KR101554543B1

KR101554543B1 - 압력센서

Info

Publication number: KR101554543B1
Application number: KR1020150023885A
Authority: KR
Inventors: 하정숙; 정유라; 박흔
Original assignee: 고려대학교 산학협력단
Priority date: 2015-02-17
Filing date: 2015-02-17
Publication date: 2015-09-21

Abstract

본 발명은 안정성 및 민감도가 향상되도록 구조가 개선된 압력센서에 관한 것이다. 본 발명에 따른 압력센서는 신축 가능한 고분자 소재로 이루어지며, 일측면에 나노 사이즈를 가지는 다수의 돌기부가 형성되어 있고, 상기 돌기부가 형성된 면에 전도성 물질로 이루어진 전도층이 마련되어 있는 커버와, 상기 커버의 돌기부에 접촉되도록 상기 커버에 결합되며, 전도성 고분자로 이루어진 나노화어버층이 형성되어 있는 전도성 필름을 포함한다.

Description

압력센서{A pressure sensor}

본 발명은 압력센서에 관한 것으로, 보다 상세하게는 웨어러블 디바이스 등에 적용가능한 압력센서에 관한 것이다.

최근 들어서는 웨어러블 기기와 같이 사람의 신체에 착용하는 전자기기에 관한 연구가 증가하고 있고, 이에 신체에 착용할 수 있는 스트레인 게이지 또는 압력센서에 관하여 관심이 증가하고 있다. 사람의 신체에 착용이 가능하려면 스트레인 게이지 또는 압력센서가 안정성과 높은 민감도를 가져야 하며, 이에 관하여 대한민국 등록특허 등록번호 10-1406085호(발명의 명칭 : 그래핀/PDMS 복합제의 제조방법 및 이에 의해 제조된 그래핀/PDMS 복합체) 등의 특허가 제안된 바 있다.

다만, 현재까지 제안된 기술들은 민감도와 안정성에서 미흡한 부분에서 다소 문제점이 발견되고 있다.

대한민국 등록특허 등록번호 10-1406085호(발명의 명칭 : 그래핀/PDMS 복합제의 제조방법 및 이에 의해 제조된 그래핀/PDMS 복합체)

본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 안정성 및 민감도가 향상되도록 구조가 개선된 압력센서를 제공하는 것이다.

본 발명에 따른 압력센서는 신축 가능한 고분자 소재로 이루어지며, 일측면에 나노 사이즈를 가지는 다수의 돌기부가 형성되어 있고, 상기 돌기부가 형성된 면에 전도성 물질로 이루어진 전도층이 마련되어 있는 커버와, 상기 커버의 돌기부에 접촉되도록 상기 커버에 결합되며, 전도성 고분자로 이루어진 나노화어버층이 형성되어 있는 전도성 필름을 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따르면, 상기 전도성 고분자는 폴리아닐린 나노화이버인 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 따르면 상기 고분자 소재는 폴리다이메틸실록세인(polydimethylsiloxane, PDMS)인 것이 바람직하다.

본 발명에 따르면 안정성 및 민감도가 우수한 압력센서를 제조할 수 있다.

도 1은 커버 제작 과정을 나타내는 흐름도이다.
도 2는 전도성 필름 제작 과정을 나타내는 흐름도이다.
도 3은 폴리나노화이버의 SEM 이미지이다.
도 4는 커버와 전도성 필름을 결합하는 것을 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 압력이 측정되는 원리를 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 압력센서 어레이를 제작하는 과정을 나타내는 도면이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 압력센서에 관하여 설명한다.

도 1은 커버 제작 과정을 나타내는 흐름도이며, 도 2는 전도성 필름 제작 과정을 나타내는 흐름도이며, 도 3은 폴리나노화이버의 SEM 이미지이며, 도 4는 커버와 전도성 필름을 결합하는 것을 설명하기 위한 도면이며, 도 5는 압력이 측정되는 원리를 설명하기 위한 도면이다.

도 1 내지 도 5를 참조하여, 압력센서를 제조하는 과정에 관하여 설명한다.

[커버 제작]

도 1의 (a)에 도시된 바와 같이, 실리콘 옥사이드(SiO2) 기판(10)에 SU-8 3050 포토레지스트를 스핀코팅 방법으로 고르게 도포한다. 500rpm에서 10초에 가속도 100rpm/s, 3000rpm에서 30초간 가속도는 300rpm/s로 스핀코팅한 후, soft baking과정으로 95℃의 핫플레이트에서 1시간 동안 가열한다.

도 1의 (b)에 도시된 바와 같이, 패터닝 된 포토마스크(20)를 포토레지스트로 도포된 기판(10) 위에 배치한 상태에서, 기판을 UV에 20초간 노출시킨다. 이후, 65℃ 핫플레이트 위에서 1분, 95℃ 핫플레이트에서 4분간 기판을 가열한다. 이러한 과정을 post baking과정이라 하며, 이렇게 노출된 샘플을 현상액에 30분간 담그고 조금씩 흔들어준다. 이러한 과정을 거친 기판을 IPA 용액으로 세정하고, 다시 150℃ 핫플레이트에서 60분간 경화시켜주면 패터닝 된 몰드가 완성된다.

도 1의 (c)에 도시된 바와 같이, 상술한 과정을 통해 제작된 몰드에 신축 가능한 고분자 소재(30), 바람직하게는 폴리다이메틸실록세인(polydimethylsiloxane, PDMS)(Sylgard 184 A + Sylgard 184 B, 10:1혼합)를 부은 후, 진공 데시게이터에서 30분간 처리하고 드라이오븐(65℃)에서 60분간 처리하면 PDMS가 응고된다. 이후, 응고된 PDMS를 몰드로부터 분리하면, 도 1의 (d)에 도시된 바와 같이 복수의 돌기부(41)가 형성된 커버(40)가 제작된다.

이후, 커버의 일면, 보다 구체적으로는 돌기부가 형성된 면에 전도성 물질로 이루어진 전도층(42)을 형성한다. 예를 들어, 돌기부가 형성된 면에 금(Au)을 증착함으로써 전도층(42)을 형성한다.

[전도성 필름 제작]

전도성 필름을 제작하는 단계에서는, 전도성 고분자로 이루어진 나노화어버층이 형성된 필름을 제작한다. 특히, 본 실시예의 경우에는 폴리아닐린 나노화이버층이 형성된 필름을 제작한다. 이하, 구체적인 과정에 관하여 설명한다.

도 2의 (a)에 도시된 바와 같이, 금이 100nm 증착된 PET 필름(2 cm x2 cm)을 준비한다. 이후, 이 금 위에 Potentiodynamic 방법으로 폴리아닐린 나노화이버를 성장한다. 보다 구체적으로 설명하면, 전해질로 aniline 0.1 m, H2SO4 0.5 m을 제조한다. 그리고, 3개의 전극을 준비하여, 1개의 전극에는 PET 필름을 연결하고, 다른 하나의 전극은 counter electrode로서 백금전극, 나머지 하나의 전극은 reference electrode로서 Ag/AgCl 전극을 연결한다. 여기에 scan rate 100 mV/s으로 0~0.85 V 범위를 전류를 공급한 후 방전하는 과정을 반복한다. 이러한 과정을 거치면, 도 2의 (b)에 도시된 바와 같이, 금이 증착된 PET 필름에 폴리아닐린 나노화이버가 성장하게 된다. 참고로, 도 3에 도시된 바와 같이, 전류를 공급 및 방전하는 과정(cycle)을 반복하는 횟수를 통해, 폴리아닐린 나노화이버가 성장하는 두께를 조절할 수 있다.

한편, 이와 같이 제조된 전도성 필름을 그대로 센서로 사용할 수는 없다. 그 이유는, 폴리아닐린 나노화이버 아래에 금이 증착되어있으면, 전류가 폴리아닐린 나노화이버로 흐르는 것이 아니라 금을 통해 흐르기 때문에, 압력에 따라 폴리아닐린 나노화이버를 통해 흐르는 전류의 양이 달라지는 효과를 볼 수 없기 때문이다. 따라서, 폴리아닐린 나노화이버 밑에 있는 금 층을 제거해야 한다. 금 층의 제거는, 전도성 필름을 금 식각용액에 6시간 가량 넣어두면 금이 모두 식각되고, 이후 증류수에 2시간 가량 전도성 필름을 담가두면 식각 용액이 완전히 세정된다. 그리고, 이를 통해 도 2의 (c)에 도시된 바와 같이 PET 필름 및 폴리아닐린 나노화이버로 이루어진 전도성 필름(50)을 제조할 수 있다.

[압력센서 제작]

도 4에 도시된 바와 같이, 전도성 필름의 양쪽에 금속 와이어(구리 와이어)(60)를 연결하고, 은나노와이어 스티커(70)를 이용하여 금속 와이어(60)를 고정한다. 이후, 커버(40)를 전도성 필름(50) 위에 적층하여 결합한다.

상술한 바와 같이 제조된 압력센서에 있어서, 도 5에 도시된 바와 같이 외부에서 압력이 인가되면, 커버의 돌기부(41)가 폴리아닐린 나노화이버와 밀착되는 정도가 변화하게 된다. 그리고, 이와 같이 돌기부와 폴리아닐린 나노화이버의 밀착 정도가 변화되면, 이에 따라 측정되는 전류의 세기도 변화한다. 예를 들어, 돌기부가 폴리아닐린 나오화이버에 많이 밀착될수록, 돌기부 표면에 형성된 전도층(즉, 금)을 통해 많은 전류가 흐르게 되므로, 측정되는 전류의 세기가 증가한다.

한편, 상기와 같이 제조된 압력센서를 어레이 형태로 집적화하여, 신장가능한 압력센서 어레이 제품을 구성할 수도 있다.

구체적으로 설명하면, 도 6에 도시된 바와 같이 패터닝 된 금속 몰드에 PDMS(고분자 물질) 부어 신축성을 가지는 기판(80)을 제작한다. 이후, 제작된 기판(80)의 패턴 부분에 액체금속을 주입한다. 그리고, 그 위에 상기한 압력센서를 부착하고, 액체금속과 압력센서를 은 나노스티커를 이용하여 전기적으로 연결한다. 그리고, 이와 같이 제작하면 신축 가능한 압력센서 어레이를 제작할 수 있고, 이 압력센서 어레이는 늘이지 않은 상태와 늘인 상태에서도 똑같이 압력의 주소화가 가능하다.

이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 상술한 특정의 바람직한 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 청구범위 기재의 범위 내에 있게 된다.

40...커버 41...돌기부
42...전도층 50...전도성 필름

Claims

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기판 상에 패터닝된 몰드를 제작하는 단계;
상기 몰드에 신축 가능한 폴리다이메틸실록세인(polydimethylsiloxane, PDMS)을 붓고 응고시킨 다음, 상기 응고된 PDMS를 상기 몰드로부터 분리하여 상기 응고된 PDMS 표면 상에 복수 개의 돌기부를 제작하는 단계;
상기 응고된 PDMS 표면 상의 상기 복수 개의 돌기부에 전도층을 형성함으로써 커버를 제작하는 단계;
고분자 필름 상에 폴리아닐린 나노화이버층을 포텐시오다이나믹(potentiodynamic) 방법에 의해서 형성함으로써 전도성 필름을 제작하는 단계; 및
상기 커버와 상기 전도성 필름을 결합시키는 단계
를 포함하는 웨어러블 기기용 압력센서의 제조방법.
패턴을 갖는 신축 가능한 폴리다이메틸실록세인(polydimethylsiloxane, PDMS) 기판;
상기 패턴에 주입된 액체 금속;
상기 패턴 상에 부착된 압력센서; 및
상기 액체 금속과 상기 압력센서를 전기적으로 연결하는 은 나노스티커
를 포함하되,
상기 압력센서는,
신축 가능한 폴리다이메틸실록세인(polydimethylsiloxane, PDMS)로 이루어지며, 일측면에 나노 사이즈를 가지는 다수의 돌기부가 형성되어 있고, 상기 돌기부가 형성된 면에 전도성 물질로 이루어진 전도층이 마련되어 있는 커버; 및
상기 커버의 돌기부에 접촉되도록 상기 커버에 결합되며, 폴리아닐린 나노화이버층이 형성되어 있는 전도성 필름을 포함하는,
웨어러블 기기용 압력센서 어레이.