KR102102696B1 - 구부림 센서, 구부림 센서의 제조방법 및 에너지 발전 소자 - Google Patents

Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 구부림 센서 제조방법은, 플렉서블 기판 상에 하나 이상의 전극 라인을 형성하는 단계; 상기 전극 라인을 구부려 상기 전극 라인에 크랙을 발생시키는 단계; 상기 형성된 전극 라인을 역피라미드 형태의 고분자 물질이 내삽된 주형에 접촉시키는 단계; 및 상기 전극 라인을 상기 주형으로부터 분리하여 상기 전극 라인 상에 상기 고분자 물질로 이루어진 피라미드 구조체를 형성하는 단계를 포함할 수 있다.

Description

구부림 센서, 구부림 센서의 제조방법 및 에너지 발전 소자 {Bending Sensor, Manufacturing Method Thereof and Energy Harvesting Device}

본 출원은 구부림 센서, 구부림 센서의 제조방법 및 에너지 발전 소자에 관한 것이다.

구부림 센서는 휨에 따라 저항값이 변화하여 구부러짐을 측정할 수 있는 센서로서 인체 움직임 감지 등과 같은 다양한 분야에서 적용될 수 있으며, 구부림 센서를 이용한 에너지 하베스팅 기술에 대한 연구도 활발히 이루어지고 있다.

이러한 구부림 센서의 활용을 위해서는 구부림 센서의 민감도를 향상하는 것이 중요한 이슈이다.

이와 관련하여, 하기의 특허문헌은 "벤딩센서가 구비된 시트 감지장치 및 그 감지방법"을 개시하고 있다.

(한국등록특허 제10-1743448호, 2017년 5월 30일)

당해 기술분야에서는 민감도가 향상된 구부림 센서를 제공하기 위한 방안이 요구되고 있다.

상기 과제를 해결하기 위해서, 본 발명의 일 실시예는 구부림 센서 제조방법을 제공한다.

상기 구부림 센서 제조방법은, 플렉서블 기판 상에 하나 이상의 전극 라인을 형성하는 단계; 상기 전극 라인을 구부려 상기 전극 라인에 크랙을 발생시키는 단계; 상기 형성된 전극 라인을 역피라미드 형태의 고분자 물질이 내삽된 주형에 접촉시키는 단계; 및 상기 전극 라인을 상기 주형으로부터 분리하여 상기 전극 라인 상에 상기 고분자 물질로 이루어진 피라미드 구조체를 형성하는 단계를 포함할 수 있다.

한편, 본 발명의 다른 실시예는 구부림 센서를 제공한다.

상기 구부림 센서는, 플렉서블 기판; 상기 플렉서블 기판 상에 형성되며, 미세 크랙이 형성된 하나 이상의 전극 라인; 및 상기 전극 라인 상에 형성된 복수 개의 피라미드 구조체를 포함할 수 있다.

한편, 본 발명의 또 다른 실시예는 에너지 발전 소자를 제공한다.

상기 에너지 발전 소자는, 상술한 구부림 센서를 포함하며 마찰전기유도를 통해 에너지를 생성할 수 있다.

덧붙여 상기한 과제의 해결수단은, 본 발명의 특징을 모두 열거한 것이 아니다. 본 발명의 다양한 특징과 그에 따른 장점과 효과는 아래의 구체적인 실시형태를 참조하여 보다 상세하게 이해될 수 있을 것이다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 미세 크랙 제어를 통한 고민감도의 구부림 센서, 구부림 센서의 제조방법 및 구부림 센서를 포함하는 에너지 발전 소자를 제공할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 구부림 센서 제조방법의 흐름도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 구부림 센서 제조방법을 설명하기 위한 개략도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따라 형성된 다양한 폭의 금속 패턴의 예를 도시한다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따라 형성된 피라미드 구조체의 예를 도시한다.
도 5는 금속 패턴의 폭에 따른 센서 민감도를 도시하는 그래프이다.
도 6은 금속 패턴의 폭에 따라 형성된 크랙의 개수를 도시하는 도면이다.
도 7은 구부러짐 반복 횟수에 따른 센서 민감도를 도시하는 그래프이다.
도 8은 구부러짐 반복 횟수에 따라 형성된 크랙의 개수를 도시하는 도면이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 구부림 센서를 이용하여 마찰전기유도를 통해 에너지를 생성하는 예를 도시하는 도면이다.
도 10은 마찰전기유도 과정에서 구부림 센서의 전압 및 전류를 도시하는 그래프이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 구부림 센서를 사용하여 인체 움직임을 측정하는 적용 예를 도시하는 도면이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있도록 바람직한 실시예를 상세히 설명한다. 다만, 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명함에 있어, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다.

또한, 다음에 소개되는 실시예들은 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 예로서 제공되는 것이다. 따라서 본 발명은 이하 설명된 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 그리고 도면들에 있어서, 구성요소의 폭, 길이, 두께 등은 편의를 위하여 과장되어 표현될 수도 있다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 구부림 센서 제조방법의 흐름도이다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 구부림 센서 제조방법은 플렉서블 기판 상에 하나 이상의 전극 라인을 형성하는 단계(S110), 전극 라인을 구부려 전극 라인에 크랙을 발생시키는 단계(S120), 전극 라인을 역피라미드 형태의 고분자 물질이 내삽된 주형에 접촉시키는 단계(S130) 및 전극 라인을 주형으로부터 분리하여 전극 라인 상에 피라미드 구조체를 형성하는 단계(S140)를 포함할 수 있다.

여기서, 전극 라인에 접촉되는 주형은 역피라미드 형태의 몰드와 몰드 내에 채워진 고분자 물질을 포함할 수 있다.

또한, 전극 라인 상에 형성되는 피라미드 구조체는 고분자 물질로 이루어질 수 있으며, 크랙이 형성된 전극 라인 상에 복수개 구비될 수 있다.

상술한 제조방법에 따라 제조된 구부림 센서는, 플렉서블 기판과, 플렉서블 기판 상에 형성되며 미세 크랙이 형성된 하나 이상의 전극 라인과, 전극 라인 상에 형성된 복수 개의 피라미드 구조체를 포함할 수 있다.

이하, 도 2를 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 구부림 센서 제조방법과 이에 따라 제조된 구부림 센서에 대해 보다 구체적으로 설명한다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 구부림 센서 제조방법을 설명하기 위한 개략도이다.

도 2를 참조하면, 플렉서블 기판으로 폴리이미드 필름(10)을 두께 50 ㎛, 폭 25mm, 길이 55mm로 준비하고, 폴리이미드 필름(10) 상의 잔해물 제거를 위해 15분간 아세톤내에서 초음파 처리할 수 있다.

복수 개의 라인을 가지는 패터닝된 금속 마스크(20)를 폴리이미드 필름(10) 상단에 위치시키고, 백금을 스퍼터 코터(BAL-TEC SCD 005)를 이용해 20 nm 두께로 코팅하여 백금 전극(30)을 형성하고 백금 전극(30)과 전도성 도선을 전기적으로 연결하도록 백금 전극(30)의 양단에 전도성 에폭시(40)를 고정시킨다. 여기서, 금속 마스크(20)의 패턴은 15mm 길이와 동일 폭에서 동일 간격의 32개 선을 갖도록 구성될 수 있으며, 백금 전극(30)의 길이 방향으로 패턴의 라인이 곡률에 평행하게 정렬될 수 있다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따라 형성된 다양한 폭의 금속 패턴의 예를 도시하는 것으로, (a), (b) 및 (c)는 각각 폭이 400μm, 200μm 및 100μm인 금속 패턴의 광학현미경 사진이다.

이후, 폴리이미드 필름(10)을 구부려서 백금 전극(30)에 미세 크랙(50)을 발생시킨다.

이후, 미세 크랙(50)이 형성된 백금 전극(30)을 고분자 물질인 폴리디메틸실록산(70)이 채워진 역피라미드 형태의 몰드로 형성된 주형(60)에 접촉시킨다. 여기서, 역피라미드 형태의 몰드 및 주형의 제작은 하기와 같이 수행될 수 있다.

우선, 200nm의 저응력 질화규소(Si3N4, LSN)을 4 인치 실리콘 웨이퍼에 증착한 후, 포토 리소그래피 및 건식 에칭을 사용하여, LSN을 패터닝하여 후속적인 실리콘 에칭을 위한 하드 마스크로서 이용되도록 한다. 실리콘은 염화칼륨 수용액(KOH: DI water = 1:1 부피비)을 이용하여 83℃에서 4시간 동안 습식 에칭 처리를 한다. 결정 방향에 따라 실리콘 에칭 속도가 달라지며 54.7°의 경사를 갖는 피라미드가 형성될 수 있다. 바닥면의 폭은 400㎛, 모서리와 모서리 사이의 간격은 400㎛, 높이는 282.5㎛으로 제작될 수 있다.

이후, 미세구조를 갖는 실리콘 웨이퍼는 O2 플라즈마에 노출된 후, 실불소화 처리된 표면을 생성하기 위해 (1H, 1H, 2H, 2H- 퍼플 루오로 옥틸) 실란(trichloro-(1H,1H,2H,2H- perfluorooctyl) silane)이 70℃에서 30분간 화학증착(CVD) 된다. 최종적으로 몰드로 사용하기 위해 제작된 실리콘 웨이퍼는 에탄올로 세정된다.

또한, 사전 경화된 폴리디메틸실록산(sylgard 184, Dow corning, USA) 용액을 제조하기 위해 기초 용액과 경화제는 10:1의 중량 비율로 혼합된 후 데시케이터 내부의 감압 펌프를 이용하여 탈기된다. 폴리디메틸실록산 용액은 실리콘 몰드 위에 500 rpm에서 30초간 스핀 코팅된다.

이후, 백금 전극(30)을 주형(60)으로부터 분리하여 백금 전극(30) 상에 복수 개의 피라미드 구조체(80)를 형성한다. 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따라 형성된 피라미드 구조체의 예를 도시하는 것으로, (a) 및 (b)는 각각 피라미드 구조체를 상부 및 측면에서 촬영한 주사전자현미경 사진이고, (c)는 본 발명의 실시예에 따라 제조된 실제 센서의 이미지이다.

이하, 도 5 내지 도 8을 참조하여, 구부림 센서의 제조 조건에 따른 센서 특성을 설명한다. 후술하는 구부림 센서의 특성 평가에 있어서, 구부림을 유도하고 구부림 각도를 측정하기 위해 압력 게이지와 모터(Mark-10)가 사용되었다. 저항 값은 LCR 미터(HP 4284A)를 이용하여 1kHz, 1V에서 측정되었다. 또한, 데이터 수집 속도는 초당 14개의 데이터로 설정하였다.

도 5는 금속 패턴의 폭에 따른 센서 민감도를 도시하는 그래프로서, 금속 패턴의 폭이 각각 400μm, 200μm, 100μm 및 패턴이 없는 경우 센서의 구부러짐 곡률(r)에 따른 센서 민감도를 나타낸다.

도 5를 참조하면, 금속 패턴의 폭이 좁아짐에 따라 민감도가 크게 향상됨을 확인할 수 있다. 특히, 금속 패턴의 폭이 100μm인 경우, 곡률 1.6mm에서 ΔR/R₀ 값이 68.84로 기존에 구부러짐을 측정하던 센서와 비교하여 민감도가 크게 향상된 것을 확인할 수 있다.

도 6은 금속 패턴의 폭에 따라 형성된 크랙의 개수를 도시하는 도면으로, 예를 들어 1000회의 구부러짐 반복 후에 금속 패턴의 폭에 따라 형성된 크랙을 광학현미경으로 살펴본 것이다.

도 6을 참조하면, 1000회의 구부러짐을 반복한 이후에 100μm당 크랙 개수는 금속 패턴의 폭이 감소함에 따라 증가함을 확인할 수 있다.

도 7은 구부러짐 반복 횟수에 따른 센서 민감도를 도시하는 그래프로서, 구부러짐 반복 횟수가 각각 2000회, 1500회, 1000회, 500회, 100회, 50회 및 0회인 경우 센서의 구부러짐 곡률(r)에 따른 센서 민감도를 나타낸다.

도 7을 참조하면, 구부러짐 반복 횟수가 500회 이상인 경우 민감도가 크게 향상됨을 확인할 수 있다.

도 8은 구부러짐 반복 횟수에 따라 형성된 크랙의 개수를 도시하는 도면으로, 예를 들어 금속 패턴의 폭이 100μm인 경우 구부러짐 반복 횟수가 각각 1000회 및 0회일 때 금속 패턴에 형성된 크랙을 광학현미경으로 살펴본 것이다.

도 8을 참조하면, 1000회의 구부러짐을 반복한 이후에 금속 패턴에 크랙이 충분히 형성된 것을 확인할 수 있다.

상술한 본 발명의 실시예에 따라 제조된 구부림 센서는 후술하는 바와 같이 에너지 발전 소자로 응용되거나, 인체 움직임을 측정하기 위해 활용 가능하다.

도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 구부림 센서를 이용하여 마찰전기유도를 통해 에너지를 생성하는 예를 도시하는 도면이고, 도 10은 마찰전기유도 과정에서 구부림 센서의 전압 및 전류를 도시하는 그래프이다. 마찰전기 에너지 하베스팅의 특성 평가를 위해, 전압 출력과 단락 전류가 디지털 스토리지 오실로스코프(Tektronix MDO3014)와 전위계(Keithley 프로그램 가능한 전위계)에 의해 검출되었다.

도 9 및 도 10에 도시된 바와 같이, 백금 전극 상에 형성된 피라미드 구조체에 손가락을 부착 및 분리함을 반복적으로 수행하는 과정을 통해 마찰전기를 유도하여 에너지를 생성할 수 있다. 즉, 본 발명의 일 실시예에 따른 구부림 센서는 피라미드형 에너지 발전 소자로의 응용될 수 있다.

도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 구부림 센서를 사용하여 인체 움직임을 측정하는 적용 예를 도시하는 도면으로, (a)는 손가락의 움직임, (b)는 팔꿈치 안쪽의 움직임, 그리고 (c)는 손목의 움직임을 측정하는 경우를 도시하며, (d)는 센서의 구부러짐에 따른 LED 밝기 변화를 도시한다.

도 11을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 구부림 센서가 인체 움직임 측정을 위해 사용될 수 있음을 알 수 있다.

본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니다. 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명에 따른 구성요소를 치환, 변형 및 변경할 수 있다는 것이 명백할 것이다.

10: 폴리이미드 필름
20: 금속 마스크
30: 백금 전극
40: 전도성 에폭시
50: 미세 크랙
60: 주형
70: 폴리디메틸실록산
80: 피라미드 구조체

Claims (9)

1. 플렉서블 기판 상에 복수 개의 전극 라인을 포함하는 금속 패턴을 형성하는 단계;
   상기 복수 개의 전극 라인을 구부려 상기 복수 개의 전극 라인에 크랙을 발생시키는 단계;
   상기 형성된 복수 개의 전극 라인을 역피라미드 형태의 고분자 물질이 내삽된 주형에 접촉시키는 단계; 및
   상기 복수 개의 전극 라인을 상기 주형으로부터 분리하여 상기 복수 개의 전극 라인 상에 상기 고분자 물질로 이루어진 피라미드 구조체를 형성하는 단계를 포함하며,
   상기 복수 개의 전극 라인의 폭이 100μm 내지 400 μm 범위에 속하고,
   상기 피라미드 구조체는 상기 복수 개의 전극 라인 각각에 복수 개 구비되는 것을 특징으로 하는 구부림 센서 제조방법.
   
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 주형은,
   역피라미드 형태의 몰드; 및 상기 몰드 내에 채워진 상기 고분자 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 구부림 센서 제조방법.
   
3. 제 2 항에 있어서,
   상기 고분자 물질은 폴리디메틸실록산인 것을 특징으로 하는 구부림 센서 제조방법.
   
4. 삭제
5. 삭제
6. 제 1 항에 있어서, 상기 크랙을 발생시키는 단계는,
   상기 복수 개의 전극 라인을 500회 이상 구부러짐을 반복하는 것을 특징으로 하는 구부림 센서 제조방법.
   
7. 제 1 항 내지 제 3 항 및 제 6 항 중 어느 한 항에 따른 구부림 센서 제조방법에 의해 제조된 구부림 센서.
   
8. 플렉서블 기판;
   상기 플렉서블 기판 상에 형성되며, 미세 크랙이 형성된 복수 개의 전극 라인을 포함하는 금속 패턴; 및
   상기 복수 개의 전극 라인 상에 형성된 복수 개의 피라미드 구조체를 포함하며,
   상기 복수 개의 전극 라인의 폭이 100μm 내지 400 μm 범위에 속하는 것을 특징으로 하는 구부림 센서.
   
9. 제 8 항에 따른 구부림 센서를 포함하며 마찰전기유도를 통해 에너지를 생성하는 에너지 발전 소자.

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