KR102239323B1 - Pressure sensor including arranged carbon nanotube sheet and method of manufacturing the same - Google Patents
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Abstract
카본 나노튜브 시트를 포함하는 압력 센서는 제1 기판, 제1 전극, 제2 전극, 카본 나노튜브 시트 및 제2 기판을 포함한다. 상기 제1 전극은 상기 제1 기판 상에 배치된다. 상기 제2 전극은 상기 제1 기판 상에 배치되고 상기 제1 전극과 제1 방향으로 이격된다. 상기 카본 나노튜브 시트는 상기 제1 기판 상에 배치되고, 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극 사이에 배치된다. 상기 제2 기판은 상기 제1 전극, 상기 제2 전극 및 상기 카본 나노튜브 시트 상에 배치된다. 상기 카본 나노튜브 시트는 상기 제1 방향과 다른 제2 방향으로 연장되는 복수의 카본 나노튜브 스트링들을 포함한다.A pressure sensor including a carbon nanotube sheet includes a first substrate, a first electrode, a second electrode, a carbon nanotube sheet, and a second substrate. The first electrode is disposed on the first substrate. The second electrode is disposed on the first substrate and is spaced apart from the first electrode in a first direction. The carbon nanotube sheet is disposed on the first substrate and disposed between the first electrode and the second electrode. The second substrate is disposed on the first electrode, the second electrode, and the carbon nanotube sheet. The carbon nanotube sheet includes a plurality of carbon nanotube strings extending in a second direction different from the first direction.
Description
본 발명은 압력 센서 및 이를 제조하는 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 카본 나노튜브 시트의 임피던스 특성을 이용한 압력 센서 및 이를 제조하는 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a pressure sensor and a method of manufacturing the same, and more particularly, to a pressure sensor using the impedance characteristic of a carbon nanotube sheet and a method of manufacturing the same.
최근 모바일 디바이스, 사물인터넷의 급격한 발전은 웨어러블 전자 소자, 전자 피부, 소프트 로보틱스, 헬스 케어 등에 응용할 수 있는 고성능 센서의 구현을 요구하고 있어, 투명하고 유연한 소재를 이용하여 다양한 센서를 만드는 연구가 진행되고 있다. The recent rapid development of mobile devices and the Internet of Things requires the implementation of high-performance sensors that can be applied to wearable electronic devices, electronic skin, soft robotics, and health care.Therefore, researches to create various sensors using transparent and flexible materials are underway. have.
본 발명이 이루고자 하는 목적은 카본 나노튜브 시트의 임피던스 특성을 이용한 압력 센서를 제공하는 것이다.An object of the present invention is to provide a pressure sensor using the impedance characteristic of a carbon nanotube sheet.
본 발명이 이루고자 하는 다른 목적은 상기 압력 센서를 제조하는 방법을 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to provide a method of manufacturing the pressure sensor.
상기한 본 발명의 목적을 실현하기 위한 일 실시예에 따른 카본 나노튜브 시트를 포함하는 압력 센서는 제1 기판, 제1 전극, 제2 전극, 카본 나노튜브 시트 및 제2 기판을 포함한다. 상기 제1 전극은 상기 제1 기판 상에 배치된다. 상기 제2 전극은 상기 제1 기판 상에 배치되고 상기 제1 전극과 제1 방향으로 이격된다. 상기 카본 나노튜브 시트는 상기 제1 기판 상에 배치되고, 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극 사이에 배치된다. 상기 제2 기판은 상기 제1 전극, 상기 제2 전극 및 상기 카본 나노튜브 시트 상에 배치된다. 상기 카본 나노튜브 시트는 상기 제1 방향과 다른 제2 방향으로 연장되는 복수의 카본 나노튜브 스트링들을 포함한다.A pressure sensor including a carbon nanotube sheet according to an embodiment for realizing the object of the present invention includes a first substrate, a first electrode, a second electrode, a carbon nanotube sheet, and a second substrate. The first electrode is disposed on the first substrate. The second electrode is disposed on the first substrate and is spaced apart from the first electrode in a first direction. The carbon nanotube sheet is disposed on the first substrate and disposed between the first electrode and the second electrode. The second substrate is disposed on the first electrode, the second electrode, and the carbon nanotube sheet. The carbon nanotube sheet includes a plurality of carbon nanotube strings extending in a second direction different from the first direction.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 제2 기판 상에 압력이 인가되면, 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극의 신호를 측정하여 상기 압력이 센싱될 수 있다.In an embodiment of the present invention, when pressure is applied to the second substrate, the pressure may be sensed by measuring signals from the first electrode and the second electrode.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 제1 기판은 투명하고 유연한 재질일 수 있다.In one embodiment of the present invention, the first substrate may be a transparent and flexible material.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 제1 기판은 폴리디메틸실록산(Polydimethylsiloxane, PDMS)을 포함할 수 있다.In an embodiment of the present invention, the first substrate may include polydimethylsiloxane (PDMS).
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 제2 기판은 투명하고 유연한 재질일 수 있다.In one embodiment of the present invention, the second substrate may be a transparent and flexible material.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 제2 기판은 폴리디메틸실록산(Polydimethylsiloxane, PDMS)을 포함할 수 있다.In an embodiment of the present invention, the second substrate may include polydimethylsiloxane (PDMS).
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 카본 나노튜브 시트는 서로 연결되거나 서로 교차하는 카본 나노튜브 스트링들을 더 포함할 수 있다.In an embodiment of the present invention, the carbon nanotube sheet may further include carbon nanotube strings that are connected to each other or cross each other.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 압력 센서는 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극을 이용하여 레지스턴스 및 캐패시턴스를 센싱할 수 있다.In an embodiment of the present invention, the pressure sensor may sense resistance and capacitance using the first electrode and the second electrode.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 압력 센서의 등가 회로는 서로 병렬로 연결되는 하나의 저항 및 하나의 캐패시터를 포함할 수 있다.In one embodiment of the present invention, the equivalent circuit of the pressure sensor may include one resistor and one capacitor connected in parallel with each other.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 레지스턴스가 R이고 상기 캐패시턴스가 C이며, 상기 압력 센서의 임피던스가 Z일 때, 일 수 있다.In one embodiment of the present invention, when the resistance is R, the capacitance is C, and the impedance of the pressure sensor is Z, Can be
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 압력 센서에 가해지는 압력이 증가하면 상기 레지스턴스는 증가할 수 있다.In one embodiment of the present invention, when the pressure applied to the pressure sensor increases, the resistance may increase.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극 사이의 경로의 비저항이 ρ, 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극 사이의 경로의 길이가 l, 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극 사이의 경로의 면적이 s일 때, 일 수 있다. 상기 압력 센서에 가해지는 상기 압력이 증가하면 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극 사이의 경로의 길이(l)가 증가하여 상기 레지스턴스가 증가할 수 있다.In an embodiment of the present invention, a specific resistance of a path between the first electrode and the second electrode is ρ, a length of a path between the first electrode and the second electrode is l, and the first electrode and the second electrode are 2 When the area of the path between the electrodes is s, Can be When the pressure applied to the pressure sensor increases, the length l of the path between the first electrode and the second electrode increases, and the resistance may increase.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 압력 센서에 가해지는 상기 압력이 증가하면 상기 캐패시턴스는 감소할 수 있다.In one embodiment of the present invention, when the pressure applied to the pressure sensor increases, the capacitance may decrease.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극 사이에 배치되는 상기 카본 나노튜브 시트로 정의되는 유전체의 유전율이 ε, 상기 유전체의 면적이 A, 상기 카본 나노튜브 스트링들 사이의 평균 거리가 d일 때, 일 수 있다. 상기 압력 센서에 가해지는 상기 압력이 증가하면 상기 카본 나노튜브 스트링들 사이의 평균 거리(d)가 증가하여 상기 캐패시턴스가 감소할 수 있다.In an embodiment of the present invention, the dielectric constant defined by the carbon nanotube sheet disposed between the first electrode and the second electrode is ε, the area of the dielectric is A, and between the carbon nanotube strings. When the average distance of is d, Can be When the pressure applied to the pressure sensor increases, the average distance d between the carbon nanotube strings increases, so that the capacitance may decrease.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 제2 방향은 상기 제1 방향과 수직일 수 있다.In an embodiment of the present invention, the second direction may be perpendicular to the first direction.
상기한 본 발명의 다른 목적을 실현하기 위한 일 실시예에 따른 압력 센서의 제조 방법은 카본 나노튜브 포레스트로부터 일방향으로 연장되는 복수의 카본 나노튜브 스트링들을 제1 기판 상에 형성하는 단계, 상기 제1 기판 상에 제1 전극 및 상기 제1 전극과 제1 방향으로 이격되는 제2 전극을 형성하는 단계 및 상기 제1 전극, 상기 제2 전극 및 상기 카본 나노튜브 시트 상에 제2 기판을 형성하는 단계를 포함한다. 상기 카본 나노튜브 스트링들은 상기 제1 방향과 다른 제2 방향으로 연장된다. A method of manufacturing a pressure sensor according to an embodiment for realizing another object of the present invention includes forming a plurality of carbon nanotube strings extending in one direction from a carbon nanotube forest on a first substrate, the first Forming a first electrode on a substrate and a second electrode spaced apart from the first electrode in a first direction, and forming a second substrate on the first electrode, the second electrode, and the carbon nanotube sheet Includes. The carbon nanotube strings extend in a second direction different from the first direction.
본 발명에 따른 압력 센서는 병렬 방향으로 정렬된 카본 나노튜브 스트링들을 갖는 카본 나노튜브 시트를 포함한다. 상기 압력 센서는 광 투과성이 있고 유연하며 전기적으로 저항과 캐패시터가 병렬로 연결된 등가 회로를 갖는다. 따라서, 레지스턴스 특성과 캐패시턴스 특성을 동시에 갖는 투명 유연 센서로 제작이 가능하다. The pressure sensor according to the present invention comprises a carbon nanotube sheet having carbon nanotube strings arranged in a parallel direction. The pressure sensor is light transmissive and flexible, and has an equivalent circuit electrically connected in parallel with a resistor and a capacitor. Therefore, it is possible to manufacture a transparent flexible sensor having both resistance characteristics and capacitance characteristics.
상기 투명하고 유연한 압력 센서는 웨어러블 특성을 포함하는 모바일 디바이스, 사물 인터넷에 적용할 수 있는 다양한 형태의 고성능 센서 소자에 활용이 가능하다.The transparent and flexible pressure sensor can be used in various types of high-performance sensor devices that can be applied to mobile devices and IoT devices including wearable characteristics.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 압력 센서를 나타내는 사시도이다.
도 2는 도 1의 압력 센서를 나타내는 단면도이다.
도 3은 도 1의 카본 나노튜브 시트를 나타내는 도면이다.
도 4는 도 3의 카본 나노튜브의 A 부분을 확대한 도면이다.
도 5는 도 1의 압력 센서의 등가회로도이다.
도 6은 도 1의 압력 센서의 임피던스를 나타내는 그래프이다.
도 7은 입력 전압의 주파수에 따른 도 1의 압력 센서의 임피던스의 크기 및 위상을 나타내는 그래프이다.
도 8은 도 1의 압력 센서에 압력이 가해질 때의 저항 및 캐패시턴스의 변화를 나타내는 그래프이다.
도 9a는 도 1의 압력 센서에 압력이 가해지지 않을 때의 상기 카본 나노튜브 시트의 상태를 나타내는 도면이다.
도 9b는 도 1의 압력 센서에 압력이 가해질 때의 상기 카본 나노튜브 시트의 상태를 나타내는 도면이다.
도 10a 내지 도 10e는 도 1의 압력 센서를 제조하는 방법을 나타내는 도면들이다.1 is a perspective view showing a pressure sensor according to an embodiment of the present invention.
2 is a cross-sectional view showing the pressure sensor of FIG. 1.
3 is a view showing the carbon nanotube sheet of FIG. 1.
4 is an enlarged view of part A of the carbon nanotube of FIG. 3.
5 is an equivalent circuit diagram of the pressure sensor of FIG. 1.
6 is a graph showing the impedance of the pressure sensor of FIG. 1.
7 is a graph showing the magnitude and phase of the impedance of the pressure sensor of FIG. 1 according to the frequency of the input voltage.
8 is a graph showing changes in resistance and capacitance when pressure is applied to the pressure sensor of FIG. 1.
9A is a view showing a state of the carbon nanotube sheet when no pressure is applied to the pressure sensor of FIG. 1.
9B is a view showing a state of the carbon nanotube sheet when pressure is applied to the pressure sensor of FIG. 1.
10A to 10E are diagrams illustrating a method of manufacturing the pressure sensor of FIG. 1.
본문에 개시되어 있는 본 발명의 실시예들에 대해서, 특정한 구조적 내지 기능적 설명들은 단지 본 발명의 실시예를 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로, 본 발명의 실시예들은 다양한 형태로 실시될 수 있으며 본문에 설명된 실시예들에 한정되는 것으로 해석되어서는 아니 된다.With respect to the embodiments of the present invention disclosed in the text, specific structural or functional descriptions have been exemplified for the purpose of describing the embodiments of the present invention only, and the embodiments of the present invention may be implemented in various forms. It should not be construed as being limited to the embodiments described in.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.Since the present invention can be modified in various ways and has various forms, specific embodiments will be illustrated in the drawings and described in detail in the text. However, this is not intended to limit the present invention to a specific form disclosed, it should be understood to include all changes, equivalents, or substitutes included in the spirit and scope of the present invention.
제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로 사용될 수 있다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위로부터 이탈되지 않은 채 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다.Terms such as first and second may be used to describe various elements, but the elements should not be limited by the terms. The terms may be used for the purpose of distinguishing one component from another component. For example, without departing from the scope of the present invention, a first element may be referred to as a second element, and similarly, a second element may be referred to as a first element.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. 구성요소들 간의 관계를 설명하는 다른 표현들, 즉 "~사이에"와 "바로 ~사이에" 또는 "~에 이웃하는"과 "~에 직접 이웃하는" 등도 마찬가지로 해석되어야 한다.When a component is referred to as being "connected" or "connected" to another component, it is understood that it may be directly connected or connected to the other component, but other components may exist in the middle. It should be. On the other hand, when a component is referred to as being "directly connected" or "directly connected" to another component, it should be understood that there is no other component in the middle. Other expressions describing the relationship between components, such as "between" and "directly between" or "adjacent to" and "directly adjacent to" should be interpreted as well.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.The terms used in the present application are only used to describe specific embodiments, and are not intended to limit the present invention. Singular expressions include plural expressions unless the context clearly indicates otherwise. In the present application, terms such as "comprise" or "have" are intended to designate the existence of the described features, numbers, steps, actions, components, parts, or a combination thereof, but one or more other features or numbers, It is to be understood that the presence or addition of steps, actions, components, parts, or combinations thereof does not preclude the possibility of preliminary exclusion.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미이다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미인 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.Unless otherwise defined, all terms used herein including technical or scientific terms have the same meaning as commonly understood by one of ordinary skill in the art to which the present invention belongs. Terms as defined in a commonly used dictionary should be interpreted as having a meaning consistent with the meaning of the related technology, and should not be interpreted as an ideal or excessively formal meaning unless explicitly defined in the present application. .
한편, 어떤 실시예가 달리 구현 가능한 경우에 특정 블록 내에 명기된 기능 또는 동작이 순서도에 명기된 순서와 다르게 일어날 수도 있다. 예를 들어, 연속하는 두 블록이 실제로는 실질적으로 동시에 수행될 수도 있고, 관련된 기능 또는 동작에 따라서는 상기 블록들이 거꾸로 수행될 수도 있다.Meanwhile, when a certain embodiment can be implemented differently, a function or operation specified in a specific block may occur differently from the order specified in the flowchart. For example, two consecutive blocks may actually be executed at the same time, or the blocks may be executed in reverse, depending on a related function or operation.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예를 보다 상세하게 설명하고자 한다. 도면상의 동일한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 사용하고 동일한 구성요소에 대해서 중복된 설명은 생략한다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in more detail with reference to the accompanying drawings. The same reference numerals are used for the same elements in the drawings, and duplicate descriptions for the same elements are omitted.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 압력 센서를 나타내는 사시도이다. 도 2는 도 1의 압력 센서를 나타내는 단면도이다. 도 3은 도 1의 카본 나노튜브 시트를 나타내는 도면이다. 도 4는 도 3의 카본 나노튜브의 A 부분을 확대한 도면이다.1 is a perspective view showing a pressure sensor according to an embodiment of the present invention. 2 is a cross-sectional view showing the pressure sensor of FIG. 1. 3 is a view showing the carbon nanotube sheet of FIG. 1. 4 is an enlarged view of part A of the carbon nanotube of FIG. 3.
도 1 내지 도 4를 참조하면, 상기 압력 센서는 제1 기판(100), 제1 전극(210), 제2 전극(220), 카본 나노튜브 시트 및 제2 기판(300)을 포함한다. 1 to 4, the pressure sensor includes a
상기 제1 기판(100)은 투명한 재질을 포함할 수 있다. 또한, 상기 제1 기판(100)은 유연한 재질을 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 제1 기판(100)은 폴리디메틸실록산(Polydimethylsiloxane, PDMS)을 포함할 수 있다.The
상기 제1 전극(210)은 상기 제1 기판(100) 상에 배치될 수 있다. 상기 제1 전극(210)은 도전성을 갖는 재질을 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 제1 전극(210)은 금속을 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 제1 전극(210)은 은을 포함할 수 있다.The
상기 제2 전극(220)은 상기 제1 기판(100) 상에 배치될 수 있다. 상기 제2 전극(220)은 도전성을 갖는 재질을 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 제2 전극(220)은 금속을 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 제2 전극(220)은 은을 포함할 수 있다.The
상기 제2 전극(220)은 상기 제1 전극(210)과 이격되어 배치될 수 있다. 상기 제2 전극(220)은 상기 제1 전극(210)과 제1 방향(D1)으로 이격될 수 있다. The
상기 카본 나노튜브 시트는 상기 제1 기판(100) 상에 배치될 수 있다. 상기 카본 나노튜브 시트는 상기 제1 전극(210) 및 상기 제2 전극(220) 사이에 배치될 수 있다. 상기 카본 나노튜브 시트는 상기 제1 방향(D1)과 다른 제2 방향(D2)으로 연장되는 복수의 카본 나노튜브 스트링들(CNTS)을 포함할 수 있다. The carbon nanotube sheet may be disposed on the
예를 들어, 상기 카본 나노튜브 스트링들(CNTS)이 연장되는 제2 방향(D2)은 상기 제1 방향(D1)과 수직일 수 있다. For example, the second direction D2 in which the carbon nanotube strings CNTS extend may be perpendicular to the first direction D1.
상기 카본 나노튜브 시트의 상기 카본 나노튜브 스트링들(CNTS)은 대체로 제2 방향(D2)을 향해 연장되나, 부분적으로는 휘어진 부분이나 꺾어진 부분을 가질 수 있다. 상기 카본 나노튜브 시트의 상기 카본 나노튜브 스트링들(CNTS) 중 일부는 서로 연결되거나 서로 교차할 수 있다.The carbon nanotube strings CNTS of the carbon nanotube sheet generally extend toward the second direction D2, but may have a partially bent portion or a bent portion. Some of the carbon nanotube strings CNTS of the carbon nanotube sheet may be connected to each other or cross each other.
도 3을 참조하면, 상기 카본 나노튜브 시트의 일부분을 나타낸 것으로 대부분의 카본 나노튜브 스트링들(CNTS)은 상기 제2 방향(D2)을 따라 연장된다. 상기 카본 나노튜브 스트링들(CNTS)의 두께는 서로 상이할 수 있다. 도 4는 도 3의 일 부분을 확대한 것이며, 축적을 함께 나타내었다. Referring to FIG. 3, a portion of the carbon nanotube sheet is shown, and most of the carbon nanotube strings CNTS extend along the second direction D2. The carbon nanotube strings CNTS may have different thicknesses. FIG. 4 is an enlarged view of a part of FIG. 3 and shows the accumulation.
상기 제2 기판(300)은 상기 제1 전극(210), 상기 제2 전극(220) 및 상기 카본 나노튜브 시트 상에 배치될 수 있다.The
상기 제2 기판(300)은 투명한 재질을 포함할 수 있다. 또한, 상기 제2 기판(300)은 유연한 재질을 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 제2 기판(300)은 폴리디메틸실록산(Polydimethylsiloxane, PDMS)을 포함할 수 있다. 상기 제2 기판(300)은 상기 제1 기판(100)과 동일한 재질을 포함할 수 있다. The
상기 제2 기판(300) 상에 압력이 인가되면, 상기 제1 전극(210) 및 상기 제2 전극(220)의 신호를 측정하여 상기 압력이 센싱될 수 있다.When pressure is applied on the
도 5는 도 1의 압력 센서의 등가회로도이다. 도 6은 도 1의 압력 센서의 임피던스를 나타내는 그래프이다. 도 7은 입력 전압의 주파수에 따른 도 1의 압력 센서의 임피던스의 크기 및 위상을 나타내는 그래프이다.5 is an equivalent circuit diagram of the pressure sensor of FIG. 1. 6 is a graph showing the impedance of the pressure sensor of FIG. 1. 7 is a graph showing the magnitude and phase of the impedance of the pressure sensor of FIG. 1 according to the frequency of the input voltage.
도 1 내지 도 7을 참조하면, 상기 압력 센서는 상기 제1 전극(210) 및 상기 제2 전극(220)을 이용하여 레지스턴스(R) 및 캐패시턴스(C)를 모두 센싱할 수 있다. 1 to 7, the pressure sensor may sense both the resistance R and the capacitance C using the
상기 압력 센서의 등가 회로는 서로 병렬로 연결되는 하나의 저항(R) 및 하나의 캐패시터(C)를 포함할 수 있다. The equivalent circuit of the pressure sensor may include one resistor R and one capacitor C connected in parallel with each other.
도 6은 상기 압력 센서의 임피던스를 나타낸다. 상기 레지스턴스가 R이고 상기 캐패시턴스가 C일 때, 상기 압력 센서의 임피던스(Z)는 아래 수식 1로 표현된다. 6 shows the impedance of the pressure sensor. When the resistance is R and the capacitance is C, the impedance Z of the pressure sensor is expressed by Equation 1 below.
[수식 1][Equation 1]
상기 압력 센서의 임피던스(Z)를 실수 성분(ZRe)과 허수 성분(ZIm)으로 나누어 표현하면 수식 2와 같으며, 도 6은 상기 압력 센서의 임피던스의 실수 성분(ZRe)을 가로축에 표시하고 상기 압력 센서의 임피던스의 허수 성분(ZIm)을 세로축에 표시하였다. The real component (Z Re) and imaginary components (Z Im) when divided represented by the real component (Z Re) of the impedance of the same as the equation (2), 6 is a pressure sensor the impedance (Z) of the pressure sensor to the horizontal axis And the imaginary component (Z Im ) of the impedance of the pressure sensor is plotted on the vertical axis.
[수식 2][Equation 2]
Z=ZRe+jZIm Z=Z Re +jZ Im
도 6의 그래프의 가장 우측 하단부는 상기 압력 센서의 임피던스(Z)의 실수 성분(ZRe)만이 존재하는 부분으로 상기 제1 전극(210) 및 상기 제2 전극(220)에 인가되는 입력 전압의 주파수가 0인 경우를 나타낸다. 도 6의 그래프의 가장 좌측 하단부는 상기 제1 전극(210) 및 상기 제2 전극(220)에 인가되는 입력 전압의 주파수가 107 Hz인 경우를 나타낸다. The rightmost lower part of the graph of FIG. 6 is a part in which only the real component (Z Re) of the impedance (Z) of the pressure sensor exists, and is This indicates a case where the frequency is 0. The lower leftmost part of the graph of FIG. 6 shows a case where the frequency of the input voltage applied to the
도 6의 그래프에서 MEASURED는 상기 압력 센서로부터 실제 측정된 임피던스를 의미하고, FITTED는 상기 측정된 임피던스를 연결한 곡선을 의미한다. 도 6에서 보듯이, 상기 압력 센서는 하나의 저항과 하나의 캐패시터가 갖는 이상적인 임피던스 곡선을 나타내므로 상기 압력 센서는 하나의 저항 및 하나의 캐패시터의 등가 회로를 갖도록 모델링될 수 있다. In the graph of FIG. 6, MEASURED means an impedance actually measured from the pressure sensor, and FITTED means a curve connecting the measured impedance. As shown in FIG. 6, since the pressure sensor exhibits an ideal impedance curve of one resistor and one capacitor, the pressure sensor can be modeled to have an equivalent circuit of one resistor and one capacitor.
도 7의 그래프에서 가로 축은 입력 전압의 주파수를 나타내고, 세로 축은 임피던스의 크기(|Z|) 및 임피던스의 위상(PHASE)을 의미한다. 상기 임피던스의 크기는 수식 3으로 표현되고, 상기 임피던스의 위상(PHASE)은 수식 4로 표현될 수 있다.In the graph of FIG. 7, the horizontal axis represents the frequency of the input voltage, and the vertical axis represents the magnitude of the impedance (|Z|) and the phase of the impedance (PHASE). The magnitude of the impedance can be expressed by Equation 3, and the phase of the impedance PHASE can be expressed by Equation 4.
[수식 3][Equation 3]
[수식 4][Equation 4]
도 8은 도 1의 압력 센서에 압력이 가해질 때의 저항 및 캐패시턴스의 변화를 나타내는 그래프이다. 도 9a는 도 1의 압력 센서에 압력이 가해지지 않을 때의 상기 카본 나노튜브 시트의 상태를 나타내는 도면이다. 도 9b는 도 1의 압력 센서에 압력이 가해질 때의 상기 카본 나노튜브 시트의 상태를 나타내는 도면이다.8 is a graph showing changes in resistance and capacitance when pressure is applied to the pressure sensor of FIG. 1. 9A is a view showing a state of the carbon nanotube sheet when no pressure is applied to the pressure sensor of FIG. 1. 9B is a view showing a state of the carbon nanotube sheet when pressure is applied to the pressure sensor of FIG. 1.
도 8에서는 상기 입력 전압의 주파수를 100KHz로 설정하고, 상기 입력 전압의 크기를 50mV로 설정하고, 상기 압력 센서에 압력을 가한 뒤 상기 압력 센서의 레지스턴스(R)와 캐패시턴스(C)를 측정한 것이다. 상기 압력 센서에 약 33sec로부터 약 63sec 사이에 제1 압력(PRESSURE1)이 가해지고, 약 93sec로부터 약 120sec 사이에 제2 압력이 가해진 경우를 예시하였다.In FIG. 8, the frequency of the input voltage is set to 100 KHz, the magnitude of the input voltage is set to 50 mV, pressure is applied to the pressure sensor, and the resistance (R) and capacitance (C) of the pressure sensor are measured. . A case in which the first pressure (PRESSURE1) is applied between about 33 sec and about 63 sec to the pressure sensor, and the second pressure is applied between about 93 sec and about 120 sec is illustrated.
도 1 내지 도 9b를 참조하면, 상기 압력 센서에 가해지는 압력이 증가하면 상기 레지스턴스(R)는 증가할 수 있다. 1 to 9B, when the pressure applied to the pressure sensor increases, the resistance R may increase.
상기 제1 전극(210) 및 상기 제2 전극(220) 사이의 경로의 비저항이 ρ, 상기 제1 전극(210) 및 상기 제2 전극(220) 사이의 경로의 길이가 l, 상기 제1 전극(210) 및 상기 제2 전극(220) 사이의 경로의 면적이 s일 때, 상기 압력 센서의 상기 레지스턴스(R)는 수식 5로 표현될 수 있다. The specific resistance of the path between the
[수식 5][Equation 5]
상기 압력 센서에 가해지는 상기 압력이 증가하면 도 9b와 같이 상기 제1 전극(210) 및 상기 제2 전극(220) 사이의 경로의 길이(l)가 증가하게 되며, 따라서 수식 5에 의해 상기 압력 센서의 상기 레지스턴스(R)가 증가하게 된다.When the pressure applied to the pressure sensor increases, the length (l) of the path between the
상기 압력 센서에 가해지는 상기 압력이 증가하면 상기 캐패시턴스(C)는 감소할 수 있다.When the pressure applied to the pressure sensor increases, the capacitance C may decrease.
상기 제1 전극(210) 및 상기 제2 전극(220) 사이에 배치되는 상기 카본 나노튜브 시트로 정의되는 유전체의 유전율이 ε, 상기 유전체의 면적이 A, 상기 카본 나노튜브 스트링들(CNTS) 사이의 평균 거리가 d일 때, 상기 압력 센서의 상기 캐패시턴스(C)는 수식 6으로 표현될 수 있다.The dielectric constant defined by the carbon nanotube sheet disposed between the
[수식 6][Equation 6]
상기 압력 센서에 가해지는 상기 압력이 증가하면 도 9b와 같이 상기 카본 나노튜브 스트링들(CNTS) 사이의 평균 거리(d)가 증가하게 되며, 따라서 수식 6에 의해 상기 압력 센서의 상기 캐패시턴스(C)가 감소하게 된다.When the pressure applied to the pressure sensor increases, the average distance (d) between the carbon nanotube strings CNTS increases as shown in FIG. 9B, and thus the capacitance (C) of the pressure sensor by Equation 6 Decreases.
도 10a 내지 도 10e는 도 1의 압력 센서를 제조하는 방법을 나타내는 도면들이다.10A to 10E are diagrams illustrating a method of manufacturing the pressure sensor of FIG. 1.
도 1 내지 도 10a를 참조하면, 상기 제1 기판(100)이 배치될 수 있다. 1 to 10A, the
도 1 내지 도 10b를 참조하면, 상기 카본 나노튜브 포레스트로부터 일방향으로 연장되는 복수의 카본 나노튜브 스트링들(CNTS)을 상기 제1 기판(100) 상에 형성할 수 있다. 상기 복수의 카본 나노튜브 스트링들(CNTS)을 형성하기 위해 금속 물질(M)을 이용할 수 있다.1 to 10B, a plurality of carbon nanotube strings CNTS extending in one direction from the carbon nanotube forest may be formed on the
도 1 내지 도 10c를 참조하면, 상기 카본 나노튜브 스트링들(CNTS)이 상기 제1 기판(100) 상에 형성된 상태를 나타낸다. 상기 제1 기판(100)은 투명하고 유연한 물질을 포함하므로, 상기 카본 나노튜브 스트링들(CNTS)이 형성된 상기 제1 기판(100)은 도 10c와 같이 휘어질 수 있다. 1 to 10C, the carbon nanotube strings CNTS are formed on the
도 1 내지 도 10d를 참조하면, 상기 제1 기판(100) 상에 상기 제1 전극(210) 및 상기 제1 전극(210)과 제1 방향(D1)으로 이격되는 상기 제2 전극(220)을 더 형성할 수 있다. 상기 카본 나노튜브 스트링들(CNTS)은 상기 제1 전극(210) 및 상기 제2 전극(220) 사이에 배치될 수 있다. 여기서, 상기 카본 나노튜브 스트링들(CNTS)은 상기 제1 방향(D1)과 다른 제2 방향(D2)으로 연장될 수 있다. 1 to 10D, the
도 1 내지 도 10e를 참조하면, 상기 제1 전극(210), 상기 제2 전극(220) 및 상기 카본 나노튜브 스트링들(CNTS) 상에 제2 기판(300)을 형성할 수 있다.1 to 10E, a
본 실시예에 따르면, 상기 압력 센서는 병렬 방향으로 정렬된 카본 나노튜브 스트링들(CNTS)을 갖는 카본 나노튜브 시트를 포함한다. 상기 압력 센서는 광 투과성이 있고 유연하며 전기적으로 저항(R)과 캐패시터(C)가 병렬로 연결된 등가 회로를 갖는다. 따라서, 레지스턴스 특성과 캐패시턴스 특성을 동시에 갖는 투명 유연 센서로 제작이 가능하다. According to this embodiment, the pressure sensor includes a carbon nanotube sheet having carbon nanotube strings CNTS arranged in a parallel direction. The pressure sensor is light-transmitting, flexible, and has an equivalent circuit electrically connected to a resistor (R) and a capacitor (C) in parallel. Therefore, it is possible to manufacture a transparent flexible sensor having both resistance characteristics and capacitance characteristics.
본 발명은 투명하고 유연한 압력 센서에 관한 것으로, 상기 투명하고 유연한 압력 센서는 웨어러블 특성을 포함하는 모바일 디바이스, 사물 인터넷에 적용할 수 있는 다양한 형태의 고성능 센서 소자에 널리 활용될 수 있다. The present invention relates to a transparent and flexible pressure sensor, and the transparent and flexible pressure sensor can be widely used in various types of high-performance sensor elements applicable to a mobile device including wearable characteristics and the Internet of Things.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 것이다.Although described above with reference to preferred embodiments of the present invention, those skilled in the art will be able to variously modify and change the present invention within the scope not departing from the spirit and scope of the present invention described in the following claims. You will understand that you can.
100: 제1 기판 210: 제1 전극
220: 제2 전극 300: 제2 기판
CNTS: 카본 나노튜브 스트링100: first substrate 210: first electrode
220: second electrode 300: second substrate
CNTS: carbon nanotube string
Claims (16)
상기 제1 기판 상에 배치되는 제1 전극;
상기 제1 기판 상에 배치되고 상기 제1 전극과 제1 방향으로 이격되는 제2 전극;
상기 제1 기판 상에 배치되고, 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극 사이에 배치되는 카본 나노튜브 시트; 및
상기 제1 전극, 상기 제2 전극 및 상기 카본 나노튜브 시트 상에 배치되는 제2 기판을 포함하고,
상기 카본 나노튜브 시트는 상기 제1 방향과 다른 제2 방향으로 연장되는 복수의 카본 나노튜브 스트링들을 포함하며,
압력 센서는 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극을 이용하여 레지스턴스 및 캐패시턴스를 센싱하고,
상기 압력 센서의 등가 회로는 서로 병렬로 연결되는 하나의 저항 및 하나의 캐패시터를 포함하며,
상기 레지스턴스가 R이고 상기 캐패시턴스가 C이며, 상기 압력 센서의 임피던스가 Z일 때, 인 것을 특징으로 하는 카본 나노튜브 시트를 포함하는 압력 센서.A first substrate;
A first electrode disposed on the first substrate;
A second electrode disposed on the first substrate and spaced apart from the first electrode in a first direction;
A carbon nanotube sheet disposed on the first substrate and disposed between the first electrode and the second electrode; And
And a second substrate disposed on the first electrode, the second electrode, and the carbon nanotube sheet,
The carbon nanotube sheet includes a plurality of carbon nanotube strings extending in a second direction different from the first direction,
The pressure sensor senses resistance and capacitance using the first electrode and the second electrode,
The equivalent circuit of the pressure sensor includes one resistor and one capacitor connected in parallel with each other,
When the resistance is R, the capacitance is C, and the impedance of the pressure sensor is Z, Pressure sensor comprising a carbon nanotube sheet, characterized in that.
상기 압력 센서에 가해지는 상기 압력이 증가하면 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극 사이의 경로의 길이(l)가 증가하여 상기 레지스턴스가 증가하는 것을 특징으로 하는 카본 나노튜브 시트를 포함하는 압력 센서.The method of claim 11, wherein a specific resistance of a path between the first electrode and the second electrode is ρ, a length of a path between the first electrode and the second electrode is l, and between the first electrode and the second electrode When the area of the path of is s, Is,
When the pressure applied to the pressure sensor increases, a length (l) of a path between the first electrode and the second electrode increases, thereby increasing the resistance.
상기 압력 센서에 가해지는 상기 압력이 증가하면 상기 카본 나노튜브 스트링들 사이의 평균 거리(d)가 증가하여 상기 캐패시턴스가 감소하는 것을 특징으로 하는 카본 나노튜브 시트를 포함하는 압력 센서.The method of claim 13, wherein the dielectric constant defined by the carbon nanotube sheet disposed between the first electrode and the second electrode is ε, the area of the dielectric is A, and an average distance between the carbon nanotube strings Is d, Is,
When the pressure applied to the pressure sensor increases, the average distance (d) between the carbon nanotube strings increases and the capacitance decreases.
상기 제1 기판 상에 제1 전극 및 상기 제1 전극과 제1 방향으로 이격되는 제2 전극을 형성하는 단계; 및
상기 제1 전극, 상기 제2 전극 및 상기 카본 나노튜브 스트링들 상에 제2 기판을 형성하는 단계를 포함하고,
상기 카본 나노튜브 스트링들은 상기 제1 방향과 다른 제2 방향으로 연장되며,
압력 센서는 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극을 이용하여 레지스턴스 및 캐패시턴스를 센싱하고,
상기 압력 센서의 등가 회로는 서로 병렬로 연결되는 하나의 저항 및 하나의 캐패시터를 포함하며,
상기 레지스턴스가 R이고 상기 캐패시턴스가 C이며, 상기 압력 센서의 임피던스가 Z일 때, 인 것을 특징으로 하는 카본 나노튜브 시트를 포함하는 압력 센서의 제조 방법.Forming a plurality of carbon nanotube strings extending in one direction from the carbon nanotube forest on the first substrate;
Forming a first electrode on the first substrate and a second electrode spaced apart from the first electrode in a first direction; And
Forming a second substrate on the first electrode, the second electrode, and the carbon nanotube strings,
The carbon nanotube strings extend in a second direction different from the first direction,
The pressure sensor senses resistance and capacitance using the first electrode and the second electrode,
The equivalent circuit of the pressure sensor includes one resistor and one capacitor connected in parallel with each other,
When the resistance is R, the capacitance is C, and the impedance of the pressure sensor is Z, Method of manufacturing a pressure sensor comprising a carbon nanotube sheet, characterized in that.
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