병렬로 연결된 저항체를 이용한 물리적 센서의 성능에 관한 연구

Abstract

웨어러블 전자기기의 미래 가능성과 함께 신축성과 플렉서블 센서에 대한 관심이 높아지고 있어 다양한 관점에서 연구가 활발히 진행되고 있다. 스트레인 센서와 압력 센서는 기계적 변형을 전기적 신호로 변환하여 감지하는 대표적인 물리 센서로, 변환된 신호의 종류에 따라 크게 압전용량형과 압저항형으로 나뉜다. 그 중 피에조레지스티브 방식의 센서는 센싱매체가 기계적 응력에 의해 신축될 때 전도성 물질로 형성된 네트워크의 저항변화를 감지하여 동작한다. 첫째, 탄소나노튜브와 같은 전도성 충진재를 포함하는 압저항형 센싱매체의 대표적인 고질적인 문제점은 일정한 전도성 확보를 위해 전도성 충진재를 고함량으로 합성할 때 분산되는 문제와 센싱의 히스테리시스로 인해 센서 성능 신뢰성이 낮다는 점이다. 신호. 따라서 본 연구에서는 저항을 효과적으로 감소시키고 감지 신호를 안정화시키는 저항의 다층 병렬 구조를 갖는 압저항 감지 매체를 소개한다. 병렬연결 구조의 다중병렬저항(MPR) 센싱매체는 일반적인 단일저항체에 비해 약 2.5배 낮은 초기저항을 보였다. 제안하는 MPR 센싱 매질을 스트레인 센서로 적용한 경우 GF 값은 0.103 ± 0.009 %-1로 단일 타입의 0.030 ± 0.018 %-1보다 현저한 개선을 보였다. MPR 스트레인 센서는 순방향 및 역방향 스트레인 방향에서 감지 신호의 히스테리시스 및 높은 선형성 없이 거의 동일한 GF 값을 나타냈다. 둘째, 히스테리시스를 줄이고 감도를 향상시키기 위해 유연한 필름에 초광대역 전도성 네트워크 경로를 구성하는 스크린 인쇄 방법을 사용했다. 전도성을 향상시키기 위해 이전 실험에서 설계된 단일 저항(SR), 샌드위치 병렬 저항(SPR) 및 다중 병렬 저항(MPR)을 사용하여 스크린 인쇄에서 미세 패턴 구조를 변경하여 다중 전도성 경로를 얻었다. 전도성 경로를 추가하면 센서의 히스테리시스와 감도가 최대 0.06843 ± 0.02338%-1까지 향상됩니다. 3% 스트레인도 효과적으로 감지할 수 있다는 점은 주목할 가치가 있으며, 이는 낮은 스트레인 감지 한계를 입증했다. 센서는 3% 마이크로스케일에서 90% 변형률 응답까지 다양한 범위의 인장 시험에서 우수한 분해능과 안정성을 나타냈다. |With the future potential of wearable electronic devices, interest in stretchable and flexible sensors is increasing, which has led to active research focusing on various perspectives. Strain and pressure sensors are representative physical sensors that detect mechanical deformations by converting them into electrical signals, which are mainly divided into piezocapacitive and piezoresistive types according to the type of converted signals. Among them, the piezoresistive-type sensor operates by detecting a resistance change in a network formed by a conductive material when the sensing medium is stretched and retracted by mechanical stress. First, the representatively chronic problems of the piezoresistive-type sensing media containing conductive fillers such as carbon nanotubes are dispersion problem when conductive fillers are composited with a high content for securing a certain conductivity and are low reliable sensor performance owing to the hysteresis of the sensing signals. Therefore, this study introduces a piezoresistive sensing medium with a multilayered parallel structure of resistors which effectively reduces the resistance and stabilizes the sensing signal. The multi-parallel resistor (MPR) sensing medium with parallel-connected structure showed an initial resistance approximately 2.5 times lower compared to that of typical single-resistive type. When the proposed MPR sensing medium was applied as a strain sensor, GF value was 0.103 ± 0.009 %-1 showing a remarkable improvement over 0.030 ± 0.018 %-1 of the single type. The MPR strain sensor exhibited approximately the same GF values with no hysteresis and high linearity of the sensing signals in the forward and reverse strain directions. Second, we used a screen-printing method to construct an ultrawide conductive network path on a flexible film to reduce hysteresis and improve sensitivity. Using the single resistor (SR), sandwich parallel resistor (SPR) and multi-parallel resistor (MPR) designed in the previous experiment to improve the conductivity, changing the micropatterned structure on the screen printing to obtain multiple conductive paths. The addition of the conductive path in turn improves the sensor's hysteresis and sensitivity up to 0.06843 ± 0.02338%-1. It's worth noting that 3% strain can also be effectively detected, which affirms to demonstrate its low strain detection limit. It is exhibited that the sensor has excellent resolution and stability in tensile tests in various ranges from 3% microscale to 90% strain response.