KR102331191B1 - 비정질 합금을 이용한 탄성 변형 부재 및 이를 이용한 압력 센서 - Google Patents

Abstract

본 발명은, 비정질 합금을 이용한 탄성 변형 부재에 관한 것으로서, 상기 부재는, 변형된 후 탄성복원되는 비정질합금 부재를 2층 이상 적층하여 만들어진 적층 기판; 변형에 대응하여 전기저항이 변하도록 설계된, 상기 적층 기판 상에 배치되는 전도성 패턴; 을 포함한다.

Description

비정질 합금을 이용한 탄성 변형 부재 및 이를 이용한 압력 센서{ELASTICALLY DEFORMABLE MEMBER MADE FROM AMORPHOUS ALLOY AND PRESSURE SENSOR USING THE MEMBER}

본 발명은 압력 센서에 사용되는 탄성 변형 부재에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는, 비정질 합금을 이용한 탄성 변형 부재 및 이를 이용한 압력 센서에 관한 것이다.

일반적으로 압력 센서는 스트레인게이지를 이용할 수 있다. 이러한 압력 센서는, 한쪽 면은 기준 압력이 작용하고 반대쪽 면은 측정대상의 압력이 작용하도록 다이어프램을 구비하고, 이때 다이어프램의 표면에 압저항체를 형성하여 스트레인게이지를 구성하고, 다이어프램의 특정 위치에 압력이 가해질 때 다이어프램과 함께 압저항체가 변형되어 늘어나거나 줄어듦으로써, 압저항체에 길이 변화가 발생하게 된다. 압저항체의 길이 변화는 압저항체 자체의 전기저항값을 변화시키게 되는데, 압저항체의 변화된 전기저항값을 휘트스톤 브릿지(Wheatstone bridge) 원리로 측정하고, 측정된 전기저항값에 근거하여 다이어프램의 탄성변형률을 분석하고, 분석된 변형률에 근거하여 압력을 측정할 수 있다.

최근, 널리 사용되는 압력 센서의 다이어프램은, P형 실리콘계 반도체 재료에 약 10~50μm의 두께로 N형 실리콘계 반도체 재료를 {100} 방향으로 형성하여 제작된다. 이 다이어프램 위에는, 주로 가장자리에, 압저항형 실리콘 저항체(즉, 압저항체)가 배치되어 스트레인게이지가 구현된다.

하지만, 이처럼 P형 실리콘과 N형 실리콘을 중첩한 기판을 사용하는 경우, 센서의 정확도를 향상시키기 위해서는 정밀한 반도체 공정이 수행되어야 하며, 이는 제조 원가가 비싸다는 단점이 있다.

또한, 실리콘계 다이어프램은 탄성변형률이 0.3% 이하 정도로 작기 때문에 측정 범위가 작아서, 타이어의 공기압 측정 범위와 정확도에 있어 한계가 있다. 또한, 실리콘계 다이어프램은, 탄성변형률이 0.3% 정도로 매우 작기 때문에, 탄성변형률이 측정 가능한 범위를 넘어서기 쉬우며, 이 경우 다이어프램이 소성 변형됨으로써 센서의 정확도와 민감도가 떨어지게 된다.

한편, 압력 센서는, 자동차의 TPMS에서 특히 유용하게 적용되고 있다. 자동차를 운전할 경우, 타이어의 압력이 너무 낮은 상태에서 고속으로 주행하면 타이어의 과도한 지면 마찰에 의해 타이어가 파열되는 사고가 발생하고, 타이어의 압력이 너무 높으면 주행 중 요철 구간에서 자동차가 튕겨져나가는 현상이 발생하게 된다. 이에 따라, 국내외에서는 출고되는 자동차에 TPMS를 의무적으로 설치하도록 하고 있다.

TPMS는 자동차 타이어의 공기압을 실시간으로 측정하여 타이어의 공기압 상태를 실시간으로 알려줄 수 있게 함으로써, 타이어 파열에 의한 사고를 예방한다. 그러나 현재 사용되는 압력 센서의 실리콘계 다이어프램을 이용한 TPMS는, 전술한 바와 같은 다이어프램의 문제점에 의해 제조 원가가 높다고 정확도와 민감도가 낮다는 문제점이 있다.

이러한 기존의 압력 센서에 사용되던 실리콘계 다이어프램의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 출원인에 의해 출원되어 2019년 3월 6일에 공개된 한국공개특허 제10-2019-0022415호(명칭: 비정질 합금을 이용한 압력 센서)(이하, '종래기술'이라 함)를 참고할 수 있다. 상기 종래기술에서 개시하는, 비정질 합금을 이용한 압력 센서는, 적어도 일부가 비정질 금속으로 이루어진 기판과, 상기 기판 상에 배치된 탄성막과, 상기 탄성막 상에 배치되고 적어도 일부가 비정질 금속으로 이루어진 압력 검출 박막을 적층한 구조물을 포함한다.

구체적으로, 상기 적층 구조물은, 비정질 금속의 기판에 고탄성 접착제를 도포하고, 그 위에 스트레인게이지용 비정질 금속 패턴이 형성된 보조막을 부착하여 이루어진다. 여기서, 보조막에 형성되는 스트레인게이지용 비정질 금속 패턴은, 스트레인게이지용 비정질 금속의 층을 스퍼터링한 후 에칭하여 형성되거나 또 하나의 고탄성 접착제를 통해 스트레인게이지용 비정질 금속의 층을 부착하는 방식으로 제작될 수 있다.

하지만, 이러한 종래기술에 의한 압력 센서는, 비록, 비정질 금속으로 기판과 스트레인게이지용 금속 패턴을 제조함으로써 2.0% 이상의 높은 탄성변형률과 우수한 내식성을 얻을 수 있었지만, 기판을 단일층의 비정질 금속 부재로 구현하고 있기 때문에, 측정대상으로 하는 압력의 범위가 다르다면, 그 압력 범위를 버틸 수 있는 두께의 비정질 금속 부재를 새로 제조해야 한다는 불편함이 있다.

예를 들어, 고압 환경에서 사용될 압력 센서를 위한 기판을 제조하기 위해서는, 수십 내지 수백 ㎛ 정도의 기판이 필요한데, 단층의 비정질 금속 부재으로 이러한 두께를 얻는 것은 공정의 난이도가 높고 비용이 많이 든다.

또한, 비정질 금속의 기판 상에 스트레인게이지용 비정질 금속 패턴이 형성된 보조막을 접착제를 통해 부착하는 제조 방식은, 공정이 복잡하고, 접착제의 열화 또는 변형에 따른 압력 측정의 오차가 발생할 수 있다. 또한, 보조막과 스트레인게이지용 비정질 금속 패턴을 형성하기 위해서도 특별한 공정이 필요하다는 문제점뿐만 아니라 보조막과 스트레인게이지용 비정질 금속의 접착력이 부족할 수 있다는 문제점이 있다.

따라서, 본 발명은, 비정질 금속으로 이루어진 기판과 압저항체를 구비한 압력 센서용 다이어프램을 제조함에 있어서, 원하는 압력 조건에 유연하게 적응할 수 있는 다이어프램을 간단하고 저렴한 공정을 통해 제작할 수 있는 방법을 제공하고자 한다.

또한, 접착제를 사용하지 않으면서 기판과 압저항체의 층을 적층하는 경우, 상기 층들 사이의 접착력을 향상시킬 수 있는 방안을 제공하고자 한다.

기존의 압력 센서에 사용되는 다이어프램은, 단결정 실리콘 위에 압저항체로서 실리콘을 배치함으로써 제작되었으나, 이러한 단결정 실리콘으로 이루어진 압력 센서용 다이어프램은 탄성 변형률이 0.3% 이하로 매우 작기 때문에, 압력 측정시 정밀도가 낮을 뿐 아니라, 큰 압력을 측정하기 위한 용도 또는 넓은 범위의 압력을 측정하기 위한 용도로는 부적합하다는 단점이 있다.

이에 비해, 본 발명에 의하여 제조된 비정질 합금의 다이어프램, 즉, 탄성 변형 부재는 0.2~2.0% 범위 또는 그 이상의 범위, 특히 2.4% 이상의 범위까지 직선적으로 변화하는 탄성 변형률을 가진다. 따라서, 종래 기술에서 나타나는 단점들을 극복할 수 있다.

본 발명에서 사용하는 고탄성 접착제는 열적 안정성을 가진 고분자 재질로서, 탄성 변형률이 3% 이상인 것을 사용한다. 또한, 본 발명에서 적용하는 하이드록실 코팅층 및 DLC 코팅층도 비정질 구조를 갖도록 할 수 있는데, 이로써 상기 코팅층들이 절연체의 특성을 가지면서도 열전도도는 높게 된다. 이러한 특성은, 스트레인게이지를 만들기 위한 비정질 금속의 층의 증착시, 증착되는 금속의 냉각 속도를 높일 수 있어서, 상기 층이 비정질 구조를 가질 수 있게 한다.

본 발명은 압력 센서용 탄성 변형 부재(즉, 다이어프램)의 기판으로서 급속 응고된 Fe, Ni, Cu계 비정질 금속의 박판 또는 스트립을 사용한다. 또한, 스트레인게이지용 전도성 패턴 역시 상기와 같은 비정질 금속을 스퍼터링 증착하여 형성한다. 이러한 비정질 금속으로 만들어진 다이어프램은, 탄성 변형률이 뛰어나므로, 넓은 범위의 압력 또는 하중을 우수한 정밀도로 측정할 수 있게 한다.

본 발명의 압력 센서는, 타이어의 공기압 경보 장치(TPMS)의 다이어프램을 구성하는 기판과 스트레인게이지용 패턴의 재료를, 탄성 변위가 직선적으로 변화하는 탄성 변형률 구간이 2% 정도까지, 특히 2.4% 이상으로 확장된 비정질 합금을 사용할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 비정질 합금을 이용한 탄성 변형 부재는, 변형된 후 탄성복원되는 비정질 금속 박막을 2층 이상 적층하여 만들어진 적층 기판; 변형에 대응하여 전기저항이 변하도록 설계된, 상기 적층 기판 상에 배치되는 전도성 패턴을 포함한다.

여기서, 상기 적층 기판은, 각각의 비정질 금속 박막을, 상기 적층 기판의 탄성한계보다 높은 탄성한계를 갖는 접착제를 사용하여 중첩 및 접착하여 만들어질 수 있다.

또한, 상기 전도성 패턴은, 상기 적층 기판의 탄성한계보다 높은 탄성한계를 갖는 보조막 상에 배치되고, 상기 보조막을 상기 적층 기판 상에 상기 적층 기판의 탄성한계보다 높은 탄성한계를 갖는 접착제로 접착하여 만들어질 수 있다.

특히, 상기 전도성 패턴은, 상기 적층 기판의 표면에 하이드록실 코팅층을 형성하고, 상기 코팅층 상에 상기 전도성 패턴을 형성할 재질의 층을 형성하고, 상기 층을 상기 전도성 패턴의 형태로 에칭함으로써 만들어질 수 있다.

또한, 상기 하이드록실 코팅층은, 상기 적층 기판을 이소프로필알콜 분위기에 두고 중주파 플라즈마를 인가하여 스퍼터링함으로써 형성될 수 있다.

또한, 상기 전도성 패턴을 형성할 재질의 층은, 상기 코팅층 상에 상기 전도성 패턴을 형성할 재질을 스퍼터링으로 증착함으로써 형성될 수 있다.

본 발명의 또 하나의 실시예에 따르면, 소정 위치에 작용하는 압력에 의해 변형될 수 있도록 배치된, 상기 적층 기판과 상기 전도성 패턴이 적층된 청구항 제1항에 따른 상기 탄성 변형 부재; 기준압력으로 유지되는 제1 영역과 측정대상 압력이 작용하는 제2 영역에 각각 연통하고, 상기 영역들을 상기 탄성 변형 부재로 격리시키되, 상기 제2 영역의 압력에 의해 상기 전도성 패턴이 변형되도록 상기 탄성 변형 부재를 유지하는 홀더; 상기 전도성 패턴의 변형에 따른 전기저항의 변화를 감지하기 위한 저항감지 회로를 포함하는, 비정질 합금으로 이루어진 탄성 변형 부재를 구비한 압력 센서가 제공된다.

본 발명의 다른 실시예에서는, 소정 위치에 작용하는 힘에 의해 변형된 후 탄성복원되는 비정질 금속 박막으로 이루어진 기판; 상기 기판을 이소프로필알콜 분위기에 두고 중주파 플라즈마를 인가하여 스퍼터링함으로써 상기 기판의 표면에 형성되는 하이드록실 코팅층; 변형에 대응하여 전기저항이 변하는 재질을 상기 하이드록실 코팅층 상에 스퍼터링으로 증착한 후, 증착된 상기 재질의 층을 소정의 패턴으로 에칭하여 만들어진 전도성 패턴을 포함하는, 비정질 합금을 이용한 탄성 변형 부재를 제공한다.

기존의 실리콘계 기판으로 만들어진 다이어프램을 이용하는 압력 센서는, 제조 공정이 복잡하고 측정의 정확성이 떨어지며 제조 원가가 높다는 단점이 있었으나, 상기한 바와 같은 본 발명에 따른 비정질 합금을 이용한 탄성 변형 부재 및 압력 센서는, 탄성 변형 부재의 탄성변형률이 높아서 넓은 범위에서 압력/무게를 정확하게 측정할 수 있게 된다. 또한, 비정질 합금을 이용한 탄성 변형 부재를 간단한 생산 공정으로 제조할 수 있을 뿐 아니라, 탄성 변형 부재를 구성하는 각 층의 접착력이 우수하여, 압력 센서의 내구성이 향상된다.

도 1은, 비정질합금의 다이어프램(즉, 탄성 변형 부재)의 예시로서, 기판 위에 부착되는 스트레인게이지용 패턴을 보여주는 도면이다.
도 2는, 본 발명에 따른 비정질 금속으로 이루어진 탄성 변형 부재를 이용하여 구현될 수 있는 압력 센서의 예시적인 개략적인 구조를 도시한 도면이다.
도 3의 (a) 및 (b)는, 본 발명의 제1 실시예에 따른, 비정질 금속으로 이루어진 박막이 2층 이상 적층되어 만들어진 적층 기판과, 그 위에 접착제로 부착된 스트레인게이지용 전도성 패턴을 보여주는 단면도이다.
도 3의 (c)는, 본 발명의 제2 실시예에 따른, 비정질 금속으로 이루어진 박막이 2층 이상 적층되어 만들어진 적층 기판과, 그 위에 스퍼터링으로 증착된 스트레인게이지용 전도성 패턴을 보여주는 단면도이다.
도 4는, 비정질 금속으로 이루어진 박막이 (a) 단층, (b) 2층, 및 (c) 3층으로 적층되어 제작된 기판 각각의, 압력에 따른 탄성 변형 변위를 보여주는 그래프이다.
도 5는, 도 3(c)의 실시예에서 증착된 하이드록실 코팅층이 비정질 구조를 형성함을 보여주는 그래프이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 비정질 합금을 이용한 탄성 변형 부재 및 이를 이용한 압력 센서의 바람직한 실시예를 설명한다. 참고로, 본 발명의 각 구성 요소를 지칭하는 용어들은 그 기능을 고려하여 예시적으로 명명된 것이므로, 용어 자체에 의하여 본 발명의 기술 내용을 예측하고 한정하여 이해해서는 안될 것이다.

도 2는, 본 발명에 따른 탄성 변형 부재를 이용하여 구현될 수 있는 압력 센서의 예시적인 구조를 개략적으로 도시한 도면이다. 본 발명에서, 압력 센서는, 다이어프램(60)(본 명세서에서, "탄성 변형 부재"와 혼용하여 사용될 수 있음)과 홀더(50)와 저항 감지 회로(도시하지 않음)를 포함하여 이루어진다.

다이어프램(60)은, 소정 위치에 작용하는 압력에 저항하며 상기 압력에 의해 변형가능한 기판(10)과, 기판(10)의 표면에 배치되어 기판이 변형될 때 함께 변형되어 전기저항이 변하도록 구성된 스트레인게이지용 전도성 패턴(20)으로 이루어진다.

홀더(50)는, 상기 다이어프램(60)에 의해 제1 영역과 제2 영역을 완전히 격리하도록 구성된다. 여기서, 제1 영역은 기준 압력이 되는 유체의 압력이 작용하는 영역이고, 제2 영역은 압력을 측정할 대상이 되는 유체의 압력이 작용하는 영역이다.

저항감지회로는, 압저항체인 스트레인게이지용 전도성 패턴(20)에 일정 전압 또는 전류를 인가하여, 전도성 패턴(20)의 변형에 의한 저항의 변화를 감지하도록 설계된 회로이다. 저항감지회로는, 예를 들면, 휘트스톤 브리지 회로를 포함할 수 있다.

한편, 본 발명에서, 적어도 탄성 변형 부재(60)는 전체 또는 일부가 비정질 금속의 합금으로 만들어질 수 있다. 예를 들면, 적어도 기판(10)은 비정질 금속의 합금으로 만들어진다. 여기에, 바람직하게는, 전도성 패턴(20)도 비정질 금속의 합금으로 만들어질 수 있다.

추가로, 본 발명에서는, 기판(10)과 전도성 패턴(20) 사이에 개재되는 층(15) 또한 비정질 구조를 갖도록 재질과 공정이 제어될 수 있다. 예를 들면, 기판(10)과 전도성 패턴(20) 사이에 접착층으로서 하이드록실 코팅층 및/또는 DLC 코팅층을 추가할 수 있는데, 이 코팅층을 형성할 때 비정질 구조로 할 수 있다. 비정질 구조에 의하여, 기판과 전도성 패턴 사이의 강력한 접착력, 높은 절연성 및 탄성을 확보할 수 있게 된다. 이에 대해서는 후술한다.

한편, 이러한 압력 센서는, 자동차용 TPMS에 내장된 압력 센서로서 이용될 수 있다. 이 경우, TPMS의 압력 센서는, 타이어의 압력에 의해 변형될 수 있을 정도의 탄성변형률을 갖도록 설계된 비정질 금속의 다이어프램, 상기 다이어프램의 표면에 배치된 스트레인게이지, 타이어 내부의 압력과 대기압을 격리시키도록 다이어프램을 고정시키는 홀더 (상기 홀더는, 세라믹 또는 금속으로 이루어지며, 압력이 작용하는 영역과 연통하는 유체의 통로를 구비함)를 포함할 수 있다.

여기에, 자동차용 TPMS는, 상기 압력 센서에 더불어, 스트레인게이지에 전압 및/또는 전류를 인가하고 감지되는 전압 및/또는 전류를 분석하여 스트레인게이지에 의한 저항값의 변화를 디지털 또는 아날로그 신호로 변환하고 변환된 신호를 무선으로 전송하는 무선 전송 유닛과, 무선 전송 유닛에 전원을 공급하는 배터리를 포함할 수 있다.

본 발명에서, 스트레인게이지용 전도성 패턴(20) 및 다이어프램의 기판(10)을 제작하기 위한 비정질 금속 재료는, Cu, Zr, Mn, Ti, Fe, Ni, Co계 합금일 수 있으며, 여기에 소량의 Si, Al, B, P 등이 첨가될 수 있다.

본 발명에서의 비정질 금속의 기판(10)은, 급속 응고 기술에 의해 제작될 수 있는데, 약 10~50μm의 두께로 제작될 수 있다. 재질은, 비정질 구조를 형성하는 능력이 우수한 Fe, Ni, Cu계 합금이 사용될 수 있다. 이러한 합금으로 비정질 구조를 형성하기 위한 방법으로는, 급속 냉각법, 멜트 스피닝(Melt Spinning)법 등이 사용될 수 있다.

급속 냉각법의 예로는, 원심 주조법을 들 수 있다. 원심 주조법은, 용융 금속을 주형에 주입하여 응고시킬 때, 주형을 고속으로 회전시킴으로써 그 원심력을 이용하는 것으로, 용융 금속에 높은 압력이 걸리게 되므로 결과물의 조직이 치밀하고 기공이 없다.

원심 주조법 중에서도 진공 원심 주조법으로 두꺼운 비정질 금속의 박대 또는 판재를 제조할 수 있다. 진공 원심 주조법은, 상부 금형과 하부 금형으로 이루어진 몰드 내에 Cu 캔을 장입하고, 진공 분위기 하에서 몰드를 170~230℃로 가열하고, 70~100G의 원심력이 가해지도록 몰드를 회전시키고, 몰드 중심의 주입 공간으로 용해된 재료를 주입하면, 원심력에 의해 주입 공간으로 공급되는 용해된 재료가 몰드 내에 장입된 Cu 캔 내로 주입되어 Cu 캔 내에서 로드가 원심 주조된다. 이를 냉각한 다음 Cu 캔을 산으로 녹이면, 원심 주조된 로드를 얻을 수 있다.

본 발명에서, 상기 방법으로 제작된 비정질 금속의 기판(10)은, 탄성 한계가 2~2.4% 정도로 높다.

한편, 본 발명에서는, 상기 기판(10) 상에 배치되는 전도성 패턴(20) 또한, 비정질 금속으로 형성한다. 기판(10) 상에 전도성 패턴(20)을 배치하는 방법은, 고탄성 부재(25)(또는, 본 명세서에서 "보조막"이라고도 기재됨) 상에 비정질 금속의 층을 형성하고, 형성된 비정질 금속의 층을 원하는 전도성 패턴(20)의 형태로 에칭하고, 에칭으로 형성된 전도성 패턴(20)이 고탄성 부재(25) 상에 유지된 채로, 고탄성 부재(25)를 기판(10) 상에 고탄성 접착제(16)로 부착하는 방법을 들 수 있다. 이것은, 본 발명의 제1 실시예로서 이하에서 설명한다.

여기서, 고탄성 부재(25) 상에 전도성 패턴(20)을 만들 비정질 금속의 층을 형성하는 방법은, 고탄성 부재(25) 상에 비정질 금속의 층을 접착제(26)로 부착하는 방법과, 고탄성 부재(25) 상에 비정질 금속 재료를 스퍼터링하여 증착하는 방법을 고려할 수 있다.

고탄성 부재(25) 상에 증착된 비정질 금속 재료는 원하는 패턴(즉, 전도성 패턴의 형태)으로 에칭될 수 있다. 다른 예로서, 원하는 패턴으로 미리 제작된 전도성 패턴(20)의 박편을 고탄성 부재(25) 상에 부착하는 방법도 고려될 수 있다.

한편, 여기서, 상기 기판(10) 상에 부착될 고탄성 부재(25)는, 방향족 주쇄를 기본으로 하는 열적 안정성을 가진 고분자 재질로 이루어진 것일 수 있다. 예를 들면, 고탄성 부재(25)는, 이미드 고리의 화학적 안정성을 기초로 하여 우수한 기계적 강도, 내화학성, 내후성, 내열성을 갖을 뿐 아니라 높은 절연 특성 및 낮은 유전율을 갖는 폴리이미드(polyimide)로 만들어질 수 있다.

한편, 기판(10)과 고탄성 부재(25)를 접착하기 위한 및/또는 고탄성 부재(25)에 전도성 패턴(20)을 접착하기 위한 고탄성 접착제(26)는, 탄성 한계가, 2% 이상인, 바람직하게는 3% 이상인, 더욱 바람직하게는 상기 기판(10)의 탄성 한계 이상의 탄성 한계를 갖는 CN(Cyanoacrylate adhesive) 본드일 수 있다.

기판(10) 상에 전도성 패턴(20)을 배치하는 또 다른 방법으로는, 비정질 금속의 기판(10) 상에 하이드록실 코팅층(15)을 형성하고, 코팅층 상에 전도성 패턴(20)을 형성할 재질의 층을 형성하고, 형성된 비정질 금속의 층을 원하는 전도성 패턴(20)의 형태로 에칭하는 방법을 고려할 수 있다. 이것은, 본 발명의 제2 실시예로서 이하에서 설명한다.

제2 실시예의 변형예로서, 하이드록실 코팅층 대신에, DLC 코팅층을 형성할 수도 있다.

한편, 제2 실시예 및 그 변형예에서, 하이드록실 코팅층(15)과 DLC 코팅층은, 모두 비정질 구조를 갖도록 하는 것이 바람직하다. 왜냐하면, 비정질 구조가 형성되었을 때, 상기 층들이 향상된 절연 특성을 가질 수 있기 때문이다. 또한, 비정질 구조를 가짐으로써 열전도 특성이 향상될 수 있는데, 이는, 코팅층 상에 비정질 금속의 층(전도성 패턴을 형성하기 위한 층)을 형성할 때, 기판(10)을 통해 증착 장치의 홀더 측으로 열 발산이 잘 되어, 급속 냉각이 가능해져서 비정질 구조가 형성되기 쉽게 되기 때문이다.

제1 실시예에서 고탄성 부재(25)(또는, 폴리이미드) 상에 형성되는 비정질 금속의 층, 또는, 제2 실시예에서 하이드록실 코팅층 또는 DLC 코팅층 상에 형성되는 비정질 금속의 층은, 스퍼터링 증착법(sputtering)으로 형성될 수 있다.

상기 스퍼터링 증착법은 진공 증착법의 일종으로, 진공 상태에서 플라즈마를 발생시키고, 플라즈마에 의해 이온화한 아르곤 등의 가스 원자를 전자기력에 의해 가속시켜 타겟에 충돌시키면, 증착시킬 목적의 원자가 타겟으로부터 분출되고, 분출된 원자가 그 근방에 있는 기판 상에 증착되게 함으로써 부재를 형성하는 방법이다.

이를 위한 스퍼터링 장치는, 타겟을 음극으로 설정한다. 또한, 음극 타겟의 배면에 자석을 부착하여 전기장에 수직한 자기장을 형성할 수도 있으며, 이로써 전자들의 움직임을 타켓 주위로 유도함으로써 스퍼터링 효율을 높일 수도 있다.

변형예에서, 전도성 패턴(20)을 형성하기 위한 비정질 금속의 층은, 급속 응고법(또는, 급속 냉각법)에 의해 형성될 수도 있다. 상기 급속 응고법은 용해된 금속을 1초 당 100만 ℃ 이상의 속도로 급랭하는 공정을 포함한다. 급속 응고법으로는, 기체 분사법(atomization), 물 분사법(water atomization), 원심 분무법(centrifugal atomization)과 멜트 스피닝법(melt spinning) 등이 있다.

급속 응고는, 고체와 액체 계면의 빠른 성장 속도를 얻기 위하여 높은 냉각 속도나 커다란 과냉을 이용하는 것으로, 고체와 액체 계면의 성장 속도가 빠른 경우에는 원자들이 고체와 액체가 모두 화학 포텐셜(potential)이 같아지도록 원자를 재배열시킬 만한 시간적 여유를 갖지 못하므로 용질 원자가 고체와 액체 계면에 도달할 때, 같은 조성의 고체 속으로 들어가게 되는 용질 포획이 일어날 수 있다. 따라서 고체와 액체 계면에서의 고체는 용질을 방출할 수 없게 되어 고체와 액체의 조성이 같게 된다.

본 발명에서, 스트레인게이지를 구성하는 압저항체를 형성하는 전도성 패턴(20)을 만들기 위한 비정질 금속은, Cu, Co, Zr, Ni 및 Fe 중 적어도 어느 하나를 기재(base)로 할 수 있다. 바람직하게는 전도성 패턴(20)의 층은 Zr, Co, Cu 중 어느 하나를 기재로 할 수 있다.

상기 전도성 패턴(20)의 층은, Zr을 20~70% 포함하고, 잔부로서 Cu 및 기타 불가피한 불순물을 포함할 수 있다. 형성되는 층의 두께는 5μm 이하일 수 있다.

또한, 상기 전도성 패턴(20)의 층은, Si을 5~20%, B을 5~20%, 잔부로서 Co 및 기타 불가피한 불순물을 포함할 수 있다. 그리고 내식성과 비정질 형성 능력을 향상시키기 위해, Cr, Fe 및 Ni 중 적어도 하나를 5% 이하로 포함할 수 있으며, 이때, 층의 두께를 10~20μm로 할 수 있다.

또한, 상기 전도성 패턴(20)의 층은, Si을 5~20%, C를 5~20%, 잔부로서 Co 및 기타 불가피한 불순물을 포함할 수 있으며, 내식성과 비정질 형성 능력을 향상시키기 위해 Cr, Fe 및 Ni 중 적어도 하나를 5% 이하로 포함할 수 있으며, 이때, 층의 두께를 10~20μm로 할 수 있다.

한편, 본 발명은, 멜트 스피너에 의한 급속 응고법 등으로 제조된 비정질 금속의 기판(10)이 허용하는 하중 범위를 넓히기 위해, 복수의 부재를 고탄성 접착제(도시하지 않음)로 적층하여 접합한 다층 적층 기판을 사용하는 것을 특징으로 한다. 본 발명에서는, 소정 두께의 비정질 금속 박막을 적어도 2층 이상 적층한 적층 기판을 사용하여 탄성 변형 부재(60)를 제작한다.

예를 들면, 스트립 형태로 제작된 비정질 금속의 단층 기판(10)을 제작하고 이것을 인장 시험하였을 때, 탄성 복원되는 변위의 결과는, 도 4의 (a)와 같이 나타났다. 즉, 작용하는 압력에 대응하여 탄성 변형 및 복원되는 변위가 일정 영역에서 직선적으로 증가하는 특성을 나타낸다. 이것은, 약 2.4%의 구간까지 선형적으로 탄성 변형하는 것을 나타낸다.

한편, 위와 동일하게 제작된 비정질 금속의 기판(10)을 고탄성 접착제를 이용해 2겹 적층하고, 이것을 인장시험한 결과는 도 4의 (b)와 같이 나타났다. 도면에서도, 작용하는 압력에 대응하여 탄성 변형 및 복원되는 변위가 일정 영역에서 직선적으로 증가하는 특성을 보여준다. 이것은, 약 2.4%의 구간까지 선형적으로 탄성 변형하는 것을 나타낸다.

추가로, 위와 동일하게 제작된 비정질 금속의 기판(10)을 고탄성 접착제를 이용해 3겹 적층하고, 이것을 인장시험한 결과가 도 4의 (c)에 도시되었다. 도면에서도, 작용하는 압력에 대응하여 탄성 변형 및 복원되는 변위가 일정 영역에서 직선적으로 증가하는 특성을 보여주었으며, 이것은, 약 2.4%의 구간까지 선형적으로 탄성 변형하는 것을 나타낸다.

이처럼, 본 발명에서, 복수의 층을 접착하여 적층한 다층 기판(10)을 제작하고 이것을 인장 시험한 결과는, 1겹의 단층 비정질 금속 기판의 경우와 마찬가지로, 탄성 변형률이 약 2.4% 정도까지 직선 형태로 증가하는 특성을 보여주었다. 특히, 다층 기판의 인장 응력도 겹친 층의 수에 비례하여 증가하는 것으로 나타났다.

따라서, 본 발명은, 탄성 변형 부재(다이어프램)(60)의 내압을 높이기 위하여, 즉, 더 높은 하중(압력)을 측정할 수 있는 압력 센서를 제공하기 위하여, 비정질 금속의 박막을 다층으로 접합한 다층 기판을 사용할 수 있다. 특히, 각각의 기판들을 접착하는 고탄성 접착제는, 적어도 기판(10)의 탄성 복원력보다 높은 탄성 한계를 갖는 것이 바람직하다. 더욱, 고탄성 접착제는, 압저항체를 구성하는 전도성 패턴(20) 또는 상기 전도성 패턴(20)을 형성하기 위한 층의 탄성 복원력보다 높은 탄성 한계를 갖는 것이 바람직하다.

본 발명에 있어서, 하이드록실 코팅층(15)은, 기판(10)을 이소프로필 알코올 분위기의 챔버에 배치하고, 챔버 내부에서 중주파 플라즈마를 발생시켜 스퍼터링하는 방식으로써 형성될 수 있다.

도 5는, 하이드록실 코팅층의 결정 구조를 x-선 회절 시험법으로 분석한 결과를 보여주는 것으로서, 상기 코팅층(15)이 비정질 구조를 형성함을 보여준다. 이러한 비정질 구조의 하이드록실 코팅층(15)은, 고탄성 변형이 가능할 뿐 아니라 전기의 절연성이 뛰어나다. 반면, 열전도도 또한 높아서, 전도성 패턴을 위한 층을 스퍼터링 방식으로 증착할 때, 증착되는 재질에 인가되는 열이 빠르게 전도/확산되어 냉각될 수 있으므로, 전도성 패턴(20)을 만들기 위해 증착되는 층이 비정질 구조를 갖게 하는 데에 유리하다.

도 3의 (a) 및 (b)는, 본 발명의 제1 실시예에 따른, 비정질 금속으로 이루어진 박막이 2층 이상 적층되어 만들어진 적층 기판(10)과, 그 위에 접착제(16, 26)로 부착된 전도성 패턴(20)을 보여주는 단면도이다.

급속 응고된 비정질 합금을 활용한 스트립이나 박판 형상의 기판(10)이 형성된다. 기판(10)은 압력에 의한 하중을 받는 부재로서, 두께가 10~50μm인 박막을 적어도 2겹 이상 적층한 적층 기판일 수 있다.

탄성 변형률이 높은 폴리이미드(25) 위에 스퍼터링법으로 스트레인게이지용 비정질 금속 박막(즉, 압저항체를 위한 전도성 패턴을 형성하기 위한 층)(예를 들면, Cu가 30~80% 및 Zr이 20~70% 포함되고, 두께가 5μm 이하로 제작된 부재)을 증착하고, 증착된 박막을 에칭하여 스트레인게이지용 전도성 패턴(20)을 형성한다. 이로써, 전도성 패턴(20)이 형성된 폴리이미드 구조물이 형성된다.

적층 기판(10)과 폴리이미드 구조물은 고탄성 접착제(16)를 이용하여 접착된다.

(a)는, 폴리이미드 구조물에서, 폴리이미드(25) 상에 전도성 패턴(20)(또는, 전도성 패턴을 형성하기 위한 층)이 스퍼터링으로 증착되어 형성된 구조를 보여준다.

(b)는, 폴리이미드 구조물에서, 폴리이미드(25) 상에 전도성 패턴(20)(또는, 전도성 패턴을 형성하기 위한 층)이 고탄성 접착제(26)를 이용하여 부착된 구조를 보여준다.

도 3의 (c)는, 본 발명의 제2 실시예에 따른, 비정질 금속의 박막이 2층 이상 적층되어 만들어진 적층 기판(10)과, 그 위에 스퍼터링으로 증착되어 에칭으로 형성된 전도성 패턴(20)을 보여주는 단면도이다.

급속 응고된 비정질 합금을 활용한 스트립이나 박판 형상의 기판(10)이 형성된다. 기판(10)은 압력에 의한 하중을 받는 부재로서, 두께가 10~50μm인 박막을 적어도 2겹 이상 적층한 적층 기판일 수 있다.

적층 기판(10) 상에 하이드록실 코팅층(15)을 형성하고, 형성된 코팅층(15) 상에 스퍼터링법으로 스트레인게이지용 비정질 금속의 박막(즉, 압저항체를 위한 전도성 패턴을 형성하기 위한 층)(예를 들면, Cu가 30~80% 및 Zr이 20~70% 포함되고, 두께가 5μm 이하로 제작된 부재)을 증착하고, 증착된 박막을 전해 에칭법으로 에칭하여 PCB 식각하거나 또는 화학 용액을 사용하여 에칭함으로써, 스트레인게이지용 전도성 패턴(20)을 형성할 수 있다.

하이드록실 코팅층(15)과 스트레인게이지용 전도성 패턴(20)은 강한 결합력을 가진다. 또한, 스트레인게이지를 만들기 위한 재질이 하이드록실 코팅층(15) 위에 폴리머 접착제 없이 직접 스퍼터링법으로 증착되기 때문에, 스트레인게이지용 재질이 스퍼터링될 때의 열이 열 전도도가 높은 하이드록실 코팅층(15)을 통해 신속히 확산될 수 있으므로, 전도성 패턴(20)을 만들기 위한 층이 비정질 구조를 갖게 된다.

한편, 상기 하이드록실 코팅층(15)은, DLC 코팅층으로 대체될 수 있다. 급속 응고법으로 제조된 비정질 합금의 기판을 메탄(CH₄) 가스 분위기에서 처리하여 DLC(Diamond-Like Carbon) 코팅층을 형성한 후, 이 코팅층에 직접 스퍼터링으로 스트레인게이지용 비정질 금속의 박막을 증착하고, 증착된 박막을 레이저 가공법으로 가공하거나 또는 전해 에칭법으로 에칭하여 PCB 식각하거나 또는 화학 용액을 사용하여 에칭하여 스트레인게이지용 비정질 전도성 패턴(20)을 만들 수 있다.

본 발명의 제3 실시예가 제공될 수 있는데, 이것은, 단층으로 만들어진 비정질 금속 박막의 기판과, 그 위에 스퍼터링으로 전도성 패턴의 층을 형성한 탄성 변형 부재로 구성된다. 상술한 제1 실시예와 제2 실시예에서는, 기판을, 비정질 금속 박막을 복수 층 적층한 적층 기판으로 구성하였지만, 본 실시예에서는 단층의 비정질 금속 박막을 기판으로서 이용하는 것으로 한다.

특히, 본 제3 실시예는, 단층으로 이루어진 기판 상에 하이드록실 코팅층 또는 DLC 코팅층을 형성하고, 이 위에 비정질 합금의 부재를 스퍼터링으로 증착하고, 증착된 층을 전도성 패턴의 형태로 에칭하여, 압력 센서의 다이어프램(탄성 변형 부재)을 형성할 수도 있다.

이상에서 설명된 본 발명의 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 보여준 것에 불과하며, 본 발명의 보호 범위는 이하 특허청구범위에 의하여 해석되어야 마땅할 것이다. 또한, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것인 바, 본 발명과 균등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (8)

1. 소정 위치에 작용하는 힘에 의해 변형된 후 탄성복원되는 비정질 금속 박막을 포함하는 기판;
   상기 기판을 이소프로필알콜 분위기에 두고 중주파 플라즈마를 인가하여 스퍼터링함으로써 상기 기판의 표면에 형성된 하이드록실 코팅층; 및
   변형에 대응하여 전기저항이 변하는 재질을 상기 하이드록실 코팅층 상에 증착한 후, 증착된 상기 재질의 층을 소정의 패턴으로 에칭하여 만들어진 전도성 패턴;을 포함하는, 비정질 합금을 이용한 탄성 변형 부재.
2. 제1항에 있어서,
   상기 기판은,
   복수의 비정질 금속 박막을, 상기 기판의 탄성한계보다 높은 탄성한계를 갖는 접착제를 사용하여 중첩 및 접착하여 만들어진 적층 기판인 것을 특징으로 하는, 비정질 합금을 이용한 탄성 변형 부재.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
   상기 전도성 패턴은, 상기 기판의 탄성한계보다 높은 탄성한계를 갖는 보조막 상에 배치되고,
   상기 보조막을 상기 기판 상에 상기 기판의 탄성한계보다 높은 탄성한계를 갖는 접착제로 접착하여 만들어지는 것을 특징으로 하는, 비정질 합금을 이용한 탄성 변형 부재.
4. 삭제
5. 삭제
6. 제1항에 있어서,
   상기 전도성 패턴을 형성할 상기 재질의 층은,
   상기 하이드록실 코팅층 상에 변형에 대응하여 전기저항이 변하는 상기 재질을 스퍼터링으로 증착함으로써 형성되는 것을 특징으로 하는, 비정질 합금을 이용한 탄성 변형 부재.
7. 소정 위치에 작용하는 압력에 의해 변형될 수 있도록 배치된, 청구항 제1항에 따른 상기 탄성 변형 부재;
   기준압력으로 유지되는 제1 영역과 측정대상 압력이 작용하는 제2 영역에 각각 연통하고, 상기 영역들을 상기 탄성 변형 부재로 격리시키되, 상기 제2 영역의 압력에 의해 상기 전도성 패턴이 변형될 수 있도록 상기 탄성 변형 부재를 유지하는 홀더; 및
   상기 전도성 패턴의 변형에 따른 전기저항의 변화를 감지하기 위한 저항감지 회로;를 포함하는, 비정질 합금으로 이루어진 탄성 변형 부재를 구비한 압력 센서.
8. 삭제

Images