In this research, we developed a flexible pressure sensor based on carbon nanotube (CNT)-coated porous elastomer structure as a piezoresistive sensing layer.
First, we successfully fabricated the flexible pressure sensor using CNT-coated porous PDMS structure. The porous PDMS was prepared by using porous sugar cube template. After infiltrating CNT-IPA solution into the porous PDMS, CNTs were coated on the surface of micro pores inside the structure. Acid treatment of the CNT-coated porous PDMS was additionally conducted to improve adhesion between CNTs and PDMS. The CNT-coated porous PDMS structure has many interconnected CNT networks on the surface of micro pores, which provide electrical pathways. When the CNT-coated micro pores are closed by external pressure, new electrical pathways are generated with contact between CNT networks, so that the resistance of sensing layer is decreased. We could detect static and dynamic pressures by measuring the change of resistance.
Second, we characterized the sensor performance of the fabricated CNT-coated porous PDMS structure as a flexible pressure sensor. The size of micro pores was distributed in the range of 300-700um and there is no structural instability (horizontal barreling phenomena) until the compression of 70% due to porous mi-crostructure. We observed that two-dimensional (2D) porosity was uniformly distributed throughout the entire volume by using MicroCT method. Also, the three-dimensional (3D) porosity was measured to be approxi-mately 73%.
The sensor could operate on a very wide pressure range from 1kPa to over 1MPa, which contains most of the pressure range from human motion, with favorable sensitivity ($0.021-0.070ka^{-1}$) and sufficient pressure resolution. The sensor showed good electrical and mechanical stability during over 1000 cycles of repetitive compression/release without considerable drift of sensor signal. The sensor also showed as fast response time as that of commercial load-cell and there was no significant hysteresis at loading and unloading stages.
Finally, as an application of developed flexible pressure sensor to the human interfacing device, we demonstrated a flexible piano pad. The rate of increase in resistance of the sensor during compression by human finger was converted into the sound volume, so we could mimic the principle of volume control of real acoustic piano, in which the sound volume is controlled by pressing rate.
본 연구에서는 탄소나노튜브가 코팅된 다공성 탄성중합체를 감지부로 이용한 전기저항식의 유연 압력센서의 개발에 대하여 연구하였다.
먼저, 탄소나노튜브가 코팅된 다공성 탄성중합체를 감지부로 이용한 유연 압력센서를 성공적으로 제작하였다. 다공성 PDMS는 각설탕을 주형으로 이용하여 만들어졌다. 탄소나노튜브-IPA 용액을 다공성 PDMS 내부에 투과시켜, 탄소나노튜브가 구조체 내부의 미세 기공 표면에 코팅이 되도록 하였다. 추가적으로 탄소나노튜브와 PDMS의 접착력을 증가시키기 위해 산처리를 진행하였다. 탄소나노튜브가 코팅된 다공성 탄성중합체 내부의 미세 기공 표면에 코팅된 탄소나노튜브는 서로 연결되어 네트워크를 형성하고 있으며, 전기가 흐를 수 있는 경로를 제공한다. 외부 압력에 의해 미세 기공이 닫히면서, 탄소나노튜브 사이의 접촉이 생겨 새로운 전기 경로가 형성되고, 그로 인해 다공성 감지부의 저항은 감소한다. 이러한 저항의 변화를 통하여 정적 및 동적 압력을 측정할 수 있다.
다음으로, 탄소나노튜브가 코팅된 다공성 탄성중합체의 물질 특성 및 유연 압력센서로서의 센서 성능을 분석하였다. 다공성 감지부 내의 미세 기공의 크기는 300-700um로 분포되어 있으며, 다공성의 구조로 인해 70%의 압축까지 횡단팽창 없이 안정적인 형태로 압축이 가능하다. 마이크로CT 이미징 기법을 이용하여 2차원의 공극률이 재료 내부 전체에 걸쳐 균일하게 분포되어 있음을 확인하였으며, 3차원 공극률은 약 73%로 측정되었다.
센서는 인간 동작에 의한 압력의 대부분의 범위를 포함하는 1kPa-1MPa 의 넓은 범위에서 충분한 민감도($0.021-0.070ka^{-1}$)와 압력분해능을 가지고 작동이 가능하다. 센서는 1000사이클 이상의 반복 압축/복원 시험에서 센서 신호의 드리프트 없이 좋은 전기적, 기계적 안정성 및 신뢰성을 보였다. 또한 센서는 압축/복원 시, 빠른 반응 속도를 보이며, 큰 히스테리시스 없이 작동한다.
마지막으로, 인간상호작용 기기의 개발에 제작된 유연 압력센서를 응용하여, 유연 피아노 패드를 개발하였다. 사람의 손가락으로 센서를 누르면 발생하는 저항 변화의 속도를 볼륨 값으로 산출함으로써, 건반을 누르는 속도에 따라 볼륨이 조절되는 실제 피아노의 원리를 구현하였다.
