Fabrication of Highly Sensitive Flexible Nickel Oxide NTC Temperature Sensor using Monolithic Digital Laser Patterning Process

Abstract

높은 온도 민감도와 단순한 구조에도 불구하고 NTC 서미스터는 높은 공정 온도로 인해 유연한 기판과의 호환성이 낮아 인공 피부나 박막 온도 센서에 제한적으로만 활용되어 왔다. 이러한 문제점을 해결하기 위해 본 논문에서는 상온 조건에서 니켈 전극과 니켈옥사이드 센서를 단일 단계의 모노리딕 공정으로 제작 가능하고, 선별적이고 순차적인 열처리가 가능한 레이저 디지털 패터닝 공정을 제시하였다. 모노리딕 공정을 통해 제작된 니켈-니켈산화물-니켈 연결을 가진 NTC 서미스터는 기존 학계에 보고된 NTC 서미스터 중 가장 높은 온도 민감도 (TCR -9.2 %/℃, B=8162 K at 25 ℃)를 가진다. 물리적 분석을 통해 이러한 우수한 온도 민감도는 레이저 공정의 특별한 열적 활성화 과정에 기인한다는 것을 확인 하였다. 우수한 온도 민감도와 기판에 가해지는 열 피해가 적다는 레이저 공정의 장점을 통해 유연한 온도 센서 어레이와 균등한 부착이 가능한 온도 센서를 개발하였다. 이러한 성과를 통해 인공 피부와 박막 온도 센서로의 활용 가능성을 확인하였고, 이를 군사 분야에서 활용 시 효율적인 작전수행이 가능할 것이라 판단된다.

Despite its high temperature-sensitivity and simple structure, negative temperature coefficient (NTC) thermistors have been limitedly adapted to artificial skin or epidermal temperature sensor due to its excessive processing temperature that is not compatible with flexible substrates. To address this, herein, we develop a low heat budget, single-step laser digital patterning process which enables monolithic integration of Ni-electrode and NiO-sensing channel under room-temperature ambient. Monolithically fabricated NiO NTC thermistor exhibits the highest temperature-sensing ability among reported NTC thermistors. (TCR -9.2 %/℃, B=8162 K at 25 ℃) Physical analysis suggests that the superior temperature sensing ability originates from the unique thermal activation mechanism of the proposed process. Together with the superior temperature-sensitivity, low heat budget nature of the laser reductive sintering leads development of complete flexible temperature sensor array and conformally attachable temperature sensor. We believe that our demonstrations present great opportunities toward variable military applications such as artificial skin and epidermal temperature sensor by offering exceptionally simple yet effective laser thermal process.