KR101611532B1 - 습도 센서 및 그 제조 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명의 한 실시예에 따른 습도 센서는 일방향으로 뻗은 복수의 선형 돌출부를 가지는 기판, 기판 위에 형성되어 있으며 주름진 센서층을 포함한다.

Description

습도 센서 및 그 제조 방법{HUMIDITY SENSOR AND METHOD OF MANUFACTURING THE SAME}

본 발명은 습도 센서 및 그 제조 방법에 관한 것으로, 특히 신축성을 가지는 습도 센서 및 그 제조 방법에 관한 것이다.

습도 센서는 특정 공간의 습도를 측정하기 위한 것으로 습도 센서가 형성되는 기판이 일정한 강도를 가졌다.

최근, 로봇의 발달로 인해서 로봇의 감각적 피부 및 로봇의 상태를 모니터링 하기 위한 장치로 습도 센서를 부착하거나, 의료 기술의 발달로 환자의 신체에 습도 센서를 부착함으로써 환자의 상태를 모니터링하는 기술이 개발되고 있다.

또한, 습도 센서는 의류 등에 부착되어 의류의 습도를 측정하여 의류를 착용하고 있는 사람의 상태를 용이하게 파악할 수 있도록 하는 연구가 진행되고 있다.

그러나 로봇, 신체 및 의류 등은 만곡된 부분을 가지고 움직임이 많아, 습도 센서를 부착할 경우 이들의 움직임에 의해서 습도 센서의 일부가 반복적임 굽힘 등에 의해서 끊어져 정확한 습도를 측정하지 못하는 문제점이 있다.

또한, 만곡된 부분의 곡률에 맞도록 습도 센서를 일일이 제작하는 것이 용이하지 않는 문제점이 있다.

따라서 본 발명은 만곡되거나 반복적인 움직임이 있는 곳에 습도 센서를 부착하더라도 습도 센서가 떨어지거나 끊어지는 현상이 발생하지 않고, 안정적으로 습도를 측정할 수 있는 습도 센서 및 그 제조 방법을 제공하는 것이다.

상기한 과제를 달성하기 위한 본 발명의 한 실시예에 따른 습도 센서는 일방향으로 뻗은 복수의 선형 돌출부를 가지는 기판, 기판 위에 형성되어 있으며 주름진 센서층을 포함한다.

상기 기판은 폴리우레탄, 천연 고무 또는 PDMS로 이루어질 수 있고, 센서층은 PANI로 이루어질 수 있다.

상기 센서층의 주름은 상기 선형 돌출부와 교차하는 방향으로 길게 형성되어 있을 수 있다.

상기 센서층의 표면에는 복수의 돌기가 형성될 수 있다.

상기 센서층의 두께는 100nm 내지 10μm일 수 있다.

상기한 다른 과제를 달성하기 위한 본 발명의 한 실시예에 따른 습도 센서의 제조 방법은 기판에 인장 응력을 가하여 상기 기판을 인장 시키는 단계, 인장된 기판 위에 PANI 로 이루어지는 센서층을 형성하는 단계, 인장 응력을 제거하여 상기 센서층에 주름을 형성하는 단계를 포함한다.

상기 기판 위에 일방향으로 뻗은 복수의 선형 돌출부를 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다.

상기 인장 시키는 단계에서, 기판은 상기 선형 돌출부의 길이 방향으로 인장시킬 수 있다.

본 발명에서와 같이 습도 센서를 제조하면 만곡되거나 반복적인 움직임이 발생하더라도 끊어지는 현상 없이 안정적으로 습도를 측정할 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 습도 센서는 용이하게 굽어지므로 만곡된 부분에도 용이하게 부착이 가능하여 끊어지는 현상 없이 안정적으로 습도를 측정할 수 있다.

도 1은 본 발명의 한 실시예에 따른 습도 센서의 개략적인 평면도이다.
도 2는 도 1의 II-II선을 따라 잘라 도시한 단면도이다.
도 3은 본 발명의 한 실시예에 따른 습도 센서를 제조하는 순서를 나타낸 순서도이다.
도 4 및 도 6은 본 발명의 한 실시예에 따른 습도 센서를 제조하는 방법을 설명하기 위한 개략적인 평면도이다.
도 5는 도 4의 V-V선을 따라 잘라 도시한 단면도이다.
도 7은 도 6의 VII-VII선을 따라 잘라 도시한 단면도이다.
도 8 내지 도 11은 본 발명에 따른 습도 센서를 찍은 SEM 사진이다.
도 12는 본 발명의 한 실시예에 따른 습도 센서의 인장 응력을 제거할 때의 평면도이다.
도 13은 도 12의 II-II선을 따라 잘라 도시한 단면도이다.
도 14 및 도 15는 본 발명에 따른 습도 센서의 동작을 설명하기 위한 개략적인 단면도이다.
도 16a 는 본 발명의 한 실시예에 따른 습도 센서의 시간에 다른 전류를 측정한 그래프이다.
도 16b는 본 발명의 한 실시예에 따른 습도 센서의 습도에 따른 전류량을 측정한 그래프이다.
도 17은 본 발명의 한 실시예에 따른 습도 센서의 연신율에 따른 전류량을 측정한 그래프이다.

그러면 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.

도면에서 여러 층 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 나타내었다. 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 동일한 도면 부호를 붙였다. 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "위에" 있다고 할 때, 이는 다른 부분 "바로 위에" 있는 경우 뿐만 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다. 반대로 어떤 부분이 다른 부분 "바로 위에" 있다고 할 때에는 중간에 다른 부분이 없는 것을 뜻한다.

본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조 부호를 붙이도록 한다.

이하에서는 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대해서 구체적으로 설명한다.

도 1은 본 발명의 한 실시예에 따른 습도 센서의 개략적인 평면도이고, 도 2는 도 1의 II-II선을 따라 잘라 도시한 단면도이다.

도 1 및 도 2에 도시한 바와 같이, 본 발명의 한 실시예에 따른 습도 센서(1000)는 기판(100), 기판(100) 위에 형성되어 있으며 주름진 센서층(200)을 포함한다.

기판(100)은 탄성 및 신축성을 가지는 물질로, 예를 들어 PDMS(polydimethylsiloxane)로 이루어질 수 있다. 기판(100)은 일방향으로 뻗은 복수의 선형 돌출부(12)를 가진다.

선형 돌출부(12)의 측벽은 기판(100) 면에 대해서 수직할 수 있으며, 선형 돌출부(12)의 단면은 사각형일 수 있다.

센서층(200)은 PANI(polyaniline)로 이루어지며, 주름져 있다. 센서층(200)의 주름(22)은 선형 돌출부(12)가 뻗은 일방향에 대해서 교차하는 방향으로 길게 형성될 수 있다. 주름(22)의 폭 및 길이는 불규칙하게 형성될 수 있다.

센서층(200)의 표면 위에는 복수의 돌기(24)가 형성되어 있으며, 돌기(24)는 불규칙한 형상으로 형성될 수 있으며, 돌기(24)의 지름은 20nm 내지 40nm이고, 돌기(24)의 길이는 100nm이하일 수 있다.

센서층의 두께는 100nm 내지 10μm로 형성하는 것이 바람직하다.

이하에서는 도 1의 습도 센서를 제조하는 방법에 대해서 도 2 내지 도 6을 참조하여 구체적으로 설명한다.

도 3은 본 발명의 한 실시예에 따른 습도 센서를 제조하는 순서를 나타낸 순서도이고, 도 4 및 도 6은 본 발명의 한 실시예에 따른 습도 센서를 제조하는 방법을 설명하기 위한 개략적인 평면도이고, 도 5는 도 4의 V-V선을 따라 잘라 도시한 단면도이고, 도 7은 도 6의 VII-VII선을 따라 잘라 도시한 단면도이고, 도 8 내지 도 11은 본 발명에 따른 습도 센서를 찍은 SEM 사진이다.

도 3에 도시한 바와 같이, 기판을 준비하고, 기판 위에 선형 돌출부를 형성하는 단계(S100), 기판에 인장 응력을 가하여 기판을 인장시키는 단계(S102), 기판 위에 센서층을 형성하는 단계(S104), 기판의 인장 응력을 제거하여 센서층에 주름을 형성하는 단계(S106)를 포함한다.

구체적으로 도 3 내지 도 7과 기 설명한 도 1 및 2를 참조하여 설명한다.

먼저, 도 3 내지 도 5에 도시한 바와 같이, 기판(100)을 준비하고, 기판(100) 위에 임프린트 공정으로 선형 돌출부(12)를 형성(S100)한다. 이때, 기판은 PDMS로 이루어질 수 있으며, 선형 돌출부(12)가 오목한 형상으로 형성된 몰드(도시하지 않음)를 이용하여 기판을 가압하여 선형 돌출부(12)를 형성한다.

다음, 도 3, 도 6 및 도 7에 도시한 바와 같이, 기판(100)에 인장 응력을 가하여 기판을 인장(S102)시킨 후 인장된 기판(100) 위에 PANI로 이루어지며 복수의 돌기를 포함하는 센서층(200)을 형성(S104)한다. 이때 인장 응력이 가해지는 기판(100)의 일방향(A)은 선형 돌출부(12)의 길이 방향이다.

기판의 일방향(A)으로 인장 응력이 가해지는 동시에 선형 돌출부(12)에 교차하는 방향(B)으로는 기판이 수축된다.

도 8을 참조할 때, 기판 위에 형성된 선형 돌출부를 따라 센서층이 형성된 것을 확인할 수 있고, 도 9에서와 같이 센서층의 표면에 복수의 돌기가 형성된 것을 확인할 수 있다.

다음, 도 3, 도 1 및 도 2에 도시한 바와 같이, 기판(100)에 가한 인장 응력을 제거하여 센서층(200)에 주름(22)을 형성한다.

센서층(200)은 기판(100)이 인장된 상태에서 형성되므로 인장 응력이 제거되어 기판이 원래의 상태로 돌아갈 경우, 센서층(200)은 기판과 함께 줄어들면서 주름이 형성된다.

이때, 주름(22)은 선형 돌출부(12)와 교차하는 방향으로 형성되며 주름의 폭 및 길이는 불규칙하게 형성된다.

도 10 및 도 11을 참조할 때, 기판에 가한 응력이 제거될 경우 기판은 화살표 방향으로 수축되면서 선형 돌출부에 교차하는 방향으로 주름이 형성되는 것을 알 수 있다.

이처럼, 본 발명의 한 실시예에서와 같이 선형 돌출부(12) 및 주름(22)을 가지도록 습도 센서(1000)를 형성하면 반복적인 신장 및 수축에도 끊어지지 않는 습도 센서를 제공할 수 있다.

즉, 본 발명에서와 같이 주름을 가지도록 센서층을 형성하면 하부 기판이 인장될 때 센서층의 주름이 펴지므로 센서층이 끊어지지 않는다.

한편, 기판(100)을 일방향(A)으로 인장 시킨 후 센서층(200)을 형성하면, 기판(100)의 일 방향(A)에 대해서 교차하는 방향(B)으로는 수축하려는 힘이 작용된 상태에서 센서층(200)이 형성된다. 따라서 일방향(A)에 가해진 인장 응력을 제거하여 기판이 원래의 크기로 수축되면서 복원되면 교차하는 방향(B)에는 반대로 수축하려는 힘이 제거되어 기판이 원래의 크기로 확장된다.

이처럼 일 방향(A)에 대해서만 인장 시킨 후 센서층(200)을 형성하면 교차하는 방향(B)으로는 수축된 상태에서 센서층이 형성되므로, 일 방향(A)에 가해지는 인장 응력이 제거되면 기판(100)이 교차하는 방향(B)으로는 확장되어 센서층(100)의 주름이 끊어질 수 있다.

그러나 본 발명에서는 기판(100) 위에 일 방향(A)으로 뻗은 선형 돌출부(12)를 형성함으로써 교차하는 방향(B)으로도 센서층(100)의 주름이 끊어지는 형상이 발생하지 않는다.

이에 대해서 기 설명한 도 6 및 도 7과 도 12 및 도 13을 참조하여 설명한다.

도 12는 본 발명의 한 실시예에 따른 습도 센서의 인장 응력을 제거할 때의 평면도이고, 도 13은 도 12의 II-II선을 따라 잘라 도시한 단면도이다.

도 6 및 도 7에 도시한 바와 같이, 기판(100) 위에는 일 방향(A)으로 뻗은 선형 돌출부(12)가 형성되어 있고, 일 방향(A)으로 기판(100)이 인장된 상태에서 센서층(200)이 형성되며, 센서층(200)은 선형 돌출부(12)의 측벽을 따라 형성된다.

이때, 선형 돌출부(12)의 일 방향(A)으로 기판이 인장되는 것과 동시에 기판은 선형 돌출부(12)와 교차하는 방향(B)으로 수축하려는 힘이 작용한다.

그리고 도 12 및 도 13에 도시한 바와 같이, 기판(100)의 인장 응력을 제거하면 기판(100)은 원래의 크기로 돌아가려고 하는데, 이때 일 방향(A)으로는 수축되는 반면 교차하는 방향(B)으로는 원래의 크기로 늘어난다.

이처럼, 본 발명에서와 같이 선형 돌출부를 형성하면, 선형 돌출부(12)의 교차하는 방향(B)으로는 기판이 늘어나면서 원래의 크기로 복원되더라도 센서층이 끊어지는 않는다.

구체적으로, 도 14 및 도 15를 참조하여 설명한다.

도 14 및 도 15는 본 발명에 따른 습도 센서의 동작을 설명하기 위한 개략적인 단면도이다.

도 14는 기판(100)에 선형 돌출부의 길이 방향으로 인장 응력을 가한 상태의 단면도이다. 이때, 선형 돌출부의 길이 방향인 일방향(A)으로는 기판이 늘어난 상태이고, 선형 돌출부와 교차하는 방향(B)으로는 기판이 수축된 상태이다.

따라서 도 14에 도시한 바와 같이, 인장 응력이 가해진 상태에서 도 6 및 도 7에서와 같이 센서층을 형성하면 센서층(200)은 기판의 상면 및 선형 돌출부의 측벽을 따라서 형성된다.

도 15는 도 14에서 선형 돌출부(12)의 길이 방향으로 가해진 인장 응력이 제거된 상태의 단면도로, 인장 응력이 제거되면서 선형 돌출부(12)의 길이 방향으로는 수축되고, 교차하는 방향으로는 늘어난 상태이다.

이때, 기판(100)이 원래의 크기로 복원되면서, 선형 돌출부(12)와 교차하는 방향으로 수축되었던 기판은 늘어나는 방향으로 기판이 복원된다.

따라서 도 14에서 선형 돌출부(12)의 측벽에 형성되어 있던 센서층(200)은 기판(100)이 늘어남과 동시에 측벽으로부터 분리되어 도 15에서와 같이 센서층(200)은 선형 돌출부의 측벽에 기울어진 빗면을 포함할 수 있다.

이때, 빗면은 선형 돌출부의 측벽에 형성된 센서층과, 측벽과 연결된 기판의 상면에 형성된 센서층의 일부분으로 이루어지므로, 빗면의 길이는 선형 돌출부의 측벽의 높이(H) 및 기판 위에 형성된 센서층 일부분의 길이(L)의 합이 된다.

따라서, 빗면의 길이가 H+L이고, 측벽의 높이가 H이면 이들이 이루는 삼각형의 바닥면의 길이는 L+ΔL이다.

기판이 인장 응력이 가해진 상태에서 센서층이 형성되고, 이후에 인장 응력이 제거되어 기판이 ΔL만큼 늘어났기 때문으로, 바닥면의 길이는 실제로 센서층이 형성된 부분의 길이(L)와 기판이 늘어난 부분(ΔL)의 합이 된다.

따라서 아래 수학식 1로부터 최대 가로 변형(lateral strain)을 구하면, 최대 가로 변형은 측벽의 높이(H)에 대해서 73%일 수 있다.

[수학식 1]

<가정>

H~L : 센서층의 텐션은 균일함

H=상수(constant)

피타고라스의 정리를 이용하면,

따라서, 기판(100)은 선형 돌출부(12)의 두께에 대해서 73%이하로 인장 시킨 후 센서층을 형성하는 것이 바람직하다.

도 16a 는 본 발명의 한 실시예에 따른 습도 센서의 시간에 다른 전류를 측정한 그래프이고, 도 16b는 본 발명의 한 실시예에 따른 습도 센서의 습도에 따른 전류량을 측정한 그래프이고, 도 17은 본 발명의 한 실시예에 따른 습도 센서의 연신율에 따른 전류량을 측정한 그래프이다.

도 16a 및 도 16b의 습도 센서는 기판을 측벽의 높이에 대해서 40% 늘린 상태에서 습도를 측정하였다.

도 16a에 도시한 바와 같이 시간이 지남에 따라서 습도가 낮아질수록 센서에 흐르는 전류값이 감소하는 것을 확인할 수 있고, 도 16b에 도시한 바와 같이, 도 16a의 그래프를 로그 함수를 취한 결과 습도에 따라서 전류가 선형적으로 변한다는 것을 알 수 있다.

이처럼 본 발명에 따른 습도 센서는 각 습도에 따라서 전류값이 선형적으로 변화하므로 습도 센서로서 동작함을 알 수 있다.

그리고 도 17에서와 같이 기판의 연신율을 다양하게 변화시키더라도, 각 습도에 따라서 전류가 잘 흐르는 것을 알 수 있다.

그리고 연신율이 증가하는 과정에서도 습도 측정값이 일정한 수준에서 유지되는 것을 알 수 있다.

이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.

12: 선형 돌출부
22: 주름
100: 기판
200: 센서층

Claims (9)

1. 일방향으로 뻗은 복수의 선형 돌출부를 가지는 기판,
   상기 기판 위에 형성되어 있으며 주름진 센서층
   을 포함하고,
   상기 센서층의 주름은 상기 선형 돌출부와 교차하는 방향으로 길게 형성되어 있는 습도 센서.
2. 제1항에서,
   상기 기판은 폴리우레탄, 천연 고무 또는 PDMS로 이루어지는 습도 센서.
3. 제1항에서,
   상기 센서층은 PANI로 이루어지는 습도 센서.
4. 제1항에서,
   상기 선형 돌출부의 단면은 사각형인 습도 센서.
5. 제1항에서,
   상기 센서층의 표면에는 복수의 돌기가 형성되어 있고,
   상기 돌기의 지름은 20nm 내지 40nm이고,
   상기 돌기의 길이는 100nm이하인 습도 센서.
6. 제1항에서,
   상기 센서층의 두께는 100nm 내지 10μm인 습도 센서.
7. 기판 위에 일방향으로 뻗은 복수의 선형 돌출부를 형성하는 단계,
   상기 기판에 상기 일방향으로 인장 응력을 가하여 상기 기판을 인장 시키는 단계,
   상기 인장된 기판 위에 PANI 로 이루어지는 센서층을 형성하는 단계,
   상기 인장 응력을 제거하여 상기 센서층에 주름을 형성하는 단계
   를 포함하는 습도 센서의 제조 방법.
8. 삭제
9. 삭제

Images