KR101850484B1 - 고감도 압력센서 및 이를 이용한 입력장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 고감도 압력센서는, 일면에 표면 거칠기를 가지는 제1전극이 형성되는 하부기판; 일면에 표면 거칠기를 가지는 제2전극이 형성되는 상부기판; 및 상기 제1전극 및 상기 제2전극 사이에 배치되도록 상기 하부기판 및 상부기판 사이에 적층되는 유전물질;을 포함할 수 있다.

Description

고감도 압력센서 및 이를 이용한 입력장치{HIGHLY SENSITIVE PRESSURE SENSOR AND INPUT DEVICE USING THE HIGHLY SENSITIVE PRESSURE SENSOR}
본 발명은 압력센서 및 입력장치에 관한 것으로써, 구체적으로는 간단한 구성으로 고감도의 센싱을 구현할 수 있는 고감도 압력센서 및 이를 이용한 입력장치에 관한 것이다.
사물과 사물을 디지털로 연결하는 IoT(사물인터넷) 시대를 맞이하여 다양한 센서 기술 개발에 대한 수요가 끊임없이 증가하고 있다. 특히 터치/압력센서는 가정, 공장, 사무실, 자동차 등의 생활과 밀접한 공간뿐만 아니라, 플렉서블/웨어러블 디바이스, 로봇, 헬스 케어 등 일상 적인 사물 부문 전반에 걸쳐서 복합적으로 사용되는 센서이지만, 재료 및 공정 비용이 매우 높은 단점이 있었다. 이는 기존에 전극으로 주로 사용되는 재료, 예를 들면, 금, 은, 금 속 기반의 나노 와이어, 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.
이러한 이유로 대부 분의 고감도 압력센서들이 연구단계에서 머물고 있으며 상용화까지 이어지지 못하고 있다. 이에 기존의 고가의 재료를 사용하고 실리콘 공정을 거쳐서 제작되는 압력센서의 한계를 극복하여 재료 및 공정비용을 최소화할 수 있는 신개념 고성능 압력센서의 개발이 요구되고 있다.
한국공개특허공보 제10-2012-0098749호
본 발명의 다양한 실시예에 따르면, 흔히 사용되는 저가의 재료들에 기초하여 용이하게 제조 가능하도록 구성되는 고감도 압력센서를 이용한 입력장치를 제공할 수 있다.
본 발명의 다양한 실시예에 따르면, 고감도 압력센서를 이용하여 압력에 기반하여 다양한 키를 입력하기 위한 고감도 압력센서를 이용한 입력장치를 제공할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 일면에 표면 거칠기를 가지는 제1전극이 형성되는 하부기판; 일면에 표면 거칠기를 가지는 제2전극이 형성되는 상부기판; 및 상기 제1전극 및 상기 제2전극 사이에 배치되도록 상기 하부기판 및 상부기판 사이에 적층되는 유전물질;을 포함하는, 고감도 압력센서를 제공한다.
다양한 실시예에 따르면, 상기 유전물질은 상기 제1전극 또는 제2전극의 표면 거칠기에 의한 상기 제1전극 또는 상기 제2전극의 요철 표면을 감싸도록 형성될 수 있다.
다양한 실시예에 따르면, 상기 유전 물질은 탄성중합체를 포함하되, 상기 탄성중합체의 상기 유전 물질내 중량백분율은 상기 표면 거칠기 및 상기 형성되는 유전물질의 두께에 따라서 결정될 수 있다.
다양한 실시예에 따르면, 상기 하부기판 또는 상기 상부기판은, 플렉서블 또는 스트레쳐블 소재일 수 있다.
다양한 실시예에 따르면, 상기 제1전극 또는 상기 제2전극의 표면 거칠기는 상기 하부기판 또는 상기 상부기판의 표면 거칠기에 의해 나타날 수 있다.
다양한 실시예에 따르면, 상기 제1전극 또는 상기 제2전극의 표면 거칠기는 전극 형성 시 생성되거나 또는 전극 형성 후 가공에 의해 생성될 수 있다.
다양한 실시예에 따르면, 상기 유전물질은, 상기 제1전극에 구비되는 하부 유전층; 및 상기 제2전극에 구비되는 상부 유전층;을 포함할 수 있다.
다양한 실시예에 따르면, 상기 하부 유전층은 상기 제1전극에 밀착되어, 상기 제1전극의 표면 거칠기가 상기 하부 유전층에 나타나고, 상기 상부 유전층은 상기 제2전극에 밀착되어, 상기 제2전극의 표면 거칠기가 상기 상부 유전층에 나타날 수 있다.
다양한 실시예에 따르면, 상기 하부 유전층과 상기 상부 유전층 사이의 일부 영역 이상에 공기층이 형성될 수 있다.
다양한 실시예에 따르면, 상기 하부기판 및 상기 상부기판 중 적어도 하나에 압력이 가해지는 경우, 상기 하부 유전층과 상기 상부 유전층의 표면 중 적어도 일부가 맞물리며 교차구조를 형성할 수 있다.
다양한 실시예에 따르면, 상기 하부기판 및 상기 상부기판 중 적어도 하나에 압력이 가해지는 경우, 상기 하부 유전층과 상기 상부 유전층 사이에 형성된 상기 공기층은 제거되거나, 또는 상기 교차구조에 기반하여 보다 작은 공기층으로 분열될 수 있다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상술한 바에 따르는 적어도 하나의 고감도 압력센서; 및 상기 압력센서를 통해 압력이 인가되면, 상기 인가 압력에 대한 상기 압력센서로부터 출력되는 신호에 따라 지정된 키 입력을 처리하는 제어부;를 포함하는, 고감도 압력센서를 이용한 입력장치를 제공한다.
다양한 실시예에 따르면, 고감도 압력센서를 이용한 입력장치는, 상기 압력센서의 상기 하부기판 또는 상기 상부기판 중 하나 이상에 압력을 인가하는 압력 인가부;를 더 포함할 수 있다.
다양한 실시예에 따르면, 상기 제어부는, 상기 인가 압력이 기 설정된 제1기준압력 미만인 경우, 제1신호로 처리하고, 상기 인가 압력이 상기 제1기준압력 이상인 경우, 제2신호로 처리할 수 있다.
다양한 실시예에 따르면, 상기 제어부는, 상기 인가 압력이 기 설정된 제2기준압력 미만인 경우, 해당 입력을 무시하도록 처리할 수 있다.
다양한 실시예에 따르면, 상기 제어부는, 상기 인가 압력의 강도, 시간 또는 빈도에 따라 각각 다른 입력으로 처리할 수 있다.
다양한 실시예에 따르면, 상기 제어부는, 상기 압력센서에 입력되는 여기신호를 출력하고, 상기 압력센서로부터 출력되는 상기 신호를 입력하는 메인 컨트롤 유닛; 상기 여기신호를 상기 적어도 하나의 압력센서에 분배하는 역다중화기; 및 상기 적어도 하나의 압력센서로부터 출력되는 병렬신호를 직렬신호로 변환하는 다중화기;를 포함할 수 있다.
다양한 실시예에 따르면, 상기 제어부는, 상기 적어도 하나의 고감도 압력센서 각각에 대하여 상기 메인 컨트롤 유닛을 통하여 수신하는 상기 신호를 범위를 정하여 복수의 레벨로 구분하고, 상기 복수의 레벨 각각에 대하여 다른 키가 지정될 수 있다.
다양한 실시예에 따르면, 상기 제어부는, 상기 상기 메인 컨트롤 유닛을 통하여 수신하는 상기 신호 및 상기 신호를 출력하는 고감도 압력센서에 기반하여 상기 신호의 레벨에 대하여 지정된 키를 결정하고, 상기 결정된 키를 입력하도록 상기 다중화기에 전송할 수 있다.
다양한 실시예에 따르면, 상기 신호는, 상기 적어도 하나의 고감도 압력센서 각각에 대하여 가해지는 압력에 대응되는 캐패시턴스 값일 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 고감도 압력센서를 이용한 입력장치는, 일상 에서 흔히 사용되는 재료, 예를 들면, 복사지, 연필 등을 제작할 수 있는 종이, 흑연 등의 소재를 이용하여 압력센서를 제작함으로써, 고감도 특성을 구현하는 동시에 재료 및 제조 공정 비용의 감축에 따른 초저가의 입력장치의 제공이 가능하다는 효과가 있다.
또한, 유연성 기판을 이용하여 제작되기 때문에 휘어질 수 있는 입력장치의 제공이 가능하게 되고, 이를 통하여 휴대가 용이한 입력장치를 제공할 수 있는 효과가 있다.
상술한 바와 같이, 압력센서의 공정을 크게 변화시키지 않고, 압력센서의 센싱 감도를 향상시킴으로써, 압력센서로부터 측정되는 압력을 복수의 레벨로 구분하여 하나의 압력센서로 다양한 입력을 처리하는 입력장치를 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 고감도 압력센서를 이용한 입력장치의 블록도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 고감도 압력센서를 이용한 입력장치에서의 압력센서의 사시도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 고감도 압력센서를 이용한 입력장치에 적용되는 압력센서를 제작하는 과정을 도시한 도면이다.
도 4는 희석 전 탄성중합체 및 희석 후 탄성중합체의 접촉각을 도시한 도면이다.
도 5는 여러 기판에 드롭(drop)된 물 및 희석된 탄성중합체의 접촉각을 도시한 도면이다.
도 6는 본 발명의 일 실시예에 따른 고감도 압력센서를 이용한 입력장치에서 전극 및 유전체 표현에 형성되는 거칠기가 표현된 고감도 압력센서의 단면도이다.
도 7 및 도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 고감도 압력센서를 이용한 입력장치에 적용되는 압력센서의 전극 표면과 탄성중합체가 코팅된 표면 거칠기의 공초점 현미경 이미지 및 거칠기 분석 데이터가 각각 도시된 도면이다.
도 9은 본 발명의 일 실시예에 따른 고감도 압력센서를 이용한 입력장치에서 기판에 컬(curl)을 형성하기 위한 공정을 도시한 도면이다.
도 10는 본 발명의 일 실시예에 따른 고감도 압력센서를 이용한 입력장치에서 압력이 가해지기 전 및 후에 유전체 표면의 변화를 도시한 도면이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 고감도 압력센서를 이용한 입력장치, 그리고 가해지는 압력에 따른 정전용량변화의 그래프를 도시한 도면이다.
도 12은 본 발명의 일 실시예에 따른 고감도 압력센서를 이용한 입력장치를 포함하여 구성된 3X3 압력센서 어레이(array) 및 두 포인트에 다른 무게의 분동을 올려놓은 경우의 감도가 도시된 도면이다.
도 13은 본 발명의 일 실시예에 따른 고감도 압력센서를 이용한 입력장치에서 압력센서에 가해지는 압력에 대한 정전용량 변화를 도시한 도면이다.
도 14는 본 발명의 일 실시예에 따른 고감도 압력센서를 이용한 입력장치에서 압력센서에 가해지는 압력에 따른 감지속도 및 회복속도에 대한 그래프이다.
도 15는 본 발명의 일 실시예에 따른 고감도 압력센서를 이용한 입력장치를 구성하는 유연성 기판의 나노인덴테이션 분석 그래프이다.
도 16은 본 발명의 일 실시예에 따른 고감도 압력센서를 이용한 입력장치에서 압력센서의 가역적인 탄성 특성을 모델링한 도면이다.
도 17은 본 발명의 일 실시예에 따른 고감도 압력센서를 이용한 입력장치에서 압력센서의 이력현상(hysteresis) 및 안정성(stability)에 대한 그래프이다.
도 18은 본 발명의 일 실시예에 따른 고감도 압력센서를 이용한 입력장치그리고, 가해지는 압력에 따라서 대문자 및 소문자가 구분되는 예의 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 다양한 실시예를 설명한다.
본 발명의 실시예는 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예가 도면에 예시되고 관련된 상세한 설명이 기재되어 있다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경 및/또는 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 도면의 설명과 관련하여, 유사한 구성요소에 대해서는 유사한 참조 부호를 사용할 수 있다.
본 발명의 다양한 실시예 가운데 사용될 수 있는“포함한다” 또는 “포함할 수 있다” 등의 표현은 개시된 해당 기능, 동작 또는 구성요소 등의 존재를 가리키며, 추가적인 하나 이상의 기능, 동작 또는 구성요소 등을 제한하지 않는다.
또한, 본 발명의 다양한 실시예에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
본 발명의 다양한 실시예에서 '또는' 등의 표현은 함께 나열된 단어들의 어떠한, 그리고 모든 조합을 포함한다. 예를 들어, 'A 또는 B'는, A를 포함할 수도, B를 포함할 수도, 또는 A 와 B 모두를 포함할 수도 있다.
본 발명의 다양한 실시예에서 '제1', '제2', '첫째' 또는 '둘째'등의 표현들이 본 발명의 다양한 구성 요소들을 수식할 수 있지만, 해당 구성요소들의 순서 및/또는 중요도 등을 한정하지 않는다. 또한, 상기 표현들은 한 구성요소를 다른 구성요소와 구분 짓기 위해 사용될 수 있다.
본 발명의 다양한 실시예에서 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 '연결되어' 있다거나 '접속되어' 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 '직접 연결되어' 있다거나 '직접 접속되어' 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해될 수 있어야 할 것이다.
본 발명의 다양한 실시예에서 '실질적으로', '예를 들어', '예를 들어'와 같은 표현에 따라는 설명은 인용된 특성, 변수, 또는 값과 같이 제시한 정보들이 정확하게 일치하지 않을 수 있고, 허용 오차, 측정 오차, 측정 정확도의 한계와 통상적으로 알려진 기타 요인을 비롯한 변형과 같은 효과로 본 발명의 다양한 실시예에 따른 발명의 실시 형태를 한정하지 않아야 할 것이다.
본 발명의 다양한 실시예에서 사용한 용어는 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다른 것으로 명시하지 않는 한 복수의 표현을 포함할 수 있다.
또한 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 발명의 실시예에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석하거나 또는 축소 해석하지 않아야 한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 다양한 실시예를 상세히 설명하되, 도면에 관계없이 동일하거나 유사한 구성 요소는 동일한 참조 번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 고감도 압력센서를 이용한 입력장치는 복수 개의 압력센서(100) 및 압력센서에 여기신호(excitation signal)를 인가하고 압력센서의 출력을 제어하는 제어부(200)를 포함하여 구성된다.
이하 도 1 내지 도 18를 참조하여 본 발명의 다양한 실시예에 따른 고감도 압력센서(100), 고감도 압력센서(100)를 이용한 입력장치(10)에 대하여 설명하도록 한다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 고감도 압력센서를 이용한 입력장치(이하, 입력장치(10))는 복수 개로 구비되는 고감도 압력센서(이하, 압력센서(100)) 및 고감도 압력센서(100)에 여기신호를 인가하고 압력센서(100)의 출력을 제어하는 제어부(200)를 포함하여 구성된다.
본 발명의 일 실시예에 따른 고감도 압력센서(100)는 평행판 축전기의 구조가 일부 적용되며, 기본적으로 평행판 축전기의 캐패시턴스(Capacitance)의 변화량에 기반하여 외부에서 고감도 압력센서(100)에 가해지는 압력을 검출한다.
압력센서(100)의 구조는 도 2에 도시된 바와 같이 두 개의 기판, 예를 들면, 하부기판(110) 및 상부기판(120)으로 형성되며, 하부기판(110) 및 상부기판(120) 각각의 일면에는 전극(111, 121)과 유전체(또는 유전층(130))가 형성된다. 이때, 하부기판(110)에 형성되는 유전체를 하부 유전체(또는 하부 유전층), 상부기판(120)에 형성되는 유전체를 상부 유전체(또는 상부 유전층)으로 표현할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 압력센서(100)의 제조 방법을 설명함에 있어서 도 3을 참조하면, 하부기판(110)은, 유연성 기판(110-1)의 상측에 제1전극(111)을 형성하고, 제1전극(111)이 형성된 유연성 기판(110-2)의 상측에 유전체(130)을 형성함으로써, 유전체 상에 거칠기가 표현된 하부기판(110-3)으로 제공할 수 있다.
여기서, 유연성 기판은 기판의 외부로부터 가해지는 힘, 기판 내부로부터 발생되는 힘 및/또는 기판 표면에서 발생되는 힘에 기반하여 휘어지는 플렉서블(flexible) 및/또는 스트레처블(stretchable) 특성을 가지는 기판으로 형성될 수 있다.
마찬가지로, 상부기판(120) 또한 하부기판(110-3)의 제조 방법과 동일 또는 유사한 방법으로 생성되며, 하부기판(110) 및 상부기판(120)은 각각의 기판에 형성된 유전체가 대면하도록 배치하여 압력센서(100)를 구성할 수 있다. 이하, 특별히 설명하는 경우를 제외하고, 하부기판(110) 및 상부기판(120)을 지칭하는 경우, 전극(111, 121) 및 유전체(130)가 형성된 상태의 기판을 나타낼 수 있다.
다시 도 2로 돌아가서, 하부기판(110) 및 상부기판(120)에 형성된 제1전극(111) 및 제2전극(121) 각각은 연결선(151, 152)을 통하여 기판(110, 120) 외부와 전기적으로 연결될 수 있고, 각각의 전극(111, 121)은 연결단(141, 142)을 이용하여 연결선(151, 152)과 연결될 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 고감도 압력센서는 제 1전 극(111), 제2전극(121) 및 제1전극(111)과 제2전극(121) 사이에 배치되는 유전체(130)로 구성되는 평행판 축전기(Parallel-Plate Capacitor)의 역할을 수행할 수 있고, 이러한 평행판 축전기의 정전용량(Capacitance)의 변화량에 기초하여 외부에서 인가되는 압력을 검출한다. 여기서, 인가되는 압력은 힘 및/또는 무게로 표현될 수도 있다.
이러한 축전기의 정전용량은 하기 [수학식 1]에 의해 정의된다.
Figure 112016081818636-pat00001
(1)
(여기서, C는 정전용량, ε 0 은 진공의 유전상수(또는 유전율), ε r 은 실효적 유전상수, A 는 전극간의 면적, d 는 전극간의 거리)
상기 수학식 1을 참조하면, 평행판 축전기의 경우 도 10와 같이 압력 인가부를 통하여 압력(300)을 인가 하였을 때 축전기 사이의 물질이나 기판간의 거리가 변하게 되면 정전용량의 변화가 발생한다. 예를 들어, 평행판 축전기는 기본적으로 압력 인가부를 통하여 압력을 가하면 두께가 얇아지기 때문에 정전용량이 증가한다.
압력 인가부는, 예를 들면, 하부기판(110)의 전극(111)이 형성되지 않은 일면(예: 하부기판(110)의 하부면) 또는 상부기판(120)의 전극(121)이 형성되지 않은 일면(예: 상부기판(120)의 하부면)의 적어도 일부를 의미하거나, 상기 적어도 일부에 형성될 수 있다.
그러나 일반적인 압력센서의 경우 유전체의 높은 탄성저항으로 인하여, 가해지는 압력에 비해 변하는 전극간의 거리(d)가 매우 미비하기 때문에 실질적인 정전용량의 변화량은 크지 않다. 따라서, 전극간의 거리(d)를 제어할 뿐만 아니라 실효적 유전율(effective dielectric constant) 및/또는 전극간의 면적(A)을 제어하기 위하여 압력센서(100)에 거칠기(roughness)와 컬(curl)을 적용할 수 있다.
이때, 거칠기의 경우, 기판(110, 120) 상에 문지르기(또는 드로잉, drawing) 방식으로 형성되는 의도하지 않은 상태의 거칠기(unintended roughness)를 이용할 수 있다. 여기서, 거칠기는, 기판(110, 120)에 형성되는 전극(111, 121) 표면의 거칠기(Rc, mean height of the profile elements)를 나타내기 위한 것이지만, 이에 한정하지 않고, 기판(예: 하부기판(110), 상부기판(120) 및/또는 전극(111, 121) 상에 형성되는 유전체(130) 표면의 거칠기를 나타낼 수 있다.
기판(110, 120)에 형성되는 전극(111, 121)의 표면은 지정된 크기 이상의 거칠기, 예를 들어 6μm 이상의 거칠기, 바람직하게는 7μm 이상의 거칠기를 가지도록 형성될 수 있다.
기판(110, 120)에 형성되는 전극(111, 121)은 흑연과 같이 전기 전도성을 가지는 소재가 사용될 수 있고, 기판(110, 120) 상에 드로잉(drawing) 또는 라이팅(writing)으로 형성될 수 있다.
예를 들면, 전극을 형성하기 위한 소재(예: 흑연)을 막대 형태(예: 연필)로 형성하고, 이를 기판(110, 120)에 문지름으로써 전극(111, 121)을 형성할 수 있다. 이때, 전극을 형성하기 위한 막대를 기판(110, 120)에 문지르는 강도를 조절함으로써, 기판(110, 120)에 형성되는 전극(111, 121)의 거칠기 및/또는 두께를 결정할 수 있다.
또한, 기판(110, 120)에 전극을 형성하는 방법으로 드로잉 또는 라이팅의 방식을 설명하고 있지만, 이에 한정하지 않고, 인쇄(프린팅, printing), 스핀 코팅(spin coating), 뿌리기(또는 도포, spraying) 등의 다양한 방식으로 형성될 수 있다.
상술한 바에 따르면, 전극(111, 121)은 흑연으로 형성되는 것으로 설명하고 있지만, 이에 한정하지 않고, 은나노입자(silver nanoparticle)와 같은 금속(metal), 카본블랙(carbon black), 탄소나노튜브(carbon nano tube, CNT)와 같은 탄소동소체(carbon allotrope), 고기능성 전도성 고분자(PEDOT-PSS)와 같은 유기물(organic materials) 등 전기 전도성을 가지는 다양한 소재가 사용될 수도 있다.
전극(111, 121)을 형성하기 위하여 기판(110, 120) 또한 거칠기를 가지는 소재, 예를 들면, 종이, 플라스틱 등이 사용될 수 있다. 종이가 기판으로 사용되는 경우, 유전체 도포 공정에서 젖지 않도록 표면이 코팅된 종이가 사용될 수 있다. 그리고, 기판 표면을 가공하여 인위적으로 거칠기를 형성할 수도 있다.
기판(110, 120) 및 기판(110, 120)에 형성된 전극(111, 121)에는 유전체(130)를 형성한다. 이때, 형성되는 유전체(130)는 두께에 기반하여 전극(111, 121)의 표면 거칠기가 반영되며, 따라서, 전극(111, 121) 표면의 거칠기에 의한 미세구조(또는 요철, micro-structure)가 유전체(130) 표면에 형성된다.
이때, 전극(111, 121)에 형성되는 유전체는 탄성중합체(elastomer)로, 일반적인 탄성중합체는 높은 점성(viscosity) 때문에 스핀 코팅 RPM을 높이더라도 두께가 수 마이크로 미터 수준으로 높은 상황이며, 큐어링(curing) 시에 셀프 레벨링(self-leveling) 현상이 발생되어 평탄해지는 성질이 있으므로, 유연성 기판에 형성된 전극의 거칠기를 활용하는데 문제가 있다.
따라서, 탄성중합체를 이용하여 기판(110, 120) 상에 지정된 두께 이하의 유전체를 형성하고, 전극(111, 121)의 거칠기를 유전체 표면에 재현하기 위한 방법이 제공될 필요가 있다.
일 실시예에 따르면, 전극(111, 121) 상에 형성되는 유전체(130)는 하나의 유전물질 또는 둘 이상을 혼합하여 형성될 수 있다. 예를 들면, 본 발명의 일 실시예에 따른 유전체(130)는 탄성중합체를 다양한 용액(solvent)과 혼합하여 사용될 수 있고, 희석된 탄성중합체의 점탄적 특성을 이용함으로써 두께를 최적화하는 것이 요구된다.
예를 들면, 탄성중합체와 탄화수소(hydrocarbon)의 열역학적인 자발적 혼합현상을 이용하여 형성된 점성(viscosity)이 매우 낮은 용액을 유전체(130)의 소재로 이용할 수 있다.
이때 열역학적인 자발적 혼합현상은 물질 간의 용해도계수(solubility parameter)에 의존하며, 깁스 자유 에너지(The Gibbs free energy)에 대한 하기 [수학식 2] 및 엔탈피 변화량과 용해도지수화의 관계에 대한 [수학식 3]을 이용하여 설명할 수 있다.
Figure 112016081818636-pat00002
(2)
(여기서, ΔGm: 깁스 자유 에너지, ΔHm: 혼합시 엔탈피 변화량, T: 절대온도, ΔSm: 혼합시 엔트로피 변화량)
Figure 112016081818636-pat00003
(3)
(여기서, δe는 탄성중합체의 용해도 계수, δs는 탄화수소의 용해도 계수)
물질 간의 용해도계수 값이 서로 비슷할수록 깁스자유에너지(△Gm)가 작아지기 때문에 잘 섞이는 경향이 있고, 일반적으로 이 값이 0보다 작을수록 열역학적인 자발적 반응이 빠르게 진행된다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 유전체를 형성하기 위한 탄성중합체는 폴리디메칠실록산(polydimethylsiloxane, PDMS), 에코플렉스(ecoflex) 등이 사용될 수 있고, 탄화수소는 헥세인(hexane), 헵테인(heptane) 등이 사용될 수 있다. 이때, 탄성중합체와 탄화수소의 용해도계수는 각각 7.4 and 7.3 cal1/2cm3/ 2 이며, 따라서, 이는 깁스자유에너지 값을 0보다 작은 값으로 만들기 때문에 자발적인 혼합현상이 일어난다.
상술한 바와 같이, 자발적인 혼합현상을 통해 만들어진 용액은 점성도가 크게 낮아지며, 도4에 도시된 바와 같이 전극(111, 121) 표면 위에서 희석(혼합) 전/후 탄성중합체의 접촉각을 비교함으로써 쉽게 파악할 수 있다.
탄화수소에 희석된(희석 후) 탄성중합체의 경우, 희석 전 탄성중합체와 비교하여 점성도가 매우 감소할 뿐만 아니라, 탄화수소 자체의 낮은 표면장력으로 인하여 접촉각이 매우 낮아진다.
즉, 희석된 탄성중합체의 중량백분율이 감소할수록 형성되는 유전체(130)의 중량백분율에 따른 표면에서의 접촉각은 낮아지며, 따라서, 하기 표의 실시 예와 같이 중량백분율이 낮아질수록 얇은 두께의 탄성중합체를 형성할 수 있다.
하기 표 1은 탄성중합체의 중량백분율에 따른 유전층의 형성 두께를 나타낸다.
번호 중량백분율(wt.%) 층의 형성 두께(μm)
1 50 10.5
2 40 6.4
3 30 3.3
4 20 1.7
5 10 0.8
6 5 0.3
또한, 본래 일반적인 액체의 경우, 도 5의 상부 표와 같이 기판의 친수성(hydrophilic)/소수성(hydrophobic) 성질에 따라 접촉각이 바뀌지만 탄화수소에 희석된 탄성중합체의 경우 도 5의 하부 표와 같이 기판의 종류와 크게 관계없이 접촉각(contact angle)이 매우 낮아짐을 확인할 수 있다.
큐어링이 진행되는 동안 접촉각은 더욱 낮아지며, 이는 매우 얇은 두께의 유전층(130) 형성이 가능함을 의미한다. 탄화수소에 희석된 탄성중합체의 경우 해당 기판에서 접촉각이 굉장히 낮고 시간이 지남에 따라 궁극적으로는 접촉각이 0(full wetting)에 근접하여, 따라서 형성되는 유전체(130)는 도 6 및 도 8에 도시된 바와 같이, 전극(111, 121)의 표면 거칠기를 효과적으로 재현할 수 있다.
즉, 하부기판(110) 및 상부기판(120)에 형성되는 유전체(130)의 표면은 각각의 기판(110, 120)에 형성된 전극(111, 121) 표면의 거칠기가 일부 반영되도록 형성될 수 있다.
예를 들면, 유전체 표면의 거칠기는 탄성중합체의 희석 정도와 스핀코팅 조건을 조절함으로써 두께 조절이 가능하며, 본 연구에서는 6μm 또는 7μm 이상의 거칠기를 가지는 전극(예: 흑연) 상에서 탄성중합체의 질량백분율이 30 내지 50 중량%(wt.%), 바람직하게는 35 내지 45 중량%(wt.%), 더 바람직하게는 40 wt.%일 때 유전체(130) 표면의 거칠기(Rc, roughness)가 0 내지 7μm, 바람직하게는 0 내지 4μm 정도인 미세구조를 형성할 수 있다.
탄성중합체의 중량백분율은 형성되는 전극(111, 121)의 표면 거칠기에 따라서 결정할 수 있고, 따라서, 전극의 소재에 따라서 탄성중합체의 중량백분율을 적절하게 선택될 수 있으며, 이 경우 역시 본 발명의 보호범위에 포함되어야 함은 자명하다.
상술한 바에 따르면, 유전체(130) 표면의 거칠기를 형성함에 있어서 4 내지 6 μm의 미세구조를 형성하도록 탄성중합체의 희석에 대한 질량백분율 및 스핀코팅의 조건을 결정할 수 있다.
다양한 실시예에 따르면, 유전층(130)의 두께는,
i) 전극(111, 121) 표면의 거칠기를 효과적으로 표현하기 위하여 최대한 얇은 두께의 탄성중합체,
ii) 가해지는 전압을 고려했을 때, 탄성중합체의 절연 내구도(dielectric strength)를 넘지 않는 범위의 두께,
iii) 전극(111, 121) 표면의 거칠기에 의하여 핀홀(pin-hole) 등의 결함(defect)가 형성되지 않는 범위의 두께,
의 조건들 중 적어도 하나를 만족하도록 형성될 수 있다.
바람직한 실시예에 따르면, 조건 iii) 및 조건 i)을 만족시키기 위하여, 형성되는 유전체(130) 표면의 거칠기는 기판(110, 120) 및/또는 기판(110,120)에 형성되는 전극(111, 121)의 표면 거칠기에 기반하여, 동일하거나 또는 얇게 형성할 수 있다.
이를 위하여 표 1을 참조하면, 기판(110, 120) 및/또는 기판(110,120)에 형성되는 전극(111, 121)의 표면 거칠기가 높을수록 희석된 탄성중합체의 중량백분율을 높이고, 기판(110, 120) 및/또는 기판(110,120)에 형성되는 전극(111, 121)의 표면 거칠기가 낮을수록 탄성중합체의 중량백분율을 낮출 수 있음을 확인할 수 있다.
하부기판(110) 및 상부기판(120)의 유전체(130) 표면에 형성되는 거친 표면의 미세구조는 도 10에 도시된 바와 같이 압력(300)이 가해지는 경우, 대면하는 유전체(130)의 표면 일부가 서로 맞닿으며 하부기판(110)의 제1전극(111) 표면과 상부기판(120)의 제2전극(121) 표면이 일종의 교차구조(interlocked structure, 321)를 형성할 수 있다.
이러한 교차구조는 사람의 손가락으로 촉각을 감지하기 위하여 압력이 가해지는 경우의 내부구조와 유사하다. 예를 들면, 사람의 손가락 내부는 표피(epidermis)와 진피(dermis)의 교차구조로 되어있으며, 이러한 교차구조는 자극이 직접적으로 가해지는 부분의 촉각신호를 증폭시킴으로써 공간해상도를 높이는 역할을 하고 있다.
마찬가지로, 압력센서(100)는 상술한 바와 같이, 압력(300)이 가해지는 경우, 유전체(130)의 표면 일부가 서로 맞닿으며 유전체(130)의 거친 표면이 맞물리는 구조를 구현하였다. 즉, 유전체(130)의 거친 표면의 기반이 되는 전극(111, 121) 표면 또한 교차구조를 형성함으로써, 정전용량을 결정함에 있어서 작용하는 전극간의 면적(A)을 증가시킬 수 있다.
더하여, 압력센서(100)를 구성하는 하부기판(110) 및 상부기판(120)에 형성되는 표면의 거칠기를 이용하여 정전용량의 차이를 효과적으로 발생시키기 위해서는, 지정된 거리 이상의 전극간 거리를 유지하는 것이 필요하다.
이를 위하여, 하부기판 및 상부기판에 컬(curl)을 형성하며, 이를 통하여 하부기판(110) 및 상부기판(120)의 대면하는 유전체 사이에 공기층을 형성할 수 있다.
예를 들면, 하부기판(110) 및 상부기판(120)에 형성되는 컬은 도 9에 도시된 바와 같이 유연성을 가지는 유연성 기판(110-1)의 특성 및 전극(111, 121) 및 유전체(130)를 형성하는 공정 중에 발생되는 변형, 예를 들어, 큐어링 이후 유연성 기판(110-1)과 유전체(130) 사이에 형성되는 열팽창률의 차이에 기반하는 압축 변형(compressive strain)을 이용하여, 기판(110, 120)을 유전체(130) 방향으로 오목하도록 컬을 형성할 수 있다.
도 10를 참조하면, 상술한 바와 같이 형성된 컬을 이용하여, 압력센서(100)에 구비되는 하부기판(110) 및 상부기판(120)의 대면하는 유전체(130) 사이에 공기층(예: 큰 공기층, 310)을 형성할 수 있다.
유전체 사이에 공기층(310)은, 압력센서(100)에 압력(300)이 가해지는 경우 탄성 저항(elastic resistance)을 낮추며, 따라서, 압력(300)이 가해졌을 때 변하는 전극간의 거리(d) 상대적으로 커지기 때문에 정전용량의 변화 크기가 증가될 수 있다.
또한, 유전체 사이에 공기층(310)은, 압력센서(100)에 압력(300)이 가해지는 경우, 유전체(130)에 형성된 미세구조의 맞물림으로 인하여 제거되거나 또는 다수의 작은 공기층으로 변형될 수 있다.
공기의 유전상수(dielectric constant)는 탄성중합체(elastomer)의 유전상수(ε, elastomer 3 )보다 작은 1이기 때문에, 압력(300)을 가하게 되면 큰 공기층(310)이 교차구조(320)에 기반하는 작은 공기층으로 변화되거나 제거됨으로써 유전상수에 변화가 발생되고, 따라서 실효적 유전율(effective dielectric constant)을 크게 증가시킬 수 있어, 정전용량의 변화 크기가 증가될 수 있다.
상술한 바와 같이, 유전체에 인위적인 구조를 형성하거나, 포토리소그래피, 에칭 등의 공정을 수행하지 않고서도 유전체(130)에 거칠기 및 거칠기에 따른 미세구조를 형성하고, 유전체(130) 사이에 형성되는 공기층을 이용하여 정전용량의 차이를 크게 형성할 수 있고, 따라서 압력센서(100)의 센싱 감도를 향상시킬 수 있다. 정전식 압력센서(capacitive pressure sensor)의 센싱 감도(sensitivity)는 일반적으로 하기 [수학식 4]를 이용하여 설명할 수 있다.
Figure 112016081818636-pat00004
(4)
(여기서,
Figure 112016081818636-pat00005
는 가해진 압력을 나타내며,
Figure 112016081818636-pat00006
는 압력이 가해지기 전의 정전용량,
Figure 112016081818636-pat00007
는 압력이 가해진 후의 정전용량)
상술한 [수학식 4]에 기반하여 정전용량의 변화 크기가 증가함으로써, 압력센서(100)의 센싱 감도는 향상되며, 따라서, 본 발명의 다양한 실시예에 따른 입력센서(100) 이를 이용하여 도 11에 도시된 바와 같은 센싱 감도 그래프를 확인할 수 있다.
도 11을 참조하면, 유전체(130)로 사용되는 탄성중합체의 희석 정도에 기반하여 압력센서(100)의 센싱 감도가 결정될 수 있다. 이때, 탄화수소에 희석된 탄성중합체가 사용될 때 압력센서(100)의 센싱 감도가 높은 수치를 기록하는 것을 나타내며, 특히 탄성중합체가 40 wt.%일 때 가장 감도가 높은 것을 확인할 수 있다.
평탄한 표면에 가까워지면 하부기판(110) 및/또는 상부기판(120)의 탄성 저항이 증가하여 전극간의 거리(d)를 감소시키기 어려우며, 실효적 유전율의 증가나 전극간의 면적(A)의 증가 효과를 얻을 수 없다. 이는 100 wt.%의 탄성중합체(탄화수소에 희석되지 않은 탄성중합체)를 사용한 압력센서의 감도를 통해서도 쉽게 확인이 가능하다.
100 wt.%의 탄성중합체를 사용한 압력센서의 경우에도 제작과정에서 압축 변형의 영향을 받아 유연성 기판의 컬을 형성할 수 있지만, 이는 실제로 미비한 수준이다. 재료자체가 쉽게 구부러지거나 휠 수 있는 특성은 하기 [수학식 5]와 관계가 있다.
Figure 112016081818636-pat00008
(5)
(여기서, t는 압력센서 전체의 두께)
굽힘 강도(flexural rigidity)의 관점에서, 두께가 두꺼워지면 소재 자체의 강도가 매우 커진다. 즉 100 wt.% 탄성중합체의 경우에는 탄성중합체 자체가 매우 두껍기 때문에 희석된 탄성중합체의 경우와 비교하여 컬의 형성이 용이하지 않다. 게다가 컬이 형성되더라도 탄성중합체 자체의 높은 점성 때문에 압력(300)이 가해지는 경우 하부기판(110)과 상부기판(120)가 붙어버려서 센서의 효율 측면에 부정적인 효과를 발생시킬 수 있다.
반면, 탄성중합체를 탄화수소에 더 많이 희석할수록, 예를 들면, 탄성중합체의 중량백분율을 40 wt.% 아래로 낮출수록 감도가 좋아질 것이라 예상했지만, 핀홀(pin-hole)과 같은 결함(defect) 등의 영향으로 유전체로써의 기능을 상실하여 유전체로서의 기능을 수행하는데 문제가 발생될 수 있다.
따라서, 본 발명의 일 실시예에 따른 탄성중합체의 중량백분율(또는 중량비)은 바람직하게 40 wt.%를 유지하지만, 이에 한정하지 않고, 탄성중합체의 희석정도는 사용되는 전극의 거칠기에 따라 변경될 수 있다.
다시 말해, 전극으로 사용되는 재료의 거칠기에 기반하여 희석정도를 조절함으로써 유전체(130) 표면의 거칠기를 형성할 수 있고, 이를 통하여 압력센서(130)의 센싱 감도를 크게 향상시킬 수 있다.
본 발명의 다양한 실시예에 따르면, 크게 향상된 센싱 감도를 이용하여 압력센서(100)로부터 측정되는 값들을 다양한 단계로 구분할 수 있다. 예를 들면, 도 11, 도 12 및 도 13에 도시된 바와 같이, 압력(또는 무게) 변화 및 정전용량의 변화에 기반하는 압력센서(100)의 센싱 감도 및 그 변화를 결정할 수 있고, 센싱 감도 및 그 변화를 이용하여 압력센서(100)에 가해지는 압력(또는 중량)을 복수의 레벨(level)로 구분할 수 있다.
이때, 도 13을 참조하면, 좌측 이미지와 같이 타이핑 하는 경우 본 발명의 다양한 실시예에 따른 압력센서(100)는 가해지는 압력에 따라서 우측 이미지와 같이 측정되는 정전용량의 변화를 큰 범위에 걸쳐서 뚜렷하게 출력할 수 있기 때문에, 이러한 정전용량의 크기(수치)에 기반하여 압력의 레벨을 구분하기 위한 기준점을 결정할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 도 11의 상부 그래프에 도시된 바와 같이, 40 wt.% 희석된 탄성중합체가 유전체(130)로 사용된 압력센서(100)의 경우, 센싱 감도가 크게 변화되는 압력을 확인할 수 있다. 예를 들면, 0 내지 2kPa에서 0.62 kPa-1의 센싱 감도를 확인할 수 있고, 2 내지 6 kPa에서 0.28 kPa-1의 센싱 감도 기준으로 크게 변화되는 것을 확인할 수 있다.
일반적으로, 시판되는 키보드의 압력센서의 경우 약 5~6 kPa(50~60g) 의 하중을 감지하는 것으로 나타난다. 따라서, 압력센서(100)의 센싱 감도를 처리함에 있어서, 6kPa을 기준(예: 제1기준압력)으로 6kPa보다 낮은 압력의 제1압력범위와 6kPa보다 높은 압력의 제2압력범위로 구분할 수 있고, 제1압력을 이용하여 일반적인 키보드의 입력을 대체할 수 있다.
이때, 제2압력을 이용하여 다른 키 입력을 수행하도록 처리할 수 있다. 예를 들어, 압력센서(100)를 통하여 제1압력범위의 압력을 감지하는 경우, 일반적인 키보드의 키 입력, 예를 들면, 알파벳 소문자를 입력하도록 처리할 수 있다. 반면, 압력센서(100)를 통하여 제2압력범위의 압력을 감지하는 경우, 지정된 다른 키를 입력한 것으로 처리할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 압력센서(100)를 통하여 제2압력범위의 압력을 감지하는 경우, 일반적인 키보드의 특정 키(예: 쉬프트, shift)를 누른 상태에서 입력된 키, 예를 들면, 알파벳 대문자를 입력하도록 처리할 수 있다.
또한, 압력센서(100)의 센싱 감도에 기반하는 압력범위를 두 레벨로 구분하는 것에 한정하지 않고, 다양한 레벨로 구분할 수 있음은 자명하다. 예를 들면, 정전용량 무접점 키보드의 경우, 3kPa(또는 30g)의 하중을 감지하여, 입력 작업에 피로를 줄이고 매끄러운 감촉을 실현한 바 있습니다.
따라서, 일반적인 키보드의 경우, 3kPa 내지 6kPa의 압력을 감지하여 키 입력을 수행하는 것으로 가정할 때, 일 실시예에 따르면, 압력센서(100)를 통하여 센싱 감도가 크게 변화되는 2kPa을 기준(예: 제2기준압력)으로 2kPa보다 낮은 압력의 제3압력범위를 더 결정할 수 있고, 제3압력범위 내에서 감지되는 압력을 지정된 또 다른 키를 입력한 것으로 처리할 수 있다.
예를 들면, 키보드의 경우 사용자의 빠른 타이핑 중 스쳐지는 잘못된 입력에 반응하여 키를 입력할 수 있다. 따라서, 제3압력범위의 입력을 사용자에 의하여 키를 입력하지 않는 것으로 결정할 수 있고, 이를 통하여 사용자의 타이핑 중 오타 발생을 감소시킬 수 있다.
도 14를 참조하면, 본 발명의 다양한 실시예에 따른 압력센서(100)는 상술한 바와 같이 높은 센싱 감도를 가지도록 형성될 뿐만 아니라, 빠른 감지속도와 회복속도(fast response time and relaxation time)를 가질 수 있다.
예를 들어, 유전체(130)를 구성하는 탄성중합체의 희석되는 중량백분율은 상술한 바와 같이 유전체 표면의 거칠기를 형성하기 위한 구성일 뿐만 아니라, 압력센서(100)의 감지속도와 회복속도를 향상시키기 위한 구성으로 적용될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 도 14에 도시된 바와 같이, 유전체를 구성하는 탄성중합체의 중량백분율이 100 wt.%와 40 wt.%인 압력센서를 비교하였을 때, 40 wt.%의 압력센서(100)가 100 wt.%인 압력센서보다 2kPa의 압력과 5kPa의 압력 모두에서 감지속도와 회복속도가 빠른 것을 확인할 수 있다.
더하여, 압력센서(100)은, 압력센서(100)의 소재인 유연성 기판(110-1)의 탄성 특성을 이용하여 빠른 감지속도와 회복속도를 향상시킬 수 있다. 예를 들면, 종이, 플라스틱 등의 유연성 기판은 압력을 이용하여 구부리더라도 일정 곡률반경(bending radius) 이상에서는 가역적으로 모양을 유지하는 특성이 있으며, 이때 압력센서(100)에서 가해지는 수직항력으로 인한 변형은 곡률 반경이 매우 크기 때문에 원래의 모양을 빠르게 회복할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 도 15에 도시된 바와 같이, 0.09cm2의 넓이를 가진 컬이 형성된 유연성 기판(110-1)에 반복적으로 0.1N(10kPa)의 힘을 가하는 테스트를 진행할 수 있다. 이때, 유연성 기판(110-1)에 반복적으로 가해지는 압력에 대하여 유연성 기판(110-1)의 컬은 최초에 생기는 비가역적인 변형을 제외하고, 그 뒤로는 가역적인 탄성 특성을 보인다.
일반적으로 유연성 기판(110-1) 자체는 탄성중합체와 마찬가지로 점탄성물질(viscoelastic materials)에 포함될 수 있고, 따라서 감지속도 및 회복속도가 느린 것으로 판단될 수 있다. 하지만 컬이 형성된 유연성 기판은 구조적으로 감지속도 및 회복속도가 매우 빠르고 가역적으로 형태를 회복할 수 있다.
상술한 바에 따르면, 압력센서(100)의 가역적인 탄성 특성을 모델링할 수 있다. 이를 위해, 점탄성물질에 관한 수축 응력(strain-stress) 특성에 대한 켈빈-보이트 모델(Kelvin-Voight model)을 응용할 수 있다. Kelvin-Voight model은 점탄성물질을 나타낸 모델로써, 탄성(elastic)을 나타내는 스프링(spring)과 점성(viscosity)을 나타내는 대시포트(dashpot)의 병렬연결로 표현하여 이들의 변형(strain)과 변형력(stress)의 관계를 하기 [수학식 6]과 같이 모델링할 수 있다.
Figure 112016081818636-pat00009
(6)
(여기서,
Figure 112016081818636-pat00010
는 normal stress,
Figure 112016081818636-pat00011
는 normal strain,
Figure 112016081818636-pat00012
는 strain rate,
Figure 112016081818636-pat00013
는 elastic modulus(Young's modulus),
Figure 112016081818636-pat00014
는 viscosity coefficient)
도 16 및 [수학식 6]을 참조하면, 본 발명의 다양한 실시예에 따른 압력센서(100)의 구성요소는 크게 유연성 기판(110-1)의 컬, 유전체(130) 및 유연성 기판(110-1)을 포함할 수 있다.
이때, 유연성 기판(110-1)의 컬은 나노인덴테이션 분석을 통해 탄성물질(elastic material)임을 확인할 수 있고, 스프링(spring)으로 나타낼 수 있다. 그리고 유전체(130)와 유연성 기판(110-1)의 경우 점탄성물질이기 때문에 켈빈-보이트 모델로 각각 나타낼 수 있다. 압력센서(100)는 이러한 구성요소들이 직렬로 연결된 구조이며, 직렬 구조에서 압력(300)이 가해졌을 때 가장 먼저 변화하는 요소는 각각의 영률(Young's modulus)에 의존하여 결정될 수 있다.
유연성 기판(110-1)의 컬의 영률(30 kPa)은 계산결과 가장 낮으며, 유전체(130)와 유연성 기판(110-1) 자체의 영률은 각각 1 MPa, 20 MPa 정도로 결정될 수 있다. 따라서, 압력이 가해지면 유연성 기판(110-1)의 컬이 우선적으로 변형되며, 이 때문에 도 14의 그래프에 도시된 바와 같이, 압력센서(100)의 고감도 센싱이 가능하고 빠른 감지속도와 회복속도를 확보할 수 있다.
또한, 빠른 감지속도와 회복속도를 가지고 있기 때문에, 도 17의 상부 그래프와 같이 히스테리시스(hysteresis)도 거의 발생하지 않으며, 도 17의 하부 그래프와 같이 약 5000번 정도의 반복 압력 테스트에도 성능을 유지하는 안정성을 확보할 수 있다.
상술한 바에 따르면, 압력센서(100)는 전극(111, 121) 및/또는 유전체(130) 표면의 거칠기를 통해 일종의 미세구조를 형성할 뿐만 아니라, 압력센서(100)의 소재인 유연성 기판(110-1)의 탄성 특성을 이용하고, 또한, 기판(110, 120)에 형성되는 컬을 이용하여 압력센서(100)에 압력이 가해지는 경우, 빠른 감지속도와 회복속도 그리고 고감도 센싱 성능을 확보할 수 있다.
다시 도 1로 돌아가서, 고감도 압력센서를 이용한 입력장치(10)의 제어부(200)는 메인 컨트롤 유닛(210), 역다중화기(demultiplexer, 220) 및 다중화기(multiplexer, 230)를 포함한다. 메인 컨트롤 유닛(210)은 압력센서(100)에 입력되는 여기신호(excitation signal)을 발생시키는 동시에, 압력센서(100)로부터 출력되는 신호를 입력 받아 모니터 등의 출력 디바이스로 송신해주는 기능을 수행한다.
여기서, 여기신호는 압력센서(100)의 캐패시턴스 측정을 위한 신호, 즉 터치(및/또는 가압력) 여부의 파악을 위하여 입력되는 신호일 수 있다. 역다중화기(220)는 메인 컨트롤 유닛(210)으로부터 입력되는 직렬신호를 복수 개의 압력센서에 병렬로 분배해주는 기능을 수행할 수 있다.
다중화기(230)는 복수 개의 압력센서로부터 입력받은 병렬(Parallel)의 입력 신호를 직렬(Serial) 신호로 변환해 주는 구성이다.
한편, 고감도 압력센서를 이용한 입력장치(10)의 제어부는 증폭기(240) 및 아날로그-디지털 변환기(ADC)(250)를 더 포함할 수 있다. 증폭기(240)는 다중화기(230)로부터 출력되는 직렬신호를 증폭시켜 주는 기능을 수행하며, 아날로그-디지털 변환기(250)는 증폭기(240)의 출력과 연결되어, 증폭기(240)에서 증폭된 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환해주는 기능을 수행한다.
이하, 입력장치(10)의 구동예에 대하여 설명하도록 한다.
일 실시예에 따르면, 먼저 메인 컨트롤 유닛(210)에서 생성되는 여기신호는 역다중화기(220)를 통하여 복수 개의 압력센서에 각각 분배되어 인가될 수 있다. 여기신호가 인가된 상태에서 사용자가 압력센서(100)를 터치하여 타이핑을 수행하게 되면, 압력센서(100)의 병렬 아날로그 출력 신호가 다중화기(230)를 통하여 직렬 아날로그 출력 신호로 변환되게 되고, 이러한 직렬 아날로그 출력 신호는 증폭기(240)를 통해 증폭된 후, 아날로그-디지털 변환기(250)를 통해 디지털 회로로 변환된 후 메인 컨트롤 유닛(210)에 입력될 수 있다.
메인 컨트롤 유닛(210)에 입력된 신호는 처음 압력센서(100)에 출력된 여기신호(excitational signal)가 압력센서(100)를 통해 발생되는 캐패시터의 충방전에 의해 변조된 신호일 수 있다. 충방전 시간(t)과 해당 시간에 캐패시터 양단에 걸리는 전압(Vc)는 압력센서의 캐패시턴스(C)와 회로의 저항(R), 여기신호(excitational signal)의 전압 세기(V signal)의 관계에 기반하는 하기 [수학식 7]를 이용하여 설명할 수 있다.
Figure 112016081818636-pat00015
(7)
메인 컨트롤러 유닛(210)에 입력된 신호의 최대, 최소 전압을 구하고 인가한 여기신호의 전압, 주기를 (수학식 7)에 대입하여 계산함으로써, 압력센서(100)의 캐패시턴스 값을 결정할 수 있다.
위와 같이 메인 컨트롤 유닛(210)은 압력센서(100)로부터 출력된 신호에 기초하여 컴퓨터 등의 출력 디바이스에 압력센서의 캐패시턴스 값들을 출력하도록 처리할 수 있다.
압력센서(100)의 캐패시턴스 값은 가해진 압력에 비례하므로 캐패시턴스의 크기를 측정하여 입력강도를 이용하여 복수의 레벨에 대한 압력을 감지하는 3D 터치(또는 3D 포스터치)를 구현할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 고감도 압력센서를 이용한 입력장치(10)는 각각의 압력센서(100)에 영문자를 할당하여, 측정되는 캐패시턴스를 일정 기준치(threshold level)와 비교하여 작은 캐패시턴스가 측정될 경우 소문자를 출력하고 큰 캐패시턴스가 측정될 경우 대문자를 출력할 수 있다.
예를 들면, 메인 컨트롤러 유닛(210)은 압력센서(100)를 통해서 입력되는 압력이 기준이 되는 압력, 예를 들면, 6kPa의 제1기준압력을 기준으로 6kPa보다 작은 압력범위에 대응되는 제1캐패시턴스(예: 제1신호) 및 6kPa보다 큰 압력범위에 대응되는 제2캐패시턴스(예: 제2신호)를 결정할 수 있다.
이때, 메인 컨트롤러 유닛(210)은 압력센서(100)를 통해서 측정된 캐패시턴스가 제1캐패시턴스 범위에 포함되는 경우 소문자를 출력하고, 측정된 캐패시턴스가 제2캐패시턴스 범위에 포함되는 경우 대문자를 출력할 수 있다.
또한, 컨트롤러 유닛(210)은, 압력센서(100)를 통해서 입력되는 압력이 기준되는 압력, 예를 들면, 3kPa의 압력을 기준으로 3kPa보다 작은 압력에 대응되는 제3캐패시턴스를 결정할 수 있다.
이때, 메인 컨트롤러 유닛(210)은 압력센서(100)를 통해서 측정된 캐패시턴스가 제3캐패시턴스 범위에 포함되는 경우 키 입력이 없는 것으로 처리할 수 있다.
상술한 바와 같이, 압력센서의 공정을 크게 변화시키지 않고, 압력센서(100)의 센싱 감도를 향상시킴으로써, 압력센서(100)로부터 측정되는 압력을 복수의 레벨로 구분하여 하나의 압력센서로 다양한 입력을 처리하는 입력장치를 제공할 수 있다.
도 18을 참조하면, 본 발명의 다양한 실시예에 기반하여 제공되는 고감도 압력센서(100) 및 이를 이용한 입력장치(10)는 컴퓨터 키보드로 제공될 수 있다. 이러한 컴퓨터 키보드는, 캡스락(caps lock) 또는 쉬프트(shift)키를 이용하지 않고, 도 18에 도시된 바와 같이 압력센서(100)에 가해지는 압력의 차이만으로도 “Yonsei”와 같이 대문자와 소문자가 혼합된 단어를 입력할 수 있다.
고감도 입력센서를 이용한 입력장치(10)는, 도 18의 우측 표와 같이, 압력센서들에 작용하는 압력을 구분하며, 지정된 수치의 압력보다 큰 경우, 예를 들어, 감지되는 압력에 따라서 키 “y”에 대응되는 신호를 출력하도록 지정된 압력센서에서 기 설정된 기준압력보다 큰 압력이 인가되면 그 대문자인 “Y”에 대응되는 신호를 출력하도록 설정될 수 있다.
또한, 다양한 실시예에 따르면, 고감도 압력센서를 이용한 입력장치(10)에서 제어부(200)는, 압력센서(100)에 가해지는 인가 압력의 강도, 시간 또는 빈도에 따라 해당 압력센서(100)를 통하여 출력되는 신호를 각각 다른 입력으로 처리(또는 인지)할 수 있다.
상술한 바와 같이 고감도 압력센서를 이용한 입력장치(10)로 키보드를 설명하고 있지만, 이에 한정하지 않고, 키패드, 터치패드, 가상 키보드, 등 압력에 따라서 지정된 키를 입력하기 위한 다양한 입력장치에 적용될 수 있음은 자명하다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 고감도 압력센서를 이용한 입력장치는, 일상 에서 흔히 사용되는 재료, 예를 들면, 복사지, 연필 등을 제작할 수 있는 종이, 흑연 등의 소재를 이용하여 압력센서를 제작함으로써, 고감도 특성을 구현하는 동시에 재료 및 제조 공정 비용의 감축에 따른 초저가의 입력장치의 제공이 가능하다는 효과가 있다.
또한, 유연성 기판을 이용하여 제작되기 때문에 휘어질 수 있는 입력장치의 제공이 가능하게 되고, 이를 통하여 휴대가 용이한 입력장치를 제공할 수 있는 효과가 있다.
이상에서 본 발명의 다양한 실시예에 대하여 설명하였으나, 본 발명의 사상은 본 명세서에 제시되는 실시예에 제한되지 아니하며, 본 발명의 사상을 이해하는 당업자는 동일한 사상의 범위 내에서, 구성요소의 부가, 변경, 삭제, 추가 등에 의해서 다른 실시예를 용이하게 제안할 수 있을 것이나, 이 또한 본 발명의 사상범위 내에 든다고 할 것이다.
10 : 고감도 압력센서를 이용한 입력장치
100 : 압력센서 110 : 하부기판
120 : 상부기판 111 : 제1전극
121 : 제2전극 130: 유전체
141, 142 : 연결단 151, 152 : 연결선
200 : 제어부 210 : 메인 컨트롤 유닛
220 : 역다중화기 230 : 다중화기
240 : 증폭기 250 : 아날로그-디지털 변환기

Claims (20)

  1. 일면에 표면 거칠기를 가지는 제1전극이 형성되는 하부기판;
    일면에 표면 거칠기를 가지는 제2전극이 형성되는 상부기판; 및
    상기 제1전극 및 상기 제2전극 사이에 배치되도록 상기 하부기판 및 상부기판 사이에 적층되는 유전물질;을 포함하되,
    상기 유전물질은,
    상기 제1전극에 구비되는 하부 유전층과 상기 제2전극에 구비되는 상부 유전층으로 이루어지며,
    상기 하부 유전층과 상부 유전층은 제1전극과 제2전극에 각각 밀착되어 제1전극과 제2전극의 표면 거칠기가 나타나는 것을 특징으로 하는, 고감도 압력센서.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 유전물질은 상기 제1전극 또는 제2전극의 표면 거칠기에 의한 상기 제1전극 또는 상기 제2전극의 요철 표면을 감싸는 것을 특징으로 하는, 고감도 압력센서.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 유전 물질은 탄성중합체를 포함하되, 상기 탄성중합체의 상기 유전 물질내 중량백분율은 상기 표면 거칠기 및 상기 형성되는 유전물질의 두께에 따라서 결정되는 것을 특징으로 하는, 고감도 압력센서.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 하부기판 또는 상기 상부기판은, 플렉서블 또는 스트레쳐블 소재인 것을 특징으로 하는, 고감도 압력센서.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제1전극 또는 상기 제2전극의 표면 거칠기는 상기 하부기판 또는 상기 상부기판의 표면 거칠기에 의해 나타나는 것을 특징으로 하는, 고감도 압력센서.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제1전극 또는 상기 제2전극의 표면 거칠기는 전극 형성 시 생성되거나 또는 전극 형성 후 가공에 의해 생성되는 것을 특징으로 하는, 고감도 압력센서.
  7. 삭제
  8. 삭제
  9. 제1항에 있어서,
    상기 하부 유전층과 상기 상부 유전층 사이의 일부 영역 이상에 공기층이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는, 고감도 압력센서.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 하부기판 및 상기 상부기판 중 적어도 하나에 압력이 가해지는 경우,
    상기 하부 유전층과 상기 상부 유전층의 표면 중 적어도 일부가 맞물리며 교차구조를 형성하는 것을 특징으로 하는, 고감도 압력센서.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 하부기판 및 상기 상부기판 중 적어도 하나에 압력이 가해지는 경우, 상기 하부 유전층과 상기 상부 유전층 사이에 형성된 상기 공기층은 제거되거나, 또는 상기 교차구조에 기반하여 보다 작은 공기층으로 분열되는 것을 특징으로 하는, 고감도 압력센서.
  12. 일면에 표면 거칠기를 가지는 제1전극이 형성되는 하부기판과, 일면에 표면 거칠기를 가지는 제2전극이 형성되는 상부기판과, 상기 하부 기판과 상기 상부 기판의 사이에 위치하되, 상기 제1전극에 밀착되어 제1전극의 표면 거칠기가 나타나는 하부 유전층과 상기 제2전극에 밀착되어 제2전극의 표면 거칠기가 나타나는 상부 유전층으로 이루어지는 유전물질을 포함하는 고감도 압력센서; 및
    상기 고감도 압력 센서에 압력이 인가되면, 상기 인가 압력에 대한 상기 압력센서로부터 출력되는 신호에 따라 지정된 키 입력을 처리하는 제어부;를 포함하여 된 것을 특징으로 하는, 고감도 압력센서를 이용한 입력장치.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 압력센서의 상기 하부기판 또는 상기 상부기판 중 하나 이상에 압력을 인가하는 압력 인가부;를 더 포함하는, 고감도 압력센서를 이용한 입력장치.
  14. 제12항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 인가 압력이 기 설정된 제1기준압력 미만인 경우, 제1신호로 처리하고,
    상기 인가 압력이 상기 제1기준압력 이상인 경우, 제2신호로 처리하는 것을 특징으로 하는, 고감도 압력센서를 이용한 입력장치.
  15. 제12항에 있어서,
    상기 제어부는, 상기 인가 압력이 기 설정된 제2기준압력 미만인 경우, 해당 입력을 무시하는 것을 특징으로 하는, 고감도 압력센서를 이용한 입력장치.
  16. 제12항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 인가 압력의 강도, 시간 또는 빈도에 따라 각각 다른 입력으로 인지하는 것을 특징으로 하는, 고감도 압력센서를 이용한 입력장치.
  17. 제12항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 압력센서에 입력되는 여기신호를 출력하고, 상기 압력센서로부터 출력되는 상기 신호를 입력하는 메인 컨트롤 유닛;
    상기 여기신호를 상기 압력센서에 분배하는 역다중화기; 및
    상기 압력센서로부터 출력되는 병렬신호를 직렬신호로 변환하는 다중화기;를 포함하는 것을 특징으로 하는, 고감도 압력센서를 이용한 입력장치.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 고감도 압력센서 각각에 대하여 상기 메인 컨트롤 유닛을 통하여 수신하는 상기 신호를 범위를 정하여 복수의 레벨로 구분하고,
    상기 복수의 레벨 각각에 대하여 다른 키가 지정된 것을 특징으로 하는, 고감도 압력센서를 이용한 입력장치.
  19. 제18항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 상기 메인 컨트롤 유닛을 통하여 수신하는 상기 신호 및 상기 신호를 출력하는 고감도 압력센서에 기반하여 상기 신호의 레벨에 대하여 지정된 키를 결정하고, 상기 결정된 키를 입력하도록 상기 다중화기에 전송하는 것을 특징으로 하는, 고감도 압력센서를 이용한 입력장치.
  20. 제12항에 대하여,
    상기 신호는, 상기 고감도 압력센서 각각에 대하여 가해지는 압력에 대응되는 캐패시턴스 값인 것을 특징으로 하는, 고감도 압력센서를 이용한 입력장치.
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