WO2017078335A1 - 압력 센서 및 이를 구비하는 복합 소자 - Google Patents

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WO2017078335A1
WO2017078335A1 PCT/KR2016/012302 KR2016012302W WO2017078335A1 WO 2017078335 A1 WO2017078335 A1 WO 2017078335A1 KR 2016012302 W KR2016012302 W KR 2016012302W WO 2017078335 A1 WO2017078335 A1 WO 2017078335A1
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WO
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piezoelectric
pressure sensor
layer
piezoelectric layer
electrodes
Prior art date
Application number
PCT/KR2016/012302
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English (en)
French (fr)
Inventor
박인길
노태형
정준호
Original Assignee
주식회사 모다이노칩
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Publication date
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L1/00—Measuring force or stress, in general
    • G01L1/14—Measuring force or stress, in general by measuring variations in capacitance or inductance of electrical elements, e.g. by measuring variations of frequency of electrical oscillators
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L1/00—Measuring force or stress, in general
    • G01L1/16—Measuring force or stress, in general using properties of piezoelectric devices
    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F3/00—Input arrangements for transferring data to be processed into a form capable of being handled by the computer; Output arrangements for transferring data from processing unit to output unit, e.g. interface arrangements
    • G06F3/01—Input arrangements or combined input and output arrangements for interaction between user and computer
    • G06F3/03—Arrangements for converting the position or the displacement of a member into a coded form
    • G06F3/041—Digitisers, e.g. for touch screens or touch pads, characterised by the transducing means

Definitions

  • the present invention relates to a pressure sensor, and more particularly to a piezoelectric pressure sensor and a composite device having the same.
  • a keyboard is widely used as a means for an interface between a device and a user in a device such as a PC or a network terminal.
  • Most keyboards have a mechanical configuration, where a spring and a switch are installed under a key made of an injection molding to overcome the elastic force of the spring by allowing the user to strike the key with a certain strength so that the switch is operated so that key input can be made.
  • a keyboard using a touch panel method has technical means for detecting and recognizing whether a human body (finger) or a pen is in contact with the human body current or a pressure or temperature change.
  • an input device of a method of sensing contact with a human body or a pen by using a change in pressure has been in the spotlight.
  • a piezoelectric pressure sensor using a piezoelectric body there is a piezoelectric pressure sensor using a piezoelectric body. That is, a pressure sensor is implemented using a piezoelectric material having a predetermined thickness formed using piezoelectric ceramic powder.
  • a sensing error occurs due to a low piezoelectric characteristic and a low output value.
  • a sensing error occurs due to an irregular voltage output due to irregular mixing of the piezoelectric powder.
  • the piezoelectric body using the piezoelectric ceramic powder has a weak brittleness, which makes it difficult to apply the piezoelectric material using the same to various devices.
  • the present invention provides a pressure sensor that can improve the sensing error and brittleness.
  • the present invention provides a composite device having a pressure sensor in which at least one component different in function from the pressure sensor is integrated.
  • Pressure sensors are provided spaced apart from each other, each of the first and second electrode layer having a first electrode and a second electrode facing each other; And a piezoelectric layer provided between the first and second electrode layers, wherein the piezoelectric layer is provided with a plurality of plate-like piezoelectric bodies in the polymer.
  • the piezoelectric bodies are arranged in plural in one direction and in other directions crossing each other in the horizontal direction, and plural in the vertical direction.
  • the piezoelectric body is provided at a density of 30% to 99%.
  • the piezoelectric body is a single crystal.
  • the piezoelectric body is an oriented raw material composition formed of a piezoelectric material having a perovskite crystal structure, and distributed in the oriented raw material composition, wherein ABO 3 (A is a divalent metal element and B is a tetravalent metal element) is generally used.
  • a seed composition formed of an oxide having the formula.
  • Pressure sensors are provided spaced apart from each other, each of the first and second electrode layer having a first electrode and a second electrode facing each other; A piezoelectric layer provided between the first and second electrode layers; And a plurality of cutouts formed in the piezoelectric layer to have a predetermined width and depth.
  • the cutout is formed to a depth of 50% to 100% of the thickness of the piezoelectric layer.
  • the cutout is formed so that at least one of the cutouts corresponds to the gap between the first and second electrodes arranged in plural at predetermined intervals.
  • the piezoelectric layer is single crystal.
  • the piezoelectric layer is an orientation raw material composition formed of a piezoelectric material having a perovskite crystal structure, and distributed in the orientation raw material composition, wherein ABO 3 (A is a divalent metal element and B is a tetravalent metal element).
  • a seed composition formed of an oxide having the general formula.
  • a composite device includes a pressure sensor according to one aspect and another aspect and at least one functional portion having a function different from that of the pressure sensor.
  • the function unit a piezoelectric element provided on one side of the pressure sensor; And a diaphragm provided at one side of the piezoelectric element.
  • the piezoelectric element is used as a piezoelectric vibrator or piezoelectric acoustic device according to the signal applied.
  • the function unit is provided on one side of the pressure sensor, and includes at least one of NFC, WPC, and MST each having at least one antenna pattern.
  • the function unit includes a piezoelectric element provided on one surface of the pressure sensor, a vibration plate provided on one surface of the piezoelectric element, and at least one of NFC, WPC, and MST provided on the other surface of the pressure sensor or one surface of the vibration plate.
  • the fingerprint sensor may be electrically connected to the pressure sensor to detect a fingerprint by measuring a difference in acoustic impedance generated by an ultrasonic signal at a valley and a floor of the fingerprint from the pressure sensor.
  • a piezoelectric layer is formed between the first and second electrode layers spaced apart from each other, and the piezoelectric layer may be provided with a plurality of single crystal plate-shaped piezoelectric bodies.
  • the piezoelectric layer may have an incision formed in a unit cell, and an elastic layer may be further formed in the incision.
  • the piezoelectric layer may have flexible characteristics.
  • the pressure sensor of the present invention may be integrated with a piezoelectric element that functions as a piezoelectric acoustic element or a piezoelectric vibrating element, or may be integrated with NFC, WPC, and MST. It may also be used as a fingerprint recognition sensor.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view of a pressure sensor according to a first embodiment of the present invention.
  • FIGS 2 and 3 are schematic views of the first and second electrode layers of the pressure sensor.
  • FIG. 4 is a sectional view of a pressure sensor according to a second embodiment of the present invention.
  • 5 and 6 are plan and cross-sectional photographs of a pressure sensor according to a second embodiment of the present invention.
  • FIG. 7 is a sectional view of a pressure sensor according to a third embodiment of the present invention.
  • FIGS. 8 to 13 are views illustrating a pressure sensor integrated composite device according to various embodiments of the present disclosure.
  • FIG. 13 is a block diagram of a fingerprint recognition sensor using a pressure sensor according to the present invention.
  • FIG. 14 is a sectional view of a pressure sensor according to a modification of the present invention.
  • FIGS. 2 and 3 are schematic views of first and second electrode portions of the pressure sensor.
  • a pressure sensor may include piezoelectric elements provided between first and second electrode parts 100 and 200 spaced apart from each other, and first and second electrode parts 100 and 200.
  • Layer 300 the piezoelectric layer 300 may be provided with a plurality of plate-like piezoelectric body 310 having a predetermined thickness.
  • the first and second electrode layers 100 and 200 are spaced apart by a predetermined interval in the thickness direction (that is, the vertical direction), and the piezoelectric layer 300 is provided therebetween.
  • the first and second electrode layers 100 and 200 are formed on the first and second support layers 110 and 120 and the first and second support layers 110 and 210, respectively. It may include. That is, the first and second support layers 110 and 210 are formed to be spaced apart from each other by a predetermined interval, and the first and second electrodes 120 and 220 are formed on surfaces facing each other. In this case, the first and second electrodes 120 and 220 are formed in contact with the piezoelectric layer 300.
  • the pressure sensor may be implemented by stacking the first support layer 110, the first electrode 120, the piezoelectric layer 300, the second electrode 220, and the second support layer 210 in the thickness direction from the lower side.
  • the first and second support layers 110 and 210 support the first and second electrodes 120 and 220 so that the first and second electrodes 120 and 220 are formed on one surface thereof.
  • the first and second support layers 110 and 210 may be provided in a plate shape having a predetermined thickness.
  • the first and second support layers 110 and 210 may be provided in a film form to have flexible characteristics.
  • first and second support layers 110 and 210 liquid polymers such as silicon, urethane, and polyurethane may be used, and liquid photocurable monomers and oligomers may be used. ) And photopolymers using photoinitiate and additives.
  • the first and second support layers 110 and 210 may be transparent or opaque in some cases.
  • the first and second electrodes 120 and 220 may be formed of a transparent conductive material such as indium tin oxide (ITO) or antimony tin oxide (ATO).
  • the first and second electrodes 120 and 220 may be formed of a transparent conductive material other than such a material, or may be formed of an opaque conductive material such as silver (Ag), platinum (Pt), copper (Cu), or the like. have.
  • the first and second electrodes 120 and 220 may be formed to cross each other.
  • the first electrode 120 may be formed in one direction to have a predetermined width, and the first electrode 120 may be formed to be spaced apart from each other by a predetermined interval.
  • the second electrode 220 may be formed in another direction orthogonal to one direction to have a predetermined width, and the second electrode 220 may be formed to be spaced apart at a predetermined interval in one direction orthogonal to the other direction. That is, the first and second electrodes 120 and 220 may be formed in directions perpendicular to each other as shown in FIG. 2.
  • the first electrode 120 is formed to a predetermined width in the horizontal direction, which is arranged in a plurality of spaced apart a predetermined interval in the vertical direction
  • the second electrode 220 is formed to a predetermined width in the vertical direction, which is predetermined in the thin direction A plurality of spaced apart may be arranged.
  • the widths of the first and second electrodes 120 and 220 may be greater than or equal to the gap therebetween.
  • the widths of the first and second electrodes 120 and 220 may be narrower than the gap therebetween, but the width is preferably larger than the gap.
  • the ratio of the width and the spacing of the first and second electrodes 120 and 220 may be 10: 1 to 0.5: 1. That is, when the interval is 1, the width may be 10 to 0.5.
  • the first and second electrodes 120 and 220 may be formed in various shapes in addition to these shapes. For example, as shown in FIG.
  • one of the first and second electrodes 120 and 220 is formed on the support layer as a whole, and the other is a substantially rectangular shape having a predetermined width and spacing in one direction and the other direction. It may be formed in a plurality of patterns. That is, the plurality of first electrodes 120 may be formed in a substantially rectangular pattern, and the second electrodes 220 may be entirely formed on the second support layer 120. Of course, in addition to the square, a variety of patterns, such as a circle, a polygon is possible. In addition, one of the first and second electrodes 120 and 220 may be formed on the support layer as a whole, and the other may be formed in a grid shape extending in one direction and the other direction.
  • the first and second electrodes 120 and 220 may be formed to have a thickness of, for example, 0.1 ⁇ m to 10 ⁇ m, and the first and second electrodes 120 and 220 may have an interval of, for example, 1 ⁇ m to 500 ⁇ m. It can be formed as.
  • the first and second electrodes 120 and 220 may be in contact with the piezoelectric layer 300.
  • the first and second electrodes 120 and 220 may be kept spaced apart from the piezoelectric layer 300 by a predetermined distance, and when a predetermined pressure, for example, a user's touch input is applied, the first and second electrodes ( At least one of the 120 and 220 may be in contact with the piezoelectric layer 300 locally. In this case, the piezoelectric layer 300 may be compressed to a predetermined depth.
  • the piezoelectric layer 300 is provided to have a predetermined thickness between the first and second electrode layers 100 and 200, and may be provided to have a thickness of, for example, 10 ⁇ m to 500 ⁇ m.
  • the piezoelectric layer 300 may be formed using a substantially rectangular plate-like piezoelectric body 310 and a polymer 320 having a predetermined thickness. That is, a plurality of plate-shaped piezoelectric bodies 310 may be provided in the polymer 320 to form the piezoelectric layer 300.
  • the piezoelectric body 310 may be formed using, for example, PZT (Pb, Zr, Ti), NKN (Na, K, Nb), or BNT (Bi, Na, Ti) -based piezoelectric materials.
  • the piezoelectric material 310 may be formed of various piezoelectric materials, such as barium titanate, lead titanate, lead zirconate titanate, potassium niobate, and lithium niobate. (lithium niobate), lithium tantalate, sodium tungstate, zinc oxide, potassium niobate, potassium sodium niobate, bismuth ferrite, sodium niobate niobate), bismuth titanate, and the like.
  • the piezoelectric body 310 may be formed of a fluoride polymer or a copolymer thereof.
  • the predetermined plate-shaped piezoelectric body 310 may be formed in a substantially rectangular plate shape having a predetermined length and a predetermined thickness in one direction and the other direction orthogonal thereto.
  • the piezoelectric body 310 may be formed in a size of 3 ⁇ m to 5000 ⁇ m.
  • the piezoelectric body 310 may be arranged in plural in one direction and in the other direction. That is, a plurality of layers may be arranged in a thickness direction (ie, a vertical direction) between the first and second electrode layers 100 and 200 and in a plane direction (ie, a horizontal direction) orthogonal thereto.
  • the piezoelectric body 310 may be arranged in at least two layers or more in the thickness direction, for example, may be formed in a five-layer structure, but the number of layers is not limited. Various methods may be used to form the piezoelectric body 310 in a plurality of layers in the polymer 320.
  • the piezoelectric layer 300 may be formed by forming a piezoelectric layer having a predetermined thickness on the polymer layer having a predetermined thickness and stacking a plurality of piezoelectric layers.
  • the piezoelectric layer may be formed by arranging plate-shaped piezoelectric plates at predetermined intervals on the polymer layer having a thickness thinner than that of the piezoelectric layer 300, and may be stacked in plural to form the piezoelectric layer 300.
  • the piezoelectric layer 300 in which the piezoelectric body 310 is formed in the green and polymer 320 may be formed in various ways.
  • the piezoelectric body 310 is preferably the same size and spaced apart at equal intervals.
  • the piezoelectric body 310 may be provided at least two or more sizes and at least two or more intervals.
  • the piezoelectric body 310 may be formed at a density of 30% to 99%, and is preferably provided at the same density in all regions. However, the piezoelectric body 310 may be provided so that at least one region has a density of 60% or more. For example, if at least one region of the piezoelectric body 310 has a density of about 65% and at least another region has a density of 90%, a larger voltage may be generated in a high density region, but at a density of 60% or more. When having a can sufficiently sense the voltage generated in the piezoelectric layer in the control unit.
  • the piezoelectric body 310 according to an embodiment of the present invention is formed in a single crystal form and thus has excellent piezoelectric characteristics.
  • the piezoelectric body 310 in the form of a plate compared to the case of using a conventional piezoelectric powder, the piezoelectric properties are excellent, and thus pressure can be detected even by a fine touch, thereby preventing errors in the touch input.
  • the polymer 320 may include one or more selected from the group consisting of epoxy, polyimide, and liquid crystal crystalline polymer (LCP), but is not limited thereto.
  • the polymer 320 may be made of a thermosetting resin. Examples of thermosetting resins include Novolac Epoxy Resin, Phenoxy Type Epoxy Resin, BPA Type Epoxy Resin and BPF Type Epoxy Resin.
  • Hydrogenated BPA Epoxy Resin, Dimer Acid Modified Epoxy Resin, Urethane Modified Epoxy Resin, Rubber Modified Epoxy Resin and DC It may include one or more selected from the group consisting of PDPD type epoxy resin (DCPD Type Epoxy Resin).
  • the piezoelectric material 310 is an orientation raw material composition formed of a piezoelectric material having a perovskite crystal structure, distributed in the orientation raw material composition, ABO 3 (A is a divalent metal element, B is a tetravalent metal element)
  • the orientation raw material composition may use a composition in which a material having a crystal structure different from the perovskite crystal structure forms a solid solution.
  • PbTiO 3 [PT] having a tetragonal structure and PbZrO having a rhombohedral structure PZT-based material in which 3 [PZ] forms a solid solution can be used.
  • the orientation raw material composition is Pb (Ni, Nb) O 3 [PNN], Pb (Zn, Nb) O 3 [PZN] and Pb (Mn, Nb) O 3 [PMN] as a relaxer in PZT-based materials. ] Can be used to improve the properties of the PZT-based material.
  • the PZN-based material and the PNN-based material may be used as the relaxer to form a PZNN-based material having high piezoelectric properties, low dielectric constant, and ease of sintering as a relaxer.
  • An orientation raw material composition employing a PZNN-based material as a relaxer in the PZT-based material is (1-x) Pb (Zr 0.47 Ti 0.53 ) O 3 -xPb ((Ni 1-y Zn y ) 1/3 Nb 2/3 ) It may have a composition formula of O 3 .
  • x may have a value in the range of 0.1 ⁇ x ⁇ 0.5, preferably may have a value in the range of 0.30 ⁇ x ⁇ 0.32, and most preferably may have a value of 0.31.
  • y may have a value in the range of 0.1 ⁇ y ⁇ 0.9, preferably a value in the range of 0.39 ⁇ y ⁇ 0.41, and most preferably may have a value of 0.40.
  • the orientation raw material composition may use a lead-free piezoelectric material containing no lead (Pb). Such a piezoelectric material is associated non-Bi 0 .5 K 0. 5 TiO 3 , Bi 0.5 Na 0.5 TiO 3, K 0. 5 Na 0.
  • Seed composition is formed of an oxide having a general formula of ABO 3,
  • ABO 3 is made of an oxide having a perovskite (perovskite) the structure of the plate-like having an orientation
  • A is a bivalent metal element
  • B is quadrivalent It consists of a metal element.
  • Oxide composition that is formed of an oxide having a general formula of ABO 3 may include CaTiO 3, BaTiO 3, SrTiO 3 , PbTiO 3 , and Pb, at least one of (Ti, Zr) O 3.
  • the seed composition may be included in a volume ratio of 1 vol% to 10 vol% with respect to the orientation raw material composition.
  • the effect of improving the crystal orientation by the seed composition is insignificant, and when it is included in excess of 10 vol%, the piezoelectric performance of the piezoelectric ceramic sintered compact is lowered.
  • the piezoelectric ceramic composition including the orientation raw material composition and the seed composition as described above is grown with the same orientation as the seed composition by a templated grain growth (TGG). That is, the piezoelectric ceramic sintered body is, for example, BaTiO 3 in the orientation raw material composition having a composition formula of 0.69Pb (Zr 0.47 Ti 0.53 ) O 3 -0.31Pb ((Ni 0.6 Zn 0.4 ) 1/3 Nb 2/3 ) O 3 .
  • TGG templated grain growth
  • a piezoelectric ceramic sintered body By adding a seed composition that improves crystal orientation to the orientation raw material composition and sintering the same, a piezoelectric ceramic sintered body can be manufactured, thereby maximizing the displacement amount according to the electric field and remarkably improving the piezoelectric properties.
  • the piezoelectric layer 300 is formed between the first and second electrode layers 100 and 200 spaced apart from each other, and the piezoelectric layer 300 has a predetermined single crystal.
  • a plurality of plate-shaped piezoelectric elements 310 may be provided.
  • PZT lead zirconatetita-nate ceramic
  • PZT has been in use for more than 80 years to date and has not been improved at this level.
  • Single crystal is a new material developed to meet these demands, and is a new material that can improve the performance of application devices by improving the physical properties of PZT ceramics.
  • a piezoelectric constant (d 33 ) of 2 times or more can be obtained, and the electromechanical coupling coefficient is also large and exhibits excellent piezoelectric properties.
  • piezoelectric single crystals can produce clearer images with ultrasonic vibrators, such as medical and non-destructive inspections and fish group detection, compared to conventional polycrystalline ceramics. It is more responsive and more compact than a high precision control actuator such as a positioning device and an anti-shake device.
  • the solid-state single crystal growth method Bridgman method, salt melting method, etc. can be used.
  • the piezoelectric layer can be formed by printing or molding.
  • FIG. 4 is a cross-sectional view of the pressure sensor according to the second embodiment of the present invention.
  • 5 and 6 are plan and cross-sectional photographs of the piezoelectric layer of the pressure sensor according to the second embodiment of the present invention.
  • the pressure sensor according to the second embodiment of the present invention may be disposed between the first and second electrode layers 100 and 200 spaced apart from each other, and the first and second electrode layers 100 and 200. It includes a piezoelectric layer 300 provided.
  • the piezoelectric layer 300 may be formed of a piezoelectric ceramic having a predetermined thickness. That is, in one embodiment of the present invention, the piezoelectric layer 300 has a plate-like piezoelectric body 310 formed in the polymer 320, but in another embodiment of the present invention, the piezoelectric layer 300 having a predetermined thickness using piezoelectric ceramics. ) Can be formed.
  • the piezoelectric layer 300 may use the same material as the piezoelectric body 310.
  • the piezoelectric layer 300 may be formed at a predetermined width and interval in one direction and the other direction opposite thereto. That is, the piezoelectric layer 300 may have a cutout 330 formed at a predetermined depth and may be separated in a plurality of widths and intervals.
  • the cutout 330 may include a plurality of first cutouts having a predetermined width in one direction, and a plurality of second cutouts having a predetermined width in another direction perpendicular to the cutouts 330. Therefore, the piezoelectric layer 300 may be divided into a plurality of unit cells having a predetermined width and spacing, as shown in FIGS. 5 and 6, by the plurality of first and second cutouts, respectively.
  • the entire thickness of the piezoelectric layer 300 may be cut, or a thickness of 50% to 95% of the total thickness may be cut. That is, the piezoelectric layer 300 may have an absolute thickness, or 50% to 95% of the total thickness may be cut to form an incision. As the piezoelectric layer 300 is cut in this manner, the piezoelectric layer 300 has a predetermined flexible characteristic. In this case, the piezoelectric layer 300 may be cut to have, for example, a size of about 10 ⁇ m to about 5000 ⁇ m and an interval of about 1 ⁇ m to about 300 ⁇ m.
  • the unit cell may have a size of about 10 ⁇ m to about 5000 ⁇ m and have an interval of about 1 ⁇ m to about 300 ⁇ m.
  • the first and second cutouts of the piezoelectric layer 300 may correspond to gaps between the electrodes of the first and second electrode layers 100 and 200. That is, the first cutout may be formed to correspond to the gap of the first electrode of the first electrode layer 100, and the second cutout may be formed to correspond to the gap of the second electrode of the second electrode layer 200.
  • the spacing of the electrode layer and the spacing of the cut may be the same, the spacing of the electrode layer may be larger or smaller than the spacing of the cut.
  • the piezoelectric layer 300 may be cut by a method such as laser, dicing, or blade cut to form an incision.
  • the piezoelectric layer 300 may be formed by cutting in a green bar state by a laser, dicing, blade cut, etc. to form a cutout, and then performing a firing process.
  • FIG. 7 is a cross-sectional view of a pressure sensor according to a third embodiment of the present invention.
  • the pressure sensor according to the third embodiment of the present invention is provided between the first and second electrode layers 100 and 200 spaced apart from each other and the first and second electrode layers 100 and 200.
  • the piezoelectric layer 300 having the plurality of cutouts 330 formed in the direction and the other direction, and the elastic layer 400 formed on the cutouts 330 of the piezoelectric layer 300 may be included.
  • the cutout 330 may be formed over the entire thickness of the piezoelectric layer 300, and may be formed to have a predetermined thickness. That is, the cutout 330 may be formed to a thickness of 50% to 100% of the thickness of the piezoelectric layer 300.
  • the piezoelectric layer 300 may be separated by unit cuts 330 in one direction and the other by the cutout 330, and may be separated into unit cells, and an elastic layer 400 may be formed between the unit cells.
  • the elastic layer 400 may be formed using an elastic polymer, silicon, or the like. Since the piezoelectric layer 300 is cut and the elastic layer 400 is formed, the piezoelectric layer 300 may have a higher flexibility than other embodiments of the present invention in which the elastic layer 400 is not formed. That is, when the cutout 330 is formed in the piezoelectric layer 300 but the elastic layer is not formed, the flexible property of the piezoelectric layer 300 may be limited, but the piezoelectric layer 300 is cut in all and the elastic layer 400 is formed. By forming this, flexible characteristics can be improved to the extent that the piezoelectric layer 300 can be rolled up. Of course, the elastic layer 400 may be formed to fill the cutout 330 formed at a part thickness as shown in FIGS. 4 to 6 without forming the cutout 330 in the entire thickness of the piezoelectric layer 300. It may be.
  • the pressure sensor according to the embodiments of the present invention may be implemented as a composite device in combination with a haptic device, piezoelectric buzzer, piezoelectric speaker, NFC, WPC and MST (Magnetic Secure Transmission).
  • the pressure sensor according to embodiments of the present invention may be used as a fingerprint recognition sensor. That is, the pressure sensor according to the embodiments of the present invention may be combined with a functional part having a different function to implement a composite device. 8 to 10 illustrate a composite device including the piezoelectric pressure sensor according to the present invention.
  • the pressure sensor 1000 may use any structure of various embodiments of the present invention described with reference to FIGS. 1, 4, and 7.
  • a piezoelectric element 2000 may be formed on the diaphragm 3000, and a pressure sensor 1000 according to embodiments of the present invention may be provided thereon.
  • the piezoelectric element 2000 may be formed of a bimorph type having piezoelectric layers formed on both surfaces of the substrate, or may be formed of a unimorph type having piezoelectric layers formed on one surface of the substrate.
  • the piezoelectric layer may be formed by laminating at least one layer.
  • the piezoelectric layer may be formed by laminating a plurality of piezoelectric layers.
  • electrodes may be formed on upper and lower portions of the piezoelectric layer, respectively. That is, the piezoelectric element 2000 may be implemented by alternately stacking a plurality of piezoelectric layers and a plurality of electrodes.
  • the piezoelectric layer may be formed of the same material as the piezoelectric layer 300, for example, PZT (Pb, Zr, Ti), NKN (Na, K, Nb), or BNT (Bi, Na, Ti) -based piezoelectric materials. Can be formed.
  • the piezoelectric layers may be formed by being polarized in different directions or in the same direction. That is, when a plurality of piezoelectric layers are formed on one surface of the substrate, each piezoelectric layer may be alternately formed with polarizations in opposite directions or in the same direction.
  • the substrate may use a material having a characteristic that can generate vibration while maintaining a structure in which the piezoelectric layer is laminated, for example, a metal, a plastic, or the like may be used.
  • an electrode pattern (not shown) to which a driving signal is applied may be formed in at least one region.
  • the electrode pattern may be provided at an edge of the upper surface or the lower surface of the piezoelectric element 2000.
  • At least two electrode patterns may be spaced apart from each other, and may be connected to a connection terminal (not shown) and connected to the electronic device.
  • an insulating film may be formed between the piezoelectric element 2000 and the vibrating plate 3000.
  • the diaphragm 3000 may be provided to have the same shape as the piezoelectric element 2000 and the pressure sensor 1000, and may be larger than the piezoelectric element 2000.
  • the piezoelectric element 2000 may be adhered to the upper surface of the diaphragm 3000 by an adhesive.
  • the diaphragm 3000 may use a metal, polymer, or pulp material.
  • the diaphragm 3000 may use a resin film, but a material having a high Young's modulus of 1 MPa to 10 GPa, such as ethylene fluoropropylene rubber or styrene butadiene rubber, may be used.
  • the diaphragm 3000 amplifies the vibration of the piezoelectric element 2000.
  • the piezoelectric element 2000 provided between the diaphragm 3000 and the pressure sensor 1000 may be driven by a piezoelectric acoustic element or a piezoelectric vibrating element according to a signal applied through an electronic device, that is, an AC power source. That is, the piezoelectric element 2000 may be used as an actuator for generating a predetermined vibration, that is, a haptic element according to an applied signal, or may be used as a piezoelectric buzzer or a piezoelectric speaker for generating a predetermined sound.
  • the pressure sensor 1000 and the piezoelectric element 2000 may be adhered by an adhesive or the like, or may be integrally formed.
  • the pressure sensor 1000 may have the structure described with reference to FIGS. 4 and 7. That is, a portion in which a plurality of piezoelectric layers and electrodes are repeatedly stacked, a second electrode is formed on the upper portion thereof, the piezoelectric layer 300 is formed on the upper portion thereof, and the first electrode may be formed on the upper portion thereof.
  • the second electrode may be patterned and formed, and the piezoelectric layer 300 may be cut in a predetermined cell unit by a plurality of cutouts, and the first electrode may be patterned thereon.
  • a predetermined resonance space is preferably provided between the piezoelectric element 2000 and the pressure sensor 1000. That is, as illustrated in FIG. 9, a support 4000 having a predetermined thickness may be provided at an edge between the piezoelectric element 2000 and the pressure sensor 1000.
  • the support 4000 may use a polymer.
  • the size of the resonance space between the piezoelectric element 2000 and the pressure sensor 1000 may be adjusted according to the height of the support 4000.
  • the support 4000 may be formed by forming an adhesive tape along edges of the piezoelectric element 2000 and the pressure sensor 1000.
  • not only the first support 4100 is formed at the edge between the piezoelectric element 2000 and the pressure sensor 1000 but also the second support between the piezoelectric element 2000 and the diaphragm 3000. 4200 may be provided to provide a predetermined resonance space.
  • 11 and 12 are an exploded perspective view and a combined perspective view of a composite device including NFC and WPC as an embodiment of a composite device having a pressure sensor according to the present invention.
  • the pressure sensor can be combined with NFC, WPC and MST, respectively, and these NFC, WPC and MST can be made in a predetermined antenna pattern.
  • the first sheet 5000 provided on one surface of the pressure sensor 1000 and the first antenna pattern 5100 is formed, and the upper or lower portion or the same surface of the first sheet 5000. It may include a second sheet 6000 provided in the second antenna pattern 6100 and the third antenna pattern 6200.
  • the first antenna pattern 5100 of the first sheet 5000 and the second antenna pattern 6100 of the second sheet 6000 are connected to each other to form a wireless power charge (WPC) antenna.
  • WPC wireless power charge
  • the third antenna pattern 6200 of the sheet 6000 is formed outside the second antenna pattern 6100 to form a near field communication (NFC) antenna. That is, the composite device module according to the present invention may be provided with a pressure sensor, a WPC antenna and an NFC antenna integrated.
  • the first sheet 5000 is provided on one surface of the pressure sensor 1000, and a first antenna pattern 5100 is formed on the first sheet 5000.
  • the first sheet 5000 may include first and second drawing patterns 5200a and 5200b connected to the first antenna pattern 5100 and drawn out to the outside, and a third antenna pattern formed on the second sheet 6000.
  • a plurality of connection patterns 5310, 5320, and 5330 connecting the 6200 and third and fourth drawing patterns 5400a and 5400b connected to the third antenna pattern 6200 and drawn out are formed.
  • the first sheet 5000 may be provided in the same shape as the pressure sensor 1000. That is, the first sheet 5000 may be provided in a substantially rectangular plate shape.
  • the thickness of the first sheet 5000 may be the same as or different from the thickness of the pressure sensor 1000.
  • the first antenna pattern 5100 may be formed in a predetermined number of turns by rotating in a direction from, for example, a central portion of the first sheet 5000.
  • the first antenna pattern 5100 may have a predetermined width and spacing, and may be formed in a spiral that rotates outward in a counterclockwise direction.
  • the line width and spacing of the first antenna pattern 5100 may be the same or different. That is, the line width of the first antenna pattern 5100 may be larger than the interval.
  • an end of the first antenna pattern 5100 is connected to the first lead pattern 5200a.
  • the first drawing pattern 5200a is formed to have a predetermined width to be exposed to one side of the first sheet 5000.
  • the first drawing pattern 5200a is formed to extend in the long side direction of the first sheet 5000 to be exposed to one short side of the first sheet 5000.
  • the second drawing pattern 5200b is spaced apart from the first drawing pattern 5200a and is formed in the same direction as the first drawing pattern 5200a.
  • the second lead pattern 5200b is connected to the second antenna pattern 6100 formed on the second sheet 6000.
  • the second lead pattern 5200b may be longer than the first lead pattern 5200a.
  • a plurality of connection patterns 5310, 5320, and 5330 are provided to connect the third antenna pattern 6200 formed on the second sheet 6000.
  • the third antenna pattern 6200 is formed in, for example, a semicircular shape in which at least two regions are broken, and a plurality of connection patterns 5210, 5220, and 5230 are formed on the first sheet 5000 to connect them to each other. do.
  • the connection pattern 5210 is formed in a region between the first drawing patterns 5200a in a predetermined width and length in one short side direction.
  • the connection patterns 5220 and 5230 are formed at positions opposite to the connection pattern 5210 in the long side direction, that is, on the other short side where the first and second drawing patterns 5200a and 5200b are not formed, and are not exposed to the other short side. Without a predetermined width and length along the other short side direction.
  • connection patterns 5220 and 5230 are formed to be spaced apart from each other.
  • the third and fourth lead-out patterns 5400a and 5400b are formed to be spaced apart from the second lead-out pattern 5200b and exposed to one short side.
  • through holes 5500a and 5500b are formed to be spaced apart from regions in which the extraction patterns 5200 and 5400 on which the extraction patterns 5200 and 5400 are formed are not formed.
  • the drawing patterns 5200 and 5400 may be connected to a connection terminal (not shown), and thus may be connected to an electronic device.
  • the first sheet 5000 may be made of magnetic ceramic.
  • the first sheet 5000 may be formed using NiZnCu or NiZn-based magnetic material.
  • the NiZnCu-based magnetic sheet may be mixed with Fe 2 O 3 , ZnO, NiO, CuO as a magnetic material, Fe 2 O 3 , ZnO, NiO and CuO may be mixed in a ratio of 5: 2: 2: 1. have.
  • the first sheet 5000 is made of magnetic ceramic, the interference of electromagnetic waves may be suppressed by shielding or absorbing electromagnetic waves generated from the WPC antenna and the NFC antenna.
  • the second sheet 6000 is provided on the first sheet 5000, and the second antenna pattern 6100 and the third antenna pattern 6200 are spaced apart from each other.
  • a plurality of holes 6310, 6320, 6330, 6340, 6350, 6360, 6370, and 6380 are formed in the second sheet 6000.
  • the second sheet 6000 may be provided in the same shape as the pressure sensor 1000 and the first sheet 5000. That is, the second sheet 6000 may be provided in a substantially rectangular plate shape.
  • the thickness of the second sheet 6000 may be the same as or different from the thickness of the pressure sensor 1000 and the first sheet 5000. That is, the second sheet 6000 may be thinner than the pressure sensor 1000 and may have the same thickness as the first sheet 5000.
  • the second antenna pattern 6100 may be formed at a predetermined number of turns by rotating in a direction from, for example, a central portion of the second sheet 6000.
  • the second antenna pattern 6100 has a predetermined width and spacing and may be formed in a spiral that rotates outward in a clockwise direction. That is, the first antenna pattern 5100 formed in the first sheet 5000 is formed in a spiral starting from the same region and rotates in a clockwise direction, and the second drawing pattern 5200b formed on the first sheet 5000 is formed in a spiral shape. It may be formed up to an overlapping area.
  • the line width and spacing of the second antenna pattern 6100 may be the same as the line width and spacing of the first antenna pattern 5100, and the second antenna pattern 6100 and the first antenna pattern 5100 may overlap. have. Holes 6310 and 6320 are formed at the start and end points of the second antenna pattern 6100, and conductive materials are filled in the holes 6310 and 6320. Therefore, the start point of the second antenna pattern 6100 is connected to the start point of the first antenna pattern 5100 through the hole 6310, and the end point of the second antenna pattern 6100 is second drawn through the hole 6320. It is connected to a predetermined region of the pattern 5200b.
  • the third antenna pattern 6200 is formed to be spaced apart from the second antenna pattern 6100 and is formed with a plurality of turns along the edge of the second sheet 6000. That is, the third antenna pattern 6200 is provided to surround the second antenna pattern 6100 from the outside. In this case, the third antenna pattern 6200 is formed in a shape broken in a predetermined region on the second sheet 6000. That is, the third antenna pattern 6200 may not be formed of a plurality of turns connected to each other, but may be formed in a form in which the third antenna pattern 6200 is disconnected in at least two regions and is not electrically connected to each other on the second sheet 6000.
  • the plurality of holes 6330, 6340, 6350, 6360, 6370, and 6380 are formed between the third antenna patterns 6200 that are broken in this way.
  • the plurality of holes 6330, 6340, 6350, 6360, 6370, and 6380 are filled with a conductive material and connected to the connection patterns 5310, 5320, and 5330 of the first sheet 5000, respectively. Therefore, although the third antenna pattern 6200 is formed in a cut shape in at least two regions, the connection patterns 5310, 5320, and the plurality of holes 6330, 6340, 6350, 6360, 6370, 6380, and the first sheet 5000 may be formed. 5330 may be electrically connected to each other.
  • a plurality of through holes 6410 and 6420 are formed in the second sheet 6000 to expose the through holes 5500a and 5500b of the first sheet 5000 and the plurality of extraction patterns 5200 and 5400, respectively.
  • four through holes 6420 may be formed to expose a plurality of first sheets 5000, that is, four drawing patterns 5200 and 5400.
  • the second sheet 6000 may be made of a material different from that of the first sheet 5000.
  • the second sheet 6000 may be made of a nonmagnetic ceramic, and may be manufactured using a low temperature co-fired ceramic (LTCC).
  • LTCC low temperature co-fired ceramic
  • the antenna patterns 5100, 6100, 6200, the drawing patterns 5200, 5400, and the connection patterns 5310, 5320, and 5330 are formed using copper foil or a conductive paste.
  • the paste can be printed on the sheet by various printing methods.
  • conductive particles of the conductive paste gold (Au), silver (Ag), nickel (Ni), copper (Cu), palladium (Pd), silver coated copper (Ag coated Cu), silver coated nickel (Ag coated Ni), Nickel coated copper, metal particles of nickel coated graphite and carbon nanotubes, carbon black, graphite, silver coated graphite, and the like may be used. have.
  • the conductive paste is a substance in which the conductive particles are evenly dispersed in an organic binder having fluidity, and is applied onto a sheet by a method such as printing to exhibit electrical conductivity by heat treatment such as drying, curing, and baking.
  • a printing method roll-to-roll printing, inkjet printing, or the like, such as flat panel printing such as screen printing, gravure printing, or the like may be used.
  • the composite device module according to an embodiment of the present invention may be manufactured by integrating a pressure sensor, a WPC antenna, and an NFC antenna. Therefore, the pressure of the electronic device can be sensed using one module, the electronic device can be charged wirelessly, and short-range communication is possible.
  • at least one of a piezoelectric speaker, a piezoelectric actuator, a WPC antenna, an NFC antenna, and an MST antenna may be integrally manufactured including a pressure sensor.
  • a multi-function in one module it is possible to reduce the area of the area occupied by each function compared to being provided separately.
  • FIG. 13 is a block diagram of a fingerprint recognition sensor using a pressure sensor according to embodiments of the present invention.
  • 14 is a cross-sectional view of a pressure sensor according to another embodiment of the present invention.
  • a fingerprint recognition sensor using a pressure sensor includes a pressure sensor 1000 and a fingerprint detector 7000 electrically connected to the pressure sensor 1000 to detect a fingerprint. can do.
  • the fingerprint detector 7000 may include a signal generator 7100, a signal detector 7200, a calculator 7300, and the like.
  • the pressure sensor 1000 may further include a protective layer 500 as a protective coating on a surface on which a finger is placed, as shown in FIG. 14.
  • the protective layer 500 can be made of urethane or another plastic that can act as a protective coating.
  • the protective layer 500 is attached to the second electrode layer 200 using an adhesive.
  • the pressure sensor 100 may further include a support layer 600 that may be used as a support in the pressure sensor 1000.
  • the support layer 600 may be made of Teflon or the like. Of course, the support layer 600 may use other types of support materials instead of Teflon.
  • the support layer 600 may be attached to the first electrode layer 100 using an adhesive.
  • the piezoelectric layer 300 may be provided at predetermined intervals in one direction and the other direction by the cutout 330 as illustrated in FIG. 4, and illustrated in FIG. 7.
  • the elastic layer 400 may be formed in the cutout 3300. At this time, the elastic layer 400 is formed so that each vibration does not affect each other.
  • the fingerprint detector 7000 may be connected to the first and second electrodes 110 and 210 provided at upper and lower portions of the piezoelectric layer 300 of the pressure sensor 1000, respectively.
  • the fingerprint detector 7000 may generate an ultrasonic signal by applying a voltage having a resonance frequency of the ultrasonic band to the first and second electrodes 110 and 210 to vibrate the piezoelectric layer 300 up and down.
  • the signal generator 7100 is electrically connected to the plurality of first and second electrodes 110 and 210 included in the pressure sensor 1000, and applies an AC voltage having a predetermined frequency to each electrode.
  • an ultrasonic signal having a predetermined resonance frequency for example, 10 MHz is emitted to the outside.
  • a specific object may contact one surface of the pressure sensor 1000, for example, one surface of the protective layer 500.
  • the object in contact with one surface of the protective layer 500 is a finger of a person including a fingerprint
  • the pattern is determined differently. Assuming that no object is in contact with a contact surface such as one surface of the protective layer 500, almost all ultrasonic signals generated by the pressure sensor 1000 pass through the contact surface due to the difference between the contact surface and the air medium. I can't do it and come back.
  • the signal detection unit 7200 measures the acoustic impedance difference generated by the ultrasonic signal in the valley and the ridge of the fingerprint from the pressure sensor 1000 so that the corresponding area is in contact with the ridge of the fingerprint. It may be determined whether the sensor is a sensor.
  • the calculator 7300 calculates a fingerprint pattern by analyzing a signal detected by the signal detector 7200.
  • the pressure sensor 1000 generated with a low intensity of the reflected signal is a pressure sensor 1000 abutting the ridge of the fingerprint, and generated with a high intensity of the reflected signal-ideally, almost equal to the intensity of the output ultrasonic signal.
  • the pressure sensor 1000 is a pressure sensor 1000 that corresponds to a valley of the fingerprint. Therefore, the fingerprint pattern can be calculated from the difference in acoustic impedance detected in each area of the pressure sensor 1000.
  • the piezoelectric layer 300 is not formed and the first and second electrode layers 100 and 200 are spaced by a predetermined interval so that the capacitive pressure sensor can be realized. That is, at least one of an air gap, a void, or a high dielectric constant layer is formed between the first and second electrode layers 100 and 200 to adjust the distance between the first and second electrode layers 100 and 200 according to the touch pressure. The capacitance can thus be adjusted to act as a pressure sensor.
  • the high dielectric constant layer may be formed of a high dielectric material having a dielectric constant higher than that of silicon, rubber, etc., for example, 4 or more, and the high dielectric material may be formed by mixing with an insulating material such as silicon.
  • the present invention may implement a capacitive pressure sensor by mixing an air gap or void and a high dielectric constant layer. That is, at least one air gap or void may be formed in the high dielectric constant layer. Therefore, the present invention can be implemented as a piezoelectric pressure sensor and a capacitive pressure sensor. Even in the case of using the capacitive pressure sensor, the composite device described with reference to FIGS. 8 to 14 is possible. That is, at least one of a piezoelectric speaker, a piezoelectric actuator, a WPC antenna, an NFC antenna, and an MST antenna may be integrally manufactured, including a capacitive pressure sensor.

Abstract

본 발명은 서로 이격되어 마련되며 서로 대면하는 제 1 및 제 2 전극을 각각 구비하는 제 1 및 제 2 전극층과, 제 1 및 제 2 전극층 사이에 마련된 압전층을 포함하고, 상기 압전층은 판 형상의 압전체가 폴리머 내에 복수 마련된 압력 센서 및 이를 구비하는 복합 소자를 제시한다. 또한, 상기 압전체는 수평 방향으로 서로 교차하는 일 방향 및 타 방향으로 복수 배열되고, 수직 방향으로 복수 배열된다. 판 형상의 압전체를 이용함으로써 종래의 압전 분말보다 압전 특성이 우수하고, 그에 따라 미세한 압력도 용이하게 센싱할 수 있어 센싱 효율을 향상시킬 수 있다.

Description

압력 센서 및 이를 구비하는 복합 소자
본 발명은 압력 센서에 관한 것으로, 특히 압전식 압력 센서 및 이를 구비하는 복합 소자에 관한 것이다.
일반적으로, PC나 네트워크 단말기 등의 기기에서 기기와 사용자와의 인터페이스(interface)를 위한 수단으로 키보드가 널리 사용되고 있다. 대부분의 키보드는 기계적 구성을 갖추고 있는데, 사출물로 제작된 키 아래에 스프링과 스위치를 설치하여 사용자가 키를 일정한 세기로 타격함으로써 스프링의 탄성력을 극복하고 스위치가 조작되게 하여 키 입력이 이루어지도록 한다.
한편, 이러한 기계적 구성을 갖추고 있는 키보드 이외에도 터치 패널 방식을 이용한 키보드가 등장하였다. 터치 패널 방식을 이용한 키보드는 인체(손가락)나 펜과의 접촉 여부를 그 접촉에 따른 인체 전류의 감지나, 압력이나 온도 변화 등을 이용해서 감지하고 인식하는 기술 수단을 갖고 있다. 특히, 압력의 변화를 이용해서 인체나 펜과의 접촉 여부를 센싱하는 방식의 입력 장치가 각광받고 있다.
압력 센서는 다양한 방식이 있는데, 그 중에서 압전체를 이용하는 압전식 압력 센서가 있다. 즉, 압전 세라믹 분말을 이용하여 형성된 소정 두께의 압전체를 이용하여 압력 센서를 구현하였다. 그러나, 압전 분말을 이용하는 경우 압전 특성이 낮고 그에 따라 출력값이 낮아 센싱 오류가 발생되는 문제가 있다. 또한, 압전 분말의 불규칙한 혼합으로 인한 불규칙한 전압 출력으로 인해 센싱 오류가 발생되는 문제가 있다. 뿐만 아니라, 압전 세라믹 분말을 이용한 압전체는 취성이 약하여 이를 이용한 압전체를 다양한 기기에 적용하기 어려운 문제가 있다.
(선행기술문헌)
한국등록특허 제10-1094165호
본 발명은 센싱 오류 및 취성을 개선할 수 있는 압력 센서를 제공한다.
본 발명은 압력 센서와 기능이 상이한 적어도 하나의 부품이 일체화된 압력 센서를 구비하는 복합 소자를 제공한다.
본 발명의 일 양태에 따른 압력 센서는 서로 이격되어 마련되며, 서로 대면하는 제 1 및 제 2 전극을 각각 구비하는 제 1 및 제 2 전극층; 상기 제 1 및 제 2 전극층 사이에 마련된 압전층을 포함하고, 상기 압전층은 판 형상의 압전체가 폴리머 내에 복수 마련된다.
상기 압전체는 수평 방향으로 서로 교차하는 일 방향 및 타 방향으로 복수 배열되고, 수직 방향으로 복수 배열된다.
상기 압전체는 30% 내지 99%의 밀도로 마련된다.
상기 압전체는 단결정이다.
상기 압전체는 페로브스카이트(perovskite) 결정 구조를 가지는 압전 물질로 형성되는 배향 원료 조성물과, 상기 배향 원료 조성물 내에 분포하며 ABO3(A는 2가의 금속 원소, B는 4가의 금속 원소)의 일반식을 가지는 산화물로 형성되는 시드 조성물을 포함한다.
본 발명의 다른 양태에 따른 압력 센서는 서로 이격되어 마련되며, 서로 대면하는 제 1 및 제 2 전극을 각각 구비하는 제 1 및 제 2 전극층; 상기 제 1 및 제 2 전극층 사이에 마련된 압전층; 및 상기 압전층에 소정의 폭 및 깊이로 형성된 복수의 절개부를 포함한다.
상기 절개부는 상기 압전층 두께의 50% 내지 100%의 깊이로 형성된다.
상기 절개부는 적어도 어느 하나가 소정의 간격으로 복수 배열된 상기 제 1 및 제 2 전극의 상기 간격과 대응되도록 형성된다.
상기 절개부 내에 마련된 탄성층을 더 포함한다.
상기 압전층은 단결정이다.
상기 압전층은 페로브스카이트(perovskite) 결정 구조를 가지는 압전 물질로 형성되는 배향 원료 조성물과, 상기 배향 원료 조성물 내에 분포하며 ABO3(A는 2가의 금속 원소, B는 4가의 금속 원소)의 일반식을 가지는 산화물로 형성되는 시드 조성물을 포함한다.
본 발명의 또다른 양태에 따른 복합 소자는 상기 일 양태 및 다른 양태에 따른 압력 센서와, 상기 압력 센서와는 다른 기능을 갖는 적어도 하나의 기능부를 포함한다.
상기 기능부는, 상기 압력 센서의 일측에 마련된 압전 소자; 및 상기 압전 소자의 일측에 마련된 진동판을 포함한다.
상기 압전 소자는 인가되는 신호에 따라 압전 진동 장치 또는 압전 음향 장치로 이용된다.
상기 기능부는 상기 압력 센서의 일측에 마련되며, 적어도 하나의 안테나 패턴을 각각 구비하는 NFC, WPC 및 MST 중 적어도 어느 하나를 포함한다.
상기 기능부는 상기 압력 센서의 일면 상에 마련된 압전 소자와, 상기 압전 소자의 일면 상에 마련된 진동판과, 상기 압력 센서의 타면 또는 진동판의 일면 상에 마련된 NFC, WPC 및 MST 중 적어도 하나를 포함한다.
상기 압력 센서와 전기적으로 연결되어 지문의 골과 마루에서 초음파 신호에 의해 생성되는 음향 임피던스 차이를 상기 압력 센서로부터 측정하여 지문을 감지하는 지문 감지부를 포함한다.
본 발명의 압력 센서는 서로 이격된 제 1 및 제 2 전극층 사이에 압전층이 형성되고, 압전층은 단결정의 판 형상의 압전체가 복수 마련될 수 있다. 판 형상의 압전체를 이용함으로써 종래의 압전 분말보다 압전 특성이 우수하고, 그에 따라 미세한 압력도 용이하게 센싱할 수 있어 센싱 효율을 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명의 압력 센서는 압전층은 단위 셀 단위로 절개부가 형성될 수 있고, 절개부에 탄성층이 더 형성될 수 있다. 압전층에 복수의 절개부가 형성됨으로써 플렉서블 특성을 가질 수 있다.
그리고, 본 발명의 압력 센서는 압전 음향 소자 또는 압전 진동 소자로 기능하는 압전 소자와 일체화될 수도 있고, NFC, WPC 및 MST와 일체화될 수도 있다. 또한, 지문 인식 센서로서 이용될 수도 있다.
도 1은 본 발명의 제 1 실시 예에 따른 압력 센서의 단면도.
도 2 및 도 3은 압력 센서의 제 1 및 제 2 전극층의 개략도.
도 4는 본 발명의 제 2 실시 예에 따른 압력 센서의 단면도.
도 5 및 도 6은 본 발명의 제 2 실시 예에 따른 압력 센서의 평면 및 단면 사진.
도 7는 본 발명의 제 3 실시 예에 따른 압력 센서의 단면도.
도 8 내지 도 13은 본 발명의 다양한 실시 예들에 따른 압력 센서 일체형 복합 소자의 도면.
도 13은 본 발명에 따른 압력 센서를 이용한 지문 인식 센서의 구성도.
도 14는 본 발명의 변형 예에 따른 압력 센서의 단면도.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예를 상세히 설명하기로 한 다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시 예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시 예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다.
도 1은 본 발명의 제 1 실시 예에 따른 압력 센서의 단면도이고, 도 2 및 도 3은 압력 센서의 제 1 및 제 2 전극부의 개략도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 압력 센서는 서로 이격된 제 1 및 제 2 전극부(100, 200)와, 제 1 및 제 2 전극부(100, 200) 사이에 마련된 압전층(300)을 포함한다. 이때, 압전층(300)은 소정의 두께를 갖는 판 형상의 압전체(310)가 복수 마련될 수 있다.
1. 전극층
제 1 및 제 2 전극층(100, 200)은 두께 방향(즉 수직 방향)으로 소정 간격 이격되며, 그 사이에 압전층(300)이 마련된다. 제 1 및 제 2 전극층(100, 200)은 제 1 및 제 2 지지층(110, 120)과 제 1 및 제 2 지지층(110, 210) 상에 각각 형성된 제 1 및 제 2 전극(120, 220)을 포함할 수 있다. 즉, 제 1 및 제 2 지지층(110, 210)이 소정 간격 이격되어 형성되며, 서로 대면하는 방향의 표면에 제 1 및 제 2 전극(120, 220)이 각각 형성된다. 이때, 제 1 및 제 2 전극(120, 220)은 압전층(300)에 접촉되어 형성된다. 따라서, 하측으로부터 두께 방향으로 제 1 지지층(110), 제 1 전극(120), 압전층(300), 제 2 전극(220) 및 제 2 지지층(210)이 적층되어 압력 센서가 구현될 수 있다. 여기서, 제 1 및 제 2 지지층(110, 210)은 그 일면 표면에 제 1 및 제 2 전극(120, 220)이 형성되도록 제 1 및 제 2 전극(120, 220)을 지지하며, 이를 위해 제 1 및 제 2 지지층(110, 210)은 소정 두께를 갖는 판 형상으로 마련될 수 있다. 또한, 제 1 및 제 2 지지층(110, 210)은 플렉서블 특성을 갖도록 필름 형태로 마련될 수도 있다. 이러한 제 1 및 제 2 지지층(110, 210)은 실리콘(Silicon), 우레탄(Urethane), 폴리우레탄(Polyurethane) 등의 액상 고분자가 이용될 수 있고, 액상의 광경화성 모노머(monomer) 및 올리고머(oligomer)와 광개시제(photoinitiate) 및 첨가제(additives)를 이용한 프리폴리머일 수 있다. 또한, 제 1 및 제 2 지지층(110, 210)은 경우에 따라 투명할 수 있고, 불투명할 수도 있다.
한편, 제 1 및 제 2 전극(120, 220)은 ITO(Indium Tin Oxide), ATO(Antimony Tin Oxide) 등의 투명 도전성 물질로 형성될 수 있다. 그러나, 제 1 및 제 2 전극(120, 220)은 이러한 물질 이외에 다른 투명 도전성 물질로 형성될 수도 있고, 은(Ag), 백금(Pt), 구리(Cu) 등의 불투명 도전성 물질로 형성될 수도 있다. 또한, 제 1 및 제 2 전극(120, 220)은 서로 교차되는 방향으로 형성될 수 있다. 예를 들어, 제 1 전극(120)이 소정의 폭을 갖도록 일 방향으로 형성되며 이것이 타 방향으로 소정 간격 이격되어 형성될 수 있다. 제 2 전극(220)은 소정의 폭을 갖도록 일 방향과 직교하는 타 방향으로 형성되며, 이것이 타 방향과 직교하는 일 방향으로 소정 간격 이격되어 형성될 수 있다. 즉, 제 1 및 제 2 전극(120, 220)은 도 2에 도시된 바와 같이 서로 직교하는 방향으로 형성될 수 있다. 예를 들어 제 1 전극(120)이 가로 방향으로 소정 폭으로 형성되고 이것이 세로 방향으로 소정 간격 이격되어 복수 배열되고, 제 2 전극(220)이 세로 방향으로 소정 폭으로 형성되고 이것이 가고 방향으로 소정 간격 이격되어 복수 배열될 수 있다. 여기서, 제 1 및 제 2 전극(120, 220)의 폭은 그 사이의 간격보다 크거나 같을 수 있다. 물론, 제 1 및 제 2 전극(120, 220)의 폭이 그 사이의 간격보다 좁을 수도 있지만, 폭이 간격보다 큰 것이 바람직하다. 예를 들어, 제 1 및 제 2 전극(120, 220)의 폭 및 간격의 비율은 10:1 내지 0.5:1일 수 있다. 즉, 간격이 1이라 할 때 폭은 10 내지 0.5일 수 있다. 또한, 제 1 및 제 2 전극(120, 220)은 이러한 형상 이외에 다양한 형상으로 형성될 수도 있다. 예를 들어, 도 3에 도시된 바와 같이 제 1 및 제 2 전극(120, 220)의 어느 하나가 지지층 상에 전체적으로 형성되고 다른 하나는 일 방향 및 타 방향으로 소정의 폭 및 간격을 갖는 대략 사각형의 패턴으로 복수 형성될 수도 있다. 즉, 제 1 전극(120)이 대략 사각형의 패턴으로 복수 형성되고, 제 2 전극(220)이 제 2 지지층(120) 상에 전체적으로 형성될 수 있다. 물론, 사각형 이외에 원형, 다각형 등 다양한 형태의 패턴이 가능하다. 또한, 제 1 및 제 2 전극(120, 220)은 어느 하나가 지지층 상에 전체적으로 형성되고, 다른 하나는 일 방향 및 타 방향으로 연장되는 격자 모양으로 형성될 수도 있다. 한편, 제 1 및 제 2 전극(120, 220)은 예를 들어 0.1㎛∼10㎛의 두께로 형성되며, 제 1 및 제 2 전극(120, 220)은 예를 들어 1㎛∼500㎛의 간격으로 형성될 수 있다. 여기서, 제 1 및 제 2 전극(120, 220)은 압전층(300)과 접촉될 수 있다. 물론, 제 1 및 제 2 전극(120, 220)은 압전층(300)과 소정 간격 이격된 상태를 유지하고, 소정의 압력, 예를 들어 사용자의 터치 입력이 인가되면 제 1 및 제 2 전극(120, 220)의 적어도 어느 하나가 국부적으로 압전층(300)과 접촉될 수 있다. 이때, 압전층(300)은 소정 깊이로 압축될 수도 있다.
2. 압전층
압전층(300)은 제 1 및 제 2 전극층(100, 200) 사이에 소정 두께로 마련되며, 예를 들어 10㎛∼500㎛의 두께로 마련될 수 있다. 이러한 압전층(300)은 소정의 두께를 갖는 대략 사각형의 판 형상의 압전체(310)와 폴리머(320)를 이용하여 형성될 수 있다. 즉, 복수의 판 형상의 압전체(310)가 폴리머(320) 내에 마련되어 압전층(300)이 형성될 수 있다. 여기서, 압전체(310)는 예를 들어 PZT(Pb, Zr, Ti), NKN(Na, K, Nb), BNT(Bi, Na, Ti) 계열의 압전 물질을 이용하여 형성할 수 있다. 물론, 압전체(310)는 다양한 압전 재료로 형성할 수 있는데, 티탄산 바륨(barium titanate), 티탄산납(lead titanate), 티탄산 지르콘산납(lead zirconate titanate), 니오브산 칼륨(potassium niobate), 니오브산 리튬(lithium niobate), 탄탈산 리튬(lithium tantalate), 텅스텐산 나트륨(sodium tungstate), 산화아연(zinc oxide), 니오브산 나트륨 칼륨(potassium sodium niobate), 비스무트 페라이트(bismuth ferrite), 니오브산 나트륨(sodium niobate), 티탄산 비스무트(bismuth titanate) 등을 포함할 수 있다. 그러나, 압전체(310)는 플루오르화물 중합체(fluoride 重合體) 또는 그 공중합체(共重合體)로 형성될 수 있다. 이러한 소정의 판 형상의 압전체(310), 즉 일 방향 및 이와 직교하는 타 방향으로 소정의 길이를 갖고 소정의 두께를 갖는 대략 사각형의 판 형태로 형성될 수 있다. 예를 들어, 압전체(310)는 3㎛∼5000㎛의 사이즈로 형성될 수 있다. 이러한 압전체(310)가 일 방향 및 타 방향으로 복수 배열될 수 있다. 즉, 제 1 및 제 2 전극층(100, 200) 사이의 두께 방향(즉, 세로 방향)과 이와 직교하는 평면 방향(즉, 가로 방향)으로 복수 배열될 수 있다. 압전체(310)는 두께 방향으로 적어도 이층 이상으로 배열될 수 있는데, 예를 들어 5층 구조로 형성될 수 있으나, 층수는 한정되지 않는다. 압전체(310)를 폴리머(320) 내에 복수의 층으로 형성하기 위해 다양한 방법이 이용될 수 있다. 예를 들어, 소정 두께의 폴리머층에 소정 두께의 압전체층을 형성하고 이를 복수 적층하여 압전층(300)을 형성할 수 있다. 즉, 압전층(300)보다 얇은 두께의 폴리머층 상에 판 형상의 압전판을 소정 간격으로 배치하여 압전체층을 형성하고, 이를 복수 적층하여 압전층(300)을 형성할 수 있다. 그리너, 폴리머(320) 내에 압전체(310)가 형성된 압전층(300)은 다양한 방법으로 형성할 수 있다. 한편, 압전체(310)는 동일 크기를 갖고 동일 간격으로 이격되는 것이 바람직하다. 그러나, 압전체(310)는 적어도 둘 이상의 크기 및 적어도 둘 이상의 간격으로 마련될 수도 있다. 이때, 압전체(310)는 30% 내지 99%의 밀도로 형성될 수 있고, 모든 영역에서 동일 밀도로 마련되는 것이 바람직하다. 그러나, 압전체(310)는 적어도 일 영역이 60% 이상의 밀도를 갖도록 마련될 수 있다. 예를 들어, 압전체(310)의 적어도 일 영역이 65% 정도의 밀도를 갖고 적어도 타 영역이 90%의 밀도를 갖게 되면, 밀도가 큰 영역에서 더 큰 전압을 생성할 수 있지만, 60% 이상의 밀도를 가지게 되면 압전층에서 발생되는 전압을 제어부에서 충분히 센싱할 수 있다. 또한, 본 발명의 일 실시 예에 따른 압전체(310)는 단결정 형태로 형성되어 압전 특성이 우수하다. 즉, 종래의 압전 분말을 이용하는 경우에 비해 판 형태의 압전체(310)를 이용함으로써 압전 특성이 우수하고, 그에 따라 미세한 터치에 의해서도 압력을 검출할 수 있어 터치 입력의 오류를 방지할 수 있다. 한편, 폴리머(320)는 에폭시(epoxy), 폴리이미드(polyimide) 및 액정 결정성 폴리머(Liquid Crystalline Polymer, LCP)로 구성된 군으로부터 선택된 하나 이상을 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 또한, 폴리머(320)는 열경화성 수지로 이루어질 수 있다. 열경화성 수지로는 예를 들어 노볼락 에폭시 수지(Novolac Epoxy Resin), 페녹시형 에폭시 수지(Phenoxy Type Epoxy Resin), 비피에이형 에폭시 수지(BPA Type Epoxy Resin), 비피에프형 에폭시 수지(BPF Type Epoxy Resin), 하이드로네이트 비피에이 에폭시 수지(Hydrogenated BPA Epoxy Resin), 다이머산 개질 에폭시 수지(Dimer Acid Modified Epoxy Resin), 우레탄 개질 에폭시 수지(Urethane Modified Epoxy Resin), 고무 개질 에폭시 수지(Rubber Modified Epoxy Resin) 및 디씨피디형 에폭시 수지(DCPD Type Epoxy Resin)로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상을 포함할 수 있다.
3. 압전체의 다른 예
한편, 압전체(310)는 페로브스카이트(perovskite) 결정 구조를 가지는 압전 물질로 형성되는 배향 원료 조성물과, 배향 원료 조성물 내에 분포하며 ABO3(A는 2가의 금속 원소, B는 4가의 금속 원소)의 일반식을 가지는 산화물로 형성되는 시드 조성물을 포함하는 압전 세라믹 조성물을 소결하여 형성된 압전 세라믹 소결체를 이용할 수도 있다. 여기서, 배향 원료 조성물은 페로브스카이트 결정 구조와 다른 결정 구조를 가지는 물질이 고용체를 형성하는 조성물을 이용할 수 있는데, 예를 들어 정방정계 구조를 가지는 PbTiO3[PT]와 능면체 구조를 가지는 PbZrO3[PZ]가 고용체를 형성하는 PZT계 물질을 이용할 수 있다. 또한, 배향 원료 조성물은 PZT계 물질에 릴랙서(relaxor)로서 Pb(Ni,Nb)O3[PNN], Pb(Zn,Nb)O3[PZN] 및 Pb(Mn,Nb)O3[PMN] 중 적어도 하나를 고용한 조성물을 사용하여 PZT계 물질의 특성을 향상시킬 수 있다. 예를 들어, PZT계 물질에 PZN계 물질과 PNN계 물질을 이용하여 높은 압전 특성과 낮은 유전율 및 소결 용이성을 갖는 PZNN계 물질을 릴랙서로서 고용하여 배향 원료 조성물을 형성할 수 있다. PZT계 물질에 PZNN계 물질을 릴랙서로서 고용한 배향 원료 조성물은 (1-x)Pb(Zr0.47Ti0.53)O3-xPb((Ni1-yZny)1/3Nb2/3)O3의 조성식을 가질 수 있다. 여기서, x는 0.1<x<0.5 범위 내의 값을 가질 수 있으며, 바람직하게는 0.30≤x≤0.32 범위 내의 값을 가질 수 있으며, 가장 바람직하게는 0.31의 값을 가질 수 있다. 또한, y는 0.1<y≤0.9 범위 내의 값을 가질 수 있으며, 바람직하게는 0.39≤y≤0.41 범위 내의 값을 가질 수 있으며, 가장 바람직하게는 0.40의 값을 가질 수 있다. 또한, 배향 원료 조성물은 납(Pb)을 포함하지 않는 무연계 압전 물질을 사용할 수도 있다. 이와 같은 무연계 압전 물질로는 Bi0 .5K0. 5TiO3, Bi0.5Na0.5TiO3, K0. 5Na0 . 5NbO3, KNbO3, NaNbO3, BaTiO3, (1-x)Bi0 . 5Na0 . 5TiO3-xSrTiO3, (1-x)Bi0.5Na0.5TiO3-xBaTiO3, (1-x)K0. 5Na0 . 5NbO3-xBi0 . 5Na0 . 5TiO3, BaZr0 . 25Ti0 . 75O3 등 중에서 선택된 적어도 하나의 압전 물질을 포함하는 무연계 압전 물질일 수 있다.
시드 조성물은 ABO3의 일반식을 가지는 산화물로 형성되는데, ABO3는 배향성을 갖는 판 형상의 페로브스카이트(perovskite) 구조를 가지는 산화물로 A는 2가의 금속 원소로 이루어지며, B는 4가의 금속 원소로 이루어진다. ABO3의 일반식을 가지는 산화물로 형성되는 시드 조성물은 CaTiO3, BaTiO3, SrTiO3, PbTiO3 및 Pb(Ti,Zr)O3 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 여기서, 시드 조성물은 배향 원료 조성물에 대하여 1vol% 내지 10vol%의 부피비로 포함될 수 있다. 시드 조성물이 배향 원료 조성물에 대하여 1vol% 미만으로 포함되면 시드 조성물에 의하여 결정 배향성이 향상되는 효과가 미미하며, 10 vol%를 초과하여 포함되면 압전 세라믹 소결체의 압전 성능이 저하된다.
상기와 같이 배향 원료 조성물 및 시드 조성물을 포함하는 압전 세라믹 조성물은 판상 입형 성장법(TGG: Templated Grain Growth)에 의하여 시드 조성물과 동일한 방향성을 가지며 성장하게 된다. 즉, 압전 세라믹 소결체는, 예를 들어 0.69Pb(Zr0.47Ti0.53)O3-0.31Pb((Ni0.6Zn0.4)1/3Nb2/3)O3의 조성식을 가지는 배향 원료 조성물에 BaTiO3를 시드 조성물로 사용함으로써 1000℃ 이하의 낮은 온도에서도 소결이 가능할 뿐만 아니라, 결정 배향성을 향상시키고, 전기장에 따른 변위량을 극대화할 수 있어 단결정 물질과 유사한 높은 압전 특성을 가지게 된다.
배향 원료 조성물에 결정 배향성을 향상시키는 시드 조성물을 첨가하고 이를 소결하여 압전 세라믹 소결체를 제조함으로써, 전기장에 따른 변위량을 극대화하고, 압전 특성을 현저하게 향상시킬 수 있다.
상기한 바와 같이 본 발명의 제 1 실시 예에 따른 압력 센서는 서로 이격된 제 1 및 제 2 전극층(100, 200) 사이에 압전층(300)이 형성되고, 압전층(300)은 소정의 단결정의 판 형상의 압전체(310)가 복수 마련될 수 있다. 판 형상의 압전체(310)를 이용함으로써 종래의 압전 분말보다 압전 특성이 우수하고, 그에 따라 미세한 압력도 용이하게 센싱할 수 있어 센싱 효율을 향상시킬 수 있다.
즉, 현재 주로 이용되는 압전 소재는 PZT(lead zirconatetita-nate) 세라믹이 폭넓게 사용되고 있다. PZT는 현재까지 80년 이상 사용되면서 개선되어 현재 수준에서 더 이상 개선이 이루어지지 않고 있다. 이에 비해, 압전 재료를 응용하는 분야에서는 물성이 개선된 소재를 요구하고 있다. 단결정은 이러한 요구에 부응하기 위해 개발된 소재로서 PZT 세라믹이 한계에 도달한 물성을 향상시켜 응용소자의 성능을 개선할 수 있는 신소재이다. 종래 압전 재료의 주류인 다결정(Polycrystal) 세라믹스에 비해 2배 이상의 압전 상수(d33)를 얻을 수 있으며, 전기 기계 결합 계수도 크고, 뛰어난 압전 특성을 나타낸다.
아래 [표 1]에서 보는 바와 같이 압전소재의 특성을 좌우하는 d33, d31 (Piezoelectric Constant: 압전상수)과 K33(Elec-tromechanical Coupling Factor : 전기기계 결합계수) 값이 기존의 다결정에 비해 압전 단결정은 매우 높음을 볼 수 있다. 이러한 물성의 우수성은 이를 응용한 소자에 적용함에 있어서 탁월한 효과를 보여준다.
polycrystal single crystal
d33[pC/N] 160∼338 500
d31[pC/N] -50 -280
strain[%] ≒0.4 ≒1.0
이 때문에 압전 단결정은 기존의 다결정 세라믹스에 비해, 의료 및 비파괴 검사, 어군 탐지 등의 초음파 진동자로 보다 선명한 화상을 얻을 수 있으며, 세척기 등의 초음파 진동자로 보다 강력한 발진이 가능하고, 프린터 헤드, HDD 헤드의 위치 결정 장치, 손떨림 방지 장치 등의 고정밀도 제어용 액튜에이터 등 보다 응답성이 뛰어나면서도 소형화가 가능하다.
한편, 판 형상의 단결정 압전체를 제조하기 위해 고상 단결정 성장법, 브리지만법, 염용융법 등을 이용할 수 있다. 이러한 방법으로 제조된 단결정 압전체를 폴리머에 혼합한 후 인쇄, 성형 등의 방법으로 압전층을 형성할 수 있다.
도 4는 본 발명의 제 2 실시 예에 따른 압력 센서의 단면도이다. 또한, 도 5 및 도 6은 본 발명의 제 2 실시 예에 따른 압력 센서의 압전층의 평면 및 단면 사진이다.
도 4 내지 도 6을 참조하면, 본 발명의 제 2 실시 예에 따른 압력 센서는 서로 이격된 제 1 및 제 2 전극층(100, 200)과, 제 1 및 제 2 전극층(100, 200) 사이에 마련된 압전층(300)을 포함한다. 이때, 압전층(300)은 소정 두께의 압전 세라믹으로 형성될 수 있다. 즉, 본 발명의 일 실시 예는 압전층(300)이 판 형상의 압전체(310)가 폴리머(320) 내에 형성되었지만, 본 발명의 다른 실시 예는 압전 세라믹을 이용하여 소정 두께의 압전층(300)을 형성할 수 있다. 또한, 압전층(300)은 압전체(310)와 동일 물질을 이용할 수 있다. 이러한 본 발명의 제 2 실시 예를 제 1 실시 예의 설명과 중복된 내용은 생략하여 설명하면 다음과 같다.
압전층(300)은 일 방향 및 이와 대향되는 타 방향으로 소정의 폭 및 간격으로 형성될 수 있다. 즉, 압전층(300)은 소정 깊이로 절개부(330)가 형성되어 소정 폭 및 간격으로 복수 분리될 수 있다. 이때, 절개부(330)는 일 방향으로 소정 폭의 제 1 절개부가 복수 형성되고, 이와 직교하는 타 방향으로 소정 폭의 제 2 절개부가 복수 형성될 수 있다. 따라서, 압전층(300)은 각각 복수의 제 1 및 제 2 절개부에 의해 도 5 및 도 6에 도시된 바와 같이 소정의 폭 및 간격을 갖는 복수의 단위 셀로 분할될 수 있다. 이때, 압전층(300)은 전체 두께가 절개될 수도 있고, 전체 두께의 50% 내지 95%의 두께가 절개될 수 있다. 즉, 압전층(300)은 전체 두께가 절대되거나 전체 두께의 50% 내지 95%가 절개되어 절개부가 형성될 수 있다. 이렇게 압전층(300)이 절개됨으로써 압전층(300)은 소정의 플렉서블 특성을 갖게 된다. 이때, 압전층(300)은 예를 들어 10㎛∼5000㎛ 정도의 크기를 갖고 1㎛∼300㎛의 간격을 가질 수 있도록 절개될 수 있다. 즉, 절개부(330)에 의해 단위 셀이 10㎛∼5000㎛ 정도의 크기를 갖고 1㎛∼300㎛의 간격을 가질 수 있다. 한편, 압전층(300)의 제 1 및 제 2 절개부는 제 1 및 제 2 전극층(100, 200)의 전극 사이의 간격에 대응될 수 있다. 즉, 제 1 전극층(100)의 제 1 전극의 간격에 대응하도록 제 1 절개부가 형성되고 제 2 전극층(200)의 제 2 전극의 간격에 대응하도록 제 2 절개부가 형성될 수 있다. 이때, 전극층의 간격과 절개부의 간격은 동일할 수도 있고, 전극층의 간격이 절개부의 간격보다 크거나 작을 수 있다. 한편, 압전층(300)을 레이저, 다이싱, 블레이트 컷 등의 방법으로 절개하여 절개부를 형성할 수 있다. 또한, 압전층(300)은 그린 바(green bar) 상태에서 레이저, 다이싱, 블레이드 컷 등의 방법으로 절개하여 절개부를 형성한 후 소성 공정을 실시하여 형성할 수도 있다.
도 7은 본 발명의 제 3 실시 예에 따른 압력 센서의 단면도이다.
도 7을 참조하면, 본 발명의 제 3 실시 예에 따른 압력 센서는 서로 이격된 제 1 및 제 2 전극층(100, 200)과, 제 1 및 제 2 전극층(100, 200) 사이에 마련되며 일 방향 및 타 방향으로 복수의 절개부(330)가 형성된 압전층(300)과, 압전층(300)의 절개부(330)에 형성된 탄성층(400)을 포함할 수 있다. 이때, 절개부(330)는 압전층(300)의 두께 전체에 형성될 수 있고, 소정 두께로 형성될 수 있다. 즉, 절개부(330)는 압전층(300) 두께의 50% 내지 100%의 두께로 형성될 수 있다. 따라서, 압전층(300)은 절개부(330)에 의해 일 방향 및 타 방향으로 소정 간격 이격되어 단위 셀 단위로 분리되고, 단위 셀 사이에 탄성층(400)이 형성될 수 있다.
탄성층(400)은 탄성을 가진 폴리머, 실리콘 등을 이용하여 형성할 수 있다. 압전층(300)이 절개되고 탄성층(400)이 형성되므로 압전층(300)은 탄성층(400)이 형성되지 않은 본 발명의 다른 실시 예에 비해 더 높은 플렉서블 특성을 가질 수 있다. 즉, 압전층(300)에 절개부(330)가 형성되지만 탄성층이 형성되지 않는 경우 압전층(300)의 플렉서블 특성은 제한적일 수 있지만, 압전층(300)이 모두 절개되고 탄성층(400)이 형성됨으로써 압전층(300)을 말 수 있을 정도로 플렉서블 특성을 향상시킬 수 있다. 물론, 탄성층(400)은 압전층(300)의 전체 두께에 절개부(330)가 형성되지 않고 도 4 내지 도 6에 도시된 바와 같이 일부 두께에 형성된 절개부(330)를 충진하도록 형성될 수도 있다.
한편, 본 발명의 실시 예들에 따른 압력 센서는 햅틱 소자, 압전 부저, 압전 스피커, NFC, WPC 및 MST(Magnetic Secure Transmission) 등과 결합되어 복합 소자로 구현될 수 있다. 또한, 본 발명의 실시 예들에 따른 압력 센서는 지문 인식 센서로 이용될 수도 있다. 즉, 본 발명의 실시 예들에 따른 압력 센서는 이와는 다른 기능을 하는 기능부와 결합되어 복합 소자를 구현할 수 있다. 이러한 본 발명에 따른 압전식 압력 센서를 구비하는 복합 소자를 도 8 내지 도 10에 도시하였다. 여기서, 압력 센서(1000)는 도 1, 도 4 및 도 7을 이용하여 설명된 본 발명의 다양한 실시 예의 어느 하나의 구조를 이용할 수 있다.
도 8에 도시된 바와 같이, 진동판(3000) 상에 압전 소자(2000)가 형성되고 그 상부에 본 발명의 실시 예들에 따른 압력 센서(1000)가 마련될 수 있다.
압전 소자(2000)는 기판의 양면에 압전층이 형성된 바이모프 타입으로 형성될 수도 있고, 기판의 일면에 압전층이 형성된 유니모프 타입으로 형성될 수도 있다. 압전층은 적어도 일층이 적층 형성될 수 있는데, 바람직하게는 복수의 압전층이 적층 형성될 수 있다. 또한, 압전층의 상부 및 하부에는 각각 전극이 형성될 수 있다. 즉, 복수의 압전층과 복수의 전극이 교대로 적층되어 압전 소자(2000)가 구현될 수 있다. 여기서, 압전층은 압전층(300)과 동일 물질, 예를 들어 PZT(Pb, Zr, Ti), NKN(Na, K, Nb), BNT(Bi, Na, Ti) 계열의 압전 물질을 이용하여 형성할 수 있다. 또한, 압전층은 서로 다른 방향 또는 동일 방향으로 분극되어 적층 형성될 수 있다. 즉, 기판의 일면 상에 복수의 압전층이 형성되는 경우 각 압전층은 서로 반대 방향 또는 동일 방향의 분극이 교대로 형성될 수 있다. 한편, 기판은 압전층이 적층된 구조를 유지하면서 진동이 발생할 수 있는 특성을 갖는 물질을 이용할 수 있는데, 예를 들어 금속, 플라스틱 등을 이용할 수 있다. 한편, 압전 소자(2000)는 적어도 일 영역에는 구동 신호가 인가되는 전극 패턴(미도시)이 형성될 수 있다. 예를 들어, 전극 패턴은 압전 소자(2000)의 상부면 또는 하부면의 가장자리에 마련될 수 있다. 전극 패턴은 서로 이격되어 적어도 둘 이상 형성될 수 있고, 연결 단자(미도시)와 연결되어 이를 통해 전자기기에 연결될 수 있다. 이때, 전극 패턴이 압전 소자(2000)의 하부에 형성되는 경우 진동판(3000)과 절연시키는 것이 바람직하고, 이를 위해 압전 소자(2000)와 진동판(3000) 사이에 절연막을 형성할 수 있다.
진동판(3000)은 압전 소자(2000) 및 압력 센서(1000)와 동일한 형상을 갖도록 마련되며, 압전 소자(2000)보다 크게 마련될 수 있다. 진동판(3000)의 상면에는 압전 소자(2000)가 접착제에 의해 접착될 수 있다. 이러한 진동판(3000)은 금속, 폴리머계 또는 펄프계 물질을 이용할 수 있다. 예를 들어, 진동판(3000)은 수지 필름을 이용할 수 있는데, 에틸렌 플로필렌 고무계, 스티렌 부타디엔 고무계 등 영율이 1MPa∼10GPa로 손실 계수가 큰 재료를 이용할 수 있다. 이러한 진동판(3000)은 압전 소자(2000)의 진동을 증폭시키게 된다.
이렇게 진동판(3000)과 압력 센서(1000) 사이에 마련된 압전 소자(2000)는 전자기기를 통해 인가되는 신호, 즉 교류 전원에 따라 압전 음향 소자 또는 압전 진동 소자로 구동될 수도 있다. 즉, 압전 소자(2000)는 인가되는 신호에 따라 소정의 진동을 발생시키는 액추에이터, 즉 햅틱 소자로 이용될 수 있고, 소정의 음향을 발생시키는 압전 부저 또는 압전 스피커로 이용될 수도 있다.
한편, 압력 센서(1000)와 압전 소자(2000)는 접착제 등에 의해 접착될 수도 있고, 일체로 형성될 수도 있다. 압력 센서(1000)와 압전 소자(2000)가 일체로 제작되는 경우 압력 센서(1000)는 도 4 및 도 7을 이용하여 설명된 구조가 가능하다. 즉, 복수의 압전층 및 전극이 반복적으로 적층된 부분과 그 상부에 제 2 전극이 형성되고, 그 상부에 압전층(300)이 형성되며, 그 상부에 제 1 전극이 형성될 수 있다. 이때, 제 2 전극은 패터닝되어 형성되며, 압전층(300)은 복수의 절개부에 의해 소정 셀 단위로 절개될 수 있으며, 그 상부에 제 1 전극이 패터닝되어 형성될 수 있다.
또한, 압전 소자(2000)가 압전 부저 또는 압전 스피커로 이용되는 경우 압전 소자(2000)와 압력 센서(1000) 사이에는 소정의 공명 공간이 마련되는 것이 바람직하다. 즉, 도 9에 도시된 바와 같이 압전 소자(2000)과 압력 센서(1000) 사이의 가장자리에 소정 두께의 지지대(4000)가 마련될 수 있다. 지지대(4000)는 폴리머를 이용할 수 있다. 지지대(4000)의 높이에 따라 압전 소자(2000)와 압력 센서(1000) 사이의 공명 공간의 크기가 조절될 수 있다. 한편, 지지대(4000)는 압전 소자(2000)와 압력 센서(1000)의 가장자리를 따라 접착 테이프 등이 형성되어 구현될 수도 있다. 또한, 도 10에 도시된 바와 같이 압전 소자(2000)와 압력 센서(1000) 사이의 가장자리에 제 1 지지대(4100)이 형성될 뿐만 아니라 압전 소자(2000)와 진동판(3000) 사이에도 제 2 지지대(4200)가 마련되어 소정의 공명 공간이 마련될 수 있다.
도 11 및 도 12는 본 발명에 따른 압력 센서를 구비하는 복합 소자의 실시 예로서 NFC 및 WPC가 포함된 복합 소자의 분해 사시도 및 결합 사시도이다. 물론, 압력 센서가 NFC, WPC 및 MST 각각과 결합될 수 있으며, 이들 NFC, WPC 및 MST는 소정의 안테나 패턴으로 이루어질 수 있다.
도 11 및 도 12를 참조하면, 압력 센서(1000)의 일면 상에 마련되며 제 1 안테나 패턴(5100)이 형성된 제 1 시트(5000)와, 제 1 시트(5000)의 상부 또는 하부 또는 동일 면상에 마련되며 제 2 안테나 패턴(6100) 및 제 3 안테나 패턴(6200)이 형성된 제 2 시트(6000)를 포함할 수 있다. 여기서, 제 1 시트(5000)의 제 1 안테나 패턴(5100)과 제 2 시트(6000)의 제 2 안테나 패턴(6100)은 서로 연결되어 무선 충전(WPC: Wireless Power Charge) 안테나를 이루고, 제 2 시트(6000)의 제 3 안테나 패턴(6200)은 제 2 안테나 패턴(6100)의 외측에 형성되어 근거리 무선통신(NFC : Near Field Communication) 안테나를 이룬다. 즉, 본 발명에 따른 복합 소자 모듈은 압력 센서, WPC 안테나 및 NFC 안테나가 일체화되어 마련될 수 있다.
제 1 시트(5000)는 압력 센서(1000)의 일면 상에 마련되며, 상부에 제 1 안테나 패턴(5100)이 형성된다. 또한, 제 1 시트(5000)에는 제 1 안테나 패턴(5100)과 연결되어 외부로 인출되는 제 1 및 제 2 인출 패턴(5200a, 5200b)과, 제 2 시트(6000)에 형성된 제 3 안테나 패턴(6200)을 연결시키는 복수의 연결 패턴(5310, 5320, 5330)과, 제 3 안테나 패턴(6200)과 연결되어 외부로 인출되는 제 3 및 제 4 인출 패턴(5400a, 5400b)이 형성된다. 이러한 제 1 시트(5000)는 압력 센서(1000)와 동일 형상으로 마련될 수 있다. 즉, 제 1 시트(5000)는 대략 직사각형의 판 형상으로 마련될 수 있다. 이때, 제 1 시트(5000)의 두께는 압력 센서(1000)의 두께와 같을 수도 있고 다를 수도 있다. 제 1 안테나 패턴(5100)은 제 1 시트(5000)의 예를 들어 중앙부로부터 일 방향으로 회전하여 소정의 턴 수로 형성될 수 있다. 예를 들어, 제 1 안테나 패턴(5100)은 소정의 폭 및 간격을 가지며, 반시계 방향으로 외측으로 회전하는 나선형으로 형성될 수 있다. 이때, 제 1 안테나 패턴(5100)의 선폭 및 간격은 동일할 수도 있고, 다를 수도 있다. 즉, 제 1 안테나 패턴(5100)은 선폭이 간격보다 더 클 수도 있다. 또한, 제 1 안테나 패턴(5100)의 끝단은 제 1 인출 패턴(5200a)과 연결된다. 제 1 인출 패턴(5200a)은 소정의 폭으로 형성되어 제 1 시트(5000)의 일 변으로 노출되도록 형성된다. 예를 들어, 제 1 인출 패턴(5200a)은 제 1 시트(5000)의 장변 방향으로 연장 형성되어 제 1 시트(5000)의 일 단변에 노출되도록 형성된다. 또한, 제 2 인출 패턴(5200b)은 제 1 인출 패턴(5200a)과 이격되어 제 1 인출 패턴(5200a)과 동일 방향으로 형성된다. 이러한 제 2 인출 패턴(5200b)은 제 2 시트(6000) 상에 형성된 제 2 안테나 패턴(6100)과 연결된다. 여기서, 제 2 인출 패턴(5200b)은 제 1 인출 패턴(5200a)보다 길게 형성될 수 있다. 그리고, 복수의 연결 패턴(5310, 5320, 5330)이 제 2 시트(6000)에 형성된 제 3 안테나 패턴(6200)을 연결시키기 위해 마련된다. 즉, 제 3 안테나 패턴(6200)은 적어도 두 영역이 끊어진 예를 들어 반원 형상으로 형성되는데, 이들을 서로 연결시키기 위해 제 1 시트(5000) 상에 복수의 연결 패턴(5210, 5220, 5230)이 형성된다. 연결 패턴(5210)은 제 1 인출 패턴(5200a) 사이의 영역에 일 단변 방향으로 소정의 폭 및 길이로 형성된다. 연결 패턴(5220, 5230)은 연결 패턴(5210)과 장변 방향으로 대향되는 위치, 즉 제 1 및 제 2 인출 패턴(5200a, 5200b)이 형성되지 않은 타 단변 측에 형성되며, 타 단변으로 노출되지 않고 타 단변 방향을 따라 소정의 폭 및 길이로 형성된다. 또한, 연결 패턴(5220, 5230)은 서로 이격되도록 형성된다. 또한, 제 3 및 제 4 인출 패턴(5400a, 5400b)은 제 2 인출 패턴(5200b)와 이격되어 형성되며, 일 단변에 노출되도록 형성된다. 한편, 인출 패턴들(5200, 5400)이 형성된 일 변의 인출 패턴들(5200, 5400)이 형성되지 않은 영역에는 관통홀(5500a, 5500b)이 각각 이격되어 형성된다. 또한, 인출 패턴(5200, 5400)은 연결 단자(미도시)와 연결되고, 이를 통해 전자기기에 연결될 수 있다. 한편, 제 1 시트(5000)는 자성 세라믹으로 제작될 수 있다. 예를 들어, 제 1 시트(5000)는 NiZnCu 또는 NiZn계 자성체를 이용하여 형성할 수 있다. 구체적으로, NiZnCu계 자성 시트는 자성체로서 Fe2O3, ZnO, NiO, CuO가 혼합될 수 있는데, Fe2O3, ZnO, NiO 및 CuO가 5:2:2:1의 비율로 혼합될 수 있다. 이렇게 제 1 시트(5000)가 자성 세라믹으로 제작됨으로써 WPC 안테나 및 NFC 안테나에서 발생되는 전자파를 차폐하거나 전자파를 흡수하여 전자파의 간섭을 억제시킬 수 있다.
제 2 시트(6000)는 제 1 시트(5000) 상에 마련되며, 제 2 안테나 패턴(6100) 및 제 3 안테나 패턴(6200)이 서로 이격되어 형성된다. 또한, 제 2 시트(6000)에는 복수의 홀(6310, 6320, 6330, 6340, 6350, 6360, 6370, 6380)이 형성된다. 이러한 제 2 시트(6000)는 압력 센서(1000) 및 제 1 시트(5000)와 동일 형상으로 마련될 수 있다. 즉, 제 2 시트(6000)는 대략 직사각형의 판 형상으로 마련될 수 있다. 이때, 제 2 시트(6000)의 두께는 압력 센서(1000) 및 제 1 시트(5000)의 두께와 같을 수도 있고 다를 수도 있다. 즉, 제 2 시트(6000)는 압력 센서(1000)보다 얇고 제 1 시트(5000)와 동일 두께로 마련될 수 있다. 제 2 안테나 패턴(6100)은 제 2 시트(6000)의 예를 들어 중앙부로부터 일 방향으로 회전하여 소정의 턴 수로 형성될 수 있다. 예를 들어, 제 2 안테나 패턴(6100)은 소정의 폭 및 간격을 가지며, 시계 방향으로 외측으로 회전하는 나선형으로 형성될 수 있다. 즉, 제 1 시트(5000)에 형성된 제 1 안테나 패턴(5100)과 동일 영역에서 시작하여 시계 방향으로 회전하는 나선형으로 형성되며, 제 1 시트(5000) 상에 형성된 제 2 인출 패턴(5200b)과 중첩되는 영역까지 형성될 수 있다. 이때, 제 2 안테나 패턴(6100)의 선폭 및 간격은 제 1 안테나 패턴(5100)의 선폭 및 간격과 동일할 수 있고, 제 2 안테나 패턴(6100)과 제 1 안테나 패턴(5100)은 중첩될 수 있다. 제 2 안테나 패턴(6100)의 시작점과 끝점에는 각각 홀(6310, 6320)이 형성되며, 홀(6310, 6320)에는 도전 물질이 매립되어 있다. 따라서, 홀(6310)을 통해 제 2 안테나 패턴(6100)의 시작점은 제 1 안테나 패턴(5100)의 시작점과 연결되고, 홀(6320)을 통해 제 2 안테나 패턴(6100)의 끝점은 제 2 인출 패턴(5200b)의 소정 영역과 연결된다. 제 3 안테나 패턴(6200)은 제 2 안테나 패턴(6100)과 이격되어 형성되며, 제 2 시트(6000)의 가장자리를 따라 복수의 턴 수로 형성된다. 즉, 제 3 안테나 패턴(6200)은 제 2 안테나 패턴(6100)을 외부에서 둘러싸도록 마련된다. 이때, 제 3 안테나 패턴(6200)은 제 2 시트(6000) 상의 소정 영역에서 끊어진 형상으로 형성된다. 즉, 제 3 안테나 패턴(6200)은 서로 연결된 복수의 턴 수로 형성되지 않고, 적어도 두 영역에서 끊어져 제 2 시트(6000) 상에서 전기적으로 서로 연결되지 않는 형태로 형성될 수 있다. 이렇게 서로 끊어진 제 3 안테나 패턴(6200) 사이에는 복수의 홀(6330, 6340, 6350, 6360, 6370, 6380)이 형성된다. 또한, 복수의 홀(6330, 6340, 6350, 6360, 6370, 6380)은 도전 물질이 매립되어 제 1 시트(5000)의 연결 패턴(5310, 5320, 5330)과 각각 연결된다. 따라서, 제 3 안테나 패턴(6200)은 적어도 두 영역에서 끊어진 형태로 형성되지만 복수의 홀(6330, 6340, 6350, 6360, 6370, 6380) 및 제 1 시트(5000)의 연결 패턴(5310, 5320, 5330)을 통해 전기적으로 서로 연결될 수 있다. 또한, 제 2 시트(6000)에는 제 1 시트(5000)의 관통홀(5500a, 5500b) 및 복수의 인출 패턴(5200, 5400)을 각각 노출시키는 복수의 관통홀(6410, 6420)이 각각 형성된다. 또한, 관통홀(6420)은 제 1 시트(5000)의 복수, 즉 네개의 인출 패턴(5200, 5400)을 노출시키도록 네개 형성된다. 한편, 제 2 시트(6000)는 제 1 시트(5000)와는 다른 재질의 물질로 제작될 수 있다. 예를 들어, 제 2 시트(6000)는 비자성 세라믹으로 제작될 수 있는데, 저온 동시 소결 세라믹(Low Temperature Co-fired Ceramic; LTCC)을 이용하여 제작될 수 있다.
한편, 안테나 패턴(5100, 6100, 6200), 인출 패턴(5200, 5400), 연결 패턴(5310, 5320, 5330) 등은 동박 또는 도전성 페이스트를 이용하여 형성되는데, 도전성 페이스트를 이용하여 형성하는 경우 도전성 페이스트는 다양한 인쇄법에 의하여 시트 상에 인쇄될 수 있다. 도전성 페이스트의 도전성 입자로는 금(Au), 은(Ag), 니켈(Ni), 구리(Cu), 팔라듐(Pd), 은 코팅 구리(Ag coated Cu), 은 코팅 니켈(Ag coated Ni), 니켈 코팅 구리(Ni coated Cu), 니켈 코팅 그라파이트(Ni coated graphite)의 금속 입자와 카본 나노 튜브, 카본 블랙(Carbon black), 그라파이트(Graphite), 은 코팅 그라파이트(Ag coated graphite) 등이 이용될 수 있다. 도전성 페이스트는 도전성 입자가 유동성을 가지는 유기 바인더 중에 고르게 분산되어 있는 상태의 물질로서 인쇄 등의 방법에 의해 시트 상에 도포되어 건조, 경화, 소성 등의 열처리에 의해 전기적인 도전성을 나타낸다. 또한, 인쇄법으로서는 스크린 인쇄 등의 평판 인쇄, 그라비아 인쇄 등과 같은 롤투롤(Roll to Roll) 인쇄, 잉크젯 인쇄 등이 이용될 수 있다.
상기한 바와 같이 본 발명의 일 실시 예에 따른 복합 소자 모듈은 압력 센서, WPC 안테나 및 NFC 안테나가 일체화되어 제작될 수 있다. 따라서, 하나의 모듈을 이용하여 전자기기의 압력을 센싱할 수 있고, 무선으로 전자기기를 충전할 수 있으며, 근거리 통신이 가능하다. 물론, 압력 센서를 포함하여 압전 스피커, 압전 액추에이터, WPC 안테나, NFC 안테나 및 MST 안테나의 적어도 하나가 일체화되어 제작될 수도 있다. 또한, 하나의 모듈로 다기능을 구현함으로써 각 기능들이 개별적으로 구비되는 것에 비해 이들이 차지하는 영역의 면적을 줄일 수 있다.
도 13은 본 발명의 실시 예들에 따른 압력 센서를 이용한 지문 인식 센서의 구성도이다. 또한, 도 14는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 압력 센서의 단면도이다.
도 13을 참조하면, 본 발명의 실시 예들에 따른 압력 센서를 이용한 지문 인식 센서는 압력 센서(1000)와, 압력 센서(1000)와 전기적으로 연결되어 지문을 감지하는 지문 감지부(7000)를 포함할 수 있다. 또한, 지문 감지부(7000)는 신호 생성부(7100), 신호 감지부(7200) 및 연산부(7300) 등을 포함할 수 있다.
한편, 압력 센서(1000)는 도 14에 도시된 바와 같이 손가락이 놓여지는 면에 보호 코팅으로서 보호층(500)이 더 형성될 수 있다. 보호층(500)은 우레탄 또는 보호 코팅으로 작용할 수 있는 또 다른 플라스틱으로 제조 가능하다. 보호층(500)은 접착제를 사용하여 제 2 전극층(200)에 부착된다. 또한, 압력 센서(100)는 압력 센서(1000) 내부에서 지지대로서 이용될 수 있는 지지층(600)을 더 포함할 수 있다. 지지층(600)은 테프론(Teflon) 등으로 제조 가능하다. 물론, 지지층(600)은 테프론 대신에 다른 형태의 지지 재료를 이용할 수 있다. 지지층(600)은 접착제를 이용하여 제 1 전극층(100)에 부착될 수 있다. 한편, 본 발명의 압력 센서(1000)는 압전층(300)이 도 4에 도시된 바와 같이 절개부(330)에 의해 일 방향 및 타 방향으로 소정 간격 이격되어 마련될 수 있고, 도 7에 도시된 바와 같이 절개부(3300)에 탄성층(400)이 형성될 수 있다. 이때, 탄성층(400)이 형성됨으로써 각각의 진동이 서로 영향을 미치지 않도록 하는 것이 바람직하다.
지문 감지부(7000)는 압력 센서(1000)의 압전층(300)의 상하부에 마련된 제 1 및 제 2 전극(110, 210)과 각각 연결될 수 있다. 지문 감지부(7000)는 제 1 및 제 2 전극(110, 210)에 초음파 대역의 공진 주파수를 갖는 전압을 인가하여 압전층(300)을 상하부로 진동시킴으로써 초음파 신호를 생성할 수 있다.
신호 생성부(7100)는 압력 센서(1000)에 포함되는 복수의 제 1 및 제 2 전극(110, 210)과 전기적으로 연결되고, 각 전극에 소정의 주파수를 갖는 교류 전압을 인가한다. 전극에 인가되는 교류 전압에 의해 압력 센서(1000)의 압전층(300)이 상하로 진동하면서 소정의 공진 주파수, 예를 들어 10MHz를 갖는 초음파 신호가 외부로 방출된다.
압력 센서(1000) 상의 일면, 예를 들어 보호층(500)의 일면에 특정 물체가 접촉될 수 있다. 보호층(500)의 일면에 접촉되는 물체가 지문을 포함하는 사람의 손가락인 경우, 지문에 존재하는 미세한 골(valley)과 마루(ridge)에 따라 압력 센서(1000)가 방출하는 초음파 신호의 반사 패턴이 다르게 결정된다. 보호층(500)의 일면과 같은 접촉면에 어떠한 물체도 접촉되지 않은 경우를 가정하면, 접촉면과 공기(air)의 매질 차이로 인해 압력 센서(1000)에서 생성되는 초음파 신호는 거의 대부분이 접촉면을 통과하지 못하고 반사되어 되돌아온다. 반면, 접촉면에 지문을 포함하는 특정 물체가 접촉된 경우에는, 지문의 마루(ridge)에 직접 맞닿은 압력 센서(1000)에서 생성되는 초음파 신호의 일부가 접촉면과 지문의 계면을 통과하게 되고, 생성된 초음파 신호의 일부만이 반사되어 되돌아온다. 이와 같이 반사되어 돌아오는 초음파 신호의 세기는 각 물질의 음향 임피던스에 따라 결정될 수 있다. 결국, 신호 감지부(7200)는 지문의 골(valley)과 마루(ridge)에서 초음파 신호에 의해 생성되는 음향 임피던스 차이를 압력 센서(1000)로부터 측정하여 해당 영역이 지문의 마루(ridge)에 맞닿은 센서인지 여부를 판단할 수 있다.
연산부(7300)는 신호 감지부(7200)가 감지한 신호를 분석하여 지문 패턴을 연산한다. 반사 신호의 강도가 낮게 생성된 압력 센서(1000)는 지문의 마루(ridge)에 맞닿은 압력 센서(1000)이며, 반사 신호의 강도가 높게 생성된 - 이상적으로는 출력되는 초음파 신호의 강도와 거의 동일하게 생성된 - 압력 센서(1000)는 지문의 골(valley)에 대응하는 압력 센서(1000)이다. 따라서, 압력 센서(1000)의 각 영역에서 검출되는 음향 임피던스의 차이로부터 지문 패턴을 연산할 수 있다.
한편, 본 발명이 압력 센서는 압전층(300)이 형성되지 않고 제 1 및 제 2 전극층(100, 200)이 소정 간격 이격됨으로써 정전용량식 압력 센서가 구현될 수 있다. 즉, 제 1 및 제 2 전극층(100, 200) 사이에 에어갭, 보이드 또는 고유전율층의 적어도 하나가 형성됨으로써 터치 압력에 따라 제 1 및 제 2 전극층(100, 200) 사이의 거리가 조절되고 그에 따라 정전 용량이 조절되어 압력 센서로 작용할 수 있다. 여기서, 고유전율층은 실리콘, 고무류 등의 유전율보다 높은, 예를 들어 유전율이 4 이상인 고유전 물질로 형성될 수 있는데, 고유전 물질이 실리콘 등의 절연 물질과 혼합되어 형성될 수 있다. 또한, 본 발명은 에어갭 또는 보이드와 고유전율층을 혼합하여 정전용량식 압력 센서를 구현할 수도 있다. 즉, 고유전율층 내에 적어도 하나의 에어갭 또는 보이드를 형성할 수 있다. 따라서, 본 발명은 압전식 압력 센서와 정전 용량식 압력 센서로 구현될 수 있다. 정전 용량식 압력 센서를 이용하는 경우에도 도 8 내지 도 14을 이용하여 설명된 복합 소자가 가능하다. 즉, 정전 용량식 압력 센서를 포함하여 압전 스피커, 압전 액추에이터, WPC 안테나, NFC 안테나 및 MST 안테나의 적어도 하나가 일체화되어 제작될 수도 있다.
본 발명은 상기에서 서술된 실시 예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있다. 즉, 상기의 실시 예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명의 범위는 본원의 특허 청구 범위에 의해서 이해되어야 한다.

Claims (17)

  1. 서로 이격되어 마련되며, 서로 대면하는 제 1 및 제 2 전극을 각각 구비하는 제 1 및 제 2 전극층;
    상기 제 1 및 제 2 전극층 사이에 마련된 압전층을 포함하고,
    상기 압전층은 판 형상의 압전체가 폴리머 내에 복수 마련된 압력 센서.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 압전체는 수평 방향으로 서로 교차하는 일 방향 및 타 방향으로 복수 배열되고, 수직 방향으로 복수 배열된 압력 센서.
  3. 청구항 1에 있어서, 상기 압전체는 30% 내지 99%의 밀도로 마련된 압력 센서.
  4. 청구항 1에 있어서, 상기 압전체는 단결정인 압력 센서.
  5. 청구항 3에 있어서, 상기 압전체는 페로브스카이트(perovskite) 결정 구조를 가지는 압전 물질로 형성되는 배향 원료 조성물과, 상기 배향 원료 조성물 내에 분포하며 ABO3(A는 2가의 금속 원소, B는 4가의 금속 원소)의 일반식을 가지는 산화물로 형성되는 시드 조성물을 포함하는 압력 센서.
  6. 서로 이격되어 마련되며, 서로 대면하는 제 1 및 제 2 전극을 각각 구비하는 제 1 및 제 2 전극층;
    상기 제 1 및 제 2 전극층 사이에 마련된 압전층; 및
    상기 압전층에 소정의 폭 및 깊이로 형성된 복수의 절개부를 포함하는 압력 센서.
  7. 청구항 6에 있어서, 상기 절개부는 상기 압전층 두께의 50% 내지 100%의 깊이로 형성된 압력 센서.
  8. 청구항 7에 있어서, 상기 절개부는 적어도 어느 하나가 소정의 간격으로 복수 배열된 상기 제 1 및 제 2 전극의 상기 간격과 대응되도록 형성된 압력 센서.
  9. 청구항 6에 있어서, 상기 절개부 내에 마련된 탄성층을 더 포함하는 압력 센서.
  10. 청구항 6에 있어서, 상기 압전층은 단결정인 압력 센서.
  11. 청구항 6에 있어서, 상기 압전층은 페로브스카이트(perovskite) 결정 구조를 가지는 압전 물질로 형성되는 배향 원료 조성물과, 상기 배향 원료 조성물 내에 분포하며 ABO3(A는 2가의 금속 원소, B는 4가의 금속 원소)의 일반식을 가지는 산화물로 형성되는 시드 조성물을 포함하는 압력 센서.
  12. 청구항 1 내지 청구항 11 중 어느 한 항 기재의 압력 센서와,
    상기 압력 센서와는 다른 기능을 갖는 적어도 하나의 기능부를 포함하는 복합 소자.
  13. 청구항 12에 있어서, 상기 기능부는,
    상기 압력 센서의 일측에 마련된 압전 소자; 및
    상기 압전 소자의 일측에 마련된 진동판을 포함하는 복합 소자.
  14. 청구항 13에 있어서, 상기 압전 소자는 인가되는 신호에 따라 압전 진동 장치 또는 압전 음향 장치로 이용되는 복합 소자.
  15. 청구항 12에 있어서, 상기 기능부는 상기 압력 센서의 일측에 마련되며, 적어도 하나의 안테나 패턴을 각각 구비하는 NFC, WPC 및 MST 중 적어도 어느 하나를 포함하는 복합 소자.
  16. 청구항 12에 있어서, 상기 기능부는 상기 압력 센서의 일면 상에 마련된 압전 소자와, 상기 압전 소자의 일면 상에 마련된 진동판과, 상기 압력 센서의 타면 또는 진동판의 일면 상에 마련된 NFC, WPC 및 MST 중 적어도 하나를 포함하는 복합 소자.
  17. 청구항 12에 있어서, 상기 압력 센서와 전기적으로 연결되어 지문의 골과 마루에서 초음파 신호에 의해 생성되는 음향 임피던스 차이를 상기 압력 센서로부터 측정하여 지문을 감지하는 지문 감지부를 포함하는 복합 소자.
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