KR102620603B1 - 센서 및 센서의 동작방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은, 기판, 상기 기판 상에 나선 형태로 형성된 안테나 패턴, 상기 기판 상에 형성되며, 서로 평행하게 이격된 제1, 2 전극, 상기 제1, 2 전극 각각과 연결되게 형성된 회로 배선 및 상기 안테나 패턴 및 상기 회로 배선에 본딩된 소자를 포함하고, 상기 제1, 2 전극의 단면은, 곡률을 가지는 형상인 센서를 제공한다.

Description

센서 및 센서의 동작방법

본 발명은 센싱 대상 물질의 염도 및 수질을 측정하기 용이한 센서 및 센서의 동작방법에 관한 것이다.

최근 식생활의 변화로 인해 고혈압, 고지혈증, 당뇨병 등 성인병 환자들의 수가 급증하여 사회적인 이슈가 되고 있다. 그러나, 대개의 경우 질병이 일정 수준으로 진행된 상태에서 발견되는 경우가 많아, 이로 인한 사회적 비용(건강 검진 비용 및 치료를 위한 의료 비용)이 증가하고 있는 실정이다. 또한 성인병 등을 예방하기 위해 식품의 안전성에 대한 대중들의 관심이 높아지고 있으며 야채, 과일의 잔류 농약에 대한 안정성 여부에 대한 관심도 높아지고 있다.

그런데 식품의 안전성 등 다양한 검출 정보를 개별적으로 검사하기 위해서는 많은 비용이 투입되어야 하고 검사를 위한 불편이 동반된다. 또한 포괄적으로 그리고 지속적으로 식품의 안전성을 관리하기는 매우 불편하고 어려운 것이 현실이다.

종래에는, 음식물의 염도나 당도, 혹은 식용 유지(fat and oil)의 변성 등을 확인하기 위해 단말기 형태의 센서를 이용해왔다. 단말기 형태의 센서는 독립적으로 음식물의 염도 등을 검사하고 그 검사 결과를 사용자에게 제공할 수 있는 장점을 갖는다. 반면 단말기 형태의 센서는 다음과 같은 몇 가지 단점을 가지고 있다.

먼저 단말기 형태의 센서는 작동을 위해 별도의 전원 또는 배터리를 필요로 하기 때문에, 전원이 공급되기 어려운 환경에서 작동할 수 없다.

또한 단말기 형태의 센서는 제품의 단가가 상대적으로 고가여서 대중화되기 어렵다.

마지막으로 단말기 형태의 센서는 휴대하기 불편하다.

따라서 단말기 형태의 센서가 갖는 단점을 해결할 수 있는 센서의 개발이 요구되고 있다.

본 발명의 목적은, 센싱 대상 물질의 염도 및 수질을 측정할 수 있는 센서 및 센서의 동작방법을 제공함에 있다.

또한, 본 발명의 목적은, 센싱 대상 물질의 염도 및 수질 측정 시, 센싱 전극의 산화 및 부식을 억제할 수 있는 센서 및 센서의 동작방법을 제공함에 있다.

또한, 본 발명의 목적은, 외부기기로부터 수신한 무선 신호를 에너지 하베스팅하여 생성한 직류 전원으로 센싱 대상 물질의 염도 및 수질을 측정할 수 있는 센서 및 센서의 동작방법을 제공함에 있다.

또한, 본 발명의 목적은, 외부기기로부터 수신한 무선 신호를 에너지 하베스팅하여 생성한 직류 전원으로 센싱 대상 물질의 염도 및 수질을 측정한 결과에 대응하는 디지털 신호를 외부기기로 송신하며, 향상된 휴대성을 가지는 센서 및 센서의 동작방법을 제공함에 있다.

그러나, 이러한 본 발명의 목적은 상기의 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

본 발명의 제1 실시 예에 따른 센서는, 기판, 상기 기판 상에 나선 형태로 형성된 안테나 패턴, 상기 기판 상에 형성되며, 서로 평행하게 이격된 제1, 2 전극, 상기 제1, 2 전극 각각과 연결되게 형성된 회로 배선 및상기 안테나 패턴 및 상기 회로 배선에 본딩된 소자를 포함하고, 상기 제1, 2 전극의 단면은, 곡률을 가지는 형상일 수 있다.

상기 제1, 2 전극은, 상기 기판을 기준으로 예각의 접촉각을 이룰수 있으며, 상기 제1, 2 전극의 폭은, 50 ㎛ 내지 200 ㎛ 이고, 상기 제1, 2 전극 사이의 간격은, 900 ㎛ 내지 1,500 ㎛ 이며, 상기 제1, 2 전극의 두께는, 700 ㎚ 내지 15 ㎛ㅇ일 수 있다.

본 발명의 제1 실시 예에 따른 센서는, 상기 회로 배선의 적어도 일부에 배치되며, 상기 제1, 2 전극을 노출시키는 윈도우가 형성된 회로 절연층을 더 포함하며, 상기 회로 절연층의 두께는, 상기 제1, 2 전극보다 두꺼우며, 800 ㎚ 내지 30㎛ 일 수 있다.

상기 제1, 2 전극 각각은, 길이 방향으로 제1, 2 단부 및 상기 제1, 2 단부 사이의 중앙부를 포함하고, 상기 윈도우는, 상기 중앙부를 노출시킬 수 있다.

상기 중앙부의 길이는, 500㎛ 내지 2000㎛일 수 있다.

본 발명의 제1 실시 예에 따른 센서는, 상기 회로 절연층과 동일한 소재 및 두께로 상기 안테나 패턴의 적어도 일부에 배치되는 안테나 절연층 및 상기 안테나 절연층에 배치되고, 상기 안테나 패턴의 두 부분을 서로 연결하고, 상기 안테나 패턴과 상기 회로 배선을 서로 연결하는 안테나 브릿지를 더 포함할 수 있다.

상기 안테나 패턴, 상기 제1, 2 전극 및 상기 회로 배선 중 적어도 하나는, 은(Ag), 구리(Cu) 및 알루미늄(Al) 중 적어도 하나를 포함하며, 구형 또는 플레이크(Flake)의 형상을 갖는 고체 입자 및 폴리에틸렌 옥사이드(polyethylene oxide, PEO) 계열, 올레산(oleic acid) 계열, 아크릴레이트(acrylate) 계열, 아세테이트(acetate) 계열 및 에폭시(epoxy) 계열 중 적어도 하나의 유기물을 포함할 수 있다.

상기 안테나 패턴, 상기 제1, 2 전극 및 상기 회로 배선 중 적어도 하나는, 기공을 가질 수 있다제.

상기 기판은, 연성을 갖는 플라스틱 레이어 및 상기 플라스틱 레이어와, 상기 안테나 패턴, 상기 제1, 2 전극 및 상기 회로 배선 사이에 형성된 실리카 레이어를 포함할 수 있다.

상기 안테나 패턴의 선폭은, 500㎛ 내지 1,500㎛ 이고, 상기 안테나 패턴의 라인들 사이의 간격은, 300㎛ 내지 700㎛ 일 수 있다.

상기 안테나 패턴, 상기 센싱 전극 및 상기 회로 배선은, 분말 잉크 또는 페이스트로 형성되며, 상기 분말 잉크 또는 상기 페이스트의 조성은, 은(Ag), 구리(Cu) 및 알루미늄(Al) 중 적어도 하나를 포함하며, 40~70 중량%를 갖는 고체 입자 및 폴리에틸렌 옥사이드(polyethylene oxide, PEO) 계열, 올레산(oleic acid) 계열, 아크릴레이트(acrylate) 계열, 아세테이트(acetate) 계열 및 에폭시(epoxy) 계열 중 적어도 하나의 30~60 중량%를 갖는 유기물을 포함할 수 있다.

상기 분말 잉크 또는 상기 페이스트는, 아세톤(acetone), 알릴알코올(allyl alcohol), 아세트산(acetic acid), 아세톨(acetol), 메틸알코올(methylalcohol) 및 벤젠(Benzene)으로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나의 용매에 의해 조성될 수 있다.

본 발명의 제2 실시 예에 따른 센서는, 기판, 상기 기판 상에 나선 형태로 형성되고, 외부 기기로부터 무선 신호를 수신하며, 상기 외부 기기로 디지털 신호를 송신하는 안테나 패턴, 상기 기판 상에 서로 평행하게 이격되며, 센싱 대상 물질이 접촉되어 임피던스의 변화에 해당하는 입력된 교류 전원의 변화를 나타내는 측정값을 센싱하는 제1, 2 전극, 상기 제1, 2 전극 각각과 연결되게 형성된 회로 배선 및 상기 안테나 패턴 및 상기 회로 배선에 본딩된 소자를 포함하고, 상기 안테나 패턴, 상기 제1, 2 전극 및 상기 회로 배선은, 동일한 소재 및 동일한 레이어로 형성되고,

상기 소자는, 상기 무선 신호로 상기 교류 전원을 생성하여 상기 회로 배선을 통해 상기 제1, 2 전극으로 공급하며, 상기 측정값에 대응하는 상기 디지털 신호를 생성하여 상기 안테나 패턴을 통해 상기 외부 기기로 송신하는 할 수 있다.

본 발명의 제3 실시 예에 따른 센서는, 기판, 상기 기판 상에 나선 형태로 형성되고, 외부 기기로부터 무선 신호를 수신하며, 상기 외부 기기로 디지털 신호를 송신하는 안테나 패턴, 상기 기판 상에 서로 평행하게 이격되며, 센싱 대상 물질이 접촉되어 임피던스의 변화에 해당하는 입력된 교류 전원의 변화를 나타내는 측정 전압을 센싱하는 제1, 2 전극, 상기 제1, 2 전극 각각과 연결되게 형성된 회로 배선 및 상기 안테나 패턴 및 상기 회로 배선에 본딩된 소자를 포함하고, 상기 소자는, 상기 안테나 패턴으로부터 상기 무선 신호를 수신하고, 상기 안테나 패턴으로 송신되게 상기 디지털 신호를 공급하는 통신부, 상기 무선 신호로 직류 전원을 생성하는 전원생성부 및 상기 직류 전원으로 웨이크 업되며, 상기 직류 전원을 교류 전원으로 변환하여 상기 제1, 2 전극으로 공급하고, 상기 센싱 대상 물질이 접촉되는 경우 상기 제1, 2 전극 사이의 임피던스 변화에 대응하는 상기 측정 전압에 따라 상기 센싱 대상 물질의 수질을 나타내는 이온 농도 및 상기 센싱 대상 물질의 염도 중 적어도 하나에 해당하는 상기 디지털 신호를 생성하여 상기 통신부로 공급하는 제어부를 포함할 수 있다.

상기 무선 신호가 상기 이온 농도의 측정을 요청하는 신호인 경우, 상기 제어부는, 상기 직류 전원으로 설정된 제1 구동 전류가 상기 제1, 2 전극으로 공급되게 상기 전원생성부를 제어하며, 상기 측정 전압이 설정된 이온 기준 전압을 만족하면 상기 측정 전압을 설정된 제1 로그 함수에 적용하여 산출한 상기 이온 농도에 대응하는 상기 디지털 신호를 생성할 수 있다.

상기 측정 전압이 상기 이온 기준 전압을 만족하지 않는 경우, 상기 제어부는, 상기 직류 전원으로 상기 제1 구동 전류보다 낮은 제2 구동 전류가 상기 제1, 2 전극으로 재 공급되게 상기 전원생성부를 제어하며, 상기 측정 전압이 상기 이온 기준 전압을 만족하면 설정된 상기 측정 전압을 상기 제1 로그 함수와 다른 제2 로그 함수에 적용하여 산출한 상기 이온 농도에 대응하는 상기 디지털 신호를 생성할 수 있다.

상기 제2 구동 전류에 대한 상기 측정 전압이 상기 이온 기준 전압을 만족하지 않는 경우, 상기 제어부는, 상기 측정 전압을 설정된 일차 단일식에 적용하여 산출한 상기 이온 농도에 대응하는 상기 디지털 신호를 생성할 수 있다.

상기 무선 신호가 상기 염도의 측정을 요청하는 신호인 경우, 상기 제어부는, 상기 직류 전원으로 설정된 구동 전압이 상기 제1, 2 전극으로 공급되게 상기 전원생성부를 제어하며, 설정된 소정 시간 경과 후 입력된 상기 측정 전압을 설정된 샘플링 주기에 따라 샘플링한 샘플링 전압이 설정된 제1 샘플링 전압값 범위보다 큰 제2 샘플링 전압값 범위에 속하면, 상기 샘플링 전압을 설정된 일차 단일식에 적용하여 산출한 상기 염도에 대응하는 상기 디지털 신호를 생성할 수 있다.

상기 샘플링 전압이 상기 제1 샘플링 전압값 범위에 속하는 경우, 상기 제어부는, 상기 구동 전압을 상기 제1, 2 전극으로 재 공급되게 상기 전원생성부를 제어하며, 상기 측정 전압을 상기 샘플링 주기에 따라 샘플링한 샘플링 전압이 상기 제1 샘플링 전압값 범위에 속하면, 상기 샘플링 전압을 설정된 제3 로그 함수에 적용하여 산출한 상기 염도에 대응하는 상기 디지털 신호를 생성할 수 있다.

상기 샘플링 전압이 상기 제1 샘플링 전압값 범위에 속하지 않는 경우, 상기 제어부는, 상기 샘플링 전압이 상기 제2 샘플링 전압값 범위에 속하는 것으로 판단하고, 상기 샘플링 전압을 상기 일차 단일식에 적용하여 산출한 상기 염도에 대응하는 상기 디지털 신호를 생성할 수 있다.

상기 무선 신호가 상기 염도의 측정을 요청 및 상기 센싱 대상 물질의 온도를 포함하는 신호인 경우, 상기 제어부는, 상기 직류 전원으로 설정된 구동 전압이 상기 제1, 2 전극으로 공급되게 상기 전원생성부를 제어하며, 상기 센싱 대상 물질의 온도가 제1 온도 범위에 속하면 상기 측정 전압을 설정된 샘플링 주기에 따라 샘플링한 샘플링 전압이 제1 온도 샘플링 전압값 보다 큰 제2 온도 샘플링 전압값 범위에 속하면, 상기 샘플링 전압을 설정된 일차 단일식에 적용하여 산출한 상기 염도에 대응하는 상기 디지털 신호를 생성할 수 있다.

상기 샘플링 전압이 상기 제1 온도 샘플링 전압값 범위에 속하는 경우, 상기 제어부는, 상기 구동 전압을 상기 제1, 2 전극으로 재 공급되게 상기 전원생성부를 제어하며, 상기 측정 전압을 상기 샘플링 주기에 따라 샘플링한 샘플링 전압이 상기 제1 온도 샘플링 전압값 범위에 속하면, 상기 샘플링 전압을 설정된 제4 로그 함수에 적용하여 산출한 상기 염도에 대응하는 상기 디지털 신호를 생성할 수 있다.

상기 샘플링 전압이 상기 제1 온도 샘플링 전압값 범위에 속하지 않는 경우, 상기 제어부는, 상기 샘플링 전압이 상기 제2 온도 샘플링 전압값 범위에 속하는 것으로 판단하고, 상기 샘플링 전압을 상기 일차 단일식에 적용하여 산출한 상기 염도에 대응하는 상기 디지털 신호를 생성할 수 있다.

상기 무선 신호가 상기 염도의 측정을 요청 및 상기 센싱 대상 물질의 온도를 포함하는 신호인 경우, 상기 제어부는, 상기 직류 전원으로 설정된 구동 전압이 상기 제1, 2 전극으로 공급되게 상기 전원생성부를 제어하며, 상기 센싱 대상 물질의 온도가 제2 온도 범위에 속하면 상기 측정 전압을 설정된 샘플링 주기에 따라 샘플링한 샘플링 전압이 제3 온도 샘플링 전압값 보다 큰 제4 온도 샘플링 전압값 범위에 속하면, 상기 샘플링 전압을 설정된 제5 로그 함수에 적용하여 산출한 상기 염도에 대응하는 상기 디지털 신호를 생성할 수 있다.

상기 샘플링 전압이 상기 제3 온도 샘플링 전압값 범위에 속하는 경우, 상기 제어부는, 상기 구동 전압을 상기 제1, 2 전극으로 재 공급되게 상기 전원생성부를 제어하며, 상기 측정 전압을 상기 샘플링 주기에 따라 샘플링한 샘플링 전압이 상기 제3 온도 샘플링 전압값 범위에 속하면, 상기 샘플링 전압을 설정된 제6 로그 함수에 적용하여 산출한 상기 염도에 대응하는 상기 디지털 신호를 생성할 수 있다.

상기 샘플링 전압이 상기 제3 온도 샘플링 전압값 범위에 속하지 않는 경우, 상기 제어부는, 상기 샘플링 전압이 상기 제4 온도 샘플링 전압값 범위에 속하는 것으로 판단하고, 상기 샘플링 전압을 상기 제7 로그 함수에 적용하여 산출한 상기 염도에 대응하는 상기 디지털 신호를 생성할 수 있다.

상기 측정 전압은, 0.1 내지 4V 일 수 있다.

본 발명에 따른 센서의 동작방법은, 외부 기기로부터 무선 신호를 수신하는 경우, 상기 무선 신호로 직류 전원을 생성하는 단계, 상기 직류 전원으로 웨이크 업되며, 상기 무선 신호가 센싱 대상 물질의 수질을 나타내는 이온 농도 또는 상기 센싱 대상 물질의 염도에 대한 측정 요청인지 확인하는 단계, 상기 이온 농도의 측정 요청으로 확인하는 경우, 상기 센싱 대상 물질이 접촉된 제1, 2 전극의 임피던스 변화에 대응하는 제1 측정 전압이 센싱되게 상기 제1, 2 전극으로 제1 구동 전류를 공급하는 단계, 상기 제1 측정 전압이 설정된 이온 기준 전압을 만족하는지 판단하는 단계 및 상기 제1 측정 전압이 상기 이온 기준 전압을 만족하면, 상기 제1 측정 전압을 설정된 제1 로그 함수에 적용하여 상기 이온 농도에 대응하는 제1 디지털 신호를 상기 외부 기기로 송신하는 단계를 포함할 수 있다.

본 발명에 따른 센서의 동작방법은, 상기 제1 측정 전압이 상기 이온 기준 전압을 만족하지 않는 경우, 상기 제1 구동 전류보다 낮은 제2 구동 전류를 상기 제1, 2 전극으로 공급하는 단계, 상기 제2 구동 전류에 의해 상기 제1, 2 전극에서 센싱된 상기 제2 측정 전압이 상기 이온 기준 전압을 만족하는지 판단하는 단계 및 상기 제2 측정 전압이 상기 이온 기준 전압을 만족하면, 상기 제2 측정 전압을 설정도니 제2 로그 함수에 적용하여 산출한 상기 이온 농도에 대응하는 제2 디지털 신호를 상기 외부 기기로 송신하는 단계를 더 포함할 수 있다.

본 발명에 따른 센서의 동작방법은, 상기 제2 측정 전압이 상기 이온 기준 전압을 만족하지 않는 경우, 상기 제2 측정 전압을 설정된 일차 단일식에 적용하여 산출한 상기 이온 농도에 대응하는 제3 디지털 신호를 생성하여 상기 외부 기기로 송신하는 단계를 더 포함할 수 있다.

본 발명에 따른 센서의 동작방법은, 상기 염도의 측정 요청으로 확인하는 경우, 상기 센싱 대상 물질이 접촉된 상기 제1, 2 전극의 임피던스 변화에 대응하는 제3 측정 전압이 센싱되게 상기 제1, 2 전극으로 구동 전압을 공급하는 단계, 상기 구동 전압을 공급하고 소정 시간의 경과 여부를 판단하는 단계, 상기 소정 시간이 경과된 경우, 상기 제1, 2 전극에서 센싱된 상기 제3 측정 전압을 입력받는 단계, 상기 제3 측정 전압을 설정된 샘플링 주기에 따라 샘플링한 제1 샘플링 전압이 설정된 제1 샘플링 전압값 범위 또는 상기 제1 샘플링 전압값보다 큰 제2 샘플링 전압값 범위 중 어느 하나에 속하는지 판단하는 단계 및 상기 제1 샘플링 전압이 상기 제2 샘플링 전압값 범위에 속하면, 상기 제1 샘플링 전압을 설정된 일차 단일식에 적용하여 산출한 상기 염도에 대응하는 제4 디지털 신호를 생성하여 상기 외부 기기로 송신하는 단계를 더 포함할 수 있다.

본 발명에 따른 센서의 동작방법은, 상기 제1 샘플링 전압이 상기 제1 샘플링 전압값 범위에 속하는 경우, 상기 구동 전압을 상기 제1, 2 전극으로 재 공급하고, 상기 제1, 2 전극에서 센싱된 제4 측정 전압을 입력받는 단계, 상기 제4 측정 전압을 상기 샘플링 주기에 따라 샘플링한 상기 제2 샘플링 전압이 상기 제1 샘플링 전압값 범위에 속하는지 판단하는 단계 및 상기 제2 샘플링 전압이 상기 제1 샘플링 전압값 범위에 속하면, 상기 제2 샘플링 전압을 설정된 제3 로그 함수에 적용하여 상기 염도에 대응하는 제5 디지털 신호를 생성하여 상기 외부 기기로 송신하는 단계를 더 포함할 수 있다.

본 발명에 따른 센서의 동작방법은, 상기 제2 샘플링 전압이 상기 제1 샘플링 전압값 범위에 속하지 않는 경우, 상기 제2 샘플링 전압이 상기 제2 샘플링 전압값 범위에 속하는 것으로 확인하고, 상기 제2 샘플링 전압을 상기 일차 단일식에 적용하여 상기 염도에 대응하는 제6 디지털 신호를 생성하여 상기 외부 기기로 송신하는 단계를 더 포함할 수 있다.

본 발명에 따른 센서의 동작방법은, 상기 측정 요청인지 확인하는 단계에서, 상기 염도의 측정 요청으로 확인하고, 상기 무선 신호가 상기 센싱 대상 물질의 온도가 포함된 것으로 확인한 경우, 상기 센싱 대상 물질의 온도가 제1, 2 온도 범위 중 어느 하나에 속하는지 판단하는 단계, 상기 센싱 대상 물질의 온도가 상기 제1 온도 범위에 속하면, 상기 센싱 대상 물질이 접촉된 상기 제1, 2 전극의 임피던스 변화에 대응하는 제5 측정 전압이 센싱되게 상기 제1, 2 전극으로 구동 전압을 공급하는 단계, 상기 제1, 2 전극에서 센싱된 상기 제5 측정 전압을 입력받는 단계, 상기 제5 측정 전압을 설정된 샘플링 주기에 따라 샘플링한 제3 샘플링 전압이 설정된 제1 온도 샘플링 전압값 범위 또는 상기 제1 온도 샘플링 전압값보다 큰 제2 온도 샘플링 전압값 범위 중 어느 하나에 속하는지 판단하는 단계 및 상기 제3 샘플링 전압이 상기 제2 온도 샘플링 전압값 범위에 속하면, 상기 제3 샘플링 전압을 설정된 일차 단일식에 적용하여 산출한 상기 염도에 대응하는 제7 디지털 신호를 생성하여 상기 외부 기기로 송신하는 단계를 더 포함할 수 있다.

본 발명에 따른 센서의 동작방법은, 상기 제3 샘플링 전압이 상기 제1 온도 샘플링 전압값 범위에 속하는 경우, 상기 구동 전압을 상기 제1, 2 전극으로 재 공급하고, 상기 제1, 2 전극에서 센싱된 제6 측정 전압을 입력받는 단계, 상기 제6 측정 전압을 상기 샘플링 주기에 따라 샘플링한 상기 제4 샘플링 전압이 상기 제1 온도 샘플링 전압값 범위에 속하는지 판단하는 단계 및 상기 제4 샘플링 전압이 상기 제1 온도 샘플링 전압값 범위에 속하면, 상기 제4 샘플링 전압을 설정된 제4 로그 함수에 적용하여 상기 염도에 대응하는 제8 디지털 신호를 생성하여 상기 외부 기기로 송신하는 단계를 더 포함할 수 있다.

본 발명에 따른 센서의 동작방법은, 상기 제4 샘플링 전압이 상기 제1 온도 샘플링 전압값 범위에 속하지 않는 경우, 상기 제4 샘플링 전압이 상기 제2 온도 샘플링 전압값 범위에 속하는 것으로 판단하고, 상기 제4 샘플링 전압을 설정된 일차 단일식에 적용하여 산출한 상기 염도에 대응하는 상기 제9 디지털 신호를 생성하여 상기 외부 기기로 송신하는 단계를 더 포함할 수 있다.

본 발명에 따른 센서의 동작방법은, 상기 센싱 대상 물질의 온도가 상기 제2 온도 범위에 속하면, 상기 센싱 대상 물질이 접촉된 상기 제1, 2 전극의 임피던스 변화에 대응하는 제7 측정 전압이 센싱되게 상기 제1, 2 전극으로 상기 구동 전압을 공급하는 단계, 상기 제1, 2 전극에서 센싱된 상기 제7 측정 전압을 입력받는 단계, 상기 제7 측정 전압을 샘플링 주기에 따라 샘플링한 제5 샘플링 전압이 설정된 제3 온도 샘플링 전압값 범위 또는 상기 제3 온도 샘플링 전압값보다 큰 제4 온도 샘플링 전압값 범위 중 어느 하나에 속하는지 판단하는 단계 및 상기 제5 샘플링 전압이 상기 제4 온도 샘플링 전압값 범위에 속하면, 상기 제5 샘플링 전압을 설정된 제5 로그 함수에 적용하여 산출한 상기 염도에 대응하는 제9 디지털 신호를 생성하여 상기 외부 기기로 송신하는 단계를 더 포함할 수 있다.

본 발명에 따른 센서의 동작방법은, 상기 제5 샘플링 전압이 상기 제3 온도 샘플링 전압값 범위에 속하는 경우, 상기 구동 전압을 상기 제1, 2 전극으로 재 공급하고, 상기 제1, 2 전극에서 센싱된 제7 측정 전압을 입력받는 단계, 상기 제7 증폭 전압을 상기 샘플링 주기에 따라 샘플링한 상기 제6 샘플링 전압이 상기 제3 온도 샘플링 전압값 범위에 속하는지 판단하는 단계 및 상기 제6 샘플링 전압이 상기 제3 온도 샘플링 전압값 범위에 속하면, 상기 제6 샘플링 전압을 설정된 제6 로그 함수에 적용하여 상기 염도에 대응하는 제10 디지털 신호를 생성하여 상기 외부 기기로 송신하는 단계를 더 포함할 수 있다.

본 발명에 따른 센서의 동작방법은, 상기 제6 샘플링 전압이 상기 제3 온도 샘플링 전압값 범위에 속하지 않는 경우, 상기 제6 샘플링 전압이 상기 제4 온도 샘플링 전압값 범위에 속하는 것으로 확인하고, 상기 제6 샘플링 전압을 설정된 제7 로그 함수에 적용하여 산출한 상기 염도에 대응하는 상기 제11 디지털 신호를 생성할 수 있다.

본 발명에 따른 센서 및 센서의 동작방법은, 안테나 패턴, 센싱 전극 및 회로 배선을 동일한 레이어(layer) 및 동일 재료로 형성함으로써, 제조 공정을 단순화할 수 있는 이점이 있다.

또한, 본 발명에 따른 센서 및 센서의 동작방법은, 센싱 대상 물질의 염도 및 수질 측정 시, 센싱 전극에 곡률을 가지도록 형성함으로써, 센싱 전극의 산화 및 부식을 억제할 수 있는 이점이 있다.

또한, 본 발명에 따른 센서 및 센서의 동작방법은, 외부기기로부터 수신한 무선 신호를 에너지 하베스팅하여 생성한 직류 전원으로 센싱 대상 물질의 염도 및 수질을 측정함으로써, 별도의 전원에 대한 부피의 증가 및 제조 원가를 낮출 수 있는 이점이 있다.

또한, 본 발명에 따른 센서 및 센서의 동작방법은, 외부기기로부터 수신한 무선 신호를 에너지 하베스팅하여 생성한 직류 전원으로 센싱 대상 물질의 염도 및 수질을 측정한 결과에 대응하는 디지털 신호를 외부기기로 송신하며, 향상된 휴대성이 높은 센서 및 센서의 동작방법을 제공함에 있다.

아울러, 상술한 효과 이외의 다양한 효과들이 후술될 본 발명의 실시 예에 따른 상세한 설명에서 직접적 또는 암시적으로 개시될 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 센서를 나타낸 평면도이다.
도 2는 본 발명에 따른 센서를 나타낸 분해 사시도이다.
도 3은 도 1에 나타낸 라인 A-A를 나타낸 단면도이다.
도 4는 본 발명에 따른 센서의 구조를 나타낸 평면도이다.
도 5 및 도 6은 본 발명에 따른 센서의 전극 구조와 분해능과의 관계를 나타낸 실험 그래프이다.
도 7은 본 발명에 따른 센서의 제조 방법을 나타낸 순서도이다.
도 8 내지 도 11은 도 7에 나타낸 센서의 제조 과정을 나타낸 과정도이다.
도 12는 본 발명에 따른 센서의 제어 구성을 나타낸 제어 블록도이다.
도 13 내지 16은 본 발명에 따른 센서의 동작방법을 나타낸 순서도이다.
도 17은 본 발명에 따른 센서와 외부 기기 사이의 연계 동작을 나타낸 개념도이다.

하기의 설명에서는 본 발명의 실시예를 이해하는데 필요한 부분만이 설명되며, 그 이외 부분의 설명은 본 발명의 요지를 흩트리지 않도록 생략될 것이라는 것을 유의하여야 한다.

이하에서 설명되는 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념으로 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 바람직한 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.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 보다 상세하게 설명하고자 한다.

도 1은 본 발명에 따른 센서를 나타낸 평면도이다.

도 1을 참조하면, 센서(100)는 기판(110), 전도성 레이어(120), 회로 절연층(131), 안테나 절연층(132), 안테나 브릿지(140) 및 소자(150)를 포함할 수 있다.

기판(110)은 전체적으로 평평한 플레이트의 형상을 가질 수 잇다.

기판(110)은 전도성 레이어(120), 회로 절연층(131), 안테나 절연층(132), 안테나 브릿지(140) 및 소자(150)를 지지하도록 이루어질 수 있다.

전도성 레이어(120), 회로 절연층(131), 안테나 절연층(132), 안테나 브릿지(140) 및 소자(150)는 각종 공정에 의해 기판(110)에 형성되거나 실장(mount)될 수 있다.

기판(110)은 연성(flexibility)을 가질 수 있다.

실시 예에서, 센서(100)는 매우 얇은 두께로 형성되기 때문에 기판(110)이 연성을 갖지 않는다면 외력에 의해 쉽게 파손될 수 있다. 그러나 기판(110)이 연성을 가지면, 센서(100)는 반복적인 기계적 변형에도 높은 신뢰성을 가질 수 있다.

기판(110)은 연성을 갖는 플라스틱(고분자화합물 또는 합성수지)으로 이루어질 수 있다.

상기 플라스틱은 예를 들어, 폴리에틴렌 테리프탈레이트(polyethylene terephthalate, PET), 폴리이미드(polyimide, PI), 폴리스타이렌(polystyrene, PS) 및 폴리에틸렌 나프탈레이트(polyethylene naphthalate, PEN)로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나를 포함할 수 있다.

기판(110)은 실리카 레이어(112)를 더 포함할 수 있다. 실리카 레이어(112)에 대하여는 도 2를 참조하여 후술한다.

전도성 레이어(120)는 기판(110)의 일면에 단층으로 형성될 수 있다.

전도성 레이어(120)는 인쇄 공정에 의해 형성될 수 있다. 전도성 레이어(120)는 안테나 패턴(121), 회로 배선(123) 및 센싱 전극(122)을 포함할 수 있다.

안테나 패턴(121), 센싱 전극(122) 및 회로 배선(123)은 일체로 형성될 수 있다. 일체로 형성된다는 것은, 안테나 패턴(121), 센싱 전극(122) 및 회로 배선(123)이 서로 물리적으로 분리되지 않는다는 것을 의미한다.

다만, 안테나 패턴(121), 센싱 전극(122) 및 회로 배선(123)이 반드시 일체로 형성되어야 하는 것은 아니다. 안테나 패턴(121), 센싱 전극(122) 및 회로 배선(123)은 전도성 레이어(120)을 단지 기능에 따라 분류한 것이다.

안테나 패턴(121), 센싱 전극(122) 및 회로 배선(123)을 포함하는 전도성 레이어(120)는 1회의 인쇄 공정에 의해 동시에 형성될 수 있으며, 상기 기판(110) 위에 동일한 레이어를 형성할 수 있다.

동일한 레이어를 형성한다는 것은 안테나 패턴(121), 센싱 전극(122) 및 회로 배선(123)이 기판(110) 위에 각각 하나의 레이어(layer)로 형성되는 것을 의미하며, 안테나 패턴(121), 센싱 전극(122) 및 회로 배선(123) 각각의 두께 또는 높이는 서로 동일하거나, 또는 동일하지 않게 형성될 수 있다.

안테나 패턴(121), 센싱 전극(122) 및 회로 배선(123)을 포함하는 전도성 레이어(120)은 1회의 인쇄 공정에 의해 동시에 형성될 수 있는 것은 동일한 소재로 이루어질 수 있다.

상기 인쇄공정은 스크린프린팅법, 그라비어인쇄법, 잉크젯프린팅법등 다양한 방법이 사용될 수 있다.

안테나 패턴(121)은 외부 기기와 무선 신호를 송수신하도록 형성될 수 있다.

외부 기기란 유무선 통신 기능을 가진 전자 기기를 의미한다.

외부 기기에는 예를 들어, 휴대폰, 스마트 폰(smart phone), 데스크탑 컴퓨터, 노트북 컴퓨터(laptop computer), 디지털방송용 단말기, PDA(Personal Digital Assistants), PMP(Portable Multimedia Player), 네비게이션, 슬레이트 PC(slate PC), 태블릿 PC(tablet PC), 울트라북(ultrabook) 등이 포함될 수 있다.

안테나 패턴(121)은 외부 기기로 무선 신호를 송신하거나, 외부 기기로부터 무선 신호를 수신한다.

실시 예에서, 센서(100)는 배터리와 같은 전원 공급부를 포함하지 않는다. 센서(100)는 안테나 패턴(121)을 통해 외부 기기로부터 수신된 무선 신호를 이용하여 직류 전원을 생성하고, 이 직류 전원을 센서(100)의 구동에 이용하도록 이루어진다. 또한 센서(100)는 안테나 패턴(121)을 통해 센싱 결과를 다시 외부 기기로 송신하도록 이루어진다.

안테나 패턴(121)은 2차원 나선의 형태로 연장된다.

2차원 나선의 형태란, 도 1에 도시된 바와 같이 안테나 패턴(121)이 기판(110)의 가장자리에서 점차 기판(110)의 중앙 영역으로 가까워지는 형태로 감기는 것을 의미한다. 이것은 설명하는 방식에 따라 안테나 패턴(121)이 기판(110)의 중앙 영역에서 기판(110)의 가장자리에 가까워지는 형태로 감기는 것으로 설명될 수도 있다. 다만, 본 발명에서 2차원 나선의 형태란 반드시 곡선을 의미하는 것은 아니도 도 1에서와 같이 직선을 포함하는 개념이다.

안테나 패턴(121)은 높은 인덕턴스를 갖도록 500㎛ ~ 1,500㎛의 선폭을 갖는다. 2차원 나선을 형성하는 라인들 간의 간격은 적절한 커패시턴스 성분을 갖기 위해 300㎛ ~ 700㎛으로 설정되는 것이 바람직하다.

안테나 패턴(121)은 NFC(Near Field Communication) 안테나의 방사체로 작동할 수 있다. NFC 안테나는 13.56MHz의 통신 규격을 이용하여 정보의 교환이 이루어지는 통신 장치를 가리킨다.

센싱 전극(122)은 센싱 대상 물질과 접촉하여 임피던스 변화를 일으키도록 이루어진다.

안테나 패턴(121)을 통해 외부 기기로부터 무선 신호가 수신되면, 센서(100)는 이 무선 신호를 이용하여 직류 전원을 생성한다. 직류 전원이 발생함에 센서(100)의 나머지 부분이 작동하게 되고, 센싱 전극(122)에는 교류 전원이 입력된다. 따라서 센싱 전극(122)은 안테나 패턴(121)을 통해 무선 신호가 수신되어야 구동된다.

교류 전압을 입력받는 센싱 전극(122)이 센싱 대상 물질과 접촉하면 임피던스 변화를 일으킨다. 임피던스의 변화는 교류 전원의 변화를 일으키기 때문에, 센서(100)는 임피던스 변화 또는 교류 전원의 변화로부터 센싱 대상 물질의 염도, 당도, 식용 유지(fat and oil)의 산패도 등을 감지할 수 있다.

센싱 대상 물질은 센싱 전극(122)에 임피던스 변화를 일으키는 모든 물질이 적용될 수 있다. 염도, 당도 등을 갖는 음식물, 잔류 농약이 존재하는 농산물, 산패를 확인할 수 있는 식용 유지(fat and oil) 등은 센싱 대상 물질의 예다. 액체뿐만 아니라 기체도 센싱 대상 물질이 될 수 있다.

회로 배선(123)은 안테나 패턴(121)과 센싱 전극(122)을 전기적으로 연결한다. 또한 회로 배선(123)은 센서(100)를 제어하는 소자(150)와 전기적으로 연결된다. 회로 배선(123)은 안테나 패턴(121)과 센싱 전극(122)을 제외한 전도성 레이어(120)의 나머지 영역을 모두 가리키는 것으로 이해할 수 있다.

절연층(131, 132)은 전도성 레이어(120)를 덮도록 전도성 레이어(120)의 위에 배치된다.

절연층(131, 132)은 회로 절연층(131) 및 안테나 절연층(132)을 포함한다. 회로 절연층(131)과 안테나 절연층(132)은 1회의 인쇄 공정에 의해 동시에 형성될 수 있으며, 전도성 레이어(120) 위에 동일한 레이어를 형성할 수 있다.

동일한 레이어를 형성한다는 것은 회로 절연층(131)과 안테나 절연층(132)이 전도성 레이어(120) 위에 각각 동일 높이로 형성된다는 것과 같은 의미이다.

상술한 바와 다르게 동일한 레이어를 형성한다는 것은 회로 절연층(131)과 안테나 절연층(132)이 전도성 레이어(120) 위에 1회의 인쇄 공정에 의해 동시에 형성될 수 있다는 것으로 해석될 수도 있다. 회로 절연층(131)과 안테나 절연층(132)이 1회의 인쇄 공정에 의해 동시에 형성될 수 있는 것은 동일한 소재로 이루어지기 때문에 가능한 것이다.

회로 절연층(131)은 회로 배선(123)의 적어도 일부를 덮도록 배치된다. 회로 절연층(131)은 센싱 전극(122)을 부분적으로 덮도록 배치될 수도 있다. 회로 절연층(131)을 납작한 플레이트의 형상을 갖는다.

회로 절연층(131)은 센싱 전극(122)을 노출시키는 윈도우(131a)(또는 홀)를 구비한다. 회로 절연층(131)의 테두리가 센싱 전극(122)의 전부를 덮도록 배치되더라도, 회로 절연층(131)은 윈도우(131a)를 구비하기 때문에, 센싱 전극(122)은 상기 윈도우(131a)을 통해 노출될 수 있다.

윈도우(131a)는 센싱 전극(122)의 노출 길이를 설정할 수 있으며, 이에 대하여는 도 4를 참조하여 후술한다.

회로 절연층(131)은 센싱 전극(122)과 접촉하게 될 액체가 회로 배선(123) 영역으로 흘러들어가 센서(100)의 오작동을 일으키는 것을 방지하는 역할을 한다. 회로 절연층(131)은 일정한 높이(센서(100)의 두께 방향)를 갖기 때문에 액체의 유동을 방지하는 배리어로 작동하게 된다. 이에 따라 센싱 대상 물질은 윈도우(131a)에 의해 정의되는 영역 내에서 액적을 형성할 수 있다.

회로 절연층(131)은 기판(110)보다 큰 표면에너지(표면 장력)을 갖는다. 만일 회로 절연층(131)이 기판(110)보다 작은 표면에너지를 갖는다면, 센싱 전극(122)과 접촉하는 액체는 액적을 형성하지 못하고 넓게 퍼질 수 있으며, 이에 따라 센싱 전극(122)에 의한 충분한 센싱이 이루어지지 않을 수 있다. 이에 반해 본 발명과 같이 회로 절연층(131)이 기판(110)보다 큰 표면에너지를 갖는다면, 액체는 액적을 형성하게 되고 센싱 전극(122)에 의한 충분한 센싱이 이루어질 수 있다.

안테나 패턴(121)은 2차원 나선의 형태를 갖기 때문에 안테나 패턴(121)을 경계로 외측과 내측의 구분이 발생한다. 안테나 브릿지(140)는 안테나 패턴(121)의 외측과 내측을 서로 연결하는 구성이나, 안테나 브릿지(140)가 안테나 패턴(121) 위에 직접 배치될 수는 없다. 안테나 절연층(132)은 안테나 패턴(121)과 안테나 브릿지(140)의 절연 역할을 한다.

안테나 절연층(132)은 안테나 패턴(121)의 어느 일부를 덮도록 배치된다. 도 1을 참조하면 안테나 절연층(132)이 안테나 패턴(121)의 좌측 부분을 덮고 있음을 확인할 수 있다. 또한 안테나 절연층(132)은 상기 어느 일부를 가로지르는 방향으로 연장된다. 안테나 절연층(132)이 안테나 패턴(121)과 안테나 브릿지(140) 사이에 배치됨에 따라 안테나 패턴(121)과 안테나 브릿지(140) 사이에 절연이 이루어질 수 있다.

안테나 절연층(132)은 다층으로 형성될 수 있으며, 각각의 층은 서로 다른 인쇄 공정에 의해 형성될 수 있다. 안테나 절연층(132)이 다층으로 형성되는 경우 아래층의 것을 제1 안테나 절연층(132a, 도 2 참조)으로 명명하고, 윗층의 것을 제2 안테나 절연층(132b, 도 2 참조)으로 명명할 수 있다. 1회의 인쇄 공정에서 회로 절연층(131)과 제1 안테나 절연층(132a)을 형성하고, 이어서 다음 인쇄 공정에서 제2 안테나 절연층(132b)을 추가 인쇄하면, 회로 절연층(131)은 1층으로 이루어지고, 안테나 절연층(132)은 2층으로 이루어지게 된다.

안테나 브릿지(140)는 안테나 절연층(132)을 덮도록 안테나 브릿지(140) 위에 배치된다. 안테나 브릿지(140)의 일단은 기판(110)의 외측에 위치하는 안테나 패턴(121)의 일단과 연결되고 안테나 패턴(121)을 가로질러 연장된다. 상기 안테나 브릿지(140)의 타단은 안테나 패턴(121)의 내측에 위치하는 회로 배선(123)의 일단과 연결된다. 또는 안테나 브릿지(140)는 안테나 패턴(121)의 내측과 외측을 서로 연결할 수도 있다.

소자(150)는 기판(110)에 실장되며, 회로 배선(123)과 전기적으로 연결된다.

센서(100)의 작동과 관련된 각종 전기 및 전자적인 구성들은 소자(150)에 의해 구현될 수 있다.

안테나 패턴(121)을 통해 수신된 무선 신호는 회로 배선(123)을 통해 소자(150)로 전달된다. 그리고 센싱 전극(122)에 입력되는 교류 전압도 회로 배선(123)을 통해 센싱 전극(122)으로 입력되게 된다.

이하에서는 센서(100)의 다층 구조를 확인할 수 있도록 도 2를 참조하여 설명한다.

도 2는 본 발명에 따른 센서를 나타낸 분해 사시도이다.

도 2에는 안테나 패턴(121), 센싱 전극(122) 및 회로 배선(123)이 동일한 레이어를 형성하고, 회로 절연층(131)과 안테나 절연층(132)도 동일한 레이어를 형성하는 것을 시각적으로 확인할 수 있도록 도시되어 있다.

기판(110)은 플라스틱 레이어(111)와 실리카 레이어(112)를 포함한다.

플라스틱 레이어(111)는 연성을 갖는 플라스틱(고분자화합물 또는 합성수지)으로 이루어진다. 상기 플라스틱은 폴리에틴렌 테리프탈레이트(polyethylene terephthalate, PET), 폴리이미드(polyimide, PI), 폴리스타이렌(polystyrene, PS) 및 폴리에틸렌 나프탈레이트(polyethylene naphthalate, PEN)로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나를 포함할 수 있다.

실리카 레이어(112)는 플라스틱 레이어(111)의 일면에 코팅된다. 실리카 레이어(112)는 플라스틱 레이어(111)와 전도성 레이어(120)의 사이에 형성된다. 실리카 레이어(112)는 센싱 대상 용액의 빠른 퍼짐, 센싱 대상 용액의 안정화, 전도성 레이어(120)의 부착 강도 강화를 위한 것이다. 실리카 레이어(112)는 수~수십㎚의 두께를 가질 수 있다.

전도성 레이어(120)는 단층으로 형성된다. 그리고 안테나 패턴(121), 센싱 전극(122) 및 회로 배선(123)은 일체로 형성될 수 있으며, 안테나 패턴(121), 센싱 전극(122) 및 회로 배선(123)은 동일한 레이어(하나의 레이어)를 형성한다. 일체로 형성된다는 것은, 안테나 패턴(121), 센싱 전극(122) 및 회로 배선(123)이 서로 물리적으로 분리되지 않는다는 것을 의미한다. 다만, 안테나 패턴(121), 센싱 전극(122) 및 회로 배선(123)이 반드시 일체로 형성되어야 하는 것은 아니다.

전도성 레이어(120)가 단층으로 형성되는 것과 안테나 패턴(121), 센싱 전극(122) 및 회로 배선(123)이 동일한 레이어를 형성한다는 것은 실질적으로 같은 의미다. 전도성 레이어(120)가 단층으로 형성될 수 있는 것 혹은 안테나 패턴(121), 센싱 전극(122) 및 회로 배선(123)이 동일한 레이어를 형성할 수 있는 것은, 안테나 패턴(121), 센싱 전극(122) 및 회로 배선(123)은 동일한 소재로 이루어지기 때문이다.

전도성 레이어(120)는 인쇄 공정에 의해 형성된다. 만약 다수의 인쇄 공정에 의해 안테나 패턴(121), 센싱 전극(122) 및 회로 배선(123)을 각각 형성하게 된다면, 안테나 패턴(121), 센싱 전극(122) 및 회로 배선(123)은 각각 서로 다른 레이어를 형성하게 된다. 그 결과 전도성 레이어(120)는 단층이 아니라 다층으로 형성될 것이다.

그러나 본 발명과 같이 안테나 패턴(121), 센싱 전극(122) 및 회로 배선(123)이 동일한 소재로 이루어진다면 1회의 인쇄 공정에 의해 단층의 전도성 레이어(120)를 형성할 수 있다. 그리고 이렇게 형성된 전도성 레이어(120)는 기능에 따라 세 개의 부분으로 구분되어, 제1부분은 안테나 패턴(121), 제2부분은 센싱 전극(122), 제3부분은 회로 배선(123)으로 구분될 수 있다.

안테나 패턴(121), 센싱 전극(122) 및 회로 배선(123)이 동일한 레이어(하나의 레이어)를 형성한다면, 센서(100)는 종래 기술에 비해 여러 가지 장점을 갖게 된다.

먼저 센서(100)의 두께가 축소될 수 있으므로, 센서(100)는 종래보다 더욱 소형화될 수 있다. 센서(100)를 소형화 하게 되면 센서(100)의 휴대성을 향상시킬 수 있다.

또한 센서(100)의 제조 공정에 보다 단순해지기 때문에 종래보다 더욱 저렴한 단가로 제조될 수 있다. 높은 가격은 센서(100)가 대중화되기 어려운 원인이 되나, 본 발명에 의해 저렴한 단가로 센서(100)가 제조될 수 있다면, 센서(100)의 대중화에 기여할 수 있다.

마지막으로 안테나 패턴(121), 센싱 전극(122) 및 회로 배선(123)끼리 공정 오차가 발생하지 않는다. 안테나 패턴(121), 센싱 전극(122) 및 회로 배선(123)을 서로 다른 인쇄 공정에 의해 순차적으로 형성한다면, 공정 오차(특히 alignment 오차)에 의해 센서(100)가 원래의 설계대로 제조되지 않을 수 있다. 공정 오차는 특히 대량 생산 시에 문제된다. 그러나 안테나 패턴(121), 센싱 전극(122) 및 회로 배선(123)을 1회의 인쇄 공정으로 형성하면 이러한 문제를 해결할 수 있다.

센싱 전극(122)은 제1전극(122a)과 제2전극(122b)을 포함한다. 제1전극(122a)과 제2전극(122b)은 각각 회로 배선(123)으로부터 평행하게 연장되며, 제1전극(122a)과 제2전극(122b) 사이에는 간격이 존재한다.

이하에서는 센싱 전극(122)의 구조 또는 규격, 구체적으로 센싱 전극(122)의 길이, 폭, 간격, 높이에 대하여 설명한다. 도 2에서 센싱 전극(122)을 확대한 부분을 참조하면, 센싱 전극(122) 전체의 길이, 폭, 간격, 높이를 각각 A, B, C, D로 표시하였다.

센싱 전극(122) 전체의 길이(A)는 400~5,000㎛일 수 있으며, 윈도우(131a)를 통해 노출되는 센싱 전극(122)의 노출 길이(A', 도 6에서 E에 해당하는 길이)는 50~5,000㎛일 수 있다. 참고로 도 1에 도시된 센싱 전극(122)은 윈도우(131a)를 통해 일부만 노출되는 것이 아니라 모두 노출된다. 따라서 윈도우(131a)를 통해 노출되는 센싱 전극(122)의 노출 길이(A')는 곧 센싱 전극(122) 전체의 길이(A)와 동일하다. 그러나 도 6에서 후술할 바와 같이 윈도우(131a)를 통해 노출되는 센싱 전극(122)의 노출 길이와 센싱 전극(122) 전체의 길이가 항상 동일한 것은 아니다.

윈도우(131a)를 통해 노출되는 센싱 전극(122)의 노출 길이(A')는 센서(100)의 분해능과, 대량 생산에 따른 인쇄 재현성, 센서(100)의 신뢰성에 영향을 미친다. 윈도우(131a)를 통해 노출되는 센싱 전극(122)의 노출 길이가 짧을수록 센서(100)의 분해능은 향상될 수 있다.

예를 들어 윈도우(131a)를 통해 노출되는 센싱 전극(122)의 노출 길이(A)가 300~500㎛ 정도로 형성되면 센서(100)의 분해능은 매우 향상될 수 있다. 그러나 센서(100)의 생산과정에서 상기 윈도우(131a)를 상기 센싱 전극(122)에 정확하게 위치시켜 인쇄하는 것이 어려워진다. 따라서 센싱 전극(122)의 노출 길이(A')는 300㎛보다 길게 형성되는 것이 바람직하다. 그리고, 센싱 전극(122) 전체의 길이(A)가 400㎛보다 짧으면 대량 생산에 따른 윈도우(131a)의 위치 오차 발생으로 인해 윈도우를 통해 노출되는 센싱 전극(122)의 노출 길이(A')가 일정하지 않게 될 수 있다. 또한 센싱 전극(122) 전체의 길이(A)가 400㎛보다 짧으면 센서(100)의 사용 횟수가 증가함에 따라 임피던스가 증가하여 센싱 전극(122)의 내구성 및 신뢰성이 떨어진다.

따라서 센싱 전극(122) 전체의 길이(A)는 400㎛보다 긴 것이 바람직하다. 그리고 센서(100)의 분해능 확보를 위해 센싱 전극(122)의 노출 길이는 2,000㎛보다 짧은 것이 바람직하다. 그리고, 센싱 전극(122) 전체의 길이(A)는 5,000㎛까지 형성되는 것도 가능하다.

센싱 전극(122)의 폭(B)은 50~1,000㎛으로 형성될 수 있다. 센싱 전극(122)의 폭(B)이 좁을수록 센서(100)의 분해능은 향상될 수 있다. 그러나 지나치게 좁은 센싱 전극(122)의 폭(B)은 전도성 레이어(120)의 인쇄 공정을 불안정하게 만들 수 있다. 따라서 안정적인 인쇄 공정을 위해서 센싱 전극(122)의 폭(B)은 50~200㎛인 것이 바람직하다.

제1 전극(122a)과 제2 전극(122b) 사이의 간격(C)은 50~3,000㎛일 수 있다. 다만, 지나치게 먼 간격(C)은 센싱 대상 액체의 양이 충분하지 않을 경우에 센서(100)의 불충분한 작동을 유발하게 된다. 센싱 대상 액체는 액적을 형성하여 제1 전극(122a)과 제2 전극(122b)에 모두 접촉해야 하는데, 제1 전극(122a)과 제2 전극(122b) 사이의 간격이 지나치게 멀면, 액체가 어느 하나의 전극에만 접촉될 수 있기 때문이다. 이러한 점을 고려하여 제1 전극(122a)과 제2 전극(122b) 사이의 간격(C)은 900~1,500㎛인 것이 바람직하다.

센싱 전극(122)의 높이(D)(센서(100)의 두께 방향)는 700㎚~15㎛일 수 있다. 센싱 전극(122)의 높이(D)는 센서(100)의 두께와 센싱 전극(122)의 내구성과 신뢰성에 영향을 미친다. 센싱 전극(122)의 높이(D)가 700㎚보다 낮으면, 센싱의 반복에 따라 센싱 전극(122)의 소실 문제가 발생할 수 있다. 그리고 인쇄 공정의 한계 및 센서(100)의 두께 증가를 고려하여, 센싱 전극(122)의 높이(D)는 15㎛보다 낮은 것이 바람직하다. 센싱 전극(122)은 전도성 레이어(120)의 일 부분이기 때문에 센싱 전극(122)의 높이(D)는 곧 전도성 레이어(120)의 높이를 의미한다.

센싱 전극(122)의 구조와 센서(100)의 분해능과의 관계에 대하여는 도 5 및 도 6의 그래프를 참조하여 다시 한번 설명한다.

센서(100)는 보호층(160)을 포함한다. 보호층(160)은 전기적 절연 소재로 형성된다. 보호층은 기판(110)의 일면을 마주보도록 배치되며, 센서(100)의 모든 구성요소를 덮도록 이루어진다. 보호층(160)은 홀(160a)을 구비하며 상기 홀(160a)을 통해 센싱 전극(122)이 노출될 수 있다. 사용자의 이해를 돕기 위해 보호층(160)의 외부면에는 센싱 대상 액체의 투입 위치를 나타내는 표시가 인쇄될 수 있다.

회로 절연층(131)과 제1 안테나 절연층(132a)이 1회의 인쇄 공정에 의해 형성되는 것은 안테나 패턴(121), 센싱 전극(122) 및 회로 배선(123)이 1회의 인쇄 공정에 의해 형성되는 것과 유사하다. 따라서 회로 절연층(131)과 제1 안테나 절연층(132a)은 안테나 패턴(121), 센싱 전극(122) 및 회로 배선(123)이 갖는 장점을 동일하게 갖는다.

제2 안테나 절연층(132b)은 제1 안테나 절연층(132a) 위에 배치되는 것을 도 2로부터 확인할 수 있다.

도 3은 도 1에 나타낸 라인 A-A를 나타낸 단면도이다.

회로 절연층(131)은 800㎚~30㎛의 높이를 가질 수 있다. 회로 절연층(131)은 센싱 전극(122)보다 높은 높이를 갖는다. 즉, 회로 절연층(131)은 센싱 전극(122)의 높이보다 두꺼운 두께로 인쇄된다. 회로 절연층(131)은 액적의 유동을 억제하는 배리어의 역할을 한다. 따라서 회로 절연층(131)의 높이가 센싱 전극(122)의 높이보다 낮으면, 센싱 전극(122)과 접촉하는 액체가 회로 절연층(131)을 넘어갈 수 있게 된다. 따라서 회로 절연층(131)이 센싱 전극(122)보다 높은 높이를 갖는 것이 바람직하다.

회로 절연층(131)과 도 1 및 도 2에서 설명한 안테나 절연층(132)은 동일한 물질로 이루어지고, 동일한 레이어를 형성하며, 1회의 인쇄 공정에 의해 형성되기 때문에 안테나 절연층(132)도 800㎚~30㎛의 높이를 가질 것으로 예상할 수 있다. 다만, 안테나 절연층(132)은 다층으로 형성될 수 있으며, 이 경우에는 1층의 높이가 800㎚~30㎛임을 예상할 수 있다.

도 3에서는 센싱 전극(122)에 센싱 대상 물질이 접촉된 상태를 보이고 있다. 액체 상태의 센싱 대상 물질은 액적을 형성하고 있으며, 회로 절연층(131)에 의해 윈도우(131a) 내에 갇혀 있음을 확인할 수 있다.

이어서 아래의 설명은 전도성 레이어(120)를 확대한 부분을 참고한다.

전도성 레이어(120)는 고체 입자(120a)와 유기물(120b)로 이루어질 수 있다.

고체 입자(120a)는 은(Ag), 구리(Cu) 및 알루미늄(Al) 중 적어도 하나로 이루어진다.

종래의 기술 중에 센싱 전극(122)의 소재로 백금(Pt)이나 금(Au)과 같은 귀금속을 사용하여, 기판(110)에 귀금속을 증착하거나 고온에서 소성하는 기술이 있었다. 종래의 기술은 회로 배선(123)과 센싱 전극(122)이 서로 다른 레이어에 형성된다. 그러나 귀금속은 센서(100)의 단가 상승을 초래한다. 또한 회로 배선(123)과 센싱 전극(122)이 서로 다른 레이어에 형성되는 것은 도 2에서 설명한 본 발명의 장점을 갖지 못한다는 것을 의미한다.

이에 반해 은(Ag), 구리(Cu) 및 알루미늄(Al)은 귀금속에 비해 저렴하므로 본 발명의 센서(100)는 종래의 기술에 비해 센서(100)의 단가를 낮출 수 있는 장점이 있다. 다만, 은(Ag), 구리(Cu) 및 알루미늄(Al)은 백금(Pt)이나 금(Au)과 같은 귀금속에 비해 표준 환원 전위가 낮다. 따라서 센싱 전극(122)은 센싱 과정에서 산화 또는 부식에 의해 변성될 수 있는 우려가 있다.

본 발명은 전도성 레이어(120)의 산화 또는 부식을 억제하도록 센서(100)의 측정 전압을 0.1~4V로 제한하였다. 또한 본 발명은 센싱 전극(122)의 구조와 전도성 레이어(120)의 소재 최적화를 통해, 전도성 레이어(120)의 산화 또는 부식 문제를 해결하였다. 센싱 전극(122)의 구조는 도 2에서 설명한 바 있다. 전도성 레이어(120)의 소재 최적화는 고체 입자(120a)와 유기물(120b)의 함량에 관한 것으로, 도 9를 참조하여 후술한다.

또한 고체 입자(120a)는 구형 또는 플레이크(flake, 편상)의 형상을 갖는다. 도 3에 도시된 전도성 레이어(120)에서 구형을 제외한 나머지 형상을 모두 플레이크 형상으로 지칭할 수 있다. 플레이크 형상의 고체 입자(120a)는 구형에 비해 상대적으로 높은 전도도를 가질 수 있다.

고체 입자(120a)는 반응 비표면적 확보를 위해 수십㎚~20㎛의 크기를 가질 수 있다. 센싱 전극(122)은 센싱 대상 물질과 반응하며 임피던스 변화를 일으키는데, 임피던스에는 커패시턴스(capacitance) 성분과 저항 성분이 존재한다. 고체 입자(120a)의 반응 비표면적이 넓으면 커패시턴스 성분도 커진다. 고체 입자(120a)의 반응 비표면적이 넓으면 반응에 의한 센싱 전극(122)의 산화 또는 부식이 억제될 수 있으며, 센서(100)의 수명이 연장될 수 있다.

유기물(120b)은 고체 입자(120a)를 지지한다. 유기물(120b)의 밖으로 노출된 고체 입자(120a)는 센싱 이후 소실될 수 있으나 유기물(120b) 내에 존재하는 고체 입자(120a)는 유기물(120b)에 의해 보호될 수 있다. 따라서 유기물(120b)은 센서(100)의 내구성 및 신뢰성을 향상시키는 역할을 한다.

유기물(120b)은, 폴리에틸렌 옥사이드(polyethylene oxide, PEO) 계열, 올레산(oleic acid) 계열, 아크릴레이트(acrylate) 계열, 아세테이트(acetate) 계열 및 에폭시(epoxy) 계열로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나의 수지(resin)를 포함한다.

전도성 레이어(120)는 기공(120c)을 갖는다. 기공(120c)은 수㎚~수십㎛의 크기를 가질 수 있다. 전도성 레이어(120)가 기공(120c)을 가지면, 반복적인 기계적 변형에 의해 쉽게 파손되지 않으므로 센서(100)의 신뢰성을 향상시킬 수 있다. 도 1에서 설명한 바와 같이 기판(110)도 연성을 갖기 때문에 전도성 레이어(120)도 기공(120c)을 갖는 것이 바람직하다.

전도성 레이어(120)와 기판(110)은 예각의 접촉각(θ)을 형성한다. 본 발명에서 말하는 접촉각(θ)을 도 3에 표시하였다. 기존의 진공 증착법으로 만들어진 센싱 전극(122)의 단면은 직사각형 형태이며, 기판(110)과 둔각의 접촉각(θ)을 형성한다. 둔각의 접촉각(θ)을 형성하는 센싱 전극(122)은 마찰이나 구부림에 의해 기판(110)으로부터 쉽게 분리될 수 있다. 그러나 본 발명과 같이 기판(110)과 예각의 접촉각(θ)을 형성하는 센싱 전극(122)는 마찰이나 구부림에 대한 저항성이 우수하고, 별도의 보호층 없이도 내구성을 유지할 수 있다.

도 4는 본 발명에 따른 센서의 구조를 나타낸 평면도이다.

도 4는 대량 생산에 유리한 회로 배선(123), 센싱 전극(122) 및 회로 절연층(131)의 구조를 보인 개념도다.

대량 생산에는 공정 오차가 존재한다. 따라서 최종 제품이 항상 설계한 대로 만들어지지 않을 수 있다. 특히 크기가 작은 제품일수록 공정 오차의 발생 확률이 커진다. 이러한 공정 오차를 고려하여 전체 제조 제품 대비 설계한 대로 제조된 제품의 비를 수율로 나타낸다.

실시 예에서, 센서는 여러 번의 인쇄 공정, 열건조 및 경화 과정에 의해 형성된다. 1회의 인쇄 공정에서는 공정 오차의 발생 가능성이 매우 낮지만, 각 레이어를 형성하기 위한 인쇄 공정을 반복할 경우 공정 오차(특히 alignment 오차)가 발생할 수 있으며, 열건조 과정에서도 기판(예를 들어 도 1의 110)의 수축으로 인해 공정 오차가 발생할 수 있다. 특히, 기판(110)은 길이 방향으로 많이 수축된다.

특히 센서의 분해능은 제1 및 제2 전극(122a, 122b)은 그 노출 길이에 따라 결정될 수 있다. 그러나 제1 및 제2 전극(122a, 122b)의 전체 길이와 노출 길이는 5,000㎛ 이내로 매우 작다. 따라서 센서의 대량 생산 시 센서의 노출 길이에 대한 공정 오차의 발생 확률이 크다. 따라서 공정 오차를 최소화할 수 있는 구조를 가져야 센서의 분해능이 확보될 수 있다.

제1 및 제2 전극(122a, 122b), 회로 배선(123) 및 회로 절연층(131)은 모두 인쇄 공정에 의해 형성되는데, 회로 절연층(131)은 제1 및 제2 전극(122a, 122b)과 회로 배선(123)을 덮도록 배치된다. 따라서 회로 절연층(131)은 제1 및 제2 전극(122a, 122b)과 회로 배선(123)의 인쇄 후에 형성된다. 따라서 인쇄 공정의 반복과 열건조 과정에서 공정 오차가 발생할 수 있으며, 원래 설계한 것과 다르게 제1 및 제2 전극(122a, 122b)이 노출되거나 아예 제1 및 제2 전극(122a, 122b)이 노출되지 않는 경우가 발생할 수 있다.

도 4는 이러한 문제를 해결하는 센서(100)의 구조를 보인 것이다.

제1 및 제2 전극(122a, 122b)은 길이 방향을 따라 세 개의 부분으로 구분될 수 있다. 제1 및 제2 전극(122a, 122b)은 길이 방향으로 제1 단부(122a1, 122b1)와 제2 단부(122a2, 122b2)를 구비한다. 그리고 제1 단부(122a1, 122b1)와 제2 단부(122a2, 122b2) 사이의 영역은 중앙부(122a3, 122b3)로 명명될 수 있다.

회로 절연층(131)은 제1 단부(122a1, 122b1)와 제2 단부(122a2, 122b2)를 덮고, 윈도우(131a)는 제1 단부(122a1, 122b1)와 제2 단부(122a2, 122b2) 사이의 중앙부(122a3, 122b3)를 노출시키도록 형성된다.

제1 및 제2 전극(122a, 122b)은 윈도우(131a)의 길이(E)보다 길게 형성된다. 윈도우(131a)는 중앙부(122a3, 122b3)의 노출 길이를 제어한다.

예를 들어 윈도우(131a)의 길이가 500 ~ 2000㎛이라면, 윈도우(131a)가 중앙부(122a3, 122b3)를 노출시킴에 따라 윈도우(131a)를 통해 노출되는 센싱 전극(122)의 노출 길이는 항상 500 ~ 2000㎛로 결정된다. 센싱 전극(122)과 회로 절연층(131)의 위치가 다소 바뀌더라도 윈도우(131a)를 통해 노출되는 센싱 전극(122)의 노출 길이는 500~2000㎛를 유지할 수 있다. 이와 같은 구조를 통해 본 발명의 센서는 대량 생산의 공정 오차에도 불구하고 높은 수율을 얻을 수 있게 된다.

윈도우(131a)의 폭(F)은 제1 전극(122a)과 제2 전극(122b) 사이의 간격보다는 넓되, 5,000㎛을 넘지 않는 것이 바람직하다. 윈도우(131a)의 폭이 지나치게 넓으면 제1 및 제2 전극(122a, 122b)에 접촉하게 될 액체가 액적을 형성하지 못하고 넓게 퍼져버릴 수 있기 때문이다.

도 5 및 도 6은 본 발명에 따른 센서의 전극 구조와 분해능과의 관계를 나타낸 실험 그래프이다.

도 5 및 도 6에서, 그래프의 가로축은 염화나트륨의 농도를 가리키고, 세로축은 임피던스를 가리킨다. 각 패턴은 서로 다른 센싱 전극의 구조를 갖는다. 센싱 전극의 구조란 센싱 전극의 길이, 폭, 두 전극 사이의 간격을 의미한다. 각 패턴의 센싱 전극의 구조는 표 1에 정리하였다.

그래프의 기울기가 급하다는 것은 염화나트륨의 작은 농도 변화에 민감하게 반응하는 것을 의미하므로, 더 높은 분해능을 갖는다는 것을 의미한다.도 7과 도 8의 그래프를 참조하면 윈도우를 통해 노출되는 센싱 전극의 길이가 짧을수록, 센싱 전극의 폭이 좁을수록, 두 전극 사이의 간격이 넓을수록 분해능은 향상된다. 그러나, 오로지 분해능 향상만을 위한 목적으로 센싱 전극을 설계하게 되면, 내구성 및 신뢰성 등의 문제가 발생할 수 있다. 따라서 분해능, 내구성 및 신뢰성 등을 고려하여 센싱 전극의 구조가 설계되어야 하며, 적절한 센싱 전극의 구조는 이미 앞서 설명한 바 있다.도 7은 본 발명에 따른 센서의 제조 방법을 나타낸 순서도, 및 도 8 내지 도 11은 도 7에 나타낸 센서의 제조 과정을 나타낸 과정도이다.

도 7을 참조하면, 인쇄 공정을 통해 전도성 레이어를 기판에 인쇄한다(S10).

전도성 레이어는 안테나 패턴, 센싱 전극 및 회로 배선을 포함한다. 따라서 전도성 레이어를 기판에 인쇄하는 공정을 통해 기판에는 안테나 패턴, 센싱 전극 및 회로 배선이 동시에 형성된다. 안테나 패턴, 센싱 전극 및 회로 배선을 동시에 형성하기 위해서는 안테나 패턴, 센싱 전극 및 회로 배선이 모두 동일한 소재로 이루어져야 한다.

안테나 패턴, 센싱 전극 및 회로 배선이 동시에 형성되고, 하나의 레이어를 형성하는 구조의 장점에 대하여는 이미 앞서 설명한 바 있다.

전도성 레이어의 인쇄 공정은 분말 잉크 또는 페이스트를 이용한다. 분말 잉크 또는 페이스트의 조성은 고체 입자 40~70 중량%, 용매를 포함하는 유기물 30~60 중량%로 이루어진다. 이 조성은 센싱 전극의 산화 및 부식 문제를 해결할 수 있는 조성이다.

고체 입자는 은(Ag), 구리(Cu) 및 알루미늄(Al) 중 적어도 하나로 이루어진다. 고체 입자는 구형 또는 플레이크(flake)의 형상을 갖는다.

유기물은 폴리에틸렌 옥사이드(polyethylene oxide, PEO) 계열, 올레산(oleic acid) 계열, 아크릴레이트(acrylate) 계열, 아세테이트(acetate) 계열 및 에폭시(epoxy) 계열로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나를 포함한다.

용매는 아세톤(acetone), 알릴알코올(allyl alcohol), 아세트산(acetic acid), 아세톨(acetol), 메틸알코올(methylalcohol) 및 벤젠(Benzene)으로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나를 포함한다.

전도성 레이어를 인쇄하는 공정은 스크린(Screen), 오프셋(Offset), 그라비어(Gravure) 중 어느 하나가 이용될 수 있으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. 본 발명에는 안테나 패턴, 센싱 전극 및 회로 배선을 동시에 형성할 수 있는 모든 인쇄 공정이 이용될 수 있다.

도 8은 전도성 레이어가 인쇄된 후 기판(110)과 전도성 레이어(120)를 보이고 있다.

다시 도 7를 참조하면, 이어서 전도성 레이어를 열건조한다(S20). 열건조는 80~200℃에서 이루어질 수 있다. 열건조 과정에서 용매는 증발될 수 있다. 열건조 과정에서 발생할 수 있는 수축에 의한 공정 오차 및 이를 해결하기 위한 센싱 전극의 구조는 이미 설명한 바 있다.

200℃ 이하의 저온 공정이 가능하기 위해서는 고체 입자가 분말 형태로 수십㎚~20㎛의 크기를 갖는 것이 바람직하다.

다음으로 회로 절연층과 제1 안테나 절연층을 인쇄한다(S30).

회로 절연층과 제1 안테나 절연층도 동일한 소재로 이루어짐에 따라 1회 인쇄 공정에 의해 동시에 형성될 수 있다. 회로 절연층과 제1 안테나 절연층은 전도성 레이어 위에 동일한 레이어를 형성한다.

도 9는 회로 절연층과 제1 안테나 절연층(132a)이 인쇄된 후 기판(110), 전도성 레이어(120), 회로 절연층(131) 및 제1 안테나 절연층(132a)을 보이고 있다.

다시 도 7를 참조하면, 회로 절연층과 제1 안테나 절연층을 경화시킨다(S40). 경화는 자외선(UV)에 의해 이루어질 수 있다. 이어서 제1 안테나 절연층 위에 다시 제2 안테나 절연층을 인쇄한다(S50). 그리고 제2 안테나 절연층을 경화시킨다(S60). 마찬가지로 경화는 자외선(UV)에 의해 이루어질 수 있다.

제2 안테나 절연층은 보다 확실한 절연을 위한 것이다. 따라서 제1 안테나 절연층에 의해 충분히 절연될 수 있다면, 제2 안테나 절연층을 인쇄하는 공정과 이를 경화시키는 공정은 생략될 수도 있다. 반대로 제1 안테나 절연층과 제2 안테나 절연층으로도 충분히 절연되지 않는다면, 제2 안테나 절연층 위에 제3안테나 절연층을 추가로 인쇄 및 경화시키는 공정이 추가될 수도 있다.

다음으로 제2 안테나 절연층 위에 안테나 브릿지를 인쇄한다(S70). 안테나 브릿지는 전도성 레이어와 동일한 소재로 이루어질 수 있다. 도 10은 안테나 브릿지(140)를 인쇄한 후 기판(110), 전도성 레이어(120), 회로 절연층(131), 제2 안테나 절연층(132b) 및 안테나 브릿지(140)를 보이고 있다.

다시 도 7을 참조하면, 안테나 브릿지를 열건조한다(S80). 안테나 브릿지를 열건조하는 공정은 실질적으로 전도성 레이어를 열건조하는 공정과 동일하게 이루어질 수 있다.

다음으로 기판에 소자를 본딩한다(S90). 소자는 회로 배선과 전기적으로 연결될 수 있도록 한다. 도 11은 소자(150)를 본딩한 후의 센서(100)를 보이고 있다.

마지막으로 센서의 모든 구성요소를 덮는 보호층을 형성한다(S100).

도 12는 본 발명에 따른 센서의 제어 구성을 나타낸 제어 블록도이다.

도 12를 참조하면, 센서(100)에 포함된 소자(150)는 통신부(252), 전원생성부(254) 및 제어부(256)를 포함할 수 있다.

실시 예에서, 소자(150)는 안테나 패턴(121)와 회로 배선(123)을 안테나 브릿지(120)를 통하여 전기적으로 연결될 수 있다.

통신부(252)는 외부 기기에서 송신된 무선 신호를 안테나 패턴(121)을 통해 수신할 수 있다. 또한, 통신부(252)는 외부 기기로 송신되는 디지털 신호를 안테나 패턴(121)을 통해 송신할 수 있다.

여기서, 통신부(252)는 예를 들어 NFC 통신을 수행하는 NFC 모듈일 수 있으며, 이에 한정을 두지 않는다.

전원 생성부(254)는 통신부(252)에서 수신된 무선 신호을 에너지 하베스팅하여 직류 전원을 생성할 수 있다. 이때, 상기 직류 전원는 제어부(256)의 구동 전원으로 사용될 수 있다.

또한, 전원 생성부(254)는 제어부(256)의 제어에 따라, 센싱 전극(122)으로 전류 또는 전압을 공급할 수 있다. 이때, 상기 전류 또는 상기 전압의 크기(레벨)는 제어부(256)에 의해 가변될 수 있으며, 이에 한정을 두지 않는다.

제어부(256)는 전원 생성부(254)에서 입력된 직류 전원으로 웨이크 업되며, 상기 무선 신호를 분석할 수 있다.

분석 결과, 상기 무선 신호가 센싱 대상 물질의 수질에 대한 이온 농도의 측정을 요청하는 신호인 경우에 대하여, 아래와 같이 먼저 설명한다.

제어부(256)는 센싱 전극(122)로 교류 전원, 즉 센싱 전극(122)에 동 전압이 인가되게 제1 구동 전류가 공급되도록 전원 생성부(254)를 제어할 수 있다.

이후, 제어부(256)는 센싱 전극(122)에서 측정된 제1 구동 전류의 변화에 대응하는 제1 측정 전압이 설정된 제1 이온 기준 전압을 만족하는지 판단할 수 있다.

상기 제1 측정 전압이 상기 제1 이온 기준 전압을 만족하는 경우, 제어부(256)는 상기 제1 측정 전압을 설정된 제1 로그 함수에 적용하여 산출한 이온 농도에 대응하는 제1 디지털 신호를 생성하여 외부 기기로 송신할 수 있다.

상기 제1 로그 함수는 하기의 [수학식 1]과 같다.

여기서, Y는 이온 농도 및 x는 제1 측정 전압일 수 있다.

이때, 제1 구동 전류는 10 ㎂ 내지 14 ㎂ 일 수 있으며, 센싱 대상 물질에 포함된 이온 농도를 확인하기 용이한 전류값이며, 10 ㎂ 미만인 경우 센싱 대상 물질에 대한 이온 농도에 따라 변화가 낮게 발생되고, 14 ㎂ 보다 큰 경우 센싱 대상 물질에 대한 이온 농도를 측정하기 용이하지만 14 ㎂ 와 비교하여 이온 농도에 대한 결과가 크게 달라지지 않으므로 그 효력이 발생되지 않을 수 있다.

여기서, 상기 제1 측정 전압이 상기 제1 이온 기준 전압을 만족하지 않는 경우, 제어부(256)는 제1 구동 전류보다 낮은 제2 구동 전류가 센싱 전극(122)으로 재 공급하여 센싱 전극(122)에서 센싱된 제2 측정 전압이 설정된 제2 이온 기준 전압을 만족하는지 판단할 수 있다.

상기 제2 측정 전압이 상기 제2 이온 기준 전압을 만족하는 경우, 제어부(256)는 상기 제2 측정 전압을 설정된 제1 로그 함수와 다른 제2 로그 함수에 적용하여 산출한 이온 농도에 대응하는 제2 디지털 신호를 생성하여 외부기기로 송신할 수 있다.

상기 제2 로그 함수는 하기의 [수학식 2]과 같다.

여기서, Y는 이온 농도 및 x는 제2 측정 전압일 수 있다.

이때, 제2 구동 전류는 1 ㎂ 내지 3 ㎂ 일 수 있으며, 센싱 대상 물질에 포함된 이온 농도를 확인하기 용이한 전류값이며, 3 ㎂ 보다 큰 경우 센싱 대상 물질에 대한 이온 농도를 측정하기 용이하지만 3 ㎂ 와 비교하여 이온 농도에 대한 결과가 크게 달라지지 않으므로 그 효력이 발생되지 않을 수 있다.

또한, 상기 제2 측정 전압이 상기 제2 이온 기준 전압을 만족하지 않는 경우, 제어부(256)는 상기 제2 측정 전압을 설정된 일차 단일식에 적용하여 산출한 이온 농도에 대응하는 제3 디지털 신호를 생성하여 외부 기기로 송신할 수 있다.

상기 일차 단일식은 하기의 [수학식 3]과 같다.

여기서, Y는 이온 농도 및 x는 측정 전압일 수 있다.

상술한 바와 다르게, 상기 무선 신호가 센싱 대상 물질에 대한 염도의 측정을 요청하는 신호인 경우에 대하여, 아래와 같이 먼저 설명한다.

제어부(256)는 센싱 전극(122)으로 교류 전원, 즉 센싱 전극(122)에 동 전압이 인가되게 구동 전압이 공급되도록 전원 생성부(254)를 제어할 수 있다.

여기서, 센싱 대상 물질의 염도 측정은 온도에 따라 다르게 나타나므로, 센싱 대상 물질의 온도가 상온(예를 들어, 22 ℃)으로 유지될때 측정하는 것이 좋을 수 있다.

제어부(256)는 교류 전원으로 구동 전압을 소정 시간 경과 후 센싱 전극(122)으로부터 센싱된 제3 측정 전압을 설정된 샘플링 주기에 따라 샘플링한 제1 샘플링 전압이 설정된 제1 샘플링 전압값 범위 또는 상기 제1 샘플링 전압값보다 큰 제2 샘플링 전압값 범위 중 어느 하나에 속하는지 판단할 수 있다.

실시 예에서, 상기 소정 시간은 센싱 대상 물질의 온도가 고온 또는 저온이더라도 실온으로 유지되는 시간일 수 있다.

상기 제1 샘플링 전압이 상기 제2 샘플링 전압값 범위에 속하는 것으로 판단하는 경우, 제어부(256)는 상기 제1 샘플링 전압을 설정된 일차 단일식에 적용하여 산출한 염도에 대응하는 제4 디지털 신호를 생성하여 외부 기기로 송신할 수 있다.

상기 일차 단일식은 하기의 [수학식 4]과 같다.

Y는 염도 및 x는 제1 샘플링 전압일 수 있다.

또한, 상기 제1 샘플링 전압이 상기 제1 샘플링 전압값 범위에 속하는 것으로 판단하는 경우, 제어부(256)는 센싱 전극(122)으로 구동 전압을 재 공급하여, 센싱 전극(122)에서 센싱된 제4 측정 전압을 샘플링 주기에 따라 샘플링한 제2 샘플링 전압이 상기 제1 샘플링 전압값 범위에 속하는지 재 판단할 수 있다.

상기 제2 샘플링 전압이 상기 제1 샘플링 전압값 범위에 속하는 것으로 판단하는 경우, 제어부(256)는 제2 샘플링 전압을 설정된 제3 로그 함수에 적용하여 염도에 대응하는 제5 디지털 신호를 생성하여 외부 기기로 송신할 수 있다.

상기 제3 로그 함수는 하기의 [수학식 5]과 같다.

여기서, Y는 이온 농도 및 x는 제2 샘플링 전압일 수 있다.

이때, 상기 제2 샘플링 전압이 상기 제1 샘플링 전압값 범위에 속하지 않은 것으로 판단하는 경우, 제어부(256)는 상기 제2 샘플링 전압이 상기 제2 샘플링 전압값 범위에 속하는 것으로 확인하고, 상기 제2 샘플링 전압을 상기 일차 단일식에 적용하여 상기 염도에 대응하는 제6 디지털 신호를 생성하여 외부 기기로 송신할 수 있다.

상술한 바와 다르게, 상기 무선 신호가 센싱 대상 물질에 대한 염도의 측정을 요청하는 신호만 존재하지 않고, 센싱 대상 물질의 온도가 포함된 것으로 확인 된 경우에 대하여, 아래와 같이 먼저 설명한다.

먼저, 제어부(256)는 센싱 대상 물질의 온도가 제1, 2 온도 범위 중 어느 하나에 속하는지 판단할 수 있다.

실시 예에서, 제1 온도 범위는 실온보다 낮은 온도 범위이며, 제2 온도 범위는 실온보다 높은 온도 범위를 나타낼 수 있다.

예를 들어, 제1 온도 범위는 -10 ℃ 내지 0 ℃ 이며, 제2 온도 범위는 50 ℃ 내지 60 ℃일 수 있으며, 제1, 2 온도 범위 사이의 온도는 실온으로 판단할 수 있으며, 이에 한정을 두지 않는다.

센싱 대상 물질의 온도가 제1 온도 범위에 속하는 것으로 판단하는 경우, 제어부(256)는 센싱 전극(122)으로 구동 전압이 공급되도록 전원 생성부(254)를 제어할 수 있다.

제어부(256)는 센싱 전극(122)으로부터 센싱된 제5 측정 전압을 설정된 샘플링 주기에 따라 샘플링한 제3 샘플링 전압이 설정된 제1 온도 샘플링 전압값 범위 또는 상기 제1 온도 샘플링 전압값보다 큰 제2 온도 샘플링 전압값 범위 중 어느 하나에 속하는지 판단할 수 있다.

상기 제3 샘플링 전압이 상기 제2 샘플링 전압값 범위에 속하는 것으로 판단하는 경우, 제어부(256)는 상기 제3 샘플링 전압을 설정된 일차 단일식에 적용하여 산출한 염도에 대응하는 제7 디지털 신호를 생성하여 외부 기기로 송신할 수 있다.

상기 일차 단일식은 하기의 [수학식 6]과 같다.

Y는 염도 및 x는 제3 샘플링 전압일 수 있다.

또한, 상기 제3 샘플링 전압이 상기 제1 온도 샘플링 전압값 범위에 속하는 것으로 판단하는 경우, 제어부(256)는 센싱 전극(122)으로 구동 전압을 재 공급하여, 센싱 전극(122)에서 센싱된 제6 측정 전압을 샘플링 주기에 따라 샘플링한 제4 샘플링 전압이 상기 제1 온도 샘플링 전압값 범위에 속하는지 재 판단할 수 있다.

상기 제4 샘플링 전압이 상기 제1 온도 샘플링 전압값 범위에 속하는 것으로 판단하는 경우, 제어부(256)는 제4 샘플링 전압을 설정된 제4 로그 함수에 적용하여 염도에 대응하는 제8 디지털 신호를 생성하여 외부 기기로 송신할 수 있다.

상기 제4 로그 함수는 하기의 [수학식 7]과 같다.

여기서, Y는 이온 농도 및 x는 제4 샘플링 전압일 수 있다.

이때, 상기 제4 샘플링 전압이 상기 제1 온도 샘플링 전압값 범위에 속하지 않은 것으로 판단하는 경우, 제어부(256)는 상기 제4 샘플링 전압이 상기 제2 온도 샘플링 전압값 범위에 속하는 것으로 확인하고, 상기 제4 샘플링 전압을 상기 일차 단일식에 적용하여 상기 염도에 대응하는 제9 디지털 신호를 생성하여 외부 기기로 송신할 수 있다.

센싱 대상 물질의 온도가 제2 온도 범위에 속하는 것으로 판단하는 경우, 제어부(256)는 센싱 전극(122)으로 구동 전압이 공급되도록 전원 생성부(254)를 제어할 수 있다.

제어부(256)는 센싱 전극(122)으로부터 센싱된 제7 측정 전압을 설정된 샘플링 주기에 따라 샘플링한 제5 샘플링 전압이 설정된 제3 온도 샘플링 전압값 범위 또는 상기 제3 온도 샘플링 전압값보다 큰 제4 온도 샘플링 전압값 범위 중 어느 하나에 속하는지 판단할 수 있다.

상기 제5 샘플링 전압이 상기 제4 샘플링 전압값 범위에 속하는 것으로 판단하는 경우, 제어부(256)는 상기 제5 샘플링 전압을 설정된 제5 로그 함수에 적용하여 산출한 염도에 대응하는 제10 디지털 신호를 생성하여 외부 기기로 송신할 수 있다.

상기 제5 로그 함수은 하기의 [수학식 8]과 같다.

Y는 염도 및 x는 제5 샘플링 전압일 수 있다.

또한, 상기 제5 샘플링 전압이 상기 제3 온도 샘플링 전압값 범위에 속하는 것으로 판단하는 경우, 제어부(256)는 센싱 전극(122)으로 구동 전압을 재 공급하여, 센싱 전극(122)에서 센싱된 제8 측정 전압을 샘플링 주기에 따라 샘플링한 제6 샘플링 전압이 상기 제3 온도 샘플링 전압값 범위에 속하는지 재 판단할 수 있다.

상기 제6 샘플링 전압이 상기 제3 온도 샘플링 전압값 범위에 속하는 것으로 판단하는 경우, 제어부(256)는 제6 샘플링 전압을 설정된 제6 로그 함수에 적용하여 염도에 대응하는 제11 디지털 신호를 생성하여 외부 기기로 송신할 수 있다.

상기 제6 로그 함수는 하기의 [수학식 9]과 같다.

여기서, Y는 이온 농도 및 x는 제6 샘플링 전압일 수 있다.

이때, 상기 제6 샘플링 전압이 상기 제3 온도 샘플링 전압값 범위에 속하지 않은 것으로 판단하는 경우, 제어부(256)는 상기 제6 샘플링 전압이 상기 제4 온도 샘플링 전압값 범위에 속하는 것으로 확인하고, 상기 제6 샘플링 전압을 상기 제5 로그 함수에 적용하여 상기 염도에 대응하는 제12 디지털 신호를 생성하여 외부 기기로 송신할 수 있다.

도 13 내지 16은 본 발명에 따른 센서의 동작방법을 나타낸 순서도이다.

먼저, 도 13을 참조하면, 센서(100)에 포함된 소자(150)는 외부 기기로부터 무선 신호를 수신하는 경우, 무선 신호로 직류 전원을 생성할 수 있다(S110).

즉, 소자(150)에 포함된 전원생성부(252)는 무선 신호를 에너지 하베스팅하여 직류 전원을 생성할 수 있다.

여기서, 소자(150)는 직류 전원으로 웨이크 업하며, 무선 신호가 센싱 대상 물질의 수질을 나타내는 이온 농도 또는 상기 센싱 대상 물질의 염도에 대한 측정 요청인지 확인할 수 있다(S120).

(S120) 단계에서, 이온 농도의 측정 요청으로 확인하는 경우, 소자(150)는 센싱 대상 물질이 접촉된 센싱 전극(122)에 포함된 제1, 2 전극(122a, 122b) 사이의 임피던스 변화에 대응하는 제1 측정 전압이 센싱되게 제1, 2 전극(122a, 122b)로 제1 구동 전류를 공급할 수 있다(S130).

소자(150)는 제1, 2 전극(122a, 122b)에서 측정된 제1 구동 전류의 변화에 대응하는 제1 측정 전압이 설정된 제1 이온 기준 전압을 만족하는지 판단할 수 있다(S140).

(S140) 단계에서, 제1 측정 전압이 제1 이온 기준 전압을 만족하는 경우, 소자(150)는 제1 측정 전압을 설정된 제1 로그 함수에 적용하여 이온 농도에 대응하는 제1 디지털 신호를 외부 기기로 송신할 수 있다(S150).

즉, 소자(150)는 상술한 [수학식 1]의 제1 로그 함수에 제1 측정 전압을 적용하여 상기 센싱 대상 물질의 이온 농도를 연산하고, 상기 이온 농도에 대응하는 제1 디지털 신호를 생성할 수 있다.

자세한 설명은 도 12에서 설명한 바, 생략하기로 한다.

(S140) 단계에서, 제1 측정 전압이 제1 이온 기준 전압을 만족하지 않는 경우, 소자(150)는 제1 구동 전류보다 낮은 제2 구동 전류가 제1, 2 전극(122a, 122b)으로 재 공급할 수 있다(S160).

이후, 소자(150)는 제2 구동 전류에 의해 제1, 2 전극(122a, 122b)에서 센싱된 제2 측정 전압이 설정된 제2 이온 기준 전압을 만족하는지 판단할 수 있다(S170).

(S170) 단계에서, 제2 측정 전압이 제2 이온 기준 전압을 만족하는 경우, 소자(150)는 제2 측정 전압을 설정된 제2 로그 함수에 적용하여 이온 농도에 대응하는 제2 디지털 신호를 외부 기기로 송신할 수 있다(S180).

즉, 소자(150)는 상술한 [수학식 2]의 제2 로그 함수에 제2 측정 전압을 적용하여 상기 센싱 대상 물질의 이온 농도를 연산하고, 상기 이온 농도에 대응하는 제2 디지털 신호를 생성할 수 있다.

자세한 설명은 도 12에서 설명한 바, 생략하기로 한다.

(S170) 단계에서, 제2 측정 전압이 제2 이온 기준 전압을 만족하지 않는 경우, 소자(150)는 제2 측정 전압을 설정된 일차 단일식에 적용하여 이온 농도에 대응하는 제3 디지털 신호를 생성하여 외부 기기로 송신할 수 있다(S190).

즉, 소자(150)는 상술한 [수학식 3]의 일차 단일식에 제3 측정 전압을 적용하여 상기 센싱 대상 물질의 이온 농도를 연산하고, 상기 이온 농도에 대응하는 제3 디지털 신호를 생성할 수 있다.

자세한 설명은 도 12에서 설명한 바, 생략하기로 한다.

도 14를 참조하면, 도 14를 참조하면, (S120) 단계에서, 염도의 측정 요청으로 확인하는 경우, 소자(150)는 무선 신호에 센싱 대상 물질의 온도가 포함되어 있는지 판단할 수 있다(S210).

(S210) 단계에서, 센싱 대상 물질의 온도가 포함되지 않는 경우, 소자(150)는 센싱 대상 물질이 접촉된 제1, 2 전극(122a, 122b) 사이의 임피던스 변화에 대응하는 제3 측정 전압이 센싱되게 제1, 2 전극(122a, 122b)으로 구동 전압을 공급할 수 있다(S220).

구동 전압을 소정 시간 동안 공급한 후, 소자(150)는 제1, 2 전극(122a, 122b)에서 센싱된 제3 측정 전압을 입력받을 수 있다(S230).

즉, 센싱 대상 물질의 염도 측정은 온도에 따라 다르게 나타나므로, 소자(150)는 상기 소정 시간 동안 센싱 대상 물질의 온도가 상온(예를 들어, 22 ℃)으로 낮아지거나, 높아져서 유지될때 제3 측정 전압을 측정할 수 있다.

이후, 소자(150)는 제3 측정 전압을 설정된 샘플링 주기에 따라 샘플링한 제1 샘플링 전압이 설정된 제1 샘플링 전압값 범위 또는 상기 제1 샘플링 전압값보다 큰 제2 샘플링 전압값 범위 중 어느 하나에 속하는지 판단할 수 있다(S240).

(S240) 단계에서, 제1 샘플링 전압이 제2 샘플링 전압값 범위에 속하는 것으로 판단하는 경우, 소자(150)는 제1 샘플링 전압을 설정된 일차 단일식에 적용하여 산출한 염도에 대응하는 제4 디지털 신호를 생성하여 외부 기기로 송신할 수 있다(S250).

즉, 소자(150)는 상술한 [수학식 4]의 일차 단일식에 제1 샘플링 전압을 적용하여 상기 센싱 대상 물질의 염도를 연산하고, 상기 염도에 대응하는 제4 디지털 신호를 생성할 수 있다.

(S240) 단계에서, 제1 샘플링 전압이 제1 샘플링 전압값 범위에 속하는 것으로 판단하는 경우, 소자(150)는 제1, 2 전극(122a, 122b)로 구동 전압을 재공급하고(S260), 제1, 2 전극(122a, 122b)에서 센싱된 제4 측정 전압을 입력받을 수 있다(S270).

소자(150)는 제4 측정 전압을 샘플링 주기에 따라 샘플링한 제2 샘플링 전압이 제1 샘플링 전압값 범위에 속하는지 재 판단할 수 있다(S280).

(S280) 단계에서, 제2 샘플링 전압이 제1 샘플링 전압값 범위에 속하는 것으로 판단하는 경우, 소자(150)는 재2 샘플링 전압을 설정된 제3 로그 함수에 적용하여 염도에 대응하는 제5 디지털 신호를 생성하여 외부 기기로 송신할 수 있다(S290).

즉, 소자(150)는 상술한 [수학식 5]의 제3 로그 함수에 제2 샘플링 전압을 적용하여 상기 센싱 대상 물질의 염도를 연산하고, 상기 염도에 대응하는 제5 디지털 신호를 생성할 수 있다.

(S280) 단계에서, 제2 샘플링 전압이 제1 샘플링 전압값 범위에 속하지 않는 것으로 판단하는 경우, 소자(150)는 제2 샘플링 전압이 제2 샘플링 전압값 범위에 속하는 것으로 확인하고, 제2 샘플링 전압을 일차 단일식에 적용하여 염도에 대응하는 제6 디지털 신호를 생성하여 외부 기기로 송신할 수 있다(S300).

즉, 소자(150)는 상술한 [수학식 4]의 일차 단일식에 제2 샘플링 전압을 적용하여 상기 센싱 대상 물질의 염도를 연산하고, 상기 염도에 대응하는 제6 디지털 신호를 생성할 수 있다.

자세한 설명은 도 12에서 설명한 바, 생략하기로 한다.

도 15를 참조하면, (S210) 단계에서, 센싱 대상 물질의 온도가 포함된 경우, 소자(150)는 센싱 대상 물질의 온도가 제1, 2 온도 범위 중 어느 하나에 속하는지 판단할 수 있다(S310).

실시 예에서, 제1 온도 범위는 실온보다 낮은 온도 범위, 예를들어 -10 ℃ 내지 0 ℃ 이며, 제2 온도 범위는 실온보다 높은 온도 범위, 예를 들어 50 ℃ 내지 60 ℃일 수 있으며, 제1, 2 온도 범위 사이의 온도는 실온으로 판단할 수 있다.

(S310) 단계에서, 센싱 대상 물질의 온도가 제1 온도 범위에 속하는 것으로 판단하는 경우, 소자(150)는 센싱 대상 물질이 접촉된 제1, 2 전극(122a, 122b) 사이의 임피던스 변화에 대응하는 제5 측정 전압이 센싱되게 제1, 2 전극(122a, 122b)으로 구동 전압을 공급할 수 있다(S320).

소자(150)는 제1, 2 전극(122a, 122b)에서 센싱된 제5 측정 전압을 입력받을 수 있다(S330).

이후, 소자(150)는 제5 측정 전압을 설정된 샘플링 주기에 따라 샘플링한 제3 샘플링 전압이 설정된 제1 온도 샘플링 전압값 범위 또는 상기 제1 온도 샘플링 전압값보다 큰 제2 온도 샘플링 전압값 범위 중 어느 하나에 속하는지 판단할 수 있다(S340).

(S340) 단계에서, 제3 샘플링 전압이 제2 온도 샘플링 전압값 범위에 속하는 것으로 판단하는 경우, 소자(150)는 제3 샘플링 전압을 설정된 일차 단일식에 적용하여 산출한 염도에 대응하는 제7 디지털 신호를 생성하여 외부 기기로 송신할 수 있다(S350).

즉, 소자(150)는 상술한 [수학식 6]의 일차 단일식에 제3 샘플링 전압을 적용하여 상기 센싱 대상 물질의 염도를 연산하고, 상기 염도에 대응하는 제7 디지털 신호를 생성할 수 있다.

(S340) 단계에서, 제3 샘플링 전압이 제1 온도 샘플링 전압값 범위에 속하는 것으로 판단하는 경우, 소자(150)는 제1, 2 전극(122a, 122b)로 구동 전압을 재공급하고(S360), 제1, 2 전극(122a, 122b)에서 센싱된 제6 측정 전압을 입력 받을 수 있다(S370).

소자(150)는 제6 측정 전압을 샘플링 주기에 따라 샘플링한 제4 샘플링 전압이 제1 온도 샘플링 전압값 범위에 속하는지 재 판단할 수 있다(S380).

(S380) 단계에서, 제4 샘플링 전압이 제1 샘플링 전압값 범위에 속하는 것으로 판단하는 경우, 소자(150)는 제4 샘플링 전압을 설정된 제4 로그 함수에 적용하여 염도에 대응하는 제8 디지털 신호를 생성하여 외부 기기로 송신할 수 있다(S390).

즉, 소자(150)는 상술한 [수학식 7]의 제4 로그 함수에 제4 샘플링 전압을 적용하여 상기 센싱 대상 물질의 염도를 연산하고, 상기 염도에 대응하는 제8 디지털 신호를 생성할 수 있다.

(S380) 단계에서, 제4 샘플링 전압이 제1 온도 샘플링 전압값 범위에 속하지 않는 것으로 판단하는 경우, 소자(150)는 제4 샘플링 전압이 제2 샘플링 전압값 범위에 속하는 것으로 확인하고, 제4 샘플링 전압을 일차 단일식에 적용하여 염도에 대응하는 제6 디지털 신호를 생성하여 외부 기기로 송신할 수 있다(S400).

즉, 소자(150)는 상술한 [수학식 6]의 일차 단일식에 제4 샘플링 전압을 적용하여 상기 센싱 대상 물질의 염도를 연산하고, 상기 염도에 대응하는 제9 디지털 신호를 생성할 수 있다.

자세한 설명은 도 12에서 설명한 바, 생략하기로 한다.

도 16을 참조하면, (S310) 단계에서, 센싱 대상 물질의 온도가 제2 온도 범위에 속하는 것으로 판단하는 경우, 소자(150)는 센싱 대상 물질이 접촉된 제1, 2 전극(122a, 122b) 사이의 임피던스 변화에 대응하는 제7 측정 전압이 센싱되게 제1, 2 전극(122a, 122b)으로 구동 전압을 공급할 수 있다(S410).

소자(150)는 제1, 2 전극(122a, 122b)에서 센싱된 제7 측정 전압을 입력받을 수 있다(S420).

이후, 소자(150)는 제7 측정 전압을 설정된 샘플링 주기에 따라 샘플링한 제5 샘플링 전압이 설정된 제3 온도 샘플링 전압값 범위 또는 상기 제3 온도 샘플링 전압값보다 큰 제4 온도 샘플링 전압값 범위 중 어느 하나에 속하는지 판단할 수 있다(S430).

(S430) 단계에서, 제5 샘플링 전압이 제4 온도 샘플링 전압값 범위에 속하는 것으로 판단하는 경우, 소자(150)는 제5 샘플링 전압을 설정된 제5 로그 함수에 적용하여 산출한 염도에 대응하는 제10 디지털 신호를 생성하여 외부 기기로 송신할 수 있다(S440).

즉, 소자(150)는 상술한 [수학식 8]의 제5 로그 함수에 제5 샘플링 전압을 적용하여 상기 센싱 대상 물질의 염도를 연산하고, 상기 염도에 대응하는 제10 디지털 신호를 생성할 수 있다.

(S430) 단계에서, 제5 샘플링 전압이 제3 온도 샘플링 전압값 범위에 속하는 것으로 판단하는 경우, 소자(150)는 제1, 2 전극(122a, 122b)로 구동 전압을 재공급하고(S450), 제1, 2 전극(122a, 122b)에서 센싱된 제8 측정 전압을 입력받을 수 있다(S460).

소자(150)는 제8 측정 전압을 샘플링 주기에 따라 샘플링한 제6 샘플링 전압이 제3 온도 샘플링 전압값 범위에 속하는지 재 판단할 수 있다(S470).

(S470) 단계에서, 제6 샘플링 전압이 제3 샘플링 전압값 범위에 속하는 것으로 판단하는 경우, 소자(150)는 제6 샘플링 전압을 설정된 제6 로그 함수에 적용하여 염도에 대응하는 제11 디지털 신호를 생성하여 외부 기기로 송신할 수 있다(S480).

즉, 소자(150)는 상술한 [수학식 9]의 제6 로그 함수에 제6 샘플링 전압을 적용하여 상기 센싱 대상 물질의 염도를 연산하고, 상기 염도에 대응하는 제11 디지털 신호를 생성할 수 있다.

(S470) 단계에서, 제6 샘플링 전압이 제3 온도 샘플링 전압값 범위에 속하지 않는 것으로 판단하는 경우, 소자(150)는 제6 샘플링 전압이 제4 샘플링 전압값 범위에 속하는 것으로 확인하고, 제6 샘플링 전압을 제5 로그 함수에 적용하여 염도에 대응하는 제12 디지털 신호를 생성하여 외부 기기로 송신할 수 있다(S490).

즉, 소자(150)는 상술한 [수학식 8]의 제5 로그 함수에 제6 샘플링 전압을 적용하여 상기 센싱 대상 물질의 염도를 연산하고, 상기 염도에 대응하는 제12 디지털 신호를 생성할 수 있다.

자세한 설명은 도 12에서 설명한 바, 생략하기로 한다.

도 17은 본 발명에 따른 센서와 외부 기기 사이의 연계 동작을 나타낸 개념도이다.

도 17을 참조하면, 센서(400)는 외부 기기(500)와 무선 신호를 송수신할 수 있다.

먼저, 센서(400)는 기판(410), 안테나 패턴(421), 센싱 전극(422) 및 소자(450)를 포함할 수 있다.

실시 예에서, 센서(400)는 도 1 내지 도 4에 나타낸 센서(100)와 동일한 구성을 가지는 것으로, 자세한 설명을 생략한다.

소자(450)는 통신부(452), 전원생성부(454) 및 제어부(456)를 포함할 수 있다.

실시 예에서, 제어부(456)는 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하는 아날로그 디지털 컨버터를 포함할 수 있으며, 이에 한정을 두지 않는다.

소자(450)에 대한 자세한 설명은 도 1 내지 도 4에서 기술한 바, 생략하기로 한다.

외부 기기(500)는 무선 통신 기능과 디스플레이를 갖는 이동 단말기를 포함한다.

먼저, 통신부(452)는 안테나 패턴(410)을 통해 외부 기기(500)로부터 무선 신호를 수신할 수 있다.

이때, 전원생성부(454)는 예를 들어 NFC Tag IC의 정류 회로일 수 있으며, 무선 신호를 에너지 하베스팅하여 직류 전원을 생성할 수 있다.

이와 같이, 센서(400)는 스스로 전력 공급을 위한 구성을 갖는 것이 아니라, 외부 기기로부터 수신된 무선 신호를 이용하여 직류 전원을 생성하며, 이렇게 생성된 직류 전원에 의해 통신부(452), 전원생성부(454) 및 제어부(456) 및 센싱 전극(422)이 작동하게 된다.

제어부(456)는 직류 전원을 공급받아 구동된다. 제어부(456)는 교류 전원(예를 들어 10KHz, 1.2V)을 생성하여 센싱 전극(422)에 입력할 수 있다.

센싱 전극(422)과 센싱 대상 물질이 반응하게 되면, 센싱 전극(422)은 임피던스 변화를 일으키게 된다. 그리고 센싱 전극(422)의 임피던스 변화는 제어부(456)에서 생성한 교류 전원의 변화를 측정 전압으로 나타나게 된다. 출력값의 범위에 따라 센싱 대상 물질이 분류될 수 있다.

측정 전압은 디지털 신호로 변환된다. 제어부(456)는 센싱 전극(422)의 임피던스 변화에 근거하여 나타나는 교류 전압의 변화를 디지털 신호로 변환한다.

그리고, 통신부(454)(예를 들어 NFC Tag IC)는 디지털 신호를 안테나 패턴(421)을 통해 외부 기기(500)로 송신한다.

외부 기기(500)는 센서(400)로부터 디지털 신호를 전송받아 정보를 생성하고 저장 및 관리하게 된다. 또한 외부 기기(500)는 디스플레이를 통해 정보를 표시할 수 있다.

이상에서 설명한 바와 같이 센서(400)는 스스로 전원을 구비하지 않으며, 외부 기기(500)와 통신 가능하므로 스스로 디스플레이 등을 구비하지 않을 수 있다. 이는 결국 센서(400)의 소형화와 휴대성 강화에 기여하는 것이며, 센서(400)의 제조 단가를 감소시킬 수 있다.

이상에서 실시 예들에 설명된 특징, 구조, 효과 등은 본 발명의 적어도 하나의 실시 예에 포함되며, 반드시 하나의 실시 예에만 한정되는 것은 아니다. 나아가, 각 실시 예에서 예시된 특징, 구조, 효과 등은 실시 예들이 속하는 분야의 통상의 지식을 가지는 자에 의해 다른 실시 예들에 대해서도 조합 또는 변형되어 실시 가능하다. 따라서 이러한 조합과 변형에 관계된 내용들은 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

또한, 이상에서 실시 예를 중심으로 설명하였으나 이는 단지 예시일 뿐 본 발명을 한정하는 것이 아니며, 본 발명이 속하는 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 실시 예의 본질적인 특성을 벗어나지 않는 범위에서 이상에 예시되지 않은 여러가지의 변형과 응용이 가능함을 알 수 있을 것이다. 예를 들어, 실시 예에 구체적으로 나타난 각 구성 요소는 변형하여 실시할 수 있는 것이다. 그리고 이러한 변형과 응용에 관계된 차이점들은 첨부된 청구 범위에서 규정하는 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (43)

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18. 기판;
    상기 기판 상에 나선 형태로 형성되고, 외부 기기로부터 무선 신호를 수신하며, 상기 외부 기기로 디지털 신호를 송신하는 안테나 패턴;
    상기 기판 상에 서로 평행하게 이격되며, 센싱 대상 물질이 접촉되어 임피던스의 변화에 해당하는 입력된 교류 전원의 변화를 나타내는 측정 전압을 센싱하는 제1, 2 전극;
    상기 제1, 2 전극 각각과 연결되게 형성된 회로 배선; 및
    상기 안테나 패턴 및 상기 회로 배선에 본딩된 소자를 포함하고,
    상기 소자는,
    상기 안테나 패턴으로부터 상기 무선 신호를 수신하고, 상기 안테나 패턴으로 송신되게 상기 디지털 신호를 공급하는 통신부;
    상기 무선 신호로 직류 전원을 생성하는 전원생성부; 및
    상기 직류 전원으로 웨이크 업되며, 상기 직류 전원을 교류 전원으로 변환하여 상기 제1, 2 전극으로 공급하고, 상기 센싱 대상 물질이 접촉되는 경우 상기 제1, 2 전극 사이의 임피던스 변화에 대응하는 상기 측정 전압에 따라 상기 센싱 대상 물질의 수질을 나타내는 이온 농도 및 상기 센싱 대상 물질의 염도 중 적어도 하나에 해당하는 상기 디지털 신호를 생성하여 상기 통신부로 공급하는 제어부를 포함하고,
    상기 무선 신호가 상기 이온 농도의 측정을 요청하는 신호인 경우,
    상기 제어부는,
    상기 직류 전원으로 설정된 제1 구동 전류가 상기 제1, 2 전극으로 공급되게 상기 전원생성부를 제어하며, 상기 측정 전압이 설정된 제1 이온 기준 전압을 만족하면 상기 측정 전압(x)을 설정된 제1 로그 함수에 적용하여 산출한 상기 이온 농도(Y)에 대응하는 상기 디지털 신호를 생성하고,
    상기 제1 로그 함수는 인 것을 특징으로 하는,
    센서.
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20. 제 18 항에 있어서,
    상기 측정 전압이 상기 제1 이온 기준 전압을 만족하지 않는 경우,
    상기 제어부는,
    상기 직류 전원으로 상기 제1 구동 전류보다 낮은 제2 구동 전류가 상기 제1, 2 전극으로 재 공급되게 상기 전원생성부를 제어하며, 상기 측정 전압이 제2 이온 기준 전압을 만족하면 설정된 상기 측정 전압(x)을 상기 제1 로그 함수와 다른 제2 로그 함수에 적용하여 산출한 상기 이온 농도(Y)에 대응하는 상기 디지털 신호를 생성하고,
    상기 제2 로그 함수는 인 것을 특징으로 하는,
    센서.
21. 제 20 항에 있어서,
    상기 제2 구동 전류에 대한 상기 측정 전압이 상기 제2 이온 기준 전압을 만족하지 않는 경우,
    상기 제어부는,
    상기 측정 전압(x)을 설정된 일차 단일식에 적용하여 산출한 상기 이온 농도(Y)에 대응하는 상기 디지털 신호를 생성하고,
    상기 일차 단일식은 인 것을 특징으로 하는,
    센서.
22. 제 18 항에 있어서,
    상기 무선 신호가 상기 염도의 측정을 요청하는 신호인 경우,
    상기 제어부는,
    상기 직류 전원으로 설정된 구동 전압이 상기 제1, 2 전극으로 공급되게 상기 전원생성부를 제어하며, 설정된 소정 시간 경과 후 입력된 상기 측정 전압을 설정된 샘플링 주기에 따라 샘플링한 샘플링 전압이 설정된 제1 샘플링 전압값 범위보다 큰 제2 샘플링 전압값 범위에 속하면, 상기 샘플링 전압을 설정된 일차 단일식에 적용하여 산출한 상기 염도에 대응하는 상기 디지털 신호를 생성하고,
    상기 일차 단일식은 인 것을 특징으로 하는,
    센서.
23. 제 22 항에 있어서,
    상기 샘플링 전압이 상기 제1 샘플링 전압값 범위에 속하는 경우,
    상기 제어부는,
    상기 구동 전압을 상기 제1, 2 전극으로 재 공급되게 상기 전원생성부를 제어하며, 상기 측정 전압을 상기 샘플링 주기에 따라 샘플링한 샘플링 전압이 상기 제1 샘플링 전압값 범위에 속하면, 상기 샘플링 전압(x)을 설정된 제3 로그 함수에 적용하여 산출한 상기 염도(Y)에 대응하는 상기 디지털 신호를 생성하고,
    상기 제3 로그 함수는 인 것을 특징으로 하는,
    센서.
24. 제 23 항에 있어서,
    상기 샘플링 전압이 상기 제1 샘플링 전압값 범위에 속하지 않는 경우,
    상기 제어부는,
    상기 샘플링 전압이 상기 제2 샘플링 전압값 범위에 속하는 것으로 판단하고, 상기 샘플링 전압을 상기 일차 단일식에 적용하여 산출한 상기 염도에 대응하는 상기 디지털 신호를 생성하는,
    센서.
25. 제 18 항에 있어서,
    상기 무선 신호가 상기 염도의 측정을 요청 및 상기 센싱 대상 물질의 온도를 포함하는 신호인 경우,
    상기 제어부는,
    상기 직류 전원으로 설정된 구동 전압이 상기 제1, 2 전극으로 공급되게 상기 전원생성부를 제어하며, 상기 센싱 대상 물질의 온도가 제1 온도 범위에 속하면 상기 측정 전압을 설정된 샘플링 주기에 따라 샘플링한 샘플링 전압이 제1 온도 샘플링 전압값 보다 큰 제2 온도 샘플링 전압값 범위에 속하면, 상기 샘플링 전압(x)을 설정된 일차 단일식에 적용하여 산출한 상기 염도(Y)에 대응하는 상기 디지털 신호를 생성하고,
    상기 일차 단일식은 인 것을 특징으로 하는,
    센서.
26. 제 25 항에 있어서,
    상기 샘플링 전압이 상기 제1 온도 샘플링 전압값 범위에 속하는 경우,
    상기 제어부는,
    상기 구동 전압을 상기 제1, 2 전극으로 재 공급되게 상기 전원생성부를 제어하며, 상기 측정 전압을 상기 샘플링 주기에 따라 샘플링한 샘플링 전압이 상기 제1 온도 샘플링 전압값 범위에 속하면, 상기 샘플링 전압(x)을 설정된 제4 로그 함수에 적용하여 산출한 상기 염도(Y)에 대응하는 상기 디지털 신호를 생성하고,
    상기 제4 로그 함수는 인 것을 특징으로 하는,
    센서.
27. 제 26 항에 있어서,
    상기 샘플링 전압이 상기 제1 온도 샘플링 전압값 범위에 속하지 않는 경우,
    상기 제어부는,
    상기 샘플링 전압이 상기 제2 온도 샘플링 전압값 범위에 속하는 것으로 판단하고, 상기 샘플링 전압을 상기 일차 단일식에 적용하여 산출한 상기 염도에 대응하는 상기 디지털 신호를 생성하는,
    센서.
28. 제 18 항에 있어서,
    상기 무선 신호가 상기 염도의 측정을 요청 및 상기 센싱 대상 물질의 온도를 포함하는 신호인 경우,
    상기 제어부는,
    상기 직류 전원으로 설정된 구동 전압이 상기 제1, 2 전극으로 공급되게 상기 전원생성부를 제어하며, 상기 센싱 대상 물질의 온도가 제2 온도 범위에 속하면 상기 측정 전압을 설정된 샘플링 주기에 따라 샘플링한 샘플링 전압이 제3 온도 샘플링 전압값 보다 큰 제4 온도 샘플링 전압값 범위에 속하면, 상기 샘플링 전압(x)을 설정된 제5 로그 함수에 적용하여 산출한 상기 염도(Y)에 대응하는 상기 디지털 신호를 생성하고,
    상기 제5 로그 함수는 인 것을 특징으로 하는,
    센서.
29. 제 28 항에 있어서,
    상기 샘플링 전압이 상기 제3 온도 샘플링 전압값 범위에 속하는 경우,
    상기 제어부는,
    상기 구동 전압을 상기 제1, 2 전극으로 재 공급되게 상기 전원생성부를 제어하며, 상기 측정 전압을 상기 샘플링 주기에 따라 샘플링한 샘플링 전압이 상기 제3 온도 샘플링 전압값 범위에 속하면, 상기 샘플링 전압(x)을 설정된 제6 로그 함수에 적용하여 산출한 상기 염도(Y)에 대응하는 상기 디지털 신호를 생성하고,
    상기 제6 로그 함수는 인 것을 특징으로 하는,
    센서.
30. 제 29 항에 있어서,
    상기 샘플링 전압이 상기 제3 온도 샘플링 전압값 범위에 속하지 않는 경우,
    상기 제어부는,
    상기 샘플링 전압이 상기 제4 온도 샘플링 전압값 범위에 속하는 것으로 판단하고, 상기 샘플링 전압을 상기 제5 로그 함수에 적용하여 산출한 상기 염도에 대응하는 상기 디지털 신호를 생성하는,
    센서.
31. 제 18 항에 있어서,
    상기 측정 전압은,
    0.1 내지 4V인,
    센서.
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