KR102560957B1 - 압력 감지 층 및 이를 포함하는 장치 - Google Patents

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KR102560957B1
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미카엘 프루보스트
애니 콜린
필립 폴린
리즈 트롤리-퐁티
올리비에 산소
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로디아 오퍼레이션스
에꼴 슈뻬리어르 드 피지끄 에 드 쉬미 엥뒤스트리엘르 드 라 빌 드 빠리
상뜨르 나시오날 드 라 리쉐르쉐 샹띠피끄
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Abstract

압력 감지 층, 이를 포함하는 장치, 압력 감지 모니터, 및 a) 폐쇄 다공도 부피 분획 및 선택적으로 개방 다공도 부피 분획을 포함하는, 실록산 중합체를 포함하는 다공성 매트릭스 재료, 및 b) 상기 다공성 매트릭스 재료 a)의 상기 폐쇄 다공도 부피 분획에 실질적으로 존재하는 전도성 또는 반전도성 충전제를 포함하는 복합 재료, 및 복합 재료를 포함하는 필름, 코팅된 기판 및 다층 구조체, 및 압력 감지 장치에서의 이들의 용도.

Description

압력 감지 층 및 이를 포함하는 장치
본 발명은 폐쇄 다공도 부피 분획(closed porosity volume fraction)을 갖는 다공성 실록산 중합체 매트릭스, 및 매트릭스의 상기 폐쇄 다공도 부피 분획에 실질적으로 존재하는 전도성 또는 반전도성 충전제(이하, 공동으로 전도성 충전제로 지칭됨)를 포함하는 복합 재료를 포함하는 압력 감지 층, 및 상기 압력 감지 층을 포함하는 장치에 관한 것이다.
압력 센서는 다양한 상이한 응용에 대한 그의 잠재력 때문에 최근에 많은 주의를 끌어 왔다. 특히 저압 영역에서 높은 감도를 갖는 압력 센서에 대한 요구가 매우 높으며, 이러한 시스템은 예를 들어, 전자 시스템뿐만 아니라 헬스케어 및 의료 진단 시스템, 특히 소위 e-스킨 시스템을 위해 필요하다.
압력 감지 장치는 감지에 사용되는 파라미터에 따라 전형적으로 3가지 유형으로 분류된다. 압전저항형(piezoresistive) 장치는 외부 압력 인가 시 전도도의 변화를 이용한다. 압전형 장치는 압전 효과, 즉 압력 인가 시 재료에서의 전하 발생을 이용한다. 압전형 장치의 감도는 그러한 효과의 원점에서의 압전 물질의 물리적 특성에 의해 한정된다. 다른 한편 압정전용량형(piezocapacitive) 센서는 압력 인가에 반응하여 발생하는 커패시턴스 변화를 이용하며 그의 감도는 이론적으로 제한되지 않는다. 커패시턴스의 변화는 압력 인가에 반응하여 커패시터를 형성하는 시스템의 2개의 전극 사이의 거리가 변화한 결과 또는 압력 인가 하에서 2개의 전극 사이에 개재된 유전 재료의 등가 상대 유전율(유전 상수)의 변경으로 인한 결과일 수 있다.
압전저항형 장치와 비교하여 압정전용량형 센서는 낮은 전력 소비 및 우수한 재현성과 같은 일부 이점을 제공한다. 압전형 장치와 비교하여 압정전용량형 센서는 가공하기에 더 용이하고 다양한 형태로 형상화하기에 더 용이하다. 더욱이, 폴링(poling) 또는 스트레칭을 필요로 하지 않는다.
커패시턴스 변화의 크기는 상대 유전율(유전 상수)의 변화 및/또는 유전체 층의 두께의 변화 및/또는 전극의 표면적의 변화에 의해 결정된다.
그러한 장치에서는 특히 저압 범위에서 감도를 개선하기 위해 미세구조체 또는 나노구조체가 제안되어 왔다. 그러나, 이는 보통 복잡하고 비용이 많이 드는 제작 공정을 필요로 한다.
문헌[B.Y. Lee et al, Sensors and Actuators A 240 (2016), 103 to 109]은 미세기공을 갖는 유전성 탄성중합체 필름에 기초한 저가 압력 센서를 기술한다. 어떠한 첨가제도 없이 실록산 탄성중합체 재료 및 물 소적을 사용하여 다공성 필름을 제조한다. 폴리디메틸실록산을 베이스 재료로서 사용하고 물 소적을 분산 물질로서 선택한다. 물, 및 경화제와 혼합된, PDMS 예비중합체의 용액을 용기 내에서 교반한다. 교반 공정을 통해, 물의 미세소적이, 물의 불용성으로 인해, PDMS 용액에 균일하게 분산된다. 그렇게 수득된 용액을 2개의 유리 기판 사이에 배치한 후에 용액을 경화시킨다. 경화 동안, 물이 증발되고, 초기에는 물이 존재했던 곳에 미세기공을 갖는 중합된 다공성 PDMS 필름이 수득된다. 두께가 대략 100 ㎛인 이 필름은 정전용량형 압력 센서의 유전체 층을 형성한다.
문헌[A.J. Gallant, Procedia Chemistry 1 (2009), 568-571]은 다공성 PDMS 힘 감지 저항기에 관한 것이다. 카본 블랙으로 충전된 PDMS의 다공성 매트릭스로부터 탄성중합체성 힘 감지 저항기를 제조한다. PDMS 매트릭스는 스펀지 형태를 가지며 설탕 스캐폴드를 사용하여 수득된다. 설탕 큐브를 PDMS 전구체가 담긴 접시에 놓고 PDMS로 충전되도록 1시간 동안 방치한다. 이어서 큐브를 경화시키고, 여분의 PDMS를 트리밍하여 제거하고, 큐브를 증류수가 담긴 비커에 넣어서 설탕을 용해시킨다. 그렇게 수득된 구조체는 공극이 랜덤 배열로 분포되고 배향된, 설탕 큐브의 역(inverse) 매트릭스이다. 카본 블랙 입자를 도입하기 위하여 물 중 카본 블랙의 현탁액을 물 포화된 스펀지에 적가하여, 스펀지의 개방 다공도 부피 분획 내에 높은 탄소 농도를 생성한다. 일단 충전되면, 스펀지를 건조되도록 방치하고 PDMS의 얇은 층을 그 위에 코팅하고 경화시켜 탄소를 스펀지 내에 밀봉한다. 스펀지에서, 기공 벽이 탄소로 라이닝된다. 압력 인가 시에, 카본 블랙 라이닝된 기공 벽들이 접촉하게 되어, 탄소-탄소 연결의 수가 증가하고 기공들이 전도성으로 된다.
문헌[S.J.A. Majerus, "Flexible, structured MWCNT/PDMS sensors for chronic vascular access monitoring", IEEE Sensors Book Series: IEEE sensors, published 2016 - Conference 15th IEE Sensors conference Orlando, FL Oct. 30-Nov. 03, 2016]은 내부 다공성 구조를 갖는 PDMS를 인쇄하기 위해 소위 적층 제조(additive manufacturing) 방법을 적용하여 수득되는 압전저항형 가요성 박동 센서에 관한 것이다. 기공은 평균 기공 크기가 대략 1mm인 것으로 보고된다. 전도성 센서를 얻기 위해, 제조 공정 동안 다중벽 탄소 나노튜브를 첨가한다. 저항률은 비선형인 것으로 언급되며 이력(hysteresis)이 관찰되었다. 둘 모두 원치 않는 효과이다.
국제 특허 공개 WO 2017/172978호는, 예를 들어 센서 회로를 갖는 변환기 회로(전극을 포함하는 센서 회로 및 변환기 회로는 커패시턴스의 변화를 전기 신호로 변환하도록 구성 및 배열되고, 커패시턴스의 변화는 혈류역학 이벤트 또는 맥파 이벤트에 기인하는 전기장 변조 및/또는 압력에 반응성임) 및 변환기 회로로부터의 전기 신호를 통해 혈류역학적 이벤트 또는 맥파 이벤트를 감지하도록 구성 및 배열된 전기 신호 감지 회로를 포함하는 웨어러블(wearable) 장치를 개시한다.
문헌[Bao et al, Nature Materials 2010, Vol. 9 pp.859-864]은 미세구조화된 고무 유전체 층을 갖는 고감도 가요성 압력 센서를 기술한다.
문헌[Bao et. Al, Adv. Mater. 2015, 27(4), 634-640]은 맥박 신호 증폭을 위한 마이크로헤어리(microhairy) 센서를 기술하지만, 이는 복잡하며 제조에 비용이 많이 든다.
문헌[Park et al., ACS Appl. Mater. Interfaces 2016, 8 (26), 16922-31]은 압력 감지가 가능한, 3차원(3-D) 미세다공성 유전성 탄성중합체의 거대한 압정전용량 효과에 기초한 가요성 웨어러블 압력 센서를 보고한다. 탄성중합체성 유전체 층 내의 미세기공의 존재로 인해, 압정전용량형 압력 센서는 심지어 매우 적은 양의 압력에 의해서도 고도로 변형가능하여, 감도가 개선된다.
도 1은 본 발명에 따른 압력 감지 장치에 사용될 수 있는 깍지형(interdigitated) 전극에 대한 예의 도면을 도시한다.
도 2는 본 발명에 따른 압력 감지 장치의 예를 도시하는데, 상부로부터 하부로 다음 구성요소들을 도시한다: 봉지재(25), 상부 전극(24), 압력 감지 층(23), 하부 전극(22) 및 보호층(21).
도 3은 본 발명에 따른 압력 감지 장치의 예를 도시하는데, 상부로부터 하부로 다음 구성요소들을 도시한다: 봉지재(35), 상부 전극(34), 압력 감지 층(33), 하부 전극(32) 및 보호층(31)(여기서, 상부 전극(34)은 패턴화됨).
도 4 내지 도 7은 각각의 모니터의 구성요소를 도시하는, 웨어러블 장치 형태의 본 발명에 따른 압력 감지 모니터의 실시 형태의 블록도를 도시한다.
본 발명의 목적은 높은 감도 및 양호한 재현성을 제공하는 압력 감지 층 및 이를 포함하는 장치를 제공하는 것이다.
이러한 목적은 청구범위 제1항에 따른 압력 감지 층에 의해 달성된다. 본 발명의 바람직한 실시 형태는 종속항 및 이하의 상세한 설명에서 기술된다.
본 발명의 추가의 목적은 청구범위 제1항에 따른 압력 감지 층을 포함하는 장치이다.
본 발명에 따른 압력 감지 층에 의해 측정되는 커패시턴스의 변화를 생성하는 압력은 특별히 제한되지 않으며; 일반적으로 10 Pa 내지 1 MPa의 범위이다. 본 발명에 따른 압력 감지 층은 바람직하게는 저압 감지 층이다. 본원에 사용되는 바와 같이 용어 "저압"은 0.01 내지 100 kPa 범위, 바람직하게는 0.05 내지 20 kPa 범위, 더욱 바람직하게는 0.1 내지 10 kPa 범위 그리고 더욱 더 바람직하게는 0.1 내지 1 kPa 범위의 압력에 관한 것이다.
본 발명에 따른 압력 감지 층은
a) 폐쇄 다공도 부피 분획 및 선택적으로 개방 다공도 부피 분획을 포함하는, 실록산 중합체를 포함하는 다공성 매트릭스 재료, 및
b) 상기 다공성 매트릭스 재료 a)의 상기 폐쇄 다공도 부피 분획에 실질적으로 존재하는 전도성 또는 반전도성 충전제, 및 선택적으로
c) 하나 이상의 추가 층을 포함하는 필름을 포함한다.
다공성 재료는 보통 그의 다공도에 의해 특징지어진다. 다공도 또는 공극 분율은 재료 내의 공극(즉 "비어 있는) 공간의 척도이며, 0과 1 사이이거나 0%와 100% 사이의 백분율로서의, 전체 부피에 대한 공극 부피의 분율이다.
겉보기 다공도 또는 개방 다공도(oPo)는 다공도의 일부이며, 재료의 총 부피에 대한 백분율로서의, 액체 또는 기체가 침투할 수 있는 개방 기공의 부피이다.
고체상 내에 포획된 상호연결되지 않은 공극은 개방 다공도 부피 분획의 일부가 아니며; 이는 폐쇄 다공도 부피 분획의 일부이다. 이러한 분획은 또한 재료 내에 임의의 종류의 폐쇄 기공을 포함한다.
개방 다공도와 폐쇄 다공도를 합하면 재료의 총 다공도가 된다.
본 발명에 따른 압력 감지 층 내의 다공성 매트릭스 재료는, 전도성 또는 반전도성 충전제의 상당 부분이 존재하는 폐쇄 다공도 부피 분획을 포함한다.
본 발명의 바람직한 실시 형태에 따르면, 폐쇄 다공도 부피 분획은 바람직하게는 재료의 개방 다공도 부피 분획과 같거나 더 크며, 즉 폐쇄 다공도 부피 분획을 형성하는 기공의 부피는 바람직하게는 개방 다공도 부피 분획을 형성하는 기공의 부피와 적어도 같거나 더 크다(따라서 둘의 기공 부피 분획의 비는 바람직하게는 1 이상이다).
특히 바람직한 실시 형태에 따르면, 폐쇄 다공도 부피 대 개방 다공도 부피의 비는 1:1 내지 100:1의 범위, 바람직하게는 1.5:1 내지 50:1의 범위이고 더욱 더 바람직하게는 폐쇄 다공도 부피는 전체 다공도 부피의 100%를 차지하며, 즉 생성물은 오로지 폐쇄 기공만을 포함한다.
다공성 재료의 개방 다공도 부피 분획은 숙련자에게 알려져 있는 기술인 기체 치환 비중측정법(gas displacement pycnometry)에 의해 결정될 수 있다. 이 기술은 기체 치환법을 사용하여 부피를 정확하게 측정한다. 불활성 기체, 보통 He를 치환 기체로서 사용한다. 알려진 중량의 샘플을 알려진 부피를 갖는 측정 장치의 구획에 밀봉한다. 이어서 평형에 도달할 때까지, 즉 압력이 일정해질 때까지 입구 밸브를 통해 He를 챔버 내로 유동하게 둔다. 이어서 입구 밸브를 닫고 정확하게 알려진 부피의 제2 챔버로의 출구 밸브를 연다. 샘플 챔버를 충전할 때 그리고 이어서 기체를 비어 있는 제2 챔버로 방출할 때 관찰된 압력은 샘플 고체상 부피(이는 샘플의 고체 부분에 의해 치환된 기체의 부피 + 기체에 접근가능하지 않은 기공의 부피와 같음)의 계산을 가능하게 한다. 헬륨 기체는 작은 기공까지도 빠르게 충전하며, He 기체가 접근할 수 없는 샘플의 부피 부분만 기체를 치환한다. 샘플의 이 부분은 샘플의 고체 부분 + 폐쇄 다공도 부피 분획에 해당하는 부피(마찬가지로 기체에 접근가능하지 않은 것으로 정의됨)로 이루어진다.
샘플에 의해 치환된 부피가 Vs로 표시된다면, 샘플 셀의 알려진 부피는 Vc로 표시되고, 기체가 치환되는 제2 구획의 부피는 Vr이고, 샘플 셀을 충전한 후의 압력은 Pa이고 구획 셀 내로의 팽창 후의 압력은 Pe이고, 샘플에 의해 치환된 부피는 다음과 같이 계산될 수 있다:
Vs = Vc - Vr (Pe/(Pa-Pe))
치환 또는 비중병 부피 Vs는 다공성 샘플의 고체 부분의 부피(이는 본원에서 이론적 부피로서 지칭됨) + 폐쇄 기공의 부피를 반영한다. 이론적 부피는 대부분의 재료에 대해 보통 알려져 있는, 기공이 없는 고체 샘플의 이론적 밀도로부터 얻어질 수 있거나 용이하게 결정될 수 있다. 비중병 부피에서 이론적 부피를 빼서 폐쇄 기공의 부피를 얻는다.
다공성 샘플의 벌크 부피는 이론적 부피 + 폐쇄 기공의 부피 + 개방 기공의 부피의 합인, 다공성 샘플의 기하학적 부피이다. 따라서, 개방 기공의 부피는 샘플의 벌크(기하학적) 부피에서 이론적 부피와 폐쇄 기공 부피(상기에 설명된 바와 같이 얻음)를 빼서 얻을 수 있다.
폐쇄 다공도 부피 분획은 폐쇄 기공 부피를 벌크 부피로 나누어서 얻는다. 개방 다공도 부피 분획이 유사한 방식으로 얻어질 수 있다. 이어서 간단히 폐쇄 기공 부피 분획을 개방 다공도 부피 분획으로 나누어서 두 분획의 비가 얻어진다.
다공성 샘플의 총 다공도는 또한 벌크 밀도를 이론적 밀도로 나누고 이 값을 1에서 빼서 얻을 수 있다.
전술한 것은 하기 예를 통해 설명될 수 있다: 이론적 부피가 2 cm3이고 비중병 부피가 3 cm3인 샘플은 폐쇄 다공도 부피 분획이 1 cm3(비중병 부피에서 이론적 부피를 빼서 얻음)이다. 다공성 샘플의 기하학적(벌크) 부피가 4 cm3인 경우, 벌크 부피에 기초한 총 다공도는 2/4 또는 0.5이다. 폐쇄 다공도 부피 분획은 이 경우에 벌크 부피에 대해 0.25이고, 샘플의 총 기공 부피에 대해 0.5이다. 이는 1의 폐쇄 다공도 부피 분획/개방 다공도 부피 분획을 산출한다.
이론적 부피 및 벌크 부피가 동일하고 비중병 부피가 3.5 cm3인 경우, 폐쇄 기공의 부피는 1.5 cm3이며 이는 벌크 부피를 기준으로 37.5%, 또는 총 기공 부피를 기준으로 75%로 변환된다. 이 경우에 폐쇄 다공도 부피 분획 대 개방 다공도 부피 분획의 비는 3:1이다.
본 발명에 따른 압력 감지 층 내의 다공성 재료의 중합체 매트릭스는 실록산 중합체이다.
실리콘으로도 알려진, 실록산 중합체 또는 폴리실록산은 탄소 또는 수소 또는 둘 모두와 종종 결합된, 실록산의 반복 단위로 구성된 불활성 합성 화합물을 포함하는 중합체이다. 이는 전형적으로 내열성이며 고무와 유사하다.
실록산은 유기규소 화학에서 -Si-O-Si-연결을 갖는 작용기이다. 실록산이라는 단어는 규소, 산소 및 알칸이라는 단어로부터 파생된다. 실록산 재료는 Si-O 결합의 수에 따라 몇몇 유형의 소위 실록사이드 기로 구성될 수 있다: 일반 구조 요소 R3SiO0.5로 표시되는 M-단위, 일반 구조 요소 R2SiO로 표시되는 D-단위 및 일반 구조 요소 RSiO1.5로 표시되는 T-단위.
실록산 작용기는 실리콘의 백본(backbone)을 형성한다.
더 정밀하게 중합된 실록산 또는 폴리실록산, 즉 실리콘은 규소 원자에 부착된 유기 측기를 갖는. 무기 규소-산소 백본 사슬(…-Si-O-Si-O-Si-O-…)로 구성된다. 측기는 바람직하게는 알킬 기 또는 아릴 기 또는 이들의 조합으로부터 선택된다.
일부 경우에, 유기 측기는 둘 이상의 이러한 -Si-O- 백본을 함께 연결하는 데 사용될 수 있다. -Si-O- 사슬 길이, 측기, 및 가교결합을 변화시킴으로써, 다양한 특성 및 조성을 갖는 실리콘을 합성할 수 있다.
유기 측기는 알킬, 할로알킬, 아릴, 할로아릴, 알콕실, 아르알킬 및 실라시클로알킬 기뿐만 아니라 더 반응성인 기, 예컨대 알케닐 기, 예컨대 비닐, 알릴, 프로페닐, 부테닐, 펜테닐, 헥세닐, 헵테닐, 옥테닐, 노네닐 및/또는 데세닐 기일 수 있다. 극성 기, 예컨대 아크릴레이트, 메타크릴레이트, 아미노, 이미노, 히드록시, 에폭시, 에스테르, 알킬옥시, 이소시아네이트, 페놀계, 올리고머성 폴리우레탄, 올리고머성 폴리아미드, 올리고머성 폴리에스테르, 올리고머성 폴리에테르, 폴리올 및 카르복시프로필 기가 임의의 조합으로 실록산 백본의 규소 원자에 부착될 수 있다.
실록산은 알케닐 및/또는 알킬 기, 예컨대 메틸, 에틸, 이소프로필, n-프로필 또는 비닐 기 또는 이들의 조합과 같은 임의의 유용한 기로 종결될 수 있다. 실록산을 종결하는 데 사용될 수 있는 다른 기는 아크릴레이트, 메타크릴레이트, 아미노, 이미노, 히드록시, 에폭시, 에스테르, 알킬옥시, 이소시아네이트, 페놀계, 올리고머성 폴리우레탄, 올리고머성 폴리아미드, 올리고머성 폴리에스테르, 올리고머성 폴리에테르, 폴리올 및 카르복시프로필 기 및 할로, 예를 들어 플루오로 기이다.
폴리디알킬실록산(유기 기가 알킬 기임)이 본 발명의 압력 감지 층에 사용하기에 적합한 실록산 중합체의 바람직한 군이다.
폴리디알킬실록산 중합체는 하기 일반식으로 표시될 수 있다:
여기서, 각각의 경우에 동일하거나 상이할 수 있는 Alk는 선형, 분지형 또는 환형 알킬 기를 나타낼 수 있다.
바람직한 알킬 기는 1 내지 12, 바람직하게는 1 내지 8 그리고 더욱 바람직하게는 1 내지 4개의 탄소 원자를 갖는 선형 또는 분지형 알킬 기이다.
폴리디알킬실록산의 가장 잘 알려진 예는 폴리디메틸실록산(Alk가 메틸 기임, 이하 PDMS로 지칭됨)이며, 이는 또한 본 발명에 따른 가장 바람직한 폴리디알킬실록산이다. 폴리디메틸실록산 또는 PDMS라는 용어는, 본원에서 사용될 때, 이의 유도체, 예컨대 히드록시-, 비닐- 알릴- 등으로 말단-캡핑된(end-capped) PDMS를 포함한다.
본 발명에 따른 압력 감지 층 내의 다공성 매트릭스 재료는 본 발명에 따른 압력 감지 층의 미세다공성 중합체 매트릭스 a)의 폐쇄 다공도 부피 분획에 실질적으로 존재하는 전도성 또는 반전도성 충전제를 성분 b)로서 포함한다.
본 발명의 목적상 '실질적으로 존재하는'이란 전도성 충전제의 50% 이상, 바람직하게는 60% 이상 그리고 더욱 더 바람직하게는 70% 이상이 폐쇄 다공도 부피 분획에 존재함을 의미한다. 전도성 충전제의 총 함량의 최대 99%, 바람직하게는 최대 95% 그리고 더욱 더 바람직하게는 최대 90%가 복합 재료 a)의 폐쇄 다공도 부피 분획에 존재할 수 있다.
본 발명의 압력 감지 층 내의 반전도성 또는 전도성 충전제는 반전도성 또는 전도성 특성을 갖는 임의의 재료로부터 선택될 수 있다.
따라서, 적합한 전도성 충전제는 구리, 은, 금, 및 아연과 같은 금속 입자로 이루어진 목록으로부터 선택될 수 있다. 바람직하게는, 전도성 금속 충전제는 은 또는 구리이고 더욱 바람직하게는 은이다.
전도성 중합체 입자는 고유 전도성 중합체(intrinsically conducting polymer, ICP)로 본질적으로 구성되거나 심지어 구성된다. 이는 사슬을 따라 완전히 컨쥬게이트된 이중 결합 서열을 갖는 거대 분자로 구성된 유기 중합체이다. 그러한 화합물은 금속 전도도를 가질 수 있거나 반도체일 수 있다. 고유 전도성 중합체의 예는 폴리아세틸렌, 폴리티오펜, 폴리피롤, 또는 폴리아닐린이다. ICP 중에서, 폴리티오펜 및 폴리아닐린이 바람직하게 사용된다. 폴리(3,4-에틸렌디옥시티오펜) 또는 PEDOT 및, 특히 PEDOT-PSS, 폴리(3,4-에틸렌디옥시티오펜)과 폴리(스티렌 술포네이트)의 중합체 블렌드가 더 바람직하게 사용된다.
반전도성 충전제는 반전도성 재료로 본질적으로 구성되거나 구성된다. 반전도성 코어는 일반적으로 95 중량% 이상, 바람직하게는 97 중량% 이상 그리고 더욱 바람직하게는 99 중량% 이상의 반전도성 재료를 포함한다.
일반적으로, 반전도성 재료는 Si, Si-Ge, GaAs, InP, GaN, SiC, ZnS, ZnSe, CdSe, 및 CdS로 이루어진 목록으로부터 선택된다. 바람직하게는, 반전도성 재료는 GaAs, SiC, ZnS 및 CdS로 이루어진 목록으로부터 선택된다. 더욱 바람직하게는, 반전도성 재료는 SiC이다.
바람직하게는, 반전도성 충전제는 GaAs, SiC, ZnS 및 CdS 나노입자로 이루어진 목록으로부터 선택된다.
적합한 충전제의 다른 군은 전형적으로 금속과 -2의 산화 상태의 산소 음이온을 함유하는 금속 산화물 입자, 예컨대 ZnO이다.
일 실시 형태에 따르면, 본 발명에 적합한 전도성 또는 반전도성 충전제는 종횡비가 1에 가까울 수 있다. 종횡비가 1에 가까운 경우 입자는 구형인 경향이 있다.
다른 실시 형태에 따르면, 본 발명에 적합한 전도성 또는 반전도성 충전제는 종횡비가 1 초과일 수 있다. 이 경우에, 종횡비는 바람직하게는 5 이상, 더욱 바람직하게는 10 이상, 더욱 더 바람직하게는 15 이상 그리고 가장 바람직하게는 20 이상이다. 입자는 보통 종횡비가 5000 이하, 바람직하게는 1000 이하, 더욱 바람직하게는 500 이하 그리고 더욱 더 바람직하게는 200 이하이다.
종횡비는 입자의 폭에 대한 길의 비이다(ISO 13794 : 1999). 평균 종횡비는 투과 전자 현미경(TEM) 또는 주사 전자 현미경(SEM) 화상의 이미지 처리에 의해 숙련자에 의해 결정될 수 있다.
일부 경우에 종횡비가 1 초과인, 나노와이어 형태의 금속성 충전제가 유리한 것으로 밝혀졌다. 특히 바람직한 나노와이어는 은 나노와이어이다.
본 발명의 압력 감지 층에 사용하기 위한 반전도성 또는 전도성 충전제의 다른 군은 탄소질 충전제이다.
본 발명의 목적상, 용어 "탄소질 충전제"는 50 중량% 이상의 원소 탄소, 바람직하게는 75 중량% 이상의 원소 탄소, 더욱 바람직하게는 90 중량% 이상의 원소 탄소를 포함하는 충전제를 나타낸다. 특히 바람직한 탄소질 충전제는 99 중량% 이상의 원소 탄소를 포함하거나 원소 탄소로 이루어진다.
바람직하게는 탄소질 충전제는 탄소 나노튜브, 탄소 나노혼(nanohorn), 그래파이트, 그래핀 및 카본 블랙으로부터 선택된다. 카본 블랙이 경제적 이유로 특히 바람직하다.
그래핀 자체는 보통 허니콤 구조로 치밀하게 패킹된, sp2-결합된 탄소 원자들의 1-원소 두께 평면 시트로 간주된다. 그래핀이라는 명칭은 그래파이트와 접미사 -엔에서 파생된다. 그래파이트 자체는 함께 적층된 다수의 그래핀 시트로 이루어진다.
상기에 언급된 의미에서 그래파이트, 탄소 나노튜브, 풀러렌 및 그래핀은 그들의 구성 원자의 동일한 기본 구조 배열을 공유한다. 각각의 구조는 정육각형 형상(일반적으로 벤젠으로 지칭되는 것과 유사한 방향족 구조)으로 함께 단단히 화학 결합된 6개의 탄소 원자로 시작한다.
탄소 나노혼은 그래핀 시트의 혼 형상 응집체의 명칭이다. 세관 길이가 약 40 내지 50 nm이고 직경이 약 2 내지 3 nm인 단일벽 나노혼(SWNH)은 단일벽 나노튜브(SWNT)로부터 유도되며 약 20°의 원추 개방각을 갖는 5개의 오각형 원추형 캡으로 끝난다. SWNH들은 서로 결합하여 평균 직경이 약 80 내지 100 nm인 '달리아(dahlia)-유사' 및 '버드(bud)-유사" 구조화 응집체를 형성할 수 있다. 전자는 세관 및 달리아의 꽃잎처럼 그의 표면으로부터 돌출하는 그래핀 시트로 이루어지는 반편, 후자는 입자 자체 내부에서 발생하는 세관으로 구성된다.
카본 블랙(CAS 1333-86-4)은 활성탄보다는 낮지만 표면적 대 부피 비가 높은 파라결정질 탄소의 형태이다.
화학적으로, 카본 블랙은 95 내지 99% 탄소로 이루어진 원소 탄소의 콜로이드 형태이다. 이것은 보통 탄화수소의 부분 연소 또는 열분해로부터 수득되며, 회전타원체 일차 입자로 구성되는 포도상 모폴로지(aciniform morphology)의 응집체로서 존재하고, 주어진 응집체 내의 일차 입자 크기의 균일성 및 일차 입자 내의 터보스트래틱 층화(turbostratic layering)를 갖는다.
전술된 바와 같은 적합한 탄소질 충전제는 다양한 공급처 및 공급 업체로부터 입수가능하며 숙련자는, 그의 전문 지식 및 특정 응용 사례에 기초하여, 본 발명에 따른 복합 재료에 사용하기에 적합한 재료를 선택할 것이다.
소정 응용 사례에서, 평균 직경이 300 nm 이하, 바람직하게는 200 nm 이하인 구형 나노미립자 충전제가 소정 이점을 제공하는 것으로 밝혀졌다.
본원에 사용될 때 구형 입자의 평균 입자 직경이라는 용어는 소위 Contin 데이터 반전 알고리즘에 의해 얻어지는 바와 같은 강도 가중 입자 크기 분포에 기초하여 계산된 D50 중앙값 직경을 지칭한다. 일반적으로, D50은 강도 가중 크기 분포를 2개의 동등한 부분, 즉 D50보다 작은 크기를 갖는 것과 D50보다 큰 크기를 갖는 것으로 나눈다.
일반적으로, 상기에 정의된 바와 같은 평균 입자 직경은 하기 절차에 따라 결정된다. 첫째로, 필요한 경우, 입자가 함유될 수 있는 매질로부터 입자를 분리한다(그러한 입자를 제조하기 위한 다양한 공정이 존재하기 때문에 생성물은 다양한 형태로, 예를 들어 니트(neat) 건조 입자로서 또는 적합한 분산 매질 중의 현탁액으로서 입수가능할 수 있다). 이어서 니트 입자는, 바람직하게는 동적 광 산란 방법에 의해 입자 크기 분포를 결정하는 데 사용된다. 이와 관련하여, ISO 표준 입자 크기 분석 - 동적 광 산란(DLS), ISO 22412:2008(E)에 기재된 바와 같은 방법을 따르는 것이 권장된다. 이러한 표준은 예를 들어 기기 위치(섹션 8.1.), 시스템 검증(섹션 10), 샘플 요건(섹션 8.2.), 측정 절차(섹션 9 포인트 1 내지 5 및 7) 및 반복가능성(섹션 11)과 관련된 지침을 제공한다. 측정 온도는 보통 25 ℃이며 사용되는 각각의 분산 매질의 굴절률 및 점도 계수는 0.1% 이상의 정확도로 알려져 있어야 한다. 적절한 온도 평형 후에 시스템 소프트웨어에 따라 최적 산란광 신호를 위해 셀 위치를 조정하여야 한다. 시간 자기상관 함수의 콜렉션을 시작하기 전에, 샘플에 의해 산란된 시간 평균 강도를 5회 기록한다. 측정 부피를 통해 우연히 이동하는 먼지 입자의 가능한 신호를 없애기 위하여, 평균 산란 강도의 5개의 측정치의 평균의 1.10배의 강도 임계값이 설정될 수 있다. 일차 레이저원 감쇠기는 일반적으로 시스템 소프트웨어에 의해 조정되며 바람직하게는 약 10,000 cps 정도로 조정된다. 시간 자기상관 함수의 후속 측정(그 동안 상기와 같이 설정된 평균 강도 임계치가 초과됨)은 무시해야 한다.
예를 들어 입자의 분산을 개선하기 위해 처리가 적용되는 경우, 입자 평균 직경의 측정은 이러한 처리 후에 수행되어야 한다.
보통 측정은 각각 수 초의 전형적인 지속 시간의 적합한 수의 자기상관 함수 콜렉션(예를 들어 200개의 콜렉션의 세트)으로 이루어지며 상기에 설명된 임계치 기준에 따라 시스템에 의해 수용된다. 이어서 장비 제조자의 소프트웨어 패키지에 보통 포함되어 있는, 소프트웨어 패키지로서 입수가능한 Contin 알고리즘을 사용하여 시간 자기상관 함수의 기록의 전체 세트에 대해 데이터 분석을 수행한다.
본 발명에 따른 압력 감지 층에 사용되는 전도성 또는 반전도성 충전제는 1에 가까운 종횡비를 특징으로 하는 구형 형상으로부터 벗어날 수 있다.
판상 입자가 또한 적합하다. 전형적으로, 판상 입자는, 플레이트와 유사하거나 플레이트의 형상을 갖는 입자로 본질적으로 이루어지거나 심지어 이루어지며, 즉, 입자는 편평하거나 거의 편평하며 그의 두께는 다른 두 치수와 비교하여 작다.
침상 입자가 또한 적합하다. 전형적으로, 침상 입자는, 바늘과 유사하거나 바늘의 형상을 갖는 입자로 본질적으로 이루어지거나 심지어 이루어진다.
마지막으로, 섬유질 입자가 또한 당업자에게 알려져 있다. 전형적으로, 섬유질 입자는, 섬유와 유사하거나 섬유의 형상을 갖는 입자로 본질적으로 이루어지거나 심지어 이루어지며, 즉, 입자는 가늘고 매우 길며, 그의 길이는 다른 두 치수와 비교하여 더 크다. 특히 강화 증가의 목적을 위해, 본 발명에 따른 압력 감지 층에 유리하게 함유되는 섬유질 입자는
- 수 평균 종횡비가 전형적으로 5 초과, 바람직하게는 10 초과 그리고 더욱 바람직하게는 15 초과이고;
- 수 평균 길이가 전형적으로 50 ㎛ 이상, 바람직하게는 100 ㎛ 이상 그리고 더욱 바람직하게는 150 ㎛ 이상이고;
- 수 평균 직경이 전형적으로 25 ㎛ 미만, 바람직하게는 20 ㎛ 미만, 그리고 더욱 바람직하게는 15 ㎛ 미만이다.
본 발명에 따른 압력 감지 층 내의 다공성 매트릭스 재료의 평면도 SEM 이미지의 이미지 처리를 사용하여 결정된 평균 기공 직경은 바람직하게는 0.1 내지 200 ㎛의 범위, 바람직하게는 0.5 내지 100 ㎛의 범위 그리고 더욱 더 바람직하게는 1 내지 50 ㎛의 범위이다. 일부 경우에 10 내지 30 ㎛의 평균 기공 직경이 유익한 것으로 밝혀졌다.
SEM은 광범위한 배율, 높은 피사계 심도를 허용하며 이미지 분석을 위한 디지털 데이터 피트(digital data fit)를 생성하기 때문에 기공 구조의 정량 분석에 매우 적합하다. SEM은 광학 현미경과 TEM의 최상의 측면을 겸비한다.
평균 기공 직경을 결정하기 위한 전형적인 절차가 다음과 같이 더욱 상세하게 기술된다:
소프트웨어 패키지 ImageJ를 사용한 화상의 그레이 스케일 분석을 수행하여, 기공의 내부 면적을 선택하기 위해 화상을 임계화하고 이어서 입자 분석 패키지를 사용함으로써 기공 크기 분포를 결정한다. 이 절차는 기공 면적 분포의 확인을 가능하게 한다. 기공이 구형 형상을 갖고 그의 중심을 통해 절단되어 그의 등가의 큰 원을 나타내는 것으로 가정하면, 기공 크기 D는 표면적 A로부터 등가 직경으로 추출된다, 즉 D=2sqrt(A/pi). 기공 크기의 평균 및 표준 편차는 몇몇 화상(예를 들어 주어진 샘플에 대해 10개의 화상)에 걸쳐 기공 크기 분포를 누적하는 통계 분석을 통해 얻어진다.
본 발명의 또 다른 바람직한 실시 형태에 따르면, 본 발명의 압력 감지 층 내의 다공성 매트릭스 재료는 외부 압력의 부재 시에 비전기전도도(specific electric conductivity)가 10-5 내지 10-12 S/m의 범위, 바람직하게는 10-6 내지 10-9 S/m의 범위이다.
전기전도도 또는 비전도도는 전기 저항률의 역수이며, 재료가 전류를 전도하는 능력을 측정한다.
압정전용량형 장치, 즉 외부 압력 인가 시 커패시턴스의 변화를 이용하는 장치의 경우, 재료가 전도성으로 되지 않으면서 재료의 높은 상대 유전율(유전 상수)을 얻는 것이 바람직하다.
양호한 압정전용량형 센서로 간주되기 위해 기계적 압축 하에서 상대적 커패시턴스 변화 ΔC/Co(Co는 외부 압력이 인가되지 않은 커패시턴스를 나타내는 한편 ΔC는 주어진 압력의 인가 시 커패시턴스의 변화를 나타냄)의 큰 변화를 얻는 것이 바람직하다. 전도성 충전제 양의 증가는 ΔC/Co의 변화를 증가시킨다.
상대 유전율은 유전체로서 진공을 갖는 유사한 커패시터와 비교한, 유전체로서 그러한 재료를 사용하는 커패시터의 커패시턴스 비이다. 상대 유전율은 또한 유전 상수 ε로 일반적으로 알려져 있다. 유전율은 재료 내의 2개의 점전하 사이의 쿨롱 힘에 영향을 주는 재료 특성이다. 상대 유전율은 전하들 사이의 전기장이 진공에 비해 감소되는 인자이다.
상대 유전율은 일반적으로 복소수 값(complex-valued)인 무차원 수이며; 그의 실수부 및 허수부는 다음과 같이 표시된다:
ε = ε' - i ε''
여기서, ε'는 유전율의 실수부이고 ε''는 유전율의 허수부이다.
상대 유전율은, 커패시터를 설계할 때 그리고 재료가 회로에 커패시턴스를 도입할 것으로 예상되는 다른 상황에서 필수 정보 부분이다. 높은 상대 유전율을 갖는 재료가 전기장 내에 배치되는 경우, 그러한 장의 크기는 유전체의 부피 내에서 측정가능하게 감소될 것이다.
커패시턴스는 본체가 전하를 저장하는 능력이다. 커패시터의 커패시턴스는 오직 설계의 기하학적 구조(예를 들어 플레이트의 면적 및 그들 사이의 거리) 및 커패시터의 플레이트들 사이의 유전 재료의 유전율의 함수이다.
도체의 기하학적 구조 및 도체들 사이의 절연체의 유전 특성이 알려져 있는 경우 커패시턴스가 계산될 수 있다. 커패시턴스 C는 상대 유전율에 정비례하고 커패시터의 플레이트들 사이의 거리에 반비례한다.
외부 압력의 인가 시에, 본 발명의 압력 감지 층 내의 다공성 매트릭스 재료 내의 기공의 기공 벽들의 거리가 감소되어, 커패시터의 커패시턴스를 증가시킨다. 이는 주어진 압력에서 ΔC에 대한 값을 산출한다. 커패시터의 플레이트들 사이의 재료의 상대 유전율이 높을수록, ΔC가 더 높아진다. 따라서, 감도를 최적화하기 위해서는 가능한 한 높은 상대 유전율을 달성하는 것이 필요하다.
본 발명에 따른 상대 유전율은 바람직하게는 다음과 같이 측정된다: 샘플, 바람직하게는 필름 형태의 샘플을 2개의 금속성 디스크 전극 사이에 개재시키고 임피던스 분석기(BioLogic 임피던스 분석기 MTZ-35)를 사용하여 1 V의 인가된 전압 하에서 10 내지 106 Hz의 주파수 범위에서 유전율을 측정한다.
본 발명에 따른 압력 감지 층 내의 다공성 매트릭스 재료(뿐만 아니라 그러한 다공성 매트릭스 재료를 포함하는 필름)의 상대 유전율(유전 상수)은 특별히 제한됨이 없이 넓은 범위에 걸쳐 있을 수 있다. 유전율이 높을수록, 압력 감지 응용의 감도가 더 높다. 유전율의 상한은 전도성으로 되는, 즉 전도도가 10-4 S/m을 초과하는, (다공성 매트릭스 재료 및 충전제를 포함하는) 복합 재료에 의해 정의된다. 3 내지 200 범위, 바람직하게는 5 내지 190 범위의 유전율이 달성될 수 있다.
그러나, 재료가 전도성이 되는 것은 바람직하지 않다.
기공 내의 전도성 충전제의 양이 증가하면 상대 유전율이 증가하지만, 일단 퍼콜레이션 점(percolation point)에 도달하면, 재료가 전도성으로 되며 이는 바람직하지 않다. 전도성 충전제를 폐쇄 다공도 부피 분획 내에 국한시키는 것은 퍼콜레이션 점에 도달하는 데 필요한 충전제의 양을 증가시켜, 낮은 전도도를 유지하면서 상대 유전율을 현저히 증가시키고, 이는 외부 압력이 인가되고 기공 벽들 사이의 거리가 감소될 때 신호를 개선한다.
전반적으로, 이는 다공성 매트릭스 재료를 포함하는 압력 감지 층의 매우 양호한 감도를 초래한다.
본 발명의 바람직한 실시 형태에 따르면, 충전제의 양은 다공성 매트릭스 재료와 충전제의 전체 중량을 기준으로 0.1 내지 15 중량%의 범위, 바람직하게는 0.5 내지 12 중량%의 범위이다.
퍼콜레이션 점에 가깝거나 그를 초과하는 전도성 충전제 양의 경우, 전체 재료를 전도도가 낮은 비-전도성 최종 생성물로 전환하기 위하여, 비-전도성 재료의 추가 층이 압력 감지 층의 상부에 코팅될 수 있다.
다공성 매트릭스 재료의 다공성 미세구조는 균질한 재료에서는 달성될 수 없는 등가 탄성 계수를 갖는 재료를 달성할 수 있게 한다. 다공성 구조는 비-다공성 유전체 층과 비교하여 유전체 층의 현저한 변형을 허용한다. 이러한 증가된 변형가능성은 압축 하에서의 커패시턴스의 큰 변화를 초래한다.
압력 감지 층 상에 코팅된 비-전도성 재료의 절연층을 사용하면 전체 전도도가 감소되며, 이는 기공 내에서 퍼콜레이션 임계치 초과로 전도성 충전제의 양을 증가시켜 상대 유전율을 추가로 증가시킨다.
적합한 비-전도성 재료는 예를 들어 폴리디알킬실록산, 특히 폴리디메틸 실록산(PDMS) 및 폴리에스테르, 바람직하게는 폴리에틸렌 테레프탈레이트 중합체이다. 소정 응용 사례에서 이축 배향 폴리에틸렌 테레프탈레이트 필름의 층이 특히 유리한 것으로 밝혀졌다. 단지 그러한 필름에 대한 예로서, DuPont으로부터 구매가능한 제품인 Mylar® 또는 Mitsubishi Chemical Corporation으로부터 입수가능한 Hostaphan®이 언급될 수 있다.
본 발명의 다른 실시 형태는 본 발명에 따른 압력 감지 층으로 코팅된 기판에 관한 것이다. 그러한 기판이 어떻게 수득될 수 있는지에 대한 상세 사항은 본 발명에 따른 압력 감지 층을 얻기 위한 본 발명에 따른 방법과 관련하여 이하에 기술될 것이다.
본 발명의 다른 실시 형태는 적어도 하나의 전극 및 전술된 바와 같은 적어도 하나의 압력 감지 층을 포함하는 압력 감지 장치에 관한 것이다.
적합한 전극은 전기 전도성 재료로 제조될 수 있다. 본 발명에 따른 압력 감지 장치에 적합한 전극은 숙련자에게 알려져 있는 임의의 방법에 의해 수득될 수 있으므로 여기에 추가 상세 사항이 주어질 필요는 없다.
적합한 전극은 예를 들어 Au, Ag, Pt, Al, Ni, Pd, Cu, Mo, Ti, Cr, W, Al-Cu 합금, ITO(인듐 주석 산화물), (PEDOT(폴리-3,4-에틸렌디옥시티오펜), 특히 PEDOT-PSS(폴리-3,4-에틸렌디옥시티오펜 폴리스티렌 술포네이트) 또는 PANI(폴리아닐린)과 같은) 전도성 중합체 및 (탄소 나노튜브, 탄소 나노혼, 그래파이트, 그래핀 및 카본 블랙과 같은) 탄소계 재료로 이루어진 군으로부터 선택되는 재료를 포함할 수 있다. 바람직한 전극은 Ag, Au, Pt 또는 PEDOT/PSS를 포함하며 더욱 바람직한 전극은 Ag 또는 PEDOT/PSS를 포함한다.
본 발명에 따른 압력 감지 장치 내의 전극은 보통 평균 두께가 100 μm를 초과하지 않고, 바람직하게는 50 μm를 초과하지 않고, 더욱 바람직하게는 20 μm을 초과하지 않는다. 전극 층의 두께는 전기 전도성 재료에 따라 그리고 압력 감지 층 상에 전기 전도성 재료를 증착하는 데 사용되는 공정에 따라 좌우된다. 증착에 사용되는 공정은 숙련자에게 잘 알려진 임의의 공정일 수 있다.
본 발명에 따른 압력 감지 장치 내의 전극은 압력 감지 층과 밀접 접촉할 수 있거나 밀접 접촉하지 않을 수 있다.
이격층이 적어도 하나의 전극과 압력 감지 층 사이에 추가될 수 있다. 이는 감도의 조정을 가능하게 한다. 전극과 이격층 사이의 계면은 접착성일 수 있거나 아닐 수 있으며 이격층과 압력 감지 층 사이의 계면은 접착성일 수 있거나 아닐 수 있다.
일 실시 형태에 따르면, 압력 감지 층은 한 쌍의 감지 전극 사이에 위치될 수 있다. 압력 감지 층의 일면 상에 위치된 각각의 전극은 바람직하게는 압력 감지 층의 다른 면 상에 위치된 적어도 다른 전극과 적어도 하나의 중첩 부분을 나타낸다.
일 실시 형태에 따르면, 압력 감지 층의 적어도 하나의 면 상의 전극은 전도성 패드들의 어레이에 상응하도록 패턴화될 수 있거나, 더 간단하게는 연속적이고 비패턴화될 수 있다.
전도성 패드들의 어레이의 패턴화는 전극 중첩 영역에 위치된 센서들의 어레이를 생성한다.
도 2 및 도 3은 보호층(21, 31), 하부 전극(22, 32), 압력 감지 층(23, 33), 상부 전극 (24, 34) 및 봉지재(25, 35)를 포함하는, 본 발명에 따른 예시적인 압력 감지 장치를 나타낸다. 실시 형태들 사이의 차이는 도 3에서 상부 전극(34)이 패턴화된다는 사실에 있다.
진동 잡음 및 온도 변화와 같은 어레이의 센서들에 일반적일 수 있는 신호를 없애기 위해, 어레이의 상이한 센서들로부터의 신호가 차동 모드로 사용될 수 있다.
압력 감지 층의 표면 상에 기하학적으로 분포된 복수의 전극의 사용은, 신호원이 압력 감지 층의 작은 부분에 국한되는 경우 신호 검출을 향상시킬 수 있다.
또 다른 실시 형태에서, 압력 감지 층은 전극과 전극들의 어레이 사이에 위치될 수 있다.
압력 신호로 인한 커패시턴스의 변화는 압력 인가에 반응하여 압력 감지 층의 두께가 변화한 결과 및/또는 압력 인가 하에서 2개의 전극 사이에 개재된 압력 감지 층의 등가 상대 유전율(유전 상수)의 변경(이는 압정전용량 효과에 상응함)의 결과일 수 있다.
추가의 실시 형태에서, 패턴화될 때 감지 전극들은 압력 감지 층의 동일한 면 상에 위치될 수 있으며 바람직하게는 깍지형일 수 있다.
숙련자는, 그의 전문 지식에 기초하여, 깍지형 전극을 제조하기에 적합한 기술을 알고 있으며, 목표로 하는 특정 응용 사례에 기초하여, 적합한 재료 및 공정을 선택할 것이므로 여기에 추가 상세 사항이 주어질 필요는 없다.
전극이 깍지형인 경우에, 신호는 전극 평면에 직교하는 영역에서 전기장 라인을 따라 위치된 재료의 변형으로부터 생길 수 있다.
도 1은 4개의 센서 유닛을 포함하는 깍지형 센서 어레이를 기술한다. 신호는 제1 센서의 경우 커넥터(2)와 접지(1) 사이, 제2 센서의 경우 커넥터(3)와 접지(1) 사이, 제3 센서의 경우 커넥터(4)와 접지(6) 사이 그리고 제4 센서의 경우 커넥터(5)와 접지(6) 사이의 커패시턴스 변화를 측정함으로써 추출될 수 있다.
압력 감지 장치가 오직 하나의 전극만을 포함하는 실시 형태에서, 압력 감지 층은 전극과 압력 신호의 원점 사이에 위치된다.
전술된 하나 초과의 전극을 사용하는 실시 형태에 대해서, 전극은 압력 감지 층과 밀접 접촉할 수 있거나 또는 밀접 접촉하지 않을 수 있으며 전극과 압력 감지 층 사이에 이격층이 추가될 수 있다. 이는 감도의 조정을 가능하게 한다. 전극과 이격층 사이의 계면은 접착성일 수 있거나 아닐 수 있으며 이격층과 압력 감지 층 사이의 계면은 접착성일 수 있거나 아닐 수 있다.
오직 하나의 전극만 존재하는 경우, 전극은 전극에 의해 수행되는 커패시턴스 변화를 통한 전기적 압력 감지를 위해 압력 신호의 원점에 "충분히 가까워야" 한다.
압력 감지 층은 더 우수한 신호 추출을 가능하게 하기 위해 전극과 조합하여 사용될 수 있다.
더욱 구체적으로, 압력 감지 층은 전극을 압력 신호의 원점과 기계적으로 커플링함으로써 층의 두께 및 조성에 따라, 전극의 감도를 기계적으로 조절하고/하거나, 신호 대 잡음 비를 조절하고/하거나, 신호 강도를 감소시키거나, 또는
압력 감지 층은 전극과 압력 신호의 원점 사이의 프린징 장(fringing field) 분포를 변화시킴으로써 층의 두께 및 조성에 따라, 전극의 감도를 전기적으로 조절하고/하거나, 신호 대 잡음 비를 조절하고/하거나, 신호 강도를 감소시키거나, 또는
압력 감지 층은 압력 신호의 원점으로부터 전극을 기계적으로 그리고 전기적으로 분리시킬 수 있어서, 전극에 의한 신호 추출의 강건성(robustness)을 향상시키거나, 또는
압력 감지 층은, 특히 웨어러블 장치의 경우에, 층의 두께 및/또는 조성을 변화시킴으로써 장치의 강성 및/또는 편안함 및/또는 순응성(conformability)을 조정하는 데 사용될 수 있다.
압력 감지 층 내의 다공성 매트릭스 재료는 전기 전도도를 갖는 한편 조성을 다소 변화시킴으로써 조정될 수 있는 높은 상대 유전율을 나타낸다. 더욱이, 그의 등가 탄성 계수는 또한 조성을 다소 변화시킴으로써 용이하게 조정될 수 있다.
조정가능한 상대 유전율은 전극과 압력 신호의 원점 사이의 프린징 장 분포를 최적화하고 조절하는 데 사용될 수 있다. 매우 낮고 조정가능한 탄성 계수는 압력 신호의 원점에서 표면을 수용하기 위해 사용될 수 있다.
압력 감지 층의 일면 상에 위치된 전극은 전도성 패드들의 어레이에 상응하도록 패턴화될 수 있거나, 더 간단하게는 연속적이고 비패턴화될 수 있다.
전도성 패드들의 어레이의 패턴화는 센서들의 어레이를 생성한다. 이 경우에, 압력 감지 층은 전극을 분리하기 위한 전자기 차폐물로서 사용될 수 있다.
진동 잡음 및 온도 변화와 같은 어레이의 센서들에 일반적일 수 있는 신호를 없애기 위해, 어레이의 상이한 센서들로부터의 신호가 차동 모드로 사용될 수 있다. 다수의 두께의 활성 감지 층 또는 다수의 조성의 활성 감지 층을 사용하는 경우, 환경 조건의 변화로 인한 기준선 이동을 제거하기 위해, 저감도 센서 회로가 사용될 수 있다.
압력 감지 층의 표면 상에 기하학적으로 분포된 복수의 센서의 사용은, 신호원이 압력 감지 층의 작은 부분에 국한되는 경우 신호 검출을 향상시킬 수 있다.
압력 감지 층의 표면 상에 기하학적으로 분포된 복수의 센서의 사용은 신호원의 원점을 공간적으로 국한시키고, 다수의 신호원이 고려되는 경우 신호원들을 구별할 수 있게 한다.
전술된 압력 감지 층 및 압력 감지 장치는 보통 보호층의 목적으로 추가 층을 포함할 수 있다.
그러한 보호층은 환경 안정성 및 내습성을 제공하기 위해 사용될 수 있다. 웨어러블 장치의 경우에, 이는 바람직하게는 피부 적합성 중합체 층이다. 이는 예를 들어 PE 또는 PP와 같은 폴리올레핀, PET과 같은 폴리에스테르, PDMS와 같은 실록산 중합체, 폴리이미드, VDF계 중합체 또는 PTFE와 같은 플루오르화 중합체 또는 폴리아미드로 이루어진 목록으로부터 선택되는 재료를 포함한다. 특정 실시 형태에서, 보호층은 압력 감지 층일 수 있다. 다른 특정 실시 형태에서, 보호층은 하부 전극 층으로서 작용할 수 있다.
그러한 보호층은 보통 평균 두께가 100 μm를 초과하지 않고, 바람직하게는 50 μm를 초과하지 않고, 더욱 바람직하게는 20 μm를 초과하지 않는다. 보호층은 그의 기능적 특성을 유지하기만 한다면 매우 얇을 수 있다.
압력 감지 층 또는 압력 감지 장치는 봉지재 재료 내에 봉지될 수 있다. 도 2 및 도 3은 예시적인 실시 형태를 나타낸다. 봉지재 재료는 보호층의 재료와 동일하건 상이할 수 있다.
바람직한 실시 형태에서, 봉지재 층 및 보호층은 동일한 재료로 제조될 수 있다.
바람직한 실시 형태에서, 전극들의 어레이는 시스템의 상부에 위치되며 하부 전극은 연속적이다.
압력 신호로 인해 커패시턴스 변화가 작은 경우, 신호를 증폭시키고/시키거나 필터링하는 것이 유리할 수 있다. 예를 들어, 커패시턴스 변화 신호는 활성 감지 층을 전계 효과 트랜지스터(FET)의 게이트 상에 장착함으로써 증폭될 수 있다.
본 발명의 다른 실시 형태는
a) 압력 변화에 반응하여 커패시턴스 변화 신호를 제공하는 본 발명에 따른 적어도 하나의 압력 감지 층 또는 압력 감지 장치,
b) 전원 공급 장치,
c) 압력 감지 층에 의해 제공된 커패시턴스 변화 신호를, 선택적으로 신호에 대한 필터 및 증폭기에 의해, 아날로그 또는 디지털 전기 신호로 변환할 수 있는 적어도 하나의 신호 변환 유닛,
d) 적어도 하나의 마이크로컨트롤러 유닛으로서, 신호 변환 유닛 c)에 의해 제공된 아날로그 신호를 디지털화할 수 있고/있거나 적어도 하나의 신호 변환 유닛 c)와 디지털 통신할 수 있고, 적어도 하나의 제어 유닛 내에 판독가능한 코드로 저장된 적합한 알고리즘을 사용하여 적어도 하나의 신호 변환 유닛 c)로부터 수득된 신호를 다른 포맷으로 변환할 수 있는, 적어도 하나의 마이크로컨트롤러 유닛, 및 선택적으로
e) 마이크로컨트롤러 유닛에 의해 제공된 데이터를 데이터 수신 장치로 전송하기 위한 적어도 하나의 데이터 전송 수단, 및/또는
f) 마이크로컨트롤러 유닛 d) 또는 적어도 하나의 데이터 전송 수단 e)에 의해 제공된 데이터를 사용자에게 전달하기 위한 수단을 포함하는, 압력 감지 모니터에 관한 것이다.
도 4 내지 도 7은 웨어러블 장치 형태의 본 발명에 따른 압력 감지 모니터의 예시적인 실시 형태를 도시한다.
압력 감지 장치(401, 501, 601, 701)는 하나 이상의 전극(402, 502, 602, 702), 본 발명에 따른 압력 감지 층(403, 503, 603, 703) 및 보호층(404, 504, 604, 704)을 포함한다. 압력 변화로 인한 커패시턴스의 변화(405, 505, 605, 705)가 감지되고 데이터 전송 유닛(407, 507, 607, 707), 마이크로컨트롤러 유닛(408, 508, 608, 708) 및 전원 공급 장치(409, 509, 609, 709)를 포함하는 신호 변환 유닛(406, 506, 606, 706)을 포함하는 전자 장치(410, 510, 610, 710)로 보내진다.
도 4의 실시 형태에 따르면 통신 신호(412)는 데이터 통신 수단을 나타내는 스마트폰(411)으로 보내진다. 스마트폰은 데이터 전송 유닛(413), 환자 인증 수단(414), 환자 통지 수단(415), 데이터 분석 수단(416), 결과 분석 수단(417) 및 데이터 저장 수단(418)을 포함한다.
도 5의 실시 형태에서, 통신 신호(512)는 데이터 통신 수단을 나타내는 스마트폰(511)으로 보내진다. 스마트폰은 데이터 전송 유닛(513), 환자 인증 수단(514) 및 환자 통지 수단(515)을 포함하며 클라우드(519)의 요소로서의, 데이터 분석 수단(516), 결과 분석 수단(517) 및 데이터 저장 수단(518)에 대해 인터넷 연결(520)을 갖는다.
도 6의 실시 형태에 따르면, 전자 장치는 메모리 유닛(621)을 추가로 포함한다. 통신 신호(612)는 데이터 통신 수단을 나타내는 스마트폰(611)으로 보내진다. 스마트폰은 데이터 전송 유닛(613), 환자 인증 수단(614) 및 환자 통지 수단(615)을 포함하며 클라우드(619)의 요소로서의, 데이터 분석 수단(616), 결과 분석 수단(617) 및 데이터 저장 수단(618)에 대해 인터넷 연결(620)을 갖는다.
도 7의 실시 형태에서, 전자 장치(710)는 디스플레이 장치(722)를 추가로 포함하며, 이는 사용자 인터페이스(724)를 통해, 환자 인증 수단(714) 및 환자 통지 수단(715)에 연결된다. 통신 신호(712)는 데이터 전송 유닛(713)을 포함하는 게이트웨이(723)로 보내지고, 이는 인터넷 연결을 통해, 데이터 분석 수단(716), 결과 분석 수단(717) 및 데이터 저장 수단(718)을 포함하는 클라우드(719)에 연결된다.
도 4 내지 도 7의 블록도에서 압력 감지 장치는 센서로 지칭되며, 전원 공급 장치는 배터리로 지칭되고, 신호 변환 유닛은 신호 컨디셔닝으로 표시되고, 마이크로컨트롤러 유닛은 MCU로 지칭되고 데이터 전송 수단은 통신으로 지칭된다. 스마트폰은 데이터 통신 수단을 나타낸다.
본 발명의 압력 감지 모니터의 전원 공급 장치는 모니터의 요소에 전원을 공급한다. 이는 바람직하게는 충전식 배터리 유닛 또는 일차 배터리 유닛으로 제조되며 전원 관리 유닛을 포함할 수 있다. 바람직하게는 전원 관리 유닛은 외부 전원 공급 장치로부터 입수한 전기 에너지를 충전식 배터리 유닛에 허용가능한 값으로 변경할 수 있다. 충전식 배터리 유닛 및/또는 일차 배터리 유닛은 가요성일 수 있다. 일차 배터리 유닛은 임의의 일차 전기 에너지 저장 전지일 수 있다. 충전식 배터리 유닛은 임의의 충전식 전기 에너지 저장 전지일 수 있다. 알려져 있으며 본 문헌에 기술된 임의의 전원 관리 유닛이 사용될 수 있다.
신호 변환 유닛은 커패시턴스의 변화를 아날로그 또는 디지털 신호로 변환한다. 이는 예를 들어 교류 브릿지 감지 회로, 커패시턴스-전압 변환기, 커패시턴스-주파수 변환기, 커패시턴스-전류 변환기, 커패시턴스-펄스 폭 변환기, 정전용량형-디지털 변환기, 차동 정전용량형 감지 변환기, 저전력 차동 커패시턴스 감지 저잡음 또는 저전력 차동 커패시턴스 감지 회로로 이루어진 군으로부터 선택될 수 있다. 각각의 유닛은 숙련자에게 알려져 있으며 문헌에 기재되어 있고 다양한 공급처로부터 구매가능하므로 여기에 추가 상세 사항이 주어질 필요는 없다.
F. Aezinia의 PhD 논문(Design of Interface circuits for capacitive sensing applications, pages 22 to 27)은 일부 예시적인 적합한 신호 변환 유닛을 기술한다.
마이크로컨트롤러 유닛 d)는 신호를 디지털화하는 데 사용될 수 있다. 이것은 디지털 데이터에 대한 수학적 계산, 예컨대 센서 데이터의 통합, 또는 신호 변환, 예컨대 푸리에 변환(Fourier Transform)을 수행할 수 있다. 이는 보통 마이크로컨트롤러 유닛 내에 판독가능한 코드로서 저장된 적합한 알고리즘을 사용하여 달성된다.
선택적으로 데이터 전송 수단 e)는 마이크로컨트롤러 유닛 d)의 처리된 데이터를 예를 들어 호스트 컴퓨팅 장치와 같은 데이터 수신 장치로 전송하기 위해 존재할 수 있으며, 예를 들어 처리된 데이터는 Bluetooth® 무선 통신용으로 포매팅될 수 있다.
데이터 전송 수단은 압력 감지 모니터에 의해 감지된 압력 신호에 관련된 다양한 서비스를 제공하기 위해 다른 장치에, 예를 들어 서비스 제공자에 연결하는 데 사용될 수 있다. 서비스 제공자는 예를 들어 클리닉이어서, 클리닉이 압력 감지 모니터의 사용자의 건강 모니터링에 관련된 다양한 서비스를 제공하게 할 수 있다. 데이터 전송 수단은 또한 획득된 신호에 대한 정보 및 감지된 압력 신호로부터 계산된 데이터를, 데이터를 Bluetooth® 무선 통신용으로 포매팅함으로써, 스마트폰 또는 컴퓨터와 같은 외부 장치로 전송할 수 있다. 적합한 통신 수단은 숙련자에게 알려져 있으며 다양한 공급처로부터 구매가능하므로 여기에 추가 상세 사항이 주어질 필요는 없다. 숙련자는 그의 전문적인 경험 및 장치가 의도되는 특정 응용 사례에 기초하여 데이터 전송 수단을 선택할 것이다.
선택적으로 마이크로컨트롤러 유닛 d) 또는 적어도 하나의 데이터 전송 수단 e)에 의해 사용자에게 제공되는 데이터를 통신하는 수단 f)이 존재할 수 있다. 그러한 수단은, 예를 들어, 획득된 신호에 대한 정보 및 감지된 압력 신호(이러한 감지된 압력 신호는 예를 들어 후술되는 바와 같은 혈류역학적 활동으로부터 유래된 것일 수 있음)를 반영하는 그로부터 계산된 데이터를 나타내는 디스플레이일 수 있다. 또한, 데이터를 적합한 방식으로 디스플레이하기 위한 각각의 수단 및 각각의 장치는 알려져 있으며 종래 기술에 기술되어 있으므로 여기에 추가 상세 사항이 주어질 필요는 없다. 숙련자는 그의 전문 지식 및 특정 응용 사례에 기초하여, 존재하는 경우, 적합한 디스플레이 장치를 선택할 것이다.
바람직한 실시 형태에 따르면, 압력 변화는 맥파 이벤트이므로, 압력 감지 장치 또는 압력 감지 모니터는 작은 압력 변화에 의해 생성되는 맥파 파형 신호를 산출한다. 이러한 신호는 이어서 예를 들어 심박수, 심박 변이도 및 혈압과 같은 혈류역학적 활동으로부터의 다양한 혈류역학 파라미터를 계산하는 데 사용될 수 있다.
본원에 사용될 때, 용어 "맥파 이벤트"는 바람직하게는 심장 박동에 의해 야기되거나 심장 박동을 나타내는 혈류역학 반응 및/또는 속성(예를 들어 심근 수축, 심장 박동 또는 심음, 혈압 또는 혈류 속도 변화 등)을 지칭하거나 그를 포함한다.
용어 "맥파 파형"은, 예를 들어 심장이 수축하고 동맥 트리(arterial tree)의 동맥벽을 따라 파가 이동할 때 심장에 의해 발생되는 동맥 맥파 파형과 같은, 맥파 이벤트에 의해 발생되는 신호 또는 파 형상을 지칭하거나 그를 포함한다.
용어 "혈류역학 또는 혈류역학 파라미터"는 신체의 기관, 혈관 및 조직 내의 혈류와 관련된 파라미터를 지칭하거나 그를 포함한다. 예시적인 혈류역학 파라미터에는 확장기 혈압, 수축기 혈압, 동맥 경직도 및 혈액량이 포함되지만 이로 한정되지 않는다.
또 다른 바람직한 실시 형태에 따르면, 적어도 하나의 마이크로컨트롤러 유닛 c)은 적어도 하나의 신호 변환 유닛 b)로부터 수득된 신호를 혈류역학 파라미터로 변환한다.
마이크로컨트롤러 유닛 c)는 (예를 들어 맥파 이벤트에 기인하는 압력 차이 및/또는 용량 변화를 모니터링하는) 알고리즘을 수행하기 위한 프로그램 코드(명령어의 세트 또는 세트들로서 실행될 프로그램) 및/또는 관련 혈류역학 파라미터 및/또는 그러한 특정 파라미터 감지와 관련된 문헌에 기술된 바와 같은 더 복잡한 알고리즘을 저장하기 위한 메모리 회로를 포함하는 마이크로컴퓨터 또는 다른 CPU를 포함할 수 있다. 그러한 프로세스/알고리즘은 특정 응용에 적절한 대로 관련 단계, 기능, 작동, 활동을 수행하도록 구체적으로 구현될 것이다.
심박수는 맥파 파형의 푸리에 변환에 의해 계산될 수 있다. 심박수는 맥파 파형의 푸리에 변환이 피크를 나타내는 주파수의 역수에 상응한다. 이러한 계산 단계는 유리하게는, 예를 들어, 10Hz의 컷오프 주파수를 사용하여, 맥파 파형의 푸리에 변환에서 예를 들어 저역 필터를 사용하여, 신호의 필터로 진행하는 데 사용될 수 있다. 심박수 값은 일정 기간에 걸쳐 평균될 수 있다(예를 들어, 15초).
심박 변이도는 개별 심박수 값의 분포로부터 결정될 수 있다.
혈압은 맥파 파형으로부터 다양한 방식으로 계산될 수 있다.
맥파 파형의 형상 및 다른 특징은 혈압과 상관될 수 있다.
혈압의 변화는 팽창식 커프(inflatable cuff) 데이터에 대해 보정된 동맥 라인에 의한 것과 같은 데이터를 우선 보정함으로써 모니터링될 수 있다.
다양한 상이한 기술이 맥파 파형을 분석하는 데 및/또는 특징 분석 및 전산 유체 역학을 포함하는 다양한 혈류역학 파라미터를 결정하는 데 사용될 수 있다. 예를 들어, 혈류역학적 현상에 기인하는 특징은 혈압, 동맥 경직도, 및 다른 혈류역학 파라미터와 상관될 수 있다. 혈류역학적 현상에 기인하는 특징에 대한 더 일반적이고 구체적인 정보에 대해서는 문헌[Cecelia, Marina, and Phil Chowienczyk. "Role of Arterial Stiffness in Cardiovascular Disease." JRSM Cardiovascular Disease 1.4 (2012): cvd.2012.012016, PMC, Web. 31 Jan. 2017]; 문헌[David A. Donley et al, "Aerobic exercise training reduces arterial stiffness in metabolic syndrome" Journal of Applied Physiology published 1 June 2014, Voll l6, no. 11, 1396-1404]; 문헌[Baruch, Martin C, et al "Validation of the pulse decomposition analysis algorithm using central arterial blood pressure." Biomedical engineering oriHne 13.1 (2014): 96.] 및 문헌[Munir, Sbahzad, et al. "Peripheral augmentation index defines the relationship between central and peripheral pulse pressure. " Hypertension 51.1 (2008): 112-118]을 참조하며, 이들 각각은 본원에 완전히 포함된다. 다른 예로서, 증대 지수(augmentation index, AI), (말초 제2 수축기 혈압(pSBP2) - 확장기 혈압(DBP))/(말초 수축기 혈압(pSBP) - DBP)는 동맥 경직도에 대한 표지로서 사용될 수 있으며 말초 및 중심 피크 혈압(pPP & cPP) 둘 모두와 상관될 수 있다. AI는 정규화된 파라미터이며 절대 보정 없이 분석될 수 있다. 전산 유체 역학 기술은 맥파 속도 및/또는 파형 형상과 같은 계산된 파라미터에 대한 탄성 파이프의 네트워크로서 및/또는 인덕터 커패시터 저항기(LCR) 회로로서 혈관 구조를 모델링하는 것을 포함할 수 있다. 혈류역학 파라미터를 결정하는 데 사용되는 전산 유체 역학과 관련된 더 일반적이고 구체적인 정보에 대해서는 문헌[Lee, Byoung-Kwon, "Computational fluid dynamics in cardiovascular disease", Korean circulation journal 41.8 (2011): 423-430], 및 문헌[Xiaoman Xing and Mingshan Sun, "Optical blood pressure estimation with photoplethysmography and FFT-based neural networks," Biomed. Opt. Express 7, 3007-3020 (2016)]을 참조하며, 이들 각각은 추가 정보에 대해 본원에 완전히 포함된다.
혈관벽의 탄성 특성에 대한 가정과 함께 (예를 들어 광혈류측정(photoplethysmography, PPG)에 의해 얻어지는) 맥파 파형과 혈압 사이의 관계를 도출하는 데 사용될 수 있는 한 가지 모델은 국제 특허 공개 WO2017/172978호, 섹션 00108 이하에 기재되어 있으며, 추가 정보에 대해서는 이를 참조한다.
다양한 기술이 맥파 파형을 혈압 값과 상관시키는 데 사용될 수 있다. 맥파 파형을 혈압 값과 상관시키는 것과 관련된 더 일반적이고 구체적인 정보에 대해서는 문헌[Xing, Xiaoman, and Mingshan Sun. "Optical Blood Pressure Estimation with Photoplethysmography and FFT-Based Neural Networks", Biomedical Optics Express 7.8 (2016): 3007-3020], 및 http://cs229.stanford.edu/proj2014/Sharath%20Ananth,Blood%20Pressure%20Detection%20from%20PPG.pdf를 참조하며, 이들 각각은 본원에 완전히 포함된다.
본 발명에 따른 압력 감지 모니터 또는 압력 감지 장치는 웨어러블 장치일 수 있거나 이의 구성요소를 형성할 수 있다.
웨어러블 장치는 신체의 상이한 부분들에서 피부 상에 직접 착용될 수 있는 장치이다. 이러한 장치는 연속적으로 그리고 비-침습적으로 착용자의 건강과 관련된 중요한 정보를 실시간으로 수집하기에 용이하기 때문에 상당한 주목을 받아 왔다.
웨어러블 헬스케어 장치의 사용은 또한 사람들이 더 편리하고 더 저렴한 방식으로 자신의 헬스케어에 더 큰 관심을 갖도록 북돋아서 순응도(compliance)를 개선한다.
본 발명에 따른 웨어러블 장치는 예를 들어 특히 스마트 팔찌, 시계, 셔츠, 신발, 머리띠, 안경 및 목걸이와 같은 다양한 상이한 형태를 가질 수 있다. 이들 대부분은 분석을 위해 데이터베이스 또는 소프트웨어 애플리케이션에 제공되는 원시 데이터를 수집하는 센서를 포함한다.
웨어러블 장치는 다양한 상이한 데이터를 결정하기 위한 하나 이상의 센서를 포함할 수 있다. 따라서, 압력 감지 외에도, 웨어러블 장치는 칼로리 연소, 걸음수, 운동 시간에 대한 데이터를 수집하는 데 사용될 수 있으며 웨어러블 장치에서는 이들 기능 중 둘 이상이 보통 겸비된다. 따라서, 본 발명에 따른 압력 감지 모니터가 전체 웨어러블 장치를 구성할 수 있거나 또는 그의 일부를 형성할 수 있다. 게다가, 본 발명에 따른 압력 감지 장치는 웨어러블 장치에서 다른 감지 장치와 조합될 수 있다.
웨어러블 장치에 대한 리뷰가 문헌[Bao et al., Advanced materials for health monitoring with skin-based wearable devices, Adv. Healthcare Mater. 2017, 6, 1700024-(doi 10.1002/adhm.201700024)]에 제공되어 있으며, 추가 정보에 대해서는 이를 참조한다.
본 발명의 또 다른 실시 형태는
a) 폐쇄 다공도 부피 분획 및 선택적으로 개방 다공도 부피 분획을 포함하는, 실록산 중합체를 포함하는 다공성 매트릭스 재료, 및
b) 상기 다공성 매트릭스 재료 a)의 상기 폐쇄 다공도 부피 분획에 실질적으로 존재하는 전도성 또는 반전도성 충전제를 포함하는, 복합 재료에 관한 것이다.
압력 감지 층의 일부를 형성하는 다공성 매트릭스 재료에 대한 그리고 본 발명에 따른 충전제에 대한 조성, 구조 및 특성에 대해 상기에 언급된 것이 또한 본 발명에 따른 복합 재료에 적용된다. 따라서, 추가 상세 사항에 대해서는 본원에서 상기에 주어진 설명을 참조한다.
본 발명의 다른 실시 형태는 하기 단계들을 포함하는, 본 발명에 따른 복합 재료의 제조 방법에 관한 것이다.
a) 실록산 중합체 전구체와 경화제 및 선택적으로 계면활성제를 포함하는 제1 비-수성상을 제공하는 단계,
b) 물에 분산된 전도성 충전제 및 선택적으로 물 중 전도성 충전제의 분산을 촉진하고 지지하는 첨가제를 포함하는 제2 수성상을 제공하는 단계,
c) 교반하면서 수성상 b)를 비-수성상 a)에 첨가하여 에멀젼을 제조하는 단계,
d) 단계 c)에서 수득된 생성물을 망상화(reticulating)하는 단계 및, 마지막으로,
e) 단계 d)에서 수득된 생성물을 열처리하여 물을 제거하는 단계.
본 발명의 방법에 따른 복합 재료는, 비-수성상이 단량체와 가교결합제 및 선택적으로 계면활성제의 혼합물이고, 수성상이 전도성 또는 반전도성 충전제 및 선택적으로 계면활성제를 함유하는 수용액인, 역유화 기술을 사용하여 수득된다.
본 발명의 방법의 단계 a)에서는, 실록산 중합체 전구체, 경화제 및 선택적으로 계면활성제를 사용하여 비-수성상을 제조한다.
실록산 중합체 전구체는 바람직하게는 이하에 기술되는 바와 같은 2성분 키트일 수 있다.
실록산 전구체 중합체 및 경화제를 포함하는 2성분 키트는 다양한 공급 업체로부터 구매가능하며 숙련자는 그의 전문 지식 및 특정 응용 사례의 요구에 기초하여 적절한 전구체 제품을 선택할 것이다.
단지 예로서, 그러한 2성분 키트의 주요 구성이 Sylgard®184에 대해 더 상세하게 설명된다.
Sylgard 184®는 디메틸 실록산 및 유기 개질된 실리카를 포함하는 규소 탄성중합체이다. Sylgard® 184는 베이스(파트 A)와 경화제(파트 B)를 조합하여 제조된다. 베이스는 용매(에틸 벤젠) 중에 실록산(디메틸-비닐 종결된 디메틸 실록산) 및 디메틸비닐화 및 트리메틸화 실리카)을 포함한다. 경화제는 또한 디메틸 메틸 수소 실록산, 디메틸-비닐 종결된 디메틸 실록산, 디메틸비닐화 및 트리메틸화 실리카, 테트라메틸 테트라비닐 시클로테트라 실록산 및 에틸 벤젠을 포함하는 용매 중의 실록산과 실리카의 혼합물을 포함한다.
Sylgard® 527은, Sylgard® 184와 실질적으로 유사하지만 실리카 충전제가 없는 실리콘 탄성중합체 겔이다. 이것은 또한 베이스 및 경화제로부터 제조된다. 매우 다양한 실록산 조성물이 다양한 공급 업체로부터 구매가능하다. Sylgard® 시리즈의 제품은, 본 발명의 방법에서 단계 a)에 사용될 수 있으며 예를 들어 Dow Chemical로부터 구매가능한, 그러한 적합한 2성분 키트의 단지 한 가지 예일 뿐이다. 적합한 경화성 실록산 중합체 전구체의 다른 군은 Wacker Chemie로부터 입수가능한 제품의 Elastosil® 시리즈이다.
예시적인 PDMS 전구체는 하이드라이드-작용성 가교결합제와 가교결합 가능한 비닐-작용성 PDMS 또는 하이드라이드 작용성 가교결합제와 가교결합 가능한 히드록실-작용성 PDMS 또는 금속 촉매의 존재 하에 가교결합 가능한 히드록실-작용성 PDMS이다.
Sylgard® 184는 본 발명에 따른 방법에 사용될 수 있는 특히 바람직한 실록산 중합체 전구체이다.
실록산 전구체는 촉매, 억제제, 유동제, 실리콘 오일, 용매 및 충전제의 군으로부터 선택되는 하나 이상의 부형제를 함유할 수 있다. 일 실시 형태에서 부형제는 촉매(예를 들어 부가 경화를 위한 Pt 착물 또는 축합 경화를 위한 Sn 착물) 또는 과산화물(과산화물 경화)의 군으로부터 선택된다.
비-수성상 a)는 또한 시스템을 안정화하기 위해 선택적으로 계면활성제를 포함할 수 있다. 이러한 목적에 적합한 계면활성제는 숙련자에게 알려져 있으며 다수의 상업적 공급 업체로부터 매우 다양하게 입수가능하다. 숙련자는, 그의 전문 지식에 기초하여 적합한 계면활성제를 선택할 것이다.
단지 예로서, Silube® 시리즈의 제품과 같은 실리콘 알킬 폴리에테르가 본원에 적합한 계면활성제로서 언급될 수 있다. 실리콘 알킬 폴리에테르는 폴리에테르와 동시-반응되는 알킬화 실리콘이다. 그러한 계면활성제는 각각 유기 오일 및 실리콘과 물을 유화시켜 수성상으로 만들기에 효과적이다.
Siltech company로부터 입수가능한 Silube® 제품은 하기 구조로 표시된다:
계면활성제는 실록산 전구체 조성물에 첨가될 수 있으며 보통 비-수성상 a)의 총 중량의 0.5 내지 10 중량%, 바람직하게는 0.75 내지 7.5 중량%의 양으로 존재한다.
본 발명의 방법의 단계 b)에서는, 그에 분산된 전도성 또는 반전도성 충전제를 포함하는 수성상을 제공한다.
단계 b)에서 제공되는 수성상을 수득하기 위해, 전도성 또는 반전도성 충전제를 바람직하게는 교반 하에 또는 초음파 인가 하에 물, 바람직하게는 탈이온수에 첨가하여 전도성 충전제를 분산시킨다. 초음파를 사용하여 충전제의 균질한 분산을 지원하는 경우, 시스템의 과도한 가열을 피하기 위해, 바람직하게는 예를 들어 얼음조를 사용하여 시스템을 냉각한다.
전도성 또는 반전도성 충전제의 첨가 전의 용액은 전도성 또는 반전도성 충전제의 분산을 촉진 및 지원하기 위해 첨가제를 포함할 수 있다. 이러한 목적에 바람직한 계면활성제는 아카시아 검으로도 알려져 있는 아라비아 검이다. 아카시아 검은 다양한 종의 아카시아 나무의 경화 수액으로 이루어진 천연 검이다. 아라비아 검은 당단백질과 다당류의 복합 혼합물이다.
숙련자는 수성 시스템 중의 전도성 및 반전도성 충전제의 분산을 촉진 및 지원하는 추가 첨가제를 알고 있으며 각각의 제품은 다수의 상이한 공급 업체로부터 매우 다양하게 구매가능하므로 여기에 추가 상세 사항이 주어질 필요는 없다. 숙련자는 그의 전문 지식 및 경험에 기초하여 적합한 분산 보조제를 선택할 것이다.
에멀젼을 얻기 위해, 방법의 단계 c)에서 기계적 교반 하에 단계 b)에서 제공된 수성상을 단계 a)에서 제공된 비-수성상에 천천히 첨가한다.
한 영역의 유체가 인접 영역과는 상이한 속도로 이동할 때 유체는 전단을 겪는다. 고전단 혼합기는, 보통 전기 모터에 의해 전원 공급되는, 회전 임펠러 또는 고속 로터, 또는 일련의 그러한 임펠러 또는 인라인 로터를 사용하여, 유체를 움직이게 하여 유동 및 전단을 생성한다. 로터의 외경에서의 유체의 속력, 또는 팁 속도는 로터의 중심에서의 속도보다 빠를 것이며, 이러한 속도 차이가 전단을 생성한다.
바람직한 실시 형태에서, 고전단 혼합기는 단계 b)에서 제공된 수성상을, 그와 보통 비혼화성인, 단계 a)에서 제공된 주 연속상 내로 분산시키거나 운송하여, 에멀젼을 생성할 것이다.
숙련자는 특정 응용 상황의 요구 및 제품의 요구되는 최종 모폴로지에 따라 교반기의 직경 및 그의 회전 속력(그리고 그에 의해 인가되는 전단율을 정의함)을 선택할 것이다.
높은 전단율의 적용을 통해, 놀랍게도, 실리콘 고무에 다량의 비-수성상을 균일하게 분포시켜 안정한 에멀젼을 형성할 수 있으며, 상기 에멀젼은 장기간에 걸쳐 안정한 것으로 밝혀졌다.
비-수성상 대 수성상의 중량비는 특별히 제한되지 않으며 보통 1:10 내지 10:1의 범위, 바람직하게는 1:5 내지 5:1의 범위 이내이다. 바람직하게는, 비-수성상은 시스템의 연속상을 형성하며, 여기에 수성상이 분산되고 비-수성상 및 수성상의 양은 각각 선택된다. 그러한 경우에, 수성상의 중량은 바람직하게는 비-수성상의 양을 초과하지 않으며 보통 전체 에멀젼의 30 내지 40 중량%의 범위이다. 일부 응용 사례에서, 대략 동일한 중량의 비-수성상 및 수성상이 소정 이점을 제공하는 것으로 밝혀졌다.
단계 c) 후에 비-수성상에 분산된 전도성 충전제를 함유하는 수성상의 소적을 갖는 에멀젼이 수득된다. 이러한 소적의 평균 직경은 보통 0.1 내지 300 ㎛의 범위, 바람직하게는 0.5 내지 150 ㎛의 범위이며 1 내지 30 ㎛의 범위가 특히 바람직하다. 얻어지는 평균 소적 크기는 연속상의 점도에 따라 좌우된다.
이어서, 단계 c)에서 수득한 에멀젼을, 보통 물의 비점 미만, 바람직하게는 60 내지 95℃ 범위의 온도에서 0.5 내지 12, 바람직하게는 1 내지 8시간의 기간 동안 망상화(경화)함으로써 단계 d)에서 고체 재료를 수득한다. 일부 경우에, 대략 4시간의 경화 시간이 최상인 것으로 밝혀졌다. 이 단계에서의 상대 습도는 보통 100%에 가깝거나, 100%이다.
일 실시 형태에서, 경화는 가교결합제의 Si-H 기가 실리콘 중합체의 비닐 기와 반응하는 부가-기반 경화의 형태로, 예컨대 Pt를 촉매로 사용하여 일어날 수 있다.
다른 실시 형태에 따르면, 경화는 축합 기반 시스템에서, 예컨대 Sn 기반 경화 시스템 및 실온 가황 실리콘 고무의 사용을 통해 일어날 수 있는데, 여기서, 알콕시-가교결합제는 가수분해 단계를 거치며 해당 중합체에 부착된 다른 히드록실 기와의 축합 반응에 참여한 히드록실 기가 남겨진다.
또 다른 실시 형태에서, 경화는 과산화물-기반 시스템에서 일어날 수 있는데, 여기서, 유기 과산화물 화합물은 승온에서 분해되어 중합체 사슬을 화학적으로 가교결합하는 반응성 라디칼을 형성한다.
마지막 단계에서는, 단계 d)에서 수득된 생성물을 열처리하여 물을 제거한다. 경화 후 형성된 실록산 중합체는 수증기 투과성이기 때문에, 소적은 전도성 또는 반전도성 충전제가 매트릭스 재료의 폐쇄 다공도 부피 분획에 실질적으로 존재하고 바람직하게는 기공 벽이 전도성 또는 반전도성 충전제로 코팅된 다공성 구조체를 남겨서, 본 발명에 따른 복합 재료를 수득한다.
단계 d)에서의 경화 조건 및 단계 e)에서의 건조 조건은 다공성 복합 재료의 모폴로지에 영향을 주며 숙련자는 요구되는 모폴로지를 수득하기에 적합한 방식으로 그 조건을 선택할 것이다.
본 발명의 다른 실시 형태는 본 발명에 따른 복합 재료를 포함하는, 바람직하게는 이로 본질적으로 이루어지는, 그리고 더욱 더 바람직하게는 이로 이루어지는 필름에 관한 것이다
바람직한 실시 형태에 따르면, 필름의 두께는 0.1 내지 500 ㎛의 범위, 바람직하게는 5 내지 250 ㎛의 범위이다. 층의 평균 두께는 바람직하게는 5 μm 이상, 더욱 바람직하게는 10 μm 이상, 더욱 바람직하게는 15 μm 이상이다. 가장 바람직한 실시 형태에서, 층의 평균 두께는 15 μm 내지 100 μm의 범위이다.
(본 발명에 따른 압력 감지 층에 포함된 필름인) 본 발명에 따른 필름은 단계 d)를 적용하기 전에 본 발명에 따른 방법의 단계 c)의 에멀젼을 주형에 부어 넣음으로써 필름으로 형성하여 수득될 수 있다. 이어서, 그렇게 수득된 필름에 대해 본 발명의 방법에 따른 단계 d) 및 e)를 수행하여 압력 감지 장치에 사용하기에 적합한 최종 필름을 수득한다.
본 발명에 따른 방법의 마지막 단계에서는, 단계 d)에서 수득된 생성물을 열처리하여 물을 제거한다. 이러한 열처리 단계는 보통 대기압에서의 물의 비점을 초과하는 온도에서, 바람직하게는 100 내지 200℃ 범위의 온도에서 0.1시간 내지 5시간, 바람직하게는 0.5 내지 5시간의 지속 기간 동안 수행된다. 일부 경우에 130 내지 170℃의 온도 및 0.75 내지 3시간, 특히 1 내지 2시간의 처리 시간이 적합한 것으로 밝혀졌다.
최종 단계 후에, 결국 필름 형태의, 미세다공성 복합 재료가 수득되며, 이는 폐쇄 다공도 부피 분획 내에 기공을 포함하는데, 기공은 평균 직경이 바람직하게는 0.1 내지 200 ㎛의 범위이고 바람직하게는 기공 벽은 라이닝되고 기공은 소정 정도까지 전도성 충전제로 충전된다.
본 발명의 추가의 실시 형태는 본 발명에 따른 필름으로 코팅된 기판에 관한 것이다. 이러한 기판은 본 발명에 따른 압력 감지 층에 포함된 기판이다.
기판은 구조 및 조성을 고려할 때 특별히 제한되지 않으며 숙련자는 특정 응용 상황의 요구를 고려하여 기판을 선택할 것이다.
기판의 구조는 특정한 의도된 용도로 채택될 수 있으며 기판은 변형가능한 필름을 위한 캐리어의 기능을 할 수 있거나 상기 필름에 대한 기계적 안정성을 증가시킬 수 있다.
기판의 재료는 압력 감지 장치에서의 코팅된 기판의 의도된 최종 용도에 따라 금속성 또는 비-금속성, 각각 절연성 또는 전도성일 수 있다. 일부 경우에, 알루미늄 기판 또는 알루미늄을 포함하는 기판이 소정 이점을 제공하는 것으로 밝혀졌다.
기판 상의 필름의 코팅은 문헌에 기술되어 있는, 숙련자에게 알려져 있는 통상적인 코팅 기술을 사용하여 달성될 수 있으므로 여기에 추가 상세 사항이 주어질 필요는 없다.
본 발명의 다른 실시 형태는 본 발명에 따른 필름의 제1 층, 및 이에 인접한, 절연층인 제2 층을 포함하는, 다층 시스템에 관한 것이다.
본 발명에 따른 복합 재료를 포함하는 필름, 또는 그러한 필름으로 코팅된 기판은, 퍼콜레이션 한계 부근 또는 그를 초과하는 양의 전도성 충전제가 사용되면, 소정 단점인 유전 손실을 나타낼 수 있다.
본 발명에 따른 다층 시스템은 본 발명에 따른 필름 상에 제2 층(제2 층은 절연층임)을 추가함으로써 이러한 단점을 극복한다. 이로써, 재료의 높은 유전율이 유지되는 동시에 전도도가 현저히 감소된다.
제2 절연층의 재료는 제1 층 상에 적합한 코팅 또는 필름으로 형성될 수 있는 임의의 절연 재료일 수 있다. 경제적 이유 및 가공성 이유로, 열가소성 중합체 또는 실리콘 고무의 절연층이 바람직하다. 폴리에스테르가 열가소성 중합체의 예로서 언급될 수 있다. 다수의 공급 업체로부터 구매가능한, 폴리에틸렌 테레프탈레이트 중합체에 기초한 Mylar® 필름이 가공성 및 비용의 관점에서 유리한 것으로 밝혀졌으며, 따라서 제2 절연층을 위한 절연 재료의 특히 바람직한 군을 나타낸다.
제2 절연층의 두께는 특별히 제한되지 않으며 보통 0.1 내지 500 ㎛의 범위, 바람직하게는 0.1 내지 50 ㎛의 범위, 바람직하게는 최대 5 ㎛이다.
절연층은 복합 재료를 포함하는 필름 상에 또는 본 발명에 따라 그러한 필름으로 코팅된 기판 상에 스프레딩될 수 있다. 절연층은 또한 그 자체로 기판 상에 증착될 수 있다.
복합 재료를 포함하는 필름 상의 절연층의 코팅은 스핀 코팅, 회전 코팅 또는 숙련자에게 알려져 있고 문헌에 기술된 다른 코팅 기술과 같은 통상적인 코팅 기술에 의해 달성될 수 있다.
본 발명에 따른 압력 감지 층, 그를 포함하는 필름 및 그러한 필름을 포함하는 코팅된 기판 또는 다층 구조체는 압정전용량형 장치에 사용하기에 특히 적합하다. 그의 높은 유전율 및 낮은 전도도로 인해, 상기 재료를 사용하는 장치의 감도는 높으며 외부 압력의 매우 작은 변화가 신뢰성 있게 결정될 수 있다.
본 발명에 따른 미세다공성 복합 재료 상에 압축 응력이 인가될 때, 큰 변형이 생성될 뿐만 아니라 그의 미세구조체가 변경된다. 둘 모두의 효과가 등가 커패시턴스의 큰 변화를 초래하므로 예를 들어 0.1 kPa 내지 10 kPa 범위의 낮은 외부 압력에서 큰 감도를 초래한다. 따라서, 본 발명에 따른 복합재는 정전용량형 압력 감지 응용에 대한, 그리고 더욱 구체적으로는 혈압 및 심박수 모니터링과 같은 생체-신호에 보통 필요한 저압 센서에 대한 탁월한 후보이다.
실시예 1
넓적 바닥 플라스크에서 5 g의 아라비아 검(Sigma Aldrich로부터 입수함)과 95 g의 탈이온수를 혼합하여 물 중 5.0 중량%의 아라비아 검의 용액을 제조하였다. 자석 교반을 적용하여, 카본 블랙 분말(전도성 충전제)을 분산시키기 위한 계면활성제로서 역할을 하는 아라비아 검을 균일하게 용해시켰다. 사용된 카본 블랙은 Alfa Aesar로부터 참조 번호 39724-카본 블랙으로 구매하였으며 입수한 그대로 사용하였다.
넓적 바닥 플라스크에서 원하는 양의 카본 블랙 분말과 아라비아 검 용액을 혼합하여 카본 블랙 분말의 분산을 수행하였다. 초음파 처리의 결과로서의 과도한 온도 증가를 막기 위해 용액을 얼음조에서 냉각하면서 혼합물을 1시간 동안 초음파 처리하여 카본 블랙 입자를 균질하게 분산시켰다. 수득된 생성물을 수성상으로서 사용하였다.
비-수성상, Sylgard® 184는 Dow Corning으로부터 PDMS 베이스 및 경화제로 이루어진 키트로서 구매하였다. PDMS 재료의 상대 유전율은 대략 2였다. PDMS 베이스와 가교결합제의 혼합물에 계면활성제로서 Silube® J-208-212를 5 중량%의 계면활성제 농도에 도달하도록 첨가하였다.
수성상 대 비-수성상의 비가 50:50에 도달하도록 기계적 교반 하에서 스패츌러로 수성상을 비-수성상에 천천히 첨가하였다.
그렇게 수득된 유중수 에멀젼을 깊이 500 ㎛ 및 직경 24 mm의 주형에 부어 넣고 커버하였다. 그 후에, 주형을 (100% 습도를 갖도록) 수조에서 4시간 동안 90℃의 온도에 노출시켜 필름을 망상화하였다.
최종 단계에서, 망상화된 필름을 주형으로부터 빼내고 오븐 내에 150℃의 온도에서 1시간 동안 넣어 두어 물을 제거하였다.
수득된 복합 재료는 평균 직경이 10 내지 30 ㎛인 기공을 갖는 미세다공성 구조를 가졌다. 평균 기공 크기는 생성물의 주사 전자 현미경(SEM) 이미지에서 결정하였다.
복합 재료의 카본 블랙 함량은 복합 재료의 전체 중량을 기준으로 4.6 내지 10.2 중량%의 범위였다.
원형 황동 전극을 갖는 샌드위치 기하학적 구조를 사용하여 광대역 유전 분광법에 의해 유전율을 결정하였다. 측정은 실온에서 10 Hz 내지 107 Hz의 주파수에 걸쳐 수행하였다. 유전율의 실수부는 어떠한 카본 블랙도 없는 재료에 대해 3이었고, 4.6 중량%의 카본 블랙을 포함하는 복합 재료에 대해 13.5였다. 10.2 중량%의 카본 블랙 양에서 유전율은 4000인 것으로 결정되었으나, 농도가 퍼콜레이션 임계치를 초과하였기 때문에 재료는 전도성이었다. 수득된 필름이 절연 필름(Mylar 필름)을 갖는 다층 구조체로 형성된 경우, 유전율은 330이었으나 재료는 비-전도성으로 유지되었다.
전극으로서 작용하며 직경이 25 mm인 원형 스테인리스 강 클램프를 사용한 압축에서 정적 감도를 측정하였다. RSA GII Solids Analyzer를 사용하여 샘플에 대해 정상 압력을 유지하면서 Keysight Precision LCR Meter를 사용하여 1V 및 100Hz에서 복소 임피던스를 측정하였다. 샘플의 등가 커패시턴스(Cp) 및 저항(Rp)을 추정하기 위해 재료가 저항기와 커패시터의 병렬 조합으로 작용하는 것으로 가정하였다. 기준 커패시턴스(C0)는 0.1 kPa가 샘플에 인가될 때 임의로 정의되었다. 0.1 kPa 내지 70 kPa 범위의 압력에 걸쳐 측정을 수행하였다.
절연층 없이 4.2 중량%의 카본 블랙 농도의 경우, ΔC/Co는 2 kPa 내지 10 kPa의 압력 범위에서 0.9 내지 1.8 범위의 값에 도달하였다. 카본 블랙 농도가 10%이고 절연층이 존재하지 않는 경우, ΔC/Co의 값은 2 kPa의 압력에서 0에 가까운 값으로 떨어졌다. 절연층 및 10 중량%의 카본 블랙 농도를 이용하는 경우, ΔC/Co은 2 kPa의 압력에서 대략 1.8이었고 10 kPa의 압력에서 4의 값을 초과하였다.
(10 중량%의 카본 블랙 농도에서) 압력 센서는 0.1 kPa 내지 1 kPa의 압력 변화에 민감하였고 이러한 압력 변화는 +150 pF의 커패시턴스 변화와 관련되었다.
일반적으로 본 발명의 감지 층은 매우 작은 압력 변화에 민감하며 0.1 kPa만큼 낮은 압력 변화는 100 pF 이상의 커패시턴스 변화와 관련된다.
이러한 결과는 저압 감지 장치에 사용하기 위한 본 발명에 따른 압력 감지 층의 탁월한 감도를 보여준다.
도 1 내지 도 7에서의 도면 부호의 목록
1 제1 및 제2 센서를 위한 접지
2 제1 센서
3 제2 센서
4 제3 센서
5 제4 센서
6 제3 및 제4 센서를 위한 접지
21, 31 보호층
22, 32 하부 전극
23, 33 압력 감지 층
24, 34 상부 전극
25, 35 봉지재
401, 501, 601, 701 압력 감지 장치
402, 502, 602, 702 전극(들)
403, 503, 603, 703 압력 감지 층
404, 504, 604, 704 보호층
405, 505, 605, 705 압력 변화로 인한 커패시턴스 변화
406. 506, 606, 706 신호 변환 유닛
407, 507, 607, 707 데이터 전송 유닛
408, 508, 608, 708 마이크로컨트롤러 유닛
409, 509, 609, 709 전원 공급 장치
410, 510, 610, 710 전자 장치
411, 511, 611 스마트폰
412, 512, 612, 712 통신 신호
413, 513, 614, 713 데이터 전송 유닛
414, 514, 614, 714 환자 인증 수단
415, 515, 615, 715 환자 통지 수단
416, 516, 616, 716 데이터 분석 수단
417, 517, 617 결과 분석 수단
418, 518, 618, 718 데이터 저장 수단
519, 619, 719 클라우드
520, 620, 720 인터넷 연결
621, 721 메모리
722 디스플레이 장치
723 게이트웨이
724 사용자 인터페이스

Claims (38)

  1. a) 폐쇄 다공도 부피 분획(closed porosity volume fraction) 및 선택적으로 개방 다공도 부피 분획을 포함하며, 여기서 폐쇄 다공도 부피 분획 대 개방 다공도 부피 분획의 비는 적어도 1:1인 실록산 중합체를 포함하는 다공성 매트릭스 재료의 제1 층, 및
    b) 다공성 매트릭스 재료 a)의 상기 제1 층의 상기 폐쇄 다공도 부피 분획에 실질적으로 존재하는 전도성 또는 반전도성 충전제, 및 선택적으로
    c) 하나 이상의 추가 층
    을 포함하며,
    여기서 충전제의 양은 a)와 b)의 전체 중량을 기준으로 0.1 내지 15 중량%의 범위인 필름을 포함하는, 0.01 내지 100 kPa 범위의 저압을 감지하기 위한 압력 감지 층.
  2. 제1항에 있어서, 폐쇄 다공도 부피 분획 대 개방 다공도 부피 분획의 비는 1:1 내지 100:1인, 압력 감지 층.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 폐쇄 다공도 부피는 전체 다공도 부피의 100%를 차지하는, 압력 감지 층.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서, 실록산 중합체는 폴리디메틸실록산(PDMS)인, 압력 감지 층.
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서, 전도성 또는 반전도성 충전제는 탄소 나노튜브, 탄소 나노혼(carbon nanohorn), 그래파이트, 그래핀 및 카본 블랙으로부터 선택되는, 압력 감지 층.
  6. 제1항 또는 제2항에 있어서, 전도성 또는 반전도성 충전제는 금속 입자로부터 선택되는, 압력 감지 층.
  7. 제6항에 있어서, 금속 입자는 구리, 은, 금, 및 아연으로부터 선택되는, 압력 감지 층.
  8. 제1항 또는 제2항에 있어서, 전도성 또는 반전도성 충전제는 고유 전도성 중합체(intrinsically conducting polymer, ICP)로부터 선택되는, 압력 감지 층.
  9. 제1항 또는 제2항에 있어서, 반전도성 충전제는 Si, Si-Ge, GaAs, InP, GaN, SiC, ZnS, ZnSe, CdSe, 및 CdS 또는 금속 산화물 입자로 이루어진 군으로부터 선택되는, 압력 감지 층.
  10. 제1항 또는 제2항에 있어서, 두께가 0.1 내지 500 ㎛의 범위인, 압력 감지 층.
  11. 제1항 또는 제2항에 있어서, 제1 층 및 이에 인접한, 절연층인 제2 층을 포함하는, 압력 감지 층.
  12. 제11항에 있어서, 제2 층은 폴리에스테르 층인, 압력 감지 층.
  13. 제11항에 있어서, 제2 층은 폴리에틸렌 테레프탈레이트 층인, 압력 감지 층.
  14. 제1항 또는 제2항에 따른 압력 감지 층으로 코팅된 기판.
  15. 적어도 하나의 전극 및 제1항 또는 제2항에 따른 적어도 하나의 압력 감지 층을 포함하는, 압력 감지 장치.
  16. 제15항에 있어서, 압력 변화에 반응하여 신호를 제공하며, 압력 변화는 맥파 이벤트인, 압력 감지 장치.
  17. a) 압력 변화에 반응하여 커패시턴스 변화 신호를 제공하는 제1항 또는 제2항에 따른 적어도 하나의 압력 감지 층 또는 적어도 하나의 전극 및 상기 적어도 하나의 압력 감지 층을 포함하는 압력 감지 장치,
    b) 전원 공급 장치,
    c) 압력 감지 층에 의해 제공된 커패시턴스 변화 신호를, 선택적으로 신호에 대한 필터 및 증폭기에 의해, 아날로그 또는 디지털 전기 신호로 변환할 수 있는 적어도 하나의 신호 변환 유닛,
    d) 적어도 하나의 마이크로컨트롤러 유닛으로서, 신호 변환 유닛 c)에 의해 제공된 아날로그 신호를 디지털화할 수 있고/있거나 적어도 하나의 신호 변환 유닛 c)와 디지털 통신할 수 있고, 적어도 하나의 마이크로컨트롤러 유닛 내에 판독가능한 코드로 저장된 적합한 알고리즘을 사용하여 적어도 하나의 신호 변환 유닛 c)로부터 수득된 신호를 다른 포맷으로 변환할 수 있는, 적어도 하나의 마이크로컨트롤러 유닛,
    및 선택적으로
    e) 마이크로컨트롤러 유닛에 의해 제공된 데이터를 데이터 수신 장치로 전송하기 위한 적어도 하나의 데이터 전송 수단, 및/또는
    f) 마이크로컨트롤러 유닛 d) 또는 적어도 하나의 데이터 전송 수단 e)에 의해 제공된 데이터를 사용자에게 전달하기 위한 수단
    을 포함하는, 압력 감지 모니터.
  18. 제17항에 있어서, 압력 변화는 맥파 이벤트인, 압력 감지 모니터.
  19. 제17항에 있어서, 적어도 하나의 마이크로컨트롤러 유닛 d)는 적어도 하나의 신호 변환 유닛 c)로부터 수득된 신호를 혈류역학 파라미터로 변환하는, 압력 감지 모니터.
  20. 제17항에 있어서, 웨어러블(wearable) 장치인, 압력 감지 모니터.
  21. a) 폐쇄 다공도 부피 분획 및 선택적으로 개방 다공도 부피 분획을 포함하며, 여기서 폐쇄 다공도 부피 분획 대 개방 다공도 부피 분획의 비는 적어도 1:1인 실록산 중합체를 포함하는 다공성 매트릭스 재료, 및
    b) 상기 다공성 매트릭스 재료 a)의 상기 폐쇄 다공도 부피 분획에 실질적으로 존재하는 전도성 또는 반전도성 충전제
    를 포함하며,
    여기서 충전제의 양은 a)와 b)의 전체 중량을 기준으로 0.1 내지 15 중량%의 범위인, 제1항 또는 제2항에 따른 압력 감지 층을 제조하는데 사용되는 복합 재료.
  22. 제21항에 있어서, 폐쇄 다공도 부피 분획 대 개방 다공도 부피 분획의 비는 1:1 내지 100:1인, 복합 재료.
  23. 제21항에 있어서, 폐쇄 다공도 부피는 전체 다공도 부피의 100%를 차지하는, 복합 재료.
  24. 제21항에 있어서, 실록산 중합체는 폴리디메틸실록산(PDMS)인, 복합 재료.
  25. 제21항에 있어서, 전도성 또는 반전도성 충전제는 탄소 나노튜브, 탄소 나노혼, 그래파이트, 그래핀, 및 카본 블랙으로부터 선택되는, 복합 재료.
  26. 제21항에 있어서, 전도성 또는 반전도성 충전제는 금속 입자로부터 선택되는, 복합 재료.
  27. 제26항에 있어서, 금속 입자는 구리, 은, 금, 및 아연으로부터 선택되는, 복합 재료.
  28. 제21항에 있어서, 전도성 또는 반전도성 충전제는 고유 전도성 중합체(ICP)로부터 선택되는, 복합 재료.
  29. 제21항에 있어서, 전도성 또는 반전도성 충전제는 Si, Si-Ge, GaAs, InP, GaN, SiC, ZnS, ZnSe, CdSe, 및 CdS 또는 금속 산화물 입자로 이루어진 군으로부터 선택되는, 복합 재료.
  30. 제21항의 복합 재료를 포함하는 필름.
  31. 제30항에 있어서, 두께가 0.1 내지 500 ㎛의 범위인, 필름.
  32. 제30항에 따른 필름의 제1 층 및 이에 인접한, 절연층인 제2 층을 포함하는 다층 시스템.
  33. 제32항에 있어서, 제2 층은 폴리에스테르 층인, 다층 시스템.
  34. 제32항에 있어서, 제2 층은 폴리에틸렌 테레프탈레이트 층인, 다층 시스템.
  35. 제21항에 있어서, 압력 감지 장치에서 사용되는, 복합 재료.
  36. 제35항에 있어서, 압력 감지 장치는 혈압 감지 장치인, 복합 재료.
  37. 제21항에 따른 복합 재료의 제조 방법으로서,
    a) 실록산 중합체 전구체와 경화제 및 선택적으로 계면활성제를 포함하는 제1 비-수성상을 제공하는 단계,
    b) 물에 분산된 전도성 또는 반전도성 충전제를 포함하는 제2 수성상을 제공하는 단계,
    c) 교반하면서 수성상 b)를 비-수성상 a)에 첨가하여 에멀젼을 제조하는 단계,
    d) 단계 c)에서 수득된 생성물을 망상화(reticulating)하는 단계 및, 마지막으로
    e) 단계 d)에서 수득된 생성물을 열처리하여 물을 제거하는 단계
    를 포함하는, 방법.
  38. 제37항에 있어서, 복합 재료를 포함하는 필름을 제조하기 위한 방법으로서, 단계 c)에서 수득된 에멀젼은, 단계 d)를 적용하기 전에, 에멀젼을 주형에 부어 넣음으로써 필름으로 형성되는, 방법.
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