KR102552769B1 - 고민감도 신축성 인장 센서 - Google Patents

고민감도 신축성 인장 센서 Download PDF

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Abstract

본 발명은 고민감도 신축성 인장 센서에 관한 발명으로, 구체적으로, 고분자 매트릭스 및 이온성 액체를 포함하는 이온성 젤; 및 상기 이온성 젤의 양단에 접촉하여 형성되는 한 쌍의 전극;을 포함하는 인장 센서로서, 상기 이온성 젤은 상기 이온성 젤은 적어도 일부에 제1 요(凹)부 및 상기 제1 요부와 상하 대칭인 제2요(
Figure 112021083980117-pat00008
)가 교번하여 연결되도록 형성된, 신축가능한 구조를 갖는, 고민감도 신축성 인장 센서를 제공한다.
본 발명에 따른 신축가능한 구조의 이온성 젤을 갖는 인장 센서는 외부 변형에 따른 저항 변화를 극대화하여 기존 이온 전도체 기반 센서에 비하여 민감도 및 게이지펙터가 우수하게 개선되는 효과를 갖는다. 이에 따라, 본 발명은 신체 부위에 적용하여 인간의 움직임을 정확하고 민감하게 인식할 수 있는 고민감도 신축성 인장 센서를 제공한다.

Description

고민감도 신축성 인장 센서{High sensitivity stretchable tensile sensor}
본 발명은 고민감도 신축성 인장 센서에 관한 것이다.
최근 신체에 직접 착용할 수 있는 신축성 전자 기기에 대한 연구 개발이 활발이 진행되고 있다. 특히, 물리적 변화를 감지하여 전기적 신호로 바꿔주는 인장 센서는 유연 소자에 반드시 필요하다. 인장 센서는 사람이나 로봇 등의 피부에 부착하여 실시간으로 움직임을 모니터링 할 수 있는데, 이러한 센서는 전기 전도체나 이온 전도체 등을 이용하여 만들 수 있다.
높은 민감성을 이유로 과거에는 전기 전도체로 인장 센서를 구성하였으나 전기 전도체 기반의 센서는 작은 감지 범위, 비선형성, 불투명성, 비가역성 등의 한계점을 갖는다.
이러한 문제를 해결하기 위하여 신축성 이온 전도체를 기반으로 한 인장 센서의 개발이 활발히 이루어지고 있다. 인장 센서용 이온 전도체의 대표 물질로는 하이드로젤(hydrogel)이 가장 광범위하게 사용되고 있는데, 하이드로젤은 우수한 신축성은 가지고 있으나, 용매인 물이 쉽게 증발할 수 있기 때문에 전기적 특성이나 기계적 특성이 측정하는 외부 환경에 따라 달라지는 문제가 있다. 용매 증발을 막기 위하여 물을 대신하여 증기압이 낮은 유기 용매를 사용하는 대안도 있지만 유기 용매도 여전히 증발하며 상대적으로 낮은 민감도를 갖는다.
이에 따라, 열안정성, 전기적 안정성, 그리고 비휘발성 등의 특성을 보이면서 신축성 있는 이온젤(ionic gel)이라는 고체 고분자 전해질을 활용한 센서 연구가 일부 진행되고 있다.
이와 관련하여, 대한민국 등록특허 제10-2220870호는 이온성 젤 및 이를 포함하는 변형 센서를 개시하고 있으며, 구체적으로 이온성 액체에 녹지 않는 반복 단위 및 이온성 액체에 녹는 반복 단위를 포함하여 마이크로 상분리된 공중합체, 그리고 상기 공중합체와 복합화된 이온성 액체를 포함하는 연신율이 300% 이상인 이온성 젤 및 이를 포함하는 변형 센서를 개시하고 있다. 이와 같이, 이온젤은 온도 변화에 따른 비휘발성, 전기화학적 안정성, 기계적 내구성 및 우수한 신축성을 보이는 등 많은 장점으로 인해 신축성 소자에 적용될 수 있는 유망한 소재이다.
다만, 이온젤을 기반으로 한 인장 센서는 전기 전도체 인장 센서와 비교하여, 상당히 낮은 민감도를 보인 센서들만 보고되었으며 센서의 성능에 영향을 미치는 근본적인 요소들에 대한 연구는 아직까지 체계적으로 보고되고 있지 않다.
일반적으로, 인장 센서의 민감도와 탄력은 상충관계이지만 장기간 전자 기기의 신뢰도 있는 구동을 위해서는 높은 민감성과 탄력성 두 가지 특성이 모두 필요하다. 대부분의 이온젤 기반의 인장 센서에서는 직사각형 형태의 이온젤의 양 끝에 구리와 같은 금속 전극을 접촉하여 제작한다. 다만, 기존의 이러한 소자 구성에서는 직사각형 형태의 이온 전도체를 사용하여 기계적 변형에 대응하여 확보할 수 있는 저항변화가 작기 때문에 인장 센서의 민감도에 한계가 있는 문제점이 있다.
이에, 본 발명자들은 상기 문제를 해결하고자 이온성 젤을 기반으로 한 인장 센서에서, 변형에 따른 저항 변화를 극대화할 수 있는 구조물을 갖도록 패터닝한 이온성 젤을 도입하여 민감도 및 게이지펙터가 개선된 고민감도의 신축성 인장센서를 개발하였다.
대한민국 등록특허 제10-2220870호(2021.02.22)
일 측면에서의 목적은 고민감도 신축성 인장 센서를 제공하는 데 있다.
본 발명의 일 측면에서는,
고분자 매트릭스 및 이온성 액체를 포함하는 이온성 젤; 및
상기 이온성 젤의 양단에 접촉하여 형성되는 한 쌍의 전극;을 포함하는 인장 센서로서,
상기 이온성 젤은 적어도 일부에 제1 요(凹)부 및 상기 제1 요부와 상하 대칭인 제2 요(
Figure 112021083980117-pat00001
)부가 교번하여 연결되도록 형성된 신축 가능한 구조를 갖는, 고민감도 신축성 인장 센서를 제공한다.
본 발명에 따른 신축 가능한 구조를 갖는 인장 센서는 외부 변형에 따른 저항 변화를 극대화하여 기존 이온 전도체 기반 센서에 비하여 민감도 및 게이지펙터가 우수하게 개선되는 효과를 갖는다. 이에 따라, 본 발명은 신체 부위에 적용하여 인간의 움직임을 정확하고 민감하게 인식할 수 있는 고민감도 신축성 인장 센서를 제공한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 인장 센서의 변형 전후의 이온성 젤의 개략도(상) 및 광학 이미지(하)를 나타낸 도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 인장 센서의 이온성 젤의 개략도이다.
도 3은 본 발명의 이온성 젤의 다른 실시예를 나타낸 도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 인장 센서에서, 톱니(요부)의 개수에 따른 크랙 변형률(crack strain)을 나타낸 그래프(a)이고, 6개의 톱니(요부)에서 이온성 젤의 폭에 따른 포화된 저항의 상대적 변화 값(△R/R0)을 나타낸 그래프(b)이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 인장 센서에서, 톱니(요부)의 개수를 달리하여 측정한 변형에 따른 상대적 저항 변화 값을 나타낸 그래프이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 인장 센서의 0 내지 200%까지의 변형에 따른 저항의 상대적 변화 값(△R/R0)을 나타낸 그래프이고, 삽도는 20, 30, 40, 50% 변형에서의 감지 거동을 나타낸다.
도 7은 본 발명의 일 실시예 및 비교예에 따른 인장 센서의 변형에 따른 게이지펙터 값을 나타낸 그래프이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 인장 센서에서, 반복적인 30% 변형 사이클을 10000초 이상 지속하여 측정한 상대적 저항 변화 그래프를 나타낸다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 고민감도 신축성 인장 센서를 이용하여 다양한 인체의 움직임을 감지한 것을 나타낸 그래프로, (a) 팔꿈치, (b) 무릎, (c) 목 및 (d) 손가락의 움직임을 감지한 것을 나타낸다.
본 발명은 여러 변경을 가할 수 있으며 이에 따라 다양한 실시예가 나올 수 있는 바, 특정 실시예를 하단에 제시하고 상세하게 설명하고자 한다.
또한 특별히 정의가 되지 않은 본 명세서의 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야의 통상적인 지식을 가진 자 모두에게 이해가 가능한 의미로 사용할 수 있을 것이다.
그러나 이는 본 발명은 하단에 기술될 특정한 실시예에만 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 따라서 본 명세서에 기재된 실시예와 다른 균등물과 변형예들이 있을 수 있으며, 본 명세서에서 제시하는 실시예는 가장 바람직한 실시예일뿐이다.
이하, 본 발명을 상세히 설명한다.
본 발명의 일 측면에서
고분자 매트릭스 및 이온성 액체를 포함하는 이온성 젤; 및
상기 이온성 젤의 양단에 접촉하여 형성되는 한 쌍의 전극;을 포함하는 인장 센서로서,
상기 이온성 젤은 적어도 일부에 제1 요(凹)부 및 상기 제1 요부와 상하 대칭인 제2 요(
Figure 112021083980117-pat00002
)부가 교번하여 연결되도록 형성된 신축 가능한 구조를 갖는, 고민감도 신축성 인장 센서가 제공된다.
이하, 본 발명의 일 측면에서 제공되는 고민감도 신축성 인장 센서를 각 구성별로 상세히 설명한다.
먼저, 본 발명의 일 측면에서 제공되는 고민감도 신축성 인장 센서는 고분자 매트릭스 및 이온성 액체를 포함하는 이온성 젤을 포함한다.
상기 이온성 액체는 유기 양이온 및 유기 또는 무기 음이온으로 구성된 물질로 전기화학적 안정성이 우수하고 높은 전기용량 및 이온 전도도를 나타내는 물질일 수 있다.
상기 이온성 젤에 포함된 이온성 액체는 1-에틸-3-메틸이미다졸륨 비스(트리플루오로메틸설포닐)이미드([EMI][TFSI]), 1-부틸-3-메틸이미다졸륨 비스(트리플루오로메틸설포닐)이미드([BMI][TFSI]), 1-부틸-3-메틸이미다졸륨 헥사플루오로포스페이트 ([BMI][PF6]), 1-부틸-3-메틸이미다졸륨 테트라플루오로보레이트(BMI][BF4]), 1-부틸-1-메틸피롤리디늄 비스(트리플루오로메틸설포닐)이미드 [BMPYR][TFSI], 1-부틸-1-메틸피롤리디늄 트리스(펜타플루오로에틸)트리플루오로포스페이트([BMPYR][FAP]), 1-에틸-3-메틸이미다졸륨 트리스(펜타플루오로에틸)트리플루오로포스페이트 [EMI][FAP], 1-에틸-3-메틸이미다졸륨 비스(플루오로설포닐)이미드([EMI][FSI]) 및 에틸-디메틸-프로필암모튬 비스(트리플루오로메틸설포닐)이미드([EDMPA][TFSI])로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상을 이온 성분으로 포함하는 것일 수 있고, 바람직하게는 1-에틸-3메틸이미다졸륨 비스(트리플루오르 메틸 설포닐)이미드([EMI][TFSI])일 수 있다.
상기 이온성 액체는 상기 고분자 매트릭스에 의해 지지되어 고체 상태의 이온성 젤을 형성할 수 있다. 상기 이온성 젤은 상기 이온성 액체에 고분자 매트릭스의 기계적 특성을 부여한 것으로, 이온성 액체에 의해 우수한 열적, 화학적, 전기화학적 안정성을 나타내는 동시에 고분자 매트릭스에 의해 우수한 기계적 특성을 나타낼 수 있다.
상기 고분자 매트릭스는 폴리에틸렌글리콜 (PEG) 기반의 가교된 고분자 매트릭스일 수 있다.
일 실시예에서, 상기 고분자 매트릭스는 폴리(에틸렌 글리콜) 디아크릴레이트 (PEGDA) 올리고머를 자외선 조사에 의해 중합하여 제조할 수 있다.
본 발명의 일 측면에서 제공되는 고민감도 신축성 인장 센서는 상기 이온성 젤의 양단에 접촉하여 형성되는 한 쌍의 전극을 포함한다.
상기 한 쌍의 전극은 전도성 고분자 또는 탄소나노구조체를 포함하는 한 쌍의 이온 침투성 전극이며, 상기 이온 침투성 전극은 상기 이온성 젤 내의 이온이 전극 내로 침투 가능한 것일 수 있다.
본 발명의 센서는 상기 이온성 젤에 이온 침투 가능한 전극 소재를 적용하여 전극과 계면 간의 접촉 저항을 감소시켜 민감도를 개선할 수 있다.
상기 전도성 고분자는 폴리에틸렌디옥시티오펜(Poly(3,4-Ethylenedioxythiophene), PEDOT), 폴리아닐린(polyaniline, PANI), 폴리피롤(polypyrrole, PPy), 폴리티오펜(polythiophene, PT) 및 이들의 유도체로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상인 것일 수 있다.
상기 전도성 고분자는 바람직하게는 폴리(3,4-에틸렌디옥시티오펜):폴리(스티렌설포네이트) (PEDOT:PSS) 또는 폴리(3,4-에틸렌디옥시티오펜)-토실레이트 (PEDOT-Tos)일 수 있다.
상기 탄소나노구조체를 포함하는 이온 침투성 전극은 탄소나노구조체, 이온성 액체 및 고분자 바인더를 포함하는 것일 수 있다.
상기 탄소나노구조체는 탄소나노튜브일 수 있고, 다중벽 탄소나노튜브(MWCNTs) 또는 단일벽 탄소나노튜브(Single walled carbon nanotubes, SWCNTs)일 수 있고, 바람직하게는 저항 값이 보다 낮은 단일벽 탄소나노튜브일 수 있다.
상기 전극에 포함된 이온성 액체는 1-에틸-3-메틸이미다졸륨 비스(트리플루오로메틸설포닐)이미드([EMI][TFSI]), 1-부틸-3-메틸이미다졸륨 비스(트리플루오로메틸설포닐)이미드([BMI][TFSI]), 1-부틸-3-메틸이미다졸륨 헥사플루오로포스페이트([BMI][PF6]), 1-부틸-3-메틸이미다졸륨 테트라플루오로보레이트(BMI][BF4]), 1-부틸-1-메틸피롤리디늄 비스(트리플루오로메틸설포닐)이미드([BMPYR][TFSI]), 1-부틸-1-메틸피롤리디늄 트리스(펜타플루오로에틸)트리플루오로포스페이트([BMPYR][FAP]), 1-에틸-3-메틸이미다졸륨 트리스(펜타플루오로에틸)트리플루오로포스페이트([EMI][FAP]), 1-에틸-3-메틸이미다졸륨 비스(플루오로설포닐)이미드([EMI][FSI]) 및 에틸-디메틸-프로필암모튬 비스(트리플루오로메틸설포닐)이미드([EDMPA][TFSI])로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상을 이온 성분으로 포함하는 것일 수 있다.
본 발명의 일 측면에서 제공되는 고민감도 신축성 인장 센서에서 상기 이온성 젤은 적어도 일부에 제1 요(凹)부 및 상기 제1 요부와 상하 대칭인 제2 요(
Figure 112021083980117-pat00003
)부가 교번하여 연결되도록 형성된 신축 가능한 구조를 갖는다.
이때 상기 제1 요(凹)부 및 제2 요(
Figure 112021083980117-pat00004
)부는 다양한 형태를 나타낼 수 있으나 바람직하게는 동일한 형태를 가질 수 있으며, 보다 바람직하게는 변형력이 가해지는 방향과 소정의 각도를 이루는 방향을 중심으로 대칭하는 대칭구조를 가질 수 있다.
예를 들어, 도 2에 도시된 바와 같이 일 실시예에 따른 고민감도 신축성 인장 센서는 한 쌍의 전극이 형성된 방향과 평행하는 방향으로 변형력이 인가될 수 있고, 변형력을 가하는 방향과 실질적으로 수직한 방향을 중심으로 서로 대칭인 구조의 제1 요(凹)부 및 제2 요(
Figure 112021083980117-pat00005
)부를 갖는 신축가능한 구조를 포함할 수 있다. 이때 상기 제1 요(凹)부 및 상기 제1 요부와 상하 대칭인 제2 요(
Figure 112021083980117-pat00006
)부는 변형력이 가해지는 방향과 30 ˚ 내지 150 ˚ 각도를 이루는 방향을 대칭축으로 서로 대칭인 구조를 가질 수 있다.
또한 상기 신축가능한 구조는 톱니 형태 또는 지그재그 형태로서, 상기 제1 요부가 ∨자형이고 상기 제2 요부가 ∧ 일 수 있다. 또한 상기 제1 요부가 ∪자형이고, 상기 제2 요부가 ∩자형일 수 있으나 이에 제한된 것은 아니다.
상기 제1 및 제2 요부는 서로 연결되며, 바람직하게는 일면을 공유하며 서로 연결된 구조일 수 있다.
상기 이온성 젤의 양단으로 변형력이 가해지는 경우, 상기 구조에 신축 변형이 일어날 수 있다.
예를 들어, 상기 이온성 젤의 양단에 인장력이 가해지는 경우 상기 제1 및 제2 요부의 간격은 인장력이 가해지기 전 대비 커질 수 있고, 이로 인해 상기 이온성 젤의 저항의 상대적 변화가 커질 수 있다.
본 발명의 일 측면에서 제공되는 고민감도 신축성 인장 센서는 상기 이온성 젤이 갖는 제1 또는 제2 요부의 개수를 조절하여 민감도를 개선할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 이온성 젤이 톱니 형태 구조물로 형성되는 경우, 인장 변형 시 벌어질 수 있는 톱니 개수를 증가시켜 민감도를 개선할 수 있다.
일 실시 예에 따른 고민감도 신축성 인장 센서는 상기 제1 또는 제2 요부를 3개 내지 10개 포함할 수 있고, 4개 내지 8개 포함할 수 있다.
또한, 일 실시예에서 제1 또는 제2 요부의 두께를 조절하여 민감도를 개선할 수 있다.
이때 상기 제1 또는 제2 요부의 두께는 제1 또는 제2 요부의 형태를 이루는 밑면(또는 윗면) 및 측면의 두께를 의미한다.
상기 제1 또는 제2 요부의 두께는 0.5mm 내지 2.5mm일 수 있고, 1mm 내지 2mm일 수 있다.
또한, 일 실시예에서 변형 전의 상기 신축가능한 구조의 높이를 증가시켜 민감도를 개선할 수 있다.
이때, 상기 신축가능한 구조의 높이는 변형력이 가해지는 방향과 수직하는 방향의 제1 또는 제2 요부의 높이를 의미한다.
본 발명의 일 측면에서 제공되는 고민감도 신축성 인장 센서는 이온성 젤의 양단에 형성된 한 쌍의 전극과 실질적으로 평행한 방향으로 변형력을 인가할 수 있고, 이때 상기 신축가능한 구조의 높이는 상기 한 쌍의 전극과 평행한 방향과 수직하는 방향을 의미한다.
상기 신축가능한 구조의 높이는 8mm 내지 20mm일 수 있고, 보다 바람직하게는 10mm 내지 20mm일 수 있다. 이를 통해 신축 센서의 민감도를 보다 개선시킬 수 있다.
본 발명에 따른 제1 및 제2 요부가 교번하여 연결되도록 형성된 신축 가능한 구조의 이온성 젤을 갖는 인장 센서는 외부 변형에 따른 저항 변화를 극대화하여 기존 이온 전도체 기반 센서에 비하여 민감도 및 게이지펙터가 우수하게 개선되는 효과를 갖는다. 이에 따라, 본 발명은 신체 부위에 적용하여 인간의 움직임을 정확하고 민감하게 인식할 수 있는 고민감도 신축성 인장 센서를 제공한다.
이하, 본 발명을 실시예 및 실험예를 통해 상세히 설명한다.
단, 후술하는 실시예 및 실험예는 본 발명을 일 측면에서 구체적으로 예시하는 것일 뿐, 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니다.
재료 준비
폴리(에틸렌 글리콜) 디아크릴레이트 (PEGDA)를 Polysciences에서 구입하였다. 1-에틸-3-메틸이미다졸륨 비스(트리플루오로메틸설포닐)이미드 [EMI][TFSI]를 포함한 모든 이온성 액체는 Merck에서 수득하였다. 3-(트리메톡시실릴)프로필 메타크릴레이트 (TMSPMA), 아세트산 및 2-하이드록시-2-메틸프로피오페논 (HOMPP)는 시그마-알드리치(Sigma-Aldrich)에서 구입하였다. 폴리(3,4-에틸렌디옥시티오펜):폴리(스티렌설포네이트) (PEDOT:PSS)는 Heraeus에서 구입하였다. 에틸렌글리콜(>99.5%) 및 아세톤(고순도)는 삼천(Samchun) 및 대정(daejung)에서 각각 구입하였다.
<실시예>
신축가능한 구조(톱니 형태 구조물)로 패터닝된 이온성 젤 준비
이온성 액체인 [EMI][TFSI]에 PEGDA 올리고머 및 HOMPP 개시제를 첨가하고 중합하여 화학적으로 가교된 이온성 젤을 제조하였다.
구체적으로, PEGDA, [EMI][TFSI], HOMPP는 1:4:0.2의 중량비로 첨가하였다. PEGDA, HOMPP 및 [EMI][TFSI]을 아세톤에 용해시킨 후, 아세톤 용매는 50℃에서 3시간 동안 증발시켜 균일한 용액을 수득하였다. 혼합 용액을 TMSPMA 코팅된 Ecoflex 기판 상 톱니 형태로 패터닝된 PDMS로 구성된 신축된 고무 몰드에 부은 뒤, 자외선 광 (365 nm)을 조사하여 중합하였다. 이온성 젤의 접착력을 향상시키기 위한 TMSPMA 기능화는 산소 플라즈마 처리된 (60W, 200mTorr) Ecoflex 기판을 TMSPMA 용액 (탈이온수 50 ml에 TMSPMA 1ml 및 아세트산 10 μl)에 2시간 동안 담가서 수행하였다. 이후 기판을 다량의 에탄올로 세척하였다. PDMS 몰드를 Ecoflex에서 분리하여, 신축가능한 구조(톱니 형태)가 연속적으로 연결된 구조물을 갖는 이온성 젤을 수득하였다.
도 1 및 2는 실시예 1에 따라 수득한 이온성 젤을 도시한다. 이온성 젤의 폭(요부의 높이)은 20 mm이고, 형성된 제1 또는 제2 요부(톱니)의 개수는 6개이며, 제1 또는 제2 요부의 두께(톱니의 두께)는 1.5 mm, 제1 또는 제2 요부의 간격(톱니 사이의 간격)은 2 mm이다.
신축성 인장 센서의 제조
PEDOT:PSS 수용액 95중량% 및 에틸렌글리콜(ethylene glycol) 5중량%를 혼합한 전구체 용액을 PDMS 기판 위에 용액 캐스팅하여 PEDOT:PSS 전극을 제조하였다.
준비한 이온성 젤의 양단에 상기 한 쌍의 전극을 부착하여 신축성 인장 센서를 제조하였다.
<실험예 1>
본 발명의 일 실시예에 따른 톱니 형태의 구조물인 이온성 젤을 포함하는 센서의 민감도를 최적화하기 위하여, 이온성 젤의 폭 및 톱니의 개수를 달리한 센서의 변형에 따른 저항의 상대적 변화 값을 측정하였다.
이온성 젤의 톱니 개수에 따른 센서의 성능을 확인하기 위하여 이온성 젤의 폭이 10mm이며 톱니의 개수가 각각 2, 3, 4, 5, 6개 인 구조물(실시예 1)을 설계하였다. 도 4a는 톱니의 개수에 따른 크랙 변형률을 나타내며, 도 4b는 6개의 톱니에서 이온성 젤의 폭에 따른 포화된 저항의 상대적 변화 값(△R/R0)을 나타낸다.
또한, 도 5는 톱니의 개수를 달리한 인장 센서로 측정한 변형에 따른 상대적 저항 변화 값을 나타낸다.
크랙 변형률은 이온성 젤을 인장시켰을 때 저항의 상대적 변화 값(△R/R0)이 5% 미만으로 변하는 변형률로 정의한다. 도 4a 및 도 5에 따르면, 톱니 개수가 2개에서 6개로 증가함에 따라 크랙 변형률이 증가하였고, 이는 톱니를 완전히 벌어지게 할 때 더 큰 변형률이 필요하기 때문인 것으로 보인다.
이온성 젤의 폭은 변형 전의 이온성 젤의 폭을 의미한다(도 2 참조). 도 4b에 따르면, 이온성 젤의 폭을 5, 7, 10, 12, 20 mm 로 증가시키며 센서의 성능을 측정한 결과, 이온성 젤의 폭을 증가시키는 경우, 이온성 젤을 변형시킬 때 수렴하는, 포화된 △R/R0 값이 크게 증가하였다. 이는 이온성 젤의 폭이 큰 경우, 이온성 젤을 인장시킬 때 이온성 젤이 변화하는 정도가 커지기 때문인 것을 알 수 있다.
따라서, 큰 변형 범위에서 △R/R0 와 변형 사이의 선형 관계를 갖는 고민감도 센서 설계를 위해서는 물체의 치수가 허용하는 한 톱니의 수 및 이온성 젤의 폭이 넓은 것이 바람직하다.
톱니의 개수 6개, 이온성 젤의 폭 20mm인 구조물 형태의 이온성 젤로 패터닝한 실시예 1의 센서를 설계하였고, 변형에 따른 감지 거동을 측정하였다.
도 6은 본 발명의 실시예 1의 센서의 0 내지 200%까지의 변형에 따른 저항의 상대적 변화(△R/R0) 값을 나타낸 그래프이고, 삽도는 20, 30, 40, 50% 변형에서의 감지 거동을 나타낸다.
도 6에 따르면, 50% 이하의 변형에서는 저항의 상대적 변화 값이 빠르게 증가하는 양상을 보였다. 이는 톱니의 갭이 벌어지면서 이온성 젤의 저항이 빠르게 증가하기 때문인 것이다. 또한 삽도에 따르면, 20, 30, 40, 50% 각 변형에서 초기 기준선의 변화 없이 일관되고 신뢰성 있게 외부 변형을 감지하는 것을 알 수 있다.
이후 100% 이상의 변형 수준에서는, 톱니의 갭이 완전히 벌어져, 이온성 젤의 신장이 더 이상 큰 기하학적 변형에 도달하지 못하기 때문에, 저항의 상대적 변화 정도가 감소하였다.
<실험예 2>
본 발명의 일 실시예에 따른 최적화된 톱니 형태 구조물인 이온성 젤을 포함하는 센서의 성능을 평가하였다. 실시예 1의 센서의 게이지펙터를 다른 이온전도체 기반의 신축성 센서와 비교하여, 그 결과를 도 7에 도시하였다.
게이지펙터(gauge factor, GF)는 센서 성능 지수의 일종으로, 신축성 센서의 민감도를 설명하고, 다음과 같이 계산된다.
GF = (△R/R0)/ε
(여기서, R0는 센서의 초기 저항, △R는 변형 후 저항에서 초기 저항을 뺀 값, ε는 인가된 작동 변형을 의미한다.)
본 발명의 일 실시예에 따른 센서의 게이지펙터를 기존의 하이드로젤 기반의 인장 센서, 탄성체 내 이온성 액체를 포함하는 인장 센서 및 직사각형 형태의 이온성 젤 기반 인장 센서의 게이지펙터와 비교하였다.
도 7에 도시된 바와 같이, 실시예 1의 센서는 30% 변형률에서 게이지펙터가 173 (초기 저항 = 18.1 kΩ 및 변형 후 저항 = 954.8 kΩ)으로 측정되었고, 200%의 큰 변형에서도, 약 50의 높은 게이지펙터(변형 후의 저항 = 1890.2 kΩ)를 유지하는 것으로 나타났다.
이는 기존의 이온 전도체 기반 인장 센서들보다 10배 이상 높은 값을 갖는 것으로 확인되었다. 기존 이온 전도체 기반 변형 센서가 작은 △R/R0 값으로 인해 0.1 내지 10 범위의 상대적으로 낮은 게이지펙터를 나타냄을 고려할 때, 본 발명의 일 실시예에 따른 인장 센서는 게이지 펙터가 훨씬 우수하게 개선됨을 알 수 있다.
또한, 실시예 1의 센서를 대상으로 30% 변형 사이클을 10000초 동안 반복 수행하며 감지 성능을 평가하였고, 그 결과를 도 8에 도시하였다.
도 8에 나타난 바와 같이, 실시예 1의 센서는 넓은 변형 범위에 걸쳐 반복적으로 반응하였고, 10000초 동안 높은 안정성을 보였다. 기준선의 변화가 미미하였고, 신호 데이터를 재현할 수 있는 안정적인 시간 특성을 보였으며, 가역성이 우수하게 나타났다.
<실험예 3>
본 발명의 일 실시예에 따른 인장 센서의 인체 움직임 감지 성능을 평가하기 위하여, 신체의 다양한 부분, (a) 팔꿈치, (b) 무릎, (c) 목 및 (d) 손가락에 실시예 1의 센서를 부착하여 움직임을 감지할 수 있는지 확인하였다. 그 결과를 도 9에 도시하였다.
도 9a에 따르면, 실시예 1의 센서는 높은 감도와 반복성으로 팔꿈치의 단순 연속 굽힘 동작을 감지하였다. 센서의 저항은 팔꿈치를 구부리면 △R/R0 이 5로 즉시 증가하였고, 팔꿈치를 곧게 펴면 초기 저항으로 감소하였다.
또한, 도 9b에 따르면, 실시예 1의 센서는 인간의 움직임의 속도, 즉 느린 움직임과 빠른 움직임을 구별하는 것이 확인되었다. 센서를 무릎에 부착하고 90˚의 각도를 유지하면서 두가지 다른 속도로 걸었을 때, 0과 2 사이 동일한 △R/R0 변화로 움직임을 안정적으로 감지하는 것을 확인하였다.
또한, 도 9c 및 도 9d에 따르면, 실시예 1의 센서는 움직임 정도를 정밀하게 감지하는 것을 알 수 있다. 실시예 1의 센서를 목에 부착한 경우, 턱 높이에 따라 △R/R0 값이 1, 4로 변하며 목 움직임 정도를 구별하여 감지하였고, 손가락에 부착한 경우, 손가락을 0˚, 45˚, 90˚의 다른 각도로 구부렸을 때, 더 높은 굽힘 각도에서 더 큰 저항 변화를 감지하여 쉽게 움직임을 구별하는 것을 확인하였다.
본 발명의 일 실시예에 따른 인장 센서는 다양한 신체 부위 움직임에서 다양한 변형 수준과 속도를 감지하였고, 안정된 기준선 및 민감하고 재현가능한 데이터를 나타내었다.
기존의 직사각형 형태의 이온성 젤과 같은 이온 전도체를 기반으로 한 센서의 경우 기계적 변형에 대응하여 확보할 수 있는 저항 변화가 작기 때문에 인장 센서의 민감도에 한계가 있는 문제점이 있었다.
본 발명에서는 변형에 따른 저항 변화를 극대화할 수 있는 구조물 형태의 이온성 젤을 적용하여 상기 문제점을 해결하고자 하였다.
일 구체예로서, 톱니 형태의 구조물인 이온성 젤을 적용한 경우, 수축하였을 때는 톱니가 접촉하여 저항이 낮고, 인장시킬 때는 톱니 패턴이 벌어지며 길이가 길어지고 면적은 작아지게 되어 저항의 상대적 변화 값이 더욱 증가하여, 변형에 따른 센서의 저항 변화를 극대화할 수 있다.
실험예 1 내지 3에 따르면, 본 발명의 따른 신축성 인장 센서는 게이지펙터 및 민감도 우수하게 개선되었고, 변형 사이클을 반복한 경우에도 안정적이고 가역적인 감지 특성을 보였다. 이에 따라, 본 발명에 따른 고민감도 신축성 인장 센서는 사람의 피부 등에 접촉하여 다양한 속도의 크고 작은 기계적 변형을 포함하여, 다양한 인간의 움직임을 안정적으로 감지할 수 있는 우수한 효과를 갖는다. 따라서, 본 발명은 차세대 고성능 웨어러블 장치를 위한 웨어러블 센서 시스템을 제공할 것으로 기대된다.
이상, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예에는 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.

Claims (9)

  1. 이온성 젤의 변형에 따른 저항변화를 측정하는 인장 센서로서,
    고분자 매트릭스 및 이온성 액체를 포함하는 이온성 젤; 및
    상기 이온성 젤의 양단에 접촉하여 형성되는 한 쌍의 전극;으로 이루어지고,
    상기 이온성 젤은 적어도 일부에, 서로 일측에서 만나는 2개의 면으로 이루어진 제1 요(凹)부 및 상기 제1 요부와 상하 대칭이고, 서로 일측에서 만나는 2개의 면으로 이루어지되 상기 제1 요부와 일면을 공유하는 제2 요(
    Figure 112023501339493-pat00007
    )부가 교번하여 연결되도록 형성된, 신축가능한 구조를 갖고,
    변형력이 가해지기 전 상기 제1 및 제2 요부 각각을 이루는 2개의 면은 서로 맞닿아 있고, 변형력이 가해지면 상기 제1 및 제2 요부 각각을 이루는 2개의 면 사이의 간격이 벌어지는 것을 특징으로 하는, 고민감도 신축성 인장 센서.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 요부는 동일한 형태를 갖는, 고민감도 신축성 인장 센서.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 요부는 변형력이 가해지는 방향과 소정의 각도를 이루는 방향을 중심으로 대칭하는, 고민감도 신축성 인장 센서.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 한 쌍의 전극은 전도성 고분자 또는 탄소나노구조체를 포함하는 한 쌍의 이온 침투성 전극이며,
    상기 이온 침투성 전극은 상기 이온성 젤 내의 이온이 전극 내로 침투 가능한 것을 특징으로 하는, 고민감도 신축성 인장 센서.
  5. 제4항에 있어서,
    탄소나노구조체를 포함하는 이온 침투성 전극은 탄소나노구조체, 이온성 액체 및 고분자 바인더를 포함하는 것인, 고민감도 신축성 인장 센서.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 이온성 액체는 1-에틸-3-메틸이미다졸륨 비스(트리플루오로메틸설포닐)이미드([EMI][TFSI]), 1-부틸-3-메틸이미다졸륨 비스(트리플루오로메틸설포닐)이미드([BMI][TFSI]), 1-부틸-3-메틸이미다졸륨 헥사플루오로포스페이트([BMI][PF6]), 1-부틸-3-메틸이미다졸륨 테트라플루오로보레이트(BMI][BF4]), 1-부틸-1-메틸피롤리디늄 비스(트리플루오로메틸설포닐)이미드([BMPYR][TFSI]), 1-부틸-1-메틸피롤리디늄 트리스(펜타플루오로에틸)트리플루오로포스페이트([BMPYR][FAP]), 1-에틸-3-메틸이미다졸륨 트리스(펜타플루오로에틸)트리플루오로포스페이트([EMI][FAP]), 1-에틸-3-메틸이미다졸륨 비스(플루오로설포닐)이미드([EMI][FSI]) 및 에틸-디메틸-프로필암모튬 비스(트리플루오로메틸설포닐)이미드([EDMPA][TFSI])로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상을 이온 성분으로 포함하는 것인, 고민감도 신축성 인장 센서.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 고분자 매트릭스는 폴리에틸렌글리콜(PEG) 기반의 가교된 고분자 매트릭스인 것인, 고민감도 신축성 인장 센서.
  8. 제4항에 있어서,
    상기 전도성 고분자는 폴리에틸렌디옥시티오펜(Poly(3,4-Ethylenedioxythiophene), PEDOT), 폴리아닐린(polyaniline, PANI), 폴리피롤(polypyrrole, PPy), 폴리티오펜(polythiophene, PT) 및 이들의 유도체로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상인 것인, 고민감도 신축성 인장 센서.
  9. 제4항에 있어서,
    상기 탄소나노구조체는 다중벽 탄소나노튜브(MWCNTs) 또는 단일벽 탄소나노튜브(SWCNTs)인 것인, 고민감도 신축성 인장 센서.
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