KR102377307B1 - Fiber-type temperature sensor with compressed micro-wrinkels and manufacturing method thereof - Google Patents

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Abstract

 본 발명은, 압축된 미세 주름을 갖는 섬유형 온도 센서와 이를 제조하기 위한 제조 방법에 관한 것이다. 상기 제조 방법은, 신축성 섬유를 신장한 상태에서 탄성고분자 용액으로 코팅하고 이완시켜 신축성 섬유 상에 압축된 미세 주름 층을 코팅하는 제1 단계; 및 상기 제1 단계 이후, 상기 미세 주름이 펴지도록 상기 신축성 섬유를 신장한 후 온도 감응성 층을 코팅하고 이완시켜 압축된 온도 감응성 층을 코팅하는 제2 단계를 포함한다.The present invention relates to a fibrous temperature sensor having compressed fine wrinkles and a manufacturing method for manufacturing the same. The manufacturing method comprises: a first step of coating the stretchable fibers with an elastic polymer solution in a stretched state and relaxing the compressed fine wrinkle layer on the stretchable fibers; and, after the first step, a second step of coating the temperature-sensitive layer by stretching the elastic fiber so that the fine wrinkles are flattened, and then coating the temperature-sensitive layer and relaxing it to coat the compressed temperature-sensitive layer.

Description

압축된 미세 주름을 갖는 섬유형 온도 센서와 이를 제조하기 위한 제조 방법 {Fiber-type temperature sensor with compressed micro-wrinkels and manufacturing method thereof}Fiber-type temperature sensor with compressed micro-wrinkles and manufacturing method for manufacturing the same

본 발명은, 압축된 미세 주름을 갖는 섬유형 온도 센서와 이를 제조하기 위한 제조 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a fibrous temperature sensor having compressed fine wrinkles and a manufacturing method for manufacturing the same.

최근, 섬유형 센서는, 스마트 의복, 스마트 장갑, 피부/장기-부착 장치, 및 인공 장기의 섬유 등에 포함되어 사람의 건강 관리 및 임상 정보 수집이 가능한 특성으로 인해 높은 수요를 갖는다. 상기 섬유형 센서는, 높은 공기 침투성, 가벼운 중량, 및 용이한 변형의 이점을 갖기 때문에, 이를 이용하여 전자 섬유를 직조하는 것은 일상 생활 속의 광범위한 운동 중에도 다양한 생체 신호 (예를 들어, 맥박, 호흡, 심전도, 및 온도)를 기록하는 것을 가능하게 할 수 있다. 그러나, 일상 생활 속의 광범위한 운동 중 발생하는 응력은 섬유형 센서의 전기적인 특성에 현저하게 영향을 줄 수 있기 때문에, 변형(예를 들어, 인장 또는 압축 변형)에 의해 유발되는 간섭에 둔감한, 고도로 변형 가능하고 신축성인 섬유형 센서 개발의 필요성이 커지고 있다. In recent years, fiber-type sensors are in high demand due to their characteristics, such as being included in smart clothing, smart gloves, skin/organ-attachment devices, and fibers of artificial organs, enabling human health management and clinical information collection. Since the fiber-type sensor has the advantages of high air permeability, light weight, and easy deformation, weaving an electronic fiber using it can provide various biological signals (eg, pulse, respiration, electrocardiogram, and temperature). However, since stresses occurring during a wide range of motions in daily life can significantly affect the electrical properties of fibrous sensors, they are highly insensitive to interference induced by deformation (e.g., tensile or compressive deformation). There is a growing need to develop deformable and stretchable fiber-type sensors.

현재까지, 상기와 같은 생체-신호의 안정적인 모니터링을 위한 섬유형 센서를 개발하기 위해, 특히, 사람 피부에 일치하게 접착될 수 있고 기계적인 및 전기적인 간섭을 회피할 수 있는 고도로 변형 가능하고 신축성인 섬유형 센서를 개발하기 위해, 많은 노력이 이루어져 왔고, 특정한 프랙탈(fractal) 설계, 예컨대 코일 형상, 뱀의 패턴, 또는 픽셀-유사 배열을 섬유형 센서 내로 혼입하는 등의 전략이 현재 시행되고 있다. To date, in order to develop a fibrous sensor for stable monitoring of such bio-signals, in particular, highly deformable and stretchable that can be conformally adhered to human skin and avoid mechanical and electrical interference. Many efforts have been made to develop fibrous sensors, and strategies such as incorporating specific fractal designs, such as coil shapes, snake patterns, or pixel-like arrangements, into fibrous sensors are now being implemented.

구체적으로, 물리적 자극을 줄인 섬유형 온도센서 제작의 종래 기술을 살펴보면, 먼저 Renmin University of China, Yapei Wang 연구팀에서 섬유를 지지체에 감아 올리는 방식으로 코일 형태의 온도센서를 제작하였다. 그러나 섬유가 지지체에 감긴 구조의 두꺼운 두께로 인해 직물 제작으로의 응용이 어렵다는 문제가 있으며 섬유 자체만으로는 안정성을 확보하기 힘들다는 단점이 있다. 두 번째로, Sungkyunkwan University, Nae-Eung Lee 연구팀에서 구불구불한(serpentine) 구조로 제작된 온도 섬유를 직물에 기워 물리적 자극에 대한 반응성을 감소시켰다. 제작된 센서에 대해 전기적 안정성과 온도에 대한 민감한 반응성을 확보하였지만, 마찬가지로 섬유에 직접적으로 인장력을 가했을 경우 급격한 저항 변화를 보였다.Specifically, looking at the prior art of fabricating a fiber-type temperature sensor with reduced physical stimulation, a research team at Renmin University of China, Yapei Wang, manufactured a coil-type temperature sensor by winding up a fiber on a support. However, there is a problem in that it is difficult to apply it to fabric production due to the thick thickness of the structure in which the fiber is wound on the support, and it is difficult to secure stability with the fiber itself. Second, the Sungkyunkwan University, Nae-Eung Lee research team reduced the responsiveness to physical stimuli by slanting the fabric with a temperature fiber made of a serpentine structure. Electrical stability and temperature sensitive response were secured for the fabricated sensor, but similarly, when a tensile force was applied directly to the fiber, it showed a rapid change in resistance.

따라서, 상기와 같은 기존의 섬유형 온도 센서와는 달리, 내재적으로 더욱 우수한 신축성 및 변형-둔감성 특징을 갖는 섬유형 온도 센서의 개발은 여전히 해결되어야 할 과제로 남아있다. Therefore, unlike the conventional fiber-type temperature sensor as described above, the development of a fiber-type temperature sensor having inherently superior elasticity and strain-insensitivity characteristics still remains to be solved.

본 발명의 목적은, 전기적 신호의 간섭에 따른 온도 감지의 불량으로 이어지는, 물리적 자극에 대해 변형-둔감성을 갖는 섬유형 온도 센서 및 상기 섬유형 온도 센서의 제조 방법을 제공하는 것이다.An object of the present invention is to provide a fiber-type temperature sensor having strain-insensitivity to physical stimuli, which leads to poor temperature sensing due to interference of electrical signals, and a method for manufacturing the fiber-type temperature sensor.

본 발명은, 신축성 섬유; 상기 신축성 섬유 상에 코팅된 압축된 미세 주름 층; 및 상기 압축된 미세 주름 층의 전체 면에 걸쳐 코팅된 압축된 온도 감응성 층을 포함하는, 섬유형 온도 센서를 제공한다.The present invention, elastic fibers; a compressed micro-wrinkle layer coated on the elastic fiber; and a compressed temperature-sensitive layer coated over the entire surface of the compressed micro-wrinkle layer.

본 발명에서 상기 압축된 미세 주름 층은, 섬유 표면에 형성된 주기적인 미세 주름으로 이루어진 층으로, 예컨대 상기 신축성 섬유가 신장된 상태에서 신축성 섬유 상에 코팅된 코팅층이 신축성 섬유의 이완을 통해 압축되어 자연적으로 조밀한 물결 구조의 층을 의미한다. In the present invention, the compressed fine wrinkle layer is a layer composed of periodic fine wrinkles formed on the fiber surface, for example, in a state in which the elastic fiber is stretched, a coating layer coated on the elastic fiber is compressed through the relaxation of the elastic fiber to naturally means a layer of dense wavy structure.

상기 압축된 미세 주름 층의 주름은, 상기 신축성 섬유의 길이 방향에 수직한 주름인 것을 특징으로 한다. 이는, 전술된 것과 같은 압축된 미세 주름 층의 제조를 통해 자연스럽게 형성되는 것으로, 상기 신축성 섬유가 길이 방향으로 신장된 뒤 이완되면, 길이 방향에 수직한 압축된 주름이 형성된다.The wrinkle of the compressed fine wrinkle layer is characterized in that it is a wrinkle perpendicular to the longitudinal direction of the elastic fiber. This is naturally formed through the preparation of the compressed fine wrinkle layer as described above, and when the elastic fiber is stretched in the longitudinal direction and then relaxed, the compressed wrinkle perpendicular to the longitudinal direction is formed.

또한, 상기 미세 주름 층이 상기 신축성 섬유의 길이 방향에 수직하게 압축되어야만, 본 발명의 목적인 신축성 섬유의 길이 방향 신장에 따른 섬유형 온도 센서의 파손 방지 효과가 나타날 수 있다.In addition, only when the fine wrinkle layer is compressed perpendicularly to the longitudinal direction of the stretchable fiber, the effect of preventing the breakage of the fiber-type temperature sensor according to the longitudinal extension of the stretchable fiber, an object of the present invention, may appear.

상기 섬유형 온도 센서가 신장 변형되며 상기 신축성 섬유 상의 온도 민감성 미세 주름 구조가 가역적으로 펼쳐지고, 이로 인해, 섬유 표면의 압축 변형 에너지가 변형으로 인한 섬유의 인장 응력을 상쇄시킨다. 따라서, 섬유 표면의 잔여 압축 응력으로 인해, 그러한 펼침 거동은, 상기 신축성 섬유의 변형이 유발할 수 있는, 상기 섬유형 온도 센서의 전기적인 저항과 기계적인 특성 변화를 방지한다.The fiber-type temperature sensor is stretch-deformed and the temperature-sensitive fine wrinkle structure on the stretchable fiber is reversibly unfolded, whereby the compressive strain energy of the fiber surface cancels the tensile stress of the fiber due to the deformation. Thus, due to the residual compressive stress on the fiber surface, such unfolding behavior prevents changes in the electrical resistance and mechanical properties of the fiber-like temperature sensor, which the deformation of the stretchable fiber may cause.

상기 주름의 간격은 10 내지 500 ㎛인 것을 특징으로 한다.The spacing of the wrinkles is characterized in that 10 to 500㎛.

상기 압축된 미세 주름 층의 표면은 친수성 처리되는 것을 특징으로 한다. 상기 압축된 미세 주름 층의 표면이 친수성일 경우, 상기 압축된 온도 감응성 층의 성분 중 하나인 전도성 고분자 층, 구체적으로 본 발명의 PEDOT:PSS의 친수성 특성에 의해, 압축된 미세 주름 층과 압축된 온도 감응성 층이 서로 잘 결합되는 효과를 갖는다. 이러한 친수성 처리는, 산소 플라즈마를 통해 시행되고, 이는 아래에 더욱 자세히 기술될 것이다.The surface of the compressed fine wrinkle layer is characterized in that the hydrophilic treatment. When the surface of the compressed fine wrinkles layer is hydrophilic, by the hydrophilic property of the conductive polymer layer, which is one of the components of the compressed temperature-sensitive layer, specifically PEDOT:PSS of the present invention, the compressed fine wrinkles layer and the compressed The temperature-sensitive layer has the effect of bonding well to each other. This hydrophilic treatment is effected via oxygen plasma, which will be described in more detail below.

상기 압축된 미세 주름 층은 절연성 탄성고분자로 이루어지는 것을 특징으로 한다.The compressed fine wrinkle layer is characterized in that it is made of an insulating elastic polymer.

상기 절연성 탄성고분자는, 전기가 전도되지 않아 상기 전도성 고분자 층의 전기적 저항의 측정값이 보다 정확할 수 있도록 한다. 이는, 본 발명의 섬유형 온도 센서의 온도 측정 정확도를 향상시킨다.Since the insulating elastic polymer does not conduct electricity, a measurement value of the electrical resistance of the conductive polymer layer may be more accurate. This improves the temperature measurement accuracy of the fiber-type temperature sensor of the present invention.

상기 절연성 탄성고분자는, 구체적으로는 폴리우레탄으로 이루어지는 것을 특징으로 한다.The insulating elastic polymer is specifically characterized in that it consists of polyurethane.

상기 절연성 탄성 고분자는, 상기 신축성 섬유 및 상기 압축된 온도 감응성 층 사이의 계수 차이 및 인장-변형 에너지의 최소화를 위해 사용된다.The insulating elastic polymer is used to minimize the difference in modulus and the tensile-strain energy between the elastic fiber and the compressed temperature-sensitive layer.

상기 압축된 온도 감응성 층은, 온도의 변화에 따라 전기적 저항이 변화하는 성질을 가져, 섬유형 온도 센서 주위의 온도를 감지할 수 있는 기능을 포함한다.The compressed temperature-sensitive layer has a property of changing electrical resistance according to a change in temperature, and includes a function of sensing the temperature around the fiber-type temperature sensor.

상기 압축된 온도 감응성 층은, 상기 압축된 미세 주름 층의 형성과 같이, 상기 압축된 미세 주름 층이 펴진 상태에서 그 위에 코팅된 후 다시 수축되어 형성되는 것을 특징으로 한다.The compressed temperature-sensitive layer, like the formation of the compressed fine wrinkle layer, is characterized in that the compressed fine wrinkle layer is coated thereon in an unfolded state and then contracted again.

상기 압축된 온도 감응성 층은, 전도성 고분자 층 및 상기 전도성 고분자 층 상에 분산된 탄소 입자를 포함하는 것을 특징으로 한다.The compressed temperature-sensitive layer is characterized in that it comprises a conductive polymer layer and carbon particles dispersed on the conductive polymer layer.

상기 전도성 고분자는 폴리(3,4-에틸렌디옥시티오펜):폴리(스티렌설포네이트), PEDOT:PSS인 것을 특징으로 한다.The conductive polymer is poly(3,4-ethylenedioxythiophene):poly(styrenesulfonate), PEDOT:PSS.

상기 전도성 고분자 및 상기 탄소 입자는, 추가로, 상기 온도 감응성 용액 내에 분산될 수 있다.The conductive polymer and the carbon particles may be further dispersed in the temperature-sensitive solution.

상기 탄소 입자는 그래핀 또는 탄소나노튜브를 포함하는 것, 구체적으로, 단일-벽 탄소 나노튜브 (SWCNTs)를 포함하는 것을 특징으로 한다.The carbon particles include graphene or carbon nanotubes, specifically, single-walled carbon nanotubes (SWCNTs).

상기 섬유형 온도 센서는, 상기 온도 감응성 층 상에 코팅된 내수성 보호층을 추가로 더 포함하는 것을 특징으로 한다.The fiber-type temperature sensor is characterized in that it further comprises a water-resistant protective layer coated on the temperature-sensitive layer.

상기 내수성 보호층은, 상기 온도 감응성 층 위에 추가로 적층, 코팅되어, 상기 섬유형 온도 센서를 외부의 습도 및 자극으로 인한 손상으로부터 보호하는 역할을 한다.The water-resistant protective layer is further laminated and coated on the temperature-sensitive layer, and serves to protect the fiber-type temperature sensor from damage caused by external humidity and stimulation.

상기 내수성 보호층은, 구체적으로 에코플렉스 탄성고분자일 수 있다.The water-resistant protective layer may be, specifically, Ecoflex elastic polymer.

 

본 발명은, 신축성 섬유를 신장한 상태에서 탄성고분자 용액으로 코팅하고 이완시켜 신축성 섬유 상에 압축된 미세 주름 층을 코팅하는 제1 단계; 및 상기 제1 단계 이후, 상기 미세 주름이 펴지도록 상기 신축성 섬유를 신장한 후 온도 감응성 층을 코팅하고 이완시켜 압축된 온도 감응성 층을 코팅하는 제2 단계를 포함하는, 섬유형 온도 센서를 제조하는 방법을 제공한다.The present invention relates to a first step of coating a compressed fine wrinkle layer on a stretchable fiber by coating it with an elastic polymer solution in a stretched state and releasing it; And after the first step, the second step of coating the temperature-sensitive layer by coating the temperature-sensitive layer after stretching the stretchable fiber so that the fine wrinkles are flattened and then relaxing the compressed temperature-sensitive layer, manufacturing a fiber-type temperature sensor provide a way

 

상기 탄성고분자 용액은 상기 신축성 섬유를 용해시킬 수 있는 용액인 것을 특징으로 한다. 상기 섬유형 온도 센서를 제조하는 방법은, 상기 탄성고분자 용액이 상기 신축성 섬유의 표면을 용해시켜, 상기 신축성 섬유와 상기 탄성고분자 층의 결합이 일체로 응고되어 강한 결합을 형성할 수 있는 용액인 것을 특징으로 한다.The elastic polymer solution is characterized in that it is a solution capable of dissolving the elastic fibers. In the method for manufacturing the fiber-type temperature sensor, the elastic polymer solution dissolves the surface of the stretchable fiber, so that the bond between the stretchable fiber and the elastic polymer layer is integrally solidified to form a strong bond. characterized.

상기 제1 단계에서, 코팅은 상기 신축성 섬유의 상기 탄성고분자 용액에의 딥코팅인 것을 특징으로 한다. 상기 딥코팅은, 용액에 물체를 담갔다 빼는 코팅 공정으로, 물체의 표면에 용액을 도포하는 코팅 방법 중 한 방법이다.In the first step, the coating is characterized in that the dip coating of the elastic fiber to the elastic polymer solution. The dip coating is a coating process in which an object is immersed in a solution and taken out, and is one of the coating methods for applying a solution to the surface of the object.

상기 온도 감응성 층의 코팅은 상기 온도 감응성 고분자 용액으로의 코팅인 것을 특징으로 한다.The coating of the temperature-sensitive layer is characterized in that the coating with the temperature-sensitive polymer solution.

상기 온도 감응성 고분자 용액은 기본적으로 전도성 고분자의 용액이고, 추가로 용액 내에 탄소 입자가 분산되어 있는 것을 특징으로 한다.The temperature-sensitive polymer solution is basically a solution of a conductive polymer, and it is characterized in that carbon particles are further dispersed in the solution.

상기 온도 감응성 고분자 용액은, 구체적으로, 물, PEDOT:PSS 및 탄소입자를 포함하는 것을 특징으로 한다.The temperature-sensitive polymer solution, specifically, is characterized in that it contains water, PEDOT:PSS and carbon particles.

상기 제1 단계 이후 상기 제2단계 전에, 상기 미세 주름이 펴지도록 상기 신축성 섬유를 신장한 후 표면을 친수성 처리함을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하고, 여기서, 상기 신축성 섬유를 300% 미만으로 선-신장한다.After the first step and before the second step, it characterized in that it further comprises a hydrophilic treatment of the surface after stretching the elastic fiber so that the fine wrinkles are flattened, wherein the elastic fiber is selected to be less than 300% - to elongate

상기 친수성 처리는 산소 플라즈마 처리인 것을 특징으로 한다.The hydrophilic treatment is characterized in that the oxygen plasma treatment.

상기 산소 플라즈마 처리는, 물질의 표면을 개질하기 위한 플라즈마 개질 방법 중 하나로써, 물질의 표면에 산소 입자가 흡착되어 상기 표면을 친수성으로 개질하여 접착력을 향상시키는 효과를 나타낸다.The oxygen plasma treatment is one of plasma modification methods for modifying the surface of a material, and has an effect of improving adhesion by adsorbing oxygen particles to the surface of the material to modify the surface to be hydrophilic.

상기 산소 플라즈마 처리에 의해, 본 발명에서는, 구체적으로 상기 신축성 섬유 상에 코팅된 상기 탄성 고분자 층과 상기 온도 감응성 층 사이의 접착력을 향상시키는 효과를 나타낸다. By the oxygen plasma treatment, in the present invention, specifically, the effect of improving the adhesion between the elastic polymer layer coated on the elastic fiber and the temperature-sensitive layer is exhibited.

본 발명의 섬유형 온도 센서는, 압축된 미세 주름에 의해, 기계적인 변형-둔감성을 갖는 섬유형 온도 센서 및 상기 섬유형 온도 센서의 제조 방법을 제공할 수 있다.The fiber-type temperature sensor of the present invention can provide a fiber-type temperature sensor having mechanical strain-insensitivity due to compressed fine wrinkles and a method for manufacturing the fiber-type temperature sensor.

또한 본 발명은, 기계적으로 변형-둔감성을 갖는 상기 섬유형 온도 센서를 적용하여, 일상 생활 속의 다양한 신체 움직임 하에서도 다양한 생체 신호를 측정할 수 있는 차세대 소형화 웨어러블 디바이스에 응용될 수 있다.In addition, the present invention can be applied to a next-generation miniaturized wearable device that can measure various biosignals even under various body movements in daily life by applying the fiber-type temperature sensor having mechanical deformation-insensitivity.

또한 본 발명은, 일상 생활 속에서 발생하는 다양한 운동 변형, 구체적으로 신축 및 구김변형 등에 우수한 변형-둔감성에 의해 일정한 전기적 특성을 갖는, 반복적인 사용과 세탁에 대한 내구성 역시 뛰어난 안정적인 섬유형 온도 센서를 제공할 수 있다.In addition, the present invention provides a stable fiber-type temperature sensor with constant electrical properties due to excellent deformation-insensitivity to various movement deformations occurring in daily life, specifically stretching and wrinkling deformation, and excellent durability against repeated use and washing. can provide

도 1은, 상기 압축된 미세 주름을 갖는 섬유형 온도 센서의 제조 방법의 개략도를 도시한다.
도 2a는, 상기 탄성 고분자 용액 및 상기 온도 감응성 용액의 개략도를 도시한다.
도 2b는, 상기 온도 감응성 용액의 개략도 및 전자 현미경 이미지를 도시한다.
도 3a는, 100um, 5um, 및 200nm 에서 본 발명의 섬유형 온도 센서를 촬영한 주사전자현미경 이미지를 도시한다.
도3b는 선-변형 0%, 100%, 200% 및 300%로 제조된 본 발명의 섬유형 온도 센서의 미세 주름을 촬영한 주사전자현미경 이미지를 도시한다.
도 4a는, 상이한 0% 및 60%의 적용된 변형 하에서 섬유형 온도 센서 표면의 광학 현미경 및 주사전자현미경 이미지를 도시한다.
도4b는 상이한 0%, 30%, 및 60%의 적용된 변형을 가했을 경우 섬유형 온도 센서 표면에 가해지는 응력 분포에 대한 FEM 시뮬레이션 분석 결과를 도시한다.
도4c는 상이한 0%, 30%, 및 60%의 적용된 변형 하에서, 미세 주름 구조 간 거리에 반비례하는 값에 대한 압축 응력 및 인장 응력의 그래프를 도시한다.
도 5a는, 상이한 0%, 30%, 및 60%의 적용된 변형에 대한 미세 주름 구조 간 거리에 반비례하는 값의 그래프를 도시한다.
도 5b는, 미세 주름 구조 간 거리에 반비례하는 값에 대한 주름 효과(γ w )의 예측값 및 실험값의 그래프를 도시한다.
도 5c는, 섬유형 온도 센서의 구성요소에 따른 변형에 대한 응력의 그래프를 도시한다.
도 5d는, 미세 주름 구조 간 거리에 반비례하는 값에 따른, 변형에 대한 저항변화 값의 그래프를 도시한다.
도 6a는, SWCNT의 질량 분율에 따른, 변형에 대한 저항변화 값의 그래프를 도시한다.
도 6b는, SWCNT의 질량 분율에 대한 열적 민감도 및 변형 둔감성의 그래프를 도시한다.
도 6c는, 보호층의 유무에 따른, 온도에 대한 저항변화 값의 그래프를 도시한다.
도 6d는, 온도 센서의 패턴 및 구조에 따른, 변형에 대한 저항변화 값의 그래프를 도시한다.
도 6e는, 변형에 따른, 온도에 대한 저항변화 값의 그래프를 도시한다.
도 7a는, 가열 및 냉각에 따른, 온도에 대한 저항변화 값의 그래프를 도시한다.
도 7b는, 운동 횟수에 따른, 변형에 대한 저항변화 값의 그래프를 도시한다.
도 7c는, 주위 온도에 따른, 변형 횟수에 대한 저항변화 값의 그래프를 도시한다.
도 7d는, 손의 접촉 및 제거에 따른, 시간에 대한 저항변화 값의 그래프를 도시한다.
도8a는, 상기 섬유형 온도 센서를 어레이 형태로 제조한 모습 및 상기 어레이에 부분적으로 열을 가한 이미지를 도시한다.
도8b는, 상기 어레이 형태에 부분적으로 적용된 온도에 대한 저항측정 값의 그래프를 도시한다.
도9a,는 상기 섬유형 온도 센서를 삽입한 스마트 장갑의 사진 및 상기 장갑을 착용한 뒤 상이한 주위 온도 환경에서 굽힘 동작을 실시할 때의 열 화상 사진을 도시한다.
도9b는, 주위 온도 환경 변화에 따른, 굽힘 동작의 횟수에 대한 저항 측정 값의 그래프를 도시한다.
1 shows a schematic diagram of a method for manufacturing a fibrous temperature sensor with the compressed fine wrinkles.
Figure 2a shows a schematic diagram of the elastomeric polymer solution and the temperature sensitive solution.
Figure 2b shows a schematic diagram and electron microscopy image of the temperature sensitive solution.
Figure 3a shows scanning electron microscope images of the fiber-type temperature sensor of the present invention at 100um, 5um, and 200nm.
Fig. 3b shows a scanning electron microscope image of micro-wrinkles of the fibrous temperature sensor of the present invention prepared with line-strain of 0%, 100%, 200% and 300%.
Figure 4a shows optical microscopy and scanning electron microscopy images of a fiber-like temperature sensor surface under different applied strains of 0% and 60%.
Fig. 4b shows the results of FEM simulation analysis of the stress distribution applied to the fibrous temperature sensor surface when different applied strains of 0%, 30%, and 60% were applied.
Figure 4c shows a graph of compressive stress and tensile stress versus values inversely proportional to the distance between the microwrinkle structures under different applied strains of 0%, 30%, and 60%.
5A shows a graph of values inversely proportional to the distance between the micro-wrinkle structures for different 0%, 30%, and 60% applied strains.
Figure 5b shows a graph of the predicted value and the experimental value of the wrinkle effect ( γ w ) for a value inversely proportional to the distance between the fine wrinkle structures.
5c shows a graph of stress versus strain according to the components of a fiber-type temperature sensor.
5D shows a graph of the resistance change value with respect to deformation according to a value inversely proportional to the distance between the fine wrinkle structures.
6A shows a graph of the resistance change value with respect to deformation according to the mass fraction of SWCNTs.
6B shows a graph of thermal sensitivity and strain insensitivity versus mass fraction of SWCNTs.
FIG. 6C shows a graph of resistance change values with respect to temperature according to the presence or absence of a protective layer.
6D shows a graph of the resistance change value with respect to deformation according to the pattern and structure of the temperature sensor.
Fig. 6e shows a graph of the resistance change value with respect to temperature, according to the deformation.
7A shows a graph of resistance change values with respect to temperature according to heating and cooling.
7B shows a graph of the resistance change value with respect to deformation according to the number of exercise.
7C shows a graph of the resistance change value with respect to the number of deformations according to the ambient temperature.
7D shows a graph of the resistance change value with respect to time according to the contact and removal of the hand.
8A shows a state in which the fiber-type temperature sensor is manufactured in an array form and an image in which the array is partially heated.
Figure 8b shows a graph of resistance measurement values versus temperature partially applied to the array type.
Fig. 9a shows a photograph of a smart glove in which the fiber-type temperature sensor is inserted, and a thermal image photograph when a bending operation is performed in a different ambient temperature environment after wearing the glove.
Fig. 9B shows a graph of the resistance measurement value versus the number of bending operations according to the change in the ambient temperature environment.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대해 상세히 설명한다. 본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. Since the present invention can have various changes and can have various forms, specific embodiments are illustrated in the drawings and described in detail in the text. However, this is not intended to limit the present invention to the specific disclosed form, it should be understood to include all modifications, equivalents and substitutes included in the spirit and scope of the present invention.

본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로서 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.The terminology used in the present application is only used to describe specific embodiments and is not intended to limit the present invention. The singular expression includes the plural expression unless the context clearly dictates otherwise. In the present application, terms such as “comprise” or “have” are intended to designate that a feature, step, operation, component, part, or combination thereof described in the specification is present, and includes one or more other features or steps. , it should be understood that it does not preclude the possibility of the existence or addition of an operation, a component, a part, or a combination thereof.

다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.Unless defined otherwise, all terms used herein, including technical and scientific terms, have the same meaning as commonly understood by one of ordinary skill in the art to which this invention belongs. Terms such as those defined in commonly used dictionaries should be interpreted as having a meaning consistent with the meaning in the context of the related art, and should not be interpreted in an ideal or excessively formal meaning unless explicitly defined in the present application. does not

 

본 발명의 섬유형 온도 센서를 제조하는 방법을 다음과 같이 수행하였다.A method for manufacturing the fiber-type temperature sensor of the present invention was performed as follows.

실시예Example

상기 섬유형 온도 센서를 제조하는 과정은 도 1에 개략적으로 도시되어있고, 이를 바탕으로 상기 섬유형 온도 센서의 제조 방법에 대해 상술한다.A process of manufacturing the fiber type temperature sensor is schematically shown in FIG. 1 , and based on this, a method for manufacturing the fiber type temperature sensor will be described in detail.

1. 본 발명의 섬유형 온도 센서를 제조하기 위해, 첫째로, 코어 지지체로서 신축성 섬유인 스판덱스(400 μm의 직경; Kwangrim fiber, South Korea)를 300% 미만까지 선-신장시켰다. 1. In order to manufacture the fiber-type temperature sensor of the present invention, first, spandex (diameter of 400 μm; Kwangrim fiber, South Korea), which is an elastic fiber as a core support, was pre-stretched to less than 300%.

2. 이후, 탄성 고분자 용액인 폴리우레탄 용액을 이용하여 상기 선-신장된 스판덱스 상에 코팅했다. 상기 선-신장되고 폴리우레탄 코팅된 스판덱스를 다시 이완시켰고, 상기 스판덱스 상의 폴리우레탄 층이 조밀한, 물결 구조인 압축된 미세 주름 층을 형성했다. 이후, 상기 폴리우레탄 코팅된 스판덱스에 산소 플라즈마 처리를 1분 동안 실행하여 폴리우레탄 표면을 친수성으로 개질했다. 2. Then, it was coated on the pre-stretched spandex using a polyurethane solution, which is an elastic polymer solution. The pre-stretched polyurethane coated spandex was again relaxed, and the polyurethane layer on the spandex formed a dense, wavy, compressed micro-wrinkle layer. Thereafter, the polyurethane-coated spandex was subjected to oxygen plasma treatment for 1 minute to modify the polyurethane surface to be hydrophilic.

3. 뒤이어, 다시 한 번 상기 폴리우레탄 코팅된 스판덱스를 신장했고, 상기 신장된 폴리우레탄 코팅된 스판덱스 상에 온도 감응성 용액, 구체적으로, PEDOT:PSS과 SWCNTs의 온도 감응성 용액을 코팅했다. 상기 온도 감응성 용액을 코팅하기 위해, 손쉬운 코팅 방법인 딥핑(dipping)을 사용하였고, 상기 딥핑 공정은, 상기 온도 감응성 용액에 상기 폴리우레탄 코팅된 스판덱스를 담갔다 빼는 과정을 통해 수행되었다. 이를 다시 이완시켜, 스판덱스 / 폴리우레탄 / PEDOT:PSS 및 SWCNTs로 이루어진 압축된 미세 주름 층을 갖는 섬유를 형성했다. 3. Subsequently, the polyurethane coated spandex was stretched once again, and a temperature sensitive solution, specifically, a temperature sensitive solution of PEDOT:PSS and SWCNTs, was coated on the stretched polyurethane coated spandex. In order to coat the temperature-sensitive solution, an easy coating method, dipping, was used, and the dipping process was performed by immersing the polyurethane-coated spandex in the temperature-sensitive solution and removing it. It was again relaxed to form fibers with a compressed micro-wrinkle layer consisting of spandex/polyurethane/PEDOT:PSS and SWCNTs.

4. 마지막으로, 상기 온도 감응성 분잔세를 코팅한 섬유에 보호층, 구체적으로는 Ecoflex(~50 μm 두께, Ecoflex 0030; Smooth-on, Inc., USA) 탄성 고분자를 코팅하여, 본 발명의 섬유형 온도 센서를 완성했다.4. Finally, a protective layer, specifically, Ecoflex (~50 μm thickness, Ecoflex 0030; Smooth-on, Inc., USA) elastic polymer is coated on the fiber coated with the temperature-sensitive powder, and the fiber of the present invention The type temperature sensor was completed.

도 2a는, 상기 탄성 고분자 용액 및 상기 온도 감응성 용액의 개략도를 도시한다.Figure 2a shows a schematic diagram of the elastomeric polymer solution and the temperature sensitive solution.

섬유형 온도 센서의 미세 주름 구조를 형성하기 위해, 도 2 (a)에 도시된 탄성 고분자 용액을 제조했고, 특히, 폴리우레탄(Polyurethane, PU)을 이용해 상기 탄성 고분자 용액을 제조했다. 구체적으로는, 10 g 의 클로로포름 (DaeJung Chemicals, South Korea) 내에 0.5 g 의 폴리우레탄 (Sigma-Aldrich, USA)을 1시간 동안 초음파 처리를 사용하여 분산시켰다.In order to form the fine wrinkle structure of the fiber-type temperature sensor, the elastic polymer solution shown in Fig. 2 (a) was prepared, and in particular, the elastic polymer solution was prepared using polyurethane (Polyurethane, PU). Specifically, 0.5 g of polyurethane (Sigma-Aldrich, USA) in 10 g of chloroform (DaeJung Chemicals, South Korea) was dispersed using sonication for 1 hour.

도 2b는, 상기 온도 감응성 용액의 개략도 및 전자 현미경 이미지를 도시한다.Figure 2b shows a schematic diagram and electron microscopy image of the temperature sensitive solution.

상기 섬유형 온도 센서에 온도에 대한 저항변화를 유도하기 위해,  2가지의 온도 민감성 소재, 즉, 전도성 고분자와 탄소 입자를 분산시켜, 도 2 (a)에 도시된 온도 민감성 혼합 용액, 즉, 상기 온도 감응성 용액을 제조했다. 구체적으로는, 상기 전도성 고분자로서 PEDOT:PSS (물 내 1.3 wt%, Clevious PH 1000; Heraeus, Germany) 및 상기 탄소 입자로서 SWCNTs (Sigma-Aldrich, USA)를 탈염수에 부가했고, 뒤이어 전극 초음파발생장치 (Sonics Inc., USA)를  사용하여 얼음 수조 내에서 6시간 동안 750 W로 초음파 처리하여 제조했다. 본 발명의 실시예에서, PEDOT:PSS 및 SWCNTs를 함유하는 온도-감응성 분산액의 총 농도를 6 mg/mL로 고정했고, 및 SWCNTs 의 질량 분율은 상기 온도 감응성 용액 내에서 변화시켰다 (0, 2.5, 5.0, 7.5, 및 10.0 wt%).In order to induce a change in resistance to temperature in the fiber-type temperature sensor, two temperature-sensitive materials, that is, a conductive polymer and carbon particles are dispersed, and the temperature-sensitive mixed solution shown in FIG. 2 (a), that is, the A temperature sensitive solution was prepared. Specifically, PEDOT:PSS (1.3 wt% in water, Clevious PH 1000; Heraeus, Germany) as the conductive polymer and SWCNTs (Sigma-Aldrich, USA) as the carbon particles were added to demineralized water, followed by an electrode ultrasonicator (Sonics Inc., USA) was prepared by sonication at 750 W for 6 hours in an ice water bath. In an example of the present invention, the total concentration of the temperature-sensitive dispersion containing PEDOT:PSS and SWCNTs was fixed at 6 mg/mL, and the mass fraction of SWCNTs was varied in the temperature-sensitive solution (0, 2.5, 5.0, 7.5, and 10.0 wt%).

이렇게 제조된 상기 온도 감응성 용액의 형태는, 도 2b에 그 개략도와 전자 현미경 이미지를 통해 개시되어 있다. 상기 온도 감응성 용액의 형태를 관찰하기 위해, 전계-방출 주사전자현미경 (Hitachi, S-4300)을 사용했다. The shape of the temperature-sensitive solution thus prepared is disclosed through a schematic diagram and an electron microscope image in FIG. 2B . To observe the morphology of the temperature-sensitive solution, a field-emission scanning electron microscope (Hitachi, S-4300) was used.

평가예evaluation example

본 발명에 의해 제조된 섬유형 온도 센서를 다음과 같이 분석하였다.The fiber-type temperature sensor manufactured by the present invention was analyzed as follows.

도 3a는, 100um, 5um, 및 200nm 에서 본 발명의 섬유형 온도 센서를 촬영한 주사전자현미경 이미지를 도시하고, 도3b는 선-변형 0%, 100%, 200% 및 300%로 제조된 본 발명의 섬유형 온도 센서의 미세 주름을 촬영한 주사전자현미경 이미지를 도시한다. 상기 이미지를 통해, 더욱 큰 값의 선-변형이 적용되어 제조된 섬유형 온도 센서일수록 보다 조밀한 미세 주름 구조를 갖는 것을 확인할 수 있다.Figure 3a shows a scanning electron microscope image taken of the fiber-type temperature sensor of the present invention at 100um, 5um, and 200nm, Figure 3b is a bone prepared with 0%, 100%, 200%, and 300% line-strain. It shows a scanning electron microscope image of the micro-wrinkle of the fiber-type temperature sensor of the present invention. From the image, it can be confirmed that the fiber-type temperature sensor manufactured by applying a larger value of line-strain has a denser fine wrinkle structure.

도 4a는, 상이한 0% 및 60%의 적용된 변형 하에서 섬유형 온도 센서 표면의 광학 현미경 및 주사전자현미경 이미지를 도시한다. 여기서, 두 종류의 현미경 이미지를 통해, 본 발명의 섬유형 온도 센서에 변형을 가했을 경우 일어나는 미세 주름 구조의 변화를 육안으로 확인할 수 있다.Figure 4a shows optical microscopy and scanning electron microscopy images of a fiber-like temperature sensor surface under different applied strains of 0% and 60%. Here, through the two types of microscopic images, it is possible to visually confirm the change in the fine wrinkle structure that occurs when deformation is applied to the fiber-type temperature sensor of the present invention.

도4b는 상이한 0%, 30%, 및 60%의 적용된 변형을 가했을 경우 섬유형 온도 센서 표면에 가해지는 응력 분포에 대한 FEM 시뮬레이션 분석 결과를 도시한다. 섬유형 온도 센서 상의 물결 미세구조의 가역적인 메커니즘을 설명하기 위해, 열-반응성 복합체 및 PU 지지체를 함유하는 다양한 미세-주름 섬유 내 응력 분포를 유한-요소 방법 (FEM) 시뮬레이션을 사용하여 계산했다. Fig. 4b shows the results of FEM simulation analysis of the stress distribution applied to the fibrous temperature sensor surface when different applied strains of 0%, 30%, and 60% were applied. To elucidate the reversible mechanism of the corrugated microstructure on the fibrous temperature sensor, the stress distributions in various micro-wrinkled fibers containing the heat-reactive composite and PU support were calculated using finite-element method (FEM) simulations.

상업용 소프트웨어 (COMSOL Multiphysics version 5.2a, license number 5084832, Altsoft, South Korea)를 사용하여 FEM 시뮬레이션 분석을 수행하여 섬유 온도 센서의 주름 상의 응력 분포를 조사했다. 여기서 열-반응성 주름 층으로 코팅된 스판덱스 섬유에 대한 2차원 모델을 사용했다. 상기 모델은 자유 삼각형 요소로 자동적으로 메쉬되었고, 상기 메쉬 크기는 0.3823 내지 0.9229 μm 범위였다. 상기 섬유의 하나의 가장자리를 고정했고, 다른 가장자리를 수평 방향을 따라 신장시켰다. 상기 섬유형 온도 센서의 압축된 주름을 신장하여 인장력을 가했을 경우, 압축된 주름은 신장 변형된 신축성 섬유를 따라 펴질 수 있다. 이후, 응력 시뮬레이션 분석을 통해 상기 압축된 주름의 부분에 따른 응력을 시각적으로 확인할 수 있다.FEM simulation analysis was performed using commercial software (COMSOL Multiphysics version 5.2a, license number 5084832, Altsoft, South Korea) to investigate the stress distribution on the corrugation of the fiber temperature sensor. Here, a two-dimensional model of spandex fibers coated with a heat-reactive wrinkle layer was used. The model was automatically meshed with free triangular elements, and the mesh size ranged from 0.3823 to 0.9229 μm. One edge of the fiber was fixed and the other edge was stretched along the horizontal direction. When a tensile force is applied by stretching the compressed pleats of the fiber-type temperature sensor, the compressed pleats may be stretched along the stretch-deformed elastic fibers. Thereafter, the stress according to the compressed wrinkle portion can be visually confirmed through stress simulation analysis.

평평한 층 표면과 대조적으로, 도4b에서 보여진 것과 같이, 미세-주름 표면은 저장된 변형 에너지로 압축되고 불일치 응력을 경험했다. 이는, 섬유 표면의 주름이 섬유 표면 상의 총 에너지를 최소화하여, 피부 층 및 부드러운 섬유 사이의 커진 응력 내 불일치를 초래하기 때문이다. 흥미롭게도, 잔여 응력 주위의 미세 주름 구조는 응력 발생을 보상했고 적용된 인장 변형 하에서 섬유형 온도 센서의 전기적인 저항의 변화를 방지했다. In contrast to the flat layer surface, as shown in Fig. 4b, the micro-corrugated surface was compressed with the stored strain energy and experienced inconsistent stress. This is because the wrinkling of the fiber surface minimizes the total energy on the fiber surface, resulting in increased mismatch in stress between the skin layer and the soft fibers. Interestingly, the micro-wrinkle structure around the residual stress compensated for the stress generation and prevented the change in the electrical resistance of the fibrous temperature sensor under the applied tensile strain.

도4c는 상이한 0%, 30%, 및 60%의 적용된 변형 하에서, 미세 주름 구조 간 거리에 반비례하는 값에 대한 압축 응력 및 인장 응력의 그래프를 도시한다, Figure 4c shows a graph of compressive stress and tensile stress versus values inversely proportional to the distance between the microwrinkle structures under different applied strains of 0%, 30%, and 60%;

응력 분포는 미세-주름의 가장자리 주위의 잔여 응력 (σc) 및 적용된 인장 응력 (σt)의 합으로 표현된다: σtotalct. 외부의 인장 응력은 미세 주름의 가장자리 주위에서 최대화되었다. 잔여 응력을 갖는 주름 섬유의 이러한 거동은 가역적일 수 있고 변형(strain) 또는 변형(deformation) 하에서 본 발명의 섬유형 온도 센서의 전기적인 손실(예를 들어, 저항 변화)을 예방한다. 따라서, 섬유의 표면 상에 미세 주름 구조를 포함하는 것은 내재적으로 변형-둔감성인 섬유형 온도 센서를 달성할 수 있도록 한다.The stress distribution is expressed as the sum of the residual stress (σ c ) and the applied tensile stress (σ t ) around the edge of the micro-wrinkle: σ totalct . The external tensile stress was maximized around the edge of the micro-wrinkle. This behavior of the pleated fibers with residual stress can be reversible and prevent electrical losses (eg resistance change) of the fibrous temperature sensor of the present invention under strain or deformation. Thus, the inclusion of micro-wrinkle structures on the surface of the fibers makes it possible to achieve fiber-like temperature sensors that are inherently strain-insensitive.

응력 분포를 측정하기 위해, 4 종류의 상이한 섬유형 온도 센서: 평평한-표면의 섬유형 온도 센서 및 3종류의 상이한 미세-주름을 갖는 섬유형 온도 센서 (1/λ

Figure 112020062246703-pat00001
0.011, 0.025, 및 0.055 μm-1)를 사용했다. 가장 조밀하게 장착된 미세-주름의 경우에서 (300%의 선-변형에 의해 생성됨, 1/λ
Figure 112020062246703-pat00002
0.055 μm-1), 인장 응력은 적용된 변형(<60%) 하에서 압축 잔여 응력을 초과했다 (도4c 내 상부 구역 참조). 하지만, 다른 섬유형 온도 센서에 대해, 인장 응력은 높은 변형 (60%) 하에서 우세했고 (도4c 내 하부 구역 참조), 이는 곧 섬유형 온도 센서의 전기적인 저항의 변화로 이어진다. 따라서, 본 발명의 내재적으로 변형-감응성 섬유형 온도 센서를 위해, 300% 선-변형 (1/λ
Figure 112020062246703-pat00003
0.055 μm-1)으로 제조된 조밀하게 장착된 미세-주름을 이용했다. To measure the stress distribution, four different fiber-type temperature sensors: a flat-surface fiber-like temperature sensor and three different micro-corrugated fiber-like temperature sensors (1/λ
Figure 112020062246703-pat00001
0.011, 0.025, and 0.055 μm −1 ) were used. In the case of the most densely mounted micro-wrinkles (created by 300% line-strain, 1/λ
Figure 112020062246703-pat00002
0.055 μm −1 ), the tensile stress exceeded the compressive residual stress under the applied strain (<60%) (see upper region in Fig. 4c). However, for other fiber-type temperature sensors, the tensile stress was dominant under high strain (60%) (see lower region in Fig. 4c), which leads to a change in the electrical resistance of the fiber-type temperature sensor. Therefore, for the inherently strain-sensitive fiber-type temperature sensor of the present invention, 300% pre-strain (1/λ)
Figure 112020062246703-pat00003
Densely mounted micro-wrinkles made of 0.055 μm −1 ) were used.

도 5a는, 상이한 0%, 30%, 및 60%의 적용된 변형에 대한 미세 주름 구조 간 거리에 반비례하는 값의 그래프를 도시한다.5A shows a graph of values inversely proportional to the distance between the micro-wrinkle structures for different 0%, 30%, and 60% applied strains.

상기 도5a에 나타난 것과 같이, 유사한 진폭 (A

Figure 112020062246703-pat00004
10 μm)을 갖는 섬유 상의 미세-주름의 파장(λ)은 적용된 선-변형이 증가함에 따라(<300%) 현저하게 감소했다. 잔여 압축 응력은 가해진 면외 변위로 인해 저장된 변형 에너지에 의해 섬유 표면 상에 발생했다.As shown in Figure 5a above, a similar amplitude ( A
Figure 112020062246703-pat00004
The wavelength (λ) of micro-wrinkles on fibers with 10 μm) decreased significantly (<300%) with increasing applied line-strain. Residual compressive stress was generated on the fiber surface by the stored strain energy due to the applied out-of-plane displacement.

도 5b는, 미세 주름 구조 간 거리에 반비례하는 값에 대한 주름 효과(γ w )의 예측값 및 실험값의 그래프를 도시한다. Figure 5b shows a graph of the predicted value and the experimental value of the wrinkle effect ( γ w ) for a value inversely proportional to the distance between the fine wrinkle structures.

탄성 센서 섬유 상의 주름 효과(γ w )의 예측값을 계산하기 위해, 탄성 섬유 상의 미세-주름 (γ w

Figure 112020062246703-pat00005
Iw/I0) 유무에 따른 단위 길이 사이의 비율을 추정했다: γ w
Figure 112020062246703-pat00006
(2π/λ)√(0.5((λ/4)2+A2)). 선-변형(ε)을 고려하면, γw는 √π/8+2(ε-c))로 표현될 수 있다. 여기서, εc은 중대한 변형을 나타내고, 이는 섬유의 물질 특성에 의해 결정된다. 상기 도5b를 통해, 본 발명의 섬유형 온도 센서의 성능에 대한 예측값과 실제 실험값이 일치하는 것을 확인할 수 있다.To calculate the predicted value of the wrinkle effect ( γ w ) on the elastic sensor fiber, the micro-wrinkle ( γ w ) on the elastic fiber
Figure 112020062246703-pat00005
Iw / I0 ) estimated the ratio between unit lengths with and without: γ w
Figure 112020062246703-pat00006
(2π/λ)√(0.5((λ/4) 2 +A 2 )). Considering the line-strain (ε), γw can be expressed as √π/8+2(ε- c )). Here, ε c represents a significant strain, which is determined by the material properties of the fibers. 5B, it can be confirmed that the predicted value for the performance of the fiber-type temperature sensor of the present invention matches the actual experimental value.

도 5c는, 섬유형 온도 센서의 구성요소에 따른 변형에 대한 응력의 그래프를 도시한다. 상기 섬유형 온도 센서 내 미세 주름 구조의 도움으로, 열-감응성 복합제로 코팅되거나 코팅되지 않은 미세 주름 구조 포함 섬유는, 미세 주름 구조를 갖지 않는 섬유와 유사한 응력을 나타내고 탁월한 변형성을 가리킨다. 열-감응성 복합제를 갖는 미세 주름 구조를 갖지 않는 섬유는 다른 섬유보다 더 높은 응력을 경험했다.5c shows a graph of stress versus strain according to the components of a fiber-type temperature sensor. With the aid of the micro-wrinkle structure in the fibrous temperature sensor, the fiber with micro-wrinkle structure, coated or not coated with the heat-sensitive composite agent, exhibits similar stress to the fiber without micro-wrinkle structure and indicates excellent deformability. The fibers without the micro-wrinkle structure with the heat-sensitive composite experienced higher stress than the other fibers.

도 5d는, 미세 주름 구조 간 거리에 반비례하는 값에 따른, 변형에 대한 저항변화 값의 그래프를 도시한다. 결과는, 도5d에서 보여진 것과 같이, 측면 변형이 섬유형 온도 센서에 적용될 때 섬유 상의 주름 사이의 관계 및 저항의 상대적인 변화 (ΔR/R0)를 명시한다. 상기 저항 변화를 명시하기 위해, 대략 실온 (~ 20 ℃에서 초기 저항 (R0)을 결정했다. R0은 적용된 변형 하에서 현저한 변화를 나타내지 않았다. 표면 주름은 섬유 내 외부 전도성 감지층의 길이를 증가시켜, 변형으로 인한 섬유형 온도 센서의 신장 및 전기적인 저항의 변화의 제거를 가능하게 할 수 있다.5D shows a graph of the resistance change value with respect to deformation according to a value inversely proportional to the distance between the fine wrinkle structures. The results, as shown in Fig. 5d, specify the relationship between the corrugations on the fiber and the relative change in resistance (ΔR/R 0 ) when lateral strain is applied to the fiber-like temperature sensor. To specify the resistance change, we determined the initial resistance (R 0 ) at approximately room temperature (~ 20 °C). R 0 did not show a significant change under the applied strain. The surface corrugation increased the length of the outer conductive sensing layer in the fiber. As a result, it is possible to eliminate the elongation of the fiber-type temperature sensor and the change in electrical resistance due to deformation.

본 발명의 섬유형 온도 센서의 전기적인 특성을 측정하기 위해, 구체적으로, 맞춤형 장비 (Neo-Plus, South Korea)를 사용하여 인장 변형을 로딩했고, 소스 미터 (PXIE-1073)를 사용하여 1.0 mA의 정전류로, 인장 변형 하에서의 본 발명의 섬유형 온도 센서의 전기적인 반응을 측정했다.In order to measure the electrical properties of the fiber-type temperature sensor of the present invention, specifically, the tensile strain was loaded using a custom equipment (Neo-Plus, South Korea), and 1.0 mA was used using a source meter (PXIE-1073). With a constant current of , the electrical response of the fiber-type temperature sensor of the present invention under tensile strain was measured.

도 6a는, SWCNT의 질량 분율에 따른, 변형에 대한 저항변화 값의 그래프를 도시한다. 구체적으로, SWCNTs 의 상이한 질량 분율, 0, 2.5, 5.0, 7.5, 및 10.0 wt%로 코팅된 섬유형 온도 센서를 이용하여 신축성 및 전도성의 변화를 조사했다.6A shows a graph of the resistance change value with respect to deformation according to the mass fraction of SWCNTs. Specifically, changes in stretchability and conductivity were investigated using fiber-type temperature sensors coated with different mass fractions of SWCNTs, 0, 2.5, 5.0, 7.5, and 10.0 wt%.

도 6b는, SWCNT의 질량 분율에 대한 열적 민감도 및 변형 둔감성의 그래프를 도시한다. 도 6b에서 보여진 것과 같이, 저항 변화 없이 신축성 및 섬유형 온도 센서의 전도성이 코팅 물질 내 SWCNTs 의 질량 분율을 증가시키는 것에 따라 현저하게 개선되었다. 이러한 결과는 PEDOT:PSS 및 SWCNTs의 계면 사이의 부가적인 전자 호핑(hopping)에 기인했고, 이는 PEDOT 및 PSS의 이온 상호작용을 억제했다. 열적 에너지에 고도로 반응성인, PEDOT:PSS의 감소된 비율로 인해 SWCNTs 의 함량이 증가하는 것에 따라 섬유형 온도 센서의 열적 민감도 (최대 0.9%/℃, ΔR/(R0ΔT)로서 정의됨)는 감소했다 (도 6b 내 검은 선 참조). 게다가, (ΔL/L0)/(ΔR/R0)로서 정의된, 변형-둔감도는 열-감응성 전도성 페이스트 내 5 wt% SWCNTs로 포화되었다 (도 6b 내 청색 선 참조).6B shows a graph of thermal sensitivity and strain insensitivity versus mass fraction of SWCNTs. As shown in Fig. 6b, the conductivity of the stretchable and fibrous temperature sensor without resistance change was significantly improved with increasing the mass fraction of SWCNTs in the coating material. These results were attributed to the additional electron hopping between the interfaces of PEDOT:PSS and SWCNTs, which inhibited the ionic interaction of PEDOT and PSS. The thermal sensitivity (defined as ΔR/(R 0 ΔT), up to 0.9%/°C, ΔR/(R 0 ΔT)) of the fiber-type temperature sensor with increasing content of SWCNTs due to the reduced ratio of PEDOT:PSS, which is highly responsive to thermal energy decreased (see black line in Fig. 6b). Moreover, the strain-insensitivity, defined as (ΔL/L 0 )/(ΔR/R 0 ), was saturated with 5 wt % SWCNTs in the heat-sensitive conductive paste (see blue line in FIG. 6b ).

본 발명의 실험을 위해, 본 발명의 섬유형 온도 센서로써, 인장 변형~60%까지 높은 변형-둔감도를 갖는, PEDOT:PSS 복합 물질(~0.9%/℃의 최대 온도 민감도) 내 5 wt% SWCNTs 충전제를 갖는 고도로 온도-감응성, 미세-주름 섬유를 사용했다. For the experiments of the present invention, as the fibrous temperature sensor of the present invention, 5 wt% in PEDOT:PSS composite material (maximum temperature sensitivity of ∼0.9%/°C), with high strain-insensitivity up to tensile strain ∼60% Highly temperature-sensitive, micro-wrinkled fibers with SWCNTs filler were used.

도 6c는, 보호층의 유무에 따른, 온도에 대한 저항변화 값의 그래프를 도시한다. 전도성 열-반응성 층을 갖는 (5 wt% SWCNTs 내/ PEDOT:PSS) 미세-주름 섬유 상에 Ecoflex의 보호층을 적층한 이후에, 본 발명의 섬유형 온도 센서는 1000 사이클까지 상이한 기계적인 변형에 대항하여 전기적인 신호의 안정한 변형-둔감도를 나타냈다. 또한 상기 보호층의 추가적인 효과 분석을 위해, 본 발명의 섬유형 온도 센서에 대한 습도의 영향을 최소화했다. 이를 위하여, 진공 건조 오븐 (ThermoStable SOV-30, DAIHAN Scientific, South Korea) 을 사용하여, 최소화된 습도의 효과로, 온도에 대한 저항의 변화를 측정했다. 본 발명의 섬유형 온도 센서는, CNTs의 높은 질량 함량이 물 분자의 존재에 의해 고도로 지배되고 영향을 주지 않도록 전류 흐름을 가능하게 하여, 습도에 대항하여 더욱 둔감하게 만든다. 게다가, 보호 Ecoflex 층은 상대적으로 방수성, 소수성 특성을 나타내고, 이는 보호층 없는 센서에 비해 전도성의 열화(degradation)가 감소한다.6C shows a graph of the resistance change value with respect to temperature according to the presence or absence of the protective layer. After laminating a protective layer of Ecoflex on micro-wrinkled fibers (in 5 wt % SWCNTs/ PEDOT:PSS) with a conductive heat-reactive layer, the fibrous temperature sensor of the present invention is subjected to different mechanical deformations up to 1000 cycles. Against this, it exhibited stable strain-insensitivity of electrical signals. In addition, in order to analyze the additional effect of the protective layer, the effect of humidity on the fiber-type temperature sensor of the present invention was minimized. For this purpose, using a vacuum drying oven (ThermoStable SOV-30, DAIHAN Scientific, South Korea), the change in resistance to temperature was measured with the effect of minimized humidity. The fiber-type temperature sensor of the present invention enables current flow so that the high mass content of CNTs is highly dominated and unaffected by the presence of water molecules, making it more insensitive against humidity. In addition, the protective Ecoflex layer exhibits relatively waterproof, hydrophobic properties, which reduces the degradation of conductivity compared to the sensor without the protective layer.

도 6d는, 온도 센서의 패턴 및 구조에 따른, 변형에 대한 저항변화 값의 그래프를 도시한다.6D shows a graph of the resistance change value with respect to deformation according to the pattern and structure of the temperature sensor.

전기적인 저항의 변화 없이 신축성을 추가로 개선하기 위해, 도6d에서 보여진 것과 같이, 본 발명의 섬유형 온도 센서는 뱀의 패턴을 갖는 변형 가능한 섬유 내로 편직되었다. 주름-섬유형 온도 센서의 내재적인 신축성에 더하여, 부드러운 직물 내로 내장된 패턴화된 섬유형 온도 센서는, 전기적인 저항의 최소한의 변화(도6d 내 삽입된 이미지 참조)에 따라 신장되는 조건 하에서 상기 섬유형 온도 센서의 변형성 (최대 180%; 프랙탈(fractal) 설계 없이 내재적으로 <60%)을 현저하게 향상시킬 수 있다. 이러한 능력으로 인해, 본 발명의 섬유형 온도 센서는 지금까지 보고된 섬유형 온도 센서 중에서 가장 높은 변형-둔감도를 나타냈다.To further improve elasticity without changing the electrical resistance, as shown in Fig. 6d, the fibrous temperature sensor of the present invention was knitted into a deformable fiber having a snake pattern. In addition to the intrinsic stretchability of the pleat-fiber-like temperature sensor, the patterned fiber-like temperature sensor embedded into the soft fabric, under the condition of being stretched with minimal change in electrical resistance (see inset image in Fig. It is possible to significantly improve the deformability (up to 180%; inherently <60% without fractal design) of fiber-type temperature sensors. Due to this capability, the fiber-type temperature sensor of the present invention exhibited the highest strain-insensitivity among the reported fiber-type temperature sensors so far.

도 6e는, 변형에 따른, 온도에 대한 저항변화 값의 그래프를 도시한다. Fig. 6e shows a graph of the resistance change value with respect to temperature, according to the deformation.

온도 및 전기적인 저항 사이의 선형 및 가역적인 거동을 설명하기 위해, 우리는 아레니우스-형 방정식 내 온도의 함수로서 기술된 단순한 모델을 사용했다.To describe the linear and reversible behavior between temperature and electrical resistance, we used a simple model described as a function of temperature in the Arrhenius-like equation.

ln(R)=ln(R)+ Ea/2kT=ln(R)+B/T (1)ln(R)=ln(R )+ Ea/2kT=ln(R )+B/T (1)

여기서, k는 Boltzmann 상수를 나타내고, Ea는 활성화 에너지를 나타내고, 및 B는 열적 지수를 나타낸다. R 및 R은 각각 온도 T 및 무한 온도, T에서의 센서의 저항을 나타낸다. 우리의 계산에서, 우리는 선형 맞춤 결과를 플로팅한 이후에 열적 지수 (B = 955.8 K), 활성화 에너지 (Ea = 166 meV), 및 TCR = 1.05을 얻었다. 본 발명의 섬유형 온도 센서의 추정된 B는 상대적으로 낮은 값을 나타내고, 이는 사람 피부 온도의 특정한 범위를 민감하게 모니터링하는 능력을 가리킨다. 흥미롭게도, TCR의 변화는 본 발명의 섬유형 온도 센서의 신장 변형이 증가하는 것에 따라 중요하지 않았고 (~0.06의 표준 편차), 이는 특별한 내재적인 변형-둔감도를 보여주었다. 본 발명의 섬유형 온도 센서에 조밀하게 장착된 미세-주름 및 변형-없는 TCR의 존재로 인해, 상기 센서는 측면 변형에 의해 유발된 인장 응력 하에서 탁월한 변형-둔감도를 나타냈고, 상기 센서가 값비싼 후-신호 공정 없이 구현될 수 있는 것을 암시했다Here, k denotes the Boltzmann constant, Ea denotes the activation energy, and B denotes the thermal index. R and R represent the resistance of the sensor at temperature T and infinite temperature, T , respectively. In our calculations, we obtained the thermal index (B = 955.8 K), activation energy (Ea = 166 meV), and TCR = 1.05 after plotting the linear fit results. The estimated B of the fiber-type temperature sensor of the present invention exhibits a relatively low value, indicating the ability to sensitively monitor a specific range of human skin temperature. Interestingly, the change in TCR was not significant (standard deviation of ~0.06) with increasing elongational strain of the fiber-type temperature sensor of the present invention, showing a special inherent strain-insensitivity. Owing to the presence of a densely mounted micro-wrinkle and strain-free TCR in the fiber-type temperature sensor of the present invention, the sensor exhibited excellent strain-insensitivity under tensile stress induced by lateral strain, and the sensor exhibited excellent strain-insensitivity. hinted that it could be implemented without an expensive post-signal process

도 7a는, 가열 및 냉각에 따른, 온도에 대한 저항변화 값의 그래프를 도시한다. 적용된 온도에 대하여 20 내지 120 ℃부하를 플로팅했다 (도7a 내 적색 선 참조). 여기서, ΔR/R0는 감지 복합 층의 음의 열적 계수 (NTC)로 인해 감소했다. ΔR/R0의 기울기는 센서의 온도 민감도를 명시했고 (0.6%/℃-0.9%/℃), 및 우리의 온도 센서의 상대 저항 변화는 PEDOT:PSS 및 SWCNTs를 갖는 전도성 복합체의 NTC 거동으로 인해 온도가 120℃까지 증가함에 따라 감소했다. 더욱이, 열적 부하를 적용 및 제거하는 과정 동안 무시해도 될 정도의 히스테리시스가 관찰되었고 (도7a 내 적색 및 청색 선 참조), 이는 PEDOT:PSS 및 CNTs의 감지층의 탁월한 열적 민감도를 가리킨다.7A shows a graph of resistance change values with respect to temperature according to heating and cooling. Loads from 20 to 120 °C were plotted against the applied temperature (see red line in Figure 7a). Here, ΔR/R 0 decreased due to the negative thermal coefficient (NTC) of the sensing composite layer. The slope of ΔR/R 0 specified the temperature sensitivity of the sensor (0.6%/°C–0.9%/°C), and the change in the relative resistance of our temperature sensor was due to the NTC behavior of the conductive composites with PEDOT:PSS and SWCNTs. decreased as the temperature increased up to 120°C. Moreover, negligible hysteresis was observed during the process of applying and removing thermal loads (see red and blue lines in Fig. 7a), indicating the excellent thermal sensitivity of the sensing layers of PEDOT:PSS and CNTs.

도 7b는, 운동 횟수에 따른, 변형에 대한 저항변화 값의 그래프를 도시한다. 이는, 섬유형 온도 센서의 내구성을 테스트하는 것으로, 본 발명의 섬유형 온도 센서는 1회의 변형 범위, 100회의 변형 범위 및 1000회의 변형 범위 모두에서 유사한 저항 변화 값을 보여주었다. 7B shows a graph of the resistance change value with respect to deformation according to the number of exercise. This is to test the durability of the fiber-type temperature sensor, and the fiber-type temperature sensor of the present invention showed similar resistance change values in all of the one-time deformation range, 100-time deformation range, and 1000-time deformation range.

도 7c는, 주위 온도에 따른, 변형 횟수에 대한 저항변화 값의 그래프를 도시한다. 게다가, 상기 섬유형 온도 센서에 열적 부하가 적용 및 제거될 때 (20 및 50 ℃) 온/오프 반응은 고도로 반복 가능한 것을 확인했다.7C shows a graph of the resistance change value with respect to the number of deformations according to the ambient temperature. In addition, it was confirmed that the on/off response when a thermal load was applied and removed (20 and 50 °C) to the fiber-type temperature sensor was highly repeatable.

도 7d는, 손의 접촉 및 제거에 따른, 시간에 대한 저항변화 값의 그래프를 도시한다. 게다가, 상기 섬유 온도 센서는 손가락 접촉 시 짧은 반응 시간 (6 s) 및 복구 시간 (30 s)을 나타냈고, 온도는 ~32 ℃로 측정되었다.7D shows a graph of the resistance change value with respect to time according to the contact and removal of the hand. In addition, the fiber temperature sensor exhibited a short response time (6 s) and recovery time (30 s) upon finger contact, and the temperature was measured to be ~32 °C.

도8a는, 상기 섬유형 온도 센서를 어레이 형태로 제조한 모습 및 상기 어레이에 부분적으로 열을 가한 이미지를 도시한다. 본 발명의 섬유형 온도 센서의 온도에 따른 저항 측정 값을 측정하기 위해, 상기 섬유형 온도 센서를 포함하는 전자 섬유를 9 cm Х 9 cm, 3 Х 3 배열의 어레이 형태로 편직했다. 상기 어레이의 일부에 저온을 접촉시키고 다른 일부에 체온을 접촉시켜(~10 kPa의 조심스러운 접촉), 상기 어레이의 위치에 따른 사람 손가락 피부 온도에 대한 반응 내 다중 검출을 수행했다.  상기 저온은, 얼음물을 함유하는 바이알과의 접촉을 통해 하나의 사람 손가락 피부를 냉각했다. 온도의 적용 이후, IR C3 카메라 (FLIR system, USA)를 사용하여 상이한 온도에 대한 상기 전자 섬유의 열 화상 (IR) 이미지를 얻었고, 이는 도 8a에 도시되어있다. 8A shows a state in which the fiber-type temperature sensor is manufactured in an array form and an image in which the array is partially heated. In order to measure the temperature-dependent resistance measurement value of the fiber-type temperature sensor of the present invention, an electronic fiber including the fiber-type temperature sensor was knitted in the form of an array of 9 cm Х 9 cm, 3 Х 3 arrays. Multiple detections in response to human finger skin temperature depending on the location of the array were performed by placing a portion of the array in cold contact and in another portion body temperature (a careful contact of ˜10 kPa). The low temperature cooled the skin of one human finger through contact with a vial containing ice water. After application of the temperature, thermal imaging (IR) images of the electronic fiber for different temperatures were obtained using an IR C3 camera (FLIR system, USA), which is shown in Fig. 8a.

도8b는, 상기 어레이 형태에 부분적으로 적용된 온도에 대한 저항측정 값의 그래프를 도시한다. 상기 어레이 형태의 부분적으로 적용된 온도에 따른 저항을 측정하였고, 상이한 온도에 의해 야기되는 상기 전자 섬유의 전기 저항의 변화를 도 8b의 그래프를 통해 도시했다. 상기 그래프는, 열 화상 카메라를 통해 촬영된 상기 전자 섬유의 열 화상 이미지에 정확하게 상응했다.Figure 8b shows a graph of resistance measurement values versus temperature partially applied to the array type. The resistance according to the partially applied temperature of the array form was measured, and the change in the electrical resistance of the electronic fiber caused by the different temperatures is shown through the graph of FIG. 8B . The graph corresponded precisely to the thermal imaging image of the electronic fiber taken through a thermal imaging camera.

상기 열 화상 이미지와 전기 저항의 변화를 나타낸 그래프에 보여진 것과 같이, 상기 전자 섬유는 주위 온도에 따른 우수한 전기 저항의 변화를 보여주어, 본 발명의 섬유형 온도 센서가 주위 온도를 측정하기 위한 용도로 사용될 수 있음을 입증하였다.As shown in the thermal image image and the graph showing the change in electrical resistance, the electronic fiber shows an excellent change in electrical resistance according to the ambient temperature, so that the fiber-type temperature sensor of the present invention is used for measuring the ambient temperature. It has been proven that it can be used.

도9a,는 상기 섬유형 온도 센서를 삽입한 스마트 장갑의 사진 및 상기 장갑을 착용한 뒤 상이한 주위 온도 환경에서 굽힘 동작을 실시할 때의 열 화상 사진을 도시하고, 도9b는, 주위 온도 환경 변화에 따른, 굽힘 동작의 횟수에 대한 저항 측정 값의 그래프를 도시한다. Fig. 9a shows a photo of a smart glove in which the fiber-type temperature sensor is inserted, and a thermal image photo when a bending operation is performed in a different ambient temperature environment after wearing the glove, and Fig. 9b is a change in ambient temperature environment Shows a graph of the resistance measurements versus the number of bending operations according to .

본 발명의 섬유형 온도 센서를 스마트 장갑에 삽입하여, 몸짓에 의해 발생되는 지속적인 변형(예를 들어, 굽힘 또는 펼침)을 적용하면서, 상기 장갑이 오븐에 또는 냉장고에 위치될 때의 상이한 온도에 대한 반응 내 시간-의존성 저항을 측정했다. The fiber-type temperature sensor of the present invention is inserted into a smart glove to apply a continuous deformation (e.g., bending or unfolding) generated by a gesture, while providing for different temperatures when the glove is placed in an oven or refrigerator. The time-dependent resistance within the reaction was measured.

상기 장갑을 착용한 손의 반복되는 파지 동안, 도 9a에서 보여진 것과 같이, 온도 자극과 인장 자극을 동시에 가했을 경우, 손의 파지 동작, 및 주위 온도 변화에 따른 스마트 장갑의 열 화상 이미지를 얻었다. 상기 열 화상 이미지를 통해 알 수 있는 것과 같이, 본 발명의 섬유형 온도 센서는 동일한 온도 조건(저온 또는 고온)에서 상기 섬유형 온도 센서의 변형에도 불구하고 일정한 열 화상 이미지를 나타낸다. 또한, 상기 스마트 장갑을 착용한 손의 파지 횟수, 및 주위의 반복적인 온도 변화에 따른 상기 장갑의 전기적 저항 변화를 기록했고, 도 9b에서 보여진 것과 같이, 상기 섬유형 온도 센서가 반복적인 온도 자극 및 반복적인 온도 변화에 대해 안정적이고 균일한 전기적 저항 값을 갖는다는 것을 확인할 수 있다. 따라서, 본 발명의 섬유형 온도 센서를 장갑에 삽입하여, 주위 온도를 실시간으로 모니터링 할 수 있으며, 손가락을 굽히고 핌에 상관없이 외부 온도를 측정할 수 있다. 이는 또한 장갑 외에도 섬유 형태로 된 의류 등에 삽입이 가능하여, 본 발명의 섬유형 온도 센서가 광범위한 전자 섬유 용도로 사용될 수 있음을 입증한다.During repeated gripping of the gloved hand, as shown in FIG. 9A , when temperature stimulation and tensile stimulation were simultaneously applied, a thermal image of the smart glove according to the hand gripping motion and ambient temperature change was obtained. As can be seen from the thermal image, the fiber-type temperature sensor of the present invention shows a constant thermal image despite the deformation of the fiber-type temperature sensor under the same temperature condition (low temperature or high temperature). In addition, the number of gripping times of the hand wearing the smart glove, and the change in electrical resistance of the glove according to the repeated temperature change around it were recorded, and as shown in FIG. It can be confirmed that it has a stable and uniform electrical resistance value against repeated temperature changes. Therefore, by inserting the fiber-type temperature sensor of the present invention into the glove, it is possible to monitor the ambient temperature in real time, and it is possible to measure the external temperature regardless of bending the finger. This also proves that the fiber-type temperature sensor of the present invention can be used for a wide range of electronic textile applications, since it can be inserted into textile-type clothing in addition to gloves.

 

상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.Although the above has been described with reference to the preferred embodiments of the present invention, those skilled in the art can variously modify and change the present invention without departing from the spirit and scope of the present invention as set forth in the claims below. You will understand that you can.

Claims (22)

신축성 섬유;
상기 신축성 섬유 상에 코팅된 압축된 미세 주름 층; 및
상기 압축된 미세 주름 층의 전체 면에 걸쳐 코팅된 압축된 온도 감응성 층을 포함하고,
신축성 섬유를 신장한 상태에서 탄성고분자 용액으로 코팅하고 이완시켜 신축성 섬유 상에 압축된 미세 주름 층을 코팅하는 제1 단계; 및
상기 제1 단계 이후, 상기 미세 주름이 펴지도록 상기 신축성 섬유를 신장한 후 온도 감응성 층을 코팅하고 이완시켜 압축된 온도 감응성 층을 코팅하는 제2 단계를 통해 제조되는,
섬유형 온도 센서.
elastic fibers;
a compressed micro-wrinkle layer coated on the elastic fiber; and
a compressed temperature-sensitive layer coated over the entire face of the compressed micro-wrinkle layer;
A first step of coating the elastic fibers in a stretched state with an elastic polymer solution and then relaxing the compressed micro-wrinkle layer on the elastic fibers; and
Manufactured through a second step of coating the temperature-sensitive layer that is compressed by coating and relaxing the temperature-sensitive layer after stretching the elastic fiber so that the fine wrinkles are flattened after the first step,
Fiber-type temperature sensor.
제1항에 있어서,
상기 압축된 미세 주름 층의 주름은, 상기 신축성 섬유의 길이 방향에 수직한 주름임을 특징으로 하는,
섬유형 온도 센서.
According to claim 1,
The wrinkle of the compressed fine wrinkle layer, characterized in that the wrinkle is perpendicular to the longitudinal direction of the elastic fiber,
Fiber-type temperature sensor.
제1항에 있어서,
상기 주름의 간격은 10 내지 500 ㎛임을 특징으로 하는,
섬유형 온도 센서.
According to claim 1,
Characterized in that the spacing of the wrinkles is 10 to 500 μm,
Fiber-type temperature sensor.
삭제delete 제1항에 있어서,
상기 압축된 미세 주름 층의 표면은 친수성 처리됨을 특징으로 하는,
섬유형 온도 센서.
According to claim 1,
The surface of the compressed micro-wrinkle layer is characterized in that the hydrophilic treatment,
Fiber-type temperature sensor.
제1항에 있어서,
상기 압축된 미세 주름 층은 절연성 탄성고분자로 이뤄짐을 특징으로 하는,
섬유형 온도 센서.
According to claim 1,
The compressed fine wrinkle layer is characterized in that it is made of an insulating elastic polymer,
Fiber-type temperature sensor.
제1항에 있어서,
상기 압축된 미세 주름 층은 폴리우레탄으로 이뤄짐을 특징으로 하는,
섬유형 온도 센서.
According to claim 1,
The compressed micro-wrinkle layer is characterized in that made of polyurethane,
Fiber-type temperature sensor.
삭제delete 제1항에 있어서,
상기 압축된 온도 감응성 층은, 전도성 고분자 층 및 상기 전도성 고분자 층 상에 분산된 탄소 입자를 포함함을 특징으로 하는,
섬유형 온도 센서.
According to claim 1,
wherein the compressed temperature-sensitive layer comprises a conductive polymer layer and carbon particles dispersed on the conductive polymer layer,
Fiber-type temperature sensor.
제9항에 있어서,
상기 전도성 고분자 층은 PEDOT:PSS 임을 특징으로 하는,
섬유형 온도 센서.
10. The method of claim 9,
The conductive polymer layer is characterized in that PEDOT: PSS,
Fiber-type temperature sensor.
제9항에 있어서,
상기 탄소 입자는 그래핀 또는 탄소나노튜브를 포함함을 특징으로 하는,
섬유형 온도 센서.
10. The method of claim 9,
The carbon particles are characterized in that they include graphene or carbon nanotubes,
Fiber-type temperature sensor.
제1항에 있어서,
상기 온도 감응성 층 상에 코팅된 내수성 보호층을 추가로 더 포함하는,
섬유형 온도 센서.
According to claim 1,
Further comprising a water-resistant protective layer coated on the temperature-sensitive layer,
Fiber-type temperature sensor.
신축성 섬유를 신장한 상태에서 탄성고분자 용액으로 코팅하고 이완시켜 신축성 섬유 상에 압축된 미세 주름 층을 코팅하는 제1 단계; 및
상기 제1 단계 이후, 상기 미세 주름이 펴지도록 상기 신축성 섬유를 신장한 후 온도 감응성 층을 코팅하고 이완시켜 압축된 온도 감응성 층을 코팅하는 제2 단계를 포함하는,
섬유형 온도 센서를 제조하는 방법.
A first step of coating the elastic fibers in a stretched state with an elastic polymer solution and then relaxing the compressed micro-wrinkle layer on the elastic fibers; and
After the first step, the second step of coating the temperature-sensitive layer by stretching the elastic fiber so that the fine wrinkles are flattened, and then coating the temperature-sensitive layer and relaxing it to coat the compressed temperature-sensitive layer,
A method of manufacturing a fiber-type temperature sensor.
제13항에 있어서,
상기 탄성고분자 용액은 상기 신축성 섬유를 용해시킬 수 있는 용액임을 특징으로 하는,
섬유형 온도 센서를 제조하는 방법.
14. The method of claim 13,
The elastic polymer solution is characterized in that it is a solution capable of dissolving the elastic fibers,
A method of manufacturing a fiber-type temperature sensor.
제14항에 있어서,
상기 탄성고분자 용액이 상기 신축성 섬유의 표면을 용해시켜, 상기 신축성 섬유와 상기 탄성고분자 층의 표면이 일체로 응고되어 결합을 형성할 수 있는 용액임을 특징으로 하는,
섬유형 온도 센서를 제조하는 방법.
15. The method of claim 14,
characterized in that the elastic polymer solution is a solution capable of dissolving the surface of the stretchable fiber to form a bond by integrally coagulating the surface of the stretchable fiber and the elastic polymer layer,
A method of manufacturing a fiber-type temperature sensor.
제14항에 있어서,
상기 제1 단계에서, 코팅은 상기 신축성 섬유의 상기 탄성고분자 용액에의 딥코팅임을 특징으로 하는,
섬유형 온도 센서를 제조하는 방법.
15. The method of claim 14,
In the first step, the coating is characterized in that the dip coating of the elastic fiber into the elastic polymer solution,
A method of manufacturing a fiber-type temperature sensor.
제14항에 있어서,
상기 온도 감응성 층의 코팅은 온도 감응성 고분자 용액으로의 코팅임을 특징으로 하는,
섬유형 온도 센서를 제조하는 방법.
15. The method of claim 14,
The coating of the temperature-sensitive layer is characterized in that the coating with a temperature-sensitive polymer solution,
A method of manufacturing a fiber-type temperature sensor.
제17항에 있어서,
상기 온도 감응성 고분자 용액은 전도성 고분자 용액임을 특징으로 하는,
섬유형 온도 센서를 제조하는 방법.
18. The method of claim 17,
The temperature-sensitive polymer solution is characterized in that the conductive polymer solution,
A method of manufacturing a fiber-type temperature sensor.
제18항에 있어서,
상기 온도 감응성 고분자 용액은 탄소 입자가 분산되어 있음을 특징으로 하는, 
섬유형 온도 센서를 제조하는 방법.
19. The method of claim 18,
The temperature-sensitive polymer solution is characterized in that carbon particles are dispersed,
A method of manufacturing a fiber-type temperature sensor.
제18항에 있어서,
상기 온도 감응성 고분자 용액은 물, PEDOT:PSS 및 탄소입자를 포함함을 특징으로 하는,
섬유형 온도 센서를 제조하는 방법.
19. The method of claim 18,
The temperature-sensitive polymer solution is characterized in that it contains water, PEDOT: PSS and carbon particles,
A method of manufacturing a fiber-type temperature sensor.
제14항에 있어서,
상기 제1 단계이후 상기 제2단계 전에, 상기 미세 주름이 펴지도록 상기 신축성 섬유를 신장한 후 표면을 친수성 처리함을 추가로 포함하는, 
섬유형 온도 센서를 제조하는 방법.
15. The method of claim 14,
After the first step and before the second step, after stretching the elastic fiber so as to flatten the fine wrinkles, the method further comprising hydrophilic treatment of the surface,
A method of manufacturing a fiber-type temperature sensor.
제21항에 있어서,
상기 친수성 처리는 산소 플라즈마 처리임을 특징으로 하는,
섬유형 온도 센서를 제조하는 방법.
22. The method of claim 21,
The hydrophilic treatment is characterized in that oxygen plasma treatment,
A method of manufacturing a fiber-type temperature sensor.
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