KR20230164309A - 다층 스트레인 센서 제조방법 및 이로부터 제조된 스트레인 센서 - Google Patents
다층 스트레인 센서 제조방법 및 이로부터 제조된 스트레인 센서 Download PDFInfo
- Publication number
- KR20230164309A KR20230164309A KR1020220063882A KR20220063882A KR20230164309A KR 20230164309 A KR20230164309 A KR 20230164309A KR 1020220063882 A KR1020220063882 A KR 1020220063882A KR 20220063882 A KR20220063882 A KR 20220063882A KR 20230164309 A KR20230164309 A KR 20230164309A
- Authority
- KR
- South Korea
- Prior art keywords
- strain sensor
- strain
- clause
- manufacturing
- conductive layer
- Prior art date
Links
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 title claims abstract description 82
- 238000000034 method Methods 0.000 title description 13
- 229920000642 polymer Polymers 0.000 claims abstract description 45
- 239000003575 carbonaceous material Substances 0.000 claims abstract description 43
- 238000005266 casting Methods 0.000 claims abstract description 35
- 239000002131 composite material Substances 0.000 claims abstract description 16
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims abstract description 11
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 claims description 39
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 34
- 239000004205 dimethyl polysiloxane Substances 0.000 claims description 25
- 229920000435 poly(dimethylsiloxane) Polymers 0.000 claims description 25
- YXFVVABEGXRONW-UHFFFAOYSA-N Toluene Chemical compound CC1=CC=CC=C1 YXFVVABEGXRONW-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 18
- 239000006185 dispersion Substances 0.000 claims description 16
- 229920005839 ecoflex® Polymers 0.000 claims description 14
- -1 polydimethylsiloxane Polymers 0.000 claims description 12
- 229910021389 graphene Inorganic materials 0.000 claims description 11
- 239000003960 organic solvent Substances 0.000 claims description 11
- UHOVQNZJYSORNB-UHFFFAOYSA-N Benzene Chemical compound C1=CC=CC=C1 UHOVQNZJYSORNB-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 9
- 239000002048 multi walled nanotube Substances 0.000 claims description 7
- FYGHSUNMUKGBRK-UHFFFAOYSA-N 1,2,3-trimethylbenzene Chemical compound CC1=CC=CC(C)=C1C FYGHSUNMUKGBRK-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 6
- KVNYFPKFSJIPBJ-UHFFFAOYSA-N 1,2-diethylbenzene Chemical compound CCC1=CC=CC=C1CC KVNYFPKFSJIPBJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 6
- YNQLUTRBYVCPMQ-UHFFFAOYSA-N Ethylbenzene Chemical compound CCC1=CC=CC=C1 YNQLUTRBYVCPMQ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 6
- 239000006229 carbon black Substances 0.000 claims description 6
- 229920002635 polyurethane Polymers 0.000 claims description 6
- 239000004814 polyurethane Substances 0.000 claims description 6
- 239000002109 single walled nanotube Substances 0.000 claims description 6
- 229920001971 elastomer Polymers 0.000 claims description 5
- HYFLWBNQFMXCPA-UHFFFAOYSA-N 1-ethyl-2-methylbenzene Chemical compound CCC1=CC=CC=C1C HYFLWBNQFMXCPA-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- CTQNGGLPUBDAKN-UHFFFAOYSA-N O-Xylene Chemical compound CC1=CC=CC=C1C CTQNGGLPUBDAKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 claims description 3
- 239000008096 xylene Substances 0.000 claims description 3
- 239000010410 layer Substances 0.000 description 74
- 239000000243 solution Substances 0.000 description 37
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 description 34
- 235000013870 dimethyl polysiloxane Nutrition 0.000 description 23
- 239000002041 carbon nanotube Substances 0.000 description 22
- 229910021393 carbon nanotube Inorganic materials 0.000 description 22
- CXQXSVUQTKDNFP-UHFFFAOYSA-N octamethyltrisiloxane Chemical compound C[Si](C)(C)O[Si](C)(C)O[Si](C)(C)C CXQXSVUQTKDNFP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 14
- 238000004987 plasma desorption mass spectroscopy Methods 0.000 description 14
- 230000008859 change Effects 0.000 description 12
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 8
- 238000002156 mixing Methods 0.000 description 7
- 230000008569 process Effects 0.000 description 7
- 239000003795 chemical substances by application Substances 0.000 description 6
- 230000000873 masking effect Effects 0.000 description 5
- 238000001035 drying Methods 0.000 description 4
- 239000002356 single layer Substances 0.000 description 4
- 239000004642 Polyimide Substances 0.000 description 3
- 238000012790 confirmation Methods 0.000 description 3
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 3
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 3
- 229920001721 polyimide Polymers 0.000 description 3
- 238000003756 stirring Methods 0.000 description 3
- 230000009466 transformation Effects 0.000 description 3
- PPBRXRYQALVLMV-UHFFFAOYSA-N Styrene Chemical compound C=CC1=CC=CC=C1 PPBRXRYQALVLMV-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000005054 agglomeration Methods 0.000 description 2
- 230000002776 aggregation Effects 0.000 description 2
- 238000010907 mechanical stirring Methods 0.000 description 2
- 230000004044 response Effects 0.000 description 2
- 239000011540 sensing material Substances 0.000 description 2
- 239000002904 solvent Substances 0.000 description 2
- 239000004215 Carbon black (E152) Substances 0.000 description 1
- 229920001609 Poly(3,4-ethylenedioxythiophene) Polymers 0.000 description 1
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 1
- 230000015556 catabolic process Effects 0.000 description 1
- 238000005229 chemical vapour deposition Methods 0.000 description 1
- 230000000052 comparative effect Effects 0.000 description 1
- 239000011231 conductive filler Substances 0.000 description 1
- 229920001940 conductive polymer Polymers 0.000 description 1
- 230000008602 contraction Effects 0.000 description 1
- 230000003247 decreasing effect Effects 0.000 description 1
- 238000006731 degradation reaction Methods 0.000 description 1
- 230000006866 deterioration Effects 0.000 description 1
- 238000011161 development Methods 0.000 description 1
- 239000003814 drug Substances 0.000 description 1
- 239000013013 elastic material Substances 0.000 description 1
- BXOUVIIITJXIKB-UHFFFAOYSA-N ethene;styrene Chemical group C=C.C=CC1=CC=CC=C1 BXOUVIIITJXIKB-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000001747 exhibiting effect Effects 0.000 description 1
- 239000011521 glass Substances 0.000 description 1
- 229910002804 graphite Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010439 graphite Substances 0.000 description 1
- 229930195733 hydrocarbon Natural products 0.000 description 1
- 150000002430 hydrocarbons Chemical class 0.000 description 1
- 229910001338 liquidmetal Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000011068 loading method Methods 0.000 description 1
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 1
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 1
- 239000007769 metal material Substances 0.000 description 1
- 239000002082 metal nanoparticle Substances 0.000 description 1
- 239000011259 mixed solution Substances 0.000 description 1
- 238000012544 monitoring process Methods 0.000 description 1
- 239000002055 nanoplate Substances 0.000 description 1
- 239000002070 nanowire Substances 0.000 description 1
- 230000000704 physical effect Effects 0.000 description 1
- 229920001467 poly(styrenesulfonates) Polymers 0.000 description 1
- 239000011970 polystyrene sulfonate Substances 0.000 description 1
- 229960002796 polystyrene sulfonate Drugs 0.000 description 1
- 238000011160 research Methods 0.000 description 1
- 230000001953 sensory effect Effects 0.000 description 1
- 230000037078 sports performance Effects 0.000 description 1
- 230000006641 stabilisation Effects 0.000 description 1
- 238000011105 stabilization Methods 0.000 description 1
- 230000000087 stabilizing effect Effects 0.000 description 1
- 230000002194 synthesizing effect Effects 0.000 description 1
- 238000011282 treatment Methods 0.000 description 1
- 210000000707 wrist Anatomy 0.000 description 1
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
- G01L1/00—Measuring force or stress, in general
- G01L1/20—Measuring force or stress, in general by measuring variations in ohmic resistance of solid materials or of electrically-conductive fluids; by making use of electrokinetic cells, i.e. liquid-containing cells wherein an electrical potential is produced or varied upon the application of stress
- G01L1/22—Measuring force or stress, in general by measuring variations in ohmic resistance of solid materials or of electrically-conductive fluids; by making use of electrokinetic cells, i.e. liquid-containing cells wherein an electrical potential is produced or varied upon the application of stress using resistance strain gauges
- G01L1/2287—Measuring force or stress, in general by measuring variations in ohmic resistance of solid materials or of electrically-conductive fluids; by making use of electrokinetic cells, i.e. liquid-containing cells wherein an electrical potential is produced or varied upon the application of stress using resistance strain gauges constructional details of the strain gauges
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
- G01B7/00—Measuring arrangements characterised by the use of electric or magnetic techniques
- G01B7/16—Measuring arrangements characterised by the use of electric or magnetic techniques for measuring the deformation in a solid, e.g. by resistance strain gauge
- G01B7/18—Measuring arrangements characterised by the use of electric or magnetic techniques for measuring the deformation in a solid, e.g. by resistance strain gauge using change in resistance
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Measurement Of Length, Angles, Or The Like Using Electric Or Magnetic Means (AREA)
Abstract
본 발명에 의한 스트레인 센서 제조방법은 신축성 폴리머 및 탄소소재를 포함하는 전도성 캐스팅 용액을 제조하는 제 1단계; 상기 전도성 캐스팅 용액을 기판상에 도포하여 제 1 전도층을 형성하는 제 2단계; 상기 제 1 전도층 상에 신축성 폴리머를 포함하는 절연성 캐스팅 용액을 도포하여 절연층을 형성하는 제 3단계; 상기 절연층 상에 상기 전도성 캐스팅 용액을 도포하여 제 2 전도층을 형성하는 제 4단계; 및 상기 제 3단계 및 제 4단계를 반복하여 다층 유연 복합체를 제조하는 제 5단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
Description
본 발명은 신뢰성이 우수하며 히스테리시스를 최소화 하면서도, 감도가 높은 스트레인 센서를 제조할 수 있는 스트레인 센서 제조방법에 관한 것이다.
유연성을 띠는 전자 장치의 급속한 발전으로 신축성 있고 유연한 웨어러블 센서에 대한 수요가 증가하고 있다. 이러한 유연한 웨어러블 센서는 개인화 의료, 인공 감각 시스템, 스포츠 성능 모니터링, 에너지, 환경 등 다양한 분야에 응용될 수 있다.
스트레인 센서는 센서에 가해지는 기계적 변형을 전기 신호로 변환하며, 이는 저항, 커패시턴스 및 전압으로 구분될 수 있다. 저항 유형 변형 센서는 일반적으로 지지기판으로 유연성을 띠는 기재와 결합된 활성 감지 물질로 구성된다.
활성 감지 물질로는 폴리(3,4-에틸렌디옥시티오펜), 폴리스티렌 설포네이트 등과 같은 전도성 고분자, 금속 나노와이어, 금속 나노입자, 액체 금속 등과 같은 금속 재료, 탄소나노튜브, 그래핀, 흑연 나노 플레이트, 카본블랙 등과 같은 탄소재료가 널리 이용되고 있다. 유연성을 띠는 기재로는 PDMS, 폴리우레탄, 폴리이미드 등과 같은 탄성 재료가 이용된다.
탄소나노튜브는 우수한 전기 전도성, 큰 종횡비, 유연성 및 최상의 기계적 특성으로 인해 고신축성 스트레인 센서용으로 유망한 전도성 충전재 중 하나이다. 이러한 탄소나노튜브를 포함하는 스트레인 센서의 전도성을 향상 시키고, 감도를 높이기 위하여 탄소나노튜브에 다양한 처리를 수행하는 연구가 이루어지고 있다.
예를 들어, 탄소나노튜브/SEBS(스티렌 에틸렌 부티렌 스티렌) 복합체를 제조하여 이를 센서에 적용하거나, 화학기상 증착법을 이용하여 정렬된 탄소나노튜브를 합성하여 기계적 특성을 개선하는 방법 등이 고안되었으나, 유연 센서의 전기, 기계적 특성을 더욱 향상시킬 필요성이 있다.
한편, 스트레인 센서의 로딩/언로딩 과정에서의 히스테리시스는 이러한 스트레인 센서를 인체에 적용하는 데 큰 걸림돌이 되며, 이러한 히스테리시스를 낮출 수 있는 스트레인 센서의 개발이 필요한 실정이다.
본 발명의 목적은 간단한 방법으로 저항이 낮은 스트레인 센서를 제조할 수 있는 스트레인 센서 제조방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 센서의 신축 시 발생하는 히스테리시스를 최소화 할 수 있는 스트레인 센서 제조방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 낮은 히스테리시스를 가지면서도 감도가 높은 스트레인 센서 제조방법을 제공하는 것이다.
본 발명에 의한 스트레인 센서 제조방법은 신축성 폴리머 및 탄소소재를 포함하는 전도성 캐스팅 용액을 제조하는 제 1단계;
상기 전도성 캐스팅 용액을 기판상에 도포하여 제 1 전도층을 형성하는 제 2단계;
상기 제 1 전도층 상에 신축성 폴리머를 포함하는 절연성 캐스팅 용액을 도포하여 절연층을 형성하는 제 3단계;
상기 절연층 상에 상기 전도성 캐스팅 용액을 도포하여 제 2 전도층을 형성하는 제 4단계; 및
상기 제 3단계 및 제 4단계를 반복하여 다층 유연 복합체를 제조하는 제 5단계;를 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 의한 스트레인 센서 제조방법에서 상기 탄소소재는 단일벽 탄소나노튜브, 다중벽 탄소나노튜브, 그래핀, 산화그래핀 및 카본블랙에서 선택되는 하나 또는 둘 이상을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의한 스트레인 센서 제조방법에서 상기 신축성 폴리머는 폴리디메틸실록산, 폴리우레탄, 에코플렉스(Ecoflex) 및 고무에서 선택되는 하나 또는 둘 이상일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의한 스트레인 센서 제조방법에서 제 1 전도층 및 제 2 전도층은 서로 독립적으로 4 내지 8 중량%의 탄소소재를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의한 스트레인 센서 제조방법에서 상기 제 1단계는,
탄소소재를 유기용매에 분산시켜 탄소소재 분산액을 제조하는 단계;
이와 별개로 신축성 폴리머를 유기용매에 용해하여 신축성 폴리머 용액을 제조하는 단계; 및
상기 탄소소재 분산액에 신축성 폴리머 용액을 투입하고 가열하여 폴리머 겔을 형성하는 단계;를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의한 스트레인 센서 제조방법에서 상기 탄소소재 분산액은 탄소소재를 0.2 내지 5 중량% 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의한 스트레인 센서 제조방법에서 상기 유기용매는 벤젠, 톨루엔, 크실렌, 에틸벤젠, 트리메틸벤젠, 메틸에틸벤젠 및 디에틸벤젠에서 선택되는 하나 또는 둘 이상을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의한 스트레인 센서 제조방법에서 상기 신축성 폴리머 용액은 신축성 폴리머를 10 내지 30 중량% 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의한 스트레인 센서 제조방법에서 상기 폴리머 겔을 형성하는 단계는 85 내지 100 ℃에서 수행되는 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의한 스트레인 센서 제조방법에서 상기 스트레인 센서는 두께가 5㎜ 이하인 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의한 스트레인 센서 제조방법에서 상기 제 1 전도층, 절연층 및 제 2 전도층은 각각 두께가 1 ㎜ 이하인 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의한 스트레인 센서 제조방법은 상기 제 5단계 후 생성된 다층 유연 복합체를 5 내지 100%의 변형률로 사전 변형하는 단계;를 더 포함할 수 있다.
본 발명은 또한 스트레인 센서를 제공하며, 본 발명에 의한 스트레인 센서는 본 발명의 일 실시예에 의한 스트레인 센서 제조방법으로 제조되며, 병렬 구조의 다층 유연 복합체를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 실시예에 의한 스트레인 센서에서 상기 다층 유연 복합체는 전도층을 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의한 스트레인 센서에서 상기 다층 유연 복합체는 내부에 절연층을 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의한 스트레인 센서는 상기 절연층의 양 말단이 전도층 내에 함입된 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의한 스트레인 센서에서 상기 전도층은 탄소소재와 신축성 폴리머로 구성된 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 실시예에 의한 스트레인 센서에서 상기 전도층은 상기 탄소소재가 4 내지 8 중량% 포함된 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 실시예에 의한 스트레인 센서에서 상기 탄소소재는 단일벽 탄소나노튜브, 다중벽 탄소나노튜브, 그래핀, 산화그래핀 및 카본블랙에서 선택되는 하나 또는 둘 이상일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의한 스트레인 센서에서 상기 신축성 폴리머는 폴리디메틸실록산, 폴리우레탄, 에코플렉스(Ecoflex) 및 고무에서 선택되는 하나 또는 둘 이상일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의한 스트레인 센서는 변형률이 5 내지 25%인 범위에서 식 1에 의한 변형률 감도(GF)가 0.07 내지 0.15 %-1인 것을 특징으로 할 수 있다.
[식 1]
GF=(R-R0)/εR0
식 1에서 R0는 변형 전 저항이며, R은 변형 후 저항이고, ε은 변형률이다.
본 발명의 일 실시예에 의한 스트레인 센서는 변형률이 30 내지 55%인 범위에서 변형률 감도(GF)가 0.08 내지 0.17 %-1인 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의한 스트레인 센서는 사전변형 전 대비 사전변형 후 변형률 감도가 높은 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명에 의한 스트레인 센서 제조방법은 신축성 폴리머 및 탄소소재를 포함하는 전도성 캐스팅 용액을 제조하는 제 1단계; 상기 전도성 캐스팅 용액을 기판상에 도포하여 제 1 전도층을 형성하는 제 2단계; 상기 제 1 전도층 상에 신축성 폴리머를 포함하는 절연성 캐스팅 용액을 도포하여 절연층을 형성하는 제 3단계; 상기 절연층 상에 상기 전도성 캐스팅 용액을 도포하여 제 2 전도층을 형성하는 제 4단계; 및 상기 제 3단계 및 제 4단계를 반복하여 다층 유연 복합체를 제조하는 제 5단계;를 포함하여 간단한 방법으로 저항이 낮고 감도가 높은 스트레인 센서를 제조할 수 있으며, 제조되는 스트레인 센서의 히스테리시스를 최소화 하면서도, 히스테리시스를 낮추는 과정에서 발생하는 감도 저하를 예방할 수 있는 장점이 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 스트레인 센서 제조방법을 간략하게 도시한 것이다.
도 2는 본 발명의 제조예에 의해 제조된 스트레인 센서의 단면을 관찰하고 이를 도시한 것이다.
도 3은 본 발명의 제조예에 의해 제조된 스트레인 센서의 탄소나노튜브 함량별 저항을 관찰하고 그 결과를 도시한 것이다.
도 4는 본 발명의 제조예에 의해 제조된 스트레인 센서의 변형률별 저항을 관찰하고 그 결과를 도시한 것이다.
도 5는 본 발명의 제조예에 의해 제조된 스트레인 센서의 사전변형 전 히스테리시스를 관찰하고 이를 도시한 것이다.
도 6은 본 발명의 제조예에 의해 제조된 스트레인 센서의 사전 변형 과정을 도시한 것이다.
도 7은 본 발명의 제조예에 의해 제조된 스트레인 센서의 사전변형 전후 변형률감도 및 표준편차를 도시한 것이다.
도 8은 본 발명의 제조예에 의해 제조된 스트레인 센서의 사전변형 시간 및 변형률에 따른 저항변화를 측정하고 이를 도시한 것이다.
도 9는 본 발명의 제조예에 의해 제조된 스트레인 센서의 압력 센싱효과를 측정하고 그 결과를 도시한 것이다.
도 10은 본 발명의 제조예에 의해 제조된 스트레인 센서를 인체에 부착하고 저항 변화를 관찰하여 그 결과를 도시한 것이다.
도 2는 본 발명의 제조예에 의해 제조된 스트레인 센서의 단면을 관찰하고 이를 도시한 것이다.
도 3은 본 발명의 제조예에 의해 제조된 스트레인 센서의 탄소나노튜브 함량별 저항을 관찰하고 그 결과를 도시한 것이다.
도 4는 본 발명의 제조예에 의해 제조된 스트레인 센서의 변형률별 저항을 관찰하고 그 결과를 도시한 것이다.
도 5는 본 발명의 제조예에 의해 제조된 스트레인 센서의 사전변형 전 히스테리시스를 관찰하고 이를 도시한 것이다.
도 6은 본 발명의 제조예에 의해 제조된 스트레인 센서의 사전 변형 과정을 도시한 것이다.
도 7은 본 발명의 제조예에 의해 제조된 스트레인 센서의 사전변형 전후 변형률감도 및 표준편차를 도시한 것이다.
도 8은 본 발명의 제조예에 의해 제조된 스트레인 센서의 사전변형 시간 및 변형률에 따른 저항변화를 측정하고 이를 도시한 것이다.
도 9는 본 발명의 제조예에 의해 제조된 스트레인 센서의 압력 센싱효과를 측정하고 그 결과를 도시한 것이다.
도 10은 본 발명의 제조예에 의해 제조된 스트레인 센서를 인체에 부착하고 저항 변화를 관찰하여 그 결과를 도시한 것이다.
본 발명의 실시예들에 대한 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.
본 발명의 실시예들을 설명함에 있어서 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다. 그리고 후술되는 용어들은 본 발명의 실시예에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
본 발명에 의한 스트레인 센서 제조방법은 신축성 폴리머 및 탄소소재를 포함하는 전도성 캐스팅 용액을 제조하는 제 1단계;
상기 전도성 캐스팅 용액을 기판상에 도포하여 제 1 전도층을 형성하는 제 2단계;
상기 제 1 전도층 상에 신축성 폴리머를 포함하는 절연성 캐스팅 용액을 도포하여 절연층을 형성하는 제 3단계;
상기 절연층 상에 상기 전도성 캐스팅 용액을 도포하여 제 2 전도층을 형성하는 제 4단계; 및
상기 제 3단계 및 제 4단계를 반복하여 다층 유연 복합체를 제조하는 제 5단계;를 포함한다.
본 발명에 의한 스트레인 센서 제조방법은 상기 제 1 내지 5 단계를 포함함으로써 간단한 방법으로 신뢰도 및 감도가 우수한 센서를 제조할 수 있는 장점이 있다.
좋게는 상기 제 5단계는 제 3단계 및 4단계를 한번 이상, 좋게는 1 내지 3번 동안 반복하여 수행할 수 있으며, 제 3단계 및 제 4단계를 지나치게 반복하여 수행하는 경우 센서의 두께가 지나치게 두꺼워지는 문제가 발생할 수 있다.
상기 제 1단계는 탄소소재를 유기용매에 분산시켜 탄소소재 분산액을 제조하는 단계;
이와 별개로 신축성 폴리머를 유기용매에 용해하여 신축성 폴리머 용액을 제조하는 단계; 및
상기 탄소소재 분산액에 신축성 폴리머 용액을 투입하고 가열하여 폴리머 겔을 형성하는 단계;를 포함할 수 있다.
상기 탄소소재는 단일벽 탄소나노튜브, 다중벽 탄소나노튜브, 그래핀, 산화그래핀 및 카본블랙에서 선택되는 하나 또는 둘 이상일 수 있으며, 좋게는 단일벽 탄소나노튜브 또는 다중벽 탄소나노튜브일 수 있으며, 이러한 탄소나노튜브를 이용함으로써 높은 전기 전도성을 확보하여 신축에 따른 전도성 변화를 효율적으로 측정할 수 있다.
상기 탄소소재 분산액은 탄소소재를 0.2 내지 5 중량%, 좋게는 0.5 내지 3.5 중량% 포함할 수 있으며, 탄소소재를 소량 포함할 경우 스트레인 센서 제조과정에서 비교적 다량의 용매가 혼합되어 제작 효율이 저하될 수 있으며, 탄소소재를 다량 포함할 경우 탄소소재 분산액 내에서 탄소소재의 응집이 발생하여 제조되는 스트레인 센서의 물성 저하를 유발할 수 있다.
상기 탄소소재 분산액은 기계교반, 초음파 등 통상의 혼합 방법을 통해 제조될 수 있으며, 구체적인 일예로 기계교반을 이용하는 경우 500 내지 1000 rpm으로 3 내지 10시간 동안 교반하여 탄소소재 분산액을 제조할 수 있다.
상기 탄소소재는 상기 전도층 내부에 4 내지 8 중량%, 4.5 내지 7 중량%, 더욱 좋게는 5.5 내지 6.5 중량% 포함될 수 있으며, 이러한 범위에서 제조되는 센서의 초기 저항이 200 kΩ 이하, 좋게는 100 kΩ 이하일 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 의해 제조되는 스트레인 센서의 전도층에 포함된 탄소소재 함량이 낮은 경우 전도도 저하로 센싱이 어려울 수 있으며, 탄소소재 함량이 높은 경우 응집에 의한 유연도 저하를 유발할 수 있다.
상기 유기용매는 좋게는 탄화수소계 용매일 수 있으며, 구체적으로 상기 유기용매는 벤젠, 톨루엔, 크실렌, 에틸벤젠, 트리메틸벤젠, 메틸에틸벤젠 및 디에틸벤젠 등에서 선택되는 하나 또는 둘 이상을 포함할 수 있으나, 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 신축성 폴리머는 폴리디메틸실록산, 폴리우레탄, 에코플렉스(Ecoflex) 및 고무에서 선택되는 하나 또는 둘 이상을 이용할 수 있으며, 좋게는 폴리디메틸실록산 및 에코플렉스를 혼합하여 이용할 수 있으며, 상기 신축성 폴리머 용액은 상기 신축성 폴리머를 10 내지 30 중량%, 좋게는 15 내지 25 중량% 포함할 수 있다.
좋게는 상기 신축성 폴리머는 폴리디메틸실록산 : 에코플렉스를 1:0.8 내지 1.3 중량부로 혼합한 것일 수 있으며, 에코플렉스의 함량이 낮은 경우 스트레인 센서의 히스테리시스가 증가할 수 있으며, 에코플렉스의 함량이 높을 경우 내구도 저하를 유발할 수 있다.
상기 폴리머 겔을 형성하는 단계는 85 내지 100 ℃, 좋게는 87 내지 95 ℃에서 수행될 수 있으며, 상기 탄소소재 분산액 및 상기 신축성 폴리머 용액에 포함된 유기 용매를 모두 증발시킬 때 까지 수행될 수 있다. 구체적으로 상기 폴리머 겔을 형성하는 단계는 1시간 이상, 좋게는 1.5 내지 5시간 동안 수행될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의한 스트레인 센서 제조방법은 상기 폴리머 겔 형성 후, 경화제를 투입하는 경화제 투입 단계;를 더 포함할 수 있다. 좋게는 폴리디메틸실록산을 신축성 폴리머로 이용한 경우, 이러한 폴리디메틸실록산을 경화시키는 경화제를 투입할 수 있으며, 이때 경화제는 폴리디메틸 실록산 중량 대비 8 내지 25 중량% 투입될 수 있으나, 이는 폴리디메틸실록산 및 경화제의 종류에 따라 달라질 수 있음이 자명하다.
상기 절연성 캐스팅 용액은 구체적으로 상기 전도성 캐스팅 용액과 동일한 제조방법으로 제조될 수 있으며, 다만 탄소소재를 첨가하지 않고 신축성 폴리머 만을 혼합하여 제조할 수 있다.
본 발명에 의한 스트레인 센서 제조방법은 상기 전도성 캐스팅 용액을 기판상에 도포하여 제 1 전도층을 형성하는 제 2단계;
상기 제 1 전도층 상에 신축성 폴리머를 포함하는 절연성 캐스팅 용액을 도포하여 절연층을 형성하는 제 3단계;
상기 절연층 상에 상기 전도성 캐스팅 용액을 도포하여 제 2 전도층을 형성하는 제 4단계; 및
상기 제 3단계 및 제 4단계를 반복하여 다층 유연 복합체를 제조하는 제 5단계;를 포함한다.
즉, 본 발명에 의한 스트레인 센서 제조방법으로 제조된 스트레인 센서는 최소한 전도층-절연층-전도층-절연층-전도층의 5개 층을 포함할 수 있으며, 이러한 구조를 가짐으로써 스트레인 센서가 병렬로 연결되어, 저항을 낮추고 스트레인 센서의 감도를 높일 수 있다. 다른 일예로, 본 발명의 일 실시예에 의한 스트레인 센서 제조방법으로 제조된 스트레인 센서는 7개 또는 9개 층을 포함할 수 있으나 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니다.
본 발명의 일 실시예에 의한 스트레인 센서 제조방법은 상기 제 3단계의 절연성 캐스팅 용액 도포 전, 제 1 전도층의 양 말단을 마스킹하는 단계를 더 포함할 수 있으며, 상기 제 2 전도층을 형성하는 단계 전 마스킹을 제거하고 제 2 전도층을 형성할 수 있다. 상술한 마스킹 및 마스킹을 제거하는 단계를 포함함으로써, 최종적으로 제조되는 스트레인 센서에서 절연층의 양 말단이 전도층 내에 함입된 구조를 가질 수 있으며, 이러한 구조를 포함하여 절연층 형성에 의한 전기 전도성 저하 및 센서 감도 저하를 예방할 수 있다.
상기 제 1 전도층, 절연층 및 제 2 전도층은 각각 두께가 1 ㎜ 이하, 좋게는 0.7 ㎜ 이하일 수 있으며, 상기 스트레인 센서의 총 두께는 약 5 ㎜ 이하, 좋게는 3 ㎜ 이하일 수 있다. 이러한 범위에서 병렬 구조의 스트레인 센서 형성에 의한 전도도 및 센서 감도 향상 효과를 최대화 하면서도, 간단한 방법으로 스트레인 센서를 제조할 수 있는 장점이 있다.
본 발명의 일 실시예에 의한 스트레인 센서 제조방법은 상기 제 5단계 후 생성된 다층 유연 복합체를 5 내지 100%의 변형률, 좋게는 30 내지 60%의 변형률로 사전 변형(Pre-stretching)하는 단계를 더 포함할 수 있으며, 좋게는 이러한 사전 변형은 7 내지 20분간 수행될 수 있다. 이러한 사전 변형을 수행함으로써 신축에 의한 히스테리시스 및 표준편차를 최소화하여, 스트레인 센서의 신뢰성을 향상시킬 수 있는 장점이 있다.
통상적으로, 이러한 사전 변형을 거치는 경우 센서 내부에 포함된 탄소나노튜브에 의한 전기 전도 루트가 일부 끊어져 전기 전도도가 낮아지며, 저항이 높아지고 이에 따라 센서 감도가 낮아지는 한계가 있다.
그러나, 본 발명의 일 실시예에 의한 스트레인 센서 제조방법은 전도층-절연층-전도층-절연층-전도층의 최소 5개 이상의 층을 포함함으로써, 사전 변형을 수행하더라도 전기 전도도의 저하가 나타나지 않으며, 오히려 전기 전도도가 높아지는 특징이 있다. 이에 따라 사전 변형을 통해 센서의 히스테리시스 및 표준편차를 낮추어 신뢰성을 확보하면서도, 감도가 우수한 스트레인 센서를 제조할 수 있는 장점이 있다.
본 발명은 또한 스트레인 센서를 제공하며, 본 발명에 의한 스트레인 센서는 본 발명의 일 실시예에 의한 스트레인 센서 제조방법으로 제조된 것일 수 있다. 본 발명에 의한 스트레인 센서는 감도가 높으면서도 신뢰성이 우수하고 히스테리시스가 낮은 장점이 있다.
구체적으로 상기 스트레인 센서는 좋게는 5 내지 55%의 사전 변형을 15분간 수행한 후를 기준으로 변형률이 5 내지 25%인 범위에서 식 1에 의한 변형률 감도(GF)가 0.07 내지 0.15 %-1, 좋게는 0.08 내지 0.12 %-1이며, 변형률이 30 내지 55%인 범위에서 변형률 감도(GF)가 0.08 내지 0.17 %-1, 좋게는 0.1 내지 0.16 %-1일 수 있고, 변형률이 5 내지 55%인 범위에서 변형률 감도는 0.08 내지 0.12 %-1일 수 있다.
[식 1]
GF=(R-R0)/εR0
식 1에서 R0는 변형 전 저항이며, R은 변형 후 저항이고, ε은 변형률이다.
본 발명의 일 실시예에 의한 스트레인 센서는 상술한 바와 같이 높은 변형률 감도를 나타낼 수 있으며, 특히 사전 변형 이후에도 높은 변형률 감도를 나타내는 특징이 있다.
본 발명에 의한 스트레인 센서는 압력을 감지하는 압력 센서로서의 역할도 수행할 수 있다. 구체적으로, 본 발명의 일 실시예에 의한 스트레인 센서의 압력 센싱 감도(S)는 하기 식 2로 계산될 수 있다.
[식 2]
S=R’P/RP=ΔR/(ΔP×Rp)
식 2에서, ΔR=RP-R0이며, Rp는 저항 응답, R0는 외부압력이 없는 경우 저항이고, R‘p는 ΔR/ΔP에 해당하는 저항 응답의 미분값이다.
본 발명의 일 실시예에 의한 스트레인 센서는 상기 식 2에 의한 압력 센싱 감도가 0.050 내지 0.150 kPa-1, 좋게는 0.070 내지 0.120 kPa-1인 특징이 있으며, 결과적으로 본 발명의 일 실시예에 의한 스트레인 센서는 센서의 신축 및 센서에 가해지는 압력을 동시에 측정할 수 있는 장점이 있다.
이하, 본 발명을 실시예 및 비교예에 의해 구체적으로 설명한다. 아래 실시예는 본 발명의 이해를 돕기 위한 것일 뿐이며, 본 발명의 범위가 아래 실시예에 의해 한정되는 것은 아니다.
[제조예 1]
먼저 탄소나노튜브를 톨루엔과 혼합하여 탄소나노튜브 함량이 2 중량% 탄소나노튜브 혼합액을 제조하였다. 탄소나노튜브의 균일한 분산을 위하여 상기 탄소나노튜브 혼합액을 750 rpm으로 5시간 동안 기계교반을 수행하여 탄소나노튜브 분산액을 제조하였다. 이때 탄소나노튜브는 단면 직경이 40 내지 60 ㎚이며, 평균 길이가 5 내지 15 ㎛인 다중벽 탄소나노튜브를 이용하였다.
이와 별개로, PDMS(SYLGARDTM 184)와 EcoflexTM 0030을 각각 톨루엔에 부피 기준으로 20%가 되도록 혼합하여 PDMS 용액 및 Ecoflex 용액을 제조하였다.
상기 탄소나노튜브 분산액에 제조된 PDMS 용액 및 Ecoflex 용액을 첨가하고, 90 ℃에서 톨루엔이 완전히 증발될때까지 약 2시간 동안 기계교반하였다. 이때 PDMS : Ecoflex는 1:1의 중량비로 혼합되었으며, 캐스팅 후 스트레인 센서가 6 중량%의 탄소나노튜브를 포함하도록 탄소나노튜브 분산액을 혼합하였다.
이후, PDMS의 경화제를 PDMS의 10% 중량으로 혼합하여 10분간 교반함으로써 전도성 캐스팅 용액을 제조하였으며, 전도성 캐스팅 용액을 유리 기판 상에 캐스팅한 뒤, 기포 제거를 위하여 20분간 진공 처리를 수행하고, 70℃에서 1.5시간 동안 건조 및 경화하여 단층 스트레인 센서를 제조하였다. 건조 후 단층 스트레인 센서는 두께가 1.23 ㎜인 것을 확인하였으며, 이하 본 발명에서 이를 SR이라 한다.
[제조예 2]
PDMS(SYLGARDTM 184)와 EcoflexTM 0030을 1:1의 중량비로 혼합한 뒤, PDMS의 경화제를 PDMS 100 중량부 대비 10 중량부 혼합하여 10분간 교반함으로써 절연층용 캐스팅 용액을 제조하였다.
제조예 1에서 제조된 전도성 캐스팅 용액을 기판 상에 도포하고 경화 및 건조하여 두께가 약 0.14 ㎜인 제 1 전도층을 제조하였다. 이 단층 스트레인 센서의 양단 일부를 폴리이미드 테이프로 마스킹 한 뒤, 여기에 상기 절연층용 캐스팅 용액을 도포한 뒤 70 ℃에서 30분간 경화하여 두께가 약 0.51 ㎜인 절연층을 형성하였다. 절연층 형성 후, 폴리 이미드 테이프를 제거하고 다시 제조예 1의 전도성 캐스팅 용액을 도포하여 경화하여 제 2전도층을 제조하였으며, 경화 및 건조 후 제 2 전도층의 두께는 0.15 ㎜인 것을 확인하였고, 전체 층의 두께는 약 1.20 ㎜인 것을 확인하였으며, 이하 본 발명에서 SPR이라 한다.
[제조예 3]
제조예 1의 전도성 캐스팅 용액을 도포한 뒤, 제조예 2의 절연층용 캐스팅 용액을 도포하는 과정을 반복하였으며, 각 층의 두께는 건조 및 경화 후를 기준으로 약 0.25 ㎜가 되도록 하였고 총 5개의 층을 적층하여 전체 두께가 약 1.24 ㎜인 것을 확인하였으며, 이하 본 발명에서 MPR이라 한다.
제조예 1 내지 3에서 제조된 스트레인 센서의 단면을 관찰하고 도 2로 나타내었으며, 도 2를 참고하면 제조예 2의 SPR은 제 1 전도층과 제 2 전도층 사이에 절연층을 포함하는 것을 확인할 수 있으며, 제조예 3의 MPR은 3개의 전도층 사이에 개재된 두 개의 절연층을 확인할 수 있다.
[제조예 4 내지 6]
제조예 4 내지 6은 각각 제조예 1 내지 3과 같은 방법으로 제조하되, PDMS : Ecoflex를 2:1의 중량비로 혼합하여 각각 스트레인 센서를 제조하였다.
탄소나노튜브 함량에 따른 저항 확인
탄소나노튜브의 함량별 전기 저항을 확인하고 그 결과를 도 3으로 나타내었다.
도 3을 참고하면, 제조예 3의 MPR이 전체적으로 가장 저항이 낮은 것을 확인할 수 있다. 또한 PDMS : Ecoflex의 중량비가 2:1인 경우 PDMS : Ecoflex의 중량비가 1:1인 경우와 대비하여 저항이 높은 것을 확인할 수 있으며, 탄소나노튜브 함량이 6 중량%인 경우 가장 저항이 낮고 전기 전도도가 높은 것을 확인할 수 있다.
변형률에 따른 저항 확인
제조예 1 내지 3에서 제조된 스트레인 센서의 변형률에 따른 저항을 확인하고 그 결과를 도 4로 나타내었다.
도 4를 참고하면, 전체적인 저항은 제조예 3의 MPR이 가장 낮으며, 변형률이 높아질수록 전체적인 저항이 증가하는 것을 확인할 수 있다.
사전변형 전 초기상태의 히스테리시스 확인
도 5는 사전변형 전 초기상태의 변형률 사이클을 관찰하고 이를 도시한 것이다. 도 5에서 a-1 내지 a-3은 각각 제조예 4 내지 6이며, b-1 내지 b-3은 각각 제조예 1 내지 3이다.
도 5를 참고하면, 사전변형 수행 전 변형 사이클을 관찰하면 공통적으로 히스테리시스가 나타나는 것을 확인할 수 있다. 특히 PDMS 함량이 높은 a-1 내지 a-3의 경우 10% 이하의 낮은 변형률 범위에서 히스테리시스가 더 큰 것을 확인할 수 있다.
스트레인 센서의 사전 변형
도 6은 본 발명의 제조예 1 내지 3에서 제조된 스트레인 센서의 사전 변형과정을 도시한 것이다. 사전 변형은 변형률 5%에서 55%가 되도록 변형률을 5% 씩 증가시키며 수행하였다.
도 6을 참고하면, 제조예 3의 스트레인 센서의 저항 변화가 가장 큰 것을 확인할 수 있으며, 사전변형 과정에서 사전 변형 초기단계인 section 1과, 사전변형 후기 단계인 section 2를 대비하면, section 1의 경우 신축 과정에서 규칙적인 저항 변화를 나타내지 않으나, section 2의 경우 규칙적인 저항 변화를 나타냄을 확인할 수 있으며, 이는 사전 변형을 통한 안정화에 따른 효과로 볼 수 있다.
사전변형 전후 변형률감도 및 표준편차 확인
도 7은 사전변형 전후 제조예 1 내지 3의 스트레인 센서에 대한 변형률감도(GF)를 확인하고 이를 도시한 것이다.
도 7을 참고하면, 제조예 1 및 2의 경우 사전 변형에 의해 변형률 감도가 낮아지며, 표준편차 또한 작아지는 것을 확인할 수 있다. 반면 제조예 3의 경우 표준편차가 작아질 뿐만 아니라 변형률 감도도 일정 수준 높아진 것을 확인할 수 있다.
통상적으로 사전 변형을 수행하는 경우 센서의 안정화로 표준편차가 작아지는 효과가 있으나, 이에 따라 센서의 감도 또한 낮아지는 문제점이 있다. 그러나, 본 발명의 제조예 3에 의한 스트레인 센서는 사전변형을 통하여 표준편차를 낮출 뿐만 아니라 변형률 감도 또한 높아지는 효과를 가짐을 확인할 수 있다.
사전변형 시간에 따른 감도 확인
제조예 1 내지 3의 스트레인 센서에 대하여 사전변형 시간 및 변형률에 따른 저항 변화를 측정하고 그 결과를 도 8 및 이에 따른 변형률 감도 측정 결과를 하기 표 1로 나타내었다. 도 8에서 a는 제조예 1, b는 제조예 2, c는 제조예 3의 스트레인 센서에 대한 것이다. 아울러 표 2는 5 내지 55% 변형률에서 스트레인 센서의 감도를 측정하고 그 결과를 나타낸 것이다.
| 변형시간 | 제조예 1 | 제조예 2 | 제조예 3 | |||
| 5-25% | 30-55% | 5-25% | 30-55% | 5-25% | 30-55% | |
| 변형없음 | 0.1084%-1 | 0.1979%-1 | 0.0742%-1 | 0.1456%-1 | 0.0412%-1 | 0.1437%-1 |
| 5분 | 0.0446%-1 | 0.0605%-1 | 0.0629%-1 | 0.0735%-1 | 0.0912%-1 | 0.0854%-1 |
| 10분 | 0.0451%-1 | 0.0830%-1 | 0.0721%-1 | 0.0607%-1 | 0.1065%-1 | 0.1336%-1 |
| 15분 | 0.0433%-1 | 0.0369%-1 | 0.0647%-1 | 0.0652%-1 | 0.1071%-1 | 0.1204%-1 |
| 변형시간 | 제조예 1 | 제조예 2 | 제조예 3 |
| 5-55% | 5-55% | 5-55% | |
| 변형없음 | 0.158%-1 | 0.1132%-1 | 0.0969%-1 |
| 5분 | 0.0535%-1 | 0.0686%-1 | 0.0880%-1 |
| 10분 | 0.0474%-1 | 0.0662%-1 | 0.1209%-1 |
| 15분 | 0.0399%-1 | 0.0658%-1 | 0.1142%-1 |
도 8, 표 1 및 표 2를 참고하면, 제조예 1 및 2의 경우 사전 변형에 의하여 변형률 감도가 전체적으로 낮아지는 것을 확인할 수 있으나, 제조예 3의 경우 변형을 수행하더라도 변형률 감도가 오히려 높아지는 것을 확인할 수 있다.
압력센서로서의 센싱능력 확인
도 9는 본 발명의 제조예 1 내지 3에 의한 스트레인 센서의 압력 센서로서의 센싱 능력을 확인하고 이를 도시한 것이다.
도 a 내지 c 는 제조예 1 내지 3에 의한 스트레인 센서에 대하여 단계적으로 압력을 가하고 저항 변화를 측정한 것이다. 구체적으로, Makr-10 장비로 0.5 N(3.25Kpa)부터 0.5 N씩 압력을 증가시켜, 2.5 N(16.2 Kpa)까지 수직력을 가하였다.
도 9를 참고하면, 제조예 1의 단일층을 포함하는 스트레인 센서의 경우 압력 스파이크가 발생하는 것을 확인할 수 있으나, 내부에 절연층을 포함하는 제조예 2 및 3의 경우 이러한 현상이 발생하지 않으며, 제조예 3에서 제조된 센서의 저항 변화가 가장 큰 것을 확인할 수 있다.
도 9를 참고하면, 제조예 3에서 제조된 센서의 압력에 따른 저항 변화가 가장 큰 것을 확인할 수 있으며, 압력 센싱에서의 감도(S) 또한 제조예 3의 센서가 가장 높은 것을 확인할 수 있다. 구체적으로, 제조예 3의 센서의 경우 압력 센싱에서 감도가 0.089±0.013kPa-1인 것을 확인할 수 있다.
인체 적용 확인
제조예 3에서 제조된 센서를 인체에 적용하고, 이에 따른 저항 변화를 관찰하고 그 결과를 도 10으로 나타내었다. 도 10의 a, b는 손가락의 움직임에 따른 저항 변화를 도시한 것이며, c는 말을 하거나 하지 않는 동안 저항 변화를 도시한 것이고, d는 손목에 착용하여 움직임에 따른 저항 변화를 관찰하고 도시한 것이다.
도 10을 참고하면, 움직임 정도에 따라 센서의 저항이 달라지며, 피부 표면에서 피부와 함께 신축하여 인체의 움직임을 효율적으로 감지할 수 있음을 확인할 수 있다.
Claims (23)
- 신축성 폴리머 및 탄소소재를 포함하는 전도성 캐스팅 용액을 제조하는 제 1단계;
상기 전도성 캐스팅 용액을 기판상에 도포하여 제 1 전도층을 형성하는 제 2단계;
상기 제 1 전도층 상에 신축성 폴리머를 포함하는 절연성 캐스팅 용액을 도포하여 절연층을 형성하는 제 3단계;
상기 절연층 상에 상기 전도성 캐스팅 용액을 도포하여 제 2 전도층을 형성하는 제 4단계; 및
상기 제 3단계 및 제 4단계를 반복하여 다층 유연 복합체를 제조하는 제 5단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 스트레인 센서 제조방법. - 제 1항에 있어서,
상기 탄소소재는 단일벽 탄소나노튜브, 다중벽 탄소나노튜브, 그래핀, 산화그래핀 및 카본블랙에서 선택되는 하나 또는 둘 이상을 포함하는 스트레인 센서 제조방법. - 제 1항에 있어서,
상기 신축성 폴리머는 폴리디메틸실록산, 폴리우레탄, 에코플렉스(Ecoflex) 및 고무에서 선택되는 하나 또는 둘 이상인 스트레인 센서 제조방법. - 제 1항에 있어서,
제 1 전도층 및 제 2 전도층은 서로 독립적으로 4 내지 8 중량%의 탄소소재를 포함하는 것을 특징으로 하는 스트레인 센서 제조방법. - 제 1항에 있어서,
상기 제 1단계는,
탄소소재를 유기용매에 분산시켜 탄소소재 분산액을 제조하는 단계;
이와 별개로 신축성 폴리머를 유기용매에 용해하여 신축성 폴리머 용액을 제조하는 단계; 및
상기 탄소소재 분산액에 신축성 폴리머 용액을 투입하고 가열하여 폴리머 겔을 형성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 스트레인 센서 제조방법. - 제 5항에 있어서,
상기 탄소소재 분산액은 탄소소재를 0.2 내지 5 중량% 포함하는 것을 특징으로 하는 스트레인 센서 제조방법. - 제 5항에 있어서,
상기 유기용매는 벤젠, 톨루엔, 크실렌, 에틸벤젠, 트리메틸벤젠, 메틸에틸벤젠 및 디에틸벤젠에서 선택되는 하나 또는 둘 이상을 포함하는 스트레인 센서 제조방법. - 제 5항에 있어서,
상기 신축성 폴리머 용액은 신축성 폴리머를 10 내지 30 중량% 포함하는 것을 특징으로 하는 스트레인 센서 제조방법. - 제 5항에 있어서,
상기 폴리머 겔을 형성하는 단계는 85 내지 100 ℃에서 수행되는 것을 특징으로 하는 스트레인 센서 제조방법. - 제 1항에 있어서,
상기 스트레인 센서는 두께가 5㎜ 이하인 것을 특징으로 하는 스트레인 센서 제조방법. - 제 1항에 있어서,
상기 제 1 전도층, 절연층 및 제 2 전도층은 각각 두께가 1 ㎜ 이하인 것을 특징으로 하는 스트레인 센서 제조방법. - 제 1항에 있어서,
상기 제 5단계 후 생성된 다층 유연 복합체를 5 내지 100%의 변형률로 사전 변형하는 단계;를 더 포함하는 스트레인 센서 제조방법. - 제 1항 내지 제 12항에서 선택되는 어느 한 항의 스트레인 센서 제조방법으로 제조되며, 병렬 구조의 다층 유연 복합체를 포함하는 것을 특징으로 하는 스트레인 센서.
- 제 13항에 있어서,
상기 다층 유연 복합체는 전도층을 포함하는 것을 특징으로 하는 스트레인 센서. - 제 14항에 있어서,
상기 다층 유연 복합체는 상기 전도층 내부에 절연층을 포함하는 것을 특징으로 하는 스트레인 센서. - 제 15항에 있어서,
상기 스트레인 센서는 상기 절연층의 양 말단이 전도층 내에 함입된 것을 특징으로 하는 스트레인 센서. - 제 14항에 있어서,
상기 전도층은 탄소소재와 신축성 폴리머로 구성되는 것을 특징으로 하는 스트레인 센서. - 제 14항에 있어서,
상기 전도층는 탄소소재가 4 내지 8 중량%로 포함하는 것을 특징으로 하는 스트레인 센서. - 제 14항에 있어서,
상기 탄소소재는 단일벽 탄소나노튜브, 다중벽 탄소나노튜브, 그래핀, 산화그래핀 및 카본블랙에서 선택되는 하나 또는 둘 이상인 것을 특징으로 하는 스트레인 센서. - 제 17항에 있어서,
상기 신축성 폴리머는 폴리디메틸실록산, 폴리우레탄, 에코플렉스(Ecoflex) 및 고무에서 선택되는 하나 또는 둘 이상인 것을 특징으로 하는 스트레인 센서. - 제 13항에 있어서,
상기 스트레인 센서는 변형률이 5 내지 25%인 범위에서 식 1에 의한 변형률 감도(GF)가 0.07 내지 0.15 %-1인 것을 특징으로 하는 스트레인 센서.
[식 1]
GF=(R-R0)/εR0
(식 1에서 R0는 변형 전 저항이며, R은 변형 후 저항이고, ε은 변형률이다.) - 제 21항에 있어서,
상기 스트레인 센서는 변형률이 30 내지 55%인 범위에서 변형률 감도(GF)가 0.08 내지 0.17 %-1인 것을 특징으로 하는 스트레인 센서. - 제 13항에 있어서,
상기 스트레인 센서는 사전변형 전 대비 사전변형 후 변형률 감도가 높은 것을 특징으로 하는 스트레인 센서.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020220063882A KR102673880B1 (ko) | 2022-05-25 | 2022-05-25 | 다층 스트레인 센서 제조방법 및 이로부터 제조된 스트레인 센서 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020220063882A KR102673880B1 (ko) | 2022-05-25 | 2022-05-25 | 다층 스트레인 센서 제조방법 및 이로부터 제조된 스트레인 센서 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| KR20230164309A true KR20230164309A (ko) | 2023-12-04 |
| KR102673880B1 KR102673880B1 (ko) | 2024-06-07 |
Family
ID=89165233
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| KR1020220063882A KR102673880B1 (ko) | 2022-05-25 | 2022-05-25 | 다층 스트레인 센서 제조방법 및 이로부터 제조된 스트레인 센서 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| KR (1) | KR102673880B1 (ko) |
Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR0161737B1 (ko) | 1995-06-16 | 1999-02-01 | 김주용 | 모스 전계 효과 트랜지스터의 제조방법 |
| WO2010095581A1 (ja) * | 2009-02-18 | 2010-08-26 | 株式会社クラレ | マルチ積層変形センサ |
| CN108822548A (zh) * | 2018-06-19 | 2018-11-16 | 复旦大学 | 一种高度可拉伸高灵敏度的3d打印石墨烯基柔性传感器及其制备方法 |
| KR20190062020A (ko) * | 2017-11-28 | 2019-06-05 | 중앙대학교 산학협력단 | 스트레인 센싱 소자, 이를 이용한 어레이 센서 및 이의 제조방법 |
| US20210002816A1 (en) | 2019-04-16 | 2021-01-07 | University Of Delaware | Carbon Nanocomposite Sensors |
| KR102237353B1 (ko) | 2019-04-01 | 2021-04-07 | 한국과학기술연구원 | 신축성 전극용 전도성 잉크 및 이를 이용한 신축성 전극 |
-
2022
- 2022-05-25 KR KR1020220063882A patent/KR102673880B1/ko active IP Right Grant
Patent Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR0161737B1 (ko) | 1995-06-16 | 1999-02-01 | 김주용 | 모스 전계 효과 트랜지스터의 제조방법 |
| WO2010095581A1 (ja) * | 2009-02-18 | 2010-08-26 | 株式会社クラレ | マルチ積層変形センサ |
| KR20190062020A (ko) * | 2017-11-28 | 2019-06-05 | 중앙대학교 산학협력단 | 스트레인 센싱 소자, 이를 이용한 어레이 센서 및 이의 제조방법 |
| CN108822548A (zh) * | 2018-06-19 | 2018-11-16 | 复旦大学 | 一种高度可拉伸高灵敏度的3d打印石墨烯基柔性传感器及其制备方法 |
| KR102237353B1 (ko) | 2019-04-01 | 2021-04-07 | 한국과학기술연구원 | 신축성 전극용 전도성 잉크 및 이를 이용한 신축성 전극 |
| US20210002816A1 (en) | 2019-04-16 | 2021-01-07 | University Of Delaware | Carbon Nanocomposite Sensors |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| KR102673880B1 (ko) | 2024-06-07 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Hu et al. | Buckled structures: fabrication and applications in wearable electronics | |
| Kim et al. | Material‐based approaches for the fabrication of stretchable electronics | |
| Qi et al. | Stretchable electronics based on PDMS substrates | |
| Zhang et al. | Highly stretchable and self‐healable MXene/polyvinyl alcohol hydrogel electrode for wearable capacitive electronic skin | |
| Sun et al. | Highly stretchable and ultrathin nanopaper composites for epidermal strain sensors | |
| Ma et al. | Lightweight, flexible and highly sensitive segregated microcellular nanocomposite piezoresistive sensors for human motion detection | |
| Costa et al. | Highly sensitive piezoresistive graphene-based stretchable composites for sensing applications | |
| US8020456B2 (en) | Sensor and a method of making a sensor | |
| US10937598B2 (en) | Flexible electrode and sensor element | |
| Lee et al. | Electrical and mechanical characterization of stretchable multi-walled carbon nanotubes/polydimethylsiloxane elastomeric composite conductors | |
| Zhan et al. | High sensitivity of multi-sensing materials based on reduced graphene oxide and natural rubber: The synergy between filler segregation and macro-porous morphology | |
| Sharma et al. | Ultrasensitive flexible wearable pressure/strain sensors: Parameters, materials, mechanisms and applications | |
| KR102129527B1 (ko) | 고유전 탄성구조체 및 그의 제조방법 | |
| Wang et al. | Stretchable conductive polyurethane elastomer in situ polymerized with multi-walled carbon nanotubes | |
| Ko et al. | Stretchable conductive adhesives with superior electrical stability as printable interconnects in washable textile electronics | |
| KR101285415B1 (ko) | 압전 복합 소재 | |
| Alam et al. | Synergistically toughened silicone rubber nanocomposites using carbon nanotubes and molybdenum disulfide for stretchable strain sensors | |
| Jeong et al. | A highly conductive and electromechanically self-healable gold nanosheet electrode for stretchable electronics | |
| Hao et al. | Constructing 3D graphene network in rubber nanocomposite via liquid-phase redispersion and self-assembly | |
| CN113218543B (zh) | 柔性压力传感器及其介电层、介电层的制备方法 | |
| Xiao et al. | Polymer composites with lychee-like core covered by segregated conducting and flexible networks: Unique morphology, high flexibility, stretchability and thermoelectric performance | |
| KR101753845B1 (ko) | 전도성 고분자 복합재료의 제조방법 및 이에 따라 제조된 전도성 고분자 복합재료 | |
| Huang et al. | A multilayered flexible piezoresistive sensor for wide-ranged pressure measurement based on CNTs/CB/SR composite | |
| Ling et al. | Self‐Healable and Mechanically Reinforced Multidimensional‐Carbon/Polyurethane Dielectric Nanocomposite Incorporates Various Functionalities for Capacitive Strain Sensor Applications | |
| KR20190087899A (ko) | 투과도가 조절된 신축성 전극, 이의 제조방법, 및 이를 포함하는 장치 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| E902 | Notification of reason for refusal | ||
| E701 | Decision to grant or registration of patent right | ||
| GRNT | Written decision to grant |