KR20140057736A - 탄소나노튜브를 이용한 압력센서 및 그 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 탄소나노튜브를 이용한 압력센서 및 그 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 탄소나노튜브를 이용하여 압력이나 무게를 측정하는 고감도의 압력센서를 제조하는 방법과 상기 제조방법에 의하여 제조된 압력센서에 관한 것이다.
본 발명에 따르면 최적의 조성비를 갖는 분산액을 사용함으로써 탄소나노튜브를 고르게 분산시킬 수 있고 고분산된 탄소나노튜브를 적용함으로써 센서 감도를 개선할 수 있다. 또한 초박막화함으로써 반응속도를 개선을 할 수 있고 제조공정이 간단하여 경제적이며 용액분산에 의한 필터링방법으로 제조함으로써 대면적화가 용이하다.
본 발명에 따르면 최적의 조성비를 갖는 분산액을 사용함으로써 탄소나노튜브를 고르게 분산시킬 수 있고 고분산된 탄소나노튜브를 적용함으로써 센서 감도를 개선할 수 있다. 또한 초박막화함으로써 반응속도를 개선을 할 수 있고 제조공정이 간단하여 경제적이며 용액분산에 의한 필터링방법으로 제조함으로써 대면적화가 용이하다.
Description
본 발명은 탄소나노튜브를 이용한 압력센서 및 그 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 탄소나노튜브를 이용하여 압력이나 무게를 측정하는 고감도의 압력센서를 제조하는 방법과 상기 제조방법에 의하여 제조된 압력센서에 관한 것이다.
압력센서는 압력을 이용한 유량계나 기타 시스템적인 구성으로 부터 제시된 압력에 의해 반응하는 것으로서 액체 또는 기체의 압력을 검출하고, 계측이나 제어에 사용하기 쉬운 전기신호로 변환하여 전송하는 장치 및 소자를 말한다. 압력센서는 유량, 액면 및 온도센서와 함께 프로세스 오토메이션을 지탱하는 4대 센서의 하나로서 현재 전자, 기계, 의료, 건축 등 전 상업분야에 폭넓게 이용되고 있다. 최근 들어 탄소나노튜브의 물리적 특성을 이용하여 압력센서 디바이스로 활용하고자 하는 논의가 많은 관심을 받고 있다. 탄소나노튜브는 탄소 6개로 이루어진 육각형들이 서로 연결되어 관 모양을 이루고 있는 신소재로서 관의 지름이 수∼수십 나노미터에 불과하여 탄소나노튜브라고 불리우게 되었다. 이는 전기 전도도가 구리와 비슷하고, 열전도율은 자연계에서 가장 뛰어난 다이아몬드와 같으며, 강도는 철강보다 100배나 뛰어나다. 탄소나노튜브는 현재 반도체와 평판 디스플레이, 배터리, 초강력 섬유, 생체 센서, 텔레비전 브라운관 등에 응용되고 있으나 이러한 탄소나노튜브를 이용한 압력센서로서 제조공정이 간단하면서도 센서의 감응도가 우수한 제품에 대한 연구는 아직 부족한 실정이다.
본 발명은 센서의 감도를 향상시키면서 생산성을 개선하고 제조비용을 절감할 수 있는 탄소나노튜브를 이용한 압력센서 제조방법을 제공하고 상기 제조방법에 의해 제조되는 탄소나노튜브를 이용한 압력센서를 제공한다.
본 발명의 일 실시형태에 따른 탄소나노튜브를 이용한 압력센서 제조방법은, (S1) 싸이클로헥산, 소디윰 도데실 설페이트(sodium dodecyl sulfate), PDMS, 알콜 및 물로 구성된 분산액에 탄소나노튜브를 분산하여 탄소나노튜브 분산용액을 제조하는 단계; (S2) 패터닝된 마스크를 필터에 밀착시킨 다음 상기 마스크 위로 상기 탄소나노튜브 분산용액을 필터링하여 상기 필터 위에 패터닝된 탄소나노튜브 필름을 형성하는 단계; 및 (S3) 전극이 형성되고 접착제가 코팅된 기판 위에 상기 탄소나노튜브 필름을 접착시키고 상기 필터를 제거하는 단계를 포함한다.
탄소나노튜브 분산용액 제조단계
상기 분산액은 싸이클로헥산(Cyclohexanone), 소디윰 도데실 설페이트(sodium dodecyl sulfate), PDMS, 알콜 및 물로 구성된다.
상기 싸이클로헥산은 탄소 원자 6개와 수소 원자 12개로 이루어진 사이클로알케인류의 대표적인 유기 용매 화합물로서 대부분의 다른 유기용매와 임의의 비율로 잘 섞인다. 물에도 상당히 잘 녹는 특성을 가진다. 이를 이용하여 탄소나노튜브(CNT)를 잘 분산시킬 수 있고 다른 첨가물과 혼합을 촉진시킬 수 있다.
상기 소디윰 도데실 설페이트(sodium dodecyl sulfate)는 계면활성제의 일종이다. 용제이면서 -전하를 띠기 때문에 소수성 물질을 녹일 수 있고 음이온 계면활성제로서 주물질인 탄소나노튜브를(CNT)를 고르게 분산시킬 수 있다.
상기 PDMS(폴리디메틸실록산)는 엘라스토머 성질을 갖는 실리콘 고분자의 일종이다. 넓은 영역에 안정적으로 점착할 수 있게 하며, 성형가공성과 내구성을 우수하게 할 수 있다.
상기 알콜은 메탄올(methyl alcohol), 에탄올(ethyl alcohol), 부탄올(buthyl alcohol), 펜타올(pentanol), 헥산올(hexanol), 프로판올(propanol) 등 알콜류라면 제한없이 사용가능하다.
상기 분산액을 구성하는 싸이클로헥산, 소디윰 도데실 설페이트(sodium dodecyl sulfate), PDMS, 알콜 및 물은 분산액 전체 100중량%기준으로 5~15 : 15~25 : 25~30 : 15~25 : 15~25 (중량%) 의 비율로 구성될 수 있다.
상기 조성범위로 분산액을 조성하는 경우 탄소나노튜브를 고르게 분산시킬 수 있고 고분산된 탄소나노튜브를 적용함으로써 용이하게 압력센서 감도를 개선할 수 있다. 또한 초박막화가 가능하여 반응속도를 개선할 수 있다.
상기 탄소나노튜브는 탄소 6개로 이루어진 육각형 모양이 서로 연결되어 관 모양을 이루고 있는 신소재이다. 관의 지름이 수∼수십 나노미터에 불과하여 탄소나노튜브라고 한다. 전기 전도도가 구리와 비슷하고, 열전도율은 자연계에서 가장 뛰어난 다이아몬드와 같으며, 강도는 철강보다 100배나 뛰어나다. 탄소섬유는 1％만 변형시켜도 끊어지는 반면 탄소나노튜브는 15％가 변형되어도 견딜 수 있다. 나노탄소튜브는 이러한 특성으로 인하여 나노기술분야에서 많은 주목을 받고 있다. 상기 탄소나노튜브 분산용액은 상기 분산액에 상기 탄소나노튜브를 넣고 초음파로 분산하여 제조할 수 있다.
패터닝된
탄소나노튜브 필름 형성단계
패터닝된 마스크를 필터에 밀착시킨 다음 상기 마스크 위로 상기 탄소나노튜브 분산용액을 필터링하여 상기 필터 위에 패터닝된 탄소나노튜브 필름을 형성할 수 있다. 상기 탄소나노튜브 분산용액의 필터링은 진공배기를 가동한 상태에서 수행할 수 있다. 상기 필터 위에 패터닝된 탄소나노튜브 필름을 전극이 형성되고 접착제가 코팅된 기판 위에 접착시키고 상기 필터를 제거하여 전극이 형성된 기판 위에 패터닝된 탄소나노튜브를 형성시킬 수 있다.
상기 기판은 폴리에틸렌, 폴리카보네이트 및 PET(폴리에틸렌테레프탈레이트)로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상을 포함하는 고분자로 이루어진 것일 수 있다.
상기 필터 제거는 염산 또는 질산에 담가두는 방법으로 수행될 수 있다.
상기 (S3) 단계는, 센서의 표면을 보호하기 위하여, 필터를 제거하는 단계 이후 상기 기판 위에 접착된 탄소나노튜브 필름 위에 접착제가 부착된 기판을 부착하는 단계를 더 포함할 수 있다.
또한 본 발명의 일실시형태에 따르면 상기 제조방법에 의해 제조된 압력센서로서 전극이 형성된 기판 위에 패터닝된 탄소나노튜브 필름을 포함하는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브를 이용한 압력센서를 제공할 수 있다.
상기 기판은 폴리에틸렌, 폴리카보네이트 및 PET(폴리에틸렌테레프탈레이트)로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상을 포함하는 고분자로 구성될 수 있다.
본 발명의 일실시형태에 따르면 전극이 형성된 기판 위에 패터닝된 탄소나노튜브 필름을 포함하는 것을 특징으로 하는 압력센서를 이용한 유량제어장치로서,
상기 압력센서는 상기 방법에 의해 제조된 압력센서인 것을 특징으로 하는 유량제어장치를 제공할 수 있다.
본 발명의 일실시형태에 따르면 전극이 형성된 기판 위에 패터닝된 탄소나노튜브 필름을 포함하는 것을 특징으로 하는 압력센서를 이용한 혈압측정기로서,
상기 압력센서는 상기 방법에 의해 제조된 압력센서인 것을 특징으로 하는 혈압측정기를 제공할 수 있다.
본 발명에 따르면 최적의 조성비를 갖는 분산액을 사용함으로써 탄소나노튜브를 고르게 분산시킬 수 있고 고분산된 탄소나노튜브를 적용함으로써 센서 감도를 개선할 수 있다. 또한 초박막화함으로써 반응속도를 개선을 할 수 있고 제조공정이 간단하여 경제적이며 용액분산에 의한 필터링방법으로 제조함으로써 대면적화가 용이하다.
도 1은 고분산 탄소나노튜브 박막제조의 제조공정도이다.
도 2은 탄소나노튜브 필름 형상이 형성된 마스크이다.
도 3는 탄소나노튜브를 이용한 압력센서의 힘에 대한 저항변화를 측정한 결과이다.
도 2은 탄소나노튜브 필름 형상이 형성된 마스크이다.
도 3는 탄소나노튜브를 이용한 압력센서의 힘에 대한 저항변화를 측정한 결과이다.
이하, 실시예 및 실험예를 통하여 본 발명을 보다 상세하게 설명한다. 본 발명의 목적, 특징, 장점은 이하의 실시예 및 실험예를 통하여 쉽게 이해될 것이다. 본 발명은 여기서 설명되는 실시예 및 실험예에 한정되지 않고, 다른 형태로 구체화될 수 있다. 여기서 소개되는 실시예 및 실험예는 개시된 내용이 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다. 따라서 이하의 실시예 및 실험예에 의하여 본 발명이 제한되어서는 안된다.
실시예
탄소나노튜브를 이용한 압력센서의 제조
탄소나노튜브 0.05g을 분산액 100ml속에 넣고 초음파로 분산하여 탄소나노튜브 분산용액을 제조하였다. 상기 분산액은 싸이클로헥산, 소디윰 도데실 설페이트(sodium dodecyl sulfate), PDMS, 알콜, 물로 구성하였고 그 비율은 10: 20: 30: 20: 20 으로 하였다. 탄소나노튜브 필름 층의 형상에 대응하는 마스크(도 1, 금속)를 셀루로스 나이트레이트 멤브레인 필터(cellulose nitrate membranefilter)에 밀착시킨 다음 상기 마스크 위로 탄소나노튜브 분산용액을 부으면서 20분간 10-3토르에서 진공배기하였다. 이때 분산용액은 필터를 통과하여 하부로 배출되고 탄소나노튜브는 필터 위에 포집되었다. 마스크를 제거하고 50℃에서 30분간 건조시켜 패턴이 형성된 탄소나노튜브 필름을 얻었다. 외부 전극이 형성되고 접착제가 코팅된 기판 위에 필터 위에 형성된 패턴이 형성된 탄소나노튜브 필름을 엎어 탄소나노튜브 면을 접착시켰다. 이것을 염산이 담긴 비커에 30분간 담가두어 필터를 제거한 다음 염산을 부어내고 40℃에서 120분간 건조시켜 기판 위에 접착된 패턴이 형성된 탄소나노튜브 필름을 얻었다. 그 다음 탄소나노튜브 필름 위에 접착제가 코팅된 필름을 다시 부착하여 압력센서를 제조하였다.
실험예
저항테스트
실시예에 의해 제조된 압력센서의 힘에 대한 저항변화를 측정하여 그 결과를 도 3에 나타내었다. 인가하는 힘의 크기가 커질수록 저항 값이 증가하는 결과를 나타내었는데, 적은 무게(힘)에서도 큰 저항변화를 보이며, 직선성이 양호하고, 재현성도 우수함을 보여준다.
Claims (10)
- (S1) 싸이클로헥산, 소디윰 도데실 설페이트(sodium dodecyl sulfate), PDMS, 알콜 및 물로 구성된 분산액에 탄소나노튜브를 분산하여 탄소나노튜브 분산용액을 제조하는 단계;
(S2) 패터닝된 마스크를 필터에 밀착시킨 다음 상기 마스크 위로 상기 탄소나노튜브 분산용액을 필터링하여 상기 필터 위에 패터닝된 탄소나노튜브 필름을 형성하는 단계; 및
(S3) 전극이 형성되고 접착제가 코팅된 기판 위에 상기 탄소나노튜브 필름을 접착시키고 상기 필터를 제거하는 단계를 포함하는 탄소나노튜브를 이용한 압력센서 제조방법. - 제 1항에 있어서,
상기 분산액은 분산액 전체 100중량%를 기준으로 싸이클로헥산, 소디윰 도데실 설페이트(sodium dodecyl sulfate), PDMS, 알콜 및 물의 구성비가 5~15 : 15~25 : 25~30 : 15~25 : 15~25 (중량%) 인 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브를 이용한 압력센서 제조방법. - 제 1항에 있어서,
상기 (S2) 탄소나노튜브 분산용액을 필터링하는 단계는 진공배기 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브를 이용한 압력센서 제조방법. - 제 1항에 있어서,
상기 기판은 폴리에틸렌, 폴리카보네이트 및 폴리에틸렌테레프탈레이트로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상을 포함하는 고분자로 형성된 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브를 이용한 압력센서 제조방법. - 제 1항에 있어서,
상기 (S3) 필터를 제거하는 단계는, 상기 필터를 포함하고 있는 탄소나노튜브 필름이 접착된 기판을 염산 또는 질산에 담가두는 방법으로 수행되는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브를 이용한 압력센서 제조방법. - 제 1항에 있어서,
상기 (S3) 단계는 필터를 제거하는 단계 이후 상기 기판 위에 접착된 탄소나노튜브 필름 위에 접착제가 부착된 기판을 부착하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브를 이용한 압력센서 제조방법. - 제 1항 내지 제 6항 중 어느 한 항에 의해 제조된 압력센서로서,
전극이 형성된 기판 위에 패터닝된 탄소나노튜브 필름을 포함하는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브를 이용한 압력센서. - 제 7항에 있어서,
상기 기판은 폴리에틸렌, 폴리카보네이트 및 폴리에틸렌테레프탈레이트로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상을 포함하는 고분자로 형성된 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브를 이용한 압력센서. - 전극이 형성된 기판 위에 패터닝된 탄소나노튜브 필름을 포함하는 것을 특징으로 하는 압력센서를 이용한 유량제어장치로서,
상기 압력센서는 제 1항 내지 제 6항 중 어느 한 항에 의해 제조된 압력센서인 것을 특징으로 하는 유량제어장치. - 전극이 형성된 기판 위에 패터닝된 탄소나노튜브 필름을 포함하는 것을 특징으로 하는 압력센서를 이용한 혈압측정기로서,
상기 압력센서는 제 1항 내지 제 6항 중 어느 한 항에 의해 제조된 압력센서인 것을 특징으로 하는 혈압측정기.
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