KR20190056934A - 스트레인-압력 복합 센서의 제조 방법 및 이에 의해 제조된 센서 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 스트레인-압력 복합 센서의 제조 방법 및 이에 의해 제조된 센서을 제공한다. 이 방법은, 직물을 그래핀 산화물로 코팅하는 단계; 상기 직물 상에 코팅된 그래핀 산화물을 환원하여 그래핀을 형성하는 단계; 상기 그래핀으로 코팅된 직물 상에 탄소 나노 튜브들을 배치시키는 단계; 및 상기 직물에 전극을 연결하는 단계를 포함한다.
Description
본 발명은 스트레인-압력 복합 센서의 제조 방법 및 이에 의해 제조된 센서에 관한 것이다.
어떤 물체가 인장 또는 압축을 받았을 때, 길이의 변형이 나타나는 데, 스트레인 센서는 이러한 길이의 변형이 일어남과 동시에 전기저항이 변화하는 것을 이용하는 센서를 말한다. 외부에 힘을 가할 때 원래 길이(L)가 늘어나고, 단면적(A)이 줄어들면 저항이 증가하고, 반대로 길이가 줄어들면 저항이 감소하는데 이러한 피에조 저항효과 (piezoresistive effect)를 이용한 스트레인 센서를 피에조 저항센서 (piezoresistive sensor)라고 한다.
[수학식 1]
R=ρ*L/A
위의 수학식 1에서 R은 저항을 나타내고, ρ은 도체의 재질에 따라 정해지는 고유저항이다. 이러한 방식을 전도성 섬유소재에 적용하여 저항의 변화로부터 착용 대상의 표면 변화정도를 측정할 수 있도록 만든 것이 섬유형 기반의 스트레인 센서 (fabric-based strain sensor)이다.
이러한 섬유형 스트레인 센서는 구조에 따라 외부에 스트레인을 가했을 때, 길이가 늘어나면 저항이 증가하고, 제거 했을 때 저항이 감소하는 positive piezoresistive sensor, 반대로 인장력을 가해서 늘어났을 때 저항이 감소하고 줄어들 때 저항이 증가하는 negative piezoresistive sensor가 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 제조 과정이 간단하고 용이한 스트레인-압력 복합 센서의 제조 방법을 제공하는데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 재현성과 방수성이 우수한 스트레인-압력 복합 센서를 제공하는데 있다.
상기 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 스트레인-압력 복합센서의 제조 방법은, 직물을 그래핀 산화물로 코팅하는 단계; 상기 직물 상에 코팅된 그래핀 산화물을 환원하여 그래핀을 형성하는 단계; 상기 그래핀으로 코팅된 직물 상에 탄소 나노 튜브들을 배치시키는 단계; 및 상기 직물에 전극을 연결하는 단계를 포함한다.
상기 직물을 그래핀 산화물로 코팅하는 단계는, 상기 직물을 그래핀 산화물을 포함하는 제 1 용액 안에 담그는 단계; 및 상기 직물을 건조시키는 단계를 포함할 수 있다.
상기 제 1 용액은 물을 더 포함할 수 있다.
상기 직물 상에 코팅된 그래핀 산화물을 환원하는 단계는, 상기 그래핀 산화물로 코팅된 직물을 환원제의 증기에 노출시키는 단계를 포함할 수 있다.
상기 환원제는 예를 들면 하이드라진일 수 있다.
상기 그래핀 산화물로 코팅된 직물을 환원제의 증기에 노출시키는 단계는 70~80℃의 온도에서 밀봉된 챔버 안에서 진행될 수 있다.
상기 그래핀으로 코팅된 직물 상에 탄소 나노 튜브들을 배치시키는 단계는, 상기 그래핀으로 코팅된 직물을 탄소 나노 튜브들을 포함하는 제 2 용액 안에 담그는 단계; 및 상기 직물을 건조시키는 단계를 포함할 수 있다.
상기 제 2 용액은 디메틸포름아미드(Dimethylformamide, DMF) 및 다이클로로벤젠 (Dichlorobenzene, DCB) 중 적어도 하나를 더 포함할 수 있다.
상기 제 2 용액에서 상기 탄소 나노 튜브들은 0.01~0.04 중량%로 포함될 수 있다.
상기 직물은 면(cotton) 또는 울 (wool)일 수 있다.
상기 방법은, 상기 직물에 전극을 연결하는 단계 후에, 테스트 과정을 더 포함하되, 상기 테스트 과정은, 상기 직물에 인장력을 인가하다 중단하는 단계; 상기 직물에 압축력을 인가하다 중단하는 단계; 및 상기 직물을 물에 담그고 건조시키는 단계 중 적어도 하나를 수회 반복할 수 있다.
상기 다른 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 스트레인-압력 복합 센서는 직물; 직물 상에 코팅된 그래핀; 및 그래핀으로 코팅된 직물 상에 배치되는 탄소 나노 튜브들을 포함하며, 인장력과 압축력을 감지한다.
상기 스트레인-압력 복합 센서는, 상기 직물의 일 단부에 연결되는 제 1 전극과 상기 직물의 타 단부에 연결되는 제 2 전극을 더 포함할 수 있다.
상기 그래핀은 환원된 그래핀 산화물일 수 있다. 상기 그래핀 중 일부는 산소와 결합될 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따른 스트레인-압력 복합 센서의 제조 방법은 제조 과정이 간단하고 용이하다.
본 발명의 실시예들에 따른 스트레인-압력 복합 센서는 재현성과 방수성이 우수하다.
도 1은 본 발명의 실시예들에 따른 스트레인-압력 복합 센서의 제조 과정을 나타내는 순서도이다.
도 2 내지 도 6은 본 발명의 실시예들에 따른 스트레인-압력 복합 센서의 제조 과정을 순차적으로 나타내는 도면들이다.
도 7a, 7b, 8a, 8b 및 9b는 본 발명의 실시예들에 따른 스트레인-압력 복합 센서의 실험 결과를 나타내는 그래프들이다.
도 9a는 본 발명의 실시예들에 따른 스트레인-압력 복합 센서의 실험 결과를 나타내는 사진들이다.
도 2 내지 도 6은 본 발명의 실시예들에 따른 스트레인-압력 복합 센서의 제조 과정을 순차적으로 나타내는 도면들이다.
도 7a, 7b, 8a, 8b 및 9b는 본 발명의 실시예들에 따른 스트레인-압력 복합 센서의 실험 결과를 나타내는 그래프들이다.
도 9a는 본 발명의 실시예들에 따른 스트레인-압력 복합 센서의 실험 결과를 나타내는 사진들이다.
이상의 본 발명의 목적들, 다른 목적들, 특징들 및 이점들은 첨부된 도면과 관련된 이하의 바람직한 실시예들을 통해서 쉽게 이해될 것이다. 그러나 본 발명은 여기서 설명되는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예들은 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다.
본 명세서에서, 어떤 구성 요소가 다른 구성 요소 상에 있다고 언급되는 경우에 그것은 다른 구성요소 상에 직접 형성될 수 있거나 또는 그들 사이에 제 3의 구성요소가 개재될 수도 있다는 것을 의미한다. 또한, 도면들에 있어서, 구성요소들의 두께는 기술적 내용의 효과적인 설명을 위해 과장된 것이다.
본 명세서에서 기술하는 실시예들은 본 발명의 이상적인 예시도인 단면도 및/또는 평면도들을 참고하여 설명될 것이다. 도면들에 있어서, 막 및 영역들의 두께는 기술적 내용의 효과적인 설명을 위해 과장된 것이다. 따라서, 제조 기술 및/또는 허용 오차 등에 의해 예시도의 형태가 변형될 수 있다. 따라서, 본 발명의 실시예들은 도시된 특정 형태로 제한되는 것이 아니라 제조 공정에 따라 생성되는 형태의 변화도 포함하는 것이다. 예를 들면, 직각으로 도시된 식각 영역은 라운드지거나 소정 곡률을 가지는 형태일 수 있다. 따라서, 도면에서 예시된 영역들은 속성을 가지며, 도면에서 예시된 영역들의 모양은 소자의 영역의 특정 형태를 예시하기 위한 것이며 발명의 범주를 제한하기 위한 것이 아니다. 본 명세서의 다양한 실시예들에서 제1, 제2 등의 용어가 다양한 구성요소들을 기술하기 위해서 사용되었지만, 이들 구성요소들이 이 같은 용어들에 의해서 한정되어서는 안 된다. 이들 용어들은 단지 어느 구성요소를 다른 구성요소와 구별시키기 위해서 사용되었을 뿐이다. 여기에 설명되고 예시되는 실시예들은 그것의 상보적인 실시예들도 포함한다.
본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 '포함한다(comprise)' 및/또는 '포함하는(comprising)'은 언급된 구성요소는 하나 이상의 다른 구성요소의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.
이하, 도면들을 참조하여, 본 발명의 실시예들에 대해 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 실시예들에 따른 스트레인-압력 복합 센서의 제조 과정을 나타내는 순서도이다. 도 2 내지 도 6은 본 발명의 실시예들에 따른 스트레인-압력 복합 센서의 제조 과정을 순차적으로 나타내는 도면들이다. 도 2 내지 도 6에서 점선의 원 안에는 직물의 일 부분의 단면이 도시된다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 실시예들에 따른 스트레인-압력 복합센서의 제조 방법은, 먼저 직물(10)을 준비한다. 상기 직물(10)은 예를 들면 면(cotton) 또는 울 (wool)일 수 있다. 상기 직물(10)은 씨실과 날실이 교차된 섬유 제품일 수 있다. 상기 직물(10)은 가로 방향, 세로 방향 및 대각선 방향 등으로 늘려질 수도 있고 수축될 수도 있다. 상기 직물(10)은 표면에 존재할 수 있는 화학성분과 불순물을 제거하기 위하여 탈이온수에 여러 번 행군 후에 건조될 수 있다.
도 1 및 도 3을 참조하면, 상기 직물(10)을 그래핀 산화물(20)로 코팅할 수 있다(S10). 상기 직물(10)을 그래핀 산화물(20)로 코팅하는 단계는, 상기 직물(10)을 그래핀 산화물(20)을 포함하는 제 1 용액 안에 담그는 단계; 및 상기 직물(10)을 건조시키는 단계를 포함할 수 있다. 상기 제 1 용액은 물을 더 포함할 수 있다. 그래핀은 매우 우수한 전기 전도성과 신축성을 가지나, 흑연으로부터 그래핀을 분리하는 것은 매우 어렵다. 그러나 흑연을 산화시키면 각 층마다 서로 반발을 해서 쉽게 그래핀 산화물을 얻을 수 있다. 이렇게 쉽게 그래핀 산화물을 얻은 후에 물과 섞어 제 1 용액을 만들고, 상기 제 1 용액 안에 상기 직물(10)을 담근 후 건조시키면 상기 직물(10) 상에 그래핀 산화물(20)을 용이하게 코팅할 수 있다. 상기 제 1 용액은 예를 들면 3mg/ml의 농도로 그래핀 산화물을 포함할 수 있다. 상기 제 1 용액 안에 담그는 단계는 예를 들면 약 1~30분일 수 있다.
도 1 및 도 4를 참조하면, 상기 직물(10)에 코팅된 그래핀 산화물(20)을 환원하여 그래핀(20r)을 형성할 수 있다(S20). 상기 그래핀(20r)은 환원된 그래핀 산화물로도 명명될 수 있다. 상기 환원 정도에 따라 (환원이 완벽하게 이루어지지 않은 경우) 상기 그래핀(20r)의 일부에는 산소가 결합된 상태로 잔존할 수 있다. 상기 직물(10)에 코팅된 그래핀 산화물(20)을 환원하는 단계(S20)는 상기 그래핀 산화물(20)로 코팅된 직물(10)을 환원제의 증기에 노출시키는 단계를 포함할 수 있다. 상기 환원제는 예를 들면 하이드라진일 수 있다. 상기 그래핀 산화물(20)로 코팅된 직물(10)을 환원제의 증기에 노출시키는 단계는 70~80℃의 온도에서 밀봉된 챔버 안에서, 예를 들면 10~30시간 동안 진행될 수 있다.
도 1 및 도 5를 참조하면, 상기 그래핀(20r)으로 코팅된 직물(10) 상에 탄소 나노 튜브들(30)을 배치시킬 수 있다(S30). 상기 그래핀(20r)으로 코팅된 직물(10) 상에 탄소 나노 튜브들(30)을 배치시키는 단계(S30)는 상기 그래핀(20r)으로 코팅된 직물(10)을 탄소 나노 튜브들을 포함하는 제 2 용액 안에 담그는 단계; 및 상기 직물(10)을 건조시키는 단계를 포함할 수 있다. 상기 제 2 용액은 디메틸포름아미드(Dimethylformamide, DMF) 및 다이클로로벤젠 (Dichlorobenzene, DCB) 중 적어도 하나를 더 포함할 수 있다. 상기 제 2 용액에서 상기 탄소 나노 튜브들(30)은 0.01~0.04 중량%로 포함될 수 있다.
도 1 및 도 6을 참조하면, 상기 직물(10)의 일 단부에 제 1 전극(50)을 연결키고 상기 직물(10)의 타 단부에 제 2 전극(60)을 연결시킬 수 있다(S40). 상기 제 1 전극(50)에는 제 1 배선(52)이 연결될 수 있고, 상기 제 2 전극(60)에는 제 2 배선(62)이 연결될 수 있다. 이로써 스트레인-압력 복합 센서(100)를 형성할 수 있다. 상기 스트레인-압력 복합 센서(100)은 인장력과 압축력을 감지할 수 있다. 상기 스트레인-압력 복합 센서(100)에서는 인장력과 압축력을 반복 인가할 때 발생하는 그래핀과 직물의 계면에서 발생할 수 있는 끊어짐이나 벗겨짐 같은 물리적 손상을 복잡한 랜덤 네트워크 구조를 가지는 탄소 나노 튜브가 연결시켜줌으로써 소자의 특성 저하를 최소화시킬 수 있다. 또한 탄소 나노 튜브의 함량 증가를 통해 전기 전도도를 향상시킬 수 있다. 또한 그래핀과 탄소 나노 튜브의 소수성(hydrophobic) 특성으로 인해, 소자를 의복에 적용시 세탁이 용이하다는 장점이 있다.
이와 같이 상기 스트레인-압력 복합 센서(100)를 형성한 후에, 상기 방법은 상기 스트레인-압력 복합 센서(100)의 테스트 과정을 더 포함할 수 있다. 상기 테스트 과정은, 상기 직물(10)에 인장력을 인가하다 중단하는 단계; 상기 직물(10)에 압축력을 인가하다 중단하는 단계; 및 상기 직물(10)을 물에 담그고 건조시키는 단계 중 적어도 하나를 수회 반복할 수 있다.
도 7a, 7b, 8a, 8b 및 9b는 본 발명의 실시예들에 따른 스트레인-압력 복합 센서의 실험 결과를 나타내는 그래프들이다.
도 7a, 7b, 8a, 8b 및 9b를 참조하면, 본 발명의 실험예들에서는 도 1 내지 도 6을 참조하여 설명한 과정을 통해 스트레인-압력 복합 센서들을 제조하였다. 실험예 1~실험예 3에서는 각각 탄소 나노 튜브들을 포함하는 제 2 용액에서 탄소 나노 튜브의 함량을 각각 0.01중량%, 0.02중량% 및 0.04중량%로 제조하였다. 대조군으로 제조된 센서에서는 탄소 나노 튜브가 직물 상에 배치되지 않은 도 4의 상태에서 제 1 및 제 2 전극들(50, 60)이 연결되었다.
스트레인 센서의 성능을 평가하는 지표로 게이지율 (gauge factor, GF)을 사용할 수 있다. 이러한 게이지율은 센서의 민감도 (Sensitivity)를 결정하는 중요한 파라미터이다. 섬유에 외력이 가해졌을 때 초기 길이 L0에서 ΔL 만큼 변할 때 길이 변형율 ΔL/L0을 ε (스트레인 값) 이라고 하고 수학식 1의 방정식에 따라 게이지율(GF)은 수학식 2와 같이 나타낼수 있다.
[수학식 2]
GF = (ΔR/R0) /(ΔL/L0) = ΔR/εR0
도 7a에서는 위와 같이 제조된 스트레인-압력 복합 센서들을 각각 구부림으로써 인장력을 인가하다, 인장력을 제거하기를 반복하면서 스트레인(가로축, 즉 ε에 해당)에 따른 저항의 변화율(세로축, 즉 ΔR/R0에 해당)을 나타내는 그래프이다. 도 7a에서 CF는 Cotton Fabric(면 직물)을 의미한다. rGO는 산화된 그래핀 산화물을 의미한다. SWCNTs는 단일벽 탄소 나노 튜브들을 의미한다. 여기서 단일벽 탄소 나노 튜브란, 탄소원자로 구성된 벽이 여러 겹으로 존재하지 않고 하나인 튜브 형태로 존재하는 탄소 나노 튜브를 의미한다. 도 7a에서 가장 위에 위치하는 rGO-CF로 표시된 그래프는 탄소 나노 튜브가 배치되지 않은 대조군의 센서에 대한 것이다. 도 7a에서 가장 밑에 위치하는 (0.04wt%)로 표시된 그래프는 0.04wt%의 함량으로 탄소 나노 튜브가 함유된 제 2 용액을 이용하여 제조된 실험예 3에 따른 스트레인-압력 복합 센서에 대한 것이다. 도 7a를 살펴보면, 전체적으로 탄소 나노 튜브의 함량이 증가할수록 저항의 변화율은 작다. 이들의 그래프들을 이용하여 그래프들의 기울기 값인 게이지율(GF)을 계산하면 스트레인 값이 약 15~21%인 구간에서 탄소 나노 튜브가 없는 대조군의 게이지율은 가장 큰 9.75이고 탄소 나노 튜브 함량이 높은 실험예 2와 3의 게이지율이 상대적으로 낮은 3~3.25이었다. 특히 (0.04wt%)로 표시된 그래프인 실험예 3인 경우, 스트레인 값이 약 11~28%인 구간에서 그래프는 일정한 선형성을 나타내어 우수한 재현성을 나타냄을 알 수 있다.
도 7b에서 도 7a와 동일한 실험예 1~3과 대조군에서 제조된 센서들을 대상으로 구부림으로써 인장력을 인가하다가, 인장력을 제거하기를 반복하면서 벤딩 횟수(bending cycle)에 따른 저항 변화율을 측정하였다. 이때 스트레인(ε에 해당)을 28%로 고정하였다. 도 7b를 살펴보면, 탄소 나노 튜브의 함량이 증가할수록 벤딩 횟수에 따른 저항 변화율이 일정함을 알 수 있다. 예를 들면 (0.04wt%)로 표시된 그래프인 실험예 3의 스트레인-압력 복합 센서는 10만번의 벤딩을 반복하였음에도 일정한 저항 변화율을 나타내어 소자의 특성 저하가 없음을 알 수 있다. 이로써 본 발명에 따른 스트레인-압력 복합 센서는 우수한 재현성을 나타냄을 알 수 있다.
도 8a는 도 7a와 동일한 실험예 1~3과 대조군에서 제조된 센서들을 누름으로써 압축력을 인가하다가 압축력을 제거하는 것을 반복하면서, 누르는 압력을 변화시키면서 저항의 변화율을 측정한 그래프이다. 도 8a에서 'S'는 sensitivity를 나타내며 그래프의 특정 구간에서 기울기에 해당할 수 있다. 이러한 압력 센서티버티는 센서의 민감도 (Sensitivity)를 결정하는 중요한 파라미터이다. 섬유에 압력 (P)이 가해졌을 때 상대적인 저항변화 (ΔR/R0)로 수학식 1의 방정식에 따라 압력 센서티버티(S)는 수학식 3와 같이 나타낼 수 있다.
[수학식 3]
S = (ΔR/R0) /ΔP
도 8a를 살펴보면, 탄소 나노 튜브의 함량이 증가함에 따라 그래프의 선형성이 좋아지는 것을 알 수 있다. 또한 약 1.27~254kPa의 광범위한 압력 측정 범위에서 본 발명의 센서들이 동작 가능함을 알 수 있다. (0.04wt%)로 표시된 그래프인 실험예 3인 경우, 압력에 따라 일정한 선형성을 나타내어 우수한 재현성을 나타냄을 알 수 있다.
도 8b는 도 7a와 동일한 실험예 1~3과 대조군에서 제조된 센서들을 누름으로써 압축력을 인가하다가 압축력을 제거하는 것을 반복하면서, 누르는 횟수에 따른 저항의 변화율을 나타내는 그래프이다. 도 7b를 살펴보면, 탄소 나노 튜브의 함량이 증가할수록 저항 변화율은 작았다. 또한 탄소 나노 튜브의 함량이 증가할수록 누르는 횟수에 따른 저항 변화율이 일정해짐을 알 수 있다. 예를 들면 (0.04wt%)로 표시된 그래프인 실험예 3의 스트레인-압력 복합 센서는 10만번의 반복된 압축력 인가에도 센서의 기능저하 없이 일정한 저항 변화율을 나타낸다. 이로써 본 발명에 따른 스트레인-압력 복합 센서는 우수한 재현성을 나타냄을 알 수 있다.
도 9a에서는 본 발명의 스트레인-압력 복합 센서의 소수성을 실험하였다. 먼저, 환원되기 전인 그래핀 산화물이 코팅된 도 3의 면직물 (대조군 1, GO fabric), 환원된 그래핀 산화물이 코팅된 도 4의 면직물 (대조군 2, rGO fabric), 그리고 0.04wt%로 탄소 나노 튜브들이 함유된 제 2 용액을 이용하여 제조된 도 5의 면직물(실험예 4, rGO/CNT fabric)을 각각 준비하였다. 각각의 면직물 상에 물방울을 한방울 떨어뜨린 후에 시간에 따른 물방울의 형태를 도 9a에 나타내었다. 대조군 1(GO fabric)에서는 물방울이 3초후에 소멸되어, 대조군 1의 그래핀 산화물이 코팅된 면직물의 표면은 친수성임을 알 수 있다. 대조군 2와 실험예 4에서는 둘다 3초후에도 물방울이 형태를 유지하여 소수성임을 알 수 있다. 하지만, 대조군 2에서 면직물 표면에 대한 물방울의 접촉각(contact angle)이 약 110°로, 실험예 4의 접촉각 약 120°보다 작다. 이로써 실험예 4에서 가장 우수한 소수성을 나타냄을 알 수 있다. 이로써, 우수한 방수 특성을 나타냄을 알 수 있다.
도 9b에서는 도 7a를 참조하여 제조된 센서들(대조군, 실험예 1~3)의 세척 횟수에 따른 저항 변화율을 알아보았다. 이를 위해 상기 센서들(대조군, 실험예 1~3)을 각각 물에 10분 동안 적신 후 건조하고, 센서들에 압축력을 인가 및 해제하고, 이 과정을 각각 10번씩 반복하면서, 세척 횟수에 따른 저항 변화율을 도 9b에 나타내었다. 이때 압축력을 인가하기 위해 누르는 압력은 약 38.1kPa이었다. 도 9b를 살펴보면, 탄소 나노 튜브의 함량이 증가할수록 세척 횟수에 따른 저항 변화율이 일정해짐을 알 수 있다. 이로써 본 발명에 따른 스트레인-압력 복합 센서는 우수한 재현성을 나타냄을 알 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따른 스트레인-압력 복합 센서 및 이의 제조 방법은 일반 의복, 장갑, 의자 시트 등에 손쉽게 적용하여 혈압과 심장 박동수, 신체의 움직임, 신체의 자세 등을 감지하여 헬스 케어, 침대, 의복, 의자 및 자동차 분야와 같은 다양한 산업 분야에 활용할 수 있다.
Claims (16)
- 직물을 그래핀 산화물로 코팅하는 단계;
상기 직물 상에 코팅된 그래핀 산화물을 환원하여 그래핀을 형성하는 단계;
상기 그래핀으로 코팅된 직물 상에 탄소 나노 튜브들을 배치시키는 단계; 및
상기 직물에 전극을 연결하는 단계를 포함하는 스트레인-압력 복합 센서의 제조 방법. - 제 1 항에 있어서,
상기 직물을 그래핀 산화물로 코팅하는 단계는,
상기 직물을 그래핀 산화물을 포함하는 제 1 용액 안에 담그는 단계; 및
상기 직물을 건조시키는 단계를 포함하는 스트레인-압력 복합 센서의 제조 방법. - 제 2 항에 있어서,
상기 제 1 용액은 물을 더 포함하는 스트레인-압력 복합 센서의 제조 방법. - 제 1 항에 있어서,
상기 직물 상에 코팅된 그래핀 산화물을 환원하는 단계는,
상기 그래핀 산화물로 코팅된 직물을 환원제의 증기에 노출시키는 단계를 포함하는 스트레인-압력 복합 센서의 제조 방법. - 제 4 항에 있어서,
상기 환원제는 하이드라진인 스트레인-압력 복합 센서의 제조 방법. - 제 4 항에 있어서,
상기 그래핀 산화물로 코팅된 직물을 환원제의 증기에 노출시키는 단계는 70~80℃의 온도에서 밀봉된 챔버 안에서 진행되는 스트레인-압력 복합 센서의 제조 방법. - 제 1 항에 있어서,
상기 그래핀으로 코팅된 직물 상에 탄소 나노 튜브들을 배치시키는 단계는,
상기 그래핀으로 코팅된 직물을 탄소 나노 튜브들을 포함하는 제 2 용액 안에 담그는 단계; 및
상기 직물을 건조시키는 단계를 포함하는 스트레인-압력 복합 센서의 제조 방법. - 제 7 항에 있어서,
상기 제 2 용액은 디메틸포름아미드(Dimethylformamide, DMF) 및 다이클로로벤젠 (Dichlorobenzene, DCB) 중 적어도 하나를 더 포함하는 스트레인-압력 복합 센서의 제조 방법. - 제 7 항에 있어서,
상기 제 2 용액에서 상기 탄소 나노 튜브들은 0.01~0.04 중량%로 포함되는 스트레인-압력 복합 센서의 제조 방법. - 제 1 항에 있어서,
상기 직물은 면(cotton) 또는 울 (wool)인 스트레인-압력 복합센서의 제조 방법. - 제 1 항에 있어서,
상기 직물에 전극을 연결하는 단계 후에, 테스트 과정을 더 포함하되,
상기 테스트 과정은,
상기 직물에 인장력을 인가하다 중단하는 단계;
상기 직물에 압축력을 인가하다 중단하는 단계; 및
상기 직물을 물에 담그고 건조시키는 단계 중 적어도 하나를 수회 반복하는 스트레인-압력 복합 센서의 제조 방법. - 직물;
직물 상에 코팅된 그래핀; 및
그래핀으로 코팅된 직물 상에 배치되는 탄소 나노 튜브들을 포함하며,
인장력과 압축력을 감지하는 스트레인-압력 복합 센서. - 제 12 항에 있어서,
상기 직물은 면 또는 울 (wool)인 스트레인-압력 복합 센서. - 제 12 항에 있어서,
상기 직물의 일 단부에 연결되는 제 1 전극과 상기 직물의 타 단부에 연결되는 제 2 전극을 더 포함하는 스트레인-압력 복합 센서. - 제 12 항에 있어서,
상기 그래핀은 환원된 그래핀 산화물인 스트레인-압력 복합 센서. - 제 12 항에 있어서,
상기 그래핀 중 일부는 산소와 결합된 스트레인-압력 복합 센서.
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Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN111150367A (zh) * | 2019-12-31 | 2020-05-15 | 浙江清华柔性电子技术研究院 | 石墨烯/聚合物纳米纤维复合膜及其制备方法和应用 |
| CN112113497A (zh) * | 2020-08-17 | 2020-12-22 | 华南理工大学 | 一种可自愈合电阻式应变传感器及其制备方法和应用 |
| KR102413680B1 (ko) * | 2021-07-12 | 2022-06-28 | 인하대학교 산학협력단 | 환원된 그래핀산화물-탄소나노튜브가 코팅된 부직포 강화 에폭시 복합소재의 제조방법 |
| CN115125728A (zh) * | 2022-07-07 | 2022-09-30 | 武汉纺织大学 | 负有氧化还原石墨烯和碳纳米管的聚氨酯薄膜制备方法 |
| KR20230074861A (ko) | 2021-11-22 | 2023-05-31 | 재단법인 한국탄소산업진흥원 | 섬유형 불화수소 센서 소재 및 이를 제조하는 방법 |
-
2018
- 2018-01-29 KR KR1020180010961A patent/KR20190056934A/ko unknown
Cited By (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN111150367A (zh) * | 2019-12-31 | 2020-05-15 | 浙江清华柔性电子技术研究院 | 石墨烯/聚合物纳米纤维复合膜及其制备方法和应用 |
| CN111150367B (zh) * | 2019-12-31 | 2022-10-04 | 浙江清华柔性电子技术研究院 | 石墨烯/聚合物纳米纤维复合膜及其制备方法和应用 |
| CN112113497A (zh) * | 2020-08-17 | 2020-12-22 | 华南理工大学 | 一种可自愈合电阻式应变传感器及其制备方法和应用 |
| CN112113497B (zh) * | 2020-08-17 | 2021-12-21 | 华南理工大学 | 一种可自愈合电阻式应变传感器及其制备方法和应用 |
| KR102413680B1 (ko) * | 2021-07-12 | 2022-06-28 | 인하대학교 산학협력단 | 환원된 그래핀산화물-탄소나노튜브가 코팅된 부직포 강화 에폭시 복합소재의 제조방법 |
| KR20230074861A (ko) | 2021-11-22 | 2023-05-31 | 재단법인 한국탄소산업진흥원 | 섬유형 불화수소 센서 소재 및 이를 제조하는 방법 |
| CN115125728A (zh) * | 2022-07-07 | 2022-09-30 | 武汉纺织大学 | 负有氧化还原石墨烯和碳纳米管的聚氨酯薄膜制备方法 |
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