KR20190125711A

KR20190125711A - 고 신축성 압저항 와이어 센서 및 이의 제조 방법

Info

Publication number: KR20190125711A
Application number: KR1020180049852A
Authority: KR
Inventors: 이행기; 무하마드살만; 하마드 라자 칼리드; 장대익
Original assignee: 한국과학기술원
Priority date: 2018-04-30
Filing date: 2018-04-30
Publication date: 2019-11-07
Also published as: WO2019212085A1

Abstract

본 발명은 실리콘 중합체(silicone polymer)와 다중벽 탄소나노튜브(MWCNT)를 혼합한 전도성 코어와 실리콘 재질의 단열피복재로 구성되어, 10 ~ 500 %의 변형률 범위에서 작동할 수 있는 고 신축성 압저항 와이어 센서 및 이의 제조 방법에 관한 것으로, 본 발명에 따른 고 신축성 압저항 와이어 센서는, 실리콘 중합체(백금촉매 실리콘(Platinum-catalyzed silicone))와 다중벽 탄소나노튜브(MWCNT), 무수 톨루엔(Toluene Anhydrous)(99.8%)을 포함하는 전도성 코어(1)와; 상기 전도성 코어(1)의 외면에 피복된 실리콘 재질의 단열피복재(2);를 포함한다.

Description

고 신축성 압저항 와이어 센서 및 이의 제조 방법{Highly Stretchable and Flexible Piezoresistive CNT-Silicone Wire Sensors and Method For Manufacturing the same}

본 발명은 압저항 와이어 센서에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 실리콘 중합체(silicone polymer)와 다중벽 탄소나노튜브(MWCNT)를 혼합한 전도성 코어와 실리콘 재질의 단열피복재로 구성되어, 10 ~ 500 %의 변형률 범위에서 작동할 수 있는 고 신축성 압저항 와이어 센서 및 이의 제조 방법에 관한 것이다.

착용성 마이크로 일렉트로닉스, 액추에이터 (인공 근육) 및 인간-기계 인터페이스와 같은 수없이 많은 응용 분야에서 향상된 신축성(stretchability) 및 광범위한 감지 변형에 대한 민감도를 갖는 스트레인 센서가 매우 중요 해지고 있다.

전도성 고분자 복합체(CPCs)의 응용은 다양한 변형 및 인간의 움직임을 조사하는 가장 중요한 접근 방법이 되고 있다.

인체 운동 스트레인의 범위는 0.5 % ~ 200 %이며, 특정 단일 유형의 복합 센서 작동은 이 넓은 범위에서는 매우 어렵다. 기존에 변형률 범위가 최대 1 % ~ 10 %, 10 % ~ 55 % 및 50 % ~ 150 % 인 다양한 복합 센서가 보고되었다.

종래기술로서, 등록특허 제10-1412623호에 "압저항 센싱감도가 향상된 탄소나노튜브 복합체 및 그 제조방법, 이 탄소나노튜브 복합체를 갖는 압력감응센서"가 개시되어 있다. 상기 압력감응센서는 탄소나노튜브와 고분자 메트릭스 (실리콘고무, 폴리우레탄, 폴리카보네이트) 등을 이용한 탄소나노뷰트 복합체를 제조하여, 외부의 압력에 따른 복합체의 저항 변화를 통하여 압력감응 센서로 이용하는 기술에 관한 것이나, 사용하는 고분자 메트릭스의 신축성이 낮아 실제 어플리케이션에 적용하기 어려운 문제가 있다.

또한 등록특허 제10-1759120호에 탄성을 가진 유전체로 이루어진 스킨부와, 상기 스킨부 내에 내장되며 동일 평면상에서 제1 좌표축에 평행하게 배열되는 복수개의 제1 센서소자와, 상기 스킨부 내에 내장되며 동일 평면상에서 제2 좌표축에 평행하며 상기 복수개의 제1 센서소자에 대해 꼬인 위치에 배열되는 복수개의 제2 센서소자를 포함하는 "촉각센서 및 그 제조방법"이 개시되어 있는데, 이 등록특허의 촉각센서는 전류의 변화와 크기를 감지하여 압력 위치 및 크기를 연산하는 방법으로 전류를 인가하는 외부 전류원을 필요로 하는 결점이 있다.

등록특허 제10-1412623호 등록특허 제10-1759120호

본 발명은 10 ~ 500 %의 변형률 범위에서 작동할 수 있는 새로운 0.5mm ~ 1.5mm 크기의 센서를 개발하고, 합성된 센서를 사용하여 거의 모든 유형의 신체 움직임을 측정할 수 있는 고 신축성 압저항 와이어 센서 및 이의 제조 방법을 제공함에 그 목적이 있다.

또한, 본 발명의 다른 목적은 다른 유형의 압력 센서를 만들 수 있는 고 신축성 압저항 와이어를 제공하는 것이다.

상기한 것과 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 고 신축성 압저항 와이어 센서는, 실리콘 중합체(백금촉매 실리콘(Platinum-catalyzed silicone)), 다중벽 탄소나노튜브(MWCNT), 무수 톨루엔(Toluene Anhydrous)(99.8%)을 포함하는 전도성 코어와; 상기 전도성 코어의 외면에 피복된 단열피복재;를 포함할 수 있다.

본 발명에 따른 고 신축성 압저항 와이어 센서의 제조 방법은,

0.2~3.0 중량%의 다중벽 탄소나노튜브(MWCNT)를 30~120 분 동안 톨루앤 용액 5 ~ 50 ㎖에 30 ~ 120 분 동안 초음파 처리(sonification)하는 단계;

상기 용액을 40 ℃ ~ 90 ℃에서 실리콘 중합체에 첨가하는 단계;

50 ~ 90 ℃의 고온 및 초음파 처리에서 일정하게 혼합하여 실리콘에 CNT를 균일하게 분산하는 단계;

40 ~ 90 ℃의 온도에서 용액을 고압 주사기 펌프로 다양한 직경(0.2-3.5㎜)의 폴리테트라플루오르에틸렌(PTEE) 재질의 튜브에 주입하는 단계;

합성된 와이어를 다시 실리콘 용액으로 처리하여 절연하는 단계;

를 포함할 수 있다.

본 발명의 MWCNT-실리콘 와이어 센서는 신축성이 뛰어나고 유연성이 뛰어나며 우수한 압전 저항 응답 특성을 나타낸다.

또한 상기 MWCNT-실리콘을 기반으로 한 와이어 형태의 센서는 주기적인 인장 변형률(10~500%)에 매우 민감한 특성을 가지며, 저항 변화는 변형률 수준(level)에 따라 400 - 1000 % 범위이다.

변형(strain)은 와이어에 전압을 인가함으로써 감지될 수 있으며, 와이어의 전기적 응답은 센서에 걸리는 변형으로 인해 검출될 수 있다.

변형의 크기는 전기적 응답에 기초하여 결정될 수 있다.

탁월한 유연성과 높은 신축성으로 인해 와이어는 섬유에 통합되어 감지 및 모니터링과 같은 착용할 수 있는 스마트 기능을 구현할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 고 신축성 압저항 와이어 센서를 나타낸 단면도이다.
도 2는 본 발명에 따른 고 신축성 압저항 와이어 센서를 제조하는 과정을 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 제조 방법에 따라 만들어진 다양한 직경을 갖는 고 신축성 압저항 와이어 센서에 대한 사진이다.
도 4는 탄소나노튜브-실리콘 와이어의 SEM 이미지이다.
도 5는 전도성 MWCNT- 실리콘 와이어를 사용하여 상승 진폭으로 인장 로딩-언로딩(loading-unloading)에 대한 피에조 저항 응답을 나타낸 그래프이다.
도 6은 전도성 MWCNT의 다른 직경을 사용하여 최대 200% 변형까지 인장 하중을 가했을 때의 피에조 저항 응답을 나타낸 그래프이다.
도 7은 100% 변형률과 0.5㎜/초의 주파수로 최대 100 사이클까지 MWCNT-실리콘 복합 와이어의 신뢰성 테스트를 한 결과를 나타낸 그래프이다.

본 명세서에 기재된 실시 예와 도면에 도시된 구성은 개시된 발명의 바람직한 일 예에 불과할 뿐이며, 본 출원의 출원시점에 있어서 본 명세서의 실시 예와 도면을 대체할 수 있는 다양한 변형 예들이 있을 수 있다.

이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 고 신축성 압저항 와이어 센서 및 이의 제조 방법을 후술된 실시 예에 따라 구체적으로 설명하도록 한다.

도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 고 신축성 압저항 와이어 센서는, 실리콘 중합체(백금촉매 실리콘(Platinum-catalyzed silicone))와 다중벽 탄소나노튜브(MWCNT), 무수 톨루엔(Toluene Anhydrous)(99.8%)을 포함하는 전도성 코어(1)와; 상기 전도성 코어(1)의 외면에 피복된 실리콘 재질의 단열피복재(2);를 포함한다.

상기 전도성 코어(1)의 직경은 대략 300㎛ 이상이고, 단열피복재(2)의 두께는 대략 50㎛ 내외이다.

다중벽 탄소나노튜브(MWCNT)의 농도는 0.25% ~2.5%이다.

또한 상기 고 신축성 압저항 와이어 센서의 변형 감지 범위는 10~500%이다.

본 발명의 고 신축성 압저항 와이어 센서를 제조하는 방법은 다음과 같은 단계들을 포함한다.

0.2~3.0 중량%의 다중벽 탄소나노튜브(MWCNT)를 30~120 분 동안 톨루앤 용액 5 ~ 50 ㎖에 30 ~ 120 분 동안 초음파 처리(sonification)하는 단계.

상기 용액을 40 ℃ ~ 90 ℃에서 실리콘 중합체에 첨가하는 단계.

50 ~ 90 ℃의 고온 및 초음파 처리에서 일정하게 혼합하여 실리콘에 CNT를 균일하게 분산하는 단계.

40 ~ 90 ℃의 온도에서 용액을 고압 주사기 펌프로 다양한 직경(0.2-3.5㎜)의 폴리테트라플루오르에틸렌(PTEE) 재질의 튜브에 주입하는 단계.

합성된 와이어를 다시 실리콘 용액으로 처리하여 절연하는 단계.

상기와 같은 제조방법에 의해 만들어진 본 발명의 MWCNT-실리콘 와이어 센서는 신축성이 뛰어나고 유연성이 뛰어나며 우수한 압전 저항 응답 특성을 나타낸다.

변형의 크기는 전기적 응답에 기초하여 결정될 수 있다.

본 발명의 와이어 센서는 모든 종류의 피에조 저항 감지 플랫폼(piezoresistive sensing platforms)에 적용될 수 있다. 예를 들어 착용식 센서, 햅틱 장치, 인공 전자 스킨, 생리 모니터링 및 평가 시스템, 생체 의학 응용 등에 유용하게 적용될 수 있다.

이상에서 본 발명은 실시예를 참조하여 상세히 설명되었으나, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기에서 설명된 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 부가 및 변형이 가능할 것임은 당연하며, 이와 같은 변형된 실시 형태들 역시 아래에 첨부한 특허청구범위에 의하여 정하여지는 본 발명의 보호 범위에 속하는 것으로 이해되어야 할 것이다.

1 : 전도성 코어(conductive core) 2 : 단열피복재

Claims

실리콘 중합체(백금촉매 실리콘(Platinum-catalyzed silicone)), 다중벽 탄소나노튜브(MWCNT), 무수 톨루엔(Toluene Anhydrous)(99.8%)을 포함하는 전도성 코어(1)와;
상기 전도성 코어(1)의 외면에 피복된 단열피복재(2);
를 포함하는 고 신축성 압저항 와이어 센서.
0.2~3.0 중량%의 다중벽 탄소나노튜브(MWCNT)를 30~120 분 동안 톨루앤 용액 5 ~ 50 ㎖에 30 ~ 120 분 동안 초음파 처리(sonification)하는 단계;
상기 용액을 40 ℃ ~ 90 ℃에서 실리콘 중합체에 첨가하는 단계;
50 ~ 90 ℃의 고온 및 초음파 처리에서 일정하게 혼합하여 실리콘에 CNT를 균일하게 분산하는 단계;
40 ~ 90 ℃의 온도에서 용액을 고압 주사기 펌프로 다양한 직경(0.2-3.5㎜)의 폴리테트라플루오르에틸렌(PTEE) 재질의 튜브에 주입하는 단계;
합성된 와이어를 다시 실리콘 용액으로 처리하여 절연하는 단계;
를 포함하는 고 신축성 압저항 와이어 센서의 제조 방법.