The demand for flexible and wearable electronic devices is increasing due to their facile interaction with the human body. Flexible, stretchable and wearable sensors can be easily mounted on clothing or directly attached to the body. Especially, highly stretchable and sensitive strain sensors are needed for the human motion detection. Here, we report highly flexible, stretchable, sensitive strain sensors based on the nanocomposite of silver nanowire network and PDMS elastomer in the form of the sandwich structure (Ag nanowire thin film embedded between two layers of PDMS). Sandwich structure made the Ag nanowire network electromechanically robust due to the complete penetration of PDMS into the 3D network of the Ag nanowire thin film. The Ag nanowire network-elastomer nanocomposite based strain sensors show strong piezoresistivity with tunable gauge factors in the ranges of 2 to 14 and a high stretchability up to 70%. Piezoresistivity of the strain sensor was further investigated by a computational model. Ag nanowires were randomly assigned into the PDMS matrix. Moreover, the connectivity of all pair nanowires was investigated by junction identification and total conductance of the network for different strains was calculated. We found an excellent agreement between our experimental and computational results. The mechanisms of piezoresistivity were explained with proposed computational model. We found that piezoresistivity mechanism for strain sensors with high density Ag nanowires is the reversible disconnection and connection between Ag nanowires by the applied strain. On the other hand, emergence of bottlenecks is the main mechanism of piezoresistivity in the strain sensors with low density Ag nanowires. Finally, we demonstrate the applicability of our high performance strain sensors by fabricating a glove integrated with five strain sensors for the motion detection of fingers and control of an avatar in the virtual environment.
사람의 몸의 움직임을 쉽게 파악할 수 있는 유연하고 착용 가능한 전자기기의 요구가 증가하고 있다. 유연하고, 신축 가능하며 착용 가능한 센서는 쉽게 옷에 장착이 되거나 신체에 직접 부착이 가능하다. 따라서 본 연구에서는 은 나노선과 PDMS의 복합체를 이용해 매우 유연하고, 신축 가능하며, 높은 민감도를 갖는 인장 센서(strain sensor)를 제작하였다. 은 나노선과 PDMS의 복합체는 샌드위치(sandwich) 구조를 가지며 두 PDMS 층 사이에 은 나노선 박막이 있는 형태로 제작되었다. 샌드위치 구조는 은 나노선 박막이 강건한 전기기계적 성질을 갖도록 하는데 그 이유는 3차원으로 구성된 은 나노선들의 연결망 사이로 PDMS가 완전히 채워지기 때문이다. 제작된 인장 센서는 70%까지의 변형이 가능하며 2에서 14까지의 게이지율(gauge factor)을 갖는 매우 큰 압저항(piezoresistivity) 성질을 보인다. 제작된 인장 센서의 압저항 성질을 전산 모델(computational model)을 통해 관찰하였다. PDMS 안에 은 나노선이 무작위로 위치하게 한 뒤, 서로 다른 변형 정도를 가질 때 갖는 나노선끼리의 접촉 상태와 은 나노선 연결망의 전체 전도도(conductance)를 관찰하였다. 본 연구에서는 전산 모델과 실제 실험이 동일한 결과를 가진 것을 확인하다. 또한 센서가 갖는 압저항 성질의 원리를 전산 모델을 통해 규명하였다. 나노선의 밀도가 높은 경우에는 나노선들이 변형에 따라 가역적으로 연결되거나 연결되지 않는 현상에 의해 압저항 성질이 나타났고, 밀도가 낮은 경우에는 병목(bottlenecks)의 발생에 의해 압저항 성질이 나타남을 확인하였다. 마지막으로 제작한 고성능 센서를 손가락의 동작 감지에 응용하였으며, 다섯 개의 인장 센서가 장착된 장갑을 통해 가상 환경 속의 아바타를 조종할 수 있음을 보였다.