KR102225647B1 - 자가치유 스트레인 센서 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 자가치유 특성을 갖는 스트레인 센서에 관한 것으로, 본 발명의 자가치유 스트레인 센서는 미세 거칠기를 갖는 폴리 우레탄 기판의 표면 거칠기로 인해, 그래핀 및 자성산화철을 포함하는 활성층과 기판 사이의 점착성을 증가시키는 효과를 가지며, 또한, 상기 기판 표면의 거칠기 및 자성 산화철로 인해 활성층의 파괴를 방지하고 자가치유가 일어나도록 할 수 있으며, 신장에 따른 내구성이 우수함에 따라, 높은 신뢰성으로 물체의 변형을 검출할 수 있는 효과가 있다.
Description
본 발명은 자가치유 특성을 갖는 스트레인 센서에 관한 것이다.
센서는 다양한 물리적인 양이나 그 변화를 감지하여 이를 일정한 신호로 변환해서 알려주는 역할을 한다. 일반적으로 어떤 동작이나 가하는 힘에 반응하는 등 우리 생활 곳곳에 활용되고 있고 응용범위는 매우 다양하다. 특히 최근에 유연하고 신장 가능한 전자제품들에 대한 요구가 크게 증가하고 있음에 따라 센서도 이런 요구에 부합하기 위해 많은 연구가 진행되고 있다. 유연하고 신장 가능한 센서는 입을 수 있다. 입을 수 있는(wearable) 센서는 장점을 가지며 이는 일반적으로 한 자리에 고정되어 사용되는 센서와는 달리 사용자의 일상적인 활동 및 사용자와 관련된 주변요소들에 관한 정보를 실시간으로 감지할 수 있는 가능성을 제기한다. 특히 스트레인(strain) 센서는 인간의 동작 감지, 헬스 모니터링(monitoring)과 같은 기능을 할 수 있을 것으로 보인다. 입을 수 있는(wearable) 센서는 위와 같은 편리함을 제공할 수 있는 잠재성을 가지고 있지만 높은 신장율(stretchability), 유연성(flexibility), 안정성(stability), 생체적합성(biocompatibility), 저중량(light-weight)과 같은 여러가지 조건들을 모두 만족할 수 있어야한다. 이러한 요구사항들에 맞춰 센서를 제작하기 위해 많은 연구들이 진행되고 있다.
스트레인 센서는 기계적인 변형이 전기적 변화량(저항, 캐패시턴스 등)으로 바뀌므로 전기적인 신호로 변환시킬 수 있어 다양한 움직임 및 변화를 감지하는 센서이다. 스트레인 센서는 일반적으로 저항타입(resistive type) 또는 정전타입(capacitive type)으로 나뉜다. 이 두가지 방법으로 제작된 센서들은 유연성 및 신장성 을 갖기 용이하며 단순히 저항 변화 또는 정전용량의 변화만 측정하면 되는 편리성 때문에 많은 연구가 이뤄지고 있다. 저항타입 센서의 경우 전도성이 있는(conductive) 물질과 탄성중합체(elastomer) 및 다양한 기판과의 결합을 통해 제작한다. 제작된 센서에 스트레스가 가해지면 기판 역할을 하는 탄성중합체의 모양이 변형되며, 이와 함께 전도성 있는 물질들의 접촉 정도가 달라지면서 저항 변화를 야기시킨다. 이러한 저항 변화를 통해 센서에 가해진 변형 정도를 알 수 있게 된다. 정전 타입 센서의 경우 유연성과 신장성이 있는 상·하부 전극을 구성한 후 이 사이에 절연층(dielectric layer)을 구성하여 제작한다. 이렇게 구성된 센서에 힘이 가해지면 상·하부 전극 사이의 거리가 변하게 되는데 이에 따른 정전용량(capacitance)이 바뀜으로 인해 다양한 변형을 감지(sensing)할 수 있게 된다. 따라서 유연성 또는 신장성을 가지는 센서 제작에 있어서 핵심은 기판으로 사용되는 재료 및 저항이나 정전용량 변화를 야기시킬 수 있는 전도성 물질을 활용하여 어떤 방식으로 제작하는가에 달려있다고 할 수 있다.
탄소를 기반으로 한 나노물질들은 준수한 전기전도도와 여러 기판들과 호환이 좋아서 스트레인 센서의 전도성 물질로 가장 많이 사용된다. 그래파이트(graphite), 그래핀(graphene), 탄소나노튜브(carbon nanotube), 카본블랙(carbon black) 등 많은 탄소 기반 물질들이 스트레인 센서 제작을 위해 연구되고 있다.
이에 본 발명자들은 미세 거칠기를 갖는 폴리 우레탄 기판의 표면 거칠기로 인해, 그래핀 및 자성산화철을 포함하는 활성층과 기판 사이의 점착성을 증가시키는 효과를 가지며, 또한, 상기 기판 표면의 거칠기 및 자성 산화철로 인해 활성층의 파괴를 방지하고 자가치유가 일어나도록 할 수 있으며, 신장에 따른 내구성이 우수함에 따라, 높은 신뢰성으로 물체의 변형을 검출할 수 있는 효과를 확인함에 따라 본 발명을 완성하였다.
본 발명의 목적은 자가치유(self-healing) 가능한 스트레인 센서를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 자가치유 가능한 스트레인 센서의 제조방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 또다른 목적은 움직임 감지 장치를 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위하여,
본 발명은 폴리우레탄 기판; 및
상기 폴리우레탄 기판 상에 코팅되는 산화철이 도입된 그래핀 활성층;
을 포함하는 자가치유(self-healing) 가능한 스트레인 센서를 제공한다.
또한, 본 발명은 그래핀 및 자성산화철(Iron oxide)이 혼합된 잉크를 준비하는 단계(단계 1); 및
폴리우레탄 기판에 상기 단계 1의 잉크를 잉크젯 프린터(Ink-jet Printer)를 사용하여 증착하는 단계(단계 2);
를 포함하는 것을 특징으로 하는 자가치유(self-healing) 가능한 스트레인 센서의 제조방법을 제공한다.
나아가 본 발명은 상기 자가치유 가능한 스트레인 센서를 포함하는 움직임 감지 장치를 제공한다.
본 발명의 자가치유 스트레인 센서는 미세 거칠기를 갖는 폴리 우레탄 기판의 표면 거칠기로 인해, 그래핀 및 자성산화철을 포함하는 활성층과 기판 사이의 점착성을 증가시키는 효과를 가지며, 또한, 상기 기판 표면의 거칠기 및 자성 산화철로 인해 활성층의 파괴를 방지하고 자가치유가 일어나도록 할 수 있으며, 신장에 따른 내구성이 우수함에 따라, 높은 신뢰성으로 물체의 변형을 검출할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 재료 준비 및 단계별 제조 공정 모식도이다(a. 엔지니어링된 폴리우레탄 기판상의 활성층의 3D 형태, b. 잉크젯 프린터의 개략도 및 실제 이미지를 나타낸 것임).
도 2(a)는 그래핀을 단독으로 사용한 경우의 활성층 SEM 이미지를 나타낸 것이다.
도 2(b) 자성 산화철을 단독으로 사용한 경우의 활성층 SEM 이미지를 나타낸 것이다.
도 2(c) 그래핀 및 자성 산화철을 포함하는 활성층(실시예 1)의 SEM 이미지를 나타낸 것이다.
도 3은 본 발명의 스트레인 센서의 EDS 분석 결과를 나타낸 것이다(a. EDS 매핑 이미지, b. 스트레인 센서에 Fe, C 및 O가 존재함을 보여주는 맵 스펙트럼, c. 본 발명의 스트레인 센서에 두 물질의 존재를 보여주는 원소 EDS 매핑 이미지, d. 탄소(C)를 보여주는 EDS 매핑 이미지, e. 철(Fe)을 보여주는 EDS 매핑, f. 산소(O)를 보여주는 EDS 매핑 이미지).
도 4는 활성층에 그래핀만 단독으로 사용한 스트레인 센서(비교예 1)의 특성을 나타낸 것이다(a. 손가락 움직임을 기록하기 위해 플라스틱 장갑에 부착된 센서 이미지, b. 서로 다른 굽힘 직경을 통한 센서의 I-V 곡선, c. 센서의 이완 사이클, d. 센서의 반응 및 회복 시간).
도 5는 그래핀과 자성 산화철을 활성층으로 사용한 자가치유 스트레인 센서(실시예 1)의 특성을 나타낸 것이다(a. 스트레인 센서를 테스트하기 위해 수제 신장 기계에 삽입된 스트레인 센서의 이미지, b. 손가락의 움직임을 기록하기 위한 스트레인 센서가 부착된 장갑, c. 다른 굽힘 직경을 통한 전류 및 저항 변화 및 d. 상이한 신장률을 통한 전류 및 저항 변화, e. 스트레인 센서의 신장주기).
도 6은 본 발명의 자가치유 스트레인 센서의 변형 감지 메커니즘을 나타낸 것이다((a) 0%의 변형률 감지 개략도, (b) 5%의 변형률 감지 개략도이며, 신장 변형을 증가시키면 그래핀 플레이크 사이의 중첩 영역이 감소하여 저항이 증가하게 됨, (c) 15%의 변형률 감지 개략도이며, 그래핀 플레이크 사이의 겹치는 중복 영역에 따라 작은 미세 균열이 나타나 스트레인 센서의 저항이 증가함, (d) 0% 신장을 갖는 실시예 1의 활성층의 SEM 이미지, (e) 5% 신장된 실시예 1의 활성층의 SEM 이미지, (f) 15% 신장된 실시예 1의 활성층의 SEM 이미지, (g) 20% 신장된 실시예 1의 활성층의 SEM 이미지, (h) 35% 신장된 실시예 1의 활성층의 SEM 이미지, (i) 40% 신장된 실시예 1의 활성층의 SEM 이미지, (j) 50% 신장된 실시예 1의 활성층의 SEM 이미지, (k) 54.5% 신장된 실시예 1의 활성층의 SEM 이미지, (l) 54.5% 신장 후 EDS 매핑).
도 7은 활성층 성분으로 그래핀만 단독으로 사용한 스트레인 센서와 그래핀 및 자성산화철을 활성층으로 사용한 스트레인 센서의 SEM 이미지 비교 결과이다((a) 그래핀만 단독으로 사용한 스트레인 센서의 SEM 이미지, (b) 그래핀만 단독으로 사용한 스트레인 센서를 절단한 후의 SEM 이미지이고, 그래핀 플레이크로 인한 층상구조를 확인할 수 있음 (c) 그래핀 및 자성산화철을 활성층으로 사용한 스트레인 센서의 SEM 이미지로, 녹색 화살표는 자성산화철로 덮인 그래핀 플레이크를 나타냄 (d) 그래핀 및 자성산화철을 활성층으로 사용한 스트레인 센서의 SEM 이미지로, 빨간색 화살표는 자성산화철을 나타냄).
도 8은 본 발명의 자가치유 스트레인 센서의 절단 전후 전기적 특성을 나타낸 것이다((a) 다른 굽힘 직경에서 본 발명의 자가치유 스트레인 센서의 I-V 곡선, (b) 본 발명의 센서를 절단하기 전에 굽힘과 이완주기, (c) 첫 절단 후 굽힘과 이완의 94% 회복률, (d) 2차 절단 후 굴곡 및 이완되고 센서는 자가 치유후 회복됨).
도 9는 본 발명의 스트레인 센서의 절단 및 치유 결과를 나타낸 것이다((a) 본 발명의 스트레인 센서의 절단 후 이미지, (b) 본 발명의 스트레인 센서의 자가치유 후 센서 이미지이며 완전히 치유된 것을 확인함, (c) 본 발명의 스트레인 센서의 자가치유 후 SEM 이미지, (d) 본 발명의 스트레인 센서의 절단 후 센서의 단면 SEM 이미지, (e) 본 발명의 스트레인 센서의 자가치유에 대한 SEM 이미지 분석결과).
도 10은 자성산화철 및 그래핀의 혼합비에 따른 민감도와 신장을 측정한 그래프이다.
도 2(a)는 그래핀을 단독으로 사용한 경우의 활성층 SEM 이미지를 나타낸 것이다.
도 2(b) 자성 산화철을 단독으로 사용한 경우의 활성층 SEM 이미지를 나타낸 것이다.
도 2(c) 그래핀 및 자성 산화철을 포함하는 활성층(실시예 1)의 SEM 이미지를 나타낸 것이다.
도 3은 본 발명의 스트레인 센서의 EDS 분석 결과를 나타낸 것이다(a. EDS 매핑 이미지, b. 스트레인 센서에 Fe, C 및 O가 존재함을 보여주는 맵 스펙트럼, c. 본 발명의 스트레인 센서에 두 물질의 존재를 보여주는 원소 EDS 매핑 이미지, d. 탄소(C)를 보여주는 EDS 매핑 이미지, e. 철(Fe)을 보여주는 EDS 매핑, f. 산소(O)를 보여주는 EDS 매핑 이미지).
도 4는 활성층에 그래핀만 단독으로 사용한 스트레인 센서(비교예 1)의 특성을 나타낸 것이다(a. 손가락 움직임을 기록하기 위해 플라스틱 장갑에 부착된 센서 이미지, b. 서로 다른 굽힘 직경을 통한 센서의 I-V 곡선, c. 센서의 이완 사이클, d. 센서의 반응 및 회복 시간).
도 5는 그래핀과 자성 산화철을 활성층으로 사용한 자가치유 스트레인 센서(실시예 1)의 특성을 나타낸 것이다(a. 스트레인 센서를 테스트하기 위해 수제 신장 기계에 삽입된 스트레인 센서의 이미지, b. 손가락의 움직임을 기록하기 위한 스트레인 센서가 부착된 장갑, c. 다른 굽힘 직경을 통한 전류 및 저항 변화 및 d. 상이한 신장률을 통한 전류 및 저항 변화, e. 스트레인 센서의 신장주기).
도 6은 본 발명의 자가치유 스트레인 센서의 변형 감지 메커니즘을 나타낸 것이다((a) 0%의 변형률 감지 개략도, (b) 5%의 변형률 감지 개략도이며, 신장 변형을 증가시키면 그래핀 플레이크 사이의 중첩 영역이 감소하여 저항이 증가하게 됨, (c) 15%의 변형률 감지 개략도이며, 그래핀 플레이크 사이의 겹치는 중복 영역에 따라 작은 미세 균열이 나타나 스트레인 센서의 저항이 증가함, (d) 0% 신장을 갖는 실시예 1의 활성층의 SEM 이미지, (e) 5% 신장된 실시예 1의 활성층의 SEM 이미지, (f) 15% 신장된 실시예 1의 활성층의 SEM 이미지, (g) 20% 신장된 실시예 1의 활성층의 SEM 이미지, (h) 35% 신장된 실시예 1의 활성층의 SEM 이미지, (i) 40% 신장된 실시예 1의 활성층의 SEM 이미지, (j) 50% 신장된 실시예 1의 활성층의 SEM 이미지, (k) 54.5% 신장된 실시예 1의 활성층의 SEM 이미지, (l) 54.5% 신장 후 EDS 매핑).
도 7은 활성층 성분으로 그래핀만 단독으로 사용한 스트레인 센서와 그래핀 및 자성산화철을 활성층으로 사용한 스트레인 센서의 SEM 이미지 비교 결과이다((a) 그래핀만 단독으로 사용한 스트레인 센서의 SEM 이미지, (b) 그래핀만 단독으로 사용한 스트레인 센서를 절단한 후의 SEM 이미지이고, 그래핀 플레이크로 인한 층상구조를 확인할 수 있음 (c) 그래핀 및 자성산화철을 활성층으로 사용한 스트레인 센서의 SEM 이미지로, 녹색 화살표는 자성산화철로 덮인 그래핀 플레이크를 나타냄 (d) 그래핀 및 자성산화철을 활성층으로 사용한 스트레인 센서의 SEM 이미지로, 빨간색 화살표는 자성산화철을 나타냄).
도 8은 본 발명의 자가치유 스트레인 센서의 절단 전후 전기적 특성을 나타낸 것이다((a) 다른 굽힘 직경에서 본 발명의 자가치유 스트레인 센서의 I-V 곡선, (b) 본 발명의 센서를 절단하기 전에 굽힘과 이완주기, (c) 첫 절단 후 굽힘과 이완의 94% 회복률, (d) 2차 절단 후 굴곡 및 이완되고 센서는 자가 치유후 회복됨).
도 9는 본 발명의 스트레인 센서의 절단 및 치유 결과를 나타낸 것이다((a) 본 발명의 스트레인 센서의 절단 후 이미지, (b) 본 발명의 스트레인 센서의 자가치유 후 센서 이미지이며 완전히 치유된 것을 확인함, (c) 본 발명의 스트레인 센서의 자가치유 후 SEM 이미지, (d) 본 발명의 스트레인 센서의 절단 후 센서의 단면 SEM 이미지, (e) 본 발명의 스트레인 센서의 자가치유에 대한 SEM 이미지 분석결과).
도 10은 자성산화철 및 그래핀의 혼합비에 따른 민감도와 신장을 측정한 그래프이다.
이하, 본 발명을 상세히 설명한다.
자가치유(self-healing) 가능한 스트레인 센서
본 발명은 폴리우레탄 기판; 및
상기 폴리우레탄 기판 상에 코팅되는 산화철이 도입된 그래핀 활성층;
을 포함하는 자가치유(self-healing) 가능한 스트레인 센서를 제공한다.
본 발명의 일실시예에 있어서, 상기 폴리우레탄 기판은 표면에 랜덤한 미세 거칠기(micro ridges) 구조를 갖는 것을 특징으로 하며, 상기 폴리우레탄 기판은 표면에 0.3-0.4의 거칠기를 갖는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일실시예에 있어서, 상기 거칠기(r)은 a/b로 계산될 수 있으며, a는 랜덤한 미세리지의 평균 높이이고, b는 리지 사이의 평균 피크 대 피크 거리이다.
본 발명의 일실시예에 있어서, 상기 산화철이 도입된 그래핀 활성층에서 그래핀과 산화철은 1:0.5 내지 2 중량비로 혼합하여 사용할 수 있으며, 바람직하게는 그래핀과 산화철은 1:0.75 내지 1.25 중량비로 혼합하여 사용할 수 있으며, 더욱 바람직하게는 그래핀과 산화철은 1:0.9 내지 1.1 중량비로 혼합하여 사용할 수 있다.
자가치유 가능한 스트레인 센서의 제조방법
본 발명은 그래핀 및 자성산화철(Iron oxide)이 혼합된 잉크를 준비하는 단계(단계 1); 및
폴리우레탄 기판에 상기 단계 1의 잉크를 잉크젯 프린터(Ink-jet Printer)를 사용하여 증착하는 단계(단계 2);
를 포함하는 것을 특징으로 하는 자가치유(self-healing) 가능한 스트레인 센서의 제조방법을 제공한다.
본 발명의 제조방법에 있어서, 상기 단계 1의 그래핀과 자성산화철은 1:0.5 내지 2의 중량비로 혼합되는 것을 특징으로 하며, 바람직하게는 그래핀과 산화철은 1:0.75 내지 1.25 중량비로 혼합하여 사용할 수 있으며, 더욱 바람직하게는 그래핀과 산화철은 1:0.9 내지 1.1 중량비로 혼합하여 사용할 수 있다.
본 발명의 제조방법에 있어서, 상기 폴리우레탄 기판은 표면에 랜덤한 미세 거칠기(micro ridges) 구조를 갖는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 제조방법에 있어서, 상기 폴리우레탄 기판은 표면에 0.3-0.4 (단위 확인)의 거칠기를 갖는 것을 특징으로 한다.
움직임 감지 장치
본 발명은 상기 자가치유 가능한 스트레인 센서를 포함하는 움직임 감지장치를 제공한다.
본 발명의 일실시예에 있어서, 상기 움직임 감지 장치는 관절 부위 피부 표면, 관절을 둘러싸는 밴드, 장갑 및 관절 내에 장착되는 것을 특징으로 한다.
이하, 본 발명을 하기의 실시예에 의하여 더욱 상세하게 설명한다. 단, 하기의 실시예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐, 본 발명의 내용이 하기의 실시예에 의해 한정되는 것은 아니다.
<재료 준비>
평균 크기가 100nm인 그래핀 플레이크(Graphene flacks), 헵탄(heptane) 용매, 0.8-1.4% 고체 물질을 갖는 자성산화철(Fe2O3) 나노입자 용액(in heptane)을 Sigma Aldrich(South Korea)에서 구입하였다.
<준비예 1> 활성층 제조를 위한 그래핀 및 자성 산화철을 포함하는 잉크 용액 준비
그래핀에 기초한 잉크 용액을 제조하기 위해, 0.5mg의 그래핀을 4㎖의 헵탄 용매에 분산시켰다. 잉크를 실온에서 30분간 초음파 처리하여 균일한 현탁액을 제조하였다. 그런 다음 용액을 1,000rpm으로 30분간 원심분리하여 큰 덩어리와 입자를 제거하였다.
자성 산화철 용액을 추가로 정제하지 않고 사용하였다. 그래핀 및 자성산화철을 각각 1:1의 중량비로 혼합하여 사용하였다. 점도는 Viscometer VM-10A system를 사용하여 12.35-16.9 mPa로 측정하였다. 표면장력은 Surface electro-optics (SEO)의 접촉각 분석기로 41-54 mN/m에서 측정되었다.
<준비예 2> 폴리우레탄 기판 준비
주름진 알루미늄 호일 기판은 60mm × 60mm × 10μm의 알루미늄 호일을 스퀴징(squeezing)하고, 펼침(unfolding)으로써 제조하였다. 상기 방법은 도 1에서와 같이 부드러운 해머를 사용하여 알루미늄 호일에 랜덤 미세 거칠기를 만들 수 있다. 그 후 주름진 알루미늄 호일을 양면 접착 테이프를 사용하여 유리 기판에 부착시켜 액체 폴리우레탄을 주형화시켰다. 주조된 폴리우레탄은 5분 동안 UV 오존 내부에서 경화되었다. 경화된 폴리우레탄은 도 1에 나타낸 바와 같이 절단되었다. 도 1a는 랜덤 미세 거칠기(micro ridges)를 갖는 폴리우레탄 표면의 3차원 형태 이미지를 도시한 것이다. 랜덤 미세 거칠기가 있는 폴리우레탄 기판은 활성층(자성산화철 및 그래핀)의 점착성(stickiness)을 증가시키고, 센서에 적용된 스트레인을 산란시키는 장점이 있다.
<실시예 1> 스트레인 센서 제작
잉크젯 프린터(Fujifilm Dimatix DMP-3000)를 사용하여 그래핀 및 자성산화철(Fe2O3)을 포함하는 활성층의 잉크 용액을 랜덤 미세 거칠기를 갖는 폴리우레탄 기판에 증착했다. 우선, 그래핀 및 자성산화철(Fe2O3)을 포함하는 활성층의 개략도를 EAGLE 7.4.0.에서 설계하였다. 디자인 파일은 ACE 3000을 사용하여 비트맵 이미지 형식으로 변환한 다음 상기 비트맵 이미지 파일을 ptn 형식으로 변환하는 Dimatix Drop Manager(software to controlled Dimatix Printer)로 파일을 보냈다. 이 파일을 잉크젯 프린터(DMP-3000)에 로드하고 16개의 노즐이 있는 카트리지에 그래핀 및 자성산화철(Fe2O3)을 포함하는 잉크 용액을 넣는다. 상기 잉크는 랜덤 미세 거칠기를 갖는 폴리우레탄 기판 위에 10 pL의 드롭 크기를 사용하여 침착되었고, 100℃에서 2시간 동안 경화시켜 스트레인 센서를 제조하였다. 도 1b에 잉크젯 프린터(Fujifilm Dimatix DMP-3000)의 개략도 및 실제 이미지를 나타내었다. 접촉 패드는 외부 회로 인터페이싱을 위해 증착되었고, 본 발명의 스트레인 센서의 모든 제조단계가 도 1에 나와있다.
<비교예 1>
상기 실시예 1의 방법 중 그래핀만을 활성층의 잉크 용액으로 사용하고, 랜덤 미세 거칠기를 갖는 폴리우레탄 기판에 증착하여 스트레인 센서를 제조하였다.
<비교예 2>
상기 실시예 1의 방법 중 그래핀과 자성산화철을 1:0.5의 비율로 혼합하여 활성층의 잉크 용액으로 사용하고, 랜덤 미세 거칠기를 갖는 폴리우레탄 기판에 증착하여 스트레인 센서를 제조하였다.
<비교예 3>
상기 실시예 1의 방법 중 그래핀과 자성산화철을 1:1.5의 비율로 혼합하여 활성층의 잉크 용액으로 사용하고, 랜덤 미세 거칠기를 갖는 폴리우레탄 기판에 증착하여 스트레인 센서를 제조하였다.
<비교예 4>
상기 실시예 1의 방법 중 자성산화철만을 활성층의 잉크 용액으로 사용하고, 랜덤 미세 거칠기를 갖는 폴리우레탄 기판에 증착하여 스트레인 센서를 제조하였다.
<실험예 1> 최적 배합비 확인
상기 비교예 1 내지 4 및 실시예 1의 스트레인 센서에 대한 그래핀과 자성 산화철의 최적 혼합 비율을 최적화하기 위해 다음 방정식을 사용하여 장치의 감도를 확인하였다.
[식 1]
여기서, SR은 소자의 저항 변화율(%)을 정의하고, ΔR은 저향 변화를 나타내며, R0는 정상 위치에서의 저항을 나타낸다. 1:0 혼합 비율은 그래핀 플래이크가 있는 것만큼 높은 감도를 나타내지만, 결합력을 갖게 하는 자성 산화철 나노입자가 없기 때문에 저항의 변화가 불안정하여 신장 파라미터(stretching parameter)가 낮다.
도 4에서 볼 수 있듯이, 그래핀만을 활성층으로 사용하여 센서를 제작한 결과, 신장 거동은 적고 또한 저항에서 높은 에러를 갖는다. 도 4a는 그래핀을 스트레인 센서의 활성층으로 사용하는 소자의 실현을 보여준다. 센서는 손가락의 움직임을 기록하기 위해 플라스틱 장갑에 부착되었다. 도 4b는 서로 다른 굽힘 직경을 통한 센서의 I-V 곡선을 보여준다. 도 4c는 굴곡 및 이완 사이클을 도시하고, 도 4d는 센서의 응답 및 회복 시간을 도시한다.
상기 결과는 그래핀 플레이크가 스트레인 센서로 사용될 수 있지만 신장 %는 적다는 것을 보여준다. 따라서, 신장 파라미터를 높이고 오류를 줄이기 위해 그래핀에 자성 산화철을 다른 비율로 섞는다.
자성 산화철의 비율을 증가시키면 신장 파라미터가 증가하고 저항 오차가 감소한다. 본 발명의 스트레인 센서의 경우 그래핀과 자성산화철을 1:1의 비율로 혼합할 경우 가장 낮은 오차와 높은 신장 %를 갖는 최적 비율이었다(도 10참조).
<실험예 2> 물리적 특성
전계 방출 주사전자 현미경(FE-SEM : Field Emission Scanning Electron Microscope, TESCAN)을 사용하여 SEM 이미지를 확인하였다.
도 1a에 DMP-3000 잉크젯 프린터를 통해 증착된 활성층의 3D 이미지를 나타내었으며, 본 발명의 스트레인 센서는 랜덤 미세 거칠기를 갖는 폴리우레탄 기판의 거칠기로 인해 100% 균일하지 않으나, 공간적으로 균일하고, 3D 형태학적 이미지에서 센서 영역 전체에 공간적으로 균일하다는 것을 알 수 있다.
도 2a는 활성층에 그래핀 단독으로 사용한 활성층의 SEM 이미지를 나타내고, 활성층이 가시적 결함없이 균일하게 증착되어 있음을 보여준다. 또한, 도 2b는 자성 산화철 단독의 활성층 SEM 이미지이며, 활성층이 폴리우레탄 기판 위에 균일하게 증착된 반면, 도 2c에 나타낸 바와 같이, 그래핀 및 자성 산화철을 포함하는 활성층의 SEM 이미지의 경우, 그래핀과 자성산화철(Fe2O3) 모두 존재한다는 것을 분명히 알 수 있다.
전계 방출 주사 전자 현미경을 사용하여 EDS 분석을 수행하였다. 도 3은 본 발명의 자가치유 스트레인 센서의 EDS 매핑을 보여준다. 도 3b 및 3c의 EDS 매핑에서 그래핀과 Fe2O3의 존재를 확인할 수 있으며, 또한, 도 3c는 그래핀이 균일하게 분포되어 있음을 나타내고, 도 3e 3f는 본 발명의 스트레인 센서 전체에 자성 산화철 및 산소의 균일한 분포를 나타낸다. 또한, 도 3d EDS 매핑에서 탄소(C)는 폴리우레탄 기재로 인해 가장 높은 피크를 갖는 것을 알 수 있다.
상기 결과로 인해, 랜덤 미세 거칠기를 갖는 폴리우레탄 기판은 표면에 모든 재료를 균일하게 분포시킬 수 있는 것을 확인하였다.
<실험예 3> 전기적 특성
본 발명의 스트레인 센서의 전기적 특성을 분석하기 위해 센서는 다른 각도에서 구부러졌으며 4점 프로브 측정 방법(Agilent B1500A Semiconductor Device Analyzer)을 사용하여 출력을 측정하였다. 스트레인 센서의 단자에 -5~+5V의 스위핑 전압을 인가했다.
스트레인 센서를 장갑에 부착하여 손가락의 움직임을 기록하고 손가락의 다른 굽힘 직경에 따라 센서의 저항을 측정(도 5b 참조)한 결과, 직경이 6mm까지 전기 저항이 거의 선형적으로 증가하였으며, 본 발명의 스트레인 센서가 동작을 감지하는 장갑에 사용될 수 있음을 확인(도 5c 참조)하였다. 이 전기저항은 센서의 활성층에서 그래핀 플레이크가 중첩 면적 변화 및 균열 현상과 겹쳐져 변화하였다. 저항의 오차 및 안정성을 조사하기 위해 서로 다른 굽힘 직경에서 5개의 센서에 대해 계산한 결과, 매우 낮은 오차가 관찰되었으며, 6mm 굽힘 직경을 통해 최대 오차는 ±10Ω이며, 상기 오차는 무시할 만한 수준이었다.
또한, 도 8a는 스트레인 센서의 다른 굽힘 직경에 대한 I-V 특성을 보여주며 전압과 전류간의 선형 관계를 따른다. 상기의 결과로 인해 본 발명의 스트레인 센서는 다양한 각도의 굽힘 및 강도를 측정하는데 사용될 수 있는 것을 확인하였다.
<실험예 4> 안정성 특성
실제 응용분야에서 스트레인 센서를 적용하려면 오랜 시간 동안 감지 특성을 유지해야 한다. 본 발명의 스트레인 센서의 장기간 안정성을 확인하기 위해 스트레인 센서의 신장/완화 사이클을 반복하였고 본 발명의 스트레인 센서는 도 8b와 같이 신장/완화 사이클 동안 작은 저항의 변화를 보이며, 우수한 안정성을 보였다. 상기 실험결과로부터 제안된 스트레인 센서는 사람의 움직임과 같은 반복적인 신장/완화 사이클에 대해 우수한 기계적 내구성을 갖는다고 말할 수 있다.
또한, 적정 하중하에서 센서의 안정성 특성을 분석하기 위해, 제안된 스트레인 센서는 20분 동안 8mm로 구부러져 전기 저항에서 5.7Ω의 이동이 관찰되었다. 이 결과는 센서가 안정적이며 스트레인 센서 적용으로 실제 생활에서 사용될 수 있음을 보여준다.
<실험예 5> 신장성 특성
수제 신장(stretching) 기계를 사용하여 본 발명의 스트레인 센서의 신장성 특성을 확인하였으며, 굽힘 테스트를 통해 확인하였다. 다른 지름을 갖는 손가락에 정합 접촉(conformal contact)으로 구부렸다. 30분간 신장 및 굽힘 상태에서 안정성을 확인하였다.
도 5d에 도시된 바와 같이, 센서는 54.4%까지 신장되었고, 상이한 신장률에 따른 저항 및 전류의 선형 변화가 있었다. 54.5% 신장 후 활성층의 파손으로 인해 회로가 열렸지만 신장을 풀면 자체 치유로 100% 효율을 회복한다. 도 5e는 본 발명의 스트레인 센서의 신장주기를 보여준다. 5% 신장을 시작으로, 센서는 10%, 20% 및 30%를 따라 단계적으로 신장된 다음 20%, 10% 및 5%에 이어 신장을 다시 완화시킨다. 센서는 안정된 반응을 보였으며 원래 위치로 회복되었다.
상기 결과로 인해 본 발명의 스트레인 센서가 웨어러블 전자기기에 적용될 수 있음을 확인하였다.
<실험예 6> 자가치유 특성
본 발명의 스트레인 센서의 자가치유 특성을 검증하기 위해 도 9a와 같이 2 개의 스트레인 센서를 절단했다. 절단 후 자가치유된 센서의 같은 위치를 또 한번 절단하였다.
1차 절단 후 95%를 회복하고 도 8c와 같이, 안정된 굽힘 및 이완주기를 나타낸다. 또한 절단 후 자가치유된 센서의 같은 위치를 또 한번 절단한 결과, 도 8d에 나타낸 바와 같이, 절단하기 전 기준으로 72%를 회복하고, 안정된 굽힘 및 이완주기를 나타낸다.
상기 결과로 인해 본 발명의 스트레인 센서는 자르고 재사용이 가능하며, 자가치유 스트레인 센서로 적용될 수 있음을 확인하였다.
자성산화철 및 그래핀이 혼합된 활성층을 사용하고, 랜덤 미세 거칠기를 갖는 폴리우레탄 기판(도 9b 참조)을 사용하기 때문에, 별도의 조치 없이도 자가치유 특성을 갖는다. 도 9c, 9d 및 9e에 나타낸 바와 같이, 자성 산화철은 자성으로 인해 실 모양의 구조를 갖는다.
또한, 도 9c, 9d 및 9e에 나타낸 바와 같이, 자성 산화철은 자성으로 인해 실 모양의 구조를 갖는다. 도 7a 및 7b는 활성층에 그래핀만 단독으로 사용하여 제조한 스트레인 센서의 SEM 이미지이며, 그래핀 플레이크로 인해 층상 구조인 것을 확인할 수 있다. 그러나, 도 7c 및 7d에서와 같이 본 발명의 스트레인 센서의 활성층의 SEM 이미지를 보면 그래핀 플레이크와 자성산화철의 실 구조를 명확하게 확인할 수 있다.
<실험예 7> 스트레인 감지 메커니즘 확인
그래핀 및 자성산화철을 포함하는 활성층의 자가치유 메커니즘을 확인하기 위해, 다양한 변형 하에서 활성층의 구조적 변화를 조사하였다.
초기 신장에서 균열 및 중첩되는 그래핀 플레이크의 면적 변화가 활성층 상에 먼저 발생한다. 변형률을 더욱 증가시키면 균열의 전파는 균열 밀도에 의해 두번째로 지배적인 과정이 되며 그 폭은 도 6과 같이 증가하여 전기저항이 기하 급수적으로 증가하게 되는 이유가 설명된다. 또한, 폴리우레탄의 매끄러운 표면에 많은 균열이 증가하고 변형내구성도 감소하는 것을 관찰했다.
신장이 15% 이상되면 활성층이 완전히 깨져서 개방 회로적 특성(open circuit behavior)을 나타낸다. 그러나, 랜덤 미세 거칠기를 갖는 폴리우레탄을 사용했을 때, 매끄러운 표면을 갖는 폴리우레탄과 비교하여, 균일이 더 적게 발생하였고, 신장성(stretchability)은 15%에서 54.5%로증가한다.
그래핀 플레이크 네트워크간의 중첩 면적 및 접촉 저항은 인접한 플레이크 사이의 전도도를 결정한다. 압축 또는 신장 변형이 가해지면, 인접한 플레이크 사이의 중첩 면적이 작아지거나 커져서 활성층의 저항이 변하게 된다. 자성산화철은 자성을 갖는 성질로 인해 그래핀 플레이크를 연결하고 신장성이 극적으로 증가하게 되어 스트레인 센서의 자가치유에 사용된다. 폴리우레탄 기판 또한 자가치유력을 가지고 있으며, 자성산화철과 폴리우레탄 기판으로 인해 반복적으로 재사용이 가능하다.
변형력이 가해질 때, 도 6에 나타낸 바와 같이, 그래핀 플레이크들 사이의 연결된 접합부가 감소되고 전도성 경로가 감소되며, 전기 저항의 변화가 발생하지만 자성산화철 및 폴리우레탄 기판으로 인해 변형된 힘이 제거될 때 스트레인 센서가 다시 회복되게 된다. 상기와 같은 메커니즘은 그래핀 플레이크와 자성 산화철을 혼합하여 사용한 활성층이 자가치유 센서에 적합함을 나타낸다.
이제까지 본 발명에 대하여 그 바람직한 실시예들을 중심으로 살펴보았다. 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 실시예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.
Claims (14)
- 폴리우레탄 기판; 및
상기 폴리우레탄 기판 상에 코팅되는 자성 산화철이 도입된 그래핀 활성층;
을 포함하고,
상기 자성 산화철이 도입된 그래핀 활성층에서 그래핀과 자성 산화철은 1:0.9 내지 1.1 중량비인 것을 특징으로 하는 자가치유(self-healing) 가능한 스트레인 센서. - 제1항에 있어서,
상기 폴리우레탄 기판은 표면에 랜덤한 미세 거칠기(micro ridges) 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 스트레인 센서.
- 제2항에 있어서,
상기 폴리우레탄 기판은 표면에 0.3-0.4의 거칠기를 갖는 것을 특징으로 하는 스트레인 센서.
- 삭제
- 삭제
- 삭제
- 그래핀 및 자성 산화철이 혼합된 잉크를 준비하는 단계(단계 1); 및
폴리우레탄 기판에 상기 단계 1의 잉크를 잉크젯 프린터(Ink-jet Printer)를 사용하여 증착하는 단계(단계 2); 를 포함하고,
상기 단계 1의 그래핀과 자성 산화철은 1:0.9 내지 1.1의 중량비로 혼합되는 것을 특징으로 하는 자가치유(self-healing) 가능한 스트레인 센서의 제조방법. - 삭제
- 삭제
- 삭제
- 제7항에 있어서,
상기 폴리우레탄 기판은 표면에 랜덤한 미세 거칠기(micro ridges) 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 제조방법.
- 제7항에 있어서,
상기 폴리우레탄 기판은 표면에 0.3-0.4의 거칠기를 갖는 것을 특징으로 하는 제조방법. - 제1항의 자가치유 가능한 스트레인 센서를 포함하는 움직임 감지 장치.
- 제13항에 있어서,
상기 움직임 감지 장치는 관절 부위 피부 표면, 관절을 둘러싸는 밴드, 장갑 및 관절 내에 장착되는 것을 특징으로 하는 움직임 감지 장치.
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
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| KR101752751B1 (ko) | 2015-06-30 | 2017-07-03 | 한국과학기술연구원 | 자외선 감응 열가소성 수지 기반 자가 치유 복합체 및 그 제조 방법 |
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2019
- 2019-07-04 KR KR1020190080477A patent/KR102225647B1/ko active IP Right Grant
Patent Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2016103967A (ja) * | 2014-11-13 | 2016-06-02 | 株式会社リコー | 素子、及び発電装置 |
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Also Published As
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