KR101731173B1

KR101731173B1 - 다공성 탄성중합체 유전층을 구비하는 정전용량형 압력센서

Info

Publication number: KR101731173B1
Application number: KR1020150124360A
Authority: KR
Inventors: 박인규; 권동욱
Original assignee: 한국과학기술원
Priority date: 2015-09-02
Filing date: 2015-09-02
Publication date: 2017-04-28
Also published as: US20170059419A1; KR20170027566A

Abstract

본 발명에 의하면, 제1 전극층; 상기 제1 전극층과 이격된 제2 전극층; 및 상기 제1 전극층과 상기 제2 전극층 사이에 형성된 유전층을 포함하며, 상기 유전층은 다공성 탄성중합체로 이루어지는 것을 특징으로 하는 정전용량형 압력센서가 제공된다.

Description

다공성 탄성중합체 유전층을 구비하는 정전용량형 압력센서 {CAPACITIVE TYPE PRESSURE SENSOR WITH POROUS DIELECTRIC LAYER}

본 발명은 정전용량형 압력센서에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 유전층으로 다공성 탄성중합체를 이용하는 정전용량형 유연 압력센서에 관한 것이다.

압력센서는 크게 외부 압력에 따른 스프링 요소의 탄성적 반발을 이용하는 기계식 압력센서와, 외부 압력에 따른 감지부의 전기적 응답 특성의 변화를 이용하는 전기식 압력센서로 구분된다.

전기식 압력센서로는 압전형 압력센서, 압저항형 압력센서 및 정전용량형 압력센서 등이 있는데, 정전용량형 압력센서는 평행한 두 전극층 사이에 유전층을 형성하여 외부 압력에 따른 유전층의 압축에 의해 두 전극층 사이의 거리 변화에 따른 정전용량 변화를 이용하는 것으로서, 동적, 정적인 외부 압력 모두 비교적 정확하게 측정할 수 있어서 최근 가장 많이 사용되고 있다.

정전용량형 압력센서는 유전층으로서 압축력과 복원력이 우수한 탄성체를 활용하는 것이 일반적인데, 사용되는 탄성체의 물성에 따른 압축 특성에 따라 압력센서의 작동 가능한 압력 범위가 결정된다. 종래의 정전용량형 압력센서는 작동 가능한 압력 범위 중 상대적으로 미세한 압력 수준에서 실제로 사용가능한 수준의 분해능과 감도를 제공하지 못해 활용도가 떨어진다는 문제가 있다.

대한민국 등록특허공보 등록번호 10-1259782 (2013.05.03) 대한민국 공개특허공보 공개번호 10-2005-0084524 (2005.08.26) 대한민국 공개특허공보 공개번호 10-2005-0019885 (2005.03.03) 미국공개특허 US 2014/0104047 A1 (2014.04.17) 미국공개특허 US 2004/0231969 A1 (2004.11.25) 일본공개특허 특개2007-268333 (2007.10.11) 일본공개특허 소61-207939 (1986.09.16)

본 발명의 목적은 종래의 정전용량형 압력센서에 비해 넓은 압력 범위에서 높은 감도를 유지하면서도 안정적인 측정이 가능한 정전용량형 압력센서를 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 미세한 압력 수준에서도 고감도로 측정이 가능한 정전용량형 압력센서를 제공하는 것이다.

상기한 본 발명의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 측면에 따르면,

제1 전극층; 상기 제1 전극층과 이격된 제2 전극층; 및 상기 제1 전극층과 상기 제2 전극층 사이에 형성된 유전층을 포함하며, 상기 유전층은 다공성 탄성중합체로 이루어지는 것을 특징으로 하는 정전용량형 압력센서가 제공된다.

상기 제1 전극층은 전기 절연성의 유연한 재질로 이루어진 제1 기저부와, 상기 제1 기저부의 일면에 형성된 전기 전도성 재질의 제1 전극 패턴을 구비하며, 상기 제2 전극층은 전기 절연성의 유연한 재질로 이루어진 제2 기저부와, 상기 제1 전극 패턴과 대향하도록 상기 제2 기저부의 일면에 형성된 전기 전도성의 제2 전극 패턴을 구비할 수 있다.

상기 제1 기저부와 제2 기저부는 탄성중합체로 이루어질 수 있다.

상기 제1 전극 패턴과 상기 제2 전극 패턴은 탄소나노튜브 다발로 이루어질 수 있다.

상기 유전층의 기공률은 70 내지 80%일 수 있다.

본 발명에 의하면 앞서서 기재된 본 발명의 목적을 모두 달성할 수 있다. 구체적으로는, 유전층으로서 다공성 탄성중합체를 사용하므로 적은 힘으로도 두 전극층 사이의 거리가 크게 변하여 감도가 크게 향상될 수 있다. 또한, 유전층으로서 다공성 탄성중합체를 사용하므로 외부 압력에 의해 미세기공이 닫히면서 복합 유전상수 값이 증가함에 따라 최종 정전용량 값의 변화 폭도 증가하여 센서의 감도는 더욱 향상된다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 정전용량형 압력센서를 개략적으로 도시한 사시도이다.
도 2는 도 1에 도시된 정전용량형 압력센서의 각 층을 분리하여 도시한 사시도이다.
도 3은 도 1에 도시된 정전용량형 압력센서에서 유전층이 제조되는 과정의 한 예를 도시한 도면이다.
도 4는 도 1에 도시된 정전용량형 압력센서에서 전극층이 제조되는 과정의 한 예를 도시한 도면이다.
도 5 내지 도 7은 도 1에 도시된 정전용량형 압력센서의 유전층에 대한 제1 샘플의 세 단면을 보여주는 사진이다.
도 8 내지 도 10은 도 1에 도시된 정전용량형 압력센서의 유전층에 대한 제2 샘플의 세 단면을 보여주는 사진이다.
도 11과 도 12는 도 1에 도시된 정전용량형 압력센서의 단면 구조를 개념적으로 도시한 단면도로서, 도 11은 외력이 작용하지 않은 상태를 도시한 것이고 도 12는 외력이 작용하여 압축된 상태를 도시한 것이다.
도 13은 도 1에 도시된 정전용량형 압력센서와 비교예에 따른 압력센서의 압력 감지 성능을 비교한 그래프이다.
도 14는 본 발명에 따른 정전용량형 압력센서에 대한 신뢰성 테스트 결과를 보여주는 그래프이다.
도 15는 본 발명에 따른 정전용량형 압력센서의 동적 압력 응답 특성을 보여주는 그래프이다.
도 16은 본 발명에 따른 정전용량형 압력센서의 주파수별 동적 응답 특성을 보여주는 그래프이다.

이하, 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예의 구성 및 작용을 상세하게 설명한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 정전용량형 압력센서를 개략적으로 도시한 사시도이고, 도 2는 도 1에 도시된 정전용량형 압력센서의 각 층을 분리하여 도시한 사시도이다. 도 1과 도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 정전용량형 압력센서(100)는 제1 전극층(110)과, 제1 전극층(110)과 이격되어서 위치하는 제2 전극층(120)과, 두 전극층(110, 120)의 사이에 위치하는 다공성 탄성중합체로 이루어진 유전층(130)을 포함한다. 정전용량형 압력센서(100)는 유전층으로 다공성 탄성중합체를 이용함으로써, 종래의 정전용량형 압력센서에 비해 더 넓은 압력범위에서 더욱 향상된 감도로 압력을 측정하게 된다.

제1 전극층(110)은 유연한 성질을 갖는 것으로서, 제1 기저부(111)와, 제1 기저부(111)의 일면에 형성된 제1 전극 패턴(112)을 구비한다.

제1 기저부(111)는 전기 절연성 물질로 이루어진 얇은 막 형태로서 탄성을 갖는 유연한 재질로 이루어져서 외력에 의해 잘 구부러지고 외력이 제거되면 원형을 회복한다. 제1 기저부(111)는 제1 전극 패턴(112)을 구조적으로 지지한다. 본 실시예에서는 제1 기저부(111)가 탄성중합체로 이루어지는 것으로 설명하는데, 본 발명은 이에 제한되지 않는다.

제1 전극 패턴(112)은 전기 전도성 물질로서, 제1 기저부(111)의 일면에 형성된다. 본 실시예에서는 제1 전극 패턴(112)이 탄소나노튜브 다발로 이루어지는 것으로 설명하는데, 본 발명은 이에 제한되지 않는다.

제2 전극층(120)은 유연한 성질을 갖는 것으로서, 제2 기저부(121)와, 제2 기저부(121)의 일면에 형성된 제2 전극 패턴(122)을 구비한다. 제2 전극층(120)의 구체적인 구성은 제1 전극층(110)과 대체로 동일하므로 이에 대한 상세한 설명은 생략한다. 제2 전극 패턴(122)은 유전층(130)을 사이에 두고 제1 전극층(110)의 제1 전극 패턴(112)과 대향한다. 기본적으로 두 전극층(110, 120)에 가해지는 외력에 의해 유전층(130)이 압축되어서 두 전극층(110, 120) 사이의 거리가 변함으로써 정전용량이 변하게 되며, 압축 시 유전층 내 미세기공의 폐쇄로 인해 복합 유전상수 값이 증가하여 더욱 큰 정전용량의 변화가 유도된다.

도 3에는 유전층(130)을 제조하는 과정의 한 예가 도시되어 있다. 도 3을 참조하면, 먼저 다공성 템플레이트(10)(예들 들면, 각설탕)를 주형으로 하여 경화되기 전의 탄성중합체 액체(20)를 주입시킨 후 경화시켜서 다공성 템플레이트와 탄성중합체의 혼합물(30)을 준비한다. 다음 준비된 혼합물(30)에서 다공성 템플레이트를 용매(40)(예를 들면, 물)로 녹여서 다공성 탄성중합체(40)를 얻는다. 본 실시예에서는 다공성 템플레이트(10)로서 각설탕을 사용하는 것으로 설명하지만, 이는 하나의 예에 불과하며 각설탕 외에 다른 종류의 다공성 템플레이트가 사용될 수 있는데, 다공성 템플레이트는 3D 프린터로 제조될 수도 있다.

도 4에는 전극층(110, 120)을 제조하는 과정의 한 예가 도시되어 있다. 도 4를 참조하면, 먼저 코팅 마스크(63)가 부착되어 있는 임시 기판(62)에 탄소나노튜브 용액을 에어 스프레이 코팅법으로 코팅하고, 가열판(61)을 이용하여 탄소나노튜브 용액의 용매(예: isopropylalcohol)를 증발시켜서 탄소나노튜브 다발로 이루어진 탄소나노튜브 박막(64)을 형성한다. 다음, 코팅 마스크(63)를 임시 기판(62)에서 제거한 후, 경화되기 전의 탄성중합체 액체를 임시 기판(62)에 부어주고 박막(64) 내 탄소나노튜브 다발 사이로 침투되게 한 다음 경화시키고, 임시 기판(62)을 제거하면 탄소나노튜브 박막(64)이 전극 패턴을 형성하는 전극층(70)이 제조되며, 이 전극층(70)은 도 1과 도 2에 도시된 실시예의 전극층(110, 120)으로 사용될 수 있다.

유전층(130)은 두 전극층(110, 120) 사이에 위치하며, 다공성 탄성중합체로 이루어진다. 유전층(130)의 제1 면(도면에서 상면)은 제1 전극층(110)의 제1 전극 패턴(112)과 접촉하며, 유전층(130)의 제2 면(도면에서 하면)은 제2 전극층(120)의 제2 전극 패턴(122)과 접촉한다.

도 5 내지 도 7은 도 1에 도시된 정전용량형 압력센서의 유전층에 대한 제1 샘플의 세 단면을 보여주는 사진이며, 도 8 내지 도 10은 도 1에 도시된 정전용량형 압력센서의 유전층에 대한 제2 샘플의 세 단면을 보여주는 사진이다. 본 실시예에서 유전층의 기공률 70% 내지 80%인 것으로 설명하는데, 본 발명은 이에 제한되는 것은 아니다.

도 1에 도시된 정전용량형 압력센서(100)의 압력 감지 원리를 도 11과 도 12를 참조하여 설명하면 다음과 같다. 외력이 작용하지 않는 도 11의 상태에서 외력이 작용하면 도 12에 도시된 바와 같이 유전층(130)이 압축되어서 두 전극층(110, 120) 사이의 거리가 좁아져서 정전용량 값의 변화를 통해 외부 압력의 크기를 감지하게 된다. 이때, 유전층(130)은 미세기공(131)이 형성된 다공성 탄성중합체이므로 다공성이 아닌 다른 일반 탄성중합체에 비해 매우 높은 탄성변형률을 갖게 되며, 이로 인해 적은 힘으로도 두 전극층(110,120) 사이의 거리가 크게 변하여 센서의 감도가 크게 향상된다. 또한, 미세기공(131)이 외부 압력으로 인해 압축되어 닫히면서 복합 유전상수 값이 증가하게 되고, 그로 인해 최종 정전용량 값의 변화 폭도 증가하여 센서의 감도는 더욱 향상된다.

도 13은 도 1에 도시된 정전용량형 압력센서와 비교예에 따른 압력센서의 압력 감지 성능을 비교한 그래프이다. 도 13에서 미세기공이 없는 일반 탄성중합체를 유전층으로 사용한 압력센서의 응답곡선은 solid로 표기되어 있고, 본 발명에 따른 다공성 탄성중합체를 유전층으로 사용한 압력센서의 응답곡선은 Porous로 표기되어 있다. 다공성 탄성중합체의 경우 작동하는 압력 범위에 따라 세 단계(Porous 1, Porous 2, Porous 3)로 구분되어 있다.

첫 번째 단계인 Porous 1의 영역(0 내지 5kPa)에서는 다공성 탄성중합체 유전층(130) 내 미세기공(131)의 존재로 인해 낮은 압력에서도 큰 변형이 유도됨과 동시에 미세기공(131)이 닫히면서 상대적으로 공기 영역에 비해 탄성중합체의 영역이 증가함에 따라 유전층(130)의 전체 복합 유전상수 값이 증가하게 되고, 이로 인해 매우 높은 센서의 감도(S_p1=0.601kPa^-1)를 확인할 수 있다.

두 번째 단계인 Porous 2 영역(5 내지 30kPa)에서 점진적으로 압력이 증가하며, 미세기공(131)은 점점 닫히게 되고 센서의 감도 또한 점점 낮아지게 된다.

세 번째 단계인 Porous 3 영역(30 내지 130kPa)에서 압력이 더욱 증가하여 미세기공이 거의 모두 닫히게 되면 첫 번째 단계에 비해 상대적으로 감도가 낮아지지만 여전히 일반 탄성중합체 유전층을 이용한 압력센서보다 감도에 있어서 약 4.8배(S_p3/S_s=0.077/0.016≒4.8)의 높은 성능을 보인다. 또한, 미세기공이 모두 사라짐에 따라 큰 외력을 더욱 잘 견딜 수 있게 되어 넓은 압력 법위에 대해 계속해서 안정적인 센서 응답을 보인다.

다공성 탄성중합체 유전층(130)을 이용한 압력 센서의 가장 높은 감도를 보이는 영역은 일반 탄성중합체 유전층을 이용한 압력 센서보다 감도에 있어서 약 37.6배(S_p1/S_s=0.601/0.0016≒37.6) 향상된 것을 알 수 있다.

도 14는 본 발명에 따른 정전용량형 압력센서에 대한 신뢰성 테스트 결과를 보여주는 그래프이다. 도 14의 테스트에서는 압축과 릴리스(release)가 1000회 반복되었으며, 도 14의 그래프에 잘 나타나는 바와 같은 센서는 안정적으로 작동을 한다.

도 15는 본 발명에 따른 정전용량형 압력센서의 동적 압력 응답 특성을 보여주는 그래프이다. 도 15에 도시된 바와 같이, 압력 별로 안정적인 응답을 보여주는 것을 알 수 있다.

도 16은 본 발명에 따른 정전용량형 압력센서의 주파수별 동적 응답 특성을 보여주는 그래프이다. 도 16에 도시된 바와 같이, 주파수별로 안정적인 동적 응답을 보여주는 것을 알 수 있다.

본 발명에 따른 정전용량형 압력센서는 맥박 측정기와 같은 헬스 케어 시스템, 로봇 클로우(claw), 센서 어레이 패드 및 미소 중량 측정기 등에 활용될 수 있다.

이상 실시예를 통해 본 발명을 설명하였으나, 본 발명은 이에 제한되는 것은 아니다. 상기 실시예는 본 발명의 취지 및 범위를 벗어나지 않고 수정되거나 변경될 수 있으며, 본 기술분야의 통상의 기술자는 이러한 수정과 변경도 본 발명에 속하는 것임을 알 수 있을 것이다.

100 : 정전용량형 압력센서
110 : 제1 전극층
120 : 제2 전극층
130 : 다공성 탄성중합체 유전층
131 : 미세기공

Claims

제1 전극층;
상기 제1 전극층과 이격된 제2 전극층; 및
상기 제1 전극층과 상기 제2 전극층 사이에 형성된 유전층을 포함하며,
상기 유전층은 다공성 탄성중합체로 이루어지며,
상기 제1 전극층은 전기 절연성의 유연한 재질로 이루어진 제1 기저부와, 상기 제1 기저부의 일면에 형성된 전기 전도성 재질의 제1 전극 패턴을 구비하며,
상기 제2 전극층은 전기 절연성의 유연한 재질로 이루어진 제2 기저부와, 상기 제1 전극 패턴과 대향하도록 상기 제2 기저부의 일면에 형성된 전기 전도성의 제2 전극 패턴을 구비하며,
상기 유전층의 기공률은 70 내지 80%인 것을 특징으로 하는 정전용량형 압력센서.
청구항 1에 있어서,
상기 다공성 탄성중합체는 다공성 템플레이트를 주형으로 하여 경화되기 전의 탄성중합체 액체를 주입시킨 후 경화시켜서 다공성 템플레이트와 탄성중합체의 혼합물을 준비하고, 상기 혼합물에서 다공성 템플레이트를 용매로 녹여서 제조된 것을 특징으로 하는 정전용량형 압력센서.
청구항 1에 있어서,
상기 제1 기저부와 제2 기저부는 탄성중합체로 이루어지는 것을 특징으로 하는 정전용량형 압력센서.
청구항 1에 있어서,
상기 제1 전극 패턴과 상기 제2 전극 패턴은 탄소나노튜브 다발로 이루어지는 것을 특징으로 하는 정전용량형 압력센서.
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