Highly sensitive strain sensors are demonstrated by using the transparent graphite grid. Graphite films were synthesized via chemical vapor deposition using Ni foil and transferred onto target substrate. And the graphite films were patterned simply by reactive ion etching (RIE) with stencil mask. The prepared graphite grid showed excellent optical (84% of opti-cal transmittance at 550 nm wavelength), electrical properties (121 $\Omega / \Box$ of sheet re-sistance) and strain sensing performance (gauge factor of 111 at 0.18% of strain with 10 ms ~ 80 ms of response time). Furthermore, various hand motions were also successfully dis-tinguished by using an array of the graphite grid sensors attached on each finger. Because the stencil mask is reusable and the RIE is well-established technique, we believe that our method can be effective to fabricate the functionalized carbon structures for electronic de-vices including not only graphite but also a number of carbon-based materials.
유연 전자소자의 발전은 사람의 몸에 밀착하여 구동하는 인체부착형 소자에 대한 연구를 촉발시켰다. 인체에 직접 접촉하여 작동하는 지능형 소자들은 건강관리, 질병진단 및 치료 등의 넓은 활용성을 가지고 있다. 이러한 인체부착형 소자들이 인체에 대한 정보를 얻는 경로 중 하나가 바로 부착 부위에서의 물리적인 변형이며, 이러한 변형은 신체 부위에 따라 1% 미만의 미세한 수준으로 나타나는 경우가 많다. 때문에 그 미세한 변형을 감지해 내는 것이 인체부착형 소자의 핵심적인 조건이다. 물리적 변형의 측정은 일반적으로 패턴이 형성된 금속 박막을 이용하는데, 이 방식으로는 미세한 변형을 측정하기 어렵고 측정되는 변형의 방향 역시 제한적이다. 이러한 금속 재질을 대체하기 위해 여러 탄소 물질들이 연구되고 있고, 그 중에서 격자 구조의 그래핀 박막은 0.2% 수준의 미세한 변형까지 감지한 것으로 보고되고 있다. 하지만 그래핀 격자 구조는 비용적/시간적 관점에서 대면적으로 생산하기가 사실상 불가능하며, 때문에 미세한 변형을 측정할 수 있으면서도 저렴하고 간단한 제조 과정을 가지는 물리적 변형 센서는 아직까지 도전적인 과제이다.
본 논문에서는 간단한 패터닝 방법으로 만든 그래파이트 격자를 이용해 고감도의 물리적 변형 감지 센서를 제작한 결과를 보고한다. 그래파이트 격자구조를 만들기 위해서, 먼저 기존의 화학 기상 증착법을 통해 그래파이트 박막을 만든 뒤 이를 유리와 실리콘, 유연성 기판 위에 전사하였다. 이후 금속 재질의 격자 마스크를 올리고 reactive ion etcing (RIE) 공정을 거치는 것만으로 격자 마스크와 동일한 형태의 그래파이트 격자 구조를 얻을 수 있었다. 위의 과정을 통해 만든 그래파이트 격자는 550 nm 파장대의 빛에 대해 약 84%의 투과도를 보였으며 121 $\Omega / \Box$ 의 면저항을 보였다. 이러한 투과도와 면저항은 RIE 공정의 시간에 따라 조절될 수 있었다. 또한 그래파이트 격자로 만든 물리적 변형 감지 센서는 0.18%의 미세한 길이 변화에 대해 약 20%의 전기 저항 변화를 보였으며, 10 ms에서 80 ms 수준의 빠른 변화 감지 속도를 보였다. 또한 손 위에 배열된 다수의 그래파이트 격자를 통해서 손의 각 부분의 변형을 감지하고 이를 통해 서로 다른 손동작들을 성공적으로 구별해낼 수 있었다. 또한 이러한 RIE 공정은 그래파이트 뿐만 아니라 다른 탄소 소재에도 적용될 수 있으므로, 다양한 소재의 구조 제어를 통한 유연 소자를 제작하는 것에 활용될 수 있을 것으로 기대된다.
