KR20210131596A - 연신 스트레인 센서 및 장치 - Google Patents

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KR20210131596A
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elongation
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color
optoelectronic device
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이계황
윤영준
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삼성전자주식회사
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Abstract

연신에 의한 두께 변화에 따라 파장 선택성을 나타내는 연신 스트레인 센서 및 이를 포함하는 장치에 관한 것이다.

Description

연신 스트레인 센서 및 장치{STRETCHABLE STRAIN SENSOR AND DEVICE}
연신 스트레인 센서 및 장치에 관한 것이다.
스트레인 센서는 외력에 의한 물리적 변형의 정도를 감지하는 센서로, 근래 생체 또는 의복에 부착하는 부착형 소자(wearable device)에 적용되거나 사물의 물리적 변형을 확인하기 위하여 다양하게 적용될 수 있다.
일 구현예는 생체 또는 사물에 효과적으로 적용될 수 있는 연신 스트레인 센서를 제공한다.
다른 구현예는 상기 연신 스트레인 센서를 포함하는 장치를 제공한다.
일 구현예에 따르면, 연신에 의한 두께 변화에 따라 파장 선택성을 나타내는 연신 스트레인 센서를 제공한다.
상기 연신 스트레인 센서는 광전자 소자를 포함할 수 있고, 상기 광전자 소자는 상기 연신에 의한 두께 변화에 따라 색을 표시할 수 있다.
상기 광전자 소자는 제1 연신율에서 제1 파장 스펙트럼의 색을 표시할 수 있고, 상기 제1 연신율보다 높은 제2 연신율에서 상기 제1 파장 스펙트럼과 다른 제2 파장 스펙트럼의 색을 표시할 수 있고, 상기 제2 연신율보다 높은 제3 연신율에서 상기 제1 파장 스펙트럼 및 상기 제2 파장 스펙트럼과 각각 다른 제3 파장 스펙트럼의 색을 표시할 수 있다.
상기 제2 파장 스펙트럼은 상기 제1 파장 스펙트럼보다 단파장 스펙트럼일 수 있고, 상기 제3 파장 스펙트럼은 상기 제2 파장 스펙트럼보다 단파장 스펙트럼일 수 있다.
상기 광전자 소자는 임계 연신율 미만에서 색을 표시하지 않을 수 있고 임계 연신율 이상에서 색을 표시할 수 있다.
상기 광전자 소자는 임계 연신율 미만에서 색을 표시할 수 있고 임계 연신율 이상에서 색을 표시하지 않을 수 있다.
상기 광전자 소자는 제1 임계 연신율과 제2 임계 연신율 사이에서 색을 표시할 수 있고 상기 제1 임계 연신율 미만과 상기 제2 임계 연신율 초과에서 색을 표시하지 않을 수 있다.
상기 광전자 소자는 반사층을 포함하는 제1 전극, 상기 제1 전극과 마주하고 상기 반사층으로부터 광로 길이만큼 이격되어 있는 제2 전극, 그리고 상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이에 위치하는 발광층을 포함할 수 있다.
연신율이 커질수록 상기 광로 길이는 짧아질 수 있고, 상기 광전자 소자는 상기 광로 길이의 변화에 따라 상기 광로 길이에 대응하는 파장 스펙트럼의 색을 표시할 수 있다.
상기 발광층은 백색 광을 방출할 수 있고, 상기 광전자 소자는 가시광선 스펙트럼 중 일부의 파장 스펙트럼의 색을 표시할 수 있다.
상기 광전자 소자는 제1 연신율에서 제1 파장 스펙트럼의 색을 표시할 수 있고, 상기 제1 연신율보다 높은 제2 연신율에서 상기 제1 파장 스펙트럼보다 단파장 영역인 제2 파장 스펙트럼의 색을 표시할 수 있고, 상기 제2 연신율보다 높은 제3 연신율에서 상기 제2 파장 스펙트럼보다 단파장 영역인 제3 파장 스펙트럼의 색을 표시할 수 있다.
상기 발광층은 적색 파장 스펙트럼, 녹색 파장 스펙트럼 및 청색 파장 스펙트럼 중 어느 하나의 파장 스펙트럼의 광을 방출할 수 있고, 상기 광전자 소자는 임계 연신율 미만에서 색을 표시하지 않을 수 있고 임계 연신율 이상에서 상기 파장 스펙트럼에 해당하는 색을 표시할 수 있다.
상기 발광층은 적색 파장 스펙트럼, 녹색 파장 스펙트럼 및 청색 파장 스펙트럼 중 어느 하나의 파장 스펙트럼의 광을 방출할 수 있고, 상기 광전자 소자는임계 연신율 미만에서 상기 파장 스펙트럼에 해당하는 색을 표시할 수 있고 임계 연신율 이상에서 색을 표시하지 않을 수 있다.
상기 발광층은 적색 파장 스펙트럼, 녹색 파장 스펙트럼 및 청색 파장 스펙트럼 중 어느 하나의 파장 스펙트럼의 광을 방출할 수 있고, 상기 광전자 소자는 제1 임계 연신율과 제2 임계 연신율 사이에서 상기 파장 스펙트럼에 해당하는 색을 표시할 수 있고 상기 제1 임계 연신율 미만과 상기 제2 임계 연신율 초과에서 색을 표시하지 않을 수 있다.
상기 제2 전극은 반투과 전극일 수 있다.
상기 제1 전극과 상기 제2 전극은 각각 연신 전극일 수 있다.
상기 연신 스트레인 센서는 상기 광전자 소자를 지지하는 연신 기판을 더 포함할 수 있다.
상기 연신 기판은 높은 탄성 모듈러스를 가진 복수의 제1 영역과 상기 제1 영역보다 낮은 탄성 모듈러스를 가지고 상기 인접한 제1 영역들 사이에 위치하는 제2 영역을 포함할 수 있고, 상기 광전자 소자는 상기 제1 영역 내에 위치할 수 있다.
다른 구현예에 따르면, 스트레인 변화에 따라 발광 스펙트럼이 변하는 연신 스트레인 센서를 제공한다.
상기 연신 스트레인 센서는 광전자 소자를 포함할 수 있고, 상기 광전자 소자는 반사층을 포함하는 제1 전극, 상기 제1 전극과 마주하고 상기 반사층으로부터 광로 길이만큼 이격되어 있는 제2 전극, 그리고 상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이에 위치하는 발광층을 포함할 수 있다.
상기 발광층은 백색 광을 방출할 수 있고, 상기 광전자 소자는 제1 연신율에서 제1 파장 스펙트럼의 색을 표시할 수 있고 상기 제1 연신율보다 높은 제2 연신율에서 상기 제1 파장 스펙트럼보다 단파장 스펙트럼인 제2 파장 스펙트럼의 색을 표시할 수 있고 상기 제2 연신율보다 높은 제3 연신율에서 상기 제2 파장 스펙트럼보다 단파장 스펙트럼인 제3 파장 스펙트럼의 색을 표시할 수 있으며, 상기 제1, 제2 및 제3 파장 스펙트럼은 각각 가시광선 파장 영역에 속할 수 있다.
상기 발광층은 적색 파장 스펙트럼, 녹색 파장 스펙트럼 및 청색 파장 스펙트럼 중 어느 하나의 파장 스펙트럼의 광을 방출할 수 있고, 상기 광전자 소자는 임계 연신율 미만에서 색을 표시하지 않을 수 있고 임계 연신율 이상에서 상기 파장 스펙트럼에 해당하는 색을 표시할 수 있다.
상기 발광층은 적색 파장 스펙트럼, 녹색 파장 스펙트럼 및 청색 파장 스펙트럼 중 어느 하나의 파장 스펙트럼의 광을 방출할 수 있고, 상기 광전자 소자는 임계 연신율 미만에서 상기 파장 스펙트럼에 해당하는 색을 표시할 수 있고 임계 연신율 이상에서 색을 표시하지 않을 수 있다.
상기 발광층은 적색 파장 스펙트럼, 녹색 파장 스펙트럼 및 청색 파장 스펙트럼 중 어느 하나의 파장 스펙트럼의 광을 방출할 수 있고, 상기 광전자 소자는 제1 임계 연신율과 제2 임계 연신율 사이에서 상기 파장 스펙트럼에 해당하는 색을 표시할 수 있고 상기 제1 임계 연신율 미만과 상기 제2 임계 연신율 초과에서 색을 표시하지 않을 수 있다.
또 다른 구현예에 따르면, 상기 연신 스트레인 센서를 포함하는 장치를 제공한다.
연신에 따라 스트레인의 변화를 쉽게 인식할 수 있으므로 생체 또는 사물에 효과적으로 적용될 수 있다.
도 1은 일 구현예에 따른 연신 스트레인 센서의 일 예를 보여주는 단면도이고,
도 2는 도 1의 연신 스트레인 센서의 광전자 소자의 일 예를 보여주는 단면도이고,
도 3은 일 구현예에 따른 연신 스트레인 센서의 연신의 일 예를 보여주는 개략도이고,
도 4는 도 3의 연신 스트레인 센서의 연신에 따른 발광 스펙트럼의 변화의 일 예를 보여주는 개략도이고,
도 5는 다른 구현예에 따른 연신 스트레인 센서의 연신의 일 예를 보여주는 개략도이고,
도 6은 도 5의 연신 스트레인 센서의 연신에 따른 발광 스펙트럼의 변화의 일 예를 보여주는 개략도이고,
도 7은 또 다른 구현예에 따른 연신 스트레인 센서의 연신의 일 예를 보여주는 개략도이고,
도 8은 도 7의 연신 스트레인 센서의 연신에 따른 발광 스펙트럼의 변화의 일 예를 보여주는 개략도이고,
도 9는 또 다른 구현예에 따른 연신 스트레인 센서의 연신의 일 예를 보여주는 개략도이고,
도 10은 도 9의 연신 스트레인 센서의 연신에 따른 발광 스펙트럼의 변화의 일 예를 보여주는 개략도이고,
도 11은 또 다른 구현예에 따른 연신 스트레인 센서의 일 예를 보여주는 개략도이고,
도 12는 일 구현예에 따른 연신 스트레인 센서를 포함한 연신 스트레인 센서 어레이의 일 예를 보여주는 개략도이고,
도 13은 일 구현예에 따른 연신 스트레인 센서를 포함한 장치의 일 예를 보여주는 개략도이고,
도 14는 실시예 1에 따른 연신 스트레인 센서의 스트레인(연신)에 따른 발광 스펙트럼의 변화를 보여주는 그래프이고,
도 15는 실시예 1에 따른 연신 스트레인 센서의 스트레인(연신)에 따른 색의 변화를 보여주는 색좌표이고,
도 16은 실시예 2에 따른 연신 스트레인 센서의 스트레인(연신)에 따른 발광 스펙트럼의 변화를 보여주는 그래프이고,
도 17은 실시예 2에 따른 연신 스트레인 센서의 스트레인(연신)에 따른 발광 온-오프(on-off)를 보여주는 그래프이고,
도 18은 실시예 3에 따른 연신 스트레인 센서의 스트레인(연신)에 따른 발광 스펙트럼의 변화를 보여주는 그래프이고,
도 19는 실시예 3에 따른 연신 스트레인 센서의 스트레인(연신)에 따른 발광 온-오프(on-off)를 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 연신 스트레인 센서(stretchable strain sensor)를 설명한다.
도 1은 일 구현예에 따른 연신 스트레인 센서의 일 예를 보여주는 단면도이고, 도 2는 도 1의 연신 스트레인 센서의 광전자 소자의 일 예를 보여주는 단면도이다.
도 1을 참고하면, 일 구현예에 따른 연신 스트레인 센서(300)는 한 쌍의 기판(110, 120)과 기판(110, 120) 사이에 위치하는 광전자 소자(optoelectronic device)(200)를 포함한다.
기판(110, 120)은 연신 기판(stretchable substrate)일 수 있으며, 연신 기판은 비교적 낮은 강성도 및 높은 연신율로 인해 비틀고 누르고 잡아당기는 것과 같은 외력 또는 외부의 움직임에 유연하게 대응할 수 있고 원래 상태로 용이하게 복구될 수 있다.
연신 기판은 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 폴리디메틸실록산(polydimethylsiloxane, PDMS)과 같은 치환 또는 비치환된 폴리오가노실록산, 스티렌-에틸렌-부틸렌-스티렌 (styrene-ethylene-butylene-styrene, SEBS)과 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.
기판(110, 120) 중 어느 하나는 지지 기판일 수 있고 다른 하나는 봉지 기판일 수 있다. 기판(110, 120) 중 어느 하나는 생략될 수 있다.
광전자 소자(200)는 전기적 신호를 광 신호로 변환시키거나 광 신호를 전기적 신호로 변환시키는 소자일 수 있으며, 예컨대 발광 다이오드(light emitting diode), 광 다이오드(photodiode) 또는 광전변환소자(photoelectric conversion device)일 수 있다. 발광 다이오드는 예컨대 유기 발광 다이오드(organic light emitting diode), 양자점 발광 다이오드(quantum dot light emitting doice) 또는 페로브스카이트 발광 다이오드(perovskite light emitting diode)일 수 있다.
도 2를 참고하면, 광전자 소자(200)는 제1 전극(210), 제2 전극(220) 및 광학층(260)을 포함한다.
제1 전극(210)과 제2 전극(220) 중 어느 하나는 애노드(anode)이고 다른 하나는 캐소드(cathode)이다. 일 예로, 제1 전극(210)은 애노드일 수 있고 제2 전극(220)은 캐소드일 수 있다. 일 예로, 제1 전극(210)은 캐소드일 수 있고 제2 전극(220)은 애노드일 수 있다.
제1 전극(210)은 반사 전극일 수 있고 제2 전극(220)은 반투과 전극일 수 있다. 반사 전극은 예컨대 불투명 도전체로 만들어지거나 불투명 도전체를 포함한 반사층을 포함할 수 있다. 반사 전극은 약 10% 미만의 광 투과율을 가질 수 있으며, 예컨대 약 8% 이하, 약 7% 이하, 약 5% 이하, 약 3% 이하 또는 약 1% 이하의 광 투과율을 가질 수 있다. 반사 전극은 약 10% 이상의 반사율을 가지며, 예컨대 약 20% 이상, 약 30% 이상, 약 50% 이상 또는 약 70% 이상의 반사율을 가질 수 있다. 반투과 전극은 투명 전극과 반사 전극 사이의 광 투과율을 가질 수 있으며, 약 10 내지 70%, 약 20 내지 60% 또는 약 30 내지 50%의 광 투과율을 가질 수 있다.
제1 전극(210)과 제2 전극(220) 중 적어도 하나는 연신 전극(stretchable electrode)일 수 있으며, 예컨대 제1 전극(210)과 제2 전극(220) 각각은 연신 전극일 수 있다.
연신 전극은 예컨대 연신성 도전체를 포함하거나 연신 가능한 모양으로 형성될 수 있다. 연신성 도전체는 예컨대 액체 금속(liquid metal), 도전성 나노구조체 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다.
액체 금속은 복수의 금속 및/또는 준금속으로 이루어진 합금일 수 있으며 상온(약 25℃)에서 액체 상태로 존재할 수 있다. 액체 금속은 예컨대 구리(Cu), 티타늄(Ti), 니켈(Ni), 지르코늄(Zr), 철(Fe), 마그네슘(Mg), 칼슘(Ca), 코발트(Co), 팔라듐(Pd), 백금(Pt), 금(Au), 세륨(Ce), 란탄(La), 이트륨(Y), 가돌륨(Gd), 베릴륨(Be), 탄탈늄(Ta), 갈륨(Ga), 인듐(In), 알루미늄(Al), 하프늄(Hf), 니오븀(Nb), 납(Pb), 백금(Pt), 은(Ag), 인(P), 보론(B), 규소(Si), 카본(C), 주석(Sn), 몰리브덴(Mo), 텅스텐(W), 아연(Zn), 망간(Mn), 에르븀(Er), 크롬(Cr), 프라세오디뮴(Pr), 툴륨(Tm) 및 이들의 조합 중에서 선택된 적어도 하나를 포함하는 합금일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
도전성 나노구조체는 예컨대 도전성 나노입자, 도전성 나노플레이크, 도전성 나노와이어, 도전성 나노튜브 또는 이들의 조합을 포함할 수 있으며, 예컨대 은, 금, 구리, 알루미늄 등의 저저항 도전체를 포함한 나노입자, 나노플레이크, 나노와이어, 나노튜브 또는 이들의 조합 또는 탄소 도전체일 수 있고, 예컨대 은 나노입자, 은 나노플레이크, 은 나노와이어, 은 나노튜브, 탄소 나노튜브, 그래핀, 그래파이트 또는 이들의 조합일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
연신 가능한 모양은 예컨대 물결(wavy) 모양, 주름(wrinkle) 모양, 팝업(popup) 모양 또는 비평면 메쉬(non-coplanar mesh) 모양일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
일 예로, 제1 전극(210)과 제2 전극(220) 각각은 액체 금속을 포함한 연신 전극일 수 있으며, 이때 반사 전극인 제1 전극(210)은 약 80nm 이상의 충분한 두께를 가질 수 있으며 반투과 전극인 제2 전극(210)은 반사 전극보다 얇은 두께를 가질 수 있으며 예컨대 약 5nm 내지 50nm의 두께를 가질 수 있다.
광학층(260)은 활성층(230)과 선택적으로 보조층(240, 250)을 포함한다.
활성층(230)은 예컨대 소정 파장 스펙트럼의 광을 방출하는 발광층 또는 소정 파장 스펙트럼의 광을 흡수하는 흡광층일 수 있다. 일 예로, 활성층(230)은 발광층일 수 있다.
발광층은 예컨대 가시광선 파장 스펙트럼 중 적어도 일부 파장 스펙트럼의 광을 방출할 수 있으며, 예컨대 청색 파장 스펙트럼, 녹색 파장 스펙트럼 및 적색 파장 스펙트럼 중 적어도 하나의 파장 스펙트럼의 광을 방출할 수 있다. 청색 파장 스펙트럼은 예컨대 약 400nm 이상 500nm 미만에서 최대발광파장(λmax)을 가질 수 있고, 녹색 파장 스펙트럼은 약 500nm 내지 600nm에서 최대발광파장(λmax)을 가질 수 있고, 적색 파장 스펙트럼은 약 600nm 초과 약 700nm 이하에서 최대발광파장(λmax)을 가질 수 있다. 일 예로, 발광층은 청색 파장 스펙트럼, 녹색 파장 스펙트럼 및 청색 파장 스펙트럼의 광, 즉 가시광선 전체 파장 스펙트럼의 광을 방출할 수 있으며, 예컨대 백색 광(white light)을 방출할 수 있다. 백색 광을 방출하는 발광층은 예컨대 청색 발광 물질, 녹색 발광 물질 및 적색 발광 물질을 혼합하여 형성되거나 청색 발광층, 녹색 발광층 및 적색 발광층을 적층하여 형성될 수 있다.
발광층은 유기 발광 물질, 무기 발광 물질 및/또는 유무기 발광 물질을 포함할 수 있으며, 유기 발광 물질은 저분자 발광 물질 및/또는 고분자 발광 물질일 수 있고, 무기 발광 물질은 반도체 화합물, 양자점 및/또는 페로브스카이트일 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
흡광층은 예컨대 가시광선 파장 스펙트럼 중 적어도 일부 파장 스펙트럼의 광을 흡수할 수 있으며, 예컨대 청색 파장 스펙트럼, 녹색 파장 스펙트럼 및 적색 파장 스펙트럼 중 적어도 하나의 파장 스펙트럼의 광을 흡수할 수 있다. 청색 파장 스펙트럼은 예컨대 약 400nm 이상 500nm 미만에서 최대흡수파장(λmax)을 가질 수 있고, 녹색 파장 스펙트럼은 약 500nm 내지 600nm에서 최대흡수파장(λmax)을 가질 수 있고, 적색 파장 스펙트럼은 약 600nm 초과 약 700nm 이하에서 최대흡수파장(λmax)을 가질 수 있다. 일 예로, 흡광층은 청색 파장 스펙트럼, 녹색 파장 스펙트럼 및 청색 파장 스펙트럼의 광, 즉 가시광선 전체 파장 스펙트럼의 광을 흡수할 수 있으며, 예컨대 백색 광을 흡수할 수 있다. 백색 광을 흡수하는 흡광층은 예컨대 청색 흡광 물질, 녹색 흡광 물질 및 적색 흡광 물질을 혼합하여 형성되거나 청색 흡광층, 녹색 흡광층 및 적색 흡광층을 적층하여 형성될 수 있다.
흡광층은 유기 흡광 물질, 무기 흡광 물질 및/또는 유무기 흡광 물질을 포함할 수 있으며, 유기 흡광 물질은 저분자 흡광 물질 및/또는 고분자 흡광 물질일 수 있고, 무기 흡광 물질은 반도체 화합물, 양자점 및/또는 페로브스카이트일 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
활성층(230)은 연신 활성층일 수 있다. 연신 활성층은 물리적, 전기적 및/또는 광학적으로 실질적인 손상 및/또는 깨짐 없이 소정 방향으로 연신될 수 있으며, 예컨대 약 2% 이상, 약 3% 이상, 약 5% 이상, 약 10% 이상, 약 15% 이상, 약 20% 이상, 약 2 내지 300%, 약 3 내지 300%, 약 5 내지 300%, 약 10 내지 300%, 약 15 내지 300%, 약 20 내지 300%, 약 2 내지 200%, 약 3 내지 200%, 약 5 내지 200%, 약 10 내지 200%, 약 15 내지 200%, 약 20 내지 200%, 약 2 내지 100%, 약 3 내지 100%, 약 5 내지 100%, 약 10 내지 100%, 약 15 내지 100%, 약 20 내지 100%, 약 2 내지 70%, 약 3 내지 70%, 약 5 내지 70%, 약 10 내지 70%, 약 15 내지 70% 또는 약 20 내지 70%의 연신율을 가질 수 있다. 여기서 연신율은 초기 길이에 대한 파단 시점(breaking point)까지 늘어난 길이 변화의 백분율일 수 있다.
연신 활성층은 연신성 유기 발광 물질, 연신성 무기 발광 물질, 연신성 유무기 발광 물질, 연신성 유기 흡광 물질, 연신성 무기 흡광 물질 및/또는 연신성 유무기 흡광 물질을 포함하거나 전술한 유기 발광 물질, 무기 발광 물질, 유무기 발광 물질, 유기 흡광 물질, 무기 흡광 물질 및/또는 유무기 흡광 물질을 탄성체와 혼합하여 형성될 수 있다. 탄성체는 예컨대 유기 탄성체, 유무기 탄성체, 무기 탄성체형 물질 또는 이들의 조합을 포함할 수 있으며, 예컨대 폴리디메틸실록산(PDMS)과 같은 치환 또는 비치환된 폴리오가노실록산, 스티렌-에틸렌-부틸렌-스티렌(SEBS)과 같은 치환 또는 비치환된 부타디엔 모이어티를 포함하는 탄성체, 우레탄 모이어티를 포함하는 탄성체, 아크릴 모이어티를 포함하는 탄성체, 올레핀 모이어티를 포함하는 탄성체, 탄성 세라믹, 탄성 고체 금속, 탄성 액체 금속 또는 이들의 조합을 포함할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 일 예로, 연신 발광층에 포함된 탄성체는 기판(110, 120)에 포함된 탄성체와 같거나 다를 수 있다.
보조층(240, 250)은 제1 전극(210)과 활성층(230) 사이 및/또는 제2 전극(220)과 활성층(230) 사이에 위치하여 광전자 소자(200)의 전기적 광학적 특성을 개선시킬 수 있다. 일 예로, 보조층(240, 250)은 정공 수송층, 정공 주입층, 전자 차단층, 전자 수송층, 전자 주입층, 정공 차단층 및/또는 광학 기능층일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
보조층(240, 250)은 연신 보조층일 수 있다. 연신 보조층은 실질적인 물리적, 전기적 및/또는 광학적 손상 또는 깨짐 없이 소정 방향으로 연신될 수 있으며, 예컨대 약 2% 이상, 약 3% 이상, 약 5% 이상, 약 10% 이상, 약 15% 이상, 약 20% 이상, 약 2 내지 300%, 약 3 내지 300%, 약 5 내지 300%, 약 10 내지 300%, 약 15 내지 300%, 약 20 내지 300%, 약 2 내지 200%, 약 3 내지 200%, 약 5 내지 200%, 약 10 내지 200%, 약 15 내지 200%, 약 20 내지 200%, 약 2 내지 100%, 약 3 내지 100%, 약 5 내지 100%, 약 10 내지 100%, 약 15 내지 100%, 약 20 내지 100%, 약 2 내지 70%, 약 3 내지 70%, 약 5 내지 70%, 약 10 내지 70%, 약 15 내지 70% 또는 약 20 내지 70%의 연신율을 가질 수 있다.
연신 보조층은 예컨대 연신성 유기물, 연신성 무기물 및/또는 연신성 유무기 물질을 포함하거나, 유기물, 무기물 및/또는 유무기 물질을 탄성체와 혼합하여 형성될 수 있다. 탄성체는 전술한 바와 같다. 일 예로, 연신 보조층에 포함된 탄성체는 연신 발광층에 포함된 탄성체와 같거나 다를 수 있다. 일 예로, 연신 보조층에 포함된 탄성체는 기판(110, 120)에 포함된 탄성체와 같거나 다를 수 있다.
보조층(240, 250)은 예컨대 폴리(9,9-디옥틸-플루오렌-코-N-(4-부틸페닐)-디페닐아민) (Poly(9,9-dioctyl-fluorene-co-N-(4-butylphenyl)-diphenylamine), TFB), 폴리아릴아민, 폴리(N-비닐카바졸)(poly(N-vinylcarbazole), 폴리(3,4-에틸렌디옥시티오펜(poly(3,4-ethylenedioxythiophene), PEDOT), 폴리(3,4-에틸렌디옥시티오펜)폴리스티렌 설포네이트(poly(3,4-ethylenedioxythiophene) polystyrene sulfonate, PEDOT:PSS), 폴리아닐린(polyaniline), 폴리피롤(polypyrrole), 에톡실레이트 폴리에틸렌이민(ethoxylated polyethyleneimine, PEIE), 폴리[(9,9-비스(3’-(N,N-디메틸아미노)프로필)-2,7-플루오렌)-알트-2,7-(9,9-디옥틸플루오렌)](poly[(9,9-bis(3’-(N,N-dimethylamino)propyl)-2,7-fluorene)-alt-2,7-(9,9-dioctylfluorene)], PFN), N,N,N',N'-테트라키스(4-메톡시페닐)-벤지딘(N,N,N',N'-tetrakis(4-methoxyphenyl)-benzidine, TPD), 4-비스[N-(1-나프틸)-N-페닐-아미노]비페닐(4-bis[N-(1-naphthyl)-N-phenyl-amino]biphenyl, α-NPD), m-MTDATA (4,4',4"-Tris[phenyl(m-tolyl)amino]triphenylamine), 4,4',4"-트리스(N-카바졸릴)-트리페닐아민(4,4',4"-tris(N-carbazolyl)-triphenylamine, TCTA), 1,1-비스[(디-4-토일아미노)페닐시클로헥산 (TAPC), p형 금속 산화물 (예를 들어, NiO, WO3, MoO3 등), 그래핀옥사이드 등 탄소 기반의 재료 및 이들의 조합에서 선택되는 적어도 하나를 포함할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
보조층(240, 250) 중 적어도 하나는 생략될 수 있다.
기판(110)과 광전자 소자(200) 사이에는 복수의 신호선과 신호선에 전기적으로 연결되어 있는 스위칭 및/또는 구동 소자를 더 포함할 수 있다. 스위칭 및/또는 구동 소자는 예컨대 박막 트랜지스터일 수 있다. 복수의 신호선은 게이트 신호(또는 주사 신호)를 전달하는 게이트선, 데이터 신호를 전달하는 데이터선 및 구동 전압을 전달하는 구동 전압선을 포함할 수 있다. 복수의 신호선 중 적어도 일부는 연신 배선(stretchable wires)일 수 있다.
박막 트랜지스터는 예컨대 스위칭 박막 트랜지스터 및/또는 구동 박막 트랜지스터를 포함할 수 있다. 스위칭 박막 트랜지스터는 게이트선 및 데이터선에 전기적으로 연결되어 있으며, 게이트선에 연결되어 있는 제1 게이트 전극; 데이터선에 연결되어 있는 제1 소스 전극; 제1 소스 전극과 마주하는 제1 드레인 전극; 및 제1 소스 전극과 제1 드레인 전극에 각각 전기적으로 연결되어 있는 제1 반도체를 포함할 수 있다. 구동 박막 트랜지스터는 제1 드레인 전극에 전기적으로 연결되어 있는 제2 게이트 전극; 구동 전압선에 연결되어 있는 제2 소스 전극; 제2 소스 전극과 마주하는 제2 드레인 전극; 제2 소스 전극과 제2 드레인 전극에 각각 전기적으로 연결되어 있는 제2 반도체를 포함할 수 있다. 일 예로, 제1 반도체와 제2 반도체는 각각 반도체 물질과 탄성체를 포함할 수 있다. 일 예로, 제1 반도체와 제2 반도체는 각각 유기 반도체 물질과 탄성체를 포함할 수 있다. 탄성체는 전술한 바와 같다.
일 예로, 전술한 기판(110, 120)과 광전자 소자(200)는 각각 연신성을 가질 수 있으며, 예컨대 약 2% 이상, 약 3% 이상, 약 5% 이상, 약 10% 이상, 약 15% 이상, 약 20% 이상, 약 2 내지 300%, 약 3 내지 300%, 약 5 내지 300%, 약 10 내지 300%, 약 15 내지 300%, 약 20 내지 300%, 약 2 내지 200%, 약 3 내지 200%, 약 5 내지 200%, 약 10 내지 200%, 약 15 내지 200%, 약 20 내지 200%, 약 2 내지 100%, 약 3 내지 100%, 약 5 내지 100%, 약 10 내지 100%, 약 15 내지 100%, 약 20 내지 100%, 약 2 내지 70%, 약 3 내지 70%, 약 5 내지 70%, 약 10 내지 70%, 약 15 내지 70% 또는 약 20 내지 70%의 연신율을 가질 수 있다. 이에 따라 연신 스트레인 센서(300)는 반복적인 연신에 의해 물리적, 전기적 및/또는 광학적 손상을 받지 않을 수 있다.
한편, 연신 스트레인 센서(300)는 연신에 의해 가해지는 스트레인 변화를 색(color)으로 표시할 수 있다. 색은 연신에 따른 광전자 소자(200)의 발광 스펙트럼 또는 흡광 스펙트럼으로부터 결정될 수 있으며, 예컨대 연신율 또는 연신에 의한 스트레인 변화에 따른 발광 스펙트럼 또는 흡광 스펙트럼의 변화로부터 결정될 수 있다.
일 예로, 연신 스트레인 센서(300)는 전술한 바와 같이 반사 전극, 반투과 전극 및 이들 사이에 위치하는 광학층(260)을 포함하는 광전자 소자(200)를 포함함으로써 미세 공진 구조(microcavity structure)를 형성할 수 있다. 미세 공진 구조에 의해 광전자 소자(200) 내부에서 방출된 빛이 소정의 광로 길이(optical length) 만큼 떨어져 있는 반사 전극과 반투과 전극 사이에서 반복적으로 반사되어 소정 파장 스펙트럼의 광을 강화시키고 이외의 파장 스펙트럼의 광을 약화시켜 소정 파장 스펙트럼의 광만 외부로 빠져 나올 수 있다. 일 예로, 발광층에서 방출된 광은 반사 전극과 반투과 전극 사이에서 반복적으로 반사되어 개질될 수 있고 개질된 광 중 미세 공진의 공명 파장에 해당하는 파장 스펙트럼의 광은 강화되어 반투과 전극을 통해 빠져 나올 수 있고 이외의 파장 스펙트럼의 광은 억제 또는 소멸될 수 있다.
연신 스트레인 센서(300)에서 표시하는 색은 미세 공진의 공명 파장에 관련되어 있다. 즉, 연신 스트레인 센서(300)는 광전자 소자(200)의 내부, 즉 발광층에서 방출되는 광의 파장 스펙트럼과 미세 공진의 공명 파장에 해당하는 파장 스펙트럼이 중첩하는 파장 스펙트럼에 해당하는 색을 표시할 수 있다. 예컨대, 광전자 소자(200)의 내부에서 방출되는 광은 가시광선 전체 파장 스펙트럼일 수 있고 연신 스트레인 센서(300)에서 표시되는 색은 가시광선 스펙트럼 중 일부의 파장 스펙트럼일 수 있다.
예컨대 광전자 소자(200)의 활성층(발광층)(230)이 가시광선 전체 파장 스펙트럼의 광, 즉 백색 광을 방출하고 미세 공진의 공명 파장이 청색 파장 스펙트럼에 속할 때, 연신 스트레인 센서(300)는 청색을 표시할 수 있다.
예컨대 광전자 소자(200)의 활성층(발광층)(230)이 가시광선 전체 파장 스펙트럼의 광, 즉 백색 광을 방출하고 미세 공진의 공명 파장이 녹색 파장 스펙트럼에 속할 때, 연신 스트레인 센서(300)는 녹색을 표시할 수 있다.
예컨대 광전자 소자(200)의 활성층(발광층)(230)이 가시광선 전체 파장 스펙트럼의 광, 즉 백색 광을 방출하고 미세 공진의 공명 파장이 적색 파장 스펙트럼에 속할 때, 연신 스트레인 센서(300)는 적색을 표시할 수 있다.
미세 공진의 공명 파장은 광로 길이에 관련되어 있으며, 광로 길이는 반사 전극과 반투과 전극 사이의 간격일 수 있으며, 예컨대 반사 전극이 반사층을 포함하는 경우에는 반사 전극의 반사층으로부터 반투과 전극까지의 간격일 수 있다. 일 예로, 도 2에서, 제1 전극(210)이 반사 전극이고 제2 전극(220)이 반투과 전극일 때, 광로 길이는 광학층(260)의 두께와 실질적으로 같을 수 있다.
한편, 전술한 바와 같이 활성층(230)과 보조층(240, 250)은 각각 연신 활성층과 연신 보조층일 수 있으므로, 광학층(260)의 두께는 소정 방향으로의 연신에 따라 변할 수 있고 이에 따라 광로 길이 또한 소정 방향의 연신에 따라 변할 수 있다. 예컨대 연신 스트레인 센서(300)가 소정 방향으로 연신될 때, 연신율이 커질수록 광학층(260)의 두께가 감소하면서 광로 길이 또한 짧아질 수 있다. 광학층(260)의 두께의 감소율은 광학층(260)의 재료, 탄성 모듈러스 및 두께 등에 의해 다양할 수 있으며, 예컨대 약 5% 내지 100%의 연신율에서 약 5% 내지 90%의 두께 감소율을 나타낼 수 있다. 여기서 두께 감소율은 초기 두께에 대한 두께 변화의 백분율일 수 있다.
이러한 광로 길이의 감소에 따라 미세 공진 구조에서 강화되는 광의 파장 스펙트럼은 변할 수 있고, 예컨대 연신에 따라 공명 파장은 단파장 스펙트럼으로 이동될 수 있다. 이와 같이 연신에 의한 광학층(260)의 두께 변화에 따라 연신 스트레인 센서(300)는 파장 선택성을 나타낼 수 있으며, 연신에 의한 광학층(260)의 두께 변화에 따라 변화된 광로 길이에 대응하는 파장 스펙트럼의 색을 표시할 수 있다.
도 3은 일 구현예에 따른 연신 스트레인 센서의 연신의 일 예를 보여주는 개략도이고, 도 4는 도 3의 연신 스트레인 센서의 연신에 따른 발광 스펙트럼의 변화의 일 예를 보여주는 개략도이다.
도 3 및 4를 참고하면, 광전자 소자(200)는 예컨대 가시광선 전체 파장 스펙트럼의 광을 방출하는 발광층(백색 발광층)을 포함할 수 있으며, 비연신 상태 또는 초기 연신 상태(제1 연신율(S1))에서 미세 공진에 의해 제1 최대발광파장(λ1)을 가진 파장 스펙트럼에 대응하는 제1 색을 표시할 수 있다.
이어서 연신 스트레인 센서(300)가 제1 연신율(S1)보다 높은 제2 연신율(S2)로 연신될 때, 연신에 의한 광로 길이의 감소(L1에서 L2)에 따라 미세 공진 구조에서 강화되는 광의 파장 스펙트럼이 변하여 제2 최대발광파장(λ2)을 가진 파장 스펙트럼에 대응하는 색을 표시할 수 있다.
이어서 연신 스트레인 센서(300)가 제2 연신율(S2)보다 높은 제3 연신율(S3)로 더욱 연신될 때, 연신에 의한 광로 길이의 추가적인 감소(L2에서 L3)에 따라 미세 공진 구조에서 강화되는 광의 파장 스펙트럼이 변하여 제3 최대발광파장(λ3)을 가진 파장 스펙트럼에 대응하는 색을 표시할 수 있다. 여기서, 제1 연신율(S1), 제2 연신율(S2) 및 제3 연신율(S3)은 S1<S2<S3를 만족하며, 예컨대 각각 0 내지 100% 일 수 있다.
이와 같이 연신 스트레인 센서(300)의 연신율이 커질수록 미세 공진 구조의 광로 길이는 짧아질 수 있고 광전자 소자(200)는 이러한 광로 길이의 변화에 따라 광로 길이에 대응하는 파장 스펙트럼의 색을 표시할 수 있다.
일 예로, 연신 스트레인 센서(300)의 연신율이 커질수록 미세 공진 구조에서 강화되는 광의 파장 스펙트럼은 단파장 측으로 이동할 수 있으며, 도 4에서 보는 바와 같이, 제2 최대발광파장(λ2)을 가진 발광 스펙트럼은 제1 최대발광파장(λ1)을 가진 발광 스펙트럼보다 단파장 스펙트럼일 수 있으며 제3 최대발광파장(λ3)을 가진 발광 스펙트럼은 제2 최대발광파장(λ2)을 가진 발광 스펙트럼보다 단파장 스펙트럼일 수 있다.
도 5는 다른 구현예에 따른 연신 스트레인 센서의 연신의 일 예를 보여주는 개략도이고, 도 6은 도 5의 연신 스트레인 센서의 연신에 따른 발광 스펙트럼의 변화의 일 예를 보여주는 개략도이다.
전술한 바와 같이, 연신 스트레인 센서(300)에서 표시하는 색은 미세 공진의 공명 파장에 관련되어 있으며, 구체적으로 연신 스트레인 센서(300)는 광전자 소자(200)의 내부에서 방출되는 파장 스펙트럼과 미세 공진의 공명 파장에 해당하는 파장 스펙트럼이 중첩하는 파장 스펙트럼에 해당하는 색을 표시할 수 있다. 이는 광전자 소자(200)의 내부에서 방출되는 파장 스펙트럼과 미세 공진의 공명 파장에 해당하는 파장 스펙트럼이 중첩하지 않는 경우, 색을 표시하지 않을 수 있다는 것을 의미할 수 있다.
도 5 및 6을 참고하면, 광전자 소자(200)는 예컨대 가시광선 파장 스펙트럼에 속하는 일부 파장 스펙트럼, 예컨대 적색 파장 스펙트럼, 녹색 파장 스펙트럼 및 청색 파장 스펙트럼 중 어느 하나의 광을 방출하는 발광층(적색 발광층, 녹색 발광층 또는 청색 발광층)을 포함하는 반면, 비연신 상태 또는 초기 연신 상태(제1 연신율(S1))에서 미세 공진의 공명 파장에 해당하는 파장 스펙트럼은 발광층의 파장 스펙트럼과 중첩하지 않는다. 이 경우 발광층에서 방출된 파장 스펙트럼은 반투과 전극을 통해 빠져 나오지 못하므로, 연신 스트레인 센서(300)는 예컨대 블랙(black)과 같이 색을 표시하지 않을 수 있다(Light-off).
이어서 연신 스트레인 센서(300)가 제1 연신율(S1)보다 높은 제2 연신율(S2)로 연신될 때, 연신에 의한 광로 길이의 감소(L1에서 L2)에 따라 미세 공진 구조에서 강화되는 광의 파장 스펙트럼이 변하여 단파장 스펙트럼으로 이동할 수 있으나, 제2 연신율(S2)이 임계 연신율 미만인 경우 여전히 미세 공진의 공명 파장에 해당하는 파장 스펙트럼은 발광층의 파장 스펙트럼과 중첩되지 않으므로 색을 표시하지 않을 수 있다(Light-off).
이어서 연신 스트레인 센서(300)가 제2 연신율(S2)보다 높은 제3 연신율(S3)로 더욱 연신될 때, 연신에 의한 광로 길이의 추가적인 감소(L2에서 L3)에 따라 미세 공진 구조에서 강화되는 광의 파장 스펙트럼이 변하여 단파장 스펙트럼으로 더욱 이동할 수 있으며, 제3 연신율(S3)이 임계 연신율 이상일 때 미세 공진의 공명 파장에 해당하는 파장 스펙트럼은 발광층의 파장 스펙트럼과 중첩될 수 있으며 중첩되는 파장 스펙트럼에 해당하는 색을 표시할 수 있다. 여기서 임계 연신율은 연신 스트레인 센서(300)가 색을 표시하는 시점(Light-on)에서의 연신율일 수 있으며, 예컨대 제2 연신율(S2)보다 크고 제3 연신율(S3)과 같거나 작을 수 있다.
이와 같이 본 구현예에 따른 연신 스트레인 센서(300)는 임계 연신율을 기준으로 색 표시 여부가 달라질 수 있으며, 이에 따라 스트레인이 소정 값 이상일 때 발광 등에 의해 색을 표시하는 센서로 적용될 수 있다.
도 7은 또 다른 구현예에 따른 연신 스트레인 센서의 연신의 일 예를 보여주는 개략도이고, 도 8은 도 7의 연신 스트레인 센서의 연신에 따른 발광 스펙트럼의 변화의 일 예를 보여주는 개략도이다.
도 7 및 8을 참고하면, 광전자 소자(200)는 예컨대 가시광선 파장 스펙트럼에 속하는 일부 파장 스펙트럼, 예컨대 적색 파장 스펙트럼, 녹색 파장 스펙트럼 및 청색 파장 스펙트럼 중 어느 하나의 광을 방출하는 발광층(적색 발광층, 녹색 발광층 또는 청색 발광층)을 포함하고, 비연신 상태 또는 초기 연신 상태(제1 연신율(S1))에서 미세 공진의 공명 파장에 해당하는 파장 스펙트럼은 발광층의 파장 스펙트럼과 중첩할 수 있다. 이에 따라 연신 스트레인 센서(300)는 제1 연신율(S1)에서 중첩되는 파장 스펙트럼에 대응하는 색을 표시할 수 있다(Light-on).
이어서 연신 스트레인 센서(300)가 제1 연신율(S1)보다 높은 제2 연신율(S2) 및 제3 연신율(S3)로 각각 연신될 때, 연신에 의한 광로 길이의 감소(L1에서 L2, L2에서 L3)에 따라 미세 공진 구조에서 강화되는 광의 파장 스펙트럼이 변하여 단파장 스펙트럼으로 이동할 수 있으며, 이동된 파장 스펙트럼은 발광층의 파장 스펙트럼과 중첩되지 않으므로 색을 표시하지 않을 수 있다(Light-off). 여기서 임계 연신율은 연신 스트레인 센서(300)가 색을 표시하지 않는 시점에서의 연신율일 수 있으며, 예컨대 제1 연신율(S1)보다 크고 제2 연신율(S2)과 같거나 작을 수 있다.
이와 같이 본 구현예에 따른 연신 스트레인 센서(300)는 임계 연신율을 기준으로 색 표시 여부가 달라질 수 있으며, 이에 따라 스트레인이 소정 값 미만일 때 색을 표시하다가 스트레인이 소정 값 이상일 때 색이 표시하지 않는 센서로 적용될 수 있다.
도 9는 또 다른 구현예에 따른 연신 스트레인 센서의 연신의 일 예를 보여주는 개략도이고, 도 10은 도 9의 연신 스트레인 센서의 연신에 따른 발광 스펙트럼의 변화의 일 예를 보여주는 개략도이다.
도 9 및 10을 참고하면, 광전자 소자(200)는 예컨대 가시광선 파장 스펙트럼에 속하는 일부 파장 스펙트럼, 예컨대 적색 파장 스펙트럼, 녹색 파장 스펙트럼 및 청색 파장 스펙트럼 중 어느 하나의 광을 방출하는 발광층(적색 발광층, 녹색 발광층 또는 청색 발광층)을 포함하고, 비연신 상태 또는 초기 연신 상태(제1 연신율(S1))에서 미세 공진의 공명 파장에 해당하는 파장 스펙트럼은 발광층의 파장 스펙트럼과 중첩하지 않는다. 이 경우 발광층에서 방출된 파장 스펙트럼은 반투과 전극을 통해 빠져 나오지 못하므로, 연신 스트레인 센서(300)는 예컨대 블랙(black)과 같이 색을 표시하지 않을 수 있다(Light-off).
이어서 연신 스트레인 센서(300)가 제1 연신율(S1)보다 높은 제2 연신율(S2)로 연신될 때, 연신에 의한 광로 길이의 감소(L1에서 L2)에 따라 미세 공진 구조에서 강화되는 광의 파장 스펙트럼이 변하여 단파장 스펙트럼으로 이동할 수 있으며, 제2 연신율(S2)이 제1 임계 연신율 이상일 때 미세 공진의 공명 파장에 해당하는 파장 스펙트럼은 발광층의 파장 스펙트럼과 중첩될 수 있으며 중첩되는 파장 스펙트럼에 해당하는 색을 표시할 수 있다(Light-on). 여기서 제1 임계 연신율은 연신 스트레인 센서(300)가 색을 표시하는 시점에서의 연신율일 수 있으며, 예컨대 제1 연신율(S1)보다 크고 제2 연신율(S2)과 같거나 작을 수 있다.
이어서 연신 스트레인 센서(300)가 제2 연신율(S2)보다 높은 제3 연신율(S3)로 연신될 때, 연신에 의한 광로 길이의 추가적인 감소(L2에서 L3)에 따라 미세 공진 구조에서 강화되는 광의 파장 스펙트럼이 변하여 단파장 스펙트럼으로 더욱 이동할 수 있으며, 제3 연신율(S3)이 제2 임계 연신율 이상일 때 미세 공진의 공명 파장에 해당하는 파장 스펙트럼은 발광층의 파장 스펙트럼과 중첩되지 않는다. 이 경우 발광층에서 방출된 파장 스펙트럼은 반투과 전극을 통해 빠져 나오지 못하므로, 연신 스트레인 센서(300)는 다시 예컨대 블랙(black)과 같이 색을 표시하지 않을 수 있다(Light-off). 여기서 제2 임계 연신율은 연신 스트레인 센서(300)가 색을 표시하지 않는 시점에서의 연신율일 수 있으며, 예컨대 제2 연신율(S2)보다 크고 제3 연신율(S3)과 같거나 작을 수 있다.
이와 같이 본 구현예에 따른 연신 스트레인 센서(300)는 임계 연신율을 기준으로 색 표시 여부가 달라질 수 있으며, 제1 임계 연신율과 제2 임계 연신율 사이의 범위에서만 색을 표시하는 센서로 적용될 수 있다.
전술한 바와 같이, 연신 스트레인 센서(300)는 연신 및 그에 따른 스트레인 변화에 따라 색을 표시할 수 있으며, 이에 따라 연신 및 스트레인 정도를 효과적으로 감지할 수 있다. 이러한 연신 스트레인 센서(300)는 추가적인 광원, 구동 프로세서 및 복잡한 회로 없이 색의 변화만으로 연신 및 그에 따른 스트레인 변화를 감지할 수 있으며 외부 광 존재에 무관하므로 주야간에 모두 사용될 수 있다.
도 11은 또 다른 구현예에 따른 연신 스트레인 센서의 일 예를 보여주는 개략도이다.
도 11을 참고하면, 기판(110)은 강성도(stiffness)가 다른 영역들을 포함할 수 있으며, 예컨대 상대적으로 높은 강성도를 가진 제1 영역(110A)과 제1 영역(110A)보다 상대적으로 낮은 강성도를 가진 제2 영역(110B)을 포함할 수 있다. 여기서 강성도는 외부로부터 힘을 받았을 때 변형에 대한 저항의 정도를 나타내는 것으로, 강성도가 상대적으로 높다는 것은 변형에 대한 저항이 상대적으로 커서 변형이 작은 것을 의미하고 강성도가 상대적으로 낮다는 것은 변형에 대한 저항이 상대적으로 작아서 변형이 큰 것을 의미한다.
강성도는 탄성 모듈러스(elastic modulus)로부터 평가할 수 있으며, 높은 탄성 모듈러스는 높은 강성도를 의미할 수 있고 낮은 탄성 모듈러스는 낮은 강성도를 의미할 수 있다. 탄성 모듈러스는 예컨대 영스 모듈러스(Young’s modulus)일 수 있다. 기판(110)의 제1 영역(110A)과 제2 영역(110B)의 탄성 모듈러스의 차이는 약 100배 이상일 수 있으며, 제1 영역(110A)의 탄성 모듈러스는 제2 영역(110B)의 탄성 모듈러스보다 약 100배 이상 높을 수 있다. 제1 영역(110A)과 제2 영역(110B)의 탄성 모듈러스의 차이는 상기 범위 내에서 약 100배 내지 100,000배일 수 있으며, 제1 영역(110A)의 탄성 모듈러스는 제2 영역(110B)의 탄성 모듈러스보다 약 100배 내지 100,000배 높을 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 일 예로, 제1 영역(110A)의 탄성 모듈러스는 약 107 Pa 내지 1012 Pa 일 수 있고, 제2 영역(110B)의 탄성 모듈러스는 약 102 Pa 이상 107 Pa 미만일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
기판(110)의 제1 영역(110A)과 제2 영역(110B)은 상술한 강성도의 차이에 의해 연신율이 다를 수 있으며, 제2 영역(110B)의 연신율은 제1 영역(110A)의 연신율보다 클 수 있다. 여기서 연신율은 초기 길이에 대한 파단 시점(breaking point)까지 늘어난 길이 변화의 백분율일 수 있다. 예컨대 기판(110)의 제1 영역(110A)의 연신율은 약 5% 이하일 수 있고, 상기 범위 내에서 0 내지 5%, 0 내지 약 4%, 0 내지 약 3%, 0 내지 약 2%, 0 내지 약 1%, 약 0.5% 내지 5%, 약 0.5% 내지 4%, 약 0.5% 내지 3%, 약 0.5% 내지 2% 또는 약 1% 내지 2%일 수 있다. 예컨대 기판(110)의 제2 영역(110B)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.
기판(110)의 복수의 제1 영역(110A)은 서로 분리되어 있는 섬형일 수 있으며, 기판(110)의 각 제1 영역(110A) 위에는 연신 스트레인 센서(300)가 배치되어 있다. 연신 스트레인 센서(300)는 전술한 바와 같다.
기판(110)의 제2 영역(110B)은 복수의 제1 영역(110A)을 제외한 나머지 영역일 수 있으며, 연속적으로 연결되어 있을 수 있다. 기판(110)의 제2 영역(110B)은 연신성을 제공하는 영역일 수 있으며, 비교적 낮은 강성도 및 높은 연신율로 인해 비틀고 누르고 잡아당기는 것과 같은 외력 또는 외부의 움직임에 유연하게 대응할 수 있고 원래 상태로 용이하게 복구될 수 있다.
일 예로, 기판(110)의 제1 영역(110A)과 제2 영역(110B)은 다른 형태를 가질 수 있으며, 예컨대 기판(110)의 제1 영역(110A)은 편평하고 기판(110)의 제2 영역(110B)은 2차원 또는 3차원 형태의 연신 구조물을 포함할 수 있다. 2차원 또는 3차원 형태의 연신 구조물은 예컨대 물결(wavy) 모양, 주름(wrinkle) 모양, 팝업(popup) 모양 또는 비평면 메쉬(non-coplanar mesh) 모양을 가질 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
일 예로, 기판(110)의 제1 영역(110A)과 제2 영역(110B)은 다른 재료를 포함할 수 있으며, 예컨대 기판(110)의 제1 영역(110A)은 비교적 높은 강성도 및 낮은 연신율을 가진 무기물, 유기물 및/또는 유무기물을 포함할 수 있고 기판(110)의 제2 영역(110B)은 비교적 낮은 강성도 및 높은 연신율을 가진 무기물, 유기물 및/또는 유무기물을 포함할 수 있다. 예컨대 기판(110)의 제1 영역(110A)은 폴리카보네이트, 폴리메틸메타크릴레이트, 폴리에틸렌테레프탈레이트, 폴리에틸렌나프탈레이트, 폴리이미드, 폴리아미드, 폴리아미드이미드, 폴리에테르술폰 또는 이들의 조합과 같은 유기물, 다이아몬드 탄소와 같은 탄소체 등을 포함할 수 있고, 기판(110)의 제2 영역(110B)은 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 조합과 같은 유기 또는 유무기 탄성체; 세라믹, 고체 금속, 액체 금속 또는 이들의 조합과 같은 무기 탄성체형 물질을 포함할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
일 예로, 기판(110)의 제1 영역(110A)과 제2 영역(110B)은 동일한 재료를 기반으로 형성될 수 있고 중합도 및/또는 경화도와 같은 조건을 다르게 하여 강성도를 다르게 형성할 수 있다. 예컨대, 기판(110)은 폴리디메틸실록산을 기반으로 하여 중합도, 경화제의 종류 및 함량 및/또는 경화 온도 등을 다르게 하여 상대적으로 강성도가 높은 제1 영역(110A)과 상대적으로 강성도가 낮은 제2 영역(110B)을 형성할 수 있다.
이와 같이 기판(110)은 상대적으로 강성도가 높고 연신율이 낮은 제1 영역(110A)과 상대적으로 강성도가 낮고 연신율이 높은 제2 영역(110B)을 포함하고 전술한 연신 스트레인 센서(300)를 제1 영역(110A)에 배치함으로써, 기판(110)에 큰 외력 또는 움직임이 적용된 경우에도 제1 영역(110A) 내에 배치된 연신 스트레인 센서(300)는 상대적으로 적은 스트레인을 받음으로써 과도한 스트레인에 의해 연신 스트레인 센서(300)가 손상되거나 파괴되는 것을 방지할 수 있다.
이러한 연신 스트레인 센서(300)는 연신성이 요구되는 다양한 장치 또는 사물에 효과적으로 적용될 수 있으며, 예컨대 부착형 생체 장치(wearable bioelectronic)과 같은 부착형 장치; 피부형 장치(skin-like device); 또는 스마트 의류(smart clothing)에 적용되어 생체 신호 또는 움직임 신호를 얻는데 사용되거나 스트레인을 모니터링 하여야 하는 사물 등에 적용되어 스트레인의 변화를 실시간으로 확인할 수 있다. 예컨대 연신 스트레인 센서(300)는 패치 또는 밴드형태의 부착형 생체 장치에 적용될 수 있으며, 부착형 생체 장치를 치료를 원하는 부위에 부착하고 근육 또는 관절의 움직임을 정량적으로 측정하여 재활에 필요한 데이터를 얻을 수 있다.
일 예로, 전술한 연신 스트레인 센서(300)는 행 및/또는 열에 따라 배열된 어레이 형태로 적용될 수 있다.
도 12는 일 구현예에 따른 연신 스트레인 센서를 포함한 연신 스트레인 센서 어레이의 일 예를 보여주는 개략도이다.
도 12를 참고하면, 연신 스트레인 센서 어레이(300A)는 기판(110) 위에 배열되어 있는 복수의 연신 스트레인 센서(300)를 포함한다. 복수의 연신 스트레인 센서(300)는 행 및 열을 따라 배열되어 있는 일 예를 도시하였지만 이에 한정되지 않고 다양하게 배열될 수 있다.
복수의 연신 스트레인 센서(300)는 각각 독립적으로 동작할 수 있으며, 전술한 바와 같이 연신 및 그에 따른 스트레인 변화에 따라 색을 표시할 수 있다. 따라서 복수의 연신 스트레인 센서(300) 중 일부만 색의 변화가 감지될 수 있으며, 이에 따라 스트레인 변화가 발생하는 위치를 효과적으로 감지할 수 있다.
일 예로, 연신 스트레인 센서 어레이(300A)를 포함하는 부착형 생체 장치를 치료를 원하는 부위에 부착하고 근육 또는 관절의 움직임으로부터 스트레인이 발생하는 위치를 효과적으로 감지할 수 있고 이에 따라 재활에 필요한 데이터를 효과적으로 얻을 수 있다.
일 예로, 연신 스트레인 센서 어레이(300A)를 포함하는 장치를 교량, 차량 또는 항공기와 같이 스트레인 변화를 감시 및 평가할 필요가 있는 사물에 부착하여 스트레인이 발생하는 위치를 효과적으로 감지할 수 있고 이에 따라 안전 및 교정을 위한 데이터를 효과적으로 얻을 수 있다.
일 예로, 전술한 연신 스트레인 센서(300)는 스트레인 인디케이터(strain indicator)로 적용될 수 있다.
도 13은 일 구현예에 따른 연신 스트레인 센서를 포함한 장치의 일 예를 보여주는 개략도이다.
장치(500)는 부착형 장치일 수 있으며, 서로 같거나 다른 기능을 수행하는 센서(510A, 510B), 센서(510A, 510B)에 의해 센싱된 결과를 보여주는 디스플레이(520) 및 적어도 하나의 연신 스트레인 센서(300)를 포함한다. 연신 스트레인 센서(300)는 서로 다른 위치에 배치되어 연신 및 스트레인에 상대적으로 취약한 부분에 색 표시로서 경고를 할 수 있고 이러한 경고에 따라 장치(500)의 기계적 강도의 한계에 도달했음을 표시할 수 있다.
이하 실시예를 통하여 상술한 구현예를 보다 상세하게 설명한다. 　다만 하기의 실시예는 단지 설명의 목적을 위한 것이며 권리범위를 제한하는 것은 아니다.
연신 스트레인 센서의 설계
도 1 및 2에 따른 연신 스트레인 센서를 설계하고 MATLAB 소프트웨어를 사용하여 연신 스트레인 센서의 광학 시뮬레이션을 수행한다.
실시예 1
연신 스트레인 센서의 구조는 다음과 같이 설정한다.
- 발광층의 발광 스펙트럼: 400nm 내지 750nm (백색 광)
- 반사 전극: Ga-In 액체금속 100nm (반사율 >95%)
- 반투과 전극: Ga-In 액체금속 25nm (반사율 약 25%)
- 반사 전극과 반투과 전극 사이의 간격(광로 길이): 320nm
- 연신율 30% 증가시 광로 길이의 감소율 34% (COMSOL Multiphysics 소프트웨어를 사용하여 SEBS 연신 기판 (SEBS1052, 모듈러스 13MPa)을 기초로 연신 시뮬레이션을 수행함)
연신율에 따른 파장 스펙트럼의 변화는 도 14 및 15와 같다.
도 14는 실시예 1에 따른 연신 스트레인 센서의 스트레인(연신)에 따른 발광 스펙트럼의 변화를 보여주는 그래프이고, 도 15는 실시예 1에 따른 연신 스트레인 센서의 스트레인(연신)에 따른 색의 변화를 보여주는 색좌표이다.
도 14 및 15를 참고하면, 스트레인(연신)이 커짐에 따라 미세공진에 의한 파장 스펙트럼은 단파장 스펙트럼으로 이동하는 것을 확인할 수 있으며, 스트레인(연신)이 커짐에 따라 표시되는 색이 변하는 것을 확인할 수 있다.
실시예 2
연신 스트레인 센서의 구조는 다음과 같이 설정한다.
- 발광층의 발광 스펙트럼: 500nm 내지 550nm에서 최대발광파장 (녹색 광)
- 반사 전극: Ga-In 액체금속 100nm (반사율 >95%)
- 반투과 전극: Ga-In 액체금속 25nm (반사율 약 25%)
- 반사 전극과 반투과 전극 사이의 간격(광로 길이): 310nm
- 연신율 30% 증가시 광로 길이의 감소율 34%
연신율에 따른 파장 스펙트럼의 변화는 도 16 및 17과 같다.
도 16은 실시예 2에 따른 연신 스트레인 센서의 스트레인(연신)에 따른 발광 스펙트럼의 변화를 보여주는 그래프이고, 도 17은 실시예 2에 따른 연신 스트레인 센서의 스트레인(연신)에 따른 발광 온-오프(on-off)를 보여주는 그래프이다.
도 16 및 17을 참고하면, 스트레인(연신)이 커짐에 따라 미세공진에 의한 파장 스펙트럼은 단파장 스펙트럼으로 이동하는 것을 확인할 수 있으며, 발광층의 발광 스펙트럼과 미세공진에 의한 발광 스펙트럼이 중첩하는 파장 스펙트럼에서 발광(Light-on)하는 것을 확인할 수 있다.
실시예 3
연신 스트레인 센서의 구조는 다음과 같이 설정한다.
- 발광층의 발광 스펙트럼: 400nm 내지 750nm (백색 광)
- 반사 전극: Ga-In 액체금속 100nm (반사율 >95%)
- 반투과 전극: Ga-In 액체금속 25nm (반사율 약 25%)
- 반사 전극과 반투과 전극 사이의 간격(광로 길이): 140nm
- 연신율 30% 증가시 광로 길이의 감소율 34%
연신율에 따른 파장 스펙트럼의 변화는 도 18 및 19와 같다.
도 18은 실시예 3에 따른 연신 스트레인 센서의 스트레인(연신)에 따른 발광 스펙트럼의 변화를 보여주는 그래프이고, 도 19는 실시예 3에 따른 연신 스트레인 센서의 스트레인(연신)에 따른 발광 온-오프(on-off)를 보여주는 그래프이다.
도 18 및 19를 참고하면, 스트레인(연신)이 커짐에 따라 미세공진에 의한 파장 스펙트럼은 단파장 스펙트럼으로 이동하는 것을 확인할 수 있으며, 스트레인(연신)이 커짐에 따라 표시되는 색이 변하는 것을 확인할 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.
110, 120: 기판
200: 광전자 소자
210: 제1 전극
220: 제2 전극
230: 발광층
240, 250: 보조층
260: 광학층
300: 연신 스트레인 소자
500: 장치
510A, 510B: 센서
520: 디스플레이

Claims (25)

  1. 연신에 의한 두께 변화에 따라 파장 선택성을 나타내는 연신 스트레인 센서.
  2. 제1항에서,
    광전자 소자를 포함하고,
    상기 광전자 소자는 상기 연신에 의한 두께 변화에 따라 색을 표시하는 연신 스트레인 센서.
  3. 제2항에서,
    상기 광전자 소자는
    제1 연신율에서 제1 파장 스펙트럼의 색을 표시하고,
    상기 제1 연신율보다 높은 제2 연신율에서 상기 제1 파장 스펙트럼과 다른 제2 파장 스펙트럼의 색을 표시하고,
    상기 제2 연신율보다 높은 제3 연신율에서 상기 제1 파장 스펙트럼 및 상기 제2 파장 스펙트럼과 각각 다른 제3 파장 스펙트럼의 색을 표시하는
    연신 스트레인 센서.
  4. 제3항에서,
    상기 제2 파장 스펙트럼은 상기 제1 파장 스펙트럼보다 단파장 스펙트럼이고,
    상기 제3 파장 스펙트럼은 상기 제2 파장 스펙트럼보다 단파장 스펙트럼인
    연신 스트레인 센서.
  5. 제2항에서,
    상기 광전자 소자는
    임계 연신율 미만에서 색을 표시하지 않고,
    임계 연신율 이상에서 색을 표시하는
    연신 스트레인 센서.
  6. 제2항에서,
    상기 광전자 소자는
    임계 연신율 미만에서 색을 표시하고,
    임계 연신율 이상에서 색을 표시하지 않는
    연신 스트레인 센서.
  7. 제2항에서,
    상기 광전자 소자는
    제1 임계 연신율과 제2 임계 연신율 사이에서 색을 표시하고,
    상기 제1 임계 연신율 미만과 상기 제2 임계 연신율 초과에서 색을 표시하지 않는 연신 스트레인 센서.
  8. 제2항에서,
    상기 광전자 소자는
    반사층을 포함하는 제1 전극,
    상기 제1 전극과 마주하고 상기 반사층으로부터 광로 길이만큼 이격되어 있는 제2 전극, 그리고
    상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이에 위치하는 발광층
    을 포함하는 연신 스트레인 센서.
  9. 제8항에서,
    연신율이 커질수록 상기 광로 길이는 짧아지고,
    상기 광전자 소자는 상기 광로 길이의 변화에 따라 상기 광로 길이에 대응하는 파장 스펙트럼의 색을 표시하는 연신 스트레인 센서.
  10. 제9항에서,
    상기 발광층은 백색 광을 방출하고,
    상기 광전자 소자는 가시광선 스펙트럼 중 일부의 파장 스펙트럼의 색을 표시하는 연신 스트레인 센서.
  11. 제10항에서,
    상기 광전자 소자는
    제1 연신율에서 제1 파장 스펙트럼의 색을 표시하고,
    상기 제1 연신율보다 높은 제2 연신율에서 상기 제1 파장 스펙트럼보다 단파장 영역인 제2 파장 스펙트럼의 색을 표시하고,
    상기 제2 연신율보다 높은 제3 연신율에서 상기 제2 파장 스펙트럼보다 단파장 영역인 제3 파장 스펙트럼의 색을 표시하는
    연신 스트레인 센서.
  12. 제9항에서,
    상기 발광층은 적색 파장 스펙트럼, 녹색 파장 스펙트럼 및 청색 파장 스펙트럼 중 어느 하나의 파장 스펙트럼의 광을 방출하고,
    상기 광전자 소자는
    임계 연신율 미만에서 색을 표시하지 않고,
    임계 연신율 이상에서 상기 파장 스펙트럼에 해당하는 색을 표시하는
    연신 스트레인 센서.
  13. 제9항에서,
    상기 발광층은 적색 파장 스펙트럼, 녹색 파장 스펙트럼 및 청색 파장 스펙트럼 중 어느 하나의 파장 스펙트럼의 광을 방출하고,
    상기 광전자 소자는
    임계 연신율 미만에서 상기 파장 스펙트럼에 해당하는 색을 표시하고,
    임계 연신율 이상에서 색을 표시하지 않는
    연신 스트레인 센서.
  14. 제9항에서,
    상기 발광층은 적색 파장 스펙트럼, 녹색 파장 스펙트럼 및 청색 파장 스펙트럼 중 어느 하나의 파장 스펙트럼의 광을 방출하고,
    상기 광전자 소자는
    제1 임계 연신율과 제2 임계 연신율 사이에서 상기 파장 스펙트럼에 해당하는 색을 표시하고,
    상기 제1 임계 연신율 미만과 상기 제2 임계 연신율 초과에서 색을 표시하지 않는 연신 스트레인 센서.
  15. 제8항에서,
    상기 제2 전극은 반투과 전극인 연신 스트레인 센서.
  16. 제8항에서,
    상기 제1 전극과 상기 제2 전극은 각각 연신 전극인 연신 스트레인 센서.
  17. 제2항에서,
    상기 광전자 소자를 지지하는 연신 기판을 더 포함하는 연신 스트레인 센서.
  18. 제17항에서,
    상기 연신 기판은 높은 탄성 모듈러스를 가진 복수의 제1 영역과 상기 제1 영역보다 낮은 탄성 모듈러스를 가지고 상기 인접한 제1 영역들 사이에 위치하는 제2 영역을 포함하고,
    상기 광전자 소자는 상기 제1 영역 내에 위치하는 연신 스트레인 센서.
  19. 스트레인 변화에 따라 발광 스펙트럼이 변하는 연신 스트레인 센서.
  20. 제19항에서,
    광전자 소자를 포함하고,
    상기 광전자 소자는
    반사층을 포함하는 제1 전극,
    상기 제1 전극과 마주하고 상기 반사층으로부터 광로 길이만큼 이격되어 있는 제2 전극, 그리고
    상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이에 위치하는 발광층
    을 포함하는 연신 스트레인 센서.
  21. 제20항에서,
    상기 발광층은 백색 광을 방출하고,
    상기 광전자 소자는
    제1 연신율에서 제1 파장 스펙트럼의 색을 표시하고,
    상기 제1 연신율보다 높은 제2 연신율에서 상기 제1 파장 스펙트럼보다 단파장 스펙트럼인 제2 파장 스펙트럼의 색을 표시하고,
    상기 제2 연신율보다 높은 제3 연신율에서 상기 제2 파장 스펙트럼보다 단파장 스펙트럼인 제3 파장 스펙트럼의 색을 표시하며,
    상기 제1, 제2 및 제3 파장 스펙트럼은 각각 가시광선 파장 영역에 속하는
    연신 스트레인 센서.
  22. 제20항에서,
    상기 발광층은 적색 파장 스펙트럼, 녹색 파장 스펙트럼 및 청색 파장 스펙트럼 중 어느 하나의 파장 스펙트럼의 광을 방출하고,
    상기 광전자 소자는
    임계 연신율 미만에서 색을 표시하지 않고,
    임계 연신율 이상에서 상기 파장 스펙트럼에 해당하는 색을 표시하는
    연신 스트레인 센서.
  23. 제20항에서,
    상기 발광층은 적색 파장 스펙트럼, 녹색 파장 스펙트럼 및 청색 파장 스펙트럼 중 어느 하나의 파장 스펙트럼의 광을 방출하고,
    상기 광전자 소자는
    임계 연신율 미만에서 상기 파장 스펙트럼에 해당하는 색을 표시하고,
    임계 연신율 이상에서 색을 표시하지 않는
    연신 스트레인 센서.
  24. 제20항에서,
    상기 발광층은 적색 파장 스펙트럼, 녹색 파장 스펙트럼 및 청색 파장 스펙트럼 중 어느 하나의 파장 스펙트럼의 광을 방출하고,
    상기 광전자 소자는
    제1 임계 연신율과 제2 임계 연신율 사이에서 상기 파장 스펙트럼에 해당하는 색을 표시하고,
    상기 제1 임계 연신율 미만과 상기 제2 임계 연신율 초과에서 색을 표시하지 않는 연신 스트레인 센서.
  25. 제1항 내지 제24항 중 어느 한 항에 따른 연신 스트레인 센서를 포함하는 장치.
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