KR20230006966A - 변형률 측정 센서 및 이의 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명에 따른 변형률 측정 센서는 유연한 재질로 형성된 기재층; 및 상기 기재층의 일면에 제공되고, 불규칙한 곡선의 패턴을 갖는 크랙이 형성된 전도성 박막층;을 포함할 수 있다.
Description
본 발명은 크랙을 이용한 변형률 측정 센서 및 이의 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 전기도금과 같이 간단한 방법으로 기재층 상에 곡선의 크랙이 형성된 전도성 박막층을 형성할 수 있는 변형률 측정 센서 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
일반적으로 변형률 측정 센서는 미세한 신호를 감지하여 이를 전기적 신호 등의 데이터로 전달하는 장치로서, 현대산업에서 필수적으로 요구되는 부품 중 하나이다.
변형률 측정 센서 중 압력이나 인장력을 측정하는 센서로서는 정전용량(capacitive) 센서, 압전기(piezoelectric) 센서, 스트레인 게이지 등이 널리 알려져 있으며, 최근에는 전도성 박막 표면에서 인장에 의해 발생하는 크랙으로 인한 저항의 변화를 측정함으로써 변형률을 측정하는 크랙 기반 변형률 센서의 연구가 활발히 진행되고 있다.
한편, 도 1은 종래의 변형률 측정 센서(1)로서, 유연 기판(10) 상에 센신층으로서의 금속 박막층(20)이 증착되어 있으며, 기판(10)과 금속 박막층(20) 사이에는 센싱 범위를 증가시키기 위해 금속보다 탄성계수가 작은 전도성 물질로 구성된 중간층(30)을 포함하고 있다. 이에 따라, 측정하고자 하는 방향으로 Pre-strain을 가해줌으로써 금속 박막층(20)에 크랙(20a)을 형성시킨 후, 변형률 측정 센서(1)의 양 끝단 사이의 저항 변화를 측정함으로써 인장이 가해졌을 때의 변형률을 측정할 수 있다.
그러나, 이와 같이 기판(10)과 금속 박막층(20) 사이에 중간층(30)이 구비된 경우에는 중간층(30)을 증착하기 위해 스퍼터링 장치와 같은 정밀한 고액의 장비가 필요하고, 많은 시간이 소요될 뿐 아니라 그 결과물의 크기가 제조 장비에 의해 결정된다는 한계가 있다.
또한, 변형률 측정 센서는 금속 박막층(20)에 형성된 크랙(20a)의 분포 면적이 증가할수록 민감도가 좋고 센싱 범위가 넓어지는데, 종래의 변형률 측정 센서(1)의 경우 크랙(20a)이 한 방향으로 이어진 직선 형태로 형성되어 있기 때문에 크랙(20a)의 분포 면적을 증가시키기 어려운 문제가 있다.
본 발명의 과제는 전기도금과 같이 간단한 방법으로 기재층 상에 곡선의 크랙이 형성된 전도성 박막층을 형성할 수 있는 변형률 측정 센서 및 이의 제조방법을 제공함에 있다.
상기의 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 변형률 측정 센서는 유연한 재질로 형성된 기재층; 및 상기 기재층의 일면에 제공되고, 불규칙한 곡선의 패턴을 갖는 크랙이 형성된 전도성 박막층;을 포함할 수 있다.
또한, 상기 전도성 박막층은 상기 기재층의 일면에 코팅된 전도성 와이어 상에 금속 나노입자를 성장시켜 형성된 복수의 아일랜드부를 포함하고, 상기 크랙은 상기 전도성 와이어 사이의 공간에 의해 상기 아일랜드부들의 사이에 형성될 수 있다.
또한, 상기 전도성 와이어는 CNT, 실버나노와이어(silver nano wire) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
또한, 상기 기재층에 외력이 가해지는 경우 상기 크랙의 면적이 넓어지거나 좁아져 상기 아일랜드부들 사이의 접촉면적이 변화하게 되고, 상기 접촉면적의 변화에 따른 상기 아일랜드부의 전기적 변화를 측정하여 상기 기재층에 가해지는 외력을 측정할 수 있다.
또한, 상기 전도성 박막층은 전기증착법, 전기도금법, 전기이동법(electrophorethic deposition), 무전해도금법 중 적어도 하나를 포함하는 전기화학적 증착 공정을 이용하여 상기 기재층 상에 증착 형성될 수 있다.
상기의 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 변형률 측정 센서의 제조방법은 기판의 일면에 전도성 와이어를 제공하는 단계; 상기 기판의 일면에 액상의 고분자 재료를 코팅하여, 상기 기판과의 사이에 상기 전도성 와이어가 개재된 기재층을 형성하는 단계; 상기 기판으로부터 일면에 상기 전도성 와이어가 고정된 기재층을 분리하는 단계; 금속이온이 포함된 용액에 상기 기재층을 침지한 후, 상기 전도성 와이어를 적극으로 이용한 전기화학적 증착 공정을 통해 상기 전도성 와이어 상에 금속 나노입자를 성장시키는 단계; 및 상기 금속 나노입자의 성장을 이용하여 상기 기재층 상에 불규칙한 곡선 패턴의 크랙이 구비된 전도성 박막층을 형성하는 단계;를 포함할 수 있다.
또한, 상기 기재층을 형성하는 단계는 상기 전도성 와이어가 구비된 상기 기판에 상기 액상의 고분자 재료를 스핀 코팅하는 과정과, 상기 고분자 재료를 경화시켜 일면에 상기 전도성 와이어의 일부가 고정된 기재층을 획득하는 과정을 포함할 수 있다.
또한, 상기 기판으로부터 기재층을 분리하는 단계는 상기 기판으로부터 상기 기재층을 분리시킨 이후, 상기 기재층을 원하는 크기 및 형상으로 커팅하는 단계를 포함할 수 있다.
또한, 상기 전도성 와이어 상에 금속 나노입자를 성장시키는 단계는 상기 전기화학적 증착 공정의 시간, 전기장의 크기 중 적어도 하나를 제어하여 상기 금속 나노입자의 밀도를 제어할 수 있다.
또한, 상기 기판에 제공되는 상기 전도성 와이어의 양에 따라 상기 크랙의 분포의 제어가 가능해질 수 있다.
또한, 상기 전기화학적 증착 공정은 전기증착법, 전기도금법, 전기이동법(electrophorethic deposition), 무전해도금법 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
또한, 상기 고분자 재료는 PDMS(Polydimethylsiloxane), PI(Polyimide), PET(Polyehtylene-terephthalate), PES(Polyether sulfone), PEN(Polyethylene naphthalate), PMMA(PolymethymethAcrylate), PC(Polycarbonate), Ecoflex 중 선택된 하나를 포함할 수 있다.
또한, 상기 전도성 와이어는 CNT, 실버나노와이어(silver nano wire) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
본 발명에 따르면, 전기도금과 같이 간단한 방법으로 기재층 상에 크랙이 구비된 전도성 박막층을 형성할 수 있기 때문에, 종래의 스퍼터링 장치를 이용한 전도성 박막층의 제조 공정에 비하여 제조 시간을 단축할 수 있으며, 고액의 장비를 필요로 하지 않아 제조 비용을 감소시킬 수 있다.
또한, 기재층 상에 증착 형성된 전도성 박막층이 곡선의 패턴을 갖는 크랙을 구비함에 따라, 기재층과 전도성 박막층 사이에 중간층을 구비하지 않고도 변형률 측정 센서의 민감도 및 센싱 범위를 향상시킬 수 있다.
또한, 전기도금시 전도성 와이어를 전극으로 이용하여 전도성 와이어 상에서 금속 나노입자를 성장시키는 방법으로 전도성 박막층을 제조하기 때문에, 전기도금의 시간 및 인가되는 전기장의 크기를 제어하는 경우 금속나노 입자의 밀도를 제어할 수 있다. 즉, 금속나노 입자의 크기가 작을수록 센싱 범위가 증가하기 때문에 전기도금시 시간 및 전기장의 크기를 적절히 제어하는 경우, 센싱 범위가 넓은 변형률 측정 센서를 제조할 수 있다.
아울러, 전도성 박막층의 전기적 변화를 측정하여 변형률 측정 센서에 가해지는 외력을 측정할 수 있기 때문에, 이를 웨어러블 디바이스에 적용하여 생체 신호나 움직임 등을 측정할 수 있다.
도 1은 종래 기술 따른 변형률 측정 센서의 구성을 도시한 사시도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 변형률 측정 센서의 구성을 도시한 사시도이다.
도 3은 도 2의 변형률 측정 센서에 X축 방향으로 외력이 가해진 상태를 도시한 도면이다.
도 4는 도 2의 변형률 측정 센서에 Y축 방향으로 외력이 가해진 상태를 도시한 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 변형률 측정 센서의 제조방법의 순서도이다.
도 6은 도 5에 도시된 변형률 측정 센서의 제조방법을 구현하기 위한 과정을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 7은 도 5에서 기재층에 전도성 박막층을 형성하기 위한 전기도금 장치를 도시한 도면이다.
도 8(a)는 종래의 제조방법에 의해 제조된 변형률 측정 센서의 SEM 이미지이고, 도 8(b)는 도 4의 제조방법에 의해 제조된 변형률 측정 센서의 SEM 이미지이다.
도 9는 본 발명에 따른 변형률 측정 센서가 웨어러블 디바디스에 적용된 예를 도시한 도면이다.
도 10은 본 발명에 따른 변형률 측정 센서가 음향 인지 장치에 적용된 예를 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 변형률 측정 센서의 구성을 도시한 사시도이다.
도 3은 도 2의 변형률 측정 센서에 X축 방향으로 외력이 가해진 상태를 도시한 도면이다.
도 4는 도 2의 변형률 측정 센서에 Y축 방향으로 외력이 가해진 상태를 도시한 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 변형률 측정 센서의 제조방법의 순서도이다.
도 6은 도 5에 도시된 변형률 측정 센서의 제조방법을 구현하기 위한 과정을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 7은 도 5에서 기재층에 전도성 박막층을 형성하기 위한 전기도금 장치를 도시한 도면이다.
도 8(a)는 종래의 제조방법에 의해 제조된 변형률 측정 센서의 SEM 이미지이고, 도 8(b)는 도 4의 제조방법에 의해 제조된 변형률 측정 센서의 SEM 이미지이다.
도 9는 본 발명에 따른 변형률 측정 센서가 웨어러블 디바디스에 적용된 예를 도시한 도면이다.
도 10은 본 발명에 따른 변형률 측정 센서가 음향 인지 장치에 적용된 예를 도시한 도면이다.
이하 첨부된 도면을 참조하여, 바람직한 실시예에 따른 변형률 측정 센서 및 이의 제조방법에 대해 상세히 설명하면 다음과 같다. 여기서, 동일한 구성에 대해서는 동일부호를 사용하며, 반복되는 설명, 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다. 발명의 실시형태는 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 따라서, 도면에서의 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 변형률 측정 센서의 구성을 도시한 사시도이고, 도 3은 도 2의 변형률 측정 센서에 X축 방향으로 외력이 가해진 상태를 도시한 도면이고, 도 4는 도 2의 변형률 측정 센서에 Y축 방향으로 외력이 가해진 상태를 도시한 도면이다.
도 2 내지 도 4를 참조하면, 변형률 측정 센서(100)는 기계적인 미세한 변화(Strain)를 전기신호로 변환하여 검출하는 것으로서, 기재층(110) 및 전도성 박막층(120)을 포함할 수 있다.
기재층(110)은 변형률 측정 센서(100)의 베이스를 이루는 것으로서, 유연한 재질의 판 형상으로 형성될 수 있다. 이러한 기재층(110)은 PDMS 등의 고분자 재료를 가공하여 형성될 수 있는데, 자세한 설명은 후술하기로 한다.
전도성 박막층(120)은 기재층(110)의 일면에 제공되고, 불규칙한 곡선의 패턴을 갖는 크랙(120a)이 형성될 수 있다. 이와 같이, 변형률 측정 센서(100)의 전도성 박막층(120)에 불규칙한 곡선의 패턴을 갖는 크랙(120a)이 형성됨에 따라, 직선의 크랙(20a)이 형성된 종래의 변형률 측정 센서(1)에 비하여 보다 넓은 분포를 갖는 크랙(120a)을 형성할 수 있다. 즉, 종래의 변형률 측정 센서(1)의 경우 도 1에 도시된 바와 같이 크랙(20a)이 일방향으로만 형성되어 있는데, 본 발명에 따른 변형률 측정 센서(100)의 경우 도 2에 도시된 바와 같이 크랙(120a)이 일방향뿐 아니라 그에 수직되는 방향으로까지 형성되어 있기 때문에 보다 넓은 분포를 갖는 크랙(120a)을 제공할 수 있다. 이러한 크랙(120a)의 분포 면적의 증가로 인해 중간층 없이도 변형률 측정 센서(100)의 민감도 및 센싱 범위를 향상시킬 수 있다.
또한, 크랙(120a)이 일방향과 그에 수직되는 방향 모두에 형성되어 있기 때문에 양방향(biaxial)으로 가해지는 외력의 측정이 가능하다. 즉, 종래에는 크랙이 한 방향으로만 형성되어 있기 때문에 단일 방향으로 가해지는 외력만 측정이 가능하였지만, 본 발명의 경우 도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이 X축 방향 및 Y축 방향으로 가해지는 외력의 측정이 가능해지게 된다. 따라서, 하나의 변형률 측정 센서(100)만으로 여러 방향에서 가해지는 인장의 측정이 가능한 이점이 있다.
한편, 전도성 박막층(120)에서의 저항 변화는 크랙(120a)의 상태에 따라 결정될 수 있다. 즉, 변형률 측정 센서(100)에 도 3에 도시된 바와 같이 인장력이 가해지는 경우 크랙(120a)이 벌어지면서 면적이 증가하여 전도성 박막층(120)의 전도성이 감소하게 되고, 이는 전도성 박막층(120)의 저항을 증가시키게 된다. 반대로 변형률 측정 센서(100)에 가해지는 인장력이 해제되어 원 상태로 복원되는 경우 크랙(120a)의 면적이 줄어들어 전도성 박막층(120)의 전도성이 증가하게 되고, 이는 전도성 박막층(120)의 저항을 감소시킬 수 있게 된다. 따라서, 이러한 저항의 변화를 이용하여 전도성 박막층(120)의 전기적 변화를 측정하는 경우 기재층(110)에 가해지는 외력을 측정할 수 있게 된다.
전도성 박막층(120)은 아일랜드부(121)와, 크랙(120a)을 포함할 수 있다.
아일랜드부(121)는 기재층(110)의 일면에 코팅된 전도성 와이어(22) 상에서 금속 나노입자(21)를 성장시키는 방법으로 형성될 수 있다. 여기서, 전도성 와이어(22)는 CNT, 실버나노와이어(silver nano wire) 중 적어도 하나를 포함할 수 있으며, 금속 나노입자(21)는 전기도금이 가능한 모든 금속, 일 예로는 금(Au)으로 제공될 수 있다.
크랙(120a)은 아일랜드부(121)들 사이에 형성될 수 있으며, 실타래 형상의 전도성 와이어(22) 사이의 공간(22a)으로 인해 형성될 수 있다. 예를 들어, 일면에 CNT가 구비된 기재층(110)을 금(Au) 이온이 포함된 용액에 침지시킨 후 전기도금을 수행하면, CNT 상에서는 금 나노입자가 성장하게 된다. 이때, CNT는 실타래와 같은 구조를 가지기 때문에 내부에는 복수의 빈 공간(22a)이 구비될 수 있다(도 5 참조). 따라서, 전기도금의 완료 후에는 CNT 상에서 복수의 금 나노입자가 성장하며 주변의 금 나노입자들과 결합하여 아일랜드부(121)가 형성되고, CNT의 빈 공간(22a)으로 인해 아일랜드부(121)들의 사이에는 곡선의 크랙(120a)이 형성되는 것이다.
이에 따라, 기재층(110)에 외력이 가해지는 경우 크랙(120a)의 면적이 넓어지거나 좁아져 아일랜드부(121)들 사이의 접촉면적이 변화하게 되고, 접촉면적의 변화에 따른 아일랜드부(121)의 전기적 변화를 측정하여 기재층(110)에 가해지는 외력을 측정할 수 있게 된다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 변형률 측정 센서의 제조방법의 순서도이고, 도 6은 도 5에 도시된 변형률 측정 센서의 제조방법을 구현하기 위한 과정을 개략적으로 도시한 도면이고, 도 7은 도 5에서 기재층에 전도성 박막층을 형성하기 위한 전기도금 장치를 도시한 도면이다.
본 실시예에서는 앞서 설명한 실시예와의 차이점을 중심으로 설명하기로 한다.
도 5 내지 도 7을 참조하면, 변형률 측정 센서의 제조방법(S100)은 기판의 일면에 전도성 와이어를 제공하는 단계(S110)와, 기재층을 형성하는 단계(S120)와, 기판으로부터 기재층을 분리하는 단계(S130)와, 전도성 와이어 상에 금속 나노입자를 성장시키는 단계(S140), 및 기재층 상에 전도성 박막층을 형성하는 단계(S140)를 포함할 수 있다.
기판의 일면에 전도성 와이어를 제공하는 단계(S110)에서는 실리콘(Si) 웨이퍼로 이루어진 기판(130)의 일면에 전도성 와이어(22)를 스프레이 코팅하는 방법으로 기판(130)의 일면에 전도성 와이어(22)를 제공할 수 있다. 여기서, 기판(130) 상에 제공되는 전도성 와이어(22)는 CNT, 실버나노와이어(silver nano wire) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
기판의 일면에 전도성 와이어를 제공하는 단계(S110)는 전도성 와이어(22)를 스프레이 코팅하기 전 실리콘 웨이퍼를 클리닝하여 전처리된 기판(130)을 마련하는 단계(S111)를 더 포함할 수 있다.
기재층을 형성하는 단계(S120)에서는 기판(130)의 일면에 액상의 고분자 재료를 코팅하여, 기판(130)과의 사이에 전도성 와이어(22)가 개재된 기재층(110)을 형성할 수 있다. 여기서, 전도성 와이어(22)는 나노(nm) 크기의 직경을 갖도록 제공될 수 있으며, 고분자 재료는 PDMS(Polydimethylsiloxane), PI(Polyimide), PET(Polyehtylene-terephthalate), PES(Polyether sulfone), PEN(Polyethylene naphthalate), PMMA(PolymethymethAcrylate), PC(Polycarbonate), Ecoflex 중 선택된 하나를 포함할 수 있다.
예를 들어, 기재층을 형성하는 단계(S120)는 전도성 와이어(22)가 구비된 기판(130)에 액상의 고분자 재료를 스핀 코팅하는 과정과, 고분자 재료를 경화시켜 일면에 전도성 와이어(22)의 일부가 고정된 기재층(110)을 획득하는 과정을 포함할 수 있다. 여기서, 기재층(110)으로서 액상의 고분자 재료를 사용하는 이유는 전도성 와이어(22)의 일부가 고분자 재료에 삽입된 상태로 경화되도록 하여, 기판(130)으로부터 기재층(110)을 분리하였을 때 기재층(110)에서 전도성 와이어(22)가 이탈하지 않도록 하기 위함이다.
기판으로부터 기재층을 분리하는 단계(S130)에서는 물리적 방법 또는 화학적 방법을 이용하여 기판(130)으로부터 일면에 전도성 와이어(22)가 고정된 기재층(110)을 분리할 수 있다. 여기서, 기판으로부터 기재층을 분리하는 단계(S130)는 기판(130)으로부터 기재층(110)을 분리시킨 이후, 기재층(110)을 원하는 크기 및 형상으로 커팅하는 단계(S131)를 포함할 수 있다. 이에 따라, 원하는 크기 및 형상으로 이루어진 기재층(110)을 획득할 수 있으며, 이렇게 획득한 기재층(110)의 일면에는 전도성 와이어(22)가 고정되어 있을 수 있다.
전도성 와이어 상에 금속 나노입자를 성장시키는 단계(S140)에서는 도 6에 도시된 바와 같이 금속이온이 포함된 용액에 기재층(110)을 침지한 후, 전도성 와이어(22)를 적극으로 이용한 전기화학적 증착 공정을 통해 전도성 와이어(22) 상에 금속 나노입자(21)를 성장시킬 수 있다. 여기서, 전기화학적 증착 공정은 전기증착법, 전기도금법, 전기이동법(electrophorethic deposition), 무전해도금법 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
한편, 단위면적당 금속 나노입자(21)의 밀도가 클수록 민감도 및 센싱 범위를 향상시킬 수 있다. 즉, CNT 상에서 성장되는 금속 나노입자(21)의 크기가 작고, 단위 면적당 분포(개수)가 많을수록 미세한 진동에도 반응하여 민감도 및 센싱 범위를 향상시킬 수 있다. 이러한 금속 나노입자(21)의 밀도 제어는 전도성 와이어 상에 금속 나노입자를 성장시키는 단계(S140)에서 전기화학적 증착 공정의 시간과 전기화학적 증착 공정시 인가되는 전기장의 크기 중 적어도 하나를 제어하여 이루어질 수 있다.
기재층 상에 전도성 박막층을 형성하는 단계(S140)에서는 금속 나노입자(21)의 성장을 이용하여 기재층(110) 상에 불규칙한 곡선 패턴의 크랙(120a)이 구비된 전도성 박막층(120)을 형성할 수 있다. 즉, 전기도금을 이용한 금속 나노입자(21)의 성장을 통해 기재층(110) 상에 아일랜드부(121)와 크랙(120a)을 포함하는 전도성 박막층(120)을 형성함으로써, 변형률 측정 센서(100)를 획득할 수 있다.
예를 들어, 금(Au) 이온이 포함된 용액에 기재층(110)을 침지시킨 후 전기도금을 수행하면, 기재층(110)의 일면에 구비된 CNT가 전극으로 활용되어 CNT 상에서는 금(Au) 나노입자가 성장하게 된다. 따라서, 이를 이용하면 CNT 상에서 금 나노입자가 성장하면서 주위의 금 나노입자들과 결합하여 아일랜드부(121)를 형성하게 되고, CNT의 내부에 형성된 공간(22a)으로 인해 금(Au) 나노입자들이 미처 결합하지 못한 경우에는 이 공간(22a)이 크랙(120a)을 형성하게 된다. 이때, 실타래 형상의 CNT 구조로 인하여 공간(22a)은 곡선 형상을 이루게 되고, 이로 인해 크랙(120a) 또한 곡선 형상으로 형성될 수 있다.
이와 같이, 아일랜드부(121) 사이에 곡선 형상의 크랙(120a)이 제공됨에 따라 직선의 크랙(20a)이 형성된 종래의 변형률 측정 센서(1)에 비하여 보다 넓은 분포를 갖는 크랙(120a)을 형성할 수 있게 되며, 크랙(120a)의 분포 증가로 인하여 중간층 없이도 변형률 측정 센서(100)의 민감도 및 센싱 범위를 향상시킬 수 있게 된다.
한편, 기판(130) 상에 제공되는 전도성 와이어(22)의 양에 따라 크랙(120a)의 면적의 제어가 가능해질 수 있다. 예를 들어, 동일한 기판(130) 상에 제공되는 전도성 와이어(22)의 양이 증가할수록 전도성 와이어(22) 사이의 공간(22a)은 더욱 치밀해지고, 이는 크랙(120a)의 분포(수)를 증가시킬 수 있다. 반대로 전도성 와이어(22)의 양이 감소할수록 전도성 와이어(22) 사이의 공간(22a)은 엉성해지고, 이는 크랙(120a)의 분포(수)를 감소시킬 수 있다. 즉, 전도성 와이어(22)의 양을 제어하는 경우 크랙(120a)의 분포를 증가시킬 수 있게 된다. 그러나, 전도성 와이어(22)를 필요 이상으로 많이 제공하는 경우, 전도성 와이어(22)에 내에 형성된 공간(22a)이 너무 촘촘하여 금속 나노입자(21)의 성장시 주변의 금속 나노입자(21)들과 모두 결합하여 크랙(120a)을 형성하지 못할 수도 있으므로 이러한 점을 고려하여 전도성 와이어(22)의 양을 적절히 제어하는 것이 중요하다.
도 8(a)는 종래의 제조방법에 의해 제조된 변형률 측정 센서의 SEM 이미지이고, 도 8(b)는 도 4의 제조방법에 의해 제조된 변형률 측정 센서의 SEM 이미지이다.
도 8(a)는 스퍼터링 장치를 이용하여 제조된 종래의 변형률 측정 센서(1)로서, 크랙이 일방향으로 형성된 것을 확인할 수 있다. 반면, 도 8(b)에 도시된 바와 같이 본 발명에 따른 변형률 측정 센서(100)의 경우 크랙이 곡선 형상으로 형성된 것을 확인할 수 있다. 뿐만 아니라, 본 발명에 따른 변형률 측정 센서(100)의 경우 단위 면적당 크랙의 분포가 더 많이 형성되어 있기 때문에 종래의 변형률 측정 센서(1)에 비하여 더 넓은 센싱 범위를 가질 수 있게 된다.
도 9는 본 발명에 따른 변형률 측정 센서가 웨어러블 디바디스에 적용된 예를 도시한 도면이고, 도 10은 본 발명에 따른 변형률 측정 센서가 음향 인지 장치에 적용된 예를 도시한 도면이다.
도 9를 참조하면, 본 발명에 따른 변형률 측정 센서(100)는 마스크나 장갑 등과 같은 웨어러블 장치에 설치되어 사용자의 기침이나 움직임 등에 의한 신호를 측정할 수 있다. 뿐만 아니라, 도 10에 도시된 바와 같이 음파에 의한 진동을 측정함으로써 음향 인지 장치로 사용될 수도 있다.
전술한 바와 같이, 본 발명에 따른 변형률 측정 센서(100)의 경우 전기도금과 같이 간단한 방법으로 기재층(110) 상에 크랙(120a)이 구비된 전도성 박막층(120)을 형성할 수 있기 때문에, 종래의 스퍼터링 장치를 이용한 전도성 박막층(20)의 제조 공정에 비하여 제조 시간을 단축할 수 있으며, 고액의 장비를 필요로 하지 않아 제조 비용을 감소시킬 수 있다.
또한, 기재층(110) 상에 증착 형성된 전도성 박막층(120)이 곡선의 패턴을 갖는 크랙(120a)을 구비함에 따라, 기재층(110)과 박막층(120) 사이에 중간층을 구비하지 않고도 변형률 측정 센서(100)의 민감도 및 센싱 범위를 향상시킬 수 있다.
또한, 전기도금시 전도성 와이어(22)를 전극으로 이용하여 전도성 와이어(22) 상에서 금속 나노입자(21)를 성장시키는 방법으로 전도성 박막층(120)을 제조하기 때문에, 전기도금의 시간 및 인가되는 전기장의 크기를 제어하는 경우 금속 나노입자(21)의 밀도를 제어할 수 있다. 즉, 금속 나노입자(21)의 크기가 작을수록 센싱 범위가 증가하기 때문에 전기도금시 시간 및 전기장의 크기를 적절히 제어하는 경우, 센싱 범위가 넓은 변형률 측정 센서(100)를 제조할 수 있다.
아울러, 전도성 박막층(120)의 전기적 변화를 측정하여 변형률 측정 센서(100)에 가해지는 외력을 측정할 수 있기 때문에, 이를 웨어러블 디바이스에 적용하여 생체 신호나 움직임 등을 측정할 수 있다.
본 발명은 첨부된 도면에 도시된 일 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 보호 범위는 첨부된 청구 범위에 의해서만 정해져야 할 것이다.
110: 기재층
120: 전도성 박막층
120a: 크랙
121: 아일랜드부
21: 금속 나노입자
22: 전도성 와이어
130: 기판
120: 전도성 박막층
120a: 크랙
121: 아일랜드부
21: 금속 나노입자
22: 전도성 와이어
130: 기판
Claims (13)
- 유연한 재질로 형성된 기재층; 및
상기 기재층의 일면에 제공되고, 불규칙한 곡선의 패턴을 갖는 크랙이 형성된 전도성 박막층;
을 포함하는 변형률 측정 센서.
- 제1항에 있어서,
상기 전도성 박막층은 상기 기재층의 일면에 코팅된 전도성 와이어 상에 금속 나노입자를 성장시켜 형성된 복수의 아일랜드부를 포함하고, 상기 크랙은 상기 전도성 와이어 사이의 공간에 의해 상기 아일랜드부들의 사이에 형성되는 변형률 측정 센서.
- 제2항에 있어서,
상기 전도성 와이어는 CNT, 실버나노와이어(silver nano wire) 중 적어도 하나를 포함하는 변형률 측정 센서.
- 제2항에 있어서,
상기 기재층에 외력이 가해지는 경우 상기 크랙의 면적이 넓어지거나 좁아져 상기 아일랜드부들 사이의 접촉면적이 변화하게 되고, 상기 접촉면적의 변화에 따른 상기 아일랜드부의 전기적 변화를 측정하여 상기 기재층에 가해지는 외력을 측정하는 변형률 측정 센서.
- 제1항에 있어서,
상기 전도성 박막층은 전기증착법, 전기도금법, 전기이동법(electrophorethic deposition), 무전해도금법 중 적어도 하나를 포함하는 전기화학적 증착 공정을 이용하여 상기 기재층 상에 증착 형성되는 변형률 측정 센서.
- 기판의 일면에 전도성 와이어를 제공하는 단계;
상기 기판의 일면에 액상의 고분자 재료를 코팅하여, 상기 기판과의 사이에 상기 전도성 와이어가 개재된 기재층을 형성하는 단계;
상기 기판으로부터 일면에 상기 전도성 와이어가 고정된 기재층을 분리하는 단계;
금속이온이 포함된 용액에 상기 기재층을 침지한 후, 상기 전도성 와이어를 적극으로 이용한 전기화학적 증착 공정을 통해 상기 전도성 와이어 상에 금속 나노입자를 성장시키는 단계; 및
상기 금속 나노입자의 성장을 이용하여 상기 기재층 상에 불규칙한 곡선 패턴의 크랙이 구비된 전도성 박막층을 형성하는 단계;
를 포함하는 변형률 측정 센서의 제조방법.
- 제6항에 있어서,
상기 기재층을 형성하는 단계는,
상기 전도성 와이어가 구비된 상기 기판에 상기 액상의 고분자 재료를 스핀 코팅하는 과정과,
상기 고분자 재료를 경화시켜 일면에 상기 전도성 와이어의 일부가 고정된 기재층을 획득하는 과정을 포함하는 포함하는 변형률 측정 센서의 제조방법.
- 제6항에 있어서,
상기 기판으로부터 기재층을 분리하는 단계는,
상기 기판으로부터 상기 기재층을 분리시킨 이후, 상기 기재층을 원하는 크기 및 형상으로 커팅하는 단계를 더 포함하는 변형률 측정 센서의 제조방법.
- 제6항에 있어서,
상기 전도성 와이어 상에 금속 나노입자를 성장시키는 단계는,
상기 전기화학적 증착 공정의 시간, 전기장의 크기 중 적어도 하나를 제어하여 상기 금속 나노입자의 밀도를 제어하는 변형률 측정 센서의 제조방법.
- 제6항에 있어서,
상기 기판에 제공되는 상기 전도성 와이어의 양에 따라 상기 크랙의 분포의 제어가 가능한 변형률 측정 센서의 제조방법.
- 제6항에 있어서,
상기 전기화학적 증착 공정은 전기증착법, 전기도금법, 전기이동법(electrophorethic deposition), 무전해도금법 중 적어도 하나를 포함하는 변형률 측정 센서의 제조방법.
- 제6항에 있어서,
상기 고분자 재료는 PDMS(Polydimethylsiloxane), PI(Polyimide), PET(Polyehtylene-terephthalate), PES(Polyether sulfone), PEN(Polyethylene naphthalate), PMMA(PolymethymethAcrylate), PC(Polycarbonate), Ecoflex 중 선택된 하나를 포함하는 변형률 측정 센서의 제조방법.
- 제6항에 있어서,
상기 전도성 와이어는 CNT, 실버나노와이어(silver nano wire) 중 적어도 하나를 포함하는 변형률 측정 센서의 제조방법.
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2021
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Patent Citations (1)
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|---|---|---|---|---|
| KR20190130295A (ko) | 2018-05-14 | 2019-11-22 | 재단법인 멀티스케일 에너지시스템 연구단 | 중간층이 개재된 금속 박막을 이용한 크랙 기반 고감도 인장 센서 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
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