1. 실험 목표
은 나노와이어(AgNW)와 유연 탄성체(PDMS)를 결합한 건식 표면근전도 전극을 저비용 공정(Drop-casting 및 열전사)으로 제작하고, 이것이 기존의 습식 전극을 대체하여 XR 환경의 손목 밴드형 입력 인터페이스로 작동할 수 있는지 하드웨어적 타당성을 검증한다.
2. 실험 가설
유리 기판에 코팅된 은 나노와이어 필름 위에 액상 PDMS를 부어 경화시킨 후 박리하면, 나노와이어 네트워크가 PDMS 표면으로 전사되어 굽힘과 늘어남에도 전기적 연결성이 유지되는 유연 전극이 형성될 것이다. 이 전극은 별도의 겔없이도 피부에 밀착되어 굴곡근과 신전근의 근전도 신호를 획득할 수 있을 것이다.
3. 실험 준비물
재료 및 화학약품
- PDMS (Polydimethylsiloxane): Sylgard 184 실리콘 엘라스토머 키트 (주제 Base, 경화제 Curing Agent)
- 은 나노와이어 용액 (AgNWs): IPA(이소프로필 알코올) 용매에 분산된 형태
- 전도성 에폭시: 리드선과 전극을 연결하기 위한 접착제
장비 및 기기
- 전자저울: 0.01g 단위까지 측정 가능한 정밀 저울
- 가열 장비: 실험실용 핫플레이트(Hotplate) 또는 미니 오븐 (60°C ~ 80°C 온도 조절 필수)
- 마이크로 피펫: 100 ~ 1000 µL(0.1ml ~ 1.0ml) 용량 및 멸균 팁
소모품
- 혼합용기 및 도구: 종이컵, 유리 막대(또는 나무 스틱)
- 기포 제거(탈포) 세트: 가정용 진공 지퍼백 (밸브형 권장), 대형 주사기(50cc 이상, 바늘 제외) https://www.coupang.com/vp/products/7303095150?itemId=18692931698&vendorItemId=85826836770&sourceType=srp_product_ads&clickEventId=64a4d350-55f8-11f1-9d79-55a86aa8d778&korePlacement=15&koreSubPlacement=1&clickEventId=64a4d350-55f8-11f1-9d79-55a86aa8d778&korePlacement=15&koreSubPlacement=1&traceId=mph45xqk
- 기판 및 코팅 보조: 평평한 유리 페트리 디시(또는 슬라이드 글라스), 마스킹 테이프 (또는 폴리이미드 캡톤 테이프)
- 기타: 핀셋, 니트릴 장갑, 전선(리드선)
4. 실험 방법
PDMS 배합 (혼합 및 계량)
전자저울을 이용해 PDMS의 점도와 탄성을 결정하는 가장 중요한 단계이다.
- 전자저울 위에 깨끗한 종이컵을 올리고 영점을 맞춘다.
- PDMS 주제(Base) 30g을 먼저 종이컵에 천천히 부어 계량한다.
- 다시 영점을 맞춘 뒤, 경화제(Curing Agent) 3g을 스포이트나 피펫을 이용해 정밀하게 떨어뜨린다. (주제:경화제 = 10:1 질량비)
- 유리 막대나 나무 스틱을 이용해 한 방향으로 5분간 강하고 빠르게 섞어준다.
주의: 종이컵의 벽면과 바닥에 묻은 액체까지 긁어내듯 철저히 교반해야 나중에 경화되지 않고 끈적이는 미경화 현상을 막을 수 있다.
기포 제거
- 기포가 가득 찬 PDMS 혼합물이 든 종이컵을 가정용 진공 지퍼백 혹은 진공 챔버 기계 안에 넣는다. (2번부터는 진공 지퍼백 사용시)
- 지퍼백의 입구를 대형 주사기 입구가 들어갈 공간만 남기고 밀봉한다.
- 주사기를 꽂고 피스톤을 강하게 당겨 내부의 공기를 빼낸 뒤(음압 형성), 지퍼백을 완전히 밀봉한다.
- 이 상태로 실온에서 30분간 방치합니다. 큰 기포들이 표면으로 올라와 터지면서 액체가 투명해지는 것을 확인한다.
AgNW 코팅
은 나노와이어를 평평한 유리에 도포하여 전도성 필름 층을 만드는 과정이다. 알코올 용매가 증발하므로 환기가 잘 되는 곳에서 진행한다.
- 평평한 유리 페트리 디시(또는 슬라이드 글라스) 바닥을 알코올 솜으로 닦아 이물질을 제거한다.
- 마스킹 테이프를 우물 모양으로 붙여 가로 10mm x 세로 10mm의 사각형 틀(가이드라인)을 만든다. (용액이 밖으로 퍼지지 않게 가두는 역할)
- 마이크로 피펫을 이용해 AgNW 용액 0.5ml를 테이프 틀 안쪽에 고르게 떨어뜨린다.
- 유리 기판을 60°C로 설정된 핫플레이트 위에 올리고 15분간 가열하여 IPA 용매를 완전히 증발시킨다.
- 3번과 4번 과정을 총 3회 반복합니다. 횟수를 거듭할수록 은 나노와이어가 겹겹이 쌓여 저항이 낮아지고 조밀한 전도성 네트워크 필름이 형성된다.
몰딩 및 열경화
건조된 나노와이어 필름 위에 PDMS를 덮어 하나로 결합하는 과정이다.
- 기포가 제거된 투명한 PDMS 혼합물을 은 나노와이어 필름이 코팅된 유리 기판 위에 천천히 붓는다.
- 높은 곳에서 얇은 물줄기로 떨어뜨리면 미세한 기포가 터지면서 부어진다.
- 손목에 착용하기 좋은 두께인 약 1mm가 되도록 부어준다.
- 유리 기판을 핫플레이트(또는 미니 오븐)로 옮긴 후, 80°C에서 2시간 동안 가열하여 열경화(Thermal Curing) 시킨다. 액체였던 PDMS가 고무처럼 탄성 있는 고체로 변화한다.
탈형 및 패터닝
유리에서 PDMS를 떼어내고 하드웨어 ESP32 와 연결할 선을 부착한다.
- 경화가 완료되면 상온에서 완전히 식힌 후, 핀셋을 이용해 가장자리부터 유리에 붙은 PDMS를 조심스럽게 박리한다.
- 유리에 붙어있던 은 나노와이어(AgNW) 층이 점착력이 강한 PDMS 표면으로 고스란히 전사되어, 표면이 전도성을 띠는 유연 전극이 완성된다.
- 가위나 메스를 이용해 전도성이 있는 10mm x 10mm 규격에 맞춰 여분의 테두리를 깔끔하게 재단한다.
- 전극의 끝부분에 전도성 에폭시를 소량 바르고, 피복을 벗긴 리드선(구리선)을 밀착시킨다.
- 에폭시가 완전히 굳을 때까지 상온에서 대기한 후, 테스터기를 이용해 전선과 전극 표면 간에 전기가 통하는지 최종 확인한다.
5. 참고 문헌
- Wearable Silver Nanowire Dry Electrodes for Electrophysiological Sensing
https://pubs.rsc.org/en/content/articlehtml/2015/ra/c4ra15101a
- Highly Stretchable and Sensitive Strain Sensor Based on Silver Nanowire–Elastomer Nanocomposite
https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/nn501204t
- SYLGARD™ 184 Silicone Elastomer Technical Data Sheet
https://www.wpi-europe.com/downloads/content/11-3184-01-sylgard-184-elastomer.pdf
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