KR101884395B1

KR101884395B1 - 이온성 액체와 그래핀을 포함하는 정전용량형 압력센서 및 그의 제조방법

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Publication number: KR101884395B1
Application number: KR1020170031410A
Authority: KR
Inventors: 이위형; 이승철
Original assignee: 재단법인 나노기반소프트일렉트로닉스연구단; 건국대학교 산학협력단
Priority date: 2017-03-13
Filing date: 2017-03-13
Publication date: 2018-08-30

Abstract

본 발명은 제1 기판; 상기 제1 기판 상에 위치하고, 관통홀(through hole)을 갖는 제1 그래핀을 포함하는 제1 전극; 상기 제1 기판의 반대 방향의 상기 관통홀 입구에서 외부로 볼록한 형상을 갖고, 상기 제1 기판에 접하고, 상기 관통홀의 내부에 위치하는 이온성 액체를 포함하는 활성층; 상기 활성층 상에 위치하고, 상기 활성층과 접하거나 또는 이격하여 위치하는 제2 그래핀을 포함하는 제2 전극; 및 상기 제2 전극 상에 위치하는 제2 기판; 을 포함하는 정전용량형 압력센서에 관한 것이다. 본 발명은 그래핀 전극과 이온성 액체를 이용하여 센서를 제조함으로써, 낮은 압력에서도 공기의 정정용량 변화를 이용하여 압력을 감지하고, 높은 압력에서는 이온성 액체의 전자이중층 정전용량 변화를 이용하여 압력을 감지할 수 있는 이중모드 특성과 정전용량, 유연성 및 투명성이 높은 정전용량형 압력센서를 구현할 수 있는 효과가 있다. 또한, 본 발명의 정전용량형 압력센서에 압력이 가해지면 이온성 액체가 모세관힘(capillary force)에 의해 끌려 올라가면서 캐패시턴스가 증가하게 되며, 센서의 민감도를 향상시키는 효과가 있다. 또한, 본 발명의 다른 목적은 이와 같은 정전용량형 압력센서를 이용하여 고감각, 고신축성 전자피부를 구현하는데 있다.

Description

이온성 액체와 그래핀을 포함하는 정전용량형 압력센서 및 그의 제조방법{CAPACITIVE PRESSURE SENSOR COMPRISING IONIC LIQUID AND GRAPHENE, AND METHOD FOR MANUFACTURING OF THE SAME}

본 발명은 이온성 액체와 그래핀을 포함하는 정전용량형 압력센서 및 그의 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 유연전극인 그래핀 전극과 이온성 액체를 이용하여 플렉서블 특성을 가지고, 공기 및 액체의 정전용량변화를 감지하는 정전용량형 이중모드 압력센서 및 이의 제조방법에 관한 것이다.

최근 빠르게 발전하는 전자정보 소자 기술로 인해 휴대용 정보통신 및 스마트 기기의 보급이 활발해 지고 있으며, 다음 미래 세대 기술은 단순히 휴대형에서 그치지 않고 사람의 몸에 부착하거나 인체 내부에 삽입하는 형태로 발전될 것이라고 전망하고 있다. 따라서 이를 만족시키기 위해 인체 친화적인 특성이 많은 관심을 받고 있고, 사람의 피부나 몸에 자유롭게 탈부착이 가능하도록 구부리고 늘릴 수 있도록 유연한 성질을 갖는 전자피부 개발에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.

이러한 플렉시블 전자소자를 구현하기 위해서 가장 중요시 되는 부분은 신축성을 갖고 있는 전극으로, 그 이유는 현재 많은 플렉시블 전자소자에서 상용화 되어있는 Indium Tin Oxide(ITO) 전극은 높은 빛 투과율과 전도도 때문에 가장 많이 사용되고 있다. 그러나, 밴딩과 스트레칭 성질은 떨어지기 문제점이 있기 때문에 전자피부 기술을 위해서 대체 신축성 전극 개발이 필수적이며, 지속적으로 연구가 이루어지고 있다. 현재 많은 연구진에서 신축성 전극 개발을 연구 중인데 그래핀, CNT, 전도성 고분자, 금속 나노 와이어 등을 이용하여 대체 유연 전극을 개발하고 있다.

이와 같은 대체 유연 전극을 기반으로 하여 모든 구조를 유연한 소재로 만든 유연 전자피부 역시 연구가 활발히 진행되며 다양한 분야에 적용 및 개발이 이루어지고 있다.

또한, 기존에 정전용량형 압력센서 대부분은 고체를 활성층으로 사용한 다양한 구조의 센서 연구가 진행되었다. 하지만 고체를 이용하는 센서는 다소 느린 반응속도와 회복속도를 갖는 문제점이 있었으며, 대부분의 압력센서 연구에서는 전극을 ITO기판을 사용해 전자피부에 적용시키기에는 유연성이 떨어지는 문제점이 있었다.

본 발명의 목적은 상기 문제점을 해결하기 위한 것으로, 그래핀 전극과 이온성 액체를 이용하여 센서를 제조함으로써, 낮은 압력에서도 공기의 정전용량 변화를 이용하여 압력을 감지하고, 높은 압력에서는 이온성 액체의 전기이중층 정전용량 변화를 이용하여 압력을 감지할 수 있으며, 정전용량, 유연성 및 투명성이 우수한 정전용량 이중모드 압력센서를 제공하는데 있다.

또한, 본 발명의 다른 목적은 이와 같은 정전용량형 압력센서를 이용하여 고감각, 고신축성 전자피부를 구현하는데 있다.

본 발명의 하나의 측면에 따르면, 제1 기판; 상기 제1 기판 상에 위치하고, 관통홀(through hole)을 갖는 제1 그래핀을 포함하는 제1 전극; 상기 제1 기판의 반대 방향의 상기 관통홀 입구에서 외부로 볼록한 형상을 갖고, 상기 제1 기판에 접하고, 상기 관통홀의 내부에 위치하는 이온성 액체를 포함하는 활성층; 상기 활성층 상에 위치하고, 상기 활성층과 접하거나 또는 이격하여 위치하는 제2 그래핀을 포함하는 제2 전극; 및 상기 제2 전극 상에 위치하는 제2 기판; 을 포함하는 정전용량형 압력센서를 제공한다.

상기 정전용량형 압력센서가 스페이서를 추가로 포함하고, 상기 스페이서가 제1 기판과 제2 기판 사이에 위치하고, 상기 활성층과 이격하여 상기 활성층의 일부 또는 전부를 둘러싸고, 상기 스페이서의 두께(t)가 상기 관통홀 입구로부터 상기 이온성 액체의 볼록한 형상의 꼭대기까지의 높이(h) 보다 큰 것(t>h)일 수 있다.

상기 스페이서가 포토리지스트, 폴리테트라플루오로에틸렌, 폴리이미드, 폴리아미드, 폴리에스터, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리우레탄, 폴리디메틸실록산(polydimethylsiloxane), 폴리아크릴레이트, 폴리아릴레이트, 섬유강화 플라스틱, 폴리비닐아세테이트, 폴리에틸렌 테레프타레이트 및 그들의 조합 중에서 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다.

상기 제1 기판의 수접촉각이 상기 제2 전극의 수접촉각 보다 작을 수 있다.

상기 제1 기판의 표면에너지가 상기 제1 그래핀의 표면에너지 보다 높을 수 있다.

상기 제1 및 제2 기판이 각각 독립적으로 폴리테트라플루오로에틸렌, 폴리이미드, 폴리아미드, 폴리에스터, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리우레탄, 폴리디메틸실록산(polydimethylsiloxane), 폴리아크릴레이트, 폴리아릴레이트, 섬유강화 플라스틱, 폴리비닐아세테이트, 폴리에틸렌 테레프타레이트 및 그들의 조합 중에서 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다.

상기 정전용량형 압력센서가 상기 제1 기판의 반대 방향으로 제1 전극 상에 제1 소수성층 또는 상기 제2 기판의 반대 방향으로 제2 전극 상에 제2 소수성층을 추가로 포함할 수 있다.

상기 제1 및 제2 소수성층이 각각 독립적으로 octadecyltrichlorosilane (ODTS), octyltrichlorosilne (OTS), Perfluorodecyltrichlorosilane (FDTS) self-assembled monolayers (SAMs) 및 기타 소수성 초박막층 중에서 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다.

상기 정전용량형 압력센서는 상기 제2 전극이 상기 이온성 액체와 이격하여 위치하는 압력에서 상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이에 존재하는 공기의 정전용량을 감지할 수 있다.

상기 정전용량형 압력센서는 상기 제2 전극이 상기 이온성 액체와 접촉하는 높은 압력에서 상기 이온성 액체의 정전용량을 감지할 수 있다.

상기 정전용량형 압력센서가 공기의 정전용량을 감지하거나 또는 이온성 액체의 정전용량을 감지하는 이중모드 압력센서일 수 있다.

상기 이온성 액체가 지방족계 이온성 액체, 이미다졸륨계 이온성 액체 및 피리디늄계 이온성 액체 중에서 선택된 1종 이상일 수 있다.

본 발명의 다른 일 측면에 있어서, 상기 정전용량형 압력센서를 포함하는 전자피부를 제공한다.

본 발명의 또 다른 일 측면에 있어서, (a) 기판을 준비하는 단계; (b) 상기 기판 상에 그래핀을 적층하여 그래핀 전극/기판 적층체를 제조하는 단계; (c) 상기 그래핀 전극/기판 적층체의 그래핀을 패터닝하여 관통홀을 갖는 제1 그래핀을 포함하는 제1 전극/제1 기판 적층체를 제조하는 단계; (d) 상기 관통홀에 이온성 액체를 코팅시켜 관통홀에 이온성 액체를 갖는 활성층을 포함하는 활성층/제1 전극/제1 기판 적층체를 제조하는 단계; (e) 상기 단계 (b)의 그래핀 전극/기판 적층체를 제2 전극/제2 기판 적층체로 사용하고, 상기 활성층/제1 전극/제1 기판 적층체의 제1 전극 상에 상기 활성층과 접하거나 또는 이격하여 위치하도록 제2 전극/제2 기판 적층체의 제2 전극을 위치시켜 정전용량형 압력센서를 제조하는 단계; 를 포함하는 정전용량형 압력센서의 제조방법을 제공한다.

상기 정전용량형 압력센서의 제조방법이 단계 (e) 후에 제1 기판과 제2 기판 사이에 위치하고, 상기 활성층과 이격하여 상기 활성층의 일부 또는 전부를 둘러싸는 스페이서(spacer)를 제조하는 단계(e'); 를 추가로 포함할 수 있다.

단계 (b) 이후, (b') 상기 그래핀 전극/기판 적층체의 그래핀 상에 소수성층을 코팅시켜 소수성층/그래핀 전극/기판 적층체를 제조하는 단계; 를 추가로 포함할 수 있다.

단계 (c)가 (c-1) 상기 그래핀 전극/기판 적층체의 그래핀 상에 패터닝할 부분을 제외한 나머지 부분을 가리는 마스크를 적층하는 단계; (c-2) 상기 (c-1)의 결과물에 UV/Ozone처리하고 패터닝할 부분의 그래핀을 제거하여 상기 그래핀 전극을 패터닝하는 단계; 및 (c-3) 상기 마스크를 제거하여 관통홀을 갖는 패턴을 포함하는 그래핀 전극/기판 적층체를 제조하는 단계; 를 포함할 수 있다.

단계 (c)가 (c-1) 상기 소수성층/그래핀 전극/기판 적층체의 소수성층 상에 패터닝할 부분을 제외한 나머지 부분을 가리는 마스크를 적층하는 단계; (c-2) 상기 (c-1)의 결과물에 UV/Ozone처리하고 패터닝할 부분의 소수성층과 그래핀을 제거하여 상기 그래핀 전극을 패터닝하는 단계; 및 (c-3) 상기 마스크를 제거하여 관통홀을 갖는 패턴을 포함하는 소수성층/그래핀 전극/기판 적층체를 제조하는 단계; 를 포함할 수 있다.

본 발명은 그래핀 전극과 이온성 액체를 이용하여 센서를 제조함으로써, 낮은 압력에서도 공기의 정정용량 변화를 이용하여 압력을 감지하고, 높은 압력에서는 이온성 액체의 전기이중층 정전용량 변화를 이용하여 압력을 감지할 수 있는 이중모드 특성과 정전용량, 유연성 및 투명성이 높은 정전용량형 압력센서를 구현할 수 있는 효과가 있다.

또한, 본 발명의 정전용량형 압력센서에 압력이 가해지면 이온성 액체가 모세관힘(capillary force)에 의해 끌려 올라가면서 캐패시턴스가 증가하게 되며, 센서의 민감도를 향상시키는 효과가 있다.

또한, 본 발명은 이와 같은 정전용량형 압력센서를 이용하여 고감각, 고신축성 전자피부를 구현할 수 있다.

도 1은 본 발명의 정전용량형 압력센서 및 압력이 가해졌을 때 이온성 액체의 형태를 나타낸 개략도이다.
도 2는 본 발명의 정전용량형 압력센서의 제조방법을 순차적으로 나타낸 흐름도이다.
도 3은 본 발명의 정전용량형 압력센서의 제조방법을 나타낸 개략도이다.
도 4는 실시예 1 및 2에 따라 제조된 정전용량형 압력센서에서 이온성 액체의 모양을 확인한 CCD 카메라 이미지 결과이다.
도 5는 실시예 1 및 2에 따라 제조된 정전용량형 압력센서에 낮은 압력이 가했을 때의 정전용량 변화 측정 결과를 나타낸 것이다.
도 6은 실시예 1 및 2에 따라 제조된 정전용량형 압력센서에 전체 압력 영역에서의 정전용량 변화 측정 결과를 나타낸 것이다.
도 7은 시험제조예 1에 따라 제조된 PDMS를 포함하는 정전용량형 압력센서의 PDMS 블록 시스템을 나타낸 개략도이다.
도 8은 시험제조예 1에 따라 제조된 정전용량형 압력센서의 정전용량 변화 측정 결과를 나타낸 것이다.
도 9는 실시예 1 및 실시예 2에 따라 제조된 정전용량형 압력센서의 응답 및 이완 시간을 측정한 결과를 나타낸 것이다.
도 10은 실시예 1 및 실시예 2에 따라 제조된 정전용량형 압력센서의 안정성 시험(300 cycle) 결과를 나타낸 것이다.
도 11은 시험제조예 2 내지 시험제조예 4의 수접촉각을 측정하기 위한 물방울을 떨어트리고 난 후의 CCD 카메라 측정 이미지를 나타낸 것이다.
도 12는 시험제조예 5 내지 시험제조예 8에 따라 제조된 샘플의 라만 분광분석 결과를 나타낸 것이다.
도 13은 실시예 1 내지 실시예 2의 정전용량형 압력센서에서 이온성 액체가 위전극에 닿는 순간의 정전용량 변화측정 결과를 나타낸 것이다.

이하, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하도록 한다.

그러나, 이하의 설명은 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.

본원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

도 1은 본 발명의 정전용량형 압력센서와 낮은 압력 및 높은 압력을 가했을 때, 이온성 액체의 형태를 나타낸 개략도이다.

이하, 도 1을 참조하여 본 발명의 정전용량형 압력센서에 대해 설명하도록 한다.

본 발명은 제1 기판; 상기 제1 기판 상에 위치하고, 관통홀(through hole)을 갖는 제1 그래핀을 포함하는 제1 전극; 상기 제1 기판의 반대 방향의 상기 관통홀 입구에서 외부로 볼록한 형상을 갖고, 상기 제1 기판에 접하고, 상기 관통홀의 내부에 위치하는 이온성 액체를 포함하는 활성층; 상기 활성층 상에 위치하고, 상기 활성층과 접하거나 또는 이격하여 위치하는 제2 그래핀을 포함하는 제2 전극; 및 상기 제2 전극 상에 위치하는 제2 기판; 을 포함하는 정전용량형 압력센서를 제공한다.

상기 정전용량형 압력센서는 스페이서를 추가로 포함하고, 상기 스페이서가 제1 기판과 제2 기판 사이에 위치하고, 상기 활성층과 이격하여 상기 활성층의 일부 또는 전부를 둘러싸고, 상기 스페이서의 두께(t)가 상기 관통홀 입구로부터 상기 이온성 액체의 볼록한 형상의 꼭대기까지의 높이(h) 보다 큰 것(t>h)일 수 있다.

상기 스페이서는 제1 전극과 제2 전극 사이의 간격을 조절할 수 있으며, 스페이서의 두께가 두꺼울수록 상기 제2 전극이 이온성 액체에 닿는데 필요한 압력이 높아질 수 있다.

상기 스페이서는 포토리지스트, 폴리테트라플루오로에틸렌, 폴리이미드, 폴리아미드, 폴리에스터, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리우레탄, 폴리디메틸실록산(polydimethylsiloxane), 폴리아크릴레이트, 폴리아릴레이트, 섬유강화 플라스틱, 폴리비닐아세테이트, 폴리에틸렌 테레프타레이트 및 그들의 조합 등을 사용할 수 있다.

상기 제1 기판의 수접촉각은 상기 제2 전극의 수접촉각보다 작을 수 있으며, 수 접촉각이 클수록 표면에너지가 큰 것을 의미한다.

상기 제1 기판의 표면에너지는 상기 제1 그래핀의 표면에너지보다 높을 수 있으며, 표면에너지가 클수록 친수성인 것을 의미한다.

상기 제1 및 제2 기판은 각각 독립적으로 폴리테트라플루오로에틸렌, 폴리이미드, 폴리아미드, 폴리에스터, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리우레탄, 폴리디메틸실록산(polydimethylsiloxane), 폴리아크릴레이트, 폴리아릴레이트, 섬유강화 플라스틱, 폴리비닐아세테이트, 폴리에틸렌 테레프타레이트 및 그들의 조합 등을 사용할 수 있으나, 사용할 수 있는 기판의 종류가 여기에 한정되는 것은 아니다.

상기 정전용량형 압력센서는 상기 제1 기판의 반대 방향으로 제1 전극 상에 제1 소수성층 또는 상기 제2 기판의 반대 방향으로 제2 전극 상에 제2 소수성층을 추가로 포함할 수 있다.

상기 제1 및 제2 소수성층이 각각 독립적으로 octadecyltrichlorosilane (ODTS), octyltrichlorosilne (OTS), Perfluorodecyltrichlorosilane (FDTS) self-assembled monolayers (SAMs), 기타 소수성 초박막층 등을 사용할 수 있다.

상기 octadecyltrichlorosilane(ODTS) self-assembled monolayers (SAMs)을 포함하는 제1 전극은 표면에너지가 낮은 특성이 있다.

상기 제2 전극이 이온성 액체와 접촉하는 순간에 이온성 액체가 모세관힘에 의해 끌려 올라가면서 정전용량을 감지하게 된다.

먼저, 본 발명에 이용되는 이온성 액체의 특성에 대해 살펴보면 다음과 같다.

이온성 액체란, 양이온과 음이온만으로 구성되는 염(salt)에도 불구하고 상온에서 액체인 일련의 화합물을 말한다. 이온성 액체는 고온 안정성이며 액체 온도 범위가 넓은, 증기압이 거의 0이고, 이온성이면서 저점성, 높은 산화·환원 내성을 갖는 특성을 가지고 있다. 이온성 액체는 친수성이어도 소수성 일 수 있고, 또 그 종류는 특별히 제한되는 것이 아니지만, 예를 들면 지방족계 이온성 액체, 이미다졸륨계 이온성 액체, 피리디늄계 이온성 액체 등을 들 수 있다.

지방족계 이온성 액체로서는, N,N,N-트리메틸-N-프로필암모늄 비스(트리플루오로메탄술포닐) 이미드(이하, TMPA-TFSI라고 한다), N-메틸-N-프로필 피페리디늄 비스(트리플루오로메탄술포닐) 이미드, N,N-디에틸-N-메틸-N-(2-메톡시에틸) 암모늄비스(트리플루오로메탄술포닐) 이미드, N,N-디에틸-N-메틸-N-(2-메톡시에틸) 암모늄 테트라플루오로 붕산염 등을 들 수 있다.

이미다졸륨계 이온성 액체로서는, 1,3-디알킬이미다졸륨염, 1,2,3-트리알킬 이미다졸륨염 등을 들 수 있다. 구체적으로는, 1,3-디알킬이미다졸륨염으로서는, 1-에틸-3-메틸이미다졸륨 브로마이드, 1-에틸-3-메틸-이미다졸륨 클로라이드, 1-에틸-3-메틸이미다졸륨(L)-유산염, 1-에틸-3-메틸이미다졸륨 헥사플루오로 인산염, 1-에틸-3-메틸이미다졸륨 테트라플루오로 붕산염(이하, EMI-BF₄라고 한다), 1-부틸-3-메틸이미다졸륨 트리플루오로메탄 설폰산염, 1-부틸-3-메틸이미다졸륨(L)-유산염, 1-헥실-3-메틸이미다졸륨 브로마이드, 1-헥실-3-메틸이미다졸륨클로라이드, 1-헥실-3-메틸이미다졸륨 헥사플루오로 인산염, 1-헥실-3-메틸이미다졸륨 테트라플루오로 붕산염, 1-헥실-3-메틸이미다졸륨 트리플루오로메탄 설폰산염, 1-옥틸-3-메틸이미다졸륨 클로라이드, 1-옥틸-3-메틸이미다졸륨 헥사플루오로 인산염, 1-디실-3-메틸이미다졸륨 클로라이드, 1-도데실-3-메틸이미다졸륨 클로라이드, 1-테트라 디실-3-메틸이미다졸륨 클로라이드, 1-핵사데실-3-메틸이미다졸륨 클로라이드, 1-옥타데실-3-메틸이미다졸륨클로라이드 등을 들 수 있다. 1,2,3-트리알킬 이미다졸륨염으로서는, 1-에틸-2,3-디메틸이미다졸륨 브로마이드, 1-에틸-2,3-디메틸이미다졸륨 클로라이드, 1-부틸-2,3-디메틸이미다졸륨 브로마이드, 1-부틸-2,3-디메틸이미다졸륨클로라이드, 1-부틸-2,3-디메틸이미다졸륨 테트라플루오로 붕산염, 1-부틸-2,3-디메틸이미다졸륨 트리플루오로메탄 설폰산염, 1-헥실-2,3-디메틸이미다졸륨 브로마이드, 1-헥실-2,3-디메틸이미다졸륨 클로라이드, 1-헥실-2,3-디메틸이미다졸륨 트리플루오로메탄 설폰산염 등을 들 수 있다.

피리디늄계 이온 액체로서는, 에틸 피리디늄염이나 부틸피리디늄염, 헥실 피리디늄염 등을 들 수 있다. 구체적으로는, 에틸 피리디늄염으로서는, 1-에틸 피리디늄 브로마이드, 1-에틸 피리디늄 클로라이드를 들 수 있다. 부틸 피리디늄염으로서는, 1-부틸 피리디늄 브로마이드, 1-부틸 피리디늄 클로라이드, 1-부틸 피리디늄 헥사플루오로 인산염, 1-부틸 피리디늄 테트라플루오로 붕산염, 1-부틸 피리디늄트리플루오로메탄 설폰산염 등을 들 수 있다. 헥실 피리디늄염으로서는, 1-헥실 피리디늄 브로마이드, 1-헥실 피리디늄 클로라이드, 1-헥실 피리디늄 헥사플루오로 인산염, 1-헥실 피리디늄 테트라플루오로 붕산염, 1-헥실 피리디늄 트리플루오로메탄 설폰산염 등을 들 수 있다.

본 발명에서 사용하는 이온성 액체는 상기 기재한 이온성 액체를 제한 없이 사용할 수 있고, 바람직하게는 1-Ethyl-3-methylimidazolium tetrafluoroborate, 1-Ethyl-3-methylimidazolium Tricyanomethanide, 1-Butyl-3-methylimidazolium hexafluorophosphate, 1-Butyl-3-methylimidazolium tetrafluoroborate, 1-Ethyl-3-methylimidazolium bis(trifluoromethane)sulphonamide, 1-Ethyl-3-methylimidazolium bis(trifluoromethylsulfonyl)imide 및 기타 양이온과 음이온으로 이루어진 이온성 액체 등을 사용할 수 있다.

본 발명의 정전용량형 압력센서를 포함하는 전자피부를 제공한다.

도 2는 본 발명의 정전용량형 압력센서의 제조방법을 순차적으로 나타낸 흐름도이다.

이하, 도 2를 참고하여, 본 발명의 정전용량형 압력센서의 제조방법에 대해 설명하도록 한다.

먼저, 기판을 준비한다(단계 a).

기판은 아세톤 및 아이소프로판올로 세척할 수 있다.

다음으로, 상기 기판 상에 그래핀을 적층하여 그래핀 전극/기판 적층체를 제조한다(단계 b).

다음으로, 상기 그래핀 전극/기판 적층체의 그래핀을 패터닝하여 관통홀을 갖는 제1 그래핀을 포함하는 제1 전극/제1 기판 적층체를 제조한다(단계 c).

단계 c는 세 단계로 나누어 수행될 수 있다.

먼저, 상기 그래핀 전극/기판 적층체의 그래핀 상에 패터닝할 부분을 제외한 나머지 부분을 가리는 마스크를 적층한다(단계 c-1).

다음으로, 상기 (c-1)의 결과물에 UV/Ozone처리하고 패터닝할 부분의 그래핀을 제거하여 상기 그래핀 전극을 패터닝하여 관통홀을 제조한다.

마지막으로, 상기 마스크를 제거하여 관통홀을 갖는 패턴을 포함하는 그래핀 전극/기판 적층체를 제조한다(단계 c-3).

또한, 상기 소수성층/그래핀 전극/기판 적층체의 소수성층 상에 패터닝할 부분을 제외한 나머지 부분을 가리는 마스크를 적층한다(단계 c-1).

다음으로, 상기 (c-1)의 결과물에 UV/Ozone처리하고 패터닝할 부분의 소수성층과 그래핀을 제거하여 상기 그래핀 전극을 패터닝한다(단계 c-2).

여기서 상기 관통홀은 높이가 약 2-3nm 정도의 ODTS/Graphene이 없어진 부분이다. 상기 ODTS/Graphene이 에칭된 결과로 생긴 에칭자리가 친수성(hydrophilic)이기 때문에 이온성 액체가 상기 에칭 자리에 패턴된다고 할 수 있다.

이후, 상기 관통홀에 이온성 액체를 코팅시켜 관통홀에 이온성 액체를 갖는 활성층을 포함하는 활성층/제1 전극/제1 기판 적층체를 제조한다(단계 d).

마지막으로, 상기 단계 (b)의 그래핀 전극/기판 적층체를 제2 전극/제2 기판 적층체로 사용하고, 상기 활성층/제1 전극/제1 기판 적층체의 제1 전극 상에 상기 활성층과 접하거나 또는 이격하여 위치하도록 제2 전극/제2 기판 적층체의 제2 전극을 위치시켜 정전용량형 압력센서를 제조한다(단계 e).

단계 (e) 후에, 제1 기판과 제2 기판 사이에 위치하고, 상기 활성층과 이격하여 상기 활성층의 일부 또는 전부를 둘러싸는 스페이서(spacer)를 제조하는 단계(e'); 를 추가로 포함할 수 있다.

활성층/제1 전극/제1 기판 적층체와 제2 전극/제2 기판 적층체 및 스페이서를 와이어링 및 알루미늄 테이프를 이용하여 고정시켜 정전용량형 압력센서를 조립할 수 있다.

[실시예]

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 구체적으로 설명한다. 그러나, 이는 예시를 위한 것으로서 이에 의하여 본 발명의 범위가 한정되는 것이 아니다.

제조예 1: 하판제조

(단계 1: 그래핀 전사)

먼저, 2.5cm x 2.5cm 크기의 PET 기판을 아세톤에 넣고 20분 동안 초음파 처리한 수, IPA에 기판을 넣고 초음파 처리를 하여 기판을 세척하였다. 다음으로, 증류수 200ml 와 과산화황산암모늄(Ammonium persulfate) 2.282g을 혼합하여 Cu 에칭 용액을 제조하였다. 이후, 1cm x 0.5cm 크기의 Cu/그래핀/PMMA(CVD그래핀)의 Cu 부분이 제조된 Cu 에칭 용액과 닿도록 넣어 2시간 동안 Cu를 에칭하였다. Cu가 에칭된 그래핀/PMMA를 증류수에 담그어 30분간 세척하였다. 세척한 PET 기판을 그래핀/PMMA가 담긴 증류수에 비스듬히 넣어 그래핀/PMMA를 PET기판 위에 위치시킨 후, 질소 바람을 수직방향으로 불어줘 PET기판과 그래핀/PMMA 사이에 있는 물을 밖으로 빼주고 건조하였다. 그 후 80℃ 온도에서 하루 동안 건조시키고, 4시간 동안 아세톤에 담가 PMMA를 에칭하여 그래핀이 전사된 PET 기판을 제조하였다.

(단계 2: 이온성 액체 패터닝)

이후, 그래핀이 전사된 PET 기판 상에 Ti/Au 증착을 통하여 와이어 링을 위한 전극을 밖으로 빼주었다. 그 후 톨루엔(Toluene) 20ml에 기판을 넣고 기판의 바로 위를 피해서 ODTS SAMs 40μl을 떨어뜨려 1시간 동안 자기 조립하였다. 다음으로, 120℃ 온도에 기판을 2시간 동안 어닐링하였다. 어닐링이 완료된 기판을 자석 위에 놓고 금속 마스크를 올려 패터닝 할 부분을 제외한 나머지 부분을 가린다. 패턴을 만들 부분에 UV/Ozone을 45분간 노출시켜 그래핀과 ODTS SAMs을 제거시켜 PET 기판을 노출시킴으로써 표면을 친수성을 띄게 만들었다. 친수성의 표면(PET 기판) 부분에 이온성 액체를 두 방울 떨어뜨리고 500rpm의 속도로 10초간 회전시켜 이온성 액체(400㎛ 크기) 패터닝하여 하판을 제조하였다.

제조예 2: 상판제조

상기 단계 1과 동일한 방법으로 그래핀이 전사된 PET 기판을 제조하였다. 이후, 그래핀이 전사된 PET 기판 상에 Ti/Au 증착을 통하여 와이어 링을 위한 전극을 밖으로 빼주었다. 그 후 톨루엔(Toluene) 20ml에 기판을 넣고 기판의 바로 위를 피해서 ODTS SAMs 40μl을 떨어뜨려 1시간 동안 자기 조립하였다. 다음으로, 120℃ 온도에 기판을 2시간 동안 어닐링하여 하판을 제조하였다.

제조예 3: 스페이서 (spacer) 제조

PET를 4인치 Si기판 크기에 맞춰 자른 후 양면테이프를 사용하여 Si기판 에 붙혀 PET가 적층된 Si기판을 제조하였다. 제조된 기판에 감광액을 부은 후 1,300rpm으로 30초간 회전시켜 코팅한 후, 60℃ 온도에서 5분간, 95℃ 온도에서 15분간 순차적으로 어닐링하고 쿨링시켜 감광액이 코팅된 기판을 제조하였다. 다음으로, 포토 마스크를 감광액이 코팅된 기판에 365nm UV 빛을 노출시켜 패턴을 만들어준 후, 60℃ 온도에서 5분, 95℃ 온도에서 20분간 어닐링하였다. SU-8 Developer를 플레이트에 붓고 20분간 담갔다 빼고 IPA로 세척하였다. 패턴이 제대로 완성이 됐는지 확인한 후, PET를 구부려 감광액 패턴을 PET 기판에서 떼어내 스페이서(spacer)를 제조하였다.

제조예 4: 하판

이온성 액체(400㎛ 크기) 대신에 이온성 액체(600㎛ 크기)인 것을 제외하고는 제조예 1과 동일한 방법으로 하판을 제조하였다.

실시예 1: 정전용량형 압력센서 제조

슬라이드 글라스 위에 제조예 1에 따라 제조된 하판을 테이프를 사용하여 고정시킨 뒤, 은 와이어와 은 페이스트를 사용해 하판의 전극을 알루미늄 테이프와 연결시켜 샘플 밖으로 전극을 빼주었다. 이후 제조예 3에서 만든 스페이서를 이온성 액체 패턴이 가운데 오도록 위치시키고 고정하였다. 마지막으로 제조예 2에서 만든 상판을 위에서와 같이 알루미늄 테이프에 와이어 링을 해주고 하판과 이격배치 되도록 덮어 압력센서를 제조하였다.

실시예 2: 정전용량형 압력센서 제조

제조예 1의 하판 대신에 제조예 4의 하판을 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 정전용량형 압력센서를 제조하였다.

[시험예]

시험예 1: 이온성 액체 패턴 형태 관찰

도 4는 실시예 1에 따라 제조된 압력센서에 압력을 가하여 상판이 이온성 액체 패턴을 누를 때, 이온성 액체의 형태 변화를 관할하기 위하여 (a), (b), (c), 및 (d)의 순서로 압력이 점점 높아짐에 따른 이온성 액체의 형태 변화를 분석하기 위한 이미지를 나타낸 것이다.

도 4를 참조하면, 도 3의 (a)는 약한 압력이 가해졌을 때 이온성 액체의 모습이고, (b)는 더 높은 압력이 상판에 가해짐에 따라 상판이 이온성 액체 패턴에 달라 붙어 기둥이 형성되는 것을 확인할 수 있었다. (d)는 더욱 강한 압력이 가해짐에 따라 서서히 이온성 액체가 옆으로 퍼지는 것을 확인할 수 있었다.

따라서, 실시예 1에 따라 제조된 압력센서에서 상판에 가해지는 압력이 강해질수록 패터닝된 이온성 액체가 점점 퍼지면서 전기이중층이 증가하여 정전용량이 증가하는 원리로 압력센서가 구동되는 것을 확인할 수 있었다.

시험예 2: 압력에 따른 정전용량 변화 측정-1(공기의 정전용량을 이용한 압력센서 구동)

도 5는 실시예 1에 따라 제조된 정전용량형 압력센서에 낮은 압력이 가해졌을 때 공기의 정전용량을 통해 구동하는 압력센서의 정전용량 변화를 나타낸 것이다. 'Forward'는 압력을 가하며 변화하는 정전용량을 나타낸 것이고, 'reverse'는 반대로 압력을 제거할 때의 정전용량 변화를 나타낸 것이다.

구체적으로 압력에 따른 정전용량 변화는 Gauge force meter(M5-05, Mark-10)와 LCR meter(4284A, Hewlett Packard)를 Keithley(4200-SCS Source Measure Unit, Keithley) 장비에 연동시켜 압력에 따른 정전용량을 읽을 수 있는 소프트웨어를 아이브이솔루션사로부터 주문, 제작하여 측정을 하였다. 그리고 시료를 프로빙하기 위하여 Probe station(MST-M5VC, MS TECH)와 LCR meter를 연결하고 Probe station의 프로브에 시료를 프로빙하고 측정을 진행하였다. 또한, motion controller(St1 1 Axis Motion Controllers STM-1-USB)에 Gauge force meter를 고정시키고 Motion controller를 이용하여 gauge force meter를 서서히 내리면서 gauge force meter가 시료를 서서히 누를 수 있도록 설계하였다. 시료를 서서히 누르면서 발생하는 압력이 gauge force meter에 의해 측정이 되고, 이 압력에 의해 시료의 형태가 바뀌는데 이에 따라 정전용량 또한 변화하게 된다. 이렇게 변화하는 정전용량을 LCR meter로 측정을 하게 된다. 그리고 위에서 언급한 Keithley 장비의 소프트웨어가 gauge force meter와 LCR meter를 연동시켜 압력에 따른 정전용량 변화를 동시에 측정할 수 있었다.

실시예 1 및 2에 따라 제조된 정전용량형 압력센서는 낮은 압력으로 센서를 누르게 되면 활성층에 위치한 이온성 액체 패턴이 상판의 그래핀 전극에 닿지 않는다. 그러므로 전극과 전극 사이에 존재하는 공기의 정전용량을 통해 센서를 구동하게 된다. 이는 Dipole 시스템의 정전용량 값은 하기 식 1에 따르기 때문에 센서의 전극과 전극 사이의 거리가 가까워짐에 따라 정전용량이 증가하는 원리로 센서 구동을 하게 되는 것에 기인한다.

도 5를 참고하면, 공기는 굉장히 낮은 정전용량을 갖고 있기 때문에 수 pF 단위의 작은 정전용량 변화로 압력센서가 구동되는 것을 확인할 수 있었다. 그리고 이온성 액체 패턴이 상판 전극에 닿지 않았기 때문에 이온성 액체 패턴의 크기와 관계없는 것을 그래프를 통해 확인할 수 있었다.

[식 1]

(C=capacitance, A=electrode area, d= distance between electrodes)

시험예 3: 압력에 따른 정전용량 변화 측정-2(공기 및 이온성 액체의 정전용량을 이용한 압력센서 구동)

도 6은 실시예 1에 따라 제조된 정전용량형 압력센서에 높은 압력이 가해졌을 때 공기의 정전용량을 통해 구동하는 압력센서의 정전용량 변화를 나타낸 것이다. Forward는 압력을 가하며 변화하는 정전용량을 나타낸 것이고, reverse는 반대로 압력을 제거할 때의 정전용량 변화를 나타낸 것이다.

실시예 1 및 2에 따라 제조된 정전용량형 압력센서는 공기 정전용량 모드보다 좀 더 높은 압력이 가해지면 활성층에 위치한 이온성 액체 패턴이 상판 전극에 닿게 된다. 이 때부터는 공기의 정전용량이 무시될 정도의 큰 정전용량을 갖는 이온성 액체의 정전용량을 통해 압력센서가 구동하게 된다. 이온성 액체는 이온의 움직임이 자유로운 물질이기 때문에, 전극과 이온성 액체의 접촉면에 전기이중층이 형성되어 전기이중층 시스템에 의해 정전용량이 결정된다. 압력이 가해짐에 따라 이온성 액체 패턴이 점점 옆으로 퍼져 전극과의 접촉 면적이 늘어나고, 전기이중층 시스템의 정전 용량은 식 2에 따라 결정되므로, 전극과 전극 사이의 거리가 정전용량에 영향을 주지 않고 전극과 이온성 액체의 접촉 면적이 증가함에 따라 정전 용량 값이 증가하면서 센서가 구동된다.

[식 2]

(C=capacitance, Contact area = area between electrode and ionic liquid)

도 6을 참고하면, 이온성 액체 정전용량-압력 커브는 공기 정전용량 변화에 비해 큰 폭으로 상승해 수십 pF에서 수천pF으로 변하는 것을 확인할 수 있었다. 압력 센서에서 정전용량 변화는 민감도와 관련이 있기 때문에 큰 폭의 정전용량 변화는 민감한 센서임을 알 수 있었다. 또한, 이온성 액체 패턴의 크기를 크게 할수록 전극과의 접촉 면적이 넓어져 더 큰 정전용량 변화가 나타나는 것을 확인할 수 있었다.

시험예 4: 정전용량 분석

시험제조예 1: PDMS를 포함하는 정전용량형 압력센서 제조

슬라이드 글라스 위에 제조예 1에 따라 제조된 하판을 테이프를 사용하여 고정시킨 뒤, 은 와이어와 은 페이스트를 사용해 하판의 전극을 알루미늄 테이프와 연결시켜 샘플 밖으로 전극을 빼주었다. 이후 제조예 3에서 만든 스페이서를 이온성 액체 패턴이 가운데 오도록 위치시키고 PDMS로 고정하였다. 마지막으로 제조예 2에서 만든 상판을 위에서와 같이 알루미늄 테이프에 와이어 링을 해주고 하판과 이격배치 되도록 덮어 압력센서를 제조하였다.

PDMS 블록 유무에 따른 정전용량형 압력센서의 압력에 따른 정전용량 변화 측정

도 8은 실시예 1, 2 및 시험제조예 1에 따라 제조된 정전용량형 압력센서에 높은 압력이 가해졌을 때 공기의 정전용량을 통해 구동하는 압력센서의 정전용량 변화를 나타낸 것이다. Forward는 압력을 가하며 변화하는 정전용량을 나타낸 것이고, reverse는 반대로 압력을 제거할 때의 정전용량 변화를 나타낸 것이다.

도 8을 참조하면, 실시예 1 및 실시예 2에 따라 제조된 정전용량형 압력센서(PDMS 블록 미포함)에 비해 시험제조예 1에 따라 제조된 정전용량형 압력센서(PDMS 블록 포함)의 이온성 액체 모드에서의 정전용량 변화가 현저히 줄어든 것을 확인할 수 있었다. 이러한 결과는 시험제조예 1의 압력센서는 하판 전극과 이온성 액체와의 접촉면에 존재하는 PDMS블록이 하판 전극과 이온성 액체와의 접촉 면적을 고정하는 역할을 하기 때문인 것으로 판단된다. 그러므로, 하판 전극과 이온성 액체와의 접촉 면적을 고정시켜주는 고분자 블록(PDMS블록)으로 인해 압력을 가해 이온성 액체가 옆으로 퍼져나가도 제2 전극과의 접촉면적만 늘어나고 제1 전극과의 접촉면적은 고분자 블록 때문에 늘어나지 않는다.

따라서, 본 발명의 압력센서의 이온성 액체 모드에서는 상판 전극과 이온성 액체의 접촉 면적보다 하판 전극과 이온성 액체의 접촉 면적이 전체 정전용량 변화에 더 큰 영향을 미치는 것을 확인할 수 있었다.

시험예 5: 실시예 1 및 2의 정전용량형 압력센서의 반응 속도 측정

도 9는 실시예 1 및 2에 따라 제조된 정전용량형 압력 센서의 공기-공기, 공기-이온성 액체, 이온성 액체-이온성 액체 구간에서의 반응속도를 측정한 결과를 나타낸 것이다.

도 9를 참고하면, 공기와 이온성 액체 모두 외부 압력에 의해 쉽게 형태가 바뀌기 때문에 모든 구간에서 0.1초 이내의 빠른 반응속도를 보인 것으로 나타났다. 그리고 고체 활성층을 갖는 다른 압력센서의 반응 실험에서 종종 볼 수 있는 회복 꼬리 현상이 나타나지 않는 것을 확인해 고체에 비해 액체와 기체가 갖는 장점을 확인할 수 있었다.

그러나, 도 9의 (b), (c), (e), (f)에서 이온성 액체는 액체이기 때문에 순간적으로 압력을 가했을 때 출렁임이 발생하여 순간적으로 더 높은 정전용량 값을 갖는 것으로 나타나지만, 이는 순간적인 것으로 나타나는 오차이고 오차 값이 크지 않기 때문에 크게 문제되지 않을 것으로 판단된다.

시험예 6: 정전용량형 압력센서의 신뢰도 측정

도 10은 실시예 1 및 2에 따라 제조된 정전용량형 압력 센서의 공기-공기, 공기-이온성 액체, 이온성 액체-이온성 액체 구간에서의 신뢰도를 측정한 결과를 나타낸 것이다.

도 10을 참고하면, 실시예 1 및 2에 따라 제조된 정전용량형 압력센서가 안정적인 센서 구동이 나타나는 것을 확인할 수 있었으며, 신뢰도가 높은 것을 확인할 수 있었다.

시험예 7: 수접촉각 측정

시험제조예 2: UV/Ozone 처리된 ODTS SAMs/그래핀 포함하는 PET 기판 샘플

그래핀이 전사된 PET 기판 상에 Ti/Au 증착을 통하여 와이어 링을 위한 전극을 밖으로 빼주었다. 그 후 톨루엔(Toluene) 20ml에 기판을 넣고 기판의 바로 위를 피해서 ODTS SAMs 40μl을 떨어뜨려 1시간 동안 자기 조립하였다. 다음으로, 120℃ 온도에 기판을 2시간 동안 어닐링하였다. 어닐링이 완료된 기판을 자석 위에 놓고 금속 마스크를 올려 패터닝 할 부분을 제외한 나머지 부분을 가린다. 패턴을 만들 부분에 UV/Ozone을 45분간 노출시켜 그래핀과 ODTS SAMs을 제거시켜 UV/Ozone 처리된 ODTS SAMs/그래핀을 제조하였다.

시험제조예 3: 그래핀이 전사된 PET 기판 샘플

2.5cm x 2.5cm 크기의 PET 기판을 아세톤에 넣고 20분 동안 초음파 처리한 수, IPA에 기판을 넣고 초음파 처리를 하여 기판을 세척하였다. 다음으로, 증류수 200ml 와 과산화황산암모늄(Ammonium persulfate) 2.282g을 혼합하여 Cu 에칭 용액을 제조하였다. 이후, 1cm x 0.5cm 크기의 Cu/그래핀/PMMA(CVD그래핀)의 Cu 부분이 제조된 Cu 에칭 용액과 닿도록 넣어 2시간 동안 Cu를 에칭하였다. Cu가 에칭된 그래핀/PMMA를 증류수에 담그어 30분간 세척하였다. 세척한 PET 기판을 그래핀/PMMA가 담긴 증류수에 비스듬히 넣어 그래핀/PMMA를 PET기판 위에 위치시킨 후, 질소 바람을 수직방향으로 불어줘 PET기판과 그래핀/PMMA 사이에 있는 물을 밖으로 빼주고 건조하였다. 그 후 80℃ 온도에서 하루 동안 건조시키고, 4시간 동안 아세톤에 담가 PMMA를 에칭하여 그래핀이 전사된 PET 기판을 제조하였다.

시험제조예 4: ODTS SAMs/그래핀 포함하는 PET 기판 샘플

그래핀이 전사된 PET 기판 상에 Ti/Au 증착을 통하여 와이어 링을 위한 전극을 밖으로 빼주었다. 그 후 톨루엔(Toluene) 20ml에 기판을 넣고 기판의 바로 위를 피해서 ODTS SAMs 40μl을 떨어뜨려 1시간 동안 자기 조립하였다. 다음으로, 120℃ 온도에 기판을 2시간 동안 어닐링하여 ODTS SAMs/그래핀 기판을 제조하였다.

기판의 상태에 따른 수접촉각 측정

시험제조예 2에 따라 제조된 그래핀/ODTS SAMs+UV/Ozone 처리기판, 시험제조예 3의 그래핀 기판 및 시험제조예 4에 따라 제조된 그래핀/ODTS SAMs 기판 및 의 표면에너지 차이를 접촉각측정기(SEO Phoenix 300 Touch)를 이용하여 분석하여 표면에너지 차이를 이용해서 이온성 액체를 패터닝 시킬 수 있는지를 분석하였다.

도 11을 참조하면, 시험제조예 3의 그래핀 기판의 수접촉각은 약 85°정도였고, 시험제조예 4에 따라 제조된 그래핀/ODTS SAMs 표면처리 기판은 104.5°로 매우 작은 표면에너지를 보였다. 이는 그래핀 위에 코팅된 ODTS SAMs가 소수성을 갖기 때문인 것으로 판단된다. 시험제조예 2에 따라 제조된 그래핀/ODTS SAMs+UV/Ozone 처리기판의 수접촉각은 약 22°로 표면에너지가 매우 커진 것을 확인할 수 있었다. 이는 UV/Ozone 처리함에 따라 그래핀/ODTS SAMs가 제거되어 친수성이 갖는 PET기판에 이온성 액체가 접촉되기 때문인 것으로 판단된다.

따라서, UV/Ozone 표면처리가 ODTS SAMs의 표면 특성에 큰 영향을 미치는 것을 알 수 있었다.

시험예 8: 라만 분광 분석

시험제조예 5: 그래핀이 전사된 SiO ₂ /Si 기판 샘플

2.5cm x 2.5cm 크기의 SiO₂/Si 기판을 아세톤에 넣고 20분 동안 초음파 처리한 수, IPA에 기판을 넣고 초음파 처리를 통해 기판을 세척하였다. 다음으로, 증류수 200ml 와 과산화황산암모늄(Ammonium persulfate) 2.282g을 혼합하여 Cu 에칭 용액을 제조하였다. 이후, 1cm x 0.5cm 크기의 Cu/그래핀/PMMA(CVD그래핀)의 Cu 부분이 제조된 Cu 에칭 용액과 닿도록 넣어 2시간 동안 Cu를 에칭하였다. Cu가 에칭된 그래핀/PMMA를 증류수에 담그어 30분간 세척하였다. 세척한 SiO₂/Si 기판을 그래핀/PMMA가 담긴 증류수에 비스듬히 넣어 그래핀/PMMA를 PET기판 위에 위치시킨 후, 질소 바람을 수직방향으로 불어줘 SiO₂/Si 기판과 그래핀/PMMA 사이에 있는 물을 밖으로 빼주고 건조하였다. 그 후 80℃ 온도에서 하루 동안 건조시키고, 4시간 동안 아세톤에 담가 PMMA를 에칭하여 그래핀이 전사된 SiO₂/Si 기판을 제조하였다.

시험제조예 6: ODTS SAMs/그래핀 포함하는 SiO ₂ /Si 기판 샘플

그래핀이 전사된 PET 기판 대신에 그래핀이 전사된 SiO₂/Si 기판을 사용한 것을 제외하고 시험제조예 4와 동일한 방법으로 ODTS SAMs/그래핀 포함하는 SiO₂/Si 기판을 제조하였다.

시험제조예 7: UV/Ozone 처리된 그래핀이 전사된 SiO ₂ /Si 기판 샘플

그래핀이 전사된 SiO₂/Si 기판 상에 Ti/Au 증착을 통하여 와이어 링을 위한 전극을 밖으로 빼주었다. 기판을 자석 위에 놓고 금속 마스크를 올려 패터닝 할 부분을 제외한 나머지 부분을 가린다. 패턴을 만들 부분에 UV/Ozone을 30분간 노출시켜 그래핀과 ODTS SAMs을 제거시켜 UV/Ozone 처리된 그래핀을 제조하였다.

시험제조예 8: UV/Ozone 처리된 ODTS SAMs / 그래핀 포함하는 SiO ₂ / Si 기판 샘플

그래핀이 전사된 PET 기판 대신에 그래핀이 전사된 SiO₂/Si 기판을 사용한 것을 제외하고는 시험제조예 2와 동일한 방법으로 UV/Ozone 처리된 ODTS SAMs/그래핀 포함하는 SiO₂/Si 기판을 제조하였다

UV/Ozone 처리에 따른 라만 분광법

도 12는 시험제조예 5 내지 8의 샘플을 이용하여 UV/Ozone 노출량에 따른 그래핀 표면 분석을 위해 라만 분광법을 이용하여 분석한 Raman shift 결과는 나타낸 것이다.

참고로, 그래핀은 1,580cm^-1에서 G 피크가 나타나게 되고, 2,670cm^-1에서 2D 피크가 나타난다. 또 결함(defect)이 없는 그래핀일 경우 1,360cm^-1에서 D 피크가 거의 나타나지 않는다.

도 12를 참고하면, 시험제조예 5에 따라 제조된 UV/Ozone이 노출되지 않은 그래핀의 경우에는 D 피크가 거의 나타나지 않는 것을 확인할 수 있었으며, 이는 결함(defect)이 없는 그래핀인 것을 나타내었다. 하지만 시험제조예 5에 따라 UV/Ozone을 30분간 노출시킨 그래핀 기판의 경우 D 피크가 매우 높아져 있어 defect가 많이 생긴 것을 알 수 있었다. 또한, 시험제조예 8에 따라 제조된 그래핀/ODTS SAMs+UV/Ozone을 포함하는 기판은 ODTS SAMs을 제거하고 들어가 그 아래에 위치한 그래핀도 없애 그래핀 피크가 완전히 없어진 것을 볼 수 확인할 수 있었다.

따라서, UV/Ozone이 ODTS SAMs와 그래핀 모두를 제거하는 것을 확인할 수 있었다.

시험예 9: 공기-이온성 액체 전환점 분석

도 13은 실시예 1 및 2의 정전용량형 압력센서의 정전용량 변화를 측정하여 이온성 액체의 크기에 따른 공기-이온성 액체 전환점을 분석한 결과를 나타낸 것이다.

도 13을 참고하면, 실시예 1 및 실시예 2에 따라 제조된 정전용량형 압력센서는 저압과 고압에서의 작동 시스템이 다르기 때문에 중간 경계에서 전환점이 나타나며, 이온성 액체 패턴 크기를 크게 할수록 정전용량 전환 값이 커지는 것을 확인할 수 있었다. 이러한 결과가 나타나는 것은 이온성 액체와 전극과의 접촉 면적이 증가하기 때문인 것으로 판단된다.

하기 표 1은 실시예 1, 실시예 2 및 시험제조예 1의 정전용량형 압력센서의 구성요소와 시험제조예 2 내지 시험제조예 8의 샘플의 구성요소를 정리하여 나타낸 것이다.

구분		하판							상판
구분		기판	그래핀	소수성층(ODTS SAMs)	UV/Ozone처리	PDMS	이온성 액체		상판
압력센서	실시예 1	PET	O	O	O	X	O(400㎛)	O	O
	실시예 2	PET	O	O	O	X	O(600㎛)	O	O
	시험제조예 1	PET	O	O	O	O	O	O	O
샘플	시험제조예 2	PET	O	O	O	X	O	-	-
	시험제조예 3	PET	O	X	X	X	O	-	-
	시험제조예 4	PET	O	O	X	X	O	-	-
	시험제조예 5	SiO₂/Si	O	X	X	X	O	-	-
	시험제조예 6	SiO₂/Si	O	O	X	X	O	-	-
	시험제조예 7	SiO₂/Si	O	X	O	X	O	-	-
	시험제조예 8	SiO₂/Si	O	O	O	X	O	-	-

본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

Claims

정전용량형 압력센서에 있어서, 제1 기판; 상기 제1 기판 상에 위치하고, 관통홀(through hole)을 갖는 제1 그래핀을 포함하는 제1 전극;
상기 제1 기판의 반대 방향의 상기 관통홀 입구에서 외부로 볼록한 형상을 갖고, 상기 제1 기판에 접하고, 상기 관통홀의 내부에 위치하는 이온성 액체를 포함하는 활성층;
상기 활성층 상에 위치하고, 상기 활성층과 이격하여 위치하는 제2 그래핀을 포함하는 제2 전극; 및
상기 제2 전극 상에 위치하는 제2 기판; 을 포함하고,
상기 정전용량형 압력센서가 스페이서를 추가로 포함하고,
상기 스페이서가 제1 기판과 제2 기판 사이에 위치하고, 상기 활성층과 이격하여 상기 활성층의 일부 또는 전부를 둘러싸고,
상기 스페이서의 두께(t)가 상기 관통홀 입구로부터 상기 이온성 액체의 볼록한 형상의 꼭대기까지의 높이(h) 보다 큰 것(t>h)이고,
상기 스페이서가 포토리지스트, 폴리테트라플루오로에틸렌, 폴리이미드, 폴리아미드, 폴리에스터, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리우레탄, 폴리디메틸실록산(polydimethylsiloxane), 폴리아크릴레이트, 폴리아릴레이트, 섬유강화 플라스틱, 폴리비닐아세테이트, 폴리에틸렌 테레프타레이트 및 그들의 조합 중에서 선택된 1종 이상을 포함하고,
상기 제1 기판의 수접촉각이 상기 제2 전극의 수접촉각 보다 작은 것이고,
상기 제1 기판의 표면에너지가 상기 제1 그래핀의 표면에너지 보다 높은 것이고,
상기 이온성 액체가 지방족계 이온성 액체, 이미다졸륨계 이온성 액체 및 피리디늄계 이온성 액체 중에서 선택된 1종 이상이고,
상기 정전용량형 압력센서는 상기 제2 전극이 상기 이온성 액체와 이격하여 위치하는 압력에서 상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이에 존재하는 공기의 정전용량을 감지하고,
상기 정전용량형 압력센서는 상기 제2 전극이 상기 이온성 액체와 접촉하는 높은 압력에서 상기 이온성 액체의 정전용량을 감지하고,
상기 정전용량형 압력센서가 공기의 정전용량을 감지하거나 또는 이온성 액체의 정전용량을 감지하는 이중모드 압력센서인 것인 정전용량형 압력센서.
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제1항에 있어서,
상기 제1 및 제2 기판이 각각 독립적으로 폴리테트라플루오로에틸렌, 폴리이미드, 폴리아미드, 폴리에스터, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리우레탄, 폴리디메틸실록산(polydimethylsiloxane), 폴리아크릴레이트, 폴리아릴레이트, 섬유강화 플라스틱, 폴리비닐아세테이트, 폴리에틸렌 테레프타레이트 및 그들의 조합 중에서 선택된 1종 이상인 것을 특징으로 하는 정전용량형 압력센서.
제1항에 있어서,
상기 정전용량형 압력센서가 상기 제1 기판의 반대 방향으로 제1 전극 상에 제1 소수성층 또는 상기 제2 기판의 반대 방향으로 제2 전극 상에 제2 소수성층을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 정전용량형 압력센서.
제1항에 있어서,
상기 제1 및 제2 소수성층이 각각 독립적으로 octadecyltrichlorosilane(ODTS) self-assembled monolayers (SAMs), Perfluorodecyltrichlorosilane (FDTS) self-assembled monolayers (SAMs) 및 기타 소수성 초박막층 중에서 선택된 1종 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 정전용량형 압력센서.
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제1항의 정전용량형 압력센서를 포함하는 전자피부.
(a) 기판을 준비하는 단계;
(b) 상기 기판 상에 그래핀을 적층하여 그래핀 전극/기판 적층체를 제조하는 단계;
(c) 상기 그래핀 전극/기판 적층체의 그래핀을 패터닝하여 관통홀을 갖는 제1 그래핀을 포함하는 제1 전극/제1 기판 적층체를 제조하는 단계;
(d) 상기 관통홀에 이온성 액체를 코팅시켜 관통홀에 이온성 액체를 갖는 활성층을 포함하는 활성층/제1 전극/제1 기판 적층체를 제조하는 단계;
(e) 상기 단계 (b)의 그래핀 전극/기판 적층체를 제2 전극/제2 기판 적층체로 사용하고, 상기 활성층/제1 전극/제1 기판 적층체의 제1 전극 상에 상기 활성층과 이격하여 위치하도록 제2 전극/제2 기판 적층체의 제2 전극을 위치시켜 정전용량형 압력센서를 제조하는 단계; 및
(e') 제1 기판과 제2 기판 사이에 위치하고, 상기 활성층과 이격하여 상기 활성층의 일부 또는 전부를 둘러싸는 스페이서(spacer)를 제조하는 단계; 를 포함하고,
상기 스페이서의 두께(t)가 상기 관통홀 입구로부터 상기 이온성 액체의 볼록한 형상의 꼭대기까지의 높이(h) 보다 큰 것(t>h)이고,
상기 스페이서가 포토리지스트, 폴리테트라플루오로에틸렌, 폴리이미드, 폴리아미드, 폴리에스터, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리우레탄, 폴리디메틸실록산(polydimethylsiloxane), 폴리아크릴레이트, 폴리아릴레이트, 섬유강화 플라스틱, 폴리비닐아세테이트, 폴리에틸렌 테레프타레이트 및 그들의 조합 중에서 선택된 1종 이상을 포함하고,
상기 제1 기판의 수접촉각이 상기 제2 전극의 수접촉각 보다 작은 것이고,
상기 제1 기판의 표면에너지가 상기 제1 그래핀의 표면에너지 보다 높은 것이고,
상기 이온성 액체가 지방족계 이온성 액체, 이미다졸륨계 이온성 액체 및 피리디늄계 이온성 액체 중에서 선택된 1종 이상인 것인 제1항에 따른 정전용량형 압력센서의 제조방법.
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제14항에 있어서,
단계 (b) 이후,
(b') 상기 그래핀 전극/기판 적층체의 그래핀 상에 소수성층을 코팅시켜 소수성층/그래핀 전극/기판 적층체를 제조하는 단계; 를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 정전용량형 압력센서의 제조방법.
제14항에 있어서,
단계 (c)가
(c-1) 상기 그래핀 전극/기판 적층체의 그래핀 상에 패터닝할 부분을 제외한 나머지 부분을 가리는 마스크를 적층하는 단계;
(c-2) 상기 (c-1)의 결과물에 UV/Ozone처리하고 패터닝할 부분의 그래핀을 제거하여 상기 그래핀 전극을 패터닝하는 단계; 및
(c-3) 상기 마스크를 제거하여 관통홀을 갖는 패턴을 포함하는 그래핀 전극/기판 적층체를 제조하는 단계; 를
포함하는 것을 특징으로 하는 정전용량형 압력센서의 제조방법.
제16항에 있어서,
단계 (c)가
(c-1) 상기 소수성층/그래핀 전극/기판 적층체의 소수성층 상에 패터닝할 부분을 제외한 나머지 부분을 가리는 마스크를 적층하는 단계;
(c-2) 상기 (c-1)의 결과물에 UV/Ozone처리하고 패터닝할 부분의 소수성층과그래핀을 제거하여 상기 그래핀 전극을 패터닝하는 단계; 및
(c-3) 상기 마스크를 제거하여 관통홀을 갖는 패턴을 포함하는 소수성층/그래핀 전극/기판 적층체를 제조하는 단계; 를
포함하는 것을 특징으로 하는 정전용량형 압력센서의 제조방법.