KR20180120992A - 스트레인 게이지 및 그 제조방법 - Google Patents

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KR20180120992A
KR20180120992A KR1020170055081A KR20170055081A KR20180120992A KR 20180120992 A KR20180120992 A KR 20180120992A KR 1020170055081 A KR1020170055081 A KR 1020170055081A KR 20170055081 A KR20170055081 A KR 20170055081A KR 20180120992 A KR20180120992 A KR 20180120992A
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Abstract

본 발명은 스트레인 게이지 및 그 제조방법에 관한 것으로, 본 발명에 따른 스트레인 게이지는 유연한 절연성 기판(10), 기판(10)의 일면에, 서로 이격 배치되는 박막 형태의 제1 전극(21) 및 제2 전극(23)을 포함하되, 제1 전극(21) 및 제2 전극(23)은 표면 리간드가 무기 리간드로 치환된 제1 은 나노입자 (Ag nanoparticle) 로 이루어진 전극부(20), 및 표면 리간드가 유기 리간드로 치환된 제2 은 나노입자로 이루어지고, 기판(10)의 일면에, 일단은 제1 전극(21)에, 타단은 제2 전극(23)에 연결되는 박막 형태로 형성되어, 변형 (strain)에 의해 전기저항이 변하는 감지부(30)를 포함한다.

Description

스트레인 게이지 및 그 제조방법{STRAIN GAUGE AND METHOD OF MANUFACTURING THE SAME}
본 발명은 스트레인 게이지 및 그 제조방법에 관한 것이다.
스트레인 게이지는 피측정물에 부착되어 물리적인 변형을 전기적 신호로 바꾸어 측정하는 센서이다. 이러한 스트레인 게이지는 하기 선행기술문헌의 특허문헌에 개시된 바와 같이, 압력센서로 널리 활용되고 있다. 도 1을 참고로, 종래 스트레인 게이지는 절연기판(1)의 상부면에 금속 저항선(3)이 접착제로 고정되고, 금속 저항선(3)의 양말단 각각이 리드선(5)에 연결되는 구조로 이루어진다. 여기서, 절연기판(1)의 하부면이 피측정물에 부착되므로, 피측정물에 외력이 가해져 변형(인장 또는 압축)이 일어나면, 절연기판(1)이 신축되면서 금속 저항선(3)의 단면적과 길이가 변하게 되고, 이로써 저항선(3)의 전기저항에 변화가 생긴다. 따라서, 리드선(5)을 통해 전기저항의 변화 정도를 전류 값 등의 전기적 신호로 수신하고, 그 정보로부터 변형률을 산정하게 된다.
최근 들어서, 나노입자를 센서 분야에 적용하고자 하는 연구가 활발히 진행 중인데, 스트레인 게이지의 경우에는 센서물질로서 금, 백금, 팔라듐 등의 나노입자가 사용되고 있다. 그러나 이러한 나노입자는 귀금속을 기반으로 하는바, 생산 비용 증가의 원인이 된다. 또한, 종래 스트레인 게이지는 저항선과 전극의 재료를 달리 사용하고, 특히 전극은 고가의 진공장비를 사용해 제작되므로, 공정과정이 복잡하고, 생산 시간이 길어지는 문제가 있다.
이에 종래 스트레인 게이지의 문제점을 해결하기 위한 방안이 절실히 요구되고 있다.
KR 10-2011-0075256 A
본 발명은 상술한 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 일 측면은 저렴한 은 나노입자를 사용하되, 나노입자의 표면 리간드를 치환하여 서로 다른 기계적·전기적 특성을 갖는 박막 형태로 전극부와 감지부가 구현되는 스트레인 게이지를 제공하고자 하는 것이다.
또한, 본 발명의 다른 측면은 센서 성능 향상을 위해서 크랙이 형성되고, 나아가 멀티 어레이 센서를 구축할 수 있는 스트레인 게이지를 제공하는데 있다.
본 발명에 따른 스트레인 게이지는 유연한 절연성 기판; 상기 기판의 일면에, 서로 이격 배치되는 박막 형태의 제1 전극 및 제2 전극을 포함하되, 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극은 표면 리간드가 무기 리간드로 치환된 제1 은 나노입자 (Ag nanoparticle) 로 이루어진 전극부; 및 표면 리간드가 유기 리간드로 치환된 제2 은 나노입자로 이루어지고, 상기 기판의 일면에, 일단은 상기 제1 전극에, 타단은 상기 제2 전극에 연결되는 박막 형태로 형성되어, 변형 (strain) 에 의해 전기저항이 변하는 감지부; 를 포함한다.
또한, 본 발명에 따른 스트레인 게이지에 있어서, 상기 무기 리간드는 NH4Cl, tetra-n-butyl ammonium bromide (TBAB), 및 NH4SCN 으로 구성된 군 중에서 선택되는 적어도 어느 하나 이상이다.
또한, 본 발명에 따른 스트레인 게이지에 있어서, 상기 유기 리간드는 3-mercaptopropionic acid (MPA), 및 1,2-ethanedithiol (EDT) 으로 구성된 군 중에서 선택되는 적어도 어느 하나 이상이다.
또한, 본 발명에 따른 스트레인 게이지에 있어서, 상기 감지부에 크랙 (crack) 이 형성된다.
또한, 본 발명에 따른 스트레인 게이지에 있어서, 상기 전극부는 상기 기판의 폭 방향을 따라 배치되는 전도성의 로우 라인, 및 상기 로우 라인의 일측으로부터 빗살 형태로 연장되는 다수의 상기 제1 전극을 각각 포함하고, 상기 기판의 길이 방향을 따라 다수의 열 (row) 을 이루며 배치되는 다수의 하부전극; 및 상기 기판의 길이 방향을 따라 배치되는 전도성의 컬럼 라인, 및 상기 컬럼 라인의 일측으로부터 빗살 형태로 연장된 다수의 상기 제2 전극을 각각 포함하고, 상기 로우 라인에 상기 컬럼 라인이 교차되면서 상기 제1 전극과 상기 제2 전극이 일대일로 대응되도록 상기 기판의 폭 방향을 따라 다수의 행 (colum) 을 이루며 배치되는 다수의 상부전극;을 포함하고, 교차되는 상기 로우 라인과 상기 컬럼 라인 사이에 배치되는 절연층;을 더 포함하며, 상기 감지부는 다수 개로, 일대일로 대응되는 상기 제1 전극과 상기 제2 전극을 서로 연결하여, 멀티 셀 어레이를 구성한다.
한편, 본 발명에 따른 스트레인 게이지 제조방법은 (A) 기판의 일면에, 서로 이격되도록 제1 은 나노입자를 코팅하여 박막 형태의 제1 전극 및 제2 전극을 생성하는 단계; (B) 무기 리간드가 분산된 제1 용액을 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극에 접촉시켜, 상기 제1 은 나노입자의 표면 리간드가 상기 무기 리간드로 치환된 전극부를 형성하는 단계; (C) 상기 전극부가 형성된 상기 기판의 일면에, 일단이 상기 제1 전극에 연결되고, 타단이 상기 제2 전극에 연결되도록, 제2 은 나노입자를 코팅하여 박막 형태의 메탈 포일 (metal foil) 을 생성하는 단계; 및 (D) 유기 리간드가 분산된 제2 용액을 상기 메탈 포일에 접촉시켜, 상기 제2 은 나노입자의 표면 리간드가 상기 유기 리간드로 치환된 감지부를 형성하는 단계;를 포함한다.
또한, 본 발명에 따른 스트레인 게이지 제조방법에 있어서, 상기 (A) 단계는 상기 기판의 일면에 포토레지스터를 코팅하는 단계; 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극의 형상에 대응되도록, 코팅된 상기 포토레지스터를 패터닝하는 단계; 패터닝된 상기 포토레지스터 상에 상기 제1 은 나노입자를 코팅하는 단계: 및 상기 포토레지스터를 리프트 오프 (lift off) 하는 단계;를 포함한다.
또한, 본 발명에 따른 스트레인 게이지 제조방법에 있어서, 상기 (A) 단계에서, 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극은 상기 제1 은 나노입자를 유기용매에 분산시킨 후, 스핀코팅하여 생성되고, 상기 (C) 단계에서, 상기 메탈 포일은 상기 제2 은 나노입자를 유기용매에 분산시킨 후, 스핀코팅하여 생성된다.
또한, 본 발명에 따른 스트레인 게이지 제조방법에 있어서, 상기 (C) 단계는 상기 전극부가 형성된 상기 기판의 일면에 포토레지스터를 코팅하는 단계; 상기 메탈 포일 형상에 대응되도록, 코팅된 상기 포토레지스터를 패터닝하는 단계; 패터닝된 상기 포토레지스터 상에 상기 제2 은 나노입자를 코팅하는 단계; 및 상기 포토레지스터를 리프트 오프하는 단계;를 포함한다.
또한, 본 발명에 따른 스트레인 게이지 제조방법에 있어서, 상기 제1 은 나노입자 및 상기 제2 은 나노입자는 질산염, 올레일아민 (oleylamine), 및 올레산 (oleyl acid) 을 혼합하여, 질소분위기 60 ~ 80 ℃에서 80 ~ 100 분간 가열한 후, 자연 냉각하여 생성된다.
또한, 본 발명에 따른 스트레인 게이지 제조방법에 있어서, 사전 변형을 가하여, 상기 감지부에 크랙을 형성시키는 단계;를 더 포함한다.
본 발명의 특징 및 이점들은 첨부도면에 의거한 다음의 상세한 설명으로 더욱 명백해질 것이다.
이에 앞서 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이고 사전적인 의미로 해석되어서는 아니 되며, 발명자가 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
본 발명에 따르면, 귀금속 기반의 나노입자 대신에 상대적으로 저렴한 은 나노입자를 사용하고, 나노입자의 표면 리간드를 무기/유기 리간드로 치환하여 기계적·전기적 특성이 서로 다른 전극부와 감지부를 형성함으로써, 재료 비용을 낮추고 단일 재료에 따른 간단한 공정으로 스트레인 게이지를 제조할 수 있다.
또한, 은 나노입자의 합성부터 스트레인 게이지 완성에 이르는 공정이 상압에서, 저온 용액 공정으로 진행되므로, 제조 비용을 절감할하면서 용이하게 대량 생산이 가능하다.
나아가, 감지부에 인위적으로 크랙을 형성함으로써, 센서 감지도가 향상되고, 멀티 어레이 센서를 구성하여 웨어러블 센서 또는 전자 피부 등과 같은 다양한 분야에 본 발명을 응용할 수 있다.
도 1은 종래 스트레인 게이지를 도시한 평면도이다.
도 2 내지 도 3은 본 발명의 제1 실시 예에 따른 스트레인 게이지를 도시한 평면도이다.
도 4는 도 2에 도시된 라인 A-A'에 따른 단면도이다.
도 5는 본 발명의 제2 실시 예에 따른 스트레인 게이지를 도시한 사시도이다.
도 6은 본 발명의 제1 실시 예에 따른 스트레인 게이지를 제조하는 공정도이다.
도 7은 본 발명의 제2 실시 예에 따른 스트레인 게이지를 제조하는 공정도이다.
도 8은 은 나노입자 박막의 푸리에변화 적외분광 (FTIR) 스펙트럼이다.
도 9는 은 나노입자 박막의 UV-vis 스펙트럼이다.
도 10은 은 나노입자 박막의 투과전자현미경 (TEM) 이미지이다.
도 11은 은 나노입자 박막의 전류-전압 곡선, 및 저항 변화를 나타내는 그래프이다.
도 12는 크랙이 형성된 은 나노입자 박막의 저항 변화를 나타내는 그래프이다.
본 발명의 목적, 특정한 장점들 및 신규한 특징들은 첨부된 도면들과 연관되어지는 이하의 상세한 설명과 바람직한 실시 예들로부터 더욱 명백해질 것이다. 본 명세서에서 각 도면의 구성요소들에 참조번호를 부가함에 있어서, 동일한 구성 요소들에 한해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 번호를 가지도록 하고 있음에 유의하여야 한다. 또한, "제1", "제2" 등의 용어는 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하기 위해 사용되는 것으로, 구성요소가 상기 용어들에 의해 제한되는 것은 아니다. 이하, 본 발명을 설명함에 있어서, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 관련된 공지 기술에 대한 상세한 설명은 생략한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시형태를 상세히 설명하기로 한다.
도 2 내지 도 3은 본 발명의 제1 실시 예에 따른 스트레인 게이지를 도시한 평면도이고, 도 4는 도 2에 도시된 라인 A-A'에 따른 단면도이다.
도 2 내지 도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 스트레인 게이지는 유연한 절연성 기판(10), 기판(10)의 일면에, 서로 이격 배치되는 박막 형태의 제1 전극(21) 및 제2 전극(23)을 포함하되, 제1 전극(21) 및 제2 전극(23)은 표면 리간드가 무기 리간드로 치환된 제1 은 나노입자 (Ag nanoparticle, 20a) 로 이루어진 전극부(20), 및 표면 리간드가 유기 리간드로 치환된 제2 은 나노입자(30a)로 이루어지고, 기판(10)의 일면에, 일단은 제1 전극(21)에, 타단은 제2 전극(23)에 연결되는 박막 형태로 형성되어, 변형 (strain)에 의해 전기저항이 변하는 감지부(30)를 포함한다.
스트레인 게이지는 피측정물에 부착되어 피측정물의 물리적 변형을 감지하는 센서로서, 피측정물의 변형에 의한 저항 변화를 측정하는 방식으로 작동한다. 스트레인 게이지는 이미 다양한 산업분야에서 광범위하게 사용되고 있지만, 전자 피부 및 의료 모니터링 등과 같은 신산업분야의 등장으로 인해 그 관심과 수요가 지속적으로 증가될 전망이다. 그러나 종래 스트레인 게이지의 경우에는 게이지 팩터가 작고, 소형화가 어려워, 그 필요성을 충족하는데 곤란한 문제가 있다. 이에 나노입자와 같은 센서물질을 도입하여 센서의 감도를 향상시키고자 하는 연구가 진행되었다. 그러나 종래 센서에 사용되는 나노입자는 금, 백금, 팔라듐 등의 귀금속 나노입자이므로, 생산 비용 증가의 원인이 된다. 또한, 종래 스트레인 게이지의 전극은 변형이 인가될 때에 저항이 변하지 않아야 하지만, 극한 조건하에서는 저항이 변해 안정성이 떨어진다. 나아가 변형에 따라 저항이 변하는 금속 저항선 등과 같은 센서부 및 전극을 제작하기 위해서는, 필연적으로 2개 이상의 재료와 복잡한 공정이 요구되는 문제가 있다. 이에 종래 스트레인 게이지의 상술한 문제점을 해결하고자 본 발명에 따른 스트레인 게이지가 안출되었다.
구체적으로, 본 발명에 따른 스트레인 게이지는 기판(10), 전극부(20), 및 감지부(30)를 포함한다.
여기서, 기판(10)은 외력이 가해져 변형을 일으키는 피측정물에 부착되어 함께 변형되어야 하므로 유연해야 한다. 또한 그 일면에 전류가 통하는 전극부(20) 및 감지부(30)가 배치되므로, 전류가 피측정물로 흐르지 않도록 절연성이 있어야 한다. 따라서 기판(10)은 플렉시블 절연 기판(10)으로서, 예를 들어 PET, PI 등의 고분자 물질로 이루어질 수 있다. 다만, 기판(10)이 유연성 및 절연성을 가지는 한, 그 소재가 상기 물질에 반드시 한정되어야 하는 것은 아니다.
전극부(20)는 제1 전극(21) 및 제2 전극(23)을 포함한다. 제1 전극(21) 및 제2 전극(23)은 박막 형태로 형성되어 기판(10)의 일면에 배치되는데, 그 중 어느 하나로 전류가 유입되고 다른 하나에서 전류가 유출되어야 하므로, 서로 소정의 간격을 두고 이격 배치된다.
이러한 박막 형태의 제1 전극(21) 및 제2 전극(23)은 제1 은 나노입자 (Ag nanoparticle, 20a) 로 이루어진다. 은 나노입자는 금, 백금 등의 귀금속 나노입자에 비해 가격이 상대적으로 저렴하고, 전도성이 높기 때문에 센서물질로 적합하다. 이러한 은 나노입자는 질산은 (AgN03), 올레산 (Oleic acid), 올레일아민 (Oleylamine)을 혼합한 혼합용액을 탈기한 후, 실온 냉각하여 합성할 수 있다. 합성된 은 나노입자는 구형으로 직경이 대략 4 ~ 5 nm 정도인데, 이러한 은 나노입자가 혼합된 용액을 기판(10)에 스핀코팅함으로써, 박막 형태의 제1 전극(21) 및 제2 전극(23)을 구현할 수 있다.
일반적으로 나노입자 박막의 전기저항은 호핑 수송 (hopping transport) 에 의해 지배되고, 그 나노입자를 둘러싸는 표면 리간드의 길이에 의해 정해지는 입자 간 거리에 비례한다. 제1 전극(21) 및 제2 전극(23)을 구현하는 은 나노입자 박막의 경우에, 올레산의 본래 리간드가 입자 간 거리를 길게 하므로, 그 자체로는 전기적으로 절연성을 갖는다.
이에 본 발명에 따른 은 나노입자의 표면 리간드를 무기 리간드로 치환하여, 제1 전극(21) 및 제2 전극(23)의 전기 전도성을 향상시키고, 기계적 특성을 개선하였다. 여기서, 무기 리간드는 NH4Cl, tetra-n-butyl ammonium bromide (TBAB), 및 NH4SCN 으로 구성된 군 중에서 선택되는 적어도 어느 하나 이상일 수 있다. 다만, 무기 리간드가 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. 이때, 리간드 치환은 NH4Cl, TBAB, 또는 NH4SCN 등을 메탄올 또는 아세토니트릴 (acetonitrile) 등에 분산시킨 용액에, 은 나노입자 박막을 접촉시키는 방식으로 처리할 수 있다. 이렇게 리간드가 치환되면, 은 나노입자의 크기가 커지면서 입자 간의 거리가 줄어들어, 은 나노입자 박막의 비저항이 현저히 감소하고, 결국 제1 전극(21) 및 제2 전극(23)의 전기 전도성이 향상된다.
반면, 표면 리간드가 무기 리간드로 치환되더라도, 은 나노입자의 게이지 팩터는 거의 변하지 않는다. 여기서, 게이지 팩터 (gauge factor, G) 는 센서 디바이스의 성능을 나타내는 것으로서, 하기 <수학식 1>과 같이, 변형률에 대한 저항 변화률로 구할 수 있다.
Figure pat00001
ΔR은 저항 변화, R0는 초기 저항, ε는 변형률이고, 변형률 ε (= Δl / l0)은 t / 2r에 의해 계산 될 수 있으며, 여기서 t는 기판(10)의 두께, r은 굽힘 반경, Δl은 입자 간 거리의 변화이며, l0 (= l + d)는 인접하는 나노입자 간의 중심 대 중심 간 거리이다.
따라서, 무기 리간드로 처리된 은 나노입자 박막은 반복적으로 변형이 가해지더라도 저항 변화가 거의 없어서, 제1 전극(21) 및 제2 전극(23)은 기계적으로 매우 안정적이다.
한편, 감지부(30)는 기판(10)의 일면에 박막 형태로 형성되되, 그 일단은 제1 전극(21)에, 타단은 제2 전극(23)에 연결된다. 따라서, 전극(21, 23)을 통해 유입되는 전류는 감지부(30)를 통과하게 되고, 이때 감지부(30)에 기계적 변형이 일어나면 전기저항이 변하므로, 전기신호의 변화를 감지하여 그 변형을 측정할 수 있다.
이러한 박막 형태의 감지부(30)는 제2 은 나노입자(30a)로 이루어진다. 은 나노입자 및 그 박막에 대해서는 상술한바, 중복되는 설명은 생략하고 차이점 위주로 설명한다. 감지부(30)를 구성하는 은 나노입자 박막의 경우에, 표면 리간드는 유기 리간드로 치환된다. 이때, 유기 리간드는 예를 들어, 3-mercaptopropionic acid (MPA), 및 1,2-ethanedithiol (EDT) 으로 구성된 군 중에서 선택되는 적어도 어느 하나 이상일 수 있다. 다만, 유기 리간드의 종류가 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.
은 나노입자 박막에 있어서, 표면 리간드가 유기 리간드로 치환되면, 입자 간 거리가 현저히 감소되므로, 감지부(30)의 비저항은 감소한다. 다만, 무기 리간드로 치환된 은 나노입자 박막과 비교할 때에는, 유기 리간드로 치환된 은 나노입자 박막의 비저항이 상대적으로 크다.
한편, 유기물이 무기 금속 나노입자보다 상대적으로 탄성계수가 낮기 때문에, 구부러질 때에 유기 리간드로 치환된 은 나노입자 박막에 더 큰 변형이 가해진다. 따라서, 유기 리간드로 치환된 은 나노입자 박막에서 입자간 거리가 증가하여, 저항이 증가하게 되고, 이로써 유기 리간드로 처리된 감지부(30)가 변형을 감지할 수 있다.
나아가, 유기 리간드로 치환된 은 나노입자 박막의 경우에, 무기 리간드로 치환된 은 나노입자 박막에 비해 상대적으로 더 큰 게이지 팩터를 갖게 된다. 따라서, 감지부(30)에서 변형에 대한 저항 변화가 크게 나타나, 감지부(30)의 감도가 매우 향상된다.
또한, 유기 리간드로 처리된 은 나노입자 박막에 변형이 제거되면, 증가했던 저항은 원래의 값으로 회복되는데, 이때의 반응은 히스테리시스 (hysteresis) 가 없는 안정적이고 대칭적인 응답특성을 보인다.
한편, 감지부(30)의 감도 향상을 위해서, 감지부(30)에 크랙 (crack, 31)이 형성될 수 있다.
도 4의 (a)에 도시된 바와 같이, 앞서 설명한 감지부(30)는 은 나노입자(30a)에 의해 박막 형태로 형성된다. 그러나 본 실시 예에 따른 감지부(30)는 도 4의 (b)와 같이, 크랙(31)을 구비할 수 있다. 여기서, 크랙(31)은 의도적인 사전 변형을 가하여, 나노크기로 형성될 수 있다. 다만, 크랙(31)의 형성방법 및 크기가 특별히 한정되어야 하는 것은 아니다.
감지부(30)에 크랙(31)이 형성되는 경우, 저항의 약간 증가하긴 하지만, 더욱 중요한 점은 변형에 따른 감지부(30)의 저항 변화가 크게 증가한다는 것이다. 즉, 크랙(31) 형성은 게이지 팩터를 증가시키는 방식으로 활용된다.
유기 리간드의 종류에 따라서는 크랙(31) 형성 후 게이지 팩터가 15 배 정도까지 상승하는바, 안정적이고 고성능의 스트레인 게이지를 제공할 수 있다.
한편, 크랙(31) 형성을 위한 사전 변형에 전극부(20)가 영향을 받지 않아야 하는데, 유기 리간드로 치환된 은 나노입자 박막은 리간드 상호 간에 약한 에너지로 결합되는 반면, 무기 리간드로 치환된 은 나노입자 박막은 나노입자가 완전 소결되고 큰 단면적으로 서로 물리적 결합되어 강력한 결합에너지를 발생시키는바, 무기 리간드 처리된 전극부(20)에는 사전 변형으로 인한 크랙(31)이 형성되기 어렵다. 따라서, 감지부(30)에만 선택적으로 크랙(31)을 형성하여 감도를 높이고, 전극의 안정성은 그대로 유지할 수 있다.
이상 본 발명의 제1 실시 예에 따른 스트레인 게이지를 설명하였는데, 이는 단일 센서 구조에 관한 것이고, 센서 성능을 향상시키며 더 많은 분야에 응용될 수 있도록 멀티 어레이 센서 구조로도 본 발명의 스트레인 게이지를 구성할 수 있는 바, 이하에서 이에 대해 설명한다.
도 5는 본 발명의 제2 실시 예에 따른 스트레인 게이지를 도시한 사시도이다.
도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제2 실시 예에 따른 스트레인 게이지는 기판(100), 전극부(200), 및 감지부(300)를 포함하는데, 여기서 전극부(200)는 기판(100)의 폭 방향을 따라 배치되는 전도성의 로우 라인(211), 및 로우 라인(211)의 일측으로부터 빗살 형태로 연장되는 다수의 제1 전극(213)을 각각 포함하고, 기판(100)의 길이 방향을 따라 다수의 열 (row) 을 이루며 배치되는 다수의 하부전극(210), 기판(100)의 길이 방향을 따라 배치되는 전도성의 컬럼 라인(231), 및 컬럼 라인(231)의 일측으로부터 빗살 형태로 연장된 다수의 제2 전극(233)을 각각 포함하고, 로우 라인(211)에 컬럼 라인(231)이 교차되면서 제1 전극(213)과 제2 전극(233)이 일대일로 대응되도록 기판(100)의 폭 방향을 따라 다수의 행 (colum) 을 이루며 배치되는 다수의 상부전극(230), 및 교차되는 로우 라인(211)과 컬럼 라인(231) 사이에 배치되는 절연층(250)을 포함하고,
감지부(300)는 다수 개로, 일대일로 대응되는 제1 전극(213)과 제2 전극(233)을 서로 연결하여, 멀티 셀 어레이를 구성한다.
기판(100)은 상기 제1 실시 예에서 설명한 기판(100)과 동일한 바, 자세한 설명은 생략한다.
본 실시 예에서, 전극부(200)는 다수의 하부전극(210), 및 다수의 상부전극(230)을 포함한다.
도 5의 (a)와 같이, 하부전극(210)은 로우 라인(211), 및 다수의 제1 전극(213)을 포함하는데, 다수의 제1 전극(213)은 로우 라인(211)의 일측으부터 로우 라인(211)의 길이방향을 따라 서로 이격되어 빗살 형태로 각각 연장되므로, 하부전극은 전체적으로 빗 (comb) 형상으로 형성된다. 이때, 제1 전극(213)은 제1 실시 예에서와 같이, 무기 리간드로 치환된 은 나노입자 박막으로 형성된다. 로우 라인(211)의 경우에도 제1 전극(213)과 연결되어 전류가 흐르도록 전도성을 가져야 하는바, 무기 리간드로 치환된 은 나노입자로 이루어질 수 있다. 다만, 로우 라인(211)의 경우에 전도성이 있는 한, 반드시 그 소재가 이에 한정되어야 하는 것은 아니다.
이러한 하부전극(210)은 기판(100) 상에 다수 개가 배치되는데, 각각의 로우 라인(211)이 기판(100)의 폭 방향으로 배치되면서, 다수 개의 하부전극(210)이 기판(100)의 길이방향을 따라 다수의 열 (row)을 이룬다.
상부전극(230)은 컬럼 라인(231), 및 다수의 제2 전극(233)을 포함하고, 상기 하부전극(210)과 같이, 빗 형상으로 형성되도록 다수의 제2 전극(233)이 컬럼 라인(231)의 일측에 형성된다. 여기서, 제2 전극(233)은 제1 실시 예에 같이, 무기 리간드로 치환된 은 나노입자 박막으로 형성되고, 컬럼 라인(231)은 전도성을 가지도록 무기 리간드로 치환된 은 나노입자, 또는 기타 전도성 소재로 이루어질 수 있다.
상부전극(230)은 다수 개로, 기판(100) 상에서 기판(100)의 폭 방향을 따라 다수의 행 (colum)을 이루도록 배치되는데, 이때 제2 전극(233)은 제1 전극(213)과 일대일로 대응되어 서로 소정의 간격으로 이격되고, 컬럼 라인(231)은 기판(100)의 길이 방향을 따라 배치되면서 로우 라인(211)의 상부를 가로질러 로우 라인(211)과 교차된다.
여기서, 로우 라인(211) 및 컬럼 라인(231)은 대응하는 제1 전극(213)과 제2 전극(233) 사이에 전압을 걸어주는 단자 역할을 수행한다. 대응하는 제1 전극(213)과 제2 전극(233)은 후술할 감지부(300)를 통해 연결되고, 다수의 감지부(300) 중에 소정의 측정부위에 배치된 감지부(300)의 전기신호로써 그 부위의 변형을 측정하는바, 직접 그 부위에 배치되는 제1 전극(213) 및 제2 전극(233)에 전압을 인가할 필요 없이, 그 제1 전극(213)과 제2 전극(233)에 각각 연결된 로우 라인(211)과 컬럼 라인(231)에 전압을 인가할 수 있다.
한편, 교차되는 컬럼 라인(231)과 로우 라인(211) 사이에 절연층(250)이 배치되어, 컬럼 라인(231)과 로우 라인(211) 사이를 절연한다. 이는 대응하는 제1 전극(213) 및 제2 전극(233)에 전압을 인가할 때에, 컬럼 라인(231)과 로우 라인(211)이 직접 접촉하여 발생되는 전극 간 쇼트 (short circuit) 를 방지하기 위한 것이다. 여기서, 절연층(250)은 SU-8를 사용하여 형성할 수 있지만, 그 소재가 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.
본 실시 예에서, 감지부(300)는 도 5의 (b)와 같이, 다수 개로, 일대일로 대응되는 제1 전극(213)과 제2 전극(233)을 서로 연결한다. 따라서, 대면적의 기판(100) 상에 다수 개의 감지부(300)가 멀티 셀 어레이 구조로 분산 배치된다.
이러한 멀티 셀 어레이 구조의 스트레인 게이지는 웨어러블 센서 (wearable sensor), 인공 피부에 활용되어, 국소 움직임과 비틀림을 측정할 수 있고, 나아가 인간의 팔과 같은 곡선형 대상을 재구성하는 설계도구로 활용될 수 있다.
이하에서는 상술한 스트레인 게이지의 제조방법에 대해 설명한다.
도 6은 본 발명의 제1 실시 예에 따른 스트레인 게이지를 제조하는 공정도이다.
도 6에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제1 실시 예에 따른 스트레인 게이지 제조방법은 (A) 기판의 일면에, 서로 이격되도록 제1 은 나노입자를 코팅하여 박막 형태의 제1 전극 및 제2 전극을 생성하는 단계(S100), (B) 무기 리간드가 분산된 제1 용액을 제1 전극 및 제2 전극에 접촉시켜, 제1 은 나노입자의 표면 리간드가 무기 리간드로 치환된 전극부를 형성하는 단계(S200), (C) 전극부가 형성된 기판의 일면에, 일단이 제1 전극에 연결되고, 타단이 제2 전극에 연결되도록, 제2 은 나노입자를 코팅하여 박막 형태의 메탈 포일 (metal foil) 을 생성하는 단계(S300), 및 (D) 유기 리간드가 분사된 제2 용액을 메탈 포일에 접촉시켜, 제2 은 나노입자의 표면 리간드가 유기 리간드로 치환된 감지부를 형성하는 단계(S400)를 포함한다.
본 발명의 실시 예에 따른 스트레인 게이지 제조방법은 상술한 제1 실시 예에 따른 단일 스트레인 게이지를 제조하는 방법에 관한 것으로서, 아래와 같이 스트레인 게이지를 제조한다. 여기서, 제1 실시 예에서 설명한 부분과 중복되는 부분에 대해서는 기술을 생략하거나 간단하게만 서술한다.
우선, 기판의 일면에 제1 전극 및 제2 전극을 생성한다(S100). 이때, 제1 전극 및 제2 전극은 은 나노입자를 박막 형태로 코팅하되, 서로 이격 배치되도록 형성한다. 구체적으로, PET 기판이나 PI 기판 등과 같은 유연하고 절연성 있는 기판을 준비하고, 그 기판의 일면에 포토레지스터를 코팅하여, 제1 전극 및 제2 전극의 형상에 대응되도록 패터닝 후에 제1 은 나노입자를 코팅하고, 그 다음에 포토레지스터를 리프트 오프 (lift off) 하여 제거함으로써, 제1 전극 및 제2 전극을 형성한다.
여기서, 제1 은 나노입자의 코팅은 제1 은 나노입자를 유기용매에 분산시켜 스핀코팅하는 방식으로 이루어질 수 있다. 이때, 은 나노입자가 효과적으로 코팅되도록, 스핀코팅 이전에 기판의 일면에 표면 처리를 수행할 수 있다. 예를 들어, 3-머캅토프로필 트리메톡시실란 (3-Mercaptopropyl trimethoxysilane, MPTS) 과 톨루엔 용액에, 상기 기판을 침지하여 MPTS 처리를 한다. 또한, MPTS가 잘 부착되도록, MPTS 처리 이전에, 아세톤, 이소프로필알콜, 및 탈이온수에 순차적으로 기판을 세척하고, 자외선 (UV) 오존 클리닝 처리를 추가적으로 할 수도 있다.
위와 같이, 제1 전극 및 제2 전극이 생성되면, 제1 은 나노입자의 표면 리간드를 무기 리간드로 치환하여 전극부를 형성한다(S200). 여기서, 리간드 치환은 무기 리간드가 분산된 제1 용액을 은 나노입자 박막 (제1 전극 및 제2 전극)에 분사하거나, 또는 그 제1 용액에 은 나노입자 박막을 침지하여 접촉시키는 방식으로 수행한다. 예를 들어, 메탄올 또는 에탄올에 NH4Cl, tetra-n-butyl ammonium bromide (TBAB), 또는 NH4SCN 등을 용해시켜 제1 용액을 제조하고, 그 제1 용액에 은 나노입자 박막을 침지함으로써, 각각 Cl- 리간드, Br- 리간드, 또는 SCN 리간드로 치환할 수 있다. 이때, 소정의 반응시간 경과 후에, 은 나노입자 박막을 메탄올 또는 에탄올 등으로 세척할 수도 있다.
다음으로, 일단이 제1 전극에, 타단이 제2 전극에 각각 연결되는 박막 형태로, 제2 은 나노입자를 코팅하여 메탈 포일 (metal foil) 을 생성한다(S300). 여기서, 제2 은 나노입자를 유기용매에 분산시킨 후, 그 용액을 스핀코팅하는 방식으로 메탈 포일을 생성할 수 있다. 구체적으로, 기판의 일면에 포토레지스터를 코팅한 후에, 메탈 포일 형상에 대응되도록 패터닝하고, 제2 은 나노입자를 코팅한 다음, 그 포토레지스터를 리프트 오프 (lift off) 하여 제거함으로써, 메탈 포일을 생성할 수 있다.
마지막으로, 제2 은 나노입자의 표면 리간드를 유기 리간드로 치환하여 감지부를 형성한다(S400). 여기서 리간드 치환은 유기 리간드가 분산되 제2 용액을 메탈 포일에 접촉시키는 방식, 즉 제2 용액을 분사하거나, 또는 침지시키는 방식으로 이루어진다. 예를 들면, 3-mercaptopropionic acid (MPA), 또는 1,2-ethanedithiol (EDT)이 분산된 용액에 기판을 침지하고, 소정의 반응시간이 경과한 후에 꺼냄으로써, 유기 리간드 처리를 할 수 있다.
상기 공정을 통해 본 발명의 제1 실시 예에 따른 스트레인 게이지를 제조할 수 있는데, 추가적으로 감지부에 사전 변형을 가하여 크랙을 더 형성할 수도 있다.
한편, 전극부 및 감지부를 구성하는 은 나노입자는 질산염, 올레일아민 (oleylamine), 및 올레산 (oleyl acid) 을 혼합하여, 질소분위기 60 ~ 80 ℃에서 60 ~ 100 분간 가열한 후, 자연 냉각함으로써 합성할 수 있다.
이하에서는 본 발명의 제2 실시 예에 따른 스트레인 게이지의 제조방법에 대해서 설명한다. 제2 실시 예에서 이미 설명한 내용에 대해서는 서술을 생략하거나 간단하게만 기술한다.
도 7은 본 발명의 제2 실시 예에 따른 스트레인 게이지를 제조하는 공정도이다. 여기서, 기판, 하부전극, 절연층, 상부전극, 감지부 등 각각의 구성 (도면부호) 은 도 5를 참고한다.
도 7에 도시된 바와 같이, 우선 PET 등의 기판 상에 다수의 하부전극을 형성한다(S1000). 하부전극은 로우 라인의 측방으로 다수의 제1 전극이 연장된 빗 형태로 형성된다. 이러한 하부전극은, 포토리소그래피를 사용하여 은 나노입자 박막을 기판에 코팅하고, 메탄올 또는 에탄올에 NH4Cl, 또는 tetra-n-butyl ammonium bromide (TBAB) 등이 용해된 용액과 그 박막을 접촉시켜, Cl- 또는, Br- 리간드 처리된 은 나노입자 박막으로 형성된다. 이때, 하부전극은 다수 개로, 다수의 열 (row)을 짓도록 배치된다.
하부전극이 형성되면, 하부전극의 로우 라인 상에 SU-8과 같은 절연 소재를 사용해 절연층을 형성한다(S2000). 예를 들어, SU-8의 네거티브 포토레지스트를 패터닝함으로써 하부전극과 상부전극이 전기적으로 분리되도록 절연층을 형성할 수 있다. 이때, 절연층 패턴의 형태는 포토리소그래피 공정 중 노출시간을 조절하여 제어 가능한데, 노출 시간이 짧으면 절연층의 가장자리가 절벽처럼 뾰족해지고, 노출 시간이 길어지면 절연층의 가장자리가 완만한 경사를 이룬다.
한편, SU-8 필름을 절연층으로 사용하는 경우에, SU-8 필름의 가교 결합된 폴리머 표면 특성, 및 은 나노입자 박막과 SU-8 필름 간의 약한 접착으로 인해, SU-8 필름의 표면 개질 없이는 은 나노입자 박막을 형성할 수 없다. 이에, SU-8 필름 상에 APTES 처리를 수행함으로써 은 나노입자 박막과 PET 기판 사이, 그리고 은 나노입자 박막과 SU-8 사이의 접착력을 향상시킬 수 있다. APTES 이외의 다른 표면 처리 방법 중 MPTS 처리는 SU-8에 증착되지 않고, HMDS 처리는 은 나노입자 박막이 PET 기판에 형성되지 않아서, 사용이 제한적이다.
다음으로, 다수의 상부전극을 형성한다(S3000). 상부전극은 컬럼 라인의 측방으로 다수의 제2 전극이 배치된 빗 형태로 형성되는데, 포토리소그래피를 사용하여 Cl- 또는, Br- 리간드 처리된 은 나노입자 박막으로 구현될 수 있다. 이때 상부전극은 다수 개가 여러 개의 행 (column)을 이루는데, 각각의 컬럼 라인이 절연층 상에 위치하고, 제1 전극과 제2 전극이 일대일로 대응되어 마주보도록 배치된다.
이렇게 상부전극이 형성되면, 포토리소그래피를 사용하여, EDT 또는 MPA 처리된 은 나노입자 박막을 패턴화함으로써, 일대일로 대응되는 제1 전극과 제2 전극을 전기적으로 연결하는 감지부를 형성한다(S4000).
이하, 구체적인 실시 예, 및 실험예를 통해 본 발명을 설명한다.
도 8은 은 나노입자 박막의 푸리에변화 적외분광 (FTIR) 스펙트럼이고, 도 9는 은 나노입자 박막의 UV-vis 스펙트럼이며, 도 10은 은 나노입자 박막의 투과전자현미경 (TEM) 이미지이고, 도 11은 은 나노입자 박막의 전류-전압 곡선, 및 저항 변화를 나타내는 그래프이며, 도 12는 크랙이 형성된 은 나노입자 박막의 저항 변화를 나타내는 그래프이다.
실시 예 1: 은 나노입자의 합성
질산은 (1.7 g), 올레산 (45 mL), 올레일아민 (5 mL)을 삼구 플라스크에 넣고, 자기 교반으로 이들을 혼합하여 혼합용액을 만들고, 그 혼합용액을 75 ℃ 또는 1.5 시간 동안 탈기시키되, 실온 냉각 전에 그 용액 온도를 1 분당 1 ℃의 가열 속도로 180 ℃까지 올렸다. 은 나노입자는 톨루엔, 이소프로필 알콜 (IPA) 및 에탄올로 5,000 rpm에서 5 분 동안 원심 분리하여 세척하고, 톨루엔에 재분산하는데, 이러한 세척 공정은 에탄올 및 톨루엔으로 3 회 반복하고, 침전된 은 나노입자는 다양한 농도 (50 ~ 200 mg / ml)로 옥탄에 분산한다.
실시 예 2: 기판 준비
UV-vis 및 FTIR 분광법을 사용하는 경우에는 유리 기판을 이용했다. PET 기판은 스트레인 게이지 제조에 사용되었다. 모든 기판은 아세톤, 이소프로필알콜, 및 탈이온수로 세정하고, MPTS 용액에 침지되기 전에 자외선 (UV) 오존 클리닝 처리를 함으로써, 자기 조립 단층 (SAM)을 형성하고 은 나노입자와 기판 사이의 접착력을 향상시켰다.
실시 예 3: 은 나노입자 박막 제작
은 나노입자 용액을 MPTS 처리된 PET 기판 (두께 100 μm)에 1,000 ~ 5,000 rpm으로 스핀코팅하여 스트레인 게이지에 사용되는 은 나노입자 박막을 형성한다. 리간드 치환 공정은 메탄올에 NH4Cl (30 mM), TBAB (30 mM), 또는 MPA (0.05 vol %)를 분산하고, 아세토니트릴 (acetonitrile) 에 EDT (0.1 mM)를 분산한 리간드 치환 용액을 사용했다. 다양한 리간드 치환 용액 중 어느 하나에, 스핀코팅된 은 나노입자 박막을 넣고, 몇 분 후에 이를 꺼내 이들 모액으로 3 회 세척하여, 최종 두께가 약 300-500 nm인 샘플을 제작하였다. 이렇게 제작된 각각의 샘플은 아래 [표 1]과 같다.
샘플 1 Ag-MPA MPA 처리된 은 나노입자 박막
샘플 2 Ag-EDT EDT 처리된 은 나노입자 박막
샘플 3 Ag-Cl Cl- 처리된 은 나노입자 박막
샘플 4 Ag-Br Br- 처리된 은 나노입자 박막
실시 예 4: 단일 스트레인 게이지 제작
스트레인 게이지는 일반적인 포토리소그래피 공정으로 제조하였다. 이때, 전극부와 감지부는 서로 다른 리간드가 결합되는 2 단계 공정을 거쳐 제작되었다. 제1 포토리소그래피 공정에서는, 포토레지스트 (GXR 601)를 자외선 오존 처리된 PET 기판 상에 1,000 rpm의 속도로 스핀코팅하였고, 포토레지스트의 소프트 베이킹은 핫 플레이트에서 110 ℃에서 120 초 동안 이루어졌다. Karl Suss Mark Aligner MJB 3 장치를 사용하여 7 초 동안 노출시키고, 전극을 금속 마스크를 통해 패터닝하였다. 노광된 기판은 MIF 300K 현상액으로 60 초 동안 현상하고 탈이온수로 세척하였다. 현상 후에, 전극 물질로 은 나노입자 (200 mg / mL) 용액을 1,000 rpm으로 스핀코팅 하였다. 잔류하는 포토레지스트는 아세톤으로 제거하였다 (리프트 오프 공정). 리간드 치환은 메탄올에 NH4Cl (30 mM), 및 TBAB (30 mM)가 각각 분산된 리간드 치환 용액을 사용하여 수행하였고, 각각의 샘플은 메탄올로 세척하였다. 감지부를 생성하기 위해서, 제2 포토 리소그래피 공정이 수행되었는데, 여기서 포토레지스트 코팅, 소프트 베이킹, 노광 및 현상 공정은 앞선 방식과 동일하게 수행되었다. 여기서 은 나노입자 용액 (50mg / mL)을 다양한 회전 속도 (1,000 ~ 5,000rpm)로 스핀코팅하여 막 두께를 조절하였고, MPA (0.05 부피 %) 및 EDT (0.1 mM) 용액 각각으로 리간드를 치환하고 세척 과정을 거쳐 스트레인 게이지의 제작을 완료하였다.
실시 예 5: 멀티 에레이 스트레인 게이지 제작
멀티 어레이 구조의 스트레인 게이지는 다단계 포토리소그래피로 제작하였다. 먼저, 은 나노입자 및 무기 리간드를 사용하여 포토리소그래피로 하부전극을 제조한다 (제1 단계). 제2 단계에서는 SU-8 (MicroChem) 을 3000 rpm으로 60 초 동안 스핀코팅하여 절연층을 형성하고, 65 ℃에서 120 초, 95 ℃에서 300 초 동안 가열하였다. 이후에 가열장치를 50 초간 노광하고 SU-8 현상액을 사용하여 180 초 동안 현상하였다. 상부전극을 형성하기 위해서, GXR 601 포토레지스트를 스핀코팅한 후, 자외선 오존 처리를 300 초 동안 수행하고 3-aminopropyl triethoxysilane (APTES, 이온수 내 5 vol%)을 스핀코팅한 다음, 은 나노입자 및 무기 리간드를 사용하였다. 마지막으로는 포토리소그래피로 은 나노입자 및 유기 리간드를 사용하여 감지층을 형성함으로써, 멀티 어레이 구조의 스트레인 게이지를 완성했다.
실험예 1: 푸리에변화 적외분광 (FTIR) 분석
도 8에서는 은 나노입자 박막의 리간드 치환 여부를 확인하기 위해서, FTIR 분석을 시행하였다. 분석 결과, 리간드 치환 전 2850 ~ 3000 ㎝-1 주변에서의 CH 스트레칭 (stretching) 진동의 강도가 실시 예 3의 모든 샘플에서 상당히 감소하였다 (샘플 1은 퍼플 (purple), 샘플 2는 그린 (green), 샘플 3은 레드 (red), 샘플 4는 블루 (blue)로 표시함). 이는 원래의 리간드가 성공적으로 제거되고 새로운 리간드로 치환되었음을 나타낸다.
실험예 2: UV-vis 스펙트럼 분석
도 9에서는 은 나노입자 박막의 광학 특성을 알아보기 위해서, UV-vis 스펙트럼을 조사했다. 그 결과, 리간드 치환 이전의 은 나노입자 박막은 은 나노입자의 국소 표면 플라즈몬 공명 (LSPR)에 대응하는 435 nm 부근에서 피크를 나타내었으나, 실시 예 3의 샘플 1은 549 nm, 샘플 2는 603 nm, 샘플 3은 449 nm, 샘플 4는 538 nm 부근에서 피크를 나타내고, 그 강도는 크게 감소하였다 (샘플 1은 퍼플 (purple), 샘플 2는 그린 (green), 샘플 3은 레드 (red), 샘플 4는 블루 (blue)). 이로써, 리간드 치환 후에 은 나노입자 간 거리가 감소됨을 확인했다.
실험예 3: 투과전자현미경 (TEM) 분석
도 10에서는 리간드 치환된 은 나노입자 박막의 구조적 성질을 조사하고자 TEM 이미지를 분석하였다. 그 결과를 보면, 실시 예 3의 샘플 2는 입자 간 거리가 3.2 ± 0.8 nm에서 1 nm 미만으로 현저히 감소했고 (도 10의 (a) 참조), 샘플 1도 이와 유사한 거동을 나타냈다. 샘플 3 및 샘플 4의 경우에는 입자의 크기가 커졌는바 (샘플 4는 도 10의 (b) 참조), 이를 통해 작은 크기의 은 나노입자가 결합되어 더 큰 크기의 입자로 성장하고, 이때 입자 간 거리가 크게 줄어든다는 사실을 알 수 있다.
실험예 4: 비저항 측정
리간드 치환된 은 나노입자 박막의 전기적 특성을 관찰하기 위해서, 실시 예 3의 샘플들에 대해서 4 및 2 프로브 측정을 수행했고, 그 결과는 하기 [표 2] 와 같다.
샘플 비저항 (Ω·㎝)
샘플 1 13.6 ± 4.6
샘플 2 0.9 ± 1.1
샘플 3 5.7 ± 2.1 × 10-5
샘플 4 2.9 ± 1.3 × 10-5
따라서, 은 나노입자 박막은 입자 간 거리가 길어서 그 절연 저항이 기기 측정 수준을 초과하여 상당히 절연적이지만, 리간드 치환을 통해서 은 나노입자 박막의 비저항을 상당히 감소시킬 수 있음을 확인했다.
실시 예 5: 굽힘 테스트
도 11에서는 은 나노입자 박막의 변형과 저항의 관계를 알아보기 위해서, 실시 예 3의 샘플을 대상으로 굽힘 테스트를 진행했다. 그 결과, 저항은 굽힘 시에 증가했고 (도 11의 (a) 참조, 샘플 1에 변형이 가해지지 않은 경우에는 블랙 (black), 0.5 %의 변형이 가해진 경우에는 레드 (red)), 변형 (strain) 이 증가함에 따라 저항 변화도 증가했다 (도 11의 (b) 참조, 샘플 1은 블랙 (black), 샘플 2는 레드 (red)).
또한, 도 11의 (c) 및 (d)와 같이, 변형이 제거될 때에는 샘플들의 증가했던 저항이 원래의 값으로 되돌아가고, 다시 변형이 가해질 때에 즉시 저항이 변했으며, 이때의 응답은 히스테리시스 (hysteresis) 가 없는 안정적이고 대칭적이었다 (샘플 1은 퍼플 (purple), 샘플 2는 그린 (green), 샘플 3은 레드 (red), 샘플 4는 블루 (blue)). 이로써, 샘플 1 및 2처럼 유기 리간드로 치환된 은 나노입자 박막이 스트레인 센서에 적용 가능한 재료임을 알 수 있다.
한편, 추가적으로 샘플 각각의 게이지 팩터를 조사하였는데, 그 결과는 하기 [표 3]과 같다.
샘플 게이지 팩터 (Gauge factor)
샘플 1 23 ± 15
샘플 2 12 ± 8
샘플 3 1 ± 0.4
샘플 4 1.8 ± 0.5
샘플 3 및 4와 같은 무기 리간드 처리된 은 나노입자 박막의 경우에는 PET 소성 변형을 유도하는 6.6 % 변형의 극한 굽힘 테스트에서도 19 % 미만의 저항 변화를 나타내고, 이때 게이지 팩터는 2.9였다. 참고로, 전자빔 증착법으로 제조된 은 박막에 변형을 가하여 저항을 측정하면, 5 %에 변형까지는 안정적이지만, 6.6 %의 변형에서는 70 % 정도의 큰 저항 변화를 보였고, 게이지 팩터가 10.6에 이르렀다. 따라서, 무기 리간드 처리된 은 나노입자 박막이 진공 증착된 은 박막에 비해 전자 기계적으로 훨씬 안정하다는 것을 알 수 있다.
반면, 샘플 1 및 2의 경우는 8000 % 이상의 비가역 저항 변화를 보였다.
실험예 6: 나노크랙 분석
도 12에서는 크랙이 스트레인 게이지에 미치는 영향을 평가하기 위해서, 크랙을 형성하고 저항 변화를 측정하였다. 2 %의 사전 변형을 가하면 나노크랙 (nanocrack) 을 형성할 수 있는데, 여기서는 2 %의 사전 변형을 10회 적용하여 나노크랙을 성공적으로 형성하였다 (도 12의 (a) 참조). 이러한 방식으로 샘플 1에 크랙을 형성하고, 게이지 팩터를 측정한 결과, 도 12의 (b)와 같이, 게이지 팩터가 20에서 300으로 증가하였다 (크랙 형성 전은 레드 (red), 크랙 형성 후는 블랙 (black)).
또한, 크랙이 형성된 샘플 1에 100회 이상의 변형을 가할 때에도, 즉각적이고 안정적인 저항 변화가 나타났다 (도 12의 (c) 참조). 나아가 서서히 적용되고 제거되는 변형에 대해서도 대칭적이고 히스테리시스를 무시할 수 있는 신뢰성 있는 응답을 나타냈다 (도 12의 (d) 참조). 따라서, 유기 리간드 치환된 은 나노입자 박막은 스트레인 게이지의 감지부에 적용되어 고감도 스트레인 게이지를 제공할 수 있다.
참고로, 2 % 사전 변형된 샘플의 게이지 팩터는 하기 [표 4]와 같다.
샘플 2 % 사전 변형
샘플 1 274 ± 33
샘플 2 60 ± 20.9
샘플 3 1.2 ± 0.5
샘플 4 1.4 ± 0.3
한편, 도 12의 (e)에서, 샘플 3 및 4에 대하여 유사한 사전 변형 테스트를 수행한 결과, 6.6 %의 극한 변형이 가해져도 크랙이 관찰되지 않았고, 그 게이지 팩터는 여전히 3 미만이었다. 진공 증착된 은 박막과 상업적으로 이용되는 은 페이스트의 경우 6.6 %의 변형 하에서 10.6 및 50의 게이지 팩터를 보이는 것과 비교하면, 무기 리간드 치환된 은 나노입자 박막은 상당히 안정적인 것으로 평가된다.
종합적으로, 본 발명에 따르면, 귀금속 기반의 나노입자 대신에 상대적으로 저렴한 은 나노입자를 사용하고, 나노입자의 표면 리간드를 무기/유기 리간드로 치환하여 기계적·전기적 특성이 서로 다른 전극부와 감지부를 형성함으로써, 재료 비용을 낮추고 단일 재료에 따른 간단한 공정으로 스트레인 게이지를 제조할 수 있다.
또한, 은 나노입자의 합성부터 스트레인 게이지 완성에 이르는 공정이 상압에서, 저온 용액 공정으로 진행되므로, 제조 비용의 절감뿐만 아니라 대량 생산이 용이하고, 나아가 감지부에 인위적으로 크랙을 형성함으로써, 센서 감지도를 향상시키고, 멀티 어레이 센서를 구성하여 웨어러블 센서 또는 전자 피부 등과 같은 다양한 분야에 본 발명이 응용될 수 있다.
이상 본 발명을 구체적인 실시 예를 통하여 상세히 설명하였으나, 이는 본 발명을 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명은 이에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상 내에서 당 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 그 변형이나 개량이 가능함이 명백하다.
본 발명의 단순한 변형 내지 변경은 모두 본 발명의 영역에 속한 것으로 본 발명의 구체적인 보호 범위는 첨부된 특허청구범위에 의하여 명확해질 것이다.
1: 절연기판 3: 금속 저항선
5: 리드선 10, 100: 기판
20, 200: 전극부 21, 213: 제1 전극
23, 233: 제2 전극 30, 300: 감지부
31: 크랙 210: 하부전극
211: 로우 라인 230: 상부전극
231: 컬럼 라인 250: 절연층

Claims (11)

  1. 유연한 절연성 기판;
    상기 기판의 일면에, 서로 이격 배치되는 박막 형태의 제1 전극 및 제2 전극을 포함하되, 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극은 표면 리간드가 무기 리간드로 치환된 제1 은 나노입자 (Ag nanoparticle) 로 이루어진 전극부; 및
    표면 리간드가 유기 리간드로 치환된 제2 은 나노입자로 이루어지고, 상기 기판의 일면에, 일단은 상기 제1 전극에, 타단은 상기 제2 전극에 연결되는 박막 형태로 형성되어, 변형 (strain) 에 의해 전기저항이 변하는 감지부;
    를 포함하는 스트레인 게이지.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 무기 리간드는
    NH4Cl, tetra-n-butyl ammonium bromide (TBAB), 및 NH4SCN 으로 구성된 군 중에서 선택되는 적어도 어느 하나 이상인 스트레인 게이지.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 유기 리간드는
    3-mercaptopropionic acid (MPA), 및 1,2-ethanedithiol (EDT) 으로 구성된 군 중에서 선택되는 적어도 어느 하나 이상인 스트레인 게이지.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 감지부에 크랙 (crack) 이 형성되는 스트레인 게이지.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 전극부는
    상기 기판의 폭 방향을 따라 배치되는 전도성의 로우 라인, 및 상기 로우 라인의 일측으로부터 빗살 형태로 연장되는 다수의 상기 제1 전극을 각각 포함하고, 상기 기판의 길이 방향을 따라 다수의 열 (row) 을 이루며 배치되는 다수의 하부전극; 및
    상기 기판의 길이 방향을 따라 배치되는 전도성의 컬럼 라인, 및 상기 컬럼 라인의 일측으로부터 빗살 형태로 연장된 다수의 상기 제2 전극을 각각 포함하고, 상기 로우 라인에 상기 컬럼 라인이 교차되면서 상기 제1 전극과 상기 제2 전극이 일대일로 대응되도록 상기 기판의 폭 방향을 따라 다수의 행 (colum) 을 이루며 배치되는 다수의 상부전극;을 포함하고,
    교차되는 상기 로우 라인과 상기 컬럼 라인 사이에 배치되는 절연층;
    을 더 포함하며,
    상기 감지부는 다수 개로, 일대일로 대응되는 상기 제1 전극과 상기 제2 전극을 서로 연결하여, 멀티 셀 어레이를 구성하는 스트레인 게이지.
  6. (A) 기판의 일면에, 서로 이격되도록 제1 은 나노입자를 코팅하여 박막 형태의 제1 전극 및 제2 전극을 생성하는 단계;
    (B) 무기 리간드가 분산된 제1 용액을 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극에 접촉시켜, 상기 제1 은 나노입자의 표면 리간드가 상기 무기 리간드로 치환된 전극부를 형성하는 단계;
    (C) 상기 전극부가 형성된 상기 기판의 일면에, 일단이 상기 제1 전극에 연결되고, 타단이 상기 제2 전극에 연결되도록, 제2 은 나노입자를 코팅하여 박막 형태의 메탈 포일 (metal foil) 을 생성하는 단계; 및
    (D) 유기 리간드가 분산된 제2 용액을 상기 메탈 포일에 접촉시켜, 상기 제2 은 나노입자의 표면 리간드가 상기 유기 리간드로 치환된 감지부를 형성하는 단계;
    를 포함하는 스트레인 게이지 제조방법.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 (A) 단계는
    상기 기판의 일면에 포토레지스터를 코팅하는 단계;
    상기 제1 전극 및 상기 제2 전극의 형상에 대응되도록, 코팅된 상기 포토레지스터를 패터닝하는 단계;
    패터닝된 상기 포토레지스터 상에 상기 제1 은 나노입자를 코팅하는 단계: 및
    상기 포토레지스터를 리프트 오프 (lift off) 하는 단계;
    를 포함하는 스트레인 게이지 제조방법.
  8. 청구항 6에 있어서,
    상기 (A) 단계에서, 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극은 상기 제1 은 나노입자를 유기용매에 분산시킨 후, 스핀코팅하여 생성되고,
    상기 (C) 단계에서, 상기 메탈 포일은 상기 제2 은 나노입자를 유기용매에 분산시킨 후, 스핀코팅하여 생성되는 스트레인 게이지 제조방법.
  9. 청구항 6에 있어서,
    상기 (C) 단계는
    상기 전극부가 형성된 상기 기판의 일면에 포토레지스터를 코팅하는 단계;
    상기 메탈 포일 형상에 대응되도록, 코팅된 상기 포토레지스터를 패터닝하는 단계;
    패터닝된 상기 포토레지스터 상에 상기 제2 은 나노입자를 코팅하는 단계; 및
    상기 포토레지스터를 리프트 오프하는 단계;
    를 포함하는 스트레인 게이지 제조방법.
  10. 청구항 6에 있어서,
    상기 제1 은 나노입자 및 상기 제2 은 나노입자는
    질산염, 올레일아민 (oleylamine), 및 올레산 (oleyl acid) 을 혼합하여, 질소분위기 60 ~ 80 ℃에서 80 ~ 100 분간 가열한 후, 자연 냉각하여 생성되는 스트레인 게이지 제조방법.
  11. 청구항 6에 있어서,
    사전 변형을 가하여, 상기 감지부에 크랙을 형성시키는 단계;
    를 더 포함하는 스트레인 게이지 제조방법.
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