[Research Paper] 대한금속 재료학회지 (Korean J. Met. Mater.), Vol. 56, No. 11 (2018) pp.1-9 DOI: 10.3365/KJMM.2018.56.11.1 신축성금속나노선압저항전극기반로젯스트레인센서 김강현 1 차재경 2 김종만 1,3, * 1 부산대학교나노융합기술학과 2 부산대학교나노메카트로닉스공학과 3 부산대학교나노에너지공학과 Rosette Strain Sensors Based on Stretchable Metal Nanowire Piezoresistive Electrodes Kang-Hyun Kim 1, Jae-Gyeong Cha 2, and Jong-Man Kim 1,3, * 1 Department of Nano Fusion Technology, Pusan National University, Busan 46214, Republic of Korea 2 Department of Nanomechatronics Engineering, Pusan National University, Busan 46214, Republic of Korea 3 Department of Nanoenergy Engineering, Pusan National University, Busan 46214, Republic of Korea Abstract: In this work, we report a delta rosette strain sensor based on highly stretchable silver nanowire (AgNW) percolation piezoresistors. The proposed rosette strain sensorswereeasily prepared by a facile twostep fabrication route. First, three identical AgNWpiezoresistive electrodes were patterned in a simple and precise manneron a donor film using a solution-processed drop-coating of the AgNWsin conjunction with a tape-type shadow mask. The patterned AgNWelectrodes were then entirely transferred to an elastomeric substrate while embedding them in the polymer matrix. The fabricated stretchable AgNWpiezoresistorscould be operated at up to 20% strain without electricalor mechanical failure, showing a imum gauge factor as high as 5.3, low hysteresis, and high linearity (r 2 0.996).Moreover, the sensor responses were also found to be highly stable and reversibleeven under repeated strain loading/unloading for up to 1000 cycles at a imum tensile strain of 20%, mainly due to the mechanical stability of the AgNW/elastomer composites. In addition, both the magnitude and direction of the principal strain could be precisely characterized by configuring three identical AgNWpiezoresistors in a delta rosette form, representing the potential for employing the devices as a multidimensional strain sensor in various practical applications. (Received August 22, 2018; Accepted September 8, 2018) Keywords: rosette strain sensor, siliver nanowire, stretchable piezoresistor, drop-coating, tape-type shadow mask, solution process 1. 서론 스트레인센서 (strain sensor) 는외부에서인가되는힘에따라대상물에발생되는스트레인 ( 변형률 ) 을감지하는소자로최근에는기계적유연성 (flexibility) 및신축성 (stretchability) 을기반으로인체의다양한부위에직접부착되어인체의크고작은움직임을실시간으로감지할수있는형태로개발되고있으며, 차세대개인건강모니터링 (personal health monitoring) 분야의핵심기술로적용하기위한활발한연구가진행되고있다 [1]. *Corresponding Author: Jong-Man Kim [Tel: +82-, E-mail: jongkim@pusan.ac.kr] Copyright c The Korean Institute of Metals and Materials 이러한신축성스트레인센서구현에있어가장중요한요소는외부에서가해지는힘에대해높은스트레인민감도 (sensitivity) 와넓은감지범위 (detection range) 를갖는압저항전극 (pieozoresistive electrode) 을개발하는것이다. 이를위해현재금속나노선 (nanowires, NWs) [2-4], 금속나노입자 (nanoparticles, NPs)[5,6], 탄소나노튜브 (carbon nanotubes, CNTs)[7,8], CNT 시트 (sheet) [9-11], 카본블랙나노입자 (carbon black (CB) NPs) [12,13], 그래핀필름 (graphene films) [14-17], 하이브리드 (hybrid) 구조 [18-22] 등전도성나노물질 (conductive nanomaterials) 기반의압저항전극이활발히개발되고있으며, 신축성기판과의결합을통해다양한형태의신축성스트레인센서가구현되고있다.
2 대한금속 재료학회지제 56 권제 11 호 (2018 년 11 월 ) 전도성나노물질기반신축성압저항전극은일반적으로외력이인가될때전극을구성하는전도성나노물질네트워크 (network) 상에발생되는변형에의해전류통로 (current pathway) 를잃어전기저항 (electrical resistance) 이증가하는동작원리를가지며, 기존금속포일 (metal foil) 기반의스트레인센서에비해민감도와감지범위를동시에개선할수있는장점을갖는다. 하지만현재보고되고있는대부분의신축성스트레인센서는주로단축 (single axis) 방향스트레인을감지하는구조를띄고있어외력을정확히감지하기위해서는스트레인이발생되는축에센서가정렬되어야하므로보다복잡한다축 (multiaxis) 외력을감지하는데는어려움이있다. 이는결국임의의방향과크기의스트레인을발생시키는인체의다양한움직임을정확하게측정하는데있어기술적인한계를드러내고있음을의미한다. 이러한기존단축센서의문제점을극복하기위해복수의단위센서를일정각도로배열하여임의의외력에대해주 (principal) 스트레인의크기와방향을감지할수있는로젯타입 (rosette-type) 신축성스트레인센서를구현하기위한다양한연구가진행되고있다 [7,12,14]. X. Wang 등은컴퓨터제어가가능한분무증착프린팅 (spray deposition printing) 기술을이용하여신축성폴리디메틸실록산 (polydimethylsiloxane, PDMS) 기판상에 CNT 잉크 (ink) 를직접분사하여압저항전극패턴을형성하는방법을통해 3축로젯센서를성공적으로구현하였다 [7]. 하지만이는압저항전극패터닝 (patterning) 을위해복잡한장치가필요하며, 직접인쇄 (direct writing) 방식의특성상비교적긴공정시간이요구되는문제점을갖는다. J.-H Kong 등은소프트리소그패피 (soft-lithography) 기반 PDMS 스탬프 (stamp) 를이용하여전도성 CB/PDMS 복합체 (composite) 잉크패터닝을위한접촉전사프린팅 (contact transfer printing) 기술을제안하였으며, 이를기반으로일회의접촉전사공정을통해 3축로젯스트레인센서를구현하였다 [12]. 하지만이는로젯구조로배열된개별압저항전극들이서로유사한압저항특성을갖기위해서는균일한분포를갖는전도성복합체잉크합성및접촉전사공정조건의최적화가수반되어야하는까다로움을보인다. S.-H. Bae 등은포토리소그래피 (photolithography) 및반응성이온식각 (reactive ion etching) 기술을이용하여그래핀필름을패터닝하는방법을통해투명한 3축로젯스트레인센서를구현하였다 [14]. 하지만이는그래핀필름합성을위한진공 (vacuum) 장비가요구되며, 다단계의그래핀필름패터닝및전사 (transfer) 과정을포함하고있어공정이비교적복잡한문제점을갖는다. 본연구에서는테잎형섀도우마스크 (tape-type shadow mask) 및은나노선 (silver nanowire, AgNW) 드롭코팅 (drop-coating) 공정을결합하여 AgNW 압저항전극을정밀하게패터닝하고신축성기판으로침투전사하는방법을통해신축성로젯스트레인센서를구현하였다. 제작된센서를구성하는 AgNW 압저항전극의세부구조및인장 (stretching) 에따른형상변화를면밀히관찰하였으며, 이를기반으로인장에대한센서의압저항특성을평가 / 분석함으로써다축센서로의활용가능성을검증하였다. 본연구에서제안하는센서구현기술은복잡하고값비싼장비를필요로하지않으며, 간단하고빠른용액공정 (solution process) 을기반으로비교적정밀한압저항전극을형성할수있는장점으로인해기존로젯센서기술의문제점을극복할수있는대안기술로활용될수있을것으로기대된다. 2. 실험방법 2.1 은나노선합성 본연구에서는우수한전기적, 광학적, 기계적특성을갖는 AgNW를압저항전극물질로활용하였으며, AgNW는염화제2구리 (copper(ii) chloride, CuCl 2 ) 매개폴리올 (polyol) 법을기반으로합성하였다 [23]. 합성과정을간단히요약하면다음과같다. 먼저 160 C의온도로 1 시간동안예열된에틸렌글리콜 (ethylene glycol, EG) 10 ml에 4mM CuCl 2 40 µl를넣고 360 rpm의회전속도로교반하면서 15 분동안유지하였다. 각각 10 ml의 EG 에녹인 0.3 M 폴리비닐피롤리돈 (polyvinyl pyrrolidone, PVP) 3 ml와 0.1 M 질산은 (silver nitrate, AgNO 3 ) 3mL를 2 채널시린지펌프 (two-channel syringe pump; Legato 111, KD Scientific) 를이용하여준비된 CuCl 2 /EG 용액에주입한후 1시간동안반응시켰다. 반응과정중에는 160 C의온도와 360 rpm의교반속도를유지하였다. 마지막으로합성된 AgNW를원심분리기 (centrifuge; TD4Z-WS, Nasco Korea) 를이용하여충분히정제한후 5mg/mL의농도로탈이온수 (deionized water) 에분산함으로써압저항전극형성을위한드롭코팅용액을준비하였다. 2.2 센서제작 AgNW 압저항전극을제작하기위해먼저캐드 (computeraided design; CAD) 기반자동플로터 (automatic plotter;
김강현 차재경 김종만 3 Cameo, Silhouette) 를이용하여폴리이미드 (polyimide, PI) 테잎에로젯패턴홀을형성하여섀도우마스크를준비하였다. 그후도너 (donor) 기판으로사용되는 PI 필름에제작된섀도우마스크테잎을밀착하여부착하고, 그위에준비된 AgNW 용액을드롭코팅하였다. 70 C 온도의대류오븐 (convection oven; ON-11E, JEIO TECH) 에샘플을유지하여용매를증발시킨후섀도우마스크테잎을저거함으로써 AgNW 압저항전극을패터닝하였으며, 전극의전기전도도개선을위해 200 C의온도에서 1 시간동안열처리 (thermal annealing) 를수행하였다. 그후, 주제와경화제가 10:1의질량비 (weight ratio) 로혼합된 PDMS 용액을 PI 기판에패터닝된 AgNW 압저항전극상에붓고 70 C의온도에서 1 시간동안경화시켰으며, 경화된 PDMS 기판을 PI 필름으로부터분리하여 AgNW 압저항전극을 PDMS 기판쪽으로침투전사하는과정을통해센서제작을완료하였다. 마지막으로센서성능평가를위해은페이스트 (silver paste) 를이용하여센서의압저항전극에전선 (electric wire) 을연결한후 PDMS 보호층 (protection layer) 를코팅하였다. 2.3 형상관찰및센서성능평가 제작된압저항전극의형상, 내부 AgNW 네트워크구조및인장에따른전극의표면형상변화는전자주사현미경 (scanning electron microscope, SEM; SNE-3200M, SEC) 과광학현미경 (optical microscope, OM; BX60M, Olympus) 을이용하여관찰하였다. 센서의스트레인감지성능평가를위해제작된센서를컴퓨터제어전동스테이지 (motorized stage; JSV-H100, JISC) 의지그 (Jig) 에연결하여 2 mm/min의속도로인장하 였으며, 이와동시에압저항전극양단에연결된디지털멀티미터 (digital multimeter; 34465A, Keysight Technologies) 를이용하여인장대비저항변화를실시간으로관찰하였다. 3. 결과및고찰 그림 1(a) 는폴리올법을이용하여합성된 AgNW의 SEM 분석결과를보여준다. 그림 1(b) 는그림 1(a) 의 SEM 분석결과를바탕으로측정된 AgNW의길이 (length) 와직경 (diameter) 의분포를나타낸다. 측정은입자형상을제외하고무작위로선택된 500 개의 AgNW에대해서진행되었다. 그림 1(b) 에서볼수있는바와같이합성된 AgNW의길이의경우측정대상의 88.6% 가 10~25 μm 내에, 직경의경우 78% 가 0.2~0.6 μm 내에분포함을볼수있다. 또한, 합성된 AgNW의평균길이와직경은각각약 17.8 µm와 0.51 µm를보여약 35의비교적높은종횡비 (aspect ratio) 를갖는것으로확인되었다. 그림 2(a) 는본연구에서제안하는신축성로젯스트레인센서의제작과정모식도를보여주며, 전체공정과정이매우간단한특징을나타낸다. 드롭코팅기술은간단하고빠른공정측면에서의장점으로인해전도성나노물질필름을형성하는데있어가장유용한방법중하나이다. 하지만섀도우마스크를이용하여전극패턴을형성할때, 섀도우마스크와기판이밀착되지못하면코팅용액이패턴경계면을통해마스크아래로스며들어정밀한전극형상을얻기어려운문제점이있다. 따라서본연구에서는테잎형섀도우마스크를적용하여이러한문제점을해결하고자하였다. PI 테잎의접착층 (adhesion layer) 에 Fig. 1. AgNWs synthesized via a CuCl 2 -mediated polyol process: (a) top-view SEM image of the synthesized AgNWs, scale bar: 10 µm, and (b) length and diameter distribution of the synthesized AgNWs (500 AgNWsmeasured).
4 대한금속 재료학회지 제56권 제11호 (2018년 11월) Fig. 2. Fabrication of the stretchable AgNW rosette strain sensor: (a) schematic illustration of the fabrication process, (b) pattern widths measured on the shadow mask and patterned AgNWstrips (inset: digital images of the shadow mask and patterned AgNW strip, scale bar: 500 µm), and digital images of (c) the AgNWpiezoresistors patterned on the donor PI film in a rosette configuration(inset: CAD drawing of the rosette strain sensor, scale bar: 20 mm) and (d) the fabricated AgNW rosette strain sensor, scale bars: 20 mm. 의해 코팅 대상 기판과의 밀착 접합이 가능하므로 드롭 공 공정을 단순화하면서 비교적 정밀한 전도성 나노물질 패턴 정 시 코팅 용액이 기판 상에 퍼지는 현상을 효과적으로 방지할 수 있다. 그림 2(b)는 상기 방법을 통해 제작된 스 을 형성할 수 있음을 의미한다. 그림 2(c)는 테입형 섀도우 마스크 기반 드롭 코팅 공정 트립 (strip) 형상의 AgNW 전도체 폭 (width)을 측정하고, 을 바탕으로 PI 필름 상에 패터닝된 AgNW 압저항 전극 섀도우 마스크 상의 패턴 폭과 비교한 결과를 보여준다. 의 디지털 이미지를 보여준다. 3개의 단위 압저항 전극이 이 때, 서로 다른 홀 패턴 폭을 갖는 섀도우 마스크를 이 120 의 등 각도로 배열되어 로젯 구성을 이루고 있으며, 용하여 4가지 모델 (model)의 AgNW 스트립을 패터닝하 inset의 설계된 섀도우 마스크 캐드 도면을 따라 안정적으 였다. 그림 2(b)에서 볼 수 있는 바와 같이 패터닝된 로 패터닝되었음을 볼 수 있다. 또한, 그림 2(d)에서 볼 AgNW 스트립은 모델에 관계없이 섀도우 마스크 상의 홀 수 있는 바와 같이 3개의 압저항 전극은 최초 패터닝된 패턴 보다 다소 작은 폭을 보였는데, 이는 드롭 코팅을 하 형상을 유지하면서 PDMS 기판으로 전사되어 안정적인 로 는 과정에서 AgNW 용액이 장력 (tension)의 영향으로 섀 젯 스트레인 센서가 제작되었음을 확인할 수 있었다. 이는 도우 마스크 홀 패턴의 가장자리 (edge) 영역까지 완벽히 본 연구에서 도너 필름으로 사용된 PI가 갖는 낮은 표면 채우지 못한 결과로 사료된다. 하지만 섀도우 마스크에 형 에너지 (surface energy)로 인해 AgNW 패턴과의 접착력 성된 홀 패턴의 폭과 이를 이용하여 기판 상에 제작된 AgNW 스트립의 폭은 최대 5.8% 이하의 작은 편차를 보 이 좋지 못한 특성에 기인한다. 마지막으로 센서 성능 평 가를 위한 전선 연결 후 PDMS 보호층을 코팅하였다. 임을 확인할 수 있었으며, 이는 본 연구에서 적용한 테잎 PDMS 보호층은 일차적으로 압저항 전극을 외부 환경으로 형 섀도우 마스크 및 드롭 코팅 방법의 결합을 통해 센서 부터 보호하며, 은 페이스트로 연결된 전선들을 고정하여
김강현 차재경 김종만 5 Fig. 3. Fabrication results of the unit AgNWstrain sensor: (a) digital image of the fabricated sensor, scale bar: 20 mm, (b) top-view SEM image of the patterned AgNWpiezoresistor, scale bar: 50 µm, and (c) magnified SEM image of the AgNW/PDMS composite, scale bar: 10 µm. Fig. 4. Stretchable AgNW strain sensor under tensile strain: (a) sequential digital images of the sensor under tensile strain applied up to 20% at a step of 10%, scale bars: 10 mm and (b) the corresponding OM images of the AgNW network marked in (a), showing the straindependent morphological changes, scale bars: 25 µm. 센서 동작의 안정성을 확보할 수 있도록 한다. 또한, 저항 전극은 약 5.6 Ω의 낮은 평균 초기 저항 값을 보였 AgNW 압저항 전극이 신축성 기판 물질 사이에 위치하는 샌드위치 (sandwich) 구조를 구현함으로써 반복 구동에 따 다. 특히, 고밀도 AgNW 네트워크 전극이 PDMS 기판의 표면 영역 내부에 안정적으로 침투되어 AgNW/PDMS 복 라 압저항 전극 상에 연속적인 주름 (wrinkle) 형상의 발 합체를 형성하고 있음을 확인할 수 있는데, 이는 제작된 생을 막아주는 역할을 한다. AgNW 압저항 전극이 외력에 대한 높은 기계적인 안정성 그림 3(a)는 제작된 AgNW 압저항 전극 기반 스트레인 을 가질 수 있음을 의미한다. 센서의 디지털 이미지를 나타내며, 기계적으로 유연한 특 AgNW 압저항 전극은 외부에서 가해지는 힘에 대해 전 성을 보여준다. 그림 3(b)는 제작된 AgNW 압저항 전극의 극을 이루는 AgNW 간 접촉 점점을 점진적으로 잃어 전 표면 형상을 관찰한 SEM 측정 결과를 보여주며, 압저항 류 통로가 줄어들게 되고, 결국 이에 따라 전극의 저항이 전극은 가장자리 부분에 경계의 모호함이 없이 비교적 정 점차적으로 증가하는 원리로 압저항성 (piezoresistivity)을 밀하게 패터닝되었음을 알 수 있다. 그림 3(c)는 압저항 띄게 된다. 이를 검증하기 위해 제작된 압저항 전극을 점 전극의 확대 SEM 이미지를 나타내며, 고밀도 (high 진적으로 인장하면서 AgNW의 네트워크 형상 변화를 관 density)의 AgNW가 서로 수많은 접촉 접점 (contact 찰하였다. 그림 4(a)는 10% 간격으로 20%까지 인가된 스 junction)을 유지하면서 전자의 이동을 위한 통로를 형성하 트레인에 대한 압저항 전극의 구조 변화를 나타내는 디지 털 이미지이며, 이에 따른 AgNW 네트워크의 형상 변화는 고 있음을 확인할 수 있다. 이러한 결과로 제작된 단위 압
6 대한금속 재료학회지 제56권 제11호 (2018년 11월) Fig. 5. Strain sensing performance of the unit AgNWstrain sensor: ΔR/R0 curves of the device (a) upon stretching to 20%, (b) upon release to 0%, and (c) in response to 10 cycles of continuous strain loading and unloading at a imum strain of 20%, (d) long-term performance stability under 1000 stretching cycles at 20% strain, and (e) GF and (f) r2 values calculated from waveforms obtained every 100 stretching cycles in (d). 그림 4(b)의 OM 이미지에서 확인할 수 있다. 초기 고밀 도 AgNW 네트워크는 인가되는 스트레인이 증가함에 따 그림 5(a) 그래프를 기반으로 선형 피팅 (linear fitting)을 통해 기울기를 계산한 결과 제작된 센서의 GF 는 20%의 라 점차 성겨지며, 20% 인장 시 AgNW 네트워크 상에 인장 범위에 대해서 약 5.3임을 확인할 수 있다. 또한, 제 무작위의 공동 (void) 형상이 형성됨을 관찰할 수 있었다. 작된 센서의 응답 특성이 우수한 선형성 (linearity, r2 이는 외부에서 인가되는 스트레인에 따라 AgNW 번들 0.996)을 나타냄을 확인할 수 있었는데, 이는 PDMS 매트 (bundle) 간 간격이 멀어짐을 의미하며, 결국 이에 따라 전 릭스 (matrix) 내에 견고하게 침투된 압저항 전극의 구조 극의 저항은 점차 증가하게 됨을 예측할 수 있다. 또한, 적 안정성으로 인해 20%까지의 인장에 대해 AgNW 네트 인가된 스트레인을 모두 제거했을 때 네트워크 형상은 초 워크에 비선형적인 극심한 변형이 발생되지 않기 때문인 기의 고밀도 상태로 회복됨을 확인할 수 있는데, 이는 것으로 판단된다. 기존에 산업적으로 가장 활발히 사용되 AgNW 사이의 빈 공간을 채운 PDMS의 탄성에 의한 복 고 있는 금속 포일 기반 스트레인 센서의 GF와 신축성이 원 (restoration) 특성의 결과로 사료되며, 센서가 특성의 각각 약 2와 5% 정도로 제한되는 것을 감안할 때 [4], 가역성 (reversibility)을 가질 수 있음을 의미한다. 본 연구에서 구현한 AgNW 압저항 센서는 개선된 민감도 그림 5(a)는 20%까지 가해지는 스트레인의 증가 따른 AgNW 압저항 센서의 저항 변화 특성을 나타낸다. 외부에 와 스트레인 감지 범위 특성을 보임과 동시에 우수한 선형 성을 확보할 수 있어 높은 응용성을 가짐을 알 수 있다. 서 인가한 스트레인이 증가함에 따라 센서의 저항이 점진 그림 5(b)는 인가된 스트레인을 점차 줄일 경우 측정된 적으로 증가하는 것을 확인할 수 있으며, 이는 그림 4(b) 스트레인 대비 센서의 저항 변화를 나타낸다. 그림 5(b)에 에서 확인한 바와 같이 외력 인가에 의해 AgNW 네트워크 서 확인할 수 있는 바와 같이 게스트레인 증가 시의 경향 내 AgNW 간 접촉하는 접점의 수가 점진적으로 감소하기 과 큰 편차를 나타내지 않아 비교적 낮은 이력 특성 때문이다. 압저항 스트레인 센서의 민감도 (sensitivity)는 게 (hysteresis)을 보임을 확인할 수 있다. 이는 PDMS 매트릭 이지율 (gauge factor, GF = ΔR/ R0 )로 평가될 수 있 스 내에 견고하게 속박되어 있어 AgNW 네트워크의 형태 으며, 이는 그림 5(a) 그래프의 기울기 (slope)를 의미한다. 학적인 변화 (morphological change)가 주로 외력의 인가
김강현 차재경 김종만 7 Fig. 6. Stretchable AgNW rosette strain sensor: (a) schematic illustration of the rosette strain sensor configuration, (b) digital images of the device in the initial and 20%-stretched (along the x-axis) states scale bars: 20 mm, and (c) ΔR/R 0 curves of the three identical AgNWpiezoresistorswhen the device was stretched to 20% along the x-axis. 및제거에따른 PDMS의물리적인거동에의존하여결정되기때문인것으로판단된다. 외부에서인가된스트레인이완벽히제거되었을때센서의복귀저항은초기상태대비약 8.9% 증가한경향을볼수있었는데, 이는기판으로적용된 PDMS의점탄성 (viscoelastic) 성질에기인한것으로판단된다 [12]. 하지만외력제거후일정시간이지날경우센서는초기특성으로복귀됨을확인할수있었는데, 이는센서의응답특성이비교적가역적임을의미한다. 이는그림 4(b) 에서확인한바와같이외부에서인가된스트레인이완벽히제거되었을때 AgNW 네트워크형상이초기상태로복원된결과와일치하는경향이다. 이러한이유로그림 5(c) 에서확인할수있는바와같이제작된 AgNW 센서는수차례의반복적인스트레인의인가 (20%) 및제거에대해서도비교적안정적이고가역적인응답특성을보이는것으로사료된다. 실제적인응용의관점에서볼때, 우수한민감도및넓은감지범위와더불어장기적인동작의안정성 (longterm stability) 또한신축성센서가만족시켜야하는중요한요구조건이다. 이를확인하기위해본연구에서는제작된 AgNW 압저항센서에최대 20% 의스트레인을 1000 회반복적으로인가 / 제거하면서그응답특성을관찰하였다. 그림 5(d) 는 1000회의반복구동중 100회마다측정된센서의응답특성을나타내며, 각파형이큰편차없이서로겹쳐짐을볼수있다. 그림 5(e) 와 5(f) 는각각그림 5(d) 의결과를기반으로선형피팅을통해계산된기울기 (GF) 와 r 2 값을나타낸다. 100회구동후마다측정된 GF는반복구동에따라단조 (monotonic) 증가및감소의경향을나타내지않았으며 ( 그림 5(e)), 각파형의 r 2 값또한초기상태값대비큰편차를나타내지않음을 확인할수있다 ( 그림 5(f)). 이는반복구동환경하에서도제작된센서의응답특성이비교적우수한안정성및선형성을유지할수있음을의미하며, AgNW/PDMS 복합체의구조적인안정성에기인하는결과라고볼수있다. 그림 6(a) 는주스트레인의방향을나타내는로젯센서 구성의모식도이다. 여기서 와 min 은각각최대및최소주스트레인을의미한다. 각각 S 1, S 2 및 S 3 로표기된 3개의동일한단위 AgNW 센서가 120 의교차각도를가지고배열되며, 각단위센서의스트레인값은 S 1, S 2 및 S 3 에대해각각 1, 2 및 3 로표기하였다. 로젯구성내기준센서 (S 1 ) 가주스트레인의방향에대해 θ의각도에맞춰져있다고가정하면, 1, 2 및 3 는모어원 (Mohr s circle) 으로알려진스트레인변환관계에의해서아래식과같이, min 및 θ에대해서정리할수있다 [7,12,14]. + min 1 --------------------- = + --------------------- min cos2θ 2 2 + min 2 --------------------- = + --------------------- min cos2( θ + 60 o ) 2 2 min 3 --------------------- = + --------------------- min cos2( θ + 120 o ) 2 2 여기서 1, 2 및 3 는실험적으로결정될수있는값이므로상기식 (1) (3) 을다시정리하면, 아래식과같이, min 및 θ를 1, 2 및 3 에대해서나타낼수있다. + 1 + 2 3 2 = ---------------------- + ------ ( 3 3 1 2 ) 2 + ( 2 3 ) 2 +( 3 1 ) 2 + 1 + 2 3 2 min = ---------------------- ------ ( 3 3 1 2 ) 2 + ( 2 3 ) 2 +( 3 1 ) 2 (1) (2) (3) (4) (5)
8 대한금속 재료학회지제 56 권제 11 호 (2018 년 11 월 ) 1 θ = -- tan 2 1 3( 2 3 ) ------------------------- 2 1 2 3 식 (4) (6) 을이용하면임의의외력에대해주스트레인의크기와방향을동시에알아낼수있게된다. 그림 6(b) 는초기및 S 1 이배열된방향으로 20% 의스트레인이인가된경우 AgNW 로젯센서의디지털이미지를보여준다. x축방향으로 20% 스트레인이인가될때, x 축에배열된 S 1 의경우구불구불한 (serpentine) 구조가길이방향으로늘어나는형태의변형이발생되며, 동시에 S 2 와 S 3 의경우구불구불한구조가펼쳐지는형상을나타냄을확인할수있다. 그림 6(c) 는그림 6(b) 의외부스트레인인가조건하에측정된각단위 AgNW 센서의저항변화율을나타낸다. 그림 6(b) 에서확인한바와같이 x축방향으로인가된스트레인에대해서 S 1 이가장큰저항변화율을보였으며, 이는센서구조가길이방향으로늘어나면서내부 AgNW 네트워크에비교적큰변형을유도했기때문인것으로판단된다. 반면, S 2 와 S 3 의경우외력이인가된축에대해 120 의교차각도를가져구불구불한센서구조가펼쳐지는변형을겪게되므로내부 AgNW 네트워크의형상변화는상대적으로적게되고, 결국동일한크기의외력에대해서도 S 1 에비해미미한저항변화율을나타낸다. 또한, S 2 와 S 3 은외부스트레인이인가된축에대해대칭적으로위치하므로서로유사한응답특성을보임을확인할수있다. 외부에서 20% 의스트레인이인가된경우그림 6(c) 의측정결과로부터얻어진 1, 2 및 3 는각각 18.9%, 2.4% 및 2.6% 였다. 이렇게실험적으로얻어진 1, 2 및 3 의값을식 (4) (6) 에대입하여계산된, min 및 θ는각각약 18.9%, 3% 및 0.007 였다. 계산된 및 θ 는실제외부에서인가된스트레인크기 (20%) 및방향 (0 ) 과큰오차없이잘들어맞는결과를보였다. 이는본연구에서제안하는 AgNW 로젯스트레인센서가임의의외력에대해주스트레인과방향을정확하게감지할수있음을의미하며, 향후다양한응용분야에서다축센서로의활용가능성이높을것으로기대된다. 4. 결론 본연구에서는 AgNW 압저항전극을이용한신축성로젯스트레인센서를제안하였다. 테잎형섀도우마스크및드롭코팅기술을결합한용액공정을기반으로 AgNW 네트워크전극을비교적정밀하게패터닝할수있었으며, (6) 이를신축성기판에침투전사시키는간단한과정을통해신축성로젯센서를성공적으로구현하였다. 형상관찰결과 AgNW 네트워크가폴리머매트릭스내에안정적으로형성되었음을확인하였다. 제작된 AgNW 압저항전극은비교적높은민감도 (GF > 5), 넓은감지범위 (20%), 낮은이력특성및높은선형성등우수한성능을나타냈으며, 1000 회의반복적인인장-이완에대해서도안정적이고가역적인압저항특성을보였다. 또한, 3개의동일한 AgNW 압저항전극을 120 간격으로배열한로젯센서를기반으로주스트레인의크기와방향을비교적정밀하게측정할수있었다. 이는특정한하나의축에대해서만스트레인감지가가능한단일축센서의한계를극복한결과이며, 간단하고정밀한제작공정의특성상본연구에서제안하는신축성로젯스트레인센서는향후스마트헬스케어 (smart healthcare) 분야의핵심기술로활용될수있는가능성이충분하다고판단된다. 감사의글 이논문은부산대학교기본연구지원사업 (2년) 에의하여연구되었음. REFERENCES 1. M. Amjadi, K.-U. Kyung, I. Park, and M. Sitti, Adv. Funct. Mater. 26, 1678 (2016). 2. C.-J. Lee, K. H. Park, C. J. Han, M. S. Oh, B. You, Y.-S. Kim, and J.-W. Kim, Sci. Rep. 7, 7959 (2017). 3. J. H. Cho, S.-H. Ha, and J.-M. Kim, Nanotechnology 29, 155501 (2018). 4. S. Gong, D. T. H. Lai, B. Su, K. J. Si, Z. Ma, L. W. Yap, P. Guo, and W. Cheng, Adv. Electron. Mater. 1, 1400063 (2015). 5. J. Lee, S. Kim, J. Lee, D. Yang, B. C. Park, S. Ryu, and I. Park, Nanoscale 6, 11932 (2014). 6. I. You, B. Kim, J. Park, K. Koh, S. Shin, S. Jung, and U. Jeong, Adv. Mater. 28, 6359 (2016). 7. X. Wang, J. Li, H. Song, H. Huang, and J. Gou, ACS Appl. Mater. Interfaces 10, 7371 (2018). 8. J. Zhou, H. Yu, X. Xu, F. Han, and G. Lubineau, ACS Appl. Mater. Interfaces 9, 4835 (2017). 9. Y. Yu, Y. Luo, A. Guo, L. Yan, Y. Wu, K. Jiang, Q. Li, S. Fan, and J. Wang, Nanoscale 9, 6716 (2017). 10. T. Yamada, Y. Hayamizu, Y. Yamamoto, Y. Yomogida, A. Izadi-Najafabadi, D. N. Futaba, and K. Hata, Nat.
김강현 차재경 김종만 9 Nanotechnol. 6, 296 (2011). 11. S. Ryu, P. Lee, J. B. Chou, R. Xu, R. Zhao, A. J. Hart, and S.-G. Kim, ACS Nano 9, 5929 (2015) 12. J.-H. Kong, N.-S. Jang, S.-H. Kim, and J.-M. Kim, Carbon 77, 199 (2014). 13. J. Shintake, E. Piskarev, S. H. Jeong, and D. Floreano, Adv. Mater. Technol. 3, 1700284 (2018). 14. S.-H. Bae, Y. Lee, B. K. Sharma, H.-J. Lee, J.-H. Kim, and J.-H. Ahn, Carbon 51, 236 (2013). 15. X. Li, T. Yang, Y. Yang, J. Zhu, L. Li, F. E. Alam, X. Li, K. Wang, H. Cheng, C.-T. Lin, Y. Fang, and H. Zhu, Adv. Funct. Mater. 26, 1322 (2016). 16. X. Li, R. Zhang, W. Yu, K. Wang, J. Wei, D. Wu, A. Cao, Z. Li, Y. Cheng, Q. Zheng, R. S. Ruoff, and H. Zhu, Sci. Rep. 2, 870 (2012). 17. S. W. Lee, J. J. Park, B. H. Park, S. C. Mun, Y. T. Park, K. Liao, T. S. Seo, W. J. Hyun, and O O. Park, ACS Appl. Mater. Interfaces 9, 11176 (2017). 18. S. Chen, Y. Wei, X. Yuan, Y. Lin, and L. Liu, J. Mater. Chem. C 4, 4304 (2016). 19. X. Guo, Y. Huang, Y. Zhao, L. Mao, L. Gao, W. Pan, Y. Zhang, and P. Liu, Smart Mater. Struct. 26, 095017 (2017). 20. S. Duan, Z. Wang, L. Zhang, J. Liu, and C. Li, Adv. Mater. Technol. 3, 1800020 (2018). 21. P. T. Hoang, N. Salazar, T. N. Porkka, K. Joshi, T. Liu, T. J. Dickens, and Z. Yu, Nanoscale Res. Lett. 11, 422 (2016). 22. S. Shengbo, L. Lihua, J. Aoqun, D. Qianqian, J. Jianlong, Z. Qiang, and Z. Wendong, Nanotechnology 29, 255202 (2018). 23. K. E. Korte, S. E. Skrabalak, and Y. Xia, J. Mater. Chem. 18, 437 (2008).