Method Article

미세유체 채널 기반 연질 전극 및 용량성 압력 감지에서의 적용

DOI:

10.3791/65175

⸱

March 17th, 2023

 ,  ,  , 
1State Key Laboratory of Industrial Control Technology, College of Control Science and Engineering, Zhejiang University

In This Article

Summary

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유연한 전극은 소프트 로봇 공학 및 웨어러블 전자 장치에서 광범위한 응용 분야를 가지고 있습니다. 현재 프로토콜은 리소그래피로 정의된 미세유체 채널을 통해 고분해능으로 신축성이 높은 전극을 제조하는 새로운 전략을 보여주며, 이는 미래의 고성능 연질 압력 센서를 위한 길을 열어줍니다.

Abstract

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유연하고 신축성 있는 전극은 부드러운 인공 감각 시스템의 필수 구성 요소입니다. 플렉시블 전자 장치의 최근 발전에도 불구하고 대부분의 전극은 패터닝 분해능 또는 고점도 초탄성 재료를 사용한 잉크젯 인쇄 기능에 의해 제한됩니다. 이 논문에서는 탄성 전도성 고분자 복합재(ECPC)를 리소그래피적으로 엠보싱된 미세유체 채널로 긁어내어 달성할 수 있는 마이크로채널 기반 신축성 복합 전극을 제조하는 간단한 전략을 제시합니다. ECPC는 휘발성 용매 증발 방법으로 제조되었으며, 이는 폴리디메틸실록산(PDMS) 매트릭스에서 탄소 나노튜브(CNT)의 균일한 분산을 달성합니다. 종래의 제조 방법과 비교하여, 제안된 기술은 고점도 슬러리로 잘 정의된 신축성 전극의 신속한 제조를 용이하게 할 수 있다. 이 작업의 전극은 모든 엘라스토머 재료로 구성되었기 때문에 마이크로 채널 벽의 계면에서 ECPC 기반 전극과 PDMS 기반 기판 사이에 강력한 상호 연결이 형성될 수 있으며, 이를 통해 전극은 높은 인장 변형률 하에서 기계적 견고성을 나타낼 수 있습니다. 또한, 전극의 기계적-전기적 반응도 체계적으로 연구되었다. 마지막으로, 유전체 실리콘 폼과 IDE(Interdigitated Electrodes) 층을 결합하여 소프트 압력 센서가 개발되었으며, 이는 소프트 로봇 촉각 감지 애플리케이션에서 압력 센서에 대한 큰 잠재력을 보여주었습니다.

Introduction

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소프트 압력 센서는 공압 로봇 그리퍼(gripper)1, 웨어러블 일렉트로닉스(wearable electronics)2, 인간-기계 인터페이스 시스템(human-machine interface systems)3 등과 같은 응용 분야에서 널리 연구되어 왔다. 이러한 응용 분야에서 감각 시스템은 임의의 곡선 표면과의 등각 접촉을 보장하기 위해 유연성과 신축성이 필요합니다. 그러므로, 극한의 변형 조건 하에서 일관된 기능을 제공하기 위해 기판, 형질전환 소자 및 전극을 포함한 모든 필수 구성 요소가 필요하다4. 또한, 높은 감지 성능을 유지하려면, 전기 감지 신호(5)의 간섭을 피하기 위해 연질 전극의 변화를 최소 수준으로 유지하는 것이 필수적이다.

연질 압력 센서의 핵심 구성 요소 중 하나인 높은 응력과 변형률 수준을 유지할 수 있는 신축성 있는 전극은 장치가 안정적인 전도성 경로와 임피던스 특성을 보존하는 데 매우 중요합니다 6,7

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Protocol

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1. ECPC 슬러리의 합성

  1. CNT를 톨루엔 용매에 1:30의 중량비로 분산시키고 PDMS 베이스를 1:1의 중량비로 톨루엔으로 희석합니다.
    알림: 그림 1에 표시된 전체 실험 절차는 환기가 잘 되는 흄 후드에서 수행해야 합니다.
  2. CNT/톨루엔 현탁액과 PDMS/톨루엔 용액을 실온에서 1시간 동안 자기적으로 저어줍니다.
    참고: 이 단계를 통해 다음 단계에서 CNT를 PDMS 매트릭스에 잘 분산시킬 수 있습니다.
  3. CNT/톨루엔 현탁액과 PDMS/톨루엔 용액을 혼합하여 액체 CNT/PDMS/톨루엔 혼합물을 형성하고 이 블렌드를 80°C의 핫플레이트에서 자기적으로 저어 용매(톨루엔)를 증발시킵니다.
    참고: 용매의 증발은 용액 점도를 증가시키며, 이는 다음 단계의 혼합 공정을 용이하게 하기 위해 정밀하게 제어되어야 합니다. 완전한 용매 증발에 필요한 시간은 2시간입니다.
  4. PDMS 경화제를 CNT/PDMS/톨루엔 혼합물에 10:1의 중량비로 첨가합니다.
    참고: 이 단계에서 ECPC 슬러리의 합성이 완료됩니다.

2. 미세유체 채널 기반의 신축성 전극의 제작<....

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Results

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프로토콜에 따라 ECPC는 미세유체 채널을 통해 패터닝될 수 있으며, 이는 고분해능의 신축성 있는 전극을 형성합니다. 그림 3A, B는 트레이스 디자인과 인쇄 해상도가 다른 연질 전극의 사진을 보여줍니다. 도 3C는 50 μm, 100 μm, 및 200 μm를 포함하는 제조된 전극들의 상이한 선폭을 나타낸다. 각 전극의 저항은 그림 3D에 나와 있으며, 이는 옴의 법칙에 따라 예상대로 선폭이 감소함에 따라 저항이 증가함을 보여줍니다. 구불구불한 전극은 또한 구불구불한 전극의 유효 길이가 더 길기 때문에 선 구조를 갖는 동일한 폭의 전극보다 더 높은 저항을 나타내었다. 연질 전극의 신축성은 그림 3E에서도 입증되며, 이는 ECPC와 마이크로 채널 벽 사이의 강력한 계면으로 인해 전극이 PD.......

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Discussion

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이 프로토콜에서 우리는 신축성 있는 전극을 위한 새로운 미세유체 채널 기반 인쇄 방법을 시연했습니다. 전극의 전도성 물질인 ECPCs 슬러리는 용매 증발법에 의해 제조될 수 있으며, 이는 CNT가 PDMS 매트릭스 내로 잘 분산될 수 있게 하여, PDMS 기판만큼 높은 연신성을 나타내는 전도성 폴리머를 형성한다.

스크래핑 공정에서 ECPC 슬러리는 면도날을 사용하여 PDMS 미세유체 채널에 빠르게 채워집니다. 따라서 슬러리의 점도는 스크래핑 작업에서 중요한 역할을 합니다. ECPC 슬러리의 점도가 낮으면 마이크로 채널이 부분적으로 채워져 개방 회로 상태 또는 상당히 높은 저항이 발생할 수 있습니다. 반면, 점도가 높을수록 PDMS 표면에 과도한 슬러리가 남아 고분해능 IDE 구조에서 단락을 유발할 수 있습니다. 또한 전도성 CNT는 ECPC 슬러리에서 7wt.%의 작은 부분만을 나타내지만 전극의 메가옴 수준의 높은 저항은 소프트 용량성 압력 센서의 감지 성능에 무시할 수 있는 영.......

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Disclosures

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저자는 공개 할 것이 없습니다.

Acknowledgements

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이 연구는 그랜트 62273304 (Grant )의 중국 국립 자연 과학 재단 (National Natural Science Foundation of China)의 지원을 받았다.

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Materials

List of materials used in this article
NameCompanyCatalog NumberComments
카메라OPLENIC 디지털 카메라
탄소 나노 튜브 (CNT)난징 Xianfeng 나노 기술직경 : 10-20 nm, 길이 : 10-30 μ m
핫플레이트 교반기Thermo ScientificSuper-Nuova +교반 및 가열 장비
LCR 미터KeysightE4980AL커패시턴스 측정 장비
현미경SDPTOP
멀티 미터Fluke저항 측정 장비
오븐YamotoDX412C난방 장비
포토 마스크Shenzhen Weina Electronic Technology
포토레지스트MicrochemSU-8 3050
폴리디메틸실록산(PDMS)다우코닝실가드 184실리콘 엘라스토머
실리콘 폼Smooth onSoma Foama 252액형 백금 실리콘 플렉시블 폼
실리콘 웨이퍼쑤저우 크리스탈 실리콘 전자 & 기술직경 : 2 인치
교반기: IKA컬러 오징교반 장비
: 톨루엔시노팜 화학 시약: ECPC의 준비를위한 용제,
트리에 톡시 실란,맥클린
어

References

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. Sun, Z. D., et al. Artificial intelligence of things (AIoT) enabled virtual shop applications using self-powered sensor enhanced soft robotic manipulator. Advanced Science. 8 (14), 2100230(2021).
  2. Lo, L. -W., et al.

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Microfluidic ChannelsSoft ElectrodesCapacitive Pressure SensingStretchable ElectrodesFlexible ElectronicsCarbon NanotubesPDMS CompositeDielectric Silicone FoamInterdigitated ElectrodesTactile Sensing

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