KR102027631B1 - 웨어러블 유연 온도 센서 및 그 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 고분자 유연 막으로 도포되어 유연하고 피부에 접촉 시 바이오 막이 형성되어 측정 오차를 유발하는 것을 막을 수 있는 웨어러블 유연 온도 센서 및 그 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게 본 발명은 고분자 유연 기판을 지지할 지지대를 준비하는 단계; 상기 지지대 상부에 고분자를 도포하여 고분자 유연 기판을 형성하는 단계; 상기 고분자 유연 기판 위에 포토레지스터 패턴을 형성하는 단계; 상기 패터닝된 포토레지스터 위에 Ti 박막층 및 금속 박막 저항체층을 순차로 증착시키는 단계; 상기 증착된 금속 박막 저항체층를 리프트-오프하여 상기 증착된 금속 박막 저항체층만을 잔존시키는 단계; 상기 금속 박막 저항체층 상부의 양단에 패터닝된 섀도우 마스크로 와이어 본딩을 위한 전극패드를 형성하는 단계; 상기 금속 박막 저항체층 및 전극패드를 감싸며 형성되고, 고분자로 도포하여 고분자 유연 보호층을 형성하는 단계; 패터닝된 마스크로 상기 전극패드 상부의 고분자 유연 보호층을 식각하여 제거하는 단계; 및 상기 지지대를 분리하는 단계를 포함하는 웨어러블 유연 온도 센서의 제조방법 및 웨어러블 유연 온도 센서에 관한 것이다.
본 발명의 웨어러블 유연 온도 센서 및 그 제조방법에 따르면, 고분자 유연 막으로 도포되어 유연하고, 피부가 금속 박막에 직접 닿거나 바이오 막이 형성되는 것을 막을 수 있어, 금속 박막이 산화 또는 부식되는 것을 막고, 피부에 접촉 시 바이오 막이 형성되어 측정 오차를 유발하는 것을 막을 수 있다.

Description

웨어러블 유연 온도 센서 및 그 제조방법{Wearable flexible temperature sensor and manufacturing method thereof}
본 발명은 웨어러블 유연 온도 센서 및 그 제조방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로, 고분자 유연 막으로 도포되어 유연하고 피부에 접촉 시 바이오 막이 형성되어 측정 오차를 유발하는 것을 막을 수 있는 웨어러블 유연 온도 센서 및 그 제조방법에 관한 것이다.
온도를 측정하기 위한 종래의 온도센서로는 열전대(thermocouple wire), 다이오드 센서, 저항온도검출기(resistance temperature detector) 등이 있다. 저항온도검출기의 경우 알루미나나 실리콘 (Si) 기판 상에 백금 등 금속 박막을 이용하여 제조되었다. 이러한 방식으로 제조되어 판매되고 있는 백금 온도센서나 써미스터 (thermistor) 등은 유연하지 못하거나, 칩 형태로 되어 있어 피부 온도를 측정할 때 이물감을 주는 등 웨어러블 형태의 유연 온도 센서에 부적합한 부분이 있다. 또한, 금속 박막을 이용한 유연 온도센서 제조 시 금속 표면이 노출되어 특성이 부식이나 산화가 발생되거나 피부에 접촉이 될 경우, 바이오 막이 형성되어 측정 오차를 유발하는 경우가 있다.
또한, 종래 온도센서와 연관된 기술로서는 대한민국 등록특허 제1038733호에 따르면, 보호층 위에 도전성 소재의 판을 식각하여 복수의 도전 단자 쌍 패턴을 형성하고, 도전 단자의 한 쪽 끝 부분에 온도감지센서 세라믹소자를 부착하여 제조된 온도센서 어셈블리의 제조방법이 개시되어 있다.
그러나, 대한민국 등록특허 제1038733호는 온도감지센서 세라믹 소자가 하나의 도전 단자와 직접적으로 접촉하고 있어 온도 변화에 대한 반응이 빠르고, 상기 세라믹 소자가 하나의 도전 단자에 부착되어 있으므로 외부의 충격에 대한 저항성이 높다는 장점을 가지나, 도전 단자 쌍 패턴 및 온도감지센서 세라믹소자를 별개로 형성하는 방식이기 때문에 제조공정이 복잡하고 유연성이 부족하다는 문제점을 갖는다.
대한민국 등록특허 제1038733호
따라서, 본 발명의 목적은 고분자 유연 막으로 도포되어 유연하고, 금속 박막이 산화 또는 부식되는 것을 막고, 피부에 접촉 시 바이오 막이 형성되어 측정 오차를 유발하는 것을 막을 수 있는 웨어러블 유연 온도 센서 및 그 제조방법을 제공하는 것이다.
상술한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 웨어러블 유연 온도 센서의 제조방법은, 고분자 유연 기판을 지지할 지지대를 준비하는 단계; 상기 지지대 상부에 고분자를 도포하여 고분자 유연 기판을 형성하는 단계; 상기 고분자 유연 기판 위에 포토레지스터 패턴을 형성하는 단계; 상기 패터닝된 포토레지스터 위에 Ti 박막층 및 금속 박막 저항체층을 순차로 증착시키는 단계; 상기 증착된 금속 박막 저항체층를 리프트-오프하여 상기 증착된 금속 박막 저항체층만을 잔존시키는 단계; 상기 금속 박막 저항체층 상부의 양단에 패터닝된 섀도우 마스크로 와이어 본딩을 위한 전극패드를 형성하는 단계; 상기 금속 박막 저항체층 및 전극패드를 감싸며 형성되고, 고분자로 도포하여 고분자 유연 보호층을 형성하는 단계; 패터닝된 마스크로 상기 전극패드 상부의 고분자 유연 보호층을 식각하여 제거하는 단계; 및 상기 지지대를 분리하는 단계를 포함할 수 있다.
이때, 상기 금속은 Pt, Au, Ag 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 1종의 재질을 포함할 수 있다.
상기 고분자는 PI(polyimide), PET(polyethylene terephthalate), PMMA(polymethyl methacrylate), PDMS(polydimethyl siloxane) 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 1종의 재질을 포함할 수 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 웨어러블 유연 온도 센서는, 고분자 유연 막으로 구성된 고분자 유연 기판; 상기 고분자 유연 기판 상부에 패터닝되어 형성된 Ti 박막층; 상기 Ti 박막층 위에 증착되어 형성된 금속 박막 저항체층; 상기 금속 박막 저항체층의 양단에 형성된 와이어 본딩을 위한 전극패드; 및 상기 금속 박막 저항체층 및 전극패드를 감싸며 형성되고, 와이어 본딩을 위하여 상기 전극패드의 상부가 노출되도록 일부가 제거된 보호층을 포함할 수 있다.
이때, 상기 Ti 박막층의 두께는 10~100 nm이고, 상기 금속 박막 저항체층의 두께는 0.5 ㎛ ~ 1.5 ㎛인 것을 특징으로 한다.
본 발명의 웨어러블 유연 온도 센서 및 그 제조방법에 따르면, 고분자 유연 막으로 도포되어 유연하고, 피부가 금속 박막에 직접 닿거나 바이오 막이 형성되는 것을 막을 수 있어, 금속 박막이 산화 또는 부식되는 것을 막고, 피부에 접촉 시 바이오 막이 형성되어 측정 오차를 유발하는 것을 막을 수 있는 장점이 있다.
또한, 설계된 유연 온도 센서 저항체는 제작 시 반도체 공정을 이용하기 때문에 한 장의 웨이퍼 상에 형성되는 각 백금 저항체들의 샘플간의 오차가 적은 장점이 있다.
도 1은 본 발명에 따른 웨어러블 유연 온도 센서의 제조방법의 흐름도이다.
도 2는 도 1의 웨어러블 유연 온도 센서의 제조방법에 따른 각 단계를 보여주는 도면들이다.
도 3은 도 1의 방법에 따라 제작된 웨어러블 유연 온도 센서의 사진이다(왼쪽: 위면 사진, 오른쪽: 뒷면 사진).
본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시 예를 가질 수 있는 바, 특정 실시 예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에서 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
본 출원에서 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, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
이하, 본 발명을 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 웨어러블 유연 온도 센서의 제조방법의 흐름도이다. 도 2는 도 1의 웨어러블 유연 온도 센서의 제조방법에 따른 각 단계를 보여주는 도면들이다.
본 발명에 따른 웨어러블 유연 온도 센서의 제조방법을 도 1 내지 도 2을 참조하여 설명하면 다음과 같다.
먼저 도 1에 도시된 바와 같이, S110 단계에서 지지대(10)를 준비한다. 이때 지지대(10)는 후술할 고분자 유연 기판(20)을 지지하는 역할을 하며, 유리질 또는 Si 재질이 사용될 수 있다. 상기 지지대(10)는 본 발명의 웨어러블 유연 온도 센서가 제조되는 공정의 마지막 단계에서 최종적으로 분리된다.
다음으로, S120 단계에서 상기 지지대(10) 상부에 고분자를 도포하여 고분자 유연 기판(20)을 형성한다. 이때 고분자로는 PI(polyimide), PET(polyethylene terephthalate), PMMA(polymethyl methacrylate), PDMS(polydimethyl siloxane) 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 1종의 재질을 포함하는 것을 특징으로 한다. 상기 고분자의 도포는 lamination이나 스핀코팅 등의 방식으로 고르게 도포한다. 본 발명의 일실시예에 따르면, PI(polyimide)를 스핀 코팅하고 일정한 온도(약 300~350 ℃)에서 일정한 시간(약 1~2시간)동안 열처리를 통해 경화시키는 방법으로 형성이 가능하다.
다음으로, S130 단계에서 상기 고분자 유연 기판(20) 위에 포토레지스터(30) 패턴을 형성한다. 본 발명에 따른 포토레지스터 패턴을 형성하는 방법은 특별히 제한되지 않으며, 이 기술분야에 알려진 모든 것을 포함한다. 예컨대, 상기 고분자 유연 기판(20) 위에 포토레지스터막을 형성한 후, 형성될 패턴에 대응되게 형성된 마스크를 이용한 자외선 노광을 통하여 포토레지스터막을 노광하고 사진 식각 공정을 통해 상기 포토레지스터막을 패터닝하여 포토레지스터 패턴을 형성한다.
다음으로, S140 단계에서 상기 패터닝된 포토레지스터(30) 위에 Ti 박막층 및 금속 박막 저항체층(40)을 순차로 증착한다. 본 발명에 따른 Ti 박막층 및 금속 박막 저항체층(40)을 증착하는 방법은 특별히 제한되지 않으며, 이 기술분야에 알려진 모든 것을 포함한다. 예컨대, 스퍼터링, 물리 기상 증착법(Physical Vapor Deposition), 화학 기상 증착(Chemical Vapor Deposition) 등의 방법으로 형성한다.
이때 Ti 박막층은 후속하여 형성되는 금속 박막 저항체층의 접착층 역할을 하게 되며, 상기 Ti 박막층의 두께는 10~100 nm가 바람직하다.
상기 금속은 선형성 및 TCR (Temperature Coefficient of Resistance) 특성이 우수한 Pt, Au, Ag 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 1종의 재질을 포함하는 것을 특징으로 한다. 이때 상기 금속으로 형성된 금속 박막 저항체층(40)의 두께는 0.5 ㎛ ~ 1.5 ㎛가 바람직하다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 금속 박막 저항체가 백금으로 구성된 경우 박막 두께에 따라 단위 sheet resistance를 측정하고 구할 수 있고, 이와 같은 단위 sheet resistance를 길이 방향으로 연결하면 길이가 길어짐에 따라서, 100 Ω, 500 Ω, 1000 Ω, 1500 Ω 등의 저항체로 설계할 수 있다.
다음으로, S150 단계에서 상기 증착된 금속 박막 저항체층(40)를 리프트-오프하여 상기 증착된 금속 박막 저항체층(40)만을 잔존시킨다. 즉, 상기 금속 박막 저항체층(40)에 영향을 주지 않으면서 상기 패터닝된 포토레지스터(30)를 용해시킬 수 있는 용매를 이용하여 상기 패터닝된 포토레지스터(30)를 제거한다. 상기 용매에 의해 상기 패터닝된 포토레지스터(30)가 용해되는 동안, 상기 패터닝된 포토레지스터(30) 위의 상기 금속 박막 저항체층(40)이 리프트-오프된다. 따라서, 상기 고분자 유연 기판(20) 상에는 상기 금속박막 저항체층이 잔존하게된다.
다음으로, S160 단계에서 상기 금속 박막 저항체층(40) 상부의 양단에 패터닝된 섀도우 마스크(60)로 와이어 본딩을 위한 전극패드(50)를 형성한다.
여기서, 상기 섀도우 마스크(60)는 니켈 등으로 이루어진 금속판을 기계적으로 가공하여 제작하는데, 패턴에 따라 금속판에 어퍼처를 형성하여 섀도우 마스크(60)를 제작하게 된다.
상기 전극패드(50)는 외부단자와의 전기적 연결을 원활히 하기 위해 Al 또는 Au 중 선택된 어느 하나 물질을 반도체 박막 증착 방법에 의해 증착하는 공정을 통해 전극패드(50)를 형성하게 된다.
다음으로, S170 단계에서 상기 금속 박막 저항체층(40) 및 전극패드(50)를 감싸며 형성되고, 고분자로 도포하여 고분자 유연 보호층(70)을 형성한다.
상기 고분자는 기판 형성시 사용된 고분자가 동일하게 사용될 수 있다. 즉, 상기 고분자로는 PI(polyimide), PET(polyethylene terephthalate), PMMA(polymethyl methacrylate), PDMS(polydimethyl siloxane) 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 1종의 재질을 포함하는 것을 특징으로 한다. 본 발명의 일실시예에 따르면, PI(polyimide)가 바람직할 수 있다. 상기 고분자 유연 보호층(70)은 예컨대 스핀코팅 방식으로 형성할 수 있다.
다음으로, S180 단계에서 패터닝된 마스크로 상기 전극패드(50) 상부의 고분자 유연 보호층(70)을 식각하여 제거하고, 이어서 S190 단계에서 상기 지지대(10)를 분리한다.
이때, 상기 전극패드(50) 상부의 고분자 유연 보호층(70)을 식각하여 제거하는 공정은 RIE (Reactive Ion Etching) 등의 공정으로 제거할 수 있다.
본 발명에 따른 제조방법으로 제조된 웨어러블 유연 온도 센서는 고분자 유연 막으로 구성된 고분자 유연 기판(20); 상기 고분자 유연 기판(20) 상부에 패터닝되어 형성된 Ti 박막층; 상기 Ti 박막층 위에 증착되어 형성된 금속 박막 저항체층(40); 상기 금속 박막 저항체층(40)의 양단에 형성된 와이어 본딩을 위한 전극패드(50); 및 상기 금속 박막 저항체층(40) 및 전극패드(50)를 감싸며 형성되고, 와이어 본딩을 위하여 상기 전극패드(50)의 상부가 노출되도록 일부가 제거된 보호층을 포함한다.
여기서, 상기 금속은 선형성 및 TCR (Temperature Coefficient of Resistance) 특성이 우수한 Pt, Au, Ag 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 1종의 재질을 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 고분자는 PI(polyimide), PET(polyethylene terephthalate), PMMA(polymethyl methacrylate), PDMS(polydimethyl siloxane) 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 1종의 재질을 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 Ti 박막층의 두께는 10~100 nm이고, 상기 금속 박막 저항체층(40)의 두께는 0.5 ㎛ ~ 1.5 ㎛인 것을 특징으로 한다.
도 3은 도 1의 방법에 따라 제작된 웨어러블 유연 온도 센서의 사진이다(왼쪽: 위면 사진, 오른쪽: 뒷면 사진). 본 발명의 일 실시예에 따르면, 본 발명의 유연 온도 센서 하나의 크기는 가로 × 세로 = 1 ㎝ × 1 ㎝이다. 제작된 유연 온도센서는 온도 증가에 따라 저항 증가가 선형성을 나타내며, TCR은 3,000 이상으로 우수한 특성을 갖는다.
이러한 본 발명에 의하면, 고분자 유연 막으로 도포되어 유연하고, 피부가 금속 박막에 직접 닿거나 바이오 막이 형성되는 것을 막을 수 있어, 금속 박막이 산화 또는 부식되는 것을 막고, 피부에 접촉 시 바이오 막이 형성되어 측정 오차를 유발하는 것을 막을 수 있는 있는 장점이 있다.
또한, 설계된 유연 온도 센서 저항체는 제작 시 반도체 공정을 이용하기 때문에 한 장의 웨이퍼 상에 형성되는 각 백금 저항체들의 샘플간의 오차가 적은 장점이 있다.
한편, 상기에서는 본 발명을 특정의 바람직한 실시예에 관련하여 도시하고 설명하였지만, 이하의 특허청구범위에 의해 마련되는 본 발명의 기술적 특징이나 분야를 이탈하지 않는 한도 내에서 본 발명이 다양하게 개조 및 변화될 수 있다는 것은 당업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 명백한 것이다.
10: 지지대
20: 고분자 유연 기판
30: 패터닝된 포토레지스터
40: Ti박막층/금속 박막 저항체층
50: 전극패드
60: 섀도우 마스크
70: 고분자 유연 보호층

Claims (7)

  1. 고분자 유연 기판을 지지할 지지대를 준비하는 단계;
    상기 지지대 상부에 고분자를 도포하여 고분자 유연 기판을 형성하는 단계;
    상기 고분자 유연 기판 위에 포토레지스터 패턴을 형성하는 단계;
    상기 패터닝된 포토레지스터 위에 Ti 박막층 및 금속 박막 저항체층을 순차로 증착시키는 단계;
    상기 증착된 금속 박막 저항체층를 리프트-오프하여 상기 증착된 금속 박막 저항체층만을 잔존시키는 단계;
    상기 금속 박막 저항체층 상부의 양단에 패터닝된 섀도우 마스크로 와이어 본딩을 위한 전극패드를 형성하는 단계;
    상기 금속 박막 저항체층 및 전극패드를 감싸며 형성되고, 고분자로 도포하여 고분자 유연 보호층을 형성하는 단계;
    패터닝된 마스크로 상기 전극패드 상부의 고분자 유연 보호층을 식각하여 제거하는 단계; 및
    상기 지지대를 분리하는 단계;
    를 포함하는 웨어러블 유연 온도 센서의 제조방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 금속은 Pt, Au, Ag 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 1종의 재질을 포함하는 것을 특징으로 하는 웨어러블 유연 온도 센서의 제조방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 고분자는 PI(polyimide), PET(polyethylene terephthalate), PMMA(polymethyl methacrylate), PDMS(polydimethyl siloxane) 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 1종의 재질을 포함하는 것을 특징으로 하는 웨어러블 유연 온도 센서의 제조방법.
  4. 고분자 유연 막으로 구성된 고분자 유연 기판;
    상기 고분자 유연 기판 상부에 패터닝되어 형성된 Ti 박막층;
    상기 Ti 박막층 위에 증착되어 형성된 금속 박막 저항체층;
    상기 금속 박막 저항체층의 양단에 형성된 와이어 본딩을 위한 전극패드; 및
    상기 금속 박막 저항체층 및 전극패드를 감싸며 형성되고, 와이어 본딩을 위하여 상기 전극패드의 상부가 노출되도록 일부가 제거되며, 고분자로 도포된 고분자 유연 보호층;
    을 포함하는 웨어러블 유연 온도 센서.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 금속은 Pt, Au, Ag 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 1종의 재질을 포함하는 것을 특징으로 하는 웨어러블 유연 온도 센서.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 고분자는 PI(polyimide), PET(polyethylene terephthalate), PMMA(polymethyl methacrylate), PDMS(polydimethyl siloxane) 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 1종의 재질을 포함하는 것을 특징으로 하는 웨어러블 유연 온도 센서.
  7. 제4항에 있어서,
    상기 Ti 박막층의 두께는 10~100 nm 이고, 상기 금속 박막 저항체층의 두께는 0.5 ㎛ ~ 1.5 ㎛ 인 것을 특징으로 하는 웨어러블 유연 온도 센서.










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