KR102620961B1

KR102620961B1 - 압전 소자 및 이를 이용한 압전 센서

Info

Publication number: KR102620961B1
Application number: KR1020220177367A
Authority: KR
Inventors: 홍종호; 박원상; 임재익; 추혜용; 김대형; 김재민; 도경식; 박민준
Original assignee: 삼성디스플레이 주식회사; 서울대학교산학협력단
Priority date: 2015-03-23
Filing date: 2022-12-16
Publication date: 2024-01-05
Anticipated expiration: 2035-03-23
Also published as: CN112993144A; CN105990513B; US20160284971A1; US10439128B2; KR20160114243A; KR102480632B1; CN112993144B; CN105990513A; KR20230007982A

Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 압전 소자는, 압전 물질을 포함하는 압전막 및 상기 압전막의 상측에 배치되고, 카본 나노 구조를 갖는 제1 막을 포함할 수 있다.
본 명세서의 압전 소자는 우수한 전기적 특성을 가지며, 제조 단가 및 대량 생산 측면에서 유리하며, 가요성을 가지며, 투명 또는 반투명하기 때문에 다양한 디바이스에 압전 센서로서 적용될 수 있다.

Description

압전 소자 및 이를 이용한 압전 센서{PIEZOELECTRIC DEVICE AND PIEZOELECTRIC SENSOR USING THE SAME}

본 명세서는 카본 나노 튜브를 포함한 압전 소자 및 이를 이용한 압전 센서에 관한 것이다.

일반적으로 압전 소자는 금속이나 반도체 재료가 늘어나는 경우 저항이 바뀌는 성질을 이용하여 제조된다. 다만, 금속을 사용하여 제조된 압전 소자는 압저항 특성이 떨어져 성능이 좋지 않다는 문제점이 존재하였다. 이를 해결하기 위해, 단결정 실리콘을 이용하여 압전 소자를 제조하는 연구가 진행되었다. 그러나, 단결정 실리콘을 이용하여 제조된 압전 소자는 불투명하며 제조 단가가 비싸다는 단점이 존재하였다.

최근에는 압전 특성을 갖는 Polylactic acid(PLA)가 늘어날 때 발생하는 전기 에너지의 변화를 이용하여 압전 소자를 제조하는 연구가 발표된 바 있다. 그러나, PLA를 이용하여 제조된 압전 소자는 투명하다는 장점이 있으나, PLA를 틀에 넣어서 굳혀야 하기 때문에 다채널 소자와 같은 복잡한 압전 소자를 개발하기 힘들고, 대량 생산이 어렵다는 문제점이 존재한다.

종래의 압전 소자들보다 우수한 전기적 특성을 가지며, 투명하며 가요성을 갖는 압전 소자를 제안하고자 한다.

또한, 상기 압전 소자를 포함하는 압전 센서를 제안하고자 한다.

또한, 상기 압전 센서를 포함한 웨어러블 디바이스를 제안하고자 한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 압전 소자는, 압전 물질을 포함하는 압전막; 및 상기 압전막의 상측에 배치되고, 카본 나노 구조를 갖는 제1 막; 을 포함할 수 있다.

상기 압전막은 징크 옥사이드(ZnOx)를 포함할 수 있다.

상기 제1 막은 카본 나노 튜브 또는 그래핀을 포함할 수 있다.

상기 압전 소자는 상기 압전막의 하측에 배치되고, 상기 압전막의 결정성을 향상시키는 제2 막; 을 더 포함할 수 있다.

상기 제2 막은 크롬을 포함하는 제1 보조막; 및 크롬 옥사이드(CrOx)를 포함하는 제2 보조막; 을 포함할 수 있다.

상기 압전 소자는 상기 제1 막의 상측에 배치되고, 몰리브덴 옥사이드(MoOx)를 포함하는 제3 막; 을 더 포함할 수 있다.

상기 제1 내지 제3 막 및 상기 압전막은 투명 또는 반투명할 수 있다.

본 발명의 다른 실시예에 따른 압전 소자는, 카본 나노 튜브(Carbon Nano Tube)를 포함하는, 제1 막; 징크 옥사이드(ZnOx)를 포함하는, 압전막; 및 크롬(Cr) 및 크롬 옥사이드(CrOx)를 포함하는, 제2 막; 을 포함할 수 있다.

상기 제2 막은 크롬을 포함하는 제1 보조막; 및 크롬 옥사이드를 포함하는 제2 보조막; 을 포함할 수 있다.

상기 압전 소자는 몰리브덴 옥사이드(MoOx)를 포함하는 제3 막; 을 더 포함할 수 있다.

본 발명의 다른 실시예에 따른 압전 센서는, 가요성을 갖는 제1 및 제2 피막; 제1 및 제2 전극; 및 상기 제1 및 제2 전극 사이에 배치된 적어도 하나의 압전 소자; 를 포함하되, 상기 적어도 하나의 압전 소자는, 압전 물질을 포함하는 압전막; 및 상기 압전막의 상측에 배치되고, 카본 나노 구조를 갖는 제1 막; 을 포함할 수 있다.

상기 압전막은 징크 옥사이드(ZnOx)를 포함하고, 상기 제1 막은 카본 나노 튜브 또는 그래핀을 포함할 수 있다.

상기 압전 소자는 상기 압전막의 하측에 배치되고, 상기 압전막의 결정성을 향상시키는 제2 막; 을 더 포함하되, 상기 제2 막은, 크롬을 포함하는 제1 보조막; 및 크롬 옥사이드를 포함하는 제2 보조막; 을 포함할 수 있다.

상기 압전 소자는, 상기 제1 막의 상측에 배치되고, 몰리브덴 옥사이드(MoOx)를 포함하는 제3 막; 을 더 포함할 수 있다.

상기 압전 소자는 투명 또는 반투명할 수 있다.

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

상기 제1 및 제2 피막은, 폴리 이미드(poly imid)를 포함하며, 서펜틴 구조로 패터닝되어 형성될 수 있다.

본 발명의 다른 실시예에 따른 웨어러블 디바이스는, 상기 웨어러블 디바이스에 대한 유저 입력을 센싱하는 압전 센서; 및 상기 압전 센서와 통신을 수행하여 상기 유저 입력을 디텍트하고, 상기 디텍트한 유저 입력에 대응하는 커맨드를 수행하는, 프로세서; 를 포함하되, 상기 압전 센서는, 가요성을 갖는 제1 및 제2 피막; 제1 및 제2 전극; 및 압전 물질을 포함하는 압전막 및 카본 나노 구조를 갖는 제1 막을 포함하며, 상기 제1 및 제2 전극 사이에 배치되는, 적어도 하나의 압전 소자; 를 포함할 수 있다.

상기 적어도 하나의 압전 소자는 투명 또는 반투명할 수 있다.

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

상기 베이스 막은, 폴리 이미드(poly imid)를 포함하며, 서펜틴 구조로 패터닝되어 형성될 수 있다.

상기 유저 입력은 제스쳐 입력일 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 우수한 전기적 특성으로 인해 센싱 성능이 개선된 압전 소자를 제공할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 제조 단가 및 대량 생산 측면에서 유리한 압전 소자를 제공할 수 있다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 가요성을 가지며, 투명 또는 반투명한 압전 소자를 제공할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 압전 센서의 단면도를 도시한 도면이다.
도 2a 내지 2c는 본 발명의 일 실시예에 따른 압전 소자의 단면도를 도시한 도면이다.
도 3a는 압전 센서의 분해 사시도이다.
도 3b는 도 3a에 도시된 압전 센서의 평면도이다.
도 4a는 압전막을 X-선 회절 분석(X-ray diffraction spectroscopy)한 결과에 관한 그래프이다.
도 4b는 압전막을 엑스선 광 전자 분광법(X-ray photoelectron spectroscopy)으로 분석한 결과에 관한 그래프이다.
도 4c는 제1 막에 의해 코팅된 압전막을 원자력 현미경(atomic force microscopy, AFM)을 통해 촬영한 AFM 이미지이다.
도 5는 외력에 의한 압전 센서의 전기적 특성 변화를 측정한 그래프이다.
도 6a는 유한 요소법(Finite Element Analysis, FEA)을 통해 측정된 압전 센서의 변형율 분포(Strian Distribution)를 도시한 도면이다.
도 6b는 외력의 크기를 순차적으로 증가시키는 실험에서 압전 센서의 신호 변화를 측정한 그래프이다.
도 6c는 도 6b의 그래프를 외력의 크기에 따른 신호 변화 그래프로 캘리브레이션한 그래프이다.
도 7a는 FEA를 통해 측정된 압전 센서의 변형율 분포(Strian Distribution)를 도시한 도면이다.
도 7b는 외력의 크기를 순차적으로 증가시키는 경우 압전 센서의 신호 변화에 관한 그래프이다.
도 7c는 외력의 크기에 따른 신호 변화 그래프이다.
도 8은 복수의 압전 소자들을 이용하여 제조된 압전 센서의 개략적인 회로도이다.
도 9는 압전 센서를 적용한 피부 부착형 웨어러블 디바이스의 실시예에 관한 도면이다.
도 10a 내지 10d는 도 9와 같이 피부 부착형 웨어러블 디바이스를 착용한 상태로 손목을 움직인 경우의 출력 신호에 관한 그래프이다.
도 11은 압전 센서를 포함한 스마트 와치의 실시예를 도시한 도면이다.
도 12는 압전 센서를 포함한 휠체어의 실시예를 도시한 도면이다.

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 발명의 일 실시예에 따른 압전 센서의 단면도를 도시한 도면이다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 압전 센서(30)는 압전 소자(20), 압전 소자(20)의 양측에 배치된 제1 및 제2 전극(E1, E2), 상기 제1 및 제2 전극(E1, E2)의 양측에 배치된 제1 및 제2 피막(P1, P2)을 포함할 수 있다. 보다 상세하게는, 압전 센서(30)는 제1 피막(P1), 제1 피막(P1) 상에 형성된 제1 전극(E1), 제1 전극(E1) 상에 형성된 압전 소자(20), 압전 소자(20) 상에 형성된 제2 전극(E2), 제2 전극(E2) 상에 형성된 제2 피막(P2)을 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 압전 센서(30)의 가요성을 향상시키기 위해 서펜틴(serpentine) 구조로 패터닝되어 형성될 수 있다. 제1 및 제2 피막(P1, P2)이 서펜틴 구조를 가짐에 따라, 압전 센서(30)는 가요성을 가지며 외력에 의해 쉽게 손상이 가해지지 않는다.

제1 및 제2 피막(P1, P2)은 제1 및 제2 전극(E1, E2)과 압전 소자(20)를 인캡슐레이트함으로써 압전 센서(30)의 구조를 지지함과 동시에, 전극들(E1, E2)과 압전 소자(20)의 구조적 손상을 방지하는 기능을 수행한다. 따라서, 제1 및 제2 피막(P1, P2)은 압전 센서(30)의 신뢰도를 향상시킬 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 압전 센서(30)의 가요성 및 신뢰도 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 3a 및 3b와 관련하여 이하에서 상세히 후술하기로 한다.

압전 소자(20)는 외력에 의해 전기적 특성이 변하는 압전 물질을 포함하여 형성될 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따른 압전 소자(20)는 도 2a 내지 2c와 관련하여 이하에서 상세히 후술하기로 한다.

도 2a 내지 2c는 본 발명의 일 실시예에 따른 압전 소자의 단면도를 도시한 도면이다.

도 2a를 참조하면, 압전 소자(20)는 압전 물질이 포함된 압전막(10) 및 카본 나노 구조를 갖는 제1 막(L1)을 포함할 수 있다. 제1 막(L1)은 압전막(10)의 일측(예를 들어, 상측)에 배치될 수 있다.

압전막(10)은 투명 또는 반투명하며, 압전 특성을 갖는 압전 물질을 포함할 수 있다. 예를 들어, 압전막(10)은 압전 물질로서 징크 옥사이드(ZnOx)를 포함할 수 있다. 압전막(10)은 별도의 에너지 공급원 없이도 스스로 전기 에너지를 발생시키기 때문에, 압전막(10)을 이용하여 제조된 압전 소자(20)는 소비 전력 측면에서 유리하다는 장점을 갖는다.

제1 막(L1)은 카본 나노 구조를 가질 수 있다. 보다 상세하게는, 제1 막(L1)은 카본 나노 구조를 갖는 다양한 물질을 포함할 수 있다. 예를 들어, 제1 막(L1)은 카본 나노 튜브, 그래핀, 또는 이의 혼합물 등을 포함할 수 있다. 여기서 카본 나노 튜브는 싱글 월(single wall) 구조, 더블 월(double wall) 구조, 또는 멀티 월(multi wall) 구조를 가질 수 있다. 이하에서는 설명의 편의를 위해 싱글 월 구조를 갖는 카본 나노 튜브(SWNT)를 포함한 제1 막(L1)을 기준으로 설명하기로 한다.

제1 막(L1)은 압전막(10)의 압전 특성을 향상시키는 기능을 수행할 수 있다. 보다 상세하게는, 제1 막(L1)은 압전막(10)의 표면을 패시베이션함으로써 압전막(10) 표면의 결함(defect)에 의해 발생되는 압전 특성의 저하를 방지할 수 있다. 보다 상세하게는, 제1 막(L1)에 의해 패시베이션되지 않은 압전막(10)은 표면 상에 하이드록시기(O-H)가 결합될 수 있으며, 이에 따라 전하의 트랜스퍼 현상이 발생한다. 전하의 트랜스퍼 현상에 의해 압전 소자(20)가 발생시키는 신호의 세기가 줄어들 수 있으며, 이에 따라 압전 소자(20)의 특성이 저하된다는 문제점이 발생한다. 제1 막(L1)은 압전막(10)의 표면을 패시베이션함으로써 하이드록시기가 결합되는 것을 방지하여 압전 소자(20)의 압전 특성을 향상시킨다.

도 2b를 참조하면, 도 2a의 압전 소자(20)는 제2 막(L2)을 추가로 포함할 수 있다. 제2 막(L2)은 압전막(10)의 타측(예를 들어, 하측)에 배치될 수 있다. 따라서, 제1 및 제2 막(L1, L2)은 압전막(10)을 중심으로 서로 대향할 수 있다.

제2 막(L2)은 압전막(10)의 결정성을 향상시키는 기능을 수행한다. 따라서, 제2 막(L2)은 압전막(10)의 결정성을 향상시킬 수 있는 다양한 물질을 포함할 수 있다. 예를 들어, 제2 막(L2)은 크롬(Cr) 및 크롬 옥사이드(CrOx)를 포함할 수 있다.

제2 막(L2)은 복수의 보조막들(L2-1, L2-2)을 포함할 수 있다. 일 실시예로서, 제2 막(L2)은 크롬을 포함하는 제1 보조막(L2-1), 및 크롬 옥사이드를 포함하는 제2 보조막(L2-2)을 포함할 수 있다. 제1 및 제2 보조막(L2-1, L2-2)은 순차적으로 적층될 수 있다.

이외에도 제2 막(L2)은 압전막(10)의 결정성을 향상시킬 수 있는 다양한 물질을 포함할 수 있으며, 상술한 실시예에 한정되는 것은 아니다.

도 2c를 참조하면, 도 2b의 압전 소자(20)는 제3 막(L3)을 추가로 포함할 수 있다. 제3 막은 제1 막(L1)의 일측(예를 들어, 상측)에 배치될 수 있다. 제3 막(L3)은 몰리브덴 옥사이드(MoOx)를 포함할 수 있다.

상술한 압전 소자(20)에 포함된 각 막들은 얇은 두께로 형성될 수 있다. 예를 들어, 제1 및 제2 피막(P1, P2)은 각각 1.2μm 이하의 두께로, 제2 막(L2)은 5nm 이하의 두께로, 압전막(10)은 700nm 이하의 두께로, 제3 막(L3)은 20nm 이하의 두께로 형성될 수 있다. 따라서, 상기 막들을 포함하여 형성되는 압전 소자(20)의 두께 역시 얇게 형성될 수 있다.

또한, 상술한 압전 소자(20)에 포함된 각 막들은 투명 또는 반투명할 수 있다. 따라서, 상기 막들을 포함하여 형성되는 압전 소자(20) 역시 투명 또는 반투명할 수 있다.

도 3a는 압전 센서의 분해 사시도이다. 도 3b는 도 3a에 도시된 압전 센서의 평면도이다.

도 3a 및 3b를 참조하면, 상술한 바와 같이, 압전 센서(30)는 제1 및 제2 피막(P1, P2), 제1 및 제2 전극(E1, E2), 및 압전 소자(20)를 포함할 수 있다. 제1 및 제2 피막(P1, P2)과 제1 및 제2 전극(E1, E2)은 서펜틴 구조로 형성될 수 있으며, 압전 소자(20)는 제1 및 제2 전극(E1, E2)에 의해 패시베이션될 수 있으며, 제1 및 제2 전극(E1, E2)은 제1 및 제2 피막(P1, P2)과 제1 및 제2 전극(E1, E2)에 의해 패시베이션될 수 있다.

압전 센서(30)는 적어도 하나의 압전 소자(20)를 포함할 수 있다. 압전 센서(30)가 복수의 압전 소자들을 포함하는 경우, 각 압전 소자(20)들은 액티브 영역들(R)에 각각 배치될 수 있으며, 서펜틴 구조를 갖는 제1 및 제2 피막(P1, P2)과 제1 및 제2 전극(E1, E2)에 의해 상호 연결될 수 있다.

도 4a는 압전막을 X-선 회절 분석(X-ray diffraction spectroscopy)한 결과에 관한 그래프이다. 도 4a는 제2 막(L2)을 이용하여 증착된 압전막(10)을 대상으로 분석한 결과 그래프 및 제2 막(L2)을 이용하지 않고 단독으로 증착된 압전막(10)을 대상으로 분석한 결과 그래프를 포함한다. 도 4c는 AFM 이미지이다.

도 4a를 참조하면, 제2 막(L2) 상에 증착된 압전막(10)의 회절 피크(diffraction peak)가, 압전막(10) 단독으로 증착된 회절 피크보다 높게 나타났다. 회절 피크는 측정 대상의 결정성 정도를 나타내며, 회절 피크가 높게 측정될수록 측정 대상의 결정성이 높다는 것을 의미한다. 각 분석 결과 그래프의 회절 피크들을 비교할 때, 제2 막(L2)을 사용하여 증착된 압전막(10)의 결정성은 단독으로 증착된 압전막(10)의 결정성보다 향상된다는 것을 확인할 수 있다.

도 4b는 압전막을 엑스선 광 전자 분광법(X-ray photoelectron spectroscopy)으로 분석한 결과에 관한 그래프이다. 도 4c는 제1 막에 의해 코팅된 압전막을 원자력 현미경(atomic force microscopy, AFM)을 통해 촬영한 AFM 이미지이다.

도 4b는 제1 막(L1)에 의해 코팅된 압전막(10)을 분석한 결과 그래프 및 제1 막(L1)에 의해 코팅되지 않은 압전막(10)을 분석한 결과 그래프를 포함한다.

도 4b를 참조하면, 압전막(10)이 제1 막(L1)에 의해 코팅되는 경우에, 제1 막(L1)에 의해 코팅되지 않은 경우보다 화학적으로 흡착되는 산소의 결합 에너지가 줄어들었다. 특히, 제1 막(L1)이 압전막(10) 상에 배치됨에 따라, 결합 에너지 약 531eV 지점에서 흡착되는 산소의 결합 에너지가 줄어들었다. 이는, 제1 막(L1)이 압전막(10)의 표면을 코팅하여, 압전막(10) 표면의 결함을 보완하는 효과를 발생시키기 때문이다.

도 4c를 참조하면, 제1 막(L1)에 의해 코팅된 압전막(10)은, 제1 막(L1)의 카본 나노 구조에 의해 보다 향상된 면적 밀도를 가짐을 육안으로 확인할 수 있다. 이로써, 제1 막(L1)에 의해 코팅된 압전막(10)을 포함하는 압전 소자(20)는 보다 향상된 압전 특성을 가질 수 있다.

도 5는 외력에 의한 압전 센서의 전기적 특성 변화를 측정한 그래프이다. 보다 상세하게는, 도 5는 압전막(10)을 이용하여 제조한 제1 압전 센서의 시간별 신호 변화에 관한 그래프, 제2 막(L2) 상에 증착된 압전막(10)을 이용하여 제조한 제2 압전 센서의 시간별 신호 변화에 관한 그래프, 및 제2 막(L2) 상에 증착되며, 제1 막(L1)에 의해 코팅된 압전막(10)을 이용하여 제조한 제3 압전 센서의 시간별 신호 변화에 관한 그래프를 포함한다. 제1 내지 제3 센서의 신호 변화 측정 당시, 각 센서들에는 동일한 크기(약 0~5.8%의 압력)의 외력이 가해졌다.

도 5를 참조하면, 제1 압전 센서→ 제2 압전 센서→ 제3 압전 센서 순으로 압전 특성이 우수한 것을 확인할 수 있다. 보다 상세하게는, 동일한 외부 자극에 대해 제1 압전 센서는 최대 약 5mV, 제2 압전 센서는 최대 약 60mV, 제3 압전 센서는 최대 약 750mV까지 크기가 증폭된 신호를 출력함을 확인할 수 있었다. 결론적으로, 압전 센서가 제1 및/또는 제2 막(L1, L2)을 추가로 포함함에 따라, 동일한 크기의 외부 자극에 대하여 SNR(Signal to Noise Ratio)이 향상됨을 확인할 수 있었다.

종래에는 압전막(10)만을 이용하여 압전 센서를 구성하는 경우, 출력 신호의 크기가 매우 작아 압전 센서에 가해지는 외력과 노이즈를 정확하게 구별할 수 없다는 문제점이 존재하였다. 그러나, 본 발명은 제1 및/또는 제2 막(L1, L2)을 추가로 포함함으로써 신호의 크기가 증폭됨에 따라 압전 센서에 가해지는 외력과 노이즈를 보다 정확하게 구별 및 센싱할 수 있다는 효과가 존재한다. 또한, 압전 센서의 신호의 크기가 증폭됨에 따라 신호를 증폭시키기 위한 별도의 신호 증폭 장치, 또는 별도의 전력 공급원이 추가로 필요하지 않는다는 점에서 제조 비용 및 소비 전력 측면에서 유리하다.

도 6a는 유한 요소법(Finite Element Analysis, FEA)을 통해 측정된 압전 센서의 변형율 분포(Strian Distribution)를 도시한 도면이다. 도 6b는 외력의 크기를 순차적으로 증가시키는 실험에서 압전 센서의 신호 변화를 측정한 그래프이다. 도 6c는 도 6b의 그래프를 외력의 크기에 따른 신호 변화 그래프로 캘리브레이션한 그래프이다.

도 6a를 참조하면, 압전 센서(30)는 서펜틴 구조에 의해 가요성을 가지므로, 외력에 의해 늘어날 수 있다. 이때, 외력에 의해 압전 센서(30)를 구성하는 각 구성들에 일정한 스트레스가 가해질 수 있다. 특히, 서펜틴 구조에 가장 큰 스트레스가 가해질 수 있으며, 서펜틴 구조는 스트레스가 가해짐에 따라 늘어날 수 있다. 이 경우, 늘어난 서펜틴 구조에 의해 압전 소자(20)의 전기적 특성이 변화되며, 압전 소자(20)는 서펜틴 구조의 늘어난 정도에 대응하는 전기적 신호를 생성 및 출력할 수 있다.

도 6b 및 6c를 참조하면, 압전 센서(30)에 가해지는 외력의 크기가 증가함에 따라, 압전 센서(30)로부터 출력되는 신호의 크기도 함께 증가함을 확인할 수 있다. 본 그래프와 관련된 실험에서, 압전 센서(30)에 가하는 외력의 크기를 약 0.6%~7.0% 범위 내에서 서서히 증가시켰다. 특히, 도 6b의 그래프 결과를 x축은 외력의 크기(%), y축은 신호의 크기(V)를 갖는 그래프로 캘리브레이션한 결과, 도 6c에 도시한 바와 같이, 외력의 크기 및 신호의 크기는 실질적인 선형 비례 관계를 갖는다는 것을 확인할 수 있었다.

도 7a는 FEA를 통해 측정된 압전 센서의 변형율 분포(Strian Distribution)를 도시한 도면이다. 도 7b는 외력의 크기를 순차적으로 증가시키는 경우 압전 센서의 신호 변화에 관한 그래프이다. 도 7c는 외력의 크기에 따른 신호 변화 그래프이다.

도 7a 내지 7c는 도 6a 내지 6c의 실시예와 다르게 압전 센서(30)를 일정 외력으로 프레스하는 실시예에 관한 도면들이다. 따라서, 도 7a 내지 7c는 도 6a 내지 6c와 다소 차이가 있으나, 외력의 크기가 증가함에 따라 압전 센서(30)의 출력 신호의 크기가 비례하여 증가한다는 점은 유사하게 관찰되었다.

도 6a 내지 7c를 참조하면, 결론적으로 압전 센서(30)는 외력의 크기에 비례하여 출력 신호가 증가하는 특성을 가지며, 가해지는 외력의 종류에 의해서도 서로 다른 형태의 출력 신호를 출력한다는 것을 알 수 있다. 이러한 압전 특성을 이용하여 다양한 크기 및 종류의 외력을 보다 정확하게 센싱하는 압전 센서(30)의 제조가 가능하다.

도 8은 복수의 압전 소자들을 이용하여 제조된 압전 센서의 개략적인 회로도이다.

도 8을 참조하면, 압전 센서(30)는 복수의 압전 소자들(21) 및 복수의 압전 소자들(21)과 각각 연결된 스위칭 소자들(예를 들어, 트랜지스터)(TR)을 포함할 수 있다. 복수의 압전 소자들(21)와 복수의 스위칭 소자들(TR)은 각각 일대일 대응할 수 있다. 각 압전 소자(21)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 압전 소자(21)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), 압전 소자(21) 및 소스 배선(SL)이 전기적으로 연결될 수 있다. 그 결과, 압전 소자(21)로부터 발생한 신호는 상기 압전 소자(21)와 전기적으로 연결된 비트 배선(BL) 및/또는 소스 배선(SL)을 통해 외부로 출력될 수 있다.

하나의 워드 배선과 연결된 복수의 스위칭 소자들은 동시에 스위치 온 될 수 있으며, 서로 다른 워드 배선과 연결된 복수의 스위칭 소자들은 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 신속하게 외력을 센싱하기 위해서는 복수의 압전 소자들(21)을 포함하는 다채널 압전 센서(30)를 제조할 필요성이 존재한다. 이때, 복수의 압전 소자들(21)을 단순히 어레이 형식으로 배열하는 경우, 각 압전 소자들(21)간 신호의 간섭이 발생할 수 있다. 이를 방지하기 위해 복수의 압전 소자들(21)은 스위칭 소자(TR)와 연결되어 순차적으로 구동됨으로써 압전 소자들(21)간의 신호 간섭이 최소화될 수 있다.

각 압전 소자(21)의 출력 신호를 모니터링함으로써 압전 센서(30)에 가해진 외력의 크기, 외력이 가해진 좌표 등에 관한 정보를 획득할 수 있다. 다만, 본 실시예에 한정되는 것은 아니며, 압전 센서(30)는 다양한 회로도로서 설계될 수 있다.

상술한 내용들을 고려해볼 때, 본 명세서의 압전 센서(30)는 가요성을 가지고, 투명 또는 반투명하며, 얇은 두께로 형성되고, 외력 센싱 능력이 우수하다는 특징을 갖는다. 이러한 특성에 따라, 본 명세서의 압전 센서(30)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 신체의 일부에 착용되거나 접촉되는 다양한 디바이스를 일컬을 수 있다. 이하에서는 웨어러블 디바이스의 실시예로서, 피부 부착형 웨어러블 디바이스, 스마트 와치, 및 휠체어에 압전 센서(30)를 적용한 실시예에 관하여 상세히 후술하기로 한다.

도 9는 압전 센서를 적용한 피부 부착형 웨어러블 디바이스의 실시예에 관한 도면이다.

도 9를 참조하면, 본 발명의 압전 센서(30)를 이용하여 피부 부착형 웨어러블 디바이스(D1)를 제조할 수 있다. 이때, 압전 센서(30)가 접착력 및 가요성을 갖는 투명 또는 반투명한 기판(미도시) 상에 부착됨으로써 피부 부착형 웨어러블 디바이스(D1)가 제조될 수 있다.

피부 부착형 웨어러블 디바이스(D1)는 이미지를 디스플레이하며, 가요성을 갖는 플렉서블 디스플레이(F)와, 플렉서블 디스플레이(F) 및 압전 센서(30)를 제어하는 프로세서를 추가로 포함할 수 있다. 프로세서는 압전 센서(30)로부터 피부 부착형 웨어러블 디바이스(D1)에 가해진 외력에 관한 정보를 획득하고, 상기 외력에 관한 정보에 대응하는 커맨드를 수행할 수 있다. 프로세서는 압전 센서(30)로부터 수신한 외력에 관한 정보를 이용하여 유저의 제스쳐를 디텍트하고, 각 제스쳐에 대응하는 커맨드를 수행할 수 있다.

피부 부착형 웨어러블 디바이스(D1)는 두께가 얇고, 피부에 밀착되기 때문에 유저의 작은 제스쳐 변화까지도 보다 정밀하고 정확하게 센싱할 수 있다.

도 10a 내지 10d는 도 9와 같이 피부 부착형 웨어러블 디바이스를 착용한 상태로 손목을 움직인 경우의 출력 신호에 관한 그래프이다.

특히, 본 그래프들은 도 9에서와 같이 피부 부착형 웨어러블 디바이스(D1)가 유저의 손목에 부착된 경우, 유저의 손목 움직임에 따른 압전 센서(30)의 신호 변화를 측정한 그래프이다. 본 그래프와 관련된 실험에서 유저는 피부 부착형 웨어러블 디바이스(D1)를 손목에 착용한 채, 손을 위/아래 방향으로 움직여 손목을 스트레칭한 뒤 릴리즈하는 제1 제스쳐를 반복적으로 취하였다. 도 10a는 유저가 제1 제스쳐를 한 번 취한 경우, 도 10b는 유저가 제1 제스쳐를 두 번 취한 경우, 도 10c는 유저가 제1 제스쳐를 세 번 취한 경우, 도 10d는 유저가 제1 제스쳐를 네 번 취한 경우에 압전 센서(30)로부터 각각 출력된 신호이다.

도 10a 내지 10d를 참조하면, 유저의 손목 제스쳐에 따라 네거티브 피크와 포지티브 피크가 연속된 신호가 출력되었다. 보다 상세하게는, 유저의 손목이 스트레칭되는 경우 네거티브 값을 갖는 전압 신호가 검출되었으며, 유저의 손목이 릴리즈된 경우, 포지티브 값을 갖는 신호가 검출되었다.

프로세서는 압전 센서(30)로부터 출력된 상기 신호들을 수신할 수 있다. 프로세서는 시간에 따른 압전 센서(30) 출력 신호의 크기, 극성, 및 변화 등을 실시간으로 모니터링하여, 유저의 제스쳐를 디텍트할 수 있다. 프로세서는 기설정된 제스쳐에 대응하는 신호를 디텍트한 경우, 상기 기설정된 제스쳐와 대응하는 커맨드를 수행할 수 있다.

예를 들어, 다시 도 9를 참조하면, 프로세서는 피부 부착형 웨어러블 디바이스(D1)에 인커밍 콜 이벤트가 발생한 후 기설정된 시간 내, 유저의 손목이 아래 방향으로 스트레칭되는 제스쳐를 디텍트할 수 있다. 이 경우, 프로세서는 디텍트한 제스쳐에 대응하여 수신된 인커밍 콜을 수락하는 커맨드를 수행할 수 있다. 반대로, 유저의 손목이 윗 방향으로 스트레칭되는 제스쳐를 디텍트한 경우, 프로세서는 인커밍 콜 이벤트를 거절하는 커맨드를 수행할 수 있다. 이외에도, 프로세서는 유저의 제스쳐에 대응하여 다양한 커맨드를 수행할 수 있으며, 상술한 실시예에 한정되는 것은 아니다.

압전 센서(30)로부터 출력된 신호들은 유저의 제스쳐 방향에 따라서도 서로 다른 극성을 가지므로, 프로세서는 출력된 신호들의 극성을 기준으로 제스쳐의 방향 역시 디텍트할 수 있다.

이하에서 후술하는 웨어러블 디바이스의 실시예들에도 상기 프로세서 및 압전 센서(30)가 동일하게 포함 및 적용될 수 있으며, 이하의 프로세서 및 압전 센서(30)와 관련된 설명은 상술한 내용과 동일 및 유사하다.

도 11은 압전 센서를 포함한 스마트 와치의 실시예를 도시한 도면이다.

도 11을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 스마트 와치(D2)는 압전 센서(30) 및 프로세서를 포함하며, 유저의 손목 제스쳐에 대응하는 다양한 커맨드를 수행할 수 있다. 압전 센서(30)는 유저의 정확한 손목 제스쳐를 디텍트하기 위해 스마트 와치(D2)와 유저의 손목이 접촉되는 영역(예를 들어, 스마트 와치(D2)의 뒷면)에 배치될 수 있다. 압전 센서(30)는 투명 또는 반투명하기 때문에 스마트 와치(D2)의 표면에 구비된다 하더라도, 스마트 와치(D2)의 외관을 해치지 않는다.

프로세서는 유저의 손목 제스쳐에 대응하는 다양한 커맨드를 수행할 수 있다. 예를 들어, 프로세서는 유저의 손목이 아래 방향으로 스트레칭되는 제스쳐에 대응하여 스마트 와치(D2)가 디스플레이 중인 화면을 아래 방향으로 스크롤하는 커맨드를 수행할 수 있다. 또는, 프로세서는 유저의 손목이 윗 방향으로 스트레칭되는 제스쳐를 디텍트한 경우, 상기 제스쳐에 대응하여 스마트 와치(D2)가 디스플레이 중인 화면을 윗 방향으로 스크롤하는 커맨드를 수행할 수 있다.

이외에도, 스마트 와치(D2)의 프로세서는 유저의 다양한 제스쳐에 대응하여 다양한 커맨드를 수행할 수 있으며, 상술한 실시예에 한정되는 것은 아니다.

도 12는 압전 센서를 포함한 휠체어의 실시예를 도시한 도면이다.

도 12를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 휠체어(D3)는 압전 센서(30) 및 프로세서를 포함하며, 유저의 제스쳐에 대응하는 다양한 커맨드를 수행할 수 있다. 압전 센서(30)는 휠체어에 탑승한 유저의 신체 일부에 부착될 수 있으며, 압전 센서(30)가 부착된 신체의 제스쳐에 따라 다양한 신호들을 출력할 수 있다. 또는, 압전 센서(30)는 휠체어에 부착될 수 있으며, 압전 센서(30)에 대한 유저의 제스쳐에 따라 다양한 신호들을 출력할 수 있다. 프로세서는 압전 센서(30)로부터 상기 신호들을 수신하고, 상기 수신한 신호에 대응하는 커맨드를 수행할 수 있다.

일 실시예로서, 압전 센서(30)는 유저의 손목에 위치할 수 있으며, 프로세서는 유저의 손목 제스쳐에 대응하여 휠체어의 이동을 제어할 수 있다. 이 경우, 휠체어는 휠체어를 자동으로 이동시키기 위한 이동 제어부(예를 들어, 모터)를 추가로 포함할 수 있다. 이동 제어부는 압전 센서(30)와 같이 프로세서와 통신을 수행하며, 프로세서에 의해 제어될 수 있다.

예를 들어, 유저의 손목이 아래 방향으로 스트레칭되는 제스쳐를 디텍트한 경우, 프로세서는 상기 제스쳐에 대응하여 직진 이동 커맨드에 대한 신호를 이동 제어부로 송신할 수 있으며, 이동 제어부는 수신한 이동 커맨드에 대응하여 휠체어(D3)를 앞으로 이동시킬 수 있다. 반대로, 유저의 손목이 위 방향으로 스트레칭되는 제스쳐를 디텍트한 경우, 프로세서는 상기 제스쳐에 대응하여 후진 이동 커맨드에 대한 신호를 이동 제어부로 송신할 수 있으며, 이동 제어부는 수신한 이동 커맨드에 대응하여 휠체어(D3)를 뒤로 이동시킬 수 있다.

이외에도 프로세서는 유저의 다양한 제스쳐에 대응하여 휠체어의 이동을 제어할 수 있으며, 상술한 실시예에 한정되는 것은 아니다.

본 발명의 압전 센서(30)는 압전 특성이 우수하며, 피부에 밀착되기 때문에 유저의 작은 제스쳐도 보다 정밀하고 정확하게 디텍트할 수 있으므로, 몸이 불편한 지체 장애인이 휠체어(D3)를 보다 쉽고 안정적으로 제어하는 데 도움을 줄 수 있다.

설명의 편의를 위하여 각 도면을 나누어 설명하였으나, 각 도면에 서술되어 있는 실시예들을 병합하여 새로운 실시예를 구현하도록 설계하는 것도 가능하다. 또한, 압전 소자 및 압전 센서는 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.

30: 압전 센서
20: 압전 소자
E1, E2: 제1 및 제2 전극
P1, P2: 제1 및 제2 피막

Claims

압전 물질을 포함하는 압전막;
상기 압전막의 제1 면에 배치되고, 카본 나노 구조를 갖는 제1 막; 및
상기 압전막의 제2 면에 배치되고, 크롬을 포함하는 제2 막을 포함하며,
상기 압전막은 상기 제2 막에 직접 배치되고,
상기 제1 막의 상측에 배치되고, 몰리브덴 옥사이드(MoOx)를 포함하는 제3 막을 더 포함하는 압전 소자.
제 1 항에 있어서,
상기 압전막은 징크 옥사이드(ZnOx)를 포함하는 압전 소자.
제 2 항에 있어서,
상기 제1 막은 카본 나노 튜브 또는 그래핀을 포함하는 압전 소자.
삭제
제 1 항에 있어서,
상기 제1 내지 제3 막 및 상기 압전막은 투명 또는 반투명한 압전 소자.
카본 나노 튜브(Carbon Nano Tube)를 포함하는 제1 막;
징크 옥사이드(ZnOx)를 포함하는 압전막; 및
크롬(Cr)을 포함하는 제2 막; 및
몰리브덴 옥사이드(MoOx)를 포함하는 제3 막을 포함하고,
상기 제1 막은 상기 압전막의 제1 면에 배치되고, 상기 제2 막은 상기 압전막의 제2 면에 직접 배치되는 압전 소자.
삭제
제 6 항에 있어서,
상기 제1 내지 제3 막 및 상기 압전막은 투명 또는 반투명한 압전 소자.
가요성을 갖는 제1 및 제2 피막;
제1 및 제2 전극; 및
상기 제1 및 제2 전극 사이에 배치된 적어도 하나의 압전 소자를 포함하되,
상기 적어도 하나의 압전 소자는,
압전 물질을 포함하는 압전막;
상기 압전막의 제1 면에 배치되고, 카본 나노 구조를 갖는 제1 막;
상기 압전막의 제2 면에 배치되고, 크롬을 포함하는 제2 막; 및
상기 제1 막의 상측에 배치되고, 몰리브덴 옥사이드(MoOx)를 포함하는 제3 막을 포함하며,
상기 압전막은 상기 제2 막에 직접 배치되는 압전 센서.
제 9 항에 있어서,
상기 압전막은 징크 옥사이드(ZnOx)를 포함하고, 상기 제1 막은 카본 나노 튜브 또는 그래핀을 포함하는 압전 센서.
삭제
제 9 항에 있어서,
상기 압전 소자는 투명 또는 반투명한 압전 센서.
제 9 항에 있어서,
상기 제1 및 제2 전극은 서펜틴(serpentine) 구조로 패터닝되어 형성되는 압전 센서.
제 9 항에 있어서,
상기 제1 및 제2 피막은, 폴리 이미드(polyimid)를 포함하며, 서펜틴 구조로 패터닝되어 형성되는 압전 센서.
웨어러블 디바이스에 있어서,
상기 웨어러블 디바이스에 대한 유저 입력을 센싱하는 압전 센서; 및
상기 압전 센서와 통신을 수행하여 상기 유저 입력을 디텍트하고, 상기 디텍트한 유저 입력에 대응하는 커맨드를 수행하는 프로세서를 포함하되,
상기 압전 센서는,
가요성을 갖는 제1 및 제2 피막;
제1 및 제2 전극; 및
상기 제1 및 제2 전극 사이에 배치되는, 적어도 하나의 압전 소자를 포함하고,
상기 압전 소자는
압전 물질을 포함하는 압전막;
카본 나노 구조를 갖는 제1 막;
크롬을 포함하는 제2 막; 및
상기 제1 막의 상측에 배치되고, 몰리브덴 옥사이드(MoOx)를 포함하는 제3 막을 포함하며,
상기 제1 막은 상기 압전막의 제1 면에 배치되고, 상기 제2 막은 상기 압전막의 제2 면에 직접 배치되는 웨어러블 디바이스.
제 15 항에 있어서,
상기 압전막은 징크 옥사이드(ZnOx)를 포함하고, 상기 제1 막은 카본 나노 튜브 또는 그래핀을 포함하는 웨어러블 디바이스.
삭제
제 15 항에 있어서,
상기 적어도 하나의 압전 소자는 투명 또는 반투명한 웨어러블 디바이스.
제 15 항에 있어서,
상기 제1 및 제2 전극은 서펜틴 구조로 패터닝되어 형성되는 웨어러블 디바이스.
제 15 항에 있어서,
상기 제1 및 제2 피막은, 폴리 이미드(poly imid)를 포함하며, 서펜틴 구조로 패터닝되어 형성되는 웨어러블 디바이스.
제 15 항에 있어서,
상기 유저 입력은 제스쳐 입력인 웨어러블 디바이스.