KR20100056015A - 촉각센서 어레이 및 그 제조방법 - Google Patents

Abstract

힘의 크기에 대한 반응과 선택기능을 동시에 구현할 수 있는 입력장치로 사용될 수 있는 것으로서 큰 하중에서도 사용이 가능하며 내구성이 좋은 촉각센서 어레이 및 그 제조방법을 개시한다.

그러한 촉각센서 어레이 제조방법은, 지지대에 고분자 층을 올리는 단계; 상기 고분자 층 상부에 변형검출기 및 신호배선을 형성하기 위한 다층의 금속막을 증착하는 단계; 상기 금속층 들에 신호배선을 형성하기 위해 상부 금속층 면에 감광막을 형성 및 패터닝을 하는 단계; 상기 형성된 신호배선 중에 변형 검출기 부분을 형성하기 위해 감광막 형성 및 패터닝 하는 단계; 상기 신호배선의 접촉저항을 줄이기 위해 신호배선부분만을 감광막으로 패터닝하여 금속으로 도금하는 단계; 상기 변형검출기 부분이 멤브레인 역할을 할 수 있는 캐비티를 형성하는 단계로 행하여 진다.

센서, 촉각센서, 탄성이 좋은 폴리머, 센서 어레이

Description

촉각센서 어레이 및 그 제조방법{A tactile sensor array and its manufacturing method}

본 발명은 촉각센서 어레이 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 외부의 다양한 환경 및 구조에 대응할 수 있는 탄성력을 갖으며 큰 하중에서도 사용이 가능한 내구성이 좋은 촉각센서 어레이 및 그 제조방법에 관한 것이다.

촉각 기능을 이용한 이른바 촉각센서는 멀티미디어 분야의 입력수단이나, 의료분야의 진단 및 수술 등에 적용이 가능한 상태로 발전되고 있다.

뿐만 아니라, 모든 산업분야에서 사용이 가능할 정도로 발전되고 있는 차세대 센서로 각광받고 있다.

이러한 촉각센서는 접촉압력 및 접촉압력의 이동방향 등을 감지하는 구조로 개발되어 산업용 로봇이나 각종 전자장치의 입력수단으로 개발되고 있다.

이러한 촉각센서는 외부로부터 전달되는 압력을 감지하는 감지부가 대략 사각형상의 박막형 구조를 갖고 있으며, 과도한 하중이 가하여질 때 센서가 파괴되는 것을 방지하기 위한 수단으로 과하중 보호블럭을 형성하고 있다.

이와 같이 이루어지는 촉각센서는 인쇄회로기판상에 다수 개가 어레이 되어 적절한 수단에 의해 전기적 연결이 가능한 상태로 배치된다.

종래의 촉각센서는 실리콘 기반의 MEMS 기술을 이용하여 제작하게 되므로 촉각 센서의 유연성이 크게 저하되며, 이러한 유연성의 부족은 촉각센서와 접촉하는 부재의 접촉부위가 평면인 경우에만 사용할 수 있는 단점이 있다.

게다가 촉각센서를 제조한 후, 인쇄회로기판에 촉각센서들을 정렬할 때 정렬 불량이 발생하여 공정의 수율을 저하시키는 한 요인이 된다.

이와 같은 문제점을 해결하기 위하여 제안된 특허 제 10-0809284호 "촉각센서 어레이 및 그 제조방법"에서는 유연한 고분자 층의 상부에 촉각센서를 형성하여 외부물체와의 접촉압력정보를 유연하게 획득할 수 있도록 하고 있으며, 촉각센서가 형성된 고분자 층의 상부에 금속배선을 형성하여 별도의 인쇄회로기판 없이 구동회로와 접촉할 수 있는 방안을 개시하고 있다.

그러나 상기 특허 제 10-0809284호에 개시된 촉각센서는 2층 구조로 센서 간의 쇼트를 방지하면서 센서의 수를 유동적으로 증가시키고 있지만, 센서 어레이가 2층 구조로 되어 있고, 유연성은 있으나 탄성력이 부족한 구조로 되어 있기 때문에 큰 하중에서는 사용에 제한적인 문제점이 있다.

본 발명은 상기 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 발명된 것으로서, 본 발명의 목적은 외부의 다양한 환경 및 구조에 대응할 수 있는 탄성력을 갖으며 큰 하중에서도 사용이 가능한 내구성이 좋은 촉각센서 어레이 및 그 제조방법을 제공하는 데 있다.

본 발명의 목적을 실현하기 위하여, 지지대에 고분자 층을 올리는 단계; 상기 고분자 층 상부에 변형검출기 및 신호배선을 형성하기 위한 다층의 금속막을 증착하는 단계; 상기 금속층 들에 신호배선을 형성하기 위해 상부 금속층 면에 감광막을 형성 및 패터닝을 하는 단계; 상기 형성된 신호배선 중에 변형 검출기 부분을 형성하기 위해 감광막 형성 및 패터닝 하는 단계; 상기 신호배선의 접촉저항을 줄이기 위해 신호배선부분 만을 감광막으로 패터닝하여 금속으로 도금하는 단계; 상기 변형검출기 부분이 멤브레인 역활을 할 수 있는 캐비티를 형성하는 단계를 포함하는 촉각센서 어레이의 제조방법을 제공한다.

또한 상기 변형 검출기 및 캐비티 층으로 구성된 촉각센서의 센싱반응 강도 및 복원성능을 향상시키기 위해 변형검출기와 캐비티 층 사이에 탄성부재가 삽입된다.

또한 상기 지지대를 사용하지 않고 탄성체 상에 고분자 층을 형성하는 단계로 진행하여 일련의 변형검출기 및 신호배선 제조 단계들을 거쳐 만들어지는 촉각 센서 어레이 제조방법도 개시한다.

또한 고분자 재질의 원단에 금속배선을 형성하기 위하여 금속막을 증착하는 단계; 상기 금속막 전면에 감광막을 형성하는 단계; 상기 감광막에 자외선을 조사하여 패터닝하는 단계; 현상액으로 잔여하는 감광막을 제거하는 단계; 상기 반복적인 마스킹, 패터닝, 현상단계를 통한 배선형성 완료단계; 커버층을 접합하는 단계; 금속전해도금을 통한 커넥터 형성단계; 하부에 블록을 접합하는 단계 및 타발단계를 포함하는 촉각센서 어레이 제조방법을 제공한다.

상기 제조방법으로 만들어지는 촉각센서 어레이는, 탄성체 기판을 사용하거나 탄성체가 부착되므로 큰 하중에도 사용할 수 있으며, 하중 제거시 센서의 복원속도도 빠르며 복원시 오프셋 에러(offset error)의 발생을 최소화할 수 있다.

게다가 탄성체가 제공됨으로서 제품의 신뢰성 및 내구성을 향상시킬 수 있다.

본 발명의 촉각센서 어레이는 단층의 센서를 제작하는 방법으로서 외부의 큰 하중이 작용할 때에도 폴리머 층이 탄성영역을 벗어나지 않도록 하여 하중 제거시 신속하게 복원될 수 있는 촉각센서의 제조방법을 개시한다.

그러한 작용을 위하여 본 발명이 제안하는 방법은, 지지대 상에 변형검출기 및 배선을 형성하는 촉각센서 제조단계를 진행한 후 상기 지지대를 제거하고 그곳에 탄성부재를 위치시키는 공정을 진행하거나, 지지대를 처음부터 사용하지 않고 탄성부재 상에 변형검출기 및 배선을 포함하는 촉각센서 제조단계를 진행하는 것을 특징으로 한다.

또한 MEMS 제조기술을 사용하지 않고 폴리머 원단에 금속막을 증착하는 단계; 상기 금속막의 전면에 감광막을 형성하는 단계; 상기 감광막에 자외선을 조사하여 패터닝 하는 단계; 현상액으로 여분의 감광막을 제거하는 단계; 상기 단계들을 반복하여 배선형성을 완료하는 단계; 커버층을 형성하는 단계 및 하부에 블록을 접합하는 단계를 포함하는 촉각센서 어레이 제조방법을 제공한다.

이하 본 발명의 실시예에 따른 촉각센서 어레이의 제조방법을 첨부한 도면을 참조하여 더욱 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명에 의한 촉각센서 어레이의 일부를 나타내는 평면도.

도 2a 내지 도 2k는 본 발명의 첫번째 실시예에 따른 촉각센서 어레이의 제조공정을 설명하기 위한 도면이다.

도 1에서 촉각센서 어레이는 고분자층의 상부에 다수의 금속배선(2), 변형검출기(4), 지지블록(6) 및 보호블록(8)이 형성된 것을 보여 주고 있다.

상기 금속배선(2)은 도면에 표현된 패턴으로 한정되는 것은 아니고 레이 아웃에 따라 다양한 패턴으로 제공될 수 있다.

상기 금속배선(2)들은 도시하지 않은 구동회로와 전기적으로 연결되므로서 촉각센서 어레이를 입력장치의 윈도우로 사용할 수 있다.

이하 도 2a 내지 도 2h를 참조하여 본 발명의 제1 실시예에 따른 촉각센서 어레이 제조방법을 설명한다.

먼저, 준비된 반도체 기판(10) 위에 고분자 층(12)을 형성한다. 상기 고분자 층(12)은 폴리머를 스핀 코팅하거나 폴리이미드(polyimide) 필름을 시트 상태로 준비하여 상기 기판상에 접착할 수 있다.

본 실시예에 적용되는 고분자 층의 재질은 polyimide, PMMA, PET film, silicone, PC, polyester, LCP 등이 선택적으로 사용될 수 있다.

상기 고분자 층(12) 위에는 센싱을 하는 스트레인 게이지를 형성하기 위하여 제1 금속층(14)을 형성한다. 상기 제1 금속층(14)은 니켈크롬(NiCr)을 증착하는 것으로 만들어질 수 있다.

도면에서 상기 반도체 기판(10) 위에 직접 고분자 층(12)을 형성한 것으로 도시하고 있으나 실질적으로 기판 표면에 산화막을 형성하는 것이 좋다.

스트레인 게이지를 형성하기 위한 제1 금속층(14)은 니켈크롬 이외에 CNT, PEDOT, Cr, polyaniline, ITO, Si nanowire, 압전물질 등 다양하게 사용할 수 있다.

상기 제1 금속층(14)의 위에는 제2 금속층(16)이 증착되는데, 이 제2 금속층(16)은 금(Au)이 사용될 수 있다.

상기 제1,2 금속층(14)(16)이 형성된 상태에서 그 위에 도 2c)에 도시한 바와 같이 감광막(18)을 형성한다.

그리고 스트레인 게이지와 금속배선을 형성하기 위하여 상기 감광막(18) 위에 패턴을 형성하여 스트레인 게이지와 금속배선 영역을 제외한 부분(20)을 습식 또는 건식 에칭방법으로 도 2d)와 같이 제거한다.

그리고 다시 도 2e)에 도시한 바와 같이 감광막(22)을 형성한 후 스트레인 게이지가 형성될 영역(24)에 존재하는 제2 금속층(16)을 습식 또는 건식에칭방법으로 도2f)에 도시한 바와 같이 제거한 후, 감광막을 제거한다.

상기 제2 금속층(16)의 제거는 스트레인 게이지가 저항체로서 작용할 수 있도록 저저항 물질을 제거하는 스트레인 게이지 오픈(strain gauge open) 공정을 의미한다.

다음에 도 2g)에 도시한 바와 같이 스트레인 게이지가 형성된 후에는 센서의 신호라인의 저항값 감소 및 신호처리를 위한 PCB 보드와의 접촉시 발생할 수 있는 접촉저항을 감소시키기 위하여 스트레인 게이지의 영역에 감광막(26)을 형성한 후 도2h)에 도시한 바와 같이 스트레인 게이지 영역을 제외한 신호라인 부분에 제3 금속층(28)을 형성한다. 본 실시예에서 제3 금속층은 구리와 같은 저저항 금속이 사용될 수 있다.

그리고 상기 제3 금속층(28) 위에 산화 방지를 위한 제4 금속층(30)을 형성하면 좋다. 본 실시예에서 제4 금속층의 재료로는 금(Au)이 사용될 수 있다.

이와 같이 제4 금속층(30)이 형성되면 감광막(26)을 제거하고 도2i)에 도시한 바와 같이 상기 반도체 기판(10)을 고분자 층(12)과 분리하여 스트레인 게이지의 형성을 완료한다.

그리고 상기 고분자 층(12)의 반도체 기판 분리면(스트레인 게이지 아래 부분)에 캐비티 층(32)을 형성한다.

본 실시예에서 상기 캐비티 층(32)은 별도의 폴리머 필름 위에 캐비티 부분 을 사출 및 레이저 절단 등의 공정을 이용하여 캐비티를 만든 후 스트레인 게이지의 아래 부분에 캐비티가 일치하도록 접착할 수 있다.

또는 상기 캐비티 층(32)은 상기 고분자 층(12)의 반도체 기판 분리면에 직접 폴리머를 코팅 후 노광 및 현상 등의 공정을 거쳐 만들어질 수 있다.

이때 사용되는 폴리머 필름이나 폴리머는 유연하며 탄성력이 좋은 것을 사용하면 좋다.

예를 들면, polyimide, PMMA, silicone, PET film, PC, polyester, LCP 등이 선택적으로 사용될 수 있다.

이와 같이 캐비티 층(32)이 형성되면, 스트레인 게이지를 외부 환경으로부터 보호하거나 산화가 되는 것을 방지하기 위한 수단으로 도2k에 도시한 바와 같이 보호층(34)을 형성한다

이 보호층(34)은 센서와의 부착력이 좋아야 하므로 센서제작시 사용된 재질이나 이와 유사한 특성의 폴리머 등을 사용하면 좋다.

이 보호층은 필름 형태의 폴리머를 사용하는 경우에는 열압착방법으로 부착할 수 있으며 액상의 재질을 사용하는 경우에는 스핀공정을 통하여 형성할 수 있다.

본 발명의 다른 실시예에서 본 발명의 촉각센서는 센싱 반응 강도 및 복원력을 향상시키기 위하여 도3에 도시한 바와 같이 별도의 탄성체를 제공할 수 있다.

즉, 상기 도2a) 공정에서 핸들링 기판으로 사용하던 반도체 기판(10)을 사용하지 않고, 탄성력을 자체적으로 갖는 재질의 탄성부재(36) 위에 직접 고분자 층(12)을 형성하고 이하 공정을 상기 실시예와 동일하게 진행하는 것이다.

상기 실시예의 제조방법에서는 핸들링 기판으로 사용되었던 반도체 기판(10)을 분리하여 제거하지만, 이 실시예의 제조방법에서는 상기 탄성부재(36)를 분리하지 않고 그대로 사용하여 탄성층이 별도로 존재하는 촉각센서를 제공하는 것이다.

상기 탄성부재(36)의 아래측으로 캐비티 층을 만들면 위 실시예의 촉각센서 어레이와 동일한 구조가 된다.

물론 상기 탄성부재(36)는 핸들링 기판으로 사용하면서 그대로 탄성층을 이루게 할 수 있지만, 핸들링 기판으로서 반도체 기판(10)을 사용하여 만든 후, 이 반도체 기판을 분리하고 분리된 부분에 이 탄성부재를 부착하는 방법으로도 제조할 수 있다.

본 실시예에 의한 촉각센서 제조방법에서는 외부로 부터 인가되는 힘을 효과적으로 전달하기 위하여 액츄에이터를 캐비티와 대응하는 위치에 돌출하여 형성할 수 있다.

이 액츄에이터는 UV epoxy, Si rubber, PMMA, polyimide 등과 같은 재료를 패터닝, 도팅(dotting), 스크린 프린트 공정 등을 통하여 형성할 수 있다.

도4는 본 발명의 또 다른 실시예에 의한 촉각센서 어레이를 제조하는 과정을 설명하기 위한 도면이다.

이 실시예에 따른 촉각센서 제조방법의 특징은 롤 사태로 감겨진 고분자 원단을 캐리어 필름 상에 공급하는 방식으로 제조하여 제조비용을 절감할 수 있도록 하는 것이다.

이 제조방법에서 적용되는 증착, 패터닝 및 에칭, 현상 등 모든 기술적 사항들은 일반적으로 사용되는 기술이 적용될 수 있다.

유연성이 좋은 고분자로 형성된 원단을 준비된 캐리어 필름 위에 릴투릴(Reel to Reel)방식으로 공급하여 접착한다.(S1) 상기 고분자 원단은 유연성이 좋은 PI, PU, PET, PC, PEN, PE 중에서 선택되어 사용된다.

이 고분자 원단에 금속배선을 형성하기 위한 금속막을 증착한다.(S2) 이 금속막도 릴투릴 방식으로 공급하거나 스핀코팅 방식 등으로 형성할 수 있다.

상기 금속막은 상기 고분자 원단에 미리 접착되어 릴에 감겨진 상태로 공급되는 경우에는 금속막을 증착하는 단계는 생략된다.

그리고 이 금속막 위에 감광막을 형성하고(S3), 자외선을 조사하여 패터닝된 상태의 마스크를 이용하여 노광을 행하고(S4), 현상액으로 패터닝된 부분 이외의 감광막을 제거한다(S5).

상기 단계 S3, S4를 반복하여 수행하므로서 원하는 배선의 형성을 완료한다(S6).

그 다음 상기 배선층을 보호하기 위하여 배선층 위에 보호층을 통상의 방법으로 형성하고(S7), 구동부와 연결될 커넥터를 메탈(metal) 전해도금을 통하여 형성한다(S8).

상기 단계 이후에는 통상의 방법으로 캐리어 필름을 제거하고 하부에 블럭을 형성하고(S9), 설계된 형상으로 타발하여 완성한다.

이와 같이 제조되는 촉각센서 어레이에도 상기 실시예들에서 적용하였던 탄 성부재를 고분자 원단 아래측에 접착하여 탄성층을 만드는 것이 가능하다.

본 발명에 의해 제조되는 촉각센서는 각종 전자장치의 입력창이나 의료장비의 감지센서, 산업장비의 센서 등으로 이용가능하다.

도1은 본 발명의 실시예에 의한 촉각센서 어레이의 일부를 보여주는 평면도.

도2는 본 발명의 실시예에 의한 촉각센서 어레이 제조공정을 설명하기 위한 도면.

도3은 본 발명의 다른 실시예에 의한 촉각센서 어레이를 설명하기 위한 도면.

도4는 본 발명의 다른 실시예에 의한 촉각센서 어레이의 제조방법을 설명하기 위한 도면이다.

Claims (18)

1. 지지대에 고분자 층을 형성하는 단계;

   상기 고분자 층 상부에 스트레인 게이지 및 신호배선을 형성하기 위한 다층의 금속막을 증착하는 단계;

   상기 금속층들에 신호배선을 형성하기 위하여 상부 금속층 면에 감광막을 형성 및 패터닝 하는 단계;

   상기 단계에서 형성된 신호배선 중에서 스트레인 게이지 부분을 형성하기 위하여 감광막 형성 및 패터닝하는 단계;

   상기 신호배선의 접촉저항을 줄이기 위하여 상기 신호배선 부분만을 감광막으로 패터닝하여 금속으로 도금하는 단계;

   상기 스트레인 게이지 부분과 대응하는 위치에 캐비티를 형성하고 있는 캐비티 층을 상기 고분자 층과 결합하는 단계;

   상기 스트레인 게이지 및 신호배선 부분에 보호층을 형성하는 단계를 포함하는 촉각센서 어레이 제조방법.
2. 청구항 1에 있어서,

   상기 지지대는 탄성부재로 이루어지고 이 탄성부재 아래측에 직접 캐비티 층이 형성되는 촉각센서 어레이 제조방법.
3. 청구항 1에 있어서,

   상기 지지대는 감광막으로 신호배선을 도금하는 단계 이후에 제거되고, 이 부분에 탄성부재가 접착되는 촉각센서 어레이 제조방법.
4. 청구항 1에 있어서,

   상기 고분자 층은 polyimide, PMMA, PET film, silicone, PC, polyester, LCP 중에서 어느 하나로 이루어지는 촉각센서 어레이 제조방법.
5. 청구항 1에 있어서,

   상기 다층의 금속막들 중에서 스트레인 게이지를 형성하기 위한 금속막은 NiCr, Cr, CNT, PEDOT, polyaniline, ITO, Si nanowire 중에서 어느 하나로 이루어지는 촉각센서 어레이 제조방법.
6. 청구항 1에 있어서,

   상기 신호배선에는 접촉저항을 줄이기 위한 수단으로 신호배선 위에 구리, 금, 니켈 중 어느 하나가 도금되는 촉각센서 어레이 제조방법.
7. 청구항 1에 있어서,

   상기 캐비티 층은 폴리머 필름 위에 캐비티 부분이 형성된 것을 특징으로 하는 촉각센서 어레이 제조방법.
8. 청구항 1에 있어서,

   상기 캐비티 층은 polyimide, PMMA, silicone, PET film, PC, polyester, LCP 중에서 어느 하나로 이루어지는 촉각센서 어레이 제조방법.
9. 청구항 1에 있어서,

   상기 스트레인 게이지 및 신호배선은 polyimide, PMMA, PET film, silicone, polyester, LCP, PSR 중에서 어느 하나로 이루어지는 촉각센서 어레이 제조방법.
10. 청구항 2,3,4 항중 어느 하나의 항에 있어서,

    상기 탄성부재는 금속 시트, PC, PET, PMMA, PE, PEN, PU 중에서 어느 하나로 이루어지는 촉각센서 어레이 제조방법.
11. 청구항 1에 있어서, 촉각센서 어레이 제조방법은 외부로부터 인가되는 힘을 효과적으로 전달하기 위한 액츄에이터를 제조하는 공정을 더 포함하는 촉각센서 어레이 제조방법.
12. 청구항 11에 있어서,

    상기 액츄에이터는 UV epoxy, Si rubber, PMMA, polyimde 중에서 어느 하나로 이루어지는 촉각센서 어레이 제조방법.
13. 유연성을 갖는 고분자 원단에 금속배선을 형성하기 위한 금속막을 형성하는 단계;

    상기 금속막 전면에 감광막을 형성하는 단계;

    감광막에 자외선을 조사하여 패터닝하는 단계;

    패터닝된 부분의 잔여 감광막을 제거하는 단계;

    패터닝 작업 및 괌광막 제거단계를 반복수행하여 배선을 형성하는 단계;

    상기 형성된 배선에 보호층을 형성하는 단계; 및 전해도금으로 커넥터를 형성하는 단계;

    하부에 블록을 형성하는 단계를 포함하는 촉각센서 어레이 제조방법.
14. 청구항 14에 있어서,

    상기 고분자 원단 및 금속막 형성 공정은 릴투릴 공정으로 행하여지는 촉각센서 어레이 제조방법.
15. 청구항 13에 있어서,

    상기 고분자 원단은 PI, PU, PET, PC, PEN, PE 중에서 어느 하나로 이루어지는 촉각센서 어레이 제조방법.
16. 청구항 13에 있어서,

    상기 고분자 층과 하부블록 사이에 탄성층이 제공되는 촉각센서 어레이 제조방법.
17. 청구항 16에 있어서,

    상기 탄성층은 SUS, PC, PET, PMMA, PE, PEN, PU 중에서 어느 하나로 이루어지는 촉각센서 어레이 제조방법.
18. 청구항 1 내지 청구항 16 중에서 어느 하나의 항에 의한 제조방법으로 제조되는 촉각센서 어레이.

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