KR101707859B1

KR101707859B1 - 다공성 압력감지 고무 및 이를 포함하는 웨어러블 기기 제조 방법

Info

Publication number: KR101707859B1
Application number: KR1020140044964A
Authority: KR
Inventors: 김대형; 현택환; 정성묵; 김재민
Original assignee: 서울대학교산학협력단; 기초과학연구원
Priority date: 2014-04-15
Filing date: 2014-04-15
Publication date: 2017-02-22
Also published as: KR20150118822A

Abstract

본 발명은 다공성 압력감지 고무 및 이를 포함하는 웨어러블 기기 제조 방법에 관한 것이다. 보다 상세하게는 본 발명은 실리콘 고무 및 다중벽 탄소 나노튜브를 포함하고, 상기 실리콘 고무가 기공을 함유하는 것인, 다공성 압력감지 고무, 그리고 이렇게 제조된 고무를 사용한 웨어러블 동작 검출기 및 압력감지 직물 제조 방법에 대한 것이다.

Description

다공성 압력감지 고무 및 이를 포함하는 웨어러블 기기 제조 방법{Process for Preparing Porous Pressure-Sensitive Rubber and Wearable Device Comprising the Same}

본 발명은 다공성 압력감지 고무 및 이를 포함하는 웨어러블 기기 제조 방법에 관한 것이다. 보다 상세하게는 본 발명은 실리콘 고무 및 다중벽 탄소 나노튜브를 포함하고, 상기 실리콘 고무가 기공을 함유하는 것인, 다공성 압력감지 고무에 대한 것이며, 그리고 이렇게 제조된 고무를 사용한 웨어러블 동작 검출기 및 압력감지 직물 제조 방법에 대한 것이다.

웨어러블 기기는 피부에 착용된 상태에서 작동하는 기기들로서, 인간의 신체에서 발생하는 신호들이나 외부의 신호들을 전자기적 신호로 변환하여 수치화한다. 따라서 이러한 웨어러블 기기는 인간의 병을 진단하는 의료 분야나 로봇을 조종하는 로보틱스 분야 또는 스마트 패브릭을 이용하는 의류업계에서 사용될 수 있다(Science 2011, 333, 838).

외부의 기계적 변형, 즉 기계적 센서에 반응하는 전자 기기들이, 인간 피부를 모방하는 것뿐만 아니라 웨어러블 전자 기기들을 사용한 인간 동작 감시에서도 많은 주목을 받고 있다.

기계적 센서들(예를 들면, 압력 센서 및 스트레인 게이지)의 감도는, 인간의 피부를 보다 더 정교하게 모방하여 인간의 동작을 보다 더 정밀하게 포착하기 위해 가장 중요한 성능 계수들(performance factors) 중 하나이다.

신호 증폭을 위해 트랜지스터를 사용하는 것은 이러한 특정 목적을 위해 효과적인 방법이다. 고감도를 위한 또 다른 방법은 저항 변화 대신에 전기용량 변화(capacitive change)를 측정하거나, 특별하게 설계된 연동 구조(interlocking structure)를 사용하는 것이다. 그러나 이러한 방법들은 일반적으로 복잡한 미세제작(micro-fabrication) 공정을 필요로 한다.

저항형 기계적 센서는 단순한 작동 원리, 즉 물질의 저항 변화 측정에 따른다. 전형적으로 탄성체와, 카본 블랙 및 카본 나노튜브와 같은 전도성 충전재의 복합 재료인 압력감지 고무(pressure sensitive rubber (PSR))는, 유연한 저항형 기계적 센서용 재료로서 널리 사용된다. 기계적 변형의 검출에 단지 두 가지 성분(압전 물질 및 전극)만이 필요하기 때문에, 기기 구조 및 제작 공정이 상대적으로 간단하다. PSR의 탄성으로 인해 PSR은 유연하고 신장가능한 기재(flexible and strechable substrate) 및 팽창가능한 수술 도구와 조화롭게 병용될 수 있고(compatible) 인체를 포함하는 부드럽고 곡면인 표면에 용이하게 통합될 수도 있다. 그러나 종래의 PSR기반 센서는 종종 낮은 감도로 인한 문제가 발생한다.

압력감지 고무를 제조하기 위한 종래의 방법은 탄성 고분자에 전도성 충전물을 주입하는 공정을 포함한다. 상기 탄성 고분자에는 폴리우레탄, PDMS 등이 사용되고, 상기 충전물에는 CNT, 그래핀, 카본 블랙 파우더 등이 사용된다.

감도를 높이기 위한 하나의 방법은 압전 물질에 다공성 구조를 도입하는 것이다. 특정 힘에서 PSR기반 기계적 센서의 저항 변화는 PSR의 모듈러스(modulus)와 관련된 변형률(deformability)에 의존한다. 이러한 변형률을 증가시키기 위해, 스폰지와 유사한 구조체들이 제안되었다(ACS . Nano . 2010, 4, 2320.).

예를 들면, 중공 구형의 전도성 고분자, 다공성 카본 나노튜브 스폰지, 금속-고분자 혼성 나노케이블 스폰지, 및 금 필름-폴리우레탄 스폰지는 기계적 변형의 검출에 대해 향상된 감도를 갖는다. 그러나 종래의 방법으로는 스펀지 구조에서 공극의 사이즈, 부피율, 균일도 등을 조절할 수 없다. 또한, 화학 기상 증착법이나 침지담금법을 사용할 경우 공정이 매우 어려울 뿐만 아니라 대면적으로 만들기 어려워 상용화가 어렵다(ACS . Nano . 2010, 4, 2320.).

Yao 등(Adv . Mat. 2013, 25, 6692)은 스펀지 형태의 폴리우레탄에 그래핀 옥사이드를 담지시킨 후 환원시키는 방법을 통해 전기전도성 폴리우레탄 스펀지를 합성하였고, 이를 압력감지 센서로서 사용하였다. Yao 등과 대비하여, 본 발명은 액상 반응을 통해 전도성 고무를 합성한다는 점에서 차이가 있다.

Pan 등(Nat . Commun, 5, 3002 (2014))은 중공 구형의 구조를 물질 내부에 형성시켜 유연한 압력감지 센서를 제조 방법을 개시하고 있다. Pan 등과 대비하여, 본 발명에 의해 제조된 압력감지 센서는 비전도체의 경우에도 압력감지가 가능하고 웨어러블 기기로 제조할 수 있다는 점에서 차이가 존재한다.

대한민국 등록특허 제10-1326238호는, 도전성 고무를 이용한 포터블 기기의 멀티 스위치, 압력감지장치 및 그 제어방법을 개시하고 있다. 상기 대한민국 등록특허 제10-1326238호와 대비하여, 본 발명은 압력감지 고무에 다공성 구조를 형성시켜 성능을 향상시켰다는 점과 종래의 금속 전극이 아닌 직물에 압력감지 고무를 결합시켜 웨어러블 센서 장치를 개발했다는 점에서 산업적 응용에 있어서 탁월한 효과를 보인다.

대한민국 공개특허출원 제10-2013-0008604호는 투명하고 유연한 압력-감지 터치 패널(transparent and flexible pressure-sensing touch panel)을 위한 방법 및 장치를 개시하고 있다. 상기 대한민국 공개특허출원 제10-2013-0008604호와 대비하여, 본 발명은 탄성 고분자 내에 다공성 구조를 형성시켜 성능을 크게 향상시켰다는 점과 상기 다공성 구조의 크기, 부피 및 균일도 등을 조절할 수 있다는 점에서 산업적 응용이 비로소 가능하게 되었다.

본 발명자들은, 종래 기술과 달리, 액상 반응에 의해 기공의 크기 및 균일도를 제어할 수 있는 압력감지 고무를 산업적인 대규모 공정으로 제조할 수 있다는 점에 착안하여 본 발명을 완성하였다.

본 발명의 1차적인 목적은 실리콘 고무 및 다중벽 탄소 나노튜브를 포함하고, 상기 실리콘 고무가 기공을 함유하는 것인, 다공성 압력감지 고무를 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 (i) 유기 용매, 물, 유화제를 혼합하여 역미셀 용액을 제조하는 단계; (ii) 상기 역미셀 용액에 실리콘 고무, 다중벽 탄소 나노튜브를 첨가하여 젤 유사 용액을 얻는 단계; 및 (iii) 상기 젤 유사 용액을 열처리하는 단계를 포함하는, 다공성 압력감지 고무 제조 방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 (i) 유기 용매, 물, 유화제를 혼합하여 역미셀 용액을 제조하는 단계; (ii) 상기 역미셀 용액에 실리콘 고무, 다중벽 탄소 나노튜브를 첨가하여 젤 유사 용액을 얻는 단계; (iii) 상기 젤유사 용액을 노즐 젯 인쇄에 의해 생체적합성 필름 위에 패터닝하는 단계; 및 (iv) 상기 패터닝된 생체적합성 필름을 열처리하는 단계를 포함하는, 라인 패터닝된 웨어러블 동작 검출기 제조 방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 (i) 유기 용매, 물, 유화제를 혼합하여 역미셀 용액을 제조하는 단계; (ii) 상기 역미셀 용액에 실리콘 고무, 다중벽 탄소 나노튜브를 첨가하여 젤 유사 용액을 얻는 단계; (iii) 상기 젤유사 용액을 필름 형태로 성형하는 단계; 및 (iv) 상기 성형된 필름의 양면에 직물을 부착하는 단계를 포함하는, 압력감지용 웨어러블 직물 제조 방법을 제공하는 것이다.

전술한 본 발명의 1차적인 목적은 실리콘 고무 및 다중벽 탄소 나노튜브를 포함하고, 상기 실리콘 고무가 기공을 함유하는 것인, 다공성 압력감지 고무를 제공함으로써 달성될 수 있다.

본 발명의 다공성 압력감지 고무에 함유되는 상기 기공의 크기는 100 μm 내지 2 mm일 수 있다.

또한, 본 발명의 다공성 압력감지 고무에 포함되는 상기 실리콘 고무는 폴리디메틸실록산 또는 폴리디에틸실록산일 수 있다.

또한, 상기 다중벽 탄소 나노튜브의 직경은 1 nm 내지 2 nm이고, 그 길이는 10 μm 내지 20 μm일 수 있다. 상기 다중벽 탄소 나노튜브는 상기 실리콘 고무에 분산되어 있으며, 상기 다공성 압력감지 고무에 전기전도성을 부여한다.

전술한 본 발명의 다른 목적은 (i) 유기 용매, 물, 유화제를 혼합하여 역미셀 용액을 제조하는 단계; (ii) 상기 역미셀 용액에 실리콘 고무, 다중벽 탄소 나노튜브를 첨가하여 젤 유사 용액을 얻는 단계; 및 (iii) 상기 젤 유사 용액을 열처리하는 단계를 포함하는, 다공성 압력감지 고무 제조 방법을 제공함으로써 달성될 수 있다.

본 발명의 다공성 압력감지 고무 제조 방법에서, 상기 유기 용매는 헥산, 헵탄, 옥탄, 데칸 또는 옥타데칸으로부터 선택될 수 있다.

또한, 상기 유화제는 폴리옥시에틸렌 (5) 노닐페닐 에테르, 옥틸페녹시폴리에톡시에탄올, 옥틸페닐-폴리에틸렌 글리콜, 폴리옥시에틸렌 (2) 이소옥틸페닐 에테르, 폴리옥시에틸렌 (2) 옥틸페닐 에테르, 폴리옥시에틸렌 (12) 이소옥틸페닐 에테르, 폴리옥시에틸렌 (12) 옥틸페닐 에테르, 폴리옥시에틸렌 (12) 이소옥틸페닐 에테르, 폴리옥시에틸렌 (12) 옥틸페닐 에테르, 폴리옥시에틸렌 (12) 노닐페닐 에테르, 폴리옥시에틸렌 (150) 디노닐페닐 에테르, 폴리옥시에틸렌, 디노닐페닐 에테르 또는 노닐페닐 에테르일 수 있다.

또한, 본 발명의 다공성 압력감지 고무 제조 방법에서, 상기 실리콘 고무는 폴리디메틸실록산 또는 폴리디에틸실록산일 수 있다.

본 발명의 다공성 압력감지 고무 제조 방법에 사용되는 상기 다중벽 탄소 나노튜브의 직경은 1 nm 내지 2 nm이고 길이는 10 μm 내지 20 μm일 수 있다.

또한, 본 발명의 다공성 압력감지 고무 제조 방법에서, 상기 열처리 단계의 온도는 55℃ 내지 120℃일 수 있다.

또한, 본 발명의 다공성 압력감지 고무 제조 방법에 의해 제조되는 다공성 압력감지 고무는 100 μm 내지 2 mm 크기의 기공을 함유한다.

본 발명의 다공성 압력감지 고무 제조 방법에 있어서, 상기 유기 용매의 종류, 역미셀의 양 또는 열처리 조건 등에 의해 생성되는 기공의 크기 및 균일도를 조절할 수 있다.

본 발명은 전술한 다공성 압력감지 고무 제조 방법에 의해 제조된 다공성 압력감지 고무를 제공한다.

전술한 본 발명의 또 다른 목적은 (i) 유기 용매, 물, 유화제를 혼합하여 역미셀 용액을 제조하는 단계; (ii) 상기 역미셀 용액에 실리콘 고무, 다중벽 탄소 나노튜브를 첨가하여 젤 유사 용액을 얻는 단계; (iii) 상기 젤유사 용액을 노즐 젯 인쇄에 의해 생체적합성 필름 위에 패터닝하는 단계; 및 (iv) 상기 패터닝된 생체적합성 필름을 열처리하는 단계를 포함하는, 라인 패터닝된 웨어러블 동작 검출기 제조 방법을 제공함으로써 달성될 수 있다.

본 발명의 라인 패터닝된 웨어러블 동작 검출기 제조 방법에서, 상기 유기 용매는 헥산, 헵탄, 옥탄, 데칸 또는 옥타데칸으로부터 선택될 수 있다.

또한, 본 발명의 라인 패터닝된 웨어러블 동작 검출기 제조 방법에서, 상기 실리콘 고무는 폴리디메틸실록산 또는 폴리디에틸실록산일 수 있다.

본 발명의 라인 패터닝된 웨어러블 동작 검출기 제조 방법에 사용되는 상기 다중벽 탄소 나노튜브의 직경은 1 nm 내지 2 nm이고 길이는 10 μm 내지 20 μm일 수 있다.

본 발명의 라인 패터닝된 웨어러블 동작 검출기 제조 방법의 (iii)단계는 노즐 젯 인쇄방법(nozzle jet printing)에 의해 수행될 수 있다.

또한, 본 발명의 라인 패터닝된 웨어러블 동작 검출기 제조 방법에서, 상기 열처리 단계의 온도는 55℃ 내지 120℃일 수 있다.

또한, 본 발명의 라인 패터닝된 웨어러블 동작 검출기 제조 방법에 의해 제조되는 라인 패터닝된 웨어러블 동작 검출기는 100 μm 내지 2 mm 크기의 기공을 함유한다.

본 발명은 라인 패터닝된 웨어러블 동작 검출기 제조 방법에 의해 제조되는 라인 패터닝된 웨어러블 동작 검출기를 제공한다.

전술한 본 발명의 또 다른 목적은 (i) 유기 용매, 물, 유화제를 혼합하여 역미셀 용액을 제조하는 단계; (ii) 상기 역미셀 용액에 실리콘 고무, 다중벽 탄소 나노튜브를 첨가하여 젤 유사 용액을 얻는 단계; (iii) 상기 젤유사 용액을 필름 형태로 성형하는 단계; 및 (iv) 상기 성형된 필름의 양면에 직물을 부착하는 단계를 포함하는, 압력감지용 웨어러블 직물 제조 방법을 제공함으로써 달성될 수 있다.

본 발명의 압력감지용 웨어러블 직물 제조 방법에서, 상기 유기 용매는 헥산, 헵탄, 옥탄, 데칸 또는 옥타데칸으로부터 선택될 수 있다.

또한, 본 발명의 압력감지용 웨어러블 직물 제조 방법에서, 상기 실리콘 고무는 폴리디메틸실록산 또는 폴리디에틸실록산일 수 있다.

본 발명의 압력감지용 웨어러블 직물 제조 방법에 사용되는 상기 다중벽 탄소 나노튜브의 직경은 1 nm 내지 2 nm이고 길이는 10 μm 내지 20 μm일 수 있다.

본 발명의 압력감지용 웨어러블 직물 제조 방법의 (iii)단계는 주형 몰딩법(template molding)에 의해 수행될 수 있다.

또한, 본 발명의 압력감지용 웨어러블 직물 제조 방법에서, 상기 (iii)단계의 성형 온도는 55℃ 내지 120℃일 수 있다.

또한, 본 발명의 압력감지용 웨어러블 직물 제조 방법에 의해 제조되는 압력감지용 웨어러블 직물은 100 μm 내지 2 mm 크기의 기공을 함유한다.

본 발명은 압력감지용 웨어러블 직물 제조 방법에 의해 제조되는 압력감지용 웨어러블 직물을 제공한다.

본 발명의 방법에 따라 기공의 특성이 조절된 다공성 압력감지 고무를 제조할 수 있고, 이렇게 제조된 다공성 압력감지 고무를 사용하여 압력 감지 민감도가 뛰어난 센서를 제조할 수 있다.

또한, 본 발명의 방법에 따라 값싸고 쉬우며 대면적이 가능할 뿐만 아니라 패터닝도 가능한 제작 공정을 개발하여 상용화에 매우 적합하다. 또한 이를 입거나 피부에 붙일 수 있는 압력감지 센서로 사용할 수 있는 가능성을 실험하여 성공하는 등 응용분야의 범위를 넓힐 수 있었다.

도 1A는 본 발명의 방법에서 다중벽 나노튜브(MWNT), 역미셀 용액(RMS) 및 PDMS의 혼합 단계를 보여 주는 다이어그램이고, 도 1B는 PPSR 필름 제조를 위한 주형 몰딩 방법을 예시하며, 도 1C는 PPSR 패턴 형성을 위한 노즐 젯 프린팅 방법을 예시하고, 도 1D는 열처리 과정 동안의 역미셀의 거동을 보여준다.
도 2A는 다른 RMS 부피들(4 mL, 6 mL, 8 mL)와 분자량들(헥산, 헵탄, 옥탄에 대하여 각각 86.2 g/mol, 100.2 g/mol, 114.2 g/mol)에서의 PPSR에 대한 마이크로-CT(micro-computed tomography (μ-CT)) 사진이고, 도 2B는 다른 깊이에서 헥산기반 RMS 4 mL(좌측)와 옥탄기반 RMS 4 mL(우측)로 제조된 PPSR에 대한 3차원 적층 μ-CT 사진이며, 도 2C는 헥산기반 RMS 8 mL(좌측), 헵탄기반 RMS 8 mL(중앙), 및 옥탄기반 RMS 8 mL(우측)에 대해 투과 모드(transparent mode)(전면)와 불투과 모드(solid mode)(후면)를 사용한 PPSR에 대한 3차원 유한 요소 모델을 보여 준다.
도 3A는 대면적 PPSR기반 압력감지 직물에 대한 사진이고, 도 3B는 쌓아놓은 PPSR 필름들의 가역적인 압축성을 보여주는 사진이며, 도 3C는 외부의 압력에 대한 압력감지 직물의 저항 변화 응답을 보여주고, 도 3C의 삽입도는 태핑(tapping, 좌측), 노킹(knocking, 중앙), 및 타격(hitting, 우측) 모드를 예시한다.
도 4A는 패터닝된 PPSR용의 노즐 젯 프린팅 과정을 보여 주는 다이어그램이고, 도 4B는 유연한 플라스틱 기판(PET 필름) 위에 인쇄된 PPSR 패턴에 대한 사진이며, 도 4C는 변형된 PPSR 패턴에 대한 사진이고, 도 4D는 외부 인장변형 하에서 신장가능한 폴리우레탄 기판 위에 패터닝된 PSR 및 PPSR의 퍼센트 저항 변화를 보여 주며, 도 4E는 약 30% 신장 하에서 상기 신장가능한 기판 위에서의 패터닝된 PPSR의 스트레인 분포(좌측)와 30 mm의 곡률반경으로 굽혀진 기판 위에서의 패터닝된 PPSR의 스트레인 분포(우측)를 보여주고, 도 4F는 피부에 장착된 스트레인 게이지를 사용하여 손목의 동작에서의 변형과 관련된 저항 변화를 감시한 결과를 나타내는 그래프이며, 도 4F의 삽입도는 인간의 손목에 적층되어 있는 패터닝된 PPSR 스트레인 게이지가 굽혀있을 때의 사진이고, 도 4G는 고주파 동작에 대해 측정된 신호를 확대한 것이며, 도 4H는 저주파 동작에 대해 측정된 신호를 확대한 것이다.
도 5A는 상용 탄성 패치에 인쇄된 PPSR 압력 센서의 사진이고, 도 5B는 PPSR 스트레인 게이지의 사진이며, 도 5C 및 5D는 각각 PPSR 스트레인 게이지를 통한 로봇의 가속(Ch 5, 도 5C) 및 감속(Ch 6, 도 5D)을 위한 트리거링 명령(triggering command)에 대한 사진이고, 도 5E 내지 도 5H는 각각 PPSR 압력 센서를 통한 전진(Ch 1, 도 5E), 후진(Ch 2, 도 5F), 반시계방향 회전(Ch 3, 도 5G), 및 시계방향 회전(Ch 4, 도 5H)에 대한 트리거링 명령에 대한 사진이며, 도 5I는 로봇의 동작 궤적에 대한 사진이고, 도 5J는 로봇을 무선조종하는 동안 피부에 장착된 기계적 센서 어레이로부터 얻은 전압 출력 신호이다.

이하, 다음의 실시예 또는 도면을 들어 본 발명을 보다 구체적으로 설명하고자 한다. 그러나 다음의 실시예 또는 도면에 대한 설명은 본 발명의 구체적인 실시 태양을 특정하여 설명하고자 하는 것일 뿐이며, 본 발명의 권리 범위를 이들에 기재된 내용으로 한정하거나 제한해석하고자 의도하는 것은 아니다.

실시예 1. 흑색 젤유사 혼합물의 제조

20 mL의 옥탄(98%, Sigma-Aldrich, USA), 2 g의 유화제(Polyoxyethylene(5) nonylphenyl ether, branched, Igepal CO-520, M_n: 441, Sigma Aldrich, USA) 및 10 μL의 탈이온수를 30분간 교반하여 역미셀 용액을 제조하였다. 0.1 g의 다중벽 나노튜브(multi-wall nanotube (MWNT))(HANOS CM-250, Hanwha Nanotech, South Korea) 및 9 g의 폴리(디메틸실록산)(PDMS)(예비중합체와 경화제의 30:1 혼합물; Sylgard 184, Dow Corning, USA)을 0~8 mL의 역미셀 용액과 혼합하였다. 상기 혼합물을 각각 30분간 초음파처리하고 30분간 교반하여 흑색 젤유사(black gel-like) 용액을 얻었다(도 1A). 이로써, MWNT를 점성 매질 내에 균질하게 분포시키고 균일한 역미셀을 형성하였다. 상기 역미셀은 유화제 및 유기 용매에 둘러싸인 물방울(water droplet)이고, PDMS 혼합물, 유기 용매 및 MWNT는 상기 역미셀의 외부에 존재한다(도 1A 우측 하부).

실시예 2. 필름 제조 및 패터닝 방법

압력감지 필름 제조를 위하여, 실시예 1에서 제조된 흑색 젤유사 다공성 압력감지 고무(PPSR)를 주형(template)에 부어 필름을 제조하였다(도 1B). 이후, 상기 채워진 주형을 유리로 덮었다. 열처리 동안에 상기 흑색 젤유사 PPSR을 덮음으로써, 기공(pore)의 균일도가 증가될 수 있었다.

PPSR의 패터닝(patterning)을 위해, 잘 혼합된 흑색 젤유사 PPSR을 6 mL 시린지에 채웠고, 노즐 젯 프린팅 시스템(nozzle jet printing system: eNano Printer, Enjet, South Korea)에 장착하였다. 상기흑색 젤유사 PPSR을 노즐로부터 목표 기재(target substrate)로 분사하여 라이 패턴을 형성하였다(도 1C). 주문 제작한 소프트웨어를 사용하여 상기 노즐의 움직임을 제어하였다. 댐(dam)과 실리콘 오일(Shin-Etsu silicone, Japan)로 둘러싸인 패터닝된 흑색 젤유사 PPSR을 댐 속으로 부어 상기 패턴을 덮었다. 마지막으로, 오븐 내에서 열처리를 하여 PDMS를 고체화시켰고 기공 구조를 형성시켰으며, 상기 실리콘 오일을 제거하였다. 도 1D는 상기 공정에 대한 고해상도 사진을 보여 준다. 상기 열처리 단계의 온도를 단계적으로 증가시켰다(표 1). 상기 열처리 단계에서 역미셀이 이동하고, 합치고, 증발하여 기공 구조를 얻는다. 이후, 이렇게 얻은 샘플을 이소프로필 알콜과 탈이온수로 반복해서 세척하였다.

도 2A의 마이크로-CT(micro-computed tomography (μ-CT)) 사진은 다른 용매들(헥산, 헵탄 및 옥탄) 및 다양한 양의 RMS(4 mL, 6 mL 및 8 mL)를 사용하여 제작된 PPSR의 기공 특성을 보여 준다. 상기 용매들의 비점이 증가할수록, 상기 PPSR이 더 큰 기공 크기 및 더 높은 공극률을 보였다. RMS 양을 증가시켰을 때에도, 유사한 경향이 관찰되었다. 도 2B는 다른 깊이(0 mm, 0.5 mm, 1.0 mm 및 1.5 mm)에서의 3차원 단층 사진 및 헥산과 옥탄을 사용하여 제조된 PPSR에 대한 이들의 결합된 사진(상부)을 보여 준다. 또한, 전도성 충전재의 양도 상기 기공 크기에 영향을 미쳤다. 기공의 크기가 더 작을수록 더 균일한 압전저항 특성(piezoresistive chraracteristics)을 보였다. PPSR의 3차원 유한 요소 모델(도 2C)은 실험 데이터(도 2A 및 2B)와 잘 맞았다.

열처리 온도 및 시간

헥산	헵탄	옥탄
55℃, 12hr 60℃, 0.5hr 65℃, 3hr 70℃, 1hr 80℃, 1hr 90℃, 1hr 120℃, 3hr	55℃, 12hr 70℃, 3hr 80℃, 0.5hr 85℃, 3hr 90℃, 1hr 100℃, 1hr 120℃, 3hr	55℃, 12hr 70℃, 3hr 90℃, 1hr 100℃, 1hr 110℃, 0.5hr 115℃, 3hr 120℃, 3hr

실시예 3. 압력감지 직물의 제조

실시예 2에서 제조된 PPSR 필름을 두 개의 상용 전도성 탄소 직물(carbon fabric)(W0S1002, CeTech, Japan) 사이에 삽입하여 대면적(23 cm × 16 cm) PPSR 필름(도 3A)을 제조하였다. 상기 PPSR 필름과 탄소 직물 간의 정합 접촉(Conformal Contact)을 위해, 0.2 g의 MWNT와 9 g의 PDMS로 이루어진 바인더(전도성 고무 페이스트)를 사용하였다(도 3A의 삽입도). 적층된 PPSR 필름들에서 서로 다른 변형도가 도 3B에 나타나 있다. PPSR 필름은 압축될 수 있고, 걸린 압력을 제거함으로써 쉽게 원형을 회복하였다. 상기 압력감지 직물의 기계적 신뢰도를 추가로 평가하기 위해, 싸이클 테스트를 수행하였다. 그 결과, PPSR은 반복된 압축(약 30% 스트레인, 약 10 kPa 압력)에서 동일한 모듈러스 및 저항 변화 반응을 보였다. 도 3C에 나타난 바와 같이, 상기 압력감지 직물은 반복적으로 다른 압력들(50 kPa, 130 kPa, 260 kPa)을 성공적으로 구별해냈는데, 이는 상기 압력감지 직물을 압력감지 의복과 같은 스마트 웨어러블 제품(smart wearable products)에 적용할 수 있다는 점을 의미한다.

실시예 4. 피부 장착가능한 PPSR 센서의 제조

다양한 라인 패턴(line pattern)을 위해, CAD에 기반한 노즐 젯 인쇄 기법을 사용하였다. 도 4A에 노즐 젯 인쇄 단계가 나타나 있다. 유량 및 노즐 동작 속도를 조절하여 PPSR을 패터닝한 후, 상기 패터닝된 PPSR을, 기공의 균일한 기공 분포를 도와주는 실리콘 오일로 덮었다. 실리콘 오일이 RMS와 섞이지 아니하기 때문에, PPSR 패턴에 아무런 손상을 주지 아니한다. 열처리 단계 후, 상기 패터닝된 PPSR은, 다양한 반복적인 변형에도 플라스틱 기판(폴리에틸렌 테레프탈레이트) 상에서 양호한 부착 성질을 보였다(도 4B 및 도 4C). 균일하게 분포된 기공들이 확대된 사진에서 관찰되었다(도 4C 하부). 또한, PPSR을 신장가능한 탄성 기판(폴리우레탄 폼)을 인쇄하였다. 도 4D는 상기 패터닝된 PPSR의 퍼센트 저항 변화가 외부에서 걸어준 인장 스트레인에 의존한다는 점을 보여 준다. 상기 저항은 외부 스트레인에 거의 선형적으로 증가하였다. 도 4E는 신장(좌측) 및 굽힘(우측)에 대하여 탄성 기판 위의 PPSR 패턴에 대해 계산된 스트레인 분포를 보여 준다. 신장의 경우에 있어서, 신장 방향에 대해서 정렬된 영역은 상기 외부에서 걸어준 스트레인(30%)와 동일한 스트레인 양을 갖는 반면, 외부 영역은 더 작은 스트레인을 보여줬다. 굽힘의 경우에 있어서, 상기 패터닝된 PPSR은 굽힘유래 스트레인을 받고 있다. 신장 및 굽힘 하에서 상기 패터닝된 PPSR에서의 국소 스트레인 변화에 의해 저항 변화가 일어났다. 피부의 변형은 신장 및 굽힘의 조합이기 때문에, 상용화된 탄성 패치(Medifoam, Ildong, South Korea) 위에 인쇄된 PPSR을 피부장착가능한 스트레인 게이지로서 사용하여 인간의 동작을 감시할 수 있다(도 4F 내지 도 4H). 도 4F에 나타난 바와 같이, 이렇게 이용된 센서는 손목 떨림의 빈도를 측정할 수 있었고, 따라서, 수전증(essential tremor)의 경과를 진단하는 등 진료 분야에 이용될 수 있는 가능성을 보였다. 피부에 대한 상기 장치의 정합 통합(conformal integration)은 운동 인공물(movement artefact)을 최소화하는데 중요하다. PPSR의 낮은 모듈러스에 의해 움지이는 손목 위의 웨어러블 센서의 밀접한 통합(intimate integration)이 가능하였다(도 4F, 삽입도). 두 가지 다른 주파수에서 인간 손목의 반복적인 굽힘 동작을 성공적으로 감시하였다(도 4G 및 도 4H).

실시예 5. 로봇을 조종하는 무선 조종기

인간-기계-인터페이스(HMI) 실증을 위해 웨어러블 기계적 센서(압력 및 스트레인 센서)를 제작하였다. 상기 웨어러블 센서 어레이는 로봇을 원격 조정할 수 있었다. 탄소 섬유(Panex30, Zoltek, USA)를 사용하여 장치와 외부 데이터 획득 회로를 연결하였다(도 5A 및 도 5B). 도 5A 및 도 5B는 각각, 상용 탄성 패치 위의 PPSR로 제조된 압력 센서 및 스트레인 게이지에 대한 사진이다. 상기 스트레인 게이지는 두 개의 채널로 구성되었고 중지(Ch 5) 및 검지(Ch 6)에 장착하였고, 두 개의 명령, 가속(Ch 5, 도 5C) 및 감속(Ch 6, 도 5D)를 각각 실행하였다. 상기 압력 센서는 네 개의 채널로 구성되었다. 상기 압력 센서의 각 채널은 상기 로봇의 다른 동작 명령을 담당한다: 전진(Ch 1, 도 5E), 후진(Ch 2, 도 5F), 반시계방향 회전(Ch 3, 도 5G), 및 시계방향 회전(Ch 4, 도 5H).

탱크유사 로봇(Mindstorm nxt 2.0, LEGO^® USA)을 무선으로 조정할 수 있었다. 피부에 장착된 압력 센서 및 스트레인 게이지는 방향을 지정하고 속도를 조절할 수 있었다(도 6I). 도 6J는 여섯 개의 채널을 통해 기계적 동작(손가락을 굽히거나 누름)에 의해 명령이 전달됨을 보여 준다. 압력 센서 또는 스트레인 게이지(확대된 사진은 도 6J 우측 하부 삽입도)에 의해 측정된 각 신호는 상기 로봇의 다른 동작들에 해당한다(도 5I 및 도 5J). 상기 센서들의 저항 변화를 데이터 획들(DAQ)을 위한 전압 변화로 전환하기 위해, 분압기 회로(voltage divider circuit)를 제작하였다(도 5J 우측 상부 삽입도). 상기 분압기로부터 얻은 아날로그 전압 출력 신호를 DAQ 보드(NI USB-6289, National Instruments, USA)에 의해 획득하였다. 이산된 데이터 지점들(discrete data points)를 샘플링하였고, 주문제작한 LabVIEW(National Instrument, USA) 프로그램으로 처리하였다. PPSR로 제조된 상기 센서들은 HMI용으로 충분히 높은 선형성 및 감도를 보여주었다.

Claims

실리콘 고무 및 다중벽 탄소 나노튜브를 포함하고, 상기 실리콘 고무가 기공을 함유하며,
상기 기공은 역미셀 용액을 이용하여 형성되고,
상기 기공의 크기는 100 μm 내지 2 mm이며,
상기 다중벽 탄소 나노튜브의 직경은 1 nm 내지 2 nm이고 길이는 10 μm 내지 20 μm인 것을 특징으로 하는, 다공성 압력감지 고무.
삭제
제1항에 있어서, 상기 실리콘 고무가 폴리디메틸실록산 또는 폴리디에틸실록산인 것임을 특징으로 하는 다공성 압력감지 고무.
삭제
(i) 유기 용매, 물, 유화제를 혼합하여 역미셀 용액을 제조하는 단계;
(ii) 상기 역미셀 용액에 실리콘 고무, 다중벽 탄소 나노튜브를 첨가하여 젤 유사 용액을 얻는 단계; 및
(iii) 상기 젤 유사 용액을 열처리하는 단계를 포함하고,
100 μm 내지 2 mm 크기의 기공을 함유하고,
상기 다중벽 탄소 나노튜브의 직경은 1 nm 내지 2 nm이고 길이는 10 μm 내지 20 μm인 것을 특징으로 하는, 다공성 압력감지 고무 제조 방법.
제5항에 있어서, 상기 유기 용매는 헥산, 헵탄, 옥탄, 데칸 및 옥타데칸으로 이루어진 군으로부터 선택되는 것임을 특징으로 하는 다공성 압력감지 고무 제조 방법.
제5항에 있어서, 상기 유화제는 폴리옥시에틸렌 (5) 노닐페닐 에테르, 옥틸페녹시폴리에톡시에탄올, 옥틸페닐-폴리에틸렌 글리콜, 폴리옥시에틸렌 (2) 이소옥틸페닐 에테르, 폴리옥시에틸렌 (2) 옥틸페닐 에테르, 폴리옥시에틸렌 (12) 이소옥틸페닐 에테르, 폴리옥시에틸렌 (12) 옥틸페닐 에테르, 폴리옥시에틸렌 (12) 노닐페닐 에테르, 폴리옥시에틸렌 (150) 디노닐페닐 에테르, 폴리옥시에틸렌, 디노닐페닐 에테르 및 노닐페닐 에테르로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상의 유화제인 것임을 특징으로 하는 다공성 압력감지 고무 제조 방법.
제5항에 있어서, 상기 실리콘 고무는 폴리디메틸실록산 또는 폴리디에틸실록산인 것임을 특징으로 하는 다공성 압력감지 고무 제조 방법.
삭제
제5항에 있어서, 상기 열처리 단계의 온도는 55℃ 내지 120℃인 것임을 특징으로 하는 다공성 압력감지 고무 제조 방법.
삭제
제5항의 방법에 의해 제조되는 다공성 압력감지 고무.
(i) 유기 용매, 물, 유화제를 혼합하여 역미셀 용액을 제조하는 단계;
(ii) 상기 역미셀 용액에 실리콘 고무, 다중벽 탄소 나노튜브를 첨가하여 젤 유사 용액을 얻는 단계;
(iii) 상기 젤유사 용액을 노즐 젯 인쇄에 의해 생체적합성 필름 위에 패터닝하는 단계; 및
(iv) 상기 패터닝된 생체적합성 필름을 열처리하는 단계를 포함하고,
상기 (iv)단계의 열처리된 생체적합성 필름은 100 μm 내지 2 mm 크기의 기공을 함유하고,
상기 다중벽 탄소 나노튜브의 직경은 1 nm 내지 2 nm이고 길이는 10 μm 내지 20 μm인 것을 특징으로 하는,
라인 패터닝된 웨어러블 동작 검출기 제조 방법.
제13항에 있어서, 상기 유기 용매는 헥산, 헵탄, 옥탄, 데칸 및 옥타데칸으로 이루어진 군으로부터 선택되는 것임을 특징으로 하는 라인 패터닝된 웨어러블 동작 검출기 제조 방법.
제13항에 있어서, 상기 유화제는 폴리옥시에틸렌 (5) 노닐페닐 에테르, 옥틸페녹시폴리에톡시에탄올, 옥틸페닐-폴리에틸렌 글리콜, 폴리옥시에틸렌 (2) 이소옥틸페닐 에테르, 폴리옥시에틸렌 (2) 옥틸페닐 에테르, 폴리옥시에틸렌 (12) 이소옥틸페닐 에테르, 폴리옥시에틸렌 (12) 옥틸페닐 에테르, 폴리옥시에틸렌 (12) 노닐페닐 에테르, 폴리옥시에틸렌 (150) 디노닐페닐 에테르, 폴리옥시에틸렌, 디노닐페닐 에테르 및 노닐페닐 에테르로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상의 유화제인 것임을 특징으로 하는 라인 패터닝된 웨어러블 동작 검출기 제조 방법.
제13항에 있어서, 상기 실리콘 고무는 폴리디메틸실록산 또는 폴리디에틸실록산인 것임을 특징으로 하는 라인 패터닝된 웨어러블 동작 검출기 제조 방법.
삭제
제13항에 있어서, 상기 열처리 단계의 온도는 55℃ 내지 120℃인 것임을 특징으로 하는 라인 패터닝된 웨어러블 동작 검출기 제조 방법.
삭제
제13항의 방법에 의해 제조된 라인 패터닝된 웨어러블 동작 검출기.
(i) 유기 용매, 물, 유화제를 혼합하여 역미셀 용액을 제조하는 단계;
(ii) 상기 역미셀 용액에 실리콘 고무, 다중벽 탄소 나노튜브를 첨가하여 젤 유사 용액을 얻는 단계;
(iii) 상기 젤유사 용액을 필름 형태로 성형하는 단계; 및
(iv) 상기 성형된 필름의 양면에 직물을 부착하는 단계를 포함하고,
상기 (iii)단계의 성형된 필름은 100 μm 내지 2 mm 크기의 기공을 함유하고,
상기 다중벽 탄소 나노튜브의 직경은 1 nm 내지 2 nm이고 길이는 10 μm 내지 20 μm인 것을 특징으로 하는,
압력감지용 웨어러블 직물 제조 방법.
제21항에 있어서, 상기 유기 용매는 헥산, 헵탄, 옥탄, 데칸 및 옥타데칸으로 이루어진 군으로부터 선택되는 것임을 특징으로 하는 압력감지용 웨어러블 직물 제조 방법.
제21항에 있어서, 상기 유화제는 폴리옥시에틸렌 (5) 노닐페닐 에테르, 옥틸페녹시폴리에톡시에탄올, 옥틸페닐-폴리에틸렌 글리콜, 폴리옥시에틸렌 (2) 이소옥틸페닐 에테르, 폴리옥시에틸렌 (2) 옥틸페닐 에테르, 폴리옥시에틸렌 (12) 이소옥틸페닐 에테르, 폴리옥시에틸렌 (12) 옥틸페닐 에테르, 폴리옥시에틸렌 (12) 노닐페닐 에테르, 폴리옥시에틸렌 (150) 디노닐페닐 에테르, 폴리옥시에틸렌, 디노닐페닐 에테르 및 노닐페닐 에테르로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상의 유화제인 것임을 특징으로 하는 압력감지용 웨어러블 직물 제조 방법.
제21항에 있어서, 상기 실리콘 고무는 폴리디메틸실록산 또는 폴리디에틸실록산인 것임을 특징으로 하는 압력감지용 웨어러블 직물 제조 방법.
삭제
제21항에 있어서, 상기 (iii)단계의 성형 온도는 55℃ 내지 120℃인 것임을 특징으로 하는 압력감지용 웨어러블 직물 제조 방법.
삭제
제21항의 방법에 의해 제조된 압력감지용 웨어러블 직물.