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KR101811214B1 - 비정질 금속을 이용한 유연한 압력 센서와, 압력 및 온도를 동시에 감지하는 유연한 이중모드 센서 - Google Patents

비정질 금속을 이용한 유연한 압력 센서와, 압력 및 온도를 동시에 감지하는 유연한 이중모드 센서 Download PDF

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KR101811214B1
KR101811214B1 KR1020160063499A KR20160063499A KR101811214B1 KR 101811214 B1 KR101811214 B1 KR 101811214B1 KR 1020160063499 A KR1020160063499 A KR 1020160063499A KR 20160063499 A KR20160063499 A KR 20160063499A KR 101811214 B1 KR101811214 B1 KR 101811214B1
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김태호
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고려대학교 세종산학협력단
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Abstract

본 발명은 비정질 금속을 이용한 유연한 압력 센서, 그리고 압력 및 온도를 동시에 감지하는 유연한 이중모드 센서에 관한 것이다. 본 발명의 실시 예들에 따른 센서들은 비정질 금속으로 전도층을 구성하여 전자 피부용도로 사용할 수 있도록 스트레처블(stretchable)한 특성을 가진다. 그래서, 상기 센서들은 다양한 물리적인 외력에도 전도성을 견고하게 유지하고 압력을 감지하거나 압력 및 온도를 동시에 감지할 수 있다. 게다가, 본 발명의 실시 예에 따른 유연한 이중모드 센서는 비정질 금속을 이용하여 압력 및 온도를 동시에 감지할 수 새로운 전자 피부용 소자이다.

Description

비정질 금속을 이용한 유연한 압력 센서와, 압력 및 온도를 동시에 감지하는 유연한 이중모드 센서 {FLEXIBLE PRESSURE SENSOR USING AN AMORPHOUS METAL, AND FLEXIBLE BIMODAL SENSOR FOR SIMULTANEOUSLY SENSING PRESSURE AND TEMPERATURE}
본 발명은 비정질 금속을 이용한 유연한 압력 센서, 그리고 압력 및 온도를 동시에 감지하는 유연한 이중모드 센서에 관한 것이다. 보다 자세하게, 본 발명은 전자 피부 용도 센서들에 해당하며, 다양한 물리적인 외력에도 전도성을 견고하게 유지하고 압력을 감지하거나 압력 및 온도를 동시에 감지하는 유연한 센서들에 관한 것이다.
로봇용 전자 피부는 궁극적으로 로봇에게 사람 닮은 피부를 제공할 목적으로 설계된 소자이다. 전자 피부를 형성하는 터치 센서는 기기와 인간이 소통할 수 있는 사용자 인터페이스에 이용된다. 이러한 터치를 감지하는 전자 소자의 네트워크로 이루어진 전자 피부는 피부에 부착하는 고성능 웨어러블 전자기기에 활용될 수 있다. 온도 및 압력 구배 감지 기능 이외에도 유연성을 가지는 터치 센서는 차세대 기술로서, 모바일 기기 및 차세대 웨어러블 컴퓨터의 사용자 인터페이스에도 적용될 수 있다.
그리고, 전자 피부는 지능형 로봇과 재활 의학에 적용되는 생체모방 보철 장치에 활용될 수 있다. 또한, 나아가 전자 피부는 원격 의료 로봇 등의 인터페이스에 활용될 수 있다.
기존에 전도성 나노튜브를 이용하여 터치 센서의 일종인 압력 센서의 전도층을 구성하는 경우, 전도성 나노튜브가 탄성을 가지지 못하기 때문에 외력에 의해 금이 가거나 갈라지는 현상이 발생된다.
차세대 기술로 이용될 수 있는 스트레처블(stretchable)한 터치 센서를 구현하기 위해서는, 센서 내에 유연한 전도층이 형성되어야 한다.
한국공개특허 제2014-0125903호
본 발명은 유연한 기판에 비정질 금속으로 전도층을 구성한 새로운 유연한 압력 센서를 제공하는데 그 목적이 있다.
또한, 본 발명은 유연한 기판에 비정질 금속으로 전도층을 구비하고 온도를 감지를 위한 구성요소를 추가로 구비하여 압력 및 온도를 동시에 감지하는 유연한 이중모드 센서를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위해서, 본 발명의 일 실시 예에 따른 유연한 압력 센서는 일면에 유연한 재질로 이루어진 마이크로 사이즈의 복수 개의 구조체들을 가지는 유연한 기판; 상기 복수 개의 구조체들이 있는 상기 유연한 기판의 일면 상에 증착되고, 비정질 금속으로 이루어진 전도층; 및 상기 전도층의 상부에 위치하는 상대 전극을 포함하는 유연한 압력 센서이며, 여기서, 상기 유연한 압력 센서는, 외부에서 전달받은 압력에 따라 상기 상대 전극과 상기 전도층 사이의 접촉 면적이 변하여 발생된 저항 값을 상기 전도층 및 상기 상대 전극을 통해 측정하여 상기 전달받은 압력에 대한 정보를 감지하도록 구성된 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 상대 전극은, 전체가 비정질 금속으로 구성되거나, 유연한 절연 기판 및 상기 절연 기판의 일면에 비정질 금속으로 이루어진 금속층이 적층된 구조를 가지어 상기 금속층이 상기 전도층과 마주보도록 상기 전도층의 상부에 위치하는 것을 특징으로 한다.
상기 마이크로 사이즈의 복수 개의 구조체들은, 피라미드, 원기둥, 원추, 및 다각 기둥의 형상들 중 어느 하나의 형상을 가질 수 있다.
본 발명의 다른 실시 예에 따른 유연한 압력 센서는 일면에 유연한 재질로 이루어진 마이크로 사이즈의 복수 개의 구조체들을 가지는 유연한 기판; 상기 복수 개의 구조체들이 있는 상기 유연한 기판의 일면의 반대면에 증착되고, 비정질 금속으로 이루어진 전도층; 및 상기 유연한 기판에 있는 복수 개의 구조체들의 상부에 위치하며, 비정질 금속으로 구성된 상대 전극을 포함하는 유연한 압력 센서이며, 여기서, 상기 유연한 압력 센서는, 외부에서 전달받은 압력에 따라 상기 전도층과 상기 상대 전극 사이의 거리가 변화하고, 그로 인해 변화된 상기 전도층 및 상기 상대 전극 사이의 정전용량 값을 측정하여 상기 전달받은 압력에 대한 정보를 감지하도록 구성된 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 유연한 이중모드 센서는 일면에 유연한 재질로 이루어진 마이크로 사이즈의 복수 개의 구조체들을 가지는 유연한 기판; 상기 복수 개의 구조체들이 있는 상기 유연한 기판의 일면 상에 증착되고, 비정질 금속으로 이루어진 전도층; 상기 전도층의 상부에 위치하고, 비정질 금속으로 구성된 상대 전극; 상기 상대 전극의 상부 면에 위치한 유연한 절연 기판; 및 상기 절연 기판의 상부 면에 일정 간격을 갖으며 반복하여 지그재그로 배열된 비정질 금속으로 구성된 도선을 포함하는 유연한 이중모드 센서이며, 여기서, 상기 유연한 이중모드 센서는, 외부에서 전달받은 압력에 따라 상기 상대 전극와 상기 전도층 사이의 접촉 면적이 변하고 그로 인해 변화된 상기 상대 전극과 상기 전도층 간의 저항 값을 측정하여 상기 전달받은 압력에 대한 정보를 감지하고, 외부에서 전달받은 온도에 따라 상기 도선의 변화된 저항 값을 측정하여 상기 전달받은 온도에 대한 정보를 감지한다.
상기 비정질 금속은, FeZr, CoNi, La-Al_Cu, Al-Sc, ZrTiCuNiBe, AuSi, CuZr, CuPd, CuCo, CuPdCoP, PdAgSi, PdAgSiP, PdAgSiGe, PtCuAgPBSi, CuZrTi, CuZrTiNi, 및 CuZrTiAlBe 중 어느 하나일 수 있다.
그리고, 상기 비정질 금속의 표면에 전도도를 높이고 산화를 방지하기 위해서 저저항금속, 결정질 금속 및 내산화 금속 중 어느 하나의 금속으로 이루어진 보호막이 추가 증착될 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 압력 센서는 비정질 금속으로 전도층을 구성하여 전자 피부용도로 사용할 수 있도록 스트레처블(stretchable)한 특성을 가진다. 다시 말해서, 외부의 물리적인 외력(구부림, 늘림 등)에 대해서 일정 수준의 전도도를 유지할 수 있다. 그리고, 상기 비정질 금속으로 구성된 전도층은 유연한 기판 및 그 기판 위에 구비된 복수 개의 마이크로 사이즈의 구조체들에 부착력이 우수하다.
또한, 본 발명의 실시 예에 따른 압력 센서는 비정질 금속으로 전도층을 구성하므로 상기 전도층의 저항이 낮다는 특성을 가진다. 이로 인해 상기 압력 센서의 동작 전압을 기존 압력 센서의 동작 전압 대비 매우 낮출 수 있다. 또한, 전자 피부를 구현할 수 있도록 셀의 크기를 작게 형성하고 그 작은 셀 면적에서도 노이즈 없이 외부의 물리적 자극에 대해서 전기적인 시그널을 감지하기가 용이하다.
본 발명의 실시 예에 따른 유연한 이중모드 센서는 압력 및 온도를 동시에 감지할 수 있다. 또한 상기 유연한 이중모드 센서는, 앞서 살펴본 상기 압력 센서가 가지는 이점을 그대로 가지면서, 압력 및 온도를 동시에 감지할 수 새로운 전자 피부용 소자이다.
도 1은 비정질 금속과 결정질 금속을 대상으로 늘림의 변화량에 따라 측정되는 면 저항 값을 나타낸 표이다.
도 2는 비정질 금속과 결정질 금속을 대상으로 구부림 변화에 따라 측정되는 면 저항 값을 나타낸 표이다.
도 3은 본 발명의 제1 실시 예에 따른 압전 저항식 유연한 압력 센서의 구조를 나타낸 도면이다.
도 4는 도 3에서 상대 전극에 외부 압력이 인가되는 경우에 모습을 나타낸 도면이다.
도 5는 본 발명의 제2 실시 예에 따른 압전 저항식 유연한 압력 센서의 구조를 나타낸 도면이다.
도 6은 본 발명의 제1 실시 예에 따른 정전용량식 유연한 압력 센서의 구조를 나타낸 도면이다.
도 7은 본 발명의 제2 실시 예에 따른 정전용량식 유연한 압력 센서의 구조를 나타낸 도면이다.
도 8은 본 발명의 제1 실시 예에 따른 압력 및 온도를 동시에 감지할 수 있는 유연한 이중모드 센서의 구조를 나타낸 도면이다.
도 9는 도 8에 도시된 도선의 평면도이다.
이하에서는 도면을 참조하여 본 발명을 보다 상세하게 설명한다. 도면들 중 동일한 구성요소들은 가능한 한 어느 곳에서든지 동일한 부호들로 나타내고 있음에 유의해야 한다. 또한 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다.
인체의 기능을 모사하는 전자 피부를 구현하기 위해서는, 그 전자 피부 소자를 구성하는 전도층이 유연성을 갖추는 것은 물론이고 구부림, 늘림, 또는 눌림 등과 같은 물리적 자극에도 전도도의 열화가 작아야 한다.
본 발명에서는 비정질 금속으로 전도층을 구성하여 유연성 및 외부의 물리적 자극에도 전도도를 유지할 수 있는 유연한 압력 센서, 그리고 압력 및 온도를 동시에 측정할 수 있는 유연한 이중모드 센서를 제공하고자 한다.
도 1 및 도 2를 참조하여 외부 물리적 자극에 대한 비정질 금속의 특성을 살펴보도록 한다.
비정질 금속은 액체와 같이 흐트러진 원자 배열을 가지므로, 결정질 금속과 달리 유연한 성질을 가지는 특성이 있다.
도 1을 살펴보면, 비정질 금속(FeZr)이 유연한 기판(PDMS) 상에 증착되고 비정질 금속 위에 전도도를 높일 뿐만 아니라 금속 산화를 방지하는 보호막으로 백금(Pt)이 도포된 소자(Pt/FeZr/PDMS)를 대상으로 늘림의 변화량(△L)에 따른 면 저항 값(Ω/square)을 측정하였다.
그리고, 대비 대상으로, 결정질 금속(Ta, Ti)이 유연한 기판(PDMS) 상에 증착되고 결정질 금속 위에 금속 산화를 방지하는 보호막으로 백금(Pt)이 도포된 소자(Pt/Ta/PDMS, Pt/Ti/PDMS)를 대상으로 늘림의 변화량(△L)에 따른 면 저항 값(Ω/square)을 측정하였다.
결과적으로, 비정질 금속이 증착된 소자(Pt/FeZr/PDMS)는 외력으로 길이의 40%까지 늘려도 일정 수준의 전도도를 유지하는 반면, 결정질 금속이 증착된 소자(Pt/Ta/PDMS, Pt/Ti/PDMS)는 외력으로 길이의 20% 이상 또는 길이의 8% 이상 늘리게 되면 금이 가고 깨지어 전도도를 유지하지 못하였다. 따라서, 스트레처블한 소자의 전도층을 비정질 금속으로 구성하는 것이 결정질 금속으로 구성하는 것에 비해 매우 우수함을 알 수 있다.
또한, 도 2를 살펴보면, 비정질 금속(FeZr)이 유연한 기판(PET) 상에 증착되고 비정질 금속 위에 전도도를 높일 뿐만 아니라 금속 산화를 방지하는 보호막으로 백금(Pt)이 도포된 소자(Pt/FeZr/PET)를 대상으로 구부림의 크기 변화에 따른 면 저항 값(Ω/square)을 측정하였다.
그리고, 대비 대상으로, 결정질 금속(Ta, Ti)이 유연한 기판(PET) 상에 증착되고 결정질 금속 위에 금속 산화를 방지하는 보호막으로 백금(Pt)이 도포된 소자(Pt/Ta/PET, Pt/Ti/PET)를 대상으로 구부림의 크기 변화에 따른 면 저항 값(Ω/square)을 측정하였다.
도 2에서는, 비정질 금속이 증착된 소자(Pt/FeZr/PET)가 완전히 접혀진 상태(Folding)에서도 결정질 금속이 증착된 소자(Pt/Ta/PET, Pt/Ti/PET)에 비해 매우 낮은 저항 면 저항 값을 나타내는 것을 알 수 있다.
이와 같이, 도 1 및 도 2에 나타난 바와 같이, 비정질 금속이 증착된 소자가 결정질 금속이 증착된 소자에 비해 그 측정되는 면 저항 값이 매우 작고, 외력에 대한 전도도 유지도 우수하다. 따라서 비정질 금속을 이용하여 센서를 구현하는 경우 유연한 특성을 가질 수 있을 뿐만 아니라 측정되는 저항 값이 작기 때문에 매우 낮은 동작 전압에서도 동작이 가능하다.
그러므로, 본 발명에서는 비정질 금속을 전자 피부용 스트레쳐블한 소자를 구현하는데 이용하고자 한다.
도 3 내지 도 5는 본 발명에 따른 압전저항식 유연한 압력 센서의 실시 예들을 도시하고 있다. 여기서 도 4는 도 3에서 상대 전극에 외부 압력이 인가되는 경우에 모습을 도시하고 있다.
도 3을 살펴보면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 유연한 압력 센서는, 유연한 기판(100), 전도층(200), 및 상대 전극(300)을 포함한다.
유연한 기판(100)은 유연한 PET 기판, 폴리카보네이트(PC) 기판, 폴리이미드(PI) 기판, 또는 수백 마이크로미터 두께의 유리(Glass) 기판의 일면에 유연 재질인 예를 들어 PDMS와 같은 실리콘 계열의 고무 또는 폴리우레탄 등으로 마이크로 사이즈의 복수 개의 구조체(110)들이 형성된 구조를 가진다.
여기서는, 일 예로 마이크로 사이즈의 피라미드 형상을 가지는 복수 개의 구조체(110)들이 유연한 기판의 일면에 형성되어 있다.
마이크로 사이즈의 피라미드(110)들을 가지는 유연한 기판(100)은 이를 성형할 수 있는 실리콘 mold를 이용하여 형성 가능하다. 그리고 상기 마이크로 사이즈의 복수 개의 구조체(110)들은, 피라미드 형상 이외에도 원기둥, 원추, 및 다각 기둥의 형상들 중 어느 하나의 형상을 가질 수 있다.
전도층(200)은 비정질 금속으로 이루지고, 상기 복수 개의 구조체(110)들이 있는 상기 유연한 기판의 일면 상에 증착된다. 따라서 상기 복수 개의 구조체(100)들 상에 전도층(200)이 증착된다. 전도층(200)을 이루는 비정질 금속은 FeZr, CoNi, La-Al_Cu, Al-Sc, ZrTiCuNiBe, AuSi, CuZr, CuPd, CuCo, CuPdCoP, PdAgSi, PdAgSiP, PdAgSiGe, PtCuAgPBSi, CuZrTi, CuZrTiNi, 및 CuZrTiAlBe 중 어느 하나일 수 있다.
그리고, 전도층(200)의 전도도를 높이고 산화를 방지를 위해서 전도층(200) 위에 보호막으로 금(Au)이나 백금(Pt)과 같은 금속이 추가 증착될 수 있다. 금이나 백금 이외에도 전도층(200)의 전도도를 높이고 산화를 방지할 수 있는 저저항금속, 결정질 금속 및 내산화 금속 중 어느 하나로 이루어진 보호막(미도시)이 전도층(200) 상에 추가 증착 가능함은 물론이다.
상대 전극(300)은 상기 전도층(200)의 상부에 위치하며, 외부로부터 압력을 전달받는다. 상대 전극(300) 역시 상기 전도층(200)과 동일하게 비정질 금속으로 이루어지는 것이 바람직하다. 따라서, 상대 전극(300) 역시 상대 전극(300)의 전도도를 높이고 산화를 방지를 위한 보호막으로 금(Au)이나 백금(Pt)과 같은 금속이 표면에 추가 증착될 수 있다. 금이나 백금 이외에도 상대 전극(300)의 전도도를 높이고 산화를 방지할 수 있는 저항금속, 결정질 금속 및 내산화 금속 중 어느 하나로 이루어진 보호막(미도시)이 상대 전극(300) 표면에 추가 증착 가능함은 물론이다.
그리고 전달받은 압력에 따라 상기 마이크로 사이즈의 피라미드 구조체(110)가 압박되면서 상기 상대 전극(300)과 상기 전도층(200), 그 두 전극 사이의 접촉 면적이 변한다.
도 3 에 도시된 바와 같이, 외부 압력이 인가되지 않는 경우에는 상기 전도층(200)과 상기 상대 전극(300)간의 접촉 면적은 작아서 두 전극 사이에 측정되는 저항 값이 높다. 그러나, 도 4에 도시된 바와 같이, 외부 압력이 인가되면 피라미드 구조체(110)들이 압박되면서 둘 간의 접촉 면적이 커지므로 두 전극 사이에 측정되는 저항 값은 낮게 변한다.
따라서, 본 발명의 일 실시예에 따른 압력 센서는 상기 상대 전극(300)과 상기 전도층(200), 그 두 전극에 동작 전압(Vsource)을 인가하고 저항 값을 측정하여 저항 값의 변화량에 따라 상기 상대 전극(300)에 인가된 압력에 대한 정보를 감지한다.
도 5에 도시된 본 발명에 따른 압전저항식 유연한 압력 센서의 다른 실시 예는 도 3 및 도 4에 도시된 실시 예와 상대 전극(300)의 구조에 차이가 있다.
상대 전극(300)은 도 3 및 도 4에 도시된 형태와 같이 전체가 비정질 금속으로 구성되지 않고, 도 5에 도시된 바와 같이 유연한 절연 기판(320) 및 그 절연 기판 (320) 상에 금속층(310)으로 구성될 수 있다.
자세하게, 상대 전극(300)은 유연한 PET 기판과 같은 절연 기판(320) 및 상기 절연 기판(320)의 일면에 비정질 금속으로 이루어진 금속층(310)이 적층된 구조를 가지고, 상기 금속층(310)이 상기 전도층(200)과 마주보도록 상기 전도층(200)의 상부에 위치할 수 있다.
그러므로 상대 전극(300)의 외부 압력을 인가받는 표면은 유연한 절연 기판(320)으로 구성되어, 상기 표면에 사람의 터치가 있을지라도 인체 체내 전류로 인해 압력 감지에 오류가 발생되지 않도록 할 수 있다.
도 5에 도시된 압력 센서는 상기 상대 전극(300)의 금속층(310)과 상기 전도층(200), 그 두 전극에 동작 전압을 인가하고 저항 값을 측정하여 저항 값의 변화량에 따라 상기 상대 전극(300)에 인가된 압력에 대한 정보를 감지하도록 구성된다. 여기서, 금속층(310) 표면에는 상기 금속층(310)의 전도도를 높이고 산화를 방지할 수 있는 보호막으로 저저항금속, 결정질 금속, 및 내산화 금속 중 어느 하나가 추가 증착될 수 있으며, 대표적으로 금(Au)이나 백금(Pt)과 같은 금속이 추가 증착될 수 있다.
도 6 및 도 7은 본 발명에 따른 정전용량식 유연한 압력 센서의 실시 예들을 도시하고 있다.
압력 센서는 도 3 내지 도 5에서 살펴본 바와 같이 인가된 압력에 따라 변화된 저항 값을 측정하여 상기 인가된 압력 크기를 감지하는 방식 이외에도 인가된 압력에 따라 변화된 정전용량 값을 측정하여 상기 인가된 압력 크기를 감지하는 방식이 있다.
도 6 및 도 7을 참조하여 본 발명에 따른 비정질 금속(일 예로, FeZr, CoNi, La-Al_Cu, Al-Sc, ZrTiCuNiBe, AuSi, CuZr, CuPd, CuCo, CuPdCoP, PdAgSi, PdAgSiP, PdAgSiGe, PtCuAgPBSi, CuZrTi, CuZrTiNi, 및 CuZrTiAlBe 중 어느 하나임)을 이용하여 정전용량식 유연한 압력 센서를 구현한 형태를 살펴보도록 한다.
도 6에 도시된 압력 센서 역시, 앞서 도 3 내지 도 5를 참조하여 살펴본 바와 동일하게 유연한 기판(100), 전도층(200), 및 상대 전극(300)을 포함한다. 단지, 전도층(200)이 증착되는 위치가 압전저항식 압력 센서와는 다르다.
유연한 기판(100)은 유연한 PET 기판, 폴리카보네이트(PC) 기판, 폴리이미드(PI) 기판, 또는 수백 마이크로미터 두께의 유리(Glass) 기판의 일면에 유연 재질인 예를 들어 PDMS와 같은 실리콘 계열의 고무 또는 폴리우레탄 등으로 마이크로 사이즈의 복수 개의 구조체(110)들이 형성된 구조를 가진다.
여기서는, 마이크로 사이즈의 피라미드 형상을 가지는 복수 개의 구조체(110)들이 유연한 기판(100)의 일면에 형성되어 있다.
마이크로사이즈의 피라미드(110)들을 가지는 유연한 기판은 이를 성형할 수 있는 실리콘 mold를 이용하여 형성 가능하다. 그리고 상기 마이크로 사이즈의 복수 개의 구조체(110)들은, 피라미드 형상 이외에도 원기둥, 원추, 및 다각 기둥의 형상들 중 어느 하나의 형상을 가질 수 있다.
전도층(200)은 상기 복수 개의 구조체(110)들이 있는 상기 유연한 기판(100)의 일면의 반대면에 증착되고, 비정질 금속으로 이루어진다. 그리고 전도층(200)의 전도도를 높이고 산화를 방지를 위해서 전도층(200) 표면에 보호막으로 저저항금속, 결정질 금속 및 내산화 금속 중 어느 하나가 추가 증착될 수 있으며, 대표적으로 금(Au)이나 백금(Pt)과 같은 금속이 추가 증착될 수 있다.
상대 전극(300)은 상기 유연한 기판(100)에 있는 복수 개의 구조체(110)들의 상부에 위치하며, 비정질 금속으로 구성된다. 상대 전극(300) 역시 전도도를 높이고 산화 방지를 위한 보호막으로 저저항금속, 결정질 금속 및 내산화 금속 중 어느 하나가 표면에 추가 증착될 수 있으며, 대표적으로 금(Au)이나 백금(Pt)과 같은 금속이 표면에 추가 증착될 수 있다.
그리고, 상기 상대 전극(300) 및 상기 전도층(200) 사이에서 측정되는 정전용량 값은 상기 둘 간의 거리에 따라 변화된다. 상기 상대 전극(300)에 압력이 인가되는 경우 상기 유연한 기판(100) 상의 상기 복수 개의 구조체(110)들이 압박되고 상기 상대 전극(300)과 상기 전도층(200) 사이의 거리가 줄어든다.
그러므로, 도 6에 도시된 압력 센서는 외부에서 전달받은 압력에 따라 상기 전도층(200)과 상기 상대 전극(300) 사이의 거리가 변화하고 그로 인해 변화된 상기 전도층(200) 및 상기 상대 전극(300) 사이의 정전용량 값을 측정하여 상기 전달받은 압력에 대한 정보를 감지한다.
도 7에 도시된 압력 센서 역시, 유연한 기판(100), 전도층(200) 및 상대 전극(300)을 포함한다. 여기서, 유연한 기판(100)은 앞서 살펴본 바와 동일하므로, 그 설명을 여기서 생략하도록 한다.
전도층(200)은 상기 복수 개의 구조체(110)들이 있는 상기 유연한 기판(100)의 일면 상에 증착되고, 비정질 금속으로 이루어진다.
상대 전극(300)은 유연한 절연 기판(320) 및 상기 절연 기판(320)의 일면에 비정질 금속으로 이루어진 금속층(310)이 적층된 구조를 가진다. 그리고 상기 상대 전극(300)은 상기 절연 기판(320)이 상기 전도층(200)과 마주보도록 상기 전도층(200)의 상부에 위치한다.
그에 따라, 도 7에 도시된 압력 센서는 외부 압력이 인가되는 경우 상기 상대 전극(300)의 금속층(310)과 상기 전도층(200) 간의 거리가 줄어들면서 변화되는 정전용량 값을 측정하고, 상기 전달받은 압력에 대한 정보를 감지한다. 도 6에 도시된 구조와 다르게 도 7에 도시된 구조를 가지는 정전용량 식 압력 센서의 구현도 가능할 것이다.
이상, 본 발명에 따른 압력 센서의 실시 예들을 살펴보았다.
다음은, 비정질 금속을 이용하여 전자 피부용 소자로서 압력 및 온도를 동시에 감지할 수 있는 새로운 유연한 이중모드 센서의 구조를 도 8을 참조하여 살펴보도록 한다.
도 8에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시 예에 따른 새로운(novel) 유연한 이중모드 센서는 유연한 기판에 비정질 금속(일 예로, FeZr, CoNi, La-Al_Cu, Al-Sc, ZrTiCuNiBe, AuSi, CuZr, CuPd, CuCo, CuPdCoP, PdAgSi, PdAgSiP, PdAgSiGe, PtCuAgPBSi, CuZrTi, CuZrTiNi, 및 CuZrTiAlBe 중 어느 하나임)으로 전도층을 구비하고 온도 감지를 위한 구성요소를 추가로 구비하여 압력 및 온도를 동시에 감지한다. 자세하게, 도 8은 도 3에 도시된 압전저항식 압력 센서의 구조에 온도 감지를 위한 구성요소를 추가로 구비한 형태를 가지는 유연한 이중모드 센서의 실시 예를 도시하고 있다.
도 8을 살펴보면, 본 발명의 실시 예에 따른 새로운(novel) 유연한 이중모드 센서는 유연한 기판(100), 전도층(200), 상대 전극(300), 유연한 절연 기판(400), 및 도선(500)을 포함한다.
유연한 기판(100)은 유연한 PET 기판, 폴리카보네이트(PC) 기판, 폴리이미드(PI) 기판, 또는 수백 마이크로미터 두께의 유리(Glass) 기판의 일면에 유연 재질인 예를 들어 PDMS와 같은 실리콘 계열의 고무 또는 폴리우레탄 등으로 마이크로 사이즈의 복수 개의 구조체(110)들이 형성된 구조를 가진다.
여기서는, 마이크로 사이즈의 피라미드 형상을 가지는 복수 개의 구조체(110)들이 유연한 기판의 일면에 형성되어 있다.
상기 마이크로 사이즈의 복수 개의 구조체(110)들은, 피라미드 형상 이외에도 원기둥, 원추, 및 다각 기둥의 형상들 중 어느 하나의 형상을 가질 수 있다.
전도층(200)은 상기 복수 개의 구조체(110)들이 있는 상기 유연한 기판의 일면 상에 증착되고, 비정질 금속으로 이루어진다. 따라서 상기 복수 개의 구조체(110)들 상에 전도층(200)이 증착된다. 그리고, 전도층(200)의 전도도를 높이고 산화를 방지를 위해서 전도층 (200) 위에 보호막으로 저저항금속, 결정질 금속, 및 내산화 금속 중 어느 하나가 추가 증착될 수 있으며, 대표적으로 금(Au)이나 백금(Pt)과 같은 금속이 추가 증착될 수 있다.
상대 전극(300)은 상기 전도층(200)의 상부에 위치하며, 외부로부터 압력을 전달받는다. 상대 전극(300) 역시 상기 전도층(200)과 동일하게 비정질 금속으로 이루어지는 것이 바람직하다. 그리고 상대 전극(300) 역시 전도도를 높이고 산화를 방지를 위해서 보호막으로 저저항금속, 결정질 금속, 및 내산화 금속 중 어느 하나가 상대 전극(300)의 표면에 추가 증착될 수 있으며, 대표적으로 금(Au)이나 백금(Pt)과 같은 금속이 추가 증착될 수 있다.
상대 전극(300)에 전달된 압력에 따라 상기 마이크로 사이즈의 피라미드 구조체(110)가 압박되면서 상기 상대 전극(300)과 상기 전도층(200), 그 두 전극 사이의 접촉 면적이 변한다.
유연한 절연 기판(400)은 상기 상대 전극(300)의 상부 면에 위치한다. 그리고, 도선(500)은 비정질 금속으로 이루어지고, 도 9에 도시된 바와 같이 상기 절연 기판(400)의 상부 면에 일정 간격을 갖으며 반복하여 지그재그로 배열된다. 도선(500)이 지그재그 패턴으로 배열되는 이유는 보다 정확한 온도 감지를 위해서 상온에서도 일정 레벨의 저항 값을 가지도록 하기 위함이다. 도선(500) 역시, 산화 방지를 위한 보호막으로 금(Au)이나 백금(Pt)과 같은 금속이 표면에 추가 증착될 수 있다.
상기 유연한 절연 기판(400)은 상기 상대 전극(300)과의 전기적인 연결을 차단시킨다. 그리고, 상기 절연 기판(400) 상에 도선(500)은 지그재그 패턴으로 배열되어서 일정 저항 값을 가지고 있으며, 외부에서 전달되는 온도 변화에 따라 변화된 저항 값을 나타낸다.
따라서, 본 발명에 실시 예에 따른 이중모드 센서는 상기 유연한 절연 기판(400) 및 상기 도선(500)상에 외부 물리적인 에너지가 가해지면, 상기 도선(4500)에 전달되는 온도에 따라 변화된 상기 도선(500)의 저항 값을 측정하여 상기 전달된 온도에 대한 정보를 감지할 수 있다. 그리고 이와 동시에, 상기 이중모드 센서는 가해진 압력에 따라서 상기 상대 전극(300)과 상기 전도층(200) 사이의 접촉면적이 변하면서 달라진 저항 값을 측정하여 그 가해진 압력에 대한 정보 또한 감지할 수 있다.
본 발명에 실시 예에 따른 이중모드 센서는, 온도 감지를 위한 상기 도선(500) 구성 역시 비정질 금속으로 구성함으로써 전자 피부용 스트레처블한 소자를 구현 가능하다.
이상, 도 8을 참조하여, 압전저항식 압력 센서에 온도 감지를 위한 추가 구성요소(400,500)를 구비한 유연한 이중모드 센서의 실시 예를 살펴보았다.
이외에도, 앞서 살펴본 온도 감지를 위한 추가 구성요소(상기 유연한 절연 기판 (400) 및 상기 도선(500))를 도 6 및 도 7에 도시된 정전용량식 압력 센서의 상대 전극(300) 상부 면에 구비시킴으로써 본 발명에 따른 유연한 이중모드 센서를 구현할 수 있음은 물론이다.
또한, 도 5에 도시된 압전저항식 압력 센서의 경우, 상대 전극(300)에 유연한 절연 기판(320) 구성이 포함되어 있으므로, 별도의 절연 기판을 추가하지 않고 센서 표면에 위치한 상기 상대 전극(300)의 유연한 절연 기판(320) 상에 상기 도선(500) 만을 추가 구비하여 본 발명에 따른 유연한 이중모드 센서를 구현할 수 있다.
이상에 살펴본 본 발명의 실시 예에 따른 압전저항식 또는 정전용량식 압력 센서는 비정질 금속으로 전도층을 구성하여 기존의 탄소 나노 소재를 이용하는 것에 비하여 외부 물리적인 외력(구부림, 늘림 등)에 대해서 일정 수준의 전도도를 유지할 수 있는 스트레처블(stretchable)한 특성을 가진다. 또한, 비정질 금속으로 이루어진 전도층은 유연한 기판 및 그 기판 위에 구비된 마이크로 사이즈의 복수 개의 구조체들에 부착력이 우수한 장점을 가진다.
그리고 비정질 금속으로 이루어진 전도층은 저항 값이 비교적 낮기 때문에 기존에 탄소 나노 소자나, 유기물 및 탄성체의 복합체로 이루어진 전도층에 비해 압력 센서의 동작 전압을 1/50배로 낮출 수 있다. 다시 말해서, 이전에 유기물 및 탄성체의 복합체로 이루어진 전도층을 가지는 압력 센서는 5~10 Volt 수준의 동작 전압이 인가되어야 외부 인가된 압력에 따른 저항 값 변화를 측정할 수 있었다. 그러나, 본 발명에 따른 비정질 금속으로 전도층을 구성한 압력 센서는 대략 0.1 Volt의 동작 전압을 인가하여도 외부 인가된 압력에 따른 저항 값 변화를 측정할 수가 있다.
또한 본 발명의 실시 예에 따른 유연한 이중모드 센서는 앞서 살펴본 상기 압력 센서가 가지는 이점을 그대로 가지면서, 압력 및 온도를 동시에 감지할 수 새로운 전자 피부용 소자이다.
본 발명의 상기한 실시 예에 한정하여 기술적 사상을 해석해서는 안된다. 적용 범위가 다양함은 물론이고, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당업자의 수준에서 다양한 변형 실시가 가능하다. 따라서 이러한 개량 및 변경은 당업자에게 자명한 것인 한 본 발명의 보호범위에 속한다.
100 : 유연한 기판
110 : 마이크로 사이즈의 구조체
200 : 전도층
300 : 상대 전극
310 : 금속층
320, 400 : 절연 기판
500 : 도선

Claims (11)

  1. 일면에 유연한 재질로 이루어진 마이크로 사이즈의 복수 개의 구조체들을 가지는 유연한 기판;
    상기 복수 개의 구조체들이 있는 상기 유연한 기판의 일면 상에 증착되고, 비정질 금속으로 이루어진 전도층; 및
    상기 전도층의 상부에 위치하는 상대 전극을 포함하는 유연한 압력 센서이며,
    여기서, 상기 유연한 압력 센서는,
    외부에서 전달받은 압력에 따라 상기 상대 전극과 상기 전도층 사이의 접촉 면적이 변하여 발생된 저항 값을 상기 전도층 및 상기 상대 전극을 통해 측정하여 상기 전달받은 압력에 대한 정보를 감지하도록 구성된 것을 특징으로 하며,
    상기 상대 전극은,
    전체가 비정질 금속으로 구성되거나,
    유연한 절연 기판 및 상기 절연 기판의 일면에 비정질 금속으로 이루어진 금속층이 적층된 구조를 가지어 상기 금속층이 상기 전도층과 마주보도록 상기 전도층의 상부에 위치하는 것을 특징으로 하는 유연한 압력 센서.
  2. 삭제
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 마이크로 사이즈의 복수 개의 구조체들은,
    피라미드, 원기둥, 원추, 및 다각 기둥의 형상들 중 어느 하나의 형상을 가지는 것을 특징으로 하는 유연한 압력 센서.
  4. 제1 항에 있어서,
    상기 비정질 금속은,
    FeZr, CoNi, La-Al_Cu, Al-Sc, ZrTiCuNiBe, AuSi, CuZr, CuPd, CuCo, CuPdCoP, PdAgSi, PdAgSiP, PdAgSiGe, PtCuAgPBSi, CuZrTi, CuZrTiNi, 및CuZrTiAlBe 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 유연한 압력 센서.
  5. 제1 항에 있어서,
    상기 전도층의 전도도를 높이고 산화를 방지하기 위해서 저저항금속, 결정질 금속 및 내산화 금속 중 어느 하나로 이루어진 보호막이 상기 전도층 상에 추가 증착되는 것을 특징으로 하는 압력 센서.
  6. 일면에 유연한 재질로 이루어진 마이크로 사이즈의 복수 개의 구조체들을 가지는 유연한 기판;
    상기 복수 개의 구조체들이 있는 상기 유연한 기판의 일면의 반대면에 증착되고, 비정질 금속으로 이루어진 전도층; 및
    상기 유연한 기판에 있는 복수 개의 구조체들의 상부에 위치하며, 비정질 금속으로 구성된 상대 전극을 포함하는 유연한 압력 센서이며,
    여기서, 상기 유연한 압력 센서는,
    외부에서 전달받은 압력에 따라 상기 전도층과 상기 상대 전극 사이의 거리가 변화하고, 그로 인해 변화된 상기 전도층 및 상기 상대 전극 사이의 정전용량 값을 측정하여 상기 전달받은 압력에 대한 정보를 감지하도록 구성된 것을 특징으로 하는, 유연한 압력 센서.
  7. 제6 항에 있어서,
    상기 비정질 금속은,
    FeZr, CoNi, La-Al_Cu, Al-Sc, ZrTiCuNiBe, AuSi, CuZr, CuPd, CuCo, CuPdCoP, PdAgSi, PdAgSiP, PdAgSiGe, PtCuAgPBSi, CuZrTi, CuZrTiNi, 및CuZrTiAlBe 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 유연한 압력 센서.
  8. 제6 항에 있어서,
    비정질 금속으로 이루어진 상기 전도층 및 상기 상대전극의 표면에 전도도를 높이고 산화를 방지하기 위해서 저저항금속, 결정질 금속 및 내산화 금속 중 어느 하나로 이루어진 보호막이 추가 증착되는 것을 특징으로 하는 압력 센서.
  9. 일면에 유연한 재질로 이루어진 마이크로 사이즈의 복수 개의 구조체들을 가지는 유연한 기판;
    상기 복수 개의 구조체들이 있는 상기 유연한 기판의 일면 상에 증착되고, 비정질 금속으로 이루어진 전도층;
    상기 전도층의 상부에 위치하고, 비정질 금속으로 구성된 상대 전극;
    상기 상대 전극의 상부 면에 위치한 유연한 절연 기판; 및
    상기 절연 기판의 상부 면에 일정 간격을 갖으며 반복하여 지그재그로 배열된 비정질 금속으로 구성된 도선을 포함하는 유연한 이중모드 센서이며,
    여기서, 상기 유연한 이중모드 센서는,
    외부에서 전달받은 압력에 따라 상기 상대 전극와 상기 전도층 사이의 접촉 면적이 변하고 그로 인해 변화된 상기 상대 전극과 상기 전도층 간의 저항 값을 측정하여 상기 전달받은 압력에 대한 정보를 감지하고,
    외부에서 전달받은 온도에 따라 상기 도선의 변화된 저항 값을 측정하여 상기 전달받은 온도에 대한 정보를 감지하는 유연한 이중모드 센서.
  10. 제9 항에 있어서,
    상기 비정질 금속은,
    FeZr, CoNi, La-Al_Cu, Al-Sc, ZrTiCuNiBe, AuSi, CuZr, CuPd, CuCo, CuPdCoP, PdAgSi, PdAgSiP, PdAgSiGe, PtCuAgPBSi, CuZrTi, CuZrTiNi, 및CuZrTiAlBe 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 유연한 이중모드 센서.
  11. 제9 항에 있어서,
    비정질 금속으로 이루어진 상기 전도층, 상기 상대전극, 및 상기 도선의 표면에 전도도를 높이고 산화를 방지하기 위해서 저저항금속, 결정질 금속 및 내산화 금속 중 어느 하나로 이루어진 보호막이 추가 증착되는 것을 특징으로 하는 유연한 이중모드 센서.
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