KR101895681B1 - 변형률을 표시하는 변형률 계측 센서 및 이의 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명의 변형률을 표시하는 변형률 계측 센서 및 이의 제조 방법에서, 변형률 계측 센서는 외부의 힘이나 압력에 의해 발생된 변위에 따라 전기저항이 변화하는 압저항층, 및 압저항층 상에 형성되고, 외부의 힘이나 압력에 의해 녹색광을 발광하는 녹색광 발광 입자 및 녹색광 발광 입자가 방출하는 녹색광을 흡수하여 적색광을 방출하는 적색광 발광 입자를 포함함으로써, 외부의 힘이나 압력이 가해진 경우에 적색을 표시하는 압광층을 포함한다.
Description
본 발명은 변형률을 표시하는 변형률 계측 센서 및 이의 제조 방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 적색이나 녹색으로 변형률을 표시할 수 있는 변형률 계측 센서 및 이의 제조 방법에 관한 것이다.
다양한 변형(strain) 또는 응력(stress) 센싱 시스템은 레이저 광탄성(laser photoelasticity), 레이저 초음파, 라만 분광법, 전기 저항 측정, 및 변형 게이지(또는 와이어) 부착 기술들을 포함한다. 그러나 고가의 장비를 통해 작동하는 변형 센서는 현장에서 변형 센싱을 위한 요구를 충족시킬 수 없다. 기계적인 변형과 같은 외부 자극에 대한 사람의 인식을 위한 가장 효과적인 형태는 즉각적이고, 현장에서 시각화된 압광(mechano-luminance, ML)이다.
현재까지 기계적 자극에 의해서 발광하는 압광 특성을 갖는 압광 재료로 알려진 물질은 많지 않으며, 압광 재료가 적용되고 있는 기술 영역은 좁은 편이다. 압광 재료를 다양한 기술 분야에 널리 이용하기 위해서는 압광 재료가 발하는 광의 세기나 파장을 조절하고, 압광 재료의 수명을 향상시키는 것이 중요하다.
비파괴적 압광 재료로서, SrAl2O4 (SAO) 및 ZnS계 화합물에 대해 도펀트로 도핑함으로써 구현할 수 있음에 대해 연구된 바 있다. SAO계 화합물의 예로서는, SrAl2O4:Eu, SrAl2O4:Eu,Dy, SrAl2O4:Eu,Dy,Nd 등이 알려져 있고, ZnS계 화합물로서는 ZnS:Mn, ZnS:Cu,Al, ZnS:Cu,Mn, ZnS:Cu,Cl 등이 알려져 있다. 압광의 가장 유망한 레벨은 도펀트를 변화시켜 청색에서부터 노란색까지 발광 컬러를 튜닝할 수 있는 SrAl2O4:Eu,Dy 및 ZnS:Cu로부터 녹색 발광에 의해서 이루어졌다.
상기의 도펀트 조절을 통한 발광 색변화를 이용하여 SAO 및 ZnS 계열 화합물 모두 적색 발광 구현은 이미 보고된바 있으나, 이는 두 계열 모두 에폭시 레진과 같은 강한 기지 재료에서, 응력에 반응하는 종래의 트랩방출 압광기구 적용시에만 적색 발현이 가능하다. 이 경우 트랩 방출이 외부 부가 응력에 의해 발생되므로 주로 응력 센서로 주목을 받고 있으나 사용 전에 반드시 UV 로 활성인자를 여기시켜 주어야하고, 강한 기지 재료에 혼합되에 응력전달이 원할한 경우에만 응력 속도에 비례해서 가시적인 발광량을 보이는 난점을 내재하고 있다. 그러나 최근 ZnS:Cu 계열에서 PDMS 와 같이 마찰유기 전기 음성도가 낮고 약한 응력 하에서 많은 변위를 보일 수 있는 탄성재에 ZnS:Cu 가 혼합될 경우, 마찰유기 전계발광과 같은 종래와는 다른 방식으로 변위에 의한 발광이 높은 휘도로 발생되며, 따라서 높은 변위에 반응하는 변위 센서로의 응용이 가능함이 밝혀졌다. 특히, 마찰유기 전계발광을 이용하는 경우에는 사전에 UV 로 활성화 시킬 필요가 없이 변위자체에 의한 기계적 전계 유기 발광이 가능하며, 발광 휘도 또한 기존의 트랩방출 기구 방식에 비해 월등한 특성을 지니고 있다. 따라서 변위계측의 경우 마찰유기 전계발광 방식의 ZnS:Cu 계열 및 PDMS 가 복합된 소재가 보다 유리하나, 기존 트랩 방출 방식과 달리 마찰유기 전계 발광 방식은 재료 및 그들의 센싱에 대한 응용들에 대한 발견에도 불구하고, 청색으로부터 오렌지까지의 발광만이 구현되어 있고, 적색광을 발광하는 마찰유기 전계발광 방식의 압광 재료에 대한 발견은 전무한 실정이다.
한편, 적색 발광은 사회시설 안전성 진단, 비상가이드 조명 등의 안전관련 어플리케이션 또는 인체 위ㅇ장등 내장 기관의 연동장애나 활동성 진단과 같이 중요한 생명의학 어플리케이션에 사용되면 기존의 청색이나 황색의 다른 압광체 보다 시각화 효과는 더 뛰어날 것이며, 그에 따른 시각적인 경고효과의 이점을 최대화 할 수 있다.
상기의 ZnS 계열에서 적색과 가장 유사하게 황색을 나타내는 마찰 유기 전계발광 재료가 개발된 바 있으나 완전한 적색 구현은 불가능하며, SAO 계열을 포함하는 무기 인광체 그룹(inorganic phosphor group) 전체에서도 상기에서 언급한 ZnS 계열 만큼 높은 효율을 나타내는 단일한 유망한 적색 인광체인 압광(ML) 물질은 아직 없다. 뿐만 아니라, 무기 인광체 그룹 전체에서는 녹색광에서 적색광으로 광변환시킬 수 있는 좋은 광 변환체를 찾기 어려운 한계가 있다.
본 발명의 일 목적은 변형률 속도에 비례하는 발광 강도를 나타내는, 변형률을 표시하는 변형률 계측 센서를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 상기 변형률 계측 센서의 제조 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 일 목적을 위한 변형률을 표시하는 변형률 계측 센서는 외부의 힘이나 압력에 의해 발생된 변위에 따라 전기저항이 변화하는 압저항층; 및 상기 압저항층 상에 형성되고, 외부의 힘이나 압력에 의해 녹색광을 발광하는 녹색광 발광 입자 및 상기 녹색광 발광 입자가 방출하는 녹색광을 흡수하여 적색광을 방출하는 적색광 발광 입자를 포함함으로써, 외부의 힘이나 압력이 가해진 경우에 적색을 표시하는 압광층을 포함한다.
일 실시예에서, 상기 적색광 발광 입자는 무기 입자 표면에 적색광을 발광하는 형광체가 코팅된 구조를 가질 수 있다. 이때, 상기 무기 입자는 실리카이고, 상기 형광체는 로다민 B(Rhodamine B)일 수 있다.
일 실시예에서, 상기 녹색광 발광 입자는 구리가 도핑된 황화아연(ZnS:Cu)일 수 있다.
일 실시예에서, 상기 압광층은 상기 녹색광 발광 입자를 분산시킨 고분자 매트릭스를 포함하고, 외부의 힘이나 압력에 의해 상기 압광층에 변위가 발생하며, 발생된 변위가 마찰 유도 전계를 일으켜 상기 녹색광 발광 입자가 녹색광을 방출할 수 있다. 이때, 상기 압광층에 발생하는 변위 변화 속도에 비례하여 상기 마찰 유도 전계가 형성될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 압저항층은 고분자 화합물이 형성하는 고분자 매트릭스 내에 충진된 전도성 충전제를 포함할 수 있다. 이때, 상기 전도성 충전제는 탄소 재료일 수 있다.
일 실시예에서, 상기 압광층에 포함된 녹색광 발광 입자와 적색광 발광 입자는 1:1.2 이상의 중량비로, 적색광 발광 입자의 함량이 녹색광 발광 입자의 함량보다 많을 수 있다.
일 실시예에서, 상기 압광층과 상기 압저항층 각각에는 고분자 화합물이 형성하는 고분자 매트릭스가 포함되고, 상기 고분자 매트릭스는 폴리디메틸실록산(polydimethyl siloxane, PDMS)의 경화물일 수 있다.
본 발명의 다른 목적을 위한 변형률을 표시하는 변형률 계측 센서의 제조 방법은, 외부의 힘이나 압력에 의해 발생된 변위에 의해 전기저항이 변화하는 압저항층의 형성을 위해, 액상의 고분자 화합물 및 전도성 충전제를 포함하는 압저항층 재료로, 내부에 상기 전도성 충전제가 분산된 부분 경화 매트릭스층을 형성하는 단계; 상기 부분 경화 매트릭스층 상에, 미경화 고분자 화합물, 외부의 힘이나 압력에 의해서 녹색광을 발광하는 녹색광 발광 입자 및 상기 녹색광 발광 입자가 방출하는 녹색광을 흡수하여 적색광을 방출하는 적색광 발광 입자를 포함하는 압광층 재료를 배치시키는 단계; 및 상기 부분 경화 매트릭스층과 상기 압광층 재료를 경화시켜, 압저항층 및 압광층이 순차적으로 적층된 이중층 구조를 형성하는 단계를 포함한다.
일 실시예에서, 상기 적색광 발광 입자는 실리카의 표면에 로다민 B(Rhodamine B)가 코팅된 구조를 가질 수 있다.
본 발명의 일 목적을 위한 변형률을 표시하는 변형률 계측 센서는 외부의 힘이나 압력에 의해 발생된 변위가 일으키는 마찰 유도 전계에 의해서 녹색광을 방출하는 녹색광 발광 입자 및 상기 녹색광 발광 입자를 분산시키는 고분자 매트릭스로 이루어진 압광층을 포함한다.
일 실시예에서, 상기 마찰 유도 전계는 상기 녹색광 발광 입자와 상기 고분자 매트릭스 사이의 마찰에 의해서 형성될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 변형률 계측 센서는, 상기 압광층과 접촉하여 형성되고, 외부의 힘이나 압력에 의해 발생된 변위에 따라 전기저항이 변화하는 압저항층을 더 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 압광층에 발생하는 변위 변화 속도에 비례하여 상기 마찰 유도 전계가 형성될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 녹색광 발광 입자는 섬아연석 상(sphalerite phase) 및 섬유아연석 상(wurtzite phase, 우르츠광 상)을 동시에 포함하는 입자일 수 있다.
상기에서 설명한 본 발명의 변형률을 표시하는 변형률 계측 센서 및 이의 제조 방법에 따르면, 적색광을 발광하는 압광층과 압저항층을 이용한 변형률 계측 및 표시 센서는 적색광 발광 강도와 저항의 변화를 감지하여 변형률의 크기 및 위치를 표준 정량화할 수 있다. 이러한 변형률 계측 센서는 사회시설 안전성 진단, 비상가이드 조명 등의 안전관련 어플리케이션 또는 인체 위ㅇ장등 내장 기관의 연동장애나 활동성 진단과 같이 중요한 생명의학 어플리케이션의 성공적 적용이 매우 기대된다.
제조 방법에 있어서는, 압저항층과 압광층 각각에서 외부의 압력을 전달하는 고분자 매트릭스로 실질적으로 동일한 화합물을 이용하고, 압저항층의 고분자 화합물이 부분 경화된 상태에서 압광층의 형성하고 압저항층과 압광층을 완전히 경화시킴에 따라, 압저항층과 압광층 사이의 층간 결합력을 최대화시킬 수 있는 장점이 있다.
또한, 녹색 발광입자와 고분자 매트릭스의 마찰에 의해 유도된 마찰 유도 전계에 의해서 녹색 발광입자가 녹색광을 방출하고, 이러한 녹색광은 압광층에 형성되는 변위 변화 속도에 비례하여 생성되므로 이러한 변형률 계측 센서의 특성을 이용하여 다양한 기술 분야에 적용할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 변형률을 표시하는 변형률 계측 센서를 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 도 1의 압광층에서 적색광을 방출하는 과정을 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 변형률을 표시하는 변형률 계측 센서를 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 도 1의 구조를 갖는 본 발명의 제조예 1에 따라 제조된 변형률 계측 센서의 사진들을 나타낸 도면이다.
도 5는 본 발명의 제조예 1에 따라 제조된 압광층, 제조예 2에 따라 제조된 압광층 및 이들과의 비교를 위한 적색광 발광층의 광특성 그래프들을 나타낸 도면이다.
도 6은 본 발명의 제조예 1에 따라 제조된 압광층 및 제조예 2에 따라 제조된 압광층의 형광특성 및 압광특성 그래프들을 나타낸 도면이다.
도 7은 본 발명의 제조예 1에 따라 제조된 센서층의 기계적 특성, 압광 특성 및 압저항 특성을 나타낸 그래프들을 도시한 도면이다.
도 8은 본 발명의 제조예 1에 따라 제조된 센서층의 압저항 특성을 나타낸 그래프이다.
도 9는 본 발명의 제조예 2에 따라 제조된 센서층의 기계적 특성, 압광 특성 및 압저항 특성을 나타낸 그래프들을 도시한 도면이다.
도 2는 도 1의 압광층에서 적색광을 방출하는 과정을 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 변형률을 표시하는 변형률 계측 센서를 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 도 1의 구조를 갖는 본 발명의 제조예 1에 따라 제조된 변형률 계측 센서의 사진들을 나타낸 도면이다.
도 5는 본 발명의 제조예 1에 따라 제조된 압광층, 제조예 2에 따라 제조된 압광층 및 이들과의 비교를 위한 적색광 발광층의 광특성 그래프들을 나타낸 도면이다.
도 6은 본 발명의 제조예 1에 따라 제조된 압광층 및 제조예 2에 따라 제조된 압광층의 형광특성 및 압광특성 그래프들을 나타낸 도면이다.
도 7은 본 발명의 제조예 1에 따라 제조된 센서층의 기계적 특성, 압광 특성 및 압저항 특성을 나타낸 그래프들을 도시한 도면이다.
도 8은 본 발명의 제조예 1에 따라 제조된 센서층의 압저항 특성을 나타낸 그래프이다.
도 9는 본 발명의 제조예 2에 따라 제조된 센서층의 기계적 특성, 압광 특성 및 압저항 특성을 나타낸 그래프들을 도시한 도면이다.
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. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 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.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 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.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 변형률을 표시하는 변형률 계측 센서를 설명하기 위한 도면이고, 도 2는 도 1의 압광층에서 적색광을 방출하는 과정을 설명하기 위한 도면이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 변형률 계측 센서(100)는 변형률을 계측할 뿐만 아니라, 그 변형률을 표시할 수 있는 변형 또는 응력 검출 소자로서, 센서층이 압저항층(110) 및 압광층(120a)을 포함한다.
압저항층(110)은 외부의 힘이나 압력에 의해 발생된 변위에 따라 전기저항이 변화하는 압저항(piezo-resistive) 특성을 갖는 재료층으로서, 압저항층(110)은 고분자 매트릭스 및 그 내부에 충진된 전도성 충전제(111)을 포함한다.
상기 고분자 매트릭스는 응력을 전도성 충전제(111)에 전달할 수 있는 고분자 재료가 형성하는 것으로서, 상기 고분자 매트릭스는 유연성 및 탄성을 갖고 있는 고분자 화합물이면 특별히 제한 없이 될 수 있으나, 낮은 영률(Young's modulus)을 갖는 화합물을 이용하는 것이 바람직하다. 또한, 압저항층(110)의 고분자 매트릭스는 압광층(120a)의 고분자 매트릭스를 형성하는 재료를 고려하여 이와 실질적으로 동일한 재료로 형성될 수 있는데, 이를 위해서 압광층(120a)의 고분자 매트릭스와 녹색광 발광 입자(122) 사이에 마찰이 일어나는 경우에 낮은 유도 전기 음성도를 나타내어야만 압광층(120a)에서의 전계 발광이 원활해지므로, 압저항층을(110)의 고분자 매트릭스는 낮은 마찰 전기 음성도 값을 갖는 화합물로 선택될 수 있다. 이때, 마찰 전기 음성도는 마찰에 의해 유도된 전기의 전기음성도(electro negativity)를 의미하는 것으로서, 마찰 전기 음성도가 높은 물질은 전자를 잘 끌어당기는 능력을 갖는 것이고 마찰 전기 음성도가 낮은 물질은 상대적으로 전자를 끌어당기는 능력이 작은 것을 의미한다. 이와 같은 낮은 영률 조건과 낮은 마찰 전기 음성도 조건을 모두 만족하는 압저항층(110)의 고분자 매트릭스를 형성하는 고분자 화합물의 예로서는, 테프론(teflon), 라텍스 고무(latex rubber), 폴리디메틸실록산(polydimethylsiloxan, PDMS) 등을 들 수 있다.
전도성 충전제(111)는 금속재료나 탄소재료 등을 이용할 수 있는데, 금속재료의 예로서는, 니켈(Ni), 구리(Cu), 은(Ag), 알루미늄(Al), 철(Fe) 등의 금속이나, 산화바나듐이나 티타늄산화물과 같은 반도체 성질을 갖는 금속 산화물을 들 수 있다. 탄소재료의 예로서는, 카본블랙, 흑연, 그래핀, 탄소나노튜브 등을 이용할 수 있다.
이때, 압저항층(110)을 제조할 때 이용되는 전도성 충전제(111)는 압저항층(110)에 포함되는 고분자 매트릭스 100 중량부에 대해서 0.75 내지 2.5 중량부로 포함될 수 있다. 전도성 충전제(111)의 함량이 0.75 중량부 미만인 경우에는, 압저항층(110)의 압저항 특성이 거의 무시할 정도로 미미하게 나타나고, 2.5 중량부를 초과하는 경우에는 전도성이 포화되므로 2.5 중량부 이상 첨가할 필요가 없고, 경제성을 고려하여 최대 2.5 중량부를 포함시킬 수 있다.
또한, 압저항층(110)의 상기 고분자 매트릭스를 형성할 때, 상기 고분자 매트릭스를 구성하는 고분자 화합물 100 중량부에 대해서, 상기 고분자 화합물의 경화제의 함량은 0.1 내지 20 중량부를 이용할 수 있다. 적어도 경화제의 함량이 0.1 중량부 이상이 되어야 경화에 의해서 액상의 고분자 화합물이 경화됨에 따라 경화물로서 고체상이 될 수 있고, 경화제의 함량이 20 중량부를 초과하면 제조된 매트릭스가 쉽게 부서져 압저항층(110) 자체가 파괴되는 문제가 있다.
압광층(120a)은 압저항층(110)과 접하여 형성되되, 외부의 힘이나 압력에 의해서 발광을 나타내는 재료층으로서, 압광층(120a)은 외부로 적색광(hvred)을 방출한다. 압광층(120a)은 고분자 매트릭스, 그 내부에 배치된 녹색광 발광 입자(122) 및 적색광 발광 입자(124)를 포함한다.
압광층(120a)의 고분자 매트릭스는 압저항층(110)의 고분자 매트릭스를 구성하는 고분자 화합물과 실질적으로 동일할 수 있다. 특히, 압광층(120a)의 고분자 매트릭스는 녹색광 발광 입자(122)와의 마찰시 낮은 마찰 전기 음성도를 나타내어야만 전계 발광이 원활해지므로 마찰 전기 음성도 값이 낮은 소재가 요구된다( 참조). 압광층(120a)의 고분자 매트릭스를 형성하는 고분자 화합물의 예로서는, 테프론(teflon), 라텍스 고무(latex rubber), 폴리디메틸실록산(polydimethylsiloxan, PDMS) 등을 들 수 있다.
녹색광 발광 입자(122)는 외부의 압력이나 힘에 의해서 녹색광을 방출하는데, 특히, 외부의 압력이나 힘에 의해 압광층(120a)에 변위가 생기는데, 이 변위에 의해서 마찰 유도 전계가 일어나고 이러한 마찰 유도 전계에 의해서 녹색광 발광 입자(122)가 녹색광을 발광한다. 마찰 유도 전계는 상기 고분자 매트릭스와 녹색광 발광 입자(122)의 마찰에 의해 형성되는 것으로, 마찰 유도 전계 발광은 녹색 전계발광(hvgreen)일 수 있다. 녹색광 발광 입자(122)는 전계 발광을 나타내는 물질이면 특별히 제한 없이 이용될 수 있다. 녹색광 발광 입자(122)는 전계 발광형 형광체이고, 전계 발광형 형광체의 구체적인 예로서 구리(Cu)가 도핑된 황화아연(ZnS), 즉 ZnS:Cu를 이용할 수 있다.
녹색광 발광 입자(122)로 ZnS:Cu를 이용하는 경우, 녹색광 발광 입자(122)는 섬아연석 상(sphalerite phase) 및 섬유아연석 상(wurtzite phase, 우르츠광 상)을 동시에 포함한다. ZnS:Cu의 주성분을 이루는 황화아연이 섬유아연석 상의 단일상으로만 이루어진 경우에는 전계발광 특성을 나타내지 않으므로, 녹색광 발광 입자(122)로 ZnS:Cu를 이용하는 경우에는 섬아연석 상과 섬유아연석 상을 모두 갖는 황화아연을 주성분으로 갖는 것이 바람직하다.
적색광 발광 입자(124)는 녹색광 발광 입자(122)가 방출하는 녹색광(hvgreen)을 흡수하여 적색광(hvred)으로 변환하여 방출하는 특성을 갖는 입자이면 특별히 제한 없이 이용될 수 있다.
일 실시예에서, 본 발명에서의 적색광 발광 입자(124)는 녹색광(hvgreen)을 흡수하고 적색광(hvred)으로 변환하여 방출하는 광변환층이 표면에 코팅된 미세 입자일 수 있다. 이때, 특히, 광변환층은 로다민 B(rhodamine B)로 형성될 수 있고, 광변환층은 미세 입자로서 실리카 입자의 표면에 코팅될 수 있다. 로다민 B는 용이하게 입수할 수 있는 색소 화합물로서, 녹색광을 적색광으로의 변환 효율이 좋다. 이때, 로다민 B를 직접 고분자 매트릭스에 분산시키는 경우 고분자 매트릭스에 대한 분산성이 낮으므로 실리카 입자와 같은 미세 입자의 표면에 로다민 B를 코팅하여 적색광 발광 입자(124)를 형성하고, 이를 압광층(120a)의 고분자 매트릭스 내에 분산시킴으로써 압광층(120a)을 구성할 수 있다.
압광층(120a) 내에서, 녹색광 발광 입자(122)와 적색광 발광 입자(124)의 함량은 1:1.2 이상이어야 한다. 즉, 적색광 발광 입자(124)의 함량이 녹색광 발광 입자(122)의 함량보다 적어도 1.2배 이상으로 많아야 한다. 적색광 발광 입자(124)의 함량이 녹색광 발광 입자(122)의 함량의 1.2배 미만인 경우에는, 녹색광 발광 입자(122)가 방출하는 녹색광(hvgreen)을 모두 적색광(hvred)으로 변환하지 못하므로, 변형률 계측 센서(100)가 광을 방출하면서 나타내는 컬러에 적색에 녹색이 혼재되어 적색 표시의 색재현성이 낮게 된다. 이에 따라, 변형률 계측 센서(100)는 주황색이나 선홍색 등의 컬러를 표시하게 되므로 궁극적으로 본 발명에서 변형률 계측 센서(100)가 구현하고자 하는 컬러로 변형률을 표시하지 못하는 문제가 있다.
압광층(120a)의 적색광 발광 입자(124)가 적색광(hvred)을 방출함에 따라, 궁극적으로는 변형률 계측 센서(100)가 외부의 압력이나 힘에 의해서 적색광(hvred)을 표시하게 되는 결과가 된다.
변형률 계측 센서(100)는, 압저항층(110)에 연결된 제1 전극(E1)과 제2 전극(E2)을 포함할 수 있다. 압저항층(110)이 외부의 압력이나 힘에 의해서 전기저항이 변화하게 되고 그 변화를 제1 및 제2 전극(E1, E2)을 통해서 측정하여 정량화할 수 있다.
도 1을 참조하여 변형률 계측 센서(100)의 제조 방법을 설명하면, 압저항층(110)을 제작하기 위한 재료로서 미경화된, 즉, 액상의 고분자 화합물과 전도성 충전제(111)를 포함하는 제1 용액을 준비하고, 여기에 액상의 고분자 화합물을 경화시켜 고체상으로 변화시킬 수 있는 경화제를 혼합하여 일정 시간동안 열처리한다. 이때의 열처리 시간은 액상의 고분자 화합물이 완전히 경화되기 전에, 즉, 부분적으로 경화되어 내부에는 전도성 충전제(111)가 분산되어 있는 상태의 부분 경화 매트릭스층을 형성하게 되면 종료하는 것이 바람직하다.
이어서, 압광층(120a)을 제작하기 위한 재료로서 또한 액상의 고분자 화합물과 녹색광 발광 입자(122) 및 적색광 발광 입자(124)를 포함하는 제2 용액을 준비하고, 여기에 경화제를 혼합하여 부분 경화된 압저항층(110) 상에 코팅한 후 열처리한다. 이때의 열처리 시간은 압저항층(110)의 부분 경화된 고분자 매트릭스를 완전히 경화시키는 동시에 압광층(120a)을 구성하는 고분자 화합물 또한 완전히 경화될 수 있는 충분한 시간인 것이 바람직하다. 액상의 고분자 화합물을 포함하는 제2 용액이, 부분 경화 매트릭스층 상에 도포된 후에, 제2 용액은 부분 경화 매트릭스층과 함께 경화되어 압저항층(110)의 고분자 매트릭스와 압광층(120a)의 고분자 매트릭스가 동시에 형성되기 때문에, 압저항층(110)과 압광층(120a) 사이의 표면 장력을 최소화시킬 수 있어 이들 사이의 층간 결합력을 최대화시킬 수 있다.
상기에서 설명한 바에 따르면, 본 발명에 따른 변형률 계측 센서(100)는 변형률에 대해서 저항변화를 압저항층(110)을 통해서 계측하고, 압광층(120a)을 통해서 변형률을 표시할 수 있는 장점이 있다. 특히, 압광층(120a)은 컬러 순도가 높은 적색광을 표시할 수 있으므로, 적색광의 발광을 통한 시각적 방법에 의해 제공되는 극적인 경고성 정보를 효과적으로 전달할 수 있다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 변형률을 표시하는 변형률 계측 센서를 설명하기 위한 도면이다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 변형률 계측 센서(101)는 압광층(120b)을 포함하고, 압광층(120b)은 녹색광 발광 입자(122) 및 고분자 매트릭스를 포함한다.
압광층(120b)의 녹색광 발광 입자(122) 및 고분자 매트릭스는, 도 1 및 도 2에서 설명한 것과 실질적으로 동일하므로, 중복되는 상세한 설명은 생략한다. 도 3의 변형률 계측 센서(101)는, 도 1 및 도 2에서와 달리 적색광 발광 입자(124)를 포함하지 않기 때문에, 외부의 힘이나 압력에 의해 녹색광 발광 입자(122)가 방출하는 녹색광을 최종적으로 방출한다. 이때, 녹색광 발광 입자(122)는 고분자 매트릭스와의 마찰에 의해 유도되는 마찰 전계에 의해서 녹색광을 외부로 방출한다. 이러한 특성을 이용하여 변형률은 녹색광으로 표시될 수 있다.
도면으로 도시하지 않았으나, 도 3에서 설명한 압광층(120b)은 도 1에서 설명한 압저항층(110)과 함께 이용될 수 있다. 도 3에서 설명한 압광층(120b)과 도 1에서 설명한 압저항층(110)이 함께 이용되는 경우에는, 녹색광을 발광하는 변형률 계측 센서가 된다.
한편, 추가적으로, 도 3에서 설명한 압광층(120b)의 상부에, 즉 압광층(120b)이 방출한 녹색광이 입사되도록 광변환층이 배치될 수 있고, 광변환층은 압광층(120b)이 방출하는 녹색광을 흡수하여 적색광으로 변환하여 외부로 적색광으로 방출할 수 있다. 이때, 상기 광변환층은 도 1 및 도 2에서 설명한 표면에 로다민 B가 코팅된 실리카 입자가 고분자 매트릭스에 분산된 구조를 가질 수 있다. 뿐만 아니라, 압광층(120b) 및 광변환층의 적층 구조에 추가적으로 도 1에서 설명한 압저항층(110)이 배치되어 적색광을 발광하는 변형률 계측 센서로 이용될 수 있다.
이하에서는, 구체적인 제조예 및 이를 통해서 제조된 센서층의 특성 평가에 대해서 보다 상세하게 설명하기로 한다.
제조예 1
하기와 같은 방법으로 본 발명에 따른 변형률 계측 센서를 제조하였다.
제조를 위한 재료로서, ZnS:Cu (LONCO Company Limited사에서 구입), 로다민 B(rhodamine B, Sigma-Aldrich사 구입), 실리카(SiO2, Sigma-Aldrich사 구입), 탄소나노튜브(CNT, carbon nano material Technology Co. Ltd사 구입) 및 PDMS(poly dimethyl siloxane, Sylgard® 184 Silicone Elastomer)를 준비하였다. 이때, 실리카의 반지름은 20 nm이었고, 반지름이 20 nm이고 길이가 5 ㎛인 다중벽 CNT를 이용하였다.
(1)
압광층
재료의 준비
먼저, 실리카의 표면을 로다민 B로 코팅하기 위해서, 로다민 B의 0.1 g과 실리카의 10 g을, 200 mL의 메탄올에 혼합한 후, 50℃에서 자력 교반기를 이용하여 지속적으로 교반하였다. 이후 메탄올을 완전하게 증발시킨 후, 적색 파우더로서 로다민 B가 코팅된 실리카(실리카@로다민 B)를 수득하였다.
이어서, 실리카@로다민 B와 ZnS:Cu를 중량비 1.25:1로 하여 균질하게 혼합하여 균질 혼합물을 제조하고, 상기 균질 혼합물과 액상 PDMS을 중량비 5:1로 다른 플라스틱 실린더에서 혼합하였다. Pt 기반 촉매(Platinum-based catalyst)를 PDMS 경화제로 첨가하되, PDMS 경화제와 PDMS의 중량비는 1:10이 되도록 혼합하고 다시 혼합기에서 20분간 교반하였다.
(2) 압저항층 재료의 준비
1 중량%의 CNT를 플라스틱 실린더에서 액상의 PDMS와 혼합하였고, PDMS 경화제를 첨가하되, PDMS 경화제와 PDMS의 중량비는 1:10이 되도록 혼합하였다.
(3) 센서층의 제조
유리 기판 상에, 15 mm×5 mm 크기의 사각형 몰드를, 두께 0.3 mm의 종이테이프를 이용하여 준비하였다. 닥터 블레이드 기술(Doctor's Blade Technique)을 이용하여, 압저항층의 제조를 위한 CNT/PDMS를 0.22 mm 두께로 부어서 캐스트 하였으며, 캐스트된 상태에서 유리 기판을 60℃에서 30분 동안 가열시켰다. CNT/PDMS가 부분적으로 고체화된 상태에서, 실리카@로다민 B와 ZnS:Cu/PDMS를 1.28 mm가 되도록 닥터 블레이드 기술에 따라서 부었다. 유리 기판은 60℃에서 2시간동안 가열되었으며, 완전히 고체화된 2중층이 제조되었다.
제작된 센서층 샘플의 게이지 길이, 너비 및 두께는 25 mm×6 mm×1.5 mm이었다. 이때, 센서층에서 압저항층의 두께는 0.22 mm이었고, 압광층의 두께는 1.28 mm이었다(도 4 참조, 도 3의 (a)은 샘플이고, (b)는 (a)에 도시된 일부의 확대 사진을 나타낸 것임).
(3) 변형률 계측 센서의 제조
상기 센서층에 대해서, 압저항층 측에 2개의 구리 와이어들을 연결시켜, 본 발명의 일 실시예에 따른 변형률 계측 센서를 제작하였다.
제조예 2
제조예 1의 압광층 제조에서, ZnS:Cu만을 이용한 것을 제외하고는 실질적으로 동일한 공정을 통해서 도 3에서 설명한 것과 실질적으로 동일한 구조를 갖는 압광층으로 이루어진 센서층을 제조하였다.
특성 평가-1: 광특성
제조예 1에 따라 제조된 압광층, 제조예 2에 따라 제조된 압광층 및 이들과의 비교를 위한 적색광 발광층 각각에 대해서, 254 nm 내지 365 nm 범위 내에서의 6개의 파장을 가하여 방출하는 광의 세기를 측정하였다. 그 결과를 도 5에 나타낸다.
도 5에서, (a)는 제조예 1에 따른 압광층의 광발광(photoluminescene, PL) 스펙트럼이고, (b)는 제조예 2에 따른 압광층 및 비교예인 적색광 발광층에 대한 발광(emission) 스펙트럼이다. (a) 및 (b)에서는 파장 254 nm, 274 nm, 294 nm, 314 nm, 334 nm 및 365 nm의 광을 제공한 결과를 나타낸다. 도 5의 (c)는 비교예인 적색광 발광층의 590 nm에서 나타나는 광발광 여기(photoluminescene excitation) 스펙트럼과 압광 스펙트럼이다.
도 5의 (a)를 참조하면, 적색광 발광 입자와 녹색광 발광 입자를 모두 이용한 경우에는 500 nm 내지 600 nm 파장 범위에서 강도가 매우 높은 발광 피크가 나타나는 동시에 400 nm 내지 500 nm 파장 범위에서는 발광 피크가 나타나기는 하지만 그 강도가 매우 낮은 것을 확인할 수 있다.
도 5의 (b)를 참조하면, (b)의 왼쪽 스펙트럼과 같이 450 nm 내지 550 nm의 파장 범위에서 강한 세기의 발광 피크가 나타나며, 적색광 발광 입자만을 이용한 경우에는 (b)의 오른쪽 스펙트럼에서와 같이 500 nm 내지 600 nm 파장 범위에서 강한 세기의 발광 피크가 나타나는 것을 확인할 수 있다. 파장 254 nm, 274 nm, 294 nm, 314 nm, 334 nm 및 365 nm으로 갈수록 ZnS:Cu의 스펙트럼은 청색 파장으로 시프트되는 것을 확인할 수 있고, 반면 실리카@로다민 B의 경우에는 적색 파장으로 시프트되는 것을 확인할 수 있다.
도 5의 (b)를 (a)와 비교하면, (b)의 스펙트럼을 참조할 때 제조예 1에 따른 압광층에서 ZnS:Cu가 방출하는 녹색광이 100%로 완전히 변환되지는 않지만 대부분이 실리카@로다민 B에 의해서 적색광으로 변환되어 방출되는 것을 확인할 수 있다. 특히, 도 5의 (c)를 참조하면, 실리카@로다민 B의 경우 590 nm에서 측정되는 PLE 스펙트럼은 도 5의 (a)에서 나타나는 제조예 1에 따른 압광층에서 ZnS:Cu 발광의 형태가 변화하는 것을 잘 설명할 수 있다.
즉, 실리카@로다민 B의 여기는 도 5의 (b)에 나타난 ZnS:Cu 발광의 왼쪽 부분에서 급격하게 떨어지는 것을 볼 수 있고(450~500 nm 부근), ZnS:Cu 발광의 오른쪽 부분만이 실리카@로다민 B의 흡수에 의해서 급격하게 저하되어 청색 파장으로 시프트시키는 것이다. 이에 따라, 제조예 1에 따른 압광층에서 광발광 특성으로서 ZnS:Cu에 의해 발생되는 녹색광은 대부분은 실리카@로다민 B에 의해 흡수되고 적색광으로 방출되는 것을 확인할 수 있다.
특성평가-2: 압광 특성
압광 특성을 평가하기 위해서, 인장 시편을 이용하여 단순 자외선(파장: 365 nm) 조사에 의한 광여기 특성과, 변위 제어에 의한 20 mm 반복 인장을 수행하였다. 파장별(단위: nm) 정규화 강도(단위: a.u)를 얻어, 그 결과를 도 4에 나타낸다.
도 6은 본 발명의 제조예 1에 따라 제조된 압광층 및 제조예 2에 따라 제조된 압광층의 형광특성 및 압광특성 그래프들을 나타낸 도면이다.
도 6에서, (a)는 제조예 2에 따라 제조된 압광층에 대한 것이고, (b)는 제조예 1에 따라 제조된 압광층에 관한 것이며, 각각에서, "365 nm PL"로 표시한 적색 그래프가 자외선 조사에 의해 나타나는 변화를 나타낸 것이고, "ML"로 표시한 흑색 그래프가 변위 제어에 의해 나타나는 변화를 나타낸 것이다.
도 6의 (a)에서 적색 그래프를 참조하면, 압광층에 포함되는 ZnS:Cu에 의해서 자외선을 조사하면 녹색 형광체가 자외선을 흡수하여 녹색광을 방출하고(450~500 nm에서의 피크), 흑색 그래프를 참조하면 변위 및 PDMS의 마찰에 의한 전계에 의해서 ZnS:Cu가 녹색광을 방출한 것을 확인할 수 있다.
도 6의 (b)에서 적색 그래프를 참조하면, 압광층에 포함되는 ZnS:Cu가 형광 물질이므로, 자외선을 조사하면 녹색 형광체가 자외선을 흡수하여 녹색광을 방출(450~500 nm에서의 피크)하지만, 완전히 흡수하지 못하여 낮은 강도의 피크가 나타나고 600 nm 부근에서 최대 강도를 나타는 피크, 즉, 적색광이 나타나는 것을 알 수 있다. 즉, 녹색 형광체가 방출한 녹색광을 실리카@로다민 B가 흡수하여 적색광으로 변환하여 방출한 것을 가시적으로 확인할 수 있다.
또한, 도 6의 (b)에서 흑색 그래프를 참조하면, 적색 그래프의 경향과 실질적으로 동일하게 나타나는 것을 알 수 있다. 즉, 20 mm의 변위를 부가하는 경우에도, 자외선을 조사한 결과와 같이 녹색광이 방출되고 실리카@로다민 B는 녹색광을 흡수하여 적색광을 방출한 것을 확인할 수 있다.
이에 따르면, 본 발명의 센서층에 포함되는 압광층이 압광 특성을 나타내며, 광여기 특성과 실질적으로 동일한 결과로서, 외부의 압력에 의해서 녹색광이 발생되고 녹색광의 변환으로 최종적으로 적색광이 방출되는 특성을 나타내는 것을 확인할 수 있다.
특성평가-3: 기계적 특성, 압광특성 및 압저항 특성
상기에서 준비된 제조예 1에 따른 압광층을 포함하는 변형률 계측 센서에 대해서, 반복 피로시험기를 이용하여 0 에서 20 mm 사이의 변위 제어에 의해 사인파 형태의 변위가 1 Hz, 3 Hz 및 6 Hz인 경우 각각일 때의 응력의 변화를 계측하였다. 그 결과를 도 7의 (a)에 나타낸다.
기계적 시험조건과 동일한 조건에서, 압광층이 나타내는 발광 특성을 PMT(Photo Multiplier Tube)를 이용하여 계측하였다. 그 결과를 도 7의 (b)에 나타낸다.
또한, 압저항층의 변위 변화에 따른 저항변화를 계측하였다. 그 결과를 도 7의 (c) 및 도 8에 나타낸다.
도 7은 본 발명의 제조예 1에 따라 제조된 센서층의 기계적 특성, 압광 특성 및 압저항 특성을 나타낸 그래프들을 도시한 도면이고, 도 8은 본 발명의 제조예 1에 따라 제조된 센서층의 압저항 특성을 나타낸 그래프이다.
도 7의 (a)를 참조하면, 모든 주파수 범위에서 응력과 변형률의 상관성이 선형적으로 정확이 일치하는 것을 그래프를 통해서 확인할 수 있다. 즉, 본 발명에 따른 변형률 계측 센서가 기계적 특성 면에서 응력 또는 변위 센서로의 적용에 매우 적합함을 데이터를 통해서 확인할 수 있다.
도 7의 (b)를 참조하면, 압광 특성이 변형율이 증가하거나 감소하는 과정에서 발생되며, 정확하게는 변형율 속도에 비례하여 발광됨을 알 수 있다. 다만, 변형률 속도가 증가할 때와 감소할 때의 발광량 크기가 서로 다름이 관찰되며, 기본적으로 변형률 속도가 증가할 때 그 발광량이 더욱 크게 계측되는 결과를 나타내는 것을 확인할 수 있다.
이를 통해서, 단순히 압광층만으로는 변형률을 정량화할 수 없어 압광층만을 갖고 있는 센서는 변형률 계측 센서로 적절하지 않으나, 본 발명에서와 같이 압광층과 압저항층을 함께 이용하여 압광 특성 및 압저항 특성을 모두 이용하는 것이 바람직함을 확인할 수 있다.
도 7의 (c)를 도 8과 함께 참조하면, 전체 주파수 범위에서 변위와 저항의 변화가 거의 선형적으로 정확히 일치함을 알 수 있다. 따라서 본 발명에 따른 센서층의 압저항층은 정량화된 변위 센서로의 역할이 완벽한 것으로 판단할 수 있으며, 변위의 정량화에 저항변화를 이용한 것은 매우 적절함을 확인할 수 있다.
특성평가-4: 기계적 특성, 압광특성 및 압저항 특성
상기에서 준비된 제조예 2에 따른 압광층을 포함하는 변형률 계측 센서에 대해서, 반복 피로시험기를 이용하여 0 에서 20 mm 사이의 변위 제어에 의해 사인파 형태의 변위가 1 Hz, 3 Hz 및 6 Hz인 경우 각각일 때의 응력의 변화를 계측하였다. 그 결과를 도 9에 나타낸다.
도 9는 본 발명의 제조예 2에 따라 제조된 센서층의 기계적 특성, 압광 특성 및 압저항 특성을 나타낸 그래프들을 도시한 도면이다.
도 9에서, (a), (b) 및 (c)는 각각 변위가 1 Hz, 3 Hz 및 6 Hz인 경우 각각일 때의 응력의 변화를 나타낸 그래프이다.
도 9를 참조하면, 가해지는 로딩은 조절되지 않고, 단순히 변위만 조절된 상태에서의 로딩-변위 곡선은 Hz와 상관없이 거의 중첩되어 동일한 양상을 보이기 때문에, 로딩이나 변위가 센싱층에 대해서 가해지는 입력 신호인지 아닌지는 중요한 것이 아니다. 비록 가해진 변위가 완벽하게 단일 사인파 형태의 신호이더라도, 출력되는 발광은 각 로딩 사이클마다 2중의 명확한 피크로 구성된다. 유사한 2중 피크 응답은 500 N이 가해진 ZnS:Mn 필름에서도 관찰되지만, 2중 피크는 제어된 정전기적 로딩과 상대적으로 긴 시간에서 급격한 릴리즈에 의해 형성되는 것이다. 그것은, 동적 사이클 행태와 다르게 나타나는, 전형적인 로딩 비율 의존의 일반적인 압광이다. 여기서 나타나는 압광은 발광을 일으키기에 충분한 마찰 유도 전계에 의한 것일 뿐이다. 즉, 이것이 ZnS:Cu와 PDMS의 마찰에 의해서 ZnS:Cu가 발광하는 마찰 유도 전계에 의한 발광을 의미한다. ZnS:Cu와 PDMS를 포함하는 압광층에서의 2중 피크는, 이들의 계면에서의 분리 및 후퇴(retreat)에 의한 것이므로, 이를 통해서, 변위 변화 속도에 비례하여 마찰 유도 전계에 의한 발광이 발생되는 것을 확인할 수 있다.
즉, 도 9의 결과를 통해서, ZnS:Cu와 PDMS를 포함하는 압광층에서의 녹색 발광은 단순한 로딩, 변위의 차이에 의해서 일어나는 압광이 아니라, 이들 사이의 마찰에 의해서 유도되는 전계, 마찰 유도 전계에 의해서 발생되는 압광인 것을 확인할 수 있는 결과이다.
상기에서 살펴본 바에 따르면, 적색광을 발광하는 압광층과 압저항층을 이용한 변형률 계측 및 표시 센서를 사회시설 안전성 진단, 비상가이드 조명 등의 안전관련 어플리케이션 또는 인체 위ㅇ장등 내장 기관의 연동장애나 활동성 진단과 같이 중요한 생명의학 어플리케이션의 성공적 적용이 매우 기대된다.
또한, 마찰 유도 전계 발광으로서 녹색광을 발광하는 압광층을 이용하여 변형률 계측 센서 및 이를 적용한 표시 센서를 다양한 기술 분야에 널리 이용할 수 있다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 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.
100, 101: 변형률 계측 센서
110: 압저항층
120a, 120b: 압광층
122: 녹색광 방출 입자
124: 적색광 방출 입자
110: 압저항층
120a, 120b: 압광층
122: 녹색광 방출 입자
124: 적색광 방출 입자
Claims (17)
- 외부의 힘이나 압력에 의해 발생된 변위에 따라 전기저항이 변화하는 압저항층; 및
상기 압저항층 상에 형성되고, 외부의 힘이나 압력에 의한 마찰 유도 전계에 의해 녹색광을 발광하는 녹색광 발광 입자, 및 상기 녹색광 발광 입자가 방출하는 녹색광을 흡수하여 적색광을 방출하되 무기 입자 및 상기 무기 입자의 표면에 코팅되어 녹색광을 흡수하여 적색광을 발광하는 형광체로 이루어진 적색광 발광 입자가 고분자 매트릭스 내에 분산된 구조를 가지며, 외부의 힘이나 압력이 가해진 경우에 적색을 표시하는 압광층을 포함하는,
변형률을 표시하는 변형률 계측 센서.
- 제1항에 있어서,
상기 압저항층은 고분자 화합물이 형성하는 고분자 매트릭스 내에 충진된 전도성 충전제를 포함하고, 상기 압저항층의 고분자 매트릭스와 상기 압광층의 고분자 매트릭스가 변형률 계측 센서의 단일한 고분자 매트릭스 구조체를 구성하며,
상기 고분자 매트릭스 구조체의 하부에 상기 전도성 충전제가 분산되어 상기 압저항층을 형성하고,
상기 고분자 매트릭스 구조체의 상부에 상기 녹색광 발광 입자와 상기 적색광 발광 입자가 분산되어 상기 압광층을 형성하는 것을 특징으로 하는,
변형률을 표시하는 변형률 계측 센서.
- 제1항에 있어서,
상기 무기 입자는 실리카이고,
상기 형광체는 로다민 B(Rhodamine B)인 것을 특징으로 하는,
변형률을 표시하는 변형률 계측 센서.
- 제1항에 있어서,
상기 녹색광 발광 입자는 구리가 도핑된 황화아연(ZnS:Cu)인 것을 특징으로 하는,
변형률을 표시하는 변형률 계측 센서.
- 제1항에 있어서,
상기 마찰 유도 전계는
외부의 힘이나 압력에 의해 상기 압광층에 변위가 발생하며, 발생된 변위에 의해 유도되는 것을 특징으로 하는,
변형률을 표시하는 변형률 계측 센서.
- 제5항에 있어서,
상기 압광층에 발생하는 변위 변화 속도에 비례하여 상기 마찰 유도 전계가 형성되는 것을 특징으로 하는,
변형률을 표시하는 변형률 계측 센서.
- 제1항에 있어서,
상기 압저항층에는 서로 이격된 2개의 전극들이 결합되고,
상기 전극들을 통해서 상기 압저항층의 저항 변화를 측정하는 것을 특징으로 하는,
변형률을 표시하는 변형률 계측 센서.
- 제2항에 있어서,
상기 전도성 충전제는 탄소 재료인 것을 특징으로 하는,
변형률을 표시하는 변형률 계측 센서.
- 제1항에 있어서,
상기 압광층에 포함된 녹색광 발광 입자와 적색광 발광 입자는 1:1.2 이상의 중량비로, 적색광 발광 입자의 함량이 녹색광 발광 입자의 함량보다 많은 것을 특징으로 하는,
변형률을 표시하는 변형률 계측 센서.
- 제1항에 있어서,
상기 압광층과 상기 압저항층 각각의 고분자 매트릭스는 폴리디메틸실록산(polydimethyl siloxane, PDMS)의 경화물인 것을 특징으로 하는,
변형률을 표시하는 변형률 계측 센서.
- 외부의 힘이나 압력에 의해 발생된 변위에 의해 전기저항이 변화하는 압저항층의 형성을 위해, 액상의 고분자 화합물 및 전도성 충전제를 포함하는 압저항층 재료로, 내부에 상기 전도성 충전제가 분산된 부분 경화 매트릭스층을 형성하는 단계;
상기 부분 경화 매트릭스층 상에, 미경화 고분자 화합물, 외부의 힘이나 압력에 의한 마찰 유도 전계에 의해 녹색광을 발광하는 녹색광 발광 입자 및 상기 녹색광 발광 입자가 방출하는 녹색광을 흡수하여 적색광을 방출하되 무기 입자 및 상기 무기 입자의 표면에 코팅되어 녹색광을 흡수하여 적색광을 발광하는 형광체로 이루어진 적색광 발광 입자를 포함하는 압광층 재료를 배치시키는 단계; 및
상기 부분 경화 매트릭스층과 상기 압광층 재료를 경화시켜, 1개의 고분자 매트릭스 구조체의 하부가 압저항층의 고분자 매트릭스가 되고 상부가 압광층의 고분자 매트릭스가 되는 고분자 매트릭스 구조체를 형성하는 단계를 포함하는,
변형률을 표시하는 변형률 계측 센서의 제조 방법.
- 제11항에 있어서,
상기 적색광 발광 입자는
실리카의 표면에 로다민 B(Rhodamine B)가 코팅된 것을 특징으로 하는,
변형률을 표시하는 변형률 계측 센서의 제조 방법.
- 고분자 화합물이 형성하는 고분자 매트릭스 구조체의 하부에 충진된 전도성 충전제를 포함하고, 외부의 힘이나 압력에 의해 발생된 변위에 따라 전기저항이 변화하는 압저항층; 및
상기 고분자 매트릭스 구조체의 상부에 분산된 녹색광을 방출하는 녹색광 발광 입자를 포함하되 상기 녹색광 발광 입자는 외부의 힘이나 압력에 의해 발생된 변위가 일으키는 마찰 유도 전계에 의해서 녹색광을 방출하는 압광층을 포함하는,
변형률을 표시하는 변형률 계측 센서.
- 제13항에 있어서,
상기 마찰 유도 전계는
상기 녹색광 발광 입자와 상기 고분자 매트릭스 구조체의 고분자 매트릭스 사이의 마찰에 의해서 형성되는 것을 특징으로 하는,
변형률을 표시하는 변형률 계측 센서.
- 삭제
- 제13항에 있어서,
상기 압광층에 발생하는 변위 변화 속도에 비례하여 상기 마찰 유도 전계가 형성되는 것을 특징으로 하는,
변형률을 표시하는 변형률 계측 센서.
- 제13항에 있어서,
상기 녹색광 발광 입자는
섬아연석 상(sphalerite phase) 및 섬유아연석 상(wurtzite phase, 우르츠광 상)을 동시에 포함하는 입자인 것을 특징으로 하는,
변형률을 표시하는 변형률 계측 센서.
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