KR20110049593A - 그래핀을 포함하는 센서와 이의 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은, 베이스 부재와, 상기 베이스 부재 상에 형성된 그래핀 소재의 회로 패턴과, 상기 회로 패턴에 형성된 적어도 하나의 전극부를 포함하는 센서를 제공하며, 아울러 그 센서의 제조 방법을 제공한다.
센서, 그래핀, 제조 방법

Description

그래핀을 포함하는 센서와 이의 제조 방법{Sensor including graphene, and method for manufacturing the sensor}
본 발명은 그래핀을 포함하는 센서와 이의 제조 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 그래핀으로 형성한 회로 패턴을 포함하는 센서와 그 센서를 제조하는 방법에 관한 것이다.
최근 들어, 탄소로 구성되는 풀러렌(fullerenes), 탄소 나노 튜브(carbon nanotubes), 그래핀(graphene), 흑연(graphite) 등의 탄소 물질에 관한 관심이 증가하고 있다.
특히, 그래핀에 관한 연구가 활발히 진행되고 있다. 그래핀은 대면적으로 형성할 수 있으며, 전기적, 기계적, 화학적인 안정성을 가지고 있을 뿐만 아니라 뛰어난 도전성의 성질을 가지고 있으므로, 전자 회로의 기초 소재로 관심을 받고 있다.
대면적 그래핀의 제조 기술은 최근에 비약적으로 발전을 했는데, 네이쳐(nature)지에 2009년 1월 14일에 공개된 "Large-scale pattern growth of graphene films for stretchable transparent electrodes"의 논문(nature07719)에 는 화학 기상 증착법(CVD: chemical vapour deposition)을 이용한 그래핀의 제조 공정이 개시되어 있다.
한편, 스트레인 센서(strain sensor)는 구조체의 변형율을 측정하는 센서로서, 일반적으로 스트레인 게이지(strain gage)라 불리는 센서가 널리 사용되어 왔다.
종래의 스트레인 게이지는, 기계식 스트레인 게이지(mechanical strain gage)와 전기식 스트레인 게이지(electrical strain gage)로 구별되는데, 기계식 스트레인 게이지는 구조체의 변형을 기계적으로 측정하여 스트레인을 측정하는 방식을 채용하고 있으며, 전기식 스트레인 게이지는 구조체에 변형이 가해짐에 따라, 내부 전기저항이 변하여 스트레인을 측정할 수 있는 압저항형(piezoresistive) 소재를 사용하고 있다.
본 발명은, 그래핀을 포함한 센서와 이의 제조 방법을 제공하는 것을 주된 과제로 한다.
본 발명은, 베이스 부재;와, 상기 베이스 부재 상에 형성된 그래핀 소재의 회로 패턴;과, 상기 회로 패턴에 형성된 적어도 하나의 전극부;를 포함하는 센서를 제공한다.
여기서, 상기 베이스 부재는 폴리머 물질로 형성될 수 있다.
여기서, 상기 폴리머 물질은 폴리 이미드(Polyimide), PET(Polyethylen Terephthalate), FR-4 및 PDMS(Polydimethylsiloxane) 중 어느 하나의 소재로 이루어질 수 있다.
여기서, 상기 전극부는 금속 소재를 포함하는 전극 패드로 이루어질 수 있다.
여기서, 상기 회로 패턴의 적어도 일부를 덮는 보호층을 더 포함할 수 있다.
또한, 본 발명은, (a) 베이스 부재와 그래핀을 준비하는 단계;와, (b) 상기 그래핀을 상기 베이스 부재에 전사시키는 단계;와, (c) 상기 전사된 그래핀을 소정의 패턴으로 패터닝함으로써 회로 패턴을 형성하는 단계;와, (d) 상기 형성된 회로 패턴에 전극부를 형성하는 단계;를 포함하는 센서의 제조 방법을 제공한다.
여기서, 상기 베이스 부재는 폴리머 물질로 형성될 수 있다.
여기서, 상기 폴리머 물질은 폴리 이미드(Polyimide), PET(Polyethylen Terephthalate), FR-4 및 PDMS(Polydimethylsiloxane) 중 어느 하나의 소재로 이루어질 수 있다.
여기서, 상기 (b)단계에서는, 접착제를 이용하여 상기 그래핀을 상기 베이스 부재에 전사시킬 수 있다.
여기서, 상기 (c)단계에서는, 플라즈마 에칭법을 이용하여 상기 그래핀을 패터닝하여 상기 회로 패턴을 형성할 수 있다.
여기서, 상기 (d)단계에서는, 상기 전극부는 전극 패드로 이루어지되, 스크린 프린팅 방법을 이용하여 상기 회로 패턴에 상기 전극 패드를 형성할 수 있다.
여기서, 상기 (c)단계 후에, 상기 형성된 회로 패턴의 적어도 일부를 덮는 보호층을 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명에 따르면, 그래핀을 포함한 고감도의 센서를 구현할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 그래핀을 포함한 센서를 신속하게 제조할 수 있는 효과가 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 바람직한 실시예에 따른 본 발명을 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 관한 센서의 일부 투시 사시도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 센서(100)는, 스트레인 게이지(strain gage) 형식의 센서로서, 베이스 부재(110), 회로 패턴(120), 전극부(130) 및 보호층(140)을 포함하여 이루어진다.
본 실시예에 따르면, 센서(100)는 스트레인 게이지의 구조 및 기능을 가지나 이에 한정하지 않는다. 즉, 본 발명에 따른 센서는, 저항의 변화율을 측정하여 스트레인을 측정하는 기능을 가질 뿐만 아니라, 저항, 인덕턴스, 커패시턴스 등의 여러 가지 전기적인 변수를 측정하여 다른 기계적인 특성도 측정할 수 있는 기능도 가질 수 있기에, 반드시 스트레인 게이지의 종류에 한정되지 않는다.
한편, 베이스 부재(110)는 폴리머 물질로 형성되는데, 폴리머 물질은 폴리 이미드(Polyimide)로 구성된다.
본 실시예에 따른 베이스 부재(110)의 폴리머 물질은 폴리 이미드로 이루어지지만, 본 발명은 이에 한정하지 않는다. 즉, 본 발명에 따른 베이스 부재(110)의 소재는 전기 절연성의 폴리머 물질이면 되고, 그 외의 특별한 제한은 없다. 예를 들어, 본 발명의 베이스 부재의 소재는 PET(Polyethylen Terephthalate), FR-4, PDMS(Polydimethylsiloxane) 등으로 이루어질 수 있다.
회로 패턴(120)은 실제적인 변형량을 감지하는 부분으로 베이스 부재(110)의 상면에 형성되는데, 그래핀(graphene) 소재로 형성되며, 연결된 여러 가닥의 저항선을 이루도록 구성되어 있어, 변형량을 증폭할 수 있게 설계된다. 여기서, 그래핀은 탄소로 구성된 필름 형상의 부재인데, 전술한 「배경기술」란에서 설명한 화학 기상 증착법을 이용하여 제조할 수 있다.
회로 패턴(120)에 적용되는 그래핀(도 3의 참조번호 120')의 두께는 수 나노 미터(nm)로서 매우 얇고 도전성의 성질이 매우 강하기 때문에, 본 실시예의 센서(100)는 스트레인의 감도(sensitivity)가 뛰어나게 된다. 그러한 회로 패턴(120)의 형성은, 그래핀을 베이스 부재(110)에 전사한 다음, 패터닝을 통해서 이루어지는데, 제조 공정에 관한 자세한 사항은 후술하기로 한다.
전극부(130)의 형성은 회로 패턴(120)의 일부, 예를 들면, 회로 패턴(120)의 일단 및 타단에 금속 소재를 포함한 전극 패드(130a)(130b)를 형성함으로써 이루어진다. 전극부(130)는 외부 회로와 회로 패턴(120) 사이의 전기적인 연결을 수행하게 된다.
보호층(140)은 회로 패턴(120)을 덮도록 형성되는데, 보호층(140)은 회로 패턴(120)을 보호할 뿐만 아니라 외부의 도전성 물질과 전기적인 쇼트를 방지하는 기능을 수행한다. 이를 위해, 보호층(140)은 에폭시 소재로 이루어진다.
본 실시예에 따른 보호층(140)은 에폭시 소재로 이루어지지만, 본 발명은 이에 한정하지 않는다. 즉, 본 발명에 따른 보호층은, 전기 절연성의 폴리머 소재로 이루어지고 회로 패턴(120)을 덮도록 형성할 수 있는 소재로 구성되면 되고, 그 외의 특별한 제한은 없다. 예를 들면, 본 발명에 따른 보호층은 폴리 이미드 소재로 이루어질 수도 있다.
이상과 같은 구조의 본 실시예에 따른 센서(100)는, 도전성이 뛰어나고 매우 얇은 두께를 가지는 그래핀(120')을 이용하여 회로 패턴(120)을 형성함으로써, 스트레인의 감도가 뛰어나게 된다. 이하, 도 2를 참조하여 본 실시예의 센서(100)의 특징을 살펴보기로 한다.
도 2는, 센서의 회로 패턴의 소재로서 그래핀을 사용하여 저항 변화율 ΔR/R 값을 측정한 본 실시예의 경우와, 회로 패턴의 소재로 종래의 콘스탄탄(constantan)을 사용하여 저항 변화율 ΔR/R 값을 측정한 비교예를 대비하여 도시한 도면이다. 여기서, 본 실시예의 그래핀(120')을 이용한 회로 패턴(120)의 두께는 수 nm에 해당하지만, 종래의 콘스탄탄을 이용한 회로 패턴의 두께는 약 6㎛에 해당하게 된다.
도 2는 일축 하중(ε=1%)을 적용한 경우의 센서의 저항 변화율을 측정한 결과인데, 도 2에 도시된 바와 같이, 회로 패턴(120)의 소재로 그래핀(120')을 사용한 본 실시예의 센서(100)의 경우가 콘스탄탄을 사용한 종래의 센서의 경우보다 저항 변화율이 훨씬 더 크다는 사실을 알 수 있다. 즉, 본 실시예의 센서(100)의 최대 저항 변화율은 약 6.7%이지만, 콘스탄탄을 사용한 종래의 센서의 경우의 최대 저항 변화율은 약 2.1%에 불과하다.
한편, 스트레인 게이지의 스트레인의 측정시에는 일반적으로 게이지 팩터(gage factor)값으로 스트레인의 감도를 나타내는데, 게이지 팩터 K는 다음의 수학식 1로 표현된다.
Figure 112009068190748-PAT00001
여기서, ε은 스트레인의 값, ΔR은 센서 저항 R의 변화량이다.
위의 수학식 1로부터, 게이지 팩터 K는 저항 변화율 ΔR/R 값에 비례함을 알 수 있다. 따라서, 그래핀(120')을 사용한 본 실시예의 센서(100)는 종래의 센서에 비하여 저항 변화율 ΔR/R, 게이지 팩터 K값이 크며, 스트레인의 감도가 뛰어남을 알 수 있다.
이상과 같이, 본 실시예에 따른 센서(100)의 경우에는, 회로 패턴(120)을 그래핀(120')을 이용하여 형성함으로써, 스트레인의 감도와 게이지 팩터가 큰 센서를 구현할 수 있는 장점이 있다.
또한, 본 실시예에 따른 센서(100)의 경우에는, 회로 패턴(120)을 수 nm 두께의 그래핀(120')을 이용하여 형성함으로써, 패턴 형성 공정의 균일성(uniformity)을 높일 수 있는 장점이 있다.
이하, 도 3 내지 도 6을 참조하여, 본 실시예에 따른 센서(100)의 제조 방법에 대해 설명하기로 한다.
도 3 내지 도 5는 본 발명의 일 실시예에 관한 센서의 각 제조 공정별 단계를 도시한 도면들이고, 도 6은 본 발명의 일 실시예에 관한 센서의 제조 방법을 도시한 흐름도이다.
먼저, 작업자는, 베이스 부재(110)와 그래핀(120')을 준비한다(S1 단계). 전술한 바와 같이, 작업자는 베이스 부재(110)로 폴리 이미드 필름을 준비하고, 얇은 필름 형상의 그래핀(120')도 준비한다.
그 다음, 도 3에 도시된 바와 같이, 작업자는 그래핀(120')을 베이스 부재(110)의 상면에 전사시킨다(S2 단계). 이 때, 작업자는 접착제를 그래핀(120')과 베이스 부재(110) 사이에 배치하여, 그래핀(120')을 베이스 부재(110)에 완전히 부착한다.
본 실시예에 따르면, 그래핀(120')을 베이스 부재(110)에 전사시키기 위해, 접착제를 이용하나, 본 발명은 이에 한정하지 않는다. 즉, 본 발명에 따르면, 접착제 없이도 그래핀(120')을 베이스 부재(110)에 전사시킬 수 있다. 그 경우에 베이스 부재(110)와 그래핀(120')은 상호간에 충분한 접착력이 있도록, 베이스 부재(110)의 소재, 온도 등의 전사 환경을 조절하여야 한다.
그 다음, 도 4에 도시된 바와 같이, 작업자는 전사된 그래핀(120')을 소정의 패턴으로 패터닝(patterning)함으로써, 회로 패턴(120)을 형성한다(S3 단계). 여기서, 패터닝 방법은 플라즈마 에칭법을 이용하여 수행한다. 즉, 드라이 에칭(dry etching)의 플라즈마 에칭법을 이용하는데, 예를 들어, 산소(O2) 가스를 이용한 플라즈마 에칭법이 이용될 수 있다.
본 실시예에 따르면, 전사된 그래핀(120')을 소정의 패턴으로 패터닝하기 위해 건식(드라이) 에칭법을 이용하지만, 본 발명은 이에 한정하지 않는다. 즉, 본 발명에 따르면, 에칭액을 이용하는 습식 에칭(Wet etching) 법을 이용하여 패터닝 공정을 수행할 수도 있다.
그 다음, 도 5에 도시된 바와 같이, 작업자는 회로 패턴(120)의 부분 중 전극부(130)에 대응하는 부분(120a)을 제외한 나머지 부분을 보호층(140)으로 덮도록 보호층(140)을 형성한다(S4 단계). 이를 위해, 작업자는 에폭시 소재의 필름을 이 용하여 회로 패턴(120)을 덮도록 적층하는데, 이 때 접착제를 이용하여 적층을 수행할 수도 있다.
그 다음, 작업자는 회로 패턴(120)의 일단 및 타단에 스크린 프린팅 방법을 이용하여 전극 패드(130a)(130b)를 형성함으로써, 전극부(130)를 형성하여 도 1에 도시된 센서(100)를 완성한다(S5 단계).
본 실시예에 따른 전극부(130)는 스크린 프린팅 방법을 이용하여 회로 패턴(120)의 일단 및 타단에 형성되나, 본 발명은 이에 한정하지 않는다. 즉, 본 발명에 따른 전극부는 도금의 방법을 이용하여 회로 패턴(120)의 일단 및 타단에 형성될 수도 있다.
본 실시예에 따른 센서(100)의 제조 방법은 상기 S4 단계 후에 상기 S5 단계를 수행하나, 본 발명은 이에 한정하지 않는다. 즉, 본 발명에 따르면 상기 S5 단계 후에 상기 S4 단계를 수행할 수도 있다.
이상과 같이, 본 실시예에 따른 센서(100)의 제조 방법에 따르면, 효율적인 공정으로 그래핀을 포함하는 센서(100)를 제조할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 실시예에 따른 센서(100)의 제조 방법에 따르면, 회로 패턴(120)의 소재로 수 nm 두께의 그래핀(120')이 이용됨으로써, 설계자가 회로 패턴(120)을 설계한 대로 저항값이 정확하게 구현되기 때문에, 추후에 센서(100)의 저항값을 보정하는 트리밍(trimming) 공정을 생략할 수 있으므로, 전체적인 제조 시간 및 제조 비용을 절감할 수 있는 장점이 있다.
본 발명은 첨부된 도면에 도시된 실시예들을 참고로 설명되었으나, 이는 예 시적인 것에 불과하며, 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 보호 범위는 첨부된 청구 범위에 의해서만 정해져야 할 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 관한 센서의 일부 투시 사시도이다.
도 2는, 센서의 회로 패턴의 소재로서 그래핀을 사용하여 저항 변화율 ΔR/R값을 측정한 본 실시예의 경우와, 회로 패턴의 소재로 종래의 콘스탄탄(constantan)을 사용하여 저항 변화율 ΔR/R값을 측정한 비교예를 대비하여 도시한 도면이다.
도 3 내지 도 5는 본 발명의 일 실시예에 관한 센서의 각 제조 공정별 단계를 도시한 도면들이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 관한 센서의 제조 방법을 도시한 흐름도이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
100: 센서 110: 베이스 부재
120': 그래핀 120: 회로 패턴
130: 전극부 130a, 130b: 전극 패드
140: 보호층

Claims (12)

  1. 베이스 부재;
    상기 베이스 부재 상에 형성된 그래핀 소재의 회로 패턴; 및
    상기 회로 패턴에 형성된 적어도 하나의 전극부;를 포함하는 센서.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 베이스 부재는 폴리머 물질로 형성되는 센서.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 폴리머 물질은 폴리 이미드(Polyimide), PET(Polyethylen Terephthalate), FR-4 및 PDMS(Polydimethylsiloxane) 중 어느 하나의 소재로 이루어진 센서.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 전극부는 금속 소재를 포함하는 전극 패드로 이루어진 센서.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 회로 패턴의 적어도 일부를 덮는 보호층을 더 포함하는 센서.
  6. (a) 베이스 부재와 그래핀을 준비하는 단계;
    (b) 상기 그래핀을 상기 베이스 부재에 전사시키는 단계;
    (c) 상기 전사된 그래핀을 소정의 패턴으로 패터닝함으로써 회로 패턴을 형성하는 단계; 및
    (d) 상기 형성된 회로 패턴에 전극부를 형성하는 단계;를 포함하는 센서의 제조 방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 베이스 부재는 폴리머 물질로 형성되는 센서의 제조 방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 폴리머 물질은 폴리 이미드(Polyimide), PET(Polyethylen Terephthalate), FR-4 및 PDMS(Polydimethylsiloxane) 중 어느 하나의 소재로 이루어진 센서의 제조 방법.
  9. 제6항에 있어서,
    상기 (b)단계에서는, 접착제를 이용하여 상기 그래핀을 상기 베이스 부재에 전사시키는 센서의 제조 방법.
  10. 제6항에 있어서,
    상기 (c)단계에서는, 플라즈마 에칭법을 이용하여 상기 그래핀을 패터닝하여 상기 회로 패턴을 형성하는 센서의 제조 방법.
  11. 제6항에 있어서,
    상기 (d)단계에서는, 상기 전극부는 전극 패드로 이루어지되, 스크린 프린팅 방법을 이용하여 상기 회로 패턴에 상기 전극 패드를 형성하는 센서의 제조 방법.
  12. 제6항에 있어서,
    상기 (c)단계 후에, 상기 형성된 회로 패턴의 적어도 일부를 덮는 보호층을 형성하는 단계를 더 포함하는 센서의 제조 방법.
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