Fabrication of a Liquid Polymer/Metallic Salt-Based Strain Sensor and its Applications

Abstract

A variety of stretchable strain sensors have been developed for various applications in diverse fields. Based on their core function represented by the conversion of mechanical deformations into electrical signals, numerous fabrication techniques combined with miscellaneous combinations of materials have been suggested and applied for different purposes. Recently, a series of innovations in agriculture in the name of smart farming have been achieved to meet increasing needs for high-quality crops. As part of the collection of essential information for plant growth, it becomes indispensable to measure axial dimensions of trees or fruits. Although certain kinds of apparatuses were reported to show precise size measurement for the trunk of a tree or the diameter of a fruit, improved instruments categorized as dendrometers had been awaited to overcome current limitations such as bulkiness, complexities in working mechanisms, dependence on users, expensiveness, etc. In this study, I proposed a liquid polymer/metallic salt-based stretchable strain sensor. Compared to conventional strain sensors often used as wearable sensors for instant motion detection, the newly developed sensor included conductive liquid made of silver nitrate and polyethylene glycol (PEG). The introduction of this liquid polymer brought high viscosity and chemical stability while the addition of silver nitrate supplied electrolytes in the conductive liquid. The formation of the structure of the stretchable strain sensor was finalized with a mixture of distinct elastomers called polydimethylsiloxane (PDMS) and Ecoflex. After multiple experiments, the optimal mixing ratio (20:80) of these elastomers was found to reach the equilibrium between strain, stress and stickiness, which was essential to the effective monitoring of fruit growth. The performance of the stretchable strain sensor was analyzed, showing highly linear relationships between strain and resistance as well as good repeatability. The fruit monitoring test demonstrated the stability of the stretchable strain sensor at least for two weeks with increasing ratios of 1.7 to 3.9 kΩ/mm. As an alternative instrument for fruit growth measurement, this tunable band-shaped sensor would be able to show industrial potential in terms of simple fabrication, reliable measurement, and long-term evaluation. The use of the composite of silver nitrate and PEG also led to the development of an antenna-shaped biomimetic tactile sensor. The conductive liquid was selected to imitate the aqueous cavity of the hair of insects while wires connecting the conductive liquid and the measurement system of the sensor were installed to realize the tubular body, whose role is to transmit mechanical deformation-driven electric signals to the central nervous system of insects. This bio-inspired tactile sensor was designed to compensate the malfunction of visual sensors exposed to dark areas. The performance test of the tactile sensor through wall scanning experiments proved its ability to detect various geographical features expressed on three dimensional (3D)-printed walls with repeatable and linear relationships between bending angle and resistance. The working mechanism established with the conductive liquid and wires revealed that the resistance of the tactile sensor would be decided by the positioning of wires in the composite of silver nitrate and PEG. When the distance between a wall and the tactile sensor was fixed during the scanning, the bio-inspired tactile sensor could offer reliable resistance data enough to reconstruct surrounding geographical features with high accuracy. This antenna-shaped biomimetic tactile sensor was characterized by the use of novel materials compared to existing tactile sensors, the adoption of a simple fabrication process, the investigation of an alternative working mechanism, the establishment of high repeatability based on bending angle and resistance, and the presentation of a perspective of being studied further for 3D image reconstruction.

다양한 분야에서 사용 목적에 따라 수많은 종류의 변형 센서들이 개발되어 왔다. 기계적 변형을 전기적 신호로 바꾸어 주는 본연의 기능에 기초하여 여러 물질들을 활용한 변형 센서 제작 방법이 소개되었다. 최근 스마트 농장이라는 이름으로 농업에 일련의 혁신이 일어나고 있는 가운데 고품질 작물을 얻기 위한 수요가 꾸준히 증가하고 있다. 식물 생장에 필수적인 정보를 획득하기 위한 방편 중 하나로 나무 줄기나 과실 크기를 측정하는 것이 중요해지고 있다. 이러한 목적의 도구들이 이미 보고된 바 있으나 기존 제품에 비하여 발전된 형태의 측수기(測樹器)에 대한 기대에 못 미친 것이 사실이다. 즉, 크기를 줄이고 작동 원리를 단순화하며 사용자 숙련도에 대한 의존성을 줄이는 동시에 가격적으로 경쟁력 있는 제품에 대한 필요성이 제기되어 왔다. 본 연구에서 액상 중합체 및 금속염(金屬鹽) 기반 신축성 변형 센서를 제안하였다. 신체 등의 즉각적인 움직임을 감지하기 위한 착용형(着用型) 센서로 쓰이는 종래의 변형 센서들에 비하여, 새로이 개발된 센서에는 전도성(傳導性) 액체로 질산은과 폴리에틸렌글리콜(PEG)의 혼합물이 적용되었다. 이 액상 중합체를 통하여 높은 점도와 화학적 안정성을 도모하면서 질산은을 이용하여 전해질을 전도성 액체에 공급할 수 있다. 신축성 변형 센서의 골격은 탄성 중합체인 폴리디메틸실록산(PDMS)과 에코플렉스(Ecoflex)로 만들었다. 반복적인 실험을 거쳐 최적의 배합 비율(PDMS 20:80 Ecoflex)을 찾음으로써 효과적인 과실 생장 관찰에 필요한 변수인 변형, 응력(應力), 마찰의 적절한 타협점을 알아낼 수 있었다. 신축성 변형 센서의 성능 분석 결과, 변형과 저항 사이에 높은 선형성을 보이는 것이 확인되었다. 과실 생장 관찰을 통하여 2주 동안 약 1.7 ~ 3.9 kΩ/mm의 범위 내에서 신축성 변형 센서가 안정적으로 작동하는 것을 증명하였다. 과실 생장 측정을 위한 대안적인 도구로서, 이번에 개발된 조정 가능한 밴드형 센서는 제작 공정이 단순하고 신뢰성 있는 측정이 가능하며 장기간 평가에 적합하다는 면에서 우수한 잠재성을 가지고 있다고 말할 수 있을 것이다. 질산은과 PEG의 조합을 이용하여 더듬이 형태의 생체모방 촉각 센서도 선보였다. 이 전도성 액체는 곤충의 더듬이 내에서 림프로 이루어진 부분(lymph space)을, 금속 전선은 관 모양의 구조물(tubular body)을 구현하는 데 활용되었다. 특히 이 관 모양의 구조물은 곤충의 촉각에서 기계적 변형을 전기적 신호로 바꾸어 중추 신경계로 전달하는 역할을 한다. 이 생체모방 촉각 센서는 어두운 공간에 노출된 시각 센서의 오작동에서 비롯되는 문제를 보완하기 위하여 고안되었다. 3D 프린터로 제작된 요철이 있는 벽면을 가지고 스캔 실험을 진행한 결과 촉각 센서가 굽히는 각도와 저항 사이에서 반복적이면서 선형적인 관계가 형성된다는 것을 증명하였다. 아울러 금속 전선이 전도성 액체에 놓이는 위치에 따라 촉각 센서의 저항이 결정된다는 사실도 밝혔다. 그리고 촉각 센서와 벽면 사이 거리가 고정되어 있다는 가정하에 스캔 실험을 실시한 결과 벽면의 요철을 높은 정확도로 재구성할 만큼 신뢰성 있는 값을 제공한다는 것을 알 수 있었다. 이 더듬이 형태의 생체모방 촉각 센서는 기존의 촉각 센서와 비교하였을 때 새로운 물질이 적용되었고 상대적으로 단순한 제작 공정을 통하여 제작되었다. 기존 촉각 센서와 다른 작동 원리에 대한 이해를 높이는 동시에 센서가 굽히는 각도와 저항 사이의 높은 반복성을 확립함으로써 후속 연구를 통하여 동일 센서를 활용한 3차원 이미지 재구성에 대한 가능성도 엿볼 수 있었다.