WO2012165839A9 - 미세섬모의 인터락킹을 이용한 가역적 전기커넥터, 이를 이용한 다기능 센서 및 그 제작방법 - Google Patents

미세섬모의 인터락킹을 이용한 가역적 전기커넥터, 이를 이용한 다기능 센서 및 그 제작방법 Download PDF

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서갑양
방창현
김태일
강대식
김상문
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서울대학교산학협력단
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Definitions

  • the present invention relates to a reversible electrical connector using an interlocking of micro-cilia, a multifunctional sensor using the same, and a method for manufacturing the same. More particularly, the present invention relates to a method of minimizing resistance by connecting electrodes through nanoscale structures.
  • the reversible electrical connector maximizes efficiency, and this electrical connector structure provides sensitivity that responds finely to small pressures and forces and to large changes in small changes.
  • Sensors are devices that read data and signal the necessary information, one of the essential components in the modern industry.
  • Various sensors are used to read various data.
  • capacitive sensors, piezoelectric sensors, and strain gauges are used for measuring pressure, shear force, and torsion. have.
  • capacitive sensors require high impedance circuits and do not work well in high humidity environments. Leakage also occurs due to rosin, lubricants and carbon paints that absorb dust in the air.
  • the resistance of the device itself continuously disturbs the movement of electrons, thereby decreasing the sensitivity of the sensor. And because it reacts to both temperature and pressure all at once, there is room for temperature changes during the pressure measurement, resulting in inaccurate readings.
  • the high temperature sintering process of the piezoelectric element is to be performed, there is a problem that it is difficult to manufacture on a flexible substrate such as plastic.
  • organic semiconductors and carbon nanotubes studied to make semiconductor devices on flexible substrates have an effective mobility of only 1 cm2 / Vs and 5 cm2 / Vs, respectively, which are unsuitable for sensors requiring sensitivity, and have low uniformity among devices. There are many difficulties.
  • the strain gage may have errors when the four gage arms do not have exactly the same resistance values. In addition, there is much room for the resistance data to be inaccurate due to temperature and humidity. In addition, the effects of the previous experiment may remain, especially when the experiment is exceeded the limit has a disadvantage.
  • the first object of the present invention is to enable a reversible junction, such as a socket, and to achieve a higher electrical efficiency than the existing technology due to the low resistance by connecting the electrodes to nanoscale
  • the present invention provides a reversible electrical connector using nanohair interlocking.
  • the present invention provides a first connecting member having a first microcilia formed on a first substrate, and the second substrate to exhibit adhesive force in contact with the first microcilia. And a second connecting member having a second microciliar formed in the surface of the first microcili and the second microciliar, a surface of the first substrate on which the first microciliar is formed, and a second microciliar.
  • a reversible electrical connector using micro-cilia interlocking characterized in that a metal thin film is formed on the surface of a substrate.
  • the present invention has a first microcilia formed on the first substrate, the surface of the first microcilia and the surface of the first substrate on which the first microcilia are formed
  • the present invention comprises the steps of forming a metal thin film on the surface of the first micro-cilia formed on the first substrate and the surface of the first substrate formed with the first micro-cilia; Forming a metal thin film on the surface of the second microciliar formed on the second substrate and on the surface of the second substrate on which the second microciliar is formed, and contacting the first microciliar with the second microciliar And contacting the second substrate with each other, forming a sealing layer to seal the first substrate including the first micro fine fibers and the second substrate including the second micro fine fibers, and the first substrate or the second substrate.
  • the present invention provides a method of manufacturing a multifunctional sensor comprising applying a pressure of 0.01 to 0.3 N / to a substrate to fasten the first and second fine cilia to each other.
  • the electrical connector according to the present invention has flexibility in electrical connection, and has a low electrical resistance compared to the conventional electrical connector. Therefore, the electrical connector of the present invention It can provide high electrical efficiency.
  • the electrical connector according to the present invention can be expected to have an effect of having a higher binding force than the conventional electrical connector by combining the fine cilia using van der Waals force, it can induce a reversible vertical coupling.
  • the electrical connector according to the present invention not only does not generate noise during the coupling / separation process, but also implements electrical connection in a very small area because it uses nano-sized fine cilia.
  • the multifunctional sensor according to the present invention can measure small pressures and forces, and has a sensitivity that responds largely to small changes in the range of pressures and forces that can be measured. And since the multifunctional sensor according to the present invention is composed of a soft material compared to the metal can be bent.
  • the multifunctional sensor according to the present invention can be used repeatedly because the fine cilia are returned to their original state after the measurement, and the first connection member and the second connection member are fastening systems using van der Waals forces due to the micro contact. Since the first connection member and the second connection member have structurally identical shapes, production is easy.
  • Such a sensor of the present invention measures a medical device such as a patch for detecting a human body signal such as a display device of a smart phone or a tablet PC employing a touch type input device, a pulse, or other minute pressure, shear force, or torsion. It can be applied to various measuring devices or artificial skin.
  • a medical device such as a patch for detecting a human body signal such as a display device of a smart phone or a tablet PC employing a touch type input device, a pulse, or other minute pressure, shear force, or torsion. It can be applied to various measuring devices or artificial skin.
  • FIG. 1 is a configuration diagram for explaining a reversible electrical connector according to an embodiment of the present invention.
  • connection member 2 is a schematic diagram illustrating a connection member according to an embodiment of the present invention.
  • 3 and 4 are schematic diagrams for explaining the coupling of the connection member according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 5 is a schematic diagram for explaining the detachment of the reversible electrical connector according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 6 is a graph for explaining a change in the coupling force according to the cycle number of the electrical connector according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 7 is a graph for explaining the correlation of the shear adhesive force according to the thickness of the metal thin film provided in the electrical connector according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 8 is a graph for explaining the correlation of the current density according to the thickness of the metal thin film provided in the electrical connector according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 9 is a photograph showing the flexibility of the electrical connector according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 10 is a schematic flowchart illustrating a method of using a reversible electrical connector according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 11 is a configuration diagram illustrating a multifunction sensor according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 12 is a partially enlarged perspective view illustrating a motion according to pressure acting on a multifunctional sensor according to the present invention.
  • FIG. 13 and 14 are schematic diagrams showing data detected by the multifunctional sensor according to the present invention.
  • 15 to 17 are graphs for explaining the correlation between pressure, shear force, torsion and resistance applied to the multifunctional sensor of the present invention.
  • FIG. 18 is a schematic diagram illustrating a cycle process of a multifunctional sensor according to the present invention.
  • 19 is a photograph showing the flexibility of the multifunctional sensor according to the present invention.
  • 20 is a graph for explaining the correlation of the strain acting on the multifunction sensor of the present invention.
  • 21 is a flowchart illustrating a method of manufacturing a multifunctional sensor according to the present invention.
  • FIG. 22 is a schematic diagram illustrating an application example for detecting a human body signal by applying a multifunctional sensor according to the present invention.
  • FIG. 23 is a schematic diagram illustrating a reaction ⁇ R according to the application of pressure, shear, and torsion in the application example according to the schematic diagram of FIG. 22.
  • FIG. 24 is a view illustrating a difference in electrical resistance (Roff-Ron) according to pressure measured using a multifunction sensor according to an exemplary embodiment of the present invention, a resistance change rate (R / Roff) according to pressure strain, and a corresponding SEM image. It is a figure which shows.
  • FIG. 25 is a graph illustrating a difference in electrical resistance (Roff-Ron) according to a shear force, a resistance change rate (R / Roff) according to a shear force strain, and a corresponding SEM photograph corresponding to a shear force measured using a multifunction sensor according to an exemplary embodiment of the present invention. It is a figure which shows.
  • FIG. 26 is a graph illustrating a difference in electrical resistance (Roff-Ron) according to a torsion measured by using a multifunction sensor according to an exemplary embodiment of the present invention, a resistance change rate (R / Roff) according to a torsional strain, and a corresponding SEM photograph. It is a figure which shows.
  • FIG. 27 is a schematic diagram of an apparatus for measuring a pressure change due to drop of water using a multifunctional sensor according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 28 is a graph illustrating a difference between a drop photograph of water droplets and a measured electric resistance with time measured by the high speed camera of the apparatus of FIG. 27.
  • 29 is a photograph showing that the skin adhesive sensor using a multi-function sensor according to an embodiment of the present invention attached to the wrist.
  • FIG. 30 is a graph illustrating a change in electrical resistance according to a heartbeat measured by the sensor of FIG. 29.
  • FIG. 31 is a graph illustrating a change in electrical resistance according to a heartbeat after the exercise measured by the sensor of FIG. 29.
  • FIG. 32 is a graph showing a change in electrical resistance according to the normal heart rate measured by the sensor of FIG.
  • 'reversible electrical connector using the micro-cilia interlocking according to the preferred embodiments of the present invention.
  • FIG. 1 is a block diagram for explaining a reversible electrical connector according to an embodiment of the present invention.
  • a reversible electrical connector according to an embodiment of the present invention includes a first connection member 100 and a second connection member 200.
  • the first connecting member 100 includes a first substrate 110 and a first micro fine structure 120 formed on the first substrate 110.
  • the first micro-ciliary structure 120 includes a first micro-cili 122 formed on the first substrate 110, and a surface of the first micro-cili 122 and the first micro-cili 122 It is composed of a metal thin film 126 formed on the surface of the first substrate 110.
  • the second connection member 200 may have a similar shape to the first connection member 100, and may be in contact with the second substrate 210 and the first micro-slim structure 120 to exhibit an adhesive force.
  • a second microciliary structure 220 formed on 210 In this case, the second micro-ciliary structure 220 is in contact with the first micro-cilia 122 and the second micro-cili 222 formed on the second substrate 210 to exhibit adhesive force, and the second micro-ciliar And a metal thin film 226 formed on the surface of the second substrate 210 on which the surface of 222 and the second fine cilia 222 are formed.
  • the metal thin films 126 and 226 may be formed on front surfaces of the first substrate 110 and the second substrate 210.
  • a wire is connected to the metal thin film 126 formed on the first connection member 100 and the metal thin film 226 formed on the second connection member 200 to communicate electricity.
  • the first substrate 110 and the second substrate 210 may be made of various materials, but it is preferable to use a polymer resin having a flexible property capable of forming fine cilia by imprint lithography, capillary force lithography, or the like. Do.
  • the first substrate 110 and the second substrate 210 may be manufactured using a polyethylene terephthalate (PET) material.
  • PET polyethylene terephthalate
  • first and second fine cilia 122 and 222 may be ultraviolet polymers such as polyurethane acrylate (PUA: Poly Urethane Acrylate), polystyrene (PS), or polymethyl methacrylate (Poly). It is preferable to form with a polymer such as acrylic resin such as Methyl Meth Acrylate (PMMA).
  • PMMA Poly Methyl Meth Acrylate
  • the first and second fine fibers 122 and 222 formed of such a material are preferably manufactured by a method such as UV lithography, nanoimprint lithography, capillary force lithography, or the like. In addition, any method can be used as long as it is possible to make small structures.
  • the metal thin film may be formed on the surfaces of the first micro fine fibers 122 and the second micro fine fibers 222 by using a plasma coating method.
  • Figure 2 is a schematic diagram for explaining a reversible electrical connector according to an embodiment of the present invention.
  • the electrical connector of the present invention is coupled in such a manner as to contact two connecting members 100 and 200 each having the same or similar micro-cilia formed in each other. Therefore, the first connection member 100 including the first substrate 110 and the first micro fine structure 120, and the second connection including the second substrate 210 and the second micro fine structure 220.
  • the members 200 may have the same shape as each other. That is, the length and aspect ratio, thickness, direction of the micro-cilia formed on the substrate, and thickness of the metal thin film may be different from each other in the first micro-cilia structure 120 and the second micro-cilia structure 130. The same is true in that a metal thin film is used.
  • the first and second fine cilia 122 and 222 are micro cilia structures whose diameters and heights are formed in a micrometer ( ⁇ m) size or a nanometer (nm) size, and have a cilia shape having the same diameter. It may be formed, preferably 50 and a height of 1 is preferred.
  • the first micro fine fibers 122 are formed on the first substrate 110, and more specifically, the micro fine fibers 122 may be formed in a direction perpendicular to or inclined with respect to the first substrate 110. have. However, when formed to be inclined, it is preferable that the connecting members in contact with each other are in contact with each other in the direction parallel to each other micro fine cilia. Therefore, it is better to select both connecting members in consideration of the inclined direction.
  • the first substrate 110 when the first micro fine filaments 122 and the second micro fine filaments 222 are formed in the vertical direction with respect to the first substrate 110 and the second substrate 210, respectively, the first substrate 110.
  • the force is applied in the vertical direction of the first microciliary structure 120 and the second microciliar structure 220 to contact the first connecting member 100 is coupled to the second connecting member 200. Therefore, as long as the structure is in contact with each other in a state in which the bonding objects are kept in parallel with each other, it is practical to form the micro fine fibers in a direction perpendicular to each substrate.
  • This van der Waals force is precisely when the first connecting member 100 and the second connecting member 200 are coupled to each other in the reversible electrical connector of the present invention, exactly the first micro-seam 122 of the first connecting member 100 ) And the second fine cilia 222 of the second connection member 200 are in contact with each other. Specifically, when the ends of the first micro-ciliary structure 120 and the second micro-ciliary structure 220 are in contact with each other or additional pressure is applied, the first micro-ciliary structure 120 and the second micro-ciliary structure 220 ) Occurs when the interlocking shape (engagement shape) or when the sides of the structure come into contact with each other.
  • the contact area between the first microciliary structure 120 and the second microciliar structure 220 it is preferable to widen the contact area between the first microciliary structure 120 and the second microciliar structure 220. Therefore, when the contact is applied to the first substrate or the second substrate by applying a pressure so that the first micro-slim structure 120 and the second micro-slim structure 220 is fitted to each other to increase the contact area to implement a strong adhesive force Can be.
  • the first connection member 100 and the second connection member 200 bonded as described above have little noise when detaching as compared to the conventional electrical connector, and can be easily detached by using an average elementary school student or more.
  • FIG. 3 and 4 are schematic diagrams for explaining the electrical connection of the reversible electrical connector according to an embodiment of the present invention
  • Figure 5 is a schematic diagram for explaining the detachment of the reversible electrical connector according to an embodiment of the present invention.
  • the reversible electric connector first performs an operation of coupling the first connection member 100 and the second connection member 200 for electrical connection.
  • the first micro fine cilia of the first connection member 100 and the second micro cilia of the second connection member 200 are formed of a plurality of micro cilia having the same arrangement. Therefore, it is preferable that the first microciliary structure 120 and the second microciliar structure 220 bond and bond with each other so that the microciliar structures having the same arrangement do not overlap each other.
  • the first connection member 100 is coupled by the binding force due to van der Waals forces.
  • the second connection member 200 are not detached.
  • the side of the first micro-ciliary structure 120 is in close contact with the side of the second micro-ciliar structure 220 (interlocking) in the process of applying the shear force, the bonding force is further improved and thus withstands strong pressure. It becomes possible.
  • the first connection member 100 and the second connection member 200 are coupled while having a high tensile strength.
  • Figure 5 is a schematic diagram for explaining the detachment of the reversible electrical connector according to an embodiment of the present invention.
  • an operation of detaching the first and second connecting members 100 and 200 bonded to each other as described above may be performed by applying a predetermined force to one end of the second connecting member 200. 1
  • the process of removing from the connecting member 100 is performed. That is, when one end portion of the second connection member 200 (or the first connection member 100) is pulled in the upper direction instead of the lateral direction, the adhesive is released from the A portion to release the second connection member 200. ) Is detached from the first connection member 100.
  • the reversible electrical connector according to the present invention is a force required for the detachment of the first connecting member 100 and the second connecting member 200 coupled while maintaining the van der Waals force induced up to 38 N / cm2 This is only 0.02 N / cm 2.
  • the metal thin film 126 of the first connecting member 100 and the metal thin film 226 of the second connecting member 200 are formed by coating a metal material with a thickness of 5 to 30 on the surface of the fine cilia.
  • a metal material such as platinum (Pt), aluminum (Al), copper (Cu), silver (Ag), and gold (Au) may be used as the metal material, but the electrical conductivity, durability, and corrosion resistance are excellent. It is preferable to use platinum (Pt).
  • the thickness of the metal thin film when the thickness of the metal thin film is formed to be less than 5 nm, not only the original function of the electrical connector may be degraded, but also the coupling force decreases as the cycle of the coupling / separation process is repeated many times.
  • the thickness of the metal thin film is formed to exceed 30nm, the diameter of the micro-ciliary structure increases, and thus the bonding force between the first micro-ciliary structure 120 and the second micro-ciliar structure 130 is reduced.
  • 6 is a graph for explaining the change in the coupling force according to the cycle number of the electrical connector according to an embodiment of the present invention.
  • 7 and 8 are graphs for explaining the correlation between the shear adhesive force and the current density according to the thickness of the metal thin film provided in the electrical connector according to an embodiment of the present invention.
  • shear adhesion forces acting between platinum-coated first and second microcilia in thicknesses of 0 nm, 5 nm, 10 nm, 20 nm, and 30 nm in sequence The thicker the silver coated platinum, the lower the thickness. However, when the thickness of the platinum coated on the micro-cilia is 5 to 30nm, the shear adhesion force that can maintain the bonded state between the first and second microcilia even after interlocking with each other.
  • the first and second micro-cilia coated with platinum in the thickness of 5nm, 10nm, 20nm has a lower electrical resistance than the conventional connection technology.
  • FIG. 9 is a photograph showing the flexibility of the electrical connector according to an embodiment of the present invention.
  • the electrical connector according to the present invention is composed of a polymer resin having a flexible property of a first substrate, a second substrate, a first fine cilia, and a second fine cilia, and the metal thin film has a nanometer thickness. Since it is configured to hold both sides and to act on the external force in different directions, it is not broken and is bent according to the external force. Therefore, the electrical connector according to the present invention can be used in various fields by this flexibility.
  • FIG. 10 is a schematic flowchart illustrating a method of using a reversible electrical connector according to an embodiment of the present invention.
  • a method of using the reversible electrical connector of the present invention includes a first microciliary structure including a first microcili and a metal thin film coated on a surface of the first microciliar on a first substrate. Preparing a first connecting member (S100), and then forming a second micro-ciliary structure composed of a second thin film and a metal thin film coated on the surface of the second micro-cili to exhibit an adhesive force with the first micro-cili structure 1 to the micro-ciliary structure (S200).
  • the adhesive force in the process of contacting the first microciliary structure and the second microciliar structure, may be adjusted by adjusting a force applied during contact.
  • the diameter of the first micro-ciliary structure or the second micro-ciliary structure, the density of the first micro-ciliary structure or the second micro-ciliary structure formed on the first substrate and the second substrate, respectively, or the first micro-ciliary structure may be adjusted by adjusting the aspect ratio of the second microciliary structure.
  • the adhesive force may be controlled by adjusting the thicknesses of the metal thin films coated on the first microcili and the second microcili.
  • the first connecting member and the second connecting member may be separated by separating a portion of the first substrate and the second substrate, in particular, one end of the bonded first connecting member and the second connecting member. have. That is, when the one ends of the first substrate 110 and the second substrate 210 are bonded to each other in the manner shown in FIG. 5, the first connecting member 100 and the second connecting member may be separated with a small force. 200 can be separated.
  • the present invention provides a multifunctional sensor using the above-described electrical connector.
  • 11 is a configuration diagram illustrating a multifunction sensor according to an embodiment of the present invention.
  • the multifunctional sensor according to the present invention seals the first connection member 100, the second connection member 200, and the first connection member 100 and the second connection member 200.
  • the sealing layer 300 is included.
  • the first connection member 100 has a first microciliar formed on the first substrate, and a metal thin film is formed on the surface of the first microciliar and the surface of the first substrate on which the first microciliar is formed.
  • the second connection member 200 may have a second microciliar formed on the second substrate in contact with the first microciliar, and a surface of the second microciliar and a surface of the second substrate on which the second microciliar is formed. A metal thin film is formed on the.
  • the first and second micro fine fibers have a diameter of 50 to 300 nm and a height of 600 nm to 5 ⁇ m. It is preferably formed, the first substrate and the second substrate is formed to a thickness of 5 to 50 ⁇ m.
  • the first microcilia may be attached to the peripheral first microcilia, causing problems in the bonding between the substrates.
  • the thickness of the substrate is less than the lower limit, the stimulus provided from the outside becomes difficult to distribute evenly.
  • the thickness of the substrate exceeds the upper limit, the sensitivity of the multifunctional sensor may be reduced.
  • the first microciliar and the second microciliar may be formed in a ciliary shape having the same diameter.
  • the sealing layer 300 protects the first connecting member 100 and the second connecting member 200 from the outside, while the first connecting member 100 and the second connecting member 200 It is provided to provide the first connection member 100 and the second connection member 200 evenly provided force from the outside at the time of fastening prior to the fastening, and the first fine and second fine cilia are in contact with each other. It is formed to seal the surfaces of the first connecting member 100 and the second connecting member 200. More specifically, the sealing layer 300 covers the side surfaces of the first connecting member 100 and the second connecting member 200, and the first connecting member 100 and the second connecting member 200 in the longitudinal direction. It is formed to cover the lower surface of the first connecting member 100 and the upper surface of the second connecting member 200 except one end or both ends of the).
  • the sealing layer is preferably formed to a thickness of 5 to 500 ⁇ m.
  • the thickness of the sealing layer is less than 5 ⁇ m it is difficult to evenly distribute the magnetic pole provided from the outside, if the thickness of the sealing layer exceeds 500 ⁇ m the sensitivity of the multifunctional sensor may be reduced.
  • the sealing layer may be formed through an oxygen plasma coating method using a polymer-based adhesive or an adhesive film.
  • the polymer-based adhesive is strong and has low interfacial free energy, so that when the adhesive is provided on the surfaces of the first and second connecting members, the adhesive may be adhered to the first and second connecting members. Preference is given to using polydimethylsiloxane (PDMS), which rarely occurs.
  • PDMS polydimethylsiloxane
  • such a multifunctional sensor detects pressure, shear force, and torsion by using the property that the resistance value changes as pressure, shear force, and torsion are applied to the micro-clamped by van der Waals force, The greater the number of microciliar tightened by force, the better.
  • the multifunction sensor according to the present invention may measure the pressure applied in the vertical direction in response to a change in resistance.
  • the shear force applied in the horizontal direction can also be measured according to the resistance change.
  • the torsion generated due to the moment may be measured.
  • the multifunctional sensor according to the present invention can measure pressure, shear force, and torsion, and has a property that can be bent because a soft polymer material is used as compared to metal. It also has a sensitivity that responds finely to small pressures and forces, and to large responses to small changes in the range of pressures and forces that can be measured. And since the fine cilia are returned to their original state after measurement, they can be used repeatedly.
  • the sensitivity side of the multifunctional sensor will be described in detail through a graph.
  • Pressure measurement through the multifunctional sensor of the present invention can measure up to 10Pa minimum. This is a sensitivity that can be detected when 20 mg is placed on an area of 20 mm2 and is smaller than a very light touch ( ⁇ ⁇ 10 kPa).
  • Shear force measurement through the multi-function sensor of the present invention can be measured through a decrease in the resistance generated by the area where the first microciliary structure and the second microciliar structure are in contact with each other as a force is applied from the outside. It can be detected from as low as 0.001N and can measure up to 1N. In addition, the shear force measurement can be measured in the range of 10 ⁇ 10 3 .
  • Torsion through the multifunction sensor of the present invention can be detected by the action similar to the shear force, can be measured from at least 0.0002Nm.
  • the response of the multifunction sensor to torsion shows a much more rapid change in resistance. This phenomenon is due to the fact that the torsional stimulus has a larger change in the area of contact with the fine cilia than the pressure or the shear force.
  • FIG. 15 shows the resistance change of the sensor according to the pressure change
  • FIG. 16 shows the resistance change of the sensor according to the shear force change
  • Fig. 17 shows the change in the sensor resistance in the torsion
  • comparing the Figs. 15 to 17 shows that the change in the resistance to the torsional stimulus shows a sharp change in comparison with other stimuli.
  • Another advantage of the multifunctional sensor according to the present invention is that it can be used repeatedly. This can be represented in four steps as shown in FIG.
  • step 1 the cilia overlap with each other by the force of tightening the first microcilia.
  • the second shows that the upper and lower microcilia overlap with each other and are fastened by van der Waals forces as the force is applied.
  • step 3 As the force is increased, as shown in step 3, as the number of fine cilia is fastened, the friction force increases.
  • step 4 when the force is applied beyond the limit as shown in step 4, the fastening of the microciliates is broken, and each microcili is returned to its original state. It also shows that residual stresses generated as the fastening is broken are also recovered.
  • This phenomenon indicates that the multifunctional sensor according to the present invention can be used repeatedly.
  • Another advantage of the multifunctional sensor according to the present invention is that it can be bent. 19 is a photograph for explaining the multifunction sensor according to the present invention.
  • the multifunction sensor of the present invention since the multifunction sensor of the present invention has flexibility, it does not break even when an external force is applied, and this characteristic has many advantages.
  • the object to be measured is not always flat, but may be circular or in various forms.
  • the other sensor is difficult or impossible to measure, while the multi-function sensor of the present invention can be bent because it can be measured.
  • the multifunctional sensor of the present invention can also be used as a strain gauge sensor.
  • the strain gauge is a gauge attached to the surface of the structure to measure the deformation state and the amount of the structure, the strain represents the degree of deformation or strain, and when an object is subjected to tension or compression, Means the value of the reduced length as a ratio.
  • the multifunction sensor according to the present invention has a high sensitivity as the gauge coefficient is 11.45.
  • the present invention provides a method of manufacturing a multifunctional sensor including the aforementioned components.
  • 21 is a flowchart illustrating a method of manufacturing a multifunction sensor according to an embodiment of the present invention.
  • a first connecting member and a second connecting member are manufactured (S500 and S600). Subsequently, the first micro-seam of the first connection member and the second micro-seam of the second connection member contact each other (S700), and then a sealing layer is formed to seal the first connection member and the second connection member (S800). . Subsequently, the sealing layer is pressed to fasten the first and second fine cilia to each other (step S900).
  • the production of the first connection member is required (S500).
  • this step is to produce a first connecting member formed with the first micro-ciliary structure.
  • the second connection member is manufactured (S600).
  • step (S600) based on the second substrate on which the second micro-cili is formed, on the surface of the second micro-cili and the second substrate on which the second micro-cili is formed. Form a metal thin film.
  • a process of bringing the first substrate and the second substrate into close contact with each other so that the first micro-cilia of the first connecting member and the second micro-cilia of the second connecting member are in contact with each other (S700).
  • the first substrate and the second substrate are brought into close contact with each other so that the distal end of the first microcili and the distal end of the second microcili may be in contact with each other.
  • a process of forming a sealing layer to seal the first connection member including the first substrate and the second connection member including the first substrate is performed (S800).
  • step S800 polydimethylsiloxane is applied to the surfaces of the first connecting member and the second connecting member in a state in which the first and second micro fine cilia are in close contact with each other, followed by treatment with oxygen plasma.
  • a sealing layer for sealing the first connecting member and the second connecting member is formed.
  • the sealing layer is preferably formed so that one end or both ends of the first connection member and the second connection member can be exposed to the outside. This is to connect electric wires to the metal thin film formed on the first connection member and the metal thin film formed on the second connection member to communicate electricity.
  • a van der Waals force acts between the first and second micro cilia to apply a pressure to the sealing layer so that the first and second micro cilia are coupled to each other ( S900).
  • step S900 0.01 to 0.3 N / cm 2, preferably 0.1 N / cm 2 is applied to the first substrate or the second substrate on which the sealing layer is formed.
  • the first microciliary structure and the second microciliar structure are fastened by van der Waals forces while contacting each other.
  • the second micro fine fibers of the second substrate may not be smoothly fastened with the first micro fine fibers of the first substrate, and 0.3 N / cm 2 is exceeded.
  • the first micro-cili and the second micro-cili become stronger in binding force, thereby reducing the sensitivity of the multifunctional sensor.
  • the multifunctional sensor according to the present invention described above can be widely used in various fields.
  • a display device of a smart phone or a tablet PC employing a touch type input means that is widely used in recent years, it can be used as an input means for detecting a fine touch signal.
  • it since it is flexible, it can be used as an artificial skin for detecting pressure, shear force, and torsion by applying to the skin, and can also be used as a sensor for detecting a human body signal for measuring a heartbeat.
  • FIG. 22 is a schematic diagram illustrating an application example for detecting a human body signal by applying a multifunction sensor according to the present invention
  • FIG. 23 is a diagram illustrating pressure, shear, and torsion in an application example according to the schematic diagram of FIG. 22.
  • a schematic diagram illustrating the reaction ⁇ R as a torsion is applied.
  • the multifunction sensor according to the present invention may be bent and may be applied to curved skin because of its flexibility. According to the movement of the body, the micro-cilia constituting the multifunctional sensor are deformed, so that not only the pressure but also the shear force and the torsion can be simultaneously measured, and accordingly, the electrical resistance appearing in the micro-cilia changes as the body moves.
  • FIG. 24 is a graph illustrating a difference in electrical resistance (Roff-Ron) according to pressure measured using a multifunction sensor according to an exemplary embodiment of the present invention, a resistance change rate ( ⁇ R / Roff) according to pressure strain, and a corresponding SEM photograph. It is a figure which shows.
  • FIG. 25 illustrates the difference in electrical resistance (Roff-Ron) according to the shear force measured by using the multifunction sensor according to an embodiment of the present invention, the resistance change rate ( ⁇ R / Roff) according to the shear force strain, and the corresponding SEM. 26 is a view showing a photograph, and FIG.
  • 26 illustrates a difference in electrical resistance due to torsion (Roff-Ron), a resistance change rate ( ⁇ R / Roff) according to a torsional strain, measured using a multifunction sensor according to an embodiment of the present invention. And a SEM photograph corresponding thereto.
  • the multifunctional sensor of the present invention has an advantage of measuring a change in various physical values by using one sensor, unlike a conventional sensor.
  • FIG. 27 is a schematic diagram of a device for measuring a pressure change due to a drop of water using a multifunction sensor according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 28 is a drop of water according to time measured by a high speed camera of the device according to FIG. 27. It is a graph showing the difference between the falling photograph and the measured electrical resistance.
  • FIG. 27 and FIG. 28 show the pressure applied by the drop of the water drop as the electrical resistance when the fine water drop (about 20 mu m diameter) falls at a height of 5 cm.
  • the change of extremely minute pressure can be measured very precisely, and if it is applied, it can be confirmed that it can be applied to the sensor device that must sense a very high level of sensitivity.
  • Figure 29 is a photograph showing a skin-adhesive sensor using a multi-function sensor according to an embodiment of the present invention attached to the wrist
  • Figure 30 shows the electrical resistance change according to the heart rate measured by the sensor of Figure 29 It is a graph.
  • FIG. 31 is a graph illustrating a change in electrical resistance according to a heartbeat after exercise measured by the sensor of FIG. 29, and
  • FIG. 32 is a graph illustrating a change in electrical resistance according to a normal heartbeat measured by the sensor of FIG. 29. .
  • Figure 29 is a schematic diagram for measuring the pulse according to the heart rate by making a form in the form of a sensor that can be attached to the skin using the flexibility of the multifunction sensor according to an embodiment of the present invention to the wrist.
  • the electric resistance change by heart rate in an exercise state (divided rate 100 or less, 300-400 Pa) and an ordinary state (60 or less beats per minute, less than 100 Pa) can be observed.
  • FIG. 31 exercise state
  • FIG. 32 normal state
  • the heart rate changing for a short time can also be measured accurately.

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Abstract

나노스케일의 구조물을 통해 전극을 연결하여 저항의 발생을 최소화시킴으로써 전기 효율을 극대화시킨 가역적 전기커넥터와, 이러한 전기커넥터 구조를 통해 작은 압력과 힘에도 미세하게 반응하며 작은 변화에도 크게 반응하는 민감도를 제공하는 다기능 센서가 개시된다. 이를 위하여 제 1 기판 상에 형성된 제 1 미세섬모를 가지는 제 1 연결부재, 및 상기 제 1 미세섬모에 접촉하여 접착력을 나타내도록 제 2 기판 상에 형성된 제 2 미세섬모를 가지는 제 2 연결부재를 포함하며, 상기 제 1 미세섬모 및 제 2 미세섬모의 표면에 금속 박막이 형성된 것을 특징으로 하는 미세섬모의 인터락킹을 이용한 가역적 전기커넥터를 제공한다. 이에 따르면, 본 발명의 가역적 전기커넥터는 전기적 연결을 하는데 있어 유연성을 가지고, 종전의 전기커넥터에 비해 낮은 전기 저항을 갖는다. 또한, 본 발명의 다기능 센서는 작은 압력과 힘도 계측할 수 있으며, 측정할 수 있는 압력과 힘의 범위에서 작은 변화에도 크게 반응하는 민감도를 갖는다.

Description

[규칙 제26조에 의한 보정 01.08.2012]　미세섬모의 인터락킹을 이용한 가역적 전기커넥터, 이를 이용한 다기능 센서 및 그 제작방법
본 발명은 미세섬모의 인터락킹(interlocking)을 이용한 가역적 전기커넥터, 이를 이용한 다기능 센서 및 그 제작방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 나노스케일의 구조물을 통해 전극을 연결하여 저항의 발생을 최소화시킴으로써 전기 효율을 극대화시킨 가역적 전기커넥터와, 이러한 전기커넥터 구조를 통해 작은 압력과 힘에도 미세하게 반응하며 작은 변화에도 크게 반응하는 민감도를 제공하는 다기능 센서 및 그 제작방법에 관한 것이다.
센서는 데이터를 읽고, 필요한 정보를 신호로 전달하는 장치로서, 현대 산업에서 필수적인 부품 중 하나이다. 여러 가지 데이터를 읽기 위한 다양한 센서가 쓰이고 있는데, 그 중 압력과 전단력(shear force), 비틀림(torsion)을 측정하는 센서로는 정전용량(capacitive) 센서, 압전기(piezoelectric) 센서, 스트레인 게이지가 많이 쓰이고 있다.
그러나 이 센서들은 각각 특정한 단점들을 가지고 있다. 우선, 정전용량 센서는 높은 임피던스 값의 회로가 필요하며, 높은 습도의 환경에서는 제대로 작동하지 않는다. 또한 누출(leackage)이 발생하는데, 그 이유로는 공기 중의 먼지를 흡수하는 송진과 윤활제, 탄소 색소의 페인트 등이 있다.
상기 압전기 센서는 소자 자체의 저항이 지속적으로 전자의 이동을 방해하며, 센서의 민감도를 떨어뜨리게 된다. 그리고 온도와 압력 두 가지에 한꺼번에 반응하기 때문에, 압력을 측정하는 도중에 온도 변화가 작용하여 부정확한 값을 읽게 될 여지가 있다. 또한, 압전 소자의 고온 소결 공정이 진행되어야 하므로, 플라스틱과 같은 플렉서블(flexible) 기판 상에 제조하기는 어렵다는 문제가 있다. 아울러, 플렉서블 기판 상에 반도체 소자를 만들고자 연구되는 유기반도체 및 카본 나노튜브는 유효이동도가 각각 1cm2/Vs, 5cm2/Vs에 불과해 민감도가 요구되는 센서에는 부적합하며, 소자들 간의 균일성이 떨어져 상품화에는 많은 어려움이 존재한다.
상기 스트레인 게이지는 네 개의 게이지 암이 정확하게 동일한 저항 값을 갖지 않을 때 오차가 발생할 수 있다. 또한, 온도와 습도에 의해 저항의 데이터가 정확하지 않게 될 여지가 많다. 그리고 이전에 실험했던 영향이 남아 있을 수 있으며 특히, 한도 이상으로 실험을 하게 되었을 시에는 손상되는 단점이 있다.
이에 따라, 전술한 기존 센서들의 문제점을 보완할 수 있는 새로운 방식의 센서 개발이 요구되고 있다.
본 발명의 제 1 목적은 소켓과 같은 가역적인 접합이 가능하며, 전극의 연결을 나노스케일로 하여 낮은 저항으로 인해 기존의 기술보다 높은 전기 효율을 달성할 수 있는 나노헤어 인터락킹을 이용한 가역적 전기커넥터를 제공하는데 있다.
본 발명의 제 2 목적은 휘어질 수 있고 미세한 측정이 가능하며, 데이터의 변화에 대한 센서의 민감도가 크고 반복적으로 사용할 수 있는 다기능 센서를 제공하는데 있다.
본 발명의 제 3 목적은 상기 다기능 센서의 제작방법을 제공하는 것이다.
상술한 본 발명의 제 1 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 제 1 기판 상에 형성된 제 1 미세섬모를 가지는 제 1 연결부재, 및 상기 제 1 미세섬모에 접촉하여 접착력을 나타내도록 제 2 기판 상에 형성된 제 2 미세섬모를 가지는 제 2 연결부재를 포함하며, 상기 제 1 미세섬모와 제 2 미세섬모의 표면, 제 1 미세섬모가 형성된 제 1 기판의 표면, 및 제 2 미세섬모가 형성된 제 2 기판의 표면에 금속 박막이 형성된 것을 특징으로 하는 미세섬모의 인터락킹을 이용한 가역적 전기커넥터를 제공한다.
그리고 본 발명의 제 2 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 제 1 기판 상에 형성된 제 1 미세섬모를 가지며, 상기 제 1 미세섬모의 표면과 상기 제 1 미세섬모가 형성된 제 1 기판의 표면에 금속 박막이 형성된 제 1 연결부재와, 상기 제 1 미세섬모에 접촉하는 제 2 기판 상에 형성된 제 2 미세섬모를 가지며, 상기 제 2 미세섬모의 표면과 상기 제 2 미세섬모가 형성된 제 2 가핀의 표면에 금속 박막이 형성된 제 2 연결부재, 및 상기 제 1 연결부재와 제 2 연결부재를 밀봉하는 씰링층을 포함하는 다기능 센서를 제공한다.
또한, 본 발명의 제 3 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 제 1 기판 상에 형성된 제 1 미세섬모의 표면과 상기 제 1 미세섬모가 형성된 제 1 기판의 표면에 금속 박막을 형성하는 단계와, 제 2 기판 상에 형성된 제 2 미세섬모의 표면과 상기 제 2 미세섬모가 형성된 제 2 기판의 표면에 금속 박막을 형성하는 단계와, 상기 제 1 미세섬모와 제 2 미세섬모가 접촉되도록 제 1 기판과 제 2 기판을 밀착시키는 단계와, 상기 제 1 미세섬모가 포함된 제 1 기판 및 제 2 미세섬모가 포함된 제 2 기판이 밀봉되도록 씰링층을 형성하는 단계, 및 상기 제 1 기판 또는 제 2 기판에 0.01 내지 0.3N/의 압력을 가하여 제 1 미세섬모와 제 2 미세섬모를 서로 체결시키는 단계를 포함하는 다기능 센서의 제작방법을 제공한다.
본 발명에 의한 전기커넥터를 사용하면, 전기적 연결을 하는데 있어 유연성을 가지며, 종전의 전기커넥터에 비해 낮은 전기 저항을 갖는다. 따라서, 본 발명의 전기커넥터는 높은 전기 효율을 제공할 수 있다.
그리고 본 발명에 의한 전기커넥터는 미세섬모를 반데르발스힘을 이용해 결합시킴으로써, 기존의 전기커넥터에 비해 높은 결합력을 가지는 효과를 기대할 수 있으며, 가역적인 상하 결합을 유도할 수 있다.
또한, 본 발명에 의한 전기커넥터는 결합/분리 과정 시 소음이 발생하지 않을 뿐만 아니라, 나노 사이즈의 미세 섬모를 이용하기 때문에 매우 좁은 면적에서도 전기 접속을 구현할 수 있다.
더불어, 본 발명에 의한 다기능 센서는 작은 압력과 힘도 계측할 수 있으며, 측정할 수 있는 압력과 힘의 범위에서 작은 변화에도 크게 반응하는 민감도를 갖는다. 그리고 본 발명에 의한 다기능 센서는 금속에 비해 부드러운 재질로 구성되기 때문에 휘어질 수 있다.
아울러, 본 발명에 의한 다기능 센서는 미세섬모가 측정 후에 원 상태로 복귀되므로 반복적으로 사용할 수 있으며, 제 1 연결부재와 제 2 연결부재가 미세 접촉에 의한 반데르발스 힘을 이용하는 체결시스템으로, 제 1 연결부재와 제 2 연결부재는 구조적으로 동일한 형태를 가지기 때문에 생산이 용이하다.
이러한 본 발명의 센서는 터치방식의 입력 수단을 채용하고 있는 스마트폰이나 태블릿 PC의 디스플레이 장치, 맥박 등의 인체신호를 감지하기 위한 패치 등의 의료장비나 기타 미세한 압력이나, 전단력, 비틀림을 측정하기 위한 각종 측정장치 또는 인공 피부 등에 적용될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 가역적 전기커넥터를 설명하기 위한 구성도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 연결부재를 나타내는 개략적인 모식도이다.
도 3 및 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 연결부재의 결합을 설명하기 위한 모식도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 가역적 전기커넥터의 탈리를 설명하기 위한 모식도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 의한 전기커넥터의 사이클 횟수에 따른 결합력의 변화를 설명하기 위한 그래프이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 의한 전기커넥터에 구비된 금속 박막의 두께에 따른 전단 접착력의 상관관계를 설명하기 위한 그래프이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 의한 전기커넥터에 구비된 금속 박막의 두께에 따른 전류밀도의 상관관계를 설명하기 위한 그래프이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 의한 전기커넥터의 유연성을 나타내는 사진이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 의한 가역적 전기커넥터의 사용방법을 설명하기 위한 개략적인 흐름도이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 다기능 센서를 설명하기 위한 구성도이다.
도 12는 본 발명에 따른 다기능 센서에 작용하는 압력에 따른 움직임을 나타내는 부분 확대 사시도이다.
도 13 및 도 14는 본 발명에 따른 다기능 센서로 검출되는 데이터를 나타내는 개략도이다.
도 15 내지 도 17은 본 발명의 다기능 센서에 작용하는 압력, 전단력, 비틀림과 레지스턴스의 상관관계를 설명하기 위한 그래프이다.
도 18은 본 발명에 따른 다기능 센서의 사이클 과정을 설명하기 위한 개략도이다.
도 19는 본 발명에 따른 다기능 센서의 유연성을 나타내는 사진이다.
도 20은 본 발명의 다기능 센서에 작용하는 변형률의 상관관계를 설명하기 위한 그래프이다.
도 21은 본 발명에 따른 다기능 센서의 제작방법을 설명하기 위한 순서도이다.
도 22는 본 발명에 따른 다기능 센서를 적용하여 인체신호를 감지하기 위한 적용례를 설명하기 위한 개략도이다.
도 23은 상기 도 22의 개략도에 따른 적용례에서 압력(pressure), 전단력(shear), 및 비틀림(torsion)이 적용됨에 따른 반응(△R)을 설명하기 위한 개략도이다.
도 24는 본 발명의 일실시예에 의한 다기능 센서를 사용하여 측정한 압력에 따른 전기저항의 차이(Roff-Ron), 압력변형률에 따른 저항 변화율(R/Roff), 및 이에 대응하는 SEM 사진을 나타내는 도면이다.
도 25는 본 발명의 일실시예에 의한 다기능 센서를 사용하여 측정한 전단력에 따른 전기저항의 차이(Roff-Ron), 전단력변형률에 따른 저항 변화율(R/Roff), 및 이에 대응하는 SEM 사진을 나타내는 도면이다.
도 26는 본 발명의 일실시예에 의한 다기능 센서를 사용하여 측정한 비틀림에 따른 전기저항의 차이(Roff-Ron), 비틀림변형률에 따른 저항 변화율(R/Roff), 및 이에 대응하는 SEM 사진을 나타내는 도면이다.
도 27은 본 발명의 일실시예에 의한 다기능 센서를 이용하여 물방울 낙하에 의한 압력변화를 측정하기 위한 장치의 개략도이다.
도 28은 상기 도 27에 따른 장치의 고속카메라에서 측정된 시간에 따른 물방울의 낙하 사진 및 측정된 전기저항의 차이를 나타내는 그래프이다.
도 29는 본 발명의 일실시예 의한 다기능 센서를 이용한 피부 접착형 센서를 손목에 부착한 것을 나타내는 사진이다.
도 30은 상기 도 29의 센서에서 측정한 심장박동에 따른 전기저항 변화를 나타내는 그래프이다.
도 31은 상기 도 29의 센서에서 측정한 운동 후의 심장박동에 따른 전기저항 변화를 나타내는 그래프이다.
도 32는 상기 도 29의 센서에서 측정한 평상시 심장박동에 따른 전기저항 변화를 나타내는 그래프이다.
이하, 첨부도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들에 의한 미세섬모의 인터락킹을 이용한 가역적 전기커넥터(이하, '가역적 전기커넥터'라고 한다.)를 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 의한 가역적 전기커넥터를 설명하기 위한 구성도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일실시예에 의한 가역적 전기커넥터는 제 1 연결부재(100) 및 제 2 연결부재(200)를 포함한다.
구체적으로, 상기 제 1 연결부재(100)는 제 1 기판(110) 및 제 1 기판(110) 상에 형성된 제 1 미세섬모 구조물(120)을 포함한다. 이때, 상기 제 1 미세섬모 구조물(120)은 제 1 기판(110) 상에 형성된 제 1 미세섬모(122), 및 상기 제 1 미세섬모(122)의 표면과 제 1 미세섬모(122)가 형성된 제 1 기판(110)의 표면에 형성된 금속 박막(126)으로 구성된다.
또한, 상기 제 2 연결부재(200)는 제 1 연결부재(100)와 유사한 형태로서, 제 2 기판(210) 및 상기 제 1 미세섬모 구조물(120)과 접촉하여 접착력을 나타내도록 제 2 기판(210) 상에 형성된 제 2 미세섬모 구조물(220)을 포함한다. 이때, 상기 제 2 미세섬모 구조물(220)은 제 1 미세섬모(122)와 접촉하여 접착력을 나타내도록 상기 제 2 기판(210) 상에 형성된 제 2 미세섬모(222), 및 상기 제 2 미세섬모(222)의 표면과 제 2 미세섬모(222)가 형성된 제 2 기판(210)의 표면에 형성된 금속 박막(226)으로 구성된다.
필요에 따라, 상기 금속 박막(126, 226)은 제 1 기판(110) 및 제 2 기판(210)의 전면에 형성되도록 구비될 수 있다.
아울러, 상기 제 1 연결부재(100)에 형성된 금속 박막(126)과 제 2 연결부재(200)에 형성된 금속 박막(226)에는 전선이 연결되어 전기가 소통된다.
이러한 제 1 기판(110)과 제 2 기판(210)은 다양한 소재로 제작할 수 있으나, 임프린트 리소그래피, 모세관력 리소그래피 등의 방법으로 미세섬모를 형성할 수 있는 유연한 성질을 가지는 고분자 수지를 사용하는 것이 바람직하다. 예를 들면, 상기 제 1 기판(110)과 제 2 기판(210)은 폴리에틸렌테레프탈레이트(Poly Ethylene Terephthalate: PET) 재질 등을 사용하여 제작할 수 있다.
또한, 제 1 미세섬모(122) 및 제 2 미세섬모(222)는 폴리우레탄 아크릴레이트(PUA : Poly Urethane Acrylate) 등의 자외선 고분자, 폴리스티렌(PS : PolyStyrene) 고분자, 또는 폴리메틸메타크릴레이트(Poly Methyl MethAcrylate ;PMMA) 등의 아크릴 수지 같은 고분자 등으로 형성하는 것이 바람직하다. 이러한 소재로 형성되는 상기 제 1 미세섬모(122) 및 제 2 미세섬모(222)는 UV 리소그래피, 나노임프린트 리소그래피, 모세관력 리소그래피 등의 방법을 통해 제조하는 것이 바람직하다. 이외에도 작은 크기의 미세 구조물을 만들 수 있는 방법이라면 어떠한 방법을 이용하여도 무방할 것이다.
아울러, 금속 박막은 제 1 미세섬모(122)와 제 2 미세섬모(222)의 표면에 플라즈마 코팅방식을 사용하여 형성하는 것이 바람직하다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 가역적 전기커넥터를 설명하기 위한 개략적인 모식도이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 전기커넥터는 서로 형태가 동일하거나 유사한 미세섬모가 각각 형성된 두 개의 연결부재(100, 200)를 서로 접촉시키는 방식으로 결합된다. 따라서, 제 1 기판(110) 및 제 1 미세섬모 구조물(120)을 포함하는 제 1 연결부재(100)와, 제 2 기판(210)과 제 2 미세섬모 구조물(220)을 포함하는 제 2 연결부재(200)는 서로 동일한 형상을 가져도 무방하다. 즉, 제 1 미세섬모 구조물(120)과 제 2 미세섬모 구조물(130)은 미세섬모의 길이, 종횡비, 굵기, 기판에 형성된 미세섬모의 방향, 금속 박막의 두께가 서로 다를 수 있으나, 미세섬모와 금속 박막을 이용한다는 점에서 동일성이 있다.
상기 제 1 미세섬모(122) 및 제 2 미세섬모(222)는 그 직경 및 높이가 마이크로미터(㎛) 사이즈 또는 나노미터(㎚) 사이즈로 형성된 미세 섬모 구조물이고, 서로 동일한 직경을 가지는 섬모 형상으로 형성될 수 있으며, 바람직하게는 직경 50, 높이 1가 되는 것이 좋다.
또한, 상기 제 1 미세섬모(122)는 제 1 기판(110) 상에 형성되며, 보다 구체적으로 미세섬모(122)는 제 1 기판(110)에 대하여 수직인 방향 또는 경사진 방향으로 형성할 수 있다. 다만, 경사지게 형성하는 경우, 서로 접촉되는 연결부재는 양측 미세섬모가 서로 평행한 방향으로 접근되어 접촉하는 것이 바람직하다. 따라서 경사방향을 고려하여 양 연결부재를 선택하는 것이 좋다.
이와 같이, 상기 제 1 기판(110) 및 상기 제 2 기판(210)에 대하여 제 1 미세섬모(122) 및 제 2 미세섬모(222)가 각각 수직방향으로 형성되는 경우, 제 1 기판(110)의 수직방향으로 힘을 작용시켜 제 1 미세섬모 구조물(120)과 제 2 미세섬모 구조물(220)을 접촉시키면 제 2 연결부재(200)에 제 1 연결부재(100)가 결합된다. 따라서, 결합대상 간 서로 평행을 유지한 상태에서 맞닿은 구조라면, 각 기판에 대하여 미세섬모가 수직인 방향으로 형성하는 것이 실용적이다.
상기 제 1 미세섬모(122) 및 제 2 미세섬모(222)는 각각 상기 제 1 기판(110) 및 제 2 기판(210)의 단위면적당, 많은 개수가 형성될수록 결합력이 우수해진다. 즉, 형성된 미세섬모의 밀도가 높을수록, 미세섬모 간의 접촉에 의한 반데르발스 힘이 커지기 때문에 결합력이 향상된다. 따라서 본 발명에 의한 가역적 전기커넥터가 사용되는 환경에 따라 미세섬모의 형성 밀도를 조절할 수 있다.
이러한 반데르발스 힘은 본 발명의 가역적 전기커넥터에서 제 1 연결부재(100)와 제 2 연결부재(200)가 서로 결합될 때, 정확하게는 제 1 연결부재(100)의 제 1 미세섬모(122)와 제 2 연결부재(200)의 제 2 미세섬모(222)가 서로 접촉될 때 발생한다. 구체적으로, 상기 제 1 미세섬모 구조물(120)과 제 2 미세섬모 구조물(220)의 말단이 서로 접촉되거나, 추가적인 압력이 가해지는 경우 제 1 미세섬모 구조물(120)과 제 2 미세섬모 구조물(220)이 인터락킹 되는 형상(맞물려지는 형상)이 되는 경우, 또는 양 구조물의 측면끼리 접촉하게 될 때 발생한다.
이와 같이, 본 전기커넥터에서 결합력을 제공하는 반데르발스힘을 증가시키기 위해서는 제 1 미세섬모 구조물(120)과 제 2 미세섬모 구조물(220) 사이의 접촉면적을 넓히는 것이 바람직하다. 따라서, 접촉 시 상기 제 1 기판 또는 제 2 기판에 압력을 가하여 제 1 미세섬모 구조물(120)과 제 2 미세섬모 구조물(220)이 서로 끼워지는 형상이 되도록 하여 접촉면적을 증가시키면 강한 접착력을 구현할 수 있다.
상기와 같이 접착된 제 1 연결부재(100)와 제 2 연결부재(200)는 종래의 전기커넥터에 비해 탈리시 소음이 거의 발생하지 않으며, 평균적인 초등학생 이상의 힘을 사용하면 간편하게 탈리할 수 있다.
이러한 사항을 도면을 통하여 구체적으로 설명하면 다음과 같다.
도 3 및 도 4는 본 발명의 일실시예에 의한 가역적 전기커넥터의 전기적 접속을 설명하기 위한 모식도이고, 도 5는 본 발명의 일실시예에 의한 가역적 전기커넥터의 탈리를 설명하기 위한 모식도이다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 일실시예에 의한 가역적 전기커넥터는 전기적 접속을 위해 먼저, 제 1 연결부재(100)와 제 2 연결부재(200)를 결합시키는 동작을 수행한다. 이때, 상기 제 1 연결부재(100)의 제 1 미세섬모와 제 2 연결부재(200)의 제 2 미세섬모는 동일한 배열을 가지는 다수의 미세섬모들로 이루어진다. 따라서, 서로 동일한 배열을 가지는 미세섬모 구조물들이 겹쳐 짓눌리지 않도록, 제 1 미세섬모 구조물(120) 및 제 2 미세섬모 구조물(220)이 서로 교차하면서 결합 접착시키는 것이 바람직하다.
도 4를 참조하면, 상기와 같이 결합 동작을 수행한 제 1 연결부재(100)와 제 2 연결부재(200)에 강한 전단력을 가하여도 반데르발스 힘에 의한 결합력에 의하여 제 1 연결부재(100)와 제 2 연결부재(200)는 탈리되지 않는다. 더구나 전단력을 가하는 과정에서 제 1 미세섬모 구조물(120)의 측면이 제 2 미세섬모 구조물(220)의 측면과 밀착(인터락킹)되는 결과를 초래하게 되므로 결합력은 더욱 향상되고 이에 따라 강한 압력에도 견딜 수 있게 된다.
이러한 과정을 통해 상기 제 1 연결부재(100)와 제 2 연결부재(200)는 높은 인장강도를 가지면서 결합하게 된다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 의한 가역적 전기커넥터의 탈리를 설명하기 위한 모식도이다.
도 5를 참조하면, 상기와 같이 접착된 제 1 연결부재(100)와 제 2 연결부재(200)를 탈리시키기 위한 동작으로, 제 2 연결부재(200)의 일측 단부를 소정의 힘을 가해 제 1 연결부재(100)로부터 탈거시키는 과정을 수행한다. 즉, 상기 제 2 연결부재(200)(또는 제 1 연결부재(100))의 일측 단부를 측방향이 아니라 상부 방향으로 잡아당기게 되면, A부분을 시작으로 접착이 해제되어 제 2 연결부재(200)가 제 1 연결부재(100)로부터 탈리되게 된다.
특정 양태로서, 본 발명에 따른 가역적 전기커넥터는 38N/㎠까지 유도된 반데르발스힘을 유지하면서 결합된 제 1 연결부재(100)와 제 2 연결부재(200)가 탈리를 위해 필요로 하는 힘이 0.02N/㎠에 불과하다.
한편, 제 1 연결부재(100)의 금속 박막(126)과 제 2 연결부재(200)의 금속 박막(226)은 미세섬모의 표면에 금속 재료를 5 내지 30의 두께로 코팅하는 방법을 통해 형성될 수 있다. 이때, 금속 재료로는 백금(Pt), 알루미늄(Al), 구리(Cu), 은(Ag), 금(Au) 등의 전기가 소통되는 금속을 사용할 수 있지만, 전기전도율과 내구성 및 내식성이 우수한 백금(Pt)을 사용하는 것이 바람직하다.
여기서, 금속 박막의 두께가 5㎚의 미만으로 형성되면 전기커넥터 본연의 기능이 저하될 수 있을 뿐만 아니라, 결합/분리 과정으로 이루어진 사이클이 다수회 반복될수록 결합력이 떨어지게 된다. 또한, 금속 박막의 두께가 30㎚를 초과하도록 형성되면 미세섬모 구조물의 직경이 커져서 제 1 미세섬모 구조물(120)과 제 2 미세섬모 구조물(130)의 결합력이 저하된다.
이러한 금속 박막의 두께에 따른 미세섬모 구조물 간의 접착력은 실험을 통해 확인할 수 있다. 도 6은 본 발명의 일실시예에 의한 전기커넥터의 사이클 횟수에 따른 결합력의 변화를 설명하기 위한 그래프이다.
도 6을 참조하면, 제 1 미세섬모와 제 2 미세섬모에 금속 박막으로 백금(Pt)이 코팅되지 않은 경우와, 제 1 미세섬모와 제 2 미세섬모에 각각 5㎚ 두께의 백금이 코팅된 경우, 및 제 1 미세섬모와 제 2 미세섬모에 각각 10㎚ 두께의 백금이 코팅된 경우에 결합횟수에 따라 제 1 미세섬모와 제 2 미세섬모 사이에 작용하는 전단력(shearing force)을 비교하였다. 그 결과, 표면에 백금이 코팅되지 않은 미세섬모들은 사이클 횟수가 증가할수록 전단력이 급격히 감소한 반면, 표면에 백금이 코팅된 미세섬모들은 사이클 횟수가 증가하여도 전단력이 완만하게 감소하였다. 특히, 10㎚ 두께의 백금이 코팅된 미세섬모들 사이에 작용하는 전단력은 20 내지 35N/㎠를 유지하는 것을 알 수 있다.
도 7 및 도 8은 본 발명의 일실시예에 의한 전기커넥터에 구비된 금속 박막의 두께에 따른 전단 접착력 및 전류밀도와의 상관관계를 설명하기 위한 그래프이다.
도 7을 참조하면, 순차적으로 0㎚, 5㎚, 10㎚, 20㎚, 30㎚의 두께로 백금이 코팅된 제 1 미세섬모 및 제 2 미세섬모의 사이에 작용하는 전단 접착력(shearing adhesion force)은 코팅된 백금의 두께가 두꺼울수록 낮아진다. 하지만, 미세섬모에 코팅된 백금의 두께가 5 내지 30㎚일 때, 제 1 미세섬모와 제 2 미세섬모의 사이에는 서로 인터락킹 된 이후에도 서로 접착된 상태를 유지할 수 있는 전단 접착력이 작용한다.
또한 도 8을 참조하면, 5㎚, 10㎚, 20㎚의 두께로 백금이 코팅된 제 1 미세섬모 및 제 2 미세섬모는 종전의 연결 기술에 비해 낮은 전기 저항을 갖는다는 것을 확인할 수 있다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 의한 전기커넥터의 유연성을 나타내는 사진이다.
도 9에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 전기커넥터는 제 1 기판, 제 2 기판, 제 1 미세섬모, 제 2 미세섬모가 유연한 성질을 가지는 고분자 수지로 구성되고, 금속 박막이 나노미터 두께로 구성되기 때문에 양 측을 붙잡고 서로 다른 방향으로 외력을 작용하여도 파손되지 않고 외력에 따라 휘어진다. 따라서, 본 발명에 따른 전기커넥터는 이러한 유연성에 의해 다양한 분야에서 사용될 수 있다.
이러한 실험을 통해 미세섬모에 코팅된 금속 박막의 두께에 따른 전단력, 전단 접착력, 전기 저항의 상관관계를 확인할 수 있다. 다시 말해, 제 1 미세섬모와 제 2 미세섬모에 백금 등의 금속 박막이 코팅되면, 전단 접착력은 금속 박막의 두께에 따라 점차 낮아지지만 제 1 미세섬모와 제 2 미세섬모가 인터락킹 된 이후에도 전기커넥터의 역할을 수행할 수 있을 정도의 전단 접착력을 제공하고, 결합/분리 과정의 사이클이 다수회 반복되어도 일정 수준의 전단력을 제공하며, 전기 저항이 감소됨을 확인할 수 있다.
상술한 바와 같이 구성된 본 발명의 일실시예에 의한 가역적 전기커넥터를 이용한 사용방법을 살펴보면 다음과 같다.
도 10은 본 발명의 일실시예에 의한 가역적 전기커넥터의 사용방법을 설명하기 위한 개략적인 흐름도이다.
도 10을 참조하면, 본 발명의 가역적 전기커넥터의 사용방법은 먼저, 제 1 미세섬모와 상기 제 1 미세섬모의 표면에 코팅된 금속 박막으로 구성된 제 1 미세섬모 구조물이 제 1 기판 상에 구비된 제 1 연결부재를 준비하고(S100), 이어서 상기 제 1 미세섬모 구조물과 접착력을 나타내도록 제 2 미세섬모와 상기 제 2 미세섬모의 표면에 코팅된 금속 박막으로 구성된 제 2 미세섬모 구조물을 상기 제 1 미세섬모 구조물에 접촉시킨다(S200).
상기 스텝 S200에서 제 1 미세섬모 구조물과 제 2 미세섬모 구조물을 접촉시키는 과정에서 접촉 시 가해지는 힘을 조절하여 접착력을 조절할 수 있다. 또한, 상기 제 1 미세섬모 구조물 또는 제 2 미세섬모 구조물의 직경이나, 상기 제 1 기판 및 제 2 기판에 각각 형성된 제 1 미세섬모 구조물 또는 제 2 미세섬모 구조물의 밀도, 또는 상기 제 1 미세섬모 구조물 또는 제 2 미세섬모 구조물의 종횡비를 조절하여 접착력을 조절할 수도 있다. 아울러, 제 1 미세섬모와 제 2 미세섬모에 코팅된 금속 박막의 두께를 조절하여 접착력을 조절할 수도 있다.
이어서 접착된 제 1 연결부재와 제 2 연결부재를 탈리시키려면, 접착하고 있는 상기 제 1 기판과 제 2 기판의 일부, 특히 일단부를 이격시켜 상기 제 1 연결부재와 제 2 연결부재를 분리할 수 있다. 즉, 도 5에 도시된 방식으로 상기 접착하고 있는 상기 제 1 기판(110)과 제 2 기판(210)의 일단부를 이격시키면, 작은 힘으로도 상기 제 1 연결부재(100)와 제 2 연결부재(200)를 분리할 수 있다.
한편, 본 발명은 전술한 전기커넥터를 이용한 다기능 센서를 제공한다. 도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 다기능 센서를 설명하기 위한 구성도이다.
도 11을 참조하면, 본 발명에 따른 다기능 센서는 제 1 연결부재(100)와, 제 2 연결부재(200), 및 상기 제 1 연결부재(100)와 제 2 연결부재(200)를 밀봉하는 씰링층(300)을 포함한다.
이때, 제 1 연결부재(100)는 제 1 기판 상에 형성된 제 1 미세섬모를 가지며, 상기 제 1 미세섬모의 표면과 제 1 미세섬모가 형성된 제 1 기판의 표면에 금속 박막이 형성된다. 또한, 제 2 연결부재(200)는 상기 제 1 미세섬모에 접촉하는 제 2 기판 상에 형성된 제 2 미세섬모를 가지며, 상기 제 2 미세섬모의 표면과 제 2 미세섬모가 형성된 제 2 기판의 표면에 금속 박막이 형성된다.
아울러, 본 발명의 다기능 센서가 반데르발스힘을 이용해 압력, 전단력, 비틀림을 원활하게 감지하기 위해서는 제 1 미세섬모 및 제 2 미세섬모가 50 내지 300㎚의 직경과 600㎚ 내지 5㎛의 높이로 형성되며, 제 1 기판 및 제 2 기판이 5 내지 50㎛의 두께로 형성되는 것이 바람직하다.
또한, 미세섬모의 직경과 높이가 하한치에 미달되면 제 1 미세섬모와 제 2 미세섬모의 결합이 형성되지 않으며, 상기 미세섬모의 직경과 높이가 상한치를 초과하면 제 1 미세섬모와 제 2 미세섬모가 서로 결합되기 전에 제 1 미세섬모가 주변 제 1 미세섬모와 부착되어 기판간의 결합에 문제를 유발할 수 있다. 그리고 상기 기판의 두께가 하한치에 미달되면 외부로부터 제공된 자극이 골고루 분산되기 어렵게 되며, 기판의 두께가 상한치를 초과하면 다기능 센서의 민감도가 저하될 수 있다.
이때, 상기 제 1 미세섬모와 제 2 미세섬모가 동일한 직경을 가지는 섬모 형상으로 형성될 수도 있다.
또한, 본 발명에 따른 씰링층(300)은 제 1 연결부재(100)와 제 2 연결부재(200)를 외기로부터 보호하는 한편, 제 1 연결부재(100)와 제 2 연결부재(200)를 체결하기에 앞서 체결 시 외부로부터 제공된 힘을 골고루 제 1 연결부재(100)와 제 2 연결부재(200)에 제공하기 위해 구비되는 것으로, 제1 미세섬모와 제 2 미세섬모가 접촉된 상태의 제 1 연결부재(100)와 제 2 연결부재(200)의 표면을 밀봉하도록 형성된다. 보다 구체적으로, 상기 씰링층(300)은 상기 제 1 연결부재(100)와 제 2 연결부재(200)의 측면을 커버하고, 길이방향으로 제 1 연결부재(100)와 제 2 연결부재(200)의 일측 말단이나 양측 말단을 제외한 상기 제 1 연결부재(100)의 하부면과 제 2 연결부재(200)의 상부면을 커버하도록 형성된다.
이때, 씰링층은 5 내지 500㎛ 두께로 형성되는 것이 바람직하다. 상기 씰링층의 두께가 5㎛에 미달되면 외부로부터 제공된 자극이 골고루 분산되기 어렵게 되며, 씰링층의 두께가 500㎛를 초과하면 다기능 센서의 민감도가 저하될 수 있다.
또한, 씰링층은 폴리머 기반의 접착제나 접착필름을 사용하여 산소 플라즈마(oxygen plasma) 코팅법을 통해 형성될 수 있다. 이때, 폴리머 기반의 접착제로는 내구성이 강하며, 계면자유에너지(interfacial free energy)가 낮아 제 1 연결부재 및 제 2 연결부재의 표면에 구비할 때 제 1 연결부재 및 제 2 연결부재와 접착이 잘 일어나지 않는 폴리다이메틸실록산(Polydimethylsiloxane : PDMS)을 사용하는 것이 바람직하다.
특히, 이러한 다기능 센서는 반데르발스힘에 의해 체결된 미세섬모가 압력, 전단력, 비틀림(torsion)이 가해짐에 따라 저항값이 바뀌는 성질을 이용하여 압력, 전단력, 비틀림을 감지하므로, 반데르발스힘에 의해 체결된 미세섬모의 수가 많을수록 유리하다.
도 12를 참조하면, 본 발명에 따른 다기능 센서는 수직 방향으로 가해지는 압력을 저항 변화에 따른 반응으로 측정할 수 있다. 또한, 도 13을 참조하면, 수평 방향으로 가해지는 전단력도 저항 변화에 따른 측정할 수 있다. 아울러 도 14를 참조하면, 모멘트로 인해 발생하는 비틀림도 측정할 수 있다.
이와 같이, 본 발명에 따른 다기능 센서는 압력, 전단력, 비틀림을 측정할 수 있으며, 금속에 비해 부드러운 고분자 소재를 사용하기 때문에 휘어질 수 있는 특성을 가지고 있다. 또한, 작은 압력과 힘에도 미세하게 반응하며, 측정할 수 있는 압력과 힘의 범위에서 작은 변화에도 크게 반응하는 민감도를 가진다. 그리고 미세섬모들이 측정 후에 원 상태로 복귀되므로, 반복적으로 사용할 수 있다.
본 발명의 다기능 센서의 특징을 보다 부각시키기 위해 다기능 센서의 민감도 측면을 그래프를 통해 구체적으로 설명하면 다음과 같다.
본 발명의 다기능 센서를 통한 압력 측정은 최소 10Pa 까지 측정할 수 있다. 이는, 20㎟ 면적에 20㎎이 얹어졌을 때, 이를 감지해낼 수 있는 민감도이며, 아주 가벼운 터치(~<10kPa) 보다도 작은 값이다.
본 발명의 다기능 센서를 통한 전단력 측정은, 외부로부터 힘이 가해짐에 따라 제 1 미세섬모 구조물과 제 2 미세섬모 구조물이 서로 닿는 면적이 넓어지게 되어 발생되는 저항의 저하를 통해 측정할 수 있다. 이는 최소 0.001N부터 감지할 수 있으며, 1N까지 측정할 수 있다. 또한, 전단력 측정은 10x103의 범위에서 측정할 수 있다.
본 발명의 다기능 센서를 통한 비틀림은 전단력과 비슷한 작용으로 감지할 수 있으며, 최소 0.0002Nm부터 측정할 수 있다. 또한, 압력 측정과 전단력 측정과 비교했을 때, 비틀림에 대한 다기능 센서의 반응은 저항이 훨씬 급격하게 변하는 양상을 보여준다. 이 현상은, 비틀림 자극이 압력이나 전단력보다 미세섬모가 닿게 되는 면적 변화가 더 크기 때문이다.
이러한 현상을 수치적으로 살펴보면, 도 15에서 압력 변화에 따른 센서의 저항 변화를 보여주고, 도 16에서는 전단력 변화에 따른 센서의 저항 변화를 보여준다. 그리고 도 17에서는 비틀림에서의 센서 저항 변화를 보여주고 있으며, 도 15 내지 17을 비교하면 비틀림 자극에 대한 저항 변화가 다른 자극에 비해 급격한 변화를 보임을 확인 할 수 있다.
한편, 본 발명에 따른 다기능 센서의 다른 장점은, 반복적으로 사용할 수 있다는 것이다. 이는, 도 18에 도시된 바와 같이 4가지 단계로 나타낼 수 있다.
첫 번째는, 스텝 1에 도시된 바와 같이 처음 미세섬모를 체결시키는 힘에 의해 섬모가 겹쳐지게 현상을 보여준다.
두 번째는, 스텝 2에 도시된 바와 같이 힘을 가함에 따라 위와 아래의 미세섬모가 서로 겹쳐지게 되면서 반데르발스힘에 의해 체결되는 것을 나타낸다.
세 번째는, 스텝 3에 도시된 바와 같이 힘이 증가됨에 따라 수많은 미세섬모들이 체결되면서 마찰 힘이 증가하는 것을 나타낸다.
네 번째는, 스텝 4에 도시된 바와 같이 힘이 한계 이상으로 가해졌을 때, 미세섬모들의 체결이 끊어지고, 각 미세섬모는 원래의 상태로 되돌아감을 나타낸다. 또한, 체결이 끊어지면서 발생한 잔류 응력도 회복함을 보여준다.
이러한 현상을 통해 본 발명에 따른 다기능 센서는 반복적으로 사용될 수 있다는 것을 나타내고 있다.
아울러, 본 발명에 따른 다기능 센서의 또 다른 장점은 휘어질 수 있다는 것이다. 도 19는 본 발명에 따른 다기능 센서를 설명하기 위한 사진이다.
도 19를 참조하면, 본 발명의 다기능 센서는 유연성을 가지고 있기 때문에 외력이 작용하여도 파손되지 않고 휘어지며, 이러한 특성은 많은 장점을 내포하고 있다.
보다 구체적으로, 압력이나 전단력 또는 비틀림을 측정할 때, 측정 대상은 언제나 평면인 것이 아니며, 원형이나 여러 가지 형태가 될 수 있다. 이때, 다른 센서는 측정하기가 힘들거나 불가능한 것에 비해, 본 발명의 다 기능 센서는 휘어질 수 있기 때문에 측정이 가능하다.
더불어, 본 발명의 다기능 센서는 스트레인 게이지(strain gauge) 센서로도 사용될 수 있다. 여기서, 스트레인 게이지란 구조체의 변형되는 상태와 그 양을 측정하기 위하여 구조체 표면에 부착하는 게이지로서, 스트레인은 변형도 또는 변형률을 나타내며, 어느 물체가 인장 또는 압축을 받을 때 원래의 길이에 대하여 늘어나거나 줄어든 길이를 비율로 표시한 값을 의미한다.
도 20을 참조하면, 본 발명에 따른 다기능 센서는 게이지 계수가 11.45로서 높은 민감성을 갖는다는 것을 알 수 있다.
나아가, 본 발명은 전술한 구성요소가 포함된 다기능 센서의 제작방법을 제공한다. 도 21은 본 발명의 일 실시예에 따른 다기능 센서의 제작방법을 설명하기 위한 순서도이다.
도 21을 참조하면, 먼저 제 1 연결부재와 제 2 연결부재를 제작한다(S500, S600). 이어서, 상기 제 1 연결부재의 제 1 미세섬모와 제 2 연결부재의 제 2 미세섬모를 접촉시키고(S700), 이어서 제 1 연결부재와 제 2 연결부재가 밀봉되도록 씰링층을 형성한다(S800). 이어서, 상기 씰링층을 가압하여 제 1 미세섬모와 제 2 미세섬모를 서로 체결시킨다(단계 S900).
이를 도면을 참조하여 각 단계별로 설명하면 다음과 같다.
본 발명의 다기능 센서를 제작하기 위해서는 먼저, 제 1 연결부재의 제작이 요구된다(S500).
보다 구체적으로, 본 단계(S500)에서는 제 1 미세섬모가 형성된 제 1 기판을 기본으로, 상기 제 1 기판 상에 형성된 제 1 미세섬모의 표면과 상기 제 1 미세섬모가 형성된 제 1 기판의 표면에 금속 박막을 형성한다. 결과적으로, 본 단계는 제 1 미세섬모 구조물이 형성된 제 1 연결부재를 제작하는 단계이다.
이어서, 두 번째 단계로는 제 2 연결부재의 제작을 수행한다(S600).
보다 구체적으로, 본 단계(S600)에서는 제 2 미세섬모가 형성된 제 2 기판을 기본으로, 상기 제 2 기판 상에 형성된 제 2 미세섬모의 표면과 상기 제 2 미세섬모가 형성된 제 2 기판의 표면에 금속 박막을 형성한다.
그 다음, 세 번째 단계로는 제 1 연결부재의 제 1 미세섬모와 제 2 연결부재의 제 2 미세섬모가 접촉되도록 제 1 기판과 제 2 기판을 밀착시키는 과정을 수행한다(S700).
보다 구체적으로, 본 단계(S700)에서는 제 1 미세섬모의 말단부와 제 2 미세섬모의 말단부가 서로 접촉될 수 있을 정도로 제 1 기판 및 제 2 기판을 밀착시킨다.
계속하여, 네 번째 단계로는 제 1 기판이 포함된 제 1 연결부재와 제 기판이 포함된 제 2 연결부재가 밀봉되도록 씰링층을 형성하는 과정을 수행한다(S800).
특정 양태로서, 본 단계(S800)에서는 제 1 미세섬모와 제 2 미세섬모가 밀착된 상태로 제 1 연결부재 및 제 2 연결부재의 표면에 폴리다이메틸실록산을 도포한 다음, 산소 플라즈마를 처리하여 제 1 연결부재와 제 2 연결부재를 밀봉하는 씰링층을 형성한다.
이때, 씰링층은 제 1 연결부재와 제 2 연결부재의 일측 말단이나 양측 말단이 외부로 노출될 수 있도록 형성하는 것이 바람직하다. 이는, 제 1 연결부재에 형성된 금속 박막과 제 2 연결부재에 형성된 금속 박막에 전선을 연결하여 전기를 소통시키기 위함이다.
마지막으로, 다섯 번째 단계로는 제 1 미세섬모와 제 2 미세섬모 사이에 반데르발스힘이 작용하여 상기 제 1 미세섬모와 제 2 미세섬모가 체결되도록 씰링층에 압력을 가하는 과정을 수행한다(S900).
보다 구체적으로, 본 단계(S900)에서는 씰링층이 형성된 제 1 기판 또는 제 2 기판에 0.01 내지 0.3N/㎠, 바람직하게는 0.1N/㎠을 압력을 가한다. 그 결과, 제 1 미세섬모 구조물과 제 2 미세섬모 구조물이 서로 맞닿으면서 반데르발스힘에 의하여 체결된다. 이때, 제 1 기판 또는 제 2 기판에 0.01N/㎠ 미만의 압력을 가하면 제 2 기판의 제 2 미세섬모가 제 1 기판의 제 1 미세섬모와 원활하게 체결되지 않으며, 0.3N/㎠가 초과된 압력을 가하면 상기 제 1 미세섬모와 제 2 미세섬모가 결합력이 강해져서 다기능 센서의 민감도가 저하될 수 있다.
상술한 본 발명에 의한 다기능 센서는 다양한 분야에 널리 사용될 수 있다.
예를 들면, 최근 폭넓게 사용되고 있는 터치방식의 입력 수단을 채용하고 있는 스마트폰이나 태블릿 PC의 디스플레이 장치에 사용하면, 미세한 터치신호를 감지하는 입력수단으로 사용될 수 있다. 또한, 유연성이 있으므로, 피부에 적용하여 압력, 전단력, 비틀림을 감지하는 인공피부 등으로 사용될 수 있을 뿐만 아니라, 심장박동 등을 측정하기 위한 인체신호 감지용 센서로 사용될 수 있다.
나아가, 극히 미세한 압력 등의 측정이 가능하므로 기존의 여러 센서 장치를 대체할 수 있다.
이러한 다양한 적용례의 일부를 도면을 통하여 설명하면 다음과 같다.
도 22는 본 발명에 따른 다기능 센서를 적용하여 인체신호를 감지하기 위한 적용례를 설명하기 위한 개략도이고, 도 23은 상기 도 22의 개략도에 따른 적용례에서 압력(pressure), 전단력(shear), 및 비틀림(torsion)이 적용됨에 따른 반응(△R)을 설명하기 위한 개략도이다.
도 22 및 도 23을 참조하면, 본 발명에 의한 다기능 센서를 휘어질 수 있고, 유연성이 있기 때문에 굴곡진 피부 등에 적용할 수 있다. 신체의 움직임에 따라 상기 다기능 센서를 구성하는 미세섬모는 변형되어, 압력 뿐만 아니라, 전단력, 비틀림 등을 동시에 측정할 수 있으며, 따라서 신체를 움직임에 따라 미세섬모에 나타나는 전기저항이 변화된다.
따라서 이러한 인체의 움직임에 따른 전기저항을 분석하여 적용하면 본 발명에 의한 다기능 센서를 인공피부 분야에 적용할 수있다.
도 24는 본 발명의 일실시예에 의한 다기능 센서를 사용하여 측정한 압력에 따른 전기저항의 차이(Roff-Ron), 압력변형률에 따른 저항 변화율(△R/Roff), 및 이에 대응하는 SEM 사진을 나타내는 도면이다. 그리고 도 25는 본 발명의 일실시예에 의한 다기능 센서를 사용하여 측정한 전단력에 따른 전기저항의 차이(Roff-Ron), 전단력변형률에 따른 저항 변화율(△R/Roff), 및 이에 대응하는 SEM 사진을 나타내는 도면이고, 도 26는 본 발명의 일실시예에 의한 다기능 센서를 사용하여 측정한 비틀림에 따른 전기저항의 차이(Roff-Ron), 비틀림변형률에 따른 저항 변화율(△R/Roff), 및 이에 대응하는 SEM 사진을 나타내는 도면이다.
도 24 내지 도 26을 참조하면, 본 발명에 의한 다기능 센서 하나를 사용하여도, 압력, 전단력, 비틀림에 따라 섬모의 변형양태가 달라지고, 이에 따라 측정되는 전기저항의 변화나 전기저항의 변화율이 달라짐을 알 수 있다. 따라서, 이에 의하면 본 발명의 다기능 센서는 기존의 센서와 달리 하나의 센서를 사용하여 다양한 물리적인 값의 변화를 측정할 수 있는 장점이 있다는 것을 확인할 수 있다.
도 27은 본 발명의 일실시예에 의한 다기능 센서를 이용하여 물방울 낙하에 의한 압력변화를 측정하기 위한 장치의 개략도이고, 도 28은 상기 도 27에 따른 장치의 고속카메라에서 측정된 시간에 따른 물방울의 낙하 사진 및 측정된 전기저항의 차이를 나타내는 그래프이다.
도 27 및 도 28는, 미세한 물방울(약 20㎛ 직경)을 5㎝ 높이에서 낙하한 경우, 물방울의 낙하에 의해 가해지는 압력을 전기저항으로 나타낸 것이다.
이에 의하면, 극히 미세한 압력의 변화를 매우 정확하게 측정할 수 있다는 것을 확인할 수 있으며, 이를 응용하면 매우 높은 수준의 민감도를 감지하여야 하는 센서 장치에 응용할 수 있음을 확인할 수 있다.
한편, 도 29는 본 발명의 일실시예 의한 다기능 센서를 이용한 피부 접착형 센서를 손목에 부착한 것을 나타내는 사진이고, 도 30은 상기 도 29의 센서에서 측정한 심장박동에 따른 전기저항 변화를 나타내는 그래프이다. 그리고, 도 31은 상기 도 29의 센서에서 측정한 운동 후의 심장박동에 따른 전기저항 변화를 나타내는 그래프이고, 도 32는 상기 도 29의 센서에서 측정한 평상시 심장박동에 따른 전기저항 변화를 나타내는 그래프이다.
도 29는 본 발명의 일실시예에 의한 다기능 센서의 유연성을 이용하여 피부에 접착할 수 있는 센서 형태로 제작하여 손목에 부착함으로써, 심장박동에 따른 맥박을 측정하기 위한 개략도이다. 도 30에 의하면, 운동 상태(분단 박동수 100이하, 300~400Pa) 및 평상시의 상태(분당 박동수 60이하, 100Pa 미만)에서의 심박에 의한 전기저항 변화를 관찰할 수 있다. 또한, 도 31(운동 상태) 및 도 32(평상시 상태)에서 짧은 시간(약 1초 미만) 동안 변화하는 심박 역시 정확히 측정할 수 있음을 확인할 수 있다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

Claims (14)

  1. 제 1 기판 상에 형성된 제 1 미세섬모를 가지는 제 1 연결부재; 및
    상기 제 1 미세섬모에 접촉하여 접착력을 나타내도록 제 2 기판 상에 형성된 제 2 미세섬모를 가지는 제 2 연결부재를 포함하며,
    상기 제 1 미세섬모와 제 2 미세섬모의 표면, 제 1 미세섬모가 형성된 제 1 기판의 표면, 및 제 2 미세섬모가 형성된 제 2 기판의 표면에 금속 박막이 형성된 것을 특징으로 하는 미세섬모의 인터락킹을 이용한 가역적 전기커넥터.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 미세섬모 및 제 2 미세섬모는
    마이크로 사이즈 또는 나노 사이즈로 형성되는 것을 특징으로 하는 미세섬모의 인터락킹을 이용한 가역적 전기커넥터.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 금속 박막은
    5 내지 30㎚의 두께로 형성되는 것을 특징으로 하는 미세섬모의 인터락킹을 이용한 가역적 전기커넥터.
  4. 제 3 항에 있어서, 상기 금속 박막은
    백금, 알루미늄, 구리, 은, 금으로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나로 형성된 것을 특징으로 하는 미세섬모의 인터락킹을 이용한 가역적 전기커넥터.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 미세섬모와 상기 제 2 미세섬모는
    각각 상기 제 1 기판 및 제 2 기판에 대하여 수직방향으로 형성된 것을 특징으로 하는 미세섬모의 인터락킹을 이용한 가역적 전기커넥터.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 기판 및 제 2 기판은 PET로 형성된 것을 특징으로 하는 미세섬모의 인터락킹을 이용한 가역적 전기커넥터.
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 미세섬모 및 제 2 미세섬모는
    PUA, PS, PMMA 중 어느 하나로 형성된 것을 특징으로 하는 미세섬모의 인터락킹을 이용한 가역적 전기커넥터.
  8. 제 1 기판 상에 형성된 제 1 미세섬모를 가지며, 상기 제 1 미세섬모의 표면과 상기 제 1 미세섬모가 형성된 제 1 기판의 표면에 금속 박막이 형성된 제 1 연결부재;
    상기 제 1 미세섬모에 접촉하는 제 2 기판 상에 형성된 제 2 미세섬모를 가지며, 상기 제 2 미세섬모의 표면과 상기 제 2 미세섬모가 형성된 제 2 가핀의 표면에 금속 박막이 형성된 제 2 연결부재; 및
    상기 제 1 연결부재와 제 2 연결부재를 밀봉하는 씰링층을 포함하는 다기능 센서.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 씰링층은 PDMS로 형성된 것을 특징으로 하는 다기능 센서.
  10. 제 8 항에 있어서,
    상기 씰링층은 5 내지 500㎛의 두께로 형성된 것을 특징으로 하는 다기능 센서.
  11. 제 8 항에 있어서,
    상기 씰링층은 상기 제 1 연결부재와 제 2 연결부재의 측면을 커버하고, 길이방향으로 제 1 연결부재와 제 2 연결부재의 일측 말단이나 양측 말단을 제외한 상기 제 1 연결부재의 하부면과 제 2 연결부재의 상부면을 커버하도록 형성된 것을 특징으로 하는 다기능 센서.
  12. 제 8 항에 있어서,
    상기 제 1 미세섬모와 제 2 미세섬모는 50 내지 300㎚의 직경과 600㎚ 내지 5㎛의 높이로 형성되며, 상기 제 1 기판과 제 2 기판은 5 내지 50㎛의 두께로 형성된 것을 특징으로 하는 다기능 센서.
  13. 제 1 기판 상에 형성된 제 1 미세섬모의 표면과 상기 제 1 미세섬모가 형성된 제 1 기판의 표면에 금속 박막을 형성하는 단계;
    제 2 기판 상에 형성된 제 2 미세섬모의 표면과 상기 제 2 미세섬모가 형성된 제 2 기판의 표면에 금속 박막을 형성하는 단계;
    상기 제 1 미세섬모와 제 2 미세섬모가 접촉되도록 제 1 기판과 제 2 기판을 밀착시키는 단계;
    상기 제 1 기판 및 제 2 기판이 밀봉되도록 씰링층을 형성하는 단계; 및
    상기 제 1 기판 또는 제 2 기판에 0.01 내지 0.3N/㎠의 압력을 가하여 제 1 미세섬모와 제 2 미세섬모를 서로 체결시키는 단계를 포함하는 다기능 센서의 제작방법.
  14. 제 13 항에 있어서, 상기 씰링층은
    제 1 기판 및 제 2 기판의 표면에 폴리다이메틸실록산을 도포하고 산소 플라즈마를 처리하여 형성되는 것을 특징으로 하는 다기능 센서의 제작방법.
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