[논문]나노입자 기반의 웨어러블 센서

우호균; 안준혁; 오승주

doi:10.31613/ceramist.2019.22.1.01

나노입자 기반의 웨어러블 센서
Nanoparticle based Wearable Sensor 원문보기

세라미스트 = Ceramist, v.22 no.1, 2019년, pp.4 - 16

우호균 (고려대학교 신소재공학부) , 안준혁 (고려대학교 신소재공학부) , 오승주 (고려대학교 신소재공학부)

Abstract ▼ AI-Helper

Recently, wearable sensors have received considerable attention in a variety of research fields and industries as the importance of wearable healthcare systems, soft robotics and bio-integrated devices increased. However, expensive and complex processes are hindering the commercialization of wearable sensors. Nanoparticle presents some of solutions to these problems as its adjustable for processability and tunable properties. In this paper, the recent development of nanoparticle based pressure and strain sensors was reviewed, and a discussion on their strategies to overcome the conventional limitation and operating principles is presented.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

^5-6) 하지만, 앞선 연구에서 제시된 구조들은 고가의 장비들을 통해 고온, 고압 공정을 거처야 되는 물질적, 비용적 한계가 있었다. 그리하여 본고에서는 나노입자를 이용하여 상온에서도 손쉽게 제작된 미세구조 압력센서를 소개하고자 한다.
앞서 언급한 나노입자의 장점인 고감도 (Sensitivity), 저가형 공정 과정을 이용하면 이러한 문제를 상당량 극복할 수 있다. 그리하여 본고에서는 나노입자의 다양한 특성을 이용하여 단점을 개선한 스트레인 센서들을 소개하고자 한다.
특히, 전자기기들이 웨어러블 및 소형화가 됨에 따라 고감도 웨어러블 센서의 중요성이 부각될 것이다. 본고에서는 기존의 웨어러블 센서에서 가장 큰 문제로 제시되었던 복잡하고 비싼 공정을 나노입자로 해소할 수 있는 방법을 제시하였다. 용액의 나노입자는 상온, 저진공에서 제작이 가능하므로, 기존 센서 공정을 간소화해 비용절감을 할 수 있을 뿐만 아니라 나노입자의 특성을 이용하여 고감도의 조건까지 만족할 수 있어 더 많은 발전 가능성을 지니고 있다.
^2-4) 나노입자는 크기에 따라 특성이 변할 뿐이 아니라, 저온, 저진공 상태의 용액공정으로 제작이 가능하여 기존의 복잡한 공정 과정을 피할 수 있고 유연 기판과의 접목도 용이하다. 본고에서는 용액공정의 나노입자를 이용하여 제작한 웨어러블 센서에 대해 다루고자한다.

제안 방법

6c-d는 은 나노입자 기반에 각기 길이가 다른 리간드를 이용하면 달라지는 저항 변화율을 나타내고 있다. 가장 길이가 긴 리간드 (보라색) 와 가장 짧은 리간드(빨간색)을 비교하여 약 1.4에서 274 까지의 게이지 팩터를 비교, 분석하였다. 가장 긴 리간드가 가장 높은 저항 변화율을 보였고, 반대로 리간드의 길이가 짧은 리간드는 적은 저항 변화율을 보였다.
7에서는 거리가 긴 리간드 (Oleate, MPA, EDT 등)에 둘러싸여 있는 은 나노입자를 감지층으로 두고, 길이가 짧은 리간드(Cl, Br, I, OH 등)에 둘러싸인 은 나노입자는 초기저항이 작아 저항변화에 민감하지 않으므로 전극으로 썼음을 보여준다. 같은 나노입자를 이용하여도 둘러싸고 있는 리간드의 길이에 따라 저항의 변화가 얼마만큼 발생하는지를 비교하여 상황에 맞는 디바이스를 제작할 수 있음을 보여준다.
실리콘과 유리와 같은 딱딱한 기판 위에서는 많은 연구를 통해 최적화된 패터닝 기술이 있지만 PDMS와 같은 유연기판 위에서는 원하는 모양의 패터닝을 하기가 쉽지 않다. 그리하여 프린팅 기술을 이용하여 기판 위에 혼합물을 뿌려서 패터닝을 하였다. 제작된 소자는 Fig.
긴 리간드를 통해 입자간 거리를 늘려서 높은 감지도를 갖는 센서를 제작하였다. 제작된 소자는 Fig.
하지만 나노입자 기반의 더 높은 게이지 팩터를 갖는 소자는 아직 발표된 바가 없다. 더 높은 민감도를 갖는 스트레인 감지 센서를 제작하기 위해 이 논문에서는 금속성을 갖는 나노입자(Au)와 절연성인 물질(CdSe)을 배치하여 전자의 이동을 제어하였다. 이러한 방법을 통해 더 높은 게이지 팩터를 갖게 되었다.
기존의 미세구조는 기둥, 피라미드, 돔 모양 등을 제작 하여 감도를 높이는 데 성공하였지만, 제작 방법이 어려워 저가형 고감도 압력센서를 만드는 데는 어려움이 있었다. 본 연구에서는 타겟 기판의 표면이 고르지 않는다는 특성을 이용하여 은 나노입자 용액 공정의 미세구조 압력 센서를 구현하였다. 본 압력센서는 나노 입자의 리간드에 따라 입자의 전기적 특성이 변하는 점을 이용하여, 나노 입자 분산액을 스핀코팅하고, 리간드 용액을 뿌리는 방식으로 압력센서의 모든 구조를 완성한다(Fig.
19에서는 각 표정에 따른 변화를 관찰하여 입술, 눈썹, 그리고 눈의 양 끝 등 표정에 따라 안면의 근육이 움직이는 곳에 제작한 스트레인 센서를 부착하였다. 부착된 센서는 각각의 움직임을 관찰하고 분석하여 편안함, 행복, 공포, 혐오감 등의 감정을 분류하였다.
16에서는 은 나노입자의 어샘블리를 통한 패터닝을 보여준다. 유연기판인 PDMS에 실리콘 기둥이 패터닝 되어 있는 템플릿을 꽂은 후 은 나노입자를 코팅하였다. 코팅된 은 나노입자는 어샘블(Assemble) 되어 원하는 곡률을 갖는 웨이브(Wave)로 패터닝이 되었다.
카본 나노튜브의 경우, 기계적 특성과 전기적 특성이 모두 좋기 때문에 전도도를 유지하면서도 잘 늘어나는 것으로 알려져 있다. 이러한 장점들을 이용하여 외부 변화에 따른 변성을 감지하면서도 잘 늘어나는 소자 제작하였다.
하지만 높은 감지도를 갖는 것은 동시에 낮은 스트레쳐블(Stretchable) 디바이스가 된다는 것을 야기한다. 이러한 한계를 극복하기 위해본 연구에서는 나노입자와 카본 나노튜브(CNTs)를 혼합 하였다. 카본 나노튜브의 경우, 기계적 특성과 전기적 특성이 모두 좋기 때문에 전도도를 유지하면서도 잘 늘어나는 것으로 알려져 있다.
유연 기판에서의 패터닝에는 기술적 한계와 공정 과정의 복잡함으로 인해 고비용을 초래하여 쉽게 성과를 내지 못하고 있다. 하지만 본 연구에서는 나노입자의 어샘블리(Assembly)를 이용하여 유연소자 위에 패터닝을 하고 적은 공정 과정을 통해 디바이스를 제작하였다.
단순히 리간드의 길이만을 이용하여 센서의 민감도를 제어하는 것은 물질에 대한 연구와 성능 향상의 한계가 존재한다. 하지만 본 연구에서는 한 가지의 리간드와 나노입자만을 이용하여 전도도가 높은 전극을 만들었을 뿐만 아니라 민감도가 높은 스트레인 센서를 제작하였다. Fig.

대상 데이터

고감도의 소재를 이용하여 Fig. 15a와 같이 소자를 제작하였다. 제작된 소자는 Fig.

성능/효과

14b에서는 전도성 물질인 금 나노입자만 사용했을 때와 CdSe 나노입자를 적절히 섞어주었을 때의 저항변화를 나타낸다. 77%의 CdSe가 포함되어 있을 때가 순수한 금 나노입자로만 이루어진 소자보다 약 500배 높은 1000 정도의 게이지팩터를 보였다.
14a에서는 절연체인 CdSe 나노입자의 비중에 따른 저항값을 비교하였다. CdSe 나노입자가 들어갈수록 초기 저항값이 높아지는 것을 이용하여 게이지 팩터를 향상하였다. Fig.
4에서 274 까지의 게이지 팩터를 비교, 분석하였다. 가장 긴 리간드가 가장 높은 저항 변화율을 보였고, 반대로 리간드의 길이가 짧은 리간드는 적은 저항 변화율을 보였다. 이러한 분석 결과는 리간드의 길이가 길수록 스트레인에 따른 저항변화가 커지고, 길이가 짧은 리간드는 저항변화에 둔감한 것을 보여준다.
6a에서는 기판에 변형이 가해짐에 따라 입자간 거리가 달라지게 되어 변화하는 전도도를 I-V curve를 통해 분석하였다. 기판이 구부러지지 않은 상태(검은선)보다 기판에 변형이 발생한 상태(빨간선)가 더 낮은 전도도를 나타내는 것을 확인할 수 있다. Fig.
4a). 실리카 나노입자 미세구조 압력센서의 높은 감도를 이용해서 압력센서를 인공혈관에 부착 하였을 때 혈압을 성공적으로 측정할 수 있었다(Fig. 4b).
가장 긴 리간드가 가장 높은 저항 변화율을 보였고, 반대로 리간드의 길이가 짧은 리간드는 적은 저항 변화율을 보였다. 이러한 분석 결과는 리간드의 길이가 길수록 스트레인에 따른 저항변화가 커지고, 길이가 짧은 리간드는 저항변화에 둔감한 것을 보여준다.
뭉쳐진 상태에서는 금속의 성질을 나타내지만 올레이트 리간드가 남아있을 때는 금속의 성질과 절연성 모두 부분적으로 나타나게 된다. 이를 이용하여 한 가지 물질만을 이용하여 전극과 감지 센서를 만들었을 뿐만 아니라 리간드 치환 과정의 이해를 통해게이지 팩터를 약 334까지 향상하였다.

후속연구

용액의 나노입자는 상온, 저진공에서 제작이 가능하므로, 기존 센서 공정을 간소화해 비용절감을 할 수 있을 뿐만 아니라 나노입자의 특성을 이용하여 고감도의 조건까지 만족할 수 있어 더 많은 발전 가능성을 지니고 있다. 나노입자의 용액공정을 이용한 센서는 추후 더 나아가 전자피부, 다기능 센서 등 더욱 다양한 산업분야에 큰 기여를 할 것으로 기대된다.
사람을 대신해 감지해주는 센서는 사물인터넷 시대에 맞춰 앞으로 더욱더 시장을 확대해 갈 것이다. 특히, 전자기기들이 웨어러블 및 소형화가 됨에 따라 고감도 웨어러블 센서의 중요성이 부각될 것이다.
신축성이 좋은 MWCNTs와 감지도를 높일 수 있는 나노입자를 적절히 섞는다면 스트레쳐블한 스트레인 감지센서를 제작할 수 있을 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	센서 제작에 있어 나노입자가 갖는 장점은?	이러한 문제를 해결하기 위한 방안책으로는 나노입자가 제시되어왔다.2-4) 나노입자는 크기에 따라 특성이 변할 뿐이 아니라, 저온, 저진공 상태의 용액공정으로 제작이 가능하여 기존의 복잡한 공정 과정을 피할 수 있고 유연 기판과의 접목도 용이하다. 본고에서는 용액공정의 나노입자를 이용하여 제작한 웨어러블 센서에 대해 다루고자한다.
	실리카 나노입자 미세구조 압력센서은 어떤 구조로 이루어져 있는가?	3c와 같이 일부 응집이 된 나노입자들은 압력센서의 감도를 높일 수 있는 이상적인 미세 구조의 역할을 하였고, 넓게 분산된 나노입자들은 빈 공간을 만들어 압력센서에 높은 투명도를 부여할 수 있었다. 해당 압력센서는 투명하면서 전도도가 있는 PEDOT: PSS가 상, 하부에 있고, 사이에 실리카 미세구조와 PDMS (Poly(dimethylsiloxane)) 기판으로 되어 있다. 압력이 가해지면 두 전극 사이가 가까워지게 되고 변화하는 정전기의 양으로 압력을 감지할 수 있는 구조이다.
	스트레인 센서는 무슨 센서인가?	스트레인 센서는 측정 대상이 얼마나 변형하는지를 감지 하여 전기적 신호로 변환해주는 센서이다.9-10) 전자기기, 로봇공학, 바이오, 그리고 헬스케어 등에 응용될 수 있는 만큼, 스트레인 센서의 관심이 증가하는 추세이다.

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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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