CNT-Filled Natural Rubber Based Fibers Fabricated by Wet Spinning for Flexible Strain Sensors

1. 서론

1.1 개발 과제 요약

◇ 천연고무(NR; Natural Rubber)는 천연 유기 고분자로 유연성, 인장 특성, 생체적합성에서 탁월한 성능을 보인다.
◇ 본 연구에서는 NR을 매트릭스로 하는 섬유 가닥 형태로 제작하여 기계적 물성을 측정한다.
◇ 다양한 강화재(CNT, CNF 등)과 NR 용액을 섬유 가닥 형태로 제작하여 기계적 물성과 전기적 물성을 분석한다. 이를 기반으로 스트레인 센서를 제작하여 센서로써의 활용 가능성을 평가한다.

1.2 개발 배경 및 효과

◇ 금속·세라믹 기반의 센서는 유연성이 부족하여 웨어러블 적용에 한계가 있으나, NR 기반 섬유는 친환경적이며 높은 유연성과 가공성을 바탕으로 웨어러블 적용에 적합하다.
◇ CNT와 같은 filler를 활용하면 전기전도성이 향상되어 전기 저항 및 응답 시간 측정에서 우수한 성능을 기대할 수 있다.
◇ wet spinning 공정은 CNT와 같은 filler의 분포와 공극 구조를 제어할 수 있어 장기 안정성 및 열적 안정성 향상에 기여할 수 있다.

이러한 특성은 센서의 일관된 성능 확보와 산업적 확장성을 보장할 수 있어 개발 목표 달성에 효과적이다.

1.3 개발 목표

◇ filler 첨가를 통한 전기적 성능 비교 및 웨어러블 디바이스 적용 가능한 형태 고안

일정 비율의 filler와 혼합한 NR을 응고/건조하여 만들어진 sensor의 저항을 측정한다. 이때, fiber 형태로 뽑아내거나 몰드에 건조하는 등 크기 및 형태를 조절하여 제작한 sensor의 변형률을 측정한다. 형태에 따른 활용 분야를 탐색할 수 있다.

◇ 전기전도성의 최적화

여러 비율의 filler 첨가 후 최대 효율의 전기전도성을 가지는 비율을 찾는다. filler에 따른 전기전도성과 sensor의 물리적 양상을 확인하고, 최적의 비율을 탐색할 수 있다.

◇ 시제품 센서 제작 및 성능 검증

실험을 통해 최적화된 strain sensor의 내구성을 평가하고, 신체 부위에 부착하여 변형률과 저항을 측정한다.

2. 관련 기술의 현황

2.1 State of the Art

◇ 전도성 나노필러(CNT, 그래핀, MXene)와 고신축성 고분자 매트릭스를 정밀하게 복합화한 나노복합소재 기반 센서 기술은, 전자전도 네트워크를 형성함으로써 전기적 민감도와 기계적 신축성을 동시에 극대화하는 방향으로 고도화되고 있다.
◇ 이 기술의 구조 설계 측면에서는 미세균열 제어, 다공성 네트워크, 섬유형 나노구조 등 미세구조 공학적 접근을 통해 변형 감응 특성과 내구성을 향상시키며, 착용 시 안정적 신호 수집이 가능한 유연·신축성 웨어러블 센서로 발전하고 있다.
◇ 또한, 웨어러블 진단 플랫폼 분야에서는 다중 생체신호(심박, 호흡, 근전도 등)의 동시 검출과 AI 기반 신호처리·패턴인식 기술의 융합을 통해, 정밀한 생리 정보 해석 및 실시간 건강 모니터링이 가능한 차세대 스마트 헬스케어 시스템으로 진화하고 있다.

2.2 특허조사

1) - 센서 제작
◇ 나노소재 기반 고감도 고신축성 변형률 센서 및 그 제조방법 (Nanomaterial-based high-sensitivity, highly elastic strain sensor and its manufacturing method) (KR10-2025-0112016A, Korea, 2025, 등록)

본 발명은 나노소재 기반 고감도 고신축성 변형률 센서. 에 관한 것으로, 보다 상세하게는 AgNW와 그래핀 플레이크를 모두 에탄올에 별도로 분산시키고 섀도우 마스크를 통해 Ecoflex 기판에 순차적으로 스프레이 코팅하여 제조되는 것을 특징으로 하는 거의 0에 가까운 열적 크로스토크(THERMAL CROSSTALK)를 갖는 은나노와이어/그래핀 하이브리드 기반의 고감도 및 신축성 변형률 센서에 대한 것이다.[1]

◇ Preparation method of high-sensitivity nanofiber composite bunchy core-spun yarn strain sensor (CN119507090B, China, 2025, 등록)

본 발명은 웨어러블 플렉시블 센서 분야에 속하는 고감도 나노섬유 복합 대나무 마디 심사 변형 센서의 제조 방법을 제공한다. S1을 포함하고, 폴리우레탄을 용매에 용해시켜 방사액을 제조하고, 전기 보조 코어 방사 기술을 통해 나노섬유/견인 필라멘트 복합사를 제조하고, 인장 장치를 사용하여 견인 필라멘트에 변형을 부여한다; S2, 상기 변형 상태의 복합사를, 도전 나노 입자/중합체 묽은 용액에 넣어 침지한다; S3,침지된 복합사를 물에 침지하고, 비용매 유도상 분리에 의해 복합사 표면에 나노 입자/중합체 도전층을 구축한다; S4, 연신 장치를 제거하고, 복합사를 열처리하여, 나노파이버 복합 대나무 마디 심사 센서를 얻는다. 반경 방향 코어 쉘 구조 및 축 방향 요철 구조를 가지며, 본 발명의 센서는 감도가 높고, 0.01N 이하의 응력 검출 한계를 가지며, 또한 우수한 기계적 특성을 갖는다.[2]

2) - 센서 활용 방안
◇ 다중 생체신호 측정을 위한 웨어러블 센싱 장치 및 진단 시스템 (WEARABLE DEVICE AND DIAGNOSTIC SYSTEM FOR SENSING MULTIPLE BODY SIGNALS) (10-2023-0130487A, Korea, 2023, 등록)

본 발명은 피검체의 호흡에 따른 스트랩의 인장력을 통해 변화되는 센싱값을 통해 피검체의 호흡수를 측정하고, 다이아프램을 통해 증폭된 심박음을 통해 피검체의 심박수를 측정할 수 있는 웨어러블 센싱 장치 및 진단 시스템에 관한 것이다. 본 발명은 마주보는 측면에 스트랩이 관통하는 한 쌍의 체결홀이 형성되고, 하부면에 가압홀이 형성되는 상부케이스와, 상기 상부케이스와 결합하고, 내부에 회로기판이 내장되는 하부케이스와 스트레인센서가 부착된 가압프레임을 포함할 수 있다.[3]

◇ STRAIN SENSOR, METHOD OF MANUFACTURING STRAIN SENSOR, AND STRAIN MEASURING METHOD USING STRAIN SENSOR (US2024-0118071A1, USA, 2024, 심사중)

스트레인 센서는 소정의 길이의 제1 섬유와, 전기 전도성과 시트 형상을 갖는 섬유 사 및 제2 섬유의 형상을 갖는 전도성 탄성사를 가질 수 있다. 상기 스트레인 센서는 상기 전도성 탄성사의 양단에 전기적으로 연결되는 한 쌍의 배선부재를 가질 수 있다. 상기 제 2 섬유가 상기 제 1 섬유에 감싸진 상태에서 상기 전도성 탄성사는 코일 형태로 꼬인다.[4]

2.3 특허전략

◇ 1)의 특허를 통해 코팅, 전기 방사 등의 다양한 방식으로 스트레인 센서를 제조하는 방법을 제시하고 있다. 또한 나노 소재(CNT, graphene 등)을 다양한 베이스(폴리우레탄, 은나노와이어 등)에 혼합함으로써 신축성, 전도성, 감도 향상을 목표로 하고 있다. 따라서 현재까지 스트레인 센서 제조 방식에는 정형화된 표준이 존재하지 않으므로 향후 연구를 통해 스트레인 센서 제조 방안에 관한 다양한 조합적 접근에 초점을 맞출 수 있다.
◇ 2)의 특허 및 출원을 통해 스트레인 센서가 다양한 산업 분야(웨어러블 센서, 자동차 산업 등)에서 활용될 수 있음을 시사한다. 특히 출원된 US2024-0118071A1을 통해 코일 형태의 큰 변형율을 감당할 수 있는 스트레인 센서가 필요함을 시사한다. 향후 연구에서 고신축성, 고감도의 스트레인 센서를 제조하는 데 초점을 맞출 수 있다.

3. 개발 과제 기대효과

3.1 기술적 기대효과

◇ 전기전도성 및 감도 향상

최적화된 전도성 네트워크로 전자 이동 경로의 효율의 증진을 기대할 수 있다. 초기 저항이 낮아지고, 변형에 대한 저항 변화율의 증가로 민감도가 향상되고, 응답속도 면에서도 강화되어 빠른 변형에서도 안정적으로 신호 포착이 가능하다.

◇ 공정의 단순화 및 대량생산 용이성

추가적인 강화재 없이 간단한 재료와 공정으로 제작 난이도가 낮은 편이다. filler의 조성을 조절하여 센서의 전기전도성과 감도를 향상시킨다. 연구에서는 추가적인 공정 없이, 간단한 혼합으로 제조가 가능하다. 이로써 생산 공정의 효율성 향상을 기대할 수 있다.

◇ 응용 변화를 통한 기술 확장성

향상된 민감도와 빠른 응답 속도는 의료기기로의 적용만이 아니라 산업용 제어, 교통안전 분야까지 확장될 수 있다. 특히 순간 충격이나 압력 변화를 즉각적으로 감지할 수 있어, 에어백 작동 신호 장치, 충돌 감지 패드, 산업용 로봇의 안전 인터락 시스템 등 다양한 산업 분야에서의 활용을 기대할 수 있다.

3.2 경제·사회적 파급효과

◇ 센서 시장의 진입 장벽 완화 및 경쟁력 강화

단순화된 제조공정으로 센서 산업의 진입 장벽을 완화를 기대할 수 있다. 또한 향상된 전기전도성과 민감도의 센서로써 여타 센서들과의 차별점을 가진 센서를 기대할 수 있다.

◇ 스마트 디바이스 및 웨어러블 기술 시장 확대 기여

피부 접촉이 가능한 천연고무 기반 센서는 인체 동작, 맥박, 관절 움직임 등 다양한 생체신호를 정밀하게 감지할 수 있다[5]. 이를 통해 스마트 헬스케어, 스포츠 트래킹 등 웨어러블 기기의 핵심 부품으로 상용화될 가능성이 높다.

◇ 고감도 전도성 향상 디바이스로 응용 시장의 확대

전기전도성 향상으로 센서의 반응 민감도가 높아짐에 따라, 의료기기 외에도 교통안전·산업용 안전 시스템 등으로 응용이 확대될 수 있다. 특히 충돌·압력 감지를 필요로 하는 에어백 트리거와 같이 스마트 보호장비 등에 적용할 경우, 사고 순간의 미세한 압력 변화를 신속히 감지하여 사고 대응 시간을 최소화할 수 있다.

4. 목표 달성을 위한 실험 방법

4.1 NR composite solution 제작

섬네일을 만드는 중 오류 발생: convert: ../../magick/semaphore.c:346: LockSemaphoreInfo: assertion `semaphore_info != (SemaphoreInfo *) NULL' 실패.
/usr/bin/timeout: the monitored command dumped core
/var/www/capstone/ce/includes/limit.sh: line 101: 3129 중지됨 /usr/bin/timeout $MW_WALL_CLOCK_LIMIT /bin/bash -c "$1" 3>&-

Error code: 134

섬네일을 만드는 중 오류 발생: convert: ../../magick/semaphore.c:346: LockSemaphoreInfo: assertion `semaphore_info != (SemaphoreInfo *) NULL' 실패.
/usr/bin/timeout: the monitored command dumped core
/var/www/capstone/ce/includes/limit.sh: line 101: 3138 중지됨 /usr/bin/timeout $MW_WALL_CLOCK_LIMIT /bin/bash -c "$1" 3>&-

Error code: 134

(용액 조성표 및 설명 전체 삽입)

4.2 응고조(coagulant solution) 제작

4.3 Fiber 제작 과정

(응고액 농도표, 제작방법 전문 삽입)

(제작 과정 전문)

4.4 저항·현미경·UTM·Cycle 실험 방법

실험 장비, 조건, 설정 방법 전문 기재.

LCR meter

Microscopy

UTM

신체 동작 밴딩 측정

5. 개발 과제 핵심 결과

5.1 Natural Rubber 특성

NR 조성표 및 구조 설명 삽입.

섬네일을 만드는 중 오류 발생: convert: ../../magick/semaphore.c:346: LockSemaphoreInfo: assertion `semaphore_info != (SemaphoreInfo *) NULL' 실패.
/usr/bin/timeout: the monitored command dumped core
/var/www/capstone/ce/includes/limit.sh: line 101: 3147 중지됨 /usr/bin/timeout $MW_WALL_CLOCK_LIMIT /bin/bash -c "$1" 3>&-

Error code: 134

5.2 CNT / PEDOT:PSS / CNF의 역할

각 물질의 기능 및 센서 네트워크 형성 기여도 전문 기재.

섬네일을 만드는 중 오류 발생: convert: ../../magick/semaphore.c:346: LockSemaphoreInfo: assertion `semaphore_info != (SemaphoreInfo *) NULL' 실패.
/usr/bin/timeout: the monitored command dumped core
/var/www/capstone/ce/includes/limit.sh: line 101: 3156 중지됨 /usr/bin/timeout $MW_WALL_CLOCK_LIMIT /bin/bash -c "$1" 3>&-

Error code: 134

섬네일을 만드는 중 오류 발생: convert: ../../magick/semaphore.c:346: LockSemaphoreInfo: assertion `semaphore_info != (SemaphoreInfo *) NULL' 실패.
/usr/bin/timeout: the monitored command dumped core
/var/www/capstone/ce/includes/limit.sh: line 101: 3165 중지됨 /usr/bin/timeout $MW_WALL_CLOCK_LIMIT /bin/bash -c "$1" 3>&-

Error code: 134