최근 물리적인 힘인 압력과 인장을 감지하는 유연 센서에 대한 관심이 증가하고 있다. 압력과 인장을 감지하는 유연 센서는 웨어러블 소자, 소프트 로봇, 인간-기계 상호작용, 전자 섬유 및 실시간 건강 감지 등 인간의 생활을 편리하게 만드는 응용 분야에 적용되고 있다. 압력과 인장을 감지하는 유연 센서의 성능 특성을 향상시키기 위한 여러 방법 중에서 표면에 마이크로 구조를 형성하는 방법은 센서의 감도, 응답 속도와 같은 전반적인 특성을 향상시킨다는 큰 장점이 있다. 센서 구조체 표면에 마이크로 구조를 형성시키기 위해서 역상으로 제작된 패턴 몰드를 사용하는 방법이 주로 제안되었다. 그러나 본 방법은 반도체 공정과 같이 복잡한 제작 공정과 환경에 유해한 용액이 필수적으로 요구된다. 또한 높은 공정 비용, 제작 면적에 대한 제한 등 뚜렷한 한계점이 존재한다. 따라서 대면적으로 제작이 가능하며 반도체 공정과 같이 복잡한 공정 없이 표면에 마이크로 구조를 형성하는 새로운 방법의 필요성이 강조되고 있다.본 박사학위 논문에서는 온도에 의해 팽창하는 입자를 이용하여 표면 형태를 제어하는 방법을 최초로 제안한다. 표면 형태가 제어된 탄성중합체 기반 센서 구조체를 이용하여 물리적 힘을 감지하는 고감도 센서 제작에 대한 새로운 접근법을 제안한다. 본 제작 방법은 탑-다운과 바텀-업 공정을 통해 제작된 패턴 몰드 없이도 표면 형태가 제어된 탄성중합체를 제작할 수 있다. 표면 형태가 제어된 탄성중합체 기반 센서 구조체는 가해지는 압력 또는 인장에 의해 국부적인 응력 집중을 발생시켜 저변형 구간에서의 센서 성능 특성을 향상시킨다. 온도에 의해 팽창하는 입자의 특성, 크기 분석, 복합재 표면의 거칠기 등에 대한 평가와 실험적 검증을 시작으로 표면 형태가 제어된 탄성중합체를 압력과 인장을 감지하는 고감도 유연 센서로 적용하였다. 표면 형태가 제어된 탄성중합체를 압력을 감지하는 유연 센서에 적용 가능함을 검증하였다. 본 센서는 미세 압력 영역인 50 Pa 이내에서 50.45 kPa-1의 매우 높은 감도를 보이며 0.67 Pa 과 같은 미세한 압력 변화도 감지 가능함을 보였다. 반복적인 가압에도 센서의 감도 변화 없이 일정한 성능 특성을 가짐을 보였으며 전류-전압 곡선, 재현성 등 다양한 센서 평가에서도 뛰어난 성능 특성을 가짐을 확인하였다. 본 센서가 전자 피부 등에 적용 가능함을 확인하기 위해 손가락의 미세한 맥박을 감지하는데 적용하였으며 다양한 강도를 갖는 물체를 움켜쥐는 힘을 구별함을 검증하였다. 또한, 압력의 분포를 감지할 수 있는 패드를 제작하고 평가함으로써 정적/동적인 압력을 감지 가능함을 보였다.온도에 의해 팽창하는 입자를 초박형 금속 박막에 마이크로/나노 크기의 균열을 형성하는데 활용하여 고감도의 인장 센서에 적용하였다. 온도에 의해 팽창하는 입자의 팽창 에너지와 초박형 금속 박막의 두께에 따른 물리적 특성 거동 변화를 접목하여 전도성 박막에 균열을 만들 수 있음을 보였다. 균열 기반의 인장 센서는 변형에 의한 전기적 신호 변화가 극대화되어 센서 성능이 급격히 향상된 것을 보였다. 균열 기반 인장 센서는 0.8%에서는 306, 1.2%에서는 2566, 최대 감지 범위인 1.6%에서는 24320의 매우 높은 감도 특성을 보였으며 정적/동적인 평가에서도 뛰어난 성능 특성을 증명하였다. 고감도의 균열 기반 유연 인장 센서를 맥박 감지에 적용함으로써 실시간 건강 정보 측정에 적용하였고 획득한 정보를 통해 개인 건강 정보 분석 가능함을 증명하였다. 마지막으로 균열 기반 인장 센서를 노치가 존재하는 항공기 복합 소재에 부착함으로써 미세한 변형을 감지 및 구별할 수 있는 산업적 응용 분야에 대한 검증을 하였다.
Recently, the development of flexible sensors has garnered increased attention for various applications in wearable electronics, soft robotics, human–machine interfaces, and health monitoring. Modifying the geometrical design of an elastomer surface can enhance the sensing performance, including the sensitivity, response time, and limit of detection. This elastomer fabrication method utilizes micro-molds in various ways. However, these approaches experience challenges in terms of large-area fabrication and cost-efficiency. Consequently, a novel method for fabricating microstructures on the surface without micro-molds synthesized via complicated processes such as photolithography and etching is urgently required.In this study, we propose a novel approach of surface morphology modification on the elastomer surface using TEMS. The elastomer with surface morphology is applied to a highly sensitive pressure and strain sensor with excellent sensing performance. First, we report a piezoresistive flexible pressure sensor with high sensitivity in a low-pressure range of 1 kPa using an irregular micro-dome based on TEMS. Localized stress concentration occurred in the irregular micro-dome structures by pressure and the contact area between the top and bottom electrodes dramatically changed, resulting in a high sensitivity. Based on this principle, we successfully achieved excellent sensing performance with high sensitivity values of 50.45 kPa-1 and 4.35 kPa-1 at a subtle pressure of 50 Pa and a pressure range of 50–400 Pa. We demonstrated various sensor characteristics from static loading (e.g., I-V characteristics) to dynamic loading (e.g., repeatability, response time, and reliability). To evaluate the applicability of this sensor to electronic skin, we used our sensor as a bandage-type index finger pulse monitor. Our sensor was also utilized to distinguish the hardness of the object and detect gripping force. Finally, a sensor array for detecting pressure distribution was fabricated and evaluated during static and dynamic loading on the pad.Second, we propose a new crack fabrication mechanism on the ultrathin metal film using the internal stimuli of surface morphology modification on the elastomer surface with TEMS. Micro/nano-scale cracks on the ultra-thin metal film occurred with the expansion of the microsphere; it was then applied as a flexible strain sensor with ultra-high sensitivity in the 2% strain range. We verified the sensing characteristics of flexible strain sensors with and without cracks on the ultrathin metal film. The cracked strain sensor exhibited a higher sensing performance than the sensor without cracks due to the significantly changed electrical signal during deformation. In addition, the cracked strain sensor demonstrated ultra-high sensitivity values of 306, 2566, and 24320 at 0.8%, 1.2%, and 1.6%, respectively, and exhibited excellent sensor performance characteristics during static and dynamic loading. This high-performance crack-based flexible strain sensor was applied as a system to detect human health information, detect pulse waves, and analyze personal health information based on the acquired information. Finally, the cracked strain sensor detected and distinguished the subtle deformation of carbon composite materials with notch.