KR102306386B1 - 유연 압력센서 및 이의 제조방법 - Google Patents

유연 압력센서 및 이의 제조방법 Download PDF

Info

Publication number
KR102306386B1
KR102306386B1 KR1020190040112A KR20190040112A KR102306386B1 KR 102306386 B1 KR102306386 B1 KR 102306386B1 KR 1020190040112 A KR1020190040112 A KR 1020190040112A KR 20190040112 A KR20190040112 A KR 20190040112A KR 102306386 B1 KR102306386 B1 KR 102306386B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
layer
sensor
elastomer
magnetic
pressure sensor
Prior art date
Application number
KR1020190040112A
Other languages
English (en)
Other versions
KR20200118309A (ko
Inventor
이성원
아시킨 빈티 줄키플리 노라
정우성
Original Assignee
재단법인대구경북과학기술원
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 재단법인대구경북과학기술원 filed Critical 재단법인대구경북과학기술원
Priority to KR1020190040112A priority Critical patent/KR102306386B1/ko
Publication of KR20200118309A publication Critical patent/KR20200118309A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR102306386B1 publication Critical patent/KR102306386B1/ko

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L1/00—Measuring force or stress, in general
    • G01L1/12—Measuring force or stress, in general by measuring variations in the magnetic properties of materials resulting from the application of stress
    • G01L1/125—Measuring force or stress, in general by measuring variations in the magnetic properties of materials resulting from the application of stress by using magnetostrictive means
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08L—COMPOSITIONS OF MACROMOLECULAR COMPOUNDS
    • C08L83/00—Compositions of macromolecular compounds obtained by reactions forming in the main chain of the macromolecule a linkage containing silicon with or without sulfur, nitrogen, oxygen or carbon only; Compositions of derivatives of such polymers
    • C08L83/04—Polysiloxanes
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R33/00—Arrangements or instruments for measuring magnetic variables
    • G01R33/02—Measuring direction or magnitude of magnetic fields or magnetic flux
    • G01R33/035—Measuring direction or magnitude of magnetic fields or magnetic flux using superconductive devices
    • G01R33/0354—SQUIDS
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R33/00—Arrangements or instruments for measuring magnetic variables
    • G01R33/02—Measuring direction or magnitude of magnetic fields or magnetic flux
    • G01R33/04—Measuring direction or magnitude of magnetic fields or magnetic flux using the flux-gate principle
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R33/00—Arrangements or instruments for measuring magnetic variables
    • G01R33/02—Measuring direction or magnitude of magnetic fields or magnetic flux
    • G01R33/06—Measuring direction or magnitude of magnetic fields or magnetic flux using galvano-magnetic devices
    • G01R33/07—Hall effect devices
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R33/00—Arrangements or instruments for measuring magnetic variables
    • G01R33/02—Measuring direction or magnitude of magnetic fields or magnetic flux
    • G01R33/06—Measuring direction or magnitude of magnetic fields or magnetic flux using galvano-magnetic devices
    • G01R33/09—Magnetoresistive devices
    • G01R33/093—Magnetoresistive devices using multilayer structures, e.g. giant magnetoresistance sensors
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R33/00—Arrangements or instruments for measuring magnetic variables
    • G01R33/02—Measuring direction or magnitude of magnetic fields or magnetic flux
    • G01R33/06—Measuring direction or magnitude of magnetic fields or magnetic flux using galvano-magnetic devices
    • G01R33/09—Magnetoresistive devices
    • G01R33/096—Magnetoresistive devices anisotropic magnetoresistance sensors
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R33/00—Arrangements or instruments for measuring magnetic variables
    • G01R33/02—Measuring direction or magnitude of magnetic fields or magnetic flux
    • G01R33/06—Measuring direction or magnitude of magnetic fields or magnetic flux using galvano-magnetic devices
    • G01R33/09—Magnetoresistive devices
    • G01R33/098—Magnetoresistive devices comprising tunnel junctions, e.g. tunnel magnetoresistance sensors

Abstract

본 발명은 자성센서층; 상기 자성센서 상에 형성된 엘라스토머층; 및 상기 엘라스토머층 상에 형성된 자석층;을 포함하는 유연 압력센서, 및 이의 제조방법에 관한 것으로, 상기 유연 압력센서는 유연성이 우수하여 곡면 형태의 기기 또는 피부 등의 신체에 적용이 쉬우며, 뛰어난 압력 감지력을 가질 수 있고, 상기 제조방법은 우수한 재현성을 가질 수 있다.

Description

유연 압력센서 및 이의 제조방법 {Flexible pressure sensor, and method for producing the same}
본 발명은 유연 압력센서 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
최근의 센서는 정보처리 및 통신 기술과 융합하여 정보의 기록 및 저장, 전송 및 피드백의 과정까지 수행하는 보다 스마트한 기기로 진화하고 있다. 이러한 스마트 센서는 의료, 각종 생산 공정, 환경뿐 아니라 주택·사무실의 자동화 시스템, 자동차, 국방·우주항공 등 다양한 분야에서 널리 활용될 것으로 전망되고 있다.
그 중 가장 비약적인 발전을 보이는 분야가 헬스 케어(Health Care)이다. 헬스 케어는 다른 어떤 분야보다 우리 삶의 질과 직접적으로 연관되어 있기 때문에, 센서를 활용한 관련 제품 개발에 있어서도 가장 관심이 모아지고 있다.
예를 들어, 장갑, 신발 등의 웨어러블 장비 또는 플렉서블 기기 등에 압력을 감지하는 센서를 장착하여 착용 부위의 압력을 파악하여 착용자의 건강 상태, 보행 자세 등을 파악하고자 하는 기술이 개발되고 있다.
그러나, 웨어러블 장비 또는 플렉서블 기기 등에 압력센서를 내장하는 경우, 압력센서 자체의 유연성이 크게 떨어져 곡면 형태의 기기에 적용하기는 무리가 있으며, 부착 시 공정시간이 오래 걸리는 문제가 존재한다. 또한, 센서의 삽입을 위하여 추가의 공간이 요구되는 문제가 있다.
한편, 기존 압저항식 압력센서는 고분자 재료인 엘라스토머에 전도성 입자를 분산시켜 외부의 압력에 따라 엘라스토머의 모양이 변화하게 되고, 이를 통해 전도성 입자 간의 거리가 달라짐에 따라 저항값이 변하게 되며, 이를 수치화하여 압력을 측정하는 방식이 사용된다.
그러나, 이 경우, 전도성 입자에 의한 노이즈가 발생할 수 있을 뿐만 아니라, 엘라스토머에 전도성 입자를 인위적으로 분산시킨 구조이기 때문에 엘라스토머와 전도성 입자 간의 분산 상태를 정밀하게 제어할 수 없으며, 이에 따라 동일 재료 및 비율로 압력센서를 만들게 되더라도 재현성이 떨어지는 단점이 있다.
이에 본 발명자들은 유연성이 우수하여 곡면 형태의 기기나 피부 등의 신체에 적용이 쉬우며, 뛰어난 압력 감지력을 가진 압력센서 및 이의 제조방법을 제공하고자 한다.
이에 대한 유사 선행문헌으로는 대한민국 공개특허공보 제10-2018-0117893호가 제시되어 있다.
대한민국 공개특허공보 제10-2018-0117893호 (2018.10.30)
상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 본 발명은 민감도가 우수하며, 유연성이 우수하여 곡면 형태의 기기나 피부 등의 신체에 적용이 쉬운 유연 압력센서를 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 재현성이 우수한 압력센서의 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 일 양태는 자성센서층; 상기 자성센서 상에 형성된 엘라스토머층; 및 상기 엘라스토머층 상에 형성된 자석층;을 포함하는 유연 압력센서에 관한 것이다.
상기 일 양태에 있어, 상기 유연 압력센서는 총 두께가 100 내지 1,500 ㎛일 수 있으며, 일 예로, 상기 유연 압력센서는 1 내지 200 ㎚ 두께의 자성센서층, 1 내지 500 ㎛ 두께의 엘라스토머층, 및 10 내지 1,000 ㎛ 두께의 자석층을 포함하는 것일 수 있다.
상기 일 양태에 있어, 상기 자성센서층은 서치 코일(Search coil) 센서, 플럭스 게이트(Flux gate) 센서, 홀 효과(Hall effect) 센서, 평면 홀 저항(PHR, Plannar hall resistance) 센서, 정상 자기저항(OMR, Ordinary magneto-resistance) 센서, 이방성 자기저항(AMR, Anisotopic magneto-resistance) 센서, 거대 자기저항(GMR, Giant magneto-resistance) 센서, 초거대 자기저항(Collosal magneto-resistance) 센서, 터널링 자기저항(TMR, Tunneling magneto-resistance) 센서 및 초전도양자간섭계(SQUID, Superconducting quantum interference device) 센서로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나일 수 있다.
상기 일 양태에 있어, 상기 엘라스토머층은 영률이 0.01 내지 5.0 ㎫인 엘라스토머를 포함하는 것일 수 있으며, 일 예로, 상기 엘라스토머는 실리콘계 고분자, 우레탄계 고분자, 스티렌계 고분자 및 올레핀계 고분자 등으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나 또는 둘 이상을 포함하는 것일 수 있고, 보다 구체적으로, 상기 엘라스토머는 실리콘계 기초 고분자(base polymer)를 경화시킨 실리콘계 고분자일 수 있다.
또한, 본 발명의 다른 일 양태는 a) 희생기판 상에 자성센서층을 형성하는 단계; b) 상기 자성센서층 상에 엘라스토머층을 형성하는 단계; 및 c) 상기 엘라스토머층 상에 자석을 부착하는 단계;를 포함하는 유연 압력센서의 제조방법에 관한 것이다.
상기 다른 일 양태에 있어, 상기 a)단계는, ⅰ) 희생기판 상에 자성센서 영역이 노출되도록 패턴화된 마스크를 형성하는 단계; 및 ⅱ) 상기 마스크에 의해 노출된 자성센서 영역에 자성층을 증착하는 단계;를 포함하는 것일 수 있다.
상기 다른 일 양태에 있어, 상기 a)단계의 ⅱ)단계는, 상기 마스크에 의해 노출된 자성센서 영역에 제1언더레이어층을 형성하는 단계; 상기 제1언더레이어층 상에 반강자성 물질을 증착하여 반강자성층을 형성하는 단계; 상기 반강자성층 상에 강자성 물질를 증착하여 강자성층을 형성하는 단계; 및 상기 강자성층 상에 제2언더레이어층을 형성하는 단계;를 포함하는 것일 수 있다.
본 발명에 따른 유연 압력센서는 기존의 압저항식 압력센서와 달리 전도성 입자를 포함하지 않음에 따라 전도성 입자에 의한 노이즈 발생을 방지할 수 있으며, 나노미터 수준의 변위량에도 압력을 정확하게 측정할 수 있어 매우 뛰어난 민감도를 가질 수 있다는 장점이 있으며, 자성센서 및 자석을 이용하여 자기장 방식으로 압력을 측정함에 따라 매우 정확하며 정밀한 압력 측정이 가능할 수 있다.
또한, 1 ㎩ 수준의 매우 미소한 압력도 정밀하게 측정이 가능할 수 있으며, 이에 따라 맥박이나 혈압 등을 측정하기 위한 용도로 적용이 가능할 수 있다.
아울러, 유연성이 우수하여 곡면 형태의 기기 또는 피부 등의 신체에 적용이 쉬우며, 신체 움직임에도 쉽게 탈착되지 않을 수 있어 단기 측정뿐 아니라 장기간 모니터링에도 적합할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 유연 압력센서의 제조방법은 기존의 압저항식 압력센서와 달리 전도성 입자를 포함하지 않음에 따라, 제조 시마다 매번 엘라스토머와 전도성 입자 간의 분산 상태를 정밀하게 제어하기 위한 까다로운 공정을 수행하지 않을 수 있으며, 이에 따라 재현성이 매우 우수할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 유연 압력센서의 압력 측정 원리를 간략하게 설명한 도면이다.
이하 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명에 따른 유연 압력센서 및 이의 제조방법에 대하여 상세히 설명한다. 다음에 소개되는 도면들은 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 예로서 제공되는 것이다. 따라서, 본 발명은 이하 제시되는 도면들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있으며, 이하 제시되는 도면들은 본 발명의 사상을 명확히 하기 위해 과장되어 도시될 수 있다. 또한 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.
이때, 사용되는 기술 용어 및 과학 용어에 있어서 다른 정의가 없다면, 이 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 통상적으로 이해하고 있는 의미를 가지며, 하기의 설명 및 첨부 도면에서 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 설명은 생략한다.
또한, 본 발명의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제1, 제2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질이나 차례 또는 순서 등이 한정되지 않는다.
기존 압저항식 압력센서는 고분자 재료인 엘라스토머에 전도성 입자를 분산시켜 외부의 압력에 따라 엘라스토머의 모양이 변화하게 되고, 이를 통해 전도성 입자 간의 거리가 달라짐에 따라 저항값이 변하게 되며, 이를 수치화하여 압력을 측정하는 방식이 사용된다.
그러나, 이 경우, 전도성 입자에 의한 노이즈가 발생할 수 있을 뿐만 아니라, 엘라스토머에 전도성 입자를 인위적으로 분산시킨 구조이기 때문에 엘라스토머와 전도성 입자 간의 분산 상태를 정밀하게 제어할 수 없으며, 이에 따라 동일 재료 및 비율로 압력센서를 만들게 되더라도 재현성이 떨어지는 단점이 있다.
이에 본 발명자들은 상기 단점을 극복하고자 거듭 노력한 끝에, 엘라스토머에서 전도성 입자를 제거하고 자기장 방식으로 압력센서를 제조할 시 민감도가 더욱 우수하며, 유연성이 우수하여 곡면 형태의 기기 또는 피부 등의 신체에 적용이 쉽고, 재현성이 우수한 압력센서를 제공할 수 있음을 발견하여 본 발명을 완성하기에 이르렀다.
상세하게, 본 발명에 따른 압력센서는 자성센서층; 상기 자성센서 상에 형성된 엘라스토머층; 및 상기 엘라스토머층 상에 형성된 자석층;을 포함하는 유연 압력센서일 수 있다.
이처럼, 본 발명에 따른 유연 압력센서는 기존의 압저항식 압력센서와 달리 전도성 입자를 포함하지 않음에 따라 전도성 입자에 의한 노이즈 발생을 방지할 수 있으며, 나노미터 수준의 변위량에도 압력을 정확하게 측정할 수 있어 매우 뛰어난 민감도를 가질 수 있다는 장점이 있으며, 자성센서 및 자석을 이용하여 자기장 방식으로 압력을 측정함에 따라 매우 정확하며 정밀한 압력 측정이 가능할 수 있다.
상세하게, 본 발명의 일 예에 따른 유연 압력센서는 1 내지 1,000 ㎩ 범위의 압력을 측정할 수 있으며, 특히 1 내지 100 ㎩ 범위의 압력을 매우 정밀하게 측정할 수 있다. 이처럼 본 발명에 따른 유연 압력센서는 1 ㎩ 수준의 매우 미소한 압력도 정밀하게 측정이 가능할 수 있으며, 이에 따라 맥박이나 혈압 등을 측정하기 위한 용도로 적용이 가능할 수 있다.
아울러, 유연성이 우수하여 곡면 형태의 기기 또는 피부 등의 신체에 적용이 쉬우며, 신체 움직임에도 쉽게 탈착되지 않을 수 있어 단기 측정뿐 아니라 장기간 모니터링에도 적합할 수 있다.
이와 같은 유연성을 가지기 위해서는 유연 압력센서가 매우 얇은 두께를 가지는 것이 바람직하며, 구체적으로 예를 들면, 본 발명의 일 예에 따른 유연 압력센서는 총 두께가 100 내지 1,500 ㎛일 수 있으며, 보다 좋게는 총 두께가 200 내지 800 ㎛, 더욱 좋게는 총 두께가 200 내지 400 ㎛일 수 있다. 이와 같은 범위에서 곡면 형태의 기기 또는 피부 등의 신체에 적용이 쉬울 수 있다.
더욱 바람직하게, 유연 압력센서를 구성하는 각 층의 두께를 적정 범위로 제어하여 우수한 유연성을 확보할 수 있다.
구체적인 일 예시로, 상기 유연 압력센서는 1 내지 200 ㎚ 두께의 자성센서층, 1 내지 500 ㎛ 두께의 엘라스토머층, 및 10 내지 1,000 ㎛ 두께의 자석층을 포함하는 것일 수 있으며, 보다 좋게는 5 내지 100 ㎚ 두께의 자성센서층, 3 내지 300 ㎛ 두께의 엘라스토머층, 및 10 내지 800 ㎛ 두께의 자석층을 포함하는 것일 수 있고, 더욱 좋게는 10 내지 50 ㎚ 두께의 자성센서층, 5 내지 200 ㎛ 두께의 엘라스토머층, 및 10 내지 500 ㎛ 두께의 자석층을 포함하는 것일 수 있다. 이와 같은 범위에서 특히 우수한 고 유연성을 확보할 수 있으며, 곡면 형태의 기기 또는 피부 등의 신체에 더욱 적용이 쉬우며, 신체의 움직임에도 쉽게 탈착되지 않을 수 있다.
특히 바람직하게, 유연 압력센서를 구성하는 각 층의 두께를 정적 비율로 제어하여 우수한 유연성을 확보하면서도 뛰어난 민감도를 가질 수 있다.
구체적인 일 예시로, 상기 자성센서층 : 엘라스토머층 : 자석층의 두께비는 1 : 50 내지 300 : 100 내지 25,000일 수 있으며, 보다 좋게는 1 : 100 내지 200 : 500 내지 20,000, 가장 좋게는 1 : 150 내지 180 : 10,000 내지 18,000일 수 있다. 이와 같은 범위에서 우수한 유연성을 확보하면서도 나노미터 수준의 변위량에도 압력을 정확하게 측정할 수 있어 매우 뛰어난 민감도를 가질 수 있다.
이하, 본 발명에 따른 유연 압력센서의 각 구성 요소에 대하여 보다 상세하게 설명한다.
먼저, 자성센서층에 대하여 설명한다.
자성센서란 자기장 또는 자력선의 크기와 방향을 측정하는 센서로, 본 발명에 따른 유연 압력센서는 압력에 의해 엘라스토머층의 두께가 변하면, 자성센서층과 자석 간 거리가 변하게 되고, 이 거리 변화에 의해서 자기장이 변하면, 이 자기장 변화를 자성센서가 검출한 후, 최종적으로 자성센서층의 출력을 적절히 신호처리하여 파라미터값으로 변환함으로써 수치화된 압력으로 받아볼 수 있다.
본 발명의 일 예에 있어, 상기 자성센서층의 자성센서는 당업계에서 통상적으로 사용되는 것이라면 특별히 한정하지 않고 사용할 수 있다. 구체적으로 예를 들면, 상기 자기센서층은 서치 코일(Search coil) 센서, 플럭스 게이트(Flux gate) 센서, 홀 효과(Hall effect) 센서, 평면 홀 저항(PHR, Plannar hall resistance) 센서, 정상 자기저항(OMR, Ordinary magneto-resistance) 센서, 이방성 자기저항(AMR, Anisotopic magneto-resistance) 센서, 거대 자기저항(GMR, Giant magneto-resistance) 센서, 초거대 자기저항(Collosal magneto-resistance) 센서, 터널링 자기저항(TMR, Tunneling magneto-resistance) 센서 및 초전도양자간섭계(SQUID, Superconducting quantum interference device) 센서 등으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나일 수 있다.
바람직하게는, 본 발명의 일 예에 따른 자성센서층은 평면 홀 저항(PHR, Plannar hall resistance) 센서일 수 있다. 평면 홀 저항 센서는 다른 센서에 비해 높은 신호/잡음 비와 낮은 오프셋 전압, 및 낮은 자기장 영역에서도 높은 선형성을 보여주는 장점이 있다.
보다 구체적으로 상기 평면 홀 저항 센서를 당업계에서 통상적으로 사용되는 구조로 구성될 수 있으며, 구체적으로 예를 들면, 평면 홀 저항 센서는 자성층을 포함할 수 있으며, 상기 자성층은 반강자성층-강자성층 구조의 적층 박막, 반강자성층-금속층-강자성층 구조의 적층 박막, 강자성층-금속층-강자성층 구조의 적층 박막, 강자성층(I)-절연체층-강자성층(II) 구조의 적층 박막, 및 강자성층(I)-금속층-강자성층(II)-반강자성층 구조의 적층 박막 등에서 선택되는 어느 하나 이상의 다층박막을 포함하는 것일 수 있다.
바람직하게, 상기 자성층은 측정 대상 자기장의 범위를 용이하게 제어할 수 있도록, 교환 결합력을 갖는 반강자성층-강자성층 구조의 적층 박막인 것이 바람직하며, 이때, 상기 강자성층의 두께에 따른 교환 결합력의 세기를 이용하여 측정하고자 하는 자기장의 대역(range)이 조절되는 특징이 있다.
본 발명의 일 예에 있어, 상기 강자성층은 강자성체, 산화물 자성체 또는 반금속(half-metal)을 포함하는 것일 수 있으며, 상세하게, 강자성체는 니켈(Ni), 철(Fe), 코발트(Co) 또는 이들의 합금인 것이 바람직하며, 자기장에 의해 보다 큰 자기저항 변화를 보이는 NiFe 또는 NiCo 합금인 것이 보다 바람직하다.
본 발명의 일 예에 있어, 상기 강자성층의 두께는 측정하고자 하는 자기장의 대역(range)에 따라 달라질 수 있으며, 본 발명에서 바람직한 두께의 일 예시로, 강자성층의 두께는 1 내지 50 ㎚일 수 있으며, 보다 좋게는 3 내지 40 ㎚, 더욱 좋게는 5 내지 30 ㎚일 수 있다.
본 발명의 일 예에 있어, 상기 반강자성층은 강자성 박막의 계면효과에 의하여 교환 결합력을 유발시킨다. 이러한 반강자성층 재료로는 교환 결합력이 큰 망간(Mn)계 물질, 또는 출력 신호 특성을 향상시키는 측면에서는 산화물 재료로 절연체이면서 반강자성 특성을 갖는 전이금속산화물이 사용되고 있다. 상기 망간(Mn)계 반강자성 물질은 열적 안정성 및 저온 공정 측면에서 IrMn인 것이 바람직하며, 상기 전이금속산화물은 NiO 또는 FeO인 것이 바람직하다.
본 발명의 일 예에 있어, 상기 반강자성층의 두께는 측정하고자 하는 자기장의 대역(range)에 따라 달라질 수 있으며, 본 발명에서 바람직한 두께의 일 예시로, 강자성층의 두께는 1 내지 50 ㎚일 수 있으며, 보다 좋게는 3 내지 40 ㎚, 더욱 좋게는 5 내지 30 ㎚일 수 있다.
이때, 상기 자성층은 희생기판과의 접합성, 자성층의 결정 방향 및 결정화를 촉진하기 위하여 하나 이상의 언더레이어(underlayer)층을 더 포함할 수 있으며, 구체적으로 상기 자성층의 양면이 언더레이어층으로 적층될 수 있으며, 더욱 구체적으로, 제1언더레이어층-강자성층-반강자성층-제1언더레이어층이 순차적으로 적층된 구조를 가질 수 있다. 바람직한 일 예시로, 상기 강자성층이 NiFe이고, 반강자성층이 IrMn인 자성층의 경우, 상기 언더레이어층은 탄탈럼(Ta)인 것이 바람직하다.
본 발명의 일 예에 있어, 상기 언더레이어층의 두께는 특별히 한정하진 않으나, 희생기판과의 접합성, 자성층의 결정 방향 및 결정화를 촉진하면서도 유연 압력센서의 유연성을 확보하는 측면에서 상기 언더레이어층의 두께는 1 내지 30 ㎚일 수 있으며, 보다 좋게는 1.5 내지 15 ㎚, 더욱 좋게는 2 내지 10 ㎚일 수 있다.
다음으로, 엘라스토머층에 대하여 설명한다.
상기 엘라스토머층은 압력에 의해 그 두께가 변화하여 자성센서와 자석 간의 거리가 변하도록 함으로써 자성센서에서 검출하는 자기장이 변하도록 하는 물질로, 압력에 의해 모양이 변할 수 있는 탄성을 가지면서도, 자성센서에 노이즈를 발생시키지 않는 물질을 사용하는 것이 바람직하다.
본 발명의 일 예에 있어, 상기 엘라스토머층은 영률이 0.01 내지 5.0 ㎫인 엘라스토머를 포함하는 것일 수 있으며, 보다 좋게는 0.05 내지 3.0 ㎫, 더욱 좋게는 0.1 내지 1.5 ㎫, 가장 좋게는 0.5 내지 0.8 ㎫의 영률을 가지는 엘라스토머를 포함하는 것이 좋다. 이와 같은 범위에서 낮은 압력에도 엘라스토머층의 두께, 즉 변위량이 달라질 수 있으며, 자기장 방식으로 압력을 측정함에 따라 나노미터 수준의 변위량에도 압력을 정확하게 측정할 수 있어 매우 뛰어난 민감도 및 정밀도를 가질 수 있다. 이에 따라 혈압이나 맥박 등을 측정 및 분석할 수 있다는 장점이 있다.
구체적인 일 예시로, 상기 엘라스토머층의 엘라스토머는 실리콘계 고분자, 우레탄계 고분자, 스티렌계 고분자 및 올레핀계 고분자 등으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나 또는 둘 이상을 포함하는 것일 수 있다.
보다 구체적인 일 예시로, 상기 엘라스토머층의 엘라스토머는 기초 고분자(base polymer)를 경화시킨 경화 고분자일 수 있다. 기초 고분자는 경화 가능 관능기(경화기)를 함유하고 있는 비교적 중합도가 낮은 고분자로써, 이와 같은 기초 고분자의 경화기를 일부 또는 전부 경화시켜 경화 고분자인 엘라스토머를 형성할 수 있다.
상기 경화 고분자는 상술한 바와 같은 실리콘계 고분자, 우레탄계 고분자, 스티렌계 고분자 및 올레핀계 고분자를 기초 고분자(base polymer)로 하고, 추가적인 경화 반응을 통해 상기 기초 고분자를 경화하여 얻어진 것일 수 있다. 상기 엘라스토머층을 형성할 수 있는 기초 고분자는 구체적인 일 예로, 폴리디메틸실록산 (Polydimethylsiloxane, PDMS), 폴리우레탄 (Polyurethane), 스티렌-부타디엔 고무 (styrene-butadiene rubber, SBR), 스티렌-부타디엔-스티렌 고무 (Styrene-Butadiene-Styrene rubber, SBS), 스티렌-에틸렌-부틸렌-스티렌 고무 (Styrene-ethylene-butylene-styrene rubber, SEBS), 스티렌-이소프렌-스티렌 고무 (styrene-isoprene-styrene rubber, SIS), 에틸렌-프로필렌 고무 (polyethylene-co-propylene elastomer, POE) 및 EPDM 고무 (ethylene propylene diene rubber, EPDM) 등으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나 또는 둘 이상일 수 있으나, 이에 제한하지는 않는다. 상기 기초 고분자를 사용하는 경우, 기본적인 탄성과 유연성을 제공할 수 있다.
상기 엘라스토머층을 형성할 수 있는 기초 고분자의 중량평균분자량(Mw)은 10,000 내지 5,000,000 g/mol일 수 있고, 바람직하게 50,000 내지 1,000,000 g/mol, 보다 바람직하게 100,000 내지 500,000 g/mol일 수 있으나 이에 제한받지 않는다.
상기 경화 고분자의 경화 정도는 경화제의 함량을 서로 다르게 하거나, 기초 고분자에 포함되는 경화성 관능기의 함량을 달리함으로써 조절될 수 있다. 구체적으로 상기 경화제는 기초 고분자에 포함되는 비닐기, 카르복실산기, 아민기 및 히드록실기 등의 반응성 관능기와 반응할 수 있는 공지의 화합물일 수 있다. 보다 구체적인 예로, 디이소시아네이트계 화합물, 디티올계 화합물 및 디에폭시계 화합물 등이 예시될 수 있으나, 이에 제한받지 않고 공지의 경화제가 사용될 수 있다. 또한 상기 기초 고분자에 포함되는 경화성 관능기의 함량을 달리함으로서도 경화 고분자의 경화 정도가 조절될 수 있다. 다른 구현예로, 열 또는 광을 가함으로써 상기 기초 고분자가 경화될 수 있다.
상기 경화제는 상기 기초 고분자 100 중량부에 대하여 1 내지 20 중량부, 좋게는 5 내지 15 중량부를 포함할 수 있으나 이에 제한받지 않는다. 상술한 바와 같이 경화 고분자, 즉 엘라스토머층의 경화 정도를 조절하기 위해 상기 함량 범위 내에서 경화제의 함량을 달리하여 포함할 수 있다. 이와 같은 범위에서 엘라스토머층의 엘라스토머가 적정 영률값을 가져 우수한 민감도를 확보할 수 있다.
바람직하게, 상기 기초 고분자는 경화 공정 후에도 우수한 유연성 및 탄성력을 가져야하며, 이를 고려하여 그 종류를 선정하는 것이 바람직하다. 구체적으로 예를 들면 상기 엘라스토머는 실리콘계 기초 고분자(base polymer)를 경화시킨 실리콘계 고분자일 수 있다. 상기 실리콘계 기초 고분자는 경화 후 유연성 및 탄력성이 높으며, 온도에 따른 물성 변화가 작고, 넓은 온도 범위에서 유연성이 유지되어 유연 압력센서에 적용 시 압력에 의한 물리적 변형이 용이하고, 잦은 물리적 변형에도 쉽게 손상되지 않아 수명 특성이 향상되는 장점이 있다.
전술한 바와 같이 엘라스토머가 실리콘계 고분자인 경우, 기초 고분자는 실리콘계 기초 고분자일 수 있다. 구체적인 일 예시로, 실리콘계 기초 고분자는 축합형과 부가형으로 나뉠 수 있다. 상기 축합형 실리콘계 기초 고분자는 수분 존재 하에서 가수분해 및 축합반응에 의해 가교경화가 일어날 수 있으며, 상기 부가형 실리콘계 기초 고분자는 촉매 존재 하에서 실리콘계 기초 고분자의 불포화기와 가교제 간의 부가반응에 의해 가교 경화가 일어날 수 있다.
상세하게, 상기 축합형 실리콘계 기초 고분자는 말단기로 실란올기를 함유하는 실록산계 기초 고분자일 수 있으며, 실란올기와 가교제 간의 가수분해 축합반응, 및 촉매와 수분에 의한 축합반응에 의해 고무상의 경화 고분자를 형성할 수 있다. 비 한정적인 일 구체예로, 축합형 실리콘계 기초 고분자는 하이드록시기가 2개 이상인 지방족 폴리실록산, 방향족폴리실록산 또는 지방족기와 방향족기를 하나의 반복단위 내에 모두 포함하거나 독립적으로 각각 포함하는 실록산 반복단위를 포함하는 폴리실록산일 수 있다. 구체적인 일예로 하이드록시기는 하나의 폴리실록산 사슬내에 2 내지 20개 포함될 수 있으나 이에 제한되지는 아니하며, 폴리실록산의 분자량이 증가할수록 하이드록시기는 비례하여 20개를 초과하여 증가할 수 있으며, 분자량이 낮은 폴리실록산의 경우 바람직한 범위는 2 내지 4개를 포함할 수 있다. 비한정적인 일 구체예로, 지방족 폴리실록산은, 2개 이상의 하이드록시기를 함유하는, 폴리디메틸실록산, 폴리디에틸실록산, 폴리메틸에틸실록산, 폴리디메틸실록산-co-디에틸실록산, 폴리디메틸실록산-co-에틸메틸실록산 등에서 선택될 수 있으며, 방향족 폴리살록산은 2개 이상의 하이드록시기를 함유하는, 폴리디페닐실록산, 폴리메틸페닐실록산, 폴리에틸페닐실록산, 폴리(디메틸실록산-co-디페닐실록산) 등에서 선택될 수 있다. 지방족기와 방향족기를 하나의 반복단위 내에 모두 포함하거나 독립적으로 각각 포함하는 실록산 반복단위를 포함하는 폴리실록산은 상기 예시된 지방족 실록산의 반복단위 및 방향족 실록산의 반복단위를 모두 포함하거나, 상기 예시된 지방족 치환기와 상기 예시된 방향족 치환기를 하나의 반복단위 내에 위치하는 실리콘 원소에 각각 결합된 형태를 의미하는 것일 수 있으나 이에 한정되진 않는다.
이때, 상기 가교제는 Si-O 결합을 함유하는 실록산계 경화제 또는 Si-N 결합을 함유하는 오르가노실라잔계(organosilazane) 경화제 등을 사용할 수 있으며, 비 한정적인 일 구체예로, (CH3)Si(X)3 또는 Si(OR)4일 수 있다. 이때, X는 메톡시, 아세톡시, 옥심, 아민기 등일 수 있으며, R은 저급알킬기를 가지며 비한정적인 일 구체예로 메틸, 에틸 또는 프로필기일 수 있다. 상기 촉매는 당 분야에서 통상적으로 사용되는 것이라면 한정하지 않으며, 비 한정적인 일 구체예로 유기주석화합물, 유기티타늄화합물 또는 아민계 화화합물 등을 사용할 수 있다.
상기 부가형 실리콘계 기초 고분자는 에틸렌성 불포화기를 함유하는 실록산계 기초 고분자일 수 있으며, 보다 상세하게, 비닐기를 함유하는 실록산계 기초 고분자일 수 있다. 이에 따라, 비닐기를 함유하는 실록산계 기초 고분자와 Si-H 결합을 함유하는 실록산계 화합물(가교제)을 부가 반응시킴으로써 실록산 사슬을 가교시켜 경화 고분자를 형성할 수 있다.
비 한정적인 일 구체예로, 부가형 실리콘계 기초 고분자는 비닐기가 2개 이상인 지방족 폴리실록산, 방향족폴리실록산 또는 지방족기와 방향족기를 하나의 반복단위 내에 모두 포함하거나 독립적으로 각각 포함하는 실록산 반복단위를 포함하는 폴리실록산일 수 있다. 구체적인 일예로 비닐기는 하나의 폴리실록산 사슬내에 2 내지 20개 포함될 수 있으나 이에 제한되지는 아니하며, 폴리실록산의 분자량이 증가할수록 비닐기는 비례하여 20개를 초과하여 증가할 수 있으며, 분자량이 낮은 폴리실록산의 경우 바람직한 범위는 2 내지 4개를 포함할 수 있다. 비한정적인 일 구체예로, 지방족 폴리실록산은, 2개 이상의 비닐기를 함유하는, 폴리디메틸실록산, 폴리디에틸실록산, 폴리메틸에틸실록산, 폴리디메틸실록산-co-디에틸실록산, 폴리디메틸실록산-co-에틸메틸실록산 등에서 선택될 수 있으며, 방향족 폴리살록산은 2개 이상의 비닐기를 함유하는, 폴리디페닐실록산, 폴리메틸페닐실록산, 폴리에틸페닐실록산, 폴리(디메틸실록산-co-디페닐실록산) 등에서 선택될 수 있다. 지방족기와 방향족기를 하나의 반복단위 내에 모두 포함하거나 독립적으로 각각 포함하는 실록산 반복단위를 포함하는 폴리실록산은 상기 예시된 지방족 실록산의 반복단위 및 방향족 실록산의 반복단위를 모두 포함하거나, 상기 예시된 지방족 치환기와 상기 예시된 방향족 치환기를 하나의 반복단위 내에 위치하는 실리콘 원소에 각각 결합된 형태를 의미하는 것일 수 있으나 이에 한정되진 않는다.
상기 가교제는 Si-H 결합을 함유하는 실록산계 화합물이라면 특별히 한정하지 않고 사용할 수 있으며, 비 한정적인 일 구체예로, -(RaHSiO)-기가 포함된 지방족 또는 방향족 폴리실록산일 수 있다. Ra는 지방족기 또는 방향족기일 수 있으며, 지방족기로는 메틸기, 에틸기, 프로필기일 수 있으며, 방향족기로는 페닐기, 나프틸기일 수 있고, 상기 치환기는 가교반응에 영향을 미치지 않는 범위 내에서 다른 치환기로 치환되거나 또는 비치환될 수 있으나 이는 일 구체예일 뿐 탄소수 및 치환기의 종류는 제한되지 않는다. 비 한정적인 일 구체예로, 폴리메틸하이드로젠실록산[(CH3)3SiO(CH3HSiO)xSi(CH3)3], 폴리디메틸실록산[(CH3)2HSiO((CH3)2SiO)xSi(CH3)2H], 폴리페닐하이드로젠실록산[(CH3)3SiO(PhHSiO)xSi(CH3)3] 또는 폴리디페닐실록산[(CH3)2HSiO((Ph)2SiO)xSi(CH3)2H] 등일 수 있으며, 이때, 부가형 실리콘계 기초 고분자에 함유된 비닐기의 숫자에 따라 Si-H의 함량을 조절하는 것이 바람직하며, 일 예로 x는 1 이상일 수 있으며, 보다 좋게는 2 내지 10일 수 있으나 이에 한정되진 않는다.
이때, 촉매는 반응의 촉진을 위해 선택적으로 부가될 수 있으며 당 분야에서 통상적으로 사용되는 것이라면 한정하지 않으며, 비 한정적인 일 구체예로 백금 화합물 등을 사용할 수 있다.
특히 바람직하게는, 상기 엘라스토머층의 엘라스토머는 폴리디메틸실록산(PDMS)계 경화 고분자일 수 있으며, 상기 폴리디메틸실록산(PDMS)계 경화 고분자는 폴리디메틸실록산(PDMS)계 기초 고분자를 경화시킨 것일 수 있다. 전술한 바와 같이, 폴리디메틸실록산(PDMS)계 기초 고분자는 축합형과 부가형으로 나눠질 수 있으며, 이에 대한 내용은 전술한 바와 동일할 수 있다. 이처럼, 엘라스토머층의 엘라스토머로 폴리디메틸실록산(PDMS)계 경화 고분자를 사용함으로써, 낮은 압력에도 변위량이 달라질 수 있으며, 자기장 방식으로 압력을 측정함에 따라 나노미터 수준의 변위량에도 압력을 정확하게 측정할 수 있어 매우 뛰어난 민감도 및 정밀도를 가질 수 있다. 이에 따라 혈압이나 맥박 등을 측정 및 분석을 용이하게 할 수 있다는 장점이 있다.
다음으로 자석층에 대하여 설명한다. 자석은 자기장을 발생시키는 물질로, 자석층에서 발생되는 자기장의 변화를 자성센서가 감지하여 압력의 크기를 측정할 수 있다.
본 발명의 일 예에 따른 자석층은 자성센서층의 감지 영역에 들어오는 자기장을 발생시키는 것이라면 특별히 한정하지 않고 사용할 수 있으며, 구체적인 일 예로, 자성센서층이 평면 홀 저항(PHR) 센서인 경우, 자석층은 스트론튬(Sr) 페라이트를 포함하는 것일 수 있으나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.
또한, 본 발명의 일 예에 따른 유연 압력센서는 a) 희생기판 상에 자성센서층을 형성하는 단계; b) 상기 자성센서층 상에 엘라스토머층을 형성하는 단계; 및 c) 상기 엘라스토머층 상에 자석을 부착하는 단계;를 포함할 수 있다.
이처럼, 본 발명에 따른 유연 압력센서의 제조방법은 기존의 압저항식 압력센서와 달리 전도성 입자를 포함하지 않음에 따라, 제조 시마다 매번 엘라스토머와 전도성 입자 간의 분산 상태를 정밀하게 제어하기 위한 까다로운 공정을 수행하지 않을 수 있으며, 이에 따라 재현성이 매우 우수할 수 있다.
먼저, a) 희생기판 상에 자성센서층을 형성하는 단계를 수행할 수 있다.
상기 자성센서층은 자성센서의 종류에 따라 그 형성 방법이 달라질 수 있으며, 일 예시로, 자성센서가 평면 홀 저항(PHR) 센서인 경우, 상기 a)단계는, ⅰ) 희생기판 상에 자성센서 영역이 노출되도록 패턴화된 마스크를 형성하는 단계; 및 ⅱ) 상기 마스크에 의해 노출된 자성센서 영역에 자성층을 증착하는 단계;를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 예에 따른 ⅰ)단계에 있어, 상기 패턴화된 마스크는 쉐도우 마스크 또는 포토리소그래피법에 의해 만들어진 포토레지스트일 수 있으며, 패턴화된 마스크를 형성하는 방법은 통상적인 방법과 동일할 수 있다.
이때, 상기 희생기판은 유연 압력센서의 완성 전까지 그 형태를 유지시켜주는 지지체 역할을 수행하는 것으로, 당업계에서 통상적으로 사용되는 것일 수 있으며, 유연 압력센서 제조 후 제거될 수 있다. 구체적인 일 예시로, 상기 희생기판은 실리콘(Si), 산화 실리콘(SiO2), 질화 실리콘(SiN), 탄화실리콘(SiC), 석영(AlO), 산화지르코늄(ZrO) 또는 사파이어 등의 무기기판; 및 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET) 또는 폴리이미드 등의 고분자기판;으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나를 사용할 수 있다.
본 발명의 일 예에 따른 ⅱ)단계에 있어, 상기 자성층은 자성센서층에서 실질적으로 자기장 또는 자력선의 크기와 방향을 측정하기 위한 것으로, 상기 자성층은 당업계에서 통상적으로 사용되는 구조로 구성될 수 있으며, 구체적으로 예를 들면, 반강자성층-강자성층 구조의 적층 박막, 반강자성층-금속층-강자성층 구조의 적층 박막, 강자성층-금속층-강자성층 구조의 적층 박막, 강자성층(I)-절연체층-강자성층(II) 구조의 적층 박막, 및 강자성층(I)-금속층-강자성층(II)-반강자성층 구조의 적층 박막 등에서 선택되는 어느 하나 이상의 다층박막을 포함하는 것일 수 있다.
바람직하게, 상기 자성층은 측정 대상 자기장의 범위를 용이하게 제어할 수 있도록, 교환 결합력을 갖는 반강자성층-강자성층 구조의 적층 박막인 것이 바람직하며, 이때, 상기 강자성층의 두께에 따른 교환 결합력의 세기를 이용하여 측정하고자 하는 자기장의 대역(range)이 조절되는 특징이 있다.
구체적인 일 예시로, 상기 a)단계의 ⅱ)단계는, 상기 마스크에 의해 노출된 자성센서 영역에 제1언더레이어층을 형성하는 단계; 상기 제1언더레이어층 상에 반강자성 물질을 증착하여 반강자성층을 형성하는 단계; 상기 반강자성층 상에 강자성 물질를 증착하여 강자성층을 형성하는 단계; 및 상기 강자성층 상에 제2언더레이어층을 형성하는 단계;를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 예에 있어, 상기 제1언더레이어층 및 제2언더레이어층은 희생기판과의 접합성, 자성층의 결정 방향 및 결정화를 촉진하기 위한 것으로, 통상적인 방법 및 물질로 형성될 수 있으며, 구체적인 일 예시로 상기 강자성층이 NiFe이고, 반강자성층이 IrMn인 자성층의 경우, 상기 제1언더레이어층 및 제2언더레이어층은 탄탈럼(Ta)인 것이 바람직하다.
이때, 상기 언더레이어층의 두께는 특별히 한정하진 않으나, 희생기판과의 접합성, 자성층의 결정 방향 및 결정화를 촉진하면서도 유연 압력센서의 유연성을 확보하는 측면에서 상기 언더레이어층의 두께는 1 내지 30 ㎚일 수 있으며, 보다 좋게는 1.5 내지 15 ㎚, 더욱 좋게는 2 내지 10 ㎚일 수 있다.
본 발명의 일 예에 있어, 상기 강자성층은 강자성체, 산화물 자성체 또는 반금속(half-metal)을 포함하는 것일 수 있으며, 상세하게, 강자성체는 니켈(Ni), 철(Fe), 코발트(Co) 또는 이들의 합금인 것이 바람직하며, 자기장에 의해 보다 큰 자기저항 변화를 보이는 NiFe 또는 NiCo 합금인 것이 보다 바람직하다.
이때, 상기 강자성층의 두께는 측정하고자 하는 자기장의 대역(range)에 따라 달라질 수 있으며, 본 발명에서 바람직한 두께의 일 예시로, 강자성층의 두께는 1 내지 50 ㎚일 수 있으며, 보다 좋게는 3 내지 40 ㎚, 더욱 좋게는 5 내지 30 ㎚일 수 있다.
본 발명의 일 예에 있어, 상기 반강자성층은 강자성 박막의 계면효과에 의하여 교환 결합력을 유발시킨다. 이러한 반강자성층 재료로는 교환 결합력이 큰 망간(Mn)계 물질, 또는 출력 신호 특성을 향상시키는 측면에서는 산화물 재료로 절연체이면서 반강자성 특성을 갖는 전이금속산화물이 사용되고 있다. 상기 망간(Mn)계 반강자성 물질은 열적 안정성 및 저온 공정 측면에서 IrMn인 것이 바람직하며, 상기 전이금속산화물은 NiO 또는 FeO인 것이 바람직하다.
이때, 상기 반강자성층의 두께는 측정하고자 하는 자기장의 대역(range)에 따라 달라질 수 있으며, 본 발명에서 바람직한 두께의 일 예시로, 강자성층의 두께는 1 내지 50 ㎚일 수 있으며, 보다 좋게는 3 내지 40 ㎚, 더욱 좋게는 5 내지 30 ㎚일 수 있다.
아울러, 상기 제1언더레이어층, 제2언더레이어층, 강자성층 및 반강자성층의 형성은 당업계에서 통상적으로 사용하는 방법이라면 특별히 한정하지 않고 사용할 수 있으며, 바람직하게는 화학적 증착 또는 물리적 증착을 통해 각 물질을 코팅할 수 있다. 보다 구체적인 일 예시로, 상기 제1언더레이어층, 제2언더레이어층, 강자성층 및 반강자성층의 형성은 스퍼터링 증착 방식, 열진공 증착 방식, 전자빔 증착 방식, 화학 기상 증착 방식(CVD) 또는 원자층 증착 방식(ALD)에 의해 각각 수행되는 것일 수 있다.
다음으로, b) 상기 자성센서층 상에 엘라스토머층을 형성하는 단계를 수행할 수 있으며, 상기 엘라스토머층의 재료 및 두께는 유연 압력센서에서 설명한 바와 동일한 바 중복설명은 생략한다.
본 발명의 일 예에 있어, 상기 b)단계는 당업계에서 엘라스토머층을 형성하기 위해 사용하는 방법이라면 특별히 한정하지 않고 사용할 수 있으며, 구체적으로 예를 들면, 상기 엘라스토머층의 엘라스토머가 기초 고분자(base polymer)에 경화제를 첨가하여 경화시킨 경화 고분자인 경우, 상기 기초 고분자 및 경화제 등을 포함하는 엘라스토머 전구물질을 상기 자성센서층 상에 코팅하고 경화시켜 엘라스토머층을 형성할 수 있다. 이때, 코팅 방법은 공지된 어떤 방법이라도 무방하며 일 예로 스핀코팅(spin coating), 바코팅(bar coating) 또는 딥 코팅(dip coating) 등의 방법을 사용할 수 있으나, 균일한 두께의 엘라스토머층을 형성하는 측면에서 스핀코팅 방식을 통해 상기 엘라스토머 전구물질을 코팅하는 것이 바람직하다.
상기 경화 고분자의 경화 정도는 경화제의 함량을 서로 다르게 하거나, 기초 고분자에 포함되는 경화성 관능기의 함량을 달리함으로써 조절될 수 있다. 구체적으로 상기 경화제는 기초 고분자에 포함되는 비닐기, 카르복실산기, 아민기 및 히드록실기 등의 반응성 관능기와 반응할 수 있는 공지의 화합물일 수 있다. 보다 구체적인 예로, 디이소시아네이트계 화합물, 디티올계 화합물 및 디에폭시계 화합물 등이 예시될 수 있으나, 이에 제한받지 않고 공지의 경화제가 사용될 수 있다. 또한 상기 기초 고분자에 포함되는 경화성 관능기의 함량을 달리함으로서도 경화 고분자의 경화 정도가 조절될 수 있다. 다른 구현예로, 열 또는 광을 가함으로써 상기 기초 고분자가 경화될 수 있다.
바람직한 일 예시로, 상기 경화제는 상기 기초 고분자 100 중량부에 대하여 1 내지 20 중량부, 좋게는 5 내지 15 중량부를 포함할 수 있으나, 이에 제한받지 않는다. 상술한 바와 같이 경화 고분자, 즉 엘라스토머층의 경화 정도를 조절하기 위해 상기 함량 범위 내에서 경화제의 함량을 달리하여 포함할 수 있다. 이와 같은 범위에서 엘라스토머층의 엘라스토머가 적정 영률값을 가져 우수한 민감도를 확보할 수 있다.
이때, 엘라스토머 전구물질은 전술한 바와 같이 기초 고분자를 포함하는 것일 수 있으며, 기초 고분자 자체가 액상인 경우, 건조는 생략될 수 있으나, 엘라스토머 전구물질이 용제에 용해된 용액상인 경우 경화 전 건조 과정이 더 수행될 수 있다. 일 예에 따른 건조 단계는 용제가 충분히 날아갈 수 있을 정도의 온도에서 소정 시간 건조시킴으로써 수행될 수 있다. 일 구체예로, 기초 고분자가 폴리디메틸실록산(PDMS)인 경우, 건조 온도는 상온부터 내지 150℃일 수 있으며, 건조 시간은 10분 내지 24시간일 수 있다.
상기 경화 방법은 상기 기초 고분자와 경화제의 종류 및 함량에 따라 달라질 수 있으며, 일 예로, 열경화성 관능기인 경우, 열경화제의 함량, 경화 온도 및 경화 시간을 조절하여 경화 공정을 수행할 수 있으나, 이는 열경화성 관능기의 종류에 따라 달리 수행될 수 있다. 다른 일 예로, 광경화성 관능기인 경우, 광경화제의 함량, 광량 및 광세기를 조절하여 경화 공정을 수행할 수 있으나, 이 역시 광경화성 관능기의 종류에 따라 달리 수행될 수 있다.
다음으로, c) 상기 엘라스토머층 상에 자석을 부착하는 단계를 수행할 수 있다.
본 발명의 일 예에 있어, 상기 자석의 부착은 접착제를 이용하거나 파릴렌(parylene)과 같은 고분자 물질로 캡슐화(encapsulation)하여 수행할 수 있으나, 반드시 이에 한정하는 것은 아니다.
이때, 상기 접착제는 당압계에서 통상적으로 사용하는 것이라면 특별히 한정하지 않고 사용할 수 있으며, 공지된 접착제라면 제한하지 않을 수 있다. 일 구체예로, 상기 접착제는 에폭시 접착제일 수 있으며, 이에 제한되지 않는다.
이하, 실시예를 통해 본 발명에 따른 유연 압력센서 및 이의 제조방법에 대하여 더욱 상세히 설명한다. 다만 하기 실시예는 본 발명을 상세히 설명하기 위한 하나의 참조일 뿐 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며, 여러 형태로 구현될 수 있다.
또한 달리 정의되지 않은 한, 모든 기술적 용어 및 과학적 용어는 본 발명이 속하는 당업자 중 하나에 의해 일반적으로 이해되는 의미와 동일한 의미를 갖는다. 본원에서 설명에 사용되는 용어는 단지 특정 실시예를 효과적으로 기술하기 위함이고 본 발명을 제한하는 것으로 의도되지 않는다. 또한 명세서에서 특별히 기재하지 않은 첨가물의 단위는 중량%일 수 있다.
[실시예 1]
SiO2 기판 상에 자성센서 영역이 디자인된 쉐도우 마스크를 얹고, 마그네트론 스퍼터링(magnetron sputtering)을 이용하여 자성센서층을 형성하였다.
구체적으로, 마그네트론 스퍼터링을 이용하여 Ta (두께: 5 ㎚)/ IrMn (두께: 10 ㎚)/ NiFe (두께: 10 ㎚)/ Ta (두께: 5 ㎚)를 순차적으로 적층하였으며, 이를 통해 자성센서층인 평면 홀 저항(PHR) 센서를 형성하였다.
다음으로, 상기 자성센서층 상에 폴리디메틸실록산(PDMS, Dow Corning 社, Sylgard® 184)을 도포한 후 스핀코팅하여 5 ㎛ 두께의 PDMS층을 형성하였다. 이때, 상기 Sylgard® 184는 PDMS 기초 고분자와 경화제의 두 파트로 구성된 것으로, PDMS 기초 고분자 100 중량부에 대하여 경화제 10 중량부를 혼합하여, 이를 자성센서층 상에 코팅하고 경화하여 엘라스토머층을 형성하였다.
끝으로, 상기 PDMS 상에 두께 500 ㎛의 자석(등방성 고무자석, JL magnet 사)을 얹은 후, 이를 파릴렌(parylene) 코팅 시스템 기기(OBT-PC200, Obangtechnology)에 넣어 PHR 센서/PDMS/자석이 순차적으로 적층된 구조물을 파릴렌으로 캡슐화함으로써 상기 PDMS층 상에 자석을 부착하여 유연 압력센서를 제조하였다.
이상과 같이 특정된 사항들과 한정된 실시예를 통해 본 발명이 설명되었으나, 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다.
따라서, 본 발명의 사상은 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 것들은 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.

Claims (10)

  1. 자성센서층;
    상기 자성센서 상에 형성된 엘라스토머층; 및
    상기 엘라스토머층 상에 형성된 자석층;
    을 포함하고,
    총 두께가 200 내지 1,100 ㎛이며,
    신체 움직임에도 피부에서 쉽게 탈착되지 않고, 피부에 부착되어 맥박 또는 혈압을 측정하는 것을 특징으로 하는, 피부 부착용 유연 압력센서.
  2. 삭제
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 유연 압력센서는 1 내지 200 ㎚ 두께의 자성센서층, 10 내지 500 ㎛ 두께의 엘라스토머층, 및 10 내지 500 ㎛ 두께의 자석층을 포함하는 것인, 피부 부착용 유연 압력센서.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 자성센서층은 서치 코일(Search coil) 센서, 플럭스 게이트(Flux gate) 센서, 홀 효과(Hall effect) 센서, 평면 홀 저항(PHR, Plannar hall resistance) 센서, 정상 자기저항(OMR, Ordinary magneto-resistance) 센서, 이방성 자기저항(AMR, Anisotopic magneto-resistance) 센서, 거대 자기저항(GMR, Giant magneto-resistance) 센서, 초거대 자기저항(Collosal magneto-resistance) 센서, 터널링 자기저항(TMR, Tunneling magneto-resistance) 센서 및 초전도양자간섭계(SQUID, Superconducting quantum interference device) 센서로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나인, 피부 부착용 유연 압력센서.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 엘라스토머층은 영률이 0.01 내지 5.0 ㎫인 엘라스토머를 포함하는 것인, 피부 부착용 유연 압력센서.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 엘라스토머는 실리콘계 고분자, 우레탄계 고분자, 스티렌계 고분자 및 올레핀계 고분자로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나 또는 둘 이상을 포함하는 것인, 피부 부착용 유연 압력센서.
  7. 제 6항에 있어서,
    상기 엘라스토머는 실리콘계 기초 고분자(base polymer)를 경화시킨 실리콘계 고분자인, 피부 부착용 유연 압력센서.
  8. a) 희생기판 상에 자성센서층을 형성하는 단계;
    b) 상기 자성센서층 상에 엘라스토머층을 형성하는 단계; 및
    c) 상기 엘라스토머층 상에 자석을 부착하는 단계;
    를 포함하며,
    총 두께가 200 내지 1,100㎛이며,
    신체 움직임에도 피부에서 쉽게 탈착되지 않고, 피부에 부착되어 맥박 또는 혈압을 측정하는 것을 특징으로 하는, 피부 부착용 유연 압력센서의 제조 방법.
  9. 제 8항에 있어서,
    상기 a)단계는,
    ⅰ) 희생기판 상에 자성센서 영역이 노출되도록 패턴화된 마스크를 형성하는 단계; 및 ⅱ) 상기 마스크에 의해 노출된 자성센서 영역에 자성층을 증착하는 단계;를 포함하는 것인, 피부 부착용 유연 압력센서의 제조 방법.
  10. 제 9항에 있어서,
    상기 a)단계의 ⅱ)단계는, 상기 마스크에 의해 노출된 자성센서 영역에 제1언더레이어층을 형성하는 단계; 상기 제1언더레이어층 상에 반강자성 물질을 증착하여 반강자성층을 형성하는 단계; 상기 반강자성층 상에 강자성 물질를 증착하여 강자성층을 형성하는 단계; 및 상기 강자성층 상에 제2언더레이어층을 형성하는 단계;를 포함하는 것인, 피부 부착용 유연 압력센서의 제조 방법.
KR1020190040112A 2019-04-05 2019-04-05 유연 압력센서 및 이의 제조방법 KR102306386B1 (ko)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020190040112A KR102306386B1 (ko) 2019-04-05 2019-04-05 유연 압력센서 및 이의 제조방법

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020190040112A KR102306386B1 (ko) 2019-04-05 2019-04-05 유연 압력센서 및 이의 제조방법

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20200118309A KR20200118309A (ko) 2020-10-15
KR102306386B1 true KR102306386B1 (ko) 2021-09-30

Family

ID=72882907

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020190040112A KR102306386B1 (ko) 2019-04-05 2019-04-05 유연 압력센서 및 이의 제조방법

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR102306386B1 (ko)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20230067039A (ko) 2021-11-09 2023-05-16 중앙대학교 산학협력단 웨어러블 센서 및 이의 제조방법

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR102550768B1 (ko) 2021-04-29 2023-07-03 한국기술교육대학교 산학협력단 자기 유변 탄성체 기반 정전용량 센서 및 진동 액츄에이터 통합 시스템
CN114739541A (zh) * 2022-04-11 2022-07-12 中国科学院宁波材料技术与工程研究所 一种柔性触觉传感器及其应用

Family Cites Families (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101233662B1 (ko) * 2011-07-19 2013-02-15 충남대학교산학협력단 유연 박막 자기저항 센서 및 그 제조 방법
KR101650677B1 (ko) * 2012-10-19 2016-08-23 도요 고무 고교 가부시키가이샤 센서 및 그의 제조 방법
KR20180117893A (ko) 2017-04-20 2018-10-30 엘지이노텍 주식회사 압력 센서

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20230067039A (ko) 2021-11-09 2023-05-16 중앙대학교 산학협력단 웨어러블 센서 및 이의 제조방법

Also Published As

Publication number Publication date
KR20200118309A (ko) 2020-10-15

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR102306386B1 (ko) 유연 압력센서 및 이의 제조방법
US8289019B2 (en) Sensor
Melzer et al. Stretchable magnetoelectronics
US10107875B2 (en) GMR sensor within molded magnetic material employing non-magnetic spacer
Melzer et al. Stretchable spin valves on elastomer membranes by predetermined periodic fracture and random wrinkling
JP4132835B2 (ja) 回転数検出装置
JP2005534199A (ja) Ｇｍｒセンサエレメントおよびｇｍｒセンサエレメントの使用
EP2872911A1 (en) Micromagnetometry detection system and method for detecting magnetic signatures of magnetic materials.
EP3091364B1 (en) Magnetic sensor, method of manufacturing magnetic sensor, and method of designing magnetic sensor
JP2003315432A (ja) 磁気抵抗センサ装置
Sinha et al. Planar Hall magnetoresistive aptasensor for thrombin detection
US20110175603A1 (en) Method and Apparatus for Measuring Magnetic Fields
Amara et al. High‐Performance Flexible Magnetic Tunnel Junctions for Smart Miniaturized Instruments
CN110345938B (zh) 一种晶圆级的磁传感器及电子设备
JPH0763505A (ja) 可動体変位検出装置
JP2000180524A (ja) 磁界センサ
KR101233662B1 (ko) 유연 박막 자기저항 센서 및 그 제조 방법
Oh et al. Highly flexible magnetoelectronic device integrated with embedded Ag nanoparticle electrode
CN108054273A (zh) 一种场效应晶体管式磁传感器、其制备方法与使用方法
JP2004165362A (ja) ホール効果を用いる磁気センサ及びその製造方法
CN207781649U (zh) 一种场效应晶体管式磁传感器
JP4228036B2 (ja) 位置検出装置
Tu et al. Optimization of spin-valve structure NiFe/Cu/NiFe/IrMn for planar hall effect based biochips
US20040157067A1 (en) Magnetic sensor and position detector
KR101083068B1 (ko) 링 타입의 평면 홀 저항 센서

Legal Events

Date Code Title Description
E902 Notification of reason for refusal
AMND Amendment
E601 Decision to refuse application
X091 Application refused [patent]
AMND Amendment
X701 Decision to grant (after re-examination)
GRNT Written decision to grant