KR20180085696A - 섬유형 센서 및 이의 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 섬유형 센서 및 이의 제조방법에 관한 것이다. 본 발명의 실시예에 따른 섬유형 센서는 신축성 섬유와, 상기 신축성 섬유의 내부에 형성된 금속 나노입자로 이루어진 도전성 섬유; 및 상기 도전성 섬유의 표면에 형성된 도전성 폴리머를 포함하는 도전성 신축 섬유를 포함하고, 상기 도전성 신축 섬유는 제1 도전성 신축 섬유 및 제2 도전성 신축 섬유로 이루어지며, 상기 도전성 신축 섬유는 표면에 형성된 표면 구조체 및 상기 제1 도전성 신축 섬유와 상기 제2 도전성 신축 섬유가 서로 트위스트(twist)로 꼬아져 있는 트위스트 구조를 갖고, 상기 제1 도전성 신축 섬유 및 상기 제2 도전성 신축 섬유는 각각 섬유 내에서 단일 저항을 형성하며, 상기 제1 도전성 신축 섬유 및 상기 제2 도전성 신축 섬유는 서로 간에 상호간 저항을 형성한다.
Description
본 발명은 섬유형 센서 및 이의 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 수직 압력, 굽힘력, 인장력 및 전단력 등 다양한 형태의 외부 자극을 확연히 판별하고 감지할 수 있는 고성능의 섬유형 센서 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
최근 웨어러블 디바이스(wearable device)의 수요와 관심이 꾸준히 증가하고 있고 다양한 형태의 상품이 출시되고 있다.
웨어러블 디바이스의 형태는 손목형 (42%), 의복부착형 (35%), 귀걸이형 (21%), 신발부착형 (20%) 순서로 많은 점유율을 보이고 있고, 이들 다음으로 의복일체형 웨어러블 디바이스가 19%의 점유율을 차지하고 있으며 점차 확대되고 있는 것으로 조사되었다 (Source: 2014' North American Consumer Technographics survey).
의복일체형 웨어러블 디바이스의 구성 요소 중 섬유형 센서 소자는 큰 비중을 차지하는데, 높은 신축성, 유연성, 물리화학적 내구성, 높은 민감도 등의 고도한 기계화학적 특성이 요구되어 다양한 관련 연구와 기술 개발이 진행 중이다.
기존의 섬유형 센서에 관한 기술로는 '섬유형 온도센서 제조방법' (한국등록특허 제10-1654025호, 구미전자정보기술원), '광섬유 진동 센서 및 이를 이용한 진동 측정방법' (한국등록특허 제10-1612258호, 부경대학교산학협력단), '광섬유 압력 센서 및 이를 이용한 압력 측정방법' (한국등록특허 제10-1653908호, 부경대학교산학합력단) 등 광섬유를 이용한 기술이 주로 개발되어 있다.
그러나, 광섬유의 특성상, 광-전 전환장치가 필요하고, 통신장애와 전자파를 만드는 단점이 있다. 또한, 연결과 확장이 어려워 실제 의복일체형으로 적용하기에 어려움이 있다.
대표적인 섬유형 압력센서에 관한 기술로, '도전성 나노섬유 및 이의 제조방법, 그리고 도전성 나노섬유 기반 압력 센서 및 이의 제조 방법' (한국등록특허 제10-1541461호, 연세대학교산학협력단)에서 섬유를 유연성 폴리머(polymer)로 코팅하고, 상기 폴리머 내부에 다량의 금속 나노입자를 형성시킨 도전성 섬유에 기반한 섬유형 압력 센서 기술을 제안하였다.
상기 압력센서는 유전 물질로 코팅된 도전성 섬유를 교차 배열한 정전 방식으로 8 mg에 해당하는 미세한 압력을 정밀하게 측정하고, 105 사이클(cycle) 이상의 반복 내구성을 보여주었다. 또한, 상기 압력센서는 수직방향의 압력 자극 이외에 늘어남, 휘어짐 등 다른 형태의 자극에도 반응하지만, 반응 형태가 비슷하여 결과 신호만으로는 주어지는 자극이 어떠한 형태인지 정확히 판별하기 어려운 한계점이 존재한다.
이러한 문제는 섬유형 센서 이외에 필름 형태를 포함하는 대부분의 기존 압력 센서에서 보이는 한계로, 수직 압력, 굽힘력, 인장력 및 전단력 등의 다양한 형태의 자극을 판별하여 감지할 수 있는 섬유형 센서의 개발이 필요하다.
본 발명의 목적은 신축성이 뛰어난 신축성 섬유 내부에 도전성이 뛰어난 금속 나노입자를 형성하여 높은 신축성 및 높은 도전성을 갖는 섬유를 제조하는데 있다.
또한, 본 발명의 목적은 상기 높은 신축성 및 높은 도전성을 갖는 섬유의 표면에 도전성 폴리머(특히, 압력 감응 폴리머)를 코팅하고, 표면에 다양한 표면 구조체를 형성하는 기술을 제공하는데 있다.
또한, 본 발명의 목적은 상기 표면 구조체를 도전성 신축 섬유 표면에 형성함으로써 표면 구조체가 없는 섬유형 센서에 비해 높은 민감성을 갖는 섬유형 센서를 제조하는 데 있다.
또한, 본 발명의 목적은 상기 표면 구조체가 형성된 도전성 신축 섬유를 트위스트로 꼬아 수직 압력, 굽힘력, 인장력 및 전단력 등의 외부 자극을 확연히 판별하여 감지할 수 있는 섬유형 센서를 제조하는데 있다.
본 발명의 실시예에 따른 섬유형 센서는 신축성 섬유와, 상기 신축성 섬유의 내부에 형성된 금속 나노입자로 이루어진 도전성 섬유; 및 상기 도전성 섬유의 표면에 형성된 도전성 폴리머를 포함하는 도전성 신축 섬유를 포함하고, 상기 도전성 신축 섬유는 제1 도전성 신축 섬유 및 제2 도전성 신축 섬유로 이루어지며, 상기 도전성 신축 섬유는 표면에 형성된 표면 구조체 및 상기 제1 도전성 신축 섬유와 상기 제2 도전성 신축 섬유가 서로 트위스트(twist)로 꼬아져 있는 트위스트 구조를 갖고, 상기 제1 도전성 신축 섬유 및 상기 제2 도전성 신축 섬유는 각각 섬유 내에서 단일 저항을 형성하며, 상기 제1 도전성 신축 섬유 및 상기 제2 도전성 신축 섬유는 서로 간에 상호간 저항을 형성한다.
상기 도전성 섬유는 상기 신축성 섬유가 복수 개로 이루어져 서로 평행하게 배치된 계층적 구조를 가질 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따라 상기 표면 구조체는 버클링(buckling) 구조체일 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따라 상기 표면 구조체는 미세 구조체일 수 있다.
상기 미세 구조체는 원기둥, 사각기둥, 육각기둥, 원뿔 및 반구로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 어느 하나의 형상을 가질 수 있다.
상기 섬유형 센서는 상기 단일 저항 및 상기 상호간 저항의 변화 값에 따라 외부 자극의 종류를 구별할 수 있다.
상기 외부 자극은 수직 압력(normal pressure), 굽힘력(bending force), 인장력(stretching force) 및 전단력(shearing force)으로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 적어도 하나 이상의 힘일 수 있다.
상기 신축성 섬유는 폴리우레탄(polyurethane), SBS(styrene-butadiene-styrene), SBR(styrene butadiene rubber) 및 PDMS(polydimethylsiloxane)으로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 어느 하나를 포함할 수 있다.
상기 금속 나노입자는 은 나노입자, 금 나노입자, 구리 나노입자 및 백금 나노입자로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 어느 하나일 수 있다.
상기 도전성 폴리머는 압력 감응 폴리머로 이루어질 수 있다.
상기 도전성 폴리머는 카본블랙, 은 나노와이어 및 폴리우레탄을 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 섬유형 센서의 제조방법은 신축성 섬유와, 상기 신축성 섬유의 내부에 형성된 금속 나노입자로 이루어진 도전성 섬유를 형성하는 단계; 상기 도전성 섬유의 표면에 도전성 폴리머를 코팅하여 도전성 신축 섬유를 형성하고, 상기 도전성 신축 섬유의 표면에 표면 구조체를 형성하는 단계; 및 상기 도전성 신축 섬유 두 개를 서로 트위스트로 꼬아서 트위스트 구조를 형성하는 단계를 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 따라 상기 도전성 섬유의 표면에 도전성 폴리머를 코팅하여 도전성 신축 섬유를 형성하고, 상기 도전성 신축 섬유의 표면에 표면 구조체를 형성하는 단계는 상기 도전성 섬유를 길이 방향으로 신장시키는 단계; 신장된 도전성 섬유의 표면에 도전성 폴리머를 코팅하는 단계; 및 상기 도전성 폴리머로 코팅된 도전성 섬유를 원래 상태로 복원시켜 버클링 구조체를 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따라 상기 도전성 섬유의 표면에 도전성 폴리머를 코팅하여 도전성 신축 섬유를 형성하고, 상기 도전성 신축 섬유의 표면에 표면 구조체를 형성하는 단계는 상기 도전성 섬유의 표면에 도전성 폴리머를 코팅하는 단계; 및 미세구조의 패턴이 형성된 몰드를 이용하여 상기 도전성 폴리머가 코팅된 도전성 섬유를 임프린팅하여 미세 구조체를 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 신축성 섬유와, 상기 신축성 섬유의 내부에 형성된 금속 나노입자로 이루어진 도전성 섬유를 형성하는 단계는 상기 신축성 섬유의 내부에 금속 나노입자를 흡수시키는 단계를 포함할 수 있다.
상기 도전성 폴리머를 코팅하는 단계는 상기 도전성 섬유의 길이 방향을 따라 도전성 폴리머 함유 용액을 흐르게 하는 단계를 포함할 수 있다.
효과적인 각종 모션 센싱을 위한 웨어러블 기기나 의복일체형 기기의 개발을 위해서는, 수직 방향의 수직 압력뿐만 굽힘력(휘어짐), 인장력(늘어남) 및 전단력 등의 다양한 자극에 대한 판별(구별)과 감지가 필수적이다. 하지만 기존에 발명된 대부분의 센서는 하나의 자극에 국한되어 개발이 진행되어 왔고, 다양한 외부 자극에 대한 판별 및 감지가 어려운 한계가 존재하였다. 본 발명의 실시예에 따른 고성능의 섬유형 센서는 이러한 기존 센서의 한계를 극복할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 고성능의 섬유형 센서는 신축성 섬유를 기반으로 높은 신축성(유연성)을 갖고, 금속 나노입자 및 도전성 폴리머를 기반으로 높은 도전성을 가지며, 표면에 형성된 표면 구조체 및 트위스트 구조로 인해 외부 자극에 대한 센서의 저항 변화를 극대화하여 높은 신호 민감도를 갖는다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 고성능의 섬유형 센서는 접촉 저항 방식으로서, 단일 섬유의 단일 저항(single resistance)과 각기 다른 섬유 사이의 상호간 저항(mutual resistance)의 변화를 각각 측정하여 수직 압력뿐만 아니라 굽힘력, 인장력 및 전단력 등 다양한 형태의 외부 자극을 확연히 판별하고 감지 및 측정할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 고성능의 섬유형 센서는 접촉 저항 방식을 이용하여 노이즈를 최소화하고 별도의 변환 장치를 필요로 하지 않기 때문에, 기존의 의류 방직 기술을 이용하여 섬유 형태로 제조함으로써 옷, 신발, 장갑 및 모자 등에 간단하게 적용할 수 있어 의류일체형 웨어러블 센서로 편리하게 적용할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 섬유형 센서의 구성을 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 섬유형 센서의 저항에 관한 구성을 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 섬유형 센서에 다양한 자극을 가했을 경우 나타내는 반응을 보여주는 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 섬유형 센서에 수직 압력을 가했을 경우 나타내는 반응을 보여주는 그래프이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 섬유형 센서에 굽힘력을 가했을 경우 나타내는 반응을 보여주는 그래프이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 섬유형 센서에 인장력을 가했을 경우 나타내는 반응을 보여주는 그래프이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 섬유형 센서에 40%의 인장력을 가했을 경우 나타내는 반응을 보여주는 그래프이다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 섬유형 센서의 제조방법의 흐름도이다.
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 버클링 구조체의 형성 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 10은 본 발명의 실시예에 따른 미세 구조체의 형성 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 11은 본 발명의 실시예에 따라 제조된 버클링 구조체를 갖는 섬유형 센서의 전자현미경 사진이다.
도 12는 본 발명의 실시예에 따라 제조된 원기둥 형상의 미세 구조체를 갖는 섬유형 센서의 전자현미경 사진이다.
도 13은 본 발명의 실시예에 따라 제조된 원뿔 형상의 미세 구조체를 갖는 섬유형 센서의 전자현미경 사진이다.
도 14 및 도 15는 본 발명의 실시예에 따라 도전성 폴리머의 함량을 달리 했을 때의 도전성과 미세 구조체의 모양 변화를 나타낸 표 및 그래프이다.
도 16 내지 도 18은 본 발명의 실시예에 따라 제조된 미세 구조체를 갖는 섬유형 센서의 민감도 향상 정도를 나타내는 그래프이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 섬유형 센서의 저항에 관한 구성을 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 섬유형 센서에 다양한 자극을 가했을 경우 나타내는 반응을 보여주는 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 섬유형 센서에 수직 압력을 가했을 경우 나타내는 반응을 보여주는 그래프이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 섬유형 센서에 굽힘력을 가했을 경우 나타내는 반응을 보여주는 그래프이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 섬유형 센서에 인장력을 가했을 경우 나타내는 반응을 보여주는 그래프이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 섬유형 센서에 40%의 인장력을 가했을 경우 나타내는 반응을 보여주는 그래프이다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 섬유형 센서의 제조방법의 흐름도이다.
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 버클링 구조체의 형성 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 10은 본 발명의 실시예에 따른 미세 구조체의 형성 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 11은 본 발명의 실시예에 따라 제조된 버클링 구조체를 갖는 섬유형 센서의 전자현미경 사진이다.
도 12는 본 발명의 실시예에 따라 제조된 원기둥 형상의 미세 구조체를 갖는 섬유형 센서의 전자현미경 사진이다.
도 13은 본 발명의 실시예에 따라 제조된 원뿔 형상의 미세 구조체를 갖는 섬유형 센서의 전자현미경 사진이다.
도 14 및 도 15는 본 발명의 실시예에 따라 도전성 폴리머의 함량을 달리 했을 때의 도전성과 미세 구조체의 모양 변화를 나타낸 표 및 그래프이다.
도 16 내지 도 18은 본 발명의 실시예에 따라 제조된 미세 구조체를 갖는 섬유형 센서의 민감도 향상 정도를 나타내는 그래프이다.
이하 첨부 도면들 및 첨부 도면들에 기재된 내용들을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세하게 설명하지만, 본 발명이 실시예에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다.
본 명세서에서 사용되는 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다.
본 명세서에서 사용되는 "포함하다", "가지다" 또는 "구비하다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
또한, 본 명세서에서 사용되는 "실시예", "예", "측면", "예시" 등은 기술된 임의의 양상(aspect) 또는 설계가 다른 양상 또는 설계들보다 양호하다거나, 이점이 있는 것으로 해석되어야 하는 것은 아니다.
또한, 본 명세서에서 사용되는 "또는" 이라는 용어는 배타적 논리합 "exclusive or"이기보다는 포함적인 논리합 "inclusive or"를 의미한다. 즉, 달리 언급되지 않는 한 또는 문맥으로부터 명확하지 않는 한, "x가 a 또는 b를 사용한다"라는 표현은 포함적인 자연 순열들(natural inclusive permutations) 중 어느 하나를 의미한다.
또한, 본 명세서에서 사용되는 단수 표현("a" 또는 "an")은, 달리 언급하지 않는 한 또는 단수 형태에 관한 것이라고 문맥으로부터 명확하지 않는 한, 일반적으로 "하나 이상"을 의미하는 것으로 해석되어야 한다.
또한, 본 명세서에서 막, 층, 영역, 구성요소 등의 부분이 다른 부분 "위에" 또는 "상에" 있다고 할 때, 다른 부분의 바로 위에 있는 경우뿐만 아니라, 그 중간에 다른 막, 층, 영역, 구성요소 등이 개재되어 있는 경우도 포함한다.
또한, 본 명세서에서 "제1" 또는 "제2" 등의 용어를 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만, 예를 들어 본 발명의 개념에 따른 권리범위로부터 이탈되지 않은 채, 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소는 제1 구성요소로도 명명될 수 있다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 갖는 것으로 해석되어야 하며, 본 명세서에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하에서는 도면을 참조하여 본 발명의 구체적인 실시예를 상세히 설명한다. 다만, 본 발명의 사상이 그와 같은 실시예에 제한되지 않고, 본 발명의 사상은 실시예를 이루는 구성요소의 부가, 변경 및 삭제 등에 의해서 다르게 제안될 수 있을 것이나, 이 또한 발명의 사상에 포함되는 것이다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 섬유형 센서의 구성을 나타낸 도면이다.
도 1을 참조하면, 섬유형 센서는 도전성 신축 섬유(100)를 포함한다.
도전성 신축 섬유(100)는 제1 도전성 신축 섬유(110) 및 제2 도전성 신축 섬유(120)로 이루어질 수 있다. 또한, 도전성 신축 섬유는 도면에 도시되지는 않았지만 예를 들어, 제3, 제4 또는 그 이상의 복수 개의 도전성 신축 섬유로 이루어질 수도 있다.
도전성 신축 섬유(100)는 트위스트(twist) 구조를 갖는다. 구체적으로, 도전성 신축 섬유(100)는 제1 도전성 신축 섬유(110)와 제2 도전성 신축 섬유(120)가 서로 트위스트로 꼬아져 있는 트위스트 구조를 가질 수 있다. 또한, 도전성 신축 섬유는 도면에 도시되지는 않았지만 예를 들어, 제3, 제4 또는 그 이상의 복수 개의 도전성 신축 섬유로 이루어질 경우, 복수 개의 도전성 신축 섬유가 서로 트위스트로 꼬아져 있는 트위스트 구조를 가질 수 있다.
트위스트 구조는 제1 도전성 신축 섬유(110) 및 제2 도전성 신축 섬유(120) 각각의 전기 저항과 두 섬유 간의 전기 저항을 측정할 경우, 외부 자극에 대한 전기 저항 변화를 일으켜 외부 자극을 구별하는 센서를 구현할 수 있게 해준다. 이 때, 두 섬유가 꼬아진 트위스트 구조는 1차원 구조인 두 섬유 간의 접촉을 극대화하는 센서 구조이다.
트위스트 구조의 도전성 신축 섬유(100)는 신축성 섬유의 데니어(denier) 수에 따라 두께가 70 ㎛ 내지 350 ㎛ 일 수 있고, 센서 구현을 위해서는 100 ㎛ 내지 200 ㎛ 수준의 두께가 바람직할 수 있다. 트위스트 구조의 도전성 신축 섬유(100)의 두께가 100 ㎛ 미만일 경우, 센서 개발을 위한 표면 구조체 형성에 어려움이 있다. 또한, 트위스트 구조의 도전성 신축 섬유(100)의 두께가 200 ㎛를 초과할 경우에는 도전성 신축 섬유를 추후 센서의 응용을 위해 상용 천에 직조할 때 어려울 수 있다.
도전성 신축 섬유(100)는 도전성 폴리머의 코팅 및 구조 형성 단계를 거쳐 표면에 형성된 표면 구조체를 갖는다.
표면 구조체는 도전성 신축 섬유(100)의 표면에 형성되어, 외부 자극에 대한 센서의 저항 변화를 극대화할 수 있어 센서의 신호 민감도를 향상시킬 수 있다.
구체적으로, 표면 구조체는 도전성 신축 섬유(100)를 트위스트 구조로 센서를 구현하였을 때, 제1 도전성 신축 섬유(110) 및 제2 도전성 신축 섬유(120)의 상호간 저항을 증가시키는 스페이서(spacer) 역할을 할 수 있고, 외부 자극이 가해질시 접촉 표면적이 상승하는 효과를 통해 상호간 저항을 크게 감소시킴으로써 센서가 높은 신호 민감도를 보유할 수 있도록 해준다(도 15 참조).
본 발명의 실시예에 따라, 표면 구조체는 버클링(buckling) 구조체 또는 미세 구조체일 수 있다.
버클링 구조체는 도전성 신축 섬유(100)의 탄성력을 이용하여 코팅된 도전성 폴리머에 압축응력을 가해 표면에 형성된 미세한 볼록부 및 오목부가 반복되는 미세 물결 형상의 구조물을 의미하는 것이다(도 9 (c) 및 도 11 참조).
버클링 구조체는 버클링 구조 형성 방법에 의해 3차원적으로 형성될 수 있다. 버클링 구조체의 형성 방법은 추후 도 9를 참조하여 설명한다.
버클링 구조체는 도전성 폴리머의 코팅 두께에 따라, 그리고 도전성 신축 섬유(100)의 신장 정도에 따라, 버클링된 표면의 형상의 볼록부 및 오목부의 파장과 진폭을 조절할 수 있다.
미세 구조체는 도전성 신축 섬유(100)의 표면에 형성된 미세한 볼록부 및/또는 오목부의 미세 요철 구조물을 의미하는 것으로, 볼록부로는 재료의 표면에 연장되는 돌기 등을 들 수 있고, 오목부로는 재료의 표면에 연장되는 홈 등을 들 수 있다(도 12 및 도 13 참조).
미세 구조체는 예를 들어, 원기둥, 사각기둥 또는 육각기둥 등의 기둥 형상, 원뿔, 사각뿔 또는 삼각뿔 등의 뿔 형상 또는 반구와 같은 다양한 형상을 가질 수 있다.
미세 구조체는 임프린팅 방법에 의해 3차원적으로 형성될 수 있다. 임프린팅 방법을 이용한 미세 구조체의 형성 방법은 추후 도 10를 참조하여 설명한다.
도전성 신축 섬유(100)는 도전성 및 신축성을 모두 갖는 섬유를 의미하는 것으로, 도전성 신축 섬유(100)는 도전성 섬유 및 도전성 폴리머를 포함한다.
도전성 섬유는 신축성 섬유 및 금속 나노입자를 포함한다.
신축성 섬유(stretchable fibers)는 신축성을 가진 섬유를 의미하는 것으로, 폴리우레탄(polyurethane), SBS(styrene-butadiene-styrene), SBR(styrene butadiene rubber), PDMS(polydimethylsiloxane) 또는 실리콘 기반의 고무 물질을 포함할 수 있다.
특히, 신축성 섬유는 폴리우레탄을 포함할 수 있는데, 폴리우레탄 기반의 신축성 섬유는 높은 신축성(500% ~ 700%), 낮은 탄성 계수 및 높은 탄성 회복률(95% ~ 99%), 화학약품에 대한 높은 안정성 등 도전성 신축성 섬유를 개발하기에 그 기계적 화학적 물성이 매우 우수하다.
금속 나노입자(metal nanoparticles(NWs))는 도전성을 갖는 금속 물질로 이루어진 나노급 사이즈의 나노입자를 의미하는 것으로, 신축성 섬유의 내부에 형성된다. 구체적으로, 금속 나노입자는 신축성 섬유의 내부에 흡수되어, 신축성 섬유의 내부 및 표면에 금속 나노입자 복수 개가 랜덤으로 분포될 수 있다.
복수 개의 금속 나노입자는 평균 직경이 예를 들어, 0.1 nm 내지 200 nm일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
복수 개의 금속 나노입자는 신축성 섬유에 흡수되는 정도에 따라 함량이 조절될 수 있다. 복수 개의 금속 나노입자는 신축성 섬유에 60 중량% 내지 90 중량%의 함량으로 다량 포함될 수 있으나, 표면 구조체의 형성을 위해서는 신축성 섬유(탄성 섬유)의 신축성(탄성) 성질을 활용하는 것이 좋다. 이에 따라, 충분한 전기 전도성과 탄성력을 확보한 표면 구조체를 갖는 도전성 신축 섬유를 구현할 경우, 약 60 중량%의 금속 나노입자를 함유한 도전성 섬유를 사용하는 것이 효과적이다.
금속 나노입자는 은(Ag) 나노입자, 금(Au) 나노입자, 구리 나노입자(Cu) 또는 백금(Pt) 나노입자일 수 있다. 도전성 섬유는 계층적(hierarchical) 구조를 가질 수 있다. 구체적으로, 도전성 섬유는 신축성 섬유가 복수 개로 이루어져 길이방향으로 서로 평행하게 배치된 계층적 구조를 가질 수 있다. 여기서, 복수 개의 신축성 섬유는 각각의 신축성 섬유가 접하는 부분이 서로 결합되어 하나의 가닥으로 구성될 수도 있다. 도전성 섬유는 예를 들어, 2개 내지 100개일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
도전성 폴리머(electric conductive polymers)는 도전성 섬유의 표면에 코팅되어 형성된다.
도전성 폴리머는 도전성을 갖는 폴리머를 의미하는 것으로, 도전성 섬유와 전기 전도성이 상이한 도전성 폴리머를 도전성 섬유의 표면에 형성함으로써 센서로의 활용시 단일 저항과 상호간 저항을 구분하는 능력을 향상시킬 수 있다.
도전성 폴리머는 외부 압력에 반응하여 전기적 특성 변화가 가능한 압력 감응 폴리머(pressure sensitive polymers)로 이루어질 수 있다. 압력 감응 폴리머는 고무 성질의 고분자 물질에 도전성을 갖는 물질을 혼합하여, 외부 압력이 가해졌을 때 도전성 물질 간의 간격이 감소하며 도전성이 증가하는 성질을 갖는다. 압력 감응 폴리머는 금속 나노입자보다 도전성이 낮은 물질을 더 포함할 수 있고, 카본블랙(carbon black), 카본나노튜브(CNT), 은 나노와이어(Ag NWs), 폴리우레탄 및 이들의 조합을 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따라, 도전성 폴리머는 카본블랙, 은 나노와이어 및 폴리우레탄을 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 도전성 신축 섬유(100)는 신축성 섬유를 기반으로 높은 신축성(유연성)을 갖고, 금속 나노입자 및 도전성 폴리머를 기반으로 높은 도전성을 가지며, 표면에 형성된 표면 구조체 및 트위스트 구조를 기반으로 높은 신호 민감도를 가져 수직 압력, 굽힘력(휘어짐), 인장력(늘어남) 및/또는 전단력 등의 외부 자극을 판별, 감지 및 측정하는 섬유형 센서로서 활용될 수 있다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 섬유형 센서의 저항에 관한 구성을 설명하기 위한 도면이다.
도 2를 참조하면, 제1 도전성 신축 섬유 및 상기 제2 도전성 신축 섬유로 이루어진 트위스트 구조의 도전성 신축 섬유는 각각 단일 섬유 내에서 단일 저항(single resistance)을 형성한다. 또한, 제1 도전성 신축 섬유 및 상기 제2 도전성 신축 섬유는 서로 간의 접촉에 의해 상호간 저항(mutual resistance)을 형성한다.
단일 저항 및 상호간 저항은 외부 자극의 종류에 따라 그 값이 변화되므로, 단일 저항 및 상호간 저항의 변화 값(패턴)에 따라 상기 외부 자극의 종류를 구별할 수 있다.
구체적으로, 단일 저항은 단일 섬유의 저항 변화를 측정함으로써 얻을 수 있고, 단일 저항은 도전성 섬유 내 금속 나노입자의 전기적 연결을 기반으로 하여 변형(strain) 자극에 반응할 수 있다. 또한, 상호간 저항은 두 개의 섬유 사이의 접촉 저항 변화를 측정함으로써 얻을 수 있고, 수직 방향의 수직 압력(normal pressure) 자극에 반응할 수 있다.
따라서 이러한 두 가지의 저항 신호를 동시 측정함으로써 가해지는 외부 자극이 어떠한 형태의 자극인지를 판별할 수 있다. 구체적으로, 외부 자극은 수직 압력(normal pressure), 굽힘력(bending force), 인장력(stretching force) 및/또는 전단력(shearing force) 등일 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 고성능의 섬유형 센서는 접촉 저항 방식으로서, 단일 섬유의 단일 저항(single resistance)과 각기 다른 섬유 사이의 상호간 저항(mutual resistance) 변화를 각각 측정함으로써 수직 압력뿐만 아니라 굽힘력(휘어짐), 인장력(늘어남) 및 전단력 등 다양한 형태의 외부 자극을 확연히 판별하고 감지 및 측정할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 접촉 저항 방식의 섬유형 센서는 접촉 저항 방식을 이용하여 노이즈를 최소화하고 별도의 변환 장치를 필요로 하지 않기 때문에, 기존의 의류 방직 기술을 이용하여 섬유 형태로 제조함으로써 옷, 신발, 장갑 및 모자 등에 간단하게 적용할 수 있어 의류일체형 웨어러블 센서로 편리하게 적용할 수 있다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 섬유형 센서에 다양한 자극을 가했을 경우 나타내는 반응을 보여주는 도면이다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 섬유형 센서는 단일 저항(single resistance) 및 상호간 저항(mutual resistance)의 두 가지 결과 신호의 형태를 기반으로 하여, 가해지는 자극이 어떠한 형태의 자극인지 확연한 구분할 수 있다.
구체적으로, 본 발명의 실시예에 따른 섬유형 센서는 수직 압력(normal pressure), 굽힘력(bending force), 인장력(stretching force) 및 전단력(shearing force) 등 다양한 외부 자극의 종류를 각기 다른 형태의 저항 변화를 통해 구별할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 섬유형 센서는 표면 구조체를 기반으로 높은 민감도를 보유하고 있을 뿐만 아니라, 가해지는 자극의 세기에 따라 결과 신호의 변화량이 달라지기 때문에 정량적인 분석을 수행할 수 있다.
이하 도 4 내지 도 7을 참조하여 각각의 외부 자극에 따른 섬유형 센서의 저항 변화를 상세히 설명한다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 섬유형 센서에 수직 압력을 가했을 경우 나타내는 반응을 보여주는 그래프이다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 섬유형 센서에 수직 방향의 수직 압력(normal pressure)이 가해지는 경우, 변형(strain) 자극에 민감한 단일 저항(single resistance)은 변화가 없지만 수직 압력 자극에 대해 민감한 상호간 저항(mutual resistance)은 자극이 가질 때마다 저항이 감소하였으며, 상호간 저항 값의 감소량은 가해지는 자극의 세기에 비례하였다.
구체적으로, 본 발명의 실시예에 따른 섬유형 센서는 10 kPa부터 최대 1,000 kPa까지의 수직 압력에 대해 안정적으로 동작할 수 있었고, 10 kPa도 무리 없이 감지할 수 있었으며, 10 kPa 단위의 차이도 감지할 수 있었다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 섬유형 센서에 굽힘력을 가했을 경우 나타내는 반응을 보여주는 그래프이다.
도 5를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 섬유형 센서에 굽힘력(bending force)이 가해지는 경우, 자극이 가해짐에 따라 단일 저항(single resistance)은 증가하였고, 상호간 저항(mutual resistance)은 감소하였다. 이것은 굽힘력이 수직 압력 및 변형(strain) 자극이 결합된 형태로 두 가지의 자극이 동시에 가해지는 것으로 분석할 수 있다.
구체적으로, 본 발명의 실시예에 따른 섬유형 센서는 20°부터 최대 180°까지의 굽힘력에 대해 안정적으로 동작할 수 있었고, 상호간 저항의 경우 큰 각도에서는 값의 차이가 크지 않을 수 있으나, 이는 표면 구조체의 적용을 통해 해결할 수 있었다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 섬유형 센서에 인장력을 가했을 경우 나타내는 반응을 보여주는 그래프이다.
도 6을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 섬유형 센서에 인장력(stretching force)이 가해지는 경우, 자극이 가해짐에 따라 단일 저항(single resistance)과 상호간 저항(mutual resistance)이 동시에 증가하였다. 이것은 변형(strain) 자극이 가해지면 섬유형 센서를 구성하고 있는 도전성 섬유 및 도전성 폴리머 물질의 전기 저항이 빠르게 증가하는 특성을 가지고 있기 때문인 것으로 분석할 수 있다.
구체적으로, 본 발명의 실시예에 따른 섬유형 센서는 10%부터 최대 60%까지의 인장력에 대해 안정적으로 동작할 수 있었다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 섬유형 센서에 40%의 인장력을 가했을 경우 나타내는 반응을 보여주는 그래프이다.
도 7을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 섬유형 센서에 인장력(stretching force)과 복원력(restoring force)이 차례대로 가해지는 경우 상호간 저항(mutual resistance)이 특징적인 반응을 보이는 것을 확인할 수 있었다.
구체적으로, 본 발명의 실시예에 따른 섬유형 센서는 수직 압력, 굽힘력 등 다른 자극들이 가해졌을 때에는 일반적으로 상호간 저항의 변화가 같은 방향으로만 일어난 반면, 인장력이 가해진 경우에는 자극이 가해지는 동안 저항이 감소했다가 증가하는 경향을 보임을 확인할 수 있었다. 또한, 늘어난 센서를 다시 되돌리는 복원 과정에서도 마찬가지로 저항이 감소했다가 증가하는 경향을 보임을 확인할 수 있었다.
이러한 인장력에 대한 섬유형 센서의 특징적인 신호는 인장력이 가해질 때, 트위스트 구조의 도전성 신축 섬유가 중심축 방향으로 힘을 받는 동시에 각각의 도전성 신축 섬유가 변형(strain) 자극을 받기 때문인 것으로 분석할 수 있다. 늘어남(stretching) 자극이 시작되는 낮은 변형(low-strain) 영역에서는 두 개의 도전성 신축 섬유 사이의 접촉 면적이 증가하면서 저항이 감소하지만, 자극이 일정 영역을 넘어서 더욱 커지면 도전성 섬유 및 도전성 폴리머 자체의 저항이 빠르게 증가하여 전체 상호간 저항이 증가하는 것으로 분석할 수 있다.
이러한 결과를 바탕으로, 본 발명의 실시예에 따른 섬유형 센서는 인장력이 가해지는 경우 단일 저항과 상호간 저항의 신호 형태뿐만 아니라 상호간 저항의 특징적인 반응을 이용하여 판별할 수 있다.
이하, 도 8을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 섬유형 센서의 제조방법을 설명한다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 섬유형 센서의 제조방법의 흐름도이다.
도 8을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 섬유형 센서의 제조방법은 신축성 섬유 및 상기 신축성 섬유 내부에 형성된 금속 나노입자로 이루어진 도전성 섬유를 형성하는 단계(S110), 상기 신축성 섬유의 표면에 도전성 폴리머를 코팅하여 도전성 신축 섬유를 형성하고, 상기 도전성 신축 섬유의 표면에 표면 구조체를 형성하는 단계(S120) 및 상기 도전성 신축 섬유 두 개를 서로 트위스트로 꼬아서 트위스트 구조를 형성하는 단계(S130)를 포함한다.
이하 본 발명의 실시예에 따른 섬유형 센서의 제조방법의 각 단계를 상세히 설명한다.
단계 S110은 신축성 섬유 및 상기 신축성 섬유 내부에 형성된 금속 나노입자로 이루어진 도전성 섬유를 형성하는 것이다.
구체적으로, 단계 S110은 신축성 섬유의 내부에 금속 나노입자를 흡수시켜 도전성 섬유를 형성할 수 있다.
실시예에 따라, 금속 이온을 함유하고 있는 금속 이온 함유 용액에 신축성 섬유를 넣은 다음 소정의 시간 후에 꺼내어 잔류 용매를 제거하면 신축성 섬유 내부에 금속 이온을 흡수시킬 수 있다. 이어서 환원제 등을 이용하여 상기 신축성 섬유 내부에 흡수된 금속 이온을 환원시키면 신축성 섬유 내부에는 금속 나노입자가 흡수되어, 결과적으로 신축성 섬유의 내부에 금속 나노입자가 흡수된 도전성 섬유를 형성할 수 있다.
단계 S120은 단계 S110에서 형성된 도전성 섬유의 표면에 도전성 폴리머를 코팅하여 도전성 신축 섬유를 형성하고, 상기 도전성 신축 섬유의 표면에 표면 구조체를 형성하는 것이다.
실시예에 따라, 단계 S120에서 도전성 섬유의 표면에 도전성 폴리머를 코팅하는 방법은 도전성 섬유의 길이 방향을 따라 도전성 폴리머 함유 용액을 흘려주거나, 도전성 폴리머 함유 용액을 도전성 섬유에 단순 접촉시키는 방법을 이용하여 도전성 섬유의 표면에 도전성 폴리머를 코팅시킬 수 있다.
실시예에 따라, 단계 S120에서 표면 구조체로서 버클링 구조체 또는 미세 구조체를 형성할 수 있다. 이하, 도 9를 참조하여 버클링 구조체의 형성 방법을 설명하고, 도 10을 참조하여 미세 구조체의 형성방법을 설명한다.
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 버클링 구조체의 형성 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 9를 참조하면, 표면에 버클링 구조체가 형성된 도전성 신축 섬유(210)를 형성하는 단계(도 8의 S120 참조)는 (a) 도전성 섬유(211)를 길이 방향으로 신장시키는 단계, (b) 신장된 도전성 섬유(211)의 표면에 도전성 폴리머(212)를 코팅하는 단계 및 (c) 도전성 폴리머로 코팅된 도전성 섬유를 원래 상태로 복원시켜 버클링 구조체(213)를 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
(a) 단계에서는 도전성 섬유(211)의 길이를 본래 길이 대비 200% 내지 400% 정도 신장시킨다. 200% 보다 신장률이 낮을 경우, 도전성 폴리머에 충분한 압축응력이 가해지지 않아 버클링 구조체가 형성되지 않을 수 있다. 400% 보다 신장률이 높을 경우, 코팅되는 도전성 폴리머에 압축응력이 과하게 가해져 버클링 구조체가 형성되고도 압축응력이 잔류하여 도전성 섬유가 꼬이는 등 원하지 않는 효과가 발생할 수 있다.
(b) 단계에서는 도전성 폴리머(212)의 코팅 횟수에 따라 도전성 폴리머(212)의 코팅 두께를 조절할 수 있다. 이때, 코팅 두께 조절을 통해 버클링 구조체의 볼록부 및 오목부의 파장과 진폭을 조절할 수 있다.
(c) 단계에서는 도전성 폴리머로 코팅된 도전성 섬유를 원래 상태로 복원시켜 버클링 구조체(213)을 형성한다. 이때, 도전성 섬유에 열을 가해 도전성 섬유의 복원을 도울 수 있다.
도 10은 본 발명의 실시예에 따른 미세 구조체의 형성 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 10을 참조하면, 표면에 미세 구조체가 형성된 도전성 신축 섬유(310)를 형성하는 단계(도 8의 S120 참조)는 (a) 도전성 섬유(311)를 준비하는 단계, (b) 도전성 섬유(311)의 표면에 도전성 폴리머(312)를 코팅하는 단계 및 (c) 미세구조의 패턴이 형성된 몰드를 이용하여 도전성 폴리머가 코팅된 도전성 섬유(311)를 임프린팅하여 미세 구조체(313)를 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
실시예에 따라, 원기둥 음각 패턴이 형성된 몰드 사이에 패터닝하고자 하는 도전성 폴리머가 코팅된 도전성 섬유를 배치하고, 열과 압력을 가하여 도전성 섬유의 표면에 코팅된 도전성 폴리머를 녹여 몰드 내부로 흘러 들어가게 한 후, 열을 제거하고 도전성 폴리머를 굳게 하고 압력을 제거하여 표면에 미세 구조체가 형성된 도전성 신축 섬유를 제조할 수 있다.
이러한 임프린팅 방법은 압력을 가해주었을 때 일시적으로 변형되어도 압력을 제거하였을 때 원래 형상으로 돌아오는 신축성 섬유의 성질을 이용한 것으로, 신축성 섬유의 성질에 따라 신축성 섬유의 단면은 타원형이 될 수도 있다. 또한, 임프린팅 시의 가열 온도와 압력은 신축성 섬유의 유리전이 온도(glass transition temperature)에 따라 다를 수 있다.
다시 도 8을 참조하면, 단계 S130은 단계 S120에서 제조된 도전성 신축 섬유 두 개를 서로 트위스트로 꼬아서 트위스트 구조를 형성하는 것이다.
이하 도 11 내지 도 13을 참조하여 본 발명의 실시예에 따라 제조된 다양한 표면 구조체를 갖는 섬유형 센서의 전자현미경 사진을 상세히 설명한다.
도 11은 본 발명의 실시예에 따라 제조된 버클링 구조체를 갖는 섬유형 센서의 전자현미경 사진이다.
도 11을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따라 제조된 버클링 구조체를 갖는 섬유형 센서는 폴리우레탄(신축성 섬유)과 은 나노입자(금속 나노입자)로 이루어진 도전성 섬유 및 상기 도전성 섬유의 표면에 카본블랙, 은 나노와이어 및 폴리우레탄의 복합물질(도전성 폴리머)로 코팅된 도전성 신축 섬유를 기반으로 하고, 도전성 신축 섬유의 표면에는 버클링 구조체가 형성되어 있으며((a) 참조), 버클링 구조체가 형성된 도전성 신축 섬유 두 개는 서로 꼬아져 트위스트 구조를 형성하며 하나의 줄 형태로 이루어진 것을 확인할 수 있었다((b) 참조).
도 12는 본 발명의 실시예에 따라 제조된 원기둥 형상의 미세 구조체를 갖는 섬유형 센서의 전자현미경 사진이다.
도 12를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따라 제조된 원기둥 형상의 미세 구조체를 갖는 섬유형 센서는 폴리우레탄(신축성 섬유)과 은 나노입자(금속 나노입자)로 이루어진 도전성 섬유 및 상기 도전성 섬유의 표면에 카본블랙, 은 나노와이어 및 폴리우레탄의 복합물질(도전성 폴리머)로 코팅된 도전성 신축 섬유를 기반으로 하고, 도전성 신축 섬유의 표면에는 원기둥 형상의 미세 구조체가 형성되어 있으며((a) 참조), 원기둥 형상의 미세 구조체가 형성된 도전성 신축 섬유 두 개는 서로 꼬아져 트위스트 구조를 형성하며 하나의 줄 형태로 이루어진 것을 확인할 수 있었다((b) 참조).
도 13은 본 발명의 실시예에 따라 제조된 원뿔 형상의 미세 구조체를 갖는 섬유형 센서의 전자현미경 사진이다.
도 13을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따라 제조된 섬유형 센서는 도전성 신축 섬유의 표면에 원기둥 형상의 미세 구조체(도 12 참조)뿐만 아니라 원뿔 형상(지름 30 ㎛, 높이 30 ㎛)의 미세 구조체가 형성될 수 있는 것을 확인할 수 있었다((a), (b) 참조).
도 14 및 도 15는 본 발명의 실시예에 따라 도전성 폴리머의 함량(조성)을 달리 했을 때의 도전성과 미세 구조체의 모양 변화를 나타낸 표 및 그래프이다.
도 14를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따라 제조된 섬유형 센서는 폴리우레탄(신축성 섬유)과 은 나노입자(금속 나노입자)로 이루어진 도전성 섬유 및 상기 도전성 섬유의 표면에 카본블랙(CB), 은 나노와이어(Ag NWs) 및 폴리우레탄(PU)의 복합물질(도전성 폴리머)로 코팅된 도전성 신축 섬유를 기반으로 하고, 도전성 신축 섬유의 표면에는 미세 구조체가 형성되어 있다.
여기서, 도전성 폴리머는 그 구성 물질인 폴리우레탄(PU) 카본블랙(CB) 및 은 나노와이어(Ag NWs)의 함량(조성)이 도 14와 같이 조절되었다.
본 발명의 실시예에 따라 제조된 섬유형 센서는 폴리우레탄(PU) 대비 도전성 물질(카본블랙(CB) + 은 나노와이어(Ag NWs))의 비율이 높아짐에 따라 전기 전도성(도전성)(Conductivity)이 높아지는 것을 확인할 수 있었다. 그러나 특정 비율 이상에서는 도전성 물질의 비율이 높아짐에 따라 표면에 미세 구조체의 뭉침 현상(Aggregation)이 발생하여 미세 구조체 형성에 지장을 주는 것을 확인할 수 있었다.
도 15를 참조하면, 폴리우레탄에 대한 도전성 물질의 함량비에 관한 최적화 구간((CB + Ag NWs)/PU = 약 0.6 ~ 0.9)이 있음을 확인할 수 있었다.
도 16 내지 도 18은 본 발명의 실시예에 따라 제조된 미세 구조체를 갖는 섬유형 센서의 민감도 향상 정도를 나타내는 그래프이다. 구체적으로, 도 16은 본 발명의 실시예에 따라 제조된 미세 구조체를 갖는 섬유형 센서에 수직 압력(normal pressure)이 가해질 경우의 저항 변화를 나타내고, 도 17은 본 발명의 실시예에 따라 제조된 미세 구조체를 갖는 섬유형 센서에 굽힘력(bending force)이 가해질 경우의 저항 변화를 나타내며, 도 18은 본 발명의 실시예에 따라 제조된 미세 구조체를 갖는 섬유형 센서에 인장력(stretching force)이 가해질 경우의 저항 변화를 나타낸다.
도 16 내지 도 18을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따라 제조된 미세 구조체를 갖는 섬유형 센서(Pattern)에 각각 수직 압력, 굽힘력, 인장력이 가해질 경우, 미세 구조체가 형성되지 않은 경우(Non-pattern)와 비교하여 섬유형 센서의 민감도가 향상되었음을 확인할 수 있었다.
이상과 같이 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 그러므로, 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
Claims (16)
- 신축성 섬유와, 상기 신축성 섬유의 내부에 형성된 금속 나노입자로 이루어진 도전성 섬유; 및
상기 도전성 섬유의 표면에 형성된 도전성 폴리머
를 포함하는 도전성 신축 섬유를 포함하고,
상기 도전성 신축 섬유는 제1 도전성 신축 섬유 및 제2 도전성 신축 섬유로 이루어지며,
상기 도전성 신축 섬유는 표면에 형성된 표면 구조체 및 상기 제1 도전성 신축 섬유와 상기 제2 도전성 신축 섬유가 서로 트위스트(twist)로 꼬아져 있는 트위스트 구조를 갖고,
상기 제1 도전성 신축 섬유 및 상기 제2 도전성 신축 섬유는 각각 섬유 내에서 단일 저항을 형성하며, 상기 제1 도전성 신축 섬유 및 상기 제2 도전성 신축 섬유는 서로 간에 상호간 저항을 형성하는 섬유형 센서.
- 제1항에 있어서,
상기 섬유형 센서는
상기 단일 저항 및 상기 상호간 저항의 변화 값에 따라 외부 자극의 종류를 구별하는 것을 특징으로 하는 섬유형 센서.
- 제1항에 있어서,
상기 도전성 섬유는
상기 신축성 섬유가 복수 개로 이루어져 서로 평행하게 배치된 계층적 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 섬유형 센서.
- 제1항에 있어서,
상기 표면 구조체는
버클링(buckling) 구조체인 것을 특징으로 하는 섬유형 센서.
- 제1항에 있어서,
상기 표면 구조체는
미세 구조체인 것을 특징으로 하는 섬유형 센서.
- 제5항에 있어서,
상기 미세 구조체는
원기둥, 사각기둥, 육각기둥, 원뿔 및 반구로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 어느 하나의 형상을 갖는 것을 특징으로 하는 섬유형 센서.
- 제2항에 있어서,
상기 외부 자극은
수직 압력, 굽힘력, 인장력 및 전단력으로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 적어도 하나 이상의 힘인 것을 특징으로 하는 섬유형 센서.
- 제1항에 있어서,
상기 신축성 섬유는
폴리우레탄(polyurethane), SBS(styrene-butadiene-styrene), SBR(styrene butadiene rubber) 및 PDMS(polydimethylsiloxane)으로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 어느 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 섬유형 센서.
- 제1항에 있어서,
상기 금속 나노입자는
은 나노입자, 금 나노입자, 구리 나노입자 및 백금 나노입자로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 어느 하나인 것을 특징으로 하는 섬유형 센서.
- 제1항에 있어서,
상기 도전성 폴리머는
압력 감응 폴리머로 이루어진 것을 특징으로 하는 섬유형 센서.
- 제1항에 있어서,
상기 도전성 폴리머는
카본블랙, 은 나노와이어 및 폴리우레탄을 포함하는 것을 특징으로 하는 섬유형 센서.
- 신축성 섬유와, 상기 신축성 섬유의 내부에 형성된 금속 나노입자로 이루어진 도전성 섬유를 형성하는 단계;
상기 도전성 섬유의 표면에 도전성 폴리머를 코팅하여 도전성 신축 섬유를 형성하고, 상기 도전성 신축 섬유의 표면에 표면 구조체를 형성하는 단계; 및
상기 도전성 신축 섬유 두 개를 서로 트위스트로 꼬아서 트위스트 구조를 형성하는 단계
를 포함하는 섬유형 센서의 제조방법.
- 제12항에 있어서,
상기 도전성 섬유의 표면에 도전성 폴리머를 코팅하여 도전성 신축 섬유를 형성하고, 상기 도전성 신축 섬유의 표면에 표면 구조체를 형성하는 단계는
상기 도전성 섬유를 길이 방향으로 신장시키는 단계;
신장된 도전성 섬유의 표면에 도전성 폴리머를 코팅하는 단계; 및
상기 도전성 폴리머로 코팅된 도전성 섬유를 원래 상태로 복원시켜 버클링 구조체를 형성하는 단계
를 포함하는 것을 특징으로 하는 섬유형 센서의 제조방법.
- 제12항에 있어서,
상기 도전성 섬유의 표면에 도전성 폴리머를 코팅하여 도전성 신축 섬유를 형성하고, 상기 도전성 신축 섬유의 표면에 표면 구조체를 형성하는 단계는
상기 도전성 섬유의 표면에 도전성 폴리머를 코팅하는 단계; 및
미세구조의 패턴이 형성된 몰드를 이용하여 상기 도전성 폴리머가 코팅된 도전성 섬유를 임프린팅하여 미세 구조체를 형성하는 단계
를 포함하는 것을 특징으로 하는 섬유형 센서의 제조방법.
- 제12항에 있어서,
상기 신축성 섬유와, 상기 신축성 섬유의 내부에 형성된 금속 나노입자로 이루어진 도전성 섬유를 형성하는 단계는
상기 신축성 섬유의 내부에 금속 나노입자를 흡수시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 섬유형 센서의 제조방법.
- 제12항에 있어서,
상기 도전성 폴리머를 코팅하는 단계는
상기 도전성 섬유의 길이 방향을 따라 도전성 폴리머 함유 용액을 흐르게 하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 섬유형 센서의 제조방법.
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