Wearable strain sensors that can detect human motions are being spotlighted in various fields such as medical, entertainment, and sports industry. However, conventional strain gauges using stiff materials such as metal thin foil or silicon piezoresistor have limitation in stretchability. Therefore, many researchers have reported several strategies to extend the stretchability. However, most of these previous researches require multi-step and complicated fabrication processes. Also, they have demonstrated the sensing capability of only tensile strains. Therefore, we propose a new stretchable strain sensor that can detect both tensile and compressive strains and its extremely simple fabrication process in this paper. We fabricated a stretchable strain sensor by single-step direct transfer/patterning process, in which silver nanoparticle ink was used as the sensing material. We used micro-structured PDMS substrate as both stamp and target substrate to achieve transfer and patterning of silver nanoparticle thin film at the same time. Transferred silver nanoparticle thin film has many initial cracks induced by annealing process on the PDMS substrate. The working principle of the stretchable strain sensor is the changes in the resistance caused by opening/closure of cracks under mechanical deformation. The stretchable strain sensor can be stretched up to 50% strain with high strain sensitivity and high durability. Also, our stretchable strain sensor is sensitive not only to tensile but also to compressive strain. The maximum gauge factors are 10 for the tensile strain and 13 for the compressive strain. As applications, we demonstrated our stretchable strain sensor as human motion detector and sensitivity-controllable flexible pressure sensor. We developed a motion detection glove, bandage, and wrist guard with integrated strain sensors on the fingers, Adam’s apple, and wrist parts. Using continuous monitoring of the electrical resistance, we conducted real-time and simultaneous detection of the multiple human motions including swallowing, movement of fingers, and movement of wrist. Also, the flexible pressure sensor composed of PDMS thin membrane as the deformable diaphragm and silver nanoparticle thin film patterns as the piezoresistive elements is sensitive to the low pressure regime (< 1kPa) with high response and recovery speeds.
사람의 동작을 감지할 수 있으며 착용이 가능한 스트레인 센서는 의료, 스포츠, 엔터테인먼트 산업과 같은 다양한 분야로의 응용이 가능하여 주목을 받고 있다. 그러나 기존의 상용화된 금속 박막이나 실리콘 피에조 저항체와 같은 딱딱한 재료를 사용하여 제작되는 스트레인 게이지는 신축성에서 한계를 가져 사람 동작 감지로의 활용이 어렵다. 그에 따라 많은 연구자들이 신축성을 향상 시키는 다양한 방법에 대한 연구를 진행하였다. 그러나 대부분의 선행 연구들은 복잡하거나 여러 스텝의 공정과정을 필요로 했으며 인장 스트레인에 대한 민감도만 측정해 놓았다. 따라서 우리는 인장과 압축 스트레인 모두를 측정가능하며 매우 간단하고 저가의 공정을 통하여 제작 가능한 새로운 방식의 신축성 스트레인 센서를 제안한다. 은 나노입자 잉크를 스트레인을 측정하는 물질로 사용하고 단일 스텝 전사/패터닝 공정을 이용하여 신축성 스트레인 센서를 제작하였다. 마이크로 패턴이 있는 PDMS를 스탬프로 사용함과 동시에 은 나노입자 잉크가 전사되는 기판으로 사용하여 전사와 패터닝을 추가적인 공정 없이 동시에 수행하였다. PDMS로 전사된 은 나노입자 박막의 표면에는 공정 과정 중 하나인 열처리 과정에서 발생한 수 많은 마이크로 크랙들이 존재한다. 이 마이크로 크랙들이 가해지는 스트레인에 따라 열리고 닫히면서 저항이 변하는 것이 제안된 신축성 스트레인 센서의 작동 원리이다. 제작된 신축성 스트레인 센서는 50% 이상으로 인장 될 수 있으며 높은 민감도와 높은 내구성을 가진다. 또한 앞서 언급했던 대로 인장 스트레인 뿐만 아니라 압축 스트레인에도 민감도를 가진다. 인장 스트레인에 대한 최대 게이지율은 10으로 측정되었으며, 압축 스트레인에 대한 최대 게이지율은 13으로 측정되었다. 제작된 신축성 스트레인 센서는 사람 동작 감지기와 유연 압력센서로 활용되었다. 제작된 신축성 스트레인 센서를 이용하여 동작 감지 장갑, 동작 감지 손목 보호대, 동작 감지 접착 밴드를 제작하고 이를 손가락, 손목, 목젖 부위에 부착해 동작을 감지가 가능하게 구현하였다. 또한 연속적인 저항 측정이 가능한 다 채널 데이터 처리 장비를 이용하여 여러 손가락의 동시 움직임, 손목의 앞 뒤 젖힘, 침 삼킴과 같은 다양한 동작을 동시에 실시간으로 측정하였다. 그리고 은 나노입자 박막을 피에조 저항체로 활용한 다이어프램 방식의 유연 압력센서를 제작하였다. 제작된 유연 압력센서는 1kPa 이하의 낮은 압력 범위에서 높은 민감도를 가지며 빠른 응답 및 회복 속도를 보임을 확인 하였다.
