KR20190054747A - Temperature sensors and its fabrication methods - Google Patents

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KR20190054747A
KR20190054747A KR1020170151673A KR20170151673A KR20190054747A KR 20190054747 A KR20190054747 A KR 20190054747A KR 1020170151673 A KR1020170151673 A KR 1020170151673A KR 20170151673 A KR20170151673 A KR 20170151673A KR 20190054747 A KR20190054747 A KR 20190054747A
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이승욱
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Abstract

The present invention relates to a temperature sensor and a manufacturing method thereof which accurately measure a temperature. According to the present invention, the temperature sensor comprises: a flexible lower substrate (10) coming in contact with a temperature measurement target; a flexible upper substrate (20) tightly coupled to the lower substrate (10); a first sensing layer (30) which includes first silver nanoparticles (31) obtained by exchanging surface ligands with inorganic ligands, is arranged between the upper and the lower substrate (10, 20) in a thin film form, and changes electric resistance by a temperature of a target; and a second sensing layer (40) which includes second silver nanoparticles (41) obtained by exchanging surface ligands with organic ligands, is separated from the first sensing layer (30) to be arranged between the upper and the lower substrate (10, 20) in a thin film form, and changes electric resistance by the temperature of the target. The temperature of the target is sensed by measuring a change in the electric resistance of the first and the second sensing layer (30, 40).

Description

온도센서 및 그 제조방법{TEMPERATURE SENSORS AND ITS FABRICATION METHODS}[0001] TEMPERATURE SENSORS AND ITS FABRICATION METHODS [0002]

본 발명은 온도센서 및 그 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 용액공정 및 은 나노입자 기반의 유연하고 착용가능한 (flexible and wearable) 온도센서 및 그 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a temperature sensor and a manufacturing method thereof, and more particularly, to a solution process and a silver nanoparticle-based flexible and wearable temperature sensor and a manufacturing method thereof.

건강 모니터링, 환경관리, 화학물질 취급, 질병 진단 등 다양한 산업 분야에서 온도 측정이 필요하다. 실제 온도와 측정된 온도 사이의 편차는 건강에 대한 정보 왜곡, 질병 오진 등과 같은 결과를 야기하므로 온도의 정확한 측정이 매우 중요하다. 온도를 정확히 측정하기 위한 센서로서는 하기 선행기술의 특허문헌(실용신안공보)에 개시된 바와 같이, RTD (Resistance Temperature Detector)가 있다. 물질은 온도변화에 따라 저항의 변화를 보이는데, RTD는 이러한 성질을 이용한 온도센서이다. RTD는 주로 백금 등의 귀금속을 사용하여, 저항변화로서 온도를 측정한다.Temperature measurement is needed in various industries such as health monitoring, environmental management, chemical handling, and disease diagnosis. Accurate measurement of the temperature is very important because the deviation between the actual temperature and the measured temperature results in information distortions of health, misdiagnosis, etc. As a sensor for accurately measuring the temperature, there is an RTD (Resistance Temperature Detector) as disclosed in the following patent document (utility model publication). The material shows a change of resistance according to the temperature change. RTD is a temperature sensor using this property. The RTD mainly uses precious metals such as platinum and measures the temperature as resistance change.

정밀하게 온도를 측정하기 위해서는 온도측정 대상물의 표면에 온도센서를 직접 접촉해야 한다. 그러나 그 대상물의 표면이 평평하지 않고 곡면인 경우, 리지드 (rigid) 온도센서를 사용해서는 정확한 온도측정이 어려운바, 최근에는 유연하고 착용가능한 (flexible and wearable) 온도센서의 중요성이 강조되고 있다. 그러나 종래 웨어러블 온도센서의 경우, 외부 자극 및 대상물의 표면 형태에 취약한 단점이 있다. 따라서, 센서에 가해지는 스트레인 (strain)으로 인해 저항변화가 야기되고, 이로 인해 정확한 온도 측정이 곤란하다. 또한, 제조시에, 소재로서 백금 등을 사용하고, 고진공이나 복잡한 공정을 거치며 고가의 장비를 활용하므로 제조비용이 높다. 나아가, 고온 조건이 요구되어 200 ℃ 이상의 온도에서 손상되는 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET), 폴리에틸렌나프탈레이트 등과 같은 가용성 기판의 사용에도 제한이 있다.In order to accurately measure the temperature, the temperature sensor must be in direct contact with the surface of the object to be measured. However, when the surface of the object is not flat and curved, it is difficult to accurately measure the temperature by using a rigid temperature sensor. Recently, the importance of a flexible and wearable temperature sensor has been emphasized. However, in the case of the wearable temperature sensor in the past, there is a disadvantage that it is vulnerable to external stimuli and the surface shape of the object. Therefore, a resistance change is caused by the strain applied to the sensor, which makes it difficult to accurately measure the temperature. In addition, in manufacturing, platinum is used as a material, and expensive equipment is utilized through high vacuum and complicated processes, resulting in high manufacturing cost. Furthermore, there is a limitation in the use of a soluble substrate such as polyethylene terephthalate (PET), polyethylene naphthalate or the like which is damaged at a temperature of 200 ° C or more because high temperature conditions are required.

이에 종래 웨어러블 온도센서의 문제점을 해결하기 위한 방안이 절실히 요구되고 있다.Accordingly, a method for solving the problem of the wearable temperature sensor is desperately required.

KRKR 1993-00044281993-0004428 Y1Y1

본 발명은 상술한 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 일 측면은 무기 및 유기 리간드로 각각 처리한 은 나노입자 박막으로 서로 다른 감지층을 형성하고, 그 감지층을 중성역학층 (Neutral Mechanical Plane, NMP) 내에 배치함으로써, 스트레인 (strain) 효과를 상쇄하여 정확하게 온도를 측정하고, 나아가 온도와 함께 스트레인을 동시에 측정할 수 있는 온도센서를 제공하고자 하는 것이다.Disclosure of Invention Technical Problem [8] Accordingly, the present invention has been made in view of the above problems, and it is an object of the present invention to provide a silver nanoparticle thin film, Neutral Mechanical Plane (NMP), it is intended to provide a temperature sensor capable of accurately measuring the temperature by canceling the strain effect, and simultaneously measuring the strain together with the temperature.

또한, 본 발명의 다른 측면은 은 나노입자의 합성부터 리간드 교환 등 모든 공정이 상압, 저온의 용액공정을 통해 이루어지는 온도센서 제조방법을 제공하는데 있다.Another aspect of the present invention is to provide a method of manufacturing a temperature sensor in which all processes such as the synthesis of silver nanoparticles and the exchange of ligands are performed through an atmospheric pressure and low temperature solution process.

본 발명에 따른 온도센서는 온도측정 대상물에 접촉되는 유연한 하부기판; 상기 하부기판과 밀착 결합되는 유연한 상부기판; 표면 리간드가 무기 리간드로 교환된 제1 은 나노입자를 포함하고, 박막 형태로, 상기 하부기판과 상기 상부기판 사이에 배치되며, 상기 대상물의 온도에 의해 전기저항이 변하는 제1 감지층; 및 표면 리간드가 유기 리간드로 교환된 제2 은 나노입자를 포함하고, 박막 형태로, 상기 하부기판과 상기 상부기판 사이에, 상기 제1 감지층과 이격되어 배치되며, 상기 대상물의 온도에 의해 전기저항이 변하는 제2 감지층;을 포함하여, 상기 제1 감지층 및 상기 제2 감지층의 전기저항 변화를 측정하여 상기 대상물의 온도를 감지한다.A temperature sensor according to the present invention comprises: a flexible lower substrate to be brought into contact with a temperature measurement object; A flexible upper substrate bonded tightly to the lower substrate; A first sensing layer including first silver nanoparticles whose surface ligands are exchanged with an inorganic ligand and disposed between the lower substrate and the upper substrate in the form of a thin film and whose electrical resistance is changed by the temperature of the object; And a second silver nanoparticle in which the surface ligand is exchanged with an organic ligand and is disposed in a thin film form between the lower substrate and the upper substrate and spaced apart from the first sensing layer, And a second sensing layer having a variable resistance, wherein the temperature of the object is sensed by measuring a change in electrical resistance of the first sensing layer and the second sensing layer.

또한, 본 발명에 따른 온도센서에 있어서, 상기 무기 리간드는 NH4Cl, tetra-n-butyl ammonium bromide (TBAB), 및 NH4SCN으로 구성된 군에서부터 선택되는 적어도 하나 이상을 포함한다.Further, in the temperature sensor according to the present invention, the inorganic ligand includes at least one selected from the group consisting of NH 4 Cl, tetra-n-butyl ammonium bromide (TBAB), and NH 4 SCN.

또한, 본 발명에 따른 온도센서에 있어서, 상기 유기 리간드는 3-mercaptopropionic acid (MPA), 및 1,2-ethanedithiol (EDT)으로 구성된 군으로부터 선택되는 적어도 하나 이상을 포함한다.Also, in the temperature sensor according to the present invention, the organic ligand includes at least one selected from the group consisting of 3-mercaptopropionic acid (MPA), and 1,2-ethanedithiol (EDT).

또한, 본 발명에 따른 온도센서에 있어서, 상기 제1 감지층은 지그재그 형태로 배치되되, 일단과 타단이 서로 이격되어 마주보도록 배치되고, 상기 제2 감지층은 상기 제1 감지층의 일단과 타탄 사이에 배치된다.In the temperature sensor according to the present invention, the first sensing layer may be arranged in a zigzag shape, one end and the other end of the sensing layer may be spaced apart from each other, and the second sensing layer may include a first sensing layer, Respectively.

또한, 본 발명에 따른 온도센서에 있어서, 상기 하부기판과 상기 상부기판 사이에 중성역학층 (Neutral Mechanical Plane, NMP)이 형성된다.Further, in the temperature sensor according to the present invention, a Neutral Mechanical Plane (NMP) is formed between the lower substrate and the upper substrate.

또한, 본 발명에 따른 온도센서에 있어서, 상기 하부기판에 스트레인 (strain)이 가해질 때에, 하기 [수학식 1], 및 하기 [수학식 2]를 연립하여, 상기 대상물의 온도를 감지한다.Further, in the temperature sensor according to the present invention, when a strain is applied to the lower substrate, the following equations (1) and (2) are combined to detect the temperature of the object.

[수학식 1][Equation 1]

Figure pat00001
,
Figure pat00001
,

[수학식 2]&Quot; (2) "

Figure pat00002
Figure pat00002

(여기서, R01는 제1 감지층의 기준저항값, ΔR1은 제1 감지층의 저항변화값, α는 제1 감지층의 저항온도계수 (temperature coefficient of resistance, TCR), G1은 제1 감지층의 게이지 팩터값, R02는 제2 감지층의 기준저항값, ΔR2는 제2 감지층의 저항변화값, KB는 볼츠만 상수 (Boltzmann constant), Ea는 열 유도 호핑 활성화 에너지값(activation energy for thermally induced hopping), G2는 제2 감지층의 게이지 팩터값, ΔT는 대상물의 온도변화값, ε은 스트레인값)(Wherein, R 01 has the reference resistance value, ΔR 1 is the change in resistance value of the first sensing layer, α is the resistance temperature coefficient of the first sensitive layer (temperature coefficient of resistance, TCR) , G 1 of the first sensing layer comprises gauge factor value of the first sensitive layer, R 02 has the reference resistance value of the second sensing layer, ΔR 2 is a change in resistance value of the second sensing layer, K B is the Boltzmann constant (Boltzmann constant), Ea is thermal induced hopping activation energy G 2 is a gauge factor value of the second sensing layer, ΔT is a temperature change value of the object, and ε is a strain value)

또한, 본 발명에 따른 온도센서에 있어서, 상기 하부기판과 상기 상부기판의 두께 비가 1:40 ~ 1:45로 형성되어, 상기 대상물의 스트레인 (strain) 및 상기 대상물의 온도를 동시에 측정한다.Further, in the temperature sensor according to the present invention, the thickness ratio of the lower substrate and the upper substrate is 1:40 to 1:45, and the strain of the object and the temperature of the object are simultaneously measured.

또한, 본 발명에 따른 온도센서에 있어서, 하기 [수학식 1]에 의한 제1 플롯, 및 하기 [수학식 2]에 의한 제2 플롯을 생성하고, 상기 제1 플롯과 상기 제2 플롯의 교점에서 상기 대상물의 스트레인, 및 상기 대상물의 온도가 정해진다.Further, in the temperature sensor according to the present invention, a first plot by the following expression (1) and a second plot by the following expression (2) are generated, and the intersection of the first plot and the second plot The strain of the object, and the temperature of the object are determined.

[수학식 1][Equation 1]

Figure pat00003
,
Figure pat00003
,

[수학식 2]&Quot; (2) "

Figure pat00004
Figure pat00004

(여기서, R01는 제1 감지층의 기준저항값, ΔR1은 제1 감지층의 저항변화값, α는 제1 감지층의 저항온도계수 (temperature coefficient of resistance, TCR), G1은 제1 감지층의 게이지 팩터값, R02는 제2 감지층의 기준저항값, ΔR2는 제2 감지층의 저항변화값, KB는 볼츠만 상수 (Boltzmann constant), Ea는 열 유도 호핑 활성화 에너지값(activation energy for thermally induced hopping), G2는 제2 감지층의 게이지 팩터값, ΔT는 대상물의 온도변화값, ε은 스트레인값)(Wherein, R 01 has the reference resistance value, ΔR 1 is the change in resistance value of the first sensing layer, α is the resistance temperature coefficient of the first sensitive layer (temperature coefficient of resistance, TCR) , G 1 of the first sensing layer comprises gauge factor value of the first sensitive layer, R 02 has the reference resistance value of the second sensing layer, ΔR 2 is a change in resistance value of the second sensing layer, K B is the Boltzmann constant (Boltzmann constant), Ea is thermal induced hopping activation energy G 2 is a gauge factor value of the second sensing layer, ΔT is a temperature change value of the object, and ε is a strain value)

한편, 본 발명에 따른 온도센서 제조방법은 (a) 하부기판 상에 포토레지스트를 도포한 후에, 박막 형태의 제1 감지층 및 제2 감지층에 대응되는 패턴으로 노광하고 현상하는 단계; (b) 상기 패턴에 은 나노입자를 코팅하여, 은 나노입자 박막을 형성하는 단계; (c) 상기 포토레지스트를 리프트 오프 (lift off) 하는 단계; (d) 상기 제1 감지층에 대응되는 패턴에 코팅된 제1 은 나노입자 박막을 무기 리간드 교환 용액에 담지하여 상기 제1 감지층을 형성하고, 상기 제2 감지층에 대응되는 패턴에 코팅된 제2 은 나노입자 박막을 유기 리간드 교환 용액에 담지하여 상기 제2 감지층을 형성하는 단계; 및 (e) 상기 제1 감지층, 및 상기 제2 감지층이 커버되도록, 상기 하부기판 상에 상부기판을 형성하는 단계;를 포함한다.Meanwhile, a method of manufacturing a temperature sensor according to the present invention includes the steps of: (a) exposing and developing a photoresist on a lower substrate in a pattern corresponding to a first sensing layer and a second sensing layer in a thin film form; (b) coating the pattern with silver nanoparticles to form a silver nanoparticle thin film; (c) lifting off the photoresist; (d) depositing a first silver nanoparticle thin film coated on a pattern corresponding to the first sensing layer in an inorganic ligand exchange solution to form the first sensing layer, and coating the pattern corresponding to the second sensing layer Forming a second sensing layer by supporting a nanoparticle thin film on an organic ligand exchange solution; And (e) forming an upper substrate on the lower substrate such that the first sensing layer and the second sensing layer are covered.

또한, 본 발명에 다른 온도센서 제조방법은 (a) 하부기판 상에 제1 포토레지스트를 도포한 후에, 박막 형태의 제1 감지층에 대응되는 제1 패턴으로 노광하고 현상하는 단계; (b) 상기 제1 패턴에 은 나노입자를 코팅하여, 제1 은 나노입자 박막을 형성하는 단계; (c) 상기 제1 포토레지스트를 리프트 오프 (lift off) 하는 단계; (d) 상기 제1 은 나노입자 박막을 무기 리간드 교환 용액에 담지하여, 상기 제1 감지층을 형성하는 단계; (e) 상기 하부기판 상에 제2 포토레지스트를 도포한 후에, 박막 형태의 제2 감지층에 대응되는 제2 패턴으로 노광하고 현상하는 단계; (f) 상기 제2 패턴에 은 나노입자를 코팅하여, 제2 은 나노입자 박막을 형성하는 단계; (g) 상기 제2 포토레지스트를 리프트 오프하는 단계; (h) 상기 제2 나노입자 박막을 유기 리간드 교환 용액에 담지하여, 상기 제2 감지층을 형성하는 단계; 및 (i) 상기 제1 감지층, 및 상기 제2 감지층이 커버되도록, 상기 하부기판 상에 상부기판을 형성하는 단계;를 포함한다.According to another aspect of the present invention, there is provided a method of manufacturing a temperature sensor, comprising: (a) exposing and developing a first pattern corresponding to a first sensing layer in a thin film form after applying a first photoresist on a lower substrate; (b) coating silver nanoparticles on the first pattern to form a first silver nanoparticle thin film; (c) lifting off the first photoresist; (d) supporting the first silver nanoparticle thin film on an inorganic ligand exchange solution to form the first sensing layer; (e) exposing and developing the second photoresist on the lower substrate in a second pattern corresponding to the second sensing layer in the form of a thin film; (f) coating silver nanoparticles on the second pattern to form a second silver nanoparticle thin film; (g) lifting off the second photoresist; (h) depositing the second nanoparticle thin film on an organic ligand exchange solution to form the second sensing layer; And (i) forming an upper substrate on the lower substrate such that the first sensing layer and the second sensing layer are covered.

또한, 본 발명에 따른 온도센서 제조방법에 있어서, 상기 (a) 단계 이전에, 유리기판 상에 PDMS (Polydimethylsiloxane) 필름을 배치하고, 상기 PDMS 필름 상에 상기 하부기판을 배치하는 단계; 및 상기 상부기판을 형성한 후에, 상기 유리기판 및 상기 PDMS 필름을 제거하는 단계;를 더 포함한다.Further, in the method of manufacturing a temperature sensor according to the present invention, a step of disposing a PDMS (Polydimethylsiloxane) film on a glass substrate and arranging the lower substrate on the PDMS film before the step (a) And removing the glass substrate and the PDMS film after forming the upper substrate.

본 발명의 특징 및 이점들은 첨부도면에 의거한 다음의 상세한 설명으로 더욱 명백해질 것이다.The features and advantages of the present invention will become more apparent from the following detailed description based on the accompanying drawings.

이에 앞서 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이고 사전적인 의미로 해석되어서는 아니 되며, 발명자가 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.Prior to that, terms and words used in the present specification and claims should not be construed in a conventional and dictionary sense, and the inventor may properly define the concept of the term in order to best explain its invention It should be construed as meaning and concept consistent with the technical idea of the present invention.

본 발명에 따른 온도센서에 의하면, 무기 및 유기 리간드로 각각 처리한 은 나노입자 박막으로 서로 다른 감지층을 형성하여 그 감지층마다 온도에 따른 저항변화 특성 및 게이지 팩터를 서로 달리하고, 감지층을 하부기판 과 상부기판 사이의 중성역학층 (Neutral Mechanical Plane, NMP) 내에 배치함으로써, 스트레인에 의한 저항변화 효과를 효과적으로 상쇄하여, 정밀하게 온도를 측정할 수 있다.According to the temperature sensor of the present invention, different sensing layers are formed of silver nanoparticle thin films treated with inorganic and organic ligands, respectively, and resistance variation characteristics and gauge factors according to temperature are different from each other, By disposing it in a neutral mechanical plane (NMP) between the lower substrate and the upper substrate, the resistance change effect by the strain can be effectively canceled and the temperature can be precisely measured.

또한, 상기 감지층을 서로 다른 두께의 하부기판과 상부기판 사이에 배치하여, 온도와 함께 스트레인을 측정할 수 있다. Further, the sensing layer may be disposed between the lower substrate and the upper substrate having different thicknesses, and the strain may be measured together with the temperature.

한편, 본 발명에 따른 온도센서 제조방법에 의하면, 은 나노입자의 합성부터 리간드 교환 등 모든 공정이 상압, 저온의 용액공정을 통해 이루어지므로, 제조비용을 절감할 수 있고, 고온 공정이 요구되지 않아서 열손상 없이 유연 기판에 센서 적용이 가능하다.Meanwhile, according to the method of manufacturing a temperature sensor according to the present invention, since all steps such as the synthesis of silver nanoparticles and the exchange of a ligand are performed through an atmospheric pressure and low temperature solution process, manufacturing cost can be reduced and a high temperature process is not required Sensors can be applied to flexible substrates without thermal damage.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 온도센서의 사진이다.
도 2는 A-A' 라인에 따른 단면도이다.
도 3은 상부기판을 제거한 본 발명의 실시예에 따른 온도센서의 사시도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 리간드 처리된 은 나노입자 박막의 온도에 따른 저항변화를 나타내는 그래프이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 리간드 처리된 은 나노입자 박막의 온도변화 사이클에 대한 저항변화를 나타내는 그래프이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 온도센서 제조방법의 공정도이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 온도센서에 의해 측정된 온도 및 스트레인 결과이다.1 is a photograph of a temperature sensor according to an embodiment of the present invention.
2 is a cross-sectional view taken along line AA '.
3 is a perspective view of a temperature sensor according to an embodiment of the present invention in which an upper substrate is removed.
FIG. 4 is a graph showing a change in resistance of a silver nanoparticle thin film treated with a ligand according to an embodiment of the present invention. FIG.
FIG. 5 is a graph showing a change in resistance with respect to a temperature change cycle of a ligand-treated silver nanoparticle thin film according to an embodiment of the present invention. FIG.
6 is a process diagram of a method of manufacturing a temperature sensor according to an embodiment of the present invention.
7 is a temperature and strain result measured by a temperature sensor according to an embodiment of the present invention.

본 발명의 목적, 특정한 장점들 및 신규한 특징들은 첨부된 도면들과 연관되어지는 이하의 상세한 설명과 바람직한 실시 예들로부터 더욱 명백해질 것이다. 본 명세서에서 각 도면의 구성요소들에 참조번호를 부가함에 있어서, 동일한 구성 요소들에 한해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 번호를 가지도록 하고 있음에 유의하여야 한다. 또한, "제1", "제2" 등의 용어는 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하기 위해 사용되는 것으로, 구성요소가 상기 용어들에 의해 제한되는 것은 아니다. 이하, 본 발명을 설명함에 있어서, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 관련된 공지 기술에 대한 상세한 설명은 생략한다.BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS The objectives, specific advantages, and novel features of the present invention will become more apparent from the following detailed description taken in conjunction with the accompanying drawings, in which: FIG. It should be noted that, in the present specification, the reference numerals are added to the constituent elements of the drawings, and the same constituent elements are assigned the same number as much as possible even if they are displayed on different drawings. Also, the terms " first ", " second ", and the like are used to distinguish one element from another element, and the element is not limited thereto. DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS In the following description of the present invention, detailed description of related arts which may unnecessarily obscure the gist of the present invention will be omitted.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시형태를 상세히 설명하기로 한다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 온도센서의 사진이고, 도 2는 A-A' 라인에 따른 단면도이며, 도 3은 상부기판을 제거한 본 발명의 실시예에 따른 온도센서의 사시도이고, 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 리간드 처리된 은 나노입자 박막의 온도에 따른 저항변화를 나타내는 그래프이며, 도 5는 본 발명의 실시예에 따른 리간드 처리된 은 나노입자 박막의 온도변화 사이클에 대한 저항변화를 나타내는 그래프이다.FIG. 3 is a perspective view of a temperature sensor according to an embodiment of the present invention in which an upper substrate is removed, FIG. 4 is a cross-sectional view of the temperature sensor according to an embodiment of the present invention, FIG. 5 is a graph showing changes in resistance of a silver nanoparticle thin film coated with a ligand according to an embodiment of the present invention to a temperature change cycle according to an embodiment of the present invention. FIG. FIG.

도 1 내지 도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 온도센서는 온도측정 대상물에 접촉되는 유연한 하부기판(10), 상기 하부기판(10)과 밀착 결합되는 유연한 상부기판(20), 표면 리간드가 무기 리간드로 교환된 제1 은 나노입자(31)를 포함하고, 박막 형태로, 하부기판(10)과 상부기판(20) 사이에 배치되며, 대상물의 온도에 의해 전기저항이 변하는 제1 감지층(30), 및 표면 리간드가 유기 리간드로 교환된 제2 은 나노입자(41)를 포함하고, 박막 형태로, 하부기판(10)과 상부기판(20) 사이에, 제1 감지층(30)과 이격되어 배치되며, 대상물의 온도에 의해 전기저항이 변하는 제2 감지층(40)을 포함하여, 제1 감지층(30) 및 제2 감지층(40)의 전기저항 변화를 측정하여 상기 대상물의 온도를 감지한다.1 to 3, a temperature sensor according to the present invention includes a flexible lower substrate 10 contacting a temperature measurement object, a flexible upper substrate 20 closely coupled with the lower substrate 10, Wherein the first silver nanoparticles 31 exchanged with an inorganic ligand are disposed in a thin film form between the lower substrate 10 and the upper substrate 20 and have a first sensing Layer 30 and a second silver nanoparticle 41 in which the surface ligand is exchanged with an organic ligand and in the form of a thin film between the lower substrate 10 and the upper substrate 20 a first sensing layer 30 And a second sensing layer 40 which is spaced apart from the first sensing layer 30 and whose electric resistance varies depending on the temperature of the object, and measures changes in electrical resistance of the first sensing layer 30 and the second sensing layer 40, Detect the temperature of the object.

본 발명에 따른 온도센서는 온도를 측정하고자 하는 대상물에 접촉하여 대상물의 온도를 측정하는 센서로서, 그 대상물의 표면이 곡면인 경우에도 그 곡면을 따라 휘어지면서 접촉할 수 있도록 유연한 플렉시블 (flexible) 센서이며, 인체에 착용될 수도 있는 웨어러블 (wearable) 센서에 관한 것이다. 종래 웨어러블 센서의 경우 온도에 따라 전기저항이 변하는 백금 등을 사용하였는데, 센서에 가해지는 스트레인 (strain)으로 인한 저항변화가 야기되어 정확한 온도측정이 불가능한바, 이에 대한 문제점을 해결하기 위한 방안으로서 본 발명에 따른 온도센서가 안출되었다.The temperature sensor according to the present invention is a sensor for measuring the temperature of an object by contacting an object to be measured with temperature. Even if the surface of the object is a curved surface, a flexible flexible sensor And a wearable sensor which may be worn on the human body. Conventionally, in the case of a wearable sensor, platinum or the like whose electrical resistance varies according to temperature has been used. However, accurate temperature measurement can not be performed due to a resistance change caused by a strain applied to the sensor. As a solution to this problem, A temperature sensor according to the invention has been devised.

여기서, 온도측정 대상물은 그 외면이 평면 또는 곡면인 물체, 및 인간이나 동물 등을 포함하여, 온도를 측정하고자 하는 대상이면 특별한 제한이 없다.Here, the object to be temperature-measured is not particularly limited as long as its outer surface is a plane or curved object, and includes humans and animals, and is an object to be measured for temperature.

구체적으로, 본 발명에 따른 온도센서는 하부기판(10), 상부기판(20), 제1 감지층(30), 및 제2 감지층(40)을 포함한다.Specifically, the temperature sensor according to the present invention includes a lower substrate 10, an upper substrate 20, a first sensing layer 30, and a second sensing layer 40.

하부기판(10)은 온도측정 대상물에 접촉하는 기재이다. 여기서, 하부기판(10)은 대상물의 만곡된 표면에 접촉할 수 있도록 유연하고, 인체에 착용가능한 소재로 형성된다. 그 소재로서는 예를 들어, 폴리에테르술폰(PES), 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET), 폴리카보네이트(PC), 폴리이미드(PI), 폴리에틸렌나프탈레이트(PEN) 등을 포함할 수 있다. 다만, 하부기판(10)의 소재가 반드시 상기 폴리머에 한정되는 것은 아니다. 한편, 하부기판(10)의 일면에는 상부기판(20)이 배치된다.The lower substrate 10 is a substrate that contacts the temperature measurement object. Here, the lower substrate 10 is made of a material that is flexible and can be worn on the human body so as to be able to contact the curved surface of the object. The material may include, for example, polyethersulfone (PES), polyethylene terephthalate (PET), polycarbonate (PC), polyimide (PI), polyethylene naphthalate (PEN) and the like. However, the material of the lower substrate 10 is not necessarily limited to the polymer. The upper substrate 20 is disposed on one surface of the lower substrate 10.

상부기판(20)은 하부기판(10)과 밀착 결합되는 기재로서, 유연성을 가지므로, 상기 하부기판(10)과 동일한 소재로 이루어질 수 있다. 다만, 상부기판(20)의 소재가 반드시 하부기판(10)과 동일해야 하는 것은 아니고, 이와 다르더라도 무방하다. 여기서, 상부기판(20)은 하부기판(10)과 밀착되면서, 하부기판(10) 상에 배치되는 제1 감지층(30) 및 제2 감지층(40)을 커버한다.The upper substrate 20 may be made of the same material as the lower substrate 10 because the upper substrate 20 has flexibility and is tightly coupled to the lower substrate 10. However, the material of the upper substrate 20 does not necessarily have to be the same as that of the lower substrate 10, and may be different. The upper substrate 20 covers the first sensing layer 30 and the second sensing layer 40 disposed on the lower substrate 10 while closely contacting the lower substrate 10.

제1 감지층(30)은 제1 은 나노입자(Ag nanoparticle, 31)가 박막 형태로, 하부기판(10) 상에 배치되어 형성된다. 은 나노입자는 금, 백금 등의 귀금속 나노입자에 비해 가격이 상대적으로 저렴하고, 전도성이 높기 때문에 센서물질로 적합하다. 은 나노입자는 질산은 (AgNO3), 올레산 (Oleic acid), 올레일아민 (Oleylamine)을 혼합한 혼합용액을 탈기한 후, 실온 냉각하여 합성할 수 있다. 이러한 은 나노입자가 혼합된 용액을 하부기판(10)에 스핀코팅하여, 박막 형태의 제1 감지층(30)이 구현될 수 있다. The first sensing layer 30 is formed by disposing a first silver nanoparticle 31 on the lower substrate 10 in the form of a thin film. Silver nanoparticles are relatively inexpensive compared to noble metal nanoparticles such as gold and platinum, and are suitable as sensor materials because of their high conductivity. Silver nanoparticles can be synthesized by deaeration of a mixed solution of silver nitrate (AgNO 3 ), oleic acid and oleylamine, followed by cooling at room temperature. The first sensing layer 30 in the form of a thin film may be realized by spin-coating a solution containing the silver nanoparticles on the lower substrate 10.

한편, 합성된 은 나노입자 박막의 경우, 본래의 표면 리간드가 올레산 리간드와 같이 긴 리간드로 둘러싸여 있기 때문에, 그 자체로서는 전기적으로 절연성을 갖는다. 따라서, 제1 감지층(30)은 제1 은 나노입자 박막의 표면 리간드가 길이가 짧은 무기 리간드로 치환되어, 입자 간 거리가 감소함에 따라 전기 전도성이 향상되고 기계적 특성이 개선된다. 또한, 제1 감지층(30)은 대상물의 온도에 따라 전기저항이 선형적으로 변하는 특성을 가지며, 온도가 변했다가 처음 온도로 되돌아오면 전기저항도 초기 저항으로 회복된다.On the other hand, in the case of the synthesized silver nanoparticle thin film, since the original surface ligand is surrounded by a long ligand such as an oleic acid ligand, the surface ligand itself is electrically insulating. Accordingly, the first sensing layer 30 has a surface ligand of the first silver nanoparticle thin film replaced with an inorganic ligand having a short length, and the electrical conductivity is improved and the mechanical characteristics are improved as the inter-particle distance is reduced. In addition, the first sensing layer 30 has a characteristic that the electric resistance linearly changes according to the temperature of the object, and when the temperature changes, the electric resistance returns to the initial resistance when the temperature returns to the initial temperature.

여기서, 제1 감지층(30)의 전하수송 거동은 금속수송 거동 (metallic transport behavior)으로서, 비저항이 매우 낮고, 저항온도계수 (temperature coefficient of resistance, TCR)는 양 (positive)의 값을 가진다. TCR이 높으면 외부 온도 변화에 대해 상대적으로 저항변화가 크다는 것을 의미하므로, 높은 TCR을 이용하여 센서의 민감도와 정밀도를 향상시킬 수 있다. Here, the charge transport behavior of the first sensing layer 30 is a metallic transport behavior, the resistivity is very low, and the temperature coefficient of resistance (TCR) has a positive value. A high TCR means a relatively large change in resistance with respect to an external temperature change, so that a high TCR can be used to improve the sensitivity and accuracy of the sensor.

한편, 리간드 교환에 사용되는 무기 리간드는 NH4Cl, tetra-n-butyl ammonium bromide (TBAB), 및 NH4SCN으로 구성된 군에서부터 선택되는 적어도 하나 이상을 포함할 수 있다. TBAB 및 NH4Cl로 각각 처리된 은 나노입자 박막의 경우, 각각의 비저항은 2.0 (± 0.78) × 10-5, 3.2 (± 1.83) × 10-5 Ω㎝이고, TCR 값은 1.34 × 10-3 K-1, 1.03 × 10-3 K- 1 이다. TBAB로 리간드 교환된 은 나노입자 박막이 NH4Cl로 리간드 교환된 은 나노입자 박막의 경우에 비해 상대적으로, 비저항이 낮고, TCR 값이 높기 때문에, 바람직하게는 TBAB를 사용하는 것이 적합하다. 다만, 그 무기 리간드의 종류가 반드시 상술한 리간드에 한정되어야 하는 것은 아니다.On the other hand, the inorganic ligand used for ligand exchange may include at least one selected from the group consisting of NH 4 Cl, tetra-n-butyl ammonium bromide (TBAB), and NH 4 SCN. For TBAB and each of the processing nanoparticle thin films with NH 4 Cl, each of the specific resistance is 2.0 (± 0.78) × 10 -5 , 3.2 (± 1.83) × 10 -5 Ω㎝, TCR value of 1.34 × 10 - 3 K -1, 1.03 × 10 -3 K - 1. It is preferable to use TBAB because the silver nanoparticle thin film exchanged with TBAB is relatively low in resistivity and has a high TCR value as compared with the silver nanoparticle thin film in which the ligand-exchanged silver nanoparticle thin film is ligand-exchanged with NH 4 Cl. However, the kind of the inorganic ligand is not necessarily limited to the ligand described above.

제1 감지층(30)은 온도 변화에 따라 전기저항이 변하지만, 플렉시블 및 웨어러블 센서에 적용되기 위해서는 주로 사람의 움직임으로 인한 스트레인 조건을 견딜 수 있어야 한다. 게이지 팩터 (gauge factor, G), 즉 기계적 스트레인에 대한 저항변화의 비(ratio)가 상대적으로 작은 물질일수록 스트레인에 영향을 덜 받는다. 무기 리간드로 치환된 제1 은 나노입자 박막의 경우, 낮은 게이지 팩터를 가지므로, 제1 감지층(30)은 내구성과 안정성이 우수하다. 일례로, TBAB 처리된 은 나노입자 박막에 대한 구겨짐 테스트 (crumple test)를 시행한 결과, 저항변화율이 3.15%에 불과했다. 따라서, 제1 감지층(30)에 대하여 반복적인 스트레인이 가해지더라도, 안정적인 회복이 가능하다. 또한, 고온의 온도변화 사이클에서도 제1 감지층(30)은 전기저항이 완전히 회복되는 특성을 보인다 (도 5의 (a) 참조).In the first sensing layer 30, the electrical resistance is changed according to the temperature change. However, in order to be applied to the flexible and wearable sensor, the first sensing layer 30 must be able to withstand strain conditions due to human motion. A gauge factor (G), a material with a relatively small ratio of resistance change to mechanical strain, is less susceptible to strain. Since the first silver nanoparticle thin film substituted with an inorganic ligand has a low gauge factor, the first sensing layer 30 is excellent in durability and stability. For example, a crumple test of a thin film of silver nanoparticles treated with TBAB resulted in a resistance change rate of only 3.15%. Therefore, even if repeated strain is applied to the first sensing layer 30, stable recovery is possible. Also, the first sensing layer 30 exhibits a characteristic in which the electrical resistance is fully recovered even in a high-temperature temperature change cycle (see Fig. 5 (a)).

한편, 웨어러블 센서에 있어서, 사람의 움직임에 의해서 저항변화가 일어날 수 있다. 즉, 온도 이외에, 스트레인이 물질의 전기저항을 변화시키는 요인으로 작용할 수 있다. 따라서, 스트레인이 하부기판(10)을 통해 제1 감지층(30)에 가해지는 경우, 제1 감지층(30)에 저항변화가 나타날 수 있다. 이때, 제1 감지층(30)의 기준저항에 대한 저항변화는 하기 [수학식 1]에 의해 산출할 수 있다.On the other hand, in the wearable sensor, a resistance change may occur due to human motion. That is, in addition to the temperature, strain may act as a factor for changing the electrical resistance of the material. Therefore, when strain is applied to the first sensing layer 30 through the lower substrate 10, a resistance change may appear in the first sensing layer 30. At this time, the resistance change of the first sensing layer 30 with respect to the reference resistance can be calculated by the following equation (1).

Figure pat00005
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여기서, R01는 제1 감지층(30)의 기준저항값, ΔR1은 제1 감지층(30)의 저항변화값, α는 제1 감지층(30)의 TCR, G1은 제1 감지층(30)의 게이지 팩터값, ΔT는 대상물의 온도변화값, ε은 스트레인값이다. 이때, ΔT는 대상물의 온도에서 기준온도를 뺀 값이다.Wherein, R 01 is a TCR, G 1 of the first detection layer 30 and the reference resistance value, ΔR 1 is a first detection layer 30, the resistance change value, α is a first sensing layer 30 of the first sense The value of the gauge factor of the layer 30,? T is the temperature change value of the object, and? Is the strain value. At this time,? T is a value obtained by subtracting the reference temperature from the temperature of the object.

상기 [수학식 1]에서 알 수 있듯이, 제1 감지층(30)의 전기저항은 온도 및 스트레인에 비례한다. 여기서, 스트레인이 가해지지 않는 경우 (ε=0), TCR 값이 양 (positive)이므로, 제1 감지층(30)의 전기저항은 온도에 비례하여 선형적으로 증가하게 된다. 도 4의 (a)에서 TBAB 및 NH4Cl로 각각 처리된 은 나노입자 박막이 온도변화에 따라 전기저항이 선형적으로 증가하는 것을 확인할 수 있다.As can be seen from Equation (1), the electrical resistance of the first sensing layer 30 is proportional to temperature and strain. Here, when the strain is not applied (? = 0), the TCR value is positive, so that the electrical resistance of the first sensing layer 30 linearly increases in proportion to the temperature. In FIG. 4 (a), it can be seen that the electrical resistance of the thin silver nanoparticles treated with TBAB and NH 4 Cl linearly increases with temperature.

한편, 제2 감지층(40)은 제2 은 나노입자 (Ag nanoparticle, 41)가 박막 형태로, 하부기판(10) 상에 배치되어 형성되는데, 이때 제2 은 나노입자 박막은 표면 리간드가 유기 리간드로 교환된 박막이다. 제2 감지층(40)은 제1 감지층(30)과 동일한 방식으로, 즉 합성된 은 나노입자가 혼합된 용액을 하부기판(10)에 스핀코팅함으로써, 박막 형태로 구현할 수 있다.On the other hand, the second sensing layer 40 is formed by arranging a second silver nanoparticle 41 on the lower substrate 10 in the form of a thin film, wherein the second silver nanoparticle thin film has a surface ligand And is a thin film exchanged with a ligand. The second sensing layer 40 may be implemented in the same manner as the first sensing layer 30, that is, in the form of a thin film by spin-coating a solution of the synthesized silver nanoparticles on the lower substrate 10.

다만, 제2 감지층(40)을 구성하는 제2 은 나노입자 박막은 유기 리간드로 교환된다. 유기 리간드는 무기 리간드에 비해 길이가 길기 때문에, 제2 감지층(40)은 제1 감지층(30)과 다른 특성을 나타낸다. 리간드 교환에 의해 제2 감지층(40)도 전기 전도성을 가지지만, 유기 리간드 처리로 인해 입자 간 거리가 제1 감지층(30)에 비해 상대적으로 길어져, 비저항이 제1 감지층(30)보다 크다.However, the second silver nanoparticle film constituting the second sensing layer 40 is replaced with an organic ligand. Because the organic ligand is longer than the inorganic ligand, the second sensing layer 40 exhibits properties different from the first sensing layer 30. Although the second sensing layer 40 also has electrical conductivity due to the ligand exchange, the intergranular distance is relatively longer than that of the first sensing layer 30 due to the organic ligand treatment, and the resistivity is higher than that of the first sensing layer 30 Big.

유기 리간드의 일례로는 3-mercaptopropionic acid (MPA), 1,2-ethanedithiol (EDT) 등을 들 수 있는데, MPA 및 EDT 각각으로 처리된 은 나노입자 박막의 경우, 그 비저항은 1.2 ± 0.7, 및 23.4 ± 5.0 Ω㎝ 이다. 다만, 제2 감지층(40)의 리간드 교환에 사용되는 유기 리간드는 MPA+EDT 하이브리드 리간드를 사용할 수도 있는데, 이에 대해서는 후술한다.Examples of organic ligands include 3-mercaptopropionic acid (MPA) and 1,2-ethanedithiol (EDT). For silver nanoparticles treated with MPA and EDT, the resistivity is 1.2 ± 0.7, 23.4 占 .5? Cm. However, the organic ligand used for the ligand exchange in the second sensing layer 40 may be an MPA + EDT hybrid ligand, which will be described later.

제2 감지층(40)의 TCR은 음 (negative)의 값을 가진다. 또한, 제2 감지층(40)의 전하수송 거동은 호핑수송 (hopping transport)에 의하는바, 온도가 증가함에 따라서 전기저항은 지수적으로 감수한다. 한편, 제2 감지층(40)에 스트레인이 가해지는 경우에도 입자 간 거리가 변하여 전기저항에 영향을 미치므로, 온도측정에 있어서 스트레인이 고려되어야 한다. 제2 감지층(40)의 기준저항에 대한 저항변화는 하기 [수학식 2]에 의해서 결정될 수 있다.The TCR of the second sensing layer 40 has a negative value. Also, the charge transport behavior of the second sensing layer 40 is by hopping transport, and the electrical resistance is exponentially decreased as the temperature increases. On the other hand, even when strain is applied to the second sensing layer 40, the inter-particle distance is changed to affect the electrical resistance, so strain must be taken into account in the temperature measurement. The resistance change of the second sensing layer 40 with respect to the reference resistance can be determined by the following equation (2).

Figure pat00006
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여기서, R02는 제2 감지층(40)의 기준저항값, ΔR2는 제2 감지층(40)의 저항변화값, KB는 볼츠만 상수 (Boltzmann constant), Ea는 열 유도 호핑 활성화 에너지값(activation energy for thermally induced hopping), G2는 제2 감지층(40)의 게이지 팩터값, ΔT는 대상물의 온도변화값, ε은 스트레인값이다.Here, R 02 is a reference resistance value of the second sensing layer 40, R 2 is a resistance variation value of the second sensing layer 40, K B is a Boltzmann constant, Ea is a thermal induction hopping activation energy value G 2 is the gauge factor value of the second sensing layer 40, ΔT is the temperature variation of the object, and ε is the strain value.

상기 [수학식 2] 및 도 4의 (b)를 참고로, 제2 감지층(40)의 전기저항은 온도가 증가할 때에 지수적으로 감소하게 된다. 여기서, 도 4의 (b)는 MPA 및 EDT 각각으로 처리된 은 나노입자 박막의 온도변화에 따른 저항변화를 나타낸다.Referring to Equation 2 and FIG. 4B, the electrical resistance of the second sensing layer 40 exponentially decreases when the temperature increases. Here, FIG. 4 (b) shows the resistance change of the silver nanoparticle thin film treated with MPA and EDT according to the temperature change.

한편, 유기 리간드로 처리된 은 나노입자 박막은 온도변화시에 저항 회복이 일어나지 않는 경우가 있다. 다수의 온도변화 사이클을 반복하는 경우, EDT로 처리된 은 나노입자 박막은 전반적으로 전기저항이 증가하는 반면, MPA로 처리된 은 나노입자 박막은 전기저항이 감소하는 경향이 있다 (도 5의 (b) 참조). 이에, 본 발명에 따른 제2 감지층(40)은 먼저 MPA로 처리한 다음에, EDT로 처리한 MPA+EDT 하이브리드 리간드 교환을 통해 얻어질 수 있다. MPA+EDT 처리된 은 나노입자 박막의 전기저항은 온도를 높이면 선형적으로 감소하다가, 온도를 낮추면 원래 값으로 되돌아 가는 특성을 가진다. 이는 EDT의 티올기와 MPA의 카르복실기가 존재하여, 반대의 경향을 제거하고 안정한 성능을 이끌어내는 것으로 추측된다. On the other hand, the silver nanoparticle thin film treated with the organic ligand may not undergo resistance recovery at a temperature change. In the case of repeating a plurality of temperature change cycles, the silver nanoparticle thin film treated with EDT generally has an increased electrical resistance, while the silver nanoparticle thin film treated with MPA tends to have a decreased electrical resistance (see FIG. 5 b)). Accordingly, the second sensing layer 40 according to the present invention can be obtained by first treating with MPA and then exchanging the MPA + EDT hybrid ligand treated with EDT. The electrical resistivity of MPA + EDT treated silver nanoparticle thin films decreases linearly with increasing temperature, and returns to original value when temperature is lowered. It is presumed that the presence of the thiol group of EDT and the carboxyl group of MPA eliminates the opposite tendency and leads to a stable performance.

여기서, 활성화 에너지값 (Ea)은 EDT로 처리된 은 나노입자 박막의 경우에는 1.33 × 10-2, MPA로 처리된 은 나노입자 박막의 경우에는 2.40 × 10-2, MPA+EDT 처리된 은 나노입자 박막의 경우에는 2.27 × 10-2 eV이다.Here, the activation energy value (Ea) is 1.33 × 10 -2 for silver nanoparticles treated with EDT, 2.40 × 10 -2 for silver nanoparticles treated with MPA, and silver nanoparticles treated with MPA + EDT And 2.27 × 10 -2 eV for the grain thin film.

한편, 제1 감지층(30)과 제2 감지층(40)은 하부기판(10) 상의 다른 영역에 서로 이격되어 배치되는데, 이때 제1 감지층(30)은 지그재그 형태로 배치되되, 일단과 타단이 서로 이격되어 마주보도록 배치되고, 제2 감지층(40)은 제1 감지층(30)의 일단과 타탄 사이에 배치될 수 있다. The first sensing layer 30 and the second sensing layer 40 are spaced apart from each other in a different region on the lower substrate 10. The first sensing layer 30 is disposed in a zigzag shape, And the second sensing layer 40 may be disposed between one end of the first sensing layer 30 and the tartan.

상술한 바와 같이 형성된 본 발명에 따른 온도센서는 인간의 움직임으로부터 생기는 스트레인에 의한 저항변화를 효과적으로 상쇄시키고, 나아가 스트레인과 온도를 동시에 측정할 수 있는데, 이하에서 자세히 설명한다.The temperature sensor according to the present invention formed as described above effectively cancels the resistance change due to strain caused by human motion, and can simultaneously measure strain and temperature, which will be described in detail below.

스트레인 효과를 상쇄시키기 위해서, 본 발명에 따른 온도센서의 제1 감지층(30), 및 제2 감지층(40)은 중성역학층 (Neutral Mechanical Plane, NMP) 내에 배치될 수 있다. 물체가 상향으로 만곡되게 구부러지는 경우에, 상부에는 인장응력이 작용하고, 하부에는 압축응력이 작용하는데, 이때 상부와 하부 사이에 이론 변형률이 '0'인 중성역학층이 존재하게 된다. 이러한 중성역학층은 서로 결합되는 하부기판(10)과 상부기판(20)의 두께 조절을 통해 구현할 수 있다. 일 실시예로서, 두께 6 ㎛ PET 필름을 하부기판(10)과 상부기판(20)으로 사용하는 경우 그 경계에서 중성역학층이 형성될 수 있다. 이러한 중성역학층을 이용하는 경우, 하부기판(10)에 대해 수직방향(종방향)으로 작용하는 움직임에 인한 스트레인 효과가 상쇄된다. In order to counteract the strain effect, the first sensing layer 30 and the second sensing layer 40 of the temperature sensor according to the present invention may be disposed in a Neutral Mechanical Plane (NMP). When the object bends upwardly, the tensile stress acts on the upper part and the compressive stress acts on the lower part. At this time, a neutral mechanical layer having a theoretical strain of '0' exists between the upper part and the lower part. Such a neutrally dynamic layer can be realized by adjusting the thickness of the lower substrate 10 and the upper substrate 20 which are coupled to each other. As an example, when a 6 탆 thick PET film is used for the lower substrate 10 and the upper substrate 20, a neutrally dynamics layer may be formed at the boundary thereof. When such a neutral dynamics layer is used, the strain effect due to the motion acting in the vertical direction (longitudinal direction) with respect to the lower substrate 10 is canceled.

또한, 서로 다른 게이지 팩터 및 TCR을 갖는 제1 감지층(30)과 제2 감지층(40)이 배치됨으로써, 횡방향 움직임으로 인한 스트레인 효과도 상쇄할 수 있다. 구체적으로, 상기 [수학식 1]과 [수학식 2]를 연립함으로써, 스트레인 효과를 상쇄하고 대상물의 온도를 측정할 수 있다. 예를 들어, TBAB 처리된 은 나노입자 박막으로 제1 감지층(30)이, MPA+EDT 처리된 은 나노입자 박막으로 제2 감지층(40)이 형성된 경우, 각각의 게이지 팩터값은 1.71, 9.80이고, 제2 감지층(40)의 활성화 에너지는 2.27 × 10-2 eV이며, 각각의 저항값은 전류를 통하여 측정 가능하므로, [수학식 1]과 [수학식 2]를 연립하면, 대상물의 온도변화값을 구할 수 있다. 그 대상물의 온도변화값은 대상물의 온도와 기준온도의 차이이므로, 이로부터 스트레인 효과가 상쇄된 대상물의 온도를 정확히 측정할 수 있다.In addition, by arranging the first sensing layer 30 and the second sensing layer 40 with different gauge factors and TCR, the strain effect due to lateral movement can be canceled. Concretely, by combining the equations (1) and (2), the strain effect can be canceled and the temperature of the object can be measured. For example, when the first sensing layer 30 is formed of a silver nanoparticle thin film treated with TBAB, and the second sensing layer 40 is formed of a silver nanoparticle thin film formed by MPA + EDT treatment, the gauge factor values of the first sensing layer 30 and the second sensing layer 40 are 1.71, 9.80, and the activation energy of the second sensing layer 40 is 2.27 x 10 -2 eV, and the respective resistance values can be measured through the current. Therefore, when the equations (1) and (2) Can be obtained. Since the temperature change value of the object is the difference between the temperature of the object and the reference temperature, the temperature of the object to which the strain effect is canceled can be accurately measured.

한편, 본 발명에 따른 온도센서를 사용하여 스트레인과 온도를 측정하기 위해서는, 하부기판(10)과 상부기판(20)에 두께차를 둔다. 여기서, 하부기판(10)과 상부기판(20)의 두께 비가 1:40 ~ 1:45로 형성될 수 있고, 구체적으로, 하부기판(10)은 두께 250 ㎛ PET 필름을, 상부기판(20)은 두께 6 ㎛ PET 필름을 사용할 수 있다. Meanwhile, in order to measure the strain and the temperature using the temperature sensor according to the present invention, the difference in thickness between the lower substrate 10 and the upper substrate 20 is set. Here, the thickness ratio of the lower substrate 10 to the upper substrate 20 may be 1:40 to 1:45. Specifically, the lower substrate 10 may have a thickness of 250 탆 PET film on the upper substrate 20, A 6 占 퐉 thick PET film may be used.

스트레인과 온도를 동시에 측정하기 위해서는, 상기 [수학식 1]에 의한 제1 플롯과 상기 [수학식 2]에 의한 제2 플롯을 생성하고, 그 제1 플롯 및 제2 플롯 각각의 라인이 교차하는 교점을 읽음으로써, 스트레인 및 온도를 얻을 수 있다 (도 7 참조).In order to measure strain and temperature at the same time, a first plot by the above-mentioned equation (1) and a second plot by the above equation (2) are generated, and the lines of the first plot and the second plot cross each other By reading the intersection, strain and temperature can be obtained (see FIG. 7).

종합적으로, 본 발명에 따른 온도센서에 의하면, 무기 및 유기 리간드로 각각 처리한 은 나노입자 박막으로 서로 다른 감지층을 형성하여 그 감지층마다 온도에 따른 저항변화 특성 및 게이지 팩터를 서로 달리하고, 감지층을 하부기판(10) 과 상부기판(20) 사이의 중성역학층 (Neutral Mechanical Plane, NMP) 내에 배치함으로써, 스트레인에 의한 저항변화 효과를 효과적으로 상쇄하여, 정밀하게 온도를 측정할 수 있다. 또한, 상기 감지층을 서로 다른 두께의 하부기판(10)과 상부기판(20) 사이에 배치하여, 온도와 함께 스트레인을 측정할 수도 있다.In general, according to the temperature sensor of the present invention, different sensing layers are formed of silver nanoparticle thin films treated with inorganic and organic ligands, respectively, and resistance variation characteristics and gauge factors depending on temperature are different from each other, By disposing the sensing layer in a Neutral Mechanical Plane (NMP) between the lower substrate 10 and the upper substrate 20, the resistance change effect by strain can be effectively canceled and the temperature can be precisely measured. In addition, the sensing layer may be disposed between the lower substrate 10 and the upper substrate 20 having different thicknesses, and the strain may be measured together with the temperature.

이하에서는 상술한 온도센서를 제조하는 방법에 대해 설명한다.Hereinafter, a method of manufacturing the above-described temperature sensor will be described.

도 4는 본 발명의 실시예에 따른 온도센서 제조방법의 공정도이다.4 is a process diagram of a method of manufacturing a temperature sensor according to an embodiment of the present invention.

도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 온도센서는 선택적 리간드 교환 (selective ligand exchange)과, 2 단계 포토리소그래피 (two-step photolithography) 방식으로 제조될 수 있다. 본 발명에 따른 온도센서에 대해서는 상술하였는바, 중복되는 내용에 대해서는 설명을 생략하거나 간단하게만 기술한다.As shown in FIG. 4, the temperature sensor according to the present invention can be manufactured by a selective ligand exchange and a two-step photolithography method. The temperature sensor according to the present invention has been described above, however, the description of the overlapping contents is omitted or simply described.

선택적 리간드 교환 방식은 포토리소그래피 공정을 한번 거치는 방법으로, 이에 의한 제조방법은 (a) 하부기판 상에 포토레지스트를 도포(ⅳ)한 후에, 박막 형태의 제1 감지층 및 제2 감지층에 대응되는 패턴으로 노광하고 현상하는 단계(ⅴ), (b) 패턴에 은 나노입자를 코팅하여, 은 나노입자 박막을 형성하는 단계(ⅵ), (c) 포토레지스트를 리프트 오프 (lift off)하는 단계(ⅶ), (d) 제1 감지층에 대응되는 패턴에 코팅된 제1 은 나노입자 박막을 무기 리간드 교환 용액에 담지하여 제1 감지층을 형성(ⅷ)하고, 제2 감지층에 대응되는 패턴에 코팅된 제2 은 나노입자 박막을 유기 리간드 교환 용액에 담지하여 제2 감지층을 형성(ⅸ)하는 단계(ⅹ), 및 (e) 제1 감지층, 및 제2 감지층이 커버되도록, 하부기판 상에 상부기판을 형성하는 단계(ⅹⅰ)를 포함한다.The selective ligand exchange method is a method of passing through a photolithography process once, and a manufacturing method thereof is as follows: (a) a photoresist is coated on a lower substrate (iv), and then a thin film of a first sensing layer and a second sensing layer (Vi) coating silver nanoparticles on the pattern to form a silver nanoparticle thin film, (c) lifting off the photoresist, and (c) (D) depositing a first silver nanoparticle thin film coated on a pattern corresponding to the first sensing layer in an inorganic ligand exchange solution to form a first sensing layer, (X) forming a second sensing layer by supporting a second silver nanoparticle thin film coated on the pattern in an organic ligand exchange solution, and (e) forming a first sensing layer and a second sensing layer so that the first sensing layer and the second sensing layer are covered , And a step (xi) of forming an upper substrate on the lower substrate.

본 방식에 의하면, 포토레지스트 공정에 의하는바, 먼저 (ⅳ) 하부기판 상부에 포지티브 포토레지스트를 도포한 후, (ⅴ) 박막 형태의 제1 감지층 및 제2 감지층에 대응되도록, 포토레지스트 층을 노광하고, 현상하여 패터닝한다. 이어서, (ⅵ) 은 나노입자를 그 패턴 상에 스핀코팅하고, (ⅶ) 리프트-오프 공정을 거친다. 이때 은 나노입자 박막만 남게 된다. 다음으로, 딥 코팅 공정에 따라, (ⅷ) 제1 감지층에 대응되는 패턴에 코팅된 제1 은 나노입자 박막에 TBAB 리간드 교환 물질을 노출시키고, 및 (ⅸ) 제2 감지층에 대응되는 패턴에 코팅된 제2 은 나노입자 박막에 MPA+EDT 리간드 교환 물질을 노출시킴으로써, (ⅹ) 하부기판에 제1 감지층 및 제2 감지층을 형성한다. 그리고, (ⅹⅰ) NMP 내에 제1 및 제2 감지층을 배치시키거나, 또는 온도와 스트레인을 동시에 측정하기 위해서, 제1 및 제2 감지층을 커버하면서 하부기판에 상부기판을 결합한다. According to this method, a photoresist process is performed. First, (iv) a positive photoresist is applied to the upper portion of the lower substrate, (v) a photoresist is applied so as to correspond to the first and second sensing layers in the form of a thin film, Layer is exposed, developed and patterned. Subsequently, (vi) is spin-coated on the patterned nanoparticles and (iii) subjected to a lift-off process. At this time, only the nanoparticle thin film is left. Next, according to the dip coating process, (iii) exposing the first silver nanoparticle thin film coated on the pattern corresponding to the first sensing layer with a TBAB ligand exchange material, and (iii) exposing the pattern corresponding to the second sensing layer Exposing the MPA + EDT ligand exchange material to a second silver nanoparticle thin film coated on the substrate, and (x) forming a first sensing layer and a second sensing layer on the lower substrate. Then, (xi) the upper substrate is bonded to the lower substrate while covering the first and second sensing layers, in order to dispose the first and second sensing layers in the NMP or simultaneously measure temperature and strain.

한편, 2 단계 포토리소그래피 방식은 포토리소그래피 공정을 두 차례 반복하는데, 이에 의한 온도센서 제조방법은 (a) 하부기판 상에 제1 포토레지스트를 도포(ⅳ)한 후에, 박막 형태의 제1 감지층에 대응되는 제1 패턴으로 노광하고 현상하는 단계(ⅴ), (b) 제1 패턴에 은 나노입자를 코팅하여, 제1 은 나노입자 박막을 형성하는 단계(ⅵ), (c) 제1 포토레지스트를 리프트 오프 (lift off) 하는 단계, (d) 제1 은 나노입자 박막을 무기 리간드 교환 용액에 담지하여, 제1 감지층을 형성하는 단계(ⅶ), (e) 하부기판 상에 제2 포토레지스트를 도포(ⅷ)한 후에, 박막 형태의 제2 감지층에 대응되는 제2 패턴으로 노광하고 현상하는 단계, (f) 제2 패턴에 은 나노입자를 코팅하여, 제2 은 나노입자 박막을 형성하는 단계(ⅸ), (g) 제2 포토레지스트를 리프트 오프하는 단계, (h) 제2 나노입자 박막을 유기 리간드 교환 용액에 담지하여, 제2 감지층을 형성하는 단계(ⅹ), 및 (i) 제1 감지층, 상기 제2 감지층이 커버되도록, 하부기판 상에 상부기판을 형성하는 단계(ⅹⅰ)를 포함한다.In the two-step photolithography method, the photolithography process is repeated twice. The method of manufacturing the temperature sensor includes: (a) applying a first photoresist on a lower substrate (iv) (B) forming a first silver nanoparticle thin film by coating silver nanoparticles on the first pattern; (c) forming a second silver nanoparticle thin film on the first photo (D) depositing a first silver nanoparticle thin film on an inorganic ligand exchange solution to form a first sensing layer (e); (e) (F) coating silver nanoparticles on the second pattern, and forming a second silver nanoparticle thin film on the second silver nanoparticle thin film. , (G) lifting off the second photoresist, (h) (X) supporting the nanoparticle thin film on an organic ligand exchange solution to form a second sensing layer, and (i) forming an upper substrate on the lower substrate such that the first sensing layer and the second sensing layer are covered (Xi).

본 방식은 상술한 선택적 리간드 교환 방식을 반복한 것으로, (ⅳ) ~ (ⅶ)에서 통상적인 포토리소그래피 공정을 통해 무기 리간드로 은 나노입자 박막을 처리하여 제1 감지층을 형성하고, (ⅷ) ~ (ⅹ)에서 유기 리간드 교환 물질을 은 나노입자 박막에 노출시켜 제2 감지층을 형성한다. (ⅹⅰ)에서는 NMP 내에 제1 및 제2 감지층을 배치시키거나, 또는 온도와 스트레인을 동시에 측정하기 위해서, 제1 및 제2 감지층을 커버하면서 하부기판에 상부기판을 결합한다. This method is a repetition of the above-described selective ligand exchange method. In (iv) - (vii), a silver nanoparticle thin film is processed with an inorganic ligand through a conventional photolithography process to form a first sensing layer, (X), an organic ligand exchange material is exposed to the silver nanoparticle thin film to form a second sensing layer. (Xi), the upper substrate is bonded to the lower substrate while covering the first and second sensing layers, in order to dispose the first and second sensing layers in the NMP or simultaneously measure temperature and strain.

상술한 2가지 방식에서, 하부기판에 포토레지스트 도포 전, 즉 (ⅳ) 단계 이전에 (ⅰ) 세척된 유리기판을 준비하고, (ⅱ) 유리기판 상에 PDMS (Polydimethylsiloxane) 필름을 배치한 후에, (ⅲ) 그 PDMS 필름 상에 하부기판을 배치할 수 있다. 여기서, (ⅹⅱ) 유리기판 및 PDMS 필름은 상부기판이 하부기판에 결합된 후 제거될 수 있다.(Ii) preparing a PDMS (Polydimethylsiloxane) film on a glass substrate, and (ii) before the photoresist is applied to the lower substrate, that is, before (iv) (Iii) a lower substrate may be disposed on the PDMS film. Here, (xii) the glass substrate and the PDMS film can be removed after the upper substrate is bonded to the lower substrate.

이하에서는 구체적 실시예 및 평가예를 통해 본 발명을 더욱 상세히 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to specific examples and evaluation examples.

실시예 1: 은 나노입자의 합성Example 1: Synthesis of silver nanoparticles

올레일아민 (Oleylamine) 5mL, 올레산 (Oleic acid) 45mL를 질산은 (AgNO3)과 함께 100mL 3-Neck 플라스크에 넣는다. 70°C에서 1.5시간동안 진공상태에서 탈기 (Degassing) 한 다음, 180°C까지 분당 1℃의 속도로 온도를 올렸다. 상기의 과정 중에는 Magnetic stirring bar을 이용하여 계속 교반했다. 이후 공기 중에서 플라스크를 식히고 Toluene, ethanol을 1:2 정도의 비율을 넣어서 흔들어 주고 Centrifuge를 통해 은 나노입자를 석출한다. 이러한 세척 과정을 3번 반복하여, Hexane에 100~200mg/mL의 농도로 분산시켜 은 나노입자 용액을 만들었다.Add 5 mL of oleylamine and 45 mL of oleic acid to a 100 mL 3-neck flask with silver nitrate (AgNO 3 ). Degassing at 70 ° C for 1.5 hours under vacuum then raising the temperature to 180 ° C at a rate of 1 ° C per minute. During the above procedure, stirring was continued using a magnetic stirring bar. After that, the flask is cooled in air, and Toluene and ethanol are added at a ratio of 1: 2 and shaken, and silver nanoparticles are precipitated through a centrifuge. This washing procedure was repeated three times and dispersed in hexane at a concentration of 100 to 200 mg / mL to prepare a silver nanoparticle solution.

실시예 2: 온도센서 제조Example 2: Manufacture of temperature sensor

은 나노입자 박막을 만들기 위해 실시예 1에서 합성된 용액을 1000 RPM의 속도로 1분 동안 스핀코팅을 한다. 이때, 하부기판으로는 Polyethylene Terephtalete (PET)를 사용하였으며, 스핀코팅 전에 Acetone, Isopropanol, deionized water로 각각 5분 동안 초음파분해 처리를 통하여 세척하였다. Tetrabutylammonium Bromide (TBAB) 30mM, Mercaptopropionic Acid (MPA) 0.05% 농도의 리간드 교환 용액을 Methanol을 이용하여 제조했고, Ethanedithiol (EDT) 5mM 농도의 리간드 교환 용액을 Acetonitrile 용액을 이용해 제조했다. 은 나노입자 박막을 리간드 교환 용액으로 처리를 하였다. 무기 리간드의 경우에는 TBAB 리간드 교환 용액으로 5분 동안 처리하고, 유기리간드의 경우 MPA 리간드 교환 용액으로 1분 동안 처리 후 EDT 리간드 교환 용액으로 2시간 처리를 하였다. 이로써, TBAB 처리된 제1 감지층을, MPA+EDT 처리된 제2 감지층을 형성했다.The solution synthesized in Example 1 is spin-coated at a speed of 1000 RPM for 1 minute to make a silver nanoparticle thin film. Polyethylene Terephtalete (PET) was used as the lower substrate and washed with Acetone, Isopropanol and deionized water for 5 minutes by sonication before spin coating. Tetrabutylammonium bromide (TBAB) 30mM and mercaptopropionic acid (MPA) 0.05% ligand exchange solution were prepared by using methanol. Ethanedithiol (EDT) 5mM ligand exchange solution was prepared by using acetonitrile solution. Silver nanoparticle films were treated with a ligand exchange solution. In case of inorganic ligand, treatment with TBAB ligand exchange solution was carried out for 5 minutes. In the case of organic ligand, treatment with MPA ligand exchange solution was performed for 1 minute and then treated with EDT ligand exchange solution for 2 hours. As a result, the first sensing layer subjected to the TBAB treatment was formed as the MPA + EDT-treated second sensing layer.

여기서, NMP를 이용하여 스트레인의 영향을 상쇄시키는 센서 (샘플 1)의 경우에 하부기판은 두께 6 ㎛의 PET 필름을 사용했고, 스트레인 및 온도를 동시에 측정할 수 있는 센서 (샘플 2)의 하부기판은 두께 250 ㎛의 PET 필름을 사용했다. 또한, 두께 6 ㎛의 PET 필름을 상부기판으로 하부기판 상에 배치하였다. Here, in the case of the sensor (sample 1) which cancels the influence of strain by NMP, the lower substrate was a PET film having a thickness of 6 탆, and a sensor (sample 2) A PET film having a thickness of 250 mu m was used. Further, a PET film having a thickness of 6 占 퐉 was disposed on the lower substrate with the upper substrate.

평가예: 스트레인 및 온도 측정Evaluation example: Strain and temperature measurement

도 7은 본 발명의 실시예에 따른 온도센서에 의해 측정된 온도 및 스트레인 결과이다.7 is a temperature and strain result measured by a temperature sensor according to an embodiment of the present invention.

실시예 2에서 제조된 샘플 2를 사용하여, 스트레인 및 온도를 측정하였다. Using the sample 2 prepared in Example 2, strain and temperature were measured.

먼저, 샘플 2를 398 K 온도의 평평한 표면에 높고 저항을 측정한다. 그런 다음, 핫플레이트 상에 4㎝의 굽힙 반경을 갖는 곡선 금속 표면에 샘플 2를 놓아 0.3125%의 스트레인을 가했다. IR 온도 센서에 의해 확인한바, 그 온도는 314.5 K까지 상승했다. TBAB 및 MPA+EDT에 의해 처리된 은 나노입자의 ΔR/R0는 각각 0.02436 및 -0.06262이다. 이에, 그림 7과 같이, TBAB 및 MPA+EDT 처리된 박막에 대해 상기 [수학식 1] 및 [수학식 2]를 사용하여 2 개의 시뮬레이션 플롯을 구성하고, 각 결과에 대한 등가 저항 라인 (equivalent resistance line)을 생성했다. TBAB 라인과 MPA+EDT 라인의 교점을 읽음으로써, 314.75 K의 온도와 0.305%의 스트레인을 얻었다.First, sample 2 is placed on a flat surface at a temperature of 398 K and resistance is measured. Then, Sample 2 was placed on a curved metal surface having a bend radius of 4 cm on a hot plate to apply a strain of 0.3125%. As confirmed by the IR temperature sensor, the temperature rose to 314.5K. The ΔR / R 0 of silver nanoparticles treated with TBAB and MPA + EDT are 0.02436 and -0.06262, respectively. Thus, as shown in Fig. 7, two simulation plots were constructed using the above equations (1) and (2) for the TBAB and MPA + EDT treated thin films, and the equivalent resistance line line. By reading the intersection of the TBAB line and the MPA + EDT line, we obtained a temperature of 314.75 K and a strain of 0.305%.

그 결과에 있어서, 약간의 편차가 존재했지만, 1개의 TCR을 갖는 단일 센서와 비교하여 본 발명에 따른 온도센서는 온도와 스트레인을 모두 측정할 수 있고, 온도 및 스트레인이 변하는 다양한 조건하에서도 저항이 안정적 변화를 보이며, 웨어러블 센서에 적합하다는 것이 입증되었다.In the result, although there were some deviations, a temperature sensor according to the present invention, as compared to a single sensor with one TCR, can measure both temperature and strain, and under various conditions where temperature and strain vary, It has proven to be stable and suitable for wearable sensors.

이상 본 발명을 구체적인 실시 예를 통하여 상세히 설명하였으나, 이는 본 발명을 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명은 이에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상 내에서 당 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 그 변형이나 개량이 가능함이 명백하다.While the present invention has been particularly shown and described with reference to exemplary embodiments thereof, it is to be understood that the same is by way of illustration and example only and is not to be construed as limiting the present invention. It is obvious that the modification or improvement is possible.

본 발명의 단순한 변형 내지 변경은 모두 본 발명의 영역에 속한 것으로 본 발명의 구체적인 보호 범위는 첨부된 특허청구범위에 의하여 명확해질 것이다.It will be understood by those skilled in the art that various changes in form and details may be made therein without departing from the spirit and scope of the invention as defined by the appended claims.

10: 하부기판 20: 상부기판
30: 제1 감지층 31: 제1 은 나노입자
40: 제2 감지층 41: 제2 은 나노입자10: lower substrate 20: upper substrate
30: first sensing layer 31: first silver nanoparticle
40: second sensing layer 41: second silver nanoparticle

Claims (11)

온도측정 대상물에 접촉되는 유연한 하부기판;
상기 하부기판과 밀착 결합되는 유연한 상부기판;
표면 리간드가 무기 리간드로 교환된 제1 은 나노입자를 포함하고, 박막 형태로, 상기 하부기판과 상기 상부기판 사이에 배치되며, 상기 대상물의 온도에 의해 전기저항이 변하는 제1 감지층; 및
표면 리간드가 유기 리간드로 교환된 제2 은 나노입자를 포함하고, 박막 형태로, 상기 하부기판과 상기 상부기판 사이에, 상기 제1 감지층과 이격되어 배치되며, 상기 대상물의 온도에 의해 전기저항이 변하는 제2 감지층;
을 포함하여, 상기 제1 감지층 및 상기 제2 감지층의 전기저항 변화를 측정하여 상기 대상물의 온도를 감지하는 온도센서.
A flexible lower substrate contacting the temperature measurement object;
A flexible upper substrate bonded tightly to the lower substrate;
A first sensing layer including first silver nanoparticles whose surface ligands are exchanged with an inorganic ligand and disposed between the lower substrate and the upper substrate in the form of a thin film and whose electrical resistance is changed by the temperature of the object; And
A second silver nanoparticle in which a surface ligand is exchanged with an organic ligand and is disposed in a thin film form between the lower substrate and the upper substrate and spaced apart from the first sensing layer, A second sensing layer;
And a temperature sensor for sensing the temperature of the object by measuring a change in electrical resistance of the first sensing layer and the second sensing layer.
청구항 1에 있어서,
상기 무기 리간드는
NH4Cl, tetra-n-butyl ammonium bromide (TBAB), 및 NH4SCN으로 구성된 군에서부터 선택되는 적어도 하나 이상을 포함하는 온도센서.
The method according to claim 1,
The inorganic ligand
NH 4 Cl, tetra-n-butyl ammonium bromide (TBAB), and NH 4 SCN.
청구항 1에 있어서,
상기 유기 리간드는
3-mercaptopropionic acid (MPA), 및 1,2-ethanedithiol (EDT)으로 구성된 군으로부터 선택되는 적어도 하나 이상을 포함하는 온도센서.
The method according to claim 1,
The organic ligand
3-mercaptopropionic acid (MPA), and 1,2-ethanedithiol (EDT).
청구항 1에 있어서,
상기 제1 감지층은 지그재그 형태로 배치되되, 일단과 타단이 서로 이격되어 마주보도록 배치되고,
상기 제2 감지층은 상기 제1 감지층의 일단과 타탄 사이에 배치되는 온도센서.
The method according to claim 1,
Wherein the first sensing layer is disposed in a zigzag shape so that one end and the other end of the sensing layer are spaced apart from each other,
Wherein the second sensing layer is disposed between one end of the first sensing layer and the tartan.
청구항 1에 있어서,
상기 하부기판과 상기 상부기판 사이에 중성역학층 (Neutral Mechanical Plane, NMP)이 형성되는 온도센서.
The method according to claim 1,
And a Neutral Mechanical Plane (NMP) is formed between the lower substrate and the upper substrate.
청구항 5에 있어서,
상기 하부기판에 스트레인 (strain)이 가해질 때에, 하기 [수학식 1], 및 하기 [수학식 2]를 연립하여, 상기 대상물의 온도를 감지하는 온도센서.
[수학식 1]
Figure pat00007
,
[수학식 2]
Figure pat00008

(여기서, R01는 제1 감지층의 기준저항값, ΔR1은 제1 감지층의 저항변화값, α는 제1 감지층의 저항온도계수 (temperature coefficient of resistance, TCR), G1은 제1 감지층의 게이지 팩터값, R02는 제2 감지층의 기준저항값, ΔR2는 제2 감지층의 저항변화값, KB는 볼츠만 상수 (Boltzmann constant), Ea는 열 유도 호핑 활성화 에너지값(activation energy for thermally induced hopping), G2는 제2 감지층의 게이지 팩터값, ΔT는 대상물의 온도변화값, ε은 스트레인값)
The method of claim 5,
And a temperature sensor for sensing the temperature of the object when the strain is applied to the lower substrate by combining the following equations (1) and (2).
[Equation 1]
Figure pat00007
,
&Quot; (2) "
Figure pat00008

(Wherein, R 01 has the reference resistance value, ΔR 1 is the change in resistance value of the first sensing layer, α is the resistance temperature coefficient of the first sensitive layer (temperature coefficient of resistance, TCR) , G 1 of the first sensing layer comprises gauge factor value of the first sensitive layer, R 02 has the reference resistance value of the second sensing layer, ΔR 2 is a change in resistance value of the second sensing layer, K B is the Boltzmann constant (Boltzmann constant), Ea is thermal induced hopping activation energy G 2 is a gauge factor value of the second sensing layer, ΔT is a temperature change value of the object, and ε is a strain value)
청구항 1에 있어서,
상기 하부기판과 상기 상부기판의 두께 비가 1:40 ~ 1:45로 형성되어, 상기 대상물의 스트레인 (strain) 및 상기 대상물의 온도를 동시에 측정하는 온도센서.
The method according to claim 1,
Wherein a thickness ratio of the lower substrate to the upper substrate is 1:40 to 1:45, and the strain of the object and the temperature of the object are simultaneously measured.
청구항 7에 있어서,
하기 [수학식 1]에 의한 제1 플롯, 및 하기 [수학식 2]에 의한 제2 플롯을 생성하고, 상기 제1 플롯과 상기 제2 플롯의 교점에서 상기 대상물의 스트레인, 및 상기 대상물의 온도가 정해지는 온도센서.
[수학식 1]
Figure pat00009
,
[수학식 2]
Figure pat00010

(여기서, R01는 제1 감지층의 기준저항값, ΔR1은 제1 감지층의 저항변화값, α는 제1 감지층의 저항온도계수 (temperature coefficient of resistance, TCR), G1은 제1 감지층의 게이지 팩터값, R02는 제2 감지층의 기준저항값, ΔR2는 제2 감지층의 저항변화값, KB는 볼츠만 상수 (Boltzmann constant), Ea는 열 유도 호핑 활성화 에너지값(activation energy for thermally induced hopping), G2는 제2 감지층의 게이지 팩터값, ΔT는 대상물의 온도변화값, ε은 스트레인값)
The method of claim 7,
A first plot by the following equation (1) and a second plot by the following equation (2) are generated, and the strain of the object at the intersection of the first plot and the second plot, and the temperature of the object Temperature sensor.
[Equation 1]
Figure pat00009
,
&Quot; (2) "
Figure pat00010

(Wherein, R 01 has the reference resistance value, ΔR 1 is the change in resistance value of the first sensing layer, α is the resistance temperature coefficient of the first sensitive layer (temperature coefficient of resistance, TCR) , G 1 of the first sensing layer comprises gauge factor value of the first sensitive layer, R 02 has the reference resistance value of the second sensing layer, ΔR 2 is a change in resistance value of the second sensing layer, K B is the Boltzmann constant (Boltzmann constant), Ea is thermal induced hopping activation energy G 2 is a gauge factor value of the second sensing layer, ΔT is a temperature change value of the object, and ε is a strain value)
(a) 하부기판 상에 포토레지스트를 도포한 후에, 박막 형태의 제1 감지층 및 제2 감지층에 대응되는 패턴으로 노광하고 현상하는 단계;
(b) 상기 패턴에 은 나노입자를 코팅하여, 은 나노입자 박막을 형성하는 단계;
(c) 상기 포토레지스트를 리프트 오프 (lift off) 하는 단계;
(d) 상기 제1 감지층에 대응되는 패턴에 코팅된 제1 은 나노입자 박막을 무기 리간드 교환 용액에 담지하여 상기 제1 감지층을 형성하고, 상기 제2 감지층에 대응되는 패턴에 코팅된 제2 은 나노입자 박막을 유기 리간드 교환 용액에 담지하여 상기 제2 감지층을 형성하는 단계; 및
(e) 상기 제1 감지층, 및 상기 제2 감지층이 커버되도록, 상기 하부기판 상에 상부기판을 형성하는 단계;
를 포함하는 온도센서 제조방법.
(a) exposing and developing a photoresist on a lower substrate in a pattern corresponding to a first sensing layer and a second sensing layer in the form of a thin film;
(b) coating the pattern with silver nanoparticles to form a silver nanoparticle thin film;
(c) lifting off the photoresist;
(d) depositing a first silver nanoparticle thin film coated on a pattern corresponding to the first sensing layer in an inorganic ligand exchange solution to form the first sensing layer, and coating the pattern corresponding to the second sensing layer Forming a second sensing layer by supporting a nanoparticle thin film on an organic ligand exchange solution; And
(e) forming an upper substrate on the lower substrate such that the first sensing layer and the second sensing layer are covered;
≪ / RTI >
(a) 하부기판 상에 제1 포토레지스트를 도포한 후에, 박막 형태의 제1 감지층에 대응되는 제1 패턴으로 노광하고 현상하는 단계;
(b) 상기 제1 패턴에 은 나노입자를 코팅하여, 제1 은 나노입자 박막을 형성하는 단계;
(c) 상기 제1 포토레지스트를 리프트 오프 (lift off) 하는 단계;
(d) 상기 제1 은 나노입자 박막을 무기 리간드 교환 용액에 담지하여, 상기 제1 감지층을 형성하는 단계;
(e) 상기 하부기판 상에 제2 포토레지스트를 도포한 후에, 박막 형태의 제2 감지층에 대응되는 제2 패턴으로 노광하고 현상하는 단계;
(f) 상기 제2 패턴에 은 나노입자를 코팅하여, 제2 은 나노입자 박막을 형성하는 단계;
(g) 상기 제2 포토레지스트를 리프트 오프하는 단계;
(h) 상기 제2 나노입자 박막을 유기 리간드 교환 용액에 담지하여, 상기 제2 감지층을 형성하는 단계; 및
(i) 상기 제1 감지층, 및 상기 제2 감지층이 커버되도록, 상기 하부기판 상에 상부기판을 형성하는 단계;
를 포함하는 온도센서 제조방법.
(a) exposing and developing a first pattern corresponding to a first sensing layer in the form of a thin film after applying a first photoresist on a lower substrate;
(b) coating silver nanoparticles on the first pattern to form a first silver nanoparticle thin film;
(c) lifting off the first photoresist;
(d) supporting the first silver nanoparticle thin film on an inorganic ligand exchange solution to form the first sensing layer;
(e) exposing and developing the second photoresist on the lower substrate in a second pattern corresponding to the second sensing layer in the form of a thin film;
(f) coating silver nanoparticles on the second pattern to form a second silver nanoparticle thin film;
(g) lifting off the second photoresist;
(h) depositing the second nanoparticle thin film on an organic ligand exchange solution to form the second sensing layer; And
(i) forming an upper substrate on the lower substrate such that the first sensing layer and the second sensing layer are covered;
≪ / RTI >
청구항 9 또는 청구항 10에 있어서,
상기 (a) 단계 이전에, 유리기판 상에 PDMS (Polydimethylsiloxane) 필름을 배치하고, 상기 PDMS 필름 상에 상기 하부기판을 배치하는 단계; 및
상기 상부기판을 형성한 후에, 상기 유리기판 및 상기 PDMS 필름을 제거하는 단계;
를 더 포함하는 온도센서 제조방법.
The method according to claim 9 or 10,
Disposing a PDMS (Polydimethylsiloxane) film on a glass substrate and disposing the lower substrate on the PDMS film before the step (a); And
Removing the glass substrate and the PDMS film after forming the upper substrate;
≪ / RTI >
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112099612A (en) * 2020-09-18 2020-12-18 联想(北京)有限公司 Server mainboard, server and power supply control method
KR20210047115A (en) * 2019-10-21 2021-04-29 고려대학교 산학협력단 High sensitive temperature sensor and manufacturing method for the same

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR930004428A (en) 1991-08-24 1993-03-22 최재철 Radio wave absorber
KR20130114436A (en) * 2012-04-09 2013-10-18 삼성전자주식회사 Nanoparticle and method of preparing the same, solution including the nanoparticle, and nanoparticle film and method of preparing the film
WO2015119205A1 (en) * 2014-02-06 2015-08-13 独立行政法人科学技術振興機構 Resin composition for temperature sensor, element for temperature sensor, temperature sensor, and method for producing element for temperature sensor

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR930004428A (en) 1991-08-24 1993-03-22 최재철 Radio wave absorber
KR20130114436A (en) * 2012-04-09 2013-10-18 삼성전자주식회사 Nanoparticle and method of preparing the same, solution including the nanoparticle, and nanoparticle film and method of preparing the film
WO2015119205A1 (en) * 2014-02-06 2015-08-13 独立行政法人科学技術振興機構 Resin composition for temperature sensor, element for temperature sensor, temperature sensor, and method for producing element for temperature sensor

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20210047115A (en) * 2019-10-21 2021-04-29 고려대학교 산학협력단 High sensitive temperature sensor and manufacturing method for the same
US11788901B2 (en) 2019-10-21 2023-10-17 Korea University Research And Business Foundation High-sensitivity temperature sensor and method of manufacturing the same
CN112099612A (en) * 2020-09-18 2020-12-18 联想(北京)有限公司 Server mainboard, server and power supply control method

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