KR100801497B1 - Ｃｎｔ네트워크 박막이 구비된 압력 센서 소자, 이의 제작방법 및 이를 포함하는 센서 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 CNT 네트워크 박막이 구비된 압력 센서 소자, 이의 제작 방법 및 이를 포함하는 압력 센서에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 기판; 상기 기판 상에 패터닝되어 형성된 CNT 네트워크 박막; 상기 CNT 네트워크 박막의 양 말단과 접촉하여 형성된 제1 및 제2 전극; 및 상기 CNT 네트워크 박막 상에 제1 및 제2 전극과 접촉하도록 위치하고, 상기 CNT 네트워크 박막과 소정 두께의 갭(gap)이 존재하도록 형성된 버퍼막을 구비하는 CNT 네트워크 박막이 구비된 압력 센서 소자, 이의 제작 방법 및 이를 포함하는 압력 센서에 관한 것이다.
본 발명의 압력 센서 소자는 감도 및 내구성이 우수하고 이를 구현하는 시그널 프로세싱 회로의 설계를 단순화할 수 있으며, 각종 디스플레이에 사용되는 터치 스크린, 압력 모니터링 센서, 압력 센서 등 다양한 분야에 용이하게 적용이 가능하다.
탄소나노튜브(CNT), 초음파, 나노 템플레이트 필터, CNT 네트워크, CNT 박막
Description
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 압력 센서 소자의 단면도이다.
도 2는 상기 도 1의 A 영역에 대한 확대 단면도이다.
도 3은 본 발명의 원리에 따른 압력 센서 소자에 힘을 인가함을 보여주는 단면도이다.
도 4는 상기 도 3의 B 영역에 대한 확대 단면도이다.
도 5는 실시예 1에서 제조된 압력 센서 소자용 단위셀에 0.4 N 및 0.6 N의 압력을 인가하기 전과 후의 전기 전도도 변화를 보여주는 그래프이다.
본 발명은 CNT 네트워크 박막이 구비된 압력 센서 소자, 이의 제작 방법 및 이를 포함하는 압력 센서에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 감도 및 내구성이 우수하고 이를 구현하는 시그널 프로세싱 회로의 설계를 단순화할 수 있으며, 각종 디스플레이에 사용되는 터치 스크린, 압력 모니터링 센서, 압력 센서 등 다양한 분야 에 용이하게 적용이 가능한 CNT 네트워크 박막이 구비된 압력 센서 소자, 이의 제작 방법 및 이를 포함하는 압력 센서에 관한 것이다.
일반적으로 가장 많이 사용되어지는 압력 센서(패널)의 종류에는 도전 필름방식과 적외선 매트릭스 방식, 저항막 방식, 용량 변화 방식, 금속 센서 매립 방식, 압력 센서 방식, 표면파 방식 등이 있다. 디스플레이 이외의 응용으로는 자동차용 압력 센서, 카메라의 그립 터치 센서 등이 있으며, 대부분에 사용되어지는 기술들은 실리콘 멤스(MEMS) 마이크로머시닝 방법을 사용하기 때문에 여러 면에서 제작이 복잡하고, 제작 비용이 많이 드는 단점이 있다
먼저 도전 필름 방식의 압력 센서의 소자는 유리 기판과 얇은 필름 사이에 화학약품이 도포되어 있는 x축과 y축의 측면의 얇은 금속판이 붙여진 패널 구조로 이루어진다. 상기 도전 필름 방식의 압력 센서는 패널에 전원을 공급하면, 일정량의 저항이 형성되고, 특정 부위에 손이나, 기타 물체가 닿으면 화학약품이 반응하여 저항 값이 변하게 되고 이로 인해 측면의 금속판에서는 저항의 변화에 기인된 물체의 접촉 위치 좌표를 찾는 원리로 되어 있다.
그러나 이러한 도전 필름 방식은 정밀한 감지를 할 수 있는 반면, 연약한 표면을 가지고 있기 때문에 내구성이 떨어지는 것은 물론 패널 제작이 까다롭다는 단점을 갖고 있다.
적외선 매트릭스 방식 압력 센서의 소자는 패널의 상하 좌우에 간격이 아주 촘촘한 바둑판 모양의 적외선이 흐를 수 있도록 적외선 발사 장치 및 감지 장치의 어레이(array) 구조로 이루어져 있다. 상기 구조에 패널의 특정 부위에 물체가 접 촉하게 되면, 그곳에 흐르는 적외선이 차단되게 되므로 이를 기준으로 물체가 접촉한 좌표를 알아내는 원리를 사용한다.
그러나 상기 적외선 매트릭스 방식의 압력 센서는 분해능을 높이기 위해서, 작은 크기의 적외선 발생장치 및 감지장치를 아주 촘촘하게 배열해야 되므로 제작 단가가 올라가며, 소비 전력이 증가하게 될 뿐만 아니라, 신호 처리가 복잡해지는 단점을 가진다. 더욱이 어레이 방식은 센서를 더 촘촘히 배열하기위해 사이즈를 줄여야하는데, 이 사이즈를 줄이는데 한계가 있어 분해능을 높이는 데는 한계가 있다.
저항막 방식 압력 센서 소자는 유리 기판 상에 도전막(ITO)을 형성하여 제1 패널을 형성하고, PET 필름 상에 도전막(ITO)을 형성하여 제2 패널을 형성한 다음, 상기 제1 및 제2 패널을 도전막이 서로 마주보도록 배치하고, 이들 공간 사이에 공기층이 형성된 구조를 갖는다. 이러한 소자는 외부로부터 압력이 인가되면 상기 도전막 끼리 접촉하여 접촉이 일어난 지점에서 전위차가 발생하고 이를 감지하는 를 갖는다.
그러나 상기 저항막 방식 압력 센서 소자는 유효 화면에 비해 그 이외의 부분(액자)이 넓고, 또한 필름을 밀착시켜 쇼트시키는 구조이므로, 동작 온도 범위가 좁고 경시 변화에 약하다고 하는 결점을 가지고 있다. 더욱이 터치할 때마다 도전막끼리 메커니컬로 접촉하는 구조로 마모되기 때문에 도전막을 두껍게 해야 하며 이 두께가 투과율의 악화, 황색 기미를 보이는 요인이 되고 있다.
정전 용량 결합 방식의 압력 센서 소자는 유리 기판 상에 도전막을 형성하 고, 그 상부에 오염 방지막을 형성한 구조를 갖는다. 이러한 소자는 스크린의 네 모서리에 전압을 걸어주면 고주파가 센서 전면에 퍼지고, 사람이 손으로 스크린을 터치하는 경우 사람의 몸에 있는 정전 용량에 의해 고주파의 파형이 변형되어 이를 감지하는 원리를 갖는다.
상기 정전 용량 결합 방식의 압력 센서 소자는 스크린 부분을 좁게 할 수 있고 접촉 부분도 없어 마모가 발생하지 않는다. 그러나 손가락을 사용해 스크린을 터치하게 되므로 손에 묻어있던 오일 성분 등 오염 물질에 쉽게 노출되고 이때의 센싱 정밀도가 떨어진다.
금속 세선 매립 방식 압력 센서 소자는 매트릭스를 구성하는 수십 마이크론의 스테인레스 선을 평행하게 배열하여 물체가 닿는 좌표의 저항값 변화를 통해 위치정보를 얻을 수 있다. 그러나 이러한 소자는 내구성 면에서 문제가 발생할 수 있으며, 특히 반복되어지는 접점 부분의 위치가 사용시간이 길어짐에 따라, 쉬프트(shift) 되어져 위치의 정밀한 추적에 문제를 발생하는 단점이 있다.
표면파 방식 압력 센서 소자는 압전 소자를 사용하는 것으로, 압전 소자부에 교류 전압을 인가하여 표면파를 발생시킨다. 상기 표면파는 일정 속도로 기판의 표면 위로 전파되며 손가락 등으로 접촉하는 경우 상기 표면파의 일부는 반사해 압전 소자로 되돌아와 압전 소자에 전 만큼의 전압이 발생하는 원리를 이용하여, 손가락이 접지한 x 및 y 좌표를 감지할 수 있다.
이러한 표면파 방식 압력 센서 소자는 기판 상에 물방울 및 긁힘 등 오염원이 발생하는 경우 반사파가 발생하므로 올바른 좌표를 얻는데 어려움이 있다. 또 한 시그널 프로세스가 복잡해 제작 가격이 높아진다.
이와 같이 여러 방식의 압력 센서 소자가 있으나, 이러한 종래의 방식들은 각각 내구성 문제, 표면 오염에 대한 문제, 복잡한 시그널 프로세싱 문제, 감지 센서 배열 구조에 따른 분해능 문제 등이 있다.
상기한 문제를 해결하기 위한, 본 발명의 목적은 감도 및 내구성이 우수하고 이를 구현하는 시그널 프로세싱 회로의 설계를 단순화할 수 있는 압력 센서 소자 및 이의 제작 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 상기 소자를 구비하여 각종 디스플레이에 사용되는 터치 스크린, 압력 모니터링 센서, 압력 센서 등 다양한 분야에 용이하게 적용이 가능한 압력 센서를 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은
기판;
상기 기판 상에 패터닝되어 형성된 CNT 네트워크 박막;
상기 CNT 네트워크 박막의 양 말단과 접촉하여 형성된 제1 및 제2 전극; 및
상기 CNT 네트워크 박막 상에 제1 및 제2 전극과 접촉하도록 위치하고, 상기 CNT 네트워크 박막과 소정 두께의 갭(gap)이 존재하도록 형성된 버퍼막
을 구비하는 CNT 네트워크 박막이 구비된 압력 센서 소자를 제공한다.
또한 본 발명은
a) 기판 상에 패터닝된 CNT 네트워크 박막을 형성하는 단계;
b) 상기 CNT 네트워크 박막의 양 말단과 접촉하여 형성된 제1 및 제2 전극을 형성하는 단계; 및
c) 상기 CNT 네트워크 박막 상에 제1 및 제2 전극과 접촉하도록 위치하고, 상기 CNT 네트워크 박막과 소정 두께의 갭(gap)이 존재하도록 형성된 버퍼막을 형성하는 단계
를 포함하는 CNT 네트워크 박막이 구비된 압력 센서 소자의 제작 방법을 제공한다.
또한 본 발명은 상기 압력 센서 소자가 구비된 압력 센서를 제공한다.
이하 본 발명을 더욱 상세히 설명한다.
본 발명에 따른 압력 센서 소자는 감도 및 내구성이 우수하고 이를 구현하는 시그널 프로세싱 회로의 설계를 단순화할 수 있으며, 각종 디스플레이에 사용되는 터치 스크린, 압력 모니터링 센서, 압력 센서 등 다양한 센서 기술 분야에 바람직하게 적용된다.
본 명세서 전체에 걸쳐 사용되는 압력 센서 소자는 압력 또는 힘의 인가에 따른 전기적인 전도도의 변화를 정량적으로 분석할 수 있는 소자를 의미한다.
또한 본 명세서 전체에 걸쳐 기재되는 CNT는 탄소 나노 튜브(carbon nano tube)를 의미한다.
이하, 본 발명을 구체적인 실시예를 도면을 통해 더욱 상세히 설명한다. 본 발명의 실시예들은 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아 래에서 상술하는 실시예들로 인해 한정되어지는 것으로 해석되어져서는 안 된다. 또한 각 도면에서의 요소의 형상 등은 보다 명확한 설명을 강조하기 위해서 과장되어진 것으로 이해되는 것이 바람직하다. 이때 도면상에서 동일한 부호로 표시된 요소는 동일한 요소를 의미한다. 또한, 어떤 층이 다른 층 또는 기판의 "상"에 있다라고 기재되는 경우에, 상기 어떤 층은 상기 다른 층 또는 기판에 직접 접촉하여 존재할 수 있고, 또는, 그 사이에 제3의 층이 개재되어질 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 압력 센서 소자의 단면도이고, 도 2는 상기 도 1의 A 영역에 대한 확대 단면도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 상기 압력 센서 소자(10)는
기판(1);
상기 기판(1) 상에 패터닝되어 형성된 CNT 네트워크 박막(3);
상기 CNT 네트워크 박막(3)의 양 말단과 접촉하여 형성된 제1 및 제2 전극(5, 7); 및
상기 CNT 네트워크 박막(3) 상에 제1 및 제2 전극(5, 7)의 말단과 접촉하도록 위치하고, 상기 CNT 네트워크 박막(3)과 소정 두께의 갭(gap)이 존재하도록 형성된 버퍼막(9)
을 포함한다.
상기 기판(1)은 통상적으로 사용되는 소다 라임 재질의 유리 기판 또는 플라스틱 기판이 가능하며, 본 발명에서 그 재질을 특별히 한정하지는 않는다. 일예로 상기 기판(1)으로 유연(flexible) 기판이 사용될 수 있으며, 이때 상기 유연 기판 은 실리콘계 고분자, 아크릴계 고분자 및 이들의 공중합체로 이루어진 군에서 선택된 1종이 가능하다. 상기 실리콘계 고분자로는 폴리실란(polysilane), 폴리실록산(polysiloxane), 폴리실라잔(polysilazane), 폴리카르보실란(polycarbosilane) 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 1종이 가능하며, 바람직하기로는 폴리디메틸실록산 (poly(dimethylsiloxane), PDMS)가 가능하다. 상기 아크릴계 고분자로는 폴리아크릴레이트(polyacrylate), 폴리메타크릴레이트(polymethacrylate), 폴리메틸아크릴레이트(polymethylacrylate), 폴리메틸메타크릴레이트(polymethylmetacrylate), 폴리에틸아크릴레이트(polyethylacrylate), 폴리에틸메타크릴레이트 (polyethylmetacrylate) 및 이들의 공중합체로 이루어진 군에서 선택된 1종이 가능하다.
상기 CNT 네트워크 박막(3)은 기판 상에 형성되며, 일정한 형태로 패터닝된 구조를 갖는다. 이러한 CNT 네트워크 박막(3)은 3차원 구조를 가지는데 외부에서 손 또는 물체를 사용하여 압력 또는 힘을 가하는 경우 그 구조가 2차원에 가까운 구조로 변함에 따라 전기 전도도가 변화되며, 이러한 전기 전도도의 변화를 측정함으로써 센서로서 구현이 가능하다.
본 발명에 따른 CNT 네트워크 박막(3)은 싱글-월(single-wall), 더블-월(double-wall) 또는 멀티-월(multi-wall) 구조를 가지고 있으며, 개개의 CNT가 서로 네트워크를 형성한 형태를 가진다. 상기 싱글-월 구조의 CNT 네트워크 박막(3)은 원통형의 벽이 하나로 이루어진 긴 CNT 가닥을 의미하며, 더블-월 구조의 CNT 네트워크 박막(3)은 동심원처럼 벽이 두 개로 이루어진 CNT 가닥을 의미한다. 또한 멀티-월 구조의 CNT 네트워크 박막(3)은 두 개 이상의 벽이 동심원처럼 이루어진 구조의 CNT 가닥을 의미한다. 이들은 각각 전기적인 특성이 다르나, 적용하는 용도에 따라 적절히 선택될 수 있다. 예를 들면, 더블이나 멀티월은 도체의 성질이 강하고, 싱글은 반도체의 성질이 강해 사용하는 용도가 다르나, 모두 압력 센싱을 위해 사용가능하다.
상기 CNT 네트워크 박막(3)은 저밀도로 네트워크를 형성하는 것이 바람직하다. 이때 저밀도라 함은 구체적으로 빛의 투과를 90% 이상 할 수 있으며, 압력을 감지할 수 있는 최소의 밀도(network 형성)를 가짐을 의미한다. 부연하면, 센서로서 작동하기 위해 단 하나의 CNT 가닥이 제대로 두 전극사이에 연결돼 있다 하더라도 압력 센싱이 가능하고 10개가 있어도 네트워크 형성이 안 되면 압력 센싱이 불가능하다.
이렇게 저밀도로 네트워크를 형성할 경우 재료비 차원에서 경제적이고, 터치 스크린과 같이 투명도를 요구하는 센서에 적용하는 경우 90% 이상의 투과율을 나타내 기존에 ITO(인듐 틴 옥사이드)를 사용하는 경우와 비교하여 저렴할 뿐만 아니라 동등 이상의 높은 투과율을 보여 보다 선명한 색상 구현이 가능하다.
또한 터치 스크린용이 아닌 다양한 종류의 압력 모니터링 센서의 경우라도, 저밀도로 제작하면 경제적이고 민감도(sensitivity)가 증가하는 장점이 있다.
이때 CNT 네트워크 박막(3)의 두께는 수 나노 내지 수십 마이크론 수준으로 구현하고자 하는 센서의 종류에 따라 변화 또는 변경이 가능하며, 바람직하기로 10 nm 내지 40 nm 의 두께로 구현한다. 만약 상기 CNT 네트워크 박막(3)의 두께가 상 기 범위 미만이면 저밀도 네트워크 박막 형성이 어려워 소자로서 작동이 불가능해지고, 이와 반대로 상기 범위보다 두껍게 형성하는 경우 빛의 투과율이 크게 저하된다.
이러한 CNT 네트워크 박막(3)은 이를 이루는 개개의 CNT의 높은 탄성 강도에 따른 내구성이 우수하고 온도에 따른 센싱 안정성이 뛰어나며, 제작공정이 간단한 장점이 있다.
상기 제1 및 제2 전극(5, 7)은 CNT 네트워크 박막(3)의 양 말단과 접촉하여 형성된다. 이러한 제1 및 제2 전극(5, 7)은 CNT 네트워크 박막(3)과 전기적으로 연결되고, 상기 CNT 네트워크 박막(3)의 전기 전도도의 변화를 측정하기 위해 별도로 구비된 검출부(미도시)와 전기적으로 연결된다. 이에 따라 외부에서 CNT 네트워크 박막(3)에 압력 또는 힘을 인가하는 경우 발생하는 전기 전도도의 변화를 검출부에서 측정할 수 있다.
상기 제1 및 제2 전극(5, 7)은 Pt, Pd, Au, Ag, Ti, Co, Ni, Cu, W, Mo, V, 및 이들의 합금으로 이루어진 군에서 선택된 1종이 가능하고, 바람직하기로는 쇼트키 장벽(Shottky Barrier)이 낮은 Pd 또는 Au가 바람직하다.
이러한 제1 및 제2 전극(5, 7)은 0.1 ㎛ 내지 1 ㎛, 바람직하기로 0.2 ㎛ 내지 0.5 ㎛의 두께로 형성한다. 이러한 제1 및 제2 전극(5, 7)의 두께는 도 2에 나타낸 바와 같이 후속에서 설명되어지는 버퍼막(9)과 CNT 네트워크 박막(3) 간의 갭을 형성한다.
만약 상기 제1 및 제2 전극(5, 7)의 두께가 상기 범위 미만이면 버퍼막(9) 과 CNT 네트워크 박막(3) 상의 갭이 충분치 않아 센서의 민감도가 저하되고, 상기 두께를 초과하면 CNT 네트워크 박막(3)의 전기 전도도의 변화를 충분히 일으킬 수 없을 뿐만 아니라 전극에 가해지는 스트레스에 의해 전극이 벗겨지는 문제가 발생하므로, 상기 범위 내에서 적절히 사용한다.
상기 버퍼막(9)은 CNT 네트워크 박막(3) 상에 제1 및 제2 전극(5, 7)의 말단과 접촉하도록 위치한다. 이러한 버퍼막(9)은 평소에는 CNT 네트워크 박막(3)과 이격되어 있으나, 외부에서 압력 또는 힘을 인가하는 경우 상기 CNT 네트워크 박막(3)과 접촉하여 상기 CNT 네트워크 박막(3)의 전기 전도도 변화, 구체적으로는 CNT 네트워크 박막(3)내에 존재하는 각각의 CNT 접촉 정도(contact)를 증가시킨다.
상기 버퍼막의 두께는 0.5 mm 내지 2 mm가 바람직하며, 구현하는 소자의 크기나 용량 등을 고려하여 적절히 변형 및 변경할 수 있다.
특히 버퍼막(9)과 상기 CNT 네트워크 박막(3) 사이에 형성된 갭(gap)을 통해 상기 전기 전도도의 변화를 더 높일 수 있다. 상기 갭의 두께는 전술한 바의 제1 및 제2 전극(5, 7)에서 언급한 바를 따르며, 그 사용 목적이나 적용 분야에 따라 적절히 변화시킬 수 있다. 이러한 갭에 대해선 도 2에 버퍼막(9)과 상기 CNT 네트워크 박막(3) 사이에 육안으로 구분이 되어지도록 도시하였으나, 실질적으로 상기 제1 및 제2 전극(5, 7)을 CNT 네트워크 박막(3) 상에 증착시키는 경우 상기 CNT 네트워크 박막(3)이 저밀도의 네트워크 구조이기 때문에 상기 CNT 네트워크 박막(3)의 네트워크 사이로 증착되기 때문에 상기 갭의 두께는 상기 제1 및 제2 전극(5, 7)의 두께보다는 작다.
상기 버퍼막(9)은 통상의 절연 재질이 가능하고, 본 발명에서 특별히 한정하지 않는다. 대표적으로, 실리콘계 수지, 아크릴계 수지, 폴리이미드계 수지, 폴리스티렌계 수지, 폴리카보네이트계 수지, 폴리에스테르계 수지, 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 1종이 가능하고, 바람직하기로 실리콘계 수지 중 하나인 폴리디메틸실록산(PDMS)과 아크릴계 수지 중 하나인 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA)가 사용된다.
이와 같은 구조를 가지는 압력 센서 소자는
a) 기판 상에 패터닝된 CNT 네트워크 박막을 형성하는 단계;
b) 상기 CNT 네트워크 박막의 양 말단과 접촉하여 형성된 제1 및 제2 전극을 형성하는 단계; 및
c) 상기 CNT 네트워크 박막 상에 제1 및 제2 전극과 접촉하도록 위치하고, 상기 CNT 네트워크 박막과 소정 두께의 갭(gap)이 존재하도록 버퍼막을 형성하는 단계를 포함하여 제작된다.
단계 a) CNT 네트워크 박막 형성 단계
먼저, 단계 a)에서는 기판 상에 CNT 네트워크 박막을 패터닝하여 형성한다.
상기 CNT 네트워크 박막의 제조는 본 발명에서 특별히 한정하지 않으며, 공지된 바의 습식 방법 또는 건식 방법을 사용하여 형성할 수 있다. 상기 습식 방법으로는 CNT를 포함하는 분산 용액을 사용하는 것으로, 각종 증발법, 여과법, 에어브러슁법(airbrushing) 및 코팅을 사용하는 기판 피복법이 가능하며, 건식 방법으로는 화학기상증착법(CVD) 및 물리기상 증착법(PVD) 등이 가능하다. 또한 패터닝 을 위해 코팅 또는 증착시 별도의 마스크를 사용하여 수행하거나, CNT 네트워크 박막 형성 후 리소그래피(lithography)와 같은 통상의 식각 공정을 통해 패턴을 형성한다.
본 발명의 일 실시예에서는
S1) 전사 기판의 일측 면에 점착층을 형성하고,
S2) 다공성 나노 템플레이트 필터를 이용하여 CNT 분말, 계면활성제 및 용매가 혼합된 CNT 분산용액을 여과하고 이를 건조하여 상기 다공성 나노 템플레이트 필터 상에 형성된 CNT 네트워크 박막을 형성하고,
S3) 상기 전사 기판의 점착층 상에 소정의 패턴이 형성된 마스크를 배치하고,
S4) 상기 마스크를 사이에 두고 상기 점착층과 CNT 네트워크 박막이 대향하도록 다공성 나노 템플레이트 필터와 전사 기판을 대면시켜 상기 CNT 네트워크 박막을 점착층 상부로 전사시켜,
점착층 및 CNT 네트워크 박막이 순차적으로 형성된 기판을 얻는다.
상기 기판에 형성된 CNT 네트워크 박막은 그대로 압력 센서 소자로 사용하거나 기판을 CNT 네트워크 박막 및 점착층과 별도로 분리하여 상기 점착층을 기판으로서 사용할 수 있다. 이러한 점착층은 스탬핑시 CNT 네트워크 박막의 일부를 포함하고 있어 점착층과 CNT 네트워크 박막 간의 접착력이 우수하고 높은 견고성을 지진다. 또한 상기 점착층으로 탄성을 가지는 재질로 사용함에 따라 이를 기판으로서 사용할 경우 유연한(flexible) 센서의 제작이 가능해진다.
먼저, S1)에서는 전사 기판의 일측 면에 점착층을 형성한다.
상기 전사 기판은 통상적으로 기판으로 사용되는 유리 또는 플라스틱이 가능하며, 본 발명에서 한정하지 않는다.
상기 점착층은 CNT 네트워크 박막과 접착성이 우수하고, 필요에 따라 기판과 분리하여 유연 기판으로 사용된다. 이러한 점착층은 상기 유연 기판에서 전술한 바의 실리콘계 고분자, 아크릴계 고분자 및 이들의 공중합체로 이루어진 군에서 선택된 1종이 가능하다.
이때 점착층은 통상의 습식 코팅 또는 건식 코팅 방법으로 수행한다. 대표적으로 상기 고분자를 용매에 용해시켜 얻어진 코팅 조성물을 기판 상에 스핀코팅, 딥코팅, 스프레이 코팅, 그라비아 코팅, 인쇄법 등 통상의 코팅방법으로 코팅하고, 1 시간 내지 2 시간 동안 평탄화 공정을 거친 다음, 70 내지 80 ℃에서 10 내지 15 분 동안 열처리한다. 이때 평탄화 시간이 1 시간 미만이면 점착층의 두께가 균일하지 못하고, 내부의 기포를 제대로 제거할 수 없어 점착층에 기공이 형성되는 문제가 있고, 이와 반대로 2시간을 초과하면 더 이상의 효과가 없어 경제적이지 못하다. 또한 만약 열처리 온도가 상기 범위 미만이면 점착층 표면의 경화가 미미한 문제가 있고, 이와 반대로 상기 범위를 초과하면 점착층의 표면이 완전 경화되어 CNT의 기판으로의 전이가 어려워지는 문제가 있다. 그리고 열처리 시간이 10분 미만이면 점착층 표면의 경화가 미미한 문제가 있다. 이와 반대로 열처리 시간이 20분을 초과하면, 점착층 표면의 경화가 심해, 후속의 스탬핑을 통해 다공성 나노 템플레이트 필터에 삽입된 CNT를 기판으로 전이하기 어렵다.
이어 S2)에서는 다공성 나노 템플레이트 필터를 이용하여 CNT 분말, 계면활성제 및 용매가 혼합된 CNT 분산용액을 여과하고 이를 건조하여 상기 다공성 나노 템플레이트 필터 상에 형성된 CNT 네트워크 박막을 형성한다.
상기 CNT 분산용액에 사용되는 계면활성제는 분산용액의 분산 안정성을 높이기 위해 사용되며, CNT 분말 계면의 자유 에너지를 낮출 뿐만 아니라 표면 전하를 변환시키는 역할을 한다. 상기 계면활성제는 본 발명에서 특별히 한정하지 않으며, 비이온성 계면활성제, 양이온성 계면활성제, 음이온성 계면활성제 및 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택된 1종이 가능하다. 대표적으로, 상기 계면활성제로는 나트륨 도데실 설페이트(SDS), 나트륨 옥틸벤젠 술포네이트(NaOBS), 나트륨 도데실 벤젠 설페이트(SDBS), 트리톤X-100(TRITON X-100), 나트륨 도데실 설포네이트(SDSA), 나트륨 부틸벤조에이트(NaBBS), 도데실트리메틸암모늄 브로마이드(DTAB), 덱스트린(dextrin), 폴리스티렌-폴리에틸렌옥사이드(PS-PEO) 및 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택된 1종을 사용하고, 분산 안정성을 충분히 확보하기 위해 CNT 분말 1 mg에 대해 9.5 내지 10.5 mg으로 사용한다.
상기 용매는 통상적으로 CNT 분산을 위한 용매로 사용하는 것이면 어떠한 것이라도 사용하다. 대표적으로 물; 메탄올, 에탄올, 프로판올 또는 이소프로판올의 알코올; 메틸메타아크릴레이트, 에틸렌글리콜, 또는 디메틸포름아마이드의 유기용매, 및 이들의 혼합 용매로 이루어진 군에서 선택된 1종이 가능하다.
이때 상기 CNT 분산용액 제조시 출력 20 내지 60W, 진동수 10 내지 30 KHZ인 초음파를 5 내지 7 시간 동안 인가하여 거대 번들을 분리한 다음, 이보다 낮은 출 력 및 높은 진동수를 갖는 초음파, 즉 출력 10 내지 50W, 진동수 40 내지 60 KHZ인 초음파를 6 내지 7 시간 동안 인가하여 미세 번들을 분리하여 CNT 분산용액 내 각각의 단일 CNT가 쉽게 분리되도록 한다. 그 결과 CNT 분산용액은 CNT의 거대 번들 및 미세 번들이 제거되어 균일한 싱글(single) CNT가 분산용액 내에 균일하게 부유(floating)하는 상태가 되어 진다.
이렇게 제조된 CNT 분산용액은 통상의 필터가 구비된 여과 장치를 이용하여 진공 여과(vacuum filtration)한 후 이를 건조하여 상기 필터 상에 CNT 네트워크 박막을 형성한다.
이때 상기 필터로 다공성 나노 템플레이트 필터를 사용하며, 일예로 AAO(anodic aluminum oxide) 템플레이트 필터, 또는 폴리카보네이트 필터를 사용한다. 바람직하기로 상기 다공성 나노 템플레이트 필터는 기공의 직경이 20 내지 200 nm, 기공의 깊이가 60 내지 100 ㎛, 기공의 밀도는 100 개/㎛2 내지 1000 개/㎛2 인 것을 사용한다.
상기 건조는 다공성 나노 템플레이트 필터에 형성된 CNT 네트워크 박막을 고정시키고 용매가 충분히 제거될 수 있도록 30 내지 80 ℃에서 10 내지 30분 동안 수행되는 것이 바람직하다.
다음으로 S3)에서는 상기 전사 기판의 점착층 상에 소정의 패턴이 형성된 마스크를 배치한다.
이어서 S4)에서는 상기 마스크를 사이에 두고 점착층과 CNT 네트워크 박막이 대향하도록 상기 다공성 나노 템플레이트 필터와 전사 기판을 대면시켜 상기 CNT 네트워크 박막을 점착층 상부로 전사시켜 점착층 및 CNT 네트워크 박막이 순차적으로 형성된 전사 기판을 얻는다. 이러한 단계를 거쳐 얻어진 CNT 네트워크 박막은 거대 번들 및 미세 번들이 제거되고 싱글 CNT가 저밀도로 네트워크를 형성된 구조를 갖게 된다.
이때 전사 기판과 점착층을 분리시켜 상기 점착층을 압력 센서의 유연 기판으로 사용이 가능하다.
단계 b) 제1 전극 및 제2 전극 형성 단계
다음으로, 단계 b)에서는 단계 a)에서 패터닝되어 형성된 CNT 네트워크 박막의 양 말단과 접촉하여 형성된 제1 및 제2 전극을 형성한다.
이때 제1 및 제2 전극은 Pt, Pd, Au, Ag, Ti, Co, Ni, Cu, W, Mo, V 및 이들의 합금으로 이루어진 군에서 선택된 1종의 재질을 증착한 후 식각 공정을 거쳐 패터닝한다.
상기 증착은 통상적으로 사용되는 스퍼터링, 이온빔 증착법, 화학적 증착법, 및 플라즈마 증착법으로 이루어진 군에서 선택된 1종의 방법으로 수행한다.
이때 상기 제1 및 제2 전극은 센서로 구현하기 위해 이들과 전기 회로부가 전기적으로 연결되어질 수 있도록 본딩 와이어(미도시)를 형성한다. 상기 본딩 와이어는 통상적으로 사용되는 금속 재질 또는 ITO가 사용되며 공지된 바의 방법에 따라 적절히 형성한다.
단계 c) 버퍼막 형성 단계
다음으로, 단계 c)에서는 CNT 네트워크 박막 상에 제1 및 제2 전극과 접촉하도록 위치하고, 상기 CNT 네트워크 박막과 소정 두께의 갭이 존재하도록 형성된 버퍼막을 형성한다.
상기 버퍼막의 형성은 실리콘계 수지, 아크릴계 수지, 폴리이미드계 수지, 폴리스티렌계 수지, 폴리카보네이트계 수지, 폴리에스테르계 수지, 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 1종을 이용하여 이 분야에서 공지된 바의 박막 형성방법을 이용하여 수행한다.
일예로, 상기 수지를 용매에 용해시킨 조성물을 이용하여 1.5 mm 두께의 경화된 버퍼막을 제조하고, 상기 버퍼막 상에 1 ㎛ 두께의 동일 재질의 얇은 접착층(adhesion layer)을 형성한다. 이어 상기 버퍼막을 기판에 붙이고 건조시켜 라미네이션을 수행한다. 이때 상기 버퍼막의 표면은 완전 경화가 이루어지지 않은 상태이므로, 일정 압력으로 가압하고 상온에서 6 내지 7 시간 동안 건조하거나, 40 내지 90 ℃의 오븐에서 1 내지 2 시간 동안 건조시킨다. 이러한 건조를 통해 기판과 버퍼막 사이를 접착시켜 최종 압력센서의 단위셀을 형성한다. 이때 상온 또는 오븐에서의 건조 시간이 상기 시간보다 짧을 경우는 기판과 버퍼막 사이에 접착이 제대로 이루어지지 않고, 반대로 상기 시간을 초과하면 접착에는 이상이 없지만 비효율적이다.
이러한 단계를 거쳐 제조되는 본 발명에 따른 압력 센서 소자는 각종 센서에 다양하게 적용된다. 상기 압력 센서 소자는 감도 및 내구성이 우수하고 이를 구현하는 시그널 프로세싱 회로의 설계를 단순화할 수 있다. 그 결과 각종 디스플레 이에 사용되는 터치스크린, 압력 모니터링 센서, 압력 센서 등 다양한 분야에 용이하게 적용이 가능하다.
일예로 본 발명에 따른 압력 센서는 통상적으로 사용되는 압력 센서의 구성 요소를 포함하고, 센서 소자로 전술한 바의 압력 센서 소자를 구비한다.
일예로 상기 압력 센서는 압력을 검출하는 압력 센서 소자와, 이의 압력 센서 소자로부터 전기 신호를 보정 및 증폭 처리하는 처리 회로부와, 상기 압력 센서 소자 및 상기 처리 회로부에 본딩 와이어를 통하여 전기적으로 접속된 단자를 갖는 서브 패키지와, 이 서브 패키지의 외측에 인서트 몰드 성형에 의해 일체화되어 마련된 하우징을 구비한다.
도 3은 본 발명의 원리에 따른 압력 센서 소자에 힘을 인가함을 보여주는 단면도이고, 도 4는 상기 도 3의 B 영역에 대한 확대 단면도이다.
도 3 및 도 4를 참조하면, 압력 센서 소자는 기판(1) 상에 패터닝되어 형성된 CNT 네트워크 박막(3); 상기 CNT 네트워크 박막(3)의 양 말단과 접촉하여 형성된 제1 및 제2 전극(5, 7); 및 상기 CNT 네트워크 박막(3) 상에 제1 및 제2 전극(5, 7)의 말단과 접촉하도록 위치하고, 상기 CNT 네트워크 박막(3)과 소정 두께의 갭(gap)이 존재하도록 형성된 버퍼막(9)이 구비된다.
이때 상기 CNT 네트워크 박막(3)에 압력 또는 힘을 가하게 되면 도 4에 나타낸 바와 같이 CNT 네트워크 박막(3)과 버퍼막(9)이 접촉되고, 상기 CNT 네트워크 박막(3)의 전기 전도도의 변화가 발생한다.
일예로 상기 전기 전도도의 변화는 압력 센서 소자를 기판 상에 다수로 형성 한 경우 특정 부위를 눌렀을 때 이 부분에 압력이 인가되고, 압력을 받은 압력 센서 셀의 전기 전도도가 달라져 압력이 인가된 위치의 좌표 인식이 가능해진다.
이하 본 발명을 하기 실시예를 통해 더욱 상세히 설명한다. 그러나, 이러한 실시예는 본 발명을 설명하기 위한 일 예시일 뿐 이들에 의해 본 발명이 한정되는 것은 아니다.
[실시예]
(실시예 1)
COC 기판(사이클릭 올레핀 코폴리머)의 일면에 폴리디메틸실록산(PDMS) 젤을 도포하여 1시간 동안 평탄화한 다음, 80 ℃에서 10 분간 열처리하여 기판 상에 PDMS 점착층을 형성하였다.
한편 반응기에 단층 CNT 분말 0.1g, 나트륨 도데실 설페이트(SDS) 1 g을 탈이온수 1000 ml에 넣은 후 팁 초음파 장치를 사용하여 출력 60W, 진동수 20 KHZ인 초음파를 6 시간 동안 인가한 다음, 배스 초음파 장치를 사용하여 출력 50W, 진동수 60 KHZ인 초음파를 7 시간 동안 인가하여 CNT 분산용액을 제조하였다.
이후 진공 필터 장치를 설치하고, 진공이 인가되는 깔때기 상부에 세라믹 다공질 필터를 설치한 다음 그 위에 AAO 필터(기공의 평균크기: 130 nm, 기공의 평균깊이: 75 ㎛, 기공의 밀도: 750 개/㎛2)를 설치하였다. 이어서 진공을 인가하여 AAO 필터의 기공을 통해 분산용액의 액체는 다 빠져나가도록 한 다음, 필터를 분리하여 80 ℃에서 3 시간 동안 건조하여 상기 필터 상에 CNT 네트워크 박막을 형성하 였다.
상기 CNT 네트워크 박막과 PDMS 점착층이 마주보도록 COC 기판과 AAO 필터를 배치하고, 이들 사이에 스트라이프 형태의 마스크를 삽입한 다음, 일정 압력으로 가압하여 AAO 필터 위에 형성된 일정 패턴의 CNT 네트워크 박막이 PDMS 점착층으로 전이되도록 하였다.
이어서, 상기 CNT 네트워크 박막의 양 말 단을 포함하도록 Au를 증착한 다음, 식각하여 0.2 ㎛ 두께의 제1 및 제2 전극을 형성하였다. 이때 제1 및 제2 전극의 말단에 전기 연결을 위해 와이어 본딩을 하였다.
다음으로, 상기 CNT 네트워크 박막 상에 제1 및 제2 전극을 포함하도록 기판 전면에 걸쳐 PDMS 버퍼막을 0.5 mm의 두께로 형성하여 압력 센서 소자용 단위셀을 제조하였다.
(실험예 1)
상기 실시예 1에서 제조된 압력 센서 소자용 단위셀에 압력을 인가하여, 압력이 인가되는 경우와 그렇지 않은 경우의 전기 전도도 변화를 측정하였으며, 얻어진 결과를 도 5에 나타내었다.
도 5는 실시예 1에서 제조된 압력 센서 소자용 단위셀에 0.4 N 및 0.6 N의 압력을 인가하기 전과 후의 전기 전도도 변화를 보여주는 그래프이다.
도 5를 참조하면, 0.4 N의 압력을 인가한 경우와 인가하지 않은 경우 전기 전도도의 차이가 발생함을 알 수 있다. 이는 0.6 N의 힘으로 압력을 인가하는 경우에서도 동일하게 나타났다. 상기 0.4 N 및 0.6 N의 압력이 인가되면 전기 전도 도가 압력이 인가하지 않는 때보다 약 10 % 이상 증가하는 것을 볼 수 있다. 이러한 결과는 상기 단위셀이 센서로서 적용 가능함을 의미한다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 의해 CNT 네트워크 박막이 구비된 압력 센서 소자를 제조할 수 있으며, 상기 소자는 다양한 분야의 압력 센서로 바람직하게 적용된다.
Claims (16)
- 기판;상기 기판 상에 패터닝되어 형성된 CNT 네트워크 박막;상기 CNT 네트워크 박막의 양 말단과 접촉하여 형성된 제1 및 제2 전극; 및상기 CNT 네트워크 박막 상에 제1 및 제2 전극과 접촉하도록 위치하고, 상기 CNT 네트워크 박막과 소정 두께의 갭(gap)이 존재하도록 형성된 버퍼막을 구비하는 CNT 네트워크 박막을 포함하는 압력 센서 소자.
- 제1항에 있어서,상기 기판은 소다 라임 재질의 유리 기판 또는 플라스틱 기판인 것인 압력 센서 소자.
- 제1항에 있어서,상기 CNT 네트워크 박막은 싱글-월(single-wall), 더블-월(double-wall) 또는 멀티-월(multi-wall) 구조를 가지는 것인 압력 센서 소자.
- 제1항에 있어서,상기 CNT 네트워크 박막은 두께가 10 nm 내지 40 nm인 것인 압력 센서 소자.
- 제1항에 있어서,상기 제1 전극 또는 제2 전극은 Pt, Pd, Au, Ag, Ti, Co, Ni, Cu, W, Mo, V, 및 이들의 합금으로 이루어진 군에서 선택된 1종의 재질을 포함하는 것인 압력 센서 소자.
- 제1항에 있어서,상기 제1 전극 또는 제2 전극은 두께가 0.1 ㎛ 내지 1.0 ㎛인 것인 압력 센서 소자.
- 제1항에 있어서,상기 버퍼막은 실리콘계 수지, 아크릴계 수지, 폴리이미드계 수지, 폴리스티렌계 수지, 폴리카보네이트계 수지, 폴리에스테르계 수지, 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 1종을 포함하는 것인 압력 센서 소자.
- 제1항에 있어서,상기 버퍼막은 두께가 0.5 mm 내지 2 mm인 것인 압력 센서 소자.
- a) 기판 상에 패터닝된 CNT 네트워크 박막을 형성하는 단계;b) 상기 CNT 네트워크 박막의 양 말단과 접촉하여 형성된 제1 및 제2 전극을 형성하는 단계; 및c) 상기 CNT 네트워크 박막 상에 제1 및 제2 전극과 접촉하도록 위치하고, 상기 CNT 네트워크 박막과 소정 두께의 갭(gap)이 존재하도록 버퍼막을 형성하는 단계를 포함하는 CNT 네트워크 박막이 구비된 압력 센서 소자의 제작 방법.
- 제9항에 있어서,상기 CNT 네트워크 박막은 습식 방법 또는 건식 방법을 사용하여 형성하는 것인 압력 센서 소자의 제작 방법.
- 제9항에 있어서,상기 CNT 네트워크 박막은전사 기판의 일측 면에 점착층을 형성하고,다공성 나노 템플레이트 필터를 이용하여 CNT 분말, 계면활성제 및 용매가 혼합된 CNT 분산용액을 여과하고 이를 건조하여 상기 다공성 나노 템플레이트 필터 상에 형성된 CNT 네트워크 박막을 형성하고,상기 전사 기판의 점착층 상에 소정의 패턴이 형성된 마스크를 배치하고,상기 마스크를 사이에 점착층과 CNT 네트워크 박막이 대향하도록 상기 다공성 나노 템플레이트 필터와 전사 기판을 대면시켜 상기 CNT 네트워크 박막을 점착층 상부로 전사시키는 단계를 포함하는압력 센서 소자의 제작 방법.
- 제9항에 있어서,상기 제1 전극 또는 제2 전극은 증착 후 식각 공정을 수행하여 형성하는 것인 압력 센서 소자의 제작 방법.
- 제12항에 있어서,상기 증착은 스퍼터링, 이온빔 증착법, 화학적 증착법, 및 플라즈마 증착법으로 이루어진 군에서 선택된 1종의 방법인 것인 압력 센서 소자의 제작 방법.
- 제9항에 있어서,상기 버퍼막은 라미네이션 방식으로 형성하는 것인 압력 센서 소자의 제작 방법.
- 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 따른 압력 센서 소자가 구비된 압력 센서.
- 제15항에 있어서,상기 압력 센서는 외부로부터의 인가되는 압력 또는 힘에 따른 전기 전도도의 변화를 측정하는 것인 압력 센서.
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