KR102431074B1 - 투명 압력센서, 그 제조방법 및 이을 포함하는 전자기기 - Google Patents
투명 압력센서, 그 제조방법 및 이을 포함하는 전자기기 Download PDFInfo
- Publication number
- KR102431074B1 KR102431074B1 KR1020200035417A KR20200035417A KR102431074B1 KR 102431074 B1 KR102431074 B1 KR 102431074B1 KR 1020200035417 A KR1020200035417 A KR 1020200035417A KR 20200035417 A KR20200035417 A KR 20200035417A KR 102431074 B1 KR102431074 B1 KR 102431074B1
- Authority
- KR
- South Korea
- Prior art keywords
- substrate
- piezoelectric sensor
- transparent piezoelectric
- electrode layer
- present
- Prior art date
Links
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 title claims description 17
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims abstract description 111
- 239000004205 dimethyl polysiloxane Substances 0.000 claims description 44
- 229920000435 poly(dimethylsiloxane) Polymers 0.000 claims description 44
- -1 polydimethylsiloxane Polymers 0.000 claims description 27
- 238000000034 method Methods 0.000 claims description 14
- 229920000144 PEDOT:PSS Polymers 0.000 claims description 10
- 239000000463 material Substances 0.000 claims description 6
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 claims description 4
- 238000000576 coating method Methods 0.000 claims description 4
- 229920001940 conductive polymer Polymers 0.000 claims description 3
- 238000010030 laminating Methods 0.000 claims description 2
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 abstract description 4
- 239000000243 solution Substances 0.000 description 11
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 10
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 description 9
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 7
- 239000003795 chemical substances by application Substances 0.000 description 5
- 238000002834 transmittance Methods 0.000 description 5
- 238000004088 simulation Methods 0.000 description 4
- LYCAIKOWRPUZTN-UHFFFAOYSA-N Ethylene glycol Chemical compound OCCO LYCAIKOWRPUZTN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 description 3
- 239000010703 silicon Substances 0.000 description 3
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 2
- 239000002086 nanomaterial Substances 0.000 description 2
- WBIQQQGBSDOWNP-UHFFFAOYSA-N 2-dodecylbenzenesulfonic acid Chemical compound CCCCCCCCCCCCC1=CC=CC=C1S(O)(=O)=O WBIQQQGBSDOWNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229920002799 BoPET Polymers 0.000 description 1
- RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N Copper Chemical compound [Cu] RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229920001609 Poly(3,4-ethylenedioxythiophene) Polymers 0.000 description 1
- 239000007864 aqueous solution Substances 0.000 description 1
- 238000009530 blood pressure measurement Methods 0.000 description 1
- 238000005229 chemical vapour deposition Methods 0.000 description 1
- 238000000151 deposition Methods 0.000 description 1
- 230000008021 deposition Effects 0.000 description 1
- 229940060296 dodecylbenzenesulfonic acid Drugs 0.000 description 1
- 229920001971 elastomer Polymers 0.000 description 1
- 239000000806 elastomer Substances 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 238000005530 etching Methods 0.000 description 1
- 239000002070 nanowire Substances 0.000 description 1
- 238000000206 photolithography Methods 0.000 description 1
- 229920001296 polysiloxane Polymers 0.000 description 1
- PISDRBMXQBSCIP-UHFFFAOYSA-N trichloro(3,3,4,4,5,5,6,6,7,7,8,8,8-tridecafluorooctyl)silane Chemical group FC(F)(F)C(F)(F)C(F)(F)C(F)(F)C(F)(F)C(F)(F)CC[Si](Cl)(Cl)Cl PISDRBMXQBSCIP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- BPSIOYPQMFLKFR-UHFFFAOYSA-N trimethoxy-[3-(oxiran-2-ylmethoxy)propyl]silane Chemical compound CO[Si](OC)(OC)CCCOCC1CO1 BPSIOYPQMFLKFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N30/00—Piezoelectric or electrostrictive devices
- H10N30/50—Piezoelectric or electrostrictive devices having a stacked or multilayer structure
-
- H01L41/083—
-
- 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
- G01L1/16—Measuring force or stress, in general using properties of piezoelectric devices
-
- H01L41/27—
-
- H—ELECTRICITY
- H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N30/00—Piezoelectric or electrostrictive devices
- H10N30/01—Manufacture or treatment
- H10N30/05—Manufacture of multilayered piezoelectric or electrostrictive devices, or parts thereof, e.g. by stacking piezoelectric bodies and electrodes
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
- Y02E10/50—Photovoltaic [PV] energy
- Y02E10/549—Organic PV cells
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- Measuring Fluid Pressure (AREA)
- Pressure Sensors (AREA)
Abstract
피라미드 구조의 미세패턴이 형성된 제 1 기판; 상기 제 1 기판의 상기 미세패턴 상에 코팅된 제 1 전극층; 상기 전극층 상에 적층된 제 2 기판; 및 상기 제 2 기판상에 적층된 제 2 전극층을 포함하며, 상기 제 2 기판과 제 1 기판의 가시광선 영역대에서의 광굴절율 차이는 10% 이내인 것을 특징으로 하는 투명 압전센서가 제공된다.
Description
본 발명은 투명 압력센서 그 제조방법 및 이을 활용한 전자기기에 관한 것으로, 보다 상세하게는 높은 투명도와 우수한 센싱 특성을 갖는 미세패턴 기반의 투명 압력센서 그 제조방법 및 이을 포함하는 전자기기에 관한 것이다.
일반적으로 압력센서는 기계적인 에너지를 전기적인 에너지로 변환하는 에너지 변환장치로서 절대압 또는 게이지압을 측정하는데 이용된다.
이 중 투명한 터치패널 등에 이용되는 기술로, 대한민국 공개특허 한국공개특허 10-2016-013966호(선행기술 1)는 기판; 상기 기판 위에 형성되는 복수의 나노 마이크로 구조를 포함하는 나노 구조체층; 상기 나노 구조체층 위에 형성되는 전도층; 및 상기 전도층의 위에 형성되는 전극을 포함하는 압력센서를 개시하고 있다.
또한 대한민국 등록특허 10-1973290호(이하 선행기술 2)는 레이저로 소결되는 소결부의 소결면이 압력에 따라 나노와이어층과 접촉되는 면적이 달라짐으로써 압력을 검지 또는 센싱할 수 있는, 투명유연압력센서를 개시하고 있으며, 대한민국 공개특허 10-2017-0027566호(이하 선행기술 3)은 제1 전극층; 상기 제1 전극층과 이격된 제2 전극층; 및 상기 제1 전극층과 상기 제2 전극층 사이에 형성된 유전층을 포함하며, 상기 유전층은 다공성 탄성중합체로 이루어지는 것을 특징으로 하는 정전용량형 압력센서를 개시하고 있다.
하지만, 상기 선행기술 1 내지 3은 높은 투명도, 넓은 압력 측정범위, 압력에 대한 정전용량의 선형적 변화의 특성을 모두 보이는 압력센서를 재조하기에는 문제가 있다. 따라서, 높은 투명도를 가지면서도 우수한 센싱 특성을 갖는 투명 압전소자의 제조가 필요한 상황이다.
따라서, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 높은 투명도를 가지면서도 우수한 센싱 특성을 갖는 투명 압전센서와 그 제조방법, 이를 활용한 전자기기를 제공하는 것이다.
상기 과제를 해결하기 위하여, 본 발명은 피라미드 구조의 미세패턴이 형성된 제 1 기판; 상기 제 1 기판의 상기 미세패턴 상에 코팅된 제 1 전극층; 상기 제 1 전극층 상에 적층된 제 2 기판; 및 상기 제 2 기판상에 적층된 제 2 전극층을 포함하며, 상기 제 2 기판과 제 1 기판의 가시광선 영역대에서의 광굴절율 차이는 10% 이내인 것을 특징으로 하는 투명 압전센서를 제공한다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 제 1 기판은 상기 제 2 기판보다 연성이 낮다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 제 2 기판이 눌림에 따라 상기 제 1 기판은 피라미드 구조를 유지하면서 높이와 각도가 낮아지는 특성을 갖는다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 제 2 기판은 상기 제 1 기판의 피라미드 구조의 상기 미세패턴을 채운다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 투명 압전센서는, 상기 투명 압전센서에 압력이 가해짐에 따라 변형되는 피라미드 구조의 제 1 전극층의 유효면적 변화를 통하여 상기 가해지는 압력을 측정한다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 제 1 기판 및 제 2 기판은 폴리디메틸실록산이다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 제 1 및 제 2 전극층은 투명전극이다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 피라미드 구조의 높이와 상기 제 2 기판과 상기 피라미드 구조의 꼭지점 간 거리비는 0.5 이상 5 미만이다.
본 발명은 또한 상술한 투명 압전센서를 포함하는 전자기기를 제공한다.
본 발명은 또한 상술한 투명 압전센서의 제조방법으로, 피라미드 형태의 미세패턴이 형성된 제 1 기판 상에 상기 제 1 전극층을 코팅하는 단계; 상기 코팅하는 단계 후 상기 제 2 기판 물질을 상기 제 1 기판 상에 적층하는 단계를 포함하며, 상기 제 2 기판과 제 1 기판의 가시광선 영역대에서의 광굴절율 차이는 10% 이내이다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 제 1 기판은 상기 제 2 기판보다 연성이 낮다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 제 2 기판은 상기 제 1 기판의 피라미드 구조의 상기 미세패턴을 채울 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 제 1 기판 및 제 2 기판은 폴리디메틸실록산이고, 상기 제 1 전극층은 PEDOT:PSS 전도성 고분자이다.
본 발명에 따른 압력센서는 유사한 굴절율의 기판을 피라미드 구조에 사용하여 우수한 광투과도를 갖는다. 또한 압력인가시에도 피라미드 구조를 유지하는 패턴으로 전극을 구성하여 높은 선형성과 민감도를 얻을 수 있다. 따라서, 압력센서가 필요한 모든 전자소자, 예를 들어 디스플레이 등의 전자기기에 효과적으로 사용될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 투명 압전센서의 단면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 본 발명의 일 실시예에 따른 압력센서의 정전용량 변화 센싱 원리를 설명하는 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 투명 압력센서의 압력인가시 시뮬레이션 결과이다.
도 4는 제 2 기판 없이 전극층을 누르는 경우의 시뮬레이션 결과이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 투명 압력센서의 제조방법을 설명하는 도면이다.
도 6은 본 발명의 투명도 원리를 설명하는 도면이고, 도 5는 발명의 일 실시예에 따라 하드 폴리디메틸실록산/PEDOT:PSS/소프트 폴리디메틸실록산을 각각 제 1 기판/전극층/제 2 기판을 사용한 경우 센서의 투과도를 측정한 그래프이다.
도 8은 피라미드 구조의 패턴을 갖는 제 1 기판만을 사용한 경우(우측)과 유사한 굴절율을 갖는 제 2 기판과 제 1 전극층을 사용함에 따라 산란 등의 문제가 현저히 사라지는 것을 나타내는 사진이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 센서의 압력 증가에 따른 정전용량 변화를 측정한 그래프이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 센서의 민감도를 측정한 그래프이다.
도 11은 폴리디메틸실록산 베이스 용액에 경화제를 달리하여 제 2 기판을 제조한 경우의 센싱 효과를 측정한 결과이다
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 센서의 단면도이고, 도 13은 제 2 기판의 두께(즉, 피라미드 꼭지점과 제 2 기판 표면사이 거리)를 달리하는 경우의 센싱 특성을 분석한 그래프이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 본 발명의 일 실시예에 따른 압력센서의 정전용량 변화 센싱 원리를 설명하는 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 투명 압력센서의 압력인가시 시뮬레이션 결과이다.
도 4는 제 2 기판 없이 전극층을 누르는 경우의 시뮬레이션 결과이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 투명 압력센서의 제조방법을 설명하는 도면이다.
도 6은 본 발명의 투명도 원리를 설명하는 도면이고, 도 5는 발명의 일 실시예에 따라 하드 폴리디메틸실록산/PEDOT:PSS/소프트 폴리디메틸실록산을 각각 제 1 기판/전극층/제 2 기판을 사용한 경우 센서의 투과도를 측정한 그래프이다.
도 8은 피라미드 구조의 패턴을 갖는 제 1 기판만을 사용한 경우(우측)과 유사한 굴절율을 갖는 제 2 기판과 제 1 전극층을 사용함에 따라 산란 등의 문제가 현저히 사라지는 것을 나타내는 사진이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 센서의 압력 증가에 따른 정전용량 변화를 측정한 그래프이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 센서의 민감도를 측정한 그래프이다.
도 11은 폴리디메틸실록산 베이스 용액에 경화제를 달리하여 제 2 기판을 제조한 경우의 센싱 효과를 측정한 결과이다
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 센서의 단면도이고, 도 13은 제 2 기판의 두께(즉, 피라미드 꼭지점과 제 2 기판 표면사이 거리)를 달리하는 경우의 센싱 특성을 분석한 그래프이다.
이하, 본 발명에 따른 투명 압력센서 그 제조방법 및 이을 포함하는 전자기기의 바람직한 실시예를 첨부한 도면들에 의거하여 상세히 설명한다. 참고로, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어와 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석해야만 한다. 또한, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고, 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
본 발명은 상술한 종래의 압력센서가 갖는 문제, 즉, 낮은 투명도와 비선형적인 압력센싱의 문제를 해결하기 위하여, 유사한 광 굴절률을 갖는 물질들을 활용하여 센서의 투명도를 극대화한다.
또한 압력에 따라 변형가능한 피라미드 패턴을 이용, 압력에 따라 변화되는 전극간 면적을 이용, 압력에 따라 선형적인 전기적 신호를 얻을 수 있다. 이로써 압력의 증감에 대응하여 보다 정확한 압력센싱이 가능하다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 투명 압전센서의 단면도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 투명 압전센서는 피라미드 구조의 미세패턴이 형성된 제 1 기판(100)과, 상기 제 1 기판의 상기 미세패턴 상에 코팅된 제 1 전극층(200); 그리고 상기 전극층 상에 적층된 제 2 기판(300)을 포함한다.
본 발명의 일 실시예에서 상기 제 1 기판(100)과 제 2 기판(300) 모두 폴리디메틸실록산(PDMS)를 사용하였는데, 제 1 기판은 하드 폴리디메틸실록산, 제 2 기판은 소프트 폴리디메틸실록이었다.
본 발명은 특히 광이 조사되는 센서 전면이 제 2 기판(300)과 피라미드 패턴 상에 코팅된 제 1 전극층(200)의 광 굴절율을 유사하게 함으로써 조사되는 광의 산란과 굴절을 최소화하여 투명도를 극대화하였으며, 본 발명의 일 실시예에서는 투명 PEDOT:PSS의 전도성 고분자를 전극층으로 사용하였으나, 적어도 일정수준의 투명도를 갖는 한 이는 모두 본 발명의 범위에 속한다.
본 발명은 이러한 유사한 굴절율(굴절율 차이가 가시광선 영역대에서 최대 10% 이내) 물질을 하부 피라미드 구조 기판과, 상기 하부 피라미드 구조를 채우는 기판으로 사용하였다. 즉, 본 발명의 일 실시예에서는 연성만 다를 뿐 굴절율이 사실상 동일한 폴리디메틸실록산을 사용하여 이러한 투명성을 얻었으나, 굴절율이 유사한 경우, 따라서, 본 발명의 범위는 두 기판 간의 굴절율이 가시광선대에서 10% 이내라면 적어도 일정 수준 이상으로 투명한 압력센서를 얻을 수 있으며, 이는 모두 본 발명의 범위에 속한다.
또 다른 측면에서, 본 발명에 따른 투명 압력센서는 압력인가에 따라 변형되는 피라미드 구조 전극층의 면적변화를 이용하여 정전용량 변화를 선형적으로 높은 민감도로 센싱할 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 본 발명의 일 실시예에 따른 압력센서의 정전용량 변화 센싱 원리를 설명하는 도면이다.
도 2를 참조하면, 압력이 커짐에 따라 피라미드 구조의 전극 패턴은 더 심하게 눌리게 되며, 이로써 두 전극 사이의 유효 면적(Aeff)는 극대화되어 정전용량의 선형적 변화를 유도한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 투명 압력센서의 압력인가시 시뮬레이션 결과이고, 도 4는 제 2 기판 없이 전극층을 누르는 경우의 시뮬레이션 결과이다.
도 3 및 4를 참조하면, 제 2 기판(높은 연성 기판)이 눌림에 따라 본 발명에 따른 제 1 기판(낮은 연성 기판)의 피라미드 PDMS는 피라미드 형태를 유지한 채 넓게 퍼지는 것을 알 수 있다. 도 3에서는, 도 4와 달리 보다 강한 강성을 갖는 제 1 기판 PDMS는 꼭지점을 유지한 채 높이만 낮아지고 이에 따라 상대전극과 가까워지는 투명 압력센서의 전극면적(유효면적)이 넓어지게 된다.
즉, 본 발명은 최초 압력인가 전에는 위쪽의 상대 전극과 가까운 피라미드 꼭지점 부분만 가까워 이 부분만이 전체 정전용량을 결정하게 되지만, 눌리고 난 뒤에는 피라미드의 높이와 각도가 선형적으로 낮아지며, 이에 따라 상부전극과 가까워지는 면적(유효면적으로, 정전용량 특성에 영향을 줄 수 있는 전극간 거리 범위의 전극면적)이 점차 많아지게 된다.
이상 살핀 바와 같이 본 발명은 압력이 인가됨에 따라 피라미드의 형태인 꼭지점(뿔)은 그대로 유지한 채 높이와 각도가 낮아지며, 이로써 전체적으로 선형적인 유효면적(상대전극과의 유효거리를 갖는 전극면적)이 증가, 선형의 압력신호를 센싱할 수 있다.
이하 본 발명의 일 실시예에 따른 투명 압력센서 및 제조방법을 실시예 및 실험예로 보다 상세히 설명한다.
실시예
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 투명 압력센서의 제조방법을 설명하는 도면이다. 이하 보다 상세한 실험예로서 도 5를 보다 상세히 설명한다.
마이크로 피라미드 패턴 몰드 제작
먼저 불소화 표면을 갖는 에칭된 피라미드형 실리콘 몰드는 포토리소그래피, 이방성 에칭 및 트리클로로-(1H, 1H, 2H, 2H- 퍼플루오로옥틸)실란의 화학 기상 증착을 사용하여 제조되었다.
피라미드의 기본 너비와 높이는 각각 55 μm와 35 μm이었으며, 피라미드 사이의 간격이 다른 세 가지 유형의 실리콘 몰드를 사용하였다(20μm, 50μm 및 90μm). PDMS (Sylgard 184, Dow corning, USA)베이스 용액 및 경화제를 10:1의 중량비로 기계적으로 혼합하고, 기포를 제거하기 위해 탈기시키고, 실리콘 몰드에 부어 PDMS 피라미드 몰드를 제조하였다. PDMS를 80 ℃에서 3 시간 동안 경화시키고 몰드로부터 올리고, PDMS 피라미드 몰드를 사용하여, 상기 단계를 반복하여 원래 실리콘 몰드와 동일한 에칭 피라미드 패턴을 갖는 다른 PDMS 피라미드 몰드를 조 하였다.
투명한 선형 압력 센서 제작
PDMS 베이스 용액 및 경화제는 하드 폴리디메틸실록산(PDMS)의 경우 2:1, 소프트 폴리디메틸실록산(PDMS) 경우 30:1의 중량비로 기계적으로 혼합하였다. 이어서 경질의 하드 폴리디메틸실록산(PDMS) 용액을 피라미드형 폴리디메틸실록산 몰드 상에 800rpm으로 30 초 동안 스핀 코팅하고, 오븐에 넣고 80 ℃에서 3 시간 동안 가열하였다. 그 후, 경화된 하드 폴리디메틸실록산 피라미드를 몰드로부터 박리하였다. 제 1 기판인 하드 폴리디메틸실록산은 제 1 전극층인 PEDOT:PSS의 증착 전에 O2 플라즈마로 처리되었다. PEDOT:PSS 수용액 (M122 PH1000 100 ml)을 Ossila로부터 구입하였으며, 이 용액 1 ml를 에틸렌글리콜 50μl, 도데실벤젠술폰산 1μl 및 (3- 글리시딜옥시프로필)트리메톡시 실란 10μl와 혼합하여 PEDOT:PSS 용액의 전도성을 향상시켰다. 이어서, 제조된 PEDOT:PSS 용액을 2000rpm에서 30 초 동안 경질 PDMS 피라미드 상에 스핀 코팅 하였다. 스핀 코팅된 샘플을 핫 플레이트 상에 놓고 100 ℃에서 10 분 동안 가열하였다. 그 후, 구리 와이어를 제 1 전극층인 코팅 PEDOT: PSS 층에 부착하였다. 이후 소프트 폴리디메틸실록산 용액을 이 샘플 상에 1000 rpm으로 30초 동안 스핀 코팅 하였다. 코팅 된 샘플을 오븐에 넣고 80 ℃에서 12 시간 동안 가열하였다. 이후 부드러운 PDMS 표면이 위를 향하게 하여 제 2 전극층인 ITO / PET 필름을 센서에 위치시켰다.
실험예
투명도 분석
본 실험예에서는 유사 굴절율을 갖는 소재와 피라미드 구조의 미세패턴을 함께 사용한 본 발명의 투명센서가 갖는 투명도를 분석하였다.
도 6은 본 발명의 투명도 원리를 설명하는 도면이고, 도 7은 발명의 일 실시예에 따라 하드 폴리디메틸실록산/PEDOT:PSS/소프트 폴리디메틸실록산을 각각 제 1 기판/전극층/제 2 기판을 사용한 경우 센서의 투과도를 측정한 그래프이다.
도 6 및 7을 참조하면, 피라미드 구조(제 1 기판) 및 이를 채우는 상부 기판(제 2 기판)의 유사 굴절율에 따라 투명도가 달라지며, 특히 도 5의 결과를 보면 우선 제 1 기판만을 사용한 경우(strucure 1, hard))은 투과도가 불과 40% 미만이었다. 이것은 도 4와 같이 조사되는 가시광선대의 빛이 바로 피라미드 구조에 의하여 굴절, 반사, 산란되기 때문이다. 하지만, 전극층(PEDOT:PSS)을 사이에 두고 동일/유사(가시광선 영역대 빛에 대한 굴절율 차이가 10% 이내)한 굴절률의 기판(soft PDMS)를 사용한 경우, 투명율은 전극층 사용에도 불구하고 80%이상을 얻을 수 있는 것을 알 수 있다.
도 8은 피라미드 구조의 패턴을 갖는 제 1 기판만을 사용한 경우(우측)과 유사한 굴절율을 갖는 제 2 기판을 사용함에 따라 산란 등의 문제가 현저히 사라지는 것을 나타내는 사진이다.
센싱 효과 분석
본 실험예에서는 상기 실시예에 따른 투명 압력센서(본 발명)과 제 1 전극층을 사용하지 않고 제 1 기판 하부와 제 2 기판 상부에 전극층을 둔 경우(pyramid PDMS), 그리고 피라미드 패턴을 넣지 않은 경우(bare PDMS film)의 압력세기에 따른 정전용량 변화와 민감도를 측정하였다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 압력 증가에 따른 정전용량 변화를 측정한 그래프이고, 도 10은 민감도를 측정한 그래프이다.
도 9 및 10을 참조하면, 청색으로 나타내는 본 발명의 압력센서가 우수한 선형성을 보디는 것을 알 수 있다. 이것은 상술한 바와 같이 피라미드의 꼭지점이 무너짐에 따라 전극간 유효면적이 급격하게 증가되는 구조와 달리 본 발명에 따른 센서는 피라미드 구조를 유지한 채 높이와 각도만 선형적으로 낮아지므로(즉, 피라미드 구조가 상부 물질층보다 강한 강도이어야 함), 실질적인 유효면적 또한 선형적으로 커지며, 이로써 넓은 압력 범위 (100 kPa)에서도 일정한 민감도를 가짐을 알 수 있다.
본 발명에 따른 투명 압력센서는 상술한 바와 같이 높은 투과도(80% 이상 가시광선대)를 유지하면서도, 압력인가시에도 피라미드 구조를 유지하는 전극으로 인하여 높은 선형성과 민감도를 얻을 수 있다. 따라서, 압력센서가 필요한 모든 전자소자, 예를 들어 디스플레이 등의 전자기기에 사용될 수 있다.
물질연성 효과
본 발명은 상술한 바와 같이 연성의 차이를 둠으로써 보다 낮은 연성의 하부 피라미드 구조가 압력 인가시에도 유지됨으로써 센싱 민감도를 향상시킨다.
하지만, 위쪽의 제 2 기판이 하부 제 1 기판과 동일한 연성을 갖는 경우는 이러한 센싱효과가 줄어들게 된다.
도 11은 폴리디메틸실록산 베이스 용액에 경화제를 달리하여 제 2 기판을 제조한 경우의 센싱 효과를 측정한 결과이다. 도 11의 수치 비율은 폴리디메틸실록산 베이스 용액: 경화제의 중량비로서, 베이스 용액의 비율이 높아질수록 폴리디메틸실록산은 더 소프트해진다. 즉, 30:1 
20:1 
10:1 순으로 폴리디메틸실록산이 점점 연성이 낮아진다.
도 11을 참조하면, 하드 폴리디메틸실록산과 소프트 폴리디메틸실록산의 단단함 차이가 센서의 성능에 어떻게 영향을 미치는지를 확인하기 위하여 소프트 기판의 연성을 10:1, 20:1의 비율로 바꾸어 센서 성능 측정을 진행하였다. 도 11에서 볼 수 있듯이, 하드 폴리디메틸실록산을 사용함에 따라 센서가 선형적으로 압력에 반응하는 폭이 감소하고, 압력에 대한 민감도가 빠르게 감소하는 것을 확인할 수 있다. 따라서 하드기판/하드기판으로 피라미드 구조의 센서를 제조하는 경우, 본 발명과 같은 센서의 선형적인 변화를 얻을 수가 없다.
제 2 기판 두께 효과
연성이 높은 소프트 기판인 제 2 기판의 두께는 센서의 성능에 영향을 미치게 된다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 센서의 단면도이고, 도 13은 제 2 기판의 두께(즉, 피라미드 꼭지점과 제 2 기판 표면사이 거리)를 달리하는 경우의 센싱 특성을 분석한 그래프이다.
도 12 및 13을 참조하면, 소프트한 제 2 기판의 두께가 얇을수록 센서가 높은 선형성을 보임을 확인할 수 있었습니다. 이는 제2기판의 두께가 두꺼워질수록 C=εA/d (A:면적, d:전극간 거리) 식에서 C에 d가 미치는 영향이 커지기 때문이다. 즉, 본 발명에 따른 센서가 이러한 선형성 반응을 보이는 이유는 A의 효과가 지배적인 데, 소프트 기판층이 두꺼워지면 d의 효과가 증가하는데 비해 A의 영향은 줄어들게 된다. 따라서, 상기 피라미드 높이와 피라미드 꼭지점과 제 2 기판 표면사이 거리의 비율은 0.5 내지 5사이인 것이 바람직하다. 즉, 도 13의 결과로부터 피라미드 높이(35㎛) 대비 두께가 150㎛인 경우 선형성이 현저히 낮아지는 것을 알 수 있다. 따라서, 피라미드 높이(35㎛) 대비 두께의 비율은 5 미만인 것이 바람직하다. 1
본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니다. 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명에 따른 구성요소를 치환, 변형 및 변경할 수 있다는 것이 명백할 것이다.
Claims (13)
- 피라미드 구조의 미세패턴이 형성된 제 1 기판;
상기 제 1 기판의 상기 미세패턴 상에 코팅된 제 1 전극층; 및
상기 제 1 전극층 상에 적층된 제 2 기판;
상기 제 2 기판상에 적층된 제 2 전극층을 포함하며,
상기 제 2 기판과 제 1 기판의 가시광선 영역대에서의 광굴절율 차이는 10% 이내이고, 상기 피라미드 구조의 높이와 상기 제 2 기판과 상기 피라미드 구조의 꼭지점 간 거리비는 0.5 이상 5 미만인 것을 특징으로 하는 투명 압전센서. - 제 1항에 있어서,
상기 제 1 기판은 상기 제 2 기판보다 연성이 낮은 것을 특징으로 하는 투명 압전센서. - 제 1항에 있어서,
상기 제 2 기판이 눌림에 따라 상기 제 1 기판은 피라미드 구조를 유지하면서 높이와 각도가 낮아지는 특성을 갖는 것을 특징으로 하는 투명 압전센서. - 제 1항에 있어서,
상기 제 2 기판은 상기 제 1 기판의 피라미드 구조의 상기 미세패턴을 채우는 것을 특징으로 하는 투명 압전센서. - 제 2항에 있어서,
상기 투명 압전센서는, 상기 투명 압전센서에 압력이 가해짐에 따라 변형되는 피라미드 구조의 제 1 전극층의 유효면적 변화를 통하여 상기 가해지는 압력을 측정하는 것을 특징으로 하는 투명 압전센서. - 제 1항에 있어서,
상기 제 1 기판 및 제 2 기판은 폴리디메틸실록산인 것을 특징으로 하는 투명 압전센서. - 제 6항에 있어서,
상기 제 1 및 제 2 전극층은 투명전극인 것을 특징으로 하는 투명 압전센서. - 삭제
- 제 1항 내지 제 7항 중 어느 한 항에 따른 투명 압전센서를 포함하는 전자기기.
- 제 1항 내지 제 7항 중 어느 한 항에 따른 투명 압전센서의 제조방법으로,
피라미드 구조의 미세패턴이 형성된 제 1 기판 상에 상기 제 1 전극층을 코팅하는 단계;
상기 코팅하는 단계 후 상기 제 2 기판 물질을 상기 제 1 기판 상에 적층하는 단계를 포함하며,
상기 제 2 기판과 제 1 기판의 가시광선 영역대에서의 광굴절율 차이는 10% 이내이며,
상기 피라미드 구조의 높이와 상기 제 2 기판과 상기 피라미드 구조의 꼭지점 간 거리비는 0.5 이상 5 미만인 것을 특징으로 하는 투명 압전센서의 제조방법. - 제 10항에 있어서,
상기 제 1 기판은 상기 제 2 기판보다 연성이 낮은 것을 특징으로 하는 투명 압전센서의 제조방법. - 제 10항에 있어서,
상기 제 2 기판은 상기 제 1 기판의 피라미드 구조의 상기 미세패턴을 채우는 것을 특징으로 하는 투명 압전센서의 제조방법. - 제 10항에 있어서,
상기 제 1 기판 및 제 2 기판은 폴리디메틸실록산이고, 상기 제 1 전극층은 PEDOT:PSS 전도성 고분자인 것을 특징으로 하는 투명 압전센서의 제조방법.
Priority Applications (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020200035417A KR102431074B1 (ko) | 2020-03-24 | 2020-03-24 | 투명 압력센서, 그 제조방법 및 이을 포함하는 전자기기 |
| US17/109,731 US11614377B2 (en) | 2020-03-24 | 2020-12-02 | Transparent and highly sensitive pressure sensor with improved linearity and pressure sensitivity |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020200035417A KR102431074B1 (ko) | 2020-03-24 | 2020-03-24 | 투명 압력센서, 그 제조방법 및 이을 포함하는 전자기기 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| KR20210119050A KR20210119050A (ko) | 2021-10-05 |
| KR102431074B1 true KR102431074B1 (ko) | 2022-08-10 |
Family
ID=78077699
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| KR1020200035417A KR102431074B1 (ko) | 2020-03-24 | 2020-03-24 | 투명 압력센서, 그 제조방법 및 이을 포함하는 전자기기 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| KR (1) | KR102431074B1 (ko) |
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR101269395B1 (ko) * | 2010-06-28 | 2013-05-29 | 한양대학교 산학협력단 | 센서 소자 및 이를 제조하는 방법 |
| KR101759861B1 (ko) * | 2016-02-24 | 2017-07-20 | 충남대학교산학협력단 | 압전소자의 제조 방법 |
| KR102063258B1 (ko) * | 2018-05-25 | 2020-01-07 | 울산과학기술원 | 실레인 결합층을 가지는 나노 구조체 전극을 포함하는 센서 |
Family Cites Families (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| AU2014211862B2 (en) * | 2013-01-29 | 2017-05-18 | Suzhou Institute Of Nano-Tech And Nano-Bionics (Sinano), Chinese Academy Of Sciences | Electronic skin, preparation method and use thereof |
| KR20170085865A (ko) * | 2016-01-15 | 2017-07-25 | 성균관대학교산학협력단 | 패턴화된 상면을 갖는 압전 물질층을 포함한 압전 에너지 발전 소자 및 이를 포함한 센서, 그리고 이의 제조 방법 |
-
2020
- 2020-03-24 KR KR1020200035417A patent/KR102431074B1/ko active IP Right Grant
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR101269395B1 (ko) * | 2010-06-28 | 2013-05-29 | 한양대학교 산학협력단 | 센서 소자 및 이를 제조하는 방법 |
| KR101759861B1 (ko) * | 2016-02-24 | 2017-07-20 | 충남대학교산학협력단 | 압전소자의 제조 방법 |
| KR102063258B1 (ko) * | 2018-05-25 | 2020-01-07 | 울산과학기술원 | 실레인 결합층을 가지는 나노 구조체 전극을 포함하는 센서 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| KR20210119050A (ko) | 2021-10-05 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US10670429B2 (en) | Capacitive bending sensors | |
| US10430001B2 (en) | Mesh patterns for touch sensor electrodes | |
| US10078027B2 (en) | Pressure sensing element including electrode having protrusion | |
| KR101553786B1 (ko) | 정전용량형 압력 센서와 그 제조 방법 및 입력 장치 | |
| US7765880B2 (en) | Flexible piezoresistive interfacial shear and normal force sensor and sensor array | |
| US20110226069A1 (en) | Flexible force or pressure sensor array using semiconductor strain gauge, fabrication method thereof and measurement method thereof | |
| KR20110042924A (ko) | 압저항 방식의 터치 패널, 그 제조방법, 이를 포함하는 디스플레이 장치, 터치 패드 및 압력센서 | |
| CN113074843B (zh) | 一种多功能平面电容式柔性传感器及其制备方法 | |
| JP2006208248A (ja) | 触覚センサ及びその製造方法 | |
| SG186204A1 (en) | Positional touch sensor with force measurement | |
| Tsouti et al. | Modeling and development of a flexible carbon black-based capacitive strain sensor | |
| KR101991721B1 (ko) | 동일 평면 상의 수평 배치형 전극을 포함하는 압력 센서 및 그 제조 방법과 상기 압력 센서를 이용한 다축 촉각 센서 | |
| KR20140146594A (ko) | 감광 촉각 센서 | |
| KR101691910B1 (ko) | 스트레인 센서 및 그 제조 방법 | |
| Liu et al. | A novel capacitive pressure sensor based on non-coplanar comb electrodes | |
| Palaniappan et al. | Highly sensitive and flexible M-tooth based hybrid micro-structured capacitive pressure sensor | |
| KR102431074B1 (ko) | 투명 압력센서, 그 제조방법 및 이을 포함하는 전자기기 | |
| CN117516767A (zh) | 电阻式压力传感器及其制造方法 | |
| US10831319B2 (en) | Cluster sensor | |
| KR101018198B1 (ko) | 방향성 광 결합을 이용한 광 압력 센서 및 이의 제조방법 | |
| Yu et al. | Capacitive stretchable strain sensor with low hysteresis based on wavy-shape interdigitated metal electrodes | |
| KR101570409B1 (ko) | 돔 구조의 스트레인 게이지 압력센서 및 그 제조방법 | |
| CN110487168B (zh) | 单向弯曲敏感传感器及其制备方法 | |
| US11614377B2 (en) | Transparent and highly sensitive pressure sensor with improved linearity and pressure sensitivity | |
| KR101356730B1 (ko) | 압저항 방식의 터치 패널 및 그 제조방법 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| E902 | Notification of reason for refusal | ||
| E701 | Decision to grant or registration of patent right |