KR102080855B1

KR102080855B1 - 중간층이 개재된 금속 박막을 이용한 크랙 기반 고감도 인장 센서

Info

Publication number: KR102080855B1
Application number: KR1020180054765A
Authority: KR
Inventors: 최만수; 이태민; 최용환; 이건희; 김상문; 강대식; 한승용; 김태위
Original assignee: 재단법인 멀티스케일 에너지시스템 연구단; 서울대학교산학협력단; 아주대학교산학협력단
Priority date: 2018-05-14
Filing date: 2018-05-14
Publication date: 2020-02-24
Also published as: KR20190130295A

Abstract

본 발명은 인간의 움직임에 대한 센서 및, 센서를 이용하는 센싱 시스템에 관한 것으로, 보다 구체적으로, 크랙에 기반하여 감지할 수 있는 센싱 시스템 및, 센싱 시스템을 이용하는 웨어러블 의료 기기 및 인공 전자 스킨 등의 전자 디바이스와 같은 센싱 시스템을 제공한다.

Description

중간층이 개재된 금속 박막을 이용한 크랙 기반 고감도 인장 센서{Crack-based high sensitivity strain sensor with diverse metal films by inserting an inter-layer}

본 발명은 인간의 움직임에 대한 센서 및, 센서를 이용하는 센싱 시스템에 관한 것으로, 보다 구체적으로, 크랙에 기반하여 감지할 수 있는 센싱 시스템 및, 센싱 시스템을 이용하는 웨어러블 의료 기기 및 인공 전자 스킨 등의 전자 디바이스와 같은 센싱 시스템에 관한 것이다.

인간의 움직임에 대한 감지 메커니즘은 다양한 공학 연구 분야에서 광범위하게 연구되어 왔고, 웨어러블 의료 기기 및 인공 전자 스킨에 대한 인간의 움직임을 감지하는 다양한 센싱 시스템이 개발되었다. 인간의 인터페이스에 적응하기 위해 정밀도, 밝기, 유연성 및 부착성을 갖기 위해 다양한 센싱 시스템이 개발되었다. 이러한 문제를 다루는 일부 연구에서는 그래핀, 탄소 나노 튜브 및 금속 나노 와이어를 폴리머 지지체와 결합하여 사용하는 센싱 시스템을 제시했다. 이러한 센싱 시스템은 표정, 손가락 움직임, 음성 인식, 맥박, 혈액량 및 온도 변화와 같은 인간의 움직임을 성공적으로 감지한다. 이들 중, 기계적 크랙 감지 시스템이 최근에 폴리머 지지체 상에 생성된 크랙을 사용함으로써 보고된 바 있다. 이 시스템은 내구성과 유연성이 뛰어나 선형 정의 게이지 팩터(GF)로 정의된 고감도를 나타내었다. 기계적 크랙 감지 시스템은 전도성층으로서의 Pt 금속층 및 Pt 금속층 상에 크랙을 유도하는데 사용되는 지지체로서의 폴리우레탄아크릴레이트(PUA)층으로 구성된다. 그러나, PUA 지지체는 지지체와 금속막 사이의 낮은 접착력으로 인해, 금(Au) 및 은(Ag)을 포함하는 다른 금속으로 직접 침착되어 움직임을 감지하기 위한 한정된 크랙을 발생시키지 못한다. 이것은 재료 선택에 엄청난 제약을 준다. 접착력이 필수 요소인 금속층과 중합체층의 상호 작용에서, 호환성은 센싱 시스템 분야에서 매우 중요한 문제이다.

상술한 바와 같이, 접착력이 필수 요소인 금속층과 중간층의 상호 작용에서, 호환성은 감지 시스템 분야에서 매우 중요한 문제이며, 이러한 문제를 해결하기 위해 새로운 중간층들(inter-layers)을 삽입하는 것이 해결책이 될 수 있다. 본 발명자들은 금속층과 PET 필름의 밀착성을 향상시키기 위해 산화물층을 갖는 다른 연성 금속층에 크랙을 발생시키는 취성 금속의 Cr층과 같은 중간층을 도입함으로써 다양한 재료(Au, Ag 및 Pt)를 갖는 기계적 크랙 감지 시스템을 제시한다.

본 발명에 따른 중간층이 개재된 금속 박막을 이용한 크랙 기반 고감도 인장 센서에 있어서:

지지체;

서로 마주하면서 적어도 일부 면이 서로 접촉할 수 있는 크랙을 포함하고 연성(ductility)을 갖는 전도성 금속 박막; 및

상기 지지체와 상기 전도성 금속 박막 사이에 형성되는 제 1 중간층 및 상기 제 1 중간층과 상기 지지체 사이에 위치하여 상기 제 1 중간층과 상기 지지체를 접착하는 제 2 중간층을 포함하고,

상기 제 1 중간층은 상기 전도성 금속 박막에 접착되어, 상기 제 1 중간층에서 형성되는 크랙으로 인하여 상기 전도성 금속 박막에 크랙이 형성되도록 한 것을 특징으로 할 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 센서에 있어서, 상기 제 1 중간층은 Cr, Ti, Ni 및 이들의 합금으로 이루어진 그룹에서 선택되는 어느 하나 또는 이들의 조합으로 이루어질 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 센서에 있어서, 상기 전도성 금속 박막은 Au, Ag, Pt, 및 이들의 합금으로 이루어진 그룹에서 선택되는 어느 하나 또는 이들의 조합으로 이루어진 것일 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 센서에 있어서, 상기 제 2 중간층은 접착층(adhesive layer)일 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 센서에 있어서, 상기 제 2 중간층은 MoO₃으로 이루어진 것일 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 센서에 있어서, 상기 지지체는 가요성일 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 센서에 있어서, 상기 지지체는 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET), 폴리이미드(PI) 로 이루어진 그룹에서 선택되는 어느 하나 또는 이들의 조합으로 이루어진 것일 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 센서에 있어서, 외부 자극에 의하여 상기 전도성 금속 박막의 크랙 및 상기 제 1 중간층의 크랙에 전기적 단락 또는 개방이 발생하여 상기 전도성 금속 박막의 전기 저항 값이 변화되는 것일 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 센서에 있어서, 상기 외부 자극은 인장 및 압력 중 어느 하나 또는 이들의 조합인 것일 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 센서에 있어서, 상기 외부 자극은 0 % 내지 2 %의 스트레인(strain)인 것일 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 센서에 있어서, 상기 센서의 폭은 2~10 mm이고 높이는 20~80 mm인 것일 수 있다.

또한, 상기 센서는 인캡슐레이션(encapsulation) 되어 있을 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 센서를 적어도 하나를 포함하는 센싱 시스템은 상기 센서로부터의 데이터를 수집하고 종합하여 처리하는 처리기, 상기 센서와 상기 프로세서 데이터를 송수신할 수 있는 송수신기를 더 포함하고, 상기 센서 및 상기 프로세서 간의 데이터의 전송은 근거리 무선 통신(Near Field Communication, NFC)으로 이루어지는 것일 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 센서를 적어도 하나를 포함하는 센싱 시스템은 웨어러블 의료 기기 또는 인공 전자 스킨(artificial electronic skin)일 수 있다.

본 발명에 따른 센서는 전도성 금속 박막과 지지체 사이에 중간층으로서 제 1 중간층(예를 들면, Cr 층)과 제 2 중간층(예를 들면, MoO₃의 접착층)을 개재함으로써, 외부 자극(스트레인)에 대해 보다 높은 감도를 가지며, 보다 높은 재현성과 내구성을 갖는 장점이 있다.

도 1a은 본 발명에 따른 크랙 센서(1)의 구성을 개략적으로 도시한다.
도 1b는 본 발명에 따른 크랙 센서(1)의 예시로서, 각각 Au, Ag 및 Pt의 전도성 금속 박막(10)을 포함하는 크랙 센서(1)의 사진이다.
도 1c는 본 발명에 따른 크랙 센서(1)의 센싱 원리를 모식적으로 도시한다.
도 2a는 본 발명에 따른 크랙 센서(1)에서, PET의 지지체(40)에 증착된 Cr의 제 1 중간층(20) 및 MoO₃의 접착층인 제 2 중간층(30)이 2 %의 스트레인으로 연신된 후의 FESEM 이미지를 도시한다.
도 2b 내지 도 2d는 중간층으로서 제 1 중간층(20) 및 제 2 중간층(30)을 포함하고, Au, Ag 및 Pt 각각의 전도성 금속 박막(10)을 포함하는 적층형 크랙 센서(1)의 FESEM 이미지를 도시한다.
도 3a 내지 도 3c는 각각 Au, Ag, 및 Pt로 이루어진 전도성 금속 박막(10)에 대한 스트레인에 따른 정규화된 저항 변화의 결과를 도시한다.
도 3d 내지 도 3f는 본 발명에 따른 크랙 센서(1)의 재현성(reproducibility)과 히스테리시스(hysteresis)를 보여준다.
도 4a 내지 4c는 0.5 %, 1 % 및 2 %로 스트레인 변화를 주어 본 발명에 따른 크랙 센서(1)의 가역성을 테스트한 결과의 그래프이다.
도 4d 내지 도 4f는 본 발명에 따른 Au, Ag 및 Pt의 전도성 금속 박막(10)을 각각 포함하는 크랙 센서(1)에 관한 내구성 테스트의 결과를 각각 보여준다.
도 5a 내지 도 5f는 일 예시로서, Au의 전도성 금속 박막(10)을 포함하는 크랙 센서(1)를 사람의 손가락에 적용한 경우의 사진 및 정규화된 저항 변화를 도시한다.
도 6a 내지 도 6c는 본 발명에 따른 크랙 센서(1)의 경우와 Cr층 및 MoO₃층이 없이 PET 지지체위에 전도성 금속 박막이 적층된 경우의 정규화된 저항 변화를 비교한 그래프이다.

이하, 본 발명의 일 실시예에 따른 중간층이 개재된 금속 박막을 이용한 크랙 기반 고감도 인장 센서(이하, '크랙 센서'라고 함)를 상세히 설명한다. 첨부된 도면은 본 발명의 예시적인 형태를 도시한 것으로, 이는 본 발명을 보다 상세히 설명하기 위해 제공되는 것일 뿐, 이에 의해 본 발명의 기술적인 범위가 한정되는 것은 아니다.

또한, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 대응되는 구성요소는 동일한 참조번호를 부여하고 이에 대한 중복 설명은 생략하기로 하며, 설명의 편의를 위하여 도시된 각 구성 부재의 크기 및 형상은 과장되거나 축소될 수 있다.

도 1a은 본 발명에 따른 크랙 센서(1)의 구성을 개략적으로 도시한다. 좌측의 그림은 단면도를 우측의 그림은 사시도를 개략적으로 도시한다. 크랙 센서(1)는 크게 전도성 금속 박막(10), 제 1 중간층(20), 지지체(40)를 포함하고, 제 2 중간층(30)을 더 포함할 수 있다. 전도성 금속 박막(10)은 예를 들면 Au, Ag, Pt, Cu, Fe, Mg, Sn, Zn, Al, Co, Mn, W, Cd, Pd, Ti, Carbon, 이들의 합금, 및 이들의 혼합물로 이루어진 그룹에서 선택되는 적어도 어느 하나로 이루어진 층일 수 있다. 제 1 중간층(20)은 전도성 금속 박막(10)에 대한 접착층이다. 제 1 중간층(20)은 크랙을 형성할 수 있으면서도 접착력이 우수한 층으로서, 예를 들면 Cr, Ti, Ni, 이들의 합금, 및 이들의 혼합물로 이루어진 그룹에서 선택되는 적어도 어느 하나로 이루어진 층이고, 취성(brittle)을 갖는 층이다. 지지체(40)는 가요성 지지체일 수 있고, 예를 들면 폴리머로 이루어진 층일 수 있다. 보다 구체적으로 예를 들면, PET(폴리에틸렌테레프탈레이트), PI(폴리이미드), PC(폴리카보네이트), PE(폴리에틸렌), PVA(폴리비닐알코올), OPP(연신폴리프로필렌), 및 Cellulose Nylon(셀룰로우즈 나일론)으로 이루어진 그룹에서 선택되는 어느 하나로 이루어진 층일 수 있다. 한편, 본 발명에 따른 크랙 센서(1)는 제 2 중간층(30)을 더 포함할 수 있다. 제 2 중간층(30)은 제 1 중간층(20)과 지지체(40)를 접착하는 접착층이고, 예를 들면 MoO₃으로 이루어진 층일 수 있다. 후술하는 바와 같이, 예를 들어 30 mm 두께의 PET 지지체의 필름 상에 전도성 금속 박막(Au, Ag 또는 Pt), MoO₃층 및 Cr층을 열적진공증착기(thermal evaporator)로 각각 20 nm, 5nm 및 10 nm로 증착하여 제작할 수 있다.

도 1b는 도 1a에 따른 전도성 금속 박막(10)으로서 각각 Au, Ag 및 Pt의 금속층을 포함하는 크랙 센서(1)의 사진이다. 이들 3 가지 금속은 낮은 전기 저항(20 ℃에서, Au: 22.14 nΩ m, Ag: 16.87 nΩ m, Pt는 105 nΩ m)과 높은 연성(ductility)을 갖기 때문에 이러한 금속 박막(10)은 일반적으로 2 %의 스트레인 내에서 PET 지지체(40)에는 크랙을 발생시키지 않는다. 본 발명에 따른 크랙 센서(1)에서는, 연성의 전도성 금속 박막(10)에 안정한 크랙을 만들기 위해 중간층으로서 제 2 중간층(30)을 사용함으로써, 스트레인(strain)을 인가시에 광범위하게(universally) 크랙이 발생되는 전도성 금속 박막(10)에서의 저항 변화를 감지한다(도 1c 참조). 이러한 크랙 센서(1)의 전도성 금속 박막에서의 저항 변화는 크랙 상태에 의해 특징지어진다. 스트레인이 센서(1)에 인가되면 개방된(opened) 크랙이 전도성 금속 박막(10)의 전도성을 감소시키므로 저항이 증가한다. 반대로, 저항은 스트레인이 해제되어 크랙이 닫히게 되면 감소한다.

한편, 중간층이 없이 PET 지지체에 전도성 금속 박막이 증착된 경우에는, PET 지지체가이 2 %의 스트레인으로 연신(stretching)되더라도, 전도성 금속 박막 상에 크랙이 발생하지 않는다. 그러나, 본 발명에 따르면, 전도성 금속 박막(10) 아래에 크랙 형성을 위한 제 1 중간층(20)을 더 포함한다. 제 1 중간층(20)은 상술한 바와 같이 취성을 갖는 Cr로 이루어진 층일 수 있다. Cr은 2 %의 스트레인 이하에서만 크랙을 생성하는 정도의 취성을 갖는다.

도 2a는 일 예시로서 PET의 지지체(40)에 증착된 Cr의 제 1 중간층(20) 및 MoO₃의 제 2 중간층(30)이 2 %의 스트레인으로 연신된 후의 FESEM 이미지를 도시한다. 도 2a의 FESEM 이미지로부터 크랙이 규칙적인 간격으로 잘 발생함을 알 수 있다.

다시 도 1a를 참조하면, 2 개의 층이 함께 단단히 결합될 때, 하나의 층의 크랙의 발생이 다른 층에도 크랙이 형성되도록 할 수 있다. 즉, 제 1 중간층(20)은 Au, Ag, 및 Pt 각각의 전도성 금속 박막(10)의 접착층으로 작용하여 제 1 중간층(20)으로부터 시작된 크랙은 전도성 금속 박막(10)에 크랙이 형성될 수 있도록 한다. 다시 말하면, 크랙은 취성 재료로 된 제 1 중간층(20)에서 발생하여 연성 재료로된 전도성 금속 박막(10)으로 확장된다. 또한, 외부 자극에 의하여 제 1 중간층(20)의 크랙 및 이로 인한 전도성 금속 박막(10)의 크랙에 전기적 단락 또는 개방이 발생하여 전도성 금속 박막(10)의 전기 저항 값이 변화되고, 이러한 전도성 금속 박막(10)의 전기 저항 값의 변화로 외부 자극을 감지할 수 있다. 상기 외부 자극은 예를 들면 인장 및 압력 중 어느 하나 또는 이들의 조합일 수 있다. 한편, 제 2 중간층(30)에서는 크랙이 발생하지 않는다.

도 2b 내지 도 2d는 중간층으로서 일 예시로서 Cr의 제 1 중간층(20) 및 MoO₃의 제 2 중간층(30)을 포함하고, Au, Ag 및 Pt 각각의 전도성 금속 박막(10)을 포함하는 적층형 크랙 센서(1)의 FESEM 이미지를 도시한다. 도 2b 내지 도 2d에서 알 수 있는 바와 같이, 도 2b 내지 도 2d에 도시된 크랙 센서(1)는 도 2a와 유사한 규칙적인 간격을 갖는 크랙을 갖는다. 2 %의 스트레인으로 연신된 경우에, PET의 지지체(40)상의 제 1 중간층(20)의 크랙 간 평균 거리는 약 4.7μm이다. 유사하게, Au, Ag 및 Pt 각각의 전도성 금속 박막(10)의 크랙 간 평균 거리는 각각 약 4.8μm, 4.4μm 및 5.0μm이다. 제 1 중간층(20)이 전도성 금속 박막(10)에 접착층으로 작용하여 제 1 중간층(20)으로부터 시작된 크랙이 전도성 금속 박막(10)에 크랙이 형성되도록 하기 때문에, 제 1 중간층(20)의 크랙 간 평균 거리와 전도성 금속 박막(10)의 크랙 간 평균 거리가 유사하다. 또한, 예를 들어, Cr의 제 1 중간층(20)은 PET의 지지체(40) 상에는 잘 부착되지 않기 때문에, 전도성 금속 박막(10)과 지지체(40) 사이의 중간층으로서 MoO₃의 제 2 중간층(30)을 구비하지 않는 경우에는 센서(1)의 내구성이 저하될 우려가 크게 된다. 이와 관련하여, 도 3은 MoO₃의 제 2 중간층(30)이 없는 Pt 적층형 크랙 센서의 내구 시험 그래프를 도시한다. PET 지지체와 금속 필름 사이의 접착력이 약하기 때문에 센서의 게이지 팩터는 650 사이클 내에서 850에서 370으로 감소한다. 이러한 문제를 해결하기 위해, 본 발명에 따르면, PET의 지지체(40)와 제 1 중간층(20) 사이에 또 다른 접착층인 MoO₃의 제 2 중간층(30)을 더 포함할 수 있다. MoO₃의 제 2 중간층(30)은 예를 들어 5 nm로 증착된 것일 수 있다. 참고로, Cr층이 없는 MoO₃층만 있는 센서에서는 2 %의 스트레인에서도 크랙이 발생하지 않으며 MoO₃층이 접착층으로만 작용하게 되어 크랙 센서로서의 기능은 발휘하지 않는다. 한편, 재료에 따라, 제 1 중간층(20)이 지지체(40)에 접착되는 경우에는, 제 2 중간층(30)을 포함하지 않고도 본 발명을 구현할 수 있다. 예를 들어, 지지체(40)가 폴리이미드(Polyimide)로 이루어진 경우에, MoO₃의 제 2 중간층(30)의 개재 없이도 크랙 센서(1)의 구현이 가능하다.

한편, 전도성 금속 박막(10)의 높이는 예를 들어 10nm 이상이고, 제 1 중간층(20)의 높이는 예를 들어 5 nm 이상이고, 제 2 중간층(30)의 높이는 예를 들어 0 nm 이상이고, 지지체(40)의 높이는 예를 들어 10 mm일 수 있다. 그러나, 본 발명은 상술한 것에 한정되지 않고, 전도성 금속 박막(10), 제 1 중간층(20), 제 2 중간층(30), 지지체(40) 각각의 높이는 본 발명이 구현되는 다양한 환경(예를 들면, 본 발명의 크랙 센서(1)에 가해지는 스트레인의 정도, 본 발명의 크랙 센서(1)가 적용되는 디바이스의 종류, 등)에 따라 다양하게 변형, 변경될 수 있다.

본 발명에 따른 크랙 센서(1)의 제조

본 발명에 따른 크랙 센서(1)의 크기는 폭이 예를 들어 2~10 mm 또는 6.5mm이고, 높이가 예를 들어 20~80 mm 또는 40 mm일 수 있다. 전도성 금속 박막(10)의 높이는 예를 들어 10~500 nm이고, 제 1 중간층(20)의 높이는 예를 들어 5~500 nm이고, 제 2 중간층(30)의 높이는 예를 들어 0~500 nm이고, 지지체(40)의 높이는 예를 들어 10~50 mm 일 수 있다. 일 예시로서, 열적진공증착기(Selcos Co., LTD.)를 이용하여 두께 10~50 mm, 예를 들어 30 mm의 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET) 필름 위에 1~10 nm, 예를 들어 5 nm의 MoO₃와 5~20 nm, 예를 들어 10 nm의 Cr을 증착한다.

그러나, 본 발명은 상술한 치수들에 한정되지 않고, 전도성 금속 박막(10)과 제 1 중간층(20)에 크랙이 발생할 수 있는 범위 내라면 충분하고 본 발명이 적용되는 다양한 조건, 분야 등에 따라 변형, 변경이 가능하다. 본 발명에 따른 크랙 센서(1)의 제조시에, Cr층의 상부에, 20 nm의 Au 또는 Ag가 열적진공증착기에 의해 증착된다. Au와 Ag의 증착 속도는 예를 들어 0.1 nm/s이다. 또한, Pt는 예를 들어 스퍼터링(Q300TD, Tescan Korea)에 의해 Cr층 상에 증착된다. 각 금속층 크랙 센서의 경우, 예를 들어 재료 시험기(3342 UTM, Instron Co.)를 사용하여 센서에 크랙이 발생하도록 제작할 수 있다.

본 발명에 따른 크랙 센서(1)의 성능 측정

도 3a 내지 도 3c는 각각 Au, Ag, 및 Pt로 이루어진 전도성 금속 박막(10)에 대한 스트레인에 따른 정규화된 저항 변화의 결과를 도시한다. 도 3a는 0 % 내지 2 %로 스트레인을 변화시키는 경우의 Au의 전도성 금속 박막(10)을 포함하는 크랙 센서(1)의 정규화된 저항(R/R₀) 분포를 10 사이클로 나타낸 그래프이고, 선형 정의된 게이지 팩터(GF, ((R-R₀)/R₀)/ε)는 1600이상이다. 도 3b는 0 % 내지 2 %로 스트레인을 변화시키는 경우의 Ag의 전도성 금속 박막(10)을 포함하는 크랙 센서(1)의 정규화된 저항(R/R₀) 분포를 10 사이클로 나타낸 그래프이고, 게이지 팩터(GF)는 1700 이상이다. 도 3c는 0 % 내지 2 %로 스트레인을 변화시키는 경우의 Pt의 전도성 금속 박막(10)을 포함하는 크랙 센서(1)의 정규화된 저항(R/R₀) 분포를 10 사이클로 나타낸 그래프이고, 게이지 팩터(GF)는 900 이상이다.

본 발명에 따른 크랙 센서(1)의 도 3a 내지 도 3c와의 결과를 중간층인 Cr층 및 MoO₃층이 없이 전도성 금속 박막이 PET 지지체 위에 증착된 경우의 결과와 비교하면 다음과 같다. 도 6a 내지 도 6c는 스트레인이 0 % 내지 2 %로 변화하는 경우에 본 발명에 따른 크랙 센서의 경우와 Cr층 및 MoO₃층이 없이 전도성 금속 박막이 PET 지지체에 증착된 경우의 정규화된 저항 변화를 비교한 그래프이다. 도 6a는 본 발명에 따른 Au의 전도성 금속 박막을 포함하는 크랙 센서(1)의 경우(흑색선)와 Cr층 및 MoO₃층이 없이 PET 지지체위에 Au가 적층된 경우(적색선)와의 정규화된 저항 변화를 비교한 그래프이다. PET 지지체 상의 Au층은 연성이기 때문에 0 % 내지 2 %의 스트레인으로 Au층에 크랙이 발생하지 않는다. PET 지지체상의 Au층은 0 % 내지 2 %의 스트레인으로 약간의 정규화된 저항 변화만을 갖는다. 도 6b는 본 발명에 따른 Ag의 전도성 금속 박막을 포함하는 크랙 센서(1)의 경우(흑색선)와 Cr층 및 MoO₃층이 없이 PET 지지체위에 Ag가 적층된 경우(청색선)와의 정규화된 저항 변화를 비교한 그래프이다. 도 6c는 본 발명에 따른 Pt의 전도성 금속 박막을 포함하는 크랙 센서(1)의 경우(흑색선)와 Cr층 및 MoO₃층이 없이 PET 지지체 위에 Pt가 적층된 경우(녹색선)와의 정규화된 저항 변화를 비교한 그래프이다. PET 지지체 상에 Au층이 적층된 경우와 같이, Cr층 및 MoO₃층이 없이 PET 지지체 상에 Ag 또는 Pt가 적층된 경우에도 0 % 내지 2 %의 스트레인으로 약간의 정규화된 저항 변화만을 나타낸다.

도 3d 내지 도 3f는 본 발명에 따른 크랙 센서(1)의 재현성(reproducibility)과 히스테리시스(hysteresis)를 보여준다. 도 3d는 오차 막대(error bar)와 함께 본 발명에 따른 상이한 5 개의 Au의 전도성 금속 박막(10)을 포함하는 크랙 센서들(1)에 대한 0 % 내지 2 %의 스트레인 대 정규화된 저항의 그래프이다. 검정색 점은 센서를 0 %에서 최종 스트레인인 2 %까지 로드(load)하는 경우를 나타내며 빨간색 점은 센서를 2 %에서 최종 스트레인인 0 %로 언로드(unload)하는 경우를 나타낸다. 마찬가지로, 도 3e 및 3f는 각각 오차 막대(error bar)와 함께 본 발명에 따른 상이한 5 개의 Ag 및 Pt의 전도성 금속 박막(10)을 포함하는 크랙 센서들(1)에 대한 0 % 내지 2 %의 스트레인 대 정규화된 저항의 그래프이다. 검정색 점과 빨간색 점은 각각 0 % 에서 2 %으로 및 2 % 에서 0 %으로 센서를 로드 및 언로드하는 경우의 정규화된 저항을 나타낸다. 도 3d 내지 3f에서 알 수 있듯이, 본 발명에 따른 크랙 센서(1)의 로딩/언로딩 히스테리시스는 거의 없다. 도 3d 내지 3f의 작은 오차 막대는 본 발명에 따른 크랙 센서(1)가 높은 재현성을 가짐을 보여준다.

도 4a 내지 4c는 0.5 %, 1 % 및 2 %로 스트레인 변화를 주어 본 발명에 따른 크랙 센서(1)의 가역성을 테스트한 결과의 그래프이다. 도 4a는 Au의 전도성 금속 박막(10)을 포함하는 크랙 센서(1)의 가역성 테스트이고, 도 4b는 Ag의 전도성 금속 박막(10)을 포함하는 크랙 센서(1)의 가역성 테스트이고, 도 4c는 Pt의 전도성 금속 박막(10)을 포함하는 크랙 센서(1)의 가역성 테스트이다. 도 4a 내지 도 4c에서 각각 파란색 선은 0 % 내지 0.5 %의 스트레인 변화의 경우를, 빨간색 선은 0 % 내지 1 %의 스트레인 변화의 경우를, 검은 선은 0 % 내지 2 %의 스트레인 변화의 경우를 나타낸다. 본 발명에 따른 크랙 센서(1)는 0 % 에서 각각 0.5 %, 1 % 및 2 %까지의 스트레인 변화에 대하여, 유사한 정규화된 저항 변화를 나타낸다.

크랙 센서에 대한 또 다른 중요한 성능은 내구성(durability)으로서, 도 4d 내지 도 4f는 본 발명에 따른 Au, Ag 및 Pt의 전도성 금속 박막(10)을 각각 포함하는 크랙 센서(1)에 관한 내구성 테스트의 결과를 각각 보여준다. 도 4d 내지 도 4f의 내구성 테스트에서 본 발명에 따른 크랙 센서(1)에 대해 각각 5000 번의 주기적 테스트를 수행하였다. 보다 구체적으로, 크랙 센서(1)는 0 % 내지 2 %의 스트레인 변화로 인장되었으며, 내구성을 측정하기 위해 센서를 최대 5000 번 반복적으로 인장되었다. 크랙 센서(1)의 저항 편차는 Lab View-based PXI-4071 시스템(National Instruments Inc.)에 의하여 측정되었다.

본 발명에 따른 크랙 센서(1)는 스트레인에 대해 높은 감도(Au 및 Ag 금속층 크랙 센서의 GF는 2 %의 스트레인에서 약 1600이고 Pt 금속층 크랙 센서의 GF는 약 850 임), 재현성 및 내구성을 나타낸다.

또한 본 발명에 따른 센서는 안정성 향상을 위해 인캡슐레이션 될 수 있다. 인캡슐레이션은 폴리이미드, 파릴렌 C, 카본 에폭시 레진 등 업계에서 통상적으로 사용되는 재료라면 제한 없이 사용할 수 있으며, 인슐레이션 방법도 통상적인 방법이라면 제한 없이 사용할 수 있으므로 구체적인 설명은 생략한다.

본 발명에 따른 크랙 센서(1)를 사용하여 손의 움직임을 감지

본 발명에 따른 크랙 센서(1)로 사람의 동작을 감지할 수 있다. 도 5a 내지 도 5f는 일 예시로서, Au의 전도성 금속 박막(10)을 포함하는 크랙 센서(1)를 사람의 손가락에 적용한 경우의 사진 및 정규화된 저항 변화를 도시한다. 본 발명에 따른 크랙 센서(1)의 지지체(40)는 가요성이 있는 지지체, 예를 들면 PET 재질의 지지체위에 제작된 것으로, 사람의 신체 위에 장착될 수 있는 유연성을 가지며, 예를 들어 도 5a 내지 도 5c에 도시된 바와 같이 크랙 센서(1)를 손가락의 마디(관절) 위에 장착할 수 있다.

우선, 도 5a에서와 같이 다섯 손가락 모두를 펼친 상태에서 검지와 약지 손가락이 손등과 연결되는 마디에 크랙 센서(1)를 각각 부착하였다. 도 5d 내지 도 5f에서 왼쪽의 그래프는 검지에 부착된 센서(1)의 저항 변화를 나타내고 오른쪽의 그래프는 약지에 부착된 센서(1)의 저항 변화를 나타낸다. 도 5a의 경우, 도 5d의 그래프에서 알 수 있는 바와 같이 크랙 센서(1)의 저항 변화는 거의 없다. 한편, 도 5b에서와 같이 손을 쥐고 있는 경우, 크랙 센서(1)가 부착된 손가락이 구부러지면서 크랙 센서 표면(1)의 크랙이 개방되고 그에 따라 크랙 센서(1)의 전기 저항이 도 5e에 도시된 바와 같이 증가하게 된다. 한편, 도 5c에서와 같이 검지와 중지만을 펴고 나머지 손가락을 구부린 상태에서는, 도 5f의 그래프에서 알 수 있는 바와 같이, 왼쪽의 그래프에서 검지에 부착된 센서(1)의 저항 변화는 거의 없는 반면 오른쪽의 그래프에서 약지에 부착된 센서(1)의 저항 변화가 큰 것을 알 수 있다. 정리하면, 해당 신체 부위들(예를 들어 검지 및 약지)에 각각 부착된 크랙 센서(1)의 저항 변화를 측정하여 해당 신체 부위의 움직임을 감지할 수 있다.

이로부터, 본 발명에 따른 크랙 센서(1)를 웨어러블 의료 기기 또는 인공 전자 스킨(artificial electronic skin)과 같은 센싱 시스템에 적용할 수 있다. 구체적으로, 웨어러블 의료 기기로 사용되는 경우, 손목의 펄스나 심장 박동을 측정하는 센서로 사용될 수 있다. 또한, 전자 스킨으로 사용되는 경우, 모션 캡쳐와 같은 분야에 활용될 수 있다. 이러한 경우, 센싱 시스템은 신체 특정 부위에 부착될 수 있는 크랙 센서(1)(또는, 신체의 여러 부위들에 각각 장착될 수 있는 복수 개의 크랙 센서(1)들)과 크랙 센서(1) 또는 크랙 센서(1)들로부터의 데이터를 수집하고 종합하여 처리할 수 있는 처리기를 더 포함할 수 있다. 또한, 크랙 센서(1) 및 처리기 간에 데이터를 송수신할 수 있도록 송신기, 수신기 또는 송수신기를 더 포함할 수 있다. 크랙 센서(1) 및 처리기 간의 데이터의 전송은 예를 들면 근거리 무선 통신(Near Field Communication, NFC), 블루투스, 등으로 구현될 수 있다.

상술한 본 발명의 기술적 구성은 본 발명이 속하는 기술분야에서의 통상의 기술자가 본 발명의 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예는 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로 이해되어야 한다. 아울러, 본 발명의 범위는 상기의 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구 범위에 의하여 나타내어진다. 또한, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

1: 크랙 센서
10: 전도성 금속 박막
20: 제 1 중간층
30: 제 2 중간층
40: 지지체

Claims

중간층이 개재된 금속 박막을 이용한 크랙 기반 고감도 인장 센서에 있어서:
지지체;
서로 마주하면서 적어도 일부 면이 서로 접촉할 수 있는 크랙을 포함하고 연성(ductility)을 갖는 전도성 금속 박막; 및
상기 지지체와 상기 전도성 금속 박막 사이에 형성되는 제 1 중간층을 포함하고,
상기 제 1 중간층은 상기 전도성 금속 박막에 접착되어, 상기 제 1 중간층에서 형성되는 크랙으로 인하여 상기 전도성 금속 박막에 크랙이 형성되도록 한 것을 특징으로 하는 센서.
제 1 항에 있어서,
상기 제 1 중간층은 Cr, Ti, Ni, 이들의 합금, 및 이들의 혼합물로 이루어진 그룹에서 선택되는 어느 하나 또는 이들의 조합으로 이루어진 것인, 센서.
제 1 항에 있어서,
상기 전도성 금속 박막은 Au, Ag, Pt, Cu, Fe, Mg, Sn, Zn, Al, Co, Mn, W, Cd, Pd, Ti, 카본(Carbon), 이들의 합금, 및 이들의 혼합물로 이루어진 그룹에서 선택되는 어느 하나 또는 이들의 조합으로 이루어진 것인, 센서.
제 1 항에 있어서,
상기 제 1 중간층과 상기 지지체 사이에 위치하여 상기 제 1 중간층과 상기 지지체를 접착하는 접착층(adhesive layer)인 제 2 중간층을 더 포함하는, 센서.
제 4 항에 있어서,
상기 제 2 중간층은 MoO₃으로 이루어진 것인, 센서.
제 1 항에 있어서,
상기 지지체는 가요성인, 센서.
제 6 항에 있어서,
상기 지지체는 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET), 폴리이미드(PI), PC(폴리카보네이트), PE(폴리에틸렌), PVA(폴리비닐알코올), OPP(연신폴리프로필렌), 및 셀룰로우즈 나일론(Cellulose Nylon)으로 이루어진 그룹에서 선택되는 어느 하나 또는 이들의 조합으로 이루어진 것인, 센서.
제 1 항에 있어서,
외부 자극에 의하여 상기 전도성 금속 박막의 크랙 및 상기 제 1 중간층의 크랙에 전기적 단락 또는 개방이 발생하여 상기 전도성 금속 박막의 전기 저항 값이 변화되는 것인, 센서.
제 8 항에 있어서,
상기 외부 자극은 인장 및 압력 중 어느 하나 또는 이들의 조합인 것인, 센서.
제 8 항에 있어서,
상기 외부 자극은 0 % 내지 2 %의 스트레인(strain)인, 센서.
제 1 항에 있어서,
상기 센서의 폭은 2 내지 10 mm이고 높이는 20 내지 80 mm인, 센서.
제 1 항에 있어서,
상기 센서는 인캡슐레이션(encapsulation) 되어 있는 것인, 센서.
제 1 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 따른 센서를 적어도 하나를 포함하는 센싱 시스템으로서, 상기 센서로부터의 데이터를 수집하고 종합하여 처리하는 처리기, 상기 센서와 상기 처리기 데이터를 송수신할 수 있는 송수신기를 더 포함하고, 상기 센서 및 상기 처리기 간의 데이터의 전송은 근거리 무선 통신(Near Field Communication, NFC)으로 이루어지는, 센싱 시스템.
제 13 항에 있어서,
상기 센싱 시스템은 웨어러블 의료 기기 또는 인공 전자 스킨(artificial electronic skin)인, 센싱 시스템.