KR102135296B1 - Manufacturing method of pressure sensor and pressure sensor manufactured by the same - Google Patents

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오승주
우호균
김한은
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고려대학교 산학협력단
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Abstract

The present invention discloses a method of manufacturing a pressure sensor and a pressure sensor manufactured therefrom. The method of manufacturing the pressure sensor according to an embodiment of the present invention includes: a step of forming a sensing unit on a first substrate; a step of combining the sensing unit and an electrode unit formed on a second substrate, wherein the step of forming a sensing unit includes: a step of forming a conductive layer by applying a conductive material on the first substrate; a step of forming an insulating layer by applying an insulating material surrounded by an organic ligand on the conductive layer; and a step of replacing the organic ligand of the insulating material with an inorganic ligand by contacting the insulating layer with a ligand substitution solution in which the inorganic ligand is dispersed.

Description

압력 센서의 제조 방법 및 이로부터 제조된 압력 센서{MANUFACTURING METHOD OF PRESSURE SENSOR AND PRESSURE SENSOR MANUFACTURED BY THE SAME}A manufacturing method of a pressure sensor and a pressure sensor manufactured therefrom{MANUFACTURING METHOD OF PRESSURE SENSOR AND PRESSURE SENSOR MANUFACTURED BY THE SAME}

본 발명은 압력 센서의 제조 방법 및 이로부터 제조된 압력 센서에 관한 것이다.The present invention relates to a method for manufacturing a pressure sensor and a pressure sensor manufactured therefrom.

압력 센서는 여러 물체와 접촉뿐만 아니라 인가된 압력의 크기도 감지할 수 있다.The pressure sensor can detect the magnitude of the applied pressure as well as contact with various objects.

최근 압력 센서는 의료 모니터링, 질병 진단, 스포츠 활동 분석 및 전자 피부 응용 분야에서의 잠재력으로 인해 상당한 관심을 불러 일으키고 있으며, 압력 센서는 물리적 신호를 전기 신호로 효율적으로 변경하기 때문에 이러한 응용 분야에서 중요하다.Pressure sensors have recently been of considerable interest due to their potential in medical monitoring, disease diagnosis, sports activity analysis and electronic skin applications, and pressure sensors are important in these applications because they effectively convert physical signals into electrical signals. .

압력 센서는 펄스 및 호흡률과 같은 미묘한 물리적 신호를 측정하기 위해 높은 민감도를 가질 뿐만 아니라 저렴한 가격과 간단한 제작 과정을 가지는 것이 바람직하다.It is desirable that the pressure sensor not only has a high sensitivity to measure subtle physical signals such as pulse and respiratory rate, but also has a low cost and simple manufacturing process.

이러한 목적을 위해 압전 저항 감지, 압전 정전 용량 감지, 압전 감지, 트랜지스터 기반 감지의 압력 센서가 연구되었다.For this purpose, pressure sensors of piezoelectric resistance sensing, piezoelectric capacitance sensing, piezoelectric sensing, and transistor-based sensing have been studied.

압전 저항, 압전 용량 또는 트랜지스터 기반 센서와 비교하여 압전 저항 센서는 간단한 형상을 가지므로 쉽게 제작할 수 있다.Compared with piezoelectric resistance, piezoelectric capacity, or transistor-based sensors, piezoelectric resistance sensors have a simple shape and can be easily fabricated.

또한 압전 저항 센서는 간단한 판독 메커니즘을 통해 신호를 쉽게 측정 할 수 있고 높은 감도를 가진다.In addition, the piezoelectric resistance sensor can measure the signal easily through a simple reading mechanism and has high sensitivity.

압전 저항식 압력 센서는 에너지 상태 또는 기하학적 구조를 변경하여 가해지는 압력을 저항 변화로 변환한다.Piezo-resistive pressure sensors change the energy state or geometry to convert the applied pressure into a resistance change.

민감한 압전 저항식 압력 센서를 제작하는 가장 일반적인 방법 중 하나는 두 전도성 전극 사이에 나노/마이크로 스케일 스페이서를 삽입하는 것이다.One of the most common ways to fabricate a sensitive piezo-resistive pressure sensor is to insert a nano/micro scale spacer between two conductive electrodes.

이 구조에서, 스페이서는 압력이 없는 두 전극 사이의 물리적 접촉을 방지하며, 압력이 가해지면 두 전극이 접촉하여 큰 저항 차이가 발생한다.In this structure, the spacer prevents physical contact between the two electrodes without pressure, and when pressure is applied, the two electrodes come into contact and a large resistance difference occurs.

따라서 나노 / 마이크로 스페이서 형상 기반 센서는 높은 감도를 제공할 수 있다.Therefore, nano/micro spacer shape-based sensors can provide high sensitivity.

그러나 기존의 스페이서 기반 압력 센서는 일반적으로 기둥, 돔, 구멍 및 피라미드 패턴의 실리콘 몰드가 스페이서 구조를 제작하는데 이용되었는데, 이러한 실리콘 몰드를 제조하기 위해, 연속적인 증착 및 에칭 단계를 갖는 포토 리소그래피 및 전자빔 리소그래피와 같은 값 비싸고 복잡한 공정이 요구된다.However, conventional spacer-based pressure sensors have generally been used to fabricate spacer structures with silicon molds of pillar, dome, hole, and pyramid patterns. To fabricate such silicon molds, photolithography and electron beam with continuous deposition and etching steps Expensive and complex processes such as lithography are required.

또한 실리콘 몰드 내의 구조 응고를 위해 많은 시간이 요구되어 스페이서 구조 기반의 압력 센서를 대량으로 생산하는 것을 저해한다.In addition, a large amount of time is required for solidification of the structure in the silicon mold, which hinders the mass production of the pressure sensor based on the spacer structure.

또한, 기존의 스페이서 구조는 유연성을 제공하기 위해 기판으로서 사용되는 탄성 중합체 때문에 일반적으로 느린 응답 특성을 가져, 실시간으로 신속한 정보 전송을 방지한다.In addition, conventional spacer structures generally have slow response properties because of the elastomer used as the substrate to provide flexibility, thereby preventing rapid information transmission in real time.

아울러, 기존의 압력 센서의 불투명도는 미적 가치가 낮아 다양한 분야에서의 적용이 제한된다는 문제점을 가진다.In addition, the opacity of the existing pressure sensor has a problem that its application in various fields is limited due to its low aesthetic value.

한국 등록특허공보 제10-1620585호, "은 나노입자가 코팅된 산화아연-그래핀 하이브리드 기반 아세틸렌 가스센서 및 그의 제조방법"Korean Registered Patent Publication No. 10-1620585, "Zinc oxide-graphene hybrid based acetylene gas sensor coated with silver nanoparticles and manufacturing method thereof"

본 발명의 실시예는 용액 공정을 통해 절연성 물질을 둘러싸는 길이가 긴 유기 리간드를 길이가 짧은 무기 리간드로 치환하여 생성된 크랙을 통해 전도층 및 전극부의 접촉이 가능하여, 압력 센서의 민감성을 향상시킬 수 있는 압력 센서의 제조 방법 및 이로부터 제조된 압력 센서를 제공하고자 한다.According to an embodiment of the present invention, the conductive layer and the electrode part can be contacted through a crack generated by replacing a long organic ligand surrounding the insulating material with a short inorganic ligand through a solution process, thereby improving the sensitivity of the pressure sensor. It is intended to provide a manufacturing method of a pressure sensor that can be made and a pressure sensor manufactured therefrom.

본 발명의 실시예는 절연층을 리간드 치환 용액과 접촉시키는 단순한 방법을 통해 크랙을 형성할 수 있어 압력 센서의 대량 생산이 가능한 압력 센서의 제조 방법 및 이로부터 제조된 압력 센서를 제공하고자 한다.An embodiment of the present invention is to provide a pressure sensor manufactured from the pressure sensor and a method for manufacturing a pressure sensor capable of forming a crack through a simple method of contacting the insulating layer with a ligand-substituted solution, thereby enabling mass production of the pressure sensor.

본 발명의 실시예는 유기 리간드로 둘러싸인 절연성 물질을 이용하여 절연층을 형성한 다음 유기 리간드를 무기 리간드로 치환함으로써, 전도층과 절연층 간의 접착성을 향상시킴과 동시에 크랙을 형성할 수 있는 압력 센서의 제조 방법 및 이로부터 제조된 압력 센서를 제공하고자 한다.The embodiment of the present invention forms an insulating layer using an insulating material surrounded by an organic ligand, and then replaces the organic ligand with an inorganic ligand, thereby improving the adhesion between the conductive layer and the insulating layer and simultaneously forming a crack. It is intended to provide a method for manufacturing a sensor and a pressure sensor manufactured therefrom.

본 발명의 실시예는 크랙을 통해 접촉되는 전도층 및 전극부로 인해 응답 특성이 향상된 압력 센서를 제조할 수 있는 압력 센서의 제조 방법 및 이로부터 제조된 압력 센서를 제공하고자 한다.An embodiment of the present invention is to provide a pressure sensor manufactured from the pressure sensor and a method of manufacturing a pressure sensor capable of manufacturing a pressure sensor with improved response characteristics due to a conductive layer and an electrode part contacted through a crack.

본 발명의 실시예는 전도성 물질인 은 나노 와이어 및 절연성 물질인 산화아연 나노 입자를 이용하여 압력 센서를 제조하여 투명성을 향상시킬 수 있는 압력 센서의 제조 방법 및 이로부터 제조된 압력 센서를 제공하고자 한다.An embodiment of the present invention is to provide a pressure sensor manufactured therefrom and a pressure sensor manufactured therefrom to improve transparency by manufacturing a pressure sensor using silver nanowires as a conductive material and zinc oxide nanoparticles as an insulating material. .

본 발명에 따른 압력 센서의 제조 방법은, 제1 기판 상에 감지부를 형성하는 단계; 및 상기 감지부와 제2 기판 상에 형성된 전극부를 결합시키는 단계;를 포함하고, 상기 감지부를 형성하는 단계는, 상기 제1 기판 상에 전도성 물질을 도포하여 전도층을 형성하는 단계; 상기 전도층 상에 유기 리간드로 둘러싸인 절연성 물질을 도포하여 절연층을 형성하는 단계; 및 상기 절연층을 무기 리간드가 분산된 리간드 치환 용액에 접촉시켜 상기 절연성 물질의 유기 리간드를 무기 리간드로 치환하는 단계; 를 포함하는 것을 특징으로 한다.A method of manufacturing a pressure sensor according to the present invention includes the steps of forming a sensing unit on a first substrate; And combining the sensing unit and the electrode unit formed on the second substrate, wherein the forming the sensing unit comprises: forming a conductive layer by applying a conductive material on the first substrate; Forming an insulating layer by applying an insulating material surrounded by an organic ligand on the conductive layer; And replacing the organic ligand of the insulating material with an inorganic ligand by contacting the insulating layer with a ligand replacement solution in which an inorganic ligand is dispersed; It characterized in that it comprises.

본 발명에 따른 압력 센서의 제조 방법에 따르면, 상기 감지부는 상기 절연성 물질의 유기 리간드가 상기 무기 리간드로 치환되면서 형성된 크랙(crack)을 포함할 수 있다.According to the manufacturing method of the pressure sensor according to the present invention, the sensing unit may include a crack formed while the organic ligand of the insulating material is replaced with the inorganic ligand.

본 발명에 따른 압력 센서의 제조 방법에 따르면, 상기 압력 센서에 압력이 가해질 때 상기 크랙을 통해 노출된 상기 전도층이 상기 전극부와 접촉되어 전기 저항이 변할 수 있다.According to the manufacturing method of the pressure sensor according to the present invention, when the pressure is applied to the pressure sensor, the conductive layer exposed through the crack may contact the electrode portion to change electrical resistance.

본 발명에 따른 압력 센서의 제조 방법에 따르면, 상기 유기 리간드는 상기 무기 리간드보다 길이가 길 수 있다.According to the manufacturing method of the pressure sensor according to the present invention, the organic ligand may be longer than the inorganic ligand.

본 발명에 따른 압력 센서의 제조 방법에 따르면, 상기 전도성 물질은 금속 나노 와이어 또는 인듐 주석 산화물(Indium tin oxide, ITO) 나노 입자일 수 있다.According to the manufacturing method of the pressure sensor according to the present invention, the conductive material may be metal nanowires or indium tin oxide (ITO) nanoparticles.

본 발명에 따른 압력 센서의 제조 방법에 따르면, 상기 금속 나노 와이어는 구리 나노 와이어 또는 은 나노 와이어(Ag nanowire, AgNW)일 수 있다.According to the manufacturing method of the pressure sensor according to the present invention, the metal nanowire may be a copper nanowire or a silver nanowire (Ag nanowire, AgNW).

본 발명에 따른 압력 센서의 제조 방법에 따르면, 상기 절연성 물질은 금속 산화물의 나노 입자일 수 있다.According to the manufacturing method of the pressure sensor according to the present invention, the insulating material may be nanoparticles of a metal oxide.

본 발명에 따른 압력 센서의 제조 방법에 따르면, 상기 절연성 물질은 산화아연(ZnO), 알루미늄 산화물(Al2O3), 알루미늄 질화물(AlN), 이산화티타늄(TiO2), 산화아연(ZnO), 산화규소(SiO2), 지르코늄 산화물(ZrO2), 텅스텐 산화물(WO2) 중 어느 하나로 이루어진 나노 입자일 수 있다.According to the manufacturing method of the pressure sensor according to the present invention, the insulating material is zinc oxide (ZnO), aluminum oxide (Al 2 O 3 ), aluminum nitride (AlN), titanium dioxide (TiO 2 ), zinc oxide (ZnO), It may be nanoparticles made of any one of silicon oxide (SiO 2 ), zirconium oxide (ZrO 2 ), and tungsten oxide (WO 2 ).

본 발명에 따른 압력 센서의 제조 방법에 따르면, 상기 절연성 물질의 유기 리간드는 TOPO(trioctylphosphineoxide), 옥타데칸올(octadecanol) 및 올레익산(oleic acid) 중 적어도 어느 하나일 수 있다.According to the manufacturing method of the pressure sensor according to the present invention, the organic ligand of the insulating material may be at least one of TOPO (trioctylphosphineoxide), octadecanol, and oleic acid.

본 발명에 따른 압력 센서의 제조 방법에 따르면, 상기 리간드 치환 용액의 무기 리간드는 황 이온(S2-), 염소 이온(Cl-), 브롬 이온(Br-), 티오시안산 이온(SCN-), 아이오딘 이온(I-), 이황화물 이온(HS-), 텔루륨 이온(Te2-), 수산화 이온(OH-), 사불화붕산 이온(BF4 -) 및 육불화인산 이온(PF6 -) 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.According to the production method of the pressure sensor according to the present invention, the inorganic ligand of the ligand-substitutional solution is sulfur ions (S 2-), chloride ion (Cl -), bromide ion (Br -), thiocyanate ion (SCN -) , iodine ion (I -), disulfide ion (HS -), tellurium ions (Te 2-), hydroxide ions (OH -), boric tetrafluoride ion (BF 4 -) and six hexafluorophosphate ion (PF 6 - ).

본 발명에 따른 압력 센서는 제1 기판 상에 형성된 감지부; 및 제2 기판 상에 형성되고, 상기 감지부와 결합된 전극부를 포함하고, 상기 감지부는, 상기 제1 기판 상에 형성되고, 전도성 물질을 포함하는 전도층; 상기 전도층 상에 형성되고, 무기 리간드로 둘러싸인 절연성 물질과 크랙(crack)을 포함하는 절연층;을 포함하는 것을 특징으로 한다.The pressure sensor according to the present invention includes a sensing unit formed on a first substrate; And an electrode portion formed on the second substrate and coupled to the sensing portion, wherein the sensing portion is formed on the first substrate and includes a conductive layer; It is characterized in that it comprises; an insulating layer formed on the conductive layer, and surrounded by an inorganic ligand and an insulating material and a crack.

본 발명에 따른 압력 센서에 따르면, 상기 압력 센서에 압력이 가해질 때 상기 크랙을 통해 노출된 상기 전도층이 상기 전극부와 접촉되어 전기 저항이 변할 수 있다.According to the pressure sensor according to the present invention, when pressure is applied to the pressure sensor, the conductive layer exposed through the crack may contact the electrode portion to change electrical resistance.

본 발명에 따른 압력 센서에 따르면, 상기 압력 센서가 감지하는 압력 범위는 60kPa 내지 90kPa일 수 있다.According to the pressure sensor according to the present invention, the pressure range sensed by the pressure sensor may be 60 kPa to 90 kPa.

본 발명에 따른 압력 센서에 따르면, 상기 압력 센서의 민감도는 2.0×103 kPa-1 내지 4.0×103 kPa-1일 수 있다.According to the pressure sensor according to the present invention, the sensitivity of the pressure sensor may be 2.0×10 3 kPa -1 to 4.0×10 3 kPa -1 .

본 발명의 실시예에 따르면, 용액 공정을 통해 절연성 물질을 둘러싸는 길이가 긴 유기 리간드를 길이가 짧은 무기 리간드로 치환하여 생성된 크랙을 통해 전도층 및 전극부의 접촉이 가능하여, 압력 센서의 민감성을 향상시킬 수 있다.According to an embodiment of the present invention, the conductive layer and the electrode part can be contacted through a crack generated by replacing a long organic ligand surrounding an insulating material with a short inorganic ligand through a solution process, thereby making the pressure sensor sensitive. Improve it.

본 발명의 실시예에 따르면, 절연층을 리간드 치환 용액과 접촉시키는 단순한 방법을 통해 크랙을 형성할 수 있어 압력 센서의 대량 생산이 가능하다.According to an embodiment of the present invention, a crack can be formed through a simple method of contacting the insulating layer with a ligand displacement solution, thereby enabling mass production of a pressure sensor.

본 발명의 실시예에 따르면, 유기 리간드로 둘러싸인 절연성 물질을 이용하여 절연층을 형성한 다음 유기 리간드를 무기 리간드로 치환함으로써, 전도층과 절연층 간의 접착성을 향상시킴과 동시에 크랙을 형성할 수 있다.According to an embodiment of the present invention, by forming an insulating layer using an insulating material surrounded by an organic ligand, and then replacing the organic ligand with an inorganic ligand, the adhesion between the conductive layer and the insulating layer can be improved and cracks can be formed at the same time. have.

본 발명의 실시예에 따르면, 크랙을 통해 접촉되는 전도층 및 전극부로 인해 응답 특성이 향상된 압력 센서를 제조할 수 있다.According to an embodiment of the present invention, it is possible to manufacture a pressure sensor with improved response characteristics due to a conductive layer and an electrode portion contacted through a crack.

본 발명의 실시예에 따르면, 전도성 물질인 은 나노 와이어 및 절연성 물질인 산화아연 나노 입자를 이용하여 압력 센서를 제조하여 투명성을 향상시킬 수 있다.According to an embodiment of the present invention, a pressure sensor may be manufactured using silver nanowires as a conductive material and zinc oxide nanoparticles as an insulating material to improve transparency.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 압력 센서의 제조 방법을 도시한 순서도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 압력 센서의 구체적인 모습을 도시한 사시도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 절연성 물질의 리간드 치환에 따른 감지부 형성을 도시한 모식도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 압력 센서의 구체적인 모습을 도시한 단면도이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 압력 센서의 압력 유무에 따른 모습을 도시한 모식도이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 압력 센서의 압력을 가하는 다른 모습을 도시한 모식도이다.
도 7a는 본 발명의 실시예에 따른 전도층이 형성된 모습을 도시한 전자주사현미경(scanning electron microscopy, SEM) 이미지이다.
도 7b는 본 발명의 실시예에 따른 전도층이 형성된 모습을 도시한 모식도 및 C-AFM(conductive atomic force microscopy) 이미지이다.
도 8a는 본 발명의 실시예에 따른 리간드 치환 전 모습을 도시한 SEM 이미지이다.
도 8b는 본 발명의 실시예에 따른 리간드 치환 전 모습을 도시한 모식도 및 C-AFM 이미지이다.
도 9a는 본 발명의 실시예에 따른 리간드 치환 후 모습을 도시한 SEM 이미지이다.
도 9b는 본 발명의 실시예에 따른 리간드 치환 후 모습을 도시한 모식도 및 C-AFM 이미지이다.
도 10은 본 발명의 비교예 1 및 실시예에 따른 리간드 치환 여부에 따른 압력 센서의 푸리에 변환 적외선 분광학(Fourier-transform infrared spectroscopy, FT-IR) 스펙트럼을 도시한 그래프이다.
도 11은 본 발명의 비교예 1 및 실시예에 따른 리간드 치환 여부에 따른 압력 센서의 엑스선 회절(X-ray diffraction, XRD) 스펙트럼을 도시한 그래프이다.
도 12는 본 발명의 비교예 1 및 실시예에 따른 리간드 치환 여부에 따른 압력 센서의 전류-전압 곡선을 도시한 그래프이다.
도 13은 본 발명의 비교예 1 및 실시예에 따른 리간드 치환 여부에 따른 압력 센서의 투과율을 도시한 그래프이다.
도 14는 본 발명의 비교예 2 및 실시예에 따른 압력 센서의 절연성 물질 유무 및 압력 유무에 따른 전류-전압 곡선을 도시한 그래프이다.
도 15는 본 발명의 비교예 2 및 실시예에 따른 압력 센서의 절연성 물질 유무에 따른 상대적 전류 변화를 도시한 그래프이다.
도 16은 본 발명의 실시예에 따른 압력 센서에 가해지는 압력의 크기에 따른 모습을 도시한 모식도이다.
도 17은 본 발명의 실시예에 따른 리간드가 치환된 압력 센서의 가시광선 영역에 대한 투과율을 도시한 그래프이다.
도 18은 본 발명의 실시예에 따른 전도성 물질인 은 나노 와이어의 투과율을 도시한 그래프이다.
도 19는 본 발명의 실시예에 따른 압력 센서에 압력을 가할 때 응답 시간(response time) 및 완화 시간(relaxation time)을 도시한 그래프이다.
도 20은 본 발명의 실시예에 따른 압력 센서에 반복적인 압력을 가할 때 전류 변화를 도시한 그래프이다.
도 21은 본 발명의 실시예에 따른 압력 센서에 반복적인 압력을 1000회 가하기 전후에 따른 전류 변화를 도시한 그래프이다.
도 22는 본 발명의 실시예에 따른 압력 센서가 맥박을 실시간으로 측정할 때 전류 변화를 도시한 그래프이다.
도 23은 본 발명의 실시예에 따른 압력 센서의 압력에 따른 센싱 결과를 도시한 이미지이다.
도 24a는 본 발명의 실시예에 따른 압력 센서를 터치하는 모습 및 터치된 압력 센서에 의해 발광하는 LED를 도시한 이미지이다.
도 24b는 본 발명의 실시예에 따른 압력 센서의 터치에 따른 상대적 전류 변화를 도시한 그래프이다.1 is a flowchart illustrating a method of manufacturing a pressure sensor according to an embodiment of the present invention.
2 is a perspective view showing a specific shape of a pressure sensor according to an embodiment of the present invention.
3 is a schematic diagram showing the formation of a sensing unit according to ligand substitution of an insulating material according to an embodiment of the present invention.
4 is a cross-sectional view showing a specific shape of a pressure sensor according to an embodiment of the present invention.
5 is a schematic diagram showing a state according to the presence or absence of pressure in the pressure sensor according to the embodiment of the present invention.
6 is a schematic diagram showing another aspect of applying pressure of a pressure sensor according to an embodiment of the present invention.
7A is a scanning electron microscopy (SEM) image showing a state in which a conductive layer is formed according to an embodiment of the present invention.
7B is a schematic diagram and a C-AFM (conductive atomic force microscopy) image showing a state in which a conductive layer is formed according to an embodiment of the present invention.
8A is an SEM image showing a state before ligand substitution according to an embodiment of the present invention.
8B is a schematic diagram and a C-AFM image showing a state before ligand substitution according to an embodiment of the present invention.
9A is an SEM image showing a state after ligand substitution according to an embodiment of the present invention.
9B is a schematic diagram and a C-AFM image showing a state after ligand substitution according to an embodiment of the present invention.
10 is a graph showing a Fourier transform infrared spectroscopy (FT-IR) spectrum of a pressure sensor depending on whether a ligand is substituted according to Comparative Example 1 and Example of the present invention.
11 is a graph showing an X-ray diffraction (XRD) spectrum of a pressure sensor depending on whether a ligand is substituted according to Comparative Example 1 and Examples of the present invention.
12 is a graph showing a current-voltage curve of a pressure sensor depending on whether a ligand is substituted according to Comparative Example 1 and Example of the present invention.
13 is a graph showing the transmittance of a pressure sensor depending on whether a ligand is substituted according to Comparative Example 1 and Example of the present invention.
14 is a graph showing a current-voltage curve according to the presence and absence of an insulating material and the presence or absence of an insulating material of the pressure sensor according to Comparative Example 2 and Example of the present invention.
15 is a graph showing a relative current change according to the presence or absence of an insulating material of the pressure sensor according to Comparative Example 2 and Example of the present invention.
16 is a schematic diagram showing a state according to the magnitude of pressure applied to a pressure sensor according to an embodiment of the present invention.
17 is a graph showing the transmittance of a pressure sensor substituted with a ligand in a visible light region according to an embodiment of the present invention.
18 is a graph showing a transmittance of silver nanowires as a conductive material according to an embodiment of the present invention.
19 is a graph showing a response time and a relaxation time when applying pressure to a pressure sensor according to an embodiment of the present invention.
20 is a graph showing a change in current when repetitive pressure is applied to a pressure sensor according to an embodiment of the present invention.
21 is a graph showing a change in current before and after applying repetitive pressure 1000 times to a pressure sensor according to an embodiment of the present invention.
22 is a graph showing the current change when the pressure sensor according to an embodiment of the present invention measures the pulse in real time.
23 is an image illustrating sensing results according to pressure of a pressure sensor according to an embodiment of the present invention.
24A is an image showing a state of touching a pressure sensor according to an embodiment of the present invention and an LED emitting light by the touched pressure sensor.
24B is a graph showing a relative current change according to a touch of a pressure sensor according to an embodiment of the present invention.

이하 첨부 도면들 및 첨부 도면들에 기재된 내용들을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세하게 설명하지만, 본 발명이 실시예에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings and the contents described in the accompanying drawings, but the present invention is not limited or limited by the embodiments.

본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함한다(comprises)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급된 구성요소, 단계는 하나 이상의 다른 구성요소, 단계의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.The terminology used herein is for describing the embodiments and is not intended to limit the present invention. In the present specification, the singular form also includes the plural form unless otherwise specified in the phrase. As used herein, "comprises" and/or "comprising" does not exclude the presence or addition of one or more other components, steps, or components mentioned.

본 명세서에서 사용되는 "실시예", "예", "측면", "예시" 등은 기술된 임의의 양상(aspect) 또는 설계가 다른 양상 또는 설계들보다 양호하다거나, 이점이 있는 것으로 해석되어야 하는 것은 아니다.As used herein, "example", "example", "side", "example", etc. should be construed as any aspect or design described being better or more advantageous than another aspect or designs. It is not done.

또한, '또는'이라는 용어는 배타적 논리합 'exclusive or'이기보다는 포함적인 논리합 'inclusive or'를 의미한다. 즉, 달리 언급되지 않는 한 또는 문맥으로부터 명확하지 않는 한, 'x가 a 또는 b를 이용한다'라는 표현은 포함적인 자연 순열들(natural inclusive permutations) 중 어느 하나를 의미한다.Also, the term'or' means an inclusive OR'inclusive or' rather than an exclusive OR. That is, unless stated otherwise or unclear from the context, the expression'x uses a or b'means any of the natural inclusive permutations.

또한, 본 명세서 및 청구항들에서 사용되는 단수 표현("a" 또는 "an")은, 달리 언급하지 않는 한 또는 단수 형태에 관한 것이라고 문맥으로부터 명확하지 않는 한, 일반적으로 "하나 이상"을 의미하는 것으로 해석되어야 한다.Also, the singular expression (“a” or “an”) used in the specification and claims generally means “one or more” unless the context clearly indicates that it is of the singular form or unless otherwise stated. It should be interpreted as.

아래 설명에서 사용되는 용어는, 연관되는 기술 분야에서 일반적이고 보편적인 것으로 선택되었으나, 기술의 발달 및/또는 변화, 관례, 기술자의 선호 등에 따라 다른 용어가 있을 수 있다. 따라서, 아래 설명에서 사용되는 용어는 기술적 사상을 한정하는 것으로 이해되어서는 안 되며, 실시예들을 설명하기 위한 예시적 용어로 이해되어야 한다.The terminology used in the description below has been selected to be general and universal in the related technical field, but may have other terms depending on technology development and/or changes, conventions, and preferences of the technician. Therefore, the terms used in the following description should not be understood as limiting the technical idea, but should be understood as exemplary terms for describing the embodiments.

또한, 특정한 경우는 출원인이 임의로 선정한 용어도 있으며, 이 경우 해당되는 설명 부분에서 상세한 그 의미를 기재할 것이다. 따라서 아래 설명에서 사용되는 용어는 단순한 용어의 명칭이 아닌 그 용어가 가지는 의미와 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 이해되어야 한다.Also, in certain cases, some terms are arbitrarily selected by the applicant, and in this case, detailed meanings will be described in the corresponding description. Therefore, the terms used in the description below should be understood based on the meaning of the term and the entire contents of the specification, not just the name of the term.

다른 정의가 없다면, 본 명세서에서 사용되는 모든 용어(기술 및 과학적 용어를 포함)는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 공통적으로 이해될 수 있는 의미로 사용될 수 있을 것이다. 또 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 명백하게 특별히 정의되어 있지 않는 한 이상적으로 또는 과도하게 해석되지 않는다.Unless otherwise defined, all terms (including technical and scientific terms) used in the present specification may be used as meanings commonly understood by those skilled in the art to which the present invention pertains. In addition, terms defined in the commonly used dictionary are not ideally or excessively interpreted unless specifically defined.

한편, 본 발명의 설명함에 있어서, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는, 그 상세한 설명을 생략할 것이다. 그리고, 본 명세서에서 사용되는 용어(terminology)들은 본 발명의 실시예를 적절히 표현하기 위해 사용된 용어들로서, 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 본 발명이 속하는 분야의 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 따라서, 본 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.On the other hand, in the description of the present invention, when it is determined that a detailed description of related known functions or configurations may unnecessarily obscure the subject matter of the present invention, the detailed description will be omitted. In addition, terms used in the present specification (terminology) are terms used to properly represent an embodiment of the present invention, which may vary depending on a user, an operator's intention, or a custom in a field to which the present invention pertains. Therefore, definitions of these terms should be made based on the contents throughout the present specification.

본 발명에 따른 압력 센서는 전도성 물질로 이루어진 전도층 및 절연성 물질로 이루어진 절연층을 포함하는 감지부와, 감지부에 대응하는 면에 형성된 전극부를 포함하되, 절연성 물질의 입자를 둘러싸는 유기 리간드를 무기 리간드로 치환하여 크랙을 형성함으로써, 크랙을 통해 전도층이 노출된다.The pressure sensor according to the present invention includes a sensing part including a conductive layer made of a conductive material and an insulating layer made of an insulating material, and an electrode part formed on a surface corresponding to the sensing part, the organic ligand surrounding the particles of the insulating material. By replacing with an inorganic ligand to form a crack, the conductive layer is exposed through the crack.

본 발명에 따른 압력 센서에 압력이 가해지면 크랙을 통해 노출된 전도층이 전극부와 접촉되면서 압력을 감지할 수 있다.When pressure is applied to the pressure sensor according to the present invention, the conductive layer exposed through the crack contacts the electrode portion to sense the pressure.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 압력 센서의 제조 방법을 도시한 순서도이다.1 is a flowchart illustrating a method of manufacturing a pressure sensor according to an embodiment of the present invention.

도 1을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 압력 센서(100)의 제조 방법은 제1 기판(110) 상에 감지부(120)를 형성하는 단계 및 감지부(120)와 제2기판 상에 형성된 전극부(140)를 결합시키는 단계를 포함한다.Referring to FIG. 1, a method of manufacturing the pressure sensor 100 according to an embodiment of the present invention includes forming a sensing unit 120 on the first substrate 110 and on the sensing unit 120 and the second substrate. It includes the step of coupling the electrode portion 140 formed in.

구체적으로, 제1 기판(110) 상에 형성된 감지부(120)와 제2 기판(130) 상에 형성된 전극부(140)가 서로 접촉되도록 제1 기판(110) 및 제2 기판(130)을 위치시켜 감지부(120)와 전극부(140)를 결합함으로써 압력 센서(100)가 제조된다.Specifically, the first substrate 110 and the second substrate 130 so that the sensing unit 120 formed on the first substrate 110 and the electrode unit 140 formed on the second substrate 130 contact each other. The pressure sensor 100 is manufactured by positioning and combining the sensing unit 120 and the electrode unit 140.

감지부(120)를 형성하는 단계는 제1 기판(110) 상에 전도성 물질을 도포하여 전도층(121)을 형성하는 단계, 상기 전도층(121) 상에 유기 리간드(123)로 둘러싸인 절연성 물질을 도포하여 절연층(122)을 형성하는 단계, 및 상기 절연층(122)을 무기 리간드가 분산된 리간드 치환 용액에 접촉시켜 상기 절연성 물질의 유기 리간드(123)를 무기 리간드로 치환하는 단계를 포함한다.The step of forming the sensing unit 120 is a step of forming a conductive layer 121 by applying a conductive material on the first substrate 110, an insulating material surrounded by an organic ligand 123 on the conductive layer 121 Forming an insulating layer 122 by applying, and replacing the organic ligand 123 of the insulating material with an inorganic ligand by contacting the insulating layer 122 with a ligand replacement solution in which an inorganic ligand is dispersed. do.

이때 본 발명의 설명에서는 전도층(121) 상에 절연층(122)이 형성된다고 기재하나, 일반적으로 용액 공정의 특성 상 전도성 물질과 절연성 물질이 전도층(121) 및 절연층(122)의 계면에서 일부 혼합될 수 있다.In this case, although the description of the present invention describes that the insulating layer 122 is formed on the conductive layer 121, the conductive material and the insulating material are generally the interface between the conductive layer 121 and the insulating layer 122 due to the characteristics of the solution process. Some can be mixed in.

이하, 본 발명의 실시예에 따른 압력 센서(100)의 제조 방법을 압력 센서(100)의 구조와 함께 설명하도록 한다.Hereinafter, a method of manufacturing the pressure sensor 100 according to the embodiment of the present invention will be described together with the structure of the pressure sensor 100.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 압력 센서의 구체적인 모습을 도시한 사시도이다.2 is a perspective view showing a specific shape of a pressure sensor according to an embodiment of the present invention.

도 2를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 압력 센서(100)는 제1 기판(110), 제2 기판(130), 전극부(140) 및 감지부(120)를 포함한다.Referring to FIG. 2, the pressure sensor 100 according to an exemplary embodiment of the present invention includes a first substrate 110, a second substrate 130, an electrode unit 140 and a sensing unit 120.

제1 기판(110) 및 제2 기판(130)은 전극부(140) 및 감지부(120)를 지지하고, 외력에 의해 변형을 일으키는 피측정대상에 부착되는 기재이다.The first substrate 110 and the second substrate 130 are substrates that support the electrode unit 140 and the sensing unit 120 and are attached to a measurement target that causes deformation by external force.

이때, 피측정대상이란 압력을 감지하고자 하는 대상을 의미하며, 고형의 물체가 될 수 있다.At this time, the object to be measured means an object to sense pressure, and may be a solid object.

실시예에 따라서, 피측정대상은 인간의 피부가 될 수 있으며, 압력 센서(100)가 피부에 부착되어 압력을 감지함으로써 혈압, 맥박, 음성, 동작 등을 인식할 수 있다.Depending on the embodiment, the object to be measured may be human skin, and the pressure sensor 100 may be attached to the skin to sense pressure, thereby recognizing blood pressure, pulse, voice, motion, and the like.

제1 기판(110) 또는 제2 기판(130)은 피측정대상에 부착되기 위해 일면에 접착층을 포함할 수 있다.The first substrate 110 or the second substrate 130 may include an adhesive layer on one surface to be attached to the object to be measured.

제1 기판(110) 및 제2 기판(130)은 유리, 석영(Quartz), Al2O3, SiC, Si, GaAs 또는 InP로 이루어질 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.The first substrate 110 and the second substrate 130 may be made of glass, quartz, Al 2 O 3 , SiC, Si, GaAs, or InP, but is not limited thereto.

제1 기판(110) 및 제2 기판(130)은 피측정대상의 움직임 등에 의해 변형되거나, 외력에의해 변형되어야 하므로 유연한 소재로 이루어질 수 있다.Since the first substrate 110 and the second substrate 130 are deformed by movement of the object to be measured or the like, they must be deformed by an external force, and thus may be made of a flexible material.

특히 감지부(120)가 형성된 제1 기판(110)은 본 발명의 실시예에 따른 압력 센서(100)에 압력이 가해질 때 형상이 변형되면서 전도층(121)이 전극부(140)와 접촉되어 압력을 감지하여야 하므로 유연성 소재로 이루어지는 것이 바람직하다.In particular, the first substrate 110 on which the sensing unit 120 is formed is deformed when pressure is applied to the pressure sensor 100 according to an embodiment of the present invention, so that the conductive layer 121 is in contact with the electrode unit 140. It is preferable to be made of a flexible material because the pressure must be sensed.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 압력 센서(100)가 신체에 부착될 경우 전류가 통하지 않도록 제1 기판(110) 및 제2 기판(130)은 절연성 소재로 이루어질 수 있다.In addition, when the pressure sensor 100 according to an embodiment of the present invention is attached to the body, the first substrate 110 and the second substrate 130 may be made of an insulating material so that current does not pass.

예를 들어, 본 발명의 실시예에 따른 제1 기판(110) 및 제2 기판(130)은 폴리디메틸실록산(polydimethylsiloxane, PDMS), 폴리이미드(polyimide, PI), 폴리에테르술폰(polyethersulfone, PES), 폴리아크릴레이트(polyacrylate, PAR), 폴리에테르 이미드(polyetherimide, PEI), 폴리에틸렌 나프탈레이트(polyethylene naphthalate, PEN), 폴리에틸렌 테레프탈레이트(polyethylene terephthalate, PET), 폴리페닐렌 설파이드(polyphenylene sulfide, PPS), 폴리아릴레이트(polyarylate), 폴리카보네이트(polycarbonate, PC), 셀룰로오스 트리아세테이트(cellulose triacetate, CTA) 및 셀룰로오스 아세테이트 프로피오네이트(cellulose acetate propionate, CAP)로부터 선택되는 것일 수 있으나, 와 같은 고분자 물질로 이루어질 수 있으나, 유연성 및 절연성을 가지는 한 반드시 상기 물질에 한정되는 것은 아니다.For example, the first substrate 110 and the second substrate 130 according to an embodiment of the present invention are polydimethylsiloxane (PDMS), polyimide (PI), polyethersulfone (PES) , Polyacrylate (PAR), polyetherimide (PEI), polyethylene naphthalate (PEN), polyethylene terephthalate (PET), polyphenylene sulfide (PPS) , Polyarylate (polyarylate), polycarbonate (polycarbonate, PC), cellulose triacetate (cellulose triacetate, CTA) and cellulose acetate propionate (cellulose acetate propionate, CAP) may be selected from, but as a polymer material such as It can be made, but is not necessarily limited to the material as long as it has flexibility and insulation.

그러나, 제1 기판(110) 및 제2 기판(130)은 후술할 전극층을 이루는 전도성 물질이 다양한 용액과 호환 가능하기 위해 PET로 이루어지는 것이 바람직하다.However, the first substrate 110 and the second substrate 130 are preferably made of PET so that the conductive material forming the electrode layer, which will be described later, is compatible with various solutions.

전극부(140)는 제2 기판(130) 상에 형성되는 것으로서, 단차가 생기도록 형성될 수 있다.The electrode part 140 is formed on the second substrate 130 and may be formed to have a step difference.

실시예에 따라서, 전극부(140)는 도 2에 도시되지 않았지만 제2 기판(130) 상에 박막으로 형성될 수 있다.According to an embodiment, the electrode unit 140 may be formed as a thin film on the second substrate 130 although not shown in FIG. 2.

전극부(140)는 감지부(120)와 전기적으로 연결되며, 이를 위해 전도성 물질로 이루어질 수 있다.The electrode unit 140 is electrically connected to the sensing unit 120, and may be made of a conductive material for this purpose.

실시예에 따라서, 전극부(140)는 금(Au), 은(Ag), 백금(Pt), 불소 함유 산화주석(Fluorine doped Tin Oxide, FTO), 인듐 함유 산화주석(Indium doped Tin Oxide, ITO), 알루미늄 함유 산화아연(Al-doped Zinc Oxide, AZO), 인듐 함유 산화아연(Indium doped Zinc Oxide, IZO) 또는 이들의 혼합물로 이루어지는 군에서 선택될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.According to an embodiment, the electrode part 140 is gold (Au), silver (Ag), platinum (Pt), fluorine-containing tin oxide (Fluorine doped Tin Oxide, FTO), indium-containing tin oxide (Indium doped Tin Oxide, ITO) ), aluminum-containing zinc oxide (Al-doped Zinc Oxide, AZO), indium-containing zinc oxide (Indium doped Zinc Oxide, IZO) or a mixture thereof, but is not limited thereto.

전극부(140)는 제2 기판(130) 상에 열기상증착(thermal evaporation), 전자빔증착(e-beam evaporation), RF 스퍼터링(Radio Frequency sputtering), 마그네트론 스퍼터링(magnetron sputtering), 진공증착(vacuum deposition) 또는 화학적 증착(chemical vapor deposition) 등의 방법으로 형성될 수 있다.The electrode unit 140 is thermal evaporation, e-beam evaporation, RF frequency sputtering, magnetron sputtering, and vacuum deposition on the second substrate 130. It may be formed by a method such as deposition) or chemical vapor deposition.

감지부(120)는 제1 기판(110) 상에 형성되며, 구체적으로 전도성 물질로 이루어진 전도층(121) 및 절연성 물질로 이루어진 절연층(122)을 포함한다.The sensing unit 120 is formed on the first substrate 110, and specifically includes a conductive layer 121 made of a conductive material and an insulating layer 122 made of an insulating material.

전도층(121)은 전도성 물질을 포함하는 용액이 도포되어 형성되며, 전도성 물질에 의해 전극과 같은 역할을 수행할 수 있다.The conductive layer 121 is formed by applying a solution containing a conductive material, and may serve as an electrode by the conductive material.

전도층(121)은 전도성 물질을 포함하는 용액이 스프레이 코팅(spray coating), 스핀 코팅(spin coating), 울트라 스프레이 코팅(ultra-spray coating), 전기 방사 코팅, 슬롯 다이 코팅(slot die coating), 그라비아 코팅(gravure coating), 바 코팅(bar coating), 롤 코팅(roll coating), 딥 코팅(dip coating), 쉬어 코팅(shear coating), 스크린 프린팅(screen printing), 잉크젯 프린팅(inkjet printing) 또는 노즐 프린팅(nozzle printing)을 통해 제1 기판(110) 상에 도포되어 형성될 수 있으며, 이 방법에 제한되는 것은 아니다.The conductive layer 121 is a solution containing a conductive material is spray coating, spin coating, ultra-spray coating, electrospinning coating, slot die coating, Gravure coating, bar coating, roll coating, dip coating, shear coating, screen printing, inkjet printing or nozzle It may be formed by being coated on the first substrate 110 through printing (nozzle printing), it is not limited to this method.

전도층(121)을 이루는 전도성 물질은 금속 나노 와이어 또는 금속 나노 입자일 수 있다.The conductive material forming the conductive layer 121 may be metal nanowires or metal nanoparticles.

예를 들어, 전도성 물질은 금 나노 와이어, 구리 나노 와이어 및 은 나노 와이어(Ag nanowire, AgNW) 중 적어도 어느 하나와 같은 금속 나노 와이어가 될 수 있다.For example, the conductive material may be a metal nanowire such as at least one of gold nanowire, copper nanowire, and silver nanowire (Ag nanowire, AgNW).

실시예에 따라서, 전도성 물질은 인듐 주석 산화물(Indium tin oxide, ITO) 나노 입자가 될 수 있다.According to an embodiment, the conductive material may be indium tin oxide (ITO) nanoparticles.

실시예에 따라서, 전도성 물질은 상기 금속 나노 와이어 및 ITO 나노 입자의 조합으로 이루어질 수 있다.According to an embodiment, the conductive material may be formed of a combination of the metal nanowire and ITO nanoparticles.

절연층(122)은 절연성 물질을 포함하는 용액이 도포되어 형성되거나, 스프레이 코팅(spray coating), 스핀 코팅(spin coating), 울트라 스프레이 코팅(ultra-spray coating), 전기 방사 코팅, 슬롯 다이 코팅(slot die coating), 그라비아 코팅(gravure coating), 바 코팅(bar coating), 롤 코팅(roll coating), 딥 코팅(dip coating), 쉬어 코팅(shear coating), 스크린 프린팅(screen printing), 잉크젯 프린팅(inkjet printing) 또는 노즐 프린팅(nozzle printing)을 통해 전도층(121) 상에 도포되어 형성될 수 있으며, 이 방법에 제한되는 것은 아니다.The insulating layer 122 is formed by applying a solution containing an insulating material, or spray coating, spin coating, ultra-spray coating, electrospinning coating, slot die coating ( slot die coating, gravure coating, bar coating, roll coating, dip coating, shear coating, screen printing, inkjet printing ( It may be formed by being coated on the conductive layer 121 through inkjet printing) or nozzle printing, but is not limited to this method.

절연층(122)을 이루는 절연성 물질은 금속 산화물의 나노 입자일 수 있다.The insulating material forming the insulating layer 122 may be nanoparticles of a metal oxide.

예를 들어, 상기 절연성 물질은 산화아연(ZnO), 알루미늄 산화물(Al2O3), 알루미늄 질화물(AlN), 이산화티타늄(TiO2), 산화아연(ZnO), 산화규소(SiO2), 지르코늄 산화물(ZrO2), 텅스텐 산화물(WO2) 중 어느 하나로 이루어진 나노 입자일 수 있으며, 절연성을 가지는 물질이면 상기 물질에 제한되는 것은 아니다.For example, the insulating material is zinc oxide (ZnO), aluminum oxide (Al 2 O 3 ), aluminum nitride (AlN), titanium dioxide (TiO 2 ), zinc oxide (ZnO), silicon oxide (SiO 2 ), zirconium It may be nanoparticles made of any one of oxide (ZrO 2 ) and tungsten oxide (WO 2 ), and is not limited to the material as long as it is an insulating material.

본 발명의 실시예에 따른 절연성 물질은 유기 리간드(123)로 둘러싸인 상태로 절연층(122)을 이룰 수 있다.The insulating material according to the embodiment of the present invention may form the insulating layer 122 in a state surrounded by the organic ligand 123.

상기 유기 리간드(123)는 절연성 물질의 입자를 둘러싸는 것으로서, 절연성 물질로 이루어진 절연층(122)과 전도층(121) 간의 접착력을 향상시킬 수 있다.The organic ligand 123 surrounds particles of an insulating material, and may improve adhesion between the insulating layer 122 and the conductive layer 121 made of an insulating material.

예를 들어, 은 나노 와이어로 이루어진 전도층(121) 상에 산화아연 나노 입자로 이루어진 절연층(122)이 형성되는 경우, 일반적으로 산화아연은 친수성이기 때문에 은 나노 와이어 상에서 절연층(122)이 잘 형성되지 않으나, 유기 리간드(123)로 둘러싸인 산화아연 나노 입자의 경우에는 소수성을 띄기 때문에 은 나노 와이어와의 접착성이 생겨 전도층(121) 상에 절연층(122)이 잘 형성될 수 있다.For example, when the insulating layer 122 made of zinc oxide nanoparticles is formed on the conductive layer 121 made of silver nanowires, since the zinc oxide is generally hydrophilic, the insulating layer 122 is formed on the silver nanowires. Although not well formed, in the case of zinc oxide nanoparticles surrounded by the organic ligand 123, since it has hydrophobicity, adhesion with silver nanowires occurs, and the insulating layer 122 can be well formed on the conductive layer 121. .

유기 리간드는 6개 이상의 탄소 사슬을 가질 수 있으며, 바람직하게는 10개 이상의 탄소 사슬을 가질 경우 절연성을 가질 수 있다.The organic ligand may have 6 or more carbon chains, and preferably has insulating properties when it has 10 or more carbon chains.

실시예에 따라서, 유기 리간드(123)는 TOPO(trioctylphosphineoxide), 옥타데칸올(octadecanol) 및 올레익산(oleic acid) 중 적어도 어느 하나일 수 있다.According to an embodiment, the organic ligand 123 may be at least one of trioctylphosphineoxide (TOPO), octadecanol, and oleic acid.

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 절연성 물질의 리간드 치환에 따른 감지부 형성을 도시한 모식도이다.3 is a schematic diagram showing the formation of a sensing unit according to ligand substitution of an insulating material according to an embodiment of the present invention.

도 3을 참조하면, 상기 절연성 물질은 사슬 길이가 긴 유기 리간드(123)로 둘러싸일 수 있다.Referring to FIG. 3, the insulating material may be surrounded by an organic ligand 123 having a long chain length.

절연층(122)은 무기 리간드가 분산된 리간드 치환 용액과 접촉되어 절연성 물질의 유기 리간드(123)를 상기 유기 리간드(123)보다 상대적으로 사슬 길이가 짧은 무기 리간드로 치환될 수 있다.The insulating layer 122 may be substituted with an inorganic ligand dispersed ligand replacement solution to replace the organic ligand 123 of the insulating material with an inorganic ligand having a shorter chain length than the organic ligand 123.

예를 들어, 절연성 물질을 둘러싸는 유기 리간드(123)인 TOPO는 리간드 치환 용액인 황화나트륨(Na2S) 용액과 접촉되어 무기 리간드인 황 리간드로 치환될 수 있다.For example, TOPO, the organic ligand 123 surrounding the insulating material, may be substituted with a sulfur ligand, an inorganic ligand, in contact with a sodium sulfide (Na 2 S) solution, which is a ligand replacement solution.

실시예에 따라서, 상기 리간드 치환 용액은 절연층(122) 상에 브러시나 스포이드로 도포되어 절연층(122)과 접촉될 수 있으나, 감지부(120)가 형성된 제1 기판(110)을 상기 리간드 치환 용액에 담지시킴으로써 절연층(122)과 접촉될 수 있으며, 절연층(122)과 리간드 치환 용액을 접촉시키는 방법은 상기 방법에 한정되지 않는다.According to an embodiment, the ligand replacement solution may be applied with a brush or a dropper on the insulating layer 122 to be in contact with the insulating layer 122, but the first substrate 110 on which the sensing unit 120 is formed is the ligand The method of contacting the insulating layer 122 and the ligand-substituting solution may be brought into contact with the insulating layer 122 by being supported on the substitution solution, but is not limited to the above method.

상기 리간드 치환 용액은 무기 리간드를 포함하는 것으로서, 상기 무기 리간드는 황 이온(S2-), 염소 이온(Cl-), 브롬 이온(Br-), 티오시안산 이온(SCN-), 아이오딘 이온(I-), 이황화물 이온(HS-), 텔루륨 이온(Te2-), 수산화 이온(OH-), 사불화붕산 이온(BF4 -) 및 육불화인산 이온(PF6 -) 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있으나, 상기 물질에 제한되는 것은 아니며, 절연성 물질을 둘러싸는 유기 리간드(123)보다 사슬 길이가 짧은 리간드이면 어느 물질이든 가능하다.As to the ligand substitution solution comprises an inorganic ligand, wherein the inorganic ligand is sulfur ions (S 2-), chloride ion (Cl -), bromide ion (Br -), thiocyanate ion (SCN -), iodine ion (I -), disulfide ion (HS -), at least one, tellurium ions (Te 2-), hydroxide ions (OH -), boric tetrafluoride ion (BF 4 - -) and six hexafluorophosphate ion (PF 6) It may include any one, but is not limited to the above material, and any material may be used as long as it has a shorter chain length than the organic ligand 123 surrounding the insulating material.

리간드 치환 전에는 상대적으로 사슬 길이가 긴 유기 리간드(123)에 의해 절연성 물질의 입자 사이에 틈이 형성되지 않으나, 유기 리간드(123)가 사슬 길이가 짧은 무기 리간드로 치환되면서 그만큼 공간, 즉 크랙이 발생하게 된다.Before the ligand substitution, a gap is not formed between the particles of the insulating material by the organic ligand 123 having a relatively long chain length, but as the organic ligand 123 is replaced with an inorganic ligand having a short chain length, space, that is, cracking occurs Is done.

크랙은 무기 리간드로 치환된 절연성 물질의 입자 간 틈새라고 할 수 있으며, 이러한 크랙을 통해 전도층(121)이 노출될 수 있다.The crack may be referred to as a gap between particles of an insulating material substituted with an inorganic ligand, and the conductive layer 121 may be exposed through the crack.

이에 따라, 본 발명의 실시예에 따른 압력 센서(100)는 감지부(120)가 형성된 제1 기판(110)에 압력을 가하면 제1 기판(110)의 변형에 따라 크랙을 통해 노출된 전도층(121)이 전극부(140)와 접촉되면서 전기 저항 변화가 발생하게 되고, 이로부터 압력을 감지할 수 있다.Accordingly, when the pressure sensor 100 according to an embodiment of the present invention applies pressure to the first substrate 110 on which the sensing unit 120 is formed, the conductive layer exposed through the crack according to the deformation of the first substrate 110 As the 121 contacts the electrode part 140, a change in electrical resistance occurs, and pressure can be sensed therefrom.

도 4는 본 발명의 실시예에 따른 압력 센서의 구체적인 모습을 도시한 단면도이다.4 is a cross-sectional view showing a specific shape of a pressure sensor according to an embodiment of the present invention.

도 4를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 압력 센서(100)에서 절연층(122)을 이루는 절연성 물질의 리간드가 치환됨에 따라 크랙이 형성될 수 있다.Referring to FIG. 4, a crack may be formed as a ligand of an insulating material constituting the insulating layer 122 in the pressure sensor 100 according to an embodiment of the present invention is substituted.

이에 따라, 감지부(120)가 형성된 제1 기판(110)에 압력이 가해지면 제1 기판(110)이 변형되면서 크랙을 통해 노출된 전도층(121)이 전극부(140)에 접촉됨에 따라 전기 저항이 변화하게 된다.Accordingly, when pressure is applied to the first substrate 110 on which the sensing unit 120 is formed, as the first substrate 110 is deformed, the conductive layer 121 exposed through the crack contacts the electrode unit 140. The electrical resistance will change.

즉, 본 발명의 실시예에 따른 압력 센서(100)는 절연층(122)의 리간드 치환에 따른 크랙이 형성됨에 따라 전도층(121)이 전극부(140)와 접촉 가능하여 전기 저항 변화를 통해 압력을 감지할 수 있다.That is, in the pressure sensor 100 according to the embodiment of the present invention, as a crack is formed according to the ligand substitution of the insulating layer 122, the conductive layer 121 can contact the electrode unit 140 through a change in electrical resistance. Pressure can be sensed.

다시 도 2를 참조하면, 전도층(121)과 절연층(122)은 전도성 물질 및 절연성 물질의 특성상 혼합되어 형성될 수 있다.Referring back to FIG. 2, the conductive layer 121 and the insulating layer 122 may be formed by mixing a conductive material and an insulating material.

구체적으로, 전도성 물질이 은 나노 와이어이고 절연성 물질이 산화아연 나노 입자일 때, 은 나노 와이어의 구조 특성상 전도층(121)은 메쉬(mesh) 구조를 가질 수 있으며 산화아연 나노 입자가 은 나노 와이어 사이에 침투될 수 있다.Specifically, when the conductive material is silver nanowire and the insulating material is zinc oxide nanoparticles, the conductive layer 121 may have a mesh structure due to the structural properties of the silver nanowires, and the zinc oxide nanoparticles may be between the silver nanowires. Can be infiltrated into.

결론적으로, 절연층은 전도층 상에 형성되고, 리간드 치환 공정에 따라 무기 리간드로 둘러싸인 절연성 물질 및 무기 리간드로의 치환에 의해 형성된 크랙을 포함할 수 있다.In conclusion, the insulating layer is formed on the conductive layer, and may include an insulating material surrounded by an inorganic ligand and a crack formed by substitution with an inorganic ligand according to a ligand substitution process.

도 5는 본 발명의 실시예에 따른 압력 센서(100)의 압력 유무에 따른 모습을 도시한 모식도이다.5 is a schematic diagram showing a state according to the presence or absence of pressure of the pressure sensor 100 according to an embodiment of the present invention.

도 5를 참조하면, 감지부(120)는 유연성 및 절연성 소재로 이루어진 제1 기판(110) 상에 형성되어, 제1 기판(110)의 일면에 압력이 가해지면 제1 기판(110)의 변형에 따라 감지부(120)가 전극부(140)와 접촉되면서 압력을 감지할 수 있다.Referring to FIG. 5, the sensing unit 120 is formed on the first substrate 110 made of a flexible and insulating material, and when pressure is applied to one surface of the first substrate 110, deformation of the first substrate 110 Accordingly, the pressure may be sensed while the sensing unit 120 is in contact with the electrode unit 140.

구체적으로, 감지부(120)는 전도성 물질로 이루어진 전도층(121) 및 절연성 물질로 이루어진 절연층(122)을 포함하는데, 특히 절연층(122)은 절연성 물질의 유기 리간드(123)를 무기 리간드로 치환하는 공정으로 인해 크랙을 포함할 수 있다.Specifically, the sensing unit 120 includes a conductive layer 121 made of a conductive material and an insulating layer 122 made of an insulating material. In particular, the insulating layer 122 uses an organic ligand 123 of an insulating material as an inorganic ligand. Crack may be included due to the process of substituting with.

보다 구체적으로 설명하면, 감지부(120)에는 제1 기판(110) 상에 전도성 물질을 도포하여 박막 형상의 전도층(121)이 형성되고, 전도층(121) 상에 유기 리간드(123)로 둘러싸인 절연성 물질을 도포하여 박막 형상의 절연층(122)이 형성될 수 있다.In more detail, the sensing unit 120 is coated with a conductive material on the first substrate 110 to form a thin film-shaped conductive layer 121, and on the conductive layer 121, an organic ligand 123. A thin insulating layer 122 may be formed by applying an enclosed insulating material.

전도층(121) 및 절연층(122)이 형성된 감지부(120)를 평면에서 바라보면, 박막 형상의 절연층(122)에 의해 전도층(121)은 확인할 수 없게 된다.When the sensing unit 120 on which the conductive layer 121 and the insulating layer 122 are formed is viewed from a plane, the conductive layer 121 cannot be confirmed by the thin film-shaped insulating layer 122.

종래의 압력 센서(100)는 전도층(121)을 완전히 덮는 절연층(122)의 구조로 인해 압력을 가하여도 전도층(121)이 전극부(140)와 접촉되지 않아 압력 인식률이 현저히 떨어진다.In the conventional pressure sensor 100, even when pressure is applied due to the structure of the insulating layer 122 that completely covers the conductive layer 121, the pressure recognition rate is significantly lowered because the conductive layer 121 does not contact the electrode unit 140.

그러나, 절연층(122)에 포함된 절연성 물질의 사슬 길이가 긴 유기 리간드(123)를 사실 길이가 짧은 무기 리간드로 치환하면, 사슬 길이가 짧은 무기 리간드에 의해 자연스럽게 빈 공간, 즉 크랙이 발생하게 된다.However, when the organic ligand 123 having a long chain length of the insulating material included in the insulating layer 122 is replaced with an inorganic ligand having a short length, an empty space, that is, a crack is naturally generated by the inorganic ligand having a short chain length. do.

이에 따라, 절연층(122)에 크랙(즉, 빈 공간)이 형성되면 감지부(120)를 평면에서 바라봤을 때, 크랙을 통해 전도층(121)이 노출된다.Accordingly, when a crack (ie, an empty space) is formed on the insulating layer 122, when the sensor 120 is viewed from a plane, the conductive layer 121 is exposed through the crack.

제1 기판(110) 상에 형성된 감지부(120)가 크랙을 포함할 때, 제1 기판(110)에 압력이 가해지면 크랙을 통해 노출된 전도층(121)이 전극부(140)와 접촉되어 전기 저항이 변할 수 있다.When the sensing unit 120 formed on the first substrate 110 includes a crack, when a pressure is applied to the first substrate 110, the conductive layer 121 exposed through the crack contacts the electrode unit 140 Electrical resistance can be changed.

즉, 본 발명의 실시예에 따른 압력 센서(100)는 간단한 용액 공정을 통한 절연성 물질의 리간드 치환으로 인해 고의로 크랙을 형성함으로써 전도층(121)이 전극부(140)에 접촉됨에 따라 전기 저항 변화를 쉽게 감지하여 압력 감지 효과를 향상시킬 수 있다.That is, the pressure sensor 100 according to an embodiment of the present invention changes the electrical resistance as the conductive layer 121 contacts the electrode part 140 by intentionally forming a crack due to ligand substitution of an insulating material through a simple solution process. Can be easily detected to improve the pressure sensing effect.

도 6은 본 발명의 실시예에 따른 압력 센서의 압력을 가하는 다른 모습을 도시한 모식도이다.6 is a schematic diagram showing another aspect of applying pressure of a pressure sensor according to an embodiment of the present invention.

도 6을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 압력 센서(100)에서 제1 기판(110)에 압력을 더 크게 가하는 경우 전도층(121)과 전극부(140)의 접촉 면적이 넓어지면서 압력 센서(100)에 가해진 압력의 크기를 파악할 수 있다.Referring to FIG. 6, when the pressure is applied to the first substrate 110 in the pressure sensor 100 according to the exemplary embodiment of the present invention, the contact area between the conductive layer 121 and the electrode unit 140 is increased and the pressure is increased. The magnitude of the pressure applied to the sensor 100 can be grasped.

예를 들어, 도 6에 도시된 바와 같이 제1 기판(110) 상에 1의 압력을 가한 경우 전도층(121)과 전극부(140)가 접촉된 면적이 10이라고 할 때, 제1 기판(110) 상에 2의 압력을 가한 경우 전도층(121)과 전극부(140)가 접촉된 면적은 20이 될 수 있다.For example, when a pressure of 1 is applied to the first substrate 110 as illustrated in FIG. 6, when the area where the conductive layer 121 and the electrode unit 140 contact is 10, the first substrate ( When a pressure of 2 is applied on 110), the area in which the conductive layer 121 and the electrode portion 140 contact may be 20.

상술한 수치예는 하나의 예시일 뿐이며, 압력 센서(100)에 가해지는 압력의 크기와 전도층(121) 및 전극부(140)의 접촉 면적은 정비례하는 것은 아니나, 압력 센서(100)에 가해지는 압력의 크기와 전도층(121) 및 전극부(140)의 접촉 면적은 비례할 수 있다.The numerical example described above is only an example, and the size of the pressure applied to the pressure sensor 100 and the contact area of the conductive layer 121 and the electrode portion 140 are not directly proportional, but applied to the pressure sensor 100 The magnitude of the ground pressure and the contact area of the conductive layer 121 and the electrode portion 140 may be proportional.

도 7a는 본 발명의 실시예에 따른 전도층이 형성된 모습을 도시한 전자주사현미경(scanning electron microscopy, SEM) 이미지이며, 도 7b는 본 발명의 실시예에 따른 전도층이 형성된 모습을 도시한 모식도 및 C-AFM(conductive atomic force microscopy) 이미지이다.7A is a scanning electron microscopy (SEM) image showing a conductive layer formed according to an embodiment of the present invention, and FIG. 7B is a schematic diagram showing a conductive layer formed according to an embodiment of the present invention And C-AFM (conductive atomic force microscopy) images.

도 7a 및 도 7b는 PET 기판 상에 전도층(121)만 형성된 모습을 도시한 SEM 이미지 및 C-AFM 이미지이다.7A and 7B are SEM images and C-AFM images showing only a conductive layer 121 formed on a PET substrate.

도 7a 및 도 7b를 참조하면, 상기 실시예의 전도층(121)으로 은 나노 와이어의 네트워크가 형성된 것을 확인할 수 있다.7A and 7B, it can be seen that a network of silver nanowires was formed as the conductive layer 121 of the embodiment.

특히, 도 7b의 C-AFM 이미지를 참조하면, 밝은 영역은 전도성 물질인 은 나노 와이어를 의미하고, 어두운 영역은 PET 기판을 나타내는 것이다.In particular, referring to the C-AFM image of FIG. 7B, the bright region indicates a silver nanowire that is a conductive material, and the dark region represents a PET substrate.

도 7a 및 도 7b에 따르면, 상기 실시예에 따른 PET 기판 상에 은 나노 와이어가 넓고 균일하게 코팅된 것을 확인할 수 있다.According to FIGS. 7A and 7B, it can be seen that silver nanowires were widely and uniformly coated on the PET substrate according to the embodiment.

도 8a는 본 발명의 실시예에 따른 리간드 치환 전 모습을 도시한 SEM 이미지이며, 도 8b는 본 발명의 실시예에 따른 리간드 치환 전 모습을 도시한 모식도 및 C-AFM 이미지이다.8A is a SEM image showing a state before ligand substitution according to an embodiment of the present invention, and FIG. 8B is a schematic diagram and a C-AFM image showing a state before ligand substitution according to an embodiment of the present invention.

도 8a 및 도 8b는 상기 실시예의 전도층(121) 상에 유기 리간드(123)인 TOPO로 둘러싸인 ZnO 나노 입자로 형성된 절연층(122)의 모습을 도시한 SEM 이미지 및 C-AFM 이미지이다.8A and 8B are SEM images and C-AFM images showing a state of an insulating layer 122 formed of ZnO nanoparticles surrounded by TOPO, an organic ligand 123, on the conductive layer 121 of the embodiment.

도 8a 및 도 8b를 참조하면, 상기 실시예의 절연층(122)이 전도층(121)을 완전히 덮고 있기 때문에 은 나노 와이어의 형상이 보이지 않는 것을 확인할 수 있다.8A and 8B, it can be seen that the shape of the silver nanowire is not visible because the insulating layer 122 of the embodiment completely covers the conductive layer 121.

특히 도 8b의 C-AFM 이미지를 참조하면, 은 나노 와이어를 나타내는 밝은 영역이 보이지 않아 절연층(122)이 전도층(121)을 완전히 덮고 있는 것을 확인할 수 있다.In particular, referring to the C-AFM image of FIG. 8B, it can be seen that the bright layer representing the silver nanowire is not visible, and the insulating layer 122 completely covers the conductive layer 121.

따라서, 전도층(121)을 완전이 덮고 있는 절연층(122)은 전도층(121)과 전극부(140)의 접촉을 방해하여 압력 센서(100)가 압력이 충분히 감지되지 않게 한다.Therefore, the insulating layer 122 completely covering the conductive layer 121 prevents the pressure of the pressure sensor 100 from sufficiently sensing the interference between the conductive layer 121 and the electrode portion 140.

도 9a는 본 발명의 실시예에 따른 리간드 치환 후 모습을 도시한 SEM 이미지이며, 도 9b는 본 발명의 실시예에 따른 리간드 치환 후 모습을 도시한 모식도 및 C-AFM 이미지이다.9A is a SEM image showing a state after ligand substitution according to an embodiment of the present invention, and FIG. 9B is a schematic diagram and a C-AFM image showing a state after ligand substitution according to an embodiment of the present invention.

도 9a를 참조하면, 절연층(122)이 형성된 PET 기판을 Na2S 용액에 담지시킨 후 꺼낸 리간드 치환 공정을 통해 절연층(122)에 복수의 구멍, 즉 크랙이 형성된 것을 확인할 수 있다.Referring to FIG. 9A, it can be confirmed that a plurality of holes, that is, cracks, were formed in the insulating layer 122 through a ligand replacement process after carrying the PET substrate on which the insulating layer 122 was formed in a Na 2 S solution.

또한, 크랙이 형성됨에 따라 크랙을 통해 은 나노 와이어가 부분적으로 노출되어 전도층(121)인 은 나노 와이어를 확인할 수 있다.In addition, as the crack is formed, the silver nanowire is partially exposed through the crack to identify the silver nanowire that is the conductive layer 121.

도 9b의 C-AFM 이미지를 참조하면, 은 나노 와이어를 나타내는 밝은 영역이 부분적으로 관찰됨으로써, 크랙을 통해 전도층(121)이 일부 노출되어 오픈 메쉬 구조의 감지부(120)가 제조된 것을 확인할 수 있다.Referring to the C-AFM image of FIG. 9B, it is confirmed that the bright region representing the silver nanowire is partially observed, so that the conductive layer 121 is partially exposed through the crack, thereby manufacturing the sensing unit 120 having an open mesh structure. Can.

즉, 리간드 치환 공정은 절연층(122)에 크랙을 형성할 뿐 아니라 절연층(122)의 두께를 감소시켜 전도층(121)이 더 노출되도록 한다.That is, the ligand replacement process not only forms a crack in the insulating layer 122 but also reduces the thickness of the insulating layer 122 so that the conductive layer 121 is further exposed.

따라서, 본 발명의 실시예에 따른 압력 센서(100)는 단순한 용액 공정을 통해 크랙을 형성하여 전도층(121)이 노출됨에 따라, 전도층(121)과 전극부(140)의 접촉이 가능하여 압력 감지가 가능하다.Therefore, as the pressure sensor 100 according to an embodiment of the present invention forms a crack through a simple solution process, and the conductive layer 121 is exposed, contact between the conductive layer 121 and the electrode unit 140 is possible. Pressure sensing is possible.

본 발명의 실시예에 따른 압력 센서는 간단한 용액 공정을 통한 절연성 물질의 리간드 치환으로 인해 고의로 크랙을 형성함으로써 전도층이 전극부에 접촉됨에 따라 전기 저항 변화를 쉽게 감지할 수 있다.The pressure sensor according to an embodiment of the present invention can easily detect a change in electrical resistance as the conductive layer contacts the electrode portion by intentionally forming a crack due to ligand substitution of an insulating material through a simple solution process.

실시예에 따라서, 본 발명의 실시예에 따른 압력 센서는 60kPa 내지 90kPa의 압력 범위를 감지할 수 있다.Depending on the embodiment, the pressure sensor according to the embodiment of the present invention can detect a pressure range of 60 kPa to 90 kPa.

본 발명의 실시예에 따른 압력 센서가 감지할 수 있는 압력의 크기로부터 본 발명의 실시예에 따른 압력 센서의 민감도를 산출할 수 있다.The sensitivity of the pressure sensor according to the embodiment of the present invention can be calculated from the size of the pressure that can be sensed by the pressure sensor according to the embodiment of the present invention.

구체적으로, 본 발명의 실시예에 따른 압력 센서에 압력이 가해진 전류를 오프 전류(off-current, Ioff), 압력이 가해지지 않았을 때의 전류를 온 전류(on-current, Ion)로 정의할 때, 압력 센서의 민감도는 아래의 수학식 1과 같이 정의될 수 있다.Specifically, the current applied to the pressure sensor according to an embodiment of the present invention is defined as an off-current (I off ) and a current when no pressure is applied as an on-current (I on ). In this case, the sensitivity of the pressure sensor may be defined as in Equation 1 below.

[수학식 1][Equation 1]

S=

Figure 112019060515269-pat00001
(I/Ioff)/
Figure 112019060515269-pat00002
PS=
Figure 112019060515269-pat00001
(I/I off )/
Figure 112019060515269-pat00002
P

여기서, S는 압력 센서의 민감도,

Figure 112019060515269-pat00003
I는 온 전류와 오프 전류의 차이(Ion-Ioff),
Figure 112019060515269-pat00004
P는 가해진 압력의 변화를 의미한다.Where S is the sensitivity of the pressure sensor,
Figure 112019060515269-pat00003
I is the difference between the on current and the off current (I on -I off ),
Figure 112019060515269-pat00004
P means the change in pressure applied.

상기 수학식 1에 따라 본 발명의 실시예에 따른 압력 센서의 민감도는 2.0×103 kPa-1 내지 4.0×103 kPa-1일 수 있다.The sensitivity of the pressure sensor according to the embodiment of the present invention according to Equation 1 may be 2.0×10 3 kPa -1 to 4.0×10 3 kPa -1 .

이하, 본 발명의 실시예에 따른 압력 센서의 특성 및 효과를 증명하는 실시예를 기재한다. 하기 실시예는 본 발명의 효과를 실험적으로 입증하기 위해 제시된 것일 뿐, 본 발명이 하기 실시예에 의해 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, examples for proving the characteristics and effects of the pressure sensor according to the embodiment of the present invention will be described. The following examples are presented only to experimentally demonstrate the effects of the present invention, but the present invention is not limited by the following examples.

시약(Materials)Reagents (Materials)

톨루엔(99.8%), 벤질에테르(98%), TOPO(trioctylphosphineoxide)(90%), 에탄올(99.5%), 징크 아세틸아세토네이트 수화물(Zn(CH7O2)2H2O)(96%) 및 옥타 데칸올(99%)은 시그마 알드리치 사(Sigma-Aldrich Co.)에서 제조되었다.Toluene (99.8%), benzyl ether (98%), TOPO (trioctylphosphineoxide) (90%), ethanol (99.5%), zinc acetylacetonate hydrate (Zn(CH 7 O 2 ) 2 H 2 O) (96%) And octa decanol (99%) were manufactured by Sigma-Aldrich Co.

전도성 물질인 은 나노 와이어는 덕산 하이메탈 사(Duksan Hi-Metal Co.)에서 구매한 후 에탄올에 분산시켰다.The conductive material, silver nanowires, was purchased from Duksan Hi-Metal Co. and then dispersed in ethanol.

모든 시약은 추가 정제없이 사용되었다.All reagents were used without further purification.

켐플렉스 사(Chemplex Co.)와 SKC 사에서 각각 두께가 6mm와 125mm 인 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET) 필름을 구입하여 플렉서블 기판으로 사용했다.Polyethylene terephthalate (PET) films with thicknesses of 6 mm and 125 mm were purchased from Chemplex Co. and SKC, respectively, and used as flexible substrates.

실시예Example

절연성 물질의 실시예로 산화아연(zinc oxide, ZnO) 나노 입자를 제조하였다.As an example of the insulating material, zinc oxide (ZnO) nanoparticles were prepared.

먼저, 100mL의 3구 플라스크에 옥타데칸올 3.82 g, 징크 아세틸아세토네이트 수화물(Zn(CH7O2)2H2O, Zn(acac)2) 1g 및 TOPO 1g을 혼합한 혼합물을 벤질에테르(35mL)에 용해시켰다.First, a mixture of 3 g of octadecanol, 1 g of zinc acetylacetonate hydrate (Zn(CH 7 O 2 ) 2 H 2 O, Zn(acac) 2 ) and 1 g of TOPO in a 100 mL 3-neck flask was mixed with benzyl ether ( 35 mL).

상기 3구 플라스크를 110℃로 가열하고 3구 플라스크에 담긴 혼합 용액이 투명해질 때까지 30분 동안 탈기시켰다.The three-necked flask was heated to 110°C and degassed for 30 minutes until the mixed solution contained in the three-necked flask became clear.

탈기 후, 질소 분위기 하에서 온도를 295℃로 급속히 상승시켰다.After degassing, the temperature was rapidly raised to 295°C under a nitrogen atmosphere.

혼합 용액을 1분 동안 295℃에서 유지시킨 후 실온으로 자연 냉각시켜 ZnO 나노 입자를 제조하였다.ZnO nanoparticles were prepared by maintaining the mixed solution at 295° C. for 1 minute and then naturally cooling to room temperature.

이후, ZnO 나노 입자를 톨루엔 및 에탄올로 3분 동안 8000rpm에서 원심 분리하여 3회 세척하였다.Thereafter, the ZnO nanoparticles were washed three times by centrifugation at 8000 rpm for 3 minutes with toluene and ethanol.

세척 후 수집된 ZnO 나노 입자를 50mg/mL, 100mg/mL 및 150mg/mL 농도의 헥산에 분산하여 ZnO 나노 입자 분산액을 제조하였다.After washing, the ZnO nanoparticle dispersion was prepared by dispersing the collected ZnO nanoparticles in hexane at a concentration of 50 mg/mL, 100 mg/mL, and 150 mg/mL.

기판으로 PET 기판을 사용하였으며, PET 기판의 표면은 10분 동안 초음파 처리를 하면서 아세톤, 이소프로판올 및 탈이온수(DI)로 연속적으로 세척하였다.A PET substrate was used as the substrate, and the surface of the PET substrate was continuously washed with acetone, isopropanol and deionized water (DI) while performing ultrasonic treatment for 10 minutes.

먼저, 0.5중량%의 은 나노 와이어를 PET 기판 상에 1500rpm의 속도로 30초 동안 스핀 코팅하여 전도층을 형성하였다.First, a 0.5 wt% silver nanowire was spin coated on a PET substrate at a rate of 1500 rpm for 30 seconds to form a conductive layer.

전도층 상에 ZnO 나노 입자 분산액을 5000rpm으로 스핀 코팅하여 전도층이 완전히 피복되도록 절연층을 형성하여 감지부를 제조하였다.The ZnO nanoparticle dispersion was spin-coated at 5000 rpm on the conductive layer to form an insulating layer so that the conductive layer was completely covered to prepare a sensing unit.

감지부가 형성된 PET 기판을 리간드 치환 용액인 탈이온수 기반의 황화나트륨(Na2S) 용액(30mM)에 10분 동안 담갔다.The PET substrate on which the detection unit was formed was immersed in a deionized water-based sodium sulfide (Na 2 S) solution (30 mM) for 10 minutes as a ligand replacement solution.

Na2S 용액에 담지된 PET 기판의 표면을 3번 세척하여 잔류물을 제거함으로써, 압력 센서를 제조하였다.A pressure sensor was prepared by washing the surface of the PET substrate supported on the Na 2 S solution three times to remove the residue.

비교예 1Comparative Example 1

감지부가 형성된 PET 기판을 Na2S 용액에 담지시키지 않은 것을 제외하고는, 실시예와 동일한 방법으로 압력 센서를 제조하였다.A pressure sensor was manufactured in the same manner as in Example, except that the PET substrate on which the sensing portion was formed was not supported on the Na 2 S solution.

비교예 2Comparative Example 2

전도층 상에 절연층이 형성되지 않은 것을 제외하고는, 실시예와 동일한 방법으로 압력 센서를 제조하였다.A pressure sensor was manufactured in the same manner as in Example, except that the insulating layer was not formed on the conductive layer.

특성 평가Characteristic evaluation

도 10은 본 발명의 비교예 1 및 실시예에 따른 리간드 치환 여부에 따른 압력 센서의 푸리에 변환 적외선 분광학(Fourier-transform infrared spectroscopy, FT-IR) 스펙트럼을 도시한 그래프이다.10 is a graph showing a Fourier transform infrared spectroscopy (FT-IR) spectrum of a pressure sensor depending on whether a ligand is substituted according to Comparative Example 1 and Example of the present invention.

이때, 검은색 플롯은 리간드 치환 전의 ZnO 나노 입자의 표면(즉, 비교예 1의 절연층 표면)에 대한 FT-IR 스펙트럼을 의미하고, 빨간색 플롯은 리간드 치환 후의 ZnO 나노 입자의 표면(즉, 실시예의 절연층 표면)에 대한 FT-IR 스펙트럼을 의미한다.At this time, the black plot means the FT-IR spectrum of the surface of the ZnO nanoparticles before ligand substitution (i.e., the insulating layer surface of Comparative Example 1), and the red plot shows the surface of the ZnO nanoparticles after ligand substitution (i.e. FT-IR spectrum).

도 10을 참조하면, 리간드 교환 전의 ZnO 나노 입자는 옥타데칸올과 TOPO의 긴 유기 리간드로 둘러싸여 있으며, 약 2800cm-1 내지 3000cm-1의 강한 흡광도를 나타낸다.Referring to FIG. 10, ZnO nanoparticles before ligand exchange are surrounded by octadecanol and a long organic ligand of TOPO, and exhibit strong absorbance of about 2800 cm -1 to 3000 cm -1 .

이러한 긴 유기 리간드에 대한 피크는 황(S2-)의 짧은 무기 리간드로 리간드 치환되면 현저하게 감소하였다.The peak for this long organic ligand was markedly reduced when the ligand was replaced with a short inorganic ligand of sulfur (S 2- ).

2950cm-1에서 시작하여 증가하는 흡광도는 리간드 치환 공정에서 사용된 탈이온수로부터 생성된 OH- 리간드의 넓은 흡광도 피크(3400cm-1)에 의한 것이다.The increased absorbance starting at 2950 cm -1 is due to the broad absorbance peak (3400 cm -1 ) of the OH - ligand generated from deionized water used in the ligand substitution process.

이러한 결과는 ZnO 나노 입자의 긴 유기 리간드가 짧은 무기 리간드로 성공적으로 치환되어 ZnO 나노 입자 사이의 입자 간 거리가 감소하고 큰 구멍이나 크랙이 형성될 수 있음을 나타낸다.These results indicate that long organic ligands of ZnO nanoparticles are successfully substituted with short inorganic ligands, thereby reducing the interparticle distance between ZnO nanoparticles and forming large pores or cracks.

리간드 치환은 ZnO 나노 입자 간 거리를 감소시킬 뿐 아니라 ZnO 나노 입자로 이루어진 절연층의 강성과 안정성을 증가시킨다.Ligand substitution not only reduces the distance between ZnO nanoparticles, but also increases the stiffness and stability of the insulating layer made of ZnO nanoparticles.

합성된 ZnO 나노 입자로 이루어진 절연층은 ZnO 나노 입자를 둘러싸는 긴 유기 리간드에 의해 연질의 성질을 띄어 물리적 손상과 화학적 오염에 취약하며, 톨루엔 및 헥산과 같은 유기 용제에 의해 쉽게 제거될 뿐 아니라 전도층과의 접착력이 약하다.The insulating layer composed of the synthesized ZnO nanoparticles is soft due to the long organic ligand surrounding the ZnO nanoparticles, and is susceptible to physical damage and chemical contamination, and is easily removed by organic solvents such as toluene and hexane, as well as conducting The adhesion with the layer is weak.

반대로, Na2S 리간드 치환 용액 처리는 연질의 유기 리간드를 황(S2-)의 경질 무기 리간드로 치환하여 ZnO 나노 입자로 이루어진 절연층을 화학적 및 기계적으로 강한 무기 절연층으로 만들고, 절연층의 접착 및 안정성을 향상시킨다.Conversely, the Na 2 S ligand substitution solution treatment replaces the soft organic ligand with a light inorganic ligand of sulfur (S 2- ) to make the insulating layer made of ZnO nanoparticles into a chemically and mechanically strong inorganic insulating layer, and Improves adhesion and stability.

이와 같이 개선된 접착력과 강성은 압력 센서의 압력 감지 반응 시간을 단축시키고 압력 센서의 감도를 증가시킬 수 있다.This improved adhesion and stiffness can shorten the pressure sensing reaction time of the pressure sensor and increase the sensitivity of the pressure sensor.

일반적으로 친수성의 ZnO 나노 입자의 사용은 전도층의 은 나노 와니어에 대한 박리 또는 손상을 유발하여 압력 센서의 제조를 방해한다.In general, the use of hydrophilic ZnO nanoparticles causes delamination or damage of the conductive layer to the silver nano vernier, which interferes with the manufacture of the pressure sensor.

그러나, 유기 리간드로 둘러싸여 소수성을 가지는 ZnO 나노 입자는 박리없이 친수성의 은 나노 와이어 위에 증착되었음을 확인할 수 있다.However, it can be confirmed that ZnO nanoparticles having hydrophobicity surrounded by an organic ligand were deposited on a hydrophilic silver nanowire without peeling.

이후 리간드 치환 공정은 유기 리간드로 둘러싸인 소수성의 ZnO 나노 입자 절연층을 친수성이고 강성이 좋은 절연층으로 변화시켰다.Subsequently, in the ligand substitution process, the hydrophobic ZnO nanoparticle insulating layer surrounded by the organic ligand was changed to a hydrophilic and stiff insulating layer.

도 11은 본 발명의 비교예 1 및 실시예에 따른 리간드 치환 여부에 따른 압력 센서의 엑스선 회절(X-ray diffraction, XRD) 스펙트럼을 도시한 그래프이다.11 is a graph showing an X-ray diffraction (XRD) spectrum of a pressure sensor depending on whether a ligand is substituted according to Comparative Example 1 and Examples of the present invention.

도 11을 참조하면, 상기 비교예 1에 따른 합성된 ZnO 나노 입자로 이루어진 절연층에서 ZnO의 결정성을 확인할 수 있다.Referring to FIG. 11, crystallinity of ZnO may be confirmed in an insulating layer made of ZnO nanoparticles synthesized according to Comparative Example 1.

상기 실시예에 따른 Na2S 리간드 치환 용액으로 인해 ZnO 나노 입자의 리간드가 치환된 후, XRD 피크의 변화는 관찰되지 않았고, 리간드 치환 공정에서 다른 화합물이 형성되지 않았음을 확인할 수 있다.After the ligand replacement of the ZnO nanoparticles due to the Na 2 S ligand replacement solution according to the above example, a change in the XRD peak was not observed, and it can be confirmed that other compounds were not formed in the ligand replacement process.

따라서, 절연층을 대상으로 리간드 치환 공정을 수행하여도 다른 화합물을 형성하지 않으면서 절연성 물질을 둘러싸는 유기 리간드를 무리 리간드로 효과적으로 치환될 수 있음을 확인할 수 있다.Accordingly, it can be confirmed that even if the ligand substitution process is performed on the insulating layer, the organic ligand surrounding the insulating material can be effectively substituted with the bulk ligand without forming another compound.

도 12는 본 발명의 비교예 1 및 실시예에 따른 리간드 치환 여부에 따른 압력 센서의 전류-전압 곡선을 도시한 그래프이다.12 is a graph showing a current-voltage curve of a pressure sensor depending on whether a ligand is substituted according to Comparative Example 1 and Example of the present invention.

도 12를 참조하면, 리간드 치환 전후(비교예 1 및 실시예)에 따른 전압 대비 전류 변화가 거의 없는 것을 확인할 수 있다.Referring to FIG. 12, it can be confirmed that there was almost no change in voltage versus current according to before and after ligand substitution (Comparative Example 1 and Example).

또한, 합성된 ZnO 나노 입자로 이루어진 절연층은 외부 게이트 전압 또는 광 흡수없이 본질적으로 절연되어 있기 때문에, 리간드 치환 전후의 절연층이 ~1pA 이하의 낮은 전기 전도도를 가짐을 확인할 수 있다.In addition, since the insulating layer made of the synthesized ZnO nanoparticles is essentially insulated without external gate voltage or light absorption, it can be confirmed that the insulating layer before and after ligand substitution has a low electrical conductivity of ˜1 pA or less.

따라서, 절연층을 대상으로 리간드 치환 공정을 수행하여도 절연층의 절연성을 그대로 유지하면서 절연성 물질을 둘러싸는 유기 리간드를 무리 리간드로 효과적으로 치환될 수 있음을 확인할 수 있다.Therefore, it can be seen that even if the ligand substitution process is performed on the insulating layer, the organic ligand surrounding the insulating material can be effectively substituted with the bulk ligand while maintaining the insulating layer.

도 13은 본 발명의 실시예에 따른 리간드 치환 여부에 따른 압력 센서의 투과율을 도시한 그래프이다.13 is a graph showing the transmittance of a pressure sensor depending on whether a ligand is substituted according to an embodiment of the present invention.

도 13을 참조하면, 합성된 ZnO 나노 입자로 이루어진 절연층은 400nm 내지 700nm의 가시광선 영역에서 97.58%의 높은 평균 투과율을 가지는 것을 확인할 수 있다.Referring to FIG. 13, it can be seen that the insulating layer made of the synthesized ZnO nanoparticles has a high average transmittance of 97.58% in a visible light region of 400 nm to 700 nm.

Na2S 리간드 치환 용액으로 절연층을 처리한 후에는 리간드 치환이 다른 화합물의 형성 또는 변화를 유도하지 않았기 때문에 투과율은 변화하지 않았음을 확인할 수 있다.After treating the insulating layer with the Na 2 S ligand substitution solution, it can be confirmed that the transmittance did not change because the ligand substitution did not induce the formation or change of other compounds.

따라서, 리간드 치환은 상기 실시예에 따른 압력 센서의 광학 특성에 영향을 주지 않는 것을 확인할 수 있다.Therefore, it can be confirmed that the ligand substitution does not affect the optical properties of the pressure sensor according to the embodiment.

도 14는 본 발명의 비교예 2 및 실시예에 따른 압력 센서의 절연성 물질 유무 및 압력 유무에 따른 전류-전압 곡선을 도시한 그래프이다.14 is a graph showing current-voltage curves according to the presence and absence of an insulating material and the presence or absence of an insulating material of the pressure sensor according to Comparative Example 2 and Example of the present invention.

도 14는 상기 비교예 2 및 상기 실시예에 대하여 2kPa 크기의 압력을 가했을 때(빨간색 플롯)와 압력을 가하지 않았을 때(검은색 플롯)의 전류-전압 곡선을 도시한 것이다.FIG. 14 shows the current-voltage curves of Comparative Example 2 and Example 2 when pressure of 2 kPa was applied (red plot) and when pressure was not applied (black plot).

도 14의 상단 그래프를 먼저 참조하면, 상기 비교예 2에 압력을 가하지 않았을 때와 압력을 가했을 때의 압력 센서에 대한 컨덕턴스를 측정한 결과, 1V에서 8.33×10-4A의 오프 전류가 측정된 것을 확인할 수 있다.Referring first to the upper graph of FIG. 14, when conductance was measured for a pressure sensor when no pressure was applied to the comparative example 2 and when pressure was applied, an off current of 8.33×10 -4 A was measured at 1V. You can confirm that.

반면, 2kPa의 압력을 가했을 때 압력 센서의 온 전류는 1.79×10-3A인 것을 확인할 수 있다.On the other hand, when the pressure of 2kPa is applied, it can be seen that the on-state current of the pressure sensor is 1.79×10 -3 A.

도 14의 하단 그래프를 참조하면, 상기 실시예의 압력 센서의 경우 오프 전류는 2.85×10-7A로 현저하게 감소된 것을 확인할 수 있다.Referring to the lower graph of FIG. 14, it can be seen that in the case of the pressure sensor of the embodiment, the off current was significantly reduced to 2.85×10 −7 A.

또한, 2kPa의 압력 하에서의 상기 실시예의 온 전류는 1.14×10-3A인 것을 확인할 수 있다.In addition, it can be seen that the on-state current of the embodiment under a pressure of 2 kPa is 1.14×10 −3 A.

즉, 상기 비교예 2의 경우에는 압력 유무에 따라 전류 변화가 미미하게 발생하는데 반해, 상기 실시예의 경우에는 압력 유무에 따라 전류 변화가 눈에 띄게 발생하는 것을 확인할 수 있다.That is, in the case of the comparative example 2, it can be seen that, while the current change is insignificant depending on the presence or absence of pressure, in the case of the embodiment, the current change occurs remarkably depending on the presence or absence of pressure.

따라서, 상기 실시예의 압력 센서가 상기 비교예 2의 압력 센서보다 압력을 효율적으로 민감하게 감지할 수 있음을 확인할 수 있다.Therefore, it can be confirmed that the pressure sensor of the embodiment can efficiently and sensitively sense pressure than the pressure sensor of Comparative Example 2.

도 15는 본 발명의 비교예 2 및 실시예에 따른 압력 센서의 절연성 물질 유무에 따른 상대적 전류 변화를 도시한 그래프이다.15 is a graph showing a relative current change according to the presence or absence of an insulating material of the pressure sensor according to Comparative Example 2 and Example of the present invention.

도 15는 온 전류와 오프 전류의 차이를 오프 전류로 나눈 값(y축)을 압력(x축)에 대한 함수로 플로팅한 것이며, 검은색 플롯은 비교예 2에 대한 그래프, 빨간색 플롯은 실시예에 대한 그래프를 의미한다.FIG. 15 plots the difference between the on current and the off current divided by the off current (y-axis) as a function of pressure (x-axis), the black plot is a graph for Comparative Example 2, and the red plot is an example. Mean graph for.

도 15를 참조하면, 상기 비교예 2의 경우 전류 흐름은 인가된 압력이 2 kPa까지 선형적으로 증가하는 것을 확인할 수 있으며, 상기 수학식 1에 따라 1.49kPa-1의 민감도를 가지는 것을 확인할 수 있다.Referring to FIG. 15, in the case of Comparative Example 2, it can be confirmed that the current flow increases linearly to 2 kPa and the sensitivity of 1.49 kPa -1 according to Equation 1 above. .

또한, 상기 비교예 2에 압력이 2kPa 인가될 때 전도층과 전극부가 완전히 접촉되어 포화 상태, 즉 전도층과 전극부가 완전히 접촉된다.In addition, when 2 kPa is applied to the pressure in Comparative Example 2, the conductive layer and the electrode portion are completely brought into contact with each other, and thus, the saturated layer, that is, the conductive layer and the electrode portion are completely brought into contact.

상기 실시예의 경우 압력 센서의 민감도는 300kPa-1 이상으로 크게 증가 한 것을 확인할 수 있다.In the case of the above embodiment, it can be seen that the sensitivity of the pressure sensor is greatly increased to 300 kPa -1 or more.

리간드 치환에 따른 크랙이 형성된 절연층은 전도층과 전극부 사이에 갭(gap)을 생성하여 초기 접촉 면적을 감소시키나, 외부로부터 압력이 인가되면 크랙을 통해 전도층 및 전극부의 접촉이 가능하여 민감하게 압력을 감지할 수 있게 된다.The crack-formed insulating layer according to the ligand substitution creates a gap between the conductive layer and the electrode portion to reduce the initial contact area, but when pressure is applied from the outside, the conductive layer and the electrode portion can be contacted through the crack to be sensitive. Pressure can be detected.

즉, 상기 실시예에서 인가된 압력에 의해 전도층과 전극부의 접촉 면적의 변화는 크랙으로 인해 상당히 크게 나타나므로, 압력 센서는 리간드 치환에 따른 크랙이 형성됨에 따라 낮은 오프 전류와 높은 민감도를 나타낼 수 있다.That is, since the change in the contact area of the conductive layer and the electrode portion by the pressure applied in the above-described embodiment is considerably large due to cracks, the pressure sensor can exhibit low off current and high sensitivity as cracks are formed due to ligand substitution. have.

또한 도 15에서 약 10kPa의 압력 전후로 그래프의 기울기가 다른 두 개의 영역을 확인할 수 있다.In addition, in FIG. 15, two regions having different slopes of the graph can be seen before and after the pressure of about 10 kPa.

10kPa의 압력 이하에 대한 전류 변화 그래프인 첫 번째 영역(ⅰ 영역)에서 상기 실시예의 압력 센서의 민감도는 3.23×103kPa-1 인 것으로 확인할 수 있다.It can be confirmed that the sensitivity of the pressure sensor of the embodiment is 3.23×10 3 kPa -1 in the first region (인 region), which is a graph of current change for a pressure of 10 kPa or less.

반면, 10kPa 내지 75kPa의 압력 범위에 대한 전류 변화 그래프인 두 번째 영역(ⅱ 영역)에서 상기 실시예의 압력 센서의 민감도는 3.46이는 3.46×102kPa-1 로 ⅰ 영역보다 감소한 것을 확인할 수 있다.On the other hand, it can be seen that the sensitivity of the pressure sensor of the embodiment is 3.46 or 3.46×10 2 kPa -1 in the second region (ii region), which is a graph of current change for a pressure range of 10 kPa to 75 kPa, which is lower than that of the ⅰ region.

이와 같이 두 영역에서 상기 실시예의 압력 센서가 다른 민감도를 가지는 이유를 아래의 도 16과 함께 설명하도록 한다.As described above, the reason why the pressure sensor of the embodiment has different sensitivity in the two regions will be described with reference to FIG. 16 below.

도 16은 본 발명의 실시예에 따른 압력 센서에 가해지는 압력의 크기에 따른 모습을 도시한 모식도이다.16 is a schematic diagram showing a state according to the magnitude of pressure applied to a pressure sensor according to an embodiment of the present invention.

도 16을 참조하면, 전도층과 전극부 간의 접촉 영역은 인가된 압력에 의해 형성되고, 접촉 영역은 인가된 압력이 더 커지면 확대될 수 있음을 확인할 수 있다.Referring to FIG. 16, it can be seen that the contact region between the conductive layer and the electrode portion is formed by the applied pressure, and the contact region can be enlarged when the applied pressure becomes larger.

상기 실시예의 경우, 10kPa 미만의 낮은 압력 하에서 압력 센서의 컨덕턴스 증가는 전도층과 전극부 간의 접촉 영역의 형성에 의한 것이다.In the case of the above embodiment, the increase in conductance of the pressure sensor under a low pressure of less than 10 kPa is due to the formation of a contact region between the conductive layer and the electrode portion.

반면, 10kPa 이상의 압력 범위에서는 전도층과 전극부 간의 접촉 영역 증가로 인해 컨덕턴스 역시 증가하게 된다.On the other hand, in the pressure range of 10 kPa or more, conductance also increases due to an increase in the contact area between the conductive layer and the electrode portion.

따라서, 압력 센서의 압력 감지는 전도층과 전극부 간의 접촉 영역 면적 변화의 차이에 의해 상술한 도 15와 같이 두 영역(ⅰ 영역 및 ⅱ 영역)으로 나뉜다.Therefore, the pressure sensing of the pressure sensor is divided into two regions (ⅰ region and ii region) as shown in FIG. 15 described above by a difference in area change of the contact region between the conductive layer and the electrode portion.

상기 실시예에서 인가된 압력에 따른 접촉 면적 증가 변화율로 인해, ⅰ 영역에서 ⅱ 영역보다 큰 민감도가 관찰된다.Due to the rate of change in the contact area increase with the applied pressure in the above embodiment, a greater sensitivity than the ii region in the ⅰ region is observed.

반대로, 상기 비교예 2의 경우에는 처음에는 전도층과 전극부 간의 접촉 면적이 크고, ⅱ 영역에 도달하기 전에 이미 포화 상태가 되므로 상술한 도 15에서 ⅰ 영역에 대해서만 플로팅이 가능하다.On the contrary, in the case of the comparative example 2, since the contact area between the conductive layer and the electrode portion is large at first, it is already saturated before reaching the region ii, and thus it is possible to float only the region ⅰ in FIG. 15 described above.

상기 비교예 2의 경우 포화 후 민감도는 0이 되는데, 그 이유는 인가된 압력의 증가에도 불구하고 전류 변화가 관찰되지 않기 때문이다.In the case of Comparative Example 2, the sensitivity after saturation becomes 0, because a current change is not observed despite an increase in the applied pressure.

도 17은 본 발명의 실시예에 따른 리간드가 치환된 압력 센서의 가시광선 영역에 대한 투과율을 도시한 그래프이며, 도 18은 본 발명의 실시예에 따른 전도성 물질인 은 나노 와이어의 투과율을 도시한 그래프이다.Figure 17 is a graph showing the transmittance of the visible light region of the ligand-substituted pressure sensor according to an embodiment of the present invention, Figure 18 shows the transmittance of silver nanowires as a conductive material according to an embodiment of the present invention It is a graph.

도 17 및 도 18을 참조하면, 도 18에 도시된 바와 같이 상기 실시예에 따른 전도층을 이루는 은 나노 와이어가 450nm 부근의 파장에서 국부적인 표면 플라즈몬 공명(localized surface plasmon resonance, LSPR) 피크를 나타낼 때, 상기 실시예의 투과율은 도 17에 도시된 바와 같이 500 nm 이하에서 감소하기 시작한다Referring to FIGS. 17 and 18, as illustrated in FIG. 18, the silver nanowires constituting the conductive layer according to the embodiment exhibit localized surface plasmon resonance (LSPR) peaks at a wavelength around 450 nm. At this time, the transmittance of this embodiment starts to decrease below 500 nm as shown in FIG.

도 17을 참조하면, 400nm 내지 700nm의 가시 광선 영역에서 상기 실시예의 평균 투과율은 85.0 %였으며, 550 nm에서의 투과율은 88.17%인 것을 확인할 수 있다.Referring to FIG. 17, it can be seen that in the visible light region of 400 nm to 700 nm, the average transmittance of the embodiment was 85.0%, and the transmittance at 550 nm was 88.17%.

따라서, 상기 실시예에 따른 압력 센서는 전도층인 은 나노 와이어에 의해 높은 투과율을 가질 수 있으며, 이에 따라 우수한 투명성을 가지는 것을 확인할 수 있다.Therefore, the pressure sensor according to the embodiment may have a high transmittance by a silver nanowire that is a conductive layer, and thus it can be confirmed that it has excellent transparency.

이하, 상기 실시예에 따른 압력 센서의 응답 시간 및 완화 시간을 평가하고, 내구성 및 신뢰성을 평가하였다.Hereinafter, the response time and relaxation time of the pressure sensor according to the embodiment were evaluated, and durability and reliability were evaluated.

도 19는 본 발명의 실시예에 따른 압력 센서에 압력을 가할 때 응답 시간(response time) 및 완화 시간(relaxation time)을 도시한 그래프이다.19 is a graph showing response time and relaxation time when pressure is applied to a pressure sensor according to an embodiment of the present invention.

도 19를 참조하면, 상기 실시예의 압력 센서는 2kPa의 압력에서 각각 120ms의 응답 시간 및 100ms의 완화 시간을 가지는 것을 확인할 수 있다.Referring to FIG. 19, it can be seen that the pressure sensor of the embodiment has a response time of 120 ms and a relaxation time of 100 ms, respectively, at a pressure of 2 kPa.

상기 실시예의 압력 센서는 절연성 물질을 둘러싸는 긴 유기 리간드를 짧은 무기 리간드로 치환함에 따라 견고한 크랙이 형성되기 때문에 응답 시간이 매우 짧다.The pressure sensor of this embodiment has a very short response time because a solid crack is formed by replacing the long organic ligand surrounding the insulating material with a short inorganic ligand.

도 20은 본 발명의 실시예에 따른 압력 센서에 반복적인 압력을 가할 때 전류 변화를 도시한 그래프이다.20 is a graph showing a change in current when repetitive pressure is applied to a pressure sensor according to an embodiment of the present invention.

이때, 압력 센서에 압력을 인가하기 시작한 시점부터 압력을 인가하지 않는 시점까지를 1회로 정의하며, 도 20은 실시예의 압력 센서에 1000회 압력을 가했을 때 전류 변화를 도시한 그래프이다.At this time, it is defined as one time from when the pressure starts to apply pressure to the pressure sensor to the time when no pressure is applied, and FIG. 20 is a graph showing the current change when 1000 pressure is applied to the pressure sensor of the embodiment.

도 20을 참조하면, 1000회에 걸쳐 2kPa의 압력을 가하는 내구성 실험에서 상기 실시예의 압력 센서는 전류 변화가 크게 일어나지 않았음을 확인할 수 있다.Referring to FIG. 20, it can be confirmed that in the endurance experiment of applying a pressure of 2 kPa over 1000 times, the pressure sensor of the embodiment did not significantly change the current.

도 20에 삽입된 이미지는 500초 및 2000초 정도의 확대 그래프를 도시한 것이며, 압력 인가 여부에 따라 일정한 전류 변화를 보여줌으로써 상기 실시예의 압력 센서의 신뢰성이 높다는 것을 확인할 수 있다.The image inserted in FIG. 20 shows enlarged graphs of about 500 seconds and 2000 seconds, and it can be confirmed that the reliability of the pressure sensor of the embodiment is high by showing a constant current change depending on whether pressure is applied.

도 21은 본 발명의 실시예에 따른 압력 센서에 반복적인 압력을 1000회 가하기 전후에 따른 전류 변화를 도시한 그래프이다.21 is a graph showing a change in current before and after applying repetitive pressure 1000 times to a pressure sensor according to an embodiment of the present invention.

도 21을 참조하면, 상기 실시예의 압력 센서에 4kPa의 압력에서 6%의 가장 큰 전류 변화를 나타낸 것을 확인할 수 있다.Referring to FIG. 21, it can be seen that the pressure sensor of the embodiment exhibited the largest current change of 6% at a pressure of 4 kPa.

따라서 상기 실시예의 압력 센서는 높은 민감도뿐만 아니라 빠른 반응, 우수한 신뢰성 및 안정성을 가지는 것을 확인할 수 있다.Therefore, it can be seen that the pressure sensor of the embodiment has not only high sensitivity but also quick response, excellent reliability and stability.

도 22는 본 발명의 실시예에 따른 압력 센서가 맥박을 실시간으로 측정할 때 전류 변화를 도시한 그래프이다.22 is a graph showing the current change when the pressure sensor according to an embodiment of the present invention measures the pulse in real time.

도 22는 삽입된 이미지에 도시된 바와 같이 상기 실시예의 압력 센서를 피측정대상인 손목에 대고 1V의 전압에서 전류 변화를 모니터링하여 펄스를 측정한 결과를 도시한 그래프이다.22 is a graph showing the results of measuring pulses by monitoring the change in current at a voltage of 1 V by applying the pressure sensor of the embodiment to the wrist to be measured as shown in the inserted image.

도 22를 참조하면, 일반적으로 성인의 맥박이 초당 1회 내지 1.4회 뛰는 것을 고려하면, 상기 실시예의 압력 센서가 맥박을 정확하게 측정한 것을 확인할 수 있다.Referring to FIG. 22, it can be confirmed that the pressure sensor of the above-described embodiment accurately measures the pulse, considering that the pulse of an adult generally runs once to 1.4 times per second.

도 22에 삽입된 확대 이미지를 참조하면, 오랜 시간 동안 세 개의 구별 가능한 충격기(percussion, P), 감조기(tidal, T) 및 이완기(diastolic, D)를 감지한 것을 확인할 수 있다.Referring to the enlarged image inserted in FIG. 22, it can be confirmed that three distinguishable impactors (percussion, P), tidal (T), and diastolic (D) were detected for a long time.

도 23은 본 발명의 실시예에 따른 압력 센서의 압력에 따른 센싱 결과를 도시한 이미지이다.23 is an image illustrating sensing results according to pressure of a pressure sensor according to an embodiment of the present invention.

도 23은 6열의 체스판과 같이 상기 실시예의 압력 센서를 대면적으로 제조한 후 상기 실시예의 압력 센서 상에 물체를 올려놓아 압력을 감지한 결과를 도시한 것이다.23 shows the result of sensing the pressure by placing an object on the pressure sensor of the embodiment after manufacturing the pressure sensor of the embodiment in a large area, such as a six-row chessboard.

도 23을 참조하면, 왼쪽 상단 및 하단의 이미지에서 각각의 물체는 20kPa와 10kPa 크기의 압력을 발생한 것을 확인할 수 있다.Referring to FIG. 23, it can be seen that each of the objects in the upper left and lower images generated pressures of 20 kPa and 10 kPa.

또한, 중간 상단 및 하단의 이미지에서 상기 실시예의 압력 센서 상에 물체가 제거된 후에는 압력이 감지되지 않았음을 확인할 수 있다.In addition, it can be confirmed that the pressure is not sensed after the object is removed on the pressure sensor of the above embodiment from the images of the upper and lower middle.

또한, 오른쪽 상단 및 하단의 이미지에서 상기 실시예의 압력 센서 상에 물체를 올려놓았을 때 10kPa의 압력이 측정된 것을 확인할 수 있다.In addition, it can be seen that the pressure of 10 kPa was measured when an object was placed on the pressure sensor of the embodiment in the upper right and lower images.

더하여, 도 23의 하단 이미지에서 알 수 있듯이 물체의 위치에 따라 감지되는 압력의 위치를 정확히 측정했음을 확인할 수 있다.In addition, as can be seen from the lower image of FIG. 23, it can be confirmed that the position of the pressure sensed according to the position of the object was accurately measured.

도 24a는 본 발명의 실시예에 따른 압력 센서를 터치하는 모습 및 터치된 압력 센서에 의해 발광하는 LED를 도시한 이미지이며, 도 24b는 본 발명의 실시예에 따른 압력 센서의 터치에 따른 상대적 전류 변화를 도시한 그래프이다.24A is an image showing a state in which a pressure sensor is touched according to an embodiment of the present invention and an LED emitted by the touched pressure sensor, and FIG. 24B is a relative current according to the touch of a pressure sensor according to an embodiment of the present invention It is a graph showing the change.

도 24a는 상기 실시예의 압력 센서를 제조하여 손가락 끝에 부착한 후 손가락에 부착된 압력 센서에 접촉 압력을 가하는 모습과 압력 센서가 압력을 감지하여 LED가 발광하는 모습을 도시한 이미지이다.FIG. 24A is an image showing a state in which the pressure sensor of the above embodiment is attached to a fingertip, and then a contact pressure is applied to the pressure sensor attached to the finger, and a state in which the pressure sensor senses pressure and the LED emits light.

즉, 손가락에 부착된 실시예의 압력 센서를 통해 손가락 접촉 압력에 따라 LED 강도를 제어할 수 있다.That is, the LED intensity can be controlled according to the finger contact pressure through the pressure sensor of the embodiment attached to the finger.

도 24a 및 도 24b를 참조하면, 손가락에 부착된 압력 센서에 동일한 접촉 압력을 가했을 때 동일한 전류 변화가 측정되어 동일한 밝기로 LED가 발광하는 것을 확인할 수 있다.24A and 24B, when the same contact pressure is applied to the pressure sensor attached to the finger, the same current change is measured and it can be seen that the LED emits light with the same brightness.

따라서, 상기 실시예의 압력 센서는 인간의 손목에 대한 생물학적 압력(맥박) 변화의 탐지뿐만 아니라 로봇에 대한 외력 탐지를 위한 얇은 전자 피부에도 적용될 수 있다.Therefore, the pressure sensor of the above embodiment can be applied not only to the detection of biological pressure (pulse) change on the human wrist, but also to the thin electronic skin for the detection of external force to the robot.

본 발명의 실시예에 따른 압력 센서는 유기 리간드로 둘러싼 절연성 물질을 통해 전도층과의 접착성을 향상시킨 후, 상기 유기 리간드를 무기 리간드로 치환하여 절연층에 크랙을 형성함에 따라 전도층 및 전극부가 접촉되게 함으로써 높은 감도, 광범위한 압력, 내구성 및 신뢰성이 향상될 수 있다.The pressure sensor according to an embodiment of the present invention improves adhesion to a conductive layer through an insulating material surrounded by an organic ligand, and then replaces the organic ligand with an inorganic ligand to form a crack in the insulating layer, thereby forming a conductive layer and an electrode. High sensitivity, a wide range of pressure, durability and reliability can be improved by allowing additional contact.

이상과 같이 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 그러므로, 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다. As described above, although the present invention has been described by limited embodiments and drawings, the present invention is not limited to the above embodiments, and various modifications and variations from these descriptions will be made by those skilled in the art to which the present invention pertains. This is possible. Therefore, the scope of the present invention should not be limited to the described embodiments, but should be determined not only by the claims to be described later, but also by the claims and equivalents.

100: 압력 센서
110: 제1 기판
120: 감지부
121: 전도층
122: 절연층
123: 유기 리간드
130: 제2 기판
140: 전극부100: pressure sensor
110: first substrate
120: detection unit
121: conductive layer
122: insulating layer
123: organic ligand
130: second substrate
140: electrode portion

Claims (14)

제1 기판 상에 감지부를 형성하는 단계; 및
상기 감지부와 제2 기판 상에 형성된 전극부를 결합시키는 단계;를 포함하고,
상기 감지부를 형성하는 단계는,
상기 제1 기판 상에 전도성 물질을 도포하여 전도층을 형성하는 단계;
상기 전도층 상에 유기 리간드로 둘러싸인 절연성 물질을 도포하여 절연층을 형성하는 단계; 및
상기 절연층을 무기 리간드가 분산된 리간드 치환 용액에 접촉시켜 상기 절연성 물질의 유기 리간드를 무기 리간드로 치환하는 단계; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 압력 센서의 제조방법.
Forming a sensing unit on the first substrate; And
Including; coupling the sensing unit and the electrode portion formed on the second substrate;
The step of forming the sensing unit,
Forming a conductive layer by applying a conductive material on the first substrate;
Forming an insulating layer by applying an insulating material surrounded by an organic ligand on the conductive layer; And
Replacing the organic ligand of the insulating material with an inorganic ligand by contacting the insulating layer with a ligand replacement solution in which an inorganic ligand is dispersed; Method of manufacturing a pressure sensor comprising a.
제1항에 있어서,
상기 감지부는 상기 절연성 물질의 유기 리간드가 상기 무기 리간드로 치환되면서 형성된 크랙(crack)을 포함하는 것을 특징으로 하는 압력 센서의 제조 방법.
According to claim 1,
The sensing unit comprises a crack formed while the organic ligand of the insulating material is replaced by the inorganic ligand.
제2항에 있어서,
상기 압력 센서에 압력이 가해질 때 상기 크랙을 통해 노출된 상기 전도층이 상기 전극부와 접촉되어 전기 저항이 변하는 것을 특징으로 하는 압력 센서의 제조방법.
According to claim 2,
When pressure is applied to the pressure sensor, a method of manufacturing a pressure sensor, characterized in that the electrical resistance changes by contacting the conductive layer exposed through the crack with the electrode portion.
제1항에 있어서,
상기 유기 리간드는 상기 무기 리간드보다 길이가 긴 것을 특징으로 하는 압력 센서의 제조 방법.
According to claim 1,
The organic ligand is a pressure sensor manufacturing method characterized in that the length is longer than the inorganic ligand.
제1항에 있어서,
상기 전도성 물질은 금속 나노 와이어 또는 인듐 주석 산화물(Indium tin oxide, ITO) 나노 입자인 것을 특징으로 하는 압력 센서의 제조 방법.
According to claim 1,
The conductive material is a method of manufacturing a pressure sensor, characterized in that the metal nanowires or indium tin oxide (ITO) nanoparticles.
제5항에 있어서,
상기 금속 나노 와이어는 구리 나노 와이어 또는 은 나노 와이어(Ag nanowire, AgNW)인 것을 특징으로 하는 압력 센서의 제조 방법.
The method of claim 5,
The metal nanowire is copper nanowire or silver nanowire (Ag nanowire, AgNW) method of manufacturing a pressure sensor, characterized in that.
제1항에 있어서,
상기 절연성 물질은 금속 산화물의 나노 입자인 것을 특징으로 하는 압력 센서의 제조 방법.
According to claim 1,
The insulating material is a method of manufacturing a pressure sensor, characterized in that the nanoparticles of metal oxide.
제7항에 있어서,
상기 절연성 물질은 산화아연(ZnO), 알루미늄 산화물(Al2O3), 알루미늄 질화물(AlN), 이산화티타늄(TiO2), 산화아연(ZnO), 산화규소(SiO2), 지르코늄 산화물(ZrO2), 텅스텐 산화물(WO2) 중 어느 하나로 이루어진 나노 입자인 것을 특징으로 하는 압력 센서의 제조 방법.
The method of claim 7,
The insulating material is zinc oxide (ZnO), aluminum oxide (Al 2 O 3 ), aluminum nitride (AlN), titanium dioxide (TiO 2 ), zinc oxide (ZnO), silicon oxide (SiO 2 ), zirconium oxide (ZrO 2) ), tungsten oxide (WO 2 ) nanoparticles made of any one of the pressure sensor manufacturing method characterized in that.
제1항에 있어서,
상기 절연성 물질의 유기 리간드는 TOPO(trioctylphosphineoxide), 옥타데칸올(octadecanol) 및 올레익산(oleic acid) 중 적어도 어느 하나인 것을 특징으로 하는 압력 센서의 제조 방법.
According to claim 1,
The organic ligand of the insulating material is a method of manufacturing a pressure sensor, characterized in that at least one of TOPO (trioctylphosphineoxide), octadecanol (octadecanol) and oleic acid (oleic acid).
제1항에 있어서,
상기 리간드 치환 용액의 무기 리간드는 황 이온(S2-), 염소 이온(Cl-), 브롬 이온(Br-), 티오시안산 이온(SCN-), 아이오딘 이온(I-), 이황화물 이온(HS-), 텔루륨 이온(Te2-), 수산화 이온(OH-), 사불화붕산 이온(BF4 -) 및 육불화인산 이온(PF6 -) 중 적어도 어느 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 압력 센서의 제조 방법.
According to claim 1,
Inorganic ligand of the ligand-substitutional solution is sulfur ions (S 2-), chloride ion (Cl -), bromide ion (Br -), thiocyanate ion (SCN -), iodine ion (I -), disulfide ion (HS - ), tellurium ions (Te 2- ), hydroxide ions (OH - ), boron tetrafluoride ions (BF 4 - ) and characterized in that it comprises at least one of hexafluorophosphate ions (PF 6 - ) Pressure sensor manufacturing method.
제1 기판 상에 형성된 감지부; 및
제2 기판 상에 형성되고, 상기 감지부와 결합된 전극부
를 포함하고,
상기 감지부는,
상기 제1 기판 상에 형성되고, 전도성 물질을 포함하는 전도층;
상기 전도층 상에 형성되고, 무기 리간드로 둘러싸인 절연성 물질과 크랙(crack)을 포함하는 절연층;
을 포함하는 것을 특징으로 하는 압력 센서.
A sensing unit formed on the first substrate; And
An electrode portion formed on the second substrate and coupled with the sensing portion
Including,
The sensing unit,
A conductive layer formed on the first substrate and including a conductive material;
An insulating layer formed on the conductive layer and including an insulating material surrounded by an inorganic ligand and a crack;
Pressure sensor, characterized in that it comprises a.
제11항에 있어서,
상기 압력 센서에 압력이 가해질 때 상기 크랙을 통해 노출된 상기 전도층이 상기 전극부와 접촉되어 전기 저항이 변하는 것을 특징으로 하는 압력 센서.
The method of claim 11,
When the pressure is applied to the pressure sensor, the pressure sensor, characterized in that the electrical resistance is changed by contacting the conductive layer exposed through the crack and the electrode portion.
제11항에 있어서,
상기 압력 센서가 감지하는 압력 범위는 60kPa 내지 90kPa인 것을 특징으로 하는 압력 센서.
The method of claim 11,
The pressure range detected by the pressure sensor is 60kPa to 90kPa, characterized in that the pressure sensor.
제11항에 있어서,
상기 압력 센서의 민감도는 2.0×103 kPa-1 내지 4.0×103 kPa-1인 것을 특징으로 하는 압력 센서.
The method of claim 11,
The pressure sensor has a sensitivity of 2.0×10 3 kPa -1 to 4.0×10 3 kPa -1 .
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