KR102191199B1 - 유연 다기능 센서 및 그의 제조방법 - Google Patents

유연 다기능 센서 및 그의 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 유연 다기능 센서 및 그의 제조방법에 관한 것으로, 제1 기판; 상기 제1 기판 상에 위치하는 압력 감지층; 상기 압력 감지층 상에 위치하고, 유전체를 포함하는 유전체층; 상기 유전체층 상에 위치하고, 환원된 산화 그래핀(reduced graphene oxide)을 포함하는 온도 감지층; 상기 온도 감지층 상에 위치하고, 제1 전극 및 제2 전극을 포함하는 전극; 및 상기 전극 상에 위치하는 제2 기판;을 포함하고, 상기 압력 감지층은 탄성체를 포함하는 탄성층과, 상기 탄성층의 상기 유전체 방향의 표면에 함침된 전도성 물질을 포함하는 전도층을 포함하고, 상기 탄성층은 상기 유전체 방향으로 돌출된 다수의 돌출부를 포함하는 것인 유연 다기능 센서 및 그의 제조방법에 관한 것이다.
본 발명에 따르면, 압력 및/또는 온도 자극에 대한 산출신호가 달라 각 자극을 구별할 수 있는 유연 다기능 센서를 제공할 수 있다. 또한 본 발명의 유연 다기능 센서는 간단한 배선 공정이 가능하고, 압력 및/또는 온도 자극에 대하여 선형의 민감성을 가질 수 있다. 또한 본 발명의 유연 다기능 센서는 전자피부로 활용하여 로봇, 헬스모니터링, 휴먼-머신 인터페이스 및 IoT 등의 다양한 분야에 적용할 수 있다.

Description

유연 다기능 센서 및 그의 제조방법{FLEXIBLE MULTIMODAL SENSOR AND METHOD FOR PREPARING THE SAME}
본 발명은 유연 다기능 센서 및 그의 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 압력/온도 자극에 대해 선형의 민감성을 가지며, 자극의 종류를 구분하여 실시간 측정 가능한 유연 다기능 센서 및 그의 제조방법에 관한 것이다.
인간의 피부는 인체에서 가장 큰 감각 기관이며 여러 종류의 감각 수용체를 가지고 있다. 특히, 압력과 온도를 감지하는 능력은 물체를 식별하고, 조작하고, 신체 조직을 보호할 수 있게 하는 필수적인 능력이다. 그러나 피부의 감각 기능은 속일 수 있다. 예를 들어, 무게는 같고 온도가 다른 두 동전을 피부에 놓았을 때, 인간은 차가운 동전이 따뜻한 사람보다 더 무겁다고 잘못 인식한다. 이 결과는 기계적 수용체가 압력뿐만 아니라 온도 자극에도 반응하기 때문이다. 또한, 사람의 피부에 의한 감각의 변화감지역(Just noticeable difference)은 외부 자극의 강도에 따라 p=kХlogI 로 증가하는데, 여기서 p는 인간의 감각의 강도이고, k는 베버 소수(Weber's fraction), I는 외부 자극의 강도이다. 즉, 지각 감도는 비선형이다.
인간 피부의 지각 능력과 변형 가능성을 모방함으로써, 다기능, 고감도 및 유연성을 갖는 인공 전자 피부(e-스킨)에 관한 연구가 보고되었다. 그러나 인간의 피부의 불완전한 자극-식별력과 비선형 감도를 해결하지 못하여 자극에 대한 혼합된 결과와 고강도 자극에서 열악한 감도를 나타냈다.
유연전자 피부들은 대게 온도 및/또는 압력 등의 여러 자극에 민감하지만 각 자극을 구별할 수 없거나, 구별하되, 자극 간 간섭에 의해 각 자극에 의한 정확한 자극강도를 측정하기 어려웠다. 또한 여러 측정장비 및 복잡한 배선공정을 필요로 하였으며, 자극의 세기에 대해 선형의 민감도를 갖지 못해 약한 자극세기에서는 매우 높은 민감도를 갖지만, 강한 자극세기에서는 매우 낮은 민감도를 갖는 문제점이 있었다.
본 발명의 목적은 상기 문제점을 해결하기 위한 것으로, 정전용량의 변화를 통해 압력을 감지하고, 저항의 변화를 통해 온도를 감지하여 자극에 대한 산출신호가 달라 각 자극을 구별할 수 있는 유연 다기능 센서를 제공하는 것이다.
또한 본 발명의 목적은 압력/온도 자극에 대해 선형의 민감성을 갖는 유연 다기능 센서를 제공하는 것이다.
또한 본 발명의 목적은 간단한 배선 공정이 가능한 유연 다기능 센서를 제공하는 것이다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 제1 기판; 상기 제1 기판 상에 위치하는 압력 감지층; 상기 압력 감지층 상에 위치하고, 유전체를 포함하는 유전체층; 상기 유전체층 상에 위치하고, 환원된 산화 그래핀(reduced graphene oxide)을 포함하는 온도 감지층; 상기 온도 감지층 상에 위치하고, 제1 전극 및 제2 전극을 포함하는 전극; 및 상기 전극 상에 위치하는 제2 기판;을 포함하고, 상기 압력 감지층은 탄성체를 포함하는 탄성층과, 상기 탄성층의 상기 유전체 방향의 표면에 함침된 전도성 물질을 포함하는 전도층을 포함하고, 상기 탄성층은 상기 유전체 방향으로 돌출된 다수의 돌출부를 포함하는 것인 유연 다기능 센서가 제공된다.
또한 상기 압력 감지층이 수평 방향으로 구획되는 제1 영역, 제2 영역, 및 상기 제1 영역과 제2 영역 사이에 제3 영역을 포함하고, 상기 제1 영역 및 제2 영역이 각각 상기 돌출부를 포함하고, 상기 제3 영역이 상기 돌출부를 포함하지 않고, 상기 제1 영역 상에 상기 제1 전극이 위치하고, 상기 제2 영역 상에 제2 전극이 위치하고, 상기 제3 영역 상에 상기 온도 감지층이 위치하고, 상기 제1 전극이 상기 온도 감지층의 일측에 접하고, 상기 제2 전극이 상기 온도 감지층의 타측에 접할 수 있다.
또한 상기 돌출부가 상기 유전체층에 가까워질수록 단면적이 작아지는 형상일 수 있다.
또한 압력이 상기 압력 감지층에 수직방향으로 작용함에 의해 상기 돌출부가 변형되어 상기 돌출부의 전도층과 유전체층의 접촉면적이 증가할 수 있다.
또한 상기 돌출부가 원뿔, 타원뿔, 다각뿔, 원뿔대, 타원뿔대, 다각뿔대, 반구, 계층적(Hierarchical) 원뿔, 계층적 타원뿔, 계층적 다각뿔, 계층적 원뿔대, 계층적 타원뿔대, 계층적 다각뿔대, 계층적 반구, 끝 잘린(Truncated) 원뿔, 끝 잘린 타원뿔, 끝 잘린 다각뿔, 끝 잘린 원뿔대, 끝 잘린 타원뿔대, 끝 잘린 다각뿔대, 끝 잘린 반구, 또는 이들의 조합의 형상을 가질 수 있다.
또한 상기 유연 다기능 센서는 압력 변화 시 상기 돌출부의 전도층이 상기 유전체층과 접촉하는 면적이 변화함에 의해 정전용량이 변화할 수 있다.
또한 압력이 상기 전극에 수직방향으로 작용함에 의해 상기 돌출부가 변형되어 상기 돌출부의 전도층에 주름이 형성될 수 있다.
또한 상기 제1 기판 및 제2 기판이 각각 독립적으로 폴리파라자일릴렌(poly(p-xylylene), parylene), 폴리디메틸실록산(polydimethylsiloxane, PDMS), 폴리스티렌(Polystyrene, PS), 폴리메틸메타크릴레이트(poly(methyl methacrylate, PMMA), 폴리비닐피롤리돈(poly(vinyl pyrrolidone), PVP), 폴리이미드(polyimide, PI), 폴리아미드(polyamide), 폴리우레아, 폴리우레탄, 폴리에틸렌테레프탈레이트, 폴리부틸렌테레프탈레이트, 폴리에틸렌나프탈레이트, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리에테르술폰(polyethersulphone), 폴리아크릴레이트(polyacrylate), 폴리에테르 이미드(polyetherimide), 폴리페닐렌 설파이드(polyphenylene sulfide), 폴리아릴레이트(polyallylate), 폴리카보네이트(polycarbonate), 셀룰로오스 트리 아세테이트(cellulose triacetate), 셀룰로오스 아세테이트 프로피오네이트(celluloseacetate propinoate), SiO2, Al2O3, HfO2, ZrO2, Y2O3 및 Ta2O5 중에서 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다.
또한 상기 탄성체는 폴리디메틸실록산(PDMS), 에코플렉스(ecoflex), 실리콘 러버(silicone rubber), 플루오로 실리콘 러버(fluoro silicone rubber), 비닐메틸실리콘 러버(vinyl methyl silicone rubber), 스티렌-부타디엔-스티렌 (styrene-butadiene-styrene, SBS) 블록공중합체, 스티렌-에틸렌-부틸렌-스티렌 (styrene-ethylene-butylene-styrene, SEBS) 블록 공중합체, 스티렌-이소프렌-스티렌(SIS) 블록 공중합체, 스티렌-부타디엔 러버(styrene-butadiene rubber, SBR), 부타디엔 러버(butadiene rubber, BR), 이소부틸렌-이소프렌 러버(isobutylene isoprene rubber, IIR), 에틸렌 프로필렌 러버(ethylene propylene rubber, EPR), 에틸렌-프로필렌-디엔 러버(ethylene propylene diene monomer rubber, EPDM), 이소프렌 러버(isoprene rubber, IR), 이소부틸렌 러버(isobutylene rubber, IR), 아크릴 러버(acryl rubber), 아크릴로니트릴-부타디엔 러버(acrylonitrile butadiene rubber, ABR), 폴리우레탄, 폴리에테르우레탄 러버(polyether urethane), 폴리에스터우레탄 (polyester urethane), 에피클로로히드린 러버(epichlorohydrin rubber) 및 폴리클로로프렌(polychloroprene rubber) 중에서 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다.
또한 상기 전도성 물질은 단일벽 탄소나노튜브(SWNT), 이중벽 탄소나노튜브, 다중벽 탄소나노튜브, 그래핀, poly(3,4-ethylenedioxythiophene) polystyrene sulfonate(PEDOT:PSS), 은 나노 와이어, 은 마이크로 와이어, 은 나노 입자, 은 마이크로 입자, 금 나노 와이어, 금 마이크로 와이어, 금 나노 입자, 금 마이크로 입자, 구리 나노 와이어, 구리 마이크로 와이어, 구리 나노 입자, 구리 마이크로 입자, 니켈 나노 와이어, 니켈 마이크로 와이어, 니켈 나노 입자, 니켈 마이크로 입자, 철 나노 와이어, 철 마이크로 와이어, 철 나노 입자, 철 마이크로 입자, 알루미늄 나노 와이어, 알루미늄 마이크로 와이어, 알루미늄 나노 입자, 알루미늄 마이크로 입자 및 카본블랙 파우더 중에서 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다.
또한 상기 유전체는 Al2O3, SiO2, HfO2, ZrO2, Y2O3, Ta2O5, 폴리파라자일릴렌(poly(p-xylylene), parylene), 폴리디메틸실록산(polydimethylsiloxane, PDMS), 시톱(Cytop), 폴리스티렌(Polystyrene, PS), 폴리메틸메타크릴레이트(poly(methyl methacrylate, PMMA), 폴리비닐피롤리돈(poly(vinyl pyrrolidone), PVP), 폴리이미드(polyimide, PI), 폴리아미드(polyamide), 폴리우레아, 폴리우레탄, 폴리에틸렌테레프탈레이트, 폴리부틸렌테레프탈레이트, 폴리에틸렌나프탈레이트, 폴리에틸렌 및 폴리프로필렌 중에서 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다.
또한 상기 유전체층의 두께가 1 내지 500nm일 수 있다.
또한 상기 제1 전극 및 제2 전극이 각각 독립적으로 Au, Al, Ag, Be, Bi, Co, Cu, Cr, Cd, Fe, Ga, Hf, In, Ir, Mn, Mo, Mg, Ni, Nb, Pb, Pd, Pt, Rh, Re, Ru, Sb, Sn, Ta, Te, Ti, V, W, Zr, Zn, poly(3,4-ethylenedioxythiophene) polystyrene sulfonate(PEDOT:PSS), 단일벽 탄소 나노튜브(SWNT), 이중벽 탄소나노튜브(SWNT), 다중벽 탄소 나노튜브(MWNT), 그래핀(Graphene), 은 나노와이어(Ag NW), 금 나노와이어(Au NW) 및 니켈 나노와이어(Ni NW)로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다.
또한 상기 제1 전극 및 제2 전극은 각각 독립적으로 니켈층 및 티타늄층이 순서대로 적층된 니켈층/티타늄층이고, 상기 티타늄층이 제2 기판과 접할 수 있다.
본 발명의 다른 일 측면에 따르면, 상기 유연 다기능 센서를 다수개 포함하는 유연 다기능 센서 어레이가 제공된다.
본 발명의 또 다른 일 측면에 따르면, (a) 하판을 제조하는 단계, (b) 상판을 제조하는 단계 및 (c) 상기 하판과 상판을 결합하는 단계를 포함하고, 단계 (a)는 (a-1) 제1 기판을 제공하는 단계; 및 (a-2) 상기 제1 기판 상에 압력 감지층을 형성하여 제1 기판/압력 감지층을 포함하는 하판을 제조하는 단계;를 포함하고, 단계 (b)는 (b-1) 제2 기판을 제공하는 단계; (b-2) 상기 제2 기판 상에 제1 전극 및 제2 전극을 포함하는 전극을 형성하는 단계; (b-3) 상기 전극 상에 환원된 산화 그래핀을 포함하는 온도 감지층을 형성하는 단계; 및 (b-4) 상기 온도 감지층 상에 유전체를 포함하는 유전체층을 형성하여 제2 기판/전극/온도 감지층/유전체층을 포함하는 상판을 제조하는 단계;를 포함하고, 단계 (c)는 (c-1) 상기 하판의 압력 감지층과 상기 상판의 유전체층이 접하도록 상기 하판과 상판을 결합하는 단계;를 포함하는 것인 유연 다기능 센서의 제조방법가 제공된다.
또한 단계 (a-2)가 (a-2-1) 몰드에 상기 전도성 물질을 코팅하는 단계; (a-2-2) 상기 전도성 물질이 코팅된 상기 몰드에 상기 탄성체를 주입하여 상기 탄성체를 포함하는 상기 탄성층과, 상기 탄성층의 상기 유전체 방향의 표면에 함침된 전도성 물질을 포함하는 전도층을 포함하는 상기 압력 감지층을 제조하는 단계; 및 (a-2-3) 상기 압력 감지층의 탄성층이 상기 제1 기판과 접하도록 상기 압력 감지층을 상기 제1 기판에 전사하여 제1 기판/압력 감지층을 포함하는 하판을 제조하는 단계;를 포함할 수 있다.
또한 상기 압력 감지층이 수평 방향으로 구획되는 제1 영역, 제2 영역, 및 상기 제1 영역과 제2 영역 사이에 제3 영역을 포함하고, 상기 제1 영역 및 제2 영역이 각각 상기 돌출부를 포함하고, 상기 제3 영역이 상기 돌출부를 포함하지 않고, 상기 제1 영역 상에 상기 제1 전극이 위치하고, 상기 제2 영역 상에 제2 전극이 위치하고, 상기 제3 영역 상에 상기 온도 감지층이 위치하고, 상기 제1 전극이 상기 온도 감지층의 일측에 접하고, 상기 제2 전극이 상기 온도 감지층의 타측에 접할 수 있다.
또한 상기 돌출부가 상기 유전체층에 가까워질수록 단면적이 작아지는 형상일 수 있다.
본 발명에 따르면, 압력 및/또는 온도 자극에 대한 산출신호가 달라 각 자극을 구별할 수 있는 유연 다기능 센서를 제공할 수 있다.
또한 본 발명에 따르면, 본 발명의 유연 다기능 센서는 간단한 배선 공정이 가능하고, 압력 및/또는 온도 자극에 대하여 선형의 민감성을 가질 수 있다.
또한 본 발명에 따르면, 본 발명의 유연 다기능 센서는 전자피부로 활용하여 로봇, 헬스모니터링, 휴먼-머신 인터페이스 및 IoT 등의 다양한 분야에 적용할 수 있다.
도 1a는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 유연 다기능 센서의 구조를 나타낸 것이다.
도 1b는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 유연 다기능 센서의 압력 감지층의 영역을 개략적으로 나타낸 것이다.
도 1c는 본 발명의 실시예 1에 따른 유연 다기능 센서를 검지 손가락에 부착한 형태를 나타낸 이미지이다.
도 1d는 본 발명의 실시예 1에 따른 유연 다기능 센서의 환원된 산화 그래핀(RGO)을 포함하는 온도 감지층과 제1 전극 및 제2 전극을 포함하는 전극의 SEM 이미지이다.
도 1e는 본 발명의 실시예 1에 따른 유연 다기능 센서의 압력 감지층의 돌출부의 SEM 이미지이다.
도 1f는 본 발명의 실시예에 따른 유연 다기능 센서의 회로도를 나타낸 것이다.
도 2a는 본 발명의 실시예에 따른 유연 다기능 센서의 압력 감지 매커니즘을 나타낸 모식도이다.
도 2b는 본 발명의 실시예 1에 따른 유연 다기능 센서에 압력을 가하기 전과 후의 접촉 면적을 광학 현미경으로 관찰한 이미지이다.
도 2c는 실시예 1에 따라 제조된 유연 다기능 센서와 비교예 1에 따라 제조된 종래의 압력 감지 센서의 압력 민감도를 비교한 그래프이다.
도 2d는 실시예 1, 실시예 2 및 실시예 3에 따라 제조된 유연 다기능 센서의 압력 민감도를 비교한 그래프이다.
도 2e는 실시예 1 및 실시예 4 내지 6에 따라 제조된 유연 다기능 센서의 압력 민감도를 비교한 그래프이다.
도 2f는 본 발명의 실시예 1에 따른 유연 다기능 센서의 내구성 테스트 결과를 나타낸 그래프이다.
도 3a는 본 발명의 실시예 1에 따른 유연 다기능 센서의 온도에 따른 저항의 변화를 나타낸 그래프이다.
도 3b는 본 발명의 실시예 1에 따른 유연 다기능 센서의 실시간 온도 감지 테스트 결과를 나타낸 그래프이다.
도 3c는 본 발명의 실시예 1에 따른 유연 다기능 센서에 따뜻한 물을 떨어뜨렸을 때 저항의 변화를 나타낸 그래프이다.
도 4는 본 발명의 실시예 1에 따른 유연 다기능 센서에 압력 및 온도 자극을 동시에 주었을 때의 정전용량 및 저항의 변화를 나타낸 그래프이다.
도 5는 실시예 1, 실시예 5 및 실시예 6에 따라 제조된 유연 다기능 센서의 온도에 따른 압력 민감도의 변화를 나타낸 그래프이다.
도 6은 본 발명의 실시예 1에 따른 유연 다기능 센서의 반복적인 굽힘 후 압력 및 온도 자극에 대한 정전용량 및 저항의 변화를 나타낸 그래프이다.
도 7a는 실시예 7에 따라 제조된 유연 다기능 센서 어레이의 상판 제작 시 사용된 마스크의 CAD 도면이다.
도 7b는 실시예 7에 따라 제조된 유연 다기능 센서 어레이를 손등에 부착한 형태를 나타낸 이미지이다.
도 7c는 실시예 7에 따라 제조된 유연 다기능 센서 어레이의 압력 및 온도 감지 능력 측정 실험을 나타낸 이미지이다.
도 7d는 실시예 7에 따라 제조된 유연 다기능 센서 어레이의 압력 감지 실험 결과를 나타낸 것이다.
도 7e는 실시예 7에 따라 제조된 유연 다기능 센서 어레이의 온도 감지 실험 결과를 나타낸 것이다.
본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
또한, 이하에서 사용될 제1, 제2 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지는 않는다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다.
또한, 어떤 구성요소가 다른 구성요소 상에 "형성되어" 있다거나 "적층되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소의 표면 상의 전면 또는 일면에 직접 부착되어 형성되어 있거나 적층되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 더 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.
단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
도 1a는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 유연 다기능 센서의 구조를 나타낸 것이다.
이하, 도 1a을 참조하여 본 발명의 유연 다기능 센서에 대해 설명하도록 한다.
본 발명의 유연 다기능 센서는 제1 기판; 상기 제1 기판 상에 위치하는 압력 감지층; 상기 압력 감지층 상에 위치하고, 유전체를 포함하는 유전체층; 상기 유전체층 상에 위치하고, 환원된 산화 그래핀(reduced graphene oxide)을 포함하는 온도 감지층; 상기 온도 감지층 상에 위치하고, 제1 전극 및 제2 전극을 포함하는 전극; 및 상기 전극 상에 위치하는 제2 기판;을 포함할 수 있고, 상기 압력 감지층은 탄성체를 포함하는 탄성층과, 상기 탄성층의 상기 유전체 방향의 표면에 함침된 전도성 물질을 포함하는 전도층을 포함하고, 상기 탄성층은 상기 유전체 방향으로 돌출된 다수의 돌출부를 포함할 수 있다.
기판
본 발명의 유연 다기능 센서는 제1 기판 및 제2 기판을 포함할 수 있다.
상기 제1 기판 및 제2 기판은 각각 독립적으로 폴리파라자일릴렌(poly(p-xylylene), parylene), 폴리디메틸실록산(polydimethylsiloxane, PDMS), 폴리스티렌(Polystyrene, PS), 폴리메틸메타크릴레이트(poly(methyl methacrylate, PMMA), 폴리비닐피롤리돈(poly(vinyl pyrrolidone), PVP), 폴리이미드(polyimide, PI), 폴리아미드(polyamide), 폴리우레아, 폴리우레탄, 폴리에틸렌테레프탈레이트, 폴리부틸렌테레프탈레이트, 폴리에틸렌나프탈레이트, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리에테르술폰(polyethersulphone), 폴리아크릴레이트(polyacrylate), 폴리에테르 이미드(polyetherimide), 폴리페닐렌 설파이드(polyphenylene sulfide), 폴리아릴레이트(polyallylate), 폴리카보네이트(polycarbonate), 셀룰로오스 트리 아세테이트(cellulose triacetate), 셀룰로오스 아세테이트 프로피오네이트(celluloseacetate propinoate), SiO2, Al2O3, HfO2, ZrO2, Y2O3 및 Ta2O5 중에서 선택된 1종 이상일 수 있으며, 바람직하게는 폴리파라자일릴렌일 수 있으며, 더욱 바람직하게는 파릴렌 C(Parylene C)일 수 있다.
압력감지층
본 발명의 압력 감지층은 제1 기판상에 위치할 수 있고, 상기 압력 감지층은 탄성체를 포함하는 탄성층과, 상기 탄성층의 상기 유전체 방향의 표면에 함침된 전도성 물질을 포함하는 전도층을 포함하고, 상기 탄성층은 상기 유전체 방향으로 돌출된 다수의 돌출부를 포함할 수 있다.
상기 탄성체는 폴리디메틸실록산(PDMS), 에코플렉스(ecoflex), 실리콘 러버(silicone rubber), 플루오로 실리콘 러버(fluoro silicone rubber), 비닐메틸실리콘 러버(vinyl methyl silicone rubber), 스티렌-부타디엔-스티렌 (styrene-butadiene-styrene, SBS) 블록공중합체, 스티렌-에틸렌-부틸렌-스티렌 (styrene-ethylene-butylene-styrene, SEBS) 블록 공중합체, 스티렌-이소프렌-스티렌(SIS) 블록 공중합체, 스티렌-부타디엔 러버(styrene-butadiene rubber, SBR), 부타디엔 러버(butadiene rubber, BR), 이소부틸렌-이소프렌 러버(isobutylene isoprene rubber, IIR), 에틸렌 프로필렌 러버(ethylene propylene rubber, EPR), 에틸렌-프로필렌-디엔 러버(ethylene propylene diene monomer rubber, EPDM), 이소프렌 러버(isoprene rubber, IR), 이소부틸렌 러버(isobutylene rubber, IR), 아크릴 러버(acryl rubber), 아크릴로니트릴-부타디엔 러버(acrylonitrile butadiene rubber, ABR), 폴리우레탄, 폴리에테르우레탄 러버(polyether urethane), 폴리에스터우레탄 (polyester urethane), 에피클로로히드린 러버(epichlorohydrin rubber) 및 폴리클로로프렌(polychloroprene rubber) 중에서 선택된 1종 이상일 수 있으며, 바람직하게는 폴리디메틸실록산일 수 있다.
상기 전도성 물질은 단일벽 탄소나노튜브(SWNT), 이중벽 탄소나노튜브, 다중벽 탄소나노튜브, 그래핀, poly(3,4-ethylenedioxythiophene) polystyrene sulfonate(PEDOT:PSS), 은 나노 와이어, 은 마이크로 와이어, 은 나노 입자, 은 마이크로 입자, 금 나노 와이어, 금 마이크로 와이어, 금 나노 입자, 금 마이크로 입자, 구리 나노 와이어, 구리 마이크로 와이어, 구리 나노 입자, 구리 마이크로 입자, 니켈 나노 와이어, 니켈 마이크로 와이어, 니켈 나노 입자, 니켈 마이크로 입자, 철 나노 와이어, 철 마이크로 와이어, 철 나노 입자, 철 마이크로 입자, 알루미늄 나노 와이어, 알루미늄 마이크로 와이어, 알루미늄 나노 입자, 알루미늄 마이크로 입자 및 카본블랙 파우더 중에서 선택된 1종 이상일 수 있으며, 바람직하게는 단일벽 탄소나노튜브일 수 있다.
상기 돌출부는 하기 유전체층에 가까워질수록 단면적이 작아지는 형상일 수 있다.
또한 상기 돌출부는 원뿔, 타원뿔, 다각뿔, 원뿔대, 타원뿔대, 다각뿔대, 반구, 계층적(Hierarchical) 원뿔, 계층적 타원뿔, 계층적 다각뿔, 계층적 원뿔대, 계층적 타원뿔대, 계층적 다각뿔대, 계층적 반구, 끝 잘린(Truncated) 원뿔, 끝 잘린 타원뿔, 끝 잘린 다각뿔, 끝 잘린 원뿔대, 끝 잘린 타원뿔대, 끝 잘린 다각뿔대, 끝 잘린 반구, 또는 이들의 조합의 형상을 가질 수 있다.
도 2a는 본 발명의 유연 다기능 센서의 압력 감지 매커니즘을 나타낸 모식도이다. 도 2a를 참고하면 압력이 상기 압력 감지층에 수직방향으로 작용함에 의해 상기 돌출부가 변형되어 상기 돌출부의 전도층과 상기 유전체층의 접촉면적이 증가할 수 있다.
또한 상기 유연 다기능 센서는 압력 변화 시 상기 돌출부의 전도층이 상기 유전체층과 접촉하는 면적이 변화함에 의해 정전용량이 변화할 수 있다.
또한 압력이 상기 전극에 수직방향으로 작용함에 의해 상기 돌출부가 변형되어 상기 돌출부의 전도층에 주름이 형성될 수 있다.
유전체층
본 발명의 유연 다기능 센서는 유전체층을 포함할 수 있고, 상기 유전체층은 상기 압력 감지층 상에 위치할 수 있다.
상기 유전체는 Al2O3, SiO2, HfO2, ZrO2, Y2O3 및 Ta2O5, 폴리파라자일릴렌(poly(p-xylylene), parylene), 폴리디메틸실록산(polydimethylsiloxane, PDMS), 시톱(Cytop), 폴리스티렌(Polystyrene, PS), 폴리메틸메타크릴레이트(poly(methyl methacrylate, PMMA), 폴리비닐피롤리돈(poly(vinyl pyrrolidone), PVP), 폴리이미드(polyimide, PI), 폴리아미드(polyamide), 폴리우레아, 폴리우레탄, 폴리에틸렌테레프탈레이트, 폴리부틸렌테레프탈레이트, 폴리에틸렌나프탈레이트, 폴리에틸렌 및 폴리프로필렌 중에서 선택된 1종 이상일 수 있으며, 바람직하게는 Al2O3일 수 있다.
상기 유전체층의 두께는 1 내지 500nm일 수 있으며, 바람직하게는 10 내지 200nm일 수 있다. 상기 유전체층의 두께가 1nm 미만의 경우 터널링으로 인한 유전 효과 소실로 바람직하지 않고, 500nm를 초과하는 경우 상기 유연 다기능 센서의 자극 감지 민감도가 급감하기 때문에 바람직하지 않다.
온도 감지층
본 발명의 다기능 유연 센서는 온도 감지층을 포함할 수 있고, 상기 온도 감지층은 상기 유전체층 상에 위치할 수 있다.
또한 상기 유전체층은 환원된 산화 그래핀(reduced graphene oxide)을 포함할 수 있다.
전극
본 발명의 유연 다기능 센서는 전극을 포함할 수 있고, 상기 전극은 상기 온도 감지층 상에 위치하고, 제1 전극 및 제2 전극을 포함할 수 있다.
상기 제1 전극은 상기 온도 감지층의 일측에 접하고, 상기 제2 전극은 상기 온도 감지층의 타측에 접할 수 있다.
상기 제1 전극 및 제2 전극은 각각 독립적으로 Au, Al, Ag, Be, Bi, Co, Cu, Cr, Cd, Fe, Ga, Hf, In, Ir, Mn, Mo, Mg, Ni, Nb, Pb, Pd, Pt, Rh, Re, Ru, Sb, Sn, Ta, Te, Ti, V, W, Zr, Zn, poly(3,4-ethylenedioxythiophene) polystyrene sulfonate(PEDOT:PSS), 단일벽 탄소 나노튜브(SWNT), 이중벽 탄소나노튜브(SWNT), 다중벽 탄소 나노튜브(MWNT), 그래핀(Graphene), 은 나노와이어(Ag NW), 금 나노와이어(Au NW) 및 니켈 나노와이어(Ni NW)로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상일 수 있다.
상기 제1 전극 및 제2 전극은 각각 독립적으로 니켈층 및 티타늄층이 순서대로 적층된 니켈층/티타늄층일 수 있고, 상기 티타늄층이 제2 기판과 접할 수 있다.
압력 감지층, 전극 및 온도 감지층의 공간 위치
도 1b는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 유연 다기능 센서의 압력 감지층의 영역을 개략적으로 나타낸 것이다. 도 1b를 참고하면, 본 발명의 유연 다기능 센서의 상기 압력 감지층은 수평 방향으로 구획되는 제1 영역(A1), 제2 영역(A2), 및 상기 제1 영역과 제2 영역 사이에 제3 영역(A3)을 포함할 수 있다.
여기서 상기 제1 영역 및 제2 영역은 각각 상기 돌출부를 포함하고, 상기 제3 영역은 상기 돌출부를 포함하지 않을 수 있다. 상기 제1 영역 상에 상기 제1 전극이 위치하고, 상기 제2 영역 상에 제2 전극이 위치하고, 상기 제3 영역 상에 상기 온도 감지층이 위치할 수 있다.
위와 같이 압력 감지층, 전극 및 온도 감지층이 각각 공간에 배치됨에 따라 압력 감지층과 온도 감지층은 서로 영향을 받지 않고 독립적으로 작용할 수 있다. 또한, 바람직하게는 본 발명의 유연 다기능 센서가 상기 공간 배치 외에 온도 의존율이 낮은 유전상수를 갖는 상기 유전체층을 사용함으로써 압력과 온도를 구분해서 서로 영향을 받지 않고 더욱 독립적으로 감지할 수 있다.
도 1f는 본 발명의 유연 다기능 센서의 회로도를 나타낸 것이다. 도 1f를 참고하면, 상기 유연 다기능 센서의 등가 회로도는 RC 병렬 모델로 정의할 수 있다.
또한 본 발명은 상기 유연 다기능 센서를 다수개 포함하는 유연 다기능 센서 어레이를 제공한다.
이하, 본 발명의 유연 다기능 센서의 제조방법에 대해 설명하도록 한다. 상기 유연 다기능 센서에 기재한 중복되는 내용은 생략한다.
단계 (a): 먼저, 하판을 제조한다
단계 (a)는 두 단계로 나누어 수행될 수 있다.
먼저, 제1 기판을 제공한다(단계 a-1). 다음으로, 상기 제1 기판 상에 압력 감지층을 형성하여 제1 기판/압력 감지층을 포함하는 하판을 제조한다(단계 a-2).
단계 (a-2)는 구체적으로 세 단계로 나누어 수행될 수 있다.
먼저, 몰드에 상기 전도성 물질을 코팅한다(단계 a-2-1). 다음으로, 상기 전도성 물질이 코팅된 상기 몰드에 상기 탄성체를 주입하여 상기 탄성체를 포함하는 상기 탄성층과, 상기 탄성층의 상기 유전체 방향의 표면에 함침된 전도성 물질을 포함하는 전도층을 포함하는 상기 압력 감지층을 제조한다(단계 a-2-2). 마지막으로, 상기 압력 감지층의 탄성층이 상기 제1 기판과 접하도록 상기 압력 감지층을 상기 제1 기판에 전사하여 제1 기판/압력 감지층을 포함하는 하판을 제조한다(단계 a-2-3).
단계 (b): 다음으로, 상판을 제조한다
단계 (b)는 네 단계로 나누어 수행될 수 있다.
먼저, 제2 기판을 제공한다(단계 b-1). 다음으로, 상기 제2 기판 상에 제1 전극 및 제2 전극을 포함하는 전극을 형성한다(단계 b-2). 다음으로, 상기 전극 상에 환원된 산화 그래핀을 포함하는 온도 감지층을 형성한다(단계 b-3). 마지막으로, 상기 온도 감지층 상에 유전체를 포함하는 유전체층을 형성하여 제2 기판/전극/온도 감지층/유전체층을 포함하는 상판을 제조한다(단계 b-4).
단계 (c): 다음으로, 상기 하판과 상판을 결합한다
단계 (c)는 상기 하판의 압력 감지층과 상기 상판의 유전체층이 접하도록 상기 하판과 상판을 결합하는 단계 (c-1)를 포함할 수 있다.
상기 압력 감지층은 수평 방향으로 구획되는 제1 영역, 제2 영역, 및 상기 제1 영역과 제2 영역 사이에 제3 영역을 포함하고, 상기 제1 영역 및 제2 영역은 각각 상기 돌출부를 포함하고, 상기 제3 영역은 상기 돌출부를 포함하지 않고, 상기 제1 영역 상에 상기 제1 전극이 위치하고, 상기 제2 영역 상에 제2 전극이 위치하고, 상기 제3 영역 상에 상기 온도 감지층이 위치하고, 상기 제1 전극은 상기 온도 감지층의 일측에 접하고, 상기 제2 전극은 상기 온도 감지층의 타측에 접할 수 있다.
상기 돌출부는 상기 유전체층에 가까워질수록 단면적이 작아지는 형상일 수 있다.
이하, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 바람직한 실시예를 제시한다. 그러나 하기의 실시예는 본 발명을 더욱 쉽게 이해하기 위하여 제공되는 것일 뿐, 실시예에 의하여 본 발명의 내용이 한정되는 것은 아니다.
[실시예]
실시예 1: 유연 다기능 센서
하판 제작
유리를 CYTOP(AGC Chemical)으로 스핀 코팅한 후, 실온에서 Parylene 코팅기(OBTPC 500, Obang Technology)를 사용하여 3㎛ 두께의 Parylene C(diX-C, KISCO LTD)를 화학 기상 증착(CVD)으로 증착하였다. 증착된 Parylene C를 O2 플라즈마로 처리하여 Parylene C 코팅 유리를 제조하였다.
끝 잘린(Truncated) 피라미드형 캐비티(cavity)들 간에 90㎛의 이격거리를 갖는 Si 몰드를 Octadecyltrichlorosilane(Gelest)을 이용해 소수성 표면 개질한 후, 자동화된 스프레이 코팅기(ReVo-S, Korea)를 사용하여 단일벽 나노튜브(SWNT) 분산 용액 (Tuball, OCSiAl, 탈이온수(DIW) 중 0.3g/L SWNT 및 0.3wt% sodium dodecylbenzenesulfonate(SDBS))을 분무 코팅하였다. 분무 코팅하는 동안 상기 Si 몰드의 온도는 100℃, 상기 용액의 공급 속도는 0.4ml/min, 분무를 위한 공기 압력은 0.3MPa였다. 스프레이 노즐과 상기 Si 몰드 사이의 거리는 10cm로 고정되었다. 코팅 후, 상기 SDBS를 제거하기 위해 가열된 DIW에 60℃에서 1시간 동안 담그고, 50℃의 진공 오븐에서 1시간 동안 건조시켜 SWNT가 코팅된 몰드구조체를 제조하였다.
상기 SWNT가 코팅된 몰드에 폴리디메틸실록산(PDMS) 혼합물(Sylgard 184, 혼합비 10:1)을 스핀 코팅한 다음, 40kPa에서 상기 Parylene C 코팅 유리로 30분 간 압축하였다. 진공 데시 케이터에서 30분 간 탈기(degassing)시킨 후 60℃에서 12시간 동안 열경화시켰다. SWNT/PDMS/Parylene C 코팅 유리 어레이를 상기 Si 몰드로부터 분리시킨 다음, 하기 유전체층과 결합을 위해 O2 플라즈마로 처리하였다. 메스를 사용하여 유리의 가장자리를 긁어내 하판(SWNT/PDMS/Parylene C)을 제작하였다.
상판 제작
유리 상에 위치한 전극 패턴화(Ni 100nm/Ti 5nm)된 Parylene C에 산화 그래핀(GO) 용액(DIW 중 0.1wt%)을 분무 코팅하여 유리/Parylene C/전극/GO 어레이를 제조하였다. GO 코팅의 조건은 상기 SWNT 코팅의 경우와 동일하다.
상기 GO를 환원시키기 위해, 상기 어레이를 0.2ml hydrazine monohydrate(Sigma Aldrich)와 함께 밀봉된 유리 용기(400ml)에 넣고 5시간 동안 80℃ 에서 가열하였다. 상기 어레이를 DIW에서 헹군 다음 진공 오븐에서 50℃에서 1시간 동안 건조시켜 환원된 산화 그래핀(RGO) 막을 형성하였다. 상기 환원된 산화 그래핀 막을 포토리소그래피와 O2 플라즈마로 패터닝하여 RGO 서미스터(thermistor)를 제조하였다.
상기 환원된 산화 그래핀 막 상에 Al2O3를 저온(100℃) 원자층 증착(ALD)을 통해 증착하여 상판(유리/Parylene C/전극/RGO/Al2O3)을 제작하였다.
하판과 상판의 결합
상기 상판을 O2 플라즈마 처리한 다음 (3-아미노프로필)트리에톡시실란(APTES, Sigma Aldrich)으로 스핀 코팅하였다. 한번 더 O2 플라즈마(250W, 100sccm, 20s) 처리하여 상기 Al2O3의 표면에 Si-OH기를 도입하였다. 아세토니트릴(acetonitrile)을 용매로 사용하여 상기 하판의 SWNT 쪽 표면의 Si-OH와 상기 상판의 Al2O3층 표면의 Si-OH 사이의 화학결합을 통해 상기 하판과 상판을 결합시켰다. 광학 현미경으로 정렬한 후 대기에서 1시간 동안 건조시키고 진공 오븐에서 50℃로 3시간 동안 건조시킨 다음, 메스를 사용하여 상기 상판의 유리의 가장자리를 긁어내 유연 다기능 센서를 제조하였다.
실시예 2: 유연 다기능 센서
끝 잘린(Truncated) 피라미드형 캐비티(cavity)들 간에 이격거리를 90㎛로 하는 대신에 30㎛로 한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 유연 다기능 센서를 제조하였다.
실시예 3: 유연 다기능 센서
끝 잘린(Truncated) 피라미드형 캐비티(cavity)들 간에 이격거리를 90㎛로 하는 대신에 60㎛로 한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 유연 다기능 센서를 제조하였다.
실시예 4: 유연 다기능 센서
유전체층의 두께를 50nm로 하는 대신에 100nm로 한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 유연 다기능 센서를 제조하였다.
실시예 5: 유연 다기능 센서
유전체층을 Al2O3를 사용하여 형성하는 대신에 SiO2를 사용하여 형성한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 유연 다기능 센서를 제조하였다.
실시예 6: 유연 다기능 센서
유전체층을 Al2O3를 사용하여 형성하는 대신에 Parylene C를 사용하여 형성한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 유연 다기능 센서를 제조하였다.
실시예 7: 실시예 1의 유연 다기능 센서를 다수개 포함하는 유연 다기능 센서 어레이
하판 제작
실시예 1의 하판 제작의 Si 몰드를 사용하는 대신에 상기 Si 몰드를 5cm×5cm 크기로 제작하여 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 하판을 제작하였다.
상판 제작
실시예 1의 상판 제작의 전극 패턴화(Ni 100nm/Ti 5nm)된 Parylene C를 사용하는 대신에 어레이 형태의 Ni/Ti(100nm/5nm) 전극, 와이어 및 측정용 페드가 증착된 Parylene C를 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 상판을 제작하였다. 도 7a는 상기 증착 시 사용된 마스크의 CAD 도면이다.
하판과 상판의 결합
실시예 1과 동일한 방법으로 유연 다기능 센서 어레이를 제조하였다.
비교예 1: 종래의 압력 감지 센서
끝 잘린(Truncated) 피라미드형 캐비티(cavity)들 간에 90㎛의 이격거리를 갖는 Si 몰드를 Octadecyltrichlorosilane(Gelest)을 이용해 소수성 표면 개질한 후, 몰드에 폴리디메틸실록산(PDMS) 혼합물(Sylgard 184, 혼합비 10:1)을 스핀 코팅한 다음, 40kPa에서 Al 전극 증착된 유리로 30분 간 압축하였다. 진공 데시 케이터에서 30분 간 탈기(degassing)시킨 후 60℃에서 12시간 동안 열경화시켰다. PDMS/Al/유리 를 상기 Si 몰드로부터 분리시킨 다음, Al 증착된 다른 유리기판을 구조체 위에 위치시켜 종래의 압력 감지 센서를 제조하였다.
유전체층
종류		 유전체층 증착 방법 유전체층의 두께
(nm)		 이격거리
(㎛)
실시예 1 Al2O3 원자층 증착 (ALD) 50 90
실시예 2 Al2O3 원자층 증착 (ALD) 50 30
실시예 3 Al2O3 원자층 증착 (ALD) 50 60
실시예 4 Al2O3 원자층 증착 (ALD) 100 90
실시예 5 SiO2 플라즈마 강화 화학 기상 증착 (PECVD) 100 90
실시예 6 Parylene C 화학 기상 증착(CVD) 100 90
[시험예]
시험예 1: SEM 및 광학현미경 이미지 분석
도 1d는 본 발명의 실시예 1에 따른 유연 다기능 센서의 환원된 산화 그래핀(RGO)을 포함하는 온도 감지층과 제1 전극 및 제2 전극을 포함하는 전극의 SEM 이미지이다. 도 1d를 참조하면, 상기 제1 전극은 상기 온도 감지층의 일측에 접하고, 상기 제2 전극은 상기 온도 감지층의 타측에 접하는 것을 확인할 수 있었다.
도 1e는 본 발명의 실시예 1에 따른 유연 다기능 센서의 압력 감지층의 돌출부의 SEM 이미지이다. 도 1e를 참조하면, 상기 돌출부는 상기 유전체층에 가까워질수록 단면적이 작아지는 형상인 것을 확인할 수 있었다.
도 2b는 본 발명의 실시예 1에 따른 유연 다기능 센서에 압력을 가하기 전과 후의 접촉 면적을 광학 현미경으로 관찰한 이미지이다. 도 2b를 참조하면, 압력이 압력 감지층에 수직방향으로 작용함에 의해 돌출부가 변형되어 상기 돌출부의 전도층과 유전체층의 접촉면적이 증가하는 것을 확인할 수 있었다.
시험예 2: 압력 민감도 분석
도 2c는 실시예 1에 따라 제조된 유연 다기능 센서와 비교예 1에 따라 제조된 종래의 압력 감지 센서의 압력 민감도를 비교한 그래프이다. 도 2c을 참조하면, 본 발명의 유연 다기능 센서의 압력 민감도가 0.7kPa-1이고, 종래의 압력 감지 매커니즘을 사용한 센서의 압력 민감도가 0.2kPa-1 이하로 본 발명의 유연 다기능 센서의 압력 민감도가 훨씬 더 높은 것을 확인할 수 있었다.
도 2d는 실시예 1, 실시예 2 및 실시예 3에 따라 제조된 유연 다기능 센서의 압력 민감도를 비교한 그래프이다. 도 2d를 참조하면, 돌출부 간의 거리가 30㎛에서 90㎛로 증가됨에 따라, 즉, 공간 밀도가 감소할수록 압력 민감도는 0.32kPa-1에서 0.7kPa-1로 증가하는 것을 확인할 수 있었다.
도 2e는 실시예 1 및 실시예 4 내지 6에 따라 제조된 유연 다기능 센서의 압력 민감도를 비교한 그래프이다. 도 2e를 참조하면, 유전상수(εr)가 서로 다른 Al2O3 (εr =7), SiO2 (εr =3.9) 및 Parylene C (εr =3.1)을 유전체로 사용하여 유전상수가 압력 민감도에 미치는 영향을 조사한 결과, 유전상수가 증가할수록 압력 민감도가 증가하는 것을 확인할 수 있었다.
또한 유전체로 Al2O3를 사용하고, 두께를 50㎚와 100㎚로 서로 다르게 하여 두께가 압력 민감도에 미치는 영향을 조사한 결과, 두께가 얇을수록 압력 민감도가 높은 것을 확인할 수 있었다.
시험예 3: 내구성 분석
도 2f는 본 발명의 실시예 1에 따른 유연 다기능 센서의 내구성 테스트 결과를 나타낸 그래프이다. 도 2f를 참조하면, 14kPa의 압력으로 10,000회의 누름 반복 평가를 한 결과, 평가 초반과 후반의 신호값의 변화가 없다는 것을 확인할 수 있었다.
시험예 4: 온도 민감도 분석
도 3a는 본 발명의 실시예 1에 따른 유연 다기능 센서의 온도에 따른 저항의 변화를 나타낸 그래프이다. 도 3a에 따르면, 온도에 따른 저항 변화를 측정한 값이 선형-맞춤(linear-fitted) 라인으로부터 0.99의 R2 값을 가지므로 선형의 온도 민감도를 가지는 것을 확인할 수 있었다.
도 3b는 본 발명의 실시예 1에 따른 유연 다기능 센서의 실시간 온도 감지 테스트 결과를 나타낸 그래프이다. 도 3b를 참조하면, 본 발명의 유연 다기능 센서는 0.1℃의 온도 변화에도 반응하는 것을 확인할 수 있었다.
도 3c는 본 발명의 실시예 1에 따른 유연 다기능 센서에 따뜻한 물을 떨어뜨렸을 때 저항의 변화를 나타낸 그래프이다. 도 3c를 참조하면, 온도 반응 시간을 측정하기 위해 22℃의 센서에 25℃의 물을 떨어뜨렸다. 저항값(RTemp)은 따뜻한 물방울이 유연 다기능 센서와 접촉한 직후 급격히 감소했다가 시간이 지나 물방울이 냉각됨에 따라 다시 증가했고, 결국 열 평형 상태에서 초기 저항값으로 돌아간 것을 확인할 수 있었다. 또한 본 발명의 유연 다기능 센서가 100ms 이내에 즉시 반응하는 것을 확인할 수 있었다.
시험예 5: 압력 및 온도 구별 능력 분석
도 4는 본 발명의 유연 다기능 센서에 압력 및 온도 자극을 동시에 주었을 때의 정전용량 및 저항의 변화를 나타낸 그래프이다. 도 4를 참조하면, 압력이 증가함에 따라 유연 다기능 센서의 정전용량은 온도에 관계없이 선형적으로 증가하는 것을 확인할 수 있었다. 또한, 저항은 압력 변화에 관계없이 온도 변화에 의해서만 변하는 것을 확인할 수 있었다.
시험예 6: 온도에 따른 압력 민감도 분석
도 5는 실시예 1, 실시예 5 및 실시예 6에 따라 제조된 유연 다기능 센서의 온도에 따른 압력 민감도의 변화를 나타낸 그래프이다. 도 5를 참조하면, 무기물인 Al2O3 및 SiO2를 유전체로 사용했을 때, 압력 민감도(SPress)의 상대적인 변화는 70℃에서 3.6%에 불과했다. 이와 대조적으로, 유기물인 Parylene C의 경우, 압력 민감도는 70℃에서 17%에 도달했으며, 이를 통해 Parylene C 같은 유기물을 유전체로 사용할 때 압력 민감도는 온도에 대한 의존성이 높다는 것을 확인할 수 있었다.
시험예 7: 반복적인 굽힘(bending) 후 내구성 분석
도 6은 본 발명의 실시예 1에 따른 유연 다기능 센서의 반복적인 굽힘 후 압력 및 온도 자극에 대한 정전용량 및 저항의 변화를 나타낸 그래프이다. 도 6을 참조하면, 1,000번의 반복적인 굽힘 후에도 유연 다기능 센서의 감지 능력이 거의 변하지 않는 것을 확인할 수 있었다.
시험예 8: 유연 다기능 센서 어레이의 자극 감지 능력 분석
도 7b는 실시예 7에 따라 제조된 유연 다기능 센서 어레이를 손등에 부착한 형태를 나타낸 이미지이고, 도 7c는 상기 유연 다기능 센서 어레이의 압력 및 온도 감지 능력 측정 실험을 나타낸 이미지이다.
도 7b 및 도 7c에 따르면, 4×4 픽셀을 갖는 어레이 위에 무게와 온도가 다른 두 개의 유리병을 놓고 압력과 온도 자극 감지 능력을 측정하였다.
도 7d 및 도 7e는 각각 상기 유연 다기능 센서 어레이의 압력 감지 실험 결과 및 온도 감지 실험 결과를 나타낸 것이다. 도 7d 및 도 7e를 참조하면, 상기 어레이에 가해지는 압력과 온도가 완전히 감지되고 구별되는 것을 확인할 수 있었다.
본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

Claims (19)

  1. 제1 기판;
    상기 제1 기판 상에 위치하는 압력 감지층;
    상기 압력 감지층 상에 위치하고, 유전체를 포함하는 유전체층;
    상기 유전체층 상에 위치하고, 환원된 산화 그래핀(reduced graphene oxide)을 포함하는 온도 감지층;
    상기 온도 감지층 상에 위치하고, 제1 전극 및 제2 전극을 포함하는 전극; 및
    상기 전극 상에 위치하는 제2 기판;을 포함하고,
    상기 압력 감지층은 탄성체를 포함하는 탄성층과, 상기 탄성층의 상기 유전체 방향의 표면에 함침된 전도성 물질을 포함하는 전도층을 포함하고,
    상기 탄성층은 상기 유전체 방향으로 돌출된 다수의 돌출부를 포함하는 것인 유연 다기능 센서.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 압력 감지층이 수평 방향으로 구획되는 제1 영역, 제2 영역, 및 상기 제1 영역과 제2 영역 사이에 제3 영역을 포함하고,
    상기 제1 영역 및 제2 영역이 각각 상기 돌출부를 포함하고, 상기 제3 영역이 상기 돌출부를 포함하지 않고,
    상기 제1 영역 상에 상기 제1 전극이 위치하고, 상기 제2 영역 상에 제2 전극이 위치하고,
    상기 제3 영역 상에 상기 온도 감지층이 위치하고,
    상기 제1 전극이 상기 온도 감지층의 일측에 접하고, 상기 제2 전극이 상기 온도 감지층의 타측에 접하는 것을 특징으로 하는 유연 다기능 센서.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 돌출부가 상기 유전체층에 가까워질수록 단면적이 작아지는 형상인 것을 특징으로 하는 유연 다기능 센서.
  4. 제1항에 있어서,
    압력이 상기 압력 감지층에 수직방향으로 작용함에 의해 상기 돌출부가 변형되어 상기 돌출부의 전도층과 유전체층의 접촉면적이 증가하는 것을 특징으로 하는 유연 다기능 센서.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 돌출부가 원뿔, 타원뿔, 다각뿔, 원뿔대, 타원뿔대, 다각뿔대, 반구, 계층적(Hierarchical) 원뿔, 계층적 타원뿔, 계층적 다각뿔, 계층적 원뿔대, 계층적 타원뿔대, 계층적 다각뿔대, 계층적 반구, 끝 잘린(Truncated) 원뿔, 끝 잘린 타원뿔, 끝 잘린 다각뿔, 끝 잘린 원뿔대, 끝 잘린 타원뿔대, 끝 잘린 다각뿔대, 끝 잘린 반구, 또는 이들의 조합의 형상을 갖는 것을 특징으로 하는 유연 다기능 센서.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 유연 다기능 센서는 압력 변화 시 상기 돌출부의 전도층이 상기 유전체층과 접촉하는 면적이 변화함에 의해 정전용량이 변화하는 것을 특징으로 하는 유연 다기능 센서.
  7. 제1항에 있어서,
    압력이 상기 전극에 수직방향으로 작용함에 의해 상기 돌출부가 변형되어 상기 돌출부의 전도층에 주름이 형성되는 것을 특징으로 하는 유연 다기능 센서.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 제1 기판 및 제2 기판이 각각 독립적으로 폴리파라자일릴렌(poly(p-xylylene), parylene), 폴리디메틸실록산(polydimethylsiloxane, PDMS), 폴리스티렌(Polystyrene, PS), 폴리메틸메타크릴레이트(poly(methyl methacrylate, PMMA), 폴리비닐피롤리돈(poly(vinyl pyrrolidone), PVP), 폴리이미드(polyimide, PI), 폴리아미드(polyamide), 폴리우레아, 폴리우레탄, 폴리에틸렌테레프탈레이트, 폴리부틸렌테레프탈레이트, 폴리에틸렌나프탈레이트, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리에테르술폰(polyethersulphone), 폴리아크릴레이트(polyacrylate), 폴리에테르 이미드(polyetherimide), 폴리페닐렌 설파이드(polyphenylene sulfide), 폴리아릴레이트(polyallylate), 폴리카보네이트(polycarbonate), 셀룰로오스 트리 아세테이트(cellulose triacetate), 셀룰로오스 아세테이트 프로피오네이트(celluloseacetate propinoate), SiO2, Al2O3, HfO2, ZrO2, Y2O3 및 Ta2O5 중에서 선택된 1종 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 유연 다기능 센서.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 탄성체는 폴리디메틸실록산(PDMS), 에코플렉스(ecoflex), 실리콘 러버(silicone rubber), 플루오로 실리콘 러버(fluoro silicone rubber), 비닐메틸실리콘 러버(vinyl methyl silicone rubber), 스티렌-부타디엔-스티렌 (styrene-butadiene-styrene, SBS) 블록공중합체, 스티렌-에틸렌-부틸렌-스티렌 (styrene-ethylene-butylene-styrene, SEBS) 블록 공중합체, 스티렌-이소프렌-스티렌(SIS) 블록 공중합체, 스티렌-부타디엔 러버(styrene-butadiene rubber, SBR), 부타디엔 러버(butadiene rubber, BR), 이소부틸렌-이소프렌 러버(isobutylene isoprene rubber, IIR), 에틸렌 프로필렌 러버(ethylene propylene rubber, EPR), 에틸렌-프로필렌-디엔 러버(ethylene propylene diene monomer rubber, EPDM), 이소프렌 러버(isoprene rubber, IR), 이소부틸렌 러버(isobutylene rubber, IR), 아크릴 러버(acryl rubber), 아크릴로니트릴-부타디엔 러버(acrylonitrile butadiene rubber, ABR), 폴리우레탄, 폴리에테르우레탄 러버(polyether urethane), 폴리에스터우레탄 (polyester urethane), 에피클로로히드린 러버(epichlorohydrin rubber) 및 폴리클로로프렌(polychloroprene rubber) 중에서 선택된 1종 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 유연 다기능 센서.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 전도성 물질은 단일벽 탄소나노튜브(SWNT), 이중벽 탄소나노튜브, 다중벽 탄소나노튜브, 그래핀, 폴리(3,4-에틸렌디옥시티오펜) 폴리스티렌술포네이트(poly(3,4-ethylenedioxythiophene) polystyrene sulfonate(PEDOT:PSS)), 은 나노 와이어, 은 마이크로 와이어, 은 나노 입자, 은 마이크로 입자, 금 나노 와이어, 금 마이크로 와이어, 금 나노 입자, 금 마이크로 입자, 구리 나노 와이어, 구리 마이크로 와이어, 구리 나노 입자, 구리 마이크로 입자, 니켈 나노 와이어, 니켈 마이크로 와이어, 니켈 나노 입자, 니켈 마이크로 입자, 철 나노 와이어, 철 마이크로 와이어, 철 나노 입자, 철 마이크로 입자, 알루미늄 나노 와이어, 알루미늄 마이크로 와이어, 알루미늄 나노 입자, 알루미늄 마이크로 입자 및 카본블랙 파우더 중에서 선택된 1종 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 유연 다기능 센서.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 유전체는 Al2O3, SiO2, HfO2, ZrO2, Y2O3 및 Ta2O5, 폴리파라자일릴렌(poly(p-xylylene), parylene), 폴리디메틸실록산(polydimethylsiloxane, PDMS), 시톱(Cytop), 폴리스티렌(Polystyrene, PS), 폴리메틸메타크릴레이트(poly(methyl methacrylate, PMMA), 폴리비닐피롤리돈(poly(vinyl pyrrolidone), PVP), 폴리이미드(polyimide, PI), 폴리아미드(polyamide), 폴리우레아, 폴리우레탄, 폴리에틸렌테레프탈레이트, 폴리부틸렌테레프탈레이트, 폴리에틸렌나프탈레이트, 폴리에틸렌 및 폴리프로필렌 중에서 선택된 1종 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 유연 다기능 센서.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 유전체층의 두께가 1 내지 500nm인 것을 특징으로 하는 유연 다기능 센서.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 제1 전극 및 제2 전극이 각각 독립적으로 Au, Al, Ag, Be, Bi, Co, Cu, Cr, Cd, Fe, Ga, Hf, In, Ir, Mn, Mo, Mg, Ni, Nb, Pb, Pd, Pt, Rh, Re, Ru, Sb, Sn, Ta, Te, Ti, V, W, Zr, Zn, poly(3,4-ethylenedioxythiophene) polystyrene sulfonate(PEDOT:PSS), 단일벽 탄소 나노튜브(SWNT), 이중벽 탄소나노튜브(SWNT), 다중벽 탄소 나노튜브(MWNT), 그래핀(Graphene), 은 나노와이어(Ag NW), 금 나노와이어(Au NW) 및 니켈 나노와이어(Ni NW)로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 유연 다기능 센서.
  14. 제1항에 있어서,
    상기 제1 전극 및 제2 전극은 각각 독립적으로 니켈층 및 티타늄층이 순서대로 적층된 니켈층/티타늄층이고, 상기 티타늄층이 제2 기판과 접하는 것을 특징으로 하는 유연 다기능 센서.
  15. 제1항에 따른 유연 다기능 센서를 다수개 포함하는 유연 다기능 센서 어레이.
  16. (a) 하판을 제조하는 단계, (b) 상판을 제조하는 단계 및 (c) 상기 하판과 상판을 결합하는 단계를 포함하고,
    단계 (a)는
    (a-1) 제1 기판을 제공하는 단계; 및
    (a-2) 상기 제1 기판 상에 압력 감지층을 형성하여 제1 기판/압력 감지층을 포함하는 하판을 제조하는 단계;를 포함하고,
    단계 (b)는
    (b-1) 제2 기판을 제공하는 단계;
    (b-2) 상기 제2 기판 상에 제1 전극 및 제2 전극을 포함하는 전극을 형성하는 단계;
    (b-3) 상기 전극 상에 환원된 산화 그래핀을 포함하는 온도 감지층을 형성하는 단계; 및
    (b-4) 상기 온도 감지층 상에 유전체를 포함하는 유전체층을 형성하여 제2 기판/전극/온도 감지층/유전체층을 포함하는 상판을 제조하는 단계;를 포함하고,
    단계 (c)는
    (c-1) 상기 하판의 압력 감지층과 상기 상판의 유전체층이 접하도록 상기 하판과 상판을 결합하는 단계;를 포함하는 것인 유연 다기능 센서의 제조방법.
  17. 제16항에 있어서,
    단계 (a-2)가
    (a-2-1) 몰드에 전도성 물질을 코팅하는 단계;
    (a-2-2) 상기 전도성 물질이 코팅된 상기 몰드에 탄성체를 주입하여 상기 탄성체를 포함하는 탄성층과, 상기 탄성층의 상기 유전체 방향의 표면에 함침된 전도성 물질을 포함하는 전도층을 포함하는 상기 압력 감지층을 제조하는 단계; 및
    (a-2-3) 상기 압력 감지층의 탄성층이 상기 제1 기판과 접하도록 상기 압력 감지층을 상기 제1 기판에 전사하여 제1 기판/압력 감지층을 포함하는 하판을 제조하는 단계;를 포함하는 것인 유연 다기능 센서의 제조방법.
  18. 제16항에 있어서,
    상기 압력 감지층이 수평 방향으로 구획되는 제1 영역, 제2 영역, 및 상기 제1 영역과 제2 영역 사이에 제3 영역을 포함하고,
    상기 제1 영역 및 제2 영역이 각각 돌출부를 포함하고, 상기 제3 영역이 돌출부를 포함하지 않고,
    상기 제1 영역 상에 상기 제1 전극이 위치하고, 상기 제2 영역 상에 제2 전극이 위치하고,
    상기 제3 영역 상에 상기 온도 감지층이 위치하고,
    상기 제1 전극이 상기 온도 감지층의 일측에 접하고, 상기 제2 전극이 상기 온도 감지층의 타측에 접하는 것을 특징으로 하는 유연 다기능 센서의 제조방법.
  19. 제18항에 있어서,
    상기 돌출부가 상기 유전체층에 가까워질수록 단면적이 작아지는 형상인 것을 특징으로 하는 유연 다기능 센서의 제조방법.
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