KR102358465B1 - 섬유 기반의 웨어러블 나노제너레이터 센서 및 이의 제조 방법 - Google Patents

섬유 기반의 웨어러블 나노제너레이터 센서 및 이의 제조 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 나노제너레이터 센서 및 이를 제조하는 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 섬유 기판상에 전극이 증착된 것을 특징으로 하며, 직물에 부착 또는 삽입하여 사용할 수 있는 웨어러블 나노제너레이터 센서 및 이를 제조하는 방법에 관한 것이다.

Description

섬유 기반의 웨어러블 나노제너레이터 센서 및 이의 제조 방법 {NANOGENERATOR SENSOR BASED ON TEXTILE AND METHOD FOR PREPARING THE NANOGENERATOR SENSOR}
본 발명은 나노제너레이터 센서 및 이를 제조하는 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 섬유 기판상에 금속 전극이 증착된 것을 특징으로 하며, 직물에 부착 또는 삽입하여 사용할 수 있는 웨어러블 나노제너레이터 센서 및 이를 제조하는 방법에 관한 것이다.
나노제너레이터는 전극의 접촉과 분리, 슬라이딩 및 회전의 운동에너지를 표면 정전기 변화를 통해 전기에너지로 변환하거나 전극에 신체 등의 극성 물질의 터치를 통해 전기에너지를 만들어 내는 기술이다. 음과 양으로 대전 된 각각의 대전체들의 영향으로 양 전극의 전자는 소자의 운동에 따라 각각의 전극으로 이동하여 전위차와 전류를 발생시킨다.
통상적으로 나노제너레이터 기술을 접목한 센서는 섬유사에 전도성 물질을 입히고 전도성을 가지는 섬유사를 엮어 섬유를 만든다. 현재까지의 연구는 제작된 섬유의 움직임, 늘어남, 꼬임 및 줄어듬에 따른 전기적 특성의 변화를 감지하여 센서로 활용하거나 발전기로 사용하는 방식으로 진행되었다.
하지만 전도성 섬유사를 만들어 섬유를 만드는 기술은 섬유사에 전도성 물질을 도포하는 공정을 거치기 때문에 (일반적으로 용액공정) 섬유사에 길이 대비 만들어지는 섬유의 크기가 작다는 한계가 있었다. 또한 용액 공정의 특성상 도포되는 전도성 물질의 특성들이 섬유사의 부분마다 다르게 나타난다는 단점이 있으며, 나노제너레이터에 사용되는 소재는 대부분 고분자나 화학물질을 기초로 하는 경우가 대부분이기 때문에 인체와 직접 접촉이 생길 수 있는 섬유 제품에 사용할 때 문제가 발생할 가능성이 높다.
따라서 이러한 문제점을 해결할 수 있는 새로운 방식의 섬유 기반 나노제너레이터 센서의 개발이 요구되고 있다.
한국공개특허 10-2019-0084555 한국등록특허 10-1952533
본 발명이 이루고자 하는 과제는 직물에 부착하거나 삽입한 상태로 사용할 수 있고, 작동이 가능하며, 인체에 유해한 물질을 사용하지 않기 때문에 활용도가 높은 플렉서블 및 웨어러블 나노제너레이터 센서를 제공하는 것이다.
또한 본 발명은 간단한 공정과 낮은 비용으로 섬유 기반의 플렉서블 및 웨어러블 나노제너레이터 센서를 제조하는 방법을 제공하는 것이다.
상기 과제를 해결하기 위하여, 본 발명은 섬유 기반의 나노제너레이터가 직물에 부착 또는 삽입된 것을 특징으로 하는 웨어러블 나노제너레이터 센서로서, 상기 나노제너레이터는 a) 섬유 기판; b) 상기 섬유 기판상에 형성된 광경화성 수지로 이루어진 평탄화층; 및 c) 상기 평탄화층상에 증착된 전극을 포함하는 것을 특징으로 하는 웨어러블 나노제너레이터 센서를 제공한다.
또한 본 발명은 i) 섬유 기판의 표면을 세정하는 단계; ii) 상기 섬유 기판을 광경화성 수지 용액에 침지시킨 후 광경화시켜 섬유 기판상에 평탄화층을 형성하는 단계; iii) 상기 평탄화층 상에 전극을 증착시켜 나노제너레이터를 제조하는 단계; 및 iv) 상기 나노제너레이터를 직물에 부착 또는 삽입하는 단계를 포함하는 웨어러블 나노제너레이터 센서의 제조 방법을 제공한다.
본 발명에 따르면 나노제너레이터를 이용하여 간단한 공정과 낮은 비용으로 플렉서블 및 웨어러블 나노제너레이터 센서를 제작할 수 있으며, 기존의 섬유 형태에 삽입하여 사용 및 동작 가능하다.
특히, 섬유 기판상에 평탄화층을 형성하여 전극의 저항을 줄임으로써, 전기적 특성이 향상되어 접촉-분리 모드 뿐만 아니라 단일 전극 모드에서도 동작이 가능하기때문에, 그라운드 된 상태의 축전기나 센서에서 발생되는 전기 신호를 전달할 수 있게 되어 의류 안에 부착하거나 여러 겹의 의복 섬유 중간에 삽입하게 되어도 전기적으로 동작을 할 수 있다.
또한 본 발명에 따른 웨어러블 나노제너레이터 센서는 플렉서블 특성이 있으며, 인체에 유해한 물질을 사용하지 않기 때문에 활용도가 매우 높다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 웨어러블 나노제너레이터 센서의 제조 과정을 단계별로 보여주는 모식도이다.
도 2는 본 발명의 일실시예 따라 수지를 도포한 상태의 섬유 기판 표면의 전자주사현미경(SEM) 사진과 저항 측정 결과를 보여주는 도면이다.
도 3은 발명의 일실시예에 따라 접촉-분리 모드로 제작된 웨어러블 나노제너레이터 센서의 모식도와 전압 및 전류 형성 특성을 나타낸 그래프이다.
도 4는 발명의 일실시예에 따라 제조된 나노제너레이터 센서가 섬유로 덮인 상태에서의 전기 신호 발생 특성을 나타낸 그래프이다.
이하 실시예 및 도면를 통해 본 발명을 보다 상세히 설명한다.
본 발명에 따른 웨어러블 나노제너레이터 센서는 섬유 기반의 나노제너레이터가 직물에 부착 또는 삽입된 것을 특징으로 하며, 이때 나노제너레이터는 a) 섬유 기판; b) 상기 섬유 기판상에 형성된 광경화성 수지로 이루어진 평탄화층; 및 c) 상기 평탄화층상에 증착된 전극을 포함한다.
도 1에는 본 발명에 따른 웨어러블 나노제너레이터 센서의 제조 과정을 보여주는 모식도가 나타나 있다. 도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 웨어러블 나노제너레이터 센서의 제조 방법은 i) 섬유 기판의 표면을 세정하는 단계; ii) 상기 섬유 기판을 광경화성 수지 용액에 침지시킨 후 광경화시켜 섬유 기판상에 평탄화층을 형성하는 단계; iii) 상기 평탄화층 상에 전극을 증착시켜 나노제너레이터를 제조하는 단계; 및 iv) 상기 나노제너레이터를 직물에 부착 또는 삽입하는 단계를 포함한다.
본 발명에 사용가능한 섬유 기판은 폴리우레탄, 폴리에스터, 폴리아미드, 폴리아크릴로니트릴, 폴리비닐리덴 클로라이드, 폴리비닐아세테이트 또는 이들의 혼합물 중에서 선택될 수 있으며, 이에 특별히 제한되는 것은 아니지만 폴리우레탄/폴리에스터 혼합 섬유가 질기고 화학약품에 잘 견디기 때문에 사용하기에 바람직하다.
한편 본 발명의 특징인 평탄화층 형성에 사용되는 광경화성 수지는 에폭시아크릴레이트계 수지, 아크릴산 올리고머계 수지, 메타크릴산 에스테르 모노머계 수지 또는 이들의 혼합물 중에서 선택할 수 있으며, 이에 특별히 제한되는 것은 아니지만 에폭시아크릴레이트계 수지가 접착성과 내열성이 우수하기 때문에 사용하기에 바람직하다. 에폭시 아크릴레이트계 수지는 예를 들어, NOA63, NOA68 등을 들 수 있다.
상기에서 준비된 섬유 기판에 광경화성 수지로 평탄화층을 형성하는 방식은 광경화성 수지 용액에 섬유 기판을 침지시켜 기판에 수지 용액을 코팅시킨 후 빛을 조사하여 광경화시킴으로써 수행될 수 있다. 섬유 기판상에 평탄화층이 형성된 후에는 전극을 증착하여 나노제너레이터를 제조한다.
본 발명에 사용가능한 전극은 예를 들어, Al, Au, Ag, Cu, Pt, W, Ni, Zn, Ti, Zr, Hf, Cd, Pd 중에서 선택된 금속 전극일 수 있으며, CuAlO2/Ag/CuAlO2, ITO/Ag/ITO, ZnO/Ag/ZnO, ZnS/Ag/ZnS, TiO2/Ag/TiO2, ITO/Au/ITO, WO3/Ag/WO3, MoO3/Ag/MoO3 중에서 선택된 다층구조 전극을 형성할 수도 있다. 또한 그래핀, SW-CNT, DW-CNT, MW-CNT 또는 C60 중에서 선택된 탄소 소재 또는 PEDOT:PSS, 은 나노와이어, 구리 나노와이어 등 섬유 기판 상에 증착할 수 있는 전극은 어느 것이나 사용가능하며, 진공 증착 방식으로 평탄화층상에 전극을 형성할 수 있다.
이와 같이 섬유 기반의 나노제너레이터가 준비되면, 이를 직물에 부착하거나 직물에 삽입하여 웨어러블 센서를 제작할 수 있으며, 적용가능한 직물로는 면, 케이폭, 아마, 황마, 모시, 대마, 케나프, 아바카, 사이살, 피나, 헤나킨, 울, 낙타섬유, 염소섬유, 털섬유, 견 또는 이들의 혼합물 등 식물성 섬유, 동물성 섬유 등 어느 것이나 사용가능하다.
본 발명에 따른 나노제너레이터는 섬유 기판상에 평탄화층을 형성하여 전극의 저항을 줄임으로써, 전기적 특성이 향상되어 접촉-분리 모드(contact-separation mode) 뿐만 아니라 단일 전극 모드(single electrode mode)에서도 동작이 가능하기 때문에, 그라운드 된 상태의 축전기나 센서에서 발생되는 전기 신호를 전달하는게 가능하게 되어 의류 안에 부착하거나 여러 겹의 의복 섬유 중간에 삽입하게 되어도 전기적으로 동작을 할 수 있다.
이하 실시예를 통해 본 발명을 보다 상세히 설명한다. 그러나 하기 실시예는 본 발명의 이해를 돕기 위해 예시적으로 제시된 것으로서 본 발명의 범위가 이에 한정되는 것으로 해석되어서는 안된다.
<실시예> 평탄화층이 형성된 나노제너레이터 센서의 제조 방법
먼저 가로 세로의 길이가 2.5 x 2.5 cm인 적당한 크기의 폴리우레탄/폴리에스터 섬유 기판을 준비하여, N2 가스로 표면 처리하여 이물질을 제거했다. 그 다음 광경화성 수지인 NOA63 (Norland Optical Adhesive 63: 1,3,5-Triallyl-1,3,5-triazine- 2,4,6(1H,3H,5H)-trione) 용액을 준비하여, 섬유 기판을 침지시킨 후 꺼내어 광경화 과정을 수행하였다. 그 후 진공 증착 방법으로 섬유 기판상에 은(Ag) 전극을 형성하여 나노제너레이터를 제조하였다.
이렇게 제조된 섬유 기반의 나노제너레이터를 면 직물로 이루어진 옷감 아래 부착하거나 또는 옷감 사이에 삽입하여 웨어러블 나노제너레이터 센서를 제조하였다. 본 실시예에 따라 제조된 웨어러블 나노제너레이터 센서는 간단한 터치 동작으로 전기를 발생시킬 수 있다.
<비교예> 평탄화층이 없는 나노제너레이터 센서의 제조 방법
상기 실시예에서 섬유 기판상에 광경화성 수지를 도포하여 평탄화층을 형성하는 과정을 제외하고, 동일한 방식으로 웨어러블 나노제너레이트 센서를 제조하였다.
도 2에는 실시예에 따라 광경화성 수지를 도포하여 평탄화층을 형성한 상태에서의 섬유 기판의 표면 SEM 사진 및 저항값 측정 결과가 나타나있으며, 섬유 기판의 표면을 평탄화시킨 경우 전극의 저항을 줄일 수 있음을 확인할 수 있다
도 3은 실시예에 따라 접촉-분리 모드로 제작된 웨러러블 나노제너레이터 센서의 모식도와 전압 및 전류 형성 특성을 나타낸 그래프이다. 평탄화층이 형성되지 않은 비교예의 나노제너레이터와 비교할 때, 높은 전압 형성 특성을 보여주었다.
한편 도 4는 발명의 실시예에 따라 제조된 나노제너레이터 센서의 섬유로 덮인 상태에서의 전기 신호 발생 특성을 나타낸 그래프이다. 기존에는 전기적 특성이 약하여 수직 접촉-분리 형태로만 발전을 할 수 있었지만, 평탄화 층의 효과로 전기적 특성이 향상되어 단일 전극 모드(single electrode mode)에서도 동작이 가능하기 때문에, 그라운드 된 상태의 축전기나 센서에서 발생되는 전기 신호를 전달하는게 가능하게 되어 의류 안에 부착하거나 여러 겹의 의복 섬유 중간에 삽입하게 되어도 전기적으로 동작을 할 수 있다.

Claims (14)

  1. 섬유 기반의 나노제너레이터가 직물에 부착 또는 삽입된 것을 특징으로 하는 웨어러블 나노제너레이터 센서로서,
    상기 나노제너레이터는 a) 폴리우레탄, 폴리에스터 또는 이들의 혼합물로 이루어진 섬유 기판; b) 상기 섬유 기판상에 형성된 광경화성 에폭시아크릴레이트계 수지로 이루어진 평탄화층; 및 c) 상기 평탄화층상에 증착된 금속 전극을 포함하는 것을 특징으로 하는 웨어러블 나노제너레이터 센서.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 전극은 Al, Au, Ag, Cu, Pt, W, Ni, Zn, Ti, Zr, Hf, Cd, Pd 중에서 선택된 금속 전극인 것을 특징으로 하는 웨어러블 나노제너레이터 센서.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 전극은 CuAlO2/Ag/CuAlO2, ITO/Ag/ITO, ZnO/Ag/ZnO, ZnS/Ag/ZnS, TiO2/Ag/TiO2, ITO/Au/ITO, WO3/Ag/WO3, MoO3/Ag/MoO3 중에서 선택된 다층구조 전극인 것을 특징으로 하는 웨어러블 나노제너레이터 센서.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 전극은 그래핀, SW-CNT, DW-CNT, MW-CNT 또는 C60, PEDOT:PSS, 또는 은 나노와이어, 구리 나노와이어 중에서 선택되는 것을 특징으로 하는 웨어러블 나노제너레이터 센서.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 나노제너레이터가 부착 또는 삽입되는 직물은 면, 케이폭, 아마, 황마, 모시, 대마, 케나프, 아바카, 사이살, 피나, 헤나킨, 울, 낙타섬유, 염소섬유, 털섬유, 견 또는 이들의 혼합물 중에서 선택되는 것을 특징으로 하는 웨어러블 나노제너레이터 센서.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 나노제너레이터 센서의 센싱 방식은 접촉-분리 방식(contact-separation mode) 또는 단일 전극 방식(single electrode mode)인 것을 특징으로 하는 웨어러블 나노제너레이터 센서.
  9. i) 폴리우레탄, 폴리에스터 또는 이들의 혼합물로 이루어진 섬유 기판의 표면을 세정하는 단계 ;
    ⅱ) 상기 섬유 기판을 에폭시아크릴레이트계 수지 용액에 침지시킨 후 광경화시켜 섬유 기판상에 평탄화층을 형성하는 단계;
    ⅲ) 상기 평탄화층 상에 전극을 증착시켜 나노제너레이터를 제조하는 단계; 및
    ⅳ) 상기 나노제너레이터를 직물에 부착 또는 삽입하는 단계를 포함하는 웨어러블 나노제너레이터 센서의 제조 방법.
  10. 삭제
  11. 삭제
  12. 제9항에 있어서,
    상기 전극은 Al, Au, Ag, Cu, Pt, W, Ni, Zn, Ti, Zr, Hf, Cd, Pd 중에서 선택된 금속 전극인 것을 특징으로 하는 웨어러블 나노제너레이터 센서의 제조 방법.
  13. 제9항에 있어서,
    상기 전극은 진공 증착 방식으로 평탄화층 상에 형성되는 것을 특징으로 하는 웨어러블 나노제너레이터 센서의 제조 방법.
  14. 제9항에 있어서,
    상기 나노제너레이터가 부착 또는 삽입되는 직물은 면, 케이폭, 아마, 황마, 모시, 대마, 케나프, 아바카, 사이살, 피나, 헤나킨, 울, 낙타섬유, 염소섬유, 털섬유, 견 또는 이들의 혼합물 중에서 선택되는 것을 특징으로 하는 웨어러블 나노제너레이터 센서의 제조 방법.
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