Study on optimization and stabilization of crack-based strain and pressure sensors

Abstract

본 논문은 금속 박막의 상이한 파단 특성을 이용한 다중 금속 박막 구조의 파단 기반 미세 변화 감지 센서와 고분자의 열 변형 성질 기반 봉지 기술이 접목된 내구성이 우수한 미세 변화 감지 센서를 제시하였다.

먼저, 가해지는 인장에 대한 상이한 금속 박막의 파단 형성 특성을 이용하여 새롭고, 제작이 용이한 파단 기반 미세 변화 감지 센서에 대해 소개하였다. 파단 기반 미세 변화 감지 센서의 파단 형성을 위해 취성이 있는 금속 박막과 전도성이 우수한 금속 박막을 결합하여 전도성 박막에 파단이 인가하였다. 파단이 인가된 전도성 박막은 연신에 대해 높은 저항변화를 갖는다. 또한 접착력이 있는 옥사이드 박막을 파단 형성 금속 박막과 지지대 사이에 증착하여, 반복 하중에 안정성을 갖는 센서를 구현하였다.

다음으로, 취성 있는 투명 전도성 박막에 인가된 파단 기반 미세 변화 감지 센서의 연구를 제시하였다. 가시광선 영역에서 높은 투과도, 우수한 전도도, 그리고 작은 연신에 파단을 형성 하는 인듐 주석 산화물은 투명한 파단 기반 미세 변화 감지 센서로 적합하다. 따라서, 인듐 주석 산화물을 투명하고 연신이 가능한 고분자 지지대에 증착 한 후 연신을 가해 파단을 인듐 주석 산화물에 인가하는 단순한 제작 공법을 통해 투명한 파단 기반 미세 변화 감지 센서를 구현하였다. 제시한 감지 센서는 미세 연신에 대한 높은 민감도, 가시 광선에 대한 높은 투과도, 그리고 반복 연신에 대한 안정된 특성을 갖는다. 추가로, 연신에 대한 파단 변화 특성을 활용하여 압력을 측정 하는 투명 미세 압력 감지 센서를 개발하였다. 개발된 투명 압력 센서 또한 압력에 높은 민감도, 넓은 압력 계측 범위, 가시광선에 대한 높은 투과도를 갖는다.

다음으로, 고분자의 열 변형 특성을 통한 파단 기반 미세 변화 감지 센서의 안정화 방안을 제시하였다. 기존의 파단 기반 센서의 경우, 표면 금속 박막이 직접 외부로 노출되어 있어 외부의 극한 환경에 취약하다. 본 연구에서는 내 화학성과 투습도가 낮은 고분자를 이용하여 파단이 형성된 금속 박막을 외부로부터 보호하여 센서의 내구성의 증대를 도모하였다.

In this thesis, we present multilayered structural crack-based sensory systems with different fracture characteristics of metal thin films and high durable crack-based sensory systems that use the heat deformation properties of the polymer.

First, we propose a new type of the crack-based sensory systems by using the different crack-forming characteristics of metal thin films against an applied tensile force. The cracks are induced on the ductile conductive thin films by attaching the brittle metal thin films. The crack-induced conductive thin film shows dramatic resistance change with the applied strain. In addition, the adhesive oxide thin film is deposited between the brittle metal thin films and the substrates to stabilize the crack-based sensory system in cyclic loading and unloading.

Next, we present the transparent crack-based sensory systems with brittle transparent conductive oxide films. An Indium-Tin Oxide layer with the high transparency at visible light wavelengths, high conductivity, and appropriate brittleness to form the cracks with small applied strain is suitable material for the transparent crack-based sensory systems. Therefore, we fabricate the transparent crack-based sensory systems by simply depositing the Indium-Tin Oxide layer on the polymer substrates with a sputter. After the deposition, the polymer substrates are stretched to form cracks on the Indium-Tin Oxide films. The proposed transparent sensory systems have high sensitivity to stretching, high transmittance to visible light, and stability against repeated stretching. In addition, we have developed the transparent crack-based sensory systems as pressure sensors. The proposed transparent pressure sensors have high transmittance to visible light, wide range of pressure measuring, and high sensitivity to pressure.

Finally, we propose the stabilized crack sensory systems through polymeric encapsulation methods. In case of the conventional crack sensory systems, the surface of the metal thin films is directly exposed to the outside, which is vulnerable to harsh, external environments. Thus, in this study, the degree of durability and stability of the crack sensory systems against moisture, chemical reactions, and scratches is improved by encapsulating the systems with strong chemical resistance polymers.