KR102424918B1 - 헬스 케어 모니터링 시스템 구현을 위한 저전압, 고주파 영역에서 동작하는 금속 이온이 도핑된 고 유전율 산화물 절연체 기반의 웨어러블 온도 센서 - Google Patents
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Abstract
본 실시예들은 절연층 형성 시에 진공 장비를 사용하지 않고 금속 이온이 도핑된 고 유전율 산화물 절연층을 형성함으로써, 저전압 및 고주파 영역에서 넓은 범위의 온도를 감지할 수 있고, 굽힘 상태에서도 동작 안정성을 유지할 수 있는 유연 온도 센서와 이를 기반으로 한 arm-band 타입의 유연 온도 센서 시스템 및 그 제조 방법을 제공한다.
Description
본 발명이 속하는 기술 분야는 웨어러블 온도 센서 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
이 부분에 기술된 내용은 단순히 본 실시예에 대한 배경 정보를 제공할 뿐 종래기술을 구성하는 것은 아니다.
최근 들어, 혈압, 호흡, 체온과 같은 신체의 생리학적인 정보를 실시간으로 제공하기 위해 웨어러블 기술을 융합한 생체 센서에 관한 연구가 많은 관심을 얻고 있다. 그 중 체온은 사람의 건강 상태와 매우 밀접한 관련이 있는 중요한 생체 정보이기 때문에 체온을 감지할 수 있는 웨어러블 온도 센서에 대한 연구 개발이 크게 주목받고 있다. 웨어러블 전자 소자의 실용적인 응용을 위해 매우 중요하게 고려되는 요소인 저전압 구동을 유도하는 하이 k 절연 박막이 많이 활용되고 있다.
현재까지 저전압 구동 소자를 위해 많이 사용되는 산화물 절연 박막의 경우 대부분 진공 장비를 이용한 공정에 의해 제조되었다. 하지만 진공 공정은 공정의 복잡성, 제조비용, 제한적인 증착 면적 등의 다양한 방면에서 결점을 보이기 때문에, 단순한 방법 및 저비용으로 대 면적 증착이 가능한 용액 공정 방법이 크게 대두되고 있다.
그러나 용액 공정 방법은 용액을 합성하는 과정과 공정을 진행하는 과정에서 공정 환경 조절의 어려움으로 인한 용액의 순도 문제 및 불순물과의 물리/화학적 결합 때문에 박막의 품질이 떨어질 수 있다. 이러한 용액 공정 박막의 품질을 높이기 위해 도핑, 해중합화, 킬레이트제를 통한 안정화 등의 다양한 방법들이 대두되고 있다.
본 발명의 실시예들은 절연층 형성 시에 진공 장비를 사용하지 않고 용액 공정을 통해 금속 이온이 도핑된 고 유전율 산화물 절연층을 형성함으로써, 1 V의 저전압 및 1 MHz의 고주파 영역에서 30 내지 200 oC의 온도를 감지할 수 있고, 굽힘 상태에서도 동작 안정성을 유지할 수 있는 유연 온도 센서를 제작하는 데 발명의 주된 목적이 있다.
본 발명의 명시되지 않은 또 다른 목적들은 하기의 상세한 설명 및 그 효과로부터 용이하게 추론할 수 있는 범위 내에서 추가적으로 고려될 수 있다.
본 실시예의 일 측면에 의하면, 용액 공정에 기반한 유연 온도 센서의 제조 방법에 있어서, 유연층을 형성하는 단계, 상기 유연층에 제1 전극을 증착하는 단계, 상기 제1 전극에 금속 이온이 도핑된 고 유전율 산화물 용액을 도포하고 열처리하여 절연층을 형성하는 단계, 및 상기 절연층에 제2 전극을 증착하는 단계를 포함하는 용액 공정에 기반한 유연 온도 센서의 제조 방법을 제공한다.
상기 유연층을 형성하는 단계는 상기 유연층을 초음파 세척하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 제1 전극을 증착하는 단계는 상기 유연층 및 상기 제1 전극 중에서 적어도 하나를 자외선 오존 처리하여 친수화하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 절연층을 형성하는 단계는 친수화된 표면에 상기 금속 이온이 도핑된 고 유전율 산화물 용액을 도포할 수 있다.
본 실시예의 다른 측면에 의하면, 온도 변화에 따라 정전 용량이 변하는 유연 온도 센서에 있어서, 금속 이온이 도핑된 고 유전율 산화물을 포함하는 절연층, 상기 절연층에 연결된 제1 전극, 상기 절연층에 연결된 제2 전극, 및 상기 제1 전극에 연결된 유연층을 포함하는 유연 온도 센서를 제공한다.
상기 절연층은 상기 금속 이온이 도핑된 고 유전율 산화물을 포함하는 용액을 열처리하여 형성되며, 상기 금속 이온이 도핑된 고 유전율 산화물 용액은 금속 이온을 포함하는 제1 물질과 고 유전율 산화물을 포함하는 제2 물질을 용매에 녹여 교반된 용액일 수 있다.
상기 고 유전율 산화물은 하이 K 유전체를 포함하거나 ZrO2, Al2O3, TiO2, TaO2, HfO2 중에서 선택된 산화물을 포함할 수 있다.
상기 금속 이온은 란타늄(Lanthanum) 또는 스트론튬(Strontium) 중에서 선택된 물질을 포함할 수 있다.
상기 유연 온도 센서는 30 oC 내지 200 oC 범위의 온도를 감지할 수 있다.
상기 유연 온도 센서는 1 V의 저전압에서 동작 가능하며 상기 온도를 감지할 수 있다.
상기 금속 이온의 도핑이 상기 고 유전율 산화물에서 M-O 결합 상태의 비율을 증가시켜 상기 M-O 결합 상태의 면적을 증가시킬 수 있다.
상기 유연 온도 센서는 100 Hz 내지 1 MHz 범위의 넓은 주파수 영역에서 20 nF/cm2 범위 내에서 정전 용량 응답을 나타낼 수 있다.
상기 유연 온도 센서는 1 MHz의 고 주파수 영역에서 50 nF/cm2 이상의 정전 용량 응답을 나타낼 수 있다.
상기 유연 온도 센서는 1 MHz의 고 주파수 영역에서 0.5 내지 2 % oC-1 범위의 피팅 감도로 동작할 수 있다.
상기 유연 온도 센서는 5 mm의 곡률 반경에서 150회 굽힘 주기 후에 정전 용량을 유지할 수 있다.
상기 절연층은 상기 금속 이온에 의해 XPS(x-ray photoelectron spectroscopy) 스펙트럼에서 835 eV의 피크 결합 에너지를 나타낼 수 있다.
본 실시예의 또 다른 측면에 의하면, 온도 변화에 따라 정전 용량이 변하는 유연 온도 센서, 및 상기 유연 온도 센서로부터 검출된 전기 신호의 세기를 측정하고 상기 전기 신호의 세기를 출력하는 처리부를 포함하며, 상기 유연 온도 센서는, 금속 이온이 도핑된 고 유전율 산화물을 포함하는 절연층, 상기 절연층에 연결된 제1 전극, 상기 절연층에 연결된 제2 전극, 및 상기 제1 전극에 연결된 유연층을 포함하는 것을 특징으로 하는 온도 측정 장치를 제공한다.
상기 처리부는, 상기 유연 온도 센서에 연결되며 상기 유연 온도 센서로부터 상기 전기 신호를 입력받는 신호 입력부, 상기 입력받은 전기 신호를 아날로그 신호에서 디지털 신호로 변환하는 아날로그 디지털 컨버터, 및 상기 디지털 신호를 전송하는 통신부를 포함하며, 상기 통신부는 사용자의 컴퓨팅 디바이스에 설치된 애플리케이션과 연동하여 상기 디지털신호를 송수신할 수 있다.
상기 유연 온도 센서는 플렉시블(flexible) 장치 또는 웨어러블(wearable) 장치일 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명의 실시예들에 의하면, 효과적이고 신뢰성 높은 금속 도핑 공정을 통해 저전력 전자 소자 시스템 구현에 필수적인 높은 주파수에서의 동작 안정성을 향상시키고, 센서로부터 전달되는 아날로그 신호를 디지털 신호로 처리하는 프로세스를 모듈화하여 설계함으로써 패치 타입의 착용이 가능한 유연 온도 센서를 기반으로 한 헬스 케어 모니터링 시스템을 구축할 수 있는 효과가 있다.
도 1 내지 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 유연 온도 센서의 제조 방법을 예시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따라 제작된 유연 온도 센서의 실제 이미지를 예시한 도면이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 유연 온도 센서의 SEM 이미지를 예시한 도면이다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 유연 온도 센서의 EDX 스펙트럼을 예시한 도면이다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 유연 온도 센서의 인가전압에 따른 누설 전류 밀도, 정전 용량 및 주파수에 따른 정전 용량 특성, XPS 스펙트럼, O1s 스펙트럼을 예시한 도면이다.
도 8은 본 발명의 다른 실시예들에 따른 유연 온도 센서를 시뮬레이션한 결과로 주파수에서 센서의 정전 용량 반응, 굽힘 테스트, 및 정전 용량 응답에 따른 색심도 분포 매핑을 예시한 도면이다.
도 9는 본 발명의 다른 실시예들에 따른 온도 측정 장치를 예시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따라 제작된 유연 온도 센서의 실제 이미지를 예시한 도면이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 유연 온도 센서의 SEM 이미지를 예시한 도면이다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 유연 온도 센서의 EDX 스펙트럼을 예시한 도면이다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 유연 온도 센서의 인가전압에 따른 누설 전류 밀도, 정전 용량 및 주파수에 따른 정전 용량 특성, XPS 스펙트럼, O1s 스펙트럼을 예시한 도면이다.
도 8은 본 발명의 다른 실시예들에 따른 유연 온도 센서를 시뮬레이션한 결과로 주파수에서 센서의 정전 용량 반응, 굽힘 테스트, 및 정전 용량 응답에 따른 색심도 분포 매핑을 예시한 도면이다.
도 9는 본 발명의 다른 실시예들에 따른 온도 측정 장치를 예시한 도면이다.
이하, 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지기능에 대하여 이 분야의 기술자에게 자명한 사항으로서 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략하고, 본 발명의 일부 실시예들을 예시적인 도면을 통해 상세하게 설명한다.
본 발명의 실시예들은 용액 공정을 이용하여 제작된 high-k 산화물 Aluminum oxide (Al2O3) 절연체 박막에 최적화된 Lanthanum (La) 도핑 공정을 도입하여 저전압 (1V) 및 고주파 (MHz) 영역에서 동작이 가능한 착용이 가능한 고성능 온도 센서와 그 공정 방법에 대해 기술한다. 본 온도 센서는 졸겔(sol-gel)을 기반으로 한 용액 공정을 이용하여 유연 기판 위에 제작되었으며, 착용시 발생할 수 있는 외부의 기계적 스트레스에 때한 동작 안정성이 매우 우수하고, 넓은 범위의 온도에서 민감한 감지 (30 ~ 200 도)가 가능하며, 특히 신체 온도 범위 (30 ~ 45 도)를 감지할 수 있기 때문에 웨어러블 헬스 케어 모니터링 전자소자로서의 발전 가능성을 제시한다.
본 발명의 실시예들은 arm-band 타입의 유연 온도 센서 시스템을 사용자의 피부에 직접 부착하여 신체의 온도를 실시간으로 측정하여 분석된 데이터를 원격으로 스마트폰에 전송하여 실시간 헬스케어 모니터링이 가능하며, 사물인터넷 (IoT) 플랫폼 기반의 웨어러블 생체 전자 장치의 실현이 가능하다.
본 발명에서는 용액 공정을 이용하여 La가 도핑 된 Al2O3 (LaAlO3) 박막을 제작하고, 이를 기반으로 하여 정전용량식 유연 온도 센서를 구현하였다. 기존의 high-k Al2O3 박막에 La 금속 이온을 도핑함으로써 저전압 영역뿐만 아니라 고주파 영역에서의 구동을 가능케 하였다. 또한 1 V 및 1 MHz 범위에서 동작하는 유연 온도 센서를 이용하여 체온 정보를 실시간으로 분석하고 이를 사용자의 스마트폰으로 전송하는 웨어러블 시스템을 구축함으로써 헬스 케어 모니터링 관련 기술 확대에 관한 기대 효과가 매우 클 것으로 전망된다.
도 1 내지 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 유연 온도 센서의 제조 방법을 예시한 도면이다. 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따라 제작된 유연 온도 센서의 실제 이미지를 예시한 도면이다.
제조 방법은 유연층을 형성하는 단계(S110), 제1 전극을 증착하는 단계(S120), 절연층을 형성하는 단계(S130), 및 제2 전극을 증착하는 단계(S140)를 포함한다. 제1 전극 및 제2 전극은 동일한 물질 또는 상이한 물질로 구현될 수 있다.
유연층을 형성하는 단계(S210)는 유연층을 초음파 세척하는 단계(S220)를 포함할 수 있다. 제1 전극을 증착하는 단계(230)는 유연층 및 제1 전극 중에서 적어도 하나를 자외선 오존 처리하여 친수화하는 단계(S240)를 포함할 수 있다.
절연층을 형성하는 단계(S250)는 친수화된 표면에 금속 이온이 도핑된 고 유전율 산화물 용액을 도포한다.
금속 이온이 도핑된 고 유전율 산화물 용액은 금속 이온을 포함하는 제1 물질과 고 유전율 산화물을 포함하는 제2 물질을 용매에 녹여 교반된 용액이며, 제1 물질과 제2 물질은 N:1 배합비로 교반된다. N은 양의 실수이며, 다양한 조건 하에서 배합될 수 있으며, 이에 한정되는 것은 아니고 구현되는 설계에 따라 적합한 수치가 사용될 수 있다.
LaAlO3 용액 합성 조건을 예시적으로 설명한다.
2-methoxyethanol (2-ME) solvent에 aluminum nitrate nonahydrate (Al(NO3)3·9H2O)와 lanthanum nitrate hexahydrate (La(NO3)3·6H2O)powder를 4:1의 비율로 녹인다. 제품 설계 조건에 따라 다른 비율로 합성될 수 있다.
12시간 동안 stirring을 이용하여 교반한다. (70 oC, 700 rpm) 제품 설계 조건에 따라 50 ~ 150 oC 온도로 합성될 수 있다.
LaAlO3 용액을 이용한 유연 온도 센서의 제작 방법을 예시적으로 설명한다.
PI(Polyimide) 기판을 마련한다(S310). 유연 기판으로는 폴리이미드(Polyimide, PI), 폴리디메틸실록산(Polydimethylsiloxane, PDMS), 에코플렉스(Ecoflex), 또는 이들의 조합을 포함할 수 있으며, 다양한 유연 기판이 적용될 수 있다.
PI(Polyimide) 기판의 불순물 제거를 위해 아세톤, 메탄올, IPA를 이용하여 각각 10분 동안 초음파로 세척한다.
Electron beam (E-beam) evaporation을 이용하여 10-6 Torr의 진공 분위기에서 100 nm의 aluminum (Al) 하부 전극을 PI 기판 위에 전면으로 증착한다(S320).
용액 공정에 의한 박막 코팅을 위해 하부 전극 표면을 11분 동안 자외선 오존 처리를 통하여 친수성화시킨다.
코팅 방법을 이용하여 LaAlO3 용액을 하부 전극 위에 증착하고, 열처리를 통하여 LaAlO3 박막을 형성한다(S330). (350 oC, 2시간) 제품 설계 조건에 따라 150 ~ 500 oC 온도로 합성될 수 있다. 코팅은 스핀 코팅(spin-coating), 딥 코팅(dip-coating), 드롭 캐스팅(drop-casting), 스크린 프린팅(screen printing), 바 프린팅(bar printing), 롤투롤(roll-to-roll), 롤투플레이트(roll-to-plate) 등 다양한 방법으로 증착이 가능하다.
E-beam evaporation을 이용하여 10-6 Torr의 진공 분위기에서 100 nm의 특정 패턴 모양을 갖는 Al 상부 전극을 LaAlO3 박막 위에 증착한다(S340).
High-k 절연체로 Al2O3 대신에 ZrO2, HfO2, TiO2 등의 고 유전율 산화물 절연체 물질이 다양하게 적용될 수 있다. 산화물 절연막은 높은 유전상수로 저전압 구동이 가능하고, 상대적으로 큰 밴드갭으로 가지는 투명성, 화학적 안정성, 실리콘과의 우수한 열역학적 안정성 등의 장점이 있다. 란타늄 대신 스트론튬 등의 금속 이온 물질이 다양하게 적용될 수 있다.
도 5는 용액 공정 기반의 Al2O3 및 LaAlO3 박막의 SEM(scanning electron microscopy) 이미지를 예시한 도면이다. 도 6은 용액 공정 기반의 Al2O3 및 LaAlO3 필름의 EDX 스펙트럼을 예시한 도면이다.
SEM 이미지를 이용하여 얻어진 LaAlO3 박막의 두께 (~ 85 nm)는 Al2O3 박막의 두께 (~ 83 nm)와 유사함을 확인하였다. 이는 La 도핑이 Al2O3 박막의 필름 두께에 거의 영향을 미치지 않았음을 나타낸다. 또한, 산화물 절연 박막의 원소 조성이 도 4에서 energy dispersive x-ray spectroscopy (EDX) 스펙트럼을 통해 입증된다. EDX 스펙트럼은 용액 공정 기반 Al2O3 및 LaAlO3 박막 내 La, Al, 산소 (O) 및 탄소 (C)의 농도에 대한 정보를 제공하며, 여기서 C는 주로 PI 기판으로부터 유도된다. EDX 스펙트럼에서 LaAlO3 필름의 O 원자 농도 (36.0 %)가 Al2O3 필름의 O 원자 농도 (35.83 %)와 거의 동일하다는 것을 알 수 있으며, 이는 Al2O3에 La가 균일하게 도핑 되었음을 나타낸다. 특히, EDX 스펙트럼에서 나타난 LaAlO3 막의 La:Al 원자 비는 약 1:4로, 이는 공정 방법에서 논의 된 재료 설계의 도핑 농도와 일치한다.
도 7은 용액 공정으로 증착된 LaAlO3 및 Al2O3 절연 박막 기반 MIM(Metal-Insulator-Metal) 소자의 인가전압에 따른 누설 전류 밀도, 정전 용량 및 주파수에 따른 정전 용량 특성, wide survey XPS 스펙트럼, O1s 스펙트럼을 예시한 도면이다.
도 7의 (a)는 용액 공정 기반 Al2O3 및 LaAlO3 절연 박막으로 이루어진 MIM 소자의 절연 특성을 보여준다. 두 소자 모두 1 V 및 1 KHz의 범위에서 ~ 10-9 A/cm2의 누설 전류 밀도와 ~ 60 nF/cm2의 정전 용량으로 유사한 절연 특성을 나타냈다. 산화물 절연 박막의 유전 상수를 추출하기 위해 다음 방정식이 사용되었다.
(C: 정전 용량, εr: 유전 상수, ε0: 진공 상태의 유전율, A: 전극 면적, d: 절연 박막 두께)
추출 결과 용액 공정 기반 Al2O3 및 LaAlO3 박막은 ~ 6의 동일한 유전 상수를 나타내었으며, 이는 진공 공정으로 증착된 Al2O3 박막의 유전 상수와도 비교할 만한 수준이다. 이러한 결과는 Al2O3 절연 박막의 고유 절연 특성이 La 도핑에 의해 크게 영향을 받지 않았음을 나타낸다. 또한, 도 7의 (b)에서는 Al2O3 박막의 주파수에 따른 정전 용량 특성에 대한 La 도핑의 영향을 조사 하였다. Al2O3 박막의 정전 용량 값은 최대 10 KHz까지 거의 동일하게 유지되었지만 100 KHz 이상의 고주파 영역에서 상당히 감소하였다. 고주파수에서의 정전 용량의 감소는 Al2O3 박막 내 다수의 결함을 가진 전하로 인한 것이다. 낮은 주파수 영역에서는 결함을 가진 전하가 인가된 전압과 함께 쉽게 전달될 수 있는 반면, 높은 주파수 영역에서는 이러한 전하가 인가된 전기장의 변화를 따라갈 만큼 빠르지 못하기 때문에 Al2O3 박막 기반의 MIM 소자에서 정전 용량의 감소를 초래하는 것으로 추정된다. 반면, LaAlO3 박막에서는 1 MHz의 높은 주파수에서도 매우 안정적인 정전 용량 특성을 보였으며, 이는 La 도핑이 결함을 가진 전하를 효과적으로 감소시킬 수 있음을 나타낸다.
LaAlO3 박막에서 향상된 정전 용량 특성의 원인을 입증하기 위해, 산소 결합 상태의 비교 분석을 위한 x-ray photoelectron spectroscopy (XPS) 측정이 수행되었다. 도 7의 (c) 및 (d)는 각각 용액 공정 기반 Al2O3 및 LaAlO3 박막의 0 - 1200 eV 범위에서의 wide survey XPS 스펙트럼을 나타낸다. La의 존재가 LaAlO3 박막의 XPS 스펙트럼에서 ~ 835 eV의 피크 결합 에너지로부터 나타났으며, Al과 O의 존재는 Al2O3와 LaAlO3 필름의 XPS 스펙트럼에서 각각 ~ 73와 ~ 531 eV의 피크 결합 에너지로부터 관찰되었다.
도 7의 (e)와 (f)에서 Al2O3와 LaAlO3 박막의 O1s 스펙트럼은 각각 ~ 530과 ~ 532 eV를 중심으로 피크를 나타내며, 이는 각각 metal-oxygen (M-O)과 metal-hydroxide (M-OH) 결합 상태에 해당된다. XPS 정량 분석을 통해 추출 된 M-O 결합 상태의 면적 비율은 Al2O3 및 LaAlO3 박막에서 각각 67.3 % 및 70.2 %였으며, 이는 용액 공정 기반 Al2O3 박막에서 La 도핑이 M-O 결합 상태의 비율을 증가시켰음을 나타낸다. 이러한 결과는 넓은 주파수 범위에서 LaAlO3 절연 박막의 안정적인 정전 용량 특성에 대응하며, 따라서 이는 고속 전자 장치에 유리하다고 할 수 있다.
도 8은 100 Hz ~ 1 MHz의 다양한 주파수에서 30 ~ 200 oC의 적용 온도에 따른 1 V 작동 온도 센서의 정전 용량 반응, 30 ~ 45 oC의 확대된 온도 범위에 따른 선형 피팅을 통한 정전 용량 반응, 응력에 대한 기계적 안정성을 조사하기 위해 곡률 반경을 제어 할 수 있는 맞춤형 설계 기기의 실제 이미지, 곡률 반경이 10 ~ 5 mm인 굽힘 주기의 함수로써 측정된 정전 용량, T자형으로 40 oC로 가열된 구리 테이프가 붙여진 2 cm Х 2 cm 크기의 유연한 온도 센서 어레이 (5 Х 5)의 실제 이미지, 온도 변화 (40 oC)에 대응하는 정전 용량 응답에 따른 색심도 분포 매핑을 예시한 도면이다.
PI 기판 위에 용액 공정으로 증착된 LaAlO3 박막을 기반으로 한 유연 온도 센서가 제작되었다. 도 8의 (a)는 온도 센서가 1 V에서 작동 가능하며 100 Hz ~ 1 MHz의 다양한 주파수 영역에서 30 ~ 200 oC의 넓은 범위의 적용 온도에 따른 우수한 정전 용량 응답을 보임을 나타낸다. 고주파 영역에서 온도에 따른 정전 용량의 변화는 과잉 정전 용량을 생성하는 계면 공간 전하 동작의 어려움으로 인해 저주파 영역에서보다 작다.
도 8의 (b)는 30-45 oC의 확대된 영역에서의 선형 피팅을 이용한 온도에 따른 정전 용량 응답을 나타내며, 이를 통해 체온을 감지 할 수 있는 웨어러블 생체 전자 소자로써 제안된 센서의 적용 가능성을 확인한다. 선형 피팅에서 추출 된 감도는 1 MHz에서 ~ 0.9 % oC-1로 100 Hz (~ 2.1 % oC- 1)에서의 비해 약간 감소했지만, 여전히 비교적 우수한 감도를 나타냈다.
또한 웨어러블 생체 전자 소자의 주요 지표 중 하나인 응력에 대한 기계적 안정성을 조사하였는데, 도 8의 (c)는 이를 위해 곡률 반경을 제어 할 수 있는 맞춤형 설계 기기를 보여준다. 도 8의 (d)와 같이 이 장비를 사용하여 곡률 반경이 10 ~ 5 mm인 굽힘 주기의 함수로 정전 용량을 측정하였다. 5 mm의 곡률 반경에서 150 회의 굽힘 주기 후에도 정전 용량은 변하지 않은 채로 유지되었다. 이는 제안 된 유연 센서가 특별한 패시베이션 (Passivation) 층 없이 뛰어난 기계적 안정성을 보임을 나타낸다. 다음으로 온도 센서 내 정전 용량 특성의 장치 간 편차 측면에서 감지 성능을 입증하기 위해 정적 방식으로 작은 감지 영역에서 온도 매핑을 수행하였다.
도 8의 (e)는 대상을 선택적으로 감지하기 위해 T자형으로 40 oC로 가열된 구리 테이프가 붙여진 2 cm Х 2 cm 크기의 유연한 온도 센서 어레이 (5 Х 5)의 실제 이미지를 보여준다. 도 8의 (f)에서는 이 센서 어레이가 온도 변화에 대응하는 정전 용량 응답에 따른 색심도를 각각 가짐으로써 작은 감지 대상의 T형상을 인식 가능함을 알 수 있다. T자형 영역을 포함한 어레이가 ~ 0.36의 표준 편차와 함께 ~ 54.34 nF/cm2의 평균 정전 용량 값을 나타내었고, T자형 영역이 포함 되지 않은 어레이가 ~ 0.34의 표준 편차를 갖는 ~ 48.77 nF/cm2의 평균 정전 용량 값을 나타내었다. 이 결과는 제안 된 유연한 온도 센서 어레이가 소규모 지역에서도 각 장치의 무시할만한 편차와 함께 안정적인 온도 감지를 제공할 수 있음을 나타낸다.
온도 측정 장치는 유연 온도 센서 및 처리부를 포함한다. 온도 측정 장치의 유연 온도 센서는 실시예에 따른 유연 온도 센서에 대응한다. 온도 측정 장치는 다양한 구성요소들 중에서 일부 구성요소를 생략하거나 다른 구성요소를 추가로 포함할 수 있다. 예컨대, 디스플레이부 또는 전원부를 추가로 포함할 수 있다.
유연 온도 센서는 대상체에 부착 가능하다. 예컨대, 온도 측정 장치는 휴대용 웨어러블 장치일 수 있다. 온도 측정 장치는 스마트폰과 연동할 수 있다.
처리부는 유연 온도 센서를 이용하여 온도 변화에 따른 정전 용량 변화를 수집하고, 신호를 변환한다.
처리부는 신호 입력부, 아날로그 디지털 컨버터, 통신부를 포함할 수 있다. 신호 입력부는 유연 온도 센서에 연결되며 유연 온도 센서로부터 전기 신호를 입력받는다. 제1 신호 입력부 및 제2 신호 입력부는 유연 온도 센서에서 거리를 두고 증착된 제1 전극 및 제2 전극에 각각 연결될 수 있다.
아날로그 디지털 컨버터는 신호 입력부로부터 입력받은 전기 신호를 아날로그신호에서 디지털신호로 변환한다.
통신부는 아날로그 디지털 컨버터에서 변환된 디지털신호를 다른 장치에 유/무선으로 전송한다. 통신부는 와이어링 또는 블루투스 등의 다양한 무선 프로토콜을 이용하여 장치와 연결될 수 있다. 온도 측정 장치는 사용자의 컴퓨팅 디바이스(예컨대, 스마트폰, 태블릿, 퍼스널컴퓨터 등)에 설치된 애플리케이션과 연동하여 데이터를 송수신할 수 있다.
온도 측정 장치에 포함된 구성요소들이 분리되거나 복수의 구성요소들은 상호 결합되어 적어도 하나의 모듈로 구현될 수 있다. 구성요소들은 장치 내부의 소프트웨어적인 모듈 또는 하드웨어적인 모듈을 연결하는 통신 경로에 연결되어 상호 간에 유기적으로 동작한다. 이러한 구성요소들은 하나 이상의 통신 버스 또는 신호선을 이용하여 통신한다.
온도 측정 장치는 하드웨어, 펌웨어, 소프트웨어 또는 이들의 조합에 의해 로직회로 내에서 구현될 수 있고, 범용 또는 특정 목적 컴퓨터를 이용하여 구현될 수도 있다. 장치는 고정배선형(Hardwired) 기기, 필드 프로그램 가능한 게이트 어레이(Field Programmable Gate Array, FPGA), 주문형 반도체(Application Specific Integrated Circuit, ASIC) 등을 이용하여 구현될 수 있다. 또한, 장치는 하나 이상의 프로세서 및 컨트롤러를 포함한 시스템온칩(System on Chip, SoC)으로 구현될 수 있다.
온도 측정 장치는 하드웨어적 요소가 마련된 컴퓨팅 디바이스에 소프트웨어, 하드웨어, 또는 이들의 조합하는 형태로 탑재될 수 있다. 컴퓨팅 디바이스는 각종 기기 또는 유무선 통신망과 통신을 수행하기 위한 통신 모뎀 등의 통신장치, 프로그램을 실행하기 위한 데이터를 저장하는 메모리, 프로그램을 실행하여 연산 및 명령하기 위한 마이크로프로세서 등을 전부 또는 일부 포함한 다양한 장치를 의미할 수 있다.
도 9는 실시간으로 체온을 모니터링하기 위한 프로그래밍된 알고리즘에 기초한 스마트폰에서의 웨어러블 온도 센서 시스템, 웨어러블 온도 센서 시스템으로부터 처리된 데이터를 실시간으로 모니터링하는 데모, 확대된 그래프는 체온이 30 에서 40 oC로 증가할 때까지의 시간의 함수로서 실시간 정전 용량의 변화, 그래프 내 사진은 적외선 온도계를 사용하여 체온을 측정하는 실제 이미지를 예시한 도면이다.
1 V 및 1 MHz에서 작동하는 용액 공정 기반 LaAlO3 박막으로 구성된 웨어러블 온도 센서 어레이를 활용하여 알고리즘이 프로그래밍 된 스마트폰과 함께 헬스 케어 모니터링 시스템을 시연하였다.
도 9의 (a)와 같이 팔밴드 (Armband)형 온도 센서 시스템은 마이크로 컨트롤러 유닛 (MCU; Genuino.cc, ATMega328P), 온도 센서 어레이 (2 cm Х 2 cm) 및 무선 신호 프로세서 유닛으로 구성되었다 (Senatech, XBee 모듈). 아날로그 입력 신호는 아날로그-디지털 변환기 (A-D 변환기)를 사용하여 디지털 신호로 변환 된 후 MCU로 전송되고, Arduino nanoboard를 사용하여 LaAlO3 기반 온도 센서의 정전 용량 응답 변화에 따라 출력 신호를 실시간으로 분석 한 후, 블루투스 통신 기반 무선 모듈을 통해 스마트폰으로 신호를 전송한다.
처리된 데이터는 도 9의 (b)와 같이 스마트폰 상에서 실시간으로 시각화 된 그래프와 함께 얻어진다. 스마트폰 기반의 동적인 정전 용량성 반응 모니터링이 팔에 부착된 형태의 웨어러블 온도 센서에 의해 실현 되었다.
도 9의 (b) 내 확대된 그래프에서 40 oC에 도달하는 데 약 60초가 걸린 적외선 온도계를 사용하여 실시간으로 측정 된 체온을 확인했다. 이러한 결과는 사물 인터넷을 기반으로 한 의료 모니터링 시스템을 실현하기 위해 저전압 및 고주파 영역에서 작동 가능한 용액 공정 기술이 적용된 산화물 절연 박막 기반 고성능 웨어러블 온도 센서의 생체 전자 응용 분야에서의 잠재력을 결정적으로 증명한다.
본 발명에서 사용된 용액 공정 기술은 진공 공정 기술과 달리 매우 단순한 공정 절차를 갖고 비용이 저렴하며, 대 면적 증착이 가능하다는 장점이 있어 본 기술을 이용한 전자 소자는 사업화 경쟁력이 뛰어날 것이라 전망된다.
추가적인 공정 절차 및 복잡한 구조를 이용하지 않고, 간편하게 금속 이온의 도핑을 통하여 고품질 박막을 제조할 수 있다는 점에서 본 기술의 적용 범위가 매우 넓을 것으로 예상된다.
유연 기판 기반의 우수한 기계적 안정성을 가지는 고성능 온도 센서를 제작하고, 저전압과 고주파 영역에서 구동 가능성을 확인하여 이후 현실적인 어플리케이션에 널리 적용될 것으로 여겨진다.
매우 중요한 생체 신호인 체온의 실시간 모니터링을 위해 블루투스 통신 기반 무선 모듈을 통한 스마트폰과의 연동은 추후 사물인터넷 플랫폼을 활용한 헬스 케어 모니터링 시스템 구현을 위해 매우 용이할 것으로 보인다.
도 1 내지 도 3에서는 각각의 과정을 순차적으로 실행하는 것으로 기재하고 있으나 이는 예시적으로 설명한 것에 불과하고, 이 분야의 기술자라면 본 발명의 실시예의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 도 1 내지 도 3에 기재된 순서를 변경하여 실행하거나 또는 하나 이상의 과정을 병렬적으로 실행하거나 다른 과정을 추가하는 것으로 다양하게 수정 및 변형하여 적용 가능할 것이다.
본 실시예들은 본 실시예의 기술 사상을 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 실시예의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 실시예의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 실시예의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
Claims (20)
- 용액 공정에 기반한 유연 온도 센서의 제조 방법에 있어서,
유연층을 형성하는 단계;
상기 유연층에 제1 전극을 증착하는 단계;
상기 제1 전극에 금속 이온이 도핑된 고 유전율 산화물 용액을 도포하고 열처리하여 절연층을 형성하는 단계; 및
상기 절연층에 제2 전극을 증착하는 단계를 포함하며,
상기 유연 온도 센서는 온도 변화에 따라 정전 용량이 변하며,
상기 금속 이온이 도핑된 고 유전율 산화물 용액은 금속 이온을 포함하는 제1 물질과 고 유전율 산화물을 포함하는 제2 물질을 용매에 녹여 교반된 용액이고, 상기 고 유전율 산화물 용액은 하이 K 유전체를 포함하거나 ZrO2, Al2O3, TiO2, TaO2, HfO2 중에서 선택된 산화물을 포함하고, 상기 금속 이온은 란타늄(Lanthanum) 또는 스트론튬(Strontium) 중에서 선택된 물질을 포함하고,
상기 유연 온도 센서는 30 oC 내지 200 oC 범위의 온도를 감지하되, 상기 유연 온도 센서는 1 V의 저전압에서 100 Hz 내지 1 MHz 범위의 넓은 주파수 영역에서 30 oC 내지 45 oC 범위에 따라 정전 용량 응답을 선형 피팅하여 체온을 감지하고,
상기 유연 온도 센서는 1 MHz의 고주파수 영역에서 5 mm의 곡률 반경에서 150회 굽힘 주기 후에도 상기 정전 용량을 유지하는 것을 특징으로 하는 용액 공정에 기반한 유연 온도 센서의 제조 방법. - 제1항에 있어서,
상기 유연층을 형성하는 단계는 상기 유연층을 초음파 세척하는 단계를 포함하고,
상기 제1 전극을 증착하는 단계는 상기 유연층 및 상기 제1 전극 중에서 적어도 하나를 자외선 오존 처리하여 친수화하는 단계를 포함하고,
상기 절연층을 형성하는 단계는 친수화된 표면에 상기 금속 이온이 도핑된 고 유전율 산화물 용액을 도포하는 것을 특징으로 하는 용액 공정에 기반한 유연 온도 센서의 제조 방법. - 삭제
- 삭제
- 삭제
- 온도 변화에 따라 정전 용량이 변하는 유연 온도 센서에 있어서,
금속 이온이 도핑된 고 유전율 산화물을 포함하는 절연층;
상기 절연층에 연결된 제1 전극;
상기 절연층에 연결된 제2 전극; 및
상기 제1 전극에 연결된 유연층을 포함하며,
상기 절연층은 상기 금속 이온이 도핑된 고 유전율 산화물을 포함하는 용액을 열처리하여 형성되며, 상기 금속 이온이 도핑된 고 유전율 산화물 용액은 금속 이온을 포함하는 제1 물질과 고 유전율 산화물을 포함하는 제2 물질을 용매에 녹여 교반된 용액이고, 상기 고 유전율 산화물은 하이 K 유전체를 포함하거나 ZrO2, Al2O3, TiO2, TaO2, HfO2 중에서 선택된 산화물을 포함하고, 상기 금속 이온은 란타늄(Lanthanum) 또는 스트론튬(Strontium) 중에서 선택된 물질을 포함하고,
상기 유연 온도 센서는 30 oC 내지 200 oC 범위의 온도를 감지하되, 상기 유연 온도 센서는 1 V의 저전압에서 100 Hz 내지 1 MHz 범위의 넓은 주파수 영역에서 30 oC 내지 45 oC 범위에 따라 정전 용량 응답을 선형 피팅하여 체온을 감지하고,
상기 유연 온도 센서는 1 MHz의 고주파수 영역에서 5 mm의 곡률 반경에서 150회 굽힘 주기 후에도 상기 정전 용량을 유지하는 것을 특징으로 하는 유연 온도 센서. - 삭제
- 삭제
- 삭제
- 삭제
- 삭제
- 제6항에 있어서,
상기 금속 이온의 도핑이 상기 고 유전율 산화물에서 M-O 결합 상태의 비율을 증가시켜 상기 M-O 결합 상태의 면적을 증가시키는 것을 특징으로 하는 유연 온도 센서. - 제6항에 있어서,
상기 유연 온도 센서는 100 Hz 내지 1 MHz 범위의 넓은 주파수 영역에서 20 nF/cm2 범위 내에서 정전 용량 응답을 나타내는 것을 특징으로 하는 유연 온도 센서. - 제6항에 있어서,
상기 유연 온도 센서는 1 MHz의 고주파수 영역에서 50 nF/cm2 이상의 정전 용량 응답을 나타내는 것을 특징으로 하는 유연 온도 센서. - 삭제
- 삭제
- 제6항에 있어서,
상기 절연층은 상기 금속 이온에 의해 XPS(x-ray photoelectron spectroscopy) 스펙트럼에서 835 eV의 피크 결합 에너지를 나타내는 것을 특징으로 하는 유연 온도 센서. - 온도 변화에 따라 정전 용량이 변하는 유연 온도 센서; 및
상기 유연 온도 센서로부터 검출된 전기 신호의 세기를 측정하고 상기 전기 신호의 세기를 출력하는 처리부를 포함하며,
상기 유연 온도 센서는,
금속 이온이 도핑된 고 유전율 산화물을 포함하는 절연층;
상기 절연층에 연결된 제1 전극;
상기 절연층에 연결된 제2 전극; 및
상기 제1 전극에 연결된 유연층을 포함하며,
상기 절연층은 상기 금속 이온이 도핑된 고 유전율 산화물을 포함하는 용액을 열처리하여 형성되며, 상기 금속 이온이 도핑된 고 유전율 산화물 용액은 금속 이온을 포함하는 제1 물질과 고 유전율 산화물을 포함하는 제2 물질을 용매에 녹여 교반된 용액이고, 상기 고 유전율 산화물은 하이 K 유전체를 포함하거나 ZrO2, Al2O3, TiO2, TaO2, HfO2 중에서 선택된 산화물을 포함하고, 상기 금속 이온은 란타늄(Lanthanum) 또는 스트론튬(Strontium) 중에서 선택된 물질을 포함하고,
상기 유연 온도 센서는 30 oC 내지 200 oC 범위의 온도를 감지하되, 상기 유연 온도 센서는 1 V의 저전압에서 100 Hz 내지 1 MHz 범위의 넓은 주파수 영역에서 30 oC 내지 45 oC 범위에 따라 정전 용량 응답을 선형 피팅하여 체온을 감지하고,
상기 유연 온도 센서는 1 MHz의 고주파수 영역에서 5 mm의 곡률 반경에서 150회 굽힘 주기 후에도 상기 정전 용량을 유지하는 것을 특징으로 하는 온도 측정 장치. - 제18항에 있어서,
상기 처리부는,
상기 유연 온도 센서에 연결되며 상기 유연 온도 센서로부터 상기 전기 신호를 입력받는 신호 입력부;
상기 입력받은 전기 신호를 아날로그 신호에서 디지털 신호로 변환하는 아날로그 디지털 컨버터; 및
상기 디지털 신호를 전송하는 통신부를 포함하며,
상기 통신부는 사용자의 컴퓨팅 디바이스에 설치된 애플리케이션과 연동하여 상기 디지털신호를 송수신하는 것을 특징으로 하는 온도 측정 장치. - 제18항에 있어서,
상기 유연 온도 센서는 플렉시블(flexible) 장치 또는 웨어러블(wearable) 장치인 것을 특징으로 하는 온도 측정 장치.
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