KR102418327B1

KR102418327B1 - 헬스 모니터링용 스트레인 센서 제조 방법 및 스트레인 센싱 장치

Info

Publication number: KR102418327B1
Application number: KR1020210001356A
Authority: KR
Inventors: 안치원; 송진규; 한희
Original assignee: 한국과학기술원
Priority date: 2021-01-06
Filing date: 2021-01-06
Publication date: 2022-07-11

Abstract

본 발명의 일 실시 예는 피부의 자연스러운 움직임에 적합하고 장시간의 움직임도 측정 가능한 고민감도 스트레인 센서를 제공한다. 본 발명의 실시 예에 따른 헬스 모니터링용 스트레인 센서 제조 방법은, 신축성 고분자 용액인 전기방사 용액을 회전하는 컬렉터를 향해 전기 방사하여 나노섬유의 정렬로 형성되는 나노섬유웹을 형성하는 제1단계; 나노섬유웹의 표면에 전도성 금속 입자를 증착시켜 나노섬유웹의 표면에 전도성전극층을 형성하여 스트레인 센서를 형성하는 제2단계; 및 스트레인 센서에 인장력을 제공하여 소성 변형시킴으로써 전도성전극층에 크랙을 형성시키는 제3단계;를 포함한다.

Description

헬스 모니터링용 스트레인 센서 제조 방법 및 스트레인 센싱 장치 {METHOD FOR MANUFACTURING A STRAIN SENSOR FOR HEALTH MONITORING AND A STRAIN SENSING DEVICE}

본 발명은 헬스 모니터링용 스트레인 센서 제조 방법 및 스트레인 센싱 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 피부의 자연스러운 움직임에 적합하고 장시간의 움직임도 측정 가능한 고민감도 스트레인 센서에 관한 것이다.

최근 들어, 스트레인 센서는 전자피부(electronic skin), 웨어러블 전자소자(wearable electronics), 로봇 등에 적용되어 인간의 움직임, 심박, 호흡, 음성 등을 감지함으로써, 헬스케어 모니터링 시스템(healthcare monitoring systems)의 핵심 기술로 주목받고 있다. 스트레인 센서가 웨어러블 헬스케어 시스템에 구현되기 위해서는 민감도가 높고, 저비용으로 간단하게 제조될 수 있어야 한다.

상기와 같은 헬스케어 모니터링 시스템에 신축성 고분자 필름 위에 전도성 박막을 증착시켜 형성된 스트레인 센서가 이용되고 있는데, 이와 같은 종래기술의 스트레인 센서는 피부에 접촉되어 부착되는 경우 피부 계면에서 땀과 가스 투과성이 좋지 않고, 피부와 센서의 접착을 위한 접착 물질을 사용하기 때문에 피부염을 유발시킨다는 문제가 있다.

그리고, 고분자 기판이 피부와 비교하였을 때, 부드럽지 않고 딱딱하기 때문에, 피부의 자연스러운 움직임을 방해하며, 따라서, 장기간 피부에 부착 후 생체신호 모니터링이 요구되는 헬스 모니터링 센서로 활용이 제한적이라는 문제가 있다.

대한민국 등록특허 제 10-2167495호(발명의 명칭: 금속나노입자와 탄소나노튜브 혼합물의 직접 인쇄에 기반한 고감도 유연성 스트레인 센서 및 이를 제조하는 방법)에서는, 유연성 기판의 한쪽 면에 소정의 도전선로 패턴을 고속 분사하여 직접 인쇄한 다음 유연성 덮개로 덮어 접합함으로써 도전선로 패턴이 샌드위치 되게 하고, 금속나노입자와 탄소나노튜브를 혼합한 복합 나노소재를 공기역학적으로 펌핑 타이밍을 조절하여 여기 시켜 에어로졸화 상태로 분사노즐을 통해 유연성 기판 표면에 분사하며, 분사된 인쇄원료 혼합물이 유연성 기판의 표면과 충돌하여 그 표면에 균열을 만들고 탄소나노튜브들이 그 균열 속으로 침투해 들어가서 유연성 기판과 기계적으로 록킹되면서 고착되고, 그 위에 금속나노입자들과 탄소나노튜브들이 소정의 폭과 높이로 증착되어 스트레인 센서의 도전선로 패턴이 직접 인쇄되는 스트레인 센서 제조 방법이 개시되어 있다.

대한민국 등록특허 제 10-2167495호

상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은, 피부에 접촉되어 부착되는 경우에도 땀과 가스 투과성이 좋은 스트레인 센서를 제공하는 것이다.

또한, 본 발명의 목적은, 피부의 자연스러운 움직임에 적합하고 장시간의 움직임도 측정 가능한 스트레인 센서를 제공하는 것이다.

그리고, 본 발명의 목적은, 민감도가 높고 상대적으로 제조 공정이 단순한 스트레인 센서를 제공하는 것이다.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 구성은, 신축성 고분자 용액인 전기방사 용액을 회전하는 컬렉터를 향해 전기 방사하여 나노섬유의 정렬로 형성되는 나노섬유웹을 형성하는 제1단계; 상기 나노섬유웹의 표면에 전도성 금속 입자를 증착시켜 상기 나노섬유웹의 표면에 전도성전극층을 형성하여 스트레인 센서를 형성하는 제2단계; 및 상기 스트레인 센서에 인장력을 제공하여 소성 변형시킴으로써 상기 전도성전극층에 크랙을 형성시키는 제3단계;를 포함한다.

본 발명의 실시 예에 있어서, 상기 제1단계에서, 상기 컬렉터의 회전 속도는 100 내지 2000 rpm일 수 있다.

본 발명의 실시 예에 있어서, 상기 스트레인 센서의 영스 모듈러스(Young's Modulus)는, 3.5 내지 7 Mpa일 수 있다.

본 발명의 실시 예에 있어서, 상기 제3단계에서, 상기 스트레인 센서의 인장 속도는 0.5 내지 2 cm/min일 수 있다.

본 발명의 실시 예에 있어서, 상기 제1단계는, 상기 나노섬유웹의 SEM 이미지를 FFT(Fast Fourier Transform) 이미지로 변환 후 상기 나노섬유의 정렬 상태를 분석하는 단계를 포함할 수 있다.

본 발명의 실시 예에 있어서, 상기 제3단계에서, 상기 스트레인 센서를 소성 변형시키는 인장력이 상기 스트레인 센서의 신축성 거동 시 외력의 최대 값일 수 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 구성은, 상기 스트레인 센서; 및 상기 스트레인 센서에 전기를 인가하고 상기 스트레인 센서의 저항 변화를 감지하는 신호측정부;를 포함한다.

본 발명의 실시 예에 있어서, 상기 신호측정부로부터 전달되는 상기 스트레인 센서의 신호 정보를 외부로 송신하는 송신부를 더 포함할 수 있다.

상기와 같은 구성에 따른 본 발명의 효과는, 나노섬유웹에 전도성 전극 코팅을 수행하여 복수 개의 홀이 형성됨으로써, 피부에 부착되는 경우에도 스트레인 센서의 땀과 가스 투과성이 좋다는 것이다.

또한, 본 발명의 효과는, 연신 후 수축이 반복되는 싸이클에서 저항 변화가 일정하게 형성되며 피부와 유사한 기계적 강도를 구비하고 작은 연신율에도 저항 변화 측정이 가능하여, 피부의 자연스러운 움직임에 적합하여 장시간 측정이 가능하다는 것이다.

그리고, 본 발명의 효과는, 전도성전극층에 형성된 크랙 간격의 변화를 이용하므로 민감도가 높고, 전기방사에 의한 나노섬유웹 상 전도성전극층을 형성한 후 크랙을 형성시키는 단순한 공정으로 제조 가능하다는 것이다.

본 발명의 효과는 상기한 효과로 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 상세한 설명 또는 특허청구범위에 기재된 발명의 구성으로부터 추론 가능한 모든 효과를 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 스트레인 센서 제조 방법의 각 공정에 대한 이미지이다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 나노섬유웹과 스트레인 센서에 대한 SEM 이미지다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 전기 방사 방식에 대한 모식도이다.
도 4와 도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 나노섬유웹 각각에 대한 SEM 이미지다.
도 6과 도 7은 본 발명의 실시 예에 따른 나노섬유웹 각각에 대한 SEM 이미지를 변환한 FFT이미지이다.
도 8은 본 발명의 실시 예에 따른 나노섬유웹 각각에 대한 FFT이미지의 각도 별 강도를 비교한 그래프이다.
도 9는 본 발명의 실시 예에 따른 나노섬유웹(110) 각각에 대한 FFT이미지에서 90도 각도로 정렬된 섬유의 정도를 측정한 그래프이다.
도 10은 본 발명의 실시 예에 따른 나노섬유웹 각각에 대해 기계적 계측을 수행한 결과에 대한 그래프이다.
도 11 내지 도 14는 본 발명의 일 실시 예에 따른 나노섬유웹의 연신 후 수축 사항을 나타내는 그래프이다.
도 15와 도 16은 본 발명의 일 실시 예에 따른 스트레인 센서의 연신에 따른 저항 변화를 나타낸 그래프이다.
도 17은 본 발명의 일 실시 예에 따른 스트레인 센서의 연신 후 수축 시 저항 변화를 나타낸 그래프이다.

이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 따라서 여기에서 설명하는 실시 예로 한정되는 것은 아니다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.

명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결(접속, 접촉, 결합)"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 부재를 사이에 두고 "간접적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 구비할 수 있다는 것을 의미한다.

본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 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 첨부된 도면을 참고하여 본 발명에 대하여 상세히 설명하기로 한다.

도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 스트레인 센서(100) 제조 방법의 각 공정에 대한 이미지이고, 도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 나노섬유웹(110)과 스트레인 센서(100)에 대한 SEM 이미지다. 도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 전기 방사 방식에 대한 모식도이다.

여기서, 도 1의 (a)는 나노섬유웹(110)의 일 부위에 대한 이미지이고, 도 2의 (a)는 나노섬유웹(110)의 일 부위에 대한 배율 3,000의 SEM 이미지다. 또한, 도 1의 (b)는 나노섬유웹(110)에 전도성전극층(120)이 코팅되어 형성된 스트레인 센서(100)의 일 부위에 대한 이미지이고, 도 2의 (b)는 나노섬유웹(110)에 전도성전극층(120)이 코팅되어 형성된 스트레인 센서(100)의 일 부위에 대한 배율 30,000의 SEM 이미지다. 그리고, 도 1의 (c)는 크랙이 형성된 스트레인 센서(100)의 일 부위에 대한 이미지이고, 도 2의 (c)는 크랙이 형성된 스트레인 센서(100)의 일 부위에 대한 배율 30,000의 SEM 이미지다.

본 발명의 스트레인 센서(100) 제조 방법은, 먼저, 제1단계에서, 신축성 고분자 용액인 전기방사 용액을 회전하는 컬렉터(10)를 향해 전기 방사하여 나노섬유의 정렬로 형성되는 나노섬유웹(110)을 형성할 수 있다.

도 3에서 보는 바와 같이, 고전압이 인가된 전기방사 용액이 금속 니들(Metallic Neeldle)(10)을 통과한 후 롤 형상, 즉, 원기둥 형상이며 회전하고 고전압이 인가된 컬렉터(Collector)(10) 표면에 집적되어 나노섬유웹(110)이 형성될 수 있다.

여기서, 전기방사 용액은 PVP(polyvinylpyrrolidone), PAN(polyacrylonitrile), 폴리이미드, 폴리벤즈이미다졸, 폴리아크릴니트릴, 메조페이스 핏치, 푸르프릴 알콜, 페놀, 셀룰로오스, 수크로오스, 나일론(nylons), 불소 중합체(fluoropolymers), 폴리올레핀(polyolefins), 폴리이미드(polyimides), 폴리에스테르(poluesters), 폴리카프로락톤(polycaprolactones), 기타 공학적인 폴리머들 또는 직물 형태의 폴리머 및 폴리비닐 클로라이드 등의 폴리머에 용매를 혼합하여 제조될 수 있다.

여기서, 용매는, 디메틸포름아미드, 테트라하이드로퓨란, N-메틸피롤리돈테트라하이로퓨란, 황산, 질산, 아세트산, 염산, 암모니아, 증류수, 에탄올, 메탄올, 프로판올 및 이소프로판올로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 물질로 형성될 수 있다. 다만, 반드시 이에 한정되는 것은 아니고, 상기된 폴리머를 용해시켜 전기방사액을 제조할 수 있는 것이면 모두 이용될 수 있다.

도 4와 도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 나노섬유웹(110) 각각에 대한 SEM 이미지다. 구체적으로, 도 4의 (a)는 컬렉터(10)의 회전 속도가 100rpm인 경우에 형성된 나노섬유웹(110)의 일 부위에 대한 배율 3,000의 SEM 이미지고, 도 4의 (b)는 컬렉터(10)의 회전 속도가 500rpm인 경우에 형성된 나노섬유웹(110)의 일 부위에 대한 배율 3,000의 SEM 이미지다. 그리고, 도 5의 (a)는 컬렉터(10)의 회전 속도가 1,000rpm인 경우에 형성된 나노섬유웹(110)의 일 부위에 대한 배율 3,000의 SEM 이미지고, 도 5의 (b)는 컬렉터(10)의 회전 속도가 1,500rpm인 경우에 형성된 나노섬유웹(110)의 일 부위에 대한 배율 3,000의 SEM 이미지다.

도 4와 도 5에서 보는 바와 같이, 컬렉터(10)의 회전 속도가 증가할수록 정렬되는 나노섬유의 비율이 증가할 수 있다. 이에 따라, 제1단계에서, 컬렉터(10)의 회전 속도는 100 내지 2000 rpm일 수 있다.

컬렉터(10)의 회전 속도가 100rpm 미만인 경우에는, 나노섬유의 정렬 비율이 과소하여 스트레인 센서(100)가 연신 후 수축되는 효율이 감소할 수 있고, 전도성전극층(120)에 형성되는 크랙의 분포도 균일하지 않아, 스트레인 센서(100)의 감도가 감소할 수 있다.

그리고, 컬렉터(10)의 회전 속도가 2,000rpm 초과인 경우에는, 나노섬유의 정렬 비율이 최대치에 수렴하고, 컬렉터(10)의 회전에 의한 원심력에 의해 컬렉터(10)의 표면에 집적된 나노섬유가 컬렉터(10)의 표면으로부터 분리되는 현상이 발생할 수도 있다.

도 6과 도 7은 본 발명의 실시 예에 따른 나노섬유웹(110) 각각에 대한 SEM 이미지를 변환한 FFT이미지이다. 구체적으로, 도 6의 (a)는, 도 4의 (a) 이미지를 FFT(Fast Fourier Transform) 이미지로 변환한 것이고, 도 6의 (b)는, 도 4의 (b) 이미지를 FFT 이미지로 변환한 것이다. 그리고, 도 7의 (a)는, 도 5의 (a) 이미지를 FFT 이미지로 변환한 것이고, 도 7의 (b)는, 도 5의 (b) 이미지를 FFT 이미지로 변환한 것이다.

그리고, 도 8은 본 발명의 실시 예에 따른 나노섬유웹(110) 각각에 대한 FFT이미지의 각도 별 강도를 비교한 그래프이고, 도 9는 본 발명의 실시 예에 따른 나노섬유웹(110) 각각에 대한 FFT이미지에서 90도 각도로 정렬된 섬유의 정도를 측정한 그래프이다. 여기서, 도 8의 세로축은 FFT 이미지에서의 신호 강도(intensity)이고, 가로축은 나노섬유의 정렬 각도이다. 또한, 도 9의 세로축은 FFT 이미지에서의 신호 강도 중 최대 값을 나타내고, 가로축은 컬렉터(10)의 회전 속도(rpm)이다.

도 6과 도 7에서 보는 바와 같이 나노섬유웹(110)에 대한 SEM 이미지를 FFT 이미지로 변환하여 나노섬유의 정렬 정도를 수치화하여 분석할 수 있으며, 이를 위해, 제1단계는, 나노섬유웹(110)의 SEM 이미지를 FFT(Fast Fourier Transform) 이미지로 변환 후 나노섬유의 정렬 상태를 분석하는 단계를 포함할 수 있다.

상기와 같이 수집되는 각각의 FFT 이미지에 대한 프로파일링(Profiling)을 수행하여 FFT 이미지에 대한 분석 범위를 확정한 후, 각각의 FFT 이미지에 대해 가우시안 필터(Gaussian Filter)를 적용하여 신호의 잡음 등을 제거하는 가우시안 피팅(Gaussian fitting)을 수행한 결과, 나노섬유웹(110)에 정렬된 복수 개의 나노섬유 각각의 각도별 강도(intensity)를 비교하여, 컬렉터(10)의 회전 속도에 따라 각각의 나노섬유웹(110)에서의 나노섬유의 정렬 정도를 비교할 수 있다.

고속 푸리에 변환(Fast Fourier Transform)과 프로파일링 및 가우시안 피팅 등에 대한 사항은 종래기술로써, 상세한 설명은 생략하기로 한다.

전기방사 용액의 성질에 따라 적합한 컬렉터(10)의 회전 속도는 상이할 수 있으며, 전기방사 용액이 교체되는 등으로 전기방사 용액에 적합한 컬렉터(10)의 회전 속도의 도출이 필요한 경우, 상기와 같은 FFT 이미지를 이용한 나노섬유의 정렬 상태 분석을 수행할 수 있다.

구체적으로, 도 8과 도 9에서 보는 바와 같이, 90도(degree) 피크(peak) 구간, 즉, 나노섬유의 정렬 방향의 강도(intensity)를 비교한 결과, 컬렉터(10)의 회전 속도(rpm)이 증가할수록 나노섬유가 정렬됨을 확인할 수 있고, 이와 같은 회전 속도를 구비하는 컬렉터(10)의 표면 변형 속도(surface strain speed)가 1.4m/s 이상일 때 나노섬유를 정렬시킬 수 있음을 확인할 수 있다.

즉, 컬렉터(10)의 표면 변형 속도(surface strain speed)가 1.4m/s 미만인 경우에는 전기방사되는 나노섬유의 무분별한 움직임(whipping instability)이 우세하여, 나노섬유웹(110)에서의 나노섬유 정렬 비율이 현저히 감소할 수 있다.

상기와 같이 FFT 이미지를 분석하여 나노섬유웹(110)에서는 정렬 비율을 측정할 수 있고, 이와 같은 측정 값을 이용하여 컬렉터(10)의 회전 속도가 적합한지를 판단할 수 있으며, 이와 같은 데이터를 이용하여 컬렉터(10)의 회전 속도를 제어함으로써, 나노섬유웹(110)에서의 나노섬유 정렬 효율을 증대시킬 수 있다.

제2단계에서, 나노섬유웹(110)의 표면에 전도성 금속 입자를 증착시켜 나노섬유웹(110)의 표면에 전도성전극층(120)을 형성하여 스트레인 센서(100)를 형성할 수 있다. 여기서, 전도성 금속은 구리, 은 및 알루미늄으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 금속일 수 있다. 본 발명의 실시 예에서는 전도성 금속으로 상기와 같은 금속을 개시하고 있으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니고, 전도성을 구비하는 금속은 모두 이용 가능하다.

나노섬유웹(110)의 표면에 대한 전도성 금속의 증착 방법으로 스퍼터링(sputtering), 열증착(evaporation) 등이 이용될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.

제3단계에서, 스트레인 센서(100)에 인장력을 제공하여 소성 변형시킴으로써 전도성전극층(120)에 크랙을 형성시킬 수 있다. 도 2의 (c)에서 보는 바와 같이, 상기와 같이 형성된 전도성전극층(120)에 복수 개의 크랙(crack)을 형성시킴으로써, 본 발명의 스트레인 센서(100)의 저항이 증가함과 동시에, 스트레인 센서(100)의 변형 시 크랙의 간격이 변화되면서 스트레인 센서(100)의 저항이 가변함으로써, 스트레인 센서(100)의 변형 비율이 작더라도 스트레인 센서(100)의 저항 변화의 감지가 가능하여, 고민감도 스트레인 센서(100)를 구현할 수 있다.

제3단계에서, 스트레인 센서(100)의 인장 속도는 0.5 내지 2 cm/min일 수 있다. 상기와 같은 크랙 형성을 위한 스트레인 센서(100)의 인장 속도가 0.5cm/min 미만인 경우, 스트레인 센서(100)의 인장 속도가 과소하여 전도성전극층(120)에서 크랙 발생이 예상되는 부위가 연신되어 크랙 발생 비율이 감소함으로써 스트레인 센서(100)의 감도가 저하될 수 있다. 그리고, 크랙 형성을 위한 스트레인 센서(100)의 인장 속도가 2 cm/min 초과인 경우, 스트레인 센서(100)의 인장 속도가 과도하여 크랙 발생 후 전도성금속층의 일부가 나노섬유웹(110)으로부터 박리되어 스트레인 센서(100)가 손상되는 현상이 발생할 수 있다.

제3단계에서, 스트레인 센서(100)를 소성 변형시키는 인장력이 스트레인 센서(100)의 신축성 거동 시 외력의 최대 값일 수 있다. 크랙 형성을 위해 스트레인 센서(100)를 소성 변형시키는 인장력 작용 후, 인장력이 해제되면 스트레인 센서(100)는 탄성 거동하여 수축될 수 있다. 그리고, 이와 같은 최초의 연신 후 수축 싸이클(1 Cycle) 후에는, 최초 인장력 이하의 외력이 스트레인 센서(100)에 제공된 후 해제되어도 완전한 신축성 거동(Elastic movement)을 수행하여, 스트레인 센서(100)가 일정한 감도를 유지할 수 있다.

상기와 같이 형성된 스트레인 센서(100)의 영스 모듈러스(Young's Modulus)는, 3.5 내지 7 Mpa일 수 있다. 이와 같은 영스 모듈러스 값은 일반적인 사람의 피부의 영스 모듈러스의 범위와 일치하며, 본 발명의 스트레인 센서(100)가 상기와 같은 범위의 영스 모듈러스 값을 구비함으로써, 본 발명의 스트레인 센서(100)를 사용자의 피부에 부착 후 사용자의 신체 활동에서도 스트레인 센서(100)에 의한 거부감이 현저히 감소할 수 있다.

이하, 각각의 실시 에의 비교에 대해 설명하기로 한다.

[실시 예 1]

폴리우레탄(Polyurethane, PU)를 포함하는 전기방사 용액을 컬렉터(10)를 향해 전기 방사하여 나노섬유가 컬렉터(10)에 집적되도록 함으로써 나노섬유웹(110)을 형성하였다. 이 때, 컬렉터(10)의 회전 속도는 100rpm이었다.

그리고, 상기와 같이 형성된 나노섬유웹(110)의 표면에 스퍼터링 증착으로 구리(Cu)로 형성되는 전도성전극층(120)을 형성시켜 스트레인 센서(100)를 형성시키고, 이와 같은 스트레인 센서(100)를 인장 속도 1cm/min으로 연신시켜 전도성전극층(120)에 크랙을 발생시켰다.

[실시 예 2]

폴리우레탄(Polyurethane, PU)를 포함하는 전기방사 용액을 컬렉터(10)를 향해 전기 방사하여 나노섬유가 컬렉터(10)에 집적되도록 함으로써 나노섬유웹(110)을 형성하였다. 이 때, 컬렉터(10)의 회전 속도는 500rpm이었다.

[실시 예 3]

폴리우레탄(Polyurethane, PU)를 포함하는 전기방사 용액을 컬렉터(10)를 향해 전기 방사하여 나노섬유가 컬렉터(10)에 집적되도록 함으로써 나노섬유웹(110)을 형성하였다. 이 때, 컬렉터(10)의 회전 속도는 1,000rpm이었다.

[실시 예 4]

도 10은 본 발명의 실시 예에 따른 나노섬유웹(110) 각각에 대해 기계적 계측을 수행한 결과에 대한 그래프이다. 여기서, a 그래프는 [실시 예 1]에서 형성된 나노섬유웹(110)의 응력-변형률 선도(Stress-Strain curve, S-S curve)이고, b 그래프는 [실시 예 2]에서 형성된 나노섬유웹(110)의 응력-변형률 선도이며, c 그래프는 [실시 예 3]에서 형성된 나노섬유웹(110)의 응력-변형률 선도이다. 그리고, d 그래프는 [실시 예 4]에서 형성된 나노섬유웹(110)의 응력-변형률 선도이다.

도 10에서 보는 바와 같이, 나노섬유의 정렬 방향과 인장 방향이 평행하도록 각각의 나노섬유웹(110)에 대해 기계적 특성 실험을 수행하는 경우, 나노섬유의 정렬된 정도, 즉, 컬렉터(10)의 회전 속도에 따라 각각의 나노섬유웹(110)의 기계적 강도가 상이하게 형성됨을 확인할 수 있다. 그리고, 컬렉터(10)의 회전 속도가 증가하여 나노섬유의 정렬 비율이 증가할수록 인장 방향으로 기계적 강도가 증가함을 확인할 수 있다.

도 11 내지 도 14는 본 발명의 일 실시 예에 따른 나노섬유웹(110)의 연신 후 수축 사항을 나타내는 그래프이다. 여기서, 도 11 내지 도 14 각각은 [실시 예 2]에 의한 스트레인 센서(100)의 연신 후 수축 싸이클을 나타낸 그래프이며, 각각의 그래프에는 전도성전극층(120)의 크랙 발생을 위한 최초 싸이클도 포함된다.

도 11은 [실시 예 2]에 의한 스트레인 센서(100)를 연신율(ε) 100% 연신 후 수축시키는 싸이클의 반복을 나타내는 그래프이고, 도 12는 [실시 예 2]에 의한 스트레인 센서(100)를 연신율(ε) 80% 연신 후 수축시키는 싸이클의 반복을 나타내는 그래프이며, 도 13은 [실시 예 2]에 의한 스트레인 센서(100)를 연신율(ε) 50% 연신 후 수축시키는 싸이클의 반복을 나타내는 그래프이다. 그리고, 도 14는 [실시 예 2]에 의한 스트레인 센서(100)를 연신율(ε) 30% 연신 후 수축시키는 싸이클의 반복을 나타내는 그래프이다.

도 11 내지 도 14에서 보는 바와 같이, 크랙 발생 전의 스트레인 센서(100)에 물리적인 외력으로 인장력이 처음 가해질 때(1 Cycle), 나노섬유에 소성 변형(Plastic deformation)이 발생하고, 이는 응력-변형률 선도의 에너지 손실로 나타날 수 있다.

하지만, 1 Cycle이후(소성 변형 후)의 싸이클(2~5 Cycle)에서는 동일한 외력(인장력) 이하의 범위에서 나노섬유는 에너지 손실 없이 완전한 신축성 거동(Elastic movement)을 보임을 확인할 수 있다.

도 15와 도 16은 본 발명의 일 실시 예에 따른 스트레인 센서(100)의 연신에 따른 저항 변화를 나타낸 그래프이다.

구체적으로, 도 15는, [실시 예 2]에 의한 스트레인 센서(100)에 전기를 인가하고 각각의 연신율(2~5%)에 따른 연신 후 수축 Cycle(120초(s) 간격) 반복 시 저항 변화를 비교한 그래프이다. 도 15에서는 각각 형상이 다른 도트가 연결된 그래프로 구분이 되어 있다.

그리고, 도 16은, [실시 예 2]에 의한 스트레인 센서(100)에 전기를 인가하고 각각의 연신율(2~5%)에 따른 연신 후 수축의 최초 Cycle 시 저항 변화를 비교한 그래프이다. 여기서, a 그래프는 연신율 5%인 사항에 대한 그래프이고, b 그래프는 연신율이 4%인 사항에 대한 그래프이며, c 그래프는 연신율이 3%인 사항에 대한 그래프이고, d 그래프는 연신율이 2%인 사항에 대한 그래프이다.

도 15과 도 16의 실험에서, [실시 예 2]에 의한 스트레인 센서(100)에 대하 연신 속도는 1mm/min이었다.

도 15와 도 16에서 보는 바와 같이, 스트레인(변형률)이 클수록 크랙 간격이 증가함에 따라 저항은 크게 증가(△R)함을 확인할 수 있고, 연신 후 수축 시에는, 나노섬유의 신축성에 의해 크랙 간격이 감소하게 되어 저항이 다시 초기 값(R₀)으로 복원됨을 확인할 수 있다.

도 17은 본 발명의 일 실시 예에 따른 스트레인 센서(100)의 연신 후 수축 시 저항 변화를 나타낸 그래프이다. 구체적으로, 도 17에는, [실시 예 2]에 의한 스트레인 센서(100)에 연신율 5%의 변형을 가한 경우의 저항 변화 그래프(사각형 도트 그래프, Loading)와 그 후 수축되는 경우의 저항 변화 그래프(삼각형 도트 그래프, unloading)가 표시되어 있다.

도 17에서 보는 바와 같이, 본 발명의 스트레인 센서(100)의 Gauge Factor(GF)는 32,000으로써 상대적으로 매우 큰 값을 나타내므로, 본 발명의 스트레인 센서(100)는 고 민감도의 스트레인 센서(100)임을 확인할 수 있다.

본 발명의 스트레인 센싱 장치는, 상기와 같이 형성된 스트레인 센서(100); 및 스트레인 센서(100)에 전기를 인가하고 스트레인 센서(100)의 저항 변화를 감지하는 신호측정부;를 포함한다. 그리고, 본 발명의 스트레인 센싱 장치는, 신호측정부로부터 전달되는 스트레인 센서(100)의 신호 정보를 외부로 송신하는 송신부를 더 포함할 수 있다.

송신부는 무선 통신을 통해 스마트폰, 태블릿 PC 등의 전자기기로 본 발명의 스트레인 센서(100)의 신호 정보를 전달하고, 상기와 같은 전자기기에서는 전달 받은 신호 정보를 분석하여 스트레인 센서(100)가 부착된 사용자의 피부 또는 의복 등의 연신율 변화 등을 분석할 수 있다.

상기와 같은 본 발명의 스트레인 센서(100)의 장점을 정리하면, 나노섬유웹(110)에 전도성 전극 코팅을 수행하여 복수 개의 홀이 형성됨으로써, 피부에 부착되는 경우에도 스트레인 센서(100)의 땀과 가스 투과성이 좋다는 것이다. 또한, 연신 후 수축이 반복되는 싸이클에서 저항 변화가 일정하게 형성되며 피부와 유사한 기계적 강도를 구비하고 작은 연신율에도 저항 변화 측정이 가능하여, 피부의 자연스러운 움직임에 적합하여 장시간 측정이 가능하다는 것이다. 그리고, 전도성전극층(120)에 형성된 크랙 간격의 변화를 이용하므로 민감도가 높고, 전기방사에 의한 나노섬유웹(110) 상 전도성전극층(120)을 형성한 후 크랙을 형성시키는 단순한 공정으로 제조 가능하다는 것이다.

전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시 예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.

본 발명의 범위는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

10 : 컬렉터
20 : 금속 니들
100 : 스트레인 센서
110 : 나노섬유웹
120 : 전도성전극층

Claims

신축성 고분자 용액인 전기방사 용액을 회전하는 컬렉터를 향해 전기 방사하여 나노섬유의 정렬로 형성되는 나노섬유웹을 형성하는 제1단계;
상기 나노섬유웹의 표면에 전도성 금속 입자를 증착시켜 상기 나노섬유웹의 표면에 전도성전극층을 형성하여 스트레인 센서를 형성하는 제2단계; 및
상기 스트레인 센서에 인장력을 제공하여 소성 변형시킴으로써 상기 전도성전극층에 크랙을 형성시키는 제3단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 헬스 모니터링용 스트레인 센서 제조 방법.
청구항 1에 있어서,
상기 제1단계에서, 상기 컬렉터의 회전 속도는 100 내지 2000 rpm인 것을 특징으로 하는 헬스 모니터링용 스트레인 센서 제조 방법.
청구항 1에 있어서,
상기 스트레인 센서의 영스 모듈러스(Young's Modulus)는, 3.5 내지 7 Mpa인 것을 특징으로 하는 헬스 모니터링용 스트레인 센서 제조 방법.
청구항 1에 있어서,
상기 제3단계에서, 상기 스트레인 센서의 인장 속도는 0.5 내지 2 cm/min인 것을 특징으로 하는 헬스 모니터링용 스트레인 센서 제조 방법.
청구항 1에 있어서,
상기 제1단계는, 상기 나노섬유웹의 SEM 이미지를 FFT(Fast Fourier Transform) 이미지로 변환 후 상기 나노섬유의 정렬 상태를 분석하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 헬스 모니터링용 스트레인 센서 제조 방법.
청구항 1에 있어서,
상기 제3단계에서, 상기 스트레인 센서를 소성 변형시키는 인장력이 상기 스트레인 센서의 신축성 거동 시 외력의 최대 값인 것을 특징으로 하는 헬스 모니터링용 스트레인 센서 제조 방법.
청구항 1 내지 청구항 6 중 선택되는 어느 하나의 항에 의해 제조되는 스트레인 센서; 및
상기 스트레인 센서에 전기를 인가하고 상기 스트레인 센서의 저항 변화를 감지하는 신호측정부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 스트레인 센싱 장치.
청구항 7에 있어서,
상기 신호측정부로부터 전달되는 상기 스트레인 센서의 신호 정보를 외부로 송신하는 송신부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 스트레인 센싱 장치.