KR20190032242A - 스트레쳐블 다중모드 센서 및 그 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

스트레쳐블 다중모드 센서 및 그 제조 방법이 제공된다. 스트레쳐블 다중모드 센서는 유연한 재질로 형성되고, 압력 센서 영역, 광 센서 영역, 온도 센서 영역 및 스위칭 소자 영역을 포함하는 기판, 상기 압력 센서 영역 상에 배치되고, 비정질 금속을 포함하는 압력 센서, 상기 광 센서 영역 상에 배치되고, 비정질 금속을 포함하는 광 센서, 상기 온도 센서 영역 상에 배치되고, 비정질 금속을 포함하는 온도 센서 및 상기 스위칭 소자 영역 상에 배치되고, 비정질 금속을 포함하는 스위칭 소자를 포함한다.

Description

스트레쳐블 다중모드 센서 및 그 제조 방법{Stretchable multimodal sensor and method of fabricating of the same}
본 발명은 스트레쳐블 다중모드 센서 및 그 제조 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 비정질 금속을 포함하는 압력 센서, 광 센서 및 온도 센서를 포함하는 스트레쳐블 다중모드 센서 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
최근 각종 웨어러블(wearable) 기기의 개발로, 다양한 분야에서 다양한 센서가 활용이 가속화되고 있으며, 건강, 의료 교육 등 점차 다양한 영역으로 급속히 확대되고 있다.
가장 보편적으로 사용되고 있는 센서 중 하나인 터치 센서는 압력 센서의 한 종류로, 주로 기기와 인간이 소통할 수 있는 사용자 인터페이스에 이용된다. 이러한 터치를 감지하는 전자 소자의 네트워크로 이루어진 전자 피부는, 지능형 로봇과 재활 의학에 적용되는 생체모방 보철 장치 및 원격 의료 로봇 등의 인터페이스에 활용될 수 있다. 또한, 피부에 부착 가능하며, 온도 및 압력 구배 감지 기능 이외에도 유연성을 가지는 터치 센서는 차세대 기술로서, 모바일 기기 및 웨어러블 기기의 사용자 인터페이스에도 적용될 수 있다.
기존에 주로 사용하고 있는, 전도성 나노 튜브를 이용한 전도층을 갖는 압력 센서의 경우, 전도성 나노튜브가 탄성을 가지지 못하기 때문에 외력에 의해 금이 가거나 갈라지는 현상이 발생된다. 따라서, 웨어러블 기기들은 외부에서 인가되는 기계적인 스트레스 하에서 전기적 특성을 유지하는 것이 필수적이다. 이와 같이, 차세대 기술로 이용될 수 있는 유연성이 있는 터치 센서를 구현하기 위해서는, 센서 내에 유연한 전도층이 형성되어야 한다.
이에 따라, 외부 물리력이 인가되는 경우에도 전기적 특성이 유지되는 센서에 대한 연구가 활발하게 진행되고 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 일 기술적 과제는, 수명이 증가된 스트레쳐블 다중모드 센서를 제공하는 데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 다른 기술적 과제는, 성능이 향상된 스트레쳐블 다중모드 센서를 제공하는 데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 또 다른 기술적 과제는, 대면적화가 용이한 스트레쳐블 다중모드 센서의 제조 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 또 다른 기술적 과제는, 공정 시간이 단축된 스트레쳐블 다중모드 센서의 제조 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 또 다른 기술적 과제는, 공정 비용이 감소된 스트레쳐블 다중모드 센서의 제조 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는 상술된 것에 제한되지 않는다.
상기 기술적 과제를 해결하기 위해, 본 발명은 스트레블 다중모드 센서를 제공한다.
일 실시 예에 따르면, 스트레블 다중모드 센서는 유연한 재질로 형성되고, 압력 센서 영역, 광 센서 영역, 온도 센서 영역 및 스위칭 소자 영역을 포함하는 기판, 상기 압력 센서 영역 상에 배치되고, 비정질 금속을 포함하는 압력 센서, 상기 광 센서 영역 상에 배치되고, 비정질 금속을 포함하는 광 센서, 상기 온도 센서 영역 상에 배치되고, 비정질 금속을 포함하는 온도 센서 및 상기 스위칭 소자 영역 상에 배치되고, 비정질 금속을 포함하는 스위칭 소자를 포함한다.
일 실시 예에 따르면, 상기 압력 센서는, 상기 압력 센서 영역 상에 제공되는 탄성층 및 상기 탄성층 상에 제공되고, 비정질 금속을 포함하는 하부 전극을 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 탄성층은 볼록부 및 오목부를 갖고, 상기 하부 전극은 상기 탄성층 상에 콘포말하게(conformally) 제공되는 것을 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 압력 센서는, 상기 하부 전극과 대향하는 상부 전극을 더 포함하고, 상기 상부 전극은, 비정질 금속을 포함하고, 평평한 구조로 제공될 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 광 센서는, 상기 광 센서 영역 상에 제공되고, 비정질 금속을 포함하는 광 센서 게이트 전극, 상기 광 센서 게이트 전극 상에 제공되는 광 센서 절연막, 상기 광 센서 절연막 상에 제공되는 광 센서 활성층 및 상기 광 센서 활성층 상에 서로 이격되어 제공되는 광 센서 소스/드레인 전극을 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 온도 센서는, 상기 온도 센서 영역 상에 제공되고, 비정질 금속을 포함하는 패턴 전극 및 상기 패턴 전극 상에 제공되는 온도 센서 절연막을 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 패턴 전극은 FeZr/Pt이고, FeZr은 비정질 상태인 것을 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 스위칭 소자는, 상기 스위칭 소자 영역 상에 제공되고 비정질 금속을 포함하는 스위칭 소자 게이트 전극, 상기 스위칭 소자 게이트 전극 상에 제공되는 스위칭 소자 절연막, 상기 스위칭 소자 절연막 상에 제공되는 스위칭 소자 활성층 및 상기 스위칭 소자 활성층 상에 서로 이격되어 제공되는 스위칭 소자 소스/드레인 전극을 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 하부 전극, 상기 광 센서 게이트 전극, 상기 패턴 전극 및 상기 스위칭 소자 게이트 전극은, 코어 및 상기 코어를 감싸는 쉘을 포함하는 코어쉘 구조를 갖되, 상기 코어는 비정질 금속 및 결정질 금속 중 어느 하나로 형성되고, 상기 쉘은 비정질 금속 및 결정질 금속 중 다른 하나로 형성되는 것을 포함할 수 있다.
상기 기술적 과제를 해결하기 위해, 본 발명은 스트레블 다중모드 센서의 제조 방법을 제공한다.
일 실시 예에 따르면, 스트레블 다중모드 센서의 제조 방법은 연한 재질로 형성되고, 압력 센서 영역, 광 센서 영역, 온도 센서 영역 및 스위칭 소자 영역을 포함하는 기판이 준비되는 단계 및 상기 압력 센서 영역, 상기 광 센서 영역, 상기 온도 센서 영역 및 상기 스위칭 소자 영역 상에, 각각, 압력 센서, 광 센서, 온도 센서 및 스위칭 소자를 형성하는 단계를 포함하되, 상기 압력 센서, 상기 광 센서, 상기 온도 센서 및 상기 스위칭 소자는, 동일한 공정에서 제공되는 동일한 원소의 비정질 금속을 포함한다.
일 실시 예에 따르면, 상기 압력 센서, 상기 광 센서, 상기 온도 센서, 및 상기 스위칭 소자는, 동일한 공정에서 제공되는 동일한 원소를 포함하고 비정질 금속과 적층된 결정질 금속을 더 포함할 수 있다.
상기 기술적 과제를 해결하기 위해, 본 발명은 비정질 박막의 제조 방법을 제공한다.
일 실시 예에 따르면, 상기 비정질 박막의 제조 방법은, 2가지 이상의 금속 원소를 포함하는 소스, 및 기판을 챔버 내에 배치시키는 단계, 및 스퍼터 공정을 수행하여, 상기 소스로부터 상기 기판 상에 비정질 박막을 제조하는 단계를 포함하되, 상기 챔버 내의 공정 압력을 제어하여, 상기 비정질 박막의 유연성을 제어하는 것을 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 챔버 내의 암력은, 상기 챔버 내에 플라즈가 생성되는 최소 압력인 것을 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 챔버 내의 공정 압력에 따라서, 상기 비정질 박막의 표면에서 깊이 방향으로 연장하는 보이드의 길이가 제어되는 것을 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 챔버 내의 공정 압력이 높을수록, 상기 보이드의 길이가 짧아지고, 상기 챔버 내의 공정 압력이 낮을수록, 상기 보이드의 길이가 길어지는 것을 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 챔버 내의 공정 압력이 높을수록, 상기 비정질 박막의 유연성이 감소하고, 상기 챔버 내의 공정 압력이 낮을수록, 상기 비정질 박막의 유연성이 향상되는 것을 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 기판은 고분자 기판인 것을 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 고분자 기판과 상기 비정질 박막의 경계에, 상기 고분자 기판의 고분자와 상기 비정질 박막의 금속이 혼합된 영역이 제공될 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 고분자 기판 상에, 상기 비정질 박막이 형성된 후, 냉각 또는 ?칭되어, 상기 비정질 박막에 주름 구조가 생성되는 것을 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 비정질 박막은, 앞 전이 금속(early transition metal) 및 후 전이 금속(late transition metal)을 포함할 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 스트레쳐블 다중모드 센서가 포함하는, 압력 센서, 광 센서, 온도 센서 및 스위칭 소자는 비정질 금속을 포함하여 형성되고, 비정질 금속의 탄성으로 인해 유연성이 향상되어, 수명이 증가되고 성능이 향상된 스트레쳐블 다중모드 센서가 제공될 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 스트레쳐블 다중모드 센서의 제조 방법은 압력 센서, 광 센서, 온도 센서 및 스위칭 소자가 동일한 공정으로 동일한 원소의 비정질 금속을 포함하여 제조되는 것을 포함한다. 이에 따라, 공정 시간이 단축되고, 공정 비용이 감소된 스트레쳐블 다중모드 센서의 제조 방법이 제공될 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 스트레쳐블 다중모드 센서의 제조 방법을 설명하기 위한 순서도이다.
도 2 내지 도 8은 본 발명의 실시 예에 따른 스트레쳐블 다중모드 센서의 제조 방법을 설명하기 위한 도면들이다.
도 9는 본 발명의 실시 예에 따른 비정질 박막의 주름 구조를 설명하기 위한 도면이다.
도 10은 외력에 따른 결정질 금속의 구조 변형도이다.
도 11은 외력에 따른 비정질 금속의 구조 변형도이다.
도 12는 굽힘 상황(bending situation)에서, Ti 박막의 광학 이미지 및 그 확대도이다.
도 13은 굽힘 상황에서, FeZr 박막의 광학 이미지 및 그 확대도이다.
도 14는 다양한 금속 박막의 굽힘 직경에 따른 시트 저항(sheet resistance)을 나타내는 그래프이다.
도 15는 다양한 금속 박막의 신장률에 다른 시트 저항을 나타내는 그래프이다.
도 16은 컬럼 구조(column structure)를 갖는 Volmer-Weber 모드를 보여준다.
도 17은 부분 공극을 갖는 Stranski-Krastanov 모드를 보여준다.
도 18은 컴팩트한 비정질 구조를 갖는 Frank-van der Merwe 모드를 보여준다.
도 19는 낮은 운동 에너지 상태에서, 원자 성장의 개략도이다.
도 20은 중간 운동 에너지 상태에서, 원자 성장의 개략도이다.
도 21은 높은 에너지 상태에서, 원자 성장의 개략도이다.
도 22는 고압에서 증착된 FeZr 박막의 HAADF-STEM(high-angle annular dark-field scanning transmission electron microscopy) 이미지이다.
도 23은 중압에서 증착된 FeZr 박막의 HAADF-STEM 이미지이다.
도 24는 저압에서 증착된 FeZr 박막의 HAADF-STEM 이미지이다.
도 25는 3 mTorr에서 증착된 FeZr의 투과 전자 현미경(TEM) 이미지이고, 삽입된 도면은 고속 푸리에 변환(FFT) 데이터이다.
도 26은 3 mTorr에서 증착된 FeZr의 에너지 분산 x-선 분광법(EDS) 데이터이다.
도 27은 11 mTorr에서 증착된 FeZr의 TEM 이미지이고, 삽입된 도면은 FFT 데이터이다.
도 28은 11 mTorr에서 증착된 FeZr의 EDS 데이터이다.
도 29는 본 발명의 실시 예에 따른 비정질 금속을 포함하는 압력 센서에, 상이한 힘이 가해지는 경우의 압력 감지 성능을 보여주는 전류-전압 그래프이고, 삽입된 도면은 상기 압력 센서의 개략도이다.
도 30은 본 발명의 실시 예에 따른 압력 센서를 이용해 심장 박동 속도를 측정한 데이터이다.
도 31은 본 발명의 실시 예에 따른 압력 센서와, Ta 및 Ti를 이용한 압력 센서의 상대 저항 변화를 보여주는 그래프이다.
도 32는 본 발명의 실시 예에 따른 압력 센서의 재현성을 보여주는 그래프이다.
도 33은 본 발명의 실시 예에 따른 압력센서의 다양한 소리 크기에 따른 소리 감지 센서로써, 전기적 특성을 보여주는 그래프이다.
도 34는 본 발명의 실시 예에 따른 압력 센서의 다양한 음악 크기에 다른 소리 감지 센서로써, 전기적 특성을 보여주는 그래프이다.
도 35는 본 발명의 실시 예에 따른 스트레쳐블 다중모드 센서를 설명하기 위한 사시도이다.
도 36은 본 발명의 실시 예에 따른 FeZr 박막과, Au 및 Pt 박막의 온도 감지 성능을 보여주는 그래프이다.
도 37은 본 발명의 실시 예에 따른 FeZr 박막과, Ti 및 Pt 박막의 히터 성능을 보여주는 그래프이다.
도 38은 광 파장 하에서, 본 발명의 실시 예에 따른 FeZr 전극을 포함하는 In-Zn-O 박막 트랜지스터(IZO TFT)의 전기적 특성을 보여주는 그래프이다.
도 39는 연신 응력 하에서, 본 발명의 실시 예에 따른 FeZr 전극을 포함하는 IZO TFT의 전기적 특성을 보여주는 그래프이다.
도 40은 비정질 금속과 결정질 금속의 물리력 인가에 따른 저항 특성을 나타내는 그래프이다.
도 41은 본 발명의 실시 예에 따른 스트레쳐블 다중모드 센서에 포함된 광 센서의 파장별 전압-전류 그래프이다.
도 42는 본 발명의 실시 예에 따른 스트레쳐블 다중모드 센서에 포함된 온도 센서의 패턴 전극 물질 및 구조에 따른 온도-저항 그래프이다.
도 43은 본 발명의 실시 예에 따른 스트레쳐블 다중모드 센서에 포함된 온도 센서의 패턴 전극 물질에 따른 온도-저항 그래프이다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 상세히 설명할 것이다. 그러나 본 발명의 기술적 사상은 여기서 설명되는 실시 예에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화 될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시 예는 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다.
본 명세서에서, 어떤 구성요소가 다른 구성요소 상에 있다고 언급되는 경우에 그것은 다른 구성요소 상에 직접 형성될 수 있거나 또는 그들 사이에 제 3의 구성요소가 개재될 수도 있다는 것을 의미한다. 또한, 도면들에 있어서, 막 및 영역들의 두께는 기술적 내용의 효과적인 설명을 위해 과장된 것이다.
또한, 본 명세서의 다양한 실시 예 들에서 제1, 제2, 제3 등의 용어가 다양한 구성요소들을 기술하기 위해서 사용되었지만, 이들 구성요소들이 이 같은 용어들에 의해서 한정되어서는 안 된다. 이들 용어들은 단지 어느 구성요소를 다른 구성요소와 구별시키기 위해서 사용되었을 뿐이다. 따라서, 어느 한 실시 예에 제 1 구성요소로 언급된 것이 다른 실시 예에서는 제 2 구성요소로 언급될 수도 있다. 여기에 설명되고 예시되는 각 실시 예는 그것의 상보적인 실시 예도 포함한다. 또한, 본 명세서에서 '및/또는'은 전후에 나열한 구성요소들 중 적어도 하나를 포함하는 의미로 사용되었다.
명세서에서 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한 복수의 표현을 포함한다. 또한, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 구성요소 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징이나 숫자, 단계, 구성요소 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 배제하는 것으로 이해되어서는 안 된다.
또한, 하기에서 본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략할 것이다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 스트레쳐블 다중모드 센서의 제조 방법을 설명하기 위한 순서도이고, 도 2 내지 도 8은 본 발명의 실시 예에 따른 스트레쳐블 다중모드 센서의 제조 방법을 설명하기 위한 도면들이고, 도 9는 본 발명의 실시 예에 따른 비정질 박막의 주름 구조를 설명하기 위한 도면이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 유연한 재질로 형성되고, 압력 센서 영역(110), 광 센서 영역(120), 온도 센서 영역(130) 및 스위칭 소자 영역(140)을 포함하는 기판(100)이 준비된다(S110).
상기 기판(100)은 유연한 재질로 형성될 수 있다. 일 실시 예에 따르면, 상기 기판(100)은 종이로 형성될 수 있다. 다른 실시 예에 따르면, 상기 기판(100)은 PET(polyethylene terephthalate), PI(polyimide), PC(polycarbonate), NC(nano-cellulose) 및 고무 중 어느 하나로 형성되어, 내열성 및 내화학성을 가질 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 기판(100)은 상기 압력 센서 영역(110), 상기 광 센서 영역(120) 및 상기 온도 센서 영역(130)을 포함하고, 상기 압력 센서 영역(110), 상기 광 센서 영역(120) 및 상기 온도 센서 영역(130) 각각에 대응하는 복수의 상기 스위칭 소자 영역(140)을 포함할 수 있다. 구체적으로, 상기 기판(100)은, 상기 압력 센서 영역(110)과 이에 대응하는 상기 스위칭 소자 영역(140), 상기 광 센서 영역(120)과 이에 대응하는 상기 스위칭 소자 영역(140) 및 상기 온도 센서 영역(130)과 이에 대응하는 상기 스위칭 소자 영역(140)을 포함하고, 복수의 상기 스위칭 소자 영역(140)은 각각 상기 압력 센서 영역(110), 상기 광 센서 영역(120) 및 상기 온도 센서 영역(130)에 인접 위치할 수 있다.
다른 실시 예에 따르면, 상기 기판(100)은 상기 압력 센서 영역(110), 상기 광 센서 영역(120) 및 상기 온도 센서 영역(130)을 포함하고, 상기 압력 센서 영역(110), 상기 광 센서 영역(120) 및 상기 온도 센서 영역(130) 각각에 대응하는 복수의 상기 스위칭 소자 영역(140)을 포함하되, 상기 스위칭 소자 영역(140)은 상기 압력 센서 영역(110), 상기 광 센서 영역(120) 및 상기 온도 센서 영역(130) 내에 각각 제공될 수 있다.
도 1 및 도 3 내지 도 8을 참조하면, 상기 압력 센서 영역(110), 상기 광 센서 영역(120), 상기 온도 센서 영역(130) 및 상기 스위칭 소자 영역(140) 상에, 각각, 압력 센서(200), 광 센서(300), 온도 센서(400) 및 스위칭 소자(500)가 형성된다(S120).
상기 압력 센서(200), 상기 광 센서(300), 상기 온도 센서(400) 및 상기 스위칭 소자(500)는 비정질 금속을 포함하여 형성될 수 있다.
구체적으로, 도 3을 참조하면, 상기 기판(100)의 상기 압력 센서 영역(110) 상에 탄성층(210)이 형성된다.
상기 탄성층(210)은 다양한 형상의 구조체로 제공될 수 있다. 일 실시 예에 따르면, 상기 탄성층(210)은 평평한 구조로 제공될 수 있다. 다른 실시 예에 따르면, 상기 탄성층(210)은 볼록부 및 오목부를 가질 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 탄성층(210)은 PDMS, PUA(poly-urethane acrylate) 및 Ecoflex 중 어느 하나를 포함할 수 있다. 일 실시 예에 따르면, 상기 탄성층(210)은 상기 기판(100)과 동일한 재질로 형성될 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 탄성층(210)은 실리콘 몰드(mold)를 이용하여 형성할 수 있다.
도 4를 참조하면, 상기 압력 센서 영역(110)의 상기 탄성층(210) 상에 하부 전극(220)이 형성되고, 상기 광 센서 영역(120) 상에 광 센서 게이트 전극(310)이 형성되고, 상기 온도 센서 영역(130) 상에 패턴 전극(410)이 형성되고, 상기 스위칭 소자 영역(140) 상에 스위칭 소자 게이트 전극(510)이 형성된다. 일 실시 예에 따르면, 상기 하부 전극(220), 상기 광 센서 게이트 전극(310), 상기 패턴 전극(410) 및 상기 스위칭 소자 게이트 전극(510)은 두께가 1nm 이상일 수 있다.
상기 하부 전극(220), 상기 광 센서 게이트 전극(310), 상기 패턴 전극(410) 및 상기 스위칭 소자 게이트 전극(510)은 동일한 공정에서 제공되는 동일한 원소의 비정질 금속을 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 하부 전극(220), 상기 광 센서 게이트 전극(310), 상기 패턴 전극(410) 및 상기 스위칭 소자 게이트 전극(510)은 동일한 원소의 비정질 금속을 이용하여, 동일한 공정으로 동시에 형성될 수 있다.
다른 실시 예에 따르면, 상기 하부 전극(220), 상기 광 센서 게이트 전극(310), 상기 패턴 전극(410) 및 상기 스위칭 소자 게이트 전극(510)은 동일한 원소의 비정질 금속 및 동일한 원소의 결정질 금속을 이용하여, 동일한 공정으로 동시에 형성될 수 있다.
예를 들어, 상기 하부 전극(220), 상기 광 센서 게이트 전극(310), 상기 패턴 전극(410) 및 상기 스위칭 소자 게이트 전극(510)은 비정질 금속 또는 결정질 금속 중 어느 하나의 층 상에, 비정질 금속 또는 결정질 금속 중 다른 하나의 층이 형성된 구조일 수 있다.
다른 예를 들어, 상기 하부 전극(220), 상기 광 센서 게이트 전극(310), 상기 패턴 전극(410) 및 상기 스위칭 소자 게이트 전극(510)은 비정질 금속과 결정질 금속이 반복 적층된 나노-라미네이트 구조로 형성될 수 있다.
또 다른 예를 들어, 상기 하부 전극(220), 상기 광 센서 게이트 전극(310), 상기 패턴 전극(410) 및 상기 스위칭 소자 게이트 전극(510)은 코어 및 상기 코어를 감싸는 쉘을 포함하는 코어-쉘 구조로 형성될 수 있다. 구체적으로, 상기 압력 센서 영역(110)의 상기 탄성층(210), 상기 광 센서 영역(120), 상기 온도 센서 영역(130) 및 상기 스위칭 소자 영역(140) 상에 하부 쉘이 형성되고, 상기 하부 쉘 상에 상기 하부 쉘보다 너비가 좁은 상기 코어가 형성되고, 상기 코어 상에 상기 하부 쉘과 동일한 너비를 갖는 상부 쉘이 형성될 수 있다. 실시 예에 따르면, 상기 코어 및 상기 쉘은 스퍼터링, E-Beam evaporate, 잉크젯-프린팅, 스크린-프린팅, 스프레이 분사, 브러쉬 페인팅, 닥터블레이드 또는 스핀코팅 중 어느 하나를 이용하여 형성될 수 있다.
상기 코어는 비정질 금속 또는 결정질 금속 중 어느 하나로 형성되고, 상기 쉘은 비정질 금속 또는 결정질 금속 중 다른 하나로 형성될 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 하부 전극(220), 상기 광 센서 게이트 전극(310), 상기 패턴 전극(410) 및 상기 스위칭 소자 게이트 전극(510)은 스퍼터링, E-Beam evaporate, 잉크젯-프린팅, 스크린-프린팅, 스프레이 분사, 브러쉬 페인팅, 닥터블레이드 또는 스핀코팅 중 어느 하나를 이용하여 형성될 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 하부 전극(220), 상기 광 센서 게이트 전극(310), 상기 패턴 전극(410) 및 상기 스위칭 소자 게이트 전극(510)은 FeZr, CoTi, CoNi, NiTi, Fe-Nb-Al composite, La-Al-Cu, Al-Sc, ZrTiCuNiBe, AuSi, TiCoPdZr, MgZnCa 중 어느 하나를 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 패턴 전극(410)은 FeZr/Pt이고, FeZr은 비정질 상태일 수 있다.
다른 실시 예에 따르면, 상기 하부 전극(220)은 BaTiO3, PbZrTiO3 중 어느 하나를 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 하부 전극(220)은 상기 탄성층(210) 상에 콘포말하게(conformally) 제공될 수 있다.
도 5를 참조하면, 상기 광 센서 영역(120)의 상기 광 센서 게이트 전극(310) 상에 광 센서 절연막(320)이 형성되고, 상기 온도 센서 영역(130)의 상기 패턴 전극(410) 상에 온도 센서 절연막(420)이 형성되고, 상기 스위칭 소자 영역(140)의 상기 스위칭 소자 게이트 전극(510) 상에 스위칭 소자 절연막(520)이 형성된다.
상기 광 센서 절연막(320), 상기 온도 센서 절연막(420) 및 상기 스위칭 소자 절연막(520)은 동일한 물질을 이용하여, 동시에 형성될 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 광 센서 절연막(320), 상기 온도 센서 절연막(420) 및 상기 스위칭 소자 절연막(520)은 스퍼터링, E-Beam evaporate, 잉크젯-프린팅, 스크린-프린팅, 스프레이 분사, 브러쉬 페인팅, 닥터블레이드 또는 스핀코팅 중 어느 하나를 이용하여 형성될 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 광 센서 절연막(320), 상기 온도 센서 절연막(420) 및 상기 스위칭 소자 절연막(520)은 SiO2, SiON, Si3N4, 금속산화물 중 어느 하나를 포함할 수 있다.
도 6을 참조하면, 상기 광 센서 영역(120)의 상기 광 센서 절연막(320) 상에 광 센서 활성층(330)이 형성되고, 상기 스위칭 소자 영역(140)의 상기 스위칭 소자 절연막(520) 상에 스위칭 소자 활성층(530) 형성된다.
일 실시 예에 따르면, 상기 광 센서 활성층(330) 및 상기 스위칭 소자 활성층(530)은 동일한 물질을 이용하여, 동시에 형성될 수 있다.
다른 실시 예에 따르면, 상기 광 센서 활성층(330) 및 상기 스위칭 소자 활성층(530)은 서로 상이한 물질을 이용하여, 순차적으로 형성될 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 광 센서 활성층(330)은 광반응 반도체, 예를 들어, IZO(Indium Zinc Oxide), ZnO(Zinc Oxide), MoS2, MoSe2, WS2, WSe2, TiO(Titanium Oxide) 중 어느 하나를 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 스위칭 소자 활성층(530)은 IGZO(Indium Gallium Zinc Oxide), IZO(Indium Zinc Oxide), ZnO(Zinc Oxide), MoS2, MoSe2, WS2, WSe2, TiO(Titanium Oxide) 중 어느 하나를 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 광 센서 활성층(330) 및 상기 스위칭 소자 활성층(530)은 스퍼터링, E-Beam evaporate, 잉크젯-프린팅, 스크린-프린팅, 스프레이 분사, 브러쉬 페인팅, 닥터블레이드 또는 스핀코팅 중 어느 하나를 이용하여 형성될 수 있다.
도 7을 참조하면, 상기 광 센서 영역(120)의 상기 광 센서 활성층(330) 상에 광 센서 소스/드레인 전극(340)이 형성되고, 상기 스위칭 소자 영역(140)의 상기 스위칭 소자 활성층(530) 상에 스위칭 소자 소스/드레인 전극(540)이 형성된다. 일 실시 예에 따르면, 상기 광 센서 소스/드레인 전극(340) 및 상기 스위칭 소자 소스/드레인 전극(540)은 두께가 1nm 이상일 수 있다.
상기 광 센서 소스/드레인 전극(340) 및 상기 스위칭 소자 소스/드레인 전극(540)은 동일한 공정에서 제공되는 동일한 원소의 비정질 금속을 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 광 센서 소스/드레인 전극(340) 및 상기 스위칭 소자 소스/드레인 전극(540)은 동일한 원소의 비정질 금속을 이용하여, 동일한 공정으로 동시에 형성될 수 있다.
다른 실시 예에 따르면, 상기 광 센서 소스/드레인 전극(340) 및 상기 스위칭 소자 소스/드레인 전극(540)은 동일한 원소의 비정질 금속 및 동일한 원소의 결정질 금속을 이용하여, 동일한 공정으로 동시에 형성될 수 있다.
예를 들어, 상기 광 센서 소스/드레인 전극(340) 및 상기 스위칭 소자 소스/드레인 전극(540)은 비정질 금속 또는 결정질 금속 중 어느 하나의 층 상에, 비정질 금속 또는 결정질 금속 중 다른 하나의 층이 형성된 구조일 수 있다.
다른 예를 들어, 상기 광 센서 소스/드레인 전극(340) 및 상기 스위칭 소자 소스/드레인 전극(540)은 비정질 금속과 결정질 금속이 반복 적층된 나노-라미네이트 구조로 형성될 수 있다.
또 다른 예를 들어, 상기 광 센서 소스/드레인 전극(340) 및 상기 스위칭 소자 소스/드레인 전극(540)은 코어 및 상기 코어를 감싸는 쉘을 포함하는 코어-쉘 구조로 형성될 수 있다. 상기 코어는 비정질 금속 또는 결정질 금속 중 어느 하나로 형성되고, 상기 쉘은 비정질 금속 또는 결정질 금속 중 다른 하나로 형성될 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 광 센서 소스/드레인 전극(340) 및 상기 스위칭 소자 소스/드레인 전극(540)은 스퍼터링, E-Beam evaporate, 잉크젯-프린팅, 스크린-프린팅, 스프레이 분사 또는 스핀코팅 중 어느 하나를 이용하여 형성될 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 광 센서 소스/드레인 전극(340) 및 상기 스위칭 소자 소스/드레인 전극(540)은 FeZr, CoTi, CoNi, NiTi, Fe-Nb-Al composite, La-Al-Cu, Al-Sc, ZrTiCuNiBe, AuSi, TiCoPdZr, MgZnCa 중 어느 하나를 포함할 수 있다.
도 8을 참조하면, 압력 센서(200), 광 센서(300), 온도 센서(400) 및 스위칭 소자(500)가 제조된다.
상기 압력 센서(200)는 상기 하부 전극(220)과 대향하는 상부 전극(240)을 더 포함할 수 있다. 구체적으로, 상기 압력 센서(200)는 상기 하부 전극(220)과 대향하는 상부 전극 탄성층(230)과, 상기 상부 전극 탄성층(230) 상에 형성되어 상기 하부 전극(230)과 마주 배치되는 상기 상부 전극(230)을 더 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 상부 전극 탄성층(230)은 상기 탄성층(210)과 동일한 재질로 형성되며, 평평한 구조로 제공될 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 상부 전극(230)은 비정질 금속을 포함하고, 평평한 구조로 제공될 수 있다. 일 실시 예에 따르면, 상기 상부 전극(230)은 상기 하부 전극(220)과 동일한 물질을 포함할 수 있다. 일 실시 예에 따르면, 상기 상부 전극(220)은 상기 상부 전극 탄성층(230) 상에 콘포말하게 제공될 수 있다.
본 발명의 실시 예와 달리, 상기 압력 센서(200), 상기 광 센서(300), 상기 온도 센서(400) 및 상기 스위칭 소자(500)가 비정질 금속을 포함하지 않는 경우, 비정질 금속에 의한 탄성력이 충분히 제공되지 못하여 스트레쳐블 센서로써 수명이 감소하고, 특성이 저하될 수 있다.
그러나 본 발명의 실시 예와 같이, 상기 압력 센서(200), 상기 광 센서(300), 상기 온도 센서(400) 및 상기 스위칭 소자(500)가 비정질 금속을 포함하는 경우, 수명이 증가되고 특성이 향상된 스트레쳐블 다중모드 센서가 제공될 수 있다.
또한, 본 발명의 실시 예와 같이, 상기 압력 센서(200), 상기 광 센서(300), 상기 온도 센서(400) 및 상기 스위칭 소자(500)가 비정질 금속을 포함하는 경우, 불규칙한 원자 배열을 갖는 비정질 금속의 특성으로 인해 유연성과 탄성력이 우수한 스트레쳐블 다중모드 센서가 제공될 수 있다.
또한, 본 발명의 실시 예에 따른 스트레쳐블 다중모드 센서의 제조 방법에 따르면, 상기 압력 센서(200), 상기 광 센서(300), 상기 온도 센서(400) 및 상기 스위칭 소자(500)가, 동일한 원소를 포함하고 동일한 공정으로 제조되는 비정질 금속을 포함한다. 이에 따라, 공정 시간이 단축되고, 공정 비용이 감소된 스트레쳐블 다중모드 센서의 제조 방법이 제공될 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따르면, 스퍼터 공정 시, 공정 압력에 따라서, 비정질 박막의 연신률이 제어될 수 있다. 구체적으로, 공정 압력이 상대적으로 높은 경우, 상기 비정질 박막의 표면에서 깊이 방향으로 길쭉한 형태의 보이드가 생성되며, 공정 압력이 상대적으로 낮은 경우, 상기 비정질 박막은 실질적으로 보이드 없거나, 또는 짧은 길이의 보이드를 가질 수 있어, 높은 유연성을 가질 수 있다. 다시 말하면, 긴 길이의 보이는 물리적 변형에 의해 notch로 작용하여, 상기 비정질 박막의 유연성을 저하시킬 수 있다. 따라서, 예를 들어, 높은 유연성을 확보하고자 하는 경우, 스퍼터 공정이 수행되는 챔버 내에 플라즈마가 생성되는 최소한의 압력 조건에서, 스퍼터 공정이 수행되어, 상기 비정질 박막의 유연성을 최대화시킬 수 있다.
또한, 공정 압력이 상대적으로 높은 경우 상기 비정질 박막의 성장 속도가 상대적으로 빠를 수 있고, 공정 압력이 상대적으로 낮은 경우 상기 비정질 박막의 성장 속도가 상대적으로 느릴 수 있다. 따라서, 유연성이 필요한 부분을 제조하는 경우, 공정 압력을 상대적으로 낮춰 유연성을 확보하고, 유연성이 필요하지 않은 부분을 제조하는 경우, 공정 압력을 상대적으로 높여 상기 비정질 박막 증착률을 높일 수 있다. 또한, 유연성에 의해 신뢰성이 미세하게라도 변화되는 소자가 아닌, 외부의 물리적인 변형에 의해 break되는 소자가 필요한 경우, 공정 압력을 상대적으로 높여, 상기 비정질 박막의 유연성을 저하시킬 수 있다. 결론적으로, 본 발명의 실시 예에 따른 상기 비정질 박막의 application에 따라서, 공정 압력을 조절하는 방법으로, 상기 비정질 박막의 유연성 및 증착률을 제어할 수 있다.
또한, 고분자 기판(예를 들어, PDMS 기판) 상에 스퍼터 공정을 수행하여, 상기 비정질 박막을 제조하는 경우, 높은 에너지를 갖는 금속 입자가 상기 고분자 기판에 증착되는 초기에, 상기 고분자 기판의 상부면이 일부 용융되어, 금속 입자와 혼합될 수 있다. 이후, 융융된 부분이 냉각 또는 ?칭되는 과정에서, 상기 고분자 기판이 수축하여, 도 9에 도시된 바와 같이, 상기 비정질 박막에 주름 구조가 관찰될 수 있다. 상기 비정질 박막의 주름 구조에 의해, 상기 비정질 박막의 유연성이 향상될 수 있따. 이러한 주름 구조는 표면 장력(Surface tension)이 낮은 물질, 즉, 고분자와 웨팅이 잘되는 금속(예를 들어, FeZr)에 한해서 생성될 수 있다.
또한, 본 발명의 실시 예에 따른 상기 비정질 박막은 사이즈가 다른 금속 원소를 동시에 증착하여 제조될 수 있다. 예를 들어, 앞 전이 금속(early transition metal) 및 후 전이 금속(late transition metal)을 동시에 증착하는 경우 상기 비정질 박막이 용이하게 생성될 수 있다. 이 경우, 사이즈가 다른 금속 원소가 추가적으로 첨가될 수 있다.
이하, 본 발명의 실험 예에 따른 스트레쳐블 다중모드 센서에 대한 구체적인 실험 예가 설명된다.
도 10은 외력에 따른 결정질 금속의 구조 변형도이고, 도 11은 외력에 따른 비정질 금속의 구조 변형도이다.
도 10 참조하면, 결정질 금속에 외력이 가해지는 경우, 결정질 금속의 격자 슬립 평면에 파단이 발생하여, 불연속 부가 형성되는 것을 확인할 수 있다. 반면에, 도 11을 참조하면, 비정질 금속은 격자 구조를 갖지 않기 때문에, 원자 변형이 일어날 수는 있지만, 쉽게 파단이 발생하지 않는 것을 확인할 수 있다.
이러한 결과를 통해, 비정질 금속이 본 발명의 실시 예에 따른 스트레쳐블 다중모드 센서에 이용되기 적합한 것을 알 수 있다. 구체적으로, 비정질 금속이 상기 스트레쳐블 다중모드 센서의 압력 센서, 광 센서, 온도 센서, 및 스위칭 소자에 이용되기 적합한 것을 알 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따르면, 비정질 금속의 기계적 성질을 평가하기 위해, 비정질 상태의 FeZr 박막과, 결정질 상태의 Ti 박막을 비교 분석할 수 있다.
도 12는 굽힘 상황(bending situation)에서, Ti 박막의 광학 이미지 및 그 확대도이고, 도 13은 굽힘 상황에서, FeZr 박막의 광학 이미지 및 그 확대도이다.
도 12 및 도 13을 참조하면, 비정질 상태의 FeZr 박막과는 달리, 결정질 상태의 Ti 박막은 격자 구조를 포함하는 것을 확인할 수 있다. 이에 따라, Ti 박막에 외부 응력이 가해지는 경우, 균열이 발생할 수 있다. 이러한 균열에 의해, Ti 박막에 저항이 발생할 수 있고, 이에 따라, Ti 박막을 전극으로 이용하기 부적합할 수 있다. 반면에, FeZr 박막의 경우, 굽힘 상황 이후에도, FeZr 박막에서 크랙(crack)이 관찰되지 않는 것을 확인할 수 있다.
이러한 결과를 통해, 비정질 상태의 FeZr 박막이 본 발명의 실시 예에 따른 스트레쳐블 다중모드 센서에 이용되기 적합한 것을 알 수 있다.
도 14는 다양한 금속 박막의 굽힘 직경에 따른 시트 저항(sheet resistance)을 나타내는 그래프이고, 도 15는 다양한 금속 박막의 신장률에 다른 시트 저항을 나타내는 그래프이다.
도 14를 참조하면, 굽힘 상황에서 Ti 박막의 저항이 가장 크고, 그 뒤를 이어, Ta 박막, Cu 박막, 및 상기 FeZr 박막 순으로 저항이 큰 것을 확인할 수 있다. 또한, 도 15를 참조하면, 외부 응력이 가해지는 경우, Ti 박막의 저항이 가장 크고, 그 뒤를 이어, Ta 박막, Cu 박막, 및 FeZr 박막 순으로 저항이 큰 것을 확인할 수 있다.
이러한 결과를 통해, Ti 박막, Ta 박막, 및 Cu 박막보다 FeZr 박막의 기계적 성질이 우수한 것을 알 수 있다. 따라서, FeZr 박막이 본 발명의 실시 예에 따른 스트레쳐블 다중모드 센서에 이용되기 적합한 것을 알 수 있다.
비정질 금속 박막의 다공성 제어에 대해 알아보기 위해, 본 발명의 실시 예에 따르면, 상이한 성장 모드(growth modes)를 갖는 비정질 금속층을 살펴볼 수 있다.
도 16은 컬럼 구조(column structure)를 갖는 Volmer-Weber 모드를 보여주고, 도 17은 부분 공극을 갖는 Stranski-Krastanov 모드를 보여주고, 도 18은 컴팩트한 비정질 구조를 갖는 Frank-van der Merwe 모드를 보여준다.
도 16을 참조하면, 고압의 조건에서, Fe 및 Zr 원자는 아르곤 원자와 상호 작용할 수 있고, 이에 따라, Fe 및 Zr 원자의 평균 자유 경로가 짧아질 수 있다. 또한, 고압의 조건에서, 성장하는 필름 표면의 원자 이동성이 감소될 수 있고, 이에 따라, 쉐도잉 효과(shadowing effect)로 인한 공극 구조가 형성될 수 있다. 상술된 바와 같이, 원자 이동성이 감소되는 것에 따라, 원자들은 낮은 운동 에너지로 인해 서로 상호 작용을 할 수 있고, 나아가 원자 클러스터(atomic cluster)를 형성할 수 있다. 종국적으로, Volmer-Weber 모드에 따라, 무작위로 위치한 공극이 있는 기둥 구조가 형성될 수 있다.
반면에, 도 17을 참조하면, 중압의 조건에서, 기판의 표면 상에 조밀한 FeZr이 형성될 수 있다. 한편, 조밀한 FeZr은 Stranski-Krastanov 모드의 컬럼 구조에 따라 점차 증가할 수 있다.
도 18을 참조하면, 저압의 조건에서, 증착된 원자들의 높은 운동 에너지로 인해, 평균 자유 경로에 길어질 수 있고, 이에 따라, 컴팩트한 비정질 구조가 형성될 수 있다. 이러한 경우, 아르곤으로 증착된 원자 사이의 상호 작용을 감소시켜, 매끄러운 박막 표면이 형성될 수 있다.
또한, 스퍼터링된 원자가 필름의 표면에 흡착되어 확산되는 것에 따라, 평형 격자를 형성하는 것을 방지할 수 있다. 각 원소가 다른 원자들의 원자 이동성을 효과적으로 억제할 수 있고, 이에 따라, 합금 금속의 형태로 비정질 구조에 증착되는 것이 용이할 수 있다. 이러한 경우, 비정질 박막은 Frank-van der Merwe 모드에서 보이드(void) 또는 결정립계(grain boundary)가 없는, 균일한 박막으로 형성될 수 있다.
도 19는 낮은 운동 에너지 상태에서, 원자 성장의 개략도이고, 도 20은 중간 운동 에너지 상태에서, 원자 성장의 개략도이고, 도 21은 높은 에너지 상태에서, 원자 성장의 개략도이다.
도 19 내지 도 21을 참조하면, 박막에서 원자의 성장 구조는, 증착 압력에 의존하는 것을 확인할 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따르면, 스퍼터링된 원자의 운동 에너지를 고려한 비정질 금속 박막의 구조를 살펴보기 위해, 3, 7, 및 11 mTorr의 서로 다른 압력에서, 50 nm 두께의 FeZr 막을 증착할 수 있다. 이에 따라, 서로 상이한 압력에서 FeZr 박막의 구조를 분석할 수 있고, 박막 내부의 공극 구조를 조정할 수 있다.
도 22는 고압에서 증착된 FeZr 박막의 HAADF-STEM(high-angle annular dark-field scanning transmission electron microscopy) 이미지이고, 도 23은 중압에서 증착된 FeZr 박막의 HAADF-STEM 이미지이고, 도 24는 저압에서 증착된 FeZr 박막의 HAADF-STEM 이미지이다.
도 22를 참조하면, 고압에서 증착된 FeZr 박막은, 기둥 사이에 공극 구조를 가지고 있는 것을 확인할 수 있다. 또한, 도 23을 참조하면, 중압에서 증착된 FeZr 박막은, 압축 구조 및 공극 구조가 혼재되어 있는 것을 관찰할 수 있다. 반면에, 도 24를 참조하면, 저압에서 증착된 FeZr 박막은, 고압 및 중압에서 증착된 FeZr 박막과는 대조적으로, 컴팩트한 비정질 구조를 갖는 것을 확인할 수 있다.
도 25는 3 mTorr에서 증착된 FeZr의 투과 전자 현미경(TEM) 이미지이고, 삽입된 도면은 고속 푸리에 변환(FFT) 데이터이고, 도 26은 3 mTorr에서 증착된 FeZr의 에너지 분산 x-선 분광법(EDS) 데이터이고, 도 27은 11 mTorr에서 증착된 FeZr의 TEM 이미지이고, 삽입된 도면은 FFT 데이터이고, 도 28은 11 mTorr에서 증착된 FeZr의 EDS 데이터이다.
도 25 및 도 26을 참조하면, 비정질 금속인 FeZr은, 증착 압력이 낮은 경우에, 스퍼터링이 일어나는 동안 높은 에너지로 기판 상에 증착될 수 있다. 이에 따라, FeZr은 완전한 비정질 구조를 형성할 수 있다.
반면에, 도 27 및 도 28을 참조하면, 증착 압력이 높은 경우에, FeZr의 표면과 기판 사이의 계면에, 다공성 보이드가 형성된 것을 관찰할 수 있다.
도 29는 본 발명의 실시 예에 따른 비정질 금속을 포함하는 압력 센서에, 상이한 힘이 가해지는 경우의 압력 감지 성능을 보여주는 전류-전압 그래프이고, 삽입된 도면은 상기 압력 센서의 개략도이다.
도 29를 참조하면, 상기 압력 센서는 100 Pa 내지 5 kPa 범위의 압력 센서 성능을 나타내는 것을 확인할 수 있다. 상기 전류-전압 그래프에서 선형 곡선을 관찰할 수 있는 것에 따라, 다양한 부하 압력에 따른 오믹(ohmic) 거동을 확인할 수 있다. 또한, 상기 그래프를 통해, 상기 부하 압력이 증가할수록 저항 값이 증가하는 것을 관찰할 수 있다.
도 30은 본 발명의 실시 예에 따른 압력 센서를 이용해 심장 박동 속도를 측정한 데이터이다.
도 30을 참조하면, 피부에 부착된 상기 압력 센서를 이용해, 심박수를 용이하게 측정 가능한 것을 알 수 있다. 통상적으로, 심장 근육의 수축으로 인해, 혈류 진폭 P1과 반사파(P2: 손목, P3: 하체)를 사용하여 사용자의 건강 상태를 확인할 수 있다. 예를 들어, 방사성 동맥 상승 지수(AIr=P2/P1), 방사상 이완 증대(DAI=P3/P1), 및 손에서 반사되는 전파의 이동 시간(TR)은, 일반적으로 죽상 동맥 경화증의 정량적 평가에 사용될 수 있다.
FeZr은 종래의 전도성 고분자보다 전도성이 높으며, 매우 낮은 전압(~1 mV)에서도 작동할 수 있다. 이러한 고성능 및 저전력 소모 특성은, 제한된 전력 용량을 갖춘 착용형 장치에 용이하게 이용될 수 있다는 것을 의미한다.
도 31은 본 발명의 실시 예에 따른 압력 센서와, Ta 및 Ti를 이용한 압력 센서의 상대 저항 변화를 보여주는 그래프이고, 도 32는 본 발명의 실시 예에 따른 압력 센서의 재현성을 보여주는 그래프이다.
도 31을 참조하면, Ta 및 Ti와 같은 결정질 금속을 이용해 제조된 압력 센서보다, 본 발명의 실시 예에 따른 압력 센서의 내구성(~105)이 높은 것을 확인할 수 있다.
도 32를 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 압력 센서는, 1 kPa에서 100,000 사이클을 반복되는 동안에, 전기적 특성에 변화가 없는 것을 확인할 수 있다. 이에 따라, 본 발명의 실시 예에 따른 압력 센서가 장기간 동안 사용하기에 적합하다는 것을 알 수 있다.
도 33은 본 발명의 실시 예에 따른 압력센서의 다양한 소리 크기에 따른 소리 감지 센서로써, 전기적 특성을 보여주는 그래프이고, 도 34는 본 발명의 실시 예에 따른 압력 센서의 다양한 음악 크기에 다른 소리 감지 센서로써, 전기적 특성을 보여주는 그래프이다.
도 33 및 도 34를 참조하면, 상기 압력 센서를 소리 크기 및 음악 크기에 다른 소리 감지 센서로써, 다양한 애플리케이션에 이용 가능한 것을 알 수 있다.
도 35는 본 발명의 실시 예에 따른 스트레쳐블 다중모드 센서를 설명하기 위한 사시도이다.
도 35 를 참조하면, 도 35의 (A)는 복수의 스트레쳐블 다중모드 센서(10)를 포함하는 스트레쳐블 다중모드 센서 어레이(20)이고, 도 35의 (B)는, 단일 픽셀의 상기 스트레쳐블 다중모드 센서(10)이다.
상기 스트레쳐블 다중모드 센서(10)는 상기 압력 센서(200), 상기 광 센서(300), 상기 온도 센서(400) 및 상기 스위칭 소자(500)를 포함한다. 일 실시 예에 따르면, 상기 스트레쳐블 다중모드 센서(10)는 상기 압력 센서(200), 상기 광 센서(300) 및 상기 온도 센서(400) 각각에 대응하는 복수의 상기 스위칭 소자(500)를 포함하고, 복수의 상기 스위칭 소자(500)는 상기 압력 센서(200), 상기 광 센서(300) 및 상기 온도 센서(400)를 어드레싱(addressing)할 수 있다.
상기 스트레쳐블 다중모드 센서(10) 및 상기 스트레쳐블 다중모드 센서 어레이(20)는 배선(12)을 더 포함할 수 있다.
상기 배선(12)은 상기 압력 센서(200), 상기 광 센서(300), 상기 온도 센서(400) 및 상기 스위칭 소자(500)의 사이 및 복수의 상기 스트레쳐블 다중모드 센서(10) 사이를 연결할 수 있다. 일 실시 예에 따르면, 상기 배선(12)은 두께가 1nm 이상일 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 배선(12)은 비정질 금속을 포함할 수 있다. 다른 실시 예에 따르면, 비정질 금속 및 결정질 금속을 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 배선(12)은 비정질 금속 또는 결정질 금속 중 어느 하나의 층 상에, 비정질 금속 또는 결정질 금속 중 다른 하나의 층이 형성된 구조일 수 있다. 다른 예를 들어, 상기 배선(12)은 비정질 금속과 결정질 금속이 반복 적층된 나노-라미네이트 구조로 형성될 수 있다. 또 다른 예를 들어, 상기 배선(12)은 코어 및 상기 코어를 감싸는 쉘을 포함하는 코어-쉘 구조로 형성될 수 있다. 상기 코어는 비정질 금속 또는 결정질 금속 중 어느 하나로 형성되고, 상기 쉘은 비정질 금속 또는 결정질 금속 중 다른 하나로 형성될 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 배선(12)은 스퍼터링, E-Beam evaporate, 잉크젯-프린팅, 스크린-프린팅, 스프레이 분사 또는 스핀코팅 중 어느 하나를 이용하여 형성될 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 배선(12)은 FeZr, CoTi, CoNi, NiTi, Fe-Nb-Al composite, La-Al-Cu, Al-Sc, ZrTiCuNiBe, AuSi, TiCoPdZr, MgZnCa 중 어느 하나를 포함할 수 있다.
도 36은 본 발명의 실시 예에 따른 FeZr 박막과, Au 및 Pt 박막의 온도 감지 성능을 보여주는 그래프이다.
도 36을 참조하면, 결정질 금속인, Au 및 Pt 박막은, 양의(positive) TCR(temperature coefficient on resistance)을 나타내며, 온도가 증가함에 따라 저항이 증가하는 것을 확인할 수 있다. 반면에, 비정질 금속인 FeZr 박막은, 격자 구조를 갖지 않기 때문에, 결정질 금속보다 초기 저항이 높은 것을 확인할 수 있다, 하지만, FeZr 박막은, 음(negative)의 TCR을 나타내며, 온도가 증가함에 따라 저항이 감소하는 것을 확인할 수 있다. 이러한 현상은, FeZr 박막의 비정질 구조가 500 ℃ 이상의 온도에서 격자 구조로 배열되지 않는 한 반복될 수 있다.
상기 그래프를 통해, Au 박막(1.1854 Ω/℃) 및 Pt 박막(0.81561 Ω/℃)보다, FeZr 박막(5.30405 Ω/℃)의 TCR 값이 민감한 것을 확인할 수 있다. 또한, 25~150 ℃의 동적 범위에서 선형 곡선을 확인할 수 있다.
이러한 결과는, FeZr 박막이 온도 센서로서 용이하게 이용될 수 있다는 것을 의미할 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따르면, 정확한 온도 측정을 위해, 마이크로-바늘(micro-needle)과 같은 형태로 피부를 통해 인체에 삽입할 수 있는 히터, 또는 특정 온도에서 반응하는 캡슐(capsule)을 제조할 수 있다.
도 37은 본 발명의 실시 예에 따른 FeZr 박막과, Ti 및 Pt 박막의 히터 성능을 보여주는 그래프이다.
도 37을 참조하면, PET 상에 FeZr 박막을 증착한 후에, 10 V의 전압을 인가하여, FeZr 박막의 히터로써의 성능을 알아보았다. 도 37에 도시된 바와 같이, 시간에 따른 온도변화를 측정한 결과, 온도가 상승한 후 80 ℃에서 포화 상태가 되는 것을 관찰할 수 있다. 이러한 결과를 통해, FeZr 박막이, 히터로써 용이하게 이용 가능한 것을 알 수 있다.
도 38은 광 파장 하에서, 본 발명의 실시 예에 따른 FeZr 전극을 포함하는 In-Zn-O 박막 트랜지스터(IZO TFT)의 전기적 특성을 보여주는 그래프이다.
도 38을 참조하면, 100 및 50 ㎛의 채널 폭 및 길이를 갖는 광 센서의 전달 특성을 확인할 수 있다. 광 TFT의 의존성은 550, 500, 450, 및 400 nm의 광 파장 및 200 μWcm-2의 출력에서 측정될 수 있다. 상기 그래프를 통해, FeZr 전극을 포함하는 IZO TFT가 특정 파장에 민감하다는 것을 확인할 수 있다.
도 39는 연신 응력 하에서, 본 발명의 실시 예에 따른 FeZr 전극을 포함하는 IZO TFT의 전기적 특성을 보여주는 그래프이다.
도 39를 참조하면, 상기 IZO TFT는 FeZr 전극이 15 % 신장되었을 때, on-current 특성이 1.4 uA로 일정 수준의 전기적 특성을 유지하는 것을 확인할 수 있다. 종래의 스트레쳐블 디바이스는 10 % 이하의 작동 특성을 포함할 수 있다. 따라서, FeZr 전극이, 종래의 반도체 제조 공정을 사용하여 만든 스트레쳐블 전자 제품의 핵심 소재로 이용될 수 있음을 알 수 있다.
도 40은 비정질 금속과 결정질 금속의 물리력 인가에 따른 저항 특성을 나타내는 그래프이다.
도 40을 참조하면, 비정질 금속 또는 결정질 금속을 포함하는 소자의 신장(elongation, %) 정도에 따른 저항 변화를 확인하였다.
실시 예 1에 따른 소자는 PDMS 기판 상에 비정질 금속인 FeZr와 결정질 금속인 Pt가 적층된 구조를 갖고, 실시 예 2에 따른 소자는 PDMS 기판 상에 결정질 금속인 Ta와 Pt가 적층된 구조를 갖고, 실시 예 3에 따른 소자는 PDMS 기판 상에 결정질 금속인 Ti와 Pt가 적층된 구조를 갖는다.
실시 예 1에 따른 소자는 외부 물리력 인가에 따른 신장 정도가 증가하여도 저항 변화가 크지 않은 것을 확인할 수 있다. 반면, 실시 예 2 및 3에 따른 소자는 외부 물리력 인가에 따른 신장 정도가 증가함에 따라 저항 값이 현저하게 증가하는 것을 확인할 수 있다.
따라서, 비정질 금속을 포함하여 형성된 소자는, 외부 물리력 인가에 따른 저항 변화가 낮아, 스트레쳐블 센서로 사용하기에 적합한 것을 알 수 있다.
도 41은 본 발명의 실시 예에 따른 스트레쳐블 다중모드 센서에 포함된 광 센서의 파장별 전압-전류 그래프이다.
도 41을 참조하면, 비정질 금속을 포함하는 광 센서의 파장에 따른 전압-전류 변화를 확인하였다.
실시 예 1에 따른 광 센서 제조
기판 상에 비정질 금속인 FeZr을 포함하는 광 센서 게이트 전극을 형성하고, 광 센서 게이트 전극 상에 광 센서 절연막을 형성하고, 광 센서 절연막 상에 광 센서 활성층을 형성하고, 광 센서 활성층 상에 비정질 금속인 FeZr을 포함하는 광 센서 소스/드레인 전극을 형성하여, 실시 예 1에 따른 광 센서를 제조하였다.
실시 예 1에 따른 광 센서를 이용하여, 400~800nm 범위의 파장 조건에서, 파장에 따른 전압-전류 변화를 측정하였다.
측정 결과, 광 센서가 광 센서 게이트 전극 및 광 센서 소스/드레인 전극으로 비정질 금속을 포함하는 경우에도, 광 센서가 무리 없이 작동하는 것을 알 수 있다.
도 42는 본 발명의 실시 예에 따른 스트레쳐블 다중모드 센서에 포함된 온도 센서의 패턴 전극 물질 및 구조에 따른 온도-저항 그래프이다.
도 42를 참조하면, 패턴 전극 물질 및 구조에 따른 온도 센서의 온도-저항 변화를 확인 할 수 있다.
실시 예 2에 따른 온도 센서의 제조.
기판 상에 비정질 금속인 FeZr 및 결정질 금속인 Pt를 적층하여 패턴 전극을 형성하고, 패턴 전극 상에 온도 센서 절연막을 형성하여, 실시 예 2에 따른 온도 센서를 제조 하였다.
비교 예 1 및 2에 따른 온도 센서의 제조.
기판 상에 결정질 금속인 Ti 및 Au를 적층하여 패턴 전극을 형성하고, 패턴 전극 상에 온도 센서 절연막을 형성하여, 비교 예 1에 따른 온도 센서를 제조 하였다.
기판 상에 결정질 금속인 Pt를 이용하여 패턴 전극을 형성하고, 패턴 전극 상에 온도 센서 절연막을 형성하여, 비교 예 2에 따른 온도 센서를 제조 하였다.
실시 예 2, 비교 예 1 및 2에 따른 온도 센서는 아래의 [표 1]과 같이 정리될 수 있다.
실시 예 2 비교 예 1 비교 예 2
패턴 전극 물질 FeZr/Pt Ti/Au Pt
패턴 전극 구조 적층 적층 단일층
실시 예 2, 비교 예 1 및 2에 따른 온도 센서를 이용하여, 약 30~150℃ 범위의 온도 조건에서, 온도를 점진적으로 증가시키며 저항 변화를 측정하였다.측정 결과, 실시 예 2에 따른 온도 센서는 온도가 증가함에 따라 저항이 현저하게 증가하였고, Rs는 4.9215Ω/℃로 측정되었다. 비교 예 1 및 2에 따른 온도 센서는 온도가 증가함에 따라 저항이 약간 증가하였으며, 비교 예 1에 따른 온도 센서의 Rs는 1.1854Ω/℃로 측정되었고, 비교 예 2에 따른 온도 센서의 Rs는 0.81561Ω/℃로 측정되었다.
결론적으로, 온도 센서의 패턴 전극이 이종의 물질이 적층된 나노 라미네이트 구조를 갖는 경우, 패턴 전극이 단일 물질로 형성된 경우와 비교하여, 온도 증가에 따른 저항 변화 폭이 큰 것을 알 수 있다. 또한, 온도 센서의 패턴 전극이 비정질 금속과 결정질 금속이 적층된 나노 라미네이트 구조를 갖는 경우, 패턴 전극이 이종의 결정질 금속이 적층된 나노 라미네이트 구조를 갖는 경우와 비교하여 온도 증가에 따른 저항 변화의 폭이 더 큰 것을 알 수 있다.
따라서, 온도 센서의 패턴 전극으로 비정질 금속과 결정질 금속이 적층된 나노 라미네이트 구조를 갖는 경우, 센싱 성능이 향상된 온도 센서가 제공될 수 있다.
도 43은 본 발명의 실시 예에 따른 스트레쳐블 다중모드 센서에 포함된 온도 센서의 패턴 전극 물질에 따른 온도-저항 그래프이다.
도 43을 참조하면, 패턴 전극 물질에 따른 온도 센서의 온도-저항 변화를 확인 할 수 있다.
실시 예 3에 따른 온도 센서의 제조.
기판 상에 비정질 금속인 FeZr를 이용하여 패턴 전극을 형성하고, 패턴 전극 상에 온도 센서 절연막을 형성하여, 실시 예 3에 따른 온도 센서를 제조 하였다.
비교 예 3 및 4에 따른 온도 센서의 제조.
기판 상에 결정질 금속인 Au를 이용하여 패턴 전극을 형성하고, 패턴 전극 상에 온도 센서 절연막을 형성하여, 비교 예 3에 따른 온도 센서를 제조 하였다.
기판 상에 결정질 금속인 Pt를 이용하여 패턴 전극을 형성하고, 패턴 전극 상에 온도 센서 절연막을 형성하여, 비교 예 4에 따른 온도 센서를 제조 하였다.
실시 예 3, 비교 예 3 및 4에 따른 온도 센서는 아래의 [표 2]와 같이 정리될 수 있다.
실시 예 3 비교 예 3 비교 예 4
패턴 전극 물질 FeZr Au Pt
실시 예 3, 비교 예 3 및 4에 따른 온도 센서를 이용하여, 약 20~150℃ 범위의 온도 조건에서, 온도를 점진적으로 증가시키며 저항 변화를 측정하였다.측정 결과, 실시 예 3에 따른 온도 센서는 온도가 증가함에 따라 저항이 감소하였고, Rs는 -0.54976Ω/℃로 측정되었다. 비교 예 3 및 4에 따른 온도 센서는 온도가 증가함에 따라 저항이 약간 증가하였으며, 비교 예 3에 따른 온도 센서의 Rs는 1.29981Ω/℃로 측정되었고, 비교 예 4에 따른 온도 센서의 Rs는 0.83397Ω/℃로 측정되었다.
이상, 본 발명을 바람직한 실시 예를 사용하여 상세히 설명하였으나, 본 발명의 범위는 특정 실시 예에 한정되는 것은 아니며, 첨부된 특허청구범위에 의하여 해석되어야 할 것이다. 또한, 이 기술분야에서 통상의 지식을 습득한 자라면, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않으면서도 많은 수정과 변형이 가능함을 이해하여야 할 것이다.
10: 스트레쳐블 다중모드 센서
12: 배선
20: 스트레쳐블 다중모드 센서 어레이
100: 기판
110: 압력 센서 영역
120: 광 센서 영역
130: 온도 센서 영역
140: 스위칭 소자 영역
200: 압력 센서
210: 탄성층
220: 하부 전극
230: 상부 전극 탄성층
240: 상부 전극
300: 광 센서
310: 광 센서 게이트 전극
320: 광 센서 절연막
330: 광 센서 활성층
340: 광 센서 소스/드레인 전극
400: 온도 센서
410: 패턴 전극
420: 온도 센서 절연막
500: 스위칭 소자
510: 스위칭 소자 게이트 전극
520: 스위칭 소자 절연막
530: 스위칭 소자 활성층
540: 스위칭 소자 소스/드레인 전극

Claims (20)

  1. 유연한 재질로 형성되고, 압력 센서 영역, 광 센서 영역, 온도 센서 영역 및 스위칭 소자 영역을 포함하는 기판;
    상기 압력 센서 영역 상에 배치되고, 비정질 금속을 포함하는 압력 센서;
    상기 광 센서 영역 상에 배치되고, 비정질 금속을 포함하는 광 센서;
    상기 온도 센서 영역 상에 배치되고, 비정질 금속을 포함하는 온도 센서; 및
    상기 스위칭 소자 영역 상에 배치되고, 비정질 금속을 포함하는 스위칭 소자를 포함하는 스트레쳐블 다중모드 센서.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 압력 센서는,
    상기 압력 센서 영역 상에 제공되는 탄성층; 및
    상기 탄성층 상에 제공되고, 비정질 금속을 포함하는 하부 전극을 포함하는 스트레쳐블 다중모드 센서.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 탄성층은 볼록부 및 오목부를 갖고,
    상기 하부 전극은 상기 탄성층 상에 콘포말하게(conformally) 제공되는 것을 포함하는 스트레쳐블 다중모드 센서.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 압력 센서는, 상기 하부 전극과 대향하는 상부 전극을 더 포함하고,
    상기 상부 전극은, 비정질 금속을 포함하고, 평평한 구조로 제공되는 스트레쳐블 다중모드 센서.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 광 센서는,
    상기 광 센서 영역 상에 제공되고, 비정질 금속을 포함하는 광 센서 게이트 전극;
    상기 광 센서 게이트 전극 상에 제공되는 광 센서 절연막;
    상기 광 센서 절연막 상에 제공되는 광 센서 활성층; 및
    상기 광 센서 활성층 상에 서로 이격되어 제공되는 광 센서 소스/드레인 전극을 포함하는 스트레쳐블 다중모드 센서.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 온도 센서는,
    상기 온도 센서 영역 상에 제공되고, 비정질 금속을 포함하는 패턴 전극; 및
    상기 패턴 전극 상에 제공되는 온도 센서 절연막을 포함하는 스트레쳐블 다중모드 센서.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 패턴 전극은 FeZr/Pt이고, FeZr은 비정질 상태인 것을 포함하는 스트레쳐블 다중모드 센서.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 스위칭 소자는,
    상기 스위칭 소자 영역 상에 제공되고 비정질 금속을 포함하는 스위칭 소자 게이트 전극;
    상기 스위칭 소자 게이트 전극 상에 제공되는 스위칭 소자 절연막;
    상기 스위칭 소자 절연막 상에 제공되는 스위칭 소자 활성층; 및
    상기 스위칭 소자 활성층 상에 서로 이격되어 제공되는 스위칭 소자 소스/드레인 전극을 포함하는 스트레쳐블 다중모드 센서.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 하부 전극, 상기 광 센서 게이트 전극, 상기 패턴 전극 및 상기 스위칭 소자 게이트 전극은, 코어 및 상기 코어를 감싸는 쉘을 포함하는 코어쉘 구조를 갖되,
    상기 코어는 비정질 금속 및 결정질 금속 중 어느 하나로 형성되고,
    상기 쉘은 비정질 금속 및 결정질 금속 중 다른 하나로 형성되는 것을 포함하는 스트레쳐블 다중모드 센서.
  10. 유연한 재질로 형성되고, 압력 센서 영역, 광 센서 영역, 온도 센서 영역 및 스위칭 소자 영역을 포함하는 기판이 준비되는 단계; 및
    상기 압력 센서 영역, 상기 광 센서 영역, 상기 온도 센서 영역 및 상기 스위칭 소자 영역 상에, 각각, 압력 센서, 광 센서, 온도 센서 및 스위칭 소자를 형성하는 단계를 포함하되,
    상기 압력 센서, 상기 광 센서, 상기 온도 센서 및 상기 스위칭 소자는, 동일한 공정에서 제공되는 동일한 원소의 비정질 금속을 포함하는 스트레블 다중모드 센서의 제조 방법.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 압력 센서, 상기 광 센서, 상기 온도 센서, 및 상기 스위칭 소자는, 동일한 공정에서 제공되는 동일한 원소를 포함하고 비정질 금속과 적층된 결정질 금속을 더 포함하는 스트레쳐블 다중모드 센서의 제조 방법.
  12. 2가지 이상의 금속 원소를 포함하는 소스, 및 기판을 챔버 내에 배치시키는 단계; 및
    스퍼터 공정을 수행하여, 상기 소스로부터 상기 기판 상에 비정질 박막을 제조하는 단계를 포함하되,
    상기 챔버 내의 공정 압력을 제어하여, 상기 비정질 박막의 유연성을 제어하는 것을 포함하는 비정질 박막의 제조 방법.
  13. 제12 항에 있어서,
    상기 챔버 내의 암력은, 상기 챔버 내에 플라즈가 생성되는 최소 압력인 것을 포함하는 비정질 박막의 제조 방법.
  14. 제12 항에 있어서,
    상기 챔버 내의 공정 압력에 따라서, 상기 비정질 박막의 표면에서 깊이 방향으로 연장하는 보이드의 길이가 제어되는 것을 포함하는 비정질 박막의 제조 방법.
  15. 제14 항에 있어서,
    상기 챔버 내의 공정 압력이 높을수록, 상기 보이드의 길이가 짧아지고,
    상기 챔버 내의 공정 압력이 낮을수록, 상기 보이드의 길이가 길어지는 것을 포함하는 비정질 박막의 제조 방법.
  16. 제12 항에 있어서,
    상기 챔버 내의 공정 압력이 높을수록, 상기 비정질 박막의 유연성이 감소하고,
    상기 챔버 내의 공정 압력이 낮을수록, 상기 비정질 박막의 유연성이 향상되는 것을 포함하는 비정질 박막의 제조 방법.
  17. 제12 항에 있어서,
    상기 기판은 고분자 기판인 것을 포함하는 비정질 박막의 제조 방법.
  18. 제17 항에 있어서,
    상기 고분자 기판과 상기 비정질 박막의 경계에, 상기 고분자 기판의 고분자와 상기 비정질 박막의 금속이 혼합된 영역이 제공되는 것을 포함하는 비정질 박막의 제조 방법.
  19. 제18 항에 있어서,
    상기 고분자 기판 상에, 상기 비정질 박막이 형성된 후, 냉각 또는 ?칭되어, 상기 비정질 박막에 주름 구조가 생성되는 것을 포함하는 비정질 박막의 제조 방법.
  20. 제12 항에 있어서,
    상기 비정질 박막은, 앞 전이 금속(early transition metal) 및 후 전이 금속(late transition metal)을 포함하는 비정질 박막의 제조 방법.
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