KR20200073795A - 고유전 탄성구조체 및 그의 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 고분자 매트릭스, 및 상기 고분자 매트릭스에 분산된 유전재료를 포함하는 고유전 탄성체; 및 상기 고유전 탄성체 상에 배치되는 신축성 접착제 전극;을 포함하고, 상기 신축성 접착제 전극은, 경화성 고분자 및 경화제를 포함하는 고분자 접착제; 및 상기 고분자 접착제에 분산된 금속 및 탄소재료를 포함하는 전도성 필러;를 포함하는 것을 특징으로 하는, 고유전 탄성구조체에 관한 것이다. 이에 의하여, 본 발명의 고유전 탄성구조체는 고분자 유전체와 탄소재료와 같은 전도성 필러의 복합화를 통하여 유전상수를 증가시키고, 복합화된 재료에 신축성 전도성 접착제를 전극으로 형성함으로 기계적 안정성을 향상시켜 안정적인 유전 특성 발현을 할 수 있는 효과가 있다.

Description

고유전 탄성구조체 및 그의 제조방법{HIGHLY DIELECTRIC ELASTIC STRUCTURE AND METHOD FOR PREPARING THE SAME}
본 발명은 고유전 탄성구조체 및 그의 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 안정적으로 탄성체의 고유전 특성을 발현할 수 있도록 고유전 탄성체 상에 신축성 전도성 접착제를 전극으로 포함하는 것을 특징으로 하는 고유전 탄성구조체 및 그의 제조방법에 관한 것이다.
일반적으로 고분자 소재는 타 소재에 비하여 기계적 안정성과 우수한 공정성 등을 가지고 있어 현대 최첨단 산업 분야에서 중요한 소재로 사용되고 있다. 또한 다양한 분자 설계와 복합화를 통하여 다양한 물성을 얻을 수 있어 유전 재료로 활용된다. 하지만 유전 특성이 세라믹 재료에 비하여 취약하고 열적, 기계적 특성이 취약하여 적용에 한계가 되고 있다.
그럼에도 불구하고 고분자는 신축성 전자소재에 적용하기 적합하여 복합화를 통해 터치 센서 및 고유전 박막 게이트(High-k gate dielectric), 엘라스토머 액츄에이터(dielectric elastomer actuaor)등에 적용된다.
이 중에서도 터치 센서 분야는 터치 스크린, 웨어러블 장치, 로봇, 스마트 기기등 다양한 분야에서 응용되고 있다. 센서에서는 내구성, 신뢰성이 중요하고 다양한 힘과 위치를 동시에 감지하는 기능이 중요하다. 또한 저렴한 비용과 간단한 제조공정을 기반으로 하는 터치 센서의 제조 방법은 산업계에서 큰 관심을 받고 있다.
터치 센서의 감지 기술은 저항방식, 정전용량방식, 압전방식등으로 나눌 수 있다. 정전 용량 방식을 사용하는 터치 센서는 접촉 위치와 접촉 힘에 따라 다른 신호를 감지 할 수 있는 장점을 가지고 있지만 유전재료의 한계에 의해 많은 제약이 있다.
최근, 이러한 문제점을 해결하기 위해 유전체의 구조 제어 및 고유전성 필러와의 복합화에 대한 연구 및 개발이 이루어지고 있다. 하지만 전극의 내구성 및 탄성 유전체와 전극간의 접착력이 좋지 않아 기계적 안정성이 낮고, 이에 따라 유전성질 발현이 제대로 되지 않고 신뢰성이 확보되지 못하는 문제점이 있었다.
한국등록특허 제10-1819272호
본 발명의 목적은 고분자 유전체와 탄소재료와 같은 전도성 필러의 복합화를 통하여 유전상수를 증가시키고, 복합화된 재료에 신축성 전도성 접착제를 전극으로 형성함으로 안정적인 유전 특성을 발현하고 기계적 안정성을 향상시킬 수 있는 고유전 탄성구조체와 그의 제조방법을 제공하는 데 있다.
본 발명의 다른 목적은 고분자 유전체와 탄소재료와 같은 전도성 필러의 복합화를 통하여 유전상수를 증가시키고, 복합화된 재료에 신축성 전도성 접착제를 전극으로 형성함으로 안정적인 유전 특성 발현을 할 수 있는 고유전 탄성구조체를 도입한 터치 센서를 제조함으로써 터치 센서 분야에서 발생하는 전극의 파괴 현상과 고유전 탄성 구조체와 전극의 접착력이 좋지 못해 발생하는 유전 성질 감소의 문제점을 해결하는 데 있다.
본 발명의 일 측면에 따르면,
고분자 매트릭스, 및 상기 고분자 매트릭스에 분산된 유전재료를 포함하는 고유전 탄성체; 및 상기 고유전 탄성체 상에 배치되는 신축성 접착제 전극;을 포함하고,
상기 신축성 접착제 전극은,
경화성 고분자 및 경화제를 포함하는 고분자 접착제; 및 상기 고분자 접착제에 분산된 금속 및 탄소재료를 포함하는 전도성 필러;를 포함하는 것을 특징으로 하는, 고유전 탄성구조체를 제공한다.
상기 고분자 매트릭스는 실리콘계 수지, 우레탄계 수지, 아크릴계 수지, 이소프렌계 수지, 클로로프렌계 수지, 플루오로계 수지, 부타디엔 고무, 스티렌-부타디엔 고무, 및 비닐리덴플루라이드 중합체 중에서 선택된 1종 이상일 수 있다.
바람직하게는, 상기 고분자 매트릭스는 실리콘계 수지일 수 있다.
상기 실리콘계 수지는 폴리디메틸실록산(PDMS) 일 수 있다.
상기 고분자 매트릭스는 인장강도가 0.1 내지 10 MPa 일 수 있다.
상기 고분자 매트릭스는 유전 상수가 1 내지 10 일 수 있다.
상기 유전재료는 전도성 필러, 세라믹 필러, 및 유기금속화합물 중에서 선택된 1종 이상을 포함하고, 상기 전도성 필러, 세라믹 필러, 및 유기금속화합물 중에서 선택된 1종 이상은 실란계 화합물 또는 아민계 화합물로 표면 처리된 것일 수 있다.
상기 전도성 필러는 금속입자, 카본블랙, 카본 파이버, 그래핀, 그래파이트, 풀러렌, 단일벽 탄소 나노튜브, 및 다중벽 탄소나노튜브 중에서 선택된 1종 이상일 수 있다.
상기 세라믹 필러는 금속산화물, 실리케이트, 붕소화물, 탄화물, 질화물, 및 페로브스카이트 중에서 선택된 1종 이상일 수 있다.
상기 금속산화물은 ZrO2, Ta2O5, SnO2, Nb2O5, TiO2, Sb2O3, V2O5, FeO, FeO₄, Fe2O3, SrO, Cu2O, Cu2O3, ZnO, Y2O3, CaTiO3, MgZrSrTiO6, MgTiO3, MgAl2O4, BaZrO3, BaTiO3, BaSnO3, BaNb2O6, BaTa2O6, BaSrTiO3, WO3, MnO2, SrZrO3, SnTiO4, ZrTiO4, CaZrO3, CaSnO3, CaWO4, MgTa2O6, MrZrO3, La2O3, CaZrO3, MgSnO3, MgNb2O6, SrNb2O6, MgTa2O6, 및 Ta2O3 중에서 선택된 1종 이상이다.
상기 실리케이트는 Na2SiO3, Li4SiO4, BaTiSi3O9, ZrSiO4, CaMgSi2O6, 및 Zn2SiO4 중에서 선택된 1종 이상일 수 있다.
상기 유기금속화합물은 구리, 아연 및 니켈 중에서 선택된 1종 이상의 금속과 프탈로시아닌, 우라닌 및 로다민 중에서 선택된 1종 이상의 유기물이 결합된 화합물일 수 있다.
상기 실란계 화합물 또는 아민계 화합물은 옥타데실트리메톡시실란(octadecyltrimethoxysilane, ODTMS), 헥사데실트리메톡시실란(Hexadecyltrimethoxysilane), 도데실트리메톡시 실란(dodecyltrimethoxysilane, DDTMS), 옥틸트리메톡시실란(octyltrimethoxysilane, OTMS), 옥타데실아민(octadecylamine) 및 도데실아민(dodecylamine) 중에서 선택된 1종 이상일 수 있다.
바람직하게는, 상기 실란계 화합물은 옥타데실트리메톡시실란(octadecyltrimethoxysilane, ODTMS)일 수 있다.
상기 고유전 탄성체는 상기 고분자 매트릭스 100 중량부에 대하여 상기 유전재료 0.1 내지 100 중량부를 포함할 수 있다.
상기 고분자 매트릭스는 고분자 100중량부에 대하여 경화제 5 내지 20중량부를 포함할 수 있다.
상기 고분자 접착제는 경화 전 혼합물 점도가 3000 mPa·s 내지 5000 mPa·s 일 수 있다.
상기 고분자 접착제는 경화 후 벌크 인장 강도가 0.1 내지 10 MPa 일 수 있다.
상기 고분자 접착제는 경화 후 체적수축률이 1 내지 10 % 일 수 있다.
상기 신축성 접착제 전극은 상기 고분자 접착제 100 중량부를 기준으로 상기 전도성 필러 100 내지 500 중량부를 포함할 수 있다.
상기 경화성 고분자는 실리콘계 수지, 우레탄계 수지, 아크릴계 수지, 이소프렌계 수지, 클로로프렌계 수지, 플루오로계 수지, 부타디엔 고무, 및 스티렌-부타디엔 고무 중에서 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다.
상기 경화성 고분자는 실리콘계 수지를 포함할 수 있다.
상기 고분자 접착제는 상기 경화성 고분자 100중량부에 대하여 경화제 10 내지 120중량부를 포함할 수 있다.
상기 금속은 금(Au), 은(Ag), 구리(Cu), 니켈(Ni), 알루미늄(Al), 백금(Pt), 루테늄(Ru), 로듐(Rh), 텅스텐(W), 코발트(Co), 팔라듐(Pd), 티타늄(Ti), 탄탈륨(Ta), 철(Fe), 몰리브덴(Mo), 하프늄(Hf), 란타늄(La) 및 이리듐(Ir) 중에서 선택된 1종 이상일 수 있다.
바람직하게는, 상기 금속은 금(Au), 은(Ag) 및 구리(Cu) 중에서 선택된 1종 이상일 수 있다.
상기 금속은 직경이 100 내지 200 nm, 1 내지 4 ㎛, 또는 5 내지 10 ㎛인 금속입자들의 혼합물일 수 있다.
상기 탄소재료는 단일벽 탄소 나노튜브, 다중벽 탄소나노튜브, 그래핀, 그래파이트, 카본블랙, 카본 파이버 및 풀러렌 중에서 선택된 1종 이상일 수 있다.
상기 탄소재료는 직경 15 내지 40nm, 길이 10 내지 50㎛인 다중벽 탄소나노튜브일 수 있다.
상기 전도성 필러는 금속 100중량부에 대하여 탄소재료 0.1 내지 2중량부가 포함될 수 있다.
상기 고유전 탄성체와 신축성 접착제 전극은 상호 연결되어 하나의 구조로 이루어질 수 있다.
본 발명의 다른 하나의 측면에 따르면,
(a) 유전재료를 유기용매에 분산시켜 유전재료 분산액을 제조하는 단계;
(b) 상기 유전재료 분산액에 고분자를 혼합하여 유전재료와 고분자가 혼합된 유전재료/고분자 혼합물을 제조하는 단계;
(c) 상기 유전재료/고분자 혼합물에 경화제를 혼합한 후 경화시켜 고유전 탄성체를 제조하는 단계; 및
(d) 상기 고유전 탄성체상에 신축성 접착제 전극을 형성하여 고유전 탄성구조체를 제조하는 단계;를 포함하는 고유전 탄성구조체의 제조방법이 제공된다.
단계 (a)에서 상기 유기용매는 클로로포름, 톨루엔, 에탄올, 메탄올, 디클로로메탄 및 테트라하이드로퓨란 중에서 선택된 1종 이상일 수 있다.
단계 (b)에서 상기 유전재료/고분자 혼합물은 상기 고분자 100중량부에 대하여 상기 유전재료 0.1 내지 100중량부를 포함할 수 있다.
단계 (b)에서, 상기 유전재료 분산액에 고분자를 혼합한 후 용매를 제거하는 단계를 추가로 수행할 수 있다.
단계 (c)에서, 상기 경화제는 상기 고분자 100중량부에 대하여 5 내지 20중량부를 혼합할 수 있다.
단계 (d)는,
(d-1) 금속 및 탄소재료를 유기 용매에 분산시켜 전도성 필러 분산액을 제조하는 단계;
(d-1) 상기 전도성 필러 분산액에 경화성 고분자 및 경화제를 혼합하여 전도성 필러와 고분자 접착제 혼합물을 제조하는 단계; 및
(d-3) 상기 고유전 탄성체상에 상기 전도성 필러와 고분자 접착제 혼합물을 코팅하여 접착제 혼합물 코팅층을 형성하고 경화 처리하여 신축성 접착제 전극을 형성하는 단계;를 포함할 수 있다.
단계 (d-1)에서 상기 금속 100중량부에 대하여 탄소재료 0.1 내지 2중량부를 상기 유기 용매에 분산시켜 전도성 필러 분산액을 제조할 수 있다.
가장 바람직하게는,
단계 (a)에서, 상기 유전재료는 카본블랙이고, 카본블랙의 표면처리는 옥타데실트리메톡시실란(ODTMS)을 사용하고, 탄소재료를 분산시킨 유기용매는 클로로포름을 사용하고,
단계 (b)에서, 상기 고분자는 폴리디메틸실록산(PDMS)이고, 유전재료/고분자 혼합물은 폴리디메틸실록산(PDMS) 100중량부에 대하여 표면처리된 카본블랙 1 내지 3 중량부로 혼합하고,
단계 (c)에서, 상기 폴리디메틸실록산(PDMS) 100중량부에 대하여 경화제는 5 내지 20중량부, 경화 온도는 120 내지 180℃, 경화 시간은 60 내지 120분, 코팅 필름의 두께는 100 내지 500㎛로 형성하고,
단계 (d)에서, 신축성 접착제 전극은 실리콘 고분자와 경화제를 포함하는 고분자 접착제에, 다중벽 탄소나노튜브와 은(Ag) 입자를 전도성 필러로 포함하고, 상기 은(Ag) 입자는 직경이 100 내지 200 nm, 1 내지 4 ㎛, 또는 5 내지 10 ㎛인 은 입자들의 혼합물이고, 다중벽 탄소나노튜브는 직경 15 내지 40nm, 길이 10 내지 50㎛이고, 상기 은(Ag) 입자 100중량부에 대하여 탄소재료 0.1 내지 2중량부를 포함하고, 고분자 접착제 100 중량부를 기준으로 상기 전도성 필러 100 내지 500중량부를 혼합하여 고유전 탄성구조체를 제조할 수 있다.
본 발명의 다른 또 하나의 측면에 따르면,
상기 고유전 탄성구조체를 포함하는 터치 센서가 제공된다.
상기 터치 센서는 정전용량식으로 구동되는 힘 센서일 수 있다.
본 발명의 다른 또 하나의 측면에 따르면,
상기 제조방법에 따라 제조된 고유전 탄성구조체의 제조방법을 포함하는 터치 센서의 제조방법이 제공된다.
본 발명의 고유전 탄성구조체는 고분자 유전체와 유전재료의 복합화를 통하여 유전상수를 증가시키고, 복합화된 재료에 신축성 전도성 접착제를 전극으로 형성함으로 유전특성을 향상시키고, 기계적 안정성이 향상됨으로써 안정적인 유전 특성 발현을 할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명의 고유전 탄성구조체를 포함하는 터치 센서는 터치 센서 분야에서 발생하는 전극의 파괴 현상과 고유전 탄성 구조체와 전극의 접착력이 좋지 못해 발생하는 유전 성질 감소 등을 최소화할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 고유전 탄성구조체의 제조방법을 순차적으로 나타낸 흐름도이다.
도 2는 실험예 2의 Pt 전극으로 제조된 고유전 탄성 구조체의 유전성질 변화 측정결과를 나타낸 것이다.
도 3 및 도 4는 실험예 3의 고유전 탄성구조체의 신축성 전도성 접착제 층과 백금 코팅 층의 전극 신뢰도 평가 결과를 나타낸 것이다.
이하에서, 본 발명의 여러 측면 및 다양한 구현예에 대해 더욱 구체적으로 설명한다. 이하, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하도록 한다. 그러나, 이하의 설명은 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
본원에서 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 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
이하, 본 발명의 고유전 탄성구조체에 대해 설명하도록 한다.
본 발명의 고유전 탄성구조체는 고분자 매트릭스, 및 상기 고분자 매트릭스에 분산된 유전재료를 포함하는 고유전 탄성체; 및 상기 고유전 탄성체 상에 배치되는 신축성 접착제 전극;을 포함하고, 상기 신축성 접착제 전극은, 경화성 고분자 및 경화제를 포함하는 고분자 접착제; 및 상기 고분자 접착제에 분산된 금속 및 탄소재료를 포함하는 전도성 필러;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
먼저, 상기 고유전 탄성체에 대해 설명하도록 한다.
구체적으로, 상기 고분자 매트릭스는 실리콘계 수지, 우레탄계 수지, 아크릴계 수지, 이소프렌계 수지, 클로로프렌계 수지, 플루오로계 수지, 부타디엔 고무, 스티렌-부타디엔 고무, 및 비닐리덴플루라이드 중합체 중에서 선택된 1종 이상인 것이 바람직하고, 더욱 바람직하게는 상기 고분자 매트릭스는 실리콘계 수지일 수 있고, 더욱 더 바람직하게는 상기 고분자 매트릭스는 실리콘계 수지로서 폴리디메틸실록산(PDMS)일 수 있다.
상기 고분자 매트릭스는 인장강도가 0.1 내지 10 MPa 이고, 유전 상수가 1 내지 10인 것이 바람직하고, 전도도가 없는 것이 바람직하다.
상기 고분자 매트릭스의 인장강도 및 유전상수가 수치 범위의 하한 값 미만이거나 상한 값을 초과하는 경우에는 유전상수와 탄성력이 저하될 수 있고, 이를 이용하여 제조된 터치 센서의 성능이 저하될 수 있어 바람직하지 않다.
상기 유전재료는 전도성 필러, 세라믹 필러, 및 유기금속화합물 중에서 선택된 1종 이상을 포함하고, 상기 전도성 필러, 세라믹 필러, 및 유기금속화합물 중에서 선택된 1종 이상은 실란계 화합물 또는 아민계 화합물로 표면 처리된 것일 수 있다.
상기 전도성 필러는 금속입자, 카본블랙, 카본 파이버, 그래핀, 그래파이트, 풀러렌, 단일벽 탄소 나노튜브, 및 다중벽 탄소나노튜브 중에서 선택된 1종 이상일 수 있다.
상기 세라믹 필러는 금속산화물, 실리케이트, 붕소화물, 탄화물, 질화물, 및 페로브스카이트 중에서 선택된 1종 이상일 수 있다.
상기 세라믹 필러 중 상기 금속산화물은 ZrO2, Ta2O5, SnO2, Nb2O5, TiO2, Sb2O3, V2O5, FeO, FeO₄, Fe2O3, SrO, Cu2O, Cu2O3, ZnO, Y2O3, CaTiO3, MgZrSrTiO6, MgTiO3, MgAl2O4, BaZrO3, BaTiO3, BaSnO3, BaNb2O6, BaTa2O6, BaSrTiO3, WO3, MnO2, SrZrO3, SnTiO4, ZrTiO4, CaZrO3, CaSnO3, CaWO4, MgTa2O6, MrZrO3, La2O3, CaZrO3, MgSnO3, MgNb2O6, SrNb2O6, MgTa2O6, 및 Ta2O3 중에서 선택된 1종 이상일 수 있다.
상기 세라믹 필러 중 상기 실리케이트는 Na2SiO3, Li4SiO4, BaTiSi3O9, ZrSiO4, CaMgSi2O6, 및 Zn2SiO4 중에서 선택된 1종 이상일 수 있다.
상기 유기금속화합물은 구리, 아연 및 니켈 중에서 선택된 1종 이상의 금속과 프탈로시아닌, 우라닌 및 로다민 중에서 선택된 1종 이상의 유기물이 결합된 화합물일 수 있다.
상기 유전재료의 표면처리에 사용된 상기 실란계 화합물 또는 아민계 화합물은 옥타데실트리메톡시실란(octadecyltrimethoxysilane, ODTMS), 헥사데실트리메톡시실란(Hexadecyltrimethoxysilane), 도데실트리메톡시 실란(dodecyltrimethoxysilane, DDTMS), 옥틸트리메톡시실란(octyltrimethoxysilane, OTMS), 옥타데실아민(octadecylamine) 및 도데실아민(dodecylamine) 중에서 선택된 1종 이상일 수 있고, 바람직하게는, 옥타데실트리메톡시 실란(ODTMS)일 수 있다.
상기 고유전 탄성체는 상기 고분자 매트릭스 100 중량부에 대하여 상기 유전재료 0.1 내지 100 중량부를 포함하는 것이 바람직하다. 왜냐하면, 상기 유전재료의 함량이 고분자 매트릭스 100중량부에 대하여 0.1중량부 미만인 경우에는 유전상수 증가가 저하될 수 있고, 100중량부를 초과하는 경우에는 고분자의 경화를 저해할 수 있어 바람직하지 않다.
상기 고분자 매트릭스는 고분자 100중량부에 대하여 경화제 5 내지 20중량부를 포함할 수 있다.
이하, 본 발명의 고유전 탄성구조체에 포함되는 상기 신축성 접착제 전극에 대해 설명하도록 한다.
상기 신축성 접착제 전극에 포함되는 상기 고분자 접착제는 경화성 고분자와 경화제를 포함하는 것을 특징으로 하고, 경화 전 혼합물 점도가 3000 mPa·s 내지 5000 mPa·s 일 수 있고, 경화 후 벌크 인장 강도가 0.1 내지 10 MPa 일 수 있고, 경화 후 체적수축률이 1 내지 10 % 일 수 있다.
상기 신축성 접착제 전극은 상기 고분자 접착제 100 중량부를 기준으로 상기 전도성 필러 100 내지 500 중량부를 포함할 수 있다.
상기 고분자 접착제에 포함되는 경화성 고분자는 실리콘계 수지, 우레탄계 수지, 아크릴계 수지, 이소프렌계 수지, 클로로프렌계 수지, 플루오로계 수지, 부타디엔 고무, 및 스티렌-부타디엔 고무 중에서 선택된 1종 이상을 포함할 수 있고, 바람직하게는 실리콘계 수지를 포함할 수 있다.
상기 고분자 접착제는 경화성 고분자 100중량부에 대하여 경화제 10 내지 120중량부를 포함할 수 있다.
상기 금속은 금(Au), 은(Ag), 구리(Cu), 니켈(Ni), 알루미늄(Al), 백금(Pt), 루테늄(Ru), 로듐(Rh), 텅스텐(W), 코발트(Co), 팔라듐(Pd), 티타늄(Ti), 탄탈륨(Ta), 철(Fe), 몰리브덴(Mo), 하프늄(Hf), 란타늄(La) 및 이리듐(Ir) 중에서 선택된 1종 이상일 수 있고, 바람직하게는, 상기 금속은 금(Au), 은(Ag) 및 구리(Cu) 중에서 선택된 1종 이상일 수 있다.
상기 금속은 직경이 100 내지 200 nm, 1 내지 4 ㎛, 또는 5 내지 10 ㎛인 금속입자들의 혼합물인 것이 바람직하다.
상기 탄소재료는 단일벽 탄소 나노튜브, 다중벽 탄소나노튜브, 그래핀, 그래파이트, 카본블랙, 카본 파이버 및 풀러렌 중에서 선택된 1종 이상일 수 있다.
상기 탄소재료는 직경 15 내지 40nm, 길이 10 내지 50㎛인 다중벽 탄소나노튜브인 것이 바람직하다.
상기 전도성 필러는 금속 100중량부에 대하여 탄소재료 0.1 내지 2중량부가 포함되는 것이 바람직하다.
상기 고유전 탄성체; 및 신축성 접착제 전극;은 상호 연결되어 하나의 구조로 이루어진 것이 바람직하다. 따라서, 상기 고유전 탄성체에 포함되는 고분자와 상기 신축성 접착제 전극에 포함되는 고분자는 같은 계열의 고분자로 이루어지는 것이 바람직하다. 이에 따라, 본 발명의 고유전 탄성구조체는 고분자 탄성체와 신축성 접착제 전극간의 접착력이 높아지고 유전 성질을 충분히 나타낼 수 있다.
도 1은 본 발명의 고유전 탄성구조체의 제조방법을 순차적으로 나타낸 것이다. 이하, 도 1을 참조하여 본 발명이 고유전 탄성구조체의 제조방법에 대해 설명하도록 한다.
먼저, 유전재료를 유기용매에 분산시켜 유전재료 분산액을 제조한다(단계 a).
상기 유전재료는 상술한 바와 동일하므로 구체적인 내용은 그 부분을 참조하기로 한다.
상기 유기용매는 클로로포름, 톨루엔, 에탄올, 메탄올, 디클로로메탄 및 테트라하이드로퓨란 중에서 선택된 1종 이상일 수 있고, 바람직하게는, 클로로포름을 사용하는 경우 유전재료의 분산과 용매의 건조를 용이하게 할 수 있다.
상기 고분자 100중량부에 대하여 상기 유전재료 0.1 내지 100중량부를 포함하는 것이 바람직하다.
다음으로, 상기 유전재료 분산액에 고분자를 혼합하여 유전재료와 고분자가 혼합된 유전재료/고분자 혼합물을 제조한다(단계 b).
상기 유전재료/고분자 혼합물은 상기 고분자 100중량부에 대하여 상기 유전재료 0.1 내지 100중량부 포함되는 것이 바람직하고, 더욱 바람직하게는 1 내지 5중량부일 수 있다.
상기 유전재료의 함량이 고분자 100중량부에 대하여 0.1중량부 미만인 경우에는 최종 제조되는 탄성구조체의 유전상수 증가가 저하될 수 있고, 100중량부를 초과하는 경우에는 고분자의 경화를 저해할 수 있어 바람직하지 않다.
상기 혼합은 교반과 탈포 과정을 동시에 수행하는 것이 바람직하다. 이때, 고점도 혼합 탈포장치를 이용하여 수행할 수 있다.
상기 유전재료 분산액에 고분자를 혼합한 후 건조시켜 용매를 제거할 수 있다.
이후, 상기 유전재료/고분자 혼합물에 경화제를 혼합한 후 경화시켜 고유전 탄성체를 제조한다(단계 c).
상기 경화제는 상기 고분자 100중량부에 대하여 5 내지 20중량부를 혼합하는 것이 바람직하다.
상기 혼합은 교반과 탈포 과정을 동시에 수행하는 것이 바람직하다. 이때, 고점도 혼합 탈포장치를 이용하여 수행할 수 있다.
상기 유전재료/고분자 혼합물에 경화제를 혼합한 혼합물은 기판상에 코팅하여 필름을 형성한 후 경화시키는 것이 바람직하다. 이에 따라, 다음 단계에서의 신축성 접착제를 균일하게 코팅할 수 있다.
상기 코팅은 닥터 블레이드법, 바 코팅법, 평판 스크린법, 스핀 코팅법, 롤 코팅, 플로우 코팅법, 그라비아 프린팅법 및 플렉소 프린팅법 중에서 선택된 어느 하나의 방법에 따라 수행될 수 있다.
마지막으로, 상기 고유전 탄성체상에 신축성 접착제 전극을 형성하여 고유전 탄성구조체를 제조한다(단계 d).
본 단계는 하기 순서에 따라 수행될 수 있다.
먼저, 금속 및 탄소재료를 유기 용매에 분산시켜 전도성 필러 분산액을 제조한다(단계 d-1).
상기 금속 100중량부에 대하여 탄소재료 0.1 내지 2중량부를 상기 유기 용매에 분산시켜 전도성 필러 분산액을 제조하는 것이 바람직하다.
상기 금속은 금(Au), 은(Ag), 구리(Cu), 니켈(Ni), 알루미늄(Al), 백금(Pt), 루테늄(Ru), 로듐(Rh), 텅스텐(W), 코발트(Co), 팔라듐(Pd), 티타늄(Ti), 탄탈륨(Ta), 철(Fe), 몰리브덴(Mo), 하프늄(Hf), 란타늄(La) 및 이리듐(Ir) 중에서 선택된 1종 이상일 수 있고, 바람직하게는, 금(Au), 은(Ag) 및 구리(Cu) 중에서 선택된 1종 이상일 수 있다.
더욱 바람직하게는 직경이 직경이 100 내지 200 nm, 1 내지 4 ㎛, 또는 5 내지 10 ㎛인 은(Ag) 입자들의 혼합물일 수 있다.
상기 탄소재료는 단일벽 탄소 나노튜브, 다중벽 탄소나노튜브, 그래핀, 그래파이트, 카본블랙, 카본 파이버 및 풀러렌 중에서 선택된 1종 이상일 수 있고, 바람직하게는 직경 15 내지 40nm, 길이 10 내지 50㎛인 다중벽 탄소나노튜브일 수 있다.
유기 용매는 클로로포름, 톨루엔, 에탄올, 메탄올, 디클로로메탄 및 테트라하이드로퓨란 중에서 선택된 어느 하나일 수 있다.
이후, 상기 전도성 필러 분산액에 경화성 고분자 및 경화제를 혼합하여 전도성 필러와 고분자 접착제 혼합물을 제조한다(단계 d-2).
상기 신축성 접착제 전극에 포함되는 경화성 고분자는 실리콘계 수지, 우레탄계 수지, 아크릴계 수지, 이소프렌계 수지, 클로로프렌계 수지, 플루오로계 수지, 부타디엔 고무, 스티렌-부타디엔 고무 중에서 선택된 1종 이상인 것이 바람직하고, 더욱 바람직하게는 실리콘계 수지일 수 있다.
상기 경화성 고분자 100중량부에 대하여 경화제 10 내지 120중량부를 혼합하는 것이 바람직하다.
다음으로, 상기 고유전 탄성체상에 상기 전도성 필러와 고분자 접착제 혼합물을 코팅하여 접착제 혼합물 코팅층을 형성하고 경화 처리하여 신축성 접착제 전극을 형성한다(단계 d-3).
상기 코팅은 닥터 블레이드, 평판 스크린법, 스핀 코팅법, 롤 코팅, 플로우 코팅, 그라비아 프린팅 및 플렉소 프린팅 중에서 선택된 어느 하나의 방법에 따라 수행될 수 있다.
상기 접착제 혼합물 코팅층의 두께는 10 내지 200㎛ 일 수 있다.
상기 경화 처리시 경화 온도는 150 내지 200℃, 경화 시간은 60 내지 120분 동안 수행될 수 있다.
본 발명은 상술한 고유전 탄성구조체를 포함하는 터치 센서를 제공한다.
상기 터치 센서는 정전용량식으로 구동되는 힘 센서일 수 있다.
본 발명은 상술한 고유전 탄성구조체의 제조방법을 포함하는 터치 센서의 제조방법을 제공한다.
특히, 하기 실시예에는 명시적으로 기재하지는 않았지만, 본 발명에 따른 고유전 탄성구조체의 제조방법에 있어서, 단계 (a)에서 유전재료의 종류, 유전재료의 표면처리 물질 종류, 사용하는 유기용매의 종류, 단계 (b)에서 고분자의 종류, 유전재료/고분자 혼합물의 함량비, 혼합 방법, 단계 (c)에서 유전재료/고분자 혼합물과 경화제를 혼합한 혼합물의 코팅방법, 혼합하는 경화제의 함량, 경화 온도 및 시간, 코팅 필름의 두께, 단계 (d)에서 경화 온도 및 시간, 신축성 접착제의 경화제 함량 조건을 변화시키면서 고유전 탄성구조체를 제조하였다.
이와 같이 제조된 고유전 탄성구조체에 대하여 유전 상수, 신축성 접착제 전극의 비저항과 관련된 시험을 수행하여 물성을 확인하였다.
그 결과, 다른 조건 및 다른 수치 범위에서와는 달리, 아래의 조건을 모두 만족하는 경우에만 유전 상수가 높게 측정되고, 전극의 파괴 현상이 거의 없으며, 고유전 탄성체와 전극의 접착력이 높아 기계적 물성이 좋을 뿐 아니라, 터치 센서에 적용 시 센서의 민감성이 높게 측정되었다. 이와 같은 제조조건은 아래와 같다.
단계 (a)에서 유전재료는 탄소재료 중 카본블랙이고, 카본블랙의 표면처리는 옥타데실트리메톡시실란(ODTMS)을 사용하고, 탄소재료를 분산시킨 유기용매는 클로로포름을 사용하고, 단계 (b)에서 고분자는 폴리디메틸실록산(PDMS)이고, 유전재료/고분자 혼합물은 폴리디메틸실록산(PDMS) 100중량부에 대하여 카본블랙 1 내지 3 중량부가 혼합되고, 단계 (c)에서 코팅은 닥터 블레이드법 또는 바 코팅에 따라 수행하며, 폴리디메틸실록산(PDMS) 100중량부에 대하여 경화제는 5 내지 20중량부, 경화 온도는 120 내지 180℃, 경화 시간은 60 내지 120분, 코팅 필름의 두께는 100 내지 500㎛로 형성하고, 단계 (d)에서, 신축성 접착제 전극은 실리콘 고분자와 경화제를 포함하는 고분자 접착제에, 다중벽 탄소나노튜브와 은(Ag) 입자를 전도성 필러로 포함하고, 상기 은(Ag) 입자는 직경이 100 내지 200 nm, 1 내지 4 ㎛, 또는 5 내지 10 ㎛인 은 입자들의 혼합물이고, 다중벽 탄소나노튜브는 직경 15 내지 40nm, 길이 10 내지 50㎛이고, 상기 은(Ag) 입자 100중량부에 대하여 탄소재료 0.1 내지 2중량부를 포함하고, 고분자 접착제 100 중량부를 기준으로 상기 전도성 필러 100 내지 500중량부를 혼합하여 고유전 탄성체를 제조하는 것이다.
이하에서 실시예 등을 통해 본 발명을 더욱 상세히 설명하고자 하며, 다만 이하에 실시예 등에 의해 본 발명의 범위와 내용이 축소되거나 제한되어 해석될 수 없다. 또한, 이하의 실시예를 포함한 본 발명의 개시 내용에 기초한다면, 구체적으로 실험 결과가 제시되지 않은 본 발명을 통상의 기술자가 용이하게 실시할 수 있음은 명백하다.
[실시예]
실시예 1
(1) 고유전 탄성체 제조
클로로포름에 카본블랙 22.4 mg과 ODTMS(octadecyltrimethoxysilane) 0.598 mmol을 넣고 1시간 동안 분산시켜 주었다. 그 후에 주제와 경화제의 비율이 10:1로 구성된 투명한 2액형 열경화성 PDMS 세트의 주제만을 1g 혼합하여 교반하였다. 교반 종결 후, Hot plate 59.5?조건에서 필러의 분산에 활용된 클로로포름을 제거하여 PDMS 주제와 ODTMS 표면 처리 카본 블랙의 혼합물을 제조하였다. 이때, ODTMS 표면 처리 카본 블랙 분산은 초음파 장비를 이용하여 수행하였고, 클로로포름에 분산되어 있는 ODTMS 표면 처리 카본 블랙 필러와 PDMS 주제의 매트릭스를 혼합하는 방법은 고점도 혼합 탈포 장치를 활용하였으며, 교반과 탈포 과정을 동시에 진행하였다. 이후, PDMS 주제와 ODTMS 표면 처리 카본 블랙의 혼합물에 2액형 열경화성 PDMS 세트의 경화제를 100 mg 혼합한 후 닥터 블레이드 방법을 활용하여 100 ㎛ 두께의 필름을 100 ㎛의 구리 기판 상에 제조하였다. 상기 제조된 필름은 150 ?에서 90분 동안 경화 과정을 거쳐 제조하였다.
(2) 고유전 탄성체 상에 신축성 전도성 접착제 전극 형성
클로로포름에 분산되어 있는 은(Ag)/다중벽 탄소나노튜브 4g/0.01g과 주제와 경화제 비율이 1:1 로 구성된 투명한 2액형 열경화성 고분자 접착제 세트의 주제 500mg과 경화제 500mg을 혼합하여 교반하였다. 반응 종결 후, 상온 25℃ 조건에서 필러의 분산에 활용된 클로로포름을 제거하여 고분자 접착제와 은(Ag)/다중벽 탄소나노튜브의 혼합물을 제조하였다. 여기서, 은(Ag) 입자는 직경이 100 내지 200 nm, 1 내지 4 ㎛, 및 5 내지 10 ㎛인 세 종류의 사이즈로 이루어진 은(Ag) 입자의 혼합물을 사용하였고, 다중벽 탄소나노튜브는 평균직경 30nm, 평균길이 30㎛인 것을 사용하였고, 은(Ag)/다중벽 탄소나노튜브의 분산은 초음파 분쇄 장비를 이용하여 수행하였고, 클로로포름에 분산되어 있는 은(Ag)/다중벽 탄소나노튜브와 고분자 접착제의 매트릭스를 혼합하는 방법은 고점도 혼합 탈포 장치를 활용하였으며, 교반과 탈포 과정을 동시에 진행하였다. 이에 따라 제조된 고분자 접착제 및 은(Ag)/다중벽 탄소나노튜브 혼합물을 (1)에서 제조된 고유전 탄성체 상에 닥터 블레이트법에 의해 100 ㎛ 두께의 필름으로 코팅한 후 180 ℃에서 90분 동안 경화 과정을 거쳐 신축성 전도성 접착제 층을 제조하였다.
실시예 2
고유전 탄성체 제조시 ODTMS를 0.598 mmol 사용하는 대신 0.707 mmol 사용하는 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 고유전 탄성구조체를 제조하였다.
실시예 3
고유전 탄성체 제조시 ODTMS을 0.598 mmol 사용하는 대신 0.825 mmol 사용하는 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 고유전 탄성구조체를 제조하였다.
실시예 4
고유전 탄성체 제조상의 ODTMS을 0.598 mmol 사용하는 대신 0.943 mmol 사용하는 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 고유전 탄성구조체를 제조하였다.
비교예 1
제조된 고유전 탄성체 상에 신축성 전도성 접착제 전극을 형성하는 대신에 sputter 장비를 이용하여 Pt전극을 형성한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 탄성 구조체를 제조하였다.
비교예 2
고유전 탄성체 제조시 ODTMS을 0.598 mmol 사용하는 대신 0.707 mmol 사용하는 것과 제조된 고유전 탄성체 상에 신축성 전도성 접착제 전극을 형성하는 대신에 sputter 장비를 이용하여 Pt전극을 형성한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 탄성구조체를 제조하였다.
비교예 3
고유전 탄성체 제조시 ODTMS을 0.598 mmol 사용하는 대신 0.825 mmol 사용하는 것과 제조된 고유전 탄성체 상에 신축성 전도성 접착제 전극을 형성하는 대신에 sputter 장비를 이용하여 Pt전극을 형성한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 탄성구조체를 제조하였다.
비교예 4
고유전 탄성체 제조시 ODTMS을 0.598 mmol 사용하는 대신 0.943 mmol 사용하는 것과 제조된 고유전 탄성체 상에 신축성 전도성 접착제 전극을 형성하는 대신에 sputter 장비를 이용하여 Pt전극을 형성한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 탄성구조체를 제조하였다.
비교예 5
제조된 고유전 탄성체 상에 신축성 전도성 접착제 전극을 형성하는 대신에 아크릴계 실버 페이스트 전극을 형성한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 탄성 구조체를 제조하였다.
비교예 6
고유전 탄성체 제조시 ODTMS을 0.598 mmol 사용하는 대신 0.707 mmol 사용하는 것과 제조된 고유전 탄성체 상에 신축성 전도성 접착제 전극을 형성하는 대신에 아크릴계 실버 페이스트 전극을 형성한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 탄성구조체를 제조하였다.
비교예 7
고유전 탄성체 제조시 ODTMS을 0.598 mmol 사용하는 대신 0.825 mmol 사용하는 것과 제조된 고유전 탄성체 상에 신축성 전도성 접착제 전극을 형성하는 대신에 아크릴계 실버 페이스트 전극을 형성한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 탄성구조체를 제조하였다.
비교예 8
고유전 탄성체 제조시 ODTMS을 0.598 mmol 사용하는 대신 0.943 mmol 사용하는 것과 제조된 고유전 탄성체 상에 신축성 전도성 접착제 전극을 형성하는 대신에 아크릴계 실버 페이스트 전극을 형성한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 탄성구조체를 제조하였다.
비교예 9
제조된 고유전 탄성체 상에 신축성 전도성 접착제 전극을 형성하는 대신에 구리 테이프를 이용하여 전극을 형성한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 탄성 구조체를 제조하였다.
비교예 10
고유전 탄성체 제조시 ODTMS을 0.598 mmol 사용하는 대신 0.707 mmol 사용하는 것과 제조된 고유전 탄성체 상에 신축성 전도성 접착제 전극을 형성하는 대신에 구리 테이프를 이용하여 전극을 형성한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 탄성구조체를 제조하였다.
비교예 11
고유전 탄성체 제조시 ODTMS을 0.598 mmol 사용하는 대신 0.825 mmol 사용하는 것과 제조된 고유전 탄성체 상에 신축성 전도성 접착제 전극을 형성하는 대신에 구리 테이프를 이용하여 전극을 형성한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 탄성구조체를 제조하였다.
비교예 12
고유전 탄성체 제조시 ODTMS을 0.598 mmol 사용하는 대신 0.943 mmol 사용하는 것과 제조된 고유전 탄성체 상에 신축성 전도성 접착제 전극을 형성하는 대신에 구리 테이프를 이용하여 전극을 형성한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 탄성구조체를 제조하였다.
비교예 13
제조된 고유전 탄성체 상에 신축성 전도성 접착제 전극을 형성하는 대신에 에폭시 실버 전도성 접착제를 이용하여 전극을 형성 해준 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 탄성 구조체를 제조하였다.
비교예 14
고유전 탄성체 제조시 ODTMS을 0.598 mmol 사용하는 대신 0.707 mmol 사용하는 것과 제조된 고유전 탄성체 상에 신축성 전도성 접착제 전극을 형성하는 대신에 에폭시 실버 전도성 접착제를 이용하여 전극을 형성한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 탄성구조체를 제조하였다.
비교예 15
고유전 탄성체 제조시 ODTMS을 0.598 mmol 사용하는 대신 0.825 mmol 사용하는 것과 제조된 고유전 탄성체 상에 신축성 전도성 접착제 전극을 형성하는 대신에 에폭시 실버 전도성 접착제를 이용하여 전극을 형성한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 탄성구조체를 제조하였다.
비교예 16
고유전 탄성체 제조시 ODTMS을 0.598 mmol 사용하는 대신 0.943 mmol 사용하는 것과 제조된 고유전 탄성체 상에 신축성 전도성 접착제 전극을 형성하는 대신에 에폭시 실버 전도성 접착제를 이용하여 전극을 형성한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 탄성구조체를 제조하였다.
[실험예]
실험예 1: ODTMS 함량에 따른 고유전 탄성 구조체 유전 상수
위에서 실시예 1 내지 4, 및 비교예 1 내지 16에서 제조한 고유전 탄성구조체에 대해서 임피던스 분석기(impedance analyzer, Agilent 4263B)를 이용하여 유전 상수를 측정하여, 그 결과를 하기 표 1에 나타내었다.
구분 전극 고유전 탄성체
PDMS주제
함량(mg)		 PDMS 경화제
함량(mg)		 카본블랙함량
(mg)		 ODTMS함량
(mmol)		 유전상수
(at 100 Hz)
무처리군 - 1000 100 무처리 0 2.72
실시예 1 실리콘계 실버/CNT 1000 100 22.4 0.598 22.15
실시예 2 실리콘계 실버/CNT 1000 100 22.4 0.707 118.54
실시예 3 실리콘계 실버/CNT 1000 100 22.4 0.825 218.41
실시예 4 실리콘계 실버/CNT 1000 100 22.4 0.943 330.11
비교예 1 스퍼터링
Pt		 1000 100 22.4 0.598 21.22
비교예 2 스퍼터링
Pt		 1000 100 22.4 0.707 120.15
비교예 3 스퍼터링
Pt		 1000 100 22.4 0.825 210.11
비교예 4 스퍼터링
Pt		 1000 100 22.4 0.943 317.21
비교예 5 아크릴계 실버 페이스트 1000 100 22.4 0.598 8.21
비교예 6 아크릴계 실버 페이스트 1000 100 22.4 0.707 22.45
비교예 7 아크릴계 실버 페이스트 1000 100 22.4 0.825 30.45
비교예 8 아크릴계 실버 페이스트 1000 100 22.4 0.943 45.87
비교예 9 구리 테이프 1000 100 22.4 0.598 9.57
비교예 10 구리 테이프 1000 100 22.4 0.707 28.45
비교예 11 구리 테이프 1000 100 22.4 0.825 31.54
비교예 12 구리 테이프 1000 100 22.4 0.943 60.11
비교예 13 에폭시 실버 1000 100 22.4 0.598 8.98
비교예 14 에폭시 실버 1000 100 22.4 0.707 15.45
비교예 15 에폭시 실버 1000 100 22.4 0.825 24.58
비교예 16 에폭시 실버 1000 100 22.4 0.943 38.45
이에 따르면, 본원발명의 실시예 1 내지 4의 탄성 구조체와 비교예 1 내지 4의 고유전 탄성 구조체가 비교예 5 내지 16에 비하여 유전상수가 현저히 높게 측정되었으며, 본원발명의 실시예 1 내지 4에서는 ODTMS의 함량이 높을수록 유전상수가 더 높게 측정되었다.
실험예 2: Pt 전극으로 제조된 고유전 탄성 구조체의 유전성질 변화
비교예 2의 고유전 탄성 구조체에 100 kPa의 힘을 여러 번 가해준 후 임피던스 분석기(impedance analyzer, Agilent 4263B)를 이용하여 유전 상수를 측정하여, 그 결과를 도 2에 나타내었다. 이에 따르면 백금 코팅을 이용한 고유전 탄성 구조체는 힘을 가할수록 유전상수가 감소하는 것을 알 수 있다.
실험예 3: 고유전 탄성구조체의 신축성 전도성 접착제 층과 백금 코팅 층의 전극 신뢰도 평가
실시예 2의 고유전 탄성구조체와 비교예 2의 고유전 탄성구조체의 전극층에 100 kPa 또는 500 kPa의 힘을 여러 차례 가해준 후 광학 현미경(optical microscope, DM2500M)을 이용하여 비교예 2의 백금 전극 상태를 도 3에 나타내었고, 실시예 2의 전극 상태를 도 4에 각각 나타내었다. 이에 따르면, 실시예 2의 고유전 탄성구조체의 신축성 전도성 접착제가 비교예 2의 고유전 탄성구조체의 스퍼터링된 백금 전극에 비하여 높은 신뢰도를 가짐을 알 수 있다.
이상, 본 발명의 실시예들에 대하여 설명하였으나, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서, 구성 요소의 부가, 변경, 삭제 또는 추가 등에 의해 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있을 것이며, 이 또한 본 발명의 권리범위 내에 포함된다고 할 것이다.

Claims (29)

  1. 고분자 매트릭스, 및 상기 고분자 매트릭스에 분산된 유전재료를 포함하는 고유전 탄성체; 및 상기 고유전 탄성체 상에 배치되는 신축성 접착제 전극;을 포함하고,
    상기 신축성 접착제 전극은,
    경화성 고분자 및 경화제를 포함하는 고분자 접착제; 및 상기 고분자 접착제에 분산된 금속 및 탄소재료를 포함하는 전도성 필러;를 포함하는 것을 특징으로 하는, 고유전 탄성구조체.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 고분자 매트릭스는 실리콘계 수지, 우레탄계 수지, 아크릴계 수지, 이소프렌계 수지, 클로로프렌계 수지, 플루오로계 수지, 부타디엔 고무, 스티렌-부타디엔 고무, 및 비닐리덴플루라이드 중합체 중에서 선택된 1종 이상인 것을 특징으로 하는 고유전 탄성구조체.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 고분자 매트릭스는 실리콘계 수지인 것을 특징으로 하는 고유전 탄성구조체.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 고분자 매트릭스는 인장강도가 0.1 내지 10 MPa인 것을 특징으로 하는 고유전 탄성구조체.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 고분자 매트릭스는 유전 상수가 1 내지 10인 것을 특징으로 하는 고유전 탄성구조체.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 유전재료는 전도성 필러, 세라믹 필러, 및 유기금속화합물 중에서 선택된 1종 이상을 포함하고, 상기 전도성 필러, 세라믹 필러, 및 유기금속화합물 중에서 선택된 1종 이상은 실란계 화합물 또는 아민계 화합물로 표면 처리된 것을 특징으로 하는 고유전 탄성구조체.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 전도성 필러는 금속입자, 카본블랙, 카본 파이버, 그래핀, 그래파이트, 풀러렌, 단일벽 탄소 나노튜브, 및 다중벽 탄소나노튜브 중에서 선택된 1종 이상인 것을 특징으로 하는 고유전 탄성구조체.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 세라믹 필러는 금속산화물, 실리케이트, 붕소화물, 탄화물, 질화물, 및 페로브스카이트 중에서 선택된 1종 이상인 것을 특징으로 하는 고유전 탄성구조체.
  9. 제6항에 있어서,
    상기 유기금속화합물은 구리, 아연 및 니켈 중에서 선택된 1종 이상의 금속; 및 프탈로시아닌, 우라닌 및 로다민 중에서 선택된 1종 이상의 유기물;이 결합된 화합물인 것을 특징으로 하는 고유전 탄성구조체.
  10. 제6항에 있어서,
    상기 실란계 화합물 또는 아민계 화합물은 옥타데실트리메톡시실란(octadecyltrimethoxysilane, ODTMS), 헥사데실트리메톡시실란(Hexadecyltrimethoxysilane), 도데실트리메톡시 실란(dodecyltrimethoxysilane, DDTMS), 옥틸트리메톡시실란(octyltrimethoxysilane, OTMS), 옥타데실아민(octadecylamine) 및 도데실아민(dodecylamine) 중에서 선택된 1종 이상인 것을 특징으로 하는 고유전 탄성구조체.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 고유전 탄성체는 상기 고분자 매트릭스 100 중량부에 대하여 상기 유전재료 0.1 내지 100 중량부를 포함하는 것을 특징으로 하는 고유전 탄성구조체.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 고분자 매트릭스는 고분자 100중량부에 대하여 경화제 5 내지 20중량부를 포함하는 것을 특징으로 하는 고유전 탄성구조체.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 고분자 접착제는 경화 후 벌크 인장 강도가 0.1 내지 10 MPa 인 것을 특징으로 하는 고유전 탄성구조체.
  14. 제1항에 있어서,
    상기 고분자 접착제는 경화 후 체적수축률이 1 내지 10 % 인 것을 특징으로 하는 고유전 탄성구조체.
  15. 제1항에 있어서,
    상기 신축성 접착제 전극은 상기 고분자 접착제 100 중량부를 기준으로 상기 전도성 필러 100 내지 500 중량부를 포함하는 것을 특징으로 하는 고유전 탄성구조체.
  16. 제1항에 있어서,
    상기 경화성 고분자는 실리콘계 수지, 우레탄계 수지, 아크릴계 수지, 이소프렌계 수지, 클로로프렌계 수지, 플루오로계 수지, 부타디엔 고무, 및 스티렌-부타디엔 고무 중에서 선택된 1종 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 고유전 탄성구조체.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 경화성 고분자는 실리콘계 수지를 포함하는 것을 특징으로 하는 고유전 탄성구조체.
  18. 제1항에 있어서,
    상기 고분자 접착제는 상기 경화성 고분자 100중량부에 대하여 경화제 10 내지 120중량부를 포함하는 것을 특징으로 하는 고유전 탄성구조체.
  19. 제1항에 있어서,
    상기 금속은 금(Au), 은(Ag), 구리(Cu), 니켈(Ni), 알루미늄(Al), 백금(Pt), 루테늄(Ru), 로듐(Rh), 텅스텐(W), 코발트(Co), 팔라듐(Pd), 티타늄(Ti), 탄탈륨(Ta), 철(Fe), 몰리브덴(Mo), 하프늄(Hf), 란타늄(La) 및 이리듐(Ir) 중에서 선택된 1종 이상인 것을 특징으로 하는 고유전 탄성구조체.
  20. 제1항에 있어서,
    상기 금속은 직경이 100 내지 200 nm, 1 내지 4 ㎛, 또는 5 내지 10 ㎛인 금속입자들의 혼합물인 것을 특징으로 하는 고유전 탄성구조체.
  21. 제1항에 있어서,
    상기 탄소재료는 단일벽 탄소 나노튜브, 다중벽 탄소나노튜브, 그래핀, 그래파이트, 카본블랙, 카본 파이버 및 풀러렌 중에서 선택된 1종 이상인 것을 특징으로 하는 고유전 탄성구조체.
  22. 제1항에 있어서,
    상기 탄소재료는 직경 15 내지 40nm, 길이 10 내지 50㎛인 다중벽 탄소나노튜브인 것을 특징으로 하는 고유전 탄성구조체.
  23. 제1항에 있어서,
    상기 전도성 필러는 금속 100중량부에 대하여 탄소재료 0.1 내지 2중량부가 포함되는 것을 특징으로 하는 고유전 탄성구조체.
  24. 제1항에 있어서,
    상기 고유전 탄성체와 신축성 접착제 전극은 상호 연결되어 하나의 구조로 이루어진 것을 특징으로 하는 고유전 탄성구조체.
  25. (a) 유전재료를 유기용매에 분산시켜 유전재료 분산액을 제조하는 단계;
    (b) 상기 유전재료 분산액에 고분자를 혼합하여 유전재료와 고분자가 혼합된 유전재료/고분자 혼합물을 제조하는 단계;
    (c) 상기 유전재료/고분자 혼합물에 경화제를 혼합한 후 경화시켜 고유전 탄성체를 제조하는 단계; 및
    (d) 상기 고유전 탄성체상에 신축성 접착제 전극을 형성하여 고유전 탄성구조체를 제조하는 단계;를 포함하는 고유전 탄성구조체의 제조방법.
  26. 제25항에 있어서,
    단계 (d)는,
    (d-1) 금속 및 탄소재료를 유기 용매에 분산시켜 전도성 필러 분산액을 제조하는 단계;
    (d-1) 상기 전도성 필러 분산액에 경화성 고분자 및 경화제를 혼합하여 전도성 필러와 고분자 접착제 혼합물을 제조하는 단계; 및
    (d-3) 상기 고유전 탄성체상에 상기 전도성 필러와 고분자 접착제 혼합물을 코팅하여 접착제 혼합물 코팅층을 형성하고 경화 처리하여 신축성 접착제 전극을 형성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 고유전 탄성구조체의 제조방법.
  27. 제25항에 있어서,
    단계 (a)에서, 상기 유전재료는 카본블랙이고, 카본블랙의 표면처리는 옥타데실트리메톡시실란(ODTMS)을 사용하고, 탄소재료를 분산시킨 유기용매는 클로로포름을 사용하고,
    단계 (b)에서, 상기 고분자는 폴리디메틸실록산(PDMS)이고, 유전재료/고분자 혼합물은 폴리디메틸실록산(PDMS) 100중량부에 대하여 표면처리된 카본블랙 1 내지 3 중량부로 혼합하고,
    단계 (c)에서, 상기 폴리디메틸실록산(PDMS) 100중량부에 대하여 경화제는 5 내지 20중량부, 경화 온도는 120 내지 180℃, 경화 시간은 60 내지 120분, 코팅 필름의 두께는 100 내지 500㎛로 형성하고,
    단계 (d)에서, 신축성 접착제 전극은 실리콘 고분자와 경화제를 포함하는 고분자 접착제에, 다중벽 탄소나노튜브와 은(Ag) 입자를 전도성 필러로 포함하고, 상기 은(Ag) 입자는 직경이 100 내지 200 nm, 1 내지 4 ㎛, 또는 5 내지 10 ㎛인 은 입자들의 혼합물이고, 다중벽 탄소나노튜브는 직경 15 내지 40nm, 길이 10 내지 50㎛이고, 상기 은(Ag) 입자 100중량부에 대하여 탄소재료 0.1 내지 2중량부를 포함하고, 고분자 접착제 100 중량부를 기준으로 상기 전도성 필러 100 내지 500중량부를 혼합하는 것을 특징으로 하는 고유전 탄성구조체의 제조방법.
  28. 제1항 내지 제24항 중에서 선택된 어느 한 항의 고유전 탄성구조체를 포함하는 터치 센서.
  29. 제28항에 있어서,
    상기 터치 센서는 정전용량식으로 구동되는 힘 센서인 것을 특징으로 하는 터치 센서.
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