KR102299529B1 - 일 방향 배향 구조의 투명 신축 구조체 및 그 제조 방법 - Google Patents

일 방향 배향 구조의 투명 신축 구조체 및 그 제조 방법 Download PDF

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Abstract

전술한 바와 같은 과제를 실현하기 위한 본 개시의 다양한 실시예에 따른 투명 신축 구조체가 개시된다. 상기 투명 신축 구조체는, 탄성력을 가진 소재로 구성된 투명 모재 및 상기 모재 내부에 구비되며 투명 소재로 구성된 보강재를 포함할 수 있다.

Description

일 방향 배향 구조의 투명 신축 구조체 및 그 제조 방법{TRANSPARENT STRETCHABLE STRUCTURE WITH ONE DIRECTION ORIENTES STRUCTURE AND ITS MANUFACTURING METHOD}
본 개시는 신축성을 가진 기판소재에 관한 것으로, 보다 구체적으로, 0에 가까운 포아송 비를 가지는 탄성 기판을 생성함으로써, 해당 기판이 하나의 축을 기준으로 연신 시, 다른 하나의 축에 관련한 변형률의 제어가 가능한 신축성 기판 및 그 제조방법에 관한 것이다.
최근들어 단단한 기판 상에 전극을 형성한 전도성 소자에서 벗어나, 유연한 기판 상에 전극을 형성한 신축성 전자 소자에 관한 연구 개발이 활발해지고 있다. 신축성 전자 소자는 외부 응력에 대해 자유롭게 늘어날 수 있는 기판 상에 제작된 전자 소자로 기계적 변형이나, 외력이 가해지더라도 소자의 전기적/물리적 특성을 유지하는 차세대 전자 소자이다. 이러한 신축성 전자 소자는, 플렉서블 장치, 웨어러블 장치 등에 적용될 수 있으며, 나아가 표시 또는 인체 내에 부착되는 센서, 전극 등으로 활용될 수 있다.
신축성 전자 소자가 가장 널리 활용될 수 있는 분야로는, 신축성 디스플레이, 신축성 태양 전지, 신축성 에너지 저장/발전 소자 등이 있으며, 유연 디스플레이의 뒤를 잇는 차세대 기술로의 가능성을 보여주고 있다. 또한, 신축성 전자 소자는, 뛰어난 기계적 가변성으로 인해 디자인 자유도를 높여줄 뿐 아니라 외력에 의한 기계적 안정성까지 확보할 수 있어, 웨어러블 소자, 전자 피부, 스마트폰, 의료기기, 헬스케어 모니터링 시스템, 국방, 항공 우주 산업 등으로 시장이 확장되고 있는 추세이다.
구체적인 예를 들어, 디스플레이 분야에 관련하여 고정된 평면/곡선형 디스플레이부터 단일 방향으로 접히거나 말리는 등 플렉서블(flexible), 폴더블(foldable), 롤러블(rollable) 형태로 변형 자유도의 증가 방향으로 발전하고 있다. 최근에는 전자기기 스마트화가 일어나고 공간의 이동성이 강조되면서, 고정형 디스플레이에서 벗어나 다양한 조건에서 다차원 축 방향으로 변형되고 자유롭게 사용할 수 있는 신축성 디스플레이 개발이 요구되고 있다.
전술한 바와 같이, 신축성 디스플레이 분야에 관련한 기술의 발전으로 기존의 방식을 뛰어넘는 새로운 디지털 인터페이스의 구현이 가능해질 것으로 예상되고 있다. 다만, 신축성 디스플레이는, 기존의 플렉서블, 폴더블, 롤러불 디스플레이와 달리 고정된 변형 축이나 방향이 없기 때문에, 변형 시에 왜곡 현상이 이슈로 대두되고 있다.
이에 따라, 낮은 응력 하에서도 디스플레이의 왜곡 없이 자유롭게 변형될 수 있는 기판, 저저항, 고유연, 고안정 신축성 전극 기술 개발이 필요할 수 있다. 즉, 당 업계에는 안정적인 기계적 변형률 뿐만 아니라, 왜곡 현상을 저감시키며, 고투과도의 신축성 기판에 대한 수요가 존재할 수 있다.
등록특허공보 제10-1749861호(2017.06.15)
본 개시가 해결하고자 하는 과제는 상술한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 0에 가까운 포아송 비를 가지는 탄성 구조체를 생성함으로써, 해당 구조체가 하나의 축을 기준으로 연신되는 경우, 다른 하나의 축에 관련한 변형률의 제어가 가능한 신축성 구조체 및 그 제조방법을 제공하기 위함이다.
본 개시가 해결하고자 하는 과제들은 이상에서 언급된 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상술한 과제를 해결하기 위한 본 개시의 다양한 실시예에 따른 투명 신축 구조체가 개시된다. 상기 투명 신축 구조체는, 탄성력을 가진 소재로 구성된 투명 모재 및 상기 모재 내부에 구비되며 투명 소재로 구성된 보강재를 포함할 수 있다.
대안적인 실시예에서, 하나 이상의 서브 보강재를 포함하며, 상기 하나 이상의 서브 보강재 각각은, 파이버 형상을 통해 구비되며, 일 방향으로 배향된 것을 특징으로 할 수 있다.
대안적인 실시예에서, 상기 투명 신축 구조체는, 제 1 방향 모듈러스가 제 2 방향 모듈러스의 적어도 10배 이상의 이방성을 가지며, 포아송 비가 0.05 이하인 것을 특징으로 할 수 있다.
대안적인 실시예에서, 상기 제 1 방향 모듈러스는, 상기 보강재의 배향 방향으로의 복합 모듈러스로, 상기 보강재와 상기 모재 간의 부피 비에 따른 모듈러스의 산술 평균을 통해 산출되며, 상기 제 2 방향 모듈러스는, 상기 보강재의 배향에 수직 방향으로의 복합 모듈러스로, 상기 보강재와 상기 모재 간의 부피 비에 따른 모듈러스의 조화 평균을 통해 산출될 수 있다.
대안적인 실시예에서, 상기 모재는, 0.1 내지 0.9 범위의 부피 분율을 가지며, 0.01MPa 내지 100MPa 범위의 모듈러스(modulus)를 통해 구비되는 것을 특징으로 할 수 있다.
대안적인 실시예에서, 상기 보강재는, 0.1 내지 0.9 범위의 부피 분율을 가지며, 200nm 내지 100μm 범위의 직경을 가지는 파이버 형태의 집합체로서, 1MPa 내지 1000GPa 범위의 모듈러스를 통해 구비되는 것을 특징으로 할 수 있다.
대안적인 실시예에서, 상기 모재는, 상기 보강재와의 굴절률을 매칭시키는 투명 첨가제를 포함하며, 상기 투명 첨가제는, 3nm 내지 100nm 크기의 나노 입자 형상을 통해 구성되며, 산화지르코늄(ZrO2), 이산화 타이타늄(TiO2) 및 산화 알루미늄(Al2O3) 중 적어도 하나를 포함하고, 상기 모재의 제작 과정에서 상기 모재에 첨가되는 것을 특징으로 할 수 있다.
대안적인 실시예에서, 상기 보강재는, 복수의 유리 섬유(glass fiber)를 포함할 수 있다.
본 개시의 다양한 실시예에 따른 투명 신축 구조체의 제조 방법이 개시된다. 상기 방법은, 탄성 소재의 제 1 모재를 생성하는 단계, 하나 이상의 서브 보강재를 포함하는 보강재를 생성하는 단계, 상기 제 1 모재의 일면에 상기 보강재를 위치시키는 단계 및 상기 보강재의 상부 측에 제 2 모재를 공급하여 상기 보강재를 함침시키는 단계를 포함할 수 있다.
대안적인 실시예에서, 투명 신축 구조체의 제조 방법은, 상기 제 1 모재를 생성하는 단계를 더 포함하며, 상기 제 1 모재를 생성하는 단계는, 액체 상태의 제 1 모재에 투명 첨가제를 첨가하는 단계, 고정판에 상기 액체 상태의 제 1 모재를 공급하는 단계, 상기 액체 상태의 제 1 모재에 대한 경화를 수행하는 단계 및 상기 고정판을 분리시키는 단계를 포함할 수 있다.
대안적인 실시예에서, 상기 투명 첨가제는, 3nm 내지 100nm 크기의 나노 입자 형상을 통해 구성되며, 산화지르코늄(ZrO2), 이산화 타이타늄(TiO2) 및 산화 알루미늄(Al2O3) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
대안적인 실시예에서, 상기 제 1 모재의 일면에 상기 보강재를 위치시키는 단계는, 상기 제 1 모재의 일면에 상기 하나 이상의 서브 보강재 각각을 일 방향으로 위치시키는 단계를 포함할 수 있다.
대안적인 실시예에서, 상기 보강재의 상부 측에 제 2 모재를 공급하여 상기 보강재를 함침시키는 단계는, 상기 보강재의 상부 측에 상기 제 2 모재를 위치시키는 단계 및 고온의 프레싱 공정을 수행하여 각 모재 사이에 상기 보강재를 함침시키는 단계를 포함할 수 있다.
대안적인 실시예에서, 상기 보강재의 상부 측에 제 2 모재를 공급하여 상기 보강재를 함침시키는 단계는, 상기 보강재의 상부 측에 액체 상태의 제 2 모재를 공급하는 단계 및 상기 액체 상태의 제 2 모재에 대한 경화를 수행하는 단계를 포함할 수 있다.
대안적인 실시예에서, 상기 제 1 모재, 상기 제 2 모재 및 상기 보강재 각각은, 하기와 같은 수식 조건을 충족하도록 구비되는 것을 특징으로 하며,
Figure 112020134375605-pat00001
Figure 112020134375605-pat00002
은 제 1 모재와 제 2 모재의 모듈러스이며,
Figure 112020134375605-pat00003
은 상기 제 1 모재와 상기 제 2 모재의 부피 분율이며,
Figure 112020134375605-pat00004
는 상기 보강재의 모듈러스이며,
Figure 112020134375605-pat00005
는 상기 보강재의 부피 분율일 수 있다.
본 개시의 기타 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 도면들에 포함되어 있다.
본 개시의 다양한 실시예에 따르면, 본 개시는 다양한 조건에서 다차원 축 방향으로 변형되어 자유롭게 사용할 수 있는 투명 신축 구조체를 제공할 수 있다. 또한, 안정적인 기계적 변형률 뿐만 아니라, 고투과도를 가진 신축성 구조체를 제공할 수 있다. 추가적으로, 제조 공정의 최적화를 통해 제조 속도 향상 및 대면적화를 유도하여 신축성 구조체의 양산성을 향상시킬 수 있다.
본 개시의 효과들은 이상에서 언급된 효과로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
다양한 양상들이 이제 도면들을 참조로 기재되며, 여기서 유사한 참조 번호들은 총괄적으로 유사한 구성요소들을 지칭하는데 이용된다. 이하의 실시예에서, 설명 목적을 위해, 다수의 특정 세부사항들이 하나 이상의 양상들의 총체적 이해를 제공하기 위해 제시된다. 그러나, 그러한 양상(들)이 이러한 구체적인 세부사항들 없이 실시될 수 있음은 명백할 것이다.
도 1은 본 개시의 일 실시예와 관련된 투명 신축 구조체를 나타내는 개략도이다.
도 2는 본 개시의 일 실시예와 관련된 다양한 형상을 통해 구비됨에 따라 0에 가까운 포아송 비를 가지는 오그제틱 구조체에 대한 예시도이다.
도 3은 본 개시의 일 실시예와 관련된 투명 신축 구조체의 제조 방법을 예시적으로 나타낸 순서도를 도시한다.
도 4는 본 개시의 일 실시예와 관련된 투명 신축 구조체를 측면에서 바라본 예시도를 도시한다.
도 5는 본 개시의 일 실시예와 관련된 모재 및 보강재 간의 부피 비율에 따른 배향 방향 복합 모듈러스 및 배향의 수직 방향 복합 모듈러스에 관련한 실험값을 나타낸 도면이다.
도 6은 본 개시의 일 실시예와 관련된 모재 및 보강재 간의 부피 비율에 따른 포아송 비에 관련한 실험값을 나타낸 도면이다.
도 7은 본 개시의 일 실시예와 관련된 모재의 부피 분율에 관련한 실험값을 나타낸 도면이다.
다양한 실시예들 및/또는 양상들이 이제 도면들을 참조하여 개시된다. 하기 설명에서는 설명을 목적으로, 하나 이상의 양상들의 전반적 이해를 돕기 위해 다수의 구체적인 세부사항들이 개시된다. 그러나, 이러한 양상(들)은 이러한 구체적인 세부사항들 없이도 실행될 수 있다는 점 또한 본 개시의 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 감지될 수 있을 것이다. 이후의 기재 및 첨부된 도면들은 하나 이상의 양상들의 특정한 예시적인 양상들을 상세하게 기술한다. 하지만, 이러한 양상들은 예시적인 것이고 다양한 양상들의 원리들에서의 다양한 방법들 중 일부가 이용될 수 있으며, 기술되는 설명들은 그러한 양상들 및 그들의 균등물들을 모두 포함하고자 하는 의도이다. 구체적으로, 본 명세서에서 사용되는 "실시예", "예", "양상", "예시" 등은 기술되는 임의의 양상 또는 설계가 다른 양상 또는 설계들보다 양호하다거나, 이점이 있는 것으로 해석되지 않을 수도 있다.
이하, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 유사한 구성 요소는 동일한 참조 번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략한다. 또한, 본 명세서에 개시된 실시예를 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 명세서에 개시된 실시예의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 첨부된 도면은 본 명세서에 개시된 실시예를 쉽게 이해할 수 있도록 하기 위한 것일 뿐, 첨부된 도면에 의해 본 명세서에 개시된 기술적 사상이 제한되지 않는다.
비록 제 1, 제 2 등이 다양한 소자나 구성요소들을 서술하기 위해서 사용되나, 이들 소자나 구성요소들은 이들 용어에 의해 제한되지 않음은 물론이다. 이들 용어들은 단지 하나의 소자나 구성요소를 다른 소자나 구성요소와 구별하기 위하여 사용하는 것이다. 따라서, 이하에서 언급되는 제 1 소자나 구성요소는 본 발명의 기술적 사상 내에서 제 2 소자나 구성요소 일 수도 있음은 물론이다.
다른 정의가 없다면, 본 명세서에서 사용되는 모든 용어(기술 및 과학적 용어를 포함)는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 공통적으로 이해될 수 있는 의미로 사용될 수 있을 것이다. 또 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 명백하게 특별히 정의되어 있지 않는 한 이상적으로 또는 과도하게 해석되지 않는다.
더불어, 용어 "또는"은 배타적 "또는"이 아니라 내포적 "또는"을 의미하는 것으로 의도된다. 즉, 달리 특정되지 않거나 문맥상 명확하지 않은 경우에, "X는 A 또는 B를 이용한다"는 자연적인 내포적 치환 중 하나를 의미하는 것으로 의도된다. 즉, X가 A를 이용하거나; X가 B를 이용하거나; 또는 X가 A 및 B 모두를 이용하는 경우, "X는 A 또는 B를 이용한다"가 이들 경우들 어느 것으로도 적용될 수 있다. 또한, 본 명세서에 사용된 "및/또는"이라는 용어는 열거된 관련 아이템들 중 하나 이상의 아이템의 가능한 모든 조합을 지칭하고 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
또한, "포함한다" 및/또는 "포함하는"이라는 용어는, 해당 특징 및/또는 구성요소가 존재함을 의미하지만, 하나 이상의 다른 특징, 구성요소 및/또는 이들의 그룹의 존재 또는 추가를 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다. 또한, 달리 특정되지 않거나 단수 형태를 지시하는 것으로 문맥상 명확하지 않은 경우에, 본 명세서와 청구범위에서 단수는 일반적으로 "하나 또는 그 이상"을 의미하는 것으로 해석되어야 한다.
어떤 구성 요소가 다른 구성 요소에 “연결되어” 있다거나 “접속되어” 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성 요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성 요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성 요소가 다른 구성 요소에 “직접 연결되어” 있다거나 “직접 접속되어”있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성 요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.
이하의 설명에서 사용되는 구성 요소에 대한 접미사 “모듈” 및 “부”는 명세서 작성의 용이함만이 고려되어 부여되거나 혼용되는 것으로서 그 자체로 서로 구별되는 의미 또는 역할을 갖는 것은 아니다.
구성 요소(elements) 또는 층이 다른 구성 요소 또는 층의 "위(on)" 또는 "상(on)"으로 지칭되는 것은 다른 구성 요소 또는 층의 바로 위뿐만 아니라 중간에 다른 층 또는 다른 구성 요소를 개재한 경우를 모두 포함한다. 반면, 구성 요소가 "직접 위(directly on)" 또는 "바로 위"로 지칭되는 것은 중간에 다른 구성 요소 또는 층을 개재하지 않은 것을 나타낸다.
공간적으로 상대적인 용어인 "아래(below)", "아래(beneath)", "하부(lower)", "위(above)", "상부(upper)" 등은 도면에 도시되어 있는 바와 같이 하나의 구성 요소 또는 다른 구성 요소들과의 상관관계를 용이하게 기술하기 위해 사용될 수 있다. 공간적으로 상대적인 용어는 도면에 도시되어 있는 방향에 더하여 사용시 또는 동작시 소자의 서로 다른 방향을 포함하는 용어로 이해되어야 한다.
예를 들면, 도면에 도시되어 있는 구성 요소를 뒤집을 경우, 다른 구성 요소의 "아래(below)" 또는 "아래(beneath)"로 기술된 구성 요소는 다른 구성 요소의 "위(above)"에 놓여질 수 있다. 따라서, 예시적인 용어인 "아래"는 아래와 위의 방향을 모두 포함할 수 있다. 구성 요소는 다른 방향으로도 배향될 수 있고, 이에 따라 공간적으로 상대적인 용어들은 배향에 따라 해석될 수 있다.
본 개시의 목적 및 효과, 그리고 그것들을 달성하기 위한 기술적 구성들은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 본 개시를 설명하는데 있어서 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 개시의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다. 그리고 후술되는 용어들은 본 개시에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로써 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다.
그러나 본 개시는 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있다. 단지 본 실시예들은 본 개시가 완전하도록 하고, 본 개시가 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 개시의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 개시는 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
도 1은 본 개시의 일 실시예와 관련된 투명 신축 구조체를 나타내는 개략도이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 본 개시의 투명 신축 구조체(100)는 탄성력을 가진 소재로 구성된 투명 모재(120) 및 해당 모재의 내부에 일 방향으로 배향되어 구비되며 투명 소재로 구성된 파이버 형상의 보강재(110)를 포함할 수 있다. 이러한 투명 신축 구조체(100)는 0에 가까운 포아송 비를 가질 수 있다. 구체적으로, 투명 신축 구조체(100)는, 모재(120)의 내부 일 영역에 하나 이상의 서브 보강재를 포함하는 보강재(110)를 일 방향 배향되도록 구비함으로써 생성될 수 있다. 이 경우, 하나 이상의 서브 보강재는 일 방향으로 배향되는 것을 특징으로 할 수 있다. 예컨대, 각 서브 보강재는 서로 평행하도록 일 방향을 기준으로 배향될 수 있다. 즉, 투명 신축 구조체(100)는 모재(120)의 내부에 일 방향으로 배향된 하나 이상의 파이버 형상의 서브 보강재를 통해 복합체의 기계적 이방성을 극대화할 수 있으며, 0에 가까운 포아송 비를 갖도록 구비될 수 있다.
여기서, 포아송 비란, 재료에 인장력이 작용하여 특정 방향으로 인장되는 가로 방향의 변형도와 세로 방향의 변형도 사이의 비율을 의미할 수 있다. 대부분의 재료들은 단축으로 인장력을 가하는 경우, 재료의 인장 방향과 측면 방향 변형률의 부호가 서로 다르므로 양의 포아송 비를 갖는다.
구체적인 예를 들어, 일반적인 구조의 재료는, 횡방향의 응력이 가해지면, 해당 방향으로 신장함과 동시에 종방향으로의 수축이 발생한다. 즉, 재료 내부에 생기는 수직 응력에 의한 종방향의 변형과 횡방향의 변형 간의 포아송 비가 양수일 수 있다. 이러한 포아송 비는 원래 소재 고유의 특성이지만, 소재가 특정 형상 또는 특정 배치 특성을 갖도록 형성되는 경우, 연신 방향의 수직 방향에 대한 번형률의 제어가 가능할 수 있다.
본 개시의 투명 신축 구조체(100)는, 횡방향(배향의 수직 방향)으로 응력이 가해지면, 종방향(필러(즉, 하나 이상의 서브 보강재)의 배향 방향)으로의 모듈러스가 횡방향에 비해 매우 높아 종방향으로의 수축이 거의 발생하지 않을 수 있다. 즉, 본 개시에서의 투명 신축 구조체(100)는 일반적인 재료와 다르게 0에 가까운 포아송 비를 가지도록 설계된 재료를 의미할 수 있다. 실시예에 따르면, 투명 신축 구조체(100)는 통상적인 자연계 연신에 나타나기 힘든 수직 방향으로의 변형이 발생하지 않도록 구비될 수 있다.
다시 말해, 본 개시의 투명 신축 구조체(100)는, 탄성력을 갖는 모재(120) 및 해당 모재(120)의 내부에 일 방향으로 배향되어 구비되는 보강재(110)를 통해 구현됨으로써, 0에 가까운 포아송 비, 또는 연신 방향의 수직 방향에 대한 변형률을 최소화할 수 있다.
이에 따라, 본 개시의 투명 신축 구조체(100)는 다양한 축 방향으로 변형되는 등 높은 디자인 자유도를 제공할 수 있다. 예컨대, 본 개시의 투명 신축 구조체(100)를 통해 디스플레이를 구성하는 경우, 단일 방향으로 접히거나 말리는 등 고정형 디스플레이에서 벗어나 다양한 조건에서 다차원 축 방향으로 변형을 지원할 수 있다. 이는, 보다 높은 가변성을 제공하여 디자인 자유도를 향상시킬 뿐 아니라, 외력에 의한 기계적 안정성 확보를 담보하는 효과를 가질 수 있다.
한편, 다양한 조건에서 다차원 축 방향으로 변형을 지원하는 구조의 재료(즉, 0에 가까운 포아송 비를 갖는 재료)로써 대표적으로 오그제틱(auxetic) 구조의 재료가 존재한다. 오그제틱 구조는, 구조체(예컨대, 기판)의 내부에 특정 형상을 갖도록 함침되어 구성될 수 있으며, 하나의 축을 기준으로 발생하는 외력에 대응하여 다른 하나의 축 방향에 관련한 변형을 야기시킬 수 있다. 예컨대, 도 2에 도시된 바와 같이, 리엔트런트, 키랄 및 회전 강체 형상의 단위 구조체를 포함하는 오그제틱이 기판의 내부에 함침되는 경우, 해당 기판, 0에 가까운 포아송 비를 가질 수 있다.
보다 구체적인 예를 들어, 도 2의 (a)에 도시된 바와 같이, 리엔트런트 형상을 갖는 단위 구조체를 포함하는 오그제틱은, 종방향을 기준으로 하는 외력이 가해지는 경우, 각 단위 구조체의 횡 방향으로 내부 응력이 작용함에 따라, 해당 오그제틱은 음의 포아송 비를 가질 수 있다. 즉, 종방향 축을 기준으로 하는 외력에 대응하여 오그제틱이 횡방향 축을 기준으로 신장될 수 있다.
또한, 예를 들어, 도 2의 (b)에 도시된 바와 같이, 키랄 형상을 갖는 단위 구조체를 포함하는 오그제틱은, 종방향을 기준으로 하는 외력이 가해지는 경우, 각 단위 구조체가 시계 방향 또는 반시계 방향으로 회전됨에 따라, 해당 오그제틱은 음의 포아송 비를 가질 수 있다.
또한, 예를 들어, 도 2의 (c)에 도시된 바와 같이, 회전 강체 형상을 갖는 단위 구조체를 포함하는 오그제틱은, 하나의 절점(node)을 공유할 수 있으며, 해당 절점을 통해 각 단위체가 회전하게 되고 이로 인해 음의 포아송 비를 갖는 물질의 특성을 나타낼 수 있다. 즉, 해당 오그제틱에 대하여 종 방향을 기준으로 하는 외력이 가해지는 경우, 각 단위 구조체 간의 공유된 절점을 기준으로 연결선이 풀림에 따라 각 단위 구조체가 시계 방향 또는 반시계 방향으로 회전되므로, 해당 오그제틱은 음의 포아송 비를 가질 수 있다.
즉, 전술한 예시와 같이, 다양한 형상의 단위 구조체를 통해 구현됨에 따라 음의 포아송 비를 갖는 오그제틱 구조의 재료가 존재한다. 이러한 오그제틱 구조가 내부에 함침된 기판(즉, 오그제틱 구조의 재료)의 경우, 해당 오그제틱에 포함된 단위 구조체들의 형상을 통해, 특정 축 방향을 기준으로 하는 외력이 인가되는 경우, 다른 하나의 축 방향에 대한 변형률을 제어할 수 있다.
이러한 오그제틱 구조의 재료는, 예를 들어, 탄성 소재를 활용한 인쇄 공정을 통해 생성될 수 있다. 여기서 인쇄 공정이란, 설계된 회로 패턴을 잉크젯 프린터 또는 라미네이터 등을 통해 대상 물체를 찍어내는 공정으로, 신축성 또는 탄성을 가진 소재를 통해 특정한 격자 구조를 형성(또는 적층)하는 롤투롤 공정(Roll-to-roll processing)을 의미할 수 있다. 이러한 인쇄 공정은, 예를 들어, 잉크젯, 공압용 디스펜서, 스크류 디스펜서, 스크린 프리팅, 바코터, 스트레이 프인팅 등의 장비를 활용한 공정을 의미할 수 있다.
전술한 바와 같이, 오그제틱 구조의 재료는, 다양한 단위 구조체의 형상(예컨대, 리엔트런트, 키랄 및 회전강체 등)을 통해 음의 포아송 비를 가진 물질 특성을 구현할 수 있다. 다만, 음의 포아송 비를 가질 수 있도록, 수십에서 수백 마이크로 간격 및 크기의 다양한 형상에 대응하는 오그제틱을 형성하여야 하므로, 고정밀도의 인쇄 공정이 관련한 장비가 필수적으로 요구되며, 형성된 오그제틱에 대한 경화 공정 및 해당 오그제틱을 내부에 함침시켜 신축 기판을 생성하는 과정에서의 추가 경화 공정 등 다양한 추가 공정이 요구될 수 있다. 다시 말해, 오그제틱 구조의 재료는, 제조 공정 상에서 고가의 고정밀도 장비가 요구될 수 있으며, 다양한 격자 구조 설계, 적층 제조 공정 및 경화 공정 등에 많은 노력과 시간이 요구될 수 있다.
반면, 본 개시의 투명 신축 구조체(100)는 보강재(110) 및 모재(120) 각각을 제조하는 공정 및 각 소재를 접합 또는 함침시키는 공정 등 비교적 간단한 공정을 통해 구현될 수 있으며 인발 성형(pultrustion)과 같은 연속 공정이 가능할 수 있다. 여기서, 인발 성형(pultrustion) 공정은, 파이버 형상의 보강재(110)가 연속적으로 공급되며, 용융되어 있는 신축성 모재(120)에 함침시켜 프리프레그를 제작하는 연속 공정을 포함할 수 있다.
이에 따라, 특정 격자 형상을 생성하기 위하여 별도의 인쇄 공정이 요구되지 않으므로, 제조 과정에서 활용 장비를 간소화하는 효과를 제공할 수 있다. 또한, 수십에서 수백 마이크로의 크기를 갖는 구조체(예컨대, 오그제틱)에 대한 미세 공정이 생략될 수 있다. 즉, 0에 가까운 포아송 비를 가지는 물질에 대한 제조 공정이 간단화될 수 있다. 이는, 제조 공정의 최적화를 통해 제조 속도 향상 및 대면적화를 유도하고 연속 공정 개발이 가능해지므로 투명 신축 구조체의 양산성을 용이하게 확보할 수 있다.
본 개시의 투명 신축 구조체(100)에 대한 보다 구체적인 제조 방법, 구조적 특징 및 이에 대한 효과는 도 3 내지 도 6을 참조하여 이하에서 후술하도록 한다.
도 3은 본 개시의 일 실시예와 관련된 투명 신축 구조체의 제조 방법을 예시적으로 나타낸 순서도를 도시한다. 일 실시예에 따르면, 투명 신축 구조체의 제조 방법은, 하기와 같은 단계를 포함할 수 있다. 도 3에 도시된 단계들은 필요에 의해 순서가 변경될 수 있으며, 적어도 하나 이상의 단계가 생략 또는 추가될 수 있다. 즉, 전술한 단계는 본 개시의 일 실시예에 불과할 뿐, 본 개시의 권리 범위는 이에 제한되지 않는다.
본 개시의 일 실시예에 따르면, 투명 신축 구조체(100)는 탄성력을 가진 소재로 구성된 모재(120) 및 해당 모재(120) 내부에 일 방향으로 배향되는 보강재(110)를 포함할 수 있다. 이 경우, 보강재(110)는 파이버 형상의 하나 이상의 서브 보강재(110)를 포함할 수 있다. 즉, 투명 신축 구조체(100)는 하나 이상의 서브 보강재(110)를 일 방향으로 내부에 함침시킨 모재(120)의 형상으로 구현될 수 있다. 이를 위해, 투명 신축 구조체(100)는, 두 개의 모재(120)층을 생성하고, 생성된 각 모재 사이에 하나 이상의 서브 보강재(110)를 위치시키는 공정 과정을 통해 생성될 수 있다. 이 경우, 두 개의 모재(120)층 각각은 보강재(110)를 기준으로 상부면 및 하부면에 위치할 수 있다. 구체적으로, 보강재(110)를 기준으로 하부면에 위치한 모재(120)가 제 1 모재이며, 보강재(110)를 기준으로 상부면에 위치한 모재는 제 2 모재일 수 있다. 즉, 본 개시에서 모재(120)는 보강재(110)를 기준으로 하부면 및 상부면 각각에 위치한 제 1 모재 및 제 2 모재를 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 모재(120)의 제조 공정 동안에 보강재(110)가 일 방향으로 배향되도록 하는 공정(즉, 모재의 내부에 함침시키는 공정)이 동시에 수행될 수도 있다. 즉, 한번의 공정을 통해 보강재(110)를 내부에 일 방향으로 배향하는 모재(120)의 구조를 가진 본 개시의 투명 신축 구조체(100)가 구현될 수도 있다.
본 개시의 일 실시예에 따르면, 투명 신축 구조체의 제조 방법은, 모재를 생성하는 단계(210)를 포함할 수 있다. 본 개시에서의 제 1 모재 및 제 2 모재는 동일한 소재 및 동일한 공정 과정을 통해 생성되는 것일 수 있다. 즉, 모재를 생성하는 단계는, 제 1 모재 및 제 2 모재 각각을 생성하는 것을 포괄적으로 의미할 수 있다.
본 개시의 모재(120)는 탄성력을 가지는 소재로 구성되며, 예컨대, 폴리디메틸실록산(PDMS, Polydimethylsiloxane), Ecoflex, 실리콘, 폴리우레탄, 신축성 에폭시, 열가소성 엘라스토머(TPE, thermoplastic elastomer, 대표적으로 Styrene-ethylene-butylene-styrene(SEBS)), 폴리이소부틸렌 및 부틸 고무 중 적어도 하나를 통해 구비될 수 있다. 구체적인 실시예에서, Dow Corning Sylgard 184 소재를 A제 10, B제 1의 비율로 혼합한 후 80도의 고온에 4 시간 이상 경화하는 공정을 통해 PDMS에 관련한 모재를 생성할 수 있다. 다른 예를 들어, Clearflex 30 소재를 A제 1, B제 1의 비율로 혼합한 후, 80도의 고온에 16시간 이상 경화하는 공정을 통해 가교형 투명 PU에 관련한 모재를 생성할 수 있다. 또 다른 예를 들어, 그래뉼 타입의 열가소성 엘라스토머를 120~150도의 핫 프레스에 압착시키는 공정을 통해 열가소성 PU(TPU) 또는 SEBS에 관련한 모재를 생성할 수 있다. 전술한 모재 생성 공정 방법 및 모재에 대한 구체적인 기재는 예시일 뿐, 본 개시는 이에 제한되지 않는다.
일 실시예에 따르면, 모재를 생성하는 단계는, 액체 상태의 모재에 투명 첨가제를 첨가하는 단계, 고정판에 액체 상태의 모재를 공급하는 단계, 액체 상태의 모재에 대한 경화를 수행하는 단계 및 고정판을 분리시키는 단계를 포함할 수 있다.
보다 자세히 설명하면, 모재의 생성 과정에서 투명 첨가제가 첨가될 수 있다. 투명 첨가제는, 3nm 내지 100nm 크기의 나노 입자의 형상을 가지며, 예컨대, 산화지르코늄(ZrO2), 이산화 타이타늄(TiO2) 및 산화 알루미늄(Al2O3) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 이러한 투명 첨가제는, 모재(120)와 보강재(110) 간의 굴절률을 매칭시키기 위한 것일 수 있다. 예컨대, 모재(120)와 보강재(110) 각각이 서로 상이한 소재를 통해 구비되는 경우, 각 소재 간의 굴절률의 차이가 발생하여 해당 투명 신축 구조체(100)를 디스플레이 분야에 활용하기 위하여 기판화하는 경우, 각 소재 간의 경계면이 가시화됨에 따라 가시성 확보에 어려움이 있을 수 있다.
이에 따라, 나노 입자로 형성된 투명 첨가제를 모재에 첨가하여 모재(120)와 보강재(110) 간의 굴절률을 매칭시킬 수 있다. 즉, 투명 첨가제는 모재(120)에 첨가되어 해당 모재의 굴절률을 보강재와 동일하게 매칭함으로써, 투명성을 확보하여 디스플레이 활용 분야에서 향상된 가시성을 가지는 투명 신축 구조체(100)를 제공할 수 있다. 따라서, 본 개시의 투명 첨가제를 포함하는 모재(120)를 통해 구성되는 투명 신축 구조체(100)는 각 소재 간(즉, 모재와 보강재)의 굴절률을 고려하여 생성되므로, 향상된 투명도를 제공할 수 있다.
상술한 바와 같은 투명 첨가제는, 모재(120)의 제작(예컨대, 경화 또는 용융) 과정에서 해당 모재(120)에 첨가되는 것을 특징으로할 수 있다. 구체적으로, 액체 상태의 모재에 투명 첨가제가 첨가될 수 있으며, 투명 첨가제가 첨가된 액체 상태의 모재는, 고정판에 공급될 수 있다. 여기서 고정판은, 모재(120)의 생성 과정에서 해당 모재(120)를 일시적으로 지지하기 위해 구비되며, 모재 생성 공정 이후, 모재(120)로부터 이탈되는 것일 수 있다. 즉, 모재(120)는 투명 신축 구조체(100)를 구성하는 구성 요소와 상이한 별도의 고정판의 활용을 통해 생성될 수 있다.
다시 말해, 고정판의 일면에 액체 상태의 모재(120)가 공급되며, 해당 모재(120)에 대한 경화가 수행된 이후, 고정판을 분리시킴으로써, 모재(120)가 생성될 수 있다. 예컨대, 수행되는 경화는, 모재(120)의 기계적 강도 또는 강성을 확보하기 위한 경화일 수 있다.
본 개시의 모재는, 0.1 내지 0.9 범위의 부피 분율을 가지며 0.01MPa 내지 100MPa 범위의 모듈러스(modulus)를 통해 구비되는 것을 특징으로 할 수 있다. 여기서 부피 분율은, 총부피에 대한 어느 한 성분의 부피의 비를 의미하는 것으로, 모재의 부피 분율은, 투명 신축 구조체(100)의 전체 부피에서 모재가 차지하는 부피의 비를 나타낸 것일 수 있다.
본 개시의 일 실시예에 따르면, 투명 신축 구조체의 제조 방법은, 하나 이상의 파이버 형상의 서브 보강재를 포함하는 보강재를 생성하는 단계(220)를 포함할 수 있다. 본 개시에서 보강재(110)는, 투명한 소재로 구비될 수 있으며, 예컨대, 유리 섬유 또는 고분자 섬유 중 적어도 하나에 관련한 투명 소재로 구비될 수 있다. 전술한 보강재에 대한 구체적인 기재는 예시일 뿐, 본 개시는 이에 제한되지 않는다.
구체적인 예를 들어, 보강재를 생성하는 단계는, 연속 공정을 통해 얇은 글래스 파이버를 지속적으로 생성하여 추출하는 공정일 수 있다. 일 실시예에서, 보강재(110)는 비교적 간단한 연속 추출 공정을 통해 추출되어 로빙(roving) 형태로 구비될 수 있다.
전술한 바와 같이, 보강재(110)는 파이버 형상의 투명한 복수의 유리 섬유를 통해 구현될 수 있다. 복수의 유리 섬유는 다양한 각도를 통해 보강재 내부에 배향되어 있을 수 있으나, 해당 보강재는 일 방향으로 배향된 형태로 복합화 공정을 진행한다. 즉, 보강재(110)는 내부에 일 방향으로 배향된 복수의 유리 섬유를 통해 복합체 기판에 기계적 모듈러스의 이방성을 구현할 수 있게 되며 외부 인장력에 대응하여 수직 방향의 변형률이 제어되며 인장될 수 있다.
본 개시의 보강재(110)는 0.1 내지 0.9 범위의 부피 분율을 가지며, 200nm 내지 100μm 범위의 직경을 가지는 파이버의 다발 형태로 이루어져 있으며, 1MPa 내지 1000GPa 범위의 모듈러스를 통해 구비되는 것을 특징으로 할 수 있다. 여기서 보강재의 부피 분율은 투명 신축 구조체(100)의 전체 부피에서 보강재가 차지하는 부피의 비를 나타낸 것일 수 있다.
본 개시의 일 실시예에 따르면, 투명 신축 구조체의 제조 방법은, 제 1 모재의 일면에 보강재를 위치시키는 단계(230)를 포함할 수 있다. 보강재를 위치시키는 단계는, 제 1 모재의 일면에 상기 하나 이상의 서브 보강재 각각을 일 방향으로 위치시키는 단계를 포함할 수 있다.
구체적으로, 제 1 모재의 일면에 하나 이상의 서브 보강재 각각을 일 방향으로 정렬하여 위치시킬 수 있다. 예를 들어, 도 4를 참조하면, 파이버 형상의 복수의 서브 보강재는, 제 1 서브 보강재(111), 제 2 서브 보강재(112), 제 3 서브 보강재(113) 및 제 4 서브 보강재(114)처럼 하나 이상의 파이버 형상을 포함할 수 있다. 이 경우, 각 서브 보강재는 일 방향의 축을 기준으로 서로 같은 방향을 통해 정렬(또는 배치)될 수 있다. 다시 말해, 각 서브 보강재는 서로 평행하도록 일 방향을 기준으로 정렬될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 하나 이상의 파이버 형상의 서브 보강재 각각은 계면이 실란으로 계면을 코팅하는 사이징 공정 또는 다양한 계면 제어 방법을 통해 복합화 공정을 진행할 때 보강재와 모재간의 계면에 공극없이 함침되어 균일한 복합체를 형성할 수 있도록 한다.
본 개시의 일 실시예에 따르면, 투명 신축 구조체의 제조 방법은, 보강재의 상부 측에 제 2 모재를 공급하여 보강재를 함침시키는 단계(240)를 포함할 수 있다.
구체적으로, 일 실시예에 따르면, 보강재(110)의 상부 측에 제 2 모재를 공급하여 보강재를 함침시키는 단계는, 보강재(110)의 상부 측에 제 2 모재를 위치시키는 단계 및 고온의 프레싱 공정을 수행하여 각 모재 사이에 상기 보강재를 함침시키는 단계를 포함할 수 있다. 구체적인 예를 들어, 열가소성 폴리우레탄(TPU, Thermoplastic Polyurethane)으로 구성된 각 모재(즉, 제 1 모재 및 제 2 모재) 사이에 하나 이상의 파이버 형상의 보강재(110)를 일 방향을 기준으로 배향시키고, 120 내지 150도의 온도를 통해 30초 간의 프레싱 공정을 수행함으로써, 모재의 내부에 보강재를 함침시킬 수 있다. 다시 말해, 제 1 모재의 상면에 파이버 보강재를 일 방향으로 배치하여 구비하고, 일 방향으로 배치된 파이버 보강재의 상부 측에 제 2 모재를 위치시켜 고온의 프레싱 공정을 수행함으로써, 제 1 모재 및 제 2 모재로 형성되는 모재의 내부에 하나 이상의 서브 보강재를 일 방향으로 배향시킬 수 있다.
본 개시의 다른 일 실시예에 따르면, 보강재(110)의 상부 측에 제 2 모재를 공급하여 보강재를 함침시키는 단계는, 보강재(110)의 상부 측에 액체 상태의 제 2 모재를 공급하는 단계 및 액체 상태의 제 2 모재에 대한 경화를 수행하는 단계를 포함할 수 있다. 구체적인 예를 들어, 모재가 가교형 고분자 또는 용융형태의 고분자 매트릭스를 통해 구성되는 경우, 제 1 모재의 상면에 하나 이상의 글래스 파이버를 일 방향으로 위치시키고, 그 상부측에 액체 형태의 모재를 공급하여 경화시킴으로써, 모재의 내부에 보강재를 함침시킬 수 있다. 다시 말해, 제 1 모재의 상면에 하나 이상의 파이버 보강재를 일 방향으로 배치하여 구비하고, 일 방향으로 배치된 하나 이상의 보강재의 상부 측에 액체 상태의 제 2 모재를 공급하여 경화시킴으로써, 제 1 모재 및 제 2 모재로 형성되는 모재의 내부에 하나 이상의 서브 보강재를 일 방향으로 배향시킬 수 있다.
전술한 바와 같이, 하나 이상의 서브 보강재(110)를 포함하는 보강재(110)는 모재(120)의 내부에 일 방향으로 배향됨으로써, 본 개시의 투명 신축 구조체(100)를 구성할 수 있다. 이 경우, 투명 신축 구조체(100)는 특정 조건을 갖는 보강재(110)와 모재(120)를 구비함으로써, 0.05 이하의 포아송 비를 갖도록 구비될 수 있다. 다시 말해, 보강재(110) 및 모재(120)는 특정 조건을 통해 구비됨으로써, 0에 가까운 포아송 비를 갖는 투명 신축 구조체(100)를 형성할 수 있다.
보다 구체적으로, 이방성의 투명 신축 구조체(100)는 보강재(110)가 배향된 방향인 제 1 방향의 모듈러스가 배향의 수직방향인 제 2 방향 모듈러스의 적어도 10배 이상일 수 있다. 이 경우, 파이버 형태의 보강재를 배향된 형태로 투명 신축 구조체(100)를 제조하였을 때, 배향 방향에 관련한 제 1 방향 모듈러스는 보강재와 모재 간의 부피 비에 따른 모듈러스의 산술 평균을 통해 산출될 수 있다. 또한, 배향에 수직 방향에 관련한 제 2 방향 모듈러스는, 보강재와 모재 간의 부피 비에 따른 모듈러스의 조화 평균을 통해 산출될 수 있다.
즉, 본 개시의 투명 신축 구조체(100)는 보강재와 모재 간의 부피 비에 따른 모듈러스의 산술 평균을 통해 산출되는 배향 방향 복합 모듈러스(즉, 제 1 방향 모듈러스)가 보강재와 모재 간의 부피 비에 따른 모듈러스의 조화 평균을 통해 산출되는 배향 수직 방향 복합 모듈러스(즉, 제 2 방향 모듈러스)의 적어도 10배 이상인 이방성의 조건을 충족할 수 있다. 이 경우, 투명 신축 구조체(100)를 배향의 수직 방향으로 인장하였을 때, 수직으로 압축되려고 하는 힘(
Figure 112020134375605-pat00006
)이 10배 이상의 모듈러스를 가지는 배향 방향으로 걸리므로, 그 수축되는 변형률이 10배 이하로 줄어들 수 있게 된다. 다시 말해, 본 개시의 보강재(예컨대, 파이버 형태의 투명 필러)가 일 방향으로 배향된 투명 신축 구조체(100)를 구성하는 보강재(110)와 모재(120)는 하기와 같은 수식 조건을 충족하도록 구비되는 것을 특징으로할 수 있다.
Figure 112020134375605-pat00007
이 경우,
Figure 112020134375605-pat00008
은 모재의 모듈러스(예컨대, 제 1 모재와 제 2 모재의 모듈러스)이며,
Figure 112020134375605-pat00009
은 모재의 부피 분율(예컨대, 제 1 모재와 제 2 모재의 부피 분율)이며,
Figure 112020134375605-pat00010
는 보강재의 모듈러스이며,
Figure 112020134375605-pat00011
는 보강재의 부피 분율일 수 있다.
즉, 본 개시는 상기와 같은 수식 조건을 충족하도록 모재(120) 및 보강재(110)를 구비할 수 있다. 또한, 보강재(110)에 포함된 하나 이상의 서브 보강재를 모재(120)의 내부에 일 방향으로 배향시킴으로써, 본 개시의 투명 신축 구조체(100)를 구현할 수 있다. 전술한 수식 조건을 통해 알 수 있듯이, 산술 평균과 조화 평균의 차이가 보다 극대화되기 위해서는, 모재(120)와 보강재(110) 간의 모듈러스 차이가 크면서, 보강재(110)의 함량(즉, 부피 분율)이 증가되어야할 수 있다. 이에 따라, 본 개시의 투명 신축 구조체(100)는, 모재(120)와 보강재(110) 간의 모듈러스의 차이를 크도록하고, 보강재(110)의 함량을 극대화하여 구성되는 경우, 모듈러스의 이방성이 극대화되고 0에 더욱 근접한 포아송 비를 구현할 수 있다. 즉, 본 개시의 투명 신축 구조체(100)는 모재(120)의 내부에 파이버 형상의 보강재(110)가 일 방향으로 배향된 구조를 통해, 배향 방향과 배향의 수직 방향 각각이 서로 상이한 모듈러스(즉, 배향 방향에 관련한 모듈러스가 배향의 수직 방향에 관련한 모듈러스의 10배)를 가질 수 있다. 이는, 인장 방향과 인장의 수직 방향에 관련하여 기계적 이방성을 갖도록 할 수 있다. 기계적 이방성을 가진 투명 신축 구조체는, 기계적 특성이 방향성에 따라 서로 상이함에 따라, 0에 더욱 근접한 포아송 비를 구현할 수 있다.
도 5는 본 개시의 일 실시예와 관련된 모재 및 보강재 간의 부피 비율에 따른 배향 방향 복합 모듈러스 및 배향의 수직 방향 복합 모듈러스에 관련한 실험값을 나타낸 도면이다. 도 5에 도시된 바와 같이,
Figure 112020134375605-pat00012
(즉, 모재의 모듈러스)을 4.998MPa로,
Figure 112020134375605-pat00013
를 69GPa로 하였으며, 모재(120)와 보강재(110)를 포함하는 투명 신축 구조체(100)의 두께는 1mm로 하여 실험을 진행하였다.
구체적으로, 모재(120)와 보강재(110) 각각의 모듈러스 및 두께를 고정값으로 하고, 모재(120)와 보강재(110)의 부피 분율을 상이하게 변동하여 각 부피 분율에 따른 산술 평균(즉, Ecl) 및 조화 평균(즉, Ect) 값을 산출하였다.
도 5에 도시된 바와 같이, 모재의 부피 분율이 가장 적고, 보강재의 부피 분율이 가장 큰 경우(즉,
Figure 112020134375605-pat00014
)에, 산술 평균 및 조화 평균 각각이 최대(즉, 62,100,499,800 및 499,474,386)임을 확인할 수 있었다. 다시 말해, 모재와 보강재의 비율이 1:9인 경우에 산술 평균과 조화 평균의 차이가 극대화됨을 확인할 수 있었다.
도 6은 본 개시의 일 실시예와 관련된 모재 및 보강재 간의 부피 비율에 따른 포아송 비에 관련한 실험값을 나타낸 도면이다. 해당 실험은 각 재료의 양 끝 단에 인장력을 가하고, 각 재료가 인장되는 경우, 필러가 배향된 방향의 수직 방향으로 (예컨대, x축) 인장을 가하였을 때의 변형도와 세로 방향(예컨대, 필러의 배향 방향이자 y축)의 변형도 사이의 비율 및 세로 방향의 변형도와 세로 방향의 3차원 축 방향(예컨대, z축)의 변형도 사이의 비율을 측정하여 진행하였다.
실험을 위하여, 비교군으로 별도의 보강재 층을 포함하지 않은 상태의 폴리우레탄을 구비하였다. 또한, 해당 비교군과의 비교를 위하여 20μm의 직경을 가지는 다수의 글래스 파이버(GF, Glass Fiber)로 구성된 보강재 및 폴리우레탄(PU, polyurethane)으로 구성된 모재를 통해 본 개시의 투명 신축 구조체(100)를 구현하였다. 이 경우, 재료의 전체 크기(즉, 샘플의 총 길이 및 두께)는 동일하게 구성하였다.
또한, 보강재(110)의 부피 비율 변화에 따른 포아송 비의 변화를 관측하기 위하여, 각각 상이한 부피 비율의 모재(즉, PU)와 보강재(즉, GF)를 구비함으로써, 본 개시의 투명 신축 구조체(100)를 구현하였다.
예컨대, 보강재(110)는 전술한 공정 단계(예컨대, 각 모재의 사이에 보강재를 일 방향으로 배향되도록 함침시키는 공정)를 통해 일 방향의 배향 구조를 갖도록 모재(120) 내부에 함침될 수 있다. 구체적인 예를 들어, 보강재(110)는 하나 이상의 서브 보강재를 포함할 수 있으며, 모재(120) 내부에 하나 이상의 서브 보강재가 구비되는 정도(즉, 양)에 따라, 모재(120) 및 보강재(110)의 부피 분율이 결정될 수 있다. 예컨대, 모재(120)에 함침되는 서브 보강재(110)의 수가 많을수록 모재(120)의 부피 분율은 저감되며, 보강재(110)의 부피 분율은 증가될 수 있다.
이러한 실험 환경에서 본 개시의 특정 수식 조건을 충족하도록 하여 구성된 각 투명 신축 구조체의 포아송 비를 측정하였으며, 측정된 각 포아송 비를 도 6의 (b)에 그래프 형태로 나타내었다.
즉, 도 6의 (a) 및 (b)에 도시된 바와 같이, 보강재(110)가 구비되지 않은 일반 재료의 경우, 2차원 평면을 기준으로 0.312의 포아송 비를 가지는 것을 볼 수 있다. 또한, 모재와 보강재 각각의 부피 분율이 0.1 및 0.9인 sample 1의 경우, 0.048의 포아송 비를 가지며, 모재와 보강재 각각의 부피 분율이 0.3 및 0.7인 sample 2의 경우, 0.058의 포아송 비를 가지고, 모재와 보강재 각각의 부피 분율이 0.5 및 0.5인 sample 3의 경우, 0.060의 포아송 비를 가지고, 그리고 모재와 보강재 각각의 부피 분율이 0.7 및 0.3인 sample 4의 경우, 0.067의 포아송 비를 가짐을 확인할 수 있었다.
즉, 본 개시의 투명 신축 구조체(100)는 모재(120)와 모재(120)의 내부에 일 방향으로 배향된 보강재(즉, 하나 이상의 서브 보강재) 각각이 사전 결정된 수식 조건을 충족하도록 구비됨에 따라, 0에 가까운 포아송 비를 가짐을 확인할 수 있었다. 예컨대, 보강재의 부피 분율이 커지고, 모재의 부피 분율이 작아질수록 본 개시의 투명 신축 구조체(100)는 0에 가까운 포아송 비를 구현함을 확인할 수 있었다. 특히, 보강재의 부피 분율을 0.9로, 가장 크게 구비한 경우, 0.5 이하인 0.048의 포아송 비를 갖는 투명 신축 구조체(100)를 구현할 수 있음을 확인할 수 있었다.
다시 말해, 본 개시의 투명 신축 구조체(100)는 전술한 바와 같은 수식 조건을 충족하도록 보강재(110)를 모재(120)의 내부에 일 방향으로 배향시켜 구비함으로써, 0.05 이하의 포아송 비를 갖도록 구현될 수 있다. 이에 따라, 다양한 축 방향으로 변형되는 등 높은 디자인 자유도를 제공할 수 있다. 예컨대, 본 개시의 투명 신축 구조체(100)를 통해 디스플레이를 구성하는 경우, 단일 방향으로 접히거나 말리는 등 고정형 디스플레이에서 벗어나 다양한 조건에서 다차원 축 방향으로 변형을 지원할 수 있다. 이는, 보다 높은 가변성을 제공하여 디자인 자유도를 향상시킬 뿐 아니라, 외력에 의한 기계적 안정성 확보를 담보하는 효과를 가질 수 있다.
추가적으로, 투명 신축 구조체(100)는 보강재(110) 및 모재(120) 각각을 제조하는 공정 및 각 소재를 접합하는 공정 등 비교적 간단한 공정을 통해 구현될 수 있다. 즉, 특정 격자 형상을 생성하기 위하여 별도의 인쇄 공정이 요구되지 않으므로, 제조 과정에서 활용 장비를 간소화하는 효과를 제공할 수 있다. 또한, 수십에서 수백 마이크로의 크기를 갖는 구조체(예컨대, 오그제틱)에 대한 미세 공정이 생략될 수 있다. 즉, 0에 가까운 포아송 비를 가지는 물질에 대한 제조 공정이 간단화될 수 있다. 이는, 특히 대면적 연속 공정인 인발 성형(pultrusion) 공정 등에 쉽게 적용시킬 수 있는 구조이므로 투명 신축 구조체의 양산성을 극대화시킬 수 있다.
한편, 도 7은 모재의 부피분율이 0.9 내지 0.99일 때의 실험값이 도시된 것이다. 모재의 모듈러스는 100MPa, 보강재의 모듈러스는 69GPa 로 설정하여 산술 평균(Ecl) 및 조화 평균(Ect)을 측정하였다. 이 때 보강재의 부피분율이 0.02가 될 때부터 산술 평균이 조화 평균의 10배보다 더 큰 것을 확인할 수 있다. 이에 따라 Y-Z 포아송비 대비 X-Y 포아송비의 크기가 상당히 줄어들게 된다. 따라서 보강재의 부피분율은 최소 0.02 이상이 되는 것이 바람직하다.
다만, 실험적으로 보강재의 배향이 완전하지 못해 발생하는 오차와 보강재와 모재 사이의 계면이 완전하지 못해 발생하는 오차 등을 고려할 때 보강재의 부피분율은 최소 0.05 이상으로 구비되는 것이 바람직하다. Y-Z 포아송비 대비 X-Y 포아송비의 크기 또한 보강재의 부피분율이 0.02일 때보다 더 줄어든다.
한편, 예상가능한 오차 요소들과 실제 구조체의 누적 제작횟수 통해 획득한 실험자료들을 고려할 때 보강재의 부피분율은 0.1 이상으로 형성되는 것이 가장 바람직하다. 보강재의 부피분율이 0.1 이상일 때 목표하는 최소 성능을 가진 구조체 생산 수득률이 높아진다. 또한 보강재의 부피분율이 0.1 이상일 경우, X-Y 포아송비 또한 최소 기준인 0.07 미만으로 떨어진다.
보강재의 직경 또한 200nm 내지 100μm 일 경우, 제작이 더욱 용이하며 최종 제작된 구조체의 X-Y 포아송비 최소 기준을 만족한다.
이상, 첨부된 도면을 참조로 하여 본 개시의 실시예를 설명하였지만, 본 개시가 속하는 기술분야의 통상의 기술자는 본 개시가 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로, 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며, 제한적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.
본 개시에서 설명하는 특정 실행들은 일 실시 예들로서, 어떠한 방법으로도 본 개시의 범위를 한정하는 것은 아니다. 명세서의 간결함을 위하여, 종래 전자적인 구성들, 제어 시스템들, 소프트웨어, 상기 시스템들의 다른 기능적인 측면들의 기재는 생략될 수 있다. 또한, 도면에 도시된 구성 요소들 간의 선들의 연결 또는 연결 부재들은 기능적인 연결 및/또는 물리적 또는 회로적 연결들을 예시적으로 나타낸 것으로서, 실제 장치에서는 대체 가능하거나 추가의 다양한 기능적인 연결, 물리적인 연결, 또는 회로 연결들로서 나타내어질 수 있다. 또한, "필수적인", "중요하게" 등과 같이 구체적인 언급이 없다면 본 발명의 적용을 위하여 반드시 필요한 구성 요소가 아닐 수 있다.
제시된 프로세스들에 있는 단계들의 특정한 순서 또는 계층 구조는 예시적인 접근들의 일례임을 이해하도록 한다. 설계 우선순위들에 기반하여, 본 개시의 범위 내에서 프로세스들에 있는 단계들의 특정한 순서 또는 계층 구조가 재배열될 수 있다는 것을 이해하도록 한다. 첨부된 방법 청구항들은 샘플 순서로 다양한 단계들의 엘리먼트들을 제공하지만 제시된 특정한 순서 또는 계층 구조에 한정되는 것을 의미하지는 않는다.
제시된 실시예들에 대한 설명은 임의의 본 개시의 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 개시를 이용하거나 또는 실시할 수 있도록 제공된다. 이러한 실시예들에 대한 다양한 변형들은 본 개시의 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명백할 것이며, 여기에 정의된 일반적인 원리들은 본 개시의 범위를 벗어남이 없이 다른 실시예들에 적용될 수 있다. 그리하여, 본 개시는 여기에 제시된 실시예들로 한정되는 것이 아니라, 여기에 제시된 원리들 및 신규한 특징들과 일관되는 최광의의 범위에서 해석되어야 할 것이다.
투명 신축 구조체 : 100
보강재 : 110
제 1 서브 보강재 : 111
제 2 서브 보강재 : 112
제 3 서브 보강재 : 113
제 4 서브 보강재 : 114
모재 : 120

Claims (15)

  1. 탄성력을 가진 소재로 구성된 투명 모재; 및
    상기 모재 내부에 구비되며 투명 소재로 구성된 보강재;
    를 포함하며,
    상기 모재 및 상기 보강재 각각은, 하기와 같은 수식 조건을 충족하도록 구비되는 것을 특징으로 하며,
    Figure 112021068962211-pat00027

    Figure 112021068962211-pat00028
    은 상기 모재의 모듈러스이며,
    Figure 112021068962211-pat00029
    은 상기 모재의 부피 분율이며,
    Figure 112021068962211-pat00030
    는 상기 보강재의 모듈러스이며,
    Figure 112021068962211-pat00031
    는 상기 보강재의 부피 분율인,
    투명 신축 구조체.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 보강재는,
    하나 이상의 서브 보강재를 포함하며,
    상기 하나 이상의 서브 보강재 각각은,
    파이버 형상을 통해 구비되며, 일 방향으로 배향된 것을 특징으로 하는,
    투명 신축 구조체.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 투명 신축 구조체는,
    제 1 방향 모듈러스가 제 2 방향 모듈러스의 적어도 10배 이상의 이방성을 가지며, 포아송 비가 0.05 이하인 것을 특징으로 하는,
    투명 신축 구조체.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 제 1 방향 모듈러스는,
    상기 보강재의 배향 방향으로의 복합 모듈러스로, 상기 보강재와 상기 모재 간의 부피 비에 따른 모듈러스의 산술 평균을 통해 산출되며,
    상기 제 2 방향 모듈러스는,
    상기 보강재의 배향에 수직 방향으로의 복합 모듈러스로, 상기 보강재와 상기 모재 간의 부피 비에 따른 모듈러스의 조화 평균을 통해 산출되는,
    투명 신축 구조체.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 모재는,
    0.1 내지 0.95 범위의 부피 분율을 가지며, 0.01MPa 내지 100MPa 범위의 모듈러스(modulus)를 통해 구비되는 것을 특징으로 하는,
    투명 신축 구조체.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 보강재는,
    0.05 내지 0.9 범위의 부피 분율을 가지며, 100nm 내지 1mm 범위의 직경을 가지는 파이버 형태의 집합체로서, 1MPa 내지 1000GPa 범위의 모듈러스를 통해 구비되는 것을 특징으로 하는,
    투명 신축 구조체.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 모재는,
    상기 보강재와의 굴절률을 매칭시키는 투명 첨가제를 포함하며,
    상기 투명 첨가제는,
    3nm 내지 100nm 크기의 나노 입자 형상을 통해 구성되며, 산화지르코늄(ZrO2), 이산화 타이타늄(TiO2) 및 산화 알루미늄(Al2O3) 중 적어도 하나를 포함하고, 상기 모재의 제작 과정에서 상기 모재에 첨가되는 것을 특징으로 하는,
    투명 신축 구조체.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 보강재는,
    복수의 유리 섬유(glass fiber)를 포함하는,
    투명 신축 구조체.
  9. 탄성 소재의 제 1 모재를 생성하는 단계;
    하나 이상의 서브 보강재를 포함하는 보강재를 생성하는 단계;
    상기 제 1 모재의 일면에 상기 보강재를 위치시키는 단계; 및
    상기 보강재의 상부 측에 제 2 모재를 공급하여 상기 보강재를 함침시키는 단계;
    를 포함하며,
    상기 제 1 모재, 상기 제 2 모재 및 상기 보강재 각각은, 하기와 같은 수식 조건을 충족하도록 구비되는 것을 특징으로 하며,
    Figure 112021068962211-pat00032

    Figure 112021068962211-pat00033
    은 제 1 모재와 제 2 모재의 모듈러스이며,
    Figure 112021068962211-pat00034
    은 상기 제 1 모재와 상기 제 2 모재의 부피 분율이며,
    Figure 112021068962211-pat00035
    는 상기 보강재의 모듈러스이며,
    Figure 112021068962211-pat00036
    는 상기 보강재의 부피 분율인,
    투명 신축 구조체의 제조 방법.
  10. 제 9 항에 있어서,
    투명 신축 구조체의 제조 방법은,
    상기 제 1 모재를 생성하는 단계;
    를 더 포함하며,
    상기 제 1 모재를 생성하는 단계는,
    액체 상태의 제 1 모재에 투명 첨가제를 첨가하는 단계;
    고정판에 상기 액체 상태의 제 1 모재를 공급하는 단계;
    상기 액체 상태의 제 1 모재에 대한 경화를 수행하는 단계; 및
    상기 고정판을 분리시키는 단계;
    를 포함하는,
    투명 신축 구조체의 제조 방법.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 투명 첨가제는,
    3nm 내지 100nm 크기의 나노 입자 형상을 통해 구성되며, 산화지르코늄(ZrO2), 이산화 타이타늄(TiO2) 및 산화 알루미늄(Al2O3) 중 적어도 하나를 포함하는,
    투명 신축 구조체의 제조 방법.
  12. 제 9 항에 있어서,
    상기 제 1 모재의 일면에 상기 보강재를 위치시키는 단계는,
    상기 제 1 모재의 일면에 상기 하나 이상의 서브 보강재 각각을 일 방향으로 위치시키는 단계;
    를 포함하는,
    투명 신축 구조체의 제조 방법.
  13. 제 9 항에 있어서,
    상기 보강재의 상부 측에 제 2 모재를 공급하여 상기 보강재를 함침시키는 단계는,
    상기 보강재의 상부 측에 상기 제 2 모재를 위치시키는 단계; 및
    고온의 프레싱 공정을 수행하여 각 모재 사이에 상기 보강재를 함침시키는 단계;
    를 포함하는,
    투명 신축 구조체의 제조 방법.
  14. 제 9 항에 있어서,
    상기 보강재의 상부 측에 제 2 모재를 공급하여 상기 보강재를 함침시키는 단계는,
    상기 보강재의 상부 측에 액체 상태의 제 2 모재를 공급하는 단계; 및
    상기 액체 상태의 제 2 모재에 대한 경화를 수행하는 단계;
    를 포함하는,
    투명 신축 구조체의 제조 방법.
  15. 삭제
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