50 µm 두께의 폴리비닐리덴 플루오라이드(PVDF) 압전 박막으로 제작된 16개 마이크로 커패시터 유닛으로 구성된 4×4 유연 센서 어레이를 시연한다. 광학 이미징과 압전응답 힘 현미경(PFM)으로 PVDF/전극 계면의 선명함과 견고한 압전 도메인을 확인했다. 어레이는 초고 신호대잡음비를 보이며, 출력 전압이 인가 압력에 선형 비례(12 mV/kPa)한다. 과도 응답 회복 시간이 2.5 µs 미만으로 빠른 압전 기계적 성능을 입증했다. 이론 시뮬레이션에서 178 kPa 이하에서 인접 셀 간 신호 크로스토크가 무시할 만해 설계의 확장성을 확인했다.
폴리비닐리덴 플루오라이드(PVDF)는 화학적으로 안정한 압전 고분자로 열전, 압전, 강유전 특성으로 유명하다[1, 2]. 뛰어난 기계적 강도(영률 2,500 MPa, 인장 강도 ~50 MPa)는 PVDF 기반 압력 센서를 고도로 유연하고 피로 내성 있게 만든다[3, 4]. 기존 강유전 PZT 센서와 비교해 PVDF는 무독성, 생체적합성 대안[5, 6]이며 우수한 부드러움으로 복잡한 형상에 부합해 고급 변형 센싱 응용에 필수적이다[7, 8]. 최근 스마트 카테터 실시간 압력 모니터링[11], 운전자 손 맥파 모니터링[12], 압력과 온도 감지 인공 피부[13] 등에 PVDF 센서 통합이 보고되었다. 그러나 대부분 단일 포인트 센싱에 그쳐 공간 분해능이 제한적이다.
착용형 바이오센서가 인체 압력 분포를 매핑하는 실제 시나리오에서는 다중 포인트, 고유연, 초고감도 센싱 어레이 수요가 명확하다[14-16]. 여기서는 PVDF 박막 기반 4×4 유연 센서 어레이를 제시하며, 감도 12 mV/kPa, 응답 시간 2.5 µs를 달성했다. 또한 일반적인 손가락 움직임 중 인간 손가락 압력 분포를 매핑해 어레이의 실용적 잠재력을 보여준다.
센서는 샌드위치 구조를 채택: 50 µm PVDF 박막(중국 진주 커신사) 양면에 20 µm 알루미늄 전극 층 코팅. 그림 1a는 16개 마이크로 커패시터 유닛이 4×4 그리드로 배치되고, 4개 유닛 그룹이 공통 출력 와이어를 공유해 배선 복잡성을 최소화한 설계를 보여준다.
a 센서 어레이 개략도. b 완성된 장치 사진
제작은 PDMS 코팅 유리 슬라이드에서 진행해 견고한 배킹 제공. 금속화된 PVDF 박막을 기판에 놓고 3000 rpm으로 40초 포토레지스트 스핀 코팅. 마스크 얼라이너(미국 ABM사)로 포토리소그래피 후 알루미늄 습식 식각으로 16유닛 패턴 형성. 완성된 어레이를 슬라이드에서 분리하고 각 커패시터를 은 접착제로 도전성 트레이스에 배선. 생체적합성 확보 위해 전체 조립체를 PDMS로 캡슐화하고 60°C에서 12시간 경화. 그림 1b는 실린더에 감긴 유연 완성 센서 모습.
PFM 측정(일본 세이코사)에서 PVDF 표면에 2V AC 바이어스 인가, 2×2 µm² 영역 스캔. 위상 대비로 명확한 압전 도메인과 하부 전극과의 선명한 계면 확인.
전기기계 플랫폼(내셔널 인스트루먼트 DAQ-USB6008 연결)으로 어레이에 제어된 압력 가하며 출력 전압 기록, 전압-압력 캘리브레이션 곡선 구성.
그림 2a는 식각 후 광학 현미경 표면 형태학으로, 뚜렷한 대비가 깨끗한 PVDF/알루미늄 계면 지시. 그림 2b, c는 PVDF 표면과 PFM 위상 이미지; 매끄러운 형태와 강한 위상 신호가 견고한 압전 거동 입증.
a 식각 후 표면 형태. b PVDF 표면. c 위상 PFM 이미지.
단일 전극에 98.1 kPa 일정 압력 가할 때 센서는 무시할 잡음으로 123.1 mV 출력(그림 3a). 동일한 압력을 4개 전극에 동시 가하면 각각 ~190 mV 출력으로 어레이 전반에 걸친 우수한 동기화 입증(그림 3b). 60-150 kPa 선형 전압-압력 캘리브레이션 기울기 12 mV/kPa, 오프셋 -159.2 mV(그림 3c).
필터링된 출력 전압: a 단일 전극, b 4개 전극, c 캘리브레이션 곡선.
과도 응답 테스트: 90 Hz로 임펄스 압력(~75.1 kPa) 가함. 센서 전압이 2 ms 내 상승 및 하강으로 빠른 압전 기계적 응답 입증(그림 4a). 60-150 kPa 범위에서 응답 시간 일관되게 2 ms 미만, 출력 진폭이 선형 캘리브레이션과 일치.
유지-해제 응답: a 75.1 kPa, b 58.2 kPa, c 67.8 kPa, d 81.9 kPa, e 98.1 kPa, f 153.6 kPa. 삽입: 베어 PVDF 응답.
인접 전극 간 신호 크로스토크는 COMSOL Multiphysics 시뮬레이션으로 검토. 각 전극 면적 1.4 mm². 그림 5b는 전극 A에 압력 가할 때 변형 분포로 인접 부위 변형 증가 보임. 시뮬레이션 간섭 전압은 인가 압력에 선형 변동, 기울기 0.028 mV/kPa, 절편 5×10⁻⁴ mV(그림 5c). 178 kPa 미만에서 간섭 5 mV 이하로 실질적으로 무시 가능. 전극 면적 축소로 간섭 추가 완화, 1.2, 1.0, 0.8 mm² 전극 시뮬레이션으로 확인(그림 5d).
a 시뮬레이션 형상. b 변위 맵. c 1.4 mm² 전극 간섭 전압-압력. d 0.8, 1.0, 1.2 mm² 전극 결과.
실용성 입증을 위해 엄지손가락 세 가지 일반 동작(지압, 주무르기, 문지르기) 중 압력 분포 매핑. 그림 6에서 지압 시 손가락 중심에 76 kPa 집중점, 주무르기는 앞면 고압력, 문지르기는 ~68 kPa 균일 분포. 이는 선행 임상 관찰과 일치하며 센서의 미세한 손가락 움직임 압력 포착 능력 확인.
손가락 압력 맵: a 지압, b 주무르기, c 문지르기.
요약하면, 제작된 4×4 PVDF 기반 센서 어레이는 유연, 고감도 변형 검출과 빠른 응답 시간을 제공한다. 인간 손가락 압력 매핑 능력 입증으로 착용형 바이오센싱 및 로봇 햅틱 응용에 강한 잠재력 확인.
나노물질
요약 유연한 압력 센서는 웨어러블 인체 건강 모니터링 및 케어 시스템에서의 잠재적 응용 가능성으로 인해 주목받고 있습니다. 본 연구에서는 은 나노와이어(AgNW) 코팅 직물을 통합한 전직물 기반 압저항 압력 센서의 간편한 제조 방법을 제시합니다. 이 센서는 섬유/실/직물 다중 접촉의 시너지 효과를 충분히 활용하여 0~10 kPa에서 3.24 × 10⁵ kPa⁻¹, 10~100 kPa에서 2.16 × 10⁴ kPa⁻¹의 초고감도를 달성했습니다. 또한 빠른 응답/이완 시간(32/24 ms)과 높은 안정성(1000회 이상의 로딩/언로딩
요약 본 논문에서는 ~1‰ 정밀도 한계 가진 평면 내 이축 변형 게이지용 신형 MoS2 기반 격자 센서 보고. MoS2 격자 5%까지 다양한 이축 변형 조건 수치 시뮬레이션. 제1원리 계산 결과 MoS2 반사율 스펙트럼 변형 민감도 격자 구조와 통합된 추가 변형 센서로 고려 가능, 평면 내 이축 변형 매핑 가능. 시제품 MoS2-격자 센서 실험 연구 추가로 격자 주기 수직 변형 성분이 격자 1차 회절 패턴 강도 피크 이동 유발 확인. 이 연구 단일 격자 소자 내 평면 내 이축 변형 센싱 새 길 열음. 우리 새 접근법 이축 변형 하
