KR102071648B1 - 생체 모방형 광센서 및 그의 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
생체 모방형 광센서 및 그의 제조 방법에 관한 것으로서, 일실시예에 따른 생체 모방 구조를 활용한 광센서는 외부에서 입사하는 빛의 파장 대역에 따라 서로 다른 부피로 팽창하는 이종의 기체를 구비하는 제1 영역과, 외부에서 입사하는 빛에 반응하지 않는 비반응성 기체를 구비하는 제2 영역 및 제1 영역 및 제2 영역의 사이에 배치되어 제1 영역 및 제2 영역을 물리적으로 분리하고, 이종의 기체의 부피 팽창에 따라 제2 영역의 방향으로 휘어지는 중간막을 포함할 수 있다.
Description
광센서 및 그의 제조 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 생체 모방 구조를 활용한 광센서 및 그의 제조 방법에 관한 기술에 관한 것이다.
최근 제4차 산업혁명의 핵심 기술인 사물 인터넷(Internet of Things; IoT)에 대한 관심 및 수요가 증가함에 따라, 데이터 수집을 위한 기초 도구인 센서에 대한 수요 또한 높아지고 있다.
특히, 광센서는 광 신호를 감지하는 단일 소자뿐만 아니라 스마트폰, 자동차, 건축, 바이오 등 다양한 분야에서 광 전자 집적회로의 핵심 부품으로 사용되고 있기 때문에 다른 종류의 센서들에 비해 더 많은 관심을 받고 있다.
그러나, 기존의 광센서는 물질 자체의 광학적 특성을 기반으로 한 감지 방식을 채택하여 감지할 수 있는 파장 영역에 한계가 존재하기 때문에 자외선, 가시광선, 적외선에 이르는 광대역 파장을 검출하기 위해서는 여러 개의 광센서를 추가적으로 부착해야 하는 단점이 있다.
또한, 기존의 광센서는 감지할 수 있는 파장 영역이 넓어질수록 센서의 광 민감도가 낮아질 뿐만 아니라 구조상 항상 개구 되어 있는 형태로 제작이 되기 때문에 입사되는 빛의 세기와 파장이 모두 변하는 상황에서 조리개의 도움 없이 외부 광 신호의 변화를 정밀하게 분별하는데 한계가 존재한다.
본 발명은 단일 소자에서 자외선, 가시광선 및 적외선에 이르는 광대역 파장을 검출할 수 있는 생체 모방형 광센서를 제공하고자 한다.
또한, 본 발명은 파장 영역과 민감도의 트레이드-오프(Trade-off) 관계를 극복할 수 있는 생체 모방형 광센서를 제공하고자 한다.
또한, 본 발명은 빛의 세기와 파장이 변화하는 상황에서 조리개와 같은 별도의 장치의 사용없이 광 신호의 변화를 정밀하게 분석할 수 있는 초고감도의 생체 모방형 광센서를 제공하고자 한다.
일실시예에 따른 생체 모방 구조를 활용한 광센서는 외부에서 입사하는 빛의 파장 대역에 따라 서로 다른 부피로 팽창하는 이종의 기체를 구비하는 제1 영역과, 외부에서 입사하는 빛에 반응하지 않는 비반응성 기체를 구비하는 제2 영역 및 제1 영역 및 제2 영역의 사이에 배치되어 제1 영역 및 제2 영역을 물리적으로 분리하고, 이종의 기체의 부피 팽창에 따라 제2 영역의 방향으로 휘어지는 중간막을 포함할 수 있다.
일측에 따르면, 이종의 기체는 적외선 대역의 빛을 흡수하여 부피가 팽창하는 적외선 반응 기체, 가시광선 대역의 빛을 흡수하여 부피가 팽창하는 가시광선 반응 기체 및 자외선 대역의 빛을 흡수하여 부피가 팽창하는 자외선 반응 기체를 포함할 수 있다.
일측에 따르면, 적외선 반응 기체는 적외선 대역, 가시광선 대역 및 자외선 대역의 빛을 흡수하여 부피가 팽창하고, 가시광선 반응 기체는 가시광선 대역 및 자외선 대역의 빛을 흡수하여 부피가 팽창할 수 있다.
일측에 따르면, 이종의 기체는 중수소(H2), 산소(O2), 제논(Xe), 헬륨(He), 아르곤(Ar) 및 크립톤(Kr)을 포함하는 그룹에서 적어도 하나 이상의 원소를 포함할 수 있다.
일측에 따르면, 중간막은 폴리아세틸렌(Polyacetylene) 및 폴리피롤(Polypyrrole) 중 적어도 하나를 포함하는 전도성 고분자 필름일 수 있다.
일측에 따르면, 중간막의 휘어짐에 따른 저항의 변화를 감지하는 저항 감지부 및 이종의 기체의 부피 변화에 따른 정전용량의 변화를 감지하는 정전용량 감지부를 더 포함할 수 있다.
일측에 따르면, 제1 영역의 상부에 배치되고, 외부에서 입사하는 빛의 세기에 따라 분자 구조가 변화하는 광 감응성 고분자 물질을 포함하며, 분자 구조의 변화에 따라 외부에서 입사하는 빛의 일부를 차단하여 투과되는 빛에 의한 광도를 일정하게 유지하는 광 감응성 고분자 유지막을 더 포함할 수 있다.
일측에 따르면, 광 감응성 고분자 유지막은 광 감응성 고분자 물질로서 스피로피레인(Spiropyran)을 포함할 수 있다.
일측에 따르면, 제1 영역의 상부에 배치되고, 복수의 투명 전도성 물질이 나노 단위의 파라볼라 형태로 증착 형성되어 외부에서 입사하는 빛의 유효 굴절율을 조절하는 광 투과막을 더 포함할 수 있다.
일측에 따르면, 광 투과막은 펄스형(pulse-type) 교류 전압 기반의 전기 수력학(Electrohydrodynamic) 프린팅을 이용하여 복수의 투명 전도성 물질을 증착할 수 있다.
일실시예에 따른 생체 모방 구조를 활용한 광센서의 제조방법은 제1 영역 및 제2 영역을 물리적으로 분리하고 이종의 기체의 부피 팽창에 따라 제2 영역의 방향으로 휘어지는 중간막을 형성하는 단계와 외부에서 입사하는 빛의 파장 대역에 따라 서로 다른 부피로 팽창하는 이종의 기체를 제1 영역에 주입하는 단계 및 외부에서 입사하는 빛에 반응하지 않는 비반응성 기체를 제2 영역에 주입하는 단계를 포함할 수 있다.
일측에 따르면, 이종의 기체는 적외선 대역의 빛을 흡수하여 부피가 팽창하는 적외선 반응 기체, 가시광선 대역의 빛을 흡수하여 부피가 팽창하는 가시광선 반응 기체 및 자외선 대역의 빛을 흡수하여 부피가 팽창하는 자외선 반응 기체를 포함할 수 있다.
일측에 따르면, 적외선 반응 기체는 적외선 대역, 가시광선 대역 및 자외선 대역의 빛을 흡수하여 부피가 팽창하고, 가시광선 반응 기체는 가시광선 대역 및 자외선 대역의 빛을 흡수하여 부피가 팽창할 수 있다.
일측에 따르면, 제1 영역에 주입하는 단계는 중수소(H2), 산소(O2), 제논(Xe), 헬륨(He), 아르곤(Ar) 및 크립톤(Kr)을 포함하는 그룹에서 적어도 하나 이상의 원소를 포함하는 이종의 기체를 주입할 수 있다.
일측에 따르면, 제1 영역의 상부에 배치되고, 외부에서 입사하는 빛의 세기에 따라 분자 구조가 변화하는 광 감응성 고분자 물질을 포함하며, 분자 구조의 변화에 따라 외부에서 입사하는 빛의 일부를 차단하여 투과되는 빛에 의한 광도를 일정하게 유지하는 광 감응성 고분자 유지막을 형성하는 단계 및 광 감응성 고분자 유지막 상부에 배치되고, 복수의 투명 전도성 물질이 나노 단위의 파라볼라 형태로 증착 형성되어 외부에서 입사하는 빛의 유효 굴절율을 조절하는 광 투과막을 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다.
일측에 따르면, 광 투과막을 형성하는 단계는 복수의 투명 전도성 물질 각각을 30 nm 내지 100nm의 사이즈로 형성할 수 있다.
일측에 따르면, 광 투과막을 형성하는 단계는 펄스형(pulse-type) 교류 전압 기반의 전기 수력학(Electrohydrodynamic) 프린팅을 이용하여 복수의 투명 전도성 물질을 증착할 수 있다.
일실시예에 따르면, 단일 소자의 광센서에서 자외선, 가시광선 및 적외선에 이르는 광대역 파장을 검출할 수 있다.
또한, 일실시예에 따르면, 파장 영역과 민감도의 트레이드-오프(Trade-off) 관계를 극복할 수 있다.
또한, 일실시예에 따르면, 빛의 세기와 파장이 변화하는 상황에서 조리개와 같은 별도의 장치의 사용없이 광 신호의 변화를 정밀하게 분석할 수 있어 광 검출의 정확성 및 감도를 향상시킬 수 있다.
도 1은 일실시예에 따른 생체 모방형 광센서를 도시하는 도면이다.
도 2a 내지 도 2c는 일실시예에 따른 생체 모방형 광센서의 동작을 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 다른 실시예에 따른 생체 모방형 광센서를 도시하는 도면이다.
도 4는 다른 실시예에 따른 생체 모방형 광센서에 구비된 광 투과막의 제조방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 5a 내지 도 5b는 다른 실시예에 따른 생체 모방형 광센서에 구비된 광 감응성 고분자 유지막에 관한 실시예를 설명하기 위한 도면이다.
도 6a 내지 도 6e는 일실시예에 따른 생체 모방형 광센서의 제조방법을 도시하는 도면이다.
도 2a 내지 도 2c는 일실시예에 따른 생체 모방형 광센서의 동작을 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 다른 실시예에 따른 생체 모방형 광센서를 도시하는 도면이다.
도 4는 다른 실시예에 따른 생체 모방형 광센서에 구비된 광 투과막의 제조방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 5a 내지 도 5b는 다른 실시예에 따른 생체 모방형 광센서에 구비된 광 감응성 고분자 유지막에 관한 실시예를 설명하기 위한 도면이다.
도 6a 내지 도 6e는 일실시예에 따른 생체 모방형 광센서의 제조방법을 도시하는 도면이다.
이하, 본 문서의 다양한 실시 예들이 첨부된 도면을 참조하여 기재된다.
실시 예 및 이에 사용된 용어들은 본 문서에 기재된 기술을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 해당 실시 예의 다양한 변경, 균등물, 및/또는 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
하기에서 다양한 실시 예들을 설명에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다.
그리고 후술되는 용어들은 다양한 실시 예들에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
도면의 설명과 관련하여, 유사한 구성요소에 대해서는 유사한 참조 부호가 사용될 수 있다.
단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함할 수 있다.
본 문서에서, "A 또는 B" 또는 "A 및/또는 B 중 적어도 하나" 등의 표현은 함께 나열된 항목들의 모든 가능한 조합을 포함할 수 있다.
"제1," "제2," "첫째," 또는 "둘째," 등의 표현들은 해당 구성요소들을, 순서 또는 중요도에 상관없이 수식할 수 있고, 한 구성요소를 다른 구성요소와 구분하기 위해 사용될 뿐 해당 구성요소들을 한정하지 않는다.
어떤(예: 제1) 구성요소가 다른(예: 제2) 구성요소에 "(기능적으로 또는 통신적으로) 연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 어떤 구성요소가 상기 다른 구성요소에 직접적으로 연결되거나, 다른 구성요소(예: 제3 구성요소)를 통하여 연결될 수 있다.
본 명세서에서, "~하도록 구성된(또는 설정된)(configured to)"은 상황에 따라, 예를 들면, 하드웨어적 또는 소프트웨어적으로 "~에 적합한," "~하는 능력을 가지는," "~하도록 변경된," "~하도록 만들어진," "~를 할 수 있는," 또는 "~하도록 설계된"과 상호 호환적으로(interchangeably) 사용될 수 있다.
어떤 상황에서는, "~하도록 구성된 장치"라는 표현은, 그 장치가 다른 장치 또는 부품들과 함께 "~할 수 있는" 것을 의미할 수 있다.
예를 들면, 문구 "A, B, 및 C를 수행하도록 구성된(또는 설정된) 프로세서"는 해당 동작을 수행하기 위한 전용 프로세서(예: 임베디드 프로세서), 또는 메모리 장치에 저장된 하나 이상의 소프트웨어 프로그램들을 실행함으로써, 해당 동작들을 수행할 수 있는 범용 프로세서(예: CPU 또는 application processor)를 의미할 수 있다.
또한, '또는' 이라는 용어는 배타적 논리합 'exclusive or' 이기보다는 포함적인 논리합 'inclusive or' 를 의미한다.
즉, 달리 언급되지 않는 한 또는 문맥으로부터 명확하지 않는 한, 'x가 a 또는 b를 이용한다' 라는 표현은 포함적인 자연 순열들(natural inclusive permutations) 중 어느 하나를 의미한다.
상술한 구체적인 실시 예들에서, 발명에 포함되는 구성 요소는 제시된 구체적인 실시 예에 따라 단수 또는 복수로 표현되었다.
그러나, 단수 또는 복수의 표현은 설명의 편의를 위해 제시한 상황에 적합하게 선택된 것으로서, 상술한 실시 예들이 단수 또는 복수의 구성 요소에 제한되는 것은 아니며, 복수로 표현된 구성 요소라 하더라도 단수로 구성되거나, 단수로 표현된 구성 요소라 하더라도 복수로 구성될 수 있다.
한편 발명의 설명에서는 구체적인 실시 예에 관해 설명하였으나, 다양한 실시 예들이 내포하는 기술적 사상의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다.
그러므로 본 발명의 범위는 설명된 실시 예에 국한되어 정해져서는 아니되며 후술하는 청구범위뿐만 아니라 이 청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
도 1은 일실시예에 따른 생체 모방형 광센서를 도시하는 도면이다.
도 1을 참조하면, 일실시예에 따른 광센서(100)는 뱀의 골레이 셀 구조를 모방함으로서, 빛의 파장에 따라 서로 다른 부피로 팽창하는 이종의 기체를 이용하여 부피 변화에 따른 정전용량의 변화 및 중간막의 전기적 특성 변화를 동시에 측정할 수 있으며, 이를 통해 광 검출의 정확성 및 감도를 향상시킬 수 있다.
이를 위해, 일실시예에 따른 광센서(100)는 제1 영역(110), 제2 영역(120) 및 제1 영역(110)과 제2 영역(120)을 물리적으로 분리하는 중간막(130)을 포함할 수 있다.
구체적으로, 일실시예에 따른 제1 영역(110)은 외부에서 입사하는 빛의 파장 대역에 따라 서로 다른 부피로 팽창하는 이종의 기체(111, 112, 113)를 구비할 수 있다.
일측에 따르면, 이종의 기체(111, 112, 113)는 적외선 대역의 빛을 흡수하여 부피가 팽창하는 적외선 반응 기체(111), 가시광선 대역의 빛을 흡수하여 부피가 팽창하는 가시광선 반응 기체(112) 및 자외선 대역의 빛을 흡수하여 부피가 팽창하는 자외선 반응 기체(113)를 포함할 수 있다.
다시 말해, 제1 영역(110)은 검출 파장 대역을 늘리기 위하여 서로 다른 파장 대역 대의 빛을 흡수 할 수 있는 이종의 기체(111, 112, 113)를 주입할 수 있다.
일측에 따르면, 이종의 기체(111, 112, 113)는 중수소(H2), 산소(O2), 제논(Xe), 헬륨(He), 아르곤(Ar) 및 크립톤(Kr)을 포함하는 그룹에서 적어도 하나 이상의 원소를 포함할 수 있다.
예를 들면, 이종의 기체(111, 112, 113) 중 적외선 반응 기체(111)는 자외선, 가시광선, 적외선의 흡수가 모두 가능한 제논 기체를 사용하고, 가시광선 반응 기체(112)는 가시광선의 흡수가 강한 산소 기체를 사용하며, 자외선 반응 기체(113)는 자외선의 흡수가 강한 중수소 기체를 사용할 수 있다.
또한, 적외선 대역의 검출 파장은 780nm 내지 1500nm, 가시광선 대역의 검출 파장은 380nm 내지 780nm, 자외선 대역의 검출 파장은 100nm 내지 380nm일 수 있다.
일측에 따르면, 적외선 반응 기체(111)는 적외선 대역, 가시광선 대역 및 자외선 대역의 빛을 모두 흡수하여 부피가 팽창할 수 있고, 가시광선 반응 기체(112)는 가시광선 대역 및 자외선 대역의 빛을 흡수하여 부피가 팽창할 수 있다.
또한, 서로 다른 파장 대역의 빛의 조사에 따른 이종의 기체(111, 112, 113)의 부피 팽창 정도는 자외선, 가시광선 및 적외선 순이 될 수 있으며, 이종의 기체(111, 112, 113)의 부피 팽창 정도는 정전 용량의 변화를 측정함으로써 확인할 수 있다.
다음으로, 일실시예에 따른 제2 영역(120)은 외부에서 입사하는 빛에 반응하지 않는 비반응성 기체(121)를 구비할 수 있다.
예를 들면, 제2 영역(120)에는 비반응성 기체(121)로서 외부에서 입사하는 빛에 반응하지 않는 일반적인 공기를 주입할 수 있다.
또한, 일실시예에 따른 중간막(130)은 제1 영역(110) 및 제2 영역(120) 사이에 배치되어 제1 영역(110) 및 제2 영역(120)을 물리적으로 분리하고, 이종의 기체(111, 112, 113)의 부피 팽창에 따라 제2 영역(120)의 방향으로 휘어질 수 있다.
다시 말해, 일실시예에 따른 중간막(130)은 제1 영역(110)에 구비된 이종의 기체(111, 112, 113)의 부피 팽창에 대응하여 제2 영역(120)의 방향으로 팽창될 수 있으며, 중간막(130)의 팽창 정도는 이종의 기체(111, 112, 113)의 부피 팽창 정도에 따라 달라질 수 있다.
또한, 중간막(130)은 폴리아세틸렌(Polyacetylene) 및 폴리피롤(Polypyrrole) 중 적어도 하나를 포함하는 전도성 고분자 필름일 수 있다.
즉, 일실시예에 따른 중간막(130)은 이종의 기체(111, 112, 113)의 부피 팽창에 대응하여 유연성이 우수하고 휘어짐에 따른 신뢰성이 높은 폴리아세틸렌 및 폴리피롤과 같은 전도성 고분자 필름이 사용될 수 있으나, 일실시예에 따른 중간막(130)에 사용되는 물질의 종류는 전술한 예시에 한정되지는 않는다.
한편, 일실시예에 따른 광센서(100)는 중간막(130)의 휘어짐에 따른 저항의 변화를 감지하는 저항 감지부(140) 및 이종의 기체(111, 112, 113)의 부피 변화에 따른 정전용량의 변화를 감지하는 정전용량 감지부(150)를 더 포함할 수 있다.
또한, 저항 감지부(140)는 저항의 변화를 감지하기 위해 중간막의 양 단에 연결된 제1 저항감지 전극(141) 및 제2 저항감지 전극(142)과 연결될 수 있고, 정전용량 감지부(150)는 정전용량의 변화를 감지하기 위해 제1 영역(110)의 일측면에 연결된 제1 정전용량 감지 전극(151) 및 제2 영역(120)의 일측면에 연결된 제2 정전용량 감지 전극(152)과 연결될 수 있다.
다시 말해, 일실시예에 따른 광센서(100)는 외부에서 입사하는 빛의 파장 대역에 대응하여 변화하는 이종의 기체(111, 112, 113)의 부피에 따른 정전용량의 변화 및 중간막(130)의 휘어짐에 따른 저항의 변화를 동시에 측정함으로써, 광 신호의 변화를 정밀하게 분석할 있으며, 광 검출의 정확성 및 감도를 향상시킬 수 있다.
한편, 저항 감지부(140)는 감지되는 저항의 변화를 이용하여 저항 변화율을 도출할 수 있고, 정전용량 감지부(150)는 감지되는 정전용량의 변화를 이용하여 정전용량의 변화율을 도출할 수 있다.
예를 들면, 저항의 변화율은 ΔR/R0 (%), 정전용량의 변화율은 ΔC/C0 (%)로 정의할 수 있으며, 여기서, R0는 초기 저항값, ΔR는 저항의 변화값, C0는 초기의 정전용량값, ΔC는 정전용량의 변화값을 의미한다.
일실시예에 따른 광센서(100)의 동작은 이후 실시예 도 2a 내지 도 2c를 통해 보다 구체적으로 설명하기로 한다.
결국 본 발명을 이용하면, 하나의 광센서에서 자외선, 가시광선 및 적외선에 이르는 광대역 파장을 검출할 수 있다.
또한, 빛의 세기와 파장이 변화하는 상황에서 이종의 기체(111, 112, 113)의 부피 변화에 따른 정전용량의 변화 및 중간막(130)의 휘어짐에 따른 저항의 변화를 동시에 측정함으로써, 광 검출의 정확성 및 감도를 향상시킬 수 있다.
도 2a 내지 도 2c는 일실시예에 따른 생체 모방형 광센서의 동작을 설명하기 위한 도면이다.
다시 말해, 도 2a 내지 도 2c는 도 1에서 설명한 일실시예에 따른 생체 모방형 광센서의 동작에 대한 실시예를 설명하는 도면으로서, 이후 도 2a 내지 도 2c를 통해 설명하는 내용 중 도 1을 통해 설명한 내용과 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
도 2a 내지 도 2c를 참조하면, 일실시예에 따른 광센서는 적외선 반응 기체(204), 가시광선 반응 기체(205) 및 자외선 반응 기체(206)를 구비하고 있는 제1 영역(201), 비반응성 기체(207)를 구비하고 있는 제2 영역(202) 및 제1 영역(201)과 제2 영역(202)을 물리적으로 분리하는 중간막(203)을 포함할 수 있다.
또한, 일실시예에 따른 광센서는 적외선 반응 기체(204), 가시광선 반응 기체(205) 및 자외선 반응 기체(206) 중 어느 하나 이상의 기체의 부피 변화에 따른 정전용량의 변화 및 중간막(203)의 휘어짐에 따른 저항의 변화를 측정하기 위하여 도 1의 저항 감지부(140) 및 정전용량 감지부(150)를 더 포함할 수 있다.
구체적으로, 참조부호 210은 적외선 대역의 빛이 외부로부터 입사되는 상황을 도시하는 것으로서, 적외선 대역의 빛이 입사되면 적외선 반응 기체(204)는 빛을 흡수하여 부피가 팽창하게 되며, 적외선 반응 기체(204)의 부피 팽창에 따라 중간막(203) 또한 제2 영역(202) 방향으로 휘어지게 된다.
즉, 광센서는 적외선 반응 기체(204)의 부피 변화에 따른 정전용량의 변화 및 중간막(203)의 휘어짐에 따른 저항의 변화를 동시에 측정함으로써, 적외선 대역의 빛을 보다 정확하게 검출할 수 있다.
다음으로, 참조부호 220은 가시광선 대역의 빛이 외부로부터 입사되는 상황을 도시하는 것으로서, 가시광선 대역의 빛이 입사되면 적외선 반응 기체(204) 및 가시광선 반응 기체(205)는 빛을 흡수하여 부피가 팽창하게 되며, 적외선 반응 기체(204) 및 가시광선 반응 기체(205)의 부피 팽창에 따라 중간막(203) 또한 제2 영역(202) 방향으로 휘어지게 된다.
즉, 광센서는 적외선 반응 기체(204) 및 가시광선 반응 기체(205)의 부피 변화에 따른 정전용량의 변화 및 중간막(203)의 휘어짐에 따른 저항의 변화를 동시에 측정함으로써, 가시광선 대역의 빛을 보다 정확하게 검출할 수 있다.
또한, 참조부호 220에 도시된 바와 같이, 가시광선 대역의 빛이 조사되는 경우는 참조부호 210에 도시된 적외선 대역의 빛이 조사되는 경우보다 부피 변화에 따른 정전용량의 변화 및 중간막(203)의 휘어짐에 따른 저항의 변화가 더 크게 나타날 수 있다.
다음으로, 참조부호 230은 자외선 대역의 빛이 외부로부터 조사되는 상황을 도시하는 것으로서, 자외선 대역의 빛이 조사되면 적외선 반응 기체(204), 가시광선 반응 기체(205) 및 자외선 반응 기체(206)는 빛을 흡수하여 부피가 팽창하게 되며, 적외선 반응 기체(204), 가시광선 반응 기체(205) 및 자외선 반응 기체(206)의 부피 팽창에 따라 중간막(203) 또한 제2 영역(202) 방향으로 휘어지게 된다.
즉, 광센서는 적외선 반응 기체(204), 가시광선 반응 기체(205) 및 자외선 반응 기체(206)의 부피 변화에 따른 정전용량의 변화 및 중간막(203)의 휘어짐에 따른 저항의 변화를 동시에 측정함으로써, 자외선 대역의 빛을 보다 정확하게 검출할 수 있다.
또한, 참조부호 230에 도시된 바와 같이, 자외선 대역의 빛이 조사되는 경우는 참조부호 220에 도시된 가시광선 대역의 빛이 조사되는 경우보다 부피 변화에 따른 정전용량의 변화 및 중간막(203)의 휘어짐에 따른 저항의 변화가 더 크게 나타날 수 있다.
도 3은 다른 실시예에 따른 생체 모방형 광센서를 도시하는 도면이다.
다시 말해, 도 3은 도 1에서 설명한 일실시예에 따른 생체 모방형 광센서에 대한 다른 실시예를 설명하는 도면으로서, 이후 도 3을 통해 설명하는 내용 중 도 1을 통해 설명한 내용과 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
도 3을 참조하면, 다른 실시예에 따른 광센서(300)는 적외선 반응 기체(311), 가시광선 반응 기체(312) 및 자외선 반응 기체(313)를 구비하고 있는 제1 영역(310), 비반응성 기체(321)를 구비하고 있는 제2 영역(320) 및 제1 영역(310)과 제2 영역(320)을 물리적으로 분리하는 중간막(330)을 포함할 수 있다.
또한, 다른 실시예에 따른 광센서(300)는 적외선 반응 기체(311), 가시광선 반응 기체(312) 및 자외선 반응 기체(313) 중 어느 하나 이상의 기체의 부피 변화에 따른 정전용량의 변화 및 중간막(330)의 휘어짐에 따른 저항의 변화를 측정하기 위하여 저항 감지부(340) 및 정전용량 감지부(350)를 더 포함할 수 있다.
한편, 저항 감지부(340)는 저항의 변화를 감지하기 위해 중간막의 양 단에 연결된 제1 저항감지 전극(341) 및 제2 저항감지 전극(342)과 연결될 수 있고, 정전용량 감지부(350)는 정전용량의 변화를 감지하기 위해 제1 영역(310)의 일측면에 연결된 제1 정전용량 감지 전극(351) 및 제2 영역(320)의 일측면에 연결된 제2 정전용량 감지 전극(352)과 연결될 수 있다.
일측에 따르면, 다른 실시예에 따른 광센서(300)는 제1 영역(310)의 상부에 배치되고, 외부에서 입사하는 빛의 세기에 따라 분자 구조가 변화하는 광 감응성 고분자 물질을 포함하며, 광 감응성 고분자 물질의 분자 구조의 변화에 따라 외부에서 입사하는 빛의 일부를 차단하여 투과되는 빛에 의한 광도를 일정하게 유지하는 광 감응성 고분자 유지막(360)을 더 포함할 수 있다.
일측에 따르면, 광 감응성 고분자 유지막(360)은 광 감응성 고분자 물질로서 스피로피레인(Spiropyran)을 포함할 수 있다.
한편, 다른 실시예에 따른 광센서(300)는 제1 영역(310)의 상부에 배치되고, 복수의 투명 전도성 물질이 나노 단위의 파라볼라 형태로 증착 형성되어 외부에서 입사하는 빛의 유효 굴절율을 조절하는 광 투과막(370)을 더 포함할 수도 있다.
예를 들면, 광 투과막(370)은 광 감응성 고분자 유지막(360)의 상부에 배치될 수 있다.
일측에 따르면, 다른 실시예에 따른 광센서(300)는 제1 영역(310)의 상부에 광 감응성 고분자 유지막(360) 및 광 투과막(370)을 적층 형성하고, 제2 영역(320)의 상부에 외부에서 입사하는 빛의 투과를 차단하는 차단막을 형성할 수 있다.
또한, 다른 실시예에 따른 광센서(300)는 제1 영역(310) 및 제2 영역(320)의 상부에 감응성 고분자 유지막(360) 및 광 투과막(370)을 적층 형성할 수도 있다.
즉, 다른 실시예에 따른 광센서(300)는 제1 영역(310)의 상부에 광 감응성 고분자 유지막(360) 및 광 투과막(370)을 적층 형성함으로써, 빛의 세기를 일정하게 유지하고 빛의 유효 굴절률 조절을 통해 빛의 투과도를 향상시킬 수 있다.
도 4는 다른 실시예에 따른 생체 모방형 광센서에 구비된 광 투과막의 제조방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 4를 참조하면, 광 투과막은 나방의 모스 아이 구조를 모방한 투과막으로서, 펄스형(pulse-type) 교류 전압 기반의 전기 수력학(Electrohydrodynamic) 프린팅을 이용하여 복수의 투명 전도성 물질을 증착하여 형성될 수 있다.
다시 말해, 광 투과막은 하부 프레임(410), 금속판(420), 투명 전도성 물질로 구성되는 전도성 잉크(470)를 토출하는 분사 노즐(430), 금속판(420)과 분사 노즐(430)에 연결되어 교류 전압을 공급하는 교류 전압원(440) 및 분사 노즐(430)로부터 토출되는 전도성 잉크(470)의 정렬 상태를 측정하는 레이저(450)를 포함하는 전기 수력학 프린팅 장치를 통해 제조될 수 있다.
즉, 광 투과막은 전기 수력학 프린팅 장치의 금속판(420) 상부에 유리 기판(460)을 배치하고, 교류 전압원(440)을 통해 금속판(420)과 분사 노즐(430) 사이에 전기장을 인가하여 전도성 잉크(470)의 표면장력을 제어함으로써 토출을 제어함으로써 형성될 수 있다.
보다 구체적으로, 전도성 잉크(470)의 경우 적절한 점도 제어가 되지 않는다면 소결된 막의 형상 및 두께가 불균일한 문제가 발생 되므로, 소결되기 까지 전도성 잉크(470)의 형상이 변함 없이 유지될 수 있도록 전도성 잉크(470) 및 유리 기판(460)의 특성을 제어할 필요가 있다.
즉, 광 투과막의 형성을 위해 전도성 잉크(470)의 특성 및 유리 기판(460)의 습윤 특성의 조절을 통한 규칙적인 나노 패턴의 구현이 필수적이나, 연속적인 교류 전압을 인가하는 기존의 방식으로는 전도성 잉크(470)의 정렬(Alignment)을 저해하는 가장 큰 요소인 위성 잉크의 생성을 억제하기 어렵다는 문제가 있다.
따라서, 본 발명에서는 교류 전압원(440)에서 기존의 연속적인 교류 전압이 아닌 양(+)전압과 음(-)전압이 교번하는 펄스형 교류 전압을 인가하여 전도성 잉크의 토출을 제어함으로써, 위성 잉크의 생성을 억제하고 규칙적인 나노 패턴을 구현할 수 있다.
도 5a 내지 도 5b는 다른 실시예에 따른 생체 모방형 광센서에 구비된 광 감응성 고분자 유지막을 설명하기 위한 도면이다.
도 5a 내지 도 5b를 참조하면, 광 감응성 고분자 유지막(501)은 홍체 구조를 모방한 고분자 유지막으로서, 광센서 상단부에 빛의 세기에 따라 구조가 변화하는 광 감응성 고분자 물질을 사용함으로써 일시적인 강한 빛의 투과를 차단하여 빛의 세기와 파장이 모두 변하는 상황에서의 정확한 신호 분석 및 신뢰성을 향상 시킬 수 있다.
또한, 광 감응성 고분자 유지막(501)은 단순히 일회성이 아닌, 물질의 가역적인 구조 변화 특성을 활용해서 강한 빛 이후에 약한 빛을 재조사함에 따라 투과되는 빛의 세기가 재조정 되는 광 감응성 고분자 물질을 사용할 수 있다.
예를 들면, 광 감응성 고분자 유지막(501)은 광 감응성 고분자 물질로서 스피로피레인(Spiropyran)을 사용할 수 있으나, 광 감응성 고분자 물질의 종류는 전술한 예시에 한정되는 것은 아니다.
전술한 스피로피레인은 빛의 양에 따라 투과도 변화가 일어나 입사되는 빛의 세기를 조절하는 특성을 지니고 있기 때문에 이를 광센서의 빛 투과량 유지막으로 이용하면 입사되는 빛의 세기를 일정하게 유지할 수 있으며, 이를 통해 빛의 세기 및 조사 시간에 관계없이 일정한 정전용량 값의 변화를 얻어 낼 수 있다.
또한, 광 감응성 고분자 유지막(501)은 주름 구조와 같은 추가 패턴을 더 포함할 수도 있다.
구체적으로, 참조부호 510에 도시된 것과 같이, 기설정된 빛의 세기 이하의 세기를 갖는 약한 빛이 광 감응성 고분자 유지막(501)에 입사되는 경우에 광 감응성 고분자 물질의 구조 변화가 일어나지 않으므로, 빛을 차단하는 영역이 활성화되지 않는다.
반면, 참조부호 520에 도시된 것과 같이, 기설정된 빛의 세기 이상의 세기를 갖는 강한 빛이 광 감응성 고분자 유지막(501)에 조사되는 경우에 광 감응성 고분자 물질은 구조 변화가 일어나게 되어 빛을 차단하는 영역이 활성화 되며, 빛을 차단하는 영역의 활성화를 통해 일시적인 강한 빛의 투과를 차단됨으로써 입사되는 빛의 세기를 일정하게 유지할 수 있다.
도 6a 내지 도 6e는 일실시예에 따른 생체 모방형 광센서의 제조방법을 도시하는 도면이다.
다시 말해, 도 6a 내지 도 6e는 도 1 내지 도 5b에서 설명한 일실시예 및 다른 실시예에 따른 생체 모방형 광센서의 제조방법을 설명하는 도면으로서, 이후 도 6a 내지 도 6e를 통해 설명하는 내용 중 도 1 내지 도 5b를 통해 설명한 내용과 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
도 6a 내지 도 6e를 참조하면, 610 단계에서 일실시예에 따른 광센서의 제조방법은 제1 영역(601) 및 제2 영역(602)을 물리적으로 분리하고 이종의 기체의 부피 팽창에 따라 제2 영역(602)의 방향으로 휘어지는 중간막(603)을 형성할 수 있다.
구체적으로, 610 단계에서 일실시예에 따른 광센서의 제조방법은 제1 영역(601) 및 제2 영역(602)을 형성하기 위한 광센서의 바디를 형성하고, 형성된 바디의 영역을 제1 영역(601) 및 제2 영역(602)으로 물리적으로 분리하는 중간막(603)을 형성할 수 있다.
다음으로, 620단계에서 일실시예에 따른 광센서의 제조방법은 외부에서 입사하는 빛의 파장 대역에 따라 부피가 팽창하는 이종의 기체(604, 605, 606)를 제1 영역(601)에 주입할 수 있다.
일측에 따르면, 이종의 기체(604, 605, 606)는 적외선 대역의 빛을 흡수하여 부피가 팽창하는 적외선 반응 기체(604), 가시광선 대역의 빛을 흡수하여 부피가 팽창하는 가시광선 반응 기체(605) 및 자외선 대역의 빛을 흡수하여 부피가 팽창하는 자외선 반응 기체(606)를 포함할 수 있다.
일측에 따르면, 적외선 반응 기체(604)는 적외선 대역, 가시광선 대역 및 자외선 대역의 빛을 흡수하여 부피가 팽창하고, 가시광선 반응 기체(605)는 가시광선 대역 및 자외선 대역의 빛을 흡수하여 부피가 팽창할 수 있다.
일측에 따르면, 620단계에서 일실시예에 따른 광센서의 제조방법은 중수소(H2), 산소(O2), 제논(Xe), 헬륨(He), 아르곤(Ar) 및 크립톤(Kr)을 포함하는 그룹에서 적어도 하나 이상의 원소를 포함하는 이종의 기체(604, 605, 606)를 주입할 수 있다.
다음으로, 630단계에서 일실시예에 따른 광센서의 제조방법은 외부에서 입사하는 빛에 반응하지 않는 비반응성 기체(607)를 제2 영역(602)에 주입할 수 있다.
다음으로, 640단계에서 일실시예에 따른 광센서의 제조방법은 제1 영역(601)의 상부에 배치되고, 외부에서 입사하는 빛의 세기에 따라 분자 구조가 변화하는 광 감응성 고분자 물질을 포함하며, 분자 구조의 변화에 따라 외부에서 입사하는 빛의 일부를 차단하여 투과되는 빛에 의한 광도를 일정하게 유지하는 광 감응성 고분자 유지막(608)을 형성할 수 있다.
다음으로, 650단계에서 일실시예에 따른 광센서의 제조방법은 광 감응성 고분자 유지막(608) 상부에 배치되고, 복수의 투명 전도성 물질이 나노 단위의 파라볼라 형태로 증착 형성되어 외부에서 입사하는 빛의 유효 굴절율을 조절하는 광 투과막(609)을 형성할 수 있다.
일측에 따르면, 650단계에서 일실시예에 따른 광센서의 제조방법은 복수의 투명 전도성 물질 각각을 30 nm 내지 100nm의 사이즈로 형성할 수 있다.
또한, 650단계에서 일실시예에 따른 광센서의 제조방법은 펄스형(pulse-type) 교류 전압 기반의 전기 수력학(Electrohydrodynamic) 프린팅을 이용하여 복수의 투명한 전도성 물질을 증착하여 광 투과막(609)을 형성할 수 있다.
결국, 본 발명을 이용하면, 단일 소자의 광센서에서 자외선, 가시광선 및 적외선에 이르는 광대역 파장을 검출할 수 있다.
또한, 파장 영역과 민감도의 트레이드-오프(Trade-off) 관계를 극복할 수 있다.
또한, 빛의 세기와 파장이 변화하는 상황에서 조리개와 같은 별도의 장치의 사용없이 광 신호의 변화를 정밀하게 분석할 수 있어 광 검출의 정확성 및 감도를 향상시킬 수 있다.
이상과 같이 실시예들이 비록 한정된 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기의 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 시스템, 구조, 장치, 회로 등의 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다.
그러므로, 다른 구현들, 다른 실시예들 및 특허청구범위와 균등한 것들도 후술하는 특허청구범위의 범위에 속한다.
100: 광센서 110: 제1 영역
111: 적외선 반응 기체 112: 가시광선 반응 기체
113: 자외선 반응 기체 120: 제2 영역
121: 비반응성 기체 130: 중간막
140: 저항 감지부 141: 제1 저항감지 전극
142: 제2 저항감지 전극 150: 정전용량 감지부
151: 제1 정전용량 감지 전극 152: 제2 정전용량 감지 전극
111: 적외선 반응 기체 112: 가시광선 반응 기체
113: 자외선 반응 기체 120: 제2 영역
121: 비반응성 기체 130: 중간막
140: 저항 감지부 141: 제1 저항감지 전극
142: 제2 저항감지 전극 150: 정전용량 감지부
151: 제1 정전용량 감지 전극 152: 제2 정전용량 감지 전극
Claims (17)
- 외부에서 입사하는 빛의 파장 대역에 따라 서로 다른 부피로 팽창하는 이종의 기체를 구비하는 제1 영역;
상기 외부에서 입사하는 빛에 반응하지 않는 비반응성 기체를 구비하는 제2 영역 및
상기 제1 영역 및 상기 제2 영역의 사이에 배치되어 상기 제1 영역 및 상기 제2 영역을 물리적으로 분리하고, 상기 이종의 기체의 부피 팽창 정도에 따라 상기 제2 영역의 방향으로 휘어지는 정도가 달라지는 중간막
을 포함하고,
상기 이종의 기체는
적외선 대역, 가시광선 대역 및 자외선 대역의 빛을 흡수하여 부피가 팽창하는 적외선 반응 기체, 상기 가시광선 대역 및 상기 자외선 대역의 빛을 흡수하여 부피가 팽창하는 가시광선 반응 기체 및 상기 자외선 대역의 빛을 흡수하여 부피가 팽창하는 자외선 반응 기체를 포함하는
생체 모방 구조를 활용한 광센서. - 삭제
- 삭제
- 제1항에 있어서,
상기 이종의 기체는
중수소(H2), 산소(O2), 제논(Xe), 헬륨(He), 아르곤(Ar) 및 크립톤(Kr)을 포함하는 그룹에서 적어도 하나 이상의 원소를 포함하는
생체 모방 구조를 활용한 광센서. - 제1항에 있어서,
상기 중간막은
폴리아세틸렌(Polyacetylene) 및 폴리피롤(Polypyrrole) 중 적어도 하나를 포함하는 전도성 고분자 필름인
생체 모방 구조를 활용한 광센서. - 제1항에 있어서,
상기 중간막의 휘어짐에 따른 저항의 변화를 감지하는 저항 감지부 및
상기 이종의 기체의 부피 변화에 따른 정전용량의 변화를 감지하는 정전용량 감지부
를 더 포함하는 생체 모방 구조를 활용한 광센서. - 제1항에 있어서,
상기 제1 영역의 상부에 배치되고, 상기 외부에서 입사하는 빛의 세기에 따라 분자 구조가 변화하는 광 감응성 고분자 물질을 포함하며, 상기 분자 구조의 변화에 따라 상기 외부에서 입사하는 빛의 일부를 차단하여 투과되는 빛에 의한 광도를 일정하게 유지하는 광 감응성 고분자 유지막을 더 포함하는
생체 모방 구조를 활용한 광센서. - 제7항에 있어서,
상기 광 감응성 고분자 유지막은
상기 광 감응성 고분자 물질로서 스피로피레인(Spiropyran)을 포함하는
생체 모방 구조를 활용한 광센서. - 제1항에 있어서,
상기 제1 영역의 상부에 배치되고, 복수의 투명 전도성 물질이 나노 단위의 파라볼라 형태로 증착 형성되어 상기 외부에서 입사하는 빛의 유효 굴절율을 조절하는 광 투과막을 더 포함하는
생체 모방 구조를 활용한 광센서. - 제9항에 있어서,
상기 광 투과막은
펄스형(pulse-type) 교류 전압 기반의 전기 수력학(Electrohydrodynamic) 프린팅을 이용하여 상기 복수의 투명 전도성 물질을 증착하는
생체 모방 구조를 활용한 광센서. - 제1 영역 및 제2 영역을 물리적으로 분리하고 이종의 기체의 부피 팽창 정도에 따라 상기 제2 영역의 방향으로 휘어지는 정도가 달라지는 중간막을 형성하는 단계;
외부에서 입사하는 빛의 파장 대역에 따라 서로 다른 부피로 팽창하는 상기 이종의 기체를 상기 제1 영역에 주입하는 단계 및
상기 외부에서 입사하는 빛에 반응하지 않는 비반응성 기체를 상기 제2 영역에 주입하는 단계
를 포함하고,
상기 이종의 기체는
적외선 대역, 가시광선 대역 및 자외선 대역의 빛을 흡수하여 부피가 팽창하는 적외선 반응 기체, 상기 가시광선 대역 및 상기 자외선 대역의 빛을 흡수하여 부피가 팽창하는 가시광선 반응 기체 및 상기 자외선 대역의 빛을 흡수하여 부피가 팽창하는 자외선 반응 기체를 포함하는
생체 모방 구조를 활용한 광센서의 제조방법. - 삭제
- 삭제
- 제11항에 있어서,
상기 제1 영역에 주입하는 단계는
중수소(H2), 산소(O2), 제논(Xe), 헬륨(He), 아르곤(Ar) 및 크립톤(Kr)을 포함하는 그룹에서 적어도 하나 이상의 원소를 포함하는 상기 이종의 기체를 주입하는
생체 모방 구조를 활용한 광센서의 제조방법. - 제11항에 있어서,
상기 제1 영역의 상부에 배치되고, 상기 외부에서 입사하는 빛의 세기에 따라 분자 구조가 변화하는 광 감응성 고분자 물질을 포함하며, 상기 분자 구조의 변화에 따라 상기 외부에서 입사하는 빛의 일부를 차단하여 투과되는 빛에 의한 광도를 일정하게 유지하는 광 감응성 고분자 유지막을 형성하는 단계 및
상기 광 감응성 고분자 유지막 상부에 배치되고, 복수의 투명 전도성 물질이 나노 단위의 파라볼라 형태로 증착 형성되어 상기 외부에서 입사하는 빛의 유효 굴절율을 조절하는 광 투과막을 형성하는 단계
를 더 포함하는 생체 모방 구조를 활용한 광센서의 제조방법. - 제15항에 있어서,
상기 광 투과막을 형성하는 단계는
상기 복수의 투명 전도성 물질 각각을 30 nm 내지 100nm의 사이즈로 형성하는
생체 모방 구조를 활용한 광센서의 제조방법. - 제15항에 있어서,
상기 광 투과막을 형성하는 단계는
펄스형(pulse-type) 교류 전압 기반의 전기 수력학(Electrohydrodynamic) 프린팅을 이용하여 상기 복수의 투명 전도성 물질을 증착하는
생체 모방 구조를 활용한 광센서의 제조방법.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020180085197A KR102071648B1 (ko) | 2018-07-23 | 2018-07-23 | 생체 모방형 광센서 및 그의 제조 방법 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020180085197A KR102071648B1 (ko) | 2018-07-23 | 2018-07-23 | 생체 모방형 광센서 및 그의 제조 방법 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| KR102071648B1 true KR102071648B1 (ko) | 2020-01-30 |
Family
ID=69321254
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| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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| KR1020180085197A KR102071648B1 (ko) | 2018-07-23 | 2018-07-23 | 생체 모방형 광센서 및 그의 제조 방법 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| KR (1) | KR102071648B1 (ko) |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS60173443A (ja) * | 1984-02-20 | 1985-09-06 | Fuji Electric Corp Res & Dev Ltd | 赤外線検出器 |
| US5387798A (en) * | 1992-03-23 | 1995-02-07 | Nippon Telegraph And Telephone Corporation | UV-A, UV-B discrimination sensor |
| WO1998012522A1 (en) * | 1996-09-19 | 1998-03-26 | Leiv Eiriksson Nyfotek As | Photo acoustic infrared (ir) detector |
| US20110171084A1 (en) * | 2009-09-02 | 2011-07-14 | Dean Paul Kossives | Reversible reaction sensors and assemblies |
| KR101138452B1 (ko) | 2010-12-15 | 2012-04-26 | 서울시립대학교 산학협력단 | 실리콘 나노 구조물을 포함하는 광 검출 소자 및 제조 방법 |
-
2018
- 2018-07-23 KR KR1020180085197A patent/KR102071648B1/ko active IP Right Grant
Patent Citations (5)
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