KR101818812B1 - 고감도 압력 센서 및 이의 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 고감도 압력 센서는 상측에 제 1전극이 형성된 하부 기판; 하측에 제 2전극이 형성된 상부 기판; 및 상기 제 1전극 및 제 2전극 사이에 배치되는 유전체;를 포함하고, 상기 유전체는 탄성 중합체로 형성된다.

Description

고감도 압력 센서 및 이의 제조 방법{HIGHLY SENSITIVE PRESSURE SENSOR AND MANUFACTURING METHOD THEREOF}
본 발명은 터치 스크린 등에 채용되는 고감도 압력 센서 및 고감도 압력 센서 제조 방법에 관한 것으로써, 구체적으로는 간단한 구성으로 고감도의 센싱을 구현할 수 있는 고감도 압력 센서 및 고감도 압력 센서 제조 방법에 관한 것이다.
IOT(internet of things, 만물인터넷), 웨어러블 시대를 맞이하여 다양한 센서 기술 개발에 대한 수요가 끊임없이 증가하고 있다. 특히 압력센서는 일상 생활환경 부문, 헬스 케어 부문, 기계 및 자동차 부문 등 여러 분야에서 복합적으로 사용되는 센서이지만, 재료 및 공정비용이 매우 높은 단점이 있었다. 이는 전극으로 주로 사용되는 금, 은, 금속 기반의 나노와이어, 인듐 주석 옥사이드(ITO), 탄소 나노튜브(CNT)의 가격이 상대적으로 높기 때문이다.
또한 기존의 평행판 축전기(parallel-plate capacitor) 구조에서 압력센서의 감도를 높이기 위해 유전체 층(dielectric layer)의 구조를 개조하여 미세구조(micro-structure)를 형성하는 연구가 활발히 진행되고 있는데, 이는 포토리소그래피(photo-lithography), 에칭(etching) 등의 복잡한 공정을 거쳐야 하기 때문에 공정비용이 상당히 높은 실정이다. 그런 이유로 최근 고감도 특성을 구현하면서 재료 및 공정비용을 최소화하는 연구가 활발히 진행 중이다.
하기 선행문헌은 투과형 정전 용량 터치 감지에 관한 기술이 개시되어 있으며, 본 발명의 기술적 요지를 포함하고 있지 않다.
한국공개특허공보 제10-2012-0098749호
본 발명의 일 실시예에 따른 고감도 압력 센서 및 고감도 압력 센서 제조 방법은 다음과 같은 해결과제를 목적으로 한다.
일상에서 흔히 사용되는 저가의 재료들에 기초하여 용이하게 제조 가능하도록 구성되어 초저가 및 고감도를 동시에 만족시키는 고감도 압력 센서 및 고감도 압력 센서 제조 방법을 제안하는 것이다.
본 발명의 해결과제는 이상에서 언급된 것들에 한정되지 않으며, 언급되지 아니한 다른 해결과제들은 아래의 기재로부터 당해 기술분야에 있어서의 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해되어 질 수 있을 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 고감도 압력 센서는 상측에 제 1전극이 형성된 하부 기판; 하측에 제 2전극이 형성된 상부 기판; 및 상기 제 1전극 및 제 2전극 사이에 배치되는 유전체;를 포함하고, 상기 유전체는 탄성 중합체로 형성된다.
상기 하부 기판 및 상부 기판은 유연성 기판으로 형성되는 것이 바람직하다.
상기 제 1전극 및 제 2전극은 각각 상기 하부 기판의 상측 및 상기 상부 기판의 하측에 흑연을 칠하여 형성되는 것이 바람직하다.
상기 탄성 중합체는 PDMS(Polydimethylsiloxane)인 것이 바람직하다.
상기 탄성 중합체는 탄화수소로 희석(dilution)되는 것이 바람직하다.
상기 탄화수소는 hexane 또는 heptane인 것이 바람직하다.
본 발명의 일 실시예에 따른 고감도 압력 센서의 제조 방법은, 하부 기판 및 상부 기판을 준비하는 단계; 상기 하부 기판의 상측 및 상부 기판의 하측에 각각 제 1전극 및 제 2전극을 형성하는 단계; 상기 제 1전극 상에 유전체를 배치하는 단계; 및 상기 유전체 상에 상기 제 2전극이 배치되도록 상기 상부 기판을 상기 유전체 상에 적층하는 단계;를 포함하고, 상기 유전체는 탄성 중합체로 형성된다.
상기 하부 기판 및 상부 기판은 유연성 기판으로 형성되는 것이 바람직하다.
상기 제 1전극 및 제 2전극은 각각 상기 하부 기판의 상측 및 상기 상부 기판의 하측에 흑연을 칠하여 형성되는 것이 바람직하다.
상기 탄성 중합체는 PDMS(Polydimethylsiloxane)인 것이 바람직하다.
상기 탄성 중합체는 탄화수소로 희석(dilution)되는 것이 바람직하다.
상기 탄화수소는 hexane 또는 heptane인 것이 바람직하다.
본 발명의 일 실시예에 다른 고감도 압력 센서 및 고감도 압력 센서 제조 방법은 일상에서 흔히 사용되는 사무용 종이 등의 유연성 기판과 연필을 이용하여 압력 센서를 제작함으로써, 고감도 특성을 구현하는 동시에 재료 및 제조 공정 비용의 감축에 따른 초저가의 압력 센서의 제공이 가능하다는 효과가 있다.
본 발명의 효과는 이상에서 언급된 것들에 한정되지 않으며, 언급되지 아니한 다른 효과들은 아래의 기재로부터 당해 기술분야에 있어서의 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해되어질 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 고감도 압력 센서의 사시도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 고감도 압력 센서의 단면도이다.
도 3은 순수한 PDMS와 스웰링된 PDMS의 접촉각(Contact Angle)을 도시한 그래프이다.
도 4는 스웰링된 PDMS에 의한 미세구조 유전층의 형성을 설명하기 위한 그림 및 그래프이가.
도 5는 PDMS의 종류에 따른 평행판 축전기의 감도가 도시된 그래프이다.
도 6은 기판의 재질에 따른 평행판 축전기의 감도가 도시된 그래프이다.
도 7은 기판의 재질에 따른 감지속도가 도시된 그래프이다.
도 8은 40%로 희석된 PDMS를 사용한 경우의 히스테리시스 커브가 도시된 그래프이다.
도 9 및 도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 고감도 압력 센서를 대면적으로 확대한 도식도 및 사진이다.
도 11 내지 도 13은 도 9 및 도 10에 도시된 고감도 압력 센서 중 두 포인트에 다른 무게의 분동을 올려놓은 경우의 감도 및 이를 각각 그래프로 도시한 도면이다.
도 14는 본 발명의 일 실시예에 따른 고감도 압력 센서 제조 방법을 시계열적으로 도시한 플로우차트이다.
첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명하되, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 유사한 구성 요소는 동일한 참조 번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
또한, 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 첨부된 도면은 본 발명의 사상을 쉽게 이해할 수 있도록 하기 위한 것일 뿐, 첨부된 도면에 의해 본 발명의 사상이 제한되는 것으로 해석되어서는 아니 됨을 유의해야 한다.
이하, 도 1 내지 도 13을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 고감도 압력 센서에 대하여 설명하도록 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 고감도 압력 센서는 평행판 축전기의 구조로 되어 있으며, 기본적으로 평행판 축전기의 캐패시턴스(Capacitance)의 변화량을 기초로 외부에서 인가되는 압력을 검출한다. 그 구조는 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 하부 기판(100), 상부 기판(200) 및 하부 기판(100)과 상부 기판(200) 사이에 배치되는 유전체(300)로 구성된다. 하부 기판(100)의 상측에는 제 1전극(110)이 형성되고, 상부 기판(200)의 하측에는 제 2전극(210)이 각각 형성된다. 유전체(300)는 구체적으로 제 1전극(110) 및 제 2전극(210) 사이에 형성되고, 제 1전극(110) 및 제 2전극(210)와 전기적으로 연결되는 실버 페이스트(410, 420) 및 연결선(510, 520) 등을 더 포함할 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 고감도 압력 센서는 제 1전극(110), 제 2전극(210) 및 제 1전극(110)과 제 2전극(210) 사이에 배치되는 유전체로 구성되는 평행판 축전기(Parallel-Plate Capaccitor)의 역할을 수행하게 되고, 이러한 평행판 축전기의 정전용량(Capacitance)의 변화량에 기초하여 외부에서 인가되는 압력을 검출한다.
이러한 축전기의 정전용량은 하기 수식에 의해 정의된다.
(수학식 1)
Figure 112015091148362-pat00001
(C: 정전용량, ε: 유전체의 유전상수, ε0: 진공의 유전상수, A: 기판의 단면적, d: 기판간의 거리)
상기 수식을 참조하면, 평행판 축전기의 경우 도 2와 같이 압력을 인가하였을 때 축전기 사이의 물질이나 기판간의 거리가 변하게 되면 정전용량의 변화가 발생한다. 평행판 축전기(parallel-plate capacitor)는 기본적으로 압력을 가하면 두께가 얇아지기 때문에 정전용량이 증가한다. 하지만 가해지는 압력에 비해 변하는 두께가 매우 미비하기 때문에 실질적인 변화량은 크지 않다. 따라서 유전 층에 공기층이 생기도록 인위적인 구조를 만들기 위한 다양한 연구들이 진행되고 있다. 공기의 유전상수(dielectric constant)는 상대적으로 작은 1이기 때문에, 압력을 가하게 되면 실효적 유전율(effective dielectric constant)을 크게 증가시킬 수 있기 때문이다. 그러나 유전층에 인위적인 구조를 형성하는 것은 포토리소그래피, 에칭 등의 복잡한 공정을 거치는 단점이 있다.
따라서, 본 발명의 일 실시예에 따른 고감도 압력센서는 상기 단점을 보완하는 동시에 고감도 성능을 유지할 수 있도록, 하부 기판(100) 및 상부 기판(200)은 유연성 기판으로 형성하고, 하부 기판(100) 및 상부 기판(200)에 각각 형성되는 제 1전극(110) 및 제 2전극(210)은 각각 하부 기판(100)의 상측 및 상부 기판(200)의 하측에 연필로 그려짐으로써 거친 표면을 구비하도록 하였다. 유전체(300)의 경우, 탄성 중합체를 채용하는데, 구체적으로는 PDMS(Polydimethylsiloxane)을 적용하는 것이 바람직하다. 나아가, 유전체(300)의 두께를 최적화함과 동시에, 전극의 거친 표면을 제대로 이용하기 위하여, PDMS 등의 탄성 중합체를 탄화수소로 희석(dilution) 하였으며, 탄화수소는 구체적으로 hexane 또는 heptane인 것이 바람직하다. 이를 통하여 연필로 그려진 거친 표면의 영향을 받은 유전층은 인위적인 구조를 준 것과 마찬가지의 효과를 발휘하기 때문에, 초저가의 고감도 압력 센서의 제작이 가능하게 된다.
이하에서는 상술한 본 발명의 일 실시예에 따른 고감도 압력 센서의 기술적 특징을 샘플 제작을 통하여 도출된 결과 등에 기초하여 좀 더 구체적으로 설명하도록 한다. 본 발명의 도출을 위한 샘플은 연필(8B, Faber-Castell)로 전극을 그려 넣은 두 장의 유연성 기판 사이에 PDMS 유전층을 형성한 평행판 축전기이다.
한편, 기판상에 그려진 연필의 거칠기(roughness)는 대략 2㎛이하이며, 이러한 거칠기를 활용하기 위해서는 유전층 두께의 최적화가 필요하다. 유전층(300)은 제 1전극(110) 상에서 스핀 코팅을 통하여 코팅되는데, PDMS는 점성도(viscosity)가 높기 때문에, 스핀 코팅 RPM을 높이더라도 두께가 수 마이크로 미터 수준으로 높은 상황이며, curing 시에 self-leveling 현상으로 평탄해지는 성질이 있으므로, 유연성 기판에 형성된 전극의 거칠기를 활용하는데 문제가 있다.
따라서, 상기 문제를 해결하기 위하여 PDMS를 다양한 용액(solvent)과 혼합함으로써 두께를 최적화하는 것이 요구된다. 이때 두 물질이 잘 혼합되는지 여부는 free energy of mixing(ΔGm)을 고려해야 하며, 이는 구체적으로 하기 수학식 2와 같다.
(수학식 2)
ΔGm = ΔHm - TΔSm
(ΔGm: free energy of mixing, ΔHm: 혼합시 엔탈피 변화량, T: 절대온도, ΔSm: 혼합시 엔트로피 변화량)
두 물질이 잘 섞이기 위해서는 ΔGm이 0보다 작을수록 유리하며, ΔHm은 PDMS와 용액의 용해도 계수의 차이의 제곱에 비례한다. ΔGm을 작게 하기 위하여 ΔHm을 0에 근접시키려면 PDMS와 용액 간의 용해도 계수가 비슷해야 혼합이 잘 이루어지며, 이러한 용액으로써 탄화수소 중 hexane과 heptane이 PDMS와 용해도 계수가 비슷한 것으로 확인된다. 한편, 실험 결과 hexane보다 heptane을 PDMS에 섞었을 때 좀 더 균일하게 코팅이 됨을 확인하였다.
일반적인 PDMS의 경우 높은 점성도(viscosity)로 인해 어떠한 기판에 스핀코팅을 해도 두께가 상대적으로 두껍다. 이는 다공성 구조로 높은 흡습성을 가진 유연성 기판의 경우에도 예외는 아니다. 하지만 heptane에 희석(dilution)된 PDMS의 경우에는 점성도가 매우 감소할 뿐만 아니라, 탄화수소 자체의 낮은 표면장력으로 인하여 접촉각이 매우 낮아짐을 도 3에서 확인할 수 있다. curing이 진행되는 동안 접촉각은 더욱 낮아지며, 이는 매우 얇은 두께의 유전층 형성이 가능함을 의미한다.
희석된 PDMS의 특수한 성질로 인하여, 매우 얇은 두께의 PDMS 유전층이 형성되고, 이로 인하여 연필의 거칠기(roughness)가 남아있게 된다. 원자힘 현미경으로 관측한 결과 도 4에서 확인할 수 있는 것처럼 미세구조의 유전층이 형성된다.
본 발명의 일 실시예에 따른 고감도 압력 센서는 단순히 PDMS와 탄화수소의 희석 현상을 이용해 유전층 두께의 최적화를 통하여, 유연성 기판 위에 연필로 그려진 전극의 거칠기(roughness)를 활용한 일종의 미세구조 평행판 축전기를 구현하였다. 연필로 그려진 거친 표면의 영향을 받은 유전층은 인위적인 구조를 준 것과 마찬가지의 효과를 발휘한다. 도 5에는 이처럼 표면의 거칠기를 이용한 평행판 축전기의 경우가 그렇지 않은 경우보다 더 높은 감도(sensitivity)를 나타내는 것을 보여준다. 특히 40%로 희석시킨 PDMS를 사용했을 경우에 매우 높은 감도(0.46 kPa-1, <2.5 kPa)를 가짐을 확인하였다. 이는 기존에 복잡한 공정을 통하여 미세구조 패턴을 만든 압력센서들의 감도(0.21~0.7 kPa- 1)와 비교했을 경우에도 상당히 높은 수치이다. 이처럼 높은 감도를 보이는 이유는 압력을 가하였을 때 미세구조로 인한 낮은 탄성저항(elastic resistance)으로 보다 쉽게 두께가 감소할 뿐만 아니라, 공기층이 감소하고 상대적으로 유전상수가 큰 PDMS 층이 증가하면서 실효적 유전율(Effective dielectric constant)이 크게 증가하기 때문이다. 2.5 kPa 이상에서는 감도가 약 0.17 kPa-1로 감소되는데, 이는 미세구조의 특성상 압력이 높아질 경우 탄성저항이 증가할 뿐만 아니라, 실효적 유전율의 증가 폭 역시 감소하기 때문이다.
연필의 거칠기를 이용한 압력센서는 매우 높은 감도를 가질 뿐만 아니라, 감지속도 및 안정성 측면에서도 매우 우수한 특성을 보인다. 도 7에서는 연필의 거칠기를 이용한 경우가 그렇지 않은 경우보다 더 높은 감지속도를 갖고 있음을 보여주고 있으며, 도 8에서는 40%로 희석시킨 PDMS를 사용한 경우의 히스테리시스 커브가 도시되어 있으며, 이를 통하여 본 발명의 일 실시예에 따른 고감도 압력 센서의 안정성 측면의 특성이 뛰어난 것을 확인할 수 있다.
도 9 및 도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 고감도 압력 센서를 대면적으로 확장한 도식도와 실제사진이다. 위, 아래 각각의 유연성 기판에 연필로 3줄의 어레이를 제작하여 중첩시킴으로써 총 9개의 접점을 얻었다. 실제사진이 도식도와 다른 점은 위의 유연성 기판에 슬라이드 글라스를 올려놓은 것이다. 슬라이드 글라스가 두 개의 플렉서블한 유연성 기판이 잘 접촉될 뿐만 아니라 가해지는 압력을 정확하게 계산할 수 있도록 도와줌으로써 정확한 측정이 가능하기 때문이다. 도 11은 9개의 접점 중 두 점에 각각 50g의 분동과 5g의 분동을 올려놓았을 때의 정전 용량의 변화량을 보여주고 있으며, 도 12 및 도 13은 이를 각각 그래프로 나타낸 모습이다.
이하, 도 14를 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 고감도 압력 센서 제조 방법에 대하여 설명하되, 본 발명의 일 실시예에 따른 고감도 압력 센서에서 이미 언급한 내용과 중복되는 내용은 그 자세한 설명을 생략하도록 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 고감도 압력 센서 제조 방법은, 도 14에 도시된 바와 같이 하부 기판(100) 및 상부 기판(200)을 준비하는 단계(S100), 제 1전극(110) 및 제 2전극(210)을 형성하는 단계(S200), 제 1전극(110) 상에 유전체(300)를 배치하는 단계(S300) 및 상부 기판(200)을 유전체(300) 상부에 적층하는 단계(S400)로 이루어져 있다.
상술한 바와 같이 하부 기판(100) 및 상부 기판(200)은 유연성 기판으로 이루어져 있으며, 제 1전극(110) 및 제 2전극(120)은 연필로 그려서 형성된다. 나아가 유전체(300)의 경우 탄성 중합체인 PDMS를 이용하는 것이 바람직하며, 연필로 그려진 부분의 거칠기를 활용하기 위해서 PDMS는 탄화수소로 희석되어야 할 것이다. 또한 탄화수소로는 hexane 또는 heptane으로 PDMS와 희석되는 것이 바람직할 것이다.
본 명세서에서 설명되는 실시예와 첨부된 도면은 본 발명에 포함되는 기술적 사상의 일부를 예시적으로 설명하는 것에 불과하다. 따라서 본 명세서에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술적 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이므로, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것이 아님은 자명하다. 본 발명의 명세서 및 도면에 포함된 기술적 사상의 범위 내에서 당해 기술분야에 있어서의 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 유추할 수 있는 변형 예와 구체적인 실시예는 모두 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
100: 하부 기판
110: 제 1전극
200: 상부 기판
210: 제 2전극
300: 유전체

Claims (12)

  1. 표면 거칠기를 갖는 제 1전극(110)이 형성된 하부 기판(100);
    표면 거칠기를 갖는 제 2전극(210)이 형성된 상부 기판(200); 및
    상기 제 1전극(110) 및 제 2전극(210) 사이에 배치되며, 상기 제1전극(110) 또는 상기 제2전극(210)에 밀착되어 상기 제1전극(110) 또는 상기 제2전극(210)의 표면 거칠기가 나타나는 유전체(300);
    를 포함하고,
    상기 유전체(300)는 탄화수소로 희석(dilution)된 탄성 중합체인 고감도 압력 센서.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 하부 기판(100) 및 상기 상부 기판(200)은 유연성 기판으로 형성되는 고감도 압력 센서.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 제 1전극(110)은 및 상기 제 2전극(210)은 각각 상기 하부 기판(100)의 상측 및 상기 상부 기판(200)의 하측에 흑연을 칠하여 형성되는 고감도 압력 센서.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 탄성 중합체는 PDMS(Polydimethylsiloxane)인 고감도 압력 센서.
  5. 삭제
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 탄화수소는 hexane 또는 heptane인 고감도 압력 센서.
  7. 하부 기판(100) 및 상부 기판(200)을 준비하는 단계(S100);
    상기 하부 기판(100) 및 상부 기판(200) 상에 각각 표면 거칠기를 갖는 제 1전극(110) 및 제 2전극(210)을 형성하는 단계(S200);
    상기 제 1전극(110) 상에 밀착되어 상기 제1전극(110)의 표면 거칠기가 나타나도록 유전체(300)를 배치하는 단계(S300); 및
    상기 유전체(300) 상에 상기 제 2전극(210)이 배치되도록 상기 상부 기판(200)을 상기 유전체(300) 상에 적층하는 단계(S400);
    를 포함하고,
    상기 유전체(300)는 탄화수소로 희석(dilution)된 탄성 중합체인 고감도 압력센서 제조 방법.
  8. 제 7항에 있어서,
    상기 하부 기판(100) 및 상기 상부 기판(200)은 유연성 기판으로 형성되는 고감도 압력 센서 제조 방법.
  9. 제 7항에 있어서,
    상기 제 1전극(110)은 및 상기 제 2전극(210)은 각각 상기 하부 기판(100)의 상측 및 상기 상부 기판(200)의 하측에 흑연을 칠하여 형성되는 고감도 압력 센서 제조 방법.
  10. 제 7항에 있어서,
    상기 탄성 중합체는 PDMS(Polydimethylsiloxane)인 고감도 압력 센서 제조 방법.
  11. 삭제
  12. 제 7항에 있어서,
    상기 탄화수소는 hexane 또는 heptane인 고감도 압력 센서 제조 방법.
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