KR101956998B1 - 고민감도 유연 압력 센서 및 이의 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 고민감도 유연 압력 센서 및 이의 제조 방법이 개시되어 있다. 본 발명의 일 실시예에 다른 압력 센서는 제 1 유연 전극; 상기 제 1 유연 전극에 대향 배치되는 제 2 유연 전극 및 제 1 유연 전극과 상기 제 2 유연 전극 사이에 배치되는 이온성 겔 타입의 유전층을 포함할 수 있다.
Description
본 발명은 압력 센서에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 고민감도 유연 압력 센서 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
압력 센서는 스마트 윈도우, 디스플레이, 보안 시스템, 휴대 전화 및 전자피부(e-skin)와 같은 다양한 장치에 광범위하게 적용되고 있다. 또한, 상기 압력 센서는 사물인터넷(IoT, Internet of Things) 어플리케이션의 응용 소자로서도 큰 관심을 불러일으키고 있다.
최근 웨어러블 디바이스 및 사물 인터넷 어플리케이션의 폭발적인 시장 수요에 따라 상기 압력 센서도 비약적으로 발전을 하여 왔다. 특히 혈압 또는 인간의 터치와 같은 신체에서 발생되는 30 Pa 미만의 낮은 압력을 효율적으로 및 저전력으로 감지하는 기술과, 상기 낮은 압력과 동시에 2 kPa 이상의 높은 압력의 광범위한 압력 변화를 고감도로 감지할 수 있는 기술의 중요성은 더욱 증대되고 있다.
상기 압력 센서는, 터치스크린 기술과 유사하게 저항막 방식과 정전용량 방식으로 크게 구분할 수 있다. 우선 저항막 압력 센서는 압력에 따른 전기 저항의 변화를 기반으로 하고 단순한 구성과 높은 압력 민감도를 갖추고 있으나, 정전용량형 압력 센서보다 훨씬 높은 전력을 소모하고 있어 사물인터넷용으로는 부적합하다. 이와 달리, 상기 정전용량형 압력 센서는 일반적으로 수직으로 적층된 구조를 갖춘 레이아웃으로 소형화가 가능하며, 대략 1 V의 작동 전압을 가져 전력을 적게 소모하고, 빠른 응답시간으로 인해 사물 인터넷용으로서 적합하다. 특히 상기 정전용량 방식은 저항막 방식에 비해 내구성이 우수하고, 외부에서 가해지는 압력의 크기를 단순한 0, 1의 이진 데이터가 아닌, 압력의 강도가 반영된 수치 형태로 감지할 수 있는 점에서 그 활용도를 넓혀가고 있다.
그러나 종래의 정전용량형 압력센서는 무기물 재료 기반의 전극과 유전체를 사용하면 가요성(flexibility)이 떨어지게 되고, 가요성을 위해 엘라스토머 및/또는 겔이 단순히 유연전극 사이에 채워지는 구조로 사용되면 낮은 유전상수에 따라 정전용량의 변화량이 적어 저압에서의 민감도가 상당히 떨어지는 문제점이 있었다.
따라서, 본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는, 유연성이 뛰어난 전극과 축전층의 사용으로 가요성(flexible)이 뛰어나고, 수 Pa부터 수십 kPa까지의 광범위의 외부 압력에 대하여 민감도가 뛰어나며, 낮은 구동 전압을 갖는 유연 압력 센서를 제공하는 것이다.
또한, 본 발명이 해결하고자 하는 다른 기술적 과제는, 상기 이점을 갖는 유연 압력 센서의 제조 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 제 1 유연 전극; 상기 제 1 유연 전극에 대향 배치되는 제 2 유연 전극 및 제 1 유연 전극과 상기 제 2 유연 전극 사이에 배치되는 이온성 겔 타입의 유전층을 포함하는 고민감도 유연 압력 센서를 제공한다. 상기 제 1 유연 전극과, 상기 제 2 유연 전극은 평면형으로 서로 대향 배치될 수 있다. 상기 제 1 유연 전극과 제 2 유연 전극 중 어느 하나의 유연 전극은 코어를 형성하고, 다른 하나는 상기 코어를 둘러쌓는 동심으로 배치되는 실린더형일 수 있다. 상기 유전층은, 구조 형성 폴리머와 이온성 액체를 포함할 수 있다. 상기 유전층은, 상기 구조 형성 폴리머의 중량에 대한 이온성 액체의 중량의 비율이 0.5 내지 1 일 수 있다. 상기 구조 형성 폴리머는, 폴리(비닐리덴 플루오라이드-공-헥사플루오로프로필렌)을 포함할 수 있다. 상기 이온성 액체는, 1-에틸-3-메틸이미다졸리움비스(트리플루오로메틸설포닐)아미드를 포함할 수 있다. 상기 이온성 액체는, 휘발성 성분을 함유하지 않을 수 있다. 상기 유전층의 두께는 5 ㎛ 내지 10 ㎛일 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 상기 유전층의 표면에는 3차원 돌기 구조체들의 어레이를 더 포함하는 고민감도 유연 압력 센서를 제공한다. 상기 3차원 돌기 구조체의 수직 단면은, 유전층의 주표면으로부터 수직 상부 방향으로 갈수록 폭이 좁아지고 하단부는 지지력을 확보할 수 있는 테이퍼 형상을 가질 수 있다. 상기 3차원 돌기 구조체는, 원뿔, 타원뿔, 삼각뿔 및 사각뿔 중 어느 하나의 형상을 가질 수 있다. 상기 3차원 돌기 구조체는, 사각뿔의 형상을 갖고 밑변의 길이가 0 ㎛를 초과하고 5 ㎛ 이하일 수 있다. 상기 제 1 유연 전극 또는 상기 제 2 유연 전극은, 베이스 필름과, 상기 베이스 필름 상에 코팅된 도전성 박막을 포함할 수 있다. 상기 베이스 필름은, 폴리에틸렌테레프탈레이트, 폴리이미드, 폴리메틸메타크릴산 중 어느 하나의 재질을 포함할 수 있다. 상기 도전성 박막은, ITO, IZO, ZnO, 탄소 나노 튜브 중 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면 제 1 유연 전극을 형성하는 단계; 상기 제 1 유연 전극 상에 이온성 겔 타입의 유전층을 형성하는 단계 및 상기 유전층 상에 제 2 유연 전극을 형성하는 단계를 포함하는 고민감도 유연 압력 센서의 제조 방법을 제공한다. 또한 제 1 유연 전극을 형성하는 단계는, 베이스 필름을 준비하는 단계와, 상기 베이스 필름 상에 도전성 박막을 코팅하는 단계를 포함할 수 있다. 상기 베이스 필름은, 폴리에틸렌테레프탈레이트, 폴리이미드, 폴리메틸메타크릴산 중 어느 하나의 재질을 포함할 수 있다. 상기 도전성 박막은, ITO, IZO, ZnO, 탄소 나노 튜브 중 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다. 상기 유전층을 형성하는 단계는, 실리콘 몰드와 이온성 혼합 용액을 준비하는 단계; 상기 이온성 혼합 용액을 실리콘 몰드에 도포하는 단계; 상기 이온성 혼합 용액을 열처리로 겔화하여 유전체를 생성하는 단계 및 상기 유전체를 실리콘 몰드에서 분리시키는 단계를 포함할 수 있다. 상기 유전체를 생성하는 단계 이후, 상기 유전체를 압력 센서의 크기에 맞추어 소정 크기로 커팅하는 단계 및 상기 유전체를 실리콘 몰드에서 분리시키는 단계 이후, 상기 분리된 유전체를 제 1 및 2 유연 전극의 사이에 위치시켜 유전층을 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다. 상기 실리콘 몰드는 이방성 습식 식각공정으로 식각 홈이 형성될 수 있다. 상기 식각 홈은, 원뿔, 타원뿔, 삼각뿔 및 사각뿔 중 어느 하나의 형상을 가질 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 제 1 유연 전극과 상기 제 2 유연 전극 사이에 배치되는 이온성 겔 타입의 유전층을 배치하여 가요성(flexible)이 뛰어나고, 유전층의 형태를 결정하는 구조 형성 폴리머와 상기 구조 형성 폴리머의 기공 사이에 분산되어, 유전층 내부에 트랩되는 이온성 액체로 구성되는 유전층에 의하여 수 Pa부터 수십 kPa까지의 광범위의 외부 압력에 대하여 민감도가 뛰어나며, 낮은 구동 전압을 갖는 유연 압력 센서 소자 및 이의 제조 방법을 제공하는 것이다.
도 1a는 본 발명의 일 실시예에 따른 압력 센서를 도시한 분해 사시도이며, 도 1b는 압력 센서의 동작 원리를 설명하기 위한 단면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 압력 센서를 도시한 단면도이다.
도 3a 는 3차원 돌기 구조체가 없이 플랫한 유전층에 압력이 가해졌을 때의 모습을 도시한 도이고, 도 3b는 3차원 돌기 구조체가 구비된 유전층에 압력이 가해졌을 때의 모습을 도시한 도이다.
도 4a 내지 도 4d는 본 발명의 유전층을 이루는 구조 형성 폴리머와 이온성 액체의 중량비율을 달리하여 측정된 정전 용량 값과 정전 용량의 비를 도시한 그래프이다.
도 5a는 본 발명의 일 실시예에 따른 압력 센서와 레퍼런스 압력 센서의 민감도를 나타내는 그래프이다.
도 5b는 도 5a의 레퍼런스 압력 센서의 특성을 나타내는 표이다.
도 5c는 본 발명의 일 실시예에 의한 압력 센서의 저압에서의 민감도를 나타내는 그래프이다.
도 6은 본 발명에 의한 압력 센서의 다양한 활용도를 나타내는 도이다.
도 7은 본 발명의 고민감도 유연 압력 센서의 제조순서를 나타내는 순서도이다.
도 8 (a)는 도 7에서 웨이퍼 몰드에서 커팅된 유전체를 웨이퍼 몰드에서 벗겨낸(peel off) 모습을 나타낸 사진이고, 도 8 (b)는 웨이퍼 몰드에서 완전히 벗겨낸 유전체를 나타내는 사진이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 압력 센서를 도시한 단면도이다.
도 3a 는 3차원 돌기 구조체가 없이 플랫한 유전층에 압력이 가해졌을 때의 모습을 도시한 도이고, 도 3b는 3차원 돌기 구조체가 구비된 유전층에 압력이 가해졌을 때의 모습을 도시한 도이다.
도 4a 내지 도 4d는 본 발명의 유전층을 이루는 구조 형성 폴리머와 이온성 액체의 중량비율을 달리하여 측정된 정전 용량 값과 정전 용량의 비를 도시한 그래프이다.
도 5a는 본 발명의 일 실시예에 따른 압력 센서와 레퍼런스 압력 센서의 민감도를 나타내는 그래프이다.
도 5b는 도 5a의 레퍼런스 압력 센서의 특성을 나타내는 표이다.
도 5c는 본 발명의 일 실시예에 의한 압력 센서의 저압에서의 민감도를 나타내는 그래프이다.
도 6은 본 발명에 의한 압력 센서의 다양한 활용도를 나타내는 도이다.
도 7은 본 발명의 고민감도 유연 압력 센서의 제조순서를 나타내는 순서도이다.
도 8 (a)는 도 7에서 웨이퍼 몰드에서 커팅된 유전체를 웨이퍼 몰드에서 벗겨낸(peel off) 모습을 나타낸 사진이고, 도 8 (b)는 웨이퍼 몰드에서 완전히 벗겨낸 유전체를 나타내는 사진이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
본 발명의 실시예들은 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이며, 하기 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다. 오히려, 이들 실시예는 본 개시를 더욱 충실하고 완전하게 하고, 당업자에게 본 발명의 사상을 완전하게 전달하기 위하여 제공되는 것이다.
도면에서 동일 부호는 동일한 요소를 지칭한다. 또한, 본 명세서에서 사용된 바와 같이, 용어 "및/또는"은 해당 열거된 항목 중 어느 하나 및 하나 이상의 모든 조합을 포함한다.
본 명세서에서 사용된 용어는 실시예를 설명하기 위하여 사용되며, 본 발명의 범위를 제한하기 위한 것이 아니다. 또한, 본 명세서에서 단수로 기재되어 있다 하더라도, 문맥상 단수를 분명히 지적하는 것이 아니라면, 복수의 형태를 포함할 수 있다. 또한, 본 명세서에서 사용되는 "포함한다(comprise)" 및/또는 "포함하는(comprising)"이란 용어는 언급한 형상들, 숫자, 단계, 동작, 부재, 요소 및/또는 이들 그룹의 존재를 특정하는 것이며, 다른 형상, 숫자, 동작, 부재, 요소 및/또는 그룹들의 존재 또는 부가를 배제하는 것이 아니다.
본 명세서에서 기판 또는 다른 층 "상에(on)" 형성된 층에 대한 언급은 상기 기판 또는 다른 층의 바로 위에 형성된 층을 지칭하거나, 상기 기판 또는 다른 층 상에 형성된 중간 층 또는 중간 층들 상에 형성된 층을 지칭할 수도 있다. 또한, 당해 기술 분야에서 숙련된 자들에게 있어서, 다른 형상에 "인접하여(adjacent)" 배치된 구조 또는 형상은 상기 인접하는 형상에 중첩되거나 하부에 배치되는 부분을 가질 수도 있다.
본 명세서에서, "아래로(below)", "위로(above)", "상부의(upper)", "하부의(lower)", "수평의(horizontal)" 또는 "수직의(vertical)"와 같은 상대적 용어들은, 도면들 상에 도시된 바와 같이, 일 구성 부재, 층 또는 영역들이 다른 구성 부재, 층 또는 영역과 갖는 관계를 기술하기 위하여 사용될 수 있다. 이들 용어들은 도면들에 표시된 방향뿐만 아니라 소자의 다른 방향들도 포괄하는 것임을 이해하여야 한다.
이하에서, 본 발명의 실시예들은 본 발명의 이상적인 실시예들(및 중간 구조들)을 개략적으로 도시하는 단면도들을 참조하여 설명될 것이다. 이들 도면들에 있어서, 예를 들면, 부재들의 크기와 형상은 설명의 편의와 명확성을 위하여 과장될 수 있으며, 실제 구현 시, 도시된 형상의 변형들이 예상될 수 있다. 따라서, 본 발명의 실시예는 본 명세서에 도시된 영역의 특정 형상에 제한된 것으로 해석되어서는 아니 된다. 또한, 도면의 부재들의 참조 부호는 도면 전체에 걸쳐 동일한 부재를 지칭한다.
도 1a는 본 발명의 일 실시예에 따른 압력 센서(1000)를 도시한 분해 사시도이며, 도 1b는 압력 센서(1000)의 동작 원리를 설명하기 위한 단면도이다.
도 1a를 참조하면, 본 발명의 압력 센서(1000)는 제 1 유연 전극(100) 및 제 2 유연 전극(110)을 포함할 수 있다. 제 1 유연 전극(100)과 제 2 유연 전극(110)은 서로 대향 배치될 수 있다. 도 1a는 제 1 유연 전극(100)과 제 2 유연 전극(110)이 평면 형인 것을 예시한다. 그러나 제 1 유연 전극(100)과 제 2 유연 전극(100)은 평면형에 한정되는 것은 아니다. 예를 들면, 제 1 유연 전극(100)과 제 2 유연 전극(100) 중 어느 하나는 코어를 형성하고 다른 하나는 상기 코어를 둘러싸 동심으로 배치되는 실린더형일 수도 있다.
제 1 유연 전극(100)은 탄소 전극, 다공성 금속, 또는 도전성 폴리머 필름과 같은 양호한 기계적 강도와 신축성을 갖는 도전성 재료를 포함할 수 있다. 상기 재료는 예시적이며, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다. 예를 들면, 제 1 유연 전극(100)은, 유연 기판 상에 도전성 재료가 코팅되거나 유연 매트릭스 내에 도전성 재료가 분산되어 도전성을 갖는 여하의 구조체일 수도 있다. 상기 제 1 유연 전극은, 폴리에틸렌테레프탈레이트(poly(ethylene terephthalate) 또는 PET), 폴리이미드(poly PI), 폴리메틸메타크릴산(polymethyl methacrylate, PMMA)와 같은 베이스 필름일 수 있다. 상기 도전성 재료는, 도 2에 도시된 것과 같이, 베이스 필름(101) 상에 코팅된 InSnO2(Indium tin oxide, ITO), IZO, ZnO, 탄소 나노 튜브와 같은 도전성 박막(102)을 포함할 수 있다. 바람직하게는, 제 1 유연 전극(100)은 유연한 PET의 베이스 필름 및 상기 베이스 필름 상에 코팅된 인듐 틴 산화물(Indium tin oxide, ITO)을 포함할 수 있다. 또한 제 2 유연 전극(110)은 제 1 유연 전극(100)과 동종의 재료를 포함하거나 동일한 구조를 가질 수 있다.
제 1 유연 전극(100)과 상기 제 2 유연 전극(110) 사이에는 유전층(200)이 배치될 수 있다. 유전층(200)은 이온성 겔 타입일 수 있다. 일 실시예에서, 상기 이온성 겔 타입의 유전층(200)은, 이온성 혼합 용액을 겔화하여 제조된다. 상기 이온성 혼합 용액은 구조 형성 폴리머와 이온성 액체(ionic liquids)를 포함할 수 있다. 상기 구조 형성 폴리머는 유전층(200)의 형태를 결정하며, 상기 이온성 액체는 상기 구조 형성 폴리머의 기공 사이에 분산되어, 유전층(200) 내부에 트랩됨으로써, 상기 유전층(200)이 안정된 이온성 겔 타입을 가질 수 있도록 한다.
일 실시예에서, 전체 유전층(200) 내의 상기 구조 형성 폴리머의 중량 (WP)에 대한 이온성 액체의 중량 (WL)의 비율(WL/WP)은 0.5 내지 1 의 범위 내이다. 상기 비율(WL/WP)이 0.5 미만인 경우에는, 유전 상수의 감소로 감도 저하가 발생하며, 상기 비율(WL/WP)이 1을 초과하는 경우에는, 유전층(200)이 점탄성 및 점착성을 갖게 되어, 빠른 압력 감지에 적합하지 않게 된다.
일 실시예에서, 상기 이온성 겔 타입의 유전층(200)은 구조 형성 폴리머(structuring polymer)로서 폴리(비닐리덴 플루오라이드-공-헥사플루오로프로필렌)(P(VDF-HFP))와, 이온성 액체로서 1-에틸-3-메틸이미다졸리움비스(트리플루오로메틸설포닐)아미드(1-ethyl-3-methylimidazolium bis(trifluoromethylsulfonyl)amide, EMI:TFSA)를 주요 성분으로 포함할 수 있다. 그러나, 이들 재료는 예시적일 뿐 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.
일 실시예에서, 상기 이온성 액체는 휘발성 성분을 함유하지 않는 것이 바람직하다. 휘발성 성분이 없는 이온성 액체는, 벤딩과 같은 각종 변형과 외력으로부터 유전층(200)의 형태가 변형되지 않고 장시간 탄성을 보존할 뿐만 아니라 이온성 혼합 용액을 유전층(200) 내에 안정적으로 유지함으로써, 압력 센서(1000)의 수명을 연장하고, 높은 압력 범위에서 센싱을 가능하게 할 수 있다. 상기 예시된 EMI:TFSA는 대표적인 휘발성 성분을 갖지 않는 이온성 액체로서, 본 발명의 실시예에 따르면, 장수명을 확보하면서도 높은 압력을 감지할 수 있는 유연 압력 센서(1000)가 제공될 수 있다.
또한, 효과적으로 압력을 감지를 위해서는 압력에 따른 센서의 빠른 응답속도와 짧은 이온 이완 시간이 요구될 수 있다. 본 발명의 유전층(200)에 적용되는 P(VDF-HFP)의 구조 형성 폴리머는 유리질(glassy)이어서 저압에서의 변형이 상당히 떨어질 수 있다. 그러나 본 발명의 실시예에 따르면, 이온성 액체, 예를 들면, EMI:TFSA를 구조 형성 폴리머 내에 분산시킴으로써 저압에서도 고탄성을 확보하여 저압에서도 압력 측정이 가능한 압력 센서를 제공할 수 있다.
또한, 상기 이온성 액체는 이온쌍을 포함하고, 유전층(200) 내에 상기 이온쌍이 분산된 고분자 복합 폴리머인 이온성 겔을 형성하므로, 유연 전극(100, 110)과의 계면에 나노 미터 스케일의 두께를 갖는 전기 이중층(EDL, electrical double layer)을 형성하여, 후술하는 바와 같이 5 F/cm2 이상의 높은 정전 용량을 가질 수 있다. 이러한 높은 정전 용량은 고감도의 압력 센서를 제공하는 기초가 될 수 있다. 따라서. 본 발명의 실시예에 따른 압력 센서(1000)는 고압과 저압의 넓은 압력 범위에 걸쳐서 고감도를 갖는 압력 센서를 제공할 수 있다.
도 1b를 참조하면, 제 1 및 2 유연 전극(100, 110)에 각각 일정하고 서로 다른 레벨의 전압 V1, V2이 인가되고, 유전층(200)의 유전율과 전극들(100, 110) 사이의 거리(d)에 의해 수학식 1과 같이 결정되는 정전 용량 C가 제 1 및 2 유연 전극(100, 110) 사이에서 결정된다.
[수학식 1]
C=ε*A*d-1
C : 제 1 및 2 유연 전극들(100, 110) 사이의 정전용량
A : 제 1 및 2 유연 전극(100, 110)의 대향 면적
d : 제 1 및 2 유연 전극(100, 110) 사이의 거리
ε : 유전층(200)의 유전율
수학식 1에 나타낸 바와 같이, 유전층(200)이 갖는 정전 용량(C)은 제 1 및 2 유연 전극(100, 110) 사이의 대향 면적(A)과 거리(d), 및 유전층(200)의 유전율(ε)에 의하여 결정된다.
여기서, 유전층(200)의 유전율(ε)과 제 1 및 2 유연 전극(100, 110) 사이의 대향 면적(A)은 압력 센서가 제조된 이후에는 변하지 않으므로, 압력에 따른 정전 용량(C)의 변화는 제 1 및 2 유연 전극(100, 110) 사이의 거리(d)에 의해서 결정될 수 있다. 일 실시예에서, 저전압 및 고전압 영역에서 고감도를 갖기 위한 유전층(200)의 두께(d)는 5 ㎛ 내지 10 ㎛일 수 있다. 유전층(200)의 두께가 5 ㎛ 미만인 경우에는, 정전 용량은 증가하지만 측정 값이 변형에 의해 빠르게 포화되어 넓은 고압 측정 범위를 얻기 어려운 문제점이 있으며, 유전층(200)의 두께가 10 ㎛를 초과하는 경우에는, 정전 용량이 감소하여 감도가 저하될 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 압력 센서를 도시한 단면도이고, 도 3a 는 3차원 돌기 구조체가 없이 플랫한 유전층에 압력이 가해졌을 때의 모습을 도시한 도이고, 도 3b는 3차원 돌기 구조체가 구비된 유전층에 압력이 가해졌을 때의 모습을 도시한 도이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예로서, 유전층(200)의 표면에는 3차원 돌기 구조체(210)들의 어레이를 포함할 수 있다. 3차원 돌기 구조체(210)들의 수직 단면은 유전층(200)의 주표면으로부터 수직 상부 방향으로 갈수록 폭이 좁아지고 하단부는 지지력을 확보할 수 있는 테이퍼 형상을 가질 수 있다. 예를 들면, 테이퍼 형상의 3차원 돌기 구조체(210)는, 원뿔, 타원뿔, 또는 삼각뿔 또는 사각뿔과 같은 각뿔 형상을 가질 수 있다. 그러나, 도 2에 구조체(210)의 형상은 피라미드 형태인 사각뿔로 도시되었으나 예시적일 뿐 본 발명은 이에 한정되지 않는다. 또한 3차원 돌기 구조체(210)들은, 외부의 압력에 대하여 변위(displacement)와 변형(deformation)되도록 탄성을 가질 수 있다.
도 3a를 참조하면, 상기 제1 및 2 유연전극(100, 110) 사이에 3차원 돌기 구조체(210)가 없이 플랫한 유전층(200)이 위치된 경우, 압력 센서(1000)에 가압체에 의한 눌림 압력이 가해짐에 따라, 가요성(flexible)을 갖는 유연 전극의 일부가 변형되어 유전층(200)을 압박하게 되고, 이에 가압체의 너비에 대응되는 넓은 범위에 대하여 유전층(200)에 변형(deformation)이 일어나게 된다. 이렇게 압력에 의해 변형된 부분에서 제 1 및 2 유연 연극(100, 110) 사이의 거리가 줄어들고 정전 용량이 증가함으로써 압력 센서 전체의 정전용량이 변화될 수 있다.
또한 도시되지 않았으나, 제 1 및 2 유연 연극(100, 110) 중 적어도 하나는 감지 회로를 포함하는 회로부에 연결될 수 있고, 상기 회로부에서는 제 1 및 2 유연 연극(100, 110) 사이의 정전 용량의 변화를 감지할 수 있다. 예를 들면, 상기 회로부는 제 1 및 2 유연 연극(100, 110)에 각각 인가된 전압의 변화를 측정함으로써 압력에 따른 정전 용량의 변화를 감지할 수 있다.
일 실시예에 따라, 도 3b를 참조하면, 유전층(200)에 형성된 각각의 3차원 돌기 구조체(210)들은 길이가 수백 마이크로미터의 밑판을 가지고, 이에 연장하여 직경이 수백 나노미터로 가늘어지는 뽀족한 탑을 갖는다. 바람직하게는 상기 구조체(210)는 밑면이 사각형인 베이스를 가지며, 피라미드 형상으로 형성된 사각뿔 구조체일 수 있다. 즉, 본 실시예에 의한 유전층(200)은 사각뿔 형상의 3차원 돌기 구조체(210)가 구비된 이온성 겔(Micropatterned Pyramidal Ionic Gels, MPIGs) 타입의 유전층일 수 있다.
또한 일 실시예에 따라, 3차원 돌기 구조체(210)는 사각뿔 구조체의 형상을 갖고 밑변의 길이가 0 ㎛ 초과 5 ㎛ 이하의 범위 내이다. 3차원 돌기 구조체(210)의 밑변에 길이가 5 ㎛를 초과하는 경우 정전 용량이 감소하여 감도가 저하될 수 있다.
즉, 플랫한 유전층과 달리 본 실시예에 의한 유전층(200)의 일면에는 사각뿔 형상을 갖는 복수개의 3차원 돌기 구조체(210)가 규칙적으로 배열되므로, 작은 압력에도 제 1 및 2 유연 전극(100, 110) 사이의 거리가 크게 변화될 수 있다. 특히, 압력이 직접적으로 가해지는 3차원 돌기 구조체(210)의 단부에 변위(displacement)되는 부분과 변형(deformation)이 일어나는 부분이 동시에 일어남에 따라, 변위가 없이 변형만 일어나는 플랫한 유전층에 비하여 변형되는 부분이 현저히 감소하므로, 미세한 압력에도 제 1 및 2 유연 전극(100, 110) 사이의 거리에 큰 변화가 발생하게 된다. 이에 본 실시예에서의 사각뿔 형상을 갖는 복수개의 3차원 돌기 구조체(210)가 규칙적으로 배열된 유전층(200)은 저압에 대한 민감도가 현저히 향상 될 수 있다.
도 4a는 3차원 돌기 구조체(210)가 없는 유전층(200)에서 유전층(200)을 이루는 구조 형성 폴리머와 이온성 액체의 중량비율을 달리하여 측정된 정전 용량 값을 도시한 그래프이다. 도 4b는 3차원 돌기 구조체(210)들의 어레이가 구비된 유전층(200)에서 유전층(200)을 이루는 구조 형성 폴리머와 이온성 액체의 중량비율을 달리하여 측정된 정전 용량 값을 도시한 그래프이고, 도 4c는 3차원 돌기 구조체(210)가 없는 유전층(200)이 구비된 압력 센서의 정전 용량 값과, 3차원 돌기 구조체(210)들의 어레이가 구비된 유전층(200)이 구비된 압력 센서의 정전 용량 값을 비교한 그래프이다.
이 경우 이온성 겔 타입의 유전층(200)을 이루는 구조 형성 폴리머와 이온성 액체에서 이온성 액체가 50 중량%를 초과하는 경우 유전층은 점탄성 및 점착성이 강하여 빠른 압력감지의 요구에는 적합하지 않아 실험에서 제외하였다.
도 4a를 참조하면, 전체 유전층(200) 내의 상기 구조 형성 폴리머의 중량(WP)에 대한 이온성 액체의 중량(WL)의 비율(WL/WP)은 상술한 바와 같이 0.5 내지 1 의 범위와 100 Hz 주파수 범위 내에서 1 F/cm2 이상의 바람직한 정전 용량 값을 나타냄을 알 수 있다.
도 4b를 참조하면, 3차원 돌기 구조체(210)들의 어레이가 구비된 유전층(200)에서는 3차원 돌기 구조체(210) 사이에 형성된 빈 공간으로 인하여 3차원 돌기 구조체(210)가 구비되지 않은 유전층(200) 보다 상대적으로 낮은 정전용량 값을 나타낸다. 또한 전체 유전층(200) 내의 상기 구조 형성 폴리머의 중량(WP)에 대한 이온성 액체의 중량(WL)의 비율(WL/WP)은 상술한 바와 같이 0.5 내지 1 의 범위 내에서 모두 0.1 F/cm2 미만으로 3차원 돌기 구조체(210)가 구비되지 않은 유전층(200) 보다 낮은 수치를 나타낸다.
도 4c를 참조하면, 3차원 돌기 구조체(210)가 없는 유전층(200)이 구비된 압력 센서의 정전 용량 값(Cflat)과, 3차원 돌기 구조체(210)들의 어레이를 포함하는 유전층(200)이 구비된 압력 센서의 정전 용량 값(Cpyramid)의 비(Cflat / Cpyramid)는 이온성 액체가 45 중량%일 때 전체적인 범위에서 가장 크게 나타내며, 1 kHz 이하에서는 103이상의 값을 나타낸다.
도 4d를 참조하면, 특히 주파수 20 Hz의 압력 진동에서는 상기 정전용량 비(Cflat / Cpyramid)이 이온성 액체가 45 중량%일 때, 즉 구조 형성 폴리머의 중량(WP)에 대한 이온성 액체의 중량(WL)의 비율(WL/WP)이 0.82인 경우 1100의 가장 큰 값을 얻을 수 있었으며, 상기 중량 비율(WL/WP)이 0.82의 주변 범위에서 상기 정전용량 비(Cflat / Cpyramid)는 103 이상인 향상한 값을 나타내었다.
도 5a는 3차원 돌기 구조체(210)들의 어레이를 포함하고, 구조 형성 폴리머의 중량(WP)에 대한 이온성 액체의 중량(WL)의 비율(WL/WP)이 0.82인 유전층(200)이 구비된 압력 센서와 레퍼런스 압력 센서들의 민감도를 비교한 그래프이다. 도 5b는 도 5a에 레퍼런스 압력 센서의 특성을 도시한 표이다. 도 5c는 도 5a에 적용된 압력 센서의 저압 영역에서에 민감도를 나타낸 그래프이다.
압력 센서의 민감도는 수학식 2와 같이 정의 될 수 있다.
[수학식 2]
S = δ(△C/C0)/δp
S : 민감도
p : 압력 센서에 가해진 압력
C0 : 초기 정전용량
C : 압력이 가해졌을 때의 정전용량
도 5a를 참조하면, 3차원 돌기 구조체(210)들의 어레이를 포함하고, 구조 형성 폴리머의 중량(WP)에 대한 이온성 액체의 중량(WL)의 비율(WL/WP)이 0.82인 유전층(200)이 구비된 압력 센서는 레퍼런스 압력 센서에 비하여 높은 민감도를 나타냈으며, 5 kPa 이하에서는 13.2 kPa-1의 감도가 얻어졌고, 10 kPa까지는 8.6kPa-1로 감소하였으며, 50 kPa에서는 2 kPa-1로 양호한 민감도를 나타내었다. 즉 저압에서의
도 5c를 참조하면, 특히, 0.4 kPa 미만의 저압영역에서 측정된 민감도는 약 41 kPa-1로 상당히 높은 수준을 나타냈다. 즉 본 실시예에 의한 압력 센서(1000)는 저압에서의 센서의 민감도가 현저히 높음이 관찰되었다. 즉 본 발명에 의한 압력 센서(1000)는 단일 센서로서, 1 내지 50 kPa의 넓은 압력 범위에서 센싱을 가능한 동시에 저압 영역에서 높은 수준의 민감도를 보여주고 있다.
도 6a 내지 도 6g는 본 발명에 의한 압력 센서(1000)의 다양한 활용도를 나타내는 도이다.
도 6a를 참조하면, 본 발명에 의한 압력 센서(1000)는 저전압으로 구동되며 광범위한 압력을 효율적으로 감지 할 수 있음은 상술한 바와 같다. 이에 압력 센서(1000)는 다양한 활용도를 가질 수 있다. 즉 압력 센서(1000)는 도 6b에서 30 Pa 이하의 저압으로 울리는 스피커 또는 사람의 음성의 감지, 도 6c에서 4 Pa 의 무게 감지, 도 6d 및 도 6e에서 4 kPa (35 mmHg)의 경정맥 맥박(jugular venous pressure, JVP)에 감지, 도 6f에서 10 kPa 미만의 인간의 손가락 터치의 감지, 그리고 도 6g에서 25 kPa 이하의 손가락 움직임의 감지와 같이, 수 Pa에서 수십 kPa의 압력 범위 내에서 감지가 가능하다. 이러한 압력 센서(1000)는 단일 장치 플랫폼으로 헬스 모니터링 장치에 적용될 수 있으며, 이는 사물인터넷(IoT, Internet of Things) 어플리케이션의 응용 소자로써 적합함을 나타낸다.
예를 들면 도 6b에서 스피커에서 발생하는 수 Pa 수준의 사운드 펄스(80 내지 100 dB)에 미묘한 압력 변화는 상기 스피커 일측에 위치되는 압력 센서(1000)의 정전 용량에서 그 변화가 감지되었다. 또한 도 6c에서 압력 센서(1000)의 표면에 약 30 mg의 꽃을 떨어뜨렸을 때 압력 센서(1000)의 정전 용량에 변화가 성공적으로 감지되었다.
또한 도 6d에서 압력 센서(1000)를 이용한 4 kPa (35 mmHg)의 경정맥 맥박의 감지에서는 우심방 수축따른 압력증가(A), 좌심방의 수축에 따른 압력증가(C), 삼첨판(tricuspid)의 이완에 따른 압력 감소(X), 삼첨판 막이 닫히고 정맥 내 막힘에 의한 혈액 압력 증가(V)와, 삼첨판 막이 열리면서 우심실로 혈액이 채워지는 압력의 감소(Y)와 같이 경정맥 맥박의 특성 패턴이 모두 감지되어 명확하게 구별됨을 나타내고 있다.
도 6e에서 압력 센서(1000)를 이용한 노동맥(radial artery)의 맥박에 감지에서는 압력의 변화에 따른 정전 용량값의 변화로 첫 번째 펄스(P1)의 피크 시간과 두 번째 펄스(P2)의 피크시간을 측정할 수 있었다.
도 6f 내지 도 6g에서도 마찬가지로 손가락의 터치에 대한 감지와 손가락의 구부림에 대한 감지에서 압력 센서(1000)를 활용하여 명확하게 구별할 수 있었다. 특히 본 발명의 압력 센서(1000)는 가요성(flexible)에 따라 손가락에 동그랗게 부착될 수 있어 더욱 정확한 감지가 가능하였다.
이하, 본 발명에 의한 고민감도 유연 압력 센서의 제조 방법에 대하여 도 7 내지 도 8을 참조하여 설명하기로 한다.
도 7은 본 발명의 고민감도 유연 압력 센서의 제조순서를 나타내는 순서도이다. 도 8 (a)는 도 7에서 웨이퍼 몰드에서 커팅된 유전체를 웨이퍼 몰드에서 벗겨낸(peel off) 모습을 나타낸 사진이고, 도 8 (b)는 웨이퍼 몰드에서 완전히 벗겨낸 유전체를 나타내는 사진이다.
도 7을 참조하면, 일 실시예에 따라 고민감도 유연 압력 센서의 제조 방법은 제 1 유연 전극(100)을 형성하는 단계와, 상기 제 1 유연 전극(100) 상에 이온성 겔 타입의 유전층(200)을 형성하는 단계 및 상기 유전층(200) 상에 제 2 유연 전극(110)을 형성하는 단계를 포함한다.
제 1 유연 전극(100)을 형성하는 단계는 폴리에틸렌테레프탈레이트(poly(ethylene terephthalate) 또는 PET), 폴리이미드(poly PI), 폴리메틸메타크릴산(polymethyl methacrylate, PMMA)와 같은 베이스 필름(101)을 준비하는 단계 및 상기 베이스 필름 상에 InSnO2(Indium tin oxide, ITO), IZO, ZnO, 탄소 나노 튜브와 같은 도전성 박막(102)을 코팅하는 단계를 포함할 수 있다. 바람직하게는 제 1 유연 전극(100)은 유연한 PET의 베이스 필름(101)을 준비하는 단계 및 상기 베이스 필름(101) 상에 코팅된 인듐 틴 산화물(Indium tin oxide, ITO)이 증착되는 도전성 박막(102)을 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
제 1 유연 전극(100) 상에 이온성 겔 타입의 유전층(200)을 형성하는 단계에서는 실리콘 몰드와 이온성 혼합 용액을 준비하는 단계와, 상기 이온성 혼합 용액을 실리콘 몰드에 도포하는 단계와, 상기 이온성 혼합 용액을 열처리(annealing)로 겔화하여 유전체를 생성하는 단계 및 상기 유전체를 실리콘 몰드에서 분리시키는 단계를 포함한다. 이 경우 도 8을 참조하면, 상기 유전체를 생성하는 단계 이후 상기 유전체를 압력 센서의 크기에 맞추어 소정 크기로 커팅하는 단계 및 상기 실리콘 몰드에서 분리된 유전체를 제 1 및 2 유연 전극(100, 110)의 사이에 위치시켜 유전층(200)을 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다.
이 경우 상기 실리콘 몰드는 일예로 이방성 습식 식각공정으로 홈이 형성된 실리콘 몰드(an anisotropically wet-etched silicon mold)일 수 있다. 이에 상기 식각 홈에 혼합 용액이 채워진 후 열처리 과정을 통하여 유전체의 표면에 3차원 돌기 구조체(210)가 형성될 수 있는 것이다. 이 경우 상기 실리콘 몰드의 식각 홈은 표면에서 깊이 방향으로 폭이 좁아지도록 형성될 수 있다. 3차원 돌기 구조체(210)는 실리콘 몰드에 형성된 식각 홈의 형상에 대응되는 것으로, 상기 식각 홈은 뽀족한 원뿔, 또는 사각뿔, 삼각뿔 등의 다각뿔 형상을 가질 수 있도록 형성될 수 있다. 또한 도면 전반에 걸쳐 상기 식각 홈은 사각뿔 형태의 홈으로 도시되었으나 본 발명은 이에 한정되지 않는다.
또한 상기 이온성 혼합 용액은 구조 형성 폴리머와 이온성 액체를 포함할 수 있다. 상기 구조 형성 폴리머는 유전체의 형태를 결정하며, 상기 이온성 액체는 상기 구조 형성 폴리머의 기공 사이에 분산되어, 유전체 내부에 트랩됨으로써, 상기 유전층(200)이 안정된 이온성 겔 타입을 가질 수 있도록 한다.
일 실시예에서, 상기 이온성 겔 타입의 유전체는 구조 형성 폴리머(structuring polymer)로서 폴리(비닐리덴 플루오라이드-공-헥사플루오로프로필렌)(P(VDF-HFP))와, 이온성 액체로서 1-에틸-3-메틸이미다졸리움비스(트리플루오로메틸설포닐)아미드(1-ethyl-3-methylimidazolium bis(trifluoromethylsulfonyl)amide, EMI:TFSA)를 주요 성분으로 포함할 수 있다. 그러나, 이들 재료는 예시적일 뿐 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.
또한 일 실시예에서, 상기 이온성 액체는 휘발성 성분을 함유하지 않는 것이 바람직하다. 휘발성 성분이 없는 이온성 액체는, 벤딩과 같은 각종 변형과 외력으로부터 유전체의 형태가 변형되지 않고 장시간 탄성을 보존할 뿐만 아니라 이온성 혼합 용액을 유전체 내에 안정적으로 유지하게 한다.
이상에서 설명한 본 발명이 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것은, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.
100 : 제 1 유연 전극
110 : 제 2 유연 전극
200 : 유전층
210 : 3차원 돌기 구조체
110 : 제 2 유연 전극
200 : 유전층
210 : 3차원 돌기 구조체
Claims (25)
- 제 1 유연 전극;
상기 제 1 유연 전극에 대향 배치되는 제 2 유연 전극; 및
제 1 유연 전극과 상기 제 2 유연 전극 사이에 연속된 단일막으로 배치되는 이온성 겔 타입의 유전층을 포함하며,
상기 유전층은,
기공을 갖는 구조 형성 폴리머 및
상기 구조 형성 폴리머의 상기 기공 내에 트랩된 이온성 액체를 포함하며,
상기 제 1 유연 전극 또는 상기 제 2 유연 전극에 압력을 인가시 상기 연속된 단일막 형태의 상기 유전층의 두께 변화에 따른 정전 용량의 변화를 감지하고,
상기 구조 형성 폴리머의 중량에 대한 상기 이온성 액체의 중량의 비율이 0.5 내지 1 인 고민감도 유연 압력 센서. - 청구항 1에 있어서,
상기 제 1 유연 전극과 상기 제 2 유연 전극은 평면형으로 서로 대향 배치되는 고민감도 유연 압력 센서. - 청구항 1에 있어서,
상기 제 1 유연 전극과 제 2 유연 전극 중 어느 하나의 유연 전극은 코어를 형성하고, 다른 하나는 상기 코어를 둘러쌓는 동심으로 배치되는 실린더형인 고민감도 유연 압력 센서. - 삭제
- 삭제
- 청구항 1에 있어서,
상기 구조 형성 폴리머는, 폴리(비닐리덴 플루오라이드-공-헥사플루오로프로필렌)을 포함하는 고민감도 유연 압력 센서. - 청구항 1에 있어서,
상기 이온성 액체는, 1-에틸-3-메틸이미다졸리움비스(트리플루오로메틸설포닐)아미드를 포함하는 고민감도 유연 압력 센서. - 청구항 1에 있어서,
상기 이온성 액체는, 휘발성 성분을 함유하지 않는 고민감도 유연 압력 센서. - 청구항 1에 있어서, 상기 유전층의 두께는 5 ㎛ 내지 10 ㎛인 고민감도 유연 압력 센서.
- 청구항 1에 있어서,
상기 유전층의 표면에는 3차원 돌기 구조체들의 어레이를 포함하는 고민감도 유연 압력 센서. - 청구항 10에 있어서,
상기 3차원 돌기 구조체의 수직 단면은, 유전층의 주표면으로부터 수직 상부 방향으로 갈수록 폭이 좁아지고 하단부는 지지력을 확보할 수 있는 테이퍼 형상을 가지는 고민감도 유연 압력 센서. - 청구항 11에 있어서,
상기 3차원 돌기 구조체는, 원뿔, 타원뿔, 삼각뿔 및 사각뿔 중 어느 하나의 형상을 갖는 고민감도 유연 압력 센서. - 청구항 11에 있어서,
상기 3차원 돌기 구조체는, 사각뿔의 형상을 갖고 밑변의 길이가 0 ㎛를 초과하고 5 ㎛이하인 고민감도 유연 압력 센서. - 청구항 13에 있어서,
상기 유전층은,
상기 구조 형성 폴리머의 중량에 대한 상기 이온성 액체의 중량의 비율이 0.82 인 고민감도 유연 압력 센서. - 청구항 1에 있어서,
상기 제 1 유연 전극 및 상기 제 2 유연 전극 중 적어도 어느 하나는,
베이스 필름; 및
상기 베이스 필름 상에 코팅된 도전성 박막을 포함하는 고민감도 유연 압력 센서. - 청구항 15에 있어서,
상기 베이스 필름은, 폴리에틸렌테레프탈레이트, 폴리이미드, 폴리메틸메타크릴산 중 어느 하나의 재료를 포함하는 고민감도 유연 압력 센서. - 청구항 16에 있어서,
상기 도전성 박막은, ITO, IZO, ZnO, 및 탄소 나노 튜브 중 선택된 1종 이상을 포함하는 고민감도 유연 압력 센서. - 제 1 유연 전극을 형성하는 단계;
상기 제 1 유연 전극 상에 이온성 겔 타입의 유전층을 연속된 단일막으로 형성하는 단계; 및
상기 유전층 상에 제 2 유연 전극을 형성하는 단계를 포함하며,
상기 유전층은,
기공을 갖는 구조 형성 폴리머 및
상기 구조 형성 폴리머의 상기 기공 내에 트랩된 이온성 액체를 포함하며,
상기 제 1 유연 전극 또는 상기 제 2 유연 전극에 압력을 인가시 상기 연속된 단일막 형태의 상기 유전층의 두께 변화에 따른 정전 용량의 변화를 감지하고,
상기 구조 형성 폴리머의 중량에 대한 상기 이온성 액체의 중량의 비율이 0.5 내지 1 인 고민감도 유연 압력 센서의 제조 방법. - 청구항 18에 있어서,
상기 제 1 유연 전극을 형성하는 단계는,
베이스 필름을 준비하는 단계; 및
상기 베이스 필름 상에 도전성 박막을 코팅하는 단계를 포함하는 고민감도 유연 압력 센서의 제조 방법. - 청구항 19에 있어서,
상기 베이스 필름은, 폴리에틸렌테레프탈레이트, 폴리이미드, 폴리메틸메타크릴산 중 어느 하나의 재질을 포함하는 고민감도 유연 압력 센서의 제조 방법. - 청구항 19에 있어서,
상기 도전성 박막은, ITO, IZO, ZnO, 탄소 나노 튜브 중 선택된 1종 이상을 포함하는 고민감도 유연 압력 센서의 제조 방법. - 청구항 18에 있어서,
상기 유전층을 형성하는 단계는,
실리콘 몰드와 이온성 혼합 용액을 준비하는 단계;
상기 이온성 혼합 용액을 실리콘 몰드에 도포하는 단계;
상기 이온성 혼합 용액을 열처리로 겔화하여 유전체를 생성하는 단계 및
상기 유전체를 실리콘 몰드에서 분리시키는 단계
를 포함하는 고민감도 유연 압력 센서의 제조 방법. - 청구항 22에 있어서,
상기 유전체를 생성하는 단계 이후, 상기 유전체를 압력 센서의 크기에 맞추어 커팅하는 단계 및
상기 유전체를 실리콘 몰드에서 분리시키는 단계 이후, 상기 분리된 유전체를 제 1 및 2 유연 전극의 사이에 위치시켜 유전층을 형성하는 단계를 더 포함하는 고민감도 유연 압력 센서의 제조 방법. - 청구항 22에 있어서,
상기 실리콘 몰드는 이방성 습식 식각공정으로 식각 홈이 형성되는 고민감도 유연 압력 센서의 제조 방법. - 청구항 24에 있어서,
상기 식각 홈은, 원뿔, 타원뿔, 삼각뿔 및 사각뿔 중 어느 하나의 형상을 갖는 고민감도 유연 압력 센서의 제조 방법.
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