KR102138217B1

KR102138217B1 - 유연 전기 소자 및 이를 포함하는 센서

Info

Publication number: KR102138217B1
Application number: KR1020170092546A
Authority: KR
Inventors: 전상훈; 김경관
Original assignee: 고려대학교 세종산학협력단
Priority date: 2017-07-21
Filing date: 2017-07-21
Publication date: 2020-07-27
Also published as: KR20190010163A

Abstract

본 발명은 연성기판; 상기 연성 기판 상에 형성된 마이크로 구조체; 상기 마이크로 구조체 상에 형성된 제 1전도성층; 및 상기 제 1전도성층 상에 형성된 제 2전도성층; 을 포함하는 유연 전기 소자 및 이를 포함하는 센서 어레이, 압력 측정 센서, 압력 및 온도 측정 센서에 관한 것이다.

Description

유연 전기 소자 및 이를 포함하는 센서{FLEXIBLE ELECTRONIC DEVICE AND SENSOR COMPRISING THE SAME}

본 발명은 유연 전기 소자 및 이를 포함하는 센서 어레이, 압력 측정 센서, 압력 및 온도 측정 센서에 관한 것이다.

최근 생체 모니터링 시스템, 로봇피부, 햅틱 디스플레이 등 다양한 분야에 응용될 수 있는 압력 센서, 온도 센서 등과 같은 전자피부용 센서에 대한 다양한 기술들이 보고되고 있다.

압력 센서는 감성형 전자기기, 휴머노이드 로봇 뿐만 아니라 신체 활동 및 규칙적인 스포츠 활동을 관리해주는 센서 시스템으로도 적용될 수 있다. 초민감 압력 센서는 사람 피부를 통한 혈류 맥파 (heart pulse wave)를 측정하거나, 압력 센서를 신발 밑창에 부착하여 사람의 걸음걸이나 습관 등의 데이터를 수집하는 웨어러블 센서 시스템으로도 사용될 수 있다.

그러나 이런 종래의 기술들은 대부분 압력감지에 대한 민감도 향상에 집중되어 왔다. 이와 같은 높은 민감도를 가지는 센서들은 대부분 금속이나 무기물을 주로 이용하여 제작되어 왔다. 금속이나 무기물과 같은 재료를 이용한 센서들은 유연성이 낮음에 따라 응용분야가 제한적이다. 대한민국 등록특허 제10-0088122호에서, 압력 센서들은 기계장치 등의 압력 감지용으로는 활용할 수 있지만, 전고가 높고 딱딱한 소재의 하우징에 전극이나 다이아프램 등의 부품들이 내장된 구조이므로 의복, 침구 등과 같이 인체에 착용하거나 인체가 접촉되는 물품에 적용할 수 없는 한계점이 있었다.

온도 센서는 기초대사량, 신체 활동 대사량, 식사에 의한 열 발생 등의 온도 변화를 감지하는 것으로, 예를 들어, 음식물을 섭취하면 공복상태보다 발생되는 열이 증가함에 따라 신체의 발열량을 측정하여 건강 상태에 적합한 식단 등을 조절하는데 사용될 수 있다.

이에 대하여, 대한민국 공개특허 제10-2017-0022804호에 온도 센서가 개시되어 있고. 이는 피부의 온도를 감지하는 부분의 면적이 대면적이어야 온도를 감지할 수 있어 국소부위에 따른 온도 차이를 감지하기 어렵고, 유연성이 없어 피부의 곡선에 적용되지 못해 웨어러블 소자 등에 적용이 어려운 문제점이 있었다.

이러한 웨어러블 센서 시스템이 구축하기 위해서는 센서 기본 유닛 부분의 휘어짐 및 복원력이 우수하고, 기계적 유연성 및 안정성이 뛰어난 센서의 개발이 요구된다.

또한, 종래의 전자피부용 센서는 실제 인체구조와 달리 압력, 온도 등 각각을 감지할 수 있었지만 이를 통합적으로 감지하지 못하여, 각종 센서들을 각각 개별적으로 설치하여야 하는 단점이 있었다.

따라서 휴머노이드형 기반 로봇, 스마트 자동차, 항공 응용, 시뮬레이션, 공정 제어, 인간 친화형 IT, 지문 인식 시스템, 바이오 모니터링 스마트 센서 등 여러 분야에서 적용 또는 응용될 수 있는 전기적 특성이 우수하면서도 기계적 유연성 및 안정성이 뛰어나고, 압력 및 온도를 동시에 감지할 수 있는 전자 피부용 센서의 개발이 요구된다.

대한민국 등록특허 제10-0088122호 대한민국 공개특허 제10-2017-0022804호

상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 본 발명은 다중 유연 전도성층을 포함하는 유연 전기 소자를 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한, 본 발명은 다중 유연 전도성층을 포함함에 따라 동작 전압이 현저히 감소된 유연 전기 소자를 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한, 본 발명은 복수의 유연 전기 소자를 포함하여 센서 어레이를 제공함에 따라 피부의 국소적인 부위도 감지할 수 있는 압력 측정 센서 또는 압력 및 온도 측정 센서를 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한, 본 발명은 압력과 온도를 동시에 감지가 가능한 이중모드 센서를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명에 따른 유연 전기 소자는 일 양태에 따라 연성기판; 상기 연성 기판 상에 형성된 마이크로 구조체; 상기 마이크로 구조체 상에 형성된 제 1전도성층; 및 상기 제 1전도성층 상에 형성된 제 2전도성층;을 포함할 수 있다.

본 발명에 따른 유연 전기 소자는 일 양태에 따라 상기 마이크로 구조체는 피라미드형, 반구형 및 원뿔형에서 선택되는 형태일 수 있다.

본 발명에 따른 유연 전기 소자는 일 양태에 따라 상기 제 1전도성층은 전도성 고분자를 포함할 수 있다.

본 발명에 따른 유연 전기 소자는 일 양태에 따라 상기 제 1전도성층은 폴리우레탄 분산체를 더 포함할 수 있다.

본 발명에 따른 유연 전기 소자는 일 양태에 따라 상기 제 2전도성층은 전도성 입자를 포함할 수 있다.

본 발명에 따른 유연 전기 소자는 일 양태에 따라 상기 제 1전도성층의 두께는 10 내지 300㎚이고, 상기 제 2전도성층의 두께는 100㎚ 내지 100㎛일 수 있다.

본 발명에 따른 유연 전기 소자는 일 양태에 따라 상기 제 2전도성층 상부에 상대전극이 위치할 수 있다.

본 발명의 일 양태에 따라 상기 유연 전기 소자는 상부에 전도성 패턴을 포함하는 고분자 필름을 더 포함하고, 상기 고분자 필름은 상대전극 상부에 위치하는 것일 수 있다.

본 발명에 따른 유연 전기 소자는 일 양태에 따라 상기 고분자 필름은 폴리이미드, 폴리에테르이미드, 폴리에테르술폰, 폴리에틸렌테레프탈레이트, 폴리부틸렌테레프탈레이트 및 폴리에틸렌나프탈레이트에서 선택되는 어느 하나 또는 둘 이상의 혼합물을 포함하는 것일 수 있다.

본 발명의 일 양태에 따라 센서 어레이는 상술한 유연 전기 소자를 복수 개 포함할 수 있다.

본 발명에 따른 유연 전기 소자의 제조방법은 일 양태에 따라 a) 연성기판 상에 마이크로 구조체를 형성하는 단계;

b) 상기 마이크로 구조체 상에 제 1전도성층을 프린팅하는 단계; 및

c) 상기 제 1전도성층 상에 제 2전도성층을 프린팅하는 단계;

를 포함할 수 있다.

본 발명에 따른 유연 전기 소자의 제조방법은 일 양태에 따라 상기 유연 전기 소자는 상대전극을 제 2전도성층 상부에 위치시키는 단계를 더 포함할 수 있다.

본 발명에 따른 유연 전기 소자의 제조방법은 일 양태에 따라 상기 상대전극의 상부에 고분자 필름을 더 포함하고,

상기 고분자 필름은 일면에 전도성 패턴을 프린팅한 후 타면을 상기 상대전극과 적층시키는 것일 수 있다.

본 발명에 따른 압력 측정 센서는 상술한 유연 전기 소자를 포함할 수 있다.

본 발명에 따른 압력 및 온도 측정 센서는 상술한 유연 전기 소자를 포함할 수 있다.

본 발명에 따른 유연 전기 소자는 다양하고 반복적인 물리적 외력에도 전기전도도의 열화가 적고, 구성간의 접착력이 우수하여 고 신뢰성을 갖는다는 장점이 있다.

본 발명에 따른 유연 전기 소자는 다층 유연 전도성층을 가짐에 따라 현저히 감소된 저항 값을 나타내어 우수한 전기전도도를 가지고, 반복적인 물리적 외력이 가해진 후에도 전기전전도를 유지할 수 있다는 장점이 있다.

본 발명에 따른 유연 전기 소자는 전자 피부를 구현하기 위한 작은 셀 제조가 가능하고, 작은 셀의 면적에서도 노이즈 없이 압력 또는 온도에 대해서 전기적인 시그널을 감지할 수 있다는 장점이 있다.

본 발명에 따른 유연 전기 소자는 피부의 국소적인 부위도 감지할 수 있고, 압력과 온도를 동시에 감지 가능하다는 장점이 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 유연 전기 소자의 모식도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 유연 전기 소자의 단면도 및 제조방법을 나타낸 것이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 유연 전기 소자의 제조방법을 나타낸 것이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 유연 전기 소자의 압력 측정 원리를 나타낸 것이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 유연 전기 소자의 전도성 패턴 형성방법을 나타낸 것이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예 및 비교예에 따른 굽힘 전 후 유연 전기 소자의 압력 변화에 따른 전기적 특성 변화를 나타낸 것이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예 및 비교예에 따른 유연 전기 소자의 굽힘 거리에 따른 면 저항 변화를 나타낸 것이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 유연 전기 소자의 구동 전압에 따른 전기적 신호를 나타낸 것이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예 및 비교예에 따른 유연 전기 소자의 초기 면 저항을 나타낸 것이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예 및 비교예에 따른 굽힘 거리 및 굽힘 횟수에 따른 유연 전기 소자의 초기 면 저항을 나타낸 것이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예 및 비교예에 따른 굽힘 전 후 유연 전기 소자의 온도 변화에 따른 전기적 특성 변화를 나타낸 것이다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 유연 전기 소자의 온도 및 압력 센서 감지 사진이다.

이하 실시예를 통해 본 발명에 따른 유연 전기 소자 및 이를 포함하는 센서에 대하여 더욱 상세히 설명한다. 다만 하기 실시예는 본 발명을 상세히 설명하기 위한 참조일 뿐 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니며, 여러 형태로 구현 될 수 있다.

또한 달리 정의되지 않는 한, 모든 기술적 용어 및 과학적 용어는 본 발명이 속하는 당업자 중 하나에 의해 일반적으로 이해되는 의미와 동일한 의미를 갖는다. 본원에서 설명에 사용되는 용어는 단지 특정 실시예를 효과적으로 기술하기 위함이고, 본 발명을 제한하는 것으로 의도되지 않는다.

인체의 기능을 모사하는 전자 피부를 구현하기 위해서는 전자 피부용 전기 소자를 구성하는 전도성층이 유연성을 갖고, 구부림, 늘림 및 눌림 등과 같은 물리적 외력에도 전기전도도의 열화가 작아야 한다.

기존의 전자 피부를 구현하기 위한 전기 소자는 대부분 금속이나 무기물을 주로 이용하여 제작되었다. 이와 같이 금속이나 무기물을 사용할 경우 유연성이 낮음에 따라 적용분야에 제한되는 문제점이 있었다.

이에 유연성을 부여하기 위하여 유기물을 금속이나 무기물과 복합화하여 단일 전도성층으로 적용하였지만, 이는 전도성층이 균일하게 형성되지 않으며, 반복적인 물리적 외력에 열화되어 높은 저항 값을 나타내며, 전기전도도가 현저하게 감소되어 유연 전기 소자로써 낮은 신뢰성을 가졌다.

이에 본 발명에서는 다중 전도성층을 포함하는 유연성을 갖는 유연 전기 소자를 제공함에 따라 외부의 반복적은 물리적 외력에도 낮은 저항 값을 나타내고, 전기전도도를 유지할 수 있는 유연한 압력 측정 센서, 압력 및 온도를 동시에 측정할 수 있는 유연한 이중모드 센서를 제공하고자 한다.

본 발명을 구체적으로 설명하면,

본 발명의 유연 전기 소자는 다중 전도성층을 구성함에 따라 단일 전도성층에 따른 높은 면저항을 가지고, 균일하게 프린팅이 어려운 점을 해결할 수 있다. 또한, 단일 전도성층 대비 반복적인 물리적 외력을 가하더라도 매우 낮은 저항 값을 가지고, 균일하게 프린팅이 가능함에 따라 센서의 낮은 동작 전압이 확보되어 IoT(Internet of Thing) 시대에 알맞은 초 저전력 소자를 제공할 수 있다.

본 발명의 일 양태에 따라 상기 연성 기판은 마이크로 구조체가 형성되기 위한 기판으로 유연성을 갖는 것이 바람직하다. 구체적인 예를 들어, 폴리이미드, 폴리에테르이미드, 폴리에테르술폰, 폴리에틸렌테레프탈레이트, 폴리부틸렌테레프탈레이트 및 폴리에틸렌나프탈레이트 등에서 선택되는 어느 하나 또는 둘 이상일 수 있다. 상기 연성 기판의 두께는 유연성을 가지면서도, 기계적 안정성을 유지할 수 있을 정도라면 특별히 한정하진 않으나, 예를 들면 50 내지 300 ㎛일 수 있으며, 반드시 이에 제한되는 것은 아니다.

외부에서 전달받은 압력을 인식하기 위해서는 상부에 상대 전극을 위치시킨 후 상기 상대 전극과 본 발명의 유연 전기 소자의 최상부인 제 2전도성층 사이의 접촉 면적의 변화량에 따라 발생되는 저항 값을 측정하여 정보를 감지하도록 구성된다.

이에 본 발명의 유연 전기 소자의 일 양태에 따라 상기 마이크로 구조체는 연성 기판 상에 형성되며, 마이크로 구조체의 형태는 상대 전극을 통하여 압력을 가하기 전과 압력을 가한 후 접촉 면적의 변화가 큰 피라미드형, 반구형 및 원뿔형에서 선택되는 형태일 수 있다. 바람직하게는 피라미드형의 마이크로 구조체일 수 있다.

구체적으로는 상기 마이크로 구조체는 피라미드형, 반구형 및 원뿔형에서 선택되는 형상을 가지는 복수 개의 마이크로 구조체들이 연성 기판 상에 형성되어 있다.

본 발명의 일 양태에 따라 상기 마이크로 구조체는 폭 5 내지 50㎛, 높이 4 내지 30㎛, 간격 1 내지 100㎛ 일 수 있다. 바람직하게는 폭 15 내지 25㎛, 높이 15 내지 20㎛, 간격 2 내지 10㎛ 일 수 있다. 상기와 같은 폭과 높이를 갖는 마이크로 구조체의 경우 외부에서 가해지는 물리적 외력에 대한 민감도가 우수하여 미세한 외력에도 반응하여 센서가 감지되기 때문에 정확도와 신뢰도를 향상시킬 수 있어 바람직하다.

본 발명의 일 양태에 따라 상기 마이크로 구조체는 외부의 물리적 외력에 변화가 가능한 실리콘계 고무, 폴리우레탄, 레진 및 에코플렉스 등에서 선택되는 어느 하나 또는 둘 이상의 혼합물을 포함하여 제조될 수 있다. 바람직하게는 폴리디메틸실록산을 포함하여 제조될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.

본 발명의 유연 전기 소자는 전도성층을 제 1전도성층과 제 2전도성층을 포함하는 것과 같이 다중으로 전도성층이 형성된 것이다. 이와 같이 다중 전도성층이 형성될 경우 단일 전도성층 대비 반복적인 물리적 외력을 가하더라도 매우 낮은 저항 값을 가지고, 균일하게 프린팅이 가능함에 따라 센서의 낮은 동작 전압이 확보되어 IoT(Internet of Thing) 시대에 알맞은 초 저전력 소자를 제공할 수 있다.

본 발명의 일 양태에 따라 상기 제 1전도성층은 상기 마이크로 구조체 상에 형성되며, 전도성 고분자를 포함할 수 있다. 상기 전도성 고분자는 전도성을 가지는 고분자를 포함하면 제한되는 것은 아니지만, 구체적인 예를 들어, 폴리피롤계 고분자, 폴리아닐린계 고분자, 폴리티오펜계 고분자, 폴리아세틸렌계 고분자, 폴리티에닐비닐렌계 고분자, 폴리페닐렌비닐렌계 고분자 및 폴리에틸렌디옥시티오펜계 고분자 등에서 선택되는 어느 하나 또는 이들의 혼합물일 수 있다. 바람직하게는 폴리티오펜계 고분자일 수 있으며, 더 바람직하게는 PEDOT:PSS 또는 이의 유도체일 수 있다. 상기 PEDOT:PSS는 PEDOT(poly(3, 4-ethylenedioxythiophene))에 폴리스티렌술폰산(PSS-, polystyrene sulfonate)를 도펀트하여 수용액상에 분산시켜 사용되는 전도성 고분자이다.

본 발명의 일 양태에 따라 상기 전도성 고분자의 중량평균분자량은 바람직하게는 500 내지 1,000,000 g/mol고, 바람직하게는 1,000 내지 500,000 g/mol일 수 있고, 상기 PEDOT:PSS는 PEDOT의 경우 500 내지 2,500 g/mol일 수 있고, PSS의 경우 20,000 내지 70,000 g/mol일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 상기 분자량을 가질 경우 균일한 제 1전도성층이 형성될 수 있어 바람직하다.

본 발명의 일 양태에 따라 상기 제 1전도성층은 폴리우레탄 분산체를 더 포함할 수 있다. 상기 폴리우레탄 분산체는 상기 전도성 고분자와 혼합하여 사용하면, 우수한 탄성에 의하여 피로파괴도가 감소되어 전기 소자에 유연성을 부여하고, 물리적 외력에 의한 열화를 감소시킬 수 있어 바람직하다. 그러나 상기 폴리우레탄 분산체는 단일성분으로 상기 마이크로 구조체 상에 프린팅 또는 코팅이 되지 않아 적용이 어려웠다.

본 발명의 일 양태에 따라 상기 폴리우레탄 분산체의 입경은 0.5 내지 3㎛일 수 있고, 바람직하게는 1 내지 2㎛일 수 있다. 상기 입경을 가질 경우 전도성 고분자와의 분산성이 우수하여 바람직하다.

본 발명의 일 양태에 따라 상기 전도성 고분자와 폴리우레탄 분산체의 혼합물의 점도는 10 내지 250mPa·s 일 수 있고, 바람직하게는 20 내지 200mPa·s일 수 있다. 상기 점도를 가질 경우 제 1전도성층이 균일하게 코팅되어 균일한 전도성을 발현할 수 있어 바람직하다.

또한, 상술한 전도성 고분자는 유연성을 가지고, 전기전도성이 우수하여 유연 전기 소자로써 우수한 특성을 나타낸다. 그러나 상기 전도성 고분자만을 제 1전도성층으로 적용하면 물리적 외력을 가하면 면저항에 증대하여 단일로 전극에 활용이 용이하지 않았다.

이에 본 발명의 제 1전도성층은 일 양태에 따라 전도성 고분자와 폴리우레탄 분산체를 서로 혼합하여 사용함으로써 서로간의 접착력이 우수하여 균질하게 혼합되어 시너지를 발휘함으로써 유연 전기 소자의 유연성을 확보함과 동시에 물리적 외력에 의한 열화를 감소시킬 뿐만 아니라 유연 전기 소자로써 외력을 가한 후에도 전기 전도도를 유지할 수 있는 고 신뢰성 유연 전기 소자를 제공할 수 있어 바람직하다.

본 발명의 일 양태에 따라 상기 전도성 고분자와 폴리우레탄 분산체의 혼합함량은 전도성 고분자 10 내지 90중량%와 폴리우레탄 분산체 10 내지 90중량%일 수 있다. 바람직하게는 전도성 고분자 20 내지 80중량%와 폴리우레탄 분산체 20 내지 80중량%일 수 있다. 상기와 같은 범위로 제조될 경우 유연성을 확보함과 동시에 물리적 외력에 의한 열화를 감소시킬 수 있어 바람직하다. 또한, 전도성 고분자와 폴리우레탄 분산체의 혼합물을 단일층으로 사용되면, 폴리우레탄 분산체의 함량이 증가할수록 초기 면저항이 급격히 증가하였다. 이와 달리 본 발명의 다중 전도성층의 제 1전도성층으로 사용되면, 다중 전도성층의 초기 면저항 증가에 영향을 주지 않고 현저히 감소된 초기 면저항이 확보될 수 있어 바람직하다.

본 발명의 일 양태에 따라 상기 바람직하게는 제 1전도성층은 10 내지 300㎚의 두께일 수 있고, 바람직하게는 50 내지 150㎚의 두께일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 상기와 같은 범위의 두께를 가질 경우 유연 전기 소자의 유연성이 유지되면서, 제 2전도성층과의 결착력이 우수하여 층간 분리가 일어나지 않을 뿐만 아니라 반복적인 물리적 외력에도 전기전도도를 유지할 수 있어 바람직하다.

본 발명의 일 양태에 따라 상기 제 2전도성층은 상기 제 1전도성층 상에 형성되며, 전도성 입자를 포함할 수 있다. 상기 전도성 입자는 탄소계 물질 및 금속 물질에서 선택되는 어느 하나 또는 둘 이상의 혼합물일 수 있다. 구체적인 예를 들어, 흑연, 팽창흑연, 카본블랙, 탄소섬유, 탄소나노튜브, 그래핀, 산화그래핀, 환원된 산화그래핀 등에서 선택되는 탄소계 물질과 철(Fe), 루테늄(Ru), 로듐(Rh), 팔라듐(Pd), 코발트(Co), 니켈(Ni), 금(Au), 백금(Pt), 은(Ag), 망간(Mn), 아연(Zn), 구리(Cu) 및 몰리브덴(Mo) 등에서 선택되는 어느 하나 또는 둘 이상의 합금을 포함하는 금속 물질에서 선택될 수 있다.

본 발명의 일 양태에 따라 상기 전도성 입자는 1 내지 50㎚의 평균입경, 바람직하게는 10 내지 30㎚의 평균입경을 갖는 것일 수 있다. 상기와 같은 평균입경을 가질 경우 균일한 제 2전도성층이 형성되고, 제 1전도성층과의 결착력이 우수하여 바람직하다.

본 발명의 일 양태에 따라 상기 제 2전도성층은 100nm 내지 100㎛의 두께일 수 있고, 바람직하게는 500nm 내지 10㎛의 두께일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 상기와 같은 범위의 두께를 가질 경우 유연 전기 소자의 유연성이 유지되면서, 제 1전도성층과의 결착력이 우수하여 층간 분리가 일어나지 않고, 낮은 초기 면저항을 갖으며 뿐만 아니라 반복적인 물리적 외력에도 우수한 전기전도도를 유지할 수 있어 바람직하다.

이와 같이 제 1전도성층과 제 2전도성층을 포함하는 다중 전도성층이 형성됨으로써 본 발명의 유연 전기 소자는 기존의 탄소 나노 소자, 유기물과 탄성체의 복합체로 이루어진 전도성층을 가지는 전기 소자의 동작 전압 대비 1/50배로 감소시킬 수 있다. 즉, 기존의 유연 전기 소자들은 5 내지 10V 수준의 동작 전압이 인가되어야 외부에 전달되는 압력에 따른 저항 값 변화를 측정할 수 있었으나, 본 발명의 구성에 따른 유연 전기 소자는 0.1V 이하, 구체적으로는 0.0005 내지 0.1V의 동작 전압이 인가되어도 외부에서 전달되는 압력에 따른 저항 값 변화가 측정될 수 있다.

본 발명에 따른 유연 전기 소자는 일 양태에 따라 상기 제 2전도성층 상부에 상대전극이 위치할 수 있다. 상기 상대 전극을 통하여 압력을 가함으로써 압력을 가하기 전과 압력을 가한 후의 접촉 면적 변화에 따른 저항 또는 정전용량 값을 측정하여 상기 전달받은 압력에 대한 정보를 감지할 수 있다. 더욱 구체적으로는 외부 압력이 인가되지 않는 경우에는 본 발명의 유연 전기 소자의 최상부인 제 2전도성층과 상기 상대 전극간의 접촉 면적은 작아서 두 전극 사이에 측정되는 저항이 상대적으로 큰 값을 나타낸다. 그러나 외부 압력이 인가되면 마이크로 구조체들이 압박되면서 둘 간의 접촉 면적이 커지므로 두 전극 사이에 측정되는 저항이 낮은 값으로 변화하는 저항 값을 측정하여 정보를 감지할 수 있다. 이와 같이 압력에 따른 정보를 획득할 수 있는 본 발명의 유연 전자 소자는 압력 측정 센서에 적용될 수 있다.

상술한 바에 따른 본 발명의 유연 전기 소자는 전자 피부용 전기 소자로 구축하기 위하여 제조된 것으로 센서 기본 유닛 부분의 휘어짐 및 복원력이 우수하고, 기계적 유연성 및 안정성이 뛰어나다.

이를 더욱 활용하기 위하여 본 발명에 따른 유연 전기 소자는 일 양태에 따라 상술한 유연 전기 소자의 상기 제 2전도성층 상부에 상대전극이 위치시키고, 상기 상대전극 상부에 전도성 패턴을 상부에 패터닝된 고분자 필름을 더 포함하여 위치시킨 유연 전기 소자를 제공함으로써 상술한 우수한 효과가 발현될 뿐만 아니라 압력 및 온도를 동시에 감지할 수 있다.

종래의 전자피부용 전기 소자는 실제 인체구조와 달리 압력, 온도 등 각각을 감지할 수 있었지만 이를 통합적으로 감지하지 못하여, 각종 센서들을 각각 개별적으로 설치하여야 하는 단점이 있었다.

이에 본 발명은 압력 및 온도를 동시에 감지할 수 있는 유연 전기 소자를 제공함으로써 반복적인 물리적 외력에도 우수한 전기전도도를 유지함은 물론, 작은 셀 제조가 가능하여 작은 셀의 면적에서도 노이즈 없이 압력 및 온도에 대해서 전기적인 시그널을 감지할 수 있다. 이에 따라 본 발명에 따른 유연 전기 소자는 피부의 국소적인 부위도 감지할 수 있어 피부의 작은 각각의 셀에서 전달되는 온도변화 및 압력변화를 감지할 수 있는 정확도와 고신뢰성을 확보할 수 있다.

구체적으로 설명하면, 본 발명에 따른 유연 전기 소자는 일 양태에 따라 상기 제 2전도성층 상부에 상대전극이 위치할 수 있다.

또한, 상기 상대전극 상부에 전도성 패턴이 상부에 패터닝된 고분자 필름을 더 포함함으로써 온도를 감지할 수 있다.

본 발명의 일 양태에 따라 상기 고분자 필름은 전기절연성을 나타내는 고분자를 포함하면 크게 제한되는 것은 아니지만, 폴리이미드, 폴리에테르이미드, 폴리에테르술폰, 폴리에틸렌테레프탈레이트, 폴리부틸렌테레프탈레이트 및 폴리에틸렌나프탈레이트 등에서 선택되는 어느 하나 또는 둘 이상의 혼합물을 포함하는 것일 수 있다.

상기와 같은 고분자 필름을 사용함으로써 상대 전극과 전도성 패턴간의 전기적인 연결을 차단시킬 수 있다. 이에 상기 고분자 필름 상에 전도성 패턴으로 일정 저항 값을 가질 수 있으며, 외부에서 전달되는 온도 변화에 따라 변화된 저항값을 측정할 수 있다.

또한, 상기 고분자 필름 상부에는 전도성 패턴은 일정 간격을 가지며, 반복하여 지그재그로 배열될 수 있다. 상기와 같이 지그재그 패턴으로 배열되는 이유는 보다 정확한 온도 감지를 위해서 상온에서도 일정레벨의 저항 값을 가지도록 하기 위함이다. 이 때, 전도성 패턴은 금속을 포함할 수 있고, 일 양태에 따라 유연성을 더욱 부여하기 위하여 먼저 압력 센서의 제1 전도성층과 마찬가지로 전도성 고분자와 폴리우레탄 분산체 혼합물을 패터닝하고, 그 상부에 금속 입자를 패터닝 할 수 있다. 상기 금속은 특별히 제한되지는 않지만, 구체적인 예를 들어, 철(Fe), 루테늄(Ru), 로듐(Rh), 팔라듐(Pd), 코발트(Co), 니켈(Ni), 금(Au), 백금(Pt), 은(Ag), 망간(Mn), 아연(Zn), 구리(Cu) 및 몰리브덴(Mo)등에서 선택되는 어느 하나 또는 둘 이상의 합금으로 이루어 질 수 있다. 더욱 바람직하게는 제 1전도성층 상에서 균일하게 형성되고, 우수한 전기전도도를 갖기 위하여 은(Ag)을 포함할 수 있다.

따라서 본 발명의 일 양태에 따라 상술한 바와 같은 유연 전기 소자는 전도성 패턴을 포함하는 고분자 필름의 전도성 패턴을 통하여 외부 물리적인 에너지가 가해지면 상기 전도성 패턴에 전달되는 온도에 따라 변화된 저항 값을 측정하여 전달된 온도에 대한 정보를 감지할 수 있다. 그리고 이와 동시에 가해진 압력에 따라서 상기 상대 전극과 상기 제 2전도성층 사이의 접촉 면적이 변하면서 압력에 따라 변화된 저항 값을 측정하여 압력에 대한 정보 또한 감지할 수 있다.

이와 같이 온도 및 압력에 따른 정보를 동시에 획득할 수 있는 본 발명의 유연 전자 소자는 압력 및 온도 측정 센서에 적용될 수 있다.

본 발명의 일 양태에 따라 상술한 유연 전기 소자를 복수 개 포함하여 센서 어레이를 제조할 수 있다.

본 발명의 유연 전기 소자는 작은 셀 제조가 가능하고, 작은 셀의 면적에서도 노이즈 없이 압력 또는 온도에 대해서 전기적인 시그널을 감지할 수 있고, 우수한 전기전도도를 유지할 수 있기 때문에 복수 개를 포함하여 센서 어레이의 제조가 용이하다. 구체적으로 설명하면, 인체 기능을 모사한 전자 피부의 구현을 위해서는 작은 셀로 센서 어레이를 제조하여야 하지만, 작은 셀을 제조하기 위해서는 낮은 저항에 따른 낮은 동작 전압이 요구된다. 이에 본 발명의 유연 전기 소자는 다중 전도성층이 확보됨에 따라 낮은 저항 값을 나타내어 낮은 동작 전압이 구현될 수 있기 때문에 초 저전력으로 반복적인 물리적 외력에도 노이즈 없이 우수한 전기적 신호를 감지할 수 있다.

이와 같은 유연 전기 소자는 하기의 방법을 통해 제조될 수 있으나, 이는 하나의 예시일 뿐, 기 공지된 기술이라면 특별히 제한하지 않고 사용할 수 있다.

구체적으로 설명하면, 본 발명의 유연 전기 소자의 제조방법은 일 양태에 따라 a) 연성기판 상에 마이크로 구조체를 형성하는 단계;

c) 상기 제 1전도성층 상에 제 2전도성층을 프린팅하는 단계;

를 포함할 수 있다.

상기와 같은 방법을 통해 다중 유연 전도성층을 포함하는 유연 전기 소자가를 제조함으로써 다양하고 반복적인 물리적 외력에도 전기전도도의 열화가 적고, 구성간의 접착력이 우수하여 고 신뢰성을 갖는다는 장점이 있다. 이에 따라 현저히 감소된 저항값을 나타내어 우수한 전기전도도를 유지할 수 있어 작은 셀 제조가 가능하고, 작은 셀의 면적에서도 노이즈 없이 압력 또는 온도에 대해서 전기적인 시그널을 감지할 수 있다.

상기 연성기판, 마이크로 구조체, 제 1전도성층 및 제 2전도성층은 상술한 바와 같으므로 생략한다.

본 발명의 일 양태에 따라 상기 a)단계는 연성기판 상에 마이크로 구조체가 형성되는 단계로 상기 마이크로 구조체는 피라미드형, 반구형 및 원뿔형 등에서 선택되는 어느 하나 또는 둘 이상의 형태로 구성된 몰드에서 성형하여 형성될 수 있다. 이 때, 마이크로 구조체의 형상이 없는 평평한 하면에 연성기판이 결합되어 연성기판 상에 마이크로 구조체가 형성된 구성이 제조될 수 있다.

본 발명의 일 양태에 따라 상기 b)단계는 상기 제조된 마이크로 구조체의 상부에 제 1전도성층을 프린팅하는 단계이다.

본 발명의 일 양태에 따라 상기 프린팅하는 방법은 특별히 제한되는 것은 아니지만, 잉크젯 프린팅, 스크린 프린팅, 그라비아 프린팅 및 오프셋 프린팅 등에서 선택되는 어느 하나 또는 둘 이상의 방법을 통하여 프린팅 할 수 있다. 바람직하게는 균일하고 유연한 전도성층 형성을 위하여 잉크젯 프린팅 방법으로 프린팅 할 수 있다.

본 발명의 일 양태에 따라 상기 바람직하게는 제 1전도성층은 10 내지 300㎚의 두께로 프린팅될 수 있고, 바람직하게는 50 내지 150㎚의 두께로 프린팅될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 상기와 같은 범위로 프린팅될 경우 유연 전기 소자의 유연성이 유지되면서, 제 2전도성층과의 결착력이 우수하여 층간 분리가 일어나지 않을 뿐만 아니라 반복적인 물리적 외력에도 전기전도도를 유지할 수 있어 바람직하다.

본 발명의 일 양태에 따라 상기 c)단계는 상기 제 1전도성층이 프린팅된 마이크로 구조체의 상부에 제 2전도성층을 프린팅하는 단계이다.

이때, 상기 프린팅하는 방법은 특별히 제한되는 것은 아니지만, 잉크젯 프린팅, 스크린 프린팅, 그라비아 프린팅 및 오프셋 프린팅 등에서 선택되는 어느 하나 또는 둘 이상의 방법을 통하여 프린팅 할 수 있다. 바람직하게는 균일하고 유연한 전도성층 형성을 위하여 잉크젯 프린팅 방법으로 프린팅 할 수 있다.

본 발명의 일 양태에 따라 상기 제 2전도성층은 100nm 내지 100㎛, 바람직하게는 500nm 내지 10㎛의 두께로 프린팅될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 상기와 같은 범위의 두께를 가질 경우 유연 전기 소자의 유연성이 유지되면서, 제 1전도성층과의 결착력이 우수하여 층간 분리가 일어나지 않고, 낮은 초기 면저항을 갖으며 뿐만 아니라 반복적인 물리적 외력에도 우수한 전기전도도를 유지할 수 있어 바람직하다.

본 발명의 일 양태에 따라 상기 b)단계와 c)단계의 프린팅 방법은 동일 또는 상이할 수 있고, 바람직하게는 동일한 프린팅 방법으로 제조될 수 있다.

본 발명의 일 양태에 따라 제 1전도성층의 구성과 제 2전도성층의 구성은 각각의 층으로 존재하였을 때, 본 발명의 우수한 물성이 발현되는 것으로 각 층의 구성을 혼합하여 단일층으로 제조하여 적층 시에는 저항 값의 저감효과가 미미하여 반복적인 물리적 외력을 가하면 전기적 특성이 저하된다. 이와 달리 본 발명의 유연 전기 소자는 제 1전도성층과 제 2전도성층을 각각 구성하여 다중 전도성층을 포함함으로써 낮은 초기 저항 값을 가질 뿐만 아니라 반복적인 물리적 외력에도 우수한 전기적 특성을 유지할 수 있다.

본 발명의 일 양태에 따라 상기 유연 전기 소자는 상대전극을 제 2전도성층 상부에 위치시키는 단계를 더 포함하여 제조될 수 있다.

구체적으로는 상기 상대 전극을 통하여 압력을 가함으로써 압력을 가하기 전과 압력을 가한 후 접촉 면적의 변화에 따른 저항 값 또는 정전용량 값을 측정하여 상기 전달받은 압력에 대한 정보를 감지할 수 있다. 더욱 구체적으로는 외부 압력이 인가되지 않는 경우에는 본 발명의 유연 전기 소자의 최상부인 제 2전도성층과 상기 상대 전극간의 접촉 면적은 작아서 두 전극 사이에 측정되는 저항이 상대적으로 높은 값을 나타낸다. 그러나 외부 압력이 인가되면 마이크로 구조체들이 압박되면서 둘 간의 접촉 면적이 커지므로 두 전극 사이에 측정되는 저항이 낮은 값으로 변화하는 저항 값을 측정하여 정보를 감지할 수 있다. 이와 같이 압력에 따른 정보를 획득할 수 있는 본 발명의 유연 전자 소자는 압력 측정 센서에 적용될 수 있다.

이를 더욱 활용하기 위하여 본 발명에 따른 유연 전기 소자는 일 양태에 따라 상술한 유연 전기 소자의 상기 제 2전도성층 상부에 상대전극이 위치시키고 이러한 상기 상대전극 상부에 고분자 필름을 더 포함하고, 상기 고분자 필름은 일면에 전도성 패턴을 프린팅한 후 타면을 상기 상대전극과 적층시키는 것일 수 있다.

본 발명의 일 양태에 따라 상기 전도성 패턴 지그재그의 간격은 10 내지 300㎛, 바람직하게는 50 내지 150㎛가 될 수 있으나 이에 제한되는 것은 아니다. 상기 패턴 폭은 10 내지 300㎛, 바람직하게는 50 내지 150㎛가 될 수 있으나 이에 제한되는 것은 아니다. 이 때, 전도성 패턴은 금속을 포함할 수 있고, 일 양태에 따라 유연성을 더욱 부여하기 위하여 먼저 압력 센서의 1 전도성층과 마찬가지로 전도성 고분자와 폴리우레탄 분산체 혼합물을 패터닝하고, 그 상부에 금속 입자를 패터닝할 수 있다.

이와 같은 유연 전기 소자를 제공함으로써 상술된 우수한 효과를 발현될 뿐만 아니라 압력 및 온도를 동시에 감지할 수 있다.

종래의 전자피부용 전기 소자는 실제 인체구조와 달리 압력, 온도 등 각각을 감지할 수 있었지만 이를 통합적으로 감지하지 못하여, 각종 센서들은 각각 개별적으로 설치하여야 하는 단점이 있었다.

이에 본 발명은 압력 및 온도를 동시에 감지할 수 있는 유연 전기 소자를 제조할 수 있고, 이렇게 제조된 유연 전기 소자는 반복적인 물리적 외력에도 우수한 전기전도도를 유지함은 물론, 작은 셀 제조가 가능하여 작은 셀의 면적에서도 노이즈 없이 압력 및 온도에 대해서 전기적인 시그널을 감지할 수 있다. 이에 따라 본 발명에 따라 제조된 유연 전기 소자는 피부의 국소적인 부위도 감지할 수 있어 피부의 작은 각각의 셀에서 전달되는 온도변화 및 압력변화를 감지할 수 있는 정확도와 고신뢰성을 확보할 수 있다.

구체적으로 설명하면, 본 발명에 따른 유연 전기 소자의 제조방법은 일 양태에 따라 상기 제 2전도성층 상부에 상대전극이 위치시킬 수 있다.

또한, 상기 상대전극 상부에 고분자 필름을 더 포함하고, 상기 고분자 필름은 일면에 전도성 패턴을 프린팅한 후 타면을 상기 상대전극과 적층시킴으로써 온도를 감지할 수 있다.

본 발명의 일 양태에 따라 상기 고분자 필름은 전기절연성을 나타내는 고분자를 포함하면 크게 제한되는 것은 아니지만, 폴리이미드, 폴리에틸렌이미드, 폴리에테르술폰, 폴리에틸렌테레프탈레이트, 폴리부틸렌테레프탈레이트 및 폴리에틸렌나프탈레이트 등에서 선택되는 어느 하나 또는 둘 이상의 혼합물을 포함하는 것일 수 있다.

본 발명의 일 양태에 따라 상기 고분자 필름은 유연성을 가지면서도, 기계적 안정성을 유지할 수 있을 정도라면 특별히 한정하진 않으나, 예를 들면 50 내지 300 ㎛일 수 있으며, 반드시 이에 제한되는 것은 아니다.

또한, 상기 고분자 필름 상부에는 전도성 패턴은 일정 간격을 가지며, 반복하여 지그재그로 배열될 수 있다. 상기와 같이 지그재그 패턴으로 배열되는 이유는 보다 정확한 온도 감지를 위해서 상온에서도 일정레벨의 저항 값을 가지도록 하기 위함이다. 이 때, 전도성 패턴은 금속을 포함할 수 있고, 일 양태에 따라 유연성을 더욱 부여하기 위하여 먼저 압력 센서의 제 1 전도성층과 마찬가지로 전도성 고분자와 폴리우레탄 분산체 혼합물을 패터닝하고, 그 상부에 금속 입자를 패터닝할 수 있다. 상기 금속 입자는 특별히 제한되지는 않지만, 구체적인 예를 들어, 철(Fe), 루테늄(Ru), 로듐(Rh), 팔라듐(Pd), 코발트(Co), 니켈(Ni), 금(Au), 백금(Pt), 은(Ag), 망간(Mn), 아연(Zn), 구리(Cu) 및 몰리브덴(Mo) 등에서 선택되는 어느 하나 또는 둘 이상의 합금으로 이루어 질 수 있다. 더욱 바람직하게는 금(Au) 또는 백금(Pt)로 이루어지거나, 이를 표면 추가 증착시킬 수 있다.

본 발명의 일 양태에 따라 유연 전기 소자는 초기 면저항이 50Ω/□이하, 바람직하게는 20Ω/□이하, 더 바람직하게는 10Ω/□이하일 수 있다. 구체적으로는 초기 면저항은 1 내지 50Ω/□이하, 바람직하게는 2 내지 20Ω/□이하, 더 바람직하게는 3 내지 10Ω/□이하일 수 있다. 상기와 같은 초기 면저항을 나타낼 경우 전기 소자로써 부하를 방지하고, 구동속도가 향상되어 바람직하다.

본 발명의 일 양태에 따라 유연 전기 소자는 1,000회 굽힘 후의 상대전류충전(Relative current charge, △R/R₀)값은 60이하, 바람직하게는 40이하, 더 바람직하게는 20이하일 수 있다. 구체적으로는 △R/R₀은 10 내지 60, 바람직하게는 5 내지 40, 더 바람직하게는 1 내지 20일 수 있다. 상기와 같은 변화된 저항값을 가질 경우 다양하고 반복적인 물리적 외력에도 전기전도도의 열화가 적고, 우수한 전기적 특성을 유지하여 고 신뢰성을 가질 수 있어 바람직하다.

따라서 본 발명의 일 양태에 따라 상술한 바와 같이 제조된 유연 전기 소자는 전도성 패턴을 포함하는 고분자 필름의 전도성 패턴을 통하여 외부 물리적인 에너지가 가해지면 상기 전도성 패턴에 전달되는 온도에 따라 변화된 전도성 패턴의 저항 값을 측정하여 전달된 온도에 대한 정보를 감지할 수 있다. 그리고 이와 동시에 가해진 압력에 따라서 상기 상대전극과 상기 제 2전도성층 사이의 접촉 면적이 변하면서 저항 값의 변화량을 측정하여 압력에 대한 정보 또한 감지할 수 있다.

이하 실시예를 통해 본 발명에 따른 유연 전기 소자 및 이를 포함하는 센서에 대하여 더욱 상세히 설명한다. 다만 하기 실시예는 본 발명을 상세히 설명하기 위한 하나의 참조일 뿐 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며, 여러 형태로 구현될 수 있다.

또한 달리 정의되지 않은 한, 모든 기술적 용어 및 과학적 용어는 본 발명이 속하는 당업자 중 하나에 의해 일반적으로 이해되는 의미와 동일한 의미를 갖는다. 본원에서 설명에 사용되는 용어는 단지 특정 실시예를 효과적으로 기술하기 위함이고 본 발명을 제한하는 것으로 의도되지 않는다.

또한 명세서에서 특별히 기재하지 않은 첨가물의 단위는 중량%일 수 있다.

[제조예 1]

전도성 고분자와 폴리우레탄 분산체의 합성

폴리우레탄 분산체 용액과 전도성 고분자 혼합용액과의 합성 용액의 총 질량을 20g을 기준으로 하여 합성하였다. 먼저 유기 용매인 디메틸설폭사이드(DMSO) 1g과 계면활성제(시그마 알드리치 사, Zonyl FS-300) 0.2g을 전도성 고분자(PEDOT:PSS) 2.8g과 혼합 시켜준다. 다음으로 폴리우레탄 분산체(PUD) 5중량%와 DI water 95중량%를 혼합하였다. 상기 폴리우레탄 분산체 용액 16g(80%중량)을 500rpm의 속도로 저어주면서 PEDOT:PSS 혼합물 4g(20중량%)을 피펫을 이용하여 적하하여 합성하였다. 상기 사용된 물질은 PEDOT:PSS (CLEVIOS PH1000, Heraues), PUD(Alberdingk U-3251, Alberdingk Boley), DMSO(SAMCHUN CHEMICALS), Zonyl(FS-300, Sigma-Aldrich)이다.

[실시예 1]

도 2 및 도 3에 나타난 바와 같이 폴리디메틸실록산(PDMS, 베이스와 경화제 비율 10:1)을 폭 20㎛, 높이 16㎛, 간격 4㎛의 피라미드들이 존재하는 실리콘 몰드에 도포한 후 100℃에서 30분 동안 경화시켜 주었다. 이렇게 제조된 마이크로 구조체는 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET) 기판 위에 형성하였다. 상기 마이크로 구조체표면을 90초 동안 70W 파워로 산소 플라즈마 처리를 해준 뒤 그 상에 폴리우레탄 분산체(PUD, polyurethane dispersion)의 함량이 80중량%인 PEDOT:PSS/PUD 혼합물을 잉크젯 프린터를 이용하여 프린트하여 두께 100㎚의 제 1전도성층을 형성하고 70℃에서 30분 동안 경화시켰다. 상기 제 1전도성층 상에 평균입경 20㎚의 은나노입자를 잉크젯 프린터를 이용하여 프린트하여 두께 1㎛의 제 2전도성층을 형성하고 120℃에서 20분간 경화 시켜줌으로써, 총 두께 1100nm의 다중전도성층의 유연 전기 소자를 제조하였다. 상기 유연 전기 소자 상부에 상대 전극을 위치시켰다. 상기 사용된 물질에는 PDMS(Sylgard 184, Dow Corning) 은 나노입자(dgp 40TE-20c, Advanced nano product)이다.

[실시예 2]

상기 실시예 1에서 폴리우레탄 분산체(PUD, polyurethane dispersion)의 함량이 60중량%인 PEDOT:PSS/PUD 혼합물을 사용한 것을 제외하고는 동일하게 실시하였다.

[실시예 3]

상기 실시예 1에서 폴리우레탄 분산체(PUD, polyurethane dispersion)의 함량이 40중량%인 PEDOT:PSS/PUD 혼합물을 사용한 것을 제외하고는 동일하게 실시하였다.

[실시예 4]

상기 실시예 1에서 폴리우레탄 분산체(PUD, polyurethane dispersion)의 함량이 20중량%인 PEDOT:PSS/PUD 혼합물을 사용한 것을 제외하고는 동일하게 실시하였다.

[실시예 5]

상기 실시예 1에서 PEDOT:PSS/PUD 혼합물을 대신하여 PEDOT:PSS 혼합 용액만을 사용한 것을 제외하고는 동일하게 실시하였다.

[실시예 6]

도 5에 도시된 바와 같이 폴리이미드 필름 상에 먼저 폴리우레탄 분산체(PUD, polyurethane dispersion) 용액의 함량이 80중량%인 PEDOT:PSS/PUD 혼합물을 잉크젯 프린터를 이용하여 간격 100㎛, 폭 100㎛의 지그재그 구조로 프린트하고 70℃에서 30분 동안 경화시켰다. 상기 전도성 고분자 PPEDOT:PSS와 PUD 폴리우레탄 분산체 혼합물층 상에 평균입경 20㎚의 은 나노입자를 잉크젯 프린터를 이용하여 간격 100㎛, 폭 100㎛의 지그재그 구조로 프린트하고 120℃에서 20분간 경화 시켜줌으로써 유연한 전도성 패턴을 형성하였다. 이와 같이 제조된 전도성 패턴이 형성된 폴리이미드를 상기 실시예 1에서 제조된 유연 전기 소자 상에 위치한 상대전극 상부에 위치시켰다.

[비교예 1]

상기 실시예 1에서 제 2전도성층을 형성하지 않은 것을 제외하고는 동일하게 실시하였다.

[비교예 2]

상기 실시예 2에서 제 2전도성층을 형성하지 않은 것을 제외하고는 동일하게 실시하였다.

[비교예 3]

상기 실시예 3에서 제 2전도성층을 형성하지 않은 것을 제외하고는 동일하게 실시하였다.

[비교예 4]

상기 실시예 4에서 제 2전도성층을 형성하지 않은 것을 제외하고는 동일하게 실시하였다.

[비교예 5]

상기 실시예 5에서 제 2전도성층을 형성하지 않은 것을 제외하고는 동일하게 실시하였다.

[실험예 1] 단일 전도성층과 다중 전도성층을 포함함에 따른 초기 면 저항 및 전기적 특성 비교.

도 9에 도시된 바와 같이 본 발명의 실시예 1 내지 5 및 비교예 1 내지 5로 제조된 유연 전기 소자의 각각의 초기 면 저항을 측정하였다. 도 9의 (a)를 확인하면, 단일 전도성층인 비교예 1 내지 5로 제조된 유연 전기 소자는 티타늄과 비교하였을 때, 현저하게 높은 초기 면저항 값을 나타내는 것을 확인할 수 있었다. 이와 달리 도 9의 (b)를 확인하면, 다중 전도성층인 실시예 1 내지 5로 제조된 유연 전기 소자는 티타늄의 초기 면 저항 값과 유사한 값을 나타낼 정도로 현저히 낮은 초기 면 저항 값을 나타내는 것을 확인할 수 있었다.

도 7에 도시된 바와 같이 본 발명의 실시예 1 내지 5 및 비교예 1 내지 5로 제조된 유연 전기 소자를 굽힘 거리에 따름 전기적 특성 변화를 확인하였다. 도 7의 (a)를 보면, 단일 전도성층인 비교예 1 내지 5로 제조된 유연 전기 소자는 굽힘과 동시에 급격하게 저항 값이 변하는 것을 확인할 수 있었다. 이와 달리 도 7의 (b)를 확인하면, 다중 전도성층인 실시예 1 내지 5로 제조된 유연 전기 소자는 굽힘 거리가 완전히 접히기 전까지 저항 변화량이 적은 것을 확인할 수 있었다. 또한, 도 10에 도시된 바와 같이 실시예 1 내지 5로 제조된 유연 전기 소자를 굽힘 거리를 10mm에서 완전히 접힘 상태까지 줄여가면서 굽힘 5,000회를 실시하여 전기적 특성을 확인하였다. 도 10 (a)-(d)를 보면 실시예 1로 제조된 유연 전기 소자가 굽힙 거리 10mm에서 완전히 접힘 상태까지 5,000회까지 굽힘을 시켰음에도 저항 변화량이 가장 적은 것을 확인하였다. 소자의 면저항은 4-포인트-프로브 스테이션(MS-TECH), 소스미터(KEITHLEY 236) 및 멀티미터(HP34401A) 장비를 이용하여 상온에서 측정하였다. 이때, 측정된 소자의 크기는 1.5cm x 1.5cm 이었다. 소스미터를 이용하여 전류를 인가해주고 멀티미터를 이용하여 전압을 읽어내서 면저항을 측정하였으며, 굽힘 실험을 해주면서 반복 측정하였다.

이는 본 발명의 유연 전기 소자는 금속 물질만을 사용할 때와 동일 수준의 우수한 초기 면 저항 값을 확보함과 동시에 유연성을 갖고 있어 물리적 외력에도 열화가 적은 우수한 특성을 나타냄을 확인할 수 있다.

[실험예 2] 유연 전기 소자의 굽힘횟수에 따른 전기적 특성 확인.

도 6의 (a)에 도시된 바와 같이 본 발명의 실시예 1로 제조된 유연 전기 소자를 굽힘 전과 굽힘 거리 6.85mm로 굽힘 1,000회 후에 압력에 따른 전기적 특성을 관찰하였을 때, 반복적인 물리적 외력을 가하더라도 물리적 외력을 가하기 전과 동일하게 전기적 특성이 유지되는 것을 통하여 고 신뢰성 유연 전기 소자 구현이 가능한 것을 확인할 수 있었다. 도 6의 (b)에 도시된 바와 같이 본 발명의 실시예 1로 제조된 유연 전기 소자를 굽힘 전과 굽힘 거리 2mm로 굽힘 5,000회 후에 압력에 따른 전기적 특성을 관찰하였을 때, 반복적인 물리적 외력을 가하더라도 물리적 외력을 가하기 전과 동일하게 전기적 특성이 유지되는 것을 통하여 고 신뢰성 유연 전기 소자 구현이 가능한 것을 확인할 수 있었다.

소자의 압력에 따른 전기적 특성은 압력인가 장비(UMP-1000, Teraleader) 및 소스미터(KEITHLEY 2401)을 이용하여 0.1V 전압을 인가해주고 압력에 따른 전류의 변화를 측정하였다.

또한, 도 11에 도시된 바와 같이 본 발명의 실시예 6으로 제조된 유연 전기 소자를 굽힘 전과 굽힘 거리 2㎜로 굽힘 100, 500 및 1,000회 후에 온도에 따른 전기적 특성을 관찰하였을 때, 반복적인 물리적 외력을 가하더라도 물리적 외력을 가하기 전과 동일하게 전기적 특성이 유지되는 것을 통하여 고 신뢰성 유연 전기 소자 구현이 가능한 것을 확인할 수 있었다.

소자의 온도에 따른 전기적 특성은 온도 컨트럴 장비(Teraleader) 및 반도체 파라미터 분석 장비(4156C, Agilent)를 이용하여 0.1V 전압을 인가해주고 온도에 따른 저항의 변화를 측정하였다.

[실험예 3] 유연 전기 소자의 구동전압에 따른 전기적 특성 확인.

도 8에 도시된 바와 같이 본 발명의 실시예 1로 제조된 유연 전기 소자를 500Pa의 압력을 반복적으로 가해주고, 인가 전압을 100, 10, 1 및 0.5㎷로 서서히 낮춰가면서 전류변화를 확인하였다. 도 8를 확인하면, 기존의 5 내지 10V 수준의 동작 전압이 인가되어야 외부에서 전달되는 압력에 따른 저항 값 변화를 측정할 수 있는 전기 소자들에 대비하여, 0.1Ⅴ이하의 전압이 인가되더라도 외부에서 전달되는 압력에 따른 저항 값 변화가 측정될 뿐만 아니라 노이즈 없이 전기적인 시그널을 감지할 수 있는 것을 확인하였다. 이는 압력 센서 또는 압력 및 온도 센서의 센서 어레이의 셀을 작은 셀로 제조가능하고, 작은 셀의 면적에서도 우수한 전기전도도를 유지함으로써 인체 기능을 모사한 전자 피부의 구현이 가능한 것을 의미한다.

[실험예 4] 유연 전기 소자의 온도 및 압력 동시 구현 확인.

도 12에 도시된 바와 같이 본 발명의 실시예 1와 실시예 6으로 제조된 유연 전기 소자에 압력만 가할 수 있는 펜을 통하여 압력을 가한 후 센서 동작을 확인하였을 때, 도 12의 (a)에서 압력만 감지되는 것을 확인할 수 있었다.

또한, 제조된 유연 전기 소자에 손가락을 이용하여 압력을 가한 후 센서 동작을 확인하였을 때, 도 12의 (a)에서 압력뿐만 아니라 온도도 동시에 감지되는 것을 확인할 수 있었다. 이와 같이 본 발명의 유연 전기 소자는 압력만 감지할 수 있을 뿐만 아니라 전자 피부용으로 적용되었을 때 압력 및 온도를 동시에 측정할 수 있는 전기 소자로써 사용될 수 있는 것을 확인하였다.

따라서 본 발명의 유연 전기 소자는 다중 전도성층이 확보됨에 따라 낮은 저항 값을 나타내어 낮은 동작 전압이 구현될 수 있기 때문에 초 저전력으로 반복적인 물리적 외력에도 노이즈 없이 우수한 전기적 신호를 감지할 수 있어 압력 센서 또는 압력 및 온도 센서에 적용되면 우수한 유연성, 전기전도도 및 전기적 안정성을 확보할 수 있다.

이상과 같이 본 발명에서는 특정된 사항들과 한정된 실시예를 통해 유연 전기 소자 및 이를 포함하는 센서가 설명되었으나, 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다.

따라서, 본 발명의 사상은 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 것들은 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.

Claims

연성기판;
상기 연성 기판 상에 형성된 마이크로 구조체;
상기 마이크로 구조체 상에 형성되고, 전도성 고분자와 폴리우레탄 분산체를 1:9 내지 9:1의 중량비로 포함하고, 경화되어 균일하게 형성된 제 1전도성층; 및
상기 제 1전도성층 상에 형성되고, 탄소계 물질 및 금속 물질에서 선택되는 어느 하나 또는 둘 이상의 혼합물인 평균입경 1 내지 50㎚의 전도성 입자를 포함하고, 경화되어 균일하게 형성된 제 2전도성층;을 포함하고,
상기 제 1전도성층의 두께는 10 내지 300㎚이고, 상기 제 2전도성층의 두께는 100㎚ 내지 10㎛인 유연 전기 소자.
제 1항에 있어서,
상기 마이크로 구조체는 피라미드형, 반구형 및 원뿔형에서 선택되는 형태인 유연 전기 소자.
삭제
삭제
삭제
삭제
제 1항에 있어서,
상기 제 2전도성층 상부에 상대전극이 위치한 유연 전기 소자.
제 7항에 있어서,
상기 유연 전기 소자는 상부에 전도성 패턴을 포함하는 고분자 필름을 더 포함하고, 상기 고분자 필름은 상대전극 상부에 위치하는 것인 유연 전기 소자.
제 8항에 있어서,
상기 고분자 필름은 폴리이미드, 폴리에테르이미드, 폴리에테르술폰, 폴리에틸렌테레프탈레이트, 폴리부틸렌테레프탈레이트 및 폴리에틸렌나프탈레이트에서 선택되는 어느 하나 또는 둘 이상의 혼합물을 포함하는 것인 유연 전기 소자.
제 1항, 제 2항 및 제 7항 내지 제 9항에서 선택되는 어느 한 항의 유연 전기 소자를 복수 개 포함하는 센서 어레이.
a) 연성기판 상에 마이크로 구조체를 형성하는 단계;
b) 상기 마이크로 구조체 상에 전도성 고분자와 폴리우레탄 분산체를 1:9 내지 9:1의 중량비로 포함하는 제 1전도성층을 10 내지 300㎚의 두께로 프린팅하는고, 경화시키는 단계; 및
c) 상기 제 1전도성층 상에 탄소계 물질 및 금속 물질에서 선택되는 어느 하나 또는 둘 이상의 혼합물인 평균입경 1 내지 50㎚의 전도성 입자를 포함하는 제 2전도성층을 100㎚ 내지 10㎛의 두께로 프린팅하고, 경화시키는 단계;
를 포함하는 유연 전기 소자의 제조방법.
제 11항에 있어서,
상기 유연 전기 소자는 상대전극을 제 2전도성층 상부에 위치시키는 단계;를 더 포함하는 유연 전기 소자의 제조방법.
제 12항에 있어서,
상기 상대전극의 상부에 고분자 필름을 더 포함하고,
상기 고분자 필름은 일면에 전도성 패턴을 프린팅한 후 타면을 상기 상대전극과 적층시키는 것인 유연 전기 소자의 제조방법.
제 1항, 제 2항 및 제 7항에서 선택되는 어느 한 항의 유연 전기 소자를 포함하는 압력 측정 센서.
제 8항 내지 제 9항에서 선택되는 어느 한 항의 유연 전기 소자를 포함하는 압력 및 온도 측정 센서.