Ag 나노와이어와 자기 나노입자 도핑 PDMS를 이용한 고성능 유연 자기장 센서

초록

본 논문은 샌드위치 구조의 Ag 나노와이어와 자기 나노입자가 도핑된 폴리디메틸실록산(AgNWs & MNs-PDMS) 기반 새로운 유연 자기장 센서를 제시합니다. MNs는 자기장 센싱의 감지 유닛 역할을 합니다. 또한 전도성 네트워크는 변형 시 AgNWs에 의해 형성됩니다. 자기수축은 AgNWs & MNs-PDMS 센서의 저항 변화를 유도합니다. 나아가 MNs는 전자의 전도 경로를 증가시켜 변형 시 결과 센서의 초기 저항을 낮추고 감도를 높입니다. 강조할 점은 AgNWs와 MNs의 상호작용이 자기장 센싱에서 대체 불가능한 역할을 하므로, 신장 및 수축 시 저항 변화를 조사했습니다. MNs와 AgNWs 질량비 1:5 기반 유연 자기장 센서가 자기장 센싱 실험에서 24.14 Ω/T의 최고 감도를 보였습니다. 마지막으로 자기수축 및 압저항 센싱 모델을 수립하여 센서 메커니즘을 탐구했습니다.

배경

유연 전자 소자는 용이한 상호작용과 장기 모니터링 능력으로 최근 엄청난 주목을 받고 있습니다[1-5]. 가벼움, 휴대성, 우수한 전기적 특성, 높은 집적도 등의 장점으로 가장 유망한 전기 센서 중 하나가 되었습니다[6-11]. 나노물질은 작은 크기, 표면 효과, 양자 터널링 효과 등 탁월한 특성으로 유연 센서에서 대체 불가능한 역할을 합니다[12-14]. 나노물질의 공명 터널링 효과를 기반으로 변형에 따라 저항이 변하는 압저항 스트레인 센서에 많은 연구가 집중되었습니다[15-17]. 부드러운 스트레인 센서의 핵심 응용 중 하나는 유연 전자 피부이므로, 다기능화가 센서 개발 추세입니다. 일부 보고는 스트레인 센싱 어레이에 온도[18, 19]와 습도[20, 21] 센싱 모듈 추가를 선언했습니다.

스트레인, 온도, 습도 센싱 능력 외에도 전자 피부 센싱 어레이는 새로운 기능이 절실히 필요합니다. 즉, 더 많은 기능이 전자 피부를 더 지능적으로 만듭니다. 새로운 기능 중 자기장 센싱은 새로운 응용입니다. 오직 부드러운 자기장 센서만이 미래 전자 피부 모듈로 사용될 수 있습니다. 부드러운 자기장 센서는 유연성과 탄성 덕분에 더 복잡한 영역에서 사용될 수 있어 일부 연구자들이 이 분야에서 작업 중입니다[22-26]. Chlaihawi 등은 Hac 센싱용 ME 유연 박막 센서 제조[27]. Jogschies 등은 자기장 센싱용 박막 NiFe 81/19 폴리이미드 층 연구[28]. Tekgül 등은 GMR 센서에 CoFe/Cu 자기 다층막 적용[29]. Melzer 등은 홀 효과 기반 유연 자기장 센서 보고[30]. 다수 유연 광학 자기장 센서도 연구됨[31-34]. 기존 자기장 검출기와 비교해 유연 자기장 센서는 적용이 더 편리하고 작으며 복잡한 환경에서 검출에 더 적합합니다. 그러나 다기능 전자 피부를 향한 부드러운 자기장 센서 연구는 우리가 아는 한 거의 보고되지 않았습니다.

Ag NWs[35-37]와 MNs(Ni-Fe)[38, 39]의 우수한 전자적 및 자기적 특성으로, 본 논문은 자기수축 및 압저항 효과 기반 샌드위치 구조 유연 AgNWs & MNs-PDMS 자기장 센서 설계와 측정을 제안합니다. MNs를 AgNWs 기반 압저항 스트레인 센서의 자기장 감지 유닛으로 도입했습니다. AgNWs & MNs-PDMS 기반 센서의 다른 자기수축 변형이 다른 저항 변화를 유발합니다. 나노물질 특성 분석 후, MNs와 AgNWs의 세 가지 다른 질량비(AgNWs & MNs; 1:1, 1:2, 1:5)로 유연 자기장 센서를 제작했습니다. 자기장 센싱 특성 조사 전, 신장 또는 수축 시 저항 변화 관계를 연구하여 MNs와 AgNWs 상호작용을 도출했습니다. 특성 분석 결과에 기반해 본 연구에서 얻은 자기장 센서는 향후 다기능 전자 피부에 적용 가능합니다.

방법

유연 센서 제조

MNs는 라텍스 화합물 법으로 합성[24, 25]. AgNWs(창사 웨이시 신소재 기술 유한공사 구매) 직경 50 nm, 길이 20 μm. 나노물질 적정량 조사 위해 MNs와 AgNWs 다른 비율 선택. MNs와 AgNWs를 질량비 0:1, 1:5, 1:2, 1:1로 절대 에탄올에 초음파 분산. 그림 1은 센서 제조 공정 개요도입니다. PDMS 엘라스토머와 가교제를 10:1 질량비로 직사각형 테이프 붙인 기판에 도포. 70 °C에서 2시간 가열 후 홈 있는 PDMS를 벗겨내어 원하는 모양으로 절단, 홈 크기 30 mm × 5 mm. AgNWs & MNs 네 가지 다른 비율 시료를 PDMS 필름 홈에 각각 충전. 양쪽에 부드러운 구리 전극 설치 후 PDMS를 위에 도포하여 전극과 나노물질 고정. 70 °C에서 2시간 가열 후 센서 획득.

센서 구조 설계 및 제조 공정 흐름도 개요도

특성 분석

다른 혼합 비율의 AgNWs & MNs를 주사 전자 현미경(SEM, S4700 SEM Hitachi, 도쿄, 일본)으로 특성 분석. 다른 질량비 AgNWs & MNs 성분을 XRD 측정(Buker D8 Advance, Cu K 방사선 파장 1.5406 Å)으로 분석.

전류-전압 곡선은 실온(실온 25 °C)에서 Keithley 2400 소스미터로 측정. 신장 실험은 신장 플랫폼(Zolix TSM25-1A 및 Zolix TSMV60-1 s, Zolix, 베이징, 중국)에서 수행, 센서 저항은 Keithley 2400 소스미터로 측정. 자기장 센싱 실험은 유연 센서를 다른 자기장에 고정하여 수행. 자기장 강도 0 T에서 시작하여 0.1 T씩 증가.

결과 및 논의

MNs XRD 스펙트럼을 그림 2에 보였습니다. 특성 피크는 MNs가 FeCo, FeNi, Co(OH)₂로 구성됨을 시사. 결과는 이 모든 조성이 자기 물질임을 입증.

MNs XRD 스펙트럼

AgNWs & MNs SEM 이미지를 그림 3에 표시. 순수 Ag NW가 20 μm 길이, 50 nm 직경으로 선형 네트워크 형성(그림 3a). AgNWs & MNs 질량비 5:1, 2:1, 1:1 형태가 그림 3b-d에 전시. 그림 3b에서 Ag NW 사이에 소량 MNs 관찰. 그림 3c 네트워크는 그림 3a, b보다 분명히 희소. 게다가 그림 3d에서 AgNWs 굽힘과 더 많은 MNs 관찰. AgNWs에 의해 구축된 전도성 네트워크와 MNs 양이 그림 3a-d에서 명백히 증가. 그림 3a-d에 보인 균일한 Ag NW와 MNs 혼합은 신장 또는 수축 시 센서 감도 증가에 연결 역할.

a AgNWs & MNs 질량비 1:0, b 5:1, c 2:1, d 1:1

AgNWs & MNs 질량비 1:0, 5:1, 2:1, 1:1 기반 센서 I-V 곡선을 그림 4에 표시. 네 곡선 모두 매끄러운 직선으로 네 센서 모두 유의미한 옴 특성 보임. 이는 변형 없이 이 센서들이 전도성이고 안정적임을 선언.

AgNWs & MNs 질량비 a 1:0, b 5:1, c 2:1, d 1:1 기반 센서 I-V 곡선

그림 4a에서 순수 AgNWs 감지 유닛 센서 저항 41.58 Ω 계산. 그림 4b-d에서 AgNWs & MNs 질량비 1:0, 5:1, 2:1, 1:1 기반 센서 저항 각각 30.2 Ω, 5.04 Ω, 2.87 Ω. MNs 도입 시 감도 유닛 저항 감소 추세 보임. 네 센서 저항 비교 시, MNs 비율 증가에 따라 유연 자기장 센서 저항 감소, AgNWs & MNs 질량비 1:1 센서에서 최소 저항 발생. 또한 AgNWs & MNs 특정 비율 혼합이 MNs 전도성 구성 요소로 네트워크 내 더 많은 전도 경로 유도해 저항 감소 도움 입증.

변형 시 MNs와 AgNWs 상호작용 도출 위해 신장 또는 수축 시 저항 변화 관계 연구. 실온에서 신장 하 AgNWs & MNs 기반 센서 상대 저항 변화를 그림 5a-d에 표시. 신장 과정 중 저항 변화는 검은 곡선, 이완 과정 중 저항 변화는 빨간 곡선. ΔR과 R₀는 변형 하 상대 저항 변화와 센서 초기 저항, L₀와 ΔL은 센서 시편 축 방향 초기 길이와 상대 신장. 센서 게이지 팩터(GF) = ΔR/R₀ : ΔL/L₀ 공식으로 계산 가능. 그림 5a에서 AgNWs 기반 센서는 원래 길이 7.12% 이내 인장 길이에서 신장 및 회복 과정 전도성, GF 129.6. 신장 시 저항 증가. 이는 변형 시 센서 내 AgNWs 간격 증가, 터널링 채널, 전도 경로 감소 탓. 역과정으로 수축 시 저항 감소. MNs 도입 시 유연 장치 스트레인 센싱 특성도 변화. 그림 5b에서 AgNWs & MNs 질량비 5:1 센서 저항이 원래 길이 4.4% 이내 신장 범위에서 거의 선형 변화. 인장 길이가 원래 길이 3.9% 초과 시 더 높은 저항 증가 발생. 센서 GF 257로 증가, 순수 AgNWs 기반 센서 대비 감도 증가 의미. 그러나 MNs 참여 질량비 5:1에서 스트레인 범위 개선 안 됨(그림 5a, b 관찰). 그림 5c에서 AgNWs & MNs 질량비 2:1 센서 저항이 원래 길이 8.7% 이내 신장 범위에서 선형 변화, GF 264.4로 1:0과 5:1 기반 센서보다 높음. 그림 5d에서 AgNWs & MNs 질량비 1:1 센서 저항이 원래 길이 9% 이내 신장 범위에서 선형 변화. 인장 길이가 9% 초과 시 저항 실질적 변화, GF 222.2. 요약: AgNWs & MNs 질량비 2:1 기반 유연 자기장 센서가 최대 GF 264.4, 상대적 큰 신장 범위 가짐. 게다가 응력 증가 시 더 민감 반응, 저항 변화 선형 관계도 더 좋음. MNs 주성분 FeCo가 전도성 합금. 이 네 센서 비교 시, MNs 참여 증가 시 신장 중 감도 유닛 내 더 많은 전도 경로 생성. 그러나 동일 품질에서 AgNWs & MNs 내 MNs 비율 높으면 AgNWs 존재량 적어 변형 중 전도 네트워크 안정성 해침. 이것이 9% 변위에서 상대 저항 급락 이유. 따라서 AgNWs & MNs 질량비 1:1이 본 연구 설계 최고 MNs 양, 1:1 미만 비율 센서는 신장 즉시 비전도성. 그림 5 결과는 특정 비율 AgNWs와 MNs 시너지 효과가 감도와 스트레인 범위 증가시킴 입증.

AgNWs & MNs 질량비 a 1:0, b 5:1, c 2:1, d 1:1 기반 센서 변형 시 상대 저항 변화

MNs는 자기장 하에서 더 가까워질 수 있으므로 자기수축이 센서 수축 유도 가능. 센서 수축 시 AgNWs와 MNs 상호작용 특성화를 위해 수축 중 저항 변화 측정, 실험 결과 그림 6에 표시. 그림 6a에서 AgNWs 기반 센서가 원래 길이 1.6% 이내 수축 길이에서 수축 및 회복 과정 전도성, 최고 GF 13.75; PDMS 내 AgNWs 수축 과정 중 서로 접촉하여 전도 경로 증가. 따라서 수축력 증가에 따라 저항 감소. 센서 내 AgNWs 간격 감소, 점점 더 많은 나노와이어 중첩으로 센서 저항 감소. MNs를 AgNWs에 도입 시, 그림 6b는 AgNWs & MNs 질량비 5:1 기반 유연 장치 수축 특성 그림. 센서 저항이 원래 길이 2.5% 이내 수축 범위에서 변화, 최고 GF 24. 실질적으로 동일한 저항 변화가 AgNWs & MNs 질량비 2:1과 1:1 기반 센서에도 적용(그림 6c, d). 감도 유닛 내 MNs 질량비 증가 시, AgNWs & MNs 질량비 2:1 센서 저항이 원래 길이 1.6% 이내 수축 범위에서 변화, GF 21.875. 동시에 AgNWs & MNs 질량비 1:1 센서 저항도 원래 길이 2.8% 이내 수축 범위에서 감소, GF 20.35. AgNWs & MNs 질량비 5:1 센서가 수축 시 저항 변화가 다른 세 센서보다 크고 감도 최고. 신장 과정과 반대로 모든 센서 저항은 수축 길이 증가에 따라 감소. AgNWs & MNs 질량비 5:1 시 센서가 수축 과정 중 최고 감도 계수, 최고 GF 24. 그림 6a-d 비교 시, 더 적은 MNs 양이 수축 시 더 쉽게 전도 경로 연결—수축 시 물질 이동 공간 더 많기 때문—신장 과정 결과(그림 5)와 반대. 따라서 AgNWs & MNs 질량비 5:1 센서 GF가 수축 시 최고. 그림 6 결과는 AgNWs와 MNs가 더 큰 비율에서 시너지 효과 발생 입증.

AgNWs & MNs 질량비 a 1:0, b 5:1, c 2:1, d 1:1 기반 센서 수축 시 상대 저항 변화

다른 자기장에서 다른 유연 자기 센서 저항 변화 그림 7에 표시. AgNWs 기반 센서 저항 41.58 Ω. 그림 7a에서 순수 AgNWs 센서를 점진적 증가 자기장에 두면 센서 저항이 그에 따라 진동하며 변화. 금속 물질 자기수축 효과로 센서 저항 약간 변화. 자기장 강도 0.4 T에서 최대 저항 변화율 0.037. 그림 7b에서 AgNWs & MNs 질량비 5:1 센서 저항도 자기장 강도 증가에 따라 감소. MNs 없는 센서 대비 자기장 변화 시 저항 변화 더 명백. 자기장 강도 0.4 T에서 최대 저항 변화율 0.28. 그림 7c, d에서 AgNWs & MNs 질량비 2:1과 1:1 기반 센서 동일 적용, 자기장 증가 시 저항 변화 각각 0.14, 0.19. AgNWs & MNs 질량비 5:1 기반 센서 감도 최고, 자기장과 연속 저항 변화 관계 그림 8에 표시. 다른 MNs와 AgNWs 비율 기반 스트레인 센서 파라미터 비교 표 1에 제시.

다른 자기장에서 저항 변화

저항과 다른 자기장 간 관계

자기장 센서 감도 24.14 Ω/T 계산 가능. 결론적으로 MNs와 AgNWs 질량비 1:5일 때 센서 자기장 변화 반응이 24.14 Ω/T 감도로 가장 민감. 본 연구 획득 유연 자기장 센서는 자기장 강도 검출에 추가 적용 가능. 이 적용 테스트 결과는 그림 7, 8 결과 비교 시 센서 수축 과정과 대응. 즉, 센서 나노물질이 자기장 내에서 함께 이동함 의미. 메커니즘 분석은 다음과 같이 상세히 기술.

다른 자기장 강도 시 센서 저항 변화 이해 위해 그림 9와 같이 센서 작동 원리 설명하는 단순 모델 제안. 수많은 AgNWs와 MNs가 PDMS 내 전도성 네트워크 형성. 자기장 없는 AgNWs와 MNs 전도 경로는 그림 9a 빨간 선으로 표시. MNs는 자기장 하 균일 배열 경향(그림 9b). 그러나 MNs 위치 변화 위한 미세 공간만 있어 MNs 방향만 자기력선 따라 변화. 더 높은 자기장 강도는 AgNWs 네트워크 제약 극복할 더 큰 MNs 힘 의미. MNs 이동 방향이 AgNWs 모이게 만듦, 전도 경로 수 증가 이유. 더 많은 전도 경로 = 더 많은 전자 전달 = 더 낮은 저항, 이런 식으로 자기장 강도 증가에 따라 저항 감소.

AgNWs & MNs-PDMS 기반 소프트 자기장 센서 개요 센싱 모델

결론

본 논문 설계 장치는 유연 전자 개발 추세에 부합. 샌드위치 구조 AgNWs & MNs-PDMS 기반 유연 자기장 센서 연구. SEM과 XRD 특성 분석으로 다른 나노물질 비율 성분과 형태 결정. 이후 AgNWs & MNs 질량비 1:0, 5:1, 2:1, 1:1 기반 센서 전류-전압 곡선과 신장 및 수축 시 저항 변화 각각 측정. 특성 분석 결과 통해 변형 중 AgNWs와 MNs 상호작용 도출. 이후 다른 MNs와 AgNWs 질량비 기반 센서 자기장 센싱 특성 조사. AgNWs와 MNs 질량비 5:1일 때 제작 센서가 24.14 Ω/T 최고 감도 보임. 실험 결과 센서가 자기장 강도 증가에 따라 수축함 보여줌. 또한 자기수축 및 압저항 센싱 모델 수립해 센서 메커니즘 탐구.

약어

AgNWs:

Ag 나노와이어

GF:

게이지 팩터

MNs:

자기 나노입자

PDMS:

폴리디메틸실록산

SEM:

주사 전자 현미경

XRD:

X-선 회절