KR102162135B1

KR102162135B1 - 무전해 은도금을 이용한 크랙 기반 스트레인 센서 제조방법

Info

Publication number: KR102162135B1
Application number: KR1020190014898A
Authority: KR
Inventors: 조성진; 이주봉; 박찬; 권용민
Original assignee: 충남대학교산학협력단
Priority date: 2019-02-08
Filing date: 2019-02-08
Publication date: 2020-10-06
Also published as: KR20200097479A

Abstract

본 발명은 무전해 은도금을 이용한 크랙 기반 스트레인 센서 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 무전해 은도금을 통해 형성된 크랙 기반의 스트레인 센서를 각종 전자 기기, 인공피부, 웨어러블 기기에 형성시킴으로써, 미세한 진동이나 작은 변위에도 민감한 저항 변화를 제공할 수 있는 무전해 은도금을 이용한 크랙 기반 스트레인 센서 제조방법에 관한 것이다.
본 발명에 의하면, 정밀한 인체 모션 측정이 불가능한 문제점을 개선하여 손가락 모션 측정 디바이스 혹은 팔 근육 측정 디바이스에 포함되어 구성됨으로써, 손가락 모션 혹은 팔 근육의 변화를 모니터링할 수 있는 효과를 발휘하게 된다.

Description

무전해 은도금을 이용한 크랙 기반 스트레인 센서 제조방법{Method of manufacturing crack-based strain sensor using electroless silver plating}

본 발명은 무전해 은도금을 이용한 크랙 기반 스트레인 센서 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 무전해 은도금을 통해 형성된 크랙 기반의 스트레인 센서를 각종 전자 기기, 인공피부, 웨어러블 기기에 형성시킴으로써, 미세한 진동이나 작은 변위에도 민감한 저항 변화를 제공할 수 있는 무전해 은도금을 이용한 크랙 기반 스트레인 센서 제조방법에 관한 것이다.

일반적으로 고감도 센서는 미세한 신호를 감지하여 이를 전기적 신호 등의 데이터로 전달하는 장치로서 현대산업에서 필수적으로 요구되는 부품 중 하나이다.

이와 같은 센서 중 압력이나 인장력을 측정하는 센서로서는 정전용량(capacitive) 센서, 압전기(piezoelectric) 센서, 스트레인 게이지 등이 알려져 있다.

기존의 인장 센서인 스트레인 게이지 센서는 기계적인 미세한 변화를 전기신호로 해서 검출하는 센서로서, 기계나 구조물의 표면에 접착해두면, 그 표면에서 생기는 미세한 치수의 변화, 즉 스트레인(strain)을 측정하는 것이 가능하고, 스트레인의 크기로부터 강도나 안전성을 확인하는데 중요한 응력을 알 수 있다.

또한, 스트레인 게이지는 금속저항 소자의 저항치 변화에 따라 피 측정물의 표면의 변형을 측정하는 것으로, 일반적으로 금속 재료의 저항치는 외부로부터의 힘에 의해 늘어나면 증가하고 압축되면 감소하는 성질을 가지고 있다.

스트레인 게이지는 힘, 압력, 가속도, 변위 및 토크(torque) 등의 물리량을 전기신호로 바꾸기 위한 센서의 수감 소자로도 응용되고, 실험, 연구뿐만 아니라 계측제어용으로도 널리 이용되고 있다.

그러나, 기존의 스트레인 게이지 센서는 금속선을 이용함에 따라, 부식에 약하며, 민감도가 매우 떨어질 뿐만아니라, 출력 값이 작아서, 작은 신호를 보상하기 위해, 추가 회로가 필요하며, 반도체 인장 센서는 열에 민감한 단점을 가진다.

압력 센서란, 표면에 가해지는 압력을 측정할 수 있는 센서로, 인공 피부 제작 시 필수적인 요소이다.

스트레인은 표면에 가해지는 수평적 길이변화를 나타내지만, 압력은 표면에 수직으로 가해지는 힘을 나타낸다.

기존의 압력 센서는 박막으로 제작된 실리콘 필름이 압력에 의해 변화하는 저항 값을 측정하며, 연구용이나 계측용뿐만 아니라, 산업에서도 널리 쓰이고 있다.

그러나, 기존의 압력 센서는 민감도가 매우 낮기 때문에 작은 압력을 구분할 수 없다는 단점이 있으며 휘어질 수 없다.

이러한 단점은 인공피부로의 적용이 불가하게 하므로 작은 압력을 감지하면서도 휘어질 수 있는 센서의 제작이 필요하다.

상기와 같은 문제점에 의해서, 상기의 센서는 특정 환경에서만 구동이 가능하거나, 다양한 환경적 요인에 의해 영향을 받아 측정값의 정확성이 저하되는 등의 문제가 존재함과 동시에 반복 구동 시 일정한 측정값을 확보하기 곤란한 문제가 있다.

또한, 이들 센서는 자체의 구조적인 문제로 인하여 플렉시블 구조체를 제조하기 곤란한 문제가 있다.

착용형 의료 및 인공적 전자 피부 장치 및 고성능 센서의 개발에 대한 연구에 대한 관심이 높아짐에 따라, 나노와이어, 실리콘 고무, 압전 및 외부 정보를 축적하는 유기박막 트랜지스터를 기반으로 하는 다양한 유형의 압력 센서가 개발되어왔다.

크랙은 일반적으로 결함으로 간주되어 기피되어 왔지만, 크랙, 나노와이어 생산을 위한 박막의 크랙킹 및 인터컨넥터(interconnector)와 같은 크랙과 관련된 연구가 최근에 보고되고 있다.

또한, 도 1에 도시한 바와 같이, 카본나노튜브, 나노섬유, 그래핀 혈소판 및 기계적 크랙을 기반으로 하는 스트레인 센서가 보고된 바 있다.

즉, 도 1과 같이, 나노 사이즈의 작음 금속 입자들과 크랙의 거리에 따라 전기 저항이 변하는 원리를 이용하는 센서로서, 고변위에서도 작동할 수 있으며, 인체의 다양한 모션 측정이 가능한 장점을 제공한다.

도 2에 도시한 바와 같이, 크랙 센서는 거미의 감각 시스템에 의해 영향을 받았다.

거미의 감각 센서는 스트레인과 진동에 매우 민감한 것으로 알려져 있다.

도 2의 경우, 거미의 감각 기관을 모사한 크랙 기반 스트레인 센서를 나타낸 것으로서, 거미의 감각 기관의 슬릿 구조(a~c)를 모사하여 신축성 폴리머 위에 전도성 금속을 코팅하고, 폴리머 기판이 인장될 때, 전도성 금속막이 갈라지며 전기 저항이 증가하는 원리를 이용(d~g)하는 것이다.

크랙은 일반적으로 피해야 할 결함으로 간주되었으나, 크랙에 의한 패터닝에 대한 연구로서, 최근에는 나노와이어 및 인터커넥터 등의 제작을 위해 박막 필름 크랙 형성이 보고되어 있으며, 거미의 감각 시스템과 유사한 크랙 센서는 스트레인과 진동에 매우 민감한 것으로 보고되어 있으나, 단지 2%의 변형률을 갖는다는 한계가 있다.

따라서, 이러한 문제점을 보완할 수 있는 새로운 고감도 센서의 개발이 요구된다.

이를 위하여, 대한민국공개특허 제10-2013-0084832호가 개시되었다.

상기 개시된 스트레인 게이지 및 광섬유 센서와 같은 변형율 센서는 인간의 움직임을 감지하기에 측정범위가 작고, 측정범위와 민감도를 모두 높일 수 없으며, 구조가 복잡하여 사람이 착용하기에는 많은 문제점이 있고, 제조비용이 비싸다는 단점이 있었다.

요약하자면, 종래 스트레인 센서들의 경우 낮은 변형률, 낮은 민감도로 인하여 정밀한 인체 모션 측정은 불가능하였으며, 고가 재료와 공정으로 인하여 제조 단가가 상승하는 원인을 제공하였으므로 이를 개선할 수 있는 새로운 센서 개발이 필요하게 된 것이다.

(선행문헌1) 대한민국 공개특허 제10-2013-0084832호(2013.07.26)

따라서, 본 발명은 상기 종래의 문제점을 해소하기 위한 것으로,

본 발명의 제1 목적은 무전해 은도금을 통해 형성된 크랙 기반의 스트레인 센서를 각종 전자 기기, 인공피부, 웨어러블 기기에 형성시킴으로써, 미세한 진동이나 작은 변위에도 민감한 저항 변화를 제공할 수 있도록 하는데 있다.

특히, 정밀한 인체 모션 측정이 불가능한 문제점을 개선하여 손가락 모션 측정 디바이스 혹은 팔 근육 측정 디바이스에 포함되어 구성됨으로써, 손가락 모션 혹은 팔 근육의 변화를 모니터링할 수 있도록 하는데 있다.

본 발명이 과제를 해결하기 위하여, 본 발명의 실시예에 따른 무전해 은도금을 이용한 크랙 기반 스트레인 센서 제조방법은,

폴리우레탄(PU) 필름을 이용하여 폴리우레탄레이어(100)를 형성하는 지지체형성단계(S100)와,

PO(폴리올레핀계) 다이싱(Dicing) 테이프 마스크를 준비하고, 무전해은도금레이어(200)가 형성될 위치에 일정 간격 홀을 다수 형성시키며, 상기 폴리우레탄레이어(100)에 위치시키는 마스크준비단계(S200)와,

플라즈마장치를 이용하여 상기 폴리우레탄레이어와 PO(폴리올레핀계) 다이싱(Dicing) 테이프 마스크로 이루어진 기판을 플라즈마 처리하기 위한 플라즈마처리단계(S300)와,

용기에 상기 플라즈마 처리된 기판을 투입하고, 톨렌스 용액과 포도당 용액을 투입한 후, 쉐이커를 이용하여 균일하게 회전시켜 은 입자를 증착시켜 무전해은도금레이어(200)를 형성시키는 무전해은도금레이어형성단계(S400)와,

상기 무전해은도금레이어가 형성된 기판을 레이저 커터를 이용하여 원하는 형상으로 절단하기 위한 절단단계(S500)와,

상기 절단된 일정 크기의 무전해은도금레이어가 형성된 기판을 신장시켜 복수의 크랙을 발생시켜 크랙 기반의 스트레인 센서를 완성하는 무전해은도금스트레인센서완성단계(S600)를 포함한다.

본 발명인 무전해 은도금을 이용한 크랙 기반 스트레인 센서 제조방법에 의하면, 무전해 은도금을 통해 형성된 크랙 기반의 스트레인 센서를 각종 전자 기기, 인공피부, 웨어러블 기기에 형성시킴으로써, 미세한 진동이나 작은 변위에도 민감한 저항 변화를 제공할 수 있도록 함으로써, 저렴하게 스트레인 센서를 제조할 수 있는 효과를 발휘하게 된다.

특히, 정밀한 인체 모션 측정이 불가능한 문제점을 개선하여 손가락 모션 측정 디바이스 혹은 팔 근육 측정 디바이스에 포함되어 구성됨으로써, 손가락 모션 혹은 팔 근육의 변화를 모니터링할 수 있는 효과를 발휘하게 된다.

도 1은 스트레인 센서의 개념도.
도 2는 거미의 감각 기관을 모사한 크랙 기반 스트레인 센서를 나타낸 예시도.
도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 무전해 은도금을 이용한 크랙 기반 스트레인 센서 제조방법의 전체 공정도.
도 4는 본 발명의 제1 실시예에 따른 무전해 은도금을 이용한 크랙 기반 스트레인 센서 제조방법에 의해 제조된 스트레인 센서(1000) 사시도.
도 5는 본 발명의 제1 실시예에 따른 무전해 은도금을 이용한 크랙 기반 스트레인 센서 제조방법 중 무전해은도금레이어형성단계(S400)에 대하여 간략하게 설명한 예시도.
도 6은 본 발명의 제1 실시예에 따른 무전해 은도금을 이용한 크랙 기반 스트레인 센서 제조방법 중 절단단계(S500)에 대하여 간략하게 설명한 예시도.
도 7은 본 발명의 제1 실시예에 따른 무전해 은도금을 이용한 크랙 기반 스트레인 센서 제조방법에서 인장의 크기에 따라 크랙의 크기가 달라지며, 이로 인하여 전기 저항이 변화하는 예시를 나타낸 확대 표면 예시도.
도 8은 본 발명의 제1 실시예에 따른 무전해 은도금을 이용한 크랙 기반 스트레인 센서 제조방법의 은 도금 용액의 농도에 따른 스트레인 센서의 전기 저항 그래프.
도 9는 본 발명의 제1 실시예에 따른 무전해 은도금을 이용한 크랙 기반 스트레인 센서 제조방법에 의해 제조된 스트레인 센서의 반복 성능 평가 그래프.
도 10은 본 발명의 제1 실시예에 따른 무전해 은도금을 이용한 크랙 기반 스트레인 센서 제조방법에 의해 제조된 스트레인 센서가 손가락 모션 측정 디바이스로 활용되는 예시도.
도 11은 본 발명의 제1 실시예에 따른 무전해 은도금을 이용한 크랙 기반 스트레인 센서 제조방법에 의해 제조된 스트레인 센서가 팔 근육 측정 디바이스로 활용되는 예시도.

아래에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대해 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다.

본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.

도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체에서 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 도면부호가 사용되었다.

또한, 널리 알려진 공지 기술의 경우, 그 구체적인 설명은 생략한다.

도면에서 여러 층 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 나타내었다.

층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "위에" 있다고 할 때, 이는 다른 부분 "바로 위에" 있는 경우뿐 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다.

한편, 어떤 부분이 다른 부분 "바로 위에" 있다고 할 때에는 중간에 다른 부분이 없는 것을 뜻한다.

반대로 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "아래에" 있다고 할 때, 이는 다른 부분 "바로 아래에" 있는 경우뿐 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다.

한편, 어떤 부분이 다른 부분 "바로 아래에" 있다고 할 때에는 중간에 다른 부분이 없는 것을 뜻한다.

본 명세서에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.

<제1 실시예>

본 발명에 따른 무전해 은도금을 이용한 크랙 기반 스트레인 센서 제조방법은,

상기 절단된 일정 크기의 무전해은도금레이어가 형성된 기판을 신장시켜 복수의 크랙을 발생시켜 크랙 기반의 스트레인 센서를 완성하는 무전해은도금스트레인센서완성단계(S600)를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 크랙은,

폴리우레탄(PU) 필름이 늘어날 때 은도금과의 영계수(Young's modulus) 차이로 무전해 은도금 막이 갈라지면서 형성된 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 크랙은,

나노 수준의 미세 크랙인 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 폴리우레탄레이어(100)는,

100um 두께로 형성되어 신축성과 유연성을 가지도록 하며,

상기 무전해은도금레이어(200)는,

20nm 두께로 형성되는 것을 특징으로 한다.

이때, 상기 무전해 은도금을 이용한 크랙 기반 스트레인 센서 제조방법에 의해 제조된 크랙 기반의 스트레인 센서는,

전자 기기, 인공피부, 웨어러블 기기 및 이들의 조합들로 이루어진 군으로부터 선택되는 것에 포함되어 전기저항 변화를 모니터링하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 크랙 기반의 스트레인 센서는,

외부자극에 의해 상기 크랙의 전기적 단락 또는 개방이 발생하여 전기적 저항값이 변화되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 크랙 기반의 스트레인 센서는,

손가락 모션 측정 디바이스 혹은 팔 근육 측정 디바이스에 포함되어 구성됨으로써, 손가락 모션 혹은 팔 근육의 변화를 모니터링할 수 있는 것을 특징으로 한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명인 무전해 은도금을 이용한 크랙 기반 스트레인 센서 제조방법의 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다.

종래 기술들은 낮은 변형률과 민감도로 인하여 정말한 모션 측정이 불가능하였으며, 고가의 재료와 공정으로 인하여 높은 제조 원가를 야기시키게 되었다.

그러나, 본 발명에서는 상기와 같은 공정을 통해 working range > 100%, Gauge Fctor > 100의 특성을 제공할 수 있으며, 개선된 센서 제작 공정으로 높은 경제성 확보가 가능한 효과를 발휘하게 된다.

도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 무전해 은도금을 이용한 크랙 기반 스트레인 센서 제조방법의 전체 공정도이다.

도 4는 본 발명의 제1 실시예에 따른 무전해 은도금을 이용한 크랙 기반 스트레인 센서 제조방법에 의해 제조된 스트레인 센서(1000) 사시도이다.

도 3에 도시한 바와 같이, 본 발명인 무전해 은도금을 이용한 크랙 기반 스트레인 센서 제조방법은 지지체형성단계(S100), 마스크준비단계(S200), 플라즈마처리단계(S300), 무전해은도금레이어형성단계(S400), 절단단계(S500), 무전해은도금스트레인센서완성단계(S600)를 포함하게 된다.

구체적으로 설명하자면, 하기와 같다.

먼저, 상기 지지체형성단계(S100)는 폴리우레탄(PU) 필름을 이용하여 폴리우레탄레이어(100)를 형성하는 과정이다.

예를 들어, 비전도성이고 신축성 부재인 폴리우레탄(PU)을 스핀 코팅 방법으로 생성시킬 수 있다.

회전하는 슬라이드 글라스의 상측에서 폴리우레탄 솔루션을 떨어뜨려 회전에 의해 폴리우레탄레이어(100)를 형성시키되, 상기 폴리우레탄레이어(100)는 100um 이하로 생성되는 것을 특징으로 한다.

100um 를 초과할 경우에 최종적으로 완성되는 스트레인 센서의 감지 특성이 현저히 떨어지게 되므로 상기한 임계치를 준수해야만 한다.

이때, 바람직하게, 폴리우레탄 극한 연신율(Polyurethane Ultimate Elongation)은 650%, 폴리우레탄 최종 인장 탄성률(Polyurethane Ultimate Tensile modulus)은 28.9 MPa 인것을 특징으로 한다.

즉, 상기와 같은 재료의 물성치를 준수해야 가장 최적의 스트레인 센서를 제조할 수가 있게 되는 것이다.

이후, 마스크준비단계(S200)는 PO(폴리올레핀계) 다이싱(Dicing) 테이프 마스크를 준비하고, 무전해은도금레이어(200)가 형성될 위치의 마스크상에 일정 간격 홀을 다수 형성시키며, 다수 홀이 형성된 마스크를 상기 폴리우레탄레이어(100)에 위치시키는 단계이다.

즉, 하기의 무전해은도금레이어(200)의 모서리에서 소정간격 이격되어 부착될 수 있도록, 생성영역을 결정하는 마스크를 부착시킬 수 있다.

마스크는 무전해은도금레이어(200)를 부착시키는 영역만이 홀로 관통되어 있어 폴리우레탄레이어(100) 상에서 무전해은도금레이어(200)를 선택적으로 생성시킬 수 있게 된다.

이후, 플라즈마처리단계(S300)는 플라즈마장치를 이용하여 상기 폴리우레탄레이어와 PO(폴리올레핀계) 다이싱(Dicing) 테이프 마스크로 이루어진 기판을 플라즈마 처리하게 된다.

예를 들어, O₂플라즈마를 이용하여 폴리우레탄레이어와 PO(폴리올레핀계) 다이싱(Dicing) 테이프 마스크로 이루어진 기판에 플라즈마 처리 공정을 실시하게 되며, 이를 통해 친수성 표면을 생성하게 되는 것이다.

이는 하기의 은 증착의 효율을 극대화시키기 위한 전처리 공정인 것이다.

이후, 무전해은도금레이어형성단계(S400)는 용기에 상기 플라즈마 처리된 기판을 투입하고, 톨렌스 용액과 포도당 용액을 투입한 후, 쉐이커를 이용하여 균일하게 회전시켜 은 입자를 증착시켜 무전해은도금레이어(200)를 형성시키는 단계이다.

예를 들어, 내면을 깨끗하게 한 유리 용기 속에 시료 용액을 넣고 질산은암모니아용액을 가하여 가열하면 은이온이 환원되어 유리 용기가 은도금(銀鍍金)된다.

폼알데하이드·글루코스·타타르산염 등은 환원성 유기화합물의 전형적인 것으로 이 반응으로 검출할 수 있다.

또한, 보온병이나 거울의 제조는 이 반응에 기초를 두고 있고, 그때의 환원성 물질로서는 수크로스가 사용된다.

이 반응을 사용하는 검출법을 Silver mirror reaction이라고 한다.

즉, 알데히드의 환원성을 알아보기 위한 반응으로, 알데히드에 질산은 용액과 암모니아수의 혼합액을 넣고 가열하면 시험관 벽에 은거울이 형성된다.

이것은 알데히드가 은 이온을 은으로 환원시키기 때문에 나타나는 현상이다.

포도당의 수용액도 환원성을 갖기 때문에 은거울 반응을 보이는데, 이것은 포도당이 수용액에서 고리가 열린 구조가 될 때 알데히드기가 형성되기 때문이다.

은거울반응과정은 하기와 같다.

알데히드의 환원성을 이용하여 은이온을 환원시키고, 환원된 은은 시험관 벽이나 비커 등의 유리벽에 확산시켜 달라붙게 하여 거울을 형성시키는 반응이다.

알데히드는 파라핀계 화합물을 산화시켜 만든 알콜을 더욱 산화시켜 만든 물질이다.

그런데, 이것은 덜 산화되어 포르밀기를 가지며 그 포르밀기는 환원성을 가지고 있어 다른 물질을 환원시키고 자신은 카르복시산으로 변한다.

여기서, 산화시키는 산소는 반응성이 적은 RCH₃나 RCH₂OH의 경우에는 K2Cr2O7과 같은 물질을 사용하고, 이 실험과 같이 불안정한 알데히드를 산화시킬 때는 암모니아성 질산은 용액 즉, 톨렌스 시약을 쓴다.

상기와 같이, 본 발명에서는 은거울 반응을 이용하게 되는데, 용기에 상기 플라즈마 처리된 기판을 투입하고, 톨렌스 용액을 투입한 후, 쉐이커를 이용하여 균일하게 회전시켜 은 입자를 증착시켜 무전해은도금레이어(200)를 형성하게 되는 것이다.

즉, 도 5에 도시한 바와 같이, 석출되는 은이 플라즈마에 노출된 PU 표면에 파티클 형태로 도금되는 것이다.

이때, 바람직하게, 은 전기 저항(Ag Electrical Resistivity)은 15.87 nΩ·m(20℃)이며, 은 인장 탄성률(Ag Tensile modulus)은 83 GPa 인 재료 물성치를 가지는 것이 최적의 효율성을 제공할 수 있는 임계치인 것이다.

또한, 무전해은도금레이어의 두께는 그레인 사이즈에 따라 나노 크랙의 밀도가 달라지게 되며, 측정 가능한 곡률의 범위가 달라지게 되므로 최대 측정범위를 결정하여 두께를 결정해야 하는데, 바람직하게는 20nm 두께로 형성하게 된다.

구체적으로 폴리우레탄레이어(100)의 일면에 무전해은도금레이어를 형성시키게 되는데, 은 도금 공정을 수행함으로써, 무전해은도금레이어를 생성시키게 된다.

한편, 무전해은도금레이어의 그레인 사이즈를 조절하기 위하여 압력 및 온도 등을 조절하는 단계를 추가로 포함할 수도 잇다.

이후, 무전해은도금레이어를 생성시킨 후에는 마스크를 제거한다.

그리고, 절단단계(S500)는

상기 무전해은도금레이어가 형성된 기판을 레이저 커터를 이용하여 원하는 형상으로 절단하는 단계이다.

도 6에 도시한 바와 같이, 금속을 파괴하여 스트레인 센서의 인장시에 크랙 형성을 유도하기 위하여 레이저 커터를 이용하여 원하는 형상으로 컷팅하게 되는 것이다.

이후, 무전해은도금스트레인센서완성단계(S600)는 절단된 일정 크기의 무전해은도금레이어가 형성된 기판을 신장시켜 복수의 크랙을 발생시켜 크랙 기반의 스트레인 센서를 완성하는 단계이다.

즉, 도 6에 도시한 바와 같이, PU 표면에 형성된 무전해은도금레이어를 포함함 기판을 신장시키게 되면 무전해은도금레이어에 크랙이 발생하게 되는 것이다.

따라서, 상기와 같은 과정을 거치게 되면, 도 4와 같은 크랙 기반의 스트레인 센서를 완성하게 되는 것이다.

이때, 상기 크랙은 나노 수준의 미세 크랙을 발생시키게 되며, 폴리우레탄(PU) 필름이 늘어날 때 은도금과의 영계수(Young's modulus) 차이로 무전해 은도금 막이 갈라지면서 형성된 것을 특징으로 한다.

또한, 도 7에 도시한 바와 같이, 인장의 크기에 따라 크랙의 크기가 달라지며, 이로 인하여 전기 저항이 변화하게 된다.

이때, LbVIEW와 Stage를 이용하여 실시간 계측할 수 있게 되는 것이며, 이를 각종 전자기기 등에 탑재시키게 되면 스트레인 센서를 통해 고 민감도의 변화를 감지할 수가 있게 되는 것이다.

상기와 같은 스트레인 센서 제조 방법을 통해 센서를 제작하였으며, 이에 따른 전기 저항과 반복 성능 평가를 실험하였으며, 실험 결과는 도 8 내지 도 9와 같다.

도 8은 은 도금 용액의 농도에 따른 스트레인 센서의 전기 저항 그래프를 나타낸 것으로서, 은 도금 용액의 농도에 따라 센서의 저항 그래프는 달라짐을 알 수 있었으며, 은 도금 용액의 농도 조절을 통해 스트레인 센서의 민감성을 조절할 수 있음을 알 수 있었다.

그리고, 도 9는 반복 성능 평가 그래프로서, 인체의 굽힘 모션 측정이 가능함을 확인할 수 있었다.

이때, 세로축 R_R 초기 저항 대비 상대 저항 변화로 전기 저항(Resistance)을 의미한다.

결국, 상기와 같은 실험 결과를 토대로 본 발명의 무전해 은도금 기반 스트레인 센서는 전자 기기, 인공피부, 웨어러블 기기 및 이들의 조합들로 이루어진 군으로부터 선택되는 것에 포함되어 전기저항 변화를 모니터링할 수 있음을 도출할 수 있었으며, 본 발명의 제조 방법에 의해 제조된 크랙 기반의 스트레인 센서는,

외부자극에 의해 상기 크랙의 전기적 단락 또는 개방이 발생하여 상기 전도성 박막의 전기적 저항값이 변화되는 것을 특징으로 한다.

즉, 본 발명의 무전해 은도금 박막의 크랙이 가지는 미세 접합 구조 (interconnection)를 인위적으로 만들고 이를 통해 매우 작은 변위 또는 압력이나 진동의 변화를 감지하는 전기적 센서로 활용하게 된다.

구체적으로, 은도금 박막의 형성시 발생한 그레인 바운더리를 따라 형성시킨 크랙 중에는 서로 마주하면서 적어도 일부면이 서로 접촉하고 있는 크랙면을 갖는 크랙이 존재하게 되고 진동이나 압력 변화와 같은 외부 자극을 가할 경우 애초에 접촉되어 있던 크랙면이 이동하면서 접촉 면적이 바뀜에 따라 전기적 저항이 변화하거나 전기적 단락(short)이나 개방(open)이 형성되어 상기 박막 상의 저항값의 변화가 크게 발생하게 되며, 이를 검출함으로써 상기 박막 구조체를 변위 센서, 진동센서, 압력센서, 스트레인 게이지와 같은 고감도 센서로서 활용이 가능하게 되는 것이다.

또한, 상기 크랙 기반의 스트레인 센서는,

도 10에 도시한 바와 같이, 손가락 모션 측정 디바이스로 활용하기 위하여 손가락마다 본 발명의 무전해 은도금 기반 스트레인 센서를 각각의 손가락마다 부착시킨 후, 이를 웨어러블 DAQ시스템에 연결시키게 되면, 어느 특정 손가락의 움직임을 감지하여 이를 DAQ시스템에 제공하게 될 것이며, 이는 블루투스 통신을 이용하여 스마트기기로 제공하게 되는 것이다.

즉, 모션 감지 디바이스로 활용이 가능하게 되는 것이다.

또한, 도 11에 도시한 바와 같이, 팔 근육 측정 디바이스로 활용하기 위하여 팔의 어느 한 부위에 본 발명의 무전해 은도금 기반 스트레인 센서를 부착시킨 후, 이를 웨어러블 DAQ시스템에 연결시키게 되면, 어느 특정 근육의 움직임을 감지하여 이를 DAQ시스템에 제공하게 될 것이며, 이는 블루투스 통신을 이용하여 스마트기기로 제공하게 되는 것이다.

현재 웨어러블 디바이스에 대한 관심이 높으며, 앞으로 몇년안에 해당 시장의 성장이 점점 증가하게 될 것이다.

지금까지 설명한 본 발명에 의하면, 무전해 은도금을 통해 형성된 크랙 기반의 스트레인 센서를 각종 전자 기기, 인공피부, 웨어러블 기기에 형성시킴으로써, 미세한 진동이나 작은 변위에도 민감한 저항 변화를 제공할 수 있도록 함으로써, 저렴하게 스트레인 센서를 제조할 수 있는 효과를 발휘하게 된다.

또한, 이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 상술한 특정의 실시 예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형 실시들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어서는 안될 것이다.

100 : 폴리우레탄레이어
200 : 무전해은도금레이어
1000 : 무전해 은도금을 이용한 크랙 기반 스트레인 센서

Claims

무전해 은도금을 이용한 크랙 기반 스트레인 센서 제조방법에 있어서,
폴리우레탄(PU) 필름을 이용하여 폴리우레탄레이어(100)를 형성하는 지지체형성단계(S100)와,
무전해은도금레이어(200)가 형성될 위치에 일정 간격의 홀이 다수 형성된 PO(폴리올레핀계) 다이싱(Dicing) 테이프 마스크를 상기 폴리우레탄레이어(100)에 위치시키는 마스크준비단계(S200)와,
플라즈마장치를 이용하여 상기 폴리우레탄레이어와 PO(폴리올레핀계) 다이싱(Dicing) 테이프 마스크로 이루어진 기판을 플라즈마 처리하기 위한 플라즈마처리단계(S300)와,
용기에 상기 플라즈마 처리된 기판을 투입하고, 톨렌스 용액과 포도당 용액을 투입한 후, 쉐이커를 이용하여 균일하게 회전시켜 은 입자를 증착시켜 무전해은도금레이어(200)를 형성시키는 무전해은도금레이어형성단계(S400)와,
상기 무전해은도금레이어가 형성된 기판을 레이저 커터를 이용하여 원하는 형상으로 절단하기 위한 절단단계(S500)와,
상기 절단된 일정 크기의 무전해은도금레이어가 형성된 기판을 신장시켜 복수의 크랙을 발생시켜 크랙 기반의 스트레인 센서를 완성하는 무전해은도금스트레인센서완성단계(S600)를 포함하는 것을 특징으로 하는 무전해 은도금을 이용한 크랙 기반 스트레인 센서 제조방법.
제 1항에 있어서,
상기 크랙은,
폴리우레탄(PU) 필름이 늘어날 때 은도금과의 영계수(Young's modulus) 차이로 무전해 은도금 막이 갈라지면서 형성된 것을 특징으로 하는 무전해 은도금을 이용한 크랙 기반 스트레인 센서 제조방법.
제 1항에 있어서,
상기 크랙은,
나노 수준의 미세 크랙인 것을 특징으로 하는 무전해 은도금을 이용한 크랙 기반 스트레인 센서 제조방법.
제 1항에 있어서,
상기 폴리우레탄레이어(100)는,
100um 두께로 형성되어 신축성과 유연성을 가지도록 하며,
상기 무전해은도금레이어(200)는,
20nm 두께로 형성되는 것을 특징으로 하는 무전해 은도금을 이용한 크랙 기반 스트레인 센서 제조방법.
제 1항에 있어서,
상기 크랙 기반의 스트레인 센서는,
전자 기기, 인공피부, 웨어러블 기기 및 이들의 조합들로 이루어진 군으로부터 선택되는 것에 포함되어 전기저항 변화를 모니터링하는 것을 특징으로 하는 무전해 은도금을 이용한 크랙 기반 스트레인 센서 제조방법.
제 1항에 있어서,
상기 크랙 기반의 스트레인 센서는,
외부자극에 의해 상기 크랙의 전기적 단락 또는 개방이 발생하여 전기적 저항값이 변화되는 것을 특징으로 하는 무전해 은도금을 이용한 크랙 기반 스트레인 센서 제조방법.
제 1항에 있어서,
상기 크랙 기반의 스트레인 센서는,
손가락 모션 측정 디바이스 혹은 팔 근육 측정 디바이스에 포함되어 구성됨으로써, 손가락 모션 혹은 팔 근육의 변화를 모니터링할 수 있는 것을 특징으로 하는 무전해 은도금을 이용한 크랙 기반 스트레인 센서 제조방법.