KR102082739B1 - 나선형 전도성 섬유 및 이의 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 나선형 전도성 섬유 및 이의 제조 방법에 관한 것으로서, 일실시예에 따른 나선형 전도성 섬유로 연결된 전자 소자는 PDMS(Poly-dimethylsiloxane)로 코팅된 나선형 전도성 섬유와, 나선형 전도성 섬유의 내부 나선 직경(Helical diameter)과 동일한 직경을 갖는 원기둥 연결부를 통해 나선형 전도성 섬유와 연결된 메탈 홀더 및 메탈 홀더와 연결된 전자 소자를 포함할 수 있다.
Description
본 발명은 전도성 섬유에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 나선형 전도성 섬유의 제조 기술에 대한 기술적 사상에 관한 것이다.
전도성 섬유는 의류에 적용되는 웨어러블 기기 등에서 전력과 신호를 전달할 수 있어, 웨어러블 기기의 핵심부품으로 수요가 매우 크다. 특히 IT기술과 패션이 융합되어 있는 고기능성 스마트 웨어 분야에 많이 쓰이고 있다.
이러한 전도성 섬유는 전기 전도도가 우수하고, 웨어러블 기능이 필요하므로 신축성이 우수해야 한다. 또한 신축이 반복적으로 진행되어도 전기 전도도가 그대로 유지되고, 끊어지지 않는 내구성을 보유해야 한다.
그러나, 신축성(Stretchable)이 있는 전도성 섬유를 구현하는 기존 기술은 근본적으로 리지드(Rigid)한 물질로 제작되어 변형에 취약하고, 기판과 전도성 섬유간에 존재하는 본딩 물질(Bonding site)들에 스트레스가 집중되는 문제가 있다.
또한, 기존 기술은 반복적인 변형을 통하여 누적된 스트레스로 인해 다수의 크랙(Crack)들이 형성되는 문제가 있다.
본 발명은 은(Ag) 나노입자의 흡수 및 환원 과정을 통해 전도성을 크게 향상시킬 수 있는 나선형 전도성 섬유를 제공하고자 한다.
또한, 본 발명은 PDMS 코팅을 통해 3차원 나선형 구조를 유지하기 위한 탄성력 및 복원력을 향상시킬 수 있는 나선형 전도성 섬유를 제공하고자 한다.
또한, 본 발명은 나선형 전도성 섬유와 전자소자의 형상 및 크기를 고려한 설계로 형성된 메탈 홀더를 통해 전자소자와 연결되어, 전기적 연결의 신뢰성을 향상시킬 수 있는 나선형 전도성 섬유를 제공하고자 한다.
일실시예에 따른 나선형 전도성 섬유로 연결된 전자 소자는 PDMS(Poly-dimethylsiloxane)로 코팅된 나선형 전도성 섬유와, 나선형 전도성 섬유의 내부 나선 직경(Helical diameter)과 동일한 직경을 갖는 원기둥 연결부를 통해 나선형 전도성 섬유와 연결된 메탈 홀더 및 메탈 홀더와 연결된 전자 소자를 포함할 수 있다.
일측에 따르면, 나선형 전도성 섬유는 폴리우레탄(Polyurethane) 기반의 스판덱스(Spandex) 섬유일 수 있다.
일측에 따르면, 나선형 전도성 섬유는 나선형으로 감긴 섬유를 은(Ag) 전구체(Precursor) 용액을 이용하여 스웰링(Swelling)하고, 스웰링된 섬유를 하이드라진 하이드레이트(Hydrazine hydrate) 용액을 이용하여 환원하며, 환원된 섬유를 PDMS(Poly-dimethylsiloxane)로 코팅하여 형성될 수 있다.
일측에 따르면, 나선형 전도성 섬유는 은(Ag) 나노입자가 형성된 섬유 및 은(Ag) 나노입자가 형성된 섬유의 외측에 형성된 PDMS(Poly-dimethylsiloxane) 코팅층을 포함할 수 있다.
일측에 따르면, 전자 소자는 표면실장소자(Surface-mount devices; SMD), 발광다이오드(Light emitting diode; LED) 소자 및 캐패시터 소자 중 적어도 하나의 포함할 수 있다.
일실시예에 따른 나선형 전도성 섬유의 제조방법은 섬유를 스테인레스 스틸(STS; Stainless steel) 나사(Screw)의 홈 부분을 따라 나선형으로 감고, 스테인레스 스틸 너트(Nut)로 고정시키는 단계와, 나선형으로 감긴 섬유를 은(Ag) 전구체(Precursor) 용액을 이용하여 스웰링(Swelling) 시키는 단계 및 스웰링된 섬유를 하이드라진 하이드레이트(Hydrazine hydrate) 용액을 이용하여 환원하는 단계를 포함할 수 있다.
일측에 따르면, 섬유는 폴리우레탄(Polyurethane) 기반의 스판덱스(Spandex) 섬유일 수 있다.
일측에 따르면, 나선형 전도성 섬유의 제조방법은 스테인레스 스틸 나사와 스테인레스 스틸 너트를 클리닝(Cleaning)한 후, SAM(Self-assembled Monolayer) 코팅을 수행하여, 스테인레스 스틸 나사와 스테인레스 스틸 너트가 초발수성 표면을 갖도록 하는 단계를 더 포함할 수 있다.
일측에 따르면, 나선형 전도성 섬유의 제조방법은 환원된 섬유를 스테인레스 스틸 나사와 동일한 직경과 동일한 와이어(Wire)에 옮겨 감는 단계를 더 포함할 수 있다.
일측에 따르면, 나선형 전도성 섬유의 제조방법은 와이어에 감긴 섬유를 PDMS(Poly-dimethylsiloxane)로 코팅하는 단계를 더 포함할 수 있다.
일측에 따르면, 나선형 전도성 섬유의 제조방법은 PDMS 코팅된 섬유의 내부 나선 직경(Helical diameter)과 동일한 직경을 갖는 원기둥 연결부를 갖는 메탈 홀더를 생성하는 단계 및 원기둥 연결부를 통해 PDMS 코팅된 섬유와 메탈 홀더를 연결하는 단계를 더 포함할 수 있다.
일측에 따르면, 메탈 홀더는 3D 프린팅(Printing)을 통해 생성될 수 있다.
일실시예에 따르면, 은(Ag) 나노입자의 흡수 및 환원 과정을 통해 전도성을 크게 향상시킬 수 있다.
일실시예에 따르면, PDMS 코팅을 통해 3차원 나선형 구조를 유지하기 위한 탄성력 및 복원력을 향상시킬 수 있다.
일실시예에 따르면, 나선형 전도성 섬유와 전자소자의 형상 및 크기를 고려한 설계로 형성된 메탈 홀더를 통해, 나선형 전도성 섬유와 메탈 홀더를 연결함으로써, 전기적 연결의 신뢰성을 향상시킬 수 있다.
도 1a 내지 도 1d은 일실시예에 따른 나선형 전도성 섬유의 제조방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 2a 내지 도 2d는 일실시예에 따른 나선형 전도성 섬유의 SEM 및 EDS 이미지를 설명하기 위한 도면이다.
도 3a 내지 도 3d는 일실시예에 따른 나선형 전도성 섬유의 기계적 특성 및 전기적 특성을 설명하기 위한 도면이다.
도 4a 내지 도 4c는 일실시예에 따른 나선형 전도성 섬유의 안정성 및 신뢰성을 설명하기 위한 도면이다.
도 5a 내지 도 5b는 일실시예에 따른 나선형 전도성 섬유의 기계적 시뮬레이션 분석 결과를 설명하기 위한 도면이다.
도 6a 내지 도 6c는 일실시예에 따른 나선형 전도성 섬유의 수직 압축에 따른 탄성력을 설명하기 위한 도면이다.
도 7a 내지 도 7b는 일실시예에 따른 나선형 전도성 섬유의 수직 압축에 따른 형태 복원 특성을 설명하기 위한 도면이다.
도 8a는 일실시예에 따른 나선형 전도성 섬유로 연결되는 전자 소자를 설명하기 위한 도면이다.
도 8b는 일실시예에 따른 나선형 전도성 섬유로 연결되는 전자 소자의 적용예를 설명하기 위한 도면이다.
도 2a 내지 도 2d는 일실시예에 따른 나선형 전도성 섬유의 SEM 및 EDS 이미지를 설명하기 위한 도면이다.
도 3a 내지 도 3d는 일실시예에 따른 나선형 전도성 섬유의 기계적 특성 및 전기적 특성을 설명하기 위한 도면이다.
도 4a 내지 도 4c는 일실시예에 따른 나선형 전도성 섬유의 안정성 및 신뢰성을 설명하기 위한 도면이다.
도 5a 내지 도 5b는 일실시예에 따른 나선형 전도성 섬유의 기계적 시뮬레이션 분석 결과를 설명하기 위한 도면이다.
도 6a 내지 도 6c는 일실시예에 따른 나선형 전도성 섬유의 수직 압축에 따른 탄성력을 설명하기 위한 도면이다.
도 7a 내지 도 7b는 일실시예에 따른 나선형 전도성 섬유의 수직 압축에 따른 형태 복원 특성을 설명하기 위한 도면이다.
도 8a는 일실시예에 따른 나선형 전도성 섬유로 연결되는 전자 소자를 설명하기 위한 도면이다.
도 8b는 일실시예에 따른 나선형 전도성 섬유로 연결되는 전자 소자의 적용예를 설명하기 위한 도면이다.
본 명세서에 개시되어 있는 본 발명의 개념에 따른 실시예들에 대해서 특정한 구조적 또는 기능적 설명들은 단지 본 발명의 개념에 따른 실시예들을 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로서, 본 발명의 개념에 따른 실시예들은 다양한 형태로 실시될 수 있으며 본 명세서에 설명된 실시예들에 한정되지 않는다.
본 발명의 개념에 따른 실시예들은 다양한 변경들을 가할 수 있고 여러 가지 형태들을 가질 수 있으므로 실시예들을 도면에 예시하고 본 명세서에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명의 개념에 따른 실시예들을 특정한 개시형태들에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 변경, 균등물, 또는 대체물을 포함한다.
제1 또는 제2 등의 용어를 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만, 예를 들어 본 발명의 개념에 따른 권리 범위로부터 이탈되지 않은 채, 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소는 제1 구성요소로도 명명될 수 있다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. 구성요소들 간의 관계를 설명하는 표현들, 예를 들어 "~사이에"와 "바로~사이에" 또는 "~에 직접 이웃하는" 등도 마찬가지로 해석되어야 한다.
본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예들을 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 설시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함으로 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.
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 가진다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 갖는 것으로 해석되어야 하며, 본 명세서에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하, 실시예들을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. 그러나, 특허출원의 범위가 이러한 실시예들에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 각 도면에 제시된 동일한 참조 부호는 동일한 부재를 나타낸다.
도 1a 내지 도 1d은 일실시예에 따른 나선형 전도성 섬유의 제조방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 1을 참조하면, 일실시예에 따른 제조방법을 통해 생성되는 나선형 전도성 섬유는 은(Ag) 나노입자의 흡수 및 환원 과정을 통해 전도성을 크게 향상시킬 수 있다.
또한, 일실시예에 따른 나선형 전도성 섬유는 PDMS(Poly-dimethylsiloxane) 코팅을 통해 3차원 구조를 유지하기 위한 탄성력을 향상시킬 수 있다.
또한, 일실시예에 따른 나선형 전도성 섬유는 나선형 전도성 섬유와 전자소자의 형상 및 크기를 고려한 설계로 형성된 메탈 홀더를 통해 전자소자와 연결되어, 전기적 연결의 신뢰성을 향상시킬 수 있다.
구체적으로, 110 단계에서 일실시예에 따른 나선형 전도성 섬유의 제조방법은 섬유(111)를 스테인레스 스틸(STS; Stainless steel) 나사(Screw; 112)의 홈 부분을 따라 나선형으로 감고, 스테인레스 스틸 너트(Nut)로 고정시킬 수 있다.
일측에 따르면, 섬유(111)는 폴리우레탄(Polyurethane) 기반의 스판덱스(Spandex) 섬유일 수 있으나, 일실시예에 따른 섬유(111)의 종류는 전술한 예시에 한정되지 않고 다양한 물질로 구성될 수 있다.
일측에 따르면, 110 단계에서 일실시예에 따른 나선형 전도성 섬유의 제조방법은 섬유(111)를 나선형으로 감기 전에 스테인레스 스틸 나사(111)와 스테인레스 스틸 너트를 클리닝(Cleaning)한 후, SAM(Self-assembled Monolayer) 코팅을 수행하여, 스테인레스 스틸 나사(112)와 스테인레스 스틸 너트가 초발수성 표면을 갖도록 할 수 있다.
예를 들면, SAM의 코팅은 기상법(Vapor phase deposition) 또는 액상법(Liquid phase deposition)을 통해 수행될 수 있다.
즉, 일실시예에 따른 나선형 전도성 섬유의 제조방법은 스테인레스 스틸 나사(112)와 스테인레스 스틸 너트가 초발수성 표면을 갖도록 함으로써, 이후에 설명하는 환원 과정에서 환원된 은(Ag) 나노입자들이 섬유(111)와 스테인레스 스틸 나사(112) 사이에 두껍게 형성되는 것을 방지하고, 환원 과정이 끝난 이후 스테인레스 스틸 나사(112)에서 섬유(111)를 용이하게 풀어낼 수 있다.
다음으로, 120 단계에서 일실시예에 따른 나선형 전도성 섬유의 제조방법은 나선형으로 감긴 섬유(111)를 은(Ag) 전구체(Precursor) 용액(121)을 이용하여 스웰링(Swelling) 시킬 수 있다.
다시 말해, 120단계에서 일실시예에 따른 나선형 전도성 섬유의 제조방법은 나선형으로 감긴 섬유(111)를 은(Ag) 전구체 용액(121)에 침지시켜, 은(Ag) 나노입자가 흡수 되도록 할 수 있다.
다음으로, 130 단계에서 일실시예에 따른 나선형 전도성 섬유의 제조방법은 스웰링된 섬유를 하이드라진 하이드레이트(Hydrazine hydrate) 용액(131)을 이용하여 환원할 수 있다.
다시 말해, 130 단계에서 일실시예에 따른 나선형 전도성 섬유의 제조방법은 은(Ag) 나노입자를 흡수한 섬유의 환원 과정을 수행할 수 있다.
일측에 따르면, 일실시예에 따른 나선형 전도성 섬유의 제조방법은 은(Ag) 나노입자를 흡수하는 흡수 과정을 수행하는 120단계와, 환원된 은(Ag) 나노입자들을 형성하는 환원 과정을 수행하는 130 단계를 기설정된 횟수만큼 반복적으로 수행할 수 있다.
즉, 일실시예에 따른 나선형 전도성 섬유의 제조방법은 은(Ag) 나노입자의 흡수 및 환원 과정을 수행함으로써, 나선형으로 감긴 섬유(111)의 전도성을 크게 향상시킴과 동시에 3차원 나선형 구조를 구현할 수 있다.
다시 말해, 일실시예에 따른 나선형 전도성 섬유는 유연한 스판덱스 섬유에 은(Ag) 나노입자를 형성시켰기 때문에 섬유의 나선형 구조가 완전히 뭉개질 정도의 변형에도 손상되지 않고 전도성을 유지할 수 있다.
일측에 따르면, 130 단계에서 일실시예에 따른 나선형 전도성 섬유의 제조방법은 환원된 섬유를 스테인레스 스틸 나사(112)와 동일한 직경과 동일한 와이어(Wire)에 옮겨 감는 과정을 수행할 수 있다.
다시 말해, 130 단계에서 일실시예에 따른 나선형 전도성 섬유의 제조방법은 흡수 및 환원 과정을 통해 은 나노 입자가 형성된 섬유(환원된 섬유)를 스테인레스 스틸 나사(112)로부터 분리하고, 분리된 섬유를 전술한 와이어에 옮겨 감을 수 있다.
예를 들면, 분리된 섬유를 와이어에 옮겨 감는 과정은 스테인레스 스틸 나사(112)에서 섬유를 분리함과 동시에 와이어로 옮겨 감아, 와이어에 감긴 섬유가 스테인레스 스틸 나사(112)에 감겨 있을 때와 마찬가지로 나선형 구조를 유지하도록 할 수 있다.
일측에 따르면, 130 단계에서 일실시예에 따른 나선형 전도성 섬유의 제조방법은 와이어에 옮겨 감는 과정 없이 스테인레스 스틸 나사(112)에서 은 나노 입자가 형성된 섬유를 분리할 수도 있다.
일측에 따르면, 140 단계에서 일실시예에 따른 나선형 전도성 섬유의 제조방법은 와이어에 감긴 섬유(141)를 PDMS(Poly-dimethylsiloxane; 142)로 코팅할 수 있다.
다시 말해, 140 단계에서 일실시예에 따른 나선형 전도성 섬유의 제조방법은 와이어에 감겨 있는 은 나노 입자가 형성된 섬유(141)를 PDMS(142)로 코팅할 수 있다.
일측에 따르면, 일실시예에 따른 나선형 전도성 섬유의 제조방법은 와이어에 옮겨 감는 과정 없이 스테인레스 스틸 나사(112)로부터 분리되는 은(Ag) 나노 입자가 형성된 섬유(141)를 PDMS(142)로 코팅할 수도 있다.
예를 들면, PDMS(142)의 코팅은 기상법(Vapor phase deposition) 또는 액상법(Liquid phase deposition)을 통해 수행될 수 있다.
또한, PDMS(142)의 코팅은 당업계에서 통상적으로 입수할 수 있는 일반적인 PDMS 용액(예컨대, PDMS가 증류수, 톨루엔, 자일렌 및 n-헥산 중 적어도 하나에 용해되어 있는 것)을 사용 하거나, 상용화된 제품(Silicone Elastomer)을 이용하여 주제 및 경화제로 이루어진 PDMS 용액을 사용할 수도 있다.
즉, 일실시예에 따른 나선형 전도성 섬유의 제조방법은 은 나노 입자가 형성된 섬유(141)를 PDMS(142)로 코팅하여 나선형 전도성 섬유를 생성함으로써, 신장 및 수직 압력에 대하여 강한 기계적인 복원력(탄성력)을 갖는 전도성 섬유를 구현할 수 있다.
일측에 따르면, 140 단계에서 일실시예에 따른 나선형 전도성 섬유의 제조방법은 PDMS 코팅된 섬유(141 내지 142)인 나선형 전도성 섬유의 내부 나선 직경(Helical diameter)과 동일한 직경을 갖는 원기둥 연결부를 갖는 메탈 홀더를 생성하고, 원기둥 연결부를 통해 PDMS 코팅된 섬유와 생성된 메탈 홀더를 연결할 수 있다.
또한, 메탈 홀더는 3D 프린팅(Printing)을 통해 생성될 수 있다.
보다 구체적으로, 일실시예에 따른 나선형 전도성 섬유를 실제 회로에 적용하기 위해서는 상용화된 전자소자들과의 안정적인 연결이 필요하다.
따라서, 140 단계에서 일실시예에 따른 나선형 전도성 섬유의 제조방법은 생성된 나선형 전도성 섬유의 내부 나선 직경과 동일한 직경을 갖는 원기둥 형상의 연결부를 갖는 메탈 홀더를 3D 프린팅을 통해 생성할 수 있다.
또한, 140 단계에서 일실시예에 따른 나선형 전도성 섬유의 제조방법은 생성된 메탈 홀더와 생성된 나선형 전도성 섬유를 원기둥 연결부를 통해 서로 연결함으로써, 메탈 홀더를 통해 나선형 전도성 섬유와 메탈 홀더의 타측에 연결된 전자소자를 안정적으로 연결할 수 있다.
예를 들면, 나선형 전도성 섬유는 메탈 홀더의 원기둥 연결부를 감싸는 형태로 위치할 수 있고, 나선형 전도성 섬유가 위치한 원기둥 연결부를 전도성 에폭시로 고정하여 전기적으로 안정된 연결을 구현할 수 있다.
또한, 메탈 홀더는 은(Ag)으로 형성될 수 있고, 전술한 원기둥 연결부의 타측에 연결되는 전자소자 연결부를 더 포함할 수 있으며, 전자소자 연결부는 연결되는 메탈 홀더와 연결되는 전자소자의 단자 형상에 따라 서로 다르게 형성될 수 있다.
즉, 일실시예에 따른 메탈 홀더는 나선형 전도성 섬유와 전자소자의 형상 및 크기를 고려한 설계로 형성되어, 일실시예에 따른 나선형 전도성 섬유와 전자소자 사이의 전기적 연결의 신뢰성을 향상시킬 수 있다.
도 2a 내지 도 2d는 일실시예에 따른 나선형 전도성 섬유의 SEM 및 EDS 이미지를 설명하기 위한 도면이다.
도 2a 내지 2d를 참조하면, 참조부호 210은 SEM(Scanning electron microscope) 및 EDS(Energy dispersive x-ray spectroscopy)를 통해 도출된 일실시예에 따른 나선형 전도성 섬유의 표면 이미지를 나타낸다.
또한, 참조부호 220은 PDMS 코팅 이전에 도출된 일실시예에 따른 나선형 전도성 섬유의 표면 이미지를 나타내고, 참조부호 230은 PDMS 코팅 이후에 도출된 일실시예에 따른 나선형 전도성 섬유의 표면 이미지를 나타낸다.
한편, 참조부호 240은 일실시예에 따른 나선형 전도성 섬유의 단면 이미지를 나타낸다.
구체적으로, 참조부호 210에 따르면, 일실시예에 따른 나선형 전도성 섬유의 제조 방법을 통해 생성된 나선형 전도성 섬유에는 은(Ag) 나노입자가 밀집(Dense) 형성된 것을 확인할 수 있다.
또한, 참조부호 220 내지 240에 따르면, 일실시예에 따른 나선형 전도성 섬유의 표면은 PDMS 코팅 진행 후에 더 매끄러워진 것을 확인할 수 있으며, PDMS 코팅된 나선형 전도성 섬유의 단면을 확대한 결과, 중심부에는 은(Ag) 나노입자가 밀집되어 있고 외부 코팅에서는 PDMS를 구성하는 주요 물질인 실리콘(Si) 성분이 다량으로 확인되었다.
도 3a 내지 도 3d는 일실시예에 따른 나선형 전도성 섬유의 기계적 특성 및 전기적 특성을 설명하기 위한 도면이다.
도 3a 내지 도 3d를 참조하면, 참조부호 310은 내부 나선 직경이 각각 2, 3, 4, 5mm인 일실시예에 따른 나선형 전도성 섬유의 변형률(Strain)을 증가시키며 측정한 저항 변화율(Resistance change ratio)를 나타낸다.
또한, 참조부호 320은 내부 나선 직경이 3mm인 일실시예에 따른 나선형 전도성 섬유의 변형률을 증가시켰다 즉각적으로 감소시켰을 때, 저항 변화의 관찰을 통해 도출된 전기적 히스테리시스(Hysteresis) 특성을 나타낸다.
또한, 참조부호 330은 내부 나선 직경이 각각 2, 3, 4, 5mm인 일실시예에 따른 나선형 전도성 섬유의 변형률을 증가시키며 측정한 인장 스트레스(Tensile stress)를 나타낸다.
한편, 참조부호 340은 내부 나선 직경이 3mm인 일실시예에 따른 나선형 전도성 섬유의 변형률을 증가시켰다 즉각적으로 감소시켰을 때, 스트레스 변화 관찰을 통해 도출된 기계적 히스테리시스 특성을 나타낸다.
예를 들면, 참조부호 310 내지 340에서 변형률은 나선형 전도성 섬유의 길이 방향으로의 신장률을 의미할 수 있다.
구체적으로, 참조부호 310에 따르면, 나선 직경이 각각 2, 3, 4, 5mm인 나선형 전도성 섬유들은 변형률의 증가로 인해 완전히 직선 형태로 신장되기 전까지는 심각한 변형에도 불구하고 저항 값이 거의 변화되지 않는 것을 확인할 수 있다.
또한, 나선 직경이 각각 2, 3, 4, 5mm인 나선형 전도성 섬유들은 완전히 직선 형태로 신장될 때, 저항이 급격하게 증가 되지만, 저항의 급격한 증가에도 전도성을 잃지 않는 것을 확인할 수 있다.
이는, 나선형 전도성 섬유의 제조에 사용된 스판덱스(Spandex)가 높은 신축성을 갖고, 이와 동시에 전도성 경로(Path)가 섬유 내외부에 형성된 은(Ag) 나노입자들의 퍼컬레이션(Percolation)에 의존하기 때문인 것으로 분석 되었다.
또한, 참조부호 320에 따르면, 나선 직경이 3mm인 나선형 전도성 섬유는 변형률 1000%에서 완전히 직선 형태로 신장되어 초기 길이의 11배의 길이가 되는 변형에도 불구하고, 무시할만한 전기적 히스테리시스 특성이 나타나는 것으로 확인 되었다.
즉, 일실시예에 따른 나선형 전도성 섬유는 완전히 직선 형태로 신장되는 큰 변형에도 불구하고 안정적으로 전도성을 유지하는 것으로 분석 되었다.
또한, 참조부호 330에 따르면, 나선 직경이 각각 2, 3, 4, 5mm인 나선형 전도성 섬유들은 변형률의 증가로 인해 완전히 직선 형태로 신장되기 전까지는 신장에 의한 스트레스를 거의 받지 않은 것으로 나타났다.
한편, 일실시예에 따른 나선형 전도성 섬유는 PDMS 코팅 두께만 동일하면 재료적으로 동일한 물성(Young's Modulus)을 갖는 것으로 나타났다.
보다 구체적으로, 변형률-스트레스 특성 커브(Curve)의 기울기는 PDMS 코팅의 두께에 따라 변화하는데, 동일한 PDMS 코팅 두께에서 서로 다른 나선 직경을 갖는 복수의 나선형 전도성 섬유들의 변형률-스트레스 특성을 나타내는 참조부호 330의 그래프에 따르면, 복수의 나선형 전도성 섬유들은 완전히 직선 형태로 신장된 후에 서로 동일한 기울기 커브를 그리며 증가하는 것을 확인할 수 있다.
즉, 참조부호 330을 통해 동일한 PDMS 코팅 두께를 갖는 복수의 나선형 전도성 섬유들은 나선 직경과 상관없이 동일한 물성을 갖는 것으로 나타났다.
또한, 참조부호 340에 따르면, 나선 직경이 3mm인 나선형 전도성 섬유는 변형률 1000%에서 완전히 직선 형태로 신장되어 초기 길이의 11배의 길이가 되는 변형에도 불구하고, 무시할만한 기계적 히스테리시스 특성을 나타내는 것으로 나타났다.
즉, 일실시예에 따른 나선형 전도성 섬유는 완전히 직선 형태로 신장되는 큰 변형에도 불구하고 기계적으로 안정적인 특성을 보이는 것으로 분석 되었다.
도 4a 내지 도 4c는 일실시예에 따른 나선형 전도성 섬유의 안정성 및 신뢰성을 설명하기 위한 도면이다.
도 4a 내지 도 4c를 참조하면, 참조부호 410은 일실시예에 따른 나선형 전도성 섬유에서 PDMS 코팅 전과 코팅 후의 전기적 특성(Electrical stability)의 비교 결과를 나타낸다.
또한, 참조부호 420은 일실시예에 따른 나선형 전도성 섬유에 100%의 변형률(Strain)을 반복적으로 가하는 신장-수축 사이클을 나타내며, 참조부호 430은 신장-수축 사이클을 통해 도출된 내구성(Durable performance) 측정 결과를 나타낸다.
구체적으로, 참조부호 410에 따르면, 나선 직경이 3mm이고 PDMS 코팅된 나선형 전도성 섬유는 PDMS 코팅이 되지 않은 나선형 전도성 섬유와 비교하였을 때 저항이 거의 변하지 않는 최대신장범위 측면에서 약간의 손실이 있었으나, 변형률에 보다 안정적인 전기적 특성이 나타나는 것을 확인할 수 있었다.
즉, 일실시예에 따른 나선형 전도성 섬유는 PDMS 코팅을 통해 전기적 특성을 향상시킬 수 있는 것으로 나타났다.
또한, 참조부호 420 내지 430을 참조하면, PDMS 코팅된 나선형 전도성 섬유는 초기 길이의 2배가 되는 변형이 나타나는 100%의 변형률을 반복적으로 적용하는 신장-수축 사이클을 10,000번 실시 하였을 때, 초기 대비 저항이 약간 증가하는 것으로 나타났다.
그러나, 전술한 나선형 전도성 섬유의 저항 증가는 스판덱스(Spandex) 섬유가 보이는 고유의 점탄성(Viscoelastic)에 기인한 것으로, 소정의 시간이 흐른 후 원상 복구가 되는 것을 확인할 수 있었다.
즉, 일실시예에 따른 나선형 전도성 섬유는 반복적인 변형에도 불구하고 매우 높은 내구성 및 신뢰성을 보이는 것으로 나타났다.
도 5a 내지 도 5b는 일실시예에 따른 나선형 전도성 섬유의 기계적 시뮬레이션 분석 결과를 설명하기 위한 도면이다.
도 5a 내지 도 5b를 참조하면, 참조부호 510 내지 520은 일실시예에 따른 나선형 전도성 섬유의 변형률(Strain) 변화에 따른 스트레스(Stress)의 분포를 기계적인 시뮬레이션(FEA; Finite element analysis)을 통해 도출한 결과를 나타낸다.
구체적으로, 참조부호 510 내지 520에 따르면, 변형률의 변화에 따른 결과가 종래 기술과 비교하여 균일하게 나타나는 것으로 확인 되었다.
즉, 일실시예에 따른 나선형 전도성 섬유는 양 끝에만 본딩(Bonding) 되고도 형태를 유지할 수 있는 것으로 나타났다.
또한, 일실시예에 따른 나선형 전도성 섬유는 도 3a 내지 도 5b를 통해 도출된 전기적 특성 실험 결과와 기계적 특성 실험 결과가 서로 일치하는 것을 확인할 수 있었다.
도 6a 내지 도 6c는 일실시예에 따른 나선형 전도성 섬유의 수직 압축에 따른 탄성력을 설명하기 위한 도면이다.
도 6a 내지 도 6c를 참조하면, 참조부호 610은 PDMS 코팅을 하지 않은 나선형 전도성 섬유의 수직 압축 실험 결과를 나타내고, 참조부호 620은 PDMS 코팅된 나선형 전도성 섬유의 수직 압축 실험 결과를 나타낸다.
또한, 참조부호 630은 PDMS 코팅을 하지 않은 나선형 전도성 섬유와 PDMS 코팅된 나선형 전도성 섬유의 수직 압축 실험의 비교 결과를 나타낸다.
구체적으로, 참조부호 610 내지 620에 따르면, PDMS 코팅을 하지 않은 나선형 전도성 섬유와 PDMS 코팅된 나선형 전도성 섬유에 수직 방향으로 압력을 가하는 수직 압축 실험 1,000 사이클 반복한 결과, PDMS 코팅을 하지 않은 나선형 전도성 섬유는 초기 상태보다 많이 왜곡된 모습을 보이나, PDMS 코팅된 나선형 전도성 섬유는 초기 상태와 거의 차이가 없는 것으로 나타났다.
즉, 일실시예에 따른 나선형 전도성 섬유는 PDMS 코팅을 통해 수직 압축 변형에 대한 탄성력이 향상되는 것을 확인할 수 있다.
또한, 참조부호 630에 따르면, PDMS 코팅의 두께가 두꺼울수록 수직 압축에 대한 탄성력이 더 강하다는 것을 확인할 수 있다.
도 7a 내지 도 7b는 일실시예에 따른 나선형 전도성 섬유의 수직 압축에 따른 형태 복원 특성을 설명하기 위한 도면이다.
도 7a 내지 도 7c를 참조하면, 참조부호 710은 나선형 전도성 섬유를 투명한 아크릴판위에 양끝만 고정을 한 후 100회에 달하는 수직 압축을 가하는 수직 압축 실험 과정을 나타낸다.
또한 참조부호 720은 PDMS 코팅이 되지 않은 나선형 전도성 섬유의 수직 압축 실험 결과를 나타내고, 참조부호 730은 PDMS 코팅된 나선형 전도성 섬유의 수직 압축 실험 결과를 나타낸다.
구체적으로, 참조부호 710 내지 730에 따르면, PDMS 코팅이 되지 않은 나선형 전도성 섬유는 반복적인 수직 압축으로 인해 나선형 구조가 무작위적으로 변형되는 것을 확인할 수 있다.
그러나, PDMS 코팅된 나선형 전도성 섬유는 반복적인 수직 압축에도 불구하고 초기의 나선형 구조를 거의 완벽하게 유지하는 것을 확인할 수 있다.
즉, 일실시예에 따른 나선형 전도성 섬유에 적용되는 PDMS 코팅은 나선형 구조의 수평(길이) 방향으로의 신장에 대한 전기적인 안정성 뿐만 아니라, 나선형 구조의 수직(높이) 방향에서의 변형(압축)에 대한 기계적 복원력 또한 향상시키는 것으로 나타났다.
한편, PDMS 코팅 여부와 상관 없이 전술한 두개의 나선형 전도성 섬유는 수직 압축으로 인해 전도성 섬유 자체가 늘어나는 변형은 없었기 때문에 전기적으로는 매우 안정한 모습을 보이는 것으로 나타났다.
즉, 일실시예에 따른 나선형 전도성 섬유는 은(Ag) 나노입자의 흡수 및 환원 과정을 통해 전도성을 크게 향상 시키고, PDMS 코팅을 통해 3차원 구조를 유지하기 위한 복원력을 크게 향상시킬 수 있다.
도 8a는 일실시예에 따른 나선형 전도성 섬유로 연결되는 전자 소자를 설명하기 위한 도면이다.
도 8a를 참조하면, 나선형 전도성 섬유로 연결되는 전자 소자(810)는 나선형 전도성 섬유(811), 메탈 홀더(812) 및 전자 소자(813)를 포함할 수 있다.
도 8a에 도시된 나선형 전도성 섬유(811) 및 메탈 홀더(812)는 도 1a 내지 도 1d를 통해 설명한 제조 방법으로 형성되는 일실시예에 따른 나선형 전도성 섬유 및 메탈 홀더로서, 이후 도 8a를 통해 설명하는 내용 중 도 1a 내지 도 1d의 제조 방법 및 도 2a 내지 도 7c의 실험결과를 통해 설명한 내용과 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
구체적으로, 일실시예에 따른 나선형 전도성 섬유(811)는 PDMS(Poly-dimethylsiloxane)로 코팅될 수 있다.
일측에 따르면, 나선형 전도성 섬유(811)는 폴리우레탄(Polyurethane) 기반의 스판덱스(Spandex) 섬유일 수 있다.
일측에 따르면, 나선형 전도성 섬유(811)는 나선형으로 감긴 섬유를 은(Ag) 전구체(Precursor) 용액을 이용하여 스웰링(Swelling)하고, 스웰링된 섬유를 하이드라진 하이드레이트(Hydrazine hydrate) 용액을 이용하여 환원하며, 환원된 섬유를 PDMS(Poly-dimethylsiloxane)로 코팅하여 형성될 수 있다.
즉, 나선형 전도성 섬유(811)는 은(Ag) 나노입자가 형성된 섬유 및 은(Ag) 나노입자가 형성된 섬유의 외측에 형성된 PDMS 코팅층을 포함할 수 있다.
보다 구체적으로, 나선형 전도성 섬유(811)는 은(Ag) 전구체 용액을 이용한 흡수 과정 및 하이드라진 하이드레이트 용액을 이용한 환원 과정을 통해 환원된 은(Ag) 나노 입자들을 나선형으로 감긴 섬유에 형성하고, 은(Ag) 나노 입자들이 형성된 섬유를 PDMS로 코팅하여 형성될 수 있다.
한편, 일실시예에 따른 메탈 홀더(812)는 나선형 전도성 섬유(811)의 내부 나선 직경(Helical diameter)과 동일한 직경을 갖는 원기둥 연결부를 통해 나선형 전도성 섬유(811)와 연결될 수 있다. 또한, 메탈 홀더(812)는 전자 소자(813)와도 연결될 수 있다.
일측에 따르면, 메탈 홀더는 3D 프린팅(Printing)을 통해 생성될 수 있고, 전자 소자(813)는 표면실장소자(Surface-mount devices; SMD), 발광다이오드(Light emitting diode; LED) 소자 및 캐패시터 소자 중 적어도 하나의 소자를 포함할 수 있으나, 전자 소자의 종류는 전술한 예시에 한정되지 않고 다양한 종류의 전자 소자가 적용될 수 있다.
보다 구체적으로, 일실시예에 따른 메탈 홀더(812)는 일실시예에 따른 나선형 전도성 섬유(811)의 내부 나선 직경과 동일한 직경을 갖는 원기둥 연결부와, 전술한 원기둥 연결부의 타측에 생성되고 전자소자(813)의 단자 형상 및 사이즈에 대응하여 형성되는 전자소자 연결부를 구비할 수 있으며, 원기둥 연결부 및 전자소자 연결부를 구비하는 메탈 홀더(812)는 3D 프린팅을 통해 형성될 수 있다.
한편, 나선형 전도성 섬유(811)는 메탈 홀더(812)의 원기둥 연결부를 감싸는 형태로 위치할 수 있고, 나선형 전도성 섬유(811)가 위치한 원기둥 연결부를 전도성 에폭시로 고정하여 전기적으로 안정된 연결을 구현할 수 있다.
다시 말해, 일실시예에 따른 메탈 홀더(812)는 나선형 전도성 섬유(811)와 전자소자(813)의 형상 및 크기를 고려한 설계로 형성되어, 나선형 전도성 섬유(811)와 전자소자(813) 사이의 전기적 연결의 신뢰성을 향상시킬 수 있다.
도 8b는 일실시예에 따른 나선형 전도성 섬유로 연결되는 전자 소자의 적용예를 설명하기 위한 도면이다.
도 8b를 참조하면, 참조부호 820은 도 8a의 참조부호 810을 통해 설명한 나선형 전도성 섬유로 연결되는 전자 소자를 이용하여 옥시메트리(Oximetry) 회로를 구현하는 예시를 나타낸다.
구체적으로, 참조부호 820에 따르면, 복수의 메탈 홀더의 일측은 전자 소자인 적외선 LED(IR LED), 적색 LED(Red LED) 및 포토 디텍터(Photodetector)와 각각 연결되고, 복수의 메탈 홀더 각각의 타측은 복수의 나선형 전도성 섬유 각각과 연결되어 옥시메트리 회로를 구현할 수 있다.
다시 말해, 나선형 전도성 섬유로 연결되는 전자 소자로 구현된 옥시메트리 회로(820)는 복수의 전자 소자 각각을 복수의 메탈 홀더를 이용하여 기존의 배선 대비 전도성과 신뢰성이 대폭 향상된 일실시예에 따른 나선형 전도성 섬유 각각과 전기적으로 안정되게 연결할 수 있다.
결국, 본 발명을 이용하면, 은(Ag) 나노입자의 흡수 및 환원 과정을 통해 전도성을 크게 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명은 PDMS 코팅을 통해 3차원 나선형 구조를 유지하기 위한 탄성력 및 복원력을 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명은 나선형 전도성 섬유와 전자소자의 형상 및 크기를 고려한 설계로 형성된 메탈 홀더를 통해, 나선형 전도성 섬유와 메탈 홀더를 연결함으로써, 전기적 연결의 신뢰성을 향상시킬 수 있다.
이상과 같이 실시예들이 비록 한정된 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기의 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 시스템, 구조, 장치, 회로 등의 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다.
그러므로, 다른 구현들, 다른 실시예들 및 특허청구범위와 균등한 것들도 후술하는 특허청구범위의 범위에 속한다.
140: 스웰링된 섬유를 환원하는 단계 141: 은 나노 입자가 형성된 섬유
142: PDMS 코팅
142: PDMS 코팅
Claims (12)
- PDMS(Poly-dimethylsiloxane)로 코팅된 나선형 전도성 섬유;
상기 나선형 전도성 섬유의 내부 나선 직경(Helical diameter)과 동일한 직경을 갖는 원기둥 연결부를 통해 상기 나선형 전도성 섬유와 연결된 메탈 홀더 및
상기 메탈 홀더와 연결된 전자 소자
를 포함하는 나선형 전도성 섬유로 연결된 전자 소자. - 제1항에 있어서,
상기 나선형 전도성 섬유는 폴리우레탄(Polyurethane) 기반의 스판덱스(Spandex) 섬유인 것을 특징으로 하는
나선형 전도성 섬유로 연결된 전자 소자. - 제1항에 있어서,
상기 나선형 전도성 섬유는 나선형으로 감긴 섬유를 은(Ag) 전구체(Precursor) 용액을 이용하여 스웰링(Swelling)하고, 스웰링된 섬유를 하이드라진 하이드레이트(Hydrazine hydrate) 용액을 이용하여 환원하며, 환원된 섬유를 상기 PDMS(Poly-dimethylsiloxane)로 코팅하여 형성되는
나선형 전도성 섬유로 연결된 전자 소자. - 제1항에 있어서,
상기 나선형 전도성 섬유는 은(Ag) 나노입자가 형성된 섬유 및 상기 은(Ag) 나노입자가 형성된 섬유의 외측에 형성된 PDMS(Poly-dimethylsiloxane) 코팅층을 포함하는
나선형 전도성 섬유로 연결된 전자 소자. - 제1항에 있어서,
상기 전자 소자는 표면실장소자(Surface-mount devices; SMD), 발광다이오드(Light emitting diode; LED) 소자 및 캐패시터 소자 중 적어도 하나의 포함하는
나선형 전도성 섬유로 연결된 전자 소자. - 섬유를 스테인레스 스틸(STS; Stainless steel) 나사(Screw)의 홈 부분을 따라 나선형으로 감고, 스테인레스 스틸 너트(Nut)로 고정시키는 단계;
상기 나선형으로 감긴 섬유를 은(Ag) 전구체(Precursor) 용액을 이용하여 스웰링(Swelling) 시키는 단계 및
상기 스웰링된 섬유를 하이드라진 하이드레이트(Hydrazine hydrate) 용액을 이용하여 환원하는 단계
를 포함하는 나선형 전도성 섬유의 제조방법. - 제6항에 있어서,
상기 섬유는 폴리우레탄(Polyurethane) 기반의 스판덱스(Spandex) 섬유인 것을 특징으로 하는
나선형 전도성 섬유의 제조방법. - 제6항에 있어서,
상기 스테인레스 스틸 나사와 상기 스테인레스 스틸 너트를 클리닝(Cleaning)한 후, SAM(Self-assembled Monolayer) 코팅을 수행하여, 상기 스테인레스 스틸 나사와 상기 스테인레스 스틸 너트가 초발수성 표면을 갖도록 하는 단계를 더 포함하는
나선형 전도성 섬유의 제조방법. - 제6항에 있어서,
상기 환원된 섬유를 상기 스테인레스 스틸 나사와 동일한 직경과 동일한 와이어(Wire)에 옮겨 감는 단계를 더 포함하는
나선형 전도성 섬유의 제조방법. - 제9항에 있어서,
상기 와이어에 감긴 섬유를 PDMS(Poly-dimethylsiloxane)로 코팅하는 단계를 더 포함하는
나선형 전도성 섬유의 제조방법. - 제10항에 있어서,
상기 PDMS 코팅된 섬유의 내부 나선 직경(Helical diameter)과 동일한 직경을 갖는 원기둥 연결부를 갖는 메탈 홀더를 생성하는 단계 및
상기 원기둥 연결부를 통해 상기 PDMS 코팅된 섬유와 상기 메탈 홀더를 연결하는 단계를 더 포함하는
나선형 전도성 섬유의 제조방법. - 제11항에 있어서,
상기 메탈 홀더는 3D 프린팅(Printing)을 통해 생성되는
나선형 전도성 섬유의 제조방법.
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| KR1020180160173A KR102082739B1 (ko) | 2018-12-12 | 2018-12-12 | 나선형 전도성 섬유 및 이의 제조 방법 |
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| KR20180003209A (ko) | 2016-06-30 | 2018-01-09 | 한국과학기술연구원 | 전도성 섬유 및 이의 제조 방법 |
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