KR20180022048A - Highly sensitive pressure sensor and input device using the highly sensitive pressure sensor - Google Patents

Highly sensitive pressure sensor and input device using the highly sensitive pressure sensor Download PDF

Info

Publication number
KR20180022048A
KR20180022048A KR1020160106845A KR20160106845A KR20180022048A KR 20180022048 A KR20180022048 A KR 20180022048A KR 1020160106845 A KR1020160106845 A KR 1020160106845A KR 20160106845 A KR20160106845 A KR 20160106845A KR 20180022048 A KR20180022048 A KR 20180022048A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
pressure sensor
electrode
pressure
sensitivity
dielectric layer
Prior art date
Application number
KR1020160106845A
Other languages
Korean (ko)
Other versions
KR101850484B1 (en
Inventor
심우영
이태윤
이길수
이재홍
김대은
Original Assignee
연세대학교 산학협력단
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 연세대학교 산학협력단 filed Critical 연세대학교 산학협력단
Priority to KR1020160106845A priority Critical patent/KR101850484B1/en
Priority to CN201610825173.6A priority patent/CN107025009B/en
Priority to US15/266,175 priority patent/US10401974B2/en
Publication of KR20180022048A publication Critical patent/KR20180022048A/en
Application granted granted Critical
Publication of KR101850484B1 publication Critical patent/KR101850484B1/en

Links

Images

Classifications

    • GPHYSICS
    • G06COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06FELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F3/00Input arrangements for transferring data to be processed into a form capable of being handled by the computer; Output arrangements for transferring data from processing unit to output unit, e.g. interface arrangements
    • G06F3/01Input arrangements or combined input and output arrangements for interaction between user and computer
    • G06F3/03Arrangements for converting the position or the displacement of a member into a coded form
    • G06F3/041Digitisers, e.g. for touch screens or touch pads, characterised by the transducing means
    • G06F3/044Digitisers, e.g. for touch screens or touch pads, characterised by the transducing means by capacitive means
    • G06F3/0445Digitisers, e.g. for touch screens or touch pads, characterised by the transducing means by capacitive means using two or more layers of sensing electrodes, e.g. using two layers of electrodes separated by a dielectric layer
    • GPHYSICS
    • G06COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06FELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F3/00Input arrangements for transferring data to be processed into a form capable of being handled by the computer; Output arrangements for transferring data from processing unit to output unit, e.g. interface arrangements
    • G06F3/01Input arrangements or combined input and output arrangements for interaction between user and computer
    • G06F3/03Arrangements for converting the position or the displacement of a member into a coded form
    • G06F3/041Digitisers, e.g. for touch screens or touch pads, characterised by the transducing means
    • G06F3/044Digitisers, e.g. for touch screens or touch pads, characterised by the transducing means by capacitive means
    • GPHYSICS
    • G06COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06FELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F3/00Input arrangements for transferring data to be processed into a form capable of being handled by the computer; Output arrangements for transferring data from processing unit to output unit, e.g. interface arrangements
    • G06F3/01Input arrangements or combined input and output arrangements for interaction between user and computer
    • G06F3/03Arrangements for converting the position or the displacement of a member into a coded form
    • G06F3/041Digitisers, e.g. for touch screens or touch pads, characterised by the transducing means
    • G06F3/0416Control or interface arrangements specially adapted for digitisers
    • GPHYSICS
    • G06COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06FELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F3/00Input arrangements for transferring data to be processed into a form capable of being handled by the computer; Output arrangements for transferring data from processing unit to output unit, e.g. interface arrangements
    • G06F3/01Input arrangements or combined input and output arrangements for interaction between user and computer
    • G06F3/03Arrangements for converting the position or the displacement of a member into a coded form
    • G06F3/041Digitisers, e.g. for touch screens or touch pads, characterised by the transducing means
    • G06F3/0416Control or interface arrangements specially adapted for digitisers
    • G06F3/04164Connections between sensors and controllers, e.g. routing lines between electrodes and connection pads
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01BCABLES; CONDUCTORS; INSULATORS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR CONDUCTIVE, INSULATING OR DIELECTRIC PROPERTIES
    • H01B3/00Insulators or insulating bodies characterised by the insulating materials; Selection of materials for their insulating or dielectric properties
    • H01B3/18Insulators or insulating bodies characterised by the insulating materials; Selection of materials for their insulating or dielectric properties mainly consisting of organic substances
    • H01B3/30Insulators or insulating bodies characterised by the insulating materials; Selection of materials for their insulating or dielectric properties mainly consisting of organic substances plastics; resins; waxes
    • GPHYSICS
    • G06COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06FELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F2203/00Indexing scheme relating to G06F3/00 - G06F3/048
    • G06F2203/041Indexing scheme relating to G06F3/041 - G06F3/045
    • G06F2203/04102Flexible digitiser, i.e. constructional details for allowing the whole digitising part of a device to be flexed or rolled like a sheet of paper
    • GPHYSICS
    • G06COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06FELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F2203/00Indexing scheme relating to G06F3/00 - G06F3/048
    • G06F2203/041Indexing scheme relating to G06F3/041 - G06F3/045
    • G06F2203/04103Manufacturing, i.e. details related to manufacturing processes specially suited for touch sensitive devices
    • GPHYSICS
    • G06COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06FELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F2203/00Indexing scheme relating to G06F3/00 - G06F3/048
    • G06F2203/041Indexing scheme relating to G06F3/041 - G06F3/045
    • G06F2203/04111Cross over in capacitive digitiser, i.e. details of structures for connecting electrodes of the sensing pattern where the connections cross each other, e.g. bridge structures comprising an insulating layer, or vias through substrate

Abstract

The present invention provides an input device using a high sensitivity pressure sensor composed to be easily manufactured based on commonly used low-cost materials. According to an embodiment of the present invention, the high sensitivity pressure sensor comprises: a lower substrate having one surface on which a first electrode having a surface roughness is formed; an upper substrate having one surface on which a second electrode having a surface roughness is formed; and a dielectric material laminated between the lower substrate and the upper substrate so as to be located between the first electrode and the second electrode.

Description

고감도 압력센서 및 이를 이용한 입력장치{HIGHLY SENSITIVE PRESSURE SENSOR AND INPUT DEVICE USING THE HIGHLY SENSITIVE PRESSURE SENSOR}BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention [0001] The present invention relates to a high-sensitivity pressure sensor and an input device using the same,

본 발명은 압력센서 및 입력장치에 관한 것으로써, 구체적으로는 간단한 구성으로 고감도의 센싱을 구현할 수 있는 고감도 압력센서 및 이를 이용한 입력장치에 관한 것이다.The present invention relates to a pressure sensor and an input device, and more particularly, to a high-sensitivity pressure sensor capable of realizing high-sensitivity sensing with a simple configuration and an input device using the same.

사물과 사물을 디지털로 연결하는 IoT(사물인터넷) 시대를 맞이하여 다양한 센서 기술 개발에 대한 수요가 끊임없이 증가하고 있다. 특히 터치/압력센서는 가정, 공장, 사무실, 자동차 등의 생활과 밀접한 공간뿐만 아니라, 플렉서블/웨어러블 디바이스, 로봇, 헬스 케어 등 일상 적인 사물 부문 전반에 걸쳐서 복합적으로 사용되는 센서이지만, 재료 및 공정 비용이 매우 높은 단점이 있었다. 이는 기존에 전극으로 주로 사용되는 재료, 예를 들면, 금, 은, 금 속 기반의 나노 와이어, 인듐 주석 옥사이드(ITO), 탄소 나노튜브(CNT)의 가격이 상대적으로 높기 때문이다. 또한, 기존의 평행판 축전기(parallel-plate capacitor) 구조에서 압력센서의 감도를 높이기 위해 유전체 층(dielectric layer) 의 구조를 개조하여 미세구조(micro-structure)를 형성하는 연구가 활발히 진행되고 있는데, 이는 포토리소그래피(photo-lithography), 에칭(etching) 등의 복잡한 공정을 거쳐야 하기 때문에 공정비용이 상당히 높은 실정이다.With the digital Internet (IoT), which connects objects and objects digitally, there is a constantly growing demand for the development of various sensor technologies. In particular, the touch / pressure sensor is a sensor that is used in a wide range of everyday objects such as flexible / wearable devices, robots, and health care, as well as spaces close to life in homes, factories, offices and automobiles. This was a very high disadvantage. This is due to the fact that the prices of materials mainly used for electrodes such as gold, silver, and gold-based nanowires, indium tin oxide (ITO), and carbon nanotubes (CNT) are relatively high. In addition, in order to increase the sensitivity of a conventional parallel-plate capacitor structure, studies for forming a micro-structure by modifying the structure of a dielectric layer have been actively conducted. This is because a complicated process such as photo-lithography, etching, and the like must be carried out, and thus the process cost is considerably high.

이러한 이유로 대부 분의 고감도 압력센서들이 연구단계에서 머물고 있으며 상용화까지 이어지지 못하고 있다. 이에 기존의 고가의 재료를 사용하고 실리콘 공정을 거쳐서 제작되는 압력센서의 한계를 극복하여 재료 및 공정비용을 최소화할 수 있는 신개념 고성능 압력센서의 개발이 요구되고 있다. For this reason, most of the high-sensitivity pressure sensors remain in the research stage and do not lead to commercialization. Therefore, it is required to develop a new high performance pressure sensor that can minimize the material and process cost by overcoming the limitation of the pressure sensor manufactured using the existing expensive material and the silicon process.

한국공개특허공보 제10-2012-0098749호Korean Patent Publication No. 10-2012-0098749

본 발명의 다양한 실시예에 따르면, 흔히 사용되는 저가의 재료들에 기초하여 용이하게 제조 가능하도록 구성되는 고감도 압력센서를 이용한 입력장치를 제공할 수 있다.According to various embodiments of the present invention, it is possible to provide an input device using a high-sensitivity pressure sensor that is configured to be easily manufacturable based on commonly-used low-cost materials.

본 발명의 다양한 실시예에 따르면, 고감도 압력센서를 이용하여 압력에 기반하여 다양한 키를 입력하기 위한 고감도 압력센서를 이용한 입력장치를 제공할 수 있다.According to various embodiments of the present invention, an input device using a high-sensitivity pressure sensor for inputting various keys based on a pressure using a high-sensitivity pressure sensor can be provided.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 일면에 표면 거칠기를 가지는 제1전극이 형성되는 하부기판; 일면에 표면 거칠기를 가지는 제2전극이 형성되는 상부기판; 및 상기 제1전극 및 상기 제2전극 사이에 배치되도록 상기 하부기판 및 상부기판 사이에 적층되는 유전물질;을 포함하는, 고감도 압력센서를 제공한다.According to an embodiment of the present invention, there is provided a plasma display panel comprising: a lower substrate on which a first electrode having a surface roughness is formed; An upper substrate on which a second electrode having a surface roughness is formed; And a dielectric material laminated between the lower substrate and the upper substrate so as to be disposed between the first electrode and the second electrode.

다양한 실시예에 따르면, 상기 유전물질은 상기 제1전극 또는 제2전극의 표면 거칠기에 의한 상기 제1전극 또는 상기 제2전극의 요철 표면을 감싸도록 형성될 수 있다.According to various embodiments, the dielectric material may be formed to surround the surface of the first electrode or the irregular surface of the second electrode due to the surface roughness of the first electrode or the second electrode.

다양한 실시예에 따르면, 상기 유전 물질은 탄성중합체를 포함하되, 상기 탄성중합체의 상기 유전 물질내 중량백분율은 상기 표면 거칠기 및 상기 형성되는 유전물질의 두께에 따라서 결정될 수 있다.According to various embodiments, the dielectric material includes an elastomer, wherein the weight percentage of the elastomer in the dielectric material can be determined according to the surface roughness and the thickness of the dielectric material formed.

다양한 실시예에 따르면, 상기 하부기판 또는 상기 상부기판은, 플렉서블 또는 스트레쳐블 소재일 수 있다.According to various embodiments, the lower substrate or the upper substrate may be a flexible or stretchable material.

다양한 실시예에 따르면, 상기 제1전극 또는 상기 제2전극의 표면 거칠기는 상기 하부기판 또는 상기 상부기판의 표면 거칠기에 의해 나타날 수 있다.According to various embodiments, the surface roughness of the first electrode or the second electrode may be represented by the surface roughness of the lower substrate or the upper substrate.

다양한 실시예에 따르면, 상기 제1전극 또는 상기 제2전극의 표면 거칠기는 전극 형성 시 생성되거나 또는 전극 형성 후 가공에 의해 생성될 수 있다.According to various embodiments, the surface roughness of the first electrode or the second electrode may be generated at the time of electrode formation or may be generated by processing after electrode formation.

다양한 실시예에 따르면, 상기 유전물질은, 상기 제1전극에 구비되는 하부 유전층; 및 상기 제2전극에 구비되는 상부 유전층;을 포함할 수 있다.According to various embodiments, the dielectric material comprises: a lower dielectric layer provided on the first electrode; And an upper dielectric layer provided on the second electrode.

다양한 실시예에 따르면, 상기 하부 유전층은 상기 제1전극에 밀착되어, 상기 제1전극의 표면 거칠기가 상기 하부 유전층에 나타나고, 상기 상부 유전층은 상기 제2전극에 밀착되어, 상기 제2전극의 표면 거칠기가 상기 상부 유전층에 나타날 수 있다.According to various embodiments, the bottom dielectric layer is in intimate contact with the first electrode such that the surface roughness of the first electrode appears in the bottom dielectric layer, and the top dielectric layer is in close contact with the second electrode, Roughness may appear in the upper dielectric layer.

다양한 실시예에 따르면, 상기 하부 유전층과 상기 상부 유전층 사이의 일부 영역 이상에 공기층이 형성될 수 있다.According to various embodiments, an air layer may be formed over a portion of the area between the lower dielectric layer and the upper dielectric layer.

다양한 실시예에 따르면, 상기 하부기판 및 상기 상부기판 중 적어도 하나에 압력이 가해지는 경우, 상기 하부 유전층과 상기 상부 유전층의 표면 중 적어도 일부가 맞물리며 교차구조를 형성할 수 있다.According to various embodiments, when pressure is applied to at least one of the lower substrate and the upper substrate, at least some of the surfaces of the lower dielectric layer and the upper dielectric layer may engage and form an intersecting structure.

다양한 실시예에 따르면, 상기 하부기판 및 상기 상부기판 중 적어도 하나에 압력이 가해지는 경우, 상기 하부 유전층과 상기 상부 유전층 사이에 형성된 상기 공기층은 제거되거나, 또는 상기 교차구조에 기반하여 보다 작은 공기층으로 분열될 수 있다.According to various embodiments, when pressure is applied to at least one of the lower substrate and the upper substrate, the air layer formed between the lower dielectric layer and the upper dielectric layer may be removed, or a smaller air layer may be formed It can be divided.

한편, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상술한 바에 따르는 적어도 하나의 고감도 압력센서; 및 상기 압력센서를 통해 압력이 인가되면, 상기 인가 압력에 대한 상기 압력센서로부터 출력되는 신호에 따라 지정된 키 입력을 처리하는 제어부;를 포함하는, 고감도 압력센서를 이용한 입력장치를 제공한다.According to an embodiment of the present invention, there is provided a pressure sensor comprising: at least one high sensitivity pressure sensor as described above; And a controller for processing a key input according to a signal output from the pressure sensor with respect to the applied pressure when a pressure is applied through the pressure sensor.

다양한 실시예에 따르면, 고감도 압력센서를 이용한 입력장치는, 상기 압력센서의 상기 하부기판 또는 상기 상부기판 중 하나 이상에 압력을 인가하는 압력 인가부;를 더 포함할 수 있다.According to various embodiments, the input device using the high-sensitivity pressure sensor may further include a pressure applying unit applying pressure to at least one of the lower substrate and the upper substrate of the pressure sensor.

다양한 실시예에 따르면, 상기 제어부는, 상기 인가 압력이 기 설정된 제1기준압력 미만인 경우, 제1신호로 처리하고, 상기 인가 압력이 상기 제1기준압력 이상인 경우, 제2신호로 처리할 수 있다.According to various embodiments, the control unit may process the first signal when the applied pressure is less than the predetermined first reference pressure, and process the second signal if the applied pressure is equal to or greater than the first reference pressure .

다양한 실시예에 따르면, 상기 제어부는, 상기 인가 압력이 기 설정된 제2기준압력 미만인 경우, 해당 입력을 무시하도록 처리할 수 있다.According to various embodiments, when the applied pressure is less than a predetermined second reference pressure, the control unit may process the input to ignore the input.

다양한 실시예에 따르면, 상기 제어부는, 상기 인가 압력의 강도, 시간 또는 빈도에 따라 각각 다른 입력으로 처리할 수 있다.According to various embodiments, the controller may process different inputs according to the intensity, time, or frequency of the applied pressure.

다양한 실시예에 따르면, 상기 제어부는, 상기 압력센서에 입력되는 여기신호를 출력하고, 상기 압력센서로부터 출력되는 상기 신호를 입력하는 메인 컨트롤 유닛; 상기 여기신호를 상기 적어도 하나의 압력센서에 분배하는 역다중화기; 및 상기 적어도 하나의 압력센서로부터 출력되는 병렬신호를 직렬신호로 변환하는 다중화기;를 포함할 수 있다.According to various embodiments, the control unit may include: a main control unit for outputting an excitation signal input to the pressure sensor and inputting the signal output from the pressure sensor; A demultiplexer for distributing the excitation signal to the at least one pressure sensor; And a multiplexer for converting a parallel signal output from the at least one pressure sensor into a serial signal.

다양한 실시예에 따르면, 상기 제어부는, 상기 적어도 하나의 고감도 압력센서 각각에 대하여 상기 메인 컨트롤 유닛을 통하여 수신하는 상기 신호를 범위를 정하여 복수의 레벨로 구분하고, 상기 복수의 레벨 각각에 대하여 다른 키가 지정될 수 있다.According to various embodiments, the control unit may classify the signals received through the main control unit for each of the at least one high-sensitivity pressure sensor into a plurality of levels and divide the signals into a plurality of levels, Can be specified.

다양한 실시예에 따르면, 상기 제어부는, 상기 상기 메인 컨트롤 유닛을 통하여 수신하는 상기 신호 및 상기 신호를 출력하는 고감도 압력센서에 기반하여 상기 신호의 레벨에 대하여 지정된 키를 결정하고, 상기 결정된 키를 입력하도록 상기 다중화기에 전송할 수 있다.According to various embodiments, the control unit determines a key designated for the level of the signal based on the signal received via the main control unit and the high-sensitivity pressure sensor outputting the signal, and inputs the determined key To the multiplexer.

다양한 실시예에 따르면, 상기 신호는, 상기 적어도 하나의 고감도 압력센서 각각에 대하여 가해지는 압력에 대응되는 캐패시턴스 값일 수 있다.According to various embodiments, the signal may be a capacitance value corresponding to a pressure applied to each of the at least one high-sensitivity pressure sensor.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 고감도 압력센서를 이용한 입력장치는, 일상 에서 흔히 사용되는 재료, 예를 들면, 복사지, 연필 등을 제작할 수 있는 종이, 흑연 등의 소재를 이용하여 압력센서를 제작함으로써, 고감도 특성을 구현하는 동시에 재료 및 제조 공정 비용의 감축에 따른 초저가의 입력장치의 제공이 가능하다는 효과가 있다.Further, the input device using the high-sensitivity pressure sensor according to the embodiment of the present invention can be applied to various types of devices such as a paper, graphite or the like which can produce materials commonly used in daily life, for example, It is possible to provide an input device at an extremely low cost in accordance with the reduction of material and manufacturing process cost while realizing a high sensitivity characteristic.

또한, 유연성 기판을 이용하여 제작되기 때문에 휘어질 수 있는 입력장치의 제공이 가능하게 되고, 이를 통하여 휴대가 용이한 입력장치를 제공할 수 있는 효과가 있다.Further, since the flexible printed circuit board is manufactured using the flexible printed circuit board, it is possible to provide an input device that can be bent, thereby providing an input device that is easy to carry.

상술한 바와 같이, 압력센서의 공정을 크게 변화시키지 않고, 압력센서의 센싱 감도를 향상시킴으로써, 압력센서로부터 측정되는 압력을 복수의 레벨로 구분하여 하나의 압력센서로 다양한 입력을 처리하는 입력장치를 제공할 수 있다.As described above, by improving the sensing sensitivity of the pressure sensor without significantly changing the process of the pressure sensor, an input device for dividing the pressure measured from the pressure sensor into a plurality of levels and processing various inputs with one pressure sensor .

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 고감도 압력센서를 이용한 입력장치의 블록도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 고감도 압력센서를 이용한 입력장치에서의 압력센서의 사시도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 고감도 압력센서를 이용한 입력장치에 적용되는 압력센서를 제작하는 과정을 도시한 도면이다.
도 4는 희석 전 탄성중합체 및 희석 후 탄성중합체의 접촉각을 도시한 도면이다.
도 5는 여러 기판에 드롭(drop)된 물 및 희석된 탄성중합체의 접촉각을 도시한 도면이다.
도 6는 본 발명의 일 실시예에 따른 고감도 압력센서를 이용한 입력장치에서 전극 및 유전체 표현에 형성되는 거칠기가 표현된 고감도 압력센서의 단면도이다.
도 7 및 도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 고감도 압력센서를 이용한 입력장치에 적용되는 압력센서의 전극 표면과 탄성중합체가 코팅된 표면 거칠기의 공초점 현미경 이미지 및 거칠기 분석 데이터가 각각 도시된 도면이다.
도 9은 본 발명의 일 실시예에 따른 고감도 압력센서를 이용한 입력장치에서 기판에 컬(curl)을 형성하기 위한 공정을 도시한 도면이다.
도 10는 본 발명의 일 실시예에 따른 고감도 압력센서를 이용한 입력장치에서 압력이 가해지기 전 및 후에 유전체 표면의 변화를 도시한 도면이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 고감도 압력센서를 이용한 입력장치, 그리고 가해지는 압력에 따른 정전용량변화의 그래프를 도시한 도면이다.
도 12은 본 발명의 일 실시예에 따른 고감도 압력센서를 이용한 입력장치를 포함하여 구성된 3X3 압력센서 어레이(array) 및 두 포인트에 다른 무게의 분동을 올려놓은 경우의 감도가 도시된 도면이다.
도 13은 본 발명의 일 실시예에 따른 고감도 압력센서를 이용한 입력장치에서 압력센서에 가해지는 압력에 대한 정전용량 변화를 도시한 도면이다.
도 14는 본 발명의 일 실시예에 따른 고감도 압력센서를 이용한 입력장치에서 압력센서에 가해지는 압력에 따른 감지속도 및 회복속도에 대한 그래프이다.
도 15는 본 발명의 일 실시예에 따른 고감도 압력센서를 이용한 입력장치를 구성하는 유연성 기판의 나노인덴테이션 분석 그래프이다.
도 16은 본 발명의 일 실시예에 따른 고감도 압력센서를 이용한 입력장치에서 압력센서의 가역적인 탄성 특성을 모델링한 도면이다.
도 17은 본 발명의 일 실시예에 따른 고감도 압력센서를 이용한 입력장치에서 압력센서의 이력현상(hysteresis) 및 안정성(stability)에 대한 그래프이다.
도 18은 본 발명의 일 실시예에 따른 고감도 압력센서를 이용한 입력장치그리고, 가해지는 압력에 따라서 대문자 및 소문자가 구분되는 예의 도면이다.
1 is a block diagram of an input device using a high-sensitivity pressure sensor according to an embodiment of the present invention.
2 is a perspective view of a pressure sensor in an input device using a high-sensitivity pressure sensor according to an embodiment of the present invention.
3 is a view illustrating a process of manufacturing a pressure sensor applied to an input device using a high-sensitivity pressure sensor according to an embodiment of the present invention.
4 is a view showing contact angles of the elastic polymer before dilution and the elastic polymer after dilution.
Figure 5 is a diagram showing the contact angle of water and diluted elastomer dropped on several substrates.
6 is a cross-sectional view of a high-sensitivity pressure sensor in which the roughness formed in the electrode and dielectric expression is expressed in an input device using a high-sensitivity pressure sensor according to an embodiment of the present invention.
7 and 8 are respectively a confocal microscope image and roughness analysis data of the electrode surface of the pressure sensor applied to the input device using the high sensitivity pressure sensor according to the embodiment of the present invention and the surface roughness coated with the elastomer, FIG.
9 is a view illustrating a process for forming a curl on a substrate in an input device using a high-sensitivity pressure sensor according to an embodiment of the present invention.
10 is a graph showing changes in the dielectric surface before and after pressure is applied in an input device using a high-sensitivity pressure sensor according to an embodiment of the present invention.
11 is a graph showing an input device using a high-sensitivity pressure sensor according to an embodiment of the present invention, and a graph of a capacitance change according to an applied pressure.
FIG. 12 is a diagram showing a sensitivity of a 3 × 3 pressure sensor array including an input device using a high-sensitivity pressure sensor according to an embodiment of the present invention, and a case in which a weight having a different weight is placed on two points.
FIG. 13 is a diagram illustrating a capacitance change with respect to a pressure applied to a pressure sensor in an input device using a high-sensitivity pressure sensor according to an embodiment of the present invention.
FIG. 14 is a graph illustrating a sensing speed and a recovery speed according to a pressure applied to a pressure sensor in an input device using a high-sensitivity pressure sensor according to an embodiment of the present invention.
15 is a graph of a nanoindentation analysis of a flexible substrate constituting an input device using a high-sensitivity pressure sensor according to an embodiment of the present invention.
16 is a diagram modeling reversible elastic characteristics of a pressure sensor in an input device using a high-sensitivity pressure sensor according to an embodiment of the present invention.
17 is a graph illustrating hysteresis and stability of a pressure sensor in an input device using a high-sensitivity pressure sensor according to an embodiment of the present invention.
FIG. 18 is a diagram illustrating an input device using a high-sensitivity pressure sensor according to an embodiment of the present invention, and an upper case and a lower case according to a pressure applied thereto.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 다양한 실시예를 설명한다.Hereinafter, various embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.

본 발명의 실시예는 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예가 도면에 예시되고 관련된 상세한 설명이 기재되어 있다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경 및/또는 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 도면의 설명과 관련하여, 유사한 구성요소에 대해서는 유사한 참조 부호를 사용할 수 있다.The embodiments of the present invention are capable of various changes and various embodiments, and specific embodiments are illustrated in the drawings and the detailed description is described with reference to the drawings. It is to be understood, however, that the invention is not to be limited to the specific embodiments, but includes all changes and / or equivalents and alternatives falling within the spirit and scope of the invention. In the description of the drawings, like reference numerals may be used for similar elements.

본 발명의 다양한 실시예 가운데 사용될 수 있는“포함한다” 또는 “포함할 수 있다” 등의 표현은 개시된 해당 기능, 동작 또는 구성요소 등의 존재를 가리키며, 추가적인 하나 이상의 기능, 동작 또는 구성요소 등을 제한하지 않는다.It should be noted that the terms such as " comprising " or " may include " may be used among the various embodiments of the present invention to indicate the presence of a corresponding function, operation or component, Not limited.

또한, 본 발명의 다양한 실시예에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.Also, in various embodiments of the invention, the terms "comprise" or "having" are intended to specify the presence of stated features, integers, steps, operations, components, parts or combinations thereof, But do not preclude the presence or addition of one or more other features, numbers, steps, operations, components, parts, or combinations thereof.

본 발명의 다양한 실시예에서 '또는' 등의 표현은 함께 나열된 단어들의 어떠한, 그리고 모든 조합을 포함한다. 예를 들어, 'A 또는 B'는, A를 포함할 수도, B를 포함할 수도, 또는 A 와 B 모두를 포함할 수도 있다.In various embodiments of the present invention, the term "or" or the like includes any and all combinations of words listed together. For example, 'A or B' may comprise A, include B, or both A and B.

본 발명의 다양한 실시예에서 '제1', '제2', '첫째' 또는 '둘째'등의 표현들이 본 발명의 다양한 구성 요소들을 수식할 수 있지만, 해당 구성요소들의 순서 및/또는 중요도 등을 한정하지 않는다. 또한, 상기 표현들은 한 구성요소를 다른 구성요소와 구분 짓기 위해 사용될 수 있다.In various embodiments of the present invention, expressions such as 'first', 'second', 'first' or 'second' may modify various elements of the present invention, but the order and / . In addition, the representations may be used to distinguish one component from another.

본 발명의 다양한 실시예에서 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 '연결되어' 있다거나 '접속되어' 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 '직접 연결되어' 있다거나 '직접 접속되어' 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해될 수 있어야 할 것이다.In the various embodiments of the present invention, when an element is referred to as being "connected" or "connected" to another element, it may be directly connected or connected to the other element, It is to be understood that components may also be present. On the other hand, when an element is referred to as being "directly connected" or "directly connected" to another element, it should be understood that there are no other elements in between.

본 발명의 다양한 실시예에서 '실질적으로', '예를 들어', '예를 들어'와 같은 표현에 따라는 설명은 인용된 특성, 변수, 또는 값과 같이 제시한 정보들이 정확하게 일치하지 않을 수 있고, 허용 오차, 측정 오차, 측정 정확도의 한계와 통상적으로 알려진 기타 요인을 비롯한 변형과 같은 효과로 본 발명의 다양한 실시예에 따른 발명의 실시 형태를 한정하지 않아야 할 것이다.In various embodiments of the invention, the description may not exactly match the information presented, such as quoted properties, variables, or values, depending on the expressions "substantially," "for example, And should not limit embodiments of the invention according to various embodiments of the present invention, such as tolerances, measurement errors, limitations of measurement accuracy, and other factors commonly known.

본 발명의 다양한 실시예에서 사용한 용어는 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다른 것으로 명시하지 않는 한 복수의 표현을 포함할 수 있다.The terms used in various embodiments of the present invention are used to illustrate specific embodiments and are not intended to limit the invention. The singular < RTI ID = 0.0 > expression < / RTI > may include a plurality of representations unless the context clearly dictates otherwise.

또한 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 발명의 실시예에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석하거나 또는 축소 해석하지 않아야 한다.Also, all terms used herein, including technical or scientific terms, should be construed as having the same meaning as commonly understood by one of ordinary skill in the art to which this invention pertains, Unless expressly defined, it should not be construed or interpreted in an ideal or overly formal sense.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 다양한 실시예를 상세히 설명하되, 도면에 관계없이 동일하거나 유사한 구성 요소는 동일한 참조 번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략할 수 있다.Hereinafter, various embodiments according to the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings, wherein like reference numerals refer to the same or similar elements, and redundant explanations thereof may be omitted.

본 발명의 일 실시예에 따른 고감도 압력센서를 이용한 입력장치는 복수 개의 압력센서(100) 및 압력센서에 여기신호(excitation signal)를 인가하고 압력센서의 출력을 제어하는 제어부(200)를 포함하여 구성된다.An input device using a high sensitivity pressure sensor according to an embodiment of the present invention includes a plurality of pressure sensors 100 and a controller 200 for applying an excitation signal to the pressure sensor and controlling the output of the pressure sensor .

이하 도 1 내지 도 18를 참조하여 본 발명의 다양한 실시예에 따른 고감도 압력센서(100), 고감도 압력센서(100)를 이용한 입력장치(10)에 대하여 설명하도록 한다.DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Hereinafter, an input device 10 using a high-sensitivity pressure sensor 100 and a high-sensitivity pressure sensor 100 according to various embodiments of the present invention will be described with reference to FIGS. 1 to 18.

도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 고감도 압력센서를 이용한 입력장치(이하, 입력장치(10))는 복수 개로 구비되는 고감도 압력센서(이하, 압력센서(100)) 및 고감도 압력센서(100)에 여기신호를 인가하고 압력센서(100)의 출력을 제어하는 제어부(200)를 포함하여 구성된다.1, an input device (hereinafter, input device 10) using a high-sensitivity pressure sensor according to an embodiment of the present invention includes a plurality of high-sensitivity pressure sensors (hereinafter referred to as a pressure sensor 100) And a controller 200 for applying an excitation signal to the sensor 100 and controlling the output of the pressure sensor 100. [

본 발명의 일 실시예에 따른 고감도 압력센서(100)는 평행판 축전기의 구조가 일부 적용되며, 기본적으로 평행판 축전기의 캐패시턴스(Capacitance)의 변화량에 기반하여 외부에서 고감도 압력센서(100)에 가해지는 압력을 검출한다.The high-sensitivity pressure sensor 100 according to an embodiment of the present invention partially applies the structure of a parallel-plate capacitor and basically applies the high-sensitivity pressure sensor 100 to the high-sensitivity pressure sensor 100 based on the variation of the capacitance of the parallel-plate capacitor. Detects the pressure drop.

압력센서(100)의 구조는 도 2에 도시된 바와 같이 두 개의 기판, 예를 들면, 하부기판(110) 및 상부기판(120)으로 형성되며, 하부기판(110) 및 상부기판(120) 각각의 일면에는 전극(111, 121)과 유전체(또는 유전층(130))가 형성된다. 이때, 하부기판(110)에 형성되는 유전체를 하부 유전체(또는 하부 유전층), 상부기판(120)에 형성되는 유전체를 상부 유전체(또는 상부 유전층)으로 표현할 수 있다.The structure of the pressure sensor 100 is formed of two substrates, for example, a lower substrate 110 and an upper substrate 120 as shown in FIG. 2, and each of the lower substrate 110 and the upper substrate 120 Electrodes (111, 121) and a dielectric (or dielectric layer (130)) are formed on one surface of the substrate. Here, the dielectric formed on the lower substrate 110 may be represented by a lower dielectric (or lower dielectric), and the dielectric formed on the upper substrate 120 may be represented by an upper dielectric (or upper dielectric).

일 실시예에 따르면, 압력센서(100)의 제조 방법을 설명함에 있어서 도 3을 참조하면, 하부기판(110)은, 유연성 기판(110-1)의 상측에 제1전극(111)을 형성하고, 제1전극(111)이 형성된 유연성 기판(110-2)의 상측에 유전체(130)을 형성함으로써, 유전체 상에 거칠기가 표현된 하부기판(110-3)으로 제공할 수 있다.Referring to FIG. 3, a method of manufacturing the pressure sensor 100 according to an exemplary embodiment of the present invention includes forming a first electrode 111 on a flexible substrate 110-1, The dielectric 130 may be formed on the flexible substrate 110-2 on which the first electrode 111 is formed to provide the lower substrate 110-3 having roughness on the dielectric.

여기서, 유연성 기판은 기판의 외부로부터 가해지는 힘, 기판 내부로부터 발생되는 힘 및/또는 기판 표면에서 발생되는 힘에 기반하여 휘어지는 플렉서블(flexible) 및/또는 스트레처블(stretchable) 특성을 가지는 기판으로 형성될 수 있다.Here, the flexible substrate is a substrate having flexible and / or stretchable characteristics which are bent based on a force applied from the outside of the substrate, a force generated from the inside of the substrate and / or a force generated on the surface of the substrate .

마찬가지로, 상부기판(120) 또한 하부기판(110-3)의 제조 방법과 동일 또는 유사한 방법으로 생성되며, 하부기판(110) 및 상부기판(120)은 각각의 기판에 형성된 유전체가 대면하도록 배치하여 압력센서(100)를 구성할 수 있다. 이하, 특별히 설명하는 경우를 제외하고, 하부기판(110) 및 상부기판(120)을 지칭하는 경우, 전극(111, 121) 및 유전체(130)가 형성된 상태의 기판을 나타낼 수 있다.Similarly, the upper substrate 120 is also produced by the same or similar method as the manufacturing method of the lower substrate 110-3, and the lower substrate 110 and the upper substrate 120 are arranged so that the dielectrics formed on the respective substrates face each other The pressure sensor 100 can be constructed. Hereinafter, the lower substrate 110 and the upper substrate 120 may be referred to as a substrate in which the electrodes 111 and 121 and the dielectric 130 are formed, unless otherwise described.

다시 도 2로 돌아가서, 하부기판(110) 및 상부기판(120)에 형성된 제1전극(111) 및 제2전극(121) 각각은 연결선(151, 152)을 통하여 기판(110, 120) 외부와 전기적으로 연결될 수 있고, 각각의 전극(111, 121)은 연결단(141, 142)을 이용하여 연결선(151, 152)과 연결될 수 있다.2, the first electrode 111 and the second electrode 121 formed on the lower substrate 110 and the upper substrate 120 are connected to the outside of the substrates 110 and 120 through connecting lines 151 and 152, respectively, And the electrodes 111 and 121 may be connected to the connection lines 151 and 152 using the connection terminals 141 and 142. [

상술한 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 고감도 압력센서는 제 1전 극(111), 제2전극(121) 및 제1전극(111)과 제2전극(121) 사이에 배치되는 유전체(130)로 구성되는 평행판 축전기(Parallel-Plate Capacitor)의 역할을 수행할 수 있고, 이러한 평행판 축전기의 정전용량(Capacitance)의 변화량에 기초하여 외부에서 인가되는 압력을 검출한다. 여기서, 인가되는 압력은 힘 및/또는 무게로 표현될 수도 있다.As described above, the high-sensitivity pressure sensor according to an embodiment of the present invention includes a first electrode 111, a second electrode 121, and a dielectric (first electrode) 121 disposed between the first electrode 111 and the second electrode 121 (Parallel plate capacitor) composed of a parallel plate capacitor 130 and a pressure applied from the outside on the basis of a change amount of the capacitance of the parallel plate capacitor. Here, the applied pressure may be expressed by force and / or weight.

이러한 축전기의 정전용량은 하기 [수학식 1]에 의해 정의된다.The capacitance of such a capacitor is defined by the following equation (1).

Figure pat00001
(1)
Figure pat00001
(One)

(여기서, C는 정전용량, ε 0 은 진공의 유전상수(또는 유전율), ε r 은 실효적 유전상수, A 는 전극간의 면적, d 는 전극간의 거리)(Where C is the capacitance, 0 Is the dielectric constant (or permittivity) of the vacuum, ε r Where A is the area between the electrodes, and d is the distance between the electrodes)

상기 수학식 1을 참조하면, 평행판 축전기의 경우 도 10와 같이 압력 인가부를 통하여 압력(300)을 인가 하였을 때 축전기 사이의 물질이나 기판간의 거리가 변하게 되면 정전용량의 변화가 발생한다. 예를 들어, 평행판 축전기는 기본적으로 압력 인가부를 통하여 압력을 가하면 두께가 얇아지기 때문에 정전용량이 증가한다.Referring to Equation (1), when a pressure 300 is applied through a pressure applying unit as shown in FIG. 10 in the case of a parallel plate capacitor, a change in capacitance occurs when the distance between the capacitors and the substrate changes. For example, a parallel-plate capacitor basically increases its capacitance because its thickness becomes thinner when a pressure is applied through a pressure applying section.

압력 인가부는, 예를 들면, 하부기판(110)의 전극(111)이 형성되지 않은 일면(예: 하부기판(110)의 하부면) 또는 상부기판(120)의 전극(121)이 형성되지 않은 일면(예: 상부기판(120)의 하부면)의 적어도 일부를 의미하거나, 상기 적어도 일부에 형성될 수 있다.The pressure applying portion may be formed on one surface (for example, the lower surface of the lower substrate 110) on which the electrode 111 of the lower substrate 110 is not formed or the electrode 121 of the upper substrate 120 is not formed Or at least a part of the one surface (e.g., the lower surface of the upper substrate 120).

그러나 일반적인 압력센서의 경우 유전체의 높은 탄성저항으로 인하여, 가해지는 압력에 비해 변하는 전극간의 거리(d)가 매우 미비하기 때문에 실질적인 정전용량의 변화량은 크지 않다. 따라서, 전극간의 거리(d)를 제어할 뿐만 아니라 실효적 유전율(effective dielectric constant) 및/또는 전극간의 면적(A)을 제어하기 위하여 압력센서(100)에 거칠기(roughness)와 컬(curl)을 적용할 수 있다.However, in the case of a general pressure sensor, since the distance d between the electrodes, which varies with the applied pressure, is insignificant due to the high elastic resistance of the dielectric, the substantial change in the capacitance is not large. Therefore, in order to control not only the distance d between the electrodes but also the effective dielectric constant and / or the area A between the electrodes, the roughness and curl of the pressure sensor 100 Can be applied.

이때, 거칠기의 경우, 기판(110, 120) 상에 문지르기(또는 드로잉, drawing) 방식으로 형성되는 의도하지 않은 상태의 거칠기(unintended roughness)를 이용할 수 있다. 여기서, 거칠기는, 기판(110, 120)에 형성되는 전극(111, 121) 표면의 거칠기(Rc, mean height of the profile elements)를 나타내기 위한 것이지만, 이에 한정하지 않고, 기판(예: 하부기판(110), 상부기판(120) 및/또는 전극(111, 121) 상에 형성되는 유전체(130) 표면의 거칠기를 나타낼 수 있다.In this case, in the case of roughness, an unintended roughness formed by a rubbing (or drawing) method on the substrates 110 and 120 may be used. Here, the roughness is for indicating the roughness (R c , mean height of the profile elements) of the surfaces of the electrodes 111 and 121 formed on the substrates 110 and 120, but is not limited thereto, The roughness of the surface of the dielectric 130 formed on the substrate 110, the upper substrate 120 and / or the electrodes 111 and 121 can be shown.

기판(110, 120)에 형성되는 전극(111, 121)의 표면은 지정된 크기 이상의 거칠기, 예를 들어 6μm 이상의 거칠기, 바람직하게는 7μm 이상의 거칠기를 가지도록 형성될 수 있다. The surfaces of the electrodes 111 and 121 formed on the substrates 110 and 120 may be formed to have a roughness of a specified size or more, for example, a roughness of 6 m or more, and preferably a roughness of 7 m or more.

기판(110, 120)에 형성되는 전극(111, 121)은 흑연과 같이 전기 전도성을 가지는 소재가 사용될 수 있고, 기판(110, 120) 상에 드로잉(drawing) 또는 라이팅(writing)으로 형성될 수 있다.Electrodes 111 and 121 formed on the substrates 110 and 120 may be made of an electrically conductive material such as graphite and may be formed on the substrates 110 and 120 by drawing or writing. have.

예를 들면, 전극을 형성하기 위한 소재(예: 흑연)을 막대 형태(예: 연필)로 형성하고, 이를 기판(110, 120)에 문지름으로써 전극(111, 121)을 형성할 수 있다. 이때, 전극을 형성하기 위한 막대를 기판(110, 120)에 문지르는 강도를 조절함으로써, 기판(110, 120)에 형성되는 전극(111, 121)의 거칠기 및/또는 두께를 결정할 수 있다.For example, the electrodes 111 and 121 can be formed by forming a material (e.g., graphite) for forming an electrode into a rod shape (e.g., pencil) and rubbing it on the substrates 110 and 120. At this time, the roughness and / or thickness of the electrodes 111 and 121 formed on the substrates 110 and 120 can be determined by adjusting the strength of rubbing the rods for forming the electrodes on the substrates 110 and 120.

또한, 기판(110, 120)에 전극을 형성하는 방법으로 드로잉 또는 라이팅의 방식을 설명하고 있지만, 이에 한정하지 않고, 인쇄(프린팅, printing), 스핀 코팅(spin coating), 뿌리기(또는 도포, spraying) 등의 다양한 방식으로 형성될 수 있다.The method of forming electrodes on the substrates 110 and 120 has been described as a drawing or a lighting method. However, the present invention is not limited to this. For example, printing, printing, spin coating, spraying ) May be formed in various ways.

상술한 바에 따르면, 전극(111, 121)은 흑연으로 형성되는 것으로 설명하고 있지만, 이에 한정하지 않고, 은나노입자(silver nanoparticle)와 같은 금속(metal), 카본블랙(carbon black), 탄소나노튜브(carbon nano tube, CNT)와 같은 탄소동소체(carbon allotrope), 고기능성 전도성 고분자(PEDOT-PSS)와 같은 유기물(organic materials) 등 전기 전도성을 가지는 다양한 소재가 사용될 수도 있다.The electrodes 111 and 121 are formed of graphite. However, the present invention is not limited to this, and may be a metal such as a silver nanoparticle, a carbon black, a carbon nanotube various conductive materials such as carbon allotrope such as carbon nanotube (CNT) and organic materials such as high functional conductive polymer (PEDOT-PSS) may be used.

전극(111, 121)을 형성하기 위하여 기판(110, 120) 또한 거칠기를 가지는 소재, 예를 들면, 종이, 플라스틱 등이 사용될 수 있다. 종이가 기판으로 사용되는 경우, 유전체 도포 공정에서 젖지 않도록 표면이 코팅된 종이가 사용될 수 있다. 그리고, 기판 표면을 가공하여 인위적으로 거칠기를 형성할 수도 있다.In order to form the electrodes 111 and 121, the substrates 110 and 120 may also be made of a material having roughness, for example, paper, plastic, or the like. When the paper is used as a substrate, a surface-coated paper can be used so as not to get wet in the dielectric coating process. The surface of the substrate may be processed to form artificially roughness.

기판(110, 120) 및 기판(110, 120)에 형성된 전극(111, 121)에는 유전체(130)를 형성한다. 이때, 형성되는 유전체(130)는 두께에 기반하여 전극(111, 121)의 표면 거칠기가 반영되며, 따라서, 전극(111, 121) 표면의 거칠기에 의한 미세구조(또는 요철, micro-structure)가 유전체(130) 표면에 형성된다.A dielectric 130 is formed on the electrodes 111 and 121 formed on the substrates 110 and 120 and the substrates 110 and 120. At this time, the surface roughness of the electrodes 111 and 121 is reflected on the basis of the thickness of the dielectric 130 formed, and thus the microstructure (or micro-structure) due to the roughness of the surfaces of the electrodes 111 and 121 Is formed on the surface of the dielectric (130).

이때, 전극(111, 121)에 형성되는 유전체는 탄성중합체(elastomer)로, 일반적인 탄성중합체는 높은 점성(viscosity) 때문에 스핀 코팅 RPM을 높이더라도 두께가 수 마이크로 미터 수준으로 높은 상황이며, 큐어링(curing) 시에 셀프 레벨링(self-leveling) 현상이 발생되어 평탄해지는 성질이 있으므로, 유연성 기판에 형성된 전극의 거칠기를 활용하는데 문제가 있다.In this case, the dielectrics formed on the electrodes 111 and 121 are elastomers, and general elastomers have a high viscosity of several micrometers even when the spin coating RPM is increased due to high viscosity, and curing there is a problem in utilizing the roughness of the electrode formed on the flexible substrate because self-leveling phenomenon occurs at the time of curing.

따라서, 탄성중합체를 이용하여 기판(110, 120) 상에 지정된 두께 이하의 유전체를 형성하고, 전극(111, 121)의 거칠기를 유전체 표면에 재현하기 위한 방법이 제공될 필요가 있다.Therefore, there is a need to provide a method for forming a dielectric below a specified thickness on the substrate 110, 120 using an elastomer and for reproducing the roughness of the electrodes 111, 121 on the dielectric surface.

일 실시예에 따르면, 전극(111, 121) 상에 형성되는 유전체(130)는 하나의 유전물질 또는 둘 이상을 혼합하여 형성될 수 있다. 예를 들면, 본 발명의 일 실시예에 따른 유전체(130)는 탄성중합체를 다양한 용액(solvent)과 혼합하여 사용될 수 있고, 희석된 탄성중합체의 점탄적 특성을 이용함으로써 두께를 최적화하는 것이 요구된다.According to one embodiment, the dielectric 130 formed on the electrodes 111 and 121 may be formed by mixing one dielectric material or two or more dielectric materials. For example, the dielectric 130 according to one embodiment of the present invention may be used by mixing an elastomer with a variety of solvents, and it is required to optimize the thickness by utilizing the viscoelastic properties of the diluted elastomer .

예를 들면, 탄성중합체와 탄화수소(hydrocarbon)의 열역학적인 자발적 혼합현상을 이용하여 형성된 점성(viscosity)이 매우 낮은 용액을 유전체(130)의 소재로 이용할 수 있다.For example, a solution having a very low viscosity, which is formed by thermodynamically spontaneous mixing of an elastomer and hydrocarbon, can be used as a material of the dielectric 130.

이때 열역학적인 자발적 혼합현상은 물질 간의 용해도계수(solubility parameter)에 의존하며, 깁스 자유 에너지(The Gibbs free energy)에 대한 하기 [수학식 2] 및 엔탈피 변화량과 용해도지수화의 관계에 대한 [수학식 3]을 이용하여 설명할 수 있다.At this time, the thermodynamic spontaneous mixing phenomenon depends on the solubility parameter between the materials, and the relationship between the enthalpy change amount and the solubility indexing for the Gibbs free energy (Equation 2) and Equation 3 ] Can be used.

Figure pat00002
(2)
Figure pat00002
(2)

(여기서, ΔGm: 깁스 자유 에너지, ΔHm: 혼합시 엔탈피 변화량, T: 절대온도, ΔSm: 혼합시 엔트로피 변화량)(Where Gm is the Gibbs free energy, DELTA Hm is the enthalpy change at the time of mixing, T is the absolute temperature, and DELTA Sm is the entropy variation at the time of mixing)

Figure pat00003
(3)
Figure pat00003
(3)

(여기서, δe는 탄성중합체의 용해도 계수, δs는 탄화수소의 용해도 계수)(Where? E is the solubility coefficient of the elastomer,? S is the solubility coefficient of the hydrocarbon)

물질 간의 용해도계수 값이 서로 비슷할수록 깁스자유에너지(△Gm)가 작아지기 때문에 잘 섞이는 경향이 있고, 일반적으로 이 값이 0보다 작을수록 열역학적인 자발적 반응이 빠르게 진행된다.As the solubility coefficient values between materials are similar to each other, the Gibbs free energy (ΔGm) tends to be mixed with each other. Therefore, generally, when this value is smaller than 0, the thermodynamic spontaneous reaction proceeds rapidly.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 유전체를 형성하기 위한 탄성중합체는 폴리디메칠실록산(polydimethylsiloxane, PDMS), 에코플렉스(ecoflex) 등이 사용될 수 있고, 탄화수소는 헥세인(hexane), 헵테인(heptane) 등이 사용될 수 있다. 이때, 탄성중합체와 탄화수소의 용해도계수는 각각 7.4 and 7.3 cal1/2cm3/ 2 이며, 따라서, 이는 깁스자유에너지 값을 0보다 작은 값으로 만들기 때문에 자발적인 혼합현상이 일어난다.According to one embodiment of the present invention, the elastomer for forming the dielectric may be polydimethylsiloxane (PDMS), ecoflex, etc., and hydrocarbons may be hexane, heptane, ) May be used. In this case, the solubility coefficient of the elastomer and the hydrocarbon are respectively 7.4 and 7.3 cal 1/2 cm 3/ 2, therefore, it takes place a spontaneous mixing phenomenon because it creates a Gibbs free energy value to a value less than zero.

상술한 바와 같이, 자발적인 혼합현상을 통해 만들어진 용액은 점성도가 크게 낮아지며, 도4에 도시된 바와 같이 전극(111, 121) 표면 위에서 희석(혼합) 전/후 탄성중합체의 접촉각을 비교함으로써 쉽게 파악할 수 있다.As described above, the solution made by spontaneous mixing phenomenon is greatly reduced in viscosity and can be easily grasped by comparing the contact angles of the elastomer before and after dilution (mixing) on the surfaces of the electrodes 111 and 121 as shown in FIG. 4 have.

탄화수소에 희석된(희석 후) 탄성중합체의 경우, 희석 전 탄성중합체와 비교하여 점성도가 매우 감소할 뿐만 아니라, 탄화수소 자체의 낮은 표면장력으로 인하여 접촉각이 매우 낮아진다.In the case of elastomers diluted in hydrocarbon (after dilution) not only the viscosity is greatly reduced compared to the elastomer before dilution, but also the contact angle is very low due to the low surface tension of the hydrocarbon itself.

즉, 희석된 탄성중합체의 중량백분율이 감소할수록 형성되는 유전체(130)의 중량백분율에 따른 표면에서의 접촉각은 낮아지며, 따라서, 하기 표의 실시 예와 같이 중량백분율이 낮아질수록 얇은 두께의 탄성중합체를 형성할 수 있다.That is, as the weight percentage of the diluted elastomer is decreased, the contact angle at the surface according to the weight percentage of the dielectric 130 formed becomes lower, and thus, as the weight percentage is lowered as in the example shown in the following table, can do.

하기 표 1은 탄성중합체의 중량백분율에 따른 유전층의 형성 두께를 나타낸다.Table 1 below shows the formation thickness of the dielectric layer according to the weight percentage of the elastomer.

번호number 중량백분율(wt.%)Weight percentage (wt.%) 층의 형성 두께(μm)Formation thickness of layer (μm) 1One 5050 10.510.5 22 4040 6.46.4 33 3030 3.33.3 44 2020 1.71.7 55 1010 0.80.8 66 55 0.30.3

또한, 본래 일반적인 액체의 경우, 도 5의 상부 표와 같이 기판의 친수성(hydrophilic)/소수성(hydrophobic) 성질에 따라 접촉각이 바뀌지만 탄화수소에 희석된 탄성중합체의 경우 도 5의 하부 표와 같이 기판의 종류와 크게 관계없이 접촉각(contact angle)이 매우 낮아짐을 확인할 수 있다.5, the contact angle is changed according to the hydrophilic / hydrophobic properties of the substrate. However, in the case of the hydrocarbon-diluted elastomer, as shown in the lower table of FIG. 5, It can be confirmed that the contact angle is very low regardless of the type.

큐어링이 진행되는 동안 접촉각은 더욱 낮아지며, 이는 매우 얇은 두께의 유전층(130) 형성이 가능함을 의미한다. 탄화수소에 희석된 탄성중합체의 경우 해당 기판에서 접촉각이 굉장히 낮고 시간이 지남에 따라 궁극적으로는 접촉각이 0(full wetting)에 근접하여, 따라서 형성되는 유전체(130)는 도 6 및 도 8에 도시된 바와 같이, 전극(111, 121)의 표면 거칠기를 효과적으로 재현할 수 있다.The contact angle is further lowered during curing, which means that a very thin dielectric layer 130 can be formed. In the case of hydrocarbons diluted elastomers, the contact angle at the substrate is very low and eventually the contact angle approaches zero (full wetting) as time elapses, and thus the dielectric 130 formed is shown in Figures 6 and 8 As a result, the surface roughness of the electrodes 111 and 121 can be effectively reproduced.

즉, 하부기판(110) 및 상부기판(120)에 형성되는 유전체(130)의 표면은 각각의 기판(110, 120)에 형성된 전극(111, 121) 표면의 거칠기가 일부 반영되도록 형성될 수 있다.That is, the surface of the dielectric 130 formed on the lower substrate 110 and the upper substrate 120 may be formed such that the roughness of the surfaces of the electrodes 111 and 121 formed on the substrates 110 and 120 is partially reflected .

예를 들면, 유전체 표면의 거칠기는 탄성중합체의 희석 정도와 스핀코팅 조건을 조절함으로써 두께 조절이 가능하며, 본 연구에서는 6μm 또는 7μm 이상의 거칠기를 가지는 전극(예: 흑연) 상에서 탄성중합체의 질량백분율이 30 내지 50 중량%(wt.%), 바람직하게는 35 내지 45 중량%(wt.%), 더 바람직하게는 40 wt.%일 때 유전체(130) 표면의 거칠기(Rc, roughness)가 0 내지 7μm, 바람직하게는 0 내지 4μm 정도인 미세구조를 형성할 수 있다.For example, the roughness of the dielectric surface can be controlled by controlling the degree of dilution of the elastomer and the spin coating conditions. In this study, the mass percentage of the elastomer on an electrode having a roughness of 6 μm or more than 7 μm (eg, graphite) The roughness Rc of the surface of the dielectric layer 130 ranges from 0 to 30% by weight, preferably 30 to 50% by weight, preferably 35 to 45% by weight, more preferably 40% Micro] m, preferably about 0 to 4 [micro] m.

탄성중합체의 중량백분율은 형성되는 전극(111, 121)의 표면 거칠기에 따라서 결정할 수 있고, 따라서, 전극의 소재에 따라서 탄성중합체의 중량백분율을 적절하게 선택될 수 있으며, 이 경우 역시 본 발명의 보호범위에 포함되어야 함은 자명하다.The weight percentage of the elastomer can be determined according to the surface roughness of the electrodes 111 and 121 to be formed and therefore the weight percentage of the elastomer can be appropriately selected depending on the material of the electrode, It should be included in the scope.

상술한 바에 따르면, 유전체(130) 표면의 거칠기를 형성함에 있어서 4 내지 6 μm의 미세구조를 형성하도록 탄성중합체의 희석에 대한 질량백분율 및 스핀코팅의 조건을 결정할 수 있다.According to the above description, the mass percentage for the dilution of the elastomer and the conditions of the spin coating can be determined so as to form a microstructure of 4 to 6 μm in forming the roughness of the surface of the dielectric 130.

다양한 실시예에 따르면, 유전층(130)의 두께는,According to various embodiments, the thickness of the dielectric layer 130 may be,

i) 전극(111, 121) 표면의 거칠기를 효과적으로 표현하기 위하여 최대한 얇은 두께의 탄성중합체,i) In order to effectively express the roughness of the surfaces of the electrodes 111 and 121, an elastomer having a thickness as thin as possible,

ii) 가해지는 전압을 고려했을 때, 탄성중합체의 절연 내구도(dielectric strength)를 넘지 않는 범위의 두께,ii) a thickness in the range not exceeding the dielectric strength of the elastomer, taking into account the applied voltage,

iii) 전극(111, 121) 표면의 거칠기에 의하여 핀홀(pin-hole) 등의 결함(defect)가 형성되지 않는 범위의 두께,iii) a thickness within a range in which no defect such as a pin-hole is formed due to the roughness of the surfaces of the electrodes 111 and 121,

의 조건들 중 적어도 하나를 만족하도록 형성될 수 있다.At least one of the following conditions may be satisfied.

바람직한 실시예에 따르면, 조건 iii) 및 조건 i)을 만족시키기 위하여, 형성되는 유전체(130) 표면의 거칠기는 기판(110, 120) 및/또는 기판(110,120)에 형성되는 전극(111, 121)의 표면 거칠기에 기반하여, 동일하거나 또는 얇게 형성할 수 있다.According to a preferred embodiment, the roughness of the surface of the dielectric 130 to be formed satisfies the conditions iii) and i), and the roughness of the formed electrodes 130,111 formed on the substrates 110,120 and / or the substrates 110,120, Based on the surface roughness of the surface layer.

이를 위하여 표 1을 참조하면, 기판(110, 120) 및/또는 기판(110,120)에 형성되는 전극(111, 121)의 표면 거칠기가 높을수록 희석된 탄성중합체의 중량백분율을 높이고, 기판(110, 120) 및/또는 기판(110,120)에 형성되는 전극(111, 121)의 표면 거칠기가 낮을수록 탄성중합체의 중량백분율을 낮출 수 있음을 확인할 수 있다.For this, referring to Table 1, as the surface roughness of the electrodes 111 and 121 formed on the substrates 110 and 120 and / or the substrates 110 and 120 is increased, the weight percentage of the diluted elastomer is increased, The weight percentage of the elastomer can be lowered as the surface roughness of the electrodes 111 and 121 formed on the substrates 110 and 120 and / or the substrates 110 and 120 is lower.

하부기판(110) 및 상부기판(120)의 유전체(130) 표면에 형성되는 거친 표면의 미세구조는 도 10에 도시된 바와 같이 압력(300)이 가해지는 경우, 대면하는 유전체(130)의 표면 일부가 서로 맞닿으며 하부기판(110)의 제1전극(111) 표면과 상부기판(120)의 제2전극(121) 표면이 일종의 교차구조(interlocked structure, 321)를 형성할 수 있다.The microstructure of the rough surface formed on the surface of the dielectric 130 of the lower substrate 110 and the upper substrate 120 is such that when the pressure 300 is applied as shown in Figure 10, The surface of the first electrode 111 of the lower substrate 110 and the surface of the second electrode 121 of the upper substrate 120 may form an interlocked structure 321.

이러한 교차구조는 사람의 손가락으로 촉각을 감지하기 위하여 압력이 가해지는 경우의 내부구조와 유사하다. 예를 들면, 사람의 손가락 내부는 표피(epidermis)와 진피(dermis)의 교차구조로 되어있으며, 이러한 교차구조는 자극이 직접적으로 가해지는 부분의 촉각신호를 증폭시킴으로써 공간해상도를 높이는 역할을 하고 있다.Such a cross structure is similar to the internal structure when pressure is applied to sense a tactile sense with a human finger. For example, the human fingers have a cross structure of the epidermis and the dermis, and this cross structure enhances the spatial resolution by amplifying the tactile signal of the portion where the stimulus is directly applied .

마찬가지로, 압력센서(100)는 상술한 바와 같이, 압력(300)이 가해지는 경우, 유전체(130)의 표면 일부가 서로 맞닿으며 유전체(130)의 거친 표면이 맞물리는 구조를 구현하였다. 즉, 유전체(130)의 거친 표면의 기반이 되는 전극(111, 121) 표면 또한 교차구조를 형성함으로써, 정전용량을 결정함에 있어서 작용하는 전극간의 면적(A)을 증가시킬 수 있다.Similarly, the pressure sensor 100 has implemented a structure in which portions of the surface of the dielectric 130 are in contact with each other and the rough surface of the dielectric 130 is engaged when the pressure 300 is applied, as described above. That is, the surfaces of the electrodes 111 and 121 serving as the base of the rough surface of the dielectric 130 also form a cross structure, thereby increasing the area A between the electrodes in determining the capacitance.

더하여, 압력센서(100)를 구성하는 하부기판(110) 및 상부기판(120)에 형성되는 표면의 거칠기를 이용하여 정전용량의 차이를 효과적으로 발생시키기 위해서는, 지정된 거리 이상의 전극간 거리를 유지하는 것이 필요하다.In order to effectively generate the difference in capacitance by using the roughness of the surface formed on the lower substrate 110 and the upper substrate 120 constituting the pressure sensor 100, need.

이를 위하여, 하부기판 및 상부기판에 컬(curl)을 형성하며, 이를 통하여 하부기판(110) 및 상부기판(120)의 대면하는 유전체 사이에 공기층을 형성할 수 있다.For this purpose, a curl is formed on the lower substrate and the upper substrate, and an air layer may be formed between the facing dielectric layers of the lower substrate 110 and the upper substrate 120.

예를 들면, 하부기판(110) 및 상부기판(120)에 형성되는 컬은 도 9에 도시된 바와 같이 유연성을 가지는 유연성 기판(110-1)의 특성 및 전극(111, 121) 및 유전체(130)를 형성하는 공정 중에 발생되는 변형, 예를 들어, 큐어링 이후 유연성 기판(110-1)과 유전체(130) 사이에 형성되는 열팽창률의 차이에 기반하는 압축 변형(compressive strain)을 이용하여, 기판(110, 120)을 유전체(130) 방향으로 오목하도록 컬을 형성할 수 있다.For example, the curls formed on the lower substrate 110 and the upper substrate 120 may have the characteristics of the flexible substrate 110-1 having flexibility as shown in FIG. 9 and the characteristics of the electrodes 111 and 121 and the dielectric 130 , A compressive strain based on the difference in thermal expansion rate formed between the flexible substrate 110-1 and the dielectric 130 after curing, for example, Curls may be formed so as to concave the substrates 110 and 120 in the direction of the dielectric 130.

도 10를 참조하면, 상술한 바와 같이 형성된 컬을 이용하여, 압력센서(100)에 구비되는 하부기판(110) 및 상부기판(120)의 대면하는 유전체(130) 사이에 공기층(예: 큰 공기층, 310)을 형성할 수 있다.10, an air layer (e.g., a large air layer) is formed between the lower substrate 110 provided on the pressure sensor 100 and the facing dielectric 130 of the upper substrate 120, using the curl formed as described above. , 310 can be formed.

유전체 사이에 공기층(310)은, 압력센서(100)에 압력(300)이 가해지는 경우 탄성 저항(elastic resistance)을 낮추며, 따라서, 압력(300)이 가해졌을 때 변하는 전극간의 거리(d) 상대적으로 커지기 때문에 정전용량의 변화 크기가 증가될 수 있다.The air layer 310 between the dielectrics reduces the elastic resistance when the pressure 300 is applied to the pressure sensor 100 and thus the distance d between the electrodes that change when the pressure 300 is applied is relatively , The magnitude of the change in the capacitance can be increased.

또한, 유전체 사이에 공기층(310)은, 압력센서(100)에 압력(300)이 가해지는 경우, 유전체(130)에 형성된 미세구조의 맞물림으로 인하여 제거되거나 또는 다수의 작은 공기층으로 변형될 수 있다.The air layer 310 between the dielectrics may also be removed or deformed into a plurality of small air layers when the pressure 300 is applied to the pressure sensor 100 due to the engagement of the microstructure formed in the dielectric 130 .

공기의 유전상수(dielectric constant)는 탄성중합체(elastomer)의 유전상수(ε, elastomer 3 )보다 작은 1이기 때문에, 압력(300)을 가하게 되면 큰 공기층(310)이 교차구조(320)에 기반하는 작은 공기층으로 변화되거나 제거됨으로써 유전상수에 변화가 발생되고, 따라서 실효적 유전율(effective dielectric constant)을 크게 증가시킬 수 있어, 정전용량의 변화 크기가 증가될 수 있다.Since the dielectric constant of air is one less than the dielectric constant of the elastomer (epsilon, elastomer 3), the application of pressure 300 results in a large air layer 310 being based on the cross structure 320 By changing or removing the small air layer, a change occurs in the dielectric constant, and thus the effective dielectric constant can be greatly increased, so that the change magnitude of the capacitance can be increased.

상술한 바와 같이, 유전체에 인위적인 구조를 형성하거나, 포토리소그래피, 에칭 등의 공정을 수행하지 않고서도 유전체(130)에 거칠기 및 거칠기에 따른 미세구조를 형성하고, 유전체(130) 사이에 형성되는 공기층을 이용하여 정전용량의 차이를 크게 형성할 수 있고, 따라서 압력센서(100)의 센싱 감도를 향상시킬 수 있다. 정전식 압력센서(capacitive pressure sensor)의 센싱 감도(sensitivity)는 일반적으로 하기 [수학식 4]를 이용하여 설명할 수 있다.As described above, it is possible to form a microstructure according to roughness and roughness in the dielectric body 130 without forming an artificial structure in the dielectric body, or performing processes such as photolithography and etching, The difference in capacitance can be largely formed by using the capacitance sensor 100, and thus the sensing sensitivity of the pressure sensor 100 can be improved. The sensing sensitivity of a capacitive pressure sensor can be generally described using Equation (4) below.

Figure pat00004
(4)
Figure pat00004
(4)

(여기서,

Figure pat00005
는 가해진 압력을 나타내며,
Figure pat00006
는 압력이 가해지기 전의 정전용량,
Figure pat00007
는 압력이 가해진 후의 정전용량)(here,
Figure pat00005
Lt; / RTI > represents the applied pressure,
Figure pat00006
Is the capacitance before pressure is applied,
Figure pat00007
Is the capacitance after pressure is applied)

상술한 [수학식 4]에 기반하여 정전용량의 변화 크기가 증가함으로써, 압력센서(100)의 센싱 감도는 향상되며, 따라서, 본 발명의 다양한 실시예에 따른 입력센서(100) 이를 이용하여 도 11에 도시된 바와 같은 센싱 감도 그래프를 확인할 수 있다.The sensing sensitivity of the pressure sensor 100 is improved by increasing the magnitude of the change in capacitance based on the above-described Equation (4), and therefore, by using the input sensor 100 according to various embodiments of the present invention A sensing sensitivity graph as shown in FIG.

도 11을 참조하면, 유전체(130)로 사용되는 탄성중합체의 희석 정도에 기반하여 압력센서(100)의 센싱 감도가 결정될 수 있다. 이때, 탄화수소에 희석된 탄성중합체가 사용될 때 압력센서(100)의 센싱 감도가 높은 수치를 기록하는 것을 나타내며, 특히 탄성중합체가 40 wt.%일 때 가장 감도가 높은 것을 확인할 수 있다.Referring to FIG. 11, the sensing sensitivity of the pressure sensor 100 can be determined based on the degree of dilution of the elastomer used as the dielectric 130. At this time, when the elastomer diluted with hydrocarbons is used, it indicates that the sensing sensitivity of the pressure sensor 100 is high. Especially, when the elastomer is 40 wt.%, It can be confirmed that the sensitivity is the highest.

평탄한 표면에 가까워지면 하부기판(110) 및/또는 상부기판(120)의 탄성 저항이 증가하여 전극간의 거리(d)를 감소시키기 어려우며, 실효적 유전율의 증가나 전극간의 면적(A)의 증가 효과를 얻을 수 없다. 이는 100 wt.%의 탄성중합체(탄화수소에 희석되지 않은 탄성중합체)를 사용한 압력센서의 감도를 통해서도 쉽게 확인이 가능하다.The elastic resistance of the lower substrate 110 and / or the upper substrate 120 increases, and it is difficult to reduce the distance d between the electrodes, and the increase of the effective dielectric constant or the increase of the area A between the electrodes Can not be obtained. This is easily confirmed by the sensitivity of the pressure sensor using 100 wt.% Of elastomer (elastomer not diluted in hydrocarbon).

100 wt.%의 탄성중합체를 사용한 압력센서의 경우에도 제작과정에서 압축 변형의 영향을 받아 유연성 기판의 컬을 형성할 수 있지만, 이는 실제로 미비한 수준이다. 재료자체가 쉽게 구부러지거나 휠 수 있는 특성은 하기 [수학식 5]와 관계가 있다.Even in the case of a pressure sensor using 100 wt.% Of elastomer, it is possible to form a curl of a flexible substrate under the influence of compressive deformation during the manufacturing process, but this is actually at an insufficient level. The characteristic that the material itself can easily bend or twist is related to the following equation (5).

Figure pat00008
(5)
Figure pat00008
(5)

(여기서, t는 압력센서 전체의 두께)(Where t is the thickness of the entire pressure sensor)

굽힘 강도(flexural rigidity)의 관점에서, 두께가 두꺼워지면 소재 자체의 강도가 매우 커진다. 즉 100 wt.% 탄성중합체의 경우에는 탄성중합체 자체가 매우 두껍기 때문에 희석된 탄성중합체의 경우와 비교하여 컬의 형성이 용이하지 않다. 게다가 컬이 형성되더라도 탄성중합체 자체의 높은 점성 때문에 압력(300)이 가해지는 경우 하부기판(110)과 상부기판(120)가 붙어버려서 센서의 효율 측면에 부정적인 효과를 발생시킬 수 있다.From the viewpoint of the flexural rigidity, the thicker the thickness, the greater the strength of the material itself. That is, in the case of the 100 wt.% Elastomer, since the elastomer itself is very thick, the formation of curl is not easy compared with the case of the diluted elastomer. Furthermore, even if curl is formed, if the pressure 300 is applied due to the high viscosity of the elastomer itself, the lower substrate 110 and the upper substrate 120 may be adhered to each other, which may have a negative effect on the efficiency of the sensor.

반면, 탄성중합체를 탄화수소에 더 많이 희석할수록, 예를 들면, 탄성중합체의 중량백분율을 40 wt.% 아래로 낮출수록 감도가 좋아질 것이라 예상했지만, 핀홀(pin-hole)과 같은 결함(defect) 등의 영향으로 유전체로써의 기능을 상실하여 유전체로서의 기능을 수행하는데 문제가 발생될 수 있다.On the other hand, although it is expected that the more the elastomer is diluted with the hydrocarbon, for example, the lower the weight percentage of the elastomer is lowered to 40 wt.% Or less, the sensitivity will be improved. However, defects such as pin- The function as a dielectric may be lost due to the influence of the dielectric layer.

따라서, 본 발명의 일 실시예에 따른 탄성중합체의 중량백분율(또는 중량비)은 바람직하게 40 wt.%를 유지하지만, 이에 한정하지 않고, 탄성중합체의 희석정도는 사용되는 전극의 거칠기에 따라 변경될 수 있다.Accordingly, the weight percentage (or weight ratio) of the elastomer according to an embodiment of the present invention preferably maintains 40 wt.%, But is not so limited, and the degree of dilution of the elastomer varies depending on the roughness of the electrode used .

다시 말해, 전극으로 사용되는 재료의 거칠기에 기반하여 희석정도를 조절함으로써 유전체(130) 표면의 거칠기를 형성할 수 있고, 이를 통하여 압력센서(130)의 센싱 감도를 크게 향상시킬 수 있다.In other words, the roughness of the surface of the dielectric 130 can be formed by adjusting the degree of dilution based on the roughness of the material used as the electrode, thereby greatly improving the sensing sensitivity of the pressure sensor 130.

본 발명의 다양한 실시예에 따르면, 크게 향상된 센싱 감도를 이용하여 압력센서(100)로부터 측정되는 값들을 다양한 단계로 구분할 수 있다. 예를 들면, 도 11, 도 12 및 도 13에 도시된 바와 같이, 압력(또는 무게) 변화 및 정전용량의 변화에 기반하는 압력센서(100)의 센싱 감도 및 그 변화를 결정할 수 있고, 센싱 감도 및 그 변화를 이용하여 압력센서(100)에 가해지는 압력(또는 중량)을 복수의 레벨(level)로 구분할 수 있다.According to various embodiments of the present invention, the values measured from the pressure sensor 100 can be divided into various stages using greatly enhanced sensing sensitivity. For example, as shown in Figs. 11, 12 and 13, it is possible to determine the sensing sensitivity of the pressure sensor 100 and its change based on the change in pressure (or weight) and the capacitance, And the pressure (or weight) applied to the pressure sensor 100 can be divided into a plurality of levels by using the change.

이때, 도 13을 참조하면, 좌측 이미지와 같이 타이핑 하는 경우 본 발명의 다양한 실시예에 따른 압력센서(100)는 가해지는 압력에 따라서 우측 이미지와 같이 측정되는 정전용량의 변화를 큰 범위에 걸쳐서 뚜렷하게 출력할 수 있기 때문에, 이러한 정전용량의 크기(수치)에 기반하여 압력의 레벨을 구분하기 위한 기준점을 결정할 수 있다.Referring to FIG. 13, in the case of typing as in the left image, the pressure sensor 100 according to various embodiments of the present invention clearly shows the change in the capacitance measured as the image on the right according to the applied pressure, , It is possible to determine a reference point for discriminating the level of the pressure based on the magnitude (numerical value) of such a capacitance.

일 실시예에 따르면, 도 11의 상부 그래프에 도시된 바와 같이, 40 wt.% 희석된 탄성중합체가 유전체(130)로 사용된 압력센서(100)의 경우, 센싱 감도가 크게 변화되는 압력을 확인할 수 있다. 예를 들면, 0 내지 2kPa에서 0.62 kPa-1의 센싱 감도를 확인할 수 있고, 2 내지 6 kPa에서 0.28 kPa-1의 센싱 감도 기준으로 크게 변화되는 것을 확인할 수 있다.According to one embodiment, as shown in the top graph of FIG. 11, in the case of a pressure sensor 100 in which a 40 wt.% Diluted elastomer is used as the dielectric 130, . For example, the sensing sensitivity of 0.62 kPa -1 can be confirmed at 0 to 2 kPa, and the sensing sensitivity of 0.28 kPa -1 at 2 to 6 kPa is greatly changed.

일반적으로, 시판되는 키보드의 압력센서의 경우 약 5~6 kPa(50~60g) 의 하중을 감지하는 것으로 나타난다. 따라서, 압력센서(100)의 센싱 감도를 처리함에 있어서, 6kPa을 기준(예: 제1기준압력)으로 6kPa보다 낮은 압력의 제1압력범위와 6kPa보다 높은 압력의 제2압력범위로 구분할 수 있고, 제1압력을 이용하여 일반적인 키보드의 입력을 대체할 수 있다.Generally, a pressure sensor of a commercially available keyboard detects a load of about 5 to 6 kPa (50 to 60 g). Thus, in addressing the sensing sensitivity of the pressure sensor 100, it is possible to distinguish between a first pressure range of less than 6 kPa and a second pressure range of greater than 6 kPa at a reference (e.g., first reference pressure) of 6 kPa , The first pressure can be used to replace the input of a conventional keyboard.

이때, 제2압력을 이용하여 다른 키 입력을 수행하도록 처리할 수 있다. 예를 들어, 압력센서(100)를 통하여 제1압력범위의 압력을 감지하는 경우, 일반적인 키보드의 키 입력, 예를 들면, 알파벳 소문자를 입력하도록 처리할 수 있다. 반면, 압력센서(100)를 통하여 제2압력범위의 압력을 감지하는 경우, 지정된 다른 키를 입력한 것으로 처리할 수 있다.At this time, it is possible to process another key input using the second pressure. For example, when sensing the pressure in the first pressure range through the pressure sensor 100, it can be processed to input a key input of a general keyboard, for example, lower case letters. On the other hand, when the pressure of the second pressure range is sensed through the pressure sensor 100, it can be regarded as inputting another specified key.

일 실시예에 따르면, 압력센서(100)를 통하여 제2압력범위의 압력을 감지하는 경우, 일반적인 키보드의 특정 키(예: 쉬프트, shift)를 누른 상태에서 입력된 키, 예를 들면, 알파벳 대문자를 입력하도록 처리할 수 있다.According to one embodiment, when sensing the pressure in the second pressure range through the pressure sensor 100, a key input (for example, alphabet capital letters As shown in Fig.

또한, 압력센서(100)의 센싱 감도에 기반하는 압력범위를 두 레벨로 구분하는 것에 한정하지 않고, 다양한 레벨로 구분할 수 있음은 자명하다. 예를 들면, 정전용량 무접점 키보드의 경우, 3kPa(또는 30g)의 하중을 감지하여, 입력 작업에 피로를 줄이고 매끄러운 감촉을 실현한 바 있습니다.Further, it is obvious that the pressure range based on the sensing sensitivity of the pressure sensor 100 is not limited to two levels, but can be divided into various levels. For example, with a capacitive solid state keyboard, it senses a load of 3kPa (or 30g), reducing fatigue in input work and achieving smooth touch.

따라서, 일반적인 키보드의 경우, 3kPa 내지 6kPa의 압력을 감지하여 키 입력을 수행하는 것으로 가정할 때, 일 실시예에 따르면, 압력센서(100)를 통하여 센싱 감도가 크게 변화되는 2kPa을 기준(예: 제2기준압력)으로 2kPa보다 낮은 압력의 제3압력범위를 더 결정할 수 있고, 제3압력범위 내에서 감지되는 압력을 지정된 또 다른 키를 입력한 것으로 처리할 수 있다.Accordingly, assuming that a general keyboard detects pressure of 3 kPa to 6 kPa to perform key input, according to one embodiment, a reference value of 2 kPa (for example, A second reference pressure) and a pressure sensed within the third pressure range may be treated as inputting another specified key.

예를 들면, 키보드의 경우 사용자의 빠른 타이핑 중 스쳐지는 잘못된 입력에 반응하여 키를 입력할 수 있다. 따라서, 제3압력범위의 입력을 사용자에 의하여 키를 입력하지 않는 것으로 결정할 수 있고, 이를 통하여 사용자의 타이핑 중 오타 발생을 감소시킬 수 있다.For example, in the case of a keyboard, a key can be entered in response to an erroneous input that is thrown during a user's quick typing. Therefore, it is possible to determine that the input of the third pressure range is not input by the user, thereby reducing the occurrence of typo during typing of the user.

도 14를 참조하면, 본 발명의 다양한 실시예에 따른 압력센서(100)는 상술한 바와 같이 높은 센싱 감도를 가지도록 형성될 뿐만 아니라, 빠른 감지속도와 회복속도(fast response time and relaxation time)를 가질 수 있다.Referring to FIG. 14, the pressure sensor 100 according to various embodiments of the present invention not only has a high sensing sensitivity as described above, but also has a fast response time and a relaxation time Lt; / RTI >

예를 들어, 유전체(130)를 구성하는 탄성중합체의 희석되는 중량백분율은 상술한 바와 같이 유전체 표면의 거칠기를 형성하기 위한 구성일 뿐만 아니라, 압력센서(100)의 감지속도와 회복속도를 향상시키기 위한 구성으로 적용될 수 있다.For example, the diluted weight percentage of the elastomer that constitutes the dielectric 130 is not only a configuration for forming the roughness of the dielectric surface as described above, but also improves the sensing speed and recovery speed of the pressure sensor 100 As shown in FIG.

일 실시예에 따르면, 도 14에 도시된 바와 같이, 유전체를 구성하는 탄성중합체의 중량백분율이 100 wt.%와 40 wt.%인 압력센서를 비교하였을 때, 40 wt.%의 압력센서(100)가 100 wt.%인 압력센서보다 2kPa의 압력과 5kPa의 압력 모두에서 감지속도와 회복속도가 빠른 것을 확인할 수 있다.According to one embodiment, as shown in FIG. 14, when a pressure sensor having a weight percentage of an elastomer constituting a dielectric of 100 wt.% And 40 wt.% Is compared, a 40 wt.% Pressure sensor 100 ) Than that of 100 wt.% Pressure sensor, both the detection speed and the recovery speed are faster in both the pressure of 2 kPa and the pressure of 5 kPa.

더하여, 압력센서(100)은, 압력센서(100)의 소재인 유연성 기판(110-1)의 탄성 특성을 이용하여 빠른 감지속도와 회복속도를 향상시킬 수 있다. 예를 들면, 종이, 플라스틱 등의 유연성 기판은 압력을 이용하여 구부리더라도 일정 곡률반경(bending radius) 이상에서는 가역적으로 모양을 유지하는 특성이 있으며, 이때 압력센서(100)에서 가해지는 수직항력으로 인한 변형은 곡률 반경이 매우 크기 때문에 원래의 모양을 빠르게 회복할 수 있다.In addition, the pressure sensor 100 can improve the detection speed and the recovery speed by using the elastic characteristics of the flexible substrate 110-1, which is the material of the pressure sensor 100. [ For example, a flexible substrate such as paper or plastic has a characteristic of reversibly maintaining its shape above a certain bending radius even if it is bent by using a pressure. At this time, due to the vertical drag applied from the pressure sensor 100 Deformation is very large in radius of curvature, so it can quickly recover its original shape.

일 실시예에 따르면, 도 15에 도시된 바와 같이, 0.09cm2의 넓이를 가진 컬이 형성된 유연성 기판(110-1)에 반복적으로 0.1N(10kPa)의 힘을 가하는 테스트를 진행할 수 있다. 이때, 유연성 기판(110-1)에 반복적으로 가해지는 압력에 대하여 유연성 기판(110-1)의 컬은 최초에 생기는 비가역적인 변형을 제외하고, 그 뒤로는 가역적인 탄성 특성을 보인다.According to one embodiment, as shown in FIG. 15, it is possible to repeatedly apply a force of 0.1 N (10 kPa) to the flexible substrate 110-1 having a curled shape with a width of 0.09 cm 2 . At this time, the curl of the flexible substrate 110-1 with respect to the pressure repeatedly applied to the flexible substrate 110-1 exhibits a reversible elastic property, except for the irreversible deformation initially generated.

일반적으로 유연성 기판(110-1) 자체는 탄성중합체와 마찬가지로 점탄성물질(viscoelastic materials)에 포함될 수 있고, 따라서 감지속도 및 회복속도가 느린 것으로 판단될 수 있다. 하지만 컬이 형성된 유연성 기판은 구조적으로 감지속도 및 회복속도가 매우 빠르고 가역적으로 형태를 회복할 수 있다.In general, the flexible substrate 110-1 itself can be included in viscoelastic materials as well as the elastomer, so that the sensing speed and the recovery speed can be judged to be slow. However, curled flexible substrates are structurally very fast in detection and recovery speeds and can be reversibly restored in shape.

상술한 바에 따르면, 압력센서(100)의 가역적인 탄성 특성을 모델링할 수 있다. 이를 위해, 점탄성물질에 관한 수축 응력(strain-stress) 특성에 대한 켈빈-보이트 모델(Kelvin-Voight model)을 응용할 수 있다. Kelvin-Voight model은 점탄성물질을 나타낸 모델로써, 탄성(elastic)을 나타내는 스프링(spring)과 점성(viscosity)을 나타내는 대시포트(dashpot)의 병렬연결로 표현하여 이들의 변형(strain)과 변형력(stress)의 관계를 하기 [수학식 6]과 같이 모델링할 수 있다.According to the above description, the reversible elastic characteristics of the pressure sensor 100 can be modeled. For this purpose, a Kelvin-Voight model can be applied to the strain-stress characteristics of viscoelastic materials. The Kelvin-Voight model is a model of viscoelastic material. It is represented by a parallel connection of a spring representing elasticity and a dashpot representing viscosity, and their strain and stress ) Can be modeled as the following equation (6).

Figure pat00009
(6)
Figure pat00009
(6)

(여기서,

Figure pat00010
는 normal stress,
Figure pat00011
는 normal strain,
Figure pat00012
는 strain rate,
Figure pat00013
는 elastic modulus(Young's modulus),
Figure pat00014
는 viscosity coefficient)(here,
Figure pat00010
Normal stress,
Figure pat00011
Normal strain,
Figure pat00012
Strain rate,
Figure pat00013
Elastic modulus (Young's modulus),
Figure pat00014
Viscosity coefficient)

도 16 및 [수학식 6]을 참조하면, 본 발명의 다양한 실시예에 따른 압력센서(100)의 구성요소는 크게 유연성 기판(110-1)의 컬, 유전체(130) 및 유연성 기판(110-1)을 포함할 수 있다.16 and FIG. 6, components of the pressure sensor 100 according to various embodiments of the present invention include a curled dielectric 130 and a flexible substrate 110- 1).

이때, 유연성 기판(110-1)의 컬은 나노인덴테이션 분석을 통해 탄성물질(elastic material)임을 확인할 수 있고, 스프링(spring)으로 나타낼 수 있다. 그리고 유전체(130)와 유연성 기판(110-1)의 경우 점탄성물질이기 때문에 켈빈-보이트 모델로 각각 나타낼 수 있다. 압력센서(100)는 이러한 구성요소들이 직렬로 연결된 구조이며, 직렬 구조에서 압력(300)이 가해졌을 때 가장 먼저 변화하는 요소는 각각의 영률(Young's modulus)에 의존하여 결정될 수 있다.At this time, the curl of the flexible substrate 110-1 can be confirmed as an elastic material through nanoindentation analysis, and can be expressed as a spring. Since the dielectric 130 and the flexible substrate 110-1 are viscoelastic materials, they can be represented by a Kelvin-Void model. The pressure sensor 100 is a structure in which these components are connected in series, and the element that first changes when the pressure 300 is applied in the series structure can be determined depending on each Young's modulus.

유연성 기판(110-1)의 컬의 영률(30 kPa)은 계산결과 가장 낮으며, 유전체(130)와 유연성 기판(110-1) 자체의 영률은 각각 1 MPa, 20 MPa 정도로 결정될 수 있다. 따라서, 압력이 가해지면 유연성 기판(110-1)의 컬이 우선적으로 변형되며, 이 때문에 도 14의 그래프에 도시된 바와 같이, 압력센서(100)의 고감도 센싱이 가능하고 빠른 감지속도와 회복속도를 확보할 수 있다.Young's modulus of curling (30 kPa) of the flexible substrate 110-1 is the lowest calculation result and Young's moduli of the dielectric 130 and the flexible substrate 110-1 themselves can be determined to be about 1 MPa and 20 MPa, respectively. Therefore, when the pressure is applied, the curl of the flexible substrate 110-1 is preferentially deformed. As a result, as shown in the graph of Fig. 14, high sensitivity sensing of the pressure sensor 100 is possible, .

또한, 빠른 감지속도와 회복속도를 가지고 있기 때문에, 도 17의 상부 그래프와 같이 히스테리시스(hysteresis)도 거의 발생하지 않으며, 도 17의 하부 그래프와 같이 약 5000번 정도의 반복 압력 테스트에도 성능을 유지하는 안정성을 확보할 수 있다.In addition, since it has a fast sensing speed and a recovery speed, hysteresis hardly occurs as shown in the upper graph of FIG. 17, and the performance is maintained even in the repetitive pressure test of about 5000 times as shown in the lower graph of FIG. Stability can be ensured.

상술한 바에 따르면, 압력센서(100)는 전극(111, 121) 및/또는 유전체(130) 표면의 거칠기를 통해 일종의 미세구조를 형성할 뿐만 아니라, 압력센서(100)의 소재인 유연성 기판(110-1)의 탄성 특성을 이용하고, 또한, 기판(110, 120)에 형성되는 컬을 이용하여 압력센서(100)에 압력이 가해지는 경우, 빠른 감지속도와 회복속도 그리고 고감도 센싱 성능을 확보할 수 있다.The pressure sensor 100 not only forms a kind of microstructure through the roughness of the surfaces of the electrodes 111 and 121 and / or the dielectric 130, but also forms a microstructure on the flexible substrate 110 -1, and when a pressure is applied to the pressure sensor 100 using curls formed on the substrates 110 and 120, it is possible to secure a fast sensing speed, a recovery speed, and a high sensitivity sensing performance .

다시 도 1로 돌아가서, 고감도 압력센서를 이용한 입력장치(10)의 제어부(200)는 메인 컨트롤 유닛(210), 역다중화기(demultiplexer, 220) 및 다중화기(multiplexer, 230)를 포함한다. 메인 컨트롤 유닛(210)은 압력센서(100)에 입력되는 여기신호(excitation signal)을 발생시키는 동시에, 압력센서(100)로부터 출력되는 신호를 입력 받아 모니터 등의 출력 디바이스로 송신해주는 기능을 수행한다.1, the control unit 200 of the input device 10 using the high sensitivity pressure sensor includes a main control unit 210, a demultiplexer 220, and a multiplexer 230. The main control unit 210 generates an excitation signal input to the pressure sensor 100 and receives a signal output from the pressure sensor 100 and transmits the signal to an output device such as a monitor .

여기서, 여기신호는 압력센서(100)의 캐패시턴스 측정을 위한 신호, 즉 터치(및/또는 가압력) 여부의 파악을 위하여 입력되는 신호일 수 있다. 역다중화기(220)는 메인 컨트롤 유닛(210)으로부터 입력되는 직렬신호를 복수 개의 압력센서에 병렬로 분배해주는 기능을 수행할 수 있다. Here, the excitation signal may be a signal for measuring the capacitance of the pressure sensor 100, that is, a signal input for grasping whether it is a touch (and / or a pressing force). The demultiplexer 220 may perform a function of distributing a serial signal input from the main control unit 210 to a plurality of pressure sensors in parallel.

다중화기(230)는 복수 개의 압력센서로부터 입력받은 병렬(Parallel)의 입력 신호를 직렬(Serial) 신호로 변환해 주는 구성이다. The multiplexer 230 converts a parallel input signal received from a plurality of pressure sensors into a serial signal.

한편, 고감도 압력센서를 이용한 입력장치(10)의 제어부는 증폭기(240) 및 아날로그-디지털 변환기(ADC)(250)를 더 포함할 수 있다. 증폭기(240)는 다중화기(230)로부터 출력되는 직렬신호를 증폭시켜 주는 기능을 수행하며, 아날로그-디지털 변환기(250)는 증폭기(240)의 출력과 연결되어, 증폭기(240)에서 증폭된 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환해주는 기능을 수행한다.Meanwhile, the control unit of the input device 10 using the high-sensitivity pressure sensor may further include an amplifier 240 and an analog-to-digital converter (ADC) 250. The amplifier 240 amplifies the serial signal outputted from the multiplexer 230. The analog-to-digital converter 250 is connected to the output of the amplifier 240 and amplified by the amplifier 240, And converts the signal into a digital signal.

이하, 입력장치(10)의 구동예에 대하여 설명하도록 한다.Hereinafter, an example of driving the input device 10 will be described.

일 실시예에 따르면, 먼저 메인 컨트롤 유닛(210)에서 생성되는 여기신호는 역다중화기(220)를 통하여 복수 개의 압력센서에 각각 분배되어 인가될 수 있다. 여기신호가 인가된 상태에서 사용자가 압력센서(100)를 터치하여 타이핑을 수행하게 되면, 압력센서(100)의 병렬 아날로그 출력 신호가 다중화기(230)를 통하여 직렬 아날로그 출력 신호로 변환되게 되고, 이러한 직렬 아날로그 출력 신호는 증폭기(240)를 통해 증폭된 후, 아날로그-디지털 변환기(250)를 통해 디지털 회로로 변환된 후 메인 컨트롤 유닛(210)에 입력될 수 있다.According to one embodiment, the excitation signal generated in the main control unit 210 may be distributed to the plurality of pressure sensors through the demultiplexer 220, respectively. When the user touches the pressure sensor 100 and performs typing in the state that the excitation signal is applied, the parallel analog output signal of the pressure sensor 100 is converted into the serial analog output signal through the multiplexer 230, The serial analog output signal may be amplified through an amplifier 240, converted into a digital circuit through an analog-to-digital converter 250, and then input to a main control unit 210.

메인 컨트롤 유닛(210)에 입력된 신호는 처음 압력센서(100)에 출력된 여기신호(excitational signal)가 압력센서(100)를 통해 발생되는 캐패시터의 충방전에 의해 변조된 신호일 수 있다. 충방전 시간(t)과 해당 시간에 캐패시터 양단에 걸리는 전압(Vc)는 압력센서의 캐패시턴스(C)와 회로의 저항(R), 여기신호(excitational signal)의 전압 세기(V signal)의 관계에 기반하는 하기 [수학식 7]를 이용하여 설명할 수 있다.The signal input to the main control unit 210 may be a signal modulated by the charge and discharge of the capacitor generated through the pressure sensor 100, with an excitational signal output to the first pressure sensor 100. The charging and discharging time t and the voltage Vc across the capacitor at the time correspond to the relationship between the capacitance C of the pressure sensor and the resistance R of the circuit and the voltage intensity V signal of the excitation signal Can be explained using Equation (7) below.

Figure pat00015
(7)
Figure pat00015
(7)

메인 컨트롤러 유닛(210)에 입력된 신호의 최대, 최소 전압을 구하고 인가한 여기신호의 전압, 주기를 (수학식 7)에 대입하여 계산함으로써, 압력센서(100)의 캐패시턴스 값을 결정할 수 있다.The capacitance value of the pressure sensor 100 can be determined by calculating the maximum and minimum voltages of the signal input to the main controller unit 210 and substituting the voltage and period of the applied excitation signal into Equation (7).

위와 같이 메인 컨트롤 유닛(210)은 압력센서(100)로부터 출력된 신호에 기초하여 컴퓨터 등의 출력 디바이스에 압력센서의 캐패시턴스 값들을 출력하도록 처리할 수 있다.As described above, the main control unit 210 can process the output of the pressure sensor 100 based on the signal output from the pressure sensor 100 to output the capacitance values of the pressure sensor.

압력센서(100)의 캐패시턴스 값은 가해진 압력에 비례하므로 캐패시턴스의 크기를 측정하여 입력강도를 이용하여 복수의 레벨에 대한 압력을 감지하는 3D 터치(또는 3D 포스터치)를 구현할 수 있다.Since the capacitance value of the pressure sensor 100 is proportional to the applied pressure, it is possible to implement a 3D touch (or 3D force touch) that measures the magnitude of the capacitance and senses the pressure for a plurality of levels by using the input intensity.

일 실시예에 따르면, 고감도 압력센서를 이용한 입력장치(10)는 각각의 압력센서(100)에 영문자를 할당하여, 측정되는 캐패시턴스를 일정 기준치(threshold level)와 비교하여 작은 캐패시턴스가 측정될 경우 소문자를 출력하고 큰 캐패시턴스가 측정될 경우 대문자를 출력할 수 있다.According to one embodiment, the input device 10 using the high-sensitivity pressure sensor assigns an alphabetic character to each pressure sensor 100, compares the measured capacitance with a threshold level, and when a small capacitance is measured, And output a capital letter when a large capacitance is measured.

예를 들면, 메인 컨트롤러 유닛(210)은 압력센서(100)를 통해서 입력되는 압력이 기준이 되는 압력, 예를 들면, 6kPa의 제1기준압력을 기준으로 6kPa보다 작은 압력범위에 대응되는 제1캐패시턴스(예: 제1신호) 및 6kPa보다 큰 압력범위에 대응되는 제2캐패시턴스(예: 제2신호)를 결정할 수 있다.For example, the main controller unit 210 determines whether the pressure inputted through the pressure sensor 100 is equal to or higher than a reference pressure, for example, a first reference pressure of 6 kPa, A capacitance (e.g., a first signal) and a second capacitance (e.g., a second signal) corresponding to a pressure range greater than 6 kPa.

이때, 메인 컨트롤러 유닛(210)은 압력센서(100)를 통해서 측정된 캐패시턴스가 제1캐패시턴스 범위에 포함되는 경우 소문자를 출력하고, 측정된 캐패시턴스가 제2캐패시턴스 범위에 포함되는 경우 대문자를 출력할 수 있다.At this time, the main controller unit 210 outputs a lower case letter when the capacitance measured through the pressure sensor 100 is included in the first capacitance range, and outputs an upper case letter when the measured capacitance is included in the second capacitance range have.

또한, 컨트롤러 유닛(210)은, 압력센서(100)를 통해서 입력되는 압력이 기준되는 압력, 예를 들면, 3kPa의 압력을 기준으로 3kPa보다 작은 압력에 대응되는 제3캐패시턴스를 결정할 수 있다.Further, the controller unit 210 can determine a third capacitance corresponding to a pressure less than 3 kPa based on a pressure that is input through the pressure sensor 100, for example, a pressure of 3 kPa.

이때, 메인 컨트롤러 유닛(210)은 압력센서(100)를 통해서 측정된 캐패시턴스가 제3캐패시턴스 범위에 포함되는 경우 키 입력이 없는 것으로 처리할 수 있다.At this time, if the capacitance measured through the pressure sensor 100 is included in the third capacitance range, the main controller unit 210 can treat the absence of a key input.

상술한 바와 같이, 압력센서의 공정을 크게 변화시키지 않고, 압력센서(100)의 센싱 감도를 향상시킴으로써, 압력센서(100)로부터 측정되는 압력을 복수의 레벨로 구분하여 하나의 압력센서로 다양한 입력을 처리하는 입력장치를 제공할 수 있다.As described above, by improving the sensing sensitivity of the pressure sensor 100 without significantly changing the process of the pressure sensor, the pressure measured from the pressure sensor 100 can be divided into a plurality of levels, Can be provided.

도 18을 참조하면, 본 발명의 다양한 실시예에 기반하여 제공되는 고감도 압력센서(100) 및 이를 이용한 입력장치(10)는 컴퓨터 키보드로 제공될 수 있다. 이러한 컴퓨터 키보드는, 캡스락(caps lock) 또는 쉬프트(shift)키를 이용하지 않고, 도 18에 도시된 바와 같이 압력센서(100)에 가해지는 압력의 차이만으로도 “Yonsei”와 같이 대문자와 소문자가 혼합된 단어를 입력할 수 있다.Referring to FIG. 18, a high-sensitivity pressure sensor 100 and an input device 10 using the same according to various embodiments of the present invention can be provided as a computer keyboard. Such a computer keyboard does not use a caps lock or a shift key, and only a difference in pressure applied to the pressure sensor 100 as shown in Fig. 18 makes it possible to change the upper and lower case letters such as " Yonsei " You can enter mixed words.

고감도 입력센서를 이용한 입력장치(10)는, 도 18의 우측 표와 같이, 압력센서들에 작용하는 압력을 구분하며, 지정된 수치의 압력보다 큰 경우, 예를 들어, 감지되는 압력에 따라서 키 “y”에 대응되는 신호를 출력하도록 지정된 압력센서에서 기 설정된 기준압력보다 큰 압력이 인가되면 그 대문자인 “Y”에 대응되는 신호를 출력하도록 설정될 수 있다.The input device 10 using the high-sensitivity input sensor identifies the pressure acting on the pressure sensors as shown in the right-hand table of Fig. 18, and when the pressure is greater than a specified value, quot; Y " when a pressure higher than a predetermined reference pressure is applied from a pressure sensor designated to output a signal corresponding to " y ".

또한, 다양한 실시예에 따르면, 고감도 압력센서를 이용한 입력장치(10)에서 제어부(200)는, 압력센서(100)에 가해지는 인가 압력의 강도, 시간 또는 빈도에 따라 해당 압력센서(100)를 통하여 출력되는 신호를 각각 다른 입력으로 처리(또는 인지)할 수 있다.According to various embodiments, in the input device 10 using the high-sensitivity pressure sensor, the controller 200 may control the pressure sensor 100 according to the intensity, time, or frequency of the applied pressure applied to the pressure sensor 100 It is possible to process (or recognize) the signals output through the respective channels as different inputs.

상술한 바와 같이 고감도 압력센서를 이용한 입력장치(10)로 키보드를 설명하고 있지만, 이에 한정하지 않고, 키패드, 터치패드, 가상 키보드, 등 압력에 따라서 지정된 키를 입력하기 위한 다양한 입력장치에 적용될 수 있음은 자명하다.Although the keyboard is described as the input device 10 using the high-sensitivity pressure sensor as described above, the present invention is not limited thereto. The keyboard may be applied to various input devices for inputting a key according to a keypad, a touch pad, It is self-evident.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 고감도 압력센서를 이용한 입력장치는, 일상 에서 흔히 사용되는 재료, 예를 들면, 복사지, 연필 등을 제작할 수 있는 종이, 흑연 등의 소재를 이용하여 압력센서를 제작함으로써, 고감도 특성을 구현하는 동시에 재료 및 제조 공정 비용의 감축에 따른 초저가의 입력장치의 제공이 가능하다는 효과가 있다.Further, the input device using the high-sensitivity pressure sensor according to the embodiment of the present invention can be applied to various types of devices such as a paper, graphite or the like which can produce materials commonly used in daily life, for example, It is possible to provide an input device at an extremely low cost in accordance with the reduction of material and manufacturing process cost while realizing a high sensitivity characteristic.

또한, 유연성 기판을 이용하여 제작되기 때문에 휘어질 수 있는 입력장치의 제공이 가능하게 되고, 이를 통하여 휴대가 용이한 입력장치를 제공할 수 있는 효과가 있다.Further, since the flexible printed circuit board is manufactured using the flexible printed circuit board, it is possible to provide an input device that can be bent, thereby providing an input device that is easy to carry.

이상에서 본 발명의 다양한 실시예에 대하여 설명하였으나, 본 발명의 사상은 본 명세서에 제시되는 실시예에 제한되지 아니하며, 본 발명의 사상을 이해하는 당업자는 동일한 사상의 범위 내에서, 구성요소의 부가, 변경, 삭제, 추가 등에 의해서 다른 실시예를 용이하게 제안할 수 있을 것이나, 이 또한 본 발명의 사상범위 내에 든다고 할 것이다.While the present invention has been particularly shown and described with reference to exemplary embodiments thereof, it is to be understood that the scope of the invention is not limited to the disclosed exemplary embodiments, It will be understood by those skilled in the art that various changes in form and details may be made therein without departing from the spirit and scope of the invention as defined by the appended claims.

10 : 고감도 압력센서를 이용한 입력장치
100 : 압력센서 110 : 하부기판
120 : 상부기판 111 : 제1전극
121 : 제2전극 130: 유전체
141, 142 : 연결단 151, 152 : 연결선
200 : 제어부 210 : 메인 컨트롤 유닛
220 : 역다중화기 230 : 다중화기
240 : 증폭기 250 : 아날로그-디지털 변환기
10: Input device using high sensitive pressure sensor
100: pressure sensor 110: lower substrate
120: upper substrate 111: first electrode
121: second electrode 130: dielectric
141, 142: connection terminal 151, 152: connection terminal
200: control unit 210: main control unit
220: Demultiplexer 230: Multiplexer
240: Amplifier 250: Analog-to-digital converter

Claims (20)

일면에 표면 거칠기를 가지는 제1전극이 형성되는 하부기판;
일면에 표면 거칠기를 가지는 제2전극이 형성되는 상부기판; 및
상기 제1전극 및 상기 제2전극 사이에 배치되도록 상기 하부기판 및 상부기판 사이에 적층되는 유전물질;을 포함하는, 고감도 압력센서.
A lower substrate on which a first electrode having a surface roughness is formed;
An upper substrate on which a second electrode having a surface roughness is formed; And
And a dielectric material laminated between the lower substrate and the upper substrate so as to be disposed between the first electrode and the second electrode.
제1항에 있어서,
상기 유전물질은 상기 제1전극 또는 제2전극의 표면 거칠기에 의한 상기 제1전극 또는 상기 제2전극의 요철 표면을 감싸는 것을 특징으로 하는, 고감도 압력센서.
The method according to claim 1,
Wherein the dielectric material surrounds the uneven surface of the first electrode or the second electrode due to the surface roughness of the first electrode or the second electrode.
제2항에 있어서,
상기 유전 물질은 탄성중합체를 포함하되, 상기 탄성중합체의 상기 유전 물질내 중량백분율은 상기 표면 거칠기 및 상기 형성되는 유전물질의 두께에 따라서 결정되는 것을 특징으로 하는, 고감도 압력센서.
3. The method of claim 2,
Wherein the dielectric material comprises an elastomer, wherein the weight percentage in the dielectric material of the elastomer is determined according to the surface roughness and the thickness of the dielectric material to be formed.
제1항에 있어서,
상기 하부기판 또는 상기 상부기판은, 플렉서블 또는 스트레쳐블 소재인 것을 특징으로 하는, 고감도 압력센서.
The method according to claim 1,
Wherein the lower substrate or the upper substrate is a flexible or stretchable material.
제1항에 있어서,
상기 제1전극 또는 상기 제2전극의 표면 거칠기는 상기 하부기판 또는 상기 상부기판의 표면 거칠기에 의해 나타나는 것을 특징으로 하는, 고감도 압력센서.
The method according to claim 1,
Wherein the surface roughness of the first electrode or the second electrode is represented by the surface roughness of the lower substrate or the upper substrate.
제1항에 있어서,
상기 제1전극 또는 상기 제2전극의 표면 거칠기는 전극 형성 시 생성되거나 또는 전극 형성 후 가공에 의해 생성되는 것을 특징으로 하는, 고감도 압력센서.
The method according to claim 1,
Wherein the surface roughness of the first electrode or the second electrode is generated when the electrode is formed or after the electrode is formed.
제1항에 있어서,
상기 유전물질은,
상기 제1전극에 구비되는 하부 유전층; 및
상기 제2전극에 구비되는 상부 유전층;을 포함하는 것을 특징으로 하는, 고감도 압력센서.
The method according to claim 1,
Wherein the dielectric material comprises:
A lower dielectric layer provided on the first electrode; And
And an upper dielectric layer provided on the second electrode.
제7항에 있어서,
상기 하부 유전층은 상기 제1전극에 밀착되어, 상기 제1전극의 표면 거칠기가 상기 하부 유전층에 나타나고,
상기 상부 유전층은 상기 제2전극에 밀착되어, 상기 제2전극의 표면 거칠기가 상기 상부 유전층에 나타나는 것을 특징으로 하는, 고감도 압력센서.
8. The method of claim 7,
Wherein the lower dielectric layer is in close contact with the first electrode, the surface roughness of the first electrode appears on the lower dielectric layer,
Wherein the upper dielectric layer is in close contact with the second electrode, and the surface roughness of the second electrode appears in the upper dielectric layer.
제8항에 있어서,
상기 하부 유전층과 상기 상부 유전층 사이의 일부 영역 이상에 공기층이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는, 고감도 압력센서.
9. The method of claim 8,
Wherein an air layer is formed on at least a part of a region between the lower dielectric layer and the upper dielectric layer.
제9항에 있어서,
상기 하부기판 및 상기 상부기판 중 적어도 하나에 압력이 가해지는 경우,
상기 하부 유전층과 상기 상부 유전층의 표면 중 적어도 일부가 맞물리며 교차구조를 형성하는 것을 특징으로 하는, 고감도 압력센서.
10. The method of claim 9,
Wherein when pressure is applied to at least one of the lower substrate and the upper substrate,
Characterized in that at least some of the surfaces of the bottom dielectric layer and the top dielectric layer are engaged and form an intersecting structure.
제10항에 있어서,
상기 하부기판 및 상기 상부기판 중 적어도 하나에 압력이 가해지는 경우, 상기 하부 유전층과 상기 상부 유전층 사이에 형성된 상기 공기층은 제거되거나, 또는 상기 교차구조에 기반하여 보다 작은 공기층으로 분열되는 것을 특징으로 하는, 고감도 압력센서.
11. The method of claim 10,
The air layer formed between the lower dielectric layer and the upper dielectric layer is removed or divided into smaller air layers based on the cross structure when pressure is applied to at least one of the lower substrate and the upper substrate. , High sensitivity pressure sensor.
제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 기재된 적어도 하나의 고감도 압력센서; 및
상기 고감도 압력 센서에 압력이 인가되면, 상기 인가 압력에 대한 상기 압력센서로부터 출력되는 신호에 따라 지정된 키 입력을 처리하는 제어부;를 포함하는, 고감도 압력센서를 이용한 입력장치.
At least one high-sensitivity pressure sensor according to any one of claims 1 to 11; And
And a control unit for processing a key input according to a signal output from the pressure sensor with respect to the applied pressure when a pressure is applied to the high-sensitivity pressure sensor.
제12항에 있어서,
상기 압력센서의 상기 하부기판 또는 상기 상부기판 중 하나 이상에 압력을 인가하는 압력 인가부;를 더 포함하는, 고감도 압력센서를 이용한 입력장치.
13. The method of claim 12,
And a pressure application unit for applying pressure to at least one of the lower substrate and the upper substrate of the pressure sensor.
제12항에 있어서,
상기 제어부는,
상기 인가 압력이 기 설정된 제1기준압력 미만인 경우, 제1신호로 처리하고,
상기 인가 압력이 상기 제1기준압력 이상인 경우, 제2신호로 처리하는 것을 특징으로 하는, 고감도 압력센서를 이용한 입력장치.
13. The method of claim 12,
Wherein,
Processing the first signal when the applied pressure is lower than a predetermined first reference pressure,
And when the applied pressure is equal to or higher than the first reference pressure, processing is performed using the second signal.
제12항에 있어서,
상기 제어부는, 상기 인가 압력이 기 설정된 제2기준압력 미만인 경우, 해당 입력을 무시하는 것을 특징으로 하는, 고감도 압력센서를 이용한 입력장치.
13. The method of claim 12,
Wherein the control unit ignores the input when the applied pressure is less than a predetermined second reference pressure.
제12항에 있어서,
상기 제어부는,
상기 인가 압력의 강도, 시간 또는 빈도에 따라 각각 다른 입력으로 인지하는 것을 특징으로 하는, 고감도 압력센서를 이용한 입력장치.
13. The method of claim 12,
Wherein,
Wherein the input device recognizes different inputs depending on the intensity, time, or frequency of the applied pressure.
제12항에 있어서,
상기 제어부는,
상기 압력센서에 입력되는 여기신호를 출력하고, 상기 압력센서로부터 출력되는 상기 신호를 입력하는 메인 컨트롤 유닛;
상기 여기신호를 상기 적어도 하나의 압력센서에 분배하는 역다중화기; 및
상기 적어도 하나의 압력센서로부터 출력되는 병렬신호를 직렬신호로 변환하는 다중화기;를 포함하는 것을 특징으로 하는, 고감도 압력센서를 이용한 입력장치.
13. The method of claim 12,
Wherein,
A main control unit for outputting an excitation signal input to the pressure sensor and inputting the signal outputted from the pressure sensor;
A demultiplexer for distributing the excitation signal to the at least one pressure sensor; And
And a multiplexer for converting a parallel signal output from the at least one pressure sensor into a serial signal.
제12항에 있어서,
상기 제어부는,
상기 적어도 하나의 고감도 압력센서 각각에 대하여 상기 메인 컨트롤 유닛을 통하여 수신하는 상기 신호를 범위를 정하여 복수의 레벨로 구분하고,
상기 복수의 레벨 각각에 대하여 다른 키가 지정된 것을 특징으로 하는, 고감도 압력센서를 이용한 입력장치.
13. The method of claim 12,
Wherein,
The signal received through the main control unit for each of the at least one high-sensitivity pressure sensor is divided into a plurality of levels by defining a range,
Wherein a different key is assigned to each of the plurality of levels.
제18항에 있어서,
상기 제어부는,
상기 상기 메인 컨트롤 유닛을 통하여 수신하는 상기 신호 및 상기 신호를 출력하는 고감도 압력센서에 기반하여 상기 신호의 레벨에 대하여 지정된 키를 결정하고, 상기 결정된 키를 입력하도록 상기 다중화기에 전송하는 것을 특징으로 하는, 고감도 압력센서를 이용한 입력장치.
19. The method of claim 18,
Wherein,
Determines a key designated for the level of the signal based on the signal received through the main control unit and a high-sensitivity pressure sensor outputting the signal, and transmits the determined key to the multiplexer to input the determined key. , Input device using high sensitivity pressure sensor.
제12항에 대하여,
상기 신호는, 상기 적어도 하나의 고감도 압력센서 각각에 대하여 가해지는 압력에 대응되는 캐패시턴스 값인 것을 특징으로 하는, 고감도 압력센서를 이용한 입력장치.
15. The method of claim 12,
Wherein the signal is a capacitance value corresponding to a pressure applied to each of the at least one high-sensitivity pressure sensor.
KR1020160106845A 2015-09-18 2016-08-23 Highly sensitive pressure sensor and input device using the highly sensitive pressure sensor KR101850484B1 (en)

Priority Applications (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020160106845A KR101850484B1 (en) 2016-08-23 2016-08-23 Highly sensitive pressure sensor and input device using the highly sensitive pressure sensor
CN201610825173.6A CN107025009B (en) 2015-09-18 2016-09-13 High-sensitivity pressure sensor and input device using same
US15/266,175 US10401974B2 (en) 2015-09-18 2016-09-15 Highly sensitive pressure sensor and input device using the same

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020160106845A KR101850484B1 (en) 2016-08-23 2016-08-23 Highly sensitive pressure sensor and input device using the highly sensitive pressure sensor

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20180022048A true KR20180022048A (en) 2018-03-06
KR101850484B1 KR101850484B1 (en) 2018-05-30

Family

ID=61727529

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020160106845A KR101850484B1 (en) 2015-09-18 2016-08-23 Highly sensitive pressure sensor and input device using the highly sensitive pressure sensor

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR101850484B1 (en)

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP3531338A1 (en) 2018-02-23 2019-08-28 Samsung Electronics Co., Ltd. Assembling of a fingerprint sensor in an electronic device
CN113495640A (en) * 2020-04-01 2021-10-12 万达光电科技股份有限公司 Touch sensor
KR20230000754A (en) * 2021-06-25 2023-01-03 경희대학교 산학협력단 Pressure sensor using conductive polymer material including structure to improve sensitivity

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR102549922B1 (en) 2021-05-14 2023-06-30 고려대학교 산학협력단 Self-powered stretchable ion gel sensor and manufacturing method thereof

Family Cites Families (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US9147826B2 (en) * 2014-01-23 2015-09-29 Tdk Corporation Thin film piezoelectric element, thin film piezoelectric actuator, and thin film piezoelectric sensor; and hard disk drive, and inkjet printer

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP3531338A1 (en) 2018-02-23 2019-08-28 Samsung Electronics Co., Ltd. Assembling of a fingerprint sensor in an electronic device
CN113495640A (en) * 2020-04-01 2021-10-12 万达光电科技股份有限公司 Touch sensor
KR20230000754A (en) * 2021-06-25 2023-01-03 경희대학교 산학협력단 Pressure sensor using conductive polymer material including structure to improve sensitivity

Also Published As

Publication number Publication date
KR101850484B1 (en) 2018-05-30

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN107025009B (en) High-sensitivity pressure sensor and input device using same
Sun et al. Flexible tactile electronic skin sensor with 3D force detection based on porous CNTs/PDMS nanocomposites
KR101850484B1 (en) Highly sensitive pressure sensor and input device using the highly sensitive pressure sensor
Matysek et al. Dielectric elastomer actuators for tactile displays
US11860048B2 (en) Capacitive and tactile sensors and related sensing methods
KR102081892B1 (en) Resistive pressure sensor including piezo-resistive electrode
US8692646B2 (en) Piezoresistive type touch panel; manufacturing method thereof; and display device, touch pad, pressure sensor, touch sensor, game console and keyboard having the panel
US10496171B2 (en) Electromechanical actuators for haptic feedback in electronic devices
CN109870254B (en) High-sensitivity capacitance type sliding touch sensor
US20130021087A1 (en) Input device with elastic membrane
EP0503148A1 (en) Tablet digitalizer with untethered stylus
Sinha et al. Ultra‐low‐cost, crosstalk‐free, fast‐responding, wide‐sensing‐range tactile fingertip sensor for smart gloves
JP2017537316A (en) High resolution pressure detection
Liang et al. An analytical model for studying the structural effects and optimization of a capacitive tactile sensor array
Kim et al. Hollow polydimethylsiloxane (PDMS) foam with a 3D interconnected network for highly sensitive capacitive pressure sensors
KR20160114243A (en) Piezoelectric device and piezoelectric sensor using the same
EP3567529A1 (en) Sensing system and sensing method using machine learning
Wang et al. A highly sensitive capacitive pressure sensor with microdome structure for robot tactile detection
Watatani et al. Planar-type MEMS tactile sensor integrating micro-macro detection function of fingertip to evaluate surface touch sensation
US10180751B2 (en) Sensing device for force and tactile-proximity sensing
Ding et al. Molding-free fully-printed flexible tactile sensors with performance-enhancing microstructures
CN115060406A (en) Flexible ionization type three-dimensional force sensor and preparation method thereof
Mao et al. Electronic Skin for Detections of Human-Robot Collision Force and Contact Position
KR20170071645A (en) Input device using highly sensitive pressure sensor
Zhi et al. Hybrid tactile sensor array for pressure sensing and tactile pattern recognition

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E902 Notification of reason for refusal
E701 Decision to grant or registration of patent right