미세유체 채널 기반 연질 전극 및 용량성 압력 감지에서의 적용

소프트 압력 센서는 공압 로봇 그리퍼(gripper)1, 웨어러블 일렉트로닉스(wearable electronics)², 인간-기계 인터페이스 시스템⁽human-machine interface systems⁾³ 등과 같은 응용 분야에서 널리 연구되어 왔다. 이러한 응용 분야에서 감각 시스템은 임의의 곡선 표면과의 등각 접촉을 보장하기 위해 유연성과 신축성이 필요합니다. 그러므로, 극한의 변형 조건 하에서 일관된 기능을 제공하기 위해 기판, 형질전환 소자 및 전극을 포함한 모든 필수 구성 요소가 필요하다⁴. 또한, 높은 감지 성능을 유지하려면, 전기 감지 신호(⁵)의 간섭을 피하기 위해 연질 전극의 변화를 최소 수준으로 유지하는 것이 필수적이다.

연질 압력 센서의 핵심 구성 요소 중 하나인 높은 응력과 변형률 수준을 유지할 수 있는 신축성 있는 전극은 장치가 안정적인 전도성 경로와 임피던스 특성을 보존하는 데 매우 중요합니다 ^6,7. 우수한 성능을 가진 연질 전극은 일반적으로 1) 마이크로미터 단위의 높은 공간 분해능 및 2) 기판과의 강한 결합으로 높은 신축성을 가지며, 이는 웨어러블 크기⁸에서 고집적 소프트 전자 장치를 가능하게 하는 데 없어서는 안 될 특성입니다. 따라서, 최근 잉크젯 프린팅(ink-jet printing), 스크린 프린팅(screen printing), 스프레이 프린팅(spray printing), 전사 프린팅(transfer printing) 등과 같은 위와 같은 특성을 갖는 연질 전극을 개발하기 위한 다양한 전략들이 제안되고 있다. ⁹. 잉크젯 프린팅 방식(⁶)은 제작이 간단하고, 마스킹이 필요 없고, 재료 낭비량이 적다는 장점으로 인해 널리 사용되어 왔으나, 잉크 점도의 한계로 인해 고해상도 패터닝을 달성하기 어렵다. 스크린 인쇄(¹⁰) 및 스프레이 인쇄⁽¹¹)는 기판 상에 섀도우 마스크를 필요로 하는 간단하고 비용 효율적인 패터닝 방법이다. 그러나 마스크를 배치하거나 제거하는 작업은 패터닝의 선명도를 감소시킬 수 있습니다. 전사 인쇄⁽⁴)가 고해상도 인쇄를 달성하기 위한 유망한 방법인 것으로 보고되었지만, 이 방법은 복잡한 절차와 시간 소모적인 인쇄 공정을 특징으로 한다. 더욱이, 이러한 패터닝 방법에 의해 제조된 대부분의 연질 전극은 기판으로부터의 박리와 같은 다른 단점을 갖는다.

여기에서 우리는 미세유체 채널 구성을 기반으로 하는 비용 효율적이고 고분해능의 연질 전극을 신속하게 제조하기 위한 새로운 인쇄 방법을 제시합니다. 다른 기존 제조 방법과 비교하여 제안된 전략은 전도성 재료(ECPC)를 전도성 재료로 사용하고 리소그래피적으로 엠보싱된 미세유체 채널을 사용하여 전극 트레이스를 패턴화합니다. ECPC 슬러리는 용매 증발 방법으로 제조되며 폴리디메틸실록산(PDMS) 매트릭스에 잘 분산된 7wt.% 탄소 나노튜브(CNT)로 구성됩니다. ECPC 슬러리를 미세유체 채널 내로 긁어냄으로써, 리소그래피 패터닝에 의해 정의된 고분해능 전극이 생성될 수 있다. 또한, 전극이 주로 PDMS를 기반으로 하기 때문에 ECPC 기반 전극과 PDMS 기판 사이의 계면에 강한 결합이 형성됩니다. 따라서, 전극은 PDMS 기판만큼 높은 연신 레벨을 유지할 수 있다. 실험 결과는 제안된 신축성 전극이 최대 30%의 축 방향 변형률에 선형으로 반응할 수 있고 0-400kPa의 고압 범위에서 우수한 안정성을 나타낼 수 있음을 확인시켜 용량성 압력 센서에서 연질 전극을 제조하는 이 방법의 큰 잠재력을 나타냅니다.