KR101997327B1 - 편조된 도전성 섬유들을 구비하는 저항변화 신축센서 - Google Patents

Abstract

신축 센서를 제공한다. 상기 신축 센서는 제1 절연 지지체, 상기 제1 절연 지지체에 맞물려 편조된 알루미늄 산화물 표면층을 구비하는 제1 배선, 상기 제1 배선에 맞물려 편조되고 상기 알루미늄 산화물 표면층에 접촉하는 탄소 함유 표면층을 구비하는 제2 배선, 및 상기 제2 배선에 맞물려 편조된 제2 절연 지지체를 포함한다.

Description

편조된 도전성 섬유들을 구비하는 저항변화 신축센서 {Resistance-switching stretch sensor including knitted conductive fibers}

본 발명은 센서에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는, 저항 변화 소자를 구비하는 센서에 관한 것이다.

의류 내에 센서를 배치하는 것은 환자 또는 선수의 성과 또는 생리적 상태를 를 측정하기 위해 의료 및 스포츠 환경에서 사용될 수 있다.

그러나 이러한 센서는 전형적으로 단단한 전자 칩을 기반으로 하면서 탈착형으로 구성되는 경우가 일반적이어서, 웨어러블 기기로 사용하기에는 많은 불편함을 야기하고 있다.

대한민국 공개특허공보 제2015-0072415호

본 발명이 해결하고자 하는 과제는 도전성 섬유를 사용하여 플렉서블 신축 센서를 제공하는 것이다.

상기 과제를 이루기 위하여 본 발명의 일 측면은 신축 센서를 제공한다. 상기 신축 센서는 제1 절연 지지체, 상기 제1 절연 지지체에 맞물려 편조된 알루미늄 산화물 표면층을 구비하는 제1 배선, 상기 제1 배선에 맞물려 편조되고 상기 알루미늄 산화물 표면층에 접촉하는 탄소 함유 표면층을 구비하는 제2 배선, 및 상기 제2 배선에 맞물려 편조된 제2 절연 지지체를 포함한다.

상기 제1 배선은 상기 알루미늄 산화물 표면층 하부에 알루미늄층을 갖고, 상기 알루미늄 산화물 표면층은 상기 알루미늄층의 자연 산화막일 수 있다. 상기 제1 배선은 상기 알루미늄층 하부에 베이스층을 더 포함할 수 있다. 상기 제2 배선은 탄소섬유일 수 있다. 상기 제1 배선과 상기 제2 배선 사이의 접촉 계면에는 알루미늄카본산화물이 위치할 수 있다.

상기 제1 배선과 상기 제2 배선에 인가되는 전압 또는 전류에 따라 상기 알루미늄 산화물 표면층과 상기 탄소 함유 표면층의 접촉 계면에 알루미늄 산화물과 탄소의 반응에 따른 전기화학적 반응 생성물이 생성 또는 소멸될 수 있다. 상기 전기화학적 반응 생성물이 생성 또는 소멸에 따라 상기 제1 배선과 상기 제2 배선 사이에 저저항 상태와 고저항 상태가 제공될 수 있다. 상기 제1 배선 또는 상기 제2 배선에 가해진 신축 정도에 따라, 상기 고저항 상태에서 상기 제1 배선과 상기 제2 배선 사이의 저항값 혹은 전류값은 서로 다른 값을 나타낼 수 있다. 또한, 상기 제1 배선 또는 상기 제2 배선에 가해진 신축 정도에 따라, 상기 제1 배선과 상기 제2 배선 사이의 고저항 상태의 저항값에 대한 저저항 상태 저항값의 비는 서로 다른 값을 나타낼 수 있다.

상기 과제를 이루기 위하여 본 발명의 다른 측면은 상기 신축 센서가 결합된 의복을 제공할 수 있다.

본 발명의 실시예들에 따르면, 플렉서블한 신축 센서가 제공될 수 있으며 두 배선 간의 접촉 만으로 신축에 따른 저항 변화를 유도할 수 있어 매우 간단한 공정으로 신축 센서를 제공할 수 있다.

본 발명의 기술적 효과들은 이상에서 언급한 것들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 효과들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

도 1a은 본 발명의 일 실시예에 따른 저항 변화 소자를 나타낸 사시도이고, 도 1b는 도 1a에 도시된 제 1 배선의 사시도이고, 도 1c는 도 1a에 도시된 제 2 배선의 사시도이다.
도 2는 도 1a의 절단선 I-I'를 따라 취해진 단면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 편물형 셀 어레이를 도시하는 평면도이다.
도 4a은 도 3에 도시된 편물형 셀 어레이를 배선들을 중심으로 확대하여 나타낸 평면도이고, 도 4b는 도 4a에 도시된 셀 어레이를 나타낸 회로도이다.
도 5는 실물로 구현한 편물형 셀 어레이 사진(a), 이의 처음 상태(normal state, b), 이에 가로방향으로 힘을 가하여 신축시킨 상태(stretch, c), 그리고 힘을 제거한 상태(recovery, d)에서의 전류-전압 그래프이다.
도 6은 실물로 구현한 편물형 셀 어레이 사진(a), 이의 처음 상태(normal state, b), 이에 세로방향으로 힘을 가하여 신축시킨 상태(stretch, c), 그리고 힘을 제거한 상태(recovery, d)에서의 전류-전압 그래프이다.
도 7은 저항 변화 소자의 구동 과정에서 알루미늄 와이어인 제 1 배선과 탄소 섬유인 제 2 배선의 접촉 계면의 조성 변화를 도시하는 그래프이다.
도 8은 저항 변화 소자의 구동 과정에서 알루미늄 와이어인 제 1 배선과 탄소 섬유인 제 2 배선의 접촉 계면의 조성 변화를 나타낸 X선 광전자 분광법(X-ray Photoelectron Spectroscopy) 그래프들이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 센서가 부착된 의복을 도시한 개략도이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.

본 발명의 실시예들은 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이며, 하기 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다. 오히려, 이들 실시예는 본 개시를 더욱 충실하고 완전하게 하고, 당업자에게 본 발명의 사상을 완전하게 전달하기 위하여 제공되는 것이다.

도면에서 동일 부호는 동일한 요소를 지칭한다. 또한, 본 명세서에서 사용된 바와 같이, 용어 "및/또는"은 해당 열거된 항목 중 어느 하나 및 하나 이상의 모든 조합을 포함한다.

본 명세서에서 사용된 용어는 실시예를 설명하기 위하여 사용되며, 본 발명의 범위를 제한하기 위한 것이 아니다. 또한, 본 명세서에서 단수로 기재되어 있다 하더라도, 문맥상 단수를 분명히 지적하는 것이 아니라면, 복수의 형태를 포함할 수 있다. 또한, 본 명세서에서 사용되는 "포함한다(comprise)" 및/또는 "포함하는(comprising)"이란 용어는 언급한 형상들, 숫자, 단계, 동작, 부재, 요소및/또는 이들 그룹의 존재를 특정하는 것이며, 다른 형상, 숫자, 동작, 부재, 요소 및/또는 그룹들의 존재 또는 부가를 배제하는 것이 아니다.

본 명세서에서 기판 또는 다른 층 "상에(on)" 형성된 층에 대한 언급은 상기 기판 또는 다른 층의 바로 위에 형성된 층을 지칭하거나, 상기 기판 또는 다른 층 상에 형성된 중간 층 또는 중간 층들 상에 형성된 층을 지칭할 수도 있다.

본 명세서에서, "아래로(below)", "위로(above)", "상부의(upper)", "하부의(lower)", "수평의(horizontal)" 또는 "수직의(vertical)"와 같은 상대적 용어들은, 도면들 상에 도시된 바와 같이, 일 구성 부재, 층 또는 영역들이 다른 구성 부재, 층 또는 영역과 갖는 관계를 기술하기 위하여 사용될 수 있다. 이들 용어들은 도면들에 표시된 방향뿐만 아니라 소자의 다른 방향들도 포괄하는 것임을 이해하여야 한다.

본 명세서에서, 사용되는 "배선"이란 용어는 개별적 액세스가 가능하거나 그룹핑되어 액세스 가능한 도전체들을 지칭한다. 상기 도전체들은 선형 구조체 또는 면상 구조체를 가지며, 상기 선형 구조체란 용어는 1 차원적으로 선형 확장되어 다른 구조체들과 점 접촉 또는 선 접촉을 할 수 있는 적합한 종횡비를 갖는 구조체로서, 예를 들어 섬유일 수 있다. 이 때, 섬유는 와이어, 실, 또는 얀(yarn)의 의미로도 사용될 수 있다. 상기 면상 구조체란 용어는 2차원적으로 확장되어 상기 선형 구조체와 선 접촉할 수 있도록 적합한 면적을 갖는 구조체를 지칭한다.

상기 선형 구조체는 어느 일 방향으로 연장되는 것에 한정되는 것은 아니며, 굴절, 절곡, 회전, 감김, 나선, 미언더, 겹침, 꼬기 또는 이의 조합과 같은 다양한 연장 방향의 조작이 가능하다. 마찬가지로, 상기 면상 구조체는 평탄하게 확장되는 것에 한정되지 않으며, 굴절, 휘기, 구김, 말림, 겹침, 접기, 또는 꺽기와 같은 다양한 확장 방향의 조작이 가능하다. 이러한 조작은 웨어러블 소자와 형상 변화가 요구되는 전자 장치에 본 발명의 실시예들에 따른 소자가 응용될 수 있도록 한다.

도 1a은 본 발명의 일 실시예에 따른 저항 변화 소자를 나타낸 사시도이고, 도 1b는 도 1a에 도시된 제 1 배선의 사시도이고, 도 1c는 도 1a에 도시된 제 2 배선의 사시도이다. 도 2는 도 1a의 절단선 I-I'를 따라 취해진 단면도이다.

도 1a, 도 1b, 도 1c, 및 도 2를 참조하면, 저항 변화 소자(10)는 제 1 배선(1) 및 제 1 배선(1)와 접촉하는 제 2 배선(2)을 포함한다. 상기 제1 배선(1) 및/또는 상기 제2 배선(2)은 도전성을 가지며 선형의 형상을 갖는 선형 구조체일 수 있다. 이러한 예를 들어 와이어, 섬유, 실, 또는 얀(yarn)일 수 있다. 일 예로서, 상기 제1 배선(1) 및/또는 상기 제2 배선(2)의 단면은 원형, 타원형, 또는 사각형의 형상을 가질 수 있다. 그러나, 이에 한정되는 것은 아니다.

제 1 배선(1) 및 제 2 배선(2)는 직선으로 연장되는 것으로 도시되었으나, 이에 한정되지 않으며, 굴절, 절곡, 회전, 감김, 나선, 미언더, 겹침, 꼬기 또는 이의 조합과 같은 다양한 방법으로 조작되어 일방향으로 연장될 수 있다. 나아가, 제 2 배선 (2)은 제 1 배선(1)을 둘러싸도록 배치되거나 제 1 배선(1)이 제 2 배선(2)을 둘러싸도록 배치될 수도 있다. 또한, 제 1 배선(1)이 제 2 배선(2)을 관통하도록 혹은 제 2 배선(2)이 제 1 배선(1)을 관통하도록 배치될 수도 있다.

제 1 배선(1)은 금속층 또는 금속 코어(1c)와 이의 상부에 위치하는 표면층 일 예로서, 금속 산화물 표면층(1s)를 구비할 수 있다. 상기 금속층(1c)는 알루미늄 와이어일 수 있다. 상기 금속 산화물 표면층(1s)은 상기 금속층(1c)에 함유된 금속의 산화물막 예를 들어, 상기 금속층(1c)에 함유된 금속의 자연산화물막일 수 있다. 구체적으로, 상기 금속 산화물 표면층(1s)은 알루미늄 산화물 표면층일 수 있다. 상기 금속 산화물 표면층(1s)은 상기 금속층(1c)를 둘러싸도록 배치된 것으로 도시되었으나 이에 한정되지 않고 상기 금속층(1c) 표면의 적어도 일부 예를 들어, 제 2 배선(2)과 접촉하는 부분에 한정적으로 배치될 수도 있다.

다른 예에서, 상기 금속층(1c)는 도전성 또는 비도전성 베이스층 또는 베이스 코어(1c') 상에 코팅된 것일 수 있다. 베이스 코어(1c')는 선형 구조체 혹은 섬유로서, 상기 금속층(1c)의 금속과는 다른 금속 섬유(또는 와이어), 전도성 고분자 섬유, 절연 고분자 섬유, 탄소 섬유, 또는 이들의 조합물일 수 있다. 베이스 코어(1c') 에 금속을 코팅하는 것은 건식 또는 습식법을 사용하여 수행할 수 있다. 또한, 금속의 코팅은 베이스 코어(1c') 를 둘러싸도록 수행될 수도 있고 또는 일부분 상에 수행될 수도 있다. 이러한 금속 코팅은 스퍼터링 공정, 원자층 증착 공정, 또는 적합한 금속 전구체를 용매에 용해 및 분산시켜 코팅하는 습식 코팅, 또는 전해 또는 무전해 도금에 의해 형성될 수 있으며, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.

제 2 배선(2)은 탄소 함유 표면층(2s)을 구비하는 배선일 수 있다. 일 예에서, 제 2 배선(2)은 도전성 또는 비도전성 베이스 코어(2c) 및 상기 베이스 코어의 적어도 일부 상에 배치된 탄소 함유 표면층(2s)을 구비할 수 있다. 베이스 코어(2c)는 선형 구조체 혹은 섬유로서, 금속 섬유(또는 와이어), 전도성 고분자 섬유, 절연 고분자 섬유, 탄소 섬유, 또는 이들의 조합물일 수 있다. 다른 예에서, 제 2 배선(2)은 탄소 섬유의 단일 구조로 이루어질 수도 있다. 이 경우, 탄소 함유 표면층(2s)은 상기 탄소 섬유의 표면 그 자체에 의해 제공될 수 있을 것이다. 상기 탄소 함유 표면층(2s) 또는 탄소 섬유는 비정질 탄소, 또는 그래핀, 탄소나노튜브 등의 결정질 탄소를 포함할 수 있다.

제 1 배선(1)에 제 2 배선(2)이 점 접촉할 수 있다. 이러한 점 접촉에 의해 정의되는 접촉 계면(CI)은 수 nm 내지 수 ㎛의 폭 또는 길이를 가질 수 있으며, 이에 의해 단위 셀이 정의될 수 있다. 접촉계면(CI)의 폭 또는 길이는 이에 한정되는 것은 아니다.

제 1 배선(1)과 제 2 배선(2)이 접촉 계면(CI)을 형성하는 경우, 이들 접촉 계면에 금속탄소산화물 일 예로서, 알루미늄카본산화물이 생성될 수 있다. 또한, 상기 제1 배선(1)과 상기 제2 배선(2)에 가해진 신축 정도에 따라 상기 제1 배선(1)과 상기 제2 배선(2) 사이의 접촉저항은 서로 다른 값을 나타낼 수 있다.

한편, 제 1 배선 (1)과 제 2 배선(2) 사이에 가변적인 전압 또는 전류를 인가하면, 제 1 배선(1)과 제 2 배선(2)을 통하여 전류가 흐르면서, 점 접촉된 배선들(1, 2)의 접촉 계면(CI)에는 전기화학적 반응 생성물 일 예로서, 알루미늄카본산화물이 생성 또는 소멸될 수 있다. 상기 가역적 전기화학적 반응 생성물의 생성 또는 소멸에 따라 제 1 배선(1)과 제 2 배선(2)에 의한 도전 경로에는 2 이상의 저항값 레벨들이 제공될 수 있으며, 이러한 저항값 레벨에 예를 들면, "0" 또는 "1"의 논리값을 할당함으로써 정보 저장이 가능할 수 있다.

일 예로서, 제1 배선(1)에 그라운드 전압(V₀)을 인가한 상태에서 제2 배선(2)에 마이너스 값을 갖는 셋 전압을 인가하면, 금속 산화물 표면층(1s) 내에 또는 금속 산화물 표면층(1s)과 탄소 함유 표면층(2s) 사이에 금속카본산화물과 더불어서 산소 공공 필라멘트가 생성되어 상기 금속 코어(1c)와 제2 배선(2) 사이에 도전 경로가 생성됨에 따라 저저항 상태(LRS)가 유도될 수 있다. 한편, 제1 배선(1)에 그라운드 전압(V0)을 인가한 상태에서 제2 배선(2)에 플러스 값을 갖는 리셋 전압을 인가하면, 생성되었던 산소 공공 필라멘트가 일부 소멸되어 상기 금속 코어(1c)와 제2 배선(2) 사이에 도전 경로가 끊김에 따라 고저항 상태(HRS)가 유도될 수 있다. 한편, 상기 제1 배선(1)과 상기 제2 배선(2)에 가해진 신축 정도에 따라 고저항 상태의 저항값 혹은 전류값이 서로 달라질 수 있다. 또한, 상기 제1 배선(1)과 상기 제2 배선(2)에 가해진 신축 정도에 따라, on/off 비 구체적으로 고저항 상태의 저항값에 대한 저저항 상태 저항값의 비, 혹은 고저항 상태의 전류값에 대한 저저항 상태 전류값의 비가 달라질 수 있다. 이 경우, 고저항 상태의 저항값 (또는 전류값)과 저저항 상태 저항값(또는 전류값)을 모두 이용하여 신축 정도를 살펴보므로, 신축 정도에 대한 센싱능력이 향상될 수 있다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 편물형 셀 어레이를 도시하는 평면도이다.

도 3를 참조하면, 편물 형식으로 구현된 셀 어레이(MA)가 도시된다. 구체적으로, 절연성 선형 구조체(3) 다시 말해서, 섬유, 와이어, 실 또는 얀(yarn)이 편조된 지지체들(a, a') 즉, 제1 지지체(a')와 제2 지지체(a) 사이에, 이들에 맞물린(interlocked) 셀 어레이(MA)가 제공될 수 있다. 셀 어레이(MA) 내에서 제1 배선(1)과 제 2 배선(2) 중 어느 하나 예를 들어, 제1 배선(1)이 제1 지지체(a')에 맞물린 루프들로 이루어진 하나의 제1 도전성 행을 구성하고, 제1 배선(1)과 제 2 배선(2) 중 다른 하나 예를 들어, 제2 배선(2)이 제1 배선(1)으로 구성된 제1 도전성 행과 제2 지지체(a) 사이에서 이들에 맞물린 루프들로 이루어진 제2 도전성 행을 구성할 수 있다.

이러한 편물형 셀 어레이를 구성할 때, 제1 절연성 선형 구조체(3)를 편조하여 제1 지지체(a')를 형성하고, 제1 지지체(a')를 형성하는 절연성 선형 구조체(3)의 끝단와 제1 배선(1)의 일단을 매듭으로 연결한 후 제1 배선(1)을 제1 지지체(a')에 맞물리도록 편조하여 제1 도전성 행을 형성하고, 제1 도전성 행을 형성한 제1 배선(1)의 타단과 제2 배선(2)의 일단을 매듭으로 연결한 후 제2 배선(2)을 제1 도전성 행에 맞물리도록 편조하여 제2 도전성 행을 형성하고, 제2 도전성 행을 형성한 제2 배선(2)의 타단과 제2 절연성 선형 구조체(3)의 일단을 매듭으로 연결한 후 절연성 선형 구조체(3)를 제2 도전성 행에 맞물리도록 편조하여 제2 지지체(a)를 형성할 수 있다.

이와 같이, 제1 배선(1)과 제2 배선(2)은 편조될 수 있다. 구체적으로, 제1 배선(1)은 가로방향으로 진행하면서 거의 동일한 크기로 반복되는 루프들을 형성한다. 이 때, 각 루프는 위로 연장되는 부분(1a)과 다시 돌아서 아래로 연장되는 부분(1b)을 구비할 수 있다. 제2 배선(2)은 제1 배선(1)이 형성하는 제1 루프의 위로 연장되는 부분(1a)의 아래를 지난 후 다시 그의 위를 지나면서 위로 연장되고(2a) 다시 돌아서 아래로 연장되면서 제1 루프의 아래로 연장되는 부분(1b)의 위를 지난 후 다시 그의 아래를 지나면서(2b) 하나의 루프를 형성할 수 있다. 이러한 방법으로 제1 배선(1)의 루프들과 제2 배선(2)의 루프들은 서로 맞물릴 수 있다.

이러한 편조 과정에서 제1 배선(1)과 제2 배선(2)의 교차지점은 하나의 셀로 정의될 수 있고, 도 2를 참조하여 설명한 바와 같이 저저항과 고저항을 나타낼 수 있으며, 또한 셀 어레이(MA)에 인가된 즉, 제1 배선(1) 또는 제2 배선(2)에 인가된 신축의 정도에 따라 고저항 상태의 저항값 또는 전류값, 나아가 on/off 비가 서로 달라질 수 있다.

나아가, 셀 어레이(MA)를 포함한 지지체(20)는 의복 또는 가방의 일부분이거나 이에 결합될 있고 이 경우, 제 1 배선 (1)과 제 2 배선(2)은 상기 의복 또는 가방에 일체화되어, 스마트 의복 또는 스마트 가방이 구현될 수 있다. 또 다른 예로서, 상기 셀 어레이(MA)를 포함한 지지체(20)는, 모자, 손목시계, 커튼, 침구류 중 적어도 어느 하나의 일부이거나 이에 결합될 수 있으며, 본 발명이 이들 예에 한정되는 것은 아니다.

도 4a은 도 3에 도시된 편물형 셀 어레이를 배선들을 중심으로 확대하여 나타낸 평면도이고, 도 4b는 도 4a에 도시된 셀 어레이를 나타낸 회로도이다.

도 4a 및 도 4b를 참조하면, 제1 배선(1)과 제2 배선(2)의 각 교차지점은 하나의 셀 즉, 하나의 가변저항(R1, R2, …, R6)을 구성할 수 있다. 따라서, 제1 배선(1)과 제2 배선(2) 사이에 다수의 가변저항(R1, R2, …, R6)들이 배치될 수 있다.

제1 배선(1)과 제2 배선(2) 중 어느 하나의 배선에 동작 전압이 가해지고, 다른 하나의 배선은 접지될 수 있다. 이 경우, 도 2를 참조하여 설명한 바와 같이 제1 배선(1)과 제2 배선(2) 사이에 도전성 경로가 형성 또는 차단됨에 따라 저저항 상태와 고저항 상태가 나타날 수 있다. 또한, 제1 배선(1)과 제2 배선(2)에 가해진 신축 정도에 따라 고저항 상태의 저항값이 서로 달라질 수 있다.

제1 배선(1) 또는 제2 배선(2)을 통해 검출된 저항 또는 전류의 량을 통신 모듈(미도시)을 통해 외부 연산장치(미도시)로 송신할 수 있다. 상기 외부 연산장치는 저항 또는 전류 값에 대응하는 신축의 크기가 저장된 데이터 베이스(미도시)를 포함하고, 송신된 저항 또는 전류의 량을 사용하여 상기 데이터 베이스를 통해 신축의 크기를 도출할 수 있다. 도출된 신축의 크기는 표시장치(미도시)에 의해 표시될 수 있다.

상기 외부 연산장치와 표시장치는 관련 프로그램 또는 앱이 설치된 스마트폰 등의 휴대용 컴퓨터일 수 있고, 상기 데이터 베이스는 네트워크를 통해 접속 가능한 데이터 베이스일 수 있다.

도 5는 실물로 구현한 편물형 셀 어레이 사진(a), 이의 처음 상태(normal state, b), 이에 가로방향으로 힘을 가하여 신축시킨 상태(stretch, c), 그리고 힘을 제거한 상태(recovery, d)에서의 전류-전압 그래프이다.

도 5(a)를 참조하면, 제1 배선은 알루미늄 코팅된 탄소 섬유를 사용하였고, 제2 배선은 코팅되지 않은 탄소 섬유를 사용하여 도 4에서 설명한 방법 대로 편조하였다. 제1 배선은 공기 중에 노출됨에 따라 알루미늄층 상에 알루미늄 자연산화막이 매우 얇게 형성된 것으로 추정되었다.

도 5(b)를 참조하면, 제 1 배선(1)를 접지하고 제 2 배선(2)에 음의 전압을 음의 방향으로 스윕하는 동안(S1), 소자는 약 -2.5V에서 고저항 상태에서 저저항 상태로 변화된다(set). 이후, 음의 전압을 양의 방향으로 스윕하는 동안(S2)과 양의 전압을 양의 방향으로 스윕하는 동안(S3) 소자는 저저항 상태(LRS)를 유지한다. 이 후, 소자는 양의 전압인 약 3.5 V에서 저저항 상태에서 고저항 상태로 변화된다(reset). 다시, 전압을 음의 방향으로 스윕하는 동안(S4) 소자는 고저항 상태(HRS)를 유지한다.

제 1 배선(1)과 제 2 배선(2) 사이에 인가되는 적절한 전압 신호에 의해 얻어지는 상기 셋 동작과 리셋 동작을 이용하여 소자의 프로그래밍 및 소거 동작이 수행될 수 있다. 상기 셋 동작에 의한 저저항 상태와 리셋 동작에 의한 고저항 상태는 적절한 읽기 전압을 제 1 배선(1)과 제 2 배선(2) 사이에 인가하여 흐르는 전류의 크기를 감지하여 판별될 수 있을 것이다.

도 5(c)를 참조하면, 도 5(a)에 도시된 바와 같이 편물형 셀 어레이를 가로 방향으로 힘을 가하여 약 112% 신축시킨 상태에서 도 5(b)를 참조하여 설명한 방법과 동일한 방법으로 셋 동작과 리셋 동작을 수행하였다.

도 5(d)를 참조하면, 상기 편물형 셀 어레이에 가해졌던 힘을 제거한 상태에서 도 5(b)를 참조하여 설명한 방법과 동일한 방법으로 셋 동작과 리셋 동작을 수행하였다.

이 때, 편물형 셀 어레이에 힘을 가하지 않은 상태 즉, 처음 상태(b)와 힘을 가하여 112% 신축시킨 상태(c)에서는 서로 다른 고저항 상태의 전류값들을 나타나는 것을 알 수 있다. 또한, 가해진 힘을 제거한 상태(d)에서는 처음 상태(b)와 유사한 고저항 상태 전류값을 나타낸다. 구체적으로, 처음 상태(b)에서는 약 65.77μA (@0.3V), 112% 신축시킨 상태(c)에서는 약 194.03μA (@0.3V), 그리고 힘을 제거한 상태(d) 에서는 약 72.8μA (@0.3V)의 고저항 상태 전류값들을 나타내었다.

또한, 편물형 셀 어레이에 힘을 가하지 않은 상태 즉, 처음 상태(b)와 힘을 가하여 112% 신축시킨 상태(c)에서는 서로 다른 on/off 비들을 나타나는 것을 알 수 있다. 또한, 가해진 힘을 제거한 상태(d)에서는 처음 상태(b)와 유사한 on/off 비를 나타낸다. 구체적으로, 처음 상태(b)에서는 약 16.1 (@0.3V), 112% 신축시킨 상태(c)에서는 약 4.5 (@0.3V), 그리고 힘을 제거한 상태(d) 에서는 약 12.5 (@0.3V)의 on/off 비들을 나타내었다.

도 6은 실물로 구현한 편물형 셀 어레이 사진(a), 이의 처음 상태(normal state, b), 이에 세로방향으로 힘을 가하여 신축시킨 상태(stretch, c), 그리고 힘을 제거한 상태(recovery, d)에서의 전류-전압 그래프이다.

도 6(a)를 참조하면, 제1 배선은 알루미늄 코팅된 탄소 섬유를 사용하였고, 제2 배선은 코팅되지 않은 탄소 섬유를 사용하여 도 4에서 설명한 방법 대로 편조하였다. 제1 배선은 공기 중에 노출됨에 따라 알루미늄층 상에 알루미늄 자연산화막이 매우 얇게 형성된 것으로 추정되었다.

도 6(b)를 참조하면, 도 5(b)를 참조하여 설명한 방법과 동일한 방법으로 셋 동작과 리셋 동작을 수행하였다.

도 6(c)를 참조하면, 편물형 셀 어레이를 가로 방향으로 힘을 가하여 약 117.5% 신축시킨 상태에서 도 5(b)를 참조하여 설명한 방법과 동일한 방법으로 셋 동작과 리셋 동작을 수행하였다.

도 6(d)를 참조하면, 상기 편물형 셀 어레이에 가해졌던 힘을 제거한 상태에서 도 5(b)를 참조하여 설명한 방법과 동일한 방법으로 셋 동작과 리셋 동작을 수행하였다.

이 때, 편물형 셀 어레이에 힘을 가하지 않은 상태 즉, 처음 상태(b)와 힘을 세로 방향으로 가하여 117.5% 신축시킨 상태(c)에서는 서로 다른 고저항 상태의 전류값들을 나타나는 것을 알 수 있다. 또한, 가해진 힘을 제거한 상태(d)에서는 처음 상태(b)와 유사한 고저항 상태 전류값을 나타낸다. 구체적으로, 처음 상태(b)에서는 약 165.4μA (@0.3V), 112% 신축시킨 상태(c)에서는 43μA (@0.3V), 그리고 힘을 제거한 상태(d) 에서는 145.33μA (@0.3V)의 고저항 상태 전류값들을 나타내었다.

또한, 편물형 셀 어레이에 힘을 가하지 않은 상태 즉, 처음 상태(b)와 힘을 가하여 117.5% 신축시킨 상태(c)에서는 서로 다른 on/off 비들을 나타나는 것을 알 수 있다. 또한, 가해진 힘을 제거한 상태(d)에서는 처음 상태(b)와 유사한 on/off 비를 나타낸다. 구체적으로, 처음 상태(b)에서는 약 5.4 (@0.3V), 117.5% 신축시킨 상태(c)에서는 약 14.1 (@0.3V), 그리고 힘을 제거한 상태(d) 에서는 약 9.17 (@0.3V)의 on/off 비들을 나타내었다.

도 7은 저항 변화 소자의 구동 과정에서 알루미늄 와이어인 제 1 배선과 탄소 섬유인 제 2 배선의 접촉 계면의 조성 변화를 도시하는 그래프이다. 조성 분석은 EDS(Energy Dispersive x-ray Spectroscopy)를 이용하여 수행되었다.

도 7을 참조하면, 알루미늄 필름(Al ref), 알루미늄 와이어와 탄소 섬유를 접촉만 한 상태(Initial), 그리고 동작 중 셋 상태(SET)와 리셋 상태(RESET)에서 탄소 및 산소의 원자분율이 도시된다. 전압에 의해 구동되는 과정인 셋 상태와 리셋 상태에서 탄소 및 산소의 조성 변화가 일어나는데, 알루미늄 와이어와 탄소 섬유를 접촉만 한 상태(Initial) 대비 셋 상태는 탄소의 함량이 증가하고 산소의 함량이 감소한다. 또한, 셋 상태 대비 리셋 상태에서는 탄소의 함량이 감소하고 산소의 함량이 증가한다.

알루미늄과 탄소의 접촉 계면에서 일어나는 현상을 이해하기 위해 두 물질간의 조성에 따른 상변화 다이아그램을 참조한 결과, 알루미늄 와이어 상에 형성된 알루미늄 자연 산화물과 탄소의 반응에 의해 알루미늄탄소산화물(aluminum carbon oxide)가 아래 반응식과 같이 형성될 수 있고, 알루미늄탄소산화물과 함께 산소 공공이 생성될 수 있을 것이다.

[식 1]

2Al₂O₃ + 3C → Al₄O₄C + 2CO(g)

알루미늄 자연 산화물과 탄소간 반응 생성물의 상온에서의 자유 에너지 변화를 계산하면 Al₄O₄C < Al₂O₃ < Al₂OC < Al₄C₃로 화합물 Al₄O₄C의 형성이 산소 공공의 생성과 관련이 있으며, 저항 값의 변화를 초래하는 것으로 파악된다. 다시 말해서, 셋 구동에서 화합물 Al₄O₄C가 형성되면서 이와 함께 생성된 산소 공공에 의해 알루미늄 자연 산화물의 전도성이 증가되어 저저항 상태(LRS)가 유도되고, 리셋 구동에서는 반대로 아래 반응식과 같이 알루미늄 산화물이 재생성되면서 산소 공공이 소멸되어 고저항 상태(HRS)가 유도될 수 있다.

[식 2]

Al₄O₄C + O₂(g) → 2Al₂O₃ + C

도 8은 저항 변화 소자의 구동 과정에서 알루미늄 와이어인 제 1 배선과 탄소 섬유인 제 2 배선의 접촉 계면의 조성 변화를 나타낸 X선 광전자 분광법(X-ray Photoelectron Spectroscopy) 그래프들이다. 구체적으로, (a1)과 (a2)는 알루미늄 필름(Al ref)의 Al2p 피크와 C1s 피크를 각각 나타내고, (b1)와 (b2)는 저항 변화 소자의 동작 중 셋 상태(SET)에서 접촉 계면의 Al2p 피크와 C1s 피크를 각각 나타내고, (c1)와 (c2)는 저항 변화 소자의 동작 중 리셋 상태(RESET)에서 접촉 계면의 Al2p 피크와 C1s 피크를 각각 나타낸다.

도 8을 참조하면, 리셋 상태의 Al2p 피크(c1)에서 Al-O 본드를 나타내는 피크의 강도가 증가한 것으로 보아, 리셋 상태에서는 알루미늄 산화물이 형성되는 것으로 추론할 수 있다. 한편, 셋 상태의 C1s 피크(b2)에서 C-O-Al 본드를 나타내는 피크의 강도가 증가한 것으로 보아, 셋 상태에서는 알루미늄탄소산화물이 형성되는 것으로 추론할 수 있다. 이 결과를 통해 탄소 섬유와 알루미늄 와이어의 접촉 계면 즉, 알루미늄 자연 산화물막 내에서 셋 바이어스에 의해 알루미늄탄소산화물 즉, 알루미늄 옥시카바이드(Aluminum oxycarbide, Al₄O₄C) 의 형성으로 산소 공공이 생성되어 이를 통하여 전류가 흐르게 되어 저항이 감소되고, 리셋 바이어스의 경우에는 이의 역반응에 의해 저항이 증가하는 것이 뒷받침될 수 있다.

도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 센서가 부착된 의복을 도시한 개략도이다.

도 9를 참조하면, 도 3, 도 4a, 및 도 4b를 참조하여 설명한 편물형 셀 어레이를 구비하는 신축 센서(200a, 200b, 200c, 200d, 200e)는 의복의 적어도 일부에 직조(weaving), 편조(knitting), 혹은 바느질(stiching)에 의해 결합될 수 있다.

이 신축센서(200a, 200b, 200c, 200d, 200e)가 결합된 의복은 신축성이 매우 뛰어난 섬유로 짜여진 것일 수 있다. 한편, 상기 신축 센서는 가슴 둘레 측정 센서(200a), 배 둘레 측정 센서(200b), 엉덩이 둘레 측정 센서(200b), 허벅지 둘레 측정 센서(200d), 또는 종아리 둘레 측정 센서(200d)일 수 있다. 이러한 신축 센서는 의복 가상 착장 시스템에서 이용할 수 있다. 한편, 이러한 신축 센서는 센서가 부착된 인체의 모션을 감지할 수 있는, 다시 말해서 인체 관절 부분에서 스트레치 정도를 감지하는 모션 감지 센서로도 이용할 수 있다.

이상에서 설명한 본 발명이 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것은, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.

Claims (9)

1. 제1 절연 지지체;
   상기 제1 절연 지지체에 맞물려 편조된 알루미늄 산화물 표면층을 구비하는 제1 배선;
   상기 제1 배선에 맞물려 편조되고 상기 알루미늄 산화물 표면층에 접촉하는 탄소 함유 표면층을 구비하는 제2 배선; 및
   상기 제2 배선에 맞물려 편조된 제2 절연 지지체를 포함하고,
   상기 제1 배선 또는 상기 제2 배선에 가해진 신축 정도에 따라 서로 맞물려 편조된 상태에 있는 상기 제1 배선과 상기 제2 배선 사이의 저항값 또는 전류값이 달라지는 신축 센서.
2. 제1항에 있어서,
   상기 제1 배선은 상기 알루미늄 산화물 표면층 하부에 알루미늄층을 갖고, 상기 알루미늄 산화물 표면층은 상기 알루미늄층의 자연 산화막인 신축 센서.
3. 제2항에 있어서,
   상기 제1 배선은 상기 알루미늄층 하부에 베이스층을 더 포함하는 신축 센서.
4. 제1항에 있어서,
   상기 제2 배선은 탄소섬유인 신축 센서.
5. 제1항에 있어서,
   상기 제1 배선과 상기 제2 배선 사이의 접촉 계면에는 알루미늄카본산화물이 위치하는 신축 센서.
6. 제1항에 있어서,
   상기 제1 배선과 상기 제2 배선에 인가되는 전압 또는 전류에 따라 상기 알루미늄 산화물 표면층과 상기 탄소 함유 표면층의 접촉 계면에 알루미늄 산화물과 탄소의 반응에 따른 전기화학적 반응 생성물이 생성 또는 소멸되고,
   상기 전기화학적 반응 생성물이 생성 또는 소멸에 따라 상기 제1 배선과 상기 제2 배선 사이에 저저항 상태와 고저항 상태가 제공되는 신축 센서.
7. 제6항에 있어서,
   상기 고저항 상태에서,
   상기 제1 배선 또는 상기 제2 배선에 가해진 신축 정도에 따라,
   상기 제1 배선과 상기 제2 배선 사이의 저항값 혹은 전류값은 서로 다른 값을 나타내는 신축 센서.
8. 제6항에 있어서,
   상기 제1 배선 또는 상기 제2 배선에 가해진 신축 정도에 따라,
   상기 제1 배선과 상기 제2 배선 사이의 고저항 상태의 저항값에 대한 저저항 상태 저항값의 비는 서로 다른 값을 나타내는 신축 센서.
9. 제1항의 신축 센서가 결합된 의복.

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