KR102159453B1 - Capacitive pressure sensor and method of fabricating the same - Google Patents

Capacitive pressure sensor and method of fabricating the same Download PDF

Info

Publication number
KR102159453B1
KR102159453B1 KR1020190076923A KR20190076923A KR102159453B1 KR 102159453 B1 KR102159453 B1 KR 102159453B1 KR 1020190076923 A KR1020190076923 A KR 1020190076923A KR 20190076923 A KR20190076923 A KR 20190076923A KR 102159453 B1 KR102159453 B1 KR 102159453B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
pressure sensor
layer
capacitive pressure
electrode layer
crystalline polymer
Prior art date
Application number
KR1020190076923A
Other languages
Korean (ko)
Inventor
박철민
김강립
안종현
이재복
Original Assignee
연세대학교 산학협력단
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 연세대학교 산학협력단 filed Critical 연세대학교 산학협력단
Priority to KR1020190076923A priority Critical patent/KR102159453B1/en
Application granted granted Critical
Publication of KR102159453B1 publication Critical patent/KR102159453B1/en

Links

Images

Classifications

    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01LMEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L1/00Measuring force or stress, in general
    • G01L1/14Measuring force or stress, in general by measuring variations in capacitance or inductance of electrical elements, e.g. by measuring variations of frequency of electrical oscillators
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C08ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08LCOMPOSITIONS OF MACROMOLECULAR COMPOUNDS
    • C08L27/00Compositions of homopolymers or copolymers of compounds having one or more unsaturated aliphatic radicals, each having only one carbon-to-carbon double bond, and at least one being terminated by a halogen; Compositions of derivatives of such polymers
    • C08L27/02Compositions of homopolymers or copolymers of compounds having one or more unsaturated aliphatic radicals, each having only one carbon-to-carbon double bond, and at least one being terminated by a halogen; Compositions of derivatives of such polymers not modified by chemical after-treatment
    • C08L27/12Compositions of homopolymers or copolymers of compounds having one or more unsaturated aliphatic radicals, each having only one carbon-to-carbon double bond, and at least one being terminated by a halogen; Compositions of derivatives of such polymers not modified by chemical after-treatment containing fluorine atoms
    • C08L27/16Homopolymers or copolymers or vinylidene fluoride
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01LMEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L9/00Measuring steady of quasi-steady pressure of fluid or fluent solid material by electric or magnetic pressure-sensitive elements; Transmitting or indicating the displacement of mechanical pressure-sensitive elements, used to measure the steady or quasi-steady pressure of a fluid or fluent solid material, by electric or magnetic means
    • G01L9/12Measuring steady of quasi-steady pressure of fluid or fluent solid material by electric or magnetic pressure-sensitive elements; Transmitting or indicating the displacement of mechanical pressure-sensitive elements, used to measure the steady or quasi-steady pressure of a fluid or fluent solid material, by electric or magnetic means by making use of variations in capacitance, i.e. electric circuits therefor
    • GPHYSICS
    • G06COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06FELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F3/00Input arrangements for transferring data to be processed into a form capable of being handled by the computer; Output arrangements for transferring data from processing unit to output unit, e.g. interface arrangements
    • G06F3/01Input arrangements or combined input and output arrangements for interaction between user and computer
    • G06F3/03Arrangements for converting the position or the displacement of a member into a coded form
    • G06F3/041Digitisers, e.g. for touch screens or touch pads, characterised by the transducing means
    • G06F3/044Digitisers, e.g. for touch screens or touch pads, characterised by the transducing means by capacitive means
    • GPHYSICS
    • G06COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06FELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F3/00Input arrangements for transferring data to be processed into a form capable of being handled by the computer; Output arrangements for transferring data from processing unit to output unit, e.g. interface arrangements
    • G06F3/01Input arrangements or combined input and output arrangements for interaction between user and computer
    • G06F3/03Arrangements for converting the position or the displacement of a member into a coded form
    • G06F3/041Digitisers, e.g. for touch screens or touch pads, characterised by the transducing means
    • G06F3/044Digitisers, e.g. for touch screens or touch pads, characterised by the transducing means by capacitive means
    • G06F3/0448Details of the electrode shape, e.g. for enhancing the detection of touches, for generating specific electric field shapes, for enhancing display quality

Abstract

The present invention relates to a capacitive pressure sensor having a low driving voltage and a manufacturing method thereof. The capacitive pressure sensor according to one embodiment of the present invention may comprise: a first electrode layer; a dielectric layer which is disposed on the first electrode layer, comprises an ionic gel layer containing a crystalline polymer and an ionic liquid impregnated in the crystalline polymer, and has a surface roughness controlled by recrystallization of a chain of the crystalline polymer in the ionic gel layer; and a second electrode layer disposed on the dielectric layer.

Description

정전용량형 압력 센서 및 이의 제조 방법{Capacitive pressure sensor and method of fabricating the same}Capacitive pressure sensor and method of fabricating the same}

본 발명은 센서 기술에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 정전용량형 압력 센서 및 이의 제조 방법에 관한 것이다.The present invention relates to sensor technology, and more particularly, to a capacitive pressure sensor and a method of manufacturing the same.

압력 센서는 소프트 로봇, 인공 전자 스킨(e-스킨), 헬스 모니터링 및 모바일 디스플레이를 포함하는 많은 웨어러블 전자 장치에 잠재적으로 응용 가능하기 때문에 최근에 활발히 연구되고 있다. 상기 압력 센서는, 특히 웨어러블 및/또는 온 바디(on-body) 전자 기기에 적용하기 위해서, 압력 감도 및 신뢰성뿐만 아니라 광학적 투명성 및 기계적 유연성을 확보하는 것이 중요하다. Pressure sensors have been actively studied in recent years because they have potential applications in many wearable electronic devices including soft robots, artificial electronic skins (e-skin), health monitoring and mobile displays. In order to apply the pressure sensor, particularly to wearable and/or on-body electronic devices, it is important to secure optical transparency and mechanical flexibility as well as pressure sensitivity and reliability.

상기 압력 센서는 일반적으로 압전기식, 압전저항식 및 정전용량식 감지 방식으로 분류될 수 있다. 이들 중 상기 정전용량식 감지 방식의 압력 센서는 압력 전후의 유전체 필름의 압력에 민감한 정전 용량 변화를 기반으로 하는 것이어서, 빠른 응답 시간, 저전력 동작 및 단순한 디바이스 아키텍처라는 장점으로, 콤팩트한 회로 레이아웃을 구현할 수 있어 다른 방식들에 비하여 유리하다. In general, the pressure sensor can be classified into a piezoelectric type, a piezoelectric resistance type, and a capacitive type sensing method. Among them, the capacitive sensing type pressure sensor is based on the pressure-sensitive capacitance change of the dielectric film before and after pressure, and has the advantages of fast response time, low power operation, and simple device architecture, thereby implementing a compact circuit layout. It can be advantageous over other methods.

일반적으로 탄성중합체 기반의 유전체는 센서의 감도를 더욱 향상시키기 위해 다양한 마이크로 스케일의 표면 주름진(corrugated) 아키텍처와 결합될 수 있다. 이러한 표면 주름진 아키텍처의 기반 기술은 서스펜션 구조(suspended structure)를 갖는 합성 탄성중합체 발포체, 얇은 다공성 필름, 탄성중합체/SiO2 나노입자 복합 유전체층, 거친 종이 표면에 코팅된 탄성중합체 그리고 위상적으로(topologically) 미세 구조화된 표면을 갖는 탄성중합체로 구성된다. 그러나, 이와 같은 방식에 의해서는, 상기 탄성중합체 자체의 낮은 유전상수로 인하여, 정전용량의 변화량이 적어 저압 영역에서의 감도가 낮은 문제점이 있다.

[선행기술문헌]
[특허문헌]
(특허문헌 0001) 한국특허 공개번호 제10-2019-0059252호 " 압력센서용 유전체 및 그 제조방법과 정전용량형 압력센서"(공개일자: 2019.05.30.)
(특허문헌 0002) 한국특허 등록번호 제10-1215919호 " 정전용량형 압력센서 및 그의 제조방법"(공고일자: 2012.12.27.)
In general, elastomeric-based dielectrics can be combined with various micro-scale surface corrugated architectures to further improve the sensitivity of the sensor. The underlying technology for this surface corrugated architecture is a synthetic elastomer foam with a suspended structure, a thin porous film, an elastomer/SiO2 nanoparticle composite dielectric layer, an elastomer coated on a rough paper surface, and topologically fine. It is composed of an elastomer with a structured surface. However, according to this method, due to the low dielectric constant of the elastomer itself, there is a problem in that the amount of change in capacitance is small and the sensitivity in the low pressure region is low.

[Prior technical literature]
[Patent Literature]
(Patent Document 0001) Korean Patent Publication No. 10-2019-0059252 "Dielectric for pressure sensor and its manufacturing method and capacitive pressure sensor" (Publication date: 2019.05.30.)
(Patent Document 0002) Korean Patent Registration No. 10-1215919 "Capacitive pressure sensor and its manufacturing method" (announcement date: 2012.12.27.)

따라서, 본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는, 투명성과 유연성이 뛰어날뿐만 아니라 수 Pa부터 수십 kPa까지의 광범위한 외부 압력에 대하여 우수한 감도를 가지며, 낮은 구동 전압을 갖는 정전용량형 압력 센서를 제공하는 것이다. Accordingly, the technical problem to be solved by the present invention is to provide a capacitive pressure sensor having excellent transparency and flexibility, excellent sensitivity to a wide range of external pressures from several Pa to tens of kPa, and a low driving voltage. .

또한, 본 발명이 해결하고자 하는 다른 기술적 과제는, 저비용으로 제조 공정이 간단한 고감도의 투명하고 유연한 정전용량형 압력 센서의 제조 방법을 제공하는 것이다. In addition, another technical problem to be solved by the present invention is to provide a method of manufacturing a high sensitivity transparent and flexible capacitive pressure sensor with a simple manufacturing process at low cost.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 제 1 전극층; 상기 제 1 전극층 상에 배치되고, 결정성 고분자 및 상기 결정성 고분자 내에 함침된 이온성 액체를 포함하는 이온성 겔 층을 포함하며, 상기 이온성 겔 층의 상기 결정성 고분자의 사슬(chain)의 재결정화에 의해 제어된 표면 거칠기를 갖는 유전체층; 및 상기 유전체층 상에 배치된 제 2 전극층을 포함하는 정전용량형 압력 센서가 제공될 수 있다. According to an embodiment of the present invention, a first electrode layer; An ionic gel layer disposed on the first electrode layer and comprising a crystalline polymer and an ionic liquid impregnated in the crystalline polymer, and the chain of the crystalline polymer of the ionic gel layer A dielectric layer having a surface roughness controlled by recrystallization; And a second electrode layer disposed on the dielectric layer, and a capacitive pressure sensor may be provided.

상기 정전용량형 압력 센서는, 상기 제 1 전극층 및 상기 제 2 전극층 중 어느 하나와 상기 유전체층 사이에 상기 표면 거칠기를 통해 형성된 에어 갭을 더 포함할 수 있다. 상기 정전용량형 압력 센서는, 상기 제 1 전극층 및 상기 제 2 전극층 중 어느 하나와 상기 유전체층의 계면 사이에 형성된 전기 이중층 Electric Double Layer: EDL)을 더 포함할 수 있다. 상기 표면 거칠기는 미소 섬유(micro-fibril) 형태의 토폴로지를 포함할 수 있다. 상기 결정성 고분자의 사슬(chain)의 재결정화는 상기 결정성 고분자의 사슬(chain)이 상기 유전체 층의 표면 법선에 평행으로 정렬되는 것을 포함하며, 상기 결정성 고분자는 상기 사슬이 굽힘 형태에 의해 판상모형(platelet)의 결정 형태를 가지며, 상기 유전체 층의 표면 법선을 기준으로 라멜라 구조를 가질 수 있다. 상기 표면 거칠기의 제곱 평균(root mean square: RMS)은 0.5 nm 내지 500 nm 범위를 가질 수 있다. 상기 결정성 고분자 내에 함침된 이온성 액체의 함량은 0 중량% 초과 60 중량% 이하 범위를 가질 수 있다. 상기 결정성 고분자는 PVDF, P(VDF-TrFE), P(VDF-CTFE), P(VDF-CFE), P(VDF-HFP), P(VDF-TrFE-CTFE), P(VDF-TrFE-CFE) 및 P(VDF-TrFE-HFP)를 포함하는 PVDF 기재 공중합체일 수 있다. 상기 이온성 액체는 EMI-TFSA, BMIM TFSI, OMIM TFSI, EMIM TFSI, EMIM-BF4, EMIM-TCB, BMIM-TFSI, EMIM-SO4, BMIM-BF4, DMIM-BF4, DMIM-TFSI 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. The capacitive pressure sensor may further include an air gap formed through the surface roughness between the dielectric layer and any one of the first electrode layer and the second electrode layer. The capacitive pressure sensor may further include an electric double layer (EDL) formed between an interface of the dielectric layer and any one of the first electrode layer and the second electrode layer. The surface roughness may include a micro-fibril type topology. The recrystallization of the chain of the crystalline polymer includes that the chain of the crystalline polymer is aligned parallel to the surface normal of the dielectric layer, and the crystalline polymer is formed by bending the chain. It has a platelet crystal shape, and may have a lamellar structure based on a surface normal of the dielectric layer. The root mean square (RMS) of the surface roughness may range from 0.5 nm to 500 nm. The content of the ionic liquid impregnated in the crystalline polymer may have a range of more than 0% by weight and not more than 60% by weight. The crystalline polymers are PVDF, P(VDF-TrFE), P(VDF-CTFE), P(VDF-CFE), P(VDF-HFP), P(VDF-TrFE-CTFE), P(VDF-TrFE- CFE) and P(VDF-TrFE-HFP) may be a PVDF based copolymer. The ionic liquid contains at least one of EMI-TFSA, BMIM TFSI, OMIM TFSI, EMIM TFSI, EMIM-BF4, EMIM-TCB, BMIM-TFSI, EMIM-SO4, BMIM-BF4, DMIM-BF4, and DMIM-TFSI. can do.

일 실시예에서, 상기 제 1 전극층 및 상기 제 2 전극층 중 적어도 하나는 고분자 기판 상에 형성되고, 상기 제 1 전극층 및 상기 제 2 전극층 중 적어도 하나는 상기 고분자 기판 상에 라인 패턴화된 제 1 및 제2 그래핀 층을 포함하며, 상기 정전용량형 압력 센서는 상기 라인 패턴화된 제 1 그래핀 층과 상기 라인 패턴화된 제 2 그래핀 층사이의 복수의 교차점들에 각각 정의되는 커패시터 셀들의 배열을 가질 수 있다. In one embodiment, at least one of the first electrode layer and the second electrode layer is formed on a polymer substrate, and at least one of the first electrode layer and the second electrode layer is line-patterned on the polymer substrate and Including a second graphene layer, wherein the capacitive pressure sensor comprises a plurality of crossing points between the line patterned first graphene layer and the line patterned second graphene layer It can have an array.

본 발명의 다른 실시예에 따르면, 제 1 전극층을 형성하는 단계; 상기 제 1 전극층 상에, 상기 제 1 전극층 상에 배치되고, 결정성 고분자 및 상기 결정성 고분자 내에 함침된 이온성 액체를 포함하는 이온성 겔 층을 포함하며, 상기 이온성 겔 층의 상기 결정성 고분자의 사슬(chain)의 재결정화에 의해 제어된 표면 거칠기를 갖는 유전체층을 형성하는 단계; 및 상기 유전체층 상에 제 2 전극층을 형성하는 단계를 포함하는 정전용량형 압력 센서의 제조 방법이 제공될 수 있다. According to another embodiment of the present invention, the step of forming a first electrode layer; On the first electrode layer, disposed on the first electrode layer, comprising an ionic gel layer comprising a crystalline polymer and an ionic liquid impregnated in the crystalline polymer, the crystallinity of the ionic gel layer Forming a dielectric layer having a surface roughness controlled by recrystallization of a polymer chain; And forming a second electrode layer on the dielectric layer. A method of manufacturing a capacitive pressure sensor may be provided.

일 실시예에서, 상기 유전체층을 형성하는 단계는, 상기 결정성 고분자와 상기 이온성 액체를 준비하는 단계; 상기 결정성 고분자와 상기 이온성 액체를 혼합하여 이온성 혼합 용액을 형성하는 단계; 상기 이온성 혼합 용액을 제 1 전극층에 코팅하여, 이온성 겔 층을 형성하는 단계; 및 상기 이온성 겔 층을 열처리하여, 상기 결정성 고분자의 사슬을 재결정화시키는 단계를 포함할 수 있다. 상기 열처리의 온도는 상기 결정성 고분자의 용융 온도보다 높을 수 있다. 상기 열처리 단계 후 상기 이온성 겔 층의 냉각 속도를 조절하는 단계를 더 포함할 수 있다. 상기 냉각 속도는 5.0 ℃/분 내지 0.1 ℃/분 범위를 가질 수 있다. 상기 제 1 전극층 및 상기 제 2 전극층 중 적어도 하나는 고분자 기판 상에 형성되고, 상기 제 1 전극층 및 상기 제 2 전극층 중 적어도 하나는 상기 고분자 기판 상에 라인 패턴화된 제 1 및 제2 그래핀 층을 포함하며, 상기 정전용량형 압력 센서는 상기 라인 패턴화된 제 1 그래핀 층과 상기 라인 패턴화된 제 2 그래핀 층사이의 복수의 교차점들에 각각 정의되는 커패시터 셀들의 배열을 가질 수 있다. In an embodiment, the forming of the dielectric layer may include preparing the crystalline polymer and the ionic liquid; Mixing the crystalline polymer and the ionic liquid to form an ionic mixed solution; Coating the ionic mixed solution on the first electrode layer to form an ionic gel layer; And heat-treating the ionic gel layer to recrystallize the chain of the crystalline polymer. The temperature of the heat treatment may be higher than the melting temperature of the crystalline polymer. After the heat treatment step, it may further include adjusting the cooling rate of the ionic gel layer. The cooling rate may have a range of 5.0 °C / min to 0.1 °C / min. At least one of the first electrode layer and the second electrode layer is formed on a polymer substrate, and at least one of the first electrode layer and the second electrode layer is line patterned first and second graphene layers on the polymer substrate Including, the capacitive pressure sensor may have an arrangement of capacitor cells each defined at a plurality of intersections between the line patterned first graphene layer and the line patterned second graphene layer. .

본 발명의 실시예에 따르면, 결정성 고분자 및 상기 결정성 고분자 내에 함침된 이온성 액체를 포함하는 이온성 겔 층을 포함하며, 상기 이온성 겔 층의 상기 결정성 고분자의 사슬(chain)의 재결정화에 의해 제어된 표면 거칠기를 갖는 유전체층을 이용함으로써, 수 Pa부터 수십 kPa까지의 광범위의 외부 압력에 대하여 민감도가 뛰어나며, 낮은 구동 전압을 갖는 유연한 정전용량형 압력 센서를 제공할 수 있다. According to an embodiment of the present invention, it includes a crystalline polymer and an ionic gel layer containing an ionic liquid impregnated in the crystalline polymer, and recrystallization of a chain of the crystalline polymer in the ionic gel layer By using the dielectric layer having the surface roughness controlled by the fire, it is possible to provide a flexible capacitive pressure sensor having excellent sensitivity to a wide range of external pressures from several Pa to several tens of kPa and having a low driving voltage.

또한, 몰드를 사용하지 않고(mold free), 열처리 및 냉각 속도를 제어하여, 결정성 고분자의 재결정화를 수행함으로써, 저비용으로 간단하게 정전용량형 압력 센서의 제조 방법을 제공할 수 있다. In addition, by performing recrystallization of the crystalline polymer by controlling the heat treatment and cooling rate without using a mold (mold free), it is possible to provide a simple method of manufacturing a capacitive pressure sensor at low cost.

도 1a는 본 발명의 일 실시예에 따른 정전용량형 압력 센서를 도시한 분해 사시도이며, 도 1b는 정전용량형 압력 센서의 단면도이고, 도 1c는 본 발명의 일 실시예에 따른 정전용량형 압력 센서의 라멜라 구조를 갖는 유전체층의 사시도이다.
도 2a는 본 발명의 일 실시예에 따른 정전용량형 압력 센서의 제조 방법을 설명하기 위한 도면이고, 도 2b는 본 발명의 일 실시예에 따른 정전용량형 압력 센서의 투명성 및 유연성을 보여주는 이미지이고, 도 2c는 본 발명의 일 실시예에 따른 정전용량형 압력 센서의 투명율을 보여주는 그래프이다.
도 3a 내지 도 3c는 본 발명의 일 실시예에 따른 열처리 온도에 따른 정전용량형 압력 센서의 유전체층의 고분자 결정을 설명하기 위한 도면이고, 도 3d 내지 도 3f는 도 3a 내지 도 3c의 유전체층의 2 차원 그레이징 입사 X-선 회절(GIXD) 패턴을 보여주는 도면이다.
도 4a 내지 도 4c 그리고 도 4e 내지 도 4g는 본 발명의 일 실시예에 따른 열처리 온도에 따른 정전용량형 압력 센서의 유전체층의 AFM(atomic force microscopy) 이미지이고, 도 4d는 본 발명의 일 실시예에 따른 열처리 온도에 따른 정전용량형 압력 센서의 유전체층의 SEM(scanning electron microscopy) 이미지이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 열처리 온도 및 냉각 속도에 따른 정전용량형 압력 센서의 제곱 평균(root mean square: RMS) 거칠기를 나타내는 그래프이다.
도 6a는 본 발명의 일 실시예에 따른 압력 감지 시스템의 개략도이고, 도 6b는 이온성 액체의 함유량에 따른 커패시턴스의 변화를 나타내는 그래프이고, 도 6c는 냉각 속도에 따른 커패시턴스의 변화를 나타내는 그래프이고, 도 6d는 냉각 속도에 따른 정전용량형 압력 센서의 민감도를 나타내는 그래프이고, 도 6e는 500Hz에서의 압력 부하의 변화에 따른 커패시턴스의 변화를 나타내는 그래프이고, 도 6f는 100 kHz에서 측정된 특정 압력에 따른 변화율이며 커패시턴스 값의 시간 변화를 나타내는 그래프이며, 도 6g는 압력 로딩과 언로딩의 반복 횟수에 따른 정전용량형 압력 센서의 커패시턴스의 변화를 나타내는 그래프이다.
도 7a는 알루미늄 펠릿에 의한 정전용량형 압력 센서의 커패시턴스의 변화를 나타내는 그래프이고, 도 7b는 소프트 손가락 터치에 의한 정전용량형 압력 센서의 커패시턴스의 변화를 나타내는 그래프이고, 도 7c는 손가락 움직임에 의한 정전용량형 압력 센서의 커패시턴스의 변화를 나타내는 그래프이며, 도 7c는 굽힘 반복에 따른 정전용량형 압력 센서의 커패시턴스의 변화를 나타내는 그래프이다.
도 8a는 12 x 12 압력 센서 매트릭스의 개략도이고, 도 8b는 패턴화된 그래 핀과 유전체층으로 제작된 압력 센서 어레이의 이미지 사진이고, 도 8c는 12 x 12 압력 센서 매트릭스의 등가 회로를 보여주는 도면이고, 도 8d는 멀티 터치로 커패시턴스 변화의 크기를 보여주는 그래프이다.
도 9a는 본 발명의 일 실시예에 따른 열처리 온도에 따른 정전용량형 압력 센서의 유전체층의 AFM(atomic force microscopy) 높이 프로파일이고, 도 9b는 열처리 온도에 따른 정전용량형 압력 센서의 유전체층의 AFM(atomic force microscopy) 3D 높이 이미지이고, 도 9c는 열처리 온도에 따른 정전용량형 압력 센서의 유전체층의 표면 거칠기의 높이 차를 보여주는 그래프이다.
도 10a 내지 도 10c는 압력 로딩과 압력 언로딩에 따른 정전용량형 압력 센서의 커패시턴스의 변화를 나타내는 그래프이다.
도 11a는 무부하 압력에서 따른 주파수 변화에 따른 정전용량형 압력 센서의 커패시턴스의 변화를 나타내는 그래프이고, 도 11b는 금속 전극이 증착되어 에어 갭이 존재하지 않은 상태에서 주파수 변화에 따른 정전용량형 압력 센서의 커패시턴스의 변화를 나타내는 그래프이다.
1A is an exploded perspective view showing a capacitive pressure sensor according to an embodiment of the present invention, FIG. 1B is a cross-sectional view of a capacitive pressure sensor, and FIG. 1C is a capacitive pressure sensor according to an embodiment of the present invention. It is a perspective view of a dielectric layer having a lamellar structure of a sensor.
2A is a view for explaining a method of manufacturing a capacitive pressure sensor according to an embodiment of the present invention, and FIG. 2B is an image showing the transparency and flexibility of the capacitive pressure sensor according to an embodiment of the present invention. , Figure 2c is a graph showing the transparency of the capacitive pressure sensor according to an embodiment of the present invention.
3A to 3C are views for explaining a polymer crystal of a dielectric layer of a capacitive pressure sensor according to a heat treatment temperature according to an embodiment of the present invention, and FIGS. 3D to 3F are 2 of the dielectric layers of FIGS. 3A to 3C. A diagram showing a dimensional grazing incident X-ray diffraction (GIXD) pattern.
4A to 4C and FIGS. 4E to 4G are AFM (atomic force microscopy) images of a dielectric layer of a capacitive pressure sensor according to a heat treatment temperature according to an embodiment of the present invention, and FIG. 4D is an embodiment of the present invention. It is a scanning electron microscopy (SEM) image of the dielectric layer of the capacitive pressure sensor according to the heat treatment temperature according to.
5 is a graph showing a root mean square (RMS) roughness of a capacitive pressure sensor according to a heat treatment temperature and a cooling rate according to an embodiment of the present invention.
6A is a schematic diagram of a pressure sensing system according to an embodiment of the present invention, FIG. 6B is a graph showing a change in capacitance according to a content of an ionic liquid, and FIG. 6C is a graph showing a change in capacitance according to a cooling rate. , FIG. 6D is a graph showing the sensitivity of the capacitive pressure sensor according to the cooling rate, FIG. 6E is a graph showing the change in capacitance according to the change in the pressure load at 500 Hz, and FIG. 6F is a specific pressure measured at 100 kHz. It is a graph showing the change rate according to the time change of the capacitance value, and FIG. 6G is a graph showing the change in capacitance of the capacitive pressure sensor according to the number of repetitions of pressure loading and unloading.
7A is a graph showing the change in capacitance of the capacitive pressure sensor by aluminum pellets, FIG. 7B is a graph showing the change in capacitance of the capacitive pressure sensor by soft finger touch, and FIG. 7C is It is a graph showing the change in capacitance of the capacitive pressure sensor, and FIG. 7C is a graph showing the change in the capacitance of the capacitive pressure sensor according to bending repetition.
FIG. 8A is a schematic diagram of a 12×12 pressure sensor matrix, FIG. 8B is an image photograph of a pressure sensor array made of patterned graphene and a dielectric layer, and FIG. 8C is a diagram showing an equivalent circuit of a 12×12 pressure sensor matrix. , FIG. 8D is a graph showing the magnitude of capacitance change by multi-touch.
9A is an AFM (atomic force microscopy) height profile of the dielectric layer of the capacitive pressure sensor according to the heat treatment temperature according to an embodiment of the present invention, and FIG. 9B is an AFM of the dielectric layer of the capacitive pressure sensor according to the heat treatment temperature. atomic force microscopy) 3D height image, and FIG. 9C is a graph showing the difference in height of the surface roughness of the dielectric layer of the capacitive pressure sensor according to the heat treatment temperature.
10A to 10C are graphs showing changes in capacitance of a capacitive pressure sensor according to pressure loading and pressure unloading.
FIG. 11A is a graph showing a change in capacitance of a capacitive pressure sensor according to a frequency change according to a no-load pressure, and FIG. 11B is a capacitive pressure sensor according to a frequency change in a state in which an air gap is not present by depositing a metal electrode. It is a graph showing the change in capacitance of.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

본 발명의 실시예들은 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이며, 하기 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다. 오히려, 이들 실시예는 본 개시를 더욱 충실하고 완전하게 하고, 당업자에게 본 발명의 사상을 완전하게 전달하기 위하여 제공되는 것이다.The embodiments of the present invention are provided to more completely describe the present invention to those of ordinary skill in the art, and the following examples may be modified in various other forms, and the scope of the present invention is as follows. It is not limited to the examples. Rather, these embodiments are provided to make the present disclosure more faithful and complete, and to completely convey the spirit of the present invention to those skilled in the art.

도면에서 동일 부호는 동일한 요소를 지칭한다. 또한, 본 명세서에서 사용된 바와 같이, 용어 "및/또는"은 해당 열거된 항목 중 어느 하나 및 하나 이상의 모든 조합을 포함한다.In the drawings, the same reference numerals refer to the same elements. Also, as used herein, the term “and/or” includes any and all combinations of one or more of the corresponding listed items.

본 명세서에서 사용된 용어는 실시예를 설명하기 위하여 사용되며, 본 발명의 범위를 제한하기 위한 것이 아니다. 또한, 본 명세서에서 단수로 기재되어 있다 하더라도, 문맥상 단수를 분명히 지적하는 것이 아니라면, 복수의 형태를 포함할 수 있다. 또한, 본 명세서에서 사용되는 "포함한다(comprise)" 및/또는 "포함하는(comprising)"이란 용어는 언급한 형상들, 숫자, 단계, 동작, 부재, 요소 및/또는 이들 그룹의 존재를 특정하는 것이며, 다른 형상, 숫자, 동작, 부재, 요소 및/또는 그룹들의 존재 또는 부가를 배제하는 것이 아니다.The terms used in this specification are used to describe examples, and are not intended to limit the scope of the present invention. In addition, even if it is described in the singular in this specification, a plurality of forms may be included unless the context clearly indicates the singular. In addition, the terms "comprise" and/or "comprising" as used herein specify the presence of the mentioned shapes, numbers, steps, actions, members, elements and/or groups thereof. It does not exclude the presence or addition of other shapes, numbers, movements, members, elements and/or groups.

본 명세서에서 기판 또는 다른 층 "상에(on)" 형성된 층에 대한 언급은 상기 기판 또는 다른 층의 바로 위에 형성된 층을 지칭하거나, 상기 기판 또는 다른 층 상에 형성된 중간 층 또는 중간 층들 상에 형성된 층을 지칭할 수도 있다. 또한, 당해 기술 분야에서 숙련된 자들에게 있어서, 다른 형상에 "인접하여(adjacent)" 배치된 구조 또는 형상은 상기 인접하는 형상에 중첩되거나 하부에 배치되는 부분을 가질 수도 있다.Reference to a layer formed “on” a substrate or other layer herein refers to a layer formed directly on the substrate or other layer, or formed on an intermediate layer or intermediate layers formed on the substrate or other layer. It may also refer to a layer. Further, for those skilled in the art, a structure or shape arranged “adjacent” to another shape may have a portion disposed below or overlapping with the adjacent shape.

본 명세서에서, "아래로(below)", "위로(above)", "상부의(upper)", "하부의(lower)", "수평의(horizontal)" 또는 "수직의(vertical)"와 같은 상대적 용어들은, 도면들 상에 도시된 바와 같이, 일 구성 부재, 층 또는 영역들이 다른 구성 부재, 층 또는 영역과 갖는 관계를 기술하기 위하여 사용될 수 있다. 이들 용어들은 도면들에 표시된 방향뿐만 아니라 소자의 다른 방향들도 포괄하는 것임을 이해하여야 한다.In this specification, "below", "above", "upper", "lower", "horizontal" or "vertical" Relative terms such as, as shown on the drawings, may be used to describe the relationship between one component member, layer, or region with another component member, layer, or region. It is to be understood that these terms encompass not only the orientation indicated in the figures, but also other orientations of the device.

이하에서, 본 발명의 실시예들은 본 발명의 이상적인 실시예들(및 중간 구조들)을 개략적으로 도시하는 단면도들을 참조하여 설명될 것이다. 이들 도면들에 있어서, 예를 들면, 부재들의 크기와 형상은 설명의 편의와 명확성을 위하여 과장될 수 있으며, 실제 구현 시, 도시된 형상의 변형들이 예상될 수 있다. 따라서, 본 발명의 실시예는 본 명세서에 도시된 영역의 특정 형상에 제한된 것으로 해석되어서는 아니 된다. 또한, 도면의 부재들의 참조 부호는 도면 전체에 걸쳐 동일한 부재를 지칭한다. In the following, embodiments of the present invention will be described with reference to cross-sectional views schematically showing ideal embodiments (and intermediate structures) of the present invention. In these drawings, for example, the size and shape of the members may be exaggerated for convenience and clarity of description, and in actual implementation, variations of the illustrated shape may be expected. Accordingly, the embodiments of the present invention should not be construed as being limited to the specific shape of the region shown in this specification. In addition, reference numerals of members in the drawings refer to the same members throughout the drawings.

도 1a는 본 발명의 일 실시예에 따른 정전용량형 압력 센서(10)를 도시한 분해 사시도이며, 도 1b는 정전용량형 압력 센서의 단면도이고, 도 1c는 본 발명의 일 실시예에 따른 정전용량형 압력 센서의 라멜라 구조를 갖는 유전체층(DL)의 사시도이다. 1A is an exploded perspective view showing a capacitive pressure sensor 10 according to an embodiment of the present invention, FIG. 1B is a cross-sectional view of a capacitive pressure sensor, and FIG. 1C is an electrostatic capacity type pressure sensor according to an embodiment of the present invention. A perspective view of a dielectric layer DL having a lamellar structure of a capacitive pressure sensor.

도 1a와 도 1b를 참조하면, 정전용량형 압력 센서(10)는 제 1 전극층(E1), 제 1 전극층(E1) 상에 배치되고, 결정성 고분자 및 상기 결정성 고분자 내에 함침된 이온성 액체(PI, NI)를 포함하는 이온성 겔 층을 포함하며, 상기 이온성 겔 층의 상기 결정성 고분자의 사슬(PC)의 재결정화에 의해 제어된 표면 거칠기를 갖는 유전체층(DL) 및 유전체층(DL) 상에 배치된 제 2 전극층(E2)을 포함할 수 있다. 정전용량형 압력 센서(10)는 제 1 전극층(E1)과 유전체층(DL) 사이에 상기 표면 거칠기를 통해 형성된 에어 갭(GA)을 포함할 수 있다. 에어 갭(GA)을 제 1 전극층(E1)과 유전체층(DL) 사이에 형성함으로써 상기결정성 고분자의 점탄성 특성을 개선하고 스트레인 변화량을 크게 할 수 있다. 도시하지 않았지만, 선택적으로, 제 2 전극층(E2)과 유전체층(DL) 사이에 상기 표면 거칠기를 통해 형성된 에어 갭(GA)을 포함할 수 있다. 상기 이온성 액체는 상기 결정성 고분자의 기공 사이에 분산되어, 유전체층(DL) 내부에 트랩됨으로써, 유전체층(DL)이 안정된 이온성 겔 타입을 가질 수 있다. 일 실시예에서, 상기 결정성 고분자는 결정성 영역과 비정질 영역을 포함하며, 상기 이온성 액체는 상기 결정성 고분자의 비정질 영역에 배치될 수 있다. 1A and 1B, the capacitive pressure sensor 10 is disposed on the first electrode layer E1 and the first electrode layer E1, and includes a crystalline polymer and an ionic liquid impregnated in the crystalline polymer. A dielectric layer (DL) and a dielectric layer (DL) comprising an ionic gel layer containing (PI, NI) and having a surface roughness controlled by recrystallization of the chain (PC) of the crystalline polymer of the ionic gel layer. ) May include a second electrode layer E2 disposed on it. The capacitive pressure sensor 10 may include an air gap GA formed through the surface roughness between the first electrode layer E1 and the dielectric layer DL. By forming the air gap GA between the first electrode layer E1 and the dielectric layer DL, it is possible to improve the viscoelastic properties of the crystalline polymer and increase the amount of strain change. Although not shown, optionally, an air gap GA formed through the surface roughness between the second electrode layer E2 and the dielectric layer DL may be included. The ionic liquid is dispersed between the pores of the crystalline polymer and trapped in the dielectric layer DL, so that the dielectric layer DL may have a stable ionic gel type. In one embodiment, the crystalline polymer includes a crystalline region and an amorphous region, and the ionic liquid may be disposed in the amorphous region of the crystalline polymer.

일 실시예에서, 정전용량형 압력 센서(10)는 제 1 전극층(E1)과 유전체층(DL)의 계면과 제 2 전극층(E2)과 유전체층(DL)의 계면 사이에 형성된 전기 이중층 (Electric Double Layer: EDL)을 포함할 수 있다. 상기 전기 이중층은 유전체층(DL)의 제 1 면과 인접하는 제 1 전극층(E1)의 제 1 면의 전체 또는 일부 영역 그리고 유전체층(DL)의 제 2 면과 인접하는 제 2 전극층(E1)의 제 2 면의 전체 또는 일부 영역에 걸쳐서 형성될 수 있다. 구체적으로 제 1 전극층(E1)과 유전체층(DL)의 계면 사이 양이온(positive ion)이 형성되고 제 2 전극층(E2)과 유전체층(DL)의 계면 사이 음이온(negative ion)이 형성되거나, 제 1 전극층(E1)과 유전체층(DL)의 계면 사이 음이온이 형성되고 제 2 전극층(E2)과 유전체층(DL)의 계면 사이 양이온이 형성될 수 있다. 상기 전기 이중층은 센서 소자에 전압이 인가될 때, 제 1 전극층(E1)과 유전체층(DL)의 계면 사이에 형성되며, 형성된 상기 전기 이중층은 인가되는 압력 비례하여 상기 전기 이중층의 접합면적은 커질 수 있다. 반면, 센서 소자에 압력이 인가해지더라도, 전압이 인가되지 않으면 상기 전기 이중층은 형성되지 않고 이온성 액체의 양이온/음이온은 랜덤하게 존재할 수 있다. In one embodiment, the capacitive pressure sensor 10 is an electric double layer formed between the interface between the first electrode layer E1 and the dielectric layer DL and the interface between the second electrode layer E2 and the dielectric layer DL. : EDL) can be included. The electric double layer includes a whole or partial region of the first surface of the first electrode layer E1 adjacent to the first surface of the dielectric layer DL, and the second electrode layer E1 adjacent to the second surface of the dielectric layer DL. It may be formed over all or part of the two sides. Specifically, a positive ion is formed between the interface between the first electrode layer E1 and the dielectric layer DL, and a negative ion is formed between the interface between the second electrode layer E2 and the dielectric layer DL, or the first electrode layer Anions may be formed between the interface between (E1) and the dielectric layer DL, and cations may be formed between the interface between the second electrode layer E2 and the dielectric layer DL. The electric double layer is formed between the interface between the first electrode layer E1 and the dielectric layer DL when a voltage is applied to the sensor element, and the formed electric double layer may increase the bonding area of the electric double layer in proportion to the applied pressure. have. On the other hand, even when a pressure is applied to the sensor element, if no voltage is applied, the electric double layer is not formed, and cations/anions of the ionic liquid may exist randomly.

상기 전기 이중층(EDL)에서 비휘발성 양이온(PI) 및 전하가 비편재된(charge-delocalized) 음이온(NI)을 갖는 이온성 액체의 사용으로, 고유전 상수 및 물리화학적 안정성을 갖는 압력 민감도를 향상시킬 수 있다. The use of an ionic liquid having a nonvolatile cation (PI) and a charge-delocalized anion (NI) in the electric double layer (EDL) improves pressure sensitivity having a high dielectric constant and physicochemical stability. I can make it.

본 발명의 일 실시예에서, 상기 표면 거칠기는 미소 섬유(micro-fibril) 형태의 토폴로지를 포함할 수 있다. 상기 미소 섬유 형태의 토폴로지는 후술할 정전용량형 압력 센서(10)의 제조 방법에서 상기 이온성 겔 층의 열처리 온도 및 냉각 속도를 제어함으로써 형성될 수 있다. 상기 표면 거칠기의 제곱 평균(root mean square: RMS)은 0.5 nm 내지 500 nm 범위를 갖는다. 상기 표면 거칠기의 제곱 평균이 0.5 nm 이하인 경우, 인가된 압력을 제거할 경우 정전용량형 압력 센서(10)의 커패시턴스의 낮은 초기 상태로 복구되지 않으며, 500 nm 범위 이상인 경우, 광이 완전이 투과되지 않고 산란되는 문제로 인하여 소자의 투명도가 현저히 감소할 수 있다. In an embodiment of the present invention, the surface roughness may include a topology in the form of micro-fibrils. The microfibrous topology may be formed by controlling the heat treatment temperature and cooling rate of the ionic gel layer in the manufacturing method of the capacitive pressure sensor 10 to be described later. The root mean square (RMS) of the surface roughness ranges from 0.5 nm to 500 nm. When the square average of the surface roughness is 0.5 nm or less, when the applied pressure is removed, the capacitance of the capacitive pressure sensor 10 is not restored to a low initial state, and when it is in the range of 500 nm or more, light is not completely transmitted. Without scattering, the transparency of the device may be significantly reduced.

상기 결정성 고분자 내에 함침된 이온성 액체의 함량은 0 중량% 초과 60 중량% 이하 범위를 갖는다. 상기 이온성 액체의 함량이 0 중량%인 경우에는, 상기 전기 이중층(EDL)이 형성되지 않아, 정전용량형 압력 센서(10)의 커패시턴스의 변화 폭을 크게 하는데 어려움이 있으며, 광범위한 외부 압력에 대하여 우수한 감도의 성능을 가질 수 없고, 상기 이온성 액체의 함량이 60 중량%를 초과하는 경우에는, 유전체층(DL)이 고점탄성 및 고점착성을 갖게 되어, 압력 감지 속도와 회복 속도가 느려질 질 수 있다. 상기 결정성 고분자의 결정도는 50% 이상일 수 있다. 상기 결정성 고분자의 결정도가 50% 미만일 경우, 정전용량형 압력 센서(10)의 광범위한 외부 압력에 대하여 고민감도를 위한 표면 거칠기가 형성되지 않을 수 있다. The content of the ionic liquid impregnated in the crystalline polymer has a range of more than 0% by weight and not more than 60% by weight. When the content of the ionic liquid is 0% by weight, since the electric double layer (EDL) is not formed, it is difficult to increase the width of change in the capacitance of the capacitive pressure sensor 10, and for a wide range of external pressures. It cannot have excellent sensitivity performance, and when the content of the ionic liquid exceeds 60% by weight, the dielectric layer DL has high viscoelasticity and high adhesiveness, and the pressure sensing speed and recovery speed may be slowed. . The crystallinity of the crystalline polymer may be 50% or more. When the crystallinity of the crystalline polymer is less than 50%, the surface roughness for high sensitivity to a wide range of external pressures of the capacitive pressure sensor 10 may not be formed.

도 1c를 참조하면, 결정성 고분자의 사슬(PC)은 접힌 형태에 의해 판상모형(platelet)의 결정 형태를 가지며, 유전체층(DL)의 표면 법선(N)을 기반으로 라멜라 구조를 가질 수 있다. Referring to FIG. 1C, the chain PC of the crystalline polymer has a platelet crystal shape by a folded shape, and may have a lamellar structure based on the surface normal N of the dielectric layer DL.

이러한, 상기 라멜라 구조는 후술할 열처리 단계에서 열처리 온도에 따라 배향성이 결정될 수 있다. 구체적으로, 열처리되지 않거나(as cast) 115 ℃로 열처리된 경우 상기 접힌 상태의 고분자 사슬은 바늘형 섬유(needle like fibril) 형태의 결정 형태를 가지며, 라멜라 구조가 유전체층(DL)의 표면 법선(N)에 수직한 방향으로 배치되는 형태를 가질 수 있다. 그리고 상기 결정성 고분자의 용융 온도보다 높은 온도(예 185 ℃)로 열처리된 경우, 상기 접힌 형태의 고분자 사슬(PC)은 유전체층(DL)의 표면 법선(N)에 평행으로 정렬될 수 있다. 또한, 상기 라멜라 구조는 이중 적층 형태를 가질 수 있다. The orientation of the lamellar structure may be determined according to the heat treatment temperature in the heat treatment step to be described later. Specifically, when not heat treated (as cast) or heat treated at 115°C, the folded polymer chain has a crystal form in the form of a needle-like fibril, and the lamellar structure is the surface normal (N) of the dielectric layer (DL). ) Can have a shape arranged in a direction perpendicular to. In addition, when heat treatment is performed at a temperature higher than the melting temperature of the crystalline polymer (eg, 185° C.), the folded polymer chains PC may be aligned parallel to the surface normal N of the dielectric layer DL. In addition, the lamellar structure may have a double layered form.

일 실시예에서, 상기 결정성 고분자의 사슬(PC)의 재결정화는 상기 접힌 형태의 고분자 사슬(PC)은 유전체층(DL)의 표면 법선(N)에 평행으로 정렬되는 것을 포함할 수 있으며, 용융상태로부터 결정화된 결정의 형태일 수 있다. In one embodiment, the recrystallization of the chain (PC) of the crystalline polymer may include that the folded polymer chain (PC) is aligned parallel to the surface normal (N) of the dielectric layer (DL), and melting It may be in the form of crystals crystallized from the state.

본 발명의 일 실시예에서, 상기 결정성 고분자는 PVDF, P(VDF-TrFE), P(VDF-CTFE), P(VDF-CFE), P(VDF-HFP), P(VDF-TrFE-CTFE), P(VDF-TrFE-CFE) 및 P(VDF-TrFE-HFP)를 포함하는 PVDF 계열 고분자를 포함할 수 있으나, 이에 한정되지 않는다. 예를 들면, 상기 결정성 고분자로서 고유전 상수를 가지며, 점탄성 거동을 갖는 플루오르화 공중합체가 이용될 수 있다. In one embodiment of the present invention, the crystalline polymer is PVDF, P(VDF-TrFE), P(VDF-CTFE), P(VDF-CFE), P(VDF-HFP), P(VDF-TrFE-CTFE) ), P(VDF-TrFE-CFE), and P(VDF-TrFE-HFP), but may include a PVDF series polymer, but is not limited thereto. For example, a fluorinated copolymer having a high dielectric constant and viscoelastic behavior may be used as the crystalline polymer.

상기 이온성 액체는 양이온(PI)과 음이온(NI)을 포함하며, 양이온(PI)은 Ammonium, Imidazolium, Oxazolium, Piperidinium, Pyrazinium, Pyrazolium, Pyridazinium, Pyridinium, Pyrimidinium, Pyrrolidinium, Pyrrolinium, Pyrrolium, Thriazolium, Triazolium 로 구성된 군에서 선택되고, 음이온(NI)은 F-, Cl-, Br-, -, NO3 -, N(CN)2 -, BF4 -, ClO4 -, RSO3 -, RCOO- (여기서 R은 C1 ~C9 알킬기 또는 페닐기임); PF6 -, (CF3)2PF4 -, (CF3)3PF3 -, (CF3)4PF2 -, (CF3)5PF-, (CF3)6P-, (CF3SO3 -)2, (CF2CF2SO3 -)2, (CF3SO3)2N-, CF3CF2(CF3)2CO-, (CF3SO2)2CH-, (SF5)3C-, (CF3SO2)3C-, CF3(CF2)7SO3 -, CF3CO2 -, CH3CO2 -로 구성된 군에서 선택될 수 있다. 바람직하게, 상기 이온성 액체는 EMI-TFSA, BMIM TFSI, OMIM TFSI, EMIM TFSI, EMIM-BF4, EMIM-TCB, BMIM-TFSI, EMIM-SO4, BMIM-BF4, DMIM-BF4, DMIM-TFSI 중 적어도 하나를 포함할 수 있으나, 이에 한정되지 않는다. The ionic liquid contains a cation (PI) and an anion (NI), and the cation (PI) is Ammonium, Imidazolium, Oxazolium, Piperidinium, Pyrazinium, Pyrazolium, Pyridazinium, Pyridinium, Pyrimidinium, Pyrrolidinium, Pyrrolinium, Pyrrolium, Thriazolium, Triazolium is selected from the group consisting of anionic (NI) is F -, Cl -, Br - , -, NO 3 -, N (CN) 2 -, BF 4 -, ClO 4 -, RSO 3 -, RCOO - ( where R is a C1-C9 alkyl group or a phenyl group); PF 6 -, (CF 3) 2 PF 4 -, (CF 3) 3 PF 3 -, (CF 3) 4 PF 2 -, (CF 3) 5 PF -, (CF 3) 6 P -, (CF 3 SO 3 -) 2, (CF 2 CF 2 SO 3 -) 2, (CF 3 SO 3) 2 N -, CF 3 CF 2 (CF 3) 2 CO -, (CF 3 SO 2) 2 CH -, ( SF 5) 3 C -, ( CF 3 SO 2) 3 C -, CF 3 (CF 2) 7 SO 3 -, CF 3 CO 2 -, CH 3 CO 2 - may be selected from the group consisting of. Preferably, the ionic liquid is at least one of EMI-TFSA, BMIM TFSI, OMIM TFSI, EMIM TFSI, EMIM-BF4, EMIM-TCB, BMIM-TFSI, EMIM-SO4, BMIM-BF4, DMIM-BF4, and DMIM-TFSI. It may include one, but is not limited thereto.

상기 이온성 액체는 비휘발성이기 때문에 증기압이 없으며, 이온전도도가 높다. 특히 극성이 커서 무기 및 유기금속 화합물을 잘 용해시키며 넓은 온도범위에서 액체로 존재하는 독특한 특성을 갖고 있기 때문에, 촉매, 분리, 전기화학 등 광범위한 화학 분야에 응용될 수 있다. 그리고 낮은 대칭성, 약한 분자간 인력과 양이온에서의 전하 분포 등이 녹는점을 감소시킨다. 또한, 상기 이온성 액체는 무독성, 비가연성, 우수한 열적 안정성을 가질 뿐만 아니라, 액체로서의 넓은 온도 범위, 높은 용매화 능력, 비배위 결합성 등 기존의 독성 유기 용매를 대체할 수 있는 환경친화성 차세대 용매로서의 물리화학적 특성을 지니고 있다. 이러한 이온성 액체의 독특한 물리적, 화학적 성질은 이온성 액체의 양이온과 음이온의 구조에 따라 크게 영향을 받으며 사용자의 이용 목적에 따라 최적화를 꾀할 수 있다.Since the ionic liquid is nonvolatile, it has no vapor pressure and has high ionic conductivity. In particular, because of its high polarity, it dissolves inorganic and organometallic compounds well and exists as a liquid in a wide temperature range, so it can be applied to a wide range of chemical fields such as catalyst, separation, and electrochemistry. And low symmetry, weak intermolecular attraction, and charge distribution in cations reduce the melting point. In addition, the ionic liquid not only has non-toxicity, non-flammability, and excellent thermal stability, but also has a wide temperature range as a liquid, high solvation ability, and non-coordinating binding properties. It has physicochemical properties as a solvent. The unique physical and chemical properties of these ionic liquids are greatly influenced by the structure of the cations and anions of the ionic liquid, and can be optimized according to the purpose of use of the user.

예컨대, 휘발성 성분이 없는 상기 이온성 액체는, 벤딩과 같은 각종 변형과 외력으로부터 유전체층(DL)의 형태가 변형되지 않고 장시간 탄성을 보존할 뿐만 아니라 이온성 혼합 용액을 유전체층(DL) 내에 안정적으로 유지함으로써, 정전용량형 압력 센서(10)의 수명을 연장하고, 높은 압력 범위에서 센싱을 가능하게 할 수 있다. 상기 예시된 EMI:TFSA는 대표적인 휘발성 성분을 갖지 않는 이온성 액체로서, 본 발명의 실시예에 따르면, 장수명을 확보하면서도 높은 압력을 감지할 수 있는 정전용량형 압력 센서(10)가 제공될 수 있다.For example, the ionic liquid without volatile components does not deform the shape of the dielectric layer DL from various deformations such as bending and external forces, preserves elasticity for a long time, and stably maintains an ionic mixed solution in the dielectric layer DL. By doing so, the life of the capacitive pressure sensor 10 can be extended, and sensing in a high pressure range can be performed. The exemplified EMI:TFSA is an ionic liquid that does not have a typical volatile component, and according to an embodiment of the present invention, a capacitive pressure sensor 10 capable of sensing high pressure while securing a long life may be provided. .

또한, 효과적으로 압력을 감지를 위해서는 압력에 따른 센서의 빠른 응답속도와 짧은 이온 이완 시간이 요구될 수 있다. 본 발명의 일시예에 따른 유전체층(DL)의 결정서 고분자로서 P(VDF-TrFE-CFE) 내에 EMI:TFSA를 분산시킴으로써 저압력 인가에서도 고탄성을 확보하여 저압력 인가에서도 압력 측정이 가능한 고민감도 정전용량형 압력 센서(10)를 제공할 수 있다. In addition, in order to effectively detect the pressure, a fast response speed of the sensor according to the pressure and a short ion relaxation time may be required. As a crystal polymer of the dielectric layer (DL) according to an exemplary embodiment of the present invention, by dispersing EMI:TFSA in P (VDF-TrFE-CFE), high elasticity is secured even when applied at low pressure, and high sensitivity capacitance capable of measuring pressure even at low pressure application Type pressure sensor 10 can be provided.

또한, 상기 이온성 액체는 이온쌍을 포함하고, 유전체층(DL) 내에 상기 이온쌍이 분산된 고분자 복합 폴리머인 이온성 겔을 형성하므로, 제 1 전극(E1, E2)과의 계면에 나노 미터 스케일의 두께를 갖는 전기 이중층(EDL, electrical double layer)을 형성하여, 후술하는 바와 같이, 정전용량형 압력 센서(10)는 20 kPa에서 10.14 kPa-1의 고민감도, 30 ms 미만의 빠른 응답 시간 및 반복되는 ON/OFF 시퀀스로 4,000 사이클의 내구성을 가질 수 있다. In addition, since the ionic liquid contains an ion pair and forms an ionic gel, which is a polymer composite polymer in which the ion pair is dispersed in the dielectric layer DL, the interface with the first electrodes E1 and E2 has a nanometer scale. By forming an electrical double layer (EDL) having a thickness, as will be described later, the capacitive pressure sensor 10 has a high sensitivity of 10.14 kPa-1 at 20 kPa, a fast response time of less than 30 ms, and repetition. It can have a durability of 4,000 cycles with the ON/OFF sequence.

도 1b를 참조하면, 제 1 및 2 전극들(E1, E2)에 각각 일정하고 서로 다른 레벨의 전압 V1, V2이 인가되고, 유전체층(DL)의 유전율과 전극들(E1, E2) 사이의 거리(d)에 의해 수학식 1과 같이 결정되는 정전 용량 C가 제 1 및 2 전극(E1, E2) 사이에서 결정된다. Referring to FIG. 1B, voltages V1 and V2 of constant and different levels are applied to the first and second electrodes E1 and E2, respectively, and the dielectric constant of the dielectric layer DL and the distance between the electrodes E1 and E2 The capacitance C determined by Equation 1 by (d) is determined between the first and second electrodes E1 and E2.

[수학식 1] C=ε*A*d-1 [Equation 1] C=ε*A*d -1

C : 제 1 및 2 전극들(E1, E2) 사이의 정전용량C: capacitance between the first and second electrodes E1 and E2

A : 제 1 및 2 전극(E1, E2)의 대향 면적A: opposing areas of the first and second electrodes E1 and E2

d : 제 1 및 2 극(E1, E2) 사이의 거리d: distance between the first and second poles (E1, E2)

ε : 유전체층(DL)의 유전율ε: dielectric constant of the dielectric layer (DL)

수학식 1에 나타낸 바와 같이, 유전체층(DL)이 갖는 정전 용량(C)은 제 1 및 2 전극(E1, E2) 사이의 대향 면적(A)과 거리(d), 및 유전체층(DL)의 유전율(ε)에 의하여 결정될 수 있다. As shown in Equation 1, the capacitance (C) of the dielectric layer (DL) is the opposite area (A) and distance (d) between the first and second electrodes (E1, E2), and the dielectric constant of the dielectric layer (DL). It can be determined by (ε).

여기서, 유전체층(DL)의 유전율(ε)과 제 1 및 2 전극(E1, E2) 사이의 대향 면적(A)은 압력 센서가 제조된 이후에는 변하지 않으므로, 압력에 따른 정전 용량(C)의 변화는 제 1 및 2 전극(E1, E2) 사이의 거리(d)에 의해서 결정될 수 있다. 일 실시예에서, 저전압 및 고전압 영역에서 고감도를 갖기 위한 유전체층(DL)의 두께(d)는 300 nm 내지 200 ㎛일 수 있다. 유전체층(DL)의 두께가 300 nm 미만인 경우에는, 충분한 표면 거칠기가 형성되지 않아서 센서에 적합한 유전체층 형성이 어려우며, 유전체층(DL)의 두께가 200 ㎛를 초과하는 경우에는, 커패시턴스 값을 읽기 위한 전압이 1V 보다 커져서 구동전압이 증가할 수 있다. Here, since the dielectric constant (ε) of the dielectric layer (DL) and the opposing area (A) between the first and second electrodes (E1, E2) do not change after the pressure sensor is manufactured, the change in capacitance (C) according to pressure May be determined by the distance d between the first and second electrodes E1 and E2. In an embodiment, the thickness d of the dielectric layer DL for having high sensitivity in the low voltage and high voltage regions may be 300 nm to 200 μm. When the thickness of the dielectric layer DL is less than 300 nm, it is difficult to form a dielectric layer suitable for the sensor because sufficient surface roughness is not formed. When the thickness of the dielectric layer DL exceeds 200 μm, the voltage for reading the capacitance value is It becomes larger than 1V, so the driving voltage can increase.

또한, 미소 섬유(micro-fibril) 형태의 토폴로지를 포함하는 표면 거칠기는 외부의 압력에 대하여 변위(displacement)와 변형(deformation)되도록 탄성을 가질 수 있다. 유전체층(DL)의 표면에 형성된 표면 거칠기는 수십 nm의 제곱 평균을 가질 수 있다. 평평한 유전체층과 달리 본 실시예에 의한 유전체층(DL)의 표면 거칠기에 의해, 작은 압력에도 제 1 및 2 전극(E1, E2) 사이의 거리가 크게 변화될 수 있다. 특히, 압력이 직접적으로 가해지는 유전체층(DL)의 표면 거칠기에 변위(displacement)되는 부분과 변형(deformation)이 일어나는 부분이 동시에 일어남에 따라, 변위가 없이 변형만 일어나는 평평한 유전층에 비하여 변형되는 부분이 현저히 감소하므로, 미세한 압력에도 제 1 및 2 전극(E1, E2) 사이의 거리에 큰 변화가 발생하게 된다. 이에 본 실시예에서의 미소 섬유(micro-fibril) 형태의 토폴로지를 갖는 유전체층(DL)은 저압에 대한 민감도가 현저히 향상될 수 있다.In addition, the surface roughness including the topology of the micro-fibril may have elasticity so as to be displaced and deformed against external pressure. The surface roughness formed on the surface of the dielectric layer DL may have a square average of several tens of nm. Unlike the flat dielectric layer, due to the surface roughness of the dielectric layer DL according to the present embodiment, the distance between the first and second electrodes E1 and E2 can be greatly changed even at a small pressure. In particular, as the part displaced and the part where deformation occurs simultaneously on the surface roughness of the dielectric layer DL to which pressure is directly applied, the part that is deformed compared to the flat dielectric layer in which only deformation without displacement occurs. Since it is remarkably reduced, a large change occurs in the distance between the first and second electrodes E1 and E2 even with a fine pressure. Accordingly, in the dielectric layer DL having a topology in the form of micro-fibrils in the present embodiment, sensitivity to low pressure may be remarkably improved.

일 실시예에서, 선택적으로, 제 1 전극층(E1) 및 제 2 전극층(E2) 중 적어도 하나는 유연하고 투명한 고분자 기판(SE) 상에 형성되고, 제 1 전극층(E1) 및 제 2 전극층(E2) 중 적어도 하나는 상기 고분자 기판 상에 라인 패턴화된 제 1 및 제2 그래핀 층을 포함할 수 있다. 또한, 정전용량형 압력 센서(10)는 상기 라인 패턴화된 제 1 그래핀 층과 상기 라인 패턴화된 제 2 그래핀 층사이의 복수의 교차점들에 각각 정의되는 커패시터 셀들의 배열을 포함할 수 있다. 상기 기판은 폴리에틸렌테레프탈레이트(poly(ethylene terephthalate) 또는 PET), 폴리이미드(polyimide PI), 폴리메틸메타크릴산(polymethyl methacrylate, PMMA)와 같은 베이스 필름일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다. In one embodiment, optionally, at least one of the first electrode layer E1 and the second electrode layer E2 is formed on the flexible and transparent polymer substrate SE, and the first electrode layer E1 and the second electrode layer E2 ) At least one may include first and second graphene layers line-patterned on the polymer substrate. In addition, the capacitive pressure sensor 10 may include an array of capacitor cells each defined at a plurality of intersections between the line patterned first graphene layer and the line patterned second graphene layer. have. The substrate may be a base film such as polyethylene terephthalate (PET), polyimide PI, or polymethyl methacrylate (PMMA), but is not limited thereto.

전술한 바와 같이, 탄성중합체의 표면에 미소 섬유(micro-fibril) 형태의 토폴로지를 포함하는 표면 거칠기를 형성함으로써 센서 성능과 반응속도 및 회복속도, 안정성 측면을 모두 개선시킬 수 있다. 또한, 탄성중합체의 표면에 미소 섬유(micro-fibril) 형태의 토폴로지를 포함하는 표면 거칠기를 도입하여 점탄성 특성을 개선하여 정전용량형 압력 센서(10)의 성능을 획기적으로 개선시킬 수 있다. 미소 섬유(micro-fibril) 형태의 구조의 특성상, 전극간의 거리(d)와 상대유전율(ε)을 동시에 조절할 수 있기 때문에, 투명성과 유연성이 뛰어날뿐만 아니라 수 Pa부터 수십 kPa까지의 광범위한 외부 압력에 대하여 우수한 감도를 가지며, 낮은 구동 전압을 갖는 정전용량형 압력 센서를 제공할 수 있다. As described above, by forming a surface roughness including a micro-fibril type topology on the surface of the elastomer, it is possible to improve sensor performance, response speed, recovery speed, and stability. In addition, by introducing a surface roughness including a micro-fibril type topology to the surface of the elastomer, the performance of the capacitive pressure sensor 10 can be remarkably improved by improving the viscoelastic properties. Due to the characteristics of the micro-fibril structure, the distance between electrodes (d) and the relative dielectric constant (ε) can be adjusted at the same time, providing excellent transparency and flexibility, as well as a wide range of external pressures from several Pa to tens of kPa. It is possible to provide a capacitive pressure sensor having excellent sensitivity and a low driving voltage.

도 2a는 본 발명의 일 실시예에 따른 정전용량형 압력 센서의 제조 방법을 설명하기 위한 도면이고, 도 2b는 본 발명의 일 실시예에 따른 정전용량형 압력 센서의 투명성 및 유연성을 보여주는 이미지이고, 도 2c는 본 발명의 일 실시예에 따른 정전용량형 압력 센서의 투명율을 보여주는 그래프이다. 2A is a view for explaining a method of manufacturing a capacitive pressure sensor according to an embodiment of the present invention, and FIG. 2B is an image showing the transparency and flexibility of the capacitive pressure sensor according to an embodiment of the present invention. , Figure 2c is a graph showing the transparency of the capacitive pressure sensor according to an embodiment of the present invention.

도 2a를 참조하면, 제 1 전극층(E1)을 형성하는 단계(S10); 제 1 전극층(E1) 상에, 상기 제 1 전극층 상에 배치되고, 결정성 고분자 및 상기 결정성 고분자 내에 함침된 이온성 액체(NI, PI)를 포함하는 이온성 겔 층을 포함하며, 상기 이온성 겔 층의 상기 결정성 고분자의 사슬(chain)(PC)의 재결정화에 의해 제어된 표면 거칠기를 갖는 유전체층(DL)을 형성하는 단계(S20); 및 유전체층(DL) 상에 제 2 전극층(E2)을 형성하는 단계(S30)를 포함하는 정전용량형 압력 센서의 제조 방법이 제공될 수 있다. Referring to FIG. 2A, forming a first electrode layer E1 (S10); On the first electrode layer (E1), disposed on the first electrode layer, including a crystalline polymer and an ionic gel layer containing an ionic liquid (NI, PI) impregnated in the crystalline polymer, the ions Forming a dielectric layer (DL) having a surface roughness controlled by recrystallization of the crystalline polymer chain (PC) of the gel layer (S20); And forming a second electrode layer E2 on the dielectric layer DL (S30). A method of manufacturing a capacitive pressure sensor may be provided.

일 실시예에서, 제 1 전극층(E1)을 형성하는 단계(S10)는 상기 결정성 고분자와 상기 이온성 액체를 준비하는 단계; 상기 결정성 고분자와 상기 이온성 액체를 혼합하여 이온성 혼합 용액을 형성하는 단계; 상기 이온성 혼합 용액을 제 1 전극층에 코팅하여, 이온성 겔 층을 형성하는 단계; 및 상기 이온성 겔 층을 열처리하여, 상기 결정성 고분자의 사슬을 재결정화시키는 단계를 포함할 수 있다. 상기 열처리의 온도는 상기 결정성 고분자의 용융 온도보다 높을 수 있다. 상기 결정성 고분자의 용융 온도보다 높은 온도에서 열처리함으로써, 유전체층(DL)은 결정성 고분자의 사슬(PC)이 접힌 형태에 의해 판상모형(platelet)의 결정 형태를 가지며, 유전체층(DL)의 표면 법선(N)을 기준으로 라멜라 구조를 형성할 수 있다. 여기서, 상기 접힌 형태의 고분자 사슬(PC)은 유전체층(DL)의 표면 법선(N)에 평행으로 정렬될 수 있다. 상기 코팅 방법은 페인트 브러싱(Paint Brushing), 스프레이 코팅(Spray Coating), 닥터 블레이드(Doctor Blade), 침지-인상법(Dip-Drawing), 스핀 코팅(Spin Coating) 또는 이들의 조합을 포함할 수 있으나, 이들에 제한되지 않는다. In one embodiment, the step (S10) of forming the first electrode layer (E1) may include preparing the crystalline polymer and the ionic liquid; Mixing the crystalline polymer and the ionic liquid to form an ionic mixed solution; Coating the ionic mixed solution on the first electrode layer to form an ionic gel layer; And heat-treating the ionic gel layer to recrystallize the chain of the crystalline polymer. The temperature of the heat treatment may be higher than the melting temperature of the crystalline polymer. By heat treatment at a temperature higher than the melting temperature of the crystalline polymer, the dielectric layer DL has a platelet crystalline form due to the folded shape of the crystalline polymer chain PC, and the surface normal of the dielectric layer DL A lamellar structure can be formed based on (N). Here, the folded polymer chains PC may be aligned parallel to the surface normal N of the dielectric layer DL. The coating method may include paint brushing, spray coating, doctor blade, dip-drawing, spin coating, or a combination thereof. , Not limited to these.

일 실시예에서, 상기 열처리 단계 후 상기 이온성 겔 층의 냉각 속도를 조절하는 단계가 더 포함될 수 있다. 구체적으로, 상기 이온성 겔 층의 냉각 속도가 빠를수록 표면 거칠기의 제곱 평균 값은 작아지며, 상기 이온성 겔 층의 냉각 속도가 느릴수록 표면 거칠기의 제곱 평균 값은 커질 수 있다. 상기 냉각 속도는 5.0 ℃/분 내지 0.1 ℃/분 범위를 가지며, 상기 냉각 속도가 5.0 ℃/분을 초과하는 경우 정전용량형 압력 센서의 고감도 성능을 위한 표면 거칠기가 낮아지는 문제점이 있으며, 상기 냉각 속도가 0.1 ℃/분 미만인 경우 박막 제작에 많은 시간이 소요되며, 거칠기가 너무 커져서 가시광선 파장의 광에 대하여 회절이 일어나 투명도가 저하될 수 있다.In one embodiment, the step of adjusting the cooling rate of the ionic gel layer after the heat treatment step may be further included. Specifically, as the cooling rate of the ionic gel layer is faster, the average square value of the surface roughness decreases, and as the cooling rate of the ionic gel layer is slow, the average square value of the surface roughness may increase. The cooling rate ranges from 5.0° C./min to 0.1° C./min, and when the cooling rate exceeds 5.0° C./min, there is a problem that the surface roughness for high sensitivity performance of the capacitive pressure sensor is lowered, and the cooling If the speed is less than 0.1°C/min, it takes a lot of time to fabricate the thin film, and the roughness becomes too large to cause diffraction with respect to light having a visible wavelength, resulting in a decrease in transparency.

본 발명의 일 실시예에서, [EMI][TFSA](1-ethyl-3-methylimidazolium bis (trifluoromethylsulfonyl)amide)와 혼합된 P(VDF-TrFE-CFE)(poly(vinylidene fluoride-co-trifluoroethylene-co-chlorofluoroethylene))로 구성된 이온성 겔 층의 열처리 온도 제어를 통해 상기 결정성 고분자의 용융 재결정화를 수행함으로써, 상기 결정성 고분자의 표면에 미소 섬유(micro-fibril) 형태의 토폴로지를 포함하는 표면 거칠기가 형성될 수 있다. In one embodiment of the present invention, [EMI][TFSA](1-ethyl-3-methylimidazolium bis (trifluoromethylsulfonyl)amide) and mixed P(VDF-TrFE-CFE) (poly(vinylidene fluoride-co-trifluoroethylene-co -Chlorofluoroethylene)) by controlling the heat treatment temperature of the ionic gel layer to perform melt-recrystallization of the crystalline polymer, so that the surface roughness includes a micro-fibril topology on the surface of the crystalline polymer. Can be formed.

상기 이온성 액체의 중량 농도는 고민감도 압력 센서용 필름의 유전 거동(dielectric behavior)을 최적화하기 위해 매트릭스 고분자에 대해 0 내지 60 중량%로 조절될 수 있다. 바람직하게, 상기 이온성 액체의 함량은 0 중량% 초과 45 중량% 이하 범위를 가질 수 있다. 또한, 상기 이온성 겔 층은 결정성 고분자의 용융 온도보다 높은 대략 185 ℃에서 12 시간 동안 열처리하여 표면에 거대한 라멜라 성장을 촉진하여 거친 표면을 유도할 수 있다. The weight concentration of the ionic liquid may be adjusted to 0 to 60% by weight with respect to the matrix polymer in order to optimize the dielectric behavior of the highly sensitive pressure sensor film. Preferably, the content of the ionic liquid may have a range of more than 0% by weight and less than 45% by weight. In addition, the ionic gel layer may be heat-treated at about 185° C. higher than the melting temperature of the crystalline polymer for 12 hours to promote the growth of a huge lamella on the surface, thereby inducing a rough surface.

일 실시예에서, 상기 제 1 전극층 및 상기 제 2 전극층 중 적어도 하나는 유연한 고분자 기판 상에 형성되고, 상기 제 1 전극층 및 상기 제 2 전극층 중 적어도 하나는 상기 고분자 기판 상에 라인 패턴화된 제 1 및 제2 그래핀 층을 포함할 수 있다. 전극의 라인 패턴을 형성을 위해, 투명 전도성의 전극으로서 대면적의 그래핀은 서브 마스크를 이용한 건식 에칭에 의한 패터닝을 수행함으로써, 화학 기상 증착(CVD)에 의해 성장되어 PET 기판 상에 전사될 수 있다. 또 다른 실시예에서, 단층 그래핀은 금속 포일(예: 구리 포일)에서 화학 기상 증착(CVD) 방법으로 합성될 수 있다. 그래핀 층은 PMMA 희생층의 증착과 황산 암모늄 용액에 의한 금속 포일의 습식 에칭 후에 타겟 PET 기판 상으로 전사될 수 있으며, PMMA 층은 PET/Graphene/PMMA 구조체를 아세톤에 대략 수십 분 동안 담거서 제거시키고, 금속 마스크를 통한 산소 플라즈마 식각 공정을 통해 그래핀 층의 라인 패턴화가 형성될 수 있으나, 이들 방법에 제한되지 않는다. 또한, 상기 정전용량형 압력 센서는 상기 라인 패턴화된 제 1 그래핀 층과 상기 라인 패턴화된 제 2 그래핀 층사이의 복수의 교차점들에 각각 정의되는 커패시터 셀들의 배열을 포함할 수 있다. In an embodiment, at least one of the first electrode layer and the second electrode layer is formed on a flexible polymer substrate, and at least one of the first electrode layer and the second electrode layer is line-patterned on the polymer substrate. And a second graphene layer. In order to form the line pattern of the electrode, graphene of a large area as a transparent conductive electrode can be grown by chemical vapor deposition (CVD) and transferred onto a PET substrate by performing patterning by dry etching using a sub mask. have. In another embodiment, single-layer graphene may be synthesized on a metal foil (eg, copper foil) by a chemical vapor deposition (CVD) method. The graphene layer can be transferred onto the target PET substrate after deposition of the PMMA sacrificial layer and wet etching of the metal foil with ammonium sulfate solution, and the PMMA layer is removed by immersing the PET/Graphene/PMMA structure in acetone for about tens of minutes. And, the line patterning of the graphene layer may be formed through an oxygen plasma etching process through a metal mask, but the method is not limited thereto. In addition, the capacitive pressure sensor may include an arrangement of capacitor cells each defined at a plurality of intersections between the line patterned first graphene layer and the line patterned second graphene layer.

전술한 바와 같이, 열처리를 통해 결정성 고분자의 표면에 미소 섬유(micro-fibril) 형태의 토폴로지를 포함하는 표면 거칠기가 형성하고, 제 1 그래핀 층과 상기 라인 패턴화된 제 2 그래핀 층사이의 복수의 교차점들에 각각 정의되는 커패시터 셀들의 배열이 형성될 수 있기 때문에, 투명하고 유연한 실시간 매핑 터치 패널에 적합한 N x N 배열의 픽셀화되고, 경량의 객체에서 사람의 움직임으로부터의 압력을 광범위한 감지가 가능한 압력 센서가 제공될 수 있다. 여기서, N은 자연수이다. As described above, a surface roughness including a micro-fibril-type topology is formed on the surface of the crystalline polymer through heat treatment, and between the first graphene layer and the line patterned second graphene layer Since an array of capacitor cells, each defined at a plurality of intersections, can be formed, the N x N array of pixelated, lightweight objects suitable for a transparent and flexible real-time mapping touch panel, and a wide range of pressure from human movements A pressure sensor capable of sensing may be provided. Here, N is a natural number.

도 2b와 도 2c를 참조하면, 그래핀/PET 기판 상에 대면적 이온성 겔 층은 가시 범위에서 기계적으로 유연하고 투명한 것을 알 수 있으며, 기판의 투과율은 PET와 그래핀/PET의 경우 각각 약 90.8 %와 약 87.9 %였고, 약 550nm의 파장에서 소자의 투과율은 여전히 80 % 이상임을 알 수 있다.2B and 2C, it can be seen that the large-area ionic gel layer on the graphene/PET substrate is mechanically flexible and transparent in the visible range, and the transmittance of the substrate is about PET and graphene/PET, respectively. It was 90.8% and about 87.9%, and it can be seen that the transmittance of the device is still more than 80% at a wavelength of about 550nm.

실험예Experimental example

재료: 삼원 중합체(terpolymer)인 P(VDF-TrFE-CFE)는 프랑스의 Piezotech 회사에서 구입하였다. [EMI] [TFSA]는 Sigma-Aldrich로부터 구입하였다.Material: Terpolymer P (VDF-TrFE-CFE) was purchased from Piezotech company in France. [EMI] [TFSA] was purchased from Sigma-Aldrich.

그래핀 합성, 전사(transferring) 및 패터닝(patterning): 단층 그래핀(Monolayer Graphene)은 구리 포일(Alpha Aesar)에서 화학 기상 증착(CVD) 방법으로 합성되었다. 그래핀 층은 PMMA 희생 층의 증착과 황산 암모늄 용액에 의한 구리 포일의 습식 에칭 후에 타겟 PET 기판 상으로 전사되었다. PMMA 층은 PET/Graphene/PMMA 구조체를 아세톤에 30 분 동안 담거서 제거하였다. 그래핀 전극 배열은 금속 마스크를 통한 산소 플라즈마 식각 공정으로 제조된다. Graphene Synthesis, Transferring and Patterning: Monolayer Graphene was synthesized by chemical vapor deposition (CVD) on copper foil (Alpha Aesar). The graphene layer was transferred onto the target PET substrate after deposition of the PMMA sacrificial layer and wet etching of the copper foil with an ammonium sulfate solution. The PMMA layer was removed by immersing the PET/Graphene/PMMA structure in acetone for 30 minutes. The graphene electrode array is manufactured by an oxygen plasma etching process through a metal mask.

압력 센서 장치 제조: [EMI][TFSA]의 다양한 양(중합체에 대하여 0, 15, 30, 45 및 60 중량%)을 갖는 15 중량%의 P(VDF-TrFE-CFE) 용액이 아세톤에서 준비되었다. 이온성 액체/폴리머 용액을 75 ℃에서 1 시간 동안 교반하고 그래핀/PET 기판 상에 1,000 rpm으로 스핀 코팅한 다음 질소로 충진된 글러브 박스에서 열적으로 어닐링 하였다. 마지막으로, 상부 그래핀/PET 기판을 하부 PET/그래핀/STCIG 상에 배치하였다.Pressure sensor device preparation: 15% by weight of P(VDF-TrFE-CFE) solutions with various amounts of [EMI][TFSA] (0, 15, 30, 45 and 60% by weight relative to the polymer) were prepared in acetone . The ionic liquid/polymer solution was stirred at 75° C. for 1 hour, spin-coated on a graphene/PET substrate at 1,000 rpm, and then thermally annealed in a glove box filled with nitrogen. Finally, the upper graphene/PET substrate was placed on the lower PET/graphene/STCIG.

미세 구조 및 장치 특성: 이온성 겔의 미세 구조는 주사 전자 현미경(FE-SEM, JEOL-7001F) 및 원자력 현미경(Nanoscope Iva Digital Instruments)을 사용하여 얻었다. 투과율은 UV-Vis 분광기 (Lambda 750, PerkinElmer)에 의해 얻어졌다. 압력으로 인한 커패시턴스 변화는 컴퓨터 제어 범용 원격조정기(Teraleader)를 갖는 LCR(인덕턴스, 커패시턴스, 저항) 미터(Agilent E4980A)를 사용하여 측정되었다. 2D-GIXD 패턴은 한국의 포항 가속기 연구실에서 획득했다. 방사 입사각이 0.12 ° ~ 0.15 °인 단색화된 X 선(λ = 0.10608 nm)으로 필름을 조사했다.Microstructure and Device Characteristics: The microstructure of the ionic gel was obtained using a scanning electron microscope (FE-SEM, JEOL-7001F) and an atomic force microscope (Nanoscope Iva Digital Instruments). Transmittance was obtained by means of a UV-Vis spectroscopy (Lambda 750, PerkinElmer). The change in capacitance due to pressure was measured using an LCR (inductance, capacitance, resistance) meter (Agilent E4980A) with a computer-controlled universal remote control (Teraleader). The 2D-GIXD pattern was acquired at the Pohang Accelerator Laboratory in Korea. The film was irradiated with a monochromatic X-ray (λ = 0.10608 nm) with a radiation incident angle of 0.12 ° to 0.15 °.

도 3a 내지 도 3c는 본 발명의 일 실시예에 따른 열처리 온도에 따른 정전용량형 압력 센서의 유전체층의 고분자 결정을 설명하기 위한 도면이고, 도 3d 내지 도 3f는 도 3a 내지 도 3c의 유전체층의 2 차원 그레이징 입사 X-선 회절(GIXD) 패턴을 보여주는 도면이다. 3A to 3C are views for explaining a polymer crystal of a dielectric layer of a capacitive pressure sensor according to a heat treatment temperature according to an embodiment of the present invention, and FIGS. 3D to 3F are 2 of the dielectric layers of FIGS. 3A to 3C. A diagram showing a dimensional grazing incident X-ray diffraction (GIXD) pattern.

도 3a 및 도 3d를 참조하면, 열처리되지 않은 이온성 겔 층(ascast)은 바늘 형태의 P(VDF-TrFE-CFE) 결정들이 고분자 사슬 축이 표면 법선에 수직인 방향을 선호하며, 자오선 영역(meridian regions)에서 (110) 또는 (200)면으로 배향되는 것을 알 수 있다. 3A and 3D, the non-heat-treated ionic gel layer (ascast) prefers a direction in which the polymer chain axis is perpendicular to the surface normal in the needle-shaped P (VDF-TrFE-CFE) crystals, and the meridian region ( meridian regions) in the (110) or (200) plane.

도 3b 및 도 3e를 참조하면, 고분자의 용융 온도보다 낮은 115 ℃에서 열처리된 이온성 겔 층은 이온성 겔의 결정성이 증가하나 도 3a의 열처리되지 않은 이온성 겔 층의 고분자 사슬 모양과 배향 상태가 유지됨을 알 수 있다. 3B and 3E, the ionic gel layer heat-treated at 115° C. lower than the melting temperature of the polymer increases the crystallinity of the ionic gel, but the polymer chain shape and orientation of the non-heat-treated ionic gel layer of FIG. 3A You can see that the state is maintained.

도 3c 및 도 3f를 참조하면, 185 ℃에서 용융되어 재결정화된 이온성 겔 층 내의 고분자의 사슬 축이 기판에 수직 방향(표면 법선에 평행한 방향)으로 배향될 수 있으며, 2D GIXD 그래프에서 자오선 영역이 아닌 자오선에서 대략 60˚ 회전한 위치(그래프에서는 오른쪽 아래에 놓이는 부분)에 피크(peak)가 나타날 수 있다.3C and 3F, the chain axis of the polymer in the ionic gel layer melted and recrystallized at 185 °C may be oriented in a direction perpendicular to the substrate (a direction parallel to the surface normal), and the meridian in the 2D GIXD graph A peak may appear at a position rotated approximately 60° from the meridian, not in the area (the lower right part in the graph).

다른 실시예에서, 유전체층의 두께가 10 um 이상인 경우에 2D GIXD 패턴이 넓은 링 패턴으로 관찰될 수도 있다. 이는 그래핀 표면에는 고분자의 에피택시와 같은 반응으로 인하여 고분자의 사슬 축이 기판 표면 법선에 수직하게 놓일 수 있으나, 유전체층의 상부로 갈수록 기판과의 에피택시 영향은 미미하여, 고분자의 사슬 축은 기판 표면 법선에 평행하게 정렬될 수 있다. 따라서, 2D GIXD 패턴은 링 패턴으로 보이나, 기판 표면의 분석 결과 전형적인 멜트 후 재결정화되는 특징이 나타날 수 있다. In another embodiment, when the thickness of the dielectric layer is 10 um or more, the 2D GIXD pattern may be observed as a wide ring pattern. This is because the chain axis of the polymer may be placed perpendicular to the substrate surface normal due to a reaction such as epitaxy of the polymer on the graphene surface, but the epitaxy effect with the substrate toward the top of the dielectric layer is insignificant, and the chain axis of the polymer is the substrate surface normal. Can be aligned parallel to. Therefore, the 2D GIXD pattern looks like a ring pattern, but as a result of analysis of the substrate surface, a characteristic of recrystallization after a typical melt may appear.

도 4a 내지 도 4g는 본 발명의 일 실시예에 따른 열처리 온도에 따른 정전용량형 압력 센서의 유전체층의 AFM(atomic force microscopy) 및 SEM 이미지이며, 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 열처리 온도 및 냉각 속도에 따른 정전용량형 압력 센서의 제곱 평균(root mean square: RMS) 거칠기를 나타내는 그래프이다. 4A to 4G are atomic force microscopy (AFM) and SEM images of a dielectric layer of a capacitive pressure sensor according to a heat treatment temperature according to an embodiment of the present invention, and FIG. 5 is a heat treatment temperature according to an embodiment of the present invention. And a graph showing the root mean square (RMS) roughness of the capacitive pressure sensor according to the cooling rate.

도 4a는 30 중량%의 이온성 액체를 포함하는 열처리되지 않은 이온성 겔 층(ascast)의 AFM 이미지이며, 도 4b는 30 중량%의 이온성 액체를 포함하는 115 ℃에서 열처리된 이온성 겔 층의 AFM 이미지이고, 도 4c는 30 중량%의 이온성 액체를 포함하는 115 ℃에서 열처리되어 5.0 ℃/분의 냉각속도로 재결정화된 이온성 겔 층의 AFM 이미지이고, 도 4c는 30 중량%의 이온성 액체를 포함하는 185 ℃에서 열처리되어 5.0 ℃/분의 냉각속도로 재결정화된 이온성 겔 층의 SEM 이미지이고, 도 4e는 30 중량%의 이온성 액체를 포함하는 185 ℃에서 열처리되어 1.6 ℃/분의 냉각속도로 재결정화된 이온성 겔 층의 AFM 이미지이고, 도 4f는 30 중량%의 이온성 액체를 포함하는 185 ℃에서 열처리되어 0.4 ℃/분의 냉각속도로 재결정화된 이온성 겔 층의 AFM 이미지이고, 도 4g는 30 중량%의 이온성 액체를 포함하는 185 ℃에서 열처리되어 0.1 ℃/분의 냉각속도로 재결정화된 이온성 겔 층의 AFM 이미지이다. 4A is an AFM image of an unheated ionic gel layer (ascast) containing 30 wt% ionic liquid, and FIG. 4B is an ionic gel layer heat-treated at 115°C containing 30 wt% ionic liquid 4C is an AFM image of an ionic gel layer recrystallized at a cooling rate of 5.0°C/min by heat treatment at 115°C containing 30% by weight of ionic liquid, and FIG. It is an SEM image of an ionic gel layer heat-treated at 185° C. containing an ionic liquid and recrystallized at a cooling rate of 5.0° C./min. It is an AFM image of an ionic gel layer recrystallized at a cooling rate of °C/min, and FIG. 4F is an ionic recrystallized recrystallized at a cooling rate of 0.4 °C/min by heat treatment at 185 °C containing 30% by weight of an ionic liquid. It is an AFM image of the gel layer, and FIG. 4G is an AFM image of an ionic gel layer recrystallized at a cooling rate of 0.1°C/min by heat treatment at 185°C containing 30% by weight of ionic liquid.

도 4a 내지 도 4g 및 도 5를 참조하면, 이온성 겔 층의 열처리를 통해 결정상을 촉진시킴으로써 제어될 수 있음을 알 수 있다. 도 4a의 열처리하지 않은 이온성 겔 층의 표면은 제곱 평균(root mean square: RMS)의 거칠기(Rq)가 대략 4.15 nm이고, 도 4b의 이온성 겔 층은 용융 온도(Tm, 140 ℃)보다 낮은 115 ℃에서 열처리된 것으로서, 제곱 평균의 거칠기(Rq)가 대략 4.0 nm이며, 도 4c의 185 ℃에서 열처리되어 5.0 ℃/분의 냉각속도로 재결정화된 이온성 겔 층의 표면은 제곱 평균의 거칠기(Rq)가 대략 23.5 nm이고, 도 4e의 185 ℃에서 열처리되어 1.6 ℃/분의 냉각속도로 재결정화된 이온성 겔 층의 표면은 제곱 평균의 거칠기(Rq)가 대략 40.1 nm이고, 도 4f의 185 ℃에서 열처리되어 0.4 ℃/분의 냉각속도로 재결정화된 이온성 겔 층의 표면은 제곱 평균의 거칠기(Rq)가 대략 45.2 nm이고, 도 4g의 185 ℃에서 열처리되어 0.1 ℃/분의 냉각속도로 재결정화된 이온성 겔 층의 표면은 제곱 평균의 거칠기(Rq)가 대략 79 nm임을 알 수 있다.Referring to FIGS. 4A to 4G and 5, it can be seen that the ionic gel layer can be controlled by promoting a crystal phase through heat treatment. The surface of the unheated ionic gel layer of FIG. 4A has a root mean square (RMS) roughness (Rq) of about 4.15 nm, and the ionic gel layer of FIG. 4B has a melting temperature (Tm, 140° C.) The surface of the ionic gel layer recrystallized at a cooling rate of 5.0° C./min by heat treatment at 185° C. in FIG. 4C and a square average roughness (Rq) of about 4.0 nm as a heat treatment at 115° C. The roughness (Rq) is about 23.5 nm, the surface of the ionic gel layer heat-treated at 185° C. in FIG. 4E and recrystallized at a cooling rate of 1.6° C./min has a square mean roughness (Rq) of about 40.1 nm, and FIG. The surface of the ionic gel layer heat-treated at 185°C in 4f and recrystallized at a cooling rate of 0.4°C/min has a square mean roughness (Rq) of about 45.2 nm, and heat-treated at 185°C in FIG. 4G to 0.1°C/min. It can be seen that the surface of the ionic gel layer recrystallized at a cooling rate of is approximately 79 nm in square mean roughness (Rq).

도 4d를 참조하면, 대조적으로, Tm보다 높은 185 ℃에서의 열처리된 이온성 겔 층은 표면 상에 15 nm 내지 90 nm 두께의 미세섬유성(microfibrillar) 구조를 포함하는 독특한 형태를 나타나는 것을 확인할 수 있다. 특히, 이온성 겔 층의 미세 구조는 반결정질 매트릭스 폴리머의 거동에 의존하며 P(VDF-TrFE) 및 P(VDF-TrFE-CFE)에서 용융-재결정화 후 거칠기가 큰 독특한 미세섬유 형태가 전체적으로 관찰됨을 알 수 있다. Referring to Figure 4d, in contrast, it can be seen that the heat-treated ionic gel layer at 185 °C higher than Tm exhibits a unique shape including a microfibrillar structure having a thickness of 15 nm to 90 nm on the surface. have. In particular, the microstructure of the ionic gel layer depends on the behavior of the semi-crystalline matrix polymer, and the unique microfibrous morphology with large roughness after melt-recrystallization in P(VDF-TrFE) and P(VDF-TrFE-CFE) is observed as a whole. You can see that it is.

전술한 바와 같이, Tm 이상의 열 어닐링 후 제어된 냉각 시간으로 결정화 속도를 최적화함으로써 이온성 겔의 거칠기가 제어될 수 있음을 알 수 있다. 구체적으로, 느린 냉각 속도로, 핵의 수가 감소하고 결정 영역(crystallites)은 대면적 중합체 결정을 성장시키기에 충분한 시간을 갖는 것으로부터 유추된다. 결과적으로, 제어된 결정화 속도에 의해 크게 성장된 고분자 결정을 통해 매우 거친 표면이 형성될 수 있다. 냉각 속도를 5.0에서 0.1 ℃/분으로 조절하면 용융 재결정 이온성 겔의 표면 거칠기가 각각 23.5 nm에서 79 nm로 증가하는 것을 알 수 있다. As described above, it can be seen that the roughness of the ionic gel can be controlled by optimizing the crystallization rate with a controlled cooling time after thermal annealing above Tm. Specifically, with a slow cooling rate, the number of nuclei decreases and crystallites are inferred from having enough time to grow large area polymer crystals. As a result, very rough surfaces can be formed through largely grown polymer crystals with a controlled crystallization rate. It can be seen that when the cooling rate is adjusted from 5.0 to 0.1 °C/min, the surface roughness of the molten recrystallized ionic gel increases from 23.5 nm to 79 nm, respectively.

도 6a는 본 발명의 일 실시예에 따른 압력 감지 시스템의 개략도이고, 도 6b는 이온성 액체의 함유량에 따른 커패시턴스의 변화를 나타내는 그래프이고, 도 6c는 냉각 속도에 따른 커패시턴스의 변화를 나타내는 그래프이고, 도 6d는 냉각 속도에 따른 정전용량형 압력 센서의 민감도를 나타내는 그래프이고, 도 6e는 500Hz에서의 압력 부하의 변화에 따른 커패시턴스의 변화를 나타내는 그래프이고, 도 6f는 100 kHz에서 측정된 특정 압력에 따른 변화율이며 커패시턴스 값의 시간 변화를 나타내는 그래프이며, 도 6g는 압력 로딩과 언로딩의 반복 횟수에 따른 정전용량형 압력 센서의 커패시턴스의 변화를 나타내는 그래프이다. 6A is a schematic diagram of a pressure sensing system according to an embodiment of the present invention, FIG. 6B is a graph showing a change in capacitance according to a content of an ionic liquid, and FIG. 6C is a graph showing a change in capacitance according to a cooling rate. , FIG. 6D is a graph showing the sensitivity of the capacitive pressure sensor according to the cooling rate, FIG. 6E is a graph showing the change in capacitance according to the change in the pressure load at 500 Hz, and FIG. 6F is a specific pressure measured at 100 kHz. It is a graph showing the change rate according to the time change of the capacitance value, and FIG. 6G is a graph showing the change in capacitance of the capacitive pressure sensor according to the number of repetitions of pressure loading and unloading.

도 6a를 참조하면, 커패시턴스 값을 측정하여 투명한 용량성 압력 센서의 압력 감지 기능을 조사하기 위해, 스테핑 모터(stepping motor)를 이용하여 0 ~ 20kPa의 압력 범위를 PET/상부 그래핀/이온성 겔 층(STCIG)/하부 그래핀/유리의 구조를 갖는 커패시터 압력 센서에 인가하였다. 유연한 PET 기판 모두가 커패시터 장치에 균일한 압력을 실현하기 위해 단단한 유리 기판에 단단히 배치하였다. 먼저, 다양한 조건에서 열처리 후 30 중량%의 이온성 겔을 함유한 STCIG로 압력을 로딩하고 언 로딩 한 후의 커패시턴스 변화 응답을 시간 함수로 조사했다. 압력이 가해지면, STCIG를 포함한 압력 센서는 STCIG와 상부 그래핀/PET 사이의 에어 갭의 감소와 이온성 액체 및 상부/하부 전극 인터페이스 모두에서 음이온/전극 및 양이온/전극의 나노 미터 두께 전기 이중층 (Electric Double Layer: EDL)의 형성으로 인해 빠르게 커패시턴스 응답을 증가시킬 수 있다. STCIG의 용융-재결정화의 특징적 형태가 없으면, 주조(as-cast) 및 Tm 이하에서 열적으로 어닐링된 STCIG의 표면은 점탄성 및 점착성 특징을 가져, 상부 전극과의 부착될 수 있으며, 따라서, 커패시턴스 값은 압력을 제거한 후에 감소하지 않았으므로 결과적으로 느린 압력 감지가 발생할 수 있다. 대조적으로, 용융-재결정화된 STCIG 센서는 빠르고 재현 가능한 감지 거동을 보여주며, STCIG 표면의 미소 섬유와 같은 형태는 고민감도 센서로서 고분자 층의 탄성 거동과 신뢰할 수 있는 커패시터 구조의 충분한 에어 갭 볼륨을 허용하는 것을 의미한다.6A, in order to investigate the pressure sensing function of the transparent capacitive pressure sensor by measuring the capacitance value, a pressure range of 0 to 20 kPa was set using a stepping motor as PET/top graphene/ionic gel. It was applied to a capacitor pressure sensor having a layer (STCIG)/lower graphene/glass structure. All of the flexible PET substrates were firmly placed on a rigid glass substrate to realize uniform pressure on the capacitor device. First, after heat treatment under various conditions, the response of the capacitance change after loading and unloading pressure with STCIG containing 30% by weight of ionic gel was investigated as a function of time. When pressure is applied, pressure sensors, including STCIG, reduce the air gap between STCIG and the upper graphene/PET, and nanometer-thick electrical double layers of negative/electrode and positive/electrode in both ionic liquid and upper/lower electrode interfaces ( Electric Double Layer (EDL) can quickly increase the capacitance response. In the absence of the characteristic form of melt-recrystallization of STCIG, the surface of STCIG, as-cast and thermally annealed below Tm, has viscoelastic and sticky characteristics, and can be attached to the upper electrode, and thus, the capacitance value Did not decrease after removing the pressure, so slow pressure sensing may occur as a result. In contrast, the melt-recrystallized STCIG sensor exhibits fast and reproducible sensing behavior, and the microfibre-like shape on the STCIG surface is a highly sensitive sensor that provides elastic behavior of the polymer layer and sufficient air gap volume with a reliable capacitor structure. Means to allow.

도 6b를 참조하면, 용융-재결정화되어 미소 섬유와 같은 형태를 갖는 이온성 겔 층 내에 0 중량%, 15 중량%, 30 중량% 및 45 중량%의 이온성 액체가 함유될 때의 커패시턴스 값의 변화를 보면, 30 중량%의 이온성 액체 로딩에서 5.12 kPa-1까지 증가하지만, 이온성 액체가 45 중량%로 로딩될 때 감소하는 것을 볼 수 있다. 이는 60 % 이상의 높은 이온성 액체 분율을 갖는 STCIG는 응집된 이온성 액체의 고르지 않은 형태를 갖는 점성 및 점탄성 표면으로 인해 이온성 겔 층으로부터 상부 전극의 느린 분리로 인해서 감도가 떨어지는 것으로 판단된다. 특히, 30 중량%의 이온성 액체를 갖는 용융-재결정화된 STCIG 표면의 미소 섬유와 같은 형태는 STCIG와 그래핀 전극 사이의 계면 내에서 높은 에어 갭 체적을 허용하여 높은 감도는 물론 장치의 신뢰성있는 감지가 가능함을 할 수 있다. Referring to FIG. 6B, the capacitance values when 0% by weight, 15% by weight, 30% by weight and 45% by weight of ionic liquid are contained in an ionic gel layer having a shape like a microfiber by melt-recrystallization. Looking at the change, it can be seen that it increases to 5.12 kPa-1 at a 30% by weight ionic liquid loading, but decreases when the ionic liquid is loaded at 45% by weight. It is judged that STCIG, which has a high ionic liquid fraction of 60% or more, is inferior due to slow separation of the upper electrode from the ionic gel layer due to the viscous and viscoelastic surface having an uneven form of agglomerated ionic liquid. In particular, the microfiber-like shape of the melt-recrystallized STCIG surface with 30% by weight of ionic liquid allows a high air gap volume within the interface between the STCIG and the graphene electrode, resulting in high sensitivity as well as reliable device reliability. It may be possible to detect.

도 6c를 참조하면, 냉각 속도가 느릴수록 커패시턴스 값의 변화가 큰 것을 알 수 있으며, 도 6d를 참조하면, 냉각 속도가 느릴수록 센서의 감도가 증가하는 것을 알 수 있다. 이온성 겔 층이 용융되어 0.1 ℃/분의 냉각 비율로 재결정화 될 때, 이온성 겔 층의 거친 표면은 20kPa까지의 넓은 압력 감지 영역에서 10.14 kPa-1의 가장 높은 감도를 나타내는 것을 알 수 있다. 이는 이온 겔과 전극 사이의 계면에서 에어 갭을 갖는 이온성 겔 층의 표면으로부터 기인한 것으로 보인다. 그리고, 빠른 냉각 속도로 제조된 센서는 각각 0.4 ℃/분 및 1.6 ℃/분에 대해 6.52 kPa-1 및 5.13 kPa-1의 낮은 감도를 보였다. Referring to FIG. 6C, it can be seen that the slower the cooling rate, the greater the change in the capacitance value. Referring to FIG. 6D, it can be seen that the slower the cooling rate, the greater the sensitivity of the sensor. When the ionic gel layer is melted and recrystallized at a cooling rate of 0.1 °C/min, it can be seen that the rough surface of the ionic gel layer exhibits the highest sensitivity of 10.14 kPa-1 in a wide pressure sensing range up to 20 kPa. . This appears to be due to the surface of the ionic gel layer having an air gap at the interface between the ionic gel and the electrode. And, the sensor manufactured with a fast cooling rate showed low sensitivity of 6.52 kPa-1 and 5.13 kPa-1 for 0.4° C./min and 1.6° C./min, respectively.

도 6e를 참조하면, 이온성 겔 층은 고감도뿐만 아니라 미소 섬유의 형태를 갖는 토폴로지 특성은 1에서 20kPa의 광범위한 적용 압력에 대해 압력을 로딩/언로딩함으로써 커패시턴스 변화의 빠른 응답 시간을 허용함을 알 수 있다. 6E, it was found that the ionic gel layer has a high sensitivity as well as a topology characteristic of a microfiber, which allows a fast response time of capacitance change by loading/unloading pressure for a wide range of application pressures from 1 to 20 kPa. I can.

도 6f를 참조하면, 커패시턴스 값은 100kHz에서 2.5kPa의 압력으로 30ms 이내에 급격히 상승 및 하강하여 센서의 탄성 변형 및 복구를 나타낸다. 이온성 겔 층의 표면의 토폴로지 형태에 기인한 센서의 빠른 응답 시간은 탄성중합체와 인위적으로 미세 구조화된 이온성 겔을 기반으로 하는 것이며, 이는 이온성 겔 층이 약한 점탄성 거동을 나타낸다는 것으로 보인다. Referring to FIG. 6F, the capacitance value rapidly rises and falls within 30 ms with a pressure of 2.5 kPa at 100 kHz, indicating elastic deformation and recovery of the sensor. The fast response time of the sensor due to the topological shape of the surface of the ionic gel layer is based on the elastomer and artificially microstructured ionic gel, which appears to indicate that the ionic gel layer exhibits weak viscoelastic behavior.

도 6g를 참조하면, 5kPa 압력으로 4,000 회 이상의 내구성 압축/해제 사이클(각 로딩 및 언로딩 간격에 대해 5 초)에서, 커패시턴스 변화의 열화없이 우수한 주기적 안정성을 보여주며, 이는 센서의 높은 기계적 내구성과 강건함을 확인할 수 있다. Referring to FIG. 6G, it shows excellent cyclic stability without deterioration of capacitance change in more than 4,000 durable compression/release cycles (5 seconds for each loading and unloading interval) at 5 kPa pressure, which is a high mechanical durability of the sensor and The robustness can be confirmed.

압력 센서의 응용 제품을 상용화하기 위해 본 발명의 이온성 겔 층을 이용하여 고민감도의 압력 센서가 경량 객체로부터 사람의 움직임까지 광범위한 압력에서 동작할 수 있다. 특히 본 발명의 압력 센서는 폭 넓은 압력 범위에서 높은 감도가 요구되며 유연성과 투명성을 가질 수 있다. In order to commercialize the application product of the pressure sensor, the highly sensitive pressure sensor can operate at a wide range of pressures from light weight objects to human movements by using the ionic gel layer of the present invention. In particular, the pressure sensor of the present invention requires high sensitivity in a wide pressure range, and can have flexibility and transparency.

도 7a는 알루미늄 펠릿에 의한 정전용량형 압력 센서의 커패시턴스의 변화를 나타내는 그래프이고, 도 7b는 소프트 손가락 터치에 의한 정전용량형 압력 센서의 커패시턴스의 변화를 나타내는 그래프이고, 도 7c는 손가락 움직임에 의한 정전용량형 압력 센서의 커패시턴스의 변화를 나타내는 그래프이며, 도 7c는 굽힘 반복에 따른 정전용량형 압력 센서의 커패시턴스의 변화를 나타내는 그래프이다. 7A is a graph showing the change in capacitance of the capacitive pressure sensor by aluminum pellets, FIG. 7B is a graph showing the change in capacitance of the capacitive pressure sensor by soft finger touch, and FIG. 7C is It is a graph showing the change in capacitance of the capacitive pressure sensor, and FIG. 7C is a graph showing the change in the capacitance of the capacitive pressure sensor according to bending repetition.

도 7a를 참조하면, 본 발명의 압력 센서의 정전 용량은 100 Pa의 압력으로 무게 80 mg의 Al 펠릿에 의해 변화되는 것을 알 수 있다Referring to Figure 7a, it can be seen that the capacitance of the pressure sensor of the present invention is changed by the weight of 80 mg Al pellets at a pressure of 100 Pa.

도 7b 및 도 7c를 참조하면, 압력 센서는 5 kPa 내지 10 kPa 그리고 10 kPa 내지 15 kPa에서 각각 적용되는 미세한 손가락 터치(도 7b) 및 굽힘 동작(도 7c)과 같은 사람의 동작을 성공적으로 감지할 수 있다. 더욱 센서의 신뢰성있는 기계적 유연성을 검증하기 위해 하부 PET/그래핀/STCIG 그리고 상부 그래핀/PET를 외부 유연 기판과 함께 캡슐화하여 배치된 상부 그래핀/PET 기판의 박리를 방지하였다. 7B and 7C, the pressure sensor successfully detects human motions such as fine finger touch (Fig. 7b) and bending motion (Fig. 7c) applied at 5 kPa to 10 kPa and 10 kPa to 15 kPa, respectively. can do. In order to further verify the reliable mechanical flexibility of the sensor, the lower PET/graphene/STCIG and upper graphene/PET were encapsulated together with an external flexible substrate to prevent peeling of the disposed upper graphene/PET substrate.

도 7d을 참조하면, 내구성은 굽힘 반경이 5 mm 인 150 사이클에 걸쳐 수동으로 굽힘/해제 사이클 테스트를 반복하여 얻은 결과로서, 커패시턴스 변화의 열화없이 우수한 주기적 안정성을 보여준다. Referring to FIG. 7D, durability is a result obtained by manually repeating the bending/releasing cycle test over 150 cycles with a bending radius of 5 mm, and shows excellent cyclic stability without deterioration of the capacitance change.

도 8a는 12 x 12 압력 센서 매트릭스의 개략도이고, 도 8b는 패턴화된 그래 핀과 유전체층으로 제작된 압력 센서 어레이의 이미지 사진이고, 도 8c는 12 x 12 압력 센서 매트릭스의 등가 회로를 보여주는 도면이고, 도 8d는 멀티 터치로 커패시턴스 변화의 크기를 보여주는 그래프이다. 앞에서 전술한 바와 같이, 각각의 상단 및 하단 전극에 라인 패턴을 갖는 그래핀 배열은 대면적 이온성 겔 층을 픽셀화 과정없이 n x n (예: 12x12) 커패시터 배열로 픽셀화할 수 있으며, 이를 이용하여 실시간 촉각 감지 터치 패널을 구현할 수 있다. FIG. 8A is a schematic diagram of a 12×12 pressure sensor matrix, FIG. 8B is an image photograph of a pressure sensor array made of patterned graphene and a dielectric layer, and FIG. 8C is a diagram showing an equivalent circuit of a 12×12 pressure sensor matrix. , FIG. 8D is a graph showing the magnitude of capacitance change by multi-touch. As described above, the graphene array having a line pattern on each of the upper and lower electrodes can pixelize a large-area ionic gel layer into an nxn (e.g., 12x12) capacitor array without a pixelation process. A tactile sense touch panel can be implemented.

도 8a 및 도 8c를 참조하면, 이온성 겔 층을 포함하는 압력 센서의 배열은 하단 라인 패턴화된 그래핀 및 상단 그래핀 배열에 교차 배치하여 매트릭스 어레이를 구현할 수 있다. 도 8a 및 도 8c의 이미지는 12×12 압력 센서 어레이를 보여준다. Referring to FIGS. 8A and 8C, an array of pressure sensors including an ionic gel layer may be intersected with the graphene patterned at the bottom line and the graphene array at the top to implement a matrix array. The images in Figures 8A and 8C show a 12x12 pressure sensor array.

도 8b를 참조하면, 12×12 압력 센서 어레이를 단일 및 다중 터치하는 것을 보여주는 것이며, 도 8d를 참조하면, 도 8b의 단일 및 다중 터치의 촉각 압력의 감지된 위치와 크기를 시각적으로 보여주는 것이다. Referring to FIG. 8B, a single and multi-touch 12×12 pressure sensor array is shown, and referring to FIG. 8D, a sensed position and size of tactile pressure of single and multi-touch of FIG. 8B are visually shown.

도 9a는 본 발명의 일 실시예에 따른 열처리 온도에 따른 정전용량형 압력 센서의 유전체층의 AFM(atomic force microscopy) 높이 프로파일이고, 도 9b는 열처리 온도에 따른 정전용량형 압력 센서의 유전체층의 AFM(atomic force microscopy) 3D 높이 이미지이고, 도 9c는 열처리 온도에 따른 정전용량형 압력 센서의 유전체층의 표면 거칠기의 높이 차를 보여주는 그래프이다. 도 9a 내지 도 9c를 참조하면, 냉각 속도를 5.0에서 0.1 ℃/분으로 조절하여 용융 재결정 이온성 겔의 표면 거칠기에 대한 높이 프로필과 3D AFM 이미지를 보면, 냉각 속도가 느릴수록 결정화가 천천히 일어나며, 위상 차가 높아지는 것을 알 수 있다. 9A is an AFM (atomic force microscopy) height profile of the dielectric layer of the capacitive pressure sensor according to the heat treatment temperature according to an embodiment of the present invention, and FIG. 9B is an AFM of the dielectric layer of the capacitive pressure sensor according to the heat treatment temperature. atomic force microscopy) 3D height image, and FIG. 9C is a graph showing the difference in height of the surface roughness of the dielectric layer of the capacitive pressure sensor according to the heat treatment temperature. 9A to 9C, the height profile and 3D AFM image of the surface roughness of the molten recrystallized ionic gel by adjusting the cooling rate from 5.0 to 0.1 °C/min show that the slower the cooling rate, the slower the crystallization occurs. It can be seen that the phase difference increases.

도 10a 내지 도 10c는 압력 로딩과 압력 언로딩에 따른 정전용량형 압력 센서의 커패시턴스의 변화를 나타내는 그래프이다. 도 10a 내지 도 10c를 참조하면, 20 kPa의 압력을 로딩하고 언 로딩 한 후의 커패시턴스 변화 응답을 시간 함수로 보여주는 것이며, 면 거칠기가 거칠수록 센서의 응답 속도가 빨라지는 것을 알 수 있다. 10A to 10C are graphs showing changes in capacitance of a capacitive pressure sensor according to pressure loading and pressure unloading. Referring to FIGS. 10A to 10C, the response of the capacitance change after loading and unloading a pressure of 20 kPa is shown as a function of time, and it can be seen that the response speed of the sensor increases as the surface roughness becomes rough.

도 11a와 도 11b는 무부하 압력에서 다른 주파수 변화에 따른 정전용량형 압력 센서의 커패시턴스의 변화를 나타내는 그래프이다. 전술한 이온성 겔과 전극 인터페이스 모두에서 EDL이 유도되어 센서는 더 높은 커패시턴스 값을 가질 수 있다. 이러한 EDL의 효과적인 형성을 실현하기 위해, 주파수 변화에 따른 용량 변화를 측정하였다. 11A and 11B are graphs showing changes in capacitance of a capacitive pressure sensor according to different frequency changes at no-load pressure. EDL is induced in both the aforementioned ionic gel and the electrode interface, so the sensor can have a higher capacitance value. In order to realize the effective formation of this EDL, the capacity change according to the frequency change was measured.

도 11a와 도 11b를 참조하면, 0.02에서 10 kHz의 주파수 범위에서 주파수가 증가할수록 용량 변화가 작아지는 것을 알 수 있다. 이는 주파수가 대략 1 kHz 이상에서 EDL은 효과적으로 형성되지 않았고 결과적으로 커패시턴스 값이 감소하는 것을 판단된다. 또한, 유전체층(DL)의 에어 갭이 크면 약한 주파수에 영향을 받는 정전용량이 감소될 수 있다. 대조적으로, 열적으로 증착된 상부 금속 전극을 갖는 에어 갭이 없는 유전체층은 1 kHz보다 높은 주파수에서 정전 용량 감소를 보였다. 압력 센서의 최대 감도를 얻기 위해 대략 500Hz에서 EDL이 효과적으로 형성되는 것으로 보인다. Referring to FIGS. 11A and 11B, it can be seen that the capacity change decreases as the frequency increases in the frequency range of 0.02 to 10 kHz. It is judged that EDL was not effectively formed at a frequency of about 1 kHz or more, and as a result, the capacitance value decreased. Also, when the air gap of the dielectric layer DL is large, the capacitance affected by the weak frequency may be reduced. In contrast, an air gapless dielectric layer with a thermally deposited top metal electrode showed a decrease in capacitance at frequencies higher than 1 kHz. It seems that the EDL is effectively formed at approximately 500 Hz to obtain the maximum sensitivity of the pressure sensor.

앞의 실험 결과로부터, P(VDF-TrFE-CFE) 고분자와 [EMIM][TFSI] 이온성 액체로 구성된 이온성 겔 층으로 매우 민감하고 투명하며 유연한 압력 센서 배열을 구현할 수 있다. 이온성 겔 층은 중합체의 용융-결정화 동안 분자 구조로부터 수득된 거친 표면 형태로 높은 감도를 나타낸다. 용융 재결정화된 이온성 겔 층의 표면의 토폴로지 특성은 20 kPa의 범위에서 대략 11.2 kPa-1의 높은 감도 측정이 가능하다. 또한, 본 발명의 용량성 압력 센서는 감지 속도가 50ms 미만이고 4,000 번의 로딩/언로딩 사이클 동안 신뢰성있는 사이클을 나타낸다. 신뢰성 있는 센서는 경량의 객체, 사람의 접촉 및 움직임을 감지하는데 적합할 수 있다. 또한, n×n 터치 패널은 이온성 겔을 포함하는 유전체 층 및 그래핀 배열로 구현될 수 있다. 이러한, 본 발명의 표면 거칠지를 갖는 이온성 겔 층을 포함하며, 투명하고 유연한 압력 센서는 소프트 로봇, 전자 피부, 건강 모니터링 및 모바일 디스플레이를 포함한 웨어러블 전자 기기에 적합할 수 있다. From the above experimental results, a highly sensitive, transparent and flexible pressure sensor array can be implemented with an ionic gel layer composed of P(VDF-TrFE-CFE) polymer and [EMIM][TFSI] ionic liquid. The ionic gel layer exhibits high sensitivity in the form of a rough surface obtained from the molecular structure during melt-crystallization of the polymer. The topological properties of the surface of the melt-recrystallized ionic gel layer can be measured with a high sensitivity of approximately 11.2 kPa-1 in the range of 20 kPa. In addition, the capacitive pressure sensor of the present invention has a detection rate of less than 50 ms and exhibits reliable cycles during 4,000 loading/unloading cycles. Reliable sensors may be suitable for detecting light weight objects, human contact and movement. In addition, the n×n touch panel may be implemented with a dielectric layer including an ionic gel and a graphene arrangement. The transparent and flexible pressure sensor including the ionic gel layer having the surface roughness of the present invention may be suitable for wearable electronic devices including soft robots, electronic skin, health monitoring and mobile displays.

이상에서 설명한 본 발명이 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것은, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.The present invention described above is not limited to the above-described embodiments and the accompanying drawings, and that various substitutions, modifications, and changes are possible within the scope of the technical spirit of the present invention. It will be obvious to those who have knowledge.

10: 정전용량형 압력 센서
E1: 제 1 전극층
DL: 유전체 층
E2: 제 2 전극층
PC: 결정성 고분자
PI, NI: 이온성 액체
PC: 고분자의 사슬(chain)
AG: 에어 갭
EDL: 전기 이중층
10: capacitive pressure sensor
E1: first electrode layer
DL: dielectric layer
E2: second electrode layer
PC: crystalline polymer
PI, NI: ionic liquid
PC: polymer chain
AG: Air gap
EDL: electric double layer

Claims (16)

제 1 전극층;
상기 제 1 전극층 상에 배치되고, 결정성 고분자 및 상기 결정성 고분자 내에 함침된 이온성 액체를 포함하는 이온성 겔 층을 포함하며, 상기 이온성 겔 층의 상기 결정성 고분자의 사슬(chain)의 재결정화에 의해 제어된 표면 거칠기를 갖는 유전체층; 및
상기 유전체층 상에 배치된 제 2 전극층을 포함하는 정전용량형 압력 센서.
A first electrode layer;
An ionic gel layer disposed on the first electrode layer and comprising a crystalline polymer and an ionic liquid impregnated in the crystalline polymer, and the chain of the crystalline polymer of the ionic gel layer A dielectric layer having a surface roughness controlled by recrystallization; And
Capacitive pressure sensor comprising a second electrode layer disposed on the dielectric layer.
제 1 항에 있어서
상기 정전용량형 압력 센서는,
상기 제 1 전극층 및 상기 제 2 전극층 중 어느 하나와 상기 유전체층 사이에 상기 표면 거칠기를 통해 형성된 에어 갭을 더 포함하는 정전용량형 압력 센서.
The method of claim 1
The capacitive pressure sensor,
The capacitive pressure sensor further comprising an air gap formed through the surface roughness between the dielectric layer and any one of the first electrode layer and the second electrode layer.
제 1 항에 있어서
상기 정전용량형 압력 센서는,
상기 제 1 전극층 및 상기 제 2 전극층 중 어느 하나와 상기 유전체층의 계면 사이에 형성된 전기 이중층 (Electric Double Layer: EDL)을 더 포함하는 정전용량형 압력 센서.
The method of claim 1
The capacitive pressure sensor,
A capacitive pressure sensor further comprising an electric double layer (EDL) formed between an interface of the dielectric layer and any one of the first electrode layer and the second electrode layer.
제 1 항에 있어서
상기 표면 거칠기는 미소 섬유(micro-fibril) 형태의 토폴로지를 포함하는 정전용량형 압력 센서.
The method of claim 1
The surface roughness is a capacitive pressure sensor including a topology in the form of micro-fibril.
제 1 항에 있어서
상기 결정성 고분자의 사슬(chain)의 재결정화는 상기 결정성 고분자의 사슬(chain)이 상기 유전체 층의 표면 법선에 평행으로 정렬되는 것을 포함하며,
상기 결정성 고분자는 상기 사슬이 굽힘 형태에 의해 판상모형(platelet)의 결정 형태를 가지며, 상기 유전체 층의 표면 법선을 기준으로 라멜라 구조를 갖는 정전용량형 압력 센서.
The method of claim 1
The recrystallization of the chain of the crystalline polymer includes the chain of the crystalline polymer being aligned parallel to the surface normal of the dielectric layer,
The crystalline polymer is a capacitive pressure sensor having a lamella structure based on a surface normal of the dielectric layer and having a platelet crystalline form due to the chain bending.
제 1 항에 있어서
상기 표면 거칠기의 제곱 평균(root mean square: RMS)은 0.5 nm 내지 500 nm 범위를 갖는 정전용량형 압력 센서.
The method of claim 1
The root mean square (RMS) of the surface roughness is a capacitive pressure sensor having a range of 0.5 nm to 500 nm.
제 1 항에 있어서
상기 결정성 고분자 내에 함침된 이온성 액체의 함량은 0 중량% 초과 60 중량% 이하 범위를 갖는 정전용량형 압력 센서.
The method of claim 1
The content of the ionic liquid impregnated in the crystalline polymer is a capacitive pressure sensor having a range of more than 0% by weight and less than 60% by weight.
제 1 항에 있어서
상기 결정성 고분자는 PVDF, P(VDF-TrFE), P(VDF-CTFE), P(VDF-CFE), P(VDF-HFP), P(VDF-TrFE-CTFE), P(VDF-TrFE-CFE) 및 P(VDF-TrFE-HFP)를 포함하는 PVDF 기재 공중합체인 정전용량형 압력 센서.
The method of claim 1
The crystalline polymers are PVDF, P(VDF-TrFE), P(VDF-CTFE), P(VDF-CFE), P(VDF-HFP), P(VDF-TrFE-CTFE), P(VDF-TrFE- CFE) and a PVDF based copolymer comprising P(VDF-TrFE-HFP), a capacitive pressure sensor.
제 1 항에 있어서
상기 이온성 액체는 EMI-TFSA, BMIM TFSI, OMIM TFSI, EMIM TFSI, EMIM-BF4, EMIM-TCB, BMIM-TFSI, EMIM-SO4, BMIM-BF4, DMIM-BF4, DMIM-TFSI 중 적어도 하나를 포함하는 정전용량형 압력 센서.
The method of claim 1
The ionic liquid contains at least one of EMI-TFSA, BMIM TFSI, OMIM TFSI, EMIM TFSI, EMIM-BF4, EMIM-TCB, BMIM-TFSI, EMIM-SO4, BMIM-BF4, DMIM-BF4, and DMIM-TFSI. Capacitive pressure sensor.
제 1 항에 있어서
상기 제 1 전극층 및 상기 제 2 전극층 중 적어도 하나는 고분자 기판 상에 형성되고,
상기 제 1 전극층 및 상기 제 2 전극층 중 적어도 하나는 상기 고분자 기판 상에 라인 패턴화된 제 1 및 제2 그래핀 층을 포함하며,
상기 정전용량형 압력 센서는 상기 라인 패턴화된 제 1 그래핀 층과 상기 라인 패턴화된 제 2 그래핀 층사이의 복수의 교차점들에 각각 정의되는 커패시터 셀들의 배열을 갖는 정전용량형 압력 센서.
The method of claim 1
At least one of the first electrode layer and the second electrode layer is formed on a polymer substrate,
At least one of the first electrode layer and the second electrode layer includes first and second graphene layers line-patterned on the polymer substrate,
The capacitive pressure sensor has an arrangement of capacitor cells each defined at a plurality of intersections between the line patterned first graphene layer and the line patterned second graphene layer.
제 1 전극층을 형성하는 단계;
상기 제 1 전극층 상에, 상기 제 1 전극층 상에 배치되고, 결정성 고분자 및 상기 결정성 고분자 내에 함침된 이온성 액체를 포함하는 이온성 겔 층을 포함하며, 상기 이온성 겔 층의 상기 결정성 고분자의 사슬(chain)의 재결정화에 의해 제어된 표면 거칠기를 갖는 유전체층을 형성하는 단계; 및
상기 유전체층 상에 제 2 전극층을 형성하는 단계를 포함하는 정전용량형 압력 센서의 제조 방법.
Forming a first electrode layer;
On the first electrode layer, disposed on the first electrode layer, comprising an ionic gel layer comprising a crystalline polymer and an ionic liquid impregnated in the crystalline polymer, the crystallinity of the ionic gel layer Forming a dielectric layer having a surface roughness controlled by recrystallization of a polymer chain; And
A method of manufacturing a capacitive pressure sensor comprising forming a second electrode layer on the dielectric layer.
제 11 항에 있어서,
상기 유전체층을 형성하는 단계는,
상기 결정성 고분자와 상기 이온성 액체를 준비하는 단계;
상기 결정성 고분자와 상기 이온성 액체를 혼합하여 이온성 혼합 용액을 형성하는 단계;
상기 이온성 혼합 용액을 제 1 전극층에 코팅하여, 이온성 겔 층을 형성하는 단계; 및
상기 이온성 겔 층을 열처리하여, 상기 결정성 고분자의 사슬을 재결정화시키는 단계를 포함하는 정전용량형 압력 센서의 제조 방법.
The method of claim 11,
The step of forming the dielectric layer,
Preparing the crystalline polymer and the ionic liquid;
Mixing the crystalline polymer and the ionic liquid to form an ionic mixed solution;
Coating the ionic mixed solution on the first electrode layer to form an ionic gel layer; And
Heat treatment of the ionic gel layer to recrystallize the chains of the crystalline polymer.
제 12 항에 있어서,
상기 열처리의 온도는 상기 결정성 고분자의 용융 온도보다 높은 정전용량형 압력 센서의 제조 방법.
The method of claim 12,
The temperature of the heat treatment is higher than the melting temperature of the crystalline polymer.
제 12 항에 있어서,
상기 이온성 겔 층의 냉각 속도를 조절하는 단계를 더 포함하는 정전용량형 압력 센서의 제조 방법.
The method of claim 12,
The method of manufacturing a capacitive pressure sensor further comprising the step of controlling the cooling rate of the ionic gel layer.
제 14 항에 있어서,
상기 냉각 속도는 5.0 ℃/분 내지 0.1 ℃/분 범위를 갖는 정전용량형 압력 센서의 제조 방법.
The method of claim 14,
The cooling rate is a method of manufacturing a capacitive pressure sensor having a range of 5.0 ℃ / min to 0.1 ℃ / min.
제 11 항에 있어서,
상기 제 1 전극층 및 상기 제 2 전극층 중 적어도 하나는 고분자 기판 상에 형성되고,
상기 제 1 전극층 및 상기 제 2 전극층 중 적어도 하나는 상기 고분자 기판 상에 라인 패턴화된 제 1 및 제2 그래핀 층을 포함하며,
상기 정전용량형 압력 센서는 상기 라인 패턴화된 제 1 그래핀 층과 상기 라인 패턴화된 제 2 그래핀 층사이의 복수의 교차점들에 각각 정의되는 커패시터 셀들의 배열을 갖는 정전용량형 압력 센서의 제조 방법.
The method of claim 11,
At least one of the first electrode layer and the second electrode layer is formed on a polymer substrate,
At least one of the first electrode layer and the second electrode layer includes first and second graphene layers line-patterned on the polymer substrate,
The capacitive pressure sensor is a capacitive pressure sensor having an array of capacitor cells each defined at a plurality of intersections between the line patterned first graphene layer and the line patterned second graphene layer. Manufacturing method.
KR1020190076923A 2019-06-27 2019-06-27 Capacitive pressure sensor and method of fabricating the same KR102159453B1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020190076923A KR102159453B1 (en) 2019-06-27 2019-06-27 Capacitive pressure sensor and method of fabricating the same

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020190076923A KR102159453B1 (en) 2019-06-27 2019-06-27 Capacitive pressure sensor and method of fabricating the same

Publications (1)

Publication Number Publication Date
KR102159453B1 true KR102159453B1 (en) 2020-09-24

Family

ID=72706451

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020190076923A KR102159453B1 (en) 2019-06-27 2019-06-27 Capacitive pressure sensor and method of fabricating the same

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR102159453B1 (en)

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20220038007A (en) * 2020-09-18 2022-03-25 연세대학교 산학협력단 Tactile sensor
CN114705247A (en) * 2022-04-02 2022-07-05 杭州师范大学 Novel ion type capacitive pressure and temperature sensing fiber device capable of being manufactured in batch and preparation method thereof
CN114894377A (en) * 2022-04-06 2022-08-12 华南理工大学 Performance evaluation method and device of ion capacitance type flexible pressure sensor and medium
WO2022196874A1 (en) * 2021-03-17 2022-09-22 전북대학교산학협력단 Transparent bending sensor using reactive mesogens and manufacturing method therefor

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20180069990A (en) * 2016-12-15 2018-06-26 연세대학교 산학협력단 High sensitive flexible pressure sensor and method thereof
KR101872143B1 (en) * 2017-01-31 2018-06-27 한국산업기술대학교산학협력단 Flexible touch screen panel and manufacturing method thereof
KR20180099958A (en) * 2017-02-27 2018-09-06 연세대학교 산학협력단 Visual pressure sensor and method thereof
KR20190011431A (en) * 2017-07-25 2019-02-07 포항공과대학교 산학협력단 Pressure sensor, pressure sensor matrix array comprising the same and method for manufacturing the same

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20180069990A (en) * 2016-12-15 2018-06-26 연세대학교 산학협력단 High sensitive flexible pressure sensor and method thereof
KR101872143B1 (en) * 2017-01-31 2018-06-27 한국산업기술대학교산학협력단 Flexible touch screen panel and manufacturing method thereof
KR20180099958A (en) * 2017-02-27 2018-09-06 연세대학교 산학협력단 Visual pressure sensor and method thereof
KR20190011431A (en) * 2017-07-25 2019-02-07 포항공과대학교 산학협력단 Pressure sensor, pressure sensor matrix array comprising the same and method for manufacturing the same

Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20220038007A (en) * 2020-09-18 2022-03-25 연세대학교 산학협력단 Tactile sensor
KR102557279B1 (en) * 2020-09-18 2023-07-20 연세대학교 산학협력단 Tactile sensor
WO2022196874A1 (en) * 2021-03-17 2022-09-22 전북대학교산학협력단 Transparent bending sensor using reactive mesogens and manufacturing method therefor
CN114705247A (en) * 2022-04-02 2022-07-05 杭州师范大学 Novel ion type capacitive pressure and temperature sensing fiber device capable of being manufactured in batch and preparation method thereof
CN114705247B (en) * 2022-04-02 2023-09-22 杭州师范大学 Ion type capacitive pressure and temperature sensing fiber device capable of being manufactured in batch and preparation method thereof
CN114894377A (en) * 2022-04-06 2022-08-12 华南理工大学 Performance evaluation method and device of ion capacitance type flexible pressure sensor and medium

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR102159453B1 (en) Capacitive pressure sensor and method of fabricating the same
Ma et al. Flexible, all-inorganic actuators based on vanadium dioxide and carbon nanotube bimorphs
Liu et al. Smart textile based on 3D stretchable silver nanowires/MXene conductive networks for personal healthcare and thermal management
Zou et al. Flexible devices: from materials, architectures to applications
Chen et al. Multiple-stimuli-responsive and cellulose conductive ionic hydrogel for smart wearable devices and thermal actuators
Wang et al. Materials and structures toward soft electronics
Kanik et al. Spontaneous high piezoelectricity in poly (vinylidene fluoride) nanoribbons produced by iterative thermal size reduction technique
Cheng et al. One single graphene oxide film for responsive actuation
Hong et al. Omnidirectionally stretchable and transparent graphene electrodes
Zhang et al. Flexible highly sensitive pressure sensor based on ionic liquid gel film
Badatya et al. Humidity sustainable hydrophobic poly (vinylidene fluoride)-carbon nanotubes foam based piezoelectric nanogenerator
Cai et al. A flexible organic resistance memory device for wearable biomedical applications
Rodriguez et al. Vortex polarization states in nanoscale ferroelectric arrays
CN105651429A (en) Piezoelectric element, manufacturing method thereof, and piezoelectric sensor
Lv et al. Flexible all-inorganic Sm-doped PMN-PT film with ultrahigh piezoelectric coefficient for mechanical energy harvesting, motion sensing, and human-machine interaction
Shin et al. High-performance piezoelectric nanogenerators via imprinted sol–gel BaTiO3 nanopillar array
Zhang et al. Coupling enhanced performance of triboelectric–piezoelectric hybrid nanogenerator based on nanoporous film of poly (vinylidene fluoride)/BaTiO3 composite electrospun fibers
Yang et al. Three-dimensional conformal graphene microstructure for flexible and highly sensitive electronic skin
Wang et al. Miniaturized flexible piezoresistive pressure sensors: poly (3, 4-ethylenedioxythiophene): poly (styrenesulfonate) copolymers blended with graphene oxide for biomedical applications
Sharma et al. Effect of disorder potential on domain switching behavior in polymer ferroelectric films
Zhang et al. Facile fabrication of micro-nano structured triboelectric nanogenerator with high electric output
Kim et al. Flexible piezoelectric energy generators based on P (VDF-TrFE) nanofibers
Han et al. High K nanophase zinc oxide on biomimetic silicon nanotip array as supercapacitors
Prateek et al. Probing the interface activation in designing defect-free multilayered polymer nanocomposites for dielectric capacitor applications
Fuh et al. All-fiber transparent piezoelectric harvester with a cooperatively enhanced structure

Legal Events

Date Code Title Description
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant