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# 시험 종료 및 데이터 저장: 시편이 파단되면 시험이 자동으로 종료된다. 시험이 종료된 후, 소프트웨어에서 계산된 인장 강도 등의 결과 데이터를 확인하고 저장한다. | # 시험 종료 및 데이터 저장: 시편이 파단되면 시험이 자동으로 종료된다. 시험이 종료된 후, 소프트웨어에서 계산된 인장 강도 등의 결과 데이터를 확인하고 저장한다. | ||
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# 시험 종료 및 데이터 저장: 측정이 완료되면 LCR Meter에서 측정된 커패시턴스 및 손실 계수 데이터를 확인하고 저장한다. | # 시험 종료 및 데이터 저장: 측정이 완료되면 LCR Meter에서 측정된 커패시턴스 및 손실 계수 데이터를 확인하고 저장한다. | ||
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2025년 6월 7일 (토) 23:51 판
프로젝트 개요
기술개발 과제
국문 : 다공성 구조 기반 압력 센서 제작을 통한 PDMS 특성 최적화
영문 : Optimizing PDMS Properties through Concentration Adjustment and Fabrication of Pressure Sensors Based on Porous Structures
과제 팀명
쫀쫀이
지도교수
김선홍 교수님
개발기간
2025년 3월 ~ 2025년 6월 (총 4개월)
구성원 소개
서울시립대학교 화학공학과 20203400** 정*은(팀장)
서울시립대학교 화학공학과 20213400** 안*경
서울시립대학교 화학공학과 20205600** 임*섭
서울시립대학교 화학공학과 20203400** 최*진
서울시립대학교 환경공학부 20208900** 최*희
서론
개발 과제의 개요
개발 과제 요약
◇ PDMS(Polydimethylsiloxane)는 고성능 고분자로, 탄성, 투명성, 생체 적합성, 가스 투과성 및 표면과의 밀착 능력을 갖춘 독특한 특성을 가진 재료이다.
◇ 본 연구에서는 다양한 경화제 농도를 적용한 PDMS 시편을 제작하여 기계적 물성인 탄성 계수를 측정하고, 기계적 거동 특성을 분석한다.
◇ 다양한 비극성 용매(Dichloromethane, Hexane 등)와 혼합한 PDMS에 물을 첨가하여, 다공성 PDMS를 제작 후 UTM을 이용하여 인장 강도를 측정한다. 측정된 인장 강도 데이터 및 기계적 물성을 기반으로 고감도 압력 센서를 제작하여 센서로써의 활용 가능성을 평가한다.
◇ 다공성 PDMS의 pore 크기와 개수를 SEM 분석을 통해 알아내고 인장 강도 데이터 및 기계적 물성과 비교한다.
개발 과제의 배경
◇ PDMS는 실리콘 기반 고분자로, 주재(Pre-polymer)와 경화제(Cross-linker)를 혼합하여 경화시키는 과정을 통해 제작된다. PDMS는 주재와 경화제의 조성비에 따라 물리적 특성이 달라진다. 경화 과정은 열(보통 60~80°C) 또는 시간(상온에서 수 시간)을 통해 이루어지며, 이 과정에서 실록산(Siloxane) 결합이 형성되어 탄성체 구조를 갖는다. PDMS의 특성은 다음과 같다.
- 소수성과 친유성: PDMS의 주사슬에는 Si-O-Si에는 극성이 있지만 측면의 메틸기(-)들이 극성을 차단하여 물과 친화력이 낮으며 접촉각이 100˚~120˚정도로 크다. 반면 비극성 용매(Dichloromethane, Hexane 등)와 쉽게 혼합되어 유막형성, 오일 흡착 소재로 활용된다.
- 유연성 및 신축성: 조성비에 따라 다양한 탄성 계수를 가지며, 신축성이 높다.
- 생체 적합성: 독성이 낮고 생체 조직과 상호작용이 적어 의료 및 바이오 응용에 적합하다.
- 내화학성 및 투명성: 화학적 안정성과 광학적 투명성으로 다양한 센서 및 광학 장치에 활용된다.
◇ PDMS는 소프트 로봇, 바이오센서, 인공 관절 등 다양한 분야에서 활용된다. PDMS의 기계적 물성은 경화제 농도와 소재의 종류에 따라 달라지기 때문에 응용 분야에 적합한 재료를 선정하기 위한 정량적 평가와 특성 안정화 연구가 필요하다. 또한 PDMS 기공 구조 형성 기술로 레이저 패터닝과 희생성 템플릿 방법이 활용된다. 레이저 패터닝은 정밀한 패턴을 구현할 수 있지만, 고가의 장비와 복잡한 공정으로 인해 대량 생산이 어렵다. 반면 희생성 템플릿 방법은 설탕, 소금, 염기성 물질, 물 등의 제거 가능한 물질을 활용하여 상대적으로 간단하게 PDMS에 기공을 형성할 수 있는 대안으로 주목받고 있다.
◇ PDMS를 기반으로 한 압력 센서는 일반적으로 평행판 커패시터 구조를 모티브로 설계되며, 이는 제작 공정의 단순성과 높은 활용도로 인해 광범위하게 적용된다. 해당 센서는 두 개의 전도성 전극(Ag) 사이에 변형이 가능한 유전체층(다공성 PDMS)을 삽입하여 구성되며, 외부 압력에 의해 유전체층의 형상 및 유전율이 변화함에 따라 정전용량이 조절되는 원리를 기반으로 작동한다.
◇ PDMS 조성비 변화에 따른 물리적 특성과 인장 강도 분석은 다양한 응용 분야에서 중요한 설계 기준을 제공한다. 특히 조성비에 따라 달라지는 탄성과 강도는 센서 설계 및 제작에 직접적인 영향을 미친다. 본 연구에서는 측정된 물리적 특성을 기반으로 다공성 PDMS 기반 센서를 제작하고, 이를 통해 변형 감지 또는 압력 감지와 같은 응용 가능성을 검토한다. 이는 웨어러블 디바이스, 로봇 공학, 바이오 의료기기 등 다양한 산업 분야에서 활용될 수 있다.
개발 과제의 목표 및 내용
◇ 기계적 물성 최적화
- PDMS 시편을 경화제 비율와 소재의 특성에 따른 탄성 계수 및 거동을 분석하고 신축성을 평가한다. 측정 데이터로 응력-변형률 곡선을 그리고 물성 변화를 설명한다. 이를 이용하여 압력 센서를 제작하기에 최적화된 PDMS의 경화제 비율 및 소재를 찾는다.
◇ 고감도 압력 센서 제작 및 응용
- 다양한 비극성용매(Hexane, Dichloromethane 등)와 혼합한 PDMS에 극성용매(Water 등)를 첨가하여 다공성 PDMS를 합성하고 기공의 크기 및 형태를 조절하여 탄성 계수 및 변형률을 측정한다. 합성된 다공성 PDMS를 이용하여 고감도 압력 센서를 제작하고 그 활용 분야를 탐색할 수 있다.
관련 기술의 현황
관련 기술의 현황 및 분석(State of art)
- 전 세계적인 기술현황
◇ Zhijun Wang와 Junpo He는 연속 흐름(flow chemistry) 공정을 통해 기능성 폴리디메틸실록산(PDMS)을 합성하는 새로운 방법을 제안하였다. 기존의 일괄식(batch) 공정에서는 반응 제어의 어려움과 낮은 생산성이 문제가 되었지만, 본 연구에서는 흐름 반응기 내에서 반응 시간, 온도, 촉매 농도 등을 정밀하게 조절하여, 반응 효율성과 재현성을 높였다. 특히 실록산의 말단이나 측면에 특정 기능기를 도입함으로써 다양한 물성을 갖는 기능성 PDMS를 합성하였다. 다만 사용된 촉매나 원료의 경제성, 대규모 생산 시 공정 안정성 등의 평가는 부족하다는 점에서 산업 적용을 위해서는 추가적인 후속 연구가 필요하다. [1]
◇ Jakob-Anhtu Tran, Jeppe Madsen, Anne Ladegaard Skov는 α,ω-하이드라이드 말단 PDMS를 Piers-Rubinsztajn(P-R) 반응을 통해 고수율로 순수한 PDMS 링 폴리머를 합성하는 연구를 수행하였다. 해당 공정으로는 간단한 실리카 겔 정제만으로 선형 부산물을 제거할 수 있어 실험실은 물론 산업적으로도 적용 가능한 프로세스를 구축하였다. 그러나 고분자량 PDMS의 경우 말단 그룹 농도가 낮아져 링 형성률이 감소하고, 추가 정제가 필요하다는 한계가 있다. [2]
◇ Z. Li 등은 PDMS를 활용한 스트레인 센서 개발에 대한 연구를 진행하였다. PDMS의 유연하고 생체 적합성이 뛰어나다는 특성은 센서의 성능을 상승시킨다. 따라서 웨어러블 디바이스나 유연한 전자기기에서 스트레인 센서로 이상적인 재료이며, 해당 연구에서는 Laser Direct Writing(LDW) 기법을 사용하여 PDMS 표면에 패턴을 생성, 스트레인 센서를 제작하였다. 이러한 PDMS의 레이저 패터닝은 센서의 민감도와 안정성을 높여 특히 운동 모니터링 시스템에서의 성능 향상을 기대할 수 있다. [3]
- 특허조사 및 특허 전략 분석
◇ Preparation method of polydimethylsiloxane porous membrane(CN103289119A, China, 2013)
- 본 발명은 다공성 PDMS 막의 제조 방법에 관한 것으로, PDMS, 경화제, 기공 형성제(미세-나노 입자 또는 수용성 화합물)를 혼합한 후 열경화하여 막을 형성하고, 용매로 기공 형성제를 제거해 다공성 구조를 생성하는 방식을 제시한다. 이 방법은 기공 직경을 100~3,000nm 범위 내에서 정밀하게 제어할 수 있으며, 막의 두께는 20~200μm로 조절 가능하다. PDMS 대 경화제의 혼합 비율은 1:1~20:1로 설정하여 기계적 강도와 유연성을 최적화한다. 제조 공정에서는 스핀코팅 또는 디핑코팅 기술을 적용해 균일한 박막을 형성한 후 50~200℃에서 열처리하여 경화시킨다. 기공 형성제로는 금속, 실리카, 유리 입자 또는 산성/염기성/중성 조건에서 용해되는 수용성 화합물을 사용할 수 있으며, 최종적으로 용매 처리를 통해 기공 형성제를 완전히 제거함으로써 균일한 다공성 구조를 얻는다. [4]
◇ Methods and apparatus concerning multi-tactile sensitive (E-skin) pressure sensors(US9625330B2, United States, 2015)
- 본 발명은 다중 감각(압력, 굽힘, 측면 응력)을 구분하며 자가 발전이 가능한 전자 피부(e-skin) 압력 센서 기술로, 탄소 나노튜브(SWNT) 또는 은 나노구조가 도입된 다공성 PDMS 층을 핵심 소재로 활용한다. 이 센서는 임피던스 변화를 통해 압력, 굽힘, 측면 응력을 실시간으로 감지하고 구분할 수 있으며, 기계적 자극을 전기에너지(수십 μW/cm²)로 변환하여 자체 전원 공급이 가능하다. 에너지 저장을 위해 슈퍼커패시터 또는 신축성 배터리와의 연동 구조를 포함하며, 의수, 웨어러블 건강 모니터링 장치, 로봇 감각 시스템 등에 적용될 때 높은 유연성과 내구성을 보인다. 다공성 PDMS 기반의 유연한 구조는 반복적인 기계적 변형에 따른 성능 저하 없이 안정적인 감지 정확도를 유지하도록 설계되었다. [5]
◇ 향후 연구에서는 특정 압력 범위(생체 센서를 위한 저압, 산업 응용을 위한 고압 등)에서 더 높은 민감도를 달성하는 데 초점을 맞출 수 있다. 기공 형성 기술에 대한 특허는 이미 다수 존재하므로, 기공의 정밀 제어 방법이나 새로운 재료의 도입 등을 연구할 수 있을 것이다. 다공성 PDMS 기반 센서의 응용 분야를 더욱 확대하기 위하여 생체 의학, 웨어러블 디바이스 등 다양한 분야와의 융합적인 연구가 필요하다.
시장상황에 대한 분석
◇ Data Horizzon Research의 최신 시장 보고서에 따르면, PDMS 시장은 2023년 약 50억 달러에서 2024년부터 2033년까지 연간 5.3%의 성장률로 성장하여 2033년에는 약 85억 달러에 도달할 것으로 예상된다. PDMS는 뛰어난 열 안정성, 낮은 표면 장력, 높은 기체 투과성 및 화학적 안정성으로 인해 개인 관리, 의료, 전자 및 산업 응용 분야를 포함한 다양한 산업에서 필수적인 재료로 자리 잡고 있다. [6]
◇ Elkem Silicones는 2024년 태양광 패널용 투명 PDMS 신제품 "BLUESIL ESA 7250"을 출시했다. 이 제품은 자외선 차단 성능 및 장기 내구성을 특징으로 한다. [7]
◇ 일본 후생노동성(MHLW)은 PDMS 기반 의료기기 생체적합성 평가 기준을 개정(2020년)하여 일부 항목(급성독성 등) 생략을 허용했다. [8]
◇ 미국 에너지부(U.S. Department of Energy)는 2025년 1월, 에너지 저장 시스템의 제조 효율성 향상을 위한 신규 연구비 지원 프로그램을 발표했다. 본 프로그램은 차세대 에너지 저장 기술의 상용화와 생산 비용 절감을 목표로 하며, 유연한 소재와 첨단 제조 공정 개발을 중점적으로 지원한다. 선정된 연구기관과 기업은 총 1,200만 달러의 예산을 배분받아, 차세대 에너지 저장 장치의 설계, 소재 혁신, 대량 생산 공정 개발을 추진하게 된다. 이 지원 사업에는 PDMS 등 고분자 기반의 혁신적 소재 연구도 포함된다. [9]
◇ Markets and Markets의 시장 보고서에 따르면, 전체 PDMS 시장 규모는 2019년 40억 달러에서 연평균 성장률(CAGR) 6.0%로 성장하여 2024년에는 52억 달러에 도달할 것으로 예상된다. 특히 산업 공정, 건축 및 건설, 개인 관리 및 소비자 제품, 운송 및 전자 산업 분야에서의 수요 증가가 시장 성장을 주도할 것으로 전망된다. [10]
개발과제의 기대효과
기술적 기대효과
◇ 센서 제작 비용 감소
- 저비용으로 센서 제작이 가능하다. 기존 레이저 패터닝이나 리소그래피와 같은 고가 장비 기반의 복잡한 기공 형성 기술 대신 물과 dichloromethane, 그리고 PDMS를 활용한 간단한 혼합 및 가열 공정으로 기공 구조를 형성하여 제조 단가를 획기적으로 낮출 수 있다. 고가 장비나 복잡한 공정 없이도 센서를 생산할 수 있어 연구 및 실무 적용시 시간과 비용을 절감할 수 있다. 이는 대량 생산 및 산업 적용에 매우 유리한 점이다.
◇ 간단하고 효율적인 제조 공정
- 간단하고 손쉬운 제조 공정을 통해 센서 제작 난이도를 낮추었다. 다공성 PDMS의 기공 구조는 외부 압력에 따른 미세한 변형과 유전율 변화를 증폭시켜 정전용량 기반 센서의 감도를 향상시킨다. 본 연구에서 제작한 센서는 복잡한 공정이나 고가의 장비 없이, 간단한 혼합과 가열 과정만으로 제조가 가능하다. 이러한 손쉬운 제조 방식은 생산 공정의 효율성을 크게 향상시키며, 연구 및 산업 현장에서 빠르고 안정적인 센서 제작을 가능하게 한다.
◇ 뛰어난 유연성과 경량성
- PDMS 특유의 우수한 유연성과 경량성은 웨어러블, 곡면 부착, 로봇 피부 등 다양한 형태와 환경에 적합한 센서 설계를 가능하게 한다. 다공성 구조를 통해 전체 밀도를 낮추고 기계적 탄성을 증가시켜, 경량화와 구조 설계의 유연성을 함께 확보하였다. 이는 다양한 스마트 디바이스에 센서를 유연하게 적용할 수 있는 중요한 기술적 장점이다.
◇ 피부 친화적 웨어러블 적용성
- 다공성 구조로 인한 높은 수증기 투과율은 피부보다 2배 이상 뛰어나 장시간 착용 시 땀과 수분 축적을 줄여 피부 자극을 최소화한다. 또한 PDMS의 우수한 생체 적합성과 다공성 구조로 인한 접촉면적 감소는 착용감을 개선하고 피부 마찰 및 접촉 저항을 줄여 웨어러블 헬스케어 디바이스의 사용자 만족도를 크게 높인다. 이는 피부 친화적 웨어러블 장치 적용에 매우 유리한 특성이다.
경제적, 사회적 기대 및 파급효과
◇ 센서 시장의 진입 장벽 완화 및 경쟁력 강화
- PDMS와 등 저렴하고 쉽게 구할 수 있는 재료를 활용하고, 간단한 공정을 통해 센서를 제작할 수 있다는 점에서 비용 절감 효과가 뛰어나며 대량 생산도 가능하다. 이러한 높은 접근성 덕분에 신생 중소기업 및 스타트업들이 시장에 보다 쉽게 진입할 수 있게 되어, 전체 산업 생태계의 혁신과 활성화에 크게 기여할 수 있다. 더불어, 첨가물 및 공정 변수를 세밀하게 조절함으로써 센서의 물리적 특성을 다양화할 수 있어, 각 기업이 자신만의 차별화된 제품을 개발할 수 있는 경쟁력을 갖출 수 있다.
◇ 스마트 디바이스 및 웨어러블 기술 시장 확대 기여
- 다공성 PDMS 기반 센서는 뛰어난 유연성, 저비용 제작 가능성 덕분에 스마트 디바이스와 차세대 웨어러블 디바이스의 핵심 부품으로 주목받고 있다. 상용화 시 스마트 헬스케어, 운동 추적, 재활 치료 등 다양한 분야에 활용되어 웨어러블 시장 확대에 기여할 수 있다.
◇ 고령화 사회 대응 기술로서의 가치
- 고령 인구가 증가함에 따라 만성 질환 관리와 독립적인 건강 모니터링에 대한 수요가 커지고 있다. 이러한 사회적 관심에 맞추어 저렴하고 피부 친화적인 다공성 PDMS 기반 센서는 노인의 의료비 절감과 삶의 질 향상에 기여한다. 특히 실시간 생체 신호(혈압, 호흡, 맥박 등) 감지는 만성 질환의 조기 발견과 적시 의료 개입을 가능하게 하여 진단의 정확성과 접근성을 높인다. 이는 개인 의료비 부담을 줄이고 국가 건강보험 재정에도 긍정적인 영향을 미쳐 스마트 의료 복지 시스템 구축에 중요한 역할을 한다.
기술개발 일정 및 추진체계
개발 일정
구성원 및 추진체계
안*경: 주제선정 및 자료조사, 기존 기술 및 경쟁력 분석, 데이터 분석 임*섭: 주제선정 및 자료조사, 실험 설계 및 PDMS sheet 제작, 데이터 분석 정*은: 주제선정 및 자료조사, 실험 설계 및 PDMS sheet 제작, 데이터 분석 최*진: 주제선정 및 자료조사, PDMS sheet의 기계적, 물리적, 화학적 특성 평가, 데이터 분석 최*희: 주제선정 및 자료조사, PDMS sheet의 기계적, 물리적, 화학적 특성 평가, 데이터 분석
실험
실험 방법
PDMS 시편 제작
- PDMS base 계량: 정밀 저울을 사용하여 필요한 양의 PDMS base를 계량한다.
- 경화제 첨가: 계량된 PDMS에 대해 10:1, 20:1, 30:1, 40:1 등의 비율로 경화제를 첨가한다. (예: PDMS 10g에 경화제 1g 첨가 시 10:1 비율)
- 혼합: 교반기와 교반자석을 사용하여 PDMS와 경화제 혼합액이 균일하게 섞이도록 충분히 교반한다.
- 진공 탈기 및 열처리: 혼합액을 진공 오븐에 넣고, 진공 상태를 유지한 후, 80°C로 설정하여 1시간 동안 가열한다.
- 경화 및 냉각: 가열이 완료된 시편을 오븐에서 꺼내어 실온의 평평한 곳에서 24시간 동안 보관하여 완전히 경화시킨다.
- 다공성 PDMS 시편 제작: 상기 PDMS 계량과 경화제 첨가 후, PDMS-경화제 혼합액에 dichloromethane을 PDMS 질량의 50%를 넣고 증류수를 PDMS 질량의 1/10씩 넣으면서 충분히 교반한다. 이때, dichloromethane과 증류수가 PDMS-경화제 혼합액 내에 안정적으로 유화 상태를 유지하도록 주의한다.
- 구조 안정화: 이후 진공 탈기와 열처리를 진행하고, 경화 및 냉각을 24시간 동안 진행한다. 이 과정에서 잔류하는 휘발성 물질이 완전히 제거되고 시편의 다공성 구조가 안정화된다.
UTM 측정
- 시편 및 장비 준비: PDMS 시편을 가로 1cm, 세로 5cm로 잘라 준비한다. Shimadzu Trapezium X 시험기의 전원을 켜고 소프트웨어를 실행한다. Caliper를 이용하여 시험할 PDMS 시편의 폭과 두께를 정확히 측정하고 기록한다.
- 시험 조건 설정: 소프트웨어에서 시험 목적에 맞는 조건을 설정한다. (예: 인장 속도 등) 측정한 시편의 폭, 두께 데이터를 입력한다.
- 시편 장착: 시험기의 상부 및 하부 그립(grips)을 개방하여 시편을 수직으로 장착한다. 이때, 시편이 미끄러지지 않도록 단단히 고정한다.
- 인장 시험 진행: 소프트웨어에서 시험 시작 버튼을 눌러 인장 시험을 시작한다. 시험이 진행되는 동안 소프트웨어 화면에서 실시간으로 응력 그래프를 확인한다.
- 시험 종료 및 데이터 저장: 시편이 파단되면 시험이 자동으로 종료된다. 시험이 종료된 후, 소프트웨어에서 계산된 인장 강도 등의 결과 데이터를 확인하고 저장한다.
전극 제작
- 전극 크기 재단: 미리 제작된 PDMS 시편의 크기(1.5 cm x 1.5 cm)에 맞게 알루미늄 호일을 칼로 정밀하게 재단한다.
- 접착제 도포 및 전극 부착: PDMS 시편의 전극을 부착할 부위에 소량의 Ecoflex(접착제)를 얇게 도포한다. 알루미늄 호일 조각을 핀셋을 이용하여 접착제가 도포된 PDMS 시편 위에 정확하게 배치하고, 가볍게 눌러 PDMS 표면에 밀착시킨다. 이때, 알루미늄 호일이 너무 구겨지지 않게 주의한다.
- 경화: 알루미늄 호일이 부착된 PDMS 시편을 접착제가 완전히 경화될 때까지 상온 건조시킨다.
Capacitance 측정
- 장비 준비 및 연결: Agilent E4980A LCR Meter의 전원을 켜고 소프트웨어를 실행한다. LCR Meter와 제작한 전극을 프로브로 단단히 연결한다.
- 시험 조건 설정: 소프트웨어에서 시험 목적에 맞는 조건을 설정한다. (예: 측정 파라미터, 주파수 등)
- 시험 시작: 모든 설정이 완료되면, 커패시턴스 측정을 시작한다. 커패시턴스(Capacitance, [F]) 및 손실 계수(Dissipation factor) 값이 주파수 변화에 따라 변하는 데이터를 얻는다.
- 시험 종료 및 데이터 저장: 측정이 완료되면 LCR Meter에서 측정된 커패시턴스 및 손실 계수 데이터를 확인하고 저장한다.
개념설계안
내용
이론적 계산 및 시뮬레이션
내용
상세설계 내용
내용
결과 및 평가
완료 작품의 소개
프로토타입 사진 혹은 작동 장면
내용
포스터
내용
관련사업비 내역서
내용
완료작품의 평가
내용
향후계획
내용
특허 출원 내용
내용
