KR101758069B1

KR101758069B1 - 금속 함침 메조포러스 박막 구조를 갖는 터치 센서 및 그 제조방법

Info

Publication number: KR101758069B1
Application number: KR1020150054703A
Authority: KR
Inventors: 백정민; 천진성
Original assignee: 울산과학기술원
Priority date: 2015-04-17
Filing date: 2015-04-17
Publication date: 2017-07-26
Also published as: KR20160123891A

Abstract

본 발명에 따른 금속 함침 메조포러스 박막 구조의 터치 센서 제조방법은 (a), 액체 상태의 몰리머 용액과, 금속 및 무기물 입자가 혼합된 탈이온수를 혼합하는 단계; (b), 폴리머 용액과 탈이온수의 혼합액을 형틀에 붓는 단계; (c) 폴리머 용액과 탈이온수의 혼합액이 형틀 대로 고체화되도록 열처리하는 단계; (d), 열처리가 완료되면, 형틀을 제거하는 단계; (e), `(d)`단계에서 형틀이 제거됨에 따라 완성된 메조포러스 박막의 상부면과 하부면에 각각 하부전극과 상부전극을 부착하는 단계;를 포함하여, 인간의 움직임, 자동차의 엔진 등 주변의 모든 기계적인 에너지를 전기 에너지로 변환할 수 있다는 효과가 있고, 각 센서의 자가 구동 및 소형화가 가능하고, 저렴한 제작 비용으로 인한 기존의 터치 센서 제작에 따른 비용발생을 현저하게 절감시킬 수 있는 현저한 효과가 있다.

Description

금속 함침 메조포러스 박막 구조를 갖는 터치 센서 및 그 제조방법{TOUCH SENSOR WITH METAL IMPREGNATED MESOPOROUS STRUCTURE AND THEIR FABRICATION}

본 발명은 금속 함침 메조포러스 박막 구조를 갖는 터치 센서 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 액체상태의 고분자 PDMS(Polydimethylsiloxane), PMMA(polymethylmethacrylate), PTFE(Polytetrafluoroethylene) 등과 탈이온수 (Dionized water)를 혼합하여 다수의 기공들이 존재하는 메조포러스(Mezoporous) 박막을 형성하고 그 기공들에 금속 (Au, Cu, Ag, Al, Ni, Pt 등) 및 무기물 (BaTiO3,ZnO,TiO2, Pb(ZrTi)O3, ZnSnO3,(KNa)NbO3, Bi(NaK)TiO3 등) 입자들을 위치시켜 제작하고 내부에서 발생하는 전압 및 전류를 기반으로 외부 자극 및 압력의 정도와 형태 정보를 감지하기 위한 금속 함침 메조포러스 박막 구조를 갖는 터치 센서 및 그 제조방법에 관한 것이다.

인간은 오감(시각, 청각, 후각, 미각, 촉각)을 통하여 정보를 얻고 주변 환경과 상호 작용한다.

기계도 마찬가지로, 이전의 로봇들은 공장에서 반복 된 작업만 수행하는 단순한 기계에서 최근에는 인간과 상호작용하면서 인간의 생활에 개입하는 지능형 로봇으로 발전해 왔으며, 인간의 능력을 대신하고자 인간의 일부를 모사하여 불의의 사고로 팔이 절단된 장애인 및 병에 의해 신체의 일부가 불편한 사람들을 위해 인공 팔, 다리 등과 같이 인공 신체 부위들이 개발되고 있다.

이런 인공 신체 부위들은 단순히 신체 부위와 비슷한 모양을 가진 모형에 그치지 않고 생체공학 기술을 이용하여 장애인들이 일상생활에 불편함을 느끼지 않도록 실제 팔의 기능을 구현해야 한다.

따라서, 기계와 인간 사이의 소통을 위하여 기계에 인간과 같은 감각기관은 필수적으로 장착되어야 하며 인간의 감각기관을 모방한 센서의 개발이 필요한 실정이다.

그 중에서도 터치센서(Touch sensor)는 압력, 온도 등의 물리량을 측정할 수 있는 고성능의 센서로서 높은 공간 분해능을 갖고 넓은 면적에 분포되어 있어야 하며 동시에 유연성과 신축성을 가져 곡면에 부착 가능하여야 한다.

대한민국 등록특허공보 제10-1436991호(2014. 08. 27)

상술한 바와 같은 실정들을 반영하여, 본 발명은 액체상태의 고분자 PDMS, PMMA, PTFE 등과 탈이온수 (Dionized water)를 혼합하여 다수의 기공들이 존재하는 메조포러스(Mezoporous) 박막을 형성하고 그 기공들에 금속(Au, Cu, Ag, Al, Ni, Pt 등) 및 무기물(BaTiO3,ZnO,TiO2, Pb(ZrTi)O3, ZnSnO3,(KNa)NbO3, Bi(NaK)TiO3 등) 입자들을 위치시켜 제작하고 내부에서 발생하는 전압 및 전류를 기반으로 외부 자극 및 압력의 정도와 형태 정보를 감지하기 위한 금속 함침 메조포러스 박막 구조를 갖는 터치 센서 및 그 제조방법의 제공을 목적으로 한다.

상술한 목적을 달성하기 위한, 본 발명에 따른 금속 함침 메조포러스 박막 구조의 터치 센서 제조방법은 (a), 액체 상태의 몰리머 용액과, 금속 및 무기물 입자가 혼합된 탈이온수를 혼합하는 단계; (b), 폴리머 용액과 상기 탈이온수의 혼합액을 형틀에 붓는 단계; (c) 폴리머 용액과 상기 탈이온수의 혼합액이 상기 형틀 대로 고체화되도록 열처리하는 단계; (d), 열처리가 완료되면, 형틀을 제거하는 단계; (e), `(d)`단계에서 형틀이 제거됨에 따라 완성된 메조포러스 박막의 상부면과 하부면에 각각 하부전극과 상부전극을 부착하는 단계;포함하는 것을 특징으로 한다.

상술한 목적을 달성하기 위한, 본 발명에 따른 금속 함침 메조포러스 박막 구조의 터치센서는 하부전극; 복수의 기공이 형성되고, 기공에 금속 및 무기물 입자가 수용되어 하부전극위에 적층된 메조포러스 박막; 및 메조포러스 박막 상부면에 적층된 상부전극;을 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 금속 함침 메조포러스 박막 구조를 갖는 터치 센서 및 그 제조방법은 인간의 움직임, 자동차의 엔진 등 주변의 모든 기계적인 에너지를 전기 에너지로 변환할 수 있다는 효과가 있다.

또한, 본 발명에 따른 금속 함침 메조포러스 박막 구조를 갖는 터치 센서 및 그 제조방법은 각 센서의 자가 구동 및 소형화가 가능하고, 저렴한 제작 비용으로 인한 기존의 터치 센서 제작에 따른 비용발생을 현저하게 절감시킬 수 있는 현저한 효과가 있다.

도 1은 본 발명에 따른 금속 함침 메조포러스 박막 구조의 터치 센서의 사시도,
도 2는 도 2는 본 발명에 따른 금속 함침 메조포러스 박막 구조의 터치 센서의 단면도,
도 3은 본 발명에 따른 금속 함침 메조포러스 박막 구조를 갖는 터치 센서의 제조방법에 따른 공정도,
도 4는 본 발명에 따른 금속 함침 메조포러스 박막 구조의 터치 센서의 구동도, 및
도 5는 본 발명에 따른 금속 함침 메조포러스 박막 구조의 터치 센서의 구동결과 데이터 도면이다.

이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 보다 상세하게 설명하고자 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정하여 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여, 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.

따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.

도 1은 본 발명에 따른 금속 함치 메조포러스 박막 구조의 터치 센서의 사시도 이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 금속 함침 메조포러스 박막 구조의 터치 센서는 저부의 하부전극(100), 상부의 상부전극(300) 및, 상기 하부전극(100)과 상기 상부전극(300) 사이에 개재되는 메조포러스 박막(200)을 포함한다.

상기 하부전극(100)과 상기 상부전극(300)은 Al, Ni, Cr, Pt, Au 또는 ITO 중 적어도 하나를 포함하는 단층 또는 복층으로 이루어질 수 있다.

도 2에 도시된 바와 같이, 상기 메조포러스 박막(200)은 복수의 기공(210)이 형성되어 있고, 상기 기공(210)에는 금속 입자(220)들이 수용되어 있는 구조이다.

참고로, 도 2는 본 발명에 따른 금속 함침 메조포러스 박막 구조의 터치 센서의 단면도 이다.

상기 금속 입자(220)는 외부 하중이 작용하였을 때, 상기 메조포러스 박막(200) 내부에서 발생하는 출력에 영향을 미치며, 입자들의 크기가 클수록 상기 출력이 크게 제작된다.

상기 금속 입자(220) 중, 금속은 Au, Cu, Ag, Al, Ni, Pt 등으로 이루어 질 수 있다.

상기 메조포러스 박막(200)은 폴리에스테르(PET), 폴리에스테르설폰(PES), 폴리에틸렌 나프탈레이트(PEN), 캡톤(Kapton) 등과 같은 유연한 재질로 구성되며,이에 한정되는 것은 아니다.

상기 메조포러스 박막(200)에 형성된 복수의 기공(210)의 수는 액체상태의 폴리머 용액과 혼합되는 탈이온수의 양에 의해 결정되며, 대체로 원형의 구조를 가지며, 랜덤하게 비규칙적으로 형성된다.

상기 폴리머는 유기 폴리머(organic polymer : PMMA, PET, PEEK, PS, PE, COC) 또는 무기 폴리머 (inorganic polymer : PDMS, ORMOCER) 등으로 이루어 질수 있다.

상술한 구성을 갖는 본 발명에 따른 금속 함침 메조포러스 박막 구조를 갖는 터치 센서의 제조방법에 대하여 도 3을 참조하여 더욱 구체적으로 설명한다.

먼저, 도 3a에 도시된 바와 같이, 액체 상태의 폴리머 용액과, 금속 입자(220)가 혼합된 탈이온수를 혼합하는 단계를 수행한다(S100).

이때, 상기 메조포러스 박막(200)의 기공률에 큰 영향을 미치는 상기 탈이온수의 양과 상기 폴리머 용액의 비율을 1:1로 하여 하는 것이 바람직한데, 상기 탈이온수의 양과 상기 폴리머 용액의 비율을 1:1로 할 때 가장 큰 기공률을 가지기 때문이다.

이후, 도 3b에 도시된 바와 같이 상기 폴리머 용액과 상기 탈이온수의 혼합액을 직사각 형틀에 붓는 단계를 수행한다(S200).

상기 폴리머 용액과 상기 탈이온수의 혼합액이 상기 직사각 형틀 대로 고체화되도록 열처리하는 단계를 수행한다(S300).

상기 열처리는 대기압에서 90℃로 1시간동안 수행하는 것이 바람직하다.

상술한 조건에서 열처리가 완료되면, 도 3C에 도시된 바와 같이 상기 직사각 형틀을 제거하는 단계를 수행한다(S400).

상기 S400단계가 완료됨에 따라, 상기 메조포러스 박막(200)의 제조가 완료된다.

이후, 도 3d에 도시된 바와 같이, 상기 메조포러스 박막(200)의 상부와 하부에 각각, 상기 하부전극(100)과 상기 상부전극(300)을 부착하는 단계를 수행한다(S500).

이하에서, 도 4를 참조하여, 상술한 바와 같이, `S100` 내지 `S500`단계를 통해 완성된 본 발명에 따른 금속 함침 메조포러스 박막 구조를 갖는 터치 센서의 구동방법에 대하여 설명한다.

본 발명에 따른 금속 함침 메조포러스 박막 구조를 갖는 터치 센서는 외부에서 하중이 가해지면, 상기 기공(210)과 상기 금속 입자(220) 사이에 일어나는 마찰에 의해 발생되는 전기를 기반으로 구동된다.

즉, 상기 메조포러스 박막(200) 내부의 폴리머 면과 금속 입자(220)들과의 마찰에 의해 메조포러스 박막 내부에 양전하와 음전하로 대전되며 이 전하들에 의해 상기 메조포러스 박막(200) 상부와 하부에 위치한 전극들에 정전기 유도가 발생하여 포텐셜 차이에 의해 외부 회로로 전자들이 이동하여 전기를 발생하게 된다.

이하에서, 도 5를 참조하여 본 발명에 따른 금속 함침 메조포러스 박막 구조를 갖는 터치 센서의 구동결과에 대하여 설명한다.

도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 금속 함침 메조포러스 박막 구조를 갖는 터치 센서는 상기 메조포러스 박막(200)의 하부와 상부에 각각 1 cm × 1 cm의 크기의 상기 하부전극(100)과 상기 상부전극(300) 전극을 이용하여 6 × 6 배열로 위치하고 있으며, 손으로 메조포러스 구조 기반의 자가발전 터치 센서에 하중을 적용하였을 때, 손과 접촉하는 부분에서만 출력이 생산되고 백색 LED가 작동하는 것을 확인 할 수 있으며, 이때 발생하는 출력을 바탕으로 외부 하중의 크기와 형태를 확인 할 수있다.

이때, 배열의 전극 하나의 크기는 수 mm ~ 수 μm 크기로 작게 제작이 가능하며, 배열의 수는 수 십 ~ 수 만 개까지 제작이 가능하다. 배열의 수가 많아지고 전극 하나의 크기가 작아질수록 외부 하중에 대한 크기와 형태의 정보를 표현하는 분해능이 향상되는 효과를 얻을 수 있다.

이상과 같이, 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술 사상과 하기에 기재될 청구범위의 균등 범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.

100 : 하부전극
200 : 메조포러스 박막
210 : 기공
220 : 금속 입자
300 : 상부전극

Claims

복수의 기공(210)이 형성된 메조포러스 박막(200) 구조를 갖는 터치 센서 제조방법에 있어서,
(a) 액체 상태의 폴리머 용액과, 금속 입자(220)가 혼합된 탈이온수를 혼합하는 단계;
(b) 상기 폴리머 용액과 상기 탈이온수의 혼합액을 형틀에 붓는 단계;
(c) 상기 폴리머 용액과 상기 탈이온수의 혼합액이 상기 형틀 대로 고체화되어 기공(210)이 형성되며, 상기 기공(210) 내에 상기 금속 입자(220)가 수용된 메조포러스 박막(200)이 형성되도록 열처리하는 단계;
(d) 상기 열처리가 완료되면, 상기 형틀을 제거하는 단계;
(e) 상기 (d)단계에서 상기 형틀이 제거됨에 따라 완성된 상기 메조포러스 박막(200)의 상부면과 하부면에 각각 하부전극(100)과 상부전극(300)을 부착하는 단계;포함하되,
상기 탈이온수와 상기 폴리머 용액의 혼합비율은 1:1인 것을 특징으로 하는 금속 함침 메조포러스 박막 구조를 갖는 터치 센서 제조방법.
삭제
제 1항에 있어서,
상기 (c)단계의
상기 열처리는 대기압에서 90℃로 1시간동안 수행하는 것을 특징으로 하는 금속 함침 메조포러스 박막 구조를 갖는 터치 센서 제조방법.
제 1항에 있어서,
상기 금속 입자(220) 중, 금속은 Au, Cu, Ag, Al, Ni, Pt 중 어느 하나로 이루어지는 것을 특징으로 하는 금속 함침 메조포러스 박막 구조를 갖는 터치 센서 제조방법.
제 1항에 있어서,
상기 폴리머 용액 중의 폴리머는
유기 폴리머(organic polymer : PMMA, PET, PEEK, PS, PE, COC) 또는 무기 폴리머 (inorganic polymer : PDMS, ORMOCER) 중 적어도 하나로 이루어지는 것을 특징으로 하는 금속 함침 메조포러스 박막 구조를 갖는 터치 센서 제조방법.
제 1항에 있어서,
상기 하부전극(100)과 상기 상부전극(300)은 Al, Ni, Cr, Pt, Au 또는 ITO 중 적어도 하나로 이루어지는 것을 특징으로 하는 금속 함침 메조포러스 박막 구조를 갖는 터치 센서 제조방법.
하부전극(100);
복수의 기공(210)이 형성되고, 상기 기공(210)에 금속 입자(220)가 수용되어 상기 하부전극(100)위에 적층된 메조포러스 박막(200); 및
상기 메조포러스 박막(200) 상부면에 적층된 상부전극(300);을 포함하되,
상기 금속 입자(220)는 상기 기공(210)의 내부 하단부에 수용되는 것을 특징으로 하는 금속 함침 메조포러스 박막 구조를 갖는 터치 센서.
제 7항에 있어서,
외부에서 하중이 가해지면, 상기 기공(210)과 상기 금속 입자(220) 사이에 일어나는 마찰에 의해 발생되는 전기를 기반으로 구동되는 것을 특징으로 하는 금속 함침 메조포러스 박막 구조를 갖는 터치 센서.
제 7항에 있어서,
상기 금속 입자(220) 중, 금속은 Au, Cu, Ag, Al, Ni, Pt 중 어느 하나로 이루어지는 것을 특징으로 하는 금속 함침 메조포러스 박막 구조를 갖는 터치 센서.
제 7항에 있어서,
상기 하부전극(100)과 상기 상부전극(300)은 Al, Ni, Cr, Pt, Au 또는 ITO 중 적어도 하나로 이루어지는 것을 특징으로 하는 금속 함침 메조포러스 박막 구조를 갖는 터치 센서.