Poly-dimethylsiloxane 폴리머 표면 탄소나노튜브 박막 형성기법과 압력 센서 응용 연구

Abstract

최근 들어 carbon nanotubes (CNTs)는 electro-mechanical, piezoresistive 등의 물리적 특성을 이용해 sensor device로 활용하고자 researcher들에게 많은 관심을 받고 있다. 하지만, nanoscale의 size와 chirality 그리고 position control 등의 몇 가지 어려움들로 효과적인 sample 제작과 빠른 연구 결과를 얻지 못하고 있다. 본 연구에서는 소자 제작에 있어서 어려움을 가지고 있던 individual CNT가 아닌 CNTs의 network 활용해 thin film 형태로 samples를 제작하고 pressure sensing effect의 원리를 분석함으로서 CNT network thin film (C-NTF)가 압력 센서 소자로서 가능성을 가지고 있음을 제시하도록 한다. CNTs는 network 형태에서도 percolation theory에 따라 전도도 특성을 가질 수 있고, network의 density의 조절로 전기적(metallic or semiconducting) 특성과 transmittance를 조절할 수 있을 뿐만 아니라 bending된 상태에서도 안정한 전도도를 가질 수 있다. 이러한 CNTs network의 물리적 특성은 기존의 압력 센서 소자 기술들과 비교했을 때에도, 기계적으로나 심미적으로 큰 장점이 될 수 있다. 실험에 사용된 CNT는 single-walled CNTs (SWCNTs)였으며, 넓은 면적에 걸쳐 uniform한 SWCNT network thin film (SC-NTF)를 형성하기 위해, vacuum filtration process를 적용하였다. 기계적으로 안정성 (stability)을 가지고 있는 SC-NTF에 압력을 주어 그 형태를 변화시킴으로서 나타나는 전도도 변화를 관찰하기 위해서 flexible polymer를 소자 제작에 사용하였다. 압력을 주기 위한 tool을 직접 제작하여 pressure sensing effect를 측정하였으며, 압력에 따른 SWCNT network thin film (SC-NTF)의 sheet conductance 변화 값으로 pressure sensing effect를 확인하였다. 본 연구에서 제작된 samples는 압력에 따라 sheet conductance가 증가하는 변화를 보여주었다. Sheet conductance가 증가한 결과는 지금까지 individual CNT 또는 CNT network를 활용한 pressure sensing effect를 보고한 연구 결과들과 정반대의 특성을 나타낸 것으로서, 그 원리에 관심을 가질 필요가 있다. 따라서 우리는 SC-NTF을 flexible polymer 표면에 형성시키는 기법과 그로 인해 형성된 SC-NTF의 형태에 분석의 초점을 맞추었다. 동일한 방법으로 제작된 여러 개의 samples는 360 kPa의 압력을 받은 polymer를 통해 전달된 압력에 대해서 약 9 %의 sheet conductance 증가 변화량을 보여주었으며, 압력 센서로서의 적용을 위한 특성 평가를 위해 압력의 크기에 따른 sensitivity, stability, response time 그리고 reproducibility를 실험적으로 확인해 보았다.; Recently, carbon nanotubes (CNTs) have aroused great interest material as sensor device applications among researchers due to their electro-mechanical, piezoresistive and other physical properties. Unfortunately, there are obstacles when using individual CNT at the various applications because they are typically grown together, semiconducting CNTs and metallic CNTs, as bundle and have not only nano-scale size but also difficulty of position control and so on. Here, we report on the fabrication and formation of CNT network thin film (C-NTF) which not individual CNT including some obstacles on polydimethylsiloxane (PDMS) elastomer substrate through pre-stretched dry stamping method and evaluate its pressure sensing effect. In a C-NTF, the effects due to such individual variations are suppressed by the ensemble averaging over a large number of CNTs. Therefore, a C-NTF containing a significant number of both metallic and semiconducting nanotubes can operate as the conducting channel along with the percolative model also conduction of the C-NTF has stability during the bending. To prepare C-NTF, we use commercially available purified arc-discharge single-walled carbon nanotubes (SWCNTs). Powders of SWCNTs are dissolved in deionized (DI) water with solid of sodium dodecyl benzene sulfate (NaDDBS) surfactant. Then the suspension is ultra-agitated by the bath type sonicator. Alumina membrane filter (pore size 20 nm, Whatman Inc.) are used in vacuum filtration. The SC-NTF based sensors effects similar to conventional metal strain gauges by using flexible PDMS elastomer. As vertical pressure is applied through a homemade micrometer type plunger, we monitor pressure sensing effect of SC-NTF on PDMS elastomer substrate result from sheet conductance change. In this experiment, sheet conductance of samples increased. These results are different from all of the reported devices utilize the strain dependent collective reduction in the electrical conductivity of the CNT network, which results mainly from individual CNT lattice deformation. Accordingly, we have focused on two factors: method of transfer SC-NTF to PDMS surface and formation of SC-NTF on PDMS surface. The sheet conductance change of the SC-NTF responded rapidly to the applied pressure and shows a sheet conductance change of approximately 9 % at 360 kPa pressure and we investigated sensitivity, stability, response time, and reproducibility for pressure sensor application.