KR20190110795A

KR20190110795A - Pressure Sensor And The Manufacturing Method Of The Same

Info

Publication number: KR20190110795A
Application number: KR1020180032692A
Authority: KR
Inventors: 장석태; 윤선근; 박병준
Original assignee: 중앙대학교 산학협력단
Priority date: 2018-03-21
Filing date: 2018-03-21
Publication date: 2019-10-01
Also published as: KR102035687B1

Abstract

The present invention relates to a pressure sensor and a manufacturing method thereof. The pressure sensor according to the present invention has a significantly higher pressure sensitivity than a previous electric capacitance-type pressure sensor by forming an uneven structure in which a protrusion is repeatedly formed on a surface of a first conductive film including a conductive component, and can detect a lateral pressure movement on the pressure sensor under a constant pressure condition. An electric capacitance change profile is distinguishable according to the direction of the pressure movement on the sensor surface even if the proposed pressure sensor does not have a unit cell array structure. The present invention comprises: a first polymer film; and a second polymer film.

Description

Pressure Sensor and The Manufacturing Method Of The Same

본 발명은 압력 센서 및 이의 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a pressure sensor and a method of manufacturing the same.

외부 압력을 전기 신호로 변환하는 압력 센서는 민감한 인공 피부, 의료용 보철 및 인간-기계 인터페이스 등을 위한 전자 디바이스 연구 분야에서 광범위하게 연구되어 왔다. 이러한 소자는 기능, 내구성, 저전력 소비 등의 특성을 회로 부품으로 갖는 것이 중요하다. Pressure sensors that convert external pressure into electrical signals have been extensively studied in the field of electronic device research for sensitive artificial skin, medical prostheses and human-machine interfaces. It is important that such devices have characteristics such as function, durability, low power consumption, and the like as circuit components.

압력 감지 메커니즘은 압저항(Piezo-resistive), 압전기용량(Piezo-capacitive) 및 트랜지스터로 세분화 되는데, 상기 압저항형 센서는 단순하고 다양한 변형 모드(예: 인장 변형, 압축 변형 및 비틀림 변형)에 대한 민감성이 연구되어 왔으며, 압전기용량 형 센서는 정적인 힘을 측정하는데 적합하고 간단한 커패시터 구조(예 : 평행 판 구조)를 사용하기 때문에 압력 센서로서 연구되어 왔다.Pressure sensing mechanisms are subdivided into piezo-resistive, piezo-capacitive, and transistors, which are simple and versatile for various strain modes (e.g. tensile strain, compressive strain and torsional strain). Sensitivity has been studied and piezoelectric sensors have been studied as pressure sensors because they are suitable for measuring static forces and use simple capacitor structures (eg parallel plate structures).

트랜지스터 타입의 압력 센서는 마이크로 패터닝 및 프린팅 기술을 기반으로 제안되었다. 게이트 터미널에서 전압으로 고유한 신호 증폭을 사용하여 가해지는 압력에 대해 높은 감도를 부여한다. 이러한 장치에서 적절한 재료 및 구조를 적용하는 것은 압력 센서 성능을 최적화하고 외부 압력에 대한 감도를 높이는 데 중요하다. 변형 가능하고 전도성을 갖는 전극은 종종 나노 물질, 이온성 액체 (ionic liquid, IL), 및 전도성 고분자로 통합된 고분자 기판을 포함하는 압력 센서에서 구현하기 위해 고려되어 왔다. 높은 감도의 센서를 제작하기 위해 중공 및 다공성 구조와 같은 쉽게 변형 가능한 구조, 또는 돔 및 피라미드와 같은 미세 구조의 어레이가 시스템에 도입되었다.Transistor type pressure sensors have been proposed based on micro patterning and printing technology. Inherent signal amplification with the voltage at the gate terminal provides high sensitivity to the applied pressure. Applying the appropriate materials and structures in these devices is important for optimizing pressure sensor performance and increasing sensitivity to external pressures. Deformable and conductive electrodes have often been contemplated for implementation in pressure sensors including nanomaterials, ionic liquids (ILs), and polymeric substrates integrated into conductive polymers. Easily deformable structures, such as hollow and porous structures, or arrays of microstructures, such as domes and pyramids, have been introduced into the system to fabricate high sensitivity sensors.

정적인 압력뿐만 아니라 압력움직임, 압력 분포, 인접 터치의 구분, 인체의 움직임 등을 포함하는 동적 압력을 감지하는 것은 압력 센서가 다양한 사용자 명령을 가능하게 하고, 기능적인 터치 디바이스나 인간-기계 커넥팅 플랫폼에 실용적인 적용을 보장한다. In addition to static pressure, dynamic pressure sensing, including pressure movement, pressure distribution, adjacent touch separation, human movement, etc., allows the pressure sensor to provide a variety of user commands, and is a functional touch device or human-machine connecting platform. Ensure practical application.

가장 많이 연구된 동적 압력 운동을 감지할 수 있는 플랫폼으로 단위 셀 어레이 구조를 사용했다. 이러한 배열 구조를 얻기 위해서는 복잡한 패터닝과 프린팅 단계가 제조 공정에서 필요하다. 축 힘을 감지하기 위한 압전기용량 형 센서의 구조 설계 및 사람의 접촉과 움직임을 모니터링하기 위한 하이드로겔 기반의 터치 패드가 대체로 동적 압력 감지 플랫폼으로서 연구되었다. The unit cell array structure is used as the platform to detect the most studied dynamic pressure movement. To achieve this arrangement, complex patterning and printing steps are required in the manufacturing process. Structural design of piezoelectric sensors for sensing axial forces and hydrogel-based touchpads for monitoring human contact and movement have largely been studied as dynamic pressure sensing platforms.

하지만, 동적 압력 및 다양한 사용자 명령 모드에 대한 효과적이고 간단한 구조의 감지 플랫폼은 동작 정보의 향상된 인식을 달성하는 데 여전히 어려움이 있다.However, an effective and simple structured sensing platform for dynamic pressure and various user command modes still has difficulty in achieving improved recognition of motion information.

따라서, 압력이 가해진 상태에서 수직 압력의 크기와 그 압력의 움직임을 모두 감지하는 단순한 구조의 새로운 압전기용량 형 센서의 개발이 요구되고 있다.Accordingly, there is a demand for the development of a new piezoelectric capacitive sensor having a simple structure that detects both the magnitude of the vertical pressure and the movement of the pressure under the applied pressure.

대한민국 등록특허 10-1527863Republic of Korea Patent Registration 10-1527863

본 발명의 목적은 압력이 가해진 상태에서 수직 압력의 크기와 그 압력의 움직임을 모두 감지하는 단순한 구조의 압력 센서를 제공하는 것이다.An object of the present invention is to provide a pressure sensor of a simple structure that detects both the magnitude of the vertical pressure and the movement of the pressure in the applied state.

상기 과제를 해결하기 위해 본 발명은, 표면에 돌기가 반복 형성된 요철구조가 형성되고, 상기 요철구조에 분산된 전도성 성분을 포함하는 제1 고분자 필름; 및 상기 제1 고분자 필름의 요철구조가 형성된 면상에 적층되며, 내부에 이온성 물질이 분산된 제2 고분자 필름을 포함하는 압력 센서를 제공한다.In order to solve the above problems, the present invention provides a concave-convex structure in which protrusions are repeatedly formed on a surface thereof, the first polymer film including a conductive component dispersed in the concave-convex structure; And a second polymer film laminated on a surface on which the uneven structure of the first polymer film is formed and in which an ionic material is dispersed.

또한, 본 발명은 전도성 성분 및 예비 중합체 혼합 용액을 사포 몰드에서 스핀코팅하는 단계; 상기 스핀코팅된 혼합 용액을 경화시켜 전도성 성분이 분산된 고분자 필름을 제조하는 단계; 이온성 물질이 분산된 고분자 필름을 제조하는 단계; 상기 제조된 전도성 성분이 분산된 고분자 필름 상하부에 이온성 물질이 분산된 고분자 필름을 적층하는 단계; 및 이온성 물질이 분산된 고분자 필름의 상하부 외면에 탄성 고분자 필름을 적층하는 단계를 포함하는 압력 센서의 제조방법을 제공한다.In addition, the present invention comprises the steps of spin coating the conductive component and the prepolymer mixture solution in the sandpaper mold; Curing the spin-coated mixed solution to prepare a polymer film having conductive components dispersed therein; Preparing a polymer film in which an ionic material is dispersed; Stacking a polymer film in which an ionic material is dispersed above and below the polymer film in which the conductive component is dispersed; And stacking an elastic polymer film on upper and lower outer surfaces of the polymer film in which the ionic material is dispersed.

본 발명에 따른 압력 센서는 전도성 성분을 포함하는 제1 전도성 필름의 표면에 돌기가 반복 형성된 요철구조가 형성됨으로써 압력에 따른 전기 이중층 전기용량의 변화를 유도하게 되며, 0-0.2kPa에서 이전의 전기용량 형 압력 센서에 비해 상당히 높은 감도 값인 각각 4 내지 10 kPa^-1의 압력 감도를 가지며, 신호 감지, 낮은 최소 감지 한계(<5Pa), 압력 변화(<52ms) 및 저전압 작동(0.1V)에 대한 빠른 응답으로 높은 안정성을 갖는다. 또한, 일정 압력 조건에서 압력 센서 위의 측 방향 압력 이동을 감지할 수 있고, 제안된 압력 센서가 단위 셀 어레이 구조가 없더라도 센서 표면상의 압력 운동 방향에 따라 구별 가능한 전기용량 변화 프로파일을 나타낸다. 이러한 동적 압력 감지 특성은 이동 속도와 압력의 크기에 관계없이 높은 신뢰성과 안정성을 나타낸다. 또한, 복잡한 단위 셀 배열 구조를 가진 이전에 연구된 압력 센서와 비교할 때, 단순한 커패시터 구조와 전극 구성의 변조로 인체의 생리 신호, 붓의 움직임 및 인간 손가락의 슬라이딩 동작 등의 동적 압력 운동의 감지가 가능하며, 100mV에서도 성능 저하 없이 안정적인 전기용량 변화 프로파일을 나타낸다.In the pressure sensor according to the present invention, a convex-concave structure is formed on the surface of the first conductive film including the conductive component, thereby inducing a change in the electric double layer capacitance according to the pressure, and the previous electrical at 0-0.2 kPa. Pressure sensitivity of 4 to 10 kPa ^-1 , respectively, which is a significantly higher sensitivity value than capacitive pressure sensors, and for signal sensing, low minimum detection limit (<5Pa), pressure change (<52ms) and low voltage operation (0.1V) Fast response and high stability. In addition, it is possible to detect the lateral pressure movement over the pressure sensor under constant pressure conditions, and even if the proposed pressure sensor does not have a unit cell array structure, it exhibits a distinguishable capacitance change profile according to the direction of pressure movement on the sensor surface. This dynamic pressure sensing characteristic shows high reliability and stability regardless of the speed of travel and the magnitude of pressure. In addition, compared to the previously studied pressure sensors with complex unit cell array structures, the modulation of the simple capacitor structure and electrode configuration allows the detection of dynamic pressure movements such as physiological signals of the human body, brush movements and sliding movements of the human finger. It is possible and exhibits a stable capacitance change profile even at 100 mV without compromising performance.

도 1은 본 발명에 따른 압력 센서의 개략도이다.
도 2는 전극을 포함하는 압력 센서의 개략도로, 도 2-(a)는 전극이 대칭 구성을 갖는 압력 센서이고, 도 2-(b)는 전극이 비대칭 구성을 갖는 압력 센서의 개략도이다.
도 3은 정적 압력 감지 실험에서 상이한 CPC 표면 거칠기 조건 하(실시예 1, 2, 비교예 1 및 2)에서 전기 용량 변화를 측정한 결과이다.
도 4는 정적 압력 감지 실험에서 서로 다른 CNT 농도를 갖는 I-CPC 압력 센서로부터 얻은 적용 압력의 함수로서 상대적인 전기 용량 변화를 측정한 결과이다.
도 5는 일정한 압력 하에서인가 된 압력 위치의 함수로서 비대칭적으로 위치한 구리 전극을 갖는 I-CPC 압력 센서의 전기 용량 변화를 측정한 결과이다.
도 6은 비대칭 전극 센서의 적층구조로 이루어진 압력 센서의 압력 이동 모니터링의 개략도이다.
도 7은 동적 압력 감지 실험에서 하중 이동의 이동거리를 변경하여 실험한 결과이다.
도 8은 동적 압력 감지 실험에서 다른 이동 속도에서 시간에 따른 전기 용량 변화를 측정한 결과이다.
도 9는 동적 압력 감지 실험에서 위치-전기용량 관계를 보여주는 결과이다.
도 10은 사물과 인체 적용 실험에서 압력 운동의 방향 및 압력 크기를 동시에 모니터링하기 위한 I-CPC 압력 센서의 적층 구조의 개략도이다.
도 11은 사물과 인체 적용 실험에서 붓의 움직임 동작을 모니터링하기 위한 실험 개략도 및 측정된 전기용량 변화 결과이다.
도 12는 사물과 인체 적용 실험에서 손가락의 슬라이딩 테스트의 실험 결과이다.
도 13은 사물과 인체 적용 실험에서 I-CPC 압력 센서의 세 손가락 위치를 보여주는 사진 및 채널 1(Channel 1)과 채널 2(Channel 2)의 실시간 모니터링 전기용량 프로파일 결과이다.
도 14는 사물과 인체 적용 실험에서 압력 감지 영역의 심한 마찰 후에 압력 위치가 변경된 것을 보여주는 실험 결과이다.1 is a schematic view of a pressure sensor according to the present invention.
FIG. 2 is a schematic diagram of a pressure sensor including an electrode, FIG. 2- (a) is a pressure sensor in which the electrode has a symmetrical configuration, and FIG. 2- (b) is a schematic diagram of a pressure sensor in which the electrode has an asymmetrical configuration.
3 shows the results of measuring capacitance change under different CPC surface roughness conditions (Examples 1 and 2, Comparative Examples 1 and 2) in a static pressure sensing experiment.
FIG. 4 shows the results of measuring relative capacitance changes as a function of applied pressure obtained from I-CPC pressure sensors with different CNT concentrations in static pressure sensing experiments.
FIG. 5 shows the results of measuring the capacitance change of an I-CPC pressure sensor with copper electrodes asymmetrically positioned as a function of applied pressure position under constant pressure.
6 is a schematic diagram of pressure movement monitoring of a pressure sensor having a stacked structure of an asymmetric electrode sensor.
7 is a test result by changing the moving distance of the load movement in the dynamic pressure sensing experiment.
8 is a result of measuring the change in capacitance with time at different movement speed in the dynamic pressure sensing experiment.
9 is a result showing a position-capacitance relationship in a dynamic pressure sensing experiment.
10 is a schematic diagram of a laminated structure of an I-CPC pressure sensor for simultaneously monitoring the direction and pressure magnitude of pressure movement in an object and human application experiment.
11 is a schematic view and measured capacitance change results for monitoring the movement of a brush in an object and human body application experiment.
12 is an experimental result of a sliding test of a finger in an object and a human body application experiment.
FIG. 13 is a photograph showing the three-finger position of the I-CPC pressure sensor and the real-time monitoring capacitive profile results of Channel 1 and Channel 2 in the object and human application experiment.
14 is an experimental result showing that the pressure position is changed after severe friction of the pressure sensing region in the object and human body application experiment.

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다.As the invention allows for various changes and numerous embodiments, particular embodiments will be illustrated in the drawings and described in detail in the written description.

그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.However, this is not intended to limit the present invention to specific embodiments, it should be understood to include all modifications, equivalents, and substitutes included in the spirit and scope of the present invention. In the following description of the present invention, if it is determined that the detailed description of the related known technology may obscure the gist of the present invention, the detailed description thereof will be omitted.

제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용할 수 있지만, 구성요소들은 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.Terms such as first and second may be used to describe various components, but the components should not be limited by the terms. The terms are only used to distinguish one component from another.

본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. The terminology used herein is for the purpose of describing particular example embodiments only and is not intended to be limiting of the present invention. Singular expressions include plural expressions unless the context clearly indicates otherwise.

본 발명에서, "포함한다" 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.In the present invention, the terms "comprises" or "having" are intended to indicate that there is a feature, number, step, operation, component, part, or combination thereof described in the specification, and one or more other features. It is to be understood that the present invention does not exclude the possibility of the presence or the addition of numbers, steps, operations, components, components, or a combination thereof.

따라서, 본 명세서에 기재된 실시예에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형 예들이 있을 수 있다.Therefore, the configurations shown in the embodiments described herein are only one of the most preferred embodiments of the present invention and do not represent all of the technical idea of the present invention, and various equivalents may be substituted for them at the time of the present application. And variations.

또한, 본 발명에서 첨부된 도면은 설명의 편의를 위하여 확대 또는 축소하여 도시된 것으로 이해되어야 한다.In addition, it is to be understood that the accompanying drawings in the present invention are shown to be enlarged or reduced for convenience of description.

본 발명에서는 이온성 물질을 함유한 고분자 필름(이온 젤)와 높은 유전상수를 갖는 전도성 성분/고분자 필름 혼합체를 이용하여 압력이 가해진 상태에서 수직 압력의 크기와 그 압력의 움직임을 모두 감지하는 단순한 구조의 새로운 압전기용량 형 센서를 제작했다. 이온 젤 필름을 전도성 성분/고분자 필름 혼합체 층과 접촉시켜 계면에 전기 이중층 전기용량을 형성시켰다. 압력에 따라 전기 이중층 전기용량의 상당한 변화를 유도하기 위해 불규칙한 마이크로 크기 범프 구조를 갖는 사포를 이용해 전도성 성분/고분자 필름 혼합체 층 표면에 도입했다.In the present invention, using a polymer film (ionic gel) containing an ionic material and a conductive component / polymer film mixture having a high dielectric constant, a simple structure that detects both the magnitude of the vertical pressure and the movement of the pressure under the applied pressure Has manufactured a new piezoelectric sensor. The ion gel film was contacted with a conductive component / polymer film mixture layer to form an electric double layer capacitance at the interface. A sandpaper with irregular micro size bump structures was introduced to the conductive component / polymer film mixture layer surface to induce a significant change in electrical bilayer capacitance with pressure.

이하, 본 발명에 따른 압력 센서를 상세하게 설명하기로 한다.Hereinafter, the pressure sensor according to the present invention will be described in detail.

본 발명에 따른 압력센서는 표면에 돌기가 반복 형성된 요철구조가 형성되고, 상기 요철구조에 분산된 전도성 성분을 포함하는 제1 고분자 필름; 및 상기 제1 고분자 필름의 요철구조가 형성된 면상에 적층되며, 내부에 이온성 물질이 분산된 제2 고분자 필름을 포함한다.Pressure sensor according to the present invention is formed with a concave-convex structure is formed on the surface repeatedly projections, the first polymer film comprising a conductive component dispersed in the concave-convex structure; And a second polymer film stacked on a surface on which the uneven structure of the first polymer film is formed and in which an ionic material is dispersed.

상기 요철구조는 압력에 따라 전기 이중층 전기용량의 상당한 변화를 유도하기 위해 형성된 것으로, 본 발명에 따른 압전 센서는 상기 요철구조를 가짐으로써, 0 내지 0.2kPa에서 약 4 내지 10kPa^-1의 우수한 압력 감도를 나타낼 수 있다(실험예 1 참조).The uneven structure is formed to induce a significant change in the electric double layer capacitance according to the pressure, the piezoelectric sensor according to the present invention has the uneven structure, excellent pressure sensitivity of about 4 to 10 kPa ^-1 at 0 to 0.2 kPa It can be shown (see Experimental Example 1).

상기 요철구조를 형성하는 돌기는 평균 직경 200 내지 560㎛ 및 평균 높이 30 내지 95㎛ 범위일 수 있다. 구체적으로 상기 돌기의 평균 직경은 210 내지 550㎛, 220 내지 530㎛, 230 내지 510㎛, 250 내지 500㎛, 260 내지 480㎛, 280 내지 460㎛, 290 내지 450㎛, 300 내지 430㎛, 310 내지 410㎛ 혹은 320 내지 400㎛ 범위일 수 있다. 또한, 상기 돌기의 평균 높이는 35 내지 90㎛, 40 내지 85㎛, 45 내지 80㎛, 50 내지 75㎛ 혹은 55 내지 70㎛ 범위일 수 있다. 요철구조를 형성하는 돌기의 평균 직경 및 높이가 상기 범위일 경우 우수한 압력감도를 나타내며, 향상된 전기용량 변화량을 구현하게 된다.The protrusions forming the uneven structure may range from an average diameter of 200 to 560 μm and an average height of 30 to 95 μm. Specifically, the average diameter of the protrusions is 210 to 550 μm, 220 to 530 μm, 230 to 510 μm, 250 to 500 μm, 260 to 480 μm, 280 to 460 μm, 290 to 450 μm, 300 to 430 μm, 310 to 410 μm or in the range of 320 to 400 μm. In addition, the average height of the protrusions may range from 35 to 90 μm, 40 to 85 μm, 45 to 80 μm, 50 to 75 μm or 55 to 70 μm. When the average diameter and height of the protrusions forming the uneven structure are in the above range, excellent pressure sensitivity is achieved, and an improved capacitance change amount is realized.

상기 요철구조는 면적 1cm²을 기준으로 80 내지 350개 돌기가 형성된 것일 수 있다. 구체적으로 상기 돌기의 개수는 요철구조의 면적 1cm²을 기준으로 90 내지 330개, 100 내지 300개, 110 내지 280개, 100 내지 150개 혹은 200 내지 250개 형성된 것일 수 있다. 요철구조에 형성된 돌기의 개수가 상기 범위일 경우 우수한 압력감도를 나타낼 수 있다. 예를 들어 상기 돌기는 불규칙한 마이크로 크기 범프 구조를 갖는 사포를 몰드로 사용하여 형성된 것일 수 있다.The uneven structure may be formed of 80 to 350 protrusions on the basis of 1cm ² area. Specifically, the number of the protrusions may be formed of 90 to 330, 100 to 300, 110 to 280, 100 to 150 or 200 to 250 based on the area 1cm ² of the uneven structure. When the number of protrusions formed on the uneven structure is in the above range, it may exhibit excellent pressure sensitivity. For example, the protrusion may be formed by using a sandpaper having an irregular micro size bump structure as a mold.

하나의 예로서, 본 발명에 따른 압력 센서는 제1 고분자 필름의 양면에 요철구조가 형성되며, 제2 고분자 필름은 제1 고분자 필름의 양면에 적층된 구조일 수 있다. 이러한 구조는 제1 고분자 필름의 양면에 형성된 요철구조가 제2 고분자 필름과 접합하는 구조일 수 있다(도 1 참조). As one example, the pressure sensor according to the present invention may have a concave-convex structure on both surfaces of the first polymer film, and the second polymer film may have a structure laminated on both sides of the first polymer film. Such a structure may be a structure in which the uneven structure formed on both surfaces of the first polymer film is bonded to the second polymer film (see FIG. 1).

또한, 본 발명에 따른 압력 센서는 제2 고분자 필름을 기준으로 제1 고분자 필름과 접하는 면의 반대측 면에 적층된 제3 고분자 필름을 더 포함하는 구조일 수 있다. 상기 제3 고분자 필름은 제1 고분자 필름 혹은 제2 고분자 필름과 동일하거나 다른 성분일 수 있다(도 1 참조). 하나의 예로서, 도 1에서 제1 고분자 필름은 'CPC'로, 제2 고분자 필름은 'Ion gel'로, 제3 고분자 필름은 'PDMS cover'로 표현하였다.In addition, the pressure sensor according to the present invention may have a structure further comprising a third polymer film laminated on the side opposite to the surface in contact with the first polymer film on the basis of the second polymer film. The third polymer film may be the same or different components as the first polymer film or the second polymer film (see FIG. 1). As an example, in FIG. 1, the first polymer film is referred to as 'CPC', the second polymer film is referred to as 'Ion gel', and the third polymer film is referred to as 'PDMS cover'.

상기 제3 고분자 필름은 탄성 고분자 필름일 수 있으며, 예를 들어 상기 제3 고분자 필름은 PDMS(polydimethylsiloxane), PET(polyethylene terephthalate), PVDF(polyvinylidene fluoride), PES(polyethersulfone), PS(polystyrene), PC(polycarbonate), PI(polyimide), PEN(polyethylene naphthalate), PVP(Polyvinylpyrrolidone), SBS(styrene-butadiene-styrene) 및 PAR(polyarylate) 중 1종 이상을 포함하는 것일 수 있다. The third polymer film may be an elastic polymer film. For example, the third polymer film may be polydimethylsiloxane (PDMS), polyethylene terephthalate (PET), polyvinylidene fluoride (PVDF), polyethersulfone (PES), polystyrene (PS), or PC. (polycarbonate), PI (polyimide), polyethylene naphthalate (PEN), polyvinylpyrrolidone (PVP), styrene-butadiene-styrene (SBS) and PAR (polyarylate) may be included.

본 발명에서 고분자 필름은 PDMS(polydimethylsiloxane), PET(polyethylene terephthalate), PVDF(polyvinylidene fluoride), PES(polyethersulfone), PS(polystyrene), PC(polycarbonate), PI(polyimide), PEN(polyethylene naphthalate), PVP(Polyvinylpyrrolidone), SBS(styrene-butadiene-styrene) 및 PAR(polyarylate) 중 1종 이상을 포함할 수 있다. 구체적으로 제1 고분자 필름은 PDMS(polydimethylsiloxane)을 포함할 수 있으며, 제2 고분자 필름은 PVDF(polyvinylidene fluoride)을 포함할 수 있다.In the present invention, the polymer film is PDMS (polydimethylsiloxane), PET (polyethylene terephthalate), PVDF (polyvinylidene fluoride), PES (polyethersulfone), PS (polystyrene), PC (polycarbonate), PI (polyimide), PEN (polyethylene naphthalate), PVP (Polyvinylpyrrolidone), SBS (styrene-butadiene-styrene) and PAR (polyarylate) may include one or more. Specifically, the first polymer film may include polydimethylsiloxane (PDMS), and the second polymer film may include polyvinylidene fluoride (PVDF).

상기 전도성 성분은 그래핀(graphene), CNT(carbon nano tube), SWNT(Single-Walled Carbon Nanotube), MWNT(Multi-Walled Carbon Nanotube), GO(graphene oxide), rGO(reduced graphene oxide), nc-G(nano crystalline graphene), PEDOT:PSS, 메탈나노와이어, 나노파이버 및 카본블랙 중 1종 이상을 포함할 수 있다. 상기 전도성 성분은 요철구조의 돌기 내에 존재할 수 있으며, 이러한 전도성 성분을 갖는 요철구조 표면과 이온성 물질이 분산된 제2 고분자 필름의 표면이 접촉하면 면에 전기 이중층 전기용량을 형성시키며, 일정한 압력을 가할 경우 전기용량의 변화를 유도하게 된다(도 1 참조).The conductive component is graphene, carbon nanotube (CNT), single-walled carbon nanotube (SWNT), multi-walled carbon nanotube (MWN), graphene oxide (GO), reduced graphene oxide (rGO), nc- It may include one or more of nanocrystalline graphene (G), PEDOT: PSS, metal nanowires, nanofibers, and carbon black. The conductive component may be present in the protrusions of the uneven structure. When the surface of the uneven structure having the conductive component contacts the surface of the second polymer film in which the ionic material is dispersed, an electric double layer capacitance is formed on the surface. When applied, a change in capacitance is induced (see FIG. 1).

상기 이온성 물질은 1-부틸-4-메틸피리디니움 테트라플루오로보레이트, 1-에틸-3-메틸이미다졸륨 메틸설페이트, 1-부틸-3-메틸이미다졸륨 메틸설페이트, 1-에틸-3-메틸이미다졸륨 에틸설페이트, 1-부틸-3-메틸이미다졸륨 에틸설페이트, 1-에틸-3-메틸이미다졸륨 트리플루오로메탄설포네이트, 1-부틸-3-메틸이미다졸륨 트리플루오로메탄설포네이트, 1-에틸-3-메틸이미다졸륨 티오시아네이트, 1-에틸-3-메틸이미다졸륨 비스(트리플루오로메틸설포닐)이미드, 및 1-부틸-3-메틸이미다졸륨 비스(트리플루오로메틸설포닐)이미드 중 1종 이상을 포함할 수 있다. The ionic material is 1-butyl-4-methylpyridinium tetrafluoroborate, 1-ethyl-3-methylimidazolium methylsulfate, 1-butyl-3-methylimidazolium methylsulfate, 1-ethyl- 3-methylimidazolium ethylsulfate, 1-butyl-3-methylimidazolium ethylsulfate, 1-ethyl-3-methylimidazolium trifluoromethanesulfonate, 1-butyl-3-methylimidazolium tri Fluoromethanesulfonate, 1-ethyl-3-methylimidazolium thiocyanate, 1-ethyl-3-methylimidazolium bis (trifluoromethylsulfonyl) imide, and 1-butyl-3-methyl It may comprise one or more of imidazolium bis (trifluoromethylsulfonyl) imide.

하나의 예로서, 본 발명에 따른 압력 센서는 제1 고분자 필름; 제1 고분자 필름 양면에 적층된 제2 고분자 필름; 상기 제2 고분자 필름 중 어느 하나에 형성된 제1 전극; 및 상기 제2 고분자 필름 중 다른 하나에 형성된 제2 전극을 포함할 수 있다. As one example, the pressure sensor according to the present invention comprises a first polymer film; A second polymer film laminated on both surfaces of the first polymer film; A first electrode formed on any one of the second polymer films; And a second electrode formed on the other one of the second polymer films.

상기 제1 전극과 제2 전극은 압력 센서의 일측 단부에 형성되거나, 압력 센서의 양측 단부에 각각 형성될 수 있다. 상기 제1 전극과 제2 전극이 압력 센서의 일측 단부에 형성될 경우 도 2-(b)에 나타낸 것과 같이 전극이 비대칭으로 형성된 것을 의미할 수 있으며, 이 경우 이온의 농도구배가 나타날 수 있다. 제1 전극과 제2 전극이 압력 센서의 양측 단부에 각각 형성될 경우 도 2-(a)에 나타낸 것과 같이 전극이 대칭으로 형성된 것을 의미할 수 있다. The first electrode and the second electrode may be formed at one end of the pressure sensor, or may be formed at both ends of the pressure sensor, respectively. When the first electrode and the second electrode is formed at one end of the pressure sensor, it may mean that the electrode is formed asymmetrically, as shown in Figure 2 (b), in which case the concentration gradient of ions may appear. When the first electrode and the second electrode are formed at both ends of the pressure sensor, it may mean that the electrodes are formed symmetrically, as shown in Fig. 2- (a).

이하, 본 발명에 따른 압력 센서의 제조방법을 설명한다.Hereinafter, the manufacturing method of the pressure sensor according to the present invention.

본 발명에 따른 압력 센서의 제조방법은, 전도성 성분 및 예비 중합체 혼합 용액을 사포 몰드에서 스핀코팅하는 단계; 상기 스핀코팅된 혼합 용액을 경화시켜 전도성 성분이 분산된 고분자 필름을 제조하는 단계; 이온성 물질이 분산된 고분자 필름을 제조하는 단계; 상기 제조된 전도성 성분이 분산된 고분자 필름 상하부에 이온성 물질이 분산된 고분자 필름을 적층하는 단계; 및 이온성 물질이 분산된 고분자 필름의 상하부 외면에 탄성 고분자 필름을 적층하는 단계를 포함한다.A method of manufacturing a pressure sensor according to the present invention comprises the steps of spin coating a conductive component and a prepolymer mixed solution in a sandpaper mold; Curing the spin-coated mixed solution to prepare a polymer film having conductive components dispersed therein; Preparing a polymer film in which an ionic material is dispersed; Stacking a polymer film in which an ionic material is dispersed above and below the polymer film in which the conductive component is dispersed; And laminating an elastic polymer film on upper and lower outer surfaces of the polymer film in which the ionic material is dispersed.

상기 사포 몰드는 면적 1cm²을 기준으로 80 내지 350방의 사포 몰드를 사용할 수 있으며, 구체적으로 90 내지 330방, 100 내지 300방, 110 내지 280방, 100 내지 150방 혹은 200 내지 250방의 범위의 사포 몰드를 사용할 수 있다. The sandpaper mold may use 80 to 350 sandpaper molds based on an area of 1 cm ² , and specifically, sandpaper having a range of 90 to 330, 100 to 300, 110 to 280, 100 to 150, or 200 to 250 Molds can be used.

이하, 실시예 및 실험예를 통하여 상기 내용을 보다 구체적으로 설명하지만, 본 발명의 범위가 하기 제시된 내용에 의해 제한되는 것은 아니다.Hereinafter, the above content will be described in more detail with reference to Examples and Experimental Examples, but the scope of the present invention is not limited by the following contents.

실시예Example 1: 압력 센서 제조(CPC 필름 제조 시 사포 1: Manufacture of pressure sensors (sandpaper when manufacturing CPC films 몰드Mold 120방) 120 rooms)

(1) 전도성 성분이 분산된 고분자 필름(CPC 필름) 제조(1) Preparation of polymer film (CPC film) in which conductive component is dispersed

먼저 전도성 성분이 분산된 고분자 필름(CNT/PDMS Complex, 이하 CPC 필름과 동일한 의미임)를 제조하기 위해, 단일 벽 탄소 나노 튜브(SWNT, SPN-95, Carbon Nano-material Technology Co.)를 bath sonication(CPX3 800-E, Branson)으로 톨루엔에 물리적으로 2시간 동안 분산시켜 톨루엔 중 SWNT의 농도가 1mg/ml인 CNT/톨루엔 용액을 제조하였다. 그런 다음, PDMS 예비 중합체(Sylgard 184, Dow Corning)를 상기 제조된 CNT/톨루엔 용액에 첨가하였다. 그 후, 혼합물을 핫 플레이트 상에서 90℃로 가열하고 250rpm에서 24시간 동안 교반하여 톨루엔을 제거하고 SWNT를 PDMS 예비 중합체에 분산시켰다. 0.5, 1 및 1.5 wt %의 3 가지 상이한 중량 농도의 SWNT를 제조하여 실험에 사용하였으며, SWNT의 직경과 길이는 각각 1-2 nm와 ~ 10 μm였다. First, bath sonication of single-walled carbon nanotubes (SWNT, SPN-95, Carbon Nano-material Technology Co.) was carried out to produce polymer films with conductive components dispersed therein (the same meaning as CNT / PDMS Complex). (CPX3 800-E, Branson) was physically dispersed in toluene for 2 hours to prepare a CNT / toluene solution having a concentration of 1 mg / ml SWNT in toluene. Then PDMS prepolymer (Sylgard 184, Dow Corning) was added to the CNT / toluene solution prepared above. The mixture was then heated to 90 ° C. on a hot plate and stirred at 250 rpm for 24 hours to remove toluene and disperse the SWNTs in PDMS prepolymer. Three different weight concentrations of 0.5, 1 and 1.5 wt% of SWNTs were prepared and used in the experiments. The diameters and lengths of the SWNTs were 1-2 nm and 10 μm, respectively.

그런 다음, 클로로메틸실란(Chloromethylsilane, Sigma Aldrich)을 기화시켜 경화된 CPC 필름을 쉽게 분리할 수 있도록 사포 몰드에 침착시켰다. CPC prepolymer와 가교 결합제의 혼합물을 10 : 1의 비율로 제조하고 120방 사포 몰드 상에 700rpm으로 1 분 동안 스핀 코팅하였다. 스핀 코팅 후 CPC 필름을 핫 플레이트에서 70℃에서 완전히 경화시켰다. 사포에서 분리된 CPC 필름은 사포 몰드의 반대 면에 평평한 표면이 있는 표면 구조를 가지고 있다. Then, chloromethylsilane (Chloromethylsilane, Sigma Aldrich) was vaporized and deposited on the sandpaper mold for easy separation of the cured CPC film. A mixture of CPC prepolymer and crosslinker was prepared at a ratio of 10: 1 and spin-coated for 1 minute at 700 rpm on 120 sandpaper molds. After spin coating the CPC films were fully cured at 70 ° C. on a hot plate. The CPC film separated from the sandpaper has a surface structure with a flat surface on the opposite side of the sandpaper mold.

분리된 CPC 필름의 평평한 표면을 공기 플라즈마 처리(PDC-32G, Harrick Plasma)에 노출시키고 동일한 공정으로 제조 한 다른 필름에 접합시켰다. 결과적으로, CPC 필름은 윗면과 아랫면 모두에서 요철 구조를 가졌다. 제조된 CPC 필름의 두께는 ~ 310 μm였다.The flat surface of the separated CPC film was exposed to air plasma treatment (PDC-32G, Harrick Plasma) and bonded to another film made in the same process. As a result, the CPC film had a concave-convex structure on both top and bottom surfaces. The thickness of the prepared CPC film was ˜310 μm.

(2) 이온성 물질이 분산된 고분자 필름(이온 젤 필름) 제조(2) Preparation of polymer film (ion gel film) in which ionic substance is dispersed

Poly(vinylidene fluoride-co-hexafluoropropylene) (PVDF-HFP, Sigma Aldrich)을 25 ℃에서 2 시간 동안 교반하면서 아세톤에서 혼합하였다. 아세톤은 선택된 1-ethyl-3-methylimidazolium bis(trifluoromethylsulfonyl)imide ([EMIM][TFSI], Sigma Aldrich) 및 PVDF-HFP을 공통적으로 용해시키기 위해 선택되었다. 중합체 / 용매 혼합물에 [EMIM] [TFSI]를 첨가한 후, 용액을 10 분 동안 교반하여 완전히 혼합하였다. 이온 젤 필름은 혼합된 폴리머 용액을 슬라이드 글래스에 떨어뜨리고 핫 플레이트에서 70℃에서 24시간 동안 건조시켜 이온 젤에서 잔류 용매를 제거함으로써 생성되었다. PVDF-HFP와 아세톤의 중량비는 모든 준비 과정에서 1:8로 유지되었다. PVDF-HFP의 중량을 기준으로 30, 40, 60 및 80 wt %의 [EMIM] [TFSI]의 4 가지 상이한 중량 분율을 실험을 위해 준비하였다. 제조된 이온 젤 필름의 두께는 ~ 170μm였다.Poly (vinylidene fluoride-co-hexafluoropropylene) (PVDF-HFP, Sigma Aldrich) was mixed in acetone with stirring at 25 ° C. for 2 hours. Acetone was chosen to commonly dissolve selected 1-ethyl-3-methylimidazolium bis (trifluoromethylsulfonyl) imide ([EMIM] [TFSI], Sigma Aldrich) and PVDF-HFP. After [EMIM] [TFSI] was added to the polymer / solvent mixture, the solution was stirred for 10 minutes to mix thoroughly. Ion gel films were produced by dropping the mixed polymer solution onto slide glass and drying at 70 ° C. for 24 hours on a hot plate to remove residual solvent from the ion gel. The weight ratio of PVDF-HFP to acetone was maintained at 1: 8 in all preparations. Four different weight fractions of 30, 40, 60 and 80 wt% of [EMIM] [TFSI] based on the weight of PVDF-HFP were prepared for the experiment. The thickness of the prepared ion gel film was ˜170 μm.

상기 제조된 CPC 필름 및 이온 젤 필름을 적층한 후 상부 및 하부 이온젤 전극 모두에 전위를 인가하기 위해, 구리 테이프를 이온 젤 필름에 부착하였다. 도 2 에서 (a)는 전극이 대칭 구성을 갖는 압력 센서이고, (b)는 전극이 비대칭 구성을 갖는 압력 센서의 개략도이다.After laminating the prepared CPC film and the ion gel film, a copper tape was attached to the ion gel film to apply a potential to both the upper and lower ion gel electrodes. In FIG. 2, (a) is a pressure sensor in which the electrode has a symmetrical configuration, and (b) is a schematic diagram of a pressure sensor in which the electrode has an asymmetrical configuration.

(3) 탄성 고분자 필름이 (3) elastic polymer film 적층된Stacked 압력 센서 제조 Pressure sensor manufacturers

탄성 고분자 필름을 압력 센서의 커버로 적용하기 위해, 5:1의 비율로 혼합되고 80°C에서 2시간 동안 경화 된 PDMS prepolymer의 얇은 PDMS 필름(~ 150㎛)을 보호 층으로 적용하여 이온 젤 필름 및 CPC 필름을 포함하는 압력 센서(본 발명에서 'I-CPC 압력 센서'와 동일한 의미임)를 제조하였다.In order to apply the elastomeric film as a cover of the pressure sensor, an ion gel film was applied by applying a thin PDMS film (~ 150 μm) of PDMS prepolymer mixed at a ratio of 5: 1 and cured at 80 ° C. for 2 hours as a protective layer. And a pressure sensor comprising the CPC film (which has the same meaning as the 'I-CPC pressure sensor' in the present invention).

도 1에 실시예 1에 따라 제조된 압력 센서의 개략도를 나타내었다. CPC 필름(CPC) 상하부에 이온 젤 필름(Ion gel)이 형성되며, 적층된 이온 젤 필름의 표면에 보호층으로 PDMS 커버(PDMS cover)가 형성된 것을 볼 수 있다. 1 shows a schematic diagram of a pressure sensor manufactured according to Example 1. FIG. An ion gel film is formed above and below the CPC film, and a PDMS cover is formed as a protective layer on the surface of the laminated ion gel film.

실시예Example 2: 압력 센서 제조(CPC 필름 제조 시 사포 2: Manufacture of pressure sensor (sandpaper for CPC film 몰드Mold 220방) 220 rooms)

CPC 필름 제조 시 사포 몰드 220방인 것을 사용하여 표면 거칠기를 제어한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 압력 센서를 제조하였다. A pressure sensor was manufactured in the same manner as in Example 1, except that the surface roughness was controlled by using sandpaper molds 220 in the manufacturing of the CPC film.

비교예Comparative example 1: 요철구조를 형성하지 않은 압력 센서 제조 1: Manufacture of pressure sensor without forming uneven structure

CPC 필름 제조 시 요철 구조를 형성하지 않은 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 압력 센서를 제조하였다. A pressure sensor was manufactured in the same manner as in Example 1 except that the uneven structure was not formed when the CPC film was prepared.

비교예Comparative example 2: 압력 센서 제조(CPC 필름 제조 시 사포 2: Manufacture of pressure sensor (sandpaper for CPC film 몰드Mold 400방) 400 rooms)

CPC 필름 제조 시 사포 몰드 400방인 것을 사용하여 표면 거칠기를 제어한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 압력 센서를 제조하였다. A pressure sensor was manufactured in the same manner as in Example 1 except that the surface roughness was controlled by using 400 sandpaper molds when manufacturing the CPC film.

비교예Comparative example 3: 압력 센서 제조(CPC 필름 제조 시 사포 3: Manufacture of pressure sensor (sandpaper for CPC film 몰드Mold 600방) 600 rooms)

CPC 필름 제조 시 사포 몰드 600방인 것을 사용하여 표면 거칠기를 제어한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 압력 센서를 제조하였다. A pressure sensor was manufactured in the same manner as in Example 1, except that surface roughness was controlled by using a sandpaper mold of 600 at the time of manufacturing the CPC film.

실험예Experimental Example 1: 정적 압력 감지 실험 1: static pressure sensing experiment

실시예 1, 2, 비교예 1 및 2의 상이한 CPC 표면 거칠기 조건 하에서 압력 센서의 수직 압력을 모니터링하기 위해 대칭 전극 구성을 가진 I-CPC 압력 센서를 테스트에 사용하였다. 대칭 전극 구성을 가진 I-CPC 압력 센서는 도 2-(a)에 개략적으로 나타내었다. 이 시험에서, CPC 필름 및 이온 젤 필름은 각각 1x1cm² 및 1x1.4cm²의 크기를 가졌다. 센서는 물리적으로 적층된 구조의 이온 젤 필름과 CPC 필름층 사이의 접촉 영역이 1cm² 크기의 압력 감지 영역을 가졌다. I-CPC 압력 센서에 수직 압력을 가하기 위해 포스 게이지 (MS-05, Mark-10) 및 수직으로 움직일 수 있는 전동식 스탠드 (ESM303, Mark-10)가 실험에 사용되었다. 포스 게이지에서 얻은 힘 데이터는 Labview 프로그램이 있는 노트북을 통해 얻었다. 인가된 압력으로부터의 전기용량 변화는 LCR 미터 (Model 4110, Wayne Kerr Electronics)에 의해 1 kHz에서 0.1, 0.5 및 1 V의 AC 전압으로 얻어졌다.An I-CPC pressure sensor with a symmetrical electrode configuration was used for testing to monitor the vertical pressure of the pressure sensor under different CPC surface roughness conditions of Examples 1 and 2, Comparative Examples 1 and 2. An I-CPC pressure sensor with a symmetrical electrode configuration is shown schematically in Figure 2- (a). In this test, the CPC film and the ion gel film had sizes of ¹ × ¹ cm ² and 1 × 1.4 cm ^2, respectively. The sensor had a pressure sensing area of 1 cm ^{2 in} the contact area between the ion gel film and the CPC film layer of the physically stacked structure. Force gauges (MS-05, Mark-10) and vertically movable electric stands (ESM303, Mark-10) were used in the experiment to apply vertical pressure to the I-CPC pressure sensor. Force data from the force gauge was obtained from a laptop with a Labview program. Capacitance change from the applied pressure was obtained by an LCR meter (Model 4110, Wayne Kerr Electronics) at AC voltages of 0.1, 0.5 and 1 V at 1 kHz.

상이한 CPC 표면 거칠기 조건 하에서 전기 용량 변화를 알아보기 위해, 8 kPa까지의 압력의 함수로서 상대 전기 용량 변화를 측정하였다. 모든 CPC 층은 PDMS 매트릭스에 1 wt %의 CNT를 포함하였다. 결과는 도 3에 나타내었다. 도 3-(a)를 보면 상대 용량은 0.2 kPa 미만의 압력에서 크게 증가한 다음 높은 압력에서 서서히 증가하여 8 kPa에 도달할 때까지 완만한 변화를 나타낸다. 또한, 실험 결과에 따르면 작은 입자 번호 사포로 제조된 실시예 1 및 2(Grift #120 및 Grift #220)의 경우 상대적으로 큰 전기용량 변화를 나타냈다. 각 조건의 실험 결과를 검토하기 위해 전기용량 프로파일을 0-0.2 kPa, 0.2-2 kPa 및 2-8 kPa의 세 가지 압력 영역으로 나누고 서로 다른 압력 영역에 대한 사포 거칠기 수에 따른 평균 압력 감도를 측정하였다. 그 결과는 도 3-(b)에 나타내었으며, 이는 도 3-(a)의 감도를 포함하여 4회의 실험 측정값의 평균값으로부터 얻어졌다. 일반적으로 압력 센서는 낮은 압력 영역 (0-0.2 kPa)에서 가장 높은 압력 감도를 나타냈으며 높은 압력 영역에서 가해진 압력에 대한 감도가 감소하였다.To determine the change in capacitance under different CPC surface roughness conditions, the relative change in capacitance was measured as a function of pressure up to 8 kPa. All CPC layers contained 1 wt% CNTs in the PDMS matrix. The results are shown in FIG. In Figure 3- (a) the relative doses increase significantly at pressures less than 0.2 kPa and then slowly increase at higher pressures until they reach 8 kPa. In addition, the experimental results showed relatively large capacitance changes in Examples 1 and 2 (Grift # 120 and Grift # 220) made of small particle number sandpaper. To review the experimental results for each condition, divide the capacitance profile into three pressure zones, 0-0.2 kPa, 0.2-2 kPa, and 2-8 kPa, and measure the average pressure sensitivity according to the number of sandpaper roughnesses for different pressure zones. It was. The results are shown in Figure 3- (b), which was obtained from the average of four experimental measurements, including the sensitivity of Figure 3- (a). In general, the pressure sensor showed the highest pressure sensitivity in the low pressure range (0-0.2 kPa) and decreased sensitivity to the pressure applied in the high pressure range.

도 4은 서로 다른 CNT 농도를 갖는 I-CPC 압력 센서로부터 얻은 적용 압력의 함수로서 상대적인 전기용량 변화를 보여준다. 그 결과 CNT 농도가 높은 압력 센서는 일반적으로 상대적인 전기용량 변화가 더 크게 나타났다. 한편, CNT가 포함되지 않은 PDMS 층 (거칠기 220방)이 있는 압력 센서는 비교적 작지만 명확하게 상승 된 전기용량 프로파일을 보였다(도 4-(b)). CNT가 포함되지 않은 PDMS 유전체 층을 가진 압력 센서는 I-CPC 압력 센서와 동일한 변형 과정을 거쳤다. 그러나, 유전체 층에 CNT가 없으면, 압력 센서는 다양하게 가해진 압력에 대해 상대적으로 큰 전기용량 변화를 얻지 못한다. 또한, CPC 표면에 요철구조가 없는 경우, 상대 전기용량 차이는 CNT 농도에 관계없이 무시할 수 있는 신호 변화를 나타냈다. 이 결과로부터, 우리는 이온 젤 필름과 요철구조의 계면에서 접촉 형성이 실질적인 전기용량 변화를 유도하는 역할을 하는 것을 확인하였다.4 shows the relative capacitance change as a function of applied pressure obtained from I-CPC pressure sensors with different CNT concentrations. As a result, pressure sensors with high CNT concentrations generally show larger relative capacitance changes. On the other hand, a pressure sensor with a PDMS layer (roughness 220 rooms) without CNTs showed a relatively small but clearly elevated capacitance profile (Fig. 4- (b)). Pressure sensors with PDMS dielectric layers that do not contain CNTs undergo the same deformation process as I-CPC pressure sensors. However, without CNTs in the dielectric layer, the pressure sensor does not obtain relatively large capacitance changes with varying applied pressures. In addition, when there was no concave-convex structure on the surface of the CPC, the relative capacitance difference showed a negligible signal change regardless of the CNT concentration. From these results, we confirmed that the contact formation at the interface between the ion gel film and the concave-convex structure induces a substantial change in capacitance.

실험예Experimental Example 2: 동적 압력 감지 실험 2: dynamic pressure sensing experiment

압력 감지 영역 위의 압력의 측면 이동을 모니터링하기 위해 I-CPC 압력 센서는 1.5x4cm² 및 1.5x4.4cm² 의 CPC 필름 및 이온 젤 필름을 각각 사용하였다. 압력 감지 영역은 4x1.5cm²의 크기로 준비했다. 측면 압 이동은 비대칭 구성이 있는 I-CPC 압력 센서로 모니터링 했다. 비대칭 전극 구성을 가진 I-CPC 압력 센서는 도 3-(b)에 개략적으로 나타내었다. 횡 방향의 쉬운 압력 이동을 위해 I-CPC 압력 센서를 의료용 테이프 (Transpore, 3M)로 덮고 테스트 스테이지에 고정 시켰다.In order to monitor the lateral movement of the pressure over the pressure sensitive area, I-CPC pressure sensors used 1.5 × ⁴ cm ² and 1.5 × 4.4 cm ² CPC films and ion gel films, respectively. The pressure sensitive area was prepared in the size of 4x1.5 cm ² . Lateral pressure movements were monitored with an I-CPC pressure sensor with an asymmetric configuration. An I-CPC pressure sensor with an asymmetric electrode configuration is shown schematically in FIG. 3- (b). The I-CPC pressure sensor was covered with medical tape (Transpore, 3M) and fixed to the test stage for easy transverse pressure movement.

먼저 정적 및 일정 압력 조건에서 I-CPC 압력 센서에 대한 압력 테스트를 수행하여 전기용량 변화의 위치 의존성을 확인했다. 도 5은 1.02, 4.97, 7.51, 및 10.24 kPa의 일정한 압력 하에서인가 된 압력 위치의 함수로서 비대칭적으로 위치한 구리 전극을 갖는 I-CPC 압력 센서의 전기용량 변화를 보여준다. 전기용량은 각 위치에서 인가된 압력이 증가함에 따라 증가하지만, 전기용량 변화의 크기는 모든 압력에서 초기 위치로부터의 거리가 증가함에 따라 거의 선형적으로 감소하였다. 이 결과로부터, 전위 소스의 비대칭 구성이 압력 감도 구배를 생성하는 것을 알 수 있었다.First, pressure tests were performed on the I-CPC pressure sensor under static and constant pressure conditions to determine the position dependence of the capacitance change. 5 shows the capacitance change of an I-CPC pressure sensor with copper electrodes asymmetrically positioned as a function of applied pressure position under constant pressures of 1.02, 4.97, 7.51, and 10.24 kPa. The capacitance increased with increasing pressure applied at each position, but the magnitude of the capacitance change decreased almost linearly with increasing distance from the initial position at all pressures. From this result, it was found that the asymmetric configuration of the dislocation source produces a pressure sensitivity gradient.

압력은 도 6과 같이 초기 위치(0mm)에서 멀리 떨어져있는 I-CPC 압력 센서의 감지 영역에 적용되었다. 초기 위치는 구리 전극 변형의 영향을 제거하기 위해 구리 전극으로부터 약 0.4mm 떨어져 위치하였다. 또한 압력은 감지 영역의 중심선을 따라 가해져 감지 영역에서 원치 않는 가장자리 변형 효과를 제거하였다. I-CPC 압력 센서에 적용된 ~ 4.5kPa의 하중으로 하중 이동의 이동 거리와 속도를 변경하여 전기용량의 변화를 알아보는 실험을 진행하였다. 하중은 0mm (위치 (1))에서 15mm (위치 (2))까지 그리고 0mm (위치 (1))에서 25mm (위치 (3))로 이동하는 두 가지 유형의 왕복 운동을 진행하였다(도 6). The pressure was applied to the sensing area of the I-CPC pressure sensor remote from the initial position (0 mm) as shown in FIG. The initial position was about 0.4 mm away from the copper electrode to eliminate the effects of copper electrode deformation. Pressure was also applied along the centerline of the sensing area to eliminate unwanted edge deformation effects in the sensing area. An experiment was conducted to determine the change of capacitance by changing the travel distance and speed of the load movement with a load of ~ 4.5kPa applied to the I-CPC pressure sensor. The load went through two types of reciprocating motions, moving from 0 mm (position (1)) to 15 mm (position (2)) and from 0 mm (position (1)) to 25 mm (position (3)) (FIG. 6). .

도 7는 하중 이동의 이동거리를 변경하여 실험한 결과로, 2.941mm/s의 일정 속도로 다른 이동 거리에서 시간의 함수로서 전기용량 변화 및 해당 위치 프로파일을 나타낸다. 처음에 위치 (1)에 놓이는 압력 부하의 경우 전기용량은 ~ 10pF 였다. 이는 위치 (2)와 (3)에 대한 하중의 이동과 함께 각각 ~ 6.5 및 ~ 4.5 pF로 감소하였다. 하중의 실시간 데이터(도 7의 파선)에서 얻은 해당 위치 프로파일은 전기용량 프로파일과 높은 일치를 보였다. 특히, 동일한 하중의 동등한 이동 속도로 인해 두 프로파일의 감소하는 기울기가 압력 이동 중에 서로 일치하였다. 또한 도 7에서 하중 위치 변화에 따라 전기 용량 변화 정도가 도 5에서의 정적 압력 변화 정도와 일치함을 보였다. 이는 I-CPC 압력 센서가 이동 거리에 관계없이 신뢰할 수 있는 압력 감도 기울기를 형성했음을 나타내는 것이며. 이 결과는 다양한 이동 속도에서도 관찰되었다.Fig. 7 shows the results of experiments by changing the travel distance of the load movement, showing the capacitance change and the corresponding position profile as a function of time at different travel distances at a constant speed of 2.941 mm / s. For the pressure load initially placed in position (1), the capacitance was ˜10 pF. This was reduced to ˜6.5 and ˜4.5 pF, respectively, with the movement of the load for positions (2) and (3). The corresponding position profile obtained from the real time data of the load (dashed line in FIG. 7) showed a high agreement with the capacitive profile. In particular, the decreasing slopes of the two profiles coincide with each other during the pressure movement due to the equal speed of movement of the same load. In addition, as shown in FIG. 7, the degree of change in capacitance is consistent with the degree of change in static pressure in FIG. 5. This indicates that the I-CPC pressure sensor formed a reliable pressure sensitivity gradient regardless of the distance traveled. This result was also observed at various movement speeds.

도 8은 4.5kPa 부하의 다른 이동 속도에서 시간에 따른 전기용량 변화를 보여준다. I-CPC 압력 센서는 위치 (1) → (3) → (1)의 동일한 왕복 운동 하에서 서로 다른 속도로 이동 했을 때 각각 다른 전기용량 변화 프로파일을 나타낸다. 부하의 이동 속도가 증가하면 전기용량은 ~ 10pF에서 ~ 4.5pF로 급격히 떨어지고 원래 값으로 빠르게 회복된다. 하중의 위치 프로필은 또한 각 속도에서의 전기용량 변화와 일치하였다(도 7의 파선). 8 shows the change in capacitance over time at different travel speeds of a 4.5 kPa load. I-CPC pressure sensors show different capacitive change profiles when they are moved at different speeds under the same reciprocating motion from position (1) → (3) → (1). As the speed of the load increases, the capacitance rapidly drops from ~ 10pF to ~ 4.5pF and quickly returns to its original value. The location profile of the load was also consistent with the change in capacitance at each speed (dashed line in FIG. 7).

위치-전기용량 관계가 도 9에 도시 된 바와 같이 이동 속도 및 방향에 관계없이 얻어졌다. 도 5 및 9에 표시된 실험 결과는 I-CPC 압력 센서의 전기용량 변화는 하중의 이동속도나 가해진 압력의 크기와는 상관없이 위치에 따라 변화한다는 것을 보여준다. 동적 압력에 관한 실험 결과(도 7 및 8)는 I-CPC 압력 센서의 비대칭 이온 분포가 계면 전기용량 변화의 크기에 영향을 미침으로써 I-CPC의 압력 감도 기울기를 유도 할 수 있음을 나타낸다. 이를 통해 본 발명에 따른 I-CPC 압력 센서는 압력 운동의 방향에 따라 특성 전기용량 프로파일을 보여주고 실시간으로 일정한 압력의 위치를 모니터링 할 수 있음을 확인하였다.The position-capacitance relationship was obtained regardless of the moving speed and direction as shown in FIG. The experimental results shown in FIGS. 5 and 9 show that the capacitance change of the I-CPC pressure sensor varies with position regardless of the speed of the load or the magnitude of the applied pressure. Experimental results on dynamic pressure (FIGS. 7 and 8) show that the asymmetric ion distribution of the I-CPC pressure sensor can induce the pressure sensitivity gradient of the I-CPC by affecting the magnitude of the interfacial capacitance change. Through this, the I-CPC pressure sensor according to the present invention showed a characteristic capacitive profile according to the direction of the pressure movement and confirmed that the position of a constant pressure in real time.

실험예Experimental Example 3: 사물과 인체 적용 실험 3: experiment with objects and human body

인체 움직임 감지 장치로서 센서의 적합성을 결정하기 위해 I-CPC 압력 센서를 사용하여 붓의 움직임 모니터링 및 손가락 움직임 감지 실험을 진행했다. 도 10에 도시된 바와 같이, 압력 운동의 방향 및 압력 크기를 동시에 모니터링하기 위해 I-CPC 압력 센서의 적층 구조를 이용했다. 각 채널에서 측정된 전기용량 변화는 도 11-(b)에서 검정색(Channel 1) 및 빨간색(Channel 2) 실선으로 표시했다. 도 11-(a)에서와 같이 감지 영역 위의 위치 (1)과 (2)를 기준으로 붓의 움직임 동작의 네 가지 모드를 실험했다. 붓을 위치 (2)로 쓸 때, 채널 1에서 감소하는 신호가 관찰된다. 이것은 상단에 위치한 I-CPC 센서에서 비대칭으로 위치한 구리 전극의 압력 감도 구배 때문이다. 한편 채널 2의 전기용량 프로파일은 스트로크 동안 유지되며 이는 붓의 움직임의 압력이 일정함을 의미한다. 반대로, 위치 (1)을 향한 붓의 움직임은 각각 채널 1 및 2에서 전기용량 프로파일을 증가시키고 일정하게 유도한다. (1) → (2) → (1) → (2) → (1) → (2)의 결합 된 운동으로부터 전기용량이 변하여 채널 1에서 각각 V와 삼각형 모양을 가진 식별 가능한 특성 신호를 나타낸다, 붓을 쓰다듬는 동안 하단에 위치한 I-CPC 압력 센서의 신호는 3-4.2 pF 범위 내에서 유지되어 붓의 움직임의 압력이 I-CPC 압력 센서에 거의 일정하게 적용됨을 나타낸다. 이 데이터를 통해 상단에 위치한 I-CPC 압력 센서의 스트로크 방향과 하단에 위치한 I-CPC 압력 센서의 압력 크기를 모니터링 할 수 있다. 이 슬라이딩 동작 인식은 사용자가 다양한 명령 모드를 구별하는 데 사용할 수 있다. 이러한 압력 센서는 터치 패널 및 스티어링 시스템용 착용 장치와 같은 인간 - 기계 연결 장치로 적용될 수 있음을 확인하였다. In order to determine the suitability of the sensor as a human motion sensor, I-CPC pressure sensor was used to monitor the brush motion and to detect the finger motion. As shown in FIG. 10, the stacked structure of the I-CPC pressure sensor was used to simultaneously monitor the direction and pressure magnitude of the pressure motion. The capacitance change measured in each channel is indicated by solid black (Channel 1) and red (Channel 2) lines in Fig. 11- (b). As shown in Fig. 11- (a), four modes of brush movement were tested based on positions (1) and (2) on the sensing area. When writing the brush in position (2), a decreasing signal is observed in channel 1. This is due to the pressure sensitivity gradient of the copper electrode located asymmetrically on the top I-CPC sensor. Meanwhile, the capacitive profile of channel 2 is maintained during the stroke, which means that the pressure of the brush movement is constant. In contrast, the movement of the brush towards position (1) increases and consistently induces a capacitive profile in channels 1 and 2, respectively. The capacitance changes from the combined motion of (1) → (2) → (1) → (2) → (1) → (2), indicating an identifiable characteristic signal with a V and a triangular shape in channel 1, respectively, The signal from the I-CPC pressure sensor located at the bottom during stroking is maintained within the 3-4.2 pF range, indicating that the pressure of the brush movement is applied almost uniformly to the I-CPC pressure sensor. This data allows you to monitor the stroke direction of the top I-CPC pressure sensor and the pressure magnitude of the bottom I-CPC pressure sensor. This sliding gesture recognition can be used by the user to distinguish between various command modes. It has been found that such pressure sensors can be applied to human-machine connecting devices such as touch panels and wear devices for steering systems.

또한 인간의 손등에 부착되어 손가락의 슬라이딩과 위치 감지 실험을 진행하였다. 도 12는 손가락의 슬라이딩 테스트의 실험 결과를 보여준다. 사진에 표시된 위치를 기준으로 A→B, B→A, A→B→A 및 B→A→B의 네 가지 슬라이딩 동작이 I-CPC 압력 센서에 연속적으로 적용되었다. 도 12의 그래프에서 볼 수 있듯이 ~ 170 초 동안 손가락 슬라이딩 동작에 따라 일련의 신호가 나타났다. 압력 감도 기울기 때문에 A→B 및 B→A의 손가락 움직임은 감소하고 전기용량 프로파일을 각각 증가시킨다. A→B→A와 B→A→B의 왕복 운동은 각각 V와 삼각형 모양의 신호를 나타낸다. 각 특성 신호는 시험을 통해 동일하게 반복되었다. 또한 붓의 움직임 모니터링 테스트에 사용된 I-CPC 압력 센서의 적층 구조(도 10)가 테스트되어 압력 감지 영역 위의 손가락 위치를 모니터링 하였다. 압력 센서를 사람 손등에 부착하고 감지 영역 위로 손가락을 끌었다. It was also attached to the back of a human hand and conducted a sliding and position sensing experiment. 12 shows the experimental results of the sliding test of the finger. Based on the positions shown in the photograph, four sliding motions, A → B, B → A, A → B → A, and B → A → B, were applied successively to the I-CPC pressure sensor. As shown in the graph of FIG. 12, a series of signals appeared according to the finger sliding motion for ˜170 seconds. Due to the pressure sensitivity gradient, finger movements of A → B and B → A decrease and increase the capacitance profile, respectively. The reciprocating motions of A → B → A and B → A → B represent V and triangular signals, respectively. Each characteristic signal was repeated identically throughout the test. In addition, the stacked structure of the I-CPC pressure sensor used in the movement monitoring test of the brush (FIG. 10) was tested to monitor the finger position on the pressure sensing area. The pressure sensor was attached to the back of the human hand and the finger was dragged over the detection area.

도 13의 사진은 I-CPC 압력 센서의 세 손가락 위치를 보여준다. 각 층이 있는 센서의 전극 위치는 사진 (빨간색 및 파란색 점선 사각형)에 표시되어 있다. 압력 감지 영역의 왼쪽, 중간 및 오른쪽 영역의 손가락 위치는 각각 L, M 및 R로 표시했다. 도 13의 두 그래프는 채널 1(Channel 1)과 채널 2(Channel 2)의 실시간 모니터링 전기용량 프로파일을 보여준다. 상단에 위치한 센서(Channel 1)의 압력 민감도 기울기로 인해 위치 L에서 가장 큰 신호가 관찰된다. 위치 M과 R은 채널 1 전극에서 멀리 떨어져 있으므로 감소한다.The photograph of FIG. 13 shows the three finger position of the I-CPC pressure sensor. The electrode position of each layered sensor is shown in the picture (red and blue dotted rectangle). Finger positions in the left, middle and right regions of the pressure sensitive area are indicated by L, M and R, respectively. The two graphs of FIG. 13 show the real-time monitoring capacitive profiles of Channel 1 and Channel 2. The largest signal at position L is observed due to the pressure sensitivity slope of the sensor at the top (Channel 1). Positions M and R are reduced away from the channel 1 electrode.

다른 한편, 채널 2(Channel 2)의 신호는 손가락 움직임의 정지 상태 동안 ~ 10pF에서 일정하게 유지되고 손가락이 움직일 때 변한다. 채널 1(Channel 1)의 전기용량 프로파일은 손가락의 위치가 M→L→M→R→M→L→M→R 순으로 변화함을 나타낸다. 또한 채널 2(Channel 2) 의 전기용량 프로파일은 고정된 손가락에 대해 급격한 압력 변화가 없음을 나타낸다. 채널 2(Channel 2)에서 전기용량이 갑자기 떨어지는 것은 슬라이딩 동작 중 위치를 변경하여 손가락에서 가해지는 압력이 감소함을 의미한다. 또한, 도 14-(a)에 도시된 바와 같이, 손가락은 센서 상에 위치되고 압력 감지 영역의 심한 마찰 후에 압력 위치가 변경된다. 흥미롭게도, 채널 1의 전기용량 프로파일은 가혹한 마찰 이후에 신뢰할 수 있는 손가락 위치 의존 신호를 나타냈다. 결과적으로, 도 12와 14-(a)의 실험 결과를 통해 본 발명에 따른 I-CPC 압력 센서가 지속적이고 심한 손가락 동작 조건 하에서 매우 견고하고 신뢰성이 있음을 확인하였다.On the other hand, the signal of Channel 2 remains constant at ˜10 pF during the stationary state of finger movement and changes when the finger moves. The capacitive profile of channel 1 indicates that the finger position changes in the order of M → L → M → R → M → L → M → R. In addition, the capacitive profile of Channel 2 indicates that there is no sudden pressure change for a fixed finger. A sudden drop in capacitance in channel 2 means that the pressure on the finger is reduced by changing its position during sliding. Further, as shown in Fig. 14- (a), the finger is placed on the sensor and the pressure position is changed after severe friction of the pressure sensitive area. Interestingly, the capacitive profile of channel 1 exhibited a reliable finger position dependent signal after severe friction. As a result, the experimental results of FIGS. 12 and 14- (a) confirm that the I-CPC pressure sensor according to the present invention is very robust and reliable under continuous and severe finger operating conditions.

Claims

A first polymer film having a concave-convex structure having protrusions repeatedly formed on a surface thereof, and including a conductive component dispersed in the concave-convex structure; And
Pressure sensor including a second polymer film is laminated on the surface on which the uneven structure of the first polymer film is formed, the ionic material dispersed therein.

The method of claim 1,
The projection forming the uneven structure is a pressure sensor having an average diameter of 200 to 560㎛ and an average height of 30 to 95㎛ range.

The method of claim 1,
The uneven structure is a pressure sensor, characterized in that 80 to 350 projections are formed on the basis of 1cm ² area.

The method of claim 1,
Concave-convex structure is formed on both sides of the first polymer film, the second polymer film is a pressure sensor having a structure laminated on both sides of the first polymer film.

The method of claim 1,
The pressure sensor further comprises a third polymer film laminated on the side opposite to the surface in contact with the first polymer film based on the second polymer film.

The method of claim 5,
Pressure sensor, characterized in that the third polymer film is an elastic polymer film.

The method of claim 1,
The polymer film is PDMS (polydimethylsiloxane), PET (polyethylene terephthalate), PVDF (polyvinylidene fluoride), PES (polyethersulfone), PS (polystyrene), PC (polycarbonate), PI (polyimide), PEN (polyethylene naphthalate), PVP (polyvinylpyrrolidone Pressure sensor, characterized in that it comprises at least one of SBS (styrene-butadiene-styrene) and PAR (polyarylate).

The method of claim 1,
The conductive component is graphene, carbon nanotube (CNT), single-walled carbon nanotube (SWNT), multi-walled carbon nanotube (MWN), graphene oxide (GO), reduced graphene oxide (GO), nc- A pressure sensor comprising at least one of G (nano crystalline graphene), PEDOT: PSS, metal nanowires, nanofibers and carbon black.

The method of claim 1,
The ionic material is 1-butyl-4-methylpyridinium tetrafluoroborate, 1-ethyl-3-methylimidazolium methylsulfate, 1-butyl-3-methylimidazolium methylsulfate, 1-ethyl- 3-methylimidazolium ethylsulfate, 1-butyl-3-methylimidazolium ethylsulfate, 1-ethyl-3-methylimidazolium trifluoromethanesulfonate, 1-butyl-3-methylimidazolium tri Fluoromethanesulfonate, 1-ethyl-3-methylimidazolium thiocyanate, 1-ethyl-3-methylimidazolium bis (trifluoromethylsulfonyl) imide, and 1-butyl-3-methyl A pressure sensor comprising at least one of imidazolium bis (trifluoromethylsulfonyl) imide.

The method of claim 1,
A first polymer film;
A second polymer film laminated on both surfaces of the first polymer film;
A first electrode formed on any one of the second polymer films; And
Pressure sensor including a second electrode formed on the other of the second polymer film.

The method of claim 10,
The first electrode and the second electrode is formed on one end of the pressure sensor, or the pressure sensor, characterized in that formed on both ends of the pressure sensor, respectively.

Spin coating the conductive component and prepolymer mixed solution in a sandpaper mold;
Curing the spin-coated mixed solution to prepare a polymer film having conductive components dispersed therein;
Preparing a polymer film in which an ionic material is dispersed;
Stacking a polymer film in which an ionic material is dispersed above and below the polymer film in which the conductive component is dispersed; And
A method of manufacturing a pressure sensor comprising the step of laminating an elastic polymer film on the upper and lower outer surfaces of the polymer film in which the ionic material is dispersed.