KR102209295B1 - 정류특성의 다이오드를 이용한 매트릭스 방식의 섬유기반 압력센서 및 이의 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명의 일 관점에 따르면, 다이오드를 이용한 매트릭스 방식의 섬유기반 압력센서가 제공된다. 상기 다이오드를 이용한 매트릭스 방식의 섬유기반 압력센서는 반도체 재료가 코팅된 제 1 섬유; 및 압전 재료가 코팅되고, 상기 제 1 섬유와 서로 교차되도록 배치된 제 2 섬유;를 포함하고, 상기 제 1 섬유와 상기 제 2 섬유가 서로 교차하는 교차점에 압력이 인가되면, 상기 제 2 섬유의 저항 변화에 의해 발생하는 전류의 흐름을 상기 제 1 섬유를 통하여 검출함으로써 상기 압력을 감지할 수 있다.
Description
본 발명은 압력센서 및 이의 제조방법에 대한 것으로서, 더 상세하게는 외부로부터 발생되는 미세한 압력을 매트릭스 구조로 형성된 압력센서에 의해 압력을 측정하기 위하여 정류특성의 다이오드를 이용한 매트릭스 방식의 섬유기반 압력센서 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
최근 웨어러블 전자소자가 시대의 패러다임으로 자리 잡으면서 옷과 같은 섬유에 전자소자의 기능이 결합된 전자섬유에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 여기서, 전자섬유란, 섬유 자체가 가진 고유의 특성을 유지하면서 전기적인 특성도 갖고 있는 섬유를 의미하며, 디지털 텍스타일(digital textile) 또는 스마트 텍스타일(smart textile) 등과 같은 다양한 용어도 함께 사용된다.
종래에는 옷감 위에 딱딱한 고체 전자소자 또는 센서 등을 단순히 붙이거나 전도성 섬유를 이용하여 소자들 사이를 연결하는 형태에 머물러 있어 섬유의 편안함을 기대할 수 없는 단계였다. 이를 개선하기 위해서 전자소자 자체가 섬유의 특성을 유지할 수 있는 실 형태의 옷감에 삽입될 수 있는 전자소자의 개발이 필요한 상황이다.
한편, 다양한 전자소자 중에서 트랜지스터는 센서, 디스플레이 등 전자소자를 구동하는 데 기본이 되는 스위칭 소자로, 섬유형 전자소자 구현에 있어서 필수적인 부품이다. 그러나 반도체와 절연막, 전도성 전극의 복잡한 다층구조로 이루어져 있고 필수적으로 패터닝해야 하는 여러 층들이 있기 때문에 섬유형태로 구현하는데 어려움이 있었다.
또한, 종래의 섬유형 트랜지스터는 절연막과 반도체 사이의 계면접착력이 좋지 않아 외부 변형에 소자 성능이 나빠진다는 단점이 있으며, 반도체층이 섬유의 한쪽 면에만 형성됨에 따라 섬유에 직접 직조해 넣는 데 한계가 있었다.
종래의 섬유형 트랜지스터는 소스/드레인/게이트의 위치가 고정되어야 하고, 압력센서와 결합하기에 복잡한 구조를 가진다. 예를 들면, 트랜지스터는 3 터미널(terminal) 소자라서 섬유 형태에서 구현하기가 굉장히 복잡하고, 또, 날실과 씨실이 정확한 위치를 유지해야만 하는 문제점이 있다. 구조가 복잡하기에 소형화가 어렵고, 제조 단가가 높아지는 문제점이 있다. 또, 복잡한 구조로 인해 고장이 많고, 내구성이 약한 문제점이 있다.
따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 포함하여 여러 문제점들을 해결하기 위한 것으로서, 다이오드를 이용한 매트릭스 방식의 섬유기반 압력센서 및 이의 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다. 그러나 이러한 과제는 예시적인 것으로, 이에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 관점에 따르면, 반도체 재료가 코팅된 제 1 섬유; 및 압전 재료가 코팅되고, 상기 제 1 섬유와 서로 교차되도록 배치된 제 2 섬유;를 포함하고, 상기 제 1 섬유와 상기 제 2 섬유가 서로 교차하는 교차점에 압력이 인가되면, 상기 제 2 섬유의 저항 변화에 의해 발생하는 전류의 흐름을 상기 제 1 섬유를 통하여 검출함으로써 상기 압력을 감지하는, 다이오드를 이용한 매트릭스 방식의 섬유기반 압력센서가 제공된다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 제 1 섬유, 상기 제 2 섬유 이외에 절연 섬유를 더 포함하는 압력센서 매트릭스로서, 상기 제 1 섬유와 상기 제 2 섬유 중 적어도 어느 하나를 씨실 또는 날실로 하여 직물을 직조하되, 상기 제 1 섬유 및 상기 제 2 섬유 사이에 상기 절연 섬유를 개재하여 단위소자로 구분될 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 제 1 섬유는, 전도성 재료가 코팅된 전도성 섬유로 형성된 제 1 전도성 섬유와, 상기 제 1 전도성 섬유를 피복하여 다이오드 특성을 갖는 반도체층을 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 제 1 섬유는 쇼트키 다이오드(schottky diode), MIS 다이오드(Metal-insulator-semiconductor diode) 또는 PN junction 다이오드를 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 제 2 섬유는, 전도성 재료가 코팅된 전도성 섬유로 형성된 제 2 전도성 섬유와, 상기 제 2 전도성 섬유를 피복하여 압저항 방식으로 압력을 센싱할 수 있는 압전층을 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 제 1 섬유는 다이오드 기능을 수행하도록 기능성 박막이 코팅되며, 상기 기능성 박막은 상기 반도체 재료 이외에도 절연 재료를 더 포함할 수 있다.
한편, 본 발명의 다른 관점에 따르면, 반도체 재료가 코팅된 제 1 섬유와 압전 재료가 코팅된 제 2 섬유를 각각 제조하는 단계; 및 상기 제 1 섬유 및 상기 제 2 섬유를 평직(plain-weave) 형태로 직조하는 단계;를 포함하는, 다이오드를 이용한 매트릭스 방식의 섬유기반 압력센서의 제조방법이 제공된다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 제 1 섬유를 제조하는 단계는, 딥-코팅(dip-coating) 방식 또는 원자층 증착(atomic layer deposition) 방식을 이용하여 전도성 재료가 코팅된 전도성 섬유 상에 다이오드 특성을 갖는 반도체 재료를 코팅하는 단계를 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 제 2 섬유를 제조하는 단계는, 딥-코팅(dip-coating) 방식을 이용하여 전도성 재료가 코팅된 전도성 섬유 상에 압저항 방식으로 압력을 센싱할 수 있는 압전 재료를 코팅하는 단계를 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 딥-코팅 방식을 이용할 경우, 압전 재료를 구비하는 용액(solution)에 발포제(foaming agent)를 첨가하거나, 또는 상기 전도성 섬유를 일축방향으로 신장시킨 후 상기 용액을 코팅하고 경화시키는 단계를 포함할 수 있다.
상기한 바와 같이 이루어진 본 발명의 실시예에 따르면, 상대적으로 저렴한 비용을 통해서 구조가 간단하고, 멀티 센싱이 용이한 다이오드를 이용한 매트릭스 방식의 섬유기반 압력센서의 제조방법을 제공할 수 있으며, 상기 제조방법에 의해 구현된 압력센서를 제공할 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 압력센서는 스위칭(switching) 역할을 하는 디바이스(다이오드)가 추가적으로 결합되어 있어, 누설 전류와 같은 노이즈 문제를 해결할 수 있으므로 위치 정확성을 높일 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 중합체, 발포제 및 산성 화합물의 조성물 내의 비율을 조절하여 압력센서용 유전체에 형성되는 기공의 크기 및 밀도를 조절하여 압력센서의 민감도를 향상시키는 효과가 있다. 본 발명에 따르면, 날실과 씨실이 밀리더라도, 두 실의 교차점에서 픽셀(pixel)이 형성되기 때문에 실제 의류형 웨어러블 소자의 구현에 용이하다. 물론 이러한 효과에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.
도 1 및 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 다이오드를 이용한 매트릭스 방식의 섬유기반 압력센서의 구조를 개략적으로 도해하는 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 다이오드를 이용한 매트릭스 방식의 섬유기반 압력센서의 제조방법을 개략적으로 도해하는 공정순서도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 다이오드를 이용한 매트릭스 방식의 섬유기반 압력센서에서 제 2 섬유의 구조를 개략적으로 도해하는 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 다이오드를 이용한 매트릭스 방식의 섬유기반 압력센서의 제조방법을 개략적으로 도해하는 공정순서도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 다이오드를 이용한 매트릭스 방식의 섬유기반 압력센서에서 제 2 섬유의 구조를 개략적으로 도해하는 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 여러 실시예들을 상세히 설명하기로 한다. 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 실시예들은 본 개시를 더욱 충실하고 완전하게 하고, 당업자에게 본 발명의 사상을 완전하게 전달하기 위하여 제공되는 것이다.
이하에서는, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있도록 하기 위하여, 본 발명의 바람직한 실시예들에 관하여 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.
도 1 및 도 2를 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 다이오드를 이용한 매트릭스 방식의 섬유기반 압력센서에 대하여 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 다이오드를 이용한 매트릭스 방식의 섬유기반 압력센서의 구조를 개략적으로 도해하는 도면이고, 도 2는 도 1의 A부분을 확대한 단면도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 다이오드를 이용한 매트릭스 방식의 섬유기반 압력센서(100)는 반도체 재료가 코팅된 제 1 섬유(10) 및 압전 재료가 코팅되고, 제 1 섬유(10)와 서로 교차되도록 배치된 제 2 섬유(20)를 포함할 수 있다. 여기에서, 제 1 섬유(10)와 제 2 섬유(20)가 서로 교차하는 교차점(A)에 압력이 인가되면, 제 2 섬유(20)의 저항 변화에 의해 발생하는 전류의 흐름을 제 1 섬유(10)를 통하여 검출함으로써 상기 압력을 감지한다.
제 1 섬유(10)와 제 2 섬유(20)를 서로 교차하도록 배치하면 교차점(A)에서 소자가 형성된다. 교차점(A)에 압력을 인가하면 제 2 섬유(20)의 저항이 낮아지면서 전류의 양이 증가하게 된다. 전류의 변화에 따라 제 2 섬유(20)로부터 다이오드 기능을 하는 제 1 섬유(10)로 전류가 흐르게 되어 제 1 섬유(10)를 통하여 검출할 수 있다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 다이오드를 이용한 매트릭스 방식의 섬유기반 압력센서(100)는 제 1 섬유(10), 제 2 섬유(20) 이외에 절연 섬유(30)를 더 포함할 수 있다. 여기서, 제 1 섬유(10)와 제 2 섬유(20) 중 적어도 어느 하나를 씨실 또는 날실로 하여 직물을 직조하되, 제 1 섬유(10) 및 제 2 섬유(20) 사이에 절연 섬유(30)를 개재하여 단위소자로 구분된다. 즉, 제 1 섬유(10) 및 제 2 섬유(20)만 서로 교차하게 배열하면, 주기적으로 압력센서와 다이오드의 상하 접촉 면의 위치가 달라지기 때문에, 절연 섬유(30)를 제 1 섬유(10) 및 제 2 섬유(20) 사이에 넣어 직조하여 전기적으로 분리함과 동시에 제 1 섬유(10)과 제 2 섬유(20)의 접촉 면의 방향이 유지되도록 한다.
이하에서, 제 1 섬유(10) 및 제 2 섬유(20)에서 전도성 섬유는 설명의 편의상 제 1 전도성 섬유(12) 및 제 2 전도성 섬유(22)로 구분하며, 전도성 재료가 코팅될 일반 섬유도 제 1 일반 섬유(12a)와 제 2 일반 섬유(22a)로 구분하고, 전도층도 제 1 전도층(12b)와 제 2 전도층(22b)으로 구분하여 설명한다.
구체적으로, 제 1 섬유(10)는 전도성 재료가 코팅된 제 1 전도성 섬유(12) 와, 제 1 전도성 섬유(12)를 피복하여 다이오드 특성을 갖는 반도체층(14)을 포함한다. 제 1 전도성 섬유(12)는 제 1 일반섬유(12a)의 표면 상에 전도성 재료를 코팅하여 형성한 제 1 전도층(12b)을 포함한다. 제 1 일반섬유(12a)는 기본 구조를 형성하는 실로 이해될 수 있으며, 표면에 코팅 공정을 수행할 수 있는 특성을 가져야 한다. 예를 들면, 제 1 일반섬유(12a)는 나일론, PDMS(Polydimethylsiloxane), PET(Polyethylene terephthalate) 및 PU(rubber, Polyurethane) 등과 같은 폴리머 재료를 포함할 수 있다.
제 1 전도성 섬유(12)를 구성하는 제 1 전도층(12b)은 구부러지는 선 위에서도 전기적인 특성을 잘 유지할 수 있는 전도성 재료로서, 예를 들면, Ag 나노와이어(Ag nanowire) 등과 같은 메탈 나노와이어(matal nanowire), PEDOT:PSS(Poly(3,4-ethylenedioxythiophene):poly(styrenesulfonate)) 등과 같은 전도성 폴리머(conducting polymer), Carbon black/PDMS, Carbon black/PU 등과 같은 전도성 입자 탄성중합체(Conducting Particle Elastomer), CNT(carbon nanotube), 그래핀(graphene)과 같은 물질들을 사용할 수 있다. 이 밖에도 Cu, Ti, Cr, Au, Al 등과 같은 금속 재료들을 사용할 수 있다. 이 경우 ALD(Atominc Layer Deposition) 혹은 스퍼터(sputter), 증발증착장치(evaporator) 등의 박막 증착 공정으로 상기 금속 재료들을 제 1 일반 섬유(12a)의 표면 상에 코팅할 수 있다.
또한, 카본블랙(Carbon black)이 함유된 고무 섬유(rubber fiber), Ag 나노와이어가 함유된 폴리머 섬유(polymer fiber) 등과 같은 전도성 섬유를 사용하면, 제 1 일반섬유(12a) 및 제 1 전도층(12b)를 하나의 물질로 정의할 수 있다. 즉, 제 1 전도성 섬유(12)는 제 1 일반섬유(12a)의 표면 상에 코팅된 제 1 전도층(12b)을 포함한다. 그러나, 제 1 일반섬유(12a) 자체가 전기적 특성을 갖는 섬유를 이용한다면, 별도의 코팅 공정이 없어도 제 1 일반섬유(12a)가 전도성을 갖게 되므로 그 구조 및 제조공정을 단순화하여 단가를 낮출 수 있다.
반도체층(14)은 다이오드 특성을 부여하는 반도체 재료로서, 예를 들면, In-Ga-Zn-O, InO, InSnO, InZnO 등과 같은 무기 반도체(inorganic semiconductor), P3HT(Poly(3-hexylthiophene-2,5-diyl), PCBM(Phenyl-C61-butyric acid methyl ester), pentacene, tips-pentacene 등과 같은 유기 반도체(organic semiconductor)를 포함할 수 있다.
또한, 제 1 섬유(10)는 다이오드 기능을 수행하도록 기능성 박막이 코팅되며, 상기 기능성 박막은 상기 반도체 재료 이외에도 절연 재료를 더 포함할 수 있다. 즉, 제 1 섬유(10)를 구성하는 반도체층(14)의 재료로서, 반도체 재료 또는 반도체/절연 재료를 사용할 수 있으며, 사용되는 재료 및 구성에 따라 제 1 섬유(10)는 쇼트키 다이오드(schottky diode), MIS 다이오드(Metal-insulator-semiconductor diode) 또는 PN junction 다이오드의 형태가 될 수 있다. 상기 다이오드 기능은 정류 특성(스위칭 특성)을 갖는 것을 의미한다.
한편, 제 2 섬유(20)는 전도성 재료가 코팅된 제 2 전도성 섬유(22)와, 제 2 전도성 섬유(22)를 피복하여 압저항 방식으로 압력을 센싱할 수 있는 압전층(24)을 포함한다. 제 2 전도성 섬유(22)는 제 2 일반섬유(22a)의 표면 상에 전도성 재료를 코팅하여 형성한 제 2 전도층(22b)을 포함한다.
제 2 일반섬유(22a)는 제 1 일반섬유(12a)와 동일한 특성을 가지며, 동일한 재료로 이루어질 수 있다. 다만, 제 2 일반섬유(22a)는 압력을 센싱하는 기능을 직접적으로 수행하는 섬유로서, 눌림성이 좋도록 고탄성력(hyperelastic)을 갖는 물질로 구성되어야 한다. 따라서, 제 2 일반섬유(22a)는 제 1 일반섬유(12a)와 동일한 재료 이외에도 탄성력이 우수한 에코 플렉스(EcoFlex), 드래곤 스킨(dragon skin) 및 실리콘 고무(silicon rubber) 등과 같은 재료를 포함할 수 있다. 제 2 전도성 섬유(22)를 구성하는 제 2 전도층(22b)도 제 1 전도층(12b)과 동일한 특성을 가지며, 동일한 재료로 이루어질 수 있다.
압전층(24)은 압저항 방식을 제공하여 인가되는 압력을 센싱할 수 있는 압전 재료로서, 예를 들면, CNT, 그래핀 혹은 금속 나노 입자 등을 포함하는 열 가소성 고무 혹은 PDMS 등과 같은 실리콘 고무를 포함할 수 있다.
한편, 본 발명의 변형된 실시예에 따른 센서 매트릭스에 의하면, 반도체 재료가 코팅된 제 1 섬유와 결합하는 제 2 섬유가, 센싱 재료의 종류에 따라서, 압전센서가 아니라 온도센서 또는 습도센서의 기능을 구현하도록 구성될 수도 있다.
다음으로, 도 3 및 도 4를 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 다이오드를 이용한 매트릭스 방식의 섬유기반 압력센서(100)의 제조방법에 대하여 설명한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 다이오드를 이용한 매트릭스 방식의 섬유기반 압력센서의 제조방법을 개략적으로 도해하는 공정순서도이고, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 다이오드를 이용한 매트릭스 방식의 섬유기반 압력센서에서 제 2 섬유의 구조를 개략적으로 도해하는 도면이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 다이오드를 이용한 매트릭스 방식의 섬유기반 압력센서(100)의 제조방법은 제 1 섬유(10) 및 제 2 섬유(20)를 각각 제조하는 단계(S10) 및 제 1 섬유(10) 및 제 2 섬유(20)를 평직(plain-weave) 형태로 직조하는 단계(S20)를 포함할 수 있다.
먼저, 제 1 섬유(10)를 제조하는 단계는, 딥-코팅(dip-coating) 방식 또는 원자층 증착(atomic layer deposition) 방식을 이용하여 전도성 재료가 코팅된 전도성 섬유(12) 상에 다이오드 특성을 갖는 반도체 재료를 코팅하는 단계를 포함한다. 이렇게 제조된 제 1 섬유(10)는 쇼트키 다이오드(schottky diode) 또는 MIS 다이오드(Metal-insulator-semiconductor diode)에 해당된다.
이후에 제 2 섬유(20)를 제조하는 단계는, 딥-코팅(dip-coating) 방식을 이용하여 전도성 재료가 코팅된 전도성 섬유(22) 상에 압저항 방식으로 압력을 센싱할 수 있는 압전 재료를 코팅하는 단계를 포함한다. 여기서, 상기 딥-코팅 방식을 이용할 경우, 도 4와 같이, 압전 재료를 구비하는 용액(solution)에 발포제(foaming agent)를 첨가하거나, 또는 제 2 전도성 섬유(22)를 일축방향으로 신장시킨 후 상기 용액을 코팅하고 경화시켜 압력센서의 표면을 주름(wrinkling)지게 성형할 수 있다. 이렇게 주름진 표면은 센서의 민감도나 눌림성을 개선시킬 수 있다.
제 1 섬유(10) 및 제 2 섬유(20)를 각각 제조한 이후에, 제 1 섬유(10) 및 제 2 섬유(20)를 평직 형태로 직조할 수 있다. 이 때, 제 1 섬유(10) 및 제 2 섬유(20) 사이에 절연 섬유(30)를 개재하여 단위소자로 구분함으로써, 제 1 섬유(10)와 제 2 섬유(20)가 서로 교차하는 교차점에서 자연스럽게 다이오드 및 센서 소자가 형성되도록 할 수 있다.
이하에서, 본 발명의 실시예를 토대로 본 발명의 다이오드를 이용한 매트릭스 방식의 섬유기반 압력센서(100)를 제조하는 방법에 대해서 좀 더 구체적으로 설명한다. 이하 실시예에서, 다이오드 섬유는 제 1 섬유(10)로 이해되며, 센서 섬유는 제 2 섬유(20)로 이해된다.
이하에서는, 본 발명의 이해를 돕기 위한 실시예들을 설명한다. 다만, 하기의 실험예들은 본 발명의 이해를 돕기 위한 것일 뿐, 본 발명이 아래의 실시예들만으로 한정되는 것은 아니다.
<실시예>
1. P3HT를 이용한 다이오드 섬유
먼저, UV/OZONE으로 약 300㎛ 이상의 단면 지름을 갖는 PET 섬유(fiber)의 표면을 세척하였다. 이후에 PEDOT:PSS를 한쪽 전극으로 사용하며, PEDOT:PSS 용액을 준비하였다. 상하로 이동되는 스탠드에 PET 섬유를 부착하고, 약 3회 정도 반복하여 PEDOT:PSS 용액에 딥-코팅(dip-coating)하였다. 여기서, 딥-코팅은 Landau-Levich 식에 따라 두께가 결정되며, 물리적으로는 섬유를 용액에서 빼는 속도와 관련이 있다. 본 실시예에서는 약 50㎜/min 의 속도를 사용하였다.
코팅 과정이 1회 종료된 이후에 약 130℃의 온도에서 약 20min 정도 오븐에서 균일하게 열처리하였다. 목표된 두께(저항)에 도달할 때까지 상기와 같은 코팅과정을 수차례 반복하여 반복하였다. 여기서, 전극의 저항이 중요하며, 상기와 같은 조건을 코팅할 경우에 약 6번 코팅과정을 반복 수행하면 약 400Ω/㎝ 내외의 저항을 달성한다.
이후에 별도로 준비한 P3HT 용액을 준비한 후 상하로 이동되는 스탠드에 PEDOT:PSS가 코팅된 PET 섬유를 부착하고, 약 3회 정도 반복하여 P3HT 용액에 딥-코팅(dip-coating)하였다. 여기서, P3HT 코팅층의 두께는 약 50㎚ 내지 100㎚가 되도록 반복하였다. 이후에 전자빔 증발증착장치(e-beam evaporator)를 이용하여 일함수(work function)가 4 내외로 상대적으로 작은 금속(예컨대, Al 등)을 P3HT 코팅층의 적어도 어느 일부에 증착하여 쇼트키 다이오드(schottky diode)를 형성하였다. 상기 금속은 이후에 접촉될 센서 섬유와 다이오드 섬유 사이의 전기적 컨택을 유지하는 전극 역할을 수행하며, 실제로 외부 전압(voltage)은 인가되지 않는다.
2. ALD를 이용한 다이오드 섬유
PI(Polyimide) 섬유를 ALD(atomic layer deposition) 챔버 내에 배치하였다. 이후에 약 200℃ 이상의 고온에서 Al이 도핑된 ZnO 혹은 ITO 등의 산화물 전극을 PI 섬유 상에 약 100㎚ 정도의 두께로 증착하였다. 연속적으로 트리메틸 알루미늄(Trymethyl aluminum)과 같은 프리커서를 사용하여 알루미나(alumina)를 약 30㎚의 두께로 증착하였다. 이후에 ZnO 또는 InO 와 같은 n-type 산화물 박막을 3㎚ 내지 5㎚의 얇은 두께로 증착하여 MIS(metal-insulator-semiconductor) 터널 다이오드(tunnel diode)를 형성하였다. 여기서, 상기 산화물 전극은 MIS 구조에서 M(metal)으로 이해되며, 상기 알루미나는 I(insulator)로 이해되고, 상기 n-type 산화물 박막은 S(semiconductor)로 이해될 수 있다. 이후에 스퍼터(sputter) 또는 증발증착장치(evaporator)를 이용하여 Al 등과 같은 금속을 상기 n-type 산화물 박막 상에 약 100㎚의 두께로 증착하였다.
3. 전도성 필러(conducting filler)를 이용한 센서 섬유
탄성력이 우수한 PDMS, EcoFlex, PU 등과 같은 섬유 중에서 선택하면 되며, 본 발명의 실시예에서는 PDMS 전도성 고무 섬유를 사용하였다. 전도성 고무 섬유는 경우에 따라 단면 지름이 수십㎛ 내지 수백㎛ 또는 수㎜의 크기를 선택할 수 있다. 본 발명에서 탄성력이 우수한 매트릭스에 전도성 필러를 섞어 압력이 가해질수록 필러간 접촉수를 높이며, 이에 따라 센서 자체의 저항이 작아지도록 설계한다.
PDMS에 헥산을 용매(solvent)로 섞어 농도를 묽게 한 이후에, 다중벽 탄소나노튜브(MWCNT; multi walled carbon nanotube)를 약 0.003wt% 정도 섞어 용액을 제조하였다. 여기서, 다중벽 탄소나노튜브의 농도를 통해, 센서체의 저항을 조절할 수 있고, 이에 따라 센싱하고자 하는 범위도 조절할 수 있다. 예컨대, PDMS 전도성 고무 섬유에 전도성 필러의 함유량에 따라 센서의 전극용 섬유와 센서체가 구분된다. 즉, 필러가 아주 많이 첨가되어 저항이 낮으면 전극형으로 구분되고, 첨가량이 낮아 압력과 같은 외부 변화에 따른 저항변화가 분명하면 센서형으로 구분된다. 상기 용액을 준비한 PDMS 전도성 고무 섬유에 딥-코팅 방식을 이용하여 코팅하되, 수차례 반복하여 목표로 한 두께인 수십㎛ 내지 수백㎛ 코팅하였다.
4. 전도성 필러(conducting filler)를 이용한 센서 섬유
PDMS에 헥산을 용매(solvent)로 섞어 농도를 묽게 한 이후에, 다중벽 탄소나노튜브(MWCNT; multi walled carbon nanotube)를 약 0.003wt% 정도 섞어 용액을 제조하였다. 이 때, 용액에 발포제(foaming agent)를 첨가하여 압력센서의 표면을 주름(wrinkling)지게 성형하거나, 또는 도 4에 도시된 바와 같이, 제 2 전도성 섬유(22)를 일축방향으로 신장시킨 후 상기 용액을 코팅하고 경화시켜 표면에 주름 잡힌 압력센서 섬유를 제조하였다. 예컨대, 상기 발포제는 기체 발포를 하는 탄산수소나트륨과 구연산 혹은 아세트산과 같은 것을 사용할 수 있으며, 상기 발포제를 용액에 첨가하여 열처리 하면서 PDMS에 기공이 형성되도록 할 수 있다.
5. 압력센서 제조
실시예 1 및 실시예 2에 의한 방식 중 하나로 제조된 다이오드 섬유(10), 실시예 3 및 실시예 4에 의한 방식 중 하나로 제조된 센서 섬유(20) 및 절연 섬유(30) 세가지를 도 3에 도시된 바와 같이, 평직 형태의 직물 센서를 형성하였다. 여기서, 상기 직물 센서는 압력센서(100)를 의미한다.
정리하면, 나일론 섬유, 면 실 등으로 짜인 직물에 다이오드 섬유와 센서 섬유를 꿰매는 방식, 즉, 파이버 형태의 섬유를 이용하여 교차시킴으로써 매트릭스를 형성하여 구조가 간단하며 제조가 간편한 웨어러블 압력센서 매트릭스(100)를 구현할 수 있다. 이는 내구성이 좋고, 제작 방식이 간단하며, 센서 픽셀 간의 거리나 해상도도 넓은 범위에서 조절이 가능한 장점이 있다.
특히, 본 발명은 섬유형 센서를 가지고 직물을 제작할 때, 매트릭스 형태가 직조하는 과정에서 단위소자가 자연스럽게 형성된다. 다만, 보통의 트랜지스터와 같은 스위칭(switching) 디바이스의 경우, 3 단자(terminal) 소자라서 섬유 형태에서 구현하기가 굉장히 복잡하고, 또, 날실과 씨실이 정확한 위치를 유지해야만 하는 문제점이 있으나, 본 발명에서는 스위칭 역할을 하는 디바이스가 추가적으로 결합되어 있음에도, 두 섬유의 교차점에서 픽셀(pixel)이 형성된다. 이러한 장점으로 인해 실제 의류형 웨어러블 소자의 구현에 용이하다.
한편, 다이오드와 같은 스위칭 디바이스가 없으면, 스캔하며 데이터를 읽을 때에 실제 눌려서 저항이 낮아진 셀(cell) 이외에도 전류가 흘러가면서, 원하는 셀만의 데이터(data)가 아니라 주변 셀들에서 나온 전류값까지 합해진 시그널이 측정 될 수 있다. 따라서 정확도나 데이터 프로세싱 과정면에서 문제가 될 수 있다.
그러나 본 발명에서는 다이오드를 사용하여 멀티 센싱의 경우, 눌려진 셀 이외의 주변 셀들의 전류가 누설되는 현상을 최소화하여 위치 정확성을 높일 수 있고, 눌리지 않은 부분도 마치 눌린 것처럼 데이터가 프로세싱 될 수 있는 점을 방지할 수 있다.
본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.
10 : 제 1 섬유
12 : 제 1 전도성 섬유
12a : 제 1 일반 섬유
12b : 제 1 전도층
14 : 반도체층
20 : 제 2 섬유
22 : 제 2 전도성 섬유
22a : 제 2 일반 섬유
22b : 제 2 전도층
24 : 압전층
30 : 절연 섬유
100 : 압력센서
12 : 제 1 전도성 섬유
12a : 제 1 일반 섬유
12b : 제 1 전도층
14 : 반도체층
20 : 제 2 섬유
22 : 제 2 전도성 섬유
22a : 제 2 일반 섬유
22b : 제 2 전도층
24 : 압전층
30 : 절연 섬유
100 : 압력센서
Claims (10)
- 반도체 재료가 코팅된 제 1 섬유; 및
압전 재료가 코팅되고, 상기 제 1 섬유와 서로 교차되도록 배치된 제 2 섬유;
를 포함하고,
상기 제 1 섬유와 상기 제 2 섬유가 서로 교차하는 교차점에 압력이 인가되면, 상기 제 2 섬유의 저항 변화에 의해 발생하는 전류의 흐름을 상기 제 1 섬유를 통하여 검출함으로써 상기 압력을 감지하며,
상기 제 1 섬유는,
전도성 재료가 코팅된 전도성 섬유로 형성된 제 1 전도성 섬유와, 상기 제 1 전도성 섬유를 피복하여 다이오드 특성을 갖는 반도체층을 포함하는,
다이오드를 이용한 매트릭스 방식의 섬유기반 압력센서. - 제 1 항에 있어서,
상기 제 1 섬유, 상기 제 2 섬유 이외에 절연 섬유를 더 포함하는 압력센서 매트릭스로서,
상기 제 1 섬유와 상기 제 2 섬유 중 적어도 어느 하나를 씨실 또는 날실로 하여 직물을 직조하되, 상기 제 1 섬유 및 상기 제 2 섬유 사이에 상기 절연 섬유를 개재하여 단위소자로 구분된,
다이오드를 이용한 매트릭스 방식의 섬유기반 압력센서. - 삭제
- 제 1 항에 있어서,
상기 제 1 섬유는 쇼트키 다이오드(schottky diode), MIS 다이오드(Metal-insulator-semiconductor diode) 또는 PN junction 다이오드를 포함하는,
다이오드를 이용한 매트릭스 방식의 섬유기반 압력센서. - 제 1 항에 있어서,
상기 제 2 섬유는,
전도성 재료가 코팅된 전도성 섬유로 형성된 제 2 전도성 섬유와, 상기 제 2 전도성 섬유를 피복하여 압저항 방식으로 압력을 센싱할 수 있는 압전층을 포함하는,
다이오드를 이용한 매트릭스 방식의 섬유기반 압력센서. - 제 1 항에 있어서,
상기 제 1 섬유는 다이오드 기능을 수행하도록 기능성 박막이 코팅되며,
상기 기능성 박막은 상기 반도체 재료 이외에도 절연 재료를 더 포함하는,
다이오드를 이용한 매트릭스 방식의 섬유기반 압력센서. - 반도체 재료가 코팅된 제 1 섬유와 압전 재료가 코팅된 제 2 섬유를 각각 제조하는 단계; 및
상기 제 1 섬유 및 상기 제 2 섬유를 평직(plain-weave) 형태로 직조하는 단계;
를 포함하고,
상기 제 1 섬유와 상기 제 2 섬유가 서로 교차하는 교차점에 압력이 인가되면, 상기 제 2 섬유의 저항 변화에 의해 발생하는 전류의 흐름을 상기 제 1 섬유를 통하여 검출함으로써 상기 압력을 감지하며,
상기 제 1 섬유는,
전도성 재료가 코팅된 전도성 섬유로 형성된 제 1 전도성 섬유와, 상기 제 1 전도성 섬유를 피복하여 다이오드 특성을 갖는 반도체층을 포함하는,
다이오드를 이용한 매트릭스 방식의 섬유기반 압력센서의 제조방법. - 제 7 항에 있어서,
상기 제 1 섬유를 제조하는 단계는,
딥-코팅(dip-coating) 방식 또는 원자층 증착(atomic layer deposition) 방식을 이용하여 전도성 재료가 코팅된 전도성 섬유 상에 다이오드 특성을 갖는 반도체 재료를 코팅하는 단계를 포함하는,
다이오드를 이용한 매트릭스 방식의 섬유기반 압력센서의 제조방법. - 제 7 항에 있어서,
상기 제 2 섬유를 제조하는 단계는,
딥-코팅(dip-coating) 방식을 이용하여 전도성 재료가 코팅된 전도성 섬유 상에 압저항 방식으로 압력을 센싱할 수 있는 압전 재료를 코팅하는 단계를 포함하는,
다이오드를 이용한 매트릭스 방식의 섬유기반 압력센서의 제조방법. - 제 9 항에 있어서,
상기 딥-코팅 방식을 이용할 경우,
압전 재료를 구비하는 용액(solution)에 발포제(foaming agent)를 첨가하거나, 또는 상기 전도성 섬유를 일축방향으로 신장시킨 후 상기 용액을 코팅하고 경화시키는 단계를 포함하는,
다이오드를 이용한 매트릭스 방식의 섬유기반 압력센서의 제조방법.
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020180068198A KR102209295B1 (ko) | 2018-06-14 | 2018-06-14 | 정류특성의 다이오드를 이용한 매트릭스 방식의 섬유기반 압력센서 및 이의 제조방법 |
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| KR1020180068198A KR102209295B1 (ko) | 2018-06-14 | 2018-06-14 | 정류특성의 다이오드를 이용한 매트릭스 방식의 섬유기반 압력센서 및 이의 제조방법 |
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