KR102381654B1

KR102381654B1 - 온도 검출 소자 및 이를 이용한 온도 센서

Info

Publication number: KR102381654B1
Application number: KR1020150040276A
Authority: KR
Inventors: 홍종호; 박원상; 임재익; 추혜용; 김대형; 김재민; 도경식; 박민준
Original assignee: 삼성디스플레이 주식회사; 서울대학교산학협력단
Priority date: 2015-03-23
Filing date: 2015-03-23
Publication date: 2022-04-04
Also published as: CN105987767B; KR20160114245A; CN105987767A; US10054496B2; US20160282195A1

Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 온도 검출 소자는, 온도에 따라 저항이 변하는 온도 검출 물질을 각각 포함하는, 제1 및 제3 막; 및 상기 제1 및 제3 막 사이에 배치되며, 은 나노 입자들을 포함하는 제2 막; 을 포함할 수 있다.

Description

온도 검출 소자 및 이를 이용한 온도 센서{TEMPERATURE SENSING ELEMENT AND TEMPERATURE SENSOR USING THE SAME}

본 명세서는 은 나노 입자들을 포함함으로써 온도 센싱 능력이 향상된 온도 검출 소자 및 이를 이용한 온도 센서에 관한 것이다.

종래에 플래티넘, 금, 단결정 실리콘 등을 이용하여 제조된 온도 센서들은 제조 단가가 높으며, 투명하지 않다는 문제점이 존재하였다.

투명하게 개발된 온도 센서의 경우에도, 유기물을 틀에 부어서 말리는 방식을 사용하여 제조되므로, 소형화 및 멀티 플렉싱이 어려우며, 대량 생산이 어렵다는 문제점이 존재하였다. 이를 극복하기 위하여 산화물 재료를 이용한 온도 검출 소자가 개발되었는데, 산화물 소자는 고온 공정(300°C) 이상에서만 좋은 특성을 가지므로, 가요성을 갖는 소자 개발에는 어려움이 존재한다.

따라서, 상술한 문제점들을 극복할 수 있는 새로운 온도 검출 소자에 대한 연구가 활발히 진행 중에 있다.

종래의 온도 검출 소자들보다 우수한 온도 센싱 성능을 갖는 온도 검출 소자를 제안하고자 한다.

또한, 투명 또는 반투명하며, 가요성을 갖는 온도 검출 소자를 제안하고자 한다.

또한, 상기 온도 검출 소자를 포함하는 온도 센서를 제안하고자 한다.

또한, 상기 온도 센서를 포함하는 웨어러블 디바이스를 제안하고자 한다.

상기 온도 검출 물질은 산화 알루미늄(Al2O3)이 도핑된 징크 옥사이드(ZnOx)일 수 있다.

상기 온도 검출 물질은 상기 산화 알루미늄(Al2O3)이 약 1wt% 도핑된 징크 옥사이드(ZnOx)일 수 있다.

상기 제2 막은 일정한 희석비로 희석된 은 나노 입자들을 포함하는 막일 수 있다.

상기 제2 막은 약 1000:1 내지 10:1 범위 내의 희석비로 희석된 은 나노 입자들을 포함할 수 있다.

상기 제1 내지 제3 막은 투명 또는 반투명할 수 있다.

본 발명의 다른 실시예에 따른 온도 센서는, 가요성을 갖는 제1 피막; 상기 제1 피막 상에서 서로 분리되어 배치되는, 제1 및 제2 전극; 상기 제1 피막, 및 상기 제1 및 제2 전극 상에 배치되는, 적어도 하나의 온도 검출 소자; 및 상기 온도 검출 소자 상에 배치되는 제2 피막; 을 포함하되, 상기 온도 검출 소자는, 온도에 따라 저항이 변하는 온도 검출 물질을 각각 포함하는, 제1 및 제3 막; 및 상기 제1 및 제3 막 사이에 배치되며, 은 나노 입자들을 포함하는 제2 막; 을 포함할 수 있다.

상기 제1 및 제2 전극은 서펜틴(serpentine) 구조로 패터닝되어 형성될 수 있다.

상기 제1 및 제2 피막은 서펜틴 구조로 패터닝되어 형성될 수 있다.

상기 온도 검출 소자는 투명 또는 반투명할 수 있다.

본 발명의 다른 실시예에 따른 웨어러블 디바이스는, 온도를 센싱하는 온도 센서; 및 상기 온도 센서를 이용하여 상기 온도를 디텍트하고, 상기 온도에 대응하는 커맨드를 수행하는, 제어부; 를 포함하되, 상기 온도 센서는, 가요성을 갖는 제1 피막; 상기 제1 피막 상에서 서로 분리되어 배치되는, 제1 및 제2 전극; 상기 제1 피막과 상기 제1 및 제2 전극 상에 배치되고, 온도에 따라 저항이 변하는 온도 검출 물질을 포함하는 제1 막;

상기 제1 상에 배치되고 은 나노 입자들을 포함하는 제2 막; 상기 제2 막 상에 배치되고, 상기 온도 검출 물질을 포함하는 제3 막; 및 상기 제3 막 상에 배치되는 제2 피막; 을 포함할 수 있다.

상기 온도 검출 소자는 투명 또는 반투명할 수 있다.

상기 웨어러블 디바이스는 데이터를 저장하는 저장부; 를 더 포함하고, 상기 제어부는, 상기 온도 센서를 이용하여 디텍트한 온도가 정상 범위 내인 경우, 상기 저장부가 상기 디텍트한 온도를 시간 별로 저장하도록 제어할 수 있다.

상기 웨어러블 디바이스는 외부 기기와 통신을 수행하는 통신부; 를 더 포함하고, 상기 제어부는, 상기 온도 센서를 이용하여 상기 디텍트한 온도가 상기 정상 범위를 벗어나는 경우, 상기 통신부를 이용하여 상기 외부 기기와 통신을 수행할 수 있다.

본 명세서의 일 실시예에 따르면, 외부 온도 변화에 대한 높은 민감도를 가지므로, 온도 센싱 성능이 뛰어난 온도 검출 소자, 및 온도 센서를 제공할 수 있다.

또한, 본 명세서의 일 실시예에 따르면, 제조 단가 및 대량 생산 측면에서 유리한 온도 검출 소자 및 온도 센서를 제공할 수 있다.

또한, 본 명세서의 일 실시예에 따르면, 가요성을 가지며, 투명 또는 반투명한 온도 검출 소자 및 온도 센서를 제공할 수 있다.

도 1은 본 명세서의 일 실시예에 따른 온도 검출 소자의 단면도이다.
도 2는 본 명세서의 일 실시예에 따른 도 1의 온도 검출 소자를 포함하는 온도 센서의 단면도이다.
도 3은 본 명세서의 일 실시예에 따른 도 2의 온도 센서의 분해 사시도이다.
도 4a는 온도 검출 소자의 TEM(Transmission electron microscopy) 이미지이다.
도 4b는 은 나노 입자들이 포함된 제2 막의 TEM 이미지이다.
도 5a는 은 나노 입자들의 희석비를 서로 달리하는 온도 검출 소자의 AFM(Atomic Force Microscopy) 이미지들이다.
도 5b는 서로 다른 희석비로 희석된 은 나노 입자들을 포함하는 온도 검출 소자들의 온도에 따른 저항 변화 그래프이다.
도 5c는 서로 다른 희석비로 희석된 은 나노 입자들을 포함하는 온도 검출 소자들을 UPS(Ultraviolet photoelectron spectroscopy) 및 UVS(Ultraviolet spectroscopy)를 통해 분석한 결과 그래프이다.
도 6a는 외력에 의해 스트레칭된 온도 센서 FEA(Finite-element analysis) 이미지이다.
도 6b는 외력에 의해 스트레칭된 온도 센서와 외력이 가해지지 않은 온도 센서의 온도 변화에 따른 저항 특성을 나타낸 그래프이다.
도 7a는 히트 건(Heat gun)을 이용하여 온도 센서에 열을 가하는 실험에 관한 도면이다.
도 7b는 도 7a의 실험에 따른 결과 그래프이다.
도 8a는 영역별 온도가 상이한 히터 위를 적외선 카메라로 촬영한 이미지이다.
도 8b는 도 8a의 온도 센서의 센싱 결과에 관한 도면이다.
도 8c는 멀티 채널로 구성된 온도 센서의 개략적인 회로도이다.
도 9는 온도 센서를 이용하여 제작한 피부 부착형 웨어러블 디바이스의 일 실시예를 도시한 도면이다.
도 10은 도 9의 피부 부착형 웨어러블 디바이스의 블록도이다.
도 11은 급성 뇌졸중 환자에게 하루 동안 피부 부착형 웨어러블 디바이스를 부착하여 체온 변화를 모니터링한 그래프이다.

본 명세서에서 사용되는 용어는 본 명세서에서의 기능을 고려하면서 가능한 현재 널리 사용되는 일반적인 용어를 선택하였으나, 이는 당 분야에 종사하는 기술자의 의도, 관례 또는 새로운 기술의 출현 등에 따라 달라질 수 있다. 또한 특정 경우는 출원인이 임의로 선정한 용어도 있으며, 이 경우 해당되는 실시예의 설명 부분에서 그 의미를 기재할 것이다. 따라서 본 명세서에서 사용되는 용어는, 단순한 용어의 명칭이 아닌 그 용어가 아닌 실질적인 의미와 본 명세서의 전반에 걸친 내용을 토대로 해석되어야 함을 밝혀두고자 한다.

더욱이, 이하 첨부 도면들 및 첨부 도면들에 기재된 내용들을 참조하여 실시예를 상세하게 설명하지만, 실시예들에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다.

이하, 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 보다 상세하게 설명하고자 한다.

도 1은 본 명세서의 일 실시예에 따른 온도 검출 소자의 단면도이다.

도 1을 참조하면, 온도 검출 소자(10)는 온도 검출 물질을 포함한 제1 내지 제3 막(L1~L3)을 포함할 수 있다. 온도 검출 소자(10)는 제1 내지 제3 막(L1~L3)이 순차적으로 적층된 구조를 가질 수 있다.

제1 및 제3 막(L1~L3)은 온도에 따라 저항이 변하는 온도 검출 물질을 포함할 수 있다. 일 실시예로서, 제1 및 제3 막(L1, L3)은 산화 알루미늄(Al2O3)이 도핑된 징크 옥사이드(ZnOx)를 온도 검출 물질로서 포함할 수 있다. 이때, 산화 알루미늄은 약 1wt%로 징크 옥사이드에 도핑될 수 있다. 이하에서는 설명의 편의를 위해 산화 알루미늄(Al2O3)이 약 1wt%로 도핑된 징크 옥사이드(ZnOx)를 AZO라 지칭하기로 한다.

제2 막(L2)은 제1 및 제3 막(L1, L3) 사이에 배치되며, 은 나노 입자들(AgNP)을 포함할 수 있다. 이때, 은 나노 입자들(AgNP)은 일정한 희석비로 희석되어 제2 막(L2) 상에 포함될 수 있다. 여기서 희석비는 은 나노 입자들(AgNP)이 희석되어 있는 희석 정도를 나타낸다. 은 나노 입자들(AgNP)은 약 1000:1 내지 10:1 범위 내의 희석비로 희석되어 제2 막(L2) 상에 포함될 수 있다.

제1 내지 제3 막(L1~L3)은 투명 또는 반투명할 수 있다. 또한, 제1 및 제3 막(L1, L3)의 두께는 약 300nm 이하일 수 있으며, 제2 막(L2)에 포함된 은 나노 입자들(AgNP)의 지름은 약 10nm 이하일 수 있다. 제1 내지 제3 막(L1~L3)은 스탠다드 마이크로 프로세싱 기술(standard micro-processing technology)에 의해서 박막 증착됨으로써 형성될 수 있다. 따라서, 본 명세서의 온도 검출 소자(10)는 대량 생산이 가능하며, 제조 비용 측면에서 유리하다는 효과를 갖는다.

온도 검출 소자(10)는 일정한 희석비로 희석된 은 나노 입자들(AgNP)이 포함된 제2 막(L2)을 포함함으로써 우수한 온도 센싱 성능을 갖는다. 이와 관련된 보다 상세한 설명은 도 5b 및 5c와 관련하여 이하에서 상세히 후술하기로 한다.

도 2는 본 명세서의 일 실시예에 따른 도 1의 온도 검출 소자를 포함하는 온도 센서의 단면도이다.

도 2를 참조하면, 온도 센서(20)는 제1 및 제2 피막(P1, P2), 제1 및 제2 전극(E1, E2), 및 온도 검출 소자(10)를 포함할 수 있다.

제1 및 제2 피막(P1, P2)은 투명 또는 반투명한 물질을 포함할 수 있다. 예를 들어, 제1 및 제2 피막(P1, P2)은 PDMS(polydimethylsiloxane), PET(polyethylene terephthalate), PVDF(polyvinylidene fluoride), PES(polyethersulfone), PS(polystyrene), PC(polycarbonate), PI(polyimide), PEN(polyethylene naphthalate), PAR(polyarylate), 또는 이의 혼합물을 포함할 수 있다. 이하에서는 설명의 편의를 위해 PI를 포함하는 제1 및 제2 피막(P1, P2)을 기준으로 설명하기로 한다.

제1 및 제2 피막(P1, P2)은 서펜틴(serpentine) 구조로 패터닝되어 형성될 수 있다. 제1 및 제2 피막(P1, P2)이 서펜틴 구조를 가짐에 따라, 온도 센서(20)는 가요성을 가질 수 있으며, 외력에 의해 구부러지거나 휘더라도 쉽게 손상되지 않는다.

제1 및 제2 피막(P1, P2)은 제1 및 제2 전극(E1, E2)과 온도 검출 소자(10)를 인캡슐레이트함으로써 온도 센서(20)의 구조를 지지함과 동시에, 전극들(E1, E2)과 온도 검출 소자(10)의 구조적 손상을 방지하는 기능을 수행한다. 따라서, 제1 및 제2 피막(P1, P2)은 온도 센서(20)의 신뢰성을 향상시킬 수 있다.

제1 및 제2 전극(E1, E2)은 제1 피막(P1) 상에 서로 분리되어 배치될 수 있다.

제1 및 제2 전극(E1, E2) 역시 투명 또는 반투명한 물질을 포함할 수 있다. 예를 들어, 제1 및 제2 전극(E1, E2)은 ITO(indium tin oxide), IZO(indium zinc oxide), ZnO(zinc oxide), ITZO(indium tin zinc oxide), 또는 이들의 혼합물을 포함할 수 있다. 이하에서는 설명의 편의를 위해 ITO를 포함하는 제1 및 제2 전극(E1, E2)을 기준으로 설명하기로 한다.

제1 및 제2 전극(E1, E2) 역시 온도 센서(20)의 가요성 및 신뢰성 향상을 위해 제1 및 제2 피막(P1, P2)과 유사하게 서펜틴 구조로 패터닝되어 형성될 수 있다.

서펜틴 구조로 형성된 제1 및 제2 피막(P1, P2)과 제1 및 제2 전극(E1, E2)에 관한 보다 상세한 설명은 도 3과 관련하여 이하에서 상세히 후술하기로 한다.

온도 검출 소자(10)는 제1 및 제2 전극(E1, E2)과 제1 피막(P1) 상에 배치될 수 있으며, 온도 검출 소자(10) 상에는 제2 피막(P2)이 배치될 수 있다. 온도 검출 소자(10)와 관련된 설명은 도 1과 관련하여 상술한 바와 같다.

온도 센서(20)에 포함된 구성들 모두 투명 또는 반투명하기 때문에, 온도 센서(20) 역시 투명 또는 반투명할 수 있으며, 서펜틴 구조로 형성된 구성들에 의해 가요성을 갖는다.

도 3은 본 명세서의 일 실시예에 따른 도 2의 온도 센서의 분해 사시도이다.

도 3을 참조하면, 서펜틴 구조로 형성된 제1 피막 상에 서펜틴 구조로 형성된 제1 및 제2 전극(E1, E2)이 배치될 수 있으며, 이러한 제1 피막(P1)과 제1 및 제2 전극(E1, E2) 상에 온도 검출 소자(10)가 배치될 수 있으며, 온도 검출 소자(10) 상에는 서펜틴 구조로 형성된 제2 피막(P2)이 배치될 수 있다. 따라서, 온도 검출 소자(10)와 제1 및 제 전극(E1, E2)은 제1 및 제2 피막(P1, P2)에 의해 패시베이션될 수 있다.

온도 센서(20)는 적어도 하나의 온도 검출 소자(10)를 포함할 수 있다. 온도 센서(20)가 복수의 온도 검출 소자들을 포함하는 경우, 각 온도 검출 소자들은 서펜틴 구조를 갖는 제1 및 제2 피막(P1, P2)과 제1 및 제2 전극(E1, E2)에 의해 상호 연결될 수 있다.

도 4a는 온도 검출 소자의 TEM(Transmission electron microscopy) 이미지이다. 도 4b는 은 나노 입자들이 포함된 제2 막의 TEM 이미지이다.

도 4a를 참조하면, 도 1 내지 3과 관련하여 상술한 바와 같이, 제1 내지 제3 막이 순차적으로 적층된 온도 검출 소자의 단면 구조를 확인할 수 있다.

도 4b를 참조하면, 제2 막 상에서 은 나노 입자들(AgNP)은 일렬로 배열될 수 있으며, 각 은 나노 입자들(AgNP)의 크기는 실질적으로 동일하다는 것을 확인할 수 있다. 이러한 균일한 은 나노 입자들(AgNP)의 크기 및 배열로 인해 복수의 온도 검출 소자들을 이용하여 온도 센서를 제조하는 경우, 제조된 온도 센서는 균일성이 보다 향상된 내부 구조를 가질 수 있다.

도 5a는 은 나노 입자들의 희석비를 서로 달리하는 온도 검출 소자의 AFM(Atomic Force Microscopy) 이미지들이다. 도 5b는 서로 다른 희석비로 희석된 은 나노 입자들을 포함하는 온도 검출 소자들의 온도에 따른 저항 변화 그래프이다. 도 5c는 서로 다른 희석비로 희석된 은 나노 입자들을 포함하는 온도 검출 소자들을 UPS(Ultraviolet photoelectron spectroscopy) 및 UVS(Ultraviolet spectroscopy)를 통해 분석한 결과 그래프이다.

도 5a를 참조하면, 제1 이미지(AZO)는 은 나노 입자들을 포함하지 않은 온도 검출 소자의 AFM 이미지, 제2 이미지(1000:1)는 1000:1의 희석비로 희석된 은 나노 입자들을 포함하는 온도 검출 소자의 AFM 이미지, 제3 이미지(300:1)는 300:1의 희석비로 희석된 은 나노 입자들을 포함하는 온도 검출 소자의 AFM 이미지, 제4 이미지(100:1)는 100:1의 희석비로 희석된 은 나노 입자들을 포함하는 온도 검출 소자의 AFM 이미지이다. 본 AFM 이미지들을 통해 각 온도 검출 소자들에 포함된 은 나노 입자들의 희석비가 감소함에 따라, 은 나노 입자들의 농도가 증가하는 것을 확인할 수 있다.

도 5b를 참조하면, 각 온도 검출 소자에 포함된 은 나노 입자들의 농도가 증가함에 따라, 그래프의 기울기도 함께 증가함을 확인할 수 있었다. 예를 들어, 은 나노 입자들을 포함하지 않은 온도 검출 소자의 경우 그래프의 기울기는 약 0.096(%/°C)이었으며, 은 나노 입자들을 100:1의 희석비로 포함한 온도 검출 소자의 경우 그래프의 기울기는 약 0.69(%/°C)이었다.

이를 통해, 각 온도 검출 소자에 포함된 은 나노 입자들의 농도가 증가할수록, 온도 검출 소자의 온도에 따른 민감도가 향상된다는 결론이 도출될 수 있다. 따라서, 보다 정밀하고 정확한 온도를 센싱하기 위한 온도 검출 소자를 제조하는 경우, 온도 검출 소자에 포함되는 은 나노 입자의 농도는 증가할 수 있다.

온도에 따른 온도 검출 소자의 저항 변화는 캐리어 밀도와 관련이 있을 수 있다. 온도 검출 소자의 캐리어 밀도가 커질수록 저항은 줄어들며, 캐리어 밀도가 줄어들수록 저항은 증가할 수 있다. 즉, 온도 검출 소자의 캐리어 밀도와 저항은 상호 반비례 관계를 갖는다.

이때, 온도 검출 소자의 캐리어 밀도는 아래의 수학식 1로서 획득될 수 있다.

[수학식 1]

여기서, n은 캐리어 밀도(carrier density), Nc는 컨덕션 밴드 내의 상태 함수의 유효 밀도(effective density of states function in the conduction band), Ec는 컨덕션 밴드의 최소 에너지 레벨(minimum energy level of the conduction band), Ef는 페르미 에너지 레벨, k는 볼츠만 상수(Boltzmann constant), T는 온도를 나타낸다.

수학식 1에 따를 때, Ec-Ef는 캐리어 밀도에 영향을 미침을 확인할 수 있다. 특히, 수학식 1에 따를 때, Ec-Ef 값이 증가할수록 온도(T) 변화에 따른 캐리어 밀도(n)의 변화 “정도”가 상승한다는 것을 확인할 수 있다.

도 5c를 참조하면, 은 나노 입자들의 희석비가 감소함에 따라 Ec-Ef 값(eV)이 증가함을 확인할 수 있다.

수학식 1과 도 5c의 분석 결과를 종합해볼 때, 은 나노 입자들의 농도가 증가함에 따라 Ec-Ef 값(eV)이 증가하게 되고, 그 결과 온도에 따른 캐리어 밀도가 큰 폭으로 변한다는 결론을 도출할 수 있다. 즉, 포함된 은 나노 입자들의 농도가 증가함에 따라, 온도 검출 소자의 민감도가 향상된다는 결론이 도출될 수 있다.

도 5a 내지 5c에서는 설명의 편의를 위하여 1000:1, 300:1, 100:1의 희석비로 은 나노 입자들이 희석된 온도 검출 소자를 기준으로 각 그래프를 도출하였으나, 본 실시예에 한정되는 것은 아니며, 제조자는 온도 센서의 용도, 제조 공정, 제조 비용 등을 고려하여 다양한 희석비로서 온도 검출 소자를 제조할 수 있다.

이하에서는 설명의 편의를 위해 100:1의 희석비로 희석된 은 나노 입자들을 포함하는 온도 검출 소자를 기준으로 설명하기로 한다.

도 6a는 외력에 의해 스트레칭된 온도 센서 FEA(Finite-element analysis) 이미지이다. 도 6b는 외력에 의해 스트레칭된 온도 센서와 외력이 가해지지 않은 온도 센서의 온도 변화에 따른 저항 특성을 나타낸 그래프이다.

도 6a를 참조하면, 온도 센서(20)는 온도 검출 소자가 포함된 액티브 영역(AR)과 온도 검출 소자가 포함되지 않은 인액티브 영역으로 구획될 수 있다. 인액티브 영역은 서펜틴 구조로 형성된 제1 및 제2 전극과 제1 및 제2 피막을 포함할 수 있다. 인액티브 영역의 서펜틴 구조는 온도 센서(20)의 가요성을 증가시킴과 동시에, 외력에 의한 스트레스를 완화시킬 수 있다. 그 결과, 온도 검출 소자들이 배치된 액티브 영역(AR)에는 외력에 의한 스트레스가 가해지지 않는다. 따라서, 온도 센서(20)에 외력이 가해지더라도 액티브 영역의 온도 검출 소자가 쉽게 손상되지 않아 온도 센서(20)의 내구성 및 신뢰성이 향상된다.

온도 센서(20)의 신뢰성 및 내구성을 테스트하기 위해, 온도 센서(20)에 0.6%~30% 범위의 외력으로 온도 센서(20)를 스트레칭한 상태에서 온도 변화에 따른 저항 변화를 측정하는 실험을 진행하였다.

도 6b를 참조하면, 외력에 의해 스트레칭된 온도 센서와 외력이 가해지지 않은 온도 센서는 온도 센싱 성능에 있어서 거의 차이가 나지 않음을 확인할 수 있었다. 따라서, 웨어러블 디바이스와 같이 형상의 자유도 및 가요성이 높은 디바이스에도 본 발명의 온도 센서가 큰 제약 없이 적용될 수 있다.

도 7a는 히트 건(Heat gun)을 이용하여 온도 센서에 열을 가하는 실험에 관한 도면이다. 도 7b는 도 7a의 실험에 따른 결과 그래프이다.

도 7a를 참조하면, 일정한 주기로 히트 건을 동작시켜 온도 센서(20)를 반복적으로 가열 또는 냉각시키는 실험을 진행하였다(도 7a의 좌측 이미지 참조). 히트 건이 온(On) 되어 온도 센서(20)를 가열함에 따라 온도 센서(20) 및 상기 온도 센서(20)가 착용된 손목이 약 40°C까지 온도가 상승함을 적외선 카메라를 통해 확인할 수 있었다(도 7b의 우측 이미지 참조).

도 7b를 참조하면, 히트 건이 온(On) 됨에 따라 온도 센서(20)가 가열되는 동안 온도 센서(20)의 센싱 온도가 증가하고, 히트 건이 오프(Off) 됨에 따라 온도 센서(20)가 냉각되는 동안 센싱 온도가 감소하는 것을 확인할 수 있었다. 또한, 온도 센서(20)는 가열이 시작된 시점으로부터 비교적 빠른 시간 내에 적외선 카메라를 통해 확인한 온도와 실질적으로 동일한 온도를 센싱하는 것을 확인할 수 있었다.

본 실험을 통해, 본 발명의 온도 센서(20)는 반응 속도가 빠르며, 정확하게 온도를 센싱할 수 있음을 확인할 수 있었다.

도 8a는 영역별 온도가 상이한 히터 위를 적외선 카메라로 촬영한 이미지이다. 도 8b는 도 8a의 온도 센서의 센싱 결과에 관한 도면이다. 도 8c는 멀티 채널로 구성된 온도 센서의 개략적인 회로도이다.

도 8a 및 8b와 관련된 실험에서는 복수의 온도 검출 소자를 이용하여 3X3 어레이 멀티 채널로 구성된 온도 센서가 사용되었다.

도 8a를 참조하면, 적외선 카메라를 통해 히터의 영역별 온도를 확인할 수 있다.

도 8b를 참조하면, 도 8a의 히터 상에 위치한 온도 센서는 각 채널 별로 서로 다른 온도를 센싱하는 것을 확인할 수 있었다. 또한, 도 8a의 적외선 카메라를 통해 획득한 히터의 영역별 온도와 온도 센서가 채널 별로 센싱한 온도가 실질적으로 일치하는 것을 확인할 수 있었다.

따라서, 제조자는 제조 목적, 제조 용도, 제조 환경 등에 따라 온도 센서의 채널 수를 증가시킴으로써, 온도 센서의 영역별 온도 센싱 능력을 조건에 따라 적절하게 향상시킬 수 있다.

도 8c를 참조하면, 온도 센서는 멀티 채널로 구성될 수 있으며, 멀티 채널로 구성된 온도 센서(20)는 복수의 온도 검출 소자들(11) 및 복수의 온도 검출 소자들(11)과 각각 연결된 스위칭 소자들(예를 들어, 트랜지스터)(TR)을 포함할 수 있다. 본 회로도는 3X3 어레이 멀티 채널로 구성된 온도 센서(20)를 기준으로 도시하였으나, 본 회로도에 실시예가 한정되는 것은 아니다.

복수의 온도 검출 소자들(11)와 복수의 스위칭 소자들(TR)은 각각 일대일 대응할 수 있다. 각 온도 검출 소자(11)의 일단은 대응하는 스위칭 소자(TR)의 소스 단자와 연결될 수 있다.

각 스위칭 소자(TR)의 드레인 단자는 대응하는 비트 배선(BL)과 전기적으로 연결될 수 있으며, 각 온도 검출 소자(11)의 타단은 대응하는 소스 배선(SL)과 전기적으로 연결될 수 있다. 각 스위칭 소자(TR)의 게이트 단자는 대응하는 워드 배선(WL)과 전기적으로 연결될 수 있다. 워드 배선(WL)을 통해 수신된 스위칭 온 신호에 의해 각 스위칭 소자(TR)가 턴 온될 수 있으며, 이때 스위칭 소자(TR)의 드레인 단자 및 소스 단자에 각각 연결되어 있는 비트 배선(BL), 온도 검출 소자(11) 및 소스 배선(SL)이 전기적으로 연결될 수 있다. 그 결과, 온도 검출 소자(11)로부터 발생한 신호는 상기 온도 검출 소자(11)와 전기적으로 연결된 비트 배선(BL) 및/또는 소스 배선(SL)을 통해 외부로 출력될 수 있다.

하나의 워드 배선(WL)과 연결된 복수의 스위칭 소자들(TR)은 동시에 스위치 온 될 수 있으며, 서로 다른 워드 배선(WL)과 연결된 복수의 스위칭 소자들(TR)은 서로 다른 시점에 스위치 온 될 수 있다. 따라서, 스위칭 소자들(TR)은 연결된 워드 배선(WL)을 기준으로 그룹핑되어 순차적으로 구동될 수 있다.

보다 정확하고 정밀하게 온도를 센싱하기 위해서는 복수의 온도 검출 소자들(11)을 포함하는 다채널 온도 센서(20)를 제조할 필요성이 존재한다. 이때, 복수의 온도 검출 소자들(11)을 단순히 어레이 형식으로 배열하는 경우, 각 온도 검출 소자들(11)간 신호의 간섭이 발생할 수 있다. 이를 방지하기 위해 복수의 온도 검출 소자들(11)은 스위칭 소자(TR)와 연결되어 순차적으로 구동됨으로써 온도 검출 소자들(11)간의 신호 간섭을 최소화시킬 수 있다.

각 온도 검출 소자(11)의 출력 신호를 모니터링함으로써 온도 센서(20)에 의해 센싱된 각 채널별 온도에 관한 데이터를 획득할 수 있다. 다만, 본 실시예에 한정되는 것은 아니며, 온도 센서(20)는 다양한 회로도로서 설계될 수 있다.

상술한 내용들을 고려해볼 때, 본 명세서의 온도 센서(20)는 가요성을 가지고, 투명 또는 반투명하며, 온도 센싱 성능이 우수하다는 특징을 갖는다. 이러한 특성에 따라, 본 명세서의 온도 센서(20)는 최근 이슈화되고 있는 웨어러블 디바이스에 유리하게 적용될 수 있다.

본 명세서에서 웨어러블 디바이스란, 유저의 신체의 일부에 접촉 또는 착용되어 사용되는 모든 전자 디바이스를 일컬을 수 있다. 예를 들어, 웨어러블 디바이스는, HMD(Head Mounted Display), 피부 부착형 웨어러블 디바이스, 스마트 와치, 스마트 링, 휠체어 등 유저의 신체 일부에 착용되거나 접촉되는 다양한 디바이스를 일컬을 수 있다. 이하에서는 웨어러블 디바이스의 일 실시예로서, 피부 부착형 웨어러블 디바이스를 기준으로 설명하기로 한다.

도 9는 온도 센서를 이용하여 제작한 피부 부착형 웨어러블 디바이스의 일 실시예를 도시한 도면이다.

도 9를 참조하면, 온도 센서는 접착력 및 가요성을 갖는 투명 또는 반투명한 기판(예를 들어, polydimethylsiloxane; PDMS) 상에 부착되어 피부 부착형 웨어러블 디바이스(100)로서 제조될 수 있다. 피부 부착형 웨어러블 디바이스(100)는 유저의 체온을 실시간으로 측정하기 위한 수단으로서 사용될 수 있다.

특히, 피부 부착형 웨어러블 디바이스(100)는 급성 뇌졸중 환자의 체온을 모니터링하는 데 유용하게 사용될 수 있다. 급성 뇌졸중의 전조 증상은 급격한 체온 저하인데, 피부 부착형 웨어러블 디바이스(100)를 통해 급성 뇌졸중 환자의 전조 증상을 신속히 파악할 수 있으므로, 급성 뇌졸중 환자의 전조 증상에 대한 신속한 의학적 조치가 가능하다.

또한, 피부 부착형 웨어러블 디바이스(100)는 투명, 또는 반투명하여 육안으로 쉽게 시인되지 않으므로, 유저가 환자라는 사실을 타인에게 알리고 싶지 않은 경우에도 유용하게 사용될 수 있다.

이를 위해, 피부 부착형 웨어러블 디바이스(100)는 추가적인 구성들을 포함할 수 있으며, 이에 대해서는 도 10과 관련하여 이하에서 상세히 후술하기로 한다.

도 10은 도 9의 피부 부착형 웨어러블 디바이스의 블록도이다.

도 10을 참조하면, 피부 부착형 웨어러블 디바이스(100)는 온도 센서, 저장부, 통신부, 및 제어부를 포함할 수 있다.

온도 센서(20)는 주변 온도를 센싱할 수 있으며, 이에 관한 보다 상세한 설명은 도 1 내지 도 8과 관련하여 상술한 바와 같다.

저장부(40)는 데이터를 저장하는 기능을 수행할 수 있다. 예를 들어, 저장부(40)는 PROM(Programable ROM), EPOM(Erasable PROM), EEROM(Electrically EROM), DRAM(Dynamic random access memory), SRAM(Static random access memory), NVRAM(Non-Volatile memory)일 수 있다. 특히, 본 명세서에서 저장부(40)는 다른 구성들과 통신을 수행하여 다양한 데이터를 수신 및 저장할 수 있다. 예를 들어, 저장부(40)는 온도 센서(20)에 의해 디텍트된 온도에 관한 데이터를 제어부(30), 또는 온도 센서(20)로부터 수신하여 실시간으로 저장할 수 있다.

통신부(50)는 다양한 프로토콜을 사용하여 외부 디바이스와 데이터를 송/수신할 수 있다. 통신부(50)는 유선 또는 무선으로 네트워크에 접속하여, 다양한 데이터를 외부 디바이스와 송/수신할 수 있다. 특히, 본 명세서에서 통신부(50)는 온도에 관한 다양한 데이터를 외부 디바이스와 송/수신할 수 있다.

제어부(30)는 온도 센서(20), 저장부(40), 통신부(50)와 통신을 수행하여 상기 구성들을 제어할 수 있다. 특히, 제어부(30)는 온도 센서(20)를 이용하여 온도를 디텍트하고, 디텍트한 온도에 기초하여 다양한 커맨드를 수행할 수 있다.

일 실시예로서, 제어부(30)는 온도 센서(20)를 이용하여 디바이스(100)를 착용하고 있는 유저의 체온을 실시간으로 모니터링할 수 있다. 제어부(30)는 온도 센서(20)를 이용하여 디텍트한 체온이 정상 범위 내인지를 판단할 수 있다. 정상 범위는 디바이스(100)를 착용하고 있는 환자의 병명, 상태 등에 따라 다양하게 설정될 수 있다. 예를 들어, 디바이스(100)를 착용하고 있는 유저가 급성 뇌졸중 환자인 경우, 기설정된 시간 이내에 체온이 급격하게 떨어지는지 여부를 기준으로 정상 범위 내인지를 판단할 수 있다.

만일, 디텍트한 체온이 정상 범위 내인 경우, 제어부(30)는 저장부(40)가 시간 별로 유저의 체온을 저장하도록 체온에 관한 데이터를 저장부(40)로 송신할 수 있다.

그러나, 디텍트한 체온이 정상 범위를 벗어나는 경우, 제어부(30)는 통신부(50)가 외부 디바이스와 통신을 수행하도록 제어하여, 현재 유저의 체온에 관한 데이터를 외부 디바이스로 송신할 수 있다. 이때, 외부 디바이스는 병원, 소방서 등에 배치된 통신 기기 일 수 있다. 이렇듯 제어부(30)는 유저의 체온을 실시간으로 모니터링하고, 유저의 이상 징후를 감지한 경우 즉각적으로 외부와 연락을 수행함으로써, 유저에 대한 즉각적인 의학적 처치가 이루어질 수 있도록 한다.

한편, 도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 블록도로서, 분리하여 표시한 블록들은 디바이스(100)의 구성들(20, 30, 40, 50)을 논리적으로 구별하여 도시한 것이다. 따라서, 상술한 디바이스(100)의 구성들(20, 30, 40, 50)은 디바이스(100)의 설계에 따라 하나의 칩으로 또는 복수의 칩으로 장착될 수 있다.

도 11은 급성 뇌졸중 환자에게 하루 동안 피부 부착형 웨어러블 디바이스를 부착하여 체온 변화를 모니터링한 그래프이다.

환자의 체온을 보다 정확하게 모니터링하기 위해 환자의 요골 동맥(radial artery)에 대응하는 표피 부분에 피부 부착형 웨어러블 디바이스를 부착하였다. 또한, 피부 부착형 웨어러블 디바이스가 정확하게 유저의 체온을 모니터링했는지를 검증하기 위해 적외선 카메라로 유저의 체온을 실시간으로 측정하였다.

도 11을 참조하면, 피부 부착형 웨어러블 디바이스가 기록한 유저의 체온 변화와 실제 적외선 카메라로 측정한 유저의 체온이 거의 일치한다는 것을 확인할 수 있었다. 또한, 작은 체온 변화도 정확하게 모니터링하였으며, 온도 변화에 대한 반응 속도도 매우 빠른 것으로 나타났다.

이상으로 피부 부착형 웨어러블 디바이스에 관하여 상술하였으나, 온도 센서는 유저의 신체의 일부에 착용 가능한 다양한 웨어러블 디바이스, 또는 온도의 변화를 정확하고 빠르게 센싱해야 하는 온도 측정 디바이스 등에 다양하게 적용될 수 있으며, 상술한 실시예에 한정되는 것은 아니다.

설명의 편의를 위하여 각 도면을 나누어 설명하였으나, 각 도면에 서술되어 있는 실시예들을 병합하여 새로운 실시예를 구현하도록 설계하는 것도 가능하다. 또한, 온도 검출 소자, 온도 센서, 및 웨어러블 디바이스는 상술한 바와 같이 설명된 실시예들의 구성과 방법이 한정되게 적용될 수 있는 것이 아니라, 상술한 실시예들은 다양한 변형이 이루어질 수 있도록 각 실시 예들의 전부 또는 일부가 선택적으로 조합되어 구성될 수도 있다.

또한, 이상에서는 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 명세서는 상술한 특정의 실시예에 한정되지 아니하며, 청구 범위에서 청구하는 요지를 벗어남이 없이 당해 명세서가 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형 실시들은 본 명세서의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어서는 안될 것이다.

L1~L3: 제1 내지 제3 막
P1, P2: 제1 및 제2 피막
E1, E2: 제1 및 제2 전극
AgNP: 은 나노 입자들
10: 온도 검출 소자
20: 온도 센서

Claims

삭제
삭제
삭제
삭제
삭제
삭제
가요성을 갖는 제1 피막;
상기 제1 피막 상에서 서로 분리되어 배치되는, 제1 및 제2 전극;
상기 제1 피막, 및 상기 제1 및 제2 전극 상에 배치되는, 적어도 하나의 온도 검출 소자; 및
상기 온도 검출 소자 상에 배치되는 제2 피막; 을 포함하되,
상기 온도 검출 소자는,
온도에 따라 저항이 변하는 온도 검출 물질을 각각 포함하는, 제1 및 제3 막; 및
상기 제1 및 제3 막 사이에 배치되며, 은 나노 입자들을 포함하는 제2 막; 을 포함하는, 온도 센서.
제 7 항에 있어서,
상기 온도 검출 물질은 산화 알루미늄(Al2O3)이 도핑된 징크 옥사이드(ZnOx)인, 온도 센서.
제 8 항에 있어서,
상기 온도 검출 물질은 상기 산화 알루미늄(Al2O3)이 1wt% 도핑된 징크 옥사이드(ZnOx)인, 온도 센서.
제 7 항에 있어서,
상기 제2 막은 일정한 희석비로 희석된 은 나노 입자들을 포함하는 막인, 온도 센서.
제 10 항에 있어서,
상기 제2 막은 1000:1 내지 10:1 범위 내의 희석비로 희석된 은 나노 입자들을 포함하는, 온도 센서.
제 7 항에 있어서,
상기 제1 및 제2 전극은 서펜틴(serpentine) 구조로 패터닝되어 형성되는, 온도 센서.
제 7 항에 있어서,
상기 제1 및 제2 피막은 서펜틴 구조로 패터닝되어 형성되는, 온도 센서.
제 7 항에 있어서,
상기 온도 검출 소자는 투명 또는 반투명한, 온도 센서.
웨어러블 디바이스에 있어서,
온도를 센싱하는 온도 센서; 및
상기 온도 센서를 이용하여 상기 온도를 디텍트하고, 상기 온도에 대응하는 커맨드를 수행하는, 제어부; 를 포함하되,
상기 온도 센서는,
가요성을 갖는 제1 피막;
상기 제1 피막 상에서 서로 분리되어 배치되는, 제1 및 제2 전극;
상기 제1 피막과 상기 제1 및 제2 전극 상에 배치되고, 온도에 따라 저항이 변하는 온도 검출 물질을 포함하는 제1 막;
상기 제1 막 상에 배치되고 은 나노 입자들을 포함하는 제2 막;
상기 제2 막 상에 배치되고, 상기 온도 검출 물질을 포함하는 제3 막; 및
상기 제3 막 상에 배치되는 제2 피막; 을 포함하는, 웨어러블 디바이스.
제 15 항에 있어서,
상기 온도 검출 물질은 산화 알루미늄(Al2O3)이 도핑된 징크 옥사이드(ZnOx)인, 웨어러블 디바이스.
제 16 항에 있어서,
상기 온도 검출 물질은 상기 산화 알루미늄(Al2O3)이 1wt% 도핑된 징크 옥사이드(ZnOx)인, 웨어러블 디바이스.
제 15 항에 있어서,
상기 제2 막은 일정한 희석비로 희석된 은 나노 입자들을 포함하는 막인, 웨어러블 디바이스.
제 18 항에 있어서,
상기 제2 막은 1000:1 내지 10:1 범위 내의 희석비로 희석된 은 나노 입자들을 포함하는, 웨어러블 디바이스.
제 15 항에 있어서,
상기 제1 및 제2 전극은 서펜틴(serpentine) 구조로 패터닝되어 형성되는, 웨어러블 디바이스.
제 15 항에 있어서,
상기 제1 및 제2 피막은 서펜틴 구조로 패터닝되어 형성되는, 웨어러블 디바이스.
제 15 항에 있어서,
상기 온도 검출 물질은 투명 또는 반투명한, 웨어러블 디바이스.
제 15 항에 있어서,
데이터를 저장하는 저장부; 를 더 포함하고,
상기 제어부는,
상기 온도 센서를 이용하여 디텍트한 온도가 정상 범위 내인 경우, 상기 저장부가 상기 디텍트한 온도를 시간 별로 저장하도록 제어하는, 웨어러블 디바이스.
제 23 항에 있어서,
외부 기기와 통신을 수행하는 통신부; 를 더 포함하고,
상기 제어부는,
상기 온도 센서를 이용하여 상기 디텍트한 온도가 상기 정상 범위를 벗어나는 경우, 상기 통신부를 이용하여 상기 외부 기기와 통신을 수행하는, 웨어러블 디바이스.