보조 개념: Piezoresistive polymer composite과 piezoresistive 현상

Piezoresistive polymer composite

Piezoresistive polymer composite은 일반적으로 비전도체인 polymer 속에 전도성이 있는 입자를 섞음으로써 전도성을 띠는 polymer를 의미한다.

대개 전도성이 있는 입자는 작은 크기(나노~수 십 마이크로 미터)의 입자를 사용하며 그 종류는 metal particle(Au, Ag 등), Carbon nano tubes, graphite 등 다양하다.

polymer가 어느 수준 이상으로 전도성 입자를 함유하게 될 경우 전도성 입자들이 서로 연결된 network를 이루며 polymer 전반으로 전기가 흐를 수 있는 통로(current path)를 형성하게 된다. 이때 전기적 통로는 다분히 확률적으로 생성이 되며 이에 영향을 미치는 파라미터로는 입자의 크기, 입자의 aspect ratio, 입자의 질량분율, 입자의 정렬 방향 등이 있다.

이와 같은 현상을 보통 percolation이라 말하며 이를 접근하는 방법을 percolation theory라고 한다.

Piezoresistive polymer composite에서의 piezoresistive 현상

Piezoresistive polymer composite에서의 piezoresistive 현상은 아래와 같은 원리에 의해 일어난다.

• 내부 전도성 물질 자체의 비전도도 변화
• 내부 전도성 물질 사이의 터널링 효과 변화
• 변형에 의한 전기적 통로 개수의 변화

1) 내부 전도성 물질 자체의 비전도도 변화

이 현상은 앞서 설명한 물질 자체의 비저항 변화로 인해 설명될 수 있다. Polymer composite이 압축을 받으면서 내부의 물질이 하중을 받으며 변형을 하게 되면, 전도성 입자들 또한 변형을 받게 된다. 이 때 전도성 입자의 구조적 변화에 의해 비전도(ρ)도가 변화하게 되며 composite의 전체적인 저항이 변화하게 된다.

일례로 Si, carbon nano tubes(CNTs)와 graphene 등이 해당 성질을 가지며, CNTs와 graphene의 경우는 별도의 포스트에서 설명을 하였다.

2) 내부 전도성 물질 사이의 터널링 효과 변화

Composite 내부에서 전자가 이동하는 경로는 대개 다음과 같다.

• 전도성 입자를 통해 흐르는 것
• 전도성 입자와 전도성 입자 사이가 polymer이지만 이를 뚫고 흐르는 것 (터널링 효과)

전류가 보통은 대개 전도성 입자를 통해서 흐르게 되지만 일부 전류는 터널링 효과에 의해 확장된 전기적 통로에 기인해 흐르게 된다.

Composite이 압축되거나 인장이 될 경우 전도성 입자 사이의 polymer matrix의 양이 감소하거나 증가할 수 있다. 이에 따라 터널링 효과가 일어날 수 있는 확률은 매우 큰 폭으로 차이가 나게 된다. 일반적으로 일정 수준의 변형에는 터널링 효과가 크게 의미 없지만, 큰 변형에서는 큰 영향을 주게 된다.

3) 변형에 의한 전기적 통로 개수 변화

Piezoresistive polymer composite는 기본적으로 내부 전도성 입자의 연결로 인해 전기적 도전성을 갖게 된다. Composite이 변형이 일어났을 때 내부 전도성 입자의 위치 또한 이동하게 된다. 이 때 원래 이루고 있던 전기적 통로가 끊어지거나 혹은 새로운 전기적 통로가 생성되기도 한다. 따라서 composite의 저항값이 변화하게 된다.

위의 그림은 전도성 물질로 나노와이어를 사용하며 인장이 가해질 때의 내부 와이어들의 이동에 관한 그림이다. 그림에서 보는 것과 같이 처음에는 상당히 많은 수의 나노와이어들이 연결을 이루고 있다. 하지만 인장이 가해짐에 따라 나노와이어들이 움직이게 되며 이에 따른 연결이 감소하는 것을 알 수 있다. 이런 현상에 의해 전기적 통로 또한 감소하게 되며, 저항값이 증가하게 된다.

출처

[1] J. Nicolic et al., 2007, "Electrically Conductive Adhesives", Micro- and Opto-electric Materials and Structures: Physics, Mechanics, Design, reliability, Packaging, 571-610

[2] M. Park et al., 2008, "Strain-dependent electrical resistance of multi-walled carbon nanotube/polymer composite films", Nanotechnology, 19, 055705

[3] M. Amjadi et al., "Highly Stretchable and Sensitive Strain Sensor based on Ag NWs-Elastomer Nanocomposite", ACS Nano, 8, 5154-5163
[4] Hammock M et al., 2013, “25th anniversary article: The evolution of electronic skin(e-skin): a brief history design considerations, and recent progress”, Adv. Mater., 25, 5997-6038