Solution Processed CNT Device Analysis and Temperature Sensor Array Implementation

Abstract

최근 로봇과 인공 의족이 필요성이 증가되면서 이러한 것들이 느낄 있도록 하는 것에 대한 필요성 또한 증가되고 있다. 그 결과 로봇이 실제와 같은 반응이 가능하게 되고 또한 인공 의족의 사용자가 그들이 잃었던 감각을 회복할 수 있게 되어 일상적인 생활이 가능하게 될 것이다. 지금까지 많은 연구 그룹들이 압력 센서와 온도 센서에 관심을 가져왔고, 이 논문에서는 온도 센서에 대해 다루었다. 이 논문에서의 온도 범위는 30 - 100 ℃ 이고, 온도 감지를 위해 사용된 물질은 carbon nanotube (CNT)로 지난 수 십년 간 많은 관심을 받았다. CNT ink 에는 multiwall CNT (MWNT) 와 single wall CNT (SWNT) 두 종류의 ink 가 있다. 이 두 종류의 ink 는 다른 환경의 조건에서 그들의 온도센서로써 적합한지 확인하기 위해 검증하였고 특성화하였다. 그 결과 MWNT 가 주어진 환경에서 저항이 온도에 비례하는 선형적인 특성을 보여, 온도 센서에 적합함을 확인할 수 있었다. 이를 위해 spin coat 된 MWNT 층과 screen print 된 silver 전극 패턴을 이용하여 온도 센서 소자를 제작하였고 이를 통하여 0.3%/ 7C 의 sensitivity 와 15%FS 의 선형성을 얻을 수 있었다. 또한 우리는 위와 같이 MWNT ink 를 이용한 단일 소자를 기반으로 센서 어레이를 만들려고 시도하였다. 그러나 단일 소자를 만들기 위한 MWNT 의 spin coating 방법은 소자의 균일성이 떨어지기 때문에 센서 어레이를 만드는 데는 적합하지 않았다. 따라서 이를 위해 대체 방법인 inkjet printing 방법이 고려되었다. 그 결과, 센서 어레이는 보다 나은 균일성을 보였지만 sensitivity 특성은 조금 감소하였는데 이는 비효율적인 PDMS encapsulation 기술과 via 형성 때문일 것으로 생각된다.

As robotics and prosthetic limbs become more of a necessity than a luxury the so is the ability to enable them to feel. This results in more realistic responses from robotics and also enables owners of these prosthetic limbs to recover the senses that they lost, and thereby returning to a normal functioning lifestyle. The sensors considered so far by many research groups interested in electronic skin (E-skin) have been pressure and temperature sensors, the latter of these is the one considered in this thesis. The temperature range considered in this thesis is (30 – 100)C and the temperature sensitive material used is one which has gained much interest over the past decade, namely, carbon nanotubes (CNT). Two types of ink were considered including one multiwalled CNT (MWNT) and one Singlewalled CNT (SWNT). The two inks were thoroughly examined and characterised in different environmental conditions to determine their suitability for the application mentioned above. It was found that MWNT was the suitable candidate since it consistently gave the most linear resistance versus temperature characteristics in all the environments considered. We were able using a sensing device with a spin coated layer of the MWNT and screen printed silver electrode pattern to obtain a sensitivity of about 0.3%/C and linearity of about 15%FS. An attempt has also been made to manufacture an array of devices using the same MWNT ink used in the single device examination above. However the method of spin coating of the MWNT used for single device fabrication proved to be inadequate. This is since the array of devices produced using spin coating suffered from lack of uniformity, which led to the current consideration of inkjet printing as an alternative technique. This resulted in an array of devices with much better uniformity, although much reduced sensitivity, which could be attributed to ineffective via formation as well as PDMS encapsulation techniques.