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Korean Journal of Metals and Materials > Volume 61(7); 2023 > Article
카본나노튜브/Ecoflex 복합체로 제작된 고신축성 및 고감도 신축성 스트레인 센서

Abstract

Wearable strain sensors with high and broad sensitivity, high stretchability and excellent mechanical endurance will be widely useful in smart wearable electronics. In this work, we developed a stretchable strain sensor fabricated with a simple stencil printing technique. The stretchable strain sensor was fabricated using a multi-walled carbon nanotubes (MWCNTs)-Ecoflex composite paste on an Ecoflex substrate. In particular, using IPA solvent, CNT particles were uniformly dispersed in the Ecoflex binder. The effect of the amount of Ecoflex resin on the stretchability and sensitivity of the sensor were also investigated. It was found that as the amount of Ecoflex resin increased, the stretchability of the sensor increased. The fabricated stretchable strain sensor showed a maximum stretchability of 1,000% with a wide sensitivity range from 3 to 12,287. The hysteresis tests indicated that the hysteresis of the fabricated stretchable strain sensor was very small, the electrical resistances of the sensors quickly returned to original value after tests. The strain sensor showed excellent mechanical durability during cyclic repeated tensile tests of 400,000 cycles. The results of the cross-cut adhesion tests indicated that the adhesion strength between the sensor composite layer and Ecoflex substrate was excellent. We also demonstrated the potential application of the stretchable sensor in wearable electronics by bending tests on a human finger and wrist.

1. 서 론

최근 유연하고 신축성이 있는 다양한 웨어러블 전자 소자가 큰 관심을 받고 있다. 특히 전자 피부[1], 모션 감지[2,3], 신체 건강 모니터링[4], 로봇[5] 등 다양한 분야에 적용이 가능한 신축성 스트레인 센서(stretchable strain sensor)의 연구 개발이 활발히 이루어지고 있다. 기존의 스트레인 센서는 금속 박막(metal foils)[6]이나 반도체[7]를 사용하여 제작되었다. 이러한 기존의 스트레인 센서들은 높은 감도(sensitivity 또는 gauge factor, GF)를 갖지만, 매우 낮은 신축성을 가져 신체나 의복에 부착되어 높은 신축성이 요구되는 웨어러블 소자로 적용하기에는 적합하지 않다[8]. 따라서 polydimethylsiloxane(PDMS) [9,10], dragon skin [11], Ecoflex [12-14] 등의 신축성 폴리머 소재를 기판(substrate)으로 사용하고 carbon nano tubes(CNT) 소재 등을 필러(filler)[9,10,12-15]로 사용하여 신축성을 향상시킨 스트레인 센서들에 대한 다양한 연구들이 진행되고 있다. 그러나, 이렇게 제작된 신축성 스트레인 센서들은 높은 신축성을 확보하였지만, 센서의 감도가 낮다는 문제가 있다[16,17]. 기존의 연구들에 의하면 신축성 스트레인 센서의 경우 센서의 감도와 신축성은 trade-off 관계로서 신축성이 높으면, 감도가 저하되고, 감도가 높으면 신축성이 낮은 경향을 보여주고 있다[9,18,19]. 제작 과정 또한 전사 공정(transfer printing)을 이용하여 CNT 소재를 기판에 옮겨 센서층을 형성한 후, 센서층을 encapsulation 공정으로 접합하는 복잡한 공정을 통해 제작되었다[3,10,11,12-14]. 이렇게 복잡한 공정이 필요한 이유는 신축성 폴리머 소재인 Ecoflex 및 PDMS의 소수성(hydrophobic) 특성 때문이며, 이러한 높은 소수성 특성으로 인하여 다른 소재들과의 혼합성과 접합력(혹은 접착력)이 좋지 않기 때문에 주로 전사 공정을 통해 기판과 CNT 센서 소재를 접착시킨 것이다[20].
본 연구에서는 이러한 단점들을 개선하기 위해 MWCNTs(multi-walled carbon nano tubes)-Ecoflex 복합체(composite) 페이스트를 제작하였으며, 센서 소재를 Ecoflex 기판에 스텐실(stencil) 프린팅 공정을 이용하여, 제작 공정이 비교적 단순하면서 높은 신축성과 높은 감도를 갖는 신축성 스트레인 센서를 개발하였다. 우수한 성능의 스트레인 센서 제작을 위해서는 바인더(binder) 내에 CNT 입자들을 고르게 분산시키는 것이 매우 중요하다. CNT 입자들이 바인더 내부에서 큰 bundle 혹은 응집체를 형성하게 되면 제작된 스트레인 센서의 성능 저하를 초래하기 때문이다. 이를 방지하기 위해서는 제작 시 솔벤트(solvent)의 선택이 매우 중요하며, 본 연구에서는 isopropyl alcohol(IPA)를 솔벤트로 사용하였다. IPA는 소수성과 친수성의 특성을 모두 가져, CNT와 Ecoflex 모두 부분적으로 용해가 가능해 CNT 입자들을 Ecoflex 바인더에 균일하게 분산시키는 것이 가능하였다[21]. 또한 Ecoflex 바인더로 구성된 센서 소재와 Ecoflex 기판을 사용하여 센서 소재와 기판과의 접착력을 향상시켰다.
제작된 스트레인 신축성 센서는 약 955%의 높은 신축성과 12,287이상의 감도(GF)를 보여주었다. 또한 센서의 내구성을 시험하기 위해 400,000회의 반복 인장 사이클 시험(repeated cyclic tensile test) 및 85°C, 상대습도 85%RH의 가혹 조건에서 환경신뢰성 시험을 수행하였다. 또한 센서의 히스테리시스 특성 및 cross-cut 시험을 통한 센서 소재의 접합력을 평가하였다.

2. 실험 방법

신축성 스트레인 센서는 Multi-walled carbon nanotubes (MWCNTs) (purity > 95%, 직경: 5-20 nm, 길이 <10 μm, APPLIED CARBON NANO Co.)와 Ecoflex를 사용하여 제작되었다. Ecoflex 00-50(Smooth-On, Inc., USA) 소재가 바인더 소재로 사용되었다. 신축성 스트레인 센서 제작을 위한 페이스트를 제작하기 위하여 MWCNTs, IPA 및 실리콘 오일(silicone oil)을 초음파 분산(sonication) 공정을 이용하여 혼합하였다. 초음파 혼합 공정을 통해 MWCNTs와 IPA, 실리콘 오일, Ecoflex 분자들을 전기적 인력으로 결합시키고, 결합 길이를 늘려 제작된 신축성 스트레인 센서의 신축성을 향상하고자 하였다[22]. 그림 1은 신축성 스트레인 센서 제작을 위한 MWCNTs-Ecoflex 복합체 페이스트의 제작 과정을 나타내고 있다.
MWCNTs와 IPA (purity >99.5%, DAEJUNG CHEMICALS & METALS Co., Ltd., South Korea)를 1:100의 무게비(wt%)로 혼합하여 ultra sonicator(VC 505, SONICS & MATERIALS Inc., USA)를 이용해 20 kHz, 100 W로 30분 동안 초음파 분산 공정을 진행하였다. 다음으로 IPA-MWCNTs와의 결합성을 위해 계면활성제 역할로 실리콘 오일(viscosity 100cSt, Sigma-Aldrich Co., Ltd., USA)을 2 g 투입하고, 10분간 초음파 분산 공정을 진행하였다. 이 때, 실리콘 오일은 소수성인 MWCNTs 표면에 부착 및 코팅되어 열역학적으로 안정한 IPA-MWCNTs - 실리콘 오일 복합체를 형성하게 된다. MWCNTs의 넓은 표면적에 부착될 수 있게 하기 위해 완성된 페이스트 기준 20 wt%의 실리콘 오일을 사용하였다. 또한 페이스트의 유동성 확보를 위해 점도 100 cSt의 실리콘 오일을 사용하였다. 마지막으로 바인더인 Ecoflex 레진 (Ecoflex A)을 IPA-MWCNTs-silicone oil 복합체에 각각 4 g, 4.5 g, 5 g을 투입하여 초음파 분산을 진행하였다. 본 연구에서는 Ecoflex 전체 투입량과 MWNCTs의 투입량의 무게비로 샘플을 각각 CNT10, CNT9, CNT8로 각각 명명하였다. 이러한 공정을 통하여 최종적으로 제작된 페이스트가 중심부터 MWCNTs-IPA-silicone oil-Ecoflex 레진의 순서로 이어진 분자 구조를 형성하도록 하였다.
이후, 페이스트를 오븐에서 55°C로 건조하여 IPA를 제거하였다. 건조된 페이스트에 Ecoflex curing agent(Ecoflex B)를 MWCNTs-silicone oil-Ecoflex resin 복합체에 각각 Ecoflex 레진의 투입량과 동일하게 4 g, 4.5 g, 5 g씩 투입한 후, paste mixer(PDM-300, DAE WHA Tech Co., Ltd., South Korea)를 사용하여 1,100 rpm의 속도로 혼합하여 MWCNTs-Ecoflex 복합체 페이스트를 제작하였다. 신축성 스트레인 센서의 기판은 Ecoflex 00-50을 사용하여 제작하였다. Ecoflex 레진과 curing agent를 1:1 무게비율로 혼합 후, 원형 용기에 부어 제작하였다. 제작된 Ecoflex 기판의 평균 두께는 약 0.3 mm이였다. Ecoflex 기판 위에 MWCNTs-Ecoflex 복합체 페이스트를 스텐실 프린팅 방법을 이용하여 프린팅하였다. 50 μm 두께의 스테인레스 스틸 제판(stainless steel mask)을 이용하여 프린팅하였다. 이후 샘플을 오븐에 55°C에서 2 시간 동안 건조한 후, 기판을 크기 50 mm × 15 mm의 직사각형 형태로 절단하여 신축성 스트레인 센서를 완성하였다. 제작된 신축성 스트레인 센서의 전기-기계적 특성 및 신축성은 자체 제작한 인장 시험기를 이용하여 평가하였다. 인장 시 실시간으로 신축성 스트레인 센서의 저항 변화를 관찰하였다. 또한 Field Emission Scanning Electron Microscope(FESEM, Nova 200)를 이용하여 신축성 센서의 표면을 관찰하였다. 신축성 시험은 각 시편에 대해서 각각 3번씩 수행하였다. 또한 센서의 기계적 내구성(mechanical endurance)을 평가하기 위하여 반복 인장(cyclic stretching) 시험을 수행하였다. 향후 신축성 스트레인 센서의 실제 적용 가능성을 확인하기 위해 가혹 환경 신뢰성(environmental reliability) 시험과 접착력 시험을 진행하였다.

3. 결과 및 고찰

그림 2(a)는 제작이 완료된 신축성 스트레인 센서의 이미지이다. 그림 2(b)는 완성된 스트레인 센서를 손가락에 말아 꼬아 놓은 모습을 보여 주고 있으며, 변형이 제거되면 바로 복원이 되었다. 또한 Ecoflex 소재는 생체 적합성(biocompatible) 소재로서 인체 피부에 무해하고, 높은 신축성 및 유연성을 갖고 있어 인체에 부착하여 인체의 움직임을 측정하기 위한 스트레인 센서로 좋은 후보 물질이다.
그림 3은 신축성 스트레인 센서의 인장 시험의 이미지를 보여주고 있다. 신축성 스트레인 센서를 시험 장비에 장착한 후, 5%/s 속도로 인장하면서 센서의 저항의 변화를 실시간으로 관찰하였다. 인장 시 저항이 급격히 증가하거나, 저항이 측정되지 않는 범위에 도달하면 인장 시험을 중지하였다. CNT10, CNT9, CNT8 샘플에 대하여 10개의 샘플에 대한 평균 초기 저항은 각각 1.59, 1.7 및 4.38 kΩ 이였다. 즉 스트레인 센서 내에 포함된 Ecoflex의 양이 증가할수록 MWCNTs의 비율이 감소하여 센서의 초기 저항이 높게 나타났다.
그림 4는 3 종류의 신축성 스트레인 센서에 대하여 인장 시험을 수행했을 경우에, 인장 시 발생한 센서의 저항 변화를 나타내고 있다. 센서의 저항의 변화는 ΔR(=RRo)/Ro로 표시하였으며, Ro는 시험 전에 샘플의 저항, 그리고 R은 시험 후의 샘플의 저항, ΔR은 시험 전과 후의 저항 변화를 나타낸다. Ecoflex 레진이 4 g 포함된 CNT10 샘플의 경우 인장 변형율 230%부터 저항이 급격히 증가하였으며, 240%에 도달하게 되면 저항이 측정되지 않았다. 또한 CNT9 샘플의 경우 인장변형율 약 700%에서 저항이 급격히 증가하기 시작하여 725%에서 저항이 측정되지 않았다. CNT8 샘플의 경우 955%의 변형율에서 저항이 급격히 증가함을 알 수 있었고, 약 1,000%까지 인장이 가능하였다. 따라서 센서에 Ecoflex 레진의 양이 증가함에 따라 센서의 신축성이 증가함을 알 수 있었다.
이 결과는 Ecoflex 레진의 양이 증가하면서, Ecoflex 레진이 CNT 입자들을 결합시키는 바인더로서의 역할이 증가하였기 때문인 것으로 판단된다. CNT8 샘플의 경우, 인장변형율 1,000%까지 기판의 끊어짐 없이 저항 변화를 측정할 수 있었고 인장을 제거한 후 복귀 상태에서는 기존의 초기 저항값에 거의 도달하였다. 그림 5에서 1,000%까지 인장한 센서의 사진을 보면, 육안으로는 인장으로 인해 센서가 늘어나 CNT간의 결합이 국부적으로 끊어진 것처럼 보인다. 하지만 이때에도 센서에는 여전히 전류가 통해 저항이 관측되고 있음을 알 수 있었다.
그림 6(a), (b)는 CNT8 샘플에 대해서 인장 시험하기 전과 300%의 인장 변형 후의 스트레인 센서의 표면을 SEM으로 관찰한 이미지이다. 참고로 인장변형율 1,000%에서의 센서의 표면분석은 수행하지 못하였다. 이는 인장율 1,000%의 경우 샘플의 크기가 너무 커서 SEM 챔버 내에 삽입할 수가 없어 분석이 불가능하였다.
그림 6(b)의 인장 후의 스트레인 센서의 표면을 보면, MWCNTs-Ecoflex 복합체 사이에 국부적으로 단락(disconnection) 및 균열이 발생하였음을 알 수 있었다. 그러나 단락이 발생하였음에도 불구하고 전체적으로 CNT와 바인더의 전기적 네트워크 구조가 잘 유지됨을 알 수 있었다.
한편 Ecoflex 레진의 양이 증가할수록 센서의 감도 즉 gauge factor(GF)는 증가하였다. GF는 (∆R/R)/ε의 값으로 정의되며, 인장변형율(ε) 대비 저항 변화율(ΔR/R)이 클수록 높은 GF 값을 갖는다. CNT10, CNT9 및 CNT8 샘플의 최대 GF는 각각 2.6, 108 및 12,287 이었다. 즉 Ecoflex 바인더의 양이 증가할수록 GF는 증가하였다. 센서 소재 내에서 Ecoflex 레진의 양이 증가하면 CNT의 양은 비례적으로 감소한다. CNT양이 감소함에 따라 스트레인 센서의 GF 값은 증가하고, 초기 저항 또한 상승한다. 스트레인 센서의 percolation network을 형성하기 위한 CNT의 양이 감소하게 되면, 인장 변형 시에 인접 CNT 간의 tunneling resistance를 증가시켜 전기 전도도(electrical conductance)의 저하, 즉 저항이 상승하게 된다. 즉 CNT network 밀도(density)가 낮은 경우 CNT 간의 결합의 수가 감소하고, 인장 변형이 가해졌을 때 쉽게 결합이 끊어져 높은 저항 변화를 나타내게 되며, 높은 GF 값을 보여주는 것으로 판단된다[12,23].
가장 우수한 신축성 성능을 보인 CNT8 샘플의 인장 변형에 대한 저항 변화 그래프를 그림 7에 나타내었다. CNT8 센서의 저항 변화는 인장 변형율 600%까지는 비교적 선형적으로 증가하였으며, 그 후 지수함수적(exponential)으로 증가하였다. 그림 7(a)에서 선형적인 저항 변화를 보인 부분을 3개의 구역으로 분리하여 gauge factor를 계산하였다. 인장 변형율 0%-250%, 600%-800% 및 900%-955%의 각 구간에서의 GF는 각각 2.99, 484.82, 12,287 이었으며, 각 구간의 상세 그래프가 그림 7(b), (c), (d)에 나타나 있다. 각 구간의 선형결정계수 r2값은 0.92 이상으로 모두 높은 선형성을 보임을 알 수 있었다. 한편 인장변형율 955% 이상의 구간에서는 저항의 변화가 너무 급격하여 데이터의 신뢰도가 낮다고 판단하여 GF 산출에 사용하지 않았다. 결론적으로 제작된 신축성 스트레인 센서는 높은 신축성(955%)과 높은 GF(12,287)를 나타내고 있음을 알 수 있었다.
기존의 스트레인 센서 관련 연구 결과들[12,24,25] 에서는 높은 신축성의 센서의 경우 낮은 GF를 나타내거나, 높은 GF를 확보하였으나 낮은 신축성을 가지는 경우가 많았다[26-28].
하지만 본 연구에서 제작한 스트레인 센서의 경우, 높은 GF뿐만 아니라 매우 높은 신축성까지 확보하여 더욱 넓은 분야로의 적용이 가능함을 알 수 있었다. 한편 신축성을 보다 향상시키기 위하여 페이스트에 Ecoflex 바인더의 투입량을 더 증가시킨 샘플을 제작하였다. 그러나 Ecoflex 레진의 양이 5.5 g 이상이 되면, 샘플의 혼합성과 인쇄성이 급격히 저하되어, 인쇄 공정이 불가능하였다.
그림 8에는 CNT10, CNT9 및 CNT8 각 샘플의 히스테리시스 시험 결과가 나타나 있다. 샘플을 100%까지 인장(stretching) 및 복귀(releasing) 했을 때의 센서의 히스테리시스 특성을 측정하였다. 이러한 히스테리시스 특성은 주로 고분자 폴리머인 Ecoflex의 점탄성(viscoelastic) 특성 및 기판과 센서 소재의 접착력 저하로 인하여 발생한다고 알려져 있다[22,29,30]. 샘플 모두 약간의 히스테리시스를 보여 주고 있다. 샘플 모두 변형율이 제거된 후, 복귀되었을 때에는 초기의 저항으로 회복됨을 알 수 있었다. 한편 인장변형율 300% 이상에서의 히스테리시스 특성은 인장변형율 100%의 특성과 매우 유사한 특성을 보였으나, 초기 상태로 복귀 시에 초기의 저항으로 약간 회복되지 못하였다. 이는 큰 변형율에서는 MWCNT의 전기적 연결 네트워크에서 어느 정도의 비가역적(irreversible) 파괴의 발생으로 기인한 것으로 판단된다.
제작된 신축성 스트레인 센서의 기계적 내구성을 파악하기 위하여 반복 인장시험(repeated cyclic tensile test)를 수행하였다. 인장 시의 인장 변형율은 50%까지 수행하였다. 반복 인장시험의 속도는 10%/s였으며 총 400,000회까지 인장 및 복귀 사이클을 진행하였다. 그림 9는 CNT10, CNT9 및 CNT8 각 샘플의 반복 인장시험 결과를 나타내고 있다. 샘플들의 저항의 변화를 보면, 시험 초기 약간 높은 값을 나타내고 있으나, 일정 시간이 지난 후에는 저항이 거의 변하지 않는 매우 안정된 저항값을 나타내고 있다. 이는 스트레인 센서에 인장 변형이 가해질 때, 전극의 CNT들이 re-arrangement 및 re-orientation이 일어나 저항이 높게 측정되지만, 이후 시간이 지나 변형 사이클이 반복이 진행되면, CNT 배열들이 일부 회복하면서 조금 더 낮은 저항값을 유지하게 된다[12]. 각 샘플 모두 400,000회의 반복 사이클에서도 매우 안정된 저항 변화를 보여주고 있으며, 제작된 신축성 스트레인 센서의 기계적 내구성이 매우 높음을 알 수 있었다.
신축성 스트레인 센서는 의복이나 신체에 부착되기 때문에 외부 환경에 쉽게 노출된다. 본 연구에서 개발된 신축성 스트레인 센서의 외부 환경의 영향, 즉 온도 및 습도에 대한 영향을 파악하기 위하여 가혹 환경신뢰성 시험을 수행하였다. 환경신뢰성 시험은 85°C, 상대습도 85%RH의 가혹 조건에서 10일(240 시간) 동안 진행하였다. 표 1에 샘플의 환경신뢰성 전과 후의 센서의 저항 변화를 나타내고 있다. 전반적으로 환경신뢰성 시험 이후 초기 저항이 증가함을 알 수 있었다. 이러한 변화는 스트레인 센서에 사용된 CNT가 외부 환경, 특히 수분에 쉽게 영향을 받기 때문이라고 판단된다. 따라서 환경 신뢰성을 향상시키기 위하여 신축성 스트레인 센서 표면에 수분 침투를 방지하기 위한 보호막(protective layer) 혹은 수분 방지막(barrier film)이 필요할 것으로 판단된다. 환경신뢰성 시험이 완료된 샘플에 대해서 추가적인 반복 인장시험을 수행하였다. 그림 10은 각 샘플에 대한 반복 인장시험의 결과이다. 반복 인장시험의 횟수는 170,000회까지 진행하였다. 반복 인장 시험 후의 스트레인 센서의 저항의 변화는 매우 안정적임을 알 수 있다.
단지 CNT10 샘플의 경우 사이클이 증가함에 따라 저항 변화가 증가함을 알 수 있다. CNT10는 샘플 중에 CNT의 양이 제일 많으며, CNT가 온도 및 습도에 영향을 받아 저항변화가 더 큼을 알 수 있다. 전체적으로 환경신뢰성 시험 전과의 결과와 비교하였을 때, CNT9 샘플의 경우 저항 변화(ΔR/Ro)의 변동 폭이 25% 정도, CNT8의 경우 80% 정도 상승한 모습을 나타냈다. 전체적으로 개발된 신축성 스트레인 센서의 환경 신뢰성은 우수하다고 판단되며, 보호막 혹은 수분 방지막이 추가된다면 매우 우수한 신뢰성의 신축성 스트레인 센서의 개발이 가능할 것으로 판단된다.
다음은 프린팅된 센서 소재와 Ecoflex 기판과의 접착력 검증을 위해 cross-cut 시험을 진행하였다. Ecoflex 기판과 CNT 페이스트에 작용한 접착력은 주로 van der Waals interaction에 의하여 형성된다[31,32]. 본 연구에서는 Ecoflex 바인더를 사용한 센서 소재를 사용하였으며, 같은 표면 특성을 갖는 Ecoflex 기판을 사용하여, 센서 소재와 Ecoflex 기판과의 접착력을 향상시켰다. 신축성 스트레인 센서를 정사각형 모양(2 mm × 2 mm)로 제작한 후, cross cutter로 격자 모양을 형성하였다. 그 후 스카치(scotch) 테이프를 이용하여 표면에 부착시킨 후 빠른 속도로 떼어냈었다. 그림 11 (a), (b)는 접착 시험 후, 떼어낸 테이프의 표면 및 샘플의 이미지가 각각 나타나 있다. 접착 시험 후, 테이프의 표면은 대부분 깨끗하였으며, 센서 페이스트 소재의 부착은 발견되지 않았다. 또한 센서 소재의 표면도 매우 깨끗하고, 손상된 부분을 발견하지 못하였다. 이를 통해 MWCNTs-Ecoflex 복합체 페이스트와 Ecoflex 기판과의 접착력은 매우 우수하며, 기판과 센서 소재가 서로 강하게 접착되었음을 알 수 있었다.
제작된 신축성 스트레인 센서의 웨어러블 스트레인 센서로의 적용 가능성을 알아보기 위해 인체 부착 시험을 통해 센서가 인체의 움직임을 정확히 감지해낼 수 있는지를 시험하였다. Ecoflex는 인체 피부에 무해한 특성을 가지고 있기 때문에 별도의 가공 없이 제작된 스트레인 센서를 마스킹 테이프를 이용해 피부에 고정하여 시험을 진행하였다. 그림 12 (a)와 같이 신축성 스트레인 센서를 손가락에 부착한 후, 각각 30도, 60도, 90도로 굽힘을 반복하며 저항의 변화를 관찰하였다.
신축성 스트레인 센서가 손가락의 변형을 잘 감지하고 있으며, 손가락의 굽힘 변형이 클수록 저항 변화도 큼을 알 수 있다. 다음으로 그림 12(b)와 같이 신축성 스트레인 센서를 손목 부위에 붙인 후 약 90도로 굽히는 동작을 반복하였다. 그림에서 보이듯이 세 번의 반복 굽힘 모두 같은 저항 변화를 보여주었다. 결론적으로 제작된 신축성 스트레인 센서가 웨어러블 스트레인 센서로써 사용되기에 적합함을 확인하였다.

4. 결 론

본 연구에서는 신축성 스트레인 센서 제작을 위하여 MWCNTs 소재를 필러로 사용하여 MWCNTs-Ecoflex 복합체 페이스트 센서 소재를 제작하였다. 그 후 센서 소재를 Ecoflex 기판에 스텐실 프린팅 공정을 이용하여 제작 공정이 단순하면서 높은 신축성과 높은 감도를 갖는 신축성 스트레인 센서를 개발하였다. IPA 솔벤트를 사용하여 CNT 입자들을 Ecoflex 바인더에 균일하게 분산시켰다. Ecoflex 레진의 양을 변화시켜가면서 시험한 결과 Ecoflex 레진의 양이 증가함에 따라 센서의 신축성이 증가함을 알 수 있었다. 제작된 신축성 스트레인 센서는 최대 1,000%의 높은 신축성과 12,287 이상의 높은 감도를 보여주었다. 히스테리시스 시험 결과, 제작된 신축성 스트레인 센서의 히스테리시스는 매우 적었으며, 매우 우수한 히스테리시스 특성을 보여주었다. 신축성 스트레인 센서의 기계적 내구성을 파악하기 위하여 400,000회의 반복인장 사이클 시험을 한 결과, 센서는 파괴 및 손상 없이 일정한 저항 변화를 나타내어 우수한 내구성을 나타내었다. 85°C, 상대습도 85%RH의 가혹 환경 조건에서 스트레인 센서를 10일간 노출 시간 결과, 센서의 초기 저항이 약간 증가함을 알 수 있었다. 이러한 가혹 환경 신뢰성을 향상시키기 위하여 신축성 스트레인 센서 표면에 수분 침투 및 산화 방지를 위한 보호막이 필요할 것으로 판단된다. 센서 소재와 Ecoflex 기판과의 접착력 검증을 위해 cross-cut 시험을 수행하였으며, 시험 결과 센서 소재와 Ecoflex 기판과 접착력은 매우 우수함을 검증하였다. 인체 부착 시험을 통해 센서의 성능을 확인하였다. 스트레인 센서는 손가락 및 손목의 굽힘 정도를 명확히 구분할 수 있었고, 높은 반복성을 나타내어 웨어러블 스트레인 센서로써의 가능성을 확인하였다.

Acknowledgments

이 연구는 서울과학기술대학교 교내 학술연구비 지원으로 수행되었습니다.

Fig. 1.
Schematic drawing of fabrication process of MWCNTs-Ecoflex composite paste and stretchable strain sensor.
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Fig. 2.
(a) Picture image of fabricated stretchable strain senor. (b) The stretchable strain sensor deformed by rolling in the hand.
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Fig. 3.
Stretchable strain sensor stretched to a strain of 300% using home-made tensile tester.
kjmm-2023-61-7-500f3.jpg
Fig. 4.
Relative changes in electrical resistances of each sample when the samples were stretched to 1,000% strain including gauge factor.
kjmm-2023-61-7-500f4.jpg
Fig. 5.
Image of CNT8 sample stretched up to a strain of 1,000%.
kjmm-2023-61-7-500f5.jpg
Fig. 6.
(a) SEM surface image of CNT8 sample before stretching (b) after stretching to a strain of 300%.
kjmm-2023-61-7-500f6.jpg
Fig. 7.
(a) Relative changes in electrical resistances of the CNT8 sample versus strain when the samples were stretched to 1,000% strain. (b) Resistance changes of the sensor at strains ranging from 0% to 250%. (c) Resistance changes of the sensor at strains ranging from 600% to 800%. (d) Resistance changes of the sensor at strains ranging from 900% to 955%.
kjmm-2023-61-7-500f7.jpg
Fig. 8.
Hysteresis curves of each strain sensor. (a) CNT10 sample. (b) CNT9 sample. (c) CNT8 sample.
kjmm-2023-61-7-500f8.jpg
Fig. 9.
Results of repeated cyclic tensile test of 400,000 cycles for each sample. (a) CNT10 sample. (b) CNT9 sample. (c) CNT8 sample.
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Fig. 10.
Relative changes in electrical resistances versus strain for each sample after completion of environmental reliability tests. (a) CNT10 sample. (b) CNT9 sample. (c) CNT8 sample.
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Fig. 11.
Optical images of the stretchable strain sensor after crosscut test. (a) Image of tape after peel-off. (b) Image of stretchable strain sensor after peel-off of tape.
kjmm-2023-61-7-500f11.jpg
Fig. 12.
(a) Response of bending motion detection for fingers. (b) Response of bending motion detection for wrist.
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Table 1.
Results of electrical resistances for each sample before and after environmental reliability tests.
Sample CNT10 CNT9 CNT8
Initial resistance (kΩ) 1.2 1.95 3.97
Resistance after test (kΩ) 1.58 2.43 5.49

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