KR101946150B1 - The high-sensitive, high strain rate measuring sensor comprising nano-crack and the manufacturing method for the same - Google Patents
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Abstract
본 발명은, 비전도성이며 신축성 소재로 구성되는 제1 레이어 및 제1 레이어상에 전도성 금속으로 구비되며, 100%이상의 변형률을 측정할 수 있도록 그레인(Grain) 크기가 소정범위 내로 구성되며, 신장시 발생되는 크랙의 밀도가 소정범위 내로 구성되는 제2 레이어를 포함하는 나노크랙을 포함하는 고 변형률 측정센서에 관한 것이다.
본 발명에 따른 나노 크랙을 이용한 고 민감도, 고 변형율 측정센서, 그 제조방법 및 변형율 측정 시스템을 이용하면, 저렴하게 생산이 가능하고, 미세한 변화량의 측정이 가능하며, 변형율의 측정범위가 극대화 될 수 있는 효과가 있다.The present invention provides a semiconductor device comprising a first layer made of a nonconductive and stretchable material and a conductive metal layer formed on the first layer and having a grain size within a predetermined range so as to measure a strain of 100% And a second layer in which the density of cracks generated is within a predetermined range.
The present invention provides a high sensitivity, high strain rate measurement sensor using nano cracks, a method of manufacturing the same, and a strain measurement system that can be produced at low cost, can measure a minute change amount, There is an effect.
Description
본 발명은 나노크랙을 포함하는 변형율 측정센서 및 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 센서 자체의 길이가 신장되며 나노크랙을 이용하여 높은 인장을 측정할 수 있는 고 민감도 변형율 측정센서 및 제조방법 에 관한 것이다.The present invention relates to a strain measuring sensor including a nano crack and a manufacturing method thereof, and more particularly, to a strain gauging sensor and a manufacturing method thereof, which can measure a high tensile force by using a nano- .
변형율 측정센서는 다양한 종류가 개발되어 있다. 대표적으로 스트레인 게이지, 광섬유 센서 등이 개발되어 상업적으로 널리 사용되고 있다. 한편, 새로운 기술의 개발, 예컨대 착용가능한 전자기기, 디스플레이, 네트워크 통신기기, 휴대용 전자기기 등의 개발로 이와 관련된 인간의 움직임 검출에 대한 요구가 높아지고 있다.Various types of strain measuring sensors have been developed. Typically, strain gauges and optical fiber sensors have been developed and widely used commercially. On the other hand, the development of new technologies, such as wearable electronic devices, displays, network communication devices, portable electronic devices, etc., are increasingly demanded for human motion detection.
그러나 대한민국 공개특허 제 2013-0084832 호(2013. 7. 26. 공개) 등에 나타난 스트레인 게이지 및 광섬유 센서와 같은 변형율 센서는 인간의 움직임을 감지하기에 측정범위가 작고, 측정범위와 민감도를 모두 높일 수 없으며, 구조가 복잡하여 사람이 착용하기에는 많은 문제점이 있고, 제조비용이 비싸다는 단점이 있었다.However, strain rate sensors, such as strain gauges and optical fiber sensors, as disclosed in Korean Laid-Open Patent Application No. 2013-0084832 (published on March 26, 2013), have a small measuring range for detecting human motion and can increase both the measuring range and the sensitivity There is a disadvantage in that there are many problems to be worn by a person due to the complicated structure and the manufacturing cost is high.
본 발명은 종래의 변형율 측정센서의 협소한 측정범위, 민감도, 비싼 제조비용 등의 문제를 해결하는 나노 크랙을 이용한 변형율 측정센서, 그 제조방법 및 변형율 측정 시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.It is an object of the present invention to provide a deformation measuring sensor using a nano crack which solves the problems of a narrow measuring range, sensitivity, and expensive manufacturing cost of a conventional strain measuring sensor, a manufacturing method thereof, and a strain measuring system.
상기 과제의 해결 수단으로서 비전도성이며 신축성 소재로 구성되는 제1 레이어 및 제1 레이어상에 전도성 금속으로 구비되며, 측정범위에 따라 그레인(Grain) 크기가 소정범위 내로 구성되며, 신장시 발생되는 크랙의 밀도가 소정범위 내로 구성되는 제2 레이어를 포함하는 나노크랙을 포함하는 고 변형률 측정센서가 제공된다.As a means for solving the above-mentioned problems, there is provided a method of manufacturing a semiconductor device comprising a first layer made of a nonconductive, stretchable material and a conductive metal on the first layer, the grain having a grain size within a predetermined range according to a measurement range, And a second layer in which the density of the nano-crack is set within a predetermined range.
여기서, 제2 레이어는 제1 레이어상에서 증착시켜 생성되며, 제1 레이어상에서 그레인 크기가 커지면서 생성될 수 있다.Here, the second layer is created by depositing on the first layer, and can be generated with a larger grain size on the first layer.
그리고, 제2 레이어는 그레인 크기가 소정범위 내로 구성되며, 크랙의 밀도가 소정범위 내로 구성될 수 있도록 제1 레이어상에서 증착되는 두께를 조절하여 생성될 수 있다.The second layer may be formed by adjusting the thickness of the layer deposited on the first layer so that the grain size is within a predetermined range, and the density of the crack is within a predetermined range.
한편, 그레인 크기는 15nm 이하로 형성될 수 있다.On the other hand, the grain size can be formed to 15 nm or less.
나아가, 제2 레이어의 두께는 신장률 100%의 측정범위를 가질 때 그레인 크기가 15nm 이하로 형성될 수 있도록 25nm 이하로 형성될 수 있다.Furthermore, the thickness of the second layer may be formed to be 25 nm or less so that the grain size may be 15 nm or less when the elongation percentage is 100%.
또한, 크랙의 밀도가 1*107 개/m 이상인 경우 크랙의 폭이 5*10-8m/개 이하가 될 수 있다.Further, when the density of the crack is 1 * 10 7 / m or more, the width of the crack may be 5 * 10 -8 m / piece or less.
한편, 제2 레이어는 백금으로 구성될 수 있다.On the other hand, the second layer may be composed of platinum.
그리고, 제2 레이어는 스퍼터링을 이용하여 증착될 수 있다.And, the second layer can be deposited using sputtering.
추가로, 신축성 비전도성 재질로 구성되는 제1 레이어를 형성시키는 단계, 제1 레이어상에 스퍼터링을 이용하여 그레인 크기가 소정범위내로 이루어 질 수 있도록 두께를 조절하여 제2 레이어를 형성시키는 단계 및 제2 레이어를 신장시켜 복수의 나노크랙을 발생시키는 단계를 포함하는 나노크랙을 포함하는 고 변형률 측정센서의 제조방법이 제공될 수 있다. Forming a first layer composed of a stretchable nonconductive material, forming a second layer by adjusting a thickness of the first layer so that the grain size can be within a predetermined range by using sputtering, A method of manufacturing a high strain rate measurement sensor including a nano crack including a step of stretching two layers to generate a plurality of nano cracks can be provided.
여기서, 제2 레이어를 형성시키는 단계는, 신장률 100%의 측정범위를 가질 때 그레인 크기는 13nm 이하로 형성될 수 있도록 두께를 25nm 이하로 형성시킬 수 있다.Here, the step of forming the second layer may have a thickness of 25 nm or less so that the grain size may be 13 nm or less when the elongation percentage is 100%.
그리고, 나노크랙을 발생시키는 단계는 나노크랙의 폭을 5*10-8m 이하로 형성시킬 수 있다.And, in the step of generating nano crack, the width of nano crack can be formed to 5 * 10 -8 m or less.
한편, 그레인 크기를 조절할 수 있도록 스퍼터링의 온도 또는 압력 중 적어도 하나를 조절할 수 있도록 구성될 수 있다.On the other hand, it is possible to adjust at least one of the temperature or the pressure of the sputtering so as to adjust the grain size.
또한, 제2 레이어의 그레인 크기가 소정범위내로 형성될 수 있도록 후처리하는 단계를 더 포함할 수 있다.The method may further include post-processing such that the grain size of the second layer can be formed within a predetermined range.
본 발명에 따른 나노 크랙을 이용한 변형율 측정센서 및 그 제조방법 을 이용하면, 고 변형률의 저렴하게 생산이 가능하고, 미세한 변화량의 측정이 가능하며, 변형율의 측정범위가 60% 이상까지 극대화시킬 수 있다.By using the strain measuring sensor using nano crack according to the present invention and its manufacturing method, it is possible to produce at low cost with a high strain rate, to measure a minute change amount, and to maximize the strain measuring range to 60% or more .
도 1은 본 발명에 따른 변형율 측정센서의 사시도이다.
도 2는 본 발명에 따른 제2 레이어에 발생된 크랙을 확대하여 촬영한 사진이다.
도 3은 본 발명에 따른 제2 레이어에 발생된 크랙을 비교한 사진이다.
도 4는 크랙구조와 저항변화의 개념을 나타낸 도면이다.
도 5는 제2 레이어의 그레인 사이즈가 도시된 도면이다.
도 6은 제2 레이어의 그레인 사이즈와 크랙 사이즈, 최대 변형률 및 두께의 관계에 대한 그래프이다.
도 7은 본 발명에 따른 변형율 측정센서의 변형율-스트레스가 나타난 도면이다.
도 8은 본 발명에 따른 변형율 측정센서의 반복신장시 저항변화가 나타난 도면이다.
도 9는 본 발명에 따른 변형율 측정센서의 변형에 따른 저항변화를 나타낸 것이다.
도 10은 제2 레이어를 다른 재질로 구성했을 때의 그레인 사이즈를 나타낸 도면이다.
도 11은 본 발명에 따른 변형율 측정센서의 제조방법의 순서도이다.
도 12는 본 발명에 따른 변형율 측정센서의 제조되는 모습을 개략적으로 도시한 단면도이다.1 is a perspective view of a strain measuring sensor according to the present invention.
FIG. 2 is a photograph showing a crack generated in the second layer according to the present invention in an enlarged manner. FIG.
3 is a photograph showing cracks generated in the second layer according to the present invention.
4 is a view showing a concept of a crack structure and a resistance change.
Fig. 5 is a view showing the grain size of the second layer.
6 is a graph showing the relationship between the grain size of the second layer, the crack size, the maximum strain and the thickness.
7 is a view showing strain-stress of a strain measuring sensor according to the present invention.
FIG. 8 is a diagram showing a change in resistance upon repeated stretching of a strain measuring sensor according to the present invention. FIG.
FIG. 9 shows a resistance change according to a strain of the strain measuring sensor according to the present invention.
10 is a view showing the grain size when the second layer is made of different materials.
11 is a flowchart of a method of manufacturing a strain measuring sensor according to the present invention.
FIG. 12 is a cross-sectional view schematically showing a manufactured strain measuring sensor according to the present invention.
이하, 본 발명의 실시 예에 따른 나노크랙을 포함하는 고 민감도, 고 변형율 측정센서, 그 제조방법 및 변형율 측정 시스템에 대하여, 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 그리고 이하의 실시예의 설명에서 각각의 구성요소의 명칭은 당업계에서 다른 명칭으로 호칭될 수 있다. 그러나 이들의 기능적 유사성 및 동일성이 있다면 변형된 실시예를 채용하더라도 균등한 구성으로 볼 수 있다. 또한 각각의 구성요소에 부가된 부호는 설명의 편의를 위하여 기재된다. 그러나 이들 부호가 기재된 도면상의 도시 내용이 각각의 구성요소를 도면내의 범위로 한정하지 않는다. 마찬가지로 도면상의 구성을 일부 변형한 실시예가 채용되더라도 기능적 유사성 및 동일성이 있다면 균등한 구성으로 볼 수 있다. 또한 당해 기술분야의 일반적인 기술자 수준에 비추어 보아, 당연히 포함되어야 할 구성요소로 인정되는 경우, 이에 대하여는 설명을 생략한다.BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION Hereinafter, a high sensitivity and high strain rate measurement sensor including a nano crack according to an embodiment of the present invention, a method of manufacturing the same, and a strain measuring system will be described in detail with reference to the accompanying drawings. In the following description of the embodiments, the names of the respective components may be referred to as other names in the art. However, if there is a functional similarity and an equivalence thereof, the modified structure can be regarded as an equivalent structure. In addition, reference numerals added to respective components are described for convenience of explanation. However, the contents of the drawings in the drawings in which these symbols are described do not limit the respective components to the ranges within the drawings. Likewise, even if the embodiment in which the structure on the drawing is partially modified is employed, it can be regarded as an equivalent structure if there is functional similarity and uniformity. Further, in view of the level of ordinary skill in the art, if it is recognized as a component to be included, a description thereof will be omitted.
도 1은 본 발명에 따른 변형율 측정센서의 사시도이다.1 is a perspective view of a strain measuring sensor according to the present invention.
도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 변형율 측정센서는 제1 레이어(10), 제2 레이어(20)를 포함하여 구성될 수 있다.As shown in the figure, the strain measuring sensor according to the present invention may include a
제1 레이어(10)와 제2 레이어(20)는 서로 부착되어 있으며, 변형율 측정시 함께 신장되도록 구성된다.The first layer (10) and the second layer (20) are attached to each other and are configured to extend together when measuring the strain rate.
제1 레이어(10)는 측정 대상으로부터 외력을 받아 신장될 수 있도록 신축성 부재로 구성되며, 이하 기술할 제2 레이어(20)의 저항 변화에 전기적으로 영향을 미치지 않도록 비전도성 부재로 구성될 수 있다. The
제2 레이어(20)는 전도성 재질로 구성되며 길이가 신장됨에 따라 복수의 크랙(30)의 폭이 넓어짐으로써 자체 저항이 증가되도록 구성된다. 이때 복수의 크랙(30)은 제2 레이어(20)를 제1 레이어(10)에 부착시킨 후 신장시켜 발생된 것을 이용한다.The
제2 레이어(20)는 변형율 측정범위 내에서 신장되더라도 전류의 흐름이 완전히 차단되지 않도록 구성된다. 즉 한 부분에서 과도하게 신장되어 전기적으로 단절되지 않도록 복수의 크랙(30)이 밀집되도록 구성된다. 한편, 이러한 특징을 갖도록 적절한 재료를 선정할 수 있으며, 금, 은, 백금과 같은 전도성과 연성이 뛰어난 재료를 포함하여 구성될 수 있다. 본 실시예에서는 백금을 포함하여 구성되어 있다. The
복수의 크랙(30)은 제2 레이어(20)의 길이가 신장되는 방향과 대략적으로 수직한 방향성을 가지며 형성된다. 따라서 제2 레이어(20)의 신장시 크랙(30)의 폭이 증가함에 따라 접촉하는 면적이 줄어들게 되어, 저항의 크기를 결정하는 유효단면적이 감소하여 자체 저항이 증가하게 된다. 반대로 원래의 길이로 회귀시 크랙(30)의 폭이 감소하여 접촉하는 면적이 넓어지게 되므로, 유효단면적이 증가하게 되어 자체 저항이 감소하게 된다. The plurality of
이러한 크랙(30)의 작용, 기능 및 형성과정에 대하여는 차후 상세히 설명하기로 한다. The function, function and formation process of the
제1 레이어(10)는 변형율 측정 대상에 고정되어 설치될 수 있다. 측정 대상으 길이 신장에 따라 제1 레이어(10)가 늘어나게 된다. 이때 제1 레이어(10)에 부착된 제2 레이어(20)가 함께 신장되면서 저항 값이 달라지게 되며, 제2 레이어(20)의 양측에 외부 기기가 연결되어 저항변화를 측정하도록 구성될 수 있다.The
다시 도 1을 살펴보면 제2 레이어(20)는 제1 레이어(10)에 외력이 작용하는 지점과 소정거리 이격되어 부착될 수 있다. 따라서 외력의 작용에 의해 제2 레이어(20)에 발생될 수 있는 응력집중, 부분적인 파손 등을 방지할 수 있다. Referring again to FIG. 1, the
또한, 제2 레이어(20)는 제1 레이어(10)의 모서리로부터 소정거리 이격되어 부착될 수 있다. 제1 레이어(10)를 절단할 때, 절단면이 거칠어질 수 있으며, 거친 모서리에 제2 레이어(20)가 부착된 경우, 응력집중 등으로 적절한 성능을 발휘할 수 있는 문제점을 방지하기 위함이다. Also, the
이하에서는 도2 내지 도 6를 참조하여 변형율 측정센서의 기능 및 작용에 대하여 상세히 설명한다.Hereinafter, the function and operation of the strain measuring sensor will be described in detail with reference to FIGS. 2 to 6. FIG.
도 2는 본 발명에 따른 제2 레이어(20)에 발생된 크랙(30)을 확대하여 촬영한 사진이다.FIG. 2 is an enlarged photograph of a
도 2 (a)에는 변형율 측정센서의 길이가 20% 신장되었을 때의 모습, 도 2 (b)에는 변형율 측정센서의 길이가 50% 신장되었을 때의 모습이 도시되어 있다. 우상측에 나타난 스케일 바의 길이는 5μm이다. Fig. 2 (a) shows a state when the strain measuring sensor is elongated by 20%, and Fig. 2 (b) shows a case where the strain measuring sensor is elongated by 50%. The length of the scale bar on the upper right side is 5 μm.
제2 레이어(20)에는 도시된 바와 같은 복수의 크랙(30)이 균일하게 분포되어 있다. 크랙(30)은 제2 레이어(20)가 신장되는 방향과 대체로 수직한 방향으로 형성되어 있다. 전술한 바와 같이 크랙(30)은 제2 레이어(20)가 신장시 신장되는 방향의 폭이 넓어져 접촉면적이 감소함으로써 저항이 증가되도록 구성되며, 회기시에는 반대로 폭이 좁아짐으로써 저항이 감소되도록 구성될 수 있다. A plurality of
크랙(30)은 제2 레이어(20)의 일측에서부터 타측을 가로지르는 방향으로 형성되어 있으나, 제2 레이어(20)가 파단되지는 않도록 형성된다. 따라서 크랙(30)의 폭이 넓어지더라도 어느 하나의 크랙(30)에 의해 제2 레이어(20)에 흐르는 전류가 완전히 차단되지 않는다. 즉 제2 레이어(20)가 신장되더라도 크랙(30)이 형성되지 않는 부분으로 전류가 통과될 수 있도록, 제2 레이어(20)의 폭보다 짧은 길이로 형성된 복수의 크랙(30)이 형성된다.The
도 3은 본 발명에 따른 제2 레이어(20)에 발생된 크랙(30)을 비교한 사진이며, 길이가 20% 신장되었을 때의 모습이 나타나 있다.FIG. 3 is a photograph of
도 3(a)는 제2 레이어(20)에 형성된 크랙(30)의 폭이 부적절하게 넓은 모습이 도시되어 있으며, 도 3(b)는 제2 레이어(20)에 형성된 크랙(30)의 폭이 적절하게 구성되며, 균일하고 촘촘하게 형성되어 있는 모습이 도시되어 있다. 3 (a) shows the width of the
도 3(a)와 같이 크랙(30)의 폭이 부적절하게 큰 경우에는 어느 하나의 크랙(30)에 의해 부분적으로 파단이 일어나게 된다. 부분적 파단으로 인해 해당 부분에서는 전류의 흐름이 차단되며, 전체적으로는 5%이내의 적은 변형에도 불구하고 측정되는 제2 레이어(20)의 저항이 급격하게 증가하게 된다. 이는 측정범위가 변형율 5% 이상이 되면 측정이 불가능하게 됨을 뜻한다. When the width of the
반면 도 3(b)와 같이 크랙(30)이 도 3(a)보다 조밀하게 형성된 경우에는, 동일한 신장률(20%)에도 불구하고 더 많은 수의 크랙(30)의 폭이 균일하게 증가하여 제2 레이어(20)상에서 크랙(30)과 크랙(30) 사이에 전류가 흐를 수 있는 다양한 경로가 형성될 수 있으므로 안정적으로 전류가 흘러갈 수 있게 된다. On the other hand, when the
이와 같은 크랙(30)의 폭과 밀집도는 측정 대상의 신장률에 따라 다양하게 구성될 수 있다. 예를들어 최대 신장률 60%의 측정범위를 가질 때 크랙(30)의 폭이 최대 변형률로 신장된 상태에서 50nm 이상으로 형성된 경우, 변형률 측정범위 내에서 급격한 저항변화가 발생하여 정밀한 측정이 어려워지게 된다. 따라서 이러한 경우, 크랙(30)의 폭은 50nm 이하로 구성되는 것이 바람직하다.The width and the density of the
도 4는 크랙구조와 저항변화의 개념을 나타낸 도면이다. 도시된 바와 같이, 제2 레이어상에 발생하는 크랙은 크랙과 아일랜드(island)로 구분될 수 있으며, 크랙은 그레인 사이에 공백을 뜻하며 아일랜드는 크랙의 폭이 넓어지더라도 연결되어 있는 부분을 뜻한다.4 is a view showing a concept of a crack structure and a resistance change. As shown, the cracks occurring on the second layer can be divided into cracks and islands, cracks are spaces between the grains, and islands are connected even if the cracks are wider .
여기서 R은 전체 저항을 뜻하며, R1, R2, Rc는 아일랜드의 저항, 두 인접한 아일랜드간 저항, 두 인접한 크랙간의 저항을 뜻한다.Where R is the total resistance, and R1, R2, and Rc are the resistance of the island, the resistance between two adjacent islands, and the resistance between two adjacent cracks.
이때 
따라서 50%의 신장률을 가질 때 실험결과로부터, R1는 약 4.94kΩ, R2는 2.96kΩ/% ㅧ 변형률(%)을 얻을 수 있다. Therefore, from the experimental results, when the elongation at 50% is obtained, R1 is about 4.94 kΩ and R2 is 2.96 kΩ /% strain (%).
이하에서는 본 발명에 따른 고 변형률 측정센서의 크랙과 그레인(1) 사이즈에 대하여 도 5 및 도 6를 참조하여 상세히 설명하도록 한다. Hereinafter, the crack and grain size of the high strain rate sensor according to the present invention will be described in detail with reference to FIGS. 5 and 6. FIG.
도 5는 제2 레이어(20)의 그레인(1) 사이즈가 도시된 도면이다. 도 5에는 제2 레이어(20)를 백금을 이용하여 그레인(1) 사이즈(Grain Size)가 각각 다르게 형성시킨 후 제1 레이어(10)를 50%의 길이로 인장시켜 크랙(30)이 발생되었을 때의 영상이 나타나 있다. 5 is a view showing the size of the
도시된 바와 같이, 그레인(1) 사이즈가 커짐에 따라 같은 변형률인 경우에도 발생되는 크랙(30)의 사이즈가 다르게 구성된다. 여기서 크랙(30)의 사이즈는 발생되는 크랙(30)의 폭을 말하며, 크랙(30)의 발생위치는 무작위로 전영역에 균일하게 발생된다. 이때, 그레인(1) 사이즈에 따라 단위 길이당 발생되는 크랙(30)의 수로 정의되는 크랙(30)밀도가 달라지게 된다. 이때 제2 레이어(20)의 인장된 길이에 대응하여 미시적으로는 발생된 다수의 크랙(30) 각각의 폭이 넓어지게 된다. 따라서 크랙(30)밀도가 낮은 경우, 즉 크랙(30)의 수가 적은 경우 동일한 길이로 인장되기 위하여 크랙(30)의 폭이 넓어지게 되며, 반대로 크랙(30)의 수가 많은 경우 동일한 길이로 인장되기 위하여 크랙(30)의 폭이 작아질 수 있게 된다. 제2 레이어(20)에서 최초 인장시 발생되는 크랙(30)은 그레인(1)과 그레인(1) 사이의 결합부분에서부터 발생하게 되므로, 크랙(30)밀도는 그레인(1) 사이즈와 밀접한 관련이 있게 된다. 그레인(1) 사이즈가 크면 클수록 크랙(30)밀도는 낮아지게 된다. 한편 하나의 크랙(30)의 관점에서 살펴보면, 하나의 크랙(30)의 폭은 신장률에 따라 소정 범위 내로 이루어 져야 한다. 크랙(30)밀도가 1 * 107 개/m 이상인 경우, 하나의 크랙(30)의 폭은 5*10-8m 이하가 된다. As shown in FIG. 3, as the size of the
도 5 (a),(b),(c)에는 각각 그레인(1) 사이즈가 2nm 이하, 13nm이하, 30nm 이하로 나타날 때의 모습이 도시되어 있으며, scale bar는 400nm 이다. 그레인(1) 사이즈가 커짐에 따라 획득된 영상에서 육안으로 그레인(1)을 확인할 수 있게 되며, 크랙(30)의 개수가 적어져 크랙(30)밀도가 낮아지고 크랙(30)의 폭도 커짐을 알 수 있다.5 (a), 5 (b) and 5 (c) show the case where the size of the
도 6는 제2 레이어(20)의 그레인(1) 사이즈와 크랙(30) 사이즈, 최대 변형률 및 두께의 관계에 대한 그래프이다.6 is a graph showing the relationship between the size of the
도 6(a)를 살펴보면, 그레인(1) 사이즈가 커짐에 따라 그레인(1) 사이즈의 초기 5nm 까지 커질 때 크랙(30)밀도는 급격한 감소경향을 보이며, 크랙(30)의 폭 또한 급격한 증가가 이루어지는 경향을 확인할 수 있다.6 (a), as the size of the grain (1) increases, the density of the crack (30) tends to sharply decrease when the initial size of the grain (1) is increased to 5 nm and the width of the crack Can be confirmed.
도 6(b)를 살펴보면 그레인(1) 사이즈에 따른 최대 측정가능한 인장률이 나타나 있는데, 100% 이상의 고 변형률이 측정가능한 범위는 그레인(1) 사이즈가 2 nm 내지 13nm 인 경우로 확인된다. 측정가능한 범위는 변형률 측정센서가 인장됨에 따라 각각의 크랙(30)의 폭이 점차 넓어져 변형률 측정센서의 길이가 변화됨에도 의미있는 저항의 변화가 없는 경우 그 직전까지가 측정가능한 범위가 된다. 한편, 후술할 두께조절과 관련하여, 그레인(1) 사이즈는 제2 레이어(20)의 두께를 조절하여 크기를 조절할 수 있는데, 그레인(1) 사이즈가 매우 작은 경우는 제2 레이어(20)의 두께가 매우 얇은 경우이며, 이 경우에는 의미있는 전도성을 갖지 못해 측정이 불가하며, 그레인(1) 크기가 소정크기 이상이 되었을 때 의미있는 저항의 차이가 발생하게 된다. 이 경우, 약 2nm 이상이 될 때부터 길이변화에 따른 저항변화가 의미있는 값이 된다.Referring to FIG. 6 (b), the maximum measurable tensile rate according to the size of the grain (1) is shown, and the range in which the high strain rate of 100% or more can be measured is confirmed to be the case where the grain (1) size is 2 nm to 13 nm. The measurable range is the range in which the width of each
도 6(c)를 살펴보면, 그레인(1) 사이즈는 제2 레이어(20)를 제1 레이어(10)상에 스퍼터링으로 증착할 때 두께조절을 통하여 조절이 가능하며, 초기 적층에 따라 그레인(1) 사이즈가 증가하는 제1 구간, 두께가 10nm 이상부터 그레인(1) 사이즈가 급격하게 증가하는 제2 구간, 이후 두께가 증가되는 변화에도 그레인(1) 사이즈의 변화량이 미미한 제3 구간으로 구분될 수 있다. 스퍼터링으로 적층하여 제1 구간에는 그레인(1) 사이즈가 커지면서 두께 방향으로는 단일 그레인(1)이 제1 레이어(10)상에서 부착되고 성장하게 되며, 제2 구간에서는 두께방향으로 수개~수십개의 그레인(1)이 적층되고 스퍼터링을 통하여 원자간 연결이 재배열되면서 크레인이 급격하게 성장하게 된다. 제3 구간에서는 사이즈가 점점 커지는 그레인(1)이 두께방향으로 수백개 이상 적층된다.6 (c), the size of the
다시 도 6(b)를 살펴보면, 신장률에 따라 제2 레이어(20)의 그레인(1) 사이즈를 선택할 수 있는데, 신장률 50%의 측정범위를 필요로 하는 경우 그레인(1) 사이즈는 약 2 내지 25nm로 결정되며, 이를 위하여 제2 레이어(20)의 두께는 약75nm 이하로 형성될 수 있다. 또한, 고변형률인 신장률 100%의 측정점위를 필요로 하는 경우 그레인(1) 사이즈는 약 3 내지 13nm 로 결정되며 이때 제2 레이어(20)의 최대 두께는 약 25nm 가 될 수 있다.6 (b), the size of the
즉, 변형률 측정센서의 측정범위에 따라 제2 레이어(20)의 두께를 조절하여 그레인(1) 사이즈를 결정할 수 있게 된다. That is, the size of the
도 7은 본 발명에 따른 변형율 측정센서의 변형율-스트레스 그래프가 나타난 도면이다. 변형률 측정센서를 50% 변형율로 반복적으로 신장시킨 데이터가 나타나 있으며, 신장시키는 횟수에 따라 다른 색깔로 표시되어 있다. 7 is a graph showing a strain-stress graph of a strain measuring sensor according to the present invention. The strain measuring sensor is repeatedly stretched at a strain rate of 50%, and is displayed in different colors depending on the number of stretching times.
도시된 바와 같이, 최초 1회의 신장시의 데이터는 이후의 데이터와 다소 차이가 있는 모습이 나타나 있다. 이때 최초 1회의 신장은 제2 레이어(20)에 크랙(30)이 형성되기 전 상태에서 신장시킨 데이터이며, 최초의 1회 신장시에는 다소 높게 인가되는 응력(stress)에 따라 제2 레이어(20)에는 전술한 복수의 크랙(30)이 발생되며, 제1 레이어(10)는 미세변형이 발생되게 된다.As shown in the figure, the data at the first extension is slightly different from the data at the next extension. In this case, the first elongation is the data stretched before the
그러나 이후의 반복 사용시에는 도시된 것처럼 변형에 따라 일정한 응력이 인가되게 되며, 반복사용을 할수록 데이터가 수렴하는 모습을 보이고 있다.However, in the subsequent repeated use, a certain stress is applied according to the deformation as shown in the figure, and data is converged as it is repeatedly used.
이와 같이 본 발명에 따른 변형율 측정센서를 사용시 신뢰도 향상을 위하여 1차적으로 신장시켜 균일한 크랙(30)을 발생시켜야 한다. 다만 크랙(30)이 형성되지 않고 제1 레이어(10) 및 제2 레이어(20)가 부착된 상태에서 사용 직전 크랙(30)을 발생시키기 위해 신장시킬 수 있다.As described above, in order to improve the reliability of the strain measuring sensor according to the present invention, it is necessary to first elongate the sensor to generate a
도 8은 본 발명에 따른 변형율 측정센서의 반복신장시 저항변화가 나타난 도면이다.FIG. 8 is a diagram showing a change in resistance upon repeated stretching of a strain measuring sensor according to the present invention. FIG.
도시된 바와 같이 변형율 측정센서는 50%의 신장률로 반복했을 때, 저항의 변화는 대략 15배 정도 차이가 발생할 수 있다. 즉 10%의 변형이 일어나더라도 저항은 3배 이상의 차이가 발생되므로 매우 민감하게 작동될 수 있다.As shown in the figure, when the strain measuring sensor is repeated at an elongation of 50%, a change in resistance may occur by about 15 times. That is, even if a distortion of 10% occurs, the resistance can be operated very sensitively because a difference of three times or more occurs.
한편, 신장 가능한 변형률 측정센서의 민감도를 나타내는 가장 대표적인 인자로 gauge factor(GF=(저항변화량/초기저항)/변형률)를 들 수 있으며, 본 발명에 따른 변형률 측정센서의 GF 값은 20 내지 40의 값을 가질 수 있어 종래의 메탈 게이지가 5% 이내의 변형률 측정시 GF는 약 2 정도, 종래의 신장 가능한 변형률 측정센서가 약 0.8 정도인 것에 비하여 10배 이상의 높은 GF값을 가질 수 있다. 따라서 변형률을 매우 민감하게 측정이 가능하여 0.01 N 단위로 변화되는 외력에 의한 변형을 측정 가능하다.The GF value of the strain measuring sensor according to the present invention is 20 to 40, and the GF value of the strain measuring sensor according to the present invention is 20 to 40 The conventional metal gauge can have a GF of about 2 when measuring a strain within 5% of a conventional metal gauge and a GF value higher than about 10 times that of a conventional strain sensor capable of strain measurement of about 0.8. Therefore, it is possible to measure strain very sensitively and it is possible to measure deformation by external force which is changed by 0.01 N unit.
또한 반복사용을 하더라도 변형율에 따른 변형율 측정센서의 저항 값은 일정하게 변화되므로 신뢰성을 확보할 수 있게 된다.Also, even if it is repeatedly used, the resistance value of the strain measuring sensor according to the strain rate is constantly changed, so that the reliability can be secured.
도 9는 본 발명에 따른 변형율 측정센서의 변형에 따른 저항변화를 나타낸 것이다.FIG. 9 shows a resistance change according to a strain of the strain measuring sensor according to the present invention.
도시된 바와 같이 변형율 50% 내에서 변형율 측정센서의 신장에 따른 저항증가되고 있으며, 50%까지 선형적으로 길이를 증가시킴에 따라 변형율 측정센서의 저항 값이 선형적으로 증가되는 실험결과 데이터가 나타나 있다. As shown in the figure, the resistance according to the elongation of the strain measuring sensor is increasing within the strain rate of 50%, and the result of the experiment that the resistance value of the strain measuring sensor linearly increases as the length is linearly increased up to 50% have.
제2 레이어(20)에 형성된 복수의 크랙(30)이 밀집되어 있어 급격한 저항변화를 방지하며 길이의 신장에 따라 선형적으로 저항이 달라지게 되므로, 측정값을 이용하여 절대값을 이용한 변형률 산출 또는 저항의 상대적 변화에 따른 변형율의 산출이 용이하다. 또한 변형에 따른 저항의 변화가 빠르게 이루어지며, 작은 오버슈트(overshoot) 및 회기시 작은 복구시간이 나타난다.Since a plurality of
도 10은 제2 레이어를 다른 재질로 구성했을 때의 그레인(1) 사이즈를 나타낸 도면이다.10 is a view showing the size of the
도 10은 제2 레이어(20)를 다른 재질로 구성했을 때의 그레인(1) 사이즈를 나타낸 도면이다.10 is a view showing the size of the
도시된 도면에는 각각 제2 레이어(20)를 다른 재질로 구성했을 때의 SEM영상이 도시되어 있으며, 도 5와 달리 scale bar는 10μm 이다. 도시된 바와 같이, 각 재질별로 그레인(1) 사이즈가 달라지게 되며, 전술한 실시예에서와 달리 상대적으로 매우 큰 그레인(1)이 발생하게 되며, 매우 크고 낮은 밀도의 크랙(30)이 발생하여 측정범위가 매우 협소해진다. 따라서 그레인(1) 사이즈를 조절하기 위하여 재질에 따라 제2 레이어(20)의 두께를 다르게 설정할 수 있게 된다.In the drawing, SEM images are shown when the
도 11은 본 발명에 따른 변형율 측정센서의 제조방법의 순서도이다.11 is a flowchart of a method of manufacturing a strain measuring sensor according to the present invention.
도시된 바와 같이 본 발명에 따른 변형율 측정센서는 제1 레이어를 생성시키는 단계(S100), 제2 레이어의 두께를 결정하는 단계(S200), 제2 레이어를 생성시키는 단계(S300), 크랙(30)을 발생시키는 단계(S400)를 포함하여 구성될 수 있다.As shown, the strain measuring sensor according to the present invention includes a step of generating a first layer S100, a step S200 of determining a thickness of a second layer, a step S300 of generating a second layer S300, (S400). ≪ / RTI >
나아가 제2 레이어(20)를 생성시 제2 레이어(20)를 부착시키는 영역을 결정하는 마스크를 부착 및 제거하는 과정이 포함될 수 있다.A process of attaching and removing a mask for determining an area to which the
제1 레이어를 생성시키는 단계(S100)는, 비전도성이고 신축성 부재를 스핀 코팅 방법으로 생성시킬 수 있다. 회전하는 슬라이드 글라스의 상측에서 폴리우레탄 솔루션을 떨어뜨려 회전에 의해 박막형태의 제1 레이어(10)를 형성시킨다. 이때 제1 레이어는 200μm 이하로 생성될 수 잇다.The step of creating the first layer (SlOO) may be a nonconductive, stretchable member produced by a spin coating method. The polyurethane solution is dropped on the rotating slide glass to form the
이후 전술한 바와 같이 제2 레이어(20)의 응력집중을 방지하기 위하여 제1 레이어(10)의 모서리에서 소정간격 이격되어 부착될 수 있도록, 생성영역을 결정하는 마스크를 부착시킬 수 있다. 마스크는 제2 레이어(20)를 부착시키는 영역만이 관통되어 있어 제1 레이어(10)상에서 제2 레이어(20)를 선택적으로 생성시킬 수 있게 된다.A mask for determining the generation region may be attached so as to be spaced apart from the edge of the
제2 레이어의 두께를 결정하는 단계(S200)는 그레인(1) 사이즈에 따라 나노크랙의 밀도가 달라지게 되며, 결국 측정가능한 신장률의 범위가 달라지게 되므로 최대 측정범위를 결정하여 제2 레이어의 두께를 결정하는 단계에 해당한다.In the step S200 of determining the thickness of the second layer, the density of nano cracks varies depending on the size of the
제2 레이어를 생성시키는 단계(S300)는 제1 레이어(10)의 일면에 전도성 제2 레이어(20)를 부착시킨다. 일 예로, 스퍼터링(Sputtering) 공정을 이용하여 제2 레이어(20)를 생성시키며, 이때 스퍼터링은 백금 타겟을 이용하고, 10 내지 20 mA 로 200 내지 300초 간 이루어질 수 있다. 스퍼터링이 15mA 로 240초 간 수행되는 경우 신장률 60% 이내로 측정가능한 변형율 측정센서의 제조에 바람직하다. 한편 이와 같은 스퍼터링은 일 예이며, 측정하고자 하는 측정범위에 따라서 다양한 공정이 채택될 수 있으며, 스퍼터링에 적용되는 시간 및 전류도 다양하게 적용될 수 있다. 한편, 제2 레이어(20)의 그레인(1) 사이즈를 조절하기 위하여 압력 및 온도 등을 조절하는 단계를 추가로 포함할 수 있게 된다. The step of forming a second layer (S300) attaches the conductive second layer (20) to one surface of the first layer (10). As an example, a
제2 레이어(20)를 생성시킨 후에는 마스크를 제거한다.After the
크랙을 발생시키는 단계(S400)는 제1 레이어(10)를 신장시킴으로써 제2 레이어(20)의 전 영역에 균일한 인장력을 인가하여 균일한 분포로 복수의 크랙(30)을 발생시키게 된다. In step S400 of generating a crack, a uniform tensile force is applied to the entire area of the
이때, 크랙(30)을 발생시킬 때 신장되는 길이는 변형율 측정센서로 측정하고자 하는 변형율의 최대치로 적용시켜 신장시킬 수 있다. 일 예로 측정범위가 50% 이내인 변형율 측정센서를 제조하고자 하는 경우, 제1 레이어(10)를 50% 신장시켜 제2 레이어(20)상에 복수의 크랙(30)을 발생시킨다. 이후의 반복 사용에 의한 변형율에 대한 데이터는 도 7과 같이 나타날 수 있게 된다.At this time, the length of the
도 12은 본 발명에 따른 변형율 측정센서의 제조되는 모습을 개략적으로 도시한 단면도이다.12 is a cross-sectional view schematically showing a strain measuring sensor according to the present invention.
도시된 바와 같이, 제1 레이어를 생성시키고(a), 생성된 제1 레이어에 마스크를 부착하고(b), 일부분에 스퍼터링을 이용하여 제2 레이어(20)를 생성시킨다(c). 이후 마스크를 제거하고(d), 제1 레이어(10)를 신장시켜 제2 레이어(20)에 균일한 크랙(30)을 발생시키게 된다(e).As shown, a first layer is formed (a), a mask is attached to the generated first layer (b), and a
이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명에 따른 나노크랙을 포함하는 고 민감도, 고 변형율 측정센서는 나노 단위의 크랙(30)이 있어, 60% 이상의 높은 변형율을 측정이 가능하며, 단위 변화량에 대한 저항의 변화폭이 상당히 크기 때문에, 매우 민감하고 매우 빠르게 작동한다. 또한, 단순한 메커니즘을 이용하므로 제조과정이 단순하여 저렴하게 생산할 수 있게 된다. 이러한 변형률 측정센서 및 이를 포함한 변형률 측정 시스템은 의료 및 로봇 등 다양한 분야에 적용될 수 있을 것으로 예상된다.As described above, the high-sensitivity and high-strain measurement sensor including the nano-crack according to the present invention has a crack (30) in nano unit, and can measure a high strain rate of 60% or more. Because the range of change is quite large, it is very sensitive and works very fast. In addition, since a simple mechanism is used, the manufacturing process is simple and inexpensive. Such a strain measuring sensor and a strain measuring system including the strain measuring sensor are expected to be applicable to various fields such as medical and robot.
이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예들을 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 그 기술적 사상이나 필수적인 특징들이 변경되지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것으로 이해할 수 있을 것이다. 그러므로, 이상에서 기술한 실시 예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.While the present invention has been described in connection with what is presently considered to be practical exemplary embodiments, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed embodiments, but, on the contrary, . Therefore, it should be understood that the above-described embodiments are illustrative in all aspects and not restrictive. The scope of the present invention is defined by the appended claims rather than the detailed description and all changes or modifications derived from the meaning and scope of the claims and their equivalents are to be construed as being included within the scope of the present invention do.
1: 그레인
10: 제1 레이어
20: 제2 레이어
30: 크랙
40: 측정부
50: 처리부1: grain
10: First layer
20: Second layer
30: crack
40:
50:
Claims (13)
상기 제1 레이어상에 전도성 금속으로 구비되며, 측정 범위에 따라 그레인(Grain) 크기가 소정범위 내로 구성되며, 신장시 발생되는 크랙의 밀도가 소정범위 내로 구성되는 제2 레이어를 포함하는 나노크랙을 포함하며,
상기 제2 레이어는 상기 그레인 크기가 2nm 내지 13nm로 형성될 수 있도록 제1 레이어상에 백금을 스퍼터링으로 증착시켜 25nm 이하의 두께로 생성되는 것을 특징으로 하는 나노크랙을 포함하는 고 변형률 측정센서.A first layer of nonconductive, stretchable material; And
And a second layer formed of a conductive metal on the first layer and having a grain size within a predetermined range according to a measurement range and having a density of cracks generated during expansion within a predetermined range, ≪ / RTI &
Wherein the second layer is formed to a thickness of 25 nm or less by sputtering platinum on the first layer so that the grain size may be 2 nm to 13 nm.
상기 제2 레이어는 상기 제1 레이어상에서 증착시켜 생성되며, 상기 제1 레이어상에서 그레인 크기가 커지면서 생성되는 것을 특징으로 하는 나노크랙을 포함하는 고 변형률 측정센서.The method according to claim 1,
Wherein the second layer is generated by depositing on the first layer and is generated while increasing the grain size on the first layer.
상기 제2 레이어는 상기 그레인 크기가 소정범위 내로 구성되며, 상기 크랙의 밀도가 소정범위 내로 구성될 수 있도록 상기 제1 레이어상에서 증착되는 두께를 조절하여 생성되는 것을 특징으로 하는 나노크랙을 포함하는 고 변형률 측정센서.3. The method of claim 2,
Wherein the second layer is formed by adjusting the thickness of the layer deposited on the first layer so that the grain size is within a predetermined range and the density of the crack is within a predetermined range. Strain sensor.
상기 크랙의 밀도는 상기 크랙의 폭이 5*10-8m/개 이하인 것을 특징으로 하는 나노크랙을 포함하는 고 변형률 측정센서.3. The method of claim 2,
Wherein the density of the cracks is 5 * 10 < -8 > m or less.
제1 레이어상에 스퍼터링을 이용하여 그레인 크기가 소정범위내로 이루어 질 수 있도록 두께를 조절하여 제2 레이어를 형성시키는 단계; 및
상기 제2 레이어를 신장시켜 복수의 나노크랙을 발생시키는 단계를 포함하며,
상기 제2 레이어를 형성시키는 단계는 그레인 크기가 2nm 내지 13nm 로 형성될 수 있도록 제1 레이어 상에 백금을 스퍼터링으로 증착시켜 25nm 이하의 두께로 형성키는 나노크랙을 포함하는 고 변형률 측정센서의 제조방법.Forming a first layer comprised of a stretchable, non-conductive material;
Forming a second layer on the first layer by controlling the thickness so that the grain size may be within a predetermined range using sputtering; And
And stretching the second layer to generate a plurality of nano cracks,
The step of forming the second layer may include the step of depositing platinum on the first layer by sputtering to form a grain size of 2 nm to 13 nm, thereby forming a nano-crack having a thickness of 25 nm or less Way.
상기 나노크랙을 발생시키는 단계는 상기 나노크랙의 폭을 5*10-8m 이하로 형성시키는 것을 특징으로 하는 나노크랙을 포함하는 고 변형률 측정센서의 제조방법.10. The method of claim 9,
Wherein the step of generating the nano-crack comprises forming the nano-crack to a width of 5 * 10 -8 m or less.
상기 그레인 크기를 조절할 수 있도록 상기 스퍼터링의 온도 또는 압력 중 적어도 하나를 조절하는 것을 특징으로 하는 나노크랙을 포함하는 고 변형률 측정센서의 제조방법.10. The method of claim 9,
And adjusting at least one of a temperature and a pressure of the sputtering so as to adjust the grain size of the nano-crack.
상기 제2 레이어의 그레인 크기가 상기 소정범위내로 형성될 수 있도록 후처리하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 나노크랙을 포함하는 고 변형률 측정센서의 제조방법.
10. The method of claim 9,
Further comprising the step of post-processing the grain size of the second layer so that the grain size of the second layer can be formed within the predetermined range.
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