KR101873906B1 - 고감도 투명 플렉서블 압력센서 및 이의 제조방법. - Google Patents

고감도 투명 플렉서블 압력센서 및 이의 제조방법. Download PDF

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KR101873906B1
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심우영
김혜온
김광묵
김태훈
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연세대학교 산학협력단
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Abstract

본 발명은 플렉서블한 특성을 가지며, 투명성을 만족함과 동시에 현저히 향상된 감도를 만족하여 투명성과 고감도가 동시에 요구되는 웨어러블 디바이스 분야에 용이하게 활용될 수 있는 고감도 투명 플렉서블 압력센서 및 이의 제조방법을 제공한다.
또한, 본 발명은 포토리소그래피(photo-lithography), 에칭(etching) 등의 복잡한 공정을 거칠 필요없어 경제성이 우수하며, 간단한 공정만으로 감도가 향상된 압력센서를 제공할 수 있어 다양한 디바이스 분야에 폭넓게 활용될 수 있는 고감도 투명 플렉서블 압력센서 및 이의 제조방법을 제공한다.

Description

고감도 투명 플렉서블 압력센서 및 이의 제조방법. {HIGH SENSITIVE TRANSPARENT FLEXIBLE PRESSURE SENSOR AND METHOD FOR PREPARING THEREOF}
본 발명은 고감도 투명 플렉서블 압력센서 및 이의 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 투명성을 확보함과 동시에 감도가 향상되며, 플렉서블한 특성을 가지고 있어 다양한 디바이스의 터치/압력센서로 이용될 수 있는 고감도 투명 플렉서블 압력센서 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
터치/압력센서는 가정, 공장, 사무실, 자동차, 플렉서블/웨어러블 디바이스, 로봇, 헬스 케어 등 일상적인 생활환경 부문 전반에 걸쳐서 복합적으로 사용되는 센
서이지만, 재료 및 공정 비용이 매우 높은 단점이 있었다.
이는 기존에 전극으로 주로 사용되는 금, 은, 금속 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 있다.
한국공개특허 10-2013-0135313 에서도 터치센서를 제공하고 있지만, 기존의 기술은 1) 포토리소그래피(photo-lithography), 에칭(etching) 등의 복잡한 공정을 거쳐야 하기 때문에 공정비용이 상당히 높아 경제성이 낮으며, 2) 이러한 이유로 대부분의 고감도 압력센서들 이 연구단계에서 머물고 있으며 상용화가 곤란하고, 3) 투명 압력센서를 제공하기 위해 미세구조를 형성하는 경우엔 표면조도를 유지하기 어려워 감도가 낮으며, 4) 투명 폴리머를 이용하여 미세구조를 형성하는 경우에는 표면 요철로 인해 투명도가 저하되는 문제점이 있었다.
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명이 해결하려는 과제는 고감도와 투명성을 동시에 만족할 수 있으면서 플렉서블한 특성을 가지며, 포토리소그래피(photo-lithography), 에칭(etching) 등의 복잡한 공정을 거칠 필요없이 간단한 공정만으로 제조할 수 있어 상용화가 용이하여 다양한 디바이스 분야에 활용될 수 있는 고감도 투명 플렉서블 압력센서 및 이의 제조방법을 제공하는 것이다.
상술한 과제를 해결하기 위하여 본 발명은 플렉서블한 투명 기판; 상기 기판 상에 형성되는 플렉서블한 투명 전극;및 상기 투명전극 상에 형성되는 비드 및 전기 절연성 고분자 바인더를 포함하는 투명 유전체 층;을 포함하는 센서 층을 포함하며, 상기 유전체 층은 표면조도를 향상시키기 위하여 상기 비드가 매입된 돌출된 구조를 포함하는 고감도 투명 플렉서블 압력센서를 제공한다.
본 발명의 바람직한 일실시예에 따르면 상기 센서 층 2개가 각 센서 층의 투명 유전체 층들이 서로 마주보게 배치되어 연결될 수 있다.
본 발명의 바람직한 다른 일실시예에 따르면 상기 비드의 평균입경이 5 ~ 10μm인 경우엔 비드 1개에 의해 하나의 돌출부를 이루어 상기 돌출된 구조를 형성할 수 있다.
본 발명의 바람직한 또 다른 일실시예에 따르면 상기 비드의 평균입경이 100 ~ 600nm인 경우엔 복수 개의 비드가 하나의 나노집합체를 형성하여, 상기 나노집합체에 의해 하나의 돌출부를 이루어 상기 돌출된 구조를 형성할 수 있다.
본 발명의 바람직한 또 다른 일실시예에 따르면 상기 투명 유전체 층의 바인더 층의 두께는 두께는 2 ~ 10 μm일 수 있다.
본 발명의 바람직한 또 다른 일실시예에 따르면 상기 투명 유전체 층의 비드가 돌출된 면의 표면 조도 Ra는 100 ~ 2000 nm일 수 있다.
본 발명의 바람직한 또 다른 일실시예에 따르면 상기 유전체 층은 피라미드 형, 마이크로돔 형 또는 마이크로헤어 구조형 중 어느 하나 이상의 마이크로 패턴을 가질 수 있다.
본 발명의 바람직한 또 다른 일실시예에 따르면 상기 투명 비드는 SiO2, PMMA 및 아크릴로 이루어지는 군으로부터 선택되는 어느 하나 이상일 수 있다.
본 발명의 바람직한 또 다른 일실시예에 따르면 상기 고감도 투명 플렉서블 압력센서는 하기의 조건을 모두 만족할 수 있다.
(a) 0 ~ 20kPa 압력 하에서 감도(S)가 0.1 ~ 1.0kPa-1.
(b) 광학적 투명도가 90% 이상.
또한 본 발명은 상기의 어느 하나의 투명 플렉서블 압력센서를 포함하는 투명 키패드를 제공한다.
나아가 본 발명은 (1) 플렉서블한 투명 기판 상에 플렉서블한 투명 전극을 형성하는 단계;및 (2) 상기 전극 상에 투명 비드 및 전기 절연성 고분자 바인더를 포함하는 투명 유전체 층을 형성하는 단계;를 포함하며, 상기 유전체 층은 표면조도를 향상시키기 위하여 상기 비드가 매입된 돌출된 구조를 포함하는 고감도 투명 플렉서블 압력센서의 제조방법을 제공한다.
본 발명의 바람직한 일실시예에 따르면 상기 (2) 단계는, (2-1) 상기 전극 상에 투명 비드를 스핀-코팅방법을 통해 도포하는 단계;및 (2-2) 스핀-코팅방법을 통해 전기 절연성 고분자 바인더를 스핀-코팅방법을 통해 도포하여 투명 유전체 층을 형성하는 단계;를 포함하여 수행될 수 있다.
본 발명의 바람직한 일실시예에 따르면 상기 (2) 단계 이후 (3) 상기 센서 층 2개를 각 센서 층의 유전체 층이 마주보게 배치되도록 연결하여 압력센서를 제조하는 단계;를 더 포함할 수 있다.
본 발명은 플렉서블한 특성을 가지며, 투명성을 만족함과 동시에 현저히 향상된 감도를 만족하여 투명성과 고감도가 동시에 요구되는 웨어러블 디바이스 분야에 용이하게 활용될 수 있는 고감도 투명 플렉서블 압력센서 및 이의 제조방법을 제공한다.
또한, 본 발명은 포토리소그래피(photo-lithography), 에칭(etching) 등의 복잡한 공정을 거칠 필요없어 경제성이 우수하며, 간단한 공정만으로 감도가 향상된 압력센서를 제공할 수 있어 다양한 디바이스 분야에 폭넓게 활용될 수 있는 고감도 투명 플렉서블 압력센서 및 이의 제조방법을 제공한다.
도 1은 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 (a) 센서 층의 구조도 (b) 센서 층의 단면도 (c) 육안으로 투명도를 관측한 사진이다.
도 2는 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 압력센서의 감도 그래프이다.
도 3은 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 압력센서의 제조 과정의 모식도이다.
도 4는 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 압력센서의 활용에 관한 모식도이다.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 때하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다.
상술한 바와 같이 기존의 디바이스에 활용하기 위한 압력센서는 포토리소그래피(photo-lithography), 에칭(etching) 등의 복잡한 공정을 거쳐야 하기 때문에 공정비용이 상당히 높아 경제성이 낮으며, 이러한 이유로 대부분의 고감도 압력센서들 이 연구단계에서 머물고 있으며 상용화가 곤란하고, 투명 압력센서를 제공하기 위해 투명 폴리머를 이용하는 경우엔 표면조도를 유지하기가 어려워 고감도와 투명성을 동시에 만족하기 어려운 한계점이 있었다.
이에 본 발명에서는 플렉서블한 투명 기판; 상기 기판 상에 형성되는 플렉서블한 투명 전극;및 상기 투명전극 상에 형성되는 비드 및 전기 절연성 고분자 바인더를 포함하는 투명 유전체 층;을 포함하는 센서 층을 포함하며, 상기 유전체 층은 표면조도를 향상시키기 위하여 상기 비드가 매입된 돌출된 구조를 포함하는 고감도 투명 플렉서블 압력센서를 제공한다.
이를 통해 투명성과 고감도를 동시에 만족할 수 있으며, 플렉서블한 특성도 만족할 수 있는 효과가 있다. 이에 따라 다양한 웨어러블 디바이스, 디스플레이 등의 터치/압력센서로 폭넓게 활용될 수 있는 장점이 있다.
구체적으로 도 1은 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 (a) 센서 층의 구조도 (b) 센서 층의 단면도 (c) 육안으로 투명도를 관측한 사진이다. 상기 (a) 센서 층의 구조도를 통해서, 본 발명의 압력센서의 단일 센서층이 OHP 필름과 같은 플렉서블한 투명 기판, PEDOT:PSS와 같은 플렉서블한 투명 전극 및 SiO2와 같은 비드와 PDMS와 같은 전기 절연성 고분자를 포함하는 투명 유전체 층으로 구성될 수 있음을 알 수 있다. 또한, 상기 (b) 단면도를 통해서 비드가 유전체 층 내부에 매입되어 돌출된 구조를 형성하고 있음을 확인할 수 있고, 이러한 돌출 구조로 인해 표면조도를 향상시켜 감도를 향상시킬 수 있음을 확인할 수 있다. 나아가 (c)의 본 발명의 압력센서의 투명도를 육안으로 관측한 사진을 살펴보면, 투명도가 우수하여 육안으로 관측하는 배경과 압력센서를 통해 관측하는 배경의 색 투과도가 거의 유사함을 알 수 있다.
먼저, 플렉서블한 투명 기판에 대해 설명한다.
상기 플렉서블한 투명 기판은 통상적으로 압력센서에 이용할 수 있는 것으로, 접히거나(foldable, bendable) 말릴 수 있거나(rollable) 적어도 한 방향으로 늘어가거나(stretchable) 신축성(elasticity) 등의 유연성을 가지는 투명한 플렉서블 기판일 수 있다. 바람직하게는, OHP 기판, PET 및 PVdC 기판으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 어느 하나 이상일 수 있다. 상기 기판을 이용하는 경우, 투명성을 확보할 수 있음과 동시에 유연성을 확보할 수 있어 웨어러블 디바이스, 모바일 기기 등에 폭넓게 활용될 수 있는 장점이 있다.
상기 기판의 두께는 바람직하게는 2 ~ 100 μm일 수 있다.
다음으로, 상기 기판 상에 형성되는 플렉서블한 투명 전극에 대해 설명한다.
상기 플렉서블한 투명 전극은 통상적으로 압력센서에 이용될 수 있는 것으로서, 투명하여 투명 기판과 투명 유전체 층과 일체를 이룰 수 있고 전기전도성을 가져 전극의 기능을 할 수 있는 것이면 폭넓게 이용할 수 있으며, 바람직하게는 투명 금속 산화물, 네트워크 형태의 금속 나노 와이어 (NW) , 2 차원(2D) 금속 시트일 수 있다. 보다 바람직하게는 PEDOT:PSS, ITO, IZO(Indium Zinc Oxide), SnO2, AZO, ZnO NW, Ag NW, 탄소 나노 튜브 (CNT) 및 그래핀으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 어느 하나 이상일 수 있다.
상기 투명 전극의 두께는 바람직하게는 200 nm 이하일 수 있다. 투명 전극의 두께가 상기 범위 내인 경우, 전극 두께가 얇게 나타나 투명도를 유지하기 유리한 효과가 있다.
상기 전극을 이용하는 경우에, 투명성을 확보하면서 플렉서블한 특성을 유지할 수 있어 웨어러블 디바이스, 모바일 기기 등에 폭넓게 활용될 수 있는 장점이 있다.
다음으로, 상기 투명전극 상에 형성되는 비드 및 전기 절연성 고분자 바인더를 포함하는 투명 유전체 층에 대해 설명한다.
본 발명에 따른 투명 유전체 층은 투명전극 상에 형성되며, 표면조도를 향상시키기 위하여 상기 비드가 매입된 돌출된 구조를 포함한다. 즉, 상기 투명 유전체 층은 절연성 고분자 바인더가 비드를 감싸고 있는 형태로 형성될 수 있으며, 이로부터 유전체 층의 일면에 돌출부들이 형성된 구조를 가지게 된다.
이에 따라, 본 발명의 압력센서는 투명한 전기 절연성 고분자를 이용해 유전체 층을 형성하여 투명성을 확보하면서도, 투명 절연성 고분자에 의한 거칠기(roughness)가 감소되지 않는 효과가 있다. 구체적으로, 투명 유전체 층 일면에 형성되는 돌출부에 의하여 표면조도가 향상되어 표면 거칠기를 확보할 수 있어 감도가 향상되는 효과를 기대할 수 있다. 즉, 본 발명은 상기의 투명 유전체 층을 포함함으로써 투명성 및 고감도를 동시에 만족하는 고감도 투명 플렉서블 압력센서를 제공할 수 있어 다양한 디바이스 분야에 활용될 수 있는 장점이 있다.
상기 유전체 층에 포함되는 비드는 투명 유연한 재료로 형성될 수 있는 것으로 전기 절연성 고분자 바인더 내에 매입되어 돌출되는 구조를 이루어 표면조도를 향상시킬 수 있는 것이면 제한 없이 이용할 수 있으나, 바람직하게는 SiO2, PMMA 및 아크릴로 이루어지는 군으로부터 선택되는 어느 하나 이상으로 형성될 수 있으며, 보다 바람직하게는 SiO2로 형성될 수 있다. 상기 비드가 SiO2로 형성되는 경우에는 광 투과도가 높아 보다 유리한 장점이 있다.
또한, 상기 유전체 층에 포함되는 전기 절연성 고분자 바인더는 투명하면서, 전기 절연적 성질을 가지고 있는 것으로 터치패드/압력센서에 이용될 수 있는 것이면 제한 없이 이용할 수 있으나, 바람직하게는 PDMS (Polydimethylsiloxane), PET (Polyehtylene-terephthalate), PES (Polyether sulfone), PEN(Polyethylene naphthalate), PI (Polyimide), PMMA (PolymethymethAcrylate) 및 PC (Polycarbonate)로 이루어지는 군으로부터 선택되는 어느 하나 이상일 수 있다. 보다 바람직하게는 PDMS (Polydimethylsiloxane) 또는 PMMA (PolymethymethAcrylate)일 수 있다.
본 발명의 바람직한 일실시예에 따르면, 상기 투명 유전체 층의 바인더 층의 두께는 2 ~ 10 μm일 수 있고, 바람직하게는 4 ~ 8 μm일 수 있다. 이 때 바인더 층이라 함은 상기 투명 유전체 층에서 내부에 비드가 매입되어 있지 않은 부분을 의미하며, 바인더 층의 두께라 함은 투명 유전체 층의 돌출된 구조를 포함하는 면에서 가장 얇은 부분의 두께를 의미한다.
만일 상기 바인더 층의 두께가 2 μm 미만인 경우 통전이 발생하는 문제점이 있고, 10 μm를 초과하는 경우 표면 조도가 작아져 감도가 저하되는 문제점이 발생할 수 있다.
또한, 본 발명의 바람직한 일실시예에 따르면, 상기 투명 유전체 층의 비드 층의 두께는 8 ~ 17 μm일 수 있고, 보다 바람직하게는 10 ~ 15 μm일 수 있다. 이 때 비드 층이라 함은 상기 투명 유전체 층에서 내부에 비드가 포함되어 있는 부분을 의미하며, 비드 층의 두께라 함은 비드가 매입되어 돌출된 부분 중 가장 두꺼운 부분의 두께를 의미한다.
만일 상기 비드 층의 두께가 8 μm 미만인 경우 표면조도 값이 작아 감도가 저하되는 문제점이 발생할 수 잇고, 17 μm를 초과하는 경우 투명도가 저하되는 문제점이 발생할 수 있다.
한편, 상기 바인더 층과 비드 층의 두께의 편차는 바람직하게는 2 ~ 15 μm일 수 있고, 상기 범위 내의 편차를 가지는 경우 표면 거칠기가 생기게 되고, 표면조도 값이 우수하게 나타나 감도가 향상되는 효과가 있다.
또한, 본 발명의 바람직한 일실시예에 따르면, 상기 유전체 층의 돌출된 구조 중 하나의 돌출된 부분에는 비드가 단수 또는 복수로 포함될 수 있다. 구체적으로, 상술한 바와 같이 비드 층의 두께, 비드 층과 바인더 층 두께의 편차를 형성할 수 있도록 하나의 돌출부에 비드가 단수 또는 복수로 포함될 수 있다.
바람직하게는 상기 비드의 평균입경이 5 ~ 10μm인 경우엔 비드 1개에 의해 하나의 돌출부를 이루어 상기 돌출된 구조를 형성할 수 있다. 또한, 상기 비드의 평균입경이 1μm이하, 바람직하게는 100 ~ 600nm인 경우엔 복수 개의 비드가 하나의 나노집합체를 형성하여, 상기 나노집합체에 의해 하나의 돌출부를 이루어 상기 돌출된 구조를 형성할 수 있다. 상기 나노집합체는 복수개의 비드로 이루어질 수 있으며, 바람직하게는 나노집합체의 높이가 4 ~ 10μm로 형성되도록 비드의 개수가 선택될 수 있다.
구체적으로 도 2는 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 압력센서의 민감도 그래프이다. 상기 그래프에서 S는 감도(Sensitivity)를 의미하며, S = δ(C/C 0 )/ δp (p : 정상 압력, C : 정상 압력이 있는 경우의 전기용량, C0 : 정상 압력이 없는 경우의 전기용량)으로 정의된다. 상기 그래프를 살펴보면, 전체적으로 비드의 평균입경이 감소할수록 감도(S)가 감소하는 경향을 보임을 알 수 있다. 구체적으로, 상기 그래프를 살펴보면 S는 비드의 평균입경이 4 ~ 7 μm의 경우 0.4 kPa-1, 평균입경이 1 ~ 3 μm의 경우 0.2 kPa-1로 감소함을 확인할 수 있다. 이는 비드의 평균입경이 작아짐에 따라 표면 거칠기가 감소하게 되고, 이에 따라 계면에서의 에어 갭의 양이 감소하기 때문이다.
그러나, 상기 그래프를 살펴보면 비드의 평균입경이 500nm의 경우에는 S가 0.7kPa-1로 우수하게 나타남을 확인할 수 있다. 이는 비드의 평균입경이 400 ~ 600nm인 경우에는 비드가 낱개로 존재하지 않고, 복수 개의 비드가 하나의 나노집합체를 형성하게 되며, 이러한 나노집합체가 하나의 돌출부를 이루는 돌출 구조를 형성하게 되기 때문이다. 즉, 상기 그래프 상의 이미지와 같이 비드 하나가 돌출부 하나를 형성하는 효과와 나노집합체 하나가 돌출부 하나를 형성하는 효과가 유사하여 우수한 감도를 보이게 되는 것이다.
즉, 바람직하게는 본 발명에 따른 비드의 평균입경이 100 ~ 600nm 및 5 ~ 10μm 범위여야만 우수한 감도를 가진 압력센서를 제공할 수 있다. 만일, 상기 비드의 평균입경이 10 μm를 초과하는 경우에는 광 투과도가 저하되어 투명도가 감소되는 문제점이 있을 수 있다.
본 발명의 바람직한 일실시예에 따르면, 상기 투명 유전체 층의 비드가 돌출된 면의 표면 조도 Ra는 100 ~ 2000 nm일 수 있고, 보다 바람직하게는 200 ~ 1000 nm일 수 있다. 표면 조도가 상기 범위를 만족하는 경우, 유전체 층의 표면 거칠기를 향상시킬 수 있어 감도를 향상시키는 효과가 있다.
또한, 상기 유전체 층의 구조화된 표면은 바람직하게는 피라미드 형, 마이크로돔 형 또는 마이크로헤어 구조형 중 어느 하나 이상의 마이크로 패턴을 가질 수 있으며, 보다 바람직하게는 피라미드 형의 마이크로 패턴을 가질 수 있다. 이를 통해 유전 상수 및 탄성 저항을 제어할 수 있고, 유효 유전 상수를 증가시켜 고감도의 압력센서를 제공할 수 있다. 또한, 피라미드 형의 마이크로 패턴을 가지는 경우에 장치의 압력 범위를 넓게 할 수 있으며, 다양한 압력 소스를 효율적으로 감지하기에 적합한 장점이 있다.
본 발명의 바람직한 일실시예에 따르면, 상기 센서 층 2개가 각 센서 층의 투명 유전체 층들이 서로 마주보게 배치되어 연결될 수 있다. 이를 통해 투명성 및 플렉서블한 특성을 가지면서, 고감도의 압력센서를 제공할 수 있게 된다.
한편, 본 발명에 따른 고감도 투명 플렉서블 압력센서가 투명성 및 고감도의 특성을 모두 만족하여 다양한 웨어러블 기기에 활용되기 위해서는 하기의 조건을 모두 만족하여야 한다.
(a) 0 ~ 20kPa 압력 하에서 감도(S)가 0.1 ~ 1.0kPa-1.
(b) 광학적 투명도가 90% 이상.
또한, 본 발명은 상술한 어느 하나의 투명 플렉서블 압력센서를 포함하는 투명 키패드를 제공한다. 이를 통해서 투명성과 유연성을 만족하면서도 감도가 현저히 향상되어 터치/압력을 통해 용이하게 이용될 수 있는 키패드를 제공할 수 있고, 이는 모바일 기기 등의 다양한 디바이스 분야에 활용될 수 있는 장점이 있다.
나아가, 본 발명은 (1) 플렉서블한 투명 기판 상에 플렉서블한 투명 전극을 형성하는 단계;및 (2) 상기 전극 상에 투명 비드 및 전기 절연성 고분자 바인더를 포함하는 투명 유전체 층을 형성하는 단계;를 포함하며, 상기 유전체 층은 표면조도를 향상시키기 위하여 상기 비드가 매입된 돌출된 구조를 포함하는 고감도 투명 플렉서블 압력센서의 제조방법을 제공한다.
이를 통해서 포토리소그래피(photo-lithography), 에칭(etching) 등의 복잡한 공정을 거칠 필요없어 경제성이 우수하며, 간단한 공정만으로 감도가 향상된 압력센서를 제공할 수 있어 다양한 디바이스 분야에 폭넓게 활용될 수 있는 고감도 투명 플렉서블 압력센서의 제조방법을 제공할 수 있다.
구체적으로, 도 3은 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 압력센서의 제조 과정의 모식도이다. 상기 도면을 살펴보면, 투명하고 플렉서블한 기판 상에 PEDOT:PSS를 스핀-코팅하여 투명 전극을 형성한다. 상기 투명 전극 상에 마이크로 또는 나노 크기의 실리카 비드를 스핀-코팅하고 PDMS 고분자를 스핀-코팅하여 절연층인 투명 유전체 층을 형성한다. 이를 통해 플렉서블하면서도 투명한 특성을 가지는 센서 층을 제공할 수 있게 되고, 후술하는 바와 같이 비드를 고분자 바인더 보다 먼저 도포하여 균일한 돌출부들이 반복 형성되어 표면조도가 향상되어 감도가 우수한 압력센서를 제공할 수 있다.
이하 상술한 내용과 중복되는 내용을 제외하고 상세히 설명한다.
먼저, (1) 플렉서블한 투명 기판 상에 플렉서블한 투명 전극을 형성하는 단계를 설명한다.
상기 (1) 단계는 상기 기판 상에 상기 전극을 형성하여 일체를 이루어 투명성 및 유연성을 유지할 수 있는 다양한 방법들을 이용하여 수행할 수 있으나, 바람직하게는 스핀-코팅방법을 통해 수행할 수 있다. 스핀-코팅방법의 경우 간단한 방법으로 균일하게 투명 전극을 형성할 수 있는 장점이 있다.
상기 스핀-코팅은 바람직하게는 500 ~ 3000 rpm으로 수행할 수 있다.
다음으로, (2) 상기 전극 상에 투명 비드 및 전기 절연성 고분자 바인더를 포함하는 투명 유전체 층을 형성하는 단계를 설명한다.
상기 (2) 단계는 상기 유전체 층에 상기 비드가 매입되어 돌출된 구조를 형성할 수 있으며, 투명 전극과 일체를 이루어 압력센서를 제조할 수 있으면 방법 및 순서에 제한이 없으나, 바람직하게는 (2) 단계는 (2-1) 상기 전극 상에 투명 비드를 스핀-코팅방법을 통해 도포하는 단계;및 (2-2) 스핀-코팅방법을 통해 전기 절연성 고분자 바인더를 스핀-코팅방법을 통해 도포하여 투명 유전체 층을 형성하는 단계;를 포함하여 수행될 수 있다.
이와 같이 (2-1) 단계를 수행하고 (2-2) 단계를 수행하여 투명 유전체 층을 형성함으로써 투명 비드가 균일하게 상기 전극 상에 도포되도록 할 수 있으며, 균일하게 도포된 투명 비드 상에 전기 절연성 고분자 바인더를 도포하여 균일한 간격, 크기의 돌출부들을 가지는 유전체 층을 형성할 수 있다. 만일 비드를 먼저 도포하지 않고 전기 절연성 고분자 바인더를 먼저 도포하는 경우에는 비드의 균일한 도포가 곤란할 수 있으며, 유전체 층 내부에 비드가 매입되는 형태를 구현할 수 없는 문제점이 있다.
상기 (2-1) 단계의 투명 비드를 스핀-코팅하는 경우, 바람직하게는 상기 비드를 포함하는 콜로이드 용액을 2000 ~ 4000 rpm 조건 하에서 스핀-코팅할 수 있다. 상기 조건 하에서 스핀-코팅을 수행하는 경우 필름 전체에 균일하게 비드를 도포할 수 있는 장점이 있다.
본 발명의 바람직한 일실시예에 따르면, 상기 콜로이드 용액의 용매는 에탄올을 사용할 수 있으며, 상기 용매의 100중량부에 대하여 상기 비드를 0.5 ~ 2 중량부 포함할 수 있다.
또한, 상기 (2-2) 단계의 전기 절연성 고분자 바인더를 스핀-코팅하는 경우, 바람직하게는 상기 고분자를 포함하는 용액을 500 ~ 2000rpm 조건 하에서 스핀-코팅할 수 있다. 상기 조건 하에서 스핀-코팅을 수행하는 경우 비드의 구조를 잘 드러내면서도 통전이 일어나지 않는 장점이 있다.
한편, 상기 고분자를 포함하는 용액의 용매는 바람직하게는 헵테인 또는 헥세인일 수 있으며, 상기 용액의 농도는 20 ~ 60중량%일 수 있다.
또한 본 발명의 투명 플렉서블 압력센서의 제조방법은, 바람직하게는 상기 (2) 단계 이후 (3) 상기 센서 층 2개를 각 센서 층의 유전체 층이 마주보게 배치되도록 연결하여 압력센서를 제조하는 단계;를 더 포함할 수 있다. 상기 센서 층들로 이루어져 유연하고 투명하면서도 우수한 감도로 터치/압력을 감지할 수 있는 압력센서를 제공할 수 있다.
결국, 본 발명의 고감도 투명 플렉서블 압력센서 및 이의 제조방법은 플렉서블한 특성을 가지며, 투명성을 만족함과 동시에 현저히 향상된 감도를 가지며, 제조방법이 간단하여 다양한 디바이스 분야에 폭넓게 활용될 수 있다. 구체적으로 도 4는 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 압력센서의 활용에 관한 모식도이다. 상기 도면을 살펴보면, 본 발명에 따른 압력센서는 가해지는 압력범위에 따라서 초경량의 무게 감지, 맥박 센서, 투명 키패드 등으로 다양하게 활용될 수 있음을 알 수 있다.
실시예 1
PEDOT:PSS 필름의 균일한 코팅을 위해서 7 마이크로미터 두께의 PVDC 기판을 100W에서 3분 산소플라즈마 처리하였다. PEDOT:PSS 용액을 에탄올에 1:1 희석한 후 계면활성제를 1wt% 넣어 준비하였다. 상기 용액을 PVDC 기판위에 1000rpm, 60초 조건으로 코팅한 후 120℃에서 1분 이상 큐어링하였다. 1중량% 비드가 함유된 에탄올 용액을 3000rpm, 30초 조건으로 스핀코팅하였다. 다음으로, 40중량% 의 PDMS가 함유된 헵테인 용액을 제조하였다. 상기 기판을 100W에서 3분동안 산소 플라즈마 처리 한 후, 상기 용액을 1000rpm, 30s 조건으로 스핀코팅하였다. 그 다음 60 ℃에서 2시간 이상 큐어링하였다.

Claims (13)

  1. 플렉서블한 투명 기판;
    상기 기판 상에 형성되는 플렉서블한 투명 전극;및
    상기 투명전극 상에 형성되는 비드 및 전기 절연성 고분자 바인더를 포함하는 투명 유전체 층;을 포함하는 센서 층을 포함하며,
    상기 유전체 층은 표면조도를 향상시키기 위하여 상기 비드가 매입된 돌출된 구조를 포함하는 고감도 투명 플렉서블 압력센서.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 센서 층 2개가 각 센서 층의 투명 유전체 층들이 서로 마주보게 배치되어 연결된 것을 특징으로 하는 고감도 투명 플렉서블 압력센서.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 비드의 평균입경이 5 ~ 10μm인 경우엔 비드 1개에 의해 하나의 돌출부를 이루어 상기 돌출된 구조를 형성하는 것을 특징으로 하는 고감도 투명 플렉서블 압력센서.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 비드의 평균입경이 100 ~ 600nm인 경우엔 복수 개의 비드가 하나의 나노집합체를 형성하여, 상기 나노집합체에 의해 하나의 돌출부를 이루어 상기 돌출된 구조를 형성하는 것을 특징으로 하는 고감도 투명 플렉서블 압력센서.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 투명 유전체 층의 바인더 층의 두께는 두께는 2 ~ 10 μm인 것을 특징으로 하는 고감도 투명 플렉서블 압력센서.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 투명 유전체 층의 비드가 돌출된 면의 표면 조도 Ra는 100 ~ 2000 nm인 것을 특징으로 하는 고감도 투명 플렉서블 압력센서.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 유전체 층은 피라미드 형, 마이크로돔 형 또는 마이크로헤어 구조형 중 어느 하나 이상의 마이크로 패턴을 가지는 것을 특징으로 하는 고감도 투명 플렉서블 압력센서.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 비드는 SiO2, PMMA 및 아크릴로 이루어지는 군으로부터 선택되는 어느 하나 이상인 것을 특징으로 하는 고감도 투명 플렉서블 압력센서.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 고감도 투명 플렉서블 압력센서는 하기의 조건을 모두 만족하는 것을 특징으로 하는 고감도 투명 플렉서블 압력센서.
    (a) 0 ~ 20kPa 압력 하에서 감도(S)가 0.1 ~ 1.0kPa-1.
    (b) 광학적 투명도가 90% 이상.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항의 투명 플렉서블 압력센서를 포함하는 투명 키패드.
  11. (1) 플렉서블한 투명 기판 상에 플렉서블한 투명 전극을 형성하는 단계;및
    (2) 상기 전극 상에 투명 비드 및 전기 절연성 고분자 바인더를 포함하는 투명 유전체 층을 형성하는 단계;를 포함하며,
    상기 유전체 층은 표면조도를 향상시키기 위하여 상기 비드가 매입된 돌출된 구조를 포함하는 고감도 투명 플렉서블 압력센서의 제조방법.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 (2) 단계는,
    (2-1) 상기 전극 상에 투명 비드를 스핀-코팅방법을 통해 도포하는 단계;및
    (2-2) 스핀-코팅방법을 통해 전기 절연성 고분자 바인더를 스핀-코팅방법을 통해 도포하여 투명 유전체 층을 형성하는 단계;를 포함하여 수행되는 것을 특징으로 하는 고감도 투명 플렉서블 압력센서의 제조방법.
  13. 삭제
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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WO2021101163A1 (ko) * 2019-11-22 2021-05-27 엘지디스플레이 주식회사 압력센서 및 그 제조방법, 압력센서를 구비한 표시장치

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101465366B1 (ko) 2013-10-21 2014-11-25 성균관대학교산학협력단 신축성을 갖는 에너지 발전 소자 및 이의 제작 방법

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101465366B1 (ko) 2013-10-21 2014-11-25 성균관대학교산학협력단 신축성을 갖는 에너지 발전 소자 및 이의 제작 방법

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR102094998B1 (ko) * 2018-11-09 2020-03-30 한국과학기술원 압력 센서용 혼합구조체, 이를 포함하는 압력 센서 및 그 제조방법
WO2021101163A1 (ko) * 2019-11-22 2021-05-27 엘지디스플레이 주식회사 압력센서 및 그 제조방법, 압력센서를 구비한 표시장치

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