KR20210121358A - 유연 온도 센서 조립체 및 그를 포함하는 유연 온도 센서 모듈 - Google Patents

유연 온도 센서 조립체 및 그를 포함하는 유연 온도 센서 모듈 Download PDF

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KR20210121358A
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temperature sensor
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flexible
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KR1020200037598A
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이민구
박용국
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한국전자기술연구원
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Abstract

본 발명은 유연 온도 센서 조립체 및 그를 포함하는 유연 온도 센서 모듈에 관한 것으로, 시간의 경과에 따라서 발생되는 유연 온도 센서의 경화 과정에 따른 저항값 변화로 인한 오차를 줄이면서 보정하여 보다 정확하게 측정 대상물의 온도를 측정하기 위한 것이다. 본 발명에 따른 유연 온도 센서 조립체는 유연 온도 센서, 유연 평면 케이블 및 봉합부를 포함한다. 유연 온도 센서는 일측에 전극부가 외부로 노출되어 있다. 유연 평면 케이블은 전극부에 ACF(Anisotropic Conductive Film)를 매개로 본딩된다. 그리고 봉합부는 전극부를 포함하여 ACF 본딩된 부분의 외부 환경으로부터 봉합한다. 유연 온도 센서 모듈은 유연 온도 센서에서 출력되는 저항값을 수신하고, 수신한 저항값에 수신한 저항값을 측정한 시간에 대한 보정값을 더하여 측정 대상물의 실제 온도에 근접한 보정된 저항값을 산출한다.

Description

유연 온도 센서 조립체 및 그를 포함하는 유연 온도 센서 모듈{Flexible temperature sensor assembly and flexible temperature sensor module comprising the same}
본 발명은 유연 온도 센서 모듈에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 유연 온도 센서의 경화 과정에 따른 저항값 변화로 인한 오차를 줄이면서 보정하여 보다 정확하게 측정 대상물의 온도를 측정할 수 있는 유연 온도 센서 조립체 및 그를 포함하는 유연 온도 센서 모듈에 관한 것이다.
최근 편리한 체온 측정을 지원하기 위한 웨어러블 기기들이 많이 개발되고 있다. 이러한 체온 측정용 웨어러블 기기는 시계, 안경, 목걸이 타입 등 다양한 형태로 구현되고 있다.
하지만 정밀한 체온 측정을 목적으로 하는 경우에는, 전술된 바와 같은 타입의 웨어러블 기기는 피부와 접촉 강도가 높지 않아서 정밀한 체온 측정이 불가능하다.
이러한 문제점을 개선하기 위해서, 피부에 밀착하여 체온을 측정하는 패치 타입의 웨어러블 기기가 소개되고 있다. 웨이러블 기기는 FPCB(Flexible PCB) 기반의 유연 온도 센서를 포함하고, 유연 온도 센서가 메인 기판에 ACF(Anisotropic Conductive Film)를 이용하여 본딩된 구조를 갖는다.
유연 온도 센서는 유연한 플라스틱 소재 기반의 베이스 필름과, 베이스 필름 위에 금속 소재로 패터닝된 센서 패턴을 포함한다. 유연 온도 센서는 저항막 방식의 온도 센서이다. 유연 온도 센서는 상온을 기준으로 설정된 저항값을 갖도록 설계된다. 유연 온도 센서는 면 단위 온도 측정이 가능하기 때문에, 피부에 부착하여 체온을 측정하는 데 활용될 수 있다.
하지만 유연 온도 센서는 장시간 보관 및 인체 적용 테스트 과정에서 미세하게 저항값이 변화하는 현상을 확인하였다. 즉 동일한 온도에 대해서 유연 온도 센서에서 검출한 저항값에 차이가 발생하는 것을 의미한다. 저항값의 오차가 수Ω 정도로 미세하더라도, 정확한 체온 측정이 필요한 의료분야에서는 문제를 유발할 수 있다.
이러하 문제점을 해소하기 위해서, 유연 온도 센서를 제조한 이후에 유연 온도 센서의 저항값 변화 시간을 충분히 확보할 수 있는 에이징(asing) 공정을 추가적으로 진행하는 방법을 고려할 수 있다. 하지만 에이징 공정에 따른 제조 공정 시간이 길어지는 문제점을 안고 있다.
그리고 유연 온도 센서는 메인 기판에 ACF를 이용하여 직접 본딩하게 되는데, ACF 본딩은 메인 기판에 대한 유연 온도 센서의 결합력이 약하다. ACF 본딩된 유연 온도 센서를 메인 기판으로부터 분리할 경우, 유연 온도 센서의 전극부에 본딩된 ACF로 인해서 재사용이 불가능한 문제점을 안고 있다.
유연 온도 센서를 이용하여 유연 온도 센서 모듈을 조립할 때, 메인 기판에 유연 온도 센서를 ACF로 본딩한 이후에, 다른 부품들을 메인 기판에 SMT 방식으로 실장하는 방식으로 조립해야 하기 때문에, 조립 순서를 준수해야 하는 제약이 따른다.
등록특허공보 제10-1922247호 (2018.11.26. 공고)
유연 온도 센서의 저항값 변화의 원인은 시간의 경화에 따라 자연적으로 일어나는 유연 온도 센서의 경화 과정에서 발생하는 것으로 파악되었다. 즉 유연 온도 센서의 경화 과정은 유연 온도 센서를 구성하는 베이스 필름의 경화와, 외부에 노출되는 전극부의 산화를 포함한다.
따라서 본 발명의 목적은 유연 온도 센서의 경화 과정에 따른 저항값 변화로 인한 문제를 해소할 수 있는 유연 온도 센서 조립체 및 그를 포함하는 유연 온도 센서 모듈을 제공하는 데 있다.
본 발명의 다른 목적은 유연 온도 센서의 경화 과정에 따른 저항값 변화로 인한 오차를 줄일 수 있는 유연 온도 센서 조립체 및 그를 포함하는 유연 온도 센서 모듈을 제공하는 데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 유연 온도 센서의 결합력을 높일 수 있는 유연 온도 센서 조립체 및 그를 포함하는 유연 온도 센서 모듈을 제공하는 데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 유연 온도 센서 모듈의 조립 공정 시 유연 온도 센서로 인한 조립 순서의 제약을 해소할 수 유연 온도 센서 조립체 및 그를 포함하는 유연 온도 센서 모듈을 제공하는 데 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 일측에 전극부가 외부로 노출된 유연 온도 센서; 상기 전극부에 ACF(Anisotropic Conductive Film)를 매개로 본딩되어 전기적으로 연결되는 본딩부가 일측에 형성되고, 상기 본딩부가 형성된 일측에 반대되는 타측에 상기 본딩부와 전기적으로 연결되는 결합부가 형성된 유연 평면 케이블; 및 상기 전극부를 포함하여 상기 ACF 본딩된 부분을 외부 환경으로부터 봉합하는 봉합부;를 포함하는 유연 온도 센서 조립체를 제공한다.
상기 유연 온도 센서는, 유연한 베이스 필름; 상기 베이스 필름의 상부면에 형성되며, 측정 대상물에 접촉하여 측정 대상물의 온도에 대응하는 저항값을 검출하는 센서부와, 상기 센서부에 연결되어 상기 베이스 필름의 일측 가장자리 쪽으로 뻗어 있으며 상기 센서부에서 검출한 저항값을 출력하는 상기 전극부를 구비하는 센서 패턴; 및 상기 센서 패턴이 형성된 상기 베이스 필름의 상부면을 덮되, 상기 베이스 필름의 일측 가장자리에 위치하는 상기 전극부의 일부가 노출되게 개방부가 형성된 보호 필름;을 포함한다.
상기 유연 평면 케이블은, 유연한 케이블 본체; 상기 케이블 본체의 일측에 형성되며 상기 전극부에 전기적으로 연결되는 복수의 본딩 패드를 구비하는 상기 본딩부; 상기 케이블 본체의 타측에 형성되며, 상기 접속부에 결합되어 전기적으로 연결되는 복수의 결합 패드를 구비하는 상기 결합부; 및 상기 케이블 본체에 형성되며, 상기 복수의 본딩 패드와 상기 복수의 결합 패드를 각각 연결하는 연결 배선;을 포함한다.
상기 봉합부는 상기 전극부를 포함하여 상기 ACF 본딩된 부분을 덮는 액상의 접착제 및 접착 필름 중에 적어도 하나로 형성될 수 있다.
본 발명은, 또한 일면에 접속부가 형성된 메인 기판; 및 상기 접속부에 결합되어 전기적으로 연결되는 상기 유연 온도 센서 조립체;를 포함하는 유연 온도 센서 모듈을 제공한다.
상기 메인 기판은, 상기 유연 온도 센서에서 출력되는 저항값을 수신하고, 수신한 저항값에 상기 수신한 저항값을 측정한 시간에 대한 보정값을 더하여 보정된 저항값을 산출하는 제어부;를 더 포함한다.
상기 보정값은 시간의 경과에 따라서 상기 유연 온도 센서에서 상기 측정 대상물로부터 측정되는 저항값이 수렴하는 수렴 저항값을 산출하고, 산출된 수렴 저항값을 기준으로 측정한 시간을 반영하여 산출할 수 있다.
그리고 상기 수렴 저항값은 임의의 시점에서 산출되는 수렴 저항값들을 누적 평균한 값일 수 있다.
본 발명에 따르면, 유연 온도 센서의 저항값 변화에 대한 보정을 진행함으로써, 유연 온도 센서의 경화 과정에서도 정확하게 측정 대상물의 온도를 측정할 수 있다. 즉 유연 온도 센서로 저항값을 측정한 시점에서의 저항값에 해당 시점까지의 시간에 따른 보정값을 반영하여 보정된 저항값을 산출함으로써, 유연 온도 센서의 경화를 고려하여 정확한 온도를 제공할 수 있다.
이로 인해 유연 온도 센서의 저항값 변화 시간을 충분히 확보하는 에이징 공정을 생략할 수 있기 때문에, 유연 온도 센서 모듈의 제조 시간을 단축할 수 있다.
본 발명은 유연 온도 센서가 유연 평면 케이블(flexible flat cable; FFC)에 본딩된 유연 온도 센서 조립체로 제공하기 때문에, 유연 온도 센서의 전극부가 외부에 노출되는 것을 방지하여 전극부의 산화에 의한 저항값 변화를 줄이고, 유연 온도 센서가 유연 평면 케이블 간의 결합력을 높일 수 있다.
즉 유연 온도 센서의 전극부에 유연 평면 케이블을 ACF으로 본딩한 이후에 ACF 본딩된 부분을 액상의 접착제 또는 접착 필름으로 봉합함으로써, 유연 온도 센서의 전극부가 외부에 노출되는 것을 방지하여 전극부의 산화에 의한 저항값 변화를 줄일 수 있다.
유연 온도 센서의 전극부에 유연 평면 케이블을 ACF으로 본딩한 이후에 ACF 본딩된 부분을 액상의 접착제 또는 접착 필름으로 봉합함으로써, 유연 온도 센서와 유연 평면 케이블 간의 결합력을 높일 수 있다.
그리고 본 발명에 따른 유연 온도 센서는 유연 평면 케이블을 매개로 유연 온도 센서 조립체로 제공되고, 유연 평면 케이블을 이용하여 메인 기판에 물리적으로 결합하거나 분리할 수 있기 때문에, 유연 온도 센서 모듈의 조립 공정 시 유연 온도 센서로 인한 조립 순서의 제약을 해소할 수 있다. 즉 유연 온도 센서 모듈을 메인 기판에 ACF 본딩이 아닌 물리적인 결합 방식으로 연결 방식을 변경함으로써, 유연 온도 센서 모듈의 조립 공정 자유도를 높일 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 유연 온도 센서 조립체를 모함하는 유연 온도 센서 모듈을 보여주는 블록도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 유연 온도 센서 조립체를 보여주는 분해 사시도이다.
도 3은 도 2의 평면도이다.
도 4는 도 2의 4-4선 단면도이다.
도 5 및 도 6은 본 발명의 실시예에 따른 유연 온도 센서 조립체가 메인 기판에 결합하는 과정을 보여주는 평면도이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 유연 온도 센서의 시간에 따른 저항값 변화를 모델링한 그래프이다.
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 유연 온도 센서 조립체를 보여주는 단면도이다.
하기의 설명에서는 본 발명의 실시예를 이해하는데 필요한 부분만이 설명되며, 그 이외 부분의 설명은 본 발명의 요지를 벗어나지 않는 범위에서 생략될 것이라는 것을 유의하여야 한다.
이하에서 설명되는 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념으로 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 바람직한 실시예에 불과할 뿐이고, 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 보다 상세하게 설명하고자 한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 유연 온도 센서 조립체를 모함하는 유연 온도 센서 모듈을 보여주는 블록도이다.
도 1을 참조하면, 본 실시예에 따른 유연 온도 센서 모듈(100)은 일면에 접속부(13)가 형성된 메인 기판(10)과, 접속부(13)에 결합되어 전기적으로 연결되는 유연 온도 센서 조립체(90)를 포함한다.
여기서 유연 온도 센서 조립체(90)는 유연 온도 센서(30), 유연 평면 케이블(50) 및 봉합부(70)를 포함한다.
유연 온도 센서(30)는 백금 소재 기반의 저항막 방식의 온도 센서로서, 인체와 같은 측정 대상물의 온도 변화를 저항값으로 검출하여 전극부(37)를 통하여 출력한다.
유연 평면 케이블(50)은 유연 온도 센서(30)와 메인 기판(10)의 전기적 및 물리적 연결을 매개한다. 유연 평면 케이블(50)은 유연 온도 센서(30)에서 출력된 저항값을 메인 기판(10)으로 전달한다. 이러한 유연 평면 케이블(50)은 유연한 케이블 본체(51)와, 케이블 본체(51)의 일측에 형성된 본딩부(52)와, 본딩부(52)가 형성된 일측에 반대되는 케이블 본체(51)의 타측에 형성되며 본딩부(52)와 전기적으로 연결된 결합부(54)를 포함한다. 본딩부(52)는 유연 온도 센서(30)의 전극부(37)에 ACF(40; Anisotropic Conductive Film)를 매개로 본딩된다. 결합부(54)는 메인 기판(10)의 접속부(13)에 물리적으로 결합되어 전기적으로 연결된다.
그리고 봉합부(70)는 전극부(37)를 포함하여 ACF 본딩된 부분을 외부 환경으로부터 봉합한다. 여기서 봉합부(70)는 전극부(37)를 포함하여 ACF 본딩된 부분을 외부 환경으로부터 봉합함으로써, 유연 온도 센서(30)의 전극부(37)가 외부에 노출되는 것을 방지하여 전극부(37)의 산화에 의한 저항값 변화를 줄일 수 있다.
유연 온도 센서(30)와 유연 평면 케이블(50)은 ACF 본딩과 봉합부(70)를 이용하여 결합되기 때문에, 유연 온도 센서(30)와 유연 평면 케이블(50) 간의 양호한 결합력을 제공할 수 있다.
그리고 메인 기판(10)은 유연 온도 센서 조립체(90)로부터 수신되는 저항값을 기반으로 측정 대상물의 온도에 대응되는 보정된 저항값을 산출하여 출력한다. 이러한 메인 기판(10)에는 접속부(13) 이외에, 통신부(15), 저장부(17) 및 제어부(19)를 더 포함한다.
메인 기판(10)은 유연한 베이스 기판(11)에 접속부(13), 통신부(15), 저장부(17) 및 제어부(19)가 실장된 구조를 갖는다.
베이스 기판(11)은 유연한 플라스틱 소재의 절연 기판이다. 이러한 베이스 기판(11)의 소재로는 폴리이미드(polyimide), 폴리에테르술폰(polyethersulphone; PES), 폴리아크릴레이트(polyacrylate: PAR), 폴리에테르이미드(polyetherimide; PEI), 폴리에틸렌 나프탈레이트(polyethyelenen napthalate; PEN), 폴리에틸렌 테레프탈레이드(polyethyeleneterepthalate; PET), 폴리페닐렌 설파이드(polyphenylene sulfide: PPS), 폴리아릴레이트(polyallylate), 폴리카보네이트(PC), 셀룰로오스 트리아세테이트(cellulose triacetate; CTA) 또는 셀룰로오스 아세테이트 프로피오네이트(cellulose acetate propinonate; CAP) 등이 사용될 수 있으며, 이것에 한정되는 것은 아니다.
접속부(13)는 유연 온도 센서 조립체(90)의 유연 평면 케이블(50)이 결합되어 전기적으로 연결되는 부분이다. 접속부(13)는 유연 평면 케이블(50)의 결합부(54)가 물리적으로 삽입되어 전기적으로 연결되는 커넥터 방식으로 구현될 수 있다.
통신부(15)는 관리 단말과 통신을 수행한다. 통신부(15)는 관리 단말과의 통신 방식으로 근거리 무선 통신 방식을 사용할 수 있다. 근거리 무선 통신 방식으로는 블루투스(Bluetooth), 저전력 블루투스(Bluetooth Low Energy; BLE), 와이파이(WiFi), 지그비(Zig bee) 또는 NFC(Near Field Communication) 등이 사용될 수 있다.
여기서 관리 단말은 유연 온도 센서(30)에서 검출된 저항값을 기반으로 산출한 온도를 관리하는 관리자가 사용하는 통신 단말로서, 예컨대 PC, 스마트폰, 노트북, 태블릿 PC, 전용 단말, 서버 등이 될 수 있다.
저장부(17)는 유연 온도 센서(30)에서 측정한 저항값을 저장한다. 저장부(17)는 저항값의 보정에 필요한 보정값과, 보정된 저항값을 저장할 수 있다. 저장부(17)는 보정된 저항값의 산출에 필요한 실행 프로그램을 저장할 수 있다.
그리고 제어부(19)는 전반적인 유연 온도 센서 모듈(100)의 동작을 제어하는 마이크로프로세서이다. 여기서 제어부(19)는 저항값의 보정에 필요한 보정값을 산출하거나, 측정된 저항값에 대한 보정을 수행하여 보정된 저항값을 산출한다. 제어부(19)는 측정된 저항값 또는 보정된 저항값을 통신부(15)를 통하여 관리 단말로 출력할 수 있다.
제어부(19)는 유연 온도 센서(30)에서 출력되는 저항값을 수신하고, 수신한 저항값에 수신한 저항값을 측정한 시간에 대한 보정값을 더하여 보정된 저항값을 산출할 수 있다.
보정값은 측정 대상물이 설정된 온도를 갖는다고 가정할 때, 시간의 경과에 따라서 유연 온도 센서(30)에서 측정 대상물로부터 측정되는 저항값이 수렴하는 수렴 저항값을 산출하고, 산출된 수렴 저항값을 기준으로 측정한 시간을 반영하여 산출할 수 있다. 수렴 저항값은 임의의 시점에서 산출되는 수렴 저항값들을 누적 평균한 값이다.
여기서 보정값과, 측정된 측정값과의 보정에 대해서는 도 7을 참조로 한 설명에서 후술하도록 하겠다.
먼저 유연 온도 센서 모듈(100)의 하드웨어적인 구조 변경을 통하여, 유연 온도 센서(30)의 경화 과정에 따른 저항값 변화로 인한 오차를 줄일 수 있는 방안에 대해서 설명하면 다음과 같다.
먼저 본 실시예에 따른 유연 온도 센서 조립체(90)에 대해서, 도 2 내지 도 4를 참조하여 설명하면 다음과 같다. 여기서 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 유연 온도 센서 조립체(90)를 보여주는 분해 사시도이다. 도 3은 도 2의 평면도이다. 그리고 도 4는 도 2의 4-4선 단면도이다.
유연 온도 센서 조립체(90)는 유연 온도 센서(30), 유연 평면 케이블(50) 및 봉합부(70)를 포함한다.
유연 온도 센서(30)는 유연한 베이스 필름(31), 센서 패턴(33) 및 보호 필름(38)을 포함한다.
베이스 필름(31)은 유연한 플라스틱 소재의 절연 필름이다. 이러한 베이스 필름(31)의 소재로는 베이스 기판(11)에 사용되는 소재 중에 적어도 하나가 사용될 수 있다.
센서 패턴(33)은 베이스 필름(31)의 상부면에 형성되며, 측정 대상물에 접촉하여 측정 대상물의 온도에 대응하는 저항값을 검출하는 센서부(35)와, 센서부(35)에 연결되어 베이스 필름(31)의 일측 가장자리 쪽으로 뻗어 있으며 센서부(35)에서 검출한 저항값을 출력하는 전극부(37)를 구비한다.
이러한 센서 패턴(33)은 베이스 필름(31) 상에 백금 소재를 기반으로 한 포토리소그래피(photolithography) 공정으로 형성될 수 있다. 센서부(35)는 채널로 형성되며, 채널의 양단에 각각 연결된 한 쌍의 전극부(37)가 연결되어 있다.
여기서 채널은 나선형, 직사각형 형태의 루프를 갖는 미엔더 패턴, 한 쌍의 서로 맞물린 미엔더 패턴, 내부의 나선이 외부의 나선 내에 형성된 한 쌍의 독립된 동신원 형태의 패턴, 한 쌍의 서로 맞물린 원형 패턴, 큰 루프 내에 형성된 작은 직사각형 루프를 갖는 미엔더 패턴, 큰 루프 내에 형성된 작은 원형 또는 타 원형의 루프를 갖는 미엔더 패턴 및 공통 중심축을 갖는 일렬의 나선 형태의 패턴 중 적어도 어느 하나의 패턴으로 형성될 수 있다.
센서부(35)는 네거티브 온도 계수(Negative Temperature Coefficient; NTS) 서미스터(thermistor)일 수 있다.
한 쌍의 전극부(37)는 센서부(35)의 양단에 각각 연결되어 베이스 필름(31)의 일측으로 뻗어 있다.
그리고 보호 필름(38)은 센서 패턴(33)이 형성된 베이스 필름(31)의 상부면을 덮되, 베이스 필름(31)의 일측 가장자리에 위치하는 전극부(37)의 일부가 외부로 노출되게 개방부(39)가 형성된다. 보호 필름(38)의 소재로는 베이스 필름(31)의 소재 중에 적어도 하나가 사용될 수 있다.
이러한 유연 온도 센서(30)는 측정 대상물에 접촉되어 측정 대상물의 온도에 대한 저항값을 검출하여 출력한다.
측정 대상물은 사람의 피부 표면, 식물체 잎의 표면, 온도 조절이 요구되는 식품, 및 의료용 물품 중 적어도 어느 하나일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며 온도 측정이 필요한 객체이면 어느 것이든 가능하다.
그리고 유연 평면 케이블(50)(FFC)은 유연한 케이블 본체(51), 본딩부(52), 결합부(54) 및 연결 배선(57)을 포함한다. 본딩부(52)는 케이블 본체(51)의 일측에 형성되며 전극부(37)에 전기적으로 연결되는 복수의 본딩 패드(55)를 구비한다. 결합부(54)는 케이블 본체(51)의 타측에 형성되며, 접속부(13)에 결합되어 전기적으로 연결되는 복수의 결합 패드(59)를 구비한다. 그리고 연결 배선(57)은 케이블 본체(51)에 형성되며, 복수의 본딩 패드(55)와 복수의 결합 패드(59)를 각각 연결한다.
이러한 유연 평면 케이블(50)은 FPCB 형태의 배선 기판으로서, 케이블 본체(51)에 패터닝된 배선 패턴(53)을 포함한다. 배선 패턴(53)은 복수의 본딩 패드(55), 연결 배선(57) 및 복수의 결합 패드(59)를 포함한다.
본딩부(52)는 복수의 본딩 패드(55)와, 복수의 본딩 패드(55)가 형성된 케이블 본체(51)의 일단부를 포함한다. 결합부(54)는 결합 패드(59)와, 복수의 결합 패드(59)가 형성된 케이블 본체(51)의 타단부를 포함한다. 복수의 본딩 패드(55)와 복수의 결합 패드(59)는 케이블 본체(51)의 일면으로 노출되게 형성된다. 연결 배선(57)은 케이블 본체(51)의 내부에 형성된다.
여기서 케이블 본체(51)는 유연한 플라스틱 소재의 절연 기판으로서, 베이스 기판(11)에 사용된 소재 중에 적어도 하나가 사용될 수 있다.
복수의 본딩 패드(55), 복수의 결합 패드(59) 및 연결 배선(57)은 전기전도성이 양호한 금속 소재로 형성될 수 있다. 금속 소재로는 금(Au), 백금(Pt), 티타늄(Ti), 크롬(Cr) 및 알루미늄(Al) 중 적어도 어느 하나를 포함하며, 이것에 한정되는 것은 아니다.
본딩부(52)는 ACF(40)를 매개로 유연 온도 센서(30)의 전극부(37)에 본딩된다. 즉 본딩부(52)의 복수의 본딩 패드(55)는 ACF(40)를 매개로 유연 온도 센서(30)의 전극부(37)에 전기적으로 연결된다. 본딩부(52)에 포함된 본딩 패드(55)의 수는 전극부(37)의 수 보다 많으며, 본딩 패드(55)의 폭은 전극부(37)의 폭 보다 작다. 이로 인해 하나 이상의 본딩 패드(55)가 전극부(37)에 본딩된다.
ACF(40)의 폭은 전극부(37)를 덮을 수 있는 크기를 갖는다.
그리고 결합부(54)는 메인 기판(10)의 접속부(13)에 물리적으로 결합되어 전기적으로 연결된다. 이로 인해 유연 온도 센서 조립체(90)는 결합부(54)를 통하여 메인 기판(10)에 결합 및 분리를 쉽게 수행할 수 있다.
봉합부(70)는 전극부(37)를 포함하여 상기 ACF 본딩된 부분을 외부 환경으로부터 봉합한다. 이러한 봉합부(70)는 전극부(37)를 포함하여 ACF 본딩된 부분을 덮는 액상의 접착제 및 접착 필름 중에 적어도 하나로 형성될 수 있다.
본 실시예에 따른 봉합부(70)는 전극부(37)를 포함하여 ACF 본딩된 부분 덮도록 형성된다. 예컨대 봉합부(70)로 접착 필름을 사용하는 경우, 접착 필름은 전극부(37)를 포함하여 ACF 본딩된 부분을 덮도록 부착된다. 이로 인해 전극부(37)가 공기와 노출되는 것을 차단할 수 있다.
봉합부(70)로 액상의 접착제를 이용하는 경우, 전극부(37)를 포함하여 ACF 본딩된 부분에 액상의 접착제를 도포하여 봉합할 수 있다. 이때 ACF(40)를 매개로 본딩된 본딩부(52)와 베이스 필름(31)은 본딩부(52)의 외곽을 따라서 틈이 존재한다. 이 틈으로 액상의 접착제가 모세관 현상으로 스며들어 전극부(37)가 공기와 접촉하는 것을 차단한다.
한편 본 실시예에서는 봉합부(70)가 ACF 본딩된 본딩부(52)의 가장자리 둘레를 덮도록 형성된 예를 개시하였지만 이것에 한정되는 것은 아니다. 예컨대 봉합부(70)로 액상의 접착제를 이용하는 경우, ACF 본딩된 본딩부(52)의 가장자리 둘레를 포함하여 본딩부(52)의 상부면을 덮도록 형성될 수 있다.
이로 인해 전극부(37)의 공기 노출에 따른 산화를 방지할 수 있다.
이와 같이 본 실시예에 따르면, 유연 온도 센서(30)가 유연 평면 케이블(50)에 본딩된 유연 온도 센서 조립체(90)로 제공하기 때문에, 유연 온도 센서(30)의 전극부(37)가 외부에 노출되는 것을 방지하여 전극부(37)의 산화에 의한 저항값 변화를 줄이고, 유연 온도 센서(30)가 유연 평면 케이블(50) 간의 결합력을 높일 수 있다.
즉 유연 온도 센서(30)의 전극부(37)에 유연 평면 케이블(50)을 ACF(40)로 본딩한 이후에 ACF 본딩된 부분을 액상의 접착제 또는 접착 필름으로 봉합함으로써, 유연 온도 센서(30)의 전극부(37)가 외부에 노출되는 것을 방지하여 전극부(37)의 산화에 의한 저항값 변화를 줄일 수 있다.
그리고 유연 온도 센서(30)의 전극부(37)에 유연 평면 케이블(50)을 ACF(40)로 본딩한 이후에 ACF 본딩된 부분을 액상의 접착제 또는 접착 필름으로 봉합함으로써, 유연 온도 센서(30)와 유연 평면 케이블(50) 간의 결합력을 높일 수 있다.
이와 같은 본 실시예에 따른 유연 온도 센서 모듈(100)을 조립하는 과정을 도 5 및 도 6을 참조하여 설명하면 다음과 같다. 여기서 도 5 및 도 6은 본 발명의 실시예에 따른 유연 온도 센서 조립체(90)가 메인 기판(10)에 결합되는 과정을 보여주는 평면도이다.
도 5에 도시된 바와 같이, 접속부(13)가 형성된 메인 기판(10)과 유연 온도 센서 조립체(90)을 준비한다.
이때 메인 기판(10)에는 접속부(13)를 포함하여 통신부(15), 저장부(17) 및 제어부(19)가 실장되어 있을 수 있다.
그리고 도 6에 도시된 바와 같이, 메인 기판(10)의 접속부(13)에 유연 온도 센서 조립체(90)를 구성하는 유연 평면 케이블(50)의 결합부(54)를 물리적으로 결함으로써, 유연 온도 센서 모듈(100)의 조립 공정이 완료된다.
이와 같이 본 실시예에 따른 유연 온도 센서(30)는 유연 평면 케이블(50)을 매개로 유연 온도 센서 조립체(90)로 제공되고, 유연 평면 케이블(50)을 이용하여 메인 기판(10)에 물리적으로 결합하거나 분리할 수 있기 때문에, 유연 온도 센서 모듈(100)의 조립 공정 시 유연 온도 센서(30)로 인한 조립 순서의 제약을 해소할 수 있다. 즉 유연 온도 센서 모듈(100)을 메인 기판(10)에 ACF 본딩이 아닌 물리적인 결합 방식으로 연결 방식을 변경함으로써, 유연 온도 센서 모듈(100)의 조립 공정 자유도를 높일 수 있다.
다음으로 유연 온도 센서 모듈(100)의 소프트웨어적인 접근 방식을 통하여, 유연 온도 센서의 경화 과정에 따른 저항값 변화로 인한 오차를 보정하는 방안에 대해서 설명하면 다음과 같다.
본 실시예에 따른 유연 온도 센서 모듈(100)을 이용하여 유연 온도 센서의 저항값 변화에 대한 보정을 아래와 같이 진행할 수 있다. 여기서 도 7은 본 발명의 실시예에 유연 온도 센서의 시간에 따른 저항값 변화를 모델링한 그래프이다.
먼저 유연 온도 센서에 대한 시간에 따른 저항값 변화를 측정하는 실험을 진행하였다.
이때 유연 온도 센서는 폴리이미드 용액(Polyimide solution)으로 형성된 베이스 필름(31) 상에 백금(Pt) 저항막 방식의 센서 패턴(33)을 형성하고, PET 소재의 보호 필름(38)으로 센서 패턴(33)을 덮되, 센서 패턴(33)의 전극부(37) 일부가 노출되게 개방부(39)가 형성되도록 제조하였다. 유연 온도 센서는 1채널 온도 센서이다.
Vacuum chamber probe station (MS-tech) 바닥면에 유연 온도 센서를 부착하고, Hot Chuck Controller(MST-1000H)를 이용하여 온도 변화를 주면서 유연 온도 센서에서 측정한 저항값을 기록하는 테스트를 세팅 온도를 달리하며 수행하였다.
테스트는 8일간(2019.10.31.~210.11.07) 7차례 측정을 수행하였고, 테스트 결과는 표1 및 표2와 같다.
Figure pat00001
Figure pat00002
여기서 표1 및 표2는 일자별로 유연 온도 센서를 세팅 온도에서 저항값을 측정한 결과표이다.
먼저 표1을 참조하면, 10/31일(1차)에 측정한 유연 온도 센서의 저항값과 1일이 경과한 후 11/1일(2차)에 측정한 유연 온도 센서의 저항값이 각각의 세팅 온도별로 약 0.005㏀(5Ω) 정도 크기가 커진 것을 확인할 수 있었다.
이와 같이 유연 온도 센서의 저항값 변화는 5Ω 매우 작은 값이어서 대부분의 어플리케이션에서는 무시가 가능한 수치이다. 예컨대 기준 평균값 6㏀에서 5Ω의 변화는 무시할 만한 수치이다. 하지만 유연 온도 센서의 적용 분야가 의료분야라면, 이 수치는 큰 문제를 유발하게 된다. 생체 정보 신호의 출력 자체가 크지 않기 때문에, 5Ω은 상대적으로 큰 영향을 미치게 된다. 5Ω을 실제 온도 기준으로 변환하여 살펴보면 약 0.7℃에 해당한다.
따라서 유연 온도 센서에서 측정한 저항값을 그대로 변환하여 측정 대상물인 피부의 체온으로 사용하는 것은 바람직하지 못하다.
이러한 저항값 증가 현상은 4일 경과 후인 11/4일까지 일정하게 유지하다가 5일이 경과하는 11/5일이 지나면서 전날 저항값과의 차이가 줄어들기 시작하는 현상을 확인할 수 있었다.
그리고 표2를 참조하면, 11/6일에 측정한 5차가 4차 측정 때와 유사한 특성을 보이다가. 11/7일 7차 측정에서는 전날 측정한 저항값과 더 이상 변화가 발생하지 않는 것을 확인할 수 있었다.
이러한 유연 온도 센서의 시간에 따른 저항값의 변화 요인으로는, 전술된 바와 같이, 유연 온도 센서가 경화 과정에서 공기와의 접촉을 통해 자연적으로 발생하는 저항값 변화 특성이라고 분석하였다.
이러한 유연 온도 센서의 시간에 따른 저항값의 변화를 모델링한 그래프는 도 7과 같다.
표1 및 표2에 따르면, t1 시점에서 측정한 저항값(Rr1)이 시간이 지남에 따라서 저항값이 증가하여 t2에서는 t1보다 큰 저항값(Rr2)이 측정되며. 안정화 시간 t3가 지나면 일정한 저항값(RI; 이하 '수렴 저항값'이라고 함)에 수렴하는 특성을 보인다.
이러한 측정값을 수치적으로 나타낼 수 있는 수식을 fm이라고 한다면, 수렴 저항값(RI)을 축으로 대칭되는 수식을 fr을 산출할 수 있다. fm과 fr은 수학식1과 같은 관계성을 가진다. 예컨대 t1 시점에서 측정한 저항값(Rm1)에 대해서 대칭된 저항값은 Rr1이다. t2 시점에서 측정한 저항값(Rm2)에 대해서 대칭된 저항값은 Rr2이다.
Figure pat00003
본 실시예에서는 시간의 경과값에 따른 임의의 시점에서의 저항값을 산출하여 보정해 주기 위한 보정값은 수렴 저항값(RI)을 기반으로 한다.
즉 보정값은 시간의 경과에 따라서 유연 온도 센서에서 측정 대상물로부터 측정되는 저항값이 수렴하는 수렴 저항값(RI)을 산출하고, 산출된 수렴 저항값(RI)을 기준으로 측정한 시간을 반영하여 산출할 수 있다.
수렴 저항값(RI)으로는 임의의 시점에서 산출되는 수렴 저항값(RI)들을 누적 평균한 값(이하 이상적인 수렴 저항값(Rfinal)이라 함)을 사용할 수 있다. 이상적인 수렴 저항값(Rfinal)은 수학식2로 표현할 수 있다.
수학식2에 따르면, 임의의 시점에서의 수렴 저항값(RI)에 대한 누적 평균값을 취하여 해당 시점에서의 시간의 경과에 따른 저항값이 이상적인 수렴 저항값(Rfinal)으로 일관되게 유지할 수 있게 된다.
Figure pat00004
여기서 t는 1, 2, …, n(n은 자연수)의 값을 가지며, 측정한 시각에 따른 시간 시퀀스를 나타낸다. 예를 들어 시간 시퀀스가 100(n=100)인 경우, 사전에 유연 온도 센서를 제조하는 과정에서 확보한 시간 경과에 따른 저항값 측정 데이터 셋의 특성 그래프를 이용하여 누적 평균값을 취한다면 시간 시퀀스가 100인 시점에서의 보정값 산출이 가능해진다. 결국 어느 시점에서나 유연 온도 센서의 저항값을 이상적인 수렴 저항값(Rfinal)으로 가정하고 온도 측정이 가능해지는 것이다. 즉 시간의 경과에 관계없이 유연 온도 센서의 저항값은 각 시간대별로 소프트웨어적인 보정이 이루어져 전 시간대에 일정한 저항값을 가지고 있는 온도 센서로 취급할 수 있게 된다.
즉 t1 시점에서 측정한 저항값(Rm1)과 t2 시점에서 측정한 저항값(Rm2)는 상이하지만, 유연 온도 센서 모듈에서 출력되는 저항값은 이상적인 수렴 저항값(Rfinal)으로 동일한 크기의 보정된 저항값이다.
이와 같이 유연 온도 센서에서 측정된 저항값은 아래와 같이 보정되어 전송될 수 있다.
기존의 유연 온도 센서 모듈의 경우, 유연 온도 센서에서 측정된 저항값을 그대로 무선으로 전송한다. 즉 기존의 유연 온도 센서 모듈은 시간 경과에 따른 저항값 변화를 반영하지 않는다.
반면에 본 실시예에 따른 유연 온도 센서 모듈의 경우, 유연 온도 센서에서 측정된 저항값(S1t)에 유연 온도 센서의 시간 경과에 따른 저항값 변화를 보정값(Srt)으로 반영한 보정된 저항값(Sft)을 산출한 후 무선으로 전송한다. 즉 제어부는 유연 온도 센서에서 측정한 저항값과, 측정한 시간(시간 시퀀스 기준)에서의 보정값을 산출한 후, 측정한 저항값과 보정값을 더한 보정된 저항값(Sft=S1t+Srt)을 산출할 수 있다. 그리고 제어부는 산출한 보정된 저항값을 측정 시점의 저항값으로 출력한다.
이 경우 유연 온도 센서의 저항값이 항상 일정한 가운데 측정 대상물의 온도 변화에 따른 저항값 변화를 정확히 구분하여 측정할 수 있기 때문에, 더욱 정밀한 온도 측정이 가능하게 된다.
한편 본 실시예에서는 봉합부(70)를 액상의 접착제로 형성한 예를 개시하였지만, 이것에 한정되는 것은 아니다. 예컨대 도 8에 도시된 바와 같이, 봉합부(170)를 접착 필름으로 형성할 수 있다.
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 유연 온도 센서 조립체(190)를 보여주는 단면도이다.
도 8을 참조하면, 다른 실시예에 따른 유연 온도 센서 조립체(190)는 봉합부(170)가 전극부(37)를 포함하여 ACF 본딩된 부분을 덮는 접착 필름으로 형성된다.
다른 실시예에 따른 유연 온도 센서 조립체(190)는 봉합부(170)를 제외하고 나머지 부분은 본 실시예에 따른 유연 온도 센서 조립체(도 3의 90)와 동일하기 때문에, 다른 부분에 대한 설명은 생략한다.
한편 본 실시예에서는 액상의 접착제가 전극부를 포함하여 ACF 본딩된 부분을 덮도록 형성하고, 다른 실시예에서는 접착 필름이 전극부를 포함하여 ACF 본딩된 부분을 덮도록 형성하는 예를 개시하였지만 이것에 한정되는 것은 아니다.
즉 액상의 접착제와 접착 필름을 함께 이용하여 봉합부를 형성할 수 있다. 예컨대 본 실시예와 같이 액상의 접착제로 제1 봉합부를 형성한 이후에, 제1 봉합부 위에 접착 필름을 부착하여 제2 봉합부를 형성할 수 있다.
또는 액상의 접착제로 전극부를 포함하여 ACF 본딩된 부분의 가장자리 부분에 도포하여 제1 봉합부를 형성한 이후에, 접착 필름으로 제1 봉합부를 포함하여 ACF 본딩된 부분을 덮어 제2 봉합부를 형성할 수 있다.
한편, 본 명세서와 도면에 개시된 실시예들은 이해를 돕기 위해 특정 예를 제시한 것에 지나지 않으며, 본 발명의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다. 여기에 개시된 실시예들 이외에도 본 발명의 기술적 사상에 바탕을 둔 다른 변형예들이 실시 가능하다는 것은, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게는 자명한 것이다.
10 : 메인 기판 11 : 베이스 기판
13 : 접속부 15 : 통신부
17 : 저장부 19 : 제어부
30 : 유연 온도 센서 31 : 베이스 필름
33 : 센서 패턴 35 : 센서부
37 : 전극부 38 : 보호 필름
39 : 개방부 40 : ACF(Anisotropic Conductive Film)
50 : 유연 평면 케이블 51 : 케이블 본체
52 : 본딩부 53 : 배선 패턴
54 : 결합부 55 : 본딩 패드
57 : 연결 배선 59 : 결합 패드
70 : 봉합부 90 : 유연 온도 센서 조립체
100, 200 : 유연 온도 센서 모듈

Claims (8)

  1. 일측에 전극부가 외부로 노출된 유연 온도 센서;
    상기 전극부에 ACF(Anisotropic Conductive Film)를 매개로 본딩되어 전기적으로 연결되는 본딩부가 일측에 형성되고, 상기 본딩부가 형성된 일측에 반대되는 타측에 상기 본딩부와 전기적으로 연결되는 결합부가 형성된 유연 평면 케이블; 및
    상기 전극부를 포함하여 상기 ACF 본딩된 부분을 외부 환경으로부터 봉합하는 봉합부;
    를 포함하는 유연 온도 센서 조립체.
  2. 제1항에 있어서, 상기 유연 온도 센서는,
    유연한 베이스 필름; 및
    상기 베이스 필름의 상부면에 형성되며, 측정 대상물에 접촉하여 측정 대상물의 온도에 대응하는 저항값을 검출하는 센서부와, 상기 센서부에 연결되어 상기 베이스 필름의 일측 가장자리 쪽으로 뻗어 있으며 상기 센서부에서 검출한 저항값을 출력하는 상기 전극부를 구비하는 센서 패턴; 및
    상기 센서 패턴이 형성된 상기 베이스 필름의 상부면을 덮되, 상기 베이스 필름의 일측 가장자리에 위치하는 상기 전극부의 일부가 노출되게 개방부가 형성된 보호 필름;
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 유연 온도 센서 조립체.
  3. 제2항에 있어서, 상기 유연 평면 케이블은,
    유연한 케이블 본체;
    상기 케이블 본체의 일측에 형성되며 상기 전극부에 전기적으로 연결되는 복수의 본딩 패드를 구비하는 상기 본딩부;
    상기 케이블 본체의 타측에 형성되며, 상기 접속부에 결합되어 전기적으로 연결되는 복수의 결합 패드를 구비하는 상기 결합부; 및
    상기 케이블 본체에 형성되며, 상기 복수의 본딩 패드와 상기 복수의 결합 패드를 각각 연결하는 연결 배선;
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 유연 온도 센서 조립체.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 봉합부는 상기 전극부를 포함하여 상기 ACF 본딩된 부분을 덮는 액상의 접착제 및 접착 필름 중에 적어도 하나로 형성된 것을 특징으로 하는 유연 온도 센서 조립체.
  5. 일면에 접속부가 형성된 메인 기판; 및
    상기 접속부에 결합되어 전기적으로 연결되는 유연 온도 센서 조립체;를 포함하고,
    상기 유연 온도 센서 조립체는,
    일측에 전극부가 외부로 노출된 유연 온도 센서;
    상기 전극부에 ACF(Anisotropic Conductive Film)를 매개로 본딩되어 전기적으로 연결되는 본딩부가 일측에 형성되고, 상기 본딩부가 형성된 일측에 반대되는 타측에 상기 본딩부와 전기적으로 연결되며 상기 접속부에 결합되어 전기적으로 연결되는 결합부가 형성된 유연 평면 케이블; 및
    상기 전극부를 포함하여 상기 ACF 본딩된 부분을 외부 환경으로부터 봉합하는 봉합부;
    를 포함하는 유연 온도 센서 모듈.
  6. 제5항에 있어서, 상기 메인 기판은,
    상기 유연 온도 센서에서 출력되는 저항값을 수신하고, 수신한 저항값에 상기 수신한 저항값을 측정한 시간에 대한 보정값을 더하여 보정된 저항값을 산출하는 제어부;
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 유연 온도 센서 모듈.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 보정값은 시간의 경과에 따라서 상기 유연 온도 센서에서 상기 측정 대상물로부터 측정되는 저항값이 수렴하는 수렴 저항값을 산출하고, 산출된 수렴 저항값을 기준으로 측정한 시간을 반영하여 산출하는 것을 특징으로 하는 유연 온도 센서 모듈.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 수렴 저항값은 임의의 시점에서 산출되는 수렴 저항값들을 누적 평균한 값인 것을 특징으로 하는 유연 온도 센서 모듈.
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