KR102055498B1 - 색상 가변식 압력 센서 및 이의 제조 방법 - Google Patents

색상 가변식 압력 센서 및 이의 제조 방법 Download PDF

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강경문
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Abstract

본 발명은 색상 가변식 압력 센서 및 이의 제조 방법에 관한 것이다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, 압력 센서는 압전 재료; 및 상기 압전 재료 내에 도핑되며, 전이 금속 원소, 전이 후 금속 원소, 란타늄족 원소 및 준금속 중 적어도 어느 하나를 포함하는 2 이상의 서로 다른 도펀트들(dopants)를 포함할 수 있다. 상기 압전 재료는 외부 압력의 크기가 시각적으로 인식되도록 상기 외부 압력의 크기에 따라 상기 압전 재료 내의 상기 도펀트들이 개별 또는 조합되어 여기함으로써 결정되는 색상의 광 출력을 할 수 있다. 상기 광 출력의 색상은 2 이상의 서로 다른 각 도펀트의 광 출력의 색상이 상기 도펀트의 조성비에 따라 혼합된 색상을 포함할 수 있다.

Description

색상 가변식 압력 센서 및 이의 제조 방법{pressure-color change sensor and method of fabricating the same}
본 발명은 센서 기술에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는, 색상 가변식 압력 센서 및 이의 제조 방법에 관한 것이다.
페로브스카이트 재료는 다양한 응용 가능성으로 많은 연구의 대상이 되고 있다. 상기 페로브스카이트 재료는 페로브스카이트 결정 구조를 가지며, 압전성(piezoelectricity), 강유전성(ferroelectricity), 열전성(pyroelectricity), 전광성(electro-optic property), 전왜(electrostriction), 자성(magnetic property)과 같은 다양한 특성을 갖고 있다. 이러한 다양한 특성을 갖는 페로브스카이트 재료는 마이크로파 가변 소자(microwave tunable devices), 고밀도 비휘발성 강유전체 기억장치(high-density non-volatile ferroelectric random access memories, FERAM), 데이터 저장 매질(data storage media), 집적회로(integrated circuits) 용 high-K 게이트 산화물(gate oxides), 가스 센서(gas sensors), 광 검출기(light detectors), 변환기(transducers), actuators, 표면 음향파 필터(surface acoustic wave filters), 집적 광학(integrated optics), 스위치(switches) 같은 소자에 이용되고 있다.
일반적으로, 압력 센서는 피에조-효과를 갖는 물질(이하, 피에조 물질이라 칭함)을 이용하고 있으며, 상기 피에조 물질에 압력 또는 응력이 인가될 시, 상기 인가되는 압력 또는 응력에 따른 구조 변형이 발행되며 구조 변형에 의해 전압이 발생될 수 있다. 또한, 상기 피에조-효과는 재료 내에 피에조-필드를 유도하게 되며 이러한 변화는 외부로부터 피에조 효과의 전기 신호(전류 또는 전압)로 감지될 수 있다. 그러나, 이러한 피에조 효과를 이용하는 압력 센서는 상하 전극과 연결되는 회로 및 전기 신호 검출기가 필요함으로써, 복잡한 구조를 가질 수 있다. 따라서, 구조가 간단하며, 미세한 압력 변화를 감지해야 하는 압력 센서의 추가적인 요구 사항을 충족하기 위한 개선된 압력 센서가 필요하다.
최근에, CsPbBr3, (MA)PbBr3Cl3I3(MA: methylammonium), (FA)PbBr3(FA: formamidinium)와 같은 페로브스카이트 재료를 이용하여 압력에 따라 독특한 색상이 발광하는 현상이 관찰되며, 상기 압력 변화에 따라 색상의 세기가 변화하는 현상이 관찰되고 있다. 이러한 페로브스카이트 재료를 이용하여, 압력의 변화에 따라 독특한 색상을 발광하도록 하기 위해서는 수 GPa 이상의 큰 압력의 인가가 필요하다. 예컨대, 대략 1 GPa 내지 40 GPa 범위의 압력이 인가되어야 독특한 색상을 발광시킬 수 있다. 또한, 색상 변화에서의 파장 변화 범위가 약 100 nm 이내로 색상의 큰 차이가 없어 색상의 변화에 따라 압력을 측정하는 센서로 사용하기 어려울 수 있다. 즉, 수 GPa의 압력 값은 너무 크기 때문에 일상 생활에서는 사용이 어렵고, 색상 변화를 일으키는 파장의 변화가 미미하기 때문에, 상기 페로브스카이트 재료를 압력 센서로 응용하는데 매우 제한적이다.
그러므로, 비교적 낮은 압력에서 색상의 발광이 가능하며, 압력 변화에 따라 색상의 변화의 차이가 크도록 구동되는 압력 센서가 요구된다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 일상 생활에서 적용아 기능할 정도로 비교적 낮은 압력에서 색상의 발광이 가능하며, 압력 변화에 따라 색상의 변화로 응답되고 충분한 해상도를 확보하기 위해 그 차이가 크도록 구동되는 압력 센서를 제공하는 것이다.
또한, 본 발명이 이루고자 하는 다른 기술적 과제는, 전술한 이점을 갖는 압력 센서의 제조 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 실시예에서, 압전 재료; 및 상기 압전 재료 내에 도핑되며, 전이 금속 원소, 전이 후 금속 원소, 란타늄족 원소 및 준금속 중 적어도 어느 하나를 포함하는 2 이상의 서로 다른 도펀트들(dopants)를 포함하며, 상기 압전 재료는 외부 압력의 크기가 시각적으로 인식되도록 상기 외부 압력의 크기에 따라 상기 압전 재료 내의 상기 도펀트들이 개별 또는 조합되어 여기함으로써 결정되는 색상의 광 출력을 하고, 상기 광 출력의 색상은 2 이상의 서로 다른 각 도펀트의 광 출력의 색상이 상기 도펀트의 조성비에 따라 혼합된 색상을 포함하는 압력 센서가 제공될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 2 이상의 서로 다른 도펀트들 중 가장 작은 압력 범위에서 광 출력하는 도펀트의 농도는 다른 도펀트의 농도보다 낮으며, 상기 2 이상의 서로 다른 도펀트들 중 가장 높은 압력 범위에서 광 출력하는 도펀트의 농도는 다른 도펀트의 농도보다 높을 수 있다. 다른 실시예에서,상기 2 이상의 서로 다른 도펀트들 중 가장 작은 압력 범위에서 광 출력하는 도펀트의 농도는 다른 도펀트의 농도보다 높으며, 상기 2 이상의 서로 다른 도펀트틀 중 가장 높은 압력 범위에서 광 출력하는 도펀트의 농도는 다른 도펀트의 농도보다 낮을 수 있다.
상기 압전 재료는 압전 반도체, 강유전성 고분자, 강유전성 금속 산화물 또는 이들 조합을 포함할 수 있다. 상기 압전 반도체는 ZnS, ZnO, CdS, CdSe, CdTe, GaP, GaAs, InSb, 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 상기 강유전성 고분자는 폴리비닐리덴플로라이드(polyvinylidenefluoride, PVDF), 비닐리덴플로라이드 및 에틸렌트리플로라이드의 코폴리머(copolymer of vinylidene fluoride and ethylene trifluoride, P(VDF-TrFE)), 비닐리덴시아나이드 및 비닐아세테이트의 코폴리머(copolymer of vinylidene cyanide and vinyl acetate, P(VDCN-VAc)), 나일론-11(nylon-11), 폴리우레아-9(polyurea-9), 폴리비닐클로라이드(polyvinylchloride, PVC), 폴리아크릴로니트릴(polyacrylonitrile, PAN), 폴리프탈아지논에테르니트릴(poly(phthalazinone ether nitrile, PPEN) 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 상기 강유전성 금속 산화물은, PZT(lead zirconate titanate), PLZT(lead lanthanum zirconate titanate), PMN-PT(lead magnesium niobate-lead titanate), PZN-PT(lead zinc Niobate-lead titanate), PIN-PT(lead indium niobate-lead titanate), PYN-PT(lead ytterbium niobate-lead titanate), BNT(BaNiTiO3), BZT-BCT(barium zirconate titanate- barium calcium titanate), BT(BaTiO3), PT(PbTiO3), PbZrO3, Pb(Ni1/3Nb2/3)O3, Pb(Mg1/3Nb2/3)O3, Pb(Zn1/3Nb2/3)O3, 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 압력 센서는, 상기 압전 재료의 제 1 주면에 배치되는 제 1 전극과 상기 압전 재료의 상기 제 1 주면 대향하는 제 2 주면에 배치되는 제 2 전극을 더 포함하며, 상기 제 1 전극과 상기 제 2 전극 사이에 인가되는 전원에 의해 상기 광 출력을 조절할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에서, 2 이상의 서로 다른 도펀트들이 도핑된 압전 특성을 갖는 형광체 입자를 포함하며, 상기 형광체 입자에 인가되는 외부 압력의 크기가 시각적으로 인식되도록 상기 외부 압력의 크기에 따라 상기 형광체 입자 내의 상기 도펀트들이 개별 또는 조합되어 여기함으로써 결정되는 색상의 광 방출을 하며, 상기 광 방출의 색상은 상기 2 이상의 서로 다른 각 도펀트의 광 방출의 색상이 상기 도펀트의 조성비에 따라 혼합된 색상을 포함하고, 상기 2 이상의 서로 다른 도펀트들은 전이 금속 원소, 전이 후 금속 원소, 란타늄족 원소 및 준금속 중 적어도 어느 하나를 포함하는 압력 센서가 제공될 수 있다. 상기 압전 특성을 갖는 형광체 입자는 ZnS, ZnO, CdS, CdSe, CdTe, GaP, GaAs, InSb, 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 상기 광 방출은 상기 압력에 대응하는 상기 둘 이상의 서로 다른 도펀트(dopant)의 색상, 채도 및 명도의 혼합에 의해 결정될 수 있다. 상기 압력 센서의 압력 동작 범위는 1 KPa 내지 100 GPa 범위를 가질 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에서, 제 1 전극; 상기 제 1 전극 상에 배치되며, 응력 전달 재료를 포함하는 매트릭스 내에 복수의 도펀트를 포함하는 형광체 입자들이 분산된 압전-형광층; 및 상기 압전-형광층 상에 제 2 전극을 포함하는 압력 센서가 제공될 수 있다. 상기 응력 전달 재료는 가시광 영역에서 투과도가 80% 이상인 탄성 유기재료를 포함하며, 상기 탄성 유기재료는 폴리다이메틸실록세인(polydimethylsiloxane, 이하PDMS), 실리콘 고무와, UV 경화 에폭시 중 적어도 하나로 구성될 수 있다. 상기 제 1 전극 및 상기 제 2 전극 중 적어도 하나는 투명 전극을 포함하며, 상기 투명 전극은 ITO, ZTO, IZO, IZTO, GZO, AZO, NbTiO2, FTO, ATO, BZO 또는 이들의 조합 중 어느 하나로 포함할 수 있다.
또 다른 실시예에서, 기판 상에 제 1 전극을 형성하는 단계; 상기 제 1 전극 상에 응력 전달 재료를 포함하는 매트릭스 내에, 압전-발광층의 광 출력 색상이 서로 다른 도펀트의 광 출력의 색상이 상기 도펀트의 조성비에 따라 혼합된 색상을 포함하도록 둘 이상의 서로 다른 도펀트(dopant)를 포함하며, 압전 특성을 갖는 발광 입자들이 분산된 압전-발광층을 형성하는 단계; 및 상기 압전-발광층 상에 제 2 전극을 형성하는 단계를 포함하는 압력 센서의 제조 방법이 제공될 수 있다. 일 실시예에서, 상기 압전-발광층을 형성하는 단계는, 상기 응력 전달 재료 및 상기 발광 입자들을 혼합하는 단계; 및 상기 응력 전달 재료 및 상기 발광 입자들의 혼합물을 이용한 습식 코팅, 스프레이 코팅 또는 기상 증착을 통해 상기 제 2 전극 상에 상기 압전-발광층을 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 압전 재료; 및 상기 압전 재료 내에 도핑되며, 전이 금속 원소, 전이 후 금속 원소, 란타늄족 원소 및 준금속 중 적어도 어느 하나를 포함하는 2 이상의 서로 다른 도펀트들(dopants)를 포함함으로써, 종래의 수 GPa보다 작은 압력에서 색상의 변화가 나타나도록 구동하여, 압력을 시각적 정보로 사용자에게 전달할 수 있다.
또한, 압력의 크기에 대응하는 색상을 시각적으로 사용자에게 전달함으로써, 전기 신호 검출기 같은 별도의 전기 신호 검출기가 필요 없으며, 하나의 재료 내에서 압력에 따라 색상이 변하는 것이어서 압력 센서의 구조가 간단하다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 압전 재료(PM)를 이용한 색상 가변식 압력 센서를 도시한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 압력 센서에 적용 가능한 발광 입자를 도시한다.
도 3a 내지 도 3c은 도 2의 발광 입자를 포함하는 본 발명의 다른 실시예에 따른 압력 센서의 단면도이다.
도 4a 내지 도 4c는 본 발명의 실시예에 따른 압력에 따라 해당 색상에 대응하는 파장을 출력하는 발광 입자를 도시한 도면이다.
도 5a 및 도 5b는 본 발명의 일 실시예에 따른 ZnS의 결정 구조를 나타내는 도면이다.
도 6a는 본 발명의 일 실시예에 따른 도펀트의 비율 변화에 따른 색상 발광의 변화를 보여주는 도면이고, 도 6b는 본 발명의 일 실시예에 따른 압력의 변화에 따른 색상의 발광을 나타내는 도면이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 압력 센서의 제조 방법을 설명하기 위한 순서도이다.
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, 요소 및/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. 또한, 당해 기술 분야에서 숙련된 자들에게 있어서, 다른 형상에 "인접하여(adjacent)" 배치된 구조 또는 형상은 상기 인접하는 형상에 중첩되거나 하부에 배치되는 부분을 가질 수도 있다.
본 명세서에서, "아래로(below)", "위로(above)", "상부의(uLPer)", "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.
이하에서, 본 발명의 실시예들은 본 발명의 이상적인 실시예들(및 중간 구조들)을 개략적으로 도시하는 단면도들을 참조하여 설명될 것이다. 이들 도면들에 있어서, 예를 들면, 부재들의 크기와 형상은 설명의 편의와 명확성을 위하여 과장될 수 있으며, 실제 구현시, 도시된 형상의 변형들이 예상될 수 있다. 따라서, 본 발명의 실시예는 본 명세서에 도시된 영역의 특정 형상에 제한된 것으로 해석되어서는 아니 된다. 또한, 도면의 부재들의 참조 부호는 도면 전체에 걸쳐 동일한 부재를 지칭한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 압전 재료(PM)를 이용한 색상 가변식 압력 센서(100)를 도시한다.
도 1을 참조하면, 압력 센서(100)는 압전 재료(PM); 및 상기 압전 재료에 도핑되며, 전이 금속 원소, 전이 후 금속 원소, 란타늄족 원소 및 준금속 중 적어도 어느 하나를 포함하는 2 이상의 서로 다른 종류의 도펀트들(dopants)(DP1, DP2, DP3)을 포함할 수 있다. 압력 센서(100)는 압전 재료(PM)를 통해 전달되는 외부 압력의 크기가 시각적으로 인식되도록 상기 외부 압력의 크기에 따라 상기 압전 재료 내의 상기 도펀트들이 개별 또는 조합되어 여기함으로써 결정되는 색상의 광 출력을 할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 광 출력의 색상은 2 이상의 서로 다른 종류의 각 도펀트의 광 출력의 색상이 상기 도펀트의 조성비에 따라 혼합된 색상을 가질 수 있다. 일 실시예에서, 상기 2 이상의 서로 다른 종류의 도펀트들 중 가장 작은 압력 범위에서 광 출력하는 도펀트의 농도는 다른 도펀트의 농도보다 낮으며, 상기 2 이상의 서로 다른 도펀트들 중 가장 높은 압력 범위에서 광 출력하는 도펀트의 농도는 다른 도펀트의 농도보다 높을 수 있다. 이를 통해 높은 압력 범위의 광 출력을 낮은 압력 범위의 광 출력에 비해 강도를 더 증가시키는 효과를 얻을 수 있다. 다른 실시예에서, 상기 2 이상의 서로 다른 도펀트들 중 가장 작은 압력 범위에서 광 출력하는 도펀트의 농도는 다른 도펀트의 농도보다 높도록 도핑될 수 있으며, 상기 2 이상의 서로 다른 도펀트틀 중 가장 높은 압력 범위에서 광 출력하는 도펀트의 농도는 다른 도펀트의 농도보다 낮을 수 있다. 이를 통해 작은 압력 범위의 발광 출력을 높여 저압 영역에서의 센싱 감도를 향상시킬 수 있다. 또 다른 실시예에서, 상기 둘 이상의 서로 다른 도펀트의 농도를 동일하게 조절할 수도 있다. 이와 같이, 본 발명의 실시예에 따르면, 서로 다른 색상의 광 출력 특성을 갖는 도펀트의 조성비를 달리하여 압전 재료에 도핑함으로써 압력 범위에 따른 색상과 이의 강도 조절이 가능하다.
일 실시예에서, 상기 압전 재료는 압전 반도체, 강유전성 고분자, 금속 산화물 또는 이들 조합을 포함할 수 있다. 상기 압전 반도체는 ZnS, ZnO, CdS, CdSe, CdTe, GaP, GaAs, InSb, 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 바람직하게는, 상기 압전 재료는 황화 아연(zinc sulphide: ZnS)을 포함할 수 있다. 상기 강유전성 고분자는 폴리비닐리덴플로라이드(polyvinylidenefluoride, PVDF), 비닐리덴플로라이드 및 에틸렌트리플로라이드의 코폴리머(copolymer of vinylidene fluoride and ethylene trifluoride, P(VDF-TrFE)), 비닐리덴시아나이드 및 비닐아세테이트의 코폴리머(copolymer of vinylidene cyanide and vinyl acetate, P(VDCN-VAc)), 나일론-11(nylon-11), 폴리우레아-9(polyurea-9), 폴리비닐클로라이드(polyvinylchloride, PVC), 폴리아크릴로니트릴(polyacrylonitrile, PAN), 폴리프탈아지논에테르니트릴(poly(phthalazinone ether nitrile, PPEN) 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 상기 강유전성 금속 산화물은, PZT(lead zirconate titanate), PLZT(lead lanthanum zirconate titanate), PMN-PT(lead magnesium niobate-lead titanate), PZN-PT(lead zinc Niobate-lead titanate), PIN-PT(lead indium niobate-lead titanate), PYN-PT(lead ytterbium niobate-lead titanate), BNT(BaNiTiO3), BZT-BCT(barium zirconate titanate- barium calcium titanate), BT(BaTiO3), PT(PbTiO3), PbZrO3, Pb(Ni1/3Nb2/3)O3, Pb(Mg1/3Nb2/3)O3, Pb(Zn1/3Nb2/3)O3, 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 그러나, 본원 발명은 이들 재료에 한정되지 않는다.
일 실시예에서, 압력 센서(100)는, 압전 재료(PM)의 제 1 주면에 배치되는 제 1 전극(미도시함)과 상기 매트릭스의 상기 제 1 주면 대향하는 제 2 주면에 배치되는 제 2 전극(미도시함)을 더 포함할 수 있다. 이 경우, 상기 제 1 전극과 상기 제 2 전극 사이에 인가되는 전압 또는 전류 신호에 의해 압전 재료(PM)에 의해 인가되는 외부 압력에 따라 방출되는 광의 색상을 조절할 수 있다. 예를 들면, 외부 압력에 따라 방출되는 광의 색상을 변조하거나 보정, 또는 보상하고자 하는 경우, 또는 압력 센서의 압력 감지 범위를 조절하고자 하는 경우 상기 전극을 통해 전압 또는 전류 신호를 추가적으로 인가함으로써 이를 달성할 수 있다.
일 실시예에서, 압력 센서(100)의 압전 재료(PM)는 박막 형태를 가질 수 있다. 상기 압전 재료는 전술한 재료들의 단결정질 또는 다결정질상을 가질 수 있으며, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다. 박막 형태의 압전 재료(PM)는 예를 들면, 원자층 증착법, 화학기상증착법 또는 스퍼터링과 같은 기상 증착법을 통해 형성되거나 졸겔 법과 같은 액상 법을 통해 형성될 수 있다. 필요에 따라 열처리 공정이 수행될 수 있다. 압전 재료(PM) 내에 도핑되는 도펀트들은 압전 재료(PM)의 형성시 인시츄 도핑되거나 압전 재료(PM)의 형성 후에 이온 임플란트나 도펀트를 함유하는 가스 분위기에서 열처리함으로써 도핑될 수 있다. 이들 제조 방법은 예시적이며, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 압력 센서에 적용 가능한 발광 입자(LP)를 도시한다.
도 2를 참조하면, 발광 입자(LP)는 2 이상의 서로 다른 종류의 도펀트들(DP1, DP2, DP3)이 도핑된 입자이다. 발광 입자(LP)에 인가되는 외부 압력의 크기가 시각적으로 인식되도록 상기 외부 압력의 크기에 따라 발광 입자(LP) 내의 상기 도펀트들(DP1, DP2, DP3)이 개별 또는 조합되어 여기함으로써 결정되는 색상의 광 방출을 할 수 있다. 2 이상의 서로 다른 종류의 도펀트들(DP1, DP2, DP3)은 전이 금속 원소, 전이 후 금속 원소, 란타늄족 원소 및 준금속 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다. 발광 입자(LP)는 ZnS, ZnO, CdS, CdSe, CdTe, GaP, GaAs, InSb, 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 그러나, 본원 발명은 이들에 제한되지 않는다. 예컨대, 압전 특성을 가지며 발광 특성을 갖는 것이라면 모두 적용 가능하다. 상기 도펀트는 전이 금속 원소, 전이 후 금속 원소, 란타늄족 원소 및 준금속 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다. 도 2에서 서로 다른 3 종류의 도펀트들(DP1, DP2, DP3)는 발광 입자(LP)를 구성하는 압전 재료 내에 도핑될 수 있다.
도 1 및 도 2에 도시된 압전 재료의 압력 감지 범위는 비교적 저압인 1 KPa 로부터 100 GPa 정도 까지의 범위를 가질 수 있다. 상기 광 방출의 색상 및 발광 강도는 상기 압력에 대응하는 상기 2 이상의 서로 다른 종류의 도펀트(dopant)의 종류 및 조성비에 의해 결정될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 도펀트는 망간(Mn), 구리(Cu), 알루미늄(Al), 유로퓸(Eu) 및 프라세오디뮴(Pr) 및 납(Pb) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 그러나, 본 발명의 실시예에서, 도펀트는 이들에 제한되지 않는다. 예컨대, 도펀트는 세륨(Ce) 및 텔루늄(Te)을 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 도펀트는 인가되는 상기 압력의 변화에 따라 발광 색상이 변화되도록 상기 전이 금속 원소, 전이 후 금속 원소, 란타늄족 원소 및 준금속 중 둘 이상의 선택된 도펀트의 조성비가 조절될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 2 이상의 서로 다른 종류의 도펀트들 중 가장 작은 압력 범위에서 광 방출에 영향을 주는 도펀트의 농도는 다른 도펀트의 농도보다 낮으며, 상기 둘 이상의 서로 다른 도펀트 중 가장 높은 압력 범위에서 광 방출에 영향을 주는 도펀트의 농도는 다른 도펀트의 농도보다 높을 수 있다. 다른 실시예에서, 상기 둘 이상의 서로 다른 도펀트 중 가장 작은 압력 범위에서 광 방출에 영향을 주는 도펀트의 농도는 다른 도펀트의 농도보다 높으며, 상기 둘 이상의 서로 다른 도펀트 중 가장 높은 압력 범위에서 광 방출에 영향을 주는 도펀트의 농도는 다른 도펀트의 농도보다 낮을 수 있다. 또 다른 실시예에서, 상기 둘 이상의 서로 다른 도펀트의 농도는 동일할 수 있다.
바람직하게, 발광 입자(LP)는 황화 아연(zinc sulphide: ZnS)을 포함할 수 있다. 상기 ZnS은 아연(Zinc)과 황(Sulfur)이 1:1로 결합한 II-VI 족 반도체 재료로서, 약 3.54 eV(cubic), 3.67 eV(wurtzite)의 밴드갭 에너지를 가지며, 망간(Mn), 구리(Cu), 알루미늄(Al), 유로퓸(Eu) 및 프라세오디뮴(Pr) 및 납(Pb) 같은 도펀트가 첨가될 때 가시광 대역에서 발광하며, 우수한 발광 특성을 갖기 때문에 발광 특성을 갖는다. 또한, 상기 ZnS는 첨가된 원소에 따라서 RGB 색상(Red, Green, Blue) 색상 표현이 가능하기 때문에 백색 발광체로서 응용될 수도 있다. 또한 ZnS는 발광체이면서 압전 재료이기 때문에 전달되는 압력, 즉, 응력을 여기원으로 하는 기계적 발광(mechanoluminescence: ML) 특성을 가질 수 있으며, 이에 의해 본 발명의 실시예에 따른 압전 소자가 제공될 수 있다.
IIb-VIb 화합물인 ZnS는 하기 도 5a와 같은 cubic zinc blende (ZB) 구조 또는 하기 도 5b와 같은 hexagonal wurtzite (W) 구조를 가지며, 온도에 따라 상변이가 일어나는 특징을 가질 수 있다. 상기 ZnS는 상기 W 타입 구조의 ZnS 보다 ZB 타입 구조의 ZnS가 발광 효율이 좋으며, 이러한 발광 효율을 향상시키기 위해서, 망간(Mn), 구리(Cu), 알루미늄(Al), 유로퓸(Eu) 및 프라세오디뮴(Pr) 및 납(Pb) 같은 불순물을 도핑하여, 고온상(High-temperature phase)인 W 구조(α-ZnS) 에서 저온상(lowtemperature phase)인 ZB 구조(β-ZnS)로 상변이를 유도할 수 있다. 이때 Cu, Mn 같은 도펀트를 도핑하면 Zn2+ 자리에 Cu1+, Cu2+, Mn2+ 같은 이온이 치환되거나 격자 내부로 침입형 결함이 생성될 때 ZnS 에너지 밴드갭 내부에 재결합 센터(recombination center)가 생성되어 전자-정공 재결합으로 인해 발광할 수 있는 구조를 가질 수 있다.
구체적으로, ZnS의 기계적 발광(ML)을 살펴보면, 기계적 발광(ML)은 진동, 압축, 인장 등의 기계적 작용을 ZnS 입자에 전달되었을 때 광이 방출되는 것을 지칭할 수 있다. 상기 ML 발광을 유도하기 위해서는 기계적 작용에 의한 에너지 전달이 필요하다. 일 실시예에서, 결정 구조의 변형에 의한 ML(deformation-ML; DML)은 고체가 변형하는 동안 물질 내부에 발생하는 전기장으로 인해 유도되며, 변형될 때 전기장이 유도되는 압전 특성에 의존할 수 있다. 변형을 유도하는데 사용되는 매트릭스(matrix)나 직접 변형 에너지를 전달하는 물질과의 상호 작용과는 독립적이다. DML이 일어날 때 ML 물질의 화학적 변화가 없다면 PL(photoluminescence)과 유사한 스펙트럼을 나타낼 수 있다. 또한, ZnS 발광체의 ML 현상은 ZnS의 결정 구조가 비중심 대칭(non-centro symmetric) 때문에, 탄성 변형에 의해 유도된 피에조 필드(piezoelectric field)에 의해 발광할 수 있다. ML 특성을 갖는 재료에 압력 형태의 기계적 에너지를 전달할 때 ZnS의 탄성 변형으로 인한 피에조 필드때문에 에너지 밴드의 굽힘을 야기하고, 에너지 밴드의 굽힘 때문에 전자 트랩에 갇혀 있던 전자가 ML 여기(ML excitation) 되어 발광 할 수 있다. 이와 같은 피에조 필드에 의한 전자 디트랩핑 모델에서는 기계적 에너지(mechanical energy)에 의해 유도된 전기적 에너지(electrical energy)가 ML 여기의 원인이 될 수 있다.
압력 센서의 동작 메커니즘의 살펴보면, 다양한 도펀트에 의존하는 압전 재료 ZnS는 다양한 색상의 광 방출이 가능하다. 예를 들어, 압전 재료 중 Cu가 도핑된 ZnS는 20 KPa 내지 120 KPa 범위의 압력에 의해 약 517 nm의 파장을 갖는 녹색의 광을 방출할 수 있고, 망간이 도핑된 ZnS는 5 MPa 내지 50 MPa의 압력에 의해 약 585 nm 파장을 갖는 황색의 광을 방출할 수 있으며, Al이 도핑된 ZnS는 50 MPa 이상의 압력에 의해 약 425 nm의 파장을 갖는 청색의 광을 방출할 수 있다. Mn, Cu, Al, Eu, Pr 로부터 단일 도핑된 ZnS는 압력의 증가에 따라 특정 색상의 세기를 증가시킬 수 있다. 그러나, 본 발명의 일 실시예에서, 둘 이상의 색상을 결정하는 도펀트들(DP1, DP2, DP3)이 혼합되면, Cu와 Mn이 도핑된 ZnS은 피에조-효과에 의하여 ZnS:Cu / ZnS:Mn 비율이 증가함에 따라 황색에서 녹색으로 변할 수 있다. 이는 각각의 다른 도펀트의 비율을 갖는 ZnS에 의해 다양한 색상의 광을 방출할 수 있다. 상기 이러한 결과에 따라, 압력 인가 시 도펀트의 종류 및 압력의 변화에 따라서, 색상, 채도, 및/또는 명도가 달라질 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, Mn, Cu 와 Al이 Cu:Mn:Al = 1:3:6의 농도로 도핑된 ZnS를 포함하는 발광체는, 압력 변화에 따라 발광 색상, 발광 강도, 색상의 채도 및 명도가 변할 수 있다. 예컨대, 압력이 증가함에 따라, 순차적으로, Cu 도펀트에 의한 녹색의 광 방출이 일어나고, 다음 Mn 도펀트에 의하여 황색의 광 방출이 일어나며, 마지막으로, Al 도펀트에 의하여 청색의 광 방출이 일어날 수 있다. Cu, Mn 및 Al 도펀트가 방출하는 발광 강도의 따른 증가 속도는 Cu< Mn <Al 순으로 나타날 수 있다. 즉, 낮은 압력에서, 녹색의 광을 활성화하는 Cu 도펀트, 중간 압력 구간에서는 황색의 광을 활성화하는 Mn 도펀트, 그리고 더 높은 압력에서는 청색의 광을 활성화는 Al 도펀트가 반응할 것이다. 따라서, 도펀트들의 종류와 농도가 일정하게 조절되어 도핑된 ZnS로부터의 광의 방출 색상은 인가된 압력에 의해 일정하게 나타날 수 있다.
전술한 바와 같이, 복수의 도펀트들이 도핑된 ZnS는 인가되는 압력에 따라, 발광 색상이 조절될 수 있고, 이에 따라, 발광 색상으로부터 인가된 압력을 시각적으로 인지될 수 있다. 따라서, 하기 표 1과 같이 다양한 발광이 가능한 도펀트(예: Mn, Cu, Al, Eu, Pr)를 적절하게 선택하고, 농도를 조절함으로써, 다양한 압력 구간에서의 압력 변화를 색상 변화를 통해 시각적으로 감지할 수 있다.
Pressure range for light emission Light emission wavelength (nm)
ZnS : Cu 20-120 KPa 587
ZnS : Mn 5-50 MPa 517
ZnS : Al >50 MPa 425
도 1과 도 2에서는 3가지의 종류의 도펀트(DP1, DP2, DP3)가 ZnS 압전 박막 및 발광 입자에 도핑되는 것을 예시하고 있지만, 본 발명의 실시예는 이에 한정되지 않으며, 3 이상의 서로 다른 종류의 도펀트들이 더 포함되어, 센싱 가능한 압력 범위를 더욱 세분화하고 다양한 색상으로 압력을 시각적으로 나타낼 수 있다.
도 3a 내지 도 3c은 도 2의 발광 입자(LP)를 포함하는 본 발명의 다른 실시예에 따른 압력 센서(10)의 단면도이다.
도 3a를 설명하면, 압력 센서(10)은 제 1 전극(120), 제 1 전극(120) 상에 배치되며, 응력 전달 재료를 포함하는 매트릭스(PM) 및 매트릭스(PM) 내에 2 이상의 서로 다른 종류의 도펀트들(dopant)이 도핑되고 압전 특성을 갖는 발광 입자들(LP)이 분산된 압전-발광층(110) 및 압전-발광층(110) 상에 배치되는 제 2 전극(100)을 포함할 수 있다. 발광 입자들(LP)은 도 2를 참조하여 개시된 2 이상의 서로 다른 종류의 도펀트들(dopant)을 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 상기 발광 입자에 인가되는 압력에 따라, 상기 발광 입자가 상기 압력의 수치 값이 시각적으로 인식되도록 광 방출을 하며, 상기 도펀트는 전이 금속 원소, 전이 후 금속 원소, 란타늄족 원소 및 준금속 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 제 1 전극(120)과 제 2 전극(100)을 통하여 전압 신호 또는 전류 신호를 인가함으로써 압전-발광층(110)에 인가되는 압력 변화에 따른 발광 입자들(LP)의 광 출력 특성을 변조시킬 수 있다. 이러한 변조를 통해 압력 센서(10)의 광 출력 특성의 보상, 보정 또는 감도 제어를 얻을 수 있다.
압전-발광층(110)의 두께는 5 ㎛ 내지 500 ㎛의 범위를 가지며, 응력전달 재료(PM)의 중량비는 5 중량 % 내지 50 중량 %의 범위를 갖고, 발광 입자들(LP)의 총 중량비는 5 중량 % 내지 50 중량 %의 범위를 가질 수 있다. 또한, 발광체(LP)는 1 ㎛ 내지 50 ㎛의 입경을 갖는 입자 형태일 수 있다.
상기 응력 전달 재료는 가시광 영역에서 투과도가 80% 이상인 탄성 유기 재료를 포함할 수 있다. 상기 탄성 유기 재료는 폴리다이메틸실록세인(polydimethylsiloxane, 이하PDMS), 실리콘 고무와, UV 경화 에폭시 중 적어도 하나로 구성될 수 있다. 그러나, 본 발명의 실시예는 이들에 제한되지 않는다.
일 실시예에서, 제 1 전극(120) 및 제 2 전극(100)은 중 적어도 하나는 투명 전극을 포함할 수 있으며, 상기 투명 전극은 ITO, ZTO, IZO, IZTO, GZO, AZO, NbTiO2, FTO, ATO, BZO 또는 이들의 조합 중 어느 하나로 포함할 수 있다. 또한, 제 1 전극(120) 및 제 2 전극(100)는 서로 다른 특성을 가질 수 있다. 예컨대, 제 1 전극(120)은 애노드로서 ITO 같은 투명 전극이고 제 2 전극(100)은 캐소드로서 알루미늄(Al) 같은 금속일 수 있다. 그러나, 본 발명은 이들에 제한되지 않는다. 예컨대, 제 1 전극(120) 및 제 2 전극(100)은 전도성 고분자, 전도성 금속, 전도성 금속 화합물 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 상기 전도성 고분자는 PEDOT[poly(3,4-ethylenedioxythiophene)], PANI(polyaniline), LPy(polypyrrol), PT(polythiophene)와 같은 공액 고분자에 산성물질[PSS;poly(4-styrenesulfonate), CSA:camphor sulfonic acid, TSA:toluene sulfonic acid, DBSA;dodecyl benzene sulfonic acid]이 도핑된 PEDOT[poly(3,4-ethylenedioxythiophene)]:PSS[poly(4-styrenesulfonate)], PEDOT:CSA[camphor sulfonic acid], PEDOT:TSA(toluene sulfonic acid), PEDOT:DBSA(dodecyl benzene sulfonic acid), PANI(polyaniline):PSS, PANI:CSA, PANI:TSA, PANI:DBSA, LPy(polypyrrol):PSS, LPy:CSA, LPy:TSA, LPy:DBSA, PT(polythiophene):PSS, PT:CSA, PT:TSA, PT:DBSA로부터 1종 이상 선택될 수 있다. 상기 전도성 금속은 금, 은, 알루미늄, 구리, 철, 니켈, 티타늄, 텔레늄, 크롬 또는 이들의 합금 중 하나를 포함할 수 있다. 그리고, 상기 전도성 금속 화합물은 TiN, TaN, NbO2, VO2, Ti3O5, Ti2O3 또는 SmNiO3, RuO2, IrO2 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에서, 압력 센서(10)는 하기 도 3b 및 도 3c와 같이, 제 1 전극(120) 또는 제 2 전극(100)과 압전-발광층(110) 사이에 절연층(130)을 더 포함할 수 있다.
도 3b 및 도 3c를 참조하면, 압력 센서(10)는 제 1 전극(120), 압전-발광층(110), 절연층(130) 및 제 2 전극(100)을 포함할 수 있다. 절연층(130)은 제 1 전극(120) 또는 제 2 전극(100) 같은 캐소드로부터 전자들을 가속시켜 압전-발광층(110)으로 제공하는 역할을 수행할 수 있으며, 절연층(130)은 실리콘 옥사이드(SiO2), 실리콘 옥시 나이트라이드(SiON), 실리콘 나이트라이드(SiN), 하트늄옥사이드(HfO), 알루미늄 옥사이드(AlO), 징크옥사이드(ZnO), 티타늄 옥사이드(TiO2), 탄탈륨 옥사이드(Ta2O6), 지르코늄 옥사이드(ZrO2), 알루미늄 나이트라이드(AlN), 알루미늄 옥시나이트라이드(AlON), 탄탈륨 나이트라이드(TaN) 및 티타늄 나이트라이드(TiN) 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 이에 의해 압력 센서의 시각화 능을 변조 또는 증폭시킬 수도 있다.
도 3b를 참조하면, 절연층(130)은 제 2 전극(100)과 압전-발광층(110) 사이에 배치된다. 반 주기 동안에 전자들은 절연층(130)을 통해 가속되어 압전-발광층(110) 내의 발광체(LP)와 충돌하고, 다른 반 주기 동안에 전자들은 압전-발광층(110)으로 주입될 수 있다. 이때, 제 2 전극(100)이 캐소드일 때, 전자들이 절연층(130)을 통해 가속되어 압전-발광층(110) 내의 발광체(LP)와 충돌하게 되는 반 주기 동안에 발광이 유도되지만, 전자들은 압전-발광층(110)으로 주입되는 다른 반 주기 동안에 발광이 유도되지 않을 수 있다.
도 3c를 참조하면, 절연층(130)은 제 1 전극(120)과 압전-발광층(110) 사이에 배치된다. 반 주기 동안에 전자들은 절연층(130)을 통해 가속되어 압전-발광층(110) 내의 발광체(LP)와 충돌하고, 다른 반 주기 동안에 전자들은 압전-발광층(110)으로 주입될 수 있다. 이때, 제 1 전극(120)이 애노드일 때, 전자들이 절연층(130)을 통해 가속되어 압전-발광층(110) 내의 발광체(LP)와 충돌하게 되는 반 주기 동안에 발광이 유도되지 않지만, 전자들은 압전-발광층(110)으로 주입되는 다른 반 주기 동안에 전자-정공 재결합에 의해 발광이 유도될 수 있다.
도시하지 않았지만, 절연층(130)은 제 2 전극(100)과 압전-발광층(110) 사이 및 제 1 전극(120)과 압전-발광층(110) 사이에 배치될 수 있다. 한 주기 동안에 전자들이 절연층(130)을 통해 가속되어 압전-발광층(110) 내의 발광체(LP)와 충돌하게 될 수 있다. 이때, 전자들이 절연층(130)을 통해 가속되어 압전-발광층(110) 내의 발광체(LP)와 충돌하게 되는 한 주기 동안 모두 발광이 유도될 수 있다. 본 발명의 실시예에서, 한 주기 동안에 일부 전자들은 압전-발광층(110)으로 주입되어 전자-정공의 재결합될 수 있으며, 전자-정공의 재결합에 의해 발광이 유도될 수도 있다.
도 4a 내지 도 4c는 본 발명의 실시예에 따른 압력에 따라 해당 색상에 대응하는 파장을 출력하는 발광 입자(LP)를 도시한 도면이다. 발광 입자(LP)는 도 1b를 참조하여 개시된 2 이상의 종류의 서로 다른 금속 도펀트들(DP1, DP2, DP3; Me)을 포함하며, P1, P2, P3는 압전 특성을 갖는 발광 입자(LP)에 인가되는 서로 다른 크기를 갖는 기계적 압력(ML)을 의미하며, 압력의 크기는 P1 < P2 < P3 이다. 도펀트들(DP1:DP2:DP3)은 각각 구리, 망간, 및 알루미늄일 수 있으며, 이들의 농도 비율은 1:3:6과 같이 다양하게 조절될 수 있다.
도 4a를 참조하면, 일 실시예에서, P1의 기계적 압력(ML)이 예를 들면, ZnS:Me를 포함하는 발광 입자(LP)에 인가될 때, P1의 기계적 압력(ML)에 반응하여 도펀트(DP1)에 의해 제 1 색상에 대응하는 파장(λ1)을 방출할 수 있다. 예컨대, 20 KPa 내지 120 KPa 범위의 기계적 압력이 ZnS:Me를 포함하는 발광 입자(LP)에 인가될 때, 구리 도펀트에 의해 약 587 nm 파장이 출력될 수 있다.
도 4b를 참조하면, 일 실시예에서, P1보다 큰 P2의 기계적 압력(ML)이 ZnS:Me를 포함하는 발광 입자(LP)에 인가될 때, P2의 기계적 압력(ML)에 반응하여 도펀트(DP1 및 DP2)에 의해 제 1 색상과 제 2 색상에 대응하는 파장(λ1 및 λ2)을 방출할 수 있다. 예컨대, 5 MPa 내지 50 MPa 범위의 기계적 압력이 ZnS:Me를 포함하는 발광 입자(LP)에 인가될 때, 구리 도펀트에 의해 약 587 nm 파장과 망간 도펀트에 의해 약 517 nm 파장이 출력될 수 있다. 이때, 총 도펀트 대비 구리 도펀트의 비율이 상대적으로 작기 때문에, 상기 제 1 색상(λ1)과 제 2 색상(λ2)이 혼합되더라도, 발광 입자(LP)에 의해 발광하는 색상은 제 2 색상이 우세하게 나타날 수 있다. 또한, 도 4a의 기계적 압력보다 도 4b에서는 기계적 압력의 크기 증가로 인해, 도 4b의 제 1 색상에 대응하는 파장(λ1)의 세기는 도 4a의 제 1 색상에 대응하는 파장(λ1)의 세기와 같거나 클 수 있다.
도 4c를 참조하면, 일 실시예에서, P2보다 큰 P3의 기계적 압력(ML)이 ZnS:Me를 포함하는 발광 입자(LP)에 인가될 때, P3의 기계적 압력(ML)에 반응하여 도펀트(DP1, DP2, DP3)에 의해 제 1 색상, 제 2 색상 및 제 3 색상에 대응하는 파장(λ1, λ2, 및 λ3)을 방출할 수 있다. 예컨대, 50 MPa 이상의 기계적 압력이 ZnS:Me를 포함하는 발광 입자(LP)에 인가될 때, 구리 도펀트에 의해 약 587 nm 파장, 망간 도펀트에 의해 약 517 nm 파장 그리고 알루미늄 도펀트에 의해 약 425 nm 파장이 출력될 수 있다. 이때, 알루미늄 도펀트가 상대적으로 구리 및 망간 도펀트의 비율보다 크기 때문에, 상기 제 1 색상(λ1), 제 2 색상(λ2) 제 3 색상(λ3)이 혼합되더라도, 발광 입자(LP)에 의해 발광하는 색상은 제 3 색상이 우세하게 나타날 수 있다. 또한, 도 3b보다 도 3c의 기계적 압력의 크기 증가로 인해, 도 3c의 제 1 색상에 대응하는 파장(λ1)의 세기는 도 3b의 제 1 색상에 대응하는 파장(λ1)의 세기와 같거나 클 수 있다. 도 3b보다 도 3c의 기계적 압력의 크기 증가로 인해, 도 3c의 제 2 색상에 대응하는 파장(λ2)의 세기는 도 3b의 제 2 색상에 대응하는 파장(λ2)의 세기와 같거나 클 수 있다.
다른 실시 예에서, 색상은 변하지 않고, 색상에 대한 채도 및 명도의 변화로 압력의 변화를 시각적으로 나타낼 수 있다. 또 다른 실시예에서, 2 이상의 색상의 혼합으로 나타내는 혼합 색상으로, 압력의 변화를 시각적으로 나타낼 수 있다.
도 6a는 본 발명의 일 실시예에 따른 도펀트의 비율 변화에 따른 색상 발광의 변화를 보여주는 도면이고, 도 6b는 본 발명의 일 실시예에 따른 압력의 변화에 따른 색상의 발광을 나타내는 도면이다. 도 6a는 2 종류의 도펀트(Mn, Cu)가 도핑된 ZnS 박막(PM)을 포함하는 도 1의 압력 센서(100)를 이용하여, 도펀트 Mn과 도펀트 Cu의 조성비에 따라 결정된 색상이 발광하는 예이며, 도 6b는 3 종류의 도펀트들(Mn, Cu, Al)이 도핑된 ZnS 박막(PM)을 포함하는 압력 센서를 이용하여, 압력 변화에 따라 색상이 발광하는 예이다.
도 6a를 참조하면, ZnS 내에 도핑된 청록 색상(G)의 발광과 관련된 도펀트 Cu와 ZnS 내에 도핑된 오렌지 색상(O)의 발광과 관련된 도펀트 Mn의 비율을 조절하여 발광하는 청록 색상과 오렌지 색상의 혼합비(G/O ratio)를 조절할 수 있다. 예를 들면, ZnS 내에 도펀트 Mn의 비중이 커질수록 발광 색상은 청록 색상(G)의 비중이 증가될 수 있다.
도 6b를 참조하면, 청색 색상의 발광과 관련된 도펀트 Al, 청록 색상의 발광과 관련된 도펀트 Cu, 적색 색상의 발광과 관련된 도펀트 Mn의 비율은 총 도펀트 내에서 60%:30%:10%를 갖는다. 도펀트의 조성비를 동작 압력 범위에 따라 결정함으로써, 예컨대, 상대적으로 높은 압력에서 발광하는 도펀트(Al)의 양을 60%으로 결정하고, 상대적으로 낮은 압력에서 발광하는 도펀트(Mn)의 양을 10%으로 결정하고, 중간 압력에서 발광하는 도펀트(Cu)의 양을 30%으로 결정함으로써, 상대적으로 가장 낮은 압력에서는 도펀트(Mn)에 의해만 적색 계열의 발광이 이루어지며, 상대적으로 가장 높은 압력에서 도펀트(Al, Cu, Mn)에 의해, 적색, 청색, 파랑 계열의 색상이 혼합되더라도, 상대적으로 적색 및 청색 계열의 색상의 발광 세기는 작기 때문에 파랑 계열의 색상이 지배적으로 발광한다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 압력 센서의 제조 방법을 설명하기 위한 순서도이다.
도 7을 참조하면, 기판 상에 제 1 전극을 형성하는 단계(S10); 상기 제 1 전극 상에 응력 전달 재료를 포함하는 매트릭스 내에 둘 이상의 서로 다른 도펀트(dopant)를 포함하며, 압전 특성을 갖는 발광 입자들이 분산된 압전-발광층을 형성하는 단계(S20); 및 상기 압전-발광층 상에 제 2 전극을 형성하는 단계(30)를 포함하는 압력 센서의 제조 방법이 제공될 수 있다.
상기 압전-발광층을 형성하는 단계(S20)는, 상기 응력 전달 재료 및 상기 발광 입자(LP)의 원료 물질을 혼합하는 단계 및 상기 혼합물을 이용한 습식 코팅, 스프레이 코팅 또는 기상 증착을 통해 상기 제 1 전극 상에 상기 압전-발광층을 형성하는 단계를 포함할 수 있다. 예컨대, 잉크젯, 스핀코팅법 또는 스크린 인쇄를 통해, 상기 제 1 전극 상에 상기 압전-발광층이 형성될 수 있다. 그러나, 본 발명은 이들에 제한되지 않는다.
일 실시예에서, 도 3b 내지 도 3c에 전술한 바와 같이, 제 1 전극(120) 또는 제 2 전극(100) 같은 캐소드로부터 전자들을 가속시켜 압전-발광층(110)으로 제공하도록 하기 위해서, 상기 제 1 전극 또는 상기 제 2 전극과 상기 압전-발광층 사이에 절연층을 형성하는 단계가 더 포함할 수 있다.
본원 발명은 압력 센서를 응용하는 예를 들었지만, 본원 발명은 압력 센서에 제한되지 않으며, 인공 공감각 기반의 압력에 따른 시각적 출력을 발현하는 다양한 센서에도 응용 가능하다.
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.
PM: 압전 재료
LP: 형광체 입자
DP1, DP2, DP3: 도펀트
10: 압전 센서
100, 120: 제 1 전극 및 제 2 전극
110: 압전-형광층
PM: 응력 전달 재료

Claims (19)

  1. 압전 재료; 및
    상기 압전 재료 내에 도핑되며, 전이 금속 원소, 전이 후 금속 원소, 란타늄족 원소 및 준금속 중 적어도 어느 하나를 포함하는 2 이상의 서로 다른 도펀트들(dopants)을 포함하며,
    상기 압전 재료는 외부 압력의 크기가 시각적으로 인식되도록 상기 외부 압력의 크기에 따라 상기 압전 재료 내의 상기 도펀트들이 개별 또는 조합되어 여기함으로써 결정되는 색상의 광 출력을 하고,
    상기 광 출력의 색상은 2 이상의 서로 다른 각 도펀트의 광 출력의 색상이 상기 도펀트의 조성비에 따라 혼합된 색상을 포함하는 압력 센서.
  2. 삭제
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 2 이상의 서로 다른 도펀트들 중 가장 작은 압력 범위에서 광 출력하는 도펀트의 농도는 다른 도펀트의 농도보다 낮으며,
    상기 2 이상의 서로 다른 도펀트들 중 가장 높은 압력 범위에서 광 출력하는 도펀트의 농도는 다른 도펀트의 농도보다 높은 압력 센서.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 2 이상의 서로 다른 도펀트들 중 가장 작은 압력 범위에서 광 출력하는 도펀트의 농도는 다른 도펀트의 농도보다 높으며,
    상기 2 이상의 서로 다른 도펀트틀 중 가장 높은 압력 범위에서 광 출력하는 도펀트의 농도는 다른 도펀트의 농도보다 낮은 압력 센서.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 압전 재료는 압전 반도체, 강유전성 고분자, 강유전성 금속 산화물 또는 이들 조합을 포함하는 압력 센서.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 압전 반도체는 ZnS, ZnO, CdS, CdSe, CdTe, GaP, GaAs, InSb, 또는 이들의 조합을 포함하는 압력 센서.
  7. 제 5 항에 있어서,
    상기 강유전성 고분자는 폴리비닐리덴플로라이드(polyvinylidenefluoride, PVDF), 비닐리덴플로라이드 및 에틸렌트리플로라이드의 코폴리머(copolymer of vinylidene fluoride and ethylene trifluoride, P(VDF-TrFE)), 비닐리덴시아나이드 및 비닐아세테이트의 코폴리머(copolymer of vinylidene cyanide and vinyl acetate, P(VDCN-VAc)), 나일론-11(nylon-11), 폴리우레아-9(polyurea-9), 폴리비닐클로라이드(polyvinylchloride, PVC), 폴리아크릴로니트릴(polyacrylonitrile, PAN), 폴리프탈아지논에테르니트릴(poly(phthalazinone ether nitrile, PPEN) 또는 이들의 조합을 포함하는 압력 센서.
  8. 제 5 항에 있어서,
    상기 강유전성 금속 산화물은, PZT(lead zirconate titanate), PLZT(lead lanthanum zirconate titanate), PMN-PT(lead magnesium niobate-lead titanate), PZN-PT(lead zinc Niobate-lead titanate), PIN-PT(lead indium niobate-lead titanate), PYN-PT(lead ytterbium niobate-lead titanate), BNT(BaNiTiO3), BZT-BCT(barium zirconate titanate- barium calcium titanate), BT(BaTiO3), PT(PbTiO3), PbZrO3, Pb(Ni1/3Nb2/3)O3, Pb(Mg1/3Nb2/3)O3, Pb(Zn1/3Nb2/3)O3, 또는 이들의 조합을 포함하는 압력 센서.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 압력 센서는,
    상기 압전 재료의 제 1 주면에 배치되는 제 1 전극과
    상기 압전 재료의 상기 제 1 주면 대향하는 제 2 주면에 배치되는 제 2 전극을 더 포함하며,
    상기 제 1 전극과 상기 제 2 전극 사이에 인가되는 전원에 의해 상기 광 출력을 조절하는 압력 센서.
  10. 2 이상의 서로 다른 도펀트들이 도핑된 압전 특성을 갖는 형광체 입자를 포함하며,
    상기 형광체 입자에 인가되는 외부 압력의 크기가 시각적으로 인식되도록 상기 외부 압력의 크기에 따라 상기 형광체 입자 내의 상기 도펀트들이 개별 또는 조합되어 여기함으로써 결정되는 색상의 광 방출을 하며,
    상기 광 방출의 색상은 2 이상의 서로 다른 각 도펀트의 광 방출의 색상이 상기 도펀트의 조성비에 따라 혼합된 색상을 포함하고,
    상기 2 이상의 서로 다른 도펀트들은 전이 금속 원소, 전이 후 금속 원소, 란타늄족 원소 및 준금속 중 적어도 어느 하나를 포함하는 압력 센서.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 압전 특성을 갖는 형광체 입자는 ZnS, ZnO, CdS, CdSe, CdTe, GaP, GaAs, InSb, 또는 이들의 조합을 포함하는 압력 센서.
  12. 삭제
  13. 제 10 항에 있어서,
    상기 광 방출은 상기 압력에 대응하는 상기 둘 이상의 서로 다른 도펀트(dopant)의 색상, 채도 및 명도의 혼합에 의해 결정되는 압력 센서.
  14. 제 10 항에 있어서,
    상기 압력 센서의 압력 동작 범위는 1 KPa 내지 100 GPa 범위를 갖는 압력 센서.
  15. 제 1 전극;
    상기 제 1 전극 상에 배치되며, 응력 전달 재료를 포함하는 매트릭스 내에 복수의 도펀트를 포함하는 형광체 입자들이 분산된 압전-형광층; 및
    상기 압전-형광층 상에 제 2 전극을 포함하는 압력 센서.
  16. 제 15 항에 있어서,
    상기 응력 전달 재료는 가시광 영역에서 투과도가 80% 이상인 탄성 유기재료를 포함하며,
    상기 탄성 유기재료는 폴리다이메틸실록세인(polydimethylsiloxane, 이하PDMS), 실리콘 고무와, UV 경화 에폭시 중 적어도 하나로 구성되는 압력 센서.
  17. 제 15 항에 있어서,
    상기 제 1 전극 및 상기 제 2 전극 중 적어도 하나는 투명 전극을 포함하며,
    상기 투명 전극은 ITO, ZTO, IZO, IZTO, GZO, AZO, NbTiO2, FTO, ATO, BZO 또는 이들의 조합 중 어느 하나로 포함하는 압력 센서.
  18. 기판 상에 제 1 전극을 형성하는 단계;
    상기 제 1 전극 상에 응력 전달 재료를 포함하는 매트릭스 내에, 압전-발광층의 광 출력 색상이 서로 다른 도펀트의 광 출력의 색상이 상기 도펀트의 조성비에 따라 혼합된 색상을 포함하도록 둘 이상의 서로 다른 도펀트(dopant)를 포함하며, 압전 특성을 갖는 발광 입자들이 분산된 압전-발광층을 형성하는 단계; 및
    상기 압전-발광층 상에 제 2 전극을 형성하는 단계를 포함하는 압력 센서의 제조 방법.
  19. 제 18 항에 있어서,
    상기 압전-발광층을 형성하는 단계는,
    상기 응력 전달 재료 및 상기 발광 입자들을 혼합하는 단계; 및
    상기 응력 전달 재료 및 상기 발광 입자들의 혼합물을 이용한 습식 코팅, 스프레이 코팅 또는 기상 증착을 통해 상기 제 2 전극 상에 상기 압전-발광층을 형성하는 단계를 포함하는 압력 센서의 제조 방법.



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