[논문]스프레이 코팅 방법을 이용한 전도성 섬유 패턴의 제작과 변형률에 따른 전기적 특성 변화

이다은; 임정균

doi:10.12772/tse.2019.56.272

[국내논문] 스프레이 코팅 방법을 이용한 전도성 섬유 패턴의 제작과 변형률에 따른 전기적 특성 변화
Preparation of Conductive Fibrous Patterns by Spray Coating, and Studying Their Electrical Properties under Strain 원문보기

한국섬유공학회지 = Textile science and engineering, v.56 no.5, 2019년, pp.272 - 279

이다은 (순천향대학교 나노화학공학과) , 임정균 (순천향대학교 나노화학공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

As a new emerging technology, stretchable electronics capable of retaining their functions under large deformation have brought great attention to human-friendly soft robots, wearable devices, implantable electronics, flexible displays, smart textiles, and energy storage systems. There is a high demand for a new material that can provide high conductivity and stretchability, simultaneously. In this study, we investigated a highly stretchable and conductive fibrous mat prepared by a facile spray coating method. Without relying on complicated lithography or printing methods, the spray coating method allowed the patterns to be produced in desired shapes. In the experiment, an elastic fibrous mat was made by electrospinning, followed by spray coating with a silver ionic solution. After chemical reduction, the resulting pattern exhibited elasticity and conductivity, showing high stretchability up to 1,000% strain with similar elastic modulus to that of natural rubber, and low relative resistance change ratio (${\Delta}R/R_0$). This suggests that the patterned fibrous mat has a high potential to function as a stretchable electrode in electronic devices.

Keyword

표/그림 (8)

그림 Figure 1. Preparation of SBS fibrous mat; (a) electrospinning process and (b, c) the obtained fibrous mat and its SEM image (scale bar: 50 μm).
그림 Figure 2. (a) Process of spray coating, (b) the shadow mask over the fibrous mat after spray coating, and (c) the obtained stretchable electrode after reduction.
그림 Figure 4. Photo images of stretchable electrodes with different strain applied.
그림 Figure 3. (a) The fibrous mat just before reduction, (b) the pattern obtained after reduction, and (c) the pattern obtained from SBS film. Left: photo images, Right: SEM images (scale bar: 5 μm)
그림 Figure 6. Measurement of relative resistance change depending on the volume and concentration of spray coating solution; (a) AgTFA 10%, 3 ml, (b) AgTFA 15%, 3 ml, (c) AgTFA 20%, 3 ml, (d) AgTFA 10%, 2 ml, (e) AgTFA 15%, 2 ml, (f) AgTFA 20%, 2 ml, (g) AgTFA 10%, 1 ml, (h) AgTFA 15%, 1 ml, and (i) AgTFA 20%, 1 ml.
그림 Figure 5. (a) The stress-strain curves of stretchable electrode and fibrous mat and (b) length recovery after repeated stretching cycles.
그림 Figure 7. (a) Relative resistance change versus strain and stretching cycles and (b) relative resistance change from 0% to 350% strain.
그림 Figure 8. (a) Preparation of fine pattern (up: photo of stretchable electrode, down: microscopy image of the fine patterns) and (b) photo images of stretchable electrodes at different strain levels.

AI 본문요약
AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

본 연구에서는 신축성과 전도성을 동시에 갖추며 패턴화된 신축성 전극으로써 활용이 가능한 소자형태를 만들기 위하여 유기물질인 고분자와 은나노입자로 이루어진 복합체를 제작하였다. 이를 위하여 전기방사법으로 섬유매트를 제작한 후 스프레이 코팅방법으로 은나노입자들을 도입하여 신축성과 전도성을 획득할 수 있었다.

제안 방법

0%→70%→0%로 변형률을 변화시켜가며 신축성 전극의 저항을 측정하였으며, 저항의 변화량(∆R)을 초기저항값(R0)으로 나누어 저항변화율의 값을 얻었다.
신축성 전극의 저항 측정은 저항의 크기가 kΩ−MΩ 이상의 고저항일 경우 디지털 멀티테스터기를 사용하였고 비교적 저저항 측정시에는 Keithley 2400(Tektronix, USA) 장비를 사용하였다.
본 연구에서는 신축성 전극의 두께, 즉 기질의 두께를 150 μm으로 고정하여 인장강도를 측정하였다.
섬유매트와 신축성 전극의 기계적 특성을 관찰하기 위하여 A&D Korea사의 만능재료시험기(MCT-1150)를 이용하였고 변형률(strain)에 따른 응력(stress)의 크기를 측정하였다.
미세패턴 제작 시에는 선폭 100 μm, 선간 거리 500 μm의 shadow mask를 사용하여 앞서와 같은 방법으로 스프레이 코팅을 진행하였다.
신축성 전극이 주로 복합체 형태로 개발되어왔지만 패턴을 자유롭게 만드는 것도 극복해야 하는 또 다른 어려움이다. 본 연구에서는 스프레이 코팅법을 이용하여 신축성 전극의 패턴을 제조하였고 신장에 따른 패턴의 전기적 특성을 관찰하였다. 유기고분자 매트릭스로서 poly(styrene-bbutadiene-b-styrene) (이하 SBS)를 활용하였고 전도성 물질로서 은나노입자를 도입하여 복합체 형태의 신축성 전극을 제조하였다.
본 연구에서는 스프레이 코팅법을 이용하여 신축성 전극의 패턴을 제조하였고 신장에 따른 패턴의 전기적 특성을 관찰하였다. 유기고분자 매트릭스로서 poly(styrene-bbutadiene-b-styrene) (이하 SBS)를 활용하였고 전도성 물질로서 은나노입자를 도입하여 복합체 형태의 신축성 전극을 제조하였다.
전기방사를 위한 고분자 용액을 제조하기 위하여 DMF:THF=3:7 (vol/vol)인 혼합용매에 SBS 15% (wt/vol)를 가한 후 6시간 이상 교반하였다. 그 후 고분자 용액을 전기방사기의 주사기에 넣고 전기방사를 진행하였다(Figure 1) [16]. 전기방사기는 NanoNC (Korea)사의 ESR200R2D를 사용하였으며 전기방사의 주요조건에서 주사바늘의 굵기는 27 게이지(G)였으며 주사용액의 방출 유속은 50 μl/min이었다.
Figure 2(a)와 같이 STS(stainless steel)로 제작한 덤벨 모양의 shadow mask를 SBS 섬유매트 위에 올려놓고 은전구체용액으로 사용한 AgTFA/에탄올 용액을 스프레이 방식으로 코팅하였다. AgTFA/에탄올 용액을 시린지 펌프에 넣은 상태에서 70 μl/min의 속도로 토출시켰고, 동시에 노즐에 공기압을 가하여 스프레이를 발생시켰다.
SEM 이미지들은 SEC(Korea)사의 FE-SEM(SNE-3000M)을 이용하여 얻었고 이 때 20 kV의 가속전압을 사용하여 섬유매트와 패턴의 표면을 관찰하였다. SEM 분석을 위하여 각 섬유매트와 패턴들은 금 코팅을 약 90초간 수행하였다.
SEM 이미지들은 SEC(Korea)사의 FE-SEM(SNE-3000M)을 이용하여 얻었고 이 때 20 kV의 가속전압을 사용하여 섬유매트와 패턴의 표면을 관찰하였다. SEM 분석을 위하여 각 섬유매트와 패턴들은 금 코팅을 약 90초간 수행하였다. 섬유매트와 신축성 전극의 기계적 특성을 관찰하기 위하여 A&D Korea사의 만능재료시험기(MCT-1150)를 이용하였고 변형률(strain)에 따른 응력(stress)의 크기를 측정하였다.
환원과정에 따른 섬유 표면들의 형태를 SEM으로 관찰하였다. SBS 섬유매트가 환원 전에 스프레이 코팅만 되었을 경우 Figure 3(a)와 같이 섬유표면이 비교적 매끈한 형태로 나타난다.
신축성 전극이 전자제품의 소자로 활용되기 위해서는 적절한 기계적 성질이 요구된다. 패턴화된 SBS 섬유매트, 즉 신축성 전극의 기계적 성질을 관찰하기 위하여 SBS 섬유매트와 비교하여 변형률에 따른 응력의 크기를 측정하였다. Figure 5(a)는 각 섬유매트의 응력-변형률 선도(stress-strain curve)를 보여준다.
신장 후의 신축성 전극의 회복률(recovery ratio)은 신장 횟수가 신축성 전극의 크기에 얼마큼 영향을 끼치는지 알아보기 위한 중요한 요소이며 n번째 신축성 전극의 신장 후의 길이를 n번째 신장 전의 길이로 나누어 계산하였다. 최대 변형률은 1,000%이었으며 Figure 5(b)와 같이 신장횟수가 400회까지 증가할수록 회복률도 같이 증가함을 알 수 있다.
스프레이 코팅시 은전구체 용액으로 쓰인 AgTFA용액의 최적의 농도와 양을 찾기 위해 AgTFA를 에탄올에 10, 15, 20%(wt/vol)로 녹인 후 스프레이 코팅액의 양을 1, 2, 3 ml로 조절해가며 스프레이 코팅을 진행하였다. 0%→70%→0%로 변형률을 변화시켜가며 신축성 전극의 저항을 측정하였으며, 저항의 변화량(∆R)을 초기저항값(R₀)으로 나누어 저항변화율의 값을 얻었다.
그 다음으로 스프레이 코팅 후 인장횟수에 따른 저항변화율을 측정하였다. Figure 7(a)와 같이 신축성전극을 1,000%로 1회 인장하였을 때는 변형률에 따른 저항변화율이 매우 크다는 것을 알 수 있다.
본 연구에서는 신축성과 전도성을 동시에 갖추며 패턴화된 신축성 전극으로써 활용이 가능한 소자형태를 만들기 위하여 유기물질인 고분자와 은나노입자로 이루어진 복합체를 제작하였다. 이를 위하여 전기방사법으로 섬유매트를 제작한 후 스프레이 코팅방법으로 은나노입자들을 도입하여 신축성과 전도성을 획득할 수 있었다. Shadow mask와 은전구체 용액을 이용하면 리소그래피 방식에 의존하지 않고 스프레이 코팅방법으로 비교적 간편하게 원하는 패턴을 얻을 수 있었고 변형률은 최대 1,000%까지 보였다.

대상 데이터

N,N-dimethylformamide(이하 DMF, ≥99.8%), tetrahydrofuran(이하 THF, 99.5%), 에탄올(95.0%), hydrazine hydrate(N2H4·4H2O, 50−60%), 그리고 silver trifluoroacetate(이하 AgTFA, 98%)는 Sigma-Aldrich Korea로 부터 구입하여 사용하였다.
전기방사기는 NanoNC (Korea)사의 ESR200R2D를 사용하였으며 전기방사의 주요조건에서 주사바늘의 굵기는 27 게이지(G)였으며 주사용액의 방출 유속은 50 μl/min이었다.
본 연구에서 제작하고자 하는 신축성 전극에 고분자 매트릭스로써 사용한 SBS는 polystyrene과 polybutadiene으로 이루어진 triblock copolymer이다. Polystyrene은 강하고 딱딱한 플라스틱으로 SBS의 내구성을 증가시키고 polybutadiene은 고무상 물질로 SBS가 고무처럼 거동하도록 하여 SBS는 점탄성, 기계적 물성, 내열성이 우수하다.

성능/효과

현미경으로 분석한 결과 선폭이 최소 50 μm, 최대 90 μm임을 확인하였다.
2배 증가하였음을 알 수 있다. 또한 그래프의 기울기는 탄성률을 보여주는데 40% 이하의 변형률에서는 둘 다 차이가 없지만 40% 이상의 변형률 하에서는 신축성 전극이 더 높은 탄성률을 보여주는데 이것은 SBS 섬유매트에 은나노입자들이 도입되어서 신축성 전극의 단단함(stiffness)이 SBS 섬유매트에 비해 소폭 증가하였음 알 수 있다. 선형회귀분석법으로 계산한 신축성 전극의 탄성률은 400% 신장시 약 0.
그 다음으로 스프레이 코팅 후 인장횟수에 따른 저항변화율을 측정하였다. Figure 7(a)와 같이 신축성전극을 1,000%로 1회 인장하였을 때는 변형률에 따른 저항변화율이 매우 크다는 것을 알 수 있다. 600%까지 인장시 저항변화율이 1,400을 넘는다.
현미경으로 분석한 결과 선폭이 최소 50 μm, 최대 90 μm임을 확인하였다. 신장을 시키면서 도선을 확인한 결과 630% 이상의 변형률에서 도선이 끊어지는 것을 관찰하였다.
이를 위하여 전기방사법으로 섬유매트를 제작한 후 스프레이 코팅방법으로 은나노입자들을 도입하여 신축성과 전도성을 획득할 수 있었다. Shadow mask와 은전구체 용액을 이용하면 리소그래피 방식에 의존하지 않고 스프레이 코팅방법으로 비교적 간편하게 원하는 패턴을 얻을 수 있었고 변형률은 최대 1,000%까지 보였다. 은전구체용액의 농도와 양에 따라 전도성의 변화가 있지만 일반적으로 AgTFA 15 wt%의 농도로 스프레이 코팅을 진행하면 저항변화율은 300% 인장시까지 0.

후속연구

신축성 전자소자의 부품 및 소재들은 모든 기능을 유지하면서 신축이 가능하며 주로 사람의 피부와 같은 구조와 기능을 모방하고자 한다[3]. 신축성 전자장치의 소자는 앞으로 다양한 분야에 응용이 가능할 것으로 예상된다. 예를 들어, 신축성 소자들은 생체 내 이식 가능한 스폰지형 전자 기기, 플렉서블 디스플레이, 신축성 에너지 저장장치, 스마트 텍스타일, 웨어러블 기기, 헬스케어 제품, 엑추에이터 등에 응용이 가능하다[4−6].
1 내외로 낮기 때문에 신축성 전극으로서의 기능성이 우수하다고 볼 수 있다. 이러한 신축성 전극이 앞으로 웨어러블 디바이스, 플렉서블 디스플레이, 기능성 텍스타일, 에너지 분야 등에서 활용도가 높을 것으로 기대한다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	신축성 소자의 응용분야로는 어떤것들이 있나?	신축성 전자장치의 소자는 앞으로 다양한 분야에 응용이 가능할 것으로 예상된다. 예를 들어, 신축성 소자들은 생체 내 이식 가능한 스폰지형 전자 기기, 플렉서블 디스플레이, 신축성 에너지 저장장치, 스마트 텍스타일, 웨어러블 기기, 헬스케어 제품, 엑추에이터 등에 응용이 가능하다[4−6]. 신축성 전자소자 시장은 아직 발전 초기 단계로 볼 수 있어서 상업적으로 성공된 제품은 아직 없지만 앞으로 많은 제 품이 상용화될 것으로 예상된다.
	전자제품의 변형에는 어떠한 것들이 있나?	신축성 전자소자에서는 신장 상태에서 내구성과 성능을 동시에 유지할 수 있는 재료에 대한 필요성이 크기 때문에 기능성 신소재에 대한 연구개발이 활발하다. 전자제품의 변형에는 접기, 비틀기, 말기, 신장과 같은 몇 가지 변형 모드가 있는데, 그 중 신장이 큰 변형률 때문에 적용하기가 가장 어려운 요소이다. 인체에 착용할 수 있고 이식할 수 있 는 전자제품들이 등장하고 인간의 감각까지도 유사한 지능형 소프트 로봇에 대한 수요도 증가하고 있으므로, 학계와 산업계 모두 고도로 유연한 기능성 소재, 특히 신축성 전극에 대한 수요가 많을 것이다.
	신축성 전극의 소재가 복합체일 경우 신축성 기질 또는 물질로써 사용되는 것은?	새로운 하이브리드 형태의 전극으로써 전도성 재료인 탄소나노튜브, 그래핀, 나노와이어, 나노입자를 신축성 있는 재료에 분산시켜 만든 복합체 형태의 신축성 전극 의 개발도 활발하다[12−15]. 이때 소재가 복합체일 경우 신축성 기질 또는 물질로써 유기 고분자가 사용된다. 유기 고분자는 신축성이 우수한 매트릭스 역할을 해야 하며, 복합체의 전도성 물질들이 신장상태에서 퍼컬레이션 (percolation) 네트워크를 유지하는 것이 신축성 전극의 전 도성 유지에 가장 중요한 요소이다[13].

참고문헌 (22)

W. Wu, "Stretchable Electronics: Functional Materials, Fabrication Strategies and Applications", Sci. Technol. Adv. Mat., 2019, 20, 187-224.

상세보기
S. Yao and Y. Zhu, "Nanomaterialenabled Stretchable Conductors: Strategies, Materials and Devices", Adv. Mater., 2015, 9, 1480-1511.
Y. Yu, Y. Zhang, K. Li, C. Yan, and Z. Zheng, "BioInspired Chemical Fabrication of Stretchable Transparent Electrodes", Small, 2015, 11, 3444-3449.

상세보기
S. Huang, Y. Liu, Y. Zhao, and C. F. Guo, "Flexible Electronics: Stretchable Electrodes and Their Future", Adv. Funct. Mater., 2019, 29, 1805924.

상세보기
M. Park, J. Im, J. J. Park, and U. Jeong, "Micropatterned Stretchable Circuit and Strain Sensor Fabricated by Lithography on an Electrospun Nanofiber Mat", ACS Appl. Mater. Inter., 2013, 5, 8766-8771.

상세보기
X. Chen, H. Lin, P. Chen, G. Guan, J. Deng, and H. Peng, "Smart, Stretchable Supercapacitors", Adv. Mater., 2014, 26, 4444-4449.

상세보기
https://www.giiresearch.com/report/smrc521462-stretchableelectronics-global-market-outlook.html
C. F. Guo, T. Sun, Q. Liu, Z. Suo, and Z. Ren, "Highly Stretchable and Transparent Nanomesh Electrodes Made by Grain Boundary Lithography", Nat. Commun., 2014, 5, 3121.

상세보기
W. Liu, J. Chen, Z. Chen, K. Liu, G. Zhou, Y. Sun, M.-S. Song, Z. Bao, and Y. Cui, "Stretchable LithiumIon Batteries Enabled by DeviceScaled Wavy Structure and ElasticSticky Separator", Adv. Energy Mater., 2017, 7, 1701076.

상세보기
R. C. Chiechi, E. A. Weiss, M. D. Dickey, and G. M. Whitesides, "Eutectic Gallium-Indium (EGaIn): A Moldable Liquid Metal for Electrical Characterization of SelfAssembled Monolayers", Angew. Chem. Int. Edit., 2008, 47, 142-144.

상세보기
T. Shay, O. D. Velev, and M. D. Dickey, "Soft Electrodes Combining Hydrogel and Liquid Metal", Soft Matter, 2018, 14, 3296-3303.

상세보기
I. J. Lee, K. E. Kim, H. S. Ma, and D. H. Baik, "Preparation of Carbon Nanotube Fiber/conductive Materials Composites and Their Electrical Properites", Text. Sci. Eng., 2019, 56, 35-40.
P. Lee, J. Lee, H. Lee, J. Yeo, S. Hong, K. H. Nam, D. Lee, S. S. Lee, and S. H. Ko, "Highly Stretchable and Highly Conductive Metal Electrode by Very Long Metal Nanowire Percolation Network", Adv. Mater., 2012, 24, 3326-3332.

상세보기
S. Luo and T. Liu, "SWCNT/Graphite Nanoplatelet Hybrid Thin Films for SelfTemperatureCompensated, Highly Sensitive, and Extensible Piezoresistive Sensors", Adv. Mater., 2013, 25, 5650-5657.

상세보기
M. Segev-Bar and H. Haick, "Flexible Sensors Based on Nanoparticles", ACS Nano, 2013, 7, 8366-8378.

상세보기
D.-E. Lee, E.-Y. Choi, H.-J. Yang, A. S. N. Murthy, T. Singh, J.-M. Lim, and J. Im, "Highly Stretchable Superhydrophobice Surface by Silica Nanoparticle Embedded Electrospun Fibrous Mat", J. Colloid. Interface Sci., 2019, 555, 532-540.

상세보기
S. Jin, Y. Park, and C. H. Park, "Preparation of Breathable and Superhydrophobic Polyurethane Electrospun Webs with Silica Nanoparticles", Text. Res. J., 2016, 86, 1816-1827.

상세보기
M. Park, J. Im, M. Shin, Y. Min, J. Park, H. Cho, S. Park, M. B. Shim, S. Jeon, D. Y. Chung, J. Bae, U. Jeong, and K. Kim, "Highly Stretchable Electric Circuits from a Composite Material of Silver Nanoparticles and Elastomeric Fibres", Nat. Nanotechnol., 2012, 7, 803-809.

상세보기
S. F. Zhao, J. H. Li, D. X. Cao, Y. J. Gao, W. P. Huang, G. P. Zhang, R. Sun, and C. P. Wong, "Percolation Threshold- Inspired Design of Hierarchical Multiscale Hybrid Architectures Based on Carbon Nanotubes and Silver Nanoparticles for Stretchable and Printable Electronics", J. Mater. Chem. C., 2016, 4, 6666-6674.

상세보기
W. Simchareon, T. Amnuaikit, P. Boonme, W. Taweepreda, and W. Pichayakorn, “Characterization of Natural Rubber Latex Film Containing Various Enhancers”, Procedia Chem., 2012, 4, 308-312.

상세보기
M. M. Rahman, M. S. I. Mozumder, M. A. Islam, M. J. Uddin, M. A. Rashid, and M. E. Haque, "Preparation and Preliminary Study on Irradiated and Thermally Treated Polypropylene (PP)-Styrene Butadiene Rubber (SBR) Composite", J. Sci. Res., 2011, 3, 471-479.

상세보기
S. Ribeiro, P. Costa, C. Ribeiro, V. Sencadas, G. Botelho, and S. Lanceros-Mendez, "Electrospun Styrene-butadiene-styrene Elastomer Copolymers for Tissue Engineering Applications: Effect of Butadiene/styrene Ratio, Block Structure, Hydrogenation and Carbon Nanotube Loading on Physical Properties and Cytotoxicity", Compos. Part B-Eng., 2014, 67, 30-38.

상세보기

활용도 분석정보

상세보기

다운로드

내보내기

활용도 Top5 논문

해당 논문의 주제분야에서 활용도가 높은 상위 5개 콘텐츠를 보여줍니다.
더보기 버튼을 클릭하시면 더 많은 관련자료를 살펴볼 수 있습니다.

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].

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증