Wearable ion gel based pressure sensor with high sensitivity and ultra-wide sensing range for human motion detection

Abstract

Wearable and flexible pressure sensors are applicable to a variety of fields, including human motion detection. Covering the entire range of human motion, they should be able to detect a wide range of pressures, from low to high, with high sensitivity. The ion gel-based pressure sensors, a deformable and stretchable material, measure the capacitance caused by an electric double layer at the electrode - electrolyte interface, and the capacitance significantly increases as the contact area increases. In this work, a series of ionic liquid complexes (ILC) consisting of solvated ionic liquid and conventional ionic liquid were prepared and explored in terms of ionization state. Additionally, the effects of the ILCs have also been confirmed when incorporated into a thermoplastic polyurethane matrix as ion gels. Using the prepared ion gels, wearable pressure sensors were fabricated by sandwiching the ion gel between two cotton fabrics. A conductive knit tape served as an electrode to maximize the contact area between the electrode and ion gel, resulting in high sensitivity and an ultra-wide range of sensing. This study opens up the potential application of wearable ion gel-based pressure sensors with novel ionic liquid complexes. |웨어러블 압력 센서는 형태의 변형이 자유롭고 신축성을 가지는 소재를 기반으로 인간의 동작 감지를 포함하여 다양한 분야에 응용될 수 있다. 웨어러블 압력 센서는 하나의 센서로 인간의 다양한 활동 볌위를 감지하기 위해서는 낮은 압력 범위에서부터 높은 압력 범위까지 넓은 범위의 압력을 안정적으로 감지할 수 있어야 한다. 이온젤 기반의 압력 센서는 전극과 전해질의 계면에서 발생하는 전기 이중층(Electrical double layer, EDL)에 의해 발생하는 정전용량을 측정하며, 이때 발생하는 정전용량은 전극과 전해질의 접촉 면적이 증가함에 따라 크게 증가한다. 본 연구에서는 solvated ionic liquid (SIL)과 ionic liquid (IL)로 구성된 ionic liquid complex (ILC)를 제조하여 이온화 상태에 대하여 조사하였다. 또한, 열가소성 폴리우레탄을 매트릭스로 사용한 이온젤을 제조하였을 때의 ILC의 효과를 확인하였다. 이 이온젤을 사용하여 두 개의 면직물 사이에 이온젤을 위치시켜 샌드위치 형태로 제작한 웨어러블 압력 센서를 제작하였다. 전도성 니트 테이프를 전극으로 사용하여 전극과 이온젤의 압력에 의한 접촉 면적의 변화를 극대화함으로써 높은 감도와 매우 넓은 감지 범위를 구현할 수 있었다. 본 연구에서는 새로운 조합의 ILC를 사용함으로써 이온젤 기반의 웨어러블 압력 센서의 응용 가능성을 열어주었다.