KR102361740B1

KR102361740B1 - 탄성비드층을 가지는 대면적 압력센서

Info

Publication number: KR102361740B1
Application number: KR1020200081315A
Authority: KR
Inventors: 박지만
Original assignee: (주)엘센
Priority date: 2020-07-02
Filing date: 2020-07-02
Publication date: 2022-02-11
Also published as: KR20220003734A

Abstract

본 발명은 탄성비드층을 가지는 대면적 압력센서에 관한 것이다. 좀 더 자세하게로는, 필름층 위에 CNT코팅층을 형성하고, CNT코팅층 위에 전극을 형성한 후 절연체로 덮는 방식으로 제조되는 압력센서에 있어서, 대면적으로 압력센서를 제조하는 것이 가능하게 하기 위하여 CNT코팅층과 전극층 사이에 탄성을 가지는 절연체로 이루어진 비드(bead)층이 포함되도록 제작하는 CNT압력센서에 관한 것이다. 본 발명에 의한 압력센서는, 통상의 압력센서처럼 띠 형태로 제작하는 것이 아니라, 길이가 길면서도 너비를 매우 크게 하여 대면적으로 제작할 수 있기 때문에 넓은 면적의 바닥에 깔아서, 바닥에 가해지는 압력을 측정하여 사람 또는 동물의 움직임 동선을 감지해 내는 용도 등 다양한 용도로 광범위하게 사용되고 응용될 수 있다. 또한 본 발명에 의한 탄성비드층을 가지는 대면적 압력센서는, 연속공정으로 생산할 수 있기 때문에 대량생산이 가능하고, 생산단가를 낮출 수 있어 성능이 우수한 센서를 저렴한 가격에 공급할 수 있다. 또한 압력센서를 사용하는 응용제품을 제작할 때 응용제품의 크기에 맞추어 센서를 잘라 사용하면 되는 등 소비자가 원하는 길이로 마음대로 잘라서 사용할 수 있는 장점이 있으므로 응용제품의 신속한 제작이 가능하다

Description

탄성비드층을 가지는 대면적 압력센서{Large Scale Pressure Sensor Element having Elastic Bead Layer}

제4차 산업혁명은 빅데이터를 기반으로 물리적 세계와 디지털 세계를 통합시킴으로써 경제 및 산업 등 사회의 모든 분야에 영향을 미치고 있는 것으로 설명될 수 있다. O2O(Online to Offline 또는 Offline to Online)를 통하여 물리적인 실제 세계와 디지털 세계의 통합이 수행되고, IoT(Internet of Things)를 통하여 사물과 사물이 통신하는 세계가 되었으며, 인체정보를 디지털 세계에 접목하는 기술인 스마트워치나 스마트밴드를 이용하여 생물학적 세계는 모바일 헬스케어로 구현될 수 있다. 가상현실(VR)과 증강현실(AR) 및 혼합현실(MR)도 물리적 세계와 디지털 세계의 융합에 해당될 수 있다.

이러한 4차 산업혁명을 이끄는 핵심기술로는 인공지능, 빅데이터, 클라우드, 블록체인, 사물인터넷(IoT), 자율주행 자동차, 드론, 로봇 등 다양하고 새로운 혁신적 기술들이 포함된다. 이렇게 혁신적인 핵심기술들 모두에서 필수적으로 사용되는 것은 센서이다. 센서는, 디지털 시스템이 물리적 환경에 접속하여 판단을 하기 위한 기초자료를 측정하는 감각수단으로서, 온도, 습도, 거리, 압력, 높이, 속도 등 물리적 세계에서 측정 가능한 모든 종류의 환경을 측정하여 디지털시스템에 제공하며, 디지털 시스템은 이를 근거로 판단하고 작동하는 것으로서, 생활, 주거, 의료, 스포츠 및 산업환경 등 다양한 분야의 서비스에 폭넓게 사용되는 소자이다. 즉 센서는 4차 산업혁명에 있어서, 물리적 세계와 디지털 세계를 연결하는 연결수단으로서 없어서는 안 되는 존재일 뿐만 아니라 얼마나 좋은 성능의 센서를 얼마나 저렴하게 제공할 수 있는가가 4차 산업혁명관련 사업에서 성공의 관건으로 부각되고 있다. 따라서 고성능의 센서소자에 대한 국산화와 더불어 시장요구에 따른 다양한 응용제품의 개발이 필요할 뿐만 아니라, 첨단소재에 의하여 경량화되고, 장 수명을 가지며, 초 광폭이고 다기능을 가지는 센서소자에 대한 개발 필요성이 점점 높아지고 있다.

한편, 탄소나노튜브(carbon nanotubes, CNT)는 변형에 의하여 재료의 전기전도성이 변화하는 전왜성을 지니고 있기 때문에, 복합소재 공정을 활용하면 센서 및 전극재료에 유연성을 부여할 뿐만 아니라 다양한 기능적 특성을 부여할 수 있다. 따라서 CNT를 이용하여 다양한 종류의 센서를 개발하기 위한 시도가 계속되고 있다. 특히 CNT를 힘, 변형률 및 압력을 측정할 수 있는 센서로 개발하는 연구는 많은 진전이 있어왔는데, 초박막의 슬림형으로 제작이 가능하기 때문에 의류나 몸에 붙여서 신체의 활동 등을 모니터링 하는 웨어러블 디바이스용 스트레인 게이지나 바닥에 가해지는 압력을 측정하여 사람이나 동물의 동선 측정 또는 안전사고 예방수단 등에 사용하기 위한 다양한 응용제품으로도 사용되고 있다. CNT 이용 압력센서는 블루투스, BLE, Wifi 등의 근거리 통신망이나 Lora 등과 같은 중·장거리 사물 인터넷망과 결합한 응용제품으로 개발하는 경우 노인보호분야, 복지 분야, 운동 및 헬스케어분야, 환자관리 분야, 재난안전 분야 등 다양한 분야에서 폭넓게 사용될 수 있는 부품으로서 그 활용분야는 점점 더 넓어질 것으로 전망되고 있다.

CNT코팅막 위에 전극을 형성하여 제작하는, CNT코팅막을 이용한 압력센서는, 전극이 압력에 의하여 눌려지면 전극과 CNT코팅막이 접촉하게 되어 전극을 통하여 CNT코팅막으로 전류가 흐르게 되며, CNT코팅막의 전기저항을 통하여 흐르는 전류의 값을 측정하여 압력을 감지하게 되는 원리로 작동된다. 따라서 CNT코팅막 이용 압력센서는, CNT코팅막과 전극 사이에 일정한 간극이 계속하여 유지되어야 한다. 그리고 압력이 가해지면 전극이 CNT코팅막과 접촉되도록 하고, 가해지던 압력이 중단되면 전극은 탄성에 의하여 다시 복원되어 전극과 CNT코팅막 사이는 다시 간극이 유지되도록 하는 구조이어야 한다. 이와 관련되는 선행기술로는 대한민국 공개특허 제10-2018-0055125호(2018. 05. 25.), 대한민국 등록특허 제10-1491025(2015. 02. 09) 및 대한민국 공개특허 제10-2017-0111150호(2017. 10. 12) 등이 있다.

그러나 전극의 길이가 너무 길어지면 탄성과 복원력이 약해지기 때문에 전극의 길이를 짧게 할 수 밖에 없는 제약이 있기 때문에 도 1에서 보는 바와 같이 폭이 좁은 띠 형태로 제조할 수밖에 없었다. 따라서 압력감지 면적을 넓게 해야 하는 응용제품을 만들기 위해서는 도 2에서 보는 바와 같이 띠 형태의 압력센서 여러 개를 병렬로 붙여서 제작할 수밖에 없었다. 그러므로 각각의 띠에 형성된 전극들은 서로 병렬 연결해야 하고 이에 따른 연결선이 필요하기 때문에 응용제품의 제작공정이 복잡해지고 제작비용이 많이 소요되는 문제점이 있어왔다. 뿐만 아니라 응용제품 내부에 연결선을 위한 공간 등이 필요하기 때문에 응용제품이 어쩔 수 없이 더 커지게 되는 문제점이 있고, 연결선이 길고 복잡해질 뿐만 아니라 연결점이 많아지기 때문에 연결선이나 연결점에서 단선 또는 접촉 불량 등이 자주 발생하여 응용제품의 수명이 짧아지고 감지오류 등이 빈번하게 일어나는 문제점이 있어왔다.

상술한 문제점을 해결하기 위하여 창안된, 본 발명에 의한 탄성비드층을 가지는 대면적 압력센서는, 폭이 넓고 대면적으로 제작이 가능한 CNT코팅막 압력센서를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명은 또 다른 목적은 폭이 넓은 압력센서로 함에 따라 전극의 길이가 길어지더라도, 압력센서에 가해지는 압력에 민감하게 반응하여 전극이 CNT코팅막에 잘 접촉되도록 하여 압력을 감지한 뒤, 압력이 제거되면 다시 신속하게 복원되어 간극이 잘 유지될 수 있도록 함으로써 검출오류가 없을 뿐만 아니라 민감하고 신속하게 압력을 감지할 수 있는 압력센서를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 또 다른 목적은, 넓은 면적에 대한 압력감지가 필요한 응용제품을 만들더라도 하나의 센서만으로 넓은 면적을 감지할 수 있고, 내부에서 센서 간에 서로 연결해주는 연결선이 필요치 않는 압력센서를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 또 다른 목적은 표면이 불균일하거나 푹신푹신한 연질의 바닥 위에 압력센서를 설치한다 하더라도 압력센서에 가해지는 압력이 전극에 효과적으로 전달되어 전극면이 CNT코팅막에 잘 접촉될 수 있는 압력센서를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 또 다른 목적은 사람이나 동물의 발바닥과 같은 연질의 물체에 의한 압력이 가해지더라도, 압력센서에 가해지는 압력이 전극에 효과적으로 전달되어 전극이 CNT코팅막에 잘 접촉될 수 있는 압력센서를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

상술한 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 기판층; 상기 기판층 위에 배치되는 CNT컴파운드층; 상기 CNT컴파운드층 위에 배치되는 탄성비드(bead)층; 상기 탄성비드층 위에 일정간격을 두고 서로 평행하게 반복하여 배치되는 복수의 제1전극; 상기 복수의 제1전극 각각을 교번 연결시켜 서로 대향되는 쌍으로 만드는 한 쌍의 제2전극; 및 상기 복수의 제1전극 및 상기 한 쌍의 제2전극 위에 배치되는 라미네이트층;을 포함하는 것을 특징으로 하는, 탄성비드층을 가지는 대면적 압력센서로 하는 것이 바람직하다.

또한 이러한 특징들에 더하여, 상기 탄성비드층은, 절연성분을 가지는 연질의 탄성비드들을 상기 CNT컴파운드층 위에 일정한 분포로 흩뿌림으로써, 상기 탄성비드들이 상기 CNT컴파운드층 위에서 상기 제1전극을 지지하되, 상기 CNT컴파운드층과 상기 제1전극 사이에 상기 탄성비드들 간의 간격으로 인한 이격공간이 포함되도록 하는 것을 특징으로 하거나, 상기 탄성비드층은, 절연성분을 가지는 연질의 탄성비드들을, 상기 제1전극의 길이방향과 직각인 방향으로 줄을 맞추어 일정한 간격으로, 상기 CNT컴파운드층 위에 떨어트려서, 상기 탄성비드들이 상기 CNT컴파운드층 위에서 상기 제1전극을 지지하되, 상기 CNT컴파운드층과 상기 제1전극 사이에 상기 탄성비드들의 줄 간의 간격으로 인한 이격공간이 포함되도록 하는 것을 특징으로 하는, 탄성비드층을 가지는 대면적 압력센서로 하는 것도 바람직하다.

그리고 상술한 특징들에 더하여 상기 기판층 아래에 배치되는 제1경질층;을 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 탄성비드층을 가지는 대면적 압력센서로 하거나, 이에 더하여 상기 라미네이트층과 상기 제2전극 사이에 배치되는 제2경질층;이 더 포함되는 것을 특징으로 하는, 탄성비드층을 가지는 대면적 압력센서로 하는 것도 바람직하다.

이상에서 살펴본 바와 같이 본 발명에 의한 탄성비드층을 가지는 대면적 압력센서는, CNT컴파운드층 위에 배치되는, 탄성 재질로 된 비드(bead)들이 흩뿌려지거나 줄을 맞추어 떨어트려져 있는 탄성비드층을 가지고 있고 탄성비드층 위에 제1전극이 배치되는 구조이며, 제1전극에 압력이 가해지면, 탄성비드들이 눌려지면서 제1전극이, 탄성비드들 사이로 CNT컴파운드층과 접촉하게 되며, 압력이 제거되면 탄성비드의 탄성에 의하여 CNT컴파운드층과 제1전극 사이의 간극이 복원되는 구조이기 때문에 대면적으로 센서를 만들 수 있을 뿐만 아니라, 센서 위의 어느 위치에서나 압력을 감지할 수 있는 효과가 있다. 따라서 대면적 압력을 감지할 수 있는 압력센서 응용제품을 제작할 때 공정이 단순해지므로 제작시간 및 제작인건비를 절감할 수 있는 효과가 있다.

뿐만 아니라 제1전극과 CNT컴파운드층 사이에 탄성비드층을 포함하기 때문에 센서의 폭이 커져서 전극의 길이가 아무리 길어지더라도, 탄성비드들이 간격을 가지면서 제1전극을 지지할 수 있고, 이에 따라 평상시에는 제1전극과 CNT컴파운드층 사이의 간극이 잘 유지될 수 있게 된다. 또한 탄성비드 상호간에는 일정간격을 가지고 있고 제1전극은 그 간격 사이에 떠 있는 상태이기 때문에 압력이 가해지는 경우 제1전극이 아래로 내려가면서 CNT코팅막에 원활하게 잘 접촉할 뿐만 아니라, 압력이 제거되면 탄성비드와 제1전극의 탄성에 의하여 제1전극이 원래위치로 다시 복원되어 간극이 잘 유지될 수 있는 효과가 있다.

그리고 폭이 넓은 광폭의 센서를 길이가 매우 길게 제작할 수 있기 때문에 필요한 만큼만 잘라서 사용하면, 하나의 센서로 대면적 압력감지가 가능한 응용제품을 제작할 수 있는 효과가 있으며, 응용제품 내부에 하나의 센서밖에 없으므로 내부에서 센서 상호간에 서로 연결해주는 연결선이 필요치 않게 되며, 이에 따라 연결선 설치공간을 없앨 수 있는 효과가 있다.

뿐만 아니라, 기판층 아래에는 제1경질층이 배치되기 때문에 바닥면이 고르지 못하거나 푹신푹신한 연질 바닥의 경우에도 밑에서 단단하게 받쳐주므로 탄성비드들 사이로 제1전극과 CNT컴파운드층이 용이하게 접촉될 수 있는 효과가 있으며, 라미네이트층 위에 또는 라미네이트층과 제2전극 사이에는 제2경질층이 배치되기 때문에 맨발로 밟는 등의 부드러운 물체의 압력에 의해서도 탄성비드가 잘 눌려지기 때문에 제1전극과 CNT컴파운드층이 용이하게 접촉될 수 있는 효과가 있다.

도 1은 종래기술에 의한 CNT압력센서에 대한 사시도(a), 평면도(b) 및 단면도(c)를 도시한 것이다.
도 2는 종래기술에 의한 CNT압력센서를 이용하여 대면적 압력센서 응용제품을 제작하는 경우를 도시한 것이다.
도 3은 본 발명의 제1실시예에 의한 탄성비드층을 가지는 대면적 압력센서의 분해사시도를 도시한 것이다.
도 4는 본 발명의 제1실시예에 의한 탄성비드층을 가지는 대면적 압력센서의 평면도를 도시한 것이다.
도 5는 본 발명의 제1실시예에 의한 탄성비드층을 가지는 대면적 압력센서의 단면도를 도시한 것이다.
도 6은 본 발명의 제1실시예에 의한 탄성비드층을 가지는 대면적 압력센서의 작동과정을 도시한 것이다.
도 7은 본 발명의 제1실시예에 의한 탄성비드층을 가지는 대면적 압력센서의 폭을 더 광폭으로 하는 경우에 대한 평면도를 도시한 것이다.
도 8은 본 발명의 제2실시예에 의한 탄성비드층을 가지는 대면적 압력센서의 평면도를 도시한 것이다.
도 9는 본 발명의 제3실시예에 의한 탄성비드층을 가지는 대면적 압력센서의 분해사시도를 도시한 것이다.
도 10은 본 발명의 제3실시예에 의한 탄성비드층을 가지는 대면적 압력센서의 단면도를 도시한 것이다.
도 11은 본 발명의 제4실시예에 의한 탄성비드층을 가지는 대면적 압력센서의 분해사시도를 도시한 것이다.
도 12는 본 발명의 제4실시예에 의한 탄성비드층을 가지는 대면적 압력센서의 단면도를 도시한 것이다.

이하에서 상술한 목적과 특징이 분명해지도록 본 발명을 상세하게 설명할 것이며, 이에 따라 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 것이다. 또한 본 발명을 설명함에 있어서 본 발명과 관련한 공지기술 중 이미 그 기술 분야에 익히 알려져 있는 것으로서, 그 공지기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에 그 상세한 설명을 생략하기로 한다.

아울러, 본 발명에서 사용되는 용어는 가능한 한 현재 널리 사용되는 일반적인 용어를 선택하였으나, 특정한 경우는 출원인이 임의로 선정한 용어도 있으며 이 경우는 해당되는 발명의 설명부분에서 상세히 그 의미를 기재하였으므로, 단순한 용어의 명칭이 아닌 용어가 가지는 의미로서 본 발명을 파악하여야 함을 밝혀두고자 한다. 실시 예들에 대한 설명에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 실시 예들을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.

실시 예들은 여러 가지 형태로 변경을 가할 수 있고 다양한 부가적 실시 예들을 가질 수 있는데, 여기에서는 특정한 실시 예들이 도면에 표시되고 관련된 상세한 설명이 기재되어 있다. 그러나 이는 실시 예들을 특정한 형태에 한정하려는 것이 아니며, 실시 예들의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경이나 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 할 것이다.

다양한 실시 예들에 대한 설명 가운데 “제1”, “제2”, “첫째” 또는“둘째”등의 표현들이 실시 예들의 다양한 구성요소들을 수식할 수 있지만, 해당 구성요소들을 한정하지 않는다. 예를 들어, 상기 표현들은 해당 구성요소들의 순서 및/또는 중요도 등을 한정하지 않는다. 상기 표현들은 한 구성요소를 다른 구성요소와 구분 짓기 위해 사용될 수 있다.

이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 설명한다. 먼저 도 1은 종래기술에 의한 CNT압력센서에 대한 분해사시도(a), 평면도(b) 및 단면도(c)를 도시한 것이며, 도 2는 종래기술에 의한 CNT압력센서를 이용하여 대면적 압력센서 응용제품을 제작하는 경우를 도시한 것이다. 도 1 및 도 2에서 보는 바와 같이 종래기술에 의한 CNT압력센서(10)는 일정 폭(W)을 가진 띠 모양의 필름층(11)위에 CNT코팅층(12)을 형성하고, 상기 CNT코팅층(12) 위에, 상기 CNT코팅층(12)을 너비방향으로 가로지르는 한 쌍의 제1전극(14)을 반복하여 형성시키되, 상기 제1전극(14)과 상기 CNT코팅층(12)과의 사이에 일정한 간극을 유지시키도록 하고 있다. 상기 제1전극(14)과 상기 CNT코팅층(12)과의 사이에 일정한 간극을 유지하는 방법으로는, 절연재질로 된 한 쌍의 스페이서층(13)을 상기 CNT코팅층(12) 위에 너비방향 양단 쪽에 형성되도록 한 후, 상기 제1전극(14)이 한 쪽의 스페이서층(13)으로부터 다른 쪽의 스페이서층(13)으로 가로지르는 다리(Bridge)형상이 되도록 하는 방법을 사용하기도 한다. 그리고 한 쌍의 제1전극(14) 각각을 서로 연결하는 한 쌍의 제2전극(15)을 형성한 뒤 맨 위에 라미네이트층(16)을 형성하도록 하는 것이다.

이와 같이 제조된 종래기술에 의한 CNT압력센서(10)는 상기 라미네이트층(16)에 압력이 가해져 눌려지면, 눌려지는 상기 라미네이트층(16)이 상기 제1전극(14)을 누르게 되고, 이에 따라 상기 제1전극(14)의 하면이 상기 CNT코팅층(12)의 상면에 닿게 되므로, 인접해있는 상기 한 쌍의 제1전극(14) 사이에는 상기 CNT코팅층(12)을 통하여 회로가 형성되고, 상기 한 쌍의 제2전극(15)을 통하여 상기 한 쌍의 제1전극(14)에 가해지는 전압에 의하여 상기 CNT코팅층(12)을 통하여 전류가 흐르게 되고, 압력센서의 센싱회로에서는 상기 한 쌍의 제2전극(15)을 통하여 흐르는 전류 값의 크기에 따라 압력센서에 압력이 가해졌는지의 여부를 판단하게 된다. 그리고 가해진 압력이 제거되면, 상기 제1전극(14)은 탄성에 의하여 복원되고, 이에 따라 상기 제1전극(14)과 상기 CNT코팅층(12)과의 사이에는 일정한 간극을 다시 유지할 수 있게 되고, 상기 한 쌍의 제2전극(15)에는 전류가 흐르지 않게 된다.

이와 같은 종래기술에 의한 CNT압력센서(10)는 상기 제1전극(14)의 길이를 길게 하면 탄성이 부족하여 복원이 안 되는 문제점이 생기며, 전극이 너무 길게 되면 평상시에도 상기 제1전극(14)의 자체 무게에 의하여 상기 제1전극(14)과 상기 CNT코팅층(12)과의 사이에는 접촉상태가 발생하게 되므로 압력센서로서의 기능이 상실된다. 따라서 종래기술에 의한 CNT압력센서(10)는 도 1(b)에서 보는 바와 같이 너비가 좁은 띠 모양으로 만들어야 했다. 다만, 길이방향으로는 얼마든지 길게 하여 필요에 따라 잘라서 사용할 수는 있다. 그러나 도 2에서 보는 바와 같이 폭이 넓은 대면적에서 압력감지가 필요한 응용제품(20)으로 만들기 위해서는 상기 CNT압력센서(10)를 평행하게 여러 줄을 붙여서 배치한 뒤 상기 제2전극(15) 사이를 연결선(21)으로 연결하여야 한다. 그러므로 종래기술에 의한 CNT압력센서(10)를 이용하여 폭이 넓은 대면적에서 압력감지가 필요한 응용제품(20)으로 만들려면 제품(20)의 제작공정이 복잡해지고 제작비용이 많이 소요되는 문제점이 있어왔다. 뿐만 아니라 응용제품(20) 내부에 상기 연결선(21)을 위한 공간 등이 필요하기 때문에 응용제품(20)이 어쩔 수 없이 커지게 되는 문제점이 있고, 상기 연결선(21)이 길고 복잡해질 뿐만 아니라 연결점이 많아지기 때문에 연결선이나 연결점에서 단선 또는 접촉 불량 등이 자주 발생하여 응용제품(20)의 수명이 짧아지고 감지오류 등이 빈번하게 일어나는 문제점이 있어왔다.

이와 같은 문제점을 해결하기 위하여 창안된 본 발명에 의한 탄성비드층을 가지는 대면적 압력센서의 제1실시예가 도 3 내지 도 7에 도시되어 있다. 먼저 도 3은 본 발명의 제1실시예에 의한 탄성비드층을 가지는 대면적 압력센서의 분해사시도를 도시한 것이며, 도 4는 본 발명 제1실시예의 평면도를 도시한 것이고, 도 5는 본 발명 제1실시예의 단면도 중 도 4에서 A방향에서 본 단면도(도 5(a))와 B방향에서 본 단면도(도 5(b))가 도시되어 있다. 도 3 내지 도 5에서 보는 바와 같이 본 발명의 제1실시예는 기판층(100)과 그 위에 배치되는 CNT컴파운드층(200)을 포함하는 것이 바람직하다. 상기 기판층(100)과 상기 CNT컴파운드층(200)은 별도의 층으로 적층되기 보다는 상기 기판층(100) 위에 CNT컴파운드 재료를 코팅하는 방법에 의하여 적층하도록 하는 것이 더욱 바람직하다. 상기 기판층(100)으로는 PE(Polyethylene) 등과 같은 플라스틱 시트를 사용하는 것이 바람직하다.

그리고 상기 CNT컴파운드층(200) 위에는 탄성비드층(300)이 배치되도록 한 뒤 상기 탄성비드층(300) 위에 복수의 제1전극(400)을 형성하도록 하는 것이 바람직한데, 상기 복수의 제1전극(400) 각각은 상기 CNT컴파운드층(200)위를 너비방향으로 가로지르며, 일정간격을 두고 서로 평행하게 반복하여 배치되는 띠 형상으로 하는 것이 바람직하다. 상기 탄성비드층(300)은 연질의 탄성절연체로 이루어 진 탄성비드(301)를 상기 CNT컴파운드층(200) 위에 흩뿌리되, 상기 탄성비드(301) 상호간에는 일정한 간격 이상으로 벌어지도록 흩뿌리는 것이 바람직하다. 즉 절연성분을 가지는 연질의 탄성비드(301)들을 상기 CNT컴파운드층(200) 위에 일정한 분포로 흩뿌림으로써, 상기 탄성비드(301)들이 상기 CNT컴파운드층(200) 위에서 상기 제1전극(400)을 지지하되, 상기 CNT컴파운드층(200)과 상기 제1전극(400) 사이에 상기 탄성비드(301)들 간의 간격으로 인한 이격공간(S)이 포함되도록 하는 것이다. 이를 위하여 일정한 간격으로 상기 CNT컴파운드층(200) 위에 상기 탄성비드(301)를 계속하여 떨어트리는 방법으로 제작하는 것도 바람직하다. 상기 탄성비드(301) 각각은 압력을 받을 경우에는 압력을 받는 방향으로는 축소되고, 압력을 받는 방향과 직각인 방향으로 형태가 늘어나도록 하는 소재 즉, 압력을 받는 경우 납작하게 찌그러지고, 압력이 없어졌을 때 다시 원형대로 복원되는 연질의 탄성소재로 하는 것이 바람직하다.

이와 같이 상기 탄성비드층(300)은 상기 복수의 제1전극(400) 각각이 상기 CNT컴파운드층(200)으로부터 일정한 간극을 유지하도록 하여 평상시에는 상기 복수의 제1전극(400) 각각이 상기 CNT컴파운드층(200)에 접촉하지 않도록 하는 역할을 하는 것인데, 상기 복수의 제1전극(400) 각각이 상기 탄성비드층(300)을 구성하는 상기 탄성비드(301) 각각에 의하여 받쳐지게 되므로 도 5(a)에서 보듯이 상기 복수의 제1전극(400) 각각에 대하여 상기 탄성비드들(301)은 마치 다리(bridge)의 교각역할을 하여 상판역할을 하는 상기 복수의 제1전극(400) 각각을 지지하게 되는 것이다. 그리고 상기 탄성비드(301) 각각의 사이에는 상기 이격공간(S)이 형성되게 된다. 그러므로 본 발명에서는 상기 복수의 제1전극(400) 각각이 길어지더라도 항상 상기 CNT컴파운드층(200)과 일정한 간극을 유지할 수 있게 되는 것이다. 그리고 상기 탄성비드층(300)은 절연성능을 가지도록 하여 상기 복수의 제1전극(400) 각각과 상기 CNT컴파운드층(200)과의 절연상태를 유지시키도록 함과 동시에 연질이면서 적절한 탄성을 가지도록 하여, 상기 복수의 제1전극(400) 중 하나 이상에 압력이 가해져서 눌러졌을 때 상기 탄성비드층(300)의 탄성비드가 눌려지는 압력에 의하여 축소되도록 하고, 압력이 제거되었을 때는 축소되었던 형상이 다시 복원되어 원형으로 돌아가도록 하는 것이 바람직하다.

한편 상기 복수의 제1전극(400) 위에는 상기 복수의 제1전극(400) 각각을 교번 연결시켜 서로 대향되는 쌍으로 만드는 한 쌍의 제2전극(500)이 배치되도록 하는 것이 바람직한데, 이를 위하여 상기 복수의 제1전극(400)은, 도 3 및 도 4에서 보는 바와 같이 서로 교번하여 상기 한 쌍의 제2전극(500) 각각과 연결될 수 있도록, 양단이 서로 번갈아가며 단부에서 일정 간격을 가지도록 함으로써 약간씩 지그재그 방식으로 배치하는 것이 바람직하다. 그리고 상기 복수의 제1전극(400) 및 상기 한 쌍의 제2전극(500) 위에는 라미네이트 코팅을 통하여 라미네이트층(600)이 배치되도록 하는 것이 바람직하다.

이상에서 설명한 본 발명 제1실시예에 의한, 탄성비드층을 가지는 대면적 압력센서의 작동과정이 도 6에 도시되어 있다. 도 6에서는 상기 한 쌍의 제2전극(500) 및 상기 라미네이트층(600)은 설명의 편의상 제외하고 도시하였다. 도 6에서 보는 바와 같이 상기 복수의 제1전극(400)에 대하여 도 6(a)에서 보는 바와 같이 압력이 가해지면, 압력이 가해진 제1전극(400)은 도 6(b)에서 보는 바와 같이 아래로 눌려지게 된다. 이때 상기 탄성비드층(300)은 연질의 탄성절연체로서 연질일 뿐만 아니라 탄성을 가지고 있기 때문에 상기 제1전극(400)을 통하여 전달되는 압력에 의하여 변형되어 납작하게 눌러지게 되며, 그 과정에서 상기 제1전극(400)이 눌려지면서 상기 탄성비드(301)들 사이에 있는 상기 이격공간(S)이 압력에 의하여 좁혀지다가 없어지게 되어 상기 제1전극(400)과 상기 CNT컴파운드층(200)이 접촉하게 된다. 따라서 도 6(c)에서 보는 바와 같이 예를 들어 발바닥을 통하여 사람의 몸무게에 의한 압력이 전해져서 상기 제1전극(400)과 상기 CNT컴파운드층(200)과 접촉되는 부분이 다수 발생되면(도 6(c)중 빨간색 타원부분) 상기 한 쌍의 제2전극(500) 양단에는 상기 CNT컴파운드층(200)의 저항값에 해당하는 저항회로가 형성되어 압력감지 전류(I)가 흐르게 된다.

그리고 상기 제1전극(400)에 가해지는 압력이 없어지게 되면 상기 탄성비드층(300)에 가해지던 압력도 없어지게 되므로 상기 탄성비드층(300)은 도 6(d)에서 보는 바와 같이 복원되어 원형상태로 복귀되며, 상기 제1전극(400)과 상기 CNT컴파운드층(200) 사이에는 다시 간극이 형성되어 절연상태가 된다. 따라서 압력감지 전류(I)는 흐르지 않게 된다.

한편 도 7에는 본 발명의 제1실시예에 의한 탄성비드층을 가지는 대면적 압력센서에서 폭을 더 광폭으로 하는 경우에 대한 평면도를 도시한 것이다. 상기 탄성비드층(300)에 의하여 상기 제1전극(400)과 상기 CNT컴파운드층(200) 사이에 간극을 유지시켜주는 구조이기 때문에 상기 탄성비드층(300)에 포함된 탄성비드들은 마치 다리(bridge)의 교각역할을 하여, 상판역할을 하는 상기 복수의 제1전극(400) 각각을 중간 중간 지지하게 되므로 상기 제1전극(400)이 길어지더라도 항상 상기 CNT컴파운드층(200)과 일정한 간극을 유지할 수 있다. 따라서 도 7에서 보는 바와 같이 그 폭(W)을 얼마든지 길게 할 수 있으며, 길이(L) 또한 상기 CNT컴파운드층(200)의 길이범위 내에서 얼마든지 길게 할 수 있다. 따라서 압력센서의 응용제품을 대면적으로 만들 수 있기 때문에 큰 면적의 매트는 물론 마루 바닥 또는 침대바닥 등의 전체 바닥에서 압력을 감지할 수 있는 응용제품들을 저렴한 비용으로 용이하게 얼마든지 만들 수 있는 장점이 있다.

그리고 도 8에는 본 발명의 제2실시예에 대한 평면도가 도시되어 있다. 본 발명의 제2실시예는, 본 발명 제1실시예의 구성에서, 상기 탄성비드층(300)을 형성할 때, 위에서 잠깐 언급한 바와 같이 상기 CNT컴파운드층(200) 위에 상기 탄성비드를 일정한 간격으로 계속하여 떨어트리는 방법으로 제작하는 실시예이다. 즉 절연성분을 가지는 연질의 탄성비드(301)들을, 상기 제1전극(400)의 길이방향과 직각인 방향으로 줄을 맞추어 일정한 간격으로, 상기 CNT컴파운드층(200) 위에 떨어트려서, 상기 탄성비드(301)들이 상기 CNT컴파운드층(200) 위에서 상기 제1전극(400)을 지지하되, 상기 CNT컴파운드층(200)과 상기 제1전극(400) 사이에 상기 탄성비드(301)들의 줄(301a, 301b, 301c, 301d) 간의 간격으로 인한 상기 이격공간(S)이 포함되도록 하는 것이다. 도 8에는 상기 탄성비드(301)들을 상기 CNT컴파운드층(200) 위에 일정한 간격으로 줄을 맞추어(301a, 301b, 301c, 301d) 떨어트려져 있는 것을 볼 수 있다. 이렇게 상기 탄성비드(301)들을 일정한 간격으로 줄을 맞추어 계속하여 떨어트리게 되면 상기 제1전극(400)과 직각인 방향으로 상기 탄성비드(301)가 여러 줄(301a, 301b, 301c, 301d)로 나란히 형성되며, 나란히 형성되는 상기 탄성비드(301)의 줄들(301a, 301b, 301c, 301d) 각각은 상기 제1전극(400)과 상기 CNT컴파운드층(200)사이에서 교각과 같은 역할을 더욱 안정적으로 수행할 수 있고, 상기 이격공간(S)을 일정하게 유지시킬 수 있기 때문에 센싱감도가 우수하고 안정적으로 작동할 수 있는 센서로 만들 수 있는 장점이 있다.

한편 도 9에는 본 발명의 제3실시예에 의한 탄성비드층을 가지는 대면적 압력센서(50)의 분해사시도가 도시되어 있으며, 도 10에는 본 발명 제3실시예에 의한 압력센서의 단면도가 도시되어 있다. 이하에서는 도 9 및 도 10을 참조하여 본 발명 제3실시예를 설명한다. 본 발명 제3실시예는, 위에서 살펴본 본 발명 제1실시예 또는 제2실시예의 구성에 더하여 상기 기판층(100) 아래에 제1경질층(800)을 더 배치하도록 하는 것이 바람직하다. 그리고 상기 제1경질층(800)은 금속판 또는 경질의 재질을 갖는 플라스틱 박막기판으로 하는 것이 바람직하다. 이와 같이 상기 기판층(100) 아래에 상기 제1경질층(800)을 두게 되면, 상기 제1경질층(800)이 상기 기판층(100) 및 그 위에 적층되거나 코팅된 상기 CNT컴파운드층(200)에 대하여 아래쪽으로부터의 안정적인 받침대 역할을 하기 때문에 상기 제1전극(400)이 상기 탄성비드층(300)에 압력을 가하면서 아래로 눌려질 때 상기 CNT컴파운드층(200)과 잘 접촉될 수 있는 효과가 있는데 이는 상기 제1경질층(800)이 아래쪽으로부터 받쳐지고 있는 상태이기 때문이다. 이와 같은 효과는, 본 발명에 의한 탄성비드층을 가지는 대면적 압력센서(50)가 연질의 바닥이나 고르지 못한 바닥위에 설치되어 있는 경우 더욱 효과를 발휘하게 된다.

그리고 도 11에는 본 발명의 제4실시예에 의한 탄성비드층을 가지는 대면적 압력센서(50)의 분해사시도가 도시되어 있으며, 도 12에는 본 발명의 제4실시예의 단면도가 도시되어 있다. 이하에서는 도 11 및 도 12를 참조하여 본 발명 제4실시예를 설명한다. 본 발명 제4실시예는, 위에서 살펴본 본 발명 제3실시예의 구성에 더하여 상기 라미네이트층(600)과 상기 제2전극(500) 사이에 배치되는 제2경질층(900)을 더 포함하도록 하는 것이 바람직하다. 상기 제2경질층(900) 또한 상기 제1경질층(800)과 마찬가지로 금속판 또는 경질의 재질을 갖는 플라스틱 박막기판으로 하는 것이 바람직하다. 이와 같이 제2경질층(900)을 두게 되면, 상기 제2경질층(900)은 단단한 재질로 되어 있으므로 상기 제2경질층(900)에 가해지는 압력이 상기 제1전극(400)의 넓은 면적에 가해지게 되며, 이에 따라 보다 많은 수의 탄성비드(301)들이 하방으로 향하는 압력을 받게 되므로 상기 제1전극(400)과 상기 CNT컴파운드층(200)과의 접촉점이 더 많아지게 되어 본 발명에 의한 대면적 압력센서(50)의 압력감지 감도를 상승시킬 수 있는 효과가 있게 된다.

상술한 여러 가지 예로 본 발명을 설명하였으나, 본 발명은 반드시 이러한 예들에 국한되는 것이 아니고, 본 발명의 기술사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양하게 변형 실시될 수 있다. 따라서 본 발명에 개시된 예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 예들에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

100 기판층
200 CNT컴파운드층
300 탄성비드층
301 탄성비드
301a, 301b, 301c, 301d 탄성비드 줄
400 제1전극
500 제2전극
600 라미네이트층
800 제1경질층
900 제2경질층

Claims

기판층;
상기 기판층 위에 배치되는 CNT컴파운드층;
상기 CNT컴파운드층 위에 배치되는 탄성비드(bead)층;
상기 탄성비드층 위에 일정간격을 두고 서로 평행하게 반복하여 배치되는 복수의 제1전극;
상기 복수의 제1전극 각각을 교번 연결시켜 서로 대향되는 쌍으로 만드는 한 쌍의 제2전극; 및
상기 복수의 제1전극 및 상기 한 쌍의 제2전극 위에 배치되는 라미네이트층;을 포함하는 것을 특징으로 하는, 탄성비드층을 가지는 대면적 압력센서
제1항에 있어서,
상기 탄성비드층은, 절연성분을 가지는 연질의 탄성비드들을 상기 CNT컴파운드층 위에 일정한 분포로 흩뿌림으로써, 상기 탄성비드들이 상기 CNT컴파운드층 위에서 상기 제1전극을 지지하되, 상기 CNT컴파운드층과 상기 제1전극 사이에 상기 탄성비드들 간의 간격으로 인한 이격공간이 포함되도록 하는 것을 특징으로 하는, 탄성비드층을 가지는 대면적 압력센서
제1항에 있어서,
상기 탄성비드층은, 절연성분을 가지는 연질의 탄성비드들을, 상기 제1전극의 길이방향과 직각인 방향으로 줄을 맞추어 일정한 간격으로, 상기 CNT컴파운드층 위에 떨어트려서, 상기 탄성비드들이 상기 CNT컴파운드층 위에서 상기 제1전극을 지지하되, 상기 CNT컴파운드층과 상기 제1전극 사이에 상기 탄성비드들의 줄 간의 간격으로 인한 이격공간이 포함되도록 하는 것을 특징으로 하는, 탄성비드층을 가지는 대면적 압력센서
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 기판층 아래에 배치되는 제1경질층;을 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 탄성비드층을 가지는 대면적 압력센서
제4항에 있어서,
상기 라미네이트층과 상기 제2전극 사이에 배치되는 제2경질층;이 더 포함되는 것을 특징으로 하는, 탄성비드층을 가지는 대면적 압력센서