 때나 가장 인장시켰을 때 가장 높은 것이 아닌 목표로 하는 특정 인장 정도에서 투명도가 가장 높게 프로그램이 가능하도록 공정개발을 수행하였다.
2 에 나타나 있다. 인장센서에 패턴된 격자무늬의 크기는 1 mm 이며 이를 순차적으로 인장시키며 색의 변화를 관찰하였다. 백색 LED 광을 45° 로 입사시키며 한 지점에서 구조색의 변화를 관찰하였으며 그 결과 인장이 이루어지며 점점 붉은 빛에서 푸른 빛으로 구조색이 변하는 것을 관찰할 수 있었다.
제작한 나노구조는 전자 현미경 (scanning electron microscopy, SEC, Korea) 과 광학 현미경 (MTM-1A, BEL, Italy) 으로 관찰 하였다. 구조색은 백색 LED 조명을 45° 로 입사시키고 45° 의 반사각으로 나오는 반사광을 관찰하였다 (D7100, Nikon, Japan).

대상 데이터

A 에 나타나 있다. 는 상용제품인 SYLGARD 184 (Dow Corning, USA) 를 사용하였다. PDMS 용액을 경화제와 섞은 후 (10:1, v/v) 얇게 도포해 오븐에 넣고 열경화 (60°C, 3h) 시킨다.

성능/효과

C 는 20% 의 전인장을 가하고 제작한 인장센서의 모습이다. 20% 의 전인장을 가하고 공정을 수행하였기 때문에 앞에서 언급한 원리에 따라 이보다 낮은 인장률이 가해진 상황 (0%, 5%, 15%) 과 높은 인장률이 가해진 상황 (30%, 45%) 에서 20% 의 상황에 비해 낮은 투과도를 가지는 것을 확인할 수 있었다. 하지만 20% 의 인장이 가해졌을 때 완전히 투명하지 않은 이유는 제작 과정에서 형성된 가로방향의 크랙들과 (Fig.
백색 LED 광을 45° 로 입사시키며 한 지점에서 구조색의 변화를 관찰하였으며 그 결과 인장이 이루어지며 점점 붉은 빛에서 푸른 빛으로 구조색이 변하는 것을 관찰할 수 있었다.
본 연구에서는 PDMS 위에 나노구조를 형성시켜 구조색을 형성시키고, 이를 인장센서로 활용하였다. 산소 플라즈마 처리를 수행하여 얇은 이산화규소 박막을 표면에 형성시키고, 원래의 PDMS와의 물성차이를 이용해 주름구조가 형성되는 것을 확인하였다. 제작된 주름 구조는 파동의 형태를 가지며, 대략 700 nm 의 파장을 가졌다.
순차적으로 인장하며 투과도의 변화를 관찰한 결과, 주름구조가 형성되는 ‘안동’ 글씨 위의 투과도만 인장이 진행될수록 떨어지며 글씨가 흐릿하게 보이는 현상을 관찰할 수 있었다.
제작된 주름 구조는 파동의 형태를 가지며, 대략 700 nm 의 파장을 가졌다. 인장률을 변화시킴에 따라 가시광선 영역의 다양한 색이 나타나는 것을 확인할 수 있었지만 관찰하는 위치에 따라서도 색이 변하는 현상을 관찰할 수 있었다. 이러한 특징은 인장센서로 활용하기에 정확한 인장률을 계산하기가 힘들다는 단점으로 작용할 수 있다.
또한 특정 인장률에서 투과도가 가장 높은 인장센서의 개발도 수행하였다. 전인장을 가한 상황에서 얇은 이산화규소 박막을 형성시키고 그 위에 유리 나노 파티클의 합성을 똑같이 수행하고 나서 인장을 없애 주면 인장률이 0% 에서 투명한 특징을 가지는 앞에서 제작한 인장 센서들과 달리 특정 인장률에서 가장 투과도가 높은 인장 센서의 제작이 가능했다. 이렇게 제작한 인장센서는 특정 사물 또는 표면에 일체형으로 제작이 가능하며, 전력과 복잡한 측정 장비를 사용하지 않기 때문에 건물, 산업 설비 및 웨어러블 디바이스에 응용이 가능하다.
C 의 전자현미경 사진에서 관찰할 수 있다. 제작된 패턴은 파동의 형태로 가정할 수 있으며, 대략 700 nm 의 파장을 가지며, 마루라고 할 수 있는 위로 튀어나온 주름의 폭은 대략 200 nm 의 폭을 가지고 있는 것을 확인 할 수 있다.
B 는 유리 나노 파티클이 주름구조 위에 형성된 모습을 전자현미경으로 촬영한 사진이다. 합성된 유리 나노 파티클은 150 nm 의 직경을 가지며, 잘 분산되어 합성이 이루어진 것을 확인할 수 있었다. Fig.

후속연구

또한, 복잡하거나 고가의 제작 공정을 거치지 않기에 대량생산이 가능하다는 장점을 가지고 있다. 다만 후속연구를 통해 보다 정확한 주름 구조의 조절과 유리 나노 파티클 합성 조건의 최적화를 통해 인장에 민감하고 명확한 구조색/투과도의 관찰이 가능한 조건 확립에 대한 최적화 연구가 필요하다.
따라서 이러한 새로운 방식의 인장센서의 개발에 응용되는 분야 중 하나는 구조색이다[16]. 앞에서 언급하였듯이 구조색은 나노 스케일의 구조의 크기와 간격에 의해 변화하기 때문에 유연 기판 위에 구조색을 형성시키고, 인장의 범위에 따라 구조색이 민감하게 변하는 인장센서를 개발한다면 많은 사용처가 있을 것으로 예상된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	구조색이란?	나비의 날개, 공작의 깃털, 무지개, 벌레의 색과 같이 많은 자연 환경속의 색들은 그들의 피부나 특정 부분에 형성된 나노구조에 의해 발색되며 이를 구조색이라 한다. 구조색은 색소색에 비해 환경 친화적이며 보다 더 선명한 색을 발색한다는 장점이 있으며, 보는 각도에 따라 색이 달라진다는 특징이 있다[1].
	구조색의 장점은?	나비의 날개, 공작의 깃털, 무지개, 벌레의 색과 같이 많은 자연 환경속의 색들은 그들의 피부나 특정 부분에 형성된 나노구조에 의해 발색되며 이를 구조색이라 한다. 구조색은 색소색에 비해 환경 친화적이며 보다 더 선명한 색을 발색한다는 장점이 있으며, 보는 각도에 따라 색이 달라진다는 특징이 있다[1]. 따라서 최근에는 이러한 특징들을 이용해 페인트, 화장품, 센서, 위조방지 패턴 등에 사용하고자 하는 연구들이 수행되고 있다[2-8].
	정확한 인장률을 계산하기가 힘들다는 단점으로 적용할 수 있는것은?	제작된 주름 구조는 파동의 형태를 가지며, 대략 700 nm 의 파장을 가졌다. 인장률을 변화시킴에 따라 가시광선 영역의 다양한 색이 나타나는 것을 확인할 수 있었지만 관찰하는 위치에 따라서도 색이 변하는 현상을 관찰할 수 있었다. 이러한 특징은 인장센서로 활용하기에 정확한 인장률을 계산하기가 힘들다는 단점으로 작용할 수 있다.

참고문헌 (16)

L. Shang, Z. Gu and Y. Zhao, "Structural color materials in evolution", Materials Today, Vol. 19, No. 6, pp. 420-421, 2011.
J.H. Kim, J.H. Moon, S.-Y. Lee and J. Park, "Biologically inspired humidity sensor based on three-dimensional photonic crystals", Applied Physics Letters, Vol. 97, pp. 103701(1-3), 2010.

상세보기
Y. Zhao, X. Zhao, B. Tang, W. Xu, J. Li, J. Hu and Z. Gu, "Quantum-Dot-Tagged Bioresponsive Hydrogel Suspension Array for Multiplex Label-Free DNA Detection", Adv. Funct. Mater., Vol. 20, No. 6, pp. 976-982, 2010.

상세보기
C. Sonnichsen, B.M. Reinhard, J. Liphardt and A.P. Alivisatos, "A molecular ruler based on plasmon coupling of single gold and silver nanoparticles", Nat. Biotechnol., Vol. 23, pp. 741-745, 2005.

상세보기
A.R. Parker, R.C. McPhedran, D.R. McKenzie, L.C. Botten and N.A. Nicorovici, "Photonic engineering. Aphrodite's iridescence", Nature, Vol. 409, pp. 36-37, 2001.
W.-K. Kuo, H.-P. Weng, J.-J. Hsu and H.H. Yu, "A bioinspired color-changing polystyrene microarray as a rapid qualitative sensor for methanol and ethanol", Materials Chemistry and Physics, Vol. 173, pp. 285-290, 2016.

상세보기
W.-K. Kuo, H.-P. Weng, J.-J. Hsu and H.H. Yu, "Photonic Crystal-Based Sensors for Detecting Alcohol Concentration", Applied Sciences, Vol. 6, No. 3, pp. 67(1-13), 2016.
J.-Y. Shieh, J.-Y. Kuo, H.-P. Weng and H.H. Yu, "Preparation and Evaluation of the Bioinspired PS/PDMS Photochromic Films by the Self-Assembly Dip-Drawing Method", Langmuir, Vol. 29, No. 2, pp. 667-672, 2013.

상세보기
A.E. Seago, P. Brady, J.-P. Vigneron and T.D. Schultz, "Gold bugs and beyond: a review of iridescence and structural colour mechanisms in beetles (Coleoptera)", Journal of Royal Society Interface, Vol. 6, No. 2, pp. S165-S184, 2009.
B.S. Shim, W. Chen, C. Doty, C. Xu and N.A. Kotov, "Smart Electronic Yarns and Wearable Fabrics for Human Biomonitoring made by Carbon Nanotube Coating with Polyelectrolytes", Nano Lett., Vol. 8, No. 12, pp. 4151-4157, 2008.

상세보기
G.H. Kim, T. An and G. Lim, "Fabrication of Optical Switching Patterns with Structural Colored Microfibers", Nanoscale Res. Lett., Vol. 13, pp. 204(1-6), 2018.

상세보기
B. Ding, M. Wang, J. Yu and G. Sun, "Gas Sensors Based on Electrospun Nanofibers", Sensors, Vol. 9, No. 3, pp. 1609-1624, 2009.

상세보기
Z. Zhu, W. Song, K. Burugapalli, F. Moussy, Y.-L. Li and X.-H. Zhong, "Nano-yarn carbon nanotube fiber based enzymatic glucose biosensor", Nanotechnology, Vol. 21, No. 16, pp. 165501(1-10), 2010.

상세보기
T.J. Kang, A. Choi, D.-H. Kim, K. Jin, D.K. Seo, D.H. Jeong, Seong-Hyeon Hong, Y.W. Park and Y.H. Kim, "Electromechanical properties of CNT-coated cotton yarn for electronic textile applications", Smart Mater. Struct., Vol. 20, No. 1, pp. 015004(1-8), 2011.

상세보기
H. Jeon, S. Hong, S. Cho, G. Lim, H. Jeon, S.K. Hong, S.J. Cho and G. Lim, "Development of an Integrated Evaluation System for a Stretchable Strain Sensor", Sensors, Vol. 16, No. 7, pp. 1114(1-8), 2016.

상세보기
S. Shang, Z. Liu, Q. Zhang, H. Wang and Y. Li, "Facile fabrication of a magnetically induced structurally colored fiber and its strain-responsive properties", Journal of Materials Chemistry A, Vol. 3, pp. 11093-11097, 2015.

상세보기

저자의 다른 논문 :

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].

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증