In this work, we developed a stretchable strain sensor based on polydimethylsiloxane (PDMS) microdome array structure and carbon nanotube (CNT) film deposited on its surface. The PDMS microdome array structure was prepared by silicon master mold fabrication and replica molding processes. Conventional microfabrication processes such as photolithography, metal deposition and reactive ion etching (RIE) were used to engrave the microdome patterns on the surface of the silicon wafer and the microdome pattern was repeatedly transferred from the silicon master mold to the PDMS by replica molding. Afterwards, CNT film was deposited on the surface of the PDMS microdome structure using spray coating method and 1.2kΩ/sq of sheet resistance was obtained with 2.6μm of the film thickness. Because of a stress concentration caused by microdome structure under a strain, microcracks of CNT film are generated and propagated more easily as compared with the case of CNT film on the plane surface of PDMS. In addition, because the cracks are only positioned among microdomes, the electrical resistance in elongated axis is increased much larger than that in perpendicular direction. As a result of these phenomena, the sensitivity of the sensor can be modulated and biaxial sensitivity can be obtained by adjusting the dimension of microdome arrays. We also conducted the numerical simulation with a modeling of the micro-structured sensor on finite element method (FEM) to verify designed sensing mechanism and predict the performance of the sensor. This work is important for the motion detecting sensor for acquiring useful information from complex signal. Here, we fabricated a smart glove that could detect a biaxial strain applied on the back of a hand skin to demonstrate that this sensor could be applied as wearable device
본 연구에서는 PDMS 마이크로 돔 구조와 그 표면에 CNT 박막 코팅을 이용하여 신축성 인장 센서를 개발하였다. PDMS 마이크로 돔 구조는 실리콘 마스터몰드 제작과 복제 몰딩 과정을 통해 준비하였다. 포토리소그래피, 금속 증착, reactive ion etching(RIE)과 같은 마이크로제작 과정을 이용하여 실리콘 웨이퍼의 표면에 마이크로 돔 구조를 식각하였으며, 몰딩을 이용하여 마이크로 돔 패턴을 PDMS에 전사하였다. 다음으로, CNT 박막을 PDMS 마이크로 돔 표면에 분사 코팅법을 이용하여 도포하였으며 2.6 마이크로미터의 두께에 1.2kohm/sq의 면 저항값을 얻을 수 있었다. 인장이 발생하게 되면 마이크로 돔 구조에 의해서 응력집중이 발생하고, CNT 박막의 마이크로 크랙이 기존의 평면의 PDMS 표면에 있을 때 보다 쉽게 발생하고 전파된다. 더불어 크랙이 마이크로 돔 사이의 공간에만 위치하기 때문에, 인장이 발생되는 축의 저항값이 수직 축에 비해 훨씬 크게 증가한다. 이러한 현상들의 결과로 마이크로 돔 배열의 수치를 달리 함에 따라 센서의 감도가 조절이 가능하고 2 축 감지가 가능한 특성을 얻을 수 있다. 또한 센서 구조를 모델링 하여 finite element method (FEM) 기반의 시뮬레이션을 통해 감지 기구가 구현 되는지 확인함과 동시에 센서의 특성을 예상하였다. 이러한 연구는 동작 감지 센서에 있어서 복잡한 신호들로 부터 필요한 유용한 정보를 얻기위한 중요한 연구이다. 여기서 제작된 센서가 웨어러블 장치로 적용 될 수 있다는 것을 확인하기 위해 손등의 피부에 발생하는 양 축 인장을 동시에 감지할 수 있는 스마트 장갑을 제작하였다.
