KR20160091364A - 신축성 전극, 센서 시트 및 정전용량형 센서 - Google Patents

Abstract

본 발명은 유연성, 신축성 및 도전성이 뛰어나며, 신장 시의 전기 저항의 증대나, 반복 신축 시의 전기 저항의 편차의 발생을 억제할 수 있는 신축성 전극을 제공하는 것을 목적으로 하며, 본 발명의 신축성 전극은 엘라스토머 조성물로 이루어지는 기재와, 상기 기재와 일체화된 전극 본체를 구비하고, 상기 전극 본체는, 섬유 길이가 50㎛ 이상인 다층 카본나노튜브를 이용하여 형성되어 있는 것을 특징으로 한다.

Description

신축성 전극, 센서 시트 및 정전용량형 센서{STRETCHABLE ELECTRODE, SENSOR SHEET AND CAPACITIVE SENSOR}

본 발명은 신축성 전극, 이 신축성 전극을 이용한 센서 시트 및 정전용량형 센서에 관한 것이다.

최근, 신축 가능하고 유연성 있는 전극이, 소프트 센서나 각종 액추에이터, 플렉시블 표시 디바이스 등의 전자 디바이스 분야를 비롯하여, 신축성이 필요한 인공 근육이나 인공피부 등 메디컬 재료분야 등에서 요구되고 있다.

이와 같은 신축 가능하고 유연성 있는 전극으로서, 예를 들면 특허문헌 1에서는, 폴리우레탄 분산액과 은 입자 등의 금속 입자로 이루어지는 도전성 페이스트를 건조시켜 형성된 배선, 및 가요성 기판을 구비한 도전 부재가 제안되고 있다.

또한 특허문헌 2에서는, 유연성 및 도전성이 뛰어난 유연전극으로서, 엘라스토머 중에 지름 0.5~80㎚의 탄소 섬유로 구성되어 중심 부위로부터 탄소 섬유가 삼차원적으로 연장되어 있는 카본나노튜브에 의한 연속적인 도전로(導電路)가 형성되어 이루어지는 유연전극이 제안되고 있다.

일본 공개특허공보 2012-54192호 일본 공개특허공보 2008-198425호

그러나 특허문헌 1에 기재된 도전 부재에서는, 도전 부재로서의 신축성은 확보되기는 했지만, 도전성을 담당하는 배선 부분이 은 입자를 포함하는 도전성 페이스트를 이용하여 형성되어 있기 때문에, 신장 시에 도전 패스가 절단되어 전기 저항이 크게 상승하거나, 신축 변화를 반복했을 때에 전기 저항의 편차가 커진다는 과제가 있었다.

또한 특허문헌 2에 기재된 유연전극에서는, 유연성은 확보되기는 했지만, 신축성이 떨어지며 고(高)신장 시에 전기 저항이 증대되거나, 반복 신축 시에 전기 저항에 편차가 생긴다는 과제가 있었다.

본 발명은 이와 같은 사정을 감안하여 이루어진 것으로서, 그 목적은 유연성, 신축성 및 도전성이 뛰어나고, 신장 시의 전기 저항의 증대나, 반복 신축 시의 전기 저항의 편차의 발생을 억제할 수 있는 신축성 전극을 제공함에 있다.

본 발명자들은 상기 목적을 달성하기 위해 예의 검토한 결과, 특정 카본나노튜브를 이용하여 전극 본체를 형성함으로써, 상기 목적을 달성할 수 있는 것을 찾아내어 본 발명을 완성했다.

본 발명의 신축성 전극은, 엘라스토머 조성물로 이루어지는 기재와, 상기 기재와 일체화된 전극 본체를 구비하고,

상기 전극 본체는, 섬유 길이가 50㎛ 이상인 다층 카본나노튜브를 이용하여 형성되어 있는 것을 특징으로 한다.

상기 신축성 전극에서, 상기 다층 카본나노튜브는, 섬유 직경이 5~30㎚인 것이 바람직하다.

또한 상기 신축성 전극은 센서 시트에 바람직하게 이용할 수 있다.

본 발명의 센서 시트는 본 발명의 신축성 전극을 이용한 센서 시트로서,

상기 기재는 시트 형상이며 상기 전극 본체는 상기 기재의 양면에 마련되고,

상기 기재의 한쪽의 면에 마련된 전극 본체와 상기 기재의 다른 쪽의 면에 마련된 전극 본체는, 상기 기재를 끼고 적어도 일부가 대향하고 있는 것을 특징으로 한다.

상기 센서 시트에서, 상기 전극 본체는 띠 형상으로서 상기 기재의 양면에 복수열씩 마련되어 있다.

본 발명의 정전용량형 센서는, 본 발명의 센서 시트와 계측 수단과 상기 센서 시트가 구비하는 전극 본체 및 상기 계측 수단을 접속하는 외부 배선을 구비하고,

상기 기재의 한쪽의 면에 마련된 전극 본체와 상기 기재의 다른 쪽의 면에 마련된 전극 본체의 상기 기재를 끼고 대향하고 있는 부분을 검출부로 하며,

상기 계측 수단은 상기 검출부에서의 정전용량의 변화를 계측함으로써, 변형 왜곡량을 측정하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 신축성 전극은, 특정 카본나노튜브를 이용하여 형성된 전극 본체를 구비하고 있기 때문에, 도전성이 높으면서 신장 시의 전기 저항의 증대, 및 반복 신축 시의 전기 저항의 편차가 매우 작다는, 뛰어난 특성을 갖는다.

본 발명의 센서 시트는, 상술한 특성을 갖는 본 발명의 신축성 전극을 이용하고 있기 때문에 측정 정밀도, 장기 신뢰성이 뛰어난 센서를 제공할 수 있다.

본 발명의 정전용량형 센서는, 본 발명의 센서 시트를 구비하고 있기 때문에 측정 정밀도 및 장기 신뢰성이 뛰어나다.

도 1(a)는 본 발명의 신축성 전극의 일례를 모식적으로 나타내는 사시도이며, (b)는 (a)의 A-A선 단면도이다.
도 2(a)~(c)는, 각각 본 발명의 신축성 전극의 다른 일례를 모식적으로 나타내는 단면도이다.
도 3은 시트 형상 기재의 제작에 사용하는 성형 장치의 일례를 설명하기 위한 모식도이다.
도 4(a)는 본 발명의 센서 시트의 일례를 모식적으로 나타내는 평면도이며, (b)는 (a)에 나타낸 센서 시트의 A-A선 단면도이다.
도 5는 본 발명의 정전용량형 센서의 일례를 모식적으로 나타내는 평면도이다.
도 6은 조제예 1에서 사용한 고(高)배향 카본나노튜브를 촬영한 전자현미경 사진(×500)이다.
도 7은 조제예 1에서 사용한 고배향 카본나노튜브를 촬영한 전자현미경 사진(×200000)이다.
도 8은 실시예 및 비교예에서의 반복 신축 시의 전기 저항의 측정 방법을 설명하기 위한 모식도이다.
도 9는 실시예 1에서 반복 신축에 대한 전기 저항의 변화의 측정을 실시한 측정 결과를 나타내는 그래프이다.
도 10은 실시예 2에서 반복 신축에 대한 전기 저항의 변화의 측정을 실시한 측정 결과를 나타내는 그래프이다.
도 11은 실시예 3에서 반복 신축에 대한 전기 저항의 변화의 측정을 실시한 측정 결과를 나타내는 그래프이다.
도 12는 비교예 1에서 반복 신축에 대한 전기 저항의 변화의 측정을 실시한 측정 결과를 나타내는 그래프이다.
도 13은 비교예 2에서 반복 신축에 대한 전기 저항의 변화의 측정을 실시한 측정 결과를 나타내는 그래프이다.

이하, 본 발명의 실시의 형태에 대해 도면을 참조하면서 설명한다.

본 발명의 신축성 전극은, 엘라스토머 조성물로 이루어지는 기재와, 상기 기재와 일체화된 카본나노튜브로 이루어지는 전극 본체를 구비하고,

상기 전극 본체는, 섬유 길이가 50㎛ 이상인 다층 카본나노튜브를 이용하여 형성되어 있는 것을 특징으로 한다.

도 1(a)는 본 발명의 신축성 전극의 일례를 모식적으로 나타내는 사시도이며, (b)는 (a)의 A-A선 단면도이다.

도 1(a), (b)에 나타내는 신축성 전극(100)에서는, 엘라스토머 조성물로 이루어지는 시트 형상의 기재(101)의 상면 전체에 카본나노튜브를 이용하여 형성된 전극 본체(102)가 적층되어 일체화되어 있다.

상기 기재는, 엘라스토머 조성물로 이루어지는 것이다. 그 때문에 신축성을 확보할 수 있다.

상기 엘라스토머 조성물로는, 엘라스토머와 필요에 따라 다른 임의 성분을 함유하는 것을 들 수 있다.

상기 엘라스토머로는, 예를 들면 천연 고무, 이소프렌 고무, 니트릴 고무(NBR), 에틸렌프로필렌 고무(EPDM), 스티렌ㆍ부타디엔 고무(SBR), 부타디엔 고무(BR), 클로로프렌 고무(CR), 실리콘 고무, 불소 고무, 아크릴 고무, 수소첨가 니트릴 고무, 우레탄 고무 등을 들 수 있다. 이들은 단독으로 이용해도 되고 2종 이상 병용해도 된다.

이들 중에서는 우레탄 고무, 실리콘 고무가 바람직하다. 영구 변형(또는 영구 신장)이 작기 때문이다.

또한 실리콘 고무와 비교하여 카본나노튜브와의 밀착성이 뛰어난 점에서, 우레탄 고무가 특히 바람직하다.

상기 우레탄 고무는, 적어도 폴리올 성분과 이소시아네이트 성분이 반응하여 이루어지는 것이다. 구체예로는, 예를 들면 올레핀계 폴리올을 폴리올 성분으로 하는 올레핀계 우레탄 고무, 에스테르계 폴리올을 폴리올 성분으로 하는 에스테르계 우레탄 고무, 에테르계 폴리올을 폴리올 성분으로 하는 에테르계 우레탄 고무, 카보네이트계 폴리올을 폴리올 성분으로 하는 카보네이트계 우레탄 고무, 피자마유계 폴리올을 폴리올 성분으로 하는 피자마유계 우레탄 고무 등을 들 수 있다. 이들은 단독으로 이용해도 되고 2종 이상 병용해도 된다.

또한 상기 우레탄 고무는, 2종 이상의 상기 폴리올 성분을 병용한 것이어도 된다.

상기 올레핀계 폴리올로는, 예를 들면 에폴(이데미츠코산사 제품) 등을 들 수 있다.

또한 상기 에스테르계 폴리올로는, 예를 들면 폴리라이트8651(DIC사 제품) 등을 들 수 있다.

또한 상기 에테르계 폴리올로는, 예를 들면 폴리옥시테트라메틸렌글리콜, PTG-2000SN(호도가야 카가쿠코교사 제품), 폴리프로필렌글리콜, 프레미놀S3003(아사히가라스사 제품) 등을 들 수 있다.

또한 상기 우레탄 고무를 합성할 때는, 그 반응계 중에 필요에 따라 쇄연장제, 가교제, 촉매, 가황 촉진제 등을 첨가해도 된다.

또한 상기 엘라스토머 조성물은 엘라스토머 이외에 가소제, 산화 방지제, 노화 방지제, 착색제 등의 첨가제를 함유해도 된다.

또한 상기 엘라스토머 조성물은, 신축성 전극의 용도에 따라 또 다른 성분을 함유해도 된다.

구체적으로는, 예를 들면 본 발명의 신축성 전극을 정전용량의 변화를 측정하는 센서 시트(이하, 정전용량형 센서 시트라고도 함)로서 이용하는 경우에는, 티탄산바륨 등의 유전 필러를 함유해도 된다. 이로써, 기재의 정전용량(C)을 크게 할 수 있다. 그 결과, 정전용량형 센서 시트의 검출 감도를 높일 수 있다.

상기 엘라스토머 조성물이 유전 필러를 함유하는 경우, 상기 엘라스토머 조성물 중에서의 유전 필러의 함유량은 통상, 0체적%보다 많고 25체적% 이하 정도이다.

유전 필러의 함유량이 25체적%를 초과하면, 기재의 경도가 높아지거나, 영구 변형이 커지는 경우가 있다. 또한 우레탄 고무 제품의 기재를 성형할 때에 경화 전의 액점도가 높아지기 때문에 박막을 고정밀도로 형성하는 것이 어려워지는 경우가 있다.

상기 전극 본체는, 상기 기재와 일체화 되어 있고, 섬유 길이 50㎛ 이상인 다층 카본나노튜브를 이용하여 형성되어 있다.

본 발명의 신축성 전극은, 이와 같은 섬유 길이가 긴 다층 카본나노튜브를 이용하여 형성된 전극 본체를 구비하고 있기 때문에, 도전성이 뛰어나며 신장 시에 전기 저항이 거의 증대되지 않고, 반복 신축 시에 전기 저항의 편차가 작다는, 뛰어난 특성을 갖는다.

이에 반하여, 상기 다층 카본나노튜브의 섬유 길이가 50㎛ 미만에서는, 신축성 전극이 신장됨에 따라 전기 저항이 크게 증대되고, 또한 신축성 전극을 반복 신축시켰을 때의 전기 저항의 편차가 매우 커진다. 상기 섬유 길이는 100㎛ 이상인 것이 바람직하다.

한편, 상기 다층 카본나노튜브의 섬유 길이의 바람직한 상한은 1000㎛가다. 섬유 길이가 1000㎛를 초과하는 다층 카본나노튜브는, 현 시점에서는 그 제조, 입수가 곤란하다. 또한 다층 카본나노튜브의 섬유 길이가 1000㎛를 초과하면, 다층 카본나노튜브의 분산액을 도포하여 전극 본체를 형성하는 경우에, 다층 카본나노튜브의 분산이 불충분해지기 쉽고, 그 결과 도전 패스가 형성되기 어려워, 전극 본체의 도전성이 불충분해지는 것이 염려된다.

상기 다층 카본나노튜브의 평균 길이의 하한은 100㎛가 바람직하고, 상한은 600㎛가 바람직하다.

상기 다층 카본나노튜브의 평균 길이가 상기 범위 내에 있으면, 도전성이 뛰어나며 신장 시에 전기 저항이 거의 증대되지 않고, 반복 신축 시에 전기 저항의 편차가 작다는, 뛰어난 특성을 높은 수준으로 보다 확실하게 확보할 수 있다.

상기 다층 카본나노튜브의 섬유 길이는, 다층 카본나노튜브를 전자현미경으로 관찰하고, 그 관찰 화상으로부터 측정하면 된다.

또한 그 평균 길이는, 예를 들면 다층 카본나노튜브의 관찰 화상으로부터 무작위로 선택한 10군데의 다층 카본나노튜브의 섬유 길이에 기초하여 평균값을 산출하면 된다.

본 발명에서는, 카본나노튜브로서 다층 카본나노튜브를 이용하는 것도 중요하다.

단층 카본나노튜브를 이용한 경우에는, 섬유 길이가 긴 카본나노튜브여도, 전기 저항이 높아지거나, 신장 시에 전기 저항이 크게 증대되거나, 반복 신축 시에 전기 저항이 크게 편차가 생기거나 하기 때문이다. 이에 대해서는, 단층 카본나노튜브는, 통상 금속성 카본나노튜브와 반도체성 카본나노튜브의 혼합물로서 합성되기 때문에, 이 반도체성 카본나노튜브의 존재가, 전기 저항이 높아지거나, 신장 시에 전기 저항이 크게 증대되거나, 반복 신축 시에 전기 저항이 크게 편차가 생기는 원인이 되고 있다고 추측하고 있다.

또한 금속성 카본나노튜브와 반도체성 카본나노튜브를 분리하여, 섬유 길이가 긴 금속성의 단층 카본나노튜브만을 이용하면, 본 발명에 따른 전극 본체와 동일한 전기 특성을 구비한 전극 본체를 형성할 수 있는 가능성은 부정되지 않는다. 그러나 금속성 카본나노튜브와 반도체성 카본나노튜브의 분리는 용이하지 않고(특히, 섬유 길이가 긴 카본나노튜브에서), 양자의 분리에는 번잡한 작업이 필요해진다. 그 때문에 본 발명에서는, 전극 본체를 형성할 때의 작업 용이성, 및 경제성의 관점에서도 상기 전극 본체를 다층 카본나노튜브를 이용하여 형성된 것으로 하고 있다.

상기 다층 카본나노튜브에서, 그 층수는 특별히 한정되지 않고 2층 카본나노튜브(DWNT)여도 되고, 3층 이상의 다층 카본나노튜브(MWNT)여도 된다(본 명세서에서는, 양자를 합쳐 간단히 다층 카본나노튜브라고 칭함). 또한 층수가 다른 다층 카본나노튜브를 병용해도 된다.

상기 다층 카본나노튜브의 섬유 직경은 특별히 한정되지 않지만, 5~30㎚가 바람직하다.

상기 섬유 직경이 5㎚ 미만에서는, 다층 카본나노튜브의 분산이 나빠지고, 그 결과 도전 패스가 확대되지 않아, 전극 본체의 도전성이 불충분해지는 경우가 있다. 한편, 30㎚를 초과하면, 동일한 중량이라도 카본나노튜브의 개수가 적어져, 도전성이 불충분해지는 경우가 있다.

또한 상기 다층 카본나노튜브의 평균 섬유 직경은 특별히 한정되지 않지만, 5~20㎚가 바람직하다.

상기 다층 카본나노튜브는, 탄소 순도가 99중량% 이상인 것이 바람직하다.

카본나노튜브는, 그 제조 공정에서 촉매 금속이나 분산제 등이 포함되는 경우가 있고, 이와 같은 카본나노튜브 이외의 성분(불순물)을 다량으로 함유하는 카본나노튜브를 이용한 경우, 도전성의 저하나 전기 저항의 편차를 야기하는 경우가 있다.

상기 다층 카본나노튜브는, 종래 공지의 제조 방법으로 제조된 것이면 되지만, 기판 성장법에 의해 제조된 것이 바람직하다.

기판 성장법은 CVD법의 1종이며, 기판 상에 도포한 금속 촉매에 탄소원을 공급하고, 기판 상에서 카본나노튜브를 성장시켜 카본나노튜브를 제조하는 방법이다. 이 기판 성장법은 비교적 섬유 길이가 길면서 섬유 길이가 가지런한 카본나노튜브를 제조하는 데에 적합한 제조 방법이다. 그 때문에, 특정 섬유 길이의 카본나노튜브를 이용하여 전극 본체를 형성하는 것을 기술적 특징 중 하나로 하는 본 발명에서 사용하는 카본나노튜브의 제조 방법으로서 적합하다.

또한 본 발명에서 카본나노튜브가 기판 성장법에 의해 제조된 것인 경우, 카본나노튜브의 섬유 길이는, CNT 포레스트의 성장 길이와 실질적으로 동일하다. 따라서 전자현미경을 이용하여 섬유 길이를 측정하는 경우는, CNT 포레스트의 성장 길이를 측정하면 된다.

본 발명에서는, 카본나노튜브로서 섬유 길이가 50㎛ 이상인 다층 카본나노튜브를 사용하는 것이 중요하며, 기판 성장법에 의해 제조한 카본나노튜브를 사용하는 경우에는, 카본나노튜브의 성장 길이(CNT 포레스트의 성장 길이)가 50㎛ 이상으로 된 기판 상의 다층 카본나노튜브를, 섬유 길이가 50㎛ 이상인 다층 카본나노튜브로서 사용하면 된다.

상기 전극 본체는, 섬유 길이가 50㎛ 이상인 다층 카본나노튜브를 이용하여 형성된 것이다. 보다 구체적으로는, 예를 들면 상기 다층 카본나노튜브 및 분산매를 포함하는 조성물(이하, 카본나노튜브 분산액이라고도 함)을 도포한 후, 건조 처리에 의해 분산매를 제거하여 형성된 것이다.

상기 카본나노튜브 분산액은 분산매 이외에 상기 다층 카본나노튜브만을 함유하고 있어도 되지만, 상기 다층 카본나노튜브와 함께 카본나노튜브 이외의 다른 성분을 함유하고 있어도 된다.

상기 다른 성분으로는, 예를 들면 바인더 성분을 들 수 있다.

상기 바인더 성분은 다층 카본나노튜브의 연결 재료로서의 역할을 해낼 수 있다. 상기 바인더 성분을 함유시킴으로써, 전극 본체의 기재와의 밀착성, 및 전극 본체 자체의 강도를 향상시킬 수 있다. 또한 후술한 방법으로 전극 본체를 형성할 때에 다층 카본나노튜브의 비산을 억제할 수 있기 때문에, 전극 본체 형성 시의 안전성도 높일 수 있다.

상기 바인더 성분으로는, 예를 들면 부틸 고무, 에틸렌프로필렌 고무, 폴리에틸렌, 클로로 술폰화 폴리에틸렌, 천연 고무, 이소프렌 고무, 부타디엔 고무, 스티렌ㆍ부타디엔 고무, 폴리스티렌, 클로로프렌 고무, 니트릴 고무, 폴리메타크릴산메틸, 폴리아세트산비닐, 폴리염화비닐, 아크릴 고무, 스티렌-에틸렌-부틸렌-스티렌 블록 공중합체(SEBS) 등을 들 수 있다. 이들은 단독으로 이용해도 되고 2종 이상 병용해도 된다.

또한 상기 바인더 성분으로는, 생 고무(천연 고무 및 합성 고무를 가황시키지 않은 상태의 것)도 사용할 수 있다. 이와 같이, 비교적 탄성이 약한 재료를 이용함으로써, 신축 시의 기재의 변형에 대한 전극 본체의 추종성도 높일 수 있다.

상기 바인더 성분은, 그 용해도 파라미터(SP값[㎈/㎤)^{1 /2}])가 기재를 구성하는 엘라스토머의 용해도 파라미터와 가까운 것이 바람직하고, 양자의 용해도 파라미터(SP값)의 차이의 절대값이 1이하인 것이 보다 바람직하다. 용해도 파라미터가 가까울수록, 기재와 전극 본체의 밀착성이 향상되기 때문이다.

또한 본 발명에서, 상기 SP값은 Fedors의 추산법에 따라 산출한 값이다.

상기 바인더 성분은, 특히 기재를 구성하는 엘라스토머와 동종인 것이 바람직하다. 기재와 전극 본체의 밀착성을 현저하게 향상시킬 수 있기 때문이다.

상기 카본나노튜브 분산액은, 다른 성분으로서 상기 바인더 성분 이외에, 예를 들면 가교제, 가황 촉진제, 가황 조제 등의 바인더 성분을 위한 첨가제나, 노화 방지제, 가소제, 연화제, 착색제 등을 함유하고 있어도 된다.

여기서, 상기 전극 본체가 가소제를 함유하면서 상기 기재도 또한 가소제를 함유하는 경우에는, 양자의 가소제 농도는 동일한 것이 바람직하다. 기재와 전극 본체 사이에서의 가소제의 이행을 방지하고, 이로써 신축성 전극에서의 휘어짐이나 주름의 발생을 억제할 수 있기 때문이다.

또한 상기 카본나노튜브 분산액은, 형성되는 전극 본체의 도전 특성을 손상시키지 않는 범위에서, 섬유 길이가 50㎛ 이상인 다층 카본나노튜브 이외의 카본나노튜브를 함유하고 있어도 된다.

물론, 상기 다른 성분은 반드시 함유되어 있지 않아도 되고, 상기 전극 본체는, 실질적으로 다층 카본나노튜브만으로 구성되어 있어도 된다. 이 경우도 기재와의 사이에서 충분한 밀착성을 확보할 수 있고, 다층 카본나노튜브와 기재는, 반데르발스 힘(Van der Waals' force) 등에 의해 강하게 밀착된다.

상기 전극 본체에서의 다층 카본나노튜브의 함유량은 도전성이 발현되는 농도이면 특별히 한정되지 않고, 바인더 성분을 함유하는 경우에는 바인더 성분의 종류에 따라서도 다르지만, 전극 본체의 전 고형 성분에 대하여 0.1~100중량%인 것이 바람직하다.

또한 다층 카본나노튜브의 함유량을 높이면, 전극 본체의 도전성을 향상시킬 수 있다. 그 때문에, 전극 본체를 얇게 해도 요구되는 도전성을 확보할 수 있다. 그 결과, 신축성 전극을 얇게 하거나, 신축성 전극의 유연성을 확보하는 것이 보다 용이해진다.

상기 전극 본체는, 형상이 도 1에 나타낸 바와 같은 층 형상인 경우, 평균 두께가 0.1~10㎛인 것이 바람직하다. 전극 본체의 평균 두께가 상기 범위이면, 전극 본체는, 신축 시에 기재의 신축에 대하여 뛰어난 추종성을 발휘할 수 있다.

이에 반하여, 상기 전극 본체의 평균 두께가 0.1㎛ 미만에서는, 도전성이 부족해질 우려가 있다. 한편, 상기 전극 본체의 평균 두께가 10㎛를 초과하면 카본나노튜브의 보강 효과에 의해 신축성 전극 자체가 단단해져, 신축성이 불충분해질 우려가 있다.

또한 전극 본체의 형상이 층 형상인 경우, 전극 본체의 평균 두께는 레이저 현미경(예를 들면, 키엔스사 제품, VK-9510)을 이용하여 측정할 수 있다.

구체적으로는, 예를 들면 기재의 표면의 일부에 전극 본체를 적층한 경우에는, 기재의 표면에 적층된 전극 본체의 두께 방향을 0.01㎛씩 스캔하여 그 3D형상을 측정한 후, 유전층의 표면에 전극층이 적층되어 있는 영역 및 적층되어 있지 않은 영역에서, 각각 세로 200×가로 200㎛의 직사각형 영역의 평균 높이를 계측하고, 그 평균 높이의 단차를 전극 본체의 평균 두께로 하면 된다.

본 발명의 신축성 전극의 형상은 도 1에 나타낸 형상에 한정되는 것은 아니고, 예를 들면 도 2(a)~(c)에 나타낸 형상이어도 된다.

도 2(a)~(c)는, 각각 본 발명의 신축성 전극의 다른 일례를 모식적으로 나타내는 단면도이다.

도 2(a)에 나타내는 신축성 전극(110)은, 2장의 시트 형상의 기재(111a, 111b)에서 전극 본체(112)가 협지(挾持)된 형상을 갖고 있다. 이와 같은 형상을 갖는 신축성 전극에서는, 외부로부터의 충격 등에 의한 전극 본체의 파손이 보다 발생하기 어려워진다.

도 2(b)에 나타내는 신축성 전극(120)은, 2장의 시트 형상의 기재(121a, 121b)와 2층의 전극 본체(122a, 122b)가 교대로 적층된 형상을 갖고 있고, 전극 본체가 다층 구조를 갖고 있다.

또한 전극 본체가 다층 구조를 갖고 있는 경우, 그 층수는 도 2(b)에 나타낸 바와 같이 2층에 한정되지 않고, 3층 이상이어도 된다. 또한 층 형상의 전극 본체는 그 상하면이 기재로 보호되어 있어도 된다.

도 2(c)에 나타내는 신축성 전극(130)은, 시트 형상의 기재(131)의 상면에 2열의 전극 본체(132a, 132b)가 적층된 형상을 갖고 있다. 시트 형상의 기재의 하나의 면에 전극 본체를 적층하는 경우, 2열에 한하지 않고 복수열의 전극 본체가 적층되어 있어도 되고, 전극 본체로서 카본나노튜브로 이루어지는 회로 패턴이 형성되어 있어도 된다.

물론, 본 발명의 신축성 전극의 형상은, 여기까지 도시한 형상에 한정되지 않고, 신축성 전극의 설계에 따른 다양한 형상을 채용할 수 있다.

본 발명의 신축성 전극은, 상술한 구성을 구비하고 있기 때문에 유연성, 신축성 및 도전성이 뛰어나고, 신장 시의 전기 저항의 증대나, 반복 신축 시의 전기 저항의 편차가 매우 작다는, 뛰어난 특성을 갖는다.

상기 신축성 전극은 무신장 상태에서 일축방향으로 100% 신장시킨 후, 무신장 상태로 되돌리는 사이클을 1사이클로 하는 신축을 1000사이클 반복했을 때, 2사이클째 이후의 각 사이클에서 100% 신장 시의 무신장 시에 대한 전기 저항의 증가율(〔[100% 신장 시의 전기 저항값]-[무신장 시(0% 신장 시)의 전기 저항값]/[무신장 시의 전기 저항값]×100)이 작은 것이 바람직하다. 구체적으로는, 100% 미만인 것이 바람직하다.

또한 상기 신축성 전극은, 상술한 신축 사이클을 1000사이클 반복했을 때에 2사이클째의 100% 신장 시의 상기 전극 본체의 전기 저항에 대한, 1000사이클째의 100% 신장 시의 상기 전극 본체의 전기 저항의 변화율([1000사이클째, 100% 신장 시의 전기 저항값]-[2사이클째, 100% 신장 시의 전기 저항값]의 절대값/[2사이클째, 100% 신장 시의 전기 저항값]×100)이 작은 것이 바람직하다. 구체적으로는, 10% 이하인 것이 바람직하고, 5% 이하인 것이 보다 바람직하다.

여기서, 1사이클째가 아니라, 2사이클째 이후의 전기 저항을 평가 대상으로 하고 있는 이유는, 미(未)신장 상태에서 신장시킨 1회째(1사이클째)의 신장 시에는, 신장 시의 전극 본체의 거동(전기 저항의 변동 방식)이 2회째(2사이클째) 이후의 신축 시와 크게 다르기 때문이다. 이 이유에 대해서는, 신축성 전극을 제작한 후 1회 신장시킴으로써 처음으로 전극 본체를 구성하는 다층 카본나노튜브의 상태가 안정화되기 때문이라고 추측하고 있다.

따라서 본 발명의 신축성 전극을 사용할 때는, 제조 후 적어도 1회는 신축 시키고, 그 후 사용하는 것이 바람직하다.

상기 신축성 전극은, 무신장 상태에서 일축방향으로 신장시켰을 때에 일축 인장에 견딜 수 있는 신장률이 클수록 바람직하다. 구체적으로는, 30% 이상인 것이 바람직하고, 50% 이상인 것이 보다 바람직하며, 100% 이상인 것이 더 바람직하고, 200% 이상인 것이 특히 바람직하다.

상기 신장률을 크게 함으로써, 다양한 용도로 사용하는 것이 가능해지기 때문이다.

일축 인장에 견딜 수 있는 신장률이란, JIS K 6251에 준거한 인장 시험에서, 파단 시 신장 이하의 신장률이면서 인장 하중을 개방 후 원래의 상태로 복원하는 신장률을 말한다. 예를 들면, 일축 인장에 견딜 수 있는 신장률이 100% 이상이라는 것은, 일축방향으로 100% 신장시켰을 때에는 파단에 이르지 않으면서 인장 하중을 개방한 후에 원래의 상태로 복원하는(즉, 탄성 변형 범위에 있는) 것을 의미한다.

상기 일축 인장에 견딜 수 있는 신장률은 기재의 설계(재질이나 형상 등)에 의해 제어할 수 있다.

다음으로, 본 발명의 신축성 전극의 제조 방법에 대해 설명한다.

본 발명의 신축성 전극은, 예를 들면

(1) 엘라스토머 조성물로 이루어지는 기재를 제작하는 공정(이하, "공정(1)"이라고도 함), 및

(2) 섬유 길이가 50㎛ 이상인 다층 카본나노튜브 및 분산매를 포함하는 조성물을 도포하고, 상기 기재와 일체화된 전극 본체를 형성하는 공정(이하, "공정(2)"이라고도 함),

을 거침으로써 제조할 수 있다.

이하, 시트 형상의 기재와 층 형상의 전극 본체를 구비한 신축성 전극을 예로 들어, 신축성 전극의 제조 방법을 공정순으로 설명한다.

[공정(1)]

본 공정에서는, 엘라스토머 조성물로 이루어지는 기재를 제작한다.

우선, 원료 조성물로서 엘라스토머(또는 그 원료)에, 필요에 따라 쇄연장제, 가교제, 가황 촉진제, 촉매, 유전 필러, 가소제, 산화 방지제, 노화 방지제, 착색제 등의 첨가제를 배합한 원료 조성물을 조제한다.

다음으로, 이 원료 조성물을 성형함으로써 기재를 제작한다. 여기서, 성형방법으로는 특별히 한정되지 않고, 종래 공지의 방법을 이용할 수 있다.

구체적으로는, 기재로서 우레탄 고무를 포함하는 기재를 성형하는 경우에는, 예를 들면 우선, 폴리올 성분, 가소제 및 산화 방지제를 계량하고 가열, 감압 하에서 일정 시간 교반 혼합하여 혼합액을 조제한다. 다음으로, 혼합액을 계량하고 온도를 조정한 후 촉매를 첨가하여 애지터 등으로 교반한다. 그 후, 소정량의 이소시아네이트 성분을 첨가하고 애지터 등으로 교반 후, 그 자리에서 혼합액을 도 3에 나타내는 성형 장치에 주입하고 보호 필름으로 샌드위치 형상으로 하여 반송하면서 가교 경화시켜, 보호 필름이 붙어 있는 소정 두께의 롤 시트를 얻는다. 그 후, 또한 퍼니스(furnace)에서 일정 시간 가교 반응시킴으로써 기재를 제조할 수 있다.

또한 도 3은 시트 형상의 기재의 제작에 사용하는 성형 장치의 일례를 설명하기 위한 모식도이다. 도 3에 나타낸 성형 장치(30)에서는, 원료 조성물(33)을, 이간하여 배치된 한 쌍의 롤(32, 32)로부터 연속적으로 배출되는 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET) 제품인 보호 필름(31)의 틈으로 흘려 넣고, 그 틈에 원료 조성물(33)을 유지한 상태로 경화 반응(가교 반응)을 진행시키면서 가열 장치(34) 내에 도입하고, 원료 조성물(33)을 한 쌍의 보호 필름(31) 사이에서 유지한 상태로 열경화시켜 시트 형상의 기재(35)를 성형한다.

상기 기재는, 원료 조성물을 조제한 후, 각종 코팅 장치, 바 코팅, 닥터 블레이드 등의 범용의 성막 장치나 성막 방법을 이용하여 제작해도 된다.

[공정(2)]

본 공정에서는, 우선 섬유 길이가 50㎛ 이상인 다층 카본나노튜브 및 분산매를 포함하는 조성물(카본나노튜브 분산액)을 도포한다. 그 후, 건조 처리에서 분산매를 제거함으로써 상기 기재와 일체화된 전극 본체를 형성한다.

구체적으로는, 우선 다층 카본나노튜브를 분산매에 첨가한다. 이 때, 필요에 따라 바인더 성분(또는, 바인더 성분의 원료) 등의 상술한 다른 성분이나 분산제를 더 첨가해도 된다.

다음으로, 다층 카본나노튜브를 포함하는 각 성분을 습식 분산기를 이용하여 분산매 중에 분산(또는 용해)시킴으로써 도포액(카본나노튜브 분산액)을 조제한다. 여기서는, 예를 들면 초음파 분산기, 제트 밀, 비즈 밀 등 기존의 분산기를 이용하여 분산시키면 된다.

상기 분산매로는, 예를 들면 톨루엔, 메틸이소부틸케톤(MIBK), 알코올류, 물 등을 들 수 있다. 이들 분산매는 단독으로 이용해도 되고 2종 이상 병용해도 된다.

상기 도포액에서, 상기 다층 카본나노튜브의 농도는 0.01~10중량%가 바람직하다.

0.01중량% 미만에서는, 다층 카본나노튜브의 농도가 지나치게 얇아 반복 도포할 필요가 생기는 경우가 있다. 반면, 10중량%를 초과하면, 도포액의 점도가 지나치게 높아지고, 또한 재응집에 의해 다층 카본나노튜브의 분산성이 저하되어, 균일한 전극 본체를 형성하는 것이 곤란해지는 경우가 있다.

이어서, 스프레이 코팅 등에 의해 상기 기재의 표면의 소정 위치에 도포액을 도포하여 건조시킨다. 이 때, 필요에 따라 기재 표면의 전극 본체를 형성하지 않는 위치를 마스킹하고 나서 상기 도포액을 도포해도 된다.

상기 도포액의 건조 조건은 특별히 한정되지 않고, 분산매의 종류나 엘라스토머 조성물의 조성 등에 따라 적절히 선택하면 된다.

또한 상기 도포액을 도포하는 방법은 스프레이 코팅에 한정되는 것은 아니라 그 외, 예를 들면 스크린 인쇄법, 잉크젯 인쇄법 등도 채용할 수 있다.

또한 경우에 따라서는, 상기 전극 본체를 형성하기 전에 상기 기재와 상기 전극 본체의 밀착성을 높이기 위해, 기재의 표면에 전 처리를 실시해도 된다. 그러나 상기 다층 카본나노튜브를 이용하여 형성된 전극 본체와 기재는 매우 뛰어난 밀착성을 갖고 있기 때문에, 조금도 전 처리를 실시하지 않고 기재와 전극 본체 사이에서 충분한 밀착성을 확보할 수 있다.

이와 같은 공정을 거침으로써, 도 1이나 도 2(c)에 나타낸 바와 같은 형상의 신축성 전극을 제조할 수 있다.

또한 도 2(a)에 나타낸 바와 같은 형상의 신축성 전극을 제조하는 경우에는, 예를 들면 상술한 방법으로 기재의 한 면에 전극 본체를 형성한 후 각종 코팅 장치, 바 코팅, 닥터 블레이드 등의 범용의 성막 장치나 성막 방법 등을 이용하여 상기 원료 조성물을 도포하고, 그 후 열경화시킴으로써 제조할 수 있다. 또한 상기 기재를 제작하기 위한 원료 조성물을 가교 또는 반가교시켜 얻은 시트(기재)를 별도 제작하고, 하나의 면에 전극 본체가 형성된 기재에 라미네이트함으로써 제조하는 것도 가능하다. 반가교의 경우에는 라미네이트 후에 완전 가교시켜도 된다.

또한 도 2(b)에 나타낸 신축성 전극과 같은 기재 및 전극 본체가 다층 구조를 갖는 신축성 전극을 제조하는 경우에는, 처음에 기재를 제작한 후, 그 위에 전극 본체와 다른 기재를 상술한 방법으로 순차 적층하여 다층 구조를 갖는 신축성 전극을 제조하면 된다.

이와 같은 본 발명의 신축성 전극은, 예를 들면 센서 시트로서 바람직하게 사용할 수 있다. 물론, 본 발명의 신축성 전극의 용도는 센서 시트에 한정되지 않고, 그 외 도전 배선재로는 물론, 유전 엘라스토머형 액추에이터나 제너레이터, 또한 신축 유연성이 요구되는 부분에서의 각종 신호선이나 소전력의 전력선 등, 다양한 용도로 사용할 수 있다.

다음으로, 본 발명의 센서 시트에 대해 설명한다.

본 발명의 센서 시트는, 본 발명의 신축성 전극을 이용한 센서 시트로서,

상기 기재는 시트 형상이며, 상기 전극 본체는 상기 기재의 양면에 마련되고,

상기 기재의 한쪽의 면에 마련된 전극 본체와 상기 기재의 다른 쪽의 면에 마련된 전극 본체는, 상기 기재를 끼고 적어도 일부가 대향하고 있는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 센서 시트에서는, 상기 기재의 양면에 전극 본체가 마련되면서 상기 기재의 한쪽의 면에 마련된 전극 본체와 다른 쪽의 면에 마련된 전극 본체는 상기 기재를 끼고 적어도 일부가 대향하고 있다. 그 때문에, 본 발명의 신축성 전극에 의해, 상기 기재를 유전층으로 하는 콘덴서가 구성된다.

그리고 본 발명의 센서 시트는, 유전층(기재) 및 이에 추종하는 전극 본체의 신축에 의해 전극 본체의 기재를 끼고 대향하고 있는 부분의 정전용량이 변화된다. 그 때문에, 이 정전용량의 변화를 계측함으로써, 예를 들면 변형 왜곡량 등을 검출하는 정전용량 센서에 바람직하게 사용할 수 있다.

또한 상기 센서 시트에서, 상기 전극 본체는 띠 형상으로서, 상기 기재의 양면에 복수열씩 마련되어 있어도 된다. 이 경우, 기재를 끼고 대향하고 있는 부분마다 변형 왜곡량을 검출함으로써, 변형 왜곡 분포나 면압 분포를 측정할 수도 있다.

상기 신축성 전극을 이용한 정전용량형 센서 시트로서, 복수열의 전극 본체를 구비한 정전용량형 센서 시트에 대해 도면을 참조하면서 더 상세하게 설명한다.

도 4(a)는 본 발명의 센서 시트의 일례를 모식적으로 나타내는 평면도이며, (b)는 (a)에 나타낸 센서 시트의 A-A선 단면도이다.

도 4(a), (b)에 나타내는 센서 시트(1)는 정전용량형 센서 시트이며, 시트 형상의 유전층(2)과, 유전층(2)의 표면(앞면)에 적층된 복수열의 띠 형상의 표면 전극층(01A~16A)과, 유전층(2)의 이면에 적층된 복수열의 띠 형상의 이면 전극층(01B~16B)과, 표면 전극층(01A~16A)의 일단에 마련된 외부 배선과 접속하기 위한 표면 접속부(01A1~16A1)와, 이면 전극층(01B~16B)의 일단에 마련된 외부 배선과 접속하기 위한 이면 접속부(01B1~16B1)를 구비한다.

센서 시트(1)에서는, 표면 전극층(01A~16A)과 이면 전극층(01B~16B)이 유전층(2)을 끼고 대향하는 부분(유전층의 두께 방향에서 교차하는 부분)이 검출부(C0101~C1616)가 된다. 또한 검출부의 부호 "C○○△△" 중, 위 2자리의 "○○"는 표면 전극층(01A~16A)에 대응하고, 아래 2자리의 "△△"는 이면 전극층(01B~16B)에 대응한다.

표면 전극층(01A~16A)은, 각각 띠 형상을 나타내고 있으며 유전층(2)의 표면에 합계 16개 적층되어 있다. 표면 전극층(01A~16A)은, 각각 X방향(도 4(a) 중, 좌우 방향)으로 연장되어 있다. 표면 전극층(01A~16A)은, 각각 Y방향(도 4(a) 중, 상하 방향)으로 소정 간격마다 이간하여 서로 대략 평행이 되도록 각각 배치되어 있다.

이면 전극층(01B~16B)은, 각각 띠 형상을 나타내고 있으며 유전층(2)의 이면에 합계 16개 적층되어 있다. 이면 전극층(01B~16B)은, 각각 표면 전극층(01A~16A)과 표리 방향(유전층의 두께 방향)에서 보아 대략 직교하도록 배치되어 있다. 즉, 이면 전극층(01B~16B)은, 각각 Y방향으로 연장되어 있다. 또한 이면 전극층(01B~16B)은, X방향으로 소정 간격마다 이간하여 서로 대략 평행이 되도록 각각 배치되어 있다.

표면 전극층(01A~16A) 및 이면 전극층(01B~16B)을 이와 같이 배치함으로써, 측정 대상물의 변형의 위치나 크기를 측정할 때, 전극층의 배치 수 및 전극 배선 수를 적게 할 수 있다. 즉, 상기 형태의 경우, 검출부가 효율적으로 배치되어 있게 된다.

또한 상세하게 설명하면, 도 4(a), (b)에 나타낸 예에서는, 표면 전극층과 이면 전극층이 유전층을 끼고 대향하는 검출부가 16×16=256으로 256군데 존재하지만, 256군데의 검출부를 각각 독립적으로 형성한 경우에는, 각 검출부에 대해 표면 전극과 이면 전극이 존재하기 때문에, 검출부의 정전용량을 검출하기 위해서는 256×2로 512개의 배선이 필요해진다. 이에 반하여, 도 4(a), (b)에 나타낸 예와 같이, 표면 전극층 및 이면 전극층이 각각 평행으로 배치된 복수열의 띠 형상체로 이루어지고, 이 표면 전극층과 이면 전극층이 표리 방향에서 보아 대략 직교하도록 배치되어 있는 경우에는, 검출부의 정전용량을 검출하기 위한 배선이 16+16의 32개가 된다. 그 때문에, 상기한 바와 같이 검출부가 효율적으로 배치되어 있게 된다.

그리고 도 4(a), (b)에 나타낸 센서 시트(1)에서는, 유전층(2)이 본 발명의 신축성 전극에서의 기재에 상당하고, 표면 전극층(01A~16A) 및 이면 전극층(01B~16B)의 각각이 본 발명의 신축성 전극에서의 전극 본체에 상당한다.

이와 같은 구성을 구비한 센서 시트(1)는, 후술하는 바와 같이 계측 수단과 접속하여 정전용량형 센서로 하고, 각 16개의 배선을 각각 외부의 전환회로에서 전환함으로써, 256군데의 검출부를 한 군데씩 전환하면서 각 검출부의 정전용량을 측정할 수 있다.

그리고 각 검출부의 정전용량에 기초하여, 센서 시트 내의 왜곡 분포나 왜곡 위치, 면압 분포 등의 정보를 검지할 수 있다.

상기 센서 시트가 정전용량형 센서 시트인 경우, 상기 유전층의 평균 두께는, 정전용량(C)을 크게 하여 검출 감도의 향상을 도모하는 관점, 및 측정 대상물에 대한 추종성의 향상을 도모하는 관점에서, 10~1000㎛인 것이 바람직하고, 30~200㎛인 것이 보다 바람직하다.

또한 상기 유전층의 상온에서의 비유전율은 2이상이 바람직하고, 5이상이 보다 바람직하다. 유전층의 비유전율이 2미만이면, 정전용량(C)이 작아져 정전용량형 센서로서 사용했을 때에 충분한 감도가 얻어지지 않는 경우가 있다.

또한 상기 센서 시트에서, 유전층(기재)이나 표면 전극층 및 이면 전극층(전극 본체)의 각각의 평균 두께, 폭, 길이 등의 외관형상은, 이용되는 센서 시트의 용도에 따라 적절히 설계 변경이 가능하다.

그리고 본 발명의 센서 시트는, 표면 전극층과 이면 전극층이 기재를 끼고 대향하는 검출부를 시트 내에 한 군데만 갖는 센서 시트여도 된다.

또한 본 발명의 신축성 전극을 정전용량형 센서 시트로서 사용하는 경우, 상기 기재의 영률(Young's modulus)은 0.1~1㎫인 것이 바람직하다. 영률이 0.1㎫ 미만이면 기재가 지나치게 부드러워 고품질의 가공이 어렵고, 충분한 측정 정밀도가 얻어지지 않는 경우가 있다. 반면, 영률이 1㎫를 초과하면 기재가 지나치게 단단하여, 측정 대상물의 변형 하중이 작은 경우에 측정 대상물의 변형 동작을 저해하여 계측 목적에 대해 계측 결과가 적합하지 못할 우려가 있다.

또한 상기 신축성 전극을 정전용량형 센서 시트로서 사용하는 경우, 상기 기재의 경도는 JIS K 6253에 준거한 타입A 듀로미터를 이용한 경도(JIS A경도)로, 0~30°이거나, 또는 JIS K 7321에 준거한 타입C 듀로미터를 이용한 경도(JIS C경도)로 10~55°인 것이 바람직하다.

상기 C경도가 10°미만에서는, 기재가 지나치게 부드럽기 때문에 고품질의 가공이 어려워 충분한 측정 정밀도를 확보할 수 없는 경우가 있고, 반면 55°를 초과하면 기재가 지나치게 단단하기 때문에, 측정 대상물의 변형 하중이 작은 경우에 측정 대상물의 변형 동작을 저해하여, 계측 목적에 대해 측정 결과가 적합하지 못할 우려가 있다.

또한 본 발명의 센서 시트의 구성은 도 4(a), (b)에 나타낸 구성에 한정되는 것은 아니고, 예를 들면 표면 전극층 및/또는 이면 전극층의 표층 측에 절연층(유전층)을 통해 크로스토크 노이즈를 제거하기 위한 실드 전극층이 검출부를 덮도록 형성되어 있어도 된다. 또한 최외층에 전극층(표면 전극층이나 이면 전극층, 실드 전극층)을 보호하기 위한 오버코팅층을 구비하고 있어도 된다.

이와 같은 구성으로 이루어지는 센서 시트는 후술하는 바와 같이, 표면 전극층과 이면 전극층의 각각을 외부 배선을 통해 계측 수단과 접속함으로써 정전용량형 센서로 할 수 있다.

본 발명의 정전용량형 센서는, 본 발명의 센서 시트와, 계측 수단과, 상기 센서 시트가 구비하는 전극 본체(상기 표면 전극층 및 상기 이면 전극층) 및 상기 계측 수단을 접속하는 외부 배선을 구비하고,

상기 기재의 한쪽의 면에 마련된 전극 본체와 상기 기재의 다른 쪽의 면에 마련된 전극 본체의 상기 기재를 끼고 대향하고 있는 부분을 검출부로 하며,

상기 검출부에서의 정전용량의 변화를 계측함으로써 변형 왜곡량을 측정하는 것을 특징으로 한다.

도 4(a), (b)에 나타낸 센서 시트(신축성 전극)(1)를 이용한 정전용량형 센서로는, 예를 들면 도 5에 나타낸 바와 같은 구성을 구비한 것을 들 수 있다.

도 5는 본 발명의 정전용량형 센서의 일례를 모식적으로 나타내는 평면도이다.

도 5에 나타내는 정전용량형 센서(201)는 도 4에 나타낸 본 발명의 신축성 전극을 이용한 센서 시트(1)와, 외부 배선(202 및 203)과, 계측 수단(204)을 구비하고 있다.

센서 시트(1)의 표면 접속부(01A1~16A1)의 각각은, 복수(16개)의 배선이 결속된 외부 배선(203)을 통해 계측 수단(204)과 접속되어 있고, 또한 이면 접속부(01B1~16B1)의 각각은, 복수(16개)의 배선이 결속된 외부 배선(202)을 통해 계측 수단(204)과 접속되어 있다.

또한 외부 배선은, 도 5에 나타내는 바와 같이 표면 전극층 및 이면 전극층의 한끝에만 접속되어 있으면 되지만, 경우에 따라서는 양단에 접속되어 있어도 된다.

계측 수단(204)은 도시하지 않지만, 전원 회로, 연산 회로, 정전용량, 측정 회로, 화소 전환 회로 및 표시 장치 등을 필요에 따라 구비하고 있다. 계측 수단(204)의 구체예로는, 예를 들면 LCR 미터 등을 들 수 있다.

이와 같은 정전용량형 센서(201)에서는, 측정 대상물 배치 전의 정전용량(C)과 측정 대상물 배치 후의 정전용량(C)으로부터 정전용량의 변화량ΔC를 검출하고, 그 정전용량의 변화량ΔC에 기초하여 변형 왜곡량을 구할 수 있으며, 각 검출부의 변형 왜곡량에 기초하여 변형 왜곡 분포나 면압 분포를 구할 수 있다.

또한 상기 센서 시트(신축성 전극)는 신장률이 높고, 일축방향으로 30% 이상 반복 신장시키는 것이 가능하고, 유연성 있는 측정 대상물의 변형이나 동작에 추종하는 것이 가능하면서 신축 변형이나 반복 변형에 대한 내구성이 뛰어나다. 그 때문에, 상기 센서 시트를 구비한 정전용량형 센서에서는, 예를 들면 측정 대상물의 형태를 트레이스하거나, 측정 대상물의 움직임을 직접적으로 검지하는 등이 가능하다.

실시예

이하, 실시예에 의해 본 발명을 더 구체적으로 설명하지만, 본 발명은 이하의 실시예에 한정되는 것이 아니다.

<카본나노튜브 분산액의 조제>

(조제예 1: 카본나노튜브 분산액(A-1)의 조제)

기판 성장법에 의해 제조한 다층 카본나노튜브인, 타이요닛산사 제품인 고배향 카본나노튜브(층수 4~12층, 섬유 직경 10~20㎚, 섬유 길이 50~150㎛, 탄소 순도 99.5%) 30㎎을 메틸이소부틸케톤(MIBK) 30g에 첨가하고, 제트 밀(나노제트펄 JN10-SP003, 츠네미츠사 제품)을 이용해 습식 분산 처리를 실시하여 농도 0.1중량%의 카본나노튜브 분산액 A-1을 얻었다.

(다층 카본나노튜브의 평균 길이의 확인)

주사형 전자현미경(HITACHI사 제품 S-4800)을 이용하여 조제예 1에서 사용한 고배향 카본나노튜브를 배율 500배로 관찰하고, 상기 고배향 카본나노튜브의 평균 길이(CNT 포레스트의 성장 길이의 평균값)를 전자현미경 화상에 기초하여 산출했다.

구체적으로는, 도 6에 나타낸 바와 같은 전자현미경 사진에서 CNT 포레스트 부분을 선택하고, 그 부분의 성장 길이(도 6의 예에서는, 114㎛)를 측정하여 평균값을 산출했다.

이 때, 전자현미경 사진은 여러 장 촬영하여 무작위로 추출한 10군데의 성장 길이의 평균값을 산출했다.

조제예 1에서 사용한 고배향 카본나노튜브의 평균 길이는 102㎛였다.

또한 도 6은, 조제예 1에서 사용한 고배향 카본나노튜브를 촬영한 전자현미경 사진 중 1장이다.

(다층 카본나노튜브의 평균 섬유 직경의 확인)

주사형 전자현미경(HITACHI사 제품 S-4800)을 이용하여, 조제예 1에서 사용한 고배향 카본나노튜브를 배율 200000배로 관찰하고, 상기 고배향 카본나노튜브의 평균 섬유 직경을 전자현미경 화상에 기초하여 산출했다.

구체적으로는, 도 7에 나타낸 바와 같은 전자현미경 사진에서 단독으로 관찰되는 카본나노튜브를 무작위로 추출하고, 그 카본나노튜브의 섬유 직경(도 7에 나타낸 예에서는 12.9㎚)을 측정하여 평균값을 산출했다.

이 때, 전자현미경 사진은 여러 장 촬영하여 무작위로 추출한 10군데의 섬유 직경의 평균값을 산출했다.

조제예 1에서 사용한 고배향 카본나노튜브의 평균 섬유 직경은 12.8㎚였다.

또한 도 7은, 조제예 1에서 사용한 고배향 카본나노튜브를 촬영한 전자현미경 사진 중 1장이다.

(조제예 2: 카본나노튜브 분산액(A-2)의 조제)

다층 카본나노튜브로서 조제예 1과는 섬유 길이가 다른, 타이요닛산사 제품인 고배향 카본나노튜브(층수 4~12층, 섬유 직경 10~20㎚, 섬유 길이 150~300㎛, 탄소 순도 99.5%)를 사용하며, 상기 조제예 1과 동일하게 하여 농도 0.1중량%의 카본나노튜브 분산액 A-2를 얻었다.

본 예에서 사용한 고배향 카본나노튜브에 대해, 조제예 1과 동일하게 하여 평균 길이 및 평균 섬유 직경을 산출한 결과, 평균 길이는 298㎛, 평균 섬유 직경은 12.9㎚였다.

(조제예 3: 카본나노튜브 분산액(A-3)의 조제)

다층 카본나노튜브로서 조제예 1과는 섬유 길이가 다른, 타이요닛산사 제품인 고배향 카본나노튜브(층수 4~12층, 섬유 직경 10~20㎚, 길이 300~600㎛, 탄소 순도 99.5%)를 사용하며, 상기 조제예 1과 동일하게 하여 농도 0.1중량%의 카본나노튜브 분산액 A-3을 얻었다.

본 예에서 사용한 고배향 카본나노튜브에 대해, 조제예 1과 동일하게 하여 평균 길이 및 평균 섬유 직경을 산출한 결과, 평균 길이는 591㎛, 평균 섬유 직경은 11.1㎚였다.

(조제예 4: 카본나노튜브 분산액(B)의 조제)

타이요닛산사 제품인 고배향 카본나노튜브를 대신하여, 다층 카본나노튜브인 나노실사 제품, NC7000(섬유 직경 9.5㎚, 평균 길이 1.5㎛, 애스펙트비 158, 탄소 순도 90%)을 이용한 것 이외에는, 카본나노튜브 분산액(A-1)의 조제 방법과 동일하게 하여 농도 0.1중량%의 카본나노튜브 분산액 B를 조제했다.

(조제예 5: 카본나노튜브 분산액(C)의 조제)

타이요닛산사 제품인 고배향 카본나노튜브를 대신하여, 단층 카본나노튜브인 슈퍼그로스 CNT(섬유 직경의 중앙값이 약 3㎚, 성장 길이 500~700㎛, 애스펙트비 약 100,000, 탄소 순도 99.9%, 산업기술종합연구소 제공)를 이용한 것 이외에는, 카본나노튜브 분산액(A-1)의 조제 방법과 동일하게 하여 농도 0.1중량%의 카본나노튜브 분산액 C를 조제했다.

(실시예 1)

(1) 수첨(水添)수산기 말단 액상 폴리올레핀폴리올(에폴, 이데미츠코산사 제품) 100질량부, 알킬 치환 디페닐에테르를 주성분으로 한 고온용 윤활유(모레스코 하이루브 LB-100, MORESCO사 제품) 100질량부를 계량하고, 자전 공전 믹서(THINKY사 제품)를 이용하여 2000rpm으로 3분간 교반 혼합했다. 다음으로, 얻어진 혼합물에 촉매(Fomrez catalyst UL-28, Momentive사 제품) 0.07질량부를 첨가하고 자전 공전 믹서로 1.5분 교반했다. 그 후, 이소포론디이소시아네이트(데스모듈I, 스미카 바이엘우레탄사 제품) 11질량부를 첨가하여 자전 공전 믹서로 3분간 교반하고 1.5분간 탈포(脫泡)하여 기재용의 원료 조성물을 조제한 후, 이것을 도 3에 나타낸 성형 장치(30)에 주입하고, 보호 필름으로 샌드위치 형상으로 하여 반송하면서 퍼니스 내 온도 110℃, 퍼니스 내 시간 30분간의 조건에서 가교 경화시켜, 보호 필름이 붙어 있는 소정 두께의 롤 시트를 얻었다. 그 후, 80℃에서 조절한 퍼니스에서 12시간 후 가교시켜, 층 두께 50㎛인 기재 시트를 얻었다.

다음으로, 얻어진 기재 시트를 재단하여 90㎜×90㎜×50㎛의 기재와, 90㎜×60㎜×50㎛의 기재를 1장씩 제작했다.

(2) 다음으로, 1장(90㎜×90㎜×50㎛)의 기재의 한쪽 면의 중앙부에 카본나노튜브 분산액(A-1) 8g을 스프레이 코팅으로 띠 형상으로 도포하고, 100℃에서 30분간 건조시킴으로써 폭 20㎜, 길이 80㎜, 두께 1㎛의 전극 본체를 형성했다.

또한 기재용의 원료 조성물과 동일한 배합의 조성물을 톨루엔에 용해한 0.2중량% 톨루엔 용액을 조제하고, 이 0.2중량% 톨루엔 용액 4g을 프리머로서 전극 본체 상에 스프레이 코팅으로 띠 형상으로 도포하여 100℃에서 30분간 건조시켰다. 이 때, 전극 본체의 양단부(단부로부터 8㎜의 부분)는 스프레이 코팅 전에 마스킹했다.

또한 스프레이 코팅은, 에어브러시로서 "에어텍스처사 제품, KIDS-102"를 사용하며, 노즐은 완전히 닫은 상태에서 1회전분만 해제하고, 노즐의 선단으로부터 도포면까지의 거리를 10㎝로 하여 실시했다.

그 후, 전극 본체를 끼도록, 전극 본체가 형성된 기재를 1장 더 "90㎜×60㎜×50㎛"의 기재와 접합하여 신축성 전극을 얻었다.

(실시예 2)

카본나노튜브 분산액(A-1)을 대신하여, 카본나노튜브 분산액(A-2)을 이용한 것 이외에는, 실시예 1과 동일하게 하여 신축성 전극을 얻었다.

(실시예 3)

카본나노튜브 분산액(A-1)을 대신하여, 카본나노튜브 분산액(A-3)을 이용한 것 이외에는, 실시예 1과 동일하게 하여 신축성 전극을 얻었다.

(비교예 1)

카본나노튜브 분산액(A-1)을 대신하여, 카본나노튜브 분산액(B)을 이용한 것 이외에는, 실시예 1과 동일하게 하여 신축성 전극을 얻었다.

(비교예 2)

카본나노튜브 분산액(A-1)을 대신하여, 카본나노튜브 분산액(C)을 이용한 것 이외에는, 실시예 1과 동일하게 하여 신축성 전극을 얻었다.

(평가: 반복 신축에 대한 전기 저항의 변화의 측정)

실시예 및 비교예에서 얻은 각각의 신축성 전극에 대해 도 8에 나타낸 평가 장치를 이용하여, 무신장 상태에서 일축방향(전극 본체의 길이방향)으로 100% 신장시킨 후, 무신장 상태로 되돌리는 사이클을 1사이클로 하는 신축을 1000사이클 반복 실시했다. 2~3 사이클째, 10사이클째, 100사이클째, 500사이클째 및 1000사이클째에서의 전극 본체의 상기 전기 저항을 측정했다.

구체적으로는, 도 8에 나타내는 바와 같이, 기재(51)와 일체화된 전극 본체(52)의 양단에 도전 그리스(grease)(도시하지 않음)를 통해 구리박(53)을 장착하고, 신축성 전극(50)의 전극 본체(52)에 수직인 2변을 수지 프레임(54)으로 구속하여, 전극 본체(52)의 양단부에 장착된 구리박(53)을 각각 리드(55)를 통해 멀티미터(ADVANTEST사 제품, R6441C)(56)와 접속하고, 프레임 간을 일축방향(도면 중, 화살표 방향)으로 신장시킨 후, 무신장 상태로 되돌리는 신축을 반복 실시하여 전기 저항의 변화를 측정했다. 이 때, 프레임 간 거리(도 8 중, L 참조)는 50㎜로 했다.

측정 결과에 대해서는, 세로축에 저항(로그), 가로축에 신장률을 제시한 그래프로서 도 9~13에 나타냈다. 또한 실시예 1~3 및 비교예 1, 2의 신축성 전극에 관하여, 2사이클째 및 1000사이클째의 각각의 무신장 시(0% 신장 시) 및 100% 신장 시의 전기 저항을 하기 표 1에 나타냈다.

표 1, 및 도 9~13에 나타낸 결과로부터 명백한 바와 같이, 섬유 길이가 50㎛ 이상인 다층 카본나노튜브를 이용하여 형성된 전극 본체를 구비한 신축성 전극에서는, 도전성이 뛰어나면서(전기 저항 자체가 낮으면서) 100% 신장 시의 전기 저항의 증대가 거의 없으며, 또한 반복 신축 시의 전기 저항의 편차도 거의 인정되지 않았다.

이에 반하여, 평균 길이가 약 10㎛로 짧은 다층 카본나노튜브로 이루어지는 전극 본체를 구비한 예(비교예 1)에서는, 도전성이 낮고, 또한 신장 시의 전기 저항의 증대나 반복 신축 시의 전기 저항의 편차가 현저했다. 또한 단층 카본나노튜브로 이루어지는 전극 본체를 구비한 예(비교예 2)에서는, 도전성이 낮았다.

본 발명의 신축성 전극은 센서 시트, 도전 배선재, 유전 엘라스토머형 액추에이터, 제너레이터, 또한 신축 유연성이 요구되는 부분에서의 각종 신호선이나 소전력의 전력선 등, 다양한 용도로 사용할 수 있으며, 신축성 및 유연성이 요구되는 정전용량형 센서 등의 센서 시트로서 바람직하게 사용할 수 있다.

1: 센서 시트
2: 유전층
01A1~16A1: 표면 접속부
01A~16A: 표면 전극층
01B1~16B1: 이면 접속부
01B~16B: 이면 전극층
C0101~C1616: 검출부
30: 성형 장치
31: 보호 필름
32: 롤
33: 원료 조성물
34: 가열 장치
35: 기재
50, 100, 110, 120, 130: 신축성 전극
51, 101, 111a, 111b, 121a, 121b, 131: 기재
52, 102, 112, 122a, 122b, 132a, 132b: 전극 본체
53: 구리박
54: 수지 프레임
55: 리드
56: 멀티미터
201: 정전용량형 센서
202, 203: 외부 배선
204: 계측 수단

Claims (6)

1. 엘라스토머 조성물로 이루어지는 기재와, 상기 기재와 일체화된 전극 본체를 구비하고,
   상기 전극 본체는, 섬유 길이가 50㎛ 이상인 다층 카본나노튜브를 이용하여 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 신축성 전극.
2. 제1항에 있어서,
   상기 다층 카본나노튜브는 섬유 직경이 5~30㎚인 것을 특징으로 하는 신축성 전극.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
   센서 시트에 이용하는 것을 특징으로 하는 신축성 전극.
4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 기재된 신축성 전극을 이용한 센서 시트로서,
   상기 기재는 시트 형상이며, 상기 전극 본체는 상기 기재의 양면에 마련되고,
   상기 기재의 한쪽의 면에 마련된 전극 본체와 상기 기재의 다른 쪽의 면에 마련된 전극 본체는, 상기 기재를 끼고 적어도 일부가 대향하고 있는 것을 특징으로 하는 센서 시트.
5. 제4항에 있어서,
   상기 전극 본체는 띠 형상이며, 상기 기재의 양면에 복수열씩 마련되어 있는 것을 특징으로 하는 센서 시트.
6. 제4항 또는 제5항 중 어느 한 항에 기재된 센서 시트와, 계측 수단과, 상기 센서 시트가 구비하는 전극 본체 및 상기 계측 수단을 접속하는 외부 배선을 구비하고,
   상기 기재의 한쪽의 면에 마련된 전극 본체와 상기 기재의 다른 쪽의 면에 마련된 전극 본체의 상기 기재를 끼고 대향하고 있는 부분을 검출부로 하며,
   상기 계측 수단은 상기 검출부에서의 정전용량의 변화를 계측함으로써 변형 왜곡량을 측정하는 것을 특징으로 하는 정전용량형 센서.

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