나노기술 및 정책 정보

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중국과학원 베이징(北京, 북경) 나노에너지 및 시스템 연구소 왕중린(王中林, 왕중림) 원사(院士) 연구팀은 소수성(hydrophobic) 막(membrane)과 그래핀/폴리디메틸실록산 스펀지(Polydimethylsiloxane sponge)로 구성된 다기능 센서를 개발하였음.

연구팀은 스펀지에 대한 공학 디자인과 최적화를 통해 센서 압력 민감도를 15.22 kPa^-1 수준과 응답 시간을 74밀리 초 이하로 달성하였으며, 3,000회 이상 사이클 후에도 매우 높은 안정성을 보였음.

온도 자극에서는 연구팀이 개발한 센서가 열전 효과를 통해 1K 온도 감지 분해능을 나타냈으며, 서로 다른 평면 소재와 물리적으로 접촉한 후에 연구팀이 개발한 센서는 접촉 유도 충전을 기반으로 출력 전압 신호를 송출할 수 있었음. 해당 신호는 소재 특성을 추정하는데 사용할 수도 있음.

이 다기능 센서는 원가가 저렴하고 소재에 대한 식별 성능이 뛰어나기 때문 기능 전자공학 분야에서 직면한 여러 가지 도전에 대응하는데 필요한 새로운 디자인 개념을 제공함.

연구팀이 개발한 센서는 주로 소수성 PTFE 막, 양 면 테이프, 그래핀/PDMS 스폰지와 두 개의 Cu 시트로 구성되어 있음. 센서 디자인은 2개의 수직 적층 부품으로 압력, 온도 와 소재 특성에 대해 독립적인 식별을 함. 전기를 띤 층으로 사용되고 있는 PTFE는 테이프를 통해 상단 Cu 판에 설치되는데 동 PTFE는 감지 가능한 물체의 표면과 접촉하게 됨.

기타 소재(예를 들면, 폴리우레탄, 나일론(폴리아미드)와 폴리페닐메틸레이트)에 비해 PTFE 는 내구성과 방수성이라는 강점을 가지고 있으며, 압력 감지 메커니즘은 전극과 전도성 그래핀/PDMS 스폰지 사이의 접촉 저항을 이용함.

연구팀이 개발한 센서는 응답과 회복 시간이 80밀리 초보다 빠르기 때문에 센서로 하여금 제때에 기계적 자극을 받을 수 있도록 하며, 압력 수치를 증가시킴으로써 전류가 점차 증가하고 안정적이고 연속적인 파장을 나타낼 수 있음.

센서에 대한 로딩-언로딩 사이클 테스트에서, 센서의 전기 신호는 3,000회의 사이클을 거친 후에도 안정적으로 유지되었으며, 안정적인 열전 변환은 온도 변화를 민감하게 감지할 수 있음. 또한 이 센서는 뛰어난 열 안정성을 제공하며 다양한 조건에서 뛰어난 성능을 발휘하여 고온의 물체를 탐지하는 지능형 웨어러블 소자에 적합함.

연구팀은 소수성(hydrophobic) 막(membrane)과 그래핀/폴리디메틸실록산 스폰지(Polydimethylsiloxane sponge) 복합소재로 다기능 센서를 간단하고 원가가 저렴하게 제조할 수 있는 방법을 제공하였으며, 복합소재의 압력 저항특성과 열전 특성을 이용하여 센서로 하여금 5.22 kPa^-1의 압력 감도와 1K 자체 공급 온도 감지 측정 정확도를 가지며, 접촉 충전을 통해 물체를 식별할 수 있음.

이는 다기능 센서가 웨어러블 전자 장치와 로봇 기술 분야에서 폭넓게 응용될 수 있도록 하는 기술 수단을 제공함.

본 연구 성과는 ‘Science Advances’ ("Hierarchically patterned self-powered sensors for multifunctional tactile sensing") 지에 게재됨.