The demand for flexible and wearable electronic devices is increasing due to their facile interaction with human body. Stretchable, flexible and wearable sensors could be easily mounted on clothing or directly attached on the body or even buildings and structures. Especially, highly stretchable strain sensors are needed in many different situation requiring various strain. Many requirements are needed to assembly high-performance strain sensors such as sensitivity, stretchability, fabrication cost, and stability. Among them, stretchability and sensitivity is critical values for evaluating strain sensor performance. Recently, there have been numerous efforts to develop flexible, stretchable, and sensitive strain sensors through attaching 2 dimensional conductive thin film on flexible substrate. In these cases, the stretchability and sensitivity can not be realized at once. Moreover, one strain sensor could only cover target conditions. This thesis describes the fabrication of 3 dimensional conductive networks for highly stretchable strain sensor which could be used for wide range strain sensor platform. In particular, the fabrication method of easily removable 3 dimensional template defined by Proximity field nanopatterning (PnP) and conversion of the 3D template into organic materials such as stretchable elastomer. Moreover, we suggest 3 dimensionally percolated conductive networks by infiltration of single-walled carbon nanotubes solution through pores inside and application as highly stretchable and sensitive 3 dimensional strain sensor platform which could cover wide range strain.
인장 센서는 기계적 거동의 변화에 반응하여 전기적 신호의 차이를 보이는 센서이다. 우수한 인장 센서로서의 갖춰야하는 요구조건 중에는 민감성 (Sensitivity), 신축성 (Stretchability), 응답 속도 (Response speed), 안정성 (Stability), 공정 가격 (Fabrication cost), 그리고 공정의 간단성 (Simplicity) 등이 있다. 오늘날, 재활 치료, 개개인 건강 관리, 구조적 모니터링, 스포츠 성과 모니터링, 예능을 위한 인간 동작 캡처, 그리고 질량 측정 등등 잠재력 있고 전도유망한 여러 분야에 걸쳐 인장센서가 활용됨에 따라, 신축성 있으며, 휘고, 예민한 인장 센서 개발 관련 연구가 활발하게 진행되고 있다. 특히, 신축성 있고 예민한 인장 센서는 최근에 각광 활발하게 연구 되고 있는 생체역학, 생리학, 그리고 운동과학 분야에 응용 되기 위해서 반드시 개발되어야 하는 기술 요소이다.
나노 기술이 발전함에 따라 나노기술을 이용한 인장센서 개발이 많이 시도되었는데, 그 중에서도 탄소 나노물질의 우수한 전기적, 기계적 특성을 이용한 연구 결과가 두드러지는 연구 결과를 보였다. 신축성 있는 기판 위에 그래핀 (Graphene)을 올려 매우 예민한 인장 센서로서 활용하였는데, 이 때의 민감성은 상당히 우수하지만 신축성은 인간의 움직임을 아우르지 못하는 매우 낮은 5퍼센트 정도의 수치를 기록하였다. 이에 반해, 탄소 나노 튜브를 2차원 형태로 신축성 있는 기판위에 코팅하여 인장 센서로 활용한 결과, 신축성은 확보하였지만, 높은 신축성에 해당하는 민감성이 매우 낮은 수치를 보였다. 즉, 우수한 신축성과 이에 상응하는 높은 민감성을 갖춰야 우수한 인장센서로서 여러 분야에 응용 될 수 있을 것이다.
본 연구에서는, 쉽게 지워지는 감광성 물질 (Photoresist)를 Proximity field nanoPatterning (PnP) 기술에 적용하여 쉽게 지워지는 3차원 나노구조체를 제작하고, 이를 신축성 있는 물질로 전환을 통하여 인장 센서로서 응용 가능성을 확인 하는 것을 목표로 한다.
감광성 물질은 실제로 3차원 나노구조체가 형상되는 부분으로써 패터닝의 역량을 결정하는 데 있어서 가장 중요한 역할을 한다. PnP 기술을 통하여 제작된 3차원 나노 구조체는 이종의 물질로 치환되는 템플릿 (template)으로서 활용 된다. 기존의 사용되고 있던 감광성 물질 SU-8의 경우, 우수한 구조적 안정성 덕분에 템플릿으로 활용 되었을 때 쉽게 지워지지 않기 때문에 일부 금속 혹은 Oxide 물질로만 치환 될 수 있었다. 치환 가능한 물질의 선택의 폭을 신축성 있는 Organic 물질 까지 넓히기 위해 AZ9260이라는 감광성 물질로 치환하는 시도가 있었는데, AZ9260의 낮은 구조 안정성으로 인해서 기술적인 한계가 있었다. 따라서 본 연구에서 신축성 있는 물질로의 안정적인 치환을 위하여, 쉽게 지워지면서 구조적 안정한 감광성 물질 NR5-6000을 이용하여 PnP기술에 적용 시켜 성공적으로 3차원 나노 구조체 제작을 하였다. NR5-6000을 이용하여 제작된 3차원 나노 구조체를 신축성 있는 고무소재 (PDMS)로 전환하였다. 3차원 나노 구조가 있는 고무소재는 3차원 적으로 존재하는 나노 구조에 의해 기존의 물질이 갖는 고유 인장한계를 뛰어 넘는 높은 신축성을 가지게 된다. 이 3차원 고무소재에 물에 분산된 단일벽 탄소나노튜브 (SWCNT) 를 흘려주게 되어 벽면에 형성된 전도성 네트워크 (Conductive network)를 이용하여 인장센서로서 응용 하고자 한다.
신축성 고무소재 PDMS는 소수성 (Hydrophobic) 특성을 가지며, 이 물질이 나노구조를 가지게 될 경우 극소수성 (Superhydrophobic)을 가지게 된다. 때문에, 물분산된 단일벽 탄소나노튜브를 복잡하게 구성된 3차원 나노구조 벽면에 균일하게 붙이기 위해선 친수성 (Hydrophilic) 있는 벽면으로 전환을 시켜야한다. 이를 위해 UV/Ozone이 노출되었을 때 실리콘 기반의 고무소재 PDMS가 친수성 있는 SiOx형태로 바뀌는 점을 이용하여, 본 실험 조건에 맞는 UV/Ozone 조건을 확립하고 친수성 있는 3차원 나노 고무소재를 제작하였다. 이 후, 균일하게 3차원적으로 형성된 전도성 네트워크를 인장시에 발생하는 전도성 네트워크 변화를 이용하여 인장센서로서 활용하였다.
이렇게 제작한 3차원 구조의 인장 센서는 기존의 보고된 인장센서에 비해, 높은 신축성을 가지며 이에 해당하는 민감성이 우수하다. 또한, 벽면에 붙여주는 SWCNT 양을 조절해 주게 됨에 따라 초기 저항값을 조절할 수 있기 때문에 여러 인장에 맞춰 제작이 가능하다는 장점이 있다. 벽면에 형성된 SWCNT 양이 적을 경우, 초기저항 값이 높고 인장응력이 가해졌을 때 전도성 네트워크가 크게 변하여 저항값이 크게 증가하고, 반대로, SWCNT 양이 많을 경우, 초기저항 값이 낮고 전도성 네트워크가 견고하게 형성되어있기 때문에 큰 인장응력이 가해져야 전기저항이 변하게 된다. 따라서 3차원 고무소재를 이용한 인장 센서는, 응용처에 따라서 높은 인장응력, 중간 인장 응력 그리고 낮은 인장 응력을 목표로 전도성 네트워크를 조절하여 제작이 가능한 플랫폼으로서 활용 할 수 있을 것이다.
