KR20200020429A - 픽셀형 압력센서 및 그의 제조방법 - Google Patents

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KR20200020429A KR1020180096134A KR20180096134A KR20200020429A KR 20200020429 A KR20200020429 A KR 20200020429A KR 1020180096134 A KR1020180096134 A KR 1020180096134A KR 20180096134 A KR20180096134 A KR 20180096134A KR 20200020429 A KR20200020429 A KR 20200020429A
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Abstract

본 발명은 제1 기판 상에 위치하고, 소정의 간격을 갖는 다수의 제1 금속패턴을 포함하는 제1 전극; 제2 기판 상에 위치하고, 소정의 간격을 갖는 다수의 제2 금속패턴을 포함하는 제2 전극; 및 상기 제1 금속패턴 및 제2 금속패턴 사이에 위치하고, 소정의 간격을 가지고 있고, 다수의 관통홀을 포함하는 절연층;을 포함하고, 상기 제1 금속패턴이 제1 기판의 일단과 타단을 연결하고, 상기 제2 금속패턴이 제1 금속패턴에 대하여 수직 방향으로 제2 기판의 일단과 타단을 연결하고, 상기 다수의 관통홀이 제1 금속패턴 및 제2 금속패턴 상에 위치하는 것인, 압력센서를 제공한다. 본 발명의 압력센서는 픽셀화한 전극층 사이에 픽셀 위치에 구멍이 있는 절연층을 포함함으로써, 압력 인가시에만 상부 및 하부 전극을 통전시켜, 압력 인가 시 주위 픽셀이 함께 반응하는 신호의 기계적 간섭 줄이고, 삽입된 중간층이 픽셀간에 절연시켜 선택적으로 감지가 가능하다. 또한, 본 발명의 압력센서는 절연층의 소재 및 두께를 조절하고, 절연층에 포함된 구멍의 크기 조절을 통해 압력 인지 범위를 조절할 수 있다. 또한, 본 발명의 압력센서는 간단한 공정으로 제조되며, 단순한 구조를 가지고 있으며, 플렉서블하고, 웨어러블하여 전자소자 및 로봇 전자 피부에 응용할 수 있다.

Description

픽셀형 압력센서 및 그의 제조방법{PIXEL-TYPE PRESSURE SENSOR AND METHOD FOR PREPARING THE SAME}
본 발명은 픽셀형 압력센서 및 그의 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 픽셀화한 전극층 사이에 구멍이 있는 절연층을 포함하는 압력센서 및 그의 제조방법에 관한 것이다.
최근 들어 터치 입력 방식이 도입된 휴대용 단말기나 디스플레이의 상용화, 대중화로 인해 압력 센서의 활용의 범위가 넓어지고 있다. 이러한 터치 기반의 압력센서는 전자 기기뿐만 아니라, 외부 환경에나 자극을 측정하고 대응할 수 있는 로봇 개발에도 적용 가능한 기술로서 주목 받고 있다. 유비쿼터스 (Ubiquitous) 환경에 대한 관심 증대와 휴머노이드 로봇 기술의 발전으로 인하여 일차원적인 명령을 받아서 반복적으로 시행하는 단순한 공정 로봇을 넘어, 복잡하고 유동적인 환경이나 외부의 자극에 스스로 반응하고 대처하는 로봇에 대한 관심이 증가하고 있다. 이러한 로봇은 외부의 자극이나 환경의 변화에 스스로 대응하기 위해서 로봇 표면에 장착된 촉각 압력 센서 시스템 (Tactile pressure sensing system)을 통하여 외부의 자극이나 환경의 변화를 전기적 신호로 변환시켜 사용자의 명령과 함께 자발적/유동적으로 반응하여야 한다.
또한, 유연 소자 기반의 압력 센서는 감성형 전자기기, 휴머노이드 로봇뿐만 아니라 신체 활동 및 규칙적인 스포츠 활동을 관리해주는 센서 시스템으로도 적용될 수 있다. 유연 소자 기반의 초민감 압력 센서는 사람 피부를 통한 혈류 맥파 (heart pulse wave)를 측정하거나, 압력센서를 신발 밑창에 부착하여 사람의 걸음 걸이나 습관 등의 데이터를 수집하는 웨어러블 센서 시스템으로도 사용될 수 있다. 이러한 웨어러블 센서 시스템이 구축하기 위해서는 센서 기본 유닛 부분의 휘어짐 및 복원력이 우수하고, 기계적 유연성 및 안정성이 뛰어난 센서의 개발이 요구된다.
실리콘 기반의 고체형 MEMS 기반의 압력 소자는 높은 정확도를 가질 수 있지만, 취성 재료로서 유연성이 없고 깨지기가 쉬워 다양한 표면이나 유연한 표면에 적용 시킬 수 없다. 따라서, 기계적 유연성이 뛰어난 새로의 형태의 유연 전자 소자(Flexible electronic devices)를 개발하기 위해, 실리콘 기반 대신 폴리 피롤 (Polypyrrole), PEDOT:PSS, 폴리어닐린 (Polyanilne)등의 전도성 고분자나 그래핀 (Graphene), 탄소 나노 튜브 (CNT)나 금속 나노 입자 (Metal nanoparticle), 또는 금속 나노선 (Metal nanowire) 등의 여러 나노 구조 재료가 주목을 받고 있다. 특히 탄소나노튜브는 기존의 ITO를 대체 할 수 있는 우수한 광 투과성과 전도성을 가지며, 화학적인 안정성과 기계적 특성이 우수할 뿐만 아니라 최근에는 합성 기술의 발달로 인해 대량 합성이 가능함으로써 경제성도 증가하고 있다. 그러나, 전도성 고분자 기반의 압력 센서의 경우 센서 시스템의 장시간 안전성이나 수분과의 접촉 시에 전도성이 크게 변할 수 있다는 측면에서 압력센서로 구축하기에 어려움이 있다. 또한 나노 물질 기반의 소자의 경우 나노 물질의 특성상 제조 공정상의 재현성을 확보하는데 어려움이 있다.
따라서, 휴머노이드형 기반 로봇, 스마트 자동차, 항공 응용, 시뮬레이션, 공정 제어, 인간 친화형 IT, 지문 인식 시스템, 바이오 모니터링 스마트 센서 등 여러 분야에서 적용/응용될 수 있는 전기적 특성이 우수하면서도, 선택적 압력감지 또는 그의 제어가 가능하고, 기계적 유연성 및 안정성이 뛰어난 압력 센서의 개발이 요구된다.
KR 10-2016-0118915 A
상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 본 발명의 목적은 픽셀화한 전극층 사이에 픽셀 위치에 구멍이 있는 절연층을 포함함으로써, 압력 인가 시에만 상부 및 하부 전극을 통전시키는 절연 필름이 삽입된 압력센서를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 압력 인가 시 주위 픽셀이 함께 반응하는 신호의 기계적 간섭 줄이고, 삽입된 중간층이 픽셀 간 절연 효과를 가져다 주어 특정 픽셀만 반응하는 압력센서를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 간단한 공정을 가지고, 단순한 구조를 갖는 플렉서블하고, 웨어러블하여 전자소자 및 로봇 전자 피부에 응용 가능한 압력센서 및 그의 제조방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 압력 인식을 통해 노약자, 영/유아의 수면 상태등을 파악할 수 있는 침대, 사용자의 착석 상태를 파악할 수 있는 의자 등 다양한 분야로 적용이 가능한 압력센서를 제공하는 데 있다.
본 발명의 일 측면에 따르면,
제1 탄성기판; 상기 제1 탄성기판 상에 위치하고, 제1 전도체를 포함하고, 서로 이격된 다수의 제1 전극 라인(electrode line)을 포함하는 제1 전극 어레이; 제1 전극 어레이 상에 위치하고, 다수의 관통홀을 포함하고, 절연 탄성체를 포함하는 절연층; 상기 절연층 상에 위치하고, 제2 전도체를 포함하고, 서로 이격된 다수의 제2전극 라인(electrode line)을 포함하는 제2 전극 어레이; 및 상기 제2 전극 어레이 상에 위치하고, 제2 탄성기판;을 포함하고, 상기 제1 전극 라인과 상기 제2 전극 라인은 서로 이격되어 교차하여 각각 제1 교차부와 제2 교차부를 포함하고, 상기 절연층의 관통홀의 일부 또는 전부는 상기 제1 교차부와 상기 제2 교차부 사이에 위치하는 것인, 압력센서를 제공한다.
상기 제1 전극 라인 및 상기 제2 전극 라인이 직선형이고, 상기 제1 전극 라인과 상기 제2 전극 라인이 서로 수직으로 교차할 수 있다.
압력센서에 압력을 인가 시에 상기 제1 교차부와 상기 제2 교차부가의 일부 또는 전부가 관통홀을 통과하여 접촉할 수 있다.
상기 다수의 제1 전극 라인의 이웃하는 전극 라인 사이에 탄성체를 포함하고, 상기 다수의 제2 전극 라인의 이웃하는 전극 라인 사이에 탄성체를 포함할 수 있다.
상기 절연 탄성체의 탄성계수가 상기 제1 탄성기판 및 제2 탄성기판의 탄성계수보다 작을 수 있다.
상기 제1 탄성기판 및 제2 탄성기판은 서로 같거나 다르고, 각각 독립적으로 스티렌-부타디엔-스티렌(SBS) 블록 공중합체, 스티렌-에틸렌-부틸렌-스티렌(SEBS) 블록 공중합체, 스티렌-이소프렌-스티렌(SIS) 블록 공중합체, 폴리우레탄(PU), 폴리이소프렌 고무(IR), 부타디엔 고무(BR), 에틸렌-프로필렌-디엔 모노머(EPDM) 고무, 폴리디메틸실록산(PDMS), 실리콘 계열의 고무, 에코플렉스(ecoflex) 및 드래곤 스킨(dragon skin)으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다.
상기 절연 탄성체가 스티렌-부타디엔-스티렌(SBS) 블록 공중합체, 스티렌-에틸렌-부틸렌-스티렌(SEBS) 블록 공중합체, 스티렌-이소프렌-스티렌(SIS) 블록 공중합체, 폴리우레탄(PU), 폴리이소프렌 고무(IR), 부타디엔 고무(BR), 에틸렌-프로필렌-디엔 모노머(EPDM) 고무, 폴리디메틸실록산(PDMS), 실리콘 계열의 고무, 에코플렉스(ecoflex) 및 드래곤 스킨(dragon skin)으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 포함할 수 잇다.
상기 관통홀의 직경이 0.1 내지 10mm일 수 있다.
상기 관통홀이 형성된 간격이 0.1 내지 10mm일 수 있다.
상기 관통홀이 원통형, 타원통형, 다각통형, 직사각통형 및 정사각통형 중에서 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다.
상기 절연층의 두께가 0.5μm 내지 10 mm 인 것을 특징으로 하는 압력센서.
상기 제1 전극 라인 및 제2 전극 라인이 서로 같거나 다르고, 각각 독립적으로 폭이 0.1 내지 20mm 일 수 있다.
상기 제1 전극 라인 및 제2 전극 라인이 서로 같거나 다르고, 각각 독립적으로 간격이 0.5 내지 10mm 일 수 있다.
상기 제1 전극 라인 및 제2 전극 라인이 서로 같거나 다르고, 각각 독립적으로 두께가 0.05 내지 100μm일 수 있다.
상기 제1 전극 라인 및 제2 전극 라인이 서로 같거나 다르고, 각각 독립적으로 Au, Al, Ag, Be, Bi, Co, Cu, Cr, Hf, In, Mn, Mo, Mg, Ni, Nb, Pb, Pd, Pt, Rh, Re, Ru, Sb, Ta, Te, Ti, V, W, Zr, 및 Zn으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다.
상기 제1 탄성기판 및/또는 제2 탄성기판은 마이크로 피브릴(microfibril)구조를 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 하나의 측면에 있어서, (a) 제1 탄성기판 상에 제1 전도체를 포함하고, 서로 이격된 다수의 제1 전극 라인(electrode line)을 패터닝하여 제1 전극 어레이를 제조하는 단계; (b) 제2 탄성기판 상에 제2 전도체를 포함하고, 서로 이격된 다수의 제2 전극 라인(electrode line)을 패터닝하여 제2 전극 어레이를 제조하는 단계; (c) 제1 전극 어레이 상에 다수의 관통홀을 포함하고 절연 탄성체를 포함하는 절연층을 형성시키는 단계; 및 (d) 단계 (b) 에서 제조된 제2 전극 어레이의 제2 전극 라인이 절연층에 접하도록 상기 절연층 상에 위치시켜 제1 전극 어레이/절연층/제2 전극 어레이를 제조하는 단계; 를 포함하는 압력센서의 제조방법을 제공한다.
상기 압력센서의 제조방법이 상기 단계 (d) 후에, (e) 제1 전극 어레이/절연층/제2 전극 어레이를 열처리하여 절연층과 이웃한 층과의 접착성을 증가시키는 단계; 를 추가로 포함할 수 있다.
단계 (d)에서, 열처리가 50 내지 200℃의 온도에서 수행될 수 있다.
단계 (a) 이전에, 상기 제1 탄성기판 및/또는 제2 탄성기판을 열적 어닐링(thermally annealed)한 후, 열적 어닐링된 상기 제1 탄성기판 및/또는 제2 탄성기판을 신장시켜 마이크로 피브릴(microfibril)구조를 포함하는 제1 탄성기판 및/또는 제2 탄성기판을 제조하는 단계 (a')를 추가로 포함할 수 있다.
본 발명의 압력센서는 픽셀화한 전극층 사이에 픽셀 위치에 구멍이 있는 절연층을 포함함으로써, 압력 인가 시 상부 및 하부 전극을 통전시키고, 주위 픽셀이 함께 반응하는 신호의 기계적 간섭 줄여 선택적으로 압력 감지가 가능하다.
또한, 본 발명의 압력센서는 절연층의 소재 및 두께를 조절하고, 절연층에 포함된 구멍의 크기 조절을 통해 압력 인지 범위를 조절할 수 있다.
또한, 본 발명의 압력센서는 간단한 공정으로 제조되며, 단순한 구조를 가지고 있으며, 플렉서블하고, 웨어러블하여 전자소자 및 로봇 전자 피부에 응용할 수 있다.
또한, 본 발명의 압력 센서는 전자피부, 웨어러블 디바이스뿐만 아니라 압력 인식을 통해 노약자, 영/유아의 수면 상태 등을 파악할 수 있는 침대, 사용자의 착석 상태를 파악할 수 있는 의자 등 다양한 분야로 적용할 수 있다.
도 1은 실시예 1에 따라 제조된 압력센서의 모식도이다.
도 2는 실시예 1에 따라 제조된 압력센서의 압력에 따른 전류변화 측정 결과를 나타낸 그래프이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따라 제조된 압력센서의 인장 전 하나의 픽셀에 대한 압력감지 특성을 분석한 결과이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따라 제조된 압력센서의 인장 후 하나의 픽셀에 대한 압력감지 특성을 분석한 결과이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따라 제조된 압력센서의 인장 전 여러 픽셀에 대한 압력감지 특성을 분석한 결과이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따라 제조된 압력센서의 인장 후 여러 픽셀에 대한 압력감지 특성을 분석한 결과이다.
도 7은 압력센서에 압력을 가했을 때 전류변화를 나타낸 그래프이다.
도 8은 서로 다른 크기의 직경을 가진 관통홀을 포함하는 압력센서에 가해지는 압력에 따른 상대적 전류변화를 나타낸 그래프이다.
본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
또한, 이하에서 사용될 제1, 제2 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지는 않는다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다.
또한, 어떤 구성요소가 다른 구성요소 상에 "형성되어" 있다거나 "적층되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소의 표면 상의 전면 또는 일면에 직접 부착되어 형성되어 있거나 적층되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 더 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.
단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
도 1 은 본 발명의 압력센서의 모식도를 나타낸 것이다.
이하, 상기 도 1을 참조하여, 본 발명의 압력센서에 대해 설명하도록 한다.
본 발명은 제1 탄성기판; 상기 제1 탄성기판 상에 위치하고, 제1 전도체를 포함하고, 서로 이격된 다수의 제1 전극 라인(electrode line)을 포함하는 제1 전극 어레이; 제1 전극 어레이 상에 위치하고, 다수의 관통홀을 포함하고, 절연 탄성체를 포함하는 절연층; 상기 절연층 상에 위치하고, 제2 전도체를 포함하고, 서로 이격된 다수의 제2전극 라인(electrode line)을 포함하는 제2 전극 어레이; 및 상기 제2 전극 어레이 상에 위치하고, 제2 탄성기판;을 포함하고, 상기 제1 전극 라인과 상기 제2 전극 라인은 서로 이격되어 교차하여 각각 제1 교차부와 제2 교차부를 포함하고, 상기 절연층의 관통홀의 일부 또는 전부는 상기 제1 교차부와 상기 제2 교차부 사이에 위치하는 것인, 압력센서를 제공한다.
상기 제1 전극 라인 및 상기 제2 전극 라인이 직선형이고, 상기 제1 전극 라인과 상기 제2 전극 라인이 서로 수직으로 교차할 수 있다.
압력센서에 압력을 인가 시에 상기 제1 교차부와 상기 제2 교차부가의 일부 또는 전부가 관통홀을 통과하여 접촉할 수 있다.
상기 다수의 제1 전극 라인의 이웃하는 전극 라인 사이에 탄성체를 포함하고, 상기 다수의 제2 전극 라인의 이웃하는 전극 라인 사이에 탄성체를 포함할 수 있다.
상기 제2 전극 어레이와 상기 제1 전극 어레이는 직교하여 격자무늬를 형성할 수 있으며, 제1 전극 어레이의 제1 전극 라인과 제2 전극 어레이의 제2 전극 라인이 교차하는 교차부를 픽셀이라고 할 수 있다.
상기 절연 탄성체의 탄성계수가 상기 제1 탄성기판 및 제2 탄성기판의 탄성계수보다 작을 수 있다.
상기 제1 탄성기판 및 제2 탄성기판은 서로 같거나 다르고, 각각 독립적으로스티렌-부타디엔-스티렌(SBS) 블록 공중합체, 스티렌-에틸렌-부틸렌-스티렌(SEBS) 블록 공중합체, 스티렌-이소프렌-스티렌(SIS) 블록 공중합체, 폴리우레탄(PU), 폴리이소프렌 고무(IR), 부타디엔 고무(BR), 에틸렌-프로필렌-디엔 모노머(EPDM) 고무, 폴리디메틸실록산(PDMS), 실리콘 계열의 고무, 에코플렉스(ecoflex), 드래곤 스킨(dragon skin) 등을 포함할 수 있다.
상기 절연 탄성체는 스티렌-부타디엔-스티렌(SBS) 블록 공중합체, 스티렌-에틸렌-부틸렌-스티렌(SEBS) 블록 공중합체, 스티렌-이소프렌-스티렌(SIS) 블록 공중합체, 폴리우레탄(PU), 폴리이소프렌 고무(IR), 부타디엔 고무(BR), 에틸렌-프로필렌-디엔 모노머(EPDM) 고무, 폴리디메틸실록산(PDMS), 실리콘 계열의 고무, 에코플렉스(ecoflex), 드래곤 스킨(dragon skin) 등을 포함할 수 있다.
상기 관통홀의 직경이 0.1 내지 10mm, 바람직하게는 0.2 내지 10mm, 더욱 바람직하게는 0.5 내지 10mm일 수 있다. 상기 관통홀의 직경이 0.1 mm 미만은 크기가 너무 좁아 센싱 능력이 감소할 수 있으므로 바람직하지 않고, 10mm 초과는 넓은 면적으로 인해 상/하부 전극층 사이에 필요 이상의 접촉을 허용하여 센서로서의 기능이 저하되므로 바람직하지 않다.
상기 관통홀이 형성된 간격이 0.1 내지 10mm, 바람직하게는 0.5 내지 8mm, 더욱 바람직하게는 1 내지 6mm일 수 있다. 상기 관통홀의 간격이 0.1 mm 미만인 조건에서는 관통홀이 조밀하게 형성되므로 선택적 센싱 능력이 감소할 수 있으므로 바람직하지 않고, 10mm 초과는 넓은 면적으로 인해 상/하부 전극층 사이에 필요 이상의 접촉을 허용하여 센서로서의 기능이 저하되므로 바람직하지 않다.
상기 관통홀이 원통형, 타원통형, 다각통형, 직사각통형, 정사각통형 등 일 수 있다.
본 발명의 압력센서는 절연층이 제1 전극 어레이와 제2 전극 어레이 사이에 존재함으로써, 특정 픽셀에 압력을 가했을 때, 다른 픽셀의 영역까지 압력이 전달되지 않는다. 다만, 픽셀 사이가 너무 가까우면 간섭이 생길 수 있으므로, 임계 거리가 필요하다.
상기 절연층의 두께가 0.5μm 내지 10 mm, 바람직하게는 1μm 내지 5mm, 더욱 바람직하게는 2μm 내지 1mm 일 수 있다. 상기 절연층의 두께가 0.5μm 미만인 조건에서는 두께가 너무 얇아 간섭이 생길 수 있어 센싱 능력이 감소할 수 있으므로 바람직하지 않고, 10mm 초과인 조건에서는 전극과 전극이 접촉하지 않을 수 있으므로 바람직하지 않다.
상기 절연층은 압력이 가해지지 않은 영역에 압력이 전달되는 것을 방지하는 역할을 할 수 있다.
상기 제1 전극 라인 및 제2 전극 라인이 서로 같거나 다르고, 각각 독립적으로 폭이 0.1 내지 20mm, 바람직하게는 0.2 내지 15mm, 더욱 바람직하게는 0.5 내지 10mm일 수 있다. 0.01 mm 미만은 폭이 너무 좁아 센싱 능력이 감소할 수 있으므로 바람직하지 않고, 20mm 초과는 전극 라인의 높은 전도도로 인해 압력인가에 따른 전극층의 변형을 통한 전류값 변화량이 둔감해지므로 바람직하지 않다.
상기 제1 전극 라인 및 제2 전극 라인이 서로 같거나 다르고, 각각 독립적으로 간격이 0.5 내지 10mm, 바람직하게는 0.8 내지 8mm, 더욱 바람직하게는 1 내지 6mm일 수 있다. 간격이 0.5 mm 미만인 조건에서는 전극 라인 사이의 간격이 좁아 간섭이 생길 수 있어 선택적 센싱 능력이 감소할 수 있으므로 바람직하지 않고, 10mm 초과인 조건에서는 멀어진 전극 라인 사이 간격으로 인해 여러 픽셀을 동시에 눌렀을 때 픽셀들의 변형이 둔감해지므로 바람직하지 않다.
상기 관통홀에 제1 전극 라인 및/또는 제2 전극 라인이 위치하도록 하기 때문에 상기 관통홀이 형성된 간격과 상기 제1 전극 라인 및/또는 제2 전극 라인이 형성된 간격은 동일할 수 있다.
상기 제1 전극 라인 및 제2 전극 라인이 서로 같거나 다르고, 각각 독립적으로 두께가 0.05 내지 100μm, 바람직하게는 0.1 내지 100μm, 더욱 바람직하게는 0.5 내지 100μm 일 수 있다. 두께가 0.05μm 미만이면 두께가 너무 작아 센싱능력이 감소할 수 있으므로 바람직하게 않고, 100μm초과이면 전극 라인의 전도도가 과도하게 높아 전극 라인 변형에 따른 전류값 변화를 충분히 유발하지 못하므로 바람직하지 않다.
상기 제1 전극 라인 및 제2 전극 라인이 서로 같거나 다르고, 각각 독립적으로 Au, Al, Ag, Be, Bi, Co, Cu, Cr, Hf, In, Mn, Mo, Mg, Ni, Nb, Pb, Pd, Pt, Rh, Re, Ru, Sb, Ta, Te, Ti, V, W, Zr, Zn 등을 사용할 수 있으며, 바람직하게는 Au를 사용할 수 있다.
상기 제1 탄성기판 및/또는 제2 탄성기판은 마이크로 피브릴(microfibril)구조를 포함할 수 있다.
본 발명의 압력센서는 인장강도(e)가 5 내지 60%일 수 있으며, 인장된 상태에서도 압력을 선택적으로 감지할 수 있다.
본 발명의 압력센서는 고분자 기판 상에 전극이 형성되어 있으므로, 압력이 가해지면 전극이 변형하게 된다. 따라서, 압력이 가해질 때, 관통홀을 통해 전극 상에 형성된 패턴이 접촉하게 되어 저항 값이 변하게 되며, 이에 따라 압력을 감지할 수 있다.
본 발명의 압력센서는 압력이 가해지지 않았을 때, 저항 값이 가장 클 수 있다.
압력이 인가되지 않았을 때, 절연층에 의해 분리되어있던 제1 기판과 제2 기판의 전극라인이 임계값 이상의 압력이 인가됨에 따라 서로 접촉을 하게 됨으로써 통전이 되고 전류값이 측정된다.
인가되는 압력이 증가함에 따라 전극라인간의 접촉되는 면적이 증가하며 측정되는 전류값이 증가하게 되고 이는 더 높은 압력을 인지하는 것으로 해석될 수 있다.
또한 절연층에 의해 각 픽셀이 물리적으로 분리되어 있기 때문에 픽셀간의 신호 간섭이 없이 압력을 인지할 수 있게 된다.
이하, 본 발명의 압력센서의 제조방법에 대해서 설명하도록 한다.
먼저, 제1 탄성기판 상에 제1 전도체를 포함하고, 서로 이격된 다수의 제1 전극 라인(electrode line)을 패터닝하여 제1 전극 어레이를 제조한다(단계 a).
단계 (a) 이전에, 상기 제1 탄성기판 및/또는 제2 탄성기판을 열적 어닐링(thermally annealed)한 후, 열적 어닐링된 상기 제1 탄성기판 및/또는 제2 탄성기판을 신장시켜 마이크로 피브릴(microfibril)구조를 포함하는 제1 탄성기판 및/또는 제2 탄성기판을 제조하는 단계 (a')를 추가로 포함할 수 있다.
제2 탄성기판 상에 제2 전도체를 포함하고, 서로 이격된 다수의 제2 전극 라인(electrode line)을 패터닝하여 제2 전극 어레이를 제조한다(단계 b).
상기 패터닝이 마스크를 사용하고, 진공증착으로 수행될 수 있다.
상기 단계 (a) 및 (b)가 반드시 순서대로 수행될 필요는 없으며, 동시에 진행될 수 있다.
단계 (a) 및 (b) 이전에, 상기 제1 기판 및/또는 제2 기판이 신장시 마이크로 피브릴(microfibril)구조를 갖도록 상기 제1 기판 및/또는 제2 기판을 열적 어닐링(thermally annealed)하는 단계를 추가로 포함할 수 있다.
다음으로, 제1 전극 어레이 상에 다수의 관통홀을 포함하고 절연 탄성체를 포함하는 절연층을 형성시킨다(단계 c).
다음으로, 단계 (b) 에서 제조된 제2 전극 어레이의 제2 전극 라인이 절연층에 접하도록 상기 절연층 상에 위치시켜 제1 전극 어레이/ 절연층 /제2 전극 어레이를 제조한다(단계 d).
상기 단계 (d) 후에, 제1 전극 어레이/절연층/제2 전극 어레이를 열처리하여 절연층과 이웃한 층과의 접착성을 증가시키는 단계(e); 를 추가로 포함할 수 있다.
절연층이 제1 전극 어레이와 제2 전극 어레이 사이에서 높은 점착성을 가지기 위하여 열처리할 수 있으며, 상기 열처리는 50 내지 200℃의 온도에서 수행될 수 있으며, 바람직하게는 60 내지 150℃, 바람직하게는 70 내지 130℃의 온도에서 수행될 수 있다.
단계 (b) 이후, 상기 제1 금속패턴 및 제2 금속패턴에 도선을 연결하는 단계를 추가로 포함할 수 있다.
이하, 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다. 그러나 이는 예시를 위한 것으로서 이에 의하여 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.
[실시예]
제조예 1: 마이크로피브릴을 포함하는 제1 기판 및 제2 기판 제조
탄성기판인 Polystyrene-block-polybutadiene-block-polystyrene (SBS) block copolymer(Mw = 140,000, polydispersity index = 1.2, volume fraction of PS = 0.3)를 150˚C의 온도에서 진공 열처리를 하고, 상온 냉각 후, 150 % 일축 신장시켜 마이크로피브릴이 형성된 4cm X 4cm 크기의 제1 기판과 제2 기판을 각각 제조하였다. 150 % 신장 후 약 10% 정도의 잔류 신장률이 남아있게 된다.
제조예 2: 관통홀을 포함하는 절연층 제조
Polystyrene-block-polybutadiene-block-polystyrene (SBS) block copolymer(두께 2㎛)를 1mm X 1mm 정사각형 형태의 틀을 펀칭시키는 방법으로 1mm 직경의 관통홀이 3mm간격으로 배치되어 총 16개의 관통홀이 형성된 관통홀을 포함하는 절연층을 제조하였다.
제조예 3: 관통홀을 포함하는 절연층 제조
두께가 2㎛인 Polystyrene-block-polybutadiene-block-polystyrene (SBS) block copolymer를 사용한 것 대신에 두께가 5㎛인 Polystyrene-block-polybutadiene-block-polystyrene (SBS) block copolymer를 사용한 것을 제외하고는 제조예 2와 동일한 방법으로 절연층을 제조하였다.
제조예 4: 관통홀을 포함하는 절연층 제조
두께가 2㎛인 Polystyrene-block-polybutadiene-block-polystyrene (SBS) block copolymer를 사용한 것 대신에 두께가 10㎛인 Polystyrene-block-polybutadiene-block-polystyrene (SBS) block copolymer를 사용한 것을 제외하고는 제조예 2와 동일한 방법으로 절연층을 제조하였다.
제조예 5: 관통홀을 포함하는 절연층 제조
두께가 2㎛인 Polystyrene-block-polybutadiene-block-polystyrene (SBS) block copolymer를 사용한 것 대신에 두께가 20㎛인 Polystyrene-block-polybutadiene-block-polystyrene (SBS) block copolymer를 사용한 것을 제외하고는 제조예 2와 동일한 방법으로 절연층을 제조하였다.
실시예 1: 픽셀형 압력센서 제조
제조예 1에 따라 제조된 제1 기판 상에 선형의 금 라인을 Au를 스퍼터링(sputtering) 방식으로 패터닝하여 4개의 선형의 금 라인을 포함하는 제1 전극 라인(두께 75nm, 길이 4cm, 폭 1mm, 간격 3mm)을 형성하여 제1 전극 어레이를 제조하였으며, 제2 전극 어레이와 동일한 방식으로 제2 전극 어레이를 제조하였다.
상기 제1 전극 어레이 상에 제조예 2에 따라 제조된 절연층을 위치시키며, 이때, 제1 전극 라인 상에 관통홀이 위치하도록 한다.
제1 전극 라인과 제2 전극 라인이 서로 수직으로 교차하도록 하고, 제2 전극 어레이에 포함된 제2 전극 라인이 절연층과 접촉하도록 절연층 상에 형성시켰다. 이때, 절연층의 관통홀에 제2 전극 라인이 위치할 수 있도록 하여 16개의 픽셀이 형성된다.
이후, 30분 동안 100℃에서 어닐링하여 점착성을 향상시켜 제1 전극 어레이와 제2 전극 어레이 사이에 절연층을 포함하는 압력센서를 제조하였다.
도선은 제1 전극 라인과 제2 전극 라인의 말단에 각각 Au 도선을 연결하여 저항 값을 각각 측정할 수 있도록 센서가 제조되었다.
실시예 2: 압력센서 제조
제조예 2에 따라 제조된 절연층 대신에 제조예 3에 따라 제조된 절연층을 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 픽셀형 압력센서를 제조하였다.
실시예 3: 압력센서 제조
제조예 2에 따라 제조된 절연층 대신에 제조예 4에 따라 제조된 절연층을 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 픽셀형 압력센서를 제조하였다.
실시예 4: 압력센서 제조
제조예 2에 따라 제조된 절연층 대신에 제조예 5에 따라 제조된 절연층을 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 픽셀형 압력센서를 제조하였다.
[시험예]
시험예 1: 압력에 따른 전류 변화 분석
도 2는 실시예 1 내지 4에 따라 제조된 압력센서의 주어진 압력에 따른 전류 변화를 나타낸 것이다.
도 2를 참조하면, 실시예 1의 압력센서는 10kPa 압력에서 25μA이고, 약 28kPa 압력에서 약37μA인 것으로 나타났으며, 실시예 2의 압력센서는 약 12kPa 압력에서 전류가 26 μA이고, 약 34kPa 압력에서 약 37.5μA이고, 실시예 3의 압력센서는 약 18kPa 압력에서 전류가 약 25μA이고, 약 57kPa 압력에서 전류가 약 38μA이고, 실시예 4의 압력센서는 약 27kPa 압력에서 약 26μA이고, 약 78kPa 압력에서 약 37.5μA인 것으로 나타났다.
이러한 결과는 압력센서에 포함된 절연층의 두께가 두꺼울수록 전류 변화 시키기 위하여 강한 압력이 주어져야 하는 것으로 보이며, 절연층 두께 조절을 통해 인지 가능 압력 범위를 조절할 수 있는 것으로 판단된다.
시험예 2: 압력감지 특성 분석
시험예 2-1: 인장 전후 한 픽셀에 대한 압력감지 능력 분석
도 3은 구부림 전 한 픽셀에 압력을 가했을 때, 압력센서의 센싱 능력을 분석한 결과를 나타낸 것이고, 도 4는 구부린 후 한 픽셀에 압력을 가했을 때, 압력센서의 센싱 능력 분석 결과를 나타낸 것이다.
도 3을 참조하면, 인장 전 하나의 픽셀(2,3)에 압력을 가했을 때, 압력이 가해진 픽셀(2,3)만 반응하는 것을 확인할 수 있었다.
또한, 도 4를 참조하면, 본 발명의 압력센서를 구부린 상태(30% 인장)에서 하나의 픽셀(2,3)에만 압력을 가했을 때, 다른 영역의 간섭 없이 압력이 가해진 픽셀(2,3)만 반응하는 것을 확인할 수 있었다.
따라서, 본 발명에 따라 제조된 압력센서는 관통홀의 포함하는 절연층으로 인해 주위의 간섭 없이 특정영역만 압력에 대해 반응할 수 있으며 물리적 변형이 가해진 상황에서도 동일한 성능을 발휘하는 것으로 분석된다.
시험예 2-2: 인장 전후 여러 픽셀에 대한 압력감지 능력 분석
도 5은 구부림 전 여러 픽셀에 동시에 압력을 가했을 때, 압력센서의 센싱 능력을 분석한 결과를 나타낸 것이고, 도 6은 구부린 후 여러 픽셀에 동시에 압력을 가했을 때, 압력센서의 센싱 능력 분석 결과를 나타낸 것이다.
도 5를 참조하면, 캡을 이용하여 압력센서의 여러 픽셀에 압력을 가했을 때, 압력이 가해진 영역만 선택적이고, 동시에 감지할 수 있는 것으로 분석된다.
또한, 도 6을 참조하면, 본 발명의 압력센서를 구부린 상태(30% 인장)에서 한 여러 픽셀에 압력을 가했을 때, 다른 영역의 간섭 없이 압력이 가해진 픽셀들만 선택적으로 반응하고 동시에 감지할 수 있는 것으로 나타났다.
따라서, 본 발명의 압력센서는 구부림에 관계없이 여러 영역에 압력이 가해져도 동시에 선택적으로 압력을 감지할 수 있는 것으로 분석되었다.
시험예 3: 압력센서의 민감도 분석
도 7은 압력센서에 압력을 가했을 때 전류변화를 나타낸 그래프이다. 10 mm X 10 mm의 관통홀, 0.5 mm 두께의 절연층, 5 mm 전극 폭을 가지는 압력센서를 50 kPa의 압력을 가하여 전류변화를 실험하였다.
도 7을 참조하면, 압력을 가할 때와 압력을 제거할 때, 전류값이 250 ms의 시간 내에 변화하는 것으로 보아 본 발명의 압력센서는 민감도가 우수한 것으로 분석되었다.
시험예 4: 관통홀의 크기에 따른 압력 감지 능력 분석
도 8은 서로 다른 크기의 직경을 가진 관통홀을 포함하는 압력센서에 가해지는 압력에 따른 상대적 전류변화를 나타낸 그래프이다. 각각 10mm X 10mm, 5mm X 5mm 정사각통형의 관통홀, 0.5 mm 두께의 절연층, 3 mm 전극 폭을 가지는 압력센서 2개를 4mm 지름의 원형 팁으로 눌러 전류변화를 실험하였다.
도 8을 참조하면, 관통홀의 크기가 클수록 중간 절연층이 압력 인가에 따른 전극층 변화에 미치는 영향이 적어 상대적으로 낮은 압력에서 전류 변화가 유발된다. 이에 반해 관통홀의 크기가 작은 경우는 픽셀을 둘러싸고 있는 중간 절연층의 영향 때문에 전극층을 변형시켜 전류변화를 일으키기 위해서는 더 높은 압력을 필요로 한다.
따라서, 관통홀의 크기의 차이에 따라 감지할 수 있는 압력 범위의 차이가 발생하는 것으로 분석되었다.
본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

Claims (20)

  1. 제1 탄성기판;
    상기 제1 탄성기판 상에 위치하고, 제1 전도체를 포함하고, 서로 이격된 다수의 제1 전극 라인(electrode line)을 포함하는 제1 전극 어레이;
    제1 전극 어레이 상에 위치하고, 다수의 관통홀을 포함하고, 절연 탄성체를 포함하는 절연층;
    상기 절연층 상에 위치하고, 제2 전도체를 포함하고, 서로 이격된 다수의 제2전극 라인(electrode line)을 포함하는 제2 전극 어레이; 및
    상기 제2 전극 어레이 상에 위치하고, 제2 탄성기판;을 포함하고,
    상기 제1 전극 라인과 상기 제2 전극 라인은 서로 이격되어 교차하여 각각 제1 교차부와 제2 교차부를 포함하고,
    상기 절연층의 관통홀의 일부 또는 전부는 상기 제1 교차부와 상기 제2 교차부 사이에 위치하는 것인, 압력센서.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 전극 라인 및 상기 제2 전극 라인이 직선형이고,
    상기 제1 전극 라인과 상기 제2 전극 라인이 서로 수직으로 교차하는 것을 특징으로 하는 압력센서.
  3. 제1항에 있어서,
    압력센서에 압력을 인가 시에 상기 제1 교차부와 상기 제2 교차부가의 일부 또는 전부가 관통홀을 통과하여 접촉하는 것을 특징으로 하는 압력센서.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 다수의 제1 전극 라인의 이웃하는 전극 라인 사이에 탄성체를 포함하고,
    상기 다수의 제2 전극 라인의 이웃하는 전극 라인 사이에 탄성체를 포함하는 것을 특징으로 하는 압력센서.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 절연 탄성체의 탄성계수가 상기 제1 탄성기판 및 제2 탄성기판의 탄성계수보다 작은 것을 특징으로 하는 압력센서.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제1 탄성기판 및 제2 탄성기판은 서로 같거나 다르고, 각각 독립적으로 스티렌-부타디엔-스티렌(SBS) 블록 공중합체, 스티렌-에틸렌-부틸렌-스티렌(SEBS) 블록 공중합체, 스티렌-이소프렌-스티렌(SIS) 블록 공중합체, 폴리우레탄(PU), 폴리이소프렌 고무(IR), 부타디엔 고무(BR), 에틸렌-프로필렌-디엔 모노머(EPDM) 고무, 폴리디메틸실록산(PDMS), 실리콘 계열의 고무, 에코플렉스(ecoflex) 및 드래곤 스킨(dragon skin)으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 압력센서.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 절연 탄성체가 스티렌-부타디엔-스티렌(SBS) 블록 공중합체, 스티렌-에틸렌-부틸렌-스티렌(SEBS) 블록 공중합체, 스티렌-이소프렌-스티렌(SIS) 블록 공중합체, 폴리우레탄(PU), 폴리이소프렌 고무(IR), 부타디엔 고무(BR), 에틸렌-프로필렌-디엔 모노머(EPDM) 고무, 폴리디메틸실록산(PDMS), 실리콘 계열의 고무, 에코플렉스(ecoflex) 및 드래곤 스킨(dragon skin)으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 압력센서.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 관통홀의 직경이 0.1 내지 10mm 인 것을 특징으로 하는 압력센서.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 관통홀이 형성된 간격이 0.1 내지 10mm인 것을 특징으로 하는 압력센서.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 관통홀이 원통형, 타원통형, 다각통형, 직사각통형 및 정사각통형 중에서 선택된 1종 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 압력센서.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 절연층의 두께가 0.5μm 내지 10 mm인 것을 특징으로 하는 압력센서.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 제1 전극 라인 및 제2 전극 라인이 서로 같거나 다르고, 각각 독립적으로 폭이 0.1 내지 20mm 인 것을 특징으로 하는 압력센서.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 제1 전극 라인 및 제2 전극 라인이 서로 같거나 다르고, 각각 독립적으로 간격이 0.5 내지 10mm 인 것을 특징으로 하는 압력센서.
  14. 제1항에 있어서,
    상기 제1 전극 라인 및 제2 전극 라인이 서로 같거나 다르고, 각각 독립적으로 두께가 0.05 내지 100μm인 것을 특징으로 하는 압력센서.
  15. 제1항에 있어서,
    상기 제1 전극 라인 및 제2 전극 라인이 서로 같거나 다르고, 각각 독립적으로 Au, Al, Ag, Be, Bi, Co, Cu, Cr, Hf, In, Mn, Mo, Mg, Ni, Nb, Pb, Pd, Pt, Rh, Re, Ru, Sb, Ta, Te, Ti, V, W, Zr, 및 Zn으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 압력센서.
  16. 제1항에 있어서,
    상기 제1 탄성기판 및/또는 제2 탄성기판은 마이크로 피브릴(microfibril)구조를 포함하는 것을 특징으로 하는 압력센서.
  17. (a) 제1 탄성기판 상에 제1 전도체를 포함하고, 서로 이격된 다수의 제1 전극 라인(electrode line)을 패터닝하여 제1 전극 어레이를 제조하는 단계;
    (b) 제2 탄성기판 상에 제2 전도체를 포함하고, 서로 이격된 다수의 제2 전극 라인(electrode line)을 패터닝하여 제2 전극 어레이를 제조하는 단계;
    (c) 제1 전극 어레이 상에 다수의 관통홀을 포함하고 절연 탄성체를 포함하는 절연층을 형성시키는 단계; 및
    (d) 단계 (b) 에서 제조된 제2 전극 어레이의 제2 전극 라인이 절연층에 접하도록 상기 절연층 상에 위치시켜 제1 전극 어레이/절연층/제2 전극 어레이를 제조하는 단계; 를
    포함하는 압력센서의 제조방법.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 압력센서의 제조방법이 상기 단계 (d) 후에,
    (e) 제1 전극 어레이/절연층/제2 전극 어레이를 열처리하여 절연층과 이웃한 층과의 접착성을 증가시키는 단계; 를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 압력센서의 제조방법.
  19. 제17항에 있어서,
    단계 (d)에서, 열처리가 50 내지 200℃의 온도에서 수행되는 것을 특징으로 하는 압력센서의 제조방법.
  20. 제17항에 있어서, 상기 압력센서의 제조방법이
    단계 (a) 이전에, 상기 제1 탄성기판 및/또는 제2 탄성기판을 열적 어닐링(thermally annealed)한 후, 열적 어닐링된 상기 제1 탄성기판 및/또는 제2 탄성기판을 신장시켜 마이크로 피브릴(microfibril)구조를 포함하는 제1 탄성기판 및/또는 제2 탄성기판을 제조하는 단계 (a')를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 압력센서의 제조방법.
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