KR101900681B1 - 전도성 고분자 물질을 이용한 유연성 압력 센서 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 전도성 고분자 물질을 이용한 유연성 압력 센서를 공개한다. 이 장치는 내측 영역 및 양측의 외측 영역을 구비한 유연성 기판; 스트라이프 형상으로서, 패턴부 및 양측의 연결부를 구비하고 상기 유연성 기판의 상기 내측 영역 상부면에 도포되는 전도성 고분자 물질; 외측 영역의 하부면이 상기 유연성 기판의 외측 영역 상부면에 부착되고 내측 영역의 하부면이 상기 전도성 고분자 물질의 연결부에 부착되는 한 쌍의 금속 패드; 및 양측의 외측 영역의 하부면이 상기 한 쌍의 금속 패드의 내측 영역 상부면에 부착되고, 내측 영역의 하부면이 상기 전도성 고분자 물질의 패턴부 상부면에 부착되는 보호층;을 포함하고, 상기 한 쌍의 금속 패드는 상기 전도성 고분자 물질의 변형시 저항이 측정되는 신호를 추출하는 것을 특징으로 한다. 본 발명에 의할 경우, 보호층을 통해 습도 및 환경으로부터의 영향을 최소화하고, 탄성막을 통해 응력계의 탄성을 극대화시킬 수 있을 뿐 아니라, 실리콘 재료와 비교할 때 유연성 및 내구성이 향상되고, 대면적 및/또는 1 회용의 압력 감지 용도로 다양한 분야에서 활용 가능하여 생산성이 향상된다.
Description
본 발명은 압력 센서에 관한 것으로서, 특히 웨어러블 기기나 플렉시블 기기에 장착되어 전도성 고분자 물질을 통해 인장 또는 수축하는 방향으로 변형시 저항의 변화율을 측정하여 압력에 따른 변형을 정밀하게 감지하고, 보호층을 통해 습도 및 환경으로부터의 영향을 최소화하며, 탄성막을 통해 응력계의 탄성을 극대화시킬 수 있는 전도성 고분자 물질을 이용한 유연성 압력 센서를 제공한다.
일반적으로 센서는 인간의 오감에 해당하는 온도, 소리, 압력, 빛, 냄새 등의 물리 화학적 신호를 전기적 신호로 변환시켜주는 일련의 장치로서, 현재 인간의 감각 기관을 구현하기 위한 여러 센서들에 대한 연구가 활발하게 진행되고 있다.
이 중 인간의 시각, 청각, 후각 등을 대체할 센서에 관한 연구는 가시적 결과를 보이는 반면, 인간이 느끼는 압력이나 촉각을 대신할 센서에 대한 연구는 아직 미비한 상황이다.
특히, 촉각 센서는 1980년대의 로봇에 대한 연구가 한창일 때부터 연구되기 시작하여 압력에 따라 저항값이 변하는 물질이나 전도성 폴리머를 이용하거나, 금속/폴리머/금속의 캐패시터 형태의 압력 센서를 어레이화하여 압력 분포를 로봇의 손끝이나 팔에서 알 수 있도록 하기 위한 연구가 진행되어 왔다.
그러나, 현재까지 20년이 넘도록 이러한 촉각 센서가 자동화 로봇에 적용된 예는 거의 없어, 여전히 압력 센서/촉각 센서의 활용도는 매우 다양하기 때문에 연구의 중요성이 대두되고 있으며, 관련 기술 및 응용에 관한 연구가 각광을 받고 있는 추세이다.
보통 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.
일반적으로 도체 또는 반도체에 외력을 가하면 이에 대항하는 내부응력에 의해서 물체의 전기저항이 변화하는 현상을 압저항 효과라고 부르는데, 압력 센서 중 가장 먼저 개발된 압력 센서가 압저항 효과를 이용한 압저항형(pizoresistive) 압력 센서이다.
압저항 효과가 발견된 지 40년이 지난 지금도 관련 논문이나 제품이 계속 발표 또는 생산되고 있고, 가해진 힘을 측정하는 대표적인 압력 센서로 다양한 분야에서 사용되고 있다.
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.
특히, 전 세계적으로 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 연구되어 왔다.
한편, 스트레인(strain)은 변형도 또는 변형률을 나타내는 용어로서, 어느 물체가 인장 또는 압축을 받을 때 원래의 길이에서 늘어나거나 줄어든 길이를 비율로 표시한 것이다.
주로, 토목공학, 기계공학, 항공공학, 전자공학 등 구조물이나 기계 요소의 해석을 다루는 분야에서 구조물이나 기계요소가 외부의 힘을 받아 변형이 발생할 때 사용하는 용어이다.
스트레인 게이지(strain gauge), 즉 응력계는 이러한 스트레인에 의하여 구조물이 변형되는 상태와 그 양을 측정하기 위하여 구조물의 표면에 부착하는 게이지로서, 구조물이 변형되는 양을 저항으로 변화하여 측정하는 전기식 응력계와 변형되는 구조물의 거리 변화를 기계적으로 측정하는 기계식 응력계가 있다.
전기식 응력계의 소자는 저항 변화가 큰 금속을 사용하는데, 저항 변화가 큰 금속을 사용하는 경우 절연체 위에 와이어 또는 포일 형태로 저항선을 만들어서 저항을 측정한다.
이러한 응력계가 구비된 압력 센서는 금속 또는 반도체의 저항체에 변형이 가해지면 그 저항값이 변화하는 압력 저항 효과를 이용한 것으로서, 하중, 압력, 토크, 기타 응력의 측정 등의 용도로 사용되고 있다.
특히, 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.
또한, 응력계가 구비된 압력 센서를 통하여 기계 등의 고장이나 안전 사고를 방지하고, 사용자로 하여금 돌발 상황을 신속하게 인식하여 대응할 수 있도록 한다.
따라서, 압력 센서는 그 부피가 작을수록 다른 구동 파트에 영향을 안 미치고 공간 효율을 좋게 할 수 있고, 소형이면서도 그 제작이 간편하고 압력 등에 따른 변형을 정밀하게 감지할 수 있는 특징이 요구된다.
이에, 본 발명자들은 최근에 보편화되어 가고 있는 웨어러블 기기나 플렉시블 기기에 장착되어 인장 또는 수축하는 방향으로 변형시 저항의 변화율을 감지하여 기기의 휘는 방향을 정밀하게 인식함으로써, 압력 센서를 장착한 기계 등의 고장이나 안전 사고를 미연에 방지하고, 기계 사용자로 하여금 돌발 상황을 신속하게 대응시킬 수 있는 전도성 고분자 물질을 이용한 유연성 압력 센서를 착안하기에 이르렀다.
본 발명의 목적은 웨어러블 기기나 플렉시블 기기에 장착되어 인장 또는 수축하는 방향으로 변형시 저항의 변화율을 감지하여 웨어러블 기기나 플렉시블 기기의 휘는 방향을 인식할 수 있는 전도성 고분자 물질을 이용한 유연성 압력 센서를 제공하는 것이다.
또한, 소형이면서 압력에 따른 변형을 정밀하게 감지하여 압력 센서를 장착한 기계 등의 고장이나 안전 사고를 미연에 방지하고, 기계 사용자로 하여금 돌발 상황을 신속하게 인식하여 대응할 수 있는 전도성 고분자 물질을 이용한 유연성 압력 센서를 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 전도성 고분자 물질을 이용한 유연성 압력 센서는 내측 영역 및 양측의 외측 영역을 구비한 유연성 기판; 스트라이프 형상으로서, 패턴부 및 양측의 연결부를 구비하고 상기 유연성 기판의 상기 내측 영역 상부면에 도포되는 전도성 고분자 물질; 외측 영역의 하부면이 상기 유연성 기판의 외측 영역 상부면에 부착되고 내측 영역의 하부면이 상기 전도성 고분자 물질의 연결부에 부착되는 한 쌍의 금속 패드; 및 양측의 외측 영역의 하부면이 상기 한 쌍의 금속 패드의 내측 영역 상부면에 부착되고, 내측 영역의 하부면이 상기 전도성 고분자 물질의 패턴부 상부면에 부착되는 보호층;을 포함하고, 상기 한 쌍의 금속 패드는 상기 전도성 고분자 물질의 변형시 저항이 측정되는 신호를 추출하는 것을 특징으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 전도성 고분자 물질을 이용한 유연성 압력 센서는 상기 유연성 기판 하부면에 접합되어 탄성력을 증가시키는 탄성막;을 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 전도성 고분자 물질을 이용한 유연성 압력 센서는 상기 패턴부 및 상기 한 쌍의 금속 패드가 복수개인 경우, 상기 보호층은 상기 패턴부 사이의 단락 및 상기 금속 패드 사이의 단락을 방지하는 것을 특징으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 전도성 고분자 물질을 이용한 유연성 압력 센서의 상기 유연성 기판은 상기 폴리에스테르 필름 및종이 중 어느 하나를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 전도성 고분자 물질을 이용한 유연성 압력 센서의 상기 전도성 고분자 물질은 반도체 고농도 전도성 고분자(PEDOT:PSS)를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 전도성 고분자 물질을 이용한 유연성 압력 센서의 상기 금속 패드의 재질은 구리, 알루미늄 및 금 중 어느 하나를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 전도성 고분자 물질을 이용한 유연성 압력 센서의 상기 보호층은 열용융형 접착제를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 전도성 고분자 물질을 이용한 유연성 압력 센서의 상기 열용융형 접착제는 썰린을 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 전도성 고분자 물질을 이용한 유연성 압력 센서의 상기 보호층은 열압착 필름 소재를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 전도성 고분자 물질을 이용한 유연성 압력 센서의 상기 열압착 필름 소재는 폴리이미드를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 전도성 고분자 물질을 이용한 유연성 압력 센서의 상기 탄성막은 아크릴 기판 및 금속 박판 중 어느 하나를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 전도성 고분자 물질을 이용한 유연성 압력 센서는 내측 영역 및 양측의 외측 영역을 구비한 유연성 기판; 스트라이프 형상으로서, 패턴부 및 양측의 연결부를 구비하고 상기 유연성 기판의 상기 내측 영역 상부면에 도포되는 반도체 고농도 전도성 고분자; 외측 영역의 하부면이 상기 유연성 기판의 외측 영역 상부면에 부착되고 내측 영역의 하부면이 상기 반도체 고농도 전도성 고분자의 연결부에 부착되는 한 쌍의 금속 패드; 및 양측의 외측 영역의 하부면이 상기 한 쌍의 금속 패드의 내측 영역 상부면에 부착되고, 내측 영역의 하부면이 상기 반도체 고농도 전도성 고분자의 패턴부 상부면에 부착되는 보호층;을 포함하고, 상기 반도체 고농도 전도성 고분자는 반도체 폴리머 체인 성분(PEDOT)과 수용성 고분자 성분(PSS)으로 구성되어, 상기 반도체 폴리머 체인 성분(PEDOT) 간의 거리에 따라 저항 값이 변화되는 것을 특징으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 전도성 고분자 물질을 이용한 유연성 압력 센서는 내측 영역 및 양측의 외측 영역을 구비한 유연성 기판; 스트라이프 형상으로서, 패턴부 및 양측의 연결부를 구비하고 상기 유연성 기판의 상기 내측 영역 상부면에 도포되는 반도체 고농도 전도성 고분자; 외측 영역의 하부면이 상기 유연성 기판의 외측 영역 상부면에 부착되고 내측 영역의 하부면이 상기 반도체 고농도 전도성 고분자의 연결부에 부착되는 한 쌍의 금속 패드; 및 양측의 외측 영역의 하부면이 상기 한 쌍의 금속 패드의 내측 영역 상부면에 부착되고, 내측 영역의 하부면이 상기 반도체 고농도 전도성 고분자의 패턴부 상부면에 부착되는 보호층;을 포함하고, 상기 반도체 고농도 전도성 고분자가 인장하는 방향으로 변형시 저항이 증가되고, 상기 반도체 고농도 전도성 고분자가 수축하는 방향으로 변형시 저항이 감소되어 압력 센서의 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, 웨어러블 기기나 플렉시블 기기에 장착되어 전도성 고분자 물질을 통해 압력에 따른 변형을 정밀하게 감지할 수 있고, 실리콘 재료와 비교할 때 유연성 및 내구성이 향상되며, 대면적 및/또는 1 회용의 압력 감지 용도로 다양한 분야에서 활용 가능하여 제품의 생산성이 향상된다.
또한, 보호층을 통해 습도 및 환경으로부터의 영향을 최소화하고, 탄성막을 통해 응력계의 탄성을 극대화시킬 수 있다.
또한, 전도성 고분자 물질의 패턴부 또는 한 쌍의 금속 패드가 복수개인 경우, 보호층이 절연체로서 패턴부 사이의 단락 및 금속 패드 사이의 단락을 방지하여 압력 센서의 오작동을 방지함으로써 제품의 신뢰도가 향상된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전도성 고분자 물질을 이용한 유연성 압력 센서의 평면 사진이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 전도성 고분자 물질을 이용한 유연성 압력 센서의 평면도(a) 및 단면도(b)이다.
도 3은 도 1에 도시된 본 발명의 유연성 압력 센서를 디지털 버니어 캘리퍼스 및 디지털 멀티미터를 이용하여 실험하는 사진이다.
도 4는 도 3에 도시된 실험에 따른 본 발명의 유연성 압력 센서의 동작 원리를 설명하기 위한 내부 확대도이다.
도 5는 도 3에 도시된 본 발명의 유연성 압력 센서의 실험 결과, 길이의 변화에 따른 저항 변화율을 나타낸 그래프이다.
도 6은 도 3에 도시된 본 발명의 유연성 압력 센서의 실험 결과, 길이의 변화에 따른 저항 변화율을 나타낸 표이다.
도 7은 도 1에 도시된 본 발명의 유연성 압력 센서의 제원 및 실험 결과 데이터에 대한 표이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 전도성 고분자 물질을 이용한 유연성 압력 센서의 평면도(a) 및 단면도(b)이다.
도 3은 도 1에 도시된 본 발명의 유연성 압력 센서를 디지털 버니어 캘리퍼스 및 디지털 멀티미터를 이용하여 실험하는 사진이다.
도 4는 도 3에 도시된 실험에 따른 본 발명의 유연성 압력 센서의 동작 원리를 설명하기 위한 내부 확대도이다.
도 5는 도 3에 도시된 본 발명의 유연성 압력 센서의 실험 결과, 길이의 변화에 따른 저항 변화율을 나타낸 그래프이다.
도 6은 도 3에 도시된 본 발명의 유연성 압력 센서의 실험 결과, 길이의 변화에 따른 저항 변화율을 나타낸 표이다.
도 7은 도 1에 도시된 본 발명의 유연성 압력 센서의 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 발명의 일 실시예에 따른 전도성 고분자 물질을 이용한 유연성 압력 센서의 평면 사진으로서, 유연성 기판(200), 전도성 고분자 물질(300) 및 한 쌍의 금속 패드(400)를 구비한다.
도 1을 참조하여 본 발명에 따른 전도성 고분자 물질을 이용한 유연성 압력 센서의 각 구성요소의 구조 및 기능을 설명하면 다음과 같다.
유연성 기판(200)은 플렉시블(flexible)하면서 전기적 절연성이 우수한 폴리에스테르 필름(PET:polyethyleneterephthalate)과 같은 플라스틱 필름 및종이 등의 절연성 유연 기판을 포함한다.
전도성 고분자 물질(300)은 스트라이프 형상으로서, 유연성 기판(200) 상부면에 도포된다.
전도성 고분자 물질(300)로는 반도체 고농도 전도성 고분자(PEDOT:PSS)가 포함되고, 반도체 고농도 전도성 고분자(PEDOT:PSS)는 P 타입의 전도성 고분자 물질(300)로서, 반도체 폴리머 체인 성분(PEDOT)과 수용성 고분자 성분(PSS)으로 구성된다.
반도체 고농도 전도성 고분자가 인장하는 방향으로 변형시 반도체 폴리머 체인 부분(PEDOT) 간의 거리가 증가되어 저항이 증가되고, 상기 반도체 고농도 전도성 고분자가 수축하는 방향으로 변형시 반도체 폴리머 체인 부분(PEDOT) 간의 거리가 감소되어 저항이 감소되는 것을 관찰함으로써 유연성 압력 센서의 휘는 방향이 인식된다.
한 쌍의 금속 패드(400)는 유연성 기판(200) 및 전도성 고분자 물질(300)의 적층 구조의 양측에 테이프 형식으로 부착되어 신호 추출용 전극으로서 작용한다. 금속 패드(400)의 재질로는 구리, 알루미늄 및 금 중 어느 하나일 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 전도성 고분자 물질을 이용한 유연성 압력 센서의 평면도 및 단면도로서, 탄성막(100), 유연성 기판(200), 전도성 고분자 물질(300), 한 쌍의 금속 패드(400) 및 보호층(500)을 구비한다.
도 1 및 도 2를 참조하여 본 발명에 따른 전도성 고분자 물질을 이용한 유연성 압력 센서의 각 구성요소의 구조 및 기능을 설명하면 다음과 같다.
유연성 기판(200)은 양측에서 한 쌍의 금속 패드(400)와 전기적으로 연결되는 외측 영역(210)과 전도성 고분자 물질(300)이 도포되는 내측 영역(220)을 포함한다.
전도성 고분자 물질(300)은 유연성 기판(200)의 내측 영역(220) 상부면에 도포되어, 양측에서 한 쌍의 금속 패드(400)와 전기적으로 연결되어 인장 또는 수축되는 스트레인에 따라 저항값이 변화된다.
따라서, 본 발명의 유연성 압력 센서가 부착된 대상체에 스트레인, 즉 응력이 발생할 경우, 전도성 고분자 물질(300)의 저항이 변화하게 됨으로써 대상체의 응력을 측정할 수 있다.
전도성 고분자 물질(300)은 스트라이프 형상으로서 연결부(310) 및 패턴부(320)로 구성되는데, 연결부(310) 및 패턴부(320)는 길이 방향인 제1 방향으로 연장되고, 연결부(310)는 패턴부(320)의 양측에 한 쌍의 금속 패드(400)와 전기적으로 연결되는 양측 영역으로 정의된다.
연결부(310)는 패턴부(320)가 제1 방향에 수직한 제2 방향으로 수축하거나 팽창하는 것을 억제하여 패턴부(320)가 제1 방향으로 균일하게 수축 또는 팽창할 수 있도록 하는 기능도 한다.
한편, 전도성 고분자 물질(300)은 유연성 기판(200) 상부면에 잉크젯 프린팅 기법으로 인쇄되어 도포된다.
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.
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 이용하여 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.
한 쌍의 금속 패드(400)는 도 2에서 보는 바와 같이, 내측 영역(420)의 하부면이 유연성 기판(200)의 외측 영역(210)의 상부면과 물리적으로 연결되고, 외측 영역(410)의 하부면이 전도성 고분자 물질(300)의 양측 연결부(310) 각각과 중첩되어 전기적으로 연결됨으로써 신호 추출용 전극으로 기능한다.
반도체 고농도 전도성 고분자(PEDOT:PSS) 패턴이 스트라이프 형태로 인쇄되므로 도 2(a)에서 보는 바와 같이, 양측의 연결부(310)가 금속 패드(400)의 내부 면(420)과 중첩되어 전기적으로 연결되게 된다.
반도체 고농도 전도성 고분자(PEDOT:PSS)의 양측 연결부(310) 및 유연성 기판(200)의 양쪽 외측 영역(210)에 금속 패드(400)가 테이프 형태로 접촉되어 반도체 고농도 전도성 고분자(PEDOT:PSS)가 인장 또는 수축하는 방향으로 변형시 저항이 측정되는 신호 추출용 전극이 형성된다.
보호층(500)은 반도체 고농도 전도성 고분자(PEDOT:PSS)의 패턴부(320) 상부면 및 한 쌍의 금속 패드(400)의 내측 영역(420) 상부면에 적층된 후에 열판(hot plate)에서 소정의 온도 및 소정의 시간 동안 열처리되어 용융됨으로써 도 2에서 보는 바와 같이, 패턴부(320)의 상부면 및 한 쌍의 금속 패드(400)의 내측 영역(420) 상부면을 커버하게 된다.
이를 위하여, 소정의 온도는 110 내지 130 ℃로 설정 가능하고 120 ℃로 설정하는 것이 바람직하며, 소정의 시간은 8 내지 12 분으로 설정 가능하고 10 분으로 설정하는 것이 바람직하다.
이와 같은 열처리 공정을 통해 반도체 고농도 전도성 고분자(PEDOT:PSS)의 패턴부(320)에 외부 수분이 침투하거나 외부의 충격이나 이물질이 인가되는 것을 사전에 방지한다.
보호층(500)의 재질로는 열용융형 접착제인 썰린(surlyn)이나 폴리이미드(polyimide, PI)와 같은 열압착 공정이 가능한 필름 소재가 사용된다.
특히, 썰린은 에틸렌과 메타크릴산의 랜덤 공중합체 카르복실기를 아연 또는 나트륨 등의 금속으로 부분적 중화한 수지로서, 금속이나 에폭시 등에 쉽게 접착되고 저온에서도 유연하여 충격을 잘 견디는 소재이기 때문에 본 발명의 유연성 압력 센서의 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, 반도체 고농도 전도성 고분자(PEDOT:PSS)의 패턴부(320) 또는 한 쌍의 금속 패드(400)가 복수개인 경우, 보호층(500)은 절연체로서 패턴부들 사이의 단락 및 금속 패드들 사이의 단락을 방지하는 기능도 할 수 있다.
즉, 본 발명의 유연성 압력 센서의 구동 중 습기가 반도체 고농도 전도성 고분자(PEDOT:PSS)의 패턴부들 사이에 흡착되어 패턴들 사이를 전기적으로 연결시킴으로써 유연성 압력 센서의 오작동을 유발할 수 있다.
이때, 보호막은 반도체 고농도 전도성 고분자(PEDOT:PSS)의 패턴부들 사이에 절연 기능을 수행함에 따라 본 발명의 유연성 압력 센서의 오작동을 방지할 수 있다.
탄성막(100)은 도 2(b)에서 보는 바와 같이, 열처리된 적층 구조의 최하층인 유연성 기판(200) 하부면에 접합되어 소자의 탄성을 극대화시킨다.
여기에서, 탄성막(100)으로는 휘었다가 복원이 가능한 탄성력이 우수한 아크릴 기판과 같은 플라스틱 소재 기판 또는 얇은 금속 박판을 포함한다.
도 3은 도 1에 도시된 본 발명의 유연성 압력 센서를 디지털 버니어 캘리퍼스 및 디지털 멀티미터를 이용하여 실험하는 사진으로서, 길이 변화 전(a) 및 압력 센서의 확대 사진과 길이 변화 후(b)의 사진이다.
도 4는 도 3에 도시된 실험에 따른 본 발명의 유연성 압력 센서의 동작 원리를 설명하기 위한 내부 확대도이다.
도 5는 도 3에 도시된 본 발명의 유연성 압력 센서의 실험 결과, 길이의 변화에 따른 저항 변화율을 나타낸 그래프이다.
도 6은 도 3에 도시된 본 발명의 유연성 압력 센서의 실험 결과, 길이의 변화에 따른 저항 변화율을 나타낸 표이다.
도 3 내지 도 6을 참조하여 본 발명의 유연성 압력 센서의 동작 원리 및 실험 결과를 설명하면 다음과 같다.
도 3(a)는 본 발명의 유연성 압력 센서를 디지털 버니어 캘리퍼스에 장착하여 길이 방향으로 인장 또는 수축시켜 길이를 변화시키기 전의 사진으로서, 도 3(b)는 디지털 버니어 캘리퍼스에 장착된 유연성 압력 센서의 확대 사진이다.
도 3(c)는 본 발명의 유연성 압력 센서를 디지털 버니어 캘리퍼스에 장착하여 길이 방향으로 1 mm씩, 10 mm까지 인장시켜 센서의 길이 변화에 따른 저항특성 변화를 디지털 멀티미터로 측정하는 사진이다.
이때, 본 발명의 유연성 압력 센서는 압력 센서가 휘는 형태에 따라 저항 변화가 기준 저항에서 상승하거나, 기준 저항에서 하강하는데, 이 원리를 이용하여 유연성 압력 센서의 휘는 방향을 인식하게 된다.
도 4에서 보는 바와 같이, 반도체 고농도 전도성 고분자(PEDOT:PSS)는 P 타입의 전도성 고분자 물질(300)로서, 반도체 폴리머 체인인 PEDOT 성분과 수용성 고분자인 PSS 성분으로 구성되어 있는데, PEDOT 간의 거리에 따라 저항 값이 변화한다.
즉, 도 4(a)에서 보는 바와 같이, 유연성 압력 센서의 변형 감지체인 반도체 고농도 전도성 고분자(PEDOT:PSS)가 인장하는 방향으로 변형이 일어나면 변형 발생 지점의 PEDOT 간의 거리가 멀어져 전자의 이동이 원활하지 못해 저항이 증가한다.
또한, 도 4(b)에서 보는 바와 같이, 유연성 압력 센서의 반도체 고농도 전도성 고분자(PEDOT:PSS)가 수축하는 방향으로의 변형시 변형 발생 지점의 PEDOT 간의 거리가 줄어들어 전자의 이동이 원활해져 저항이 감소한다.
도 5 및 도 6에서 보는 바와 같이, 본 발명의 유연성 압력 센서에 - 4 mm 부터 10 mm 까지 1 mm씩 변위(Displacement)를 인장시켜 변위의 변화를 주며 길이 변화에 따른 저항 특성 변화를 디지털 멀티미터로 측정한 결과, 응력계의 길이가 증가할수록 전체 저항이 증가하는 것을 확인할 수 있다.
즉, 본 발명의 제조 방법에 의해 제조된 가요성 응력계는 도 7에서 보는 바와 같이, 길이 변화에 따라 저항 변화율(R/R0)이 0.75 %씩 변화했으며, 99.87 %의 선형성을 나타내는 것으로 확인되어 방향 인식형 응력계로서 우수한 동작 특성을 가짐을 알 수 있다.
그러므로, 본 발명의 유연성 압력 센서가 장착되는 자동차 엔진 등의 일반 산업용 응력계나 고정밀도를 요하는 압력계, 웨어러블 기기 등의 플렉시블 장치에서 변화하는 저항값에 따라 인장하는 방향 또는 수축하는 방향의 변형 등 방향성을 감지하게 되어, 유연성 압력 센서의 휘는 방향을 인식하게 된다.
이와 같이, 본 발명은 웨어러블 기기나 플렉시블 기기에 장착되어 인장 또는 수축하는 방향으로 변형시 저항의 변화율을 감지하여 웨어러블 기기나 플렉시블 기기의 휘는 방향을 인식하고, 압력에 따른 변형을 정밀하게 감지함으로써 압력 센서를 장착한 기계 등의 고장이나 안전 사고를 미연에 방지하고, 기계 사용자로 하여금 돌발 상황을 신속하게 인식하여 대응할 수 있는 전도성 고분자 물질을 이용한 유연성 압력 센서를 제공한다.
이를 통하여, 보호층을 통해 습도 및 환경으로부터의 영향을 최소화하고, 탄성막을 통해 응력계의 탄성을 극대화시킬 수 있을 뿐 아니라, 실리콘 재료와 비교할 때 유연성 및 내구성이 향상되고, 대면적 및/또는 1 회용의 압력 감지 용도로 다양한 분야에서 활용 가능하여 생산성이 향상된다.
또한, 전도성 고분자 물질의 패턴부 또는 한 쌍의 금속 패드가 복수개인 경우, 보호층이 절연체로서 패턴부 사이의 단락 및 금속 패드 사이의 단락을 방지하여 압력 센서의 오작동을 방지함으로써 제품의 신뢰도가 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
200 : 유연성 기판
300 : 전도성 고분자 물질
400 : 한 쌍의 금속 패드
500 : 보호층
Claims (13)
- 내측 영역 및 양측의 외측 영역을 구비한 유연성 기판;
스트라이프 형상으로서, 패턴부 및 양측의 연결부를 구비하고 상기 유연성 기판의 상기 내측 영역 상부면에 도포되는 전도성 고분자 물질;
외측 영역의 하부면이 상기 유연성 기판의 외측 영역 상부면에 부착되고 내측 영역의 하부면이 상기 전도성 고분자 물질의 연결부에 부착되는 한 쌍의 금속 패드;
양측의 외측 영역의 하부면이 상기 한 쌍의 금속 패드의 내측 영역 상부면에 부착되고, 내측 영역의 하부면이 상기 전도성 고분자 물질의 패턴부 상부면에 부착되는 보호층; 및
상기 유연성 기판 하부면에 접합되어 탄성력을 증가시키는 탄성막;
을 포함하고,
상기 보호층은
열 판에서 110 내지 130 ℃의 온도 및 8 내지 12 분의 시간 동안 용융되어, 상기 유연성 기판과 상기 탄성막에의 접합을 용이하게 하며,
상기 패턴부 상부면 영역에만 적층되고 상기 한 쌍의 금속 패드의 외측 영역에 적층되지 않아, 압력 센서에 가해지는 힘의 변화에 따라 변화되는 저항의 변화율이 상기 한 쌍의 금속 패드의 외측 영역을 통해 감지되고,
상기 패턴부 및 상기 한 쌍의 금속 패드가 복수개인 경우, 상기 패턴부 사이의 단락 및 상기 금속 패드 사이의 단락을 방지하고,
상기 한 쌍의 금속 패드는 상기 전도성 고분자 물질의 변형시 저항이 측정되는 신호를 추출하는 것을 특징으로 하는,
전도성 고분자 물질을 이용한 유연성 압력 센서.
- 삭제
- 삭제
- 제 1 항에 있어서,
상기 유연성 기판은
폴리에스테르 필름 및 종이 중 어느 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는,
전도성 고분자 물질을 이용한 유연성 압력 센서.
- 제 1 항에 있어서,
상기 전도성 고분자 물질은
반도체 고농도 전도성 고분자(PEDOT:PSS)를 포함하는 것을 특징으로 하는,
전도성 고분자 물질을 이용한 유연성 압력 센서.
- 제 1 항에 있어서,
상기 금속 패드의 재질은
구리, 알루미늄 및 금 중 어느 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는,
전도성 고분자 물질을 이용한 유연성 압력 센서.
- 제 1 항에 있어서,
상기 보호층은
열용융형 접착제를 포함하는 것을 특징으로 하는,
전도성 고분자 물질을 이용한 유연성 압력 센서.
- 제 7 항에 있어서,
상기 열용융형 접착제는
썰린을 포함하는 것을 특징으로 하는,
전도성 고분자 물질을 이용한 유연성 압력 센서.
- 삭제
- 삭제
- 제 1 항에 있어서,
상기 탄성막은
아크릴 기판 및 금속 박판 중 어느 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는,
전도성 고분자 물질을 이용한 유연성 압력 센서.
- 내측 영역 및 양측의 외측 영역을 구비한 유연성 기판;
스트라이프 형상으로서, 패턴부 및 양측의 연결부를 구비하고 상기 유연성 기판의 상기 내측 영역 상부면에 도포되는 반도체 고농도 전도성 고분자;
외측 영역의 하부면이 상기 유연성 기판의 외측 영역 상부면에 부착되고 내측 영역의 하부면이 상기 반도체 고농도 전도성 고분자의 연결부에 부착되는 한 쌍의 금속 패드;
양측의 외측 영역의 하부면이 상기 한 쌍의 금속 패드의 내측 영역 상부면에 부착되고, 내측 영역의 하부면이 상기 전도성 고분자 물질의 패턴부 상부면에 부착되는 보호층; 및
상기 유연성 기판 하부면에 접합되어 탄성력을 증가시키는 탄성막;
을 포함하고,
상기 보호층은
열 판에서 110 내지 130 ℃의 온도 및 8 내지 12 분의 시간 동안 용융되어, 상기 유연성 기판과 상기 탄성막에의 접합을 용이하게 하며,
상기 패턴부 상부면 영역에만 적층되고 상기 한 쌍의 금속 패드의 외측 영역에 적층되지 않아, 압력 센서에 가해지는 힘의 변화에 따라 변화되는 저항의 변화율이 상기 한 쌍의 금속 패드의 외측 영역을 통해 감지되고,
상기 패턴부 및 상기 한 쌍의 금속 패드가 복수개인 경우, 상기 패턴부 사이의 단락 및 상기 금속 패드 사이의 단락을 방지하고,
상기 반도체 고농도 전도성 고분자는 반도체 폴리머 체인 성분(PEDOT)과 수용성 고분자 성분(PSS)으로 구성되어, 상기 반도체 폴리머 체인 성분(PEDOT) 간의 거리에 따라 저항 값이 변화되는 것을 특징으로 하는,
전도성 고분자 물질을 이용한 유연성 압력 센서.
- 내측 영역 및 양측의 외측 영역을 구비한 유연성 기판;
스트라이프 형상으로서, 패턴부 및 양측의 연결부를 구비하고 상기 유연성 기판의 상기 내측 영역 상부면에 도포되는 반도체 고농도 전도성 고분자;
외측 영역의 하부면이 상기 유연성 기판의 외측 영역 상부면에 부착되고 내측 영역의 하부면이 상기 반도체 고농도 전도성 고분자의 연결부에 부착되는 한 쌍의 금속 패드;
양측의 외측 영역의 하부면이 상기 한 쌍의 금속 패드의 내측 영역 상부면에 부착되고, 내측 영역의 하부면이 상기 전도성 고분자 물질의 패턴부 상부면에 부착되는 보호층; 및
상기 유연성 기판 하부면에 접합되어 탄성력을 증가시키는 탄성막;
을 포함하고,
상기 보호층은
열 판에서 110 내지 130 ℃의 온도 및 8 내지 12 분의 시간 동안 용융되어, 상기 유연성 기판과 상기 탄성막에의 접합을 용이하게 하며,
상기 패턴부 상부면 영역에만 적층되고 상기 한 쌍의 금속 패드의 외측 영역에 적층되지 않아, 압력 센서에 가해지는 힘의 변화에 따라 변화되는 저항의 변화율이 상기 한 쌍의 금속 패드의 외측 영역을 통해 감지되고,
상기 패턴부 및 상기 한 쌍의 금속 패드가 복수개인 경우, 상기 패턴부 사이의 단락 및 상기 금속 패드 사이의 단락을 방지하고,
상기 반도체 고농도 전도성 고분자가 인장하는 방향으로 변형시 저항이 증가되고, 상기 반도체 고농도 전도성 고분자가 수축하는 방향으로 변형시 저항이 감소되어 압력 센서의 휘는 방향이 인식되는 것을 특징으로 하는,
전도성 고분자 물질을 이용한 유연성 압력 센서.
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| KR1020170009207A KR101900681B1 (ko) | 2017-01-19 | 2017-01-19 | 전도성 고분자 물질을 이용한 유연성 압력 센서 |
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| KR20230000754A (ko) | 2021-06-25 | 2023-01-03 | 경희대학교 산학협력단 | 감도 향상 구조를 갖는 전도성 고분자 복합재 기반 압저항 압력센서 및 그 제조방법 |
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- 2017-01-19 KR KR1020170009207A patent/KR101900681B1/ko active IP Right Grant
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