KR102389249B1 - 정렬된 카본 나노튜브 시트를 포함하는 압력 센서 및 이를 제조하는 방법 - Google Patents

정렬된 카본 나노튜브 시트를 포함하는 압력 센서 및 이를 제조하는 방법 Download PDF

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Abstract

카본 나노튜브 시트를 포함하는 압력 센서는 제1 기판, 제1 전극, 제2 전극, 카본 나노튜브 시트, 제2 기판 및 제3 전극을 포함한다. 상기 제1 전극은 상기 제1 제1 기판 상에 배치된다. 상기 제2 전극은 상기 제1 기판 상에 배치되고 상기 제1 전극과 제1 방향으로 이격된다. 상기 카본 나노튜브 시트는 상기 제1 기판 상에 배치되고, 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극 사이에 배치된다. 상기 제2 기판은 상기 제1 기판과 마주본다. 상기 제3 전극은 상기 제1 기판 및 상기 제2 기판 사이에 배치되고, 상기 제2 기판에 접촉하며, 상기 카본 나노튜브 시트와 중첩되는 영역에 배치된다. 상기 카본 나노튜브 시트는 상기 제1 방향과 다른 제2 방향으로 연장되는 복수의 카본 나노튜브 스트링들을 포함한다.

Description

정렬된 카본 나노튜브 시트를 포함하는 압력 센서 및 이를 제조하는 방법 {PRESSURE SENSOR INCLUDING ALIGNED CARBON NANOTUBE SHEET AND METHOD OF MANUFACTURING THE SAME}
본 발명은 압력 센서 및 이를 제조하는 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 제1 전극 및 제2 전극 사이에 배치되는 카본 나노튜브 스트링 및 상기 카본 나노튜브 스트링과 마주보는 제3 전극을 이용한 압력 센서 및 이를 제조하는 방법에 관한 것이다.
최근 모바일 디바이스, 사물인터넷의 급격한 발전은 웨어러블 전자 소자, 전자 피부, 소프트 로보틱스, 헬스 케어 등에 응용할 수 있는 고성능 센서의 구현을 요구하고 있어, 투명하고 유연한 소재를 이용하여 다양한 센서를 만드는 연구가 진행되고 있다.
대한민국 공개특허공보 제10-2014-0125903호 대한민국 공개특허공보 제10-2014-0114918호
본 발명이 이루고자 하는 목적은 제1 전극 및 제2 전극 사이에 배치되는 카본 나노튜브 스트링 및 상기 카본 나노튜브 스트링과 마주보는 제3 전극을 이용한 압력 센서를 제공하는 것이다.
본 발명이 이루고자 하는 다른 목적은 상기 압력 센서를 제조하는 방법을 제공하는 것이다.
상기한 본 발명의 목적을 실현하기 위한 일 실시예에 따른 카본 나노튜브 시트를 포함하는 압력 센서는 제1 기판, 제1 전극, 제2 전극, 카본 나노튜브 시트, 제2 기판 및 제3 전극을 포함한다. 상기 제1 전극은 상기 제1 제1 기판 상에 배치된다. 상기 제2 전극은 상기 제1 기판 상에 배치되고 상기 제1 전극과 제1 방향으로 이격된다. 상기 카본 나노튜브 시트는 상기 제1 기판 상에 배치되고, 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극 사이에 배치된다. 상기 제2 기판은 상기 제1 기판과 마주본다. 상기 제3 전극은 상기 제1 기판 및 상기 제2 기판 사이에 배치되고, 상기 제2 기판에 접촉하며, 상기 카본 나노튜브 시트와 중첩되는 영역에 배치된다. 상기 카본 나노튜브 시트는 상기 제1 방향과 다른 제2 방향으로 연장되는 복수의 카본 나노튜브 스트링들을 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 제1 기판 및 상기 제2 기판 사이에 배치되는 제1 스페이서 및 제2 스페이서를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 제1 스페이서는 상기 제1 전극의 외곽에 배치될 수 있다. 상기 제2 스페이서는 상기 제2 전극의 외곽에 배치될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 제1 스페이서는 상기 제1 전극과 중첩하여 배치될 수 있다. 상기 제2 스페이서는 상기 제2 전극과 중첩하여 배치될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 제1 스페이서는 상기 제1 전극 및 상기 제3 전극과 중첩하여 배치될 수 있다. 상기 제2 스페이서는 상기 제2 전극 및 상기 제3 전극과 중첩하여 배치될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 제1 기판, 상기 제2 기판, 상기 제1 전극, 상기 제2 전극, 상기 제3 전극, 상기 카본 나노튜브 시트, 상기 제1 스페이서 및 상기 제2 스페이서는 투명한 재질을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 제1 전극, 상기 제2 전극 및 상기 제3 전극은 ITO(Indium Tin Oxide)를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 제1 전극, 상기 제2 전극 및 상기 제3 전극은 카본 나노튜브를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 제2 기판 상에 압력이 인가되면, 상기 제3 전극이 상기 카본 나노튜브 스트링들에 접촉할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 제2 기판 상에 압력이 인가되면, 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극의 신호를 측정하여 상기 압력이 센싱될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 제2 기판 상에 가해지는 압력이 증가하면, 상기 압력 센서의 저항이 감소할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 제1 기판 상에 압력이 인가되면, 상기 제3 전극이 상기 카본 나노튜브 스트링들에 접촉할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 제2 방향은 상기 제1 방향과 수직일 수 있다.
상기한 본 발명의 다른 목적을 실현하기 위한 일 실시예에 따른 카본 나노튜브 시트를 포함하는 압력 센서의 제조 방법은 카본 나노튜브 포레스트로부터 일방향으로 연장되는 복수의 카본 나노튜브 스트링들을 제1 기판 상에 형성하는 단계, 상기 제1 기판 상에 제1 전극 및 상기 제1 전극과 제1 방향으로 이격되는 제2 전극을 형성하는 단계 및 상기 카본 나노튜브 시트와 중첩되는 영역에 제3 전극이 형성된 제2 기판을 상기 제1 기판과 마주보게 배치하는 단계를 포함한다. 상기 제3 전극은 상기 제1 기판 및 상기 제2 기판 사이에 배치되고, 상기 제2 기판에 접촉한다. 상기 카본 나노튜브 스트링들은 상기 제1 방향과 다른 제2 방향으로 연장된다.
본 발명에 따른 카본 나노튜브 시트를 포함하는 상기 압력 센서는 제1 전극, 제2 전극, 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극 사이에 배치되는 카본 나노튜브 스트링 및 상기 카본 나노튜브 스트링과 중첩되는 제3 전극을 포함한다.
상기 압력 센서는 병렬 방향으로 정렬된 카본 나노튜브 스트링들을 갖는 카본 나노튜브 시트를 포함한다. 상기 카본 나노튜브 스트링들은 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극의 연장 방향과 대체로 평행하게 연장되어, 상기 압력 센서에 압력이 가해지지 않을 때, 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극에서 측정되는 상기 압력 센서의 저항은 큰 저항을 갖는다.
반면, 상기 압력 센서에 압력이 가해지면, 상기 카본 나노튜브 스트링과 상기 제3 전극의 거리가 가까워질 수 있다. 상기 압력 센서에 압력이 가해져, 상기 카본 나노튜브 스트링과 상기 제3 전극이 접촉하게 되면 상기 압력 센서의 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극에서 측정되는 상기 압력 센서의 저항이 감소한다. 상기 저항을 기초로 상기 압력의 크기를 측정할 수 있다.
상기 압력 센서는 전체적으로 투명하고 유연한 재질을 가질 수 있다. 상기 투명하고 유연한 압력 센서는 웨어러블 특성을 포함하는 모바일 디바이스, 사물 인터넷에 적용할 수 있는 다양한 형태의 고성능 센서 소자에 활용이 가능하다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 압력 센서의 제1 기판, 제1 전극, 제2 전극, 카본 나노튜브 시트를 나타내는 사시도이다.
도 2는 도 1의 압력 센서의 제2 기판, 제3 전극, 제1 스페이서 및 제2 스페이서를 나타내는 사시도이다.
도 3은 도 1의 압력 센서를 나타내는 단면도이다.
도 4는 도 1의 카본 나노튜브 시트를 나타내는 도면이다.
도 5는 도 4의 카본 나노튜브의 A 부분을 확대한 도면이다.
도 6은 도 1의 압력 센서의 등가회로도이다.
도 7은 도 1의 압력 센서에 가해지는 압력 및 출력 전압을 나타내는 그래프이다.
도 8은 도 1의 압력 센서에 압력이 가해질 때의 저항의 변화를 나타내는 그래프이다.
도 9a 내지 도 9d는 도 1의 압력 센서를 제조하는 방법을 나타내는 도면들이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 압력 센서를 나타내는 단면도이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 압력 센서를 나타내는 단면도이다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 압력 센서를 나타내는 단면도이다.
본문에 개시되어 있는 본 발명의 실시예들에 대해서, 특정한 구조적 내지 기능적 설명들은 단지 본 발명의 실시예를 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로, 본 발명의 실시예들은 다양한 형태로 실시될 수 있으며 본문에 설명된 실시예들에 한정되는 것으로 해석되어서는 아니 된다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로 사용될 수 있다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위로부터 이탈되지 않은 채 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. 구성요소들 간의 관계를 설명하는 다른 표현들, 즉 "~사이에"와 "바로 ~사이에" 또는 "~에 이웃하는"과 "~에 직접 이웃하는" 등도 마찬가지로 해석되어야 한다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미이다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미인 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
한편, 어떤 실시예가 달리 구현 가능한 경우에 특정 블록 내에 명기된 기능 또는 동작이 순서도에 명기된 순서와 다르게 일어날 수도 있다. 예를 들어, 연속하는 두 블록이 실제로는 실질적으로 동시에 수행될 수도 있고, 관련된 기능 또는 동작에 따라서는 상기 블록들이 거꾸로 수행될 수도 있다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예를 보다 상세하게 설명하고자 한다. 도면상의 동일한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 사용하고 동일한 구성요소에 대해서 중복된 설명은 생략한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 압력 센서의 제1 기판, 제1 전극, 제2 전극, 카본 나노튜브 시트를 나타내는 사시도이다. 도 2는 도 1의 압력 센서의 제2 기판, 제3 전극, 제1 스페이서 및 제2 스페이서를 나타내는 사시도이다. 도 3은 도 1의 압력 센서를 나타내는 단면도이다. 도 4는 도 1의 카본 나노튜브 시트를 나타내는 도면이다. 도 5는 도 4의 카본 나노튜브의 A 부분을 확대한 도면이다.
도 1 내지 도 5를 참조하면, 상기 압력 센서는 제1 기판(100), 제1 전극(210), 제2 전극(220), 카본 나노튜브 시트, 제3 전극(310) 및 제2 기판(400)을 포함한다.
상기 제1 전극(210)은 상기 제1 기판(100) 상에 배치될 수 있다. 상기 제1 전극(210)은 도전성을 갖는 재질을 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 제1 전극(210)은 금속을 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 제1 전극(210)은 은을 포함할 수 있다.
상기 제2 전극(220)은 상기 제1 기판(100) 상에 배치될 수 있다. 상기 제2 전극(220)은 도전성을 갖는 재질을 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 제2 전극(220)은 금속을 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 제2 전극(220)은 은을 포함할 수 있다.
상기 제2 전극(220)은 상기 제1 전극(210)과 이격되어 배치될 수 있다. 상기 제2 전극(220)은 상기 제1 전극(210)과 제1 방향으로 이격될 수 있다.
상기 카본 나노튜브 시트는 상기 제1 기판(100) 상에 배치될 수 있다. 상기 카본 나노튜브 시트는 상기 제1 전극(210) 및 상기 제2 전극(220) 사이에 배치될 수 있다. 상기 카본 나노튜브 시트는 상기 제1 방향과 다른 제2 방향으로 연장되는 복수의 카본 나노튜브 스트링들(CNTS)을 포함할 수 있다.
예를 들어, 상기 카본 나노튜브 스트링들(CNTS)이 연장되는 제2 방향은 상기 제1 방향과 수직일 수 있다.
상기 카본 나노튜브 시트의 상기 카본 나노튜브 스트링들(CNTS)은 대체로 제2 방향을 향해 연장되나, 부분적으로는 휘어진 부분이나 꺾어진 부분을 가질 수 있다. 상기 카본 나노튜브 시트의 상기 카본 나노튜브 스트링들(CNTS) 중 일부는 서로 연결되거나 서로 교차할 수 있다.
도 4를 참조하면, 상기 카본 나노튜브 시트의 일 부분을 나타낸 것으로 대부분의 카본 나노튜브 스트링들(CNTS)은 상기 제2 방향을 따라 연장된다. 상기 카본 나노튜브 스트링들(CNTS)의 두께는 서로 상이할 수 있다. 도 5는 도 4의 일 부분을 확대한 것이며, 축적을 함께 나타내었다.
상기 제2 기판(400)은 상기 제1 기판(100)과 마주보게 배치될 수 있다.
상기 제3 전극(310)은 상기 제1 기판(100) 및 상기 제2 기판(400) 사이에 배치될 수 있다. 상기 제3 전극(310)은 상기 제2 기판(400)에 접촉할 수 있다. 상기 제3 전극(310)은 상기 카본 나노튜브 시트와 중첩되는 영역에 배치될 수 있다.
상기 제3 전극(310)은 상기 제2 기판(400)의 일면 상에 배치될 수 있다. 상기 제3 전극(310)은 도전성을 갖는 재질을 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 제3 전극(310)은 금속을 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 제3 전극(310)은 은을 포함할 수 있다.
상기 압력 센서는 상기 제1 기판(100) 및 상기 제2 기판(400) 사이에 배치되는 제1 스페이서(320) 및 제2 스페이서(330)를 더 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 제1 스페이서(320)의 두께는 상기 제3 전극(310)보다 두꺼울 수 있다. 예를 들어, 상기 제2 스페이서(330)의 두께는 상기 제3 전극(310)보다 두꺼울 수 있다. 예를 들어, 상기 제1 스페이서(320)의 두께는 상기 제2 스페이서(330)의 두께와 동일할 수 있다.
상기 제1 스페이서(320) 및 상기 제2 스페이서(330)는 상기 제1 기판(100) 및 상기 제2 기판(400)의 거리를 유지한다. 상기 제1 스페이서(320) 및 상기 제2 스페이서(330)는 상기 카본 나노튜브 시트와 상기 제3 전극(310)의 거리를 유지한다. 상기 압력 센서에 압력이 가해지지 않을 때, 상기 제1 스페이서(320) 및 상기 제2 스페이서(330)에 의해 상기 카본 나노튜브 시트와 상기 제3 전극(310)은 이격될 수 있다. 반대로, 상기 압력 센서에 압력이 가해질 때, 상기 카본 나노튜브 시트와 상기 제3 전극(310)의 거리가 가까워질 수 있고, 상기 제3 전극(310)은 상기 카본 나노튜브 스트링들(CNTS)에 접촉할 수 있다.
본 실시예에서, 상기 제1 스페이서(320)는 상기 제1 전극(210)의 외곽에 배치되고, 상기 제2 스페이서(330)는 상기 제2 전극(220)의 외곽에 배치될 수 있다. 상기 제1 스페이서(320)는 상기 카본 나노튜브 시트로부터 상기 제1 전극(210)보다 멀리 배치될 수 있다. 상기 제2 스페이서(330)는 상기 카본 나노튜브 시트로부터 상기 제2 전극(220)보다 멀리 배치될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 제1 기판(100), 상기 제2 기판(400), 상기 제1 전극(210), 상기 제2 전극(220), 상기 제3 전극(310), 상기 카본 나노튜브 시트, 상기 제1 스페이서(320) 및 상기 제2 스페이서(330)는 투명한 재질을 포함할 수 있다.
상기 제1 기판(100)은 투명하고 유연한 재질을 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 제1 기판(100)은 폴리디메틸실록산(Polydimethylsiloxane, PDMS)을 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 제1 기판(100)은 폴리에틸렌테레프탈레이트(Polyethyleneterephthalate, PET)를 포함할 수 있다.
상기 제2 기판(400)은 투명하고 유연한 재질을 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 제2 기판(400)은 폴리디메틸실록산(Polydimethylsiloxane, PDMS)을 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 제2 기판(400)은 폴리에틸렌테레프탈레이트(Polyethyleneterephthalate, PET)를 포함할 수 있다.
상기 제1 스페이서(320) 및 상기 제2 스페이서(330)는 상기 제1 기판(100)은 폴리디메틸실록산(Polydimethylsiloxane, PDMS) 또는 상기 제1 기판(100)은 폴리에틸렌테레프탈레이트(Polyethyleneterephthalate, PET)를 포함할 수 있다.
상기 제1 전극(210), 상기 제2 전극(220) 및 상기 제3 전극(310)은 ITO(Indium Tin Oxide)를 포함할 수 있다. 이와는 달리, 상기 제1 전극(210), 상기 제2 전극(220) 및 상기 제3 전극(310)은 카본 나노튜브를 포함할 수 있다.
도 6은 도 1의 압력 센서의 등가회로도이다. 도 7은 도 1의 압력 센서에 가해지는 압력 및 출력 전압을 나타내는 그래프이다. 도 8은 도 1의 압력 센서에 압력이 가해질 때의 저항의 변화를 나타내는 그래프이다.
도 1 내지 도 8을 참조하면, 상기 제1 기판(100) 또는 상기 제2 기판(400) 상에 압력이 인가되면, 상기 제1 전극(210) 및 상기 제2 전극(220)의 신호를 측정하여 상기 압력이 센싱될 수 있다.
상기 제1 기판(100) 또는 상기 제2 기판(400)에 압력이 인가되면, 상기 제3 전극(310)과 상기 카본 나노튜브 시트의 거리가 가까워질 수 있다. 상기 제1 기판(100) 또는 상기 제2 기판(400)에 압력이 인가되면, 상기 제3 전극(310)이 상기 카본 나노튜브 스트링들(CNTS)에 접촉할 수 있다.
상기 카본 나노튜브 스트링들(CNTS)은 상기 제1 전극(210) 및 상기 제2 전극(220) 사이에서 상기 제1 전극(210) 및 상기 제2 전극(220)의 연장 방향과 대체로 평행하게 연장되어, 상기 압력 센서에 압력이 가해지지 않을 때, 상기 제1 전극(210) 및 상기 제2 전극(220)에서 측정되는 상기 압력 센서의 저항(FSR)은 큰 저항을 갖는다.
반면, 상기 압력 센서에 압력이 가해져, 상기 카본 나노튜브 스트링과 상기 제3 전극이 접촉하게 되면 상기 압력 센서의 상기 제1 전극(210) 및 상기 제2 전극(220)에서 측정되는 상기 압력 센서의 저항(FSR)이 감소한다. 상기 압력 센서의 상기 저항(FSR)을 기초로 상기 압력의 크기를 측정할 수 있다.
상기 제1 전극(210) 및 상기 제2 전극(220)에서 측정되는 전압은 도 6의 VOUT에 대응할 수 있고, 상기 압력 센서의 저항은 도 6의 FSR에 대응할 수 있다. VP는 상기 압력 센서의 전원 전압일 수 있고, R은 상기 압력 센서의 전압 센싱용 저항일 수 있다.
도 7에서 보듯이, 상기 압력의 세기(FORCE)가 커지면, 상기 압력 센서의 저항(FSR)은 감소하게 된다. 따라서, 상기 압력 센서의 저항(FSR)이 감소하면, FSR과 R의 전압 분배 원칙에 의해 상기 출력 전압(VOUT)은 증가하게 된다. 상기 압력 센서에 인가되는 압력의 세기(FORCE)가 상대적으로 커지면 상기 제3 전극(310)과 접촉하는 상기 카본 나노튜브 스트링들(CNTS)의 수가 많아지므로 상기 압력 센서의 저항(FSR)의 감소량이 커질 수 있고, 반대로 상기 압력 센서에 인가되는 압력의 세기(FORCE)가 상대적으로 작아지면 상기 제3 전극(310)과 접촉하는 상기 카본 나노튜브 스트링들(CNTS)의 수가 적어지므로 상기 압력 센서의 저항(FSR)의 감소량이 작아질 수 있다.
도 8에서 보듯이, 상기 압력 센서에 압력이 인가되면 (PRESSURE 구간), 상기 압력 센서의 저항(FSR, RESISTANCE)은 감소하게 되고, 상기 압력 센서에 압력을 가하다가 더 이상 압력을 가하지 않게 되면(RELEASE 구간), 상기 압력 센서의 저항(FSR, RESISTANCE)은 다시 증가하게 된다.
본 실시예에서, 상기 제1 기판(100)은 하부 기판이고, 상기 제2 기판(400)은 상부 기판일 수 있다. 따라서, 상기 제2 기판(400) 상에 압력이 인가되면, 상기 제3 전극(310)이 상기 카본 나노튜브 스트링들(CNTS)에 접촉할 수 있다.
도 9a 내지 도 9d는 도 1의 압력 센서를 제조하는 방법을 나타내는 도면들이다.
도 1 내지 도 9a를 참조하면, 상기 제1 기판(100)이 배치될 수 있다.
도 1 내지 도 9b를 참조하면, 상기 카본 나노튜브 포레스트로부터 일방향으로 연장되는 복수의 카본 나노튜브 스트링들(CNTS)을 상기 제1 기판(100) 상에 형성할 수 있다. 상기 복수의 카본 나노튜브 스트링들(CNTS)을 형성하기 위해 금속 물질(M)을 이용할 수 있다.
도 1 내지 도 9c를 참조하면, 상기 카본 나노튜브 스트링들(CNTS)이 상기 제1 기판(100) 상에 형성된 상태를 나타낸다. 상기 제1 기판(100)은 투명하고 유연한 물질을 포함하므로, 상기 카본 나노튜브 스트링들(CNTS)이 형성된 상기 제1 기판(100)은 도 9c와 같이 휘어질 수 있다.
도 1 내지 도 9d를 참조하면, 상기 제1 기판(100) 상에 상기 제1 전극(210) 및 상기 제1 전극(210)과 제1 방향으로 이격되는 상기 제2 전극(220)을 더 형성할 수 있다. 상기 카본 나노튜브 스트링들(CNTS)은 상기 제1 전극(210) 및 상기 제2 전극(220) 사이에 배치될 수 있다. 여기서, 상기 카본 나노튜브 스트링들(CNTS)은 상기 제1 방향과 다른 제2 방향으로 연장될 수 있다.
또한, 상기 카본 나노튜브 시트와 중첩되는 영역에 제3 전극(310)이 형성된 제2 기판(400)을 상기 제1 기판(100)과 마주보게 배치할 수 있다.
본 실시예에 따르면, 상기 압력 센서는 병렬 방향으로 정렬된 카본 나노튜브 스트링들(CNTS)을 갖는 카본 나노튜브 시트를 포함한다. 상기 카본 나노튜브 스트링들(CNTS)은 상기 제1 전극(210) 및 상기 제2 전극(220)의 연장 방향과 대체로 평행하게 연장되어, 상기 압력 센서에 압력이 가해지지 않을 때, 상기 제1 전극(210) 및 상기 제2 전극(220)에서 측정되는 상기 압력 센서의 저항은 큰 저항을 갖는다.
반면, 상기 압력 센서에 압력이 가해지면, 상기 카본 나노튜브 스트링(CNTS)과 상기 제3 전극(310)의 거리가 가까워질 수 있다. 상기 압력 센서에 압력이 가해져, 상기 카본 나노튜브 스트링(CNTS)과 상기 제3 전극(310)이 접촉하게 되면 상기 압력 센서의 상기 제1 전극(210) 및 상기 제2 전극(220)에서 측정되는 상기 압력 센서의 저항(FSR)이 감소한다. 상기 저항(FSR)을 기초로 상기 압력의 크기를 측정할 수 있다.
상기 압력 센서는 전체적으로 투명하고 유연한 재질을 가질 수 있다. 상기 투명하고 유연한 압력 센서는 웨어러블 특성을 포함하는 모바일 디바이스, 사물 인터넷에 적용할 수 있는 다양한 형태의 고성능 센서 소자에 활용이 가능하다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 압력 센서를 나타내는 단면도이다.
본 실시예에 따른 압력 센서 및 상기 압력 센서의 제조 방법은 제1 스페이서 및 제2 스페이서의 위치를 제외하면, 도 1 내지 도 9d의 압력 센서 및 상기 압력 센서의 제조 방법과 실질적으로 동일하므로, 동일 또는 유사한 구성 요소에 대해서는 동일한 참조 번호를 사용하고, 중복되는 설명은 생략한다.
도 4 내지 도 8 및 도 10을 참조하면, 상기 압력 센서는 제1 기판(100), 제1 전극(210), 제2 전극(220), 카본 나노튜브 시트, 제3 전극(310) 및 제2 기판(400)을 포함한다.
상기 제1 전극(210)은 상기 제1 기판(100) 상에 배치될 수 있다. 상기 제2 전극(220)은 상기 제1 기판(100) 상에 배치될 수 있다. 상기 제2 전극(220)은 상기 제1 전극(210)과 이격되어 배치될 수 있다. 상기 제2 전극(220)은 상기 제1 전극(210)과 제1 방향으로 이격될 수 있다.
상기 카본 나노튜브 시트는 상기 제1 기판(100) 상에 배치될 수 있다. 상기 카본 나노튜브 시트는 상기 제1 전극(210) 및 상기 제2 전극(220) 사이에 배치될 수 있다. 상기 카본 나노튜브 시트는 상기 제1 방향과 다른 제2 방향으로 연장되는 복수의 카본 나노튜브 스트링들(CNTS)을 포함할 수 있다.
상기 제2 기판(400)은 상기 제1 기판(100)과 마주보게 배치될 수 있다. 상기 제3 전극(310)은 상기 제1 기판(100) 및 상기 제2 기판(400) 사이에 배치될 수 있다. 상기 제3 전극(310)은 상기 제2 기판(400)에 접촉할 수 있다. 상기 제3 전극(310)은 상기 카본 나노튜브 시트와 중첩되는 영역에 배치될 수 있다.
상기 압력 센서는 상기 제1 기판(100) 및 상기 제2 기판(400) 사이에 배치되는 제1 스페이서(320A) 및 제2 스페이서(330A)를 더 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 제1 스페이서(320A)의 두께는 상기 제2 스페이서(330A)의 두께와 동일할 수 있다.
본 실시예에서, 상기 제1 스페이서(320A)는 상기 제1 전극(210)과 중첩하여 배치되고, 상기 제2 스페이서(330A)는 상기 제2 전극(220)과 중첩하여 배치될 수 있다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 압력 센서를 나타내는 단면도이다.
본 실시예에 따른 압력 센서 및 상기 압력 센서의 제조 방법은 제3 전극의 폭을 제외하면, 도 10의 압력 센서 및 상기 압력 센서의 제조 방법과 실질적으로 동일하므로, 동일 또는 유사한 구성 요소에 대해서는 동일한 참조 번호를 사용하고, 중복되는 설명은 생략한다.
도 4 내지 도 8 및 도 11을 참조하면, 상기 압력 센서는 제1 기판(100), 제1 전극(210), 제2 전극(220), 카본 나노튜브 시트, 제3 전극(310B) 및 제2 기판(400)을 포함한다.
상기 제1 전극(210)은 상기 제1 기판(100) 상에 배치될 수 있다. 상기 제2 전극(220)은 상기 제1 기판(100) 상에 배치될 수 있다. 상기 제2 전극(220)은 상기 제1 전극(210)과 이격되어 배치될 수 있다. 상기 제2 전극(220)은 상기 제1 전극(210)과 제1 방향으로 이격될 수 있다.
상기 카본 나노튜브 시트는 상기 제1 기판(100) 상에 배치될 수 있다. 상기 카본 나노튜브 시트는 상기 제1 전극(210) 및 상기 제2 전극(220) 사이에 배치될 수 있다. 상기 카본 나노튜브 시트는 상기 제1 방향과 다른 제2 방향으로 연장되는 복수의 카본 나노튜브 스트링들(CNTS)을 포함할 수 있다.
상기 제2 기판(400)은 상기 제1 기판(100)과 마주보게 배치될 수 있다. 상기 제3 전극(310B)은 상기 제1 기판(100) 및 상기 제2 기판(400) 사이에 배치될 수 있다. 상기 제3 전극(310B)은 상기 제2 기판(400)에 접촉할 수 있다. 상기 제3 전극(310B)은 상기 카본 나노튜브 시트와 중첩되는 영역에 배치될 수 있다. 본 실시예에서, 상기 제3 전극(310B)은 상기 제1 전극(210), 상기 제2 전극(220) 및 상기 카본 나노튜브 시트와 중첩될 수 있다.
상기 압력 센서는 상기 제1 기판(100) 및 상기 제2 기판(400) 사이에 배치되는 제1 스페이서(320B) 및 제2 스페이서(330B)를 더 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 제1 스페이서(320B)의 두께는 상기 제2 스페이서(330B)의 두께와 동일할 수 있다.
본 실시예에서, 상기 제1 스페이서(320B)는 상기 제1 전극(210) 및 상기 제3 전극(320B)과 중첩하여 배치되고, 상기 제2 스페이서(330B)는 상기 제2 전극(220) 및 상기 제3 전극(320B)과 중첩하여 배치될 수 있다.
본 실시예에서, 상기 제1 스페이서(320B) 및 상기 제2 스페이서(330B)는 절연 물질을 포함할 수 있다. 상기 제1 스페이서(320B) 및 상기 제2 스페이서(330B)는 상기 제3 전극(320B)이 상기 제1 전극(210) 및 상기 제2 전극(220)과 전기적으로 연결되지 않도록 절연하는 역할을 한다. 또한, 상기 제1 스페이서(320B) 및 상기 제2 스페이서(330B)는 상기 카본 나노튜브 시트와 상기 제3 전극(310B)의 거리를 유지한다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 압력 센서를 나타내는 단면도이다.
본 실시예에 따른 압력 센서 및 상기 압력 센서의 제조 방법은 압력 센서의 상하가 반전된 것을 제외하면, 도 1 내지 도 9d의 압력 센서 및 상기 압력 센서의 제조 방법과 실질적으로 동일하므로, 동일 또는 유사한 구성 요소에 대해서는 동일한 참조 번호를 사용하고, 중복되는 설명은 생략한다.
도 4 내지 도 8 및 도 12를 참조하면, 상기 압력 센서는 제1 기판(100), 제1 전극(210), 제2 전극(220), 카본 나노튜브 시트, 제3 전극(310) 및 제2 기판(400)을 포함한다.
상기 제1 전극(210)은 상기 제1 기판(100)의 하면 상에 배치될 수 있다. 상기 제2 전극(220)은 상기 제1 기판(100)의 하면 상에 배치될 수 있다. 상기 제2 전극(220)은 상기 제1 전극(210)과 이격되어 배치될 수 있다. 상기 제2 전극(220)은 상기 제1 전극(210)과 제1 방향으로 이격될 수 있다.
상기 카본 나노튜브 시트는 상기 제1 기판(100)의 하면 상에 배치될 수 있다. 상기 카본 나노튜브 시트는 상기 제1 전극(210) 및 상기 제2 전극(220) 사이에 배치될 수 있다. 상기 카본 나노튜브 시트는 상기 제1 방향과 다른 제2 방향으로 연장되는 복수의 카본 나노튜브 스트링들(CNTS)을 포함할 수 있다.
상기 제2 기판(400)은 상기 제1 기판(100)과 마주보게 배치될 수 있다. 상기 제3 전극(310)은 상기 제1 기판(100) 및 상기 제2 기판(400) 사이에 배치될 수 있다. 상기 제3 전극(310)은 상기 제2 기판(400)에 접촉할 수 있다. 상기 제3 전극(310)은 상기 카본 나노튜브 시트와 중첩되는 영역에 배치될 수 있다.
상기 압력 센서는 상기 제1 기판(100) 및 상기 제2 기판(400) 사이에 배치되는 제1 스페이서(320) 및 제2 스페이서(330)를 더 포함할 수 있다.
본 실시예에서, 상기 제1 기판(100)은 상부 기판이고, 상기 제2 기판(400)은 하부 기판일 수 있다. 따라서, 상기 제1 기판(100) 상에 압력이 인가되면, 상기 제3 전극(310)이 상기 카본 나노튜브 스트링들(CNTS)에 접촉할 수 있다.
본 발명은 투명하고 유연한 압력 센서에 관한 것으로, 상기 투명하고 유연한 압력 센서는 웨어러블 특성을 포함하는 모바일 디바이스, 사물 인터넷에 적용할 수 있는 다양한 형태의 고성능 센서 소자에 널리 활용될 수 있다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 것이다.
100: 제1 기판 210: 제1 전극
220: 제2 전극 310, 310B: 제3 전극
320, 320A, 320B: 제1 스페이서 330, 330A, 330B: 제2 스페이서
400: 제2 기판 CNTS: 카본 나노튜브 스트링

Claims (14)

  1. 제1 기판;
    상기 제1 기판 상에 배치되는 제1 전극;
    상기 제1 기판 상에 배치되고 상기 제1 전극과 제1 방향으로 이격되는 제2 전극;
    상기 제1 기판 상에 배치되고, 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극 사이에 배치되는 카본 나노튜브 시트;
    상기 제1 기판과 마주보는 제2 기판; 및
    상기 제1 기판 및 상기 제2 기판 사이에 배치되고, 상기 제2 기판에 접촉하며, 상기 카본 나노튜브 시트와 중첩되는 영역에 배치되는 제3 전극을 포함하고,
    상기 카본 나노튜브 시트는 상기 제1 방향과 다른 제2 방향으로 연장되는 복수의 카본 나노튜브 스트링들을 포함하며,
    상기 제1 기판 상에는 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극을 포함하는 2개의 전극만이 배치되고,
    상기 제2 기판에는 상기 제3 전극을 포함하는 1개의 전극만이 접촉하는 카본 나노튜브 시트를 포함하고,
    상기 제3 전극은 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극과 중첩되지 않고,
    상기 제3 전극은 단면도 상에서 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극의 상기 제1 방향의 중심과 중첩되며,
    상기 제2 기판 상에 압력이 인가되면 상기 제3 전극이 상기 카본 나노튜브 스트링들에 접촉하는 것을 특징으로 하는 압력 센서.
  2. 제1항에 있어서, 상기 제1 기판 및 상기 제2 기판 사이에 배치되는 제1 스페이서 및 제2 스페이서를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 카본 나노튜브 시트를 포함하는 압력 센서.
  3. 제2항에 있어서, 상기 제1 스페이서는 상기 제1 전극의 외곽에 배치되고,
    상기 제2 스페이서는 상기 제2 전극의 외곽에 배치되는 것을 특징으로 하는 카본 나노튜브 시트를 포함하는 압력 센서.
  4. 제2항에 있어서, 상기 제1 스페이서는 상기 제1 전극과 중첩하여 배치되고,
    상기 제2 스페이서는 상기 제2 전극과 중첩하여 배치되는 것을 특징으로 하는 카본 나노튜브 시트를 포함하는 압력 센서.
  5. 제4항에 있어서, 상기 제1 스페이서는 상기 제1 전극 및 상기 제3 전극과 중첩하여 배치되고,
    상기 제2 스페이서는 상기 제2 전극 및 상기 제3 전극과 중첩하여 배치되는 것을 특징으로 하는 카본 나노튜브 시트를 포함하는 압력 센서.
  6. 제2항에 있어서, 상기 제1 기판, 상기 제2 기판, 상기 제1 전극, 상기 제2 전극, 상기 제3 전극, 상기 카본 나노튜브 시트, 상기 제1 스페이서 및 상기 제2 스페이서는 투명한 재질을 포함하는 것을 특징으로 하는 카본 나노튜브 시트를 포함하는 압력 센서.
  7. 제6항에 있어서, 상기 제1 전극, 상기 제2 전극 및 상기 제3 전극은 ITO(Indium Tin Oxide)를 포함하는 것을 특징으로 하는 카본 나노튜브 시트를 포함하는 압력 센서.
  8. 제6항에 있어서, 상기 제1 전극, 상기 제2 전극 및 상기 제3 전극은 카본 나노튜브를 포함하는 것을 특징으로 하는 카본 나노튜브 시트를 포함하는 압력 센서.
  9. 삭제
  10. 제1항에 있어서, 상기 제2 기판 상에 압력이 인가되면, 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극의 신호를 측정하여 상기 압력이 센싱되는 것을 특징으로 하는 카본 나노튜브 시트를 포함하는 압력 센서.
  11. 제1항에 있어서, 상기 제2 기판 상에 가해지는 압력이 증가하면, 상기 압력 센서의 저항이 감소하는 것을 특징으로 하는 카본 나노튜브 시트를 포함하는 압력 센서.
  12. 제1항에 있어서, 상기 제1 기판 상에 압력이 인가되면, 상기 제3 전극이 상기 카본 나노튜브 스트링들에 접촉하는 것을 특징으로 하는 카본 나노튜브 시트를 포함하는 압력 센서.
  13. 제1항에 있어서, 상기 제2 방향은 상기 제1 방향과 수직인 것을 특징으로 하는 카본 나노튜브 시트를 포함하는 압력 센서.
  14. 카본 나노튜브 포레스트로부터 일방향으로 연장되는 복수의 카본 나노튜브 스트링들을 제1 기판 상에 형성하는 단계;
    상기 제1 기판 상에 제1 전극 및 상기 제1 전극과 제1 방향으로 이격되는 제2 전극을 형성하는 단계; 및
    제3 전극이 형성된 제2 기판을 상기 제1 기판과 마주보게 배치하는 단계를 포함하고,
    상기 제3 전극은 상기 제1 기판 및 상기 제2 기판 사이에 배치되고, 상기 제2 기판에 접촉하며,
    상기 카본 나노튜브 스트링들은 상기 제1 방향과 다른 제2 방향으로 연장되는 것을 특징으로 하는 카본 나노튜브 시트를 포함하고,
    상기 제3 전극은 상기 카본 나노튜브 시트와 중첩되는 영역에 형성되며,
    상기 제1 기판 상에는 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극을 포함하는 2개의 전극만이 형성되고,
    상기 제2 기판에는 상기 제3 전극을 포함하는 1개의 전극만이 형성되며,
    상기 제3 전극은 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극과 중첩되지 않고,
    상기 제3 전극은 단면도 상에서 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극의 상기 제1 방향의 중심과 중첩되며,
    상기 제2 기판 상에 압력이 인가되면 상기 제3 전극이 상기 카본 나노튜브 스트링들에 접촉하는 것을 특징으로 하는 압력 센서의 제조 방법.
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