KR20130084832A - 스트레인 게이지 및 이의 제조방법 - Google Patents
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Abstract
스트레인 게이지가 개시된다. 스트레인 게이지는 절연 기판, 제1 전극 패드, 제2 전극 패드 및 저항체를 구비한다. 절연 기판은 유연성을 갖는다. 제1 및 제2 전극 패드는 절연 기판 상에 형성되고 서로 이격된다. 저항체는 제1 전극 패드와 전기적으로 연결된 제1 단부 및 제2 전극 패드와 전기적으로 연결된 제2 단부를 구비하고, 복수의 절곡부를 가지며, 랜덤하게 배향된 탄소나노튜브의 네트워크로 이루어진다. 이러한 스트레인 게이지는 현저하게 향상된 게이지율을 가질 수 있다.
Description
본 발명은 스트레인 게이지 및 이의 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 탄소나노튜브 저항체를 구비하는 스트레인 게이지 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
스트레인 게이지는 힘과 압력 측정, 구조적 안정성 모니터링, 생체 역학적 임플란트 등에 널리 사용되고 있다. 일반적으로 금속 포일(foil) 스트레인 게이지가 힘과 무게 측정을 위해 상업적으로 널리 사용되어 왔다. 현재의 금속 포일 스트레인 게이지는 저비용으로 제조될 수 있으나, 포일 타입 게이지들은 낮은 저항, 낮은 게이지율(gauge factor), 온도 변화로 인한 게이지율의 변화(drift)와 같은 성능 한계를 갖는다. 또한 금속 스트레인 게이지들은 스트레인 게이지들이 호스트 내로 삽입되어야 할 때 제조하기 어려운 문제점이 있다.
이러한 문제점을 해결하기 위하여 탄소나노튜브를 이용한 탄소나노튜브 스트레인 게이지에 대해 많은 연구가 이루어져 왔다. 하지만, 탄소나노튜브 스트레인 게이지는 제조 공정이 복잡하고 고비용일 뿐만 아니라 제조에 많은 시간이 소요되기 때문에 대량 생산이 어려운 문제점이 존재한다.
본 발명의 일 목적은 탄소나노튜브 저항체를 구비하는 스트레인 게이지를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 상기의 스트레인 게이지를 제조하는 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 실시예에 따른 스트레인 게이지는 절연 기판, 제1 전극 패드, 제2 전극 패드 및 저항체를 포함할 수 있다. 상기 절연 기판은 유연한 성질을 가질 수 있다. 상기 제1 및 제2 전극 패드는 상기 절연 기판 상에 형성되고 서로 이격될 수 있다. 상기 저항체는 상기 제1 전극 패드와 전기적으로 연결된 제1 단부 및 상기 제2 전극 패드와 전기적으로 연결된 제2 단부를 구비하고, 복수의 절곡부를 가지며, 랜덤하게 배향된 탄소나노튜브의 네트워크로 이루어질 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 저항체는 제1 방향으로 연장되고 서로 이격된 2N개의 제1 저항 패턴들 및 상기 제1 방향과 교차하는 제2 방향으로 연장되고, 상기 제1 저항 패턴들의 단부들를 연결하는 2N-1개의 제2 저항 패턴들을 포함할 수 있다. 여기서, 상기 N는 2보다 크거나 같고 5보다 작거나 같은 정수이다. 상기 제1 및 제2 저항 패턴들은 전기적으로 직렬로 연결될 수 있다. 상기 제1 및 제2 저항 패턴의 두께는 50nm 이상 300nm 이하일 수 있고, 상기 제1 저항 패턴의 상기 제2 방향으로의 폭은 50㎛ 이상 200㎛ 이하일 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 스트레인 게이지의 제조방법은 (i)베이스 기판 상부에 산화막을 형성하는 단계, (ⅱ)상기 산화막 상부에 수지 절연층을 형성하는 단계, (ⅲ)상기 수지 절연층 상부에 금속 전극 패드를 형성하는 단계, (ⅳ)상기 금속 전극 패드가 형성된 상기 수지 절연층 상부에 탄소나노튜브 분산 용액을 스프레이 분사하여 탄소나노튜브 박막을 형성하는 단계, (ⅴ)상기 탄소나노튜브 박막을 패터닝하여 저항체를 형성하는 단계 및 (ⅵ)상기 수지 절연층을 상기 베이스 기판으로부터 분리하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 수지 절연층을 형성하기 위하여, 상기 산화막 상부에 폴리이미드 액상을 스핀 코팅의 방법으로 도포하고, 상기 도포된 폴리이미드 액상을 경화시킬 수 있다.
상기 탄소나노튜브 박막을 패터닝하기 위하여, 상기 탄소나노튜브 박막 상에 상기 저항체에 대응하는 형상을 갖는 마스크를 형성하고, 상기 마스크가 형성된 탄소나노튜브 박막에 산소 플라즈마를 방사할 수 있다. 이 경우, 상기 산소 플라즈마는 10sccm의 속도로 3분 이상 10분 이하의 시간동안 방사되는 것이 바람직하다.
상기 베이스 기판은 실리콘 웨이퍼 또는 글라스 웨이퍼를 포함할 수 있고, 상기 산화막은 이산화규소막을 포함할 수 있다. 상기 수지 절연층을 상기 기판으로부터 분리하기 위하여, B.O.E(Buffered Oxide Etchant) 용액을 이용하여 상기 수지 절연층과 상기 기판 사이에 형성된 상기 산화막을 제거할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 스트레인 게이지는 랜덤하게 배향된 탄소나노튜브의 네트워크로 이루어진 저항체를 구비함으로써 스트레인 게이지의 게이지율을 현저하게 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 스트레인 게이지의 제조 방법은 실리콘 또는 글라스 웨이퍼 등의 베이스 기판에 산화막 형성하고 그 위에 스트레인 게이지를 형성한 후 산화막을 제거함으로써 베이스 기판과 스트레인 게이지를 분리한다. 그리고, 산소 플라즈마 공정을 통해 탄소나노튜브 박막을 패터닝한다. 이러한 본 발명의 실시예에 따른 스트레인 게이지의 제조 방법은 스트레인 게이지의 대량생산을 가능하게 한다.
도 1a는 본 발명의 실시예에 따른 스트레인 게이지를 설명하기 위한 사시도이다.
도 1b는 도 1에 도시된 스트레인 게이지의 평면도이다.
도 2는 도 1a 및 도 1b에 도시된 스트레인 게이지의 일 실시예에 대한 전자 주사 현미경(Scanning Electron Microscope, SEM) 사진이다.
도 3a는 인장(tension) 스트레인에 대한 스트레인 게이지들의 저항변화율(R/R0)들을 도시한 그래프이다.
도 3b는 압축(compressive) 스트레인에 대한 트레인 게이지들의 저항변화율(R/R0)들을 도시한 그래프이다.
도 4은 탄소나노튜브로 이루어진 저항체의 두께에 대한 스트레인 게이지의 게이지율(Gauge factor) 변화를 나타내는 그래프이다.
도 5a 내지 도 5e는 본 발명의 실시예에 따른 스트레인 게이지의 제조방법을 설명하기 위한 사시도들이다.
도 6a 내지 도 6f는 산소 플라즈마의 인가시간에 따른 탄소나노튜브 박막의 패터닝 정도를 설명하기 위한 SEM 이미지들이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 스트레인 게이지의 제조방법에 따라 제조된 스트레인 게이지의 중간산물을 나타내는 사진이다.
도 1b는 도 1에 도시된 스트레인 게이지의 평면도이다.
도 2는 도 1a 및 도 1b에 도시된 스트레인 게이지의 일 실시예에 대한 전자 주사 현미경(Scanning Electron Microscope, SEM) 사진이다.
도 3a는 인장(tension) 스트레인에 대한 스트레인 게이지들의 저항변화율(R/R0)들을 도시한 그래프이다.
도 3b는 압축(compressive) 스트레인에 대한 트레인 게이지들의 저항변화율(R/R0)들을 도시한 그래프이다.
도 4은 탄소나노튜브로 이루어진 저항체의 두께에 대한 스트레인 게이지의 게이지율(Gauge factor) 변화를 나타내는 그래프이다.
도 5a 내지 도 5e는 본 발명의 실시예에 따른 스트레인 게이지의 제조방법을 설명하기 위한 사시도들이다.
도 6a 내지 도 6f는 산소 플라즈마의 인가시간에 따른 탄소나노튜브 박막의 패터닝 정도를 설명하기 위한 SEM 이미지들이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 스트레인 게이지의 제조방법에 따라 제조된 스트레인 게이지의 중간산물을 나타내는 사진이다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 스트레인 게이지 및 이의 제조방법에 대해 상세히 설명한다. 본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 특정 실시 예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다. 첨부된 도면에 있어서, 구조물들의 치수는 본 발명의 명확성을 기하기 위하여 실제보다 확대하여 도시한 것이다.
제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다", "구비하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
스트레인 게이지
도 1a는 본 발명의 실시예에 따른 스트레인 게이지를 설명하기 위한 사시도이고, 도 1b는 도 1에 도시된 스트레인 게이지의 평면도이다. 도 2는 도 1a 및 도 1b에 도시된 스트레인 게이지의 일 실시예에 대한 전자 주사 현미경(Scanning Electron Microscope, SEM) 사진이다.
도 1a, 도 1b 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 스트레인 게이지(100)는 절연 기판(110), 제1 전극 패드(131), 제2 전극 패드(133) 및 저항체(150)를 포함할 수 있다. 도 2에 있어서, 'Polyimide base'는 '절연 기판(110)'의 일례이고, 'Bonding pads'는 '제1 및 제2 전극 패드(131, 133)'의 일례이며, 'Strain sensitive SWCNT grids'는 저항체(150) 중 이 후 설명될 '제1 저항 패턴(151)'의 일례이다.
절연 기판(110)은 유연성을 갖는 고분자 수지 물질로 이루어질 수 있다. 절연 기판(110)은 스트레인 측정의 대상이 되는 대상체에 부착되므로, 절연 기판(110)은 고분자 수지 중 부착성이 좋은 물질로 이루어지는 것이 바람직하다. 예를 들면, 절연 기판(110)은 폴리이미드로 이루어질 수 있다. 일례로, 절연 기판(110)은 제1 방향(X)으로의 길이(L)가 약 5mm이고, 제2 방향(Y)으로의 폭(W1)이 약 3mm이며, 제3 방향(Z)으로의 두께가 약 15㎛인 직사각형 폴리이미드 필름으로 구성될 수 있다.
제1 전극 패드(131) 및 제2 전극 패드(133)는 외부 장치(미도시)에 전기적으로 연결된다. 제1 및 제2 전극 패드(131, 133)는 금속 물질로 형성될 수 있다. 일례로, 제1 및 제2 전극 패드(131, 133)는 크롬(Cr)으로 형성될 수 있다. 제1 및 제2 전극 패드(131, 133)는 서로 이격되게 위치할 수 있다. 예를 들면, 제1 및 제2 전극 패드(131, 133)는 절연기판의 일측에 인접하게 위치할 수 있다. 제1 및 제2 전극 패드(131, 133) 각각은 외부 장치와 연결되는 몸체부(131a) 및 몸체부(131a, 133a)로부터 제1 방향(X)을 따라 돌출되도록 형성되고 저항체(150)와 연결되는 접속부(131b, 133b)를 포함할 수 있다.
저항체(150)는 랜덤하게 배향된 탄소나노튜브의 네트워크로 이루어질 수 있다. 저항체(150)를 이루는 탄소나노튜브는 단일벽 탄소나노튜브 또는 다중벽 탄소나노튜브일 수 있지만, 단일벽 탄소나노튜브인 것이 스트레인 게이지(100)의 민감도를 보다 더 향상시킬 수 있다. 저항체(150)는 제1 전극 패드(131)에 전기적으로 연결된 제1 단부와 제2 전극 패드(133)에 전기적으로 연결된 제2 단부를 구비하고, 복수의 절곡부를 가질 수 있다. 저항체(150)의 제1 단부는 제1 전극 패드(131)의 접속부(131b)에 전기적으로 연결될 수 있고, 저항체(150)의 제2 단부는 제2 전극 패드(133)의 접속부(133b)에 전기적으로 연결될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 저항체(150)는 복수의 제1 저항 패턴들(151) 및 복수의 제2 저항 패턴들(153)을 포함할 수 있다.
제1 저항 패턴들(151)은 제1 방향(X)으로 연장된 짝수개, 즉, '2N'개의 선형 저항 패턴들을 포함할 수 있다. 제1 저항 패턴들(151)은 서로 평행하게 일정한 간격만큼 이격되도록 위치할 수 있다. 일례로, 제1 저항 패턴들(151)의 이격 간격(D)은 약 50 내지 150㎛일 수 있다. 스트레인 게이지(100)의 민감도를 향상시키기 위해 N은 2 이상인 것이 바람직하고, 저항체(150)의 전체 저항값이 지나치게 크지 않도록 N은 5 이하인 것이 바람직하다. 제1 저항 패턴들(151) 각각은 상기 제1 방향(X)으로의 길이(L) 및 제1 방향(X)에 수직한 제2 방향(Y)으로의 폭(W1)을 가질 수 있다. 스트레인 게이지(100)의 민감도를 향상시키기 위하여, 제1 저항 패턴들(151)은 가늘고 길게 형성되는 것이 바람직하다. 예를 들면, 제1 저항 패턴들(151) 각각은 약 50 내지 200㎛의 폭(W1)과 약 2 내지 5mm의 길이(L)를 가지도록 형성될 수 있다. 이와 달리, 제1 저항체 패턴들(151) 각각의 폭(W1)과 길이(L)는 스트레인 게이지(100)의 전체 크기를 고려하여 적절하게 변경될 수도 있다.
제2 저항 패턴들(153)은 제1 저항 패턴들(151)의 단부들을 연결할 수 있다. 제2 저항 패턴들(153)은 저항체(150)를 구성하는 제1 및 제2 저항 패턴들(151, 153)이 모두 전기적으로 직렬로 연결되도록 제1 저항 패턴들(151)의 단부들을 연결할 수 있다. 즉, 제2 저항 패턴들(153)은 제1 저항 패턴들(151)의 단부들 사이에 위치하는 '2N-1'개의 저항 패턴들을 포함할 수 있다. 제2 저항 패턴들(153)은 스트레인 게이지(100)의 주 감지축에 수직한 스트레인에 대응되므로, 상대적으로 짧고 굵게 형성되는 것이 바람직하다. 예를 들면, 제2 저항 패턴들(153) 각각은 제1 방향(X)으로의 폭(W2)을 가질 수 있고, 제2 저항 패턴들(153)의 폭(W2)은 제1 저항 패턴들(151)의 폭(W1)보다 크게 형성될 수 있다. 일례로, 제2 저항 패턴들(153) 각각의 폭(W2)은 약 250 내지 350㎛일 수 있다. 이와 달리, 제2 저항체 패턴들(153) 각각의 폭(W2)은 필요에 따라 적절하게 변경될 수도 있다.
제1 및 제2 저항체 패턴들(151, 153)은 약 70 내지 280nm의 두께를 갖도록 형성되는 것이 바람직하다. 제1 및 제2 저항체 패턴들(151, 153)의 두께가 70nm 미만인 경우 저항체(150) 전체의 저항값이 지나치게 커지는 문제점이 발생할 수 있고, 제1 및 제2 저항체 패턴들(151, 153)의 두께가 280nm를 초과하는 경우 제1 및 제2 저항체 패턴(151, 153)을 제조하는데 시간이 너무 많이 소요되는 문제점이 발생할 수 있다.
이하에서는 도 1a 및 도 1b에 도시된 바와 같이 직사각형의 절연 기판(110) 위에 형성된 6개의 제1 저항 패턴들(151a, 151b, 151c, 151d, 151e, 151f) 및 5개의 제2 저항 패턴들(153a, 153b, 153c, 153d, 153e)을 포함하는 저항체(150)를 예로 들어 저항체(150)의 구조를 구체적으로 설명한다. 절연 기판(110)의 제1 모서리에 인접하게 제1 및 제2 전극 패턴(131, 133)이 형성될 수 있다. 제1 저항 패턴들(151a, 151b, 151c, 151d, 151e, 151f) 각각은 상기 제1 모서리에 대향하는 절연 기판(110)의 제2 모서리에 인접하게 위치하는 제1 단부와 제1 및 제2 전극 패턴(131, 133)에 인접하게 위치하는 제2 단부를 구비할 수 있다. 이하에서는 설명의 편의를 위해 6개의 제1 저항 패턴들(151a, 151b, 151c, 151d, 151e, 151f) 중 제1 전극 패드(131)에 연결된 저항 패턴을 '저항 패턴 11(151a)'이라 하고, 제2 전극 패드(133)에 연결된 저항 패턴을 '저항 패턴 16(151f)'이라 하며, 이들 사이에 위치하는 저항 패턴들을 각각 '저항 패턴 12(151b)', '저항 패턴 13(151c)', '저항 패턴 14(151d)' 및 '저항 패턴 15(151e)'이라 한다. 또한, 설명의 편의를 위해 5개의 제2 저항 패턴들(153a, 153b, 153c, 153d, 153e) 각각을 '저항 패턴 21(153a)', '저항 패턴 22(153b)', '저항 패턴 23(153c)', '저항 패턴 24(153d)' 및 '저항 패턴 25(153e)'이라 한다. 저항 패턴 11(151a)의 제2 단부는 제1 전극 패드(131)와 직접 연결되고, 저항 패턴 16(151f)의 제2 단부는 제2 전극 패드(133)와 직접 연결된다. 저항 패턴 21(153a)은 전극 패턴 11(151a)의 제1 단부와 저항패턴 12(151b)의 제1 단부를 연결하고, 저항 패턴 22(153b)는 저항 패턴 12(151b)의 제2 단부와 저항 패턴 13(151c)의 제2 단부를 연결하며, 저항 패턴 23(153c)은 저항 패턴 13(151c)의 제1 단부와 저항 패턴 14(151d)의 제1 단부를 연결한다. 저항 패턴 24(153d)는 저항 패턴 14(151d)의 제2 단부와 저항 패턴 15(151e)의 제2 단부를 연결하고, 저항 패턴 25(153e)는 저항 패턴 15(151e)의 제1 단부와 저항 패턴 16(151f)의 제1 단부를 연결한다.
이와 같은 구조의 저항체(150)는 스트레인 측정의 대상이 되는 대상체에 스트레인이 발생할 경우, 대상체에 발생된 스트레인에 대응하게 전극 패턴들(151, 153)의 길이가 변화되어 저항체(150) 전체의 저항이 변하게 된다. 본 발명의 실시예에 따른 스트레인 게이지(100)는 이러한 저항체(150)의 저항 변화를 감지하여 대상체에 발생된 스트레인을 감지할 수 있다.
도 3a는 인장(tension) 스트레인에 대한 스트레인 게이지들의 저항변화율(R/R0)들을 도시한 그래프이고, 도 3b는 압축(compressive) 스트레인에 대한 트레인 게이지들의 저항변화율(R/R0)들을 도시한 그래프이다. 도 3a 및 도 3b에 있어서, 'Grid=4', 'Grid=6' 및 'Grid=8'은 각각 탄소나노튜브로 이루어진 제1 저항 패턴의 수가 4, 6 및 8인 스트레인 게이지들을 나타내고, 'commercial gauge'는 저항체가 금속 포일(foil)로 제조된 종래의 스트레인 게이지를 나타내며, 'Ks'는 스트레인 게이지의 게이지율(Gauge factor)을 나타낸다.
도 3a 및 도 3b를 참조하면, 탄소나노튜브로 이루어진 제1 저항 패턴의 수가 4, 6 및 8인 스트레인 게이지들의 저항 변화는 인장 및 압축 스트레인에 대해 선형적으로 변함을 확인할 수 있다. 또한, 탄소나노튜브로 이루어진 제1 저항 패턴의 수가 4, 6 및 8인 스트레인 게이지들은 종래의 금속 포일 스트레인 게이지보다 더 높은 게이율을 가짐을 확인할 수 있고, 탄소나노튜브로 이루어진 제1 전극 패턴의 수가 증가할수록 게이지율이 증가함을 알 수 있다. 구체적으로, 탄소나노튜브로 이루어진 제1 저항 패턴의 수가 8인 스트레인 게이지의 게이지율은 종래의 금속 포일 스트레인 게이지의 게이지율보다 약 8배 높음을 알 수 있다. 따라서, 탄소나노튜브를 이용하여 제1 저항 패턴을 형성하는 경우, 스트레인 게이지의 게이지율을 현저하게 향상시킬 수 있음을 알 수 있다.
도 4는 탄소나노튜브로 이루어진 저항체의 두께에 대한 스트레인 게이지의 게이지율(Gauge factor) 변화를 나타내는 그래프이다.
도 4를 참조하면, 인장 스트레인 및 압축 스트레인 하에서 탄소나노튜브로 이루어진 저항체의 두께가 증가할수록 스트레인 게이지의 게이지율이 증가함으로 알 수 있다.
스트레인 게이지의 제조방법
도 5a 내지 도 5e는 본 발명의 실시예에 따른 스트레인 게이지의 제조방법을 설명하기 위한 사시도들이다.
도 5a를 참조하면, 먼저 베이스 기판(10) 상부에 산화막(30)을 형성할 수 있다. 베이스 기판(10)으로는 글라스 웨이퍼 또는 실리콘 웨이퍼가 사용될 수 있다. 산화막(30)은 약 2000 내지 3000Å의 두께로 베이스 기판(10) 전체에 형성될 수 있다. 일례로, 산화막(30)은 이산화규소(SiO2)막일 수 있다. 산화막(30)은 PECVD(Plasma-Enhanced Chemical Vapor Deposition) 공정을 통해 형성될 수 있다.
도 5b를 참조하면, 산화막(30) 상부에 수지 절연층(110)을 형성할 수 있다. 수지 절연층(110)은 유연하고 부착성이 양호한 고분자 수지로 형성될 수 있다. 예를 들면, 수지 절연층(110)은 폴리이미드로 형성될 수 있다. 일례로, 수지 절연층(110)을 형성하기 위하여 액상의 폴리이미드 수지를 스핀 코팅(spin-coating)의 방법으로 산화막(30) 상부에 도포한 후 약 300 내지 400℃의 온도에서 약 1시간 동안 경화시킬 수 있다. 수지 절연층(110)은 약 10 내지 30㎛의 두께로 형성될 수 있다.
도 5c를 참조하면, 수지 절연층(110) 상부에 제1 및 제2 전극 패드(131, 133)를 형성할 수 있다. 제1 및 제2 전극 패드(131, 133)를 형성하기 위하여, 우선 수지 절연층(110) 상부에 금속층(미도시)이 증착될 수 있다. 일례로, 금속층은 크롬(Cr)을 전자빔증착법(E-beam evaporation)을 통하여 약 2000 내지 4000Å의 두께로 증착하여 형성할 수 있다. 이어서, 포토리소그래피(photolithography) 공정을 통해 금속층을 패터닝함으로써 제1 및 제2 전극 패드(131, 133)를 형성할 수 있다.
도 5d를 참조하면, 제1 및 제2 전극 패드(131, 133)가 형성된 수지 절연층(110) 상부에 저항체(150)를 형성할 수 있다. 저항체(150)를 형성하기 위하여, 우선 탄소나노튜브가 분산된 용액을 준비한다. 이를 위하여, 디클로로벤젠(dechlorobenzene) 또는 디메틸폼아마이드(dimethylformamide, DMF) 용매에 탄소나노튜브를 첨가한 후 약 20분 동안 음파 에너지를 인가할 수 있고, 그 후 용매 내에 분산되지 않고 결집된 탄소나노튜브 덩어리, 탄소나노튜브 외의 불용성 물질 등을 원심분리를 통해 제거할 수 있다. 이와 같은 원심분리 공정이 완료되면 탄소나노튜브들이 분산된 용액이 준비된다. 이어서, 준비된 용액을 스프레이 분사의 방법으로 제1 및 제2 전극 패드(131, 133)가 형성된 수지 절연층(110) 상부에 도포하여 탄소나노튜브 박막(미도시)을 형성할 수 있다. 탄소나노튜브 박막 내에서는 랜덤하게 배향된 탄소나노튜브들이 서로 네트워크를 형성하고 있다. 그 후, 탄소나노튜브 박막 상에 저항체(150)에 대응하는 형상을 가진 마스크 패턴(미도시)을 형성한 후 마스크 패턴이 형성된 탄소나노튜브 박막에 산소 플라즈마를 인가하여 저항체를 형성할 수 있다. 산소 플라즈마는 약 10sccm의 속도로 약 3분 이상 약 10분 이하의 시간동안 인가될 수 있다. 산소 플라즈마의 인가 시간이 3분 미만인 경우, 제거되어야 할 탄소나노튜브 박막 부분이 일부 잔류할 수 있는 문제점이 있고, 산소 플라즈마의 인가 시간이 10분 이상인 경우 전극 패드(131, 133)나 수지 절연층(110)이 손상될 위험이 있다.
도 6a 내지 도 6f는 산소 플라즈마의 인가시간에 따른 탄소나노튜브 박막의 패터닝 정도를 설명하기 위한 SEM 이미지들이다. 도 6a 내지 도 6f는 폴리이미드 절연 수지층(110) 상부에 형성된 약 280nm의 두께를 가진 단일벽 탄소나노튜브 박막에 대해 산소 플라즈마를 인가한 결과들이다.
도 6a 내지 도 6d를 참조하면, 산소 플라즈마의 인가 시간이 30초, 60초, 120초 및 150초인 경우 제거되어야 하는 탄소나노튜브 박막의 일부분이 폴리이미드 절연 기판 상에 잔류하는 것을 확인할 수 있다. 이에 반하여, 도 6e 및 도 6f를 참조하면, 산소 플라즈마의 인가 시간이 180초 및 300초인 경우 제거되어야 하는 탄소나노튜브 박막 부분이 대부분 제거되었음을 확인할 수 있다.
다시 도 5e를 참조하면, 제1 및 제2 전극 패드(131, 133)와 저항체(150)가 형성된 수지 절연층(110)을 베이스 기판(10)으로부터 분리할 수 있다. 이를 위하여, 저항체(150)가 형성된 결과물을 B.O.E(Buffered Oxide Etchant) 용액 내에 투입할 수 있다. B.O.E(Buffered Oxide Etchant) 용액은 베이스 기판(10)과 절연 수지층(110) 사이에 형성된 산화막(30)을 제거하므로, 베이스 기판(10)으로부터 제1 및 제2 전극 패드(131, 133)와 저항체(150)가 형성된 수지 절연층(110)이 분리될 수 있다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 스트레인 게이지의 제조방법에 따라 제조된 스트레인 게이지의 중간산물을 나타내는 사진이다.
도 7을 참조하면, 산화막이 형성된 베이스 기판 상에 절연 수지층을 전체적으로 형성하고, 절연 수지층 상부에 도 5c 및 도 5d를 참조하여 설명한 공정들에 따라 복수의 제1 및 제2 전극 패드와 복수의 저항체를 동시에 형성할 수 있다. 이 후, 다이싱(dicing) 공정을 통해 개별 스트레인 게이지 단위로 절단하고, 그 후 도 5e를 참조하여 설명한 공정에 따라 베이스 기판으로부터 수지 절연층을 분리할 수 있다. 이와 달리, 베이스 기판으로부터 수지 절연층을 분리한 후, 개별 스트레인 게이지 단위로 절단할 수도 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 스트레인 게이지는 랜덤하게 배향된 탄소나노튜브의 네트워크로 이루어진 저항체를 구비함으로써 스트레인 게이지의 게이지율을 현저하게 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 스트레인 게이지의 제조 방법은 실리콘 또는 글라스 웨이퍼 등의 베이스 기판에 산화막 형성하고 그 위에 스트레인 게이지를 형성한 후 산화막을 제거함으로써 베이스 기판과 스트레인 게이지를 분리한다. 그리고, 산소 플라즈마 공정을 통해 탄소나노튜브 박막을 패터닝한다. 이러한 제조 방법에 따르면 스트레인 게이지의 대량생산을 가능하게 한다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
Claims (8)
- 유연한 절연 기판;
상기 절연 기판 상에 형성되고 서로 이격된 제1 및 제2 전극 패드; 및
상기 제1 전극 패드와 전기적으로 연결된 제1 단부 및 상기 제2 전극 패드와 전기적으로 연결된 제2 단부를 구비하고, 복수의 절곡부를 가지며, 랜덤하게 배향된 탄소나노튜브의 네트워크로 이루어진 저항체를 포함하는 스트레인 게이지. - 제1항에 있어서, 상기 저항체는,
제1 방향으로 연장되고 서로 이격된 2N개의 제1 저항 패턴들; 및
상기 제1 방향과 교차하는 제2 방향으로 연장되고, 상기 제1 저항 패턴들의 단부들를 연결하는 2N-1개의 제2 저항 패턴들을 포함하고,
상기 N는 2보다 크거나 같고 5보다 작거나 같은 정수이며,
상기 제1 및 제2 저항 패턴들은 전기적으로 직렬로 연결된 것을 특징으로 하는 스트레인 게이지. - 제2항에 있어서, 상기 제1 및 제2 저항 패턴의 두께는 50nm 이상 300nm 이하이고,
상기 제1 저항 패턴의 상기 제2 방향으로의 폭은 50㎛ 이상 200㎛ 이하인 것을 특징으로 하는 스트레인 게이지. - 베이스 기판 상부에 산화막을 형성하는 단계;
상기 산화막 상부에 수지 절연층을 형성하는 단계;
상기 수지 절연층 상부에 금속 전극 패드를 형성하는 단계;
상기 금속 전극 패드가 형성된 상기 수지 절연층 상부에 탄소나노튜브 분산 용액을 스프레이 분사하여 탄소나노튜브 박막을 형성하는 단계;
상기 탄소나노튜브 박막을 패터닝하여 저항체를 형성하는 단계; 및
상기 수지 절연층을 상기 베이스 기판으로부터 분리하는 단계를 포함하는 스트레인 게이지의 제조방법. - 제4항에 있어서, 상기 수지 절연층을 형성하는 단계는,
상기 산화막 상부에 폴리이미드 액상을 스핀 코팅의 방법으로 도포하는 단계; 및
상기 도포된 폴리이미드 액상을 경화시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 스트레인 게이지의 제조방법. - 제4항에 있어서, 상기 탄소나노튜브 박막을 패터닝하는 단계는,
상기 탄소나노튜브 박막 상에 상기 저항체에 대응하는 형상을 갖는 마스크를 형성하는 단계; 및
상기 마스크가 형성된 탄소나노튜브 박막에 산소 플라즈마를 방사하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 스트레인 게이지의 제조방법. - 제6항에 있어서, 상기 산소 플라즈마는 10sccm의 속도로 3분 이상 10분 이하의 시간동안 방사되는 것을 특징으로 하는 스트레인 게이지의 제조방법.
- 제4항에 있어서, 상기 베이스 기판은 실리콘 웨이퍼 또는 글라스 웨이퍼를 포함하고,
상기 산화막은 이산화규소막을 포함하며,
상기 수지 절연층을 상기 기판으로부터 분리하는 단계는 B.O.E(Buffered Oxide Etchant) 용액을 이용하여 상기 수지 절연층과 상기 기판 사이에 형성된 상기 산화막을 제거하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 스트레인 게이지의 제조방법.
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