KR101753384B1 - 움직임 감지 센서 및 그 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

움직임 감지 센서 및 그 제조 방법이 개시된다. 움직임 감지 센서는 구부러짐이 가능한 고분자 합성물로 구성된 유연/신축성 기판 필름, 탄소 나노튜브와 전도성 나노입자의 혼합 또는 합성물로 구성된 일정 패턴의 센싱층 및 고분자 합성물의 표면을 소수성 물질로 표면 처리하여 구성된 샌드위치 구조의 캡슐화 필름으로 구성된다.

Description

움직임 감지 센서 및 그 제조 방법{Motion detection sensor and manufacturing method of the same}
본 발명은 움직임을 감지하는 착용이 가능한 전자 밴드(electronic bandage)에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 유연기판 위 탄소를 기반으로 한 전도성 나노물질을 재료로 사용하여 스트레인(strain) 또는 압력을 기반으로 움직임을 감지할 수 있는 고민감도 움직임 감지 센서 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
사람(동물)이나 물체의 움직임을 감지하기 위하여 주로 카메라 또는 적외선을 이용하여 왔다. 그러나 기존의 모션 인식 센서는 고가의 카메라 또는 적외선 검출기가 필요하고, 그것을 설치할 장소가 특정되어야 한다는 점에서 사물인터넷(IoTs) 플랫폼 집적에 용이하지 않다는 단점이 있다. 이러한 단점을 극복하기 위하여 제작 비용을 낮추면서도 사람(동물)에 부착하여 움직임을 감지할 수 있는 여러 센서가 개발되었다.
종래 착용이 가능한 움직임 센서는 딱딱한 기판(실리콘, 유리 등) 위에 재료를 성장시키고, 성장된 부분을 박리하여 유연 기판 위에 전사하는 방식을 사용하므로 공정이 매우 복잡하고, 공정 신뢰성에서도 크게 도전을 받고 있다. 또한 착용이 가능한 움직임 센서는 주로 정전 용량 방식을 사용하여 신호를 분석하기 때문에 장시간 사용시 열화 현상으로 인하여 소자의 안정성 및 신뢰성이 저하되고, 민감도를 높이기 위하여 신호의 증폭 및 잡음제거 등의 추가적인 소자 설계 및 공정이 요구되므로 소자의 크기가 커지고, 회로가 복잡해지며, 소비 전력이 높아지고, 공정 비용이 증가하는 문제점이 있다.
또한 기존의 착용이 가능한 움직임 센서는 사람(동물)의 피부 또는 의복에 직접적으로 탈부착이 용이하지 않고 착용에 필요한 매체(media: 장갑) 등이 요구되기 때문에 불편함이 크고, 일상생활을 하는 과정에서 피부로부터 생겨나는 오염원(땀, 각질 등)이나 환경에서 오는 여러 물리적, 화학적 접촉(수분, 산소 등)을 차단하지 못하기 때문에 소자가 안정적인 동작을 하지 못하게 된다.
공개특허공보 제2012-0136995호
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 유연/신축성 기판 기술을 적용하여 밴드 형태로 사람(동물)에 직접 탈부착이 용이하며, 저항 측정 방식으로 추가적인 회로 구성없이 신호를 실시간으로 분석하며, 동작하는 환경의 변화에도 안정적인 동작 특성과 높은 민감도를 가지는 움직임 감지 센서 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
상기의 기술적 과제를 달성하기 위한, 본 발명에 따른 움직임 감지 센서의 일 예는, 구부러짐이 가능한 고분자 합성물로 구성된 유연/신축성 기판 필름; 상기 필름 위에, 탄소 기반의 전도성 나노전자재료의 혼합 또는 합성물질로 구성된 일정 패턴의 센싱층; 및 상기 센싱층 위에, 상기 구부러짐이 가능한 고분자 합성물로 구성된 캡슐화 필름;을 포함하며,
상기 센싱층은 상기 기판 필름과 상기 캡슐화 필름의 샌드위치 구조 사이에 위치하고, 탄소 나노튜브(carbon nonotube, CNT), 그래핀(graphene, graphene nano-ribobon, graphene tubule, graphene-based nanocomposites), 그래핀 산화물(graphene oxide, reduced graphene oxide)의 탄소 기반 물질 또는 은 나노입자(Ag Nanoparticle)의 전도성 나노입자(Conductive Nanoparticle)로 구성되거나, 탄소 기반 물질과 전도성 나노입자를 혼합 또는 합성한 탄소 기반 나노 물질로 구성되며,
구부러짐에 따라 상기 기판 필름과 상기 캡슐화 필름에 작용하는 장력과 압축에 의한 민감도 저하를 방지하기 위하여, 중립점이 상기 센싱층에 위치하지 않도록 상기 기판 필름과 상기 캡슐화 필름의 두께는 서로 상이하게 하며,
상기 캡슐화 필름은 상기 샌드위치 구조 상에 소수성 물질로 표면 처리(코팅)되고, 소수성 물질은 비결정질 불소(Teflon-AF)가 사용될 수 있으며, 상기 기판 필름도 상기 소수성 물질로 표면 처리되며, 물속에서도 안정적으로 동작되는 것을 특징으로 한다.
상기의 기술적 과제를 달성하기 위한, 본 발명에 따른 움직임 감지 센서 제조 방법의 일 예는, 기판에 구부러짐이 가능한 고분자 합성물로 이루어진 유연/신축성 기판 필름을 형성하는 단계; 상기 기판 필름에, 탄소 기반의 전도성 나노 물질을 일정 패턴으로 도포하여 열처리 과정을 통해 센싱층을 형성하며, 상기 센싱층은 상기 기판 필름과 캡슐화 필름의 샌드위치 구조 사이에 위치하고 탄소 나노튜브(carbon nonotube, CNT), 그래핀(graphene, graphene nano-ribobon, graphene tubule, graphene-based nanocomposites), 그래핀 산화물(graphene oxide, reduced graphene oxide)의 탄소 기반 물질 또는 은 나노입자(Ag Nanoparticle)의 전도성 나노입자(Conductive Nanoparticle)로 구성되거나, 탄소 기반 물질과 전도성 나노입자를 혼합 또는 합성한 탄소 기반 나노 물질로 구성되는 단계; 및 소수성 표면 처리(코팅)된 구부러짐이 가능한 고분자 합성물로 이루어진 캡슐화 필름을 상기 센싱층 위에 형성하는 단계;를 포함하며,
구부러짐에 따라 상기 기판 필름과 상기 캡슐화 필름에 작용하는 장력과 압축에 의한 민감도 저하를 방지하기 위하여, 중립점이 상기 센싱층에 위치하지 않도록 상기 기판 필름과 상기 캡슐화 필름의 두께는 서로 상이하게 하며,
상기 캡슐화 필름은 상기 샌드위치 구조 상에 소수성 물질로 표면 처리(코팅)되고, 소수성 물질은 비결정질 불소(Teflon-AF)가 사용될 수 있으며, 상기 기판 필름도 상기 소수성 물질로 표면 처리되며, 물속에서도 안정적으로 동작되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 움직임 감지 센서는 스트레인 또는 압력에 따라 구부러짐이 가능하고 얇은 박막 구조의 밴드(bandage) 형태이므로 인체 등 움직임 감지가 필요한 곳에 직접 부착이 가능하며, 인체 착용시에도 불편함이 거의 없다. 또한 표면처리, 합성과정 및 소자구조에 따른 최적화된 공정을 기반으로 착용을 원하는 부위에 다양한 크기와 민감도를 가지는 소자를 대면적으로 제작할 수 있기 때문에 개개인의 신체적 특징에 맞게 맞춤 제작 할 수 있다.
소수성 표면처리를 한 샌드위치 구조의 캡슐화 공정을 통해 센싱층이 외부 오염원으로부터 보호되고 일상생활 과정에서 겪게 되는 다양한 환경(온도, 습도 등) 특히, 물에 접촉이 되어도 안정적으로 작동이 가능하며, 전기적으로도 절연되어 있어서 착용을 한 상태로 장시간 안정적인 사용이 가능하다.
종전 정전 용량 방식이 아닌 저항 변화 방식을 사용하여 전기적 신호를 실시간으로 분석하여 움직임을 감지하기 때문에 신호 증폭이나 잡음 제거 등을 위한 추가적인 소자 및 회로 설계가 필요 없고 측정 방법이 간단하며, 공정 집적화에 유리할 뿐만 아니라 소모 전력을 줄일 수 있으며, 실시간 피드백 시스템 구현이 가능하다.
휴대폰, 스마트 시계, 스마트 밴드 등 사물인터넷(IoTs)과 결합하여, 모바일 헬스케어 모니터링 시스템, 재택진단형 의료 기기 시스템, 무선 원격 리모컨, e-스킨 등과 같은 다양한 응용 서비스의 제공이 가능하다.
또한 센서 제작에 필요한 모든 고정 과정이 용액공정을 기반으로 하고, 전사 공정이 없기 때문에 대량생산에 용이하며 넓은 면적에 균일하게 제작할 수 있고, 열처리 온도가 낮기 때문에 열처리량(thermal budget) 면에서도 우수하고, 낮은 공정 비용으로 제품의 단가를 낮출 수 있다. 특히, 센서에 포함되는 전도성 나노물질의 농도 변화를 통해 민감도를 간단하게 조절할 수 있으며, 3% 미만의 작은 스트레인에서도 고감도의 감지가 가능하게 할 수 있다.
더구나, 실시간 반응 속도가 매우 빠르고, 정확하기 때문에 복수 개체의 센서가 착용된 경우에 착용된 위치에 따라 모두 독립적으로 동작이 가능하여, 인체의 생체 정보를 종합적으로 분석하고 처리하는데 유용하게 사용될 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 움직임 감지 센서의 일 예를 도시한 도면,
도 2 및 도 3은 본 발명에 따른 움직임 감지 센서의 동작 원리의 일 예를 도시한 도면,
도 4는 본 발명에 따른 센싱층의 민감도를 결정하는 탄소 나노튜브와 은 나노입자 사이의 혼합비율의 일 예를 도시한 도면,
도 5 및 도 6은 본 발명에 따른 움직임 감지 센서의 적용 예를 도시한 도면,
도 7은 본 발명에 따른 움직임 감지 센서의 제조 방법의 일 예를 도시한 도면,
도 8은 본 발명에 따른 움직임 감지 센서의 단면의 일 예를 도시한 도면, 그리고,
도 9는 본 발명에 따른 움직임 감지 센서의 센싱층을 형성할 때 사용하는 스크린 프린팅 방법의 일 예를 도시한 도면이다.
이하에서, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명에 따른 움직임 감지 센서 및 그 제조방법에 대해 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 움직임 감지 센서의 일 예를 도시한 도면이다.
도 1을 참조하면, 움직임 감지 센서(100)는 기판 필름(110), 센싱층(130) 및 캡슐화 필름(120)을 포함한다.
기판 필름(110)은 구부러짐이 가능한 고분자 합성물이다. 기판 필름(110)의 일 예로, 탄성중합체(elastomer) 중 폴리디메틸실록산(PDMS, polydimethylsioxane) 등이 있다.
캡슐화 필름(120)은 또한 기판 필름(110)과 마찬가지로 구부러짐이 가능한 고분자 합성물이며, 기판 필름(110)과 결합하여 샌드위치 구조를 이루어 내부에 위치한 센싱층(130)을 외부의 물리적, 화학적 오염원으로부터 보호할 뿐만 아니라 나노 물질이 인체에 직접적으로 닿지 않기 때문에 (무해) 재료 선택의 자유도가 크다. 또한 전기적으로 절연 특성을 가지기 때문에 전원이 공급되어도 안정한다. 캡슐화 필름의 일 예로, 탄성중합체 중 PDMS가 있다. 캡슐화 필름(120)은 오염원을 보다 효율적으로 차단하기 위하여 소수성 물질로 표면 처리(코팅) 될 수 있다. 소수성 물질의 일 예로 비결정질 불소(Teflon-AF)가 사용될 수 있다. 실시 예에 따라 기판 필름(110)도 소수성 물질로 표면 처리될 수 있으며, 물속에서도 안정적으로 동작이 가능하다.
센싱층(130)은 기판 필름(110)과 캡슐화 필름(120)의 샌드위치 구조 사이에 위치하며, 탄소 나노튜브(carbon nonotube, CNT), 그래핀(graphene, graphene nano-ribobon, graphene tubule, graphene-based nanocomposites 등), 그래핀 산화물(graphene oxide, reduced graphene oxide) 등과 같은 탄소 기반 물질 또는 은 나노입자(Ag Nanoparticle)와 같은 전도성 나노입자(Conductive Nanoparticle)로 구성되거나, 탄소 기반 물질과 전도성 나노입자를 혼합 또는 합성한 탄소 기반 나노 물질로 구성될 수 있다.
이하에서는 설명의 편의를 위하여 탄소 나노튜브와 전도성 나노입자의 혼합물로 센싱층(130)을 구성하는 경우에 대해 주로 살펴본다. 탄소 나노튜브와 전도성 나노입자의 혼합물의 농도는 용매나 폴리머 바인더(polymer binder:Nafion)를 이용하여 조정될 수 있다. 예를 들어, 센싱층(130)이 탄소 나노튜브 페이스트(CNT paste)와 전도성 나노입자의 혼합물로 구성되는 경우, 탄소 나노튜브 페이스트는 탄소 나노튜브와 폴리머 바인더(polymer binder)로 구성되고, 탄소 나노튜브와 폴리머 바인더는 전도성 나노입자를 잡아주는 역할을 수행한다.
본 실시 예는, 센싱층(130)이 두 개의 직선 패턴(예를 들어, 0.3㎝(가로) * 1.6㎝(세로)의 직사각형)으로 이루어진 예를 도시하고 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며 센싱층(130)은 다양한 패턴으로 변형 가능할 뿐만 아니라 패턴의 개수 또한 다양하게 변형 가능하다.
일 실시 예로, 기판 필름(110)과 캡슐화 필름(120)의 두께는 서로 상이하다. 아래로 구부러짐이 발생하는 경우에 기판 필름(110)은 압축(compression)되고 캡슐화 필름(120)에는 장력(tension)이 가해진다. 반대로 위로 구부러짐이 발생하면, 기판 필름(110)에는 장력이 가해지고 캡슐화 필름(120)은 압축된다. 이러한 압축과 장력의 작용/반작용의 원리에 의해 센싱층(130)의 민감도가 떨어질 수 있으므로, 구부러짐이 발생할 때 중립점(neutral point)이 센싱층(130)에 위치하지 않도록 기판 필름(110)과 캡슐화 필름(120)의 두께를 달리해야 한다. 즉, 기판 필름(110)의 두께는 300㎛, 캡슐화 필름(120)의 두께는 500㎛ 일 수 있다. 이 경우 센싱층(130)의 두께는 40㎛일 수 있다.
움직임 감지 센서는 얇은 막 구조로 형성되고, 용액 공정을 기반으로 소자의 구조에 따라 다양한 증착 방법을 사용하여 제작이 가능하기 때문에 소형화 및 집적화가 가능하다. 또한, 앞서 살핀 바와 같이 캡슐화 필름 등이 소수성 표면 처리 또는 코팅 되어 있어 방수가 가능할 뿐만 아니라, 기판 필름과 캡슐화 필름의 샌드위치 구조를 통해 센싱층의 나노물질이 인체에 직접적으로 접촉이 되지 않고 외부에서 전원이 공급되어도 필름에 의해 절연되어 안전하다.
도 2 및 도 3은 본 발명에 따른 움직임 감지 센서의 동작 원리의 일 예를 도시한 도면이다.
도 2를 참조하면, 센싱층은 탄소 나노튜브 페이스트와 전도성 나노입자(250,252)의 혼합물로 구성된다. 전도성 나노입자(250,252)의 일 예로 은 나노입자(AgNP)가 있다.
전도성 나노입자(250,252)는 전도성은 좋은 반면 인장력에 약하기 때문에 장시간 스트레인이 인가될 때 안정적인 동작 특성을 보이기 어렵다. 반면 탄소 나노튜브(260)는 기계적인 안정성은 우수하지만 전도성 나노입자(250,252)에 비해 전도성이 떨어지므로 우수한 전기적 특성을 보여주기 어렵다. 따라서 본 실시 예는 두 재료를 합성하여 우수한 전도성을 유지하면서 인장력에 강한 탄소 나노튜브(260)와 전도성 나노입자(250,252)의 혼합물을 이용한다.
탄소 나노튜브(260)와 폴리머 바인더(270)는 전도성 나노입자(250,252)를 잡아준다. 만약 탄소 나노튜브(260)와 폴리머 바인더(270)가 없으면, 스트레인(즉, 구부러짐)이 제거되어도 전도성 나노입자(250,252) 사이의 거리가 원래대로 복원되지 않고 크랙(crack)이 생기게 되어 안정적인 동작을 할 수 없다. 또한 스트레인이 일정 임계치를 넘어서면 전도성 나노입자(250,252) 만으로 스트레인을 측정하는 것이 불가능하다.
예를 들어, 스트레인이 가해지면(210), 전도성 나노입자(250,252) 사이의 거리가 멀어져 센싱층의 전도도(conductivity)가 감소한다. 즉 저항이 증가한다. 반대로 스트레인이 해소되면(200), 전도성 나노입자(250,252)의 사이가 다시 가까워져 전도도가 증가(즉, 저항의 감소)한다. 도 2의 오른쪽에는 센싱층의 표면을 확대 도시한 것으로서, 구부러짐이 없는 경우(202)가 구부러짐이 있는 경우(212)에 비해 입자 사이가 더 조밀한 것을 알 수 있다.
도 3을 참조하면, 전도성 나노입자 사이에서 전하 전이는 터널링 효과를 통해 발생하는데, 전도성 나노입자 사이의 거리가 증가하면 터널링 효과의 확률이 낮아져 전기적 특성이 변화(저항의 증가)한다. 다시 말해, 스트레인 또는 압력이 움직임 감지 센서에 가해지면, 전도성 나노입자 사이의 거리가 증가하여 전자의 터널링 효과 발생 확률이 감소하고, 이에 따라 전도도가 감소하여 저항이 증가한다. 반대로 스트레인 또는 압력이 제거되면, 전도성 나노입자 사이의 거리가 감소하여 전자의 터널링 효과 발생 확률이 증가하고, 이에 따라 전도도가 증가하여 저항이 감소한다.
도 4는 본 발명에 따른 센싱층의 민감도를 결정하는 탄소 나노튜브와 은 나노입자 사이의 혼합비율의 일 예를 도시한 도면이다.
도 4를 참조하면, 탄소 나노튜브와 은 나노입자의 구성비에 따라 센싱층의 민감도(sensitivity)가 조절될 수 있음을 알 수 있다. 은 나노입자의 비율이 높아질수록 민감도가 높아진다. 이는 전기적 특성을 결정짓는 전하의 이동이 주로 탄소 나노튜브와 비교하여 상대적으로 은 나노입자를 통해서 주로 이루어지기 때문이다. 그러나 민감도를 높이기 위하여 은 나노입자의 농도를 크게 높이면 스트레인 또는 압력이 인가됨에 따라 크랙이 발생하고 스트레인 또는 압력이 제거된 후에 초기 전기적 특성(저항)이 복원되지 않는 문제점이 있다.
도 5는 본 발명에 따른 움직임 감지 센서의 적용 예를 도시한 도면이다.
도 5를 참조하면, 인체 손가락 마디에 움직임 감지 센서(500)가 부착되고, 움직임 감지 센서(500)의 센싱층과 스위칭 회로(510)를 연결하여 손가락의 구부러짐을 감지할 수 있다. 본 실시 예는 움직임 감지 센서의 전기적 특성으로 저항을 측정하므로, 종래 정전 용량 방식과 달리 증폭이나 잡음 제거 등의 회로가 필요 없으며, 신호 처리를 위한 추가적인 과정 없이 실시간으로 전기적 신호가 변화하는 것을 감지하여 분석할 수 있다. 스위칭 회로(510)는 움직임 감지 센서의 전도도를 기반으로 저항을 분석하여 저항이 변화하면 동작을 감지하므로, 스트레인 또는 압력의 작은 변화를 검출할 수 있는 고민감도 특성을 간단한 회로로 구현할 수 있다.
또한 발성 기관의 뼈나 근육 부위에 움직임 감지 센서를 부착하게 되면 성대의 움직임에 따라 발성기관에서 발생하는 소리를 분석할 수 있을 뿐만 아니라 무릎 관절에 착용을 하게 되면 보행에 따라 실시간으로 칼로리 소모를 분석하고, 평형 상태 유지와 같은 신체 자세 (동작) 정보를 제공할 수 있다. 그 외에도, 움직임 감지센서는 유아들 또는 의사표현을 할 수 없는 성인환자들에게 적용되어, 얼굴에 찰용시 표정을 감지하거나, 눈경련 또는 열성경련과 같이 신체의 바이오 신호를 실시간으로 분석하여 그에 따른 질병 예방을 할 수 있기 때문에 다양한 분야에 적용 가능하다. 따라서 본 실시 예의 움직임 감지 센서는 모바일 헬스 케어 모니터링 시스템 등을 비롯한 각종 IoT 서비스에 응용될 수 있다.
도 6은 본 발명에 따른 움직임 감지 센서의 다중 감지에 따른 적용 예를 도시한 도면이다. 도 6을 참조하면, 움직임 감지 센서는 인체의 팔꿈치, 손목, 손가락에 각각 부착되어 각각 독립적으로 인체의 움직임을 실시간으로 감지할 수 있다.
도 7은 본 발명에 따른 움직임 감지 센서의 제조 방법의 일 예를 도시한 도면이다. 도 8은 본 발명에 따른 움직임 감지 센서의 단면의 일 예를 도시한 도면이다.
도 7 및 도 8을 함께 참조하면, 실리콘 (유리) 기판(800)상에 기판 필름(820)을 형성한다(S700). 실리콘 기판(800)과 기판 필름(820)의 분리가 용이하도록 실리콘 기판과 기판 필름 사이에 원자단 한 층의 버퍼층(810)을 형성할 수 있다. 예를 들어, 진공에서 실리콘 기판을 트리클로로실란 용액(예를 들어, trichloro-(1H,1H,2H,2H-perfluorooctly) silance 용액)으로 표면처리하여 버퍼층(810)을 형성한 후, 버퍼층(810) 위에 기판 필름(820)을 형성할 수 있다.
PDMS 용액을 이용하여 기판 필름(820)을 형성할 때, 기포 제거를 위하여 PDMS에 대한 진공 처리과정을 더 포함할 수 있다. 예를 들어, PDMS를 1시간 이상 진공 처리하여 기포 제거하고, 실리콘 (유리) 기판(800)에 스핀 코팅을 이용하여 PDMS 용액을 도포한 후 어닐링 과정을 수행하여 기판 필름(820)을 형성할 수 있다. 예를 들어, 어닐링(annealing) 과정은 1시간 동안 80℃ 열처리 하는 과정으로 구성되고, 이 과정을 통해 PDMS를 굳히고 남아 있는 용매성분을 제거할 수 있다. 또한 PDMS 용액을 합성 할 때에 경화제의 농도에 따라 유연/신축성을 조절할 수 있으며, 용액의 증착 과정에서 기판의 표면특성, 스핀 속도 및 시간에 따라 두께를 최적화할 수 있다.
다음으로 기판 필름(820) 위에 센싱층(830)을 형성한다(S710). 탄소 나노튜브 페이스트와 전도성 나노물질의 교반 용액을 일정 패턴으로 기판 필름(820)상에 도포하여 센싱층(830)을 형성한다. 탄소 나노튜브와 전도성 나노물질의 혼합 비율은 도 4와 같이 민감도에 따라 다양하게 설정할 수 있다.
탄소 나노튜브 페이스트와 전도성 나노입자의 교반 용액을 기판 필름(820)에 도포할 때는 소자의 구조 및 크기에 따라 다양한 방법으로 증착이 가능한데, 도 9는 본 발명에 따른 움직임 감지 센서의 센싱층을 형성할 때 사용하는 스크린 프린팅 방법의 일 예를 도시한 도면이다. 교반 용액이 기판 필름(820)상에 도포된 후 어닐링 과정을 통해 센싱층(830)을 굳히면서 탄소 나노튜브 페이스트에 남아있는 용매성분을 제거한다.
센싱층(830)이 기판 필름(820)에 잘 접착할 수 있도록, 센싱층(830)의 형성 단계(S710) 이전에, 기판 필름(820)에 대해 UV 오존 처리 과정을 추가적으로 수행할 수 있다. 예를 들어, 기판 필름(820)에 대해, 25분 동안 28mW/㎠의 출력밀도(power density)와 253㎚의 파장의 UV 오존에 노출시킬 수 있다.
센싱층(830) 형성 후에 캡슐화 과정을 수행한다(S720). 즉 센싱층(830) 위에 캡슐화 필름(840)을 형성한다. 캡슐화 필름(840)은 소수성 물질로 표면 처리(코팅)된 PDMS 필름일 수 있다. 예를 들어, 비결정질 불소(Teflon-AF)로 표면처리된 PDMS를 센싱층(830) 위에 증착한다.
본 실시 예에 따른 움직임 감지 센서의 제조 방법은 용액 공정을 기반으로 하므로 대면적을 균일하게 만들 수 있고 비용이 저렴하며 증착 방법이 자유롭다. 각 층을 형성할 때, 스핀 코팅을 비롯한 드롭-코팅(drop coating), 드롭-캐스팅(drop-casting), 스크린 프린팅(screen printing), 바 프린팅(bar printing) 등 다양한 방법이 적용될 수 있다.
도 9를 참조하면, 기판 필름(900) 위에 일정한 패턴이 형성된 마스크(920)를 올려 놓고, 탄소 나노튜브 페이스트와 전도성 나노입자의 교반 용액을 롤러(910)를 이용하여 밀면 마스크 패턴에 따른 센싱층(930)이 형성된다. 패턴 형성 공정은 스크린 기법을 사용하기 때문에 패턴 형성이 자유롭고, 공정 방법이 간단하다. 최적화된 용액 고정을 기반으로 센싱층(930)을 1mm 안팎 두께의 얇은 막구조로 용이하게 형성할 수 있을 뿐만 아니라, 몰딩(molding) 방법을 이용하여 수십~수백㎛ 크기의 전자 밴드를 제작할 수 있다.
이제까지 본 발명에 대하여 그 바람직한 실시예들을 중심으로 살펴보았다. 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 실시예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (15)

  1. 구부러짐이 가능한 고분자 합성물로 구성된 유연/신축성 기판 필름;
    상기 필름 위에, 탄소 기반의 전도성 나노 전자재료물질로 구성된 일정 패턴의 센싱층; 및
    상기 센싱층 위에, 상기 구부러짐이 가능한 고분자 합성물로 구성된 캡슐화 필름;을 포함하며,
    상기 센싱층은 상기 기판 필름과 상기 캡슐화 필름의 샌드위치 구조 사이에 위치하고, 탄소 나노튜브(carbon nonotube, CNT), 그래핀(graphene, graphene nano-ribobon, graphene tubule, graphene-based nanocomposites), 그래핀 산화물(graphene oxide, reduced graphene oxide)의 탄소 기반 물질 또는 은 나노입자(Ag Nanoparticle)의 전도성 나노입자(Conductive Nanoparticle)로 구성되거나, 탄소 기반 물질과 전도성 나노입자를 혼합 또는 합성한 탄소 기반 나노 물질로 구성되고,
    구부러짐에 따라 상기 기판 필름과 상기 캡슐화 필름에 작용하는 장력과 압축에 의한 민감도 저하를 방지하기 위하여, 중립점이 상기 센싱층에 위치하지 않도록 상기 기판 필름과 상기 캡슐화 필름의 두께는 서로 상이하게 하며,
    상기 캡슐화 필름은 상기 샌드위치 구조 상에 소수성 물질로 표면 처리(코팅)되고, 소수성 물질은 비결정질 불소(Teflon-AF)가 사용될 수 있으며, 상기 기판 필름도 상기 소수성 물질로 표면 처리되며, 물속에서도 안정적으로 동작되는 것을 특징으로 하는 움직임 감지 센서.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 탄소 기반의 전도성 나노 전자재료물질은 탄소 나노튜브와 전도성 나노입자의 혼합 또는 합성물질인 것을 특징으로 하는 움직임 감지 센서.
  3. 삭제
  4. 제 2항에 있어서,
    상기 탄소 나노튜브와 상기 전도성 나노입자의 혼합 비율에 따라 상기 센싱층의 민감도가 조절되는 것을 특징으로 하는 움직임 감지 센서.
  5. 삭제
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 기판 필름과 상기 캡슐화 필름을 구성하는 고분자 합성물은 탄성중합체인 것을 특징으로 하는 움직임 감지 센서.
  7. 제 2항에 있어서,
    상기 센싱층의 탄소 나노튜브와 상기 전도성 나노입자가 바인딩되어 있고, 상기 센싱층에 스트레인 또는 압력이 인가되면 상기 전도성 나노입자 사이의 거리가 증가하여 전도도가 감소하는 것을 특징으로 하는 움직임 감지 센서.
  8. 기판에 구부러짐이 가능한 고분자 합성물로 이루어진 기판 필름을 형성하는 단계;
    상기 기판 필름에, 탄소 기반의 전도성 나노 전자재료물질을 일정 패턴으로 도포하여 센싱층을 형성하며, 상기 센싱층은 상기 기판 필름과 캡슐화 필름의 샌드위치 구조 사이에 위치되고, 탄소 나노튜브(carbon nonotube, CNT), 그래핀(graphene, graphene nano-ribobon, graphene tubule, graphene-based nanocomposites), 그래핀 산화물(graphene oxide, reduced graphene oxide)의 탄소 기반 물질 또는 은 나노입자(Ag Nanoparticle)의 전도성 나노입자(Conductive Nanoparticle)로 구성되거나, 탄소 기반 물질과 전도성 나노입자를 혼합 또는 합성한 탄소 기반 나노 물질로 구성되는 단계; 및
    소수성 표면 처리된 구부러짐이 가능한 고분자 합성물로 이루어진 캡슐화 필름을 상기 센싱층 위에 형성하는 단계;를 포함하며,
    구부러짐에 따라 상기 기판 필름과 상기 캡슐화 필름에 작용하는 장력과 압축에 의한 민감도 저하를 방지하기 위하여, 중립점이 상기 센싱층에 위치하지 않도록 상기 기판 필름과 상기 캡슐화 필름의 두께는 서로 상이하게 하며,
    상기 캡슐화 필름은 상기 샌드위치 구조 상에 소수성 물질로 표면 처리(코팅)되고, 소수성 물질은 비결정질 불소(Teflon-AF)가 사용될 수 있으며, 상기 기판 필름도 상기 소수성 물질로 표면 처리되며, 물속에서도 안정적으로 동작되는 것을 특징으로 하는 움직임 감지 센서 제조 방법.
  9. 제 8항에 있어서,
    상기 탄소 기반의 전도성 나노 전자재료물질은 탄소 나노튜브와 전도성 나노입자의 혼합 또는 합성물질인 것을 특징으로 하는 움직임 감지 센서 제조 방법.
  10. 제 9항에 있어서, 상기 센싱층을 형성하는 단계는,
    센싱층의 민감도에 따라 상기 탄소 나노튜브와 상기 전도성 나노입자의 혼합 비율에 결정하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 움직임 감지 센서 제조 방법.
  11. 제 8항에 있어서,
    상기 기판 필름을 형성하는 단계는,
    실리콘 또는 유리 기판과 상기 기판 필름 사이에 버퍼층을 형성하는 단계; 및
    상기 캡슐화 필름의 형성 후에 상기 기판과 상기 기판 필름을 분리하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 움직임 감지 센서 제조 방법.
  12. 제 11항에 있어서,
    상기 버퍼층을 생성하는 단계는,
    소수성 증기를 발생하는 물질인 트리클로로실란 용액으로 상기 실리콘 또는 유리 기판을 표면처리하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 움직임 감지 센서 제조 방법.
  13. 제 8항에 있어서, 상기 기판 필름을 형성하는 단계는,
    기포 제거를 위하여 폴리디메틸실록산(PDMS)을 진공 처리하는 단계;
    상기 기판에 폴리디메틸실록산(PDMS)을 스핀-코팅을 통해 도포하는 단계; 및
    경화제(Base)의 농도를 조절하는 단계;
    어닐링 과정을 수행하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 움직임 감지 센서 제조 방법.
  14. 제 8항에 있어서, 상기 센싱층을 형성하는 단계는,
    탄소 나노튜브와 상기 전도성 나노입자의 교반 용액을 상기 기판 필름 위에 스크린 프린팅을 통해 일정 패턴으로 도포하는 단계; 및
    상기 교반 용액에 포함된 용매를 제거하기 위하여 어닐링 과정을 수행하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 움직임 감지 센서 제조 방법.
  15. 삭제
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