KR20160118159A - 나노 복합체를 이용한 변형률 감지센서 및 이의 제조방법 - Google Patents
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Abstract
나노 복합체를 이용한 변형률 감지센서가 개시된다. 나노 복합체를 이용한 변형률 감지센서는 기판; 상기 기판 상에 배치되고, 금속 나노와이어들, 제1 폴리머 물질 및 제2 폴리머 물질로 이루어진 나노 복합체층; 및 상기 나노 복합체층 상에 배치되고 제3 폴리머 물질로 이루어진 보호층을 포함하고, 상기 금속 나노와이어들은 상기 나노 복합체층 내부에서 랜덤하게 배치되어 있다.
Description
본 발명은 변형률 감지센서 및 이의 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 나노 복합체를 이용한 변형률 감지센서 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
종래의 은 나노와이어 기반의 변형률 감지센서는 은 나노와이어에 신축성이 좋은 폴리우레탄이나 폴리디메틸실록사인(polydimethylsiloxane, PDMS)을 혼합하여 제작되었다. 은 나노와이어는 높은 전도도를 가지며, 기계적 변형에 의해 은 나노와이어 간의 접촉저항 변화에 기인하여 변형률을 감지하는 센서에 적용이 시도되고 있으나, 충분한 변형에 대한 민감도와 전도도를 가지려면 은나노와이어의 농도가 높아야 되고, 따라서 투과도에 악영향을 주게 되어, 민감도와 광학적 투과도를 모두 만족하기 어렵다는 문제가 있다.
또한, 종래의 변형률 감지센서는 기계적 변형에 취약하여 반복적인 변형을 가해주면 센서 표면에 금이 가거나 박리현상 등이 일어나 센서 특성이 악화되고, 결국 센서의 안전성에 문제가 생길 수 있다.
특히, 종래의 변형률 감지 센서는 크기가 큰 변형률은 잘 감지하나, 크기가 작은 변형률에서는 저항 변화가 거의 없어 인간의 피부 움직임과 같은 미세 변형률을 감지하는 것은 불가능하다는 문제가 있다.
이러한 문제를 해결하기 위한 종래의 변형률 감지 센서는 민감도를 높이기 위한 패터닝 기술, 나노필러의 정렬 기술 등 복잡한 기술을 이용하여 변형률 감지 센서를 제작하였기에 제작이 어렵고 공정비용이 높다는 문제가 있다.
이에 본 발명자는 광학적 투과도와 민감도를 동시에 만족시킬 수 있으며 간단한 공정으로 변형률 감지센서를 제작할 수 있는 발명을 개발하기에 이르렀다.
본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는, 광학적 투과도와 민감도를 동시에 만족하면서도 기계적 안정성이 우수한 나노 복합체를 이용한 변형률 감지센서 및 이의 제조방법을 제공하는 것이다.
상기와 같은 기술적 과제를 해결하기 위해, 본 발명의 실시예에 따른 나노 복합체를 이용한 변형률 감지센서는 기판; 상기 기판 상에 배치되고, 금속 나노와이어들, 제1 폴리머 물질 및 제2 폴리머 물질로 이루어진 나노 복합체층; 및 상기 나노 복합체층 상에 배치되고 제3 폴리머 물질로 이루어진 보호층을 포함하고, 상기 금속 나노와이어들은 상기 나노 복합체층 내부에서 랜덤하게 배치되어 있을 수 있다.
하나의 실시예로 상기 보호층은 상기 제1 폴리머 물질 및 상기 제2 폴리머 물질 중 하나 이상을 더 포함할 수 있다.
하나의 실시예로 상기 제1 폴리머 물질은, 폴리(3,4-에틸렌 디옥시티오펜):폴리(4-스티렌설포네이트)(poly(3,4-ethylenedioxythiophene):poly(4-styrenesulfonate), PEDOT:PSS), 폴리아세틸렌(polyacetylene), 폴리파라페닐렌(polyparaphenylene), 폴리피롤(polypyrole) 및 폴리아닐린(polyaniline)으로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상일 수 있다.
하나의 실시예로 상기 제2 폴리머 물질은, 폴리디메틸실록산(polydimethylsiloxane, PDMS), 에코플렉스(ecoflex) 및 폴리우레탄(polyurethane, PU)으로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상일 수 있다.
하나의 실시예로 상기 기판은, 폴리디메틸실록산(polydimethylsiloxane, PDMS), 에코플렉스(ecoflex) 및 폴리우레탄(polyurethane, PU)으로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상일 수 있다.
하나의 실시예로 상기 제3 폴리머 물질은, 폴리디메틸실록산(polydimethylsiloxane, PDMS), 에코플렉스(ecoflex) 및 폴리우레탄(polyurethane, PU)으로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상일 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 나노 복합체를 이용한 변형률 감지센서 제조방법은 기판 상에 금속 나노와이어들, 제1 폴리머 물질 및 제2 폴리머 물질로 이루어진 나노 복합체층을 형성하는 단계; 및 상기 나노 복합체층 상에 제3 폴리머 물질로 이루어진 보호층을 형성하는 단계를 포함하고, 상기 금속 나노와이어들은 상기 나노 복합체층 내부에서 랜덤하게 배치되어 있을 수 있다.
하나의 실시예로 상기 나노 복합체층을 형성하는 단계는, 상기 기판을 산소 플라즈마 처리하는 단계; 산소 플라즈마 처리된 상기 기판 상에 상기 금속 나노와이어들을 포함하는 제1 용액을 스핀코팅하고 제1 열처리하는 단계; 및 상기 금속 나노와이어들이 랜덤하게 배치된 상기 기판 상에 상기 제1 폴리머 물질 및 상기 제2 폴리머 물질을 포함하는 제2 용액을 스핀코팅하고 제2 열처리하는 단계를 포함할 수 있다.
하나의 실시예로 상기 제1 용액의 스핀코팅은 회전속도 200 내지 400rpm에서 이루어질 수 있다.
하나의 실시예로 상기 제2 용액의 상기 제1 폴리머 물질의 농도는 10 내지 50%이고, 상기 제2 용액의 상기 제2 폴리머 물질의 농도는 50 내지 90%일 수 있다.
하나의 실시예로 상기 보호층을 형성하는 단계는, 제3 폴리머 물질을 포함하는 제3 용액을 상기 나노 복합체층이 형성된 상기 기판 상에 스핀코팅하고 열처리하는 단계를 포함할 수 있다.
하나의 실시예로 상기 제1 열처리하는 단계는, 50 내지 120℃에서 10 내지 30분 동안 가열하는 단계를 포함할 수 있다.
하나의 실시예로 상기 제2 열처리하는 단계는, 질소(N2) 분위기에서, 50 내지 120℃에서 10 내지 30분 동안 가열한 후 120 내지 200℃에서 60 내지 120분 동안 가열하는 단계를 포함할 수 있다.
상기와 같은 본 발명은, 투명도 및 민감도를 모두 만족시키면서도 민감한 변형률을 감지할 수 있는 효과가 있다.
본 발명은 투명하고 변형률을 민감하게 감지할 수 있기 때문에 인체에 부착하여 피부, 관절 등의 미세한 움직임을 감지할 수 있는 효과가 있다.
본 발명은 삼성분계 나노복합체를 이용함으로써 은 나노와이어의 기계적 안정성을 증가시킬 수 있어 반복적인 변형이 가해지는 경우에도 안정적으로 변형률을 감지할 수 있는 효과가 있다. 또한, 저항변화율을 통하여 변형률 감지센서의 변형형태를 예상할 수 있는 효과가 있다.
본 발명은 간단한 방식과 저렴한 비용으로 변형률 감지센서를 제조할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 나노 복합체를 이용한 변형률 감지센서의 구조를 설명하기 위한 도면이다.
도 2a는 본 발명의 실시예에 따른 나노 복합체를 이용한 변형률 감지센서 제조방법을 설명하기 위한 흐름도이고, 도 2b는 본 발명의 실시예에 따른 나노 복합체를 이용한 변형률 감지센서 제조방법을 설명하기 위한 개념도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 나노 복합체를 이용한 변형률 감지센서의 투과도를 자외선-가시광선 분광광도계를 이용하여 측정한 그래프이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 나노 복합체를 이용한 변형률 감지센서를 40%의 변형률로 10,000번 스트레칭(stretching)하면서 저항 변화를 측정한 그래프이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 나노 복합체를 이용한 변형률 감지센서를 40%의 변형률로 10,000번 스트레칭(stretching)한 후의 전계방출형 주사전자현미경(FE-SEM) 사진이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 나노 복합체를 이용한 변형률 감지센서에 가해지는 스트레인의 크기(ε)를 변화시키면서 압축하여 나노 복합체를 이용한 변형률 감지센서의 중앙부분이 인장되는 경우에 저항변화율을 측정한 그래프이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 나노 복합체를 이용한 변형률 감지센서에 가해지는 스트레인의 크기(ε)를 변화시키면서 압축하여 나노 복합체를 이용한 변형률 감지센서의 중앙부분이 압축되는 경우에 저항변화율을 측정한 그래프이다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 나노 복합체를 이용한 변형률 감지센서에 가해지는 스트레인의 크기(ε) 변화시키면서 인장한 경우에 저항변화율을 측정한 그래프이다.
도 9는 스핀코팅하는 회전속도를 달리하여 기판 상에 은 나노와이어들을 랜덤하게 배치한 경우에 나노 복합체를 이용한 변형률 감지센서의 투과도를 측정한 그래프이다.
도 10은 PEDOT:PSS와 폴리우레탄의 농도를 달리하여 은 나노와이어들 상에 스핀코팅한 경우에 나노 복합체를 이용한 변형률 감지센서의 저항변화율을 측정한 그래프이다.
도 2a는 본 발명의 실시예에 따른 나노 복합체를 이용한 변형률 감지센서 제조방법을 설명하기 위한 흐름도이고, 도 2b는 본 발명의 실시예에 따른 나노 복합체를 이용한 변형률 감지센서 제조방법을 설명하기 위한 개념도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 나노 복합체를 이용한 변형률 감지센서의 투과도를 자외선-가시광선 분광광도계를 이용하여 측정한 그래프이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 나노 복합체를 이용한 변형률 감지센서를 40%의 변형률로 10,000번 스트레칭(stretching)하면서 저항 변화를 측정한 그래프이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 나노 복합체를 이용한 변형률 감지센서를 40%의 변형률로 10,000번 스트레칭(stretching)한 후의 전계방출형 주사전자현미경(FE-SEM) 사진이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 나노 복합체를 이용한 변형률 감지센서에 가해지는 스트레인의 크기(ε)를 변화시키면서 압축하여 나노 복합체를 이용한 변형률 감지센서의 중앙부분이 인장되는 경우에 저항변화율을 측정한 그래프이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 나노 복합체를 이용한 변형률 감지센서에 가해지는 스트레인의 크기(ε)를 변화시키면서 압축하여 나노 복합체를 이용한 변형률 감지센서의 중앙부분이 압축되는 경우에 저항변화율을 측정한 그래프이다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 나노 복합체를 이용한 변형률 감지센서에 가해지는 스트레인의 크기(ε) 변화시키면서 인장한 경우에 저항변화율을 측정한 그래프이다.
도 9는 스핀코팅하는 회전속도를 달리하여 기판 상에 은 나노와이어들을 랜덤하게 배치한 경우에 나노 복합체를 이용한 변형률 감지센서의 투과도를 측정한 그래프이다.
도 10은 PEDOT:PSS와 폴리우레탄의 농도를 달리하여 은 나노와이어들 상에 스핀코팅한 경우에 나노 복합체를 이용한 변형률 감지센서의 저항변화율을 측정한 그래프이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러가지 실시예를 가질 수 있는바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 일실시예를 상세히 설명한다. 도면상에서 동일 부호는 동일한 요소를 지칭한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 나노 복합체를 이용한 변형률 감지센서의 구조를 설명하기 위한 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 실시예에 다른 나노 복합체를 이용한 변형률 감지센서(100)는 기판(10), 나노 복합체층(20) 및 보호층(30)을 포함할 수 있다.
기판(10)은 투명하고 신축성을 가지는 물질로 이루어질 수 있다. 일 예로 기판(10)은 폴리디메틸실록산(polydimethylsiloxane, PDMS), 에코플렉스(ecoflex) 및 폴리우레탄(polyurethane, PU)으로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상으로 이루어질 수 있다.
나노 복합체층(20)은 기판(10) 상에 배치될 수 있고, 은 나노와이어(22)들, 제1 폴리머 물질 및 제2 폴리머 물질로 이루어진 삼성분계(ternary system) 나노 복합체층(20)일 수 있다. 제1 폴리머 물질은 투명하고 신축성을 가지며 전도성을 가지는 물질일 수 있고, 일 예로 폴리(3,4-에틸렌 디옥시티오펜):폴리(4-스티렌설포네이트)(poly(3,4-ethylenedioxythiophene):poly(4-styrenesulfonate), PEDOT:PSS), 폴리아세틸렌(polyacetylene), 폴리파라페닐렌(polyparaphenylene), 폴리피롤(polypyrole) 및 폴리아닐린(polyaniline)으로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상이 제1 폴리머 물질로 사용될 수 있다. 제2 폴리머 물질은 투명하고 신축성을 가지는 물질로 이루어질 수 있고, 일 예로 폴리디메틸실록산(polydimethylsiloxane, PDMS), 에코플렉스(ecoflex) 및 폴리우레탄(polyurethane, PU)으로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상이 제2 폴리머 물질로 사용될 수 있다. 금속 나노와이어(22)들은 나노 복합체층(20) 내부에서 랜덤하게 배치되어 있을 수 있고, 나노 복합체층(20) 내의 금속 나노와이어(22)들의 농도는 나노 복합체층(20)의 광학적 투과도와 전도도를 고려하여 적절히 변경될 수 있다.
금속 나노와이어(22)들 사이의 공간을 제1 폴리머 물질 및 제2 폴리머 물질이 채워주면서 하나의 나노 복합체층(20)이 형성되기 때문에 금속 나노와이어(22)들 만을 기판(10) 상에 배치하는 경우에 비하여 금속 나노와이어(22)들의 기계적 안정성이 증가될 수 있다. 또한, 나노 복합체층(20)은 전도성의 특성을 가지는 제1 폴리머 물질을 포함하고 있기 때문에 금속 나노와이어(22)들만 사용되는 경우에 비하여 전도성이 향상될 수 있다. 일 예로 금속 나노와이어(22)로는 금, 은, 구리, 니켈, 백금 나노와이어 등이 사용될 수 있다.
보호층(30)은 투명하고 신축성을 가지는 제3 폴리머 물질로 이루어질 수 있고, 보호층(30)은 주변 환경 예를 들면 산소, 수분, 이물질 등 외부 공기 중의 오염원이 나노 복합체층(20)과 접촉하는 것을 방지함으로써 나노 복합체층(20)의 특성 변화를 방지할 수 있다. 일 예로 제3 폴리머 물질은 폴리디메틸실록산(polydimethylsiloxane, PDMS), 에코플렉스(ecoflex) 및 폴리우레탄(polyurethane)으로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상으로 이루어질 수 있다.
또한, 보호층(30)은 상기 제1 폴리머 물질 및 상기 제2 폴리머 물질 중 하나 이상을 더 포함할 수 있고, 상기 제1 폴리머 물질 및 상기 제2 폴리머 물질 중 하나 이상을 더 포함함으로써 본 발명의 실시예에 다른 나노 복합체를 이용한 변형률 감지센서(100)의 기계적 안정성을 더욱 향상시킬 수 있다.
본 발명에서는 금속 나노와이어가 전도성 고분자인 제 1 폴리머와 함께 복합체를 이루고 있고, 이와 더불어 제 1 폴리머 보다 훨씬 신축성이 높은 제 2 폴리머가 함께 3성분계 복합체를 이루고 있기 때문에 높은 신축성이 얻어져서 기계적 변형 등에 대해서도 안정성이 확보되어 전기적 전도성이 계속 유지될 수 있다. 즉, 3성분계 복합체의 높은 신축성 때문에 기계적 변형이 오더라도 금속 나노와이어와 전도성 폴리머 간의 연결이 끊어지지 아니하고 유지되기 때문에 신축성과 더불어 전기적 안정성도 확보가 되는 것이다. 본 발명은 이러한 3성분계 복합체의 신축성 기계적 변형에 대한 안정성을 기초로 변형률 감지 센서로 이용하고자 하는 것이다.
본 발명의 나노 복합체를 이용한 변형률 감지센서는 기계적 변형이 발생됐을 때 전기 전도성 유지와 더불어 저항값의 변화를 감지할 수 있다.. 이러한 저항값의 변화에 의해 기계적 변형의 변형률을 감지하는 센서로 이용될 수 있는 것이다. 이러한 변형률 감지 센서로 이용되기 위해서는 전기적 전도성 유지와 더불어 신축성에 의해 저항값의 회복이 반드시 필요한 것이며, 본 발명은 전기적 전도성 유지를 위해 제 1 폴리머 재료를 이용하고 저항값의 회복을 가능하게 하기 위해 신축성 있는 제 2 폴리머 재료를 이용해 3성분계 복합체를 제공하고 있다.
도 2a는 본 발명의 실시예에 따른 나노 복합체를 이용한 변형률 감지센서 제조방법을 설명하기 위한 흐름도이고, 도 2b는 본 발명의 실시예에 따른 나노 복합체를 이용한 변형률 감지센서 제조방법을 설명하기 위한 개념도이다.
도 2a 및 도 2b를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 나노 복합체를 이용한 변형률 감지센서 제조방법은 기판(10) 상에 금속 나노와이어(22)들, 제1 폴리머 물질 및 제2 폴리머 물질로 이루어진 나노 복합체층(20)을 형성하는 단계(S100) 및 나노 복합체층(20) 상에 제3 폴리머 물질로 이루어진 보호층(30)을 형성하는 단계(S200)을 포함할 수 있고, 제조된 나노 복합체를 이용한 변형률 감지센서의 금속 나노와이어(22)들은 나노 복합체층(20) 내부에서 랜덤하게 배치되어 있을 수 있다.
기판(10) 상에 금속 나노와이어(22)들, 제1 폴리머 물질 및 제2 폴리머 물질로 이루어진 나노 복합체층(20)을 형성하는 단계(S100)는 투명하고 신축성을 가지는 기판(10)을 산소 플라즈마 처리하는 단계(S110), 산소 플라즈마 처리된 기판(10) 상에 금속 나노와이어(22)들을 포함하는 제1 용액을 스핀코팅하고 제1 열처리하는 단계(S120) 및 금속 나노와이어(22)들이 랜덤하게 배치된 기판 상에 제1 폴리머 물질 및 제2 폴리머 물질을 포함하는 제2 용액을 스핀코팅하고 제2 열처리하는 단계(S130)을 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 나노 복합체를 이용한 변형률 감지센서(100)를 제조하기 위하여 유연하고 신축성을 가지는 기판(10)을 준비한다. 다음으로 상기 기판(10)을 산소 플라즈마 처리한다(S110). 일 예로 유연하고 투명한 기판(10)은 폴리디메틸실록산(polydimethylsiloxane, PDMS), 에코플렉스(ecoflex) 및 폴리우레탄(polyurethane)으로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상으로 이루어질 수 있고, 산소 플라즈마 처리를 통하여 기판(10)의 표면이 소수성에서 친수성으로 변경될 수 있고, 산소 플라즈마 처리에 의하여 기판(10) 상에 나노 복합체층(20)을 용이하게 형성될 수 있다.
다음으로 산소 플라즈마 처리된 기판(10) 상에 금속 나노와이어(22)들을 포함하는 제1 용액을 스핀코팅하고 제1 열처리한다(S120). 일 예로 약 30㎛의 길이를 가지는 은 나노와이어들을 포함하는 은 나노와이어 용액을 기판(10) 상에 스핀코팅 한 후 50 내지 120℃에서 10 내지 30분 동안 가열하여 용매를 증발시킴으로써 기판(10) 상에 은 나노와이어들을 랜덤하게 배치시킬 수 있다. 일 예로 기판(10) 상에 상기 제1 용액의 스핀코팅 회전속도를 약 200 내지 400rpm로 설정하여 기판(10) 상에 은 나노와이어들을 랜덤하게 배치시킬 수 있다. 스핀코팅의 회전속도를 조절하여 은 나노와이어들이 기판(10)상에 적층되는 두께를 조절할 수 있고, 이러한 두께의 차이에 따라 적층된 은 나노와이어들의 면저항이 변경될 수 있다. 약 67% 이상의 광학적 투과도와 적절한 면저항을 갖기 위하여 상기 제1 용액의 스핀코팅 회전속도는 약 200 내지 400rpm에서 이루어지는 것이 바람직하다.
다음으로 금속 나노와이어(22)들이 랜덤하게 배치된 기판(10) 상에 제1 폴리머 물질 및 제2 폴리머 물질을 포함하는 제2 용액을 스핀코팅하고 제2 열처리한다(S130). 일 예로 제1 폴리머 물질로는 폴리(3,4-에틸렌 디옥시티오펜):폴리(4-스티렌설포네이트)(poly(3,4-ethylenedioxythiophene):poly(4-styrenesulfonate), PEDOT:PSS), 폴리아세틸렌(polyacetylene), 폴리파라페닐렌(polyparaphenylene), 폴리피롤(polypyrole) 및 폴리아닐린(polyaniline)으로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상이 사용될 수 있고, 제2 폴리머 물질로는 폴리디메틸실록산(polydimethylsiloxane, PDMS), 에코플렉스(ecoflex) 및 폴리우레탄(polyurethane, PU)으로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상이 사용될 수 있다.
일 예로 제2 용액의 제1 폴리머 물질의 농도는 약 10 내지 50%이고, 제2 용액의 제2 폴리머 물질의 농도는 약 50 내지 90%일 수 있다. 이는 본 발명의 실시예에 다른 나노 복합체를 이용한 변형률 감지센서(100)가 인장되는 경우에도 안정적으로 저항이 변화할 수 있도록 하기 위함이다.
일 예로 PEDOT:PSS와 폴리우레탄이 혼합되어 있는 용액을 은 나노와이어들이 배치된 기판(10) 상에 스핀코팅한 후, 질소(N2) 분위기에서 상기 기판(10)을 50 내지 120℃에서 10 내지 30분 동안 가열한 후 120 내지 200℃에서 60 내지 120분 동안 가열함으로써 은 나노와이어들이 내부에서 랜덤하게 배치되어 있고, 은 나노와이어, PEDOT:PSS 및 폴리우레탄으로 이루어진 삼성분계 나노 복합체층(20)을 형성할 수 있다.
마지막으로 나노 복합체층(20) 상에 제3 폴리머 물질로 이루어진 보호층(30)을 형성한다(S200). 일 예로 제3 폴리머 물질로는 폴리디메틸실록산(polydimethylsiloxane, PDMS), 에코플렉스(ecoflex) 및 폴리우레탄(polyurethane)으로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상이 사용될 수 있고, 이러한 제3 폴리머 물질을 포함하는 제3 용액을 나노 복합체층(20)이 형성된 기판(10) 상에 스핀코팅하고 열처리함으로써 보호층(30)을 형성할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 삼성분계 나노 복합체 기반 변형률 감지 센서의 작동원리를 설명하면 다음과 같다.
삼성분계 나노 복합체 기반 변형률 감지센서의 경우, 외부로부터 변형이 가해지면 금속나노와이어의 접촉이 끊어지며 저항변화를 유도하기도 하지만, 높은 비율의 비전도성 탄성체와 낮은 비율의 전도성폴리머가 혼합된 삼차원 구조의 삼성분계 복합소재 박막 내부의 전도성폴리머가 필라멘트 구조로 사방으로 얽혀있어 미세한 변형에도 저항 변화를 일으키게 된다. 이러한 구조는 금속나노와이어가 혼합되어 있을 때 나노와이어가 뼈대 역할을 하기 때문에 전도성폴리머 탄성체의 크랙현상을 최소화하여 필라멘트 모양의 전류의 길(current path)이 높은 변형에도 끊어지지 않고 유지가 되어 기계적 안정성이 확보되며, 미세한 변형에도 저항변화가 크게 유발되어 높은 민감성을 갖는 변형률 감지 센서의 제조를 가능하게 한다.
나노 복합체 기반 변형률 감지센서에 큰 변형이 가해졌을 때, 금속나노와이어의 접촉이 끊어지고 삼차원 구조를 하고 있는 삼성분계 복합소재 박막 내부에서 필라멘트 구조로 얽혀있는 전도성폴리머 탄성체 또한 변형이 일어나 전류의 길이 줄어들고 좁아져 저항 변화를 크게 유발한다.
나노 복합체 기반 변형률 감지센서에 인장변형이 가해졌을 때, 삼차원 구조의 삼성분계 복합소재 박막의 두께가 감소하면서 접촉되는 금속나노와이어 수가 증가함에 따라 전류가 흐를 수 있는 길이 증가하고, 삼성분계 복합소재 박막 내부 필라멘트 구조를 하고 있는 전도성폴리머 탄성체의 전류의 길이 넓어짐에 따른 저항 감소가 더해져 미세한 인장변형에도 저항변화가 크게 유발된다.
나노 복합체 기반 변형률 감지센서에 압축변형이 가해졌을 때, 삼차원 구조의 삼성분계 복합소재 박막의 두께가 두꺼워지면서 접촉되어있던 금속나노와이어가 떨어지게 되어 전류가 흐를 수 있는 길이 감소하고, 삼성분계 복합소재 박막 내부 필라멘트 구조를 하고 있는 전도성폴리머 탄성체의 전류의 길이 좁아짐에 따른 저항 증가가 더해져 미세한 압축변형에도 저항변화가 크게 유발된다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 나노 복합체를 이용한 변형률 감지센서의 투과도를 자외선-가시광선 분광광도계를 이용하여 측정한 그래프이다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 나노 복합체를 이용한 변형률 감지센서는 약 380㎚ 이상인 가시광선 및 자외선 파장 영역에서 투과율이 약 75%로 측정되었으며 우수한 투과도를 가지고 있음을 확인할 수 있다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 나노 복합체를 이용한 변형률 감지센서를 40%의 변형률로 10,000번 스트레칭(stretching)하면서 저항 변화를 측정한 그래프이다.
도 4를 참조하면, 40%의 큰 변형률로 본 발명의 실시예에 따른 나노 복합체를 이용한 변형률 감지센서를 10,000번 반복 스트레칭한 경우 스트레칭 횟수의 증가에 따라 저장 변화율이 감소하는 경향을 나타내지만 저항 변화율은 약 30 내지 80% 사이에서 일정하게 유지되는 것을 확인할 수 있다. 이를 통하여 본 발명의 실시예에 따른 나노 복합체를 이용한 변형률 감지센서는 스트레칭 횟수가 증가하여도 기계적 안정성이 유지되는 것을 확인할 수 있다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 나노 복합체를 이용한 변형률 감지센서를 40%의 변형률로 10,000번 스트레칭(stretching)한 후의 전계방출형 주사전자현미경(FE-SEM) 사진이다.
도 5를 참조하면, 40%의 큰 변형률로 본 발명의 실시예에 따른 나노 복합체를 이용한 변형률 감지센서를 10,000번 반복 스트레칭한 경우에도 나노 복합체층 표면에 금이 가거나 은 나노와이어들이 부러지지 않는 것을 확인할 수 있다. 이를 통하여 본 발명의 실시예에 따른 나노 복합체를 이용한 변형률 감지센서는 반복적인 사용에 의하여도 손상되지 않기 때문에 기계적 안정성이 우수함을 확인할 수 있다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 나노 복합체를 이용한 변형률 감지센서에 가해지는 스트레인의 크기(ε)를 변화시키면서 압축하여 나노 복합체를 이용한 변형률 감지센서의 중앙부분이 인장되는 경우에 저항변화율을 측정한 그래프이고, 도 7은 본 발명의 실시예에 따른 나노 복합체를 이용한 변형률 감지센서에 가해지는 스트레인의 크기(ε)를 변화시키면서 압축하여 나노 복합체를 이용한 변형률 감지센서의 중앙부분이 압축되는 경우에 저항변화율을 측정한 그래프이다.
도 6 및 도 7을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 나노 복합체를 이용한 변형률 감지센서가 압축되어 중앙부분이 볼록하게 솟아오르는 경우에는 저항변화율이 음(-)의 값을 나타내는 것을 확인할 수 있고, 본 발명의 실시예에 따른 나노 복합체를 이용한 변형률 감지센서가 압축되어 중앙부분이 오목하게 만곡되는 경우에는 저항변화율이 양(+)의 값을 나타내는 것을 확인할 수 있다. 이를 종합하면, 본 발명의 실시예에 따른 나노 복합체를 이용한 변형률 감지센서에서 나타나는 저항변화율이 음(-) 또는 양(+)의 값을 가지는 것을 확인함으로써 본 발명의 실시예에 따른 나노 복합체를 이용한 변형률 감지센서의 중앙부분이 볼록하게 솟아오르거나 오목하게 만곡되는지 여부를 예상할 수 있어 나노 복합체를 이용한 변형률 감지센서의 변형 형태를 예상할 수 있다.
또한, 기존의 변형률 감지센서는 스트레인의 크기(ε)가 약 10% 정도 차이가 나는 경우에 저항변화율의 변화를 확인할 수 있으나, 본 발명의 실시예에 따른 나노 복합체를 이용한 변형률 감지센서는 스트레인의 크기(ε)가 0.5% 변경되어도 저항변화율의 변화를 확인할 수 있으므로 기존의 변형률 감지 센서에 비하여 민감도가 향상되는 것을 확인할 수 있다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 나노 복합체를 이용한 변형률 감지센서에 가해지는 스트레인의 크기(ε) 변화시키면서 인장한 경우에 저항변화율을 측정한 그래프이다.
도 8을 참조하면, 스트레인의 크기(ε)를 10% 에서 60% 까지 10% 크기 차이를 두고 인장한 경우에 저항변화율이 증가하는 것을 확인할 수 있다. 위에서 설명한 바와 같이 기존의 변형률 감지 센서는 스트레인의 크기가 약 10% 차이가 나는 경우에 변형률을 감지할 수 있고, 본 발명의 실시예에 따른 나노 복합체를 이용한 변형률 감지센서도 기존의 변형률 감지 센서와 동일한 기능을 발휘할 수 있다.
도 9는 스핀코팅하는 회전속도를 달리하여 기판 상에 은 나노와이어들을 랜덤하게 배치한 경우에 나노 복합체를 이용한 변형률 감지센서의 투과도를 측정한 그래프이다.
도 9를 참조하면, 회전속도 약 200rpm으로 기판 상에 은 나노와이어들을 스핀코팅한 경우에는 파장이 약 300㎚인 경우에 투과도가 약 67.37%로 측정되었고, 회전속도 약 250rpm으로 기판 상에 은 나노와이어들을 스핀코팅한 경우에는 파장이 약 300㎚인 경우에 투과도가 약 72.7%으 측정되었다. 또한, 회전속도 약 300rpm으로 기판 상에 은 나노와이어들을 스핀코팅한 경우에는 파장이 약 300㎚인 경우에 투과도가 약 75.83%로 측정되었고, 회전속도 약 400rpm으로 기판 상에 은 나노와이어들을 스핀코팅한 경우에는 파장이 약 300㎚인 경우에 약 81.38%의 투과도가 측정되었다.
표 1은 스핀코팅 회전속도에 따라 기판 상에 적층된 은 나노와이어들의 면저항을 측정한 결과이다.
| 은 나노와이어 스핀코팅 회전속도 | 면 저항 |
| 200rpm | 16.91 ~ 30Ω/sq |
| 250rpm | 66 ~ 111Ω/sq |
| 300rpm | 1.4 ~ 1.6 kΩ/sq |
| 400rpm | range over |
도 9 및 표 1의 결과를 참조하면, 은 나노와이어들을 스핀코팅하는 회전속도를 약 220 내지 280rpm에서 수행함으로써 약 70% 이상의 투과도와 적절한 면저항을 갖는 나노 복합체를 이용한 변형률 감지센서를 제작할 수 있다.
도 10은 PEDOT:PSS와 폴리우레탄의 농도를 달리하여 은 나노와이어들 상에 스핀코팅한 경우에 나노 복합체를 이용한 변형률 감지센서의 저항변화율을 측정한 그래프이다.
도 10을 참조하면, PEDOT:PSS의 농도가 14%이고, 폴리우레탄의 농도가 86%인 용액을 이용하여 은 나노와이어들 상에 스핀코팅한 경우에는 나노 복합체를 이용한 변형률 감지센서가 약 100% 이상 인장(elongation)되는 경우에도 저항변화율이 안정적으로 증가하는 것을 확인할 수 있다. 그러나 PEDOT:PSS의 농도가 28%이고, 폴리우레탄의 농도가 72%인 용액을 이용하여 은 나노와이어들 상에 스핀코팅한 경우 및 PEDOT:PSS의 농도가 40%이고, 폴리우레탄의 농도가 60%인 용액을 이용하여 은 나노와이어들 상에 스핀코팅한 경우에는 나노 복합체를 이용한 변형률 감지센서가 약 100% 이상 인장(elongation)되는 경우에도 저항변화율이 급변하는 것을 확인할 수 있다. 이를 통하여 PEDOT:PSS의 농도가 14%이고, 폴리우레탄의 농도가 86%인 용액을 이용하여 은 나노와이어들 상에 스핀코팅하는 것이 안정적으로 변형률을 감지할 수 있음을 확인할 수 있다.
이상에서 본 발명에 따른 실시예들이 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상적 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 범위의 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 다음의 특허청구범위에 의해서 정해져야 할 것이다.
100: 나노 복합체를 이용한 변형률 감지센서 10: 기판
20: 나노 복합체층 30: 보호층
20: 나노 복합체층 30: 보호층
Claims (11)
- 투명하고 신축성을 가지는 기판;
상기 기판 상에 배치되고, 금속 나노와이어들, 투명하고 신축성을 가지며 전도성을 나타내는 제1 폴리머 물질 및 투명하고 상기 제 1 폴리머 물질보다 높은 신축성을 가지며 비전도성을 나타내는 제2 폴리머 물질로 이루어진 삼성분계 나노 복합체층; 및
상기 나노 복합체층 상에 배치되고 투명하고 신축성을 가지는 제3 폴리머 물질로 이루어진 보호층을 포함하고,
상기 금속 나노와이어들은 상기 나노 복합체층 내부에서 랜덤하게 배치되어 있으며,
상기 제 1 폴리머 물질은 폴리(3,4-에틸렌 디옥시티오펜):폴리(4-스티렌설포네이트)(poly(3,4-ethylenedioxythiophene):poly(4-styrenesulfonate), PEDOT:PSS), 폴리아세틸렌(polyacetylene), 폴리파라페닐렌(polyparaphenylene), 폴리피롤(polypyrole) 및 폴리아닐린(polyaniline)으로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상이고,
상기 제 2 폴리머 물질은 폴리디메틸실록산(polydimethylsiloxane, PDMS), 에코플렉스(ecoflex) 및 폴리우레탄(polyurethane, PU)으로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상인,
기계적 안정성이 향상된 나노 복합체를 이용한 변형률 감지센서.
- 제1항에 있어서,
상기 기판은 폴리디메틸실록산(polydimethylsiloxane, PDMS), 에코플렉스(ecoflex) 및 폴리우레탄(polyurethane, PU)으로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상인,
기계적 안정성이 향상된 나노 복합체를 이용한 변형률 감지센서.
- 제1항에 있어서,
상기 제3 폴리머 물질은 폴리디메틸실록산(polydimethylsiloxane, PDMS), 에코플렉스(ecoflex) 및 폴리우레탄(polyurethane, PU)으로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상인,
기계적 안정성이 향상된 나노 복합체를 이용한 변형률 감지센서.
- 제1항에 있어서,
상기 기판의 표면은 산소 플라즈마 처리되어 있는,
기계적 안정성이 향상된 나노 복합체를 이용한 변형률 감지센서.
- 투명하고 신축성을 가지는 기판 상에 금속 나노와이어들, 투명하고 신축성을 가지며 전도성을 나타내는 제1 폴리머 물질 및 투명하고 상기 제 1 폴리머 물질보다 높은 신축성을 가지며 비전도성을 나타내는 제2 폴리머 물질로 이루어진 삼성분계 나노 복합체층을 형성하는 단계; 및
상기 나노 복합체층 상에 투명하고 신축성을 가지는 제3 폴리머 물질로 이루어진 보호층을 형성하는 단계를 포함하고,
상기 금속 나노와이어들은 상기 나노 복합체층 내부에서 랜덤하게 배치되어 있으며,
상기 제 1 폴리머 물질은 폴리(3,4-에틸렌 디옥시티오펜):폴리(4-스티렌설포네이트)(poly(3,4-ethylenedioxythiophene):poly(4-styrenesulfonate), PEDOT:PSS), 폴리아세틸렌(polyacetylene), 폴리파라페닐렌(polyparaphenylene), 폴리피롤(polypyrole) 및 폴리아닐린(polyaniline)으로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상이고,
상기 제 2 폴리머 물질은 폴리디메틸실록산(polydimethylsiloxane, PDMS), 에코플렉스(ecoflex) 및 폴리우레탄(polyurethane, PU)으로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상인,
기계적 안정성이 향상된 나노 복합체를 이용한 변형률 감지센서 제조방법.
- 제5항에 있어서,
상기 나노 복합체층을 형성하는 단계는,
상기 기판을 산소 플라즈마 처리하는 단계;
산소 플라즈마 처리된 상기 기판 상에 상기 금속 나노와이어들을 포함하는 제1 용액을 스핀코팅하고 제1 열처리하는 단계; 및
상기 금속 나노와이어들이 랜덤하게 배치된 상기 기판 상에 상기 제1 폴리머 물질 및 상기 제2 폴리머 물질을 포함하는 제2 용액을 스핀코팅하고 제2 열처리하는 단계를 포함하는,
기계적 안정성이 향상된 나노 복합체를 이용한 변형률 감지센서 제조방법.
- 제5항에 있어서,
상기 제1 용액의 스핀코팅은 회전속도 200 내지 400rpm에서 이루어지는,
기계적 안정성이 향상된 나노 복합체를 이용한 변형률 감지센서 제조방법.
- 제5항에 있어서,
상기 제2 용액의 상기 제1 폴리머 물질의 농도는 10 내지 50%이고,
상기 제2 용액의 상기 제2 폴리머 물질의 농도는 50 내지 90%인,
기계적 안정성이 향상된 나노 복합체를 이용한 변형률 감지센서 제조방법.
- 제5항에 있어서,
상기 보호층을 형성하는 단계는, 제3 폴리머 물질을 포함하는 제3 용액을 상기 나노 복합체층이 형성된 상기 기판 상에 스핀코팅하고 열처리하는 단계를 포함하는,
기계적 안정성이 향상된 나노 복합체를 이용한 변형률 감지센서 제조방법.
- 제5항에 있어서,
상기 제1 열처리하는 단계는 50 내지 120℃에서 10 내지 30분 동안 가열하는 단계를 포함하는,
기계적 안정성이 향상된 나노 복합체를 이용한 변형률 감지센서 제조방법.
- 제5항에 있어서,
상기 제2 열처리하는 단계는,
질소(N2) 분위기에서, 50 내지 120℃에서 10 내지 30분 동안 가열한 후 120 내지 200℃에서 60 내지 120분 동안 가열하는 단계를 포함하는,
기계적 안정성이 향상된 나노 복합체를 이용한 변형률 감지센서 제조방법.
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A107 | Divisional application of patent |