KR20210131132A - 센서 어레이 및 장치 - Google Patents

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KR20210131132A
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정지영
윤영준
함석규
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삼성전자주식회사
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Abstract

단위 소자가 복수 개 배열되어 있는 센서 어레이에서, 상기 각 단위 소자는 압력 센서, 발광부 및 광 검출부를 포함하고, 상기 압력 센서는 연신 고분자 및 상기 연신 고분자 내에 분산되어 있는 도전성 나노구조체를 포함하는 저항 변화 층을 포함하는 센서 어레이 및 이를 포함하는 장치에 관한 것이다.

Description

센서 어레이 및 장치{SENSOR ARRAY AND DEVICE}
센서 어레이 및 장치에 관한 것이다.
근래, 스마트 피부 장치(smart skin device), 소프트 로봇(soft robot) 및 생체 의학 장치(biomedical device)와 같은 생체 소자를 피부 또는 의복에 직접 부착하는 부착형 장치(wearable device)에 대한 연구가 진행되고 있다.
일 구현예는 부착형 장치에 적용할 수 있는 새로운 구조의 센서 어레이를 제공한다.
다른 구현예는 상기 센서 어레이를 포함하는 장치를 제공한다.
일 구현예에 따르면, 단위 소자가 복수 개 배열되어 있는 센서 어레이에서, 상기 각 단위 소자는 압력 센서, 발광부 및 광 검출부를 포함하고, 상기 압력 센서는 연신 고분자 및 상기 연신 고분자 내에 분산되어 있는 도전성 나노구조체를 포함하는 저항 변화 층을 포함하는 센서 어레이를 제공한다.
상기 연신 고분자는 폴리오가노실록산, 부타디엔 모이어티를 포함하는 탄성체, 우레탄 모이어티를 포함하는 탄성체, 아크릴 모이어티를 포함하는 탄성체, 올레핀 모이어티를 포함하는 탄성체, 무기 탄성체, 이들의 유도체 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다.
상기 도전성 나노구조체는 탄소 나노튜브, 탄소 나노와이어, 탄소 나노플레이트, 탄소 나노플레이크, 탄소 나노섬유, 탄소 나노복합체, 탄소 나노입자, 금속 나노튜브, 금속 나노와이어, 금속 나노플레이트, 금속 나노플레이크, 금속 나노섬유, 금속 나노복합체, 금속 나노입자, 그래핀 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다.
상기 도전성 나노구조체는 약 10 이상의 아스펙트 비를 가질 수 있다.
상기 도전성 나노구조체는 상기 연신 고분자와 상기 도전성 나노구조체의 총 함량에 대하여 약 0.001 내지 50중량%로 포함될 수 있다.
상기 압력 센서는 한 쌍의 전극을 더 포함할 수 있다.
약 15kPa 내지 35kPa의 압력 범위에서의 상기 압력 센서의 저항 변화율은 약 20% 이상일 수 있다.
상기 발광부는 서로 다른 파장 영역의 광을 방출하는 제1 발광부와 제2 발광부를 포함할 수 있다.
상기 제1 발광부는 적색 파장 영역의 광을 방출하는 적색 발광부일 수 있고 상기 제2 발광부는 녹색 파장 영역의 광을 방출하는 녹색 발광부일 수 있다.
상기 발광부는 무기 발광 다이오드, 유기 발광 다이오드 또는 마이크로 발광 다이오드를 포함할 수 있다.
상기 발광부는 연신 소자일 수 있다.
상기 광 검출부는 무기 광 다이오드 또는 유기 광전 변환 소자를 포함할 수 있다.
상기 광 검출부는 연신 소자일 수 있다.
상기 각 단위 소자는 1개의 압력 센서, 2개의 발광부 및 1개의 광 검출부를 포함할 수 있다.
다른 구현예에 따르면, 상기 센서 어레이를 포함하는 장치를 제공한다.
상기 장치는 상기 센서 어레이를 지지하는 연신 기판을 더 포함할 수 있다.
상기 장치는 피부 부착형 패치 타입 또는 피부 부착형 밴드 타입일 수 있다.
상기 장치는 광혈류 측정 센서 장치, 근전도 센서 장치 또는 스트레인 센서 장치일 수 있다.
또 다른 구현예에 따르면, 상기 센서 어레이의 동작 방법으로서, 복수의 단위 소자 중 압력이 감지되는 압력 센서의 위치를 특정하는 단계, 그리고 상기 압력이 감지되는 압력 센서가 속한 단위 소자들을 선택적으로 구동하는 단계를 포함하는 센서 어레이의 동작 방법을 제공한다.
상기 압력이 감지되는 압력 센서가 속한 단위 소자들을 선택적으로 구동하는 단계는 상기 압력이 감지되는 압력 센서가 속한 단위 소자들의 발광부에서 제1 광을 조사하는 단계, 그리고 상기 제1 광이 대상물에 의해 반사된 제2 광을 상기 광 검출기에서 수신하여 전기적 신호로 변환하는 단계를 포함할 수 있다.
압력 센서의 압력에 따른 저항의 변화폭을 높여 감도를 개선시킬 수 있고 이에 따라 안정적으로 압력을 센싱할 수 있다. 또한 센서 어레이에서 소정 압력이 발생하는 위치를 특정하여 소정의 단위 소자를 선택적으로 구동함으로써 센싱 감도 및 정확도를 높일 수 있다.
도 1은 일 구현예에 따른 센서 어레이의 화소 배열의 일 예를 보여주는 개략도이고,
도 2는 도 1의 센서 어레이의 일 예의 일부분을 보여주는 개략도이고,
도 3은 도 1 및 2의 센서 어레이에서 압력 센서의 일 예를 보여주는 단면도이고,
도 4은 도 3의 압력 센서에서 저항 변화 층의 일 예를 보여주는 단면도이고,
도 5 및 도 6은 일 구현예에 따른 장치의 적용 예를 보여주는 개략도이고,
도 7은 일 예에 따른 생체 센서 장치의 동작의 일 예를 보여주는 개략도이고,
도 8은 실시예와 비교예에 따른 압력 센서의 압력에 따른 저항 변화율을 보여주는 그래프이다.
이하, 구현예에 대하여 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 실제 적용되는 구조는 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 구현예에 한정되지 않는다.
도면에서 여러 층 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 나타내었다. 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "위에" 있다고 할 때, 이는 다른 부분 "바로 위에" 있는 경우뿐만 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다. 반대로 어떤 부분이 다른 부분 "바로 위에" 있다고 할 때에는 중간에 다른 부분이 없는 것을 뜻한다.
이하에서 ‘조합’이란 혼합 및 둘 이상의 적층 구조를 포함한다.
이하 도면을 참고하여 일 구현예에 따른 센서 어레이(sensor array)를 설명한다.
도 1은 일 구현예에 따른 센서 어레이의 화소 배열의 일 예를 보여주는 개략도이고, 도 2는 도 1의 센서 어레이의 일 예의 일부분을 보여주는 개략도이다.
도 1을 참고하면, 센서 어레이(500)는 복수의 화소(pixels, PX)를 포함하고, 복수의 화소(PX)는 행 및/또는 열을 따라 반복적으로 배열된 매트릭스 배열을 가질 수 있다. 화소(PX)의 배열은 예컨대 바이어 매트릭스(Bayer matrix), 펜타일 매트릭스(PenTile matrix) 및/또는 다이아몬드 매트릭스(diamond matrix) 등일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
도면에서는 모든 화소(PX)가 동일한 크기를 가지는 것으로 도시하였으나, 이에 한정되지 않고 하나 이상의 화소(PX)는 다른 화소(PX)보다 크거나 작을 수 있다. 도면에서는 모든 화소(PX)가 동일한 모양을 가지는 것으로 도시하였으나, 이에 한정되지 않고 하나 이상의 화소(PX)는 다른 화소(PX)와 다른 모양을 가질 수 있다.
일 예로, 각 화소(PX)는 단위 소자(510)를 포함할 수 있다.
도 2를 참고하면, 각 단위 소자(510)는 기판(10) 위에 배열되어 있을 수 있다. 기판(10)은 연신 기판(stretchable substrate)일 수 있으며, 이에 따라 비틀고 누르고 잡아당기는 것과 같은 외력 또는 외부의 움직임에 유연하게 반응할 수 있고 원래 상태로 용이하게 복구될 수 있다.
기판(10)은 예컨대 탄성체(elastomer)를 포함할 수 있다. 탄성체는 유기 탄성체, 유무기 탄성체, 무기 탄성체형 물질(inorganic elastomer-like material) 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 유기 탄성체 또는 유무기 탄성체는 예컨대 폴리디메틸실록산과 같은 치환 또는 비치환된 폴리오가노실록산, 스티렌-에틸렌-부틸렌-스티렌과 같은 치환 또는 비치환된 부타디엔 모이어티를 포함하는 탄성체, 우레탄 모이어티를 포함하는 탄성체, 아크릴 모이어티를 포함하는 탄성체, 올레핀 모이어티를 포함하는 탄성체 또는 이들의 조합을 포함할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 무기 탄성체형 물질은 탄성을 가진 세라믹, 고체 금속, 액체 금속 또는 이들의 조합을 포함할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
각 단위 소자(510)는 독립적으로 구동될 수 있으며 예컨대 각 화소(PX) 별로 스위칭 및/또는 구동하기 위한 박막 트랜지스터(thin film transistor)와 같은 스위칭 및/또는 구동 소자를 포함할 수 있다.
각 단위 소자(510)는 압력 센서(100), 발광부(200) 및 광 검출부(300)를 포함한다. 각 단위 소자(510)에 포함된 압력 센서(100), 발광부(200) 및 광 검출부(300)는 각각 독립적으로 하나 또는 둘 이상일 수 있다.
각 단위 소자(510)에 포함된 압력 센서(100), 발광부(200) 및 광 검출부(300)는 수 내지 수십 마이크로미터 수준의 크기(dimension)를 가질 수 있다. 예컨대 각 단위 소자(510)에 포함된 압력 센서(100), 발광부(200) 및 광 검출부(300)는 각각 독립적으로 약 0.1㎛ 이상 100㎛ 미만의 폭(width), 길이(length) 및 두께(thickness)를 가질 수 있으며, 상기 범위 내에서 약 0.1㎛ 내지 80㎛, 약 0.1㎛ 내지 70㎛, 약 0.1㎛ 내지 60㎛, 약 0.1㎛ 내지 50㎛, 약 0.1㎛ 내지 40㎛, 약 0.1㎛ 내지 30㎛, 약 0.1㎛ 내지 20㎛, 약 0.1㎛ 내지 10㎛ 또는 약 0.1㎛ 내지 5㎛의 폭, 길이 및 두께를 가질 수 있다.
도 3은 도 1 및 2의 센서 어레이에서 압력 센서의 일 예를 보여주는 단면도이고, 도 4는 도 3의 압력 센서에서 저항 변화 층의 일 예를 보여주는 단면도이다.
압력 센서(100)는 외부로부터 가해지는 압력을 감지하는 센서이다.
도 3을 참고하면, 각 단위 화소(510)에 위치하는 압력 센서(100)는 기판(10) 위에 위치하는 한 쌍의 전극(120, 130) 및 저항 변화 층(140)을 포함한다.
한 쌍의 전극(120, 130)은 예컨대 금속, 도전성 산화물, 도전성 고분자 또는 이들의 조합으로 만들어질 수 있으며, 예컨대 금(Au), 구리(Cu), 니켈(Ni), 알루미늄(Al), 몰리브덴(Mo), 크롬(Cr), 탄탈륨(Ta), 티타늄(Ti), 이들의 합금, 아연산화물, 인듐산화물, 주석산화물, 인듐주석산화물(ITO), 인듐아연산화물(IZO) 또는 불소 도핑된 주석 산화물, 폴리(3,4-에틸렌디옥시티오펜(poly(3,4-ethylenedioxythiophene), PEDOT), 폴리(3,4-에틸렌디옥시티오펜)폴리스티렌 설포네이트(poly(3,4-ethylenedioxythiophene) polystyrene sulfonate, PEDOT:PSS) 또는 이들의 조합을 포함할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
한 쌍의 전극(120, 130) 중 적어도 하나는 연신 전극(stretchable electrode)일 수 있다. 일 예로, 연신 전극은 연신성 도전체를 포함하거나 물결(wavy) 모양, 주름(wrinkle) 모양, 팝업(popup) 모양 또는 비평면 메쉬(non-coplanar mesh) 모양과 같은 연신 가능한 모양을 가질 수 있다.
저항 변화 층(140)은 외부로부터 가해지는 압력에 따라 저항이 변할 수 있다. 일 예로, 압력이 가해지지 않은 경우 저항 변화 층(140)은 실질적으로 절연 상태이므로 높은 저항 값을 나타내는 반면, 소정의 압력이 가해진 경우 저항 변화 층(140)은 감소된 저항 값을 나타낼 수 있다. 이러한 저항 값의 변화에 따라 압력 발생 여부 및 압력 세기를 감지할 수 있다.
저항 변화 층(140)은 비교적 낮은 강성도(stiffness)를 가질 수 있다. 여기서 강성도는 외부로부터 힘을 받았을 때 변형에 대한 저항의 정도를 나타내는 것으로, 강성도가 비교적 낮다는 것은 변형에 대한 저항이 상대적으로 작아서 변형이 큰 것을 의미한다. 강성도는 탄성 모듈러스(elastic modulus)로부터 평가할 수 있으며 탄성 모듈러스는 예컨대 영스 모듈러스(Young’s modulus)일 수 있다. 저항 변화 층(140)의 탄성 모듈러스는 예컨대 약 102 Pa 내지 107 Pa 일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
저항 변화 층(140)은 비교적 높은 연신율을 가질 수 있다. 여기서 연신율은 초기 길이에 대한 파단 시점(breaking point)까지 늘어난 길이 변화의 백분율일 수 있다. 예컨대 저항 변화 층(140)의 연신율은 약 10% 이상일 수 있고, 상기 범위 내에서 약 10% 내지 300%, 약 10% 내지 200%, 약 10% 내지 100%, 약 10% 내지 90%, 약 10% 내지 80%, 약 10% 내지 70%, 약 10% 내지 60%, 약 10% 내지 50%, 약 10% 내지 40%, 약 20% 내지 70%, 약 20% 내지 60%, 약 20% 내지 50% 또는 약 20% 내지 40%일 수 있다.
저항 변화 층(140)은 이와 같이 비교적 낮은 강성도 및 비교적 높은 연신율로 인하여 비틀고 누르고 잡아당기는 것과 같은 외력 또는 외부의 움직임에 유연하게 반응할 수 있고 원래 상태로 용이하게 복구될 수 있다.
도 4를 참고하면, 저항 변화 층(140)은 연신 고분자(141)와 복수의 도전성 나노구조체(142)를 포함한다.
연신 고분자(141)는 연신성을 가진 고분자를 포함할 수 있으며, 예컨대 폴리디메틸실록산(polydimethylsiloxane, PDMS)과 같은 폴리오가노실록산, 스티렌-에틸렌-부틸렌-스티렌(styrene-ethylene-butylene-styrene, SEBS)과 같은 부타디엔 모이어티를 포함하는 탄성체, 우레탄 모이어티를 포함하는 탄성체, 아크릴 모이어티를 포함하는 탄성체, 올레핀 모이어티를 포함하는 탄성체, 이들의 유도체 또는 이들의 조합과 같은 유기 또는 유무기 탄성체를 포함할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
도전성 나노구조체(142)는 예컨대 수 내지 수십 나노미터 크기의 구조체일 수 있으며, 예컨대 나노튜브, 나노와이어, 나노플레이트, 나노플레이크, 나노섬유, 나노복합체, 나노입자 또는 이들의 조합을 포함할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 예컨대 도전성 나노구조체(142)는 탄소 나노튜브, 탄소 나노와이어, 탄소 나노플레이트, 탄소 나노플레이크, 탄소 나노섬유, 탄소 나노복합체, 탄소 나노입자, 금속 나노튜브, 금속 나노와이어, 금속 나노플레이트, 금속 나노플레이크, 금속 나노섬유, 금속 나노복합체, 금속 나노입자, 그래핀 또는 이들의 조합을 포함할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
일 예로, 도전성 나노구조체(142)는 일 방향으로 긴 와이어형(wire-type) 나노구조체일 수 있으며, 예컨대 약 10 이상의 아스펙트 비(aspect ratio)를 가질 수 있다. 예컨대 도전성 나노구조체(142)는 약 10 내지 106, 약 102 내지 106 또는 약 103 내지 106의 아스펙트 비를 가진 탄소 나노튜브, 탄소 나노와이어, 탄소 나노플레이트, 탄소 나노플레이크, 탄소 나노섬유, 탄소 나노복합체, 금속 나노튜브, 금속 나노와이어, 금속 나노플레이트, 금속 나노플레이크, 금속 나노섬유, 금속 나노복합체 또는 이들의 조합을 포함할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
복수의 도전성 나노구조체(142)는 연신 고분자(141) 내에 분산되어 있다. 즉, 연신 고분자(141)는 저항 변화 층(140)의 매트릭스 역할을 할 수 있다. 일 예로, 복수의 도전성 나노구조체(142)는 연신 고분자(141) 내에 실질적으로 균일하게 분산되어 있으며, 인접하게 위치한 도전성 나노구조체(142) 사이의 간격은 충분히 유지될 수 있다.
일 예로, 도 4를 참고하면, 압력이 가해지지 않은 경우(a), 도전성 나노구조체(142)는 서로 충분한 간격을 유지하며 실질적으로 절연 상태를 유지할 수 있다. 이에 반해, 소정의 압력이 가해진 경우(b), 저항 변화 층(140)의 비교적 낮은 강성도 및 비교적 높은 연신율로 인하여 쉽게 변형될 수 있고 이에 따라 인접한 도전성 나노구조체(142) 사이가 가까워지거나 서로 접촉하여 절연 상태가 깨질 수 있다. 즉 저항 변화 층(140)의 비교적 낮은 강성도 및 비교적 높은 연신율로 인해 압력 유무에 따라 저항 변화 층(140)의 저항 값이 민감하게 변할 수 있으며, 압력이 없는 상태에서 소정의 압력이 인가된 상태로 변하는 경우 저항 값은 크게 감소될 수 있다. 이러한 저항 값의 변화로부터 압력 발생 여부 및 압력 세기를 감지할 수 있다.
이러한 저항 값의 변화는 도전성 나노구조체(142)의 함량에 따라서 조절될 수 있으며, 압력 센서(100)의 요구되는 민감도에 따라 도전성 나노구조체(142)의 함량을 조절할 수 있다. 일 예로, 도전성 나노구조체(142)는 연신 고분자 (141)와 도전성 나노구조체(142)의 총 함량에 대하여 약 0.0001 중량% 이상 포함될 수 있으며, 상기 범위 내에서 약 0.0001 내지 50중량%, 약 0.001 내지 50중량%, 약 0.01 내지 50중량%, 약 0.0001 내지 40중량%, 약 0.001 내지 40중량%, 약 0.01 내지 40중량%, 약 0.0001 내지 30중량%, 약 0.001 내지 30중량%, 약 0.01 내지 30중량%, 약 0.0001 내지 20중량%, 약 0.001 내지 20중량%, 약 0.01 내지 20중량%, 약 0.0001 내지 10중량%, 약 0.001 내지 10중량%, 약 0.01 내지 10중량%, 약 0.0001 내지 5중량%, 약 0.001 내지 5중량% 또는 약 0.01 내지 5중량%로 포함될 수 있다.
일 예로, 약 15kPa 내지 35kPa의 압력 범위에서의 상기 압력 센서의 저항 변화율은 약 20% 이상일 수 있고, 상기 범위 내에서 약 30% 이상, 약 40% 이상, 약 50% 이상, 약 70% 이상, 약 80% 이상, 약 20 내지 100%, 약 30 내지 100%, 약 40 내지 100%, 약 50 내지 100%, 약 70 내지 100% 또는 약 80 내지 100%일 수 있다. 여기서 저항 변화율은 (R-R0)/R0 x 100으로 표현될 수 있으며, R은 압력 인가시의 저항 값이고 R0는 압력 미인가시 초기 저항 값일 수 있다.
따라서, 전술한 바와 같이 복수의 단위 소자(510)가 매트릭스 형태로 배열된 센서 어레이(500)에서 일부 화소(PX)에 압력이 인가되는 경우 해당 화소(PX)에 위치된 압력 센서(100)의 저항 값의 변화로부터 압력 발생 위치를 특정할 수 있고 이에 따라 해당 화소(PX)의 단위 소자(510)만 선택적으로 구동되어 대상물(도시하지 않음)의 특정 위치를 효과적으로 센싱할 수 있다.
각 단위 소자(510)에 포함된 발광부(200)는 소정 파장 영역의 빛을 방출할 수 있으며, 예컨대 무기 발광 다이오드, 유기 발광 다이오드 또는 마이크로 발광 다이오드를 포함할 수 있다. 발광부(200)는 예컨대 한 쌍의 전극과 한 쌍의 전극 사이에 위치하는 발광층을 포함할 수 있다. 일 예로, 한 쌍의 전극은 연신 전극일 수 있고, 연신 전극은 예컨대 연신성 도전체를 포함하거나 물결 모양, 주름 모양, 팝업 모양 또는 비평면 메쉬 모양과 같은 연신 가능한 모양을 가질 수 있다. 일 예로, 발광층은 유기 발광 물질, 양자점 및/또는 페로브스카이트를 포함할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 예컨대, 한 쌍의 전극은 연신 전극일 수 있고, 발광층은 연신 발광층(stretchable light emitting layer)일 수 있고, 이에 따라 발광부(200)는 예컨대 연신 소자일 수 있다.
일 예로, 각 단위 소자(510)는 서로 다른 파장 영역의 광을 방출하는 복수의 발광부(200)를 포함할 수 있고, 예컨대 발광부(200)는 적색 파장 영역의 광을 방출하는 적색 발광부, 녹색 파장 영역의 광을 방출하는 녹색 발광부, 청색 파장 영역의 광을 방출하는 청색 발광부, 적외선 파장 영역의 광을 방출하는 적외선 발광부, 자외선 파장 영역의 광을 방출하는 자외선 발광부 또는 이들의 조합에서 선택된 하나 또는 둘 이상을 포함할 수 있다.
일 예로, 도 1 및 2에 도시된 바와 같이, 각 단위 소자(510)는 서로 다른 파장 영역의 광을 방출하는 2개의 발광부(200)를 포함할 수 있고, 서로 다른 파장 영역의 광을 방출하는 2개의 발광부(200)는 서로 다른 흡수 및/또는 반사 특성을 가진 대상물을 감지하기 위하여 사용될 수 있다. 예컨대 발광부(200)는 적색 파장 영역의 광을 방출하는 적색 발광부(200A)와 녹색 파장 영역의 광을 방출하는 녹색 발광부(200B)를 포함할 수 있고, 적색 발광부(200A)와 녹색 발광부(200B)는 혈관 속의 옥시헤모글로빈(oxyhemoglobin, HbO2)와 헤모글로빈(hemoglobin, Hb)의 흡수 및/또는 반사특성을 위해 사용될 수 있다.
각 단위 소자(510)에 포함된 광 검출부(300)는 빛을 흡수할 수 있으며, 예컨대 무기 광 다이오드 또는 유기 광전 변환 소자를 포함할 수 있다. 광 검출부(300)는 예컨대 한 쌍의 전극과 전극 사이에 위치하는 광전변환층을 포함할 수 있다. 일 예로, 한 쌍의 전극은 연신 전극일 수 있고, 연신 전극은 예컨대 연신성 도전체를 포함하거나 물결 모양, 주름 모양, 팝업 모양 또는 비평면 메쉬 모양과 같은 연신 가능한 모양을 가질 수 있다. 일 예로, 광전변환층은 예컨대 무기 반도체, 유기 반도체 및/또는 유무기 반도체를 포함할 수 있고, 예컨대 pn접합을 형성하는 p형 반도체와 n형 반도체를 포함할 수 있다. 일 예로, 광전변환층은 연신 광전변환층(stretchable photoelectric conversion layer)일 수 있다. 광 검출부(300)는 예컨대 연신 소자일 수 있다.
센서 어레이(500)는 전술한 압력 센서(100), 발광부(200) 및 광 검출부(300)를 덮는 봉지막(도시하지 않음)을 더 포함할 수 있다. 봉지막은 압력 센서(100), 발광부(200) 및 광 검출부(300) 각각에 고립되어 위치하거나 연결되어 위치할 수 있다.
봉지막은 예컨대 유기물, 무기물 및/또는 유무기물을 포함할 수 있으며, 1층 또는 2층 이상을 포함할 수 있다. 일 예로, 봉지막은 산화물, 질화물 및/또는 질산화물과 같은 무기물 및/또는 감광성 탄성체와 같은 유기물을 포함할 수 있으며, 예컨대 알루미늄(Al), 티타늄(Ti), 지르코늄(Zr), 하프늄(Hf), 탄탈(Ta) 및 규소(Si) 중 적어도 하나를 포함하는 산화물, 질화물 및/또는 질산화물; 폴리디메틸실록산과 같은 치환 또는 비치환되 폴리실록산; 스티렌-에틸렌-부틸렌-스티렌과 같은 치환 또는 비치환된 부타디엔 모이어티를 포함하는 탄성체; 우레탄 모이어티를 포함하는 탄성체; 아크릴 모이어티를 포함하는 탄성체; 올레핀 모이어티를 포함하는 탄성체; 또는 이들의 조합을 탄성체의 주쇄로 하고 상기 주쇄에 치환 또는 비치환된 비닐기, 치환 또는 비치환된 (메타)아크릴기와 같은 감광성 작용기가 결합된 감광성 탄성체; 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다.
일 예로, 봉지막은 굴절률이 다른 층들이 교대로 적층되어 있을 수 있으며, 예컨대 산화물, 질화물 및 질산화물에서 선택된 제1 물질을 포함하는 제1 층과 제1 물질보다 굴절률이 높은 산화물, 질화물 및 질산화물에서 선택된 제2 물질을 포함하는 제2 층이 교대로 적층되어 있을 수 있다.
봉지막은 단위 소자(510)를 포함한 센서 어레이(500)를 보호할 수 있으며, 외부로부터 산소, 수분 및/또는 오염물의 유입을 효과적으로 차단 또는 방지할 수 있다. 일 예로, 센서 어레이(500)가 생체에 부착되는 부착형 장치에 포함되는 경우, 봉지막은 땀과 같은 생체 분비물이 센서 어레이(500) 내부로 유입되는 것을 방지하여 센서 어레이(500)의 열화를 방지할 수 있다.
전술한 바와 같이, 각 화소(PX)의 단위 소자(510)는 압력 센서(100), 발광부(200) 및 광 검출부(300)를 포함하고, 압력 센서(100)에 의해 소정의 압력이 인가되는 위치를 특정하고 그에 따라 센서 어레이(500) 중 해당 위치의 단위 소자(510) 만을 동작시켜 센서의 정확도를 높일 수 있다.
이러한 센서 어레이(500)는 압력 센싱 및 연신성이 요구되는 다양한 장치에 적용될 수 있으며, 예컨대 피부형 장치(skin-like device), 대면적 순응형 표시 장치(large-area conformable display), 스마트 의류(smart clothing) 등에 적용될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
일 예로, 전술한 센서 어레이(500)는 부착형 생체 센서 장치에 적용될 수 있다. 부착형 생체 센서 장치는 전술한 센서 어레이(500)로부터 얻은 정보를 처리하기 위한 IC(도시하지 않음) 및/또는 프로세서(도시하지 않음)를 더 포함할 수 있다. 부착형 생체 센서 장치는 표시부(도시하지 않음)를 더 포함할 수 있다. 표시부는 전술한 센서 어레이(500)에서 센싱된 정보를 다양한 문자 및/또는 화상과 같은 소정의 정보를 표시할 수 있다.
부착형 생체 센서 장치는 아주 얇은 두께의 패치 타입 또는 밴드 타입일 수 있으며, 피부와 같은 생체 표면, 장기와 같은 생체 내부 또는 의복과 같은 생체에 접촉하는 간접 수단에 부착되어 생체 신호와 같은 생체 정보를 감지 및 측정할 수 있다. 예컨대 부착형 생체 센서 장치는 피부 부착형 패치 타입 또는 피부 부착형 밴드 타입일 수 있으며, 생체에 부착되어 생체 정보를 실시간으로 모니터링할 수 있다.
일 예로, 부착형 생체 센서 장치는 뇌전도(electroencephalogram, EEG) 센서 장치, 심전도 (electrocardiogram, ECG) 센서 장치, 혈압(blood pressure, BP) 센서 장치, 근전도(electromyography, EMG) 센서 장치, 당뇨(blood glucose, BG) 센서 장치, 광혈류 측정(photoplethysmography, PPG) 센서 장치, 가속도계(accelerometer) 장치, RFID 안테나(RFID antenna) 장치, 관성 센서(inertial sensor) 장치, 활동 센서(activity sensor) 장치, 스트레인 센서(strain sensor) 장치, 동작 센서(Motion sensor) 장치 또는 이들의 조합일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
도 5 및 6은 각각 생체에 일 예에 따른 부착형 생체 센서 장치를 적용한 예를 보여주는 개략도이다.
도 5 및 6을 참고하면, 부착형 생체 센서 장치(600)는 광혈류 측정(PPG) 센서 장치일 수 있으며, 팔 또는 손가락 위에 부착되어 혈압, 맥박, 산소포화도, 부정맥, 스트레스와 같은 생체 정보를 감지할 수 있고, 전기적 신호의 파형을 분석하여 생체 정보를 얻을 수 있다.
다른 예로, 생체 센서 장치(600)는 관절 및 근육에 문제가 발생한 환자들의 재활 치료를 위하여 관절 부분에 부착하는 근전도(EMG) 센서 장치 또는 스트레인 센서 장치일 수 있으며, 생체 정보는 예컨대 근육의 움직임 또는 관절의 움직임 등을 포함할 수 있고, 전기적 신호의 파형을 분석하여 생체 정보를 얻을 수 있다. 이러한 생체 정보를 정량적으로 측정하여 재활에 필요한 데이터를 확보할 수 있다.
일 예로, 생체 센서 장치의 동작 방법은 예컨대 센서 어레이(500)의 복수의 단위 소자(510) 중 압력이 감지되는 압력 센서(100)의 위치를 특정하는 단계, 그리고 상기 압력이 감지되는 압력 센서(100)가 속한 단위 소자들(510)을 선택적으로 구동하는 단계를 포함할 수 있다. 상기 압력이 감지되는 압력 센서(100)가 속한 단위 소자들(510)을 선택적으로 구동하는 단계는 예컨대 상기 압력이 감지되는 압력 센서(100)가 속한 단위 소자들(510)의 발광부(200)에서 광을 조사하는 단계, 그리고 조사된 광이 예컨대 혈관과 같은 대상물에 의해 반사된 반사 광을 광 검출부(300)에서 수신하여 전기적 신호로 변환하는 단계를 포함할 수 있다.
도 7은 일 예에 따른 생체 센서 장치의 동작의 일 예를 보여주는 개략도이다.
도 7을 참고하면, 생체 센서 장치(600)는 압력 센서(100), 발광부(200) 및 광 검출부(300)를 포함하는 전술한 센서 어레이(500)를 포함한다. 생체에 센서 어레이(500)가 부착되는 경우, 혈압과 같은 소정의 압력(P)이 발생하는 지점에서 압력 센서(100)의 저항 값의 변화로 인해 압력을 감지할 수 있고 해당 압력 센서(100)가 속한 단위 소자(510)의 발광부(200)는 생체 신호를 감지하기 위한 광(L1)을 방출할 수 있다. 광(L1)은 생체(예컨대 피부, 혈관 또는 근육)에 의해 반사되고 반사된 광(L2)은 광 검출부(200)에 수신되어 전기적 신호로 변환될 수 있다. 이때 인접하게 위치한 복수의 광 검출부(200)는 거리에 따라 서로 다른 값을 얻을 수 있어서 다양한 방법으로 전기적 신호를 처리하여 센서의 정확도를 높일 수 있다. 반사된 광(L2)으로부터 변환된 전기적 신호는 생체 정보를 포함할 수 있다. 생체 정보를 포함한 전기적 신호는 센서 IC(도시하지 않음) 또는 프로세서(도시하지 않음)로 전달될 수 있다.
이하 실시예를 통하여 상술한 구현예를 보다 상세하게 설명한다. 　다만 하기의 실시예는 단지 설명의 목적을 위한 것이며 권리범위를 제한하는 것은 아니다.
실시예
스티렌-에틸렌-부틸렌-스티렌(SEBS) 기판 위에 Au를 증착하여 소스 전극과 드레인 전극을 형성한다. 이어서 소스 전극과 드레인 전극 사이에 0.1중량% 농도로 톨루엔에 분산된 탄소 나노튜브 분산액에 스티렌-에틸렌-부틸렌-스티렌 (SEBS, 농도: 1mg/1ml)을 혼합한 혼합액을 2~3회 적하한다. 이어서 진공 오븐 또는 핫플레이트에서 80℃의 온도로 1시간 동안 건조하여 저항 변화 층을 형성하여 압력 센서를 제조한다.
비교예
SEBS 기판 위에 Au를 증착하여 소스 전극과 드레인 전극을 형성한다. 이어서 소스 전극과 드레인 전극 사이에 0.1중량% 농도로 물에 분산된 탄소 나노튜브 분산액을 2~3회 적하한다. 이어서 진공 오븐 또는 핫플레이트에서 80℃의 온도로 1시간 동안 건조하여 저항 변화 층을 형성하여 압력 센서를 제조한다.
평가
실시예와 비교예에 따른 압력 센서의 압력에 따른 저항 변화를 평가한다.
저항 변화는 저항 변화 층의 전류 변화로부터 계산될 수 있으며, (R-R0)/R0 x 100 (R: 저항, R0: 초기 저항)로 저항 변화율을 계산한다.
그 결과는 도 8과 표 1과 같다.
도 8은 실시예와 비교예에 따른 압력 센서의 압력에 따른 저항 변화율을 보여주는 그래프이다.
감도(sensitivity)
실시예 3.14
비교예 0.38
도 8과 표 1을 참고하면, 실시예에 따른 압력 센서는 비교예에 따른 압력 센서와 비교하여 압력 변화에 따른 저항 변화 폭이 큰 것을 확인할 수 있고 이에 따라 높은 감도의 압력 센서를 구현할 수 있음을 예상할 수 있다.
이상에서 실시예들에 대하여 상세하게 설명하였지만 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구 범위에서 정의하고 있는 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 권리범위에 속하는 것이다.
10: 기판
100: 압력 센서
120, 130: 전극
140: 저항 변화 층
200: 발광부
300: 광 검출부
500: 센서 어레이
510: 단위 소자
600: 생체 센서 장치
PX: 화소

Claims (20)

  1. 단위 소자가 복수 개 배열되어 있는 센서 어레이에서,
    상기 각 단위 소자는 압력 센서, 발광부 및 광 검출부를 포함하고,
    상기 압력 센서는 연신 고분자 및 상기 연신 고분자 내에 분산되어 있는 도전성 나노구조체를 포함하는 저항 변화 층을 포함하는
    센서 어레이.
  2. 제1항에서,
    상기 연신 고분자는 폴리오가노실록산, 부타디엔 모이어티를 포함하는 탄성체, 우레탄 모이어티를 포함하는 탄성체, 아크릴 모이어티를 포함하는 탄성체, 올레핀 모이어티를 포함하는 탄성체, 무기 탄성체, 이들의 유도체 또는 이들의 조합을 포함하는 센서 어레이.
  3. 제1항에서,
    상기 도전성 나노구조체는 탄소 나노튜브, 탄소 나노와이어, 탄소 나노플레이트, 탄소 나노플레이크, 탄소 나노섬유, 탄소 나노복합체, 탄소 나노입자, 금속 나노튜브, 금속 나노와이어, 금속 나노플레이트, 금속 나노플레이크, 금속 나노섬유, 금속 나노복합체, 금속 나노입자, 그래핀 또는 이들의 조합을 포함하는 센서 어레이.
  4. 제3항에서,
    상기 도전성 나노구조체는 10 이상의 아스펙트 비를 가지는 센서 어레이.
  5. 제1항에서,
    상기 도전성 나노구조체는 상기 연신 고분자와 상기 도전성 나노구조체의 총 함량에 대하여 0.001 내지 50중량%로 포함되는 센서 어레이.
  6. 제1항에서,
    상기 압력 센서는 한 쌍의 전극을 더 포함하는 센서 어레이.
  7. 제1항에서,
    약 15kPa 내지 35kPa의 압력 범위에서의 상기 압력 센서의 저항 변화율은 20% 이상인 센서 어레이.
  8. 제1항에서,
    상기 발광부는 서로 다른 파장 영역의 광을 방출하는 제1 발광부와 제2 발광부를 포함하는 센서 어레이.
  9. 제8항에서,
    상기 제1 발광부는 적색 파장 영역의 광을 방출하는 적색 발광부이고,
    상기 제2 발광부는 녹색 파장 영역의 광을 방출하는 녹색 발광부인
    센서 어레이.
  10. 제1항에서,
    상기 발광부는 무기 발광 다이오드, 유기 발광 다이오드 또는 마이크로 발광 다이오드를 포함하는 센서 어레이.
  11. 제10항에서,
    상기 발광부는 연신 소자인 센서 어레이.
  12. 제1항에서,
    상기 광 검출부는 무기 광 다이오드 또는 유기 광전 변환 소자를 포함하는 센서 어레이.
  13. 제12항에서,
    상기 광 검출부는 연신 소자인 센서 어레이.
  14. 제1항에서,
    상기 각 단위 소자는 1개의 압력 센서, 2개의 발광부 및 1개의 광 검출부를 포함하는 센서 어레이.
  15. 제1항에서,
    상기 압력 센서, 상기 발광부 및 상기 광 검출부를 지지하는 연신 기판을 더 포함하는 센서 어레이.
  16. 제1항 내지 제15항 중 어느 한 항에 따른 센서 어레이를 포함하는 장치.
  17. 제16항에서,
    상기 장치는 피부 부착형 패치 타입 또는 피부 부착형 밴드 타입인 장치.
  18. 제16항에서,
    상기 장치는 광혈류 측정 센서 장치, 근전도 센서 장치 또는 스트레인 센서 장치인 장치.
  19. 제1항에 따른 센서 어레이의 동작 방법으로서,
    복수의 단위 소자 중 압력이 감지되는 압력 센서의 위치를 특정하는 단계, 그리고
    상기 압력이 감지되는 압력 센서가 속한 단위 소자들을 선택적으로 구동하는 단계
    를 포함하는 센서 어레이의 동작 방법.
  20. 제19항에서,
    상기 압력이 감지되는 압력 센서가 속한 단위 소자들을 선택적으로 구동하는 단계는
    상기 압력이 감지되는 압력 센서가 속한 단위 소자들의 발광부에서 제1 광을 조사하는 단계, 그리고
    상기 제1 광이 대상물에 의해 반사된 제2 광을 상기 광 검출부에서 수신하여 전기적 신호로 변환하는 단계
    를 포함하는 센서 어레이의 동작 방법.
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