KR20160136894A - 스트레인 센서의 제조 방법, 스트레인 센서 및 이를 포함하는 웨어러블 디바이스 - Google Patents

스트레인 센서의 제조 방법, 스트레인 센서 및 이를 포함하는 웨어러블 디바이스 Download PDF

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Abstract

전도성 물질의 포함하는 스트레인 센서의 제조 방법에서는 신축성 원사에 제1 고분자 물질을 코팅하여 제1 중간사를 생성하고, 상기 제1 중간사에 전도성 물질을 코팅하여 제2 중간사를 생성하고, 상기 제2 중간사에 상기 제1 고분자 물질의 코팅과 상기 전도성 물질의 코팅을 반복한다.

Description

스트레인 센서의 제조 방법, 스트레인 센서 및 이를 포함하는 웨어러블 디바이스{Method of manufacturing strain sensors, strain sensors and wearable devices including the same}
본 발명은 스트레인 센서에 관한 것으로 보다 상세하게는 전도성 물질을 포함하는 스트레인 센서의 제조 방법, 전도성 물질을 포함하는 스트레인 센서 및 이를 포함하는 웨어러블 디바이스에 관한 것이다.
인체의 움직임을 모니터링하는 스트레인 센서는 진단 및 다른 건강과 관련된 전자 응용 분야를 발전시키기 위하여 많은 관심을 받아왔다. 인체의 움직임을 모니터링하는 것은 큰 규모의 움직임을 감지하는 것과 작은 규모의 움직임을 감지하는 두 분야로 구분될 수 있다. 이러한 분야에 사용되는 센서들은 높은 스트레인에 대하여 좋은 신축성을 가져야 하고, 작은 스트레인에 대하여 높은 감도를 가져야 한다. 하지만 종래의 센서들은 금속들과 반도체들에 기반하고 있기 때문에, 제한된 신축성과 감도를 가지고 있어서, 인체의 움직임을 감지하는데는 어려움이 있었다. 이에 따라 인체의 움직임을 감지하는데 높은 신축성과 감도 및 착용가능한 스트레인 센서에 대한 요구가 증가되었다.
이러한 요구를 충족시키기 위하여 나노-파티클, 나노-와이어, 탄소 나노튜브 및 그래핀 등을 사용하는 많은 시도들이 있었다. 특히 그래핀은 뛰어난 전기적 기계적 특성으로 인하여 스트레인 센서에 광범위하게 사용되었다. 여러 연구들이 화학 기상 증착(chemical vapor deposition, CVD)에 의하여 생성된 그래핀을 기초로 한 스트레인 센서에 대하여 수행되었다. 하지만 CVD에 의하여 생성된 그래핀을 기초로한 센서들은 고비용과 복잡한 프로세스 때문에 실제적인 적용에 어려움이 있었다. 또한 진공 여과 공정을 이용한 고신축성의 스트레인 센서가 개발되었는데, 이 스트레인 센서는 감도를 제어하기에 어려움이 발견되었다.
따라서 저비용과 스케일러블 프로세스에 의하여 신축성과 조절가능한 감도를 갖는 스트레인 센서를 개발할 필요가 있다.
본 발명의 일 목적은 큰 신축성, 조절가능한 감도 및 스케일가능성을 가지는 스트레인 센서의 제조 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 일 목적은 큰 신축성, 조절가능한 감도 및 스케일가능성을 가지는 스트레인 센서를 제공하는 것이다.
본 발명의 일 목적은 큰 신축성, 조절가능한 감도 및 스케일가능성을 가지는 스트레인 센서를 포함하는 웨어러블 디바이스를 제공하는 것이다.
상기한 본 발명의 일 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 일 실시예에 따른 전도성 물질의 포함하는 스트레인 센서의 제조 방법에서는 신축성 원사에 제1 고분자 물질을 코팅하여 제1 중간사를 생성하고, 상기 제1 중간사에 전도성 물질을 코팅하여 제2 중간사를 생성하고, 상기 제2 중간사에 상기 제1 고분자 물질의 코팅과 상기 전도성 물질의 코팅을 반복한다.
예시적인 실시예에 있어서, 상기 반복되는 상기 제1 고분자 물질의 코팅과 상기 전도성 물질의 코팅의 횟수에 따라 상기 스트레인 센서의 감도가 결정될 수 있다.
예시적인 실시예에 있어서, 상기 제1 고분자 물질은 상기 신축성 원사와의 상호 인력에 의하여 상기 신축성 원사의 표면에 코팅될 수 있다.
예시적인 실시예에 있어서, 상기 제1 중간사를 생성하기 위하여, 상기 신축성 원사를 상기 제1 고분자 물질을 포함하는 용액에 일정시간 동안 침지하고, 상기 침지된 신축성 원사를 탈염수(deionized water)에서 헹구고, 상기 헹궈진 신축성 원사를 공기 중에서 건조할 수 있다.
상기 신축성 원사는 상기 제1 고분자 물질을 포함하는 용액에 5분 동안 침지될 수 있다.
예시적인 실시예에 있어서, 상기 제2 중간사를 생성하기 위하여, 상기 제1 중간사를 상기 전도성 물질과 제2 고분자 물질을 포함하는 용액에 일정 시간 동안 침지하고, 상기 침지된 제1 중간사를 탈염수에서 헹구고, 상기 헹궈진 제1 중간사를 공기중에서 건조할 수 있다.
상기 제1 중간사는 상기 전도성 물질과 상기 제2 고분자 물질을 포함하는 용액에 5분 동안 침지될 수 있다.
상기 전도성 물질은 상기 전도성 물질 및 상기 제2 고분자 물질과 상기 제1 고분자 물질과 상호 작용에 의하여 상기 제1 고분자 물질의 표면에 코팅될 수 있다.
상기 제1 고분자 물질은 폴리비닐알콜(polyvinylalcohol; PVA), 폴리디알릴디메틸 암모늄클로라이드(polydiallyldimethylammoniumchloride; PDDA), 폴리비닐피롤리돈(polyvinylpyrrolidone; PVPON) 중 하나이고, 상기 제2 고분자 물질은 상기 제1 고분자 물질과 상호 작용을 가지는 poly 4-styrenesulfonic acid(PSS), 폴리아크릴산(polyacrylic acid; PAA), 폴리메탈크릴산(polymethacrylic acid; PMAA) 중 하나일 수 있다.
예시적인 실시예에 있어서, 상기 전도성 물질은 그래핀을 기반으로 한 전도성 물질이고, 상기 신축성 원사는 러버(rubber), 나일론-커버된 러버(nylon-covered rubber) 및 울 중의 하나일 수 있다.
예시적인 실시예에 있어서, 상기 제1 고분자 물질의 코팅과 상기 전도성 물질의 코팅이 반복된 상기 제2 중간사에 제2 고분자 물질을 더 코딩할 수 있다.
상기 제2 고분자 물질은 폴리다이메틸실록산(polydimethylsiloxane, PDMS)일 수 있다.
상기한 본 발명의 일 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 일 실시예에 따른 스트레인 센서는 신축성 원사 및 상기 신축성 원사의 표면에 교번적으로 n(n은 2이상의 자연수)번 코팅된 제1 고분자 물질과 전도성 물질을 포함한다.
예시적인 실시예에 있어서, 상기 스트레인 센서는 상기 전도성 물질 상에 코팅된 제2 고분자 물질을 더 포함할 수 있다. 상기 제1 고분자 물질과 상기 전도성 물질은 용액 공정을 통하여 상기 신축성 원사의 표면에 교번적으로 코팅될 수 있다.
상기 제2 고분자 물질은 폴리다이메틸실록산(polydimethylsiloxane, PDMS)일 수 있다.
예시적인 실시예에 있어서, 상기 제1 고분자 물질은 폴리비닐알콜(polyvinylalcohol; PVA), 폴리디알릴디메틸 암모늄클로라이드(polydiallyldimethylammoniumchloride; PDDA), 폴리비닐피롤리돈(polyvinylpyrrolidone; PVPON) 중 하나이고, 상기 전도성 물질은 그래핀을 기반으로 한 전도성 물질이고, 상기 신축성 원사는 러버(rubber)이고, 상기 스트레인 센서는 인가되는 스트레인에 대하여 지수적으로 비례하는 상대 저항을 갖을 수 있다.
예시적인 실시예에 있어서, 상기 제1 고분자 물질은 폴리비닐알콜(polyvinylalcohol; PVA), 폴리디알릴디메틸 암모늄클로라이드(polydiallyldimethylammoniumchloride; PDDA), 폴리비닐피롤리돈(polyvinylpyrrolidone; PVPON) 중 하나이고, 상기 전도성 물질은 그래핀을 기반으로 한 전도성 물질이고, 상기 신축성 원사는 나일론-커버된 러버(nylon-covered rubber)이고, 상기 스트레인 센서는 인가되는 스트레인에 대하여 선형적으로 비례하는 상대 저항을 갖을 수 있다.
예시적인 실시예에 있어서, 상기 제1 고분자 물질은 폴리비닐알콜(polyvinylalcohol; PVA), 폴리디알릴디메틸 암모늄클로라이드(polydiallyldimethylammoniumchloride; PDDA), 폴리비닐피롤리돈(polyvinylpyrrolidone; PVPON) 중 하나이고, 상기 전도성 물질은 그래핀을 기반으로 한 전도성 물질이고, 상기 신축성 원사는 울(wool)이고, 상기 스트레인 센서는 인가되는 스트레인에 대하여 반비례하는 상대 저항을 갖을 수 있다.
상기한 본 발명의 일 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 일 실시예에 따른 웨어러블 디바이스는 스트레인 센서, 상기 스트레인 센서가 실장되는 유연한 프레임 및 상기 스트레인 센서와 연결되는 저항 측정기를 포함한다. 상기 스트레인 센서는 신축성 원사, 상기 신축성 원사의 표면에 교번적으로 n(n은 2이상의 자연수)번 코팅된 제1 고분자 물질과 전도성 물질 및 상기 전도성 물질 상에 코팅된 제2 고분자 물질을 포함한다.
예시적인 실시예에 있어서, 상기 제1 고분자 물질은 폴리비닐알콜(polyvinylalcohol; PVA), 폴리디알릴디메틸 암모늄클로라이드(polydiallyldimethylammoniumchloride; PDDA), 폴리비닐피롤리돈(polyvinylpyrrolidone; PVPON) 중 하나이고, 상기 전도성 물질은 그래핀을 기반으로 한 전도성 물질이고, 상기 신축성 원사는 러버(rubber)이고, 상기 스트레인 센서는 인가되는 스트레인에 대하여 지수적으로 비례하는 상대 저항을 가지고, 상기 웨어러블 디바이스는 상대적으로 작은 규모의 움직임을 감지하는 장치로 구현로 구현될 수 있다.
예시적인 실시예에 있어서, 상기 제1 고분자 물질은 폴리비닐알콜(polyvinylalcohol; PVA), 폴리디알릴디메틸 암모늄클로라이드(polydiallyldimethylammoniumchloride; PDDA), 폴리비닐피롤리돈(polyvinylpyrrolidone; PVPON) 중 하나이고, 상기 전도성 물질은 그래핀을 기반으로 한 전도성 물질이고, 상기 신축성 원사는 나일론-커버된 러버(nylon-covered rubber)이고, 상기 스트레인 센서는 인가되는 스트레인에 대하여 선형적으로 비례하는 상대 저항을 가지고, 상기 웨어러블 디바이스는 상대적으로 큰 규모의 움직임을 감지하는 장치로 구현될 수 있다.
따라서 본 발명의 실시예들에 따르면, 용액 공정을 통하여 스트레인 센서를 저비용으로 제작할 수 있고, 스트레인 센서가 신축성있는 원사로 구현되므로 스트레인 센서의 크기를 용이하게 변경할 수 있고, 스트레인 센서의 감도가 용액 공정의 반복 사이클에 따라 결정되므로 스트레인 센서의 감도를 용이하게 조절할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예들에 따른 스트레인 센서의 제조 방법을 나타내는 흐름도이다.
도 2는 본 발명의 실시예들에 따른 스트레인 센서의 제조 방법을 나타낸다.
도 3a 및 도 3b는 본 발명의 실시예들에 따른 스트레인 센서를 나타내는 개략도이다.
도 4는 본 발명의 실시예들에 따른 스트레인 센서의 제조 방법에서 제1 중간사를 생성하는 단계를 나타내는 흐름도이다.
도 5는 본 발명의 실시예들에 따른 스트레인 센서의 제조 방법에서 제2 중간사를 생성하는 단계를 나타내는 흐름도이다.
도 6은 본 발명의 실시예들에 따른 고분자 물질을 포함하는 용액을 생성하는 단계를 나타내는 흐름도이다.
도 7은 본 발명의 실시예들에 따른 전도성 물질을 포함하는 용액을 생성하는 단계를 나타내는 흐름도이다.
도 8은 본 발명의 실시예들에 따른 LBL 프로세스 전과 후의 신축성 원사들을 나타낸다.
도 9는 본 발명의 실시예들에 따른 LBL 프로세스의 사이클 수의 증가에 따른 신축성 원사들을 나타낸다.
도 10은 본 발명의 실시예들에 따른 LBL 프로세스 후에 인가되는 스트레인에 따른 스트레인 센서의 상대 저항의 변화를 나타낸다.
도 11은 본 발명의 실시예들에 따른 스트레인 센서에 스트레인이 인가되기 전과 후의 전자 현미경 이미지를 나타낸다.
도 12는 본 발명의 실시예들에 따른 스트레인 센서에 도 3b와 같이 GNP의 표면 상에 PDMS가 코팅된 경우의 인가되는 스트레인에 따른 스트레인 센서의 상대 저항의 변화를 나타낸다.
도 13은 본 발명의 실시예들에 따른 스트레인 센서에 스트레인이 반복적으로 인가되는 경우의 상대 저항의 변화를 나타낸다.
도 14a 내지 14c는 본 발명의 실시예들에 따른 LBL 프로세스의 사이클 수에 따른 스트레인 센서의 상대 저항의 변화를 나타낸다.
도 15는 본 발명의 실시예들에 따른 스트레인 센서가 적용되는 어플리케이션을 나타낸다.
도 16은 도 15의 목에 부착된 러버를 기초로 한 스트레인 센서가 구현된 탄성 중합체 의료용 패치의 여러 발성에 따른 상대 저항의 변화를 나타낸다.
도 17은 본 발명의 실시예들에 따른 스트레인 센서가 적용되는 어플리케이션을 나타낸다.
도 18은 도 17의 나일론-커버된 러버를 기초로한 스트레인 센서로 제작된 팔꿈치 랩의 구부림 각도에 따른 상대 저항을 나타낸다.
도 19는 본 발명의 실시예들에 따른 스트레인 센서가 적용되는 어플리케이션을 나타낸다.
도 20은 도 19의 스트레인 센서로 제작된 장갑의 손가락 구부림 각도에 따른 상대 저항을 나타낸다.
도 21은 본 발명의 실시예에 따른 스트레인 센서로 구현된 웨어러블 디바이스를 나타낸다.
본문에 개시되어 있는 본 발명의 실시예들에 대해서, 특정한 구조적 내지 기능적 설명들은 단지 본 발명의 실시예를 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로, 본 발명의 실시예들은 다양한 형태로 실시될 수 있으며 본문에 설명된 실시예들에 한정되는 것으로 해석되어서는 아니 된다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로 사용될 수 있다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위로부터 이탈되지 않은 채 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. 구성요소들 간의 관계를 설명하는 다른 표현들, 즉 "~사이에"와 "바로 ~사이에" 또는 "~에 이웃하는"과 "~에 직접 이웃하는" 등도 마찬가지로 해석되어야 한다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 설시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미이다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미인 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예를 보다 상세하게 설명하고자 한다. 도면상의 동일한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 사용하고 동일한 구성요소에 대해서 중복된 설명은 생략한다.
도 1은 본 발명의 실시예들에 따른 스트레인 센서의 제조 방법을 나타내는 흐름도이다.
도 2는 본 발명의 실시예들에 따른 스트레인 센서의 제조 방법을 나타낸다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 실시예들에 따른 스트레인 센서의 제조 방법에서는 신축성 원사(110)에 제1 고분자 물질을 코팅하여 제1 중간사(130)를 생성한다(S100). 여기서 신축성 원사(110)는 러버(rubber), 나일론-커버된 러버(nylon-covered rubber) 및 울(wool) 중 하나일 수 있고, 신축성 성질을 가지는 다른 원사일 수 있다. 여기서 제1 고분자 물질은 폴리비닐알콜(polyvinylalcohol; PVA), 폴리디알릴디메틸 암모늄클로라이드(polydiallyldimethylammoniumchloride; PDDA), 폴리비닐피롤리돈(polyvinylpyrrolidone; PVPON) 중 하나로서 상기 신축성 원사와 상호 인력을 가질 수 있고, 이러한 상호 인력에 의하여 신축성 원사의 표면에 상기 제1 고분자 물질이 코팅될 수 있다.
제1 중간사(130)에 전도성 물질을 코팅하여 제2 중간사(150)를 생성한다(S200). 전도성 물질은 그래핀을 기반으로 한 전도성 물질로서, 그래핀, 탄소 나노튜브, 그래핀 나노소판(graphene nanoplatelets, GNP)일 수 있다. 제2 중간사(150)를 생성하는 과정까지가 한 사이클의 layer-by-layer (LBL) 프로세스일 수 있다.
제2 중간사(150)에 제1 고분자 물질의 코팅과 전도성 물질의 코팅을 반복하여(S300) 전도성 물질을 포함하는 스트레인 센서(170)를 생성할 수 있다.
도 3a 및 도 3b는 본 발명의 실시예들에 따른 스트레인 센서를 나타내는 개략도이다.
도 3a에서는 스트레인 센서(170a)에 저항 측정기가 연결될 때, 저항 측정기의 양의 단자(+)와 음의 단자(-)가 신축성 원사(110)에 코팅된 전도성 물질인 GNP(145)에 연결되는 것을 나타낸다.
도 3b에서는 스트레인 센서(170b)의 전도성 물질인 GNP(145)의 표면 상에 제2 고분자 물질인 폴리다이메틸실록산(polydimethylsiloxane, PDMS, 180)이 코팅되고, 스트레인 센서(170b)에 저항 측정기가 연결될 때, 저항 측정기의 양의 단자(+)와 음의 단자(-)가 신축성 원사(110)에 코팅된 전도성 물질인 GNP(145)에 연결되는 것을 나타낸다.
도 3b를 참조하면, 본 발명의 실시예들에 따른 스트레인 센서의 제조 방법에서는 제1 고분자 물질의 코팅과 상기 전도성 물질의 코팅이 반복된 상기 제2 중간사(170)에 제2 고분자 물질을 더 코팅할 수 있다. 상기 제2 고분자 물질은 PDMS일 수 있다.
도 4는 본 발명의 실시예들에 따른 스트레인 센서의 제조 방법에서 제1 중간사를 생성하는 단계를 나타내는 흐름도이다.
도 1 및 도 4를 참조하면, 제1 중간사(130)를 생성하기 위하여(S100), 신축성 원사(110)를 PVA와 같은 제1 고분자 물질을 포함하는 용액(120)에 일정시간 동안 침지한다(S110). 상기 일정 시간은 약 5분일 수 있다. 제1 중간사(110)가 PVA 용액(120)에 일정 시간 동안 침지되면, 비공유결합 작용에 의하여 PVA가 신축성 원사(110)의 표면에 흡착된다. 상기 제1 고분자 물질을 포함하는 용액에 침지된 원사(110)를 탈염수로 헹구고(S120), 헹궈진 신축성 원사를 공기중에서 건조(S130)하여 제1 중간사(130)를 생성할 수 있다.
도 6은 본 발명의 실시예들에 따른 제1 고분자 물질을 포함하는 용액을 생성하는 단계를 나타내는 흐름도이다.
도 1 및 도 6을 참조하면, PVA와 같은 제1 고분자 물질을 포함하는 용액(이하 PVA 용액, 120)은 80℃에서 PVA를 탈염수에 섞고(S111), PVA가 섞인 탈염수를 30 분 동안 초음파처리하여(S113) 생성될 수 있다.
도 5는 본 발명의 실시예들에 따른 스트레인 센서의 제조 방법에서 제2 중간사를 생성하는 단계를 나타내는 흐름도이다.
도 1 및 도 5를 참조하면, 제2 중간사(150)를 생성하기 위하여(S200), 제1 중간사(130)를 GNP와 같은 전도성 물질을 포함하는 용액(140)에 일정시간 동안 침지한다(S210). 상기 일정 시간은 약 5분일 수 있다. 상기 전도성 물질을 포함하는 용액에 침지된 제1 중간사(130)를 탈염수로 헹구고(S220), 헹궈진 제1 중간사(130)를 공기중에서 건조(S230)하여 제2 중간사(150)를 생성할 수 있다.
도 7은 본 발명의 실시예들에 따른 전도성 물질을 포함하는 용액을 생성하는 단계를 나타내는 흐름도이다.
도 1 및 도 7을 참조하면, GNP와 같은 전도성 물질을 포함하는 용액(이하 GNP 용액, 140)은 0.1 중량%의 GNP와 0.1 중량%의 poly 4-styrenesulfonic(이하 PSS)와 같은 제3 고분자 물질을 탈염수에 섞고(S211), GNP와 PSS가 섞인 탈염수를 3시간 동안 초음파처리하여(S213) 생성될 수 있다. GNP에 PSS를 혼합하는 이유는 탈염수에서 GNP의 안정적인 확산을 용이하게 하고, 제3 고분자 물질에 혼합된 GNP가 Hydrogen bonding, van der Waals, hydrophobic, charge transfer interactions과 같은 상호 작용에 의하여 상기 제1 고분자 물질의 표면에 코팅될 수 있다.
여기서, 제3 고분자 물질은 상기 제1 고분자 물질과 상호 작용을 가지는 poly 4-styrenesulfonic acid(PSS), 폴리아크릴산(polyacrylic acid; PAA), 폴리메탈크릴산(polymethacrylic acid; PMAA) 중 하나일 수 있다.
예를 들어, 제1 고분자 물질이 PVA이면, 제3 고분자 물질은 PSS, PAA, PMAA 중 하나일 수 있다. 제1 고분자 물질이 PVPON이면, 제3 고분자 물질은 PAA일 수 있다. 제1 고분자 물질인 PDDA이면, 제3 고분자 물질은 PSS일 수 있다.
도 8은 본 발명의 실시예들에 따른 LBL 프로세스 전과 후의 신축성 원사들을 나타낸다.
도 8에서 참조번호들(211, 212, 213)은 각각 LBL 프로세스 전의 신축성 원사들인 러버(rubber), 나일론-커버드 러버 및 울을 나타내고, 참조번호들(221, 222, 223)은 각각 3 사이클의 LBL 프로세스 후의 신축성 원사들인 러버(rubber), 나일론-커버드 러버 및 울을 나타낸다.
도 8을 참조하면, LBL 프로세스 이전의 신축성 원사들(211, 212, 213)은 흰색인데, LBL 프로세스 이후의 신축성 원사들(221, 222, 223)은 GNP 코팅에 의하여 검은색으로 변함을 알 수 있다.
도 9는 본 발명의 실시예들에 따른 LBL 프로세스의 사이클 수의 증가에 따른 신축성 원사들을 나타낸다.
도 9에서 참조번호(231)는 신축성 원사가 러버로 구성되는 경우를 나타내고, 참조번호(232)는 신축성 원사가 나일론-커버된 러버로 구성되는 경우를 나타내고, 참조번호(233)는 신축성 원사가 울로 구성되는 경우를 나타낸다.
도 9를 참조하면, LBL 프로세스의 사이클 수의 증가에 따라 GNP 레이어가 증가하면서 원사들 각각의 색깔이 더 진해짐을 알 수 있다.
도 10은 본 발명의 실시예들에 따른 LBL 프로세스 후에 인가되는 스트레인에 따른 스트레인 센서의 상대 저항의 변화를 나타낸다.
도 10을 참조하면, 신축성 원사가 러버(RY)로 구성되는 경우에 인가되는 스트레인의 증가에 대하여 스트레인 센서의 상대 저항은 지수적으로 증가함을 알 수 있다. 또한 신축성 원사가 나일론-커버된 러버(NCRY)로 구성되는 경우에 인가되는 스트레인의 증가에 대하여 스트레인 센서의 상대 저항은 선형적으로 증가함을 알 수 있다. 또한 신축성 원사가 울(WY)로 구성되는 경우에 인가되는 스트레인의 증가에 대하여 스트레인 센서의 상대 저항은 선형적으로 감소함을 알 수 있다.
따라서 러버를 기반으로 한 스트레인 센서는 높은 감도를 가지기 때문에 작은 규모의 동작 감지에 사용될 수 있고, 나일론-커버된 러버를 기반으로 한 스트레인 센서는 큰 규모의 동작 감지에 사용될 수 있다.
도 11은 본 발명의 실시예들에 따른 스트레인 센서에 스트레인이 인가되기 전과 후의 전자 현미경 이미지를 나타낸다.
도 11에서 참조 번호들(241, 242)은 스트레인 센서가 러버로 구성되는 경우 스트레인 센서에 스트레인이 인가되기 전과 후의 전자 현미경 이미지를 나타내고, 참조 번호들(243, 244)은 스트레인 센서가 나일론-커버된 러버로 구성되는 경우, 스트레인 센서에 스트레인이 인가되기 전과 후의 전자 현미경 이미지를 나타내고, 참조 번호들(245, 246)은 스트레인 센서가 울로 구성되는 경우, 스트레인 센서에 스트레인이 인가되기 전과 후의 전자 현미경 이미지를 나타낸다.
도 12는 본 발명의 실시예들에 따른 스트레인 센서에 도 3b와 같이 GNP의 표면 상에 PDMS가 코팅된 경우의 인가되는 스트레인에 따른 스트레인 센서의 상대 저항의 변화를 나타낸다.
도 12를 참조하면, 신축성 원사가 러버(RY)로 구성되는 경우에 인가되는 스트레인의 증가에 대하여 스트레인 센서의 상대 저항은 지수적으로 증가함을 알 수 있다. 또한 신축성 원사가 나일론-커버된 러버(NCRY)로 구성되는 경우에 인가되는 스트레인의 증가에 대하여 스트레인 센서의 상대 저항은 선형적으로 증가함을 알 수 있다.
GNP의 표면 상에 PDMS 코팅하는 것은 인가되는 스트레인의 크기가 큰 경우에 GNP 레이어가 표면으로부터 이탈되는 것을 방지하기 위하여이다.
도 13은 본 발명의 실시예들에 따른 스트레인 센서에 스트레인이 반복적으로 인가되는 경우의 상대 저항의 변화를 나타낸다.
도 13에서 참조 번호(251)는 스트레인 센서가 러버로 구성되는 경우에 80%까지의 스트레인을 1Hz의 주파수로 반복적으로 인가한 경우에 스트레인 센서의 상대 저항의 변화를 나타낸다. 참조 번호(252)는 스트레인 센서가 나일론-커버된 러버로 구성되는 경우에 100%까지의 스트레인을 1Hz의 주파수로 반복적으로 인가한 경우에 스트레인 센서의 상대 저항의 변화를 나타낸다. 참조 번호(252)는 스트레인 센서가 울로 구성되는 경우에 40%까지의 스트레인을 1Hz의 주파수로 반복적으로 인가한 경우에 스트레인 센서의 상대 저항의 변화를 나타낸다.
도 14a 내지 14c는 본 발명의 실시예들에 따른 LBL 프로세스의 사이클 수에 따른 스트레인 센서의 상대 저항의 변화를 나타낸다.
도 14a는 스트레인 센서가 러버로 구성되는 경우에 LBL 프로세스의 사이클 수의 변화에 따라 인가되는 스트레인에 응답하는 스트레인 센서의 상대 저항을 나타낸다.
도 14a를 참조하면, LBL 프로세스의 사이클 수가 증가하면, 동일한 스트레인에 대하여 스트레인 센서의 상대 저항 변화율은 감소됨을 알 수 있다.
도 14b는 스트레인 센서가 나일론-커버된 러버로 구성되는 경우에 LBL 프로세스의 사이클 수의 변화에 따라 인가되는 스트레인에 응답하는 스트레인 센서의 상대 저항을 나타낸다.
도 14b를 참조하면, LBL 프로세스의 사이클 수가 증가하면, 동일한 스트레인에 대하여 스트레인 센서의 상대 저항 변화율은 감소됨을 알 수 있다.
도 14c는 스트레인 센서가 나일론-커버된 러버로 구성되는 경우에 LBL 프로세스의 사이클 수의 변화에 따라 인가되는 스트레인에 응답하는 스트레인 센서의 상대 저항을 나타낸다.
도 14c를 참조하면, LBL 프로세스의 사이클 수가 증가하면, 동일한 스트레인에 대하여 스트레인 센서의 상대 저항 변화율은 감소됨을 알 수 있다.
도 14a 내지 도 14c를 참조하면, 스트레인 센서의 감도는 GNP 코팅의 두께와 반비례함을 알 수 있다. 즉 스트레인 센서(170)의 감도는 LBL 프로세스의 사이클 수를 조절하여 PVA 코팅과 GNP 코팅의 두께를 조절하여 조절됨을 알 수 있다.
도 15는 본 발명의 실시예들에 따른 스트레인 센서가 적용되는 어플리케이션을 나타낸다.
도 15를 참조하면, 러버를 기초로 한 스트레인 센서(310)가 탄성 중합체 의료용 패치(320)에 구현되어 있다.
참조번호(331)에서와 같이 탄성 중합체 의료용 패치(320)는 인간의 목에 부착될 수 있다.
참조 번호들(332, 333)은 러버를 기초로 한 스트레인 센서(310)가 구현된 탄성 중합체 의료용 패치(320)가 쉽게 구부러지고, 쉽게 늘어나는 것을 보여준다.
도 16은 도 15의 목에 부착된 러버를 기초로 한 스트레인 센서가 구현된 탄성 중합체 의료용 패치의 여러 발성에 따른 상대 저항의 변화를 나타낸다.
도 16을 참조하면, 동일한 단어가 발성될 때 동일한 패턴의 상대 저항 변화가 나타남을 알 수 있다. 따라서, 본 발명의 실시예에 따른 스트레인 센서(310)는 어쿠스틱 센서로 사용될 수 있다.
도 15의 러버를 기초로 한 스트레인 센서(310)가 구현된 탄성 중합체 의료용 패치(320)가 인간의 가슴에 부착되는 경우에, 스트레인 센서(310)는 호흡 사이클을 감지하는데 이용될 수 있다.
도 17은 본 발명의 실시예들에 따른 스트레인 센서가 적용되는 어플리케이션을 나타낸다.
도 17을 참조하면, 나일론-커버된 러버를 기초로한 스트레인 센서로 팔꿈치-랩(elbow wrap, 340)을 제작한다. 참조번호들(341~343)은 팔꿈치를 각각 45도, 90도 및 135도 굽힌 것을 나타낸다.
도 18은 도 17의 나일론-커버된 러버를 기초로한 스트레인 센서로 제작된 팔꿈치 랩의 구부림 각도에 따른 상대 저항을 나타낸다.
도 18을 참조하면, 도 17의 나일론-커버된 러버를 기초로한 스트레인 센서로 제작된 팔꿈치 랩(340)은 구부림 각도가 증가할수록 상대 저항의 변화가 증가함을 알 수 있다.
도 19는 본 발명의 실시예들에 따른 스트레인 센서가 적용되는 어플리케이션을 나타낸다.
도 19를 참조하면, 본 발명의 실시예들에 따른 스트레인 센서로 장갑(360)을 제작하였고, 장갑(360)의 검지는 울을 기초로 한 스트레인 센서로 제작되었고, 중지는 나일론-커버된 러버를 기초로한 스트레인 센서로 제작되었다.
도 20은 도 19의 스트레인 센서로 제작된 장갑의 손가락 구부림 각도에 따른 상대 저항을 나타낸다.
도 20을 참조하면, 울을 기초로 한 스트레인 센서로 제작된 장갑(360)의 검지와 나일론-커버된 러버를 기초로한 스트레인 센서로 제작된 장답(360)의 중지가 구부림에 대하여 서로 다른 상대 저항 변화를 나타냄을 알 수 있다.
도 21은 본 발명의 실시예에 따른 스트레인 센서로 구현된 웨어러블 디바이스를 나타낸다.
도 21을 참조하면, 웨어러블 디바이스(500)는 전도성 물질을 기반으로 하는 스트레인 센서(510), 상기 스트레인 센서(510)가 실장되는 프레임(520) 및 상기 스트레인 센서(510)에 연결되는 저항 측정기(530)를 포함할 수 있다.
저항 측정기(530)는 스트레인 센서(510)에 연결되고, 스트레인 센서(510)에 인가되는 스트레인의 크기를 저항 변화로 나타낼 수 있다.
프레임(520)은 플렉시블 소재로 구현되어 인체에 부착되거나 인체에 착용할 수 있다. 스트레인 센서(510)는 도 1 내지 도 20을 참조하여 설명한 바와 같이, 신축성 원사에 PVA와 같은 고분자 물질과 그래핀과 같은 전도성 물질을 용액 공정을 통하여 교번적으로 코팅(적층)함으로써, 저비용으로 조절가능한 감도를 가지도록 제작될 수 있다. 또한 천과 같인 신축성 원사를 사용하기 때문에 크기를 용이하게 조절할 수 있다.
본 발명의 실시예들은 유연한 전자 제품, 바이오 분야, 진단 의학 분야 및 로봇 공학 분야 등에 폭넓게 적용될 수 있다.
상기에서는 본 발명이 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 것이다.

Claims (21)

  1. 전도성 물질을 포함하는 스트레인 센서의 제조 방법으로서,
    신축성 원사에 제1 고분자 물질을 코팅하여 제1 중간사를 생성하는 단계;
    상기 제1 중간사에 전도성 물질을 코팅하여 제2 중간사를 생성하는 단계; 및
    상기 제2 중간사에 상기 제1 고분자 물질의 코팅과 상기 전도성 물질의 코팅을 반복하는 단계를 포함하는 스트레인 센서의 제조 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 반복되는 상기 제1 고분자 물질의 코팅과 상기 전도성 물질의 코팅의 횟수에 따라 상기 스트레인 센서의 감도가 결정되는 것을 특징으로 하는 스트레인 센서의 제조 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제1 고분자 물질은 상기 신축성 원사와의 상호 인력에 의하여 상기 신축성 원사의 표면에 코팅되는 것을 특징으로 하는 스트레인 센서의 제조 방법.
  4. 제1항에 있어서, 상기 제1 중간사를 생성하는 단계는
    상기 신축성 원사를 상기 제1 고분자 물질을 포함하는 용액에 일정시간 동안 침지하는 단계;
    상기 침지된 신축성 원사를 탈염수(deionized water)에서 헹구는 단계; 및
    상기 헹궈진 신축성 원사를 공기 중에서 건조하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 스트레인 센서의 제조 방법.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 신축성 원사는 상기 제1 고분자 물질을 포함하는 용액에 5분 동안 침지되는 것을 특징으로 하는 스트레인 센서의 제조 방법.
  6. 제1항에 있어서, 상기 제2 중간사를 생성하는 단계는
    상기 제1 중간사를 상기 전도성 물질과 제2 고분자 물질을 포함하는 용액에 일정 시간 동안 침지하는 단계;
    상기 침지된 제1 중간사를 탈염수에서 헹구는 단계; 및
    상기 헹궈진 제1 중간사를 공기중에서 건조하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 스트레인 센서의 제조 방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 제1 중간사는 상기 전도성 물질과 상기 제2 고분자 물질을 포함하는 용액에 5분 동안 침지되는 것을 특징으로 하는 스트레인 센서의 제조 방법.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 전도성 물질은 상기 전도성 물질 및 상기 제2 고분자 물질과 상기 제1 고분자 물질과 상호 작용에 의하여 상기 제1 고분자 물질의 표면에 코팅되는 것을 특징으로 하는 스트레인 센서의 제조 방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 제1 고분자 물질은 폴리비닐알콜(polyvinylalcohol; PVA), 폴리디알릴디메틸 암모늄클로라이드(polydiallyldimethylammoniumchloride; PDDA), 폴리비닐피롤리돈(polyvinylpyrrolidone; PVPON) 중 하나이고, 상기 제2 고분자 물질은 상기 제1 고분자 물질과 상호 작용을 가지는 poly 4-styrenesulfonic acid(PSS), 폴리아크릴산(polyacrylic acid; PAA), 폴리메탈크릴산(polymethacrylic acid; PMAA) 중 하나인 것을 특징으로 하는 스트레인 센서의 제조 방법.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 전도성 물질은 그래핀을 기반으로 한 전도성 물질이고, 상기 신축성 원사는 러버(rubber), 나일론-커버된 러버(nylon-covered rubber) 및 울 중의 하나인 것을 특징으로 하는 스트레인 센서의 제조 방법.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 제1 고분자 물질의 코팅과 상기 전도성 물질의 코팅이 반복된 상기 제2 중간사에 제2 고분자 물질을 코팅하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 스트레인 센서의 제조 방법.
  12. 제11항에 있어서, 상기 제2 고분자 물질은 폴리다이메틸실록산(polydimethylsiloxane, PDMS)인 것을 특징으로 하는 스트레인 센서의 제조 방법.
  13. 신축성 원사; 및
    상기 신축성 원사의 표면에 교번적으로 n(n은 2이상의 자연수)번 코팅된 제1 고분자 물질과 전도성 물질을 포함하는 스트레인 센서.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 전도성 물질 상에 코팅된 제2 고분자 물질을 더 포함하고,
    상기 제1 고분자 물질과 상기 전도성 물질은 용액 공정을 통하여 상기 신축성 원사의 표면에 교번적으로 코팅되는 것을 특징으로 하는 스트레인 센서.
  15. 제13항에 있어서, 상기 제2 고분자 물질은 폴리다이메틸실록산(polydimethylsiloxane, PDMS)인 것을 특징으로 하는 스트레인 센서.
  16. 제12항에 있어서,
    상기 제1 고분자 물질은 폴리비닐알콜(polyvinylalcohol; PVA), 폴리디알릴디메틸 암모늄클로라이드(polydiallyldimethylammoniumchloride; PDDA), 폴리비닐피롤리돈(polyvinylpyrrolidone; PVPON) 중 하나이고, 상기 전도성 물질은 그래핀을 기반으로 한 전도성 물질이고, 상기 신축성 원사는 러버(rubber)이고,
    상기 스트레인 센서는 인가되는 스트레인에 대하여 지수적으로 비례하는 상대 저항을 갖는 것을 특징으로 하는 스트레인 센서.
  17. 제12항에 있어서,
    상기 고분자 물질은 폴리비닐알콜(polyvinylalcohol; PVA), 폴리디알릴디메틸 암모늄클로라이드(polydiallyldimethylammoniumchloride; PDDA), 폴리비닐피롤리돈(polyvinylpyrrolidone; PVPON) 중 하나이고, 상기 전도성 물질은 그래핀을 기반으로 한 전도성 물질이고, 상기 신축성 원사는 나일론-커버된 러버(nylon-coverred rubber)이고,
    상기 스트레인 센서는 인가되는 스트레인에 대하여 선형적으로 비례하는 상대 저항을 갖는 것을 특징으로 하는 스트레인 센서.
  18. 제12항에 있어서,
    상기 고분자 물질은 폴리비닐알콜(polyvinylalcohol; PVA), 폴리디알릴디메틸 암모늄클로라이드(polydiallyldimethylammoniumchloride; PDDA), 폴리비닐피롤리돈(polyvinylpyrrolidone; PVPON) 중 하나이고, 상기 전도성 물질은 그래핀을 기반으로 한 전도성 물질이고, 상기 신축성 원사는 울(wool)이고,
    상기 스트레인 센서는 인가되는 스트레인에 대하여 반비례하는 상대 저항을 갖는 것을 특징으로 하는 스트레인 센서.
  19. 스트레인 센서;
    상기 스트레인 센서가 실장되는 유연한 프레임; 및
    상기 스트레인 센서와 연결되는 저항 측정기를 포함하고,
    상기 스트레인 센서는
    신축성 원사;
    상기 신축성 원사의 표면에 교번적으로 n(n은 2이상의 자연수)번 코팅된 제1고분자 물질과 전도성 물질; 및
    상기 전도성 물질 상에 코팅된 제2 고분자 물질을 포함하는 웨어러블 디바이스(wearable device).
  20. 제19항에 있어서,
    상기 제1 고분자 물질은 폴리비닐알콜(polyvinylalcohol; PVA), 폴리디알릴디메틸 암모늄클로라이드(polydiallyldimethylammoniumchloride; PDDA), 폴리비닐피롤리돈(polyvinylpyrrolidone; PVPON) 중 하나이고, 상기 전도성 물질은 그래핀을 기반으로 한 전도성 물질이고, 상기 신축성 원사는 러버(rubber)이고,
    상기 스트레인 센서는 인가되는 스트레인에 대하여 지수적으로 비례하는 상대 저항을 가지고,
    상기 웨어러블 디바이스는 상대적으로 작은 규모의 움직임을 감지하는 장치로 구현되는 것을 특징으로 하는 웨어러블 디바이스.
  21. 제19항에 있어서,
    상기 고분자 물질은 폴리비닐알콜(polyvinylalcohol; PVA), 폴리디알릴디메틸 암모늄클로라이드(polydiallyldimethylammoniumchloride; PDDA), 폴리비닐피롤리돈(polyvinylpyrrolidone; PVPON) 중 하나이고, 상기 전도성 물질은 그래핀을 기반으로 한 전도성 물질이고, 상기 신축성 원사는 나일론-커버된 러버(nylon-covered rubber)이고,
    상기 스트레인 센서는 인가되는 스트레인에 대하여 선형적으로 비례하는 상대 저항을 가지고,
    상기 웨어러블 디바이스는 상대적으로 큰 규모의 움직임을 감지하는 장치로 구현되는 것을 특징으로 하는 웨어러블 디바이스.
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