KR102304602B1 - 압력 감지 센서 및 이를 포함하는 압력 감지 장치 - Google Patents
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Abstract
본 발명의 한 실시예에 따른 압력 감지 센서는 제1 전극에 연결되는 제1 전극층, 상기 제1 전극층 상에 배치되는 중간층, 그리고 상기 중간층 상에 배치되며, 상기 제1 전극과 반대의 극성을 가지는 제2 전극에 연결되는 제2 전극층을 포함하고, 상기 중간층은 비공극 영역 내에 공극 영역이 분산된 폼(foam) 및 상기 폼 내에 분산되며 상기 폼 보다 도전율이 큰 도전성 입자를 포함하며, 상기 중간층의 밀도는 0.1g/cm3 내지 0.28g/cm3이고, 상기 공극 영역의 종횡비는 1대 1.2 내지 5이다.
Description
본 발명은 압력 감지에 관한 것으로, 보다 상세하게는 압력을 감지하는 센서 및 장치에 관한 것이다.
가정용 안전 장치뿐만 아니라 체압 분포를 이용하는 다양한 응용 분야에서 압력을 감지하기 위한 장치가 요구된다.
압력 감지 장치는 하부 전극, 하부 전극 상에 배치된 중간층, 그리고 중간층 상에 배치된 상부 전극을 포함한다. 중간층은 도전성 입자가 분산된 탄성체일 수 있다. 압력 감지 장치 상에 가해지는 압력은 중간층의 저항이 변화하는 원리를 이용하여 감지될 수 있다. 이러한 압력 감지 장치의 성능은 중간층의 탄성 복원력, 전도 성능 등에 의하여 영향을 받을 수 있다.
일반적으로, 중간층은 폼 형태의 탄성의 기재를 전도성 용액에 침지한 후, 세정 및 건조를 거치는 과정으로 제작될 수 있다. 이러한 경우, 압력 감지 장치의 반복적인 사용에 따라, 탄성의 기재 표면에 부착된 도전성 입자가 이탈될 수 있으며, 이탈된 전도성 필러는 주변 오염원이 될 뿐만 아니라, 압력 감지 장치의 센싱 감도를 떨어뜨리는 원인이 될 수도 있다.
또한, 탄성체 내에 도전성 입자를 고르게 분산시키기 어려우므로, 하나의 압력 감지 장치 내에서도 가변 저항의 폭이 불균일하게 나타나는 문제가 있다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 가해진 무게에 따른 압력을 감지하는 압력 감지 장치를 제공하는 데 있다.
본 발명의 한 실시예에 따른 압력 감지 센서는 제1 전극에 연결되는 제1 전극층, 상기 제1 전극층 상에 배치되는 중간층, 그리고 상기 중간층 상에 배치되며, 상기 제1 전극과 반대의 극성을 가지는 제2 전극에 연결되는 제2 전극층을 포함하고, 상기 중간층은 비공극 영역 내에 공극 영역이 분산된 폼(foam) 및 상기 폼 내에 분산되며 상기 폼 보다 도전율이 큰 도전성 입자를 포함하며, 상기 중간층의 밀도는 0.1g/cm3 내지 0.28g/cm3이고, 상기 공극 영역의 종횡비는 1대 1.2 내지 5이다.
상기 공극 영역의 종횡비는 1 대 1.5 내지 3일 수 있다.
상기 중간층의 인장강도는 1kg/mm2 이상이고, 인열강도는 0.2kg/cm 이상이며, 신율은 100% 이상일 수 있다.
상기 도전성 입자의 적어도 일부는 상기 비공극 영역의 표면 및 상기 공극 영역 내에 분산될 수 있다.
상기 도전성 입자는 제1 도전성 입자, 그리고 상기 제1 도전성 입자와 이종인 제2 도전성 입자를 포함할 수 있다.
상기 제2 도전성 입자의 전기전도도는 상기 제1 도전성 입자의 전기전도도보다 높으며, 상기 제1 도전성 입자는 상기 비공극 영역의 표면 및 상기 공극 영역 내에 분산되고, 상기 제2 도전성 입자는 상기 비공극 영역 내에 분산되거나, 상기 비공극 영역과 상기 공극 영역 간의 경계를 관통할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 압력 감지 센서는 제1 전극에 연결되는 제1 전도 영역을 포함하는 제1 전극층, 상기 제1 전극층과 수평면 상에 이격되어 배치되며, 상기 제1 전극과 반대의 극성을 가지는 제2 전극에 연결되는 제2 전도 영역을 포함하는 제2 전극층, 그리고 상기 제1 전극층과 상기 제2 전극층 상에 배치되는 중간층을 포함하며, 상기 중간층은 비공극 영역 내에 공극 영역이 분산된 폼(foam) 및 상기 폼 내에 분산되며 상기 폼 보다 도전율이 큰 도전성 입자를 포함하며, 상기 중간층의 밀도는 0.1g/cm3 내지 0.28g/cm3이고, 상기 공극 영역의 종횡비는 1대 1.2 내지 5이다.
본 발명의 한 실시예에 따른 압력 감지 장치는 압력 감지 센서, 상기 압력 감지 센서와 연결되며, 상기 압력 감지 센서에서 발생한 전기 신호를 처리하는 신호 처리부, 그리고 상기 신호 처리부와 연결되며, 상기 신호 처리부에 의하여 처리된 신호에 기초하여 제어 신호를 생성하는 제어부를 포함하며, 상기 압력 감지 센서는 제1 전극에 연결되는 제1 전극층, 상기 제1 전극층 상에 배치되는 중간층, 그리고 상기 중간층 상에 배치되며, 상기 제1 전극과 반대의 극성을 가지는 제2 전극에 연결되는 제2 전극층을 포함하고, 상기 중간층은 비공극 영역 내에 공극 영역이 분산된 폼(foam) 및 상기 폼 내에 분산되며 상기 폼 보다 도전율이 큰 도전성 입자를 포함하며, 상기 중간층의 밀도는 0.1g/cm3 내지 0.28g/cm3이고, 상기 공극 영역의 종횡비는 1대 1.2 내지 5이다.
본 발명의 실시예에 따른 압력 감지 장치는 가해진 무게에 따른 압력을 정밀하게 감지할 수 있으며, 압력 분포를 정확하게 감지할 수 있다.
특히, 본 발명의 실시예에 따르면, 전도성 필러의 이탈을 최소화하여 내구성이 높으며, 탄성 복원력이 높은 압력 감지 장치를 얻을 수 있다. 또한, 본 발명의 실시예에 따르면, 제작 공정을 단순화할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따르면, 저항 값의 편차가 줄어들어 신뢰성이 향상된 압력 감지 장치를 얻을 수 있다.
도 1은 본 발명의 한 실시예에 따른 압력 감지 센서의 사시도이다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 압력 감지 센서의 사시도이다.
도 3은 본 발명의 한 실시예에 따른 압력 감지 센서에 포함되는 중간층의 개략적인 단면도이다.
도 4는 본 발명의 한 실시예에 따른 중간층의 확대도이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 중간층의 확대도이다.
도 6은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 중간층의 확대도이다.
도 7은 도 4의 중간층을 제조하는 방법을 나타내는 순서도이다.
도 8은 도 5의 중간층을 제조하는 방법을 나타내는 순서도이다.
도 9는 도 6의 중간층을 제조하는 방법을 나타내는 순서도이다.
도 10은 비교예에 따라 제조된 중간층의 SEM 사진이다.
도 11은 본 발명의 한 실시예에 따라 제조된 중간층의 SEM 사진이다.
도 12는 비교예에 따라 제조된 중간층의 압력 별 저항 값을 7개의 센싱 포인트에서 측정한 그래프이다.
도 13은 실시예에 따라 제조된 중간층의 압력 별 저항 값을 7개의 센싱 포인트에서 측정한 그래프이다.
도 14는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 압력 감지 센서의 단면도이다.
도 15는 본 발명의 실시예에 따른 압력 감지 장치의 블록도이다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 압력 감지 센서의 사시도이다.
도 3은 본 발명의 한 실시예에 따른 압력 감지 센서에 포함되는 중간층의 개략적인 단면도이다.
도 4는 본 발명의 한 실시예에 따른 중간층의 확대도이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 중간층의 확대도이다.
도 6은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 중간층의 확대도이다.
도 7은 도 4의 중간층을 제조하는 방법을 나타내는 순서도이다.
도 8은 도 5의 중간층을 제조하는 방법을 나타내는 순서도이다.
도 9는 도 6의 중간층을 제조하는 방법을 나타내는 순서도이다.
도 10은 비교예에 따라 제조된 중간층의 SEM 사진이다.
도 11은 본 발명의 한 실시예에 따라 제조된 중간층의 SEM 사진이다.
도 12는 비교예에 따라 제조된 중간층의 압력 별 저항 값을 7개의 센싱 포인트에서 측정한 그래프이다.
도 13은 실시예에 따라 제조된 중간층의 압력 별 저항 값을 7개의 센싱 포인트에서 측정한 그래프이다.
도 14는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 압력 감지 센서의 단면도이다.
도 15는 본 발명의 실시예에 따른 압력 감지 장치의 블록도이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
제2, 제1 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 제2 구성요소는 제1 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제1 구성요소도 제2 구성요소로 명명될 수 있다. 및/또는 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.
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.
실시예들의 설명에 있어서, 각 층(막), 영역, 패턴 또는 구조들이 기판, 각층(막), 영역, 패드 또는 패턴들의 "상/위(on)"에 또는 "하/아래(under)"에 형성된다는 기재는, 직접(directly) 또는 다른 층을 개재하여 형성되는 것을 모두 포함한다. 각 층의 상/위 또는 하/아래에 대한 기준은 도면을 기준으로 설명한다. 또한, 도면에서 각 층(막), 영역, 패턴 또는 구조물들의 두께나 크기는 설명의 명확성 및 편의를 위하여 변형될 수 있으므로, 실제 크기를 전적으로 반영하는 것은 아니다.
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 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.
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 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 실시예를 상세히 설명하되, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 참조 번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
도 1은 본 발명의 한 실시예에 따른 압력 감지 센서의 사시도이고, 도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 압력 감지 센서의 사시도이다.
도 1 내지 2를 참조하면, 압력 감지 센서(100)는 제1 전극층(110), 제2 전극층(120), 그리고 제1 전극층(110)과 제2 전극층(120) 사이에 배치되는 중간층(130)을 포함한다. 제1 전극층(110)은 제1 전극(미도시)에 연결되고, 제2 전극층(120)은 제1 전극과 반대의 극성을 가지는 제2 전극(미도시)에 연결될 수 있다. 도시되지 않았으나, 제1 전극 및 제2 전극은 리지드(rigid) 인쇄회로기판 또는 연성(flexible) 인쇄회로기판을 통해 연결될 수 있다. 중간층(130)은 도전성 입자가 분산된 탄성체일 수 있다.
이때, 제1 전극층(110) 및 제2 전극층(120)은 도금 전극 또는 프린팅 전극일 수 있으며, 유연하고 신축성을 가지는 전극일 수 있다. 이를 위하여, 도금 전극 또는 프린팅 전극은 유연하고 신축성을 가지는 베이스 기재 상에 형성될 수 있으며, 베이스 기재는, 예를 들어 에스테르계 직물 또는 우레탄계 필름일 수 있으나, 이로 제한되는 것은 아니다.
또는, 제1 전극층(110) 및 제2 전극층(120)은 도전성 섬유를 포함할 수도 있다. 여기서, 도전성 섬유는 금속 와이어 또는 표면 상에 금속 막이 피복된 일반 섬유일 수 있다. 도전성 섬유는 금속 입자가 분산된 일반 섬유일 수도 있다. 도전성 섬유가 금속 와이어인 경우, 금속 와이어의 직경은 10㎛ 내지 500㎛일 수 있다. 금속 와이어의 직경이 10㎛ 미만이면 금속 와이어의 강도가 약하여 직물 가공이 어려울 수 있으며, 금속 와이어의 직경이 500㎛를 초과하면 금속 와이어의 강성이 높아 직물의 유연성이 떨어질 수 있으므로, 직물의 가공 시 설비에 데미지를 줄 수 있고, 사용자가 이질감을 느끼기 쉽다. 이때, 금속 와이어는 Cu, Ni, 또는 스테인레스 합금일 수 있다. 스테인레스 합금은, 예를 들면 마르텐사이트계 스테인레스 합금, 페라이트계 스테인레스 합금, 오스테나이트계 스테인레스 합금, 2상계 스테인레스 합금, 석출경화계 스테인레스 합금 등일 수 있다. 금속 와이어가 스테인레스 합금인 경우, 압력 감지 센서(100)의 내부식성을 높일 수 있다. 도전성 섬유가 표면 상에 금속 막이 피복된 일반 섬유인 경우, 금속 막은 금속 입자가 도금 방식 또는 증착 방식으로 일반 섬유의 표면 상에 피복되는 방법에 의하여 형성될 수 있다. 이때, 금속 입자는 Cu, Ni, 또는 스테인레스 합금일 수 있으며, 금속 막의 두께는 1㎛ 내지 50㎛일 수 있다. 금속 막의 두께가 1㎛ 미만이면 전도율이 낮으므로 신호 전송 시에 손실을 유발할 수 있으며, 금속 막의 두께가 50㎛ 를 초과하면 섬유의 표면에서 금속 막이 쉽게 이탈될 수 있다.
도 1과 같이, 제1 전극층(110)의 전체가 제1 전도 영역을 이루고, 제2 전극층(120)의 전체가 제2 전도 영역을 이룰 수 있다.
또는, 도 2와 같이, 제1 전극층(110)은 제1 전도 영역(112)을 포함하고, 제2 전극층(120)은 제2 전도 영역(122)을 포함할 수도 있다. 이때, 제1 전도 영역(112) 및 제2 전도 영역(122)은 베이스 기재 상에 형성된 도금 전극 또는 프린팅 전극일 수 있다. 또는, 제1 전극층(110) 및 제2 전극층(120)은 직물로 이루어지며, 제1 전도 영역(112) 및 제2 전도 영역(122)은 도전성 섬유를 포함하는 직물로 이루어질 수도 있다. 여기서, 직물은 날실과 씨실이 서로 아래 위로 교차하여 짜여진 천을 의미하며, 날실과 씨실이 규칙적으로 짜여진 천뿐만 아니라 부정형으로 배치된 부직포도 함께 포함할 수 있다.
여기서, 제1 전극층(110)의 제1 전도 영역(112)과 제2 전극층(120)의 제2 전도 영역(122)은 서로 다른 방향으로 형성될 수 있으며, 제1 전도 영역(112) 및 제2 전도 영역(122)이 교차하는 지점은 하나의 센싱 포인트로 작용할 수 있다.
이에 따라, 센싱 포인트를 가압하면, 제1 전도 영역(112)과 제2 전도 영역(122) 간의 간격, 즉 중간층(130)의 두께는 줄어들게 된다. 가해지는 힘이 클수록 중간층(130)의 두께 및 체적 중 적어도 하나는 줄어들게 되며, 중간층(130)의 단위 체적 당 도전 물질의 밀도가 높아지고, 도전 물질 간 거리가 가까워질 수 있다. 이에 따라, 중간층(130)은 정상 상태에서 절연 특성을 가지나, 중간층(130)의 주변에 물리적인 변화가 발생한 경우, 예를 들어 중간층(130) 상에 압력이 가해진 경우, 중간층(130)의 두께 또는 체적 중 적어도 하나의 변화에 의하여, 압저항이 낮아지게 된다. 중간층(130)의 압저항이 낮아지게 되면, 본 발명의 실시예에 따른 압력 감지 센서(100)는 압저항의 변화량에 따라 무게를 감지할 수 있다.
도시되지 않았으나, 제1 전도 영역(112)은 제2 전도 영역(122)보다 크게 형성되며, 하나의 제1 전도 영역(112) 상에 복수의 제2 전도 영역(122)이 배치되도록 형성될 수도 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 중간층의 구조를 변경하여 중간층의 가변 저항의 편차를 줄이고, 내구성을 높이며, 압력 감지 성능을 높이고자 한다.
도 3은 본 발명의 한 실시예에 따른 압력 감지 센서에 포함되는 중간층의 개략적인 단면도이고, 도 4는 본 발명의 한 실시예에 따른 중간층의 확대도이며, 도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 중간층의 확대도이고, 도 6은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 중간층의 확대도이다. 도 7은 도 4의 중간층을 제조하는 방법을 나타내는 순서도이고, 도 8은 도 5의 중간층을 제조하는 방법을 나타내는 순서도이며, 도 9는 도 6의 중간층을 제조하는 방법을 나타내는 순서도이다.
도 3 내지 6을 참조하면, 중간층(130)은 비공극 영역(132) 내에 공극 영역(134)이 분산된 폼, 그리고 폼 내에 분산되며, 폼보다 도전율이 큰 도전성 입자(136)를 포함한다.
여기서, 폼의 비공극 영역(132)은 폴리우레탄, 폴리올레핀, 고무, 실리콘 및 엘라스토머로 이루어진 그룹에서 선택되는 적어도 하나를 포함할 수 있다. 폼의 비공극 영역(132) 내에 공극 영역(134)이 분산되면, 중간층(130)은 탄성을 가질 수 있다. 이에 따라, 제1 전극층(110) 및 제2 전극층(120)이 교차하는 지점에 압력이 가해지면, 중간층(130)의 두께는 줄어들게 되며, 압저항이 변화하게 된다. 이때, 폼은 비공극 영역(132) 내에 공극 영역(134)이 분산되는 형태일 수 있다.
이때, 중간층(130)의 밀도는 0.1g/cm3 내지 0.28g/cm3, 바람직하게는 0.12g/cm3 내지 0.18g/cm3이고, 공극 영역(134)의 세로 길이에 대한 가로 길이의 비인 종횡비는 1대 1.2 내지 5, 바람직하게는 1.5 내지 3일 수 있다.
중간층(130)의 밀도가 0.1g/cm3 미만이면, 도전성 입자(136)가 이탈되기 쉬우며, 폼의 탄성 복원성이 저하되어 압력 감지 센서의 성능이 확보되지 못하고, 중간층(130)의 밀도가 0.28g/cm3을 초과하면, 두께의 변형이 작아 압저항 변화가 측정되지 않거나 무게 감지 구분이 작아지게 된다.
또한, 공극 영역(134)의 종횡비가 1대 1.2 미만이면, 도전성 입자(136)가 이탈되기 쉬우며, 공극 영역(134)의 종횡비가 1대 5를 초과하면, 두께의 변형이 작아 압저항 변화가 측정되지 않거나 무게 감지 구분이 작아지게 된다.
한편, 도전성 입자(136)는 제1 도전성 입자(136-1), 그리고 제1 도전성 입자(136-1)와 이종인 제2 도전성 입자(136-2)를 포함할 수 있다. 이때, 제2 도전성 입자(136-2)의 전기전도도는 제1 도전성 입자(136-1)의 전기전도도보다 높을 수 있다. 이와 같이, 중간층(130) 내에 전기전도도가 상이한 이종의 도전성 입자가 분산되는 경우, 압력에 따라 가변하는 저항 값의 범위가 넓어질 수 있다. 이에 따라, 감지할 수 있는 압력의 범위가 넓어질 수 있으며, 압력 감지의 정밀도가 높아질 수 있다. 여기서, 도전성 입자는, Au, Ag, Cu, Ni, 카본계 물질, 세라믹 물질 및 전도성 고분자로 이루어진 그룹에서 선택될 수 있다. 이때, 전도성 고분자는 폴리아닐린(polyaniline) 또는 폴리피롤(polypyrrole)을 포함할 수 있다. 세라믹 물질은 예를 들어 100㎛ 이하의 직경을 가지는 마이크로 카본 코일 바륨티타네이트일 수 있다.
예를 들어, 제1 도전성 입자(136-1)는 비결정성 카본이고, 제2 도전성 입자(136-2)는 결정성 카본일 수 있다. 결정성 카본은 비결정성 카본에 비하여 전기전도도가 높다. 예를 들어, 제1 도전성 입자(136-1)는 카본 블랙을 포함하고, 제2 도전성 입자(136-2)는 탄소나노튜브, 그래핀 및 그라파이트로 이루어진 그룹에서 선택될 수 있다.
이와 같이, 중간층(130)에 포함되는 도전성 입자(136)가 비결정성 카본뿐만 아니라 결정성 카본을 포함하면 비결정성 카본에 의하여 가변하는 저항 값의 범위분만 아니라 결정성 카본에 의하여 가변하는 저항 값의 범위도 커버할 수 있으므로, 압력에 따라 가변하는 저항 값의 범위가 넓어질 수 있다. 이때, 도전성 입자(136)는 중간층(130)의 1 내지 10wt%로 포함될 수 있다. 도전성 입자(136)가 중간층(130)의 1wt% 미만으로 포함되면, 가압 시 압저항의 변화가 둔감하게 일어날 수 있다. 그리고, 도전성 입자(136)가 중간층(130)의 10wt%를 초과하여 포함되면, 압력이 가해지지 않은 상태에서 중간층(130)의 절연 특성을 보장하기 어려워지며, 도전성 입자(136)가 중간층(130) 내에서 고르게 분산되지 않고 뭉쳐지게 된다.
이때, 제2 도전성 입자(136-2) 10 중량부에 대하여 제1 도전성 입자(136-1)는 20 중량부 이상 100 중량부 미만, 바람직하게는 20 중량부 이상 50 중량부 미만, 더욱 바람직하게는 20 중량부 이상 30 중량부 미만으로 포함될 수 있다. 제2 도전성 입자(136-2) 10 중량부에 대하여 제1 도전성 입자(136-1)가 20 중량부 미만으로 포함되거나, 100 중량부를 초과하여 포함되면, 가변하는 저항 값의 범위가 넓게 나타나지 않을 수 있으며, 도전성 입자가 중간층(130) 내에서 고르게 분산되지 않고 뭉쳐질 수 있다. 예를 들어, 제2 도전성 입자(136-2)는 중간층(130)의 0.5 내지 2.5wt%, 바람직하게는 1 내지 2wt%, 더욱 바람직하게는 1.2 내지 1.8wt%로 포함될 수 있으며, 제1 도전성 입자(136-1)는 중간층(130)의 1 내지 7.5wt%, 바람직하게는 2 내지 6wt%, 더욱 바람직하게는 2.4 내지 5.4wt%로 포함될 수 있다.
이러한 도전성 입자(136)는, 도 4에서 도시한 바와 같이 비공극 영역(132)의 표면 또는 공극 영역(134) 내에 분산되거나, 도 5에서 도시한 바와 같이 비공극 영역(132) 내 또는 비공극 영역(132)과 공극 영역(134) 간의 경계면을 통과하도록 분산되거나, 6에 도시한 바와 같이 비공극 영역(132) 내, 비공극 영역(132)과 공극 영역(134) 간의 경계면, 비공극 영역(132)의 표면 또는 공극 영역(134) 내에 분산될 수 있다.
도 5 내지 6에 도시한 바와 같이, 도전성 입자(136)의 적어도 일부가 비공극 영역(132) 내에 분산되거나, 비공극 영역(133)과 공극 영역(134) 간의 경계면을 통과하도록 분산되면, 도전성 입자(136)는 폼 내에 고정될 수 있다. 이에 따라, 압력 감지 센서(100)의 장기간 반복된 사용에도 도전성 입자가 중간층(130)으로부터 이탈될 가능성을 낮출 수 있다.
이때, 중간층(130)에 포함되는 전체 도전성 입자(136)에 대하여 비공극 영역(132) 내에 분산되거나, 비공극 영역(132)과 공극 영역(134) 간의 경계면을 통과하도록 분산되는 도전성 입자는 20wt%이상, 바람직하게는 30wt% 이상, 더욱 바람직하게는 50wt% 이상일 수 있다. 비공극 영역(132) 내에 분산되거나, 비공극 영역(132)과 공극 영역(134) 간의 경계면을 통과하도록 분산되는 도전성 입자가 20wt% 미만이면, 도전성 입자의 이탈로 인하여 오염이 발생하거나, 저항 변화를 감지할 수 있는 감도가 떨어질 수 있다.
특히, 도 6에 도시한 바와 같이, 제1 도전성 입자(136-1)는 비공극 영역(132)의 표면 또는 공극 영역(134) 내에 분산되고, 제2 도전성 입자(136-2)는 비공극 영역(132) 내에 분산되며 제2 도전성 입자(136-2)의 적어도 일부는 비공극 영역(132) 및 공극 영역(134) 간의 경계면을 통과할 수 있다.
이때, 전기전도도가 높아 낮은 저항 값 범위를 커버하는 제2 도전성 입자(136-2)가 비공극 영역(132) 내에 분산되고, 전기전도도가 상대적으로 낮아 높은 저항 값 범위를 커버하는 제1 도전성 입자(136-1)가 공극 영역(134) 내에 분산되면, 중간층에 대한 가압 횟수가 늘어나더라도 제2 도전성 입자(136-2)는 제1 도전성 입자(136-1)에 비하여 이탈될 확률이 낮다. 이에 따라, 반복된 사용에도 넓은 범위의 저항 값 변화를 유지하는 성능은 유지될 수 있다.
이러한 중간층은 아래의 방법으로 제조될 수 있다.
도 7을 참조하면, 밀도가 0.02g/cm3 내지 0.04g/cm3인 폼을 마련한다(S700). 여기서, 폼은 폴리우레탄, 폴리올레핀, 고무, 실리콘 및 엘라스토머로 이루어진 그룹에서 선택되는 적어도 하나를 포함할 수 있다.
다음으로, 마련된 폼을 도전성 입자가 분산된 용액에 침지한 후, 세정 및 건조시킨다(S710). 여기서, 도전성 입자는 Au, Ag, Cu, Ni, CNT(Carbon Nano Tube), 카본 블랙, 그래핀, 세라믹 물질 및 전도성 고분자로 이루어진 그룹에서 선택될 수 있다. 이때, 전도성 고분자는 폴리아닐린(polyaniline) 또는 폴리피롤(polypyrrole)을 포함할 수 있다. 세라믹 물질은 예를 들어 100㎛ 이하의 직경을 가지는 마이크로 카본 코일 바륨티타네이트일 수 있다.
다음으로, 폼을 압축한다(S720). 이때, 압축율은 1/7 내지 1/5일 수 있다. 예를 들어, 단계 S710에서 건조된 폼은 1/7 내지 1/5의 두께로 압축될 수 있다.
도 8을 참조하면, 기재 및 도전성 입자를 혼합한다(S800). 여기서, 기재는 폴리우레탄, 폴리올레핀, 고무, 실리콘 및 엘라스토머로 이루어진 그룹에서 선택되는 적어도 하나를 포함할 수 있고, 도전성 입자는 Au, Ag, Cu, Ni, CNT(Carbon Nano Tube), 카본 블랙, 그래핀, 세라믹 물질 및 전도성 고분자로 이루어진 그룹에서 선택될 수 있다. 이때, 전도 물질은 기재의 1 내지 10wt%로 포함될 수 있다.
다음으로, 혼합된 기재 및 전도 물질을 발포 성형한다(S810). 이때, 발포 성형된 폼의 밀도가 0.02g/cm3 내지 0.04g/cm3이 되도록 할 수 있다.
다음으로, 폼을 압축한다(S820). 이때, 압축율은 1/7 내지 1/5일 수 있다. 예를 들어, 단계 S810에서 발포 성형된 폼은 1/7 내지 1/5의 두께로 압축될 수 있다.
도 9를 참조하면, 기재 및 제2 도전성 입자를 혼합한다(S900). 여기서, 기재는 폴리우레탄, 폴리올레핀, 고무, 실리콘 및 엘라스토머로 이루어진 그룹에서 선택되는 적어도 하나를 포함할 수 있고, 도전성 입자는 Au, Ag, Cu, Ni, CNT(Carbon Nano Tube), 카본 블랙, 그래핀, 세라믹 물질 및 전도성 고분자로 이루어진 그룹에서 선택된 하나일 수 있다.
다음으로, 혼합된 기재 및 제2 도전성 입자를 발포 성형한다(S910). 이때, 발포 성형된 폼의 밀도가 0.02g/cm3 내지 0.04g/cm3이 되도록 할 수 있다.
다음으로, 마련된 폼을 제1 도전성 입자가 분산된 용액에 침지한 후, 세정 및 건조시킨다(S920). 여기서, 제1 도전성 입자는 Au, Ag, Cu, Ni, CNT(Carbon Nano Tube), 카본 블랙, 그래핀, 세라믹 물질 및 전도성 고분자로 이루어진 그룹에서 선택된 하나일 수 있으며, 제2 도전성 입자와 이종인 도전성 입자일 수 있다. 이때, 제2 도전성 입자의 전기전도도는 제1 도전성 입자의 전기전도도보다 높을 수 있다.
다음으로, 폼을 압축한다(S930). 이때, 압축율은 1/7 내지 1/5일 수 있다. 예를 들어, 단계 S920에서 건조된 폼은 1/7 내지 1/5의 두께로 압축될 수 있다.
도 7 내지 9에서 설명한 바와 같이, 초기 밀도가 0.02g/cm3 내지 0.04g/cm3인 폼을 1/7 내지 1/5 두께로 압축하면, 최종 밀도는 0.1g/cm3 내지 0.28g/cm3이고, 공극 영역의 종횡비는 1대 1.2 내지 5인 중간층이 얻어질 수 있다.
이와 같이, 초기 밀도가 0.02g/cm3 내지 0.04g/cm3인 폼을 도전성 입자가 분산된 용액에 함침하면, 0.04g/cm3를 초과하는 폼을 도전성 입자가 분산된 용액에 함침하는 경우에 비하여, 도전성 입자가 폼에 균일하게 배치될 수 있다. 또한, 폼을 1/7 내지 1/5 두께로 압축하면, 압축율이 높아지면서 물성이 개선된 중간층이 얻어질 수 있다. 즉, 공극 영역의 종횡비는 1대 1.2 내지 5인 중간층이 얻어지게 되며, 이러한 공극 영역 내에 도전성 입자가 갇히게 되어 장기간 반복 사용 후에도 도전성 입자가 이탈될 가능성이 낮아지게 된다. 또한, 인장강도, 인열강도 및 신율 등이 증가하게 된다. 예를 들어, 본 발명의 실시예에 따라 제조된 중간층의 인장강도는 1kg/mm2 이상이고, 인열강도는 0.2kg/cm 이상이며, 신율은 100% 이상일 수 있다. 중간층의 인장강도, 인열강도 및 신율이 이상의 조건을 만족하면, 탄성력이 높아 가변저항의 범위가 넓으면서도, 내구성이 우수한 압력 감지 센서를 얻을 수 있다.
이하, 비교예 및 실시예를 이용하여 이를 더욱 상세하게 설명한다.
도 10은 비교예에 따라 제조된 중간층의 SEM 사진이고, 도 11은 본 발명의 한 실시예에 따라 제조된 중간층의 SEM 사진이다. 도 12는 비교예에 따라 제조된 중간층의 압력 별 저항 값을 7개의 센싱 포인트에서 측정한 그래프이고, 도 13은 실시예에 따라 제조된 중간층의 압력 별 저항 값을 7개의 센싱 포인트에서 측정한 그래프이다.
비교예에서는, 초기 밀도 0.07/g/cm3이고 두께가 3T인 폼을 도전성 입자가 분산된 용액에 침지한 후 세정 및 건조시키고, 1T의 두께로 압축하는 방법으로 중간층을 제조하였다.
실시에에서는, 초기 밀도가 0.03g/cm3이고 두께가 6T인 폼을 도전성 입자가 분산된 용액에 침지한 후 세정 및 건조시키고, 1T의 두께로 압축하는 방법으로 중간층을 제조하였다.
비교예 및 실시예에서 사용된 폼은 폴리우레탄이고, 도전성 입자는 CNT이며, 도전성 입자는 폼 전체 대비 3wt%로 첨가되었다.
표 1은 비교예 및 실시예에 따른 중간층의 밀도, 종횡비, 인장강도, 인열강도 및 신율을 나타내고, 표 2는 비교예에 따른 중간층의 압력 별 저항 값을 7개의 센싱 포인트에서 측정한 값을 나타내며, 표 3은 실시예에 따른 중간층의 압력 별 저항 값을 7개의 센싱 포인트에서 측정한 값을 나타낸다.
| 물성 | 비교예 | 실시예 |
| 밀도(g/cm3) | 0.21 | 0.18 |
| 인장강도(kg/mm2) | 0.26 | 3.48 |
| 인열강도(kg/cm) | 0.16 | 0.34 |
| 신율(%) | 56 | 115 |
도 10 내지 11 및 표 1을 참조하면, 비교예에 따라 제조된 중간층과 실시예에 따라 제조된 중간층의 최종 밀도는 0.21g/cm3와 0.18g/cm3으로 유사하나, 비교예에 따라 제조된 중간층의 공극 영역의 세로 대 가로 비인 종횡비는 1 대 1 내지 1.2 수준이나, 실시예에 따라 제조된 중간층의 공극 영역의 세로 대 가로 비인 종횡비는 1대 1.2 내지 5로 나타남을 알 수 있다. 이에 따라, 도전성 입자는 공극 영역 내에 갇히게 되어 도전성 입자가 폼으로부터 이탈될 가능성이 낮아지게 된다.
또한, 표 1을 참조하면, 실시예에 따라 제조된 중간층의 물성, 예를 들어 인장강도, 인열강도 및 신율은 비교예에 따라 제조된 중간층의 물성보다 개선되었음을 알 수 있다. 이에 따라, 실시예에 따라 제조된 중간층의 내구성 및 압력 감지 성능이 개선됨을 알 수 있다.
이와 함께, 도 12 내지 13 및 표 2 내지 3을 참조하면, 비교예에 따라 제조된 중간층에 비하여 실시예에 따라 제조된 중간층의 경우, 센싱 포인트 별 저항 변화의 균일도가 높음을 알 수 있다. 즉, 1 내지 600Kpa 범위로 7개의 센싱 포인트에 대하여 가압한 경우, 비교예에 따라 제조된 중간층의 저항 변화의 표준편차는 1.40E+06 내지 2.36E+09로 나타나나, 실시예에 따라 제조된 중간층의 저항 변화의 표준편차는 3.22E+04 내지 3.12E+07로 나타남을 알 수 있다. 특히, 100 내지 600Kpa 범위로 7개의 센싱 포인트에 대하여 가압한 경우, 비교예에 따라 제조된 중간층의 저항 변화의 표준편차는 1.40E+06 내지 2.02E+07로 나타나나, 실시예에 따라 제조된 중간층의 저항 변화의 표준편차는 3.22E+04 내지 1.60E+05로 현저하게 줄어들었음을 알 수 있다. 이로부터, 실시예에 따라 제조된 중간층에는 비교예에 따라 제조된 중간층에 비하여 도전성 입자가 고르게 분산되며, 보다 신뢰성 있는 압력 감지 센서를 얻을 수 있음을 알 수 있다.
또한, 도 12 내지 13 및 표 2 내지 3을 참조하면, 비교예에 따라 제조된 중간층에 비하여 실시예에 따라 제조된 중간층의 경우, 동일한 압력을 기준으로, 7개의 센싱 포인트에 대한 저항의 평균 값이 낮음을 알 수 있다. 이와 같이, 실시예에 따라 제조된 중간층의 경우, 비교예에 따라 제조된 중간층에 비하여 전기전도도가 높으므로, 압력 감지 성능이 우수함을 알 수 있다.
한편, 이상에서는 제1 전극층과 제2 전극층 사이에 중간층이 형성되는 구조를 중심으로 설명하고 있으나, 제1 전극층과 제2 전극층은 동일 면 상에 배치될 수도 있다.
도 14는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 압력 감지 센서의 단면도이다. 도 1 내지 13과 동일한 내용은 중복되는 설명을 생략한다.
도 14를 참조하면, 압력 감지 센서(100)는 제1 전도 영역을 포함하는 제1 전극층(110), 제2 전도 영역을 포함하는 제2 전극층(120), 그리고 중간층(130)을 포함한다.
제2 전극층(120)은 제1 전극층(110)과 수평면 상에 이격되어 배치되며, 중간층(130)은 제1 전극층(110) 및 제2 전극층(120)의 상부 또는 하부에 배치될 수 있다.
이로써, 하나의 층에서 접지 연결이 가능하며, 추가 접지 전극을 설치할 필요가 없으므로, 압력 감지 센서(100)의 재료비 및 제작 비용이 절감되며, 압력 감지 센서(100)의 두께도 줄일 수 있다.
한편, 제1 전극층(110) 및 제2 전극층(120)은 접착층(140)을 통하여 중간층(130)과 접착될 수 있다. 이때, 접착층(140)은 절연체를 포함하며, 제1 전극층(110)의 한 영역 및 제2 전극층(120)의 한 영역과 중간층(130) 사이에 배치될 수 있다.
그리고, 접착층(140)은 제1 전극층(110) 및 제2 전극층(120)과 같이 이격 배치될 수도 있다. 또한, 접착층(140)은 필름의 양면 상에 절연 접착제가 코팅된 구조일 수 있다. 이때, 접착층(140)은 제1 전극층(110)의 일부 영역 및 제2 전극층(120)의 일부 영역에만 배치될 수 있다. 예를 들어, 접착층(140)은 제1 전극층(110)의 가장자리 및 제2 전극층(120)의 가장자리를 제외한 영역에 배치될 수 있다. 이에 따라, 압력 감지 센서 상에 압력이 가해진 경우, 제1 전극층(110)의 가장자리는 중간층(130)에 직접 접촉하고, 제2 전극층(120)의 가장자리는 중간층(130)에 직접 접촉할 수 있으며, 접착층(140)에 의한 오차 없이 중간층(130)을 통하여 전류가 흐를 수 있다.
압력 감지 센서(100) 상에 압력(F)이 가해지면, 탄성이 있는 중간층(130)의 두께가 변화한다. 중간층(130)의 두께 변화로 인해, 이격 배치된 제1 전극층(110)과 제2 전극층(120)이 중간층(130)을 통하여 연결되어 전기가 통하게 된다. 그리고 발생된 전기 신호로부터 압력의 정도를 감지하게 된다. 여기서, 중간층(130)은 도 1 내지 13을 통하여 설명한 본 발명의 실시예에 따른 구조를 가질 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 압력 감지 센서는 압력 감지 장치에 포함될 수 있다.
도 15는 본 발명의 실시예에 따른 압력 감지 장치의 블록도이다.
도 15를 참조하면, 압력 감지 장치(200)는 압력 감지 센서(100), 신호 처리부(210), 제어부(220) 및 통신부(230)를 포함할 수 있다. 압력 감지 센서(100)는 본 발명의 실시예에 따른 중간층(130)의 두께 및 체적 중 적어도 하나의 변화에 따른 저항 변화에 의한 전기 신호를 발생시킬 수 있다. 제1 전극층(110) 및 제2 전극층(120)의 전기 신호는 신호 처리부(210)로 전달된다. 이를 위하여, 제1 전극층(110) 및 제2 전극층(120)과 신호 처리부(210)는 FPCB(Flexible Printed Circuit Board)에 의하여 연결될 수 있다.
신호 처리부(210)는 제1 전극층(110) 및 제2 전극층(120)으로부터 수신한 전기 신호를 처리하여 제어부(220)로 전달하며, 제어부(220)는 신호 처리부(210)에 의하여 처리된 신호에 기초하여 제어 신호를 생성할 수 있다. 한 예로, 제어부(220)는 압력 감지 센서(100)에 의하여 감지된 신호를 처리한 결과를 이용하여 압력 감지 장치(200)의 온오프를 제어할 수 있다. 다른 예로, 제어부(220)는 압력 감지 센서(100)에 의하여 감지된 신호를 처리한 결과를 이용하여 진단 정보를 생성할 수 있다. 또 다른 예로, 제어부(220)는 압력 감지 센서(100)에 의하여 감지된 신호를 처리한 결과를 이용하여 사용자를 위한 알람 신호 등을 생성할 수도 있다.
그리고, 통신부(230)는 제어부(220)에 의하여 생성된 제어 신호를 외부 장치로 송신한다.
이때, 압력 감지 센서(100)는 신호 처리부(210), 제어부(220) 및 통신부(230)와 독립적인 공간에 배치되고, FPCB를 통하여 연결될 수 있다. 또는, 압력 감지 센서(100)는 신호 처리부(210), 제어부(220) 및 통신부(230)와 동일한 공간 내에 배치되고, FPCB를 통하여 연결될 수도 있다.
본 발명의 실시예에 따른 압력 감지 센서는 압력 감지 인솔, 압력 감지 장갑, 압력 감지 매트, 압력 감지 의자, 가정용 안전 장치 등 체압 분포를 이용하는 다양한 응용 분야에 적용될 수 있다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 폼된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
100: 압력 감지 센서
110: 제1 전극층
120: 제2 전극층
130: 중간층
110: 제1 전극층
120: 제2 전극층
130: 중간층
Claims (10)
- 제1 전극에 연결되는 제1 전극층,
상기 제1 전극층 상에 배치되는 중간층, 그리고
상기 중간층 상에 배치되며, 상기 제1 전극과 반대의 극성을 가지는 제2 전극에 연결되는 제2 전극층을 포함하고,
상기 중간층은 비공극 영역 내에 공극 영역이 분산된 폼(foam) 및 상기 폼 내에 분산되며 상기 폼 보다 도전율이 큰 도전성 입자를 포함하며,
상기 중간층의 밀도는 0.1g/cm3 내지 0.28g/cm3이고, 상기 공극 영역의 종횡비는 1대 1.2 내지 5인 압력 감지 센서. - 제1항에 있어서,
상기 공극 영역의 종횡비는 1 대 1.5 내지 3인 압력 감지 센서. - 제1항에 있어서,
상기 중간층의 인장강도는 1kg/mm2 이상이고, 인열강도는 0.2kg/cm 이상이며, 신율은 100% 이상인 압력 감지 센서. - 제1항에 있어서,
상기 도전성 입자의 적어도 일부는 상기 비공극 영역의 표면 및 상기 공극 영역 내에 분산되는 압력 감지 센서. - 제1항에 있어서,
상기 도전성 입자는 제1 도전성 입자, 그리고 상기 제1 도전성 입자와 이종인 제2 도전성 입자를 포함하는 압력 감지 센서. - 제5항에 있어서,
상기 제2 도전성 입자의 전기전도도는 상기 제1 도전성 입자의 전기전도도보다 높으며,
상기 제1 도전성 입자는 상기 비공극 영역의 표면 및 상기 공극 영역 내에 분산되고, 상기 제2 도전성 입자는 상기 비공극 영역 내에 분산되거나, 상기 비공극 영역과 상기 공극 영역 간의 경계를 관통하는 압력 감지 센서. - 제1 전극에 연결되는 제1 전도 영역을 포함하는 제1 전극층,
상기 제1 전극층과 수평면 상에 이격되어 배치되며, 상기 제1 전극과 반대의 극성을 가지는 제2 전극에 연결되는 제2 전도 영역을 포함하는 제2 전극층, 그리고
상기 제1 전극층과 상기 제2 전극층 상에 배치되는 중간층을 포함하며,
상기 중간층은 비공극 영역 내에 공극 영역이 분산된 폼(foam) 및 상기 폼 내에 분산되며 상기 폼 보다 도전율이 큰 도전성 입자를 포함하며,
상기 중간층의 밀도는 0.1g/cm3 내지 0.28g/cm3이고, 상기 공극 영역의 종횡비는 1대 1.2 내지 5인 압력 감지 센서. - 압력 감지 센서,
상기 압력 감지 센서와 연결되며, 상기 압력 감지 센서에서 발생한 전기 신호를 처리하는 신호 처리부, 그리고
상기 신호 처리부와 연결되며, 상기 신호 처리부에 의하여 처리된 신호에 기초하여 제어 신호를 생성하는 제어부
를 포함하며,
상기 압력 감지 센서는
제1 전극에 연결되는 제1 전극층,
상기 제1 전극층 상에 배치되는 중간층, 그리고
상기 중간층 상에 배치되며, 상기 제1 전극과 반대의 극성을 가지는 제2 전극에 연결되는 제2 전극층을 포함하고,
상기 중간층은 비공극 영역 내에 공극 영역이 분산된 폼(foam) 및 상기 폼 내에 분산되며 상기 폼 보다 도전율이 큰 도전성 입자를 포함하며,
상기 중간층의 밀도는 0.1g/cm3 내지 0.28g/cm3이고, 상기 공극 영역의 종횡비는 1대 1.2 내지 5인 압력 감지 장치. - 제6항에 있어서,
상기 제1 도전성 입자는 카본 블랙을 포함하고, 상기 제2 도전성 입자는 탄소나노튜브, 그래핀 및 그라파이트로 이루어진 그룹에서 선택되는 압력 감지 센서. - 제6항에 있어서,
상기 제2 도전성 입자 10 중량부에 대하여 상기 제1 도전성 입자는 20 중량부 이상 100 중량부 미만으로 포함되는 압력 감지 센서.
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