기계적 물성 및 화학 조성 조절에 따른 다층 하이드로젤의 압력감응형 이온전도 특성과 센서 응용에 관한 연구

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

The development of self-powered sensors is critical for the Internet of Things and wearable electronics. Conventional piezoelectric and triboelectric nanogenerators exhibit performance degradation in the low-frequency regime (<1 Hz) where human daily motions occur. Chapter I establishes the research background and necessity by reviewing ion transport mechanisms in biological systems and investigating the characteristics and applications of bioinspired hydrogel-based sensors. The principles of ion transport-based sensors are analyzed, and the structural features and functional separation strategies of multilayer hydrogel systems are examined. Chapter II presents performance enhancement through PAAc middle layer optimization and multipixel sensor array implementation. A three-layer hydrogel structure was fabricated with PAAm top/bottom layers and a PAAc middle layer. Differential deformation induces convective flow while PAAc carboxyl groups provide cation selectivity for charge separation. Systematic optimization of PAAc concentration, layer thickness, and electrolyte concentration enhanced sensor output, confirming that ion selectivity dominates sensor performance. A 4×4 multipixel sensor array demonstrated independent pixel operation and spatial pressure detection capability.
This work enhanced ion transport-based sensor output through mechanical property control and demonstrated practical feasibility through two-dimensional array implementation. The developed self-powered sensor can contribute to tactile sensing applications requiring battery-free operation under low-frequency pressure conditions.

국문 초록 (Abstract)

현대 사회에서 사물인터넷과 웨어러블 전자기기의 발전으로 자가 구동형 센서의 필요성이 증대되고 있다. 기존의 압전 및 마찰전기 나노발전기는 저주파 영역에서 성능이 저하되는 한계를 지니며, 이는 1 Hz 이하의 저주파 대역에 분포하는 인간의 일상적 움직임을 효과적으로 감지하지 못한다. 제I장에 서는 연구의 배경과 필요성을 제시하였다. 생체 시스템의 이온 수송 메커니즘을 검토하고, 이를 모방 한 하이드로겔 기반 센서의 특성 및 응용을 조사하였다. 이온 수송 기반 센서의 원리를 분석하고, 다 층 하이드로겔 시스템의 구조적 특징과 기능 분리 전략을 고찰하였다. 제II장에서는 폴리아크릴산 (PAAc) 중간층의 단량체 농도 최적화를 통한 센서 성능 향상과 다중 픽셀 센서 어레이 구현을 수행하 였다. 폴리아크릴아마이드(PAAm) 상하부층과 PAAc 중간층으로 구성된 3층 하이드로겔 구조를 제작하고, 층간 기계적 강성 차이로 인한 차등 변형이 이온 수송을 유도하며 PAAc의 카르복실기가 양이온 선택성을 제공하는 메커니즘을 활용하였다. PAAc 단량체 농도, 층 두께, 전해질 농도를 체계적으로 최적화하여 센서 출력을 향상시켰으며, 이온 선택성이 이온 수송량보다 센서 성능에 더 지배적인 영 향을 미침을 확인하였다. 최적화된 조건을 바탕으로 4×4 크로스바 전극 구조의 다중 픽셀 센서 어레 이를 제작하였으며, 각 픽셀의 독립적 작동과 공간 분해 압력 감지 능력을 실증하였다. 본 연구는 중간층의 기계적 물성 제어를 통해 이온 수송 기반 센서의 출력을 향상시키고, 이를 2차원 센서 어레이로 확장하여 실용화 가능성을 제시하였다는 점에서 의의를 지닌다. 개발된 자가 구동 형 센서는 저주파 및 정적 압력 조건에서 작동 가능하므로 배터리 없이 지속적으로 작동해야 하는 촉 각 센싱 응용 분야에 기여할 수 있을 것으로 기대된다.

목차 (Table of Contents)

• 제Ⅰ장 서론 1
• 1. I-1. 연구의 배경 1
• 2. I-2. 생체 시스템의 이온 수송 메커니즘 3
• 3. I-3. 하이드로젤의 특성 및 센서 응용 5
• 4. I-4. 이온 수송 기반 센서의 원리 9
• 5. I-5. 다층 하이드로젤 시스템 12
• 제Ⅱ장 폴리아크릴산 농도 조절에 따른 다층 하이드로겔의 압력감응형 이온전도 특성과 센서 응용에 관한 연구 13
• 6. Ⅱ-1. 서론 13
• 7. Ⅱ-2. 실험방법 15
• Ⅱ-2.1. 실험 재료 15
• Ⅱ-2.2. 서로 다른 강도를 지닌 폴리아크릴아마이드 하이드로겔 제조 15
• Ⅱ-2.3. 이온선택성을 지닌 폴리아크릴산 하이드로겔 제조 16
• Ⅱ-2.4. 다층 하이드로겔 디바이스 제작 16
• Ⅱ-2.5. 하이드로겔 및 소자의 특성 분석 17
• 8. Ⅱ-3. 결과 및 논의 18
• 9. Ⅱ-4. 결론 49