인쇄 전자 기술을 활용한 다기능 통합형 웨어러블 센서 연구

Abstract

본 학위논문에서는 인쇄 전자 기술을 활용한 다기능 통합형 웨어러블 센서를 연구하기 위해 각각 두 가지 기능을 동시에 수행할 수 있는 스트레쳐블 센서와 터치 및 안테나를 같은 소자 내에 배치하는 구조에 따라서 서로의 영향성을 평가하여 개선된 구조를 찾는 연구를 진행하였다. 먼저, 터치와 연신을 측정하는 두 가지 기능을 동시에 수행할 수 있는 스트레쳐블 센서는 시뮬레이션을 통한 작동 매커니즘에 관한 연구를 진행한 후에 실험적으로 유연한 기판과 전극 소재를 활용하여 스핀 코팅과 스크린 프린팅 등의 인쇄 기술을 통해 제작되었다. 이 과정에서 Piezo-ceramic 물질인 Barium Titanate를 첨가하여 유전율과 영률을 변화시켜서 한 소자 내에서 두 가지 다른 성질을 가지는 평행판 축전기를 배치하였고, 이는 각각 동일한 연신률에 의해서 정전 용량이 서로 다르게 변화하는 성질을 이용할 수 있게 하였다. 이를 통해 두 영역을 구분하여 연신에 잘 반응하는 부분은 연신 측정 센서로, 연신에 잘 반응하지 않는 부분은 터치 센서로 사용하여 동일 표면에서 다기능을 수행할 수 있는 센서를 개발하였다. 두 번째 연구에서는 웨어러블 센서에 채택되어야 하는 수많은 센서 중 가장 기본적이고 중요한 터치와 안테나가 배치되는 구조에 따라서 서로 어떠한 영향성을 보이는 지 확인하는 연구를 진행하였다. 기존의 터치와 안테나를 간단히 수직적으로 배치하는 것을 가정하고 시뮬레이션을 진행하였을 때, 수직 관계에서 아래에 위치한 소자는 위에 위치한 소자에 의해 성능이 차폐되고 저하될 수밖에 없는 한계점을 보였다. 이에 수평적으로 배치하는 구조를 고려하였고, 둘 사이의 거리와 격자 구조의 배치를 평가하였을 때 둘 사이의 최단 거리의 2배 이상일 경우에 서로에 의한 영향성이 거의 없어짐을 확인할 수 있었고, 격자 구조 배치에서는 안테나의 사면을 모두 감싸지 않을 경우에는 성능이 유지되는 것을 확인하였고 추가적으로 스트레처블 안테나 역시 실제와의 정합성을 평가하였다. 본 연구를 통해서 다기능 통합형 웨어러블 센서를 제작하는 데 있어서 사용할 수 있는 재료적인 변형 방법과 소자 별 배치의 디자인 규칙을 제공할 수 있기를 기대한다.

In recent years, flexible and stretchable electronics has rapidly developed for various purpose in order to apply those technologies to displays, soft electronics and wearable electronics. Deformable electronics has tremendous potential to future electronic masterpieces. They can sense various reaction from human body by not only sensing just a heart beating or simple finger touching but also sensing from movement of your elbows, knees and eyes. In order to realize multi-functional wearable sensors, combining several sensing technology in a single device, including wireless communication modules, is important. In this thesis, simple methods for fusing touch system and strain sensor system was investigated through Comsol Multiphysics and experiment. In the first part, simulation and experimental study of bimodal touch and strain sensor was investigated using flexible, print-applicable materials, such as PDMS and Silver Paste. Two MIM(Metal-Insulator-Metal) capacitors were divided into touch area and strain sensing area by applying different insulators which consists of PDMS and PDMS/Barium Titanate composite film. Piezo-ceramic materials such as Barium Titanate can improve permittivity and Young’s Modulus of the PDMS. It makes two capacitors sense capacitance difference in two different ways. In the second part, interference between touch sensor and antenna depends on their arrangement structure was investigated to figure out which structure can maintain their performance steady enough. Vertical/Horizontal structures were defined through Ansys HFSS and stretchable/band-tunable coplanar waveguide antenna was also verified for prove previous experimental results, additionally.