KR101943519B1 - Composite, manufacturing method thereof, and flexible temperature sensor including the composite - Google Patents

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Abstract

The present invention relates to a composite, a manufacturing method thereof, and a temperature sensor formed with the composite, wherein the composite comprises: polyvinylidene fluoride (PVDF); a reduced graphene oxide (rGO) mixed in the PVDF; and a semi-crystalline polymer. Therefore, the composite can realize a supersensitive temperature sensor as resistance is sensitively changed in accordance with a temperature.

Description

복합소재, 그 제조 방법 및 상기 복합소재를 포함하는 유연한 온도 센서{Composite, manufacturing method thereof, and flexible temperature sensor including the composite}TECHNICAL FIELD The present invention relates to a composite material, a manufacturing method thereof, and a flexible temperature sensor including the composite material.

본 발명은 복합소재, 그 제조 방법 및 상기 복합소재를 포함하는 유연한 온도 센서에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 강유전성 특성을 가진 PVDF(PolyVinylidene fluoride: 폴리비닐리덴 플루오라이드), rGO(Reduced Graphene Oxide: 환원된 그래핀 옥사이드) 및 반결정성 고분자인 PEO(PolyEthylene Oxide: 폴리에틸렌 옥사이드)를 포함하는 복합소재, 그 제조 방법 그리고 복합소재로 이루어진 온도 센서에 관한 것이다. 상기 복합소재는 열적 자극에 따라 저항이 변화하는 특성을 가지고 있어서 온도 센서로 활용될 수 있으며, 더불어 인공 전자 피부, 바이오 센서 등으로 이용될 수 있다.The present invention relates to a composite material, a manufacturing method thereof, and a flexible temperature sensor including the composite material, and more particularly, to a flexible temperature sensor including a polyvinylidene fluoride (PVDF) having a ferroelectric property, a reduced graphene oxide And polyolefin oxide (PEO) which is a semi-crystalline polymer, a method for producing the composite material, and a temperature sensor made of a composite material. The composite material has a characteristic that resistance changes according to thermal stimulation and thus can be utilized as a temperature sensor, and can be used as an artificial electronic skin, a biosensor, and the like.

PVDF 및 rGO로 이루어진 복합소재는 그래핀의 NTC(Negative Temperature Coefficient of Temperature) 효과에 의하여 온도에 따라 저항이 바뀌는 특성을 갖는다. PVDF는 고분자 매트릭스(matrix)를 구성하는 물질이며, rGO는 전도성 물질 및 온도 감지 물질이다. 이러한 복합소재를 가열하면, 고분자 매트릭스 내에 분산되어 있는 rGO의 전기전도도가 증가하여 저항이 감소되는데, 이를 이용하여 온도 변화를 감지할 수 있다. 따라서, 이러한 복합 소재를 이용하여 온도 센서를 제조할 수 있다. Composite material composed of PVDF and rGO has a characteristic that resistance changes according to temperature by the effect of graphene's negative temperature coefficient of temperature (NTC). PVDF is a material forming a polymer matrix, and rGO is a conductive material and a temperature sensing material. When the composite material is heated, the electrical conductivity of the rGO dispersed in the polymer matrix is increased to decrease the resistance, which can be used to detect the temperature change. Therefore, a temperature sensor can be manufactured using such a composite material.

고분자 재료는 일반적으로 가격이 저렴하고, 금속 또는 세라믹 재료에 비해 가공 및 취급이 용이한 특성을 갖는다. 이에 따라 고분자 재료의 이용 빈도는 점차 증가하고 있다. 그러나 고분자는 전기전도, 열전도, 자성 등의 특성을 가지고 있지 않아, 적용할 수 있는 분야가 한정되어 있다. 최근, 이러한 단점을 극복하기 위해 부여하고자 하는 특성을 갖는 충전재를 고분자 매트릭스 내에 부가하여 다양한 복합소재가 만들어지고 있다.Polymer materials are generally inexpensive and have properties that are easier to process and handle than metal or ceramic materials. As a result, the frequency of use of polymer materials is gradually increasing. However, polymers do not have properties such as electric conduction, heat conduction, and magnetism, and therefore, applicable fields are limited. In recent years, various composite materials have been made by adding a filler having properties to be imparted to the polymer matrix to overcome such disadvantages.

일 예로, 절연체인 고분자에 전기전도성 충전재를 첨가함으로써 제조된 전도성 복합소재가 개시되어 있다. 전기전도성 충전재로는 카본블랙, 탄소나노튜브, 그래핀 또는 금속입자 등이 이용될 수 있다. As one example, a conductive composite material produced by adding an electrically conductive filler to an insulator polymer is disclosed. As the electrically conductive filler, carbon black, carbon nanotubes, graphene or metal particles can be used.

다만, 현재 개발된 복합 소재들의 경우 시간이 지나면서 고분자 매트릭스에 첨가된 충전재 입자들이 서로 엉기는 문제 및 액상의 매트릭스 아래로 가라앉아 특성이 변질되는 문제를 가지고 있다.However, in the case of currently developed composite materials, there is a problem that the filler particles added to the polymer matrix over time become entangled with each other, and the characteristics are deteriorated by moving below the liquid matrix.

또한, 고분자 매트릭스에 첨가되는 충전재의 양을 증가시킬수록 복합소재의 특성이 충전재의 고유 특성과 유사해지지만, 반대로 매트릭스의 고유한 특성은 사라지는 문제점이 발생할 수 있어, 매트릭스 및 충전재 각각의 특성을 잘 구현할 수 있는 양을 혼합하여 소재를 만드는 것이 필요하다.Further, as the amount of the filler added to the polymer matrix is increased, the characteristics of the composite material become similar to the intrinsic properties of the filler, but conversely, the inherent characteristics of the matrix may disappear, It is necessary to make a material by mixing an amount that can be realized.

PVDF 및 rGO 복합소재로 구현된 온도 센서는 인공 전자 피부로 이용될 수 있다. 따라서, 피부의 온도와 유사한 온도 범위에서 열적 자극에 따른 온도 감지 민감도가 높아야 한다. Temperature sensors implemented in PVDF and rGO composites can be used as artificial electronic skin. Therefore, the temperature sensing sensitivity due to the thermal stimulation should be high in a temperature range similar to the skin temperature.

또한, 압력 및 굽힘과 같은 기계적 자극에 영향을 받지 않아야 한다.Also, it should not be affected by mechanical stimuli such as pressure and bending.

한국공개특허 제10-2016-0109266호는 환원된 산화그래핀/PVDF 복합소재, 이의 제조방법 및 이를 이용한 써미스터 센서에 관한 것으로, 써미스터 센서를 위한 PVDF 및 산화그래핀을 포함하는 복합소재에 관한 것이다.Korean Patent Laid-Open No. 10-2016-0109266 relates to a reduced oxidized graphene / PVDF composite material, a method for manufacturing the same, and a thermistor sensor using the same, and relates to a composite material including PVDF and oxidized graphene for a thermistor sensor .

본 발명은 종래의 문제점을 해결하기 위해 창안된 것으로써, PVDF 및 rGO로 이루어진 복합소재에 반결정성 고분자를 첨가하여 온도 감지에 대한 민감도를 향상시킬 수 있는 복합소재, 그 제조 방법 및 상기 복합소재를 포함하는 유연한 온도 센서에 관한 것이다.The present invention has been made to solve the problems of the prior art, and it is an object of the present invention to provide a composite material capable of improving the sensitivity to temperature sensing by adding a semi-crystalline polymer to a composite material composed of PVDF and rGO, The present invention relates to a flexible temperature sensor including a temperature sensor.

구체적으로, 종래의 PVDF와 rGO로 이루어진 복합소재 내에 반결정성 고분자인 PEO를 첨가하여 종래의 PVDF와 rGO로 이루어진 복합소재에 비하여 10배 이상의 온도 감지 민감도 특성을 갖는 복합소재, 그 제조 방법 및 상기 복합소재를 포함하는 유연한 온도 센서를 제공할 수 있다. Specifically, a composite material having a temperature sensitive sensitivity characteristic of 10 times or more as compared with a composite material made of conventional PVDF and rGO by adding PEO, which is a semi-crystalline polymer, into a composite material composed of conventional PVDF and rGO, A flexible temperature sensor including a material can be provided.

본 발명에 따른 복합소재는 폴리비닐덴플루오라이드(PVDF); 상기 PVDF 내에 균일하게 혼합된 환원된 산화그래핀(rGO); 및 상기 PVDF와 rGO 내에 균일하게 혼합된 반결정성 고분자;를 포함할 수 있다.The composite material according to the present invention may include polyvinylidene fluoride (PVDF); Reduced oxidized graphene (rGO) mixed uniformly in the PVDF; And a semi-crystalline polymer uniformly mixed in the PVDF and the rGO.

상기 반결정성 고분자는 폴리에틸렌 옥사이드(PEO)일 수 있다.The semi-crystalline polymer may be polyethylene oxide (PEO).

상기 복합소재는, PVDF 100-(x+y)중량%, rGO x중량% 및 PEO y중량%를 포함하고, 상기 x는 1 내지 2이고, 상기 y는 20 내지 30일 수 있다.Wherein the composite material comprises PVDF 100- (x + y) wt%, rGO x wt% and PEO y wt%, wherein x is from 1 to 2 and y is from 20 to 30.

상기 PEO의 분자량은 1k 내지 4k일 수 있다.The molecular weight of the PEO may range from 1k to 4k.

상기 복합소재는 일면에 온도 감응 변색층을 포함하고, 상기 온도 감응 변색층은, 폴리디메틸실록산(Polydimethylsiloxane: PDMS); 및 상기 PDMS 내에 균일하게 혼합된 적어도 하나의 온도 감응 변색 색소;를 포함할 수 있다.Wherein the composite material comprises a temperature sensitive color layer on one side and the temperature responsive color layer comprises a material selected from the group consisting of polydimethylsiloxane (PDMS); And at least one temperature sensitive color changing pigment uniformly mixed in the PDMS.

본 발명에 따른 온도 센서는 상기 복합소재; 및 상기 복합소재 상부의 좌우에 평행하게 배치된 전극들을 포함할 수 있다.The temperature sensor according to the present invention comprises the composite material; And electrodes disposed parallel to the left and right of the upper portion of the composite material.

상기 반결정성 고분자의 분자량에 따라 상기 온도 센서의 온도 감지 민감도가 높은 온도 범위가 상이할 수 있다.Depending on the molecular weight of the semi-crystalline polymer, the temperature sensing sensitivity of the temperature sensor may be different from the higher temperature range.

상기 온도 센서는 필름 형태를 가질 수 있다.The temperature sensor may have a film form.

상기 복합소재는 일면에 코팅된 온도 감응 변색층을 포함하고, 상기 온도 감응 변색층은 PDMS 및 PDMS 내에 균일하게 혼합된 적어도 하나의 온도 감응 변색 색소를 포함하고, 상기 온도 센서는 측정한 온도를 상기 색소로 인한 색상으로 출력할 수 있다.Wherein the composite material comprises a temperature sensitive color change layer coated on one side and the temperature sensitive color change layer comprises at least one temperature sensitive color change pigment uniformly mixed in PDMS and PDMS, It can output color due to pigment.

본 발명에 따른 복합소재 제조 방법은 용매에 PVDF를 혼합시키는 제1 혼합단계; 상기 제1 혼합단계에서 혼합된 혼합물에 rGO를 혼합시키는 제2 혼합단계; 상기 제2 혼합단계에서 혼합된 혼합물에 PEO를 혼합시키는 제3 혼합단계; 및 상기 제3 혼합단계에서 혼합된 혼합물의 용매를 증발시켜 상기 제3 혼합단계에서 혼합된 혼합물을 경화시키는 단계;를 포함할 수 있다.A composite material manufacturing method according to the present invention includes: a first mixing step of mixing PVDF with a solvent; A second mixing step of mixing rGO with the mixture mixed in the first mixing step; A third mixing step of mixing PEO with the mixture mixed in the second mixing step; And curing the mixed mixture in the third mixing step by evaporating the solvent of the mixed mixture in the third mixing step.

상기 용매는 다이메틸폼아마이드(Dimethylformamide: DMF)일 수 있다.The solvent may be dimethylformamide (DMF).

상기 제1 혼합단계에서 상기 PVDF를 100-(x+y)중량% 혼합시키고, 상기 제2 혼합단계에서 상기 rGO를 x중량% 혼합시키고, 상기 제3 혼합단계에서 상기 PEO를 y중량% 혼합시키고, 상기 x는 1 내지 2이고, 상기 y는 20 내지 30일 수 있다.In the first mixing step, the PVDF is mixed with 100- (x + y) wt%, the rGO is mixed with x% by weight in the second mixing step, y% by weight is mixed with the PEO in the third mixing step , X may be 1 to 2, and y may be 20 to 30.

상기 혼합물을 경화시키는 단계에 의해 제조된 복합소재의 일면에 온도 감응 변색층을 코팅하는 단계를 더 포함할 수 있다.And coating a temperature sensitive coloring layer on one side of the composite material produced by curing the mixture.

본 실시예에 의하면, 종래의 PVDF와 rGO로 이루어진 복합소재에 비하여 온도를 더 민감하게(약 10배 이상) 감지할 수 있다.According to the present embodiment, the temperature can be sensed more sensitively (about 10 times or more) than the conventional composite material made of PVDF and rGO.

본 발명에 따른 복합소재를 이용한 온도 센서는 0.1℃의 작은 온도 변화를 감지할 수 있다.The temperature sensor using the composite material according to the present invention can detect a small temperature change of 0.1 ° C.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 복합소재는 기존의 복합소재에 비하여 향상된 내구성을 갖는다. In addition, the composite material according to one embodiment of the present invention has improved durability as compared with the conventional composite material.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 복합소재 및 이를 이용한 온도 센서는 압력 또는 굽힘과 같은 기계적 자극, 다수 회의 기계적 자극 조건에서도 온도 변화에 대해 일정한 저항 변화를 보여 기계적 자극에 대해 영향을 받지 않는 온도 측정이 가능한 장점이 있다.In addition, the composite material and the temperature sensor using the composite material according to an embodiment of the present invention exhibit a constant resistance change with respect to a temperature change even under a mechanical stimulus such as pressure or bending and a plurality of mechanical stimulation conditions, There is an advantage that measurement can be done.

더불어, 본 발명의 일 실시예에 따른 복합소재는 온도 감응 변색 색소를 더 포함하고 있다. 따라서, 온도의 변화를 색상의 변화로 출력하여, 측정자로 하여금 가시적으로 온도의 변화를 확인할 수 있게 할 수 있다.In addition, the composite material according to an embodiment of the present invention further includes a temperature sensitive coloring pigment. Therefore, it is possible to output a change in temperature as a change in hue, thereby enabling the measurer to visually observe a change in temperature.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 복합소재의 구성도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 복합소재에 포함된 rGO의 분자량에 대한 복합소재의 저항 변화를 나타낸 그래프이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 복합소재에 포함된 rGO의 농도에 대한 복합소재의 저항 변화를 나타낸 그래프이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 복합소재에서, 상이한 농도의 rGO를 포함하고 있는 복합소재들의 SEM 이미지이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 복합소재에서 PEO의 농도 변화에 따른 물성을 측정한 그래프이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 복합소재 중 30wt%의 농도로 PEO가 함유된 복합소재의 최소 온도 감지 범위를 측정한 그래프이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 복합소재의 기계적 자극에 대한 온도 감지 민감도 측정 그래프이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 복합소재의 굽힘 조건에 대한 온도 감지 민감도 측정 그래프이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 복합소재에서 온도 감응 변색층이 코팅된 복합소재의 온도 감지 특성을 나타낸 이미지이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 복합소재를 제조하는 방법을 간략히 도시한 순서도이다.
FIG. 1 is a structural view of a composite material according to an embodiment of the present invention.
2 is a graph showing a change in resistance of a composite material with respect to the molecular weight of rGO contained in the composite material according to an embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a graph showing a resistance change of a composite material with respect to a concentration of rGO contained in a composite material according to an embodiment of the present invention.
4 is an SEM image of composite materials containing different concentrations of rGO in a composite material according to an embodiment of the present invention.
FIG. 5 is a graph illustrating physical properties of a composite material according to a variation of concentration of PEO according to an embodiment of the present invention. FIG.
6 is a graph showing a minimum temperature sensing range of a composite material containing PEO at a concentration of 30 wt% in a composite material according to an embodiment of the present invention.
7 is a graph of temperature sensing sensitivity measurements for mechanical stimulation of a composite material in accordance with an embodiment of the present invention.
FIG. 8 is a graph showing a temperature sensing sensitivity measurement for a bending condition of a composite material according to an embodiment of the present invention.
9 is an image showing a temperature sensing characteristic of a composite material coated with a temperature sensitive coloring layer in a composite material according to an embodiment of the present invention.
10 is a flowchart briefly showing a method of manufacturing a composite material according to an embodiment of the present invention.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 복합소재, 그 제조 방법 및 상기 복합소재를 포함하는 유연한 온도 센서에 대해 상세히 설명한다. 본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 특정 실시 예들을 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. 첨부된 도면에 있어서, 구조물들의 치수는 본 발명의 명확성을 기하기 위하여 실제보다 확대하여 도시한 것이다. Hereinafter, a composite material according to an embodiment of the present invention, a manufacturing method thereof, and a flexible temperature sensor including the composite material will be described in detail with reference to the accompanying drawings. The present invention is capable of various modifications and various forms, and specific embodiments are illustrated in the drawings and described in detail in the text. It is to be understood, however, that the invention is not intended to be limited to the particular forms disclosed, but on the contrary, is intended to cover all modifications, equivalents, and alternatives falling within the spirit and scope of the invention. Like reference numerals are used for like elements in describing each drawing. In the accompanying drawings, the dimensions of the structures are enlarged to illustrate the present invention in order to clarify the present invention.

제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. The terms first, second, etc. may be used to describe various components, but the components should not be limited by the terms. The terms are used only for the purpose of distinguishing one component from another. For example, without departing from the scope of the present invention, the first component may be referred to as a second component, and similarly, the second component may also be referred to as a first component.

본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 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, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.The terminology used in this application is used only to describe a specific embodiment and is not intended to limit the invention. The singular expressions include plural expressions unless the context clearly dictates otherwise. In this application, the terms "comprises", "having", and the like are used to specify that a feature, a number, a step, an operation, an element, a part or a combination thereof is described in the specification, But do not preclude the presence or addition of one or more other features, integers, steps, operations, components, parts, or combinations thereof.

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.Unless defined otherwise, all terms used herein, including technical or 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 are to be interpreted as having a meaning consistent with the contextual meaning of the related art and are to be interpreted as either ideal or overly formal in the sense of the present application Do not.

이하, 본 발명의 구현예를 상세히 설명하기로 한다. 다만, 이는 예시로서 제시되는 것으로, 이에 의해 본 발명이 제한되지는 않으며 본 발명은 후술할 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail. However, the present invention is not limited thereto, and the present invention is only defined by the scope of the following claims.

도 1은 본 실시예에 따른 복합소재의 구성도이다.1 is a configuration diagram of a composite material according to the present embodiment.

이하 도 1을 참조하여 본 발명의 일 구현예에 대해 설명하도록 한다.Hereinafter, one embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.

본 발명의 일 구현예에 따른 복합소재를 이용한 온도 감지 메커니즘은 PVDF 및 rGO로 이루어진 복합소재를 구성하고 있는 그래핀의 부온도계수(Negative Temperature Coefficient of Temperature: NTC) 효과를 이용하는 것이다. PVDF 및 rGO로 이루어진 복합소재의 저항은 온도에 따라 달라진다. PVDF와 rGO로 이루어진 복합소재의 저항값은 온도를 증가시키면 rGO의 NTC 효과에 의해 감소하게 되는데, 복합소재의 이러한 특성을 이용하여 온도 변화를 감지할 수 있게 된다.The temperature sensing mechanism using the composite material according to an embodiment of the present invention utilizes the Negative Temperature Coefficient of Temperature (NTC) effect of graphene composing composite material composed of PVDF and rGO. The resistance of composites made of PVDF and rGO varies with temperature. The resistance value of composite material composed of PVDF and rGO is decreased by the NTC effect of rGO when the temperature is increased. By using this characteristic of the composite material, the temperature change can be detected.

본 발명은 종래의 PVDF와 rGO로 이루어진 복합소재보다 온도 감지 민감도(sensitivity)가 수십배 이상 향상된 복합소재에 관한 것이다. 종래의 복합 소재에 추가적으로 혼합된 반결정성 고분자를 포함하는 복합소재에 관한 것이다The present invention relates to a composite material having a temperature sensitivity higher than that of a conventional composite material made of PVDF and rGO by tens of times. To a composite material containing a semi-crystalline polymer mixed with a conventional composite material

도 1을 참조하면, 가열에 의해 온도를 변화시켰을 때 본 발명의 일 실시예에 따른 복합소재 내부의 구성 물질들의 변화를 파악할 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따른 복합소재는 고분자 매트릭스(102), 전도성 충전재(104) 및 반결정성 고분자(106)로 이루어진다. 예시적으로, 고분자 매트릭스(102)는 PVDF일 수 있고, 전도성 충전재(104)는 rGO(reduced Graphene Oxide)이며, 반결정성 고분자(106)는 PEO일 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따른 복합소재는 고분자 매트릭스(102) 내에 전도성 충전재(104)인 rGO와 반결정성 고분자(106) 중 하나인 PEO가 균일하게 분포된 구조를 갖는다Referring to FIG. 1, when the temperature is changed by heating, changes in constituent materials in the composite material according to an embodiment of the present invention can be grasped. The composite material according to one embodiment of the present invention comprises a polymer matrix 102, a conductive filler 104, and a semi-crystalline polymer 106. Illustratively, the polymer matrix 102 may be PVDF, the conductive filler 104 may be rGO (reduced graphene oxide), and the semi-crystalline polymer 106 may be PEO. The composite material according to an embodiment of the present invention has a structure in which rGO, which is the conductive filler 104, and PEO, which is one of the semi-crystalline polymers 106, are uniformly distributed in the polymer matrix 102

PVDF는 지방족계 탄화수소의 분자구조에 수소원자를 불소원자로 일부 치환한 수지로, 불소 수지의 뛰어난 내약품성, 기계적, 열적 및 전기적 특성을 가지며, 결정성이 높아 불소계 수지 중에서 우수한 기계적 강도를 나타내기 때문에 복합소재에 우수한 물성을 부여할 수 있다.PVDF is a resin in which a hydrogen atom is partially substituted by a hydrogen atom in the molecular structure of an aliphatic hydrocarbon, and has excellent chemical resistance, mechanical, thermal and electrical properties of a fluororesin and high mechanical strength It is possible to impart excellent physical properties to the composite material.

rGO는 우수한 열전도도 및 전기전도도 특성을 가지면서 높은 내전압 강도를 구현할 수 있다. rGO는 열경화성 수지 내에서 높은 상용성을 나타낼 수 있고, 고분자 매트릭스 내에 첨가되어 전도성 물질 및 온도 감지 물질로 이용될 수 있다.rGO can achieve high withstand voltage strength while having excellent thermal conductivity and electrical conductivity. rGO can exhibit high compatibility in the thermosetting resin and can be added to the polymer matrix to be used as a conductive material and a temperature sensing material.

PVDF와 rGO로 이루어진 복합소재는 NTC 특성을 갖고 있기 때문에 온도 감지 소재, 써미스터 센서 등으로 이용될 수 있다. Composite materials composed of PVDF and rGO have NTC characteristics and can be used as temperature sensing materials, thermistor sensors, and so on.

그러나, PVDF와 rGO만으로 구성된 복합소재는 온도에 따른 저항값의 변화가 크지 않아서 온도 민감도(sensitivity)가 떨어져 정확도가 높은 온도센서에 적용하기에는 어려움이 있었다. 이를 해결하기 위하여, 본 발명에서는 반결정성 고분자(106)인 PEO를 PVDF 및 rGO에 혼합하여 복합소재를 제조한 것이다. PEO는 반결정성 고분자로써 온도에 따라 부피가 팽창또는 수축하는 특성을 갖는다. PEO는 PVDF와 rGO로 이루어진 복합소재 내에 균일하게 분포되어 있으며, 이러한 분포에 의하여 PVDF, rGO 및 PEO로 이루어진 복합소재의 온도 감지 민감도는 크게 향상될 수 있다.However, the composite material composed only of PVDF and rGO has a difficulty to be applied to a temperature sensor having a high accuracy due to a low temperature sensitivity because the change of the resistance value according to the temperature is not large. In order to solve this problem, in the present invention, PEO, which is a semi-crystalline polymer 106, is mixed with PVDF and rGO to produce a composite material. PEO is a semi-crystalline polymer that has the property of expanding or contracting in volume depending on temperature. PEO is uniformly distributed in a composite material composed of PVDF and rGO. By this distribution, the temperature sensing sensitivity of composite materials made of PVDF, rGO and PEO can be greatly improved.

구체적으로, 반결정성 고분자는 녹는점보다 높은 온도에서 열역학적 단일상(single phase)을 형성한다. 녹는점 부근에서부터 결정성이 사라지게 되면서 입자가 팽창하게 된다. 구체적으로 반결정성 고분자는 녹는점의 약 20℃ 아래에서부터 팽창하기 시작하여, 온도가 증가함에 따라 계속적으로 팽창하게 된다.Specifically, the semi-crystalline polymer forms a thermodynamic single phase at a temperature higher than the melting point. The crystallinity disappears from the vicinity of the melting point and the particles expand. Specifically, the semi-crystalline polymer starts to expand from below about 20 ° C of the melting point, and it is continuously expanded as the temperature increases.

가열되기 전의 PVDF, rGO 및 PEO로 이루어진 복합소재의 경우, 매트릭스(102) 내에서 rGO(104) 시트들과 PEO(106) 입자들은 일정한 거리를 두고 분포되어 있다. 특히 rGO(104) 시트들은 전자가 이동할 수 있는 통로를 형성하고 있지만, 시트들끼리 서로 접촉되어 있기보다는 분산되어 있어서, 시트들 사이에서 전기전도도가 낮고, 따라서 복합 소재의 저항이 높다.In the composite material composed of PVDF, rGO and PEO before heating, the rGO (104) sheets and the PEO (106) particles in the matrix 102 are distributed at a certain distance. In particular, although the rGO 104 sheets form a passage through which electrons can move, the sheets are dispersed rather than in contact with each other, so that the electrical conductivity between the sheets is low, and therefore the resistance of the composite material is high.

PVDF, rGO 및 PEO로 이루어진 복합소재를 가열하면, 온도가 증가됨에 따라 PEO 입자들이 팽창한다. 팽창된 PEO 입자(108)는 주변의 매트릭스(102)와 rGO(104) 시트들에 압력을 가하게 되고, rGO(104) 시트들의 접촉면적을 증가시켜 복합소재의 전기적 특성을 변화시킬 수 있다. 즉, 복합소재를 가열함에 따라 rGO(104) 시트들을 통한 전자의 이동도가 증가하여 복합소재의 저항이 감소하게 된다.When a composite material composed of PVDF, rGO and PEO is heated, the PEO particles expand as the temperature increases. The expanded PEO particles 108 may pressurize the surrounding matrix 102 and rGO 104 sheets and increase the contact area of the rGO 104 sheets to change the electrical properties of the composite material. That is, as the composite material is heated, the mobility of electrons through the rGO 104 sheets increases, thereby reducing the resistance of the composite material.

즉, 종래의 rGO의 NTC 효과만 이용한 PVDF 및 rGO로 이루어진 복합소재보다 rGO의 NTC 효과 및 PEO의 온도에 따른 팽창 및 수축 특성을 이용함으로써 온도 감지 민감도가 크게 향상된 것이다.That is, the temperature sensing sensitivity is greatly improved by using the NTC effect of rGO and the expansion and contraction characteristics according to the temperature of PEO compared to the composite material made of PVDF and rGO using only the NTC effect of the conventional rGO.

도 2 내지 도 9는 PVDF, rGO 및 PEO의 농도를 특정하여 제조한 복합소재를 이용한 실험예들일 뿐, 본 실험예에서 제시한 복합소재의 조성비에 한정되지 않는다.본 발명에서 제시하는 복합소재의 경우 복합소재를 100 중량%라고 할 때, PVDF는 79 중량% 내지 45 중량%의 조성비를 가지며, rGO는 1 중량% 내지 5 중량%의 조성비를 가질 수 있고, PEO는 20 중량% 내지 50 중량%로써, 이러한 범위 내에서 다양한 복합소재가 제조될 수 있다.2 to 9 are experimental examples using composite materials prepared by specifying the concentrations of PVDF, rGO, and PEO, and are not limited to the composition ratios of the composite materials shown in this Experimental Example. , The PVDF may have a composition ratio of 79 wt% to 45 wt%, the rGO may have a composition ratio of 1 wt% to 5 wt%, the PEO may be 20 wt% to 50 wt% , Various composite materials can be produced within this range.

도 2는 본 실시예에 따른 rGO의 분자량에 대한 복합소재의 저항 변화를 나타낸 그래프이다.FIG. 2 is a graph showing the resistance change of the composite material with respect to the molecular weight of rGO according to the present embodiment.

이하 도 2를 참조하여 본 발명의 일 구현예에 대해 설명하도록 한다.Hereinafter, one embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.

반결정성 고분자는 분자량이 증가함에 따라 녹는점이 증가하는 특성을 갖는다. 도 2를 통해 PVDF 79 중량%, PEO 20 중량% 및 rGO 1 중량%로 이루어진 복합소재를 구성하는 PEO의 분자량에 따른 녹는점 변화 및 온도 감지 메커니즘을 확인할 수 있다. PEO, PVDF 및 rGO의 조성비는 도 2에 한정되는 것은 아니다. 반결정성 고분자 즉, PEO의 특성상 녹는점 부근에서 온도에 따른 부피변화가 더 크기 때문에 분자량에 따라서 온도를 민감하게 감지할 수 있는 온도 범위가 상이할 수 있다. 분자량이 클수록 녹는점이 더 높기 때문이다.The semi-crystalline polymer has the property of increasing the melting point as the molecular weight increases. 2, melting point change and temperature sensing mechanism according to molecular weight of PEO constituting a composite material composed of 79 wt% of PVDF, 20 wt% of PEO and 1 wt% of rGO can be confirmed. The composition ratios of PEO, PVDF and rGO are not limited to those shown in Fig. Due to the nature of the semi-crystalline polymer, PEO, the volume change is larger at the melting point near the melting point, so the temperature range at which the temperature can be sensitively sensed may vary depending on the molecular weight. The larger the molecular weight, the higher the melting point.

도 2에 따르면, 분자량 1k의 PEO 의 녹는점(202)은 약 38℃, 분자량 1.5k의 PEO의 녹는점(204)은 약 45℃, 분자량 4k의 PEO의 녹는점(206)은 약 55℃로, PEO의 분자량이 증가할수록 PEO의 녹는점이 점차 상승함을 확인할 수 있다. 2, melting point 202 of PEO having a molecular weight of 1 k is about 38 캜, melting point 204 of PEO having a molecular weight of 1.5 k is about 45 캜, melting point 206 of PEO having a molecular weight of 4 k is about 55 캜 . As the molecular weight of PEO increases, the melting point of PEO gradually increases.

도 2를 참조하면, 복합소재의 온도에 따른 저항 변화율은 특정 분자량을 갖는 PEO의 녹는점에 가까운 온도 범위 내에서 가장 크고, PEO의 녹는점에 인접한 온도 범위 내에서의 온도 감지가 그 외의 범위에서보다 더 민감하게 이루어짐을 알 수 있다.Referring to FIG. 2, the resistance change rate of the composite material with temperature is the largest within a temperature range close to the melting point of PEO having a specific molecular weight, and temperature sensing within a temperature range adjacent to the melting point of PEO It can be seen that it is more sensitive.

4k 이상의 분자량을 갖는 PEO가 포함된 복합 소재에서도 온도 증가에 따라 저항이 감소하므로, 온도 측정은 가능하나 PEO의 분자량이 4k를 초과하는 경우, 분자량이 증가하여도 PEO의 녹는점 차이가 크지 않기 때문에, 복합 소재에 혼합할 PEO의 분자량은 1k 내지 4k가 바람직하다. In composite materials containing PEO having a molecular weight of 4k or more, the resistance decreases with increasing temperature. However, if the molecular weight of PEO exceeds 4k, even if the molecular weight increases, the difference in melting point of PEO is not large , And the molecular weight of the PEO to be mixed with the composite material is preferably 1k to 4k.

더불어, 본 발명의 일 실시예에 따른 복합 소재의 경우, 25℃ 내지 60℃까지의 온도 변화를 민감하게 감지할 수 있다. 더불어, 민감하게 감지해야할 필요가 있는 온도 범위에 맞는 분자량을 갖는 PEO를 이용하여 복합 소재를 제조하고, 이를 이용하여 특정 온도 범위에서의 센싱이 최적화된 온도 센서를 구현할 수 있다.In addition, in the case of the composite material according to one embodiment of the present invention, the temperature change from 25 ° C to 60 ° C can be sensed sensitively. In addition, composite materials can be fabricated using PEO with a molecular weight that meets the temperature range that needs to be sensitively sensed, and a temperature sensor with optimized sensing in a specific temperature range can be implemented.

도 3은 본 실시예에 따른 rGO의 농도에 대한 복합소재의 저항 변화를 나타낸 그래프이다.3 is a graph showing the resistance change of the composite material with respect to the concentration of rGO according to the present embodiment.

이하 도 3을 참조하여 본 발명의 일 구현예에 대해 설명하도록 한다.Hereinafter, one embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.

rGO의 농도에 따른 복합소재의 온도 감지 민감도(302)를 살펴보면, rGO의 농도에 따라 복합소재의 온도 감지 민감도가 달라짐을 확인할 수 있다. 온도 감지 민감도가 가장 높게 나타난 복합소재는 PVDF(78wt%), rGO(2wt%) 및 PEO(20wt%)의 조성비로 이루어진 복합소재이며, 온도 감지 민감도가 가장 낮게 나타난 복합소재는 PVDF(75wt%), rGO(5wt%) 및 PEO(20wt%)의 조성비로 이루어진 복합소재이다.The sensitivity of the temperature sensing of the composite material according to the concentration of rGO (302) shows that the sensitivity of temperature sensing of the composite material varies with the concentration of rGO. Composite materials with the highest temperature sensing sensitivity were composed of PVDF (78wt%), rGO (2wt%) and PEO (20wt%) composites. PVDF (75wt%) composites showed the lowest temperature sensitivity, , rGO (5 wt%) and PEO (20 wt%).

두 복합소재의 저항을 비교해보면, PVDF(78wt%), rGO(2wt%) 및 PEO(20wt%)로 이루어진 복합소재의 저항이 PVDF(75wt%), rGO(5wt%) 및 PEO(20wt%)로 이루어진 복합소재의 저항보다 높지만, rGO 농도가 더 적은 PVDF(79wt%)rGO(1wt%)PEO(20wt%) 복합소재의 저항이 PVDF(78wt%), rGO(2wt%) 및 PEO(20wt%)로 이루어진 복합소재보다 높은데 반해 민감도는 더 낮은 것으로 보아 각 복합소재의 저항과 온도 감지 민감도와의 연관성은 낮다고 할 수 있다.The resistances of PVDF (78wt%), rGO (2wt%) and PEO (20wt%) are compared with those of PVDF (75wt%), rGO (5wt%) and PEO (20wt%). (78wt%), rGO (2wt%) and PEO (20wt%), which are higher than the resistance of the composite material made of PVDF (79wt%) and rGO (1wt% ), The sensitivity of each composite is lower than that of composite material.

즉, 사용자가 필요로 하는 측정 가능 온도 범위를 갖는 복합소재를 제조하기 위해 복합소재의 적절한 조성비를 찾는 것이 바람직할 수 있다.That is, it may be desirable to find an appropriate composition ratio of the composite material to produce a composite material having a measurable temperature range required by the user.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 복합소재 제조 시 PEO가 20 중량%일 때, rGO은 1 중량% 내지 5 중량%가 바람직할 수 있고, PVDF는 75 중량% 내지 79 중량%가 바람직할 수 있다. PVDF, rGO 및 PEO로 이루어진 복합소재의 조성비의 합은 100 중량%이다.According to one embodiment of the present invention, when 20 wt% of PEO is used in the production of a composite material, rGO may be preferably 1 wt% to 5 wt%, and PVDF may be preferably 75 wt% to 79 wt% . The sum of the composition ratios of the composite material composed of PVDF, rGO and PEO is 100% by weight.

구체적으로 rGO의 농도는 1 중량% 내지 2 중량%인 것이 적합하다 rGO 농도가 1 중량% 미만인 경우, PVDF, rGO 및 PEO로 이루어진 복합소재의 전도 특성이 나타나지 않을 수 있어, 온도 감지 효율이 매우 낮은 문제를 갖는다. rGO 농도가 2 중량%를 초과하는 경우, 복합소재에 첨가된 rGO 시트들이 분산되어 있지 않고, rGO 시트들끼리 완전히 접촉되어 있다. 이로 인하여, PEO의 팽창 및 수축에 의해 PVDF, rGO 및 PEO로 이루어진 복합소재의 온도 감지 민감도가 향상되는 효과가 감소되는 문제가 있다. Specifically, it is preferable that the concentration of rGO is 1 wt% to 2 wt%. When the rGO concentration is less than 1 wt%, conduction characteristics of the composite material composed of PVDF, rGO and PEO may not be exhibited, I have a problem. When the rGO concentration exceeds 2 wt%, the rGO sheets added to the composite material are not dispersed, and the rGO sheets are completely in contact with each other. As a result, there is a problem that the effect of improving the temperature sensing sensitivity of the composite material made of PVDF, rGO, and PEO is reduced due to the expansion and contraction of the PEO.

도 4는 본 실시예에 따른 rGO의 농도에 대한 복합소재의 SEM 이미지이다.4 is an SEM image of the composite material with respect to the concentration of rGO according to the present embodiment.

이하 도 4를 참조하여 본 발명의 일 구현예에 대해 설명하도록 한다.Hereinafter, one embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.

도 4에 도시된 실험예들 중 온도 감지 민감도가 가장 높은 PVDF(78wt%), rGO(2wt%) 및 PEO(20wt%)로 이루어진 복합소재(402)와 온도 감지 민감도가 가장 낮은 PVDF(75wt%), rGO(5wt%) 및 PEO(20wt%)로 이루어진 복합소재(404)의 단면을 주사전자현미경(SEM)으로 관찰한 결과, PVDF(78wt%), rGO(2wt%) 및 PEO(20wt%)로 이루어진 복합소재(402)와 달리 PVDF(75wt%), rGO(5wt%) 및 PEO(20wt%)로 이루어진 복합소재(404)의 단면에서는 PEO 상이 분명하게 나타나지 않고 rGO 시트 및 매트릭스에 섞이는 특성을 보인다. 4, the composite material 402 having the highest temperature sensing sensitivity of PVDF (78 wt%), rGO (2 wt%) and PEO (20 wt%) and the PVDF having the lowest temperature sensing sensitivity (75 wt% ), rGO (2 wt%), and PEO (20 wt%) were observed with a scanning electron microscope (SEM) The PEO phase does not appear clearly in the cross section of the composite material 404 made of PVDF (75 wt%), rGO (5 wt%), and PEO (20 wt%), unlike the composite material 402 made of rGO .

매트릭스 내에 PEO 상이 분명하게 나타나지 않는 경우, PEO의 형태가 유지되지 않기 때문에 복합소재의 온도가 올라가도 부피가 변화될 수 있는 PEO 입자의 수가 적어 복합소재의 온도 감지 민감도가 저하될 수 있다.If the PEO phase is not clearly visible in the matrix, the temperature sensing sensitivity of the composite may deteriorate due to the small number of PEO particles that can change in volume even as the temperature of the composite increases as the shape of the PEO is not maintained.

즉, 매트릭스 내에 형태가 유지된 PEO가 균일하게 분포되어 있어야 본 발명의 일 실시예에서 의도하는 효과를 달성할 수 있다. That is, the shape-retained PEOs must be uniformly distributed in the matrix to achieve the intended effect in one embodiment of the present invention.

또한, rGO의 농도는 매트릭스 내에 존재하는 PEO 상에 영향을 미칠 수 있으며, 복합소재의 온도 감지 민감도를 향상시키기 위해 rGO를 적절한 농도로 첨가함이 바람직할 수 있다.Also, the concentration of rGO may affect the PEO phase present in the matrix, and it may be desirable to add rGO at an appropriate concentration to improve the temperature sensitive sensitivity of the composite.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 복합소재에서 PEO의 농도 변화에 따른 물성을 측정한 그래프이다. 이하 도 5를 참조하여 본 발명의 일 구현예에 대해 설명하도록 한다.FIG. 5 is a graph illustrating physical properties of a composite material according to a variation of concentration of PEO according to an embodiment of the present invention. FIG. Hereinafter, one embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.

본 발명에 따른 복합소재 제조 시, rGO가 2 중량%일 때, PEO는 20 중량% 내지 50 중량%, PVDF는 48 중량% 내지 78 중량%일 수 있다. 전체 조성비의 합은 100 중량%이다. In the production of the composite material according to the present invention, when rGO is 2 wt%, PEO may be 20 wt% to 50 wt%, and PVDF may be 48 wt% to 78 wt%. The total composition ratio is 100% by weight.

PEO 농도에 따른 PVDF, rGO 및 PEO로 이루어진 복합소재의 온도 감지 민감도를 나타낸 그래프(502)를 보면, 복합소재의 PVDF 48 중량% 내지 78 중량% 및 PEO 20 중량% 내지 50 중량%의 농도 범위 내에서 온도에 따른 저항 변화량이 가장 큰 복합소재는 PEO가 20 중량% 내지 30 중량%가 첨가된 복합소재인 것으로 나타난다. 즉, 복합소재에서 PEO의 조성비는 20 중량% 내지 30 중량%가 적합하다.A graph 502 showing the temperature sensing sensitivity of a composite material made of PVDF, rGO and PEO according to the concentration of PEO shows that the concentration of PVDF in the composite material ranges from 48% by weight to 78% by weight and PEO in the range from 20% by weight to 50% The composite material having the largest amount of change in resistance with temperature is a composite material in which PEO is added in an amount of 20% by weight to 30% by weight. That is, the composition ratio of PEO in the composite material is preferably 20% by weight to 30% by weight.

PEO의 농도가 20 중량% 미만인 경우, 매트릭스 내에 존재하는 PEO 입자의 수가 적기 때문에, PEO를 혼합시켜 얻을 수 있는 효과를 얻을 수 없게 된다. 즉, 본 발명의 일 실시예에 따른 복합소재에서는 PEO를 매트릭스 내에 rGO와 혼합시켜 rGO와 PEO가 균일하게 분포되도록 한 후에 PEO를 팽창시킴으로써 소재의 저항을 감소시키는 메커니즘을 이용하고 있는데, 매트릭스 내에 존재하는 PEO의 농도가 20 중량% 미만이라면, 이러한 메커니즘이 제대로 동작되지 못한다. 반대로 PEO의 농도가 30 중량%을 초과하는 경우, PEO의 형태가 유지되지 않고 매트릭스와 혼합되어 버릴 수 있다. 이러한 경우, 온도가 상승하면, PEO 입자와 매트릭스가 함께 팽창되어 복합 소재 전체의 부피가 증가되게 되고, 오히려 rGO 시트들 사이의 거리가 더 멀어지게 되어 저항이 증가할 수 있다. PEO 입자들이 형태를 유지한 상태에서 팽창하는 경우, PEO 입자들 주변의 rGO 또는 매트릭스를 압박할 수 있다. 따라서, rGO 시트들 사이의 간격이 줄어들게 되고, 그에 따라 전기전도도가 높아져 저항이 감소될 수 있다. 그러나 PEO 입자와 매트릭스의 부피가 함께 증가되면 rGO 시트들 사이의 간격이 오히려 멀어져 PVDF, rGO 및 PEO로 이루어진 복합소재의 온도 감지 민감도는 감소될 수 있다.When the concentration of PEO is less than 20% by weight, the effect obtained by mixing PEO can not be obtained because the number of PEO particles present in the matrix is small. That is, in the composite material according to an embodiment of the present invention, the PEO is mixed with the rGO in the matrix to uniformly distribute the rGO and the PEO, and then the PEO is expanded to reduce the resistance of the material. If the concentration of PEO is less than 20% by weight, such a mechanism will not work properly. Conversely, when the concentration of PEO exceeds 30 wt%, the form of PEO may not be maintained and may be mixed with the matrix. In this case, when the temperature rises, the PEO particles and the matrix are expanded together to increase the volume of the composite material as a whole. Rather, the distance between the rGO sheets becomes longer, and the resistance may increase. If the PEO particles expand while retaining their shape, they can compress the rGO or matrix around the PEO particles. Thus, the spacing between the rGO sheets is reduced, and consequently, the electrical conductivity can be increased and the resistance can be reduced. However, if the volume of the PEO particles and the matrix are increased together, the spacing between the rGO sheets may be rather distant and the temperature sensitive sensitivity of the composite material made of PVDF, rGO and PEO may be reduced.

따라서, 우수한 온도 감지 민감도를 갖는 복합소재는 rGO가 2 중량% 일 때, PEO는 20 중량% 내지 30 중량%, PVDF는 68 중량% 내지 78 중량%이 바람직할 수 있다. PVDF, rGO 및 PEO로 이루어진 복합소재의 조성비의 합은 100 중량%이다.Thus, composite materials with good temperature sensitive sensitivity may be preferred for 20 wt% to 30 wt% of PEO and 68 wt% to 78 wt% of PVDF when rGO is 2 wt%. The sum of the composition ratios of the composite material composed of PVDF, rGO and PEO is 100% by weight.

PVDF, rGO 및 PEO로 이루어진 복합소재의 PEO 농도에 따른 온도 감지 민감도(502)를 살펴보면, PVDF(68wt%), rGO(2wt%) 및 PEO(30wt%)로 이루어진 복합소재의 온도 감지 민감도가 가장 높음을 알 수 있다. PVDF(68wt%), rGO(2wt%) 및 PEO(30wt%)로 이루어진 복합소재의 온도 감지 민감도는 PEO가 첨가되지 않은 PVDF 및 rGO로 이루어진 복합소재의 온도 감지 민감도에 비해 10배 이상 높을 수 있다.The temperature sensing sensitivity (502) of the composite material composed of PVDF, rGO, and PEO (502) according to the PEO concentration was found to be the most sensitive to the temperature sensing sensitivity of the composite material composed of PVDF (68 wt%), rGO (2 wt%) and PEO High. The temperature sensitive sensitivity of composites composed of PVDF (68 wt%), rGO (2 wt%) and PEO (30 wt%) may be more than 10 times higher than the temperature sensitive sensitivity of composites composed of PVDF and rGO without PEO .

PVDF(68wt%), rGO(2wt%) 및 PEO(30wt%)로 이루어진 복합소재의 온도 감지 민감도를 나타내는 TCR 값을 계산한 결과(504), 상온에서 6%/℃ 이상의 높은 값을 얻을 수 있다.The TCR value (504) indicating the temperature sensing sensitivity of the composite material composed of PVDF (68 wt%), rGO (2 wt%) and PEO (30 wt%) was calculated (504) .

TCR(Temperature Coefficient of Resistance)은 온도저항계수로써, 하기한 식에 의해 도출될 수 있으며, 단위는 %로 나타낼 수 있다.The TCR (Temperature Coefficient of Resistance) is a temperature coefficient of resistance, which can be derived from the following formula, and the unit can be expressed in%.

Figure 112017093880280-pat00001
Figure 112017093880280-pat00001

또한, 히스테리시스(Hysteresis) 곡선(506)을 분석한 결과, 가열 및 냉각 시 온도의 증감에 따른 복합소재의 저항값의 변화가 유사하게 이루어짐을 확인할 수 있다. 즉, 온도가 증가할 때나 온도가 감소할 때 모두 동일한 측정치를 나타낼 수 있게 되는 것이다. 종래의 복합 소재의 경우, 온도가 증가할 때의 온도와 온도가 감소할 때의 온도가 상이하여, 온도 센서에 적용시 온도 증가시의 온도와 온도 감소시의 온도가 상이한 문제가 있었다. 본 발명의 일 실시예에 따른 복합소재는 온도 증가에 따른 저항값의 변화를 나타낸 히스테리시스 곡선과 온도 감소에 따른 저항값 변화를 나타낸 히스테리시스 곡선이 거의 동일함을 알 수 있다. Also, as a result of analyzing the hysteresis curve 506, it can be confirmed that the resistance value of the composite material changes similarly as the temperature increases or decreases during heating and cooling. That is, it is possible to display the same measurement value both when the temperature increases and when the temperature decreases. In the case of the conventional composite material, there is a problem that the temperature at the time of increasing the temperature differs from the temperature at the time of decreasing the temperature when applied to the temperature sensor. In the composite material according to an embodiment of the present invention, the hysteresis curve showing the change of the resistance value according to the temperature increase and the hysteresis curve showing the change in the resistance value due to the temperature decrease are almost the same.

도 2 내지 도 9는 PVDF, rGO 및 PEO의 농도를 특정하여 제조한 복합소재를 이용한 실험예들일 뿐, 본 실험예에서 제시한 복합소재의 조성비에 한정되지 않는다. 상술한 바대로 본 발명의 일 실시예에 따른 복합소재는, PVDF의 경우 79 중량% 내지 68 중량%의 조성비, rGO의 경우 1 중량% 내지 2 중량%의 조성비 및 PEO의 농도 20 중량% 내지 30 중량%의 조성비를 갖고 총 100 중량%로 구현될 수 있다. 즉, PVDF, rGO 및 PEO는 상술한 수치 범위내에서 다양하게 변화할 수 있다. 즉, 상술한 수치 범위 내에서 다양한 복합소재가 제조될 수 있다.2 to 9 are experimental examples using composite materials prepared by specifying the concentrations of PVDF, rGO, and PEO, but are not limited to the composition ratios of the composite materials shown in this Experimental Example. As described above, the composite material according to one embodiment of the present invention has a composition ratio of 79 wt% to 68 wt% for PVDF, a composition ratio of 1 wt% to 2 wt% for rGO, and a concentration of PEO of 20 wt% By weight and a composition ratio of 100% by weight. That is, PVDF, rGO, and PEO can vary in a wide range within the above-described numerical ranges. That is, various composite materials can be produced within the above-mentioned numerical range.

즉, PVDF, rGO 및 PEO의 조성비는 PVDF 100-(x+y)중량%, rGO x중량% 및 PEO y중량%일 수 있다. 여기서 x는 1 내지 2이고, y는 20 내지 30일 수 있다. PVDF, rGO 및 PEO로 이루어진 복합소재의 조성비의 합은 100 중량%이다.That is, the composition ratio of PVDF, rGO and PEO may be PVDF 100- (x + y) wt%, rGO x wt% and PEO y wt%. Where x can be from 1 to 2 and y can be from 20 to 30. The sum of the composition ratios of the composite material composed of PVDF, rGO and PEO is 100% by weight.

도 6은 본 실시예에 따른 복합소재들 중 PVDF(68wt%), rGO(2wt%) 및 PEO(30wt%)로 이루어진 복합소재의 최소 온도 감지 범위 측정 그래프이다.6 is a graph showing a minimum temperature sensing range measurement of a composite material composed of PVDF (68 wt%), rGO (2 wt%) and PEO (30 wt%) of the composite materials according to the present embodiment.

이하 도 6을 참조하여 본 발명의 일 구현예에 대해 설명하도록 한다.Hereinafter, one embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.

도 5에서의 실험 결과, 온도 감지 민감도가 가장 높았던 PVDF(68wt%), rGO(2wt%) 및 PEO(30wt%)로 이루어진 복합소재의 저항값 변화를 실시간으로 온도의 변화를 가하며 측정한 결과(602), 0.1℃ 내지 1℃ 범위로 바뀌는 온도를 감지할 수 있음을 알 수 있다.As a result of the experiment in FIG. 5, the resistance value change of the composite material having PVDF (68wt%), rGO (2wt%) and PEO (30wt%) having the highest temperature sensing sensitivity was measured in real time 602), and it is possible to detect a temperature changing in the range of 0.1 ° C to 1 ° C.

또한, 32℃ 내지 33℃에서 온도 변화에 따른 저항값의 변화를 측정한 결과(604), PVDF(68wt%), rGO(2wt%) 및 PEO(30wt%)로 이루어진 복합소재는 0.1℃의 온도 변화를 감지할 수 있음을 알 수 있다. 그래프(604)에 따르면, 온도가 0.1℃씩 감소됨에 따라 PVDF(68wt%), rGO(2wt%) 및 PEO(30wt%)로 이루어진 복합소재의 저항이 식별가능한 수준으로 감소하고 있다. 즉, 0.1℃가 변화하여도, 저항값의 차이가 확연하여, 0.1℃의 변화를 구분할 수 있는 것이다. 따라서 본 발명의 일실시예에 따른 복합소재를 이용 시, 0.1℃의 변화도 감지할 수 있어 온도 민감도를 크게 향상시킨 온도 센서를 구현할 수 있다.The composite material made of PVDF (68 wt%), rGO (2 wt%), and PEO (30 wt%) was measured at a temperature of 0.1 DEG C It can be seen that the change can be detected. According to the graph 604, as the temperature is decreased by 0.1 ° C, the resistance of composites made of PVDF (68 wt%), rGO (2 wt%) and PEO (30 wt%) is decreasing to an identifiable level. That is, even if the temperature is changed by 0.1 ° C, the difference in resistance value is distinct and the change of 0.1 ° C can be distinguished. Accordingly, when using the composite material according to one embodiment of the present invention, it is possible to realize a temperature sensor that can detect a change of 0.1 ° C and greatly improve the temperature sensitivity.

32℃ 내지 33℃는 인간의 피부 겉면의 온도로써, 32℃ 내지 33℃ 사이에서 0.1℃의 변화도 감지할 수 있는 본 발명의 일 실시예에 따른 복합소재는 인공 피부에 적용될 수 있을 것이다. 즉, 본 발명의 일 실시예에 따른 복합소재를 인공피부의 소재로 적용하면 상당한 온도 민감도를 갖는 인공 피부를 구현할 수 있을 것이다.The composite material according to one embodiment of the present invention, which can detect a change in temperature between 32 ° C and 33 ° C and 0.1 ° C as a temperature of the skin surface of a human, can be applied to artificial skin. That is, if a composite material according to an embodiment of the present invention is applied to a material of an artificial skin, artificial skin having a considerable temperature sensitivity can be realized.

도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 복합소재의 기계적 자극에 대한 온도 감지 민감도 측정 그래프이다.7 is a graph of temperature sensing sensitivity measurements for mechanical stimulation of a composite material in accordance with an embodiment of the present invention.

이하 도 7을 참조하여 본 발명의 일 구현예에 대해 설명하도록 한다.Hereinafter, one embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.

본 실시예에 따른 복합소재가 온도 센서로 이용될 경우, 압력 및 굽힘과 같은 기계적 자극에 대한 반응은 독립적인 온도 감지에 있어서 중요한 사항이다.When the composite material according to this embodiment is used as a temperature sensor, the response to mechanical stimulation such as pressure and bending is an important consideration in independent temperature sensing.

본 실시예에 따른 복합소재로 제조된 온도 센서가 감지할 수 있는 온도 또는 압력 조건은 복합소재에 부착되는 전극의 부착 형태(701)에 따라 다르다. 본 실시예에 따른 온도 센서가 압력 및 온도가 변화되는 조건에서 온도에 대해서만 반응하도록 전극을 복합소재 상부의 좌우에 평행하게 배치시켜 온도 센서를 제조하는 것이 바람직하다. 전극의 배치 형태에 따른 온도 센서의 압력에 대한 반응 여부를 나타낸 그래프(702)를 보면, 전극의 배치 형태에 따라 센서의 압력에 대한 반응이 달라지는 현상을 확인할 수 있다. 평행하게 배치된 전극으로 이루어진 온도 센서와 달리, 복합소재의 상면 및 하면에 수직하게 배치된 전극으로 이루어진 온도 센서는 압력이 변화할 때 저항이 달라진다.The temperature or pressure condition that can be sensed by the temperature sensor made of the composite material according to this embodiment is different according to the attachment form 701 of the electrode attached to the composite material. It is preferable to arrange the electrodes parallel to the left and right of the upper portion of the composite material so that the temperature sensor according to the present embodiment reacts only with the temperature under the conditions that the pressure and the temperature are changed. A graph 702 showing the response of the temperature sensor to the pressure according to the arrangement of the electrodes shows that the response to the pressure of the sensor varies depending on the arrangement of the electrodes. Unlike a temperature sensor made up of electrodes arranged in parallel, a temperature sensor made up of electrodes vertically arranged on the upper and lower surfaces of the composite material has different resistances when the pressure changes.

즉, 본 실시예 따른 온도 센서를 통해 압력을 제외한 온도 변화만 감지되도록 복합소재에 부착되는 전극을 복합소재 상부의 좌우에 평행하도록 부착시키는 것이 바람직할 수 있다.That is, it is preferable that the electrode attached to the composite material is attached parallel to the left and right of the upper portion of the composite material so that only the temperature change except the pressure is detected through the temperature sensor according to the present embodiment.

본 실시예에 따른 온도 센서는 필름 형태의 복합소재와 전극이 구리 테이프로 부착된 형태일 수 있다. 구리 테이프는 전기전도도가 우수하여 온도 센서의 성능을 저하시키는 문제를 발생시키지 않는다.The temperature sensor according to this embodiment may be in the form of a film-like composite material and an electrode attached with a copper tape. The copper tape has excellent electric conductivity and does not cause a problem of deteriorating the performance of the temperature sensor.

또한, 실버 페이스트(Silver Paste)로 전극과 복합소재를 접착시켜 복합소재와 전극 사이의 접촉 저항을 낮출 수 있다.In addition, the electrode and the composite material can be adhered to each other by silver paste, thereby reducing the contact resistance between the composite material and the electrode.

본 실시예에 따른 온도 센서를 일정한 온도로 유지시키면서, 압력을 달리하여 온도 감지 민감도를 측정한 결과(703), 온도 센서의 저항은 압력이 변화되는 조건에서 일정하게 유지됨을 확인할 수 있다. As a result of measuring the temperature sensing sensitivity by varying the pressure while maintaining the temperature sensor according to the present embodiment at a constant temperature (703), it can be confirmed that the resistance of the temperature sensor is kept constant under the condition that the pressure is changed.

즉, 본 실시예에 따른 온도 센서는 온도 변화만 감지할 수 있다. That is, the temperature sensor according to the present embodiment can detect temperature change only.

본 실시예에 따른 온도 센서의 온도를 변화시킬 수 있는 물체를 이용하여 온도 센서에 하중을 가하면 온도에 의해 저항이 증가 또는 감소될 수 있다.When a load is applied to the temperature sensor using an object capable of changing the temperature of the temperature sensor according to the present embodiment, the resistance can be increased or decreased by the temperature.

일 예로, 신체의 일부가 온도 센서에 터치되면 온도 변화로 인하여 저항이 변화될 수 있다.For example, when a part of the body is touched by the temperature sensor, the resistance may change due to the temperature change.

하중에 따른 온도 센서의 저항 변화를 측정(704)하는 동안, 전자저울을 통해 하중을 측정할 수 있다. 본 실시예에 따른 온도 센서를 100g, 200g 및 500g의 하중으로 온도 감지 민감도를 측정한 결과(705), 하중이 가해지는 순간에 저항 변화에 따른 신호가 발생됨을 알 수 있다. 온도 센서에 하중이 가해지는 동안, 신호 변화는 발생되지 않는다. While measuring the resistance change of the temperature sensor according to the load (704), the load can be measured through the electronic balance. The temperature sensing sensitivity of the temperature sensor according to the present embodiment is measured by a load of 100 g, 200 g, and 500 g (705). As a result, a signal corresponding to a resistance change is generated at the moment when the load is applied. No signal changes occur while the load is applied to the temperature sensor.

또한, 온도 센서에 가해지는 하중을 제거하는 순간에 저항이 바뀌어 이에 대한 신호가 발생된다. In addition, the resistance is changed at the instant of removing the load applied to the temperature sensor, and a signal is generated.

즉, 온도 센서에 하중이 가해지는 순간과 하중에 제거되는 순간은 발생되는 신호를 통해 알 수 있다. That is, the instant when the load is applied to the temperature sensor and the moment when the load is removed can be known through the generated signal.

일 예로, 손가락이 온도 센서에 터치될 경우, 손가락의 열에 의해 온도 센서가 가열되어 저항이 바뀔 수 있다.For example, when the finger is touched by the temperature sensor, the resistance of the temperature sensor may be changed by the heat of the finger.

온도 센서가 손가락으로 터치되었을 때의 저항 변화 그래프(706)를 보면, 온도 센서가 터치되는 순간에 온도 센서의 온도가 상승하여 저항이 감소됨을 알 수 있다. 온도 센서가 터치되는 동안, 온도 센서의 온도는 유지되기 때문에 저항 변화는 일어나지 않는다. 온도 센서의 터치가 중단되면, 온도 센서가 냉각되기 시작하고, 이에 따라 온도 센서의 저항이 점차 증가된다. 온도 센서가 터치되기 전의 온도로 회복되면 저항은 터치되기 전의 저항과 같아질 수 있다.In the graph 706 of the resistance change when the temperature sensor is touched with a finger, it can be seen that the temperature of the temperature sensor rises and the resistance decreases as soon as the temperature sensor is touched. While the temperature sensor is being touched, the temperature of the temperature sensor is maintained and no resistance change occurs. When the touch of the temperature sensor is interrupted, the temperature sensor starts to cool, and accordingly the resistance of the temperature sensor gradually increases. When the temperature sensor is restored to its pre-touch temperature, the resistance can be equal to the resistance before touching.

즉, 본 실시예에 따른 온도 센서는 온도 변화를 통해 터치 여부를 감지할 수 있다.That is, the temperature sensor according to the present embodiment can detect whether or not it is touched through the temperature change.

도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 복합소재의 굽힘 조건에 대한 온도 감지 민감도 측정 그래프이다.FIG. 8 is a graph showing a temperature sensing sensitivity measurement for a bending condition of a composite material according to an embodiment of the present invention.

이하 도 8을 참조하여 본 발명의 일 구현예에 대해 설명하도록 한다.Hereinafter, one embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.

본 실시예에 따른 복합소재의 굽힘에 대한 온도 감지 민감도를 기판의 존재 여부에 따라 측정한 결과(802), 기판을 포함시키지 않은 복합소재는 굽힘에 대한 저항 변화가 발생되지 않음을 알 수 있다. 기판을 포함하는 복합소재는, 굽힘에 대한 응력(stress)을 받은 기판으로 인하여 기판과 복합소재 사이에 응력이 집중되어 저항 변화가 일어날 수 있다. As a result of measuring the temperature sensing sensitivity of the composite material according to the present embodiment according to the presence or absence of the substrate (802), it can be seen that the composite material without the substrate does not change resistance to bending. In the composite material including the substrate, stress may be concentrated between the substrate and the composite material due to the substrate subjected to bending stress, resulting in a resistance change.

본 실시예에 따른 복합소재가 구부러진 상태에서 온도 감지 민감도를 측정한 결과(804), 복합소재가 구부러지지 않았을 때와 굽힘 정도가 3mm 내지 14mm일 때의 온도에 따른 저항 변화율은 유사함을 알 수 있다.As a result of measuring the sensitivity of the temperature sensing in the bent state of the composite material according to the present embodiment (804), it is found that the rate of resistance change according to the temperature when the composite material is not bent and the degree of bending is 3 mm to 14 mm is similar have.

또한, 굽힘 횟수에 따른 복합소재의 온도 감지 민감도를 측정한 결과(806), 0회 내지 1,000회의 굽힘 자극이 이루어진 복합소재들의 온도에 대한 저항 변화율은 유사함을 알 수 있다.In addition, the temperature sensing sensitivity of the composite material according to the number of bending times was measured (806), and the resistance change rate with respect to the temperature of the composite material having the bending stimulus of 0 to 1,000 times was similar.

즉, 본 실시예에 따른 복합소재는 기계적 자극에 대한 영향을 받지 않는다. 또한, 온도 변화에 따른 저항 변화율이 일정하게 유지될 수 있으며, 물리적 자극에 대한 내구성이 우수하다.That is, the composite material according to the present embodiment is not affected by mechanical stimulation. Also, the rate of change in resistance with temperature change can be kept constant, and the durability against physical stimulation is excellent.

도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 복합소재에서 온도 감응 변색층이 코팅된 복합소재의 온도 감지 특성을 나타낸 이미지이다.9 is an image showing a temperature sensing characteristic of a composite material coated with a temperature sensitive coloring layer in a composite material according to an embodiment of the present invention.

본 발명의 일 실시예에 따른 복합소재는 온도에 따라 색이 변하는 변색층을 더 포함할 수 있다. 즉, 특정 온도에서 특정 색상을 띄게하는 색소를 포함하는 변색층을 복합소재에 코팅함으로써 시각적으로 온도를 표시할 수 있다.The composite material according to an embodiment of the present invention may further include a discoloration layer whose color changes depending on the temperature. In other words, the temperature can be visually displayed by coating the composite material with a discoloration layer including a dye that makes a specific color appear at a specific temperature.

즉, 본 발명의 일 실시예에 따른 복합소재는 그 일면에 코팅된 온도 감응 변색층을 더 포함할 수 있다. 온도 감응 변색층은 폴리디메틸실록산(Polydimethylsiloxane: PDMS)과 PDMS 내에 혼합된 적어도 하나의 온도 감응 변색 색소를 포함할 수 있다. 여기서 온도 감응 변색 색소는 온도에 따라 색이 변화되는 특성을 갖는다.That is, the composite material according to an exemplary embodiment of the present invention may further include a temperature sensitive color layer coated on one side thereof. The temperature responsive discoloration layer may comprise polydimethylsiloxane (PDMS) and at least one temperature sensitive discolouration dye mixed in the PDMS. Here, the temperature sensitive coloring dye has a characteristic in which the color changes depending on the temperature.

일 예로, 하나의 온도 감응 변색 색소로 이루어진 온도 감응 변색층을 포함하는 복합소재(902)는, 온도 감응 변색 색소의 색이 변하는 온도에 도달되면 색이 변할 수 있다.For example, the composite material 902 including a temperature-sensitive coloring layer made of one temperature-sensitive color-changing pigment may change color when the temperature of the temperature-sensitive color-changing pigment reaches a temperature at which the color changes.

또한, 둘 이상의 온도 감응 변색 색소들로 이루어진 온도 감응 변색층을 포함하는 복합소재(904)는 첨가된 변색 색소들의 수에 따라 감지 가능한 온도 범위 또는 온도 감지 개수가 달라질 수 있다.Further, in the composite material 904 including the temperature sensitive coloring layer composed of two or more temperature sensitive coloring dyes, the sensible temperature range or the number of temperature sensing can be changed depending on the number of added coloring dyes.

이러한 복합소재(906)는 온도 감지 필름으로 제조되어 온도 센서의 일면에 얇게 적층될 수 있으며, 인공 전자 피부, 바이오 센서 등에 적용될 수 있다. The composite material 906 may be made of a temperature sensing film and laminated thinly on one side of the temperature sensor, and may be applied to an artificial electronic skin, a biosensor, and the like.

도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 복합소재를 제조하는 방법을 간략히 도시한 순서도이다.10 is a flowchart briefly showing a method of manufacturing a composite material according to an embodiment of the present invention.

제조 방법의 각 단계들은 복합소재를 제조하는 장치에 의해 수행될 수 있다. Each step of the manufacturing method can be performed by an apparatus for producing a composite material.

도 10에 따르면, 용매에 PVDF를 혼합시키는 단계(1020)를 통해 제1 혼합물을 제조할 수 있다. 여기서의 용매는 PVDF, rGO 및 PEO가 모두 균일하게 혼합될 수 있도록, PVDF, rGO 및 PEO에 대한 용해도가 높은 용매이다. 예컨대, 이러한 용매는 다이메틸폼아마이드(Dimethylformamide: DMF)일 수 있다. According to FIG. 10, the first mixture may be prepared through mixing (1020) PVDF with the solvent. The solvent here is a highly soluble solvent for PVDF, rGO and PEO so that both PVDF, rGO and PEO can be uniformly mixed. For example, such a solvent may be dimethylformamide (DMF).

제1 혼합물에 rGO를 혼합시키는 단계(1040)를 통해 제2 혼합물을 제조할 수 있고, 제2 혼합물에 PEO를 혼합시키는 단계(1060)를 통해 제3 혼합물을 제조할 수 있다.A second mixture may be prepared through mixing rGO to the first mixture (1040), and a third mixture may be prepared (1060) by mixing the second mixture with PEO.

용매에 PVDF, rGO 및 PEO를 순차적으로 혼합시킴으로써, 매트릭스 내에 rGO와 PEO가 어느 한 부분에 뭉치거나 가라앉지 않고 균일하게 분포될 수 있다.By sequentially mixing PVDF, rGO, and PEO in a solvent, rGO and PEO can be uniformly distributed in the matrix without any aggregation or sinking.

용매에 혼합되는 PVDF, rGO 및 PEO의 조성비는 PVDF 100-(x+y)중량%, rGO x중량% 및 PEO y중량%일 수 있다. 여기서 x는 1 내지 2이고, y는 20 내지 30일 수 있다. PVDF, rGO 및 PEO로 이루어진 복합소재의 조성비의 합은 100 중량%이다.The composition ratio of PVDF, rGO and PEO mixed in the solvent may be PVDF 100- (x + y) wt%, rGO x wt% and PEO y wt%. Where x can be from 1 to 2 and y can be from 20 to 30. The sum of the composition ratios of the composite material composed of PVDF, rGO and PEO is 100% by weight.

rGO의 농도가 1 중량% 미만인 경우, 제조된 복합소재의 전기전도도가 낮아 온도 감지가 이루어지지 않을 수 있다. rGO의 농도가 2 중량% 초과인 경우, rGO와 매트릭스가 결합되어 rGO 상이 분명하게 나타나지 않고 섞일 수 있다. 따라서 제조된 복합소재의 전기전도도가 저하될 수 있다.If the concentration of rGO is less than 1% by weight, the electrical conductivity of the composite material may be low and the temperature sensing may not be performed. When the concentration of rGO is more than 2% by weight, the rGO and the matrix may be combined so that the rGO phase can be mixed without any apparent appearance. Therefore, the electrical conductivity of the composite material produced may be lowered.

PEO의 농도가 20 중량% 미만인 경우, 제조된 복합소재의 온도가 상승되어도 팽창되는 PEO 입자의 수가 적기 때문에 온도 감지 민감도의 향상이 크지 않다. PEO가 30 중량% 초과인 경우, PEO와 PVDF가 결합되어 섞일 수 있다. 온도가 상승되면 제조된 복합소재의 매트릭스 및 PEO가 동시에 팽창되어 전체 부피가 증가될 수 있다. 따라서, 매트릭스 내에 분포된 rGO 시트들 사이의 거리가 멀어져 복합소재의 저항이 증가된다. 제3 혼합물의 용매를 증발시키는 단계(1080)을 통해, DMF를 증발시켜, 혼합물을 경화시킴으로써 복합소재가 제조될 수 있다. 제조된 복합소재는 필름 형태로 이루어질 수 있으며, 신체 일부에 부착이 용이할 수 있다.When the concentration of PEO is less than 20% by weight, even when the temperature of the composite material is raised, the number of expanded PEO particles is small. When PEO is more than 30% by weight, PEO and PVDF can be combined and mixed. When the temperature is raised, the composite matrix and the PEO produced may be simultaneously expanded to increase the total volume. Therefore, the distance between the rGO sheets distributed in the matrix is increased, and the resistance of the composite material is increased. Through step 1080 of evaporating the solvent of the third mixture, the composite material can be prepared by evaporating the DMF and curing the mixture. The composite material may be in the form of a film and may be easily attached to a part of the body.

본 실시예에 따른 복합소재의 일면에 온도 감응 변색층을 코팅시켜 적층시킬 수 있다. 온도 감응 변색층은 폴리디메틸실록산(Polydimethylsiloxane: PDMS) 및 적어도 하나의 온도 감응 변색 색소를 포함할 수 있고, 온도 감응 변색 색소는 PDMS 내에 균일하게 분포될 수 있다.The temperature responsive coloring layer may be coated on one surface of the composite material according to the present embodiment. The temperature responsive discoloration layer may comprise polydimethylsiloxane (PDMS) and at least one temperature sensitive discoloration dye, and the temperature sensitive discoloration dye may be uniformly distributed within the PDMS.

온도 감응 변색층이 코팅된 복합소재는 전기적 특성 변화 및 색 변화를 통해 온도 감지 결과를 나타낼 수 있다. 즉, 사용자는 온도 변화를 수치적 및 가시적으로 알 수 있다.The composite material coated with the temperature sensitive color change layer can show the result of temperature sensing by changing electrical characteristic and color change. That is, the user can know the temperature change numerically and visually.

본 발명의 일 실시예에 따른 복합소재로 이루어진 온도 센서의 두께는 50um미만으로 제작될 수 있다. 이에 따라, 제조된 온도 센서는 유연한 특성을 가지며 웨어러블 기기에 적용될 수 있다.The thickness of the temperature sensor made of composite material according to an embodiment of the present invention may be less than 50um. Accordingly, the manufactured temperature sensor has a flexible characteristic and can be applied to a wearable device.

제시된 실시예들에 대한 설명은 임의의 본 발명의 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 이용하거나 또는 실시할 수 있도록 제공된다. 이러한 실시예들에 대한 다양한 변형들은 본 발명의 기술 분야에서 통상의 지식을 가진자에게 명백할 것이며, 여기에 정의된 일반적인 원리들은 본 발명의 범위를 벗어남이 없이 다른 실시예들에 적용될 수 있다. 그리하여, 본 발명은 여기에 제시된 실시예들로 한정되는 것이 아니라, 여기에 제시된 원리들 및 신규한 특징들과 일관되는 최광의의 범위에서 해석되어야 할 것이다.The description of the disclosed embodiments is provided to enable any person skilled in the art to make or use the present invention. Various modifications to these embodiments will be readily apparent to those skilled in the art, and the generic principles defined herein may be applied to other embodiments without departing from the scope of the invention. Thus, the present invention is not intended to be limited to the embodiments shown herein but is to be accorded the widest scope consistent with the principles and novel features presented herein.

102 : 매트릭스
104 : 전도성 충전재
106 : 반결정 고분자(solid)
108 : 반결정 고분자(molten)
200 : PEO의 분자량에 따른 복합소재의 녹는점을 나타낸 그래프
202 : 분자량 1k의 PEO가 포함된 복합소재의 녹는점을 나타낸 그래프
204 : 분자량 1.5k의 PEO가 포함된 복합소재의 녹는점을 나타낸 그래프
206 : 분자량 4k의 PEO가 포함된 복합소재의 녹는점을 나타낸 그래프
300 : rGO의 농도에 대한 복합소재의 저항 변화 그래프
302 : rGO 농도에 따른 복합소재의 온도 감지 민감도를 나타낸 그래프
304 : rGO 농도에 따른 복합소재의 저항 변화를 나타낸 그래프
400 : rGO 농도에 대한 복합소재의 SEM 이미지
402 : PVDF(78wt%), rGO(2wt%) 및 PEO(20wt%)로 이루어진 복합소재의 SEM 이미지
404 : PVDF(75wt%), rGO(5wt%) 및 PEO(20wt%)로 이루어진 복합소재의 SEM 이미지
500 : PEO 농도에 대한 복합소재의 물성 측정 그래프
502 : PEO 농도에 따른 복합소재의 온도 감지 민감도 그래프
504 : PVDF(68wt%), rGO(2wt%) 및 PEO(30wt%)로 이루어진 복합소재의 TCR 그래프
506 : PVDF(68wt%), rGO(2wt%) 및 PEO(30wt%)로 이루어진 복합소재의 Hysteresis 그래프
600 : PVDF(68wt%), rGO(2wt%) 및 PEO(30wt%)로 이루어진 복합소재의 최소 온도 감지 범위 측정 그래프
602 : PVDF(68wt%), rGO(2wt%) 및 PEO(30wt%)로 이루어진 복합소재의 저항을 0℃ 내지 175℃ 범위에서 측정한 결과
604 : PVDF(68wt%), rGO(2wt%) 및 PEO(30wt%)로 이루어진 복합소재의 최소 감지 온도 범위를 32℃ 내지 40℃ 범위에서 측정한 결과
700 : 복합소재의 기계적 자극에 대한 온도 감지 민감도 측정 그래프 및 이미지
701 : 전극의 배열 형태를 나타낸 이미지
702 : 전극의 배열 형태 및 PEO의 첨가 여부에 따른 압력에 대한 저항 변화량을 나타낸 그래프
703 : 복합소재를 20℃ 내지 40℃ 범위에서 일정한 온도가 유지되는 동안, 압력을 0kPa부터 30kPa까지 증가시키면서 온도 감지 민감도를 측정한 그래프
704 : 복합소재에 하중을 가하며 하중 및 저항 변화를 측정하는 이미지
705 : 복합소재에 하중을 가하고 제거하는 동안의 저항 변화를 나타낸 그래프
706 : 복합소재가 손가락으로 터치되는 동안의 저항 변화를 나타낸 그래프
715 : 복합소재에 압력을 가할 때의 신호 변화
725 : 복합소재에 압력을 제거할 때의 신호 변화
800 : 복합소재의 굽힘에 대한 온도 감지 민감도 측정 그래프
802 : 복합소재의 굽힘에 대한 온도 감지 민감도를 기판의 존재 여부에 따라 측정한 결과
804 : 복합소재를 굽힌 상태에서 온도 감지 민감도를 측정한 결과
806 : 굽힘 횟수에 따른 복합소재의 온도 감지 민감도를 측정한 결과
900 : 온도 감응 변색층을 포함하는 복합소재의 온도 감지 특성을 나타내는 이미지
902 : PDMS 및 하나의 온도 감응 변색 색소를 포함하는 온도 감응 변색층이 코팅된 복합소재
904 : PDMS 및 둘 이상의 온도 감응 변색 색소들로 이루어진 온도 감응 변색층이 코팅된 복합소재
906 : 온도 감응 변색층을 포함하는 복합소재의 온도에 따른 전기적 변화 및 색 변화 측정 결과
1000 : 복합소재 제조 방법
102: Matrix
104: Conductive filler
106: Semi-crystalline polymer (solid)
108: a semi-crystalline polymer (molten)
200: Graph showing melting point of composite material according to molecular weight of PEO
202: Graph showing melting point of composite material containing PEO of 1k molecular weight
204: Graph showing melting point of composite material containing PEO of 1.5k molecular weight
206: Graph showing melting point of composite material containing PEO of molecular weight 4k
300: Graph of resistance change of composite material to rGO concentration
302: Graph showing sensitivity of temperature sensing of composite materials according to rGO concentration
304: Graph showing resistance change of composite material with rGO concentration
400: SEM image of composite material for rGO concentration
402: SEM image of composite material composed of PVDF (78 wt%), rGO (2 wt%) and PEO (20 wt%)
404: SEM image of composite material consisting of PVDF (75 wt%), rGO (5 wt%) and PEO (20 wt%)
500: Graph of physical properties of composite material with PEO concentration
502: Temperature Sensitivity Sensitivity Graph for Composites with PEO Concentration
504: TCR graph of composite material consisting of PVDF (68 wt%), rGO (2 wt%) and PEO (30 wt%)
506: Hysteresis graph of composite material composed of PVDF (68 wt%), rGO (2 wt%) and PEO (30 wt%)
600: Minimum temperature sensing range measurement graph of composite material composed of PVDF (68 wt%), rGO (2 wt%) and PEO (30 wt%)
602: Resistance of a composite material made of PVDF (68 wt%), rGO (2 wt%) and PEO (30 wt%) was measured at 0 캜 to 175 캜
604: The minimum sensing temperature range of composite material composed of PVDF (68 wt%), rGO (2 wt%) and PEO (30 wt%) was measured in the range of 32 캜 to 40 캜
700: Temperature Sensitivity Sensitivity Graphs and Images for Mechanical Stimulation of Composites
701: An image showing the arrangement of electrodes
702: graph showing resistance change amount to pressure according to arrangement type of electrodes and whether or not PEO is added
703: Graph showing the temperature sensing sensitivity while increasing the pressure from 0 kPa to 30 kPa while the composite material is maintained at a constant temperature in the range of 20 to 40 캜
704: An image that measures load and resistance change by applying a load to a composite material
705: Graph showing resistance change during loading and removal of composite material
706: Graph showing the resistance change of a composite material while being touched with a finger
715: Signal change when applying pressure to composite material
725: Signal changes when pressure is removed from composite material
800: Temperature Sensitivity Sensitivity Graph for Composite Bending
802: The sensitivity of temperature sensing to the bending of the composite is measured according to the presence of the substrate
804: Temperature Sensitivity Sensitivity Measured with Composite Bending
806: Sensitivity of temperature sensing of composite material with the number of bending times
900: Image showing the temperature sensing characteristics of a composite material including a temperature sensitive color layer
902: A composite material coated with a temperature sensitive color-changing layer containing PDMS and one temperature-sensitive coloring pigment
904: PDMS and a composite material coated with a temperature sensitive color-changing layer consisting of two or more temperature sensitive coloring pigments
906: Electrical and color change measurement results of composite materials including temperature sensitive color change layer
1000: Composite material manufacturing method

Claims (13)

폴리비닐리덴플루오라이드(PVDF);
상기 PVDF 내에 균일하게 혼합된 환원된 산화그래핀(rGO); 및
상기 PVDF와 rGO 내에 균일하게 혼합된 반결정성 고분자;를 포함하고,
일면이 온도 감응 변색층으로 코팅된,
복합소재.
Polyvinylidene fluoride (PVDF);
Reduced oxidized graphene (rGO) mixed uniformly in the PVDF; And
And a semi-crystalline polymer uniformly mixed in the PVDF and the rGO,
Coated on one side with a temperature sensitive color change layer,
Composite material.
제1항에 있어서,
상기 반결정성 고분자는 폴리에틸렌 옥사이드(PEO)인,
복합소재.
The method according to claim 1,
The semi-crystalline polymer is polyethylene oxide (PEO)
Composite material.
제2항에 있어서,
상기 복합소재는,
PVDF 100-(x+y)중량%, rGO x중량% 및 PEO y중량%를 포함하고,
상기 x는 1 내지 2이고,
상기 y는 20 내지 30인,
복합소재.
3. The method of claim 2,
In the composite material,
PVDF 100- (x + y) wt.%, RGO x wt.% And PEO y wt.%,
X is 1 to 2,
Y is from 20 to 30,
Composite material.
제2항에 있어서,
상기 PEO의 분자량은 1k 내지 4k인,
복합소재.
3. The method of claim 2,
Wherein the molecular weight of the PEO is 1k to 4k,
Composite material.
제1항에 있어서,
상기 온도 감응 변색층은,
폴리디메틸실록산(Polydimethylsiloxane: PDMS); 및
상기 PDMS 내에 균일하게 혼합된 적어도 하나의 온도 감응 변색 색소;를 포함하는,
복합소재.
The method according to claim 1,
Wherein the temperature-sensitive color change layer comprises:
Polydimethylsiloxane (PDMS); And
And at least one temperature sensitive color changing pigment uniformly mixed in the PDMS.
Composite material.
제1항의 복합소재; 및
상기 복합소재 상부의 좌우에 평행하게 배치된 전극들을 포함하는,
온도 센서.
The composite material of claim 1; And
And electrodes disposed parallel to the left and right of the composite material top.
temperature Senser.
제6항에 있어서,
상기 반결정성 고분자의 분자량에 따라 상기 온도 센서의 온도 감지 민감도가 높은 온도 범위가 상이한,
온도 센서.
The method according to claim 6,
Wherein the temperature sensing sensitivity of the temperature sensor is different according to the molecular weight of the semi-crystalline polymer,
temperature Senser.
제6항에 있어서,
상기 온도 센서는 필름 형태를 갖는,
온도 센서.
The method according to claim 6,
The temperature sensor has a film form,
temperature Senser.
제6항에 있어서,
상기 온도 감응 변색층은 PDMS 및 PDMS 내에 균일하게 혼합된 적어도 하나의 온도 감응 변색 색소를 포함하고,
상기 온도 센서는 측정한 온도를 상기 색소로 인한 색상으로 출력하는,
온도 센서.
The method according to claim 6,
Wherein the temperature responsive coloring layer comprises at least one temperature sensitive color changing pigment uniformly mixed in PDMS and PDMS,
Wherein the temperature sensor outputs the measured temperature as a color due to the coloring matter,
temperature Senser.
용매에 PVDF를 혼합시키는 제1 혼합단계;
상기 제1 혼합단계에서 혼합된 혼합물에 rGO를 혼합시키는 제2 혼합단계;
상기 제2 혼합단계에서 혼합된 혼합물에 PEO를 혼합시키는 제3 혼합단계;
상기 제3 혼합단계에서 혼합된 혼합물의 용매를 증발시켜 상기 제3 혼합단계에서 혼합된 혼합물을 경화시키는 단계; 및
상기 혼합물을 경화시키는 단계에 의해 제조된 복합소재의 일면에 온도 감응 변색층을 코팅하는 단계;를 포함하는,
복합소재 제조 방법.
A first mixing step of mixing PVDF in a solvent;
A second mixing step of mixing rGO with the mixture mixed in the first mixing step;
A third mixing step of mixing PEO with the mixture mixed in the second mixing step;
Evaporating the solvent of the mixed mixture in the third mixing step to cure the mixed mixture in the third mixing step; And
And coating a temperature sensitive coloring layer on one side of the composite material prepared by curing the mixture.
Composite material manufacturing method.
제10항에 있어서,
상기 용매는 다이메틸폼아마이드(Dimethylformamide: DMF)인,
복합소재 제조 방법.
11. The method of claim 10,
The solvent is dimethylformamide (DMF)
Composite material manufacturing method.
제10항에 있어서,
상기 제1 혼합단계에서 상기 PVDF를 100-(x+y)중량% 혼합시키고,
상기 제2 혼합단계에서 상기 rGO를 x중량% 혼합시키고,
상기 제3 혼합단계에서 상기 PEO를 y중량% 혼합시키고,
상기 x는 1 내지 2이고,
상기 y는 20 내지 30인,
복합소재 제조 방법.
11. The method of claim 10,
In the first mixing step, the PVDF is mixed with 100- (x + y) wt%
Mixing rGO by x% by weight in the second mixing step,
Mixing the PEO in y wt% in the third mixing step,
X is 1 to 2,
Y is from 20 to 30,
Composite material manufacturing method.
제10항에 있어서,
상기 온도 감응 변색층을 코팅하는 단계에서,
상기 온도 감응 변색층은 PDMS 및 PDMS 내에 균일하게 혼합된 적어도 하나의 온도 감응 변색 색소를 포함하는,
복합소재 제조 방법.
11. The method of claim 10,
In the step of coating the temperature-sensitive color changing layer,
Said temperature responsive coloring layer comprising at least one temperature sensitive color changing pigment uniformly mixed in PDMS and PDMS,
Composite material manufacturing method.
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