미세유체 채널 기반 연질 전극 및 용량성 압력 감지에서의 적용

요약

유연한 전극은 소프트 로봇 공학 및 웨어러블 전자 장치에서 광범위한 응용 분야를 가지고 있습니다. 현재 프로토콜은 리소그래피로 정의된 미세유체 채널을 통해 고분해능으로 신축성이 높은 전극을 제조하는 새로운 전략을 보여주며, 이는 미래의 고성능 연질 압력 센서를 위한 길을 열어줍니다.

초록

유연하고 신축성 있는 전극은 부드러운 인공 감각 시스템의 필수 구성 요소입니다. 플렉시블 전자 장치의 최근 발전에도 불구하고 대부분의 전극은 패터닝 분해능 또는 고점도 초탄성 재료를 사용한 잉크젯 인쇄 기능에 의해 제한됩니다. 이 논문에서는 탄성 전도성 고분자 복합재(ECPC)를 리소그래피적으로 엠보싱된 미세유체 채널로 긁어내어 달성할 수 있는 마이크로채널 기반 신축성 복합 전극을 제조하는 간단한 전략을 제시합니다. ECPC는 휘발성 용매 증발 방법으로 제조되었으며, 이는 폴리디메틸실록산(PDMS) 매트릭스에서 탄소 나노튜브(CNT)의 균일한 분산을 달성합니다. 종래의 제조 방법과 비교하여, 제안된 기술은 고점도 슬러리로 잘 정의된 신축성 전극의 신속한 제조를 용이하게 할 수 있다. 이 작업의 전극은 모든 엘라스토머 재료로 구성되었기 때문에 마이크로 채널 벽의 계면에서 ECPC 기반 전극과 PDMS 기반 기판 사이에 강력한 상호 연결이 형성될 수 있으며, 이를 통해 전극은 높은 인장 변형률 하에서 기계적 견고성을 나타낼 수 있습니다. 또한, 전극의 기계적-전기적 반응도 체계적으로 연구되었다. 마지막으로, 유전체 실리콘 폼과 IDE(Interdigitated Electrodes) 층을 결합하여 소프트 압력 센서가 개발되었으며, 이는 소프트 로봇 촉각 감지 애플리케이션에서 압력 센서에 대한 큰 잠재력을 보여주었습니다.

서문

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.

프로토콜

1. ECPC 슬러리의 합성

1. CNT를 톨루엔 용매에 1:30의 중량비로 분산시키고 PDMS 베이스를 1:1의 중량비로 톨루엔으로 희석합니다.
   알림: 그림 1에 표시된 전체 실험 절차는 환기가 잘 되는 흄 후드에서 수행해야 합니다.
2. CNT/톨루엔 현탁액과 PDMS/톨루엔 용액을 실온에서 1시간 동안 자기적으로 저어줍니다.
   참고: 이 단계를 통해 다음 단계에서 CNT를 PDMS 매트릭스에 잘 분산시킬 수 있습니다.
3. CNT/톨루엔 현탁액과 PDMS/톨루엔 용액을 혼합하여 액체 CNT/PDMS/톨루엔 혼합물을 형성하고 이 블렌드를 80°C의 핫플레이트에서 자기적으로 저어 용매(톨루엔)를 증발시킵니다.
   참고: 용매의 증발은 용액 점도를 증가시키며, 이는 다음 단계의 혼합 공정을 용이하게 하기 위해 정밀하게 제어되어야 합니다. 완전한 용매 증발에 필요한 시간은 2시간입니다.
4. PDMS 경화제를 CNT/PDMS/톨루엔 혼합물에 10:1의 중량비로 첨가합니다.
   참고: 이 단계에서 ECPC 슬러리의 합성이 완료됩니다.

2. 미세유체 채널 기반의 신축성 전극의 제작

1. Si 웨이퍼에서 기존의 리소그래피 기술을 사용하여 다양한 패턴의 미세유체 채널을 가진 SU-8 기반 금형을 준비합니다.
   참고: 금형의 리소그래피 공정은 사용된 포토레지스트의 데이터 시트에 제안된 표준 방법을 따릅니다. 금형의 두께는 약 100μm이며 모든 트레이스 구조에는 50μm, 100μm 및 200μm의 세 가지 선폭이 사용됩니다.
2. SU-8 몰드를 (3-아미노프로필)트리에톡시실란 용액에 담궈 실란화 공정을 수행합니다.
   참고: 이 단계를 수행하면 PDMS를 쉽게 벗길 수 있습니다.
3. PDMS 기액과 경화제를 10:1의 중량비로 혼합하고, 경화되지 않은 PDMS 혼합물을 모든 기포가 사라질 때까지 진공 데시케이터에 넣는다.
4. 상기 단계 2.1에서 제작된 몰드에 탈기된 혼합물을 붓고, 경화되지 않은 PDMS 용액이 담긴 몰드를 85°C의 핫플레이트 위에 1시간 동안 올려놓으면 PDMS가 완전히 경화되고 경화된 PDMS 필름 상에 몰드의 패턴이 전사된다. 블레이드를 사용하여 PDMS 레이어를 떼어냅니다.
5. 1단계에서 준비한 소량의 ECPC를 PDMS 표면에 주조합니다. 면도날을 사용하여 엠보싱 처리된 미세유체 채널을 따라 ECPC 슬러리를 조심스럽게 긁어냅니다.
   참고: 이 스크랩 코팅 공정 중에 점성이 높은 ECPC 슬러리는 마이크로 채널 패턴에 효과적으로 포획되고 PDMS 표면에 남아 있는 잔류물은 블레이드에 의해 동시에 제거될 수 있습니다. ECPC 슬러리를 마이크로 채널로 긁어내는 것이 어려운 경우 샘플을 가열하여 점도를 높이는 것이 좋습니다. 이러한 코팅 단계는 마이크로채널이 채워지고 연속 전도성 전극이 형성될 때까지 여러 번 반복될 수 있다.
6. 샘플을 70°C에서 2시간 동안 가열합니다.
7. 전도성 실버 페이스트를 사용하여 마지막 단계에서 제작된 전극의 두 끝에 구리선을 연결합니다. 연결 지점은 접착 고무 실란트로 추가로 밀봉되고 보호됩니다.
   알림: 이 단계에서 그림 2와 같이 ECPC 기반 신축성 전극의 제조가 완료됩니다.

3. 전기 용량 압력 감지기의 제작

1. 제안된 방법(단계 2.1-2.7)을 사용하여 interdigitated 프린지 효과 디자인으로 소프트 전극을 제작합니다.
   참고: 인터디지타이트 프린지 효과 설계의 전극 간 간격과 선폭은 동일하게 설정되며 200μm와 300μm의 두 가지 구성이 제작됩니다. 전극을 경화시킬 수 있는 가열 절차(단계 2.6) 전에, 스카치 테이프가 PDMS 표면에 남아 있는 과도한 경화되지 않은 ECPC 슬러리에 선택적으로 달라붙을 수 있고 마이크로채널에 채워진 ECPC가 유지될 수 있기 때문에, 인터디지타이티드 구조에서 두 전극 트레이스 사이의 잠재적인 단락을 피하기 위해 접착 테이프로 전극 표면을 세척하는 것이 좋습니다.
2. 3D 프린팅된 금형을 준비합니다.
   알림: 금형은 액체 실리콘을 부을 수 있는 구멍이 있는 캐비티(폭 3cm, 길이 4cm, 높이 10mm)를 갖도록 설계되었습니다.
3. 백금 실리콘 연질 폼의 두 구성 요소를 파트 A:파트 B의 중량비로 1:1 및 6:1로 완전히 혼합하여 두 가지 기공 크기를 가진 연질 실리콘 폼의 유전체 층을 준비합니다. 빨리 저어주세요.
   알림: 다공성은 파트 A와 파트 B의 혼합 비율을 조정하여 제어할 수 있습니다.
4. 마지막 단계의 혼합물을 3.2 단계에서 만든 금형에 붓습니다.
5. 금형 개구부를 덮기 위해 여러 개의 구멍이 있는 보드를 사용하십시오.
6. 혼합물을 실온에서 1 시간 동안 경화시킨다.
   알림: 실리콘 폼은 경화 후 원래 부피의 2-3배로 팽창하기 때문에 폼이 구멍에서 자라며 이는 캐비티의 폼 두께가 금형 캐비티의 높이와 같아짐을 의미합니다.
7. 구멍을 통해 나오는 여분의 실리콘 폼을 자르고 보드를 제거하십시오.
8. 준비된 유전체 폼을 interdigitated 소프트 전극 층 위에 올려 놓고 압력 센서 제작을 마무리합니다.
   알림: 경화된 실리콘 폼의 두께는 10mm입니다.

4. 전극의 스트레인 특성 분석

1. 2단계에서 제작된 전극을 수정된 스테퍼 모터의 이동 단계 사이에 고정합니다.
2. 전극을 늘리기 위해 이동 단계를 제어하여 전극에 단축 변형을 적용합니다.
   알림: 적용된 신축성은 이동 단계의 변위에서 계산할 수 있습니다.
3. 멀티미터를 사용하여 저항 측정값을 기록합니다.

5. 전극의 압력 특성 분석

1. interdigitated 전극과 동등한 디자인으로 지그재그 전극을 제작합니다(2.1-2.7단계).
   알림: interdigitated 전극의 빗 전극에 여러 개의 핑거가 있다는 점을 고려하여 지그재그 전극은 interdigitated 전극의 전기적 특성을 평가하기 위해 단일 전도성 경로로 핑거를 조립하도록 설계되었습니다. 테스트 된 전극에는 너비가 300μm 인 6 개의 핑거가 포함되어 있으며 핑거 사이의 간격은 2mm입니다.
2. 3D 프린팅된 로딩 로드(직경 2.5cm), 표준 압력 센서 및 스테퍼 모터의 이동 스테이지를 연결하여 압력 로딩 플랫폼을 조립합니다.
3. 제작된 전극을 3D 프린팅된 로딩 로드 아래에 놓습니다.
4. 프로그래밍된 거리만큼 전극을 향해 수직으로 움직이는 로딩 로드를 구동하기 위해 이동 단계를 제어하여 전극에 압력을 가합니다.
   알림: 압력은 이동 단계의 변위를 설정하여 제어할 수 있으며 표준 압력은 표준 힘 센서의 힘 측정으로 계산됩니다.
5. 멀티미터를 사용하여 저항 측정값을 기록합니다.

6. 용량성 압력 센서의 압력 특성 분석

1. 5단계와 동일한 플랫폼을 사용하여 3단계에서 제작된 용량성 압력 센서에 압력을 가합니다.
2. LCR 미터를 사용하여 커패시턴스 측정을 기록합니다.
   알림: 커패시턴스는 1kHz의 테스트 주파수에서 측정됩니다.

결과

프로토콜에 따라 ECPC는 미세유체 채널을 통해 패터닝될 수 있으며, 이는 고분해능의 신축성 있는 전극을 형성합니다. 그림 3A, B는 트레이스 디자인과 인쇄 해상도가 다른 연질 전극의 사진을 보여줍니다. 도 3C는 50 μm, 100 μm, 및 200 μm를 포함하는 제조된 전극들의 상이한 선폭을 나타낸다. 각 전극의 저항은 그림 3D에 ?...

토론

이 프로토콜에서 우리는 신축성 있는 전극을 위한 새로운 미세유체 채널 기반 인쇄 방법을 시연했습니다. 전극의 전도성 물질인 ECPCs 슬러리는 용매 증발법에 의해 제조될 수 있으며, 이는 CNT가 PDMS 매트릭스 내로 잘 분산될 수 있게 하여, PDMS 기판만큼 높은 연신성을 나타내는 전도성 폴리머를 형성한다.

스크래핑 공정에서 ECPC 슬러리는 면도날을 사용하여 PDMS 미세유체 채널?...

자료

Name	Company	Catalog Number	Comments
Camera	OPLENIC DIGITAL CAMERA
Carbon nanotubes (CNTs)	Nanjing Xianfeng Nano-technology		Diameter:10-20 nm,Length:10-30 μm
Hotplate Stirrer	Thermo Scientific	Super-Nuova+	Stirring and Heating Equipment
LCR meter	Keysight	E4980AL	Capacitance Measurment Equipment
Microscope	SDPTOP
Multimeter	Fluke		Resistance measurment Equipment
Oven	Yamoto	DX412C	Heating equipment
Photo mask	Shenzhen Weina Electronic Technology
Photoresist	Microchem	SU-8 3050
Polydimethylsiloxane (PDMS)	Dow Corning	Sylgard 184	Silicone Elastomer
Silicone Foam	Smooth on	Soma Foama 25	Two-component Platinum Silicone Flexible Foam
Silicone wafer	Suzhou Crystal Silicon Electronic & Technology		Diameter:2inch
Stirrer	IKA	Color Squid	Stirring Equipment
Toluene	Sinopharm Chemical Reagent		Solvent for the Preparation of ECPCs
Triethoxysilane	Macklin