높은 온도를 위한 인쇄된 온도 센서 어레이

Jan 03, 2024

Scientific Reports 12권, 기사 번호: 14231(2022) 이 기사 인용

3092 액세스

5 인용

1 알트메트릭

측정항목 세부정보

유연한 기판을 기반으로 하고 높은 공간 온도 분해능을 특징으로 하는 완전 인쇄된 온도 센서 어레이는 다양한 분야에서 매우 유리합니다. 여기에는 의료, 품질 및 환경 모니터링부터 소프트 로봇 공학의 인공 피부와 같은 신기술에 이르기까지 다양합니다. 다른 주목할만한 응용 분야는 전력 전자 및 마이크로 전자 공학, 특히 멀티 코어 프로세서 칩의 열 관리 분야로 확장됩니다. 그러나 현재 온도 센서의 범위는 비용이 많이 들고 복잡한 제조 공정으로 인해 제한을 받고 있습니다. 한편, 인쇄된 버전에는 어레이 크기 및 센서 밀도와 관련된 문제가 만연합니다. 본 논문에서는 폴리(3,4-에틸렌디옥시티오펜):폴리스티렌 설포네이트(PEDOT:PSS)로 구성된 감지 물질의 한 층을 샌드위치하는 두 개의 별도 은 전극으로 구성된 수동 매트릭스 센서 설계를 제시합니다. 그 결과 작은 배열 크기가 유지되는 동시에 공간 온도 판독에 대해 cm당 100개의 센서 픽셀\(^2\)이라는 상당히 높은 센서 밀도가 발생합니다. 따라서 이러한 센서의 광범위한 적용에 대한 주요 장애물이 효율적으로 해결됩니다. 센서 데이터의 빠르고 정확한 해석을 실현하기 위해 신경망(NN)을 훈련하고 온도 예측에 사용합니다. 이는 인접한 센서 간의 잠재적인 누화를 성공적으로 설명합니다. 공간 온도 분해능은 특별히 인쇄된 은 마이크로 히터 구조를 사용하여 조사되었습니다. 궁극적으로 1.22°C의 상당히 높은 공간 온도 예측 정확도가 달성됩니다.

인쇄 가능한 센서의 출현으로 기존 전자 장치에는 이제 높은 적응성과 기계적 유연성을 갖춘 차세대 센서가 장착되었습니다. 인쇄된 센서의 이러한 도구적 특성은 의료1,2,3,4,5,6, 로봇공학7,8,9, 환경 감시10,11,12,13 및 식품 산업의 품질 보증14 등 다양한 응용 분야에 더 많은 가치를 더합니다. 15,16. 특히, 마이크로 전자 응용 분야의 경우 집적 회로(IC)의 고해상도 열 지도를 얻으면 개발자와 운영 체제가 특히 신뢰성 및 온도 관리와 관련하여 더 나은 설계 시간 및 런타임 결정을 내릴 수 있습니다. 많은 코어 프로세서 칩17,18,19. 대부분의 방법은 도체의 저항 변화 또는 재료 조합의 Seebeck 효과를 활용합니다. 또한 지난 몇 년 동안 다양한 제조 기술이 개척되었습니다. 그 중 가장 중요한 것은 잉크젯20,21,22 및 스크린 인쇄20,23,24와 같은 인쇄 기술입니다. 잉크젯 인쇄는 지난 10년 동안 특히 두드러졌습니다. 이는 주로 (a) 신속하고 마스크 없는 프로토타이핑, (b) 보수적인 잉크 소비 및 (c) 사용 가능한 잉크 수의 꾸준히 증가하는 조합에 기인할 수 있습니다. 스크린 인쇄는 본격적인 산업용 인쇄 공정입니다. 이 접근 방식은 일관되게 재현 가능하고 예측 가능한 결과의 이점을 제공하여 대규모 샘플에서도 높은 처리량을 제공합니다. 감지 재료와 관련하여 다양한 접근 방식이 인쇄된 온도 센서에 적합한 것으로 입증되었습니다. 그중에서도 탄소나노튜브(CNT)8,25, 금속 나노와이어/나노입자5,26,27, 그래핀2,28 및 다양한 폴리머29,30가 보고되었습니다. 대표적인 고분자 사례 중 하나가 PEDOT:PSS입니다. 여러 가지 특성으로 인해 이 폴리머는 높은 기계적 안정성과 전기적 조정성을 달성하기 위해 변형되고 특별히 처리될 수 있기 때문에 흥미롭고 유망한 감지 재료가 됩니다. 동시에 사용자 친화적이며 다양한 인쇄 프로세스와 호환됩니다. 실제로 PEDOT:PSS는 독성도 없고 수질 오염물질도 아니므로 많은 응용 분야에서 매력적입니다. PEDOT:PSS 잉크는 첨가제를 사용하여 특정 인쇄 기술에 적용할 수도 있습니다.