KR102087840B1 - 스트레인 센서 및 이의 제조 방법 - Google Patents

스트레인 센서 및 이의 제조 방법 Download PDF

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오승주
이우석
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Abstract

본 발명은 스트레인 센서 및 이의 제조 방법을 개시한다. 본 발명의 실시예에 따른 스트레인 센서는 유연한 절연성 기판 상에 형성되고, X축 변형을 감지하는 X축 감지부; 상기 X축 감지부와 직교되도록 상기 유연한 절연성 기판 상에 형성되고, Y축 변형을 감지하는 Y축 감지부; 상기 유연한 절연성 기판의 상기 X축 감지부 및 상기 Y축 감지부가 형성되지 않은 영역에 형성되는 금속 전극; 및 상기 X축 감지부, 상기 Y축 감지부 및 상기 금속 전극 상에 형성되는 캡슐화층(encapsulate layer)을 포함하고, 상기 X축 감지부 및 상기 Y축 감지부는 금속-절연체 헤테로 구조(Metal-insulator heterostructure)를 갖는 것을 특징으로 한다.

Description

스트레인 센서 및 이의 제조 방법{STRAIN SENSOR AND METHOD FOR MANUFACTURING THE SAME}
본 발명은 스트레인 센서 및 이의 제조 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 금속-절연체 헤테로 구조(Metal-insulator heterostructure) 기반의 투명 다축 스트레인 센서 및 이의 제조 방법에 관한 것이다.
일반적으로 스트레인 게이지나 스트레인 센서는 기계적인 미세한 변화(Strain)를 전기신호로 변환하여 검출하는 센서이다. 보다 구체적으로, 스트레인 센서란 항공기 구조물, 자동차의 구조물, 각종 공작기계, 교량, 선박 등의 다양한 구조물의 인장 또는 압축 등의 스트레인을 측정함으로써 정적 및 동적 시험, 구조 안정성 시험 등을 효과적으로 수행할 수 있도록 하는 장치이며 일반적으로 얇은 에폭시 필름상에 스트레인 게이지(strain gauge)를 부착하고 전선을 연결하여 구성된다.
전선에 전류를 가하면 전선에 발생되는 저항은 전선의 단면적에 반비례, 길이에 비례하게 되는데, 시편에 스트레인 센서를 부착하고 하중을 가하면 시편은 하중에 따라 늘어나거나 줄어들고 스트레인 센서 내의 전선의 길이와 단면적의 변화가 생기게 되며, 이러한 길이와 단면적의 변화로 인한 저항의 변화를 측정하여 스트레인을 측정하는 것이 스트레인 센서의 기본적인 원리이다.
더 나아가, 유연성을 가지면서 변형을 감지할 수 있는 스트레인 센서는 동작 감지 분야, 로봇 분야, 다양한 생물 또는 의학 응용 분야 등 다양한 분야에서 활용될 수 있다.
특히, 인공피부의 경우, 다양한 사람의 동작 및 외부의 자극에 따른 피부의 변형을 민감하게 감지할 수 있어야 하며, 부드럽고 곡률을 가는 부위에 적용할 수 있어야 하며, 상당한 유연성 및 내구성을 필요로 한다. 또한, 사람의 동작 및 외부의 자극이 갖는 방향성을 감지할 수 있어야 한다.
이를 위해, 스트레인 센서는 기계적 성능이 우수하고 특유의 투명성을 갖는 탄소를 기초로 하는 재료들이 사용되고 있다. 그러나, 탄소를 기초로 하는 재료들은 낮은 게이지 팩터(GF: gauge factor) 및 낮은 전기 전도도로 인한 문제점을 내포하고 있다. 게이지 팩터가 낮은 경우 변형에 대한 정보를 정확하게 감지할 수 없다. 마찬가지로, 정전 용량 구조를 포함하는 센서의 경우 탁월한 선형성 및 낮은 히스테리시스(hysteresis)를 갖지만, 낮은 게이지 팩터를 보이고 있다(게이지 팩터는 최대 1).
최근 저가 용액 공정의 장점을 활용하여 나노 입자를 웨어러블 스트레인 센서에 적용하는 연구가 활발히 진행 중이다. 그러나 기존 나노 입자 기반 스트레인 게이지는 불투명하여 웨어러블 기기로 사용하기에 심미성이 떨어질 뿐만 아니라 민감도가 매우 낮아 혈압, 호흡 등과 같은 미세한 신체 신호를 읽어내는데 어려움이 있으며, 단일 축 방향의 스트레인만 감지하는 한계가 존재한다. 이에 종래 스트레인 게이지의 문제를 해결하기 위한 방안이 절실히 요구되고 있다.
특히, 우수한 전기적 성질 및 기계적 성질을 갖는 은(Ag) 나노 와이어를 이용하여 스트레인 센서를 제조하는 기술이 제안되고 있다. 그러나, 은 나노 와이어를 포함하는 스트레인 센서는 특정한 일 방향에 대한 변형만을 감지하는 문제점이 있다.
스트레인 센서는 다차원적인 변형을 감지할 수 있는 능력이 요구된다. 그러나, 종래의 스트레인 센서는 일 방향으로 발생하는 변형에 대하여 민감하게 반응하므로, 다차원적이고 무작위적인 변형을 정확하게 검출하는 데 어려움이 있다.
대한민국 등록특허 제 10-1813074호, "스트레인 센서의 제조 방법, 스트레인 센서 및 이를 포함하는 웨어러블 디바이스" 대한민국 등록특허 제10-1813074호, "3차원 스트레인 센서 및 이의 제조방법"
본 발명의 실시예는 X축 감지부 및 Y축 감지부가 금속성 물질로 사용되는 제1 나노 결정 및 절연성 물질로 사용되는 제2 나노 결정으로 구성된 금속-절연체 헤테로 구조를 포함함으로써, 퍼콜레이션(percolation)를 이용하여 민감도가 향상된 스트레인 센서를 제공하고자 한다.
본 발명의 실시예는 X축 감지부 및 Y축 감지부가 투명한 제1 나노 결정 및 제2 나노 결정을 포함함으로써, 투명성을 확보하는 동시에 다축 감지가 가능한 스트레인 센서를 제공하고자 한다.
본 발명의 실시예는 내부에 크랙을 포함하는 X축 감지부 및 Y축 감지부 상에 캡슐화층을 형성함으로써, 물리적 화학적 안정성을 향상시키는 동시에 푸아송 효과(Poisson effect)로 인한 직교 방향 크랙 재결합 현상을 방지하여 민감도가 월등히 향상된 스트레인 센서 및 이의 제조 방법을 제공하고자 한다.
본 발명의 실시예는 동작 감지, 바이오 센서, 차세대 모바일 기기, 웨이러블 기기, 자동차 또는 선박에 사용 가능한 스트레인 센서 및 이의 제조 방법을 제공하고자 한다.
특히, 본 발명의 실시예는 맥박 측정, 음성 인식 또는 동작 인식이 가능한 스트레인 센서 및 이의 제조 방법을 제공하고자 한다.
본 발명의 실시예에 따른 스트레인 센서는 유연한 절연성 기판 상에 형성되고, X축 변형을 감지하는 X축 감지부; 상기 X축 감지부와 직교되도록 상기 유연한 절연성 기판 상에 형성되고, Y축 변형을 감지하는 Y축 감지부; 상기 유연한 절연성 기판의 상기 X축 감지부 및 상기 Y축 감지부가 형성되지 않은 영역에 형성되는 금속 전극; 및 상기 X축 감지부, 상기 Y축 감지부 및 상기 금속 전극 상에 형성되는 캡슐화층(encapsulate layer)을 포함하고, 상기 X축 감지부 및 상기 Y축 감지부는 금속-절연체 헤테로 구조(Metal-insulator heterostructure)를 가진다.
상기 금속-절연체 헤테로 구조는 금속성 물질로 사용되는 제1 나노 결정 및 절연성 물질로 사용되는 제2 나노 결정을 포함할 수 있다.
상기 제1 나노 결정 및 상기 제2 나노 결정의 부피비는 38:62 내지 18:82일 수 있다.
상기 제1 나노 결정 또는 상기 제2 나노 결정의 직경은 5nm 내지 15nm일 수 있다.
상기 제1 나노 결정 또는 제2 나노 결정은 1개 내지 3개의 탄소 사슬을 포함하는 유기 리간드 또는 무기 리간드를 포함할 수 있다.
상기 1개 내지 3개의 탄소 사슬을 포함하는 유기 리간드는 3-메르캅토프로피온산(3-mercaptopropionic acid, MPA) 및 1,2-에테인다이티올(1,2-ethanedithiol, EDT) 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
상기 무기 리간드는 황 이온(S2-), 염소 이온(Cl-), 브롬 이온(Br-), 티오시안산 이온(SCN-), 아이오딘 이온(I-), 이황화물 이온(HS-), 텔루륨 이온(Te2-), 수산화 이온(OH-), 사불화붕산 이온(BF4 -) 및 육불화인산 이온(PF6 -) 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
상기 X축 감지부 및 상기 Y축 감지부는 내부에 크랙(crack)을 포함할 수 있다.
상기 크랙은 상기 X축 감지부 및 상기 Y축 감지부 내에 직교(orthogonal)되도록 형성될 수 있다.
상기 제1 나노 결정은 인듐 주석 산화물(ITO), 불소 도핑 주석 산화물(FTO), 및 알루미늄 도핑 아연 산화물(AZO) 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
상기 제2 나노 결정은 아연 산화물(ZnO), 실리콘 산화물(SiO2) 및 알루미늄 산화물(Al2O3) 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
상기 금속 전극은 은(Ag) 나노 와이어, 구리(Cu) 나노 와이어, 알루미늄(Al) 나노 와이어, 금(Au) 나노 와이어, 백금(Pt) 나노 와이어, 니켈(Ni) 나노 와이어, 텅스텐(W) 나노 와이어, 철(Fe) 나노 와이어, 탄소나노튜브(carbon nanotube: CNT) 및 그래핀(graphene) 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
상기 캡슐화층은 SU-8, 폴리디메틸실록산(PDMS), 에코플렉스(ecoflex), 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA) 및 폴리이미드(polyimide) 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 스트레인 센서의 제조 방법은 제1 나노 결정 및 제2 나노 결정을 용매 내에 분산시켜 감지 용액을 제조하는 단계; 상기 감지 용액을 이용하여 유연한 절연성 기판 상에 X축 감지부 및 Y축 감지부가 서로 직교되도록 패터닝하는 단계; 상기 유연한 절연성 기판의 상기 X축 감지부 및 상기 Y축 감지부가 형성되지 않은 영역에 금속 전극을 형성하는 단계; 상기 X축 감지부 및 상기 Y축 감지부에 크랙을 형성하는 단계; 및 상기 크랙이 형성된 상기 X축 감지부, 상기 크랙이 형성된 Y축 감지부 및 상기 금속 전극 상에 캡슐화층을 형성하는 단계를 포함한다.
상기 X축 감지부 및 상기 Y축 감지부는 금속-절연체 헤테로 구조(Metal-insulator heterostructure)를 가질 수 있다.
상기 제1 나노 결정 및 상기 제2 나노 결정의 부피비는 38:62 내지 18:82일 수 있다.
상기 감지 용액을 이용하여 유연한 절연성 기판 상에 X축 감지부 및 Y축 감지부가 직교되도록 패터닝하는 단계는, 상기 제1 나노 결정 및 상기 제2 나노 결정의 표면에 형성된 제1 유기 리간드를 제2 유기 리간드 또는 무기 리간드로 치환하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 제1 유기 리간드는 8개 내지 18개의 탄소 사슬을 포함할 수 있다.
상기 제2 유기 리간드는 1개 내지 3개의 탄소 사슬을 포함할 수 있다.
상기 무기 리간드는 황 이온(S2-), 염소 이온(Cl-), 브롬 이온(Br-), 티오시안산 이온(SCN-), 아이오딘 이온(I-), 이황화물 이온(HS-), 텔루륨 이온(Te2-), 수산화 이온(OH-), 사불화붕산 이온(BF4 -) 및 육불화인산 이온(PF6 -) 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, X축 감지부 및 Y축 감지부가 금속성 물질로 사용되는 제1 나노 결정 및 절연성 물질로 사용되는 제2 나노 결정으로 구성된 금속-절연체 헤테로 구조를 포함함으로써, 퍼콜레이션(percolation)를 이용하여 민감도가 향상된 스트레인 센서를 제공할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, X축 감지부 및 Y축 감지부가 투명한 제1 나노 결정 및 제2 나노 결정을 포함함으로써, 투명성을 확보하는 동시에 다축 감지가 가능한 스트레인 센서를 제공할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 내부에 크랙을 포함하는 X축 감지부 및 Y축 감지부 상에 캡슐화층을 형성함으로써, 물리적 화학적 안정성을 향상시키는 동시에 푸아송 효과(Poisson effect)로 인한 직교 방향 크랙 재결합 현상을 방지하여 민감도가 월등히 향상된 스트레인 센서 및 이의 제조 방법을 제공할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 종래의 나노 입자 기반의 스트레인 센서의 한계를 극복하여 투명성을 확보를 통한 심미성 향상과 동시에 게이지 팩터(스트레인 센서의 민감도)가 3000을 달성할 수 있는 스트레인 센서 및 이의 제조 방법을 제공할 수 있다.
도 1 및 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 스트레인 센서를 도시한 입체도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 스트레인 센서를 도시한 개략도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 스트레인 센서의 X축 감지부 및 Y축 감지부 내의 크랙을 도시한 개략도이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 스트레인 센서의 캡슐화층에 따른 X축 감지부 및 Y축 감지부 내의 크랙의 변화를 도시한 이미지이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 스트레인 센서의 직교 크랙을 도시한 이미지 및 유한요소법(finiteelement method, FEM) 해석 결과를 도시한 이미지이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 스트레인 센서의 제조 방법을 도시한 개략도이다.
도 8은 제2 나노 결정의 비율에 따른 본 발명의 실시예에 따른 스트레인 센서의 X축 감지부 또는 Y축 감지부의 저항률을 도시한 그래프이다.
도 9는 0% 스트레인(strain) 하(점선) 및 0.2% 스트레인(strain) 하(실선)에서 제1 나노 결정만 포함하는 X축 감지부 또는 Y축 감지부(pure ITO NC)의 크랙 형성 전(검은색 선) 및 크랙 형성 후(붉은색 선)의 굽힘 상태에 따른 전류-전압 특성을 도시한 그래프 및 본 발명의 실시예에 따른 스트레인 센서의 X축 감지부 또는 Y축 감지부(72% ZnO NC hybrid)의 크랙 형성 전(검은색 선) 및 크랙 형성 후(붉은색 선)의 굽힘 상태에 따른 전류-전압 특성을 도시한 그래프이고, 도 10은 본 발명의 실시예에 따른 스트레인 센서의 X축 감지부 또는 Y축 감지부에 크랙이 형성되기 전(w/o cracks) 및 후(w/cracks)의 제2 나노 결정의 비율에 따른 게이지 팩터(gauge factor)를 도시한 그래프이다.
도 11은 0.2% 스트레인(strain) 하에서의 제1 나노 결정만 포함하는 X축 감지부 또는 Y축 감지부(pure ITO NC), 56%의 제2 나노 결정을 포함하는 본 발명의 실시예에 따른 스트레인 센서의 X축 감지부 또는 Y축 감지부(56% ZnO NC hybrid) 및 72%의 제2 결정을 포함하는 본 발명의 실시예에 따른 스트레인 센서의 X축 감지부 또는 Y축 감지부(72% ZnO NC hybrid)의 저항 변화 사이클(Resistance change cycle)을 도시한 그래프이다.
도 12는 0.2% 스트레인(strain) 하에서의 캡슐화층을 포함하지 않는 스트레인 센서(no SU-8), 700nm두께의 캡슐화층(700nm SU-8) 및 10㎛ 두께의 캡슐화층(10㎛ SU-8)을 포함하는 본 발명의 실시예에 따른 스트레인 센서의 스트레인 사이클(strain cycles)에 따른 저항 변화를 도시한 그래프이고, 도 13은 캡슐화층을 포함하지 않는 스트레인 센서(no SU-8), 700nm두께의 캡슐화층(700nm SU-8) 및 10㎛ 두께의 캡슐화층(10㎛ SU-8)을 포함하는 본 발명의 실시예에 따른 스트레인 센서의 인가 변형(applied strain)에 따른 저항 변화를 도시한 그래프이다.
도 14는 캡슐화층을 포함하지 않는 스트레인 센서(no SU-8), 10㎛ 두께의 캡슐화층(SU-8)을 포함하는 본 발명의 실시예에 따른 스트레인 센서의 탈이온수(DIW), 에탄올(ETOH), 염산(HCl) 및 수산화칼륨(KOH) 처리에 따른 저항 변화를 도시한 그래프이다.
도 15는 X축 및 인가된 스트레인 방향 사이의 각도(θ)가 0°일 때의, 스트레인 증가에 따른 본 발명의 실시예에 따른 스트레인 센서의 저항 변화를 도시한 그래프이고, 도 16은 직교 크랙(orthogonal crack)을 포함하는 본 발명의 실시예에 따른 스트레인 센서의 스트레인 분포(strain distribution)를 도시한 유한요소법(Finite Elements Method, FEM) 해석 결과 이미지이다.
도 17은 X축 및 적용된 스트레인 방향 사이의 각도(
Figure 112019012856310-pat00001
)가 45°일 때의, 스트레인 증가에 따른 본 발명의 실시예에 따른 스트레인 센서의 저항 변화를 도시한 그래프이고, 도 18은 직교 크랙을 갖는 본 발명의 실시예에 따른 스트레인 센서의 스트레인 분포를 도시한 유한요소법(Finite Elements Method, FEM) 해석 결과 이미지이다.
도 19는 X축 및 적용된 스트레인 방향 사이의 각도(
Figure 112019012856310-pat00002
)가 0°, 30°, 45°, 60° 및 90°의 방향으로 변형된 본 발명의 실시예에 따른 스트레인 센서의 X축 감지부의 저항 변화 사이클을 도시한 그래프이고, 도 20은 십자 패턴을 갖는 본 발명의 실시예에 따른 스트레인 센서의 X축 감지부 및 Y축 감지부의 X축의 각도 함수에 따른 게이지 팩터를 도시한 그래프이다.
도 21은 손목에 적용된 본 발명의 실시예에 따른 스트레인 센서의 실시간 휴먼 펄스 모니터링(Human pulse monitoring)을 도시한 그래프이다.
도 22는 "스트레인(strain)" 및 "센서(sensor)"를 두번 발음하였을 때의 사람의 목에 부착되어 있는 본 발명의 실시예에 따른 스트레인 센서의 소리 신호 변화를 도시한 그래프이다.
도 23 및 도 24는 놀라거나(surprised) 아플 때(painful)의 사람의 이마에 부착되어 있는 본 발명의 실시예에 따른 스트레인 센서의 저항 변화를 도시한 그래프이다.
도 25 및 도 26은 침울하거나(sullen) 웃을 때(smiling)의 사람의 입 근처에 부착되어 있는 본 발명의 실시예에 따른 스트레인 센서의 저항 변화를 도시한 그래프이다.
도 27은 인간의 손목에 부착되어 있는 본 발명의 실시예에 따른 스트레인 센서를 도시한 이미지이고, 도 28은 단축 움직임(uniaxial motion)에 따른 본 발명의 실시예에 따른 스트레인 센서의 저항 변화를 도시한 그래프이며, 도 29은 다축 움직임(multiaxial motion)에 따른 본 발명의 실시예에 따른 스트레인 센서의 저항 변화를 도시한 그래프이다.
이하에서 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐리는 경우 그 상세한 설명을 생략하기로 한다. 또한, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 설정된 용어들로서 이는 생산자의 의도 또는 당업계의 관례에 따라 달라질 수 있으므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
도 1 및 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 스트레인 센서를 도시한 입체도이다.
본 발명의 실시예에 따른 스트레인 센서는 유연한 절연성 기판(110) 상에 형성되고, X축 변형을 감지하는 X축 감지부(120), X축 감지부(120)와 직교되도록 유연한 절연성 기판(110) 상에 형성되고, Y축 변형을 감지하는 Y축 감지부(130), 유연한 절연성 기판(110)의 X축 감지부(120) 및 Y축 감지부(130)가 형성되지 않은 영역에 형성되는 금속 전극(140) 및 X축 감지부(120), Y축 감지부(130) 및 금속 전극(140) 상에 형성되는 캡슐화층(encapsulate layer; 150)을 포함한다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 스트레인 센서는 X축 감지부(120) 및 Y축 감지부(130)가 금속성 물질로 사용되는 제1 나노 결정 및 절연성 물질로 사용되는 제2 나노 결정으로 구성된 금속-절연체 헤테로 구조를 포함함으로써, 퍼콜레이션(percolation)를 이용하여 스트레인 센서의 민감도를 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 스트레인 센서는 X축 감지부(120) 및 Y축 감지부(130)가 투명한 제1 나노 결정 및 제2 나노 결정을 포함함으로써, 투명성을 확보하는 동시에 다축 방향으로 변형(strain)을 감지할 수 있고, X축 감지부(120) 및 Y축 감지부(130)는 상부에 캡슐화층을 형성함으로써, 물리적 화학적 안정성을 향상시키는 동시에 푸아송 효과(Poisson effect)로 인한 직교 방향 크랙 재결합 현상을 방지하여 민감도가 월등히 향상시킬 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 스트레인 센서에 대해서는 도 3을 참조하여 보다 상세히 설명하기로 한다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 스트레인 센서를 도시한 개략도이다.
본 발명의 실시예에 따른 스트레인 센서는 유연한 절연성 기판(110)을 포함한다.
유연한 절연성 기판(110)은 외력이 가해져 변형을 일으키는 피측정물에 부착되어 함께 변형되어야 하므로 유연해야 한다. 또한 그 일면에 전류가 통하는 X축 감지부(120), Y축 감지부(130) 및 금속 전극(140)가 배치되므로, 전류가 피측정물로 흐르지 않도록 절연성이 있어야 한다.
따라서, 유연한 절연 기판(110)은 폴리에스테르(Polyester), 폴리비닐(Polyvinyl), 폴리카보네이트(Polycarbonate), 폴리에틸렌(Polyethylene), 폴리아세테이트(Polyacetate), 폴리이미드(Polyimide, PI), 폴리에테르술폰(Polyethersulphone; PES), 폴리아크릴레이트(Polyacrylate; PAR), 폴리에틸렌나프탈레이트(Polyethylenenaphthelate; PEN) 및 폴리에틸렌에테르프탈레이트(Polyethyleneterephehalate; PET) 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있으나, 유연한 절연성 기판(110)은 유연성 및 절연성을 가지는 한, 그 소재가 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 실시예에 따른 스트레인 센서는 X축 변형을 감지하는 X축 감지부(120) 및 X축 감지부(120)와 직교되도록 유연한 절연성 기판(110) 상에 형성되고, Y축 변형을 감지하는 Y축 감지부(130)를 포함한다.
본 발명의 실시예에 따른 스트레인 센서는 X축 감지부(120) 및 Y축 감지부(130)이 직교(교차)됨으로써, 십자 패턴(Crossshaped pattern)을 가질 수 있어, 변형의 강도 및 방향을 동시에 검출할 수 있다.
X축 감지부(120)는 Y축에 형성되어 X축 방향의 변형(strain)을 감지할 수 있고, Y축 감지부(130)는 X축에 형성되어 Y축 방향의 변형을 감지할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 스트레인 센서의 X축 감지부(120) 및 Y축 감지부(130)는 금속-절연체 헤테로 구조(Metal-insulator heterostructure)를 가지고, 금속-절연체 헤테로 구조를 갖는 X축 감지부(120) 및 Y축 감지부(130)를 포함함으로써, 퍼콜레이션(percolation)를 이용하여 민감도 및 안정성이 향상될 수 있다.
보다 상세하게는, 본 발명의 실시예에 따른 스트레인 센서의 X축 감지부(120) 및 Y축 감지부(130)는 금속성 물질로 사용되는 제1 나노 결정(121, 131) 및 절연성 물질로 사용되는 제2 나노 결정(122, 132)을 포함하는 금속-절연체 헤테로 구조를 포함함으로써, 퍼콜레이션(percolation)를 이용하여 스트레인 센서의 민감도를 향상시킬 수 있다.
퍼콜레이션은 무질서(random state)를 설명하는 이론 가운데 가장 기본이 되는 개념으로서, 일정 공간 안에서 무질서하게 존재하는 물질들에 대한 확률 값으로 표시된다. 무질서하게 섞여 있는 금속성 물질이 특정 조건 이상에서 전도가 일어나기 시작할 때, 이러한 조건을 퍼콜레이션 임계(percolation threshold)이라 한다.
따라서, 금속-절연체 헤테로 구조에서, 제1 나노 결정(121, 131)이 증가할수록 전도도가 증가하게 되고, 특히 퍼콜레이션 임계(percolation threshold)를 넘어서게 되면 급격한 저항 감소를 나타내어, 절연체에서 금속으로 전기적 특성이 변하게 된다.
이 때, 퍼콜레이션 임계 근처에서, 이러한 시스템은 변형과 같은 외부 자극에 급격한 저항 변화를 나타내게 되며, 본 발명의 실시예에 따른 스트레인 센서는 이런 원리를 이용하여, 금속-절연체 스트레인 게이지를 제조하여 민감도를 향상시킬 수 있다.
즉, 본 발명의 실시예에 따른 스트레인 센서는 제2 나노 결정(122, 132)의 부피 비율을 기준으로 할 때, 퍼콜레이션 임계를 넘어서면 급격하게 저항이 증가하여 임계점을 기준으로 스트레인 센서를 제조할 수 있다. 따라서, 저항이 급격하게 증가하는 임계점 보다 제1 나노 결정(121, 131)의 부피 비율을 약간 높게 포함함으로써, 측정 가능한 수준의 저항을 만들고, 변형을 가하면 저항이 급격하게 증가하여 변형을 측정할 수 있다.
또한, 유연한 절연성 기판(110) 상 동일 지점에 변형이 가해질 때, X축 감지부(120) 및 Y축 감지부(130)의 전기 저항 값은 퍼콜레이션(percolation) 메커니즘에 의해 금속 특성 또는 절연 특성을 발휘할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 스트레인 센서의 X축 감지부(120) 및 Y축 감지부(130)에 포함되는 제1 나노 결정(121, 131)은 상온(273K)에서 전도성을 가지는 투명한 금속 산화물이라면 제한 없이 사용될 수 있고, 제2 나노 결정(122, 132)은 상온(273K)에서 전기 전도도가 낮은 투명한 부도체 물질이라면 제한 없이 사용될 수 있다.
예를 들어, 제1 나노 결정(121, 131)은 인듐 주석 산화물(ITO), 불소 도핑 주석 산화물(FTO), 및 알루미늄 도핑 아연 산화물(AZO) 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있고, 제2 나노 결정(122, 132)은 아연 산화물(ZnO), 실리콘 산화물(SiO2) 및 알루미늄 산화물(Al2O3) 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
바람직하게는, 본 발명의 실시예에 따른 스트레인 센서의 X축 감지부(120) 및 Y축 감지부(130)에 포함되는 제1 나노 결정(121, 131) 및 제2 나노 결정(122, 132)은 투명한 특성을 갖는 금속 산화물이 사용될 수 있고, 제1 나노 결정(121, 131)은 인듐 주석 산화물(ITO)이 사용될 수 있으며, 제2 나노 결정(122, 132)은 아연 산화물(ZnO)이 사용될 수 있다.
구체적으로, 반도체는 가전자대(valence band)와 전도대(conduction band) 사이에 밴드갭(band gap)을 가지고 있으며 가전자대의 전자를 이동시키려면 밴드갭 이상의 에너지를 가해 줘야 하기 때문에 도핑이 되지 않은(intrinsic) 반도체의 경우, 부도체와 같이 낮은 전기 전도도를 가질 수 있다.
하지만, 반도체에 도핑을 하게 되면 도핑 농도에 따라서 반도체는 상온(273K)에서의 열에너지 만으로도 전도대에 전자를 가지게 되어 전기 전도도를 가질 수 있다.
인듐 주석 산화물(ITO)은 인듐 산화물(InO)에 주석(Sn)이 도핑된 구조를 갖기 때문에 상온(273K)에서 전기 전도도를 가지므로 투명 전극으로 많이 사용될 수 있고, 아연 산화물(ZnO)은 산소 공공(Oxygen vacancy)으로 인해 자연적으로 n-타입(n-type)을 가지나 전자 캐리어(electron carrier) 농도가 상대적으로 낮기 때문에 전기 전도도가 낮다.
이때, 아연 산화물(ZnO)에 포함되는 산소 공공(Oxygen vacancy)은 결함(defect) 중 하나이기 때문에 산소 공공(Oxygen vacancy)만으로는 캐리어 농도를 증가시키는데 한계가 있으나, 인듐 주석 산화물(ITO)는 주석(Sn)이 도핑되어 있기 때문에 아연 산화물(ZnO)보다 캐리어가 상대적으로 많다.
따라서, 인듐 주석 산화물(ITO) 및 아연 산화물(ZnO)이 모두 반도체 특성을 갖는 금속 산화물이지만, 본 발명의 실시예에 따른 스트레인 센서의 X축 감지부(120) 및 Y축 감지부(130) 내에서 인듐 주석 산화물(ITO)는 금속성 물질로 사용될 수 있고, 아연 산화물(ZnO)는 절연성 물질로 사용될 수 있다.
예를 들어, 인듐 주석 산화물을 제1 나노 결정(121, 131)으로 사용하고, 아연 산화물을 제2 나노 결정(131, 132)으로 사용하는 경우, 인듐 주석 산화물은 전하 이동 경로를 형성하고, 아연 산화물은 불순물로 절연체 역할을 하여, X축 감지부(120) 및 Y축 감지부(130)내의 금속-절연체 비율을 조절할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 스트레인 센서는 X축 감지부(120) 및 Y축 감지부(130)로 투명한 제1 나노 결정(121, 131) 및 제2 나노 결정(122, 132)을 포함함으로써, 투명성을 확보하는 동시에 다축 감지가 가능하다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 X축 감지부(120) 및 Y축 감지부(130)에 포함되는 제1 나노 결정(121, 131) 및 제2 나노 결정(122, 132)은 카드뮴(Cd) 및 납(Pb)을 포함하지 않음으로써, 환경 오염 및 제조 비용을 감소시킬 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 스트레인 센서의 X축 감지부(120) 및 Y축 감지부(130)에 포함되는 제1 나노 결정(121, 131) 및 제2 나노 결정(122, 132)의 부피비는 38:62 내지 18:82일 수 있고, 제1 나노 결정(121, 131) 및 제2 나노 결정(122, 132)의 부피비가 38:62 미만이면 제1 나노 결정(121, 131)의 부피 비율이 커져 전기 전도도를 향상될 수 있지만 민감도가 감소되는 문제가 있고, 18:82를 초과하면 제2 나노 결정(122, 132)의 부피 비율이 커져 전기 전도도가 너무 감소하여 변형 측정에 문제가 있고 민감도가 너무 증가하는 문제가 있다.
따라서, 본 발명의 실시예에 따른 스트레인 센서의 X축 감지부(120) 및 Y축 감지부(130)는 제1 나노 결정(121, 131) 및 제2 나노 결정(122, 132)의 부피 비율에 따라 스트레인 센서의 전기 전도도 및 민감도가 조절될 수 있고, 예를 들어, 제1 나노 결정(121, 131)의 부피 비율이 증가되면 전기 전도도는 증가되지만 민감도는 감소될 수 있고, 제2 나노 결정(122, 132)의 부피 비율이 증가되면 전기 전도도는 감소되지만 민감도가 증가될 수 있기에, 본 발명의 실시예에 따른 스트레인 센서는 제1 나노 결정(121, 131) 및 제2 나노 결정(122, 132)의 부비피를 조절하여 원하는 전기 전도도 및 민감도를 갖는 스테레인 센서를 제조할 수 있다.
바람직하게는, 본 발명의 실시예에 따른 스트레인 센서의 X축 감지부(120) 및 Y축 감지부(130)는 제1 나노 결정(121, 131) 및 제2 나노 결정(122, 132)의 부피비가 28:72일 수 있고, 본 발명의 실시예에 따른 스트레인 센서는 전술한 부피비를 가짐으로써, 적절한 전기 전도도를 갖는 동시에 높은 민감도를 가질 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 스트레인 센서는 X축 감지부(120) 및 Y축 감지부(130)에 포함되는 제2 나노 결정(122, 132)의 비율에 따라 저항률 및 게이지 팩터가 조절될 수 있다.
보다 상세하게는, X축 감지부(120) 및 Y축 감지부(130)에 포함되는 제1 나노 결정(121, 131)은 금속성 물질로 사용되고, 제2 나노 결정은 절연성 물질로 사용되기 때문에, X축 감지부(120) 및 Y축 감지부(130) 내에 절연성 물질로 사용되는 제2 나노 결정(122, 132)의 함량이 증가할수록 저항률 및 게이지 팩터가 증가하여 스트레인 센서의 민감도를 증가시킬 수 있다.
또한, 제1 나노 결정(121, 131) 또는 제2 나노 결정(122, 132)의 직경은 5nm 내지 15nm일 수 있다.
바람직하게는, 제1 나노 결정(121, 131)의 직경 및 제2 나노 결정(122, 132)의 직경은 차이가 작을수록 퍼콜레이션(percolation) 효과가 증가될 수 있으므로, 제1 나노 결정(121, 131) 및 제2 나노 결정(122, 132)이 동일한 직경을 가지면 퍼콜레이션(percolation) 효과가 증가하여 스트레인 센서의 민감도가 향상될 수 있다.
실시예에 따라, X축 감지부(120) 및 Y축 감지부(130)에 포함되는 제1 나노 결정(121, 131) 또는 제2 나노 결정(122, 132)은 1개 내지 3개의 탄소 사슬을 포함하는 유기 리간드(이하에서, 제2 유기 리간드로 표기함) 또는 무기 리간드를 포함할 수 있다.
바람직하게는, X축 감지부(120) 및 Y축 감지부(130)에 포함되는 제1 나노 결정(121, 131) 또는 제2 나노 결정(122, 132)은 본래 표면 리간드로 8개 내지 18개의 탄소 사슬을 포함하는 리간드 길이가 긴 유기 리간드(이하에서, 제1 유기 리간드로 표기함)를 포함하고 있으나, 표면 처리를 통해 제1 나노 결정(121, 131) 또는 제2 나노 결정(122, 132)의 표면 리간드를 제1 유기 리간드보다 비교적 리간드 길이가 짧은 제2 유기 리간드 또는 무기 리간드로 치환시켜, 제1 나노 결정(121, 131) 또는 제2 나노 결정(122, 132)은 표면 리간드로 제2 유기 리간드 또는 무기 리간드를 포함할 수 있다.
예를 들어, 제1 나노 결정(121, 131)으로 인듐 주석 산화물을 사용하고, 제2 나노 결정(122, 132)으로 아연 산화물을 사용하는 경우, 일반적으로, 아연 산화물을 합성하기 위해서는 표면 리간드로 수산기(hydroxyl group)를 사용하여 합성하게 되는데, 제1 나노 결정(121, 131) 또는 제2 나노 결정(122, 132)을 같은 용매(예; 헥산)에 분산시키기 위해서는 소수성 표면을 가진 아연 산화물을 합성하기 위해 트리옥틸포스핀 옥사이드(trioctylphosphine oxide, TOPO) 기반의 습식 화학 방법(wet chemical method)을 사용해야 한다.
따라서, 제1 나노 결정(121, 131) 또는 제2 나노 결정(122, 132)은 표면에 제1 유기 리간드가 형성되게 되는데, 본 발명의 실시예에 따른 스트레인 센서는 제1 나노 결정(121, 131) 또는 제2 나노 결정(122, 132)의 표면 리간드를 제2 유기 리간드 또는 무기 리간드로 치환시킴으로써, 리간드의 길이가 짧아져 X축 감지부(120) 및 Y축 감지부(130)의 전기적 특성을 향상시킬 수 있다.
구체적으로, 제1 나노 결정(121, 131) 또는 제2 나노 결정(122, 132)의 표면 리간드로 제1 유기 리간드를 포함하면 길이가 긴 탄소 사슬에 의해 제1 나노 결정(121, 131) 및 제2 나노 결정(122, 132) 사이의 거리가 길어져 전기적으로 절연되나, 본 발명의 실시예에 따른 스트레인 센서는 X축 감지부(120) 및 Y축 감지부(130)에 포함되는 제1 나노 결정(121, 131) 또는 제2 나노 결정(122, 132)의 표면을 제1 유기 리간드보다 길이가 짧은 제2 유기 리간드 또는 무기 리간드로 치환시킴으로써, 제1 나노 결정(121, 131) 및 제2 나노 결정(122, 132) 사이의 거리 짧아져, 전자가 이동하기 용이하고, 금속-절연체 전이 특성을 나타낼 수 있다.
보다 구체적으로, 제1 나노 결정(121, 131) 또는 제2 나노 결정(122, 132)이 무극성 용매에 분산이 잘되려면 제1 나노 결정(121, 131) 또는 제2 나노 결정(122, 132)의 표면 또한 무극성 특성을 나타내야 하기 때문에, 제1 나노 결정(121, 131) 또는 제2 나노 결정(122, 132)의 합성 시, 긴 탄소 사슬을 갖는 제1 유기 리간드를 첨가하면 제1 나노 결정(121, 131) 또는 제2 나노 결정(122, 132)의 표면에 긴 탄소 사슬을 갖는 제1 유기 리간드가 붙게 되어 무극성 용매에 대한 분산성이 향상될 수 있다.
하지만, 긴 탄소 사슬을 갖는 제1 유기 리간드로 둘러싸인 제1 나노 결정(121, 131) 또는 제2 나노 결정(122, 132)은 전자가 다른 제1 나노 결정(121, 131) 또는 제2 나노 결정(122, 132)로 전달되기 어렵기 때문에 제1 유기 리간드보다 리간드 길이가 ?은 제2 유기 리간드 또는 제2 유기 리간드보다 리간드 길이가 더 짧은 무기 리간드로 치환시킴으로써 전기적 특성을 획득할 수 있다.
리간드 치환 공정은 용액 상태에서도 가능하기는 하나, 제약 사항이 많기 때문에 일반적으로 제1 나노 결정(121, 131) 또는 제2 나노 결정(122, 132)가 무기 용매에 분산된(리간드 치환 전) 상태로 유연한 절연성 기판(110)에 코팅을 진행한 다음, 극성 용매(에: 메탄올, IPA 또는 DIW)에 분산되어 있는 제2 유기 리간드 또는 무기 리간드를 포함하는 리간드 치환 용액을 뿌려주거나 담궈서 리간드 치환 공정을 진행할 수 있다.
따라서, 본 발명의 실시예에 따른 스트레인 센서는 리간드 치환 공정을 진행함으로써, 제1 나노 결정(121, 131)은 절연성(리간드 치환 공정 전, 표면 리간드로 제1 유기 리간드 포함)에서 전도성(리간드 치환 공정 후, 표면 리간드로 제2 유기 리간드 또는 무기 리단드 포함)을 가질 수 있고, 제2 나노 결정(122, 132)는 리간드 치환 공정 전후 모두 절연성을 가질 수 있다.
즉, 본 발명의 실시예에 따른 스트레인 센서는 리간드 치환 공정을 통해, 제1 나노 결정(121, 131)의 표면에 제2 유기 리간드 또는 무기 리간드를 포함함으로써, 제1 나노 결정(121, 131)에 전도성이 부여될 수 있다.
제1 유기 리간드는 8개 내지 18개의 탄소 사슬을 포함할 수 있고, 제1 유기 리간드는 8개 내지 18개의 탄소 사슬을 포함할 수 있고, 제1 유기 리간드의 탄소 사슬이 8개 미만이면, 유기 용매 내의 분산성(분산 안정성)이 감소하여 제1 나노 결정(121, 131) 또는 제2 나노 결정(122, 132)이 뭉치는 문제가 있고, 18개를 초과하면 이미 리간드 길이가 충분히 길기에 큰 변화를 나타내지 않아 불필요하다.
제1 유기 리간드는 제1 나노 결정(121, 131) 또는 제2 나노 결정(122, 132) 합성 시에 제1 나노 결정(121, 131) 또는 제2 나노 결정(122, 132)의 모양 및 크기를 제어하고, 제1 나노 결정(121, 131) 또는 제2 나노 결정(122, 132)를 둘러싸고 있어 유기 용매 내에서 제1 나노 결정(121, 131) 또는 제2 나노 결정(122, 132)가 잉크처럼 분산될 수 있게 해주며, 제1 유기 리간드-제1 유기 리간드 간 반발력으로 금속 나노 입자가 뭉쳐 석출되는 것을 방지할 수 있다.
제1 유기 리간드는 트리옥틸포스핀(trioctylphosphine), 트리옥틸포스핀 산화물(trioctylphosphine oxide), 올레산(Oleic acid) 및 올레일아민(Oleylamine) 중 어느 하나를 포함할 수 있다.
제1 나노 결정(121, 131) 또는 제2 나노 결정(122, 132)의 표면에 형성된 제2 유기 리간드는 1개 내지 3개의 탄소 사슬을 포함할 수 있고, 제2 유기 리간드의 탄소 사슬이 3개를 초과하면 리간드 길이가 너무 길어져 전도성이 너무 낮아지는 문제가 있다.
제1 나노 결정(121, 131) 또는 제2 나노 결정(122, 132)의 표면에 형성된 제2 유기 리간드는 3-메르캅토프로피온산(3-mercaptopropionic acid, MPA) 및 1,2-에테인다이티올(1,2-ethanedithiol, EDT) 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
제1 나노 결정(121, 131) 또는 제2 나노 결정(122, 132)의 표면에 형성된 무기 리간드는 황 이온(S2-), 염소 이온(Cl-), 브롬 이온(Br-), 티오시안산 이온(SCN-), 아이오딘 이온(I-), 이황화물 이온(HS-), 텔루륨 이온(Te2-), 수산화 이온(OH-), 사불화붕산 이온(BF4 -) 및 육불화인산 이온(PF6 -) 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
바람직하게는, 제1 나노 결정(121, 131) 또는 제2 나노 결정(122, 132)의 표면에 형성된 무기 리간드는 황 이온(S2-), 염소 이온(Cl-), 브롬 이온(Br-), 티오시안산 이온(SCN-), 아이오딘 이온(I-), 이황화물 이온(HS-), 텔루륨 이온(Te2-), 수산화 이온(OH-), 사불화붕산 이온(BF4 -) 및 육불화인산 이온(PF6 -) 중 적어도 어느 하나를 포함하는 화합물이 사용될 수 있고, 보다 바람직하게는, 황 이온(S2-)을 포함할 수 있다.
예를 들어, 제1 나노 결정(121, 131) 또는 제2 나노 결정(122, 132)의 표면에 형성된 무기 리간드는 앞서 전술한 음이온과 양이온이 결합되어 있는 화합물이 사용될 수 있고, 황 이온(S2-)을 포함하는 화합물로는 황화나트륨(Na2S)이 사용될 수 있으며, 염소 이온(Cl-)을 포함하는 화합물로는 염화 암모늄(NH4Cl) 또는 테트라-n-부틸 암모늄클로라이드(tetra-n-butyl ammonium chloride, TBAC)이 사용될 수 있고, 브롬 이온(Br-)을 포함하는 화합물로는 테트라-n-부틸 암모늄브로마이드(tetra-n-butyl ammonium bromide, TBAB)이 사용될 수 있으며, 티오시안산 이온(SCN-)을 포함하는 화합물로는 티오시안산 암모늄(NH4SCN)이 사용될 수 있다.
또한, X축 감지부(120) 및 Y축 감지부(130)는 내부에 크랙(crack, C)을 포함할 수 있다. 크랙(C)은 X축 감지부(120) 및 Y축 감지부(130)에 사전 변형을 가하여 인공적으로 형성될 수 있다.
크랙(C)은 X축 감지부(120) 및 Y축 감지부(130) 내에 포함되는 제1 나노 결정(121, 131) 또는 제2 나노 결정(122, 132) 사이의 거리가 멀어지는 부분이고, 크랙(C)은 나노 크기로 형성될 수 있으며, X축 감지부(120) 및 Y축 감지부(130)에 크랙(C)이 형성되는 경우, 변형에 따른 X축 감지부(120) 및 Y축 감지부(130)의 저항 변화가 증가하여 게이지 팩터를 증가시킬 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 스트레인 센서는 X축 감지부(120) 및 Y축 감지부(130)의 내부에 크랙(C)을 포함함으로써, 스트레인 센서의 민감도가 향상되고, 다축 감지 스트레인 센서를 구성하여 웨어러블 센서 또는 전자 피부 등과 같은 다양한 분야에 응용할 수 있다.
또한, 인위적으로 형성된 크랙(C)은 X축 감지부(120) 및 Y축 감지부(130) 내 전하 이동 경로의 수를 추가적으로 조절하여 스트레인 센서의 민감도를 더욱 향상시킬 수 있다.
크랙(C)은 X축 감지부(120) 및 Y축 감지부(130) 내에 직교(orthogonal, + 형상)하도록 형성될 수 있고, 크랙(C)이 X축 감지부(120) 및 Y축 감지부(130) 내에 직교하는 직교 크랙(orthogonal crack)을 형성함으로써, 스트레인 센서의 전기적 및 기계적 특성을 향상시키고, 스트레인 센서의 변형 강도 및 방향을 동시에 검출할 수 있다.
구체적으로, X축 감지부(120) 및 Y축 감지부(130)는 크랙 제조 시, X축 및 Y 축 방향으로 사전 크랙(pre crack)을 형성하므로, X축 감지부(120) 및 Y축 감지부(130)의 모든 영역에서 직교 모양을 갖는 직교 크랙(orthogonal crack)을 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 스트레인 센서는 X축 감지부(120)는 Y축에 형성되어 X축 방향의 변형(strain)을 감지할 수 있고, Y축 감지부(130)는 X축에 형성되어 Y축 방향의 변형을 감지할 수 있으므로, X축 감지부(120)에 포함되는 직교 크랙 중, X축과 직교한 방향(X축 감지부(120)와 평행한 방향)의 크랙만 민감도에 영향을 주고, Y축 감지부(130)에 포함되는 직교 크랙 중 Y축과 직교한 방향(Y축 감지부(130)와 평행한 방향)의 크랙만 민감도에 영향을 줄 수 있다.
또한, 크랙(C)은 X축 감지부(120) 및 Y축 감지부(130)가 직교되는 부분에 직교(orthogonal, + 형상)하도록 형성되어, X축 감지부(120) 및 Y축 감지부(130)가 직교되는 부분에 형성된 크랙(C)이 직사각형의 형상을 나타낼 수 있고, 이로 인해, 스트레인 센서가 변형 강도 및 방향을 동시에 검출할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 스트레인 센서는 유연한 절연성 기판(110)에서 X축 감지부(120) 및 Y축 감지부(130)가 형성되지 않은 영역에 형성되는 금속 전극(140)을 포함한다.
금속 전극(140)은 박막 형태로 형성될 수 있고, 바람직하게는, 금속 전극(140)은 제1 전극 및 제2 전극을 포함할 수 있으며, 제1 전극 및 제2 전극 중 어느 하나로 전류가 유입되고, 다른 하나에서 전류가 유출되어야 하므로, X축 감지부(120) 및 Y축 감지부(130)을 사이에 두고 서로 이격 배치될 수 있다.
금속 전극(140)으로는 높은 전기 전도도를 갖는 투명한 물질이 사용될 수 있고, 예를 들어, 금속 전극(140)은 은(Ag) 나노 와이어, 구리(Cu) 나노 와이어, 알루미늄(Al) 나노 와이어, 금(Au) 나노 와이어, 백금(Pt) 나노 와이어, 니켈(Ni) 나노 와이어, 텅스텐(W) 나노 와이어, 철(Fe) 나노 와이어, 탄소나노튜브(carbon nanotube: CNT) 및 그래핀(graphene) 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
바람직하게는, 은(Ag) 나노 와이어가 사용될 수 있고, 은(Ag) 나노 와이어는 높은 전기 전도도를 갖는 투명한 물질인 동시에 저가의 용액 공정으로 형성할 수 있는 장점이 있다.
본 발명의 실시예에 따른 스트레인 센서는 X축 감지부(120), Y축 감지부(130) 및 금속 전극(140) 상에 형성되는 캡슐화층(encapsulate layer; 150)을 포함한다.
캡슐화층(150)은 크랙이 형성된 X축 감지부(120) 및 Y축 감지부(130)의 상부에 형성되어 푸아송 효과(Poisson effect)로 인한 크랙의 재결합을 차단하여 스트레인 센서의 게이지 팩터를 3000 이상 향상시킬 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 스트레인 센서는 캡슐화층(150)의 두께에 따라 저항 변화율이 조절되고, 캡슐화층(150)의 두께가 증가함에 따른 스트레인 센서의 저항 변화율이 증가하여 스트레인 센서의 민감도가 향상될 수 있다,
캡슐화층(150)의 두께는 700nm 내지 10㎛일 수 있고, 캡슐화층(150)의 두께가 700nm 이하이면, 캡슐화층(150)의 두께가 너무 얇아져 크랙(C)을 완전히 덮지 못하기 때문에 크랙(C)이 재결합되는 문제가 있고, 10㎛를 초과하면 중성 역학층(neutral mechanical plane)의 상승으로 인해 X축 감지부(120) 및 Y축 감지부(130)에 가해지는 변형이 감소되어 민감도가 저하되는 문제가 있다.
캡슐화층(150)은 크랙(C) 사이로 침투하여 경화가 가능한 투명한 고분자 물질이라면 제한 없이 사용될 수 있고, 바람직하게는, 캡슐화층(150)은 SU-8, 폴리디메틸실록산(PDMS), 에코플렉스(ecoflex), 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA) 및 폴리이미드(polyimide) 중 적어도 어느 하나를 포함될 수 있다.
따라서, 본 발명의 실시예에 따른 스트레인 센서는 투명한 고분자 물질을 사용하는 캡슐화층(140)을 포함함으로써, 스트레인 센서의 물리적 내구성 및 화학적 내구성을 확보하는 동시에 추가적인 민감도를 향상시킬 수 있어, 높은 민감도를 갖는 다축 방향 센서를 구성하여 혈압, 음성 인식, 동작 인식 등을 측정할 수 있는 웨어러블 센서로 사용할 수 있다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 스트레인 센서의 X축 감지부 및 Y축 감지부 내의 크랙을 도시한 개략도이다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 스트레인 센서의 X축 감지부 및 Y축 감지부는 제1 나노 결정 및 제2 나노 결정이 금속-절연체 헤테로 구조를 갖도록 형성되고, 인공적인 크랙 형성에 의해 본 발명의 실시예에 따른 스트레인 센서의 X축 감지부 및 Y축 감지부 내에 크랙이 형성되어 있는 것을 알 수 있다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 스트레인 센서의 캡슐화층에 따른 X축 감지부 및 Y축 감지부 내의 크랙의 변화를 도시한 이미지이다.
X축 감지부 및 Y축 감지부 상에 캡슐화층을 형성하지 않는 종래의 경우, X축 감지부 및 Y축 감지부 내에 크랙이 생성되더라도 측면 압축에 의해 크랙이 재결합되어, X축 감지부 및 Y축 감지부 내에 새로운 퍼콜레이션 경로(percolation path)를 형성하여 스트레인 센서의 게이지 팩터의 향상을 제한하는 문제가 있다.
스트레인 센서는 퍼콜레이션 임계값(percolation threshold) 주변에서 극적인 저항 변화 거동을 나타내야 하지만, 캡슐화층을 형성하지 않는 경우, X축 감지부 및 Y축 감지부 내에 크랙이 재결합되어 X축 감지부 및 Y축 감지부 내에서 퍼콜레이션 경로-구동(pathway-driven)이 감소되어 민감도가 감소된다.
반면, 본 발명의 실시예에 따른 스트레인 센서는 X축 감지부 및 Y축 감지부 상에 캡슐화층을 형성하여, 축 방향 인장 스트레인(axial tensile strain)이 인가될 때 횡방향(transverse direction)의 크랙의 재결합을 차단할 수 있다.
캡슐화층은 크랙이 형성된 X축 감지부 및 Y축 감지부 상에 캡술화층을 스핀 코팅한 다음, 소프트 베이킹(soft baking) 및 자외선 처리(UV treatment)를 진행하여 경화시킴으로써, 형성될 수 있다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 스트레인 센서의 직교 크랙을 도시한 이미지 및 유한요소법(finiteelement method, FEM) 해석 결과를 도시한 이미지이다.
도 6을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 스트레인 센서는 X축 감지부 및 Y축 감지부가 직교되어 십자 형상을 나타내고, X축 감지부 및 Y축 감지부의 직교 패턴의 교차 부분에 직교 크랙(orthogonal crack)을 포함하는 것을 알 수 있다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 스트레인 센서의 제조 방법을 도시한 개략도이다.
본 발명의 실시예에 따른 스트레인 센서의 제조 방법은 본 발명의 실시예에 따른 스트레인 센서와 동일한 구성 요소를 포함하고 있으므로, 동일한 구성 요소에 대해서는 생략하기로 한다.
본 발명의 실시예에 따른 스트레인 센서의 제조 방법은 제1 나노 결정 및 제2 나노 결정을 용매 내에 분산시켜 감지 용액을 제조하는 단계, 감지 용액을 이용하여 유연한 절연성 기판 상에 X축 감지부(120) 및 Y축 감지부(130)가 서로 직교되도록 패터닝하는 단계(a~e), 유연한 절연성 기판의 X축 감지부(120) 및 Y축 감지부(130)가 형성되지 않은 영역에 금속 전극을 형성하는 단계(f~i), X축 감지부(120) 및 Y축 감지부(130)에 크랙을 형성하는 단계(j~k) 및 크랙이 형성된 상기 X축 감지부(120), 크랙이 형성된 Y축 감지부(130) 및 금속 전극 상에 캡슐화층을 형성하는 단계(l)를 포함한다.
본 발명의 실시예에 따른 스트레인 센서의 제조 방법은 제1 나노 결정 및 제2 나노 결정을 용매 내에 분산시켜 감지 용액을 제조하는 단계를 진행한다.
먼저, 제1 나노 결정 및 제2 나노 결정을 용매 내에 분산시켜 감지 용액을 제조하는 단계는 300℃ 이하의 저온 용액 공정을 통해 제1 나노 결정 및 제2 나노 결정을 각각 대량 합성하고, 합성된 제1 나노 결정 및 제2 나노 결정을 용매에 분산시킨다.
감지 용액에 포함되는 제1 나노 결정 및 제2 나노 결정의 부피비는 38:62 내지 18:82일 수 있고, 제1 나노 결정 및 제2 나노 결정의 부피비가 38:62 미만이면 제1 나노 결정의 부피 비율이 커져 전기 전도도를 향상될 수 있지만 민감도가 감소되는 문제가 있고, 18:82를 초과하면 제2 나노 결정의 부피 비율이 커져 전기 전도도가 너무 감소하여 스트레인 측정에 문제가 있고 민감도가 너무 증가하는 문제가 있다.
따라서, 본 발명의 실시예에 따른 스트레인 센서의 제조 방법은 제1 나노 결정 및 제2 나노 결정의 부피 비율에 따라 스트레인 센서의 전기 전도도 및 민감도가 조절될 수 있고, 예를 들어, 제1 나노 결정의 부피 비율이 증가하면 전기 전도도는 증가되지만 민감도는 감소될 수 있고, 제2 나노 결정의 부피 비율이 증가하면 전기 전도도는 감소되지만 민감도가 증가될 수 있기에, 본 발명의 실시예에 따른 스트레인 센서의 제조 방법은 제1 나노 결정 및 제2 나노 결정의 부비피를 조절하여 원하는 전기 전도도 및 민감도를 갖는 스테리인 센서를 제조할 수 있다.
바람직하게는, 본 발명의 실시예에 따른 스트레인 센서의 제조 방법은 제1 나노 결정 및 제2 나노 결정의 부피비가 28:72일 수 있고, 본 발명의 실시예에 따른 스트레인 센서의 제조 방법은 전술한 부피비를 가짐으로써, 적절한 전기 전도도를 갖는 동시에 높은 민감도를 갖는 스트레인 센서를 제조할 수 있다.
용매는 메탄, 에틸렌, 아세틸렌, 벤젠, 헥산, 에탄올, 메탄올 및 프로판올 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 스트레인 센서의 제조 방법은 감지 용액을 이용하여 유연한 절연성 기판 상에 X축 감지부(120) 및 Y축 감지부(130)가 서로 직교되도록 패터닝하는 단계(a~e)를 진행한다.
보다 구체적으로, 감지 용액을 이용하여 유연한 절연성 기판 상에 X축 감지부(120) 및 Y축 감지부(130)가 서로 직교되도록 패터닝하는 단계(a~e)는 기판 상에 제1 포토레지스트를 코팅하는 단계(b), X축 감지부(120) 및 Y축 감지부(130)의 직교 패턴에 대응되도록 코팅된 제1 포토레지스트를 패터닝하는 단계(c), 패터닝된 제1 포토레지스트 상에 감지 용액을 코팅하는 단계(d) 및 제1 포토레지스트를 리프트 오프(lift off) 하는 단계(d)를 포함할 수 있다.
패터닝된 포토레지스트 상에 감지 용액을 코팅하는 단계(d)는 유연한 절연성 기판 상에 감지 용액을 용액 공정으로 코팅할 수 있고, 감지 용액은 스핀 코팅(Spin-coating), 슬릿 다이 코팅(Slit dye coating), 잉크젯 프린팅(Ink-jet printing), 스프레이 코팅(spray coating) 및 딥 코팅(dip coating) 중 어느 하나의 용액 공정을 이용하여 코팅되어 형성될 수 있고, 바람직하게는, 감지 용액은 스핀 코팅 방법으로 코팅될 수 있으며, 스핀 코팅은 기판 상에 용액을 일정량 떨어뜨리고 기판을 고속으로 회전시켜서 용액에 가해지는 원심력으로 코팅하는 방법이다.
또한, 감지 용액을 이용하여 유연한 절연성 기판 상에 X축 감지부(120) 및 Y축 감지부(130)가 서로 직교되도록 패터닝하는 단계(a~e)의 공정 온도는 60℃ 내지 150℃일 수 있고, 공정 온도가 60℃ 미만이면 포토레지스트의 용매가 제거되지 않아 노광 후 현상 단계에서 불필요한 부분(X축 감지부(120) 및 Y축 감지부(130) 부분)까지 제거되는 문제가 있고, 150℃를 초과하면 온도가 너무 높아 제거돼야 하는 부분(X축 감지부(120) 및 Y축 감지부(130) 외의 부분)이 제거되지 않는 문제가 있다.
바람직하게는, 감지 용액을 이용하여 유연한 절연성 기판 상에 X축 감지부(120) 및 Y축 감지부(130)가 서로 직교되도록 패터닝하는 단계(a~e)의 공정 온도는 110℃일 수 있다.
따라서, 본 발명의 실시예에 따른 스트레인 센서의 제조 방법은 감지 용액을 이용하여 유연한 절연성 기판 상에 X축 감지부(120) 및 Y축 감지부(130)가 서로 직교되도록 패터닝하는 단계(a~e)를 저온 상압 하에서 용액 공정으로 진행함으로써, 공정 시간을 단축시키고, 열화를 방지할 수 있다.
실시예에 따라, 감지 용액을 이용하여 유연한 절연성 기판 상에 X축 감지부(120) 및 Y축 감지부(130)가 서로 직교되도록 패터닝하는 단계(a~e)는, 제1 나노 결정 및 상기 제2 나노 결정의 표면에 형성된 제1 유기 리간드를 제2 유기 리간드 또는 무기 리간드로 치환하는 단계를 더 포함할 수 있다.
구체적으로는, 제1 포토레지스트를 리프트 오프(lift off) 하는 단계(d)를 진행한 다음, 제1 나노 결정 및 상기 제2 나노 결정의 표면에 형성된 제1 유기 리간드를 제2 유기 리간드 또는 무기 리간드로 치환하는 단계를 진행할 수 있다.
제1 나노 결정 및 제2 나노 결정의 표면에 형성된 제1 유기 리간드를 제2 유기 리간드 또는 무기 리간드로 치환하는 단계는 제2 유기 리간드 또는 무기 리간드가 분산된 리간드 치환 용액을 X축 감지부(120) 및 Y축 감지부(130)에 분사하거나, 침지시켜 수행할 수 있다.
제1 유기 리간드는 8개 내지 18개의 탄소 사슬을 포함할 수 있고, 제1 유기 리간드는 8개 내지 18개의 탄소 사슬을 포함할 수 있고, 제1 유기 리간드의 탄소 사슬이 8개 미만이면, 유기 용매 내의 분산성(분산 안정성)이 감소하여 제1 나노 결정 및 제2 나노 결정이 뭉치는 문제가 있고, 18개를 초과하면 이미 리간드 길이가 충분히 길기에 큰 변화를 나타내지 않아 불필요하다.
바람직하게는, 제1 유기 리간드는 트리옥틸포스핀(trioctylphosphine), 트리옥틸포스핀 산화물(trioctylphosphine oxide), 올레산(Oleic acid) 및 올레일아민(Oleylamine) 중 어느 하나를 포함할 수 있다.
리간드 치환 용액은 제2 유기 리간드 화합물 또는 무리 리간드 화합물 및 용매를 포함할 수 있고, 제2 유기 리간드 화합물은 1개 내지 3개의 탄소 사슬을 포함할 수 있고, 제2 유기 리간드 화합물의 탄소 사슬이 3개를 초과하면 리간드 길리가 너무 길어져 전도성이 너무 낮아지는 문제가 있다.
예를 들어, 제2 유기 리간드는 3-메르캅토프로피온산(3-mercaptopropionic acid, MPA) 및 1,2-에테인다이티올(1,2-ethanedithiol, EDT) 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
무기 리간드는 황 이온(S2-), 염소 이온(Cl-), 브롬 이온(Br-), 티오시안산 이온(SCN-), 아이오딘 이온(I-), 이황화물 이온(HS-), 텔루륨 이온(Te2-), 수산화 이온(OH-), 사불화붕산 이온(BF4 -) 및 육불화인산 이온(PF6 -) 중 적어도 어느 하나를 포함하는 화합물이 사용될 수 있다.
바람직하게는, 무기 리간드 화합물은 앞서 전술한 음이온과 양이온이 결합되어 있는 화합물이 사용될 수 있고, 예를 들어, 황 이온(S2-)을 포함하는 화합물로는 황화나트륨(Na2S)이 사용될 수 있으며, 염소 이온(Cl-)을 포함하는 화합물로는 염화 암모늄(NH4Cl) 또는 테트라-n-부틸 암모늄클로라이드(tetra-n-butyl ammonium chloride, TBAC)이 사용될 수 있고, 브롬 이온(Br-)을 포함하는 화합물로는 테트라-n-부틸 암모늄브로마이드(tetra-n-butyl ammonium bromide, TBAB)이 사용될 수 있으며, 티오시안산 이온(SCN-)을 포함하는 화합물로는 티오시안산 암모늄(NH4SCN)이 사용될 수 있다.
예를 들어, X축 감지부(120) 또는 Y축 감지부(130)에 N2S를 이용하여 제1 유기 리간드를 무기 리간드로 치환하기 전에는 X축 감지부(120) 또는 Y축 감지부(130)는 제1 나노 결정 및 제2 나노 결정 사이의 거리가 멀어 전기적으로 절연되어 있으나, N2S를 이용하여 제1 유기 리간드를 무기 리간드로 치환하면, 제1 나노 결정 및 제2 나노 결정 사이의 거리가 짧아져, 제1 나노 결정의 저항은 감소하는 반면, 제2 나노 결정의 저항은 증가될 수 있다.
본래, 제2 나노 결정은 3eV 이상의 넓은 밴드 갭(wide bandgap)을 가지므로, 게이트 전압이 없는 경우 낮은 전도성을 나타낸다.
실시예에 따라, 제1 나노 결정 및 제2 나노 결정의 표면에 형성된 제1 유기 리간드를 무기 리간드로 치환하는 단계를 진행한 다음, X축 감지부(120) 및 Y축 감지부(130)을 메탄올 또는 에탄올 등으로 세척하는 세정 단계를 진행할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 스트레인 센서의 제조 방법은 유연한 절연성 기판의 X축 감지부(120) 및 Y축 감지부(130)가 형성되지 않은 영역에 금속 전극을 형성하는 단계(f~i)를 진행한다.
바람직하게는, 유연한 절연성 기판의 X축 감지부(120) 및 Y축 감지부(130)가 형성되지 않은 영역에 금속 전극을 형성하는 단계(f~i)는 X축 감지부(120) 및 Y축 감지부(130)가 형성된 기판 상에 제2 포토레지스트를 코팅하는 단계(f), 금속 전극에 대응되도록 코팅된 제2 포토레지스트를 패터닝하는 단계(g), 패터닝된 제2 포토레지스트 상에 금속 전극을 코팅하는 단계(h) 및 제2 포토레지스트를 리프트 오프 (lift off) 하는 단계(f)를 포함할 수 있다.
패터닝된 제2 포토레지스트 상에 금속 전극을 코팅하는 단계(h)는 용액 공정으로 코팅될 수 있고, 용액 공정은 스핀 코팅(Spin-coating), 슬릿 다이 코팅(Slit dye coating), 잉크젯 프린팅(Ink-jet printing), 스프레이 코팅(spray coating) 및 딥 코팅(dip coating) 중 어느 하나의 용액 공정을 이용하여 코팅되어 형성될 수 있고, 바람직하게는, 용액 공정은 스핀 코팅 방법으로 코팅될 수 있으며, 스핀 코팅은 기판 상에 용액을 일정량 떨어뜨리고 기판을 고속으로 회전시켜서 용액에 가해지는 원심력으로 코팅하는 방법이다.
또한, 유연한 절연성 기판의 X축 감지부(120) 및 Y축 감지부(130)가 형성되지 않은 영역에 금속 전극을 형성하는 단계(f~i)의 공정 온도는 60℃ 내지 150℃의 온도에서 진행될 수 있고, 공정 온도가 60℃ 미만이면 포토레지스트의 용매가 제거되지 않아 노광 후 현상 단계에서 불필요한 부분(금속 전극 부분)까지 제거되는 문제가 있고, 150℃를 초과하면 온도가 너무 높아 제거돼야 하는 부분(금속 전극 외의 부분)이 제거되지 않는 문제가 있다.
바람직하게는, 유연한 절연성 기판의 X축 감지부(120) 및 Y축 감지부(130)가 형성되지 않은 영역에 금속 전극을 형성하는 단계(f~i)의 공정 온도는 110℃일 수 있다.
따라서, 본 발명의 실시예에 따른 스트레인 센서의 제조 방법은 유연한 절연성 기판의 X축 감지부(120) 및 Y축 감지부(130)가 형성되지 않은 영역에 금속 전극을 형성하는 단계(f~i)를 저온 상압 하에서 용액 공정으로 진행함으로써, 공정 시간을 단축시키고, 열화를 방지할 수 있다.
구체적으로, 본 발명의 실시예에 따른 스트레인 센서의 제조 방법은 모든 공정이 60℃ 내지 150℃의 온도에서 진행되므로, PET와 같은 유연한 절연성 기판이 고온에서 열 변형되는 것을 방지할 수 있고, 본 발명의 실시예에 따른 스트레인 센서의 제조 방법은 모든 공정이 스핀 코팅 또는 롤-투-롤과 같은 용액 공정으로 진행되므로, 진공 분위기를 형성할 필요가 없기 때문에 공정 비용을 감소시킬 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 스트레인 센서의 제조 방법은 X축 감지부(120) 및 Y축 감지부(130)에 크랙을 형성하는 단계(j~k)를 진행한다.
X축 감지부(120) 및 Y축 감지부(130)에 크랙을 형성하는 단계(j~k)는 X축 감지부(120), Y축 감지부(130) 및 금속 전극이 형성된 유연한 절연성 기판을 X축 방향 및 Y축 방향으로 적어도 1회 이상 굽힘을 가하여 진행될 수 있다.
다만, 크랙의 형성 방법 및 크기는 특별히 한정되는 것은 아니다.
X축 감지부(120) 및 Y축 감지부(130)에 크랙이 형성되는 경우, 저항의 약간 증가하긴 하지만, X축 감지부(120) 및 Y축 감지부(130)에 따른 감지부(30)의 저항 변화가 크게 증가하여 게이지 팩터를 증가시킬 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 스트레인 센서의 제조 방법은 크랙이 형성된 X축 감지부(120), 크랙이 형성된 Y축 감지부(130) 및 금속 전극 상에 캡슐화층을 형성하는 단계(l)를 진행한다.
크랙이 형성된 X축 감지부(120), 크랙이 형성된 Y축 감지부(130) 및 금속 전극 상에 캡슐화층을 형성하는 단계(l)는 크랙이 형성된 X축 감지부(120), 크랙이 형성된 Y축 감지부(130) 및 금속 전극을 포함하는 유연한 절연성 기판 상에 캡슐화층을 형성하기 위한 캡슐화 용액을 코팅하는 단계, 코팅된 캡슐화 용액을 소프트 베이킹(soft baking)하는 단계 및 소프트 베이킹된 캡슐화 용액을 자외선 경화하는 단계를 진행할 수 있다.
캡슐화 용액은 희석되지 않은 용액이 사용될 수 있고, 코팅 방법으로는 스핀 코팅이 사용될 수 있다.
X축 감지부(120) 및 Y축 감지부(130)는 금속-절연체 헤테로 구조(Metal-insulator heterostructure)를 가질 수 있다.
따라서, 본 발명의 실시예에 따른 스트레인 센서의 제조 방법은 스트레인 센서를 제조하기 위한 모든 공정이 상온(20℃ 내지 30℃), 상압(1기압)에서 용액 공정을 통하여 진행되므로, 제조 비용을 절감하는 동시에 용이하게 대량 생산이 가능하다.
제조예
300℃(저온)의 온도에서 7nm의 직경의 인듐 주석 산화물 나노 입자 및 11nm의 아연 산화물 나노 입자를 대량 합성하고, 합성된 인듐 주석 산화물 나노 입자 및 아연 산화물 나노 입자를 부피비(인듐 주석 산화물:아연 산화물)를 70:30, 44:56 및 28:72로 변화시키면서 헥센 용매에 분산(헥산 내에 인듐 주석 산화물 50mg+ 아연 산화물 100mg/ml)시켜 감지 용액을 제조하였다.
X축과 Y축을 동시에 감지하기 위해 PET 기판 상에 감지 용액을 이용한 포토리소그래피와 리프트 오프(lift-off)를 이용하여 X축 감지부 및 Y축 감지부를 십자 모양으로 패터닝한 다음, 황화나트륨(Na2S)으로 기존의 길이가 긴 트리옥틸포스핀옥사이드(TOPO)(8개의 탄소 사슬 포함)의 제1 유기 리간드를 길이가 짧은 무기 리간드로 치환시켰다.
이 후, 포토리소그래피와 리프트 오프(lift-off)를 이용하여 은나노 와이어의 투명한 금속 전극을 형성한 다음, X축 감지부 및 Y축 감지부에 직교 방향으로 인위적 크랙을 형성하였다.
마지막으로, X축 감지부, Y축 감지부 및 금속 전극 상에 700nm 또는 10㎛의 SU-8을 스핀 코팅한 다음, 소프트 베이킹(soft baking) 및 자외선 처리하여 캡슐화층을 형성하였다. 또한, 캡슐화층은 SU-8를 3000rpm으로 30s동안 코팅한 다음, 65℃에서 1분 및 95℃에서 5분 동안 프리 베이킹(pre baking)을 진행한 후, 60초 동안 노광을 진행하였다.
앞서 전술한, 포토리스그래피는 1000rpm으로 30초 동안 포토레지스트를 코팅한 다음, 110℃에서 2분 동안 프리 베이킹(pre baking)을 진행한 후, 11초 동안 노광을 진행하고, 90초 동안 현상을 진행한 다음, X축 감지부 및 Y축 감지부, 금속 전극을 코팅하고, 아세톤으로 리프트 오프를 진행하였다.
포토리소그래피에서 사용된 포토레지스트로는 GXR 601을 사용하고, 포토레지스트 코팅은 스핀코팅 장비를 사용하였다. 현상액(developer) 및 리프트 오프 용액으로는 각각 MIF 300K 및 acetone을 사용하였고, 노출 시간(exposure time) 및 현상 시간(develop time)을 조절하여 공정을 최적화하였다.
도 8은 제2 나노 결정의 비율에 따른 본 발명의 실시예에 따른 스트레인 센서의 X축 감지부 또는 Y축 감지부의 저항률을 도시한 그래프이다.
도 8은 X축 감지부 또는 Y축 감지부에 N2S를 이용하여 제1 유기 리간드를 무기 리간드로 치환한 후의 제2 나노 결정의 비율에 따른 저항을 도시한 그래프이다.
도 8을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 스트레인 센서의 X축 감지부 또는 Y축 감지부에 제2 나노 결정의 비율이 30%인 경우, 339 ± 50 Ω cm의 저항값을 나타내고, 56%인 경우, 1.5 ± 0.3 kΩ cm의 저항값을 나타내며, 72%인 경우 67 ± 30 kΩ cm의 저항값을 나타내는 것을 보아, 중간 저항을 나타내는 것을 알 수 있다.
특히, 본 발명의 실시예에 따른 스트레인 센서의 X축 감지부 또는 Y축 감지부의 저항률(resistivity)은 제2 나노 결정이 72% 이상의 농도로 포함될 때 극적으로 증가하여 72% 이상의 농도에서 금속-절연체 전이 임계 근처에 위치하는 것을 알 수 있다.
도 9는 0% 스트레인(strain) 하(점선) 및 0.2% 스트레인(strain) 하(실선)에서 제1 나노 결정만 포함하는 X축 감지부 또는 Y축 감지부(pure ITO NC)의 크랙 형성 전(검은색 선) 및 크랙 형성 후(붉은색 선)의 굽힘 상태에 따른 전류-전압 특성을 도시한 그래프 및 본 발명의 실시예에 따른 스트레인 센서의 X축 감지부 또는 Y축 감지부(72% ZnO NC hybrid)의 크랙 형성 전(검은색 선) 및 크랙 형성 후(붉은색 선)의 굽힘 상태에 따른 전류-전압 특성을 도시한 그래프이고, 도 10은 본 발명의 실시예에 따른 스트레인 센서의 X축 감지부 또는 Y축 감지부에 크랙이 형성되기 전(w/o cracks) 및 후(w/cracks)의 제2 나노 결정의 비율에 따른 게이지 팩터(gauge factor)를 도시한 그래프이다.
도 9 및 도 10을 참조하면, 0.2% 스트레인(strain) 하(실선)에서의 제1 나노 결정만 포함하는 X축 감지부 또는 Y축 감지부(pure ITO NC)의 저항 변화는 2.8%이고, 게이지 팩터는13.8인 것을 알 수 있다.
또한, 제2 나노 결정의 비율이 30%일 때의 게이지 팩터는 35.6이고, 56% 일 때의 게이지 팩터는 47.6이며, 72% 일 때의 게이지 팩터는 66.0으로 점차 증가하는 것을 알 수 있다.
제1 나노 결정만 포함하는 X축 감지부 또는 Y축 감지부(pure ITO NC)의 평균 게이지 팩터는 14.0 ± 1.2이고, 제2 나노 결정의 비율이 30%일 때는 30.7 ± 5.1이며, 제2 나노 결정의 비율이 56%일 때는 53.0 ± 7.2이고, 제2 나노 결정의 비율이 72%일 때는 70.8 ± 12.9이었다.
또한, X축 감지부 또는 Y축 감지부에 2%의 사전 변형을 적용하여 크랙을 형성한 후, 제1 나노 결정만 포함하는 X축 감지부 또는 Y축 감지부(pure ITO NC)의 평균 게이지 팩터는 25.9 ± 3.4이고, 제2 나노 결정의 비율이 30%일 때는 83.7 ± 5.9이며, 제2 나노 결정의 비율이 56%일 때는 178.8 ± 20.0이고, 제2 나노 결정의 비율이 72%일 때는 420.4 ± 40.6이었다.
따라서, X축 감지부 및 Y축 감지부에 크랙을 형성함으로써 스트레인 센서의 민감도가 향상되는 것을 알 수 있다.
도 11은 0.2% 스트레인(strain) 하에서의 제1 나노 결정만 포함하는 X축 감지부 또는 Y축 감지부(pure ITO NC), 56%의 제2 나노 결정을 포함하는 본 발명의 실시예에 따른 스트레인 센서의 X축 감지부 또는 Y축 감지부(56% ZnO NC hybrid) 및 72%의 제2 결정을 포함하는 본 발명의 실시예에 따른 스트레인 센서의 X축 감지부 또는 Y축 감지부(72% ZnO NC hybrid)의 저항 변화 사이클(Resistance change cycle)을 도시한 그래프이다.
도 11을 참조하면, X축 감지부 또는 Y축 감지부 내의 제2 나노 결정의 절연 성분의 비율이 증가함에 따라, 크랙과 함께 X축 감지부 또는 Y축 감지부의 감도가 증가되고, 72%의 농도로 제2 나노 결정을 포함하는 경우, 482의 높은 감도를 나타내는 것을 알 수 있다.
도 12는 0.2% 스트레인(strain) 하에서의 캡슐화층을 포함하지 않는 스트레인 센서(no SU-8), 700nm두께의 캡슐화층(700nm SU-8) 및 10㎛ 두께의 캡슐화층(10㎛ SU-8)을 포함하는 본 발명의 실시예에 따른 스트레인 센서의 스트레인 사이클(strain cycles)에 따른 저항 변화를 도시한 그래프이고, 도 13은 캡슐화층을 포함하지 않는 스트레인 센서(no SU-8), 700nm두께의 캡슐화층(700nm SU-8) 및 10㎛ 두께의 캡슐화층(10㎛ SU-8)을 포함하는 본 발명의 실시예에 따른 스트레인 센서의 인가 스트레인(applied strain)에 따른 저항 변화를 도시한 그래프이다.
도 12 및 도 13을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 스트레인 센서는 캡슐화층의 두께가 증가함에 따라 크랙과 함께 본 발명의 실시예에 따른 스트레인 센서의 감도가 증가하고, 10㎛ 두께의 캡슐화층(10㎛ SU-8)을 포함하는 본 발명의 실시예에 따른 스트레인 센서는 게이지 팩터가 3358로 가장 높게 나타났다.
또한, 0.2% 스트레인(strain) 하에서의 다수의 스트레인 사이클 시험 동안 안정한 저항 변화를 나타내고, 700nm두께의 캡슐화층을 포함하는 본 발명의 실시예에 따른 스트레인 센서는 0%~1%의 스트레인 범위 내에서 선형 저항 변화를 나타내고, 10㎛ 두께의 캡슐화층을 포함하는 본 발명의 실시예에 따른 스트레인 센서는 1400회 이상 수행된 스트레인 사이클 테스트(strain cycle test)에서 기본 저항과 높은 감도를 유지하여 탁월한 내구성을 나타내는 것을 알 수 있다.
도 14는 캡슐화층을 포함하지 않는 스트레인 센서(no SU-8), 10㎛ 두께의 캡슐화층(SU-8)을 포함하는 본 발명의 실시예에 따른 스트레인 센서의 탈이온수(DIW), 에탄올(ETOH), 염산(HCl) 및 수산화칼륨(KOH) 처리에 따른 저항 변화를 도시한 그래프이다.
도 14를 참조하면, 캡슐화층을 포함하지 않는 스트레인 센서는 환경 변화에 민감하기 때문에 각 용액을 처리하였을 때, 40% 이상의 큰 저항 변화를 나타내었으나, 10㎛ 두께의 캡슐화층(SU-8)을 포함하는 본 발명의 실시예에 따른 스트레인 센서는 캡슐화층을 포함함으로써, 각 용액을 처리하였을 때, 무시할만한 저항 변화를 나타내어 내구성 및 안정성이 뛰어난 것을 알 수 있다.
도 15는 X축 및 인가된 스트레인 방향 사이의 각도(θ)가 0°일 때의, 스트레인 증가에 따른 본 발명의 실시예에 따른 스트레인 센서의 저항 변화를 도시한 그래프이고, 도 16은 직교 크랙(orthogonal crack)을 포함하는 본 발명의 실시예에 따른 스트레인 센서의 스트레인 분포(strain distribution)를 도시한 유한요소법(Finite Elements Method, FEM) 해석 결과 이미지이다.
도 15 및 도 16을 참조하면, X축 감지부의 저항은 적용된 스트레인에 비례하여 증가하고, 0.2%~1%의 스트레인 범위 내에서 최대 유효 게이지 팩터(high effective gauge factor)가 500에 다다르는 것을 알 수 있다.
반면, Y축 감지부는 적용된 스트레인에 대해 무시할 수 있는 저항 변화를 나타내므로, 유효 게이지 팩터가 11로 낮게 나타나는 것을 알 수 있다.
또한, 스트레인이 적용된 힘과 평행한 크랙이 주로 집중되어 있고, X축 감지부에 수직한 크랙의 스트레인이 집중됨에 따라 저항 변화가 나타나지만, Y축 감지부의 저항 변화는 무시할만한 것을 알 수 있다.
도 17은 X축 및 적용된 스트레인 방향 사이의 각도(θ)가 45°일 때의, 스트레인 증가에 따른 본 발명의 실시예에 따른 스트레인 센서의 저항 변화를 도시한 그래프이고, 도 18은 직교 크랙을 갖는 본 발명의 실시예에 따른 스트레인 센서의 스트레인 분포를 도시한 유한요소법(Finite Elements Method, FEM) 해석 결과 이미지이다.
도 17 및 도 18을 참조하면, X축 감지부 및 Y축 감지부의 저항은 스트레인이 증가함에 따라 비슷한 저항 변화를 나타내어 유효 게이지 팩터가
를 유도하는 것을 알 수 있다.
또한, 스트레인이 적용된 힘과 평행한 크랙이 주로 집중되어 있고, X축 감지부 및 Y축 감지부는 스트레인이 직교 크랙에 고르게 분포되어 있는 유사한 저항 변화를 나타내는 것을 알 수 있다.
도 19는 X축 및 적용된 스트레인 방향 사이의 각도(θ)가 0°, 30°, 45°, 60° 및 90°의 방향으로 변형된 본 발명의 실시예에 따른 스트레인 센서의 X축 감지부의 저항 변화 사이클을 도시한 그래프이고, 도 20은 십자 패턴을 갖는 본 발명의 실시예에 따른 스트레인 센서의 X축 감지부 및 Y축 감지부의 X축의 각도 함수에 따른 게이지 팩터를 도시한 그래프이다.
도 19 및 도 20을 참조하면, X축 감지부 및 Y축 감지부는 θ = 0°에서
Figure 112019012856310-pat00003
= 90°까지의 다양한 방향에 대한 스트레인 사이클 테스트에서 신뢰할 수 있는 저항 변화를 나타내는 것을 알 수 있다,
또한, X축 감지부 및 Y축 감지부는 X축으로부터의 각도가 증가함에 따라, X축 감지부의 유효 게이지 팩터는 528 (
Figure 112019012856310-pat00004
= 0°, Gx), 421 (
Figure 112019012856310-pat00005
= 30°), 319 (
Figure 112019012856310-pat00006
= 45°), 239 (
Figure 112019012856310-pat00007
= 60°) 및 10 (
Figure 112019012856310-pat00008
= 90°)을 나타내고, Y축 감지부의 유효 게이지 팩터는 8.3 (
Figure 112019012856310-pat00009
= 0°), 240 (
Figure 112019012856310-pat00010
= 30°), 314(
Figure 112019012856310-pat00011
= 45°), 435 (
Figure 112019012856310-pat00012
= 60°) 및 520 (
Figure 112019012856310-pat00013
= 90°, Gy)을 나타내는 것을 알 수 있다.
또한, 도 20을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 스트레인 센서의 테스트 결과(실선)가 시뮬레이션 데이터(점선)와 일치하는 것으로 보아, 본 발명의 실시예에 따른 스트레인 센서는 고감도 및 고안정성을 갖는 투명한 다축 센서로 사용하기에 유리한 것을 알 수 있다.
도 21은 손목에 적용된 본 발명의 실시예에 따른 스트레인 센서의 실시간 휴먼 펄스 모니터링(Human pulse monitoring)을 도시한 그래프이다.
도 21을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 스트레인 센서는 펄스가 충격(percussion, P)파, 타이달(tidal, T)파 및 이완(diastolic, D)파가 감지되어 웨어러블 의료 애플리케션으로 사용될 수 있는 것을 알 수 있다.
도 22는 "스트레인(strain)" 및 "센서(sensor)"를 두번 발음하였을 때의 사람의 목에 부착되어 있는 본 발명의 실시예에 따른 스트레인 센서의 소리 신호 변화를 도시한 그래프이다.
도 22를 참조하면, 스트레인(strain)" 및 "센서(sensor)"와 같은 단어를 두 번씩 말하였을 때, 각 단어에 따라 독특한 패턴을 나타냄으로써, 패턴으로 단어를 구별할 수 있어, 본 발명의 실시예에 따른 스트레인 센서를 인간-기계 인터페이스 기술(human-machine interface technology)에 사용될 수 있는 것을 알 수 있다.
도 23 및 도 24는 놀라거나(surprised) 아플 때(painful)의 사람의 이마에 부착되어 있는 본 발명의 실시예에 따른 스트레인 센서의 저항 변화를 도시한 그래프이다.
도 23 및 도 24는 이마의 곡률에 의해 센서가 변형되고, 놀랐을 때는 이마가 늘어나 곱게 펴져 본 발명의 실시예에 따른 스트레인 센서에 가해지는 스트레인이 풀려 저항이 감소되고, 통증을 느꼈을 때는 이마의 곡률이 증가하여 스트레인이 강하게 가해져 본 발명의 실시예에 따른 스트레인 센서의 저항이 증가하는 것을 알 수 있다.
도 25 및 도 26은 침울하거나(sullen) 웃을 때(smiling)의 사람의 입 근처에 부착되어 있는 본 발명의 실시예에 따른 스트레인 센서의 저항 변화를 도시한 그래프이다.
도 25 및 도 26을 참조하면, 입 근처에 부착된 본 발명의 실시예에 따른 스트레인 센서는 침울할 때는 입 근처가 늘어나 곱게 펴져 본 발명의 실시예에 따른 스트레인 센서에 가해지는 스트레인이 풀려 저항이 감소되고, 웃을 때는 입 근처의 곡률이 증가하여 스트레인이 강하게 가해져 본 발명의 실시예에 따른 스트레인 센서의 저항이 증가하는 것을 알 수 있다.
도 27은 인간의 손목에 부착되어 있는 본 발명의 실시예에 따른 스트레인 센서를 도시한 이미지이고, 도 28은 단축 움직임(uniaxial motion)에 따른 본 발명의 실시예에 따른 스트레인 센서의 저항 변화를 도시한 그래프이며, 도 29은 다축 움직임(multiaxial motion)에 따른 본 발명의 실시예에 따른 스트레인 센서의 저항 변화를 도시한 그래프이다.
도 27 내지 도 29를 참조하면, 손목을 Y축(1 방향)의 방향으로 구부렸을 때는 Y축 감지부의 저항만 크게 증가하고, X축 감지부는 무시할 만한 저항 변화를 나타냈다.
반면, 대각선 방향으로 손목을 구부리는 경우, X축 감지부 및 Y축 감지부 모두에서 변형이 감지되어, 본 발명의 실시예에 따른 스트레인 센서는 다축 방향으로 스트레인이 가해질 때 뚜렷한 저항 변화를 나타내어, 실용성을 갖는 동시에 고감도 및 고선택성을 갖는 것을 알 수 있다.
이상과 같이 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 그러므로, 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
110: 유연한 절연성 기판 120: X축 감지부
121, 131: 제1 나노 결정 131: Y축 감지부
122, 132: 제2 나노 결정 140: 금속 전극
150: 캡슐화층 C: 크랙

Claims (20)

  1. 유연한 절연성 기판 상에 형성되고, X축 변형을 감지하는 X축 감지부;
    상기 X축 감지부와 직교되도록 상기 유연한 절연성 기판 상에 형성되고, Y축 변형을 감지하는 Y축 감지부;
    상기 유연한 절연성 기판의 상기 X축 감지부 및 상기 Y축 감지부가 형성되지 않은 영역에 형성되는 금속 전극; 및
    상기 X축 감지부, 상기 Y축 감지부 및 상기 금속 전극 상에 형성되는 캡슐화층(encapsulate layer)
    을 포함하고,
    상기 X축 감지부 및 상기 Y축 감지부는 금속-절연체 헤테로 구조(Metal-insulator heterostructure)를 갖는 것을 특징으로 하는 스트레인 센서.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 금속-절연체 헤테로 구조는 금속성 물질로 사용되는 제1 나노 결정 및 절연성 물질로 사용되는 제2 나노 결정을 포함하는 것을 특징으로 하는 스트레인 센서.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제1 나노 결정 및 상기 제2 나노 결정의 부피비는 38:62 내지 18:82인 것을 특징으로 하는 스트레인 센서.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 제1 나노 결정 또는 상기 제2 나노 결정의 직경은 5nm 내지 15nm인 것을 특징으로 하는 스트레인 센서.
  5. 제2항에 있어서,
    상기 제1 나노 결정 또는 제2 나노 결정은 1개 내지 3개의 탄소 사슬을 포함하는 유기 리간드 또는 무기 리간드를 포함하는 것을 특징으로 하는 스트레인 센서.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 1개 내지 3개의 탄소 사슬을 포함하는 유기 리간드는 3-메르캅토프로피온산(3-mercaptopropionic acid, MPA) 및 1,2-에테인다이티올(1,2-ethanedithiol, EDT) 중 적어도 어느 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 스트레인 센서.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 무기 리간드는 황 이온(S2-), 염소 이온(Cl-), 브롬 이온(Br-), 티오시안산 이온(SCN-), 아이오딘 이온(I-), 이황화물 이온(HS-), 텔루륨 이온(Te2-), 수산화 이온(OH-), 사불화붕산 이온(BF4 -) 및 육불화인산 이온(PF6 -) 중 적어도 어느 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 스트레인 센서.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 X축 감지부 및 상기 Y축 감지부는 내부에 크랙(crack)을 포함하는 것을 특징으로 하는 스트레인 센서.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 크랙은 상기 X축 감지부 및 상기 Y축 감지부내에 직교(orthogonal)되도록 형성된 것을 특징으로 하는 스트레인 센서.
  10. 제2항에 있어서,
    상기 제1 나노 결정은 인듐 주석 산화물(ITO), 불소 도핑 주석 산화물(FTO), 및 알루미늄 도핑 아연 산화물(AZO) 중 적어도 어느 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 스트레인 센서.
  11. 제2항에 있어서,
    상기 제2 나노 결정은 아연 산화물(ZnO), 실리콘 산화물(SiO2) 및 알루미늄 산화물(Al2O3) 중 적어도 어느 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 스트레인 센서.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 금속 전극은 은(Ag) 나노 와이어, 구리(Cu) 나노 와이어, 알루미늄(Al) 나노 와이어, 금(Au) 나노 와이어, 백금(Pt) 나노 와이어, 니켈(Ni) 나노 와이어, 텅스텐(W) 나노 와이어, 철(Fe) 나노 와이어, 탄소나노튜브(carbon nanotube: CNT) 및 그래핀(graphene) 중 적어도 어느 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 스트레인 센서.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 캡슐화층은 SU-8, 폴리디메틸실록산(PDMS), 에코플렉스(ecoflex), 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA) 및 폴리이미드(polyimide) 중 적어도 어느 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 스트레인 센서.
  14. 제1 나노 결정 및 제2 나노 결정을 용매 내에 분산시켜 감지 용액을 제조하는 단계;
    상기 감지 용액을 이용하여 유연한 절연성 기판 상에 X축 감지부 및 Y축 감지부가 서로 직교되도록 패터닝하는 단계;
    상기 유연한 절연성 기판의 상기 X축 감지부 및 상기 Y축 감지부가 형성되지 않은 영역에 금속 전극을 형성하는 단계;
    상기 X축 감지부 및 상기 Y축 감지부에 크랙을 형성하는 단계; 및
    상기 크랙이 형성된 상기 X축 감지부, 상기 크랙이 형성된 Y축 감지부 및 상기 금속 전극 상에 캡슐화층을 형성하는 단계
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 스트레인 센서의 제조 방법.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 X축 감지부 및 상기 Y축 감지부는 금속-절연체 헤테로 구조(Metal-insulator heterostructure)를 갖는 것을 특징으로 하는 스트레인 센서의 제조 방법.
  16. 제14항에 있어서,
    상기 제1 나노 결정 및 상기 제2 나노 결정의 부피비는 38:62 내지 18:82인 것을 특징으로 하는 스트레인 센서의 제조 방법.
  17. 제14항에 있어서,
    상기 감지 용액을 이용하여 유연한 절연성 기판 상에 X축 감지부 및 Y축 감지부가 직교되도록 패터닝하는 단계는,
    상기 제1 나노 결정 및 상기 제2 나노 결정의 표면에 형성된 제1 유기 리간드를 제2 유기 리간드 또는 무기 리간드로 치환하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 스트레인 센서의 제조 방법.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 제1 유기 리간드는 8개 내지 18개의 탄소 사슬을 포함하는 것을 특징으로 하는 스트레인 센서의 제조 방법.
  19. 제17항에 있어서,
    상기 제2 유기 리간드는 1개 내지 3개의 탄소 사슬을 포함하는 것을 것을 특징으로 하는 스트레인 센서의 제조 방법.
  20. 제17항에 있어서,
    상기 무기 리간드는 황 이온(S2-), 염소 이온(Cl-), 브롬 이온(Br-), 티오시안산 이온(SCN-), 아이오딘 이온(I-), 이황화물 이온(HS-), 텔루륨 이온(Te2-), 수산화 이온(OH-), 사불화붕산 이온(BF4 -) 및 육불화인산 이온(PF6 -) 중 적어도 어느 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 스트레인 센서의 제조 방법.
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