KR102390181B1 - 형상기억 고분자 물질을 포함한 자가회복 전도성 와이어 - Google Patents

형상기억 고분자 물질을 포함한 자가회복 전도성 와이어 Download PDF

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Abstract

본 발명은 형상기억 고분자 물질을 포함한 자가회복 전도성 와이어에 관한 것으로서, 상기 형상기억 고분자 물질을 포함한 자가회복 전도성 와이어는 형상기억 고분자 소재의 코어(Core), 상기 코어(Core) 표면을 코팅하는 전도층 및 상기 전도층 표면에 위치하는 비활성 액체의 액적을 포함한다.
상기와 같은 본 발명에 따르면, 형상기억 고분자 물질을 포함한 자가회복 전도성 와이어를 제공함으로써, 외부자극에 의해 적게는 수 %에서 많게는 수 1,000% 이상의 인장 변형 후에도 자극이 사라지면 원래의 형태로 복원하는 효과가 있다.

Description

형상기억 고분자 물질을 포함한 자가회복 전도성 와이어{Self-Recovering Conductive Wires Including Shape Memory Polymers}
본 발명은 전도성 고분자 와이어에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 거미줄 웹(Web)을 구성하는 포획사의 스풀링(Spooling)현상을 적용한 자가회복기능을 가진 전도성 고분자 와이어에 관한 것이다.
웨어러블 디바이스란 신체에 부착하여 컴퓨팅 행위를 할 수 있는 모든 전자기기를 지칭하며, 일부 컴퓨팅 기능을 수행할 수 있는 어플리케이션까지 포함한다. 4차 산업혁명 시대에 요구되는 모바일 기술의 발전과 함께 웨어러블 디바이스에 대한 수요와 관심이 꾸준히 증가하고 있다. 특히 인구 고령화가 사회적 이슈로 부각되면서 시간과 공간에 제약 없이 헬스 모니터링을 통해 질병의 예방, 진단, 치료, 사후관리를 받을 수 있는 U-health(Ubiquitous Health) 케어에 대한 관심이 증가하고 있다.
웨어러블 기기는 초기 액세서리형에서 점차적으로 신체 부착형 및 피부 밀착형으로 개발되고 있으며, 이를 위해 신체와의 밀착이 어려운 경직성 PCB 기반 기기의 구조적 한계로 인한 동작 잡음을 해소할 수 있는 차세대 웨어러블 기기를 위한 유연 소자 플랫폼 개발이 필요하다.
특히 신체 밀착형 웨어러블 기기의 경우, 신체의 끊임없는 신축-이완 동작 환경에서도 안정적 구동을 위한 신축성(Stretchable) 배선이 요구된다. 신축성 배선과 관련된 대표적 개발 사례로 John Rogers 그룹(Northwestern 대, 미국)에서 개발한 기판 위로 형성된 3차원 배선 구조가 있지만, 금속성 소재가 가지는 낮은 변형률로 인해 빠른 신축-이완 환경에서 쉽게 파괴가 일어난다.
아울러 연신 가능한 전도성 섬유 개발과 관련된 많은 연구도 진행되고 있다. 개발 초기에는 대부분 섬유상 고분자 표면에 한정된 금속 코팅층을 가지고 있어 낮은 변형에서의 전도성은 확보되지만, 임계 변형률 이상 또는 반복 변형 시 금속 코팅막의 박리(Delamination), 크래킹(Cracking), 파괴(Fracture)로 인해 급격한 전도성 저하가 확인된다. 최근 보고된 유연 매트릭스 소재 내에 다차원(0, 1, 2 차원) 전도성 물질이 함침된 섬유상 복합체의 경우, 신축-이완 환경에서 향상된 전도성이 확인되고 있으나, 반복 변형에서 복합체 내 전도성 분산상의 연결성 저하와 이에 따른 내부저항 증가로 전도성의 저하가 일어난다.
이와 같이 전도성 소재와 유연 소재의 복합체로부터 우수한 신축성과 전도성을 동시에 확보하기 어려워 새로운 개념의 신축-이완 메커니즘을 가지는 전도성 섬유 개발이 필요하다.
Liu et al., Spider dragline silk as torsional actuator driven by humidity, SCIENCE ADVANCES, 5 (3), eaau9183, (2019)
본 발명의 목적은, 거미줄 웹(Web)을 구성하는 포획사의 스풀링(Spooling)현상을 적용한 형상기억 고분자 물질을 포함한 자가회복 전도성 와이어를 제공함으로써, 다양한 외부자극의 신축-이완 환경에서도 일정한 장력과 물성을 유지하면서도, 우수한 신축성과 전도성을 동시에 확보하는 형상기억 고분자 물질을 포함한 자가회복 전도성 와이어를 제공함에 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 형상기억 고분자 물질을 포함한 자가회복 전도성 와이어를 제공한다.
상기 형상기억 고분자 물질을 포함한 자가회복 전도성 와이어는 형상기억 고분자 소재의 코어(Core), 상기 코어(Core) 표면을 코팅하는 전도층 및 상기 전도층 표면에 위치하는 비휘발성 액체의 액적을 포함한다.
상기 액적은 상기 자가회복 전도성 와이어에 가해지는 모세관 힘이 임계 굴곡하중보다 커지면 스풀링(Spooling)하게 하고, 상기 스풀링(Spooling)은 상기 자가회복 전도성 와이어에 가해지는 추가적인 자극으로 상기 자가회복 전도성 와이어가 감기거나 또는 풀어질 수 있다.
상기 코어(Core)는 고분자 물질일 수 있으며, 바람직하게는 형상기억 고분자(Shape memory polymer, SMP)를 포함한다. 상기 형상기억 고분자(Shape memory polymer, SMP)는 폴리우레탄(Polyurethane), 폴리아마이드(Polyamide), 에폭시(Epoxy), 올레핀(Olefin), 폴리실록산(Polysiloxane), 폴리실세스키옥산(Polysilsesquioxane), 폴리카보네이트(Polycarbonate), 블록공중합체(Block copolymer) 등을 포함할 수 있다.
상기 전도층은 은(Silver), 구리(Copper), 금(Gold), 알루미늄(Aluminum) 등 금속 입자인 0차원 전도성 물질, 탄소 나노튜브(Carbon nanotube) 등과 은 나노와이어(Silver nanowire) 등 1차원 전도성 물질, 그래핀(Graphene), 환원 산화그래핀(Reduced graphene oxide), 몰리브덴 다이설파이드(Molybdenum disulfide), 은, 구리, 금, 알루미늄 나노시트(Nano sheet) 등 2차원 전도성 물질, 폴리(3-알킬티오펜)(Poly(3-alkyl thiophene), 폴리아세틸렌(Polyacetylene), 폴리피롤(Polypyrrole) 등 전도성 고분자 등 이거나, 이의 복합체일 수 있다
상기 비휘발성 액체는 실시 환경에서 비휘발성을 가지는 유기 용매로써 예를 들어 상온 환경에서는 글리세롤, 에틸렌글리콜 등의 친수성 비휘발성 액체와 실리콘오일, 헥사데칸, 벤질알코올 등의 소수성 비휘발성 액체를 포함한다. 비휘발성 액체는 단독으로 사용되거나, 표면장력/점도 제어를 위한 혼합 액체일 수 있다.
상기 자극은 온도, 습도, 수소이온농도(pH), 빛, 물리 에너지, 전기 에너지, 자기장으로 이루어진 군에서 하나 이상일 수 있다.
상기와 같은 본 발명에 따르면, 전도성 소재로 코팅된 고분자 소재 코어(Core)와 비휘발성 액체의 액적을 포함하는 형상기억 고분자 물질을 포함한 자가회복 전도성 와이어를 제공함으로써, 종래의 고분자 전도성 와이어에 비해 상기 형상기억 고분자 물질을 포함한 자가회복 전도성 와이어는 외부자극에 의해 적게는 수 %에서 많게는 수 1,000% 이상의 인장 변형 후에도 자극이 사라지면 원래의 형태로 복원되며, 지속적인 신축-이완 변형 하에서도 와이어에 일정한 장력을 부여할 수 있어 뛰어난 형태 안정성 효과를 준다.
도 1은 거미줄 웹, 거미줄 포획사의 구조, 스풀링, 신축 모식도를 보여주는 이미지이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 의한 자가회복 전도성 와이어의 구성도이다.
도 3은 형상기억 고분자의 형상기억 효과를 부여하는 다양한 가교 인자의 모식도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 의한 자가회복 전도성 와이어의 습윤 액적을 표면에 가지는 섬유상 전도성 와이어의 두께(직경), 평균 모듈러스(Modulus), 습윤 액적의 직경 변화에 따른 이론적 스풀링 예측 커브(커브의 하단영역에서만 스풀링 현상이 일어남)이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예부터 제조된 전도층을 포함하는 전도성 고분자 와이어의 주사 전자 현미경(scanning electron microscope, SEM) 이미지이다.
도 6 은 본 발명의 일 실시예로부터 제조된 전도층을 포함한 전도성 고분자 와이어(직경 = 3.2㎛)에 실리콘오일(점도 = 1,000 Centi Stokes) 액적을 형성시킨 후 인장율 변화에 따른 거동의 광학현미경 이미지이다.
도 7은 실시예 1와 비교예 1의 신축-이완 거동의 디지털 이미지이다.
도 8은 실시예 1의 전도층 도입 전후에 대한 섬유상 와이어의 FT-IR 스펙트럼 결과 및 실시예 1와 비교예 1의 신축-이완에 따른 전도성 변화 그래프이다.
본 발명은 자연계에서 관찰되는 거미줄 웹(Web)을 구성하는 포획사(Capture tread)가 액적(Droplet)에 감겨 지는 스풀링(Spooling)과 외부 장력에 의해 액적 밖으로 풀리는 현상을 형상기억 고분자(Shape memory polymer, SMP)를 포함하는 섬유와 섬유 표면에 습윤 시킨 액체상을 이용하여 모사함으로써 다양한 신축-이완 환경에서도 일정한 장력과 물성(전도성을 포함)을 유지하는 형상기억 고분자 물질을 포함한 자가회복 전도성 와이어의 제조 방법 및 이의 응용을 포함한다.
거미줄 웹 중앙부로부터 일정 거리 떨어진 위치에서 확인되는 수 마이크로미터(μm) 직경의 포획사는 일반 거미줄과 달리 표면 위로 코팅 액체와 이의 수십 내지 200μm 직경의 액적을 확인할 수 있다. 또한 이를 확대해 보면 거미줄이 액적 주위로 감겨 있음을 확인할 수 있다(도 1a). 만약 포획사에 다양한 형태(예: 곤충의 걸림, 바람, 등)로 장력(Tension)이 전달되면, 액적 밖으로 거미줄이 풀리며 장력이 사라지면 다시 액적에 감긴다. 이러한 거미줄 포획사의 독특한 신축-이완 특성이 거미줄의 웹 구조를 일정하게 유지시킨다. 거미줄에 맺힌 액적으로(도 1b) 거미줄의 스풀링 원리는 거미줄-액적간 계면 장력(γ LV)에 의한 모세관 힘 (F γ)이 거미줄의 휨 저항력(혹은 임계 굴곡 하중, FB)보다 크게 되면, 즉 F γ > F B에서 거미줄이 액적으로 빨려 들어가면서 감기는 것이다(도 1c). 스풀링된 상태에서 외부 요인으로 인가된 장력(T)과 F B의 합이 F γ 보다 커지면, 즉 T + F B>F γ 에서 거미줄은 액적으로부터 풀리게 된다(도 1d).
모세관 힘은
Figure 112020014940183-pat00001
계산식으로 계산되며, 여기서 h와 θ는 거미줄의 직경과 거미줄-액적간 접촉각이다.
임계 굴곡하중은
Figure 112020014940183-pat00002
계산식으로 계산되며, 여기서 E, I, R은 거미줄의 모듈러스, 관성 모멘트, 액적의 반지름이다.
이러한 거미 포획사-액적에서의 스풀링-풀림을 모사하기 위해, 본 발명은 일 형태에 따라 형상기억 고분자 물질을 포함한 자가회복 전도성 와이어를 제공한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 상세하게 설명한다.
도 2은 본 발명의 일 실시예에 의한 형상기억 고분자 물질을 포함한 자가회복 전도성 와이어(100)의 구성도이다. 도시된 바와 같이 형상기억 고분자 물질을 포함한 자가회복 전도성 와이어(100)는 고분자 소재의 코어(Core)(102)를 중심으로 하며, 코어(Core)(102) 표면을 코팅하고 있는 전도층(104)을 포함하는 전도성 고분자 와이어(101) 및 전도층(104) 표면에 위치하는 비휘발성 액체의 액적(106)을 포함한다.
전도층(104)는 코어(Core)(102) 표면을 전도성 소재로 코팅하거나 전도성 소재가 코어(Core)(102) 내에 함침되어 생성된다. 상기 자가회복 전도성 와이어(100)의 표면에 위치하는 비활성 액체의 액적(106)은 전도성 고분자 와이어(101)를 모세관 힘으로 스풀링(Spooling)할 수 있게 하며, 상기 스풀링(Spooling)은 전도성 고분자 와이어(101)에 가해지는 자극으로 상기 자가회복 전도성 와이어가 감기거나 또는 풀어질 수 있다.
코어(Core)(102)는 형상기억 고분자(Shape memory polymer, SMP)를 포함하는 다양한 고분자 적용이 가능하며, 상기 형상기억 고분자(Shape memory molymer, SMP)는 폴리우레탄(Polyurethane), 폴리아마이드(Polyamide), 에폭시(Epoxy), 올레핀(Olefin), 폴리실록산(Polysiloxane), 폴리실세스키옥산(Polysilsesquioxane), 폴리카보네이트(Polycarbonate) 또는 블록공중합체(Block Copolymer) 및 이의 복합체 등을 포함할 수 있다. 보다 자세하게는 상기 형상기억 고분자에 폴리노보넨(Polynorbonene), 열가소성 폴리우레탄, 열경화성 폴리우레탄, 에폭시(Epxoy), 스타이렌계 공중합체, 폴리에틸렌테레프탈레이트-폴리에틸렌글리콜 공중합체(PET-PEG), 폴리메틸메타크릴레이트-폴리부틸메타크릴레이트 공중합체(Poly(methylmethacrylate-co-butylmethacrylate), PMMA-PBMA), 메타크릴레이트 기반 고분자(Methacrylate derivative polymer), 폴리카프로락톤-부틸아크릴레이트 공중합체(Polycaprolactone-butylacrylate copolymer), 폴리싸이클로옥텐(Polycyclooctene), 폴리에틸렌(Polyethylene), 폴리에틸렌/폴리프로필렌 블렌드, 아크릴레이트, 폴리프로필렌 세바케이트, 스타이렌 공중합체, 폴리에틸렌-나일론 6 공중합체, 폴리헤드랄 올리고머 실세스퀴옥산(Polyhedral oligomeric silsesquioxane, POSS), 폴리비닐리덴다이플루오라이드/폴리메틸메타크릴레이트 블렌드(PVDF/PMMA) 또는 스타이렌-부타디엔-스타이렌 블록공중합체(SBS)를 포함할 수 있으며, 특히 상기 형상기억 고분자 물질(Shape memory polymer, SMP)는 특정 환경에서 형상의 변형, 고정, 복원이 가능한 소재이다.
상기 코어(Core)(102)는 다양한 고분자(SMP 포함) 또는 복합체의 섬유상 제조 방법을 포함하는 다양한 제조방법을 통해 제조할 수 있다. 이때 상기 섬유상 제조 방법은 고분자, 복합체, 이를 포함하는 용액의 용융, 건식, 습식 방사 등을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
전도층(104)에 사용되는 전도성 소재는 은(Silver), 구리(Copper), 금(Gold), 알루미늄(Aluminum) 등 금속 입자인 0차원 전도성 물질, 탄소 나노튜브(Carbon nanotube) 등과 은 나노와이어(Silver nanowire) 등 1차원 전도성 물질, 그래핀(Graphene), 환원 산화그래핀(Reduced graphene oxide), 몰리브덴 다이설파이드(Molybdenum disulfide), 은, 구리, 금, 알루미늄 나노시트(Nano sheet) 등 2차원 전도성 물질, 폴리(3-알킬티오펜)(Poly(3-alkyl thiophene)), 폴리아세틸렌(Polyacetylene), 폴리피롤(Polypyrrole) 등 전도성 고분자 등 이거나, 이의 복합체 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
상기 전도성 소재로 전도층(104)이 형성된 전도성 고분자 와이어(101)의 두께는 전도성 고분자 와이어(101)와 습윤 액적(106) 사이에 형성되는 모세관 힘(F γ)과 전도성 고분자 와이어(101)의 임계 굴곡하중(F B)을 기준으로 조절가능하다. 이때 자가회복 전도성 와이어(100)에서 전도성 고분자 와이어(101)가 액적(106) 내로의 스풀링과 신축 후, 이완과정에서의 형태 안정성과 자가회복성의 최적화를 위해 전도성 고분자 와이어(101)의 두께를 500nm 부터 20μm의 범위로 조절할 수도 있으나, 이에 제한되지 않는다.
또한 자가회복 전도성 와이어(100)에서 전도성 소재를 포함한 전도성 고분자 와이어(101)의 모듈러스, 두께 그리고 액적(106)의 직경 및 액적(106)의 표면장력에 의해 스풀링 여부가 결정된다(도 4).
낮은 모듈러스의 소재로 제조된 전도성 고분자 와이어(101)는 와이어의 두께가 비교적 두꺼워도 스풀링이 쉽게 일어날 수 있으나, 전도성 소재의 함량 및 코팅층의 두께가 증가에 따른 전도성 고분자 와이어(101)의 모듈러스가 높아질 경우, 와이어의 두께를 얇게 제어할 필요가 있다. 아울러, 두꺼운 전도성 고분자 와이어(101)의 액적(106) 내 스풀링 유도를 위해 습윤 액체의 액적(106)의 직경을 크게 할 수도 있으나, 이 경우에 있어 액적의 무게 증가에 따른 처짐현상이 발생하므로 이를 최소화할 필요가 있다.
상기 비휘발성 액체는 실시 환경에서 휘발성이 매우 낮은 액체로. 실시 환경 온도와 전도성 고분자 와이어(101)의 표면 에너지에 따라 선택될 수 있다. 상온 실시 환경에서는 실시 환경에서 비휘발성을 가지는 유기 용매로써 예를 들어 상온 환경에서는 글리세롤, 에틸렌글리콜 등의 친수성 비휘발성 액체와 실리콘오일, 헥사데칸, 벤질알코올 등의 소수성 비휘발성 액체를 포함한다. 비휘발성 액체는 단독으로 사용되거나, 표면장력/점도 제어를 위한 혼합 액체일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
전도성 고분자 와이어(101) 표면에 비휘발성 액상을 도입하기 위해, 액체의 섬유표면 젖음성과 형상 제어를 위한 섬유상 소재, 즉 형상기억 고분자 물질을 포함한 자가회복 전도성 와이어의 전도성 고분자 와이어(101)에 표면 개질 방법은 다음을 포함할 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
상기 섬유표면 젖음성과 형상 제어를 위한 섬유상 소재의 표면 개질 방법으로는 와이어 표면의 화학 결합이 가능한 실란기를 포함하는 단분자 및 고분자 도입이 있다. 이들 단분자 및 고분자를 도포하기 전, 전도성 고분자 와이어(101) 표면에 히드록시기, 아민기, 카르복실기, 알콕시기 및 아마이드기로 이루어진 군으로 선택되는 적어도 어느 하나를 도입하고 광에너지를 가하는 단계를 포함해 실린기를 포함하는 단분자 및 고분자층을 화학반응을 통해 형성시킨다.
상기 자극은 온도, 습도, 수소이온농도(pH), 빛, 물리 에너지, 전기 에너지, 자기장으로 이루어진 군에서 하나 이상을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
형상기억 고분자는 각각의 특징에 따라 각기 다른 자극에 따른 물성 변화를 특징으로 한다. 따라서 상기 형상기억 고분자 물질을 포함한 자가회복 전도성 와이어는 적용되는 형상기억 고분자의 특성에 맞는 물성 제어 방법을 포함하며, 그러한 특성은 다음과 같다.
형상기억 효과는 열, 광, pH, 습도, 기계화학(Mechnochmistry), 화학적 반응에 의하여 발생한다. 열에 의해 형상기억 효과를 보이는 형상기억 고분자에는 폴리노보넨(Polynorbonene), 열가소성 폴리우레탄, 열경화성 폴리우레탄, 에폭시(Epxoy), 스타이렌계 공중합체, 폴리에틸렌테레프탈레이트-폴리에틸렌글리콜 공중합체(PET-PEG), 폴리메틸메타크릴레이트-폴리부틸메타크릴레이트 공중합체 (Poly(methylmethacrylate-co-butylmethacrylate), PMMA-PBMA), 메타크릴레이트 기반 고분자(Methacrylate derivative polymer), 폴리카프로락톤-부틸아크릴레이트 공중합체(Polycaprolactone-butylacrylate copolymer), 폴리싸이클로옥텐(Polycyclooctene), 폴리에틸렌(Polyethylene), 폴리에틸렌/폴리프로필렌 블렌드, 아크릴레이트, 폴리프로필렌 세바케이트, 스타이렌 공중합체, 폴리에틸렌-나일론 6 공중합체, 폴리헤드랄 올리고머 실세스퀴옥산(Polyhedral oligomeric silsesquioxane, POSS), 폴리비닐리덴다이플루오라이드/폴리메틸메타크릴레이트 블렌드(PVDF/PMMA), 스타이렌-부타디엔-스타이렌 블록공중합체(SBS) 등이 있으나, 이에 제한되지 않는다.
열자극에 따른 물리적 성질의 변화를 보이는 형상기억 고분자인 폴리우레탄을 예로 들면, 유리전이온도(T g > 상온) 전·후에서 모듈러스 변화가 1,000 배 이상 차이를 나타낼 수 있어 상온에서 스풀링 현상을 가지지 않는 폴리우레탄 와이어에서도 T g 이상으로 온도를 올릴 경우, 액적 내로 스풀링을 유도시킬 수 있다. 그리고, 다시 온도를 Tg 이하로 내릴 경우, 액적 밖으로 전도성 고분자 와이어가 풀리게 된다.
열 이외의 외부 자극으로 SMP 소재의 가역적 가교 그룹(수소결합, 이온결합, 결정)이 해리되는 경우에도 모듈러스의 감소가 일어나 유사한 현상을 기대할 수 있다(도 3).
이하, 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하고자 한다. 이들 실시예는 오로지 본 발명을 예시하기 위한 것으로서, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 의해 제한되는 것으로 해석되지는 않는 것은 당업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명할 것이다.
실시예 1.
고분자 섬유사로 형상기억 섬유소재인 스타이렌-부타디엔-스타이렌 블록공중합체(Polystyrene-block-polybutadiene-block-polystyrene, SBS) 소재를 톨루엔에 녹여 30 wt.% 용액을 툴루엔을 사용하여 제조한 후, 습식방사(Wet spinning) 공정으로 SBS 와이어, 즉 전도성 고분자 와이어의 코어(Core) 샘플을 제조한다.
이후 전도성 물질 함침 단계를 수행한다. 상기 전도성 물질 함침단계는 전구체로 AgCF3COO를 에탄올에 녹여 제조한 용액에 상기 SBS 와이어를 30분가량 담지하고, 꺼내어 상온 건조를 거친 샘플에 50% 하이드라진(Hydrazine)이 녹아 있는 에탄올/물(부피비 1:1) 혼합용액을 떨어뜨려 섬유상 SBS 와이어의 표면 및 내부 함침된 은전구체(AgCF3COO)를 Ag로 환원시킨다.
그 다음 액적 생성단계를 수행한다. 상기 액적 생성단계는 은입자를 포함한 SBS 와이어의 표면에 비휘발성 액체인 실리콘(Silicon, 점도 1,000 Centi stokes)오일을 균일하게 코팅한 후, 신축-이완 과정을 거쳐 와이어 표면에 국부적으로 액적을 유도시킨다. 그리고 생성된 액적 내부로 전도성 와이어가 스풀링 될 수 있도록 전도성 와이어의 양끝단에 인가한 장력을 낮춰서 자가회복 전도성 와이어 샘플을 준비한다.
이때 상기 자가회복 전도성 와이어 샘플 1개당 상기 액적의 지름이 200㎛를 넘어가면, 일부 두께가 얇은 자가회복 전도성 와이어에서 액적의 무게를 지탱하지 못 하고, 액적이 자가회복 과정과 원형 회복 상태에서 아래로 처지는 현상이 일어날 수 있다. 따라서 적절한 액적의 크기 형성이 요구된다.
비교예 1.
상기 실시예 1와 동일하게 수행하되 액적 생성 단계를 생략한 전도성 와이어 샘플을 준비한다.
실험예 1.
실시예 1을 통해 제조한 다양한 두께의 전도성 와이어의 주사 전사 현미경(Scanning electron microscope)를 통해 관찰한다.
관찰 결과는 도 5에 도시한다.
상기 도 5을 참조하면, 가장 왼쪽 이미지에서 실시예 1을 통해 제조된 은 코팅된 SBS 와이어의 두께(직경)는 3.2㎛에서부터 12.6㎛까지 습식방사 시 공정조건에 따라 제어가 가능함을 확인할 수 있다.
실험예 2.
실시예 1을 통해 제조된 와이어의 신축-이완 거동을 확인하기 위해 액츄에이터기반 구동 스테이지에 습윤된 실리콘 오일 액적을 포함하는 직경이 3.2㎛인 전도성 SBS 와이어의 한쪽 끝을 고정시킨 후, 다른 한쪽을 동일 높이의 플레이트에 고정한 후, 신장-이완에 따른 형상변화를 실시간 광학현미경 분석 및 디지털 이미지를 통해 확인할 수 있다.
측정결과는 도 6와 도 7에 도시한다.
상기 도 6를 참조하면 0 내지 2,250%로 점차 늘어나는 인장 변화에서도 액적 내 존재하고 있던 전도성 와이어가 풀어지는 것을 확인할 수 있으며, 와이어의 연신 없이 일정한 장력을 유지하면서 200㎛ 직경의 액적 밖으로 전도성 와이어가 2,250% 풀어짐을 디지털 이미지로 확인할 수 있다.
상기 도 7을 참조하면, 비교예 1의 액적을 포함하지 않는 전도성 와이어(도 7b)는 실시예 1(도 7a)과 달리 초기 실리콘 오일 액적내에 와이어가 존재하지 않아, 원래 스트레칭 거리 보다 가까워져 와이어에 걸리는 장력이 약화되면서 일정한 형태를 유지하지 못하고 외부 요인에 의한 흔들림 및 처짐 현상을 디지털 이미지로 확인할 수 있다.
실험예 3.
FT-IR(Fourier-transform infrared spectroscopy) 분광광도계를 이용하여 실시예 1의 은입자 도입된 전도성 와이어와 은입자가 도입되지 않은 비교예 1을 정성 분석한다.
분석 결과는 도 8a에 도시한다.
상기 도 8a를 참조하면 은입자가 도입되지 않은 SBS Core 와이어의 경우, C-C 및 C=C 결합 존재로부터 확인되는 흡수피크 만을 확인할 수 있으나, AgCF3COO 함침 후 하이드라진 환원을 통한 전도층을 포함한 실시예 1와 비교예 1의 샘플로부터는 추가 C=O, C-F, COO와 관련된 흡스피크를 통해, 전도성 부여를 위해 도입된 AgCF3COO가 SBS 섬유상 와이어 내부로 침투되었음을 확인할 수 있다.
실험예 4.
실시예 1과 비교예 1의 전도성 와이어의 신축-이완 거동에서의 전도도 확인을 위해 스테이지 양 끝에 고정된 전도성 와이어 위로 갈륨-인듐 공용합금(Eutectic ga-in alloy, EGaIn) 액체금속을 떨어뜨려 전극부를 형성한 후, 전류-전압 측정장치의 프루브(Probe)을 연결시켜 전도도를 상온에서 측정하였다.
측정결과는 도 8b에 도시한다.
상기 도 8b를 참조하면, 실시예 1의 와이어에 2,250% 인장-이완 변화가 있어도 전도성이 변화하지 않는 것이 확인되었지만, 비교예 1의 와이어의 경우 인장율 증가에 따라 전도성이 급격히 낮아져 100% 연신에서 초기 전도도의 23%를 나타내며, 원래 상태로 돌아간 후에도 전도도는 초기의 55%로 낮아짐을 확인할 수 있다.
이상, 본 발명내용의 특정한 부분을 상세히 기술하였는바, 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 있어서, 이러한 구체적인 기술은 단지 바람직한 실시양태일 뿐이며, 이에 의해 본 발명의 범위가 제한되는 것이 아닌 점은 명백할 것이다. 따라서 본 발명의 실질적인 범위는 첨부된 청구항들과 그것들의 등가물에 의해 정의된다고 할 것이다.
100 : 형상기억 고분자 물질을 포함한 자가회복 전도성 와이어
101 : 전도성 고분자 와이어 102 : 코어(Core)
104 : 전도층 106 : 액적

Claims (6)

  1. 전도성 와이어에 있어서,
    상기 전도성 와이어는
    형상기억 고분자 물질을 포함하는 고분자 소재의 코어(Core);
    상기 코어(Core) 표면을 코팅하는 전도성 막; 및
    상기 전도성 막 표면에 국부적으로 위치하는 비휘발성 액체의 액적을 포함하며,
    상기 전도성 와이어는 상기 액적과 전도성 와이어 사이에 형성되는 모세관 힘에 의해 액적 내로 스풀링되는 형상기억 고분자 물질을 포함한 자가회복 전도성 와이어.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 형상기억 고분자 물질은 폴리우레탄, 폴리아마이드, 에폭시, 올레핀, 폴리실록산, 폴리카르보네이트 또는 이의 블록공중합체를 포함하는 것을 특징으로 하는 형상기억 고분자 물질을 포함한 자가회복 전도성 와이어.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 전도성 막을 형성하는 소재는 금속 입자인 0차원 전도성 물질, 탄소 1차원 전도성 물질, 2차원 전도성 물질, 전도성 고분자 또는 이의 복합체를 포함하는 형상기억 고분자 물질을 포함한 자가회복 전도성 와이어.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 0차원 전도성 물질은 은(Silver), 구리(Copper), 금(Gold) 및 알루미늄(Aluminum)으로 이루어진 금속 입자군에서 선택된 하나 이상이고,
    상기 1차원 전도성 물질은 탄소 나노튜브(Carbon Nanotube)와 은 나노와이어(Silver Nanowire) 중 하나 이상이며,
    상기 2차원 전도성 물질은 그래핀(Graphene), 환원 산화그래핀(Reduced Graphene Oxide), 몰리브덴 다이설파이드(Molybdenum Disulfide), 은 나노시트(Nano Sheet), 구리 나노시트(Nano Sheet), 금 나노시트(Nano Sheet) 및 알루미늄 나노시트(Nano Sheet)로 이루어지 군에서 선택된 하나 이상이고,
    상기 전도성 고분자는 폴리(3-알킬티오펜)(Poly(3-Alkyl Thiophene), 폴리아세틸렌(Polyacetylene) 및 폴리피롤(Polypyrrole)로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상인 것을 특징으로 하는 형상기억 고분자 물질을 포함한 자가회복 전도성 와이어.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 비휘발성 액체는 친수성 비휘발성 액체, 소수성 비휘발성 액체 또는 이들을 포함하는 혼합 액체인 것을 특징으로 하는 형상기억 고분자 물질을 포함한 자가회복 전도성 와이어.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 친수성 비휘발성 액체는 글리세롤 또는 에틸렌글리콜을 포함하고,
    상기 소수성 비휘발성 액체는 실리콘오일, 헥사데칸 또는 벤질알코올을 포함하는 것을 특징을 하는 형상기억 고분자 물질을 포함한 자가회복 전도성 와이어.
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