KR102208377B1 - Fiber cposite and preparing method of the same - Google Patents

Fiber cposite and preparing method of the same Download PDF

Info

Publication number
KR102208377B1
KR102208377B1 KR1020190099308A KR20190099308A KR102208377B1 KR 102208377 B1 KR102208377 B1 KR 102208377B1 KR 1020190099308 A KR1020190099308 A KR 1020190099308A KR 20190099308 A KR20190099308 A KR 20190099308A KR 102208377 B1 KR102208377 B1 KR 102208377B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
fiber composite
fiber
polymer
strain sensors
rubber
Prior art date
Application number
KR1020190099308A
Other languages
Korean (ko)
Other versions
KR20200026707A (en
Inventor
방창현
이기라
김지선
김다완
장시연
Original Assignee
성균관대학교산학협력단
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 성균관대학교산학협력단 filed Critical 성균관대학교산학협력단
Priority to US16/555,809 priority Critical patent/US11530909B2/en
Publication of KR20200026707A publication Critical patent/KR20200026707A/en
Application granted granted Critical
Publication of KR102208377B1 publication Critical patent/KR102208377B1/en

Links

Images

Classifications

    • DTEXTILES; PAPER
    • D06TREATMENT OF TEXTILES OR THE LIKE; LAUNDERING; FLEXIBLE MATERIALS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • D06MTREATMENT, NOT PROVIDED FOR ELSEWHERE IN CLASS D06, OF FIBRES, THREADS, YARNS, FABRICS, FEATHERS OR FIBROUS GOODS MADE FROM SUCH MATERIALS
    • D06M11/00Treating fibres, threads, yarns, fabrics or fibrous goods made from such materials, with inorganic substances or complexes thereof; Such treatment combined with mechanical treatment, e.g. mercerising
    • D06M11/73Treating fibres, threads, yarns, fabrics or fibrous goods made from such materials, with inorganic substances or complexes thereof; Such treatment combined with mechanical treatment, e.g. mercerising with carbon or compounds thereof
    • D06M11/74Treating fibres, threads, yarns, fabrics or fibrous goods made from such materials, with inorganic substances or complexes thereof; Such treatment combined with mechanical treatment, e.g. mercerising with carbon or compounds thereof with carbon or graphite; with carbides; with graphitic acids or their salts
    • DTEXTILES; PAPER
    • D06TREATMENT OF TEXTILES OR THE LIKE; LAUNDERING; FLEXIBLE MATERIALS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • D06MTREATMENT, NOT PROVIDED FOR ELSEWHERE IN CLASS D06, OF FIBRES, THREADS, YARNS, FABRICS, FEATHERS OR FIBROUS GOODS MADE FROM SUCH MATERIALS
    • D06M15/00Treating fibres, threads, yarns, fabrics, or fibrous goods made from such materials, with macromolecular compounds; Such treatment combined with mechanical treatment
    • D06M15/19Treating fibres, threads, yarns, fabrics, or fibrous goods made from such materials, with macromolecular compounds; Such treatment combined with mechanical treatment with synthetic macromolecular compounds
    • D06M15/37Macromolecular compounds obtained otherwise than by reactions only involving carbon-to-carbon unsaturated bonds
    • D06M15/564Polyureas, polyurethanes or other polymers having ureide or urethane links; Precondensation products forming them
    • DTEXTILES; PAPER
    • D06TREATMENT OF TEXTILES OR THE LIKE; LAUNDERING; FLEXIBLE MATERIALS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • D06MTREATMENT, NOT PROVIDED FOR ELSEWHERE IN CLASS D06, OF FIBRES, THREADS, YARNS, FABRICS, FEATHERS OR FIBROUS GOODS MADE FROM SUCH MATERIALS
    • D06M15/00Treating fibres, threads, yarns, fabrics, or fibrous goods made from such materials, with macromolecular compounds; Such treatment combined with mechanical treatment
    • D06M15/19Treating fibres, threads, yarns, fabrics, or fibrous goods made from such materials, with macromolecular compounds; Such treatment combined with mechanical treatment with synthetic macromolecular compounds
    • D06M15/37Macromolecular compounds obtained otherwise than by reactions only involving carbon-to-carbon unsaturated bonds
    • D06M15/643Macromolecular compounds obtained otherwise than by reactions only involving carbon-to-carbon unsaturated bonds containing silicon in the main chain
    • D06M15/647Macromolecular compounds obtained otherwise than by reactions only involving carbon-to-carbon unsaturated bonds containing silicon in the main chain containing polyether sequences
    • DTEXTILES; PAPER
    • D06TREATMENT OF TEXTILES OR THE LIKE; LAUNDERING; FLEXIBLE MATERIALS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • D06MTREATMENT, NOT PROVIDED FOR ELSEWHERE IN CLASS D06, OF FIBRES, THREADS, YARNS, FABRICS, FEATHERS OR FIBROUS GOODS MADE FROM SUCH MATERIALS
    • D06M15/00Treating fibres, threads, yarns, fabrics, or fibrous goods made from such materials, with macromolecular compounds; Such treatment combined with mechanical treatment
    • D06M15/693Treating fibres, threads, yarns, fabrics, or fibrous goods made from such materials, with macromolecular compounds; Such treatment combined with mechanical treatment with natural or synthetic rubber, or derivatives thereof
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01LMEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L1/00Measuring force or stress, in general
    • G01L1/20Measuring force or stress, in general by measuring variations in ohmic resistance of solid materials or of electrically-conductive fluids; by making use of electrokinetic cells, i.e. liquid-containing cells wherein an electrical potential is produced or varied upon the application of stress
    • G01L1/22Measuring force or stress, in general by measuring variations in ohmic resistance of solid materials or of electrically-conductive fluids; by making use of electrokinetic cells, i.e. liquid-containing cells wherein an electrical potential is produced or varied upon the application of stress using resistance strain gauges
    • DTEXTILES; PAPER
    • D10INDEXING SCHEME ASSOCIATED WITH SUBLASSES OF SECTION D, RELATING TO TEXTILES
    • D10BINDEXING SCHEME ASSOCIATED WITH SUBLASSES OF SECTION D, RELATING TO TEXTILES
    • D10B2401/00Physical properties
    • D10B2401/16Physical properties antistatic; conductive

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Textile Engineering (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Measurement Of Length, Angles, Or The Like Using Electric Or Magnetic Means (AREA)

Abstract

본 발명은 신축성(Strechable) 섬유; 상기 신축성 섬유 상에 코팅된 전도성 탄성 고분자 층; 상기 신축성 섬유 상 또는 상기 탄성 고분자 층 상에 배치된 고분자 비드; 및 상기 고분자 비드를 코팅하는 전도성 탄성 고분자 층을 포함하는 스트레인 센서용 섬유복합체 및 이의 제조방법에 관한 것으로, 간단한 혼합 및 코팅을 이용하여 전도성 입자, 고분자 비드 및 탄성 고분자들을 신축성 섬유 표면에 코팅함으로서, 우수한 내구성, 회복성, 반복성, 민감도가 높은 스트레인을 제공할 수 있다.The present invention is stretchable (Strechable) fiber; A conductive elastic polymer layer coated on the stretchable fiber; A polymer bead disposed on the elastic fiber or the elastic polymer layer; And It relates to a fiber composite for a strain sensor comprising a conductive elastic polymer layer coating the polymer beads and a method for manufacturing the same, by coating conductive particles, polymer beads and elastic polymers on the surface of the stretchable fiber using simple mixing and coating, It can provide excellent durability, recovery, repeatability, and strain with high sensitivity.

Description

섬유복합체 및 이의 제조방법{FIBER CPOSITE AND PREPARING METHOD OF THE SAME}Fiber composite and its manufacturing method {FIBER CPOSITE AND PREPARING METHOD OF THE SAME}

본 발명은 섬유복합체 및 이의 제조방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 스트레인 센서용 섬유복합체에 관한 것이다.The present invention relates to a fiber composite and a method of manufacturing the same, and more particularly, to a fiber composite for a strain sensor.

최근 주목받고 있는 웨어러블 디바이스 시장에서 착용할 수 있는 형태로 된 섬유 센서에 대한 연구가 활발히 진행되고 있으며, 소방용 및 군사용과 같은 특수 분야의 의복뿐만 아니라 신체의 동작 모니터링을 통한 라이프 스타일 케어에 대한 연구 또한 각광받고 있다. 이러한 분야에서 활용되는 섬유형 스트레인 센서의 경우에는, 강한 스트레인에서는 신축성과 감도를 유지하고 작은 스트레인에 대해서는 높은 감도를 갖는 것이 중요하다.In the wearable device market, which has recently attracted attention, research on wearable fiber sensors is being actively conducted, and studies on lifestyle care through monitoring of body motions as well as special fields such as firefighting and military use are also being conducted. Be in the spotlight. In the case of a fibrous strain sensor used in this field, it is important to maintain elasticity and sensitivity in strong strains and to have high sensitivity in small strains.

그러나, 종래의 섬유형 스트레인 센서에 사용되는 전도성 섬유는 유연함과 편안함을 기대하기 어려워 실제 의복에는 적용하기 힘든 문제점이 있다. 또한 기존의 스트레인 센서에 사용되는 전도성 섬유의 경우에는, 고가의 재료가 사용되어 제조 단가가 높고 대량 생산 제조에 용이하지 못한 단점이 있어, 종래의 전도성 섬유를 이용한 스마트 웨어 보편화는 한계가 있다. 이러한 문제 해결을 위한 연구 개발이 진행되어 왔지만, 여전히 실제 적용에 어려움이 있다. 따라서 저비용, 무해물질 사용, 높은 내구성 및 우수한 센싱 감도 등을 동시에 갖는 섬유 구현 기술 개발이 강력하게 요구되고 있다.However, the conductive fiber used in the conventional fibrous strain sensor has a problem that is difficult to apply to actual clothing because it is difficult to expect flexibility and comfort. In addition, in the case of the conventional conductive fiber used in the strain sensor, there is a disadvantage in that expensive materials are used, the manufacturing cost is high, and it is not easy to manufacture in mass production, and thus the generalization of smart wear using the conventional conductive fiber is limited. Research and development have been conducted to solve these problems, but there are still difficulties in practical application. Therefore, there is a strong demand for developing a fiber implementation technology that simultaneously has low cost, use of harmless materials, high durability, and excellent sensing sensitivity.

본 발명의 일 목적은 저비용, 무해물질 사용, 높은 내구성 및 우수한 센싱 감도 등을 동시에 갖는 스트레인 센서용 섬유복합체를 제공하는 것이다.An object of the present invention is to provide a fiber composite for a strain sensor having at the same time low cost, use of harmless materials, high durability, and excellent sensing sensitivity.

본 발명의 다른 목적은 상기 스트레인 센서용 섬유복합체의 제조방법을 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to provide a method of manufacturing the strain sensor fiber composite.

본 발명은, 신축성(Stretchable) 섬유; 상기 신축성 섬유 상에 코팅된 제1 전도성 탄성 고분자 층; 상기 제1 전도성 탄성 고분자 층 상에 배치된 고분자 비드; 및 상기 고분자 비드 및 상기 제1 전도성 탄성 고분자 층을 코팅하는 제2 전도성 탄성 고분자 층을 포함하는, 스트레인 센서용 섬유복합체를 제공한다.The present invention, stretchable (Stretchable) fiber; A first conductive elastic polymer layer coated on the stretchable fiber; A polymer bead disposed on the first conductive elastic polymer layer; And it provides a fiber composite for a strain sensor comprising the polymer beads and a second conductive elastic polymer layer coating the first conductive elastic polymer layer.

스트레인 센서란, 측정하는 대상물의 기계적인 변화를 감지하여 전기신호로 검출하는 센서이다.The strain sensor is a sensor that detects a mechanical change of an object to be measured and detects it with an electric signal.

고분자 비드란, 적어도 하나 이상의 고분자 물질이 경화되어 고체 상태로 존재하고, 100 ㎛ 내지 200 ㎛ 사이의 직경을 가지는 구형의 독립적인 형태를 가진다. 그러나, 본 발명은 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.The polymer bead is present in a solid state by curing at least one polymer material, and has a spherical independent shape having a diameter of between 100 μm and 200 μm. However, the present invention is not necessarily limited thereto.

신축성이란, 물체가 늘어나고 줄어드는 성질을 의미한다.Elasticity means the property of an object to stretch and shrink.

일 실시예에서, 상기 제1 및 제2 전도성 탄성 고분자 층은, 탄성 고분자에 전도성 입자가 분산된 것일 수 있다.In one embodiment, the first and second conductive elastic polymer layers may include conductive particles dispersed in an elastic polymer.

일 실시예에서, 상기 전도성 입자는 카본 블랙(carbon black), 카본 나노 튜브(Carbon Nano Tube, CNT) 및 그래핀(Graphene) 중 적어도 하나 이상을 포함할 수 있다.In one embodiment, the conductive particles may include at least one of carbon black, carbon nanotubes (CNTs), and graphene.

일 실시예에서, 상기 고분자 비드는 100 ㎛ 내지 200 ㎛ 사이의 직경을 가질 수 있다.In one embodiment, the polymer beads may have a diameter between 100 μm and 200 μm.

일 실시예에서, 상기 고분자 비드는 경화된 고분자 비드일 수 있다.In one embodiment, the polymer beads may be cured polymer beads.

일 실시예에서, 상기 제1 및 제2 탄성 고분자 및 상기 고분자 비드는 각각 서로 독립적으로, 천연 고무(natural rubber), 니트릴 고무(nitrile rubber), 아크릴로니트릴 부타디엔 고무(acrylonitrile-butadiene rubber), 스티렌부타디엔 고무(styrenebutadiene rubber), 클로로프렌 고무(chloroprene rubber), 부틸 고무(butyl rubber), 이소프렌 이소부틸렌 고무(isoprene-isobutylene rubber), 에틸렌프로피렌 고무(ethylene propylene rubber), 클로로설폰화 폴리에틸렌 고무(chlorosulphonated polyethylene rubber), 아크릴 고무(acrylic rubber), 불소 고무(fluoro rubber), 다황화물계 고무(polysulfide rubber), 실리콘 고무(silicone rubber), 부타디엔 고무(butadiene rubber), 이소프렌 고무(isoprene rubber), 우레탄 고무(urethane rubber), 폴리우레탄(polyurethane), PDMS(polydimethylsiloxane), 폴리올레핀계 열가소성 엘라스토머(polyolefin thermoplastic elaster, TPE), 폴리스티렌계 TPE(polystyrene TPE), 폴리염화비닐 TPE(Polyvinyl chloride TPE), 폴리에스터 TPE(polyester TPE), 폴리우레탄 TPE(polyurethane TPE) 및 폴리아미드 TPE(polyamide TPE) 중 적어도 하나 이상을 포함할 수 있다.In one embodiment, the first and second elastic polymers and the polymer beads are each independently of each other, natural rubber, nitrile rubber, acrylonitrile-butadiene rubber, and styrene. Butadiene rubber, chloroprene rubber, butyl rubber, isoprene-isobutylene rubber, ethylene propylene rubber, chlorosulphonated polyethylene rubber polyethylene rubber), acrylic rubber, fluoro rubber, polysulfide rubber, silicone rubber, butadiene rubber, isoprene rubber, urethane rubber (urethane rubber), polyurethane (polyurethane), PDMS (polydimethylsiloxane), polyolefin thermoplastic elaster (TPE), polystyrene TPE (polystyrene TPE), polyvinyl chloride TPE (polyvinyl chloride TPE), polyester TPE ( polyester TPE), polyurethane TPE (polyurethane TPE), and polyamide TPE (polyamide TPE).

일 실시예에서, 상기 제1 및 제2 탄성 고분자는 폴리우레탄일 수 있다.In one embodiment, the first and second elastic polymers may be polyurethane.

일 실시예에서, 상기 고분자 비드는 PDMS의 비드일 수 있다.In one embodiment, the polymer beads may be PDMS beads.

일 실시예에서, 상기 신축성 있는 섬유 소재는 폴리우레탄 기재 섬유일 수 있다.In one embodiment, the elastic fiber material may be a polyurethane-based fiber.

일 실시예에서, 상기 신축성(Strechable) 섬유는 폴리비닐알코올(Polyvinyl Alcohol, PVA)로 코팅된 신축성 섬유이고, 상기 제1 및 제2 전도성 탄성 고분자 층은 카본 블랙이 분산된 폴리우레탄을 포함하는 고분자 층이고, 상기 고분자 비드는 PDMS의 비드일 수 있다.In one embodiment, the stretchable fiber is a stretchable fiber coated with polyvinyl alcohol (PVA), and the first and second conductive elastic polymer layers are polymers comprising polyurethane in which carbon black is dispersed. Layer, and the polymer beads may be PDMS beads.

본 발명은, 유기 용매; 상기 유기 용매에 용해되는 탄성 고분자; 상기 유기 용매에 용해되지 않는 고분자 비드; 및 전도성 입자가 혼합된 고분자 용액으로, 신축성 있는(Strechable) 섬유 소재 표면에 코팅함을 포함하는, 스트레인 센서용 섬유복합체 제조 방법을 제공한다.The present invention, an organic solvent; An elastic polymer dissolved in the organic solvent; Polymer beads insoluble in the organic solvent; And it provides a polymer solution mixed with conductive particles, comprising coating on the surface of a stretchable fiber material, a method of manufacturing a fiber composite for a strain sensor.

유기 용매란, 탄성 고분자를 녹일 수 있는 액체 상태의 유기물질이다.The organic solvent is a liquid organic material capable of dissolving an elastic polymer.

일 실시예에서, 상기 고분자 용액은 분산제를 더 포함할 수 있다.In one embodiment, the polymer solution may further include a dispersant.

일 실시예에서, 상기 분산제는 P3HT(poly(3-hexylthiophene))일 수 있다.In one embodiment, the dispersant may be P3HT (poly(3-hexylthiophene)).

일 실시예에서, 상기 탄성 고분자는 폴리우레탄일 수 있다.In one embodiment, the elastic polymer may be polyurethane.

일 실시예에서, 상기 고분자 비드는 경화된 PDMS 비드일 수 있다.In one embodiment, the polymer beads may be cured PDMS beads.

일 실시예에서, 상기 유기 용매는 클로로포름(Chloroform), DMF(dimethylformamide), 톨루엔(Toluene), DMSO(dimethyl sulfoxide) 및 NMP(N-Methylpyrrolidone) 중에서 적어도 하나 이상을 포함할 수 있다.In one embodiment, the organic solvent may include at least one of chloroform, dimethylformamide (DMF), toluene, dimethyl sulfoxide (DMSO), and N-methylpyrrolidone (NMP).

일 실시예에서, 상기 전도성 입자를 형성하는 물질은 카본 블랙(carbon black), 카본 나노 튜브(Carbon Nano Tube, CNT) 및 그래핀(Graphene) 중 적어도 하나 이상을 포함할 수 있다.In one embodiment, the material forming the conductive particles may include at least one of carbon black, carbon nanotubes (CNTs), and graphene.

일 실시예에서, 상기 고분자 용액은 카본 블랙, 경화된 PDMS 비드, 폴리우레탄 및 유기 용매의 용액일 수 있다.In one embodiment, the polymer solution may be a solution of carbon black, cured PDMS beads, polyurethane, and an organic solvent.

일 실시예에서, 상기 스트레인 섬유는 PVA 코팅된 섬유일 수 있다.In one embodiment, the strain fiber may be a PVA coated fiber.

본 발명의 섬유복합체는 간단한 제조 방법을 통해 제조되며, 신축성 또는 탄성이 있는 섬유 소재의 표면에 전도성 물질과 탄성 고분자가 표면에 배치되어, 상대적으로 내구성 및 전도도 등이 우수하며 안정적이다. 따라서 이를 이용하여 제조된 스트레인 센서의 경우 내구성, 회복성, 반복성 및 민감도 등이 우수하게 나타나며, 또한 빠른 센싱 속도를 나타낸다.The fiber composite of the present invention is manufactured through a simple manufacturing method, and a conductive material and an elastic polymer are disposed on the surface of a fiber material having elasticity or elasticity, so that it is relatively excellent in durability and conductivity and is stable. Therefore, in the case of a strain sensor manufactured using this, durability, recovery, repeatability, and sensitivity are excellent, and also exhibit a fast sensing speed.

도 1은 본 발명의 스트레인 센서용 섬유복합체를 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 본 발명의 고분자 비드 제조 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 본 발명의 고분자 용액의 제조 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 본 발명의 스트레인 센서용 섬유복합체의 제조 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 스트레인 센서용 섬유복합체의 표면 분석을 위한 SEM 이미지를 나타내는 도면이다. 도 5의 (a)는 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 스트레인 센서용 섬유복합체에 스트레인을 가하기 전 표면 이미지를 나타내는 도면이다. (b)는 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 스트레인 센서용 섬유복합체에 스트레인을 가한 후 표면 이미지를 나타내는 도면이다. (C)는 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 스트레인 센서용 섬유복합체를 포함하는 스트레인 센서의 이미지이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 스트레인 센서용 섬유복합체를 포함하는 센서의 스트레인에 따른 반응 속도 및 저항 변화 그래프를 나타낸 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 스트레인 센서용 섬유복합체를 포함하는 센서의 안정성을 평가하기 위한 그래프를 나타낸 도면이다.
도 8은 PVA 코팅에 따른 스트레인 센서용 섬유복합체의 표면 비교 분석을 위한 표면 이미지를 나타내는 도면이다.
도 9는 PVA 코팅 유무 및 PDMS 첨가 유무에 따른 섬유복합체의 표면 비교 분석을 위한 SEM 이미지를 나타내는 도면이다. 도 9의 (a) 및 (b)는 고분자 비드를 포함하지 않는 경우, PVA 코팅 유무에 따라 제조된 섬유복합체 각각의 표면을 나타내는 이미지이다. (c) 및 (d)는 5 wt%의 고분자 비드를 포함한 경우, PVA 코팅 유무에 따라 제조된 섬유복합체 각각의 표면을 나타내는 이미지이다.
도 10은 PU 첨가 유무에 따른 스트레인 센서용 섬유복합체 이미지를 나타내는 도면이다.
도 11은 PU 첨가 유무에 따른 섬유복합체의 표면 비교 분석을 위한 Optical microscope (OM) 이미지를 나타내는 도면이다.
도 12는 PU 첨가 유무에 따른 섬유복합체의 표면 비교 분석을 위한 SEM 이미지를 나타내는 도면이다.
도 13은 고분자 비드 유무에 따른 스트레인 센서용 섬유복합체의 기계적 성질을 평가하기 위한 그래프를 나타내는 도면이다.
도 14는 고분자 비드의 첨가 비율에 따른 섬유복합체를 이용하여 제조된 센서의 반응 속도를 비교하기 위한 도면이다.
도 15는 본 발명의 고분자 비드 비율에 따라 제조된 섬유복합체들의 표면 SEM 이미지를 나타낸다.
도 16은 고분자 비드의 첨가 비율에 따른 스트레인 센서의 성능을 평가하기 위한 그래프를 나타내는 도면이다. 도 16의 (a)는 고분자 비드 첨가 비율에 따른 스트레인 센서의 스트레인에 따른 저항을 나타내는 그래프 이다. (b)는 고분자 비드 첨가 비율에 따른 센서의 스트레인에 따른 게이지율(Gauge Factor)을 나타내는 그래프이다.
도 17은 고분자 비드에 따른 스트레인 센서의 성능을 평가하기 위한 도면이다.
도 18은 카본 블랙의 중량에 따른 스트레인 센서의 성능을 평가하기 위한 도면이다. 도 18의 (a)는 카본 블랙의 중량에 따른 스트레인 센서의 전도도를 나타내는 그래프이다. 도 18의 (b)는 카본 블랙의 중량에 따른 스트레인 센서의 안정성을 나타내는 그래프이다. 도 18의 (c)는 카본 블랙의 중량에 따른 스트레인 센서의 저항 변화를 나타내는 그래프이다.
도 19는 분산제의 첨가 비율에 따른 센서의 300 %의 스트레인을 가한 후 성능을 평가하기 위한 도면이다.
도 20은 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 섬유복합체를 포함하는 스트레인 센서의 맥박 측정을 나타내는 도면이다.
1 is a view for explaining a fiber composite for a strain sensor of the present invention.
2 is a view for explaining a method of manufacturing a polymer bead of the present invention.
3 is a view for explaining a method of manufacturing a polymer solution of the present invention.
4 is a view for explaining a method of manufacturing a fiber composite for a strain sensor of the present invention.
5 is a view showing an SEM image for surface analysis of the strain sensor fiber composite manufactured according to an embodiment of the present invention. 5A is a view showing a surface image before applying strain to a fiber composite for a strain sensor manufactured according to an embodiment of the present invention. (b) is a diagram showing a surface image after applying strain to a fiber composite for a strain sensor manufactured according to an embodiment of the present invention. (C) is an image of a strain sensor including a fiber composite for a strain sensor manufactured according to an embodiment of the present invention.
6 is a diagram showing a graph of a response rate and resistance change according to strain of a sensor including a fiber composite for a strain sensor manufactured according to an embodiment of the present invention.
7 is a diagram showing a graph for evaluating the stability of a sensor including a fiber composite for a strain sensor manufactured according to an embodiment of the present invention.
8 is a view showing a surface image for a comparative analysis of the surface of the strain sensor fiber composite according to the PVA coating.
9 is a view showing an SEM image for comparative analysis of the surface of a fiber composite according to the presence or absence of PVA coating and the addition of PDMS. 9A and 9B are images showing the surfaces of each of the fiber composites prepared according to the presence or absence of PVA coating when the polymer beads are not included. (c) and (d) are images showing the surface of each of the fiber composites prepared according to the presence or absence of PVA coating when 5 wt% of polymer beads are included.
10 is a view showing an image of a fiber composite for a strain sensor according to whether or not PU is added.
11 is a diagram showing an optical microscope (OM) image for comparative analysis of the surface of a fiber composite with or without PU addition.
12 is a view showing an SEM image for comparative analysis of the surface of a fiber composite with or without PU addition.
13 is a view showing a graph for evaluating the mechanical properties of the strain sensor fiber composite with or without polymer beads.
14 is a view for comparing the reaction rate of a sensor manufactured using a fiber composite according to the addition ratio of the polymer beads.
15 shows surface SEM images of fiber composites prepared according to the polymer bead ratio of the present invention.
16 is a view showing a graph for evaluating the performance of the strain sensor according to the addition ratio of the polymer beads. FIG. 16A is a graph showing resistance according to strain of the strain sensor according to the addition ratio of polymer beads. (b) is a graph showing the gauge factor according to the strain of the sensor according to the addition ratio of polymer beads.
17 is a diagram for evaluating the performance of the strain sensor according to the polymer beads.
18 is a diagram for evaluating the performance of the strain sensor according to the weight of carbon black. 18A is a graph showing the conductivity of the strain sensor according to the weight of carbon black. 18B is a graph showing the stability of the strain sensor according to the weight of carbon black. 18C is a graph showing the resistance change of the strain sensor according to the weight of carbon black.
19 is a view for evaluating the performance after applying a strain of 300% of the sensor according to the addition ratio of the dispersant.
20 is a diagram showing pulse measurement of a strain sensor including a fiber composite manufactured according to an embodiment of the present invention.

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.The terms used in the present application are only used to describe specific embodiments and are not intended to limit the present invention. Singular expressions include plural expressions unless the context clearly indicates otherwise. In the present application, terms such as "comprise" or "have" are intended to designate the existence of features, steps, actions, components, parts, or a combination thereof described in the specification, but one or more other features or steps It is to be understood that it does not preclude the possibility of addition or presence of, 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 otherwise defined, 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 the present invention belongs. Terms as defined in a commonly used dictionary should be interpreted as having a meaning consistent with the meaning in the context of the related technology, and should not be interpreted as an ideal or excessively formal meaning unless explicitly defined in this application. Does not.

본 발명은 스트레인 센서용 섬유복합체 및 이의 제조방법에 관한 것으로, 먼저, 본 발명의 제조방법에 따라 제조된 스트레인 센서용 섬유복합체를 도 1을 참조하여 설명한다.The present invention relates to a fiber composite for a strain sensor and a method for manufacturing the same, and first, a fiber composite for a strain sensor manufactured according to the manufacturing method of the present invention will be described with reference to FIG. 1.

도 1을 참조하면, 본 발명의 섬유복합체는 신축성(Strechable) 섬유; 상기 신축성 섬유 상에 코팅된 제1 전도성 탄성 고분자 층; 상기 제1 전도성 탄성 고분자 층 상에 배치된 고분자 비드; 및 상기 고분자 비드 및 상기 제1 전도성 탄성 고분자를 코팅하는 제2 전도성 탄성 고분자 층을 포함한다.Referring to Figure 1, the fiber composite of the present invention is stretchable (Strechable) fiber; A first conductive elastic polymer layer coated on the stretchable fiber; A polymer bead disposed on the first conductive elastic polymer layer; And a second conductive elastic polymer layer coating the polymer beads and the first conductive elastic polymer.

도 1의 (ⅰ)를 참조하면, 본 발명의 신축성 섬유는, 늘어나고 줄어들 수 있는 특성을 가진 섬유로 폴리우레탄 계열의 섬유일 수 있고, 폴리우레탄섬유의 탄성사로 만든 합성섬유인 스판덱스일 수 있다. 그러나, 본 발명은 이에 한정되는 것은 아니며, 늘어나고 줄어듦에 있어서 안정적으로 본래의 형태로 회복될 수 있는 섬유일 수 있다. 또한, 상기 신축성 섬유는, 폴리비닐알콜(Poly vinyl alcohol, 이하 PVA라 함)이 코팅된 신축성 섬유일 수 있다. 상기 PVA의 코팅은 전도성 탄성 고분자 층과의 접착력을 증가시키기 위해 사용될 수 있으며, 구체적으로, 상기 PVA의 OH 말단기가 전도성 입자의 -OH 말단기와 수소 결합으로 인하여 전도성 탄성 고분자 층과의 접착력이 증가되는 효과를 나타낼 수 있다.Referring to (i) of FIG. 1, the stretchable fiber of the present invention may be a polyurethane-based fiber as a fiber having properties that can be stretched and contracted, or spandex, a synthetic fiber made of an elastic yarn of polyurethane fiber. However, the present invention is not limited thereto, and may be a fiber that can be stably restored to its original shape when stretched and contracted. In addition, the elastic fiber may be an elastic fiber coated with polyvinyl alcohol (hereinafter referred to as PVA). The coating of the PVA may be used to increase adhesion to the conductive elastic polymer layer, and specifically, the OH end group of the PVA increases the adhesion to the conductive elastic polymer layer due to hydrogen bonding with the -OH end group of the conductive particles. It can have the effect of becoming.

도 1의 (ⅱ) 및 (ⅲ)을 참조하면, 본 발명의 섬유복합체는 신축성 섬유 또는 PVA가 코팅된 신축성 섬유 상에 코팅된 제1 전도성 탄성 고분자 층이 존재하는 것을 확인할 수 있다. 상기 제1 전도성 탄성 고분자 층 상에는 고분자 비드가 존재하며, 상기 고분자 비드는 제2 전도성 탄성 고분자 층으로 코팅될 수 있다. Referring to (ii) and (iii) of FIG. 1, it can be seen that the first conductive elastic polymer layer coated on the elastic fiber or the elastic fiber coated with PVA is present in the fiber composite of the present invention. Polymer beads are present on the first conductive elastic polymer layer, and the polymer beads may be coated with a second conductive elastic polymer layer.

상기 제1 및 제2 전도성 탄성 고분자 층은 탄성 고분자에 전도성 입자가 분산된 것일 수 있다. 상기 전도성 입자는 카본 블랙, 카본 나노 튜브 및 그래핀 중 적어도 하나 이상을 포함할 수 있다. 바람직하게는, 상기 전도성 입자는 카본 블랙일 수 있다. 전도성 입자로 카본 블랙을 이용하는 경우, 70 wt%의 카본 블랙을 첨가하는 것이 바람직하다. 상기 전도성 입자로 인해 본 발명의 섬유복합체는 우수한 전도도를 가질 수 있고, 이는 스트레인 센서에도 영향을 미친다.The first and second conductive elastic polymer layers may include conductive particles dispersed in an elastic polymer. The conductive particles may include at least one of carbon black, carbon nanotubes, and graphene. Preferably, the conductive particles may be carbon black. When using carbon black as the conductive particles, it is preferable to add 70 wt% of carbon black. Due to the conductive particles, the fiber composite of the present invention can have excellent conductivity, which also affects the strain sensor.

상기 고분자 비드는 적어도 하나 이상의 고분자 물질이 경화되어 고체 상태로 존재하고, 100 ㎛ 내지 200 ㎛ 사이의 직경을 가지는 구형의 독립적인 형태를 가진다. 바람직하게는, 상기 고분자 비드는 PDMS의 비드 일 수 있다. 그러나, 본 발명은 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. The polymer beads are present in a solid state by curing at least one polymer material, and have a spherical independent shape having a diameter between 100 μm and 200 μm. Preferably, the polymer beads may be PDMS beads. However, the present invention is not necessarily limited thereto.

본 발명의 섬유복합체는 상기 고분자 비드로 인해 본 발명의 섬유 복합체는 울퉁불퉁한 표면을 가질 수 있으며, 스트레인 센서로 이용될 때, 스트레인의 변화에도 탄성 고분자 층 또는 신축성 섬유로 인해 고분자 비드의 떨어짐 없이 안정적으로 본래의 형태로 회복될 수 있다. 이러한 효과는, 고분자 비드가 전도성 탄성 고분자 층으로 코팅되기 때문에 나타날 수 있다.The fiber composite of the present invention may have an uneven surface due to the polymer beads, and when used as a strain sensor, the fiber composite of the present invention is stable without dropping of the polymer beads due to the elastic polymer layer or the elastic fiber even when the strain is changed. It can be restored to its original form. This effect can appear because the polymer beads are coated with a conductive elastic polymer layer.

본 발명의 스트레인 센서용 섬유복합체의 제조 방법을 도 2,3 및 4를 참조하여 설명한다.A method of manufacturing a fiber composite for a strain sensor according to the present invention will be described with reference to FIGS. 2, 3 and 4.

먼저, 본 발명의 고분자 비드는 적어도 하나 이상의 고분자 물질이 경화되어 고체 상태로 존재하고, 100 ㎛ 내지 200 ㎛ 사이의 직경을 가지는 구형의 독립적인 형태를 가진다. 도 2를 참조하여, (a) 본 발명의 고분자 비드의 제조방법을 설명하면, 고분자 물질 용액과 3차 증류수에 PVA를 용해시켜 용해 용액을 멤브레인 유화(membrane emulsification) 장치를 이용하여 고분자 물질 에멀젼을 제조하고, 상기 제조된 고분자 물질 에멀젼을 오븐을 이용하여 경화하여 제조할 수 있다. 추가적인 단계로, 경화된 고분자 비드를 물과 에탄올을 이용하여 워싱 과정을 거친 후, 건조시켜 제조할 수 있다. 이 때, (b) 제조된 고분자 비드의 현미경 사진을 참조하면, 상기 고분자 비드는 각각의 독립적인 구형의 입자 상태로 존재한다. 상기 고분자 비드는 100 내지 200 ㎛ 사이의 직경을 가질 수 있으나, 반드시 이에 제한되는 것은 아니다.First, the polymer beads of the present invention exist in a solid state by curing at least one polymer material, and have a spherical independent shape having a diameter between 100 μm and 200 μm. Referring to FIG. 2, (a) explaining the method of manufacturing a polymer bead of the present invention, a polymeric material emulsion is prepared by dissolving PVA in a polymeric material solution and tertiary distilled water, and using a membrane emulsification device. And, it can be prepared by curing the prepared polymer emulsion using an oven. As an additional step, the cured polymer beads may be washed with water and ethanol and then dried to prepare them. At this time, (b) referring to the micrograph of the prepared polymer beads, the polymer beads exist in the form of independent spherical particles. The polymer beads may have a diameter of 100 to 200 μm, but are not limited thereto.

도 3을 참조하여, 본 발명의 고분자 용액의 제조 방법을 설명하면, 먼저 유기 용매에 탄성 고분자를 녹이는 단계를 수행할 수 있다. 상기 유기 용매는 탄성 고분자를 녹일 수 있는 액체 상태의 유기물질로 클로로포름(Choloroform), 디메틸포름아마이드(dimethylformamide, 이하 DMF이라 함), 톨루엔(Toluene), 다이메틸 설폭사이드(Dimethyl sulfoxide, 이하 DMSO이라 함) 및 메틸피롤리돈(NMP) 중에서 선택된 어느 하나일 수 있고, 바람직하게는, 클로로포름일 수 있다. 그러나, 반드시 이에 한정되지는 않는다. 상기 탄성 고분자가 녹아 있는 용액은 분산제를 추가로 혼합하는 단계를 수행할 수 있다. 그런 다음, 전도성 입자를 혼합하여 분산시키는 단계 및 상기 전도성 입자가 혼합된 용액에 고분자 비드를 혼합하여 분산시키는 단계를 차례대로 수행하여 본 발명의 고분자 용액을 제조할 수 있다. 이 때, 상기 고분자 용액에서 고분자 비드는 유기 용매에 용해되지 않은 상태로, 상기 고분자 용액에서 비드의 상태를 유지하며 존재할 수 있다.Referring to FIG. 3, when the method for preparing the polymer solution of the present invention is described, first, a step of dissolving an elastic polymer in an organic solvent may be performed. The organic solvent is a liquid organic material capable of dissolving an elastic polymer and is referred to as chloroform, dimethylformamide (hereinafter referred to as DMF), toluene, and dimethyl sulfoxide (hereinafter referred to as DMSO). ) And methylpyrrolidone (NMP) may be any one selected, preferably, may be chloroform. However, it is not necessarily limited thereto. The solution in which the elastic polymer is dissolved may be further mixed with a dispersant. Then, the step of mixing and dispersing the conductive particles and the step of mixing and dispersing the polymer beads in the solution in which the conductive particles are mixed are sequentially performed to prepare the polymer solution of the present invention. In this case, the polymer beads may be present in the polymer solution while maintaining the state of the beads in the polymer solution while not being dissolved in the organic solvent.

도 4를 참조하여, 상기와 같이 준비된 경화된 고분자 비드 및 고분자 용액을 이용하여 본 발명의 스트레인 센서용 섬유복합체의 제조 방법을 설명한다. 상기 제조 방법은 신축성 섬유에 PVA를 용액을 PVA 코팅하는 단계 및 상기 PVA 코팅된 섬유를 고분자 용액에 함침시키는 단계를 포함할 수 있다. 상기 코팅 후, 건조하는 단계를 추가적으로 더 포함할 수 있다. 본 발명에서 코팅은 딥-코팅(Dip-coating) 방식을 이용하여 수행할 수 있으나, 반드시 이에 제한되는 것은 아니다.Referring to Figure 4, using the cured polymer beads and the polymer solution prepared as described above will be described a method of manufacturing a fiber composite for a strain sensor of the present invention. The manufacturing method may include PVA coating a solution of PVA on the stretchable fiber and impregnating the PVA-coated fiber with a polymer solution. After the coating, it may further include a step of drying. In the present invention, the coating may be performed using a dip-coating method, but is not limited thereto.

이하에는, 구체적인 실시예 및 비교예들을 통해서, 본 발명의 스트레인 센서용 섬유복합체 및 이의 제조방법에 대해서 더욱 자세히 설명하기로 한다.Hereinafter, through specific examples and comparative examples, the fiber composite for a strain sensor of the present invention and a method of manufacturing the same will be described in more detail.

실시예 1: 스트레인 센서용 섬유복합체의 제조Example 1: Preparation of fiber composite for strain sensor

1-1. 고분자 비드의 제조1-1. Preparation of polymer beads

Sylgard 184 실리콘 엘러스토머 키트(Dow corning, 미국) Part A와 Part B를 6:4의 질량 퍼센트 비율로 혼합하여 4 mL의 혼합용액을 제조하고, 80 mL의 3차 증류수에 5 wt%의 PVA를 용해시킨 용해용액을 제조한 후, SPG 멤브레인 유화(membrane emulsification) 장치를 통해서 상기 혼합용액과 상기 용해용액을 이용하여 PDMS 에멀젼을 제조하였다. 상기 에멀젼을 오븐에 넣고, 70 ℃의 분위기 하에서 경화시키고, 상기 경화된 입자를 물과 에탄올을 이용하여 워싱한 후 건조 시켜, 본 발명의 실시예 1(1-1)에 따른 PDMS 고분자 비드를 제조하였다.Sylgard 184 silicone elastomer kit (Dow corning, USA) Part A and Part B were mixed at a mass percent ratio of 6:4 to prepare 4 mL of a mixed solution, and 5 wt% of PVA was added to 80 mL of tertiary distilled water. After preparing the dissolved solution, a PDMS emulsion was prepared using the mixed solution and the solution through an SPG membrane emulsification device. Put the emulsion in an oven, cure under an atmosphere of 70°C, wash the cured particles with water and ethanol, and dry them to prepare PDMS polymer beads according to Example 1(1-1) of the present invention. I did.

1-2. 고분자 용액의 제조1-2. Preparation of polymer solution

유기 용매인 20 g의 클로로포롬에 0.74 g 폴리우레탄을 첨가한 후, 30 분동안 소닉케이션(sonication)을 통하여 상기 폴리우레탄이 용해된 용액을 제조하고, 상기 용액에 분산제로서 P3HT(Poly(3-hexylthiophene))를 첨가하고 다시 5분간 소닉케이션을 진행하여 중간 용액을 제조하였다. 상기 중간 용액에 전도성 입자로서 1.26 g의 카본 블랙을 넣고 10분간 소닉케이션을 이용한 후, 상기에서 실시예 1에 따라 제조된 PDMS 고분자 비드를 5 wt% 로 첨가하고 10분간 소닉케이션을 수행하여, 본 발명의 실시예 1(1-2)에 따른 고분자 용액을 제조하였다.After 0.74 g of polyurethane was added to 20 g of chloroform as an organic solvent, a solution in which the polyurethane was dissolved was prepared through sonication for 30 minutes, and P3HT (Poly(3- hexylthiophene)) was added and sonication was performed for 5 minutes to prepare an intermediate solution. After adding 1.26 g of carbon black as conductive particles to the intermediate solution and using sonication for 10 minutes, 5 wt% of the PDMS polymer beads prepared according to Example 1 above were added and sonication was performed for 10 minutes. A polymer solution according to Example 1 (1-2) of the invention was prepared.

1-3. 스트레인 센서용 섬유복합체의 제조1-3. Fabrication of fiber composites for strain sensors

스판덱스인 폴리우레탄 섬유에 1 wt%의 PVA 용액을 딥-코팅 방식을 통하여 코팅시킨 후, 상기 PVA 코팅된 섬유를 본 발명의 실시예 1(1-2)에 따른 고분자 용액에 함침시키고, 5분간 소닉케이션을 이용하여 제조한 후, 건조시키는 과정을 수행하여, 본 발명의 실시예 1에 따른 스트레인 센서용 섬유복합체를 제조하였다.After coating the spandex-in polyurethane fiber with a 1 wt% PVA solution through a dip-coating method, the PVA-coated fiber was impregnated with the polymer solution according to Example 1 (1-2) of the present invention, and then for 5 minutes. After manufacturing using sonication, a drying process was performed to prepare a fiber composite for a strain sensor according to Example 1 of the present invention.

비교예 1Comparative Example 1

스판덱스인 폴리우레탄 섬유에 1 wt%의 PVA 용액을 딥-코팅 방식을 통하여 코팅시키는 단계를 제외하고, 본 발명의 실시예 1에 따른 스트레인 센서용 섬유복합체의 제조와 동일한 공정을 수행하여, 본 발명의 비교예 1에 따른 스트레인 센서용 섬유복합체를 제조하였다.Except for the step of coating a 1 wt% PVA solution on the spandex-in polyurethane fiber through a dip-coating method, the same process as the fabrication of the strain sensor fiber composite according to Example 1 of the present invention was performed, and the present invention A fiber composite for a strain sensor according to Comparative Example 1 was prepared.

비교예 2Comparative Example 2

고분자 용액의 제조에 있어서, 0.74 g 폴리우레탄(PU)을 첨가하는 것을 제외하고, 본 발명의 실시예 1에 따른 스트레인 센서용 섬유복합체의 제조와 동일한 공정을 수행하여, 본 발명의 비교예 2에 따른 스트레인 센서용 섬유복합체를 제조하였다.In the preparation of the polymer solution, except for the addition of 0.74 g polyurethane (PU), the same process as the preparation of the fiber composite for a strain sensor according to Example 1 of the present invention was performed, and Comparative Example 2 of the present invention A fiber composite for the strain sensor was prepared according to the above.

실험예 1: 스트레인 센서용 섬유복합체의 표면 분석Experimental Example 1: Surface analysis of fiber composite for strain sensor

본 발명의 실시예 1에 따라 제조된 섬유복합체의 표면을 분석하기 위해 SEM(Scanning Electron Microscope)을 이용하여 표면 이미지를 얻었다. 얻어진 표면 이미지를 도 5에 나타낸다.In order to analyze the surface of the fiber composite prepared according to Example 1 of the present invention, a surface image was obtained using a SEM (Scanning Electron Microscope). Fig. 5 shows the obtained surface image.

도 5는 본 발명의 실시예 1에 따른 스트레인 센서용 섬유복합체의 표면을 SEM(Scanning Electron Microscope)을 이용하여 나타낸 이미지이다.5 is an image showing the surface of the fiber composite for a strain sensor according to Example 1 of the present invention using a scanning electron microscope (SEM).

도 5를 참조하면, (a) 섬유복합체의 표면은, 신축성 섬유 상에 고분자 비드 및 전도성 탄성 고분자 층이 신축성 섬유 상에 균일하게 코팅된 모습을 확인할 수 있으며, 고분자 비드로 인하여 굴곡진 표면을 확인할 수 있다. (b) 스트레인을 가한 후 섬유복합체의 표면은, 고분자 비드의 떨어짐 없이 잘 늘어난 모습을 확인할 수 있으며, 스트레인을 가하기 전의 섬유 복합체의 표면 보다 고분자 비드들이 거리를 두고 떨어져 있는 모습을 확인할 수 있다. (c)는 섬유복합체를 이용하여 제조한 스트레인 센서의 모습으로, 구리테이프 및 도전성 페이스트를 통하여 전극을 추가로 부착 및 연결한 상기 센서는 미세한 스트레인 변화를 전기적으로 특정할 수 있다. 도 5를 통해서, 본 발명의 섬유복합체는 스트레인의 변화에도 안정적으로 본래의 형태로 회복됨을 알 수 있다.Referring to Figure 5, (a) the surface of the fiber composite, it can be confirmed that a polymer bead and a conductive elastic polymer layer are uniformly coated on the elastic fiber on the elastic fiber, and the curved surface due to the polymer bead is confirmed. I can. (b) After applying the strain, the surface of the fiber composite can be confirmed to be stretched well without dropping of the polymer beads, and the appearance of the polymer beads separated by a distance from the surface of the fiber composite before applying the strain. (c) is a view of a strain sensor manufactured using a fiber composite. The sensor, in which an electrode is additionally attached and connected through a copper tape and a conductive paste, can electrically specify a minute strain change. 5, it can be seen that the fiber composite of the present invention is stably restored to its original shape even with a change in strain.

실험예 2: 스트레인 센서의 성능 평가Experimental Example 2: Performance evaluation of strain sensor

본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 섬유복합체를 포함하는 스트레인 센서에 대해서 성능 평가를 수행하기 위해, 10 %, 50 %, 100 % 및 200 %의 스트레인을 가하고 측정된 반응 속도 및 저항 변화를 측정하였다. 그 결과를 도 6에 나타낸다.In order to perform performance evaluation on the strain sensor including the fiber composite manufactured according to an embodiment of the present invention, a strain of 10%, 50%, 100% and 200% was applied, and the measured reaction rate and resistance change were measured. I did. The results are shown in FIG. 6.

도 6을 참조하면, 동일한 크기의 스트레인을 반복적으로 센서에 수행하였을 때, 센서는 빠른 반응 속도 및 민감한 저항 변화를 나타내는 것을 알 수 있다.Referring to FIG. 6, when strains of the same size are repeatedly performed on the sensor, it can be seen that the sensor exhibits a fast response speed and a sensitive resistance change.

이어서, 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 섬유복합체를 포함하는 스트레인 센서의 안정성을 평가하기 위해, 상기 센서에 20 %의 스트레인을 5000번 반복 수행하면서 저항을 측정하였고, 측정된 저항을 통해 스트레인 센서의 안정성을 평가하였다. 그 결과를 도 7에 나타낸다.Subsequently, in order to evaluate the stability of the strain sensor including the fiber composite manufactured according to an embodiment of the present invention, resistance was measured while repeatedly performing a strain of 20% on the sensor 5000 times, and strain through the measured resistance The stability of the sensor was evaluated. The results are shown in FIG. 7.

도 7을 참조하면, 스트레인 20 %를 5000번의 반복 수행하여도 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 섬유 복합체를 포함하는 센서는 안정성을 유지함을 확인할 수 있다.Referring to FIG. 7, it can be seen that even when a strain of 20% is repeatedly performed 5000 times, the sensor including the fiber composite manufactured according to an embodiment of the present invention maintains stability.

실험예 3: PVA 코팅에 따른 스트레인 센서용 섬유복합체의 비교 평가Experimental Example 3: Comparative evaluation of fiber composites for strain sensors according to PVA coating

PVA 코팅에 따른 스트레인 센서용 섬유복합체의 표면을 분석하기 위해, 본 발명의 일 실시예 및 비교예 1에 따라 제조된 스트레인 센서용 섬유복합체를 이용하여, 섬유복합체 각각에 100 %의 스트레인을 가한 후 다시 원상태로 되돌렸을 때의 각각의 표면 이미지를 얻었다. 상기 이미지는 OM(Optical Microscope)(Olympus BX51, Olympus, 일본) 을 이용하여 얻었고, 그 결과를 도 8에 나타낸다.In order to analyze the surface of the strain sensor fiber composite according to the PVA coating, using the strain sensor fiber composite prepared according to an Example and Comparative Example 1 of the present invention, after applying a strain of 100% to each of the fiber composite Each surface image was obtained when it was restored to its original state. The image was obtained using OM (Optical Microscope) (Olympus BX51, Olympus, Japan), and the results are shown in FIG. 8.

도 8을 참조하면, PVA 코팅 처리를 하지 않고 제조된 섬유복합체의 경우, 섬유복합체 표면이 매끄럽지 못하고 표면에서 이물질이 떨어져 나온 모습을 확인할 수 있다. 반면, PVA 코팅 처리되어 제조된 섬유복합체의 경우에는 표면이 매끄럽게 유지되어 있는 표면을 갖는 것을 확인할 수 있다. 이를 통해서, PVA 코팅은 신축성 섬유 상에 탄성 고분자 층이 잘 유지될 수 있도록 접착력을 향상시켜주는 효과를 갖는 것을 예상할 수 있다.Referring to FIG. 8, in the case of the fiber composite manufactured without PVA coating treatment, it can be seen that the surface of the fiber composite is not smooth and foreign substances have fallen off the surface. On the other hand, in the case of the fiber composite prepared by PVA coating treatment, it can be seen that the surface has a smooth surface. Through this, it can be expected that the PVA coating has an effect of improving adhesion so that the elastic polymer layer can be well maintained on the stretchable fiber.

앞서 살펴본 PVA의 코팅에 따른 전도성 탄성 고분자 층과의 접착력을 더 자세하게 확인하기 위해, PVA 코팅 및 PDMS 유무에 따른 스트레인 센서용 섬유복합체를 제조하였고, 각각의 섬유복합체에 스트레인을 가한 후 다시 원상태로 되돌렸을 때, 섬유복합체 각각의 표면 이미지를 SEM(Scanning Electron Microscope)을 이용하여 얻었다. 그 결과를 도 9에 나타낸다.In order to check the adhesion with the conductive elastic polymer layer according to the previously described PVA coating in more detail, a fiber composite for strain sensor according to the presence or absence of PVA coating and PDMS was prepared, and after applying strain to each fiber composite, it returned to its original state. When turned, an image of the surface of each fiber composite was obtained using a SEM (Scanning Electron Microscope). The results are shown in FIG. 9.

도 9의 (a) 및 (b)를 참조하여, PDMS를 포함하지 않은 섬유복합체의 PVA 코팅 유무에 따른 표면을 비교해보면, (a)의 PVA 코팅 처리를 하지 않고 제조된 섬유복합체의 경우, 신축성 섬유 상에 코팅된 탄성 고분자 층이 유지되지 못하고 떨어져 섬유복합체의 표면이 고르지 못한 것을 확인할 수 있다. 반면, (b)의 PVA 코팅 처리하여 제조된 섬유복합체의 경우, 표면이 매끄럽게 코팅이 잘 유지되어 있는 모습을 확인할 수 있어 탄성 고분자 층이 표면에 안정적으로 존재하고 있음을 알 수 있다. 이를 통해서, PVA 코팅은 고분자 비드의 유무와 상관없이 신축성 섬유 상에 탄성 고분자 층이 잘 유지될 수 있는 효과를 나타내는 것을 확인할 수 있다.Referring to Figure 9 (a) and (b), comparing the surface of the fiber composite without PDMS according to the presence or absence of PVA coating, in the case of the fiber composite manufactured without the PVA coating treatment of (a), elasticity It can be seen that the elastic polymer layer coated on the fiber was not maintained and fell, and the surface of the fiber composite was uneven. On the other hand, in the case of the fiber composite manufactured by the PVA coating treatment of (b), it can be seen that the coating is well maintained with a smooth surface, so that the elastic polymer layer is stably present on the surface. Through this, it can be seen that the PVA coating exhibits an effect that the elastic polymer layer can be well maintained on the elastic fiber regardless of the presence or absence of the polymer beads.

도 9의 (c) 및 (d)를 참조하여, 5 wt%의 PDMS가 포함된 섬유복합체의 PVA 코팅 유무에 따른 표면을 비교해보면, (c)의 PVA 코팅 처리를 하지 않고 제조된 섬유복합체의 경우, 신축성 섬유 상에서 고분자 비드가 부분적으로 떨어져있는 모습을 확인할 수 있으며, 전도성 탄성 고분자 층 또한 부분적으로 신축성 섬유 상에서 떨어져있는 모습을 확인할 수 있다. 반면, (d) PVA 코팅 처리하여 제조된 섬유복합체의 경우, PVA 코팅된 신축성 섬유 상에 고분자 비드가 안정적으로 고정된 모습을 확인할 수 있으며, 전도성 탄성 고분자 층 또한 안정적으로 PVA 코팅된 신축성 섬유 상에 고정된 모습을 확인할 수 있다.Referring to (c) and (d) of Figure 9, comparing the surface of the fiber composite containing 5 wt% PDMS according to the presence or absence of PVA coating, (c) of the fiber composite prepared without the PVA coating treatment In this case, it can be confirmed that the polymer beads are partially separated on the elastic fiber, and the conductive elastic polymer layer is also partially separated on the elastic fiber. On the other hand, (d) in the case of the fiber composite manufactured by PVA coating treatment, it can be seen that the polymer beads are stably fixed on the PVA-coated elastic fiber, and the conductive elastic polymer layer is also stably on the PVA-coated elastic fiber. You can check the fixed appearance.

따라서, 본 발명에서의 PVA 코팅은 신축성 섬유 상에 탄성 고분자 층이 잘 유지될 수 있도록 접착력을 향상시켜줄 뿐만 아니라 고분자 비드 또한 신축성 섬유 상에 잘 부착될 수 있도록 하는 효과를 갖는 것을 알 수 있다.Accordingly, it can be seen that the PVA coating in the present invention not only improves adhesion so that the elastic polymer layer is well maintained on the stretchable fiber, but also has the effect of allowing the polymer bead to be well adhered to the stretchable fiber.

실험예 4 : 폴리우레탄(PU)에 따른 스트레인 센서용 섬유복합체의 비교 평가Experimental Example 4: Comparative evaluation of fiber composites for strain sensors according to polyurethane (PU)

폴리우레탄의 유무에 따른 스트레인 센서용 섬유복합체를 비교하기 위해, 본 발명의 일 실시예 및 비교예 2에 따라 제조된 스트레인 센서용 섬유복합체를 비교분석하였다. 상기 비교분석은 도 10을 참조하여 설명한다. In order to compare the fiber composite for a strain sensor with or without polyurethane, the fiber composite for a strain sensor prepared according to an Example and Comparative Example 2 of the present invention was compared and analyzed. The comparative analysis will be described with reference to FIG. 10.

도 10을 참조하면, 비교예 2에 따른 폴리우레탄이 포함되지 않은 섬유복합체(왼쪽)의 경우, 섬유복합체 주변으로 검은 입자들이 떨어져 있는 모습을 확인할 수 있으며, 이는 실제로 손으로 섬유복합체를 잡았을 경우 카본 블랙이 손에 묻어나 탄성 고분자 층이 불안정함을 확인할 수 있다. 반면, 폴리우레탄이 포함된 섬유복합체(오른쪽)의 경우, 섬유복합체 주변에 입자들이 떨어진 모습이 나타나있지 않고 코팅이 잘 된 것을 확인할 수 있다. 도 10을 통해서, 폴리우레탄을 포함하지 않고 섬유복합체를 제조하는 경우, 폴리우레탄이 카본 블랙과 PDMS 고분자 비드를 잡아주는 역할을 하는 것을 예상할 수 있다.Referring to Figure 10, in the case of the fiber composite (left) that does not contain polyurethane according to Comparative Example 2, it can be seen that black particles are separated around the fiber composite, which is actually carbon when the fiber composite is held by hand. It can be seen that the elastic polymer layer is unstable due to the black staining on the hand. On the other hand, in the case of the fiber composite containing polyurethane (right), it can be seen that the coating is well done without the appearance of particles falling around the fiber composite. 10, in the case of manufacturing a fiber composite without polyurethane, it can be expected that the polyurethane serves to hold the carbon black and PDMS polymer beads.

이어서, 본 발명의 일 실시예 및 비교예 2에 따라 제조된 스트레인 센서용 섬유복합체의 표면을 비교하기 위해, 각각의 섬유복합체의 표면을 OM(Optical Microscope)(Olympus BX51, Olympus, 일본)으로 측정하였고, 그 결과를 도 11에 나타낸다.Subsequently, in order to compare the surfaces of the fiber composites for strain sensors prepared according to an Example and Comparative Example 2 of the present invention, the surface of each fiber composite was measured with an OM (Optical Microscope) (Olympus BX51, Olympus, Japan). And the results are shown in FIG. 11.

도 11을 참조하면, 폴리우레탄의 유무에 따른 표면은 모두 매끄러운 모습을 갖는 것을 확인할 수 있다.Referring to FIG. 11, it can be seen that all surfaces according to the presence or absence of polyurethane have a smooth appearance.

이에, 더 자세한 표면 분석을 위해, SEM(Scanning Electron Microscope)을 이용하여 본 발명의 일 실시예 및 비교예 2에 따라 제조된 스트레인 센서용 섬유복합체의 표면 이미지를 얻었고, 그 결과를 12에 나타냈다.Accordingly, for a more detailed surface analysis, surface images of the fiber composite for strain sensors prepared according to an Example and Comparative Example 2 of the present invention were obtained using a SEM (Scanning Electron Microscope), and the results are shown in 12.

도 12를 참조하면, 먼저, 비교예 2에 따라 제조된 스트레인 센서용 섬유복합체의 표면을 분석해보면, 폴리우레탄이 포함된 섬유복합체(PU 30%)는 폴리우레탄으로 인해 전도성 탄성 고분자 층이 그물 형태를 나타내며 고분자 비드인 PDMS 및 카본 블랙이 표면에서 떨어지지 않게 고정하고 있는 것을 확인할 수 있다. 이와 비교하여, 폴리우레탄을 포함하지 않는 섬유복합체(PU 0%)의 표면에는 카본 블랙 및 PDMS 고분자 비드를 고정해주지 못해 표면이 굉장히 불안정한 것을 확인 할 수 있다. 이를 통해서, 폴리우레탄이 그물 형태의 전도성 탄성 고분자 층을 형성할 수 있도록 도움을 주는 역할을 하며 이로 인하여 PDMS 및 카본 블랙을 고정해주는 역할을 하는 것을 예상할 수 있다.Referring to FIG. 12, first, when analyzing the surface of the fiber composite for strain sensor prepared according to Comparative Example 2, the fiber composite (PU 30%) containing polyurethane has a conductive elastic polymer layer in a net form due to polyurethane. It can be seen that the polymer beads PDMS and carbon black are fixed so that they do not fall off the surface. In comparison, it can be seen that the surface of the fiber composite that does not contain polyurethane (PU 0%) cannot fix the carbon black and PDMS polymer beads, and the surface is very unstable. Through this, it can be expected that the polyurethane plays a role of helping to form the conductive elastic polymer layer in the form of a net, thereby fixing PDMS and carbon black.

실험예 5: 고분자 비드에 따른 스트레인 센서용 섬유복합체 및 센서 성능 평가Experimental Example 5: Evaluation of fiber composite for strain sensor and sensor performance according to polymer beads

먼저, 고분자 비드 유무에 따른 스트레인 센서용 섬유복합체 및 이를 포함하는 센서에 대한 평가를 수행하였다. 고분자 비드로는 PDMS를 사용하였다.First, evaluation of the fiber composite for a strain sensor and a sensor including the same according to the presence or absence of polymer beads was performed. PDMS was used as the polymer beads.

고분자 비드 유무에 따른 스트레인 센서용 섬유복합체를 평가하기 위해, PDMS의 유무에 따라 제조된 스트레인 센서용 섬유복합체에 가한 변형률(strain)에 따른 응력(stress)을 측정하였다. 그 결과를 도 13에 나타낸다.In order to evaluate the strain sensor fiber composite with or without polymer beads, the stress according to the strain applied to the strain sensor fiber composite fabricated with or without PDMS was measured. The results are shown in FIG. 13.

도 13을 참조하면, PDMS가 포함되지 않은 섬유복합체와 비교하여, PDMS가 포함된 섬유복합체 그래프가 유사한 모습을 나타내는 것을 확인할 수 있고, 이를 통하여 고분자 비드 입자를 포함하더라도 종래의 섬유복합체의 기계적 성질을 저해시키지 않으면서 유지하는 것을 확인할 수 있다.Referring to FIG. 13, compared to the fiber composite without PDMS, it can be seen that the graph of the fiber composite containing PDMS shows a similar appearance.Through this, even if the polymer bead particles are included, the mechanical properties of the conventional fiber composite It can be seen that it is maintained without inhibiting.

또한, 고분자 비드 유무에 따른 섬유복합체를 이용하여 제조된 스트레인 센서의 민감도를 측정하여 성능 평가를 수행하였다. 그 결과를 도 14에 나타낸다.In addition, performance evaluation was performed by measuring the sensitivity of the strain sensor prepared using the fiber composite according to the presence or absence of polymer beads. The results are shown in Fig. 14.

도 14를 참조하면, PDMS가 포함된 스트레인 센서(빨간색)의 경우, PDMS를 포함하지 않는 스트레인 센서(검정색)보다 약 13배 까지 더 높은 센서 민감도를 갖는 것을 확인할 수 있다. 이를 통해서, 고분자 비드가 첨가된 섬유복합체를 이용하여 제조된 스트레인 센서는 높은 감도를 갖는 것을 알 수 있다.Referring to FIG. 14, it can be seen that the strain sensor (red) including PDMS has a sensor sensitivity that is up to 13 times higher than that of the strain sensor (black) that does not include PDMS. Through this, it can be seen that the strain sensor manufactured using the fiber composite to which the polymer beads are added has high sensitivity.

이어서, 본 발명의 고분자 비드 비율에 따라 제조된 섬유복합체 및 이를 포함하는 센서에 대한 평가를 수행하였다. 상기 평가에서 사용된 고분자 비드는 PDMS이며, 그 결과들을 도 15 내지 17에 나타낸다.Subsequently, the fiber composite prepared according to the ratio of the polymer beads of the present invention and the sensor including the same were evaluated. The polymer beads used in the above evaluation were PDMS, and the results are shown in FIGS. 15 to 17.

도 15는 본 발명의 고분자 비드 비율에 따라 제조된 섬유복합체들의 SEM 이미지를 나타낸다.15 shows SEM images of fiber composites prepared according to the polymer bead ratio of the present invention.

도 15를 참조하면, 1 wt% 및 3 wt%의 PDMS가 첨가된 섬유복합체의 표면은 고분자 비드들이 각각 멀리 떨어져 있고, 고분자 비드가 부착되지 않은 표면이 존재하는 것을 확인할 수 있다. 1 wt%의 PDMS와 비교하여, 3 wt%의 PDMS가 첨가된 섬유복합체의 표면은 고분자 비드들이 서로 붙어있는 모습이 더 많이 존재하는 것을 확인할 수 있다. Referring to FIG. 15, it can be seen that the polymer beads are separated from each other on the surface of the fiber composite to which 1 wt% and 3 wt% of PDMS are added, and the surface to which the polymer beads are not attached exists. Compared with 1 wt% of PDMS, it can be seen that the surface of the fiber composite to which 3 wt% of PDMS is added has more polymer beads attached to each other.

반면, 5 wt%의 PDMS가 첨가된 섬유복합체의 표면의 경우에는 섬유복합체의 표면의 대부분에 고분자 비드가 부착되어 있으며, 각각의 고분자 비드들끼리 매우 밀착된 모습으로 존재하는 것을 확인할 수 있다. 또한, 고분자 비드가 부착되지 않은 표면이 거의 보이지 않는 것을 확인할 수 있다. On the other hand, in the case of the surface of the fiber composite to which 5 wt% of PDMS is added, polymer beads are attached to most of the surface of the fiber composite, and it can be seen that the polymer beads are very close to each other. In addition, it can be seen that the surface to which the polymer beads are not attached is hardly visible.

마찬가지로, 7 wt% 및 10 wt%의 PDMS가 첨가된 섬유복합체의 표면의 경우에도 섬유복합체의 표면의 대부분에 고분자 비드가 부착되어 있으며, 각각의 고분자 비드들끼리 매우 밀착된 모습으로 존재하는 것을 확인할 수 있다.Likewise, in the case of the surface of the fiber composite to which 7 wt% and 10 wt% of PDMS were added, polymer beads were attached to most of the surface of the fiber composite, and it was confirmed that the polymer beads were very closely attached to each other. I can.

도 16의 (a) 및 (b)를 참조하면, 0 wt% PDMS가 포함된 스트레인 센서 및 1 wt% PDMS가 포함된 스트레인 센서의 경우, 스트레인에 따른 저항 및 게이지율(gauge factor) 의 변화가 거의 없는 것을 확인할 수 있다. 반면, 3 wt% PDMS가 포함된 스트레인 센서 및 5 wt% PDMS가 포함된 스트레인 센서의 경우, 스트레인이 증가할수록 저항 및 게이지율(gauge factor)의 변화가 있음을 확인할 수 있고, 3 wt% PDMS가 포함된 스트레인 센서와 비교하여, 5 wt% PDMS가 포함된 스트레인 센서가 스트레인에 따른 저항 및 게이지율(gauge factor) 의 변화가 더 큰 것을 확인할 수 있다.Referring to FIGS. 16A and 16B, in the case of a strain sensor including 0 wt% PDMS and a strain sensor including 1 wt% PDMS, changes in resistance and gauge factor according to strain are You can see that there are few. On the other hand, in the case of a strain sensor including 3 wt% PDMS and a strain sensor including 5 wt% PDMS, it can be seen that the resistance and gauge factor change as the strain increases, and 3 wt% PDMS is Compared with the included strain sensor, it can be seen that the strain sensor including 5 wt% PDMS has a greater change in resistance and gauge factor according to strain.

이를 통해서, 첨가된 PDMS의 비율이 증가할수록 스트레인 센서의 감도가 증가하는 것을 확인할 수 있으며, 5 wt%의 PDMS가 첨가된 센서의 민감도가 제일 높은 것을 확인할 수 있다.Through this, it can be confirmed that the sensitivity of the strain sensor increases as the ratio of the added PDMS increases, and it can be confirmed that the sensitivity of the sensor to which 5 wt% of PDMS is added is the highest.

또한, 도 17을 참조하면, 5 wt%의 PDMS가 첨가된 센서와 0 wt%의 PDMS가 첨가된 센서를 비교해볼 때, 5 wt%의 PDMS가 첨가된 센서의 경우 동일 스트레인에서 더 민감한 반응을 나타내는 것을 확인할 수 있다.In addition, referring to FIG. 17, when comparing a sensor to which 5 wt% of PDMS is added and a sensor to which 0 wt% of PDMS is added, a sensor to which 5 wt% of PDMS is added exhibits a more sensitive reaction in the same strain. You can see what it represents.

실험예 6: 전도성 입자에 따른 스트레인 센서의 성능 평가Experimental Example 6: Evaluation of the performance of the strain sensor according to the conductive particles

본 발명의 일 실시예에 있어서 전도성 입자로 카본 블랙을 사용하여 카본 블랙이 첨가된 중량%(wt%)이 각각 다른 스트레인 센서용 섬유복합체를 제조하였고, 상기 제조된 섬유복합체를 포함하는 스트레인 센서의 전도도, 안정성 및 저항을 측정하여 상기 성능 평가를 수행하였다, 그 결과를 도 18에 나타냈다.In an embodiment of the present invention, a fiber composite for a strain sensor having a different weight% (wt%) to which carbon black is added by using carbon black as a conductive particle was prepared, and the strain sensor including the prepared fiber composite Conductivity, stability and resistance were measured to perform the above performance evaluation, and the results are shown in FIG. 18.

도 18의 (a)를 참조하면, 20, 40 및 60 wt%의 카본 블랙이 첨가된 스트레인 센서의 경우, 전도도가 미미하게 변화하는 것을 확인할 수 있다. 반면, 70 및 80 wt%의 카본 블랙이 첨가된 스트레인 센서의 경우에는 전도도가 크게 증가하는 것을 확인할 수 있다. 이를 통하여, 카본 블랙이 60 wt% 이상 첨가된 경우에는 높은 전도도 특성을 갖고 이러한 결과로 인하여 스트레인 센서의 성능에 영향을 주는 것을 예상할 수 있다.Referring to (a) of FIG. 18, in the case of the strain sensor to which 20, 40, and 60 wt% of carbon black is added, it can be seen that the conductivity slightly changes. On the other hand, in the case of the strain sensor to which 70 and 80 wt% of carbon black is added, it can be seen that the conductivity is greatly increased. Through this, when 60 wt% or more of carbon black is added, it can be expected to have high conductivity characteristics and to affect the performance of the strain sensor due to this result.

도 18의 (b)를 참조하면, 20, 40 및 60 wt%의 카본 블랙이 첨가된 스트레인 센서와 비교하여, 70 및 80 wt%의 카본 블랙이 첨가된 스트레인 센서는 스트레인에 따른 게이지율의 변화가 큰 것을 확인할 수 있다. 70 와 80 wt%의 카본 블랙이 첨가된 스트레인 센서를 비교하면, 80 wt%의 카본 블랙이 첨가된 스트레인 센서의 게이지율 변화가 더 큰 것을 확인할 수 있다. 이를 통해서, 80 wt%의 카본 블랙이 사용된 경우에는 급격하게 안정성이 떨어지는 것을 확인할 수 있다. Referring to (b) of FIG. 18, compared to the strain sensor to which 20, 40, and 60 wt% of carbon black is added, the strain sensor to which 70 and 80 wt% of carbon black is added changes the gauge rate according to the strain. You can see that is large. When comparing the strain sensor to which 70 and 80 wt% of carbon black is added, it can be seen that the change in the gauge ratio of the strain sensor to which 80 wt% of carbon black is added is larger. Through this, it can be seen that when 80 wt% of carbon black is used, stability is rapidly deteriorated.

도 18의 (c)를 참조하면, 카본 블랙이 80 wt% 첨가된 스트레인 센서의 경우에는 약 90%의 이상의 스트레인에서는 저항의 변화가 나타나지 않았음을 확인할 수 있다. 20 및 40 wt%의 카본 블랙이 첨가된 스트레인 센서의 경우에는, 60 및 70 wt%의 카본 블랙이 첨가된 경우보다 저항의 변화가 작게 나타난 것을 확인할 수 있다.Referring to FIG. 18C, in the case of the strain sensor to which 80 wt% of carbon black was added, it can be seen that a change in resistance did not appear in a strain of about 90% or more. In the case of the strain sensor to which 20 and 40 wt% of carbon black was added, it can be seen that the change in resistance was smaller than that of the case where 60 and 70 wt% of carbon black were added.

결과적으로, 전도성 입자로 카본 블랙을 70 wt% 사용하여 제조된 센서의 경우에, 센서의 안정성 및 전도도 즉, 센서의 안정성과 민감도가 동시에 우수하게 나타나는 것을 알 수 있다.As a result, it can be seen that in the case of a sensor manufactured using 70 wt% of carbon black as conductive particles, the stability and conductivity of the sensor, that is, the stability and sensitivity of the sensor, are simultaneously excellent.

실험예 7: 분산제에 따른 센서의 성능 평가Experimental Example 7: Evaluation of sensor performance according to dispersant

본 발명의 일 실시예에 있어서 분산제로 P3HT를 사용하여 P3HT가 첨가된 중량%(wt%)이 각각 다른 섬유복합체를 제조하였고, 상기 제조된 섬유복합체를 이용하여 스트레인 센서를 제조하였다. 상기 제조된 스트레인 센서에 300 %의 스트레인을 가한 다음, 원래 상태로 되돌렸을 때의 상대 저항 분석을 통하여 본 발명의 실험예 3에 따른 센서의 성능 평가를 수행하였다. 그 결과를 도 19에 나타냈다.In an embodiment of the present invention, a fiber composite having a different weight% (wt%) to which P3HT is added was prepared using P3HT as a dispersant, and a strain sensor was manufactured using the prepared fiber composite. After applying a strain of 300% to the manufactured strain sensor, performance evaluation of the sensor according to Experimental Example 3 of the present invention was performed through the analysis of the relative resistance when it was returned to its original state. The results are shown in Fig. 19.

도 19를 참조하면, 5 wt%의 P3HT가 포함된 센서(빨간색)의 경우 가장 좋은 회복성을 나타내는 것을 확인할 수 있다. 따라서 분산제로 P3HT를 사용하는 경우 3 내지 7 wt% 로 첨가하여 제조하는 것이 바람직할 수 있다. 더욱 바람직하게는, 5 wt%의 P3HT를 첨가하여 제조할 수 있고, 상기와 같이 제조된 센서가 가장 좋은 성능을 나타낼 수 있음을 예상 할 수 있다.Referring to FIG. 19, it can be seen that the sensor (red) containing 5 wt% of P3HT exhibits the best recovery. Therefore, when using P3HT as a dispersing agent, it may be preferable to add 3 to 7 wt%. More preferably, it can be prepared by adding 5 wt% of P3HT, and it can be expected that the sensor manufactured as described above can exhibit the best performance.

실험예 8: 스트레인 센서의 응용Experimental Example 8: Application of Strain Sensor

본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 섬유복합체를 이용한 스트레인 센서를 사람의 팔에 부착하고, 분석 장치에 연결하여 맥박을 측정하였다. 그 결과를 도 20에 나타냈다.A strain sensor using a fiber composite manufactured according to an embodiment of the present invention was attached to a person's arm and connected to an analysis device to measure the pulse rate. The results are shown in FIG. 20.

도 20을 참조하면, 스트레인 센서는 맥박을 "저혈압", "정상" 및 "고혈압" 환자의 맥박을 민감하게 센싱할 수 있어, 스트레인 센서를 의학 분야 등에서 응용하여 사용할 수 있는 가능성이 있음을 예상할 수 있다.Referring to FIG. 20, the strain sensor can sensitively sense the pulse rate of a patient with "low blood pressure", "normal" and "high blood pressure", so it is expected that there is a possibility that the strain sensor can be applied and used in the medical field. I can.

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.Although the above has been described with reference to preferred embodiments of the present invention, those skilled in the art will be able to variously modify and change the present invention without departing from the spirit and scope of the present invention described in the following claims. You will understand that you can.

Claims (19)

신축성(Strechable) 섬유;
상기 신축성 섬유 상에 코팅된 제1 전도성 탄성 고분자 층;
상기 제1 전도성 탄성 고분자 층 상에 배치된 고분자 비드; 및
상기 고분자 비드 및 상기 제1 전도성 탄성 고분자 층을 코팅하는 제2 전도성 탄성 고분자 층을 포함하는,
스트레인 센서용 섬유복합체.
Stretchable fibers;
A first conductive elastic polymer layer coated on the stretchable fiber;
A polymer bead disposed on the first conductive elastic polymer layer; And
Comprising a second conductive elastic polymer layer coating the polymer beads and the first conductive elastic polymer layer,
Fiber composite for strain sensors.
제1항에 있어서,
상기 제1 및 제2 전도성 탄성 고분자 층은, 탄성 고분자에 전도성 입자가 분산된 것임을 특징으로 하는,
스트레인 센서용 섬유복합체.
The method of claim 1,
The first and second conductive elastic polymer layers are characterized in that conductive particles are dispersed in the elastic polymer,
Fiber composite for strain sensors.
제2항에 있어서,
상기 전도성 입자는 카본 블랙(carbon black), 카본 나노 튜브(Carbon Nano Tube, CNT) 및 그래핀(Graphene) 중 적어도 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는,
스트레인 센서용 섬유복합체.
The method of claim 2,
The conductive particle is characterized in that it comprises at least one or more of carbon black (carbon black), carbon nano tube (Carbon Nano Tube, CNT) and graphene (Graphene),
Fiber composite for strain sensors.
제1항에 있어서,
상기 고분자 비드는 100㎛ 내지 200㎛ 사이의 직경을 가짐을 특징으로 하는,
스트레인 센서용 섬유복합체.
The method of claim 1,
The polymer bead, characterized in that having a diameter between 100㎛ 200㎛,
Fiber composite for strain sensors.
제1항에 있어서,
상기 고분자 비드는 경화된 고분자 비드임을 특징으로 하는,
스트레인 센서용 섬유복합체.
The method of claim 1,
The polymer beads are characterized in that the cured polymer beads,
Fiber composite for strain sensors.
제2항에 있어서,
상기 제1 및 제2 탄성 고분자 및 상기 고분자 비드는 각각 서로 독립적으로, 천연 고무(natural rubber), 니트릴 고무(nitrile rubber), 아크릴로니트릴 부타디엔 고무(acrylonitrile-butadiene rubber), 스티렌부타디엔 고무(styrenebutadiene rubber), 클로로프렌 고무(chloroprene rubber), 부틸 고무(butyl rubber), 이소프렌 이소부틸렌 고무(isoprene-isobutylene rubber), 에틸렌프로피렌 고무(ethylene propylene rubber), 클로로설폰화 폴리에틸렌 고무(chlorosulphonated polyethylene rubber), 아크릴 고무(acrylic rubber), 불소 고무(fluoro rubber), 다황화물계 고무(polysulfide rubber), 실리콘 고무(silicone rubber), 부타디엔 고무(butadiene rubber), 이소프렌 고무(isoprene rubber), 우레탄 고무(urethane rubber), 폴리우레탄(polyurethane), PDMS(polydimethylsiloxane), 폴리올레핀계 열가소성 엘라스토머(polyolefin thermoplastic elaster, TPE), 폴리스티렌계 TPE(polystyrene TPE), 폴리염화비닐 TPE(Polyvinyl chloride TPE), 폴리에스터 TPE(polyester TPE), 폴리우레탄 TPE(polyurethane TPE) 및 폴리아미드 TPE(polyamide TPE) 중 적어도 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는,
스트레인 센서용 섬유복합체.
The method of claim 2,
The first and second elastic polymers and the polymer beads are each independently of each other, natural rubber, nitrile rubber, acrylonitrile-butadiene rubber, and styrene butadiene rubber. ), chloroprene rubber, butyl rubber, isoprene-isobutylene rubber, ethylene propylene rubber, chlorosulphonated polyethylene rubber, acrylic Acrylic rubber, fluoro rubber, polysulfide rubber, silicone rubber, butadiene rubber, isoprene rubber, urethane rubber, Polyurethane, PDMS (polydimethylsiloxane), polyolefin thermoplastic elaster (TPE), polystyrene TPE (polystyrene TPE), polyvinyl chloride TPE (polyvinyl chloride TPE), polyester TPE (polyester TPE), poly It characterized in that it comprises at least one or more of urethane TPE (polyurethane TPE) and polyamide TPE (polyamide TPE),
Fiber composite for strain sensors.
제1항에 있어서,
상기 제1 및 제2 탄성 고분자는 폴리우레탄인 것을 특징으로 하는,
스트레인 센서용 섬유복합체.
The method of claim 1,
The first and second elastic polymers are polyurethane, characterized in that,
Fiber composite for strain sensors.
제1항에 있어서,
상기 고분자 비드는 PDMS의 비드인 것을 특징으로 하는,
스트레인 센서용 섬유복합체.
The method of claim 1,
The polymer beads are characterized in that the beads of PDMS,
Fiber composite for strain sensors.
제1항에 있어서,
상기 신축성 있는 섬유 소재는 폴리우레탄 기재 섬유임을 특징으로 하는,
스트레인 센서용 섬유복합체.
The method of claim 1,
The elastic fiber material is characterized in that the polyurethane-based fiber,
Fiber composite for strain sensors.
제7항에 있어서,
상기 신축성(Strechable) 섬유는 폴리비닐알코올(Polyvinyl Alcohol, PVA)로 코팅된 신축성 섬유이고,
상기 제1 및 제2 전도성 탄성 고분자 층은 카본 블랙이 분산된 폴리우레탄을 포함하는 고분자 층이고,
상기 고분자 비드는 PDMS의 비드임을 특징으로 하는,
스트레인 센서용 섬유복합체.
The method of claim 7,
The stretchable fiber is an elastic fiber coated with polyvinyl alcohol (PVA),
The first and second conductive elastic polymer layers are polymer layers including polyurethane in which carbon black is dispersed,
The polymer beads are characterized in that the beads of PDMS,
Fiber composite for strain sensors.
유기 용매; 상기 유기 용매에 용해되는 탄성 고분자; 상기 유기 용매에 용해되지 않는 고분자 비드; 및 전도성 입자가 혼합된 고분자 용액으로, 신축성 있는(Strechable) 섬유 소재 표면에 코팅함을 포함하는,
스트레인 센서용 섬유복합체 제조 방법.
Organic solvent; An elastic polymer dissolved in the organic solvent; Polymer beads insoluble in the organic solvent; And a polymer solution in which conductive particles are mixed, comprising coating on the surface of a stretchable fiber material,
A method of manufacturing a fiber composite for strain sensors.
제11항에 있어서,
상기 고분자 용액은 분산제를 더 포함함을 특징으로 하는,
스트레인 센서용 섬유복합체 제조 방법.
The method of claim 11,
The polymer solution further comprises a dispersant,
A method of manufacturing a fiber composite for strain sensors.
제12항에 있어서,
상기 분산제는 P3HT(poly(3-hexylthiophene))인 것을 특징으로 하는,
스트레인 센서용 섬유복합체 제조 방법.
The method of claim 12,
The dispersant is characterized in that P3HT (poly(3-hexylthiophene)),
A method of manufacturing a fiber composite for strain sensors.
제11항에 있어서,
상기 탄성 고분자는 폴리우레탄인 것을 특징으로 하는,
스트레인 센서용 섬유복합체 제조 방법.
The method of claim 11,
The elastic polymer is characterized in that the polyurethane,
A method of manufacturing a fiber composite for strain sensors.
제11항에 있어서,
상기 고분자 비드는 경화된 PDMS 비드인 것을 특징으로 하는,
스트레인 센서용 섬유복합체 제조 방법.
The method of claim 11,
The polymer beads are characterized in that the cured PDMS beads,
A method of manufacturing a fiber composite for strain sensors.
제11항에 있어서,
상기 유기 용매는 클로로포름(Chloroform), DMF(dimethylformamide), 톨루엔(Toluene), DMSO(dimethyl sulfoxide) 및 NMP(N-Methylpyrrolidone) 중에서 적어도 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는,
스트레인 센서용 섬유복합체 제조 방법.
The method of claim 11,
The organic solvent comprises at least one or more of chloroform, dimethylformamide (DMF), toluene, dimethyl sulfoxide (DMSO), and N-methylpyrrolidone (NMP),
A method of manufacturing a fiber composite for strain sensors.
제11항에 있어서,
상기 전도성 입자의 물질은 카본 블랙(carbon black), 카본 나노 튜브(Carbon Nano Tube, CNT) 및 그래핀(Graphene) 중 적어도 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는,
스트레인 센서용 섬유복합체 제조 방법.
The method of claim 11,
The material of the conductive particle is characterized in that it contains at least one or more of carbon black, carbon nano tube (CNT), and graphene,
A method of manufacturing a fiber composite for strain sensors.
제11항에 있어서,
상기 고분자 용액은 카본 블랙, 경화된 PDMS 비드, 폴리우레탄 및 유기 용매의 용액임을 특징으로 하는,
스트레인 센서용 섬유복합체 제조 방법.
The method of claim 11,
The polymer solution is characterized in that it is a solution of carbon black, cured PDMS beads, polyurethane and organic solvent,
A method of manufacturing a fiber composite for strain sensors.
제18항에 있어서,
상기 스트레인 섬유는 PVA 코팅된 섬유임을 특징으로 하는,
스트레인 센서용 섬유복합체 제조 방법.
The method of claim 18,
The strain fiber is characterized in that the PVA coated fiber,
A method of manufacturing a fiber composite for strain sensors.
KR1020190099308A 2018-09-03 2019-08-14 Fiber cposite and preparing method of the same KR102208377B1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US16/555,809 US11530909B2 (en) 2018-09-03 2019-08-29 Fiber composite and preparing method of the same

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020180104519 2018-09-03
KR20180104519 2018-09-03

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20200026707A KR20200026707A (en) 2020-03-11
KR102208377B1 true KR102208377B1 (en) 2021-01-27

Family

ID=69809769

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020190099308A KR102208377B1 (en) 2018-09-03 2019-08-14 Fiber cposite and preparing method of the same

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR102208377B1 (en)

Families Citing this family (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR102377307B1 (en) * 2020-06-17 2022-03-21 성균관대학교산학협력단 Fiber-type temperature sensor with compressed micro-wrinkels and manufacturing method thereof
CN115595683B (en) * 2021-07-08 2024-08-16 香港理工大学 Composite conductive fiber and preparation method and application thereof
CN114001637B (en) * 2021-10-29 2024-03-29 上海应用技术大学 Preparation method of elastic stress luminous conductive strain sensor with dual-core sheath structure
KR102647334B1 (en) * 2022-03-10 2024-03-14 재단법인대구경북과학기술원 Biodegradable conductive polymer fiber and manufacturing method thereof
CN114645459B (en) * 2022-03-25 2024-08-06 武汉工程大学 Stretchable conductive antibacterial modified nylon and preparation method thereof
CN114716711A (en) * 2022-03-28 2022-07-08 广东技术师范大学 Flexible strain sensor and preparation method and application thereof
CN114808456B (en) * 2022-04-21 2024-05-10 武汉工程大学 Stretchable nylon with electric heating performance and preparation method and application thereof
CN115058898A (en) * 2022-06-09 2022-09-16 陕西科技大学 Preparation method and application of durable sensing antibacterial composite fabric and strain sensor

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20090282671A1 (en) * 2008-05-19 2009-11-19 Xiaoming Tao Method for manufacturing fabric strain sensors
KR101854778B1 (en) * 2011-07-28 2018-05-04 엘지이노텍 주식회사 Conductive bead and method for preparing the same

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20090282671A1 (en) * 2008-05-19 2009-11-19 Xiaoming Tao Method for manufacturing fabric strain sensors
KR101854778B1 (en) * 2011-07-28 2018-05-04 엘지이노텍 주식회사 Conductive bead and method for preparing the same

Also Published As

Publication number Publication date
KR20200026707A (en) 2020-03-11

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR102208377B1 (en) Fiber cposite and preparing method of the same
US11530909B2 (en) Fiber composite and preparing method of the same
Wang et al. A highly stretchable carbon nanotubes/thermoplastic polyurethane fiber-shaped strain sensor with porous structure for human motion monitoring
Wang et al. Ultra-stretchable, sensitive and durable strain sensors based on polydopamine encapsulated carbon nanotubes/elastic bands
Pan et al. Stretchable and highly sensitive braided composite yarn@ polydopamine@ polypyrrole for wearable applications
Ma et al. From molecular reconstruction of mesoscopic functional conductive silk fibrous materials to remote respiration monitoring
CN109431460B (en) Flexible high-flexibility nanofiber core-spun yarn stress sensor with fold structure and preparation method thereof
Duan et al. Inspiration from daily goods: a low-cost, facilely fabricated, and environment-friendly strain sensor based on common carbon ink and elastic core-spun yarn
Wang et al. Fabrication of ultra-high working range strain sensor using carboxyl CNTs coated electrospun TPU assisted with dopamine
Zhong et al. Continuously producible ultrasensitive wearable strain sensor assembled with three-dimensional interpenetrating Ag nanowires/polyolefin elastomer nanofibrous composite yarn
Eom et al. Highly sensitive textile strain sensors and wireless user-interface devices using all-polymeric conducting fibers
Pan et al. Highly sensitive and durable wearable strain sensors from a core-sheath nanocomposite yarn
Peng et al. Highly sensitive and superhydrophobic fabric sensor based on AgNPs/Polypyrrole composite conductive networks for body movement monitoring
Dong et al. Deformable textile-structured triboelectric nanogenerator knitted with multifunctional sensing fibers for biomechanical energy harvesting
CN107881768B (en) Stretchable strain sensor based on polyurethane fibers and preparation method thereof
Wu et al. Bioinspired superelastic electroconductive fiber for wearable electronics
Jang et al. Printable wet-resistive textile strain sensors using bead-blended composite ink for robustly integrative wearable electronics
Xu et al. Encapsulated core–sheath carbon nanotube–graphene/polyurethane composite fiber for highly stable, stretchable, and sensitive strain sensor
Li et al. Ultra-stretchable, super-hydrophobic and high-conductive composite for wearable strain sensors with high sensitivity
Jin et al. High performance flexible and wearable strain sensor based on rGO and PANI modified Lycra cotton e-textile
Wang et al. Continuous meter-scale wet-spinning of cornlike composite fibers for eco-friendly multifunctional electronics
Tang et al. Biomass-derived multifunctional 3D film framed by carbonized loofah toward flexible strain sensors and triboelectric nanogenerators
Ahuja et al. Chemically and mechanically robust SWCNT based strain sensor with monotonous piezoresistive response for infrastructure monitoring
Eom et al. Highly conductive and stretchable fiber interconnections using dry-spun carbon nanotube fibers modified with ionic liquid/poly (vinylidene fluoride) copolymer composite
Chen et al. Fast-response piezoresistive pressure sensor based on polyaniline cotton fabric for human motion monitoring

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E902 Notification of reason for refusal
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant