KR102279455B1 - 복합 소재 및 그 제조 방법과 이를 이용하는 섬유형 습도센서 - Google Patents

Abstract

본 발명은 섬유의 유연성과 전기신호를 전달하거나 감지할 수 있는 전기적 특성을 동시에 구현할 수 있는 복합 소재 및 그 제조 방법과 이를 이용하는 섬유형 습도센서에 관한 것으로, 그 복합 소재의 제조 방법은, 섬유 재료를 머서화가공하는 단계, 머서화가공된 섬유 재료에 양이온성 중합체를 피복하는 단계, 및 은트리플루오로아세테이트(AgCF3C00)과 디이미드(diimide)를 도포하여 섬유 재료 상에 금속성 나노입자를 코팅하는 단계를 포함한다.

Description

복합 소재 및 그 제조 방법과 이를 이용하는 섬유형 습도센서{COMPOSITE MATERIAL AND MANUFACTURING METHOD THEREOF AND TEXTILE TYPE HUMIDITY SENSOR USING SAME}

본 발명은 유연하고 신축 가능한 섬유를 이용하는 복합 소재에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 섬유의 유연성과 전기신호를 전달하거나 감지할 수 있는 전기적 특성을 동시에 구현할 수 있는 복합 소재 및 그 제조 방법과 이를 이용하는 섬유형 습도센서에 관한 것이다.

최근 웨어러블 기기에 관심이 높아지면서 유연하거나 신축 가능한 섬유소재를 활용한 센서에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.

기본의 금속 및 세라믹 기반의 센서들은 우수한 감소 및 내구성을 가지나, 유연성이 없으므로 섬유에 직접적으로 적용하기에는 한계가 있다.

최근 금속 나노입자를 섬유에 도입하여 유연함과 통기성 등 섬유의 특성을 유지하면서 높은 전기전도도를 가지는 소재에 대한 연구들이 보고되고 있다.

하지만, 높은 전기전도도를 가지면서 습도에 따른 전기적 변화 특성이 유의미한 결과를 나타내는 소재가 있다면 섬유형 습도센서로 활용하기 좋으나, 아직까지 그러한 소재는 개발되고 있지 못한 실정이다.

공개특허공보 제10-2002-0023937호(2002.03.29.)

이에 본 발명에서는 섬유의 표면에 고전도성의 금속 나노입자를 합성하여 우수한 전도성을 확보함과 동시에 습도에 따른 전기적 변화 특성을 나타낼 수 있는 복합 소재 및 그 제조 방법을 제공하는 것을 주된 목적으로 한다.

본 발명의 다른 목적은 전술한 복합 소재를 이용하는 섬유형 습도센서를 제공하는데 있다.

상기 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 측면에 따른 복합 소재의 제조 방법은, 섬유 재료를 머서화가공(mercerization) 하는 단계, 가공된 섬유 재료에 양이온성 중합체를 피복하는 단계, 및 은트리플루오로아세테이트(AgCF3C00)와 디이미드(diimide)를 도포하여 섬유 재료 상에 금속성 나노입자를 코팅하는 단계를 포함한다.

일실시예에서, 상기 섬유 재료는 면(cotton) 재료를 포함한다.

일실시예에서, 상기 머서화 가공하는 단계는, 상기 면 재료에 가성소다, 황산 또는 수산화나트륨을 첨가하여 가공한다.

일실시예에서, 상기 양이온성 중합체는 폴리 디 알릴 디메틸 암모늄 클로라이드(polydiallyldimethylammonium chloride, polyDADMAC 또는 pDADMAC)를 포함한다.

일실시예에서, 상기 코팅하는 단계는 상기 섬유 재료 상에 도포되는 용액 중 상기 용액의 100중량부에 대하여 상기 은트리플로오로아세테이트가 50~60 중량부인 경우에 적어도 1회 코팅을 수행하고, 상기 은트리플로오로아세테이트가 25 초과~ 50 미만 중량부인 경우 적어도 2회 이상 코팅을 반복하여 수행하며, 상기 은트리플로오로아세테이트가 15~25 중량부인 경우 적어도 3회 이상 코팅을 반복하여 수행한다.

상기 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명의 다른 측면에 따른 복합 소재는, 전술한 실시예들 중 어느 하나의 복합 소재의 제조 방법에 의해 제조되는 복합 소재로서, 면(cotton) 재료, 상기 면 재료의 표면에 피복된 양이온성 중합체, 및 상기 양이온성 중합체를 게재하고 상기 면 재료의 표면에 코팅된 은(Ag) 나노입자를 포함한다.

상기 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명의 또 다른 측면에 따른 섬유형 습도센서는, 복합 소재 및 상기 복합 소재의 저항을 측정하는 저항 센서를 포함하며, 상기 복합 소재는, 면(cotton) 재료, 상기 면 재료의 머서화가공된 표면에 피복된 양이온성 중합체, 및 상기 양이온성 중합체를 게재하고 상기 면 재료의 표면에 코팅된 금속성 나노입자를 구비한다.

일실시예에서, 상기 양이온성 중합체는 폴리 디 알릴 디메틸 암모늄 클로라이드(polydiallyldimethylammonium chloride, polyDADMAC 또는 pDADMAC)를 포함한다.

일실시예에서, 상기 금속성 나노입자는 은(Ag) 나노입자를 포함한다.

전술한 본 발명의 복합 소재 및 그 제조방법과 이를 이용하는 섬유형 습도센서를 사용하는 경우에는, 상대습도(RH) 6~85% 구간의 범위에서 약 1.54의 선형적인 저항 변화율을 나타내고, 우수한 재현성을 가지는 복합 소재 및 그 제조방법을 제공할 수 있다.

또한, 본 발명에 의하면, 부직포, 침구용품, 극세사 생활용품, 홈인테리어 제품, 홈케어용품, 휴대용 전자기기용품, 의료용품, 자동차용품, 방위산업용품 등에 응용하여 주변 환경을 모니터링할 수 있는 섬유형 습도센서를 제공할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 복합 소재의 제조방법을 설명하기 위한 공정 흐름도이다.
도 2a 및 도 2b는 도 1의 제조방법에 의해 제조된 복합 소재의 습도에 따른 저항 변화와 응답 특성을 나타낸 그래프들이다.
도 3a 및 도 3b는 도 1의 제조방법에 의해 제조된 복합 소재의 습도에 따른 저항 변화율을 나타낸 그래프들이다.
도 4는 도 1의 제조방법에 의해 제조된 복합 소재의 성분을 주사전자현미경(SEM)을 이용한 에너지분산형 분광분석법(energy dispersive x-ray spectroscopy, EDS)으로 분석한 결과를 예시한 도면이다.
도 5는 도 1의 제조방법에 의해 제조된 복합 소재인 은 코팅 면(silver coated cotton) 소재에 대한 열분석(thermogravimetric analysis, TGA) 결과를 나타낸 그래프이다.
도 6은 도 5의 은 코팅 면 소재의 표면(a), 표면 확대도(b), 단면(c) 및 단면 확대도(d)를 각각 나타내는 도면이다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 복합 소재를 이용하는 섬유형 습도센서를 나타낸 블록도이다.

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용한다.

본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함한다", "가진다" 등과 관련된 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

이하, 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 복합 소재의 제조방법을 설명하기 위한 공정 흐름도이다.

도 1을 참조하면, 본 실시예에 따른 복합 소재의 제조방법은, 섬유 재료를 준비하고(S10), 준비된 섬유 재료를 머서화가공(mercerization)하고(S11), 머서화가공된 섬유 재료에 양이온성 중합체를 피복하고(S12), 양이온성 중합체가 피복된 섬유 재료 상에 금속성 나노입자를 코팅하는(S13) 일련의 과정을 포함하도록 이루어진다.

여기서, 준비 단계(S10)에서 준비되는 섬유 재료는 면(cotton) 재료를 포함한다.

머서화가공 단계(S11)는 면 재료에 가성소다, 황산 또는 수산화나트륨을 첨가하여 가공할 수 있다. 머서화가공 단계를 수행하면, 면 재료에 광택이 나도록 할 수 있다. 즉, 머서화가공 단계(S11)에서는 면 재료의 표면에 다수 존재하는 OH 라디칼 즉 수산기(OH)를 산소 음이온(O^-)으로 변환시킬 수 있다.

양이온성 중합체 피복 단계(S12)에서 사용되는 양이온성 중합체는 폴리 디 알릴 디메틸 암모늄 클로라이드(polydiallyldimethylammonium chloride, polyDADMAC 또는 pDADMAC) 등을 포함한다. 양이온성 중합체의 피복 단계(S12)를 거치면, 면 재료는 산소 음이온(O^-)에 양이온성 중합체가 피복된 형태를 가질 수 있다.

금속성 나노입자 코팅 단계(S13)에서 사용되는 금속성 나노입자는 아세트산은 또는 은트리플루오로아세테이트(AgCF3C00)를 포함한다. 금속성 나노입자 코팅 단계(S13)에서는 은트리플루오로아세테이트(이하 '아세트산은'이라고도 함)와 함께 디이미드(diimide)를 양이온 중합체가 피복된 면(cotton) 재료 상에 도포하여 면 재료 상에 금속성 나노입자를 코팅한다. 금속성 나노입자의 코팅은 최적의 코팅을 위해 적어도 1회(1 cycle) 혹은 복수의 반복하여 수행된다. 특히 금속성 나노입자의 코팅은 금속성 나노입자를 함유하는 용액(도포 용액)에서 용액 100중량부 중에 함유되는 은트리플루오로아세테이트의 농도에 따라 결정될 수 있다.

예를 들면, 코팅하는 단계에서 섬유 재료 상에 도포되는 용액 중 용액의 100중량부에 대하여 은트리플로오로아세테이트가 50~60 중량부인 경우에 적어도 1회 코팅을 수행하고, 은트리플로오로아세테이트가 25 초과~ 50 미만 중량부인 경우 적어도 2회 이상 코팅을 반복하여 수행하며, 은트리플로오로아세테이트가 15~25 중량부인 경우 적어도 3회 이상 코팅을 반복하여 수행할 수 있다.

여기서, 도포 용액에 함유되는 은트리플로오로아세테이트의 함량이 15중량부 미만이면, 코팅 공정의 반복 횟수가 너무 많아져 제품 균일성이 떨어지고 제조 시간과 비용이 증가할 수 있으며, 은트리플로오로아세테이트의 함량이 60 중량부를 초과하면, 제대로 도포되지 않고 낭비되는 용액(은트리플로오로아세테이트)이 현저하게 증가할 수 있다.

이렇게 제조되는 은 코팅 면 소재(10)는 상대습도(relative humidity, RH) 6 ~ 85% 구간의 범위에서 우수한 재현성 및 신뢰성으로 약 1.54의 저항변화율을 나타낸다.

도 2a 및 도 2b는 도 1의 제조방법에 의해 제조된 복합 소재의 습도에 따른 저항 변화와 응답 특성을 나타낸 그래프들이다.

도 2a 및 도 2b에 나타낸 바와 같이, 도 1의 제조방법을 통해 제조된 복합 소재인 은 코팅 면(silver coated cotton) 소재의 저항변화를 분석한 결과, 건조한 공기(dry air)와 습한 공기(wet air)를 이용한 50% 상대습도(Wet 50%) 분위기에서 저항값(resistance)이 약 22Ω에서 약 35Ω의 범위에서 변화하여 저항변화 58.84%의 응답(response) 특성을 나타내는 것을 확인하였다.

본 실시예에 의하면, 간단한 코팅 공정을 통해 섬유형 습도센서의 구현이 가능하며, 이에 의해 전자섬유 응용제품에 유용하게 활용할 수 있음을 알 수 있다.

도 3a 및 도 3b는 도 1의 제조방법에 의해 제조된 복합 소재의 습도에 따른 저항 변화율을 나타낸 그래프들이다.

본 실시예에 따른 복합 소재인 은 코팅 면(silver coated cotton)에 대하여 상대습도(RH) 5% 내지 95%에서의 저항(R0, 약 2.7㏀)을 기준으로 각각의 습도에 따른 저항변화율(dR/R0)을 분석할 결과이다.

상대습도(RH)가 높아지는 구간 범위에서의 분석 결과를 보면, 도 3a에 나타낸 바와 같이, 20%RH에서는 약 0.1dR/R0, 40%RH에서는 약 0.3dR/R0, 60%RH에서는 약 7.5dR/R0, 80%RH에서는 약 1.5dR/R0로써 상대습도가 증가함에 따라 저항변화율이 커지는 선형적인 저항변화율을 나타내는 것을 알 수 있다.

또한, 상대습도(RH)가 낮아지는 구간 범위에서의 분석 결과를 보면, 도 3b에 나타낸 바와 같이, 80%RH에서는 약 1.5dR/R0, 60%RH에서는 약 0.7dR/R0, 40%RH에서는 약 0.3dR/R0, 20%RH에서는 약 0.1dR/R0로써 상대습도가 감소함에 따라 저항변화율이 작아지는 선형적인 저항변화율을 나타내는 것을 알 수 있다.

도 4는 도 1의 제조방법에 의해 제조된 복합 소재의 성분을 주사전자현미경(SEM)을 이용한 에너지분산형 분광분석법(energy dispersive x-ray spectroscopy, EDS)으로 분석한 결과를 예시한 도면이다. 그리고 도 5는 도 1의 제조방법에 의해 제조된 복합 소재인 은 코팅 면(silver coated cotton) 소재에 대한 열분석(thermogravimetric analysis, TGA) 결과를 나타낸 그래프이다.

도 4를 참조하면, 본 실시예에 따른 복합 소재의 성분을 분석한 결과, 탄소(C) 12.42 중량부(Wt%), 산소(O) 21.32 중량부, 그리고 은(Ag) 66.27 중량부인 것으로 조사되었다. 조사 결과는 0.01의 오차를 가진다.

도 5를 참조하면, 본 실시예의 은 코팅 면에 대한 열분석(TGA) 결과, 은 코팅 면은 약 350℃ 내지 6000℃의 온도 분위기에서도 은 나노파티클(silver nanoparticles, Ag NPs)을 약 35 내지 40중량%만큼 포함하는 것으로 조사되었다.

이와 같이, 본 실시예의 복합 소재인 은 코팅 면(silver coated cotton)은 간단한 제조공정을 제조되면서 우수한 전기전도도와 유연성을 함께 구비하므로, 저비용, 고신뢰성 및 고재현성의 섬유형 습도센서 등으로의 응용에 유용할 수 있다.

도 6은 도 5의 은 코팅 면 소재의 표면(a), 표면 확대도(b), 단면(c) 및 단면 확대도(d)를 각각 나타내는 도면이다.

도 6의 (a) 및 (b)를 참조하면, 본 실시예에 따른 복합 소재는 그 표면(surface)에서 다수의 실버 나노파티클(silver NPs)과 같은 금속성 나노입자를 코팅하고 있다. 실버 나노파티클의 직경 대부분은 100㎚ 내지 200㎚ 사이의 범위에 있다.

또한, 도 6의 (c) 및 (d)를 참조하면, 본 실시예에 따른 복합 소재인 은 코팅 면(silver coated cotton)은 그 단위면소재의 단면(cross-section) 직경이 약 15㎛이고, 단위면소재의 표면에 실버 나노파티클이 약 2㎛의 두께로 형성되어 있는 것을 확인할 수 있다.

도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 복합 소재를 이용하는 섬유형 습도센서를 나타낸 블록도이다.

도 7을 참조하면, 본 실시예에 따른 섬유형 습도센서는 전술한 복합 소재 즉, 은 코팅 면(silver coated cotton) 소재의 섬유형 습도센서(10)에 신호처리장치(30)가 부착된 형태를 가질 수 있다.

섬유형 습도센서(10)는 신호처리장치(30)와의 전기적인 연결을 위해 커넥터 혹은 도전성 패드(20)를 구비할 수 있다. 커넥터 또는 도전성 패드(20)와 신호처리장치 사이에는 배선이 연결될 수 있다. 물론, 변형예에서 커넥터에는 무선통신 모듈이 장착되어 배선의 연결 없이 무선 네트워크를 통해 신호처리장치(30)와 신호 및 데이터를 송수신하는 것이 가능하다.

신호처리장치(30)는 습도에 따른 저항변화를 감지하는 저항측정장치를 포함한다. 저항측정장치는 저항감지회로를 포함할 수 있다. 신호처리장치(30)는 입력단에서의 저항변화를 단순히 미리 설정된 레벨의 전압 또는 전류 레벨로 출력하는 장치일 수 있다. 또한, 신호처리장치(30)는 입력단에 아날로그 디지털 컨버터를 구비하는 전기신호계측기를 포함할 수 있다. 또한, 신호처리장치(30)는 저항측정장치, 전기신호계측기 등을 포함하고 마이크로프로세서와 메모리를 구비하는 컴퓨팅 장치로 구현될 수 있다.

이상으로 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 본 기술분야의 통상의 지식을 가진 숙련된 당업자는 하기의 청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

Claims (8)

1. 섬유 재료를 머서화가공(mercerization) 하는 단계;
   가공된 섬유 재료에 폴리 디 알릴 디메틸 암모늄 클로라이드(polyDADMAC 또는 pDADMAC)를 코팅하는 단계; 및
   은 트리플루오로 아세테이트(AgCF3C00) 및 디이미드(diimide)를 도포하여 섬유 재료 상에 은 나노입자를 코팅하는 단계를 포함하는, 습도-저항 변화형 복합 소재의 제조 방법.
2. 제1항에 있어서,
   상기 복합 소재의 저항 변화 구간은 22Ω 내지 35Ω인, 습도-저항 변화형 복합 소재의 제조 방법.
3. 제1항에 있어서,
   상기 복합 소재는, 상대 습도 20% 내지 80%의 구간에서, 0.1dR/R0 내지 1.5DR/R0의 저항 변화율을 갖는, 습도-저항 변화형 복합 소재의 제조 방법.
4. 제1항에 있어서,
   상기 복합 소재는, 상대 습도가 증가할수록 저항 및 저항 변화율이 증가하는, 습도-저항 변화형 복합 소재의 제조 방법.
5. 섬유 소재;
   상기 섬유 소재의 표면에 피복된 양이온성 중합체층으로서, 폴리 디 알릴 디메틸 암모늄 클로라이드를 포함하는 양이온성 중합체층; 및
   상기 양이온성 중합체층 상에 코팅된 은 나노입자층을 포함하는, 섬유 기반 습도-저항 변화형 복합 소재.
6. 제5항에 있어서,
   은 원소의 함량은 탄소 원소 및 산소 원소의 함량 보다 크고, 상기 은 나노 입자의 직경은 100nm 내지 200nm 범위에 있는 섬유 기반 습도-저항 변화형 복합 소재.
7. 제5항에 있어서,
   상대 습도가 증가할수록 저항 및 저항 변화율이 증가하도록 구성된, 섬유 기반 습도-저항 변화형 복합 소재.
8. 제5항 내지 제7항 중 어느 한 상에 따른 습도-저항 변화형 복합 소재; 및 상기 복합 소재의 저항을 측정하는 저항 센서를 포함하는, 섬유형 습도 센서.

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