KR101269395B1 - 센서 소자 및 이를 제조하는 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 센서 소자에 관한 것이다. 본 발명에 의하면, 일측 표면에 입체 패턴으로 이루어진 패턴 영역이 형성된 제1기판; 상기 제1기판의 표면에 형성되고, 상기 패턴 영역 외곽에 위치한 전극들; 및 상기 제1기판의 일측 표면과 대향하는 일측 표면 상에 적어도 상기 패턴 영역의 일부를 덮으면서 상기 전극들과 전기적으로 접촉하는 가변 전도도 패턴;을 포함하는 센서 소자가 제공된다.

Description

센서 소자 및 이를 제조하는 방법{A Sensor device and Method for fabricating the same}

본 발명은 센서 소자 및 이를 제조하는 방법에 관한 것이다.

일반적으로 가장 많이 사용되는 촉각·압력 센서는 도전 필름 방식, 저항막 방식, 적외선 매트릭스 방식, 정전 용량 변화 방식, 금속 센서 매립 방식 및 다이어프램(diaphragm) 방식 등이 있다.

도전 필름 방식의 센서는 유리 기판과 얇은 필름 사이에 화학약품을 충진하고, 금속판이 붙여진 패널 구조로 이루어진다. 상기 도전 필름 방식의 센서는 일정량의 저항을 갖는 도전필름을 가진다. 또한, 도전패널에 전원을 공급하면, 일정량의 저항이 도전필름에 형성되고, 필름 위 특정 부위에 손이나, 기타 물체가 닿으면 화학약품이 반응하여 저항 값이 변한다. 따라서, 측면의 금속판에서는 저항의 변화에 기인된 물체의 접촉여부와 위치 좌표를 찾는 원리로 구성되어 있다.

그러나 도전 필름 방식의 센서는 정밀한 감지를 할 수 있는 반면, 연약한 표면을 이루고 있기 때문에 내구성이 떨어지는 단점을 가진다. 이외에도 화학약품을 충진해야 하며, 센서로서의 제작이 까다롭다는 단점을 가진다.

저항막 방식의 센서는 유리 기판 상에 도전막(ITO)을 형성하여 제1패널을 형성하고, PET 필름 상에 도전막(ITO)을 형성하여 제2 패널을 형성한 다음, 상기 제1 및 제2 패널을 도전막이 서로 마주보도록 배치하고, 이들 공간 사이에 공기층이 형성된 구조를 갖는다. 이러한 소자는 외부로부터 압력이 인가되면 상기 도전막 끼리 접촉하여 접촉이 일어난 지점에서 전위차가 발생하고 이를 감지하여 위치정보를 알아 내는 동작을 한다.

그러나 상기 저항막 방식의 센서는 상부 도전막과 하부 도전막 필름을 서로 밀착시켜 단락(short)시킨 후 전위차를 출력 시그널로 하는 구조이므로, 상부와 하부의 도전막이 온도에 의한 수축 및 팽창 과정에서 오동작 및 동작 불능 상태가 올 수 있는 구조여서 동작 온도 범위가 좁다. 또한 도전막의 빈번한 접촉으로 인하여 물리적 손상이 가해지고 접촉할 때마다 상부 및 하부 도전막은 마모되기 때문에 기계적 안정성과 강도가 약하다는 단점을 가지고 있다. 이러한 문제를 해결하기 위해서는 도전막을 두껍게 해야 하는데, 이러한 두께의 증가는 압력의 정확한 분포를 해석하는 데 어려움이 따르며, 이러한 압력 분석 해석의 어려움으로 인해 좌표를 찾아내는 한정적인 용도로만 사용된다.

적외선 매트릭스 방식의 센서는 패널의 상하 좌우에 일정한 간격을 유지하는 바둑판 모양의 적외선 발사 장치 및 감지 장치의 어레이(array) 구조로 이루어져 있다. 상기 구조에 패널의 특정 부위에 물체가 접촉하게 되면, 물체가 접촉 되어진 부분으로 흐르던 적외선이 차단되게 되므로 이를 기준으로 물체가 접촉한 좌표만을 알아내는 원리를 사용한다.

그러나 적외선 매트릭스 방식의 센서는 분해능을 높이기 위해서, 적외선 발생장치 및 감지장치를 매우 치밀하게 배열하여야 한다. 또한, 적외선 발생장치의 소형화가 필수적이므로 제작단가가 높아지며, 전력소비 또한 증가하게 될 뿐만 아니라, 물체를 감지함에 있어 출력 신호 처리가 복잡해지는 단점을 가진다. 더욱이 어레이 방식은 센서를 더 촘촘히 배열하기 위해 사이즈를 줄여야하는데, 이 사이즈를 줄이는데 한계가 있어 분해능을 높이는 데는 한계가 있다.

정전 용량 변화 방식의 센서는 유리 기판 상에 도전막을 형성하고, 그 상부에 오염 방지막을 형성한 구조를 갖는다. 이러한 소자는 스크린의 네 모서리에 전압을 인가하면 고주파가 도전막 전면에 퍼지고, 사람의 손이나, 도체의 물체로 스크린을 터치하는 경우 사람의 몸 또는 도체에 있는 정전 용량에 의해 고주파의 파형이 변형되어 이를 감지하는 원리를 갖는다.

이러한 정전 용량 변화 방식의 센서는 접촉 부분도 없어 마모가 발생하지 않으나, 손이나, 도체를 사용해 터치해야만 하는 한계를 가지고 있으며, 손 또는 도체에 묻어있던 오일 성분 등 오염 물질에 쉽게 노출되고 이때 감지 정밀도가 떨어지는 문제점이 있다.

금속 센서 매립 방식의 센서는 매트릭스를 구성하는 수십 마이크론의 금속선을 평행하게 배열하여 물체가 닿는 좌표의 저항값 변화를 통해 압력의 양과 위치정보를 얻을 수 있다.

그러나 이러한 소자는 내구성 면에서 문제가 발생할 수 있으며, 특히 반복되는 접점 부분의 위치가 사용시간이 길어짐에 따라, 마모가 되어 센서의 정밀도를 저하시킬 수 있는 단점이 있다.

다이어프램 방식의 센서는 실리콘 마이크로 머신(micro machine) 기술을 이용하여 실리콘 기판위에 얇은 박막을 형성 한 후, 그 박막 위로 기계적 변형에 따른 전기적 특성 변화를 야기시키는 금속 박막 및 폴리머 물질을 도포하여 박막의 변형에 따른 전기저항값의 변화를 출력신호로 변형의 정도를 일으킨 압력 및 힘의 크기를 표시하는 센서이다.

이 센서는 높은 감도를 가지고 있으나, 센서 적용의 한계가 있어 대면적화가 어려우며, 낮은 기계적 강도를 가지고 있기 때문에 상대적으로 큰 외부 압력에 의해 소자가 파괴될 수 있는 단점이 있다.

본 발명의 목적은 센싱 감도 및 기계적 내구성이 우수하고 이를 구현하는 시그널 프로세싱 회로의 설계를 단순화할 수 있는 센서 소자 및 이를 제조하는 방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 각종 전자 기기 또는 기계 장치에서 사용되는 터치 스크린, 압력 모니터링 센서, 압력 센서, 촉각 센서, 로봇의 손 부분의 외피로서 물체의 형상 및 표면 특성을 감지할 수 있는 센서, 직물의 표면특성을 분석하기 위한 센서, 수술용 로봇의 생체 조직을 집거나 자르기 위한 도구의 말단부분 등 다양한 분야에 용이하게 적용 가능한 센서 소자 및 이를 제조하는 방법을 제공하는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 측면에 따르면, 일측 표면에 입체 패턴으로 이루어진 패턴 영역이 형성된 제1기판; 상기 제1기판의 표면에 형성되고, 상기 패턴 영역 외곽에 위치한 전극들; 및 상기 제1기판의 일측 표면과 대향하는 일측 표면 상에 적어도 상기 패턴 영역의 일부를 덮으면서 상기 전극들과 전기적으로 접촉하는 가변 전도도 패턴;을 포함하는 센서 소자가 제공된다.

상기 입체 패턴은 트렌치 형태, 물결(wavy) 형태 및 원을 포함하는 다각 기둥 형태 중 어느 한 형태로 이루어진 패턴일 수 있다.

상기 가변 전도도 패턴은 탄소 나노 튜브, 나노 와이어, 나노 파티클, 금속 및 압전 물질 중 어느 하나를 포함할 수 있다.

본 발명의 다른 측면에 따르면, 일측 표면에 입체 패턴이 위치한 제1기판 및 일측 표면 상에 가변 전도도 패턴이 위치한 제2기판을 준비하는 단계; 상기 입체 패턴의 외곽에 전극들을 형성하는 단계; 및 상기 전극들에 가변 전도도 패턴이 접촉하도록 상기 제1기판과 제2기판을 접합하는 단계;를 포함하는 센서 소자 제조 방법이 제공된다.

상기 일측 표면 상에 가변 전도도 패턴이 위치한 제2기판을 준비하는 단계:는 제2기판의 일측 표면 상에 점착층을 형성하는 단계; 일측 표면에 가변 전도도 패턴이 형성된 다공성 나노 템플레이트 필터를 준비하는 단계; 상기 다공성 나노 템플레이트 필터와 제2기판을 대면시키는 단계; 및 상기 가변 전도도 패턴을 전사하여 상기 점착층 상에 상기 가변 전도도 패턴을 형성하는 단계;를 포함할 수 있다.

상기 일측 표면에 가변 전도도 패턴이 형성된 다공성 나노 템플레이트 필터를 준비하는 단계;는 일표 표면 상에 상기 가변 전도도 패턴 형성을 위한 마스크 패턴이 형성된 다공성 나노 템플레이트 필터를 준비하는 단계; 탄소 나노 튜브가 분산된 탄소 나노 튜브 용액을 준비하는 단계; 및 상기 탄소 나노 튜브 용액을 상기 다공성 나노 템플레이트 필터를 이용한 진공 여과법으로 진공 여과하여 상기 다공성 나노 템플레이트의 일측 표면 상에 가변 전도도 패턴을 형성하는 단계;를 포함할 수 있다.

본 발명의 구성을 따르면 앞서서 기재한 본 발명의 목적을 모두 달성할 수 있다. 구체적으로는 본 발명에 의하면, 기존의 빠른 응답성능과 함께, 우수한 센싱감도, 더불어 우수한 기계적 강도를 가지면서 센서 사용에 있어서 그 사용 범위를 확대하고, 적용의 용이성을 확보하여 다양한 구조에 대응할 수 있으며, 이를 구현하는 시그널 프로세싱 회로의 설계를 단순화할 수 있는 센서 소자 및 이를 제조하는 방법을 제공하는 효과가 있다.

또한, 본 발명에 의하면, 압력 모니터링 센서, 표면의 촉각 센서로 활용하여 다양한 분야에서 용이하게 적용 가능한 센서 소자 및 이를 제조하는 방법을 제공하는 효과가 있다.

또한, 본 발명에 의하면, 수직 압력을 수평 방향의 인장력으로 변화시켜 인장력 변화에 따른 전기 전도도를 측정함으로써 센싱 효율이 증대된 센서 소자 및 이를 제조하는 방법을 제공하는 효과가 있다.

또한, 본 발명에 의하면, 제1기판의 표면에는 물결(wavy) 구조 및 다양한 형태의 기둥모양을 포함하는 패턴 영역을 구비하고, 제2기판에는 가변 전도도 패턴(탄소나노튜브 박막)을 구비하는 구조를 제공함으로써 상기 가변 전도도 패턴이 접촉하는 면적이 평면 구조에 비해 현저히 줄어들게 되고 이에 따라 외부에서 유입되는 접촉 압력의 힘은 증대되고, 이에 따라 가변 전도도 패턴의 전도도가 감소하여 그 전도도의 차이를 측정함으로써 센싱 효율이 증대된 센서 소자 및 이를 제조하는 방법을 제공하는 효과가 있다.

도 1a 및 도 1b는 본 발명의 일 실시 예에 따른 센서 소자의 사시도 및 단면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 센서 소자의 동작 원리를 보여주는 개면도이다.
도 3a 및 도 3b는 본 발명의 일 실시 예에 따른 센서 소자의 실제 동작을 측정한 결과를 도시한 그래프들이다.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 센서 소자를 제조하는 방법을 보여주는 개념도이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 실시 예들을 상세히 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명은 여기서 설명되는 실시 예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시 예들은 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다. 도면들에 있어서, 층 및 영역들의 두께는 명확성을 기하기 위하여 과장된 것이다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.

도 1a 및 도 1b는 본 발명의 일 실시 예에 따른 센서 소자의 사시도 및 단면도이다. 이때, 도 1b는 도 1a의 A-A'선을 따라 절취한 단면도이다.

도 1a 및 도 1b를 참조하여 설명하면, 본 발명이 일 실시 예에 따른 센서 소자(1000)는 제1기판(110) 및 제2기판(210)을 포함한다.

상기 제1기판(110)의 표면에는 패턴 영역(120)이 위치한다. 상기 패턴 영역(120)의 외곽에는 전극들이 배치된다. 특히 상기 전극들은 패턴 영역을 중심으로 대향하는 제1전극(130) 및 제2전극(140)으로 구성될 수 있다. 또한, 상기 제1기판(110)과 상기 2개의 전극들(130, 140) 사이에는 각각 버퍼층(150)이 위치할 수 있다.

상기 제2기판(210)은 그 일측 표면 상에 가변 전도도 패턴(220)이 위치할 수 있다. 또한, 상기 제2기판(210)과 가변 전도도 패턴(220) 사이에 점착층(230)이 위치할 수 있다.

이때, 상기 버퍼층(150) 및 점착층(230)은 필요에 의해 생략될 수도 있다.

상기 제1기판(110)은 통상적으로 사용되는 소다 라임 재질의 유리(glass) 기판, 플라스틱(plastic) 기판, 실리콘 옥사이드(silicon oxide) 기판 및 사파이어(sapphire) 기판 등이 가능하며, 본 발명에서 그 재질을 특별히 한정하지는 않는다.

상기 패턴 영역(120)은 상기 제1기판(110)의 일측 표면에 위치할 수 있다. 상기 패턴 영역(120)은 상기 제1기판(110)의 일측 표면에서 평면적으로 사각형의 형태로 위치할 수 있다. 상기 패턴 영역(120)은 입체 패턴을 포함할 수 있다. 상기 입체 패턴은 도 1b에 도시된 바와 같이 그 단면이 파형을 그리는 물결(wavy) 형태로 구성될 수 있다. 이러한 물결 형태의 입체 패턴은 상기 제1기판(110)의 단위 면적당 표면적을 증가시키는 것으로 본 발명의 일 실시 예에 따른 센서 소자(1000)에 작용하는 수직 압력을 수평 방향의 인장력으로의 변화를 용이하도록 한다.

또한, 상기 입체 패턴은 상기 물결 형태뿐만 아니라 트랜치(trench) 형태, 원을 포함하는 다각 기둥 형태 등과 같은 상기 제1기판(110)의 단위 면적당 표면적을 증가시키는 형태라면 어떠한 형태로 변형되어도 무방하다.

이러한 패턴 영역(120)의 다양한 형태의 구조들은 표면적 증가의 효과뿐만 아니라 가변 전도도 패턴(220)에 의해 접촉면적을 줄여 주어 외부에서 유입되는 작은 압력에 대하여 국부적으로 외부 압력의 힘을 증폭시켜주는 역할을 할 수 있다.

상기 제1전극(130) 및 제2전극(140)은 상기 제1기판(110)의 일측 표면, 바람직하게는 상기 패턴 영역(120)의 외곽에 형성된다. 특히, 상기 제1전극(130) 및 제2전극(140)은 상기 패턴 영역을 사이에 두고 서로 이격된 영역 상에 각각 위치할 수 있다. 상기 제1전극(130) 및 제2전극(140)은 상기 가변 전도도 패턴(220)과 전기적으로 접촉하여 상기 가변 전도도 패턴(220)의 변형에 의해 야기되는 전도도 변화를 측정하기 위해 별도로 구비된 검출부(미도시)와 연결되어 있을 수 있다.

상기 제1전극(130) 및 제2전극(140)은 도전성 물질, 예컨대, Pt, Pd, Au, Ag, Ti, Co, Ni, Cu, W, Mo 및 이들의 합금으로 이루어진 군에서 선택된 1종으로 이루어질 수 있다. 상기 제1전극(130) 및 제2전극(140)은 상기 가변 전도도 패턴(220)과 전기적 접촉이 이루어짐으로, 쇼트키 장벽(shottky barrier)이 낮은 도전성 물질로 이루어지는 것이 바람직하며, 이러한 물질로는 Pd 또는 Au가 있을 수 있다.

상기 제1전극(130) 및 제2전극(140)은 0.1㎛ 내지 1㎛, 바람직하게는 0.2㎛ 내지 0.5㎛의 두께로 형성할 수 있다. 이때, 상기 제1전극(130) 및 제2전극(140)의 두께는 상기 가변 전도도 패턴(220)과 상기 패턴 영역(120) 사이의 이격 거리에 직접적으로 영향을 줌으로 상기 제1전극(130) 및 제2전극(140)의 두께를 적절히 조절하여 상기 가변 전도도 패턴(220)과 상기 패턴 영역(120) 사이의 이격 거리를 적절히 제어하는 것이 바람직하다.

상기 버퍼층(150)은 상기 전극들(130,140)과 제1기판(110) 사이에 위치하여 상기 가변 전도도 패턴(220)과 패턴 영역(120) 사이의 이격 거리를 조절하기 위해 구비될 수 있다. 그러므로 상기 버퍼층(150)은 상기 전극들(130,140)의 두께로 상기 가변 전도도 패턴(220)과 패턴 영역(120) 사이의 이격 거리를 적절히 제어할 수 있다면 생략할 수도 있다. 상기 버퍼층(150)은 상기 전극들(130,140)과 상기 제1기판(110) 사이를 절연하는 역할을 할 수도 있다. 예컨대, 상기 제1기판(110) 역시 도전성을 가지고 있는 경우, 상기 전극들(130,140)과 상기 제1기판(110) 사이를 절연하기 위해 구비될 수도 있다. 또한, 상기 버퍼층(150)은 상기 전극들(130,140)을 형성하기 위한 여러 공정을 진행할 때, 상기 제1기판(110)이 손상되지 않도록 하는 보호층의 역할을 할 수도 있다.

상기 제2기판(210)은 통상적으로 사용되는 소다 라임 재질의 유리 기판, 플라스틱 기판, 실리콘 옥사이드 기판 및 사파이어 기판 등이 가능하며, 본 발명에서 그 재질을 특별히 한정하지는 않는다. 일 예로써, 상기 제2기판(210)은 플랙시블 기판이 사용될 수 있으며, 이때 상기 플랙시블 기판은 실리콘계 고분자, 아크릴계 고분자 및 이들의 공중합체로 이루어진 군에서 선택된 물질로 이루어질 수 있다.

상기 실리콘계 고분자로는 폴리실란(polysilane), 폴리실록산(polysiloxane), 폴리실라잔(polysilazane), 폴리카르보실란(polycarbosilane) 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 종이 가능할 수 있으며, 바람직하게 폴리디메틸실록산(poly(dimethylsiloxane), PDMS)일 수 있다. 상기 아크릴계 고분자로는 폴리아크릴레이트(polyacrylate), 폴리메타크릴레이트(polymethacrylate), 폴리메틸아크릴레이트(polymethylacrylate), 폴리메틸메타크릴레이트(polymethylmetacrylate), 폴리에틸아크릴레이트(polyethylacrylate), 폴리에틸메타크릴레이트 (polyethylmetacrylate) 및 이들의 공중합체로 이루어진 군에서 선택하는 것도 가능할 수 있다.

상기 가변 전도도 패턴(220)은 상기 제2기판(210)의 일측 표면 상에 위치할 수 있다. 상기 가변 전도도 패턴(220)은 상기 패턴 영역(120)의 적어도 일부분을 덮도록 구비될 수 있다. 또한 상기 가변 전도도 패턴(220)은 그 양측 말단부가 상기 전극들(130,140), 즉, 상기 제1전극(130) 및 제2전극(140)에 각각 전기적으로 접촉되도록 구비될 수 있다.

상기 가변 전도도 패턴(220)은 인장률의 변화에 따라 전기 전도도 또는 저항이 변화되는 물질이라면 어떠한 물질을 포함하여도 무방하며, 이러한 물질로는 탄소 나노 튜브, 나노 와이어, 나노 파티클, 금속 및 압전 물질 등이 있을 수 있다.

일 실시 예로, 상기 가변 전도도 패턴(220)은 탄소 나노 튜브를 포함하는 패턴일 수 있다. 상기 탄소 나노 튜브는 싱글-월(single-wall), 더블-월(double-wall) 및 멀티-월(multi-wall) 구조 중 어느 하나의 구조를 가질 수 있다. 상기 탄소 나노 튜브의 구조들 각각은 서로 네트워크를 형성한 형태로 구비될 수 있다.

상기 싱글-월 구조의 탄소 나노 튜브는 원통형의 벽이 하나로 이루어진 긴 탄소 나노 튜브 가닥을 의미하며, 더블-월 구조의 탄소 나노 튜브는 동심원처럼 벽이 두 개로 이루어진 탄소 나노 튜브 가닥을 의미한다. 또한 멀티-월 구조의 탄소 나노 튜브는 적어도 두 개 이상의 벽이 동심원처럼 이루어진 구조의 탄소 나노 튜브 가닥을 의미한다. 이들은 각각 전기적인 특성이 다르나, 적용하는 용도에 따라 적절히 선택될 수 있다. 예를 들면, 더블이나 멀티는 도체의 성질이 강하고, 싱글은 반도체의 성질이 강해 사용하는 용도가 다르나, 모두 본 발명의 일 실시 예에 따른 센서 소자(1000)의 가변 전도도 패턴(220)을 이루는 물질로 사용가능하다.

상기 가변 전도도 패턴(220)은 저밀도로 네트워크를 형성하는 것이 바람직하다. 이때 저밀도라 함은 구체적으로 빛의 투과를 90% 이상 할 수 있으며, 압력을 감지할 수 있는 최소의 밀도(network 형성)를 가짐을 의미한다.

이렇게 저밀도로 네트워크를 형성할 경우 재료비 차원에서 경제적이고, 터치스크린과 같이 투명도를 요구하는 센서에 적용하는 경우 90% 이상의 투과율을 나타내 기존에 ITO(Indium Tin Oxide)를 사용하는 경우와 비교하여 저렴하며, 동등 이상의 높은 투과율을 보인다. 또한 다양한 종류의 압력 모니터링 센서의 경우라도, 저밀도로 제작하면 경제적이고 민감도(sensitivity)가 증가하는 장점이 있다.

상기 가변 전도도 패턴(220)의 두께는 수 나노 내지 수십 마이크론 수준으로 구현하고자 하는 센서의 종류에 따라 변화 또는 변경이 가능하다. 이러한 가변 전도도 패턴(220)은 이를 이루는 개개의 탄소 나노 튜브의 높은 탄성 강도에 따른 내구성이 우수하고 온도에 따른 센싱 안정성이 뛰어나며, 제작공정이 간단한 장점이 있다. 상기 가변 전도도 패턴(220)은 상기 가변 전도도 패턴(220)을 이루는 물질이 탄소 나노 튜브인 경우, 그 두께가 10nm 내지 40nm인 것이 바람직하다.

상기 점착층(230)은 상기 가변 전도도 패턴(220)과 제2기판(210) 사이에 위치할 수 있다. 상기 점착층(230)은 상기 가변 전도도 패턴(220)을 상기 제2기판(210)에 고정하는 역할을 한다. 즉, 상기 점착층(230)은 상기 제2기판(210)이 외부의 압력에 의해 변형될 때, 상기 가변 전도도 패턴(220) 역시 상기 제2기판(210)의 변형에 의해 변형되도록 하는 역할을 한다.

또한, 상기 점착층(230)은 상기 제1기판(110)과 제2기판(210)을 결합하는 역할을 할 수도 있다. 상기 점착층(230)이 도 1a 및 도 1b에 도시된 바와 같이 상기 제1기판(110) 및 상기 전극들(130,140)에 직접 접촉하여 상기 제1기판(110)과 제2기판(210)을 접착하여 체결하는 역할을 할 수도 있다.

도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 센서 소자의 동작 원리를 보여주는 개면도이다. 이때, 도 2는 도 1b의 B 영역을 확대한 개념도이다.

도 2를 참조하여 본 발명의 일 실시 예에 따른 센서 소자(1000)의 동작 방법을 설명하면, 상기 센서 소자(1000)는 외부의 압력(310)이 상기 제2기판(210)의 타측 표면에 가해지면, 상기 제2기판(210)은 변형되고 이로 인해, 상기 제2기판(210)의 일측 표면에 구비된 가변 전도도 패턴(220) 역시 변형된다.

이때, 상기 가변 전도도 패턴(220)은 상기 제1기판(110)의 패턴 영역(120)의 입체 패턴과 접촉하게 되고, 상기 입체 패턴의 형상에 따라 변형하게 된다. 이때, 상기 가변 전도도 패턴(220)은 상기 패턴 영역(120)이 평면적으로 이루어진 것보다 더 많은 변형을 일으키게 된다.

예컨대, 도 2에 도시된 바와 같이 상기 패턴 영역(120)의 입체 패턴이 물결 형태로 이루는 경우, 상기 외부 압력(310)에 의해 상기 가변 전도도 패턴(220)은 변형하게 된다. 이때, 상기 패턴 영역(120)에 물결 형태의 입체 패턴이 구비된 경우, 상기 물결 형태의 입체 패턴의 가장 높은 부분인 마루(122)들과 대응되는 상기 가변 전도도 패턴(220)의 일부분들은 적게 변형되고, 상기 물결 형태의 입체 패턴의 가장 낮은 부분인 골(124)들과 대응하는 상기 가변 전도도 패턴(220)의 일부분들은 상기 외부 압력(310)이 부분적으로 집중되는 세부 외부 압력(320)들이 작용하여 변형이 크게 발생한다. 이로 인해, 상기 패턴 영역(120)이 평면적으로 이루어졌을 때 보다 상기 가변 전도도 패턴(220)의 변형이 더 많이 발생하게 된다. 또한, 상기 가변 전도도 패턴(220)은 가장 높은 부분인 마루(122)들과의 접촉에 의해 접촉 면적이 감소하게 되어 국부적으로 압력이 증가하게 되는 효과를 얻을 수 있다.

상기 가변 전도도 패턴(220)의 변형은 상기 가변 전도도 패턴(220)의 인장률을 변화시키게 되고, 상기 가변 전도도 패턴(220)을 이루고 있는 물질은 상기 인장률에 따라 전도도, 즉 전기 전도도가 변화되거나, 저항이 변화되는 물질, 예컨대, 탄소 나노 튜브를 포함하고 있으므로 이러한 인장률 변화에 따라 야기되는 전기 전도도 변화를 측정함으로써 상기 외부 압력(310)의 존재 유무 또는 세기를 측정할 수 있게 된다.

그러므로 본 발명의 일 실시 예에 따른 센서 소자(1000)는 외부 압력에 대해 상기 가변 전도도 패턴(220)과 패턴 영역(120)이 상호 작용하여 수직으로 가해지는 외부 압력을 수평 방향의 인장력으로 변화시키고, 상기 인장력의 변화를 상기 가변 전도도 패턴(220)의 전도도 변화로 읽어 감지한다.

또한, 상기 센서 소자(1000)는 가변 전도도 패턴(220) 및 이에 대응하는 패턴 영역(120)을 하나의 단위 셀로 하고, 이러한 단위 셀이 복 수개로 배열된 경우에는 상기 외부 압력(310)이 가해진 위치뿐만 아니라 상기 외부 압력(310)의 분포 역시 감지할 수 있다.

실험 예 1

도 3a 및 도 3b는 본 발명의 일 실시 예에 따른 센서 소자의 실제 동작을 측정한 결과를 도시한 그래프들이다.

도 3a 및 도 3b를 참조하여 설명하면, 본 실험 예1에서 실험한 센서 소자는 상기 도 1a 및 도 1b를 참조하여 설명한 센서 소자(1000)와 동일한 구조의 센서 소자를 이용하였다.

즉, 본 실험 예에서 실험된 센서 소자는 도 1a 및 도 1b를 참조하여 설명한 일측 표면에 패턴 영역(120)이 위치한 제1기판(110), 상기 패턴 영역(120)의 외곽 상에 위치한 제1전극(130)과 제2전극(140), 상기 제1전극(130)과 제2전극(140) 상에 위치한 가변 전도도 패턴(220) 및 상기 가변 전도도 패턴(220) 상에 배치된 제2기판(210)을 포함하는 센서 소자(1000)를 이용하였다. 이때, 상기 가변 전도도 패턴(220)은 그 양측 말단부가 각각 상기 제1전극(130) 및 제2전극(140)과 전기적으로 접촉하고 있고, 탄소 나노 튜브로 이루어져 있다. 상기 제2기판(210)은 PMDS로 이루어진 기판을 이용하였다.

도 3a에 도시된 바와 같이 상기 제1기판(110)의 타측 표면에 30kPa의 압력을 인가(applied pressuure)하고 일정 시간 경과한 후, 압력을 해제(released pressure)하였을 때, 센서 소자는 약 10%의 전도도 변화(conductance chage)가 발생되는 것으로 측정되었으며, 이러한 전도도의 변화는 1초 이내에 발생되는 것으로 분석되었다.

또한, 도 3b에 도시된 바와 같이 상기 센서 소자를 3000회 이상 반복적으로 압력을 인가 및 압력을 해제하는 압력 인가 해제 실험을 반복적으로 실시하여도 거의 동일한 전도도 변화가 발생되는 것으로 분석되었다.

따라서 본 실험 예를 통해 본 발명의 일 실시 예를 참조하여 설명한 센서 소자(1000)는 압력 센서로 동작될 수 있음을 알게 하였다.

제조 예 1

도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 센서 소자를 제조하는 방법을 보여주는 개념도이다.

도 4를 참조하여 설명하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 센서 소자를 제조하는 방법을 설명하면, 일측 표면 상에 입체 패턴(120)이 위치한 제1기판(110)을 준비한다.

상기 일측 표면 상에 입체 패턴(120)이 위치한 제1기판(110)을 준비하는 공정은 반도체 공정에서 알려진 패턴 형성 방법 중 어느 한 방법을 이용하여 실시할 수 있다. 일 예로써, 상기 제1기판(110)을 먼저 준비한 후, 상기 제1기판(110)의 일측 표면을 식각하여 입체 패턴(120)을 형성함으로써 상기 일측 표면 상에 입체 패턴(120)이 위치한 제1기판(110)을 준비할 수 있다.

이어서, 상기 입체 패턴(120)의 외곽에 전극들(130, 140), 즉, 제1전극(130) 및 제2전극(140)을 형성한다. 이때, 상기 전극들(130, 140)과 제1기판(110) 사이에는 버퍼층(150)을 더 형성할 수 있다.

상기 전극들(130, 140)과 버퍼층(150)을 형성하는 공정은 반도체 공정에서 알려진 전극 형성 방법 중 어느 한 방법을 이용하여 실시할 수 있다.

일 예로써, 상기 전극들(130, 140) 및 버퍼층(150)은 상기 제1기판(110) 상에 버퍼 물질층 및 도전 물질층을 순차적으로 형성한 후, 상기 도전 물질층 및 버퍼 물질층을 식각함으로써 상기 전극들(130, 140) 및 버퍼층(150)을 형성할 수 있다.

따라서, 상기에서 상술한 바와 같은 공정을 실시하여 입체 패턴(120),상기 전극들(130, 140) 및 버퍼층(150)을 포함하는 제1기판(110)을 형성한다.

상기에서 상술한 제1기판(110)과 별도의 공정으로 일측 표면 상에 점착층(230)이 위치한 제2기판(210)을 준비한다. 또한, 상기 제2기판(210)과는 별도로 일측 표면 상에 탄소 나노 튜브로 이루어진 가변 전도도 패턴(220)이 형성된 다공성 나노 템플레이트 필터(400)를 준비한다.

이어서, 상기 다공성 나노 템플레이트 필터(400)의 일측 표면과 상기 제2기판(210)의 일측 표면이 서로 대면하도록 배치하고, 전사법을 이용하여 상기 다공성 나노 템플레이트 필터(400)의 표면 상의 상기 가변 전도도 패턴(220)을 상기 점착층(230) 상에 전사한다. 이때, 상기 가변 전도도 패턴(220)의 전기적 특성의 균일성을 확보하기 위하여 질산(HNO₃)과 같은 화학 용액을 이용하여 후처리하는 공정을 더 실시할 수도 있다.

이어서, 상기 전극들(130, 140)과 상기 가변 전도도 패턴(220)이 접촉하도록 상기 제1기판(110)과 제2기판(210)을 대면한 후, 상기 제1기판(110)과 제2기판(210)을 접합하여 센서 소자(1000)를 형성한다.

이때, 상기 제1기판(110)과 제2기판(210)을 접합한 이후, 상기 제2기판(210)을 제거하여 공정을 더 진행할 수도 있다. 즉, 상기 제2기판(210)과 점착층(230)을 분리하여 상기 제2기판(210)을 제거하여 상기 점착층(230) 자체를 기판으로 이용할 수도 있다.

이때, 상기 점착층(230)은 상기 제조 공정에서 하부의 여러 소자들(예컨대 상기 가변 전도도 패턴(220))을 물리적으로 보호할 수 있을 정도로 충분한 두께로 형성함으로써 기계적 강도를 확보하여 기판으로 이용할 수 있게 하는 것이 바람직하다.

상기 일측 표면 상에 점착층(230)이 위치한 제2기판(210)을 준비하는 공정은 반도체 공정에서 통상적으로 이용하는 습식 코팅 또는 건식 코팅 방법을 이용하여 형성할 수 있다.

일 예로써, 상기 점착층(230)을 형성하는 물질을 용매에 용해시켜 코팅액을 형성하고, 상기 코팅액을 스핀 코팅, 딥 코팅, 스프레이 코팅, 그라비아 코팅 또는 인쇄법 등의 코팅법으로 코팅한 후, 1 내지 2시간 동안 평탄화를 거친 후, 70 내지 80℃에서 10 내지 15분 동안 열처리하여 형성할 수 있다.

이때, 상기 평탄화 시간이 1시간 미만인 경우 상기 점착층(230)의 두께가 균일하지 못하고 내부의 기포를 제대로 제거할 수 없다는 문제점이 발생할 수 있다. 상기 점착층(230)을 형성하는 물질은 실리콘계 고분자, 아크릴계 고분자 및 이들의 공중합체로 이루어진 군에서 선택될 수 있다.

상기 일측 표면 상에 탄소 나노 튜브로 이루어진 가변 전도도 패턴(220)이 형성된 다공성 나노 템플레이트 필터(400)을 준비하는 공정은 우선 일측 표면 상에 상기 가변 전도도 패턴(220)을 형성하기 위한 마스크 패턴(500)이 형성된 상기 다공성 나노 템플레이트 필터(400)를 준비하고, 상기 탄소 나노 튜브 분산 용액을 선택적 진공 여과(selective vacuum filtration)법을 이용하여 상기 다공성 나노 템플레이트 필터(400)로 선택적 진공 여과하여 건조함으로써 형성하여 준비할 수 있다. 이때, 상기 선택적 진공 여과법은 상기 탄소 나노 튜브 분산 용액 내의 탄소 나노 튜브를 선택적으로 여과하고 건조함으로써 상기 마스크 패턴(500)의 오픈 영역(510) 상에 상기 가변 전도도 패턴(220)을 형성할 수 있다. 상기 가변 전도도 패턴(220)을 형성한 후, 상기 마스크 패턴(500)을 제거하는 공정을 진행할 수 있다.

상기 탄소 나노 튜브 분산 용액은 탄소 나노 튜브 분말, 계면활성제 및 용매가 포함될 수 있다.

이때, 상기 계면활성제는 탄소 나노 튜브 분산 용액의 분산 안정성을 높이기 위해 사용되며, 탄소 나노 튜브 분말 계면의 자유 에너지를 낮출 뿐만 아니라 표면 전하를 변환시키는 역할을 한다. 상기 계면활성제는 본 발명에서 특별히 한정하지 않으며, 비이온성 계면활성제, 양이온성 계면활성제, 음이온성 계면활성제 및 이들의 혼합물로부터 선택된 1종을 이용할 수 있다.

대표적으로, 상기 계면활성제는 나트륨 도데실 설페이트(SDS), 나트륨 옥틸벤젠 술포네이트(NaOBS), 나트륨 도데실 벤젠 설페이트(SDBS), 트리톤X-100(TRITON X-100), 나트륨 도데실 설포네이트(SDSA), 나트륨 부틸벤조에이트(NaBBS), 도데실트리메틸암모늄 브로마이드(DTAB), 덱스트린(dextrin), 폴리스티렌-폴리에틸렌옥사이드(PS-PEO) 및 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택된 1종을 선택하여 사용할 수 있고, 분산 안정성을 충분히 확보하기 위해 탄소 나노 튜브 분말과 10:1의 비율을 유지하도록 하는 것이 바람직하다.

상기 용매는 통상적으로 탄소 나노 튜브 분산을 위한 용매로 사용하는 것이면 어떠한 것이라도 사용하다. 대표적으로 물, 메탄올, 에탄올, 프로판올, 이소프로판올의 알코올, 메틸메타아크릴레이트, 에틸렌글리콜, 디메틸포름아마이드의 유기 용매 및 이들의 혼합 용매로 이루어진 군에서 선택이 가능하다.

이때, 상기 탄소 나노 튜브 분산 용액 제조 시 초음파를 5 내지 7시간 동안 인가하여 거대 번들을 분리한 다음, 원심 분리를 이용하여 탄소 나노 튜브의 소규모 번들 및 미세 번들을 제거하여 균일한 탄소 나노 튜브(여컨대, 싱글 탄소 나노 튜브, 더블 탄소 나노 튜브 또는 멀티 탄소 나노 튜브)가 분산용액 내에 균일하게 부유(floating)하도록 하여 상기 탄소 나노 튜브 분산 용액을 제조할 수 있다.

상기 다공성 나노 템플레이트 필터(400)는, 일 예로써, AAO(anodic aluminum oxide) 템플레이트 필터 또는 폴리카보네이트 필터를 사용을 사용할 수 있다. 바람직하게는 상기 다공성 나노 템플레이트 필터(400)는 기공의 직경이 20 내지 200nm, 기공의 깊이가 60 내지 100㎛, 기공의 밀도는 100개/㎛² 내지 1000개/㎛² 인 것을 사용한다.

상기 건조는 다공성 나노 템플레이트 필터(400)에 형성된 탄소 나노 튜브 박막으로 이루어진 가변 전도도 패턴(220)을 고정시키고 용매가 충분히 제거될 수 있도록 30 내지 80℃에서 10 내지 30분 동안 수행되는 것이 바람직하다.

이상 본 발명을 상기 실시 예들을 들어 설명하였으나, 본 발명은 이에 제한되는 것이 아니다. 당업자라면, 본 발명의 취지 및 범위를 벗어나지 않고 수정, 변경을 할 수 있으며 이러한 수정과 변경 또한 본 발명에 속하는 것임을 알 수 있을 것이다.

110 : 제1기판 120 : 입체 패턴
130 : 제1전극 140 : 제2전극
150 : 버퍼층 210 : 제2기판
220 : 가변 전도도 패턴 230 : 점착층

Claims (10)

1. 일측 표면에 입체 패턴으로 이루어진 패턴 영역이 형성된 제1기판;
   상기 제1기판의 표면에 형성되고, 상기 패턴 영역 외곽에 위치한 전극들; 및
   상기 제1기판의 일측 표면과 대향하는 일측 표면 상에 적어도 상기 패턴 영역의 일부를 덮으면서 상기 전극들과 전기적으로 접촉하는 가변 전도도 패턴;을 포함하는 센서 소자.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 입체 패턴은 트랜치(trench) 형태, 물결(wavy) 형태 및 원을 포함하는 다각 기둥 형태 중 어느 한 형태로 이루어진 패턴인 센서 소자.
3. 제 1 항에 있어서,
   상기 전극들은 상기 패턴 영역을 사이에 두고 서로 이격되어 위치하는 제1전극 및 제2전극을 포함하는 센서 소자.
4. 제 1 항에 있어서,
   상기 가변 전도도 패턴은 탄소 나노 튜브, 나노 와이어, 나노 파티클, 금속 및 압전 물질 중 어느 하나를 포함하는 박막인 센서 소자.
5. 제 1 항에 있어서,
   상기 센서 소자는 상기 가변 전도도 패턴 상부에 배치되는 제2기판을 더 포함하고,
   상기 제2기판과 가변 전도도 패턴 사이에 위치한 점착층을 더 포함하는 센서 소자.
6. 제 5 항에 있어서,
   상기 제2기판은 플랙시블(flexible) 기판인 센서 소자.
7. 제 1 항에 있어서,
   상기 전극들과 제1기판 사이에 위치한 버퍼층을 더 포함하는 센서 소자.
8. 일측 표면에 입체 패턴이 위치한 제1기판 및 일측 표면 상에 가변 전도도 패턴이 위치한 제2기판을 준비하는 단계;
   상기 입체 패턴의 외곽에 전극들을 형성하는 단계; 및
   상기 전극들에 가변 전도도 패턴이 접촉하도록 상기 제1기판과 제2기판을 접합하는 단계;를 포함하는 센서 소자 제조 방법.
9. 제 8 항에 있어서,
   상기 일측 표면 상에 가변 전도도 패턴이 위치한 제2기판을 준비하는 단계:는
   제2기판의 일측 표면 상에 점착층을 형성하는 단계;
   일측 표면에 가변 전도도 패턴이 형성된 다공성 나노 템플레이트 필터를 준비하는 단계;
   상기 다공성 나노 템플레이트 필터와 제2기판을 대면시키는 단계; 및
   상기 가변 전도도 패턴을 전사하여 상기 점착층 상에 상기 가변 전도도 패턴을 형성하는 단계;를 포함하는 센서 소자 제조 방법.
10. 제 9 항에 있어서,
    상기 일측 표면에 가변 전도도 패턴이 형성된 다공성 나노 템플레이트 필터를 준비하는 단계;는
    일표 표면 상에 상기 가변 전도도 패턴 형성을 위한 마스크 패턴이 형성된 다공성 나노 템플레이트 필터를 준비하는 단계;
    탄소 나노 튜브가 분산된 탄소 나노 튜브 용액을 준비하는 단계; 및
    상기 탄소 나노 튜브 용액을 상기 다공성 나노 템플레이트 필터를 이용하여 선택적 진공 여과법으로 진공 여과하여 상기 다공성 나노 템플레이트의 일측 표면 상에 가변 전도도 패턴을 형성하는 단계;를 포함하는 센서 소자 제조 방법.

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