WO2017150789A1 - 웨어러블 센서 및 그 제조방법 - Google Patents

웨어러블 센서 및 그 제조방법 Download PDF

Info

Publication number
WO2017150789A1
WO2017150789A1 PCT/KR2016/014423 KR2016014423W WO2017150789A1 WO 2017150789 A1 WO2017150789 A1 WO 2017150789A1 KR 2016014423 W KR2016014423 W KR 2016014423W WO 2017150789 A1 WO2017150789 A1 WO 2017150789A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
fiber
group
carbon nanotube
nanotube layer
self
Prior art date
Application number
PCT/KR2016/014423
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
지승현
김선희
Original Assignee
주식회사 엠셀
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 주식회사 엠셀 filed Critical 주식회사 엠셀
Priority to US16/081,875 priority Critical patent/US10890549B2/en
Publication of WO2017150789A1 publication Critical patent/WO2017150789A1/ko

Links

Images

Classifications

    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B5/00—Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons
    • A61B5/103—Detecting, measuring or recording devices for testing the shape, pattern, colour, size or movement of the body or parts thereof, for diagnostic purposes
    • A61B5/11—Measuring movement of the entire body or parts thereof, e.g. head or hand tremor, mobility of a limb
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N27/00—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
    • G01N27/02—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance
    • G01N27/04—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance by investigating resistance
    • G01N27/12—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance by investigating resistance of a solid body in dependence upon absorption of a fluid; of a solid body in dependence upon reaction with a fluid, for detecting components in the fluid
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B5/00—Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons
    • A61B5/68—Arrangements of detecting, measuring or recording means, e.g. sensors, in relation to patient
    • A61B5/6801—Arrangements of detecting, measuring or recording means, e.g. sensors, in relation to patient specially adapted to be attached to or worn on the body surface
    • A61B5/6802—Sensor mounted on worn items
    • A61B5/6804—Garments; Clothes
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N27/00—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
    • G01N27/02—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance
    • G01N27/04—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance by investigating resistance
    • G01N27/12—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance by investigating resistance of a solid body in dependence upon absorption of a fluid; of a solid body in dependence upon reaction with a fluid, for detecting components in the fluid
    • G01N27/125—Composition of the body, e.g. the composition of its sensitive layer
    • G01N27/127—Composition of the body, e.g. the composition of its sensitive layer comprising nanoparticles
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N33/00—Investigating or analysing materials by specific methods not covered by groups G01N1/00 - G01N31/00
    • G01N33/36—Textiles
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B2562/00—Details of sensors; Constructional details of sensor housings or probes; Accessories for sensors
    • A61B2562/02—Details of sensors specially adapted for in-vivo measurements
    • A61B2562/0285—Nanoscale sensors
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B2562/00—Details of sensors; Constructional details of sensor housings or probes; Accessories for sensors
    • A61B2562/12—Manufacturing methods specially adapted for producing sensors for in-vivo measurements
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B5/00—Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons
    • A61B5/103—Detecting, measuring or recording devices for testing the shape, pattern, colour, size or movement of the body or parts thereof, for diagnostic purposes
    • A61B5/11—Measuring movement of the entire body or parts thereof, e.g. head or hand tremor, mobility of a limb
    • A61B5/113—Measuring movement of the entire body or parts thereof, e.g. head or hand tremor, mobility of a limb occurring during breathing
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N33/00—Investigating or analysing materials by specific methods not covered by groups G01N1/00 - G01N31/00
    • G01N33/48—Biological material, e.g. blood, urine; Haemocytometers
    • G01N33/483—Physical analysis of biological material
    • G01N33/497—Physical analysis of biological material of gaseous biological material, e.g. breath

Definitions

  • the present invention relates to a wearable sensor and a method of manufacturing the same, and more particularly, to a wearable sensor and a method of manufacturing the same for detecting a change in resistance of the carbon nanotube layer according to the deformation of the fiber.
  • Conventional wearable devices are merely smart devices that are mounted only on specific parts of the body, such as watches and bracelets, and thus there is a limit in securing a sensitivity of a sensor capable of effectively detecting a change in a living body.
  • conventional wearable elements are not only inconvenient to wear because they are worn around the body separately in addition to clothes, and also have a problem that the worn part is stuffy when worn.
  • Patent Document 1 Korean Patent Publication No. 10-2015-0110414
  • the present invention forms a carbon nanotube layer on the fiber, thereby providing a wearable sensor excellent in wearing comfort without the tightness and inconvenience, and a method of manufacturing the same.
  • Wearable sensor is a fiber; A self-assembled monolayer formed on at least one surface of the fiber and including a functional group; A carbon nanotube layer formed on the self-assembled monolayer by adsorbing a plurality of carbon nanotubes to the self-assembled monolayer; And an electrode electrically connected to the carbon nanotube layer.
  • the self-assembled monolayer is a root group bonded to the surface of the fiber; And a functional group including the functional group and connected to the root group.
  • the functional group is an amine group (-NH), amino group (-NH 2 ), thiol group (-SH), carboxyl group (-COOH), formyl group (-CHO), cyanato group (-OCN), silanol group (Si- OH), a phosphine group (-PO 2 H 2 ), a phosphone group (-PO 3 H 2 ), a sulfone group (-SO 3 H), may be at least one selected from an epoxy group.
  • Hydroxyl (-OH) is formed on the surface of the carbon nanotubes
  • the hydroxyl group (-OH) of the carbon nanotubes and the functional group of the self-assembled monolayer may be ionically bonded.
  • the fiber may be made of an elastic material.
  • the change in resistance of the carbon nanotube layer due to the deformation of the fiber can be detected.
  • a wearable sensor manufacturing method comprises the steps of forming a self-assembled monolayer comprising a functional group on the fiber; Acid treating the carbon nanotubes; Dispersing the carbon nanotubes in a dispersion medium; And providing a dispersion solution in which the carbon nanotubes are dispersed in the dispersion medium on one surface of the fiber to form a carbon nanotube layer on the self-assembled monolayer.
  • a vacuum pressure may be formed on the other surface of the fiber to vacuum adsorb the carbon nanotubes on the self-assembled monolayer while filtering the dispersion solution.
  • the self-assembled monolayer may be formed on at least one surface of the fiber by supporting the fiber in a surface treatment solution including the functional group.
  • the method may further include forming a flexible protective layer coated on the carbon nanotube layer.
  • the carbon nanotube layer may be continuously formed on the self-assembled monolayer while transferring the fibers in a direction crossing the providing direction of the dispersion solution.
  • At least a portion of the carbon bonding is removed from the surface of the carbon nanotubes, and further comprising forming a hydroxyl group (-OH) on the surface of the carbon nanotubes from which the carbon bonding is removed. can do.
  • the functional group of the self-assembled monolayer and the hydroxyl group (-OH) of the carbon nanotube may be ionically bonded.
  • Wearable sensor by providing a carbon nanotube (CNT) on the fiber to form a carbon nanotube layer, by detecting or measuring the resistance change of the carbon nanotube layer according to the deformation of the fiber can do. Accordingly, the deformation of the fiber may be sensed through the change in resistance of the carbon nanotube layer, and the change in resistance of the wearer may be measured by measuring the change in resistance caused by the deformation of the fiber which is changed according to the change in the wearer's biometrics.
  • CNT carbon nanotube
  • the present invention after forming a self-assembled monolayer containing functional groups on the fiber and a hydroxyl group (-OH) on the surface of the carbon nanotube, by forming a carbon nanotube layer on the self-assembled monolayer formed on the fiber, By ionic bonding of the hydroxyl group and the bond between the fiber and the carbon nanotube layer can be improved, the sensitivity and durability of the wearable sensor can be improved.
  • the flexible protective layer may be coated on the carbon nanotube layer to prevent peeling of the carbon nanotube layer.
  • the carbon nanotube layer may be formed by vacuum adsorption, so that the carbon nanotube layer may be well adsorbed onto the fibers, and the process time for forming the carbon nanotube layer may be shortened.
  • the carbon nanotube layer may be formed by an in-line process while transferring fibers, thereby further improving mass productivity of the wearable sensor.
  • FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing a wearable sensor according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 2 is a conceptual diagram for explaining the bonding of the self-assembled monolayer and carbon nanotube layer according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 3 is a view for explaining the resistance change of the carbon nanotube layer according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 4 is a comparison graph of the wearable sensor and the comparative example according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 is a flow chart showing a wearable sensor manufacturing method according to another embodiment of the present invention.
  • Figure 6 is a schematic cross-sectional view showing a wearable sensor manufacturing process according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing a wearable sensor according to an embodiment of the present invention.
  • a wearable sensor includes a fiber 110; A self-assembled monolayer 120 formed on at least one surface of the fiber 110 and including a functional group; A plurality of carbon nanotubes 131 adsorbed onto the self-assembled monolayer 120 and formed on the self-assembled monolayer 120; And an electrode (not shown) electrically connected to the carbon nanotube layer 130.
  • the fiber 110 may be a garment material that can be worn on a human body, and may be synthetic fiber or the like.
  • the fiber 110 may be utilized in a wearable device, and each fiber 110 has a grain of different characteristics.
  • the fibers 110 vary in the amount of change in resistance compared to the length of the fiber 110, which may add directionality when the resistance of the carbon nanotube layer 130 is changed.
  • the carbon nanotubes 131 may remain on the surface of the fibers 110, and only the dispersion medium may pass through the fibers 110. Accordingly, when the fiber 110 is used, a vacuum adsorption method may be used to form the carbon nanotube layer 130. Detailed description of the vacuum adsorption method will be described later.
  • the self-assembled monolayer (SAM) 120 may include a functional group and may be formed on at least one surface of the fiber 110.
  • SAM self-assembled monolayer
  • the tube layer 130 may be well formed.
  • the carbon nanotube layer 130 may be formed on the self-assembled monolayer 120 by adsorbing a plurality of carbon nanotubes (CNTs 131) to the self-assembled monolayer 120.
  • the carbon nanotube layer 130 may vary in resistance due to a change in its surface area or a change in the number of contact points of the plurality of carbon nanotubes 131. Accordingly, the resistance of the carbon nanotube layer 130 may be changed according to the deformation of the fiber 110, and sensing may be performed using the resistance change of the carbon nanotube layer 130.
  • the wearable sensor using the carbon nanotubes 131 that can analyze the movement of the body through a high sensitivity change in the deformation of the length and area of the fiber 110 can be provided.
  • the carbon nanotube layer 130 may be formed on the fiber 110 to provide a wearable sensor having excellent fit without being frustrated and uncomfortable.
  • the electrode may be electrically connected to the carbon nanotube layer 130, and may be formed at both ends of the carbon nanotube layer 130.
  • the change in resistance of the carbon nanotube layer 130 may be sensed by flowing a current through the carbon nanotube layer 130 through an electrode (not shown).
  • the electrode may be formed by sewing with a conductive thread such as silver (Ag) yarn or gold (Au) yarn.
  • a conductive thread such as silver (Ag) yarn or gold (Au) yarn.
  • a current may be provided to the entire carbon nanotube layer 130 without being shorted, but also a current may be uniformly provided to the entire carbon nanotube layer 130, and an electrode may be simply formed.
  • the electrode may be formed without a separate etching process.
  • the fiber 110 and the carbon nanotube layer 130 are sewn together with a conductive thread, not only the electrode can be easily formed but also the fiber 110 and the carbon nanotube layer 130 are firmly bonded (or fixed). Can be.
  • the fiber 110 may be made of an elastic material.
  • the resistance of the carbon nanotube layer 130 should be changed according to the biomechanical movement of the wearer.
  • the fiber 110 when the fiber 110 is made of an elastic material, the fiber 110 may be deformed according to the biomechanical movement of the wearer, and the resistance of the carbon nanotube layer 130 may be changed according to the deformation of the fiber 110. Can be. Through this, the change in resistance of the carbon nanotube layer 130 according to the biomechanical movement of the wearer may be measured to detect the change in the wearer's biome.
  • the wearable sensor of the present invention may further include a flexible protective layer 140 coated on the carbon nanotube layer 130.
  • the protective layer 140 may be made of a flexible material and may be coated on the carbon nanotube layer 130.
  • the carbon nanotube layer 130 may be peeled off due to excessive deformation of the fiber 110 (for example, frequent deformation, deformation above the elastic limit of the carbon nanotube layer), or sudden deformation.
  • the peeling of the carbon nanotube layer 130 can be prevented through the flexible protective layer 140 that can be stretched according to the deformation of the fiber 110, and the surface area changes due to the deformation of the fiber 110.
  • the stress of the carbon nanotube layer 130 may be alleviated.
  • the protective layer 140 may be made of a resin, but is not particularly limited thereto, and the protective layer 140 may be a flexible material having excellent elastic force so as to be stretched according to the deformation of the fiber 110.
  • FIG. 2 is a conceptual view for explaining a combination of a self-assembled monolayer and a carbon nanotube layer according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 (a) is a conceptual view of a self-assembled monolayer formed on a fiber.
  • 2 is a schematic view of forming a hydroxyl group on the surface of the carbon nanotubes, and FIG.
  • the self-assembled monolayer 120 includes a root group 121 bonded to the surface of the fiber 110; And a functional group 123 including the functional group and connected to the root group 121.
  • the root group 121 may be combined with the surface of the fiber 110 and may be selected according to the type of the fiber 110.
  • a material eg, a silane system
  • Si silicon atom
  • the functional group 123 may include the functional group to impart functionality and may be connected to the root group 121.
  • the functional group 123 may be selected from various functional groups according to a part to be reacted afterward (ie, what substance to attach).
  • the self-assembled monolayer 120 may further include a backbone 122 connecting the root group 121 and the functional group 123.
  • the backbone 122 may consist primarily of alkyl chains and may be hydrocarbon chains or flo carbon chains.
  • the functional group is an amine group (-NH), amino group (-NH 2 ), thiol group (-SH), carboxyl group (-COOH), formyl group (-CHO), cyanato group (-OCN), silanol group (Si- OH), a phosphine group (-PO 2 H 2 ), a phosphone group (-PO 3 H 2 ), a sulfone group (-SO 3 H), may be at least one selected from an epoxy group.
  • a hydroxyl group (-OH) on the surface of the carbon nanotube 131 by charging the surface of the fiber 110 to the (+) through the functional group to impose an electrostatic force on the surface of the fiber 110
  • the functional group and the hydroxyl group may be ionically bonded. Accordingly, the bonding force between the fiber 110 and the carbon nanotube layer 130 (that is, the bonding force between the self-assembled monolayer and the carbon nanotube layer) can be improved.
  • the silane system may be selected as the root group 121 bonded to the surface of the fiber 110.
  • the surface treatment material (or solution) forming the self-assembled monolayer 120 is an amine group (-NH), amino group (-NH 2 ), thiol group (-SH), carboxyl group (-COOH), formyl group (- CHO), cyanato group (-OCN), silanol group (Si-OH), phosphine group (-PO 2 H 2 ), phosphone group (-PO 3 H 2 ), sulfone group (-SO 3 H), epoxy group
  • It may be a silane-based material (or solution) including at least one functional group selected, and may be aminosilane, 3-aminopropyltriethoxysilane (APTES), or the like.
  • the silane-based material Since the silane-based material has a group capable of connecting a polymer and an inorganic material at the same time, it can be combined with the fiber 110 well.
  • the root group 121 when using a hydroxyl group (-OH) on the surface of the natural fiber similar to glass fiber, silicon (Si) contained in the silane-based material ion-bonded with the hydroxyl group on the surface of the fiber 110, the root group 121 is a fiber It can be well bonded to the surface of (110). Therefore, when the silane-based material is used as the surface treatment material, the root group 121 may be well bonded to the surface of the fiber 110, so that the self-assembled monolayer 120 may be formed on the fiber 110.
  • the silane-based material it is possible to induce ions of the surface treatment material to the surface of the fiber 110 in a predetermined direction, and to charge the surface of the fiber 110 to impose an electrostatic force on the surface of the fiber 110 Can be.
  • the fiber 110 may be a natural fiber composite material utilizing a hydroxyl group on the surface of the natural fiber, or may form a hydroxyl group on the surface of the fiber 110 by activating the surface of the fiber 110.
  • the hydroxyl group may be formed on the surface of the fiber 110 so that the root group 121 may bind to the surface of the fiber 110 to activate the surface of the fiber 110.
  • the fiber 110 was immersed for 5 to 20 minutes in an RCA solution mixed with ammonia water (NH 4 OH), hydrogen peroxide (H 2 O 2 ), deionized water (DI water, H 2 O) in a 1: 1: 5
  • NH 4 OH ammonia water
  • H 2 O 2 hydrogen peroxide
  • DI water, H 2 O deionized water
  • the activated hydroxyl group (OH ⁇ ) and the silicon ions (Si 4 + ) of the silane-based material may be bonded to the surface of the fiber 110 to form a self-assembled monolayer 120.
  • the RCA solution may form a hydroxyl group on the surface of the fiber 110, it is possible to form a hydroxyl group on the surface of the fiber 110 in various ways, in addition to the surface of the fiber 110 in various ways It can be activated.
  • a hydroxyl group may be formed on the surface of the carbon nanotubes 131. As shown in FIG. 2B, at least a portion of carbon bonding is cut off from the surface of the carbon nanotube 131, and a hydroxyl group may be formed at a position where the carbon bonding is broken. When a hydroxyl group is formed on the surface of the carbon nanotubes 131, the hydroxyl group of the carbon nanotubes 131 and the functional group of the self-assembled monolayer 120 are ion-bonded so that the carbon nanotube layer 130 is well formed on the fiber 110. Can be adsorbed.
  • the hydroxyl group (-OH) of the carbon nanotube 131 and the functional group of the self-assembled monolayer 120 may be ionically bonded to each other. As illustrated in FIG. 2C, the hydroxyl group of the carbon nanotube 131 is ion-bonded with the functional group of the functional group 123 to form the carbon nanotube layer 130. For example, the hydroxyl (OH ⁇ ) group formed on the surface of the carbon nanotube 131 and the amine (NH + ) group of the functional group 123 may be ion-bonded. Accordingly, the fiber 110 and the carbon nanotube layer 130 are combined with more strong energy, so that the bonding force between the fiber 110 and the carbon nanotube layer 130 can be improved, and the sensitivity and durability of the wearable sensor are improved. Can be.
  • Figure 3 is a view for explaining the resistance change of the carbon nanotube layer according to an embodiment of the present invention
  • Figure 3 (a) is a figure before deformation of the fiber
  • Figure 3 (b) is a figure in which the fiber is deformed
  • 3 (c) is a graph showing a change in resistance and a change in sensitivity as the fiber is stretched.
  • the wearable sensor of the present invention may detect or measure a resistance change of the carbon nanotube layer 130 due to deformation of the fiber 110.
  • the resistance of the carbon nanotube layer 130 may be kept constant.
  • the fiber 110 that has maintained a constant shape is deformed as shown in FIG. 3B, the surface area of the carbon nanotube layer 130 or the number of contact points of the plurality of carbon nanotubes 131 according to the deformation of the fiber 110. By changing the resistance of the carbon nanotube layer 130 may be changed.
  • the resistance value of the carbon nanotube layer 130 may increase.
  • the fiber 110 increases (ie, as the surface area of the carbon nanotube layer increases)
  • the resistance value of the carbon nanotube layer 130 increases. This is because the length of the carbon nanotubes 131 is increased or the number or contact area of the carbon nanotubes 131 in contact with the fiber 110 is reduced.
  • the carbon nanotube layer 130 has a lower elastic limit than the fiber 110, the sensitivity may be lowered as the elastic limit approaches the elastic limit.
  • the sensitivity can be calculated by the following equation.
  • Sensitivity (S) R D -R I / L D -L I (R D : resistance at length change, R I : resistance without first length change, L D : length at length change, L I : initial length )
  • the wearable sensor of the present invention may perform sensing using the resistance change of the carbon nanotube layer 130.
  • the fiber 110 is made of an elastic material
  • the fiber 110 may be deformed according to the biomechanical movement of the wearer, and the resistance of the carbon nanotube layer 130 may be changed according to the deformation of the fiber 110.
  • the change in resistance of the carbon nanotube layer 130 according to the wearer's biomechanical movement may be measured to detect the change in the wearer's biome.
  • Figure 4 is a comparison graph of the wearable sensor and the comparative example according to an embodiment of the present invention
  • Figure 4 (a) is a graph showing the respiratory measurement of one embodiment and the comparative example of the present invention
  • Figure 4 (b) is for breathing It is a graph showing a change in the resistance value of one embodiment of the present invention and the comparative example.
  • Table 1 is a table showing the average resistance and sensitivity of one embodiment of the present invention and the comparative example when breathing for 60 seconds.
  • the wearable sensor of the present invention may have a sensitivity of 2 to 2.7. Sensitivity of 2 or more is superior to that of the comparative example which is a BioPAC sensor generally used in the prior art.
  • the BioPAC sensor is a sensor used for biosignal measurement, and is a sensor mainly used by a large number of conventional medical engineers. Accordingly, through the wearable sensor of the present invention, it is possible to provide a respiratory sensor (or biosignal measurement sensor) having excellent performance, and to detect biometric changes more precisely.
  • FIG. 5 is a flowchart illustrating a wearable sensor manufacturing method according to another exemplary embodiment of the present invention.
  • Wearable sensor manufacturing method comprises the steps of forming a self-assembled monolayer comprising a functional group on the fiber (110) (S100); Acid treatment of the carbon nanotubes (S200); Dispersing the carbon nanotubes in the dispersion medium (S300); And forming a carbon nanotube layer 130 on the self-assembled monolayer by providing a dispersion solution 13 in which the carbon nanotubes are dispersed in the dispersion medium on one surface of the fiber 110 (S400). It may include.
  • the self-assembled monolayer is a root group bonded to the surface of the fiber (110); A functional group comprising said functional group and connected to said root group; And it may include a backbone (backbone) connecting the root group and the functional group.
  • the root group may be combined with the surface of the fiber 110 and may be selected according to the type of the fiber 110. In general, a silane system (Si-) may be selected as the root group.
  • the backbone may be mainly composed of alkyl chains, hydrocarbon chains or flo carbon chains.
  • the functional group may include the functional group to impart functionality, and may be connected to the root group 121. In this case, the functional group may be selected from various functional groups according to the part to be reacted later (that is, what substance to attach).
  • the bonding force between the fiber 110 and the carbon nanotube layer 130 is improved, and thus the carbon nanotube layer is formed on the fiber 110. 130 may be well formed.
  • the self-assembled monolayer may be formed on at least one surface of the fiber 110 by supporting the fiber 110 in the surface treatment solution including the functional group.
  • the fiber 110 may be transported through a transfer unit (not shown) such as a conveyor belt and supported on the surface treatment solution.
  • the transfer unit (not shown) may be composed of a belt (not shown) in contact with the fiber 110 and a rotating roller (not shown) for moving the belt.
  • the surface treatment solution may further include a silane-based material as the root group bonded to the surface of the fiber 110.
  • the surface treatment solution may be aminosilane (Aminosilane), 3-aminopropyltriethoxysilane (3-aminopropyltriethoxysilane (APTES)) and the like.
  • Aminosilane aminosilane
  • APTES 3-aminopropyltriethoxysilane
  • the silane-based material has a group capable of connecting a polymer and an inorganic material at the same time, it can be combined with the fiber 110 well.
  • hydroxyl group (-OH) on the surface of the natural fiber similar to the glass fiber silicon (Si) contained in the silane-based material is ion-bonded with the hydroxyl group on the surface of the fiber 110, the root group is the fiber (110) It can be combined well with the surface of).
  • the root group when the silane-based material is included in the surface treatment solution, the root group may be well bonded to the surface of the fiber 110 so that the fiber 110 may be supported only by supporting the fiber 110 in the surface treatment solution. It is possible to form the self-assembled monolayer.
  • the surface treatment solution containing a silane-based material it is possible to induce ions of the surface treatment material to the surface of the fiber 110 in a predetermined direction, the surface of the fiber 110 to charge the fiber 110 It can impose an electrostatic force on the surface.
  • the surface treatment solution may include 1 to 10 wt% of the silane-based material including the functional group.
  • concentration of the silane-based material including the functional group is lower than 1 wt%, the amount of the root group and the functional group ions is small so that the formation rate of the self-assembled monolayer 120 on the surface of the fiber 110 is too slow, so that the overall The manufacturing process of a wearable sensor takes long, and the mass productivity of a wearable sensor falls. This becomes even more problematic when the wearable sensor is manufactured in an in-line method.
  • the self-assembling monolayer 120 continues to stagnate at step S100, thereby eliminating the advantages of the inline process.
  • the concentration of the silane-based material including the functional group is higher than 10 wt%, the formation speed of the self-assembled monolayer 120 on the surface of the fiber 110 is too fast to form the thickness of the self-assembled monolayer 120. It becomes difficult to control.
  • the concentration of the silane-based material including the functional group is higher than 10 wt%, the thickness of the self-assembled monolayer 120 is increased even in a short time. For this reason, it is difficult to control the thickness of the self-assembled monolayer 120 by adjusting only time.
  • the concentration of the silane-based material including the functional group is 10 wt% or less, if the concentration of the silane-based material including the functional group is kept constant, the thickness of the self-assembled monolayer 120 may be controlled according to time. Can be.
  • the fiber 110 may be a natural fiber composite material utilizing a hydroxyl group on the surface of the natural fiber, or may activate a surface of the fiber 110 to form a hydroxyl group on the surface of the fiber 110.
  • a hydroxyl group may be formed on the surface of the fiber 110 to enable the root group to bind to the surface of the fiber 110, thereby activating the surface of the fiber 110.
  • the fiber 110 is supported for 5 to 20 minutes in an RCA solution mixed with ammonia water (NH 4 OH), hydrogen peroxide (H 2 O 2 ), deionized water (DI water, H 2 O) in a 1: 1: 5
  • NH 4 OH ammonia water
  • H 2 O 2 hydrogen peroxide
  • DI water, H 2 O deionized water
  • the activated hydroxyl group (OH ⁇ ) and the silicon ions (Si 4 + ) of the silane-based material may be bonded to the surface of the fiber 110 to form the self-assembled monolayer.
  • the RCA solution may be sprayed to form a hydroxyl group on the surface of the fiber 110, and the hydroxyl group may be formed on the surface of the fiber 110 by various methods.
  • the surface of the fiber 110 may be formed by various methods. It can be activated.
  • the carbon nanotube (CNT) is acid treated (S200).
  • the carbon nanotubes may be acid treated to surface-treat the carbon nanotubes.
  • An acid treatment may form a dangling bond on the surface of the carbon nanotubes such that hydroxyl (-OH) is formed on the surface of the carbon nanotubes.
  • the carbon nanotubes may be acid treated using nitric acid.
  • the carbon nanotubes for example, 1 g
  • the carbon nanotubes may be placed in 99% nitric acid (for example, 150 ml) and acid treated.
  • the acid treatment can be carried out by a immersion method, the acid treatment can be carried out while stirring for 3 to 5 hours at a temperature of 100 to 150 °C for efficient surface treatment of the carbon nanotubes.
  • the carbon nanotubes taken out of nitric acid may be washed with ultrapure water (DI water) until the pH of the carbon nanotubes reaches 7 (or neutral).
  • DI water ultrapure water
  • the carbon nanotubes taken out of nitric acid may be rinsed 5 to 10 times with ultrapure water.
  • chlorine ions may react with carbon ions (C 4+ ) where carbon bonding is broken, thereby forming a chlorine group (—Cl) where carbon bonding is broken. For this reason, an unsaturated bond cannot be formed on the surface of the carbon nanotubes.
  • At least some carbon bonding may be removed from the surface of the carbon nanotubes.
  • carbon bonding may be broken through oxidation (or by energy or heat by acid), and an unsaturated bond may be formed on the surface of the carbon nanotubes.
  • the wearable sensor manufacturing method of the present invention may further include forming a hydroxyl group (—OH) on the surface of the carbon nanotubes from which carbon bonding is removed (S250).
  • a hydroxyl group is attached to a portion where the carbon bonding is removed from the surface of the carbon nanotubes, such that hydroxyl groups may be formed on the surface of the carbon nanotubes.
  • the hydroxyl group may also be provided by moisture in the air, or may be provided by water used in the washing process of the acid treated carbon nanotubes.
  • ultrapure water is used as the dispersion medium 11, it may be provided by the dispersion medium 11 as well.
  • the hydroxyl group of the carbon nanotubes and the functional group of the self-assembled monolayer are ion-bonded to allow the carbon nanotube layer 130 to be well adsorbed onto the fiber 110.
  • the functional group is an amine group (-NH), amino group (-NH 2 ), thiol group (-SH), carboxyl group (-COOH), formyl group (-CHO), cyanato group (-OCN), silanol group (Si- OH), a phosphine group (-PO 2 H 2 ), a phosphone group (-PO 3 H 2 ), a sulfone group (-SO 3 H), may be at least one selected from an epoxy group.
  • the surface of the fiber 110 may be charged with (+) through the functional group to impart an electrostatic force to the surface of the fiber 110, and the functional group may ionically bond with the hydroxyl group of the carbon nanotubes. Accordingly, the bonding force between the fiber 110 and the carbon nanotube layer 130 (that is, the bonding force between the self-assembled monolayer and the carbon nanotube layer) can be improved.
  • the carbon nanotube layer 130 may be formed by ionically bonding the hydroxyl group of the carbon nanotube to the functional group of the functional group.
  • the hydroxyl (OH ⁇ ) group formed on the surface of the carbon nanotubes and the amine (NH + ) group of the functional group may be ionically bonded. Accordingly, the fiber 110 and the carbon nanotube layer 130 are combined with more strong energy, so that the bonding force between the fiber 110 and the carbon nanotube layer 130 can be improved, and the sensitivity and durability of the wearable sensor are improved. Can be.
  • the carbon nanotubes are dispersed in the dispersion medium 11 (S300).
  • the carbon nanotubes may be uniformly dispersed in the dispersion medium 11, and the carbon nanotubes may be dispersed in the dispersion medium 11 and uniformly dispersed using ultrasonic dispersion or stirring.
  • the carbon nanotubes having a hydroxyl group formed on the surface thereof may be dispersed, the carbon nanotubes from which at least a portion of the carbon bonding is removed from the surface of the carbon nanotubes are placed in ultrapure water used as the dispersion medium 11 and the hydroxyl group is formed on the surface of the carbon nanotubes. May be formed.
  • the dispersion medium 11 may be ultrapure water (DI water) or the like, but is not particularly limited thereto.
  • the dispersion medium 11 may be a liquid in which the carbon nanotubes are not dissolved and do not affect the carbon nanotubes.
  • the carbon nanotube for example, 30 mg
  • ultrapure water for example, 1 L
  • the wearable sensor of the present invention may improve the uniformity and reliability of the carbon nanotube layer 130 on the fiber 110.
  • the carbon nanotubes are dispersed on the dispersion medium 11 to provide a dispersion solution 13 on one surface of the fiber 110 to form a carbon nanotube layer 130 on the self-assembled monolayer (S400).
  • the dispersion solution 13 of the carbon nanotube is provided on one side of the fiber 110 while flowing from one side of the fiber 110 to the other side, the dispersion medium 11 passes through the fiber 110 and exits downward. Only the carbon nanotubes are left (or filtered) on the fiber 110.
  • the dispersion solution 13 of the carbon nanotubes may be provided through the dispersion solution providing container 230.
  • the carbon nanotubes remaining on the fiber 110 are dried to form the carbon nanotube layer 130.
  • the carbon nanotube layer 130 may have a change in resistance due to a change in its surface area or a change in the number of contact points of the plurality of carbon nanotubes. Accordingly, the resistance of the carbon nanotube layer 130 may be changed according to the deformation of the fiber 110, and sensing may be performed by using the resistance change of the carbon nanotube layer 130.
  • the hydroxyl groups of the carbon nanotubes and the functional groups of the self-assembled monolayer are ion-bonded with each other, such that the fiber 110 and the carbon nanotube layer 130 are bonded with stronger energy, thereby the fiber 110 and the carbon nanotube layer (
  • the coupling force of 130 may be improved, and the sensitivity and durability of the wearable sensor may be improved.
  • the carbon nanotubes may be vacuum adsorbed onto the self-assembled monolayer while forming a vacuum pressure on the other surface of the fiber 110 to filter the dispersion solution 13.
  • a vacuum pressure may be formed on the other surface of the fiber 110, and a vacuum may be formed on the other surface of the fiber 110 by forming a vacuum in the vacuum container 220 connected thereto through the vacuum exhausting means 210.
  • the carbon nanotubes may be vacuum adsorbed onto the self-assembled monolayer.
  • the carbon nanotubes filtered by the dispersion solution 13 and remaining on the fiber 110 are vacuum-adsorbed on the self-assembled monolayer to form the carbon nanotube layer 130 on the self-assembled monolayer.
  • the carbon nanotube layer 130 is formed on the self-assembled monolayer by forming a vacuum pressure on the other surface of the fiber 110 and adsorbing the carbon nanotubes from one surface of the fiber 110 in the other direction.
  • the carbon nanotubes may penetrate to the inside of the fiber 110 by adsorption energy due to a strong vacuum pressure, and the carbon nanotube layer 130 may be effectively adsorbed onto the fiber 110.
  • the carbon nanotube layer 130 may be formed quickly because the dispersion medium 11 may exit the fiber 110 better than the vacuum medium does not form a vacuum. Accordingly, the process time for forming the carbon nanotube layer 130 can be shortened, and since the vacuum pressure is uniformly formed on the surface of the fiber 110, a uniform carbon nanotube layer 130 can be formed.
  • the carbon nanotube layer 130 is formed by a vacuum adsorption method
  • the carbon nanotubes which are not caught on the surface of the fiber 110 by vacuum pressure and escape with the dispersion medium 11 may occur.
  • the dispersion solution 13 of the carbon nanotubes of a predetermined amount (for example, 1 L) may be repeatedly filtered three to five times on the surface of the fiber 110 by vacuum adsorption.
  • almost all of the carbon nanotubes remain on the surface of the fiber 110 and almost all of the carbon nanotubes remaining on the surface of the fiber 110 are dried and deposited on the surface of the fiber 110. Can be.
  • the fiber 110 may be suitable for using the vacuum adsorption method, and the present invention uses the fiber 110 to use the vacuum adsorption method.
  • the fiber 110 may be utilized in the wearable device, there is a grain (grain) of different characteristics for each fiber (110). In this case, the fibers 110 may add directionality when the resistance is deformed because the amount of change in resistance relative to the length of the fiber 110 varies.
  • the functional group of the self-assembled monolayer and the hydroxyl group (-OH) of the carbon nanotube may be ion-bonded.
  • the carbon nanotube layer 130 may be formed by ion-bonding the functional group of the functional group included in the self-assembled monolayer and the hydroxyl group of the carbon nanotube.
  • the hydroxyl (OH ⁇ ) group formed on the surface of the carbon nanotubes and the amine (NH + ) group of the functional group may be ionically bonded. Accordingly, the fiber 110 and the carbon nanotube layer 130 are combined with more strong energy, so that the bonding force between the fiber 110 and the carbon nanotube layer 130 can be improved, and the sensitivity and durability of the wearable sensor are improved. Can be.
  • the carbon nanotube layer 130 may be formed by vacuum adsorption, and the carbon nanotube may penetrate into the fiber 110 by adsorption energy due to a strong vacuum pressure.
  • the hydroxyl group (OH ⁇ ) on the surface of the carbon nanotubes and the functional group (eg, NH + ) of the self-assembled monolayer formed on the surface of the fiber 110 may be ionically bonded. Accordingly, the fiber 110 and the carbon nanotube layer 130 may be combined with more strong energy. For this reason, a wearable sensor may be manufactured using the fiber 110 having the carbon nanotubes adsorbed (or coated) with higher durability using a vacuum adsorption method.
  • the carbon nanotubes are filtered to absorb the moisture 110 can be dried.
  • room temperature about 21-25 degreeC
  • the wearable sensor manufacturing method of the present invention may further include forming a flexible protective layer coated on the carbon nanotube layer 130 (S500).
  • the protective layer may be made of a flexible material, and may be coated on the carbon nanotube layer 130.
  • the carbon nanotube layer 130 may be peeled off due to excessive deformation of the fiber 110 (eg, frequent deformation, deformation above the elastic limit of the carbon nanotube layer), or rapid deformation.
  • the protective layer is coated on the carbon nanotube layer 130, the peeling of the carbon nanotube layer 130 may be prevented through the flexible protective layer that is stretchable according to the deformation of the fiber 110.
  • the stress of the carbon nanotube layer 130 due to the surface area change due to the deformation of the fiber 110 may be alleviated.
  • the protective layer may be made of a resin, but is not particularly limited thereto, and the protective layer may be a flexible material having excellent elastic force so as to be stretched according to the deformation of the fiber 110.
  • the carbon nanotubes may be vacuum-adsorbed to the fibers 110 by vacuum adsorption, followed by drying the fibers 110 and the carbon nanotubes to form a carbon nanotube layer 130.
  • the protective layer may be formed by coating a resin on the carbon nanotube layer 130 formed on the fiber 110. Accordingly, when the carbon nanotube layer 130 is peeled off and the fiber 110 is deformed through the protective layer, the carbon nanotubes may be prevented from being deformed.
  • the wearable sensor manufacturing method of the present invention may further include forming an electrode on the carbon nanotube layer 130.
  • the electrode may be electrically connected to the carbon nanotube layer 130, and may be formed at both ends of the carbon nanotube layer 130.
  • the resistance of the carbon nanotube layer 130 may be sensed by flowing a current through the electrode to the carbon nanotube layer 130.
  • the electrode may be formed by sewing with a conductive thread such as silver (Ag) or gold (Au). In this case, the current may be provided to the entire carbon nanotube layer 130 without being short-circuited, and the current may be uniformly provided to the entire carbon nanotube layer 130.
  • the electrode may be simply formed on the carbon nanotube layer 130, and after forming the protective layer, the electrode may be formed without a separate etching process.
  • an electrode may be formed on the carbon nanotube layer 130 as well as the fiber 110 and the carbon nanotube layer 130. ) Can be firmly coupled (or fixed).
  • FIG. 6 is a schematic cross-sectional view showing a wearable sensor manufacturing process according to another exemplary embodiment of the present invention.
  • the carbon nanotubes are continuously disposed on the self-assembled monolayer while transferring the fibers 110 in a direction intersecting with the direction in which the dispersion solution 13 is provided.
  • the tube layer can be formed.
  • carbon is simply adsorbing the carbon nanotubes on the self-assembled monolayer continuously while conveying the fibers 110 in a direction intersecting with the providing direction of the dispersion solution 13 (for example, the longitudinal direction of the fibers), carbon is simply The nanotube layer 130 may be formed. While transporting the fiber 110, the carbon nanotube layer 130 may be continuously formed on the fiber 110.
  • the carbon nanotube layer 130 may be formed on the fiber 110 (that is, on the self-assembled monolayer) while transferring the fiber 110.
  • the fiber 110 may be transported through a transfer unit (not shown) such as a conveyor belt to be supported on the surface treatment solution.
  • the fiber 110 supported on the surface treatment solution may be continuously transferred through the transfer unit (not shown) to provide a process position for forming the carbon nanotube layer 130.
  • the fiber 110 having the self-assembled monolayer can be continuously provided, and all processes for manufacturing the wearable sensor may be performed in an inline process as long as the dispersion solution 13 of the carbon nanotubes is continuously provided. have.
  • the mass production of the wearable sensor may be further improved by performing the process of manufacturing the wearable sensor while transferring the fiber 110 in an inline process.
  • the carbon nanotube layer is formed by providing the carbon nanotube on the fiber, so that the change in resistance of the carbon nanotube layer due to the deformation of the fiber can be sensed or measured. Accordingly, the deformation of the fiber may be sensed through the change in resistance of the carbon nanotube layer, and the change in resistance of the wearer may be measured by measuring the change in resistance caused by the deformation of the fiber which is changed according to the change in the wearer's biometrics.
  • the flexible protective layer may be coated on the carbon nanotube layer to prevent peeling of the carbon nanotube layer.
  • the carbon nanotube layer may be formed by vacuum adsorption, so that the carbon nanotube layer may be well adsorbed onto the fiber, and the process time for forming the carbon nanotube layer may be shortened.
  • the carbon nanotube layer may be formed by an in-line process while transferring fibers, thereby further improving mass productivity of the wearable sensor.

Landscapes

  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Pathology (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Immunology (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Biochemistry (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Heart & Thoracic Surgery (AREA)
  • Biomedical Technology (AREA)
  • Public Health (AREA)
  • Veterinary Medicine (AREA)
  • Surgery (AREA)
  • Animal Behavior & Ethology (AREA)
  • Biophysics (AREA)
  • Molecular Biology (AREA)
  • Medical Informatics (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • Nanotechnology (AREA)
  • Physiology (AREA)
  • Dentistry (AREA)
  • Oral & Maxillofacial Surgery (AREA)
  • Textile Engineering (AREA)
  • Food Science & Technology (AREA)
  • Medicinal Chemistry (AREA)
  • Chemical Or Physical Treatment Of Fibers (AREA)
  • Carbon And Carbon Compounds (AREA)

Abstract

본 발명은 섬유; 상기 섬유의 적어도 일면에 형성되고, 작용기를 포함하는 자가조립단층; 복수의 카본나노튜브가 상기 자가조립단층에 흡착되어 상기 자가조립단층 상에 형성되는 카본나노튜브층; 및 상기 카본나노튜브층에 전기적으로 연결되는 전극;을 포함하는 웨어러블 센서가 제시된다.

Description

웨어러블 센서 및 그 제조방법
본 발명은 웨어러블 센서 및 그 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 섬유의 변형에 따른 카본나노튜브층의 저항 변화를 감지하는 웨어러블 센서 및 그 제조방법에 관한 것이다.
최근 의료기술의 발달로 인한 건강 증진 욕구의 증가와 ICT(Information and Communications Technologies) 산업에 대한 관심도가 높아짐에 따라 사물인터넷을 이용한 다양한 웨어러블 헬스케어 기기들과 시스템이 등장하고 있다.
종래의 웨어러블 소자들은 시계, 팔찌 등 단순히 신체의 특정 부분에만 장착하는 스마트 기기에 그치고 있으며, 이에 따라 생체 변화를 효과적으로 감지할 수 있는 센서의 민감도를 확보하는 데에 한계가 있다. 또한, 종래의 웨어러블 소자들은 옷 외에 별도로 신체를 둘러 착용하기 때문에 착용이 불편할 뿐만 아니라 착용시에 착용 부위가 답답한 문제점도 있다.
이에 상시 착용이 가능하고 센서의 민감도가 보다 향상될 수 있도록 섬유 등의 의복 소재에 직접 센서를 코팅하여 웨어러블 기기를 구현하는 작업이 요구되고 있다. 하지만, 진정한 웨어러블 기기인 섬유형 기기(또는 센서)는 아직까지는 보급되지 못하고 있는 실정이다.
(특허문헌 1) 한국공개특허공보 제10-2015-0110414호
본 발명은 섬유 상에 카본나노튜브층을 형성함으로써, 답답함과 불편함 없이 착용감이 우수한 웨어러블 센서 및 그 제조방법을 제공한다.
본 발명의 일실시예에 따른 웨어러블 센서는 섬유; 상기 섬유의 적어도 일면에 형성되고, 작용기를 포함하는 자가조립단층; 복수의 카본나노튜브가 상기 자가조립단층에 흡착되어 상기 자가조립단층 상에 형성되는 카본나노튜브층; 및 상기 카본나노튜브층에 전기적으로 연결되는 전극;을 포함할 수 있다.
상기 카본나노튜브층 상에 코팅되는 연성의 보호층을 더 포함할 수 있다.
상기 자가조립단층은 상기 섬유의 표면에 결합되는 루트 그룹; 및 상기 작용기를 포함하고, 상기 루트 그룹과 연결되는 작용기 그룹;을 포함할 수 있다.
상기 작용기는 아민기(-NH), 아미노기(-NH2), 티올기(-SH), 카르복실기(-COOH), 포르밀기(-CHO), 시아나토기(-OCN), 실라놀기(Si-OH), 포스핀기(-PO2H2), 포스폰기(-PO3H2), 술폰기(-SO3H), 에폭시기 중에서 선택된 적어도 어느 하나일 수 있다.
상기 카본나노튜브의 표면에는 수산화기(-OH)가 형성되고,
상기 카본나노튜브의 수산화기(-OH)와 상기 자가조립단층의 작용기가 이온 결합될 수 있다.
상기 섬유는 신축성 소재로 이루어질 수 있다.
상기 섬유의 변형에 의한 상기 카본나노튜브층의 저항 변화를 감지할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 웨어러블 센서 제조방법은 섬유에 작용기를 포함하는 자가조립단층을 형성하는 단계; 카본나노튜브를 산처리하는 단계; 상기 카본나노튜브를 분산매에 분산시키는 단계; 및 상기 카본나노튜브가 상기 분산매에 분산된 분산 용액을 상기 섬유의 일면 상에 제공하여 상기 자가조립단층 상에 카본나노튜브층을 형성하는 단계;를 포함할 수 있다.
상기 카본나노튜브층을 형성하는 단계에서는 상기 섬유의 타면에 진공압을 형성하여 상기 분산 용액을 여과하면서 상기 카본나노튜브를 상기 자가조립단층 상에 진공 흡착시킬 수 있다.
상기 자가조립단층을 형성하는 단계에서는 상기 작용기를 포함하는 표면처리 용액에 상기 섬유를 담지하여 상기 섬유의 적어도 일면에 상기 자가조립단층을 형성할 수 있다.
상기 카본나노튜브층 상에 코팅되는 연성의 보호층을 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 카본나노튜브층을 형성하는 단계에서는 상기 분산 용액의 제공 방향과 교차되는 방향으로 상기 섬유를 이송하면서 상기 자가조립단층 상에 연속적으로 상기 카본나노튜브층을 형성할 수 있다.
상기 카본나노튜브를 산처리하는 단계에서는 상기 카본나노튜브의 표면에서 적어도 일부의 카본 본딩이 제거되고, 카본 본딩이 제거된 상기 카본나노튜브의 표면에 수산화기(-OH)를 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 카본나노튜브층을 형성하는 단계에서는 상기 자가조립단층의 작용기와 상기 카본나노튜브의 수산화기(-OH)가 이온 결합할 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따른 웨어러블 센서는 섬유 상에 카본나노튜브(Carbon NanoTube; CNT)를 제공하여 카본나노튜브층을 형성함으로써, 섬유의 변형에 따른 카본나노튜브층의 저항 변화를 감지 또는 측정할 수 있다. 이에 따라 카본나노튜브층의 저항 변화를 통해 섬유의 변형을 감지할 수 있고, 착용자의 생체 변화에 따라 변화되는 섬유의 변형에 의한 저항 변화를 측정하여 착용자의 생체 변화를 감지할 수도 있다.
또한, 본 발명에서는 섬유에 작용기를 포함하는 자가조립단층을 형성하고 카본나노튜브의 표면에 수산화기(-OH)를 형성한 후, 섬유에 형성된 자가조립단층 상에 카본나노튜브층을 형성함으로써, 작용기와 수산화기의 이온 결합으로 섬유와 카본나노튜브층의 결합력이 향상될 수 있고, 웨어러블 센서의 민감도 및 내구성이 향상될 수 있다. 그리고 카본나노튜브층 상에 연성의 보호층을 코팅하여 카본나노튜브층의 박리를 방지할 수도 있다.
한편, 본 발명의 웨어러블 센서 제조방법에서는 진공 흡착에 의해 카본나노튜브층을 형성하여 카본나노튜브층이 섬유에 잘 흡착될 수 있을 뿐만 아니라 카본나노튜브층의 형성을 위한 공정 시간을 단축할 수도 있다. 또한, 섬유를 이송시키면서 인라인(In-line) 공정으로 카본나노튜브층을 형성하여 웨어러블 센서의 양산성을 보다 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 웨어러블 센서를 나타낸 개략 단면도.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 자가조립단층과 탄소나노튜브층의 결합을 설명하기 위한 개념도.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 탄소나노튜브층의 저항 변화를 설명하기 위한 그림.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 웨어러블 센서와 비교예의 비교 그래프.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 웨어러블 센서 제조방법을 나타낸 순서도.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 웨어러블 센서 제조공정을 나타낸 개략 단면도.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 더욱 상세히 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. 설명 중, 동일 구성에 대해서는 동일한 참조부호를 부여하도록 하고, 도면은 본 발명의 실시예를 정확히 설명하기 위하여 크기가 부분적으로 과장될 수 있으며, 도면상에서 동일 부호는 동일한 요소를 지칭한다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 웨어러블 센서를 나타낸 개략 단면도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 웨어러블 센서는 섬유(110); 상기 섬유(110)의 적어도 일면에 형성되고, 작용기를 포함하는 자가조립단층(120); 복수의 카본나노튜브(131)가 상기 자가조립단층(120)에 흡착되어 상기 자가조립단층(120) 상에 형성되는 카본나노튜브층(130); 및 상기 카본나노튜브층(130)에 전기적으로 연결되는 전극(미도시);을 포함할 수 있다.
섬유(110)는 사람의 신체에 착용할 수 있는 의복 소재일 수 있는데, 합성섬유 등일 수 있다. 그리고 섬유(110)는 웨어러블 디바이스에 활용할 수 있으며, 섬유(110)마다 다른 특성의 결(grain)이 있다. 이때, 섬유(110)들은 그 결에 따라 늘어나는 길이 대비 저항의 변화량이 달라 카본나노튜브층(130)의 저항 변화시 방향성을 부가해줄 수 있다. 또한, 섬유(110)는 사이사이가 뚫려 있으므로, 카본나노튜브(131)는 섬유(110)의 표면에 남아있을 수 있고, 분산매만 섬유(110)를 통과하여 빠져나갈 수 있다. 이에 따라 섬유(110)를 사용하게 되면, 카본나노튜브층(130)을 형성하는 데에 진공흡착법을 사용할 수 있다. 진공흡착법에 대한 자세한 설명은 후술하도록 한다.
자가조립단층(Self-Assembled Monolayer; SAM, 120)은 작용기를 포함할 수 있고, 섬유(110)의 적어도 일면에 형성될 수 있다. 섬유(110)의 표면에 자가조립단층(120)을 형성하여 섬유(110)를 표면처리하면, 섬유(110)와 카본나노튜브층(130)의 결합력이 향상되어 섬유(110) 상에 카본나노튜브층(130)이 잘 형성될 수 있다.
카본나노튜브층(130)은 복수의 카본나노튜브(Carbon NanoTube; CNT, 131)가 자가조립단층(120)에 흡착되어 자가조립단층(120) 상에 형성될 수 있다. 또한, 카본나노튜브층(130)은 그 표면적의 변화 또는 복수의 카본나노튜브(131)의 접촉점 개수의 변화에 의해 저항이 변화될 수 있다. 이에 섬유(110)의 변형에 따라 카본나노튜브층(130)의 저항이 변화될 수 있고, 카본나노튜브층(130)의 저항 변화를 이용하여 센싱(sensing)을 수행할 수도 있다. 그리고 섬유(110)의 길이 및 면적의 변형시 고감도의 저항 변화를 통해 신체의 움직임을 분석할 수 있는 카본나노튜브(131)를 이용한 웨어러블 센서를 제공할 수 있다. 또한, 카본나노튜브층(130)이 섬유(110) 상에 형성되어 답답함과 불편함 없이 착용감이 우수한 웨어러블 센서를 제공할 수도 있다.
전극(미도시)은 카본나노튜브층(130)에 전기적으로 연결될 수 있는데, 카본나노튜브층(130)의 양쪽 끝단에 형성될 수 있다. 전극(미도시)을 통해 카본나노튜브층(130)에 전류를 흘려주어 카본나노튜브층(130)의 저항 변화를 센싱할 수 있다.
한편, 전극(미도시)은 은(Ag)사(絲), 금(Au)사 등 전도성 실(絲)로 바느질하여 형성할 수도 있다. 이러한 경우, 단락되는 부분없이 카본나노튜브층(130) 전체에 전류가 제공될 수 있을 뿐만 아니라 카본나노튜브층(130) 전체에 균일하게 전류를 제공할 수 있고, 간단하게 전극을 형성할 수 있다. 또한, 보호층(140)을 형성한 후에도 별도의 식각(etching) 공정없이 전극을 형성할 수 있다. 그리고 전도성 실로 섬유(110)와 카본나노튜브층(130)을 함께 바느질하면, 간단하게 전극을 형성할 수 있을 뿐만 아니라 섬유(110)와 카본나노튜브층(130)을 단단히 결합(또는 고정)시킬 수 있다.
섬유(110)는 신축성 소재로 이루어질 수 있다. 사람의 생체 변화(예를 들어, 호흡 등)를 감지(sensing)하기 위해서는 착용자의 생체역학적 움직임에 따라 카본나노튜브층(130)의 저항이 변화되어야 한다. 이때, 섬유(110)가 신축성 소재로 이루어지는 경우에는 착용자의 생체역학적 움직임에 따라 섬유(110)가 변형될 수 있고, 섬유(110)의 변형에 따라 카본나노튜브층(130)의 저항이 변화될 수 있다. 이를 통해 착용자의 생체역학적 움직임에 따른 카본나노튜브층(130)의 저항 변화를 측정하여 착용자의 생체 변화를 감지할 수 있다.
본 발명의 웨어러블 센서는 카본나노튜브층(130) 상에 코팅되는 연성의 보호층(140)을 더 포함할 수 있다. 보호층(140)은 연성의 재질로 이루어질 수 있고, 카본나노튜브층(130) 상에 코팅될 수 있다. 카본나노튜브층(130)은 섬유(110)의 과도한 변형(예를 들어, 잦은 변형, 카본나노튜브층의 탄성한계 이상의 변형 등) 또는 급격한 변형으로 인해 박리될 수도 있다. 하지만, 본 발명에서는 섬유(110)의 변형에 따라 신축 가능한 연성의 보호층(140)을 통해 카본나노튜브층(130)의 박리를 방지할 수 있고, 섬유(110)의 변형에 따른 표면적 변화로 인한 카본나노튜브층(130)의 응력(stress)을 완화시켜 줄 수 있다. 보호층(140)은 수지(resin)로 이루어질 수 있는데, 이에 특별히 한정되지 않고, 섬유(110)의 변형에 따라 신축이 될 수 있도록 탄성력이 우수한 연성의 소재이면 족하다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 자가조립단층과 탄소나노튜브층의 결합을 설명하기 위한 개념도로, 도 2(a)는 섬유 상에 형성된 자가조립단층의 개념도이며, 도 2(b)는 탄소나노튜브의 표면에 수산화기가 형성되는 개면도이고, 도 2(c)는 자가조립단층과 탄소나노튜브층의 결합 개념도이다.
도 2를 참조하면, 자가조립단층(120)은 섬유(110)의 표면에 결합되는 루트 그룹(121); 및 상기 작용기를 포함하고, 루트 그룹(121)과 연결되는 작용기 그룹(123);을 포함할 수 있다. 루트 그룹(121)은 섬유(110)의 표면과 결합할 수 있고, 섬유(110)의 종류에 따라 선택할 수 있다. 이때, 루트 그룹(121)은 일반적으로 실리콘 원자(Si)를 포함하는 물질(예를 들어, 실란계)이 선택될 수 있다.
작용기 그룹(123)은 기능성을 부여할 수 있는 상기 작용기를 포함할 수 있고, 루트 그룹(121)과 연결될 수 있다. 이때, 작용기 그룹(123)은 이후 반응이 될 부분(즉, 어떤 물질을 붙일 것이냐)에 따라 다양한 작용기 중에서 선택될 수 있다.
또한, 자가조립단층(120)은 루트 그룹(121)과 작용기 그룹(123)을 연결하는 백본(backbone, 122)을 더 포함할 수 있다. 백본(122)은 주로 알킬 사슬로 구성될 수 있고, 하이드로 카본 체인이나 플로 카본 체인들일 수 있다.
상기 작용기는 아민기(-NH), 아미노기(-NH2), 티올기(-SH), 카르복실기(-COOH), 포르밀기(-CHO), 시아나토기(-OCN), 실라놀기(Si-OH), 포스핀기(-PO2H2), 포스폰기(-PO3H2), 술폰기(-SO3H), 에폭시기 중에서 선택된 적어도 어느 하나일 수 있다. 상기 작용기를 통해 섬유(110)의 표면을 (+)로 대전시켜 섬유(110)의 표면에 정전기력을 부과할 수 있고, 카본나노튜브(131)의 표면에 수산화기(-OH)를 형성하는 경우에는 상기 작용기와 수산화기가 이온 결합할 수 있다. 이에 따라 섬유(110)와 카본나노튜브층(130)의 결합력(즉, 자가조립단층과 카본나노튜브층의 결합력)을 향상시킬 수 있다.
섬유(110)에 자가조립단층(120)을 형성하는 경우에는 섬유(110)의 표면에 결합되는 루트 그룹(121)으로 실란계가 선택될 수 있다. 이때, 자가조립단층(120)을 형성하는 표면처리 물질(또는 용액)은 아민기(-NH), 아미노기(-NH2), 티올기(-SH), 카르복실기(-COOH), 포르밀기(-CHO), 시아나토기(-OCN), 실라놀기(Si-OH), 포스핀기(-PO2H2), 포스폰기(-PO3H2), 술폰기(-SO3H), 에폭시기 중 선택된 적어도 어느 하나의 작용기를 포함하는 실란계 물질(또는 용액)일 수 있고, 아미노실란(Aminosilane), 3-아미노프로필트리에톡시실란(3-aminopropyltriethoxysilane; APTES) 등일 수 있다. 상기 실란계 물질은 고분자 및 무기물을 연결할 수 있는 기를 동시에 갖고 있으므로, 섬유(110)와 잘 결합할 수 있다. 이때, 유리섬유와 유사하게 천연섬유 표면의 수산화기(-OH)를 활용하는 경우에는 실란계 물질에 포함된 실리콘(Si)이 섬유(110) 표면의 수산화기와 이온 결합하여 루트 그룹(121)이 섬유(110)의 표면에 잘 결합될 수 있다. 따라서, 표면처리 물질로 실란계 물질을 사용하는 경우에는 루트 그룹(121)이 섬유(110)의 표면에 잘 결합될 수 있어 섬유(110)에 자가조립단층(120)이 형성될 수 있다. 또한, 실란계 물질을 사용하면, 표면처리 물질의 이온들을 일정한 방향으로 섬유(110)의 표면에 유도시킬 수 있고, 섬유(110)의 표면을 대전시켜 섬유(110)의 표면에 정전기력을 부과할 수 있다.
섬유(110)는 천연섬유 표면의 수산화기를 활용한 천연섬유 복합재료일 수도 있고, 섬유(110)의 표면을 활성화시켜 섬유(110)의 표면에 수산화기를 형성할 수도 있다. 루트 그룹(121)이 섬유(110)의 표면에 잘 결합하도록 섬유(110)의 표면에 수산화기를 형성하여 섬유(110)의 표면을 활성화할 수 있다. 이때, 암모니아수(NH4OH), 과산화수소(H2O2), 탈이온수(DI water, H2O)를 1:1:5로 혼합한 RCA 용액에 섬유(110)를 5 내지 20분간 침지하여 섬유(110)의 표면에 수산화기를 형성함으로써, 자가조립단층(120)의 형성이 잘 될 수 있도록 유도할 수 있다. 예를 들어, 섬유(110)의 표면에 활성화된 수산화기(OH-)와 실란계 물질의 실리콘 이온(Si4 +)이 결합하여 자가조립단층(120)을 형성할 수 있다. 한편, RCA 용액을 분사하며 섬유(110)의 표면에 수산화기를 형성할 수도 있고, 다양한 방법으로 섬유(110)의 표면에 수산화기를 형성할 수 있으며, 이 외에도 다양한 방법으로 섬유(110)의 표면을 활성화할 수 있다.
카본나노튜브(131)의 표면에는 수산화기(-OH)가 형성될 수 있다. 도 2(b)와 같이 카본나노튜브(131)의 표면에서 적어도 일부의 카본 본딩이 끊어지고, 카본 본딩이 끊어진 자리에 수산화기가 형성될 수 있다. 카본나노튜브(131)의 표면에 수산화기가 형성되면, 카본나노튜브(131)의 수산화기와 자가조립단층(120)의 작용기가 이온 결합함으로써 카본나노튜브층(130)이 섬유(110) 상에 잘 흡착될 수 있다.
그리고 카본나노튜브(131)의 수산화기(-OH)와 자가조립단층(120)의 작용기는 서로 이온 결합할 수 있다. 도 2(c)와 같이 카본나노튜브(131)의 수산화기가 작용기 그룹(123)의 작용기와 이온 결합하여 카본나노튜브층(130)이 형성될 수 있다. 예를 들어, 카본나노튜브(131)의 표면에 형성된 수산화(OH-)기와 작용기 그룹(123)의 아민(NH+)기가 이온 결합할 수 있다. 이에 따라 섬유(110)와 카본나노튜브층(130)이 더욱 강한 에너지로 결합하게 되어 섬유(110)와 카본나노튜브층(130)의 결합력이 향상될 수 있고, 웨어러블 센서의 민감도 및 내구성이 향상될 수 있다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 탄소나노튜브층의 저항 변화를 설명하기 위한 그림으로, 도 3(a)는 섬유의 변형 전 그림이며, 도 3(b)는 섬유가 변형된 그림이고, 도 3(c)는 섬유가 늘어남에 따른 저항 변화와 민감도 변화를 나타낸 그래프이다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 웨어러블 센서는 섬유(110)의 변형에 의한 카본나노튜브층(130)의 저항 변화를 감지 또는 측정할 수 있다. 도 3(a)와 같이 섬유(110)가 일정한 형태를 유지하면, 카본나노튜브층(130)의 저항이 일정하게 유지될 수 있다. 그리고 일정한 형태를 유지하던 섬유(110)가 도 3(b)와 같이 변형되면, 섬유(110)의 변형에 따라 카본나노튜브층(130)의 표면적 또는 복수의 카본나노튜브(131)의 접촉점 개수가 변화하여 카본나노튜브층(130)의 저항이 변화될 수 있다.
본 발명의 웨어러블 센서는 섬유(110)가 늘어날수록 카본나노튜브층(130)의 저항값이 증가할 수 있다. 섬유(110)가 늘어날수록(즉, 카본나노튜브층의 표면적이 늘어날수록) 카본나노튜브층(130)의 저항값이 증가하는 것은 도 3(c)에서 확인할 수 있다. 이러한 이유는 카본나노튜브(131)의 길이가 늘어나거나 섬유(110)에 접촉되는 카본나노튜브(131)의 접촉점 개수 또는 접촉 면적이 줄어들기 때문이다. 한편, 카본나노튜브층(130)은 탄성한계가 섬유(110)보다 낮기 때문에 섬유(110)의 변형으로 탄성한계에 가까워질수록 민감도(Sensitivity)가 저하될 수 있다. 여기서, 민감도는 하기식으로 계산될 수 있다.
민감도(S) = RD - RI / LD - LI (RD: 길이변화 시 저항, RI: 최초 길이변화가 없을 때의 저항, LD: 길이변화 시 길이, LI: 최초 길이)
그리고 본 발명의 웨어러블 센서는 섬유(110)의 변형에 따라 카본나노튜브층(130)의 저항이 변화될 수 있으므로, 카본나노튜브층(130)의 저항 변화를 이용하여 센싱을 수행할 수 있다. 섬유(110)가 신축성 소재로 이루어지는 경우에는 착용자의 생체역학적 움직임에 따라 섬유(110)가 변형되고, 섬유(110)의 변형에 따라 카본나노튜브층(130)의 저항이 변화될 수 있다. 이를 통해 착용자의 생체역학적 움직임에 따른 카본나노튜브층(130)의 저항 변화를 측정하여 착용자의 생체 변화를 감지할 수도 있다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 웨어러블 센서와 비교예의 비교 그래프로, 도 4(a)는 본 발명의 일실시예와 비교예의 호흡 측정을 나타낸 그래프이고, 도 4(b)는 호흡에 따른 본 발명의 일실시예와 비교예의 저항값 변화를 나타낸 그래프이다.
표 1은 60초 동안 호흡할 때, 본 발명의 일실시예와 비교예의 평균 저항 및 민감도를 나타낸 표이다.
호흡(60초) 평균 저항(Ω) 민감도
실시예(호기) 8404.74 2.54
실시예(흡기) 3308.36
비교예(호기) 20242.66 1.803
비교예(흡기) 36500.19
도 4 및 표 1을 참조하면, 본 발명의 웨어러블 센서는 2 내지 2.7의 민감도를 가질 수 있다. 2 이상의 민감도는 종래에 일반적으로 사용되고 있는 BioPAC 센서인 비교예보다 우수한 민감도이다. 여기서, BioPAC 센서는 생체신호계측을 위해서 사용하는 센서로서, 종래에 의공학을 하는 사람들의 다수가 주로 사용하고 있는 센서이다. 이에 본 발명의 웨어러블 센서를 통해 성능이 우수한 호흡센서(또는 생체신호계측 센서)를 제공할 수 있고, 보다 정밀하게 생체 변화를 감지할 수 있다.
한편, 본 발명의 일실시예와 비교예는 도 4(a)에서 그래프 간에 약간의 시간 차이가 발생하고, 표 1에서 호기·흡기 시 평균 저항의 높고 낮음이 반대가 된다. 이는 센서의 민감도에는 관계가 없으며, 본 발명의 웨어러블 센서는 복부에 착용하고 비교예로 사용된 BioPAC 센서는 흉부에 착용했기 때문으로 판단된다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 웨어러블 센서 제조방법을 나타낸 순서도이다.
도 5를 참조하여 본 발명의 다른 실시예에 따른 웨어러블 센서 제조방법을 보다 상세히 살펴보는데, 본 발명의 일실시예에 따른 웨어러블 센서와 관련하여 앞서 설명된 부분과 중복되는 사항들은 생략하도록 한다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 웨어러블 센서 제조방법은 섬유(110)에 작용기를 포함하는 자가조립단층을 형성하는 단계(S100); 카본나노튜브를 산처리하는 단계(S200); 상기 카본나노튜브를 분산매(11)에 분산시키는 단계(S300); 및 상기 카본나노튜브가 상기 분산매에 분산된 분산 용액(13)을 상기 섬유(110)의 일면 상에 제공하여 상기 자가조립단층 상에 카본나노튜브층(130)을 형성하는 단계(S400);를 포함할 수 있다.
먼저, 섬유(110)에 작용기를 포함하는 자가조립단층을 형성한다(S100). 상기 자가조립단층은 섬유(110)의 표면에 결합되는 루트 그룹; 상기 작용기를 포함하고, 상기 루트 그룹과 연결되는 작용기 그룹; 및 상기 루트 그룹과 상기 작용기 그룹을 연결하는 백본(backbone)을 포함할 수 있다. 상기 루트 그룹은 섬유(110)의 표면과 결합할 수 있고, 섬유(110)의 종류에 따라 선택할 수 있다. 일반적으로는 실란계(Si-)가 상기 루트 그룹으로 선택될 수 있다. 그리고 상기 백본은 주로 알킬 사슬로 구성될 수 있고, 하이드로 카본 체인이나 플로 카본 체인들일 수 있다. 마지막으로, 상기 작용기 그룹은 기능성을 부여할 수 있는 상기 작용기를 포함할 수 있고, 루트 그룹(121)과 연결될 수 있다. 이때, 상기 작용기 그룹은 이후 반응이 될 부분(즉, 어떤 물질을 붙일 것이냐)에 따라 다양한 작용기 중에서 선택될 수 있다.
섬유(110)의 표면에 상기 자가조립단층을 형성하여 섬유(110)를 표면처리하면, 섬유(110)와 카본나노튜브층(130)의 결합력이 향상되어 섬유(110) 상에 카본나노튜브층(130)이 잘 형성될 수 있다.
상기 자가조립단층을 형성하는 단계(S100)에서는 상기 작용기를 포함하는 표면처리 용액에 섬유(110)를 담지하여 섬유(110)의 적어도 일면에 상기 자가조립단층을 형성할 수 있다. 여기서, 섬유(110)는 컨베이어 벨트(conveyor belt) 등의 이송부(미도시)를 통해 이송되어 상기 표면처리 용액에 담지될 수도 있다. 이때, 이송부(미도시)는 섬유(110)에 접촉되는 벨트(미도시)와 상기 벨트를 이동시키는 회전롤러(미도시)로 구성될 수도 있다. 상기 표면처리 용액은 섬유(110)의 표면에 결합되는 상기 루트 그룹으로 실란계 물질을 더 포함할 수 있다. 여기서, 상기 표면처리 용액은 아미노실란(Aminosilane), 3-아미노프로필트리에톡시실란(3-aminopropyltriethoxysilane; APTES) 등일 수 있다. 상기 실란계 물질은 고분자 및 무기물을 연결할 수 있는 기를 동시에 갖고 있으므로, 섬유(110)와 잘 결합할 수 있다. 이때, 유리섬유와 유사하게 천연섬유 표면의 수산화기(-OH)를 활용하는 경우에는 실란계 물질에 포함된 실리콘(Si)이 섬유(110) 표면의 수산화기와 이온 결합하여 상기 루트 그룹이 섬유(110)의 표면에 잘 결합될 수 있다. 따라서, 상기 표면처리 용액에 실란계 물질이 포함되는 경우에는 상기 루트 그룹이 섬유(110)의 표면에 잘 결합될 수 있어 상기 표면처리 용액에 섬유(110)를 담지하는 것만으로 섬유(110)에 상기 자가조립단층을 형성할 수 있게 된다. 또한, 실란계 물질이 포함된 상기 표면처리 용액을 사용하면, 표면처리 물질의 이온들을 일정한 방향으로 섬유(110)의 표면에 유도시킬 수 있고, 섬유(110)의 표면을 대전시켜 섬유(110)의 표면에 정전기력을 부과할 수 있다.
한편, 상기 표면처리 용액은 상기 작용기를 포함하는 실란계 물질을 1 내지 10 wt% 포함할 수 있다. 상기 작용기를 포함하는 실란계 물질의 농도가 1 wt%보다 낮게 되면, 상기 루트 그룹과 상기 작용기 이온들의 양이 작아 섬유(110)의 표면에 자가조립단층(120)의 형성 속도가 너무 느리게 되어 전체적인 웨어러블 센서의 제조공정이 오래 걸리게 되고, 웨어러블 센서의 양산성이 저하된다. 이는 인라인(In-line) 방식으로 웨어러블 센서를 제조할 경우에 더욱 문제가 되는데, 상기 자가조립단층(120)을 형성하는 단계(S100)에서 계속 정체가 되어 인라인 공정의 장점이 없어지게 된다. 반면에, 상기 작용기를 포함하는 실란계 물질의 농도가 10 wt%보다 높게 되면, 섬유(110)의 표면에 자가조립단층(120)의 형성 속도가 너무 빠르게 되어 자가조립단층(120)의 형성 두께를 제어하기 어려워진다. 상기 작용기를 포함하는 실란계 물질의 농도가 10 wt%보다 높은 경우, 짧은 시간에도 자가조립단층(120)의 두께가 늘어나게 된다. 이로 인해, 시간만을 조절하여 자가조립단층(120)의 형성 두께를 제어하기 어렵다. 하지만, 상기 작용기를 포함하는 실란계 물질의 농도가 10 wt% 이하인 경우에는 상기 작용기를 포함하는 실란계 물질의 농도를 일정하게 유지하면, 시간에 따라 자가조립단층(120)의 형성 두께를 제어할 수 있다.
그리고 섬유(110)는 천연섬유 표면의 수산화기를 활용한 천연섬유 복합재료일 수도 있고, 섬유(110)의 표면을 활성화시켜 섬유(110)의 표면에 수산화기를 형성할 수도 있다. 상기 루트 그룹이 섬유(110)의 표면에 잘 결합하도록 섬유(110)의 표면에 수산화기를 형성하여 섬유(110)의 표면을 활성화할 수 있다. 이때, 암모니아수(NH4OH), 과산화수소(H2O2), 탈이온수(DI water, H2O)를 1:1:5로 혼합한 RCA 용액에 섬유(110)를 5 내지 20분간 담지하여 섬유(110)의 표면에 수산화기를 형성함으로써, 상기 자가조립단층의 형성이 잘 될 수 있도록 유도할 수 있다. 예를 들어, 섬유(110)의 표면에 활성화된 수산화기(OH-)와 실란계 물질의 실리콘 이온(Si4 +)이 결합하여 상기 자가조립단층을 형성할 수 있다. 여기서, RCA 용액을 분사하며 섬유(110)의 표면에 수산화기를 형성할 수도 있고, 다양한 방법으로 섬유(110)의 표면에 수산화기를 형성할 수 있으며, 이 외에도 다양한 방법으로 섬유(110)의 표면을 활성화할 수 있다.
다음으로, 카본나노튜브(Carbon NanoTube; CNT)를 산처리한다(S200). 상기 카본나노튜브를 산처리하여 상기 카본나노튜브를 표면처리할 수 있다. 산처리에 의해 상기 카본나노튜브의 표면에 불포화 결합(dangling bond)을 형성시켜 수산화기(-OH)가 상기 카본나노튜브의 표면에 형성되도록 할 수 있다.
상기 카본나노튜브는 질산을 이용하여 산처리할 수 있다. 예를 들어, 상기 카본나노튜브(예를 들어, 1 g)를 99 % 질산(예를 들어, 150 ㎖)에 넣고 산처리할 수 있다. 이때, 담금법으로 산처리를 수행할 수 있는데, 효율적인 상기 카본나노튜브의 표면처리를 위해 100 내지 150 ℃의 온도로 3 내지 5 시간 동안 교반(stirring)시키면서 산처리를 수행할 수 있다. 질산에서 꺼낸 상기 카본나노튜브는 초순수(DI water) 등을 이용하여 상기 카본나노튜브의 pH가 7(또는 중성)이 될 때까지 세척공정을 진행할 수 있다. 예를 들어, 질산에서 꺼낸 상기 카본나노튜브를 초순수로 5 내지 10 회 헹구어 낼 수 있다.
한편, 염산으로 산처리하는 경우에는 염소 이온(Cl-)이 카본 본딩이 끊어진 자리의 탄소 이온(C4+)과 반응하여 카본 본딩이 끊어진 자리에 염소기(-Cl)가 형성될 수 있다. 이로 인해, 상기 카본나노튜브의 표면에 불포화 결합을 형성시킬 수 없다.
상기 카본나노튜브를 산처리하는 단계(S200)에서는 상기 카본나노튜브의 표면에서 적어도 일부의 카본 본딩이 제거될 수 있다. 상기 카본나노튜브를 산처리하면, 산화 과정을 통해(또는 산에 의한 에너지나 열에 의해) 카본 본딩이 끊어질 수 있고, 상기 카본나노튜브의 표면에 불포화 결합을 형성시킬 수 있다.
그리고 본 발명의 웨어러블 센서 제조방법은 카본 본딩이 제거된 상기 카본나노튜브의 표면에 수산화기(-OH)를 형성하는 단계(S250)를 더 포함할 수 있다. 상기 카본나노튜브의 표면에서 카본 본딩이 제거된 부분에는 수산화기가 달라붙어 상기 카본나노튜브의 표면에 수산화기가 형성될 수 있다. 수산화기는 공기 중의 수분에 의해서도 제공될 수 있고, 산처리된 상기 카본나노튜브의 세척 공정에서 사용되는 물에 의해 제공될 수도 있다. 또한, 분산매(11)로 초순수를 사용하는 경우에는 분산매(11)에 의해서도 제공될 수 있다. 상기 카본나노튜브의 표면에 수산화기가 형성되면, 상기 카본나노튜브의 수산화기와 상기 자가조립단층의 작용기가 이온 결합함으로써 카본나노튜브층(130)이 섬유(110) 상에 잘 흡착될 수 있다.
상기 작용기는 아민기(-NH), 아미노기(-NH2), 티올기(-SH), 카르복실기(-COOH), 포르밀기(-CHO), 시아나토기(-OCN), 실라놀기(Si-OH), 포스핀기(-PO2H2), 포스폰기(-PO3H2), 술폰기(-SO3H), 에폭시기 중에서 선택된 적어도 어느 하나일 수 있다. 상기 작용기를 통해 섬유(110)의 표면을 (+)로 대전시켜 섬유(110)의 표면에 정전기력을 부과할 수 있고, 상기 작용기가 상기 카본나노튜브의 수산화기와 이온 결합할 수 있다. 이에 따라 섬유(110)와 카본나노튜브층(130)의 결합력(즉, 자가조립단층과 카본나노튜브층의 결합력)을 향상시킬 수 있다.
그리고 상기 카본나노튜브의 수산화기가 상기 작용기 그룹의 작용기와 이온 결합하여 카본나노튜브층(130)이 형성될 수 있다. 예를 들어, 상기 카본나노튜브의 표면에 형성된 수산화(OH-)기와 상기 작용기 그룹의 아민(NH+)기가 이온 결합할 수 있다. 이에 따라 섬유(110)와 카본나노튜브층(130)이 더욱 강한 에너지로 결합하게 되어 섬유(110)와 카본나노튜브층(130)의 결합력이 향상될 수 있고, 웨어러블 센서의 민감도 및 내구성이 향상될 수 있다.
상기 카본나노튜브를 분산매(11)에 분산시킨다(S300). 상기 카본나노튜브를 분산매(11)에 균일하게 분산시킬 수 있는데, 상기 카본나노튜브를 분산매(11)에 넣고 초음파에 의한 분산법 또는 교반(Stirring)법을 이용하여 균일하게 분산시킬 수 있다. 여기서, 표면에 수산화기가 형성된 상기 카본나노튜브를 분산시킬 수도 있지만, 표면에서 적어도 일부의 카본 본딩이 제거된 상기 카본나노튜브를 분산매(11)로 사용하는 초순수에 넣고 상기 카본나노튜브의 표면에 수산화기를 형성할 수도 있다. 표면에서 적어도 일부의 카본 본딩이 제거된 상기 카본나노튜브를 초순수에 넣는 경우에는 상기 카본나노튜브 표면의 불포화 결합으로 인해 물 분자와의 인력이 증가하고 카본 본딩이 제거된 자리에 수산화기가 형성되어 상기 카본나노튜브의 표면이 (-)로 대전되면서 상기 카본나노튜브의 표면에 정전기력을 부과할 수 있다. 그리고 분산매(11)는 초순수(DI water) 등일 수 있는데, 이에 특별히 한정되지 않으며, 상기 카본나노튜브가 용해되지 않고 상기 카본나노튜브에 영향을 주지 않는 액체이면 족하다.
예를 들어, 초순수(예를 들어, 1 ℓ)에 상기 카본나노튜브(예를 들어, 30 ㎎)를 넣고, 18 내지 30 시간 교반(stirring)시키면서 분산 공정을 수행할 수 있다.
상기 카본나노튜브의 표면이 수산화기에 의해 (-)로 대전되면, 상기 카본나노튜브의 표면에 정전기력이 부과된다. 이로 인해, 상기 카본나노튜브의 침전 현상이나 상기 카본나노튜브가 서로 뭉치는 현상이 발생하지 않고 상기 카본나노튜브가 분산매(11)에 균일하게 분산되어 안정된 분산 용액(13)을 얻을 수 있다. 이에 섬유(110) 상의 카본나노튜브층(130)의 균일성과 신뢰성이 향상된 본 발명의 웨어러블 센서를 제조할 수 있다.
상기 카본나노튜브가 분산매(11)에 분산된 분산 용액(13)을 섬유(110)의 일면 상에 제공하여 상기 자가조립단층 상에 카본나노튜브층(130)을 형성한다(S400). 상기 카본나노튜브의 분산 용액(13)을 섬유(110)의 일면에서 타면으로 흘려보내면서 섬유(110)의 일면 상에 제공하면, 분산매(11)는 섬유(110)를 통과하여 밑으로 빠져나오고, 상기 카본나노튜브만 섬유(110) 상에 남게(또는 걸러지게) 된다. 여기서, 상기 카본나노튜브의 분산 용액(13)은 분산 용액 제공용기(230)를 통해 제공될 수 있다. 이렇게 섬유(110) 상에 남은 상기 카본나노튜브를 건조시켜 카본나노튜브층(130)을 형성하게 된다. 카본나노튜브층(130)은 그 표면적의 변화 또는 복수의 상기 카본나노튜브의 접촉점 개수의 변화에 의해 저항이 변화될 수 있다. 이에 섬유(110)의 변형에 따라 카본나노튜브층(130)의 저항이 변화될 수 있고, 카본나노튜브층(130)의 저항 변화를 이용하여 센싱(sensing)을 수행할 수 있다.
그리고 상기 카본나노튜브의 수산화기와 상기 자가조립단층의 작용기가 서로 이온 결합하여 섬유(110)와 카본나노튜브층(130)이 더욱 강한 에너지로 결합하게 됨으로써, 섬유(110)와 카본나노튜브층(130)의 결합력이 향상될 수 있고, 웨어러블 센서의 민감도 및 내구성이 향상될 수 있다.
상기 카본나노튜브층을 형성하는 단계(S400)에서는 섬유(110)의 타면에 진공압을 형성하여 분산 용액(13)을 여과하면서 상기 카본나노튜브를 상기 자가조립단층 상에 진공 흡착시킬 수 있다. 섬유(110)의 타면에 진공압을 형성할 수 있는데, 진공배기수단(210)를 통해 이와 연결된 진공 용기(220)에 진공을 형성하여 섬유(110)의 타면에 진공압이 형성되도록 할 수 있다. 이를 통해 상기 카본나노튜브를 상기 자가조립단층 상에 진공 흡착시킬 수 있다. 이때, 분산 용액(13)에서 여과(filtering)되어 섬유(110) 상에 남게 되는 상기 카본나노튜브가 상기 자가조립단층 상에 진공 흡착되어 상기 자가조립단층 상에 카본나노튜브층(130)을 형성할 수 있다. 섬유(110)의 타면에 진공압을 형성하여 상기 카본나노튜브를 섬유(110)의 일면에서 타면 방향으로 흡착시키는 진공흡착법에 의해 카본나노튜브층(130)을 상기 자가조립단층 상에 형성할 경우, 강한 진공압에 의한 흡착 에너지에 의해 섬유(110) 내부까지 상기 카본나노튜브가 침투할 수 있고, 카본나노튜브층(130)이 섬유(110) 상에 효과적으로 흡착될 수 있다. 그리고 진공압에 의해 분산매(11)가 진공을 형성하지 않는 것보다 섬유(110)를 잘 빠져나올 수 있기 때문에 빠르게 카본나노튜브층(130)을 형성할 수 있다. 이에 따라 카본나노튜브층(130)을 형성하는 공정 시간을 단축할 수 있으며, 섬유(110)의 표면에 균일하게 진공압이 형성되므로 균일한 카본나노튜브층(130)을 형성할 수 있다.
한편, 진공흡착법에 의해 카본나노튜브층(130)을 형성하는 경우, 진공압에 의해 섬유(110) 표면에 걸러지지 못하고 분산매(11)와 함께 빠져나오는 상기 카본나노튜브가 발생할 수 있다. 이로 인해, 일정량(예를 들어, 1 ℓ)의 상기 카본나노튜브의 분산 용액(13)을 가지고 진공흡착법으로 섬유(110) 표면에 3 내지 5회 반복하여 여과(filtering)시킬 수 있다. 이러한 경우, 거의 대부분의 상기 카본나노튜브가 섬유(110)의 표면에 남아있게 되고, 섬유(110)의 표면에 남아있는 거의 대부분의 상기 카본나노튜브가 건조되면서 섬유(110)의 표면에 증착될 수 있다.
그리고 진공흡착법으로 카본나노튜브층(130)을 형성하기 위해서는 사이사이가 뚫려있어 상기 카본나노튜브는 그 표면에 남아있고 분산매(11)만 빠져나가야 한다. 이러한 이유로, 진공흡착법을 사용하기에 섬유(110)가 적당할 수 있고, 본 발명에서는 진공흡착법을 사용하기 위해 섬유(110)를 사용한다. 또한, 섬유(110)의 경우에는 웨어러블 디바이스에 활용할 수 있으며, 섬유(110)마다 다른 특성의 결(grain)이 있다. 이때, 섬유(110)들은 그 결에 따라 늘어나는 길이 대비 저항의 변화량이 다르기 때문에 저항의 변형시 방향성을 부가해줄 수 있다.
상기 카본나노튜브층을 형성하는 단계(S400)에서는 상기 자가조립단층의 작용기와 상기 카본나노튜브의 수산화기(-OH)가 이온 결합할 수 있다. 상기 자가조립단층에 포함된 상기 작용기 그룹의 작용기와 상기 카본나노튜브의 수산화기가 이온 결합하여 카본나노튜브층(130)이 형성될 수 있다. 예를 들어, 상기 카본나노튜브의 표면에 형성된 수산화(OH-)기와 상기 작용기 그룹의 아민(NH+)기가 이온 결합할 수 있다. 이에 따라 섬유(110)와 카본나노튜브층(130)이 더욱 강한 에너지로 결합하게 되어 섬유(110)와 카본나노튜브층(130)의 결합력이 향상될 수 있고, 웨어러블 센서의 민감도 및 내구성이 향상될 수 있다.
따라서, 본 발명의 웨어러블 센서 제조방법은 진공흡착법으로 카본나노튜브층(130)을 형성하여 강한 진공압에 의한 흡착 에너지에 의해 섬유(110) 내부까지 상기 카본나노튜브가 침투할 수 있다. 그뿐만 아니라 상기 카본나노튜브 표면의 수산화기(OH-)와 섬유(110)의 표면에 형성된 상기 자가조립단층의 작용기(예를 들어, NH+)가 이온 결합할 수 있다. 이에 따라 더욱 강한 에너지로 섬유(110)와 카본나노튜브층(130)이 결합할 수 있다. 이러한 이유로, 진공흡착법을 사용하여 더욱 내구성이 높은 상기 카본나노튜브가 흡착(또는 코팅)된 섬유(110)로 웨어러블 센서를 제작할 수 있다.
한편, 상기 카본나노튜브가 걸러져 수분을 흡수하고 있는 섬유(110)는 건조될 수 있다. 이때, 실온(약 21 내지 25 ℃)에서 18 내지 30 시간 건조한 후에 30 내지 50 ℃에서 30분 내지 1시간 30분 건조시킬 수도 있고, 70 내지 90 ℃에서 완전히 건조시킬 수도 있다.
본 발명의 웨어러블 센서 제조방법은 카본나노튜브층(130) 상에 코팅되는 연성의 보호층을 형성하는 단계(S500)를 더 포함할 수 있다. 상기 보호층은 연성의 재질로 이루어질 수 있고, 카본나노튜브층(130) 상에 코팅될 수 있다. 섬유(110)의 과도한 변형(예를 들어, 잦은 변형, 카본나노튜브층의 탄성한계 이상의 변형 등) 또는 급격한 변형으로 인해 카본나노튜브층(130)이 박리될 수 있다. 하지만, 상기 보호층을 카본나노튜브층(130) 상에 코팅하는 경우에는 섬유(110)의 변형에 따라 신축 가능한 연성의 상기 보호층을 통해 카본나노튜브층(130)의 박리를 방지할 수 있고, 섬유(110)의 변형에 따른 표면적 변화로 인한 카본나노튜브층(130)의 응력(stress)을 완화시켜 줄 수 있다. 상기 보호층은 수지(resin)로 이루어질 수 있는데, 이에 특별히 한정되지 않고, 섬유(110)의 변형에 따라 신축이 될 수 있도록 탄성력이 우수한 연성의 소재이면 족하다.
예를 들어, 진공흡착법에 의해 상기 카본나노튜브를 섬유(110)에 진공 흡착시킨 후에 섬유(110)와 상기 카본나노튜브를 건조시켜 카본나노튜브층(130)을 형성할 수 있다. 그리고 섬유(110) 상에 형성된 카본나노튜브층(130) 상에 수지를 도포하여 연성의 상기 보호층을 형성할 수 있다. 이에 따라 상기 보호층을 통해 카본나노튜브층(130)의 박리 및 섬유(110)의 변형시 상기 카본나노튜브가 변형되는 것을 방지할 수 있다.
한편, 본 발명의 웨어러블 센서 제조방법은 카본나노튜브층(130) 상에 전극을 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다. 상기 전극은 카본나노튜브층(130)에 전기적으로 연결될 수 있는데, 카본나노튜브층(130)의 양쪽 끝단에 형성될 수 있다. 상기 전극을 통해 카본나노튜브층(130)에 전류를 흘려주어 카본나노튜브층(130)의 저항 변화를 센싱할 수 있다. 그리고 상기 전극은 은(Ag)사(絲), 금(Au)사 등 전도성 실(絲)로 바느질하여 형성할 수도 있다. 이러한 경우, 단락되는 부분없이 카본나노튜브층(130) 전체에 전류가 제공될 수 있을 뿐만 아니라 카본나노튜브층(130) 전체에 균일하게 전류를 제공할 수 있다. 또한, 간단하게 카본나노튜브층(130) 상에 전극을 형성할 수 있으며, 상기 보호층을 형성한 후에도 별도의 식각(etching) 공정없이 전극을 형성할 수 있다. 그리고 전도성 실로 섬유(110)와 카본나노튜브층(130)을 함께 바느질하면, 간단하게 카본나노튜브층(130) 상에 전극을 형성할 수 있을 뿐만 아니라 섬유(110)와 카본나노튜브층(130)을 단단히 결합(또는 고정)시킬 수 있다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 웨어러블 센서 제조공정을 나타낸 개략 단면도이다.
도 6을 참조하면, 상기 카본나노튜브층을 형성하는 단계(S400)에서는 분산 용액(13)의 제공 방향과 교차되는 방향으로 섬유(110)를 이송하면서 상기 자가조립단층 상에 연속적으로 상기 카본나노튜브층을 형성할 수 있다. 분산 용액(13)의 제공 방향과 교차되는 방향(예를 들어, 섬유의 길이방향)으로 섬유(110)를 이송시키면서 상기 자가조립단층 상에 연속적으로 상기 카본나노튜브를 진공 흡착시킴으로써, 간단하게 카본나노튜브층(130)을 형성할 수 있다. 섬유(110)를 이송하면서 섬유(110) 상에 연속적으로 카본나노튜브층(130)을 형성할 수 있다. 이때, 섬유(110)를 이송시키면서 인라인(In-line) 공정으로 섬유(110) 상에(즉, 상기 자가조립단층 상에) 카본나노튜브층(130)을 형성할 수 있다. 한편, 섬유(110)를 컨베이어 벨트(conveyor belt) 등의 이송부(미도시)를 통해 이송하여 상기 표면처리 용액에 담지할 수도 있다. 여기서, 상기 표면처리 용액에 담지된 섬유(110)를 상기 이송부(미도시)를 통해 계속 이송하여 카본나노튜브층(130)을 형성하는 공정 위치에 제공할 수도 있다. 이에 따라 상기 자가조립단층이 형성된 섬유(110)를 연속적으로 제공할 수 있고, 상기 카본나노튜브의 분산 용액(13)이 연속적으로 제공되기만 하면 웨어러블 센서를 제조하는 모든 공정을 인라인 공정으로 수행할 수 있다.
따라서, 섬유(110)를 이송시키면서 웨어러블 센서를 제조하는 공정을 인라인 공정으로 수행하여 웨어러블 센서의 양산성을 더욱 향상시킬 수 있다.
이처럼, 본 발명에서는 섬유 상에 카본나노튜브를 제공하여 카본나노튜브층을 형성함으로써, 섬유의 변형에 따른 카본나노튜브층의 저항 변화를 감지 또는 측정할 수 있다. 이에 따라 카본나노튜브층의 저항 변화를 통해 섬유의 변형을 감지할 수 있고, 착용자의 생체 변화에 따라 변화되는 섬유의 변형에 의한 저항 변화를 측정하여 착용자의 생체 변화를 감지할 수도 있다. 또한, 섬유에 작용기를 포함하는 자가조립단층을 형성하고 카본나노튜브의 표면에 수산화기(-OH)를 형성한 후, 섬유에 형성된 자가조립단층 상에 카본나노튜브층을 형성함으로써, 작용기와 수산화기의 이온 결합으로 섬유와 카본나노튜브층의 결합력이 향상될 수 있고, 웨어러블 센서의 민감도 및 내구성이 향상될 수 있다. 그리고 카본나노튜브층 상에 연성의 보호층을 코팅하여 카본나노튜브층의 박리를 방지할 수도 있다. 한편, 본 발명에서는 진공 흡착에 의해 카본나노튜브층을 형성하여 카본나노튜브층이 섬유에 잘 흡착될 수 있을 뿐만 아니라 카본나노튜브층의 형성을 위한 공정 시간을 단축할 수도 있다. 또한, 섬유를 이송시키면서 인라인(In-line) 공정으로 카본나노튜브층을 형성하여 웨어러블 센서의 양산성을 보다 향상시킬 수 있다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 기술적 보호범위는 아래의 특허청구범위에 의해서 정하여져야 할 것이다.

Claims (14)

  1. 섬유;
    상기 섬유의 적어도 일면에 형성되고, 작용기를 포함하는 자가조립단층;
    복수의 카본나노튜브가 상기 자가조립단층에 흡착되어 상기 자가조립단층 상에 형성되는 카본나노튜브층; 및
    상기 카본나노튜브층에 전기적으로 연결되는 전극;을 포함하는 웨어러블 센서.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 카본나노튜브층 상에 코팅되는 연성의 보호층을 더 포함하는 웨어러블 센서.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 자가조립단층은,
    상기 섬유의 표면에 결합되는 루트 그룹; 및
    상기 작용기를 포함하고, 상기 루트 그룹과 연결되는 작용기 그룹;을 포함하는 웨어러블 센서.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 작용기는 아민기(-NH), 아미노기(-NH2), 티올기(-SH), 카르복실기(-COOH), 포르밀기(-CHO), 시아나토기(-OCN), 실라놀기(Si-OH), 포스핀기(-PO2H2), 포스폰기(-PO3H2), 술폰기(-SO3H), 에폭시기 중에서 선택된 적어도 어느 하나인 웨어러블 센서.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 카본나노튜브의 표면에는 수산화기(-OH)가 형성되고,
    상기 카본나노튜브의 수산화기(-OH)와 상기 자가조립단층의 작용기가 이온 결합된 웨어러블 센서.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 섬유는 신축성 소재로 이루어진 웨어러블 센서.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 섬유의 변형에 의한 상기 카본나노튜브층의 저항 변화를 감지하는 웨어러블 센서.
  8. 섬유에 작용기를 포함하는 자가조립단층을 형성하는 단계;
    카본나노튜브를 산처리하는 단계;
    상기 카본나노튜브를 분산매에 분산시키는 단계; 및
    상기 카본나노튜브가 상기 분산매에 분산된 분산 용액을 상기 섬유의 일면 상에 제공하여 상기 자가조립단층 상에 카본나노튜브층을 형성하는 단계;를 포함하는 웨어러블 센서 제조방법.
  9. 청구항 8에 있어서,
    상기 카본나노튜브층을 형성하는 단계에서는 상기 섬유의 타면에 진공압을 형성하여 상기 분산 용액을 여과하면서 상기 카본나노튜브를 상기 자가조립단층 상에 진공 흡착시키는 웨어러블 센서 제조방법.
  10. 청구항 8에 있어서,
    상기 자가조립단층을 형성하는 단계에서는 상기 작용기를 포함하는 표면처리 용액에 상기 섬유를 담지하여 상기 섬유의 적어도 일면에 상기 자가조립단층을 형성하는 웨어러블 센서 제조방법.
  11. 청구항 8에 있어서,
    상기 카본나노튜브층 상에 코팅되는 연성의 보호층을 형성하는 단계를 더 포함하는 웨어러블 센서 제조방법.
  12. 청구항 8에 있어서,
    상기 카본나노튜브층을 형성하는 단계에서는 상기 분산 용액의 제공 방향과 교차되는 방향으로 상기 섬유를 이송하면서 상기 자가조립단층 상에 연속적으로 상기 카본나노튜브층을 형성하는 웨어러블 센서 제조방법.
  13. 청구항 8에 있어서,
    상기 카본나노튜브를 산처리하는 단계에서는 상기 카본나노튜브의 표면에서 적어도 일부의 카본 본딩이 제거되고,
    카본 본딩이 제거된 상기 카본나노튜브의 표면에 수산화기(-OH)를 형성하는 단계를 더 포함하는 웨어러블 센서 제조방법.
  14. 청구항 13에 있어서,
    상기 카본나노튜브층을 형성하는 단계에서는 상기 자가조립단층의 작용기와 상기 카본나노튜브의 수산화기(-OH)가 이온 결합하는 웨어러블 센서 제조방법.
PCT/KR2016/014423 2016-03-02 2016-12-09 웨어러블 센서 및 그 제조방법 WO2017150789A1 (ko)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US16/081,875 US10890549B2 (en) 2016-03-02 2016-12-09 Wearable sensor and method for manufacturing same

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020160025334A KR101768665B1 (ko) 2016-03-02 2016-03-02 웨어러블 센서 및 그 제조방법
KR10-2016-0025334 2016-03-02

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2017150789A1 true WO2017150789A1 (ko) 2017-09-08

Family

ID=59743332

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/KR2016/014423 WO2017150789A1 (ko) 2016-03-02 2016-12-09 웨어러블 센서 및 그 제조방법

Country Status (3)

Country Link
US (1) US10890549B2 (ko)
KR (1) KR101768665B1 (ko)
WO (1) WO2017150789A1 (ko)

Families Citing this family (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR102502547B1 (ko) * 2017-11-20 2023-02-22 한국생산기술연구원 탄소나노튜브 시트를 이용한 신축성 온도 센서 및 그 제조방법
US11823808B2 (en) 2018-09-19 2023-11-21 University Of Massachusetts Conductive composite materials fabricated with protein nanowires
US11982637B2 (en) * 2020-04-22 2024-05-14 University Of Massachusetts Sensors comprising electrically-conductive protein nanowires
KR20230166500A (ko) 2022-05-31 2023-12-07 주식회사 엠셀 움직임 센서 일체형 면상 발열시트 및 그 제조방법

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20110057267A (ko) * 2008-10-24 2011-05-31 가부시키가이샤 구라레 금속성 카본 나노 튜브의 제조 방법, 카본 나노 튜브 분산액, 카본 나노 튜브 함유막, 및 투명 도전막
KR101560595B1 (ko) * 2014-06-17 2015-10-16 한국기계연구원 도전성 입자가 포함된 나노탄소 하이브리드 섬유, 이의 제조방법 및 이를 이용한 기능성 섬유 조립체 및 반도체 장치
KR20160019570A (ko) * 2014-08-11 2016-02-22 연세대학교 산학협력단 전자섬유용 유연신축성 나노카본 잉크 소재, 상기 잉크 소재를 이용한 직물 전극 및 그 제조방법

Family Cites Families (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US10258288B2 (en) 2014-03-24 2019-04-16 Samsung Electronics Co., Ltd. Confidence indicator for physiological measurements using a wearable sensor platform
TWI581758B (zh) * 2015-07-29 2017-05-11 Far Eastern New Century Corp 布膜生理感測器
WO2017034090A1 (ko) * 2015-08-26 2017-03-02 주식회사 퓨처플레이 스마트 인터렉션 장치

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20110057267A (ko) * 2008-10-24 2011-05-31 가부시키가이샤 구라레 금속성 카본 나노 튜브의 제조 방법, 카본 나노 튜브 분산액, 카본 나노 튜브 함유막, 및 투명 도전막
KR101560595B1 (ko) * 2014-06-17 2015-10-16 한국기계연구원 도전성 입자가 포함된 나노탄소 하이브리드 섬유, 이의 제조방법 및 이를 이용한 기능성 섬유 조립체 및 반도체 장치
KR20160019570A (ko) * 2014-08-11 2016-02-22 연세대학교 산학협력단 전자섬유용 유연신축성 나노카본 잉크 소재, 상기 잉크 소재를 이용한 직물 전극 및 그 제조방법

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
KIM, SUN HEE: "A Design of The Smart Clothing for Respiration Monitoring Using The Conductive Fabrics Coated with The Non-metal Materials", YONSEI UNIVERSITY, July 2015 (2015-07-01), pages 1 - 139 *
LUO, JI ET AL.: "A Silver Nanoparticle-Modified Evanescent Field Optical Fiber Sensor for Methylene Blue Detection", SENSORS, vol. 13, no. 3, 21 March 2013 (2013-03-21), pages 3986 - 3997, XP055602853 *

Also Published As

Publication number Publication date
US20190094168A1 (en) 2019-03-28
US10890549B2 (en) 2021-01-12
KR101768665B1 (ko) 2017-08-17

Similar Documents

Publication Publication Date Title
WO2017150789A1 (ko) 웨어러블 센서 및 그 제조방법
Li et al. A flexible humidity sensor based on silk fabrics for human respiration monitoring
CN110864828B (zh) 一种银纳米线/MXene柔性应力传感器的制备方法
CN111118889B (zh) 一种多功能柔性传感纤维膜及其制备方法和应用
CN107421995B (zh) 一种基于AgVO3纳米线的呼吸传感器及其制备方法
CN107429398A (zh) 多官能化的碳纳米管
JP6608340B2 (ja) ベルトカバー
Chen et al. A bioinspired multilayer assembled microcrack architecture nanocomposite for highly sensitive strain sensing
KR20150121350A (ko) 전자섬유 및 이의 제조방법
Lin et al. An all‐nanofiber‐based, breathable, ultralight electronic skin for monitoring physiological signals
KR102076767B1 (ko) 발열 섬유원단 및 발열 섬유원단 제조방법
Sun et al. Hydrophobic multifunctional flexible sensors with a rapid humidity response for long-term respiratory monitoring
Wang et al. Self-adhesive protein/polypyrrole hybrid film for flexible electronic sensors in physiological signal monitoring
Hu et al. Use of graphene-based fabric sensors for monitoring human activities
CN106236086B (zh) 生物电波检测设备、识别传感器、其干性电极及制作方法
WO2020155195A1 (zh) 一种柔性温度传感器
WO2020106353A1 (en) Thread-based real-time monitoring of bodily fluids
Sinha et al. Wearable humidity sensor embroidered on a commercial face mask and its electrical properties
KR20190067538A (ko) 웨어러블 센서 및 그 제조방법
CN111766000A (zh) 基于微尺度皱纹的金薄膜柔性裂纹传感器
CN111156891A (zh) 一种本征可拉伸应变传感器及其制备方法与应用
WO2022124683A1 (ko) 살균 마스크
CN109269394A (zh) 一种以pdms为基底材料的导电薄膜及其制备方法
KR20200116257A (ko) 신축성 하이브리드 섬유 및 이의 제조 방법
CN209657821U (zh) 一种可拉伸式导电薄膜

Legal Events

Date Code Title Description
NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE

122 Ep: pct application non-entry in european phase

Ref document number: 16892802

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1