KR101900675B1 - 가요성 응력계의 제조 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 가요성 응력계의 제조 방법을 공개한다. 이 방법은 (a) 유연성 기판 상부면에 전도성 고분자 물질을 스트라이프 형태로 인쇄 하여 양측에 상기 유연성 기판의 상부면을 노출시키는 단계; (b) 상기 전도성 고분자 물질의 상부면의 양측 영역 및 상기 노출된 유연성 기판의 상부면에 금속 패드를 테이핑하는 단계; (c) 중앙 부분은 상기 전도성 고분자 물질의 상부면이 노출되게 하고 양측 부분은 금속 패드를 노출시키는 단계; (d) 상기 노출된 전도성 고분자 물질의 상부면에 보호층을 적층하고 열처리하는 단계; 및 (e) 상기 유연성 기판 하부면에 탄성막을 접합하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다. 본 발명에 의할 경우, 보호층 및 열처리 공정을 통해 습도 및 환경으로부터의 영향을 최소화하고, 탄성막을 통해 응력계의 탄성을 극대화시킬 수 있다. 또한, 실리콘 재료와 비교할 때 유연성 및 내구성이 향상되고, 제조 원가가 낮은 인쇄 공정을 이용하므로 대면적 및/또는 1 회용의 감지 용도로 다양한 분야에서 활용 가능하여 생산성이 향상된다.

Description

가요성 응력계의 제조 방법{A manufacturing method of a flexible strain gauge}

본 발명은 응력계의 제조 방법에 관한 것으로서, 특히 압력 센서 및 촉각 센서의 유연성 소자로서, 인장 또는 수축하는 방향으로 변형시 저항의 변화율을 감지하여 응력계의 휘는 방향을 인식할 수 있는 가요성 응력계의 제조 방법에 관한 것이다.

최근 유비쿼터스 시대로 변화됨에 따라 플렉시블(flexible) 디스플레이, 인공 전자 피부, 종이 IC 카드 등 경량화, 간편화, 휴대성 등의 강점을 가지고 인간 생활에 쉽게 적용이 가능한 전자 소자에 대한 개발의 중요성이 커지고 있다.

그 중 유연성이 있는 종이나 플라스틱은 가격이 싸며, 쉽게 구할 수 있고, 얇고 유연하며 기존의 금속이나 실리콘 기판에 비해 쉽게 사용하고 폐기할 수 있다는 장점이 있다.

이로 인해 종이나 플라스틱 기반의 전자 장치에 대한 연구가 큰 관심을 받고 있으며, 유연성 기반의 트랜지스터, 배터리, 안테나, 센서, RFID, 터치패드가 연구되어왔다.

하지만, 종이나 플라스틱 기반의 전자 장치는 대부분 복잡한 공정으로 제작이 되거나, 인체와 환경에 유해한 액체 금속을 필요로 한다는 단점이 있다.

한편, 종래의 포토리소그래피 기술은 높은 노광 설비 비용, 복잡한 공정, 환경 오염, 공정에 소요되는 많은 양의 재료 손실 등의 문제점을 가지고 있었다.

반면, 잉크젯 프린팅 방식의 직접 인쇄 공정 기술은 프린팅 공정과 소결 공정만으로 구성되어 복잡한 공정 없이 패턴 형성이 가능하여 시간이나 공정 비용 면에서도 효율적이고, 친환경적인 장점이 있다.

인쇄 전자(Printed electronics)란 프린팅 공정 기법으로 만들어진 전자 소자 또는 전자 제품으로서, 고난도로 제조되는 기술이 아닌 저가의 기판 위에서 자동화된 공정으로 프린팅되는 소자를 말하며, 최근에 잉크젯 프린팅 방식과 같이 적은 비용으로 유연한 기판에 제작이 용이한 기술에 대한 관심이 높아지고 있다.

일반적으로 압력이란 임의의 면에 수직으로 작용하는 유체 또는 기체에 의한 단위 면적당 힘의 크기를 말하는데, 이때 작용하는 단위 면적당 가해지는 압력은 모두 같다. 이러한 압력을 측정하여 전기적 신호 또는 기계적 신호로 바꾸는 센서를 압력 센서라 한다.

보통 도체 또는 반도체에 외력을 가하면 이에 대항하는 내부 응력에 의해서 물체의 전기 저항이 변화하는 현상을 압저항 효과라고 부르는데, 압력 센서 중 가장 먼저 개발된 압력 센서가 압저항 효과를 이용한 압저항형(pizoresistive) 압력 센서이다.

압저항형 압력 센서의 일종인 응력계(strain gauge)는 금속 또는 반도체의 저항체에 변형이 가해지면 그 저항값이 변화하는 압력 저항효과를 이용한 것으로서, 하중, 압력, 토크, 기타 응력의 측정 등의 용도로 사용되고 있다.

또한, 금속 박막형 응력계나 금속 박막형 유연성 압력 센서는 자동차 엔진의 유압뿐 아니라 일반 산업용 압력계측 등 저압에서 고압에 이르기까지 넓은 범위의 압력, 특히 고정밀도를 요하는 압력 측정용으로 사용된다.

그런데, 현재까지 개발된 실리콘 기반의 압력 센서/촉각 센서는 분해능이 뛰어나고 성능이 우수한 장점이 있는 반면, 실리콘 재료의 깨짐이나 유연하지 않은 특성 때문에 내구성이 약한 단점이 있었다.

이러한 이유로 유연 소자로서 폴리머 기반의 압력 센서/촉각 센서가 개발되어 대면적 구현이 가능하고 유연성을 확보할 수 있는 장점이 있으나, 폴리머 기반 압력 센서/촉각 센서의 경우 구조적으로 외부 환경에 취약하며 실리콘 센서에 비해 감도가 낮아서 민감한 감지 능력에는 한계가 있었다.

기계적으로 굽힘이 자유로운 센서인 유연성 압력 센서가 지금까지는 특별한 용도로 사용되기 위해 제작되고 있으나, 최근에 웨어러블 기기나 플렉시블 기기가 보편화되는 추세에 따라 앞으로는 일상 생활에 자주 등장하는 센서의 유형이 될 전망이다.

유연성 압력 센서는 매우 다양한 분야에서 기존의 딱딱한 센서를 대체하는 용도뿐 아니라, 대면적의 감지 영역이 필요하거나 1회용으로 간단히 사용할 수 있는 분야 등의 새로운 분야에서의 사용도 증가하는 추세이다.

이러한 측면에서, 유연성 압력 센서를 제작하는 공정 방법으로서, 다양한 종류의 플라스틱 기판을 사용해 대면적으로 제작하기에 적합하고, 다른 공정 방법과 비교할 때 제조 원가가 저렴한 장점을 가지는 인쇄 공정이 매우 적절하다고 볼 수 있다.

이에, 본 발명자들은 웨어러블 기기나 플렉시블 기기가 보편화되는 최근의 추세에 따라 압력 센서 및 촉각 센서의 유연성 소자로서, 제조 공정이 간단하고 친환경적이며 제조 원가가 낮은 인쇄 공정을 이용하여 대면적 및/또는 1 회용의 감지 용도로 다양한 분야에서 활용 가능하고, 실리콘 재료와 비교할 때 유연성 및 내구성이 우수한 가요성 응력계의 제조 방법을 착안하기에 이르렀다.

JP 5635981B2

본 발명의 목적은 웨어러블 기기나 플렉시블 기기가 보편화되고 있는 최근의 추세에 따라 압력 센서 및 촉각 센서의 유연성 소자로서, 인장 또는 수축하는 방향으로 변형시 저항의 변화율을 감지하여 응력계의 휘는 방향을 인식할 수 있는 가요성 응력계의 제조 방법을 제공하는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 가요성 응력계의 제조 방법은 (a) 유연성 기판 상부면에 전도성 고분자 물질을 스트라이프 형태로 인쇄 하여 양측에 상기 유연성 기판의 상부면을 노출시키는 단계; (b) 상기 전도성 고분자 물질의 상부면의 양측 영역 및 상기 노출된 유연성 기판의 상부면에 금속 패드를 테이핑하는 단계; (c) 중앙 부분은 상기 전도성 고분자 물질의 상부면이 노출되게 하고 양측 부분은 금속 패드를 노출시키는 단계; (d) 상기 노출된 전도성 고분자 물질의 상부면에 보호층을 적층하고 열처리하는 단계; 및 (e) 상기 유연성 기판 하부면에 탄성막을 접합하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 가요성 응력계의 제조 방법의 상기 (a) 단계는 잉크젯 프린팅 기법 중 압전 방식으로 인쇄하는 것을 특징으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 가요성 응력계의 제조 방법의 상기 잉크젯 프린팅 기법은 반도체 고농도 전도성 고분자(PEDOT:PSS)에 에틸렌 글리콜 및 에탄올을 혼합하여 제조한 잉크를 사용하는 것을 특징으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 가요성 응력계의 제조 방법의 상기 유연성 기판은 상기 폴리에스테르 필름 및종이 중 어느 하나를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 가요성 응력계의 제조 방법의 상기 전도성 고분자 물질은 반도체 고농도 전도성 고분자(PEDOT:PSS)를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 가요성 응력계의 제조 방법의 상기 금속 패드의 재질은 구리, 알루미늄 및 금 중 어느 하나를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 가요성 응력계의 제조 방법의 상기 보호층은 열용융형 접착제를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 가요성 응력계의 제조 방법의 상기 열용융형 접착제는 썰린을 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 가요성 응력계의 제조 방법의 상기 보호층은 열압착 필름 소재를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 가요성 응력계의 제조 방법의 상기 열압착 필름 소재는 폴리이미드를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 가요성 응력계의 제조 방법의 상기 탄성막은 아크릴 기판 및 금속 박판 중 어느 하나를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 가요성 응력계의 제조 방법은 (a) 유연성 기판 상부면에 반도체 고농도 전도성 고분자를 스트라이프 형태로 인쇄하여 양측에 상기 유연성 기판의 상부면을 노출시키는 단계; (b) 상기 인쇄된 반도체 고농도 전도성 고분자의 상부면의 양측 영역 및 상기 노출된 유연성 기판의 상부면에 금속 패드를 테이핑하는 단계; (c) 중앙 부분은 상기 반도체 고농도 전도성 고분자의 상부면이 노출되게 하고 양측 부분은 금속 패드를 노출시키는 단계; (d) 상기 노출된 반도체 고농도 전도성 고분자의 상부면에 보호층을 적층하고 열처리하는 단계; 및 (e) 상기 유연성 기판 하부면에 탄성막을 접합하는 단계;를 포함하고, 상기 반도체 고농도 전도성 고분자는 반도체 폴리머 체인 성분(PEDOT)과 억셉터 성분(PSS)으로 구성되어, 상기 억셉터 성분(PSS) 간의 거리에 따라 저항 값이 변화되는 것을 특징으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 가요성 응력계의 제조 방법은 (a) 유연성 기판 상부면에 반도체 고농도 전도성 고분자를 스트라이프 형태로 인쇄하여 양측에 상기 유연성 기판의 상부면을 노출시키는 단계; (b) 상기 인쇄된 반도체 고농도 전도성 고분자의 상부면의 양측 영역 및 상기 노출된 유연성 기판의 상부면에 금속 패드를 테이핑하는 단계; (c) 중앙 부분은 상기 반도체 고농도 전도성 고분자의 상부면이 노출되게 하고 양측 부분은 금속 패드를 노출시키는 단계; (d) 상기 노출된 반도체 고농도 전도성 고분자의 상부면에 보호층을 적층하고 열처리하는 단계; 및 (e) 상기 유연성 기판 하부면에 탄성막을 접합하는 단계;를 포함하고, 상기 반도체 고농도 전도성 고분자가 인장하는 방향으로 변형시 저항이 증가되고, 상기 반도체 고농도 전도성 고분자가 수축하는 방향으로 변형시 저항이 감소되어 상기 가요성 응력계의 휘는 방향이 인식되는 것을 특징으로 한다.

기타 실시예의 구체적인 사항은 "발명을 실시하기 위한 구체적인 내용" 및 첨부 "도면"에 포함되어 있다.

본 발명의 이점 및/또는 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 각종 실시예를 참조하면 명확해질 것이다.

그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 각 실시예의 구성만으로 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로도 구현될 수도 있으며, 단지 본 명세서에서 개시한 각각의 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구범위의 각 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐임을 알아야 한다.

본 발명에 의할 경우, 보호층 및 열처리 공정을 통해 습도 및 환경으로부터의 영향을 최소화하고, 탄성막을 통해 응력계의 탄성을 극대화시킬 수 있다.

또한, 실리콘 재료와 비교할 때 유연성 및 내구성이 향상되고, 제조 공정이 간단하고 친환경적이며 제조 원가가 낮은 인쇄 공정을 이용하므로 대면적 및/또는 1 회용의 감지 용도로 다양한 분야에서 활용 가능하여 생산성이 향상된다.

도 1은 본 발명에 따른 가요성 응력계의 제조 방법을 나타내는 순서도이다.
도 2는 도 1에 도시된 본 발명에 따른 제조 방법의 시간의 경과에 따른 공정도이다.
도 3은 도 1에 도시된 본 발명에 따라 제조된 가요성 응력계의 동작 원리를 설명하기 위한 내부 확대도이다.
도 4는 도 1에 도시된 본 발명에 따라 제조된 가요성 응력계의 실험 결과, 길이의 변화에 따른 저항 변화율을 나타낸 그래프이다.
도 5는 도 1에 도시된 본 발명에 따라 제조된 가요성 응력계의 실험 결과, 길이의 변화에 따른 저항 변화율을 나타낸 표이다.
도 6은 도 1에 도시된 본 발명에 따라 제조된 가요성 응력계의 제원 및 실험 결과 데이터에 대한 표이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

본 발명을 상세하게 설명하기 전에, 본 명세서에서 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 무조건 한정하여 해석되어서는 아니되며, 본 발명의 발명자가 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해서 각종 용어의 개념을 적절하게 정의하여 사용할 수 있고, 더 나아가 이들 용어나 단어는 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야 함을 알아야 한다.

즉, 본 명세서에서 사용된 용어는 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하기 위해서 사용되는 것일 뿐이고, 본 발명의 내용을 구체적으로 한정하려는 의도로 사용된 것이 아니며, 이들 용어는 본 발명의 여러 가지 가능성을 고려하여 정의된 용어임을 알아야 한다.

또한, 본 명세서에 있어서, 단수의 표현은 문맥상 명확하게 다른 의미로 지시하지 않는 이상, 복수의 표현을 포함할 수 있으며, 유사하게 복수로 표현되어 있다고 하더라도 단수의 의미를 포함할 수 있음을 알아야 한다.

본 명세서의 전체에 걸쳐서 어떤 구성 요소가 다른 구성 요소를 "포함"한다고 기재하는 경우에는, 특별히 반대되는 의미의 기재가 없는 한 임의의 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 임의의 다른 구성 요소를 더 포함할 수도 있다는 것을 의미할 수 있다.

더 나아가서, 어떤 구성 요소가 다른 구성 요소의 "내부에 존재하거나, 연결되어 설치된다"고 기재한 경우에는, 이 구성 요소가 다른 구성 요소와 직접적으로 연결되어 있거나 접촉하여 설치되어 있을 수 있고, 일정한 거리를 두고 이격되어 설치되어 있을 수도 있으며, 일정한 거리를 두고 이격되어 설치되어 있는 경우에 대해서는 해당 구성 요소를 다른 구성 요소에 고정 내지 연결시키기 위한 제 3의 구성 요소 또는 수단이 존재할 수 있으며, 이 제 3의 구성 요소 또는 수단에 대한 설명은 생략될 수도 있음을 알아야 한다.

반면에, 어떤 구성 요소가 다른 구성 요소에 "직접 연결"되어 있다거나, 또는 "직접 접속"되어 있다고 기재되는 경우에는, 제 3의 구성 요소 또는 수단이 존재하지 않는 것으로 이해하여야 한다.

마찬가지로, 각 구성 요소 간의 관계를 설명하는 다른 표현들, 즉 " ~ 사이에"와 "바로 ~ 사이에", 또는 " ~ 에 이웃하는"과 " ~ 에 직접 이웃하는" 등도 마찬가지의 취지를 가지고 있는 것으로 해석되어야 한다.

또한, 본 명세서에 있어서 "일면", "타면", "일측", "타측", "제 1", "제 2" 등의 용어는, 사용된다면, 하나의 구성 요소에 대해서 이 하나의 구성 요소가 다른 구성 요소로부터 명확하게 구별될 수 있도록 하기 위해서 사용되며, 이와 같은 용어에 의해서 해당 구성 요소의 의미가 제한적으로 사용되는 것은 아님을 알아야 한다.

또한, 본 명세서에서 "상", "하", "좌", "우" 등의 위치와 관련된 용어는, 사용된다면, 해당 구성 요소에 대해서 해당 도면에서의 상대적인 위치를 나타내고 있는 것으로 이해하여야 하며, 이들의 위치에 대해서 절대적인 위치를 특정하지 않는 이상은, 이들 위치 관련 용어가 절대적인 위치를 언급하고 있는 것으로 이해하여서는 아니된다.

더욱이, 본 발명의 명세서에서는, "…부", "…기", "모듈", "장치" 등의 용어는, 사용된다면, 하나 이상의 기능이나 동작을 처리할 수 있는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어 또는 소프트웨어, 또는 하드웨어와 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있음을 알아야 한다.

또한, 본 명세서에서는 각 도면의 각 구성 요소에 대해서 그 도면 부호를 명기함에 있어서, 동일한 구성 요소에 대해서는 이 구성 요소가 비록 다른 도면에 표시되더라도 동일한 도면 부호를 가지고 있도록, 즉 명세서 전체에 걸쳐 동일한 참조 부호는 동일한 구성 요소를 지시하고 있다.

본 명세서에 첨부된 도면에서 본 발명을 구성하는 각 구성 요소의 크기, 위치, 결합 관계 등은 본 발명의 사상을 충분히 명확하게 전달할 수 있도록 하기 위해서 또는 설명의 편의를 위해서 일부 과장 또는 축소되거나 생략되어 기술되어 있을 수 있고, 따라서 그 비례나 축척은 엄밀하지 않을 수 있다.

또한, 이하에서, 본 발명을 설명함에 있어서, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 구성, 예를 들어, 종래 기술을 포함하는 공지 기술에 대한 상세한 설명은 생략될 수도 있다.

도 1은 본 발명에 따른 가요성 응력계의 제조 방법을 나타내는 순서도이다.

도 2는 도 1에 도시된 본 발명에 따른 제조 방법의 시간의 경과에 따른 공정도이다.

도 1 및 도 2를 참조하여 본 발명에 따른 가요성 응력계의 제조 방법의 공정을 설명하면 다음과 같다.

먼저, 유연성(flexible) 기판(200) 상부면에 잉크젯 프린팅 기법으로 전도성 고분자 물질(300)을 인쇄한다(S110).

여기에서, 잉크젯 프린팅 기법은 100-120 μm 크기의 미세 잉크 방울을 원하는 위치에 기판의 손상 없이 패턴의 형태로 인쇄를 하는 공정 기술로서, 소량의 도포를 통해 재료의 낭비를 줄일 수 있는 비 접촉식 공정 방식이다.

본 발명에서는 센서의 패턴 제작을 위해 잉크젯 프린팅 기법 중 압전(Piezoelectric) 방식을 사용한다.

이때, 유연성 기판(200)으로는 폴리에스테르 필름(PET:polyethyleneterephthalate)과 같은 플라스틱 필름 및종이 등의 절연성 유연 기판이 포함되고, 전도성 고분자 물질(300)로는 반도체 고농도 전도성 고분자(PEDOT:PSS)가 포함된다.

또한, 잉크젯 프린팅에 사용되는 잉크 소재는 적당한 점도를 위해 유기 태양전지에 주로 사용되는 P형 전도성 고분자 물질(300)인 반도체 고농도 전도성 고분자(PEDOT:PSS)에 에틸렌 글리콜(Ethylene glycol)과 에탄올(Ethanol)을 혼합하여 제조하고, 인쇄 수단으로는 감지 패턴의 인쇄를 위하여 잉크젯 프린터를 사용한다.

본 발명에 사용하는 잉크젯 프린터는 50 μm 크기의 노즐을 구비하고 방향 인식형 변형 감지체인 전도성 고분자 물질(300)을 형성한다.

프린터 노즐은 -18 V(600 Hz)의 전압을 인가받아, 2 m/s의 속도로 잉크를 분사하며, 액적의 분사 간격(Drop space)은 40 μm로 최적화함으로써, 반도체 고농도 전도성 고분자(PEDOT:PSS) 패턴을 2 mm의 길이로 유연성(flexible) 기판(200) 상부면에 스트라이프 형태로 도포하여 인쇄한다.

반도체 고농도 전도성 고분자(PEDOT:PSS) 패턴이 스트라이프 형태로 인쇄되므로 도 2(a)에서 보는 바와 같이, 양측에 유연성 기판(200)의 상부면이 노출되게 한다(S120).

반도체 고농도 전도성 고분자(PEDOT:PSS)의 상부면의 양측 영역 및 노출된 유연성 기판(200)의 상부면의 양측 영역에 금속 패드(400)를 테이핑하여(S130) 도 2(b)에서 보는 바와 같이, 중앙 부분은 반도체 고농도 전도성 고분자(PEDOT:PSS)의 상부면이 노출되게 하고 양측 부분은 금속 패드(400)가 형성되게 하여(S140) 신호 추출용 전극을 형성한다.

여기에서, 금속 패드(400)의 재질로는 구리, 알루미늄 및 금 중 어느 하나일 수 있다.

노출된 반도체 고농도 전도성 고분자(PEDOT:PSS)의 상부면에 보호층(500)을 적층한 후에(S150), 열판(hot plate)에서 소정의 온도 및 소정의 시간 동안 열처리하여(S160) 보호층(500)을 용융시킴으로써 도 2(c)에서 보는 바와 같이, 중앙 부분은 보호층(500)의 상부면이 노출되게 하고 양측 부분은 금속 패드(400)가 노출되게 한다.

이때, 보호층(500)으로는 습도 및 외부에 의한 영향을 최소화하기 위하여 열용융형 접착제인 썰린(surlyn)이 사용된다.

썰린은 에틸렌과 메타크릴산의 랜덤 공중합체 카복실기를 아연 또는 나트륨 등의 금속으로 부분적 중화한 수지로서, 금속이나 에폭시 등에 쉽게 접착되고 저온에서도 유연하여 충격을 잘 견디는 소재이기 때문에 본 발명의 응력계의 재료로 쓰기에 적합하다.

썰린의 물리적 물성은 중화된 금속에 따라 결정이 되는데, 나트륨 이온형은 투명성, 내유성, 용융 접착성 등이 우수하고, 아연 이온형은 공압출시에 접착성을 좋게 한다.

또한, 보호층(500)으로서 폴리이미드(polyimide, PI)와 같은 열압착 공정이 가능한 필름 소재도 사용될 수 있다.

이와 같은 열처리 공정을 통해 외부 수분이 침투하거나 외부 환경으로부터의 영향을 방지한다.

이때, 소정의 온도는 110 내지 130 ℃로 설정 가능하고 120 ℃로 설정하는 것이 바람직하고, 소정의 시간은 8 내지 12 분으로 설정 가능하고 10 분으로 설정하는 것이 바람직하다.

열처리된 상기 적층 구조의 최하층인 유연성 기판(200) 하부면에 도 2(d)에서 보는 바와 같이, 탄성막(100)(예를 들어, 아크릴 기판)을 접합하여 소자의 탄성을 극대화시킨다(S170).

여기에서, 탄성막(100)으로는 휘었다가 복원이 가능한 탄성력이 우수한 아크릴 기판과 같은 플라스틱 소재 기판 또는 얇은 금속판을 포함한다.

도 3은 도 1에 도시된 본 발명에 따라 제조된 가요성 응력계의 동작 원리를 설명하기 위한 내부 확대도이다.

도 4는 도 1에 도시된 본 발명에 따라 제조된 가요성 응력계의 실험 결과, 길이의 변화에 따른 저항 변화율을 나타낸 그래프이다.

도 5는 도 1에 도시된 본 발명에 따라 제조된 가요성 응력계의 실험 결과, 길이의 변화에 따른 저항 변화율을 나타낸 표이다.

도 6은 도 1에 도시된 본 발명에 따라 제조된 가요성 응력계의 제원 및 실험 결과 데이터에 대한 표이다.

도 3 내지 도 6을 참조하여 본 발명에 따라 제조된 가요성 응력계의 동작 원리 및 실험 결과를 설명하면 다음과 같다.

본 발명의 제조 방법에 의해 제조된 가요성 응력계는 응력계가 휘는 형태에 따라 저항 변화가 기준 저항에서 상승하거나, 기준 저항에서 하강하는데, 이 원리를 이용하여 응력계의 휘는 방향을 인식하게 된다.

도 3에서 보는 바와 같이, 반도체 고농도 전도성 고분자(PEDOT:PSS)는 P 타입의 전도성 고분자 물질(300)로서, 반도체 폴리머 체인인 PEDOT 성분과 억셉터 역할을 하는 PSS의 양이온 성분으로 구성되어 있는데, PEDOT 간의 거리에 따라 저항 값이 변화한다.

즉, 도 3(a)에서 보는 바와 같이, 제조된 가요성 응력계의 변형 감지체인 전도성 고분자 물질(300)이 인장하는 방향으로 변형이 일어나면 변형 발생 지점의 PEDOT 간의 거리가 멀어져 전자의 이동이 원활하지 못해 저항이 증가한다.

또한, 도 3(b)에서 보는 바와 같이, 제조된 가요성 응력계의 변형 감지체인 전도성 고분자 물질(300)이 수축하는 방향으로의 변형시 변형 발생 지점의 PEDOT 간의 거리가 줄어들어 전자의 이동이 원활해져 저항이 감소한다.

실제로 디지털 버니어 캘리퍼스를 이용하여 본 발명의 제조 방법에 의해 제조된 가요성 응력계에 1 mm씩 변위(Displacement)의 변화를 주며 길이 변화에 따른 저항 특성 변화를 디지털 멀티미터로 측정한 결과, 도 4 및 도 5에서 보는 바와 같이, 응력계의 길이가 증가할수록 전체 저항이 증가하는 것을 확인할 수 있다.

즉, 본 발명의 제조 방법에 의해 제조된 가요성 응력계는 도 6에서 보는 바와 같이, 길이 변화에 따라 저항 변화율(R/R₀)이 0.75 %씩 변화 했으며, 99.87 %의 선형성을 나타내는 것으로 확인되어 방향 인식형 응력계로서 우수한 동작 특성을 가짐을 알 수 있다.

이와 같이, 본 발명은 웨어러블 기기나 플렉시블 기기가 보편화되고 있는 최근의 추세에 따라 압력 센서 및 촉각 센서의 유연성 소자로서, 인장 또는 수축하는 방향으로 변형시 저항의 변화율을 감지하여 응력계의 휘는 방향을 인식할 수 있는 가요성 응력계의 제조 방법을 제공한다.

이를 통하여, 본 발명의 가요성 응력계의 제조 방법은 보호층(500) 및 열처리 공정을 통해 습도 및 환경으로부터의 영향을 최소화하고, 탄성막(100)을 통해 응력계의 탄성을 극대화시킬 수 있다.

또한, 실리콘 재료와 비교할 때 유연성 및 내구성이 향상되고, 제조 원가가 낮은 인쇄 공정을 이용하므로 대면적 및/또는 1 회용의 감지 용도로 다양한 분야에서 활용 가능하여 생산성이 향상된다.

이상, 일부 예를 들어서 본 발명의 바람직한 여러 가지 실시예에 대해서 설명하였지만, 본 "발명을 실시하기 위한 구체적인 내용" 항목에 기재된 여러 가지 다양한 실시예에 관한 설명은 예시적인 것에 불과한 것이며, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이상의 설명으로부터 본 발명을 다양하게 변형하여 실시하거나 본 발명과 균등한 실시를 행할 수 있다는 점을 잘 이해하고 있을 것이다.

또한, 본 발명은 다른 다양한 형태로 구현될 수 있기 때문에 본 발명은 상술한 설명에 의해서 한정되는 것이 아니며, 이상의 설명은 본 발명의 개시 내용이 완전해지도록 하기 위한 것으로 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것일 뿐이며, 본 발명은 청구범위의 각 청구항에 의해서 정의될 뿐임을 알아야 한다.

100 : 탄성막
200 : 유연성 기판
300 : 전도성 고분자 물질
400 : 한 쌍의 금속 패드
500 : 보호층

Claims (13)

1. (a) 유연성 기판 상부면에 전도성 고분자 물질을 스트라이프 형태로 인쇄하여 양측에 상기 유연성 기판의 상부면을 노출시키는 단계;
   (b) 상기 전도성 고분자 물질의 상부면의 양측 영역 및 상기 노출된 유연성 기판의 상부면에 금속 패드를 테이핑하는 단계;
   (c) 중앙 부분은 상기 전도성 고분자 물질의 상부면이 노출되게 하고 양측 부분은 금속 패드를 노출시키는 단계;
   (d) 상기 노출된 전도성 고분자 물질의 상부면에 보호층을 적층하고 열처리하는 단계; 및
   (e) 상기 유연성 기판 하부면에 탄성막을 접합하는 단계;
   를 포함하고,
   상기 열처리는
   열판에서 110 내지 130 ℃의 온도 및 8 내지 12 분의 시간 동안 상기 보호층을 용융시켜, 상기 유연성 기판과 상기 탄성막에의 접합을 용이하게 하며,
   상기 보호층이 상기 노출된 전도성 고분자 물질의 상부면 영역 및 상기 노출된 금속 패드의 내측 영역에만 적층되고, 상기 노출된 금속 패드의 외측 영역에 적층되지 않아, 응력계에 가해지는 힘의 변화에 따라 변화되는 저항의 변화율이 상기 노출된 금속 패드의 외측 영역을 통해 감지되는 것을 특징으로 하는 가요성 응력계의 제조 방법.
   
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 (a) 단계는
   잉크젯 프린팅 기법 중 압전 방식으로 인쇄하는 것을 특징으로 하는,
   가요성 응력계의 제조 방법.
   
3. 제 2 항에 있어서,
   상기 잉크젯 프린팅 기법은
   반도체 고농도 전도성 고분자(PEDOT:PSS)에 에틸렌 글리콜 및 에탄올을 혼합하여 제조한 잉크를 사용하는 것을 특징으로 하는,
   가요성 응력계의 제조 방법.
   
4. 제 1 항에 있어서,
   상기 유연성 기판은
   폴리에스테르 필름 및 종이 중 어느 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는,
   가요성 응력계의 제조 방법.
   
5. 제 1 항에 있어서,
   상기 전도성 고분자 물질은
   반도체 고농도 전도성 고분자(PEDOT:PSS)를 포함하는 것을 특징으로 하는,
   가요성 응력계의 제조 방법.
   
6. 제 1 항에 있어서,
   상기 금속 패드의 재질은
   구리, 알루미늄 및 금 중 어느 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는,
   가요성 응력계의 제조 방법.
   
7. 제 1 항에 있어서,
   상기 보호층은
   열용융형 접착제를 포함하는 것을 특징으로 하는,
   가요성 응력계의 제조 방법.
   
8. 제 7 항에 있어서,
   상기 열용융형 접착제는
   썰린을 포함하는 것을 특징으로 하는,
   가요성 응력계의 제조 방법.
   
9. 삭제
10. 삭제
11. 제 1 항에 있어서,
    상기 탄성막은
    아크릴 기판 및 금속 박판 중 어느 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는,
    가요성 응력계의 제조 방법.
    
12. (a) 유연성 기판 상부면에 반도체 고농도 전도성 고분자를 스트라이프 형태로 인쇄하여 양측에 상기 유연성 기판의 상부면을 노출시키는 단계;
    (b) 상기 인쇄된 반도체 고농도 전도성 고분자의 상부면의 양측 영역 및 상기 노출된 유연성 기판의 상부면에 금속 패드를 테이핑하는 단계;
    (c) 중앙 부분은 상기 반도체 고농도 전도성 고분자의 상부면이 노출되게 하고 양측 부분은 금속 패드를 노출시키는 단계;
    (d) 상기 노출된 반도체 고농도 전도성 고분자의 상부면에 보호층을 적층하고 열처리하는 단계; 및
    (e) 상기 유연성 기판 하부면에 탄성막을 접합하는 단계;
    를 포함하고,
    상기 열처리는
    열판에서 110 내지 130 ℃의 온도 및 8 내지 12 분의 시간 동안 상기 보호층을 용융시켜, 상기 유연성 기판과 상기 탄성막에의 접합을 용이하게 하며,
    상기 보호층이 상기 노출된 반도체 고농도 전도성 고분자의 상부면 영역 및 상기 노출된 금속 패드의 내측 영역에만 적층되고, 상기 노출된 금속 패드의 외측 영역에 적층되지 않아, 응력계에 가해지는 힘의 변화에 따라 변화되는 저항의 변화율이 상기 노출된 금속 패드의 외측 영역을 통해 감지되고,
    상기 반도체 고농도 전도성 고분자는 반도체 폴리머 체인 성분(PEDOT)과 억셉터 성분(PSS)으로 구성되어, 상기 억셉터 성분(PSS) 간의 거리에 따라 저항 값이 변화되는 것을 특징으로 하는 가요성 응력계의 제조 방법.
    
13. (a) 유연성 기판 상부면에 반도체 고농도 전도성 고분자를 스트라이프 형태로 인쇄하여 양측에 상기 유연성 기판의 상부면을 노출시키는 단계;
    (b) 상기 인쇄된 반도체 고농도 전도성 고분자의 상부면의 양측 영역 및 상기 노출된 유연성 기판의 상부면에 금속 패드를 테이핑하는 단계;
    (c) 중앙 부분은 상기 반도체 고농도 전도성 고분자의 상부면이 노출되게 하고 양측 부분은 금속 패드를 노출시키는 단계;
    (d) 상기 노출된 반도체 고농도 전도성 고분자의 상부면에 보호층을 적층하고 열처리하는 단계; 및
    (e) 상기 유연성 기판 하부면에 탄성막을 접합하는 단계;
    를 포함하고,
    상기 열처리는
    열판에서 110 내지 130 ℃의 온도 및 8 내지 12 분의 시간 동안 상기 보호층을 용융시켜, 상기 유연성 기판과 상기 탄성막에의 접합을 용이하게 하며,
    상기 보호층이 상기 노출된 반도체 고농도 전도성 고분자의 상부면 영역 및 상기 노출된 금속 패드의 내측 영역에만 적층되고, 상기 노출된 금속 패드의 외측 영역에 적층되지 않아, 응력계에 가해지는 힘의 변화에 따라 변화되는 저항의 변화율이 상기 노출된 금속 패드의 외측 영역을 통해 감지되고,
    상기 반도체 고농도 전도성 고분자가 인장하는 방향으로 변형시 저항이 증가되고, 상기 반도체 고농도 전도성 고분자가 수축하는 방향으로 변형시 저항이 감소되어 가요성 응력계의 휘는 방향이 인식되는 것을 특징으로 하는 가요성 응력계의 제조 방법.

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