KR20170036221A

KR20170036221A - 전기 저항 변화가 최소화된 신장성 전기 전도체 및 이의 제조 방법

Info

Publication number: KR20170036221A
Application number: KR1020150135120A
Authority: KR
Inventors: 서동석; 비엣 통 르; 이영희; 이유락; 주민규
Original assignee: 성균관대학교산학협력단; 기초과학연구원
Priority date: 2015-09-24
Filing date: 2015-09-24
Publication date: 2017-04-03

Abstract

본 발명은 저항의 크기가 변하지 않는 초고신축성 전도체 구조 및 제작 방법에 관한 것이다. 특히, 600% 수준의 길이변화에도 저항변화가 최대 1% 미만인 상태로 만들 수 있는 늘어나는 전도체의 구조 및 제작 방법에 관한 것이다.

Description

신장성 전기 전도체 및 이의 제조 방법{A resistance-invariant stretchable conductor and a fabrication method thereof}

최근 각광받는 유연 소자, 입을 수 있는 전기 소자 및 인체에 탑재 가능한 의료용 기구 등의 연구에 있어 신축성 전도체는 그 실현성을 높이는데 가장 필요한 핵심 기술이다. 최근까지는 신축성 전도체를 만들기 위해 전기전도성 물질과 신축성 신축성가 결합 되어 연구되었는데, 이러한 전도체들은 비록 신축성은 매우 뛰어나지만 소재가 늘어나면서 저항이 급격히 변하는 문제가 있다.

종래에는, 1) 신축성 있는 기판 위에 0차원/1차원/2차원/3차원 나노 구조 물질들이 서로 붙어서 퍼콜레이션(percolation) 형태로 전기전도 경도를 형성시켜 기판의 길이 변화에도 퍼콜레이션 전기전도 경로가 변형되지만 끊어지지 않고 계속 전기를 통하게 하거나, 2) 신축성 튜브 안에 액체 금속을 넣어 전기전도 경도를 형성하여 튜브의 길이 변화에 따라 전체 굵기도 변화하지만 내부 액체 금속 역시 끊어지지 않고 변형된 형태를 따라 전기전도성 경도를 유지하는 방법이 있다.

이러한 종래 기술은 모두 신축성 전도체의 길이가 변하면서 전기저항값이 변할 수밖에 없고, 1)의 경우 길이가 변하면서 나노 물질들 사이의 접촉 특성이 변화되어 전체 저항값이 급격하게 달라지는 문제가 있으며, 2)의 경우 길이가 변하면서 액체금속의 비저항값은 일정하지만 길이가 늘어나고 단면적이 줄어들면서 저항값이 커지게 되는 문제점이 있다. 따라서 현재 종래의 기술로는 전기저항 크기가 변하지 않는 신축성 전도체 제작이 불가능하다.

본 발명의 목적은 고 신축성을 가지면서 동시에 저항 변화를 최소화시킨 전도체를 제공하는 것이다. 본 발명의 신축성 전도체의 기본 원리는 높은 유연성을 보장하며, 높은 전기전도성을 가진 층 형태의 물질이 물결 형태로 구부러지면서 물질 자체의 길이변화를 최소화시키면서 전도체 전체의 길이 변화를 높이는 것이다.

부도체를 덮기 전의 샘플의 경우 신축성이 원래 상태로 줄어들어 탄소나노튜브가 물결 형태를 이룰 때 저항 변화가 크다는 점에서 착안하여, 탄소나노튜브 층 위를 부도체로 덮어서 물결 형태를 이룰 때 서로 맞닿지 않게 만듦으로써 저항 변화를 감소시킬 수 있었음.

일 측면으로서, 본 발명은 신축성 기판을 신장시키고, 상기 신장된 신축성 기판 상에 전기전도성 층을 증착한 후 상기 신축성 기판의 신장 상태를 풀어 본래의 길이로 돌아가게 함을 포함하는, 신축성 전기전도체 제조 방법을 제공한다.

상기 전기전도성 층은 탄소나노튜브 시트임을 특징으로 한다.

상기 기판과 전기전도성 층 사이의 접착력을 향상하기 위해 상기 신축성 기판의 접착될 면 또는 상기 전기전도성 층의 접착될 면에 에탄올을 적용 후 기화시키는 단계를 포함할 수 있다.

상기 신장 상태를 풀기 전, 상기 전기전도성 층 상에 절연막을 증착함을 포함할 수 있다.

상기 전기전도성 층은 상기 신축성 기판에 접착되지 않을 면에 절연막을 가짐을 특징으로 한다.

상기 신장 상태를 풀기 전, 액상 탄성체를 상기 전기전도성 층 상에 입히고,상기 액상 탄성체가 완전 경화되기 전에 상기 신축성 기판의 신장 상태를 풀어 본래의 길이로 돌아가게 함을 특징으로 한다.

다른 측면으로서, 본 발명은 신축성 기판을 신장시키고, 상기 신장된 신축성 기판 상에 전기전도성 층을 증착한 후 상기 신축성 기판의 신장 상태를 풀어 본래의 길이로 돌아가게 함을 포함하는, 방법에 의해 제조된, 상기 신축성 전기전도체로서, 상기 신축성 기판은 이의 표면에 물결 형상 주름을 포함하고, 상기 유연성 전기전도성 층은 그 물결 형상 주름 표면에 형성되어 있는, 신축성 전기전도체를 제공한다.

상기 유연성 전기전도성 층은 탄소나노튜브 시트임을 특징으로 하며, 상기 탄소나노튜브는 상기 신축성 기판의 신장 방향으로 배향되어 있을 수 있다.

상기 유연성 전기전도성 층에 절연막, 일 예로서, 알루미나 층이 증착될 수 있다.

또 다른 측면으로서, 신축성 기판을 신장시키고, 상기 신장된 신축성 기판 상에 전기전도성 층을 증착한 후 상기 신축성 기판의 신장 상태를 풀어 본래의 길이로 돌아가게 함을 포함하는, 방법에 의해 제조된, 상기 신축성 전기전도체로서, 상기 신축성 기판은 이의 표면에 물결 형상 주름을 포함하고, 상기 유연성 전기전도성 층은 그 물결 형상 주름 표면에 형성되어 있는, 신축성 전기전도체를 포함하는 전기 도선을 제공한다.

상기 신축성 기판의 일면 상에 전기전도성 층을 증착한 후 상기 신축성 기판의 신장 상태를 유지한 채 상기 신축성 기판의 반대 면에 전기 전도성 층을 증착함을 추가로 포함하며, 상기 신축성 기판의 일면의 전기전도성 층을 신호선으로, 그리고 다른 일면의 전기전도성 층을 접지선으로 사용하는, 신축성 전기전도체를 포함하는 전기 도선을 제공한다.

또 다른 측면으로서, 본 발명은, 신축성 기판을 신장시키고, 상기 신장된 신축성 기판 상에 전기전도성 층을 증착한 후 상기 신축성 기판의 신장 상태를 풀어 본래의 길이로 돌아가게 함을 포함하는, 방법에 의해 제조된, 상기 신축성 전기전도체로서, 상기 신축성 기판은 이의 표면에 물결 형상 주름을 포함하고, 상기 유연성 전기전도성 층은 그 물결 형상 주름 표면에 형성되어 있는 신축성 전기전도체를 포함하는 전열장치로서, 상기 신축성 전기전도체는 환형을 이루고 있는, 전열장치를 제공한다.

본 발명은 물결 형태의 구조 속에서 전기전도성 물질인 탄소나노튜브 시트와 시중에서 구매 가능한 초고신축성 신축성을 이용하여 최대 600%까지 늘렸음에도 10% 안팎의 낮은 저항 변화 값을 얻을 수 있다.

10%의 저항 변화를 더 낮추기 위해서 도 2에서 예시한 바와 같이, 부도체 중 한 예인 알루미나 층을 탄소나노튜브 층에 덮어서 1% 미만의 저항 변화 값을 얻을 수 있다.

도 1은 큰 길이변화에도 전기저항이 변하지 않는 전도체 원리를 설명하는 도면이다.
도 2는 저항이 변하지 않는 초고신축성 전도체 제작 방법을 설명하는 도면이다.
도 3은 초고유연성 전도층 위 아래 초고신축성 절연 탄성체를 형성하여 방법에 관한 것으로 초고신축성 절연 탄성체는 실리콘 고무, 초고유연성 전도층은 탄소나노튜브 시트를 사용하여 예시한다.
도 4는 초고신축성 전도체에 대한 저항변화 평가 결과에 관한 것이다.
도 5는 액상 탄성체를 이용한 보호막 적용 결과이며, 처음 잡아 늘인 길이가 400% 임을 보여준다.
도 6은 초고신축성 전도체를 제조하는 기본 방법 개념도이다.
도 7은 탄소나노튜브 시트가 부착된 초고신축성 전도체를 실제 제조하는 과정 사진들이다.
도 8은 본 실험에서 얻어진 탄소나노튜브 시트 층수에 따른 면저항 크기 변화를 보여준다.
도 9는 잡아늘이기 전/후 시료 일반 사진을 보여준다.
도 10은 절연막이 부착된 탄소나노튜브 시트 기판 초고신축성 전도체의 제조 공정을 보여준다.
도 11은 실시예 1의 인장 정도에 따른 저항변화를 보여준다.
도 12는 초기 신장 400% 시료에 대한 100%부터 300%까지 반복적 인장/수축 실을 보여준다.
도 13은 초기 탄소나노튜브 부착 및 수축 사진을 보여준다.
도 14는 1000번 인장/수축 이후 다시 인장 시키는 과정 중 사진을 보여준다.
도 15는 초고신축성 전도체 표면의 주사전자현미경 사진: 탄소나노튜브 시트의 층 수 의존성 (10장, 30장, 100장)을 보여준다.
도 16은 초고신축성 전도체 표면의 주사전자현미경 사진: 미리 잡아늘린 길이 비율 의존성을 보여준다.(100% 인장 및 600% 인장)
도 17은 라만 스펙트럼 분석 결과를 나타낸다.
도 18은 초고유연성 전도층 탄소나노튜브 시트의 상부/하부를 모두 초고신축성 절연 탄성체가 둘러싸고 있는 시료의 단면 사진이다. 옆 숫자는 초기 잡아늘인 크기를 나타낸다.
도 19는 오디오 신호가 전자기기로부터 나와서 스피트로 전달되는 과정에서 왜곡없이 잘 나오는 것을 증명하는 실험 환경 및 실험 결과이다.
도 20은 영상신호가 초고신축성 전기전도체를 지나면서 왜곡 없이 전송되는 것을 보여준다.
도 21는 실리콘 고무 양면에 신호/접지선이 나란히 붙어있는 구조를 보여준다.
도 22는 초고신축성 전도체 신호전달 능력 평가를 보여준다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대해 상세히 설명한다. 본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다.

본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로서 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

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 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.

1. 신축성 전기전도체의 제조

본 발명에서 사용한 탄소나노튜브 층은 화학 기상 증착법을 통해 수직 성장한 다중벽 탄소나노튜브 다발부터 뽑아져 나온 탄소나노튜브의 배열로 이루어져 있다. 탄소나노튜브의 높이는 대략 160m 이고, 각각의 나노튜브는 약 9개의 벽을 가지며, 외경이 대략 10nm이었다. 이렇게 만든 한 층의 탄소나노튜브를 곧바로 이용할 수도 있고 여러 겹 감아서 사용하여 전기전도성을 미세하게 조절 가능하다. 본 발명의 실시예에서 사용된 탄소나노튜브 시트에 대한 기본 정보는 다른 논문들에 이미 보고 되어있다(문헌1: Zhang et. al. Science 309, 1215 (2009) 논문).

기판으로 사용된 초고신축성 탄성체 물질로 시중에서 구매할 수 있는 에코플랙스(EcoFlex 0010, Smooth-on 사 제품)라고 하는 실리콘고무 물질을 사용하였다. 신축성의 변형이 없이 반복적으로 늘리고 줄일 수 있는 범위는 0~600%이었고, 신축성의 두께는 대략 1~2 mm이었다. 사용된 실리콘 고무 물질은 두 개의 액체상태 물질을 같은 비율로 섞어서 혼합액을 만들고 틀에 부은 다음 시간이 지나면 반투명 고무막 형태로 만들어진다. 이렇게 만들어진 실리콘 고무 물질은 초고신축성 절연체 특성을 가진다. 보통 안정적으로 원래 길이 대비 600%까지 추가로 늘어난다. 즉 원래 길이의 7배까지 늘어난다. 다른 초고신축성 절연체가 그 이상 반복적으로 늘어나는 경우에도 본 기술을 그대로 사용할 수 있음은 자명할 것이다.

도 2에서 예시한 바와 같이, 신축성 기판을 잡아 늘려 신장된 상태에서 탄소나노튜브 시트를 전도층으로서 부착시켰다. 이후 신축성 기판의 신장된 상태를 풀어 신축성 기판의 본래의 크기로 줄어들도록 하였다.

도 6은 탄소나노튜브 시트가 부착된 초고신축성 전도체를 제조하는 기본 방법을 나타낸다. 앞에서 준비한 에코플랙스 실리콘 고무를 미리 잡아 늘이고 그 위에 탄소나노튜브 시트를 부착한다. 이 경우 탄소나노튜브 시트는 실리콘 고무 표면에 추가적인 표면처리나 표면 공정 없이 있는 그대로 잘 달라붙는다. 이때 부착되는 초고유연성 전도층인 탄소나노튜브 시트는 한 층으로만 되어있을 수도 있고 전기저항 값을 조절하기 위하여 여러 층으로 되어있을 수도 있다. 즉 초고신축성 전도체의 최종 전기저항 값은 탄소나노튜브 시트를 여러 층 겹쳐서 조절할 수 있다.

도 7은 상기 제시된 방법대로 실제 초고신축성 탄소나노튜브 전도체를 제작하는 과정을 보여준다. 먼저 실리콘 고무를 잡아늘이는 틀에 장착한 다음, 실리콘 고무를 잡아늘이고, 미리 준비한 탄소나노튜브 시트를 부착한 다음, 다시 원래 크기로 줄이는 과정을 보여준다.

도 2에서 예시한 바와 같이, 신축성 기판을 잡아 늘려 신장된 상태에서 탄소나노튜브 시트를 전도층으로서 부착시키고 계속 신장된 상태에서 상기 탄소나노튜브 시트 상에 절연막을 증착시켰다.

도 10은 절연막이 부착된 탄소나노튜브 시트 기판 초고신축성 전도체의 제조공정을 나타낸다. 이 경우 도 6에서와 달리 탄소나노튜브 시트를 준비한 다음 그 일면에 전자빔 증발 증착 방법으로 얇은 알루미나 층을 올리고 나서, 그 후 미리 잡아 늘여진 실리콘 고무 표면에 부착하였다. 그러나 탄소나노튜브를 신장된 기판에 부착 후 신장된 상태에서 알루미나 층을 증착할 수 있다.

초고유연성 전도층으로서 탄소나노튜브 시트를 미리 잡아늘려진 기판 위에 바로 부착하며, 이 경우 신축성 기판이 다시 원래 크기로 줄어들었을 때, 도 2에서와 같이 표면의 접힘에 의한 주름 또는 물결 모양이 생겨난다.

이때 표면 물결 형태의 간격이 촘촘한 경우 서로 인접한 부분끼리 전기적으로 붙어서 처음의 잡아늘려진 상태와 비교하여 전기저항의 크기가 줄어들 수 있어, 실시예 2와 같이 초고유연성 전도층 상에 절연막이 형성되도록 할 수 있다. 본 발명의 절연막은 예시적으로 알루미나 막을 사용하였다.

절연막 형성은, 탄소나노튜브 시트를 신축성 기판에 부착하기 전, 먼저 탄소나노튜브 시트 상에 절연막을 부착한 후 신장된 탄성체 기판에 부착하거나, 신장된 기판 상에 탄소나노튜브 시트를 증착시키고 계속 신장된 상태에 절연막을 증착함에 의해 형성될 수 있다.

이때 탄소나노튜브 시트의 양면 가운데 절연막이 부착되지 않은 면이 신축성 기판에 맞닿는다. 이렇게 미리 신장된 신축성 기판에 붙은 탄소나노튜브 시트는 다시 수축하는 과정에서 다시 물결모양의 형태를 가지지만, 이 경우 부착된 절연막이 탄소나노튜브 시트의 접힘부끼리의 접촉을 막아주어 저항변화를 억제할 수 있다. 즉 전기적 경로의 길이는 처음 잡아늘려진 상태와 나중에 수축한 상태가 동일하게 된다.

도 3은 탄소나노튜브 시트상에 부착되는 절연체로 신축성 기판과 동일한 물질을 사용하는 경우를 나타낸다. 즉, 탄소나노튜브 시트 상면 및 배면 상에 신축성 기판 물질을 형성하는 방법을 제시하는데, 특히 그 과정에서 탄소나노튜브 시트의 모양이 뒤틀림 없이 형성될 수 있는 방법을 제시한다. 기본적으로 신축성 기판 물질 제조 과정에서 유체상태의 두 물질을 섞은 후 시간이 지나면서 굳어지는 특성을 이용한다. 즉 신축성 기판이 먼저 잡아늘여진 상태에서 초고유연성 전도층으로서 탄소나노튜브 시트를 부착한다. 그리고 그 탄소나노튜브 시트 상에 액상 탄성체를 입힌다(코팅 또는 부어줌). 그리고 액상 탄성체가 다 굳어지기 전에 탄소나노튜브 시트/액상 탄성체 결합체의 수축을 진행한다. 이 경우 액상 탄성체가 탄소나노튜브 시트 사이로 스며들어가 절연체 층으로 역할을 한다. 즉 본래 상태로의 수축이 충분히 진행되고 액상 탄성체 물질도 완전히 고체로 된 경우, 초고유연성 탄소나노튜브 시트 사이 사이로 들어가서 추가적인 저항변화를 일으키지 않도록 전도 경로를 보호할 수 있다.

상부 초고신축성 절연체 층은 일차적으로 탄소나노튜브 시트 수축시 접힘부에서의 절연막 역할을 하고, 이차적으로는 이러한 초고신축성 전도체의 전기전달 경로를 완전히 물리적/화학적/기계적으로 보호하는 역할을 한다.

도 18은 이러한 방법으로 만들어진 시료들의 단면사진을 보여준다. 100% 이하로 초고신축성 절연 탄성체 기판을 미리 잡아 늘인 후 탄소나노튜브 시트를 붙이고 그 위에 다시 상기 방법으로 동일한 보호 절연 탄성체 막을 덮은 것이다. 단면 사진에서 위아래 실리콘 고무로 둘러싸인 탄소나노튜브 물결 무늬가 잘 나타나 있음.

만약 액체상태의 실리콘 고무 동일 재료가 완전히 스며들어 굳어진 다음 처음 길이를 다시 줄이면 초고신축성 전도체가 휘어지게 된다. 또한 미리 잡아늘인 상태가 아니고 완전히 수축된 상태 또는 초기 잡아늘려진 길이 대비 충분히 잡아늘려지지 않은 상태에서, 액체 상태 실리콘 고무를 적용하면, 접혀지면서 이미 주변과 접촉이 일어난 부분에 대해서는 전기적 절연막 기능을 할 수 없다.

2. 신축성 전기전도체의 평가

실시예 1 및 2로 만들어진 초고신축성 전도체에 대한 저항변화 평가 결과를 도 4에 제시하였다. 절연보호막 미적용(샘플1)로 표시된 것은 실시예1의 결과이며, 절연보호막 적용(샘플2)로 표시된 것은 실시예2의 결과이다.

실시예 1의 경우 다시 600%까지 길이가 늘어날 때 (즉 처음 길이 대비 7배 길이가 될 때) 저항이 10% 정도 증가하였지만, 실시예 2의 경우 600%의 길이변화에도 저항 변화가 1% 이하로 나타났다.이러한 결과는 실시예 1의 경우 시료가 수축하면서 탄소나노튜브 시트 층에서 접힘 현상이 일어나고 그때 인접한 부분끼리 접촉을 하게 되어 저항변화를 일으켜 즉 전기적 경로 길이가 짧아졌기 때문으로 판단한다. 그러나 실시예 2의 경우 시료가 수축하여 인접한 부분이 접힘에 의해서 접촉을 하더라도 절연보호층에 의해서 전기적으로 계속 절연된 상태를 유지함. 즉 전기적 경로 길이는 변하지 않음.

도 5는 액상 탄성체를 이용한 보호막 적용 결과를 보여준다. 처음 잡아늘인 길이가 400% 인 시료에 대하여 액상 탄성체를 적용한 경우 약간의 전체저항 증가가 있지만 길이 변화에 대한 저항변화 폭은 역시 2-3% 수준을 나타내었다.

도 8은 실시예 1에서 얻어진 탄소나노튜브 시트 층수에 따른 면저항 크기 변화 그래프를 나타낸다. 절대값은 개개의 실험에서 탄소나노튜브 시트의 밀도나 두께, 튜브 하나하나의 굵기 및 다겹탄소나노튜브의 겹수 등에 의해서 달라질 수 있다.

도 9는 실시예 1로 만들어진 시료의 사진을 나타낸다. 이러한 시료 준비 과정에서 실리콘 고무 층과 탄소나노튜브 시트 층의 접착력을 향상하기 위하여 에탄올을 소량 떨어뜨렸다가 저절로 기화시키는 공정을 추가할 수 있다.

도 11은 실시예 1의 길이 변화에 대한 저항변화를 나타낸다. 반복적으로 잡아늘이는 과정에서 시료의 저항이 일정한 크기로 변화하는 것을 볼 수 있다. 도 12는 이러한 시료에 대해서 100%부터 300%까지 인장/수축 실험을 반복한 결과이다. 초당 15mm의 빠른 속도로 인장/수축 실험을 한 결과 8,000회 정도 저항변화 없이 반복적으로 인장/수축하다가 끊어졌다. 또 다른 시료에 대해서 초당 2.5mm의 느린 속도로 인장/수축 반복 평가를 한 결과 32,000회까지 저항변화가 크게 일어나지 않음을 확인하였다. 이후 시료가 끊어졌는데, 끊어진 원인을 조사한 결과 탄소나노튜브 시트 층은 그대로 있는데, 실리콘 고무 기판이 먼저 끊어진 것으로 나타났다. 도 12의 ①의 사진은 대략 30,000회 정도 인장/수축 평가를 진행했을 때의 모습이고 ②의 사진은 32,000회 정도 이후 끊어졌을 때 실리콘 고무 기판이 끊어진 모습을 볼 수 있다.

도 13과 도 14는 신축성 전도체를 늘렸다가 줄이는 테스트를 1,000회 실시한 실험에서 1,000회 반복 인장 평가 전/후의 표면상태를 보여주는 광학현미경 사진들이다. 미리 400%까지 늘린 실리콘 고무 표면에 탄소나노튜브 시트를 부착한 직후 원래 크기까지 줄어드는 과정을 보여주는 사진들이다. 줄어드는 과정에서 함몰되는 선들이 생겨남을 볼 수 있는데, 즉 도 13에서 300% 이미지에서 탄소 나노튜브 시트 방향과 대략 수직으로 형성된 짙은 검은 선들을 볼 수 있는데, 이는 초기 물결 형태의 주름이 생성되는 것으로 실리콘 고무 몸체는 길이가 줄어들려고 하지만, 표면부는 탄소나노튜브 시트에 의해서 길이 수축이 제한되므로 그 차이에서 오는 구조적 압력을 해소하는 과정에서 생성되는 것이고, 크기가 줄어들면서 이러한 함몰들이 점차 시료 표면 전체에 걸쳐 형성되는 것을 확인할 수 있다.

도 14는 동일한 시료에 대해서 1,000회 스트레칭 테스트 이 후 다시 0%에서 400%까지 늘리는 과정을 나타내는 광학 사진임. 최종적으로 400%까지 늘린 이미지는 스트레칭 테스트 전의 초기 단계와 유사하며, 탄소나노튜브 시트 내 다발들이 여전히 잘 정렬되어 있음을 볼 수 있다. 이를 통해 초고유연성 전도층, 탄소나노튜브 시트로 이루어진 전기적 통로는 반복적인 인장/수축 평가 이후에도 손상되지 않음을 알 수 있다.

도 15과 도 16은 초고유연성 전도층 탄소나노튜브 시트의 층 수 및 초기 신장비에 따른 초고신축성 전도체 표면의 형태 변화를 주사전자현미경으로 관찰한 결과이다. 도 15의 경우 탄소나노튜브 시트 층 수가 많아짐에 따라 물결모양의 간격이 더 넓어지는 것을 볼 수 있다.

도 16의 경우 실리콘 고무의 초기 신장 정도가 클수록 더 많은 주름이 생기는 것을 확인할 수 있다.

도 17은 탄소나노튜브의 변형을 평가하기 위한 라만스펙트럼 결과이다. 측정 결과 모든 시료에서 탄소나노튜브 고유의 D, G, G' 밴드가 잘 나타나고, 잡아늘여진 길이에 거의 상관없이 비슷 위치에서 피크를 나타낸다. 그리고 32,000 번 반복 신장/수축한 시료에 대해서도 동일한 위치에서 D, G, G' 밴드가 위치하는 것으로 보아, 탄소나노튜브는 반복 신장/수축하는 동안 그 구조적 특성에 거의 변화가 없음을 확인할 수 있다.

도 19 및 도 20은 초고신축성 전도체가 활용되는 분야를 나타낸다. 도 19에서는 도 6과 같은 초고신축성 전도체 제작 후 길이가 변하지만 저항이 거의 변하지 않는 도선으로 사용한 응용처로서 음성신호를 손실 없이 전달할 수 있음을 보여준다. 음악이 나오는 전자기기의 이어폰(또는 스피커) 부분에 초고신축성 전도체를 제작하여 음악소리가 왜곡 없이 나오는 것을 확인할 수 있다. 또한 도 19에서는 음원 부분을 직접 오실로스코프로 측정한 결과와 0%, 600% 신장한 상태에서 오실로스코프로 측정한 결과가 동일한 것을 보여준다.

도 20에서는 영상신호가 초고신축성 전기전도체를 지나면서 왜곡 없이 전송되는 것을 보여준다. 도 19 및 도 20의 경우 모두 음악신호 또는 영상신호를 발생하는 전자기기로부터 스피커 또는 화면으로 가는 도선을, 일반 도선이 아닌 도 21과 같은 형태의 초고신축성 전도체 구조 도선을 제작하여 연결하고 길이가 변하더라도 고주파의 전기신호들이 신호선과 접지선을 통해서 잘 전송되는 것을 평가한다. 즉 도 21에서는 실리콘 고무 기판 위 아래로 탄소나노튜브 시트를 부착하여 고주파 신호에서도 신호선과 접지선이 나란히 진행하는 구조를 형성하였다.

도 22는 도 21에서와 같이 만들어진 선의 전기적 신호 송신 능력을 나타낸다. 1 메가헤르츠(MHz)까지의 펄스신호는 전혀 왜곡 없이 전송이 되고 10 메가헤르츠의 경우 미세한 왜곡이 발생, 100 메가헤르츠의 경우 추가적인 왜곡이 발생하지만 전달되는 주파수 특성 자체는 큰 왜곡 없이 잘 전송되는 것을 볼 수 있었다. 이상의 실시예에서 본 초고신축성 전도체가 각종 전기신호를 전송하는데 매우 유용하게 쓰일 수 있음을 증명된다.

Claims

신축성 기판을 신장시키고, 상기 신장된 신축성 기판 상에 전기전도성 층을 증착한 후 상기 신축성 기판의 신장 상태를 풀어 본래의 길이로 돌아가게 함을 포함하는,
신축성 전기전도체 제조 방법.
제1항에 있어서,
상기 전기전도성 층은 탄소나노튜브 시트, 은 나노선, 금속 입자 또는 전도성 고분자임을 특징으로 하는,
신축성 전기전도체 제조 방법.
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 기판과 전기전도성 층 사이의 접착력을 향상하기 위해 상기 신축성 기판의 접착될 면 또는 상기 전기전도성 층의 접착될 면에 에탄올을 적용 후 기화시키는 단계를 포함하는,
신축성 전기전도체 제조 방법.
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 신장 상태를 풀기 전, 상기 전기전도성 층 상에 절연막을 증착함을 포함하는,
신축성 전기전도체 제조 방법.
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 전기전도성 층은 상기 신축성 기판에 접착되지 않을 면에 절연막을 가짐을 특징으로 하는,
신축성 전기전도체 제조 방법.
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 신장 상태를 풀기 전, 액상 탄성체를 상기 전기전도성 층 상에 입히고,
상기 액상 탄성체가 완전 경화되기 전에 상기 신축성 기판의 신장 상태를 풀어 본래의 길이로 돌아가게 하는,
신축성 전기전도체 제조 방법.
신축성 기판을 신장시키고, 상기 신장된 신축성 기판 상에 전기전도성 층을 증착한 후 상기 신축성 기판의 신장 상태를 풀어 본래의 길이로 돌아가게 함을 포함하는, 방법에 의해 제조된, 상기 신축성 전기전도체로서,
상기 신축성 기판은 이의 표면에 물결 형상 주름을 포함하고, 상기 유연성 전기전도성 층은 그 물결 형상 주름 표면에 형성되어 있는,
신축성 전기전도체.
제7항에 있어서,
상기 유연성 전기전도성 층은 탄소나노튜브 시트, 은 나노선, 금속 입자, 또는 전도성 고분자임을 특징으로 하는,
신축성 전기전도체.
제8항에 있어서,
상기 유연성 전기전도성 층이 상기 탄소나노튜브인 경우, 상기 탄소나노튜브는 상기 신축성 기판의 신장 방향으로 배향되어 있는,
신축성 전기전도체.
제8항에 있어서,
상기 유연성 전기전도성 층이 상기 탄소나노튜브인 경우, 상기 탄소나노튜브는 하나 이상의 시트가 겹쳐져 있음을 특징으로 하는,
신축성 전기전도체.
제8항에 있어서,
상기 신축성 기판은 고분자 탄성체 또는 실리콘 계열 고분자 탄성체임을 특징으로 하는,
신축성 전기전도체.
제8항에 있어서,
상기 유연성 전기전도성 층에 절연막이 증착된,
신축성 전기전도체.
제12항에 있어서,
상기 절연막은 알루미나, 실리카, 실화실리콘 또는 강유전성 박막 물질인,
신축성 전기전도체.
제12항에 있어서,
상기 절연막의 두께는 1nm 내지 100㎛임을 특징으로 하는,
신축성 전기전도체.
제12항에 있어서,
상기 신장 상태를 풀기 전, 액상 탄성체를 상기 전기전도성 층 상에 입히고, 상기 액상 탄성체가 완전 경화되기 전에 상기 신축성 기판의 신장 상태를 풀어 본래의 길이로 돌아가게 함을 포함하고, 상기 유연성 전기전도성 층 상에 경화된 액상 탄성체가 캡핑(capping)되어 있음을 특징으로 하는,
신축성 전기전도체.
제15항에 있어서,
상기 액상 탄성체는 상기 신장성 기판의 재료와 동일함을 특징으로 하는,
신축성 전기전도체.
신축성 기판을 신장시키고, 상기 신장된 신축성 기판 상에 전기전도성 층을 증착한 후 상기 신축성 기판의 신장 상태를 풀어 본래의 길이로 돌아가게 함을 포함하는, 방법에 의해 제조된, 상기 신축성 전기전도체로서,
상기 신축성 기판은 이의 표면에 물결 형상 주름을 포함하고, 상기 유연성 전기전도성 층은 그 물결 형상 주름 표면에 형성되어 있는,
신축성 전기전도체를 포함하는 전기도선.
제17항에 있어서,
상기 신축성 기판의 일면 상에 전기전도성 층을 증착한 후 상기 신축성 기판의 신장 상태를 유지한 채 상기 신축성 기판의 반대 면에 전기 전도성 층을 증착함을 추가로 포함하며,
상기 신축성 기판의 일면의 전기전도성 층을 신호선으로, 그리고 다른 일면의 전기전도성 층을 접지선으로 사용하는,
신축성 전기전도체를 포함하는 전기도선.
신축성 기판을 신장시키고, 상기 신장된 신축성 기판 상에 전기전도성 층을 증착한 후 상기 신축성 기판의 신장 상태를 풀어 본래의 길이로 돌아가게 함을 포함하는, 방법에 의해 제조된, 상기 신축성 전기전도체로서,
상기 신축성 기판은 이의 표면에 물결 형상 주름을 포함하고, 상기 유연성 전기전도성 층은 그 물결 형상 주름 표면에 형성되어 있는 신축성 전기전도체를 포함하는 전열장치로서, 상기 신축성 전기전도체는 환형을 이루고 있는, 전열장치.