KR20190010162A - 유연 전기 소자 및 이를 포함하는 압력 및 온도 측정 센서 - Google Patents
유연 전기 소자 및 이를 포함하는 압력 및 온도 측정 센서 Download PDFInfo
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Abstract
본 발명은 연성기판; 상기 연성 기판 상에 형성된 마이크로 구조체; 상기 마이크로 구조체 상에 형성된 전도성층; 상기 전도성층 상부에 위치한 상대전극; 및 상기 상대전극 상부에 위치하고, 전도성 패턴이 상부에 형성된 고분자 필름;을 포함하는 유연 전기 소자 및 이를 포함하는 압력 및 온도 측정 센서에 관한 것이다.
Description
본 발명은 유연 전기 소자 및 이를 포함하는 압력 및 온도 측정 센서에 관한 것이다.
최근 생체 모니터링 시스템, 로봇피부, 햅틱 디스플레이 등 다양한 분야에 응용될 수 있는 압력 센서, 온도 센서 등과 같은 전자피부용 센서에 대한 다양한 기술들이 보고되고 있다.
압력 센서는 감성형 전자기기, 휴머노이드 로봇 뿐만 아니라 신체 활동 및 규칙적인 스포츠 활동을 관리해주는 센서 시스템으로도 적용될 수 있다.
그러나 이런 종래의 기술들은 대부분 압력감지에 대한 민감도 향상에 집중되어 왔다. 이와 같은 높은 민감도를 가지는 센서들은 대부분 금속이나 무기물을 주로 이용하여 제작되어 왔다. 금속이나 무기물과 같은 재료를 이용한 센서들은 유연성이 낮음에 따라 응용분야가 제한적이다. 대한민국 등록특허 제10-0088122호에서, 압력 센서들은 기계장치 등의 압력 감지용으로는 활용할 수 있지만, 전고가 높고 딱딱한 소재의 하우징에 전극이나 다이아프램 등의 부품들이 내장된 구조이므로 의복, 침구 등과 같이 인체에 착용하거나 인체가 접촉되는 물품에 적용할 수 없는 한계점이 있었다.
온도 센서는 기초대사량, 신체 활동 대사량, 식사에 의한 열 발생 등의 온도 변화를 감지하는 것으로, 예를 들어, 음식물을 섭취하면 공복상태보다 발생되는 열이 증가함에 따라 신체의 발열량을 측정하여 건강 상태에 적합한 식단 등을 조절하는데 사용될 수 있다.
이에 대하여, 대한민국 공개특허 제10-2017-0022804호에 온도 센서가 개시되어 있고, 이는 피부의 온도를 감지하는 부분의 면적이 대면적이어야 온도를 감지할 수 있어 국소부위에 따른 온도 차이를 감지하기 어렵고, 유연성이 없어 피부의 곡선에 적용되지 못해 웨어러블 소자 등에 적용이 어려운 문제점이 있었다.
이러한 웨어러블 센서 시스템이 구축하기 위해서는 센서 기본 유닛 부분의 휘어짐 및 복원력이 우수하고, 기계적 유연성 및 안정성이 뛰어난 센서의 개발이 요구된다.
또한, 종래의 전자피부용 센서는 실제 인체구조와 달리 압력, 온도 등 각각을 감지할 수 있었지만 이를 통합적으로 감지하지 못하여, 각종 센서들을 각각 개별적으로 설치하여야 하는 단점이 있었다.
따라서 휴머노이드형 기반 로봇, 스마트 자동차, 항공 응용, 시뮬레이션, 공정 제어, 인간 친화형 IT, 지문 인식 시스템, 바이오 모니터링 스마트 센서 등 여러 분야에서 적용 또는 응용될 수 있는 전기적 특성이 우수하면서도 기계적 유연성 및 안정성이 뛰어나고, 압력 및 온도를 동시에 감지할 수 있는 전자 피부용 센서의 개발이 요구된다.
또한, 종래의 전자피부용 센서 중 특히, 온도센서는 저항 및 정전용량 변화 방식의 센서를 이용함에 따라 미세한 온도 변화에 대한 감도가 낮아 높은 출력을 얻지 못하는 문제점이 있었다.
이에 유연성 및 안정성이 우수할 뿐만 아니라 미세한 온도 변화에 따라 고감도 성능을 가져 높은 출력으로 압력 및 온도를 동시에 감지할 수 있는 전자 피부용 센서의 개발이 요구된다.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 본 발명은 열전 방식을 이용하여 온도를 측정할 수 있는 유연 전기 소자를 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 상이한 2종의 열전 물질을 접합면이 형성되도록 전도성 패턴을 형성함에 따라 높은 감도로 높은 출력을 갖는 유연 전기 소자를 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 압력과 온도를 동시에 감지가 가능한 이중모드 센서를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명에 따른 유연 전기 소자는 일 양태에 따라 연성기판;
상기 연성 기판 상에 형성된 마이크로 구조체;
상기 마이크로 구조체 상에 형성된 전도성층;
상기 전도성층 상부에 위치한 상대전극; 및
상기 상대전극 상부에 위치하고, 전도성 패턴이 상부에 형성된 고분자 필름;을 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 유연 전기 소자는 일 양태에 따라 상기 전도성 패턴은 상이한 2종의 열전물질을 복수의 접합점을 갖는 패턴으로 형성된 것일 수 있다.
본 발명에 따른 유연 전기 소자는 일 양태에 따라 상기 전도성 패턴은 제 1열전물질을 포함하는 제 1열전물질 코팅면 상부의 소정 영역에 제 2열전물질을 포함하는 제 2열전물질 코팅면이 접합된 것일 수 있다.
본 발명에 따른 유연 전기 소자는 일 양태에 따라 상기 제 1열전물질과 제 2열전물질의 일함수 차이가 0.2eV이상일 수 있다.
본 발명에 따른 유연 전기 소자는 일 양태에 따라 상기 제 1열전물질과 제 2열전물질은 각각 전도성 고분자, 금속 물질 및 탄소 물질에서 선택되는 어느 하나이고, 서로 상이한 물질일 수 있다.
본 발명에 따른 유연 전기 소자는 일 양태에 따라 상기 마이크로 구조체는 피라미드형, 반구형 및 원뿔형에서 선택되는 형태일 수 있다.
본 발명에 따른 유연 전기 소자는 일 양태에 따라 상기 전도성층은 전도성 고분자, 압전물질 및 금속물질을 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 유연 전기 소자는 일 양태에 따라 상기 고분자 필름은 폴리이미드, 폴리에테르이미드, 폴리에테르술폰, 폴리에틸렌테레프탈레이트, 폴리부틸렌테레프탈레이트 및 폴리에틸렌나프탈레이트에서 선택되는 어느 하나 또는 둘 이상의 혼합물을 포함하는 것일 수 있다.
본 발명에 따른 유연 전기 소자의 제조방법은 일 양태에 따라 a) 연성기판 상에 마이크로 구조체를 형성하는 단계;
b) 상기 마이크로 구조체 상에 전도성층을 코팅하는 단계;
c) 상기 전도성층 상부에 상대전극을 위치시키는 단계; 및
d) 고분자 필름의 일면에 전도성 패턴을 코팅한 후 타면을 상기 상대전극과 적층시키는 단계;
를 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 유연 전기 소자의 제조방법은 일 양태에 따라 상기 전도성 패턴은 상이한 2종의 열전물질간의 복수의 접합점이 형성되도록 코팅하는 것일 수 있다.
본 발명에 따른 유연 전기 소자의 제조방법은 일 양태에 따라 상기 전도성 패턴은 제 1열전물질을 코팅 후 제 1열전물질 패턴 상부의 소정 영역에 제 2열전물질을 접합하여 코팅하는 것일 수 있다.
본 발명은 상술한 유연 전기 소자를 포함하는 압력 및 온도 측정 센서일 수 있다.
본 발명에 따른 유연 전기 소자는 다양하고 반복적인 물리적 외력에도 전기전도도의 열화가 적고, 구성간의 접착력이 우수하여 고 신뢰성을 갖는다는 장점이 있다.
본 발명에 따른 유연 전기 소자는 상이한 2종의 열전 물질을 접합면이 형성되도록 전도성 패턴이 형성됨에 따라 열전 방식이 적용가능하여 높은 감도로 높은 출력을 갖는다는 장점이 있다.
본 발명에 따른 유연 전기 소자는 박막화 및 소형화되어 전자 피부를 구현하기 위한 작은 셀 제조가 가능하고, 작은 셀의 면적에서도 노이즈 없이 압력 또는 온도에 대해서 전기적인 시그널을 감지할 수 있다는 장점이 있다.
본 발명에 따른 유연 전기 소자는 피부의 국소적인 부위도 감지할 수 있고, 압력과 온도를 동시에 감지 가능하다는 장점이 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 유연 전기 소자의 모식도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 유연 전기 소자의 단면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 유연 전기 소지의 열전물질 코팅방법을 나타낸 것이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 유연 전기 소자의 온도변화에 따른 전압특성을 나타낸 것이다,
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 유연 전기 소자의 압력 변화를 측정한 것이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 유연 전기 소자의 압력 및 온도 변화를 측정한 것이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 유연 전기 소자의 단면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 유연 전기 소지의 열전물질 코팅방법을 나타낸 것이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 유연 전기 소자의 온도변화에 따른 전압특성을 나타낸 것이다,
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 유연 전기 소자의 압력 변화를 측정한 것이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 유연 전기 소자의 압력 및 온도 변화를 측정한 것이다.
이하 실시예를 통해 본 발명에 따른 유연 전기 소자 및 이를 포함하는 압력 및 온도 측정 센서에 대하여 더욱 상세히 설명한다. 다만 하기 실시예는 본 발명을 상세히 설명하기 위한 참조일 뿐 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니며, 여러 형태로 구현 될 수 있다.
또한 달리 정의되지 않는 한, 모든 기술적 용어 및 과학적 용어는 본 발명이 속하는 당업자 중 하나에 의해 일반적으로 이해되는 의미와 동일한 의미를 갖는다. 본원에서 설명에 사용되는 용어는 단지 특정 실시예를 효과적으로 기술하기 위함이고, 본 발명을 제한하는 것으로 의도되지 않는다.
본 발명은 유연 전기 소자 및 이를 포함하는 압력 및 온도 측정 센서에 관한 것이다.
인체의 기능을 모사하는 전자 피부를 구현하기 위해서는 전자 피부용 전기 소자를 구성하는 전도성층이 유연성을 갖고, 구부림, 늘림 및 눌림 등과 같은 물리적 외력에도 열전도도 및 전기전도도의 열화가 작아야 한다.
기존의 전자 피부를 구현하기 위한 전기 소자는 대부분 금속과 무기물을 주로 이용하여 제작되었다. 이와 같이 금속과 무기물을 사용할 경우 유연성이 낮음에 따라 적용분야에 제한되는 문제점이 있었다.
이에 유연성을 부여하기 위하여 유기물을 금속이나 무기물과 복합화하여 전도성층으로 적용하였지만, 이는 전도성층이 균일하게 형성되지 않으며, 반복적인 물리적 외력에 열화되어 높은 저항 값을 나타내며, 열전도도 및 전기전도도가 현저하게 감소되어 유연 전기 소자로써 낮은 신뢰성을 가졌다.
또한, 기존의 온도측정을 위한 전기 소자는 저항 및 정전용량 변화 방식을 통하여 온도 정보를 감지하였으나, 이와 같은 방식은 미세한 온도 변화에 대한 감도가 낮아 높은 출력을 얻지 못하는 문제점이 있었다.
이에 본 발명에서는 유연성을 갖는 유연 전기 소자를 제공함에 따라 외부의 반복적은 물리적 외력에도 열전도도 및 전기전도도를 유지할 수 있는 압력 및 온도를 동시에 측정할 수 있는 유연한 이중모드 센서를 제공하고자 한다. 이와 동시에 열전 방식을 통하여 온도 정보를 감지함에 따라 고감도 및 고출력을 구현할 수 있는 온도 센서를 제공하고자 한다.
본 발명을 구체적으로 설명하면,
본 발명에 따른 유연 전기 소자는 일 양태에 따라 연성기판; 상기 연성 기판 상에 형성된 마이크로 구조체; 상기 마이크로 구조체 상에 형성된 전도성층; 상기 전도성층 상부에 위치한 상대전극; 및 상기 상대전극 상부에 위치하고, 전도성 패턴이 상부에 형성된 고분자 필름;을 포함할 수 있다.
구체적으로는 본 발명의 유연 전기 소자는 도 1에 도시된 바와 같이 연성기판; 상기 연성 기판 상에 형성된 마이크로 구조체; 상기 마이크로 구조체 상에 형성된 전도성층; 상기 전도성층 상부에 위치한 상대전극을 포함하고, 하부에 위치하는 압력 측정이 가능한 유연 전기 소자를 포함할 수 있다. 이와 동시에 상대전극; 및 상기 상대전극 상부에 위치하고, 전도성 패턴이 상부에 형성된 고분자 필름;을 포함하고, 상부에 위치하는 온도 측정이 가능한 유연 전기 소자를 모두 포함하는 것으로 압력 및 온도 측정을 동시에 할 수 있다. 이때는 상대전극을 기준으로 하부 및 상부로 나뉘는 것이며, 공동으로 상대전극을 함께 사용하는 것이지 각각 상대전극을 갖는 것은 아니다.
또한, 상기와 같이 본 발명에서 유연 전기 소자의 하부는 압력측정을 위하여 저항 및 정전용량 변화 방식을 통하여 압력측정이 가능하고, 상부는 온도측정에서 종래에서는 저항 및 정전용량 변화 방식이 사용된 것과 달리 열전 방식을 통하여 온도측정이 가능하다.
따라서 본 발명의 유연 전기 소자는 압력 및 온도를 동시에 감지할 수 있고, 온도 측정되는 센서의 경우 고감도 및 고출력을 갖고, 열전 방식을 통하여 도 5에 도시된 바와 같이 온도차이에 의하여 전압이 생성되고, 이에 따른 온도를 측정하여 이를 감지할 수 있다. 이에 전력소모가 거의 없어 IoT(Internet of Thing) 시대에 알맞은 초 저전력 소자로 제공될 수 있다.
본 발명의 일 양태에 따라 상기 연성 기판은 마이크로 구조체가 형성되기 위한 기판으로 유연성을 갖는 것이 바람직하다. 구체적인 예를 들어, 폴리이미드, 폴리에테르이미드, 폴리에테르술폰, 폴리에틸렌테레프탈레이트, 폴리부틸렌테레프탈레이트, 폴리에틸렌나프탈레이트, 폴리카보네이트 및 나노셀룰로오스 등에서 선택되는 어느 하나 또는 둘 이상일 수 있다. 상기 연성 기판의 두께는 유연성을 가지면서도, 기계적 안정성을 유지할 수 있을 정도라면 특별히 한정하진 않으나, 예를 들면 1 내지 500 ㎛, 바람직하게는 50 내지 400 ㎛, 더욱 바람직하게는 100 내지 400 ㎛일 수 있으며, 반드시 이에 제한되는 것은 아니다.
본 발명의 유연 전기 소자의 일 양태에 따라 상기 마이크로 구조체는 연성 기판 상에 형성되며, 마이크로 구조체의 형태는 상대 전극을 통하여 압력을 가하기 전과 압력을 가한 후 접촉 면적의 변화가 큰 피라미드형, 반구형 및 원뿔형에서 선택되는 형태일 수 있다. 바람직하게는 피라미드형의 마이크로 구조체일 수 있다.
구체적으로는 상기 마이크로 구조체는 피라미드형, 반구형 및 원뿔형에서 선택되는 형상을 가지는 복수 개의 마이크로 구조체들이 연성 기판 상에 형성되어 있다.
본 발명의 일 양태에 따라 상기 마이크로 구조체는 폭 1 내지 50㎛, 높이 1 내지 50㎛일 수 있다. 바람직하게는 폭 5 내지 50㎛, 높이 5 내지 50㎛일 수 있다. 상기와 같은 폭과 높이를 갖는 마이크로 구조체의 경우 외부에서 가해지는 물리적 외력에 대한 민감도가 우수하여 미세한 외력에도 반응하여 센서가 감지되기 때문에 정확도와 신뢰도를 향상시킬 수 있어 바람직하다.
본 발명의 일 양태에 따라 상기 마이크로 구조체는 외부의 물리적 외력에 변화가 가능한 실리콘계 고무 또는 폴리우레탄 등에서 선택되는 어느 하나 또는 둘 이상의 혼합물을 포함하여 제조될 수 있다. 바람직하게는 폴리디메틸실록산을 포함하여 제조될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본 발명의 유연 전기 소자는 일 양태에 따라 상기 전도성층은 전도성 고분자, 압전물질 및 금속물질을 포함할 수 있다. 바람직하게는 우수한 유연성 및 물리적 열화에 내구성이 우수한 전도성 고분자 또는 금속물질 중 비정질 금속일 수 있다.
본 발명의 일 양태에 따라 상기 전도성층은 상기 마이크로 구조체 상에 형성되며, 상기 전도성층은 전도성 고분자 또는 금속물질을 포함할 수 있다. 상기 전도성 고분자는 전도성을 가지는 고분자이면 제한되는 것은 아니지만, 구체적인 예를 들어, 폴리피롤계 고분자, 폴리아닐린계 고분자, 폴리티오펜계 고분자, 폴리아세틸렌계 고분자, 폴리티에닐비닐렌계 고분자, 폴리페닐렌비닐렌계 고분자 및 폴리에틸렌디옥시티오펜계 고분자 등에서 선택되는 어느 하나 또는 이들의 혼합물일 수 있다. 바람직하게는 폴리티오펜계 고분자일 수 있으며, 더 바람직하게는 PEDOT:PSS일 수 있다. 상기 PEDOT:PSS는 PEDOT(poly(3, 4-ethylenedioxythiophene))에 폴리스티렌술폰산(PSS-, polystyrene sulfonate)를 도펀트하여 수용액상에 분산시켜 사용되는 전도성 고분자이다.
본 발명의 일 양태에 따라 상기 전도성 고분자의 중량평균분자량은 500 내지 1,000,000 g/mol고, 바람직하게는 1,000 내지 500,000 g/mol일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 상기 분자량을 가질 경우 균일한 제 1전도성층이 형성될 수 있어 바람직하다.
본 발명의 일 양태에 따라 상기 전도성 고분자는 바람직하게 폴리우레탄 분산체를 더 포함할 수 있다. 상기 폴리우레탄 분산체는 상기 전도성 고분자와 혼합하여 사용하면, 우수한 탄성에 의하여 피로파괴도가 감소되어 전기 소자에 유연성을 부여하고, 물리적 외력에 의한 열화를 감소시킬 수 있어 바람직하다. 그러나 상기 폴리우레탄 분산체는 단일성분으로 상기 마이크로 구조체 상에 프린팅 또는 코팅이 되지 않아 적용이 어려웠다.
또한, 상술한 전도성 고분자는 유연성을 가지고, 전기전도성이 우수하여 유연 전기 소자로써 우수한 특성을 나타낸다. 그러나 상기 전도성 고분자만을 전도성층으로 적용하면 물리적 외력을 가하면 면저항에 증대하여 단일로 전극에 활용이 용이하지 않았다.
이에 본 발명의 전도성층은 일 양태에 따라 전도성 고분자와 폴리우레탄 분산체를 서로 혼합하여 포함함으로써 서로간의 접착력이 우수하여 균질하게 혼합되어 시너지를 발휘함으로써 유연 전기 소자의 유연성을 확보함과 동시에 물리적 외력에 의한 열화를 감소시킬 뿐만 아니라 낮은 면저항을 확보할 수 있어 유연 전기 소자로써 외력을 가한 후에도 우수한 전기 전도도를 유지할 수 있는 고 신뢰성 유연 전기 소자를 제공할 수 있어 바람직하다.
본 발명의 일 양태에 따라 상기 전도성 고분자와 폴리우레탄 분산체의 혼합함량은 전도성 고분자 10 내지 90중량%와 폴리우레탄 분산체 10 내지 90중량%일 수 있다. 바람직하게는 전도성 고분자 15 내지 85중량%와 폴리우레탄 분산체 15 내지 85중량%일 수 있다. 더욱 바람직하게는 전도성 고분자 20 내지 80중량%와 폴리우레탄 분산체 20 내지 80중량%일 수 있다. 상기와 같은 범위로 제조될 경우 유연성을 확보함과 동시에 물리적 외력에 의한 열화를 감소시킬 뿐만 아니라 낮은 면저항을 확보할 수 있어 바람직하다.
본 발명의 일 양태에 따라 상기 압전물질은 압전 특성을 갖는 것이면 특별히 제한되는 것은 아니자만, 페로브스카이트 상 압전물질 및 이원산화물로서 우르짜이트 상 압전물질 등에서 선택되는 어느 하나 또는 둘 이상의 혼합물일 수 있다. 구체적인 예를 들어, 상기 페로브스카이트 상 압전물질은 BTO(BaTiO3), PbTiO3, PbZrO3 및 PbZrTiO3 등에서 선택될 수 있고, 상기 이원산화물로서 우르짜이트 상 압전물질은 ZnO, MgO, CdO 등에서 선택될 수 있다.
본 발명의 일 양태에 따라 상기 금속 물질은 결정질 금속 및 비정질 금속에서 선택되는 어느 하나 또는 둘 이상의 혼합물일 수 있다. 바람직하게는 유연성 및 물리적 내구성을 향상시키기 위하여 비정질 금속일 수 있다. 구체적인 예를 들어, 상기 결정질 금속은 일반적인 금속으로, 규칙적인 다결정 입자로 형성되며, 철(Fe), 루테늄(Ru), 로듐(Rh), 팔라듐(Pd), 코발트(Co), 니켈(Ni), 금(Au), 백금(Pt), 은(Ag), 망간(Mn), 아연(Zn), 구리(Cu) 및 몰리브덴(Mo) 등에서 선택되는 어느 하나 또는 둘 이상의 혼합물을 포함하는 금속 물질에서 선택될 수 있다.
본 발명의 일 양태에 따라 상기 금속물질은 입자형상으로 제공될 수 있으며, 0.1 내지 100㎚의 평균입경, 바람직하게는 0.1 내지 50㎚의 평균입경을 갖는 것일 수 있다. 상기와 같은 평균입경을 가질 경우 균일한 전도성층이 형성되고, 마이크로 구조체와의 결착력이 우수하여 바람직하다.
상기 비정질 금속은 기존에는 용융된 금속을 재결정되기 전에 급냉각을 통하여 형성된 것이나, 이와 같이 제조되는 경우 급냉각을 위한 공정이 복잡하고 어려운 문제점이 있었다. 이에 본 발명에서는 원자번호가 3족이상 차이가 나는 상이한 2종이상의 금속들을 합금함에 따라 원자크기의 차이로 인하여 비결정질 구조가 형성되도록 하였다. 상기 비정질 금속은 결정질 금속보다 전기적 특성 및 내식성이 더욱 우수하고, 탄성을 가져 유연 전기 소자에 더욱 적합하다. 상기 비정질 금속의 구체적인 예를 들어, 철(Fe), 지르코늄(Zr), 티타늄(Ti), 나이오븀(Nb), 알루미늄(Al), 바나듐(V), 탄탈럼(Ta), 루테늄(Ru), 로듐(Rh), 텅스텐(W), 팔라듐(Pd), 코발트(Co), 니켈(Ni), 하프늄(Hf), 란타늄(La), 이리듐(Ir), 이트늄(Ln), 스칸듐(Sc), 팔라듐(Pd), 마그네슘(Mg), 칼슘(Ca), 실리콘(Si), 베릴륨(Be), 금(Au), 백금(Pt), 은(Ag), 망간(Mn), 아연(Zn), 구리(Cu), 및 몰리브덴(Mo) 등에서 선택되는 둘 이상의 금속으로 합금된 것일 수 있다. 더욱 구체적인 예를 들어, FeZr, Fe-Nb-Al, La-Al-Cu, Al-Sc, ZrTiCuNiBe 및 AuSi 등에서 선택되는 어느 하나 또는 둘 이상의 혼합물일 수 있다.
본 발명의 일 양태에 따라 상기 전도성층은 10 내지 500㎚의 두께, 바람직하게는 50 내지 300㎚의 두께로 프린팅될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 상기와 같은 범위의 두께를 가질 경우 유연 전기 소자의 유연성이 유지되면서, 마이크로 구조체와의 결착력이 우수하여 층간 분리가 일어나지 않을 뿐만 아니라 반복적인 물리적 외력에도 우수한 전기전도도를 유지할 수 있어 바람직하다.
본 발명에 따른 유연 전기 소자는 일 양태에 따라 상기 전도성층 상부에 상대전극이 위치할 수 있다. 상기 상대 전극을 통하여 압력을 가함으로써 압력을 가하기 전과 압력을 가한 후의 접촉 면적 변화에 따른 저항 또는 정전용량 값을 측정하여 상기 전달받은 압력에 대한 정보를 감지할 수 있다. 더욱 구체적으로는 외부 압력이 인가되지 않는 경우에는 본 발명의 유연 전기 소자의 전도성층과 상기 상대 전극간의 접촉 면적은 작아서 두 전극 사이에 측정되는 저항이 낮은 값을 나타낸다. 그러나 외부 압력이 인가되면 마이크로 구조체들이 압박되면서 둘 간의 접촉 면적이 커지므로 두 전극 사이에 측정되는 저항이 높은 값으로 변화하는 정전용량 값을 측정하여 정보를 감지할 수 있다. 이와 같이 압력에 따른 정보를 획득할 수 있는 본 발명의 유연 전자 소자는 압력 측정 센서에 적용될 수 있다.
상술한 바에 따른 본 발명의 유연 전기 소자는 전자 피부용 전기 소자로 구축하기 위하여 제조된 것으로 센서 기본 유닛 부분의 휘어짐 및 복원력이 우수하고, 기계적 유연성 및 안정성이 뛰어나다.
이를 더욱 활용하기 위하여 본 발명에 따른 유연 전기 소자는 일 양태에 따라 상술한 상기 전도성층 상부에 상대전극을 위치시키고, 상기 상대전극 상부에 전도성 패턴이 상부에 패터닝된 고분자 필름을 더 포함하여 위치시킨 유연 전기 소자를 제공함으로써 상술한 우수한 효과가 발현될 뿐만 아니라 압력 및 온도를 동시에 감지할 수 있다.
종래의 전자피부용 전기 소자는 실제 인체구조와 달리 압력, 온도 등 각각을 감지할 수 있었지만 이를 통합적으로 감지하지 못하여, 각종 센서들을 각각 개별적으로 설치하여야 하는 단점이 있었다.
또한, 종래의 센서 중 온도 측정 센서는 저항 및 정전용량 변화 방식의 센서를 이용함에 따라 미세한 온도 변화에 대한 감도가 낮아 높은 출력을 얻지 못하는 문제점이 있었다.
이에 본 발명은 압력 및 온도를 동시에 감지할 수 있는 유연 전기 소자를 제공함으로써 반복적인 물리적 외력에도 우수한 열전도도 및 전기전도도를 유지함은 물론, 작은 셀 제조가 가능하여 작은 셀의 면적에서도 노이즈 없이 압력 및 온도에 대해서 전기적인 시그널을 감지할 수 있다. 또한, 온도 감지는 열전방식을 이용함에 따라 미세한 온도 변화에 대한 감도가 높고, 높은 출력을 얻을 수 있다. 이에 따라 본 발명에 따른 유연 전기 소자는 피부의 국소적인 부위도 감지할 수 있어 피부의 작은 각각의 셀에서 전달되는 미세한 온도변화 및 압력변화도 감지할 수 있는 정확도와 고신뢰성을 확보할 수 있다.
구체적으로 설명하면, 상기 상대전극 상부에 전도성 패턴이 상부에 패터닝된 고분자 필름을 더 포함함으로써 온도를 감지할 수 있다.
본 발명의 일 양태에 따라 상기 고분자 필름은 전기절연성을 나타내는 고분자를 포함하면 크게 제한되는 것은 아니지만, 폴리에테르이미드, 폴리에테르술폰, 폴리에틸렌테레프탈레이트, 폴리부틸렌테레프탈레이트, 폴리에틸렌나프탈레이트, 폴리카보네이트 및 나노셀룰로오스 등에서 선택되는 어느 하나 또는 둘 이상의 혼합물을 포함하는 것일 수 있다.
상기와 같은 고분자 필름을 사용함으로써 상대 전극과 전도성 패턴간의 전기적인 연결을 차단시킬 수 있다. 이에 상기 고분자 필름 상에 전도성 패턴으로 외부에서 전달되는 온도에 따라 생성되는 접압을 이용하여 온도를 측정할 수 있다.
본 발명의 일 양태에 따라 상기 전도성 패턴은 열전 방식을 통하여 온도 측정을 하기 위하여 상이한 2종의 열전물질을 복수의 접합점을 갖는 패턴으로 형성된 것일 수 있다.
본 발명의 일 양태에 따라 상기 고분자 필름 상에 형성되는 전도성 패턴은 상이한 2종의 열전물질을 각각 제 1열전물질과 제 2열전물질을 코팅하여 사용되며, 상기 제 1열전물질을 포함하는 제 1열전물질 코팅면 상부의 소정 영역에 상기 제 2열전물질을 포함하는 제 2열전물질 코팅면이 접합된 것일 수 있다. 상기와 같은 전도성 패턴은 전기적으로는 직렬로 연결될 수 있다. 구체적으로는 도 3에 도시된 바와 같이 제 1열전물질 코팅면을 형성 후 상기 제 1열전물질 코팅면 상부의 소정 영역에 제 2열전물질 코팅면이 형성됨으로써 상이한 2종의 열전물질간의 접합점이 형성될 수 있도록 패턴이 형성되는 것이다.
이와 같이 본 발명의 유연 전기 소자의 상기 전도성 패턴은 박막화된 열전물질에 의하여 우수한 온도 감지능력이 확보될 수 있고, 박막에 따라 유연성을 가짐으로 유연 전기 소자로써 적용되어도 유연성 저하에 전혀 영향을 끼치지 않으면서 우수한 열전도도 및 전기전도도를 가질 수 있어 좋다. 또한, 이와 같이 복수의 접합점이 형성됨에따라 유연 전기 소자는 피부의 국소적인 부위도 감지할 수 있어 피부의 작은 각각의 셀로 전달되는 온도변화를 감지할 수 있는 정확도와 고신뢰성을 확보할 수 있다.
상기 제 1열전물질을 포함하는 제 1열전물질 코팅면과 제 2열전물질을 포함하는 제 2열전물질 코팅면의 크기 및 형상은 유연 전기 소자의 용도를 고려하여 적절히 설계될 수 있다. 구체적인 예를 들어, 제 1열전물질 코팅면과 제 2열전물질을 포함하는 제 2열전물질 코팅면은 서로 동일 또는 상이한 형상과 크기를 가질 수 있다. 구체적으로 유연성을 훼손하지 않는 한 두께도 특별히 제한되지 않으나, 소형화 및 집적화를 위하여 각각 10 내지 500㎚의 두께, 바람직하게는 50 내지 300㎚의 두께의 코팅면일 수 있다. 상기와 같은 범위의 두께를 가질 경우 유연 전기 소자의 유연성이 유지되면서, 열전물질 간의 층간 분리가 일어나지 않을 뿐만 아니라 반복적인 물리적 외력에도 우수한 열전도도 및 전기전도도를 유지할 수 있어 바람직하다. 또한, 상기 형상은 원형, 타원형 등의 곡선을 가진 형상이거나, 삼각형, 사각형, 오각형 등의 다각형 형상일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본 발명의 일 양태에 따라 상기 제 1열전물질과 제 2열전물질은 열전도성 및 전기전도성을 가지면 특별히 제한되는 것은 아니지만, 각각 전도성 고분자, 금속 물질 및 탄소 물질에서 선택되는 어느 하나이고, 서로 상이한 물질일 수 있다. 바람직하게는 우수한 유연성을 갖고, 미세한 온도변화에도 고출력으로 전압이 형성되어 우수한 온도감지능력을 가질 수 있다. 또한, 물리적 열화에 내구성이 우수한 전도성 고분자 또는 금속물질 중 비정질 금속일 수 있다.
본 발명의 일 양태에 따라 상기 전도성 고분자는 구체적인 예를 들어, 폴리피롤계 고분자, 폴리아닐린계 고분자, 폴리티오펜계 고분자, 폴리아세틸렌계 고분자, 폴리티에닐비닐렌계 고분자, 폴리페닐렌비닐렌계 고분자 및 폴리에틸렌디옥시티오펜계 고분자에서 선택되는 어느 하나 또는 이들의 혼합물일 수 있다. 바람직하게는 폴리티오펜계 고분자일 수 있으며, 더 바람직하게는 PEDOT:PSS일 수 있다. 상기 PEDOT:PSS는 PEDOT(poly(3, 4-ethylenedioxythiophene))에 폴리스티렌술폰산(PSS-, polystyrene sulfonate)를 도펀트하여 수용액상에 분산시켜 사용되는 전도성 고분자이다.
본 발명의 일 양태에 따라 상기 금속 물질은 결정질 금속 및 비정질 금속에서 선택되는 어느 하나 또는 둘 이상의 혼합물일 수 있다. 구체적인 예를 들어, 상기 결정질 금속은 일반적인 금속으로, 규칙적인 다결정 입자로 형성되며, 철(Fe), 루테늄(Ru), 로듐(Rh), 팔라듐(Pd), 코발트(Co), 니켈(Ni), 금(Au), 백금(Pt), 은(Ag), 망간(Mn), 아연(Zn), 구리(Cu) 및 몰리브덴(Mo) 등에서 선택되는 어느 하나 또는 둘 이상의 혼합물을 포함하는 금속 물질에서 선택될 수 있다.
상기 비정질 금속은 기존에는 용융된 금속을 재결정되기 전에 급냉각을 통하여 형성된 것이나, 이와 같이 제조되는 경우 급냉각을 위한 공정이 복잡하고 어려운 문제점이 있었다. 이에 본 발명에서는 원자번호가 3족이상 차이가 나는 상이한 2종이상의 금속들을 합금함에 따라 원자크기의 차이로 인하여 비결정질 구조가 형성되도록 하였다. 상기 비정질 금속은 결정질 금속보다 전기적 특성 및 내식성이 더욱 우수하고, 탄성을 가져 유연 전기 소자에 더욱 적합하다. 상기 비정질 금속의 구체적인 예를 들어, 철(Fe), 지르코늄(Zr), 티타늄(Ti), 나이오븀(Nb), 알루미늄(Al), 바나듐(V), 탄탈럼(Ta), 루테늄(Ru), 로듐(Rh), 텅스텐(W), 팔라듐(Pd), 코발트(Co), 니켈(Ni), 하프늄(Hf), 란타늄(La), 이리듐(Ir), 이트늄(Ln), 스칸듐(Sc), 팔라듐(Pd), 마그네슘(Mg), 칼슘(Ca), 실리콘(Si), 베릴륨(Be), 금(Au), 백금(Pt), 은(Ag), 망간(Mn), 아연(Zn), 구리(Cu), 및 몰리브덴(Mo) 등에서 선택되는 둘 이상의 금속으로 합금된 것일 수 있다. 더욱 구체적인 예를 들어, FeZr, Fe-Nb-Al, La-Al-Cu, Al-Sc, ZrTiCuNiBe 및 AuSi 등에서 선택되는 어느 하나 또는 둘 이상의 혼합물일 수 있다.
본 발명의 일 양태에 따라 상기 탄소 물질은 구체적인 예를 들어, 흑연, 팽창흑연, 카본블랙, 탄소섬유, 탄소나노튜브, 그래핀, 산화그래핀, 환원된 산화그래핀 등에서 선택되는 탄소 물질일 수 있다.
본 발명의 상기 열전 방식은 열에너지와 전기에너지가 상호작용에 의해 서로 직접 변환하는 효과로, 기존의 열전 방식은 전압를 인가함으로써 온도 차이가 발생하여 냉각효과를 발현하는 것과 달리 온도 차이를 발생시켜 전압이 생성되어 생성된 전압을 이용하여 온도를 측정하는 방식이다. 또한, 기존의 열전 방식은 고온과 저온의 100℃이상의 급격한 온도차를 이용하여 전위차를 발생시켰으나, 본 발명은 상온에서 150℃내에서의 온도를 이용하고, 최대 온도차 5℃이하에서도 온도가 감지되어 전자피부용 전기 소자, 웨어러블 디바이스, 터치기능이 적용되는 전자제품 등에도 적용될 수 있다.
본 발명의 일 양태에 따라 상기와 같이 열전 방식을 통하여 온도를 측정하기 위해서는 바람직하게는 제 1열전물질과 제 2열전물질은 일함수 차이가 0.2eV이상일 수 있고, 바람직하게는 일함수 차이가 0.4eV이상일 수 있고, 더욱 바람직하게는 일함수 차이가 0.5eV이상일 수 있다. 상기와 같이 각각의 열전물질 간의 일함수 차이를 보일 경우 열전 방식으로 온도 측정이 가능하다. 구체적인 예를 들어 일함수 차이가 유사한 은(Ag)와 탄소나노튜브(CNT)를 각각 제 1열전물질과 제 2열전물질로 사용하였을 때에는 온도를 가하였을 때, 전압이 발생되지 않아 온도 감지가 어렵다. 본 발명에서는 제 1열전물질로 PEDOT:PSS를 제 2열전물질로 은(Ag)를 사용하였을 때에는 미세한 온도를 가했을 때에도 고출력으로 전압이 발생되어 고감도 및 고신뢰도로 온도 측정이 가능하다.
본 발명의 일 양태에 따라 상술한 유연 전기 소자는 전도성 패턴을 복수개의 접합점이 형성되도록 패터닝됨에 따라 상기 접합점이 셀의 역할을 하면서 센서 어레이로 활용될 수 있다.
본 발명의 유연 전기 소자는 작은 셀 제조가 가능하고, 작은 셀의 면적에서도 노이즈 없이 압력 또는 온도에 대해서 전기적인 시그널을 감지할 수 있고, 우수한 전기전도도를 유지할 수 있기 때문에 복수 개의 접합점을 형성하여 센서 어레이의 제조가 용이하다. 구체적으로 설명하면, 인체 기능을 모사한 전자 피부의 구현을 위해서는 작은 셀로 센서 어레이를 제조하여야 하지만, 작은 셀을 제조하기 위해서는 낮은 저항에 따른 낮은 동작 전압이 요구된다. 이 때, 본 발명의 유연 전기 소자의 상부의 온도 센서는 열전 방식을 통하여 전력소모없이 전압이 발생되어 이를 하부의 압력센서의 동작 전압으로 활용할 수 있어 초 저전력을 구현할 수 있다.
이에 본 발명의 유연 전기 소자는 낮은 저항 값을 나타내어 낮은 동작 전압이 구현될뿐만 아니라 온도센서의 전압생성을 활용할 수 있기 때문에 초 저전력으로 반복적인 물리적 외력에도 노이즈 없이 우수한 전기적 신호를 감지할 수 있다.
이와 같은 유연 전기 소자는 하기의 방법을 통해 제조될 수 있으나, 이는 하나의 예시일 뿐, 기 공지된 기술이라면 특별히 제한하지 않고 사용할 수 있다.
구체적으로 설명하면,
본 발명에 따른 유연 전기 소자의 제조방법은 일 양태에 따라 a) 연성기판 상에 마이크로 구조체를 형성하는 단계;
b) 상기 마이크로 구조체 상에 전도성층을 프린팅하는 단계;
c) 상기 전도성층 상부에 상대전극을 위치시키는 단계; 및
d) 고분자 필름의 일면에 전도성 패턴을 프린팅한 후 타면을 상기 상대전극과 적층시키는 단계;
를 포함할 수 있다.
상기와 같은 방법을 통해 유연 전기 소자가 제조됨으로써 다양하고 반복적인 물리적 외력에도 전기전도도의 열화가 적고, 구성간의 접착력이 우수하여 고 신뢰성을 갖는다는 장점이 있다. 이에 따라 하부의 압력센서는 현저히 감소된 저항값을 나타내어 우수한 전기전도도를 유지할 수 있어 작은 셀 제조가 가능하고, 작은 셀의 면적에서도 노이즈 없이 압력 또는 온도에 대해서 전기적인 시그널을 감지할 수 있다. 또한, 상부의 온도센서는 열전 방식을 이용함에 따라 온도에너지로 전압이 형성되는 것으로 추가적인 전력소모없이 온도를 감지할 수 있다.
상기 연성기판, 마이크로 구조체, 전도성층 및 열전물질은 상술한 바와 같으므로 구체적인 사항은 생략한다.
본 발명의 일 양태에 따라 상기 a)단계는 연성기판 상에 마이크로 구조체가 형성되는 단계로 상기 마이크로 구조체는 피라미드형, 반구형 및 원뿔형 등에서 선택되는 어느 하나 또는 둘 이상의 형태로 구성된 몰드에서 성형하여 형성될 수 있다. 이 때, 마이크로 구조체의 형상이 없는 평평한 하면에 연성기판이 결합되어 연성기판 상에 마이크로 구조체가 형성된 구성이 제조될 수 있다.
본 발명의 일 양태에 따라 상기 b)단계는 상기 제조된 마이크로 구조체의 상부에 전도성층을 코팅하는 단계이다.
본 발명의 일 양태에 따라 상기 코팅하는 방법은 특별히 제한되는 것은 아니지만, 잉크젯 프린팅, 스크린 프린팅, 그라비아 프린팅, 오프셋 프린팅, 스핀코팅(Spin Coating), 스크린프린팅 기술(Screen Printing Technique), 물리적 증착(Sputtering), 열 증착(Thermal Evaporation), 화학기상증착(Chemical Vapor Deposition), 전기도금(Electrodeposition) 및 스프레이 코팅(Spray coating) 등에서 선택되는 어느 하나 또는 둘 이상의 방법을 통하여 코팅될 수 있다. 바람직하게는 균일하고 유연한 전도성층 형성을 위하여 잉크젯 프린팅 방법으로 프린팅 할 수 있다.
본 발명의 일 양태에 따라 상기 c)단계는 상대전극을 전도성층 상부에 위치시키는 단계일 수 있다.
구체적으로는 상기 상대 전극을 통하여 압력을 가함으로써 압력을 가하기 전과 압력을 가한 후 접촉 면적의 변화에 따른 정전용량 값을 측정하여 상기 전달받은 압력에 대한 정보를 감지할 수 있다. 더욱 구체적으로는 외부 압력이 인가되지 않는 경우에는 본 발명의 유연 전기 소자의 전도성층과 상기 상대 전극간의 접촉 면적은 작아서 두 전극 사이에 측정되는 저항이 낮은 값을 나타낸다. 그러나 외부 압력이 인가되면 마이크로 구조체들이 압박되면서 둘 간의 접촉 면적이 커지므로 두 전극 사이에 측정되는 저항이 높은 값으로 변화하는 정전용량 값을 측정하여 정보를 감지할 수 있다. 이와 같이 압력에 따른 정보를 획득할 수 있는 본 발명의 유연 전자 소자는 하부에 압력 측정 센서가 제조될 수 있다.
상술한 바에 따른 본 발명의 유연 전기 소자는 전자 피부용 전기 소자로 구축하기 위하여 제조된 것으로 센서 기본 유닛 부분의 휘어짐 및 복원력이 우수하고, 기계적 유연성 및 안정성이 뛰어나다.
이를 더욱 활용하기 위하여 본 발명에 따른 유연 전기 소자는 일 양태에 따라 상술한 유연 전기 소자의 상기 전도성층 상부에 상대전극이 위치시키고 이러한 상기 상대전극 상부에 고분자 필름을 더 포함하고, 상기 고분자 필름은 일면에 전도성 패턴을 프린팅한 후 타면을 상기 상대전극과 적층시키는 것일 수 있다.
이와 같은 유연 전기 소자를 제공함으로써 상술된 우수한 효과를 발현될 뿐만 아니라 압력 및 온도를 동시에 감지할 수 있다.
종래의 전자피부용 전기 소자는 실제 인체구조와 달리 압력, 온도 등 각각을 감지할 수 있었지만 이를 통합적으로 감지하지 못하여, 각종 센서들은 각각 개별적으로 설치하여야 하는 단점이 있었다.
이에 본 발명은 압력 및 온도를 동시에 감지할 수 있는 유연 전기 소자를 제조할 수 있고, 이렇게 제조된 유연 전기 소자는 반복적인 물리적 외력에도 우수한 열전도도 및 전기전도도를 유지함은 물론, 작은 셀 제조가 가능하여 작은 셀의 면적에서도 노이즈 없이 압력 및 온도에 대해서 전기적인 시그널을 감지할 수 있다. 이에 따라 본 발명에 따라 제조된 유연 전기 소자는 피부의 국소적인 부위도 감지할 수 있어 피부의 작은 각각의 셀에서 전달되는 온도변화 및 압력변화를 감지할 수 있는 정확도와 고신뢰성을 확보할 수 있다.
구체적으로 설명하면, 본 발명에 따른 유연 전기 소자의 제조방법은 일 양태에 따라 상기 전도성층 상부에 상대전극이 위치시킬 수 있다.
또한, 상기 상대전극 상부에 고분자 필름을 더 포함하고, 상기 고분자 필름은 일면에 전도성 패턴을 프린팅한 후 타면을 상기 상대전극과 적층시킴으로써 온도를 감지할 수 있다.
본 발명의 일 양태에 따라 상기 고분자 필름은 전기절연성을 나타내는 고분자를 포함하면 크게 제한되는 것은 아니지만, 폴리이미드, 폴리에테르이미드, 폴리에테르술폰, 폴리에틸렌테레프탈레이트, 폴리부틸렌테레프탈레이트, 폴리에틸렌나프탈레이트, 폴리카보네이트 및 나노셀룰로오스 등에서 선택되는 어느 하나 또는 둘 이상의 혼합물을 포함하는 것일 수 있다.
상기와 같은 고분자 필름을 사용함으로써 상대 전극과 전도성 패턴간의 전기적인 연결을 차단시킬 수 있다. 이에 상기 고분자 필름 상에 전도성 패턴으로 일정 저항 값을 가질 수 있으며, 외부에서 전달되는 온도 변화에 따라 전압이 발생하면서 이를 통하여 온도를 측정할 수 있다.
본 발명에 따른 유연 전기 소자의 제조방법은 일 양태에 따라 상기 전도성 패턴은 전 방식을 통하여 온도 측정을 하기 위하여 상이한 2종의 열전물질간의 복수의 접합점이 형성되도록 코팅하는 것일 수 있다.
본 발명의 일 양태에 따라 상기 고분자 필름 상에 형성되는 전도성 패턴은 상이한 2종의 열전물질을 각각 제 1열전물질과 제 2열전물질을 코팅에 사용되며, 상기 제 1열전물질을 포함하는 제 1열전물질 코팅면 상부의 소정 영역에 상기 제 2열전물질을 포함하는 제 2열전물질 코팅면이 접합점이 형성되도록 코팅하는 것일 수 있다. 상기와 같은 전도성 패턴은 전기적으로는 직렬로 연결될 수 있다. 구체적으로는 도 3에 도시된 바와 같이 제 1열전물질 코팅면을 형성 후 상기 제 1열전물질 코팅면 상부의 소정 영역에 제 2열전물질 코팅면이 형성됨으로써 상이한 2종의 열전물질간의 접합점이 형성될 수 있도록 패턴이 형성되는 것이다.
본 발명의 일 양태에 따라 상기 제 1열전물질과 제 2열전물질은 용액 또는 페이스트로 코팅될 수 있다. 이와 같이 용액 또는 페이스트에서는 다양한 코팅방법으로 코팅될 수 있어 두께 및 형상 조절이 용이하고, 이에 박막형태로 제조될 수 있어 유연 전기 소자로써 우수한 유연성을 발현할 수 있어 바람직하다. 상기 용액또는 페이스트는 일 구체예로, 알코올계 용매, 케톤계 용매 또는 이들의 혼합 용매에 용해시켜 제조될 수 있다.
이와 같이 각각의 열전물질이 코팅된 후 열처리하여 용매 또는 다른 물질을 제거할 수 있으며, 상기 열처리 조건은 당업계에서 통상적으로 사용되는 방법을 통해 수행될 수 있으며, 구체적인 예를 들어, 60 내지 120℃의 온도에서 1 내지 100분, 바람직하게는 80 내지 120℃의 온도에서 10 내지 100분동안 어닐링하여 열전물질 코팅면을 형성할 수 있다.
상기 제 1열전물질을 포함하는 제 1열전물질 코팅면과 제 2열전물질을 포함하는 제 2열전물질 코팅면의 크기 및 형상은 유연 전기 소자의 용도를 고려하여 적절히 설계될 수 있다. 구체적인 예를 들어, 제 1열전물질 코팅면과 제 2열전물질을 포함하는 제 2열전물질 코팅면은 서로 동일 또는 상이한 형상과 크기를 가질 수 있다. 구체적으로 유연성을 훼손하지 않는 한 두께도 특별히 제한되지 않으나, 소형화 및 집적화를 위하여 각각 10 내지 500㎚의 두께, 바람직하게는 50 내지 300㎚의 두께의 코팅면일 수 있다. 상기와 같은 범위의 두께를 가질 경우 유연 전기 소자의 유연성이 유지되면서, 열전물질 간의 층간 분리가 일어나지 않을 뿐만 아니라 반복적인 물리적 외력에도 우수한 열전도도 및 전기전도도를 유지할 수 있어 바람직하다. 또한, 상기 형상은 원형, 타원형 등의 곡선을 가진 형상이거나, 삼각형, 사각형, 오각형 등의 다각형 형상일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
따라서 본 발명의 일 양태에 따라 상술한 바와 같이 제조된 유연 전기 소자는 전도성 패턴을 포함하는 고분자 필름의 전도성 패턴을 통하여 외부 물리적인 에너지가 가해지면 상기 전도성 패턴에 전달되는 온도에 따라 변화된 전도성 패턴에 전달되는 온도에 따라서 발생되는 전압을 측정하여 전달된 온도에 대한 정보를 감지할 수 있다. 그리고 이와 동시에 가해진 압력에 따라서 상기 상대전극과 상기 전도성층 사이의 접촉 면적이 변하면서 저항 값의 변화량을 측정하여 압력에 대한 정보 또한 감지할 수 있다.
본 발명은 상술한 유연 전기 소자를 포함하는 압력과 온도를 동시에 측정할 수 있는 압력 및 온도 측정 센서로 적용될 수 있다.
이와 같이 적용되었을 때, 본 발명의 유연 전기 소자는 상부의 온도센서를 통하여 발생되는 전압을 이용하여 하부의 압력 측정 센서에서 작동되는 동작 접압으로 사용할 수 있을 것이며, 이에 초 저전력을 소모하는 전기 소자로써 사용될 수 있다.
이하 실시예를 통해 본 발명에 따른 유연 전기 소자 및 이를 포함하는 센서에 대하여 더욱 상세히 설명한다. 다만 하기 실시예는 본 발명을 상세히 설명하기 위한 하나의 참조일 뿐 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며, 여러 형태로 구현될 수 있다.
또한 달리 정의되지 않은 한, 모든 기술적 용어 및 과학적 용어는 본 발명이 속하는 당업자 중 하나에 의해 일반적으로 이해되는 의미와 동일한 의미를 갖는다. 본원에서 설명에 사용되는 용어는 단지 특정 실시예를 효과적으로 기술하기 위함이고 본 발명을 제한하는 것으로 의도되지 않는다.
또한 명세서에서 특별히 기재하지 않은 첨가물의 단위는 중량%일 수 있다.
[실시예 1]
도 2 에 나타난 바와 같이 폴리디메틸실록산을 폭 20㎛, 높이 15㎛의 피라미드들이 존재하는 몰드에 도포한 후 성형하고, 이렇게 제조된 마이크로 구조체를 두께 300㎛의 폴리에틸렌테레프탈레이트(동백화인캠) 기판 위에 형성하였다. 상기 마이크로 구조체 상에 PEDOT:PSS(Heraeus PH1000)를 잉크젯 프린터(DMP-2831)를 이용하여 프린트하여 두께 100㎚의 전도성층을 형성하여 유연 전기 소자를 제조하였다. 상기 유연 전기 소자 상부에 상대 전극으로 PEDOT:PSS(Heraeus PH1000)를 사용하여 위치시켰다. 모든 프린팅된 전극 물질 및 열전 물질은 프린팅 후 100℃에서 10분간 경화과정을 진행하였다.
도 3에 도시된 바와 같이 폴리이미드 필름 상에 PEDOT:PSS(Heraeus PH1000, 일함수: 5eV)를 제 1열전물질로 사용하여 잉크젯 프린터를 이용하여 두께 100㎚의 제 1열전물질 코팅면을 형성하였다. 상기 제 1열전물질 코팅면 상의 소정영역에 평균입경 30㎚의 은나노입자(창성나노텍 AGS 102, 일함수:4.3eV)를 제 2열전물질로 사용하여 잉크젯 프린터를 이용하여 두께 100㎚의 제 2열전물질 코팅면을 형성하였다. 이와 같이 제조된 전도성 패턴이 형성된 폴리이미드 필름을 상기 상대전극 상부에 위치시켰다.
[실시예 2]
상기 실시예 1에서 PEDOT:PSS에 폴리우레탄 분산체(PUD, polyurethane dispersion)을 magnetic stirring을 이용하여 40중량% 혼합된 PEDOT:PSS/PUD 혼합물을 사용한 것을 제외하고는 동일하게 실시하였다.
[실시예 3]
상기 실시예 1에서 제 2열전물질로 다중벽 탄소나노튜브(Applied Carbon Nano Technology Co., Ltd, A-Tube-AM97, 카본함량 97 중량%, 일함수: 4.2eV)를 사용한 것을 제외하고는 동일하게 실시하였다.
[실시예 4]
상기 실시예 1에서 제 1열전물질로 평균입경 30㎚의 은나노입자(창성나노텍 AGS 102, 일함수: 4.3eV)를 제 2열전물질로 다중벽 탄소나노튜브(Applied Carbon Nano Technology Co., Ltd, A-Tube-AM97, 카본함량 97 중량%, 일함수: 4.2eV)를 사용한 것을 제외하고는 동일하게 실시하였다.
[비교예 1]
상기 실시예 1에서 폴리이미드 필름 상에 평균입경 30㎚의 은나노입자를 잉크젯 프린터를 이용하여 지그재그 구조로 단일층 전도성 패턴을 형성하였다. 이와 같이 제조된 전도성 패턴이 형성된 폴리이미드를 상기 상대전극 상부에 위치시킨 것을 제외하고는 동일하게 실시하였다. 이와 같이 제조된 센서의 경우 추가적으로 인가되는 전압이 없이는 구동이 가능하지 않아 온도만 가해서는 온도측정에 어려움이 있었다.
[실험예 1] 유연 전기 소자의 온도변화에 따라 측정된 전압확인.
도 4에 도시된 바와 같이 본 발명의 실시예 1의 유연 전기 소자에 온도 변화에 따라 생성되는 전압은 온도가 증가함에 따라 전압이 증가되는 결과로 선형적으로 증가함에 따라 본 발명의 유연 전기 소자에 외부에서 온도를 전달받았을 때, 측정되는 전압의 크기에 따라 전달된 온도를 측정할 수 있다. 상세하게, 본 발명의 유연 전기 소자의 온도에 따른 전압출력 특성은 프루브 스테이션(probe station) 및 파라미터 분석(parameter analyzer, B1500, Agilent) 장비를 이용하여 상온(25℃)에서 150℃까지 측정하였다. 이때, 측정된 소자의 길이 5cm 및 폭 5mm이었다.
이와 같이 본 발명의 유연 전기 소자는 전력소모없이 외부에서 전달되는 온도에 따라 전압에 생성되고, 이에 측정되는 접압을 통하여 전달된 온도 값을 측정할 수 있다.
[실험예 2] 유연 전기 소자의 온도 및 압력 동시 구현 확인.
도 5에 도시된 바와 같이 상온의 온도를 갖는 물체를 본 발명의 실시예 1의 유연 전기 소자 위에 놓았을 때, 온도변화는 없지만 압력이 가해져서 물체가 놓여진 부분의 압력만 측정이 가능한 것을 확인하였다. 또한, 도 6에 도시된 바와 같이 상온 이상의 온도를 갖는 물체를 본 발명의 실시예 1의 유연 전기 소자 위에 놓았을 때, 압력변화로 압력측정이 될 뿐만 아니라 물체에서 전달되는 온도변화를 감지하여 온도가 측정되는 것을 확인하였다. 이는 압력과 온도가 동시에 측정될 수 있는 것을 보여준다. 또한, 온도의 경우 100℃이상의 온도차이를 보일 필요없이 미세한 온도차이에서도 온도가 감지되는 것을 확인할 수 있었다.
또한, 본 발명의 실시예 2 유연 전기 소자는 전도성층에 폴리우레탄 분산체를 더 포함함으로써 하부의 압력 측정 센서의 유연성을 높이고, 유연 전기 소자의 반복적인 물리적 외력에도 열화가 적었다.
또한, 본 발명의 실시예 3의 유연 전기 소자는 제 2열전물질이 상이하더라도 일함수 차이에 의해서 열전특성이 발현되어 열전방식으로 온도를 측정할 수 있었고, 실시예 1과 동일한 효과를 발현할 수 있었다.
또한, 본 발명의 실시예 4의 유연 전기 소자는 제 1열전물질과 제 2열전물질 간의 일함수 차이가 나지 않아 열전 효과가 발현되지 않아 구동에 어려움이 있었다.
따라서 본 발명의 유연 전기 소자는 미세한 온도 변화에 대한 감도가 높고, 높은 출력을 얻을 수 있다. 이에 따라 피부의 국소적인 부위도 감지할 수 있어 피부의 작은 각각의 셀에서 전달되는 미세한 온도변화 및 압력변화도 감지할 수 있는 정확도와 고신뢰성을 확보할 수 있다.
또한, 본 발명의 유연 전기 전자피부용 전기 소자, 웨어러블 디바이스, 터치기능이 적용되는 전자제품 등에도 적용될 수 있다.
이상과 같이 본 발명에서는 특정된 사항들과 한정된 실시예를 통해 유연 전기 소자 및 이를 포함하는 압력 및 온도 측정 센서가 설명되었으나, 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다.
따라서, 본 발명의 사상은 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 것들은 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.
Claims (12)
- 연성기판;
상기 연성 기판 상에 형성된 마이크로 구조체;
상기 마이크로 구조체 상에 형성된 전도성층;
상기 전도성층 상부에 위치한 상대전극; 및
상기 상대전극 상부에 위치하고, 전도성 패턴이 상부에 형성된 고분자 필름;을 포함하는 유연 전기 소자. - 제 1항에 있어서,
상기 전도성 패턴은 상이한 2종의 열전물질이 복수의 접합점을 갖는 패턴으로 형성된 유연 전기 소자. - 제 2항에 있어서,
상기 전도성 패턴은 제 1열전물질을 포함하는 제 1열전물질 코팅면 상부의 소정 영역에 제 2열전물질을 포함하는 제 2열전물질 코팅면이 접합된 것인 유연 전기 소자. - 제 3항에 있어서,
상기 제 1열전물질과 제 2열전물질의 일함수 차이가 0.2eV이상인 유연 전기 소자. - 제 3항에 있어서,
상기 제 1열전물질과 제 2열전물질은 각각 전도성 고분자, 금속 물질 및 탄소 물질에서 선택되는 어느 하나이고, 서로 상이한 물질인 유연 전기 소자. - 제 1항에 있어서,
상기 마이크로 구조체는 피라미드형, 반구형 및 원뿔형에서 선택되는 형태인 유연 전기 소자. - 제 1항에 있어서,
상기 전도성층은 전도성 고분자, 압전물질 및 금속물질을 포함하는 유연 전기 소자. - 제 1항에 있어서,
상기 고분자 필름은 폴리이미드, 폴리에테르이미드, 폴리에테르술폰, 폴리에틸렌테레프탈레이트, 폴리부틸렌테레프탈레이트, 폴리에틸렌나프탈레이트, 폴리카보네이트 및 나노셀룰로오스에서 선택되는 어느 하나 또는 둘 이상의 혼합물을 포함하는 것인 유연 전기 소자. - a) 연성기판 상에 마이크로 구조체를 형성하는 단계;
b) 상기 마이크로 구조체 상에 전도성층을 코팅하는 단계;
c) 상기 전도성층 상부에 상대전극을 위치시키는 단계; 및
d) 고분자 필름의 일면에 전도성 패턴을 코팅한 후 타면을 상기 상대전극과 적층시키는 단계;
를 포함하는 유연 전기 소자의 제조방법. - 제 9항에 있어서,
상기 전도성 패턴은 상이한 2종의 열전물질간의 복수의 접합점이 형성되도록 코팅하는 것인 유연 전기 소자의 제조방법. - 제 9항에 있어서,
상기 전도성 패턴은 제 1열전물질을 코팅 후 제 1열전물질 패턴 상부의 소정 영역에 제 2열전물질을 접합하여 코팅하는 것인 유연 전기 소자의 제조방법. - 제 1항 내지 제 8항에서 선택되는 어느 한 항의 유연 전기 소자를 포함하는 압력 및 온도 측정 센서.
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