기계적 스크래치 공정 기반 전도성 폴리머 복합체의 미세 패터닝 기술과 이를 이용한 정전용량형 스트레인 및 터치 센서 응용 연구 = Simple Micropatterning of Conductive Polymer Composites Based on A Facile Mechanical Scratch Process and Its Application to Interdigitated Capacitive Strain and Touch Sensors

국문 초록 (Abstract)

신축성 전자소자의 실용화를 위해서는 반복 제작 조건에서도 패턴 해상도와 재현성을 안정적으로 유지할 수 있는 신뢰성 있는 전극 패터닝 공정이 요구된다. 이에 따라 본 연구에서는 기계적 스크래치 기반 미세 패터닝(mechanical scratch micropatterning, MSM) 공정을 제안하고 이를 AgNW/PDMS 전도성 복합체 전극에 적용하여 공정 성능과 센서 응용 가능성을 단계적으로 검증하였다. MSM 공정은 스크래치 팁이 CAD로 설계된 경로를 따라 이동하며 AgNW 네트워크의 불필요 영역을 물리적으로 제거함으로써 전극 패턴을 직접 정의한다. 이러한 단일 공정 구성을 통해 공정 단계 누적에 따른 변수를 최소화함으로써 패턴의 선폭과 형상을 높은 정밀도로 일관되게 유지하는 재현성을 확보하였다. 50 μm 설계 조건에서 패턴 선폭은 49.6 ± 2.9 μm로 구현되었으며, 기판 내 위치에 따른 패턴 선폭의 최대 편차는 3.4 μm 수준으로 확인되어 기판 위치에 상관없이 균일한 패턴이 구현되었다. PDMS 전사 이후 0.18 μm(0.18%) 수준의 선폭 차를 보이며 전사 이후에도 패턴 형상이 안정적으로 유지될 수 있음을 확인하여 공정의 신뢰성과 구조적 안정성을 확인하였다. 또한 팁이 설계된 경로를 따라 이동하며 직접적으로 패턴을 정의하는 원리를 기반으로 단순한 패턴뿐만 아니라 복잡한 기하학적 형상의 패턴들도 정밀하고 재현성 있게 구현할 수 있는 높은 패터닝 자유도를 확보하였다. MSM 공정을 기반으로 한 빗살형 전극 기반의 정전용량형(mechanical scratch micropatterning interdigitated capacitive, MSMIC) 스트레인 센서를 제작하고 성능을 검증한 결과 스트레인 0-50% 범위에서 R2 ≈ 0.99의 높은 선형성과 비교적 높은 민감도(게이지율(gauge factor, GF)) ≈ 0.43), 182 ms 수준의 빠른 응답 속도를 나타내었다. 또한 2000회 이상의 장기 반복 인장 시험 이후에도 전기적, 구조적 열화 없이 안정적인 응답 특성이 유지되었다. 이러한 우수한 성능과 기계적 유연성을 바탕으로, 제작된 센서는 손목에 부착된 상태에서 관절의 움직임을 실시간으로 감지하였으며, 착용 환경에서도 안정적인 응답 특성을 보여 웨어러블 센서로의 적용 가능성을 확인하였다. 이와 더불어 동일한 MSMIC 전극 구조를 터치 센서 및 3 × 3 어레이 모듈로 확장함으로써 대면적 공정의 가능성을 제시하였다. 제작된 센서는 접근 단계부터 접촉, 제거 각 과정에 따른 미세한 정전용량 변화를 비교적 정밀하게 감지하였으며, 반복 측정 상황에서도 일정한 응답 특성을 유지하였다. 어레이 모듈의 경우 픽셀 간 초기 정전용량이 8.52 ± 0.41 pF로 균일하게 확보되었으며, 다양한 터치 입력에 따른 픽셀 단위의 응답이 명확히 구분되었다. 이를 통해 MSM 공정의 재현성과 확장성을 확인할 수 있었으며, 멀티 픽셀 센서 모듈로의 응용 가능성을 검증하였다. 본 연구에서 제안하는 MSM 기술은 기계적인 직접 스크래치 공정을 통해 다양한 전도성 폴리머 복합체 패턴을 구현할 수 있는 미세 패터닝 기술로 전체적인 공정 과정이 단순하면서도 높은 해상도와 우수한 재현성을 확보할 수 있어 웨어러블 전자소자 및 전자 피부 등 다양한 분야에서 차세대 신축성 센서 모듈 개발을 위한 기반 기술로활용될 수 있을 것으로 기대된다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

For the practical implementation of stretchable electronics, a reliable electrode patterning process is required that can ensure stable pattern resolution and reproducibility even under repeated fabrication conditions. To address this need, a mechanical scratch micropatterning(MSM) process is proposed in this study and applied to AgNW/PDMS conductive composite electrodes, through which process capability and sensor applicability are systematically validated in a stepwise manner. In the MSM process, a scratch tip follows a CAD-designed path and physically removes the unnecessary regions of the AgNW network, thereby directly defining the electrode pattern. The facile single-step process enables the achievement of high reproducibility with consistent line width and pattern geometry at high precision. Under a 50 μm design condition, a line width of 49.6 ± 2.9 μm was achieved, and the maximum line width deviation across the substrate locations was as small as 3.4 μm, confirming uniform pattern formation regardless of position in a substrate. Even after transferring to PDMS, the change in line width was only 0.18% compared to that before transfer, indicating that the pattern geometry remained stable even after the transfer step. In addition, because the pattern is directly defined by the tip following the designed path, the proposed MSM process enables precise and reproducible micropatterning without restrictions on layout design. An MSM-based interdigitated capacitive(MSMIC) strain sensor was fabricated and evaluated, exhibiting high linearity (R2 ≈ 0.99) over a strain range of 0-50%, along with relatively high sensitivity(gauge factor(GF) ≈ 0.43) and a rapid response time of approximately 182 ms. Stable sensing characteristics were maintained without noticeable electrical or structural degradation even after more than 2000 cycles of repeated tensile loading. Owing to the superior strain sensing performance and mechanical compliance, the fabricated sensor was attached to the wrist and enabled real-time detection of joint motion with reliable output, demonstrating its feasibility for wearable sensing applications. In addition, the MSMIC sensor was also implemented as a touch sensor and further extended to a 3 × 3 array module, demonstrating the scalability of the process. The MSMIC touch sensor detected subtle capacitance variations associated with each stage of the interaction sequence approach, touch and release with high precision, and exhibited stable responses under repeated measurements. For the array module, the initial capacitance was uniformly distributed across pixels (8.52 ± 0.41 pF), and the sensor response to various touch inputs was distinctly identified. These results confirm the reproducibility and scalability of the MSM process and validate its applicability to multi-pixel sensor modules. The MSM process proposed in this study is a micropatterning method based on a mechanical direct-scratch process, enabling the fabrication of diverse patterns in conductive polymer composite electrodes. Due to its facile process flow, MSM ensures high-resolution patterning with superior precision and high reproducibility. Accordingly, it is expected to serve as a foundational technology for the development of next-generation stretchable sensor modules in various fields including wearable devices and electronic skin applications.

목차 (Table of Contents)

• 제1장 서론 8
• 1.1 연구 배경 8
• 1.1.1 신축성 전극 연구 동향 8
• 1.1.2 AgNW 패터닝 기술 연구 동향 13
• 1.1.2.1 선택적 제거 방식을 기반으로 한 AgNW 패터닝 기술 14
• 1.1.2.2 선택적 전사 방식을 기반으로 한 AgNW 패터닝 기술 17
• 1.1.2.3 직접 인쇄 방식을 기반으로 한 AgNW 패터닝 기술 20
• 1.2 연구 동기 22
• 1.3 연구 목적 23
• 제2장 AgNW/PDMS 기반 전도성 폴리머 복합체 시트 24
• 2.1 AgNW 네트워크 필름 제작 24
• 2.1.1 AgNW 합성 24
• 2.1.2 AgNW 코팅 27
• 2.2 AgNW/PDMS 기반 전도성 폴리머 복합체 시트 제작 및 성능 평가 30
• 2.2.1 PDMS 30
• 2.2.2 AgNW/PDMS 복합체 시트 제작 31
• 2.2.3 AgNW/PDMS 복합체 시트의 전기적/기계적 성능 평가 34
• 제3장 기계적 스크래치 공정 기반 AgNW/PDMS 복합체 미세 패터닝 38
• 3.1 기계적 스크래치 공정 기반 미세 패터닝(MSM) 38
• 3.2 MSM 공정 기반 AgNW/PDMS 복합체 미세 패터닝 결과 42
• 3.2.1 MSM 공정 기반 AgNW 네트워크 필름 미세 패터닝 42
• 3.2.2 MSM 공정 기반 AgNW/PDMS 복합체 미세 패터닝 49
• 제 4장 빗살형 전극 기반 정전용량형 신축성 센서 응용 58
• 4.1 MSMIC 스트레인 센서 58
• 4.1.1 MSMIC 스트레인 센서 제작 58
• 4.1.2 MSMIC 스트레인 센서의 성능 평가 64
• 4.1.3 착용형 센서 응용 75
• 4.2 MSMIC 터치 센서 80
• 4.2.1 MSMIC 터치 센서의 성능 평가 80
• 4.2.2 3 x 3 MSMIC 터치 센서 어레이 모듈 87
• 제 5장 결론 97
• 참고문헌 99
• Abstract 105