WO2016186281A1 - 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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WO2016186281A1
WO2016186281A1 PCT/KR2015/013458 KR2015013458W WO2016186281A1 WO 2016186281 A1 WO2016186281 A1 WO 2016186281A1 KR 2015013458 W KR2015013458 W KR 2015013458W WO 2016186281 A1 WO2016186281 A1 WO 2016186281A1
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WO
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strain sensor
conductive material
polymer material
yarn
strain
Prior art date
Application number
PCT/KR2015/013458
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English (en)
French (fr)
Inventor
박오옥
박정진
현우진
문성식
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한국과학기술원
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Publication date
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    • 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
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01P—MEASURING LINEAR OR ANGULAR SPEED, ACCELERATION, DECELERATION, OR SHOCK; INDICATING PRESENCE, ABSENCE, OR DIRECTION, OF MOVEMENT
    • G01P13/00—Indicating or recording presence, absence, or direction, of movement
    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F1/00—Details not covered by groups G06F3/00 - G06F13/00 and G06F21/00
    • G06F1/16—Constructional details or arrangements

Definitions

  • the present invention relates to a strain sensor, and more particularly to a method of manufacturing a strain sensor comprising a conductive material, a strain sensor comprising a conductive material and a wearable device comprising the same.
  • Strain sensors that monitor the movement of the human body have received a lot of attention to advance diagnostics and other health-related electronic applications. Monitoring the movement of the human body can be divided into two fields: detecting large scale movements and detecting small scale movements. Sensors used in these applications should have good flexibility for high strain and high sensitivity for small strains.
  • the conventional sensors are based on metals and semiconductors, they have limited elasticity and sensitivity, so it is difficult to detect the movement of the human body. Accordingly, there is an increasing demand for high elasticity, sensitivity, and wearable strain sensors for detecting human body movement.
  • One object of the present invention is to provide a method of manufacturing a strain sensor having great elasticity, adjustable sensitivity and scalability.
  • One object of the present invention is to provide a strain sensor with great elasticity, adjustable sensitivity and scalability.
  • One object of the present invention is to provide a wearable device comprising a strain sensor having great elasticity, adjustable sensitivity and scalability.
  • a first polymer is coated on a stretchable yarn to generate a first intermediate yarn, and the first Coating the conductive material on the intermediate yarns to produce a second intermediate yarns, the coating of the first polymer material and the coating of the conductive material is repeated on the second intermediate yarns.
  • the sensitivity of the strain sensor may be determined according to the number of repeated coating of the first polymer material and coating of the conductive material.
  • the first polymer material may be coated on the surface of the stretchable yarn by mutual attraction with the stretchable yarn.
  • the elastic yarn is immersed in a solution containing the first polymer material for a predetermined time, and the immersed stretched yarn is rinsed in deionized water,
  • the rinsed stretchable yarn may be dried in air.
  • the stretchable yarn may be immersed for 5 minutes in a solution containing the first polymer material.
  • the first intermediate yarn is immersed in a solution containing the conductive material and the second polymer material for a predetermined time, and the immersed first intermediate yarn is rinsed in demineralized water and The rinsed first intermediate yarns may be dried in air.
  • the first intermediate yarn may be immersed for 5 minutes in a solution containing the conductive material and the second polymer material.
  • the conductive material may be coated on the surface of the first polymer material by interacting with the conductive material and the second polymer material and the first polymer material.
  • the first polymer material is one of polyvinylalcohol (PVA), polydiallyldimethylammonium chloride (PDDA), polyvinylpyrrolidone (PVPON), and the second polymer material is the first polymer material. It may be one of poly 4-styrenesulfonic acid (PSS), polyacrylic acid (PAA), and polymethacrylic acid (PMAA), which interact with the polymer material.
  • PVA polyvinylalcohol
  • PDDA polydiallyldimethylammonium chloride
  • PVPON polyvinylpyrrolidone
  • PMAA polymethacrylic acid
  • the conductive material is a graphene based conductive material
  • the stretchable yarn may be one of rubber, nylon-covered rubber, and wool.
  • the second polymer material may be further coded on the second intermediate yarn where the coating of the first polymer material and the coating of the conductive material are repeated.
  • the second polymer material may be polydimethylsiloxane (PDMS).
  • a strain sensor includes a stretchable yarn and a first polymer material coated alternately n (n is a natural number of 2 or more) on the stretchable yarn and the surface of the stretchable yarn; It includes a conductive material.
  • the strain sensor may further include a second polymer material coated on the conductive material.
  • the first polymer material and the conductive material may be alternately coated on the surface of the stretchable yarn through a solution process.
  • the second polymer material may be polydimethylsiloxane (PDMS).
  • the first polymer material is one of polyvinylalcohol (PVA), polydiallyldimethylammonium chloride (PDDA), polyvinylpyrrolidone (PVPON), and the conductive material.
  • PVA polyvinylalcohol
  • PDDA polydiallyldimethylammonium chloride
  • PVPON polyvinylpyrrolidone
  • the material is a graphene-based conductive material
  • the stretchable yarn is a rubber
  • the strain sensor may have a relative resistance that is exponentially proportional to the strain applied.
  • the first polymer material is one of polyvinylalcohol (PVA), polydiallyldimethylammonium chloride (PDDA), polyvinylpyrrolidone (PVPON), and the conductive material.
  • PVA polyvinylalcohol
  • PDDA polydiallyldimethylammonium chloride
  • PVPON polyvinylpyrrolidone
  • the material is a graphene-based conductive material
  • the stretchable yarn is a nylon-covered rubber
  • the strain sensor can have a relative resistance that is linearly proportional to the strain applied.
  • the first polymer material is one of polyvinylalcohol (PVA), polydiallyldimethylammonium chloride (PDDA), polyvinylpyrrolidone (PVPON), and the conductive material.
  • PVA polyvinylalcohol
  • PDDA polydiallyldimethylammonium chloride
  • PVPON polyvinylpyrrolidone
  • the material is a graphene-based conductive material
  • the stretchable yarn is wool
  • the strain sensor may have a relative resistance inversely proportional to the strain applied.
  • a wearable device includes a strain sensor, a flexible frame on which the strain sensor is mounted, and a resistance meter connected to the strain sensor.
  • the strain sensor includes a stretchable yarn, a first polymer material coated alternately n (n is a natural number of 2 or more) on the surface of the stretchable yarn, a conductive material, and a second polymer material coated on the conductive material.
  • the first polymer material is one of polyvinylalcohol (PVA), polydiallyldimethylammonium chloride (PDDA), polyvinylpyrrolidone (PVPON), and the conductive material.
  • PVA polyvinylalcohol
  • PDDA polydiallyldimethylammonium chloride
  • PVPON polyvinylpyrrolidone
  • the material is a graphene-based conductive material
  • the stretchable yarn is a rubber
  • the strain sensor has a relative resistance that is exponentially proportional to the strain applied
  • the wearable device has a relatively small scale.
  • a device for detecting a motion may be implemented as an implementation.
  • the first polymer material is one of polyvinylalcohol (PVA), polydiallyldimethylammonium chloride (PDDA), polyvinylpyrrolidone (PVPON), and the conductive material.
  • PVA polyvinylalcohol
  • PDDA polydiallyldimethylammonium chloride
  • PVPON polyvinylpyrrolidone
  • the material is a graphene-based conductive material
  • the stretchable yarn is a nylon-covered rubber
  • the strain sensor has a relative resistance that is linearly proportional to the strain applied, the wearable
  • the device may be implemented as an apparatus for detecting a relatively large scale of movement.
  • the strain sensor can be manufactured at a low cost through the solution process, the strain sensor is implemented as a flexible yarn, so that the size of the strain sensor can be easily changed, the sensitivity of the strain sensor is a solution process The sensitivity of the strain sensor can be easily adjusted because it depends on the repetition cycle of.
  • FIG. 1 is a flowchart illustrating a method of manufacturing a strain sensor according to embodiments of the present invention.
  • FIG. 2 shows a method of manufacturing a strain sensor according to embodiments of the present invention.
  • 3A and 3B are schematic diagrams illustrating strain sensors according to embodiments of the present invention.
  • FIG. 4 is a flowchart illustrating a step of generating a first intermediate yarn in a method of manufacturing a strain sensor according to embodiments of the present disclosure.
  • FIG. 5 is a flowchart illustrating a step of generating a second intermediate yarn in a method of manufacturing a strain sensor according to embodiments of the present disclosure.
  • FIG. 6 is a flowchart illustrating a step of generating a solution including a polymer material according to embodiments of the present invention.
  • FIG. 7 is a flowchart illustrating a step of generating a solution including a conductive material according to embodiments of the present invention.
  • FIG 8 illustrates stretch yarns before and after the LBL process in accordance with embodiments of the present invention.
  • FIG. 10 illustrates a change in the relative resistance of a strain sensor according to strain applied after the LBL process in accordance with embodiments of the present invention.
  • FIG. 11 shows electron microscope images before and after strain is applied to a strain sensor according to embodiments of the present invention.
  • FIG. 12 illustrates a change in the relative resistance of the strain sensor according to the applied strain when the strain sensor according to the embodiments of the present invention is coated with PDMS on the surface of the GNP as shown in FIG. 3B.
  • FIG. 13 illustrates a change in relative resistance when strain is repeatedly applied to a strain sensor according to embodiments of the present disclosure.
  • 14A-14C show changes in the relative resistance of a strain sensor with the number of cycles of an LBL process in accordance with embodiments of the present invention.
  • FIG. 15 illustrates an application to which a strain sensor according to embodiments of the present invention is applied.
  • FIG. 16 illustrates a change in relative resistance according to various vocalizations of an elastomeric medical patch in which a strain sensor based on a rubber attached to the neck of FIG. 15 is implemented.
  • FIG. 17 illustrates an application to which a strain sensor according to embodiments of the present invention is applied.
  • FIG. 18 shows the relative resistance according to the bend angle of the elbow wrap made with the strain sensor based on the nylon-covered rubber of FIG. 17.
  • FIG. 19 illustrates an application to which a strain sensor according to embodiments of the present invention is applied.
  • FIG. 20 illustrates relative resistance according to the bending angle of the finger of the glove manufactured with the strain sensor of FIG. 19.
  • FIG. 21 illustrates a wearable device implemented with a strain sensor according to an embodiment of the present invention.
  • first and second may be used to describe various components, but the components should not be limited by the terms. The terms may be used for the purpose of distinguishing one component from another component.
  • first component may be referred to as the second component, and similarly, the second component may also be referred to as the first component.
  • FIG. 1 is a flowchart illustrating a method of manufacturing a strain sensor according to embodiments of the present invention.
  • FIG. 2 shows a method of manufacturing a strain sensor according to embodiments of the present invention.
  • the first intermediate material 130 is generated by coating the first polymer material on the stretchable yarn 110 (S100).
  • the stretchable yarn 110 may be one of rubber, nylon-covered rubber, and wool, and may be another yarn having elastic properties.
  • the first polymer material is one of polyvinylalcohol (PVA), polydiallyldimethylammonium chloride (PDDA), polyvinylpyrrolidone (PVPON), and may have mutual attraction with the elastic yarn. By the mutual attraction, the first polymer material may be coated on the surface of the stretchable yarn.
  • a conductive material is coated on the first intermediate yarn 130 to generate a second intermediate yarn 150 (S200).
  • the conductive material is a graphene-based conductive material, and may be graphene, carbon nanotubes, or graphene nanoplatelets (GNP).
  • the process of generating the second intermediate yarn 150 may be one cycle of the layer-by-layer (LBL) process.
  • the coating of the first polymer material and the coating of the conductive material on the second intermediate yarn 150 may be repeated (S300) to generate the strain sensor 170 including the conductive material.
  • 3A and 3B are schematic diagrams illustrating strain sensors according to embodiments of the present invention.
  • the resistance meter when the resistance meter is connected to the strain sensor 170a, the positive terminal (+) and the negative terminal ( ⁇ ) of the resistance meter are connected to the GNP 145, which is a conductive material coated on the stretchable yarn 110. Indicates.
  • a second polymer material polydimethylsiloxane (PDMS, 180) is coated on the surface of the GNP 145, which is a conductive material of the strain sensor 170b, and a resistance meter is connected to the strain sensor 170b.
  • the positive terminal (+) and the negative terminal ( ⁇ ) of the resistance meter are shown to be connected to the GNP 145 which is a conductive material coated on the stretchable yarn 110.
  • the second polymer yarn is further coated on the second intermediate yarn 170 in which the coating of the first polymer material and the coating of the conductive material are repeated. can do.
  • the second polymer material may be PDMS.
  • FIG. 4 is a flowchart illustrating a step of generating a first intermediate yarn in a method of manufacturing a strain sensor according to embodiments of the present disclosure.
  • the stretchable yarn 110 in order to generate the first intermediate yarn 130 (S100), is immersed in a solution 120 containing a first polymer material such as PVA for a predetermined time ( S110).
  • the predetermined time may be about 5 minutes.
  • the PVA is adsorbed on the surface of the stretchable yarn 110 by a non-covalent action.
  • the yarn 110 immersed in the solution containing the first polymer material may be rinsed with demineralized water (S120), and the rinsed stretchable yarn is dried in air (S130) to generate a first intermediate yarn 130.
  • FIG. 6 is a flowchart illustrating a step of generating a solution including a first polymer material according to embodiments of the present invention.
  • the solution containing a first polymer material such as PVA (hereinafter PVA solution, 120) is mixed with PVA in demineralized water at 80 °C (S111), sonicated demineralized water mixed with PVA for 30 minutes Can be generated (S113).
  • FIG. 5 is a flowchart illustrating a step of generating a second intermediate yarn in a method of manufacturing a strain sensor according to embodiments of the present disclosure.
  • the first intermediate yarns 130 are immersed in a solution 140 containing a conductive material such as GNP for a predetermined time (S210). ).
  • the predetermined time may be about 5 minutes.
  • the first intermediate yarns 130 immersed in the solution containing the conductive material are rinsed with demineralized water (S220), and the rinsed first intermediate yarns 130 are dried in air (S230) to generate second intermediate yarns 150. have.
  • FIG. 7 is a flowchart illustrating a step of generating a solution including a conductive material according to embodiments of the present invention.
  • a solution containing a conductive material such as GNP may be a third polymer material such as 0.1 wt% GNP and 0.1 wt% poly 4-styrenesulfonic (hereinafter referred to as PSS).
  • PSS poly 4-styrenesulfonic
  • the third polymer material may be one of poly 4-styrenesulfonic acid (PSS), polyacrylic acid (PAA), and polymethacrylic acid (PMAA) having interaction with the first polymer material.
  • PSS poly 4-styrenesulfonic acid
  • PAA polyacrylic acid
  • PMAA polymethacrylic acid
  • the third polymer material may be one of PSS, PAA, and PMAA. If the first polymer material is PVPON, the third polymer material may be PAA. If the first polymer material is PDDA, the third polymer material may be PSS.
  • FIG 8 illustrates stretch yarns before and after the LBL process in accordance with embodiments of the present invention.
  • reference numerals 211, 212, and 213 denote rubber, nylon-covered rubber and wool, respectively, before the LBL process
  • reference numerals 221, 222, and 223 denote three cycles, respectively.
  • the stretchable yarns 211, 212, 213 before the LBL process are white, and the stretchable yarns 221, 222, 223 after the LBL process turn black by the GNP coating. have.
  • reference numeral 231 denotes a case in which elastic yarn is composed of rubber
  • reference numeral 232 denotes a case in which elastic yarn is composed of nylon-covered rubber
  • reference numeral 233 denotes elastic yarn.
  • the case consists of wool.
  • FIG. 10 illustrates a change in the relative resistance of a strain sensor according to strain applied after the LBL process in accordance with embodiments of the present invention.
  • the relative resistance of the strain sensor increases exponentially with respect to the increase in the strain applied when the elastic yarn is composed of the rubber RY. It can also be seen that the relative resistance of the strain sensor increases linearly with increasing strain applied when the elastic yarn is composed of nylon-covered rubber (NCRY). In addition, it can be seen that the relative resistance of the strain sensor decreases linearly with respect to the increase in the applied strain when the elastic yarn is made of wool (WY).
  • rubber-based strain sensors have high sensitivity and can be used for small scale motion sensing, and nylon-covered rubber-based strain sensors can be used for large scale motion sensing.
  • FIG. 11 shows electron microscope images before and after strain is applied to a strain sensor according to embodiments of the present invention.
  • reference numerals 241 and 242 represent electron microscope images before and after strain is applied to the strain sensor when the strain sensor is composed of rubber
  • reference numerals 243 and 244 denote nylon-covers of the strain sensor.
  • reference numerals 245 and 246 denote electron microscope before and after the strain is applied to the strain sensor when the strain sensor is composed of wool Represents an image.
  • FIG. 12 illustrates a change in the relative resistance of the strain sensor according to the applied strain when the strain sensor according to the embodiments of the present invention is coated with PDMS on the surface of the GNP as shown in FIG. 3B.
  • the relative resistance of the strain sensor increases exponentially with respect to the increase in the strain applied when the elastic yarn is composed of the rubber RY. It can also be seen that the relative resistance of the strain sensor increases linearly with increasing strain applied when the elastic yarn is composed of nylon-covered rubber (NCRY).
  • PDMS coating on the surface of the GNP is to prevent the GNP layer from deviating from the surface when the size of the strain applied is large.
  • FIG. 13 illustrates a change in relative resistance when strain is repeatedly applied to a strain sensor according to embodiments of the present disclosure.
  • reference numeral 251 denotes a change in the relative resistance of the strain sensor when the strain sensor is composed of rubber and repeatedly applies up to 80% of the strain at a frequency of 1 Hz.
  • Reference numeral 252 denotes a change in the relative resistance of the strain sensor when the strain sensor is composed of nylon-covered rubber, when the strain up to 100% is repeatedly applied at a frequency of 1 Hz.
  • Reference numeral 252 denotes a change in the relative resistance of the strain sensor when the strain sensor is composed of wool, and when up to 40% of the strain is repeatedly applied at a frequency of 1 Hz.
  • 14A-14C show changes in the relative resistance of a strain sensor with the number of cycles of an LBL process in accordance with embodiments of the present invention.
  • FIG. 14A shows the relative resistance of the strain sensor in response to strain applied as the cycle number of the LBL process changes when the strain sensor is composed of rubber.
  • 14B shows the relative resistance of the strain sensor in response to strain applied as the cycle number of the LBL process changes when the strain sensor consists of a nylon-covered rubber.
  • 14C shows the relative resistance of a strain sensor in response to strain applied as the cycle number of the LBL process changes when the strain sensor consists of a nylon-covered rubber.
  • the sensitivity of the strain sensor is inversely proportional to the thickness of the GNP coating. That is, it can be seen that the sensitivity of the strain sensor 170 is controlled by controlling the thickness of the PVA coating and the GNP coating by adjusting the number of cycles of the LBL process.
  • FIG. 15 illustrates an application to which a strain sensor according to embodiments of the present invention is applied.
  • a rubber based strain sensor 310 is implemented in an elastomeric medical patch 320.
  • elastomeric medical patch 320 may be attached to a human neck.
  • Reference numerals 332 and 333 show that the elastomeric medical patch 320 on which the rubber-based strain sensor 310 is implemented is easily bent and easily stretched.
  • FIG. 16 illustrates a change in relative resistance according to various vocalizations of an elastomeric medical patch in which a strain sensor based on a rubber attached to the neck of FIG. 15 is implemented.
  • the strain sensor 310 can be used as an acoustic sensor.
  • the strain sensor 310 may be used to detect a breathing cycle.
  • FIG. 17 illustrates an application to which a strain sensor according to embodiments of the present invention is applied.
  • an elbow wrap 340 is fabricated with a strain sensor based on a nylon-covered rubber.
  • Reference numerals 341 to 343 indicate that the elbows are bent at 45 degrees, 90 degrees, and 135 degrees, respectively.
  • FIG. 18 shows the relative resistance according to the bend angle of the elbow wrap made with the strain sensor based on the nylon-covered rubber of FIG. 17.
  • the elbow wrap 340 made of the strain sensor based on the nylon-covered rubber of FIG. 17 increases in relative resistance as the bending angle increases.
  • FIG. 19 illustrates an application to which a strain sensor according to embodiments of the present invention is applied.
  • a glove 360 was made of a strain sensor according to embodiments of the present invention
  • the index finger of the glove 360 was made of a wool-based strain sensor
  • the stop was a nylon-covered rubber. Based on the strain sensor was produced.
  • FIG. 20 illustrates relative resistance according to the bending angle of the finger of the glove manufactured with the strain sensor of FIG. 19.
  • the index finger of the glove 360 made of the wool-based strain sensor and the stop of the answer 360 made of the strain sensor based on the nylon-covered rubber are different relative to the bending. It can be seen that the resistance change.
  • FIG. 21 illustrates a wearable device implemented with a strain sensor according to an embodiment of the present invention.
  • the wearable device 500 includes a strain sensor 510 based on a conductive material, a frame 520 on which the strain sensor 510 is mounted, and a resistance meter connected to the strain sensor 510. 530 may be included.
  • the resistance meter 530 may be connected to the strain sensor 510, and represent the magnitude of the strain applied to the strain sensor 510 as a resistance change.
  • Frame 520 is implemented in a flexible material can be attached to or worn on the human body.
  • the strain sensor 510 is controlled at low cost by alternately coating (laminating) a polymer material such as PVA and a conductive material such as graphene on a stretch yarn through a solution process. It can be manufactured to have the possible sensitivity. In addition, the size can be easily adjusted because it uses a stretchable yarn such as cloth.
  • Embodiments of the present invention can be widely applied to flexible electronics, biotechnology, diagnostic medicine and robotics.

Landscapes

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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
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 (19)

  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. 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.
  6. 제5항에 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.
  7. 제6항에 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.
  8. 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.
  9. 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.
  10. 제9항에 있어서, 상기 제2 고분자 물질은 폴리다이메틸실록산(polydimethylsiloxane, PDMS)인 것을 특징으로 하는 스트레인 센서의 제조 방법.
  11. 신축성 원사; 및
    상기 신축성 원사의 표면에 교번적으로 n(n은 2이상의 자연수)번 코팅된 제1 고분자 물질과 전도성 물질을 포함하는 스트레인 센서.
  12. 제11항에 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.
  13. 제12항에 있어서, 상기 제2 고분자 물질은 폴리다이메틸실록산(polydimethylsiloxane, PDMS)인 것을 특징으로 하는 스트레인 센서.
  14. 제11항에 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.
  15. 제11항에 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-coverred rubber)이고,
    상기 스트레인 센서는 인가되는 스트레인에 대하여 선형적으로 비례하는 상대 저항을 갖는 것을 특징으로 하는 스트레인 센서.
  16. 제11항에 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 갖는 것을 특징으로 하는 스트레인 센서.
  17. 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).
  18. 제17항에 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.
  19. 제17항에 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 구현되는 것을 특징으로 하는 웨어러블 디바이스.
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