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문제 정의
- 본 연구에서는 웨어러블 기기, 플렉시블 기기에 장착되어 유연성을 가지면서도 가해지는 힘의 변화를 감지할 수 있도록 유연한 폴리이미드(Polyimide, PI) 기판 위에 유기태양전지의 제작에 사용되는 p형 전도성 고분자 물질인 PEDOT:PSS 잉크를 이용하여, 잉크젯 프린팅 방식으로 유연성 힘 센서를 제작하고, 그 특성을 확인했다.
제안 방법
- 64 µm 두께의 폴리이미드 필름 위에 제작된 힘 센서의 길이 변형에 따른 저항변화를 측정하기 위해 그림 5와 같이 푸시풀 게이지(TRIPOD, SF-200)를 이용하여 1 N에서 100 N까지의 측정범위에서 제작된 힘 센서의 수직방향으로의 힘(force) 인가에 따른 센서 저항변화의 특성을 측정했다.
- 본 연구에서는 유연성을 가진 폴리이미드 필름 위에 인가되는 힘에 따라 저항변화가 발생하는 전도성 고분자 잉크를 잉크젯 프린팅방식을 통해 패턴을 인쇄하여 유연성의 플라스틱 힘 센서를 제작했다. 제작된 힘 센서는 폴리이미드 필름을 기판으로 사용했으며, p형 유기반도체 재료인 PEDOT:PSS를 잉크화하여 감지 패턴을 형성했다.
- 이 결과에 따라, 힘 센서의 제작을 위한 어닐 (anneal)은 200 °C 아래에서 진행되어야 PEDOT:PSS의 특성을 유지할 수 있기 때문에, 본 연구에서 는 150 °C에서 10분간 어닐을 진행하여 힘 센서의 패턴을 형성했다.
- 패턴의 인쇄가 끝나고 나면, anneal을 통해 힘 감지용 패턴 소재를 안정화할 필요가 있다. 이때 anneal을 위한 최적의 온도조건을 위해 사용된 기판 및 감지막 소재의 특성을 분석했다.
- 제작된 기판과 동일한 소재인 폴리이미드 필름을 이용하여 힘 센서의 패턴 위에encapsulation을 진행하여 유연성의 플라스틱 힘 센서를 제작했다.
- 제작된 힘 센서를 유리판(glass plate) 위에 고정하고, 힘 센서의 패턴 위에 푸시풀 게이지의 팁(tip)을 위치시켜서 수직방향으로 힘을 가했을 때 힘 센서 패턴 양단의 저항을 측정했다. 측정된 결과는 그림6과 같이 힘 센서에 가해지는 힘이 증가함에 따라 보호층과 기판에서의 폴리이미드 필름이 늘어나며, 이로 인해 기판 필름 위에 형성된 감지막 패턴의 길이가 증가하면서 센서 양단의 저항이 증가하는 특성을 확인했다.
- 제작된 힘 센서는 폴리이미드 필름을 기판으로 사용했으며, p형 유기반도체 재료인 PEDOT:PSS를 잉크화하여 감지 패턴을 형성했다. 힘 센서에 습도, 가스, 먼지 등과 같은 외부환경과의 격리를 위해 기판과 동일한 소재인 폴리이미드 필름을 이용하여 보호층을 형성하여 플라스틱 힘 센서를 제작했다. 제작된 힘 센서는 수직으로 인가되는 힘의 변화에 따라 99.
대상 데이터
- 본 연구에서는 유연성을 가진 폴리이미드 필름 위에 인가되는 힘에 따라 저항변화가 발생하는 전도성 고분자 잉크를 잉크젯 프린팅방식을 통해 패턴을 인쇄하여 유연성의 플라스틱 힘 센서를 제작했다. 제작된 힘 센서는 폴리이미드 필름을 기판으로 사용했으며, p형 유기반도체 재료인 PEDOT:PSS를 잉크화하여 감지 패턴을 형성했다. 힘 센서에 습도, 가스, 먼지 등과 같은 외부환경과의 격리를 위해 기판과 동일한 소재인 폴리이미드 필름을 이용하여 보호층을 형성하여 플라스틱 힘 센서를 제작했다.
- 측정된 패턴의 선폭은 75 µm이며, 감지 패턴의 두께는 약 0.3 µm로 측정되었다.
- 본 연구에서는 DOD 방식중 piezoelectric 방식의 잉크젯 프린팅을 적용했다. 힘의 감지를 위한 센서 소자 패턴의 잉크 소재는 PEDOT:PSS(Heraeus, CLEVIOSTM PH500), Ethylene glycol과 Ethanol을 혼합하여 제작했고, 잉크젯 프린터(Microfab, Jetlab4)를이용하여 플라스틱 힘 센서를 위한 소자패턴을 인쇄했다.
이론/모형
- 본 연구에서는 DOD 방식중 piezoelectric 방식의 잉크젯 프린팅을 적용했다. 힘의 감지를 위한 센서 소자 패턴의 잉크 소재는 PEDOT:PSS(Heraeus, CLEVIOSTM PH500), Ethylene glycol과 Ethanol을 혼합하여 제작했고, 잉크젯 프린터(Microfab, Jetlab4)를이용하여 플라스틱 힘 센서를 위한 소자패턴을 인쇄했다.
성능/효과
- Encapsulation을 진행하지 않은 상태의 샘플(nonencapsulated)은 약 250 °C에서 질량이 급격히 감소하였으며, encapsulation을 마친 상태의 샘플(encapsulated)은 약 270 °C 에서 질량이 급격히 감소하는 결과를 얻을 수 있었다.
- TGA 분석 결과를 바탕으로, Encapsulation을 진행하지 않은 샘플은 PEDOT:PSS가 노출되어 있는 상태에 있으므로 그림 4(a)에서와 동일하게 250 °C에서 질량이 급격히 감소하는 것을 확인할 수 있었다.
- 측정된 결과는 그림6과 같이 힘 센서에 가해지는 힘이 증가함에 따라 보호층과 기판에서의 폴리이미드 필름이 늘어나며, 이로 인해 기판 필름 위에 형성된 감지막 패턴의 길이가 증가하면서 센서 양단의 저항이 증가하는 특성을 확인했다. 이때 제작된 힘 센서에 가해지는 힘의 변화에 따른 저항변화율(R/R0)은 99.38%의 높은 선형성을 유지하며 0.001% /N의 감도로 변화하는 것을 확인했다. 이때 평균표준편차는 0.
- 힘 센서에 습도, 가스, 먼지 등과 같은 외부환경과의 격리를 위해 기판과 동일한 소재인 폴리이미드 필름을 이용하여 보호층을 형성하여 플라스틱 힘 센서를 제작했다. 제작된 힘 센서는 수직으로 인가되는 힘의 변화에 따라 99.38%의 선형성을 가지고 저항변화율(R/R0)이 약 0.001% / N로 측정되었다. 본 힘 센서는 구부러지고 휘는 모양으로 유 연성은 물론, 간단하고 신속한 제작공정으로 인해 경량화 및 소형화, 저가화가 가능한 장점을 가지고 있어서 산업현장 및 헬스케어 등 다양한 분야에의 적용이 기대된다.
- 제작된 힘 센서를 유리판(glass plate) 위에 고정하고, 힘 센서의 패턴 위에 푸시풀 게이지의 팁(tip)을 위치시켜서 수직방향으로 힘을 가했을 때 힘 센서 패턴 양단의 저항을 측정했다. 측정된 결과는 그림6과 같이 힘 센서에 가해지는 힘이 증가함에 따라 보호층과 기판에서의 폴리이미드 필름이 늘어나며, 이로 인해 기판 필름 위에 형성된 감지막 패턴의 길이가 증가하면서 센서 양단의 저항이 증가하는 특성을 확인했다. 이때 제작된 힘 센서에 가해지는 힘의 변화에 따른 저항변화율(R/R0)은 99.
- 서로 다른 두께(64 µm, 97 µm, 141 µm, 267 µm)를 가진 PI기판 필름에 제작된 힘 센서에의 수직 힘 인가에 따른 저항변화를 확인하여 그림7과 같은 결과를 얻을 수 있었다. 폴리이미드 기판의 두께가 두꺼울수록 수직으로 인가되는 힘에 비례하여 기판 필름의 변형이 커지기때문에, 힘 센서의 저항변화폭도 증가하는 것을 확인했다.
후속연구
- 001% / N로 측정되었다. 본 힘 센서는 구부러지고 휘는 모양으로 유 연성은 물론, 간단하고 신속한 제작공정으로 인해 경량화 및 소형화, 저가화가 가능한 장점을 가지고 있어서 산업현장 및 헬스케어 등 다양한 분야에의 적용이 기대된다.
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