은 나노와이어 코팅 직물을 이용한 초고감도 웨어러블 압력 센서

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 사이클)을 보입니다. 이러한 고성능 전직물 압력 센서는 스마트 의류, 활동 모니터링, 헬스케어 기기 분야에 적용될 것으로 기대됩니다.

서론

웨어러블 전자기기의 발전으로 전자 피부 장치, 건강 모니터링 시스템, 스마트 로봇 등 다양한 분야에서 유연한 압력 센서에 대한 수요가 증가하고 있습니다. 이러한 응용 분야에서 실용적으로 사용되려면 압력 센서는 정확한 진단이나 분석을 위한 철저한 정보를 제공하는 우수한 감도 성능을 보여야 합니다.

지금까지 탄소나노튜브(CNTs), 그래핀 나노시트, 금속 나노와이어, 전도성 고분자 및 이들의 복합 소재 등 나노소재 최적화를 통해 센서 성능을 개선하는 다양한 방법이 개발되었습니다. 특히 은 나노와이어(AgNW)는 우수한 전기적 특성으로 인해 압력 센서의 감지 소재나 전도성 필러로 널리 연구되어 왔습니다. 예를 들어 Wang 등은 AgNW가 채워진 PU 필름 기반 유연 압력 센서를 제작하여 30 Pa 이하 압력 범위에서 5.54 kPa⁻¹의 감도를 구현했습니다. Ho 등은 AgNW 내장 미세유체 채널을 가진 두 개의 라미네이트 PDMS 필름으로 구성된 투명한 크랙 강화 압력 센서를 보고했습니다. 그러나 이러한 센서 대부분은 기밀성 탄성 기판을 사용하여 제작되어 통기성이 없고 착용감이 불편해 실제 적용이 제한적이었습니다.

최근 직물 기반 압력 센서는 부드러움, 통기성, 생체적합성으로 인해 장기 착용이 가능하고 내구성이 좋아 주목받고 있습니다. AgNW는 직물 기반 압력 센서의 감지층으로 널리 사용되어 왔습니다. 직물 기반 센서의 일반적인 구조는 전도성 직물로 덮인 유연 회로로, 회로와 직물 간의 접촉 저항 변화를 이용합니다. 압력이 가해지면 두 필름이 접촉하여 큰 전류가 생성됩니다. 예를 들어 Wei 등은 두 장의 전도성 AgNW 코팅 면직물 구조의 웨어러블 압력 센서를 시연했습니다. Zhou 등은 프린팅된 직물 전극과 AgNW 코팅 면직물로 압력 센서를 설계했습니다. 그러나 이러한 센서 구조는 압력 범위가 제한적입니다. 따라서 압력 센서 성능 향상을 위한 다양한 구조 설계가 제안되었습니다. Zhong 등은 POE 나노섬유와 AgNW로 구성된 초고감도 압저항 센서를 간편한 여과법으로 개발했습니다. 나노섬유는 서로 다른 섬유 간격을 가진 패턴 나일론 직물에 복제되었습니다. 이러한 진전에도 불구하고 초고감도와 구조 설계를 갖춘 전직물 기반 압력 센서는 드물게 보고되었습니다.

본 연구에서는 전직물 기반 압력 센서 제조를 위한 새로운 전략을 제안합니다. AgNW 용액을 합성한 후 딥코팅법으로 전도성 직물을 제조했는데, 이는 면 조각을 AgNW 분산액에 담그는 방식으로 수행되었습니다. 활성 감지 요소는 면 메쉬 스페이서로 초기 접촉을 확보한 이중층 AgNW 코팅 면직물로 구성됩니다. 압력 센싱은 외부 압력에 의해 맞닿은 층 간의 접촉으로 인한 전기적 전류 변화를 기반으로 합니다. 이 전직물 기반 압저항 압력 센서는 섬유/실/직물 다중 규모 접촉의 시너지 효과를 충분히 활용하여 0~10 kPa에서 3.24 × 10⁵ kPa⁻¹, 10~100 kPa에서 2.16 × 10⁴ kPa⁻¹의 초고감도를 달성했습니다. 동시에 빠른 응답/이완 시간(32/24 ms)과 높은 안정성(1000회 이상의 로딩/언로딩 사이클)을 보입니다. 이러한 소자는 스마트 의류, 활동 모니터링, 헬스케어 기기에 광범위하게 응용될 수 있습니다.

실험 섹션

재료 및 방법

AgNW 용액은 수열합성법으로 합성했습니다. 먼저 PVP 용액을 EG에 첨가한 후 20분간 교반해 PVP/EG 용액을 만들었습니다. 유사하게 AgNO₃/EG 용액과 NaCl/EG 용액을 제조했습니다. 둘째, AgNO₃/EG 용액과 NaCl/EG 용액을 PVP/EG에 첨가하고 교반 후 반응 주전자에 옮겼습니다. 셋째, 주전자를 140°C에서 2시간, 다시 160°C에서 30분간 가열했습니다. 이후 주전자를 자연 냉각시켜 실온으로 내렸습니다. 얻은 침전물을 아세톤과 탈염수로 여러 번 세척 및 원심 여과해 백색 분말을 얻었습니다. 마지막으로 얻은 AgNW를 에탄올에 초음파 분산시켰습니다.

압력 센서 제조

전직물 기반 압력 센서는 '딥핑 및 건조' 공정으로 제조했습니다(그림 1). 첫째, 면 직물을 DI수와 무수 에탄올로 각각 15분간 세척했습니다. 둘째, 직물을 얻은 AgNW 용액에 20분간 담근 후 90°C에서 10분간 건조했습니다(그림 1a). 그런 다음 구리 전극을 은 페이스트로 AgNW 코팅 직물 표면에 부착하고 90°C에서 1시간 건조했습니다. 한편, 면 메쉬 스페이서를 레이저 에칭 공정으로 제조했습니다(그림 1b). 마지막으로 이중층 감지 직물에 면 메쉬 스페이서를 삽입하여 면대면 패키징 공정으로 조립했습니다(그림 1c).

특성 분석

AgNW 코팅 직물 표면의 주사전자현미경(SEM) 이미지는 GeminiSEM 500(ZEISS, New York, America)을 5 kV에서 촬영했습니다. 압력 센서의 전류 응답은 디지털 소스미터(Keithley 4200, America)로 기록하고 디지털 힘 게이지(SJS-500V, China)로 측정했습니다.

결과 및 고찰

그림 2는 다양한 배율에서 AgNW 코팅 직물의 형태학적 SEM 이미지를 보여줍니다. 그림 2a에서 면직물의 실이 다공성 구조로 자연스럽게 층을 이루고 있음을 볼 수 있습니다. 직물의 최외층 표면은 AgNW로 덮여 있으며(그림 2b), 나노와이어가 섬유에 균일하게 감겨 있습니다. 특히 인접한 실 사이에는 빈 공간이 있으며, 부착된 AgNW 전도성 네트워크가 이를 연결합니다(그림 2c). 인접 실 사이에 길고 균일한 와이어가 관찰되며, AgNW의 평균 직경은 약 55 nm입니다. 그림 2d에서 AgNW는 실 표면 주 영역에 균일하게 형성되어 있으나 일부 지점에서 박리되어 있습니다. 또한 개별 실에 부착된 나노와이어 간 거리가 인접 실 사이의 나노와이어 간 거리보다 상대적으로 큽니다.

직물 표면의 AgNW 밀도는 딥코팅 사이클 횟수로 조절했습니다. 1회 딥코팅한 AgNW 코팅 직물(그림 S1)과 5회 딥코팅한 직물(그림 2d)을 비교했습니다. 고밀도 직물에 비해 1회 딥코팅 직물의 나노와이어 메쉬 간격은 1 μm 미만에서 2~4 μm로 증가했습니다.

AgNW 코팅 직물의 조성은 에너지 분산형 X선 분광법(EDS)으로 분석했습니다(그림 S2 인셋). 면직물 유래의 C, O 성분 외에 Ag 원소도 관찰되어 면직물 상의 AgNW 분포를 확인했습니다.

압력 센서의 감지 원리는 그림 3a에, 다양한 압력 하에서의 단면 SEM 이미지는 그림 3b-e에 나와 있습니다. 언로딩 상태에서는 AgNW 간 비접촉으로 인해 초기 저항이 큽니다(그림 3b). 압력이 가해지면 인접 직물 상의 나노와이어 간 섬유 규모 접촉이 증가하여 저항이 감소합니다(그림 3c). 나노와이어가 완전히 접촉하면 지속적인 압력이 실에 가해져 실 규모 접촉이 증가합니다. 그림 3d에서 실의 Y 방향 길이가 약 200 μm에서 160 μm로 줄어들어 실 간 압축을 확인할 수 있습니다. 단면 SEM 이미지에 따르면 AgNW는 실 표면과 인접 실 내부에 모두 형성되어 있습니다(그림 S3). 압력이 가해져 실이 압축되면 실 내부의 AgNW가 접촉하여 센서 저항을 추가로 낮춥니다. 로딩 압력이 증가하면 인접 직물이 압축됩니다(그림 3e); 직물 규모 접촉이 맞닿은 직물 간 접촉 면적 증가로 인해 저항을 추가로 감소시킵니다. 이때 이중층 직물의 총 두께는 600 μm에서 350 μm로 감소했습니다. 따라서 센서의 압력 센싱은 섬유/실/직물 다중 규모 접촉의 시너지 효과에 의해 결정됩니다. 이러한 단면 SEM 이미지는 압력 센싱 메커니즘을 추가로 확인시켜 줍니다.

AgNW 코팅 직물의 굽힘 변형이 표면 형태에 미치는 영향은 단면 SEM 이미지(그림 S4)로 조사했습니다. 약간의 굽힘 변형에서는 초기 상태(그림 S4a)와 비교해 AgNW 네트워크에 명백한 균열이나 박리 문제가 없습니다(그림 S4b). 굽힘 변형의 영향을 더 조사하기 위해 500회 굽힘 사이클 후 AgNW 코팅 직물의 SEM 이미지를 촬영했습니다(그림 S5). 그림 S5에서 많은 박리 지점이 관찰되어 소자 열화 가능성이 있음을 보여줍니다. 이 결과는 AgNW 코팅 직물의 안정성이 향후 개선되어야 함을 시사합니다.

그림 4a는 다양한 압력 하에서 압력 센서의 전류-전압(I-V) 곡선을 보여줍니다. 가해지는 압력이 0에서 100 kPa로 증가함에 따라 센서 저항이 감소했습니다. 또한 센서 응답은 안정적이었고 옴의 법칙을 따랐습니다. 그림 4b는 다양한 가해 압력 하에서 압력 센서의 전류를 보여주며, 이는 비교적 일정하여 센서 응답이 다양한 압력에서 안정적임을 나타냅니다. 따라서 이러한 결과는 압력 센서의 잠재적 응용을 위한 우수한 전기적 안정성을 제공합니다.

압력 센서 성능을 조사하기 위해 다양한 AgNW 딥코팅 사이클과 메쉬 구멍 직경에 따른 상대 전류 변화(ΔI/I₀) 대 압력을 그림 4c, d에 나타냈습니다. 여기서 압력 센서의 감도는 S = (ΔI/I₀)/P로 정의했습니다(P는 가해 압력). 메쉬 구멍 직경 0.25 mm에서 압력 센서 감도는 AgNW 딥코팅 사이클에 크게 의존했습니다. 딥코팅 사이클이 1에서 5로 증가함에 따라 0~10 kPa 범위에서 감도가 2.12 × 10³ kPa⁻¹에서 1.98 × 10⁵ kPa⁻¹로, 10~100 kPa에서 764에서 1.12 × 10³ kPa⁻¹로 향상되었습니다. 높은 딥코팅 사이클에서 감도 향상은 주로 AgNW 밀도 증가에 기인합니다.

또한 구멍 직경 의존성을 특성화했습니다. 5회 딥코팅 사이클의 압력 센서는 직경 증가에 따라 감도가 향상되어 10~100 kPa 압력 범위에서 1.12 × 10³, 9.88 × 10³, 2.16 × 10⁴ kPa⁻¹로 증가했습니다. 감도 향상은 더 큰 구멍을 통한 접촉 면적 증가에 주로 기인합니다. 그러나 4회 사이클에서 직경이 1 mm를 초과하면 언로딩 상태에서 맞닿은 직물 초기 인터페이스의 접촉이 증가하여 직물 간 접촉 저항이 크게 낮아집니다(그림 S6). 또한 스페이서 직물 두께가 변하면 센서 성능이 저하됩니다(그림 S7). 더 얇은 스페이서는 초기 상태에서 맞닿은 직물 접촉으로 인해 ΔI/I₀ 감소를 보입니다(그림 S7a). 더 두꺼운 스페이서는 직물 접촉을 감소시킵니다. 스페이서 두께가 1 mm로 증가하면 압력이 10 kPa를 초과할 때까지 직물 상의 AgNW가 접촉하지 않습니다(그림 S7c).

특히 압력 센서는 두 개의 선형 전류 구간을 명확히 보였습니다. 저압 범위에서 감도가 급격히 증가하고 고압 범위에서 점진적으로 증가합니다. 앞서 언급한 감지 원리에 따르면 저압 범위에서는 인접 AgNW 접촉이 전류 증가에 중요한 역할을 합니다. 압력이 10~15 kPa로 증가하면 인터페이스의 AgNW가 완전히 접촉합니다. 전류 변화는 주로 실과 직물 간의 접촉 저항에 의해 결정되며, 이는 상대적으로 안정적입니다. 5회 딥코팅 사이클과 0.75 mm 직경에서 실 및 직물 규모 접촉이 감도와 선형 범위 향상에 더 중요한 역할을 했습니다. 따라서 0.75 mm 직경(그림 4d)은 접촉 증가로 인해 더 높은 감도와 더 큰 선형 범위를 보였습니다.

소자의 동적 응답을 로딩/언로딩 압력 사이클 하에서 연구했습니다. 센서는 주기적 압력에 즉각적으로 반응했습니다. 시분할 응답을 분석해 응답 및 이완 시간을 정량화했습니다(그림 5a). 측정된 응답 및 이완 시간은 각각 32 ms, 24 ms였습니다. 다양한 압력 하에서의 센서 성능도 조사했습니다(그림 S8). 센서는 50 Pa의 미세한 압력도 명확히 구별하여 우수한 성능을 입증했습니다. 10 kPa 가해 압력 하에서 1000회 로딩 사이클에 대한 ΔI/I₀로 소자 반복성을 검증했습니다(그림 5b). 결과는 압력 센서의 우수한 안정성을 보여줍니다. 또한 일반 면직물과 AgNW 코팅 면직물의 공기 투과성을 조사했습니다. 공기 투과성이 787.3에서 252.6 mm/s로 감소했지만, 이 값은 최근 보고된 값들보다 훨씬 높습니다. 이 결과는 은 나노와이어 코팅 직물 기반 웨어러블 압력 센서가 높은 다공성으로 인해 우수한 공기 투과성을 유지함을 보여줍니다.

직물의 천연 유연성과 센서의 고감도 덕분에 압력 센서는 착용 가능하며 맥박, 호흡수 같은 생리적 기계 신호를 검출할 수 있습니다. 먼저 소자를 접착 붕대로 손목에 부착해 맥압을 모니터링했습니다. 그림 5c는 실시간 기록 데이터로, 맥박수가 분당 약 72회로 측정되었습니다. 또한 센서를 마스크에 부착해 호흡 상태를 검출했습니다. 그림 5d는 성인의 정상 호흡수 분당 10회와 정상 호흡에 대한 사각파 형태를 보여줍니다. 파폭은 호흡 유지 시간을 나타냅니다. 이러한 결과는 고감도와 우수성을 가진 압력 센서가 웨어러블 헬스케어 기기 응용에 큰 잠재력을 가짐을 시사합니다.

결론

본 연구에서 AgNW를 수열합성법으로 제조하고 형태를 특성 분석했습니다. 이중층 AgNW 코팅 면직물 사이에 면 메쉬 스페이서를 삽입하여 전직물 기반 압력 센서를 제조했습니다. 섬유/실/직물 다중 규모 접촉의 집단 효과 덕분에 센서는 극도로 높은 감도(0~10 kPa에서 3.24 × 10⁵ kPa⁻¹, 10~100 kPa에서 2.16 × 10⁴ kPa⁻¹), 빠른 응답/회복 시간(32/24 ms), 높은 안정성(1000 사이클), 넓은 압력 범위(0~100 kPa)를 가집니다. 맥압 등 생리 신호 모니터링이 성공적으로 시연되었습니다. 간편하고 효율적인 제조법으로 이러한 초고감도 압력 센서는 차세대 스마트 의류, 활동 모니터링, 헬스케어 기기 개발에 광범위한 응용을 촉진할 것입니다.