KR20230116561A - 온도 센서 및 장치 - Google Patents

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KR20230116561A
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temperature sensor
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electrode
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KR1020220013640A
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박진우
김승록
이소연
이의인
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삼성전자주식회사
연세대학교 산학협력단
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Abstract

제1 전극, 제2 전극, 그리고 상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이에 위치하고 강유전성 중합체와 이온 젤을 포함한 초전층을 포함하는 온도 센서 및 이를 포함하는 장치에 관한 것이다.

Description

온도 센서 및 장치{TEMPERATURE SENSOR AND DEVICE}
온도 센서 및 장치에 관한 것이다.
웨어러블 기기, 전자 피부 또는 사물인터넷(IoT)과 같이 다수의 센서가 집적되는 시스템은 전력 소모가 적으면서 높은 정확성을 가진 센서를 구비하는 것이 필요하다. 기존의 온도 센서는 주기적인 충전 등을 통해 외부 에너지원을 필요로 하여 지속적인 온도 모니터링이 불가할 뿐만 아니라, 온도의 변화에 따라 전압을 출력하므로 절대적인 온도 산출이 어렵다.
일 구현예는 자가 동력으로 동작하면서 높은 정확성을 구현할 수 있는 온도 센서를 제공한다.
다른 구현예는 온도 센서를 포함하는 장치를 제공한다.
일 구현예에 따르면, 제1 전극, 제2 전극, 그리고 상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이에 위치하고 강유전성 중합체와 이온 젤을 포함한 초전층을 포함하는 온도 센서를 제공한다.
상기 강유전성 중합체의 큐리 온도는 약 60 내지 140℃일 수 있다.
상기 강유전성 중합체는 불소계 중합체를 포함할 수 있다.
상기 강유전성 중합체는 비닐리덴 플루오라이드 구조단위를 포함하는 단일중합체, 공중합체 또는 이들의 조합일 수 있다.
상기 강유전성 중합체는 상기 비닐리덴 플루오라이드 구조단위와 트리플루오로에틸렌 구조단위를 포함하는 공중합체일 수 있다.
상기 이온 젤은 중합체 매트릭스와 이온성 액체의 복합체일 수 있다.
상기 강유전성 중합체와 상기 중합체 매트릭스는 적어도 하나의 공통 구조 단위를 포함할 수 있다.
상기 강유전성 중합체와 상기 중합체 매트릭스의 공통 구조단위는 비닐리덴 플루오라이드일 수 있다.
상기 이온성 액체는 상기 중합체 매트릭스 100중량부에 대하여 약 100 내지 400중량부로 포함될 수 있다.
상기 초전층은 상기 강유전성 중합체와 상기 이온 젤의 복합체를 포함할 수 있다.
상기 초전층은 상기 강유전성 중합체를 포함하는 제1 층, 그리고 상기 제1 층의 일면 또는 양면에 위치하고 상기 이온 젤을 포함한 제2 층을 포함할 수 있다.
상기 이온 젤은 매트릭스 중합체와 이온성 액체의 복합체일 수 있고, 상기 강유전성 중합체와 상기 매트릭스 중합체는 서로 다르고 각각 비닐리덴 플루오라이드 구조단위를 공통적으로 포함하는 단일중합체, 공중합체 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다.
상기 이온성 액체는 리튬 이온, 피리디늄, 이미다졸륨, 피롤리디늄, 피페리디늄, 암모늄, 포스포늄, 설포늄, 이들의 유도체 또는 이들의 조합을 포함하는 양이온과 할로겐 이온, 테트라플루오로보레이트, 헥사플루오로포스페이트, 트리플레이트, 트리플루오로메탄설포닐, 비스(트리플루오로메탄설포닐)이미드, 비스(플루오로설포닐)이미드, 시아노구아니딘, 수소황산이온, 에틸황산, 이들의 유도체 또는 이들의 조합을 포함하는 음이온을 포함할 수 있다.
상기 제1 전극과 상기 제2 전극은 스트레쳐블 전극일 수 있다.
상기 스트레쳐블 전극은 탄성체와 도전성 나노체를 포함할 수 있다.
상기 온도 센서는 외부 에너지 공급 없이 온도 변화에 따라 전압을 발생시키는 자가 동력 센서를 제공할 수 있다.
상기 온도 센서는 절대적인 온도를 감지할 수 있다.
상기 온도 센서에서 감지되는 시간에 대한 온도 변화율은 측정 대상의 온도 변화율보다 낮을 수 있고, 온도 변화에 따라 상기 온도 센서에서 출력된 전압은 시간에 따라 지연될 수 있다.
다른 구현예에 따르면, 상기 온도 센서를 포함하는 장치를 제공한다.
상기 장치는 웨어러블 기기일 수 있다.
자가 동력으로 동작하면서 높은 정확성을 기반으로 절대적인 온도를 측정할 수 있다.
도 1은 일 구현예에 따른 온도 센서의 일 예를 보여주는 단면도이고,
도 2는 도 1의 온도 센서의 초전층의 일 예를 도시한 개략도이고,
도 3은 다른 구현예에 따른 온도 센서의 일 예를 보여주는 단면도이고,
도 4는 도 3의 온도 센서의 초전층의 일 예를 보여주는 개략도이고,
도 5는 일 예에 따른 패치형 웨어러블 기기의 일 예를 보여주는 개략도이고,
도 6은 실시예 1과 참조예 1에 따른 온도 센서의 시간에 따른 온도 변화를 보여주는 그래프이고,
도 7은 실시예 2와 참조예 2에 따른 온도 센서의 시간에 따른 온도 변화를 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 별도의 정의가 없는 한, '치환된'이란, 화합물 또는 작용기 중의 수소 원자가 할로겐 원자, 히드록시기, 알콕시기, 니트로기, 시아노기, 아미노기, 아지도기, 아미디노기, 히드라지노기, 히드라조노기, 카르보닐기, 카르바밀기, 티올기, 에스테르기, 카르복실기나 그의 염, 술폰산기나 그의 염, 인산이나 그의 염, 실릴기, C1 내지 C20 알킬기, C2 내지 C20 알케닐기, C2 내지 C20 알키닐기, C6 내지 C30 아릴기, C7 내지 C30 아릴알킬기, C1 내지 C30 알콕시기, C1 내지 C20 헤테로알킬기, C3 내지 C20 헤테로아릴기, C3 내지 C20 헤테로아릴알킬기, C3 내지 C30 사이클로알킬기, C3 내지 C15 사이클로알케닐기, C6 내지 C15 사이클로알키닐기, C3 내지 C30 헤테로사이클로알킬기 및 이들의 조합에서 선택된 치환기로 치환된 것을 의미한다.
이하에서 '조합'이란 혼합 및 둘 이상의 적층 구조를 포함한다.
이하 일 구현예에 따른 온도 센서를 설명한다.
도 1은 일 구현예에 따른 온도 센서의 일 예를 보여주는 단면도이고, 도 2는 도 1의 온도 센서의 초전층의 일 예를 도시한 개략도이다.
도 1을 참고하면, 일 구현예에 따른 온도 센서(10)는 제1 전극(11), 제2 전극(12) 및 초전층(pyroelectric layer)(13)을 포함한다.
제1 전극(11)과 제2 전극(12)은 각각 도전체를 포함할 수 있으며, 예컨대 금속, 도전성 산화물, 도전성 고분자, 도전성 나노체 또는 이들의 조합을 포함할 수 있으며, 예컨대 금(Au), 은(Ag), 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), 금속 나노체, 탄소 나노체 또는 이들의 조합을 포함할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
일 예로, 제1 전극(11)과 제2 전극(12)은 스트레쳐블 전극(stretchable electrode)일 수 있다. 스트레쳐블 전극은 소정 방향으로 비틀고 누르고 잡아당기는 것과 같은 외력 또는 외부의 움직임에 유연하게 대응할 수 있다. 스트레쳐블 전극은 스트레쳐블 도전체를 포함하거나 물결(wavy) 모양, 주름(wrinkle) 모양, 팝업(popup) 모양 또는 비평면 메쉬(non-coplanar mesh) 모양과 같은 스트레쳐블 형상을 가질 수 있다.
일 예로, 제1 전극(11)과 제2 전극(12)은 도전성 나노체를 포함할 수 있다. 도전성 나노체는 예컨대 수 내지 수십 나노미터 크기(예컨대 장경)의 구조체일 수 있으며, 예컨대 나노튜브, 나노와이어, 나노플레이트, 나노플레이크, 나노섬유, 나노복합체, 나노입자 또는 이들의 조합을 포함할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 예컨대 도전성 나노체는 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.
예컨대, 도전성 나노체는 일 방향으로 긴 와이어형(wire-type) 나노체일 수 있으며, 예컨대 약 10 이상의 아스펙트 비(aspect ratio)를 가질 수 있다. 예컨대 도전성 나노체는 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.
일 예로, 도전성 나노체는 탄성체(elastomer) 내에 매립되어 있거나 탄성체 위에 배치되어 있을 수 있다. 탄성체는 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.
초전층(13)은 제1 전극(11)과 제2 전극(12) 사이에 배치되어 있으며, 예컨대 초전층(13)의 일면은 제1 전극(11)에 맞닿아 있고 초전층(13)의 다른 일면은 제2 전극(12)에 맞닿아 있을 수 있다.
초전층(13)은 강유전성에 의한 초전 특성(pyroelectric property)을 나타낼 수 있으며 순간적인 온도 변화에 의해 초전층(13) 내에 자발 분극(spontaneous polarization)이 유발되고 자발 분극의 정도에 따라 전압을 발생시킬 수 있다. 이러한 초전 특성에 의하여 온도 센서(10)는 별도의 외부 에너지원 없이도 동작할 수 있는 자가 동력 센서(self-powered sensor)로 사용될 수 있다.
초전층(13)은 강유전성 중합체(ferroelectric polymer)와 이온 젤(ionogel)을 포함한다.
강유전성 중합체는 강유전성을 나타내는 중합체일 수 있다. 강유전성 중합체는 큐리 온도(Curie temperature) 이하에서 전술한 초전 특성을 나타낼 수 있으며, 큐리 온도 이하에서 온도가 높아질수록 분극의 변화가 크게 나타나 효과적인 초전 특성을 나타낼 수 있다. 반면 강유전성 중합체는 큐리 온도보다 높은 온도에서 자발 분극이 없으므로 강유전성을 잃어 전술한 초전 특성을 나타낼 수 없다.
이에 따라 초전층(130)에 포함된 강유전성 중합체는 온도 센서(10)의 적용 목적에 따라 적절한 큐리 온도를 가진 물질에서 선택될 수 있으며, 예컨대 신체에 부착하거나 착용하는 웨어러블 기기에 적용되는 온도 센서(10)는 예컨대 체온보다 높은 큐리 온도를 가진 강유전성 중합체를 포함할 수 있으며, 예컨대 약 140℃ 이하의 큐리 온도를 가진 강유전성 중합체를 포함할 수 있으며, 상기 범위 내에서 약 60 내지 140℃의 큐리 온도를 가진 강유전성 중합체를 포함할 수 있다. 상술한 큐리 온도에 근접한 온도 범위에서 초전 특성이 효과적으로 나타날 수 있다.
강유전성 중합체는 예컨대 불소계 강유전성 중합체를 포함할 수 있다. 불소계 강유전성 중합체는 적어도 하나의 불소를 가진 구조 단위를 하나 이상 포함할 수 있으며, 예컨대 비닐리덴 플루오라이드(vinylidene fluoride, VDF) 구조단위, 트리플루오로에틸렌(trifluoroethylene, TrFE) 구조단위 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다.
예컨대 강유전성 중합체는 비닐리덴 플루오라이드(VDF) 구조단위를 포함하는 단일중합체(homopolymer), 공중합체(copolymer) 또는 이들의 조합을 포함할 수 있으며, 예컨대 비닐리덴 플루오라이드(VDF) 구조단위와 트리플루오로에틸렌(TrFE) 구조단위를 포함하는 공중합체일 수 있다.
예컨대 강유전성 중합체의 큐리 온도는 공중합체를 이루는 구조단위 및 그들의 비율에 따라 결정될 수 있으며, 상술한 큐리 온도를 가지도록 각 구성단위의 비율을 적절히 조절할 수 있다. 예컨대 비닐리덴 플루오라이드-트리플루오로에틸렌(VDF-TrFE) 공중합체의 경우, 비닐리덴 플루오라이드 (VDF) 100몰에 대하여 트리플루오로에틸렌(TrFE) 약 25몰을 포함하는 비닐리덴 플루오라이드-트리플루오로에틸렌(VDF-TrFE) 공중합체의 큐리 온도는 약 140℃일 수 있고, 비닐리덴 플루오라이드 (VDF) 100몰에 대하여 트리플루오로에틸렌(TrFE) 약 33몰을 포함하는 비닐리덴 플루오라이드-트리플루오로에틸렌(VDF-TrFE) 공중합체의 큐리 온도는 약 110℃일 수 있고, 비닐리덴 플루오라이드 (VDF) 100몰에 대하여 트리플루오로에틸렌(TrFE) 약 40몰을 포함하는 비닐리덴 플루오라이드-트리플루오로에틸렌(VDF-TrFE) 공중합체의 큐리 온도는 약 100℃일 수 있고, 비닐리덴 플루오라이드 (VDF) 100몰에 대하여 트리플루오로에틸렌(TrFE) 약 80몰을 포함하는 비닐리덴 플루오라이드-트리플루오로에틸렌(VDF-TrFE) 공중합체의 큐리 온도는 약 60℃일 수 있다. 일 예로, 체온 측정을 목표로 하기에 체온과 가장 가까운 큐리온도를 가진 비닐리덴 플루오라이드-트리플루오로에틸렌(VDF-TrFE) 공중합체는 비닐리덴 플루오라이드 (VDF) 100몰에 대하여 트리플루오로에틸렌(TrFE) 약 80몰을 포함할 수 있다.
이온 젤은 이온성 액체와 중합체 매트릭스의 복합체일 수 있다.
이온성 액체는 이온으로 이루어진 액체 상태의 염이며, 유기 또는 무기 양이온과 무기 또는 유기 음이온으로 이루어질 수 있다. 유기 또는 무기 양이온은 예컨대 리튬 이온, 피리디늄(pyridinium), 이미다졸륨(imidazolium), 피롤리디늄(pyrrolidinium), 피페리디늄(piperidinium), 암모늄(ammonium), 포스포늄(phosphonium), 설포늄(sulphonium), 이들의 유도체 또는 이들의 조합을 포함할 수 있고, 무기 또는 유기 음이온은 예컨대 할로겐 이온, 테트라플루오로보레이트(tetrafluoroborate), 헥사플루오로포스페이트(hexfluorophosphate), 트리플레이트(triflate), 트리플루오로메탄설포닐(trifluoromethanesulfonyl), 비스(트리플루오로메탄설포닐)이미드(bis(trifluoromethanesulfonyl)imide), 비스(플루오로설포닐)이미드(bis(fluorosulfonyl)imide), 시아노구아니딘(Cyanoguanidine), 수소황산이온(hydrogen sulphate), 에틸황산(ethyl sulphate), 이들의 유도체 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다.
중합체 매트릭스는 이온성 액체를 고정하거나 이온성 액체의 이온들의 이동을 제어할 수 있다. 이온성 액체는 중합체 매트릭스 내에 매립되어 있을 수 있다. 중합체 매트릭스는 예컨대 강유전성 특성을 가질 수 있으며, 전술한 강유전성 중합체와 같거나 다를 수 있다.
중합체 매트릭스는 예컨대 불소계 중합체 매트릭스일 수 있으며, 예컨대 비닐리덴 플루오라이드(VDF) 구조단위, 헥사플루오로프로필렌(HFP) 구조단위, 트리플루오로에틸렌(TrFE) 구조단위, 클로로플루오로에틸렌(CFE) 구조단위, 클로로디플루오로에틸렌(CDFE) 구조단위, 클로로트리플루오로에틸렌(CTFE) 구조단위 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다.
일 예로, 전술한 강유전성 중합체와 중합체 매트릭스는 적어도 하나의 구조단위를 공통적으로 포함할 수 있으며, 예컨대 비닐리덴 플루오라이드(VDF) 구조단위를 공통적으로 포함할 수 있다.
예컨대 강유전성 중합체는 비닐리덴 플루오라이드(VDF) 구조단위로 이루어진 폴리비닐리덴 플루오라이드(PVDF)일 수 있고, 중합체 매트릭스는 비닐리덴 플루오라이드(VDF) 구조단위와 헥사플루오로프로필렌(HFP) 구조단위, 트리플루오로에틸렌(TrFE) 구조단위, 클로로플루오로에틸렌(CFE) 구조단위, 클로로디플루오로에틸렌(CDFE) 구조단위, 클로로트리플루오로에틸렌(CTFE) 구조단위 또는 이들의 조합을 포함하는 공중합체일 수 있다.
예컨대 강유전성 중합체는 비닐리덴 플루오라이드(VDF) 구조단위로 이루어진 폴리비닐리덴 플루오라이드(PVDF)일 수 있고, 중합체 매트릭스는 비닐리덴 플루오라이드(VDF) 구조단위와 트리플루오로에틸렌(TrFE) 구조단위를 포함하는 공중합체일 수 있다.
예컨대 강유전성 중합체는 비닐리덴 플루오라이드(VDF) 구조단위와 트리플루오로에틸렌(TrFE) 구조단위를 포함하는 공중합체일 수 있고, 중합체 매트릭스는 비닐리덴 플루오라이드(VDF)와 헥사플루오로프로필렌(HFP) 구조단위를 포함하는 공중합체일 수 있다.
이온성 액체는 중합체 매트릭스와 같거나 많은 양으로 포함될 수 있으며, 예컨대 이온성 액체는 중합체 매트릭스 100중량부에 대하여 약 100 내지 400중량부로 포함될 수 있고, 상기 범위 내에서 약 100 내지 350중량부, 약 100 내지 300중량부, 약 100 내지 200중량부 또는 약 100 내지 150중량부로 포함될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
초전층(13)은 강유전성 중합체와 이온 젤의 복합체를 포함할 수 있으며, 강유전성 중합체와 이온 젤은 초전층(13) 내에서 혼합되어 있을 수 있다. 초전층(13) 내에서, 강유전성 중합체와 이온 젤은 약 1:1 내지 1:10 중량비로 포함될 수 있으며, 상기 범위 내에서 약 1:1 내지 1:8, 약 1:1 내지 1:5 또는 1:1 내지 1:3 중량비로 포함될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
도 2를 참고하면, 초전층(13)은 서로 연결되어 있거나 분리되어 있는 복수의 도메인(domains)을 포함할 수 있으며, 복수의 도메인은 강유전성 중합체로 이루어진 제1 영역(13-1)과 이온 젤로 이루어진 제2 영역(13-2)을 포함할 수 있다. 제1 영역(13-1)은 강유전성 중합체에 의한 초전 특성으로 인하여 온도 변화에 의해 분극의 정도가 바뀔 수 있다. 제2 영역(13-2)에서, 음이온(I1)과 양이온(I2)은 중합체 매트릭스(PM) 내에 분산되어 있을 수 있으며 초전층(13) 내의 분극에 따라 중합체 매트릭스(PM)에 둘러싸인 음이온(I1)과 양이온(I2)이 상대적으로 느리게 거동할 수 있다.
여기서 강유전성 중합체는 초전층(13)에 초전 특성을 부여하는 활성 물질(active material)일 수 있으며, 이온 젤은 초전층(13) 내에서 이온의 거동, 즉 초전층(13) 내에서 음이온과 양이온(I1, I2)이 이동하는 통로 역할을 하는 보조 성분일 수 있다.
만일, 초전층(13)에 이온 젤 없이 강유전성 중합체 만을 포함하는 경우(즉 단일 도메인으로 이루어지는 경우), 강유전성에 의한 초전 특성은 순간적인 온도 변화에만 반응하는 것이므로 초퍼(chopper)와 같은 별도의 부가 장치 없이는 절대적인 온도를 측정할 수 없다. 반면, 전술한 초전층(13)은 이온 젤을 포함함으로써 초전층(13) 내에서 복수의 도메인을 형성하고 온도 변화에 의해 초전층(13)에 형성하는 전기장 내에서 음이온(I1)과 양이온(I2)이 이동하며 초전에 의해 출력된 전압이 감소되는 속도를 지연시킴으로써 온도 변화 후에 소정 온도로 유지되어도 여전히 반응을 할 수 있어 절대적인 온도를 측정할 수 있다.
따라서, 전술한 온도 센서(10)는 일반적인 초전 특성과 달리 온도 변화가 더 이상 나타나지 않는 경우에도 소정의 전하를 생성할 수 있으므로 시간에 따른 온도 변화를 효과적으로 감지하여 절대적인 온도를 측정할 수 있다. 예컨대 온도 센서(10)에서 감지되는 시간에 대한 온도 변화율은 측정하고자 하는 대상(예컨대 주위 환경, 신체 또는 사물)의 온도 변화율보다 낮을 수 있으며, 예컨대 약 2배 내지 100배 더 낮을 수 있다.
이하 다른 구현예에 따른 온도 센서를 설명한다.
도 3은 다른 구현예에 따른 온도 센서의 일 예를 보여주는 단면도이고, 도 4는 도 3의 온도 센서의 초전층의 일 예를 보여주는 개략도이다.
도 3을 참고하면, 본 구현예에 따른 온도 센서(10)는 전술한 구현예와 마찬가지로 제1 전극(11), 제2 전극(12) 및 초전층(13)을 포함한다.
그러나 본 구현예에 따른 온도 센서(10)의 초전층(13)은 전술한 구현예와 달리 복수 층을 포함한다.
일 예로, 초전층(13)은 강유전성 중합체를 포함하는 제1 층(13a)과 양이온(I1), 음이온(I2) 및 중합체 매트릭스(PM)의 복합체인 이온 젤을 포함하는 제2 층(13b, 13c)을 포함한다. 강유전성 중합체와 음이온(I1), 양이온(I2) 및 중합체 매트릭스(PM)의 복합체인 이온 젤에 대한 구체적인 설명은 전술한 바와 같다.
본 구현예에 따른 온도 센서(10)는 초전층(13) 내에서 온도 변화에 따른 전기장을 형성하고 이온이 그 전기장의 영향을 받아 이동을 하며 출력되는 전압의 감소를 지연시킬 수 있다. 초전층(13)을 형성하기 위해서 강유전체 중합체는 폴링(poling)이라는 전기적 인가 과정이 필수적이며, 이는 이온을 포함하지 않는 중합체 매트릭스에서 더욱 효과적으로 나타날 수 있다. 따라서 본 구현예와 같이 강유전성 중합체를 포함하는 제1 층(13a)과 이온 젤을 포함하는 제2 층(13b, 13c)을 별도 층으로 형성하여 조합함으로써 제작 과정 중의 폴링을 용이하게 하여 초전 특성을 더욱 효과적으로 구현할 수 있다.
전술한 온도 센서(10)는 별도의 외부 에너지원 없이도 초전성에 의해 유발된 전압으로 동작할 수 있다. 따라서 별도의 전류원 및/또는 전압원 없이 효과적인 자가 동력 센서로 사용될 수 있다.
또한 전술한 온도 센서(10)는 초전층(13)에 활성 물질인 강유전성 중합체 이외에 이온의 거동을 효과적으로 제어하는 이온 젤을 포함함으로써 순간적인 온도 변화에만 반응하는 초전 특성의 한계를 극복하고 온도 변화에 대한 반응(전압 감소)을 지연시켜 온도가 변한 후 소정 온도로 유지되어도 여전히 반응을 할 수 있어 절대적인 온도를 측정할 수 있다.
따라서 전술한 온도 센서(10)는 이러한 초전 특성 및 반응 지연 효과(또는 전압 감소 지연 효과)로 인하여 별도의 외부 에너지원 없이 절대적인 온도를 측정할 수 있다. 예컨대 전술한 온도 센서(10)는 측정하고자 하는 대상에 부착 또는 접촉하여 사용하는 접촉식 온도 센서일 수 있다.
전술한 온도 센서(10)는 다양한 장치에 포함될 수 있다. 장치는 예컨대 온도의 변화를 일시적으로 측정하거나 실시간으로 모니터링하기 위한 다양한 전자 장치일 수 있으며, 예컨대 신체의 체온을 측정할 수 있는 기능을 구비한 헬스 케어 장치, 모바일 또는 스마트 장치일 수 있다.
더구나, 전술한 온도 센서(10)는 스트레쳐블 전극과 중합체 초전층을 포함함으로써 소정 방향으로 비틀고 누르고 잡아당기는 것과 같은 외력 또는 외부의 움직임에 유연하게 대응할 수 있어서 웨어러블 기기에 효과적으로 적용될 수 있다. 웨어러블 기기는 피부와 같은 생체 표면, 장기와 같은 생체 내부 또는 의복과 같은 생체에 접촉하는 간접 수단에 부착되어 온도 변화(예컨대 체온)를 효과적으로 감지 및 측정할 수 있다. 웨어러블 기기는 예컨대 패치형 또는 밴드형일 수 있다.
도 5는 일 예에 따른 패치형 웨어러블 기기의 일 예를 보여주는 개략도이다.
도 5를 참고하면, 패치형 웨어러블 기기(100)는 손목과 같은 피부에 부착되어 실시간 체온 변화를 측정할 수 있다. 웨어러블 기기(100)는 온도 센서 이외에 프로세서(도시하지 않음), 메모리(도시하지 않음) 및 표시부(도시하지 않음)을 더 포함할 수 있다.
이하 실시예를 통하여 상술한 구현예를 보다 상세하게 설명한다. 　다만 하기의 실시예는 단지 설명의 목적을 위한 것이며 권리범위를 제한하는 것은 아니다.
온도 센서의 제조
실시예 1
자기 교반을 통해 디메틸포름아마이드에 PVDF-TrFE 공중합체(Piezotech(Arkema, 프랑스))를 10~20중량%의 농도로 녹여 PVDF-TrFE 공중합체 용액을 준비한다. 이어서 유리 기판 위에 PVDF-TrFE 공중합체 용액을 500~1000rpm으로 30초 동안 스핀 코팅한 후 질소 분위기 하에 50~100℃에서 약 3시간 동안 건조시켜 7~40㎛ 두께의 강유전성 필름을 형성한다. 이어서 탈이온수 내에서 강유전성 필름을 유리 기판으로부터 분리한다.
마찬가지로, 자기 교반을 통해 아세톤에 PVDF-HFP 공중합체(Sigma Aldrich/미국) 10~15중량%의 농도로 녹여 PVDF-HFP 공중합체 용액을 준비한다. 이어서 PVDF-HFP 공중합체 용액에 이온성 액체인 [EMIM]+[TFSI]- (1-ethyl-3-methylimidazolium bis(trifluoromethyl sulfonyl)imide, Sigma Aldrich/미국)를 PVDF-HFP 공중합체 대비 1~7배만큼 첨가하고 교반하고 건조하여 이온 젤을 준비한다.
이어서 강유전성 필름의 상부 면과 하부 면에 각각 이온 젤을 캐스팅하여 3층 구조의 초전 구조체를 형성한다.
유리 기판 위에 에탄올에 희석시킨 은 나노와이어(AgNW, Novarials, 미국)를 500~2000rpm으로 60초 동안 스핀 코팅한 후 약 100℃에서 약 5분 동안 건조시키고 에탄올에 4중량%로 분산되어 있는 실리카 에어로젤(JIOS Aerogel/싱가포르)을 500~2000rpm으로 60초 동안 스핀코팅한 후 약 100℃에서 약 20분 동안 건조시킨다. 이후, PDMS 베이스에 가교경화제(cross linking curing agent) 10중량%가 혼합된 PDMS 용액(Dow Corning/미국)을 200~500rpm으로 60초 동안 스핀 코팅하고 65~180℃에서 약 30분~12시간 동안 경화하여 PDMS/AgNW 전극을 형성한다. 이어서 탈이온수 내에서 PDMS/AgNW 전극을 유리 기판으로부터 분리한다.
이어서 한 쌍의 PDMS/AgNW 전극 사이에 상기 초전 구조체르 배치하여 온도 센서를 제조한다.
참조예 1
이온 젤 없이 강유전성 필름 만으로 초전 구조체를 형성하여 전극 사이에 배치한 것을 제외하고 실시예 1과 동일한 방법으로 온도 센서를 제조한다.
실시예 2
이온성 액체인 [EMIM]+[TFSI]- 대신 탈이온수에 이온염인 [Li]+[TFSI]-을 녹여 사용한 것을 제외하고 실시예 1과 동일한 방법으로 온도 센서를 제조한다.
참조예 2
이온 젤 없이 강유전성 필름 만으로 초전 구조체를 형성하여 전극 사이에 배치한 것을 제외하고 실시예 2와 동일한 방법으로 온도 센서를 제조한다.
평가
실시예와 참조예에 따른 온도 센서의 시간에 따른 온도 변화를 평가한다.
평가는 온도 변화에 따른 온도 센서의 표면 전하량을 측정하여 이루어진다. Heat sink와 결합되어 있는 펠티어 소자로 온도 센서에 열을 가해주고 그 온도는 Pt thermocouple로 측정하고, 그에 따른 온도 센서의 표면 전하량은 electrometer(Keithley)로 측정한다. 약 60초간 열을 가해주고 60초간 열을 제거하면서 그에 따른 표면 전하량을 측정하고 이를 이온이 없는 강유전체 고분자의 값과 비교하며 실험을 진행한다. 측정한 온도와 표면 전하량은 미분을 하여 각각 온도 변화량과 전류 값으로 변환하여 비교한다.
그 결과는 도 6 및 7과 같다.
도 6은 실시예 1과 참조예 1에 따른 온도 센서의 시간에 따른 온도 변화를 보여주는 그래프이고, 도 7은 실시예 2와 참조예 2에 따른 온도 센서의 시간에 따른 온도 변화를 보여주는 그래프이다.
도 6, 7을 참고하면, 참조예 1, 2에 따른 온도 센서는 외부 온도의 변화(dT/dt)와 실질적으로 유사한 경향의 개형을 나타내는데 반해 실시예 1, 2에 따른 온도 센서는 전술한 이온의 느린 이동으로 전압의 감소를 지연시켜 온도 변화 후에 더 이상 온도 변화가 없어도 여전히 반응을 나타내는 것을 확인할 수 있다. 따라서 실시예 1, 2에 따른 온도 센서는 이러한 전압 감소 지연 효과에 의하여 절대적인 온도를 효과적으로 측정할 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: 온도 센서
11: 제1 전극
12: 제2 전극
13: 초전층
13a: 제1 층
13b, 13c: 제2 층
13-1: 제1 영역
13-2: 제2 영역
100: 웨어러블 기기

Claims (20)

  1. 제1 전극, 제2 전극, 그리고 상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이에 위치하고 강유전성 중합체와 이온 젤을 포함한 초전층을 포함하는 온도 센서.
  2. 제1항에서,
    상기 강유전성 중합체의 큐리 온도는 60 내지 140℃인 온도 센서.
  3. 제1항에서,
    상기 강유전성 중합체는 불소계 강유전성 중합체를 포함하는 온도 센서.
  4. 제3항에서,
    상기 강유전성 중합체는 비닐리덴 플루오라이드 구조단위를 포함하는 단일중합체, 공중합체 또는 이들의 조합인 온도 센서.
  5. 제4항에서,
    상기 강유전성 중합체는 상기 비닐리덴 플루오라이드 구조단위와 트리플루오로에틸렌 구조단위를 포함하는 공중합체인 온도 센서.
  6. 제1항에서,
    상기 이온 젤은 중합체 매트릭스와 이온성 액체의 복합체인 온도 센서.
  7. 제6항에서,
    상기 강유전성 중합체와 상기 중합체 매트릭스는 적어도 하나의 공통 구조 단위를 포함하는 온도 센서.
  8. 제7항에서,
    상기 강유전성 중합체와 상기 중합체 매트릭스의 공통 구조단위는 비닐리덴 플루오라이드인 온도 센서.
  9. 제6항에서,
    상기 이온성 액체는 상기 중합체 매트릭스 100중량부에 대하여 100 내지 400중량부로 포함되는 온도 센서.
  10. 제1항에서,
    상기 초전층은 상기 강유전성 중합체와 상기 이온 젤의 복합체를 포함하는 온도 센서.
  11. 제1항에서,
    상기 초전층은
    상기 강유전성 중합체를 포함하는 제1 층, 그리고
    상기 제1 층의 일면 또는 양면에 위치하고 상기 이온 젤을 포함한 제2 층
    을 포함하는 온도 센서.
  12. 제11항에서,
    상기 이온 젤은 매트릭스 중합체와 이온성 액체의 복합체이고,
    상기 강유전성 중합체와 상기 매트릭스 중합체는 서로 다르고 각각 비닐리덴 플루오라이드 구조단위를 공통적으로 포함하는 단일중합체, 공중합체 또는 이들의 조합을 포함하는 온도 센서.
  13. 제12항에서,
    상기 이온성 액체는 리튬 이온, 피리디늄, 이미다졸륨, 피롤리디늄, 피페리디늄, 암모늄, 포스포늄, 설포늄, 이들의 유도체 또는 이들의 조합을 포함하는 양이온과 할로겐 이온, 테트라플루오로보레이트(tetrafluoroborate), 헥사플루오로포스페이트(hexfluorophosphate), 트리플레이트(triflate), 트리플루오로메탄설포닐(trifluoromethanesulfonyl), 비스(트리플루오로메탄설포닐)이미드(bis(trifluoromethanesulfonyl)imide), 비스(플루오로설포닐)이미드(bis(fluorosulfonyl)imide), 시아노구아니딘(Cyanoguanidine), 수소황산이온(hydrogen sulphate), 에틸황산(ethyl sulphate), 이들의 유도체 또는 이들의 조합을 포함하는 음이온을 포함하는 온도 센서.
  14. 제1항에서,
    상기 제1 전극과 상기 제2 전극은 스트레쳐블 전극인 온도 센서.
  15. 제14항에서,
    상기 스트레쳐블 전극은 탄성체와 도전성 나노체를 포함하는 온도 센서.
  16. 제1항에서,
    상기 온도 센서는 외부 에너지 공급 없이 온도 변화에 따라 전압을 발생시키는 자가 동력 센서인 온도 센서.
  17. 제1항에서,
    상기 온도 센서는 절대적인 온도를 감지하는 온도 센서.
  18. 제17항에서,
    상기 온도 센서에서 감지되는 시간에 대한 온도 변화율은 측정 대상의 온도 변화율보다 낮고,
    온도 변화에 따라 상기 온도 센서에서 출력된 전압은 시간에 따라 지연되는 온도 센서.
  19. 제1항 내지 제18항 중 어느 한 항에 따른 온도 센서를 포함하는 장치.
  20. 제19항에서,
    상기 장치는 웨어러블 기기인 장치.
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