[논문]차세대 웨어러블 디바이스를 위한 높은 기계적/전기적 특성을 갖는 CNT-Ni-Fabric 유연기판

김형구; 노호균; 차안나; 이민정; 하준석

doi:10.6117/kmeps.2020.27.2.039

차세대 웨어러블 디바이스를 위한 높은 기계적/전기적 특성을 갖는 CNT-Ni-Fabric 유연기판
CNT-Ni-Fabric Flexible Substrate with High Mechanical and Electrical Properties for Next-generation Wearable Devices 원문보기

마이크로전자 및 패키징 학회지 = Journal of the Microelectronics and Packaging Society, v.27 no.2, 2020년, pp.39 - 44

김형구 (전남대학교 신화학소재공학과) , 노호균 (전남대학교 CORE 에너지 융복합 전문 핵심연구지원센터) , 차안나 (전남대학교 신화학소재공학과) , 이민정 (전남대학교 신화학소재공학과) , 하준석 (전남대학교 신화학소재공학과)

초록
AI-Helper

최근 웨어러블 장치에 적용하기 위한 유연성 기판에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 특히, 유연성 기판 중 의복에 웨어러블 장치를 적용하기 위한 전도성 섬유기판에 대한 연구가 진행되고 있다. 본 연구에서는, 면섬유 기판 표면에 CNT와 Pd복합 용액을 스프레이 법을 이용하여 형성하였고, 무전해 도금법을 이용하여 금속층을 도금하였다. 도금된 섬유기판의 형상을 분석하기 위하여 SEM 장비를 이용하였고, CNT를 증착한 섬유기판의 표면에 Ni 레이어가 형성된 것을 확인하였다. EDS 분석을 통하여 섬유기판의 표면에 형성된 물질이 Ni임을 알 수 있었다. 전기적 특성을 확인하기 위하여 4-point probe로 무전해 도금을 진행한 섬유기판의 표면저항 및 저항 분포를 확인하기 위한 맵핑을 진행하였다. 무전해 도금의 진행 시간이 길어질수록 전도성이 향상되었음을 확인할 수 있었고, 표면 위치 별 저항의 분포가 균일함을 알 수 있었다. 인장력, 굽힘, 뒤틀림 시험을 통하여 기계적 스트레스로 인한 저항변화를 측정하였다. 그 결과 도금 시간이 길어질수록 유연성 기판의 저항변화가 점점 사라지는 것을 확인하였다. UTM(Universal testing machine)을 이용하여 도금시간 변화에 대한 무전해 도금 기판의 기계적 특성 향상 여부에 대하여 분석하였다. 인장강도는 무전해 도금을 2 시간 동안 진행한 전도성 섬유기판의 경우, 면섬유 기판보다 약 16 MPa 증가하였다. 이러한 결과들을 토대로 Ni-CNT-Fabric 유연기판은 의류 일체형 전도성 기판으로 이용되기에 충분함을 확인하였고, 이러한 연구 결과는 유연기판, 웨어러블 디바이스뿐만 아니라 유연성이 필요한 배터리, 촉매, 태양전지 등에 적용되어 발전에 기여할 수 있을 것으로 기대한다.

Abstract ▼ AI-Helper

Recently, numerous researches are being conducted in flexible substrate to apply to wearable devices. Particularly, Conductive substrate researches that can implement the wearable devices on clothing are massive. In this study, we formed fiber substrate spraying CNT and Pd mixed solution on it and plated metal layer with electroless plating. Used SEM equipment and EDS analysis to analysis structure of the plated fiber substrate and discovered Ni layer was created. For check electrical properties, mapping was performed to check surface resistance and distribution of resistance of electroless plated fiber substrate with 4-point probe. It was confirmed that conductivity was improved as the duration of electroless plating was increased, and it was found that distribution of resistance by surface location was uniform. Changes in resistance due to mechanical stress were measured through tensile, bending, and twisting tests. As a result, it was confirmed that resistance change of flexible substrate gradually disappeared as plating time increased. Using UTM (Universal testing machine), it was analyzed mechanical properties of the electroless plated substrate with respect to changes in plating time were improved. In the case of conductive fiber substrate in which electroless plating was performed for 2 hours, tensile strength was increased by 16 MPa than fiber substrate. Based on these results, we found that Ni-CNT-Fabric flexible substrate is adequate for clothing-intergrated conductive substrate and we positively expect that this experiment shows flexible substrate can adapt to and develop not only a wearable device technology but also other fields needing flexibility such as battery, catalyst and solar cell.

주제어

표/그림 (5)

그림 Fig. 1. Size for samples made to measure Tensile strength.
그림 Fig. 3. Using 4-point-probe, (a) Comparative graph of average surface resistance of flexible substrate by manufacturing process, (b) Surface resistance distribution map of flexible substrate with 10×10 cm² are aelectroless plated for 2 hours.
그림 Fig. 2. (a) Schematic diagram of the whole process, (b) Surface SEM images by plating process, (c) Composition analysis EDS results.
그림 Fig. 4. (a) Ni electroless plating graph showing the resistance change of the substrate due to the application of stress at each time, (b) resistance change rate graph of the flexible substrate plated for 2 h through 5,000 bending test, (c) Graph of resistance change rate according to the degree of warpage of the flexible substrate for each plating time.
그림 Fig. 5. Measurement graph of tensile strength according to Ni electroless plating time using UTM.

AI 본문요약
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문제 정의

이러한 이유로, 본 연구에서는 CNT와 Ni을 Fabric의 표면에 형성하여, 높은 전도성을 갖는 유연섬유기판을 제작하였고, 이렇게 제작된 시편의 기계적 스트레스에 대한 기판의 신뢰성, 그리고, 전기전도도 변화 등 유연기판에의 적용 가능성에 대하여 살펴보았다.

가설 설정

도금된 Ni은 섬유의 전도성을 향상시키는 역할을 담당하지만, Ni 자체만으로의 경우, grain boundary는 반복되는 스트레스에 취약하다는 문제가 있다.²⁰⁾ 이에 대하여 본 연구에서 도금으로 형성된 Ni의 grain들을 CNT가 사이에서 연결하여 스트레스가 인가되더라도 각각의 Ni grain들이 분리되는 것을 억제한다. 즉, CNT는 스트레스가 인가되는 상황에서 Ni에서 발생하는 crack을 억제하여 유연기판의 신뢰도를 향상시킨다.

제안 방법

인장력 측정을 위한 cell의 무게는 10 kN으로 설정하였다. 5 MPa씩 인장력을 가하고 측정 간격을 1 cm로 설정하여 측정을 진행하였다.
Ni-CNT-Fabric 유연기판의 물리적 한계를 확인하기 위하여 인장 분리실험을 진행하였고, 이에 대한 결과를 Fig. 5에 나타내었다. 시편의 모양 및 측정 방법은 실험방법에 서술하였다.
굽힘 실험에는 Bending Tester를 이용하였고, 곡률반경 10 mm로 총 5,000회의 굽힘 실험을 진행하였다. 뒤틀림 실험에서는 기판을 90° 유연기판에 3600° 까지의 뒤틀림 을 가하여 이에 따른 저항변화를 측정하였다.
그 후 Ni 무 전해 도금 용액(Hosung ST, Korea)을 이용하여 유연기판에 Ni를 도금하였으며, 이 때, 도금조의 온도는 80 °C로 설정하였다.
제작된 유연기판의 구조와 성분을 분석하기 위하여 SEM(Zeiss, Germany)과 EDS 분석을 진행하였다. 기판의 전기적 특성을 확인하기 위해서 4-point probe 장비(Dasol ENG, Korea)를 사용하여 표면 저항을 측정하였다. 또한, 균일한 도금이 진행되었는지 확인하기 위하여 120분 도금된 유연기판을 10×10 cm² 크기로 자른 후, 1 cm 간격으 로 면저항을 측정하여 맵핑 하였다.
도금 시간은 각각 30분, 60분, 120분 진행하였고, 도금이 완료된 후 유연기판을 증류수에 10분간 세척한 후, 80 °C 오븐에서 1시간 건조하였다.
뒤틀림 실험에서는 기판을 90° 유연기판에 3600° 까지의 뒤틀림 을 가하여 이에 따른 저항변화를 측정하였다.
로 측정되었다. 또한 면저항 맵핑 분석으로 모든 영역에서 균일한 전기적 특성을 확인하였다. 표점 폭 10 mm, 길이 80 mm 크기로 샘플을 제작하였고, 스트레스 상황인 인장, 굽힘, 뒤틀림 조건에서 전기적 특성 변화를 관찰하였다.
또한, 균일한 도금이 진행되었는지 확인하기 위하여 120분 도금된 유연기판을 10×10 cm2 크기로 자른 후, 1 cm 간격으 로 면저항을 측정하여 맵핑 하였다.
본 연구에서는 면직물상에 CNT를 스프레이 법으로 형성하였고, 그 위에 무전해 도금법을 이용하여 Ni층을 형성하였다. 면직물을 이루고 있는 섬유 가닥의 표면에 CNT와 Ni층이 완전히 형성되어 있는 것을 SEM과 EDX를 이용하여 확인하였다. 10×10 cm² 크기로 제작된 Ni-CNT-Fabric 유연기판의 전기적 특성을 4-point probe로 확인하였고, 120 min 조건에서 0.
본 연구에서는 면직물상에 CNT를 스프레이 법으로 형성하였고, 그 위에 무전해 도금법을 이용하여 Ni층을 형성하였다. 면직물을 이루고 있는 섬유 가닥의 표면에 CNT와 Ni층이 완전히 형성되어 있는 것을 SEM과 EDX를 이용하여 확인하였다.
또한, 균일한 도금이 진행되었는지 확인하기 위하여 120분 도금된 유연기판을 10×10 cm² 크기로 자른 후, 1 cm 간격으 로 면저항을 측정하여 맵핑 하였다. 스트레스가 인가된 상태에서의 전기전도도 변화를 분석하기 위하여 인장력, 굽힘, 뒤틀림 시험을 진행하면서 전기특성 변화를 측정하였다. 인장력 만능 인장 시험기(UTM, Shimadzu, Japan)를 이용하여 기계적 강도를 측정하였다.
이러한 특성은 CNT와 Ni 의 복합구조에서 비롯된 것으로 판단된다. 유연기판의 물리적 한계를 인장강도를 통하여 확인하였고, Ni가 완전히 merge된 60 min과 120 min 조건에서각각 50 및 55 MPa로 측정되었다. 반면 순수한 면직물은 37 MPa로 측정되어, 120 min 조건에서 약 148.
제작된 유연성 기판의 기계적 강도를 확인하기 위하여 인장강도 시험을 진행하였다. 인장강도 시험에는 UTM 장비를 이용하였고, 인장력 측정을 위한 cell의 무게는 10 kN으로, Stroke 속도는 30 mm/sec로 설정하였다. Fig.
스트레스가 인가된 상태에서의 전기전도도 변화를 분석하기 위하여 인장력, 굽힘, 뒤틀림 시험을 진행하면서 전기특성 변화를 측정하였다. 인장력 만능 인장 시험기(UTM, Shimadzu, Japan)를 이용하여 기계적 강도를 측정하였다. 인장력 측정을 위한 cell의 무게는 10 kN으로 설정하였다.
제작된 유연기판의 구조와 성분을 분석하기 위하여 SEM(Zeiss, Germany)과 EDS 분석을 진행하였다. 기판의 전기적 특성을 확인하기 위해서 4-point probe 장비(Dasol ENG, Korea)를 사용하여 표면 저항을 측정하였다.
뒤틀림 실험에서는 기판을 90° 유연기판에 3600° 까지의 뒤틀림 을 가하여 이에 따른 저항변화를 측정하였다. 제작된 유연성 기판의 기계적 강도를 확인하기 위하여 인장강도 시험을 진행하였다. 인장강도 시험에는 UTM 장비를 이용하였고, 인장력 측정을 위한 cell의 무게는 10 kN으로, Stroke 속도는 30 mm/sec로 설정하였다.
또한 면저항 맵핑 분석으로 모든 영역에서 균일한 전기적 특성을 확인하였다. 표점 폭 10 mm, 길이 80 mm 크기로 샘플을 제작하였고, 스트레스 상황인 인장, 굽힘, 뒤틀림 조건에서 전기적 특성 변화를 관찰하였다. 모든 스트레스 조건(인장력 40 MPa, 곡률반경 10 mm, 굽힘 5,000회, 그리고 뒤틀림 3,600° 에서 저항 변동 폭 3% 이내의 안정적인 전기적 특성을 확인하였다.

대상 데이터

Fig. 1에서 보이는 바와 같이 샘플은 전체 길이 80 mm, 표점 거리 40 mm, 표점의 폭 10 mm, 표점 이외의 부분의 폭은 20 mm의 크기로 제작하였다.
도금 시간은 각각 30분, 60분, 120분 진행하였고, 도금이 완료된 후 유연기판을 증류수에 10분간 세척한 후, 80 °C 오븐에서 1시간 건조하였다. 위 모든 과정은 전남대학교 에너지 융복합 전문핵심 연구지원센터에 있는 Yellow room에서 진행하였다.

이론/모형

4-point probe 법을 이용하여 Ni-CNT-Fabric 유연기판의 표면 저항을 측정하였다. 10×10 cm² 크기의 유연기판을 1 cm 간격으로 10포인트를 측정하였고 그결과를 Fig.

성능/효과

EDS 분석을 통하여 섬유의 표면에 형성된 금속이 Ni임을 확인하였다(Fig.
3(b)에 나타내었다. 결과로부터 알 수 있듯이 위치별로 면저항의 분포가 매우 고른 것을 확인할 수 있다. 이처럼 전기적 특성이 향상될 수 있는 이유는 섬유의 표면에 형성된 Ni 층 때문으로 보인다.
모든 스트레스 조건(인장력 40 MPa, 곡률반경 10 mm, 굽힘 5,000회, 그리고 뒤틀림 3,600° 에서 저항 변동 폭 3% 이내의 안정적인 전기적 특성을 확인하였다.
유연기판의 물리적 한계를 인장강도를 통하여 확인하였고, Ni가 완전히 merge된 60 min과 120 min 조건에서각각 50 및 55 MPa로 측정되었다. 반면 순수한 면직물은 37 MPa로 측정되어, 120 min 조건에서 약 148.6% 물리적 특성이 향상되었음을 확인하였다. 이러한 연구 결과는 유연기판 및 웨어러블 디바이스뿐만 아니라 유연성이 필요한 배터리, 태양전지, 촉매 등에 적용될 수 있을 것으로 기대한다.
2(b)에 나타내었다. 사진에서 보이는 바와 같이 도금이 30분 및 60분 진행된 경우, 금속이 섬유의 표면에 완전히 형성되지 못하였으나, 120분이 지난 후에는 직물의 섬유 표면에 금속층이 완전히 형성되어 있는 것을 확인할 수 있다. EDS 분석을 통하여 섬유의 표면에 형성된 금속이 Ni임을 확인하였다(Fig.

후속연구

6% 물리적 특성이 향상되었음을 확인하였다. 이러한 연구 결과는 유연기판 및 웨어러블 디바이스뿐만 아니라 유연성이 필요한 배터리, 태양전지, 촉매 등에 적용될 수 있을 것으로 기대한다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	웨어러블 분야는 어떻게 나누어져 있는가?	웨어러블 디바이스 및 관련 ICT 디바이스의 수요가 증가함에 따라 웨어러블 연구를 다양한 분야에 적용하기 위한 연구가 진행되고 있다.1-2) 웨어러블 분야는 크게 액세서리형, 의류 일체형 그리고 신체부착 및 생체이식형으로 나누어져 있다. 그 중 의류 일체형 디바이스의 경우, 전도성 섬유와 직물을 이용한 회로보드 및 접착형 전자소자 패키징 기술을 위한 전도성 기판 연구가 진행되고 있다.
	금속의 단점은?	웨어러블 디바이스에 적용하기 위한 전도성 기판 소재로는 전통적으로 금속이 이용되어 왔다. 하지만 금속의 경우, 유연성이 부족하고, 지속적인 스트레스에 취약하며, 무겁다는 단점이 있다. 이를 해결하기 위하여 진공 증착법을 이용하여 유연기판의 표면에 얇은 두께의 금속 박막을 형성하기 위한 시도가 이루어졌지만, 증착되는 면이 섬유의 복잡한 표면이기 때문에 단면 증착방식은 일상 생활에서 발생할 수 있는 굽힘 스트레스에 대한 내구성이 매우 낮다는 문제가 발생하였다.
	전도성 고분자 섬유 및 CNT, Graphene과 같은 탄소소재와 같은 신소재의 단점은?	금속 이외의 재료로는 전도성 고분자 섬유 및 CNT, Graphene과 같은 탄소소재와 같은 신소재가 개발되고 있다. 하지만 전도성 고분자는 상대적으로 낮은 전기전도도로 인하여 디바이스에 적용하기 어렵다는 단점이 있다.16) 따라서 가볍고, 우수한 전도도 및 기계적 강도를 갖는 탄소소재가 각광받고 있으며, 특히 섬유 형태를 갖는 CNT가 가장 적합한 재료로 평가받고 있다.

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저자의 다른 논문 :

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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