KR102056000B1 - 플렉서블 센서 및 그 제조 방법 - Google Patents

플렉서블 센서 및 그 제조 방법 Download PDF

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Abstract

플렉서블 센서의 제조 방법이 제공된다. 상기 플렉서블 센서의 제조 방법은, 유연성을 갖는 기판을 준비하는 단계, 상기 기판 상에, 중심 영역, 상기 중심 영역에 대하여 제1 방향으로 연장되되 굴곡부를 갖는 제1 마스크 패턴 및 상기 중심 영역에 대하여 제2 방향으로 연장되되 직선부를 갖는 제2 마스크 패턴을 포함하는 마스크를 배치하는 단계, 및 상기 마스크를 통하여 상기 기판 상에 전도성 물질을 코팅하는 단계를 포함할 수 있다.

Description

플렉서블 센서 및 그 제조 방법 {Flexible sensor and fabricating method of the same}
본 발명은 플렉서블 센서 및 그 제조 방법에 관한 것으로서, 기판 상에 그래핀이 코팅된 플렉서블 센서 및 그 제조 방법에 관련된 것이다.
플렉서블(flexible) 센서는 여러 가지 힘 검지 기능을 수행할 수 있는데, 예를 들어 lateral(수평) strain, vertical(수직) strain, pressure, torsion force, shear force 등이 있다. 이 중 lateral strain과 vertical strain(pressure)을 검지하는 센서는 터치기반의 전자소자, 모션 센서, 헬스 모니터링 소자, 의료용 로봇 등의 분야에 응용하기 위하여 현재 전 세계적으로 그 개발이 활발히 진행되고 있다.
이와 관련하여, 지금까지는 주로 수평과 수직 strain을 측정하는 센서를 각각 제작하였다. 그러나, 인간의 모션과 헬스케어 측정용 소자들의 개발 요구는 이러한 센서들의 기능을 한번에 수행할 수 있는 센서의 제작을 목표로 하는데 그 이유는 실제 인간의 움직임들이 이러한 힘들의 복합적인 발생에 의하여 실현될 수 있기 때문이다. 예를 들어, 구부러짐과 같은 힘은 신축성 센서에 수직과 수평응력을 동시에 발생시킨다. 또한, 관절의 모션운동에 의하여 늘어난 센서는 외부의 터치 입력을 수직응력에 의하여 동작시킬 수 있어야 한다. 이처럼, 외부의 인가된 힘과 내부에서 발생하는 힘을 모두 총체적으로 이해하기 위해서는 수평과 수직 응력을 동시에 측정하는 센서의 개발이 향후 필수적일 것으로 예상된다.
본 발명이 해결하고자 하는 일 기술적 과제는, 수평 방향으로 작용하는 외력 및 수직 방향으로 작용하는 외력을 동시에 감지할 수 있는 플렉서블 센서 및 그 제조 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 다른 기술적 과제는, 수평 방향으로 작용하는 외력을 측정하는 센서 및 수직 방향으로 작용하는 외력을 측정하는 센서가 동시에 형성되는 플렉서블 센서 및 그 제조 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 또 다른 기술적 과제는, 수평 방향으로 작용하는 외력 및 수직 방향으로 작용하는 외력을 측정하는 민감도가 향상된 플렉서블 센서 및 그 제조 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 또 다른 기술적 과제는, 유연성 및 내구성이 향상된 플렉서블 센서 및 그 제조 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는 상술된 것에 제한되지 않는다.
상술된 기술적 과제들을 해결하기 위해 본 발명은 플렉서블 센서의 제조 방법을 제공한다.
일 실시 예에 따르면, 상기 플렉서블 센서의 제조 방법은, 유연성을 갖는 기판을 준비하는 단계, 상기 기판 상에, 중심 영역, 상기 중심 영역에 대하여 제1 방향으로 연장되되 굴곡부를 갖는 제1 마스크 패턴 및 상기 중심 영역에 대하여 제2 방향으로 연장되되 직선부를 갖는 제2 마스크 패턴을 포함하는 마스크를 배치하는 단계, 및 상기 마스크를 통하여 상기 기판 상에 전도성 물질을 코팅하는 단계를 포함하되, 상기 전도성 물질은 상기 제1 방향으로 가해지는 외력에 대하여 저항이 변하고, 상기 전도성 물질의 법선 방향으로 가해지는 외력에 대하여 저항이 변할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 플렉서블 센서의 제조 방법은, 상기 전도성 물질을 코팅하는 단계에 의하여, 상기 전도성 물질은, 상기 마스크의 중심 영역에 대응하는 중심 패드, 상기 마스크의 굴곡부에 대응하는 굴곡 패턴 및 상기 마스크의 직선부에 대응하는 직선 패턴으로 코팅될 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 플렉서블 센서의 제조 방법은, 상기 마스크를 배치하는 단계에서, 상기 제1 마스크 패턴은 상기 굴곡부의 단부에 위치하는 제1 컨택 영역을 포함하고, 상기 제2 마스크 패턴은 상기 직선부의 단부에 위치하는 제2 컨택 영역을 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 플렉서블 센서의 제조 방법은, 상기 전도성 물질을 코팅하는 단계에 의하여, 상기 전도성 물질은 상기 제1 컨택 영역에 대응하는 제1 컨택 패드 및 상기 제2 컨택 영역에 대응하는 제2 컨택 패드로 코팅될 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 플렉서블 센서의 제조 방법은, 상기 중심 패드, 상기 굴곡 패턴, 상기 제1 컨택 패드, 상기 직선 패드, 및 상기 제2 컨택 패드는 상기 전도성 물질을 코팅하는 단계에 의하여 한 번에 코팅될 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 제1 방향으로 가해지는 외력은, 상기 제1 컨택 패드에 상기 제1 방향으로 가해지고, 상기 법선 방향으로 가해지는 외력은, 상기 중심 패드에 법선 방향으로 가해질 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 전도성 물질을 코팅하는 단계는, 0.04 mL/min의 분사량으로 200회 이상 코팅될 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 플렉서블 센서의 제조 방법은, 상기 기판 상에 상기 전도성 물질을 코팅하는 횟수가 증가함에 따라 상기 기판 상에 코팅된 상기 전도성 물질의 균일성이 향상되는 것을 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 전도성 물질을 코팅하는 단계는, 상기 기판을 가열하는 단계, 및 상기 가열된 기판에 상기 전도성 물질을 코팅하는 단계를 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 플렉서블 센서의 제조 방법은, 상기 전도성 물질이 코팅된 상기 기판 상에 유연성 보호막을 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상술된 기술적 과제들을 해결하기 위해 본 발명은 플렉서블 센서를 제공한다.
일 실시 예에 따르면, 상기 플렉서블 센서는 유연성 기판, 상기 유연성 기판 상에 중심 패드, 상기 중심 패드의 일 양 단에 마련되는 굴곡 패턴, 상기 굴곡 패턴의 단부에 마련되는 제1 컨택 패드, 상기 중심 패드의 타 양 단에 마련되는 직선 패턴 및 상기 직선 패턴의 단부에 마련되는 제2 컨택 패드가 단일 레이어로 형성된 센싱층, 및 상기 센싱층을 덮는 유연성 보호막을 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 센싱층은, 상기 센싱층에 대하여 면 방향으로 가해지는 제1 외력과 법선 방향으로 가해지는 제2 외력에 따라 저항 특성이 가변할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 센싱층에 상기 제1 외력이 가해지는 경우, 상기 센싱층은 저항 특성이 증가하는 방향으로 가변하고, 상기 센싱층에 상기 제2 외력이 가해지는 경우, 상기 센싱층은 저항 특성이 감소하는 방향으로 가변할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 제1 외력은 상기 제1 컨택 패드의 면 방향으로 상기 제1 컨택 패드에 가해지는 외력이고, 상기 제2 외력은 상기 중심 패드의 법선 방향으로 상기 중심 패드에 가해지는 외력일 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 플렉서블 센서는 상기 센싱층에 상기 제1 외력이 가해지는 경우, 상기 제1 컨택 패드의 저항 특성은 변하고, 상기 제2 컨택 패드의 저항 특성은 변하지 않을 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 굴곡 패턴의 굴곡부가 펼쳐지기 전의 상기 제1 컨택 패드에서 감지되는 저항 특성 변화는, 상기 굴곡 패턴의 굴곡부가 펼쳐진 후 상기 제1 컨택 패드에서 감지되는 저항 특성 변화 보다 작을 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 센싱층에 상기 제2 외력이 가해지는 경우, 상기 제2 컨택 패드에서의 저항 특성 변화는 상기 제1 컨택 패드에서의 저항 특성 변화보다 클 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 센싱층은 그래핀 플레이크(graphene flake)로 이루어질 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 플렉서블 센서는, 유연성 기판, 상기 기판 상에 중심 패드, 상기 중심 패드의 일 양 단에 마련되는 굴곡 패턴, 상기 굴곡 패턴의 단부에 마련되는 제1 컨택 패드, 상기 중심 패드의 타 양 단에 마련되는 직선 패턴, 및 상기 직선 패턴의 단부에 마련되는 제2 컨택 패드가 단일 레이어로 형성된 센싱층, 및 상기 센싱층을 덮는 유연성 보호막을 포함할 수 있다. 또한, 상기 센싱층은 그래핀 플레이크로 구성되고, 상기 센싱층에 대하여 면 방향으로 가해지는 제1 외력과 법선 방향으로 가해지는 제2 외력에 따라 저항 특성이 가변할 수 있다. 이에 따라, 수평으로 작용하는 외력 및 수직으로 작용하는 외력을 동시에 측정할 수 있는 플렉서블 센서가 제공될 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 플렉서블 센서의 제조 방법을 설명하는 순서도이다.
도 2 는 본 발명의 실시 예에 따른 플렉서블 센서의 제조 방법 중 기판 상에 마스크가 배치되는 단계를 설명하는 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 플렉서블 센서의 제조 방법 중 기판 상에 전도성 물질이 코팅되는 단계를 설명하는 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 플렉서블 센서의 제조 방법 중 기판으로부터 마스크가 제거되는 것을 나타내는 도면이다.
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 플렉서블 센서의 제조 방법 중 기판 상에 보호막을 형성하는 단계를 설명하는 도면이다.
도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 플렉서블 센서를 나타내는 도면이다.
도 7은 본 발명의 실시 예에 따른 플렉서블 센서의 T1-T1' 단면도이다.
도 8은 본 발명의 실시 예에 따른 플렉서블 센서의 T2-T2' 단면도이다.
도 9 및 도 10은 본 발명의 실시 예에 따른 플렉서블 센서를 촬영한 사진이다.
도 11은 본 발명의 실시 예에 따른 플렉서블 센서의 센싱층을 촬영한 사진이다.
도 12는 본 발명의 실시 예에 따른 플렉서블 센서에 수직 외력이 가해지기 전과 후를 비교하는 사진이다.
도 13은 본 발명의 실시 예에 따른 플렉서블 센서에 수평 외력이 가해지기 전과 후를 비교하는 사진이다.
도 14는 본 발명의 실시 예에 따른 플렉서블 센서의 제조 과정 중 센싱층의 코팅 횟수에 따른 균일성을 비교한 사진들이다.
도 15는 본 발명의 실시 예에 따른 플렉서블 센서에 수평 외력이 가해짐에 따른 저항 특성을 나타내는 그래프이다.
도 16은 본 발명의 실시 예에 따른 플렉서블 센서에 수직 외력이 가해짐에 따른 저항 특성을 나타내는 그래프이다.
도 17은 본 발명의 실시 예에 따른 플렉서블 센서가 포함하는 센싱층의 구조를 분석한 그래프이다.
도 18은 본 발명의 실시 예에 따른 플렉서블 센서가 포함하는 코팅층의 코팅 횟수에 따른 저항 특성 변화를 나타내는 그래프이다.
도 19는 본 발명의 실시 예에 따른 플렉서블 센서가 포함하는 코팅층의 코팅 횟수에 따른 투과율을 나타내는 그래프이다.
도 20 및 도 21은 본 발명의 실시 예에 따른 플렉서블 센서에 수평 외력이 가해짐에 따른 특성 변화들을 나타내는 그래프들이다.
도 22는 본 발명의 실시 예에 따른 플렉서블 센서에 수직 외력이 가해짐에 따른 특성 변화들을 나타내는 그래프들이다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 상세히 설명할 것이다. 그러나 본 발명의 기술적 사상은 여기서 설명되는 실시 예에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화 될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시 예는 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다.
본 명세서에서, 어떤 구성요소가 다른 구성요소 상에 있다고 언급되는 경우에 그것은 다른 구성요소 상에 직접 형성될 수 있거나 또는 그들 사이에 제 3의 구성요소가 개재될 수도 있다는 것을 의미한다. 또한, 도면들에 있어서, 형상 및 크기는 기술적 내용의 효과적인 설명을 위해 과장된 것이다.
본 명세서의 다양한 실시 예 들에서 제1, 제2, 제3 등의 용어가 다양한 구성요소들을 기술하기 위해서 사용되었지만, 이들 구성요소들이 이 같은 용어들에 의해서 한정되어서는 안 된다. 이들 용어들은 단지 어느 구성요소를 다른 구성요소와 구별시키기 위해서 사용되었을 뿐이다. 따라서, 어느 한 실시 예에 제 1 구성요소로 언급된 것이 다른 실시 예에서는 제 2 구성요소로 언급될 수도 있다. 여기에 설명되고 예시되는 각 실시 예는 그것의 상보적인 실시 예도 포함한다. 또한, 본 명세서에서 '및/또는'은 전후에 나열한 구성요소들 중 적어도 하나를 포함하는 의미로 사용되었다.
명세서에서 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한 복수의 표현을 포함한다. 또한, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 구성요소 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징이나 숫자, 단계, 구성요소 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 배제하는 것으로 이해되어서는 안 된다. 또한, 본 명세서에서 "연결"은 복수의 구성 요소를 간접적으로 연결하는 것, 및 직접적으로 연결하는 것을 모두 포함하는 의미로 사용된다.
또한, 하기에서 본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략할 것이다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 플렉서블 센서의 제조 방법을 설명하는 순서도이고, 도 2 는 본 발명의 실시 예에 따른 플렉서블 센서의 제조 방법 중 기판 상에 마스크가 배치되는 단계를 설명하는 도면이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 기판(100)이 준비된다(S100). 일 실시 예에 따르면, 상기 기판(100)은 유연성을 가질 수 있다. 예들 들어, 상기 기판(100)은 PDMS(polydimethylsiloxane)로 이루어질 수 있다. 이에 따라, 후술되는 플렉서블 센서는 구부리거나, 늘리거나, 압력을 가하는 경우에도 센서의 특성을 유지할 수 있다.
상기 기판(100) 상에 마스크(200)가 배치될 수 있다(S200). 일 실시 예에 따르면, 상기 마스크(200)는 중심 영역(210), 제1 마스크 패턴(220), 및 제2 마스크 패턴(230)을 포함할 수 있다.
구체적으로, 상기 제1 마스크 패턴(220)은 상기 중심 영역(210)에 대해 제1 방향으로 연장되되 굴곡부(220p)를 가질 수 있다. 예를 들어, 상기 제1 방향은 도 2에 도시된 X방향일 수 있다. 또한, 상기 제1 마스크 패턴(220)은 상기 굴곡부(220p)의 단부에 위치하는 제1 컨택 영역(220c)을 포함할 수 있다. 즉, 상기 제1 마스크 패턴(220)은 상기 굴곡부(220p) 및 상기 제1 컨택 영역(220c)으로 구성되고, 상기 제1 방향으로 연장될 수 있다.
상기 제2 마스크 패턴(230)은 상기 중심 영역(220)에 대해 제2 방향으로 연장되되 직선부(230p)를 가질 수 있다. 예를 들어, 상기 제2 방향은 도 2에 도시된 Y방향일 수 있다. 또한, 상기 제2 마스크 패턴(230)은 상기 직선부(230p)의 단부에 위치하는 제2 컨택 영역(230c)을 포함할 수 있다. 즉, 상기 제2 마스크 패턴(220)은 상기 직선부(230p) 및 상기 제2 컨택 영역(230c)으로 구성되고, 상기 제2 방향으로 연장될 수 있다.
상기 중심 영역(210), 상기 제1 마스크 패턴(220), 및 상기 제2 마스크 패턴(230)은 각각, 상기 마스크(200)의 상부면 및 하부면을 관통하는 빈 공간일 수 있다. 즉, 상기 마스크(200)는 상기 중심 영역(210), 상기 제1 마스크 패턴(220), 및 상기 제2 마스크 패턴(230)의 형태로 홈이 형성되어 있을 수 있다. 이에 따라, 상기 기판(100) 상에 상기 마스크(200)를 배치하는 경우, 상기 중심 영역(210), 상기 제1 마스크 패턴(220), 및 상기 제2 마스크 패턴(230)을 통하여 상기 기판(100)의 일 영역이 외부로 노출될 수 있다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 플렉서블 센서의 제조 방법 중 기판 상에 전도성 물질이 코팅되는 단계를 설명하는 도면이고, 도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 플렉서블 센서의 제조 방법 중 기판으로부터 마스크가 제거되는 것을 나타내는 도면이다.
도 1, 도 3, 및 도 4를 참조하면, 상기 마스크(200)를 통하여 상기 기판(100) 상에 전도성 물질이 코팅될 수 있다(S300). 이에 따라, 상기 전도성 물질은 상기 기판(100) 상에 중심 패드(110), 굴곡 패턴(120), 제1 컨택 패드(130), 직선 패턴(140), 및 제2 컨택 패드(140)로 코팅될 수 있다.
구체적으로, 상기 기판(100) 상에 상기 전도성 물질이 코팅되는 경우, 상기 전도성 물질은 상기 마스크(200)의 상기 중심 영역(210), 상기 제1 마스크 패턴(220), 및 상기 제2 마스크 패턴(230)을 통하여 상기 기판(100)이 외부로 노출되는 영역 상에 코팅될 수 있다. 이에 따라, 상기 전도성 물질은 상기 기판(100) 상에 상기 마스크(200)의 상기 중심 영역(210), 상기 굴곡부(220p), 상기 제1 컨택 영역(220c), 상기 직선부(230p), 및 상기 제2 컨택 영역(230c)과 각각 대응되는 상기 중심 패드(110), 굴곡 패턴(120), 제1 컨택 패드(130), 직선 패턴(140), 및 제2 컨택 패드(150)로 코팅될 수 있다. 즉, 상기 중심 영역(210), 상기 굴곡부(220p), 상기 제1 컨택 영역(220c), 상기 직선부(230p), 및 상기 제2 컨택 영역(230c)과 상기 중심 패드(110), 굴곡 패턴(120), 제1 컨택 패드(130), 직선 패턴(140), 및 제2 컨택 패드(150)는 각각 형상이 같을 수 있다.
또한, 상기 마스크(200)를 통하여 상기 기판(100) 상에 상기 전도성 물질이 코팅 됨에 따라, 상기 중심 패드(110), 상기 굴곡 패턴(120), 상기 제1 컨택 패드(130), 상기 직선 패턴(140), 및 상기 제2 컨택 패드(150)는 한 번에 코팅될 수 있다. 즉, 상기 중심 패드(110), 상기 굴곡 패턴(120), 상기 제1 컨택 패드(130), 상기 직선 패턴(140), 및 상기 제2 컨택 패드(150)는 단일 레이어(single layer)로 형성될 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 전도성 물질은 외력에 의하여 저항이 변하는 물질일 수 있다. 예를 들어, 상기 전도성 물질은 그래핀 플레이크(Graphene flake, GF)일 수 있다. 다른 예를 들어, 상기 전도성 물질은 탄소나노튜브(carbon nanotube, CNT), 산화 그래핀 플레이크(Graphene oxide flake), PVDF, PVDF-TRFE, Nanowire, Nanofiber, PZT, 및 ZnO 등일 수 있다.
이에 따라, 상기 전도성 물질로 구성된 상기 중심 패드(110), 상기 굴곡 패턴(120), 상기 제1 컨택 패드(130), 상기 직선 패턴(140), 및 상기 제2 컨택 패드(150)는 후술되는 플렉서블 센서의 센싱층으로 사용될 수 있다. 즉, 상기 센싱층은 저항의 변화를 측정하여, 외력을 측정할 수 있다. 상기 센싱층에서 저항이 변화를 측정하는 보다 구체적인 메커니즘은 후술된다.
일 실시 예에 따르면, 상기 전도성 물질은 상기 기판(100) 상에 상기 마스크(200)를 통하여 스프레이(spray) 코팅 방법으로 코팅될 수 있다. 예를 들어, 상기 전도성 물질은 상기 기판(100) 상에 0.04 mL/min의 분사량으로 분사되어, 코팅될 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 전도성 물질은 상기 기판(100) 상에 복수회 코팅될 수 있다. 예를 들어, 상기 전도성 물질은 상기 기판(100) 상에 200회 이상 코팅될 수 있다. 또한, 상기 전도성 물질이 그래핀 플레이크(GF)인 경우, 상기 기판(100) 상에 코팅된 상기 전도성 물질을 코팅하는 횟수가 증가함에 따라, 상기 기판(100) 상에 코팅된 상기 전도성 물질의 균일성이 향상될 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 전도성 물질을 코팅하는 단계(S300)는 상기 기판(100)을 가열하는 단계, 및 상기 가열된 기판 상에 상기 전도성 물질을 코팅하는 단계를 포함할 수 있다.
즉, 상기 기판이 먼저 가열된 후, 가열된 기판 상으로 상기 전도성 물질이 제공되어 상기 중심 패드(110), 상기 굴곡 패턴(120), 상기 제1 컨택 패드(130), 상기 직선 패턴(140), 및 상기 제2 컨택 패드(150)가 형성될 수 있다. 이에 따라, 상기 기판(100) 상에 코팅된 상기 전도성 물질의 균일성이 향상될 수 있다.
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 플렉서블 센서의 제조 방법 중 기판 상에 보호막을 형성하는 단계를 설명하는 도면이고, 도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 플렉서블 센서를 나타내는 도면이다.
도 1 및 도 5를 참조하면, 상기 전도성 물질이 코팅된 상기 기판(100) 상에 보호막(300)이 형성될 수 있다(S400). 일 실시 예에 따르면, 상기 보호막(100)은 상기 기판(100)과 같은 물질로 이루어질 수 있다. 예를 들어, 상기 보호막(100)은 PDMS로 이루어질 수 있다. 이에 따라, 상기 보호막(100)은 상기 기판(100)과 같이 유연성을 가질 수 있다. 또한, 유연한 상기 보호막(100)이 상기 전도성 물질이 코팅된 상기 기판(100) 상에 형성됨에 따라, 상기 보호막(100)은 상기 중심 패드(110), 상기 굴곡 패턴(120), 상기 제1 컨택 패드(130), 상기 직선 패턴(140), 및 상기 제2 컨택 패드(150)를 덮을 수 있다.
도 1 및 도 6을 참조하면, 상기 S100 내지 S400 단계가 수행되어 본 발명의 실시 예에 따른 플렉서블 센서가 제조될 수 있다. 이에 따라, 상기 플렉서블 센서는 유연성 상기 기판(100), 상기 기판(100) 상에 상기 중심 패드(110), 상기 중심 패드(110)의 일 양 단에 마련되는 상기 굴곡 패턴(120), 상기 굴곡 패턴(120)의 단부에 마련되는 상기 제1 컨택 패드(130), 상기 중심 패드(110)의 타 양 단에 마련되는 상기 직선 패턴(140), 및 상기 직선 패턴(140)의 단부에 마련되는 상기 제2 컨택 패드(150)로 구성된 센싱층, 및 상기 센싱층을 덮는 유연성 상기 보호막(300)을 포함할 수 있다.
상기 센싱층은, 상기 센싱층에 가해지는 제1 외력(F1) 및 제2 외력(F2)에 따라 저항 특성이 가변 할 수 있다. 일 실시 예에 따르면, 상기 제1 외력(F1)은 상기 센싱층에 대하여 면 방향(예를 들어, 도 6의 X 방향)으로 가해지는 외력일 수 있다. 상기 제2 외력(F2)은 상기 센싱층에 대하여 법선 방향(예를 들어, 도 6의 Z 방향)으로 가해지는 외력일 수 있다.
구체적으로, 상기 제1 외력(F1)은 상기 제1 컨택 패드(130)의 면 방향으로 상기 제1 컨택 패드(130)에 가해질 수 있다. 예를 들어, 상기 제1 외력(F1)은 상기 제1 컨택 패드(130)를, 상기 중심 패드(110)로부터 상기 제1 컨택 패드(130) 방향으로 당기는 힘일 수 있다.
상기 제1 컨택 패드(130)에 상기 제1 외력(F1)이 가해진 경우, 상기 중심 패드(110) 및 상기 제1 컨택 패드(130)에는 저항의 변화가 발생될 수 있다. 상기 제1 외력(F1)에 의하여 상기 중심 패드(110) 및 상기 제1 컨택 패드(130)에서 발생된 저항의 변화는 상기 제1 컨택 패드(130)에서 센싱될 수 있다.
상기 제2 외력(F2)은 상기 중심 패드(110)의 법선 방향으로 상기 중심 패드(110)에 가해질 수 있다. 예를 들어, 상기 제2 외력(F2)은 상기 중심 패드(110)를, 상기 중심 패드(110)의 법선을 따라 소정거리 이격된 곳으로부터 상기 중심 패드(110) 방향으로 누르는(press) 힘일 수 있다.
상기 중심 패드(110)에 상기 제2 외력(F2)이 가해진 경우, 상기 중심 패드(110) 및 상기 제2 컨택 패드(150)에는 저항의 변화가 발생될 수 있다. 상기 제2 외력(F2)에 의하여 상기 중심 패드(110) 및 상기 제2 컨택 패드(150)에서 발생된 저항의 변화는 상기 제2 컨택 패드(150)에서 센싱될 수 있다.
상기 센싱층에 상기 제1 외력(F1)이 가해지는 경우, 상기 센싱층은 저항 특성이 증가하는 방향으로 가변할 수 있다. 반면, 상기 센싱층에 상기 제2 외력(F2)이 가해지는 경우, 상기 센싱층은 저항 특성이 감소하는 방향으로 가변할 수 있다. 이에 따라, 상기 센싱층에 상기 제1 외력(F1) 및 상기 제2 외력(F2)이 동시에 가해지는 경우에도, 상기 센싱층은 상기 제1 외력(F1) 및 상기 제2 외력(F2)을 동시에 감지할 수 있다. 즉, 상기 실시 예에 따른 플렉서블 센서는 수평 방향의 외력 및 수직 방향의 외력을 동시에 감지할 수 있다.
구체적으로, 상기 센싱층에 상기 제1 외력(F1)이 가해지는 경우, 굴곡 패턴(120)이 X축 "?袖막? 펼쳐지기 때문에, 상기 센싱층을 구성하는 상기 전도성 입자들 사이의 거리가 멀어지고, 상기 전도성 입자들 사이에 공극이 다수 형성될 수 있다. 이로 인하여, 상기 전도성 입자들 사이에는 저항이 증가하게 된다.
반면, 상기 센승층에 상기 제2 외력(F2)이 가해지는 경우, 상기 센싱층을 구성하는 전도성 입자들 사이의 거리가 가까워 지고, 상기 전도성 입자들 사이의 공극 또한 감소될 수 있다. 이로 인하여, 상기 전도성 입자들 사이에는 저항이 감소하게 된다.
일 실시 예에 따르면, 상기 센싱층에 상기 제1 외력(F1)이 가해지는 경우, 상기 제1 컨택 패드(130)의 저항 특성은 변하고, 상기 제2 컨택 패드(150)의 저항 특성은 변하지 않을 수 있다. 또한, 상기 센싱층에 상기 제2 외력(F2)이 가해지는 경우, 상기 제2 컨택 패드(150)에서의 저항 특성 변화는 상기 제1 컨택 패드(130)에서의 저항 특성 변화보다 클 수 있다. 이에 따라, 상기 실시 예에 따른 플렉서블 센서는 수평 방향의 외력 및 수직 방향의 외력이 동시에 가해지는 경우에도, 수평 방향의 외력 및 수직 방향의 외력을 용이하게 구분할 수 있다.
또한, 상기 센싱층에 상기 제1 외력(F1)이 가해지는 경우, 상기 굴곡 패턴(120)의 굴곡부가 펼쳐지기 전의 상기 제1 컨택 패드(130)에서 감지되는 저항 특성의 변화는, 상기 굴곡 패턴(120)의 굴곡부가 펼쳐진 후 상기 제1 컨택 패드(130)에서 감지되는 저항 특성 변화보다 작을 수 있다. 즉, 상기 실시 예에 따른 플렉서블 센서는, 수평 방향의 외력이 가해져 상기 굴곡 패턴(120)의 굴곡부가 펼쳐지는 경우, 상기 굴곡부가 펼쳐지기 전보다 펼쳐진 후 외력을 더욱 민감하게 감지할 수 있다.
도 7은 본 발명의 실시 예에 따른 플렉서블 센서의 T1-T1' 단면도이고, 도 8은 본 발명의 실시 예에 따른 플렉서블 센서의 T2-T2' 단면도이다.
도 6 내지 도 8을 참조하면, 상기 센싱층을 구성하는 상기 중심 패드(110), 상기 굴곡 패턴(120), 상기 제1 컨택 패드(130), 상기 직선 패턴(140), 및 상기 제2 컨택 패드(150)가 단일 레이어(single layer)로 형성될 수 있다.
즉, 도 1 내지 도 4를 참조하여 설명된 바와 같이, 상기 마스크(200)를 통하여 상기 기판(100) 상에 상기 전도성 물질이 코팅될 수 있다. 이에 따라, 상기 중심 패드(110), 상기 굴곡 패턴(120), 상기 제1 컨택 패드(13), 상기 직선 패턴(140), 및 상기 제2 컨택 패드(140)는 한 번에 형성되어, 단일 레이어를 형성할 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 플렉서블 센서는, 유연성 상기 기판(100), 상기 기판(100) 상에 상기 중심 패드(110), 상기 중심 패드의 일 양 단에 마련되는 상기 굴곡 패턴(120), 상기 굴곡 패턴의 단부에 마련되는 상기 제1 컨택 패드(130), 상기 중심 패드의 타 양 단에 마련되는 상기 직선 패턴(140), 및 상기 직선 패턴(140)의 단부에 마련되는 상기 제2 컨택 패드(150)가 단일 레이어로 형성된 상기 센싱층, 및 상기 센싱층을 덮는 유연성 상기 보호막(300)을 포함할 수 있다. 또한, 상기 센싱층은 그래핀 플레이크로 구성되고, 상기 센싱층에 대하여 면 방향으로 가해지는 상기 제1 외력(F1)과 법선 방향으로 가해지는 상기 제2 외력(F2)에 따라 저항 특성이 가변할 수 있다. 이에 따라, 수평으로 작용하는 외력 및 수직으로 작용하는 외력을 동시에 측정할 수 있는 플렉서블 센서가 제공될 수 있다.
이상, 본 발명의 실시 예에 따른 플렉서블 센서 및 그 제조 방법이 설명되었다. 이하, 본 발명의 실시 예에 따른 플렉서블 센서의 구체적인 실험 예 및 특성 평가 결과가 설명된다.
실시 예에 따른 플렉서블 센서 제조
PDMS 기판, stencil 마스크, 그래핀 분산액, 및 PDMS 보호막이 준비된다.
상기 stencil 마스크는, 도 2를 참조하여 상술된 바와 같이 중심 영역, 제1 마스크 패턴, 및 제2 마스크 패턴을 갖도록 준비된다.
상기 그래핀 분산액은, 그래핀 나노파우더(nanopowder)와 DMF(dimethylformamide)를 1 mg/ml의 농도로 혼합 후 sonication 에서 3시간, magnetic bar를 이용하여 1시간의 stirring(400 rpm) 처리하여 준비된다.
준비된 PDMS 기판을 150℃의 온도로 열처리된 hot plate 상에 배치하고, PDMS 기판을 덮도록, PDMS 기판 상에 stencil 마스크를 배치한다. 이후, stencil 마스크를 통해 PDMS 기판 상에 그래핀 분산액을 0.04 mL/min의 속도로 분사하여, 센싱층을 코팅하였다. 센싱층 상에 배선을 한 후, PDMS 보호막을 덮어 본 발명의 실시 예에 따른 플렉서블 센서를 제조하였다.
도 9 및 도 10은 본 발명의 실시 예에 따른 플렉서블 센서를 촬영한 사진이다.
도 9를 참조하면, 상기 실시 예에 따른 플렉서블 센서를 일반 사진 촬영하였다. 도 9에서 확인할 수 있듯이, 상기 실시 예에 따른 플렉서블 센서가 포함하는 중심 패드의 일 양 단에는 굴곡 패턴이 배치되고, 중심 패드의 타 양 단에는 직선 패드가 배치되는 것을 확인할 수 있었다.
도 10의 (a) 내지 (c)를 참조하면, 상기 실시 예에 따른 플렉서블 센서를 구부리거나(bend), 말거나(roll), 늘린 경우에 대해 각각 일반 사진 촬영하였다. 도 10에서 확인할 수 있듯이, 상기 실시 예에 따른 플렉서블 센서는 기판 및 보호부가 유연성을 갖는 PDMS로 이루어짐에 따라, 구부리거나, 말거나, 늘린 경우에도 손상되지 않는 것을 확인할 수 있었다.
도 11은 본 발명의 실시 예에 따른 플렉서블 센서의 센싱층을 촬영한 사진이다.
도 11의 (a) 및 (b)를 참조하면, 상기 실시 예에 따른 플렉서블 센서를 준비하되, 상기 센싱층이 1회 코팅된 경우와 200회 코팅된 경우에 대해 각각 SEM(Scanning Electron Microscope) 촬영하였다.
도 11의 (a)에서 확인할 수 있듯이, 상기 실시 예에 따른 플렉서블 센서가 포함하는 센싱층은, 다수의 공극이 형성되어 있는 것을 확인할 수 있었다. 또한, 도 11의 (b)에서 확인할 수 있듯이, 상기 센싱층이 200회 코팅되어 상기 실시 예에 따른 플렉서블 센서가 제조된 경우, 상기 센싱층의 두께가 약 120 μm로 나타나는 것을 확인할 수 있엇다.
도 12는 본 발명의 실시 예에 따른 플렉서블 센서에 수직 외력이 가해지기 전과 후를 비교하는 사진이다.
도 12의 (a) 및 (b)를 참조하면, 상기 실시 예에 따른 플렉서블 센서에 대해 법선 방향에서 압력이 가해지기 전과 압력이 가해진 후의 센싱층을 SEM 촬영하여 비교하였다.
도 12의 (a) 및 (b)에서 확인할 수 있듯이, 상기 실시 예에 따른 플렉서블 센서에 대해 법선 방향에서 압력이 가해지기 전의 센싱층에는 그래핀 플레이크 사이의 공극이 다수 형성되어 있는 것을 확인할 수 있었다. 반면, 상기 실시 예에 따른 플렉서블 센서에 대해 법선 방향에서 압력이 가해진 후의 센싱층에는 그래핀 플레이크 사이의 공극의 수가 큰 폭으로 감소한 것을 확인할 수 있었다. 이에 따라, 상기 실시 예에 따른 플렉서블 센서에 대해 법선 방향에서 압력이 가해지는 경우, 센싱층을 구성하는 그래핀 플레이크 사이의 공극이 감소하여, 저항이 감소할 것으로 예상할 수 있다.
도 13은 본 발명의 실시 예에 따른 플렉서블 센서에 수평 외력이 가해지기 전과 후를 비교하는 사진이다.
도 13의 (a) 및 (b)를 참조하면, 상기 실시 예에 따른 플렉서블 센서가 면 방향으로 늘어나기 전과 늘어난 후의 센싱층을 SEM 촬영하여 비교하였다.
도 13의 (a) 및 (b)에서 확인할 수 있듯이, 상기 실시 예에 따른 플렉서블 센서가 면 방향으로 늘어나기 전의 센싱층에는 그래핀 플레이크 사이의 거리가 좁고, 공극의 수가 적은 것을 확인할 수 있었다. 반면, 상기 실시 예에 따른 플렉서브 센서가 면 방향으로 늘어난 후의 센싱층에는 그래핀 플레이크 사이의 거리가 멀고, 공극의 수가 많은 것을 확인할 수 있었다. 이에 따라, 상기 실시 예에 따른 플렉서블 센서가 면 방향으로 늘어나는 경우, 센싱층을 구성하는 그래핀 플레이크 사이의 공극이 증가하여, 저항이 증가할 것으로 예상할 수 있다.
즉, 도 12 및 도 13을 통해 알 수 있듯이 상기 플렉서블 센서에 대해 법선 방향에서 압력이 가해지는 경우에는 상기 센싱층은 저항 특성이 증가하는 방향으로 가변하고, 상기 플렉서블 센서가 면 방향으로 늘어나는 경우에는 상기 센싱층은 저항 특성이 감소하는 방향으로 가변할 것으로 예상할 수 있다.
도 14는 본 발명의 실시 예에 따른 플렉서블 센서의 제조 과정 중 센싱층의 코팅 횟수에 따른 균일성을 비교한 사진들이다.
도 14의 (a) 내지 (h)를 참조하면, 상기 실시 예에 따른 플렉서블 센서를 준비하되, 센싱층의 코팅 횟수가 10회, 20회, 30회, 40회, 50회, 60회, 100회, 및 200회인 경우에 대해 optical image 촬영하였다.
도 14의 (a) 내지 (h)에서 확인할 수 있듯이, 상기 실시 예에 따른 플렉서블 센서는, 센싱층의 코팅 횟수가 증가함에 따라 PDMS 기판 상에 코팅된 그래핀 플레이크의 균일성이 향상되는 것을 확인할 수 있었다.
도 15는 본 발명의 실시 예에 따른 플렉서블 센서에 수평 외력이 가해짐에 따른 저항 특성을 나타내는 그래프이다.
도 15를 참조하면, 상기 실시 예에 따른 플렉서블 센서가 면 방향으로 늘어나는 길이(%)에 따른 센싱층의 저항 변화(△R/R0)를 측정하여 나타내었다. 즉 제1 컨택 패드(130)에 X 축 방향으로 인장력이 가해지는 경우에 있어서, 센싱층의 저항 변화(△R/R0)를 측정한 것이다.
도 15에서 확인할 수 있듯이, 상기 실시 예에 따른 플렉서블 센서가 면 방향으로 늘어나는 경우, 늘어나는 정도가 커질수록 센싱층의 저항 변화도 커지는 것을 확인할 수 있었다. 또한, 상기 플렉서블 센서가 포함하는 굴곡 패턴의 굴곡부가 펴지게 되는 lateral strain 100% 까지는 GF((△R/R0)/ε)가 8.56으로 측정되고, 굴곡부가 펼쳐진 이후인 lateral strain 100 ~ 160% 까지는 GF가 19.8로 측정되는 것을 확인할 수 있었다(ε=applied strain). 즉, 상기 플렉서블 센서가 펼쳐지기 전 감지되는 저항 특성 변화보다 상기 플렉서블 센서가 펼쳐진 후 감지되는 저항 특성 변화가 큰 것을 알 수 있다. 또한 플렉서블 센서가 펼쳐지는 동안 그리고 펼쳐진 후 저항은 증가하는 방향으로 변하는 것을 확인할 수 있다.
도 16은 본 발명의 실시 예에 따른 플렉서블 센서에 수직 외력이 가해짐에 따른 저항 특성을 나타내는 그래프이다.
도 16을 참조하면, 상기 실시 예에 다른 플렉서블 센서에 대해 법선 방향으로 압력이 가해지는 경우, 가해지는 압력(kPa)의 크기에 따른 센싱층의 저항 변화(△R/R0)를 측정하여 나타내었다. 즉, 중심 패드(110) 상에 법선 방향으로 압력이 가해지는 경우, 센싱층의 저항 변화(△R/R0)를 측정한 것이다.
도 16에서 확인할 수 있듯이, 상기 실시 예에 따른 플렉서블 센서에 대해 법선 방향으로 압력이 가해지는 경우, 제1 컨택 패드(130) 및 제2 컨택 패드(150)에서 저항이 감소하는 것이 확인되었다. 구체적으로 상기 센싱층의 제1 컨택 패드에서는 S((△R/R0)/△P)가 -0.01/kPa로 측정되고, 상기 센싱층의 제2 컨택 패드에서는 S가 -0.026/kPa로 측정되는 것을 확인할 수 있었다. 즉, 법선 방향의 압력에 대해서는 제2 컨택 패드(150)에서의 감도가 제1 컨택 패드(130)에서의 감도보다 우수한 것을 확인할 수 있었다
또한, 도 15 및 도 16을 통해 알 수 있듯이, 상기 플렉서블 센서에 대해 법선 방향에서 압력이 가해지는 경우에는 상기 센싱층의 저항이 감소하는 방향으로 가변하고, 상기 플렉서블 센서가 면 방향으로 늘어나는 경우에는 상기 센싱층의 저항이 증가하는 방향으로 가변할 것을 확인할 수 있었다.
도 17은 본 발명의 실시 예에 따른 플렉서블 센서가 포함하는 센싱층의 구조를 분석한 그래프이다.
도 17을 참조하면, 센싱층이 200회 코팅된 상기 실시 예에 따른 플렉서블 센서가 포함하는 센싱층의 구조를 분석하기 위해 Raman shift(cm-1)에 따른 Raman Intensity(a.u.)를 나타내었다.
도 17에서 확인할 수 있듯이, 상기 실시 예에 따른 플렉서블 센서가 포함하는 센싱층은, D band, G band, 및 2D band가 나타나는 것을 확인할 수 있었다. 즉, D band 및 G band를 통하여 상기 실시 예에 따른 플렉서블 센서의 센싱층이 복수의 단일층으로 형성된 구조인 것을 확인할 수 있었다. 또한, 2D band를 통하여 센싱층 내에 복수의 공극이 형성된 구조인 것을 확인할 수 있었다.
도 18은 본 발명의 실시 예에 따른 플렉서블 센서가 포함하는 코팅층의 코팅 횟수에 따른 저항 특성 변화를 나타내는 그래프이다.
도 18을 참조하면, 상기 실시 예에 따른 플렉서블 센서를 준비하되, 센싱층의 코팅 횟수가 1회 내지 200회로 수행되어 제조된 플렉서블 센서 각각의 저항(sheet R, kΩ/sq)을 측정하여 나타내었다.
도 18에서 확인할 수 있듯이, 상기 실시 예에 따른 플렉서블 센서를 제조하는 과정에서, 센싱층의 코팅 횟수가 증가할수록 저항이 감소하는 것을 확인할 수 있었다. 이는, 그래핀 플레이크 입자가 중복되는 횟수가 많아질수록, 센싱층 내의 전도 경로가 부가적으로 생성되기 때문인 것으로 예측된다.
도 19는 본 발명의 실시 예에 따른 플렉서블 센서가 포함하는 코팅층의 코팅 횟수에 따른 투과율을 나타내는 그래프이다.
도 19를 참조하면, 상기 실시 예에 따른 플렉서블 센서를 준비하되, 센싱층의 코팅 횟수가 1회 내지 200회로 수행되어 제조된 플렉서블 센서 각각의 투과율(transmittance, %)을 측정하여 나타내었다.
도 19에서 확인할 수 있듯이, 상기 실시 예에 따른 플렉서블 센서를 제조하는 과정에서, 센싱층의 코팅 횟수가 증가할수록 투과율이 감소하는 것을 확인할 수 있었다. 이는, 기판 상에 그래핀 플레이크를 코팅하는 횟수가 증가함에 따라 기판 상에 코팅된 그래핀 플레이크의 균일성이 향상되기 때문인 것으로 예측된다.
도 20 및 도 21은 본 발명의 실시 예에 따른 플렉서블 센서에 수평 외력이 가해짐에 따른 특성 변화들을 나타내는 그래프들이다.
도 20을 참조하면, 상기 실시 예에 따른 플렉서블 센서를 면 방향으로 2.5 %까지 늘리되, 5초의 간격으로 늘이고 줄이는 과정을 반복하는 경우에 대해 저항 변화(△R/R0,%)를 측정하여 나타내었다.
도 20에서 확인할 수 있듯이, 상기 실시 예에 따른 플렉서블 센서가 면 방향으로 늘어나는 경우 저항 변화가 증가하지만, 늘어나는 힘이 제거되어 줄어드는 경우 저항 변화가 감소하는 것을 확인할 수 있었다. 또한, 늘이고 줄이는 과정을 반복하는 경우, 저항 변화가 증가 하고 감소하는 것이 반복되는 것을 확인할 수 있었다.
도 21의 (a)를 참조하면, 상기 실시 예에 따른 플렉서블 센서의 굴곡부가 펼쳐지기까지(strain 100%) 늘였다가 줄이는 과정을 1회 내지 5000회 반복하고, 반복 횟수에 따른 저항(resistance, kΩ)을 측정하여 나타내었다.
도 21의 (a)에서 확인할 수 있듯이, 상기 실시 예에 따른 플렉서블 센서는 늘였다가 줄이는 과정을 1회 내지 5000회 반복하는 동안 저항의 변화(Rvariation max)가 2.5 % 이하로 나타나는 것을 확인할 수 있었다. 즉, 상기 실시 예에 다른 플렉서블 센서는 우수한 내구성을 갖는 것을 알 수 있다.
도 21의 (b)를 참조하면, 상기 실시 예에 따른 플렉서블 센서를 면 방향으로 0.1 %까지 늘리되, 5초의 간격으로 늘이고 줄이는 과정을 반복하는 경우에 대해 저항 변화(△R/R0, %)를 측정하여 나타내었다.
도 21의 (b)에서 확인할 수 있듯이, 상기 실시 예에 따른 플렉서블 센서가 면 방향으로 늘어나는 경우 저항 변화가 증가하지만, 늘어나는 힘이 제거되어 줄어드는 경우 저항 변화가 감소하는 것을 확인할 수 있었다. 즉, 상기 실시 예에 따른 플렉서블 센서는, 0.1 % 정도로 늘어나는 작은 수평 외력에도 저항의 변화를 감지할 수 있다는 것을 알 수 있다.
도 21의 (c)를 참조하면, 상기 실시 예에 따른 플렉서블 센서를 면 방향으로 1.25%까지 늘린 후 저항을 측정하고, 변화된 저항이 다시 회복되는 시간을 측정하여 나타내었다.
도 21의 (c)에서 확인할 수 있듯이, 상기 실시 예에 따른 플렉서블 센서를 1.25%까지 늘린 경우, 저항이 원래 대로 회복되는데 걸리는 시간은 약 50초인 것을 확인할 수 있었다. 또한, 삽입된 그래프에서 알 수 있듯이, 약 1초이내의 시간 동안 약 74%의 저항이 회복되는 것을 확인할 수 있었다.
도 22는 본 발명의 실시 예에 따른 플렉서블 센서에 수직 외력이 가해짐에 따른 특성 변화들을 나타내는 그래프들이다.
도 22의 (a)를 참조하면, 상기 실시 예에 따른 플렉서블 센서에 대해 법선 방향으로 2 kPa의 압력을 약 0.3초의 시간 동안 가했다가 제거하는 과정을 반복하는 경우에 대해 저항 변화(△R/R0)를 측정하였다.
도 22의 (a)에서 확인할 수 있듯이, 상기 실시 예에 따른 플렉서블 센서에 대해 법선 방향으로 압력이 가해지는 경우 저항 변화가 감소하지만, 압력이 제거되는 경우 저항 변화가 증가하는 것을 확인할 수 있었다. 또한, 압력이 가해지고 제거되는 과정을 반복하는 경우, 저항 변화가 감소하고 증가하는 과정이 반복되는 것을 확인할 수 있었다.
도 22의 (b)를 참조하면, 상기 실시 예에 따른 플렉서블 센서에 대해 법선 방향으로 압력을 가했다가 제거하는 과정을 1회 내지 100회 반복하는 경우에 대해 저항 변화(△R/R0)를 측정하였다.
도 22의 (b)에서 확인할 수 있듯이, 상기 실시 예에 따른 플렉서블 센서에 대해 법선 방향으로 압력이 가해지고 제거되는 과정이 1회 내지 100회 반복되는 동안, 저항 변화는 실질적으로 일정하게 유지되는 것을 확인할 수 있었다.
도 22의 (c)를 참조하면, 상기 실시 예에 따른 플렉서블 센서에 대해 법선 방향으로 5 Pa의 압력을 가했다가 제거하는 과정을 반복하는 경우에 대해 저항 변화(△R/R0)를 측정하였다.
도 22의 (c)에서 확인할 수 있듯이, 상기 실시 예에 따른 플렉서블 센서는, 5 Pa의 작은 압력에도 저항이 감소하는 것을 확인할 수 있었다. 즉, 상기 실시 예에 따른 플렉서블 센서는 작은 힘의 수직 외력에도 민감하게 센싱 가능하다는 것을 알 수 있다.
이상, 본 발명을 바람직한 실시 예를 사용하여 상세히 설명하였으나, 본 발명의 범위는 특정 실시 예에 한정되는 것은 아니며, 첨부된 특허청구범위에 의하여 해석되어야 할 것이다. 또한, 이 기술분야에서 통상의 지식을 습득한 자라면, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않으면서도 많은 수정과 변형이 가능함을 이해하여야 할 것이다.
100: 기판
110: 중심 패드
120: 굴곡 패턴
130: 제1 컨택 패드
140: 직선 패턴
150: 제2 컨택 패드
200: 마스크
210: 중심 영역
220: 제1 마스크 패턴
220p: 굴곡부
220c: 제1 컨택 영역
230: 제2 마스크 패턴
230p: 직선부
230c: 제2 컨택 영역
300: 보호막

Claims (18)

  1. 유연성을 갖는 기판을 준비하는 단계;
    상기 기판 상에, 중심 영역, 상기 중심 영역에 대하여 제1 방향으로 연장되되 굴곡부를 갖는 제1 마스크 패턴 및 상기 중심 영역에 대하여 제2 방향으로 연장되되 직선부를 갖는 제2 마스크 패턴을 포함하는 마스크를 배치하는 단계; 및
    상기 마스크를 통하여 상기 기판 상에 전도성 물질을 코팅하는 단계를 포함하되,
    상기 전도성 물질을 코팅하는 단계는, 상기 기판을 가열하는 단계, 및 상기 가열된 기판에 상기 전도성 물질을 코팅하는 단계를 포함하고,
    상기 전도성 물질은 상기 제1 방향으로 가해지는 외력에 대하여 저항이 변하고, 상기 전도성 물질의 법선 방향으로 가해지는 외력에 대하여 저항이 변하는 플렉서블 센서의 제조 방법.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 전도성 물질을 코팅하는 단계에 의하여,
    상기 전도성 물질은, 상기 마스크의 중심 영역에 대응하는 중심 패드, 상기 마스크의 굴곡부에 대응하는 굴곡 패턴 및 상기 마스크의 직선부에 대응하는 직선 패턴으로 코팅되는 플렉서블 센서의 제조 방법.
  3. 제2 항에 있어서,
    상기 마스크를 배치하는 단계에서,
    상기 제1 마스크 패턴은 상기 굴곡부의 단부에 위치하는 제1 컨택 영역을 포함하고, 상기 제2 마스크 패턴은 상기 직선부의 단부에 위치하는 제2 컨택 영역을 포함하는 플렉서블 센서의 제조 방법.
  4. 제3 항에 있어서,
    상기 전도성 물질을 코팅하는 단계에 의하여,
    상기 전도성 물질은 상기 제1 컨택 영역에 대응하는 제1 컨택 패드 및 상기 제2 컨택 영역에 대응하는 제2 컨택 패드로 코팅되는 플렉서블 센서의 제조 방법.
  5. 제4 항에 있어서,
    상기 중심 패드, 상기 굴곡 패턴, 상기 제1 컨택 패드, 상기 직선 패턴, 및 상기 제2 컨택 패드는 상기 전도성 물질을 코팅하는 단계에 의하여 한 번에 코팅되는 플렉서블 센서의 제조 방법.
  6. 제5 항에 있어서,
    상기 제1 방향으로 가해지는 외력은, 상기 제1 컨택 패드에 상기 제1 방향으로 가해지고, 상기 법선 방향으로 가해지는 외력은, 상기 중심 패드에 법선 방향으로 가해지는 플렉서블 센서의 제조 방법.
  7. 제1 항에 있어서,
    상기 전도성 물질을 코팅하는 단계는,
    0.04 mL/min의 분사량으로 200회 이상 코팅되는 플렉서블 센서의 제조 방법.
  8. 제7 항에 있어서,
    상기 기판 상에 상기 전도성 물질을 코팅하는 횟수가 증가함에 따라 상기 기판 상에 코팅된 상기 전도성 물질의 균일성이 향상되는 것을 포함하는 플렉서블 센서의 제조 방법.
  9. 삭제
  10. 제1 항에 있어서,
    상기 전도성 물질이 코팅된 상기 기판 상에 유연성 보호막을 형성하는 단계를 더 포함하는 플렉서블 센서의 제조 방법.
  11. 유연성 기판;
    상기 유연성 기판 상에 중심 패드, 상기 중심 패드의 일 양 단에 마련되는 굴곡 패턴, 상기 굴곡 패턴의 단부에 마련되는 제1 컨택 패드, 상기 중심 패드의 타 양 단에 마련되는 직선 패턴 및 상기 직선 패턴의 단부에 마련되는 제2 컨택 패드가 단일 레이어로 형성된 센싱층; 및
    상기 센싱층을 덮는 유연성 보호막을 포함하되,
    상기 센싱층은, 상기 센싱층에 대하여 법선 방향으로 가해지는 제2 외력에 따라, 상기 제2 컨택 패드에서의 저항 특성 변화가 상기 제1 컨택 패드에서의 저항 특성 변화보다 큰 플렉서블 센서.
  12. 제11 항에 있어서,
    상기 센싱층은, 상기 센싱층에 대하여 면 방향으로 가해지는 제1 외력과 법선 방향으로 가해지는 제2 외력에 따라 저항 특성이 가변하는, 플렉서블 센서.
  13. 제12 항에 있어서,
    상기 센싱층에 상기 제1 외력이 가해지는 경우, 상기 센싱층은 저항 특성이 증가하는 방향으로 가변하고,
    상기 센싱층에 상기 제2 외력이 가해지는 경우, 상기 센싱층은 저항 특성이 감소하는 방향으로 가변하는, 플렉서블 센서.
  14. 제12 항에 있어서,
    상기 제1 외력은 상기 제1 컨택 패드의 면 방향으로 상기 제1 컨택 패드에 가해지는 외력이고, 상기 제2 외력은 상기 중심 패드의 법선 방향으로 상기 중심 패드에 가해지는 외력인, 플렉서블 센서.
  15. 제12 항에 있어서,
    상기 센싱층에 상기 제1 외력이 가해지는 경우, 상기 제1 컨택 패드의 저항 특성은 변화는, 상기 제2 컨택 패드에서의 저항 특성 변화보다 큰 것을 포함하는 플렉서블 센서.
  16. 제12 항에 있어서,
    상기 굴곡 패턴의 굴곡부가 펼쳐지기 전의 상기 제1 컨택 패드에서 감지되는 저항 특성 변화는, 상기 굴곡 패턴의 굴곡부가 펼쳐진 후 상기 제1 컨택 패드에서 감지되는 저항 특성 변화 보다 작은 것을 포함하는 플렉서블 센서.
  17. 삭제
  18. 제11 항에 있어서,
    상기 센싱층은, 그래핀 플레이크(graphene flake)로 이루어진 플렉서블 센서.
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