WO2021006425A1 - 고신축성 고분자 복합체 스트레인 센서 및 그 제조 방법 - Google Patents

고신축성 고분자 복합체 스트레인 센서 및 그 제조 방법 Download PDF

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WO2021006425A1
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strain sensor
polymer composite
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polymer resin
cip
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이행기
장대익
윤현노
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한국과학기술원
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    • G01L1/2287—Measuring force or stress, in general by measuring variations in ohmic resistance of solid materials or of electrically-conductive fluids; by making use of electrokinetic cells, i.e. liquid-containing cells wherein an electrical potential is produced or varied upon the application of stress using resistance strain gauges constructional details of the strain gauges
    • G01L1/2293—Measuring force or stress, in general by measuring variations in ohmic resistance of solid materials or of electrically-conductive fluids; by making use of electrokinetic cells, i.e. liquid-containing cells wherein an electrical potential is produced or varied upon the application of stress using resistance strain gauges constructional details of the strain gauges of the semi-conductor type

Definitions

  • the present invention relates to a strain sensor, and more particularly, a polymer resin mixed with conductive nanoparticles such as multi-walled carbon nanotubes (MWCNT) and carbonyl iron powder (CIP) capable of controlling the strength of a magnetic field to control the body or robot It relates to a highly stretchable polymer composite strain sensor capable of monitoring the movement of the back and a method of manufacturing the same.
  • MWCNT multi-walled carbon nanotubes
  • CIP carbonyl iron powder
  • Strain sensor is a device that can effectively perform static and dynamic tests, structural stability tests, etc. by measuring strain such as tension or compression of various structures such as aircraft structures, automobile structures, various machine tools, bridges, and ships. In general, it is composed by attaching a strain gauge on a thin epoxy film and connecting wires. When a current is applied to a wire, the resistance generated in the wire is inversely proportional to the cross-sectional area of the wire and is proportional to the length. When a strain sensor is attached to the specimen and a load is applied, the specimen increases or decreases according to the load, and Variation occurs, and the basic principle of the strain sensor is to measure the strain by measuring the change in resistance due to the change in length and cross-sectional area.
  • Such a strain sensor can be used to monitor the movement of a person or to control the movement of a robot, and the need for this is increasing in recent years.
  • Korean Patent Registration No. 10-1087539 discloses a polymer composite including a three-dimensional network of carbon nanotubes grown in a three-dimensional network in horizontal and vertical directions, and a strain sensor using the same. have.
  • the conventional strain sensor using a polymer composite such as the registered patent has low elasticity and is difficult to apply as a strain sensor for monitoring the movement of a person or a robot.
  • the polymer-based strain sensor mixed with nanoparticles has different resistance values depending on the application field of the sensor, and each field requires different optimized resistance values.
  • the present invention is to solve the above-described conventional problem, and an object of the present invention is to provide a highly stretchable polymer composite strain sensor that has high elasticity and can have a suitable resistance value according to an application field, and a method of manufacturing the same.
  • the highly stretchable polymer composite strain sensor according to the present invention for achieving the above object may be made by mixing conductive nanoparticles and carbonyl iron powder (CIP) capable of controlling the strength of a magnetic field in a polymer resin.
  • CIP carbonyl iron powder
  • the strain sensor of the present invention may be made by further mixing PSS (Polysodium 4-styren sulfonate) as a dispersant for dispersing conductive nanoparticles in the polymer resin.
  • PSS Polysodium 4-styren sulfonate
  • the conductive nanoparticles may include multi-walled carbon nanotubes (MWCNT).
  • MWCNT multi-walled carbon nanotubes
  • the conductive nanoparticles are mixed in an amount of 0.1 to 5.0 parts by weight per 100 parts by weight of the polymer resin, and the CIP is mixed in an amount of 10 to 50 parts by weight per 100 parts by weight of the polymer resin,
  • the PSS may be mixed in an amount of 0.1 to 5.0 parts by weight based on 100 parts by weight of the polymer resin.
  • the carbonyl iron powder (CIP) is mixed with a polymer resin and then formed by forming a chain-structured conductive network under a magnetic field.
  • the strain sensor has a maximum resistance change rate of 700% or more in a 50-100% tensile force range, a gauge factor of 37 or more, a peak shift of 6% or less, and an R-suare value of 95% or more.
  • the conductive nanoparticles may be dispersed by additionally adding PSS (Polysodium 4-styren sulfonate) to the toluene solution.
  • PSS Polysodium 4-styren sulfonate
  • the conductive nanoparticles are mixed in 0.1 to 5.0 parts by weight based on 100 parts by weight of the polymer resin, the CIP is mixed in 10 to 50 parts by weight based on 100 parts by weight of the polymer resin, and the PSS is 0.1 parts by weight based on 100 parts by weight of the polymer resin. It can be incorporated in ⁇ 5.0 parts by weight to form a polymer composite.
  • a magnetic field may be applied to the polymer composite in the mold at a predetermined intensity for a predetermined time.
  • step (S2) preparing a polymer composite by mixing the mixture solution prepared in step (S1) with a polymer resin
  • the conductive nanoparticles may be dispersed by additionally adding PSS (Polysodium 4-styren sulfonate) to the toluene solution.
  • PSS Polysodium 4-styren sulfonate
  • a magnetic field may be applied to the polymer composite in the mold at a predetermined intensity for a predetermined time.
  • the strain sensor is made of a polymer composite in which conductive nanoparticles, CIP, and PSS are mixed in a highly elastic polymer resin, and has excellent resistance change rate, gauge factor value, and reaction speed, so it is applied to human body or robot. So that movement can be accurately detected.
  • the strain sensor of the present invention may have an initial resistance value suitable for a field to which the strain sensor is applied by forming a chain-structured conductive network by arranging CIPs in a polymer composite by a magnetic field.
  • the strain sensor of the present invention can control the arrangement of CIP by applying a magnetic field of a predetermined intensity to the polymer composite in the mold using the magnetic field-initial resistance value relational equation derived through FEMM simulation during the manufacturing process. May have an initial resistance value suitable for the field to which is applied.
  • FIG. 1 is a diagram showing the configuration of a strain sensor according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a view showing an example of operation of the strain sensor shown in FIG.
  • FIG. 3 is a schematic diagram illustrating a method of manufacturing a strain sensor according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is a diagram illustrating an example of applying a magnetic field to a mold in a manufacturing process of a strain sensor according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 is a diagram illustrating a mechanism for changing the arrangement of CIPs occurring in the step of applying a magnetic field shown in FIG. 4.
  • FIG. 6 is a graph showing the relationship between the magnetic field and the initial resistance value derived through FEMM simulation.
  • FIG. 8 is a graph showing a gauge factor for a comparative example and an example of a strain sensor in a tensile load.
  • 9 is a graph showing the reaction rate through peak shift measurement for the comparative examples and examples of the strain sensor under repeated tensile load.
  • 10 is a graph showing the repeatability test results for the comparative examples and examples of the strain sensor under repeated tensile load.
  • FIG 1 and 2 show a strain sensor 100 according to an embodiment of the present invention, wherein the strain sensor 100 is connected to a sensor body 110 made of a polymer composite and both ends of the sensor body 110 It includes an electrode 120.
  • the sensor body 110 includes a conductive nanoparticle 112 in a polymer resin 111, a carbonyl iron powder (CIP) 113 capable of adjusting the strength of a magnetic field, and a dispersion of conductive nanoparticles in the polymer resin.
  • CIP carbonyl iron powder
  • PSS Polysodium 4-styren sulfonate
  • PSS Polysodium 4-styren sulfonate
  • a silicone polymer (Platinum-catalyzed silicones) which provides excellent elasticity may be used.
  • the conductive nanoparticles 112 are for making the polymer composite to have conductivity, and carbon nanotubes (CNTs), graphene, or the like may be applied.
  • Carbon nanotubes are tube-shaped nano-sized small particles and are used in various fields based on their unique structural, chemical, mechanical and electrical properties by strong chemical bonds called sp2. Although various types of carbon nanotubes may be used, it is preferable to use multi-wall carbon nanotubes (MWCNTs) having various lengths.
  • MWCNTs multi-wall carbon nanotubes
  • the conductive nanoparticles 112 are preferably mixed in an amount of 0.1 to 5.0 parts by weight based on 100 parts by weight of the polymer resin.
  • the strain sensor 100 for dormant motion monitoring requires appropriate sensitivity and sensing performance according to the applied field, and the initial resistance of the sensor is a very important factor to be considered.
  • the CIP (carbonyl iron powder) 113 is added to have an appropriate initial resistance value in the field to which the strain sensor 100 is applied, and CIP is a conductive nanoparticle (for example, a multi-walled carbon nanotube) in a polymer composite. ; MWCNT), the polarization phenomenon of CIP improves the electrical conductivity change when external load is applied.
  • the CIP is mixed with a polymer resin in the manufacturing process of the strain sensor 100 and then arranged under a magnetic field to form a chain-structured conductive network.
  • the CIP is preferably mixed in an amount of 10 to 50 parts by weight based on 100 parts by weight of the polymer resin.
  • PSS polysodium 4-styren sulfonate
  • conductive nanoparticles 112 for example, multi-walled carbon nanotubes
  • a polymer resin eg, silicone polymer
  • ultrasonic dispersion (sonification) is performed at 15 to 30° C. for a predetermined time (eg, 1 hour).
  • PSS Polysodium 4-styren sulfonate
  • MWCNT multi-walled carbon nanotubes
  • the CIP 113 is mixed with the silicone polymer 111 and mechanical stirring is performed for a predetermined time. At this time, 10 to 50 parts by weight of CIP is mixed with 100 parts by weight of the silicone polymer (step S2).
  • step S1 the mixture of the toluene solution, multi-walled carbon nanotubes (MWCNT), and PSS mixed in the step S1 is mixed with the mixture of the silicone polymer and CIP mixed in the step S2, and 80 to 120 rpm in the temperature range of 80 to 120°C.
  • a polymer composite is prepared by performing mechanical stirring for a certain time at a speed of (step S3).
  • the resulting polymer composite is poured into a mold (not shown) and cured to manufacture a strain sensor 100 made of a polymer composite.
  • a magnet is placed under the mold and a magnetic field is applied to adjust the arrangement of CIPs to form a chain-structured conductive network. Since the arrangement of the CIP varies depending on the strength of the magnetic field, the magnetic field strength of the magnet is varied and applied to have an initial resistance value suitable for the field to which the strain sensor 100 is applied.
  • the strength of a magnetic field to have an initial resistance value according to an application field may be determined using a magnetic field-initial resistance value relational equation derived through finite element method magnetics (FEMM) simulation.
  • FEMM finite element method magnetics
  • CIP is first mixed with a silicone polymer, which is a polymer resin, and then a mixed solution of toluene solution-multi-walled carbon nanotubes (MWCNT)-PSS is mixed with the silicone polymer mixed with the CIP.
  • a polymer composite was prepared, but differently, CIP was mixed with the mixed solution of the toluene solution-multi-walled carbon nanotubes (MWCNT)-PSS, and then the toluene solution-multi-walled carbon nanotubes (MWCNT)-PSS-CIP were mixed.
  • a polymer composite could also be prepared by mixing the solution with a polymer resin (silicone polymer).
  • Table 1 below shows the blending ratio of the polymer composite constituting the strain sensor, and the comparative example does not include CIP and PSS, and only incorporates multi-walled carbon nanotubes (MWCNT) as conductive nanoparticles in a silicone polymer.
  • Figures 1 and 2 show examples in which multi-walled carbon nanotubes (MWCNT), CIP, and PSS, as conductive nanoparticles are mixed in different ratios in a silicone polymer.
  • C2P0 is the specimen name of the comparative example
  • C2P3 and C2P5 are the specimen names of Examples 1 and 2, respectively.
  • the specimens of each example were manufactured through the steps of the first example of the manufacturing method described above.
  • FIG. 7 is a graph showing the resistance change rate of the strain sensor in a comparative example and example under a cyclic tensile load
  • FIG. 8 is a graph showing a gauge factor for a comparative example and an example of the strain sensor under a tensile load
  • FIG. It shows the reaction rate through peak shift measurement for the comparative examples and examples of the strain sensor under load.
  • Figure 10 shows the repeatability test results for Comparative Examples and Examples of the strain sensor under repeated tensile load.
  • the strain sensor of the present invention made of a polymer composite in which CIP and PSS are mixed has a maximum resistance change rate of 700% or more in a tensile force range of 50 to 100%, and a gauge factor of 37 or more.
  • the strain sensor 100 made of a polymer composite in which conductive nanoparticles, CIP, and PSS are mixed in a polymer resin can be stretched by 50 to 100%, and excellent resistance change rate, gauge factor value, and response in the tensile range. Since it has a speed, it is suitable for detecting movement by being applied to a human body or robot.
  • the strain sensor 100 may be usefully applied as a wearable sensor, a sensor for human motion monitoring, an artificial skin and muscle sensor, a sensor for bio and medical equipment, and a feedback sensor for sports.
  • the present invention relates to a highly elastic polymer composite strain sensor capable of monitoring the movement of a body or a robot.

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Abstract

본 발명은 폴리머 수지에 다중벽 탄소나노튜브(MWCNT)와 같은 전도성 나노 입자와 자기장의 세기를 조절할 수 있는 CIP(carbonyl iron powder) 등을 혼합하여 신체 또는 로봇 등의 움직임을 모니터링할 수 있는 고신축성 고분자 복합체 스트레인 센서 및 그 제조 방법에 관한 것으로, 본 발명에 따른 고신축성 고분자 복합체 스트레인 센서는 폴리머 수지에 전도성 나노입자와 자기장의 세기를 조절할 수 있는 CIP(carbonyl iron powder)와, 상기 폴리머 수지 내에서 전도성 나노입자의 분산을 위한 분산제로서 PSS(Polysodium 4-styren sulfonate)가 혼입된 고분자 복합체로 만들어진다.

Description

고신축성 고분자 복합체 스트레인 센서 및 그 제조 방법
본 발명은 스트레인 센서에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 폴리머 수지에 다중벽 탄소나노튜브(MWCNT)와 같은 전도성 나노 입자와 자기장의 세기를 조절할 수 있는 CIP(carbonyl iron powder) 등을 혼합하여 신체 또는 로봇 등의 움직임을 모니터링할 수 있는 고신축성 고분자 복합체 스트레인 센서 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
스트레인 센서는 항공기 구조물, 자동차의 구조물, 각종 공작기계, 교량, 선박 등의 다양한 구조물의 인장 또는 압축 등의 스트레인을 측정함으로써 정적 및 동적 시험, 구조 안정성 시험 등을 효과적으로 수행할 수 있도록 하는 장치이며, 일반적으로 얇은 에폭시 필름상에 스트레인 게이지(strain gauge)를 부착하고 전선을 연결하여 구성된다. 전선에 전류를 가하면 전선에 발생되는 저항은 전선의 단면적에 반비례, 길이에 비례하게 되는데, 시편에 스트레인 센서를 부착하고 하중을 가하면 시편은 하중에 따라 늘어나거나 줄어들고 스트레인 센서 내의 전선의 길이와 단면적의 변화가 생기게 되며, 이러한 길이와 단면적의 변화로 인한 저항의 변화를 측정하여 스트레인을 측정하는 것이 스트레인 센서의 기본적인 원리이다.
이러한 스트레인 센서는 사람의 움직임을 모니터링 하거나, 로봇의 움직임을 제어하는데 사용될 수 있으며, 근래 들어 이에 관한 필요성이 증대하고 있다.
사람 및 로봇의 손목, 무릎 등의 움직임을 측정하기 위해서는 높은 신축성이 필수적으로 요구된다. 따라서 폴리머 기반에 전도성 나노 입자가 혼입된 스트레인 센서 개발에 대한 연구가 활발하게 이루어지고 있다.
예를 들어 국내 등록특허 제10-1087539호에는 고분자의 내부 또는 표면에, 수평 및 수직 방향으로 3차원 네트워크를 이루며 성장된 탄소나노튜브 3차원 네트워크를 포함하는 고분자 복합체 및 이를 이용한 스트레인 센서가 개시되어 있다.
그러나 상기 등록특허 등의 고분자 복합체를 이용하는 종래의 스트레인 센서는 신축성이 낮아 사람이나 로봇의 움직임을 모니터링하기 위한 스트레인 센서로 적용하기 어려운 문제가 있다.
또한 나노입자가 혼입된 폴리머 기반의 스트레인 센서는 센서의 적용 분야에 따라 적합한 저항값이 다르고, 각각의 분야마다 서로 다른 최적화된 저항값을 필요로 한다.
하지만 상기 등록특허를 비롯하여 기존의 선행 연구 및 제품에서는 센서를 실제로 제작하기 전까지 센서의 초기 저항값을 예측 할 수 없다. 따라서 종래에는 실제 센서 제작을 통한 평가 후에, 최적화된 저항값을 가지는 센서를 제작하고 있으며, 이는 제작 과정의 복잡성 및 번거로움을 초래한다.
이러한 문제로 인해 실제 산업에서 센서의 대량 생산은 불가능하거나 매우 어려운 실정이다.
본 발명은 상기한 종래의 문제를 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은 높은 신축성을 가지며, 적용 분야에 따라 적합한 저항값을 가질 수 있는 고신축성 고분자 복합체 스트레인 센서 및 그 제조 방법을 제공함에 있다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 고신축성 고분자 복합체 스트레인 센서는 폴리머 수지에 전도성 나노입자와 자기장의 세기를 조절할 수 있는 CIP(carbonyl iron powder)가 혼입되어 만들어질 수 있다.
본 발명의 스트레인 센서는 상기 폴리머 수지 내에서 전도성 나노입자의 분산을 위한 분산제로서 PSS(Polysodium 4-styren sulfonate)가 더 혼입되어 만들어질 수 있다.
상기 전도성 나노입자는 다중벽 탄소나노튜브(MWCNT)를 포함할 수 있다.
본 발명의 한 형태에 따르면, 상기 스트레인 센서는 상기 전도성 나노입자는 폴리머 수지 100 중량부에 대해 0.1 ~ 5.0 중량부로 혼입되며, 상기 CIP는 폴리머 수지 100 중량부에 대해 10 ~ 50 중량부로 혼입되고, 상기 PSS는 폴리머 수지 100 중량부에 대해 0.1 ~ 5.0 중량부로 혼입되어 만들어질 수 있다.
상기 CIP(carbonyl iron powder)는 폴리머 수지에 혼합된 후 자기장 하에서 체인 구조의 전도성 네트워크를 형성하여 만들어진다.
상기 스트레인 센서는 50~100% 인장력 범위에서 최대 저항 변화율이 700% 이상이며, Gauge factor는 37 이상, peak shift는 6% 이하, R-suare 값은 95% 이상의 성능을 갖는다.
본 발명에 따른 고신축성 고분자 복합체 스트레인 센서를 제조하는 방법의 한 형태는,
(S1) 톨루엔 용액(toluene solution)에 전도성 나노입자를 혼입하고 분산하는 단계;
(S2) 폴리머 수지에 CIP를 혼합하는 단계;
(S3) 폴리머 수지와 CIP의 혼합물과 톨루엔 용액과 전도성 나노입자의 혼합물을 혼합하여 고분자 복합체를 제조하는 단계;
(S4) 상기 고분자 복합체를 몰드에 타설하고 경화하여 스트레인 센서를 만드는 단계; 및,
(S5) 몰드에서 경화된 스트레인 센서를 분리하는 단계;
를 포함할 수 있다.
상기 (S1) 단계에서는 톨루엔 용액에 PSS(Polysodium 4-styren sulfonate)를 추가로 혼입하여 전도성 나노입자를 분산시킬 수 있다.
또한 상기 전도성 나노입자는 폴리머 수지 100 중량부에 대해 0.1 ~ 5.0 중량부로 혼입되며, 상기 CIP는 폴리머 수지 100 중량부에 대해 10 ~ 50 중량부로 혼입되고, 상기 PSS는 폴리머 수지 100 중량부에 대해 0.1 ~ 5.0 중량부로 혼입되어 고분자 복합체가 만들어질 수 있다.
상기 (S4) 단계에서 몰드 내의 고분자 복합체에 일정 시간 동안 소정의 세기로 자기장을 인가할 수 있다.
본 발명에 따른 고신축성 고분자 복합체 스트레인 센서를 제조하는 방법의 다른 한 형태는,
(S1) 톨루엔 용액(toluene solution)에 전도성 나노입자 및 CIP를 혼합하는 단계;
(S2) 상기 (S1) 단계에서 만들어진 혼합물 용액을 폴리머 수지에 혼합하여 고분자 복합체를 제조하는 단계;
(S3) 상기 고분자 복합체를 몰드에 타설하고 경화하여 스트레인 센서를 만드는 단계; 및,
(S4) 몰드에서 경화된 스트레인 센서를 분리하는 단계;
를 포함할 수 있다.
상기 (S1) 단계에서는 톨루엔 용액에 PSS(Polysodium 4-styren sulfonate)를 추가로 혼입하여 전도성 나노입자를 분산시킬 수 있다.
또한 상기 (S3) 단계에서 몰드 내의 고분자 복합체에 일정 시간 동안 소정의 세기로 자기장을 인가할 수 있다.
본 발명에 따르면, 스트레인 센서가 신축성이 우수한 폴리머 수지에 전도성 나노입자와 CIP, PSS가 혼합된 고분자 복합체로 만들어지며, 우수한 저항 변화율과 Gauge factor 값, 반응 속도를 가지므로 사람의 인체나 로봇에 적용되어 움직임을 정확하게 감지할 수 있다.
특히 본 발명의 스트레인 센서는 고분자 복합체 내에서 CIP가 자기장에 의해 배열되어 체인 구조의 전도성 네트워크를 형성하여 스트레인 센서가 적용되는 분야에 적합한 초기 저항값을 가질 수 있다.
또한 본 발명의 스트레인 센서는 제조 과정에서 FEMM 시뮬레이션을 통하여 도출한 자기장-초기 저항값 관계식을 이용하여 몰드 내의 고분자 복합체에 소정의 세기의 자기장을 인가하여 CIP 의 배열을 조절할 수 있으며, 이를 통해 스트레인 센서가 적용되는 분야에 적합한 초기 저항값을 가질 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 스트레인 센서의 구성을 나타낸 도면이다.
도 2는 도 1에 도시한 스트레인 센서의 작동례를 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 스트레인 센서의 제조 방법을 설명하는 모식도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 스트레인 센서의 제조 과정에서 몰드에 자기장을 인가하는 예를 나타낸 도면이다.
도 5는 도 4에 도시한 자기장 인가 단계에서 발생하는 CIP의 배열 변화 메커니즘을 설명하는 도면이다.
도 6은 FEMM 시뮬레이션을 통하여 도출한 자기장-초기 저항값 관계를 나타낸 그래프이다.
도 7은 반복 인장하중에서 스트레인 센서의 비교예 및 실시예에 대한 저항변화율을 나타낸 그래프이다.
도 8은 인장하중에서 스트레인 센서의 비교예 및 실시예에 대한 Gauge factor를 나타낸 그래프이다.
도 9는 반복 인장하중에서 스트레인 센서의 비교예 및 실시예에 대한 peak shift 측정을 통한 반응속도를 나타낸 그래프이다.
도 10은 반복 인장하중에서 스트레인 센서의 비교예 및 실시예에 대한 반복성 시험 결과를 나타낸 그래프이다.
본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 개시된 발명의 바람직한 일 예에 불과할 뿐이며, 본 출원의 출원시점에 있어서 본 명세서의 실시예와 도면을 대체할 수 있는 다양한 변형 예들이 있을 수 있다.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 고신축성 고분자 복합체 스트레인 센서 및 그 제조 방법을 후술된 실시예들에 따라 구체적으로 설명하도록 한다. 도면에서 동일한 부호는 동일한 구성 요소를 나타낸다.
도 1 및 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 스트레인 센서(100)를 나타낸 것으로, 스트레인 센서(100)는 고분자 복합체로 만들어진 센서바디(110)와, 상기 센서바디(110)의 양단에 연결되는 전극(120)을 포함한다.
상기 센서바디(110)는 폴리머 수지(111)에 전도성 나노입자(112)와, 자기장의 세기를 조절할 수 있는 CIP(carbonyl iron powder)(113)와, 폴리머 수지 내에서 전도성 나노입자의 분산을 위한 분산제로서 PSS(Polysodium 4-styren sulfonate)가 혼입되어 신축에 따른 길이와 단면적의 변화로 인해 저항값이 변화하는 고분자 복합체로 이루어진다.
상기 고분자 복합체를 구성하는 폴리머 수지(111)로는 우수한 신축성을 제공하는 실리콘 폴리머(Platinum-catalyzed silicones)를 사용할 수 있다.
상기 전도성 나노입자(112)는 고분자 복합체가 전도성을 갖도록 하기 위한 것으로, 탄소나노튜브(CNT : Carbon Nanotube), 그래핀 등을 적용할 수 있다. 탄소나노튜브는 튜브형태의 나노크기의 작은 입자로서 sp2라는 강한 화학결합에 의한 독특한 구조적, 화학적, 기계적 및 전기적 성질을 바탕으로 여러 분야에서 활용되고 있다. 상기 탄소나노튜브는 다양한 종류의 것이 사용될 수 있지만, 다양한 길이를 갖는 다중벽 탄소나노튜브(MWCNT; Multi-wall carbon nanotubes)를 사용하는 것이 바람직하다.
전도성 나노입자(112)는 폴리머 수지 100 중량부에 대해 0.1 ~ 5.0 중량부로 혼입되는 것이 바람직하다.
휴면 모션 모니터링을 위한 스트레인 센서(100)는 적용되는 분야에 따라 적합한 민감도 및 센싱 성능이 요구되며, 센서의 초기 저항은 매우 중요하게 고려되어야 하는 요소이다.
상기 CIP(carbonyl iron powder)(113)는 스트레인 센서(100)가 적용되는 분야에서 적합한 초기 저항값을 갖도록 하기 위해 첨가되는 것으로, CIP는 고분자 복합체에서 전도성 나노입자(예를 들어 다중벽 탄소나노튜브; MWCNT) 사이에 배치되어 외부의 하중이 작용할 때 CIP의 분극현상이 전기전도도 변화를 향상시키게 된다.
상기 CIP는 스트레인 센서(100)의 제조 과정에서 폴리머 수지에 혼합된 후 자기장 하에서 배열이 조절되어 체인 구조의 전도성 네트워크를 형성하게 된다. 상기 CIP는 폴리머 수지 100 중량부에 대해 10 ~ 50 중량부로 혼입되는 것이 바람직하다.
상기 전도성 나노입자(112)는 폴리머 수지(111) 내에서 혼합될 때 뭉침 현상이 발생하는 특성이 있다. 이에 전도성 나노입자(112)를 균일하게 분산시키기 위하여 PSS(Polysodium 4-styren sulfonate)를 혼합한다. 상기 PSS(114)(도 3 참조)는 폴리머 수지 100 중량부에 대해 0.1 ~ 5.0 중량부로 혼입되는 것이 바람직하다.
다음으로 이러한 본 발명의 스트레인 센서(100)를 제조하는 방법에 대해 도 3을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
먼저, 톨루엔 용액(toluene solution)(99.8%)에 폴리머 수지(예를 들어 실리콘 폴리머) 100 중량부에 대해 0.1~5.0 중량부의 전도성 나노입자(112)(예를 들어 다중벽 탄소나노튜브)를 혼입하고, 15~30℃에서 일정 시간(예를 들어 1시간) 동안 초음파 분산(sonification)을 수행한다. 그리고 분산된 용액에 폴리머 수지 100중량부에 대해 0.1~5.0 중량부의 PSS(Polysodium 4-styren sulfonate)(114)를 혼합하여 다중벽 탄소나노튜브(MWCNT)를 용액 내에 균일하게 분산시킨다다(단계 S1).
그리고 실리콘 폴리머(111)에 CIP(113)를 혼합하고 일정 시간 동안 기계적 교반을 수행한다. 이 때 실리콘 폴리머 100 중량부에 10~50 중량부의 CIP를 혼합한다(단계 S2).
이어서 상기 S1 단계에서 혼합된 톨루엔 용액과 다중벽 탄소나노튜브(MWCNT), PSS의 혼합물을 상기 S2 단계에서 혼합된 실리콘 폴리머와 CIP의 혼합물에 혼합하고, 80~120℃의 온도범위에서 80~120rpm의 속도로 일정 시간 기계적 교반을 수행하여 고분자 복합체를 제조한다(단계 S3).
이렇게 만들어진 고분자 복합체를 몰드(미도시)에 타설하고 경화하여 고분자 복합체로 된 스트레인 센서(100)를 제조한다. 이 때, 도 4 및 도 5에 도시한 것과 같이 상기 몰드의 아래 위에 자석을 배치하여 자기장을 인가함으로써 CIP의 배열을 조절하여 체인 구조의 전도성 네트워크를 형성한다. 상기 CIP의 배열은 자기장의 세기에 따라 달라지게 되므로, 스트레인 센서(100)가 적용되는 분야에 적합한 초기 저항값을 갖도록 자석의 자기장 세기를 달리하여 인가하게 된다.
이와 같이 적용분야에 따른 초기 저항값을 갖도록 하기 위한 자기장의 세기는 FEMM(Finite Element Method Magnetics) 시뮬레이션을 통하여 도출한 자기장-초기 저항값 관계식을 이용하여 결정될 수 있다. 도 6은 FEMM 시뮬레이션을 통하여 도출한 자기장-초기 저항값 관계를 나타낸 그래프이다.
한편 전술한 실시예의 스트레인 센서의 제조 방법에서는 CIP를 폴리머 수지인 실리콘 폴리머에 먼저 혼합한 다음, 톨루엔 용액-다중벽 탄소나노튜브(MWCNT)-PSS의 혼합 용액을 상기 CIP가 혼합된 실리콘 폴리머와 혼합하여 고분자 복합체를 제조하였지만, 이와 다르게 CIP를 상기 톨루엔 용액-다중벽 탄소나노튜브(MWCNT)-PSS의 혼합 용액에 혼합한 다음, 톨루엔 용액-다중벽 탄소나노튜브(MWCNT)-PSS-CIP의 혼합 용액을 폴리머 수지(실리콘 폴리머)에 혼합하여 고분자 복합체를 제조할 수도 있을 것이다.
실시예
아래의 표 1은 스트레인 센서를 구성하는 고분자 복합체의 배합비를 나타낸 것으로, 비교예는 CIP 및 PSS를 포함하지 않고 실리콘 폴리머에 전도성 나노입자로서 다중벽 탄소나노튜브(MWCNT)만 혼입한 것이며, 실시예 1 및 2는 실리콘 폴리머에 전도성 나노입자로서 다중벽 탄소나노튜브(MWCNT)와 CIP 및 PSS를 서로 다른 비율로 배합한 예를 나타낸 것이다. 아래의 표 1 및 도 7 내지 도 10에서 C2P0는 비교예의 시편명이고, C2P3 및 C2P5는 각각 실시예 1 및 실시예 2의 시편명이다.
각각의 실시예의 시편은 전술한 제조 방법의 첫번째 실시예의 단계를 거쳐 제조되었다.
구분 실리콘 폴리머(g) MWCNT(g) CIP(g) PSS(g)
비교예(C2P0) 20 0.8 - -
실시예 1(C2P3) 20 0.4 6 0.4
실시예 2(C2P5) 20 0.8 10 0.8
도 7은 반복 인장하중에서 스트레인 센서의 비교예 및 실시예에 대한 저항변화율을 나타낸 것이고, 도 8은 인장하중에서 스트레인 센서의 비교예 및 실시예에 대한 Gauge factor를 나타낸 것이며, 도 9는 반복 인장하중에서 스트레인 센서의 비교예 및 실시예에 대한 peak shift 측정을 통한 반응속도를 나타낸 것이다. 그리고 도 10은 반복 인장하중에서 스트레인 센서의 비교예 및 실시예에 대한 반복성 시험 결과를 나타낸 것이다. 도 7 내지 도 10에 도시된 시험 결과를 통해, CIP 및 PSS가 혼합된 고분자 복합체로 만들어진 본 발명의 스트레인 센서가 50~100% 인장력 범위에서 최대 저항 변화율이 700% 이상이며, Gauge factor는 37 이상, peak shift는 6% 이하, R-suare 값은 95% 이상을 갖는 것으로 확인되었으며, 상기 비교예 뿐만 아니라 기존의 스트레인 센서와 비교하여 매우 우수한 Gauge factor 값 및 민감도를 갖는 것으로 확인되었다.
상술한 것과 같이, 폴리머 수지에 전도성 나노입자와 CIP, PSS가 혼합된 고분자 복합체로 만들어진 스트레인 센서(100)는 50~100% 인장이 가능하며, 상기 인장 범위에서 우수한 저항 변화율과 Gauge factor 값, 반응 속도를 가지므로 사람의 인체나 로봇에 적용되어 움직임을 감지하는데 적합하다.
이러한 스트레인 센서(100)는 웨어러블 센서, 휴먼 모션 모니터링용 센서, 인공 피부 및 근육 센서, 바이오 및 의료 장비용 센서, 스포츠용 피드백 센서로 유용하게 적용될 수 있다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 기재된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상이 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
본 발명은 신체 또는 로봇 등의 움직임을 모니터링할 수 있는 고신축성 고분자 복합체 스트레인 센서에 관한 것이다.

Claims (13)

  1. 폴리머 수지에 전도성 나노입자와 자기장의 세기를 조절할 수 있는 CIP(carbonyl iron powder)가 혼입되어 만들어진 고신축성 고분자 복합체 스트레인 센서.
  2. 제1항에 있어서, 상기 폴리머 수지 내에서 전도성 나노입자의 분산을 위한 분산제로서 PSS(Polysodium 4-styren sulfonate)가 더 혼입된 고신축성 고분자 복합체 스트레인 센서.
  3. 제1항에 있어서, 상기 전도성 나노입자는 다중벽 탄소나노튜브(MWCNT)를 포함하는 고신축성 고분자 복합체 스트레인 센서.
  4. 제2항에 있어서, 상기 전도성 나노입자는 폴리머 수지 100 중량부에 대해 0.1 ~ 5.0 중량부로 혼입되며, 상기 CIP는 폴리머 수지 100 중량부에 대해 10 ~ 50 중량부로 혼입되고, 상기 PSS는 폴리머 수지 100 중량부에 대해 0.1 ~ 5.0 중량부로 혼입되어 만들어진 고신축성 고분자 복합체 스트레인 센서.
  5. 제1항에 있어서, 상기 CIP(carbonyl iron powder)는 폴리머 수지에 혼합된 후 자기장 하에서 체인 구조의 전도성 네트워크를 형성하여 만들어진 고신축성 고분자 복합체 스트레인 센서.
  6. 제1항에 있어서, 상기 스트레인 센서는 50~100% 인장력 범위에서 최대 저항 변화율이 700% 이상이며, Gauge factor는 37 이상, peak shift는 6% 이하, R-suare 값은 95% 이상인 고신축성 고분자 복합체 스트레인 센서.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 따른 고신축성 고분자 복합체 스트레인 센서를 제조하는 방법으로서,
    (S1) 톨루엔 용액(toluene solution)에 전도성 나노입자를 혼입하고 분산하는 단계;
    (S2) 폴리머 수지에 CIP를 혼합하는 단계;
    (S3) 폴리머 수지와 CIP의 혼합물과 톨루엔 용액과 전도성 나노입자의 혼합물을 혼합하여 고분자 복합체를 제조하는 단계;
    (S4) 상기 고분자 복합체를 몰드에 타설하고 경화하여 스트레인 센서를 만드는 단계; 및,
    (S5) 몰드에서 경화된 스트레인 센서를 분리하는 단계;
    를 포함하는 고신축성 고분자 복합체 스트레인 센서의 제조 방법.
  8. 제7항에 있어서, 상기 (S1) 단계에서는 톨루엔 용액에 PSS(Polysodium 4-styren sulfonate)를 추가로 혼입하여 전도성 나노입자를 분산시키는 고신축성 고분자 복합체 스트레인 센서의 제조 방법.
  9. 제8항에 있어서, 상기 전도성 나노입자는 폴리머 수지 100 중량부에 대해 0.1 ~ 5.0 중량부로 혼입되며, 상기 CIP는 폴리머 수지 100 중량부에 대해 10 ~ 50 중량부로 혼입되고, 상기 PSS는 폴리머 수지 100 중량부에 대해 0.1 ~ 5.0 중량부로 혼입되어 고분자 복합체가 만들어지는 고신축성 고분자 복합체 스트레인 센서의 제조 방법.
  10. 제7항에 있어서, 상기 (S4) 단계에서 몰드 내의 고분자 복합체에 일정 시간 동안 소정의 세기로 자기장을 인가하는 고신축성 고분자 복합체 스트레인 센서의 제조 방법.
  11. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 따른 고신축성 고분자 복합체 스트레인 센서를 제조하는 방법으로서,
    (S1) 톨루엔 용액(toluene solution)에 전도성 나노입자 및 CIP를 혼합하는 단계;
    (S2) 상기 (S1) 단계에서 만들어진 혼합물 용액을 폴리머 수지에 혼합하여 고분자 복합체를 제조하는 단계;
    (S3) 상기 고분자 복합체를 몰드에 타설하고 경화하여 스트레인 센서를 만드는 단계; 및,
    (S4) 몰드에서 경화된 스트레인 센서를 분리하는 단계;
    를 포함하는 고신축성 고분자 복합체 스트레인 센서의 제조 방법.
  12. 제11항에 있어서, 상기 (S1) 단계에서는 톨루엔 용액에 PSS(Polysodium 4-styren sulfonate)를 추가로 혼입하여 전도성 나노입자를 분산시키는 고신축성 고분자 복합체 스트레인 센서의 제조 방법.
  13. 제11항에 있어서, 상기 (S3) 단계에서 몰드 내의 고분자 복합체에 일정 시간 동안 소정의 세기로 자기장을 인가하는 고신축성 고분자 복합체 스트레인 센서의 제조 방법.
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