In this dissertation, we propose novel flexible pressure sensors based on the mechanical, electrical, and optical characteristics of microporous elastomeric structures. First, we report a flexible and wearable piezocapacitive pressure sensor based on a three-dimensional (3-D) microporous dielectric elastomer, which is capable of highly sensitive and stable pressure sensing over the entire tactile pressure range (~130 kPa) via a facile and cost-effective process. The microporous dielectric elastomer can provide perfectly reversible and elastic compressive behavior while micropores are closed and opened without viscoelastic behavior, which is generally considered as the major cause of hysteresis. Based on the compressive behavior of the microporous structure under external pressure, we successfully achieved outstanding sensor performance with high sensitivity of 0.601/kPa^{-1} at 5 kPa and a wide dynamic range of 0.1 Pa - 130 kPa without a significant reduction in the sensitivity. We have demonstrated that our sensor can be easily utilized as a wearable pressure-sensing device in the form of a pressure-sensing skin for seizing force measurements of robotic fingers and as a bandage-type wrist-pulse-monitoring device. Finally, a sensor array pad was fabricated for the detection of spatially distributed pressures. Second, we report a novel self-powered flexible optical pressure sensor based on a porous elastomer film as a light transmission medium with ultra-high sensitivity and wide dynamic range covering the tactile pressure range. The pore-closing behavior under external pressure and the corresponding change of light transmittance of the microporous elastomer film were investigated. The microporous elastomer film based optical pressure sensor showed highly sensitive and stable performance with the sensitivity of 0.101/kPa^{-1} over the pressure range of 0-150 kPa. Finally, the self-power-generating wearable human motion sensor platform was demonstrated for the detection of flexion/extension motion of a human finger.
본 학위논문에서는 다공성 탄성 구조체의 기계전기적, 광학적 특성을 활용한 새로운 유연 압력센서를 제안한다. 첫째로, 삼차원 다공성 탄성 유전체의 기계전기적 특성을 활용하여 사람의 촉각 압력 범위에 해당하는 넓은 압력 범위에서 고감도로 안정적인 압력 감지가 가능한 정전용량식 유연 압력센서를 개발하였다. 본 다공성 탄성 유전체는 미세 기공이 매질 내에 도입됨에 따라 히스테리시스의 주요 원인으로 여겨지는 점탄성 거동이 없이, 외부 압력에 따른 미세 기공의 개폐 양상이 완벽하게 가역적으로 이루어진다. 본 센서는 미세 압력 영역 (0-5 kPa)에서 매우 높은 감도를 보이며, 0.1 Pa - 130 kPa의 넓은 동적 범위에서도 센서의 감도의 큰 변화 없이 뛰어난 센서 성능을 유지한다. 본 센서를 착용형 소자로 응용하기 위해 로봇 손의 집는 힘을 측정하기 위한 압력 감지 피부와 밴드 형태의 맥박 측정용 소자를 제작하였다. 또한, 단일 압력의 감지 뿐만 아니라 압력 분포 정보를 감지하기 위한 센서 어레이 패드를 제작하여 평면 상의 압력 분포 감지를 시연하였다. 둘째로, 삼차원 다공성 탄성 매질의 기계광학적 특성을 활용하여, 이를 압력 감응 광 투과 매질로 도입하고 유기태양전지와 결합하여 자가발전이 가능한 압력 감지 시스템을 구현하였다. 외부 압력에 따라 다공성 탄성 매질 내부 미세 기공의 개폐 정도로 인해 다공성 탄성 매질을 투과하는 광량이 결정되고, 투과한 광량의 크기에 따라 유기 태양전지에서 생산되는 전력의 크기가 변화함으로써 압력의 크기를 감지할 수 있다. 이러한 자가발전식 압력 센서는 외부 전원의 수반이 필요 없이, 0.2-150 kPa의 촉각 압력 범위에 해당하는 넓은 압력 범위에서 0.101/kPa^{-1}의 고감도를 보이고 전 영역에서 센서 응답 신호가 완벽하게 회복되는 특성을 바탕으로 우수한 압력 감지 성능을 보인다. 이러한 고성능의 압력 감지 기능을 활용하여 손가락의 굽힘과 폄 동작을 감지하기 위한 착용형 소자로 응용하고 외부 광원의 세기에 관계 없이 일정한 동작 감지가 가능함을 시연하였다.
