KR101724549B1 - 층상 자기조립법을 이용한 압력 센서의 미세감도 조절 방법 - Google Patents
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Abstract
대전된 기재 상에 형성된 제 1 전극; 상기 제 1 전극에 대향 배치되는 제 2 전극; 상기 제 1 전극 및 상기 제 2 전극 사이에 복수층으로 형성된 유기물층; 및, 상기 유기물층 상에 형성된, 전도성 물질 및 고분자 물질을 함유하는 혼합물층을 포함하는 압력 센서, 및 상기 압력 센서의 제조 방법을 제공한다.
Description
본원은, 유기물층 및 전도성 물질의 조절을 통해 압력의 미세감도를 조절하는 압력 센서, 및 상기 압력 센서의 제조 방법에 관한 것이다.
일반적으로 압력 센서는, 기계적 에너지를 전기적 에너지로 변환하는 에너지 변환 장치로서, 절대압 또는 게이지압을 측정하는데 이용되며, 압력을 감지하는 원리에 따라 메탈형 압력 센서, 압저항형 압력 센서, 압전형 압력 센서, MOSFET형 압력 센서, 피에조 접합형 압력 센서, 광섬유 압력 센서, 및 정전용량형 압력 센서 등 다양한 종류가 이용되고 있다. 그 중, 정전용량형 압력 센서는 멤브레인과 지지대 사이에 평판 커패시터를 형성하고, 외부에서 가해지는 압력에 따라 멤브레인의 변형에 따른 두 전극 사이의 간격 변화로 야기되는 정전용량(capacitance) 값의 변화에 의해 압력을 인식하는 것으로서, 정밀한 측정을 요하는 분야에서 이용되어왔다. 이와 같은 정전용량형 압력 센서는 높은 민감도 및 우수한 안정성, 저소비전력 등의 장점이 있지만, 제조 공정의 어려움으로 인해 제조 비용이 크게 증가한다는 단점이 있다.
미국공개특허 제2012/0313860호는, 나노파티클을 이용한 압력 센서에 관한 것이다. 압력 센서의 미세 감도 조절, 및 공정의 간소화를 위한 여러 가지의 연구가 있으나, 층상 자기조립법을 이용하여 유기물층의 두께 조절 및 전도성 입자의 조절을 통한 압력 센서의 미세 감도 조절에 관한 다른 보고는 아직까지 발표된 바 없다.
본원은, 대전된 기재 상에 형성된 제 1 전극; 상기 제 1 전극에 대향 배치되는 제 2 전극; 상기 제 1 전극 및 상기 제 2 전극 사이에 복수층으로 적층되어 형성된 유기물층; 및, 상기 유기물층 상에 형성된 전도성 물질 및 고분자 물질을 함유하는 혼합물층을 포함하는 압력 센서, 및 상기 압력 센서의 제조 방법을 제공한다.
그러나, 본원이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급한 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본원의 제 1 측면은, 대전된 기재 상에 형성된 제 1 전극; 상기 제 1 전극에 대향 배치되는 제 2 전극; 상기 제 1 전극 및 상기 제 2 전극 사이에 복수층으로 적층되어 형성된 유기물층; 및, 상기 유기물층 상에 형성된, 전도성 물질 및 고분자 물질을 함유하는 혼합물층을 포함하는 압력 센서를 제공한다.
본원의 제 2 측면은, 대전된 기재 상에 제 1 전극을 형성하는 단계; 상기 제 1 전극에 대향 배치되는 제 2 전극을 형성하는 단계; 상기 제 1 전극 및 상기 제 2 전극 사이에 층상 자기조립법을 이용하여 유기물층을 적층하는 단계; 및, 상기 유기물층 상에 전도성 물질 및 고분자 물질을 함유하는 혼합물층을 적층하는 단계를 포함하는, 압력 센서의 제조 방법을 제공한다.
본원의 일 구현예에 의하면, 층상 자기조립법(layer-by-layer self assembly)을 이용하여 제조된 압력 센서는 상기 층상 자기조립법을 이용하여 적층된 유기물층의 미세 두께 조절을 통해 전극 사이의 간격을 조절함으로써 전도성 물질의 분포량을 변화시킬 수 있고, 이로 인해 압력 센서의 미세 감도를 조절할 수 있다. 또한, 상기 층상 자기조립법을 이용하여 기재 상에 적층되어 형성된 상기 유기물층의 탄성으로 인해 상기 전도성 물질과 상기 기재 간의 간섭을 방지함으로써 충격을 감소시킬 수 있다.
본원의 일 구현예에 의하면, 기존의 압력 센서를 제조하는 방법과 동일 패턴 및 동일 공정의 사용이 가능하기 때문에 공정 상의 비용 절감 효과가 있다.
도 1은, 본원의 일 구현예에 따른 압력 센서의 구조를 도시한 단면도이다.
도 2는, 본원의 일 구현예에 따른 압력 센서의 구조를 도시한 단면도이다.
도 3a 및 도 3b는, 본원의 일 구현예에 따른 유기물에 의해 코팅된 전도성 물질의 두께 변화를 나타내는 개략도이다.
도 4는, 본원의 일 구현예에 따른 압력 센서의 제조 방법을 나타낸 흐름도이다.
도 5는, 본원의 일 실시예에 따른 압력 센서의 구조를 나타낸 광학 현미경 이미지이다.
도 6a 및 도 6b는, 각각, 본원의 일 실시예에 따른 전극이 형성된 압력 센서의 라인 패턴부의 단면 및 전극 상에 층상 자기조립 적층 후 관찰한 압력 센서의 라인 패턴부의 단면 주사전자현미경 이미지이다.
도 2는, 본원의 일 구현예에 따른 압력 센서의 구조를 도시한 단면도이다.
도 3a 및 도 3b는, 본원의 일 구현예에 따른 유기물에 의해 코팅된 전도성 물질의 두께 변화를 나타내는 개략도이다.
도 4는, 본원의 일 구현예에 따른 압력 센서의 제조 방법을 나타낸 흐름도이다.
도 5는, 본원의 일 실시예에 따른 압력 센서의 구조를 나타낸 광학 현미경 이미지이다.
도 6a 및 도 6b는, 각각, 본원의 일 실시예에 따른 전극이 형성된 압력 센서의 라인 패턴부의 단면 및 전극 상에 층상 자기조립 적층 후 관찰한 압력 센서의 라인 패턴부의 단면 주사전자현미경 이미지이다.
아래에서는 첨부한 도면을 참조하여 본원이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본원의 실시예를 상세히 설명한다. 그러나 본원은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본원을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
본원 명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 “연결”되어 있다고 할 때, 이는 “직접적으로 연결”되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 “전기적으로 연결”되어 있는 경우도 포함한다.
본원 명세서 전체에서, 어떤 부재가 다른 부재 “상에” 위치하고 있다고 할 때, 이는 어떤 부재가 다른 부재에 접해 있는 경우뿐 아니라 두 부재 사이에 또 다른 부재가 존재하는 경우도 포함한다.
본원 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성 요소를 “포함” 한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 본원 명세서 전체에서 사용되는 정도의 용어 “약”, “실질적으로” 등은 언급된 의미에 고유한 제조 및 물질 허용오차가 제시될 때 그 수치에서 또는 그 수치에 근접한 의미로 사용되고, 본원의 이해를 돕기 위해 정확하거나 절대적인 수치가 언급된 개시 내용을 비양심적인 침해자가 부당하게 이용하는 것을 방지하기 위해 사용된다. 본원 명세서 전체에서 사용되는 정도의 용어 “~(하는) 단계” 또는 “~의 단계”는 “~ 를 위한 단계”를 의미하지 않는다.
본원 명세서 전체에서, 마쿠시 형식의 표현에 포함된 “이들의 조합(들)”의 용어는 마쿠시 형식의 표현에 기재된 구성 요소들로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 혼합 또는 조합을 의미하는 것으로서, 상기 구성 요소들로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상을 포함하는 것을 의미한다.
본원 명세서 전체에서, “A 및/또는 B”의 기재는 “A 또는 B, 또는 A 및 B”를 의미한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본원의 구현예 및 실시예를 상세히 설명한다. 그러나, 본원이 이러한 구현예 및 실시예와 도면에 제한되지 않을 수 있다.
본원의 제 1 측면은, 대전된 기재 상에 형성된 제 1 전극; 상기 제 1 전극에 대향 배치되는 제 2 전극; 상기 제 1 전극 및 상기 제 2 전극 사이에 복수층으로 적층되어 형성된 유기물층; 및, 상기 유기물층 상에 형성된, 전도성 물질 및 고분자 물질을 함유하는 혼합물층을 포함하는, 압력센서를 제공한다.
상기 압력 센서는 상기 제 1 전극 및 상기 제 2 전극의 위치에 따라 크게 두 종류로 형성될 수 있으며, 도 1 및 도 2는, 본원의 일 구현예에 따른 두 종류의 압력 센서의 구조를 도시한 단면도이다. 예를 들어, 상기 제 1 전극 및 상기 제 2 전극이 상기 대전된 기재 상에 형성된 경우, 도 1에 도시된 바와 같이, 상기 압력 센서는, 대전된 기재(100) 상에 서로 대향 배치되어 형성된 제 1 전극(200) 및 제 2 전극(300); 상기 제 1 전극(200) 및 상기 제 2 전극(300) 사이에 복수층으로 적층되어 형성된 유기물층(400) 및, 상기 유기물층(400) 상에 형성된 고분자 물질(510) 및 전도성 물질(520)을 함유하는 혼합물층(500)을 포함할 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 예를 들어, 상기 제 1 전극(200) 및 상기 제 2 전극(300)이 상부전극 및 하부전극으로 형성될 경우, 도 2에 도시된 바와 같이, 상기 압력 센서는, 대전된 기재(100) 상에 형성된 제 1 전극(200); 상기 제 1 전극(200) 상에 복수층으로 적층되어 형성된 유기물층(400); 및, 상기 복수층으로 적층되어 형성된 유기물층(400) 사이에 형성된 고분자 물질 및 전도성 물질을 함유하는 혼합물층(500); 및, 상기 유기물층(400) 상에 형성된 제 2 전극(300)을 포함하고, 상기 복수층의 유기물층(400)과 상기 혼합물층(500)이 교대로 교차되어 적층되는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 유기물층(400)은, 상기 대전된 기재와 반대 전하를 갖는 유기물층과 상기 대전된 기재와 동일한 전하를 갖는 유기물층이 순서대로 적층되는 것을 포함할 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 예를 들어, 상기 유기물층은, 폴리(알릴아민하이드로클로라이드)[poly(allylamine hydrochloride), PAH], 폴리(에틸렌이민)[poly(ethylene imine), PEI], 폴리(디알릴디메틸암모늄클로라이드)[poly(diallyl dimethyl ammonium chloride), PDAC], 폴리(4-비닐벤질트리메틸암모늄클로라이드)[poly(4-vinyl benzyl trimethyl ammonium chloride), PVTAC], 폴리(스티렌술포네이트)[poly(styrene sulfonate), PSS], 폴리(아크릴산)[poly(acrylic acid), PAA], 폴리(비닐술폰산)[poly(vinyl sulfonic acid), PVS], 술폰화폴리스티렌(sulfonated polystyrene, SPS), 폴리(3,4-에틸렌디옥시티오펜)[poly(3,4-ethylene dioxythiophene), PEDOT], 페리틴(ferrihydrite phosphate, Ferritin), 폴리(멜라민-co-포름알데히드)[poly(melamine-co-formaldehyde), PMF], 5-하이드록시메틸푸르푸랄(5-hydroxy methyl furfural, HMF), 프로필렌글리콜메틸에테르아세테이트(propylene glycol methyl ether acetate, PGMEA), 폴리(4-비닐페놀)[poly(4-vinyl phenol), PVP], 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택되는 것을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
또한, 상기 압력 센서는 상기 복수층으로 적층되어 형성된 유기물층(400) 상에 형성된 전도성 물질 및 고분자 물질을 함유하는 혼합물층(500)을 포함한다. 예를 들어, 상기 혼합물층(500)은 전도성 물질 주위를 전도도가 낮은 유기물층 또는 고분자층 등으로 코팅하여 층상으로 형성시킨 구조일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 상기 혼합물층(500)은 상기 유기물층(400) 상에 형성되거나, 또는 상기 유기물층(400) 사이에 형성되는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 예를 들어, 상기 도 1에 도시된 바와 같이, 상기 혼합물층(500)이 상기 유기물층(400) 상에 형성된 경우, 상기 유기물층(400)의 두께 조절에 따른 상기 전극의 간격 조절에 의해 상기 혼합물층에 포함된 상기 전도성 물질(520)의 분포량이 변하며, 상기 전도성 물질(520)의 분포량 변화로 인해 압력 센서의 미세 감도가 조절되는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 예를 들어, 상기 도 2에 도시된 바와 같이, 상기 혼합물층(500)이 상기 복수층으로 적층되어 형성된 유기물층(400) 사이에 형성된 경우, 상기 유기물층(400)과 상기 혼합물층(500)이 교대로 교차되어 적층되는 것일 수 있으며, 상기 유기물층(400)의 두께 조절 및 상기 혼합물층(500)에 함유된 상기 전도성 물질의 크기 조절에 의해 압력 센서의 미세 감도가 조절되는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 고분자 물질은, 폴리디메틸실록산(polydimethylsiloxane, PDMS), 폴리이미드(polyimide, PI), 폴리올레핀(polyolefin, PO), 폴리스티렌(polystyrene, PS), 폴리에스테르(polyester, PE), 폴리우레탄(polyurethane, PU), 폴리아미드(polyamide, PA), 폴리비닐클로라이드(polyvinyl chloride, PVC), 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택되는 것을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 전도성 물질은, 금속, 탄소나노튜브, 그래핀, 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택된 것을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 본원의 일 구현예에 따르면 상기 전도성 물질은 세라믹 또는 고분자를 상기 금속으로 코팅한 것을 추가 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 예를 들어, 상기 전도성 물질이 금속일 경우, 비저항이 낮은 Ag, Cu, Au, Al, Ca, Ru, W, Zn, Ni, Co, Li, Fe, Pt, Sn, Pb, Ti, Mg, Ta, 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택되는 것을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 예를 들어, 상기 세라믹은, 인듐주석산화물(indium tin oxide, ITO), 인듐아연산화물(indium zinc oxide, IZO), 인듐아연주석산화물(indium zinc tin oxide, IZTO), 인듐알루미늄아연산화물(indium aluminum zinc oxide, IAZO), 인듐갈륨아연산화물(indium gallium zinc oxide, IGZO), 인듐갈륨주석산화물(indium gallium tin oxide, IGTO), 알루미늄주석산화물(aluminum zinc oxide, AZO), 안티몬주석산화물(antimony tin oxide, ATO), 갈륨아연산화물(gallium zinc oxide, GZO), 이리듐산화물(IrOx), 루테늄산화물(RuOx), 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택되는 것을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 예를 들어, 상기 고분자는, 폴리아세틸렌(polyacetylene), 폴리아닐린(polyaniline), 폴리피롤(polypyrrole), 폴리티오펜(polythiophene), 폴리설퍼니트리드(poly sulfurnitride), 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택된 화합물을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 전도성 물질은, 나노튜브, 나노와이어, 콜로이드, 파티클, 박막, 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택된 형상을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 전도성 물질은 상기 유기물에 의해 코팅되는 것을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 도 3a는, 본원의 일 구현예에 따른 유기물에 의해 코팅된 전도성 물질의 두께 변화를 나타내는 개략도이다. 비전도성 물질을 이용할 경우, 도 3b에 도시된 바와 같이, 상기 비전도성 물질(530)에 전도성 물질(520)을 코팅한 후, 유기물층(400)을 코팅하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 예를 들어, 상기 유기물을 이용하여 상기 전도성 물질을 코팅하는 것은, 용액 침지법, 스핀코팅법, 화학적 기상 증착법, 스프레이법, 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택되는 방법에 의해 수행되는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 상기 유기물을 이용하여 상기 전도성 물질을 코팅하는 것에 의해, 상기 전도성 물질의 간격, 또는 상기 전도성 물질의 농도를 조절함으로써 상기 압력 센서의 전도도가 변화될 수 있으며, 상기 변화된 전도도를 통해 상기 압력 센서의 미세 감도를 조절하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 제 1 전극 및 상기 제 2 전극 사이에 복수층으로 형성된 상기 유기물층의 두께 조절을 통해 상기 제 1 전극 및 상기 제 2 전극 사이의 간격이 조절될 수 있으며, 상기 유기물층의 두께는 약 1 nm 내지 약 100 nm의 범위에서 미세 조절될 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 예를 들어, 상기 유기물층의 두께는 약 1 nm 내지 약 100 nm, 약 10 nm 내지 약 100 nm, 약 30 nm 내지 약 100 nm, 약 50 nm 내지 약 100 nm, 약 70 nm 내지 약 100 nm, 약 90 nm 내지 약 100 nm, 약 1 nm 내지 약 90 nm, 약 10 nm 내지 약 90 nm, 약 30 nm 내지 약 90 nm, 약 50 nm 내지 약 90 nm, 약 70 nm 내지 약 90 nm, 약 1 nm 내지 약 70 nm, 약 10 nm 내지 약 70 nm, 약 30 nm 내지 약 70 nm, 약 50 nm 내지 약 70 nm, 약 1 nm 내지 약 50 nm, 약 10 nm 내지 약 50 nm, 약 30 nm 내지 약 50 nm, 약 1 nm 내지 약 30 nm, 약 10 nm 내지 약 30 nm, 또는 약 1 nm 내지 약 10 nm의 범위에서 미세 조절되는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 상기 제 1 전극 및 상기 제 2 전극 사이에 형성된 유기물층을 복수층으로 형성하는 것을 통해 상기 제 1 전극 및 상기 제 2 전극 사이의 간격이 조절될 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 유기물층의 두께 조절은 상기 유기물층의 층 수 또는 상기 유기물의 pH 조절에 의해 수행되는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 예를 들어, 상기 유기물층의 층 수 조절을 통한 상기 유기물층의 두께 조절의 경우, 대전된 기재 상에 상기 대전된 기재와 반대 전하를 띠는 유기물과 상기 대전된 기재와 동일 전하를 띠는 유기물을 반복하여 적층하는 것에 의해 수행될 수 있으며, 상기 유기물층의 층 수는 약 10 nm 내지 약 10 μm일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 예를 들어, 상기 유기물층의 층 수는 약 10 nm 내지 약 10 μm, 약 50 nm 내지 약 10 μm, 약 100 nm 내지 약 10 μm, 약 500 nm 내지 약 10 μm, 약 1 μm 내지 약 10 μm, 약 10 nm 내지 약 1 μm, 약 50 nm 내지 약 1 μm, 약 100 nm 내지 약 1 μm, 약 500 nm 내지 약 1 μm, 약 10 nm 내지 약 500 nm, 약 50 nm 내지 약 500 nm, 약 100 nm 내지 약 500 nm, 약 10 nm 내지 약 100 nm, 약 50 nm 내지 약 100 nm, 또는 약 10 nm 내지 약 50 nm일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 예를 들어, 상기 유기물의 pH 조절을 통한 상기 유기물층의 두께 조절의 경우, 상기 유기물의 두께는 기재 상에 pH가 낮은 유기물층이 형성되고, 상부에 pH가 높은 층이 형성될수록 음전하를 갖는 부분이 크게 증가하고 전하 반발력 또한 크게 증가하여 얇고 넓게 펴진 형태의 적층 구조가 형성된다. pH가 낮을 경우, 전하 간의 반발력 감소로 인해 사슬 형태를 유지하게 되어 두꺼운 상태의 적층 구조를 유지할 수 있다. 상기 유기물층의 두께 조절은 상기 유기물의 pH 조절에 의해 수행되는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 상기 압력 센서는 상기 유기물층의 층 수를 조절하거나 상기 유기물층의 pH 조절을 통해 상기 유기물층의 두께를 조절함으로써 상기 제 1 전극 및 상기 제 2 전극 사이의 간격을 조절할 수 있다. 또한, 상기 제 1 전극 및 상기 제 2 전극 사이의 간격을 조절함으로써 상기 압력 센서에 형성된 상기 전도성 물질의 분포량을 변화시킬 수 있으며, 이로 인해 상기 압력 센서의 미세감도를 조절할 수 있다.
본원의 제 2 측면은, 대전된 기재 상에 제 1 전극을 형성하는 단계; 상기 제 1 전극에 대향 배치되는 제 2 전극을 형성하는 단계; 상기 제 1 전극 및 상기 제 2 전극 사이에 층상 자기조립법을 이용하여 유기물층을 적층하는 단계; 및, 상기 유기물층 상에 전도성 물질 및 고분자 물질을 함유하는 혼합물층을 적층하는 단계를 포함하는, 압력 센서의 제조 방법을 제공한다.
도 4에 도시된 흐름도에 따라 먼저, 대전된 기재 상에 제 1 전극 및 상기 제 1 전극에 대향 배치되는 제 2 전극을 형성한다(S100). 상기 대전된 기재 상에 상기 제 1 전극 및 상기 제 1 전극에 대향 배치되는 제 2 전극을 형성하는 것은, 포토리소그라피, 스크린 프린팅, 임프린팅, 또는 쉐도우 마스크를 이용하여 수행되는 것을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 예를 들어, 쉐도우 마스크를 이용하여 상기 기재 상에 상기 전극을 형성하는 것은, 일정한 형태의 전극 모양을 갖기 위해 전극 모양을 갖는 쉐도우 마스크를 기재에 컨택 시킨 후, 물리적 기상 증착법(PVD) 또는 화학적 기상 증착법(CVD)을 이용하여 상기 기재 상에 상기 전극을 적층시키는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 예를 들어, 상기 포토리소그라피를 이용하여 상기 기재 상에 상기 전극을 형성하는 것은, 기재 표면에 패턴을 형성시킨 후 상기 기재 상부에 PVD 또는 CVD를 이용하여 상기 기재 상에 전극 물질을 증착시킨 후, 레지스트 제거를 통해 패턴을 형성하는 것을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 예를 들어, 전극 모양을 갖는 마스크를 이용하여 젤(gel) 형태를 갖는 전극 물질을 스크린 프린팅 또는 임프린팅을 이용하여 상기 기재 상에 패턴을 형성한 후, 열처리하여 상기 젤 형태의 전극 물질을 경화시킨 다음 상기 전극을 적층시키는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
이어서, 상기 제 1 전극 및 제 2 전극 사이에 유기물층을 적층한다(S200). 본원의 일 구현예에 따르면, 상기 유기물층은 층상 자기조립법(layer-by-layer self assembly)에 의해 적층된 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 상기 대전된 기재와 반대전하를 갖는 유기물이 용해된 수용액에 상기 대전된 기재를 침지하여 전하 간 인력을 통해 상기 대전된 기재 상에 상기 대전된 기재와 반대 전하를 갖는 유기물층이 수소 결합, 공유 결합, 또는 바이오 결합에 의해 적층되는 것일 수 있다. 예를 들어, 일정 시간이 지난 후 시편을 세척하고, 상기 대전된 기재와 동일한 전하를 갖는 유기물이 용해된 수용액에 침지하여 전하 간 인력에 의해 상기 대전된 기재와 반대 성질을 갖는 유기물층 상에 상기 대전된 기재와 동일한 성질을 갖는 유기물층이 수소 결합, 공유 결합, 또는 바이오 결합에 의해 적층될 수 있다. 상기 과정을 반복함으로써 복수의 유기물층이 적층될 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 상기 유기물층을 상기 층상 자기조립법을 이용하여 적층함으로써, 상기 유기물층의 미세 두께를 조절할 수 있으며, 그로 인해 전극 사이 간격을 미세 조절하여 전도성 물질의 분포량 및 압력 센서의 미세 감도를 조절할 수 있다. 또한, 상기 층상 자기조립법을 이용하여 형성된 상기 유기물층의 탄성으로 인해, 전도성 물질과 대전된 기재 간의 간섭을 방지하여 충격(damage)을 감소시킬 수 있으며, 기존과 동일 패턴 및 동일한 공정을 사용할 수 있게 되어, 공정 상의 비용을 절감할 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 유기물층은 상기 대전된 기재와 반대 전하를 갖는 유기물층과 상기 대전된 기재와 동일한 전하를 갖는 유기물층이 순서대로 적층되는 것을 포함할 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 상기 유기물층을 표면에 처리하는 방법은 용액 침지법, 스핀 코팅법, 화학적 기상 증착법, 스프레이법 등이 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 예를 들어, 상기 대전된 기재가 (-) 전하로 대전되었을 경우, (+) 전하를 띠는 유기물층을 적층한 후, (-) 전하를 띠는 유기물층을 적층하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 상기 (+) 전하를 띠는 유기물층은, 폴리(알릴아민하이드로클로라이드)[poly(allylamine hydrochloride), PAH], 폴리(에틸렌이민)[poly(ethylene imine), PEI], 폴리(디알릴디메틸암모늄클로라이드)[poly(diallyl dimethyl ammonium chloride), PDAC], 폴리(4-비닐벤질트리메틸암모늄클로라이드)[poly(4-vinyl benzyl trimethyl ammonium chloride), PVTAC], 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택되는 것을 포함할 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 상기 (-) 전하를 띠는 유기물층은 예를 들어, 폴리(스티렌술포네이트)[poly(styrene sulfonate), PSS], 폴리(아크릴산)[poly(acrylic acid), PAA], 폴리(비닐술폰산)[poly(vinyl sulfonic acid), PVS], 술폰화폴리스티렌(sulfonated polystyrene, SPS), 폴리(3,4-에틸렌디옥시티오펜)[poly(3,4-ethylene dioxythiophene), PEDOT], 페리틴(ferrihydrite phosphate, Ferritin), 폴리(멜라민-co-포름알데히드)[poly(melamine-co-formaldehyde), PMF], 5-하이드록시메틸푸르푸랄(5-hydroxy methyl furfural, HMF), 프로필렌글리콜메틸에테르아세테이트(propylene glycol methyl ether acetate, PGMEA), 폴리(4-비닐페놀)[poly(4-vinyl phenol), PVP], 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택되는 것을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
마지막으로, 상기 유기물층 상에 전도성 물질 및 고분자 물질을 함유하는 혼합물층을 적층한다(S300). 예를 들어, 상기 유기물층 상에 상기 혼합물층을 적층하는 것은 용액 침지법, 스핀 코팅, 화학적 기상 증착법, 또는 스프레이법을 이용하여 수행하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 예를 들어, 상기 혼합물층은 전도성 물질 주위를 전도도가 낮은 유기물층 또는 고분자층 등으로 코팅하여 층상으로 형성시킨 구조일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 상기 혼합물층은 상기 유기물층 상에 형성되거나, 또는 상기 유기물층 사이에 형성되는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
[결과]
도 5는, 본 실시예에 따른 압력 센서의 구조를 나타낸 광학 현미경 이미지로서, 기재 상부에 스퍼터 증착법을 이용한 백금을 사용하여 제 1 전극 및 이에 대응되는 제 2 전극을 동일 평면 상에 대향 배치시켰다. 상기 압력 센서의 전극에서 연결된 미세 라인 패턴의 높이는 약 100 nm, 라인 패턴의 선폭은 약 8 μm, 라인 간 간격은 약 5 μm인 미세 양각 패턴의 형상이며, 라인 패턴의 끝 부분에 전극을 연결할 수 있는 가로 약 100 μm, 세로 약 100 μm, 두께 약 100 nm를 가지는 형상을 증착하였다.
도 6a는 본 실시예에 따른 대전된 기재(100) 상에 전극(200)이 형성된 라인 패턴부의 단면을 나타내는 주사전자현미경 이미지이며, 도 6b는 본 실시예에 따른 전극(200)이 형성된 라인 패턴부 상에 층상 자기조립 적층(400) 처리된 기재의 주사전자현미경 이미지이다. 동일 평면 상에 형성된 백금 전극의 폭은 약 8 μm, 전극의 두께는 약 100 nm이며, 전극 간 처리된 유기물의 두께는 평균 약 200 nm이다. 이는, 상기 유기물층을 복수로 적층한 후 관찰한 결과이다. 유기물층의 두께가 증가할 경우, 양쪽 전극 사이에 존재하는 전도성 물질의 분포 폭이 좁아지며, 층상 자기조립 층의 전도성이 낮아 전극부와 전도성 물질 사이의 전체적인 전도도가 조절된다. 이를 통해, 전극 사이 유기물의 미세 두께 조절 및 이를 이용한 압력 센서의 미세 감도의 조절이 가능하고, 추가의 전극 패터닝이 불필요하기 때문에 동일 조건을 통한 미세 감도 조절 및 비용 절감이 가능한 것으로 사료된다.
전술한 본원의 설명은 예시를 위한 것이며, 본원이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본원의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.
본원의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본원의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
100 : 기재 200 : 제 1 전극
300 : 제 2 전극 400 : 유기물층
500 : 혼합물층 510 : 고분자 물질
520 : 전도성 물질 530 : 비전도성 물질
300 : 제 2 전극 400 : 유기물층
500 : 혼합물층 510 : 고분자 물질
520 : 전도성 물질 530 : 비전도성 물질
Claims (17)
- 대전된 기재 상에 형성된 제 1 전극;
상기 제 1 전극에 대향 배치되는 제 2 전극;
상기 제 1 전극 및 상기 제 2 전극 사이에 복수층으로 적층되어 형성된 유기물층; 및,
상기 유기물층 상에 형성된, 전도성 물질 및 고분자 물질을 함유하는 혼합물층을 포함하고,
상기 제 1 전극 및 상기 제 2 전극 사이에 복수층으로 형성된 상기 유기물층의 두께 조절을 통해 상기 제 1 전극 및 상기 제 2 전극 사이의 간격이 조절되는 것이며,
상기 유기물층의 두께 조절은 상기 대전된 기재와 반대 전하를 갖는 유기물층과 상기 대전된 기재와 동일한 전하를 갖는 유기물층을 반복하여 적층하는 것에 의해 수행되는 것인,
압력 센서.
- 삭제
- 제 1 항에 있어서,
상기 유기물층은, 폴리(알릴아민하이드로클로라이드), 폴리(에틸렌이민), 폴리(디알릴디메틸암모늄클로라이드), 폴리(4-비닐벤질트리메틸암모늄클로라이드), 폴리(스티렌술포네이트), 폴리(아크릴산), 폴리(비닐술폰산), 술폰화폴리스티렌, 폴리(3,4-에틸렌디옥시티오펜), 페리틴, 폴리(멜라민-co-포름알데히드), 5-하이드록시메틸푸르푸랄, 프로필렌글리콜메틸에테르아세테이트, 폴리(4-비닐페놀), 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택되는 것을 포함하는 것인, 압력 센서.
- 제 1 항에 있어서,
상기 고분자 물질은, 폴리디메틸실록산, 폴리이미드, 폴리올레핀, 폴리스티렌, 폴리에스테르, 폴리우레탄, 폴리아미드, 폴리비닐클로라이드, 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택되는 것을 포함하는 것인, 압력 센서.
- 제 1 항에 있어서,
상기 전도성 물질은, 금속, 탄소나노튜브, 그래핀, 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택된 것을 포함하는 것인, 압력 센서.
- 제 5 항에 있어서,
상기 전도성 물질은 세라믹 또는 고분자를 상기 금속으로 코팅한 것을 추가 포함하는 것인, 압력 센서.
- 제 5 항에 있어서,
상기 금속은 Ag, Cu, Au, Al, Ca, Ru, W, Zn, Ni, Co, Li, Fe, Pt, Sn, Pb, Ti, Mg, Ta, 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택되는 것을 포함하는 것인, 압력 센서.
- 제 6 항에 있어서,
상기 세라믹은, 인듐주석산화물, 인듐아연산화물, 인듐아연주석산화물, 인듐알루미늄아연산화물, 인듐갈륨아연산화물, 인듐갈륨주석산화물, 알루미늄주석산화물, 안티몬주석산화물, 갈륨아연산화물, 이리듐산화물, 루테늄산화물, 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택되는 것을 포함하는 것인, 압력 센서.
- 제 6 항에 있어서,
상기 고분자는, 폴리아세틸렌, 폴리아닐린, 폴리피롤, 폴리티오펜, 폴리설퍼니트리드, 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택된 화합물을 포함하는 것인, 압력 센서.
- 제 1 항에 있어서,
상기 전도성 물질은 나노튜브, 나노와이어, 콜로이드, 파티클, 박막, 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택된 형상을 포함하는 것인, 압력 센서.
- 제 1 항에 있어서,
상기 전도성 물질은 상기 유기물에 의하여 코팅되는 것을 포함하는 것인, 압력 센서.
- 삭제
- 제 1 항에 있어서,
상기 유기물층의 두께 조절은 상기 유기물층의 층 수 또는 상기 유기물의 pH 조절에 의해 수행되는 것인, 압력 센서.
- 대전된 기재 상에 제 1 전극을 형성하는 단계;
상기 제 1 전극에 대향 배치되는 제 2 전극을 형성하는 단계;
상기 제 1 전극 및 상기 제 2 전극 사이에 층상 자기조립법을 이용하여 유기물층을 적층하는 단계; 및,
상기 유기물층 상에 전도성 물질 및 고분자 물질을 함유하는 혼합물층을 적층하는 단계를 포함하고,
상기 제 1 전극 및 상기 제 2 전극 사이에 복수층으로 형성된 상기 유기물층의 두께 조절을 통해 상기 제 1 전극 및 상기 제 2 전극 사이의 간격이 조절되는 것이며,
상기 유기물층의 두께 조절은 상기 대전된 기재와 반대 전하를 갖는 유기물층과 상기 대전된 기재와 동일한 전하를 갖는 유기물층을 반복하여 적층하는 것에 의해 수행되는 것인,
압력 센서의 제조 방법.
- 제 14 항에 있어서,
상기 유기물층은 층상 자기조립법에 의해 적층된 것인, 압력 센서의 제조 방법.
- 삭제
- 제 14 항에 있어서,
상기 유기물층 상에 상기 혼합물층을 적층하는 것은 용액 침지법, 스핀 코팅법, 화학적 기상 증착법, 스프레이법, 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택된 방법을 포함하는 것인, 압력 센서의 제조 방법.
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