WO2018221894A1 - 압전 센서 - Google Patents

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임환영
박기륜
이성호
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Abstract

본 발명은 압전성 폴리 비닐 리덴 플루오 라이드 필름(PVDF film)을 이용하는 압전 센서와 관련되며 실시예로, PVDF 필름, 상기 PVDF 필름의 상면에 형성되는 전극층, 상기 전극층과 전기적으로 연결되는 제1 전극과, 상기 제1 전극과 이격된 위치에 제2 전극을 구비하는 기판, 상기 전극층을 덮어 가리는 비전도층, 상기 비전도층에 부착되면서 상기 제2 전극과 전기적으로 연결되는 제1 차폐필름 및 상기 PVDF 필름의 상면에 부착되고, 상기 PVDF필름 내지 상기 비전도층의 적층물을 감싸면서 상기 제1 차폐필름과 연결되는 제2 차폐필름을 포함하는 압전 센서를 제시한다.

Description

압전 센서
본 발명은 압전성 폴리 비닐 리덴 플루오 라이드 필름(PVDF film)을 이용하는 압전 센서와 관련된다.
PVDF(Polyvinylidene fluoride)는 효율적으로 압전 및 초전 특성을 나타내는 강유전성 고분자로써, 우수한 물리 화학적 성질을 이용하여 산업 전반에 걸쳐 널리 사용되고 있다. 활용 분야 중 하나로 압전 성질을 이용하여 얇고 민감한 압력 센서로 제작되어, 심전도, 호흡, 근전도 등 신체 활동을 감지하는 의료용 또는 스포츠용 감지 수단 및 감지 센서로 사용되고 있다. 신체 활동 감지 수단으로써, 의복, 침대 등에 설치되며, 사용처에 따라 PVDF 필름을 이용한 압력 센서는 좁지만 긴 형태로 제작되기도 한다.
이러한 형태의 압력 센서로써 대한민국 등록특허 제10-1322838호에는 PVDF 필름을 이용한 압전 센서를 제시하고 있다.
종래의 기술을 살펴보면, PVDF 필름의 양면에 전극을 인쇄하되, 각 전극에서 연장된 접촉부가 서로 겹치지 아니하도록 전, 후면에서의 위치가 다르게 형성되어 있다. 이러한 각 접촉부에 커넥터를 연결하여 취득한 전기 신호를 외부로 전송하게 된다. 또한 하부 전극, PVDF 필름 및 상부 전극을 적층한 중간물의 외부를 감싸는 탄성층을 제시하고 있다.
이러한 종래의 기술에 따른 압전 센서의 제조는, PVDF 필름을 요구되는 사이즈로 재단한 후, 재단된 PVDF 필름의 일면에 전극을 인쇄한 후 뒤집어서 전극을 인쇄하고, 그 다음 앞면과 뒤면 각각에 탄성층을 부착하게 된다.
PVDF 필름을 재단한 이후 앞면과 뒷면에 차례로 전극을 인쇄하게 되므로, 재단된 PVDF 필름 단위로 공정이 진행되는데, 이렇게 PVDF 필름 낱장을 다루는 공정의 진행은 자동화에 어려움이 있고, 자동화 설비를 갖추더라도 공정 수가 늘어 생산성이 낮다.
또 재단된 PVDF 필름의 전면과 후면에 전극 패턴을 인쇄하려면, 합선의 위험이 있기 때문에 PVDF 필름의 가장자리 끝까지 전극 패턴을 형성시킬 수 없으므로, 재단된 PVDF 필름의 모든 면을 온전히 사용할 수 없다.
종래의 기술은 일반적으로 필름형 압전 소재의 양면에 전극층, 절연층, 차폐층을 차례로 구성하는 것이다.
본 발명은 생산성의 향상이 가능하고, 측정 효율이 우수한 압전 센서를 제시하는 것을 목적으로 한다.
그 외 본 발명의 세부적인 목적은 이하에 기재되는 구체적인 내용을 통하여 이 기술분야의 전문가나 연구자에게 자명하게 파악되고 이해될 것이다.
위 과제를 해결하기 위하여 본 발명은 실시예로, PVDF 필름, 상기 PVDF 필름의 상면에 형성되는 전극층, 상기 전극층과 전기적으로 연결되는 제1 전극과, 상기 제1 전극과 이격된 위치에 제2 전극을 구비하는 기판, 상기 전극층을 덮어 가리는 비전도층, 상기 비전도층에 부착되면서 상기 제2 전극과 전기적으로 연결되는 제1 차폐필름 및 상기 PVDF 필름의 상면에 부착되고, 상기 PVDF필름 내지 상기 비전도층의 적층물을 감싸면서 상기 제1 차폐필름과 연결되는 제2 차폐필름을 포함하는 압전 센서를 제시한다.
종래의 기술과 대비하면, PVDF 필름의 일면에 인쇄한 전극층을 제1 전극층으로 사용하고, 반대면은 별도의 전극층을 형성하지 아니한 상태에서 전도성 접착제가 적용된 전도성 필름을 제2 차폐필름을 제2 전극으로 사용하게 된다.
여기서 상기 비전도층은 상기 전극층에 부착되는 비전도성 보호필름이고, 상기 보호필름의 사이즈는 상기 전극층의 사이즈보다 클 수 있다. 이와 같이 전극층보다 넓은 면적을 가진 비전도층을 사용함으로써, 다층으로 적층된 반제품의 측면에서 노출되는 전극층의 단부에 대한 절연이 가능해져 별도의 추가적인 절연 공정을 생략할 수 있게 한다.
종래의 기술에서는 제2 전극을 구성하기 위하여 PDVF 필름에 전극층을 코팅하고 그 위에 절연층 및 차폐층을 추가로 구성하였는데, 본 발명은 제2 전극으로 전도성 접착제가 적용된 차폐필름을 사용함으로써, 종래의 기술에서 요구된 전극층 코팅 공정을 생략할 수 있게 하고 적층 구조를 단순화하여 공정비용의 절감 및 감도의 개선이 가능하다.
또한 말린 롤에서 풀려나오는 PVDF 필름지에 상기 전극층을 인쇄하고, 이를 재단함에 따라, 재단된 각 상기 PVDF 필름의 전면과 대응한 면적으로 전극층이 형성되어 있다. 이로써 PVDF 필름의 사용률이 증가되어 센서의 성능을 향상시킬 수 있다.
나아가 상기 PVDF 필름과 상기 제2 차폐필름 사이에는 전도성 접착층이 개재되어, PVDF 필름과 차폐필름의 온전한 면접촉을 이루고 신호대 잡음비를 크게 개선할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, PVDF 필름을 이용한 압전 센서의 생산성이 향상되며, 압전 센서의 성능을 향상시킬 수 있게 된다.
그 외 본 발명의 효과들은 이하에 기재되는 구체적인 내용을 통하여, 또는 본 발명을 실시하는 과정 중에 이 기술분야의 전문가나 연구자에게 자명하게 파악되고 이해될 것이다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 압전 센서의 개략적인 사시도.
도 2는 도 1에 도시된 실시예에 따른 압전 센서를 분리하여 나타낸 사시도.
도 3은 도 1에 도시된 실시예에 채용된 PVDF 필름과 전극층의 제조 과정을 개략적으로 나타낸 사시도.
도 4는 도 1에 도시된 실시예의 단면도.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 압전 센서의 단면도.
이하 첨부된 도면을 참고하여 본 발명에 따른 압전 센서의 구성, 기능 및 작용을 설명한다. 단, 도면과 실시예에 걸쳐 동일하거나 유사한 구성요소에 대한 도면번호는 통일하여 사용하기로 한다.
또한 이하의 설명에서 '제1', '제2' 등의 용어는 기술적 의미가 동일성 범위에 있는 구성요소를 편의상 구별하기 위하여 사용된다. 즉, 어떠한 하나의 구성은 임의적으로 '제1구성' 또는 '제2구성'으로 명명될 수 있다.
첨부된 도면은 본 발명의 적용된 실시예를 나타낸 것으로, 본 발명의 기술적 사상을 첨부된 도면을 통하여 제한 해석해서는 아니된다. 이 기술분야에 속하는 전문가의 견지에서 도면에 도시된 일부 또는 전부가 발명의 실시를 위하여 필연적으로 요구되는 형상, 모양, 순서가 아니라고 해석될 수 있다면, 이는 청구범위에 기재된 발명을 한정하지 아니한다.
또한 첨부된 도면에서 각 필름 또는 층의 두께는 식별이 용이하도록 의도적으로 과장한 것임을 밝혀둔다.
또한 본 발명의 설명에서 PVDF 필름은 타이타늄산바륨(Barium titanate), 타이타늄산 지르콘산 연(PZT) 등 다양한 압전소재로 대체 가능하며, 본 발명의 권리범위 해석에 있어 당해 소재를 PVDF 재질로 한정하지 않는다.
도 1 내지 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 압전 센서와 관련된다.
본 발명의 실시예에 따른 압전 센서(100)는 PVDF 필름(10), 전극층(20), 기판(30), 비전도층(40) 및 제1, 2 차폐필름(50a, 50b)을 포함한다.
PVDF 필름(10)은 가해진 응력에 따라 전압을 발생시키는 압전 소재를 필름 형태로 가공한 것으로, 적정한 폭과 길이로 제공된다.
PVDF 필름(10)의 일면에는 발생한 전류를 수용하기 위한 전극층(20)이 형성된다. 도 3을 참고하면, PVDF 필름지(S)은 롤(R) 형태로 제공되며, 이 롤(R)로부터 연속적인 PVDF 필름지(S)를 제공받게 된다.
전극층(20)은 도전성 페이스트 조성물을 PVDF 필름지(S) 상에 인쇄함으로써 형성될 수 있다. 전극층(20)의 형성을 위한 패터닝 기술과 해당 인쇄 장비(P)는 이미 공지된 바에 따르므로 설명을 생략한다.
롤(R)에서 연속적으로 공급되는 PVDF 필름지(S) 상에 인쇄하여 전극층을 형성함으로써, 짧은 시간 내에 다량의 PVDF 필름지(S)에 전극층(20) 형성이 가능하다. 즉 전극층 형성 공정의 생산성이 증대된다.
전극층(20)이 형성된 PVDF 필름지(S)는, 도 3의 아래에 도시한 바와 같이, 이후 요구되는 센서 사이즈에 따라 재단된다. 재단된 PVDF 필름(10)과 전극층(20)의 적층체를 살펴보면, PVDF 필름(10)의 전체 면적과 전극층(20)의 전체 면적이 동일하다. 이로써 후술하는 기판과 접촉하는 일부를 제외한 나머지 부분을 사용할 수 있게 되어, PVDF 필름의 사용률이 증대된다.
반면 종래의 기술에서는 재단된 PVDF 필름 상에 전극층 인쇄하여 형성함으로써, PVDF 필름의 가장자리 둘레에는 전극층이 형성되지 아니함에 따라, PVDF 필름의 사용률이 본 발명보다 낮다.
다시 도 2를 참고하면, 기판(30)은 동일한 면에 제1 전극(31)과 제2 전극(32)이 나란히 이격되게 형성되어 있으며, 일측에 치우쳐진 위치에 전기선과 연결되는 한 쌍의 단자부(33)가 형성되어 있다. 여기서 어느 한 단자부(33)는 제1 전극(31)과 전기적으로 이어지고, 나머지 단자부(33)는 제2 전극(32)과 이어진다.
제1 전극(31)은 PVDF 필름(10)에서 발생한 미세 전류를 전극층(20)을 통해 받아들이는 시그널 전극으로 사용되고, 제2 전극(32)은 접지 전극으로 사용될 수 있다.
이러한 기판(30)은 휘어짐이 가능한 연성 회로 기판(FPCB)로 제작될 수 있다.
기판(30)의 가장자리와 가까운 제1 전극(31)이 전극층(20)과 접촉하도록, 기판(30)은 전극층(20)이 형성된 PVDF 필름(10)의 일단부 끝단에 위치하게 된다. 전극층(20)과 제1 전극(31)은 전도성 접착제 등 공지된 수단에 의한 다양한 부착 방식으로 연결될 수 있다. 또는 아일렛, 리벳 등과 같은 물리적 결합수단이 사용될 수도 있다.
비전도층(40)은 보호필름(41)을 전극층(20) 위에 접착하여 형성할 수 있다.
여기서 보호필름(41)은 휘어짐이 가능하고 비전도성을 가지는 것으로, 다양한 종류의 공지된 재질 중 하나를 채택하여 제작될 수 있다.
비전도층(40)은 후술하는 제1 차폐필름(50a)에 대하여 전극층(20)를 절연하는 기능을 담당한다.
나아가 비전도층(40)을 이루는 보호필름(41)의 사이즈는 전극층(20)의 사이즈보다 클 수 있다. 도 2에 도시한 바와 같이, PVDF 필름(10)과 전극층(20)의 면적은 동일함으로써, 만일 전극층의 상면과 동일하게 비전도층을 형성하면, PVDF 필름과 비전도층 사이에 전극층이 노출된다. 이렇게 전극층의 단부가 드러나는 측면은, 이후 설명하는 제1 차폐필름(50a)과 접촉하여 통전될 우려가 있다.
따라서 제1 차폐필름(50a)과 통전 가능한 접촉이 이루어지지 아니하도록 보호필름(41)의 사이즈를 전극층(20)의 사이즈보다 크게 하여, 측면에서 노출되는 전극층(20)의 단부를 보호필름(41)의 가장자리(42)가 덮어 가릴 수 있게 한다. 그 결과, 전극층이 노출되는 측면에 대한 추가적인 절연 조치를 취하지 아니하더라도, 노출된 전극층 단부로부터 제1 차폐필름으로의 통전이 방지된다.
제1 차폐필름(50a)과 제2 차폐필름(50b)은 휘어짐이 가능하면서 전도성을 가진 재질의 필름으로, PVDF 필름(10), 전극층(20), 비전도층(40)의 적층체 외부를 감싸도록 구비된다. 이를 위해 제1 차폐필름(50a)과 제2 차폐필름(50b)의 사이즈는 비전도층을 이루는 보호필름(41)보다 크다.
특히 비전도층(40) 위에 부착되는 제1 차폐필름(50a)은, 기판(30)의 제2 전극(32)과 전기적으로 연결된다. 제1 차폐필름(50a)과 제2 전극(32)은 전도성 접착제 등 공지된 수단에 의한 부착 방식 등으로 연결될 수 있다.
또한 제1 차폐필름(50a)은 제2 전극(32) 주변의 기판(30)의 상면과도 접착될 수 있다.
한편 제2 차폐필름(50b)은 PVDF 필름(10)의 상면에 부착된다. 이때 제2 차폐필름(50b)의 가장자리(51)와 길이 방향의 일단부(52)는 제1 차폐필름(50a)의 가장자리 및 길이 방향의 일단부와 통전 가능하게 부착된다.
즉 도 1에 도시한 바와 같이, 게1, 2 차폐필름(50a, 50b)의 가장자리 둘레를 상하로 서로 접합되며, PVDF 필름(10), 전극층(20) 및 비전도층(40)이 적층된 적층체는 상하의 제1 차폐필름(50a)과 제2 차폐필름(50b) 사이에 갇힌 상태가 된다.
도 4를 참고하면, 제2 차폐필름(50b)은 가장자리 둘레(51, 52)를 따라 제1 차폐필름(50a)을 거쳐 제2 전극(32)에까지 전기적으로 연결되어 접지된 상태이고, 이때 PVDF 필름(10)에 응력이 가해짐에 따라 발생한 전류는 PVDF 필름(10)의 하면에 접속한 전극층(20)으로 흐르게 된다. 전극층(20)은 제1 전극(31)에 연결되어 있어, PVDF 필름(10)에 발생한 전류를 기판(30)을 통해 외부로 전달할 수 있게 된다.
나아가, 도시하지 아니하였으나 제1, 2 차폐필름의 외부를 감싸는 추가적인 코팅이나 추가적인 기능성 필름의 접착이 가능하다. 이러한 코팅 등은 그 재질에 따라 제1, 2 차폐필름의 오염을 방지하거나, 외부 정전기 등 노이즈 신호가 제1, 2 차폐필름으로 전달되는 것을 차단할 수 있다. 추가적인 코팅이나 기능성 필름은 실시예에 따라 다중으로 이루어질 수도 있다.
한편 도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 압전 센서와 관련된다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 압전 센서(100)는 PVDF 필름(10), 전극층(20), 기판(30), 비전도층(40) 및 제1, 2 차폐필름(50a, 50b)을 포함하며, 이하에서 설명하는 내용과 저촉하지 아니하는 범위 내에서 전술한 실시예의 기술적 특징으로 그대로 포함한다.
도 5에 도시한 실시예에서 비전도층(40)을 구성하는 보호필름(41)은 전극층(20)과 기판(30) 사이에 위치한다. 보호필름(41)의 단부는 기판(30)의 제1 전극(31)까지는 이르지 않음으로써, 전극층(20)이 온전히 제1 전극(31)에 접지할 수 있다.
도 5에 제시한 실시예에서, 보호필름(41)이 기판(30)을 넘어 절연층(20)을 덮어 가림에 따라, 전도성 고분자 재질인 전극층(20)이 공기 중에 노출되어 산화됨에 따라 센서 성능이 저하되는 현상이 최소화된다. 구체적으로 살펴보면, 실제로는 보호필름(41)의 두께가 매우 얇음에 따라 보호필름(41)의 두께에 의한 기판(30)과 전극층(20)의 들뜬 공간(A)은 거의 없다.
이와 대비하여 도 4에 도시한 실시예에서는 보호필름(41)이 두꺼운 기판(30)를 넘어가는 구조이기에 전극층(20)의 일부가 공기 중에 노출된다.
본 발명의 실시예들에 따른 압전 센서는, 한 면에 제1 전극(31)과 제2 전극(32)을 구비하는 기판(30)을 사용한다. 제1 전극(31)에 전극층(20)을 접속시키고, 제2 전극(32)에 제1 차폐필름(50a)을 접속시키는 구성을 채택하고 있다.
이러한 기판과 적층 구조를 채택함에 따라, PVDF 필름(10)을 출발 소재로 하는 압전 센서의 제조 공정에 있어서, 반제품을 뒤집는 공정을 최소한으로 할 수 있게 한다. 즉, PVDF 필름(10) 위에 전극층(20) 형성, 기판(30) 연결(제1 전극(31)과 전극층(20)의 접속), 비전도층(40) 형성, 제1 차폐필름(50a) 부착(제2 전극(32)과 제1 차폐필름(50a)의 접속)까지 반제품을 뒤집지 않고 연속적인 공정으로 진행할 수 있다. 이후 반제품을 뒤집어 제2 차폐필름(50b)을 부착하는 것으로 압전 센서(100)가 완성된다. 따라서 공정의 단순화에 따른 생산성이 증대된다.
또한 PVDF 필름(10)에 전극층(20)을 인쇄 방식으로 형성함에 있어서, 단일의 전극층(20)을 인쇄하는데 그친다. 종래의 기술에는 PVDF 필름의 전면과 후면에 한 번씩 전극층을 인쇄하여야 했으나, 본 발명은 한 번의 전극층 인쇄만을 요구하므로 생산성이 향상된다.
압전 센서의 성능 면에서, 본 발명의 실시예에 따른 압전 센서(100)는, 종래의 기술에 비하여 하나의 전극층을 제2 차폐필름(50b)이 담당함으로, 다층 구조 - 종래의 기술에서는 PVDF 필름의 양면 각각에 전극층, 절연층 및 차폐층이 모두 구성됨 - 를 가지는 센서의 적층 요소를 하나 줄인 것이다. 이로써 작은 응력에도 PVDF 필름이 반응할 수 있어 압전 센서의 감도가 좋아지는 효과가 있다.
또한 제1, 2 차폐필름(50a, 50b)은, PVDF 필름(10)과, PVDF 필름(10)에서 발생한 전류를 수용하는 전극층(20)과, 제1 전극(31)이 형성된 기판의 일부분을 감싸는 형태로써, 외부의 노이즈가 전술한 구성요소에 미치는 영향을 줄일 수 있다. 따라서 압전 센서의 신호 대 잡음비(S/N ratio)를 개선하여 감도를 향상시킨다.
도 4 또는 도 5에서 PVDF 필름(10)과 제2 차폐필름(50b) 사이에는 접착층(도시 생략)이 개재될 수 있다. 접착층은 유연성을 지녀 압전 센서의 사용 시에 파단되지 않은 재질로, 공지된 수지계열 중 하나를 선택하여 사용할 수 있다.
접착층이 개재됨으로써 PVDF 필름(10) 상면에 대한 제2 차폐필름(50b)의 면 접촉이 이루어져 PVDF 필름의 전기 신호가 왜곡 없이 기판으로 전달될 수 있게 한다.
나아가 접착층은 전도성 접착제로 형성될 수 있다.
여기서 전도성 접착제는 아크릴계, 실리콘계, 에폭시계 등의 다양한 수지에 전도성 필러로써 금속분말, 카본분말, 전도성 고분자 등이 섞인 것일 수 있으며, 시판 제품을 사용할 수 있다.
전도성 접착제로 형성한 접착층은, 그러하지 아니한 접착층에 비하여 PVDF 필름(10)과 제2 차폐필름(50b)간의 온전한 전기적 연결을 이룸으로써, 비전도성 접착층에 적용된 경우와 대비하여 신호대 잡음비를 더욱 개선하는 효과가 있다.

Claims (4)

  1. PVDF 필름;
    상기 PVDF 필름의 상면에 형성되는 전극층;
    상기 전극층과 전기적으로 연결되는 제1 전극과, 상기 제1 전극과 이격된 위치에 제2 전극을 구비하는 기판;
    상기 전극층을 덮어 가리는 비전도층;
    상기 비전도층에 부착되면서 상기 제2 전극과 전기적으로 연결되는 제1 차폐필름; 및
    상기 PVDF 필름의 상면에 부착되고, 상기 PVDF필름 내지 상기 비전도층의 적층물을 감싸면서 상기 제1 차폐필름과 연결되는 제2 차폐필름;
    을 포함하는 압전 센서.
  2. 제1항에서,
    상기 비전도층은
    상기 전극층에 부착되는 비전도성 보호필름이고,
    상기 보호필름의 사이즈는 상기 전극층의 사이즈보다 큰 것을 특징으로 하는
    압전 센서.
  3. 제1항에서,
    말린 롤에서 풀려나오는 PVDF 필름지에 상기 전극층을 인쇄하고, 이를 재단함에 따라, 재단된 각 상기 PVDF 필름의 전면과 대응한 면적으로 전극층이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는
    압전 센서.
  4. 제1항에서,
    상기 PVDF 필름과 상기 제2 차폐필름 사이에는 전도성 접착층이 개재되는 것을 특징으로 하는
    압전 센서.
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