KR102667810B1 - 중공미소구를 이용한 3차원 표면 형상이 적용된 물리센서 및 이의 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 플레이트의 상면에 위치하는 다수의 중공미소구, 다수의 중공미소구를 둘러싸도록 플레이트의 상면에 투입되는 고분자물질, 다수의 중공미소구에 의해 3차원 표면 형상이 형성된 상태로 고분자물질이 경화된 필름 및 필름의 상면에 금속이 증착되어 형성되는 도전체인 금속층을 포함하고, 필름은 다수의 중공미소구를 열처리함에 따라 다수의 중공미소구가 열팽창하여 다수의 중공미소구와 상응하는 3차원 표면 형상이 형성되는 것을 특징으로 하는 중공미소구를 이용한 3차원 표면 형상이 적용된 물리센서 및 이의 제조 방법을 제공한다.
Description
본 발명은 중공미소구를 이용한 3차원 표면 형상이 적용된 물리센서 및 이의 제조 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 3차원 몰드를 별도로 제조하여 사용하지 않으면서 3차원 표면 형상을 형성시키는 중공미소구를 이용한 3차원 표면 형상이 적용된 물리센서 및 이의 제조 방법에 관한 것이다.
폴리머 표면에 3차원 구조가 형성된 경우 낮은 압력에도 큰 변형량을 가지거나, 급격히 넓어지는 접촉면적에 의해 높은 감도를 가지는 압력센서로 사용이 가능한 큰 장점이 있다.
이러한 특성을 이용하여, 큰 변형량을 가지는 특징을 이용하는 경우 두 전극 사이에 전기용량(capacitance) 변화를 측정하는 정전용량형 압력센서로 활용 가능하고, 접촉 면적의 변화 특징을 이용하면 전도성 물질을 3차원 구조에 도포하면 두 전극 사이의 저항 또는 전류의 변화를 인식한 압저항형 압력센서로 활용 가능하다.
특히, 유연한 특성과 압력에 따른 변형이 크다는 장점을 이용하여 인체표면에 부착 가능한 유연 압력 감지 센서로 응용이 가능하며, 이에 대한 많은 연구도 이루어졌다.
이와 관련하여 기존의 3차원 구조 형성 연구는 반도체 공정을 통한 패터닝 기술과 습식 시각 공정을 통한 몰드를 제작 하고 몰드에 큐어링되기 전 폴리머를 부어 경화시킨 후 몰드에서 분리하는 방식으로 3차원 구조를 제작하며, 상기한 종래기술에 대한 방식이 도 1 및 도 2에 도시된다.
도 1의 (a), (b), (c)는 종래기술의 탑다운 접근(Top-Down approach) 방식으로 3차원 몰드를 형성하는 방법을 나타낸 개념도이다. 도 2의 (a), (b), (c)는 본 발명의 일실시예에 따른 바텀업 접근(Bottom-up approach) 방식으로 3차원 몰드를 형성하는 방법을 나타낸 개념도이다.
상기한 종래기술은 도 1의 (a), (b), (c)에 도시된 과정을 거치는 탑다운 접근(Top-Down approach) 방식으로 3차원 몰드를 형성하거나 도 2의 (a), (b), (c)에 도시된 과정을 거치는 바텀업 접근(Bottom-up approach) 방식으로 3차원 몰드를 형성한다.
그러나, 상기한 종래기술에 따른 방법들은 복잡한 공정 및 고가의 장비가 필요하고, 몰드에서 분리하기 위해 접착 방지 코팅을 해야하는 등 제조 방법이 어려운 문제점이 있었다.
이에 3차원 몰드를 사용하지 않고도 3차원 표면 구조를 형성함과 동시에 낮은 압력을 인지할 수 있는 제조 방법이 필요한 실정이다.
(특허문헌 1) 공개특허공보 제10-2022-0020160호(2022.02.18.)
상기와 같은 문제를 해결하기 위한 본 발명의 목적은 고분자물질과 다수의 중공미소구를 혼합하고, 열경화성 플라스틱으로 이루어진 탄성중합체 및 탄성중합체의 내부에 수용되는 탄화수소를 열처리하여 열팽창시킴에 따라 3차원 몰드를 별도로 제조할 필요 없이 3차원 표면 형상이 적용된 중공미소구를 이용한 3차원 표면 형상이 적용된 물리센서 및 이의 제조 방법을 제공하는 것이다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 구성은 플레이트의 상면에 위치하는 다수의 중공미소구; 상기 다수의 중공미소구를 둘러싸도록 상기 플레이트의 상면에 투입되는 고분자물질; 상기 다수의 중공미소구에 의해 3차원 표면 형상이 형성된 상태로 상기 고분자물질이 경화된 필름; 및 상기 필름의 상면에 금속이 증착되어 형성되는 도전체인 금속층;을 포함하고, 상기 필름은 상기 다수의 중공미소구를 열처리함에 따라 상기 다수의 중공미소구가 열팽창하여 상기 다수의 중공미소구와 상응하는 상기 3차원 표면 형상이 형성되는 것을 특징으로 하는 중공미소구를 이용한 3차원 표면 형상이 적용된 물리센서를 제공한다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 중공미소구는, 구 형상의 열가소성 플라스틱으로 이루어진 탄성중합체; 및 상기 탄성중합체의 내부에 위치하는 탄화수소;를 포함하고, 상기 탄성중합체는 액체 상태의 상기 탄화수소가 열처리되어 기체 상태로 상변화함에 따라 외부로 팽창되는 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 탄성중합체의 소재는 TEMS 파우더인 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 탄화수소는 3분 동안 170℃의 온도로 열처리되고, 상기 탄성중합체의 직경은 열팽창되는 상기 탄화수소에 의해 5μm 내지 14μm에서 25μm 내지 48 μm로 팽창되는 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 고분자물질은 실리콘(PDMS: Polydimethylslioxane)인 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 금속층이 도전된 상태에서 가압판에 의해 상기 금속층의 상면에 가해지는 하중의 접촉 영역 및 하중의 크기에 따라 통전되는 경로의 수가 변화하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 구성은 (a) 플레이트 위에 고분자물질을 위치시키는 단계; (b) 상기 고분자물질에 다수의 중공미소구를 혼합시키는 단계; (c) 상기 고분자물질과 상기 다수의 중공미소구를 열처리하여 열팽창시키는 단계; 및 (d) 상기 열팽창된 고분자물질과 다수의 중공미소구로 구성되는 필름의 표면에 금속을 증착시키는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 중공미소구를 이용한 3차원 표면 형상이 적용된 물리센서의 제조 방법을 제공한다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 (b) 단계는, (b1) 상기 고분자물질에 상기 다수의 중공미소구를 혼합시키는 단계; (b2) 스핀 코팅 또는 필름 애플리케이터(film applicator)에 의해 상기 고분자물질이 상기 다수의 중공미소구를 감싸도록 펼쳐지는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 (c) 단계는, (c1) 상기 고분자물질과 상기 다수의 중공미소구에 3분 동안 170℃의 온도로 열을 가하는 열처리를 수행하는 단계; (c2) 상기 중공미소구에 구비된 탄성중합체가 상기 탄성중합체의 내부에 위치하는 상기 탄화수소의 열팽창에 의해 외부로 팽창되는 단계; 및 (c3) 상기 고분자물질이 경화되면서 상기 다수의 중공미소구와 함께 필름으로 형성되는 단계;를 포함하고, 상기 탄성중합체의 직경은 상기 탄화수소에 의해 5μm 내지 14μm에서 25μm 내지 48 μm로 팽창되는 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 (d) 단계는, (d1) 상기 열팽창된 고분자물질과 다수의 중공미소구로 구성되는 필름의 표면에 금속을 증착시키는 단계; 및 (d2) 상기 필름의 표면에 상기 금속이 증착된 금속층이 형성되는 단계;를 포함하고, 상기 금속층은 도전체인 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 (d) 단계 이후, 상기 필름이 전도성 회로와 합지하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
상기와 같은 구성에 따르는 본 발명의 효과는, 고분자물질과 다수의 중공미소구를 혼합하고, 열경화성 플라스틱으로 이루어진 탄성중합체 및 탄성중합체의 내부에 수용되는 탄화수소를 열처리하여 열팽창시킴에 따라 3차원 몰드를 별도로 제조할 필요 없이 3차원 표면 형상이 적용된 물리센서의 제조가 가능함에 따라 종래기술에서 문제점으로 지적된 크기의 한계, 고가의 장비 활용, 낮은 생산 속도 등을 개선할 수 있다.
본 발명의 효과는 상기한 효과로 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 상세한 설명 또는 특허청구범위에 기재된 발명의 구성으로부터 추론 가능한 모든 효과를 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
도 1의 (a), (b), (c)는 종래기술의 탑다운 접근(Top-Down approach) 방식으로 3차원 몰드를 형성하는 방법을 나타낸 개념도이다.
도 2의 (a), (b), (c)는 본 발명의 일실시예에 따른 바텀업 접근(Bottom-up approach) 방식으로 3차원 몰드를 형성하는 방법을 나타낸 개념도이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 중공미소구를 이용한 3차원 표면 형상이 적용된 물리센서에 구비된 중공미소구를 나타낸 일방향에서의 단면도이다.
도 4의 (a), (b)는 본 발명의 일실시예에 따른 중공미소구를 이용한 3차원 표면 형상이 적용된 물리센서가 열처리되어 열팽창하는 것을 나타낸 개념도이다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 중공미소구를 이용한 3차원 표면 형상이 적용된 물리센서에 구비된 탄성중합체의 소재를 나타낸 실제사진이다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 중공미소구를 이용한 3차원 표면 형상이 적용된 물리센서에 구비된 중공미소구가 기설정된 열팽창 조건에서 열처리되어 열팽창되는 과정을 상세히 나타낸 도면이다.
도 7의 (a), (b), (c)는 본 발명의 일실시예에 따른 중공미소구를 이용한 3차원 표면 형상이 적용된 물리센서가 제조되는 과정을 순차적으로 나타낸 개념도이다.
도 8의 (a), (b), (c)는 도 7의 (a), (b), (c)에서의 상태를 촬영한 도면이다.
도 9의 (a), (b)는 본 발명의 일실시예에 따른 중공미소구를 이용한 3차원 표면 형상이 적용된 물리센서가 가해지는 하중(압력) 및 접촉 영역을 나타낸 도면이다.
도 10의 (a), (b), (c)는 본 발명의 일실시예에 따른 중공미소구를 이용한 3차원 표면 형상이 적용된 물리센서의 제조 방법에 의해 제조된 중공미소구를 이용한 3차원 표면 형상이 적용된 물리센서가 가압판과의 접촉 영역 및 하중의 크기에 따라 통전되는 경로의 수가 변화하는 것을 나타낸 개념도이다.
도 11은 본 발명의 일실시예에 따른 중공미소구를 이용한 3차원 표면 형상이 적용된 물리센서의 제조 방법을 나타낸 순서도이다.
도 12의 (a), (b)는 본 발명의 일실시예에 따른 중공미소구를 이용한 3차원 표면 형상이 적용된 물리센서의 제조 방법에 의해 제조된 중공미소구를 이용한 3차원 표면 형상이 적용된 물리센서가 적용된 압력에 대한 동적 감지 성능을 나타낸 그래프이다.
도 13의 (a), (b)는 본 발명의 일실시예에 따른 중공미소구를 이용한 3차원 표면 형상이 적용된 물리센서의 제조 방법에 의해 제조된 중공미소구를 이용한 3차원 표면 형상이 적용된 물리센서에 대한 압력반응곡선을 나타낸 그래프이다.
도 2의 (a), (b), (c)는 본 발명의 일실시예에 따른 바텀업 접근(Bottom-up approach) 방식으로 3차원 몰드를 형성하는 방법을 나타낸 개념도이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 중공미소구를 이용한 3차원 표면 형상이 적용된 물리센서에 구비된 중공미소구를 나타낸 일방향에서의 단면도이다.
도 4의 (a), (b)는 본 발명의 일실시예에 따른 중공미소구를 이용한 3차원 표면 형상이 적용된 물리센서가 열처리되어 열팽창하는 것을 나타낸 개념도이다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 중공미소구를 이용한 3차원 표면 형상이 적용된 물리센서에 구비된 탄성중합체의 소재를 나타낸 실제사진이다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 중공미소구를 이용한 3차원 표면 형상이 적용된 물리센서에 구비된 중공미소구가 기설정된 열팽창 조건에서 열처리되어 열팽창되는 과정을 상세히 나타낸 도면이다.
도 7의 (a), (b), (c)는 본 발명의 일실시예에 따른 중공미소구를 이용한 3차원 표면 형상이 적용된 물리센서가 제조되는 과정을 순차적으로 나타낸 개념도이다.
도 8의 (a), (b), (c)는 도 7의 (a), (b), (c)에서의 상태를 촬영한 도면이다.
도 9의 (a), (b)는 본 발명의 일실시예에 따른 중공미소구를 이용한 3차원 표면 형상이 적용된 물리센서가 가해지는 하중(압력) 및 접촉 영역을 나타낸 도면이다.
도 10의 (a), (b), (c)는 본 발명의 일실시예에 따른 중공미소구를 이용한 3차원 표면 형상이 적용된 물리센서의 제조 방법에 의해 제조된 중공미소구를 이용한 3차원 표면 형상이 적용된 물리센서가 가압판과의 접촉 영역 및 하중의 크기에 따라 통전되는 경로의 수가 변화하는 것을 나타낸 개념도이다.
도 11은 본 발명의 일실시예에 따른 중공미소구를 이용한 3차원 표면 형상이 적용된 물리센서의 제조 방법을 나타낸 순서도이다.
도 12의 (a), (b)는 본 발명의 일실시예에 따른 중공미소구를 이용한 3차원 표면 형상이 적용된 물리센서의 제조 방법에 의해 제조된 중공미소구를 이용한 3차원 표면 형상이 적용된 물리센서가 적용된 압력에 대한 동적 감지 성능을 나타낸 그래프이다.
도 13의 (a), (b)는 본 발명의 일실시예에 따른 중공미소구를 이용한 3차원 표면 형상이 적용된 물리센서의 제조 방법에 의해 제조된 중공미소구를 이용한 3차원 표면 형상이 적용된 물리센서에 대한 압력반응곡선을 나타낸 그래프이다.
이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 따라서 여기에서 설명하는 실시예로 한정되는 것은 아니다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결(접속, 접촉, 결합)"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 부재를 사이에 두고 "간접적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 구비할 수 있다는 것을 의미한다.
본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
이하 첨부된 도면을 참고하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
1. 중공미소구를 이용한 3차원 표면 형상이 적용된 물리센서(500)
이하, 도 3 내지 도 10을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 중공미소구를 이용한 3차원 표면 형상이 적용된 물리센서를 설명하도록 한다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 중공미소구를 이용한 3차원 표면 형상이 적용된 물리센서에 구비된 중공미소구를 나타낸 일방향에서의 단면도이다. 도 4의 (a), (b)는 본 발명의 일실시예에 따른 중공미소구를 이용한 3차원 표면 형상이 적용된 물리센서가 열처리되어 열팽창하는 것을 나타낸 개념도이다. 도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 중공미소구를 이용한 3차원 표면 형상이 적용된 물리센서에 구비된 탄성중합체의 소재를 나타낸 실제사진이다. 도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 중공미소구를 이용한 3차원 표면 형상이 적용된 물리센서에 구비된 중공미소구가 기설정된 열팽창 조건에서 열처리되어 열팽창되는 과정을 상세히 나타낸 도면이다. 도 7의 (a), (b), (c)는 본 발명의 일실시예에 따른 중공미소구를 이용한 3차원 표면 형상이 적용된 물리센서가 제조되는 과정을 순차적으로 나타낸 개념도이다. 도 8의 (a), (b), (c)는 도 7의 (a), (b), (c)에서의 상태를 촬영한 도면이다. 도 9의 (a), (b)는 본 발명의 일실시예에 따른 중공미소구를 이용한 3차원 표면 형상이 적용된 물리센서가 가해지는 하중(압력) 및 접촉 영역을 나타낸 도면이다.
도 1 내지 도 9를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 중공미소구를 이용한 3차원 표면 형상이 적용된 물리센서(500)는 중공미소구(100), 고분자물질(200), 필름(300) 및 금속층(400)을 포함한다.
도 6의 (a)를 참조하면, 중공미소구(100)는 플레이트(10)의 상면에 위치하고, 다수로 형성된다.
상기한 중공미소구(100)는 도 3에 도시된 바와 같이 탄성중합체(110) 및 탄화수소(120)를 포함한다.
도 3을 참조하면, 탄성중합체(110)는 구 형상의 열가소성 플라스틱(Thermoplastic)으로 이루어진다.
이를 위한 탄성중합체(110)의 소재는 도 5에 도시된 바와 같이 TEMS 파우더로 구성된다.
이에 따른 탄성중합체(110)는 열이 가해지는 경우, 탄력적으로 외형이 변화하게 된다.
상기한 탄성중합체(110)는 액체 상태의 탄화수소(120)(도 4의 (a)에 도시)가 열처리되어 기체 상태로 상변화(도 4의 (b)에 도시)함에 따라 외부로 팽창된다.
구체적으로 도 4의 (a), 도 6의 (a)에 도시된 바와 같이 탄화수소(120)가 수용된 탄성중합체(110)에 3분 동안 170℃의 온도로 열을 가하는 열처리를 수행하면, 도 4의 (b), 도 6의 (b)에 도시된 바와 같이 탄화수소(120')가 열팽창함에 따라 탄성중합체(110')도 열팽창하게 된다.
이때, 탄성중합체(110)의 직경은 열팽창되는 탄화수소(120)에 의해 5μm 내지 14μm(도 4의 (a)에 도시)에서 25μm 내지 48 μm(도 4의 (b)에 도시)로 팽창된다.
탄화수소(120)는 탄성중합체(110)의 내부에 위치한다. 이때의 탄화수소(120)는 도 4의 (a)에 도시된 바와 같이 액체 상태이다.
상기한 탄화수소(120)는 도 4의 (a), (b)에 도시된 바와 같이 3분 동안 170℃의 온도로 열처리됨에 따라 액체 상태에서 기체(가스) 상태로 상변화하면서 외부를 향하여 열팽창하고, 이에 따라 탄성중합체(110)를 열팽창시킨다.
고분자물질(200)은 투명한 재질로 이루어진 물질로서, 다수의 중공미소구(100)를 둘러싸도록 플레이트(10)의 상면에 투입된다.
이때, 고분자물질(200)은 다수의 중공미소구(100)의 외부면을 모두 감싸도록 충분하게 투입된다.
또한, 고분자물질(200)은 실리콘(PDMS: Polydimethylslioxane)인 것이 바람직하다.
도 7을 참조하면, 필름(300)은 다수의 중공미소구(100)에 의해 3차원 표면 형상이 형성된 상태로 고분자물질(200)이 경화된 박막이다.
상기한 필름(300)은 다수의 중공미소구(100)를 열처리함에 따라 다수의 중공미소구(100)가 열팽창하여 도 7에 도시된 바와 같은 다수의 중공미소구(100)와 상응하는 3차원 표면 형상(=볼록한 엠보싱 형상)이 형성된다.
구체적으로 도 7의 (a)에서는 다수의 중공미소구(100)와 고분자물질(200)이 혼합되어 코팅되는 과정을 나타내며, 고분자물질(200)이 경화된 필름(300)에 대한 실제사진이 도 8의 (a)에 도시된다.
도 8의 (a)에 도시된 바와 같이 필름(300)은 210×297mm2의 크기를 가지고 확장성이 있고 플렉서블함을 확인할 수 있다.
또한, 도 7의 (b)에서는 투명 TEMS 파우더로 구성되는 고분자물질(200)이 다수의 중공미소구(100)에 의해 팽창되는 과정을 나타내며, 다수의 중공미소구(100)에 의해 구현되는 3차원 표면 형상(=볼록한 엠보싱 형상)이 도 8의 (b)에 도시된다.
또한, 도 7의 (c)에서는 3차원 표면 형상이 구현된 필름(300)의 표면에 금속이 증착되는 과정을 나타내며, 도 8의 (c)에는 금속이 필름(300)의 표면에 증착되어 금속층(400)이 형성된 것이 도시된다.
금속층(400)은 필름(300)의 상면에 금속이 증착되어 형성되는 도전체이다.
상기한 금속층(400)은 전도성 회로와 합지됨에 따라 본 발명의 물리센서(500)가 센서로서의 기능을 수행할 수 있도록 한다.
상기한 바에 따른 본 발명의 일 실시예에 따른 중공미소구를 이용한 3차원 표면 형상이 적용된 물리센서(500)가 도 9의 (a) 및 (b)에 도시된다.
도 10의 (a), (b), (c)는 본 발명의 일실시예에 따른 중공미소구를 이용한 3차원 표면 형상이 적용된 물리센서의 제조 방법에 의해 제조된 중공미소구를 이용한 3차원 표면 형상이 적용된 물리센서가 가압판과의 접촉 영역 및 하중의 크기에 따라 통전되는 경로의 수가 변화하는 것을 나타낸 개념도이다.
도 9의 (a), (b), 도 10의 (a), (b), (c)를 참조하면, 금속층(400)이 도전된 상태에서 가압판(20)에 의해 금속층(400)의 상면에 가해지는 하중의 접촉 영역 및 하중의 크기에 따라 통전되는 경로의 수가 변화한다.
구체적으로 도 10의 (a), (b), (c)는 가압판(20)에 의해 가압되는 하중(=압력)의 크기 및 하중의 접촉 영역이 순차적으로 증가하였을 시 통전되는 경로의 수가 증가하는 것을 도시한다.
우선, 도 10의 (a)에서는 접지 영역이 총 3곳이고, 이에 따라 통전되는 경로도 3개가 된다.
다음, 도 10의 (b)에서는 접지 영역이 총 5곳이고, 이에 따라 통전되는 경로도 5개가 된다.
마지막으로 도 10의 (c)에서는 접지 영역이 총 8곳이고, 이에 따라 통전되는 경로도 8개가 된다.
즉, 본 발명은 가압되는 하중(=압력)의 크기 및 하중의 접촉 영역의 변화에 따라 통전되는 경로의 수가 변화함에 따라 센서로서의 기능을 충실히 수행할 수 있다.
2. 중공미소구를 이용한 3차원 표면 형상이 적용된 물리센서의 제조 방법
이하, 도 3 내지 도 13을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 중공미소구를 이용한 3차원 표면 형상이 적용된 물리센서의 제조 방법을 설명하도록 한다.
도 11은 본 발명의 일실시예에 따른 중공미소구를 이용한 3차원 표면 형상이 적용된 물리센서의 제조 방법을 나타낸 순서도이다.
도 11을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 중공미소구를 이용한 3차원 표면 형상이 적용된 물리센서의 제조 방법은 (a) 플레이트(10) 위에 고분자물질(200)을 위치시키는 단계(S100), (b) 고분자물질(200)에 다수의 중공미소구(100)를 혼합시키는 단계(S200), (c) 고분자물질(200)과 다수의 중공미소구(100)를 열처리하여 열팽창시키는 단계 및 (d) 열팽창된 고분자물질(200)과 다수의 중공미소구(100)로 구성되는 필름(300)의 표면에 금속을 증착시키는 단계(S400)를 포함한다.
상기 (a) 단계에서는 도 6의 (a)에 도시된 바와 같이 플레이트(10) 위에 고분자물질(200)을 투입하여 위치시킨다. 이때, 고분자물질(200)은 도 6의 (a)에 도시된 바와 같이 다수의 중공미소구(100)를 완전히 둘러싸도록 충분하게 투입시키는 것이 바람직하다.
다음, 상기 (b) 단계는, (b1) 고분자물질(200)에 다수의 중공미소구(100)를 혼합시키는 단계, (b2) 스핀 코팅(spin coating) 또는 필름 애플리케이터(film applicator)에 의해 고분자물질(200)이 다수의 중공미소구(100)를 감싸도록 펼쳐지는 단계를 포함한다.
상기 (b1) 단계에서는 도 6의 (a), 도 7의 (a)에 도시된 바와 같이 다수의 중공미소구(100)와 고분자물질(200)이 혼합되고, 이에 따라 도 6의 (a)에 도시된 바와 같이 다수의 중공미소구(100)가 고분자물질(200)에 의해 완전히 둘러싸이게 된다.
다음, 도 4의 (a), (b), 도 6의 (a), (b) 및 도 7의 (b)를 참조하면, 상기 (c) 단계는, (c1) 고분자물질(200)과 다수의 중공미소구(100)에 3분 동안 170℃의 온도로 열을 가하는 열처리를 수행하는 단계, (c2) 중공미소구(100)에 구비된 탄성중합체(110)가 탄성중합체(110)의 내부에 위치하는 탄화수소(120)의 열팽창에 의해 외부로 팽창되는 단계 및 (c3) 고분자물질(200)이 경화되면서 다수의 중공미소구(100)와 함께 필름으로 형성되는 단계를 포함한다.
상기 (c1) 단계에서는 도 4의 (a), 도 6의 (a)에 도시된 상태에서 고분자물질(200)과 다수의 중공미소구(100)에 3분 동안 170℃의 온도로 열을 가하는 열처리를 수행한다.
다음, 상기 (c2) 단계에서는 도 4의 (b), 도 6의 (b)에 도시된 바와 같이 탄화수소(120)가 열팽창함에 따라 탄화수소(120)를 둘러싸는 탄성중합체(110)도 외부를 향하여 열팽창하게 된다.
이때, 탄성중합체(110)의 직경은 탄화수소(120)에 의해 5μm 내지 14μm에서 25μm 내지 48 μm로 팽창된다.
이후, 상기 (c3) 단계에서는 고분자물질(200)이 경화되면서 다수의 중공미소구(100)와 함께 도 7의 (b) 및 (c)에 도시된 바와 같은 필름(300)이 형성된다.
다음, 상기 (d) 단계는, (d1) 열팽창된 고분자물질(200)과 다수의 중공미소구(100)로 구성되는 필름(300)의 표면에 금속을 증착시키는 단계 및 (d2) 필름(300)의 표면에 금속이 증착된 금속층(400)이 형성되는 단계를 포함한다.
상기 (d1) 단계 및 상기 (d2) 단계가 수행되면, 도 7의 (c) 및 도 8의 (c)에 도시된 바와 같은 금속층(400)이 형성된다.
이때, 금속층(400)은 도전체이고, 상기한 금속층(400)은 전도성 회로와 합지되어 하중에 따른 변화를 감지하여 본 발명이 센서로서의 기능을 수행하도록 한다.
다음, 본 발명은 상기 (d) 단계 이후, 필름(300)이 전도성 회로와 합지하는 단계를 더 포함할 수 있다.
도 12의 (a), (b)는 본 발명의 일실시예에 따른 중공미소구를 이용한 3차원 표면 형상이 적용된 물리센서의 제조 방법에 의해 제조된 중공미소구를 이용한 3차원 표면 형상이 적용된 물리센서가 적용된 압력에 대한 동적 감지 성능을 나타낸 그래프이다.
도 12의 (a)는 가압판(20)이 본 발명의 필름(300) 및 금속층(400)을 각각 15Pa, 30Pa, 45Pa, 60Pa의 압력으로 가압할 시, 시간에 따른 전류의 변화를 나타낸다.
도 12의 (a)에 도시된 바와 같이 본 발명의 필름(300) 및 금속층(400)에 가압되는 압력이 증가할수록 전류도 증가하는 것을 확인할 수 있으며, 이는 압력 변화에 따른 감지를 충실히 수행할 수 있다는 것이다.
도 12의 (b)는 본 발명의 필름(300) 및 금속층(400)에 100Pa의 압력으로 가압할 시 시간에 따른 전류의 변화를 나타내며, 압력이 가해지는 유무에 따라 전류가 변화하는 것을 확인할 수 있다.
도 13의 (a), (b)는 본 발명의 일실시예에 따른 중공미소구를 이용한 3차원 표면 형상이 적용된 물리센서의 제조 방법에 의해 제조된 중공미소구를 이용한 3차원 표면 형상이 적용된 물리센서에 대한 압력반응곡선을 나타낸 그래프이다.
도 13의 (a)는 압력에 따른 전류의 변화를 나타낸 압력반응곡선이고, 도 13의 (b)는 압력에 따른 감광도(sensitivity)를 나타낸다.
도 13의 (a)를 참고하면, 제1 구간(0~50Pa)에서 감광도(Sw1)는 50.45kPa-1(85.5초)이고, 제2 구간(50~400Pa)에서 감광도(Sw2)는 4.35 kPa-1(7.37초)이다.
도 13의 (b)에서 감광도(sensitivity)는 하기의 [수학식 1]로 정의된다.
(여기서, S는 감광도(sensitivity), 는 전류 변화량, 는 초기 전류, P는 압력)
전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.
본 발명의 범위는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
10: 플레이트
20: 가압판
100: 중공미소구
110: 탄성중합체
120: 탄화수소
200: 고분자물질(PDMS)
300: 필름
400: 금속층
500: 중공미소구를 이용한 3차원 표면 형상이 적용된 물리센서
20: 가압판
100: 중공미소구
110: 탄성중합체
120: 탄화수소
200: 고분자물질(PDMS)
300: 필름
400: 금속층
500: 중공미소구를 이용한 3차원 표면 형상이 적용된 물리센서
Claims (11)
- 가압되는 압력의 크기 및 상기 압력의 접촉 영역의 변화에 따라 통전되는 경로의 수가 변화하여 상기 압력을 감지하는 물리센서에 있어서,
플레이트의 상면에 위치하는 다수의 중공미소구;
상기 다수의 중공미소구를 둘러싸도록 상기 플레이트의 상면에 투입되는 고분자물질;
상기 다수의 중공미소구에 의해 3차원 표면 형상이 형성된 상태로 상기 고분자물질이 경화된 필름; 및
상기 필름의 상면에 금속이 증착되어 형성되는 도전체인 금속층;을 포함하고,
상기 필름은 상기 다수의 중공미소구를 열처리함에 따라 상기 다수의 중공미소구가 열팽창하여 상기 다수의 중공미소구의 상부와 상응하는 상기 3차원 표면 형상이 형성되며,
상기 금속은 상기 다수의 중공미소구의 열팽창이 완료된 상태에서 상기 필름에 증착되는 것을 특징으로 하는 중공미소구를 이용한 3차원 표면 형상이 적용된 물리센서.
- 제1 항에 있어서,
상기 중공미소구는,
구 형상의 열가소성 플라스틱으로 이루어진 탄성중합체; 및
상기 탄성중합체의 내부에 위치하는 탄화수소;를 포함하고,
상기 탄성중합체는 액체 상태의 상기 탄화수소가 열처리되어 기체 상태로 상변화함에 따라 외부로 팽창되는 것을 특징으로 하는 중공미소구를 이용한 3차원 표면 형상이 적용된 물리센서.
- 제2 항에 있어서,
상기 탄성중합체의 소재는 TEMS 파우더인 것을 특징으로 하는 중공미소구를 이용한 3차원 표면 형상이 적용된 물리센서.
- 제2 항에 있어서,
상기 탄화수소는 3분 동안 170℃의 온도로 열처리되고,
상기 탄성중합체의 직경은 열팽창되는 상기 탄화수소에 의해 5μm 내지 14μm에서 25μm 내지 48 μm로 팽창되는 것을 특징으로 하는 중공미소구를 이용한 3차원 표면 형상이 적용된 물리센서.
- 제 1 항에 있어서,
상기 고분자물질은 실리콘(PDMS: Polydimethylslioxane)인 것을 특징으로 하는 중공미소구를 이용한 3차원 표면 형상이 적용된 물리센서.
- 제1 항에 있어서,
상기 금속층이 도전된 상태에서 가압판에 의해 상기 금속층의 상면에 가해지는 하중의 접촉 영역 및 하중의 크기에 따라 통전되는 경로의 수가 변화하는 것을 특징으로 하는 중공미소구를 이용한 3차원 표면 형상이 적용된 물리센서.
- 가압되는 압력의 크기 및 상기 압력의 접촉 영역의 변화에 따라 통전되는 경로의 수가 변화하여 상기 압력을 감지하는 물리센서의 제조 방법에 있어서,
(a) 플레이트 위에 고분자물질을 위치시키는 단계;
(b) 상기 고분자물질에 다수의 중공미소구를 혼합시키는 단계;
(c) 상기 고분자물질과 상기 다수의 중공미소구를 열처리하여 열팽창시키는 단계; 및
(d) 상기 열팽창된 고분자물질과 다수의 중공미소구로 구성되는 필름의 표면에 금속을 증착시키는 단계;를 포함하고,
상기 필름은 상기 다수의 중공미소구를 열처리함에 따라 상기 다수의 중공미소구가 열팽창하여 상기 다수의 중공미소구의 상부와 상응하는 3차원 표면 형상이 형성되며,
상기 금속은 상기 다수의 중공미소구의 열팽창이 완료된 상태에서 상기 필름에 증착되는 것을 특징으로 하는 중공미소구를 이용한 3차원 표면 형상이 적용된 물리센서의 제조 방법.
- 제7 항에 있어서,
상기 (b) 단계는,
(b1) 상기 고분자물질에 상기 다수의 중공미소구를 혼합시키는 단계;
(b2) 스핀 코팅 또는 필름 애플리케이터(film applicator)에 의해 상기 고분자물질이 상기 다수의 중공미소구를 감싸도록 펼쳐지는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 중공미소구를 이용한 3차원 표면 형상이 적용된 물리센서의 제조 방법.
- 제7 항에 있어서,
상기 (c) 단계는,
(c1) 상기 고분자물질과 상기 다수의 중공미소구에 3분 동안 170℃의 온도로 열을 가하는 열처리를 수행하는 단계;
(c2) 상기 중공미소구에 구비된 탄성중합체가 상기 탄성중합체의 내부에 위치하는 탄화수소의 열팽창에 의해 외부로 팽창되는 단계; 및
(c3) 상기 고분자물질이 경화되면서 상기 다수의 중공미소구와 함께 필름으로 형성되는 단계;를 포함하고,
상기 탄성중합체의 직경은 상기 탄화수소에 의해 5μm 내지 14μm에서 25μm 내지 48 μm로 팽창되는 것을 특징으로 하는 중공미소구를 이용한 3차원 표면 형상이 적용된 물리센서의 제조 방법.
- 제7 항에 있어서,
상기 (d) 단계는,
(d1) 상기 열팽창된 고분자물질과 다수의 중공미소구로 구성되는 필름의 표면에 금속을 증착시키는 단계; 및
(d2) 상기 필름의 표면에 상기 금속이 증착된 금속층이 형성되는 단계;를 포함하고,
상기 금속층은 도전체인 것을 특징으로 하는 중공미소구를 이용한 3차원 표면 형상이 적용된 물리센서의 제조 방법.
- 제7 항에 있어서,
상기 (d) 단계 이후,
상기 필름이 전도성 회로와 합지하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 중공미소구를 이용한 3차원 표면 형상이 적용된 물리센서의 제조 방법.
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| KR1020220058292A KR102667810B1 (ko) | 2022-05-12 | 2022-05-12 | 중공미소구를 이용한 3차원 표면 형상이 적용된 물리센서 및 이의 제조 방법 |
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- 2022-05-12 KR KR1020220058292A patent/KR102667810B1/ko active Active
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