KR102072991B1 - 구조색을 이용한 무선 센서 및 그의 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 출원은 비접촉 방식으로 물리적 변형를 측정할 수 있는 무선 센서 및 그의 제조방법에 관한 것으로, 본 출원에 따른 무선 센서는 외력에 의해 변형될 수 있는 기판, 및 상기 기판 상에 제1 방향 및 제2 방향으로 소정의 거리만큼 일정한 간격으로 배열되는 복수의 회절 격자 구조체를 포함하고, 상기 복수의 회절 격자 구조체에 의해 회절되는 빛의 스펙트럼은 상기 기판의 변형에 대응하여 이동될 수 있다.
Description
본 출원은 구조색을 이용한 무선 센서 및 그의 제조방법에 관한 것이다.
기계장비, 가공부품, 구조물 등의 상태 진단을 위한 센서는 측정 대상물의 물리적 변화 (기계적 변형, 온도)와 주변 환경의 변화 (습도, 압력)를 측정하기 위하여 사용된다. 물리적 변화를 측정하기 위한 스트레인 센서 및 온도 센서는 센서가 부착된 대상체에 가해지는 물리 변화를 측정하기 위한 센서로서, 스트레인 및 온도 변화를 전기신호로 검출하는 방법을 주로 사용한다. 부착형 스트레인 센서와 온도 센서의 경우, 부착된 전극이 필요하고 상기 전극과 전기적으로 연결되어 전기신호를 검출 및 분석하여 기계적 변형률과 전기저항으로 산출하는 검출장치 및 회로를 필요하며, 복잡한 구성과 구조적인 한계로 응용 분야가 제한되는 문제점이 있다. 비접촉식 온도 센서의 경우 측정할 수 있는 대상이 제한되거나 정확도가 떨어지고 비용이 비싸고 장치의 구성이 비대하다는 단점이 있다. 그리고 주변 환경 변화를 측정하기 위한 습도 센서의 경우 스트레인 센서 및 접촉식 온도 센서와 마찬가지로 전기신호를 검출하는 방법으로 습도 변화를 측정하기 때문에 복잡한 구성과 구조적인 한계로 응용분야에 제한이 있는 문제점이 있다.
이러한 문제점을 극복하기 위해 전기신호를 송신할 수 있는 소형 모듈이 부착된 스트레인 센서, 온도 센서, 습도 센서가 도입되었으나, 센서 내에 미세한 모듈을 내장 시킴에 따라 제조 공정이 복잡하고, 비용이 상승하며, 무선 송수신에 따른 노이즈 오차율이 높은 문제점이 있다.
본 출원은 회절 격자 구조체의 의해 반사된 빛의 파장을 통해 물리적 변형 정보를 얻을 수 있는 무선 센서 및 그의 제조방법을 제공하는 것을 해결하고자 하는 과제로 한다.
본 출원의 일 예에 따른 무선 센서는 외력에 의해 변형될 수 있는 고분자 기판 및 상기 고분자 기판 상에 제1 방향 및 제2 방향으로 소정의 거리만큼 일정한 간격으로 배열되는 복수의 회절 격자 구조체를 포함하고, 상기 복수의 회절 격자 구조체에 의해 회절되는 빛의 스펙트럼은 상기 고분자 기판의 변형에 대응하여 변경될 수 있다.
본 출원의 일 예에 따른 무선 센서의 제조방법은 몰드를 준비하는 단계, 상기 몰드 상에 제1 방향과 상기 제1 방향과 교차하는 제2 방향을 따라 배열되는 복수의 홈 패턴을 형성하는 단계, 및 상기 복수의 홈 패턴 내에 고분자 또는 고분자와 반사물질의 혼합물을 충진하여 복수의 회절 격자 구조체를 형성하는 단계; 상기 복수의 회절 격자 구조체와 접착시키면서 상기 몰드 상에 기판을 적층하는 단계; 및 상기 복수의 회절 격자 구조체 및 상기 기판을 상기 몰드로부터 분리하는 단계를 포함하는 방법에 의해 형성될 수 있다.
본 출원의 일 예에 따른 무선 센서는 외력에 의해 변형될 수 있는 고분자 기판 및 상기 고분자 기판 상에 제1 방향 및 제2 방향으로 소정의 거리만큼 일정한 간격으로 배열되는 복수의 회절 격자 구조체를 포함하고, 상기 복수의 회절 격자 구조체에 의해 회절되는 빛의 스펙트럼은 상기 고분자 기판의 변형에 대응하여 변경될 수 있다.
본 출원의 일 예에 따른 무선 센서의 제조방법은 몰드를 준비하는 단계, 상기 몰드 상에 제1 방향과 상기 제1 방향과 교차하는 제2 방향을 따라 배열되는 복수의 홈 패턴을 형성하는 단계, 및 상기 복수의 홈 패턴 내에 고분자 또는 고분자와 반사물질의 혼합물을 충진하여
복수의 회절 격자 구조체를 형성하는 단계; 상기 복수의 회절 격자 구조체와 접착시키면서 상기 몰드 상에 기판을 적층하는 단계; 및 상기 복수의 회절 격자 구조체 및 상기 기판을 상기 몰드로부터 분리하는 단계를 포함하는 방법에 의해 형성될 수 있다.
도 1은 본 출원의 일 예에 따른 무선 센서의 개략도이다.
도 2a는 본 출원의 일 예에 따른 회절 격자에 빛이 입사되고, 반사되는 것을 나타낸 개략도이다.
도 2b는 본 출원의 일 예에 따른 회절 격자에 백색광이 입사되었을 때, 회절 차수에 따라 빛이 회절되는 것을 나타낸 개략도이다.
도 3은 본 출원의 일 예에 따른 무선 센서의 직육면체형 회절 격자 구조체의 개략도이다.
도 4(a)는 본 출원의 다른 예에 따른 무선 센서의 사시도이고, 도 4(b)는 본 출원의 다른 예에 따른 무선 센서의 단면도이다.
도 5는 본 출원의 다른 예에 따른 무선 센서에 인가되는 온도/습도가 상승 또는 하강할 때, 무선 센서가 오목 또는 볼록하게 변형되는 것을 나타낸 단면도이다.
도 6(a) 내지 도 6(e)는 본 출원의 일 예에 따른 무선 센서의 제조방법 순서를 나타낸 도면이다.
도 7(a)는 본 출원의 일 예에 따른 무선 센서의 라인프로파일 측정 위치를 나타낸 사진이다.
도 7(b)는 본 출원의 일 예에 따른 무선 센서의 라인프로파일 그래프이다.
도 8(a)는 본 출원의 다양한 예에 따른 무선 센서에 빛의 입사각 및 반사각을 모두 0°으로 설정하고 무선 센서를 촬영한 사진이다.
도 8(b)는 본 출원의 다양한 예에 따른 무선 센서에 빛의 입사각은 60°으로 설정하고, 반사각은 0°에서 무선 센서를 촬영한 사진이다.
도 8(c)는 본 출원의 다양한 예에 따른 무선 센서에 빛의 입사각은 60°으로 설정하고, 반사각 0°에서 반사 스펙트럼을 측정한 것이다.
도 9(a)는 본 출원의 다양한 예에 따른 무선 센서에 선형 변형을 인가하고, 이에 의해 변화된 색상을 측정한 것이다.
도 9(b)는 본 출원의 일 예에 따른 선형 변형 인가에 의해 회절 격자 구조체 사이의 거리가 변경되는 것을 개략적으로 나타낸 모식도이다.
도 10(a)는 본 출원의 일 예에 따른 무선 센서에 입사광은 70°으로 설정하고, 0°에서 반사 스펙트럼을 측정하면서, 무선 센서의 일축 선형 변형을 0%, 10%, 25%, 및 45%로 설정하면서 무선 센서의 색상 변화를 측정한 것이다.
도 10(b)는 도 10(a)에서 무선 센서의 일축 선형 변형이 0%, 10%, 25%, 및 45%일 때, 각각의 조건에서 반사 스펙트럼 파장을 측정하여 도시한 것이다.
도 10(c)는 도 10(b)에서 무선 센서의 일축 선형 변형에 대한 스펙트럼 피크 값을 도시한 것이다.
도 2a는 본 출원의 일 예에 따른 회절 격자에 빛이 입사되고, 반사되는 것을 나타낸 개략도이다.
도 2b는 본 출원의 일 예에 따른 회절 격자에 백색광이 입사되었을 때, 회절 차수에 따라 빛이 회절되는 것을 나타낸 개략도이다.
도 3은 본 출원의 일 예에 따른 무선 센서의 직육면체형 회절 격자 구조체의 개략도이다.
도 4(a)는 본 출원의 다른 예에 따른 무선 센서의 사시도이고, 도 4(b)는 본 출원의 다른 예에 따른 무선 센서의 단면도이다.
도 5는 본 출원의 다른 예에 따른 무선 센서에 인가되는 온도/습도가 상승 또는 하강할 때, 무선 센서가 오목 또는 볼록하게 변형되는 것을 나타낸 단면도이다.
도 6(a) 내지 도 6(e)는 본 출원의 일 예에 따른 무선 센서의 제조방법 순서를 나타낸 도면이다.
도 7(a)는 본 출원의 일 예에 따른 무선 센서의 라인프로파일 측정 위치를 나타낸 사진이다.
도 7(b)는 본 출원의 일 예에 따른 무선 센서의 라인프로파일 그래프이다.
도 8(a)는 본 출원의 다양한 예에 따른 무선 센서에 빛의 입사각 및 반사각을 모두 0°으로 설정하고 무선 센서를 촬영한 사진이다.
도 8(b)는 본 출원의 다양한 예에 따른 무선 센서에 빛의 입사각은 60°으로 설정하고, 반사각은 0°에서 무선 센서를 촬영한 사진이다.
도 8(c)는 본 출원의 다양한 예에 따른 무선 센서에 빛의 입사각은 60°으로 설정하고, 반사각 0°에서 반사 스펙트럼을 측정한 것이다.
도 9(a)는 본 출원의 다양한 예에 따른 무선 센서에 선형 변형을 인가하고, 이에 의해 변화된 색상을 측정한 것이다.
도 9(b)는 본 출원의 일 예에 따른 선형 변형 인가에 의해 회절 격자 구조체 사이의 거리가 변경되는 것을 개략적으로 나타낸 모식도이다.
도 10(a)는 본 출원의 일 예에 따른 무선 센서에 입사광은 70°으로 설정하고, 0°에서 반사 스펙트럼을 측정하면서, 무선 센서의 일축 선형 변형을 0%, 10%, 25%, 및 45%로 설정하면서 무선 센서의 색상 변화를 측정한 것이다.
도 10(b)는 도 10(a)에서 무선 센서의 일축 선형 변형이 0%, 10%, 25%, 및 45%일 때, 각각의 조건에서 반사 스펙트럼 파장을 측정하여 도시한 것이다.
도 10(c)는 도 10(b)에서 무선 센서의 일축 선형 변형에 대한 스펙트럼 피크 값을 도시한 것이다.
본 출원의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 출원은 이하에서 개시되는 예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 예들은 본 출원의 개시가 완전하도록 하며, 본 출원이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 출원은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.
본 출원의 예를 설명하기 위한 도면에 개시된 형상, 크기, 비율, 각도, 개수 등은 예시적인 것이므로 본 출원이 도시된 사항에 한정되는 것은 아니다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다. 또한, 본 출원을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 출원의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명은 생략한다. 본 명세서 상에서 언급한 '포함한다', '갖는다', '이루어진다' 등이 사용되는 경우 '~만'이 사용되지 않는 이상 다른 부분이 추가될 수 있다. 구성 요소를 단수로 표현한 경우에 특별히 명시적인 기재 사항이 없는 한 복수를 포함하는 경우를 포함한다.
구성 요소를 해석함에 있어서, 별도의 명시적 기재가 없더라도 오차 범위를 포함하는 것으로 해석한다.
위치 관계에 대한 설명일 경우, 예를 들어, '~상에', '~상부에', '~하부에', '~옆에' 등으로 두 부분의 위치 관계가 설명되는 경우, '바로' 또는 '직접'이 사용되지 않는 이상 두 부분 사이에 하나 이상의 다른 부분이 위치할 수도 있다.
시간 관계에 대한 설명일 경우, 예를 들어, '~후에', '~에 이어서', '~다음에', '~전에' 등으로 시간적 선후 관계가 설명되는 경우, '바로' 또는 '직접'이 사용되지 않는 이상 연속적이지 않은 경우도 포함할 수 있다.
제1, 제2 등이 다양한 구성요소들을 서술하기 위해서 사용되나, 이들 구성요소들은 이들 용어에 의해 제한되지 않는다. 이들 용어들은 단지 하나의 구성 요소를 다른 구성요소와 구별하기 위하여 사용하는 것이다. 따라서, 이하에서 언급되는 제1 구성요소는 본 출원의 기술적 사상 내에서 제2 구성요소일 수도 있다.
본 출원의 여러 예들의 각각 특징들이 부분적으로 또는 전체적으로 서로 결합 또는 조합 가능하고, 기술적으로 다양한 연동 및 구동이 가능하며, 각 예들이 서로에 대하여 독립적으로 실시 가능할 수도 있고 연관 관계로 함께 실시할 수도 있다.
이하, 도면을 참조로 본 출원의 무선 센서에 따른 예에 대해서 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 출원의 일 예에 따른 무선 센서의 개략도이다.
도 1을 참조하면, 본 출원의 일 예에 따른 무선 센서는 기판(100), 및 복수의 회절 격자 구조체(200)를 포함할 수 있다.
상기 기판(100)은 외력에 의해 변형 가능한 유연 기판일 수 있고, 고분자 기판일 수 있다. 일 예에 따른 기판(100)은 PDMS(Polydimethylsiloxane), 폴리이미드(polyimide), PET(Polyethylene Terephthalate), 하이드로겔(hydrogel) 및 에코플렉스(ecoflex) 중 적어도 하나를 포함하는 고분자 물질로 이루어질 수 있다.
상기 기판(100)은 외력에 의해 변형될 수 있고, 예를 들어 제1 방향 및 제2 방향 중 적어도 하나의 방향으로 변형될 수 있다. 즉, 상기 고분자 기판은 제1 방향, 예를 들어 X방향으로만 변경되거나, 제2 방향, 예를 들어 Y방향으로만 변경되거나, 또는 상기 고분자 기판은 제1방향 및 제2방향으로 동시에 변형될 수 있다. 이때, 제1방향 및 제2방향은 동일 편면상에 서로 교차하는 방향으로 정의될 수 있다. 또한, 상기 고분자 기판의 일부분은 제1 방향의 양의 방향, 예를 들어 X축 좌표에서 오른쪽 방향으로 스트레인이 인가되고, 상기 고분자 기판의 다른 부분은 제1 방향의 음의 방향, 예를 들어 X축 좌표에서 왼쪽 방향으로 스트레인이 인가되어, 상기 고분자 기판에는 전단 변형(shear deformation)이 가해질 수도 있다.
상기 복수의 회절 격자 구조체(200)는 상기 기판(100) 상에 규칙적으로 배열될 수 있다. 구체적으로, 상기 복수의 회절 격자 구조체(200)는 제1 방향 및 상기 제1 방향과 교차하는 제2 방향을 따라 소정의 간격을 가지면서 규칙적으로 배열될 수 있다. 여기서, 제 1 방향은 X방향이고, 제 2 방향은 Y방향으로 정의될 수 있다. 이때, 상기 복수의 회절 격자 구조체(200)는 제1 방향 및 제2 방향으로 동일한 간격을 갖도록 배열될 수 있다.
상기 회절 격자 구조체(200)는 상기 기판(100)의 일면, 예로서 상면에서 수직한 방향으로 돌출된 구조물의 형태로 이루어질 수 있다. 상기 회절 격자 구조체(200)는 상부 표면이 절단된 원뿔형의 형상일 수 있고, 또는 직육면체형, 구형, 원기둥형, 및 원뿔형 중 선택된 하나의 형상을 가질 수 있으나 이에 제한된 것은 아니다.
본 출원은 복수의 회절 격자 구조체(200)에 입사된 후 반사되는 광의 색상 변화를 통해서 기판(100)에 가해지는 스트레인 양을 측정할 수 있도록 고안한 것으로서 그 원리를 도 2a 및 도 2b를 참조하여 설명하기로 한다.
도 2a는 본 출원의 일 예에 따른 회절 격자 구조체(200)에 빛이 입사되고, 반사되는 것을 개략적으로 나타낸 도면이며, 도 2b는 본 출원의 일 예에 따른 회절 격자 구조체에 백색광이 입사되었을 때, 회절 차수에 따라 빛이 반사되는 것을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 2a 및 도 2b를 참조하면, 기판(100) 상의 복수의 회절 격자 구조체(200)는 입사된 빛을 회절시킬 수 있고, 각각의 회절 격자 구조체(200)는 입사된 빛의 회절에 의해 하나의 회절 패턴을 생성한다. 이때, 상기 회절 격자가 충분히 많은 N개의 숫자를 가질 때, N개의 회절 격자에 의해 생성된 회절 패턴은 소멸 및 보강 간섭에 의해 회절 차수(diffraction order)를 가지는 단순한 패턴이 생성되고, 회절 차수가 낮을수록 높은 세기(intensity)의 빛이 관측된다.
본 출원의 일 예에 따른 무선 센서에 있어서, 바람직하게 상기 회절 격자 구조체(200)에 입사되는 빛은 백색광 또는 가시광선이고, 상기 회절 격자 구조체(200)에 의해 반사된 빛의 피크 스펙트럼은 가시광선 영역 파장 중 선택될 수 있다.
하기의 수학식 1은 상기 회절 격자(Diffraction Grating)에 의한 회절 방정식(Diffraction Equation)이다.
[수학식 1]
여기서, d는 인접하는 회절 격자 구조체 사이의 간격(또는 피치)이고, θi는 입사각으로서, 구체적으로 회절 격자 구조체를 관통하는 수직 방향 축과 입사된 빛 사이의 각도이고, θr는 반사각으로서, 구체적으로 회절 격자 구조체를 관통하는 수직 방향 축과 반사된 빛 사이의 각도이고, m은 회절 차수(diffraction order)이고, λ는 반사되는 빛의 파장이다.
이때, 회절 격자 구조체에 의해 반사된 빛을 상기 회절 격자 구조체의 상부 표면에 수직한 방향에서 관찰한다고 하면, sinθr 은 "0"이 되고, 따라서 다음의 수학식 2와 같이 근사될 수 있다.
[수학식 2]
상기의 수학식 2에서, 회절 격자 구조체의 간격(d)이 파장(λ)과 근사한 경우, 낮은 회절 차수(m)의 회절만이 존재하게 되고, 상기 회절 차수(m)를 고정한다면 파장(λ)은 회절 격자 간격(d)에 의존적으로 변경된다. 즉, 상기와 같이 한정된 조건 하에서, 회절 격자 구조체의 간격(d)이 변경되면 빛의 파장(λ)이 변화됨을 알 수 있고, 그에 따라 빛의 파장(λ)이 변화되는 모습을 통해서 회절 격자 구조체의 간격(d)(또는 거리)의 변화량을 측정하여 결국 기판(100)에 가해지는 스트레인 양을 측정할 수 있다.
본 출원의 일 예에 따른 무선 센서는 기판(100)의 변형에 의해, 상기 기판(100)의 일면 상에 제1 방향 및 제2 방향으로 배열된 복수의 회절 격자 구조체(200) 사이의 간격이 변경될 수 있고, 이에 의해 상기 복수의 회절 격자 구조체에 의해 반사된 빛의 파장이 이동(shift)될 수 있다. 이때, 상기 기판(100)의 변형은 선형 변형일 수 있고, 일축 변형, 이축 변형 또는 전단 변형일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 복수의 회절 격자 구조체(200)에 의해 반사된 빛의 스펙트럼은 상기 기판(100)의 변형에 대응하여 이동(shift)할 수 있다. 예를 들어, 상기 기판(100)의 일축 선형 변형률이 10%일 때, 변형이 인가되지 않은 상태와 비교하여 빛의 스펙트럼은 30nm만큼 피크 스펙트럼이 더 긴 파장으로 이동할 수 있고, 상기 기판(100)의 일축 선형 변형률이 20%일 때, 변형이 인가되지 않은 상태와 비교하여 빛의 스펙트럼은 60nm만큼 피크 스펙트럼이 더 긴 파장으로 이동할 수 있다. 이와 반대로, 상기 기판(100)의 일축 선형 변형률이 -10%일 때, 변형이 인가되지 않은 상태와 비교하여 빛의 스펙트럼은 30nm만큼 피크 스펙트럼이 더 짧은 파장으로 이동할 수 있고, 상기 기판(100)의 일축 선형 변형률이 -20%일 때, 변형이 인가되지 않은 상태와 비교하여 빛의 스펙트럼은 60nm만큼 피크 스펙트럼이 더 긴 파장으로 이동할 수 있다.
전술한 바와 같이, 상기 기판(100)의 변형과 이에 대응되는 복수의 회절 격자 구조체(200) 사이의 간격의 변화는 이에 의해 반사되는 파장을 변형이 인가되지 않은 상태와 비교하여 장파장 또는 단파장으로 이동시킬 수 있고, 상기 파장이 가시광선의 영역인 경우 색상의 변화로 관찰될 수 있다.
본 출원의 일 예에 따른 무선 센서에 의해 측정된 빛의 파장이 가시광선의 영역인 경우 색상의 변화 및 피크 스펙트럼의 관찰로 회절 격자 구조체(200)의 간격을 추정할 수 있고, 이에 따라 기판(100)에 인가된 스트레인을 측정할 수 있다. 또한, 본 출원의 일 예에 따른 무선 센서는 반사된 빛을 통한 색상의 변화 및 피크 스펙트럼의 관찰을 통해 물리적 변형을 측정할 수 있기 때문에, 무선 센서에 부착된 별도의 전극 또는 전기신호를 분석하는 장치를 필요로 하지 않는다.
본 출원의 일 예에 따른 무선 센서의 회절 격자 구조체(200)의 간격은 300nm 내지 800nm일 수 있다.
이때, 상기 회절 격자 구조체(200)의 간격은 상기 기판(100)에 수직하면서, 하나의 회절 격자 구조체(200)의 중심을 관통하는 중심축과 상기 회절 격자 구조체(200)에 인접한 다른 하나의 회절 격자 구조체(200)의 중심을 관통하는 중심축의 거리를 의미한다. 여기서, 상기 회절 격자 구조체(200)의 간격이 300nm 미만인 경우에는 상기 회절 격자 구조체(200)에 의해 회절되는 빛의 스펙트럼이 자외선 영역으로 벗어나 색상의 변화로 관찰하기 어려운 문제점이 있을 수 있다. 그리고, 회절 격자 구조체(200)의 간격이 800nm를 초과하는 경우에는 상기 회절 격자 구조체(200)에 의해 회절되는 빛의 스펙트럼이 적외선 영역으로 벗어나 색상의 변화로 관찰하기 어려운 문제점이 있을 수 있다. 이에 따라, 회절 격자 구조체(20)의 간격(d)은 300nm 내지 800nm로 설정되는 것이 바람직하다.
도 3은 본 출원의 일 예에 따른 무선 센서의 회절 격자 구조체(200)가 직육면체형인 경우의 개략도이다.
도 3을 참조하면, 본 출원의 일 예에 따른 무선 센서의 회절 격자 구조체(200)는 직육면체형으로 이루어질 수 있다. 상기 회절 격자 구조체(200)는 상기 기판(100)과 동일한 재질로 이루어질 수 있으며, 이 경우 상기 기판(100)에 가해지는 스트레인 측정이 보다 용이할 수 있다. 상기 회절 격자 구조체(200)는 그 형상을 정의하는 기지부(220, matrix part)를 포함한다. 상기 기지부(220)는 외력에 의해 변형될 수 있는 고분자일 수 있고, 일 예에 따른 기지부(220)는 PDMS(Polydimethylsiloxane), 폴리이미드(polyimide), PET(Polyethylene Terephthalate), 하이드로겔(hydrogel) 및 에코플렉스(ecoflex) 중 적어도 하나를 포함하는 고분자 물질로 이루어질 수 있다. 따라서, 상기 회절 격자 구조체(200)는 기판(100)이 외력에 의해 변형될 때, 상기 기판(100)의 변형에 대응하여 변형될 수 있다. 또한, 상기 고분자는 바람직하게 외력에 의해 적절히 변형되고, 회복할 수 있도록 높은 탄성 계수를 갖는 고분자일 수 있다.
상기 회절 격자 구조체(200)는 반사물질(210)을 더 포함할 수 있다.
상기 반사물질(210)는 기지부(220)에 분산되어 입사광에 대해 소정의 반사율(refractivity)을 제공하는 역할을 수행할 수 있다. 상기 반사물질(210)은 나노입자로 이루어질 수 있고, 상기 나노입자는 알루미늄(Al), 티타늄(Ti), 크롬(Cr), 철(Fe), 코발트(Co), 니켈(Ni), 구리(Cu), 아연(Zn), 은(Ag), 인듐(In), 주석(Sn), 턴스텐(W), 백금(Pt), 금(Au), 납(Pb), 이들의 합금 및 이들의 산화물 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 상기 금속나노입자는 바람직하게 표면 플라즈몬 공명 효과를 갖는 금속이고, 높은 반사율을 갖는 금속일 수 있다. 또한, 표면 플라즈몬 현상에 의해 반사 및 굴절을 일으키므로 상기 회절 격자 구조체 내에 불규칙적으로 분산될 수 있다.
상기 나노입자의 직경은 10nm 내지 1000nm의 범위일 수 있으나, 이에 특별히 제한되는 것은 아니다.
상기 나노입자의 직경이 직경이 10nm 보다 작은 나노입자는 제작 단가가 높기 때문에 적용하기 어렵고, 1000nm 보다 큰 나노입자는 표면 회절 격자 구조체 보다 크기 때문에 패턴을 손상시킬 수 있어 적용이 어렵다. 따라서 나노입자는 10nm 내지 1000nm의 직경을 가지는 것이 바람직하다.
상기 회절 격자 구조체(200)의 나노입자(210) 대 기지부(220)의 질량비는 1:10 내지 1:1000일 수 있다.
상기 나노입자(210)의 함량이 상기 질량비를 초과하면, 상기 회절 격자 구조체(200)의 탄성이 저하되어 고분자 기판(100)이 외력에 의해 변형될 때 회절 격자 구조체(200)와 고분자 기판(100)의 물리적 성질의 이질성으로 박리나 벗겨짐의 문제점이 발생할 수 있다. 상기 나노입자(210)의 함량이 상기 질량비 미만이면, 반사효율이 낮아서 원하는 회절 스펙트럼 강도(intensity)를 얻지 못할 수 있다. 이에 따라, 상기 회절 격자 구조체(200)의 나노입자(210) 대 기지부(220)의 질량비는 1:10 내지 1:1000인 것이 바람직하다.
상기 나노입자(210)는 상기 기판(100) 내에 포함될 수도 있다.
또한, 본 출원의 일 예에 따른 무선 센서는 스트레인을 측정하고자 하는 대상체에 부착되고, 상기 대상체에 스트레인이 인가되는 경우 이에 대응되는 스트레인의 변화량을 색상의 감지를 통해 알 수 있다.
도 4(a)는 본 출원의 다른 예에 따른 무선 센서의 사시도이고, 도 4(b)는 본 출원의 다른 예에 따른 무선 센서의 단면도이다.
도 4(a) 및 도 4(b)를 참조하면, 본 출원의 다른 예에 따른 무선 센서는 상기 기판(100)의 타면 상에 배치된 기능성 부재(300)를 더 포함할 수 있다.
상기 기능성 부재(300)는 상기 기판(100)과 상이한 물질로 이루어지며, 구체적으로, 상기 기능성 부재(300)를 구성하는 물질의 습도 및/또는 온도의 변화에 따른 기계적 변형은 상기 기판(100)을 구성하는 물질의 습도 및/또는 온도의 변화에 따른 기계적 변형과 상이할 수 있다.
도 5는 온도 및/또는 습도의 증가 또는 감소에 따른 본 출원의 다른 예에 따른 무선 센서의 변화를 예시한 단면도이다.
도 5를 참조하면, 온도 또는 습도가 변경되면, 무선 센서를 구성하는 기판(100)이 팽창하거나 또는 기능성 부재(300)가 수축할 수 있고, 그에 따라 기판(100) 상의 회절 격자 구조체(200)의 간격이 증가할 수 있다. 이와 반대로 온도 또는 습도가 변경될 경우 무선 센서를 구성하는 기판(100)이 수축하거나 또는 기능성 부재(300)가 팽창할 수 있고, 그에 따라 기판(100) 상의 회절 격자 구조체(200)의 간격이 감소할 수 있다.
이에 따라, 본 출원의 다른 예에 따른 무선 센서는 온도 및/또는 습도의 변화에 따라 회절 격자 구조체(200)의 간격이 변경되고, 회절 격자 구조체(200)에 반사되는 빛의 파장이 이동되어 온도 및/또는 습도의 변화를 측정할 수 있다.
본 출원의 다른 예에 따른 무선 센서가 온도 센서로 활용되는 경우, 상기 기판(100)을 구성하는 물질의 열 팽창계수는 상기 기능성 부재(300)를 구성하는 물질의 열 팽창계수와 상이하다. 예로서, 상기 기판(100)과 상기 기능성 부재(300)는 서로 상이한 열 팽창계수를 가지는 형상기억폴리머를 포함하여 이루어질 수 있다. 또한, 상기 기판(100) 및 기능성 부재(300)는 열 팽창계수가 점차로 증가하거나 감소하는 기능경사재료(functionally graded material)로 이루어질 수 있으며, 이때, 상기 기능성 부재(300)의 하면에서 상기 기판(100)의 상면까지 열팽창계수가 점차로 증가하거나 또는 점차로 감소할 수 있다. 또한, 상기 기판(100)과 상기 기능성 부재(300)는 서로 상이한 메탈(metal)로 이루어질 수 있으며, 그에 따라 상기 기판(100)과 상기 기능성 부재(300) 전체가 바이메탈(bi-metal)구조를 이룰 수 있 있다.
상기 형상기억폴리머는 형상기억폴리머의 물성(유리천이온도 또는 녹는점)에 대응되는 특정 온도에서 초기 형상으로 복원되거나, 설정된 형상으로 변경될 수 있다. 예를 들어, 상기 기판(100) 및 기능성 부재(300)는 서로 상이한 물성을 갖는 형상기억폴리머를 포함할 수 있고, 온도의 증가 또는 하락에 따라 서로 상이한 열 팽창 거동을 나타낼 수 있다. 상기 기능경사재료 및 바이메탈은 서로 상이한 열 팽창계수를 갖는 제1 부재 및 제2 부재를 혼합 또는 부착하여, 온도의 상승 또는 하강에 따라 서로 상이한 거동을 갖도록 형성될 수 있다. 상기 기판(100)과 상기 기능성 부재(300) 각각을 상대적으로 열 팽창계수가 높은 물질 및 상대적으로 열 팽창계수가 낮은 물질을 혼합하여 형성할 수 있으며, 이 경우, 상기 기판(100)에는 열 팽창계수가 높은 물질의 함량을 증가시키고 상기 기능성 부재(300)에는 열 팽창계수가 낮은 물질의 함량을 증가시킬 수 있으며, 이와 반대로 형성할 수도 있다.
본 출원의 다른 예에 따른 무선 센서가 온도 센서로 활용되는 경우의 동작을 보다 구체적으로 설명하면 다음과 같다.
상기 기판(100)이 제1 열 팽창계수(thermal expansion coefficient)을 갖도록 설정되는 경우, 상기 기능성 부재(300)는 상기 제1 열 팽창계수와 상이한 제2 열 팽창계수를 가질 수 있다.
상기 기판(100)의 제1 열 팽창계수가 상기 기능성 부재(300)의 제2 열 팽창계수보다 큰 조건에서, 본 출원의 다른 예에 따른 무선 센서에 온도를 증가시키면, 기판(100)의 부피 팽창률이 기능성 부재(300)의 부피 팽창률 보다 더 커지게 되고, 이에 따라 본 출원의 다른 예에 따른 무선 센서는 회절 격자 구조체(200)의 방향으로 볼록하도록 변형될 수 있고, 이에 대응하여 회절 격자 구조체(200) 사이의 간격은 늘어날 수 있다.
또한, 상기 기판(100)의 제1 열 팽창계수가 기능성 부재(300)의 제2 열 팽창계수보다 큰 조건에서, 본 출원의 다른 예에 따른 무선 센서에 온도를 감소시키면, 기판(100)의 부피 감소율이 기능성 부재(300)의 부피 감소율 보다 더 커지게 되고, 이에 따라 본 출원의 다른 예에 따른 무선 센서는 회절 격자 구조체(200)의 방향으로 오목하도록 변형될 수 있고, 이에 대응하여 회절 격자 구조체(200) 사이의 간격은 줄어들 수 있다.
상기와 동일한 원리에 따라, 상기 기판(100)의 제1 열 팽창계수가 상기 기능성 부재(300)의 제2 열 팽창계수보다 작은 조건에서는, 본 출원의 다른 예에 따른 무선 센서에 온도를 증가시키면 본 출원의 다른 예에 따른 무선 센서는 회절 격자 구조체(200)의 방향으로 오목하도록 변형될 수 있고, 본 출원의 다른 예에 따른 무선 센서에 온도를 감소시키면 본 출원의 다른 예에 따른 무선 센서는 회절 격자 구조체(200)의 방향으로 볼록하도록 변형될 수 있다.
본 출원의 다른 예에 따른 무선 센서가 습도 센서로 활용되는 경우, 상기 기판(100)을 구성하는 물질의 습도 팽창계수는 상기 기능성 부재(300)를 구성하는 물질의 습도 팽창계수와 상이하다. 예로서, 상기 기판(100) 및 기능성 부재(300)는 서로 상이한 습도 팽창계수를 가지는 하이드로겔을 포함하여 이루어질 수 있다. 또한, 상기 기판(100) 및 기능성 부재(300)는 습도 팽창계수가 점차로 증가하거나 감소하는 기능경사재료(functionally graded material)로 이루어질 수 있으며, 이때, 상기 기능성 부재(300)의 하면에서 상기 기판(100)의 상면까지 습도 팽창계수가 점차로 증가하거나 또는 점차로 감소할 수 있다. 또한, 상기 기판(100)과 상기 기능성 부재(300) 각각을 상대적으로 습도 팽창계수가 높은 물질 및 상대적으로 습도 팽창계수가 낮은 물질을 혼합하여 형성할 수 있으며, 이 경우, 상기 기판(100)에는 습도 팽창계수가 높은 물질의 함량을 증가시키고 상기 기능성 부재(300)에는 습도 팽창계수가 낮은 물질의 함량을 증가시킬 수 있으며, 이와 반대로 형성할 수도 있다.
본 출원의 다른 예에 따른 무선 센서가 습도 센서로 활용되는 경우의 동작을 보다 구체적으로 설명하면 다음과 같다.
상기 기판(100)이 제1 습도 팽창계수를 갖도록 설정되는 경우, 상기 기능성 부재(300)는 상기 제1 습도 팽창계수와 상이한 제2 습도 팽창계수를 가질 수 있다.
상기 기판(100)의 제1 습도 팽창계수가 상기 기능성 부재(300)의 제2 습도 팽창계수보다 큰 조건에서, 본 출원의 다른 예에 따른 무선 센서에 습도를 증가시키면, 기판(100)의 부피 팽창률이 기능성 부재(300)의 부피 팽창률 보다 더 커지게 되고, 이에 따라 본 출원의 다른 예에 따른 무선 센서는 회절 격자 구조체(200)의 방향으로 볼록하도록 변형될 수 있고, 이에 대응하여 회절 격자 구조체(200) 사이의 간격은 늘어날 수 있다.
또한, 상기 기판(100)의 제1 습도 팽창계수가 기능성 부재(300)의 제2 습도 팽창계수보다 큰 조건에서, 본 출원의 다른 예에 따른 무선 센서에 습도를 감소시키면, 기판(100)의 부피 감소율이 기능성 부재(300)의 부피 감소율 보다 더 커지게 되고, 이에 따라 본 출원의 다른 예에 따른 무선 센서는 회절 격자 구조체(200)의 방향으로 오목하도록 변형될 수 있고, 이에 대응하여 회절 격자 구조체(200) 사이의 간격은 줄어들 수 있다.
상기와 동일한 원리에 따라, 상기 기판(100)의 제1 습도 팽창계수가 상기 기능성 부재(300)의 제2 습도 팽창계수보다 작은 조건에서는, 본 출원의 다른 예에 따른 무선 센서에 습도를 증가시키면 본 출원의 다른 예에 따른 무선 센서는 회절 격자 구조체(200)의 방향으로 오목하도록 변형될 수 있고, 본 출원의 다른 예에 따른 무선 센서에 습도를 감소시키면 본 출원의 다른 예에 따른 무선 센서는 회절 격자 구조체(200)의 방향으로 볼록하도록 변형될 수 있다.
도 6(a) 내지 도 6(e)는 본 출원의 일 예에 따른 무선 센서의 제조방법 순서도를 도시한 것이다.
도 6(a) 내지 도 6(e)를 참조하면, 본 출원의 일 예에 따른 무선 센서의 제조방법은 몰드(10)를 준비하는 단계, 상기 몰드(10) 상에 제1 방향과 상기 제1 방향과 교차하는 제2 방향을 따라 배열되는 복수의 홈 패턴(15)을 형성하는 단계, 및 상기 복수의 홈 패턴(15)이 형성된 몰드 상에, 고분자 및 금속나노입자를 포함하는 혼합 전구체를 도포하고, 성형하는 단계를 포함하는 방법에 의해 준비될 수 있고, 이에 의해 회절 격자 구조체를 포함하는 무선 센서가 준비될 수 있다.
먼저, 도 6(a)와 같이 몰드(10)를 준비한다. 상기 몰드(10)는 실리콘, 실리콘 카바이드와 같은 세라믹 물질일 수 있고, 스테인리스 스틸과 같은 합금 물질일 수 있지만, 반드시 이에 제한되는 것은 아니다.
다음으로, 도 6(b)와 같이 상기 몰드(10) 상에 제1 방향과 상기 제1 방향과 교차하는 제2 방향을 따라 배열되는 복수의 홈 패턴(15)을 형성한다.
상기 복수의 홈 패턴(15)을 형성하는 단계는 후속 단계에서 형성되는 회절 격자 구조체의 형성 공간을 정의하는 단계이다. 상기 복수의 홈 패턴(15)은 불규칙 하거나 규칙적인 나노 패턴 가공이 가능한 공정을 이용하여 형성될 수 있고, 적용 가능한 공정으로는 기계적 가공에 의한 나노 절삭 공정, 집속이온빔(Focused Ion Beam, FIB) 장치에 의한 이온 빔 밀링(milling) 공정을 통해 형성될 수 있고, 이때, 상기 집속이온빔의 밀링 주기에 따라 복수의 홈 패턴(15) 사이의 간격이 결정될 수 있다. 본 출원에 따른 무선 센서의 제조방법은 마스크 등의 고가의 장비가 요구되는 리소그라피(lithography) 공정을 이용하지 않고, 정밀 미세가공으로 몰드(10)에 홈 패턴(15)을 형성할 수 있고, 이에 후속으로 형성되는 회절 격자 구조체의 간격 및 형상을 제어할 수 있다.
다음으로, 도 6(c)와 같이 상기 홈 패턴(15) 내에 고분자를 충진하거나 또는 고분자와 나노입자를 포함하는 혼합물을 충진하여 복수의 회절 격자 구조체를 형성한다. 상기 반사물질은 나노입자를 포함할 수 있다.
상기 고분자 및 나노입자를 충진하는 공정은 다음과 같다.
먼저, 나노입자와 유연고분자를 준비하고, 이를 에탄올 또는 알코올과 같은 유기용매에 고르게 교반한다. 다음으로, 유기용매를 증발시키고, 경화제를 첨가하여 혼합 전구체를 준비하고, 준비한 혼합 전구체를 상기 홈 패턴(15)에 충진한 후 성형한다.
또한, 상기 충진하는 단계의 수행 전에, 후술하는 도 6(e) 공정을 용이하게 수행하기 위해서, 상기 몰드(10) 상에 이형제(parting agent)를 도포하는 단계를 추가로 포함할 수 있다.
다음으로, 도 6(d)와 같이 상기 몰드(10) 상에 기판(100)을 적층한다. 상기 기판(100)은 상기 홈 패턴(15)에 충진된 고분자와 동일한 고분자를 이용하여 적층할 수 있다. 상기 적층 공정은 열처리 공정을 추가로 포함할 수 있으며, 열처리 공정을 통해 상기 홈 패턴(15)에 충진된 회절 격자 구조체와 상기 기판(100)이 접착된다. 보다 구체적으로, 상기 열처리 공정에 의해서 상기 회절 격자 구조체에 포함된 고분자와 상기 기판(100)을 구성하는 고분자가 서로 결합될 수 있다.
다음으로, 도 6(e)와 같이, 상기 몰드(10)로부터 상기 기판(100)을 분리한다. 이때, 상기 몰드(10)의 홈 패턴(15)에 충진된 고분자 또는 고분자와 반사물질도 상기 기판(100)과 함께 분리되어 상기 기판(100) 상에 회절 격자 구조체(200)가 형성된 본 출원의 무선 센서를 얻는다.
본 출원의 일 예에 따른 무선 센서의 제조방법에 있어서, 상기 고분자는 외력에 의해 변형 가능한 고분자일 수 있다. 상기 고분자는 PDMS(Polydimethylsiloxane), 폴리이미드(polyimide), PET(Polyethylene Terephthalate), 하이드로겔(hydrogel) 및 에코플렉스(ecoflex) 중 적어도 하나를 포함하는 고분자 물질로 이루어질 수 있다.
본 출원의 일 예에 따른 무선 센서의 제조방법에 있어서, 상기 나노입자는 알루미늄(Al), 티타늄(Ti), 크롬(Cr), 철(Fe), 코발트(Co), 니켈(Ni), 구리(Cu), 아연(Zn), 은(Ag), 인듐(In), 주석(Sn), 텅스텐(W), 백금(Pt), 금(Au), 납(Pb), 이들의 합금 및 이들의 산화물 중 적어도 하나를 포함할 수 있고, 상기 금속나노입자는 바람직하게 표면 플라즈몬 공명 효과를 갖는 금속이고, 높은 반사도를 갖는 금속일 수 있다. 또한, 표면플라즈몬 현상에 의해 반사를 일으키므로 상기 회절 격자 구조체 내에 불규칙적으로 분산될 수 있다. 또한, 상기 고분자는 바람직하게 외력에 의해 적절히 변형될 수 있도록 높은 탄성을 갖는 고분자일 수 있다.
상기 금속나노입자의 직경은 10nm 내지 1000nm의 범위일 수 있으나, 이에 특별히 제한되는 것은 아니다.
상기 나노입자의 직경이 직경이 10nm 보다 작은 나노입자는 제작 단가가 높기 때문에 적용하기 어렵고, 1000nm 보다 큰 나노입자는 표면 회절 격자 구조체 보다 크기 때문에 패턴을 손상시킬 수 있어 적용이 어렵다. 따라서 나노입자는 10nm 내지 1000nm의 직경을 가지는 것이 바람직하다.
본 출원의 일 예에 따른 무선 센서의 제조방법에 있어서, 상기 홈 패턴(15)의 간격은 300 nm 내지 800nm일 수 있다.
이때, 상기 홈 패턴(15)의 간격은 하나의 홈 패턴(15)의 중심을 관통하는 중심축 및 그와 인접한 다른 하나의 홈 패턴(15)의 중심을 관통하는 중심축 사이의 거리를 의미한다. 여기서, 상기 홈 패턴(15)의 간격이 300nm 미만인 경우에는, 후속으로 형성되는 상기 회절 격자 구조체에 의해 회절되는 빛의 스펙트럼이 자외선 영역으로 벗어나 색상의 변화로 관찰하기 어려운 문제점이 있을 수 있다. 그리고, 홈 패턴(15)의 간격이 800nm를 초과하는 경우에는, 후속으로 형성되는 상기 회절 격자 구조체에 의해 회절되는 빛의 스펙트럼이 적외선 영역으로 벗어나 색상의 변화로 관찰하기 어려운 문제점이 있을 수 있다. 이에 따라, 상기 홈 패턴(15)의 간격은 300nm 내지 800nm로 설정되는 것이 바람직하다.
도시하지는 않았지만, 상기 몰드로부터 분리하는 단계이후에, 회절 격자 구조체(200)가 형성되지 않은 상기 기판(100)의 타면 상에 전술한 기능성 부재(300)를 부착하여 전술한 도 4a 및 도 4b에 따른 무선 센서를 제조할 수 있다.
이하, 본 출원을 하기 예를 들어 더욱 상세하게 설명하기로 한다.
제 1 예
먼저, 20mm x 20mm 치수를 갖는, 700㎛ 두께의 실리콘(Silicon) Wafer를 준비하였다. 다음으로, 상기 실리콘 웨이퍼를 집속이온빔(Focused Ion Beam, FIB) 장치를 이용하여 단일 회절 격자 구조체를 위한 패턴 형성을 위해 625pA 조건으로 0.08초의 밀링시간으로 1회 스캔하여 패턴을 제작하였고, 제1방향 및 제2방향으로 460nm의 간격을 갖고, 약 100nm의 깊이를 갖도록 밀링 간격을 조절하면서, 밀링을 반복하여 실리콘 웨이퍼 몰드를 제작하였다.
다음으로, 금속나노입자 및 외력에 의해 변형될 수 있는 고분자를 포함하는 회절 격자 구조체 및 고분자 기판의 제조를 위해서, 25nm 직경을 갖는 코발트(Co) 나노입자와 PDMS 액상 전구체 용액을 교반하여, 금속-고분자 복합 용액을 준비하였다.
다음으로, 상기 몰드에 앞서 준비된 금속나노입자-PDMS 액상 전구체 용액을 도포하고, 고화시킨 후, 50㎛x 50㎛의 단면을 갖는 무선 센서를 준비하였다.
제 2 예
상기 제 1예에서, 집속이온빔 장치를 이용한 식각을 수행할 때 집속이온빔의 밀링 주기 간격을 520nm로 변경한 것을 제외하고는 동일하게 준비하여 무선 센서를 준비하였다.
제 3 예
상기 제 1예에서, 집속이온빔 장치를 이용한 식각을 수행할 때 집속이온빔의 밀링 주기 간격을 600nm로 변경한 것을 제외하고는 동일하게 준비하여 무선 센서를 준비하였다.
제 4 예
상기 제 1예에서, 집속이온빔 장치를 이용한 식각을 수행할 때 집속이온빔의 밀링 주기 간격을 670nm로 변경한 것을 제외하고는 동일하게 준비하여 무선 센서를 준비하였다.
제 5 예
상기 제 1예에서, 집속이온빔 장치를 이용한 식각을 수행할 때 집속이온빔의 밀링 주기 간격을 690nm로 변경한 것을 제외하고는 동일하게 준비하여 무선 센서를 준비하였다.
제 6 예
상기 제 1예에서, 집속이온빔 장치를 이용한 식각을 수행할 때 집속이온빔의 밀링 주기 간격을 750nm로 변경한 것을 제외하고는 동일하게 준비하여 무선 센서를 준비하였다.
제 7 예
상게 제 1 예에서, 상기 기판의 타면 상에 알루미늄(Al) 및 질화 알루미늄(AlN) 복합체의 경사기능재료로 이루어진 300㎛ 두께의 기능성 부재를 배치한 것을 제외하고는 동일하게 준비하여 무선 센서를 준비하였다.
도 7(a)는 제 3 예에 의해 준비된 무선 센서의 상부 표면을 AFM(atomic force microscopy) 장치로 촬영한 사진이고, 도 7(b)는 도 7(a)에서 Line A를 따라 측정한 라인프로파일 그래프이다.
도 7(a)를 참조하면, 제 3 예에 의해 준비된 무선 센서는 AFM 장치를 통해 관찰한 결과 각각의 회절 격자 구조체가 분리되어 형성된 것을 알 수 있다. 도 7(b)를 참조하면, 회절 격자 구조체의 피치 사이의 거리는 약 602nm로 측정되었고, 상기 회절 격자 구조체는 약 100nm의 높이를 갖는 것으로 측정되었다.
이하, 본 출원을 하기 실험예를 들어 더욱 상세하게 설명하기로 한다.
측정조건셋업(Measurement Setup)
입사광 및 회절 각도에 따른 측정조건 셋업을 위해 백색광원의 입사각도 및 측정각도를 다양하게 변경하면서 실험하였다.
도 8(a)는 제 2 예 내지 제 4 예에 의해 준비된 무선 센서에 입사광 0°으로 설정하고, 0°에서 무선 센서를 촬영한 사진이고, 도 6b는 제 2 예 내지 제 4 예에 의해 준비된 무선 센서에 입사광은 60°으로 설정하고, 0°에서 무선 센서를 촬영한 사진이다.
도 8(a)를 참조하면, 입사광의 입사각도가 0°이고, 무선 센서의 측정 각도가 0°일 때, 제 2 예 내지 제 4 예에 의해 준비된 무선 센서는 회절 파장의 강도에서만 차이가 있고, 무선 센서에서 관찰되는 색상 변화는 거의 없는 것을 알 수 있다.
반면에, 도 8(b)를 참조하면, 입사광의 입사각도가 60°이고, 무선 센서의 측정 각도가 0°일 때, 제 2 예 내지 제 4 예에 의해 준비된 무선 센서는 회절 격자 구조체의 간격의 변화에 따라 관찰되는 색상이 변화하는 것을 알 수 있다.
도 8(c)는 제 2 예 내지 제 4 예에 의해 준비된 무선 센서에 입사각은 60°으로 설정하고, 0°에서 반사 스펙트럼을 측정한 것이다.
8(c)를 참조하면, 제 2 예 내지 제 4 예에 의해 준비된 무선 센서의 회절 격자 구조체의 격자 주기(d)는 회절 격자 구조체의 의해 분광되는 스펙트럼의 피크는 회절차수(diffraction order, m)이 "1"일 때, 본 출원의 일 예에 따른 무선 센서의 회절 격자 구조체의 간격(d)과 회절 파장(λ)은 다음의 수학식 3을 만족할 수 있다.
[수학식 3]
이때 상기 수학식 3에 기반하여 제 1 예 내지 제 6 예에 의해 준비된 무선 센서는 회절차수(m)가 1이고, 입사광의 입사각도가 60°이고, 회절 파장의 측정각도가 0°일 때, 이에 대응되는 스펙트럼의 피크 파장은 하기의 표1과 같이 계산될 수 있다.
| 색상(Color) | 파장 λ(wavelength, nm) | d(nm) |
| 빨강(Red) | 650 | 750 |
| 주황(Orange) | 600 | 690 |
| 노랑(Yellow) | 580 | 670 |
| 녹색(Green) | 520 | 600 |
| 파랑(Blue) | 450 | 520 |
| 보라(Violet) | 400 | 460 |
도 8(c) 및 표 1을 참조하면, 표 1에 의해 수학식으로 계산된 이론 파장 피크값과 실제로 측정된 파장 피크 값은 약 10~20nm의 근소한 차이만 있는 것을 알 수 있고, 이를 통해 회절 격자 구조체의 간격의 변경을 통해 본 출원의 일 예에 따른 무선 센서에 의해 반사된 빛의 파장이 이동(shift)되고, 이에 따라 관찰되는 색상이 변화하는 것을 확인하였다.
선형 변형(Linear Deformation) 인가 실험
도 9(a)는 제 1 예 내지 제 6 예에 의해 준비된 무선 센서에 일 방향으로 스트레인을 인가하고, 이에 의해 변화된 색상을 측정한 사진이고, 도 9(b)는 스트레인의 인가에 의해 회절 격자 구조체 사이의 거리가 변경되는 것을 개략적으로 나타낸 모식도이다.
도 9(a)를 참조하면, 제 1 예 내지 제 6 예에 의해 준비된 무선 센서에 일 방향으로 선형 변형(linear deformation)이 인가되었을 때, 제 1 예 내지 제 6 예에 의해 준비된 무선 센서에서 관찰된 색상이 초기 상태와 비교하여 변경된 것을 알 수 있다. 특히, 제 3 예에 의해 준비된 무선 센서는 초기상태에 초록색을 나타내었고, 일 방향으로 선형 변형이 인가된 후 노란색을 나타내었다. 이를 통해, 도 9(b)와 같이 본 출원의 일 예에 따른 무선 센서에 일 방향으로 선형 변형이 인가되면, 무선 센서의 회절 격자 구조체의 간격(d)이 증가하고, 이에 따라 관찰되는 회절 파장의 피크값이 긴 파장으로 이동(shift)될 수 있다.
도 10(a)는 제 2예에 의해 준비된 무선 센서에 입사광은 70°으로 설정하고, 0°에서 반사 스펙트럼을 측정하면서, 무선 센서의 일축 선형 변형을 0%, 10%, 25%, 및 45%로 설정하면서 무선 센서의 색상 변화를 측정한 것이다.
도 10(a)를 참조하면, 제 2 예에 의해 준비된 무선 센서의 일축 선형 변형을 0%일 때, 무선 센서는 파란색 발광을 하는 것을 알 수 있고, 제 2예에 의해 준비된 무선 센서의 일축 선형 변형을 10%일 때, 무선 센서는 녹색 발광을 하는 것을 알 수 있고, 제 2예에 의해 준비된 무선 스트레인 센서의 일축 선형 변형을 25%일 때, 무선 센서는 노란색 발광을 하는 것을 알 수 있고, 또한 제 2예에 의해 준비된 무선 센서의 일축 선형 변형을 45%일 때, 무선 센서는 적색 발광을 하는 것을 알 수 있다. 이를 통해, 상기 실험 조건에서 일축 선형 변형량이 증가함에 따라 관찰되는 파장의 길이가 이에 대응하여 점차 길어지는 것을 알 수 있다.
도 10(b)는 도 10(a)에서 무선 센서의 일축 선형 변형이 0%, 10%, 25%, 및 45%일 때, 각각의 조건에서 반사 스펙트럼 파장을 측정하여 도시한 것이다.
도 10b를 참조하면, 앞선 실험 조건에서 제 1 예에 의해 준비된 무선 센서의 일축 선형 변형을 0%, 10%, 25%, 및 45%로 설정함에 따라, 분광 스펙트럼의 피크 파장이 각각 445nm, 498nm, 571nm 및 645nm로 이동(shift)되는 것을 알 수 있다.
도 10c는 도 10b에서 무선 센서의 일축 선형 변형에 대한 스펙트럼 피크 값의 이론치와 측정치를 도시한 것이다.
도 10c를 참조하면, 측정값의 파장 피크값이 이론값에 비교하여 약 10~20nm 긴파장 방향으로 이동(shift)되는 것을 알 수 있으나, 대체로 이론값과 측정값이 잘 대응되는 것을 알 수 있다.
이상 첨부된 도면을 참조하여 본 출원의 예들을 더욱 상세하게 설명하였으나, 본 출원은 반드시 이러한 예로 국한되는 것은 아니고, 본 출원의 기술사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양하게 변형 실시될 수 있다. 따라서, 본 출원에 개시된 예들은 본 출원의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 예에 의하여 본 출원의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 그러므로, 이상에서 기술한 예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 본 출원의 보호 범위는 청구 범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 출원의 권리 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
100: 기판
200: 회절 격자 구조체
210: 나노입자
220: 기지부
300: 기능성 부재
10: 몰드
15: 홈 패턴
200: 회절 격자 구조체
210: 나노입자
220: 기지부
300: 기능성 부재
10: 몰드
15: 홈 패턴
Claims (22)
- 외력에 의해 변형 가능한 기판; 및
상기 기판의 일면 상에 제1 방향 및 상기 제1 방향과 교차하는 제2 방향을 따라 배열된 복수의 회절 격자 구조체를 포함하고,
상기 복수의 회절 격자 구조체에 의해 회절되는 빛의 스펙트럼은 상기 기판의 변형에 대응하여 이동하고,
상기 기판은 PDMS(Polydimethylsiloxane), 폴리이미드(polyimide), PET(Polyethylene Terephthalate), 하이드로겔(hydrogel) 및 에코플렉스(ecoflex) 중 적어도 하나를 포함하는 고분자 물질로 이루어지고,
상기 회절 격자 구조체는 상기 기판과 동일한 재질로 이루어진, 무선 센서. - 제1항에 있어서,
상기 복수의 회절 격자 구조체에 의해 회절되는 빛의 스펙트럼은 상기 기판의 변형에 따른 상기 회절 격자 구조체의 간격 변화에 대응하여 이동하는, 무선 센서. - 제1항에 있어서,
상기 복수의 회절 격자 구조체는 상기 기판의 일면에서 수직 방향으로 돌출된 구조로 이루어진, 무선 센서. - 제1항에 있어서,
상기 복수의 회절 격자 구조체는 상기 제1 방향 및 상기 제2 방향에서 동일한 간격으로 배열된, 무선 센서. - 제1항에 있어서,
상기 회절 격자 구조체의 간격은 300 nm 내지 800nm인, 무선 센서. - 삭제
- 삭제
- 제1항에 있어서,
상기 회절 격자 구조체는 반사물질을 더 포함하는, 무선 센서. - 제8항에 있어서,
상기 반사물질은 상기 회절 격자 구조체 내에 불규칙적으로 분산되어 있는, 무선 센서. - 제8항에 있어서,
상기 반사물질은 나노입자를 포함하는, 무선 센서. - 제10항에 있어서,
상기 나노입자는 알루미늄(Al), 티타늄(Ti), 크롬(Cr), 철(Fe), 코발트(Co), 니켈(Ni), 구리(Cu), 아연(Zn), 은(Ag), 인듐(In), 주석(Sn), 턴스텐(W), 백금(Pt), 금(Au), 납(Pb), 이들의 합금 및 이들의 산화물 중 적어도 하나를 포함하는, 무선 센서. - 제10항에 있어서,
상기 나노입자의 직경은 10 내지 1000nm인, 무선 센서. - 제8항에 있어서,
상기 회절 격자 구조체의 나노입자 대 고분자 물질의 질량비는 1:10 내지 1:1000인, 무선 센서. - 제1항에 있어서,
상기 기판의 타면 상에 배치되는 기능성 부재를 더 포함하고,
상기 기능성 부재는 습도 또는 온도의 변화에 따라 상기 기판과의 기계적 변형률이 상이한, 무선 센서. - 제14항에 있어서,
상기 기판 및 기능성 부재는 습도 변화에 따른 기계적 변형률이 서로 상이한 하이드로겔을 포함하는, 무선 센서. - 제14항에 있어서,
상기 기판 및 기능성 부재는 온도에 따른 기계적 변형률이 서로 상이한 형상기억폴리머를 포함하는, 무선 센서. - 제14항에 있어서,
상기 기판 및 기능성 부재는 습도 변화 또는 온도 변화에 따른 기계적 변형률이 점차로 변경되는 기능경사재료를 포함하고, 상기 기능성 부재의 하면에서부터 상기 기판의 상면까지 기계적 변형률이 점차로 증가하거나 또는 점차로 감소하는, 무선 센서. - 몰드를 준비하는 단계;
상기 몰드 상에 제1 방향 및 상기 제1 방향과 교차하는 제2 방향을 따라 배열되는 복수의 홈 패턴을 형성하는 단계;
상기 복수의 홈 패턴 내에, 고분자 또는 고분자와 반사물질의 혼합물을 충진하여 복수의 회절 격자 구조체를 형성하는 단계;
상기 복수의 회절 격자 구조체와 접착시키면서 상기 몰드 상에 기판을 적층하는 단계; 및
상기 복수의 회절 격자 구조체 및 상기 기판을 상기 몰드로부터 분리하는 단계를 포함하는, 무선 센서의 제조방법. - 제18항에 있어서,
상기 복수의 홈 패턴을 형성하는 단계는 나노 절삭 공정, 또는 집속이온빔 공정에 의해 수행되는, 무선 센서의 제조방법. - 제18항에 있어서,
상기 고분자와 반사물질을 충진하는 공정은 유연고분자와 금속나노입자를 준비한 후 유기용매에 교반하고, 상기 유기 용매를 증발시키고 경화제를 첨가하여 혼합 전구체를 준비하고, 준비한 혼합 전구체를 상기 홈 패턴에 충진한 후 성형하는 공정을 포함하는, 무선 센서의 제조방법. - 제18항에 있어서,
상기 복수의 회절 격자 구조체를 형성하는 단계 이전에 상기 몰드 상에 이형제를 도포하는 단계를 더 포함하는, 무선 센서의 제조방법. - 제18항에 있어서, 상기 몰드로부터 분리하는 단계 이후에 상기 회절 격자 구조체가 형성되지 않은 상기 기판의 타면 상에 기능성 부재를 부착하는 단계를 더 포함하고, 상기 기능성 부재는 습도 또는 온도의 변화에 따라 상기 기판과의 기계적 변형률이 상이한, 무선 센서의 제조방법.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020180077012A KR102072991B1 (ko) | 2018-07-03 | 2018-07-03 | 구조색을 이용한 무선 센서 및 그의 제조방법 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020180077012A KR102072991B1 (ko) | 2018-07-03 | 2018-07-03 | 구조색을 이용한 무선 센서 및 그의 제조방법 |
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2018
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