Wrinkled bilayer stretchable strain sensors using vertical graphene-grown carbon nanofibers

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Stretchable strain sensors with both high sensitivity and a wide working window are essential for the development of wearable devices, human–machine interfaces, and robotic systems. However, sensitivity and stretchability are inherently in a trade-off relationship, making it challenging to achieve both properties simultaneously. In this study, bilayer wrinkled strain sensors based on two-dimensional reduced graphene oxide (rGO) and three-dimensional vertically grown graphene on carbon nanofibers (VG@CNFs) were designed to mitigate this inherent trade-off and optimize performance within a practical strain range. A pre-cracked bottom layer and a top layer with a gradient wrinkle structure arising from a thickness gradient were introduced to induce sequential crack opening under applied strain. As a result, while the maximum stretchability was slightly reduced to 220% compared to conventional single-layer uniform wrinkled structures, the sensor maintained stable signals under repeated strain cycles up to 200%, a range sufficient for most practical applications. Furthermore, the sensor exhibited high sensitivity across the strain range, with a maximum gauge factor (GF) of 19,005.5 at specific strain levels. Scanning electron microscopy (SEM), transmission electron microscopy (TEM), and Raman spectroscopy confirmed the structural integrity of the hybrid VG@CNF/rGO network, which provides stable conductive pathways. The optimized sensor exhibited a fast response time of 103 ms, and stable resistance changes with long-term durability over more than 2,000 cycles. The sensor could be applied across a wide range of activities, from human respiration to robotic motion. Its integration with an Internet of Things (IoT) module enabled real-time monitoring of equipment status anytime and anywhere. In summary, this work presents a structural design strategy to effectively mitigate the trade-off between sensitivity and stretchability within a practical operational window, demonstrating the broad application potential of the bilayer wrinkled VG@CNF/rGO strain sensors.

국문 초록 (Abstract)

신축성 스트레인 센서는 높은 민감도와 넓은 감지 범위를 동시에 갖추어야 하며, 이는 웨어러블 장치, 인간–기계 인터페이스, 로봇 시스템 개발에 있어 필수적이다. 그러나 민감도와 신축성은 본질적으로 상충 관계(trade-off)에 있어, 두 성능을 동시에 확보하는 데 어려움이 따른다. 본 연구에서는 실용적인 변형 범위 내에서 이러한 민감도와 신축성 간의 내재된 상충 관계를 완화하고 성능을 최적화하기 위해, 2차원 환원 그래핀(rGO)과 3차원 수직 성장 그래핀 탄소나노섬유(VG@CNFs)를 기반으로 한 이중 층 주름 구조 센서를 설계하였다. 하부에는 사전 크랙(pre-crack) 층을, 상부에는 두께 구배에 의해 주름 파장이 변화하는 구조(gradient wrinkle)를 도입하여, 변형 시 순차적인 크랙 개방이 유도되도록 하였다. 그 결과, 기존 단일층 균일 주름 구조 대비 최대 신장성은 220%로 다소 감소하였으나, 센서는 실제 응용 분야에서 주로 사용되는 200% 변형 범위 내에서 반복 사이클에서도 안정적인 신호를 유지하였다. 또한, 센서는 전체 변형 범위에서 민감도가 향상되었으며, 최대 게이지 계수(GF)는 19,005.5에 달하였다. 주사전자현미경(SEM), 투과전자현미경(TEM)과 라만 분석을 통해 하이브리드 VG@CNF/rGO 네트워크의 존재, 구조적 안정성 및 전도 경로의 지속성을 확인하였다. 최적화된 센서는 약 103 ms의 빠른 응답 시간을 보였으며, 2,000회 이상의 반복 사이클에서도 안정적인 저항 변화를 유지하였다. 또한, 이 센서는 사람의 맥박 및 호흡부터 무릎의 움직임까지 넓은 범위에 적용할 수 있으며, 사물인터넷(IoT) 모듈과 결합하여 장비 상태를 언제 어디서나 실시간으로 모니터링할 수 있음을 입증하였다. 종합하면, 본 연구는 실용적인 스트레인 범위 내에서 민감도와 신축성 간의 상충 관계를 구조적 설계를 통해 효과적으로 완화할 수 있는 전략을 제시하며, 이중층 주름 구조의 VG@CNF/rGO 스트레인 센서의 광범위한 응용 가능성을 보여준다.

목차 (Table of Contents)

• Chapter 1. Introduction 1
• 1.1. Overview of stretchable strain sensors 1
• 1.2. Carbon-based nanomaterials 6
• 1.3. Strategies for enhanced sensor performance 9
• 1.3.1. Structural modification and hybridization of materials 9
• 1.3.2. Surface wrinkling for high stretchability 14
• 1.3.3. Double-layered structures 17
• 1.4. Research objectives 19
• Chapter 2. Experimental methods 22
• 2.1. Synthesis of VG@CNF 22
• 2.2. Fabrication of VG@CNF/rGO hybrid solution 25
• 2.3. Fabrication of bilayer wrinkled VG@CNF/rGO strain sensors 27
• 2.4. Materials characterization 29
• 2.5. Electromechanical measurements 29
• 2.6. Building IoT environment 30
• Chapter 3. Results and discussion 31
• 3.1. Materials characterization 31
• 3.2. Synergistic effect of VG@CNF/rGO hybrid for enhanced stability and sensitivity 35
• 3.3. Engineering of various wrinkle structures 46
• 3.4. Sensing mechanism of bilayer wrinkled VG@CNF/rGO strain sensors 53
• 3.5. Performance of bilayer wrinkled VG@CNF/rGO strain sensors 56
• 3.6. Applications of bilayer wrinkled VG@CNF/rGO strain sensors 68
• 3.6.1. Human motion detection 68
• 3.6.2. IoT integration 71
• Chapter 4. Conclusion 74