KR102045220B1 - 스트레인 센싱 소자, 이를 이용한 어레이 센서 및 이의 제조방법 - Google Patents

스트레인 센싱 소자, 이를 이용한 어레이 센서 및 이의 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 스트레인 센싱 소자, 이를 이용한 어레이 센서 및 이의 제조방법에 대한 것으로, 상기 스트레인 센싱 소자는 제1 전도성 섬유 및 제2 전도성 섬유가 교차되어 배치되며, 상기 제1 전도성 섬유 및 제2 전도성 섬유 사이의 교차점에 가변저항 복합체가 위치하므로서 위치별 정밀 검측이 가능하며, 본 발명의 제조방법을 통해 보다 쉽고 저렴하게 센서를 제조할 수 있다.

Description

스트레인 센싱 소자, 이를 이용한 어레이 센서 및 이의 제조방법{STRAIN SENSING DEVICE, SENSOR ARRAY USING THE SAME AND PREPARATION METHOD THEREOF}
본 발명은 다전극을 이용한 스트레인 센싱 소자, 이를 이용한 어레이 센서 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
스트레인 센서(Strain sensor)는 소자에 가해지는 기계적인 변형을 검측할 수 있는 소자로써, 금속 또는 실리콘 등으로 만들어져 작은 변화를 검측함으로써 기계, 역학 분야에서 사용되어 왔다. 최근 웨어러블 장치, 로봇(robot), e-skin 등 좀 더 폭 넓은 분야에서, 보다 더 탄력적(highly stretchable)이고, 더 높은 민감도를 갖는 센싱 기술이 필요해지면서 과거에 비해 현재는 최대 500 %까지 늘어나는 단위 소자가 개발되었다. 점차 웨어러블 전자 기술(wearable electronics) 등에서 빠질 수 없는 필수적인 요소로 자리 잡고 있고, 일반적으로 단위 변형율/변형률을 나타내는 게이지율이 스트레인 센서의 성능을 확인할 수 있는 지표로 활용되고 있다.
이러한 스트레인 센서는 사용되는 분야에 따라서 변형이 가능한 범위가 넓은 대신 게이지율이 낮거나, 또는 게이지율이 높은 대신 변형이 가능한 범위가 좁은 소자들이 개발되어 왔다. 현재로써는 단일 소자로서 측정하고 싶은 하나의 소자의 스트레인 변화만 검측할 수 있는 센서들이 개발되어 웨어러블 장치(wearable device)들에 삽입됨으로써, 해당 부분의 스트레인 변화를 측정하는 것과 같이 센서를 부착한 표면의 단편적인 스트레인만을 측정하는 기술이 이용되고 있다.
하지만 고성능을 갖는 단위 센서들의 경우에는 집적화를 할 수 있는 기술이 부족하다는 것이 현재까지의 한계이다. 최근들어 어레이(array) 소자들이 개발되고 있기는 하지만, 대부분 캐패시터(capacitor) 방식이기 때문에 측정하는 캐패시터의 단위가 대부분 매우 낮은 ~pF 정도로 노이즈(noise)와 크로스 토크(cross talk)에 매우 취약하며 민감도가 부족하다는 단점이 있다. 그렇기 때문에 이를 극복하기 위해서 기존 방식의 단점을 보완하고 성능이 더 높은 센서를 제조하기 위한 연구가 필요하다.
본 발명의 일 목적은 보다 향상된 스트레인 센싱 소자, 이를 이용한 어레이 센서 및 이의 제조방법을 제공하는 것으로, 본 발명의 스트레인 변형 센싱 소자 및 이를 이용한 스트레인 센서 어레이는 기존의 센서들보다 제작 단가가 저렴하고, 대면적 제작이 용이하며, 내구성이 우수하고, 보다 정밀한 검측이 가능하다.
본 발명의 일 목적을 위한 스트레인 센싱 소자는 제1 전도성 섬유 및 제2 전도성 섬유가 교차되어 배치되고, 상기 제1 전도성 섬유 및 제2 전도성 섬유 사이의 교차점에 전도성 가변저항 복합체가 위치하며, 전류를 흘려주면서 변형이 발생되었을 때 상기 전도성 가변저항 복합체의 저항값 변화를 측정하는 것이다.
일 실시예에서 상기 전도성 가변저항 복합체는 상기 제1 전도성 섬유 및 상기 제2 전도성 섬유 사이에 배치될 수 있다.
일 실시예에서 상기 스트레인 센싱 소자는 탄성중합체로 전체적으로 코팅됨으로써, 상기 스트레인 센싱 소자의 내구성이 향상될 수 있다.
일 실시예에서 상기 제1 전도성 섬유 및 상기 제2 전도성 섬유는, 탄성중합체를 포함하는 탄성체 섬유가 금속나노입자로 코팅될 수 있다.
일 실시예에서 상기 제1 전도성 섬유 및 상기 제2 전도성 섬유는 상기 탄성체 섬유를 늘린 상태에서 금속나노입자로 코팅될 수 있다.
일 실시예에서 상기 금속나노입자는 금속나노와이어일 수 있다.
일 실시예에서 상기 금속나노와이어는 은(Ag), 금(Au), 백금(Pt), 구리(Cu) 및 이들의 혼합물 중 하나를 포함하는 것일 수 있다.
일 실시예에서 상기 전도성 가변저항 복합체는 탄소계물질 및 탄성중합체를 포함하는 것일 수 있다.
일 실시예에서 상기 탄소계물질은 카본블랙(Carbon black), 활성탄(Activated carbon), 흑연(Graphite), 탄소나노튜브(Carbon nanotube), 그래핀(graphene) 및 이들의 혼합물 중에 하나일 수 있다.
일 실시예에서 상기 제1 전도성 섬유, 상기 제2 전도성 섬유 및 상기 전도성 가변저항 복합체에 포함된 상기 탄성중합체는 각각 독립적으로, 폴리디메틸실록산(polydimethylsiloxane), 폴리우레탄(polyurethane), 스티렌-부타디엔-스티렌 고무(Poly styrene-butadiene-styrene), 에폭시 수지(epoxy resin) 및 페놀 수지(phenolic resin), 폴리염화비닐(Poly vinyl Chloride), 실리콘 수지(silicone resin), 에틸렌-비닐 아세테이트 공중합체(ethylene vinyl acetate copolymer), 폴리메틸메타크릴레이트(Poly methyl methacrylate), 폴리에틸렌(poly ethylene), 폴리프로필렌(poly propylene), 천연 고무(natural rubber), 합성고무(synthetic rubber) 및 이들의 혼합물 중에 하나를 포함하는 것 일 수 있다.
본 발명의 다른 목적을 위한 스트레인 어레이 센서는 본 발명의 스트레인 센싱 소자를 포함한다.
일 실시예에서 상기 소자가 격자 구조로 배열될 수 있다.
일 실시에서 상기 스트레인 어레이 센서는, 전체적으로 탄성중합체로 코팅됨으로써, 내구성이 향상될 수 있다.
일 실시예에서 상기 소자는 기판 상에 배치될 수 있다.
일 실시예에서 상기 기판은 탄성중합체일 수 있다.
본 발명의 또 다른 목적을 위한 스트레인 센싱 소자 제조방법은 탄성체 섬유 표면에 금속나노입자를 코팅하여 제1 전도성 섬유 및 제2 전도성 섬유 각각을 제조하는 a 단계; 탄소계물질과 탄성중합체를 혼합하여 가변저항 복합체를 제조하는 b 단계; 상기 제1 전도성 섬유를 배열하고, 상기 제1 전도성 섬유 표면의 일부에 상기 가변저항 복합체를 배치시키는 c 단계; 및 상기 제1 전도성 섬유 표면에 배치된 가변저항 복합체 상에, 상기 제2 전도성 섬유가 상기 제1 전도성 섬유와 교차되도록 배열하는 d 단계;를 포함한다.
일 실시예에서 상기 d 단계에서, 상기 제2 전도성 섬유는, 상기 전도성 가변저항 복합체가 상기 제 1 전도성 파이버 표면과 접촉하고 있는 부분의 반대편 상에, 상기 제1 전도성 섬유와 교차되도록 배치하는 것일 수 있다.
일 실시예에서 상기 d 단계 이후에, 탄성중합체를 전체적으로 도포하고 큐어링하는 e 단계를 더 포함할 수 있다.
일 실시예에서 상기 a 단계는, 탄성체 섬유를 10 % 이상 늘려 변형시킨 상태에서 금속나노입자를 코팅하는 것일 수 있다.
일 실시예에서 상기 b 단계는, 탄소계물질 및 탄성중합체를 용매에 분산시킨 다음, 혼합하고 건조함으로써, 가변저항 복합체를 제조하는 것일 수 있다.
본 발명의 스트레인 센싱 소자는 금속 나노 입자로 코팅된 탄성체 섬유 및 탄소계물질과 탄성중합체를 포함하는 가변저항 복합체를 포함하고, 다수의 상기 소자를 배열하여 제조된 스트레인 어레이 센서는 기존의 스트레인 센서보다 민감도 및 내구성이 높고 위치별 정밀 검측이 가능하여 다양한 분야에서 사용될 수 있다.
도 1 및 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 스트레인 센싱 소자를 나타낸 도면들이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 가변저항 복합체를 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 스트레인 센서 어레이를 나타낸 도면이다.
도 5는 본 발명의 제조방법을 나타낸 도면이다.
도 6 및 도 7은 본 발명의 일 실시예 따른 제조방법을 나타낸 도면들이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예예 따른 센서의 스트레인에 따른 저항 변화를 나타낸 도면이다.
도 9 및 도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 스트레인 센서 어레이의 스트레인 측정 결과를 나타낸 도면들이다.
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.
본 발명의 스트레인 센싱 소자는 스트레인 센싱 소자는 제1 전도성 섬유 및 제2 전도성 섬유가 교차되어 배치되고, 상기 제1 전도성 섬유 및 제2 전도성 섬유 사이의 교차점에 전도성 가변저항 복합체가 위치하며, 전류를 흘려주면서 변형이 발생되었을 때 상기 전도성 가변저항 복합체의 저항값 변화를 측정하는 것이다.
일 실시예에서 상기 전도성 가변저항 복합체는 상기 제1 전도성 섬유 및 상기 제2 전도성 섬유 사이에 배치될 수 있다.
일 실시예에서 상기 스트레인 센싱 소자는 상기 제1 전도성 섬유 및 상기 제2 전도성 섬유 사이에 상기 전도성 가변저항 복합체를 두고 서로 접촉되지 않으면서, 교차되는 형태로 배치되는 것일 수 있다.
일 실시예에서 상기 스트레인 소자는 측면에서 봤을 때, 상기 제1 전도성 섬유 상에 상기 전도성 가변저항 복합체, 상기 전도성 가변저항 복합체 상에 상기 제2 전도성 섬유가 배치되는 구조로 나타낼 수 있다.
일 실시예에서 상기 스트레인 센싱 소자는 탄성중합체로 전체적으로 코팅됨으로써, 상기 스트레인 센싱 소자의 내구성이 향상될 수 있다. 예를 들어 상기 스트레인 센싱 소자에 전체적으로 상기 탄성중합체를 도포하고 큐어링하여 코팅하는 것일 수 있고, 상기 탄성중합체로 상기 소자가 코팅되어 상기 소자의 내구성이 향상될 수 있다. 이런 경우에는 상기 탄성중합체, 즉 탄성을 가진 물질로 코팅된 것이므로, 상기 소자는 전체적으로 코팅되더라도 탄성을 잃지 않고 스트레인 변형을 감지할 수 있고, 상기 소자의 내구성이 향상될 수 있다.
일 실시예에서 상기 제1 전도성 섬유 및 상기 제2 전도성 섬유는, 탄성중합체를 포함하는 탄성체 섬유가 금속나노입자로 코팅된 것일 수 있다. 예를 들어 상기 전도성 섬유들은 상기 탄성체 섬유의 표면에 금속나노입자가 박막 형태로 코팅된 것일 수 있다.
일 실시예에서 상기 제1 전도성 섬유 및 상기 제2 전도성 섬유는 상기 탄성체 섬유를 늘린 상태에서 금속나노입자로 코팅된 것일 수 있고, 예를들어 상기 탄성체 섬유를 늘리거나 변형시킨 상태에서 금속나노입자로 코팅하는 경우, 상기 코팅 후 늘리는 힘을 제거하여 상기 탄성체 섬유가 원래대로 돌아가도 상기 탄성체 섬유의 표면에는 상기 금속나노입자 박막으로 코팅에 크랙이 발생하거나 코팅이 손상되는 현상을 방지할 수 있다. 반면에 상기 탄성체 섬유를 늘리거나 외력을 가해서 변형시키지 않은 상태에서 그대로 상기 금속나노입자로 코팅하여 전도성 섬유를 제조하는 경우에는, 상기 코팅 이후에 상기 전도성 섬유에 스트레인을 가하면, 표면에 크랙이 발생하고, 코팅이 벗겨지면서 결국 상기 전도성 섬유의 내구성이 저하되고, 저항 변화가 발생하는 문제점들을 해결할 수 있다.
일 실시예에서 상기 제1 전도성 섬유 및 상기 제2 전도성 섬유는 서로 다른 탄성중합체를 포함하는, 서로 다른 탄성체 섬유가 서로 다른 금속 나노입자로 코팅된 것일 수 있고, 동일한 탄성중합체를 포함하는, 동일한 탄성체 섬유가 동일한 금속나노입자로 코팅되어 형성된 것 일 수 있다. 예를 들어, 상기 전도성 섬유들은 은나노와이어입자로 코팅된 폴리우레탄 섬유일 수 있다.
일 실시예에서 상기 제1 전도성 섬유 및 상기 제2 전도성 섬유의 상기 탄성중합체는 각각 독립적으로, 폴리디메틸실록산(polydimethylsiloxane), 폴리우레탄(polyurethane), 스티렌-부타디엔-스티렌 고무(Poly styrene-butadiene-styrene), 에폭시 수지(epoxy resin) 및 페놀 수지(phenolic resin), 폴리염화비닐(Poly vinyl Chloride), 실리콘 수지(silicone resin), 에틸렌-비닐 아세테이트 공중합체(ethylene vinyl acetate copolymer), 폴리메틸메타크릴레이트(Poly methyl methacrylate), 폴리에틸렌(poly ethylene), 폴리프로필렌(poly propylene), 천연 고무(natural rubber), 합성고무(synthetic rubber) 및 이들의 혼합물 등을 사용할 수 있으며, 신축성을 갖는 탄성중합체 물질이라면 제한 없이 사용될 수 있다.
일 실시예에서 상기 금속나노입자는 구, 큐브, 와이어 구조등 다양한 형상의 나노입자 일 수 있으며, 예를 들어 금속나노와이어 입자일 수 있다.
일 실시예에서 상기 금속나노와이어는 은(Ag), 금(Au), 백금(Pt), 구리(Cu) 및 이들의 혼합물 중 하나를 포함하는 것 일 수 있다. 예를 들어 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극은 은나노와이어로 코팅된 것 일 수 있다.
일 실시예에서 상기 전도성 가변저항 복합체는 탄소계물질 및 탄성중합체를 포함하는 것 일 수 있다.
일 실시예에서 상기 탄소계물질은 카본블랙(Carbon black), 활성탄(Activated carbon), 흑연(Graphite), 탄소나노튜브(CNT, Carbon nanotube), 그래핀(graphene) 및 이들의 혼합물 등을 포함할 수 있다.
일 실시예에서 상기 제1 전도성 섬유, 상기 제2 전도성 섬유 및 상기 전도성 가변저항 복합체에 포함된 상기 탄성중합체는 각각 독립적으로, 폴리디메틸실록산(polydimethylsiloxane), 폴리우레탄(polyurethane), 스티렌-부타디엔-스티렌 고무(Poly styrene-butadiene-styrene), 에폭시 수지(epoxy resin) 및 페놀 수지(phenolic resin), 폴리염화비닐(Poly vinyl Chloride), 실리콘 수지(silicone resin), 에틸렌-비닐 아세테이트 공중합체(ethylene vinyl acetate copolymer), 폴리메틸메타크릴레이트(Poly methyl methacrylate), 폴리에틸렌(poly ethylene), 폴리프로필렌(poly propylene), 천연 고무(natural rubber), 합성고무(synthetic rubber) 및 이들의 혼합물 등을 사용할 수 있으며, 신축성을 갖는 탄성중합체 물질이라면 제한 없이 사용될 수 있다. 상기 가변저항 복합체에 포함된 탄성중합체는 상기 제1 전도성 섬유 및 상기 제2 전도성 섬유와 동일한 탄성중합체일 수 있고, 서로 다른 탄성중합체 일 수 있다.
도 1 및 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 스트레인 센싱 소자를 나타낸 도면들이다. 구체적으로 도 1은 본 발명의 일 실시예에 따라 카본블랙을 포함하는 가변저항 복합체를 사용한 스트레인 센싱 소자의 실제 이미지를 나타낸 것이다. 도 1을 보면, 탄성중합체를 포함하는 투명한 기판 상에 2 개의 전도성 섬유가 서로 교차되어 배치되고, 두 전극의 교차점에는 카본블랙을 포함하는 가변저항 복합체가 배치되어 있음으로써, 상기 2 개의 전도성 섬유가 서로 접하지 않는 구조로 형성될 수 있는 것을 알 수 있다. 전극으로써 사용되는 상기 두 개의 전도성 섬유 및 상기 가변저항 복합체의 저항 변화를 측정함으로써 스트레인의 변화를 감지할 수 있다. 이때 기판으로 탄성중합체 박막이 사용됨으로써 소자의 내구성이 향상될 수 있다.
구체적으로 도 2는 소자의 측면을 나타낸 것으로, 두 개의 전도성 섬유 사이에 가변저항 복합체가 배치되었다는 것을 나타내고 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 가변저항 복합체를 나타낸 것으로, 도 3은 탄소계물질로 카본블랙, 탄성중합체로 PDMS를 사용하여 제조된 가변저항 복합체 물질을 나타낸 것이다. 상기 가변저항 복합체 물질은 서로 잘 혼합되어 있어, 탄소계 물질의 전기적 특성 및 탄성중합체의 기계적 특성(탄성 또는 신축성)을 동시에 나타낼 수 있다.
본 발명의 스트레인 어레이 센서는 본 발명의 스트레인 센싱 소자를 포함한다. 일 실시예에서 상기 센서는 본 발명의 소자가 일정하게 배열된 구조일 수 있고, 상기 소자가 격자 구조로 배열된 것 일 수 있다.
일 실시예에서 상기 스트레인 어레이 센서는, 전체적으로 탄성중합체로 코팅됨으로써, 내구성이 향상될 수 있다. 일 실시예에서 상기 센서는 상기 소자가 기판 상에 배치된 것 일 수 있다. 일 실시예에서 상기 센서에 포함된 상기 기판은 탄성중합체일 수 있다.
상기 기판을 이루는 탄성중합체는 폴리디메틸실록산(polydimethylsiloxane), 폴리우레탄(polyurethane), 스티렌-부타디엔-스티렌 고무(Poly styrene-butadiene-styrene), 에폭시 수지(epoxy resin) 및 페놀 수지(phenolic resin), 폴리염화비닐(Poly vinyl Chloride), 실리콘 수지(silicone resin), 에틸렌-비닐 아세테이트 공중합체(ethylene vinyl acetate copolymer), 폴리메틸메타크릴레이트(Poly methyl methacrylate), 폴리에틸렌(poly ethylene), 폴리프로필렌(poly propylene), 천연 고무(natural rubber), 합성 고무(synthetic rubber) 및 이들의 혼합물 등을 사용될 수 있으며, 신축성을 갖는 탄성중합체 물질이라면 제한 없이 사용될 수 있다.
일 실시예에서 상기 기판을 이루는 탄성중합체, 상기 가변저항 복합체에 포함된 탄성중합체, 상기 제1 전도성 섬유 및 상기 제2 전도성 섬유에 포함된 탄성중합체는 모두 동일한 탄성중합체일 수 있고, 서로 다른 탄성중합체 일 수 있다.
일 실시예에서 상기 기판이 존재함으로써 상기 센서의 내구성이 향상될 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 스트레인 센서 어레이를 나타낸 것이다. 일 실시예에서 상기 스트레인 센서 어레이는 탄성중합체 기판 상에 전도성 섬유 다시말해서, 전극으로써 금속나노입자가 코팅된 탄성체 섬유(예를 들어 폴리우레탄 섬유)들이 격자 구조로 교차되어 배열되고, 상기 전극들이 교차되는 교차점에 스트레인 변화에 민감하게 반응하는 물질인 가변저항 복합체(예를 들어 카본블랙 및 PDMS 복합체)가 배치된 구조임을 나타내고 있다. 이때 탄성체 섬유로 이루어진 상기 전도성 섬유 즉, 전극들은 전도도 또는 저항이 변하지 않음을 나타내고 있다.
도 5는 본 발명의 제조방법을 나타낸 것으로, 저항이 변하지 않는 금속나노입자로 코팅된 탄성체 섬유로 이루어진 전극 제조, 스트레인에 따라 저항이 변하는 가변저항 복합체 제조 및 상기 전도성 섬유 및 상기 가변저항 복합체를 이용한 단위 소자 형성, 그리고 형성된 단위 소자들을 어레이 제작하여, 대면적 고밀도 스트레인 센서 형성 단계를 나타내고 있다.
본 발명의 스트레인 센싱 소자 제조방법은 탄성체 섬유 표면에 금속나노입자를 코팅하여 제1 전도성 섬유 및 제2 전도성 섬유 각각을 제조하는 a 단계; 탄소계물질과 탄성중합체를 혼합하여 가변저항 복합체를 제조하는 b 단계; 상기 제1 전도성 섬유를 배열하고, 상기 제1 전도성 섬유 표면의 일부에 상기 가변저항 복합체를 배치시키는 c 단계; 및 상기 제1 전도성 섬유 표면에 배치된 가변저항 복합체 상에, 상기 제2 전도성 섬유가 상기 제1 전도성 섬유와 교차되도록 배열하는 d 단계;를 포함한다.
상기 a 단계에서 탄성체 섬유 표면에 금속나노입자를 코팅함으로써, 저항이 변하지 않으면서 동시에 전기전도성을 나타내는 전도성 탄성체 섬유, 즉 본 발명의 전도성 섬유를 얻을 수 있고, 상기 전도성 섬유는 전극으로써 사용될 수 있다.
일 실시예에서 상기 a 단계 전에, 금속나노입자가 잘 코팅될 수 있도록 탄성체 섬유를 세척한 다음 코팅하는 공정을 수행할 수 있다. 상기 세척 단계는 DUV 세척(Deep Ultra Violet cleaning) 공정을 통해 수행하는 것일 수 있다.
상기 탄성체 섬유 기반의 전극들이 스트레인 변화에도 저항 변화가 발생하지 않도록 하기 위해서, 상기 a 단계는 상기 탄성체 섬유를 미리 늘어나게 한 다음 금속나노입자로 코팅하는 것 일 수 있다.
일 실시예에서 상기 a 단계는, 탄성체 섬유를 10 % 이상 늘려 변형시킨 상태에서 금속나노입자를 코팅하는 것일 수 있다. 예를 들어 상기 탄성체 섬유를 40 % 늘어나게하여 코팅하는 것일 수 있다. 이때 이에 제한되는 것은 아니나, 스테인리스 바를 이용하여 탄성체가 늘어난 상태를 고정시킬 수 있다.
도 6 및 도 7에 본 발명의 일 실시예 따른 제조방법을 나타내었다. 도 6의 a를 보면, 일 실시예에서 탄성체 섬유를 늘린 후, 상기 늘어난 탄성체 섬유 표면에 은나노와이어를 박막 형태로 코팅시킨 다음, 늘리는 힘을 제거하였다. 이러한 과정을 통해서 스트레인 변화가 발생하여도 저항 변화가 발생하지 않는 전극을 제조할 수 있다. 도 6의 b는 스테인리스 바를 이용하여 탄성체 섬유를 늘리는 모습을 나타낸 것으로 이와 같이 탄성체 섬유를 고르게 늘릴 수 있다면 스테인리스 바를 사용하는 방법 외에 다른 방법을 사용하여도 무관하다.
도 7의 a는 탄성체 섬유를 늘리지 않고 은나노와이어를 코팅한 경우를 나타낸 것으로, 도 7의 a에 나타낸 것과 같이 탄성체 섬유를 늘리지 않고 은나노와이어를 코팅하게되면, 코팅된 다음 상기 탄성체 섬유에 스트레인이 가해졌을 때 탄성체 표면에 코팅된 은나노와이어 박막에 크랙이 생길 수 있다. 반면, 본 발명의 실시예에서와 같이 탄성체 섬유를 늘린 상태에서 은나노와이어 코팅을 한 경우에는 코팅 이후 탄성체를 늘렸을 때 크랙이 크게 발생하지 않는 것을 확인 할 수 있다. 따라서 본 발명은 탄성체 섬유를 늘린 후 은나노와이어 박막으로 코팅하는 방법을 통해서, 전극의 저항이 변화없이 일정하게 유지될 수 있으므로 스트레인 변화 감지 민감도 및 전극의 내구성이 향상될 수 있다.
일 실시예에서 상기 b 단계는, 탄소계물질 및 탄성중합체를 용매에 분산시킨 다음, 혼합하고 건조함으로써, 전도성 가변저항 복합체를 제조하는 것일 수 있다.
상기 b 단계에서 상기 탄소계물질 및 상기 탄성중합체의 혼합이 용이하지 않은 경우에는, 상기 탄소계물질 및 상기 탄성중합체를 모두 용해시킬 수 있는 용매에 상기 탄소계물질 및 상기 탄성중합체를 각각 용해 시킨 다음, 용액 상태로 혼합하는 방법을 통해 상기 탄소계물질 및 상기 탄성중합체를 혼합하여 상기 가변저항 복합체를 제조할 수 있다. 이때 예를 들어 톨루엔 등을 상기 용매로써 사용할 수 있다.
일 실시예에서 상기 d 단계에서, 상기 제2 전도성 섬유는, 상기 전도성 가변저항 복합체가 상기 제 1 전도성 섬유 표면과 접촉하고 있는 부분의 반대편 상에, 상기 제1 전도성 섬유와 교차되도록 배치하는 것일 수 있다.
일 실시예에서 상기 d 단계 이후에, 탄성중합체를 전체적으로 도포하고 큐어링(curing)하는 e 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 e 단계는 상기 소자의 기판을 형성하는 단계일 수 있다. 전극들과 가변저항 복합체를 배치한 다음 탄성중합체를 도포하고 큐어링함으로써 소자의 내구성을 향상시킬 수 있다.
이하 본 발명의 실시예들에 대해 상술한다. 다만, 하기 실시예들은 본 발명의 일부 실시 형태에 불과한 것으로서, 본 발명이 하기 실시예들에 한정되는 것으로 해석되어서는 아니된다.
본 발명의 일 실시예들에 따라 고탄력적(Highly stretchable)이고, 스트레인에 쉽게 변형되지 않는 전극(Electrode)을 포함하는 본 발명의 스트레인 센싱 소자를 제조하였다.
아래의 실시예들에서는 탄성중합체로 폴리우레탄 및 PDMS를 사용하였고, 탄소계 물질로 카본블랙을 사용하였다.
실시예 1 : 전도성 섬유 제조
먼저, 은나노와이어(Ag:Nw)가 잘 코팅되고 동작될 수 있도록, 기질(substrate)로써 400 μm의 지름을 갖는 폴리우레탄 섬유(Poly urethane fiber)를 준비하였다. 그런 다음, 순수한 은나노와이어가 상기 폴리우레탄 섬유 표면에 잘 코팅될 수 있도록, 상기 폴리우레탄 섬유의 불순물(contamination)들을 제거하기 위한 DUV 세척 공정을 수행하였다.
저항 변화가 적은 소자를 제작하기 위해서, 상기 세척된 폴리우레탄 섬유를 미리 40 % 정도 늘어나게 하여 스테인리스 바(stainless bar)에 고정시킨 다음, 은나노와이어를 이용하여 상기 늘어난 폴리우레탄 섬유를 코팅하였다. 이때 상기 코팅은 IPA(isopropyl alcohol)에 은나노와이어가 분산되어 있는 은나노와이어 분산액(dispersion)에, 세척한 상기 늘어난 폴리우레탄 섬유를 담근 후, 10 초 동안 공기 건조(air dry)시켰다. 이러한 과정을 5 회 정도 반복한 다음, 100 ℃의 핫플레이트(Hot plate)에 어닐링(thermal annealing)시켜 나노와이어가 잘 형성되도록 하였다. 그리고 이 전체적인 코팅 과정을 2 회 반복한 다음, 스테인리스 바에서 40 % 늘어난 은나노와이어가 코팅된 폴리우레탄 섬유를 분리하여 다시 0 % 늘어난 상태로 되돌려 놓았다. 이러한 과정을 통해서 상기 폴리우레탄 섬유의 표면에 발생되는 크랙(crack) 사이에도 은나노와이어가 잘 코팅되기 때문에, 섬유에 스트레인이 가해져도 저항이 급격하게 변하지 않고,스트레인이 가해지기 전과 동일한 성능을 나타낼 수 있다.
실시예 2 : 가변저항 복합체 제조
카본블랙(Carbon black)은 PDMS에 분산시키기 어려우므로, 카본 블랙과 PDMS를 둘 다 녹일 수 있는 용매인 톨루엔을 활용하였다. 카본블랙 및 PDMS를 각각 톨루엔에 분산시킨 다음, 2 시간의 마그네틱 교반(magnetic stirring) 과정을 거쳤다. 그리고나서, 두 용액을 혼합하여 바이알(vial) 병에 담았다. 이어서, 80 ℃의 온도에서 바이알 병을 열어둔 채로 교반하였다. 이 과정으로 인해서 휘발성이 강한 톨루엔은 증발되었고, 카본블랙이 PDMS에 잘 분산되어 이온-겔(ion-gel)과 같은 형태를 갖는 가변저항 복합체가 제조되었다.
실시예 3: 센서 제조
먼저 유리(glass)에 PDMS를 코팅하였다. 그리고 유리에 코팅된 PDMS 위에 폴리우레탄 섬유를 배열하여 컬럼(column)을 만들었다. 이어서 그 위에 원하는 픽셀(pixel) 수 만큼 상기 실시예 2를 통해 제조된 카본블랙-PDMS 혼합물(가변저항 복합체)을 상기 폴리우레탄 섬유(금속나노입자로 코팅된 탄성체 섬유 전극) 위에 배치시켰다. 그런 다음, 다시 동일한 수의 폴리우레탄 섬유를 교차하여 배열하여 줄(row)을 만들었고, 최종적으로 다시 PDMS를 부은 후, 큐어링(curing)과정을 통해 소자를 제조하였다. 이 때 PDMS는 전체적인 기판을 나타낸다.
실시예를 통해서 늘어난 위치별 저항 변화를 통해서 각 위치별 변형 정도를 알 수 있는 위치 인식형 스트레인 센서를 제작하였다.
도 8은 본 발명의 일 실시예예 따른 센서의 스트레인에 따른 저항 변화를 나타낸 것이다. 구체적으로 도 8을 보면, 가변저항 복합체인 C-PDMS의 경우 스트레인이 클수록 저항 값 변화율이 크게 나타났고, 금속나노입자로 코팅된 탄성체 섬유인 Ag:Nw의 경우는 스트레인과는 무관하게 일정한 저항 변화율을 나타내는 것을 확인 할 수 있었다. 따라서 상기 가변저항 복합체가 본 발명의 센싱 소자의 스트레인 감지부 역할을 하는 것을 알 수 있다.
도 9 및 도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 스트레인 센서 어레이의 스트레인 측정 결과를 나타낸 도면들이다. 구체적으로 도 9는 스트레인 강도를 각각 30 % 및 40 %로 조절하여 비교한 것이다. 스트레인 강도에 따라 저항 변화율이 다르게 나타나는 것을 확인 할 수 있다. 이를 통해 본 발명의 스트레인 센서 어레이가 스트레인 세기 또한 민감하게 감지할 수 있다는 것을 알 수 있다. 도 10은 스트레인 변형 방향에 따른 측정 결과 및 센서의 일부만 스트레인을 가하는 경우의 측정 결과를 나타낸 것으로, 도 10을 통해서 본 발명의 스트레인 센서 어레이는 스트레인 변형 방향 또한 감지할 수 있으며, 일부에만 스트레인이 가해지는 경우, 그 일부분의 스트레인 변형을 감지할 수 있다는 것을 알 수 있다. 따라서 본 발명의 스트레인 센싱 소자를 이용한 센서는 내구성이 우수하며, 민감도가 높아 스트레인의 세기, 방향을 모두 감지할 수 있으며, 좁은 영역의 스트레인 변형도 감지할 수 있다.
본 발명의 스트레인 센싱 소자 제조방법 또한 종래의 다른 센서들 보다 공정이 간편하고 공정 단가가 저렴하므로, 대면적 제조가 가능하므로 인간 피부 대체 기술 뿐만 아니라 여러 가지 기술 분야에서, 종래의 센서들을 대체할 수 있는 위치별 스트레인 변형율의 정밀한 측정 기술을 제공할 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.

Claims (20)

  1. 제1 전도성 섬유 및 제2 전도성 섬유가 교차되어 배치되고,
    상기 제1 전도성 섬유 및 제2 전도성 섬유 사이의 교차점에 전도성 가변저항 복합체가 위치하며,
    상기 전도성 가변저항 복합체는 상기 제1 전도성 섬유 및 상기 제2 전도성 섬유 사이에 배치되고,
    상기 제1 전도성 섬유 및 상기 제2 전도성 섬유는, 탄성중합체를 포함하는 탄성체 섬유가 금속나노입자로 코팅된 것이며,
    상기 제1 전도성 섬유 및 상기 제2 전도성 섬유는 상기 탄성체 섬유를 늘린 상태에서 금속나노입자로 코팅된 것이고,
    전류를 흘려주면서 변형이 발생되었을 때 상기 전도성 가변저항 복합체의 저항값 변화를 측정하는,
    스트레인 센싱 소자.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 스트레인 센싱 소자는 탄성중합체로 전체적으로 코팅됨으로써,
    상기 스트레인 센싱 소자의 내구성이 향상되는 것을 특징으로 하는,
    스트레인 센싱 소자.
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 제1항에 있어서,
    상기 금속나노입자는 금속나노와이어인 것을 특징으로 하는,
    스트레인 센싱 소자.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 금속나노와이어는 은(Ag), 금(Au), 백금(Pt), 구리(Cu) 및 이들의 혼합물 중 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는,
    스트레인 센싱 소자.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 전도성 가변저항 복합체는 탄소계물질 및 탄성중합체를 포함하는 것을 특징으로 하는,
    스트레인 센싱 소자.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 탄소계물질은 카본블랙(Carbon black), 활성탄(Activated carbon), 흑연(Graphite), 탄소나노튜브(Carbon nanotube), 그래핀(graphene) 및 이들의 혼합물 중에 하나인 것을 특징으로 하는,
    스트레인 센싱 소자.
  10. 제3항 또는 제8항에 있어서,
    상기 제1 전도성 섬유, 상기 제2 전도성 섬유 및 상기 전도성 가변저항 복합체에 포함된 상기 탄성중합체는 각각 독립적으로, 폴리디메틸실록산(polydimethylsiloxane), 폴리우레탄(polyurethane), 스티렌-부타디엔-스티렌 고무(Poly styrene-butadiene-styrene), 에폭시 수지(epoxy resin) 및 페놀 수지(phenolic resin), 폴리염화비닐(Poly vinyl Chloride), 실리콘 수지(silicone resin), 에틸렌-비닐 아세테이트 공중합체(ethylene vinyl acetate copolymer), 폴리메틸메타크릴레이트(Poly methyl methacrylate), 폴리에틸렌(poly ethylene), 폴리프로필렌(poly propylene), 천연 고무(natural rubber), 합성고무(synthetic rubber) 및 이들의 혼합물 중에 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는,
    스트레인 센싱 소자.
  11. 상기 제1항, 제3항, 제6항 내지 제9항 중 어느 한 항의 스트레인 센싱 소자를 포함하는,
    스트레인 어레이 센서.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 소자가 격자 구조로 배열된 것을 특징으로 하는,
    스트레인 어레이 센서.
  13. 제11항에 있어서,
    상기 스트레인 어레이 센서는, 전체적으로 탄성중합체로 코팅됨으로써,
    내구성이 향상된 것을 특징으로 하는,
    스트레인 어레이 센서.
  14. 제11항에 있어서,
    상기 소자는 기판 상에 배치된 것을 특징으로 하는,
    스트레인 어레이 센서.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 기판은 탄성중합체인 것을 특징으로 하는,
    스트레인 어레이 센서.
  16. 탄성체 섬유 표면에 금속나노입자를 코팅하여 제1 전도성 섬유 및 제2 전도성 섬유 각각을 제조하는 a 단계;
    탄소계물질과 탄성중합체를 혼합하여 가변저항 복합체를 제조하는 b 단계;
    상기 제1 전도성 섬유를 배열하고, 상기 제1 전도성 섬유 표면의 일부에 상기 가변저항 복합체를 배치시키는 c 단계; 및
    상기 제1 전도성 섬유 표면에 배치된 가변저항 복합체 상에, 상기 제2 전도성 섬유가 상기 제1 전도성 섬유와 교차되도록 배열하는 d 단계;를 포함하고,
    상기 d 단계에서, 상기 제2 전도성 섬유는, 상기 가변저항 복합체가 상기 제 1 전도성 섬유 표면과 접촉하고 있는 부분의 반대편 상에, 상기 제1 전도성 섬유와 교차되도록 배치하며,
    상기 a 단계는, 탄성체 섬유를 10 % 이상 늘려 변형시킨 상태에서 금속나노입자를 코팅하는 것을 특징으로 하는,
    스트레인 센싱 소자 제조방법.
  17. 삭제
  18. 제16항에 있어서,
    상기 d 단계 이후에, 탄성중합체를 전체적으로 도포하고 큐어링(curing)하는 e 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는,
    스트레인 센싱 소자 제조방법.
  19. 삭제
  20. 제16항에 있어서,
    상기 b 단계는, 탄소계물질 및 탄성중합체를 용매에 분산시킨 다음, 혼합하고 건조함으로써, 가변저항 복합체를 제조하는 것을 특징으로 하는,
    스트레인 센싱 소자 제조방법.
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