KR101908710B1

KR101908710B1 - 전도성 섬유 및 이를 포함하는 접촉 및 압력 센서

Info

Publication number: KR101908710B1
Application number: KR1020170073181A
Authority: KR
Inventors: 김영훈; 이준영; 엄지미
Original assignee: 성균관대학교산학협력단
Priority date: 2017-06-12
Filing date: 2017-06-12
Publication date: 2018-10-17

Abstract

섬유; 상기 섬유 상에 코팅된 아미노기를 포함하는 고분자; 및 상기 아미노기를 포함하는 고분자가 코팅된 섬유 상에 코팅된 캐핑된 전도성 무기물;을 포함하는 전도성 섬유에 관한 것이다.

Description

전도성 섬유 및 이를 포함하는 접촉 및 압력 센서 {CONDUCTIVE FIBER AND CONTACT AND PRESSURE SENSOR INCLUDING THE SAME}

본원은 전도성 섬유, 이의 제조방법 및 상기 전도성 섬유 기반 접촉 및 압력 센서에 관한 것이다.

최근 웨어러블 전자기기 (Wearable electronics)에 관심이 많아지면서 실제로 옷과 같이 입을 수 있는 전자 섬유(Electronic textiles)에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 특히 웨어러블 센서에 응용 가능한 전도성 섬유 제조에 대한 시도가 다양하게 이루어지고 있다.

기존의 전도성 섬유는 금속을 특수 가공하여 얇게 뽑아 실처럼 활용하거나 실 표면에 금속을 도금하여 제조되었다. 하지만 이러한 금속 기반의 전도성 섬유는 유연성 및 신축성과 같은 섬유 고유의 기계적 특성을 구현하는데 어려움이 있다. 특히, 코팅한 금속 나노 소재와 섬유 간의 접착력의 부족으로 구부리거나 세탁 시 상기 금속 나노 소재가 떨어져 전도성을 상실하는 등의 문제가 발생할 수 있다. 또한, 재봉, 바느질, 및 뜨개질 등 옷감의 다양한 제조 방식에 적용하는 데에 한계가 있다.

본원의 배경이 되는 기술은 한국공개특허공보 제 2016-0041714호는 무기물을 사용한 섬유용 전도성 코팅액 및 대전방지 부직포 제조방법에 관한 것이다. 그러나, 상기 공개 특허는 섬유 상에 금속 무기물질을 단순히 코팅하는 것에 제한되어 있어, 구부리거나 세탁 시 전도성을 상실할 수 있다.

본원은 전술한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 전도성 섬유, 이의 제조방법 및 상기 전도성 섬유 기반 접촉 및 압력 센서를 제공하는 것을 목적으로 한다.

다만, 본원의 실시예가 이루고자 하는 기술적 과제는 상기된 바와 같은 기술적 과제들에 한정되지 않으며, 또 다른 기술적 과제들이 존재할 수 있다.

상기한 기술적 과제를 달성하기 위한 기술적 수단으로서, 본원의 제 1측면은, 섬유; 상기 섬유 상에 코팅된 아미노기를 포함하는 고분자; 및 상기 아미노기를 포함하는 고분자가 코팅된 섬유 상에 코팅된 캐핑된 전도성 무기물;을 포함하는 전도성 섬유를 제공한다.

본원의 일 구현예에 따르면, 상기 전도성 섬유 상에 코팅된 전도성 고분자를 추가 포함하는 것 일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.

본원의 일 구현예에 따르면, 상기 아미노기를 포함하는 고분자에 의해 상기 캐핑된 전도성 무기물 물질 및 상기 섬유 사이의 접착력이 향상되는 것 일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.

본원의 일 구현예에 따르면, 상기 섬유는 폴리에스터, 모, 마, 면, 실크, 나일론, 레이온, 아크릴, 폴리우레탄 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택된 물질을 포함하는 것 일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.

본원의 일 구현예에 따르면, 상기 아미노기를 포함하는 고분자는 폴리-L-리신, 폴리 리신, 폴리 글루타민, 폴리 아스파라긴, 폴리 아르기닌, 폴리 이소루신, 폴리 알라닌 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택된 고분자를 포함하는 것 일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.

본원의 일 구현예에 따르면, 상기 캐핑된 전도성 무기물은 금속 나노와이어, 금속 나노입자, 탄소나노튜브, 메탈 옥사이드 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택된 물질을 포함하는 것 일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.

본원의 일 구현예에 따르면, 상기 금속 나노와이어는 Au, Ag, Pt, Al, Cu, Cr, V, Mg, Ti, Sn, Pb, Pd, W, Ni 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택된 금속을 포함하는 것 일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.

본원의 일 구현예에 따르면, 상기 캐핑된 전도성 무기물은 폴리비닐피롤리돈(Polyvinylpyrrolidone, PVP), 폴리비닐알코올(Polyvinylalcohol, PVA), 폴리아크릴아마이드(Polyacrylamide, PAM), 폴리아크릴산(Polyacrylicacid, PAA) 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택된 캐핑제를 포함하는 것 일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.

본원의 일 구현예에 따르면, 상기 전도성 고분자는 폴리(3,4-에틸렌다이옥시싸이오펜) (PEDOT), 폴리(3,4-에틸렌다이옥시싸이오펜) 폴리스티렌 설포네이트 (PEDOT:PSS), 폴리아세틸렌, 폴리피롤, 폴리사이오펜, 폴리아닐린, 폴리페닐렌, 폴리페닐렌설파이드, 폴리풀러렌 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택된 물질을 포함하는 것 일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.

본원의 제 2측면은, 섬유 상에 아미노기를 포함하는 고분자를 코팅하는 단계; 및 상기 아미노기를 포함하는 고분자가 코팅된 섬유 상에 캐핑된 전도성 무기물을 코팅하는 단계; 를 포함하는 전도성 섬유의 제조방법을 제공한다.

본원의 일 구현예에 따르면, 상기 전도성 섬유 상에 전도성 고분자를 코팅하는 단계를 추가 포함하는 것 일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.

본원의 일 구현예에 따르면, 상기 섬유 상에 아미노기를 포함하는 고분자를 코팅하는 단계는 상기 아미노기를 포함하는 고분자를 포함하는 용액 상에 상기 섬유를 침지시켜 코팅하는 것 일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.

본원의 일 구현예에 따르면, 상기 섬유는 폴리에스터, 모, 마, 면, 실크, 나일론, 레이온, 아크릴, 폴리우레탄 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택된 섬유를 포함하는 것 일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.

본원의 일 구현예에 따르면, 상기 캐핑된 전도성 무기물은 폴리비닐피롤리돈(Polyvinylpyrrolidone, PVP), 폴리비닐알코올(Polyvinylalcohol, PVA), 폴리아크릴아마이드(Polyacrylamide, PAM), 폴리아크릴산(Polyacrylicacid, PAA) 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택된 캡핑제를 포함하는 것 일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.

본원의 일 구현예에 따르면, 상기 전도성 고분자는, 폴리(3,4-에틸렌다이옥시싸이오펜) (PEDOT), 폴리(3,4-에틸렌다이옥시싸이오펜) 폴리스티렌 설포네이트 (PEDOT:PSS), 폴리아세틸렌, 폴리피롤, 폴리사이오펜, 폴리아닐린, 폴리페닐렌, 폴리페닐렌설파이드, 폴리풀러렌 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택된 고분자를 포함하는 것 일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.

본원의 제 3측면은, 상기 전도성 섬유; 및 직물; 을 포함하는 접촉 및 압력 센서를 제공한다.

상술한 과제 해결 수단은 단지 예시적인 것으로서, 본원을 제한하려는 의도로 해석되지 않아야 한다. 상술한 예시적인 실시예 외에도, 도면 및 발명의 상세한 설명에 추가적인 실시예가 존재할 수 있다.

전술한 본원의 과제 해결 수단에 의하면, 본원에 따른 전도성 섬유는 섬유 표면에 아미노기를 포함하는 고분자가 코팅되어 있어, 섬유 표면에 캐핑된 전도성 무기물이 고르고 균일하게 코팅될 수 있다. 또한, 상기 아미노기를 포함하는 고분자에 의해 상기 섬유와 상기 캐핑된 전도성 무기물의 접착력이 향상되어 상기 전도성 섬유의 기계적 특성이 개선 될 수 있다. 상기 전도성 섬유 상에 추가로 전도성 고분자를 코팅함으로써 더 낮은 저항과 안정된 동작 특성을 가지는 전도성 섬유 및 이를 포함하는 접촉 및 압력 센서를 수득할 수 있다.

또한, 원단의 종류나 옷을 만드는 방법에 상관 없이 접촉 및 압력 센서 제작에 용이하며, 섬유 고유의 특성을 잃지 않으면서 기계적 특성이 강화될 수 있다.

도 1은 본원의 일 구현예에 따른 전도성 섬유의 구성의 화학 구조 및 결합 후 구조를 나타낸 모식도이다.
도 2는 본원의 일 구현예에 따른 전도성 섬유의 제조방법의 순서도이다.
도 3의 (a) 및 (b)는 본 발명의 일 실시예에 따른 전도성 섬유의 표면의 FE-SEM (Field emittion-Scanning electron microscope)의 결과 사진이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 전도성 섬유와 비교예에 따른 아미노기 없는 전도성 섬유의 FT-IR의 그래프이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 전도성 고분자가 없는 전도성 섬유와 비교예에 따른 아미노기 없는 전도성 섬유의 반복적인 변형에 따른 저항의 변화를 나타낸 그래프이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 전도성 섬유의 반복적인 변형에 따른 저항의 변화를 나타낸 그래프이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 전기저항의 변화를 감지하는 접촉 및 압력 센서의 모식도 및 구동 원리를 나타낸 그림이다.
도 8의 (a)는 본 발명의 일 실시예에 따른 전기저항의 변화를 감지하는 접촉 및 압력 센서의 접촉이 없을 때와 접촉이 있을 때의 저항의 변화를 시간에 따라 나태낸 그래프 이고, 도 8의 (b)는본 발명의 일 실시예에 따른 접촉 및 압력 센서의 접촉이 있을 때와, 압력이 있을 때의 저항의 변화를 시간에 따라 나타낸 그래프이다.
도 9는 본원의 일 실시예에 따른 정전용량 접촉 및 압력 센서의 사진과 구조도이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 정전용량 접촉 및 압력 센서의 압력의 변화에 따라 전압에 따른 정전용량을 나타낸 그래프이다.
도 11는 본 발명의 일 실시예에 따른 어레이를 형성한 대면적 접촉 및 압력 센서의 모식도이다.

아래에서는 첨부한 도면을 참조하여 본원이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본원의 실시예를 상세히 설명한다.

그러나 본원은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본원을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.

본원 명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 "전기적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다.

본원 명세서 전체에서, 어떤 부재가 다른 부재 "상에", "상부에", "상단에", "하에", "하부에", "하단에" 위치하고 있다고 할 때, 이는 어떤 부재가 다른 부재에 접해 있는 경우뿐 아니라 두 부재 사이에 또 다른 부재가 존재하는 경우도 포함한다.

본원 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함" 한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.

본 명세서에서 사용되는 정도의 용어 "약", "실질적으로" 등은 언급된 의미에 고유한 제조 및 물질 허용오차가 제시될 때 그 수치에서 또는 그 수치에 근접한 의미로 사용되고, 본원의 이해를 돕기 위해 정확하거나 절대적인 수치가 언급된 개시 내용을 비양심적인 침해자가 부당하게 이용하는 것을 방지하기 위해 사용된다. 또한, 본원 명세서 전체에서, "~ 하는 단계" 또는 "~의 단계"는 "~를 위한 단계"를 의미하지 않는다.

본원 명세서 전체에서, 마쿠시 형식의 표현에 포함된 "이들의 조합"의 용어는 마쿠시 형식의 표현에 기재된 구성 요소들로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 혼합 또는 조합을 의미하는 것으로서, 상기 구성 요소들로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상을 포함하는 것을 의미한다.

본원 명세서 전체에서, "A 및/또는 B" 의 기재는, "A, B, 또는, A 및 B" 를 의미한다.

이하에서는 본원의 전도성 섬유, 이의 제조방법 및 상기 전도성 섬유 기반 접촉 및 압력 센서에 대하여 구현예 및 실시예와 도면을 참조하여 구체적으로 설명하도록 한다. 그러나, 본원이 이러한 구현예 및 실시예와 도면에 제한되는 것은 아니다.

본원의 제 1측면은 섬유; 상기 섬유 상에 코팅된 아미노기를 포함하는 고분자; 및 상기 아미노기를 포함하는 고분자가 코팅된 섬유 상에 코팅된 캐핑된 전도성 무기물;을 포함하는 전도성 섬유에 관한 것이다.

상기 전도성 섬유는 섬유의 종류에 상관 없이 상기 섬유 상에 상기 캐핑된 전도성 무기물이 코팅될 수 있다. 따라서 상기 섬유의 신축성 및 유연성과 같은 기존의 특성을 잃지 않으면서 내구성이 좋은 장점이 있다. 또한, 상기 아미노기를 포함하는 고분자로 인하여 상기 섬유와 상기 캐핑된 전도성 무기물의 접착력이 향상되어 구부리거나 반복되는 세탁 시에도 전도성이 유지될 수 있으며, 기계적 특성이 개선된 전도성 섬유를 수득할 수 있다.

상기 전도성 섬유는 옷감의 다양한 제조 방식에 적용될 수 있고 전기적 특성 및 기계적 특성이 우수하기 때문에 상기 전도성 섬유를 이용하여 직접 재봉을 통해 접촉 및 압력 센서를 구현할 수 있는 효과를 가진다.

상기 섬유 상에 캐핑된 전도성 무기물을 코팅하는 횟수를 조절함으로써 상기 전도성 섬유의 전기적 특성을 용이하게 조절할 수 있다.

상기 전도성 고분자가 상기 전도성 섬유 상에 코팅됨으로써 더 낮은 저항과 안정된 동작 특성을 가지는 전도성 섬유 및 접촉 및 압력 센서를 수득할 수 있다.

상기 아미노기를 포함하는 고분자에 의해 상기 캐핑된 전도성 무기물 물질 및 상기 섬유 사이의 접착력이 향상되기 때문에 구부리거나 반복되는 세탁 시에도 전도성이 유지될 수 있으며, 기계적 특성이 개선된 전도성 섬유를 수득할 수 있다.

상기 금속 나노입자는 Au, Ag, Pt, Al, Cu, Cr, V, Mg, Ti, Sn, Pb, Pd, W, Ni 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택된 금속을 포함하는 것 일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.

상기 메탈 옥사이드는 아연옥사이드, 안티몬옥사이드, 인듐옥사이드, 안티몬 틴 옥사이드, 인듐 틴 옥사이드 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택된 물질을 포함하는 것 일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.

상기 캐핑제에 의해 상기 전도성 무기물과 상기 아미노기를 포함하는 고분자와의 결합이 용이해질 수 있다.

도 1은 전도성 섬유의 구성의 화학 구조 및 결합 후 구조를 나타낸 모식도이다.

구체적으로, 상기 섬유 (130), 아미노기를 포함하는 고분자(120), 캐핑제(111), 전도성 무기물(110)이 각각 나일론, PLL, PVP, 은 나노와이어 일 때, 상기 나일론과 PLL이 결합하고, 상기 PLL과 상기 은 나노와이어 상에 캐핑되어 있는 PVP와 결합하여 상기 나일론과 상기 은 나노와이어가 용이하게 연결 될 수 있다.

결합할 때, 상기 나일론과 상기 PLL은 친핵성 첨가반응이 일어나고, 상기 PVP와 상기 PLL은 고리 열림 또는 친핵성 첨가반응이 일어나 결합한다.

도 2는 본원의 일 구현예에 따른 전도성 섬유의 제조방법의 순서도이다.

먼저, 섬유 상에 아미노기를 포함하는 고분자를 코팅한다(S100).

예를 들면, 상기 섬유가 나일론일 경우, 나일론의 카보닐기(C=O)와 상기 아미노기를 포함하는 고분자의 아미노기가 결합하여 코팅된다.

이어서, 상기 아미노기를 포함하는 고분자가 코팅된 섬유 상에 캐핑된 전도성 무기물을 코팅한다(S200).

상기 캐핑된 전도성 무기물을 용매에 분산시킨 용액 내에 상기 아미노기를 포함하는 고분자가 코팅된 섬유를 침지시킨 후 꺼내어 25 ℃ 내지 200 ℃에서 건조시켜 코팅하는 것 일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.

상기 온도에 따라 반응 시간을 조절할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.

상기 용매는 이소프로필알코올, 에탄올, 메탄올, 증류수, 부탄올, 아세톤, 옥타데센, 다이클로로에틸렌, 벤젠, 톨루엔, 사이클로헥센, 이소프로필알콜, 다이메틸폼아마이드,디메틸설폭사이드 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택된 용매를 포함하는 것 일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.

상기 아미노기를 포함하는 고분자가 코팅된 섬유 상에 캐핑된 전도성 무기물을 코팅하는 단계를 1 번 내지 20번 반복할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.

상기 아미노기를 포함하는 고분자가 코팅된 섬유 상에 캐핑된 전도성 무기물을 코팅하는 단계는 상기 섬유가 원하는 저항값을 가질 때까지 반복하는 것이나, 이에 제한되는 것은 아니다.

예를 들면, 상기 캐핑제가 PVP일 경우, PVP의 카보닐기(C=O)와 상기 아미노기를 포함하는 고분자의 아미노기가 결합하여 코팅된다.

상기 전도성 고분자와 글리세롤을 혼합한 용액 내에 상기 전도성 섬유를 침지시킨 후 25 ℃ 내지 200 ℃의 온도에서 건조시켜 코팅하는 것 일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.

상기 전도성 섬유 상에 전도성 고분자를 코팅하는 단계를 단계를 1 번 내지 20번 반복할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.

상기 전도성 섬유 상에 전도성 고분자를 코팅하는 단계는 상기 전도성 섬유가 원하는 저항값을 가질 대까지 반복하는 것이나, 이에 제한되는 것은 아니다.

상기 직물은 폴리에스터, 모, 마, 면, 실크, 나일론, 레이온, 아크릴, 폴리우레탄 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택된 물질을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.

상기 전도성 섬유 및 상기 섬유를 이용하여 상기 직물 상에 재봉, 바느질, 뜨개질 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택된 방법을 통해 접촉 및 압력 센서를 제작하는 것 일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.

상기 섬유는 재봉 시, 재봉 패턴을 유지해주면서 재봉된 실이 쉽게 풀리지 않게 하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.

이하 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세하게 설명하고자 하나, 하기의 실시예는 단지 설명의 목적을 위한 것이며 본원의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다.

[실시예 1]

먼저, 나일론을 에탄올, 이소프로필알코올 및 증류수로 세척한 후 오븐에서 70 ℃의 온도에서 3시간동안 건조하였다.

상기 세척한 나일론을 PLL 용액에 1시간동안 담가두어 상기 나일론 상에 상기 PLL을 코팅하였다.

PVP가 캐핑된 은 나노와이어를 0.3 wt%의 농도로 이소프로필 알코올에 분산된 용액 상에 상기 PLL이 코팅된 나일론을 10분동안 침지시킨 후 꺼내어 오븐에서 70 ℃의 온도에서 30분동안 건조시킨 후 이 과정을 두 번 더 반복하였다.

글리세롤을 10 wt%의 농도로 혼합한 PEDOT:PSS 용액 상에 상기 캐핑된 은 나노와이어가 코팅된 나일론을 10분동안 침지시킨 후 꺼내어 오븐에서 70 ℃의 온도에서 1시간 동안 건조시킨 후 이 과정을 한 번 더 반복한 후 오븐에서 120℃의 온도에서 30분동안 열처리하였다.

상기 과정을 통해 전도성 섬유를 수득하였다.

[실시예 2]

상기 실시예 1에서 제조한 전도성 섬유와 나일론 실을 면에 재봉하여 접촉 및 압력 센서의 전극을 제작하였다.

[실시예 3]

상기 과정을 통해 전도성 고분자가 추가로 코팅되어있지 않은 전도성 섬유를 수득하였으며, 이를 전도성 고분자가 없는 전도성 섬유라고 칭하였다.

[실시예 4]

도 9는 본원의 일 실시예에 따른 정전용량 접촉 및 압력 센서의 사진과 구조도이다.

먼저, 상기 실시예 1에서 제조한 전도성 섬유와 나일론 실을 면에 직선으로 재봉하여 상부전극 및 하부전극을 제작하였다.

상기 두 개의 전극이 서로 마주보고 교차하도록 한 후, 교차지점에 양면테이프(200)를 이용해 고정하여 정전용량 접촉 및 압력 센서를 제작하였다.

상기 정전용량 접촉 및 압력 센서에서 양면테이프(200)는 유전체이다.

[비교예]

PVP가 캐핑된 은 나노와이어를 0.3 wt%의 농도로 이소프로필 알코올에 분산된 용액 상에 상기 나일론을 10분동안 침지시킨 후 꺼내어 오븐에서 70 ℃의 온도에서 30분동안 건조시킨 후 이 과정을 두 번 더 반복하였다.

상기 과정을 통해 아미노기를 포함하는 고분자를 코팅하지 않은 전도성 섬유를 수득하였으며, 이를 아미노기 없는 전도성 섬유라고 칭하였다.

[실험예]

상기 실시예에서 제조된 전도성 섬유의 표면 특성을 FE-SEM (Field emittion-Scanning electron microscope, JEOL JSM-7600F) 및 FT-IR을 이용하여 측정하였다.

상기 전도성 섬유의 표면 특성을 관찰하였고, 그 결과를 도 3 및 도 4으로서 나타내었다.

도 3의 (a) 및 (b)는 전도성 섬유의 표면의 FE-SEM (Field emittion-Scanning electron microscope)의 결과 사진이다.

도 3에 나타난 결과에 따르면, 상기 실시예에 의해 제조된 전도성 섬유의 멀티 필라멘트의 지름은 390 μm로 나타났으며, 상기 나일론 실 표면 상에 상기 은 나노와이어가 균일하게 코팅되어 있는 것을 확인하였다.

상기 실시예에서 제조된 전도성 섬유의 전기적 특성을 2 프로브 저항계를 이용하여 측정하였고, 그 결과 상기 전도성 섬유는 1 cm 기준으로 509 Ω의 전기저항을 갖는 것을 확인하였다.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 전도성 섬유와 비교예에 따른 아미노기 없는 전도성 섬유의 FT-IR의 그래프이다.

도 4에 나타난 결과에 따르면, C=O 결합을 나타내는 1632 cm^- ¹영역에서 비교예의 아미노기 없는 전도성 섬유의 피크보다 실시예의 전도성 섬유의 피크가 감소하였다. 이는 나일론 섬유의 C=O 결합이 끊어지면서 상기 PLL의 아미노기와 결합하기 때문이다.

상기 실시예에서 제조된 전도성 섬유의 전기적 특성을 확인하였고, 이를 도 5 및 도 6으로서 나타내었다.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 전도성 고분자가 없는 전도성 섬유와 비교예에 따른 아미노기 없는 전도성 섬유의 반복적인 변형에 따른 저항의 변화를 나타낸 그래프이다.

구체적으로, 상기 실시예에 따라 제조된 전도성 고분자가 없는 전도성 섬유 및 상기 비교예에 따른 아미노기 없는 전도성 섬유를 각각 면에 재봉하여 최대 20%의 응력으로 600회 정도 반복적으로 스트레인을 가하여 손상을 주었을 때의 동작 특성 및 전기적 특성을 확인하였다.

도 5에 나타난 결과에 따르면, 상기 비교예에 따른 아미노기 없는 전도성 섬유는 반복적인 스트레인을 가하였을 때 일정 부분에서 더 이상 동작 특성 및 전기적 특성이 발현되지 않는 반면, 상기 실시예에 따라 제조된 전도성 고분자가 없는 전도성 섬유는 반복적인 스트레인을 가한 후에도 전기적 특성 및 동작 특성이 나타나는 것을 확인 하였다. 이는 상기 아미노기를 포함하는 고분자인 PLL에 의해 상기 나일론과 상기 은 나노와이어의 접착력이 향상되어 안정적으로 연결되어 있기 때문에 반복적인 스트레인을 가하여도 상기 은 나노와이어가 떨어지지 않아 전기 전도도가 일정하게 유지될 수 있기 때문이다. 이를 통해 상기 아미노기를 포함하는 고분자가 상기 섬유와 상기 전도성 무기물 사이의 접착력을 향상시켜 전도성 섬유의 전기적 특성 및 동작 특성을 향상시키는 것을 확인하였다. 또한 상기 전도성 섬유 상에 접촉 및 압력과 같은 데미지를 가하여도 상기 전도성 섬유의 전도성은 상실하지 않는다.

도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 전도성 섬유의 반복적인 변형에 따른 저항의 변화를 나타낸 그래프이다.

구체적으로, 상기 실시예에 따라 제조된 전도성 섬유를 면에 재봉하여 최대 20%의 응력으로 1000회 정도 반복적으로 스트레인을 가하여 손상을 주었을 때의 동작 특성 및 전기적 특성을 확인하였다.

도 6에 나타난 결과에 따르면, 상기 실시예에 따라 제조된 전도성 섬유는 상기 도 5의 결과에 나타난 전도성 고분자 없는 전도성 섬유 보다 더 낮은 저항 값과 더욱 안정된 동작 특성을 나타내었다. 이를 통해 PEDOT:PSS와 같은 전도성 고분자로 인해 상기 전도성 섬유의 전기적 특성 및 동작 특성이 더욱 안정되는 것을 확인하였다. 또한, 전도성 고분자를 섬유 상에 형성함으로써 전기적 저항이 줄어들며, 스트레인 센서로 적용이 가능하다.

상기 실시예에서 제조된 접촉 및 압력 센서의 전기적 특성을 확인하였고, 이를 도 7 내지 도 로서 나타내었다.

도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 전기저항의 변화를 감지하는 접촉 및 압력 센서의 모식도 및 구동 원리를 나타낸 그림이다.

구체적으로, 상기 전도성 섬유를 이용한 접촉 및 압력 센서는 전기적으로 연결이 되지 않은 상태로 존재할 때, 개방 회로를 형성하여 전기 저항을 측정할 수 없다. 하지만 도 7에 나타난 것처럼 손가락과 같은 전도성 물체를 이용하여 컨택을 하게 되면, 폐회로가 형성되면서 상기 접촉 및 압력 센서의 전기 저항을 측정할 수 있다. 또한, 압력을 가한 경우, 전도성 섬유의 침투효과에 의해 전기 전도도가 증가하게 된다. 따라서, 손가락과 같은 전도성 물체를 접촉 및 압력 센서 상에 낮은 압력으로 단순히 접촉(touch)한 것을 접촉이라고 칭하였고, 높은 압력은 압력이라고 칭하였다.

도 8의 (a)는 전기저항의 변화를 감지하는 접촉 및 압력 센서의 접촉이 없을 때와 접촉이 있을 때의 저항의 변화를 시간에 따라 나태낸 그래프 이고, 도 8의 (b)는 접촉 및 압력 센서의 접촉이 있을 때와, 압력이 있을 때의 저항의 변화를 시간에 따라 나타낸 그래프이다.

구체적으로, 도 7에서 설명한 것처럼, 접촉이 없는 경우 접촉 및 압력 센서는 개방회로가 되어 저항을 측정할 수 없다. 하지만 본 발명에서 사용한 측정기의 측정 한계는 전기적 저항이 200 MΩ이다. 도 (a)에서 나타난 것처럼 접촉이 없는 경우 측정이 불가능하지만 200 MΩ으로 나타났다. 도 8의 (a)에서 접촉할 때는 저항이 낮아져 전기 전도도가 상승하는 것을 알 수 있다. 도 8의 (b)에서 접촉할 때 보다 압력이 가해질 때 더 낮은 전기 저항이 나타나는 것을 확인하였다. 이는 상기 도 7에 나타난 결과처럼, 전도성 섬유의 침투효과로 인해 전기전도도가 상승하는 것이다.

도 10은 정전용량 접촉 및 압력 센서의 압력의 변화에 따라 전압에 따른 정전용량을 나타낸 그래프이다.

구체적으로, 상기 실시예에서 제조된 정전용량 접촉 및 압력 센서의 교차점에서 손가락으로 접촉한 경우, 캐패시터가 직렬로 추가 형성되면서 정전 용량이 감소하게 된다. 반면, 압력을 가하는 경우 캐패시터의 전극간 간격이 줄어들면서 정전용량이 증가하게 된다.

도 11은 어레이를 형성한 대면적 접촉 및 압력 센서의 모식도이다.

본원의 실시예 및 실험예에서 직선 형태의 재봉 패턴을 가진 접촉 및 압력 센서에 대해 언급하였지만, 이에 제한되는 것은 아니며 지그재그, 물결 등 다양한 재봉 패턴으로 형성 가능하며, 도 11의 모식도처럼 어레이를 형성하여 대면적 접촉 및 압력 센서를 구현하는 것 또한 가능하다.

전술한 본원의 설명은 예시를 위한 것이며, 본원이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본원의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.

본원의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본원의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

100: 전도성 섬유
110: 전도성 무기물
111: 캐핑제
120: 아미노기를 포함하는 고분자
130: 섬유

Claims

섬유;
상기 섬유 상에 코팅된 아미노기를 포함하는 고분자;
상기 아미노기를 포함하는 고분자가 코팅된 섬유 상에 코팅된 캐핑된 전도성 무기물; 및
상기 캐핑된 전도성 무기물 상에 코팅된 전도성 고분자;를 포함하고,
상기 아미노기를 포함하는 고분자에 의해 상기 캐핑된 전도성 무기물 물질 및 상기 섬유 사이의 접착력이 향상되는,
전도성 섬유.
삭제
삭제
제 1항에 있어서,
상기 섬유는 폴리에스터, 모, 마, 면, 실크, 나일론, 레이온, 아크릴, 폴리우레탄 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택된 섬유를 포함하는 것인, 전도성 섬유.
제 1항에 있어서,
상기 아미노기를 포함하는 고분자는 폴리-L-리신, 폴리 리신, 폴리 글루타민, 폴리 아스파라긴, 폴리 아르기닌, 폴리 이소루신, 폴리 알라닌 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택된 고분자를 포함하는 것인, 전도성 섬유.
제 1항에 있어서,
상기 캐핑된 전도성 무기물은 금속 나노와이어, 금속 나노입자, 탄소나노튜브, 메탈 옥사이드 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택된 물질을 포함하는 것인, 전도성 섬유.
제 6항에 있어서,
상기 금속 나노와이어는 Au, Ag, Pt, Al, Cu, Cr, V, Mg, Ti, Sn, Pb, Pd, W, Ni 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택된 금속을 포함하는 것인, 전도성 섬유.
제 1항에 있어서,
상기 캐핑된 전도성 무기물은 폴리비닐피롤리돈(Polyvinylpyrrolidone, PVP), 폴리비닐알코올(Polyvinylalcohol, PVA), 폴리아크릴아마이드(Polyacrylamide, PAM), 폴리아크릴산(Polyacrylicacid, PAA) 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택된 캐핑제를 포함하는 것인, 전도성 섬유.
제 1항에 있어서,
상기 전도성 고분자는 폴리(3,4-에틸렌다이옥시싸이오펜) (PEDOT), 폴리(3,4-에틸렌다이옥시싸이오펜) 폴리스티렌 설포네이트 (PEDOT:PSS), 폴리아세틸렌, 폴리피롤, 폴리사이오펜, 폴리아닐린, 폴리페닐렌, 폴리페닐렌설파이드, 폴리풀러렌 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택된 물질을 포함하는 것인, 전도성 섬유.
섬유 상에 아미노기를 포함하는 고분자를 코팅하는 단계;
상기 아미노기를 포함하는 고분자가 코팅된 섬유 상에 캐핑된 전도성 무기물을 코팅하는 단계; 및
상기 캐핑된 전도성 무기물이 코팅된 섬유 상에 전도성 고분자를 코팅하는 단계;
를 포함하는 전도성 섬유의 제조 방법.
삭제
제 10항에 있어서,
상기 섬유 상에 아미노기를 포함하는 고분자를 코팅하는 단계는 상기 아미노기를 포함하는 고분자를 포함하는 용액 상에 상기 섬유를침지시켜 코팅하는 것인, 전도성 섬유의 제조 방법.
제 10항에 있어서,
상기 섬유는 폴리에스터, 모, 마, 면, 실크, 나일론, 레이온, 아크릴, 폴리우레탄 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택된 섬유를 포함하는 것인, 전도성 섬유의 제조 방법.
제 10항에 있어서,
상기 아미노기를 포함하는 고분자는 폴리-L-리신, 폴리 리신, 폴리 글루타민, 폴리 아스파라긴, 폴리 아르기닌, 폴리 이소루신, 폴리 알라닌 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택된 고분자를 포함하는 것인, 전도성 섬유의 제조 방법.
제 10항에 있어서,
상기 캐핑된 전도성 무기물은 금속 나노와이어, 금속 나노입자, 탄소나노튜브, 메탈 옥사이드 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택된 물질을 포함하는 것인, 전도성 섬유의 제조 방법.
제 15항에 있어서,
상기 금속 나노와이어는 Au, Ag, Pt, Al, Cu, Cr, V, Mg, Ti, Sn, Pb, Pd, W, Ni 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택된 금속을 포함하는 것인, 전도성 섬유의 제조 방법.
제 10항에 있어서,
상기 캐핑된 전도성 무기물은 폴리비닐피롤리돈(Polyvinylpyrrolidone, PVP), 폴리비닐알코올(Polyvinylalcohol, PVA), 폴리아크릴아마이드(Polyacrylamide, PAM), 폴리아크릴산(Polyacrylicacid, PAA) 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택된 캡핑제를 포함하는 것인, 전도성 섬유의 제조 방법.
제 10항에 있어서,
상기 전도성 고분자는, 폴리(3,4-에틸렌다이옥시싸이오펜) (PEDOT), 폴리(3,4-에틸렌다이옥시싸이오펜) 폴리스티렌 설포네이트 (PEDOT:PSS), 폴리아세틸렌, 폴리피롤, 폴리사이오펜, 폴리아닐린, 폴리페닐렌, 폴리페닐렌설파이드, 폴리풀러렌 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택된 고분자를 포함하는 것인, 전도성 섬유의 제조방법.
제 1항 및 제 4항 내지 제 9항 중 어느 한 항에 따른 전도성 섬유; 및
직물; 을 포함하는 접촉 및 압력 센서.