KR102063636B1 - 다기능 센서 어레이 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 다기능 센서 어레이에 관한 것으로서, 본 발명의 실시예에 따른 다기능 센서 어레이는, 제1 기판; 상기 제1 기판 상에 형성되는 제1 전극층; 상기 제1 전극층 상에 형성되는 센싱층; 및 상기 센싱층 상에 형성되는 제2 전극층;을 포함하고, 상기 센싱층은 탄성체 및 상기 탄성체의 표면에 형성된 열전 물질을 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

다기능 센서 어레이{Multi-functional sensor array}
본 발명은 외부 변형에 안정적으로 구동하는 다기능 센서 어레이에 관한 것으로, 보다 상세하게는 구부림 또는 늘임과 같은 다양한 변형에서도 압력, 온도 감지를 동시에 측정할 수 있는 제조 방법에 관한 것이다.
최근 전자 피부(인공피부)를 구현하기 위해 여러 감각을 동시에 감지할 수 있는 시스템 연구가 활발하게 진행되고 있다. 이러한 시스템이 구현되기 위해서는 고감도의 센서 소자의 제작뿐만 아니라 각 센서들의 신호가 간섭이 일어나지 않는 단일 신호 생성이 필수적으로 요구된다.
각 신호의 간섭이 일어나지 않기 위해서 기존 연구에서는 센서들을 다른 층에 집적 시키거나, 연결선을 따로 연결하여 제작 공정이 부족하고, 대면적으로 제작하기가 어려운 한계점이 존재하였다.
또한 피부 부착을 위한 스트레처블 연결선에 대해 많은 연구가 되었으며, 기존 연구에서는 전도성 있는 필름을 미리 스트레인을 가하거나, 연결선을 팝업(pop-up)시키거나, 구불구불한(serpentine) 구조로 만들어 스트레칭이 가능하게 만들었다.
하지만 이러한 연결선은 추가 공정이 필요하여 복잡한 제작공정을 가지고 있을 뿐 아니라, 스트레칭 정도에 한계점을 가지고 있어 문제가 된다.
또한, 기존의 기술들은 온도와 압력이 각각 측정되어, 온도 및 압력이 동시에 측정될 수 없는 한계점을 가지고 있어 문제가 된다.
한국 특허공개 10-2015-0115019호
본 발명은 상기의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 다기능 센서 어레이에 있어서, 다기능 센서를 유연 기판에 집적함으로써, 구부릴 수 있으며 외부 변형에도 안정적으로 구동하는 다기능 센서 어레이 장치를 제공하는 데에 그 목적이 있다.
또한, 본 발명은 다기능 센서 어레이에 있어서, 다양한 변형에서도 온도와 압력 측정 시, 간섭현상이 일어나지 않고 온도 및 압력 감지를 동시에 측정할 수 있는 다기능 센서 어레이 장치를 제공하는 데에 그 목적이 있다.
본 발명의 실시예에 따른 다기능 센서 어레이는, 제1 기판; 상기 제1 기판 상에 형성되는 제1 전극층; 상기 제1 전극층 상에 형성되는 센싱층; 및 상기 센싱층 상에 형성되는 제2 전극층;을 포함하고, 상기 센싱층은 탄성체 및 상기 탄성체의 표면에 형성된 열전 물질을 포함할 수 있다.
상기 제2 전극층 상에 형성되는 제2 기판을 더 포함할 수 있다.
상기 제1 기판 및 상기 제2 전극층 사이에 형성되는 액체 금속을 더 포함할 수 있다.
상기 액체 금속은 주석, 비스무트, 납 및 갈륨으로 구성되는 그룹으로부터 선택되는 것을 하나 이상 포함할 수 있다.
상기 탄성체는 폴리우레탄, 실리콘 또는 라텍스로 구성되는 그룹으로부터 선택되는 것을 하나 이상 포함할 수 있다.
상기 열전 물질은, 비스무트(Bi), 안티모니(Sb), 테룰라이드(Te), 폴리아닐린, 에틸렌디옥시오판 폴리스티렌 설포네이트(PEDOT:PSS) 및 다중벽 탄소나노튜브-폴리아닐린(MWCNT-PANI) 복합체로부터 선택되는 것을 하나 이상 포함할 수 있다.
상기 열전 물질은, 비스무트 테룰라이드(Bi2Te3), 안티모니 테룰라이드(Sb2Te3), 폴리아닐린, 에틸렌디옥시오판 폴리스티렌 설포네이트(PEDOT:PSS) 및 다중벽 탄소나노튜브-폴리아닐린(MWCNT-PANI) 복합체로부터 선택되는 것을 하나 이상 포함할 수 있다.
상기 제1 전극층 및 상기 제2 전극층은, 각각 리튬(Li), 베릴륨(Be), 나트륨(Na), 마그네슘(Mg), 칼륨(K), 칼슘(Ca), 루비듐(Rb), 스트론듐(Sr), 세슘(Cs), 바륨(Ba), 프랑슘(Fr), 라듐(Ra), 알루미늄(Al), 아연(Zn), 갈륨(Ga), 저마늄(Ge), 카드뮴(Cd), 인듐(In), 주석(Sn), 안티모니(Sb), 수은(Hg), 탈륨(Ti), 납(Pb), 비스무트(Bi), 플로늄(Po), 스칸듐(Sc), 티타늄(Ti), 바나듐(V), 크롬(Cr), 망간(Mn), 철(Fe), 코발트(Co), 니켈(Ni), 구리(Cu), 이트륨(Y), 지르코늄(Zr), 나이오븀(Nb), 몰리브데늄(Mo), 테크네륨(Tc), 루테늄(Ru), 로듐(Rh), 팔라듐(Pd), 은(Ag), 란타늄(La), 하프늄(Hf), 탄탈륨(Ta), 텅스텐(W), 레늄(Re), 오스뮴(Os), 이리듐(Ir), 백금(Pt), 금(Au), 악티늄(Ac), 러더포듐(Rf), 더브늄(Db), 시보규움(Sg) 보륨(Bh), 하슘(Hs), 마이트너륨(Mt), 다름슈타튬(Ds), 뢴트게늄(Rg), 코메르니슘(Cn), 우눈트륨(Uut), 플레로븀(Fl), 리버모륨(Lv), 우눈셉튬(Uus) 및 우누눅튬(Uuo)으로 구성되는 그룹으로부터 선택되는 것을 하나 이상 포함할 수 있다.
상기 제1 전극층 또는 상기 제2 전극층은, 금(Au), 은(Ag), 구리(Cu), 크롬(Cr), 철(Fe), 티타늄(Ti)으로 구성되는 그룹으로부터 선택되는 것을 하나 이상 포함할 수 있다.
상기 제1 전극층 및 상기 제2 전극층은, 서로 다른 물질로 구성될 수 있다.
상기 제1 전극층 및 상기 제2 전극층은, 서로 같은 물질로 구성될 수 있다.
상기 제1 기판은, 규소 및 산소로 구성되는 그룹으로부터 선택되는 것을 하나 이상 포함할 수 있다.
상기 제2 기판은, 규소 및 산소로 구성되는 그룹으로부터 선택되는 것을 하나 이상 포함할 수 있다.
본 발명에 따르면 다기능 센서 어레이에 있어서, 다기능 센서를 유연 기판에 집적함으로써, 구부릴 수 있으며 외부 변형에도 안정적으로 구동하는 다기능 센서 어레이 장치를 제공할 수 있다.
본 발명에 따르면 다기능 센서 어레이에 있어서, 다양한 변형에서도 온도와 압력 측정 시, 간섭현상이 일어나지 않고 온도 및 압력 감지를 동시에 측정할 수 있는 다기능 센서 어레이 장치를 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명의 다기능 센서 어레이를 도시한 분해 사시도이다.
도 2는 본 발명의 다기능 센서 어레이에 액체 금속을 연결한 센서 어레이를 도시한 단면도이다.
도 3은 본 발명의 다기능 센서 어레이의 개략적인 평면도이다.
도 4 내지 도 7은 본 발명의 다기능 센서 어레이를 이용하여 온도 및 압력을 측정하는 원리를 설명하기 위한 설명도이다.
본 발명에서 사용되는 기술적 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아님을 유의해야 한다. 또한, 본 발명에서 사용되는 기술적 용어는 본 발명에서 특별히 다른 의미로 정의되지 않는 한, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 의미로 해석되어야 하며, 과도하게 포괄적인 의미로 해석되거나, 과도하게 축소된 의미로 해석되지 않아야 한다. 또한, 본 발명에서 사용되는 기술적인 용어가 본 발명의 사상을 정확하게 표현하지 못하는 잘못된 기술적 용어일 때에는, 당업자가 올바르게 이해할 수 있는 기술적 용어로 대체되어 이해되어야 할 것이다. 또한, 본 발명에서 사용되는 일반적인 용어는 사전에 정의되어 있는 바에 따라, 또는 전후 문맥상에 따라 해석되어야 하며, 과도하게 축소된 의미로 해석되지 않아야 한다.
또한, 본 발명에서 사용되는 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한 복수의 표현을 포함한다. 본 발명에서, "구성된다" 또는 "포함한다" 등의 용어는 발명에 기재된 여러 구성 요소들, 또는 여러 단계를 반드시 모두 포함하는 것으로 해석되지 않아야 하며, 그 중 일부 구성 요소들 또는 일부 단계들은 포함되지 않을 수도 있고, 또는 추가적인 구성 요소 또는 단계들을 더 포함할 수 있는 것으로 해석되어야 한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시 예를 상세히 설명하되, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 유사한 구성 요소는 동일한 참조 번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
또한, 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 첨부된 도면은 본 발명의 사상을 쉽게 이해할 수 있도록 하기 위한 것일 뿐, 첨부된 도면에 의해 본 발명의 사상이 제한되는 것으로 해석되어서는 아니 됨을 유의해야 한다.
도 1은 본 발명의 다기능 센서 어레이(1000)를 도시한 분해 사시도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 다기능 센서 어레이는 제1 기판(100), 제1 기판(100) 상에 형성되는 제1 전극층(200), 제1 전극층(200) 상에 형성되는 센싱층(300), 센싱층(300) 상에 형성되는 제2 전극층(400) 및 제2 전극층(400) 상에 형성되는 제2 기판(500)으로 구성될 수 있다.
제1 기판(100)은 규소 및 산소로 구성되는 그룹으로부터 선택되는 것을 하나 이상 포함하는 실리콘 기반의 폴리머가 될 수 있으며, 예를 들어, PDMS, Ecoflex, silbione®, dragonflex 등이 될 수 있다. 본 발명의 일 실시예로서, 제1 기판(100)은 끈적한 성질을 가진 Silbione®과 형태 유지가 용이한 PDMS를 9:1의 비율로 혼합한 물질로 구성될 수 있다.
상기 제1 기판(100)상에 형성되는 제1 전극층(200)은 전도성이 있는 물질로 구성될 수 있으며, 금속 물질을 포함할 수 있다. 제1 전극층(200)의 물질로는 리튬(Li), 베릴륨(Be), 나트륨(Na), 마그네슘(Mg), 칼륨(K), 칼슘(Ca), 루비듐(Rb), 스트론듐(Sr), 세슘(Cs), 바륨(Ba), 프랑슘(Fr), 라듐(Ra), 알루미늄(Al), 아연(Zn), 갈륨(Ga), 저마늄(Ge), 카드뮴(Cd), 인듐(In), 주석(Sn), 안티모니(Sb), 수은(Hg), 탈륨(Ti), 납(Pb), 비스무트(Bi), 플로늄(Po), 스칸듐(Sc), 티타늄(Ti), 바나듐(V), 크롬(Cr), 망간(Mn), 철(Fe), 코발트(Co), 니켈(Ni), 구리(Cu), 이트륨(Y), 지르코늄(Zr), 나이오븀(Nb), 몰리브데늄(Mo), 테크네륨(Tc), 루테늄(Ru), 로듐(Rh), 팔라듐(Pd), 은(Ag), 란타늄(La), 하프늄(Hf), 탄탈륨(Ta), 텅스텐(W), 레늄(Re), 오스뮴(Os), 이리듐(Ir), 백금(Pt), 금(Au), 악티늄(Ac), 러더포듐(Rf), 더브늄(Db), 시보규움(Sg), 보륨(Bh), 하슘(Hs), 마이트너륨(Mt), 다름슈타튬(Ds), 뢴트게늄(Rg), 코메르니슘(Cn), 우눈트륨(Uut), 플레로븀(Fl), 리버모륨(Lv), 우눈셉튬(Uus) 및 우누눅튬(Uuo) 으로 구성되는 그룹으로부터 선택되는 것을 하나 이상 포함하여 구성될 수 있다.
특히 금(Au), 은(Ag), 구리(Cu), 크롬(Cr), 철(Fe), 티타늄(Ti)을 사용하는 것이 바람직하다.
상기 제1 전극층(200) 상에 형성되는 센싱층(300)은 탄성체 및 상기 탄성체의 표면에 형성된 열전 물질을 포함하는 층으로, 도 4 이하의 내용에서 자세하게 후술한다.
상기 센싱층(300) 상에 형성되는 제2 전극층(400)은 전도성이 있는 물질로 구성될 수 있으며, 금속 물질을 포함할 수 있다. 제2 전극층(400)의 물질로는 리튬(Li), 베릴륨(Be), 나트륨(Na), 마그네슘(Mg), 칼륨(K), 칼슘(Ca), 루비듐(Rb), 스트론듐(Sr), 세슘(Cs), 바륨(Ba), 프랑슘(Fr), 라듐(Ra), 알루미늄(Al), 아연(Zn), 갈륨(Ga), 저마늄(Ge), 카드뮴(Cd), 인듐(In), 주석(Sn), 안티모니(Sb), 수은(Hg), 탈륨(Ti), 납(Pb), 비스무트(Bi), 플로늄(Po), 스칸듐(Sc), 티타늄(Ti), 바나듐(V), 크롬(Cr), 망간(Mn), 철(Fe), 코발트(Co), 니켈(Ni), 구리(Cu), 이트륨(Y), 지르코늄(Zr), 나이오븀(Nb), 몰리브데늄(Mo), 테크네륨(Tc), 루테늄(Ru), 로듐(Rh), 팔라듐(Pd), 은(Ag), 란타늄(La), 하프늄(Hf), 탄탈륨(Ta), 텅스텐(W), 레늄(Re), 오스뮴(Os), 이리듐(Ir), 백금(Pt), 금(Au), 악티늄(Ac), 러더포듐(Rf), 더브늄(Db), 시보규움(Sg), 보륨(Bh), 하슘(Hs), 마이트너륨(Mt), 다름슈타튬(Ds), 뢴트게늄(Rg), 코메르니슘(Cn), 우눈트륨(Uut), 플레로븀(Fl), 리버모륨(Lv), 우눈셉튬(Uus) 및 우누눅튬(Uuo)으로 구성되는 그룹으로부터 선택되는 것을 하나 이상 포함하여 구성될 수 있다.
특히 금(Au), 은(Ag), 구리(Cu), 크롬(Cr), 철(Fe), 티타늄(Ti)을 사용하는 것이 바람직하다.
상기 제1 전극층(200)과 상기 제2 전극층(400)은 서로 다른 금속으로 구성될 수 있으며, 서로 같은 금속으로 구성될 수도 있다.
상기 제2 전극층(400) 상에 형성되는 제2 기판(500)은 상기 제1 기판(100)과 마찬가지로 규소 및 산소로 구성되는 그룹으로부터 선택되는 것을 하나 이상 포함하는 실리콘 기반의 폴리머가 될 수 있으며, 예를 들어, PDMS, Ecoflex, silbione, dragonflex 등이 될 수 있다. 본 발명의 일 실시예로서, 제1 기판(100)은 끈적한 성질을 가진 silibione과 형태 유지가 용이한 PDMS를 9:1의 혼합비율로 혼합한 물질로 구성될 수 있다.
도 2는 본 발명의 다기능 센서 어레이에 액체 금속을 연결한 센서 어레이를 도시한 단면도이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 액체 금속을 연결한 센서 어레이는 도 1의 실시예와 거의 유사하다. 따라서, 대부분의 구성에 대한 설명이 도 1의 실시예 관한 설명으로 갈음될 수 있어 중복되는 설명은 되풀이 하지 않는다. 이하, 다기능 센서 어레이에 액체 금속을 연결한 센서 어레이에 대하여 구체적으로 설명한다.
도 2의 본 발명의 다른 실시예에 따른 어레이는 도 1에서 기술한 다기능 센서 어레이에 대하여, 상기 제1 기판(100)과 상기 제1 전극층(200) 사이에 액체금속(600)을 더 포함할 수 있다.
상기 액체금속(600)은 각 센서의 전기적 연결을 위한 것으로 상기 액체금속(600)을 조립함으로써 각 센서간의 전기적 상호 연결을 만들 수 있다. 상기 액체금속(600)으로 사용할 수 있는 물질은, 주석, 비스무트, 납 및 갈륨으로 구성되는 그룹으로부터 선택되는 것을 하나 이상 포함할 수 있으며, 갈륨과 인듐을 혼합하거나, 갈륨, 인듐, 주석을 혼합하여 사용하는 것이 바람직하다.
도 3은 본 발명의 다기능 센서 어레이의 개략적인 평면도이다.
도 3을 참고하면, 제1 기판(100)과 제2 기판(500) 사이에 다기능 감지 디바이스(700)를 5 × 5 로 집적하여, 구부릴 수 있는 유연한 다기능 센서 어레이를 제작할 수 있다. 또한, 구부릴 수 있는 유연한 성질로서 인체에도 부착 가능한 다기능 센서 어레이를 제작할 수 있다. 다기능 감지 디바이스(700)는 제1 전극층(200), 상기 제1 전극층(200) 상에 형성되는 센싱층(300) 및 상기 센싱층(300) 상에 형성되는 제2 전극층(400)으로 구성될 수 있다.
상기 제1 기판(100) 및 상기 제2 기판(500)을 이용한 캡슐화(encapsulation) 필름을 통하여 외부 자극에도 소자의 망가짐 없이 구동할 수 있으며, 외부 변형이나 접촉에서도 안정적으로 웨어러블 하고, 피부에도 부착 가능하다.
본 발명에 따른 다기능 센서 어레이에 있어서, 상기 제1 기판(100) 및 상기 제2 기판(500)은 규소 및 산소로 구성되는 그룹으로부터 선택되는 것을 하나 이상 포함하는 실리콘 기반의 폴리머로서, 혼합 비율을 조절하여 늘임에도 안정한 기판으로 구성될 수 있다.
이하, 본 발명의 다기능 감지 디바이스(700)의 구성 및 본 발명의 센서 어레이를 이용하여 온도 및 압력을 동시에 측정할 수 있는 원리를 자세하게 설명한다.
도 4는 본 발명에 따른 다기능 감지 디바이스(700)의 구성 및 그래프를 도시한 단면도이다.
도 4(a)를 참고하면, 다기능 감지 디바이스(700)는 제1 전극층(200), 제1 전극층(200) 상에 형성되는 센싱층(300) 및 센싱층(300) 상에 형성되는 제2 전극층(400)으로 구성될 수 있다.
본 발명의 센싱층(300)을 이루는 물질에 대하여 살펴보면, 상기 센싱층(300)은 탄성체 및 상기 탄성체의 표면에 형성된 열전물질을 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 탄성체는 탄성을 가지는 물질로 구성될 수 있으며, 폴리우레탄, 실리콘 또는 라텍스로 구성되는 그룹으로부터 선택되는 것을 하나 이상 포함할 수 있지만 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 탄성체의 표면에 형성된 열전물질로는, 다중벽 탄소나노튜브-폴리아닐린(MWCNT-PANI) 복합체, 비스무트(Bi), 안티모니(Sb), 테룰라이드(Te), 폴리아닐린 및 에틸렌디옥시오판 폴리스티렌 설포네이트(PEDOT:PSS)로부터 선택되는 것을 하나이상 더 포함할 수 있으며, 특히, 상기 열전 물질은, 다중벽 탄소나노튜브-폴리아닐린(MWCNT-PANI) 복합체, 비스무트 테룰라이드(Bi2Te3), 안티모니 테룰라이드(Sb2Te3), 폴리아닐린 및 에틸렌디옥시오판 폴리스티렌 설포네이트(PEDOT:PSS)로부터 선택되는 것을 하나 이상 포함하는 것이 바람직하다.
또한, 탄성체로 폴리우레탄 폼, 열전물질로 다중벽 탄소나노튜브-폴리아닐린(MWCNT-PANI) 복합체를 사용하여, 폴리우레탄 폼 표면에 다중벽 탄소나노튜브-폴리아닐린(MWCNT-PANI) 복합체 물질을 코팅하여 사용하는 것이 가장 바람직하다.
도 4 내지 도 7은 본 발명의 다기능 센서 어레이를 이용하여 온도 및 압력을 측정하는 원리를 설명하기 위한 설명도이다.
도 4를 참고하면, 온도와 압력을 동시에 센싱하기 위하여 센싱층(300)의 상하면에 전극 물질로 이루어진 제1 전극층(200)과 제2 전극층(400)이 위치한다. 센싱층(300)은 도 4(a)에 설명한 바와 같이, 폴리우레탄, 실리콘 또는 라텍스와 같은 탄성을 가지는 물질로 구성된 탄성체에 열전물질을 코팅한 것으로 이루어져 있으므로 온도와 압력을 측정할 수 있다.
도 4의 다기능 감지 디바이스(700)는 온도 및 압력을 가하지 않은 상태의 단면도 및 그래프를 도시한 것이다. 온도 및 압력을 가하지 않은 상태에서 전류 및 전압은 정비례함을 확인할 수 있다.
도 5의 다기능 감지 디바이스(700) 및 그래프는 도 4의 다기능 감지 디바이스(700) 및 그래프의 초기 상태에서 온도만을 가한 상태의 단면도 및 그래프를 도시한 것이다.
처음 온도의 T0에서 한쪽 전극에 Ts의 온도가 가해지면 △T 만큼의 온도 차이가 제1 전극층(200)과 제2 전극층(400) 사이에 발생한다. 이를 전류-전압 그래프에서 살펴보면 △T 의 온도차이에 의해 전압이 Vtherm = St × △T 로 발생하며, 그래프에서 Vtherm 만큼 X절편이 이동한다.
여기에서, Vtherm 는 열전물질의 열전효과로 인하여 온도차이에 따라 발생한 전압이며, St 는 열전효과 계수, △T는 온도의 변화량이다.
따라서, 온도를 가했을 때 그래프 상에 X절편으로 Vtherm 의 값을 알 수 있으며, 또한, 옴의 법칙 I=(V+△V)/R 에 의하여 △V의 값을 측정할 수 있고, 이를 통하여 상기 Vtherm = St × △T 식에 의해 △T의 값을 알 수 있으므로 최종적으로 현재상태의 온도 측정을 할 수 있다.
센싱층(300)은 열전물질을 코팅한 것으로 열을 가하면 전압(Voltage)이 생성되고, 전류(I)와 전압(V)가 따로 나와 동시에 측정이 가능하며, 1℃씩 측정 할 수 있다. 즉, 피부에 부착하였을 때에는 사람의 체온은 30℃~36℃ 정도로 5℃~6℃ 차이임에도 불구하고 센싱할 수 있다.
도 6의 다기능 감지 디바이스(700) 및 그래프는 도 4의 다기능 감지 디바이스(700) 및 그래프의 초기 상태에서 압력만을 가한 상태의 단면도 및 그래프를 도시한 것이다.
축전기란 전기 회로에서 전기 용량을 전기적 퍼텐셜 에너지로 저장하는 장치이다. 축전기 내부는 두 도체판이 떨어져 있는 구조로 되어 있고, 사이에는 보통 절연체가 들어간다. 각 판의 표면과 절연체의 경계 부분에 전하가 비축되고, 양 표면에 모이는 전하량의 크기는 같지만 부호는 반대이다. 즉, 두 도체판 사이에 전압을 걸면 음극에서 (-)전하가, 양극에는 (+)전하가 유도되는데, 이로 인해 전기적 인력이 발생하게 된다. 이 인력에 의하여 전하들이 모여있게 되므로 에너지가 저장된다.
평행한 축전기의 두 극판 사이의 거리가 일정할 때 양 극단에 걸린 전압 V가 클수록 더 많은 전하량 Q가 대전되게 된다. 여기서 Q와 V가 서로 비례관계에 있다는 것을 알 수가 있는데 여기서 C는 비례상수로서 역할한다. 따라서 양 극단에 걸린 전압 V가 같을 때 전기용량 C가 클수록 더 많은 전하가 대전된다고 할 수 있고 Q=CV 라고 나타낸다.
평행판에서의 전기용량 C의 정의로서, C=ε0*(S/L) 로 나타낼 수 있는데, 본 발명의 도 6에서 S는 제1 전극(200) 또는 제2 전극(400)의 면적, L은 센싱층(300)의 두께, 또는 제1 전극(200)과 제2 전극(400) 사이의 거리가 될 수 있다.
따라서, Q=CV 식에 대입하면 Q=ε0*(S/L)*V 가 되어 V와 L은 서로 비례한다. 여기에서 압력을 가하면 센싱층(300)의 두께, 또는 제1 전극(200)과 제2 전극(400) 사이의 거리인 L이 줄어들게 되고, 거리 L이 줄어들면 저항이 작아지므로, 옴의 법칙 V=IR에 의해 전압V도 줄어들게 된다.
상기 기술한 바와 같이, 다기능 감지 디바이스(700)에 압력을 가하면 L이 줄어들면서 저항이 감소하고 최종적으로 전압이 줄어들게 된다. 따라서, 도 7에 도시된 그래프에서 압력을 가하면 저항이 감소하므로 전류-전압 그래프에서 기울기가 증가할 수 있다.
또한, 다기능 감지 디바이스(700)에 압력을 가하면 센싱층(300)에 있는 전기를 전달하는 물질들이 서로 붙으면서 더 인접해 지므로 전류가 더 잘 흐르게 되면서 전류-전압 그래프인 도 7에 도시된 그래프에서 기울기가 증가할 수 있다.
도 7의 다기능 감지 디바이스(700) 및 그래프는 도 4의 다기능 감지 디바이스(700) 및 그래프의 초기 상태에서 온도 및 압력을 동시에 가한 상태의 단면도 및 그래프를 도시한 것이다.
도 4의 다기능 감지 디바이스(700)에 온도와 압력을 동시에 가하는 경우, 앞서 도 5 및 도 6 에서 기술한 바와 같이, 두 가지의 효과가 그래프에 함께 나타난다.
다기능 감지 디바이스(700)에 온도와 압력을 동시에 가하면, 처음 온도의 T0에서 한쪽 전극에 Ts의 온도가 가해지면 △T 만큼의 온도 차이가 발생한다. 이를 전류-전압 그래프에서 살펴보면 △T 의 온도차이에 의해 전압이 Vtherm = St × △T 로 발생하며, 그래프에서 Vtherm 만큼 이동하고, 이동한 만큼의 그래프 상에 X절편으로 나타나므로 Vtherm 의 값을 알 수 있다.
이를 통하여 상기 Vtherm = St × △T 식에 의해 △T의 값을 알 수 있으므로, 온도의 측정이 가능할 수 있다.
또한, 압력에 대하여는 압력을 가하면 센싱층(300)의 두께, 또는 제1 전극(200)과 제2 전극(400) 사이의 거리인 L이 줄어들게 되고, 거리L이 줄어들면 저항이 작아지며, 압력을 가하면 센싱층(300)에 있는 전기를 전달하는 물질들이 서로 붙으면서 더 인접하게 거리가 좁혀지므로 전류가 더 잘 흐르게 되면서 그래프에서 기울기가 증가하는 모양으로 나타날 수 있다.
따라서, 온도와 압력을 동시에 가하면, 온도와 압력을 가하지 않은 도 4의 그래프에서 도 7의 그래프와 같이 이동되면서 X 절편에 해당하는 전압과 기울기에 해당하는 저항의 값으로 온도와 압력이 상호 간섭 없이 동시에 측정될 수 있다.
상술한 실시예에 설명된 특징, 구조, 효과 등은 본 발명의 적어도 하나의 실시예에 포함되며, 반드시 하나의 실시예에만 한정되는 것은 아니다. 나아가, 각 실시예에서 예시된 특징, 구조, 효과 등은 실시예들이 속하는 분야의 통상의 지식을 가지는 자에 의하여 다른 실시예들에 대해서도 조합 또는 변형되어 실시 가능하다.
따라서 이러한 조합과 변형에 관계된 내용들은 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다. 또한, 이상에서 실시예들을 중심으로 설명하였으나 이는 단지 예시일 뿐 본 발명을 한정하는 것이 아니며, 본 발명이 속하는 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 실시예의 본질적인 특성을 벗어나지 않는 범위에서 이상에 예시되지 않은 여러 가지의 변형과 응용이 가능함을 알 수 있을 것이다. 예를 들어, 실시예들에 구체적으로 나타난 각 구성 요소는 변형하여 실시할 수 있는 것이다. 그리고 이러한 변형과 응용에 관계된 차이점들은 첨부한 청구 범위에서 규정하는 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
100: 제1 기판
200: 제1 전극층
300: 센싱층
400: 제2 전극층
500: 제2 기판
600: 액체 금속
700: 다기능 감지 디바이스
1000: 다기능 센서 어레이

Claims (13)

  1. 제1 기판;
    일면이 제1 기판 상면에 배치되는 액체 금속;
    각각이 제1 전극층, 센싱층, 및 제2 전극층이 순서대로 적층된 구조로서, 일면이 상기 액체 금속의 타면에 배치되는 복수의 다기능 감지 디바이스; 및
    상기 복수의 다기능 감지 디바이스의 타면에 배치되는 제2 기판;
    을 포함하고,
    상기 센싱층은 탄성체 및 상기 탄성체의 표면에 형성된 열전 물질을 포함하고,
    상기 액체 금속은 주석, 비스무트, 납 및 갈륨으로 구성되는 그룹으로부터 선택되는 것을 하나 이상 포함하여, 상기 각 다기능 감지 디바이스 사이를 전기적으로 상호 연결시키는 것을 특징으로 하고
    상기 제1 기판과 상기 제2 기판은 상기 복수의 다기능 감지 디바이스와 상기 액체 금속을 캡슐화하는 것을 특징으로 하는 다기능 센서 어레이.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서,
    상기 탄성체는 폴리우레탄, 실리콘 또는 라텍스로 구성되는 그룹으로부터 선택되는 것을 하나 이상 포함하는 것을 특징으로 하는 다기능 센서 어레이.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 열전 물질은,
    비스무트(Bi), 안티모니(Sb), 테룰라이드(Te), 폴리아닐린, 에틸렌디옥시오판 폴리스티렌 설포네이트(PEDOT:PSS) 및 다중벽 탄소나노튜브-폴리아닐린(MWCNT-PANI) 복합체로부터 선택되는 것을 하나 이상 포함하는 것을 특징으로 하는 다기능 센서 어레이.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 열전 물질은,
    비스무트 테룰라이드(Bi2Te3), 안티모니 테룰라이드(Sb2Te3), 폴리아닐린, 에틸렌디옥시오판 폴리스티렌 설포네이트(PEDOT:PSS) 및 다중벽 탄소나노튜브-폴리아닐린(MWCNT-PANI) 복합체로부터 선택되는 것을 하나 이상 포함하는 것을 특징으로 하는 다기능 센서 어레이.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 제1 전극층 및 상기 제2 전극층은, 각각
    리튬(Li), 베릴륨(Be), 나트륨(Na), 마그네슘(Mg), 칼륨(K), 칼슘(Ca), 루비듐(Rb), 스트론듐(Sr), 세슘(Cs), 바륨(Ba), 프랑슘(Fr), 라듐(Ra), 알루미늄(Al), 아연(Zn), 갈륨(Ga), 저마늄(Ge), 카드뮴(Cd), 인듐(In), 주석(Sn), 안티모니(Sb), 수은(Hg), 탈륨(Ti), 납(Pb), 비스무트(Bi), 플로늄(Po), 스칸듐(Sc), 티타늄(Ti), 바나듐(V), 크롬(Cr), 망간(Mn), 철(Fe), 코발트(Co), 니켈(Ni), 구리(Cu), 이트륨(Y), 지르코늄(Zr), 나이오븀(Nb), 몰리브데늄(Mo), 테크네륨(Tc), 루테늄(Ru), 로듐(Rh), 팔라듐(Pd), 은(Ag), 란타늄(La), 하프늄(Hf), 탄탈륨(Ta), 텅스텐(W), 레늄(Re), 오스뮴(Os), 이리듐(Ir), 백금(Pt), 금(Au), 악티늄(Ac), 러더포듐(Rf), 더브늄(Db), 시보규움(Sg), 보륨(Bh), 하슘(Hs), 마이트너륨(Mt), 다름슈타튬(Ds), 뢴트게늄(Rg), 코메르니슘(Cn), 우눈트륨(Uut), 플레로븀(Fl), 리버모륨(Lv), 우눈셉튬(Uus) 및 우누눅튬(Uuo)으로 구성되는 그룹으로부터 선택되는 것을 하나 이상 포함하는 것을 특징으로 하는 다기능 센서 어레이.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 제1 전극층 또는 상기 제2 전극층은,
    금(Au), 은(Ag), 구리(Cu), 크롬(Cr), 철(Fe), 티타늄(Ti)으로 구성되는 그룹으로부터 선택되는 것을 하나 이상 포함하는 것을 특징으로 하는 다기능 센서 어레이.
  10. 제8항 또는 제9항에 있어서,
    상기 제1 전극층 및 상기 제2 전극층은,
    서로 다른 물질로 구성되는 것을 특징으로 하는 다기능 센서 어레이.
  11. 제8항 또는 제9항에 있어서,
    상기 제1 전극층 및 상기 제2 전극층은,
    서로 같은 물질로 구성되는 것을 특징으로 하는 다기능 센서 어레이.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 제1 기판은,
    규소 및 산소로 구성되는 그룹으로부터 선택되는 것을 하나 이상 포함하는 것을 특징으로 하는 다기능 센서 어레이.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 제2 기판은,
    규소 및 산소로 구성되는 그룹으로부터 선택되는 것을 하나 이상 포함하는 것을 특징으로 하는 다기능 센서 어레이.

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