KR102184025B1

KR102184025B1 - 피부 모방형 신축성 투명 기판 및 이의 제조 방법

Info

Publication number: KR102184025B1
Application number: KR1020190011687A
Authority: KR
Inventors: 이내응; 아딜라 하니프; 황병웅
Original assignee: 성균관대학교산학협력단
Priority date: 2019-01-30
Filing date: 2019-01-30
Publication date: 2020-11-27
Also published as: KR20200094337A

Abstract

본 발명은 하나 이상의 나노 섬유가 혼합된 나노섬유층을 내장하는 절연물질을 포함하여 신축성과 투명성, 우수한 내구성을 가지며, 탄성계수의 제어가 용이한 피부 모방형 신축성 투명 기판 및 이의 제조 방법에 관한 것으로, 하나 이상의 나노 섬유가 혼합된 나노섬유층; 및 나노섬유층을 내장하고 있는 절연물질;을 포함한다.
본 발명은 일정 수준 이하의 응력에서는 변형이 잘 일어나고, 일정 수준 이상의 높은 응력에서는 자기 제어 방식으로 변형이 잘 일어나지 않아 탄성계수의 제어가 용이하고, 우수한 투과도와 내구성을 가져 신체 부착이 가능한 패치 형태의 센서 기판, e-스킨에 적용할 수 있고, 더 나아가 의료ㅇ의학 분야, 로봇 공학 분야 등의 여러 분야에 다양하게 접목이 가능하다.

Description

피부 모방형 신축성 투명 기판 및 이의 제조 방법{A skin-mimicking stretchable transparent substrate and a method for manufacturing the same}

본 발명은 하나 이상의 나노 섬유가 혼합된 나노섬유층을 내장하는 절연물질을 포함하여 신축성과 투명성, 우수한 내구성을 가지며, 탄성계수의 제어가 용이한 피부 모방형 신축성 투명 기판 및 이의 제조 방법에 관한 것이다.

종래에는 탄성체 물질인 PDMS(polydimethylsiloxane), 폴리우레탄(polyurethane), 에코플렉스(ecoflex) 등의 단일 물질로 이루어진 적당히 두꺼운 기판을 신축성 소자의 제조에 사용해왔다.

하지만, 단일 탄성체 물질은 낮은 탄성계수를 가져 내구성이 좋지 않아, 기판이 과도한 응력으로부터 보호되지 않으며, 두꺼운 기판 상에 제작된 센서는 신체에 부착이 용이하지 않을 뿐만 아니라 피부의 주름을 따라 적절하게 부착되지 않아 근육의 움직임이나 체온, 맥박 등의 신호를 정밀히 감지하지 못하는 문제점이 있다.

이와 같은 문제점을 해결하기 위해, 탄성체 물질에 탄소나노튜브(carbon nanotube), 가교된 멤브레인, 그래핀(graphene), 산화 그래핀(GO), 이산화규소 나노입자 등을 혼합한 물질을 기판 물질로 활용하여 강성을 향상시킬 수 있었지만, 낮은 응력과 높은 응력에서의 기계적 특성을 조율하기 어려운 문제점이 존재한다.

본 발명은 기존의 문제점을 해결하기 위하여, 하나 이상의 나노 섬유가 혼합된 나노섬유층을 내장하는 절연물질을 포함하여 얇은 두께에서도 신축성과 투명성, 우수한 내구성을 가지며, 피부처럼 일정 수준 이하의 응력에서는 변형이 잘 일어나고, 일정 수준 이상의 높은 응력에서는 자기 제어 방식으로 변형이 잘 일어나지 않아 탄성계수의 제어가 용이한 피부 모방형 신축성 투명 기판 및 이의 제조 방법을 제공하는데 목적이 있다.

본 발명의 실시예에 따른 피부 모방형 신축성 투명 기판은, 하나 이상의 나노 섬유가 혼합된 나노섬유층; 및 상기 나노섬유층을 내장하고 있는 절연물질;을 포함한다.

상세하게는, 상기 나노섬유층은 P(VDF-TrEE) 나노 섬유, 폴리우레탄(PU) 나노 섬유 중에서 선택된 어느 하나 이상으로 이루어지는 것이 바람직하다.

다른 예로, 상기 나노섬유층은 P(VDF-TrFE) 나노 섬유 및 폴리우레탄(PU) 나노 섬유를 순차적으로 적층하여 형성될 수 있다.

또 다른 예로, 상기 나노섬유층은 P(VDF-TrFE) 나노 섬유 및 폴리우레탄(PU) 나노 섬유를 혼합하여 형성될 수 있다.

한편, 상기 절연물질은 PDMS(polydimethylsiloxane), 에코플렉스(ecoflex) 및 폴리우레탄(PU) 중에서 선택된 어느 하나인 것이 바람직하다.

그리고, 본 발명의 실시예에 따른 피부 모방형 신축성 투명 기판의 두께는 500㎛ 이하인 것이 바람직하고, 100㎛ 이하인 것이 더욱 바람직하다.

또한, 본 발명은 피부 모방형 신축성 투명 기판 상에 센서가 배치된 신축성 센서를 포함할 수 있다.

한편, 본 발명의 다른 실시 형태인 피부 모방형 신축성 투명 기판 제조 방법은, 유기용매에 P(VDF-TrFE) 또는 폴리우레탄(PU) 중에서 선택된 어느 하나 이상을 혼합하는 단계(S100); 혼합한 용액을 전기방사를 이용하여 나노 섬유를 형성하는 단계(S200); 상기 나노 섬유를 PI(polyimide) 필름에 부착하는 단계(S300); PDMS 소재를 상기 PI(polyimide) 필름 상에 스핀 코팅하는 단계(S400); 및 스핀 코팅된 PDMS를 가열하여 경화시키는 단계(S500);를 포함한다.

상기 유기용매는 N,N-dimethylformamide(DMF) 또는 N,N-dimethylformamide(DMF)와 아세톤(Sigma-Aldrich)을 1:1의 부피비로 혼합한 용매인 것이 바람직하다.

또한, 상기 경화시키는 단계(S500)는 약 75 ~ 85℃의 온도에서 약 70 ~ 80분 동안 수행될 수 있다.

그리고, 본 발명은 상기 경화시키는 단계(S500) 후에, 센서를 경화된 PDMS의 일면에 배치하는 단계(S600)를 더 포함할 수 있다.

한편, 본 발명의 또 다른 실시 형태로, 상기 피부 모방형 신축성 투명 기판, 신축성 센서 또는 피부 모방형 신축성 투명 기판 제조 방법에 따라 제조된 피부 모방형 신축성 투명 기판을 포함하는 신체 부착 가능한 패치를 들 수 있다.

본 발명은 하나 이상의 나노 섬유가 혼합된 나노섬유층을 내장하는 절연물질을 포함하여 일정 수준 이하의 응력에서는 변형이 잘 일어나고, 일정 수준 이상의 높은 응력에서는 자기 제어 방식으로 변형이 잘 일어나지 않아 탄성계수의 제어가 용이하고, 우수한 투과도와 내구성을 가져 신체 부착이 가능한 패치 형태의 센서 기판, e-스킨에 적용할 수 있고, 더 나아가 의료·의학 분야, 로봇 공학 분야 등의 여러 분야에 다양하게 접목이 가능한 장점이 있다.

도 1a는 본 발명의 실시예에 따른 PDMS 절연물질 내에 P(VDF-TrFE) 나노 섬유로 이루어진 나노섬유층이 형성된 피부 모방형 신축성 투명 기판을 도시한 도면이다.
도 1b는 본 발명의 다른 실시예에 따른 PDMS 절연물질 내에 P(VDF-TrFE) 나노 섬유, 폴리우레탄(PU) 나노 섬유, P(VDF-TrFE) 나노 섬유가 순차적으로 적층된 나노섬유층이 형성된 피부 모방형 신축성 투명 기판을 도시한 도면이다.
도 1c는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 PDMS 절연물질 내에 폴리우레탄(PU) 나노 섬유, P(VDF-TrFE) 나노 섬유, 폴리우레탄(PU) 나노 섬유가 순차적으로 적층된 나노섬유층이 형성된 피부 모방형 신축성 투명 기판을 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 피부 모방형 신축성 투명 기판의 제조 방법을 도시한 공정도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 피부 모방형 신축성 투명 기판 제조 방법을 도시한 순서도이다.
도 4는 본 발명의 피부 모방형 신축성 투명 기판을 주름이 많은 피부에 부착한 사진이다.
도 5는 피부 모방형 신축성 투명 기판의 광투과율을 측정한 결과를 나타낸 그래프이다.
도 6은 피부 모방형 신축성 투명 기판과 나노 섬유가 배치되지 않은 PDMS 기판 상에 전극을 형성한 후, 응력에 따른 기판의 전류값의 변화를 측정하여 기판의 기계적 특성을 평가한 결과를 나타낸 그래프이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 피부 모방형 신축성 투명 기판 상에 온도센서가 배치된 신축성 센서를 도시한 도면이다.
도 8은 피부 모방형 신축성 투명 기판에 형성한 온도센서의 온도 및 응력 변화에 따른 저항값의 변화를 측정한 결과를 나타낸 그래프이다.
도 9는 피부 모방형 신축성 투명 기판에 형성한 온도센서를 털이 많은 사람의 손목에 부착한 상태로 손목을 움직이는 사진이다.
도 10은 피부 모방형 신축성 투명 기판에 형성한 온도센서를 손목에 부착하고, 손목을 위아래로 움직이는 동안의 체온 변화를 측정한 결과를 나타낸 그래프이다.
도 11은 피부 모방형 신축성 투명 기판에 응력이 걸리지 않았을 경우의 내부 P(VDF-TrFE) 나노 섬유의 거동을 분석한 형광 이미지이다.
도 12는 피부 모방형 신축성 투명 기판에 자기 제어 방식 한계치(~60%)까지 응력을 가했을 때의 내부 P(VDF-TrFE) 나노 섬유의 거동을 분석한 형광 이미지이다.
도 13은 피부 모방형 신축성 투명 기판에 자기 제어 방식 한계치 이상으로 응력을 가했을 때의 내부 P(VDF-TrFE) 나노 섬유의 거동을 분석한 형광 이미지이다.
다양한 실시예들이 이제 도면을 참조하여 설명되며, 전체 도면에서 걸쳐 유사한 도면번호는 유사한 엘리먼트를 나타내기 위해서 사용된다. 설명을 위해 본 명세서에서, 다양한 설명들이 본 발명의 이해를 제공하기 위해서 제시된다. 그러나 이러한 실시예들은 이러한 특정 설명 없이도 실행될 수 있음이 명백하다. 다른 예들에서, 공지된 구조 및 장치들은 실시예들의 설명을 용이하게 하기 위해서 블록 다이아그램 형태로 제시된다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대해 상세히 설명한다. 본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다.

본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로서 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

본 발명의 피부 모방형 신축성 투명 기판은, 하나 이상의 나노 섬유가 혼합된 나노섬유층; 및 나노섬유층을 내장하고 있는 절연물질;을 포함한다.

나노섬유층은 절연물질의 내부에 배치되어 보강 충진제로 활용하기 위한 것으로, P(VDF-TrFE) 나노 섬유, 폴리우레탄(PU) 나노 섬유 중에서 선택된 어느 하나 이상으로 이루어진다.

도 1a에 도시된 바와 같이, 나노섬유층은 P(VDF-TrFE) 나노 섬유로 이루어지고, 절연물질의 내부에 얽혀서 배치될 수 있다. 여기서, P(VDF-TrFE) 나노 섬유는 전기 방사를 위한 혼합용액에 0.1 ~ 0.8㎖ 로 인입되는 것이 바람직한데, 0.1 ㎖ 미만으로 인입되는 경우 절연물질의 강도 증가가 미미하고, 0.8 ㎖를 초과하여 인입되는 경우에는 광투과율이 감소할 수 있기 때문이다.

한편, 상기 나노섬유층은 P(VDF-TrFE) 나노 섬유 및 폴리우레탄(PU) 나노 섬유를 순차적으로 적층하여 형성될 수 있다.

구체적으로, 도 1b를 참조하면, 나노섬유층은 P(VDF-TrFE) 나노 섬유, 폴리우레탄(PU) 나노 섬유, P(VDF-TrFE) 나노 섬유 순서로 적층된 구조를 가질 수 있다.

다른 예로, 도 1c에 도시된 바와 같이, 나노섬유층은 폴리우레탄(PU) 나노 섬유, P(VDF-TrFE) 나노 섬유, 폴리우레탄(PU) 나노 섬유 순서로 적층된 구조를 가질 수 있으며, 이에 한정되는 것이 아니라 P(VDF-TrFE) 나노 섬유 및 폴리우레탄(PU) 나노 섬유 중에서 선택된 어느 하나, 또는 둘을 적층한 여러 가지 구조를 가질 수 있다.

또한, 상기 나노섬유층은 P(VDF-TrFE) 나노 섬유 및 폴리우레탄(PU) 나노 섬유를 혼합하여 형성될 수 있고, 절연물질의 내부에 얽혀서 배치될 수 있다.

절연물질은 하나 이상의 나노 섬유가 혼합된 나노섬유층을 내장하는 탄성체로, PDMS(Polydimethylsiloxane), 에코플렉스(ecoflex) 및 폴리우레탄(PU) 중에서 선택된 어느 하나인 것이 바람직하며, PDMS(Polydimethylsiloxane)인 것이 가장 바람직하다.

위와 같이, 본 발명은 P(VDF-TrFE) 또는 폴리우레탄(PU)과 같이 모듈러스가 높은 물질을 단독, 적층 혹은 혼합한 나노 섬유로 사용하고, PDMS와 같이 모듈러스가 낮은 물질로 나노 섬유를 감싸는 형태로 구성될 수 있다. (예를 들어, 모듈러스 수치는 P(VDF-TrFE) = 약 1GPa, 폴리우레탄(PU) = 약 1MPa, PDMS = 100kPa 이하이다.)

이러한 본 발명의 피부 모방형 신축성 투명 기판의 두께는 500㎛ 이하인 것이 바람직하고, 100㎛ 이하인 것이 더욱 바람직하다.

즉, 본 발명은 낮은 영률을 갖는 PDMS 소재의 내부에 높은 강도를 갖는 P(VDF-TrFE) 나노 섬유와 연성을 갖는 폴리우레탄(PU) 나노 섬유 중에서 선택된 어느 하나 이상으로 이루어진 나노섬유층을 배치하여 보강 충진제로 활용함으로써, 피부와 비슷한 내구성과 강도, 영률을 갖게 되며, 매우 얇은 두께(100㎛ 이하)로 제조될 수 있을 뿐만 아니라 기계적 손상 없이 핸들링이 가능하다.

또한, 본 발명은 피부와 같이 낮은 응력에서는 변형이 잘 일어나고, 높은 응력에서는 변형이 잘 일어나지 않는 자기 제어 방식의 기능을 갖는다.

그리고, 본 발명은 투명한 PDMS 소재로 이루어져 나노 섬유의 함유량을 조절해도 매우 우수한 투명성을 가지며, 나노 섬유의 함유량을 전기 방사를 위한 혼합용액의 0.1 ~ 0.8㎖ 범위 내에서 변화시켜 피부 모방형 신축성 투명 기판의 기계적 특성을 용이하게 조절할 수 있는 장점이 있다.

그리고, 본 발명은 피부 모방형 신축성 투명 기판 상에 센서가 배치된 신축성 센서를 포함할 수 있다.

이러한 피부 모방형 신축성 투명 기판 상에 온도 센서, 압력 센서, 습도 센서, 변형률 감지 센서 등과 같은 센서를 배치하여, 신체의 온도, 근육의 움직임, 습도 등을 감지할 수 있으며, 신체 부착 가능한 패치로 활용하여 의료ㅇ의학 분야, 로봇 공학 분야 등의 여러 분야에 접목이 가능하다.

도 2 및 도 3을 참조하면, 유기용매에 P(VDF-TrFE) 또는 폴리우레탄(PU) 중에서 선택된 어느 하나 이상을 혼합하는 단계(S100)를 진행한다. 여기서, 유기용매는 N,N-dimethylformamide(DMF) 또는 N,N-dimethylformamide(DMF)와 아세톤(Sigma-Aldrich)을 1:1의 부피비로 혼합한 용매인 것이 바람직하다.

다음으로, 혼합한 용액을 전기 방사하여 나노 섬유(120)를 형성하는 단계(S200)를 진행한다. 이때, 나노 섬유(120)는 알루미늄 호일(110) 상에 형성할 수 있다.

이후, 나노 섬유(120)를 PI(polyimide) 필름(130)에 부착하는 단계(S300)가 진행된다. 구체적으로, 나노 섬유(120)를 알루미늄 호일(110)로부터 떼어낸 후, PI(polyimide) 필름(130)으로 옮겨 부착하는 것이 바람직하다.

다음으로, PDMS 소재(140)를 PI(polyimide) 필름(130) 상에 스핀 코팅하는 단계(S400)가 진행되며, 스핀 코팅은 예를 들어, 3500rpm에서 약 40초 동안 수행될 수 있다. 또한, 스핀 코팅하는 단계(S400) 후에는 PDMS 소재(140)를 진공 오븐에 넣어 생성된 버블을 제거할 수 있다.

마지막으로, 스핀 코팅된 PDMS(140)를 가열하여 경화시키는 단계(S500)가 수행되며, 바람직하게는 약 75 ~ 85℃의 온도에서 약 70 ~ 80분 동안 가열이 수행될 수 있다.

상기 단계를 거쳐 경화가 된 피부 모방형 신축성 투명 기판(150)을 PI(polyimide) 필름(130)에서 조심스럽게 떼어내어 500㎛ 이하, 더욱 바람직하게는 100㎛ 이하의 두께를 갖는 피부 모방형 신축성 투명 기판을 제조할 수 있다.

그리고, 본 발명은 경화시키는 단계(S500) 후에, 센서를 경화된 PDMS의 일면에 형성하는 단계(S600)를 더 포함함으로써, 피부 모방형 신축성 투명 기판 상에 센서가 배치된 신축성 센서를 제조할 수 있다.

또한, 본 발명의 다른 실시 형태로 피부 모방형 신축성 투명 기판 제조 방법에 따라 제조된 피부 모방형 신축성 투명 기판을 포함하는 신체 부착 가능한 패치를 들 수 있다.

이하에서는 구체적인 실시예와 함께 본 발명의 내용을 더욱 자세히 설명하도록 하겠다.

[실시예 1]

N,N-dimethylformamide(DMF)와 아세톤(Sigma-Aldrich)을 1:1의 부피비로 혼합한 유기용매에 P(VDF-TrFE)(65% 불화 비닐 리덴, Piezotech S.A.) 분말을 15중량%로 혼합한 용액을 제조하였다.

이후, 전기방사기를 이용하여 혼합한 용액을 전기 방사하여 알루미늄 호일(10 x 10 cm) 상에 나노 섬유를 형성하였다. 이때, 전기 방사는 18㎸의 전압, 21G 바늘로 1.5 ㎖/h 의 유속 조건으로 수행되며, 팁과 알루미늄 호일(10 x 10 cm) 상의 거리는 15 ㎝를 유지한다.

다음으로 PI(polyimide) 필름을 캐리어 기판으로 활용하여, 나노 섬유를 알루미늄 호일로부터 떼어내어 PI(polyimide) 필름으로 옮겨 부착한다.

이후, 실리콘 탄성체와 경화제의 비율이 10:1(v/v)로 혼합된 PDMS(polydimethylsiloxane, Sylgard)를 나노 섬유가 형성되어 있는 PI(polyimide) 필름 상에 3500rpm에서 약 40초 동안 스핀 코팅한 후, 약 45분 동안 진공 오븐에 넣어 버블을 제거하고, 80℃의 온도에서 약 75분 동안 가열해주어 PDMS를 경화시킨다.

마지막으로 경화가 된 피부 모방형 신축성 투명 기판을 PI(polyimide) 필름에서 조심스럽게 떼어내어, 두께가 62 ㎛인 피부 모방형 신축성 투명 기판을 제조하였다.

[실시예 2]

PEDOT:PSS 28 중량% 및 PU 분산액(PUD) 72 중량%를 혼합한 용액을 실시예 1에서 제조된 피부 모방형 신축성 투명 기판의 양면에 스핀 코팅하였다.

이후, 5㎚ 두께의 Ni 박층을 PEDOT:PSS/PUD 복합막 상에 e-빔 증착에 의해 쉐도우 마스크를 통해 식각 마스크로 증착한 후, 전극을 패턴화하기 위하여 마스크가 없는 PEDOT:PSS/PUD 복합막의 영역을 500W의 마이크로파 전력을 사용하는 화학 건식 에칭 시스템에서 640mTorr의 산소 마이크로파 플라즈마에 노출시켰다.

이후, RGO/PU를 질소 환경 하에서 감지 채널층으로 전극의 상부에 패턴시켜 피부 모방형 신축성 투명 기판 상에 온도 센서가 배치된 신축성 센서를 제조하였다.(도 7 참조)

[실험예 1]

실시예 1에서 제조된 피부 모방형 신축성 투명 기판의 피부 부착성을 확인하기 위하여, 상기 기판을 주름이 많은 피부에 부착시키고, 피부에 변형을 가하면서 본 발명에 따른 기판의 피부 부착성을 확인하였다.

도 4에 도시된 바와 같이, 기판은 피부의 주름을 따라 정확히 부착되었으며, 피부의 반복적인 변형에도 피부로부터 분리되지 않아 피부 부착성이 우수한 것을 확인할 수 있었다.

[실험예 2]

자외선-가시광선 분광광도계(S-3100, Scinco)를 이용하여 실시예 1에서 제조된 피부 모방형 신축성 투명 기판의 광투과율을 측정한 후, 그 결과를 도 5에 도시하였다.

도 5를 참조하면, 본 발명은 400 ~ 1000 nm 의 파장에서 높은 광 투과율(~80%)을 나타냈으며, 550nm의 가시광선 영역의 파장에서 80%에 가까운 광투과도를 가지는 것을 알 수 있었다. 육안으로 보았을 때에도 투명하여 배경이 명확하게 보이는 것을 확인할 수 있었다.

[실험예 3]

실시예 1에서 제조된 피부 모방형 신축성 투명 기판 및 나노 섬유가 배치되지 않은 PDMS 기판(이하, 비교예라 함)의 양면에 각각 전도성 탄성체 물질인 PEDOT:PSS/PUD 나노복합 전극물질을 형성한 후, 응력에 따른 기판의 전류값의 변화를 측정하여 기판의 기계적 특성을 평가한 결과를 도 6에 도시하였다.

도 6을 참조하면, 0% 및 60%의 응력을 가할 때, 나노 섬유가 배치되지 않은 PDMS 기판(비교예)에 비해 실시예 1에서 제조된 피부 모방형 신축성 투명 기판의 전류값의 변화가 현저히 낮았으며, 이에 P(VDF-TrFE) 나노 섬유가 기판의 기계적 특성 향상에 크게 기여하는 것으로 여겨진다.

[실험예 4]

반도체 파라미터 분석기(HP4145B, Agilent Technologies)를 사용하여 피부 모방형 신축성 투명 기판 상에 온도센서가 배치된 신축성 센서(도 7 참조)의 온도 및 응력 변화에 따른 저항값의 변화를 측정한 결과를 도 8에 나타내었다.

도 8을 참조하면, 30℃, 32℃, 34℃, 36℃, 38℃, 40℃의 온도에서 응력을 각각 0%, 5%, 10%, 15%, 20%, 25%, 30%, 35%, 40%로 가한 경우에도 저항값의 변화가 미미하여, 응력의 변화에도 온도 센서가 기계적 손상 없이 온도를 정확히 감지할 수 있음을 확인할 수 있었다.

[실험예 5]

도 9에 도시된 바와 같이, 피부 모방형 신축성 투명 기판 상에 온도 센서가 배치된 신축성 센서를 털이 많은 사람의 손목에 부착한 후, 손목을 위아래로 움직여 본 발명에 따른 기판의 피부 부착성을 확인하였다. 그 결과, 손목을 위아래로 움직이는 경우에도 상기 기판이 피부로부터 분리되지 않고, 피부의 주름을 따라 정확히 부착되는 것을 확인할 수 있었다.

또한, 기판 상에 온도 센서가 배치된 신축성 센서를 손목에 부착하여 손목을 위아래로 움직이는 동안의 체온 변화를 측정하고, 그 결과를 도 10에 나타내었다.

도 10을 참조하면, 기판은 손목에 부착하기 전에 약 23℃로 측정되었고, 손목에 부착한 후 약 31℃의 온도로 측정되어 온도의 변화를 감지한 것으로 나타나며, 손목 운동을 한 후 온도값이 증가하는 것으로 나타나 체온의 변화를 감지하는 것을 확인할 수 있었다. 또한, 기판을 손목에서 떼어낸 후의 온도가 약 23℃로 측정되는 것으로 보아, 체온의 변화를 정밀하게 감지하는 것을 확인할 수 있었다.

[실험예 6]

피부 모방형 신축성 투명 기판에 응력을 가했을 때, 내부 P(VDF-TrFE) 나노 섬유의 거동을 확인하기 위해서, fluoresceinisothiocyanate (FITC) 형광 물질을 나노 섬유에 혼합한 후 실시예 1의 방법으로 피부 모방형 신축성 투명 기판을 제조하고, 공초점 현미경을 이용해 분석한 형광 이미지를 도 11에 도시하였다.

또한, 제조된 피부 모방형 신축성 투명 기판에 자기 제어 방식 한계치(~60%) 까지 응력을 가해준 후, 공초점 현미경을 이용해 분석한 형광 이미지를 도 12에 도시하였다.

마지막으로, 제조된 피부 모방형 신축성 투명 기판에 자기 제어 방식의 한계치 이상으로 응력을 가해준 후, 공초점 현미경을 이용해 분석한 형광 이미지를 도 13에 도시하였다.

도 11을 참조하면, 외부의 응력이 작용하지 않을 때 P(VDF-TrFE) 나노 섬유는 끊어진 곳이 없이 랜덤하게 얽혀있는 것을 확인할 수 있었다.

반면, 도 12에 도시된 바와 같이, 자기 제어 방식 한계치(~60%)까지 응력을 가해주는 경우에는, P(VDF-TrFE) 나노 섬유는 끊어지지 않은 채 늘어난 방향으로 정렬이 되어, 신축성이 우수한 것을 확인할 수 있엇다.

한편, 도 13을 참조하면, 기판에 응력을 기판의 자기 제어 방식 한계치 이상으로 가해주었을 때, P(VDF-TrFE) 나노 섬유가 끊어지는 것을 확인할 수 있었다.

제시된 실시예들에 대한 설명은 임의의 본 발명의 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 이용하거나 또는 실시할 수 있도록 제공된다. 이러한 실시예들에 대한 다양한 변형들은 본 발명의 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 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.

Claims

P(VDF-TrFE) 나노 섬유 및 폴리우레탄(PU) 나노 섬유가 혼합된 나노섬유층; 및
상기 나노섬유층을 내장하고 있는 절연물질;을 포함하고,
상기 절연물질은 PDMS(polydimethylsiloxane), 에코플렉스(ecoflex) 및 폴리우레탄(PU) 중에서 선택된 어느 하나인 것을 특징으로 하는, 피부 모방형 신축성 투명 기판.
삭제
제1항에 있어서,
상기 나노섬유층은 P(VDF-TrFE) 나노 섬유 및 폴리우레탄(PU) 나노 섬유를 혼합한 경우에 있어서, P(VDF-TrFE) 나노 섬유 및 폴리우레탄(PU) 나노 섬유를 순차적으로 적층하여 형성한 것을 이용하는 것을 특징으로 하는, 피부 모방형 신축성 투명 기판.
삭제
삭제
제1항에 있어서,
상기 피부 모방형 신축성 투명 기판의 두께는 500㎛ 이하인 것인, 피부 모방형 신축성 투명 기판.
제6항에 있어서,
상기 피부 모방형 신축성 투명 기판의 두께는 100㎛ 이하인 것인, 피부 모방형 신축성 투명 기판.
제1항, 제3항, 제6항 내지 제7항 중 어느 한 항에 따른 피부 모방형 신축성 투명 기판 상에 센서가 배치된, 신축성 센서.
유기용매에 P(VDF-TrFE) 또는 폴리우레탄(PU) 중에서 선택된 어느 하나 이상을 혼합하는 단계(S100);
혼합한 용액을 전기방사를 이용하여 나노 섬유를 형성하는 단계(S200);
상기 나노 섬유를 PI(polyimide) 필름에 부착하는 단계(S300);
PDMS 소재를 상기 PI(polyimide) 필름 상에 스핀 코팅하는 단계(S400); 및
스핀 코팅된 PDMS를 가열하여 경화시키는 단계(S500);를 포함하고,
상기 PDMS 내부에는 P(VDF-TrFE) 나노 섬유 및 폴리우레탄(PU) 나노 섬유가 혼합된 나노섬유층이 배치된 것을 특징으로 하는, 피부 모방형 신축성 투명 기판 제조 방법.
제9항에 있어서,
상기 유기용매는 N,N-dimethylformamide(DMF) 또는 N,N-dimethylformamide(DMF)와 아세톤(Sigma-Aldrich)을 1:1의 부피비로 혼합한 용매인 것인, 피부 모방형 신축성 투명 기판 제조 방법.
제9항에 있어서,
상기 경화시키는 단계(S500)는 75 ~ 85℃의 온도에서 70 ~ 80분 동안 수행되는 것을 특징으로 하는, 피부 모방형 신축성 투명 기판 제조 방법.
제9항에 있어서,
상기 경화시키는 단계(S500) 후에, 센서를 경화된 PDMS의 일면에 형성하는 단계(S600);를 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 피부 모방형 신축성 투명 기판 제조 방법.
제1항, 제3항, 제6항 내지 제7항 중 어느 한 항에 따른 피부 모방형 신축성 투명 기판을 포함하는 신체 부착 가능한 패치.
제8항에 따른 신축성 센서를 포함하는 신체 부착 가능한 패치.
제9항 내지 제12항 중 어느 한 항에 따른 피부 모방형 신축성 투명 기판 제조 방법에 따라 제조된 피부 모방형 신축성 투명 기판을 포함하는 신체 부착 가능한 패치.