KR102248653B1 - 가변저항소자, 이의 제조 방법 및 이를 포함하는 수위센서 - Google Patents

가변저항소자, 이의 제조 방법 및 이를 포함하는 수위센서 Download PDF

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KR102248653B1
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acid
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KR1020200022263A
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김선국
이정준
간들라 스리니바스
홍성인
조해원
박준우
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성균관대학교산학협력단
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Abstract

본원은 기판; 상기 기판 상에 형성되고, 전도성 유화제 및 전도성 물질의 중합체를 포함하는 전극부; 및 상기 기판 상에 형성된 저항 패턴부; 를 포함하고, 상기 저항 패턴부는 상기 전도성 물질이 분해되어 생성된 것인, 가변저항소자를 제공한다.

Description

가변저항소자, 이의 제조 방법 및 이를 포함하는 수위센서{VARIABLE RESISTOR DEVICE, PREPARING METHOD OF THE SAME, AND WATER-LEVEL SENSOR INCLUDING THE SAME}
본원은 가변저항소자, 이의 제조 방법 및 이를 포함하는 수위 센서에 관한 것이다.
수위 센서는 댐, 발전소, 물 탱크 등에서 수위 측정을 요구하는 다양한 응용 분야에 활용될 수 있다. 특히, 선박에서 누수로 인한 인명 및 재화의 피해를 방지하기 위해서는 물이 새어 들어오는 것을 감지하는 것뿐만 아니라, 이를 알리고 수위를 모니터링하는 시스템(water ingress monitoring systems; WIMS) 이 필수적이다. 하지만, 종래의 기술로 이와 같은 WIMS 를 구축하는 데는 고가의 비용이 소요된다는 문제점이 있다.
한편, 종래에 선박에서 일반적으로 이용되는 수위 센서의 경우 초음파를 이용하여 물의 깊이를 검출하는데, 이와 같은 방법은 선박 내에 물건 등과 혼동할 수 있어 불리한 구동방법을 가지고 있었다. 또한, 유체의 수위를 측정하는 장치로서 종래의 플로트 스위치(float switch)는 물탱크와 같이 이미 물이 있는 상황에서 물이 늘거나 줄었을 때 유체의 수위를 알 수 있는 것이므로 누수에 의해 물이 유입 되는 상황을 검출하는 데는 한계가 있었다.
본원의 배경이 되는 기술인 대한민국 공개특허 제 10-2015-0132759 호는 수위센서 및 이를 포함하는 물저장탱크에 관한 것으로서, 상기 공개특허는 물저장탱크 내에 존재하는 물의 수위를 감지하는 것으로서, 누수에 의해 물이 유입 되는 상황을 검출할 수 없는 등, 종래 기술의 문제점을 해결하지 못하였다. 이에, 수위 측정 시 다른 물건 등과 혼동될 염려가 없으며 대면적화가 용이한 동시에 저렴하게 제조 가능한 수위 측정 기술이 요구된다.
본원은 전술한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서 가변저항소자, 이의 제조 방법 및 이를 포함하는 수위 센서를 제공한다.
다만, 본원의 실시예가 이루고자 하는 기술적 과제는 상기된 바와 같은 기술적 과제들로 한정되지 않으며, 또 다른 기술적 과제들이 존재할 수 있다.
상기한 기술적 과제를 달성하기 위한 기술적 수단으로서, 본원의 제 1 측면은, 기판; 상기 기판 상에 형성되고, 전도성 유화제 및 전도성 물질의 중합체를 포함하는 전극부; 및 상기 기판 상에 형성된 저항 패턴부; 를 포함하고, 상기 저항 패턴부는 상기 전도성 물질이 분해되어 생성된 것인, 가변저항소자를 제공한다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 저항 패턴부는 물과 접촉하여 전기저항이 감소하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 가변저항소자는 물에 잠긴 깊이에 따라 상이한 전기저항을 가지는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 전극부는 상기 전도성 유화제 및 상기 전도성 물질과 고분자의 공중합체를 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 고분자는 알코올성 고분자를 포함하고, 상기 전극부는 상기 알코올성 고분자와 상기 전도성 유화제 간의 그라프트 공중합체를 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 전도성 물질은 폴리(3,4-에틸렌디옥시티오펜), 폴리티오펜, 폴리피롤, 폴리아닐린, 폴리(3-메틸 티오펜), 폴리(3-헥실 티오펜), 폴리옥틸티오펜, 폴리 풀러렌, 폴리 아세틸렌, 폴리퓨란, 폴리 페닐렌 설파이드, 폴리(페닐렌-비닐렌), 폴리(티에닐렌-비닐렌), 폴리 설퍼-나이트라이드, 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택된 고분자를 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 전도성 유화제는 폴리스티렌 술포네이트, 4-톨루엔 설폰산, 1-나프탈렌 설폰산, 도데실벤젠설폰산, 폴리비닐설폰산, 폴리스티렌설폰산, 폴리아크릴산, 폴리메타크릴산, 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택된 것을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 기판은 폴리에틸렌 테레프탈레이트, 폴리이미드, 폴리카보네이트, 폴리에틸렌나프탈레이트, 폴리노르보넨, 폴리아크릴레이트, 폴리비닐알콜, 폴리에테르설폰, 폴리스타일렌, 폴리프로필렌, 폴리에틸렌, 폴리염화비닐, 폴리아미드, 폴리틸렌테레프탈레이트, 폴리메타크릴레이트, 폴리디메틸실록산, 폴리페닐설파이드, 폴리에테르에테르케톤, 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택된 것을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원의 제 2 측면은, 기판 상에 전도성 유화제 및 전도성 물질의 중합체를 포함하는 전극부를 형성하는 단계; 및 상기 전극부 상에 레이저를 이동시키며 조사하여 저항 패턴부를 형성하는 단계; 를 포함하고 상기 레이저의 조사에 의해 상기 전도성 물질이 분해되는 것인, 가변저항소자의 제조 방법을 제공한다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 레이저는 적외선(IR) 영역대의 파장을 가지는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 레이저의 조사 강도 및/또는 시간에 따라 상기 저항 패턴부의 전기저항이 조절되는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 전극부는 상기 중합체를 포함하는 용액을 스핀코팅, 바코팅, 잉크젯 프린팅, 노즐 프린팅, 스프레이 코팅, 슬롯다이코팅, 그라비아 프린팅, 스크린 프린팅, 전기수력학적 제트 프린팅, 전기분무, 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택된 방법에 의해 형성하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 전극부를 형성하는 단계에서 상기 전도성 유화제와 알코올성 고분자를 공중합시키는 단계를 추가 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 전도성 유화제는 폴리스티렌 술포네이트, 4-톨루엔 설폰산, 1-나프탈렌 설폰산, 도데실벤젠설폰산, 폴리비닐설폰산, 폴리스티렌설폰산, 폴리아크릴산, 폴리메타크릴산, 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택된 것을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 전도성 물질은 폴리(3,4-에틸렌디옥시티오펜), 폴리티오펜, 폴리피롤, 폴리아닐린, 폴리(3-메틸 티오펜), 폴리(3-헥실 티오펜), 폴리옥틸티오펜, 폴리 풀러렌, 폴리 아세틸렌, 폴리퓨란, 폴리 페닐렌 설파이드, 폴리(페닐렌-비닐렌), 폴리(티에닐렌-비닐렌), 폴리 설퍼-나이트라이드, 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택된 것을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원의 제 3 측면은, 본원의 제 1 측면에 따른 가변저항소자를 포함하는 수위 센서를 제공한다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 수위 센서는 실시간으로 수위를 모니터링하는 것인 일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
상술한 과제 해결 수단은 단지 예시적인 것으로서, 본원을 제한하려는 의도로 해석되지 않아야 한다. 상술한 예시적인 실시예 외에도, 도면 및 발명의 상세한 설명에 추가적인 실시예가 존재할 수 있다.
본원에 따른 가변저항소자는 내수성 및 내화학성이 우수하므로 물에 직접 접촉시켜 이용할 수 있다. 이에 따라, 상기 가변저항소자를 이용하여 수위를 측정할 경우 다른 조건에 의해 방해 받지 않고 정확하게 수위를 측정할 수 있다.
본원에 따른 가변저항소자 및 이를 포함한 수위 센서는 이미 물이 있는 경우뿐 아니라, 물이 유입 또는 유출되는 경우에도 사용 가능하고, 경보(alarm) 장치 등을 추가로 구비하여 재난상황에 대비하는 시스템을 구축할 수 있다.
본원에 따른 가변저항소자는 투명하므로 미관을 해치지 않을 수 있고, 유연하며 박형으로 제조할 수 있으므로 활용범위가 넓다.
다만, 본원에서 얻을 수 있는 효과는 상기된 바와 같은 효과들로 한정되지 않으며, 또 다른 효과들이 존재할 수 있다.
도 1 은 본원의 일 구현예에 따른 가변저항소자의 모식도이다.
도 2 는 본원의 일 구현예에 따른 가변저항소자의 개념도이다.
도 3 은 본원의 일 실시예에 따른 가변저항소자의 사진이다.
도 4 는 본원의 일 구현예에 따른 가변저항소자의 제조 방법의 순서도이다
도 5 는 본원의 일 구현예에 따른 가변저항소자의 제조 방법의 모식도이다.
도 6 은 본원의 일 구현예에 따른 수위센서의 사용예에 대한 개념도이다.
도 7 은 본원의 일 비교예에 따라 형성된 PEDOT:PSS-g-PEGME 그라프트 공중합체의 주사전자현미경(SEM) 사진이다.
도 8 은 본원의 일 비교예에 따라 형성된 레이저 처리된 PEDOT:PSS-g-PEGME 그라프트 공중합체의 주사전자현미경(SEM) 사진이다.
도 9 는 본원의 비교예에 따른 가변저항소자의 투과도를 비교한 결과이다.
도 10 은 본원의 비교예에 따른 가변저항소자의 X선 광전자 분광 스펙트럼을 비교한 결과이다.
도 11 의 (a) 는 본원의 실시예 및 비교예에 따른 가변저항소자의 전압에 따른 전류에 대한 그래프이고, (b) 는 (a) 를 이용하여 도출한 저항에 대한 그래프이다.
도 12 의 (a) 는 본원의 일 실시예에 따른 가변저항소자의 수위에 따른 전류에 대한 그래프이고, (b) 는 (a) 를 통해 도출한 저항에 대한 그래프이다.
도 13 의 (a) 는 본원의 일 실시예에 따른 가변저항소자를 활용한 수위 센서의 시간에 따른 전류 그래프이고, (b) 는 (a) 를 통해 도출한 통계적 분석 그래프이고, (c) 는 수위 센서의 사진이고, (d) 는 (a) 와 (b) 를 통해 도출한 시간에 따른 수위 변화 그래프이다.
아래에서는 첨부한 도면을 참조하여 본원이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본원의 실시예를 상세히 설명한다. 그러나 본원은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본원을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
본원 명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 "전기적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다.
본원 명세서 전체에서, 어떤 부재가 다른 부재 "상에", "상부에", "상단에", "하에", "하부에", "하단에" 위치하고 있다고 할 때, 이는 어떤 부재가 다른 부재에 접해 있는 경우뿐 아니라 두 부재 사이에 또 다른 부재가 존재하는 경우도 포함한다.
본원 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함" 한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
본 명세서에서 사용되는 정도의 용어 "약", "실질적으로" 등은 언급된 의미에 고유한 제조 및 물질 허용오차가 제시될 때 그 수치에서 또는 그 수치에 근접한 의미로 사용되고, 본원의 이해를 돕기 위해 정확하거나 절대적인 수치가 언급된 개시 내용을 비양심적인 침해자가 부당하게 이용하는 것을 방지하기 위해 사용된다. 또한, 본원 명세서 전체에서, "~ 하는 단계" 또는 "~의 단계"는 "~를 위한 단계"를 의미하지 않는다.
본원 명세서 전체에서, 마쿠시 형식의 표현에 포함된 "이들의 조합"의 용어는 마쿠시 형식의 표현에 기재된 구성 요소들로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 혼합 또는 조합을 의미하는 것으로서, 상기 구성 요소들로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상을 포함하는 것을 의미한다.
본원 명세서 전체에서, "A 및/또는 B" 의 기재는, "A, B, 또는, A 및 B" 를 의미한다.
본원 명세서 전체에서, "가변저항"은 회로 내에서 저항값을 변경할 수 있는 저항(resistor)을 의미한다.
이하, 본원의 가변저항소자에 대하여 구현예 및 실시예와 도면을 참조하여 구체적으로 설명하도록 한다. 그러나, 본원이 이러한 구현예 및 실시예와 도면에 제한되는 것은 아니다.
상기한 기술적 과제를 달성하기 위한 기술적 수단으로서, 본원의 제 1 측면은, 기판; 상기 기판 상에 형성되고, 전도성 유화제 및 전도성 물질의 중합체를 포함하는 전극부; 및 상기 기판 상에 형성된 저항 패턴부; 를 포함하고, 상기 저항 패턴부는 상기 전도성 물질이 분해되어 생성된 것인, 가변저항소자를 제공한다.
도 1 은 본원의 일 구현예에 따른 가변저항소자의 모식도이다.
본원에 따른 가변저항소자는 내수성 및 내화학성이 우수하므로 물에 직접 접촉시켜 이용할 수 있다.
이와 관련하여, 본원에 따른 가변저항소자에 포함된 상기 전도성 유화제는 서로 가교되어 있으므로 내화학성이 우수하다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 전도성 유화제는 폴리스티렌 술포네이트, 4-톨루엔 설폰산, 1-나프탈렌 설폰산, 도데실벤젠설폰산, 폴리비닐설폰산, 폴리스티렌설폰산, 폴리아크릴산, 폴리메타크릴산, 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택된 것을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 바람직하게는 상기 전도성 유화제는 폴리스티렌 술포네이트(PSS)이다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 전도성 물질은 폴리(3,4-에틸렌디옥시티오펜), 폴리티오펜, 폴리피롤, 폴리아닐린, 폴리(3-메틸 티오펜), 폴리(3-헥실 티오펜), 폴리옥틸티오펜, 폴리 풀러렌, 폴리 아세틸렌, 폴리퓨란, 폴리 페닐렌 설파이드, 폴리(페닐렌-비닐렌), 폴리(티에닐렌-비닐렌), 폴리 설퍼-나이트라이드, 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택된 고분자를 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 바람직하게는 상기 전도성 물질은 폴리(3,4-에틸렌디옥시티오펜(PEDOT) 이다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 전극부(200)는 상기 전도성 유화제 및 상기 전도성 물질과 고분자의 공중합체를 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 고분자는 알코올성 고분자를 포함하고, 상기 전극부(200)는 상기 알코올성 고분자와 상기 전도성 유화제 간의 그라프트 공중합체를 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 고분자는 폴리에틸렌글리콜메틸에테르(PEGME), 폴리에틸렌글리콜(PEG), 폴리에틸렌글리콜메타크릴레이트(PEGMA), 폴리프롤필렌글리콜아크릴레이트(poly(propylene glycol acrylate), 폴리프로필렌글리콜 메타크릴레이트 (poly(propylene)methacrylate), 폴리프로필렌글리콜모노뷰틸에테르(poly(propylene glycol)monobutyl ether), 폴리프로필렌길리콜모노옥틸에테르(poly(propylene glycol)monooctyl ether), 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택된 고분자를 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 바람직하게는 상기 고분자는 폴리(에틸렌글리콜)메틸에테르{poly(ethylene glycol) methyl ether, PEGME} 일 수 있고, 상기 그라프트 공중합체는 PSS-g-PEGME 또는 PEDOT:PSS-g-PEGME 일 수 있다.
상기 그라프트 공중합체는 상기 전도성 유화제의 친수성 작용기가 상기 고분자에 의해 치환되고, 안정한 결합인 에스터 결합을 포함한다. 이에 따라, 상기 공중합체를 포함함으로써 내수분성 및 내화학성이 더욱 향상될 수 있으므로, 본원에 따른 가변저항소자는 물에 단순히 접촉하는 것뿐만이 아니라 물에 잠기게 하여 사용하더라도 현저한 물성의 저하가 발생하지 않는다.
본원에 따른 가변저항소자 상에는 상기 전극부(200)가 사다리와 유사한 형상으로 형성되어 있고, 상기 사다리 형상의 전극부(200)의 두 다리 사이를 잇는 부분 중에 상기 전극부(200) 가 형성되지 않은 부분에는 상기 저항 패턴부(300)가 형성되어 있다.
상기 저항 패턴부(300)는 상기 전극부(200)에 비해 큰 저항값(resistance)을 가진다. 구체적으로는 상기 전극부(200)는 약 1.107 (±0.046) kΩ 의 면저항(sheet resistance)을 가지는 반면 상기 저항 패턴부(300)는 약 2 MΩ 이상의 면저항을 가진다. 즉, 상기 저항 패턴부(300)는 상기 전극부(200)의 약 103 배 이상의 면저항을 가진다. 상기 저항 패턴부(300)는 높은 면저항 때문에 상기 전극부(200)에 전압을 인가하여 전류를 흐르게 할 경우, 전류의 흐름을 방해한다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 저항 패턴부(300)는 물과 접촉하여 전기저항(resistance)이 감소하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 가변저항소자는 물에 잠긴 깊이에 따라 상이한 전기저항을 가지는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
도 2 는 본원의 일 구현예에 따른 가변저항소자의 개념도이다.
본원에 따른 가변저항소자의 상기 저항 패턴부(300)는 복수의 저항이 병렬 연결된 병렬 저항(parallel resistor)에 해당한다. 이와 관련하여, 본원에 따른 가변저항소자는 물에 잠긴 깊이에 따라 상기 가변저항소자의 전체저항(Rtotal)이 변할 수 있으며, 상기 전극부(200)에 전압을 인가할 경우에는 병렬저항회로로서 작동할 수 있다.
구체적으로, 상기 가변저항소자의 일부가 물에 잠길 경우, 저항 패턴부(300)의 물에 잠기지 않은 부분(물에 잠기지 않은 저항 패턴부의 저항을 Rr 로 정의함)로 전류가 흐르는 대신에, 저항이 작아 전류가 흐르기 쉬운 물과 접촉하는 부분(물의 저항 또는 물과 접촉한 저항 패턴부의 저항을 Rw 로 정의함)으로 전류가 흐르게 된다.
즉, 상기 가변저항소자는 저항 Rr 과 Rw 이 병렬로 연결되어 있고, 상기 가변저항소자가 물에 잠기면 Rw 이 감소하므로 Rtotal 이 따라서 감소한다. 또한, 상기 가변저항소자는 물에 잠긴 깊이가 증가할수록 Rw 이 감소되어 Rtotal 이 따라서 감소하므로, 상기 전극부(200)에 전원을 연결하여 전압 인가 시에 물에 잠긴 깊이가 증가할수록 상기 가변저항소자에 흐르는 전체 전류의 흐름이 용이할 수 있다(전기 전도성 증가).
도 3 은 본원의 일 실시예에 따른 가변저항소자의 사진이다.
본원에 따른 가변저항소자는 투명하고 유연한 기판(100)을 사용함으로써 상기 가변저항소자를 투명하고 유연하게 제작할 수 있고, 상기 기판(100)은 내수분성 및 내화학성이 우수한 것이 바람직하다.
상기 가변저항소자는 투명하므로 미관을 해치지 않을 수 있고, 유연하며 박형으로 제조할 수 있으므로 활용범위가 넓다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 기판(100)은 폴리에틸렌 테레프탈레이트, 폴리이미드, 폴리카보네이트, 폴리에틸렌나프탈레이트, 폴리노르보넨, 폴리아크릴레이트, 폴리비닐알콜, 폴리에테르설폰, 폴리스타일렌, 폴리프로필렌, 폴리에틸렌, 폴리염화비닐, 폴리아미드, 폴리틸렌테레프탈레이트, 폴리메타크릴레이트, 폴리디메틸실록산, 폴리페닐설파이드, 폴리에테르에테르케톤, 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택된 것을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 바람직하게는 상기 기판(100)은 폴리에틸렌 테레프탈레이트이다.
본원의 제 2 측면은, 기판(100)상에 전도성 유화제 및 전도성 물질의 중합체를 포함하는 전극부(200)를 형성하는 단계; 및 상기 전극부(200) 상에 레이저를 이동시키며 조사하여 저항 패턴부(300)를 형성하는 단계; 를 포함하고 상기 레이저의 조사에 의해 상기 전도성 물질이 분해되는 것인, 가변저항소자의 제조 방법을 제공한다.
본원의 제 2 측면에 따른 가변저항소자의 제조 방법에 대하여, 본원의 제 1 측면과 중복되는 부분들에 대해서는 상세한 설명을 생략하였으나, 그 설명이 생략되었더라도 본원의 제 1 측면에 기재된 내용은 본원의 제 2 측면에 동일하게 적용될 수 있다.
도 4 는 본원의 일 구현예에 따른 가변저항소자의 제조 방법의 순서도이다.
도 5 는 본원의 일 구현예에 따른 가변저항소자의 제조 방법의 모식도이다.
먼저, 기판(100) 상에 전도성 유화제 및 전도성 물질의 중합체를 포함하는 전극부(200)를 형성한다 (S100).
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 전극부(200)를 형성하는 단계에서 상기 전도성 유화제와 알코올성 고분자를 공중합시키는 단계를 추가 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원에 따른 가변저항소자의 제조 방법은 용액 공정을 이용하므로 대면적의 가변저항소자를 제조하기에 용이하고, 롤투롤(roll-to-roll) 공정이 가능하다는 장점이 있다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 전극부(200)는 상기 중합체를 포함하는 용액을 스핀코팅, 바코팅, 잉크젯 프린팅, 노즐 프린팅, 스프레이 코팅, 슬롯다이코팅, 그라비아 프린팅, 스크린 프린팅, 전기수력학적 제트 프린팅, 전기분무, 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택된 방법에 의해 형성하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 바람직하게는 스핀코팅을 이용한다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 전도성 유화제는 폴리스티렌 술포네이트, 4-톨루엔 설폰산, 1-나프탈렌 설폰산, 도데실벤젠설폰산, 폴리비닐설폰산, 폴리스티렌설폰산, 폴리아크릴산, 폴리메타크릴산, 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택된 것을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 바람직하게는, 상기 전도성 유화제는 폴리스티렌 술포네이트이다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 전도성 물질은 폴리(3,4-에틸렌디옥시티오펜), 폴리티오펜, 폴리피롤, 폴리아닐린, 폴리(3-메틸 티오펜), 폴리(3-헥실 티오펜), 폴리옥틸티오펜, 폴리 풀러렌, 폴리 아세틸렌, 폴리퓨란, 폴리 페닐렌 설파이드, 폴리(페닐렌-비닐렌), 폴리(티에닐렌-비닐렌), 폴리 설퍼-나이트라이드, 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택된 것을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 바람직하게는, 상기 전도성 물질은 폴리(3,4-에틸렌디옥시티오펜), 폴리티오펜이다.
이어서, 상기 전극부(200) 상에 레이저를 이동시키며 조사하여 저항 패턴부(300)를 형성한다 (S200).
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 레이저는 적외선(IR) 영역대의 파장을 가지는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, 상기 레이저의 파장은 600 내지 1,200 nm 일 수 있고, 바람직하게는 약 1,054 nm 의 파장을 가지는 레이저를 사용할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원에 따른 가변저항소자의 제조 방법은 상기 레이저를 조사함으로써, 상기 기판(100), 상기 중합체 또는 공중합체 상에 포함된 물질 중 상기 전도성 물질만을 선택적으로 제거(etching)할 수 있다. 이에 따라, 상기 레이저가 조사되어 형성된 영역인 상기 저항 패턴부(300)는 전도성이 감소하고, 저항이 증가한다.
또한, 상기 레이저를 이동시키면서 조사하므로 저항을 증가시키는 동시에 패터닝을 수행하여 원하는 모양으로 상기 저항 패턴부(300)를 형성할 수 있다.
또한, 상기 레이저의 직경에 따라 상기 저항 패턴부(300)의 형태가 조절될 수 있다. 예를 들어, 상기 레이저의 직경은 약 20 ㎛ 이고, 이와 같은 레이저를 조사하여 형성된 상기 저항 패턴부(300)의 넓이는 약 1 mm 일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 상기 레이저의 직경을 감소시키면 더욱 정밀한 패턴의 형성이 가능하다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 레이저의 조사 강도 및/또는 시간에 따라 상기 저항 패턴부(300)의 전기저항이 조절되는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원의 제 3 측면은, 본원의 제 1 측면에 따른 가변저항소자를 포함하는 수위 센서를 제공한다.
본원의 제 3 측면에 따른 수위 센서에 대하여, 본원의 제 1 측면 및/또는 제 2 측면과 중복되는 부분들에 대해서는 상세한 설명을 생략하였으나, 그 설명이 생략되었더라도 본원의 제 1 측면 및/또는 제 2 측면에 기재된 내용은 본원의 제 3 측면에 동일하게 적용될 수 있다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 수위 센서는 실시간으로 수위를 모니터링하는 것인 일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
도 6 은 본원의 일 구현예에 따른 수위센서의 사용예에 대한 개념도이다.
본원에 따른 수위 센서는 이미 물이 있는 경우뿐 아니라, 물이 유입 또는 유출되는 경우에도 사용 가능하다.
본원에 따른 수위 센서는 경보(alarm) 장치 등을 추가로 구비하여 재난상황에 대비하는 시스템을 구축할 수 있다.
상술한 과제 해결 수단은 단지 예시적인 것으로서, 본원을 제한하려는 의도로 해석되지 않아야 한다. 상술한 예시적인 실시예 외에도, 도면 및 발명의 상세한 설명에 추가적인 실시예가 존재할 수 있다.
이하 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세하게 설명하고자 하나, 하기의 실시예는 단지 설명의 목적을 위한 것이며 본원의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다.
[실시예]
가변저항소자를 제조하기 위하여, 헤라우스(Heraeus Ltd.) 의 PEDOT:PSS 용액 (CleviosTM PH 1000), 시그마-알드리치 (Sigma-Aldrich) 의 디메틸설폭시드(Dimethyl sulfoxide, DMSO) 및 폴리(에틸렌글리콜)메틸에테르 {poly(ethylene glycol) methyl ether, PEGME, average M n 550}, 덕산약품공업㈜ 의 이소프로필 알코올(Isopropyl alcohol, IPA) 을 구입하여 사용하였다.
상기 PEDOT:PSS 용액 상에 상기 DMSO (5 wt%), 상기 IPA (20 wt%), 및 상기 PEGME (PSS/PEGME weight ratio = 1:0.5)를 첨가하여 상온 (25 ℃) 에서 30 분간 교반하였다. 이어서, 상기 혼합 용액을 7 x 7 cm2 의 PET 필름 상에 1,500 rpm 으로 60 초간 스핀코팅한 후 대기 중에서 15 분간 150℃ 로 열처리하여 78 nm 두께의 PEDOT:PSS-g-PEGME 공중합체를 형성하였다. 이후, 상기 공중합체 상에 적외선(infrared-ray; IR) 레이저(wavelength = 1,054 nm)를 이동시키며 조사하여 전극부 및 저항 패턴부를 형성하여 가변저항소자를 제조하였다.
[비교예 1]
실시예에서 사용한 것과 동일한 PET 필름을 준비하고 아무런 처리를 하지 않았다.
[비교예 2]
실시예와 동일한 방법을 수행하되, 상기 기판 상에 PEDOT:PSS-g-PEGME 공중합체를 형성하고, 레이저 조사를 생략하였다. 이에 따라 얻어진 레이저 처리되지 않은 PEDOT:PSS-g-PEGME 공중합체는 본원에 따른 가변저항소자에서 전극부에 해당한다.
도 7 은 본원의 일 비교예에 따라 형성된 PEDOT:PSS-g-PEGME 그라프트 공중합체의 주사전자현미경(SEM) 사진이다.
이를 참조하면, 약 100 nm 의 크기를 가지는 PEDOT:PSS-g-PEGME 의 입자가 형성되어 있는 것을 확인할 수 있다.
[비교예 3]
실시예와 동일한 방법으로 제조하되, PEDOT:PSS-g-PEGME 공중합체를 형성하고, 형성된 PEDOT:PSS-g-PEGME 공중합체 상의 모든 부분에 레이저를 조사하였다. 이에 따라 얻어진 레이저 처리된 PEDOT:PSS-g-PEGME 공중합체는 본원에 따른 가변저항소자에서 저항 패턴부에 해당한다.
도 8 은 본원의 일 비교예에 따라 형성된 레이저 처리된 PEDOT:PSS-g-PEGME 공중합체의 주사전자현미경(SEM) 사진이다.
도 7 과 도 8 을 비교하면, 도 8 에서는 입자의 수가 감소한 것을 볼 수 있다. 이를 통해 레이저 처리에 의해 PEDOT 이 제거되었음을 알 수 있다.
[실험예 1]
상기 비교예 1 내지 3 에 대하여 분광학적 분석을 수행하였다. 구체적으로 550 nm 파장의 빛을 조사하여 투과도를 측정하였다.
도 9 는 본원의 비교예에 따른 가변저항소자의 투과도를 비교한 결과이다.
이를 참조하면, 비교예 1 은 92%, 비교예 2 는 86% 의 투과도를 가지는 것에 비하여 비교예 3 은 90% 를 가지는 것을 확인할 수 있다. 이를 통해, 상기 가변저항소자는 투명도가 높으며, 특히 저항 패턴부는 투명한 기판과 유사한 수준으로 투명하다는 것을 알 수 있다.
[실험예 2]
상기 비교예 2 및 비교예 3 에 대하여 분광학적 분석을 수행하였다. 구체적으로는, X-선 광전자 분광법 (X-ray photoelectron spectroscopy; XPS) 를 수행하여 PSS 와 PEDOT 의 조성을 비교하였다.
도 10 은 본원의 비교예에 따른 가변저항소자의 X선 광전자 분광 스펙스럼을 비교한 결과이다. 약 166.7 eV 에서의 피크는 PSS, 약 163.0 eV 및 164.0 eV 에서의 피크는 PEDOT이 존재함을 의미하므로, 비교예 2 의 곡선과 비교하여 비교예 3 에서는 PSS 의 피크는 유지되고 PEDOT 의 피크가 사라진 것을 확인할 수 있다. 이를 통해, 레이저 처리에 의해 PEDOT 만 선택적으로 제거됨을 알 수 있다.
[실험예 3]
실시예, 비교예 2 및 3 에 따라 제조된 가변저항소자에 전압을 인가하여 주어진 전압에 다른 전류를 측정하였다.
도 11 의 (a) 는 본원의 실시예 및 비교예에 따른 가변저항소자의 전압에 따른 전류에 대한 그래프이고, (b) 는 (a) 를 이용하여 도출한 저항에 대한 그래프이다.
(a) 를 참조하면, 본원에 따른 가변저항소자는 옴의 법칙(R=V/I) 을 따르는 것을 확인할 수 있고, 이에 따라 옴의 법칙을 이용하여 (b) 의 결과를 도출할 수 있다. 이를 통해, 레이저가 조사되어 형성된 저항 패턴부의 저항값(resistance) 이 전극부의 저항값보다 높고, 상기 저항 패턴부와 상기 전극부가 모두 형성된 경우에는 상기 저항 패턴부와 상기 전극부의 저항값의 사잇값을 가짐을 확인할 수 있다.
[실험예 4]
실시예에 따라 제조된 가변저항소자를 물에 잠기게 하여 전극부에 전압을 인가하여 주어진 전압에 따른 전류를 특정하였다. 이 때, 잠긴 깊이는 0 cm, 1 cm, 2 cm, 3 cm, 4 cm, 5 cm 각각에 대하여 측정하였다.
도 12 의 (a) 는 본원의 일 실시예에 따른 가변저항소자의 수위에 따른 전류에 대한 그래프이고, (b) 는 (a) 를 통해 도출한 저항에 대한 그래프이다.
이를 통해, 물에 깊게 잠길수록 가변저항소자의 전체 저항이 감소하고, 특히 0 cm 와 1 cm 사이의 구간에서 저항값이 현격하게 변화하는 것은, 물과 접촉함으로써 전류가 흐르기 쉬운 물 쪽으로 전류가 흐를 수 있게 되었기 때문이라고 할 수 있다. 이를 통해 본원에 따른 가변저항소자의 저항 패턴부는 병렬저항이라는 것을 알 수 있다.
[실험예 5]
실시예에 따라 제조된 가변저항소자를 활용한 수위 센서에 대하여 상기 가변저항소자를 물에 잠기게 하여 전극부에 1 V 의 전압을 인가하여 잠긴 깊이에 따른 전류를 특정하였다. 이 때, 잠긴 깊이는 0 cm, 1 cm, 2 cm, 3 cm, 4 cm, 5 cm 각각에 대하여 측정하여 잠긴 깊이에 따른 전류의 표준 곡선(standard curve) 를 도출하여 시간에 따른 수위의 변화를 측정하였다.
도 13 의 (a) 는 본원의 일 실시예에 따른 가변저항소자를 활용한 수위 센서의 시간에 따른 전류 그래프이고, (b) 는 (a) 를 통해 도출한 통계적 분석 그래프이고, (c) 는 수위 센서의 사진이고, (d) 는 (a) 와 (b) 를 통해 도출한 시간에 따른 수위 변화 그래프이다.
(a) 와 (b) 를 통해, 상기 가변저항소자가 잠긴 깊이에 비례하여 전류가 선형적으로 증가함을 확인할 수 있고, (c) 를 참조하면 마이크로 컨트롤러를 추가로 구비하여 경보 시스템을 구축한 것을 확인할 수 있고, (d) 를 참조하면 물이 없었던 상황에서 물이 유입되는 것을 검출할 수 있다는 것을 알 수 있다.
전술한 본원의 설명은 예시를 위한 것이며, 본원이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본원의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.
본원의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본원의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
100: 기판
200: 전극부
300: 저항 패턴부

Claims (17)

  1. 기판;
    상기 기판 상에 형성되고, 전도성 유화제 및 전도성 물질의 중합체를 포함하는 전극부; 및
    상기 기판 상에 형성된 저항 패턴부;
    를 포함하고,
    상기 전극부는 상기 전도성 유화제 및 상기 전도성 물질과 고분자의 공중합체를 포함하며,
    상기 저항 패턴부는 상기 전도성 물질이 분해되어 생성된 것인,
    가변저항소자.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 저항 패턴부는 물과 접촉하여 전기저항이 감소하는 것인, 가변저항소자.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 가변저항소자는 물에 잠긴 깊이에 따라 상이한 전기저항을 가지는 것인, 가변저항소자.
  4. 삭제
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 고분자는 알코올성 고분자를 포함하고, 상기 전극부는 상기 알코올성 고분자와 상기 전도성 유화제 간의 그라프트 공중합체를 포함하는 것인, 가변저항소자.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 전도성 물질은 폴리(3,4-에틸렌디옥시티오펜), 폴리티오펜, 폴리피롤, 폴리아닐린, 폴리(3-메틸 티오펜), 폴리(3-헥실 티오펜), 폴리옥틸티오펜, 폴리 풀러렌, 폴리 아세틸렌, 폴리퓨란, 폴리 페닐렌 설파이드, 폴리(페닐렌-비닐렌), 폴리(티에닐렌-비닐렌) 및 폴리 설퍼-나이트라이드에서 선택된 고분자를 포함하는 것인, 가변저항소자.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 전도성 유화제는 폴리스티렌 술포네이트, 4-톨루엔 설폰산, 1-나프탈렌 설폰산, 도데실벤젠설폰산, 폴리비닐설폰산, 폴리스티렌설폰산, 폴리아크릴산 및 폴리메타크릴산에서 선택된 것을 포함하는 것인, 가변저항소자.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 기판은 폴리에틸렌 테레프탈레이트, 폴리이미드, 폴리카보네이트, 폴리에틸렌나프탈레이트, 폴리노르보넨, 폴리아크릴레이트, 폴리비닐알콜, 폴리에테르설폰, 폴리스타일렌, 폴리프로필렌, 폴리에틸렌, 폴리염화비닐, 폴리아미드, 폴리틸렌테레프탈레이트, 폴리메타크릴레이트, 폴리디메틸실록산, 폴리페닐설파이드 및 폴리에테르에테르케톤에서 선택된 것을 포함하는 것인, 가변저항소자.
  9. 기판 상에 전도성 유화제 및 전도성 물질의 중합체를 포함하는 전극부를 형성하는 단계; 및
    상기 전극부 상에 레이저를 이동시키며 조사하여 저항 패턴부를 형성하는 단계;
    를 포함하고.
    상기 전극부를 형성하는 단계에서 상기 전도성 유화제와 알코올성 고분자를 공중합시키는 단계를 추가 포함하며,
    상기 레이저의 조사에 의해 상기 전도성 물질이 분해되는 것인,
    가변저항소자의 제조 방법.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 레이저는 적외선(IR) 영역대의 파장을 가지는 것인, 가변저항소자의 제조 방법.
  11. 제 9 항에 있어서,
    상기 레이저의 조사 강도 및/또는 시간에 따라 상기 저항 패턴부의 전기저항이 조절되는 것인, 가변저항소자의 제조 방법.
  12. 제 9 항에 있어서,
    상기 전극부는 상기 중합체를 포함하는 용액을 스핀코팅, 바코팅, 잉크젯 프린팅, 노즐 프린팅, 스프레이 코팅, 슬롯다이코팅, 그라비아 프린팅, 스크린 프린팅, 전기수력학적 제트 프린팅 및 전기분무에서 선택된 방법에 의해 형성하는 것인, 가변저항소자의 제조 방법.
  13. 삭제
  14. 제 9 항에 있어서,
    상기 전도성 유화제는 폴리스티렌 술포네이트, 4-톨루엔 설폰산, 1-나프탈렌 설폰산, 도데실벤젠설폰산, 폴리비닐설폰산, 폴리스티렌설폰산, 폴리아크릴산 및 폴리메타크릴산에서 선택된 것을 포함하는 것인, 가변저항소자의 제조 방법.
  15. 제 9 항에 있어서,
    상기 전도성 물질은 폴리(3,4-에틸렌디옥시티오펜), 폴리티오펜, 폴리피롤, 폴리아닐린, 폴리(3-메틸 티오펜), 폴리(3-헥실 티오펜), 폴리옥틸티오펜, 폴리 풀러렌, 폴리 아세틸렌, 폴리퓨란, 폴리 페닐렌 설파이드, 폴리(페닐렌-비닐렌), 폴리(티에닐렌-비닐렌) 및 폴리 설퍼-나이트라이드에서 선택된 것을 포함하는 것인, 가변저항소자의 제조 방법.
  16. 제 1 항 내지 제 3 항 및 제 5 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 따른 가변저항소자를 포함하는,
    수위 센서.
  17. 제 16 항에 있어서,
    상기 수위 센서는 실시간으로 수위를 모니터링하는 것인, 수위 센서.

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