[논문]PEDOT 기상중합 원단을 이용한 멀티 레이어 압력 센서 개발

임승주; 배종혁; 장성진; 임지영; 박근혜; 고재훈

doi:10.5369/jsst.2018.27.3.186

PEDOT 기상중합 원단을 이용한 멀티 레이어 압력 센서 개발
Development of Multi-layer Pressure Sensor using PEDOT Vapor Phase Polymerization 원문보기

Journal of sensor science and technology = 센서학회지, v.27 no.3, 2018년, pp.186 - 191

임승주 (한국생산기술연구원 스마트섬유그룹) , 배종혁 (한국생산기술연구원 스마트섬유그룹) , 장성진 (한국생산기술연구원 스마트섬유그룹) , 임지영 (한국생산기술연구원 스마트섬유그룹) , 박근혜 (한국생산기술연구원 스마트섬유그룹) , 고재훈 (한국생산기술연구원 스마트섬유그룹)

Abstract ▼ AI-Helper

Smart textile industries have been precipitously developed and extended to electronic textiles and wearable devices in recent years. In particular, owing to an increasingly aging society, the elderly healthcare field has been highlighted in the smart device industries, and pressure sensors can be utilized in various elderly healthcare products such as flooring, mattress, and vital-sign measuring devices. Furthermore, elderly healthcare products need to be more lightweight and flexible. To fulfill those needs, textile-based pressure sensors is considered to be an attractive solution. In this research, to apply a textile to the second layer using a pressure sensing device, a novel type of conductive textile was fabricated using vapor phase polymerization of poly(3,4-ethylenedioxythiophene) (PEDOT). Vapor phase polymerization is suitable for preparing the conductive textile because the reaction can be controlled simply under various conditions and does not need high-temperature processing. The morphology of the obtained PEDOT-conductive textile was observed through the Field Emission Scanning Electron Microscope (FESEM). Moreover, the resistance was measured using an ohmmeter and was confirmed to be adjustable to various resistance ranges depending on the concentration of the oxidant solution and polymerization conditions. A 3-layer 81-point multi-pressure sensor was fabricated using the PEDOT-conductive textile prepared herein. A 3D-viewer program was developed to evaluate the sensitivity and multi-pressure recognition of the textile-based multi-pressure sensor. Finally, we confirmed the possibility that PEDOT-conductive textiles could be utilized by pressure sensors.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

본 연구에서는 기상 중합법을 활용해 제조된 PEDOT 박막 코팅 원단을 이용한 섬유형 멀티 레이어(multi-layer) 압력 센싱 시스템을 개발하였다. 개발된 섬유형 멀티 압력 센싱 시스템은 실시간으로 멀티 압력 측정이 가능하며, 3D viewer 프로그램을 제작하여 압력 변화를 시각적으로 확인하였다.
본 연구에서는 기상중합법(Vappr phase polymerization)을 이용하여 제작한 PEDOT 전도성 섬유와 니켈 무전해 도금을 사용하여, 섬유형 멀티 압력 센서 및 시스템을 개발하였다.

제안 방법

본 연구에서는 개발된 PEDOT 박막 코팅 전도성 원단과 무전해 도금 원단을 사용하여, 멀티 포인트에서 압력 측정이 가능하기 위해서 멀티 레이어/포인트로 구성하여 센서를 제작하였으며, 제작된 멀티 센싱 시스템은Fig. 3에 나타내었다.
본 연구에서는 기상 중합법을 활용해 제조된 PEDOT 박막 코팅 원단을 이용한 섬유형 멀티 레이어(multi-layer) 압력 센싱 시스템을 개발하였다. 개발된 섬유형 멀티 압력 센싱 시스템은 실시간으로 멀티 압력 측정이 가능하며, 3D viewer 프로그램을 제작하여 압력 변화를 시각적으로 확인하였다. 또한, 센서의 민감도 및 멀티 인식에 대한 실험을 통하여 PEDOT 박막 코팅 원단을 이용한 섬유형 압력센서로의 활용에 대한 가능성을 확인하였다.
개발된 중전도성 원단을 이용하여 멀티 레이어로 구성된 멀 티 압력 센서를 격자 형태의81 멀티 압력 포인트를 구성하였으며, 본 연구에서 개발된 실시간 3D viewer 프로그램을 통하여 민감도 및 멀티 압력 인식에 대한 실험을 진행하였다. 본 실험을 통하여 10g의 무게 변화도 측정이 가능하였으며, 여러 압력 포인트에 압력이 인가되었을 경우에도, 각각의 압력에 대한 측정이 가능한 것을 확인하였다.
기상 중합 생성물인 PEDOT의 전도 성능은 원단이 침지되는 산화제 용액(FeCl₃(III)/MeOH)의 농도와 중합 반응 시 반응물인 EDOT의 양에 의해 영향을 받으며, 문헌 검색을 통해 선정한 조건 중 본 연구에 대한 최적 반응 조건 확립 실험을 수행하였다. 최종 생성되는 PEDOT의 양을 유추하기 위해 중합 반응은 충분한 시간 동안 수행되었으며, 그 반응 조건과 그에 따른 샘플의 저항 평균값을 Table 1에 나타내었다.
PEDOT 전도성 박막 코팅 원단은 산화제 용액과 반응물 EDOT 조건 변화에 따라 표면 저항 값을 비교에 의해 생성 될 수 있는 PEDOT 양을 유추하여, 최저의 저항치를 갖도록 EDOT의 양을 결정하였다. 또한, 중합 반응 시간에 따른 PEDOT 박막 코팅 원단의 표면 저항치 변화를 측정하여 최적의 기상 중합 조건을 제어하여 중전도성 원단을 개발하였다.
멀티 레이어 압력 센서의 2nd layer (중간 층)으로 활용될 전도성 고분자 박막 코팅 원단 제조를 위해 Micro fiber 원단(웰크론, Nylon/polyester 분할사)을 base 원단으로 사용하였고, 전도성 고분자의 단량체가 될 3,4-Ethylenedioxythiopene (EDOT) (Sigma-Aldrich), 기상 중합 반응에서 산화제 역할의 FeCl3(III) (Sigma-Aldrich)을 비롯하여, Methyl alcohol (덕산종합과학, MeOH), Ethyl alcohol (덕산종합과학, EtOH) 등의 시약을 구매하여 사용하였다. 멀티 레이어 압력 센서의 1st layer와 3rd layer로써 전극으로 활용될 고 전도성 원단은 솔루에타 社에 의뢰하여 PET 원단에 수십 옴의 저항 범위를 갖도록 Nickel 박막을 도금하여 제조하여 사용하였다.
중합 반응 시간에 따른 PEDOT 박막 코팅 원단의 표면 저항 치는 자명하게 반응 시간이 증가함에 따라 감소하였고, 6시간 반응 이후로는 그 변화가 눈에 띄게 줄어듦을 확인하였다. 이 결과로 인해, 멀티 레이어 압력 센서의 2^nd 레이어 적용을 위한 중전도성 원단은 20% 산화제 용액, 100 mg의 반응물 EDOT, 6시간 기상 중합 반응으로 제조된 PEDOT 박막 코팅 원단으로 선정하고, 이를 활용하여 멀티 레이어 압력 센서를 제조하였다.
반응 종료 후 샘플을 세척 및 건조하여 PEDOT 박막 코팅 전도성 원단이 제조되었다. 최적 반응 조건 확립을 위해 반응조 내에 위치한 EDOT의 양, 산화제 용액의 농도를 변화하여 최적 반응 조건을 확립하였으며, 확립된 조건을 고정하고 반응시간을 변수로 실험을 수행하여 최적 반응 시간을 판단하였다.

대상 데이터

멀티 레이어 압력 센서의 2nd layer (중간 층)으로 활용될 전도성 고분자 박막 코팅 원단 제조를 위해 Micro fiber 원단(웰크론, Nylon/polyester 분할사)을 base 원단으로 사용하였고, 전도성 고분자의 단량체가 될 3,4-Ethylenedioxythiopene (EDOT) (Sigma-Aldrich), 기상 중합 반응에서 산화제 역할의 FeCl3(III) (Sigma-Aldrich)을 비롯하여, Methyl alcohol (덕산종합과학, MeOH), Ethyl alcohol (덕산종합과학, EtOH) 등의 시약을 구매하여 사용하였다. 멀티 레이어 압력 센서의 1st layer와 3rd layer로써 전극으로 활용될 고 전도성 원단은 솔루에타 社에 의뢰하여 PET 원단에 수십 옴의 저항 범위를 갖도록 Nickel 박막을 도금하여 제조하여 사용하였다.
측면 레이어(1^st ,3^rd)는 각각 9개의 라인으로 격자 형태로 구성되어 81개의 압력 인지 포인트를 갖는다. 측면 레이어 사이에는 개발된 PEDOT 박막 코팅 전도성 원단을 삽입하였으며, 멀티 압력 센싱 시스템은 280 mm×280 mm 크기로 제작되었다.

이론/모형

섬유형 멀티 압력 센서의 민감도 및 멀티 인식에 대한 측정 및 분석을 위하여, Matlab 2018a를 사용하여 응용 소프트웨어를 제작하였다. 소프트웨어를 실행하게 되면, 10초간의 취득 데이터의 평균값이 압력 측정의 기준점으로 설정되게 된다.

성능/효과

4에 FE-SEM으로 관측한 기상 중합법으로 제조된 PEDOT 박막 코팅 전도성 원단의 표면(a)과 단면(b)의 미세 구조를 나타내었다. Mangling을 통한 섬유 원단 상에 산화제 용액의 균일한 도포와 이로 인한 PEDOT 고분자의 중합이 원단 표면뿐 아니라 원단의 내부에까지 고르게 형성됨을 확인하였다.
개발된 중전도성 원단을 이용하여 멀티 레이어로 구성된 멀 티 압력 센서를 격자 형태의81 멀티 압력 포인트를 구성하였으며, 본 연구에서 개발된 실시간 3D viewer 프로그램을 통하여 민감도 및 멀티 압력 인식에 대한 실험을 진행하였다. 본 실험을 통하여 10g의 무게 변화도 측정이 가능하였으며, 여러 압력 포인트에 압력이 인가되었을 경우에도, 각각의 압력에 대한 측정이 가능한 것을 확인하였다.
6(c)는 손바닥 전체와 손가락 하나로 압력을 가한 실험이며, 손바닥 지면을 통해 인가된 압력은 손가락에 의해 인가된 압력에 비해 상대적으로 힘을 가하지 않은 상태에서 측정하였다. 본 실험을 통해서, 멀티 압력에 대한 인지가 실시간으로 측정이 가능한 것을 확인하였으며, 여러 압력 인지 포인트에서 동시에 압력이 인가 될 경우에도, 압력의 세기에 대한 측정도 가능한 것을 확인하였다.
05 MPa의 Mangle pressure로산화제용액침지원단을 Mangling 하여, 원단 중량 대비 적정한 산화제 용액의 양이 원단 전체에 고르게 분포된 형태의 산화제 용액 침지 원단을 얻었다. 일반적으로 PEDOT 기상중합의 반응 온도는 50~80^o C로 알려져 있으며[14-17], 예비 실험을 통해 본 실험에 사용된 중합 반응 시스템에서는 60^o C가 최적의 반응 온도임을 확인하였다. 전도성 고분자의 단량체인 EDOT을 반응조 내에 위치하고, 60^o C로 승온 하여 반응조 내부에 단량체 증기를 충분히 생성한 후, 산화제 용액 침지 원단을 반응조 상부에 거치하여 기상 중합 반응을 수 행하였다.
중합 반응 시간에 따른 PEDOT 박막 코팅 원단의 표면 저항 치는 자명하게 반응 시간이 증가함에 따라 감소하였고, 6시간 반응 이후로는 그 변화가 눈에 띄게 줄어듦을 확인하였다. 이 결과로 인해, 멀티 레이어 압력 센서의 2^nd 레이어 적용을 위한 중전도성 원단은 20% 산화제 용액, 100 mg의 반응물 EDOT, 6시간 기상 중합 반응으로 제조된 PEDOT 박막 코팅 원단으로 선정하고, 이를 활용하여 멀티 레이어 압력 센서를 제조하였다.

후속연구

개발된 섬유형 멀티 압력 센싱 시스템은 실시간으로 멀티 압력 측정이 가능하며, 3D viewer 프로그램을 제작하여 압력 변화를 시각적으로 확인하였다. 또한, 센서의 민감도 및 멀티 인식에 대한 실험을 통하여 PEDOT 박막 코팅 원단을 이용한 섬유형 압력센서로의 활용에 대한 가능성을 확인하였다.
본 연구에서 개발한 섬유형 멀티 압력 센서의 중전도성 원단은 기상중합법에 의해 개발되어 대면적으로 구성 할 경우에도 비교적 균일한 전도성을 갖을 수 있기 때문에, 향후 대면적 섬유형 압력 센서를 구성하여, 압력 인식 및 트래킹이 가능한 압력 측정 바닥재로 활용 될 수 있을 것으로 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	섬유의 장점은?	근래에는 섬유에 다양한 분야를 접목시키기 위한 연구가 시도 되어 왔으며, 최근에는 섬유기반 소재에 IT, NT, BT 기술이 융합된 스마트 섬유(Smart textile)가 개발되어 고부가가치 산업으로 각광 받고 있다[4]. 섬유는 유연성, 신축성이 있으며 넓은 표면에 적용할 수 있는 장점 때문에, 센서로 활용 될 경우 공간적 제약에서 벗어날 수 있을 뿐만 아니라 착용에 대한 불편함을 해소 할 수 있어 착용자의 생체 정보(심전도, 호흡, 체온, 움직임 등) 측정과 모니터링에 매우 유리한 측면을 갖고 있으므로 섬유 기반의 홈·헬스 케어에 대한 연구가 지속적으로 확대되고 있다[5,6]. 또한, 1인가구가 증가함에 따라 노약자 및 장애인의 안전을 위한 실내 위치 모니터링 시스템에 대한 필요성이 대두되고 있으나, 카메라를 이용한 모니터링 시스템은 거주자의 인권이 침해 될 수 있는 문제점을 내재하고 있다.
	압력 센서는 측정 방식에 따라 압전형, 정전 용량형, 압저항형이 있는데 이 중, 압저항형의 특징은?	압력 센서는 측정 방식에 따라 압전형(Piezo - Electric), 정전 용량형(Capacitive) 그리고 압저항형(Piezo-Resistance)로 나뉜다. 그 중 압저항형은 동/정적 압력 측정이 가능할 뿐만 아니라 측정 시스템 구현이 간단하기 때문에 대면적 압력센서를 구성하는데 매우 유리하다.
	섬유란?	섬유는 의복뿐만 아니라 침대, 벽지, 실내장식재 그리고 바닥재 등 인간의 생활환경에서 접촉하는 표면의 70% 이상이 섬유 또는 섬유 소재로 이루어져있으며, 섬유는 가장 일반적이고 보 편화된 휴먼 인터페이스이다[1-3].

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저자의 다른 논문 :

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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