KR20170045963A - 센서 및 상기 센서의 제조방법 - Google Patents
센서 및 상기 센서의 제조방법 Download PDFInfo
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Abstract
본 발명의 센서는, 기판; 기판의 일면에 단층으로 형성되는 전도성 레이어; 및 상기 전도성 레이어는, 외부 기기와 무선 신호를 송수신하도록 형성되는 안테나 패턴; 상기 안테나 패턴을 통해 무선 신호가 수신되면 구동되며, 센싱 대상 물질과 접촉하여 임피던스 변화를 일으키도록 이루어지는 센싱 전극; 및 상기 안테나 패턴과 상기 센싱 전극을 전기적으로 연결하는 회로 배선을 포함하고, 상기 안테나 패턴, 상기 센싱 전극 및 상기 회로 배선은 동일한 소재로 이루어지며, 동일한 레이어를 형성한다.
본 발명의 센서의 제조방법은, 안테나 패턴, 센싱 전극 및 회로 배선을 갖는 전도성 레이어를 기판의 일면에 단층으로 인쇄하는 단계; 상기 전도성 레이어를 열건조하는 단계; 상기 회로 배선의 일부를 덮는 회로 절연층과 상기 안테나 패턴의 일부를 덮는 안테나 절연층을 단층으로 인쇄하는 단계; 상기 절연층을 경화하는 단계; 상기 안테나 절연층 위에 안테나 브릿지를 인쇄하는 단계; 상기 안테나 브릿지를 열건조하는 단계; 및 상기 회로 배선과 전기적으로 연결되는 소자를 상기 기판에 본딩하는 단계를 포함한다.
본 발명의 센서의 제조방법은, 안테나 패턴, 센싱 전극 및 회로 배선을 갖는 전도성 레이어를 기판의 일면에 단층으로 인쇄하는 단계; 상기 전도성 레이어를 열건조하는 단계; 상기 회로 배선의 일부를 덮는 회로 절연층과 상기 안테나 패턴의 일부를 덮는 안테나 절연층을 단층으로 인쇄하는 단계; 상기 절연층을 경화하는 단계; 상기 안테나 절연층 위에 안테나 브릿지를 인쇄하는 단계; 상기 안테나 브릿지를 열건조하는 단계; 및 상기 회로 배선과 전기적으로 연결되는 소자를 상기 기판에 본딩하는 단계를 포함한다.
Description
본 발명은 물질의 염도, 당도, 기름의 산패 등을 감지하도록 이루어지는 센서와 상기 센서의 제조방법에 관한 것이다.
최근 식생활의 변화로 인해 고혈압, 고지혈증, 당뇨병 등 성인병 환자들의 수가 급증하여 사회적인 이슈가 되고 있다. 그러나, 대개의 경우 질병이 일정 수준으로 진행된 상태에서 발견되는 경우가 많아, 이로 인한 사회적 비용(건강 검진 비용 및 치료를 위한 의료 비용)이 증가하고 있는 실정이다. 또한 성인병 등을 예방하기 위해 식품의 안전성에 대한 대중들의 관심이 높아지고 있으며 야채, 과일의 잔류 농약에 대한 안정성 여부에 대한 관심도 높아지고 있다.
그런데 식품의 안전성 등 다양한 검출 정보를 개별적으로 검사하기 위해서는 많은 비용이 투입되어야 하고 검사를 위한 불편이 동반된다. 또한 포괄적으로 그리고 지속적으로 식품의 안전성을 관리하기는 매우 불편하고 어려운 것이 현실이다.
종래에는, 음식물의 염도나 당도, 혹은 식용 유지(fat and oil)의 변성 등을 확인하기 위해 단말기 형태의 센서를 이용해왔다. 단말기 형태의 센서는 독립적으로 음식물의 염도 등을 검사하고 그 검사 결과를 사용자에게 제공할 수 있는 장점을 갖는다. 반면 단말기 형태의 센서는 다음과 같은 몇 가지 단점을 가지고 있다.
먼저 단말기 형태의 센서는 작동을 위해 별도의 전원 또는 배터리를 필요로 하기 때문에, 전원이 공급되기 어려운 환경에서 작동할 수 없다.
또한 단말기 형태의 센서는 제품의 단가가 상대적으로 고가여서 대중화되기 어렵다.
마지막으로 단말기 형태의 센서는 휴대하기 불편하다.
따라서 단말기 형태의 센서가 갖는 단점을 해결할 수 있는 센서의 개발이 요구되고 있다.
본 발명의 일 목적은 단순화된 공정과 저렴한 단가로 제조될 수 있는 구조를 갖는 센서를 제공하기 위한 것이다. 또한 본 발명은 단순화된 공정과 저렴한 단가로 센서를 제조할 수 있는 방법을 제안하기 위한 것이다.
본 발명의 다른 일 목적은 센싱 전극의 산화 또는 부식을 억제할 수 있는 구성의 센서를 제시하기 위한 것이다.
본 발명의 또 다른 일 목적은 배터리를 갖지 않고 외부 기기와 무선 통신에 의해 구동될 수 있는 센서를 제안하기 위한 것이다. 또한 본 발명은 향상된 휴대성을 갖는 센서를 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 또 다른 일 목적은 대량 생산에 유리하며 대량 생산에 따른 공정 오차의 문제를 해결할 수 있는 구조의 센서를 제시하기 위한 것이다.
이와 같은 본 발명의 일 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 일 실시예에 따르는 센서는, 기판; 기판의 일면에 단층으로 형성되는 전도성 레이어; 및 상기 전도성 레이어는, 외부 기기와 무선 신호를 송수신하도록 형성되는 안테나 패턴; 상기 안테나 패턴을 통해 무선 신호가 수신되면 구동되며, 센싱 대상 물질과 접촉하여 임피던스 변화를 일으키도록 이루어지는 센싱 전극; 및 상기 안테나 패턴과 상기 센싱 전극을 전기적으로 연결하는 회로 배선을 포함하고, 상기 안테나 패턴, 상기 센싱 전극 및 상기 회로 배선은 동일한 소재로 이루어지며, 동일한 레이어를 형성한다.
본 발명과 관련한 일 예에 따르면, 상기 센서는 상기 안테나 패턴을 통해 수신된 무선 신호로부터 직류 전원을 생성하여 구동되고, 상기 센싱 전극의 측정에 의해 발생된 신호를 상기 외부 기기로 송신하도록 이루어진다.
본 발명과 관련한 다른 일 예에 따르면, 상기 센서는, 상기 안테나 패턴을 통해 수신되는 무선 신호를 이용하여 직류 전원을 생성하도록 이루어지는 전원생성부; 상기 직류 전원을 공급받아 구동되고, 상기 센싱 전극에 교류 전압을 입력하도록 이루어지는 제어부; 상기 센싱 전극의 임피던스 변화에 근거하여 나타나는 상기 교류 전압의 변화를 디지털 신호로 변환하는 변환부; 및 상기 안테나 패턴을 통해 상기 외부 기기로 상기 디지털 신호를 송신하는 통신부를 포함한다.
본 발명과 관련한 다른 일 예에 따르면, 상기 센서는, 상기 센싱 전극을 노출시키는 윈도우을 구비하고, 상기 회로 배선의 적어도 일부를 덮도록 배치되는 회로 절연층을 포함한다.
상기 센싱 전극은 길이 방향으로 제1단부와 제2단부를 구비하며, 상기 회로 절연층은 상기 제1단부와 상기 제2단부를 덮고, 상기 윈도우는 상기 제1단부와 상기 제2단부 사이의 영역을 노출시키도록 형성된다.
상기 센싱 전극은 400㎛ 이상의 길이를 갖고, 상기 윈도우를 통해 노출되는 상기 센싱 전극의 노출 길이는 300~2,000㎛다.
상기 회로 절연층은 800㎚~30㎛의 높이를 갖는다.
상기 회로 절연층은 상기 기판보다 큰 표면에너지를 갖는다.
상기 센서는, 상기 안테나 패턴의 어느 일부를 덮도록 배치되고, 상기 어느 일부를 가로지르는 방향으로 연장되는 안테나 절연층; 및 상기 안테나 절연층 위에 배치되고, 상기 안테나 패턴의 두 부분을 서로 연결하거나 상기 안테나 패턴과 상기 회로 배선을 서로 연결하는 안테나 브릿지를 포함하며, 상기 회로 절연층과 상기 안테나 절연층은 동일한 소재로 이루어지고, 상기 전도성 레이어 위에 동일한 레이어를 형성한다.
본 발명과 관련한 다른 일 예에 따르면, 상기 센싱 전극은 50~1,000㎛의 폭을 갖는다.
본 발명과 관련한 다른 일 예에 따르면, 상기 센싱 전극은 제1전극과 제2전극을 포함하고, 상기 제1전극과 제2전극 사이의 간격은 50~3,000㎛다.
본 발명과 관련한 다른 일 예에 따르면, 상기 센싱 전극의 높이는 700㎚~15㎛다.
본 발명과 관련한 다른 일 예에 따르면, 상기 전도성 레이어는, 은(Ag), 구리(Cu) 및 알루미늄(Al) 중 적어도 하나로 이루어지며, 구형 또는 플레이크(flake)의 형상을 갖는 고체 입자; 및 폴리에틸렌 옥사이드(polyethylene oxide, PEO) 계열, 올레산(oleic acid) 계열, 아크릴레이트(acrylate) 계열, 아세테이트(acetate) 계열 및 에폭시(epoxy) 계열로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나의 유기물로 이루어진다.
본 발명과 관련한 다른 일 예에 따르면, 상기 센서의 측정 전압은 상기 전도성 레이어의 부식을 억제하도록 0.1~4V로 설정된다.
본 발명과 관련한 다른 일 예에 따르면, 상기 전도성 레이어는 기공을 갖는다.
본 발명과 관련한 다른 일 예에 따르면, 상기 센싱 전극과 상기 기판은 예각의 접촉각을 형성한다.
본 발명과 관련한 다른 일 예에 따르면, 상기 기판은, 연성을 갖는 플라스틱 레이어; 및 상기 플라스틱 레이어와 상기 전도성 레이어 사이에 형성되는 실리카 레이어를 포함한다.
본 발명과 관련한 다른 일 예에 따르면, 상기 안테나 패턴은 500~1,500㎛의 선폭을 갖는 2차원 나선의 형태로 연장되고, 상기 2차원 나선을 형성하는 라인들 간의 간격은 300~700㎛다.
또한 상기한 과제를 실현하기 위하여 본 발명은 센서의 제조방법을 개시한다. 센서의 제조방법은, 안테나 패턴, 센싱 전극 및 회로 배선을 갖는 전도성 레이어를 기판의 일면에 단층으로 인쇄하는 단계; 상기 전도성 레이어를 열건조하는 단계; 상기 회로 배선의 일부를 덮는 회로 절연층과 상기 안테나 패턴의 일부를 덮는 안테나 절연층을 단층으로 인쇄하는 단계; 상기 절연층을 경화하는 단계; 상기 안테나 절연층 위에 안테나 브릿지를 인쇄하는 단계; 상기 안테나 브릿지를 열건조하는 단계; 및 상기 회로 배선과 전기적으로 연결되는 소자를 상기 기판에 본딩하는 단계를 포함한다.
본 발명과 관련한 일 예에 따르면, 상기 전도성 레이어는 분말 잉크 또는 페이스트를 인쇄하여 형성되고, 상기 분말 잉크 또는 페이스트의 조성은, 은(Ag), 구리(Cu) 및 알루미늄(Al) 중 적어도 하나로 이루어지며, 구형 또는 플레이크(flake)의 형상을 갖는 고체 입자 40~70 중량%; 및 용매를 포함하며, 폴리에틸렌 옥사이드(polyethylene oxide, PEO) 계열, 올레산(oleic acid) 계열, 아크릴레이트(acrylate) 계열, 아세테이트(acetate) 계열 및 에폭시(epoxy) 계열로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나의 유기물 30~60 중량%로 이루어지고, 상기 용매는 아세톤(acetone), 알릴알코올(allyl alcohol), 아세트산(acetic acid), 아세톨(acetol), 메틸알코올(methylalcohol) 및 벤젠(Benzene)으로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나를 포함한다.
상기와 같은 구성의 본 발명에 의하면, 안테나 패턴, 센싱 전극 및 회로 배선을 갖는 전도성 레이어가 단층으로 형성되며, 상기 안테나 패턴, 센싱 전극 및 회로 배선은 동일한 레이어를 형성한다. 따라서 안테나 패턴, 센싱 전극 및 회로 배선은 1회의 인쇄 공정으로 형성될 수 있으므로, 본 발명의 센서를 제조하기 위한 공정은 매우 단순화될 수 있다. 또한 센서의 두께 또한 얇아질 수 있다.
또한 본 발명은, 전도성 레이어의 소재로 귀금속을 사용하지 않으므로, 저렴한 단가로 센서를 제조할 수 있다.
또한 본 발명은, 저렴한 소재로 전도성 레이어를 형성하는 대신, 센서의 측정 전압 제한, 센싱 전극의 구조와 전도성 레이어의 소재 최적화를 통해 전도성 레이어의 산화 또는 부식 문제를 해결하였다.
또한 본 발명의 센서는 외부 기기와 무선 통신에 의해 구동되므로, 센서를 구동하기 위한 별도의 배터리를 구비하지 않을 수 있다. 그리고 센서는 센싱 결과를 외부 기기에서 출력할 수 있도록 외부 기기로 무선 신호를 송신할 수 있으므로, 센서 스스로 디스플레이 등의 장치를 갖지 않을 수 있다. 이는 센서의 크기 및 무게 감소로 이어져 센서의 휴대성을 향상시킬 수 있다.
본 발명의 센서는 윈도우를 통해 센싱 전극의 노출 면적을 설정하고, 윈도우가 센싱 전극의 가운데 부분을 노출시키도록 이루어지므로, 대량 생산 시 센싱 전극와 윈도우 간에 공정 오차 발생에 의한 문제를 해결할 수 있다.
도 1은 본 발명의 센서를 보인 평면도다.
도 2는 본 발명의 센서를 보인 분해 사시도다.
도 3은 도 1의 라인 A-A를 따라 바라본 단면도다.
도 4는 외부 기기와 센서의 상호 연계된 작동을 보인 개념도다.
도 5는 센서를 이용하여 측정 대상 물질의 상태를 측정하는 방법을 보인 흐름도다.
도 6은 대량 생산에 유리한 회로 배선, 센싱 전극 및 회로 절연층의 구조를 보인 개념도다.
도 7과 도 8은 센싱 전극의 구조와 분해능과의 관계를 실험적으로 보인 그래프다.
도 9는 센서의 제조방법을 보인 흐름도다.
도 10a 내지 도 10d는 도 9의 제조방법에 따른 센서의 제조 과정을 부분적으로 보인 개념도다.
도 2는 본 발명의 센서를 보인 분해 사시도다.
도 3은 도 1의 라인 A-A를 따라 바라본 단면도다.
도 4는 외부 기기와 센서의 상호 연계된 작동을 보인 개념도다.
도 5는 센서를 이용하여 측정 대상 물질의 상태를 측정하는 방법을 보인 흐름도다.
도 6은 대량 생산에 유리한 회로 배선, 센싱 전극 및 회로 절연층의 구조를 보인 개념도다.
도 7과 도 8은 센싱 전극의 구조와 분해능과의 관계를 실험적으로 보인 그래프다.
도 9는 센서의 제조방법을 보인 흐름도다.
도 10a 내지 도 10d는 도 9의 제조방법에 따른 센서의 제조 과정을 부분적으로 보인 개념도다.
이하, 본 발명에 관련된 센서 및 센서의 제조방법에 대하여 도면을 참조하여 보다 상세하게 설명한다. 본 명세서에서는 서로 다른 실시예라도 동일, 유사한 구성에 대해서는 동일, 유사한 참조번호를 부여하고, 그 설명은 처음 설명으로 갈음한다. 본 명세서에서 사용되는 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
도 1은 본 발명의 센서(100)를 보인 평면도다.
센서(100)는 기판(110), 전도성 레이어(120), 회로 절연층(131), 안테나 절연층(132), 안테나 브릿지(140) 및 소자(150)를 포함한다. 상기 구성요소들을 이하 차례대로 설명한다.
1. 기판(110)
기판(110)은 전체적으로 평평한 플레이트의 형상을 갖는다. 기판(110)은 전도성 레이어(120), 회로 절연층(131), 안테나 절연층(132), 안테나 브릿지(140) 및 소자(150)를 지지하도록 이루어진다. 전도성 레이어(120), 회로 절연층(131), 안테나 절연층(132), 안테나 브릿지(140) 및 소자(150)는 각종 공정에 의해 기판(110)에 형성되거나 실장(mount)된다.
기판(110)은 연성(flexibility)을 갖는다. 본 발명의 센서(100)는 매우 얇은 두께로 형성되기 때문에 기판(110)이 연성을 갖지 않는다면 외력에 의해 쉽게 파손될 수 있다. 그러나 기판(110)이 연성을 가지면, 센서(100)는 반복적인 기계적 변형에도 높은 신뢰성을 가질 수 있다.
기판(110)은 연성을 갖는 플라스틱(고분자화합물 또는 합성수지)으로 이루어진다. 상기 플라스틱은 폴리에틴렌 테리프탈레이트(polyethylene terephthalate, PET), 폴리이미드(polyimide, PI), 폴리스타이렌(polystyrene, PS) 및 폴리에틸렌 나프탈레이트(polyethylene naphthalate, PEN)로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나를 포함할 수 있다.
기판(110)은 실리카 레이어(112)를 더 포함할 수 있다. 실리카 레이어(112)에 대하여는 도 2를 참조하여 후술한다.
2. 전도성 레이어(120)
전도성 레이어(120)는 기판(110)의 일면에 단층으로 형성된다. 전도성 레이어(120)는 인쇄 공정에 의해 형성될 수 있다. 전도성 레이어(120)는 안테나 패턴(121), 회로 배선(123) 및 센싱 전극(122)을 포함한다.
안테나 패턴(121), 센싱 전극(122) 및 회로 배선(123)은 일체로 형성될 수 있다. 일체로 형성된다는 것은, 안테나 패턴(121), 센싱 전극(122) 및 회로 배선(123)이 서로 물리적으로 분리되지 않는다는 것을 의미한다. 다만, 안테나 패턴(121), 센싱 전극(122) 및 회로 배선(123)이 반드시 일체로 형성되어야 하는 것은 아니다. 안테나 패턴(121), 센싱 전극(122) 및 회로 배선(123)은 전도성 레이어(120)을 단지 기능에 따라 분류한 것이다.
안테나 패턴(121), 센싱 전극(122) 및 회로 배선(123)을 포함하는 전도성 레이어(120)는 1회의 인쇄 공정에 의해 동시에 형성될 수 있으며, 상기 기판(110) 위에 동일한 레이어를 형성할 수 있다.
동일한 레이어를 형성한다는 것은 안테나 패턴(121), 센싱 전극(122) 및 회로 배선(123)이 기판(110) 위에 각각 동일 높이로 형성된다는 것과 같은 의미이다. 다르게는 상기 동일한 레이어를 형성한다는 것은 안테나 패턴(121), 센싱 전극(122) 및 회로 배선(123)이 1회의 인쇄 공정에 의해 동시에 형성될 수 있다는 것으로 해석될 수도 있다.
안테나 패턴(121), 센싱 전극(122) 및 회로 배선(123)을 포함하는 전도성 레이어(120)이 1회의 인쇄 공정에 의해 동시에 형성될 수 있는 것은 동일한 소재로 이루어지기 때문에 가능한 것이다.
상기 인쇄공정은 스크린프린팅법, 그라비어인쇄법, 잉크젯프린팅법등 다양한 방법이 사용될 수 있다.
2-1. 안테나 패턴(121)
안테나 패턴(121)은 외부 기기와 무선 신호를 송수신하도록 형성된다.
외부 기기란 유무선 통신 기능을 가진 전자 기기를 의미한다. 외부 기기에는 휴대폰, 스마트 폰(smart phone), 데스크탑 컴퓨터, 노트북 컴퓨터(laptop computer), 디지털방송용 단말기, PDA(Personal Digital Assistants), PMP(Portable Multimedia Player), 네비게이션, 슬레이트 PC(slate PC), 태블릿 PC(tablet PC), 울트라북(ultrabook) 등이 포함될 수 있다.
안테나 패턴(121)은 외부 기기로 무선 신호를 송신하거나, 외부 기기로부터 무선 신호를 수신한다. 본 발명의 센서(100)는 배터리와 같은 전원 공급부를 갖지 않는다. 센서(100)는 안테나 패턴(121)을 통해 외부 기기로부터 수신된 무선 신호를 이용하여 직류 전원을 생성하고, 이 직류 전원을 센서(100)의 구동에 이용하도록 이루어진다. 또한 센서(100)는 안테나 패턴(121)을 통해 센싱 결과를 다시 외부 기기로 송신하도록 이루어진다.
안테나 패턴(121)은 2차원 나선의 형태로 연장된다. 2차원 나선의 형태란, 도 1에 도시된 바와 같이 안테나 패턴(121)이 기판(110)의 가장자리에서 점차 기판(110)의 중앙 영역으로 가까워지는 형태로 감기는 것을 의미한다. 이것은 설명하는 방식에 따라 안테나 패턴(121)이 기판(110)의 중앙 영역에서 기판(110)의 가장자리에 가까워지는 형태로 감기는 것으로 설명될 수도 있다. 다만, 본 발명에서 2차원 나선의 형태란 반드시 곡선을 의미하는 것은 아니도 도 1에서와 같이 직선을 포함하는 개념이다.
안테나 패턴(121)은 높은 인덕턴스를 갖도록 500~1,500㎛의 선폭을 갖는다. 2차원 나선을 형성하는 라인들 간의 간격은 적절한 커패시턴스 성분을 갖기 위해 300~700㎛으로 설정되는 것이 바람직하다.
안테나 패턴(121)은 NFC(Near Field Communication) 안테나의 방사체로 작동할 수 있다. NFC 안테나는 13.56MHz의 통신 규격을 이용하여 정보의 교환이 이루어지는 통신 장치를 가리킨다.
2-2. 센싱 전극(122)
센싱 전극(122)은 센싱 대상 물질과 접촉하여 임피던스 변화를 일으키도록 이루어진다.
안테나 패턴(121)을 통해 외부 기기로부터 무선 신호가 수신되면, 센서(100)는 이 무선 신호를 이용하여 직류 전원을 생성한다. 직류 전원이 발생함에 센서(100)의 나머지 부분이 작동하게 되고, 센싱 전극(122)에는 교류 전압이 입력된다. 따라서 센싱 전극(122)은 안테나 패턴(121)을 통해 무선 신호가 수신되어야 구동된다.
교류 전압을 입력받는 센싱 전극(122)이 센싱 대상 물질과 접촉하면 임피던스 변화를 일으킨다. 임피던스의 변화는 교류 전압의 변화를 일으키기 때문에, 센서(100)는 임피던스 변화 또는 교류 전압의 변화로부터 센싱 대상 물질의 염도, 당도, 식용 유지(fat and oil)의 산패도 등을 감지할 수 있다.
센싱 대상 물질은 센싱 전극(122)에 임피던스 변화를 일으키는 모든 물질이 적용될 수 있다. 염도, 당도 등을 갖는 음식물, 잔류 농약이 존재하는 농산물, 산패를 확인할 수 있는 식용 유지(fat and oil) 등은 센싱 대상 물질의 예다. 액체뿐만 아니라 기체도 센싱 대상 물질이 될 수 있다.
2-3. 회로 배선(123)
회로 배선(123)은 안테나 패턴(121)과 센싱 전극(122)을 전기적으로 연결한다. 또한 회로 배선(123)은 센서(100)를 제어하는 소자(150)와 전기적으로 연결된다. 회로 배선(123)은 안테나 패턴(121)과 센싱 전극(122)을 제외한 전도성 레이어(120)의 나머지 영역을 모두 가리키는 것으로 이해할 수 있다.
3. 절연층(131, 132)
절연층(131, 132)은 전도성 레이어(120)를 덮도록 전도성 레이어(120)의 위에 배치된다. 절연층(131, 132)은 회로 절연층(131)과 안테나 절연층(132)을 포함한다. 회로 절연층(131)과 안테나 절연층(132)은 1회의 인쇄 공정에 의해 동시에 형성될 수 있으며, 전도성 레이어(120) 위에 동일한 레이어를 형성할 수 있다.
동일한 레이어를 형성한다는 것은 회로 절연층(131)과 안테나 절연층(132)이 전도성 레이어(120) 위에 각각 동일 높이로 형성된다는 것과 같은 의미이다. 다르게는 동일한 레이어를 형성한다는 것은 회로 절연층(131)과 안테나 절연층(132)이 전도성 레이어(120) 위에 1회의 인쇄 공정에 의해 동시에 형성될 수 있다는 것으로 해석될 수도 있다. 회로 절연층(131)과 안테나 절연층(132)이 1회의 인쇄 공정에 의해 동시에 형성될 수 있는 것은 동일한 소재로 이루어지기 때문에 가능한 것이다.
3-1. 회로 절연층(131)
회로 절연층(131)은 회로 배선(123)의 적어도 일부를 덮도록 배치된다. 회로 절연층(131)은 센싱 전극(122)을 부분적으로 덮도록 배치될 수도 있다. 회로 절연층(131)을 납작한 플레이트의 형상을 갖는다.
회로 절연층(131)은 센싱 전극(122)을 노출시키는 윈도우(131a)(또는 홀)를 구비한다. 회로 절연층(131)의 테두리가 센싱 전극(122)의 전부를 덮도록 배치되더라도, 회로 절연층(131)은 윈도우(131a)를 구비하기 때문에, 센싱 전극(122)은 상기 윈도우(131a)을 통해 노출될 수 있다. 윈도우(131a)는 센싱 전극(122)의 노출 길이를 설정할 수 있으며, 이에 대하여는 도 6을 참조하여 후술한다.
회로 절연층(131)은 센싱 전극(122)과 접촉하게 될 액체가 회로 배선(123) 영역으로 흘러들어가 센서(100)의 오작동을 일으키는 것을 방지하는 역할을 한다. 회로 절연층(131)은 일정한 높이(센서(100)의 두께 방향)를 갖기 때문에 액체의 유동을 방지하는 배리어로 작동하게 된다. 이에 따라 센싱 대상 물질은 윈도우(131a)에 의해 정의되는 영역 내에서 액적을 형성할 수 있다.
회로 절연층(131)은 기판(110)보다 큰 표면에너지(표면 장력)을 갖는다. 만일 회로 절연층(131)이 기판(110)보다 작은 표면에너지를 갖는다면, 센싱 전극(122)과 접촉하는 액체는 액적을 형성하지 못하고 넓게 퍼질 수 있으며, 이에 따라 센싱 전극(122)에 의한 충분한 센싱이 이루어지지 않을 수 있다. 이에 반해 본 발명과 같이 회로 절연층(131)이 기판(110)보다 큰 표면에너지를 갖는다면, 액체는 액적을 형성하게 되고 센싱 전극(122)에 의한 충분한 센싱이 이루어질 수 있다.
3-2. 안테나 절연층(132)
도 1을 참조하면 안테나 패턴(121)은 2차원 나선의 형태를 갖기 때문에 안테나 패턴(121)을 경계로 외측과 내측의 구분이 발생한다. 안테나 브릿지(140)는 안테나 패턴(121)의 외측과 내측을 서로 연결하는 구성이나, 안테나 브릿지(140)가 안테나 패턴(121) 위에 직접 배치될 수는 없다. 안테나 절연층(132)은 안테나 패턴(121)과 안테나 브릿지(140)의 절연 역할을 한다.
안테나 절연층(132)은 안테나 패턴(121)의 어느 일부를 덮도록 배치된다. 도 1을 참조하면 안테나 절연층(132)이 안테나 패턴(121)의 좌측 부분을 덮고 있음을 확인할 수 있다. 또한 안테나 절연층(132)은 상기 어느 일부를 가로지르는 방향으로 연장된다. 안테나 절연층(132)이 안테나 패턴(121)과 안테나 브릿지(140) 사이에 배치됨에 따라 안테나 패턴(121)과 안테나 브릿지(140) 사이에 절연이 이루어질 수 있다.
안테나 절연층(132)은 다층으로 형성될 수 있으며, 각각의 층은 서로 다른 인쇄 공정에 의해 형성될 수 있다. 안테나 절연층(132)이 다층으로 형성되는 경우 아래층의 것을 제1 안테나 절연층(132a, 도 2 참조)으로 명명하고, 윗층의 것을 제2 안테나 절연층(132b, 도 2 참조)으로 명명할 수 있다. 1회의 인쇄 공정에서 회로 절연층(131)과 제1 안테나 절연층(132a)을 형성하고, 이어서 다음 인쇄 공정에서 제2 안테나 절연층(132b)을 추가 인쇄하면, 회로 절연층(131)은 1층으로 이루어지고, 안테나 절연층(132)은 2층으로 이루어지게 된다.
4. 안테나 브릿지(140)
안테나 브릿지(140)는 안테나 절연층(132)을 덮도록 안테나 브릿지(140) 위에 배치된다. 안테나 브릿지(140)의 일단은 기판(110)의 외측에 위치하는 안테나 패턴(121)의 일단과 연결되고 안테나 패턴(121)을 가로질러 연장된다. 상기 안테나 브릿지(140)의 타단은 안테나 패턴(121)의 내측에 위치하는 회로 배선(123)의 일단과 연결된다. 또는 안테나 브릿지(140)는 안테나 패턴(121)의 내측과 외측을 서로 연결할 수도 있다.
5. 소자(150)
소자(150)는 기판(110)에 실장되며, 회로 배선(123)과 전기적으로 연결된다.
센서(100)의 작동과 관련된 각종 전기 및 전자적인 구성들은 소자(150)에 의해 구현될 수 있다. 전기 및 전자적인 구성들은 예를 들어 도 4를 참조하여 후술할 전원생성부(251), 제어부(252), 변환부(253), 통신부(254) 등을 가리킨다.
안테나 패턴(121)을 통해 수신된 무선 신호는 회로 배선(123)을 통해 소자(150)로 전달된다. 그리고 센싱 전극(122)에 입력되는 교류 전압도 회로 배선(123)을 통해 센싱 전극(122)으로 입력되게 된다.
이하에서는 센서(100)의 다층 구조를 확인할 수 있도록 도 2를 참조하여 설명한다.
도 2는 본 발명의 센서(100)를 보인 분해 사시도다. 도 2에는 안테나 패턴(121), 센싱 전극(122) 및 회로 배선(123)이 동일한 레이어를 형성하고, 회로 절연층(131)과 안테나 절연층(132)도 동일한 레이어를 형성하는 것을 시각적으로 확인할 수 있도록 도시되어 있다.
1. 기판(110)
기판(110)은 플라스틱 레이어(111)와 실리카 레이어(112)를 포함한다.
플라스틱 레이어(111)는 연성을 갖는 플라스틱(고분자화합물 또는 합성수지)으로 이루어진다. 상기 플라스틱은 폴리에틴렌 테리프탈레이트(polyethylene terephthalate, PET), 폴리이미드(polyimide, PI), 폴리스타이렌(polystyrene, PS) 및 폴리에틸렌 나프탈레이트(polyethylene naphthalate, PEN)로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나를 포함할 수 있다.
실리카 레이어(112)는 플라스틱 레이어(111)의 일면에 코팅된다. 실리카 레이어(112)는 플라스틱 레이어(111)와 전도성 레이어(120)의 사이에 형성된다. 실리카 레이어(112)는 센싱 대상 용액의 빠른 퍼짐, 센싱 대상 용액의 안정화, 전도성 레이어(120)의 부착 강도 강화를 위한 것이다. 실리카 레이어(112)는 수~수십㎚의 두께를 가질 수 있다.
2. 전도성 레이어(120)
전도성 레이어(120)는 단층으로 형성된다. 그리고 안테나 패턴(121), 센싱 전극(122) 및 회로 배선(123)은 일체로 형성될 수 있으며, 안테나 패턴(121), 센싱 전극(122) 및 회로 배선(123)은 동일한 레이어(하나의 레이어)를 형성한다. 일체로 형성된다는 것은, 안테나 패턴(121), 센싱 전극(122) 및 회로 배선(123)이 서로 물리적으로 분리되지 않는다는 것을 의미한다. 다만, 안테나 패턴(121), 센싱 전극(122) 및 회로 배선(123)이 반드시 일체로 형성되어야 하는 것은 아니다.
전도성 레이어(120)가 단층으로 형성되는 것과 안테나 패턴(121), 센싱 전극(122) 및 회로 배선(123)이 동일한 레이어를 형성한다는 것은 실질적으로 같은 의미다. 전도성 레이어(120)가 단층으로 형성될 수 있는 것 혹은 안테나 패턴(121), 센싱 전극(122) 및 회로 배선(123)이 동일한 레이어를 형성할 수 있는 것은, 안테나 패턴(121), 센싱 전극(122) 및 회로 배선(123)은 동일한 소재로 이루어지기 때문이다.
전도성 레이어(120)는 인쇄 공정에 의해 형성된다. 만약 다수의 인쇄 공정에 의해 안테나 패턴(121), 센싱 전극(122) 및 회로 배선(123)을 각각 형성하게 된다면, 안테나 패턴(121), 센싱 전극(122) 및 회로 배선(123)은 각각 서로 다른 레이어를 형성하게 된다. 그 결과 전도성 레이어(120)는 단층이 아니라 다층으로 형성될 것이다.
그러나 본 발명과 같이 안테나 패턴(121), 센싱 전극(122) 및 회로 배선(123)이 동일한 소재로 이루어진다면 1회의 인쇄 공정에 의해 단층의 전도성 레이어(120)를 형성할 수 있다. 그리고 이렇게 형성된 전도성 레이어(120)는 기능에 따라 세 개의 부분으로 구분되어, 제1부분은 안테나 패턴(121), 제2부분은 센싱 전극(122), 제3부분은 회로 배선(123)으로 구분될 수 있다.
안테나 패턴(121), 센싱 전극(122) 및 회로 배선(123)이 동일한 레이어(하나의 레이어)를 형성한다면, 센서(100)는 종래 기술에 비해 여러 가지 장점을 갖게 된다.
먼저 센서(100)의 두께가 축소될 수 있으므로, 센서(100)는 종래보다 더욱 소형화될 수 있다. 센서(100)를 소형화 하게 되면 센서(100)의 휴대성을 향상시킬 수 있다.
또한 센서(100)의 제조 공정에 보다 단순해지기 때문에 종래보다 더욱 저렴한 단가로 제조될 수 있다. 높은 가격은 센서(100)가 대중화되기 어려운 원인이 되나, 본 발명에 의해 저렴한 단가로 센서(100)가 제조될 수 있다면, 센서(100)의 대중화에 기여할 수 있다.
마지막으로 안테나 패턴(121), 센싱 전극(122) 및 회로 배선(123)끼리 공정 오차가 발생하지 않는다. 안테나 패턴(121), 센싱 전극(122) 및 회로 배선(123)을 서로 다른 인쇄 공정에 의해 순차적으로 형성한다면, 공정 오차(특히 alignment 오차)에 의해 센서(100)가 원래의 설계대로 제조되지 않을 수 있다. 공정 오차는 특히 대량 생산 시에 문제된다. 그러나 안테나 패턴(121), 센싱 전극(122) 및 회로 배선(123)을 1회의 인쇄 공정으로 형성하면 이러한 문제를 해결할 수 있다.
센싱 전극(122)은 제1전극(122a)과 제2전극(122b)을 포함한다. 제1전극(122a)과 제2전극(122b)은 각각 회로 배선(123)으로부터 평행하게 연장되며, 제1전극(122a)과 제2전극(122b) 사이에는 간격이 존재한다.
이하에서는 센싱 전극(122)의 구조 또는 규격, 구체적으로 센싱 전극(122)의 길이, 폭, 간격, 높이에 대하여 설명한다. 도 2에서 센싱 전극(122)을 확대한 부분을 참조하면, 센싱 전극(122) 전체의 길이, 폭, 간격, 높이를 각각 A, B, C, D로 표시하였다.
센싱 전극(122) 전체의 길이(A)는 400~5,000㎛일 수 있으며, 윈도우(131a)를 통해 노출되는 센싱 전극(122)의 노출 길이(A', 도 6에서 E에 해당하는 길이)는 50~5,000㎛일 수 있다. 참고로 도 1에 도시된 센싱 전극(122)은 윈도우(131a)를 통해 일부만 노출되는 것이 아니라 모두 노출된다. 따라서 윈도우(131a)를 통해 노출되는 센싱 전극(122)의 노출 길이(A')는 곧 센싱 전극(122) 전체의 길이(A)와 동일하다. 그러나 도 6에서 후술할 바와 같이 윈도우(131a)를 통해 노출되는 센싱 전극(122)의 노출 길이와 센싱 전극(122) 전체의 길이가 항상 동일한 것은 아니다.
윈도우(131a)를 통해 노출되는 센싱 전극(122)의 노출 길이(A')는 센서(100)의 분해능과, 대량 생산에 따른 인쇄 재현성, 센서(100)의 신뢰성에 영향을 미친다. 윈도우(131a)를 통해 노출되는 센싱 전극(122)의 노출 길이가 짧을수록 센서(100)의 분해능은 향상될 수 있다.
예를 들어 윈도우(131a)를 통해 노출되는 센싱 전극(122)의 노출 길이(A')가 300~500㎛ 정도로 형성되면 센서(100)의 분해능은 매우 향상될 수 있다. 그러나 센서(100)의 생산과정에서 상기 윈도우(131a)를 상기 센싱 전극(122)에 정확하게 위치시켜 인쇄하는 것이 어려워진다. 따라서 센싱 전극(122)의 노출 길이(A')는 300㎛보다 길게 형성되는 것이 바람직하다. 그리고, 센싱 전극(122) 전체의 길이(A)가 400㎛보다 짧으면 대량 생산에 따른 윈도우(131a)의 위치 오차 발생으로 인해 윈도우를 통해 노출되는 센싱 전극(122)의 노출 길이(A')가 일정하지 않게 될 수 있다. 또한 센싱 전극(122) 전체의 길이(A)가 400㎛보다 짧으면 센서(100)의 사용 횟수가 증가함에 따라 임피던스가 증가하여 센싱 전극(122)의 내구성 및 신뢰성이 떨어진다.
따라서 센싱 전극(122) 전체의 길이(A)는 400㎛보다 긴 것이 바람직하다. 그리고 센서(100)의 분해능 확보를 위해 센싱 전극(122)의 노출 길이는 2,000㎛보다 짧은 것이 바람직하다. 그리고, 센싱 전극(122) 전체의 길이(A)는 5,000㎛까지 형성되는 것도 가능하다.
센싱 전극(122)의 폭(B)은 50~1,000㎛으로 형성될 수 있다. 센싱 전극(122)의 폭(B)이 좁을수록 센서(100)의 분해능은 향상될 수 있다. 그러나 지나치게 좁은 센싱 전극(122)의 폭(B)은 전도성 레이어(120)의 인쇄 공정을 불안정하게 만들 수 있다. 따라서 안정적인 인쇄 공정을 위해서 센싱 전극(122)의 폭(B)은 50~200㎛인 것이 바람직하다.
제1전극(122a)과 제2전극(122b) 사이의 간격(C)은 50~3,000㎛일 수 있다. 다만, 지나치게 먼 간격(C)은 센싱 대상 액체의 양이 충분하지 않을 경우에 센서(100)의 불충분한 작동을 유발하게 된다. 센싱 대상 액체는 액적을 형성하여 제1전극(122a)과 제2전극(122b)에 모두 접촉해야 하는데, 제1전극(122a)과 제2전극(122b) 사이의 간격이 지나치게 멀면, 액체가 어느 하나의 전극에만 접촉될 수 있기 때문이다. 이러한 점을 고려하여 제1전극(122a)과 제2전극(122b) 사이의 간격(C)은 900~1,500㎛인 것이 바람직하다.
센싱 전극(122)의 높이(D)(센서(100)의 두께 방향)는 700㎚~15㎛일 수 있다. 센싱 전극(122)의 높이(D)는 센서(100)의 두께와 센싱 전극(122)의 내구성과 신뢰성에 영향을 미친다. 센싱 전극(122)의 높이(D)가 700㎚보다 낮으면, 센싱의 반복에 따라 센싱 전극(122)의 소실 문제가 발생할 수 있다. 그리고 인쇄 공정의 한계 및 센서(100)의 두께 증가를 고려하여, 센싱 전극(122)의 높이(D)는 15㎛보다 낮은 것이 바람직하다. 센싱 전극(122)은 전도성 레이어(120)의 일 부분이기 때문에 센싱 전극(122)의 높이(D)는 곧 전도성 레이어(120)의 높이를 의미한다.
센싱 전극(122)의 구조와 센서(100)의 분해능과의 관계에 대하여는 도 7과 도 8의 그래프를 참조하여 다시 한번 설명한다.
센서(100)는 보호층(160)을 포함한다. 보호층(160)은 전기적 절연 소재로 형성된다. 보호층은 기판(110)의 일면을 마주보도록 배치되며, 센서(100)의 모든 구성요소를 덮도록 이루어진다. 보호층(160)은 홀(160a)을 구비하며 상기 홀(160a)을 통해 센싱 전극(122)이 노출될 수 있다. 사용자의 이해를 돕기 위해 보호층(160)의 외부면에는 센싱 대상 액체의 투입 위치를 나타내는 표시가 인쇄될 수 있다.
3. 절연층(131, 132a, 132b)
회로 절연층(131)과 제1 안테나 절연층(132a)이 1회의 인쇄 공정에 의해 형성되는 것은 안테나 패턴(121), 센싱 전극(122) 및 회로 배선(123)이 1회의 인쇄 공정에 의해 형성되는 것과 유사하다. 따라서 회로 절연층(131)과 제1 안테나 절연층(132a)은 안테나 패턴(121), 센싱 전극(122) 및 회로 배선(123)이 갖는 장점을 동일하게 갖는다.
제2 안테나 절연층(132b)은 제1 안테나 절연층(132a) 위에 배치되는 것을 도 2로부터 확인할 수 있다.
도 3은 도 1의 라인 A-A를 따라 바라본 단면도다.
회로 절연층(131)은 800㎚~30㎛의 높이를 가질 수 있다. 회로 절연층(131)은 센싱 전극(122)보다 높은 높이를 갖는다. 즉, 회로 절연층(131)은 센싱 전극(122)의 높이보다 두꺼운 두께로 인쇄된다. 회로 절연층(131)은 액적의 유동을 억제하는 배리어의 역할을 한다. 따라서 회로 절연층(131)의 높이가 센싱 전극(122)의 높이보다 낮으면, 센싱 전극(122)과 접촉하는 액체가 회로 절연층(131)을 넘어갈 수 있게 된다. 따라서 회로 절연층(131)이 센싱 전극(122)보다 높은 높이를 갖는 것이 바람직하다.
회로 절연층(131)과 도 1 및 도 2에서 설명한 안테나 절연층(132)은 동일한 물질로 이루어지고, 동일한 레이어를 형성하며, 1회의 인쇄 공정에 의해 형성되기 때문에 안테나 절연층(132)도 800㎚~30㎛의 높이를 가질 것으로 예상할 수 있다. 다만, 안테나 절연층(132)은 다층으로 형성될 수 있으며, 이 경우에는 1층의 높이가 800㎚~30㎛임을 예상할 수 있다.
도 3에서는 센싱 전극(122)에 센싱 대상 물질이 접촉된 상태를 보이고 있다. 액체 상태의 센싱 대상 물질은 액적을 형성하고 있으며, 회로 절연층(131)에 의해 윈도우(131a) 내에 갇혀 있음을 확인할 수 있다.
이어서 아래의 설명은 전도성 레이어(120)를 확대한 부분을 참고한다.
전도성 레이어(120)는 고체 입자(120a)와 유기물(120b)로 이루어질 수 있다.
고체 입자(120a)는 은(Ag), 구리(Cu) 및 알루미늄(Al) 중 적어도 하나로 이루어진다.
종래의 기술 중에 센싱 전극(122)의 소재로 백금(Pt)이나 금(Au)과 같은 귀금속을 사용하여, 기판(110)에 귀금속을 증착하거나 고온에서 소성하는 기술이 있었다. 종래의 기술은 회로 배선(123)과 센싱 전극(122)이 서로 다른 레이어에 형성된다. 그러나 귀금속은 센서(100)의 단가 상승을 초래한다. 또한 회로 배선(123)과 센싱 전극(122)이 서로 다른 레이어에 형성되는 것은 도 2에서 설명한 본 발명의 장점을 갖지 못한다는 것을 의미한다.
이에 반해 은(Ag), 구리(Cu) 및 알루미늄(Al)은 귀금속에 비해 저렴하므로 본 발명의 센서(100)는 종래의 기술에 비해 센서(100)의 단가를 낮출 수 있는 장점이 있다. 다만, 은(Ag), 구리(Cu) 및 알루미늄(Al)은 백금(Pt)이나 금(Au)과 같은 귀금속에 비해 표준 환원 전위가 낮다. 따라서 센싱 전극(122)은 센싱 과정에서 산화 또는 부식에 의해 변성될 수 있는 우려가 있다.
본 발명은 전도성 레이어(120)의 산화 또는 부식을 억제하도록 센서(100)의 측정 전압을 0.1~4V로 제한하였다. 또한 본 발명은 센싱 전극(122)의 구조와 전도성 레이어(120)의 소재 최적화를 통해, 전도성 레이어(120)의 산화 또는 부식 문제를 해결하였다. 센싱 전극(122)의 구조는 도 2에서 설명한 바 있다. 전도성 레이어(120)의 소재 최적화는 고체 입자(120a)와 유기물(120b)의 함량에 관한 것으로, 도 9를 참조하여 후술한다.
또한 고체 입자(120a)는 구형 또는 플레이크(flake, 편상)의 형상을 갖는다. 도 3에 도시된 전도성 레이어(120)에서 구형을 제외한 나머지 형상을 모두 플레이크 형상으로 지칭할 수 있다. 플레이크 형상의 고체 입자(120a)는 구형에 비해 상대적으로 높은 전도도를 가질 수 있다.
고체 입자(120a)는 반응 비표면적 확보를 위해 수십㎚~20㎛의 크기를 가질 수 있다. 센싱 전극(122)은 센싱 대상 물질과 반응하며 임피던스 변화를 일으키는데, 임피던스에는 커패시턴스(capacitance) 성분과 저항 성분이 존재한다. 고체 입자(120a)의 반응 비표면적이 넓으면 커패시턴스 성분도 커진다. 고체 입자(120a)의 반응 비표면적이 넓으면 반응에 의한 센싱 전극(122)의 산화 또는 부식이 억제될 수 있으며, 센서(100)의 수명이 연장될 수 있다.
유기물(120b)은 고체 입자(120a)를 지지한다. 유기물(120b)의 밖으로 노출된 고체 입자(120a)는 센싱 이후 소실될 수 있으나 유기물(120b) 내에 존재하는 고체 입자(120a)는 유기물(120b)에 의해 보호될 수 있다. 따라서 유기물(120b)은 센서(100)의 내구성 및 신뢰성을 향상시키는 역할을 한다.
유기물(120b)은, 폴리에틸렌 옥사이드(polyethylene oxide, PEO) 계열, 올레산(oleic acid) 계열, 아크릴레이트(acrylate) 계열, 아세테이트(acetate) 계열 및 에폭시(epoxy) 계열로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나의 수지(resin)를 포함한다.
전도성 레이어(120)는 기공(120c)을 갖는다. 기공(120c)은 수㎚~수십㎛의 크기를 가질 수 있다. 전도성 레이어(120)가 기공(120c)을 가지면, 반복적인 기계적 변형에 의해 쉽게 파손되지 않으므로 센서(100)의 신뢰성을 향상시킬 수 있다. 도 1에서 설명한 바와 같이 기판(110)도 연성을 갖기 때문에 전도성 레이어(120)도 기공(120c)을 갖는 것이 바람직하다.
전도성 레이어(120)와 기판(110)은 예각의 접촉각(θ)을 형성한다. 본 발명에서 말하는 접촉각(θ)을 도 3에 표시하였다. 기존의 진공 증착법으로 만들어진 센싱 전극(122)의 단면은 직사각형 형태이며, 기판(110)과 둔각의 접촉각(θ)을 형성한다. 둔각의 접촉각(θ)을 형성하는 센싱 전극(122)은 마찰이나 구부림에 의해 기판(110)으로부터 쉽게 분리될 수 있다. 그러나 본 발명과 같이 기판(110)과 예각의 접촉각(θ)을 형성하는 센싱 전극(122)는 마찰이나 구부림에 대한 저항성이 우수하고, 별도의 보호층 없이도 내구성을 유지할 수 있다.
도 4는 외부 기기와 센서(200)의 상호 연계된 작동을 보인 개념도다. 도 5는 센서(200)를 이용하여 측정 대상 물질의 상태를 측정하는 방법을 보인 흐름도다.
회로부(250)는 전원생성부(251), 제어부(252), 변환부(253) 및 통신부(254)를 포함하는 개념이다. 상기 전원생성부(251), 제어부(252), 변환부(253) 및 통신부(254)를 포함하는 회로부는 도 1에서 설명했던 소자(150)에 의해 구현될 수 있다.
도 4를 참조하면 외부 기기(20)는 무선 통신 기능과 디스플레이를 갖는 이동 단말기를 포함한다.
먼저 센서(200)는 안테나 패턴(210)을 통해 외부 기기(20)로부터 무선 신호를 수신한다(S10).
이어서 센서(200)는 회로부(250)를 구동하기 위해 전원생성부(251)(예를 들어 NFC Tag IC의 정류 회로)를 통해 직류 전원을 생성한다(S20). 이와 같이 본 발명의 센서(200)는 스스로 전력 공급을 위한 구성을 갖는 것이 아니라, 외부 기기로부터 수신된 무선 신호를 이용하여 직류 전원을 생성하며, 이렇게 생성된 직류 전원에 의해 제어부(252), 변환부(253), 통신부(254) 및 센싱 전극(222)이 작동하게 된다.
제어부(252)는 직류 전원을 공급받아 구동된다. 제어부(252)는 교류 전압(예를 들어 10KHz, 1.2V)을 생성하여 센싱 전극(222)에 입력한다(S30).
센싱 전극(222)과 센싱 대상 물질이 반응하게 되면, 센싱 전극(222)은 임피던스 변화를 일으키게 된다(S40). 그리고 센싱 전극(222)의 임피던스 변화는 제어부(252)에서 생성한 교류 전압의 변화로 나타나게 된다(S50). 출력값의 범위에 따라 센싱 대상 물질이 분류될 수 있다.
변화된 교류 전압은 디지털 신호로 변환된다(S60). 변환부(253)는 센싱 전극(222)의 임피던스 변화에 근거하여 나타나는 교류 전압의 변화를 디지털 신호로 변환한다. 그리고, 통신부(254)(예를 들어 NFC Tag IC)는 디지털화된 신호를 안테나 패턴(221)을 통해 외부 기기로 송신한다(S70).
외부 기기(20)는 센서(200)로부터 디지털화된 신호를 전송받아 정보를 생성하고 저장 및 관리하게 된다. 또한 외부 기기(20)는 디스플레이를 통해 정보를 표시할 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같이 센서(200)는 안테나 패턴(221)을 통해 수신된 신호로부터 직류 전원을 생성하여 구동된다. 또한 센서(200)는 센싱 전극(222)의 측정에 의해 발생된 신호를 외부 기기(20)로 송신하도록 이루어진다. 따라서 센서(200)는 스스로 전원을 구비하지 않으며, 외부 기기(20)와 통신 가능하므로 스스로 디스플레이 등을 구비하지 않을 수 있다. 이는 결국 센서(200)의 소형화와 휴대성 강화에 기여하는 것이며, 센서(200)의 제조 단가를 감소시킬 수 있다.
도 6은 대량 생산에 유리한 회로 배선(323), 센싱 전극(322) 및 회로 절연층(331)의 구조를 보인 개념도다.
대량 생산에는 공정 오차가 존재한다. 따라서 최종 제품이 항상 설계한 대로 만들어지지 않을 수 있다. 특히 크기가 작은 제품일수록 공정 오차의 발생 확률이 커진다. 이러한 공정 오차를 고려하여 전체 제조 제품 대비 설계한 대로 제조된 제품의 비를 수율로 나타낸다.
본 발명의 센서는 여러 번의 인쇄 공정, 열건조 및 경화 과정에 의해 형성된다. 1회의 인쇄 공정에서는 공정 오차의 발생 가능성이 매우 낮지만, 각 레이어를 형성하기 위한 인쇄 공정을 반복할 경우 공정 오차(특히 alignment 오차)가 발생할 수 있으며, 열건조 과정에서도 기판(예를 들어 도 1의 110)의 수축으로 인해 공정 오차가 발생할 수 있다. 특히, 기판(110)은 길이 방향으로 많이 수축된다.
특히 센서의 분해능은 제1 및 제2 센싱 전극(322a, 322b)은 그 노출 길이에 따라 결정될 수 있다. 그러나 제1 및 제2 센싱 전극(322a, 322b)의 전체 길이와 노출 길이는 5,000㎛ 이내로 매우 작다. 따라서 센서의 대량 생산 시 센서의 노출 길이에 대한 공정 오차의 발생 확률이 크다. 따라서 공정 오차를 최소화할 수 있는 구조를 가져야 센서의 분해능이 확보될 수 있다.
제1 및 제2 센싱 전극(322a, 322b), 회로 배선(323) 및 회로 절연층(331)은 모두 인쇄 공정에 의해 형성되는데, 회로 절연층(331)은 제1 및 제2 센싱 전극(322a, 322b)과 회로 배선(323)을 덮도록 배치된다. 따라서 회로 절연층(331)은 제1 및 제2 센싱 전극(322a, 322b)과 회로 배선(323)의 인쇄 후에 형성된다. 따라서 인쇄 공정의 반복과 열건조 과정에서 공정 오차가 발생할 수 있으며, 원래 설계한 것과 다르게 제1 및 제2 센싱 전극(322a, 322b)이 노출되거나 아예 제1 및 제2 센싱 전극(322a, 322b)이 노출되지 않는 경우가 발생할 수 있다.
도 6은 이러한 문제를 해결하는 센서(300)의 구조를 보인 것이다.
제1 및 제2 센싱 전극(322a, 322b)은 길이 방향을 따라 세 개의 부분으로 구분될 수 있다. 제1 및 제2 센싱 전극(322a, 322b)은 길이 방향으로 제1단부(322a1, 322b1)와 제2단부(322a2, 322b2)를 구비한다. 그리고 제1단부(322a1, 322b1)와 제2단부(322a2, 322b2) 사이의 영역은 중앙부(322a3, 322b3)로 명명될 수 있다. 회로 절연층(331)은 제1단부(322a1, 322b1)와 제2단부(322a2, 322b2)를 덮고, 윈도우(331a)는 제1단부(322a1, 322b1)와 제2단부(322a2, 322b2) 사이의 영역(중앙부)(322a3, 322b3)를 노출시키도록 형성된다.
센싱 전극(322a, 322b)은 윈도우(331a)의 길이(E)보다 길게 형성된다. 윈도우(331a)는 센싱 전극(322)의 노출 길이를 제어한다. 예를 들어 윈도우(331a)의 길이가 500~2000㎛이라면, 윈도우(331a)가 중앙부(322a3, 322b3)를 노출시킴에 따라 윈도우(331a)를 통해 노출되는 센싱 전극(322)의 노출 길이는 항상 500~2000㎛로 결정된다. 센싱 전극(322)과 회로 절연층(331)의 위치가 다소 바뀌더라도 윈도우(331a)를 통해 노출되는 센싱 전극(322)의 노출 길이는 500~2000㎛를 유지할 수 있다. 이와 같은 구조를 통해 본 발명의 센서는 대량 생산의 공정 오차에도 불구하고 높은 수율을 얻을 수 있게 된다.
윈도우(331a)의 폭(F)은 제1전극(322a)과 제2전극(322b) 사이의 간격보다는 넓되, 5,000㎛을 넘지 않는 것이 바람직하다. 윈도우(331a)의 폭이 지나치게 넓으면 센싱 전극(322a, 322b)에 접촉하게 될 액체가 액적을 형성하지 못하고 넓게 퍼져버릴 수 있기 때문이다.
도 7과 도 8은 센싱 전극의 구조와 분해능과의 관계를 실험적으로 보인 그래프다.
그래프의 가로축은 염화나트륨의 농도를 가리키고, 세로축은 임피던스를 가리킨다. 각 패턴은 서로 다른 센싱 전극의 구조를 갖는다. 센싱 전극의 구조란 센싱 전극의 길이, 폭, 두 전극 사이의 간격을 의미한다. 각 패턴의 센싱 전극의 구조는 표 1에 정리하였다.
| 패턴 | 길이(㎛) | 폭(㎛) | 간격(㎛) |
| 2 | 500 | 100 | 200 |
| 3 | 500 | 100 | 300 |
| 5 | 500 | 200 | 200 |
| 6 | 500 | 200 | 300 |
| 11 | 1,000 | 100 | 200 |
| 12 | 1,000 | 100 | 300 |
| 14 | 1,000 | 200 | 200 |
| 15 | 1,000 | 200 | 300 |
| 32 | 1,250 | 100 | 900 |
| 33 | 1,600 | 100 | 900 |
그래프의 기울기가 급하다는 것은 염화나트륨의 작은 농도 변화에 민감하게 반응하는 것을 의미하므로, 더 높은 분해능을 갖는다는 것을 의미한다.
도 7과 도 8의 그래프를 참조하면 윈도우를 통해 노출되는 센싱 전극의 길이가 짧을수록, 센싱 전극의 폭이 좁을수록, 두 전극 사이의 간격이 넓을수록 분해능은 향상된다. 그러나, 오로지 분해능 향상만을 위한 목적으로 센싱 전극을 설계하게 되면, 내구성 및 신뢰성 등의 문제가 발생할 수 있다. 따라서 분해능, 내구성 및 신뢰성 등을 고려하여 센싱 전극의 구조가 설계되어야 하며, 적절한 센싱 전극의 구조는 이미 앞서 설명한 바 있다.
도 9는 센서의 제조방법을 보인 흐름도다. 도 10a 내지 도 10d는 도 9의 제조방법에 따른 센서의 제조 과정을 부분적으로 보인 개념도다.
먼저 인쇄 공정을 통해 전도성 레이어를 기판에 인쇄한다(S100). 전도성 레이어는 안테나 패턴, 센싱 전극 및 회로 배선을 포함한다. 따라서 전도성 레이어를 기판에 인쇄하는 공정을 통해 기판에는 안테나 패턴, 센싱 전극 및 회로 배선이 동시에 형성된다. 안테나 패턴, 센싱 전극 및 회로 배선을 동시에 형성하기 위해서는 안테나 패턴, 센싱 전극 및 회로 배선이 모두 동일한 소재로 이루어져야 한다.
안테나 패턴, 센싱 전극 및 회로 배선이 동시에 형성되고, 하나의 레이어를 형성하는 구조의 장점에 대하여는 이미 앞서 설명한 바 있다.
전도성 레이어의 인쇄 공정은 분말 잉크 또는 페이스트를 이용한다. 분말 잉크 또는 페이스트의 조성은 고체 입자 40~70 중량%, 용매를 포함하는 유기물 30~60 중량%로 이루어진다. 이 조성은 센싱 전극의 산화 및 부식 문제를 해결할 수 있는 조성이다.
고체 입자는 은(Ag), 구리(Cu) 및 알루미늄(Al) 중 적어도 하나로 이루어진다. 고체 입자는 구형 또는 플레이크(flake)의 형상을 갖는다.
유기물은 폴리에틸렌 옥사이드(polyethylene oxide, PEO) 계열, 올레산(oleic acid) 계열, 아크릴레이트(acrylate) 계열, 아세테이트(acetate) 계열 및 에폭시(epoxy) 계열로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나를 포함한다.
용매는 아세톤(acetone), 알릴알코올(allyl alcohol), 아세트산(acetic acid), 아세톨(acetol), 메틸알코올(methylalcohol) 및 벤젠(Benzene)으로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나를 포함한다.
전도성 레이어를 인쇄하는 공정은 스크린(Screen), 오프셋(Offset), 그라비어(Gravure) 중 어느 하나가 이용될 수 있으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. 본 발명에는 안테나 패턴, 센싱 전극 및 회로 배선을 동시에 형성할 수 있는 모든 인쇄 공정이 이용될 수 있다.
도 10a는 전도성 레이어가 인쇄된 후 기판(410)과 전도성 레이어(420)를 보이고 있다. 도면 부호 421은 안테나 패턴, 422는 센싱 전극, 423은 회로 배선을 가리킨다.
다시 도 9를 참조하면, 이어서 전도성 레이어를 열건조한다(S200). 열건조는 80~200℃에서 이루어질 수 있다. 열건조 과정에서 용매는 증발될 수 있다. 열건조 과정에서 발생할 수 있는 수축에 의한 공정 오차 및 이를 해결하기 위한 센싱 전극의 구조는 이미 설명한 바 있다.
200℃ 이하의 저온 공정이 가능하기 위해서는 고체 입자가 분말 형태로 수십㎚~20㎛의 크기를 갖는 것이 바람직하다.
다음으로 회로 절연층과 제1 안테나 절연층을 인쇄한다(S300).
회로 절연층과 제1 안테나 절연층도 동일한 소재로 이루어짐에 따라 1회 인쇄 공정에 의해 동시에 형성될 수 있다. 회로 절연층과 제1 안테나 절연층은 전도성 레이어 위에 동일한 레이어를 형성한다.
도 10b는 회로 절연층과 제1 안테나 절연층(432a)이 인쇄된 후 기판(410), 전도성 레이어(420), 회로 절연층(431) 및 제1 안테나 절연층(432a)을 보이고 있다.
다시 도 9를 참조하면, 회로 절연층과 제1 안테나 절연층을 경화시킨다(S400). 경화는 자외선(UV)에 의해 이루어질 수 있다. 이어서 제1 안테나 절연층 위에 다시 제2 안테나 절연층을 인쇄한다(S500). 그리고 제2 안테나 절연층을 경화시킨다(S600). 마찬가지로 경화는 자외선(UV)에 의해 이루어질 수 있다.
제2 안테나 절연층은 보다 확실한 절연을 위한 것이다. 따라서 제1 안테나 절연층에 의해 충분히 절연될 수 있다면, 제2 안테나 절연층을 인쇄하는 공정과 이를 경화시키는 공정은 생략될 수도 있다. 반대로 제1 안테나 절연층과 제2 안테나 절연층으로도 충분히 절연되지 않는다면, 제2 안테나 절연층 위에 제3안테나 절연층을 추가로 인쇄 및 경화시키는 공정이 추가될 수도 있다.
다음으로 제2 안테나 절연층 위에 안테나 브릿지를 인쇄한다(S700). 안테나 브릿지는 전도성 레이어와 동일한 소재로 이루어질 수 있다. 도 10c는 안테나 브릿지(440)를 인쇄한 후 기판(410), 전도성 레이어(420), 회로 절연층(431), 제1 안테나 절연층(432) 및 안테나 브릿지(440)를 보이고 있다.
다시 도 9를 참조하면, 안테나 브릿지를 열건조한다(S800). 안테나 브릿지를 열건조하는 공정은 실질적으로 전도성 레이어를 열건조하는 공정과 동일하게 이루어질 수 있다.
다음으로 기판에 소자를 본딩한다(S900). 소자는 회로 배선과 전기적으로 연결될 수 있도록 한다. 도 10d는 소자(450)를 본딩한 후의 센서(400)를 보이고 있다.
마지막으로 센서의 모든 구성요소를 덮는 보호층을 형성한다(S1000).
이상에서 설명된 센서 및 센서의 제조방법은 상기 설명된 실시예들의 구성과 방법에 한정되는 것이 아니라, 상기 실시예들은 다양한 변형이 이루어질 수 있도록 각 실시예들의 전부 또는 일부가 선택적으로 조합되어 구성될 수도 있다.
Claims (20)
- 기판;
기판의 일면에 단층으로 형성되는 전도성 레이어; 및
상기 전도성 레이어는,
외부 기기와 무선 신호를 송수신하도록 형성되는 안테나 패턴;
상기 안테나 패턴을 통해 무선 신호가 수신되면 구동되며, 센싱 대상 물질과 접촉하여 임피던스 변화를 일으키도록 이루어지는 센싱 전극; 및
상기 안테나 패턴과 상기 센싱 전극을 전기적으로 연결하는 회로 배선을 포함하고,
상기 안테나 패턴, 상기 센싱 전극 및 상기 회로 배선은 동일한 소재로 이루어지며, 동일한 레이어를 형성하는 것을 특징으로 하는 센서. - 제1항에 있어서,
상기 센서는 상기 안테나 패턴을 통해 수신된 무선 신호로부터 직류 전원을 생성하여 구동되고, 상기 센싱 전극의 측정에 의해 발생된 신호를 상기 외부 기기로 송신하도록 이루어지는 것을 특징으로 하는 센서. - 제1항에 있어서,
상기 센서는,
상기 안테나 패턴을 통해 수신되는 무선 신호를 이용하여 직류 전원을 생성하도록 이루어지는 전원생성부;
상기 직류 전원을 공급받아 구동되고, 상기 센싱 전극에 교류 전압을 입력하도록 이루어지는 제어부;
상기 센싱 전극의 임피던스 변화에 근거하여 나타나는 상기 교류 전압의 변화를 디지털 신호로 변환하는 변환부; 및
상기 안테나 패턴을 통해 상기 외부 기기로 상기 디지털 신호를 송신하는 통신부를 포함하는 것을 특징으로 하는 센서. - 제1항에 있어서,
상기 센서는,
상기 센싱 전극을 노출시키는 윈도우을 구비하고, 상기 회로 배선의 적어도 일부를 덮도록 배치되는 회로 절연층을 포함하는 것을 특징으로 하는 센서. - 제4항에 있어서,
상기 센싱 전극은 길이 방향으로 제1단부와 제2단부를 구비하며,
상기 회로 절연층은 상기 제1단부와 상기 제2단부를 덮고, 상기 윈도우는 상기 제1단부와 상기 제2단부 사이의 영역을 노출시키도록 형성되는 것을 특징으로 하는 센서. - 제4항에 있어서,
상기 센싱 전극은 400㎛ 이상의 길이를 갖고,
상기 윈도우를 통해 노출되는 상기 센싱 전극의 노출 길이는 300~2,000㎛인 것을 특징으로 하는 센서. - 제4항에 있어서,
상기 회로 절연층은 800㎚~30㎛의 높이를 갖는 것을 특징으로 하는 센서. - 제4항에 있어서,
상기 회로 절연층은 상기 기판보다 큰 표면에너지를 갖는 것을 특징으로 하는 센서. - 제4항에 있어서,
상기 센서는,
상기 안테나 패턴의 어느 일부를 덮도록 배치되고, 상기 어느 일부를 가로지르는 방향으로 연장되는 안테나 절연층; 및
상기 안테나 절연층 위에 배치되고, 상기 안테나 패턴의 두 부분을 서로 연결하거나 상기 안테나 패턴과 상기 회로 배선을 서로 연결하는 안테나 브릿지를 포함하며,
상기 회로 절연층과 상기 안테나 절연층은 동일한 소재로 이루어지고, 상기 전도성 레이어 위에 동일한 레이어를 형성하는 것을 특징으로 하는 센서. - 제1항에 있어서,
상기 센싱 전극은 50~1,000㎛의 폭을 갖는 것을 특징으로 하는 센서. - 제1항에 있어서,
상기 센싱 전극은 제1전극과 제2전극을 포함하고,
상기 제1전극과 제2전극 사이의 간격은 50~3,000㎛인 것을 특징으로 하는 센서. - 제1항에 있어서,
상기 센싱 전극의 높이는 700㎚~15㎛인 것을 특징으로 하는 센서. - 제1항에 있어서,
상기 전도성 레이어는,
은(Ag), 구리(Cu) 및 알루미늄(Al) 중 적어도 하나로 이루어지며, 구형 또는 플레이크(flake)의 형상을 갖는 고체 입자; 및
폴리에틸렌 옥사이드(polyethylene oxide, PEO) 계열, 올레산(oleic acid) 계열, 아크릴레이트(acrylate) 계열, 아세테이트(acetate) 계열 및 에폭시(epoxy) 계열로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나의 유기물로 이루어지는 것을 특징으로 하는 센서. - 제1항에 있어서,
상기 센서의 측정 전압은 상기 전도성 레이어의 부식을 억제하도록 0.1~4V로 설정되는 것을 특징으로 하는 센서. - 제1항에 있어서,
상기 전도성 레이어는 기공을 갖는 것을 특징으로 하는 센서. - 제1항에 있어서,
상기 센싱 전극과 상기 기판은 예각의 접촉각을 형성하는 것을 특징으로 하는 센서. - 제1항에 있어서,
상기 기판은,
연성을 갖는 플라스틱 레이어; 및
상기 플라스틱 레이어와 상기 전도성 레이어 사이에 형성되는 실리카 레이어를 포함하는 것을 특징으로 하는 센서. - 제1항에 있어서,
상기 안테나 패턴은 500~1,500㎛의 선폭을 갖는 2차원 나선의 형태로 연장되고,
상기 2차원 나선을 형성하는 라인들 간의 간격은 300~700㎛인 것을 특징으로 하는 센서. - 안테나 패턴, 센싱 전극 및 회로 배선을 갖는 전도성 레이어를 기판의 일면에 단층으로 인쇄하는 단계;
상기 전도성 레이어를 열건조하는 단계;
상기 회로 배선의 일부를 덮는 회로 절연층과 상기 안테나 패턴의 일부를 덮는 안테나 절연층을 단층으로 인쇄하는 단계;
상기 절연층을 경화하는 단계;
상기 안테나 절연층 위에 안테나 브릿지를 인쇄하는 단계;
상기 안테나 브릿지를 열건조하는 단계; 및
상기 회로 배선과 전기적으로 연결되는 소자를 상기 기판에 본딩하는 단계를 포함하는 센서의 제조방법. - 제19항에 있어서,
상기 전도성 레이어는 분말 잉크 또는 페이스트를 인쇄하여 형성되고,
상기 분말 잉크 또는 페이스트의 조성은,
은(Ag), 구리(Cu) 및 알루미늄(Al) 중 적어도 하나로 이루어지며, 구형 또는 플레이크(flake)의 형상을 갖는 고체 입자 40~70 중량%; 및
용매를 포함하며, 폴리에틸렌 옥사이드(polyethylene oxide, PEO) 계열, 올레산(oleic acid) 계열, 아크릴레이트(acrylate) 계열, 아세테이트(acetate) 계열 및 에폭시(epoxy) 계열로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나의 유기물 30~60 중량%로 이루어지고,
상기 용매는 아세톤(acetone), 알릴알코올(allyl alcohol), 아세트산(acetic acid), 아세톨(acetol), 메틸알코올(methylalcohol) 및 벤젠(Benzene)으로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 센서의 제조방법.
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