A study of the Nonlinear Piezoelectric ZnO Dual Sensor for the Detection of Bending Angle and Radius

Abstract

Internet of things (IOT) 기술시대가 도래하면서 사물의 미세 한 움직임을 인지하는 센서에 대한 관심이 많이 높아지고 있는 가운데, 인공적인 센서 중 구부림을 인지하는 전자장치에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 그 중에서도 압전재료를 기반으로 하는 센서는 외부 전원 장치가 필요 없고, 쉽게 제작할 수 있다는 측면에서, 주목을 받고 있다. 압전 구부림 센서에서의 구부림은 비선형적인 변형으로, 대부분의 압전 구부림 센서가 선형적인 압전상수인 d33, d31모드이며, 수직적 혹은 수평적으로 발생되는 전기적인 분극을 유도한다. 전기적인 분극의 방향은 in-plane 방향이나 out-plane방향으로 구분될 수 있고, 센서의 공정편이를 위해서는 out-of-plane으로의 연구가 많이 진행되고 있다. 이러한 배경으로 인해 비선형적인 압전모드에서, 구부림의 비선형적 변형의 압전센서에 대한 연구가 필요 하며, 진보적인 센서 기술을 위해서 다양한 구부림의 정보를 인지 할 수 있어야 한다. 본 연구는 압전재료 중 하나인 양쪽으로 성장한 산화아연을 한쪽 방향으로 정렬시켜서 구부림 곡률과 구부림 방향을 동시 인지할 수 있는 센서를 개발 하였다. 일반적인 압전재료와는 달리, 양쪽 방향으로 성장한 산화아연은 비선형 압전성의 변전상수인 u31모드로 활성화되며, 구부림 변형에 적합한 비선형적인 압전 특징을 나타낸다. 이러한 비선형 압전특성을 장치를 개발함으로써 실험적으로 증명했고, COMSOL Multiphysics, 유한 요소법을 이용한 시뮬레이션 소프트웨어를 이용해 이론적인 계산을 통한 이론적인 부분과 실험적인 부분의 일치하는 메커니즘을 증명했다. 마지막으로 구부림곡률과 구부림방향을 동시적으로 인지하는 장치를 제조함으로써 실제로 다양한 구부림 변형을 가해주고, 발생 하는 전기적인 신호를 통해 인지가 가능하다는 것을 보였다.

A non-linear piezoelectric dual sensor consisting of one-directionally and randomly aligned bi-axially grown zinc oxide nanorods was introduced for simultaneous detection of the bending radius and angle of a bending deformation. The tendency of the voltage peak according to the bending radius and angle was experimentally measured and theoretically calculated using COMSOL Multiphysics®. For the sensing measurements, the bending radius was set as the independent variable, and both the average voltage peak and the rate of change of the voltage peak value with respect to the bending angle were set as dependent variables. Based on these variables, an algorithm is designed to simultaneously recognize the bending radius and angle. Finally, a two-channel nonlinear piezoelectric dual sensor was fabricated and the bending radius and angle were successfully identified through the proposed algorithm with various bending deformations.