최근,남방과학기술대학 력학 및 항공우주공학과 양찬휘팀과 기계 및 에너지공학과 갈기팀이 합작하여"Nature Communications에서'에 제목 발표“다중 재료 3D 인쇄를 통한 다중 모드 감지 기능을 가진 폴리전자분해체 elastomer 기반 이온트론 센서”의 논문을 보도하여 통과시켰다다재료 디지털 광경화 3D 프린팅 기술 일체화 설계 제조 폴리전해질 탄성체 기반 다중모드 감지 이온 용량 센서。

지난 10년 동안 이온화 부품 (Ionotronics or Iontronics, 이온-전자 혼합 부품, 즉 이온과 전자의 협동 작용을 기반으로 한 부품) 은 고유의 유연성, 스트레칭성, 광학 투명성 및 생체 적합성 등의 장점으로 인해 점점 더 많은 관심을 끌었다.그러나 기존의 이전 센서는 부품의 구조가 간단하고 성분이 쉽게 누출되기 때문에 부품의 안정성이 떨어지고 감지 기능이 단일하여 실제 응용을 크게 제한한다.따라서 성능이 안정적이고 다중 모드 감지 능력을 갖춘 이온 센서를 설계하고 제조하는 것은 중요한 엔지니어링 응용 가치가 있다.이 연구는 전통적인 이온화 센서의 안정성이 떨어지고 기능성이 단일한 문제를 해결하여 인장 가능한 이온화 센서의 설계, 지조 및 응용에 새로운 솔루션을 제공했다.

그림 1.피부가 계발하는 다중모드 감지 이온화 센서 (a) 인체 피부 내 다양한 힘 감지기 안내도 (b) 인체 피부는 압라, 압, 압 + 가위, 압 + 비틀림 (c) 과 같은 단일한 역학 신호를 감지할 수 있다. 다재료 디지털 광경화 3D 프린팅 기술을 바탕으로 다중모드 감지 능력을 갖춘 이온화 센서를 제조한다.

그림 1에서 볼 수 있듯이, 인체 피부의 당김, 압력, 비틀림 및 그 조합 등 외력에 대한 다중 모드 감지 능력의 계발을 받아 연구원들은 다중 재료 디지털 광경화 (digital light processing, DLP) 3D 프린팅 기술을 이용하여 다중 모드 감지 능력을 갖춘 이온 감지기를 제조했다.센서는 고분자 네트워크에 고정된 음이온이나 양이온, 이동 가능한 반이온을 포함하는 폴리전해질 탄성체(PEE)를 사용해 이온 누출에 강한 특성을 갖췄다.인쇄 과정에서 PEE 재료와 센서의 유전체 탄성체 (DE) 재료 사이에는 공가와 토폴로지 상호 연결을 통해 견고한 인터페이스 접착이 형성되었다.

그림 2.폴리전해질 탄성체의 설계, 제조 및 광학, 역학, 전기학 성능 및 열, 용제 안정성.

연구진은 우선 폴리전해질 재료의 구성 성분 중 하나로 1-부틸-3-메틸마이졸 134-3-술파닐아크릴산에스테르(BS)라는 단일체를 합성해 MEA라는 또 다른 소수 단일체와 함께 공집했다.그런 다음 BS와 MEA의 비율을 최적화하여 폴리전해질 재료의 역학적 성능과 전기적 성능의 균형을 맞추어 그림 2와 같이 센서의 성능을 최적화합니다.

그림 3.이온 감지기계의 타격 가능인쇄 및 성능 (a) PEE 저장 계수 및 손실 계수 광경화 시간에 따른 변화 곡선 (b) 경화 시간과 에너지 밀도의 두께에 따른 변화 관계 (c) 인쇄된 PEE 어레이 전시 (d) 3D 프린팅 및 수동으로 조립된 PEE/DE 이중 구조의 180 ° 분리 곡선 (e) 3D 인쇄된 PEE/DE 이중 구조의 본체 분열 도식 센서 및 수동 절연 센서 PEG 기반 탄성 계수 절연 (PECG / FSI 기반 탄성 계수 배열 계수 좌표 (PECG / 수동 절연 및 수동 절연 절연 센서 탄성 절연 센서 PEE / PEG 기반 탄성 계수 좌표) PEE 기반 커패시터 센서 무이온 누출 (i) LiTFSI 이온이 섞인 탄성체를 기반으로 한 커패시터 센서 이온 누출 안내도.

그림 3에서 볼 수 있듯이 연구원들은 광류 변형 테스트를 통해 개발된 PEE 재료의 인쇄 가능성을 검증했다.그런 다음 180 ° 분리 테스트를 통해 3D 인쇄와 수동으로 조립된 PEE/DE 이중 구조의 인터페이스 접착 강도를 각각 측정했습니다.그 결과 3D 프린팅의 이중 구조는 PEE와 DE 사이에 형성된 공가 키와 토폴로지가 얽혀 있어 강인한 인터페이스를 가지고 있으며, 박리 과정에서 PEE 재료의 본체가 끊어져 접착력이 339.3J/m에 달한다는 것을 알 수 있다²; 대조적으로, 수동으로 조립된 PEE/DE 이중 구조 인터페이스는 약하고, 분리 과정에서 인터페이스가 끊어졌으며, 접착 에너지는 4.1 J/m에 불과합니다.². 내구도 테스트에서 PEE 기반 커패시터 센서는 무이온 누출로 인해 장시간 안정적인 신호를 유지할 수 있으며, 기존 LiTFSI 이온을 섞은 탄성체를 기반으로 한 센서는 이온 누출로 인해 단락이 발생할 때까지 신호가 지속적으로 표류한다.

그림 4. 스트레칭, 압축, 절단, 비틀림 이온 센서 (a) 스트레칭 센서 원리 설명도 (b) 커패시터 - 스트레칭 변환 곡선 (c) 압축 센서 원리 설명도 (d) 미세 구조의 압력 센서 유/무 커패시터 - 압력 곡선 (e) 커팅패스센서원리 도식 (f) 일종의 절단 센서 실물도 (g) 다른 감도의 절단 센서의 용량 - 절단 응변 곡선 (h) 절단 센서의 피로 테스트 곡선 (i) 비틀림 센서 원리 도식 (j) 일종의 비틀림 감지그릇실제물도(k)의 감도가 다른 비틀림 센서의 용량-비틀림각 곡선(l) 비틀림 센서의 피로 테스트 곡선.

3D 프린팅 기술은 부품의 구조 설계에 높은 유연성을 제공합니다.그림 4에서 볼 수 있듯이, 연구원들은 각각 스트레칭, 압축, 절단, 비틀림 등 네 가지 다른 이온 센서를 설계하고 일체화하여 인쇄하였는데, 부품은 모두 양호한 성능과 안정성을 가지고 있다.특히 부품의 구조 설계를 통해 센서의 민감도를 대폭 최적화할 수 있다. 예를 들어 압축 센서의 개전 탄성체층에 마이크로구조를 도입하여 민감도를 두 단계 높일 수 있고 센서의 민감도를 수요에 따라 조절할 수 있다. 예를 들어 센서의 앞부분의 윤곽선이나 비틀림 센서의 부채형 구역 수량을 설계하여 각각 다른 절단 센서와 비틀림 센서를 실현할 수 있다.

그림 5.조합식 이온 센서 (a) 압축 조합 센서 설명도 (b) 부품 실물도 (c) 압축 조합 센서 등효 회로도 (d) 단일 감지 모드의 부품 신호 (e) 압축 격려 하의 용량-권수 변화 곡선 (f) 압축 격려 하의 용량-권수 변화 곡선 (g) 압축 조합 변형 하의 신호 스펙트럼 (h) 압축 조합 센서 설명도의도 (i)부품 실물도(j) 압착 조합 센서 등가 회로도(k) 단일 감지 모드에서의 부품 신호(l) 압착 조합 센서 설명도(m) 부품 실물도(n) 압착 조합 센서 등가 회로도(o) 단일 감지 모드에서의 부품 신호.

그림 5에서 볼 수 있듯이, 연구원들은 라압, 압정, 압착 세 가지 조합식 이온 센서를 한층 더 설계하고 일체화하여 인쇄했다.조합식 센서의 도전 중 하나는 서로 다른 감지 통로 사이의 상호 신호 교란에 있다. 예를 들어, 부품이 스트레칭될 때 재료의 박송 효과로 인해 수직 방향의 부품 기하학적 크기가 줄어들고, 압축 변형과 같으며, 스트레칭 인센티브로 인해 압축 통로의 신호 변화가 일어난다.연구원들은 유한원 시뮬레이션 분석과 결합하여 합리적인 부품 구조 설계를 통해 서로 다른 통로 사이의 신호 교란을 효과적으로 피할 수 있었다.

그림6. 조합식 이온 센서가 드론에 사용되는 원거리 무선 조종 (a) 드론 제어 시스템 설명도 (b) 조합식 이온 센서에서 절단 감지 모듈 작업 모드 설명도 (c) 절단 감지 모듈 작업 원리 (d) 센서 5개 채널 용량 신호 테스트 (e) 지령 컴파일 논리 (f) 조합식 이온 센서 실시간 용량 신호 (g) 시각별 드론 비행상태.

마지막으로 연구진은 4개의 절단 센서와 1개의 압축 센서로 구성된 웨어러블 리모컨 유닛을 전시하고 이를 하나의 원격 제어 시스템에 연결해 드론의 비행을 원격으로 무선으로 제어하는 데 사용했다. 그림 6과 같다.이 웨어러블 리모컨 유닛의 네 개의 절단 센서는 손의 손가락 움직임을 감지하여 드론의 방향을 제어하는 데 사용된다.압축센서는 손가락의 압력을 감지해 드론의 굴림을 제어하는 데 쓰인다.이런 웨어러블 리모컨 유닛의 디자인은 인간과 컴퓨터의 상호 작용을 실현할 수 있으며, 더욱 유연한 제어 방식을 제공할 수 있다.