KR102035687B1

KR102035687B1 - 압력 센서 및 이의 제조방법

Info

Publication number: KR102035687B1
Application number: KR1020180032692A
Authority: KR
Inventors: 장석태; 윤선근; 박병준
Original assignee: 중앙대학교 산학협력단
Priority date: 2018-03-21
Filing date: 2018-03-21
Publication date: 2019-10-23
Also published as: KR20190110795A

Abstract

본 발명은 압력 센서 및 이의 제조방법에 관한 것으로, 본 발명에 따른 압력 센서는 전도성 성분을 포함하는 제1 전도성 필름의 표면에 돌기가 반복 형성된 요철구조가 형성됨으로써 이전의 전기용량 형 압력 센서에 비해 상당히 높은 압력 감도를 가지며, 일정 압력 조건에서 압력 센서 위의 측 방향 압력 이동을 감지할 수 있고, 제안 된 압력 센서가 단위 셀 어레이 구조가 없더라도 센서 표면상의 압력 운동 방향에 따라 구별 가능한 전기용량 변화 프로파일을 나타낸다.

Description

압력 센서 및 이의 제조방법{Pressure Sensor And The Manufacturing Method Of The Same}

본 발명은 압력 센서 및 이의 제조방법에 관한 것이다.

외부 압력을 전기 신호로 변환하는 압력 센서는 민감한 인공 피부, 의료용 보철 및 인간-기계 인터페이스 등을 위한 전자 디바이스 연구 분야에서 광범위하게 연구되어 왔다. 이러한 소자는 기능, 내구성, 저전력 소비 등의 특성을 회로 부품으로 갖는 것이 중요하다.

압력 감지 메커니즘은 압저항(Piezo-resistive), 압전기용량(Piezo-capacitive) 및 트랜지스터로 세분화 되는데, 상기 압저항형 센서는 단순하고 다양한 변형 모드(예: 인장 변형, 압축 변형 및 비틀림 변형)에 대한 민감성이 연구되어 왔으며, 압전기용량 형 센서는 정적인 힘을 측정하는데 적합하고 간단한 커패시터 구조(예 : 평행 판 구조)를 사용하기 때문에 압력 센서로서 연구되어 왔다.

트랜지스터 타입의 압력 센서는 마이크로 패터닝 및 프린팅 기술을 기반으로 제안되었다. 게이트 터미널에서 전압으로 고유한 신호 증폭을 사용하여 가해지는 압력에 대해 높은 감도를 부여한다. 이러한 장치에서 적절한 재료 및 구조를 적용하는 것은 압력 센서 성능을 최적화하고 외부 압력에 대한 감도를 높이는 데 중요하다. 변형 가능하고 전도성을 갖는 전극은 종종 나노 물질, 이온성 액체 (ionic liquid, IL), 및 전도성 고분자로 통합된 고분자 기판을 포함하는 압력 센서에서 구현하기 위해 고려되어 왔다. 높은 감도의 센서를 제작하기 위해 중공 및 다공성 구조와 같은 쉽게 변형 가능한 구조, 또는 돔 및 피라미드와 같은 미세 구조의 어레이가 시스템에 도입되었다.

정적인 압력뿐만 아니라 압력움직임, 압력 분포, 인접 터치의 구분, 인체의 움직임 등을 포함하는 동적 압력을 감지하는 것은 압력 센서가 다양한 사용자 명령을 가능하게 하고, 기능적인 터치 디바이스나 인간-기계 커넥팅 플랫폼에 실용적인 적용을 보장한다.

가장 많이 연구된 동적 압력 운동을 감지할 수 있는 플랫폼으로 단위 셀 어레이 구조를 사용했다. 이러한 배열 구조를 얻기 위해서는 복잡한 패터닝과 프린팅 단계가 제조 공정에서 필요하다. 축 힘을 감지하기 위한 압전기용량 형 센서의 구조 설계 및 사람의 접촉과 움직임을 모니터링하기 위한 하이드로겔 기반의 터치 패드가 대체로 동적 압력 감지 플랫폼으로서 연구되었다.

하지만, 동적 압력 및 다양한 사용자 명령 모드에 대한 효과적이고 간단한 구조의 감지 플랫폼은 동작 정보의 향상된 인식을 달성하는 데 여전히 어려움이 있다.

따라서, 압력이 가해진 상태에서 수직 압력의 크기와 그 압력의 움직임을 모두 감지하는 단순한 구조의 새로운 압전기용량 형 센서의 개발이 요구되고 있다.

대한민국 등록특허 10-1527863

본 발명의 목적은 압력이 가해진 상태에서 수직 압력의 크기와 그 압력의 움직임을 모두 감지하는 단순한 구조의 압력 센서를 제공하는 것이다.

상기 과제를 해결하기 위해 본 발명은, 표면에 돌기가 반복 형성된 요철구조가 형성되고, 상기 요철구조에 분산된 전도성 성분을 포함하는 제1 고분자 필름; 및 상기 제1 고분자 필름의 요철구조가 형성된 면상에 적층되며, 내부에 이온성 물질이 분산된 제2 고분자 필름을 포함하는 압력 센서를 제공한다.

또한, 본 발명은 전도성 성분 및 예비 중합체 혼합 용액을 사포 몰드에서 스핀코팅하는 단계; 상기 스핀코팅된 혼합 용액을 경화시켜 전도성 성분이 분산된 고분자 필름을 제조하는 단계; 이온성 물질이 분산된 고분자 필름을 제조하는 단계; 상기 제조된 전도성 성분이 분산된 고분자 필름 상하부에 이온성 물질이 분산된 고분자 필름을 적층하는 단계; 및 이온성 물질이 분산된 고분자 필름의 상하부 외면에 탄성 고분자 필름을 적층하는 단계를 포함하는 압력 센서의 제조방법을 제공한다.

본 발명에 따른 압력 센서는 전도성 성분을 포함하는 제1 전도성 필름의 표면에 돌기가 반복 형성된 요철구조가 형성됨으로써 압력에 따른 전기 이중층 전기용량의 변화를 유도하게 되며, 0-0.2kPa에서 이전의 전기용량 형 압력 센서에 비해 상당히 높은 감도 값인 각각 4 내지 10 kPa^-1의 압력 감도를 가지며, 신호 감지, 낮은 최소 감지 한계(<5Pa), 압력 변화(<52ms) 및 저전압 작동(0.1V)에 대한 빠른 응답으로 높은 안정성을 갖는다. 또한, 일정 압력 조건에서 압력 센서 위의 측 방향 압력 이동을 감지할 수 있고, 제안된 압력 센서가 단위 셀 어레이 구조가 없더라도 센서 표면상의 압력 운동 방향에 따라 구별 가능한 전기용량 변화 프로파일을 나타낸다. 이러한 동적 압력 감지 특성은 이동 속도와 압력의 크기에 관계없이 높은 신뢰성과 안정성을 나타낸다. 또한, 복잡한 단위 셀 배열 구조를 가진 이전에 연구된 압력 센서와 비교할 때, 단순한 커패시터 구조와 전극 구성의 변조로 인체의 생리 신호, 붓의 움직임 및 인간 손가락의 슬라이딩 동작 등의 동적 압력 운동의 감지가 가능하며, 100mV에서도 성능 저하 없이 안정적인 전기용량 변화 프로파일을 나타낸다.

도 1은 본 발명에 따른 압력 센서의 개략도이다.
도 2는 전극을 포함하는 압력 센서의 개략도로, 도 2-(a)는 전극이 대칭 구성을 갖는 압력 센서이고, 도 2-(b)는 전극이 비대칭 구성을 갖는 압력 센서의 개략도이다.
도 3은 정적 압력 감지 실험에서 상이한 CPC 표면 거칠기 조건 하(실시예 1, 2, 비교예 1 및 2)에서 전기 용량 변화를 측정한 결과이다.
도 4는 정적 압력 감지 실험에서 서로 다른 CNT 농도를 갖는 I-CPC 압력 센서로부터 얻은 적용 압력의 함수로서 상대적인 전기 용량 변화를 측정한 결과이다.
도 5는 일정한 압력 하에서인가 된 압력 위치의 함수로서 비대칭적으로 위치한 구리 전극을 갖는 I-CPC 압력 센서의 전기 용량 변화를 측정한 결과이다.
도 6은 비대칭 전극 센서의 적층구조로 이루어진 압력 센서의 압력 이동 모니터링의 개략도이다.
도 7은 동적 압력 감지 실험에서 하중 이동의 이동거리를 변경하여 실험한 결과이다.
도 8은 동적 압력 감지 실험에서 다른 이동 속도에서 시간에 따른 전기 용량 변화를 측정한 결과이다.
도 9는 동적 압력 감지 실험에서 위치-전기용량 관계를 보여주는 결과이다.
도 10은 사물과 인체 적용 실험에서 압력 운동의 방향 및 압력 크기를 동시에 모니터링하기 위한 I-CPC 압력 센서의 적층 구조의 개략도이다.
도 11은 사물과 인체 적용 실험에서 붓의 움직임 동작을 모니터링하기 위한 실험 개략도 및 측정된 전기용량 변화 결과이다.
도 12는 사물과 인체 적용 실험에서 손가락의 슬라이딩 테스트의 실험 결과이다.
도 13은 사물과 인체 적용 실험에서 I-CPC 압력 센서의 세 손가락 위치를 보여주는 사진 및 채널 1(Channel 1)과 채널 2(Channel 2)의 실시간 모니터링 전기용량 프로파일 결과이다.
도 14는 사물과 인체 적용 실험에서 압력 감지 영역의 심한 마찰 후에 압력 위치가 변경된 것을 보여주는 실험 결과이다.

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다.

그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 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.

제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용할 수 있지만, 구성요소들은 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.

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 발명에서, "포함한다" 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.

따라서, 본 명세서에 기재된 실시예에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형 예들이 있을 수 있다.

또한, 본 발명에서 첨부된 도면은 설명의 편의를 위하여 확대 또는 축소하여 도시된 것으로 이해되어야 한다.

본 발명에서는 이온성 물질을 함유한 고분자 필름(이온 젤)와 높은 유전상수를 갖는 전도성 성분/고분자 필름 혼합체를 이용하여 압력이 가해진 상태에서 수직 압력의 크기와 그 압력의 움직임을 모두 감지하는 단순한 구조의 새로운 압전기용량 형 센서를 제작했다. 이온 젤 필름을 전도성 성분/고분자 필름 혼합체 층과 접촉시켜 계면에 전기 이중층 전기용량을 형성시켰다. 압력에 따라 전기 이중층 전기용량의 상당한 변화를 유도하기 위해 불규칙한 마이크로 크기 범프 구조를 갖는 사포를 이용해 전도성 성분/고분자 필름 혼합체 층 표면에 도입했다.

이하, 본 발명에 따른 압력 센서를 상세하게 설명하기로 한다.

본 발명에 따른 압력센서는 표면에 돌기가 반복 형성된 요철구조가 형성되고, 상기 요철구조에 분산된 전도성 성분을 포함하는 제1 고분자 필름; 및 상기 제1 고분자 필름의 요철구조가 형성된 면상에 적층되며, 내부에 이온성 물질이 분산된 제2 고분자 필름을 포함한다.

상기 요철구조는 압력에 따라 전기 이중층 전기용량의 상당한 변화를 유도하기 위해 형성된 것으로, 본 발명에 따른 압전 센서는 상기 요철구조를 가짐으로써, 0 내지 0.2kPa에서 약 4 내지 10kPa^-1의 우수한 압력 감도를 나타낼 수 있다(실험예 1 참조).

상기 요철구조를 형성하는 돌기는 평균 직경 200 내지 560㎛ 및 평균 높이 30 내지 95㎛ 범위일 수 있다. 구체적으로 상기 돌기의 평균 직경은 210 내지 550㎛, 220 내지 530㎛, 230 내지 510㎛, 250 내지 500㎛, 260 내지 480㎛, 280 내지 460㎛, 290 내지 450㎛, 300 내지 430㎛, 310 내지 410㎛ 혹은 320 내지 400㎛ 범위일 수 있다. 또한, 상기 돌기의 평균 높이는 35 내지 90㎛, 40 내지 85㎛, 45 내지 80㎛, 50 내지 75㎛ 혹은 55 내지 70㎛ 범위일 수 있다. 요철구조를 형성하는 돌기의 평균 직경 및 높이가 상기 범위일 경우 우수한 압력감도를 나타내며, 향상된 전기용량 변화량을 구현하게 된다.

상기 요철구조는 면적 1cm²을 기준으로 80 내지 350개 돌기가 형성된 것일 수 있다. 구체적으로 상기 돌기의 개수는 요철구조의 면적 1cm²을 기준으로 90 내지 330개, 100 내지 300개, 110 내지 280개, 100 내지 150개 혹은 200 내지 250개 형성된 것일 수 있다. 요철구조에 형성된 돌기의 개수가 상기 범위일 경우 우수한 압력감도를 나타낼 수 있다. 예를 들어 상기 돌기는 불규칙한 마이크로 크기 범프 구조를 갖는 사포를 몰드로 사용하여 형성된 것일 수 있다.

하나의 예로서, 본 발명에 따른 압력 센서는 제1 고분자 필름의 양면에 요철구조가 형성되며, 제2 고분자 필름은 제1 고분자 필름의 양면에 적층된 구조일 수 있다. 이러한 구조는 제1 고분자 필름의 양면에 형성된 요철구조가 제2 고분자 필름과 접합하는 구조일 수 있다(도 1 참조).

또한, 본 발명에 따른 압력 센서는 제2 고분자 필름을 기준으로 제1 고분자 필름과 접하는 면의 반대측 면에 적층된 제3 고분자 필름을 더 포함하는 구조일 수 있다. 상기 제3 고분자 필름은 제1 고분자 필름 혹은 제2 고분자 필름과 동일하거나 다른 성분일 수 있다(도 1 참조). 하나의 예로서, 도 1에서 제1 고분자 필름은 'CPC'로, 제2 고분자 필름은 'Ion gel'로, 제3 고분자 필름은 'PDMS cover'로 표현하였다.

상기 제3 고분자 필름은 탄성 고분자 필름일 수 있으며, 예를 들어 상기 제3 고분자 필름은 PDMS(polydimethylsiloxane), PET(polyethylene terephthalate), PVDF(polyvinylidene fluoride), PES(polyethersulfone), PS(polystyrene), PC(polycarbonate), PI(polyimide), PEN(polyethylene naphthalate), PVP(Polyvinylpyrrolidone), SBS(styrene-butadiene-styrene) 및 PAR(polyarylate) 중 1종 이상을 포함하는 것일 수 있다.

본 발명에서 고분자 필름은 PDMS(polydimethylsiloxane), PET(polyethylene terephthalate), PVDF(polyvinylidene fluoride), PES(polyethersulfone), PS(polystyrene), PC(polycarbonate), PI(polyimide), PEN(polyethylene naphthalate), PVP(Polyvinylpyrrolidone), SBS(styrene-butadiene-styrene) 및 PAR(polyarylate) 중 1종 이상을 포함할 수 있다. 구체적으로 제1 고분자 필름은 PDMS(polydimethylsiloxane)을 포함할 수 있으며, 제2 고분자 필름은 PVDF(polyvinylidene fluoride)을 포함할 수 있다.

상기 전도성 성분은 그래핀(graphene), CNT(carbon nano tube), SWNT(Single-Walled Carbon Nanotube), MWNT(Multi-Walled Carbon Nanotube), GO(graphene oxide), rGO(reduced graphene oxide), nc-G(nano crystalline graphene), PEDOT:PSS, 메탈나노와이어, 나노파이버 및 카본블랙 중 1종 이상을 포함할 수 있다. 상기 전도성 성분은 요철구조의 돌기 내에 존재할 수 있으며, 이러한 전도성 성분을 갖는 요철구조 표면과 이온성 물질이 분산된 제2 고분자 필름의 표면이 접촉하면 면에 전기 이중층 전기용량을 형성시키며, 일정한 압력을 가할 경우 전기용량의 변화를 유도하게 된다(도 1 참조).

상기 이온성 물질은 1-부틸-4-메틸피리디니움 테트라플루오로보레이트, 1-에틸-3-메틸이미다졸륨 메틸설페이트, 1-부틸-3-메틸이미다졸륨 메틸설페이트, 1-에틸-3-메틸이미다졸륨 에틸설페이트, 1-부틸-3-메틸이미다졸륨 에틸설페이트, 1-에틸-3-메틸이미다졸륨 트리플루오로메탄설포네이트, 1-부틸-3-메틸이미다졸륨 트리플루오로메탄설포네이트, 1-에틸-3-메틸이미다졸륨 티오시아네이트, 1-에틸-3-메틸이미다졸륨 비스(트리플루오로메틸설포닐)이미드, 및 1-부틸-3-메틸이미다졸륨 비스(트리플루오로메틸설포닐)이미드 중 1종 이상을 포함할 수 있다.

하나의 예로서, 본 발명에 따른 압력 센서는 제1 고분자 필름; 제1 고분자 필름 양면에 적층된 제2 고분자 필름; 상기 제2 고분자 필름 중 어느 하나에 형성된 제1 전극; 및 상기 제2 고분자 필름 중 다른 하나에 형성된 제2 전극을 포함할 수 있다.

상기 제1 전극과 제2 전극은 압력 센서의 일측 단부에 형성되거나, 압력 센서의 양측 단부에 각각 형성될 수 있다. 상기 제1 전극과 제2 전극이 압력 센서의 일측 단부에 형성될 경우 도 2-(b)에 나타낸 것과 같이 전극이 비대칭으로 형성된 것을 의미할 수 있으며, 이 경우 이온의 농도구배가 나타날 수 있다. 제1 전극과 제2 전극이 압력 센서의 양측 단부에 각각 형성될 경우 도 2-(a)에 나타낸 것과 같이 전극이 대칭으로 형성된 것을 의미할 수 있다.

이하, 본 발명에 따른 압력 센서의 제조방법을 설명한다.

본 발명에 따른 압력 센서의 제조방법은, 전도성 성분 및 예비 중합체 혼합 용액을 사포 몰드에서 스핀코팅하는 단계; 상기 스핀코팅된 혼합 용액을 경화시켜 전도성 성분이 분산된 고분자 필름을 제조하는 단계; 이온성 물질이 분산된 고분자 필름을 제조하는 단계; 상기 제조된 전도성 성분이 분산된 고분자 필름 상하부에 이온성 물질이 분산된 고분자 필름을 적층하는 단계; 및 이온성 물질이 분산된 고분자 필름의 상하부 외면에 탄성 고분자 필름을 적층하는 단계를 포함한다.

상기 사포 몰드는 면적 1cm²을 기준으로 80 내지 350방의 사포 몰드를 사용할 수 있으며, 구체적으로 90 내지 330방, 100 내지 300방, 110 내지 280방, 100 내지 150방 혹은 200 내지 250방의 범위의 사포 몰드를 사용할 수 있다.

이하, 실시예 및 실험예를 통하여 상기 내용을 보다 구체적으로 설명하지만, 본 발명의 범위가 하기 제시된 내용에 의해 제한되는 것은 아니다.

실시예 1: 압력 센서 제조(CPC 필름 제조 시 사포 몰드 120방)

(1) 전도성 성분이 분산된 고분자 필름(CPC 필름) 제조

먼저 전도성 성분이 분산된 고분자 필름(CNT/PDMS Complex, 이하 CPC 필름과 동일한 의미임)를 제조하기 위해, 단일 벽 탄소 나노 튜브(SWNT, SPN-95, Carbon Nano-material Technology Co.)를 bath sonication(CPX3 800-E, Branson)으로 톨루엔에 물리적으로 2시간 동안 분산시켜 톨루엔 중 SWNT의 농도가 1mg/ml인 CNT/톨루엔 용액을 제조하였다. 그런 다음, PDMS 예비 중합체(Sylgard 184, Dow Corning)를 상기 제조된 CNT/톨루엔 용액에 첨가하였다. 그 후, 혼합물을 핫 플레이트 상에서 90℃로 가열하고 250rpm에서 24시간 동안 교반하여 톨루엔을 제거하고 SWNT를 PDMS 예비 중합체에 분산시켰다. 0.5, 1 및 1.5 wt %의 3 가지 상이한 중량 농도의 SWNT를 제조하여 실험에 사용하였으며, SWNT의 직경과 길이는 각각 1-2 nm와 ~ 10 μm였다.

그런 다음, 클로로메틸실란(Chloromethylsilane, Sigma Aldrich)을 기화시켜 경화된 CPC 필름을 쉽게 분리할 수 있도록 사포 몰드에 침착시켰다. CPC prepolymer와 가교 결합제의 혼합물을 10 : 1의 비율로 제조하고 120방 사포 몰드 상에 700rpm으로 1 분 동안 스핀 코팅하였다. 스핀 코팅 후 CPC 필름을 핫 플레이트에서 70℃에서 완전히 경화시켰다. 사포에서 분리된 CPC 필름은 사포 몰드의 반대 면에 평평한 표면이 있는 표면 구조를 가지고 있다.

분리된 CPC 필름의 평평한 표면을 공기 플라즈마 처리(PDC-32G, Harrick Plasma)에 노출시키고 동일한 공정으로 제조 한 다른 필름에 접합시켰다. 결과적으로, CPC 필름은 윗면과 아랫면 모두에서 요철 구조를 가졌다. 제조된 CPC 필름의 두께는 ~ 310 μm였다.

(2) 이온성 물질이 분산된 고분자 필름(이온 젤 필름) 제조

Poly(vinylidene fluoride-co-hexafluoropropylene) (PVDF-HFP, Sigma Aldrich)을 25 ℃에서 2 시간 동안 교반하면서 아세톤에서 혼합하였다. 아세톤은 선택된 1-ethyl-3-methylimidazolium bis(trifluoromethylsulfonyl)imide ([EMIM][TFSI], Sigma Aldrich) 및 PVDF-HFP을 공통적으로 용해시키기 위해 선택되었다. 중합체 / 용매 혼합물에 [EMIM] [TFSI]를 첨가한 후, 용액을 10 분 동안 교반하여 완전히 혼합하였다. 이온 젤 필름은 혼합된 폴리머 용액을 슬라이드 글래스에 떨어뜨리고 핫 플레이트에서 70℃에서 24시간 동안 건조시켜 이온 젤에서 잔류 용매를 제거함으로써 생성되었다. PVDF-HFP와 아세톤의 중량비는 모든 준비 과정에서 1:8로 유지되었다. PVDF-HFP의 중량을 기준으로 30, 40, 60 및 80 wt %의 [EMIM] [TFSI]의 4 가지 상이한 중량 분율을 실험을 위해 준비하였다. 제조된 이온 젤 필름의 두께는 ~ 170μm였다.

상기 제조된 CPC 필름 및 이온 젤 필름을 적층한 후 상부 및 하부 이온젤 전극 모두에 전위를 인가하기 위해, 구리 테이프를 이온 젤 필름에 부착하였다. 도 2 에서 (a)는 전극이 대칭 구성을 갖는 압력 센서이고, (b)는 전극이 비대칭 구성을 갖는 압력 센서의 개략도이다.

(3) 탄성 고분자 필름이 적층된 압력 센서 제조

탄성 고분자 필름을 압력 센서의 커버로 적용하기 위해, 5:1의 비율로 혼합되고 80°C에서 2시간 동안 경화 된 PDMS prepolymer의 얇은 PDMS 필름(~ 150㎛)을 보호 층으로 적용하여 이온 젤 필름 및 CPC 필름을 포함하는 압력 센서(본 발명에서 'I-CPC 압력 센서'와 동일한 의미임)를 제조하였다.

도 1에 실시예 1에 따라 제조된 압력 센서의 개략도를 나타내었다. CPC 필름(CPC) 상하부에 이온 젤 필름(Ion gel)이 형성되며, 적층된 이온 젤 필름의 표면에 보호층으로 PDMS 커버(PDMS cover)가 형성된 것을 볼 수 있다.

실시예 2: 압력 센서 제조(CPC 필름 제조 시 사포 몰드 220방)

CPC 필름 제조 시 사포 몰드 220방인 것을 사용하여 표면 거칠기를 제어한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 압력 센서를 제조하였다.

비교예 1: 요철구조를 형성하지 않은 압력 센서 제조

CPC 필름 제조 시 요철 구조를 형성하지 않은 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 압력 센서를 제조하였다.

비교예 2: 압력 센서 제조(CPC 필름 제조 시 사포 몰드 400방)

CPC 필름 제조 시 사포 몰드 400방인 것을 사용하여 표면 거칠기를 제어한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 압력 센서를 제조하였다.

비교예 3: 압력 센서 제조(CPC 필름 제조 시 사포 몰드 600방)

CPC 필름 제조 시 사포 몰드 600방인 것을 사용하여 표면 거칠기를 제어한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 압력 센서를 제조하였다.

실험예 1: 정적 압력 감지 실험

실시예 1, 2, 비교예 1 및 2의 상이한 CPC 표면 거칠기 조건 하에서 압력 센서의 수직 압력을 모니터링하기 위해 대칭 전극 구성을 가진 I-CPC 압력 센서를 테스트에 사용하였다. 대칭 전극 구성을 가진 I-CPC 압력 센서는 도 2-(a)에 개략적으로 나타내었다. 이 시험에서, CPC 필름 및 이온 젤 필름은 각각 1x1cm² 및 1x1.4cm²의 크기를 가졌다. 센서는 물리적으로 적층된 구조의 이온 젤 필름과 CPC 필름층 사이의 접촉 영역이 1cm² 크기의 압력 감지 영역을 가졌다. I-CPC 압력 센서에 수직 압력을 가하기 위해 포스 게이지 (MS-05, Mark-10) 및 수직으로 움직일 수 있는 전동식 스탠드 (ESM303, Mark-10)가 실험에 사용되었다. 포스 게이지에서 얻은 힘 데이터는 Labview 프로그램이 있는 노트북을 통해 얻었다. 인가된 압력으로부터의 전기용량 변화는 LCR 미터 (Model 4110, Wayne Kerr Electronics)에 의해 1 kHz에서 0.1, 0.5 및 1 V의 AC 전압으로 얻어졌다.

상이한 CPC 표면 거칠기 조건 하에서 전기 용량 변화를 알아보기 위해, 8 kPa까지의 압력의 함수로서 상대 전기 용량 변화를 측정하였다. 모든 CPC 층은 PDMS 매트릭스에 1 wt %의 CNT를 포함하였다. 결과는 도 3에 나타내었다. 도 3-(a)를 보면 상대 용량은 0.2 kPa 미만의 압력에서 크게 증가한 다음 높은 압력에서 서서히 증가하여 8 kPa에 도달할 때까지 완만한 변화를 나타낸다. 또한, 실험 결과에 따르면 작은 입자 번호 사포로 제조된 실시예 1 및 2(Grift #120 및 Grift #220)의 경우 상대적으로 큰 전기용량 변화를 나타냈다. 각 조건의 실험 결과를 검토하기 위해 전기용량 프로파일을 0-0.2 kPa, 0.2-2 kPa 및 2-8 kPa의 세 가지 압력 영역으로 나누고 서로 다른 압력 영역에 대한 사포 거칠기 수에 따른 평균 압력 감도를 측정하였다. 그 결과는 도 3-(b)에 나타내었으며, 이는 도 3-(a)의 감도를 포함하여 4회의 실험 측정값의 평균값으로부터 얻어졌다. 일반적으로 압력 센서는 낮은 압력 영역 (0-0.2 kPa)에서 가장 높은 압력 감도를 나타냈으며 높은 압력 영역에서 가해진 압력에 대한 감도가 감소하였다.

도 4은 서로 다른 CNT 농도를 갖는 I-CPC 압력 센서로부터 얻은 적용 압력의 함수로서 상대적인 전기용량 변화를 보여준다. 그 결과 CNT 농도가 높은 압력 센서는 일반적으로 상대적인 전기용량 변화가 더 크게 나타났다. 한편, CNT가 포함되지 않은 PDMS 층 (거칠기 220방)이 있는 압력 센서는 비교적 작지만 명확하게 상승 된 전기용량 프로파일을 보였다(도 4-(b)). CNT가 포함되지 않은 PDMS 유전체 층을 가진 압력 센서는 I-CPC 압력 센서와 동일한 변형 과정을 거쳤다. 그러나, 유전체 층에 CNT가 없으면, 압력 센서는 다양하게 가해진 압력에 대해 상대적으로 큰 전기용량 변화를 얻지 못한다. 또한, CPC 표면에 요철구조가 없는 경우, 상대 전기용량 차이는 CNT 농도에 관계없이 무시할 수 있는 신호 변화를 나타냈다. 이 결과로부터, 우리는 이온 젤 필름과 요철구조의 계면에서 접촉 형성이 실질적인 전기용량 변화를 유도하는 역할을 하는 것을 확인하였다.

실험예 2: 동적 압력 감지 실험

압력 감지 영역 위의 압력의 측면 이동을 모니터링하기 위해 I-CPC 압력 센서는 1.5x4cm² 및 1.5x4.4cm² 의 CPC 필름 및 이온 젤 필름을 각각 사용하였다. 압력 감지 영역은 4x1.5cm²의 크기로 준비했다. 측면 압 이동은 비대칭 구성이 있는 I-CPC 압력 센서로 모니터링 했다. 비대칭 전극 구성을 가진 I-CPC 압력 센서는 도 3-(b)에 개략적으로 나타내었다. 횡 방향의 쉬운 압력 이동을 위해 I-CPC 압력 센서를 의료용 테이프 (Transpore, 3M)로 덮고 테스트 스테이지에 고정 시켰다.

먼저 정적 및 일정 압력 조건에서 I-CPC 압력 센서에 대한 압력 테스트를 수행하여 전기용량 변화의 위치 의존성을 확인했다. 도 5은 1.02, 4.97, 7.51, 및 10.24 kPa의 일정한 압력 하에서인가 된 압력 위치의 함수로서 비대칭적으로 위치한 구리 전극을 갖는 I-CPC 압력 센서의 전기용량 변화를 보여준다. 전기용량은 각 위치에서 인가된 압력이 증가함에 따라 증가하지만, 전기용량 변화의 크기는 모든 압력에서 초기 위치로부터의 거리가 증가함에 따라 거의 선형적으로 감소하였다. 이 결과로부터, 전위 소스의 비대칭 구성이 압력 감도 구배를 생성하는 것을 알 수 있었다.

압력은 도 6과 같이 초기 위치(0mm)에서 멀리 떨어져있는 I-CPC 압력 센서의 감지 영역에 적용되었다. 초기 위치는 구리 전극 변형의 영향을 제거하기 위해 구리 전극으로부터 약 0.4mm 떨어져 위치하였다. 또한 압력은 감지 영역의 중심선을 따라 가해져 감지 영역에서 원치 않는 가장자리 변형 효과를 제거하였다. I-CPC 압력 센서에 적용된 ~ 4.5kPa의 하중으로 하중 이동의 이동 거리와 속도를 변경하여 전기용량의 변화를 알아보는 실험을 진행하였다. 하중은 0mm (위치 (1))에서 15mm (위치 (2))까지 그리고 0mm (위치 (1))에서 25mm (위치 (3))로 이동하는 두 가지 유형의 왕복 운동을 진행하였다(도 6).

도 7는 하중 이동의 이동거리를 변경하여 실험한 결과로, 2.941mm/s의 일정 속도로 다른 이동 거리에서 시간의 함수로서 전기용량 변화 및 해당 위치 프로파일을 나타낸다. 처음에 위치 (1)에 놓이는 압력 부하의 경우 전기용량은 ~ 10pF 였다. 이는 위치 (2)와 (3)에 대한 하중의 이동과 함께 각각 ~ 6.5 및 ~ 4.5 pF로 감소하였다. 하중의 실시간 데이터(도 7의 파선)에서 얻은 해당 위치 프로파일은 전기용량 프로파일과 높은 일치를 보였다. 특히, 동일한 하중의 동등한 이동 속도로 인해 두 프로파일의 감소하는 기울기가 압력 이동 중에 서로 일치하였다. 또한 도 7에서 하중 위치 변화에 따라 전기 용량 변화 정도가 도 5에서의 정적 압력 변화 정도와 일치함을 보였다. 이는 I-CPC 압력 센서가 이동 거리에 관계없이 신뢰할 수 있는 압력 감도 기울기를 형성했음을 나타내는 것이며. 이 결과는 다양한 이동 속도에서도 관찰되었다.

도 8은 4.5kPa 부하의 다른 이동 속도에서 시간에 따른 전기용량 변화를 보여준다. I-CPC 압력 센서는 위치 (1) → (3) → (1)의 동일한 왕복 운동 하에서 서로 다른 속도로 이동 했을 때 각각 다른 전기용량 변화 프로파일을 나타낸다. 부하의 이동 속도가 증가하면 전기용량은 ~ 10pF에서 ~ 4.5pF로 급격히 떨어지고 원래 값으로 빠르게 회복된다. 하중의 위치 프로필은 또한 각 속도에서의 전기용량 변화와 일치하였다(도 7의 파선).

위치-전기용량 관계가 도 9에 도시 된 바와 같이 이동 속도 및 방향에 관계없이 얻어졌다. 도 5 및 9에 표시된 실험 결과는 I-CPC 압력 센서의 전기용량 변화는 하중의 이동속도나 가해진 압력의 크기와는 상관없이 위치에 따라 변화한다는 것을 보여준다. 동적 압력에 관한 실험 결과(도 7 및 8)는 I-CPC 압력 센서의 비대칭 이온 분포가 계면 전기용량 변화의 크기에 영향을 미침으로써 I-CPC의 압력 감도 기울기를 유도 할 수 있음을 나타낸다. 이를 통해 본 발명에 따른 I-CPC 압력 센서는 압력 운동의 방향에 따라 특성 전기용량 프로파일을 보여주고 실시간으로 일정한 압력의 위치를 모니터링 할 수 있음을 확인하였다.

실험예 3: 사물과 인체 적용 실험

인체 움직임 감지 장치로서 센서의 적합성을 결정하기 위해 I-CPC 압력 센서를 사용하여 붓의 움직임 모니터링 및 손가락 움직임 감지 실험을 진행했다. 도 10에 도시된 바와 같이, 압력 운동의 방향 및 압력 크기를 동시에 모니터링하기 위해 I-CPC 압력 센서의 적층 구조를 이용했다. 각 채널에서 측정된 전기용량 변화는 도 11-(b)에서 검정색(Channel 1) 및 빨간색(Channel 2) 실선으로 표시했다. 도 11-(a)에서와 같이 감지 영역 위의 위치 (1)과 (2)를 기준으로 붓의 움직임 동작의 네 가지 모드를 실험했다. 붓을 위치 (2)로 쓸 때, 채널 1에서 감소하는 신호가 관찰된다. 이것은 상단에 위치한 I-CPC 센서에서 비대칭으로 위치한 구리 전극의 압력 감도 구배 때문이다. 한편 채널 2의 전기용량 프로파일은 스트로크 동안 유지되며 이는 붓의 움직임의 압력이 일정함을 의미한다. 반대로, 위치 (1)을 향한 붓의 움직임은 각각 채널 1 및 2에서 전기용량 프로파일을 증가시키고 일정하게 유도한다. (1) → (2) → (1) → (2) → (1) → (2)의 결합 된 운동으로부터 전기용량이 변하여 채널 1에서 각각 V와 삼각형 모양을 가진 식별 가능한 특성 신호를 나타낸다, 붓을 쓰다듬는 동안 하단에 위치한 I-CPC 압력 센서의 신호는 3-4.2 pF 범위 내에서 유지되어 붓의 움직임의 압력이 I-CPC 압력 센서에 거의 일정하게 적용됨을 나타낸다. 이 데이터를 통해 상단에 위치한 I-CPC 압력 센서의 스트로크 방향과 하단에 위치한 I-CPC 압력 센서의 압력 크기를 모니터링 할 수 있다. 이 슬라이딩 동작 인식은 사용자가 다양한 명령 모드를 구별하는 데 사용할 수 있다. 이러한 압력 센서는 터치 패널 및 스티어링 시스템용 착용 장치와 같은 인간 - 기계 연결 장치로 적용될 수 있음을 확인하였다.

또한 인간의 손등에 부착되어 손가락의 슬라이딩과 위치 감지 실험을 진행하였다. 도 12는 손가락의 슬라이딩 테스트의 실험 결과를 보여준다. 사진에 표시된 위치를 기준으로 A→B, B→A, A→B→A 및 B→A→B의 네 가지 슬라이딩 동작이 I-CPC 압력 센서에 연속적으로 적용되었다. 도 12의 그래프에서 볼 수 있듯이 ~ 170 초 동안 손가락 슬라이딩 동작에 따라 일련의 신호가 나타났다. 압력 감도 기울기 때문에 A→B 및 B→A의 손가락 움직임은 감소하고 전기용량 프로파일을 각각 증가시킨다. A→B→A와 B→A→B의 왕복 운동은 각각 V와 삼각형 모양의 신호를 나타낸다. 각 특성 신호는 시험을 통해 동일하게 반복되었다. 또한 붓의 움직임 모니터링 테스트에 사용된 I-CPC 압력 센서의 적층 구조(도 10)가 테스트되어 압력 감지 영역 위의 손가락 위치를 모니터링 하였다. 압력 센서를 사람 손등에 부착하고 감지 영역 위로 손가락을 끌었다.

도 13의 사진은 I-CPC 압력 센서의 세 손가락 위치를 보여준다. 각 층이 있는 센서의 전극 위치는 사진 (빨간색 및 파란색 점선 사각형)에 표시되어 있다. 압력 감지 영역의 왼쪽, 중간 및 오른쪽 영역의 손가락 위치는 각각 L, M 및 R로 표시했다. 도 13의 두 그래프는 채널 1(Channel 1)과 채널 2(Channel 2)의 실시간 모니터링 전기용량 프로파일을 보여준다. 상단에 위치한 센서(Channel 1)의 압력 민감도 기울기로 인해 위치 L에서 가장 큰 신호가 관찰된다. 위치 M과 R은 채널 1 전극에서 멀리 떨어져 있으므로 감소한다.

다른 한편, 채널 2(Channel 2)의 신호는 손가락 움직임의 정지 상태 동안 ~ 10pF에서 일정하게 유지되고 손가락이 움직일 때 변한다. 채널 1(Channel 1)의 전기용량 프로파일은 손가락의 위치가 M→L→M→R→M→L→M→R 순으로 변화함을 나타낸다. 또한 채널 2(Channel 2) 의 전기용량 프로파일은 고정된 손가락에 대해 급격한 압력 변화가 없음을 나타낸다. 채널 2(Channel 2)에서 전기용량이 갑자기 떨어지는 것은 슬라이딩 동작 중 위치를 변경하여 손가락에서 가해지는 압력이 감소함을 의미한다. 또한, 도 14-(a)에 도시된 바와 같이, 손가락은 센서 상에 위치되고 압력 감지 영역의 심한 마찰 후에 압력 위치가 변경된다. 흥미롭게도, 채널 1의 전기용량 프로파일은 가혹한 마찰 이후에 신뢰할 수 있는 손가락 위치 의존 신호를 나타냈다. 결과적으로, 도 12와 14-(a)의 실험 결과를 통해 본 발명에 따른 I-CPC 압력 센서가 지속적이고 심한 손가락 동작 조건 하에서 매우 견고하고 신뢰성이 있음을 확인하였다.

Claims

제1 고분자 필름;
제1 고분자 필름 양면에 적층된 제2 고분자 필름;
상기 제2 고분자 필름 중 어느 하나에 형성된 제1 전극; 및
상기 제2 고분자 필름 중 다른 하나에 형성된 제2 전극을 포함하고,
상기 제1 고분자 필름은 표면에 돌기가 반복 형성된 요철구조가 형성되고, 상기 요철구조에 분산된 전도성 성분을 포함하며,
상기 제2 고분자 필름은 내부에 이온성 물질이 분산된 제2 고분자 필름을 포함하고,
제1 전극과 제2 전극은 압력 센서의 일측 단부에 형성되거나, 압력 센서의 양측 단부에 각각 형성되는 것을 특징으로 하는 압력 센서.
제1항에 있어서,
상기 요철구조를 형성하는 돌기는 평균 직경 200 내지 560㎛ 및 평균 높이 30 내지 95㎛ 범위인 압력 센서.
제1항에 있어서,
상기 요철구조는 면적 1cm²을 기준으로 80 내지 350개 돌기가 형성된 것을 특징으로 하는 압력 센서.
삭제
제1항에 있어서,
제2 고분자 필름을 기준으로 제1 고분자 필름과 접하는 면의 반대측 면에 적층된 제3 고분자 필름을 더 포함하는 압력 센서.
제5항에 있어서,
제3 고분자 필름은 탄성 고분자 필름인 것을 특징으로 하는 압력 센서.
제1항에 있어서,
상기 고분자 필름은 PDMS(polydimethylsiloxane), PET(polyethylene terephthalate), PVDF(polyvinylidene fluoride), PES(polyethersulfone), PS(polystyrene), PC(polycarbonate), PI(polyimide), PEN(polyethylene naphthalate), PVP(Polyvinylpyrrolidone), SBS(styrene-butadiene-styrene) 및 PAR(polyarylate) 중 1종 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 압력 센서.
제1항에 있어서,
상기 전도성 성분은 그래핀(graphene), CNT(carbon nano tube), SWNT(Single-Walled Carbon Nanotube), MWNT(Multi-Walled Carbon Nanotube), GO(graphene oxide), rGO(reduced graphene oxide), nc-G(nano crystalline graphene), PEDOT:PSS, 메탈나노와이어, 나노파이버 및 카본블랙 중 1종 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 압력 센서.
제1항에 있어서,
상기 이온성 물질은 1-부틸-4-메틸피리디니움 테트라플루오로보레이트, 1-에틸-3-메틸이미다졸륨 메틸설페이트, 1-부틸-3-메틸이미다졸륨 메틸설페이트, 1-에틸-3-메틸이미다졸륨 에틸설페이트, 1-부틸-3-메틸이미다졸륨 에틸설페이트, 1-에틸-3-메틸이미다졸륨 트리플루오로메탄설포네이트, 1-부틸-3-메틸이미다졸륨 트리플루오로메탄설포네이트, 1-에틸-3-메틸이미다졸륨 티오시아네이트, 1-에틸-3-메틸이미다졸륨 비스(트리플루오로메틸설포닐)이미드, 및 1-부틸-3-메틸이미다졸륨 비스(트리플루오로메틸설포닐)이미드 중 1종 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 압력 센서.
삭제
삭제
전도성 성분 및 예비 중합체 혼합 용액을 사포 몰드에서 스핀코팅하는 단계;
상기 스핀코팅된 혼합 용액을 경화시켜 전도성 성분이 분산된 고분자 필름을 제조하는 단계;
이온성 물질이 분산된 고분자 필름을 제조하는 단계;
상기 제조된 전도성 성분이 분산된 고분자 필름 상하부에 이온성 물질이 분산된 고분자 필름을 적층하는 단계; 및
이온성 물질이 분산된 고분자 필름의 상하부 외면에 탄성 고분자 필름을 적층하는 단계를 포함하는 제1항에 따른 압력 센서의 제조방법.