KR101210937B1 - Pressure Sensitive Device And Tactile Sensors Using The Same - Google Patents
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Abstract
본 발명은 전자 및 전기제품, 부품, 자동차, 기계 등의 외장 또는 내장용으로 제품에 부착되어 평상시에는 절연막으로 기능하고 일정 이상의 압력이나 충격이 가해질 경우에는 전도성막으로 바뀌어 통전 기능을 하도록 하는 압력 감응 소자 및 이를 이용한 촉각센서에 관한 것으로, 제 1 전극 및 제 2 전극과, 그 사이에 충진되는 비전도성 탄성층과, 탄성 고분자 물질층에 분사되는 도전성 필러 입자들을 포함하는 압력 감응 소자를 제공하되, 도전성 필러 입자들의 배열 및 함량을 조절함으로써, 종래의 압력 센서보다 더 우수하고, 외부 충격에 의한 예방 기능을 더 용이하게 수행할 수 있도록 하는 발명에 관한 것이다. The present invention is attached to the product for the exterior or interior of electronic and electrical appliances, components, automobiles, machinery, etc., and usually acts as an insulating film, and when a certain pressure or shock is applied, the pressure is changed to a conductive film so as to conduct electricity. The present invention relates to a device and a tactile sensor using the same, to provide a pressure sensitive device including a first electrode and a second electrode, a nonconductive elastic layer filled therebetween, and conductive filler particles sprayed onto the elastic polymer material layer. By adjusting the arrangement and content of the conductive filler particles, the present invention is superior to the conventional pressure sensor, and relates to an invention that makes it possible to more easily perform the prevention function by external impact.
Description
본 발명은 평상시 절연막으로 기능하다 일정 이상의 압력이나 충격이 가해질 경우 전도성막으로 바뀌어 통전 기능을 하게 되는 압력 감응 소자 및 그를 이용하여 형성한 촉각 센서 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a pressure sensitive element that normally functions as an insulating film, and converts into a conductive film when the pressure or shock is applied to the conductive film, and a tactile sensor formed using the same.
종래의 압력센서는 크게 기계식 압력센서와 전기식 압력센서, 그리고 반도체식 압력센서가 있다.Conventional pressure sensors include mechanical pressure sensors, electric pressure sensors, and semiconductor pressure sensors.
기계식 압력센서로는 주로 탄성을 이용하는 방법으로 밀폐된 관의 탄성을 이용한 풀돔(Full dome)관과 가스의 압력과 스프링의 반발력 변화를 이용한 벨로즈(Bellows), 그리고 얇은 격막을 이용하는 다이어프램(Diaphragm)등이 있다.Mechanical pressure sensors are mainly used for elasticity, such as full dome tube using elasticity of closed tube, bellows using change of pressure of gas and repulsive force of spring, and diaphragm using thin diaphragm. Etc.
전기식 압력센서로는 대부분 기계적인 변위를 전기 신호로 변환하는 것으로 2개의 전극간의 정전용량 변화로부터 그 사이의 변위를 측정하는 정전용량식과 측정 압력에 비례하여 발생하는 힘과 외부에서 전자적으로 만들어지는 힘이 평형이 되게 하여 측정 압력을 전류와 전압 등으로 측정하는 역평형식 압력센서 등이 있다.Most electric pressure sensors convert mechanical displacements into electrical signals. Capacitives measure the displacement between capacitances between two electrodes, and force generated in proportion to the measured pressure and externally generated forces. There is an inverse balanced pressure sensor that balances the measured pressure with current and voltage.
반도체식 압력센서는 히스테리시스(Hysteresis)현상이 없고 직선성이 우수하고 소형 경량으로 진동에도 매우 강한 것이 특징이며, 기계식 보다 고감도, 고신뢰성이며 양산성이 우수하여 최근 점차로 사용 비중이 커지고 있다. The semiconductor pressure sensor has no hysteresis phenomenon, has excellent linearity, small size and light weight, and is very resistant to vibration, and has been used more and more recently because of its high sensitivity, high reliability, and excellent mass production.
이러한 반도체식 압력센서에는 단결정 실리콘을 화학적으로 에칭(Etching)하여 다이어프램을 형성하고, 다이어프램에서 발생하는 응력을 전기적 신호로 변환하여 압력을 측정하는 방법으로 다이어프램 위에 저항을 만들어 물질이 가지는 물리적 특성중의 하나인 압저항 효과(Piezo-resistive effect : 물질이 외부의 응력을 받아 그 고유 저항값이 변하는 현상)를 이용하여 압력을 측정하는 압저항형과 서로 마주보고 있는 전극판의 간격이 외부로부터의 압력에 의하여 변화되어 전극간의 정전용량을 변화시켜 압력을 측정하는 정전용량형이 있다.The semiconductor pressure sensor chemically etches single crystal silicon to form a diaphragm, converts the stress generated from the diaphragm into an electrical signal, and measures the pressure to create a resistance on the diaphragm. The piezo-resistive effect is a piezo-resistive effect measuring pressure using a piezo-resistive effect. There is a capacitive type that measures the pressure by changing the capacitance between the electrodes and changing the capacitance between the electrodes.
상기한 압력센서들은 냉장고, 에어컨 등의 각종 가전제품과 자동차용 부품이나 일반 산업용 장치, 그리고 웨이퍼 흡착압 감지 등의 반도체 제조용이나 인공 심장과 같은 의료기기 등의 분야에 다양하게 응용되고 있다.The pressure sensors are variously applied to various home appliances such as refrigerators, air conditioners, automobile parts, general industrial devices, and semiconductor devices such as wafer adsorption pressure detection, and medical devices such as artificial heart.
그러나 상기한 기계식 압력센서와 전기식 압력센서, 그리고 반도체식 압력센서들은 압력에 대한 정밀도나 압력의 크기에 대해 범용적이지 못하여 각각의 사용 용도에 맞추어 구별하여 사용하는 불편함이 있다.However, the mechanical pressure sensor, the electric pressure sensor, and the semiconductor pressure sensor are not universal in terms of accuracy or magnitude of pressure, and thus there is inconvenience in that they are distinguished for each use purpose.
또한, 사용분야가 점차로 늘어남에 따라 시장의 요구도 다양해져서 더욱 고감도, 고신뢰성의 압력센서가 요구되고 있으나 이에 대응하는 서로 다른 방식의 압 력 센서를 각각 상이하게 개발하는 데에는 한계가 있다. In addition, as the field of use is gradually increased, the market demands are diversified, and thus a more sensitive and reliable pressure sensor is required. However, there are limitations in developing different pressure sensors.
또한, 종래의 MEMS 구조 촉각센서는 구조가 복잡하고, 가격이 비싸며, 사용상의 제한 때문에 다양한 분야에 적용하고 대량 생산이 어려운 문제가 있다. In addition, the conventional MEMS structure tactile sensor is complicated in structure, expensive, and due to limitations in use, there is a problem that it is difficult to apply to various fields and mass production.
본 발명은 서로 이격되어 구비되는 제 1 전극 및 제 2 전극 사이의 영역에 비전도성 탄성층을 충진시키고, 비전도성 탄성층 내부에 도전성 필러 입자들을 분산시킴으로써, 제 1 또는 제 2 전극에 압력이 인가되는 경우 도전성 필러 입자들이 접속되어 전기적 터널링 효과(electrical tunneling effect)를 발생시킬 수 있도록 한다. 이때, 제 1 전극 및 제 2 전극에 미세한 구동 전압을 인가하면 비전도성 탄성층에 가해지는 압력의 유무와 크기에 따라서 전류와 저항의 변화가 용이하게 측정될 수 있도록, 비전도성 탄성층 내부의 전도성 필러 입자들을 효율적으로 분산시킴으로써, 고감도 및 고신뢰성을 실현할 수 있는 압력 감응 소자 및 이를 이용한 촉각 센서를 제공하는 것을 그 목적으로 한다.According to the present invention, a pressure is applied to the first or second electrode by filling a non-conductive elastic layer in a region between the first electrode and the second electrode provided to be spaced apart from each other, and dispersing the conductive filler particles in the non-conductive elastic layer. Conductive filler particles can be connected to create an electrical tunneling effect. In this case, when a small driving voltage is applied to the first electrode and the second electrode, a change in current and resistance can be easily measured according to the presence and magnitude of pressure applied to the nonconductive elastic layer. An object of the present invention is to provide a pressure sensitive device capable of realizing high sensitivity and high reliability by efficiently dispersing filler particles and a tactile sensor using the same.
본 발명에 따른 압력 감응 소자는 내부에 도전성 필러 입자들이 분포되어 있는 비전도성 탄성층 및 상기 비전도성 탄성층의 양면에 각각 형성되는 제 1 전극과 제 2 전극을 포함하되, 상기 제 1 전극과 상기 제 2 전극에 구동 전압을 인가한 상태에서 외력이 가해지지 않는 경우에는 상기 도전성 필러 입자들이 서로 이격된 상태를 유지하여 상기 제 1 전극과 상기 제 2 전극이 절연된 상태를 유지하도록 하고, 상기 제 1 전극 또는 상기 제 2 전극에 외력이 가해지는 경우에는 상기 외력이 가해지는 방향으로 상기 비전도성 탄성층이 압축되고, 압축된 영역의 상기 도전성 필러 입자들 간에 전기적 터널링 효과가 발생하여 상기 제 1 전극과 상기 제 2 전극 사이에 전류가 흐르도록 하되, 상기 외력의 증가에 비례하여 상기 전류도 증가될 수 있도록 하는 배열을 갖는 상기 도전성 필러 입자들을 포함하는 것을 특징으로 한다.The pressure sensitive device according to the present invention includes a non-conductive elastic layer having conductive filler particles disposed therein and a first electrode and a second electrode formed on both sides of the non-conductive elastic layer, respectively, wherein the first electrode and the When no external force is applied while a driving voltage is applied to the second electrode, the conductive filler particles are kept spaced apart from each other to keep the first electrode and the second electrode insulated from each other. When an external force is applied to the first electrode or the second electrode, the non-conductive elastic layer is compressed in the direction in which the external force is applied, and an electric tunneling effect occurs between the conductive filler particles in the compressed region, thereby generating the first electrode. And an arrangement such that a current flows between the second electrode and the second electrode so that the current can also be increased in proportion to the increase in the external force. It is characterized by including the conductive filler particles.
여기서, 상기 제 1 전극 및 제 2 전극은 각각 0.1㎛ ~ 5㎜의 두께로 형성하는 것을 특징으로 하고, 상기 제 1 전극 및 제 2 전극은 플렉서블(Flexible)한 도전성 소재를 사용하여 필름형 또는 다각형 기둥을 포함하는 입체형으로 형성하는 것을 특징으로 하고, 상기 플렉서블(Flexible)한 도전성 소재는 폴리아세틸렌(polyacetylene), 폴리피롤(polypyrole), 폴리아닐린(polyaniline) 및 이들이 혼합된 물질 중 선택된 어느 하나를 포함하는 것을 특징으로 하고, 상기 비전도성 탄성층은 0.1㎛ ~ 5㎜의 두께로 형성하는 것을 특징으로 하고, 상기 비전도성 탄성층은 폴리에틸렌(polyethylene; PE), 고 밀도 폴리에틸렌(high density PE), 저 밀도 폴리에틸렌(low density PE), 베이클라이트(bakelite), 네오프렌(neoprene), 나일론(nylon), 폴리 염화비닐(polyvinyl chloride; PVC), 폴리스티렌(polystyrene; PS), 폴리아크릴로니트릴(polyacrylonitrile), 초고분자량 폴리에틸렌(ultra-high molecular weight polyethylene; UHMWPE), 에틸렌 비닐아세테이트(ethylene vinylacetate; EVA), 폴리비닐부틸랄(polyvinyl butyral; PVB), 폴리프로필렌(polypropylene; PP), 폴리사풀루오르에틸렌(polytetrafluoroethylene) 및 이들이 혼합된 물질 중 선택된 어느 하나를 사용하여 형성하는 것을 특징으로 하고, 상 기 도전성 필러 입자들은 10㎚ ~ 100㎛의 크기를 갖는 구형, 막대형 또는 침상형 물질인 것을 특징으로 하고, 상기 도전성 필러 입자들은 상기 비전도성 탄성층의 중량 대비 0.05 ~ 95 중량% 만큼 첨가되는 것을 특징으로 하고, 상기 도전성 필러 입자들은 Ag, Au, Al, Cu, Pt, Ni 및 C(Carbon-black) 중 선택된 하나 이상 포함하는 것을 특징으로 하고, 상기 제 1 전극 및 상기 제 2 전극에 인가되는 상기 구동 전압은 1㎷ ~ 100V 것을 특징으로 하고, 상기 전기적 터널링 효과에 의하여 상기 제 1 전극과 상기 제 2 전극 사이에 흐르는 전류 1mA ~ 100A 것을 특징으로 한다.Here, the first electrode and the second electrode is characterized in that each formed to a thickness of 0.1㎛ ~ 5㎜, the first electrode and the second electrode is a film or polygon using a flexible conductive material (flexible) Characterized in that it is formed in a three-dimensional shape including a pillar, the flexible (flexible) conductive material (polyacetylene) (polyacetylene), polypyrole (polypyrole), polyaniline (polyaniline) and those containing any one selected from those mixed Characterized in that, the non-conductive elastic layer is formed to a thickness of 0.1 ㎛ ~ 5㎜, the non-conductive elastic layer is polyethylene (PE), high density polyethylene (high density PE), low density polyethylene (low density PE), bakelite, neoprene, nylon, polyvinyl chloride (PVC), polystyrene (PS), polyarc Polyacrylonitrile, ultra-high molecular weight polyethylene (UHMWPE), ethylene vinylacetate (EVA), polyvinyl butyral (PVB), polypropylene (PP), poly It is formed by using any one selected from polytetrafluoroethylene (polytetrafluoroethylene) and a mixture of these materials, the conductive filler particles are a spherical, rod-shaped or needle-like material having a size of 10nm ~ 100㎛ Characterized in that, the conductive filler particles are added by 0.05 to 95% by weight relative to the weight of the non-conductive elastic layer, the conductive filler particles are Ag, Au, Al, Cu, Pt, Ni and C ( And at least one selected from carbon-black, wherein the driving voltage applied to the first electrode and the second electrode is 1 kV to 100 V. High, and by the electrical tunneling effect, wherein current 1mA ~ 100A flowing between the first electrode and the second electrode.
아울러, 본 발명의 일 실시예에 따른 촉각 센서는 상기 압력 감응 소자를 이용하여 형성한 것을 특징으로 하되, 상기 압력 감응 소자를 단독으로 구비하여 압력의 세기를 측정하거나, 상기 압력 감응 소자를 복수개로 구비하여 압력이 가해지는 면적을 측정하는 것을 특징으로 한다.In addition, the tactile sensor according to an embodiment of the present invention is characterized in that formed using the pressure sensitive element, provided with the pressure sensitive element alone to measure the strength of the pressure, or a plurality of pressure sensitive elements And measuring the area to which the pressure is applied.
아울러, 본 발명의 다른 실시예에 따른 압력 센서는 상기 압력 감응 소자로 구비되며, 상기 제 1 전극은 압력이 가해지는 수신부로 작용하도록 전면 전극으로 구비되고, 상기 제 2 전극은 상기 압력의 위치 및 크기 정보를 실시간으로 파악할 수 있도록 복수개의 패턴 형태로 형성되는 것을 특징으로 한다.In addition, the pressure sensor according to another embodiment of the present invention is provided with the pressure sensitive element, the first electrode is provided as a front electrode to act as a receiving portion to which the pressure is applied, the second electrode is the position of the pressure and It is characterized in that it is formed in a plurality of patterns so as to grasp the size information in real time.
본 발명은 전자 및 전기제품, 부품, 자동차, 기계 등의 외장 또는 내장용으로 제품에 부착되어 평상시에는 절연막으로 기능하고 일정 이상의 압력이나 충격이 가해질 경우, 크기에 비례하여 전류량이 선형적 또는 비선형적으로 변화하는 압력 감응 소자 및 이를 이용한 촉각센서에 관한 것으로, 압력에 감응하는 비전도성 탄성층 또는 도전성 필러 입자들의 종류와 강도, 크기 등 물리적 특성을 제어하되, 특히 탄성 고분자 물질층 내에 분산되는 도전성 필러 입자들의 크기 및 배열을 제어함으로써, 종래의 압력 센서보다 더 우수하고, 용이하게 외부 충격에 의한 제품 내부의 합선을 방지할 수 있고 전류를 원하는 방향으로 접지 또는 확산시켜 제품의 손상을 방지하게 되며, 폭발과 화재를 미리 감지하고 예방할 수 있는 효과를 제공한다. 또한 이러한 발명은 기존 촉각센서에 비해서 제조공정이 간단하고 생산단가를 낮출 수 있으며, 대면적의 유연성을 가지는 센서제작이 가능하기 때문에 다양한 응용분야에 적용할 수 있는 효과를 제공한다. The present invention is attached to the product for the exterior or interior of electronic and electrical appliances, components, automobiles, machinery, etc., and usually functions as an insulating film, and if a certain pressure or shock is applied, the current amount is linear or nonlinear in proportion to the size. The present invention relates to a pressure-sensitive device and a tactile sensor using the same, wherein the physical properties such as the type, strength, and size of the non-conductive elastic layer or conductive filler particles sensitive to pressure are controlled, and the conductive filler is dispersed in the elastic polymer material layer. By controlling the size and arrangement of the particles, it is better than the conventional pressure sensor, can easily prevent short circuit inside the product by external impact, and ground or spread the current in the desired direction to prevent damage to the product, It provides the effect to detect and prevent explosion and fire in advance. In addition, the present invention provides a simple and efficient manufacturing process compared to the existing tactile sensor, lowers the production cost, and can be applied to various applications because the sensor can be manufactured with a large area of flexibility.
본 발명에서는 종래의 압력 센서 장치 개념을 탈피하여 신 개념의 압력 감응 소자를 제공하기 위하여 비전도성으로 탄성력이 우수한 고분자 소재의 내부에 전도성 필러 입자들을 크기, 종류 및 함량에 따라 적절하게 분산시킨 조성물 (이하 '반도성 고분자 조성물')을 이용한다.In the present invention, in order to provide a pressure-sensitive device of the new concept to break away from the conventional pressure sensor device concept, a composition in which conductive filler particles are appropriately dispersed according to size, type and content in a polymer material having excellent non-conductive elasticity ( Hereinafter, 'semiconductor polymer composition') is used.
반도성 고분자 조성물은 기본적으로 결정성 고분자 수지에 도전성 물질이 잘 분산되어져 있어 상온 및 정상 상태에서는 부도체로 작용하는 물질이다. The semiconducting polymer composition is basically a substance in which a conductive material is well dispersed in the crystalline polymer resin and thus acts as a nonconductor at room temperature and in a steady state.
본 발명에서는 반도성 고분자 조성물이 정상 상태에서는 절연막 기능을 수행하고 있다가, 외부에서 충격이 가해지거나 일정 이상의 압력이 가해질 경우 전도성막으로 바뀌어 통전 기능을 수행하도록 한다. 따라서 위험이 발생하면 이를 감지하 는 압력센서로서 작용할 수 있도록 한다. In the present invention, the semiconducting polymer composition performs an insulating film function in a normal state, and when an external shock is applied or a predetermined pressure is applied, the semiconducting polymer composition is converted into a conductive film to perform an energizing function. Therefore, it can act as a pressure sensor that detects a danger when it occurs.
아울러, 본 발명에서 제공되는 압력 감응 소자의 반도성 고분자 조성물을 제어함으로써, 압력의 세기 및 압력이 가해지는 면적 등을 전류 또는 저항과 같은 전기적 신호로 변화하여 정확하게 측정할 수 있는 촉각 센서 또는 압력 센서로도 작용할 수 있도록 한다.In addition, by controlling the semiconducting polymer composition of the pressure-sensitive device provided in the present invention, a tactile sensor or a pressure sensor that can accurately measure the intensity of the pressure and the area to which the pressure is applied to an electrical signal such as current or resistance It can also work as.
이하에서는 기타 실시예들의 구체적인 사항들을 첨부 도면들을 참조하여 설명하는 것으로 한다.Hereinafter, specific details of other embodiments will be described with reference to the accompanying drawings.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성요소를 지칭한다.Advantages and features of the present invention, and methods of achieving the same will become apparent with reference to the embodiments described below in detail in conjunction with the accompanying drawings. It should be understood, however, that the invention is not limited to the disclosed embodiments, but is capable of many different forms and should not be construed as limited to the embodiments set forth herein. Rather, these embodiments are provided so that this disclosure will be thorough and complete, To fully disclose the scope of the invention to those skilled in the art, and the invention is only defined by the scope of the claims. Like reference numerals refer to like elements throughout the specification.
도 1a 및 도 1b는 본 발명에 따른 압력 감응 소자의 단면을 도시한 단면도들이다.1A and 1B are cross-sectional views showing cross sections of the pressure sensitive element according to the present invention.
도 1a를 참조하면, 제 1 전극(130) 및 제 2 전극(140)이 소정 이격 간격을 두고 구비된다.Referring to FIG. 1A, the
이때, 제 1 전극(130) 및 제 2 전극(140)은 압력 감응 소자의 용도 및 사용 기능에 따라서 상이할 수 있으나, 각각 폴리아세틸렌(polyacetylene), 폴리피 롤(polypyrole), 폴리아닐린(polyaniline) 및 이들이 혼합된 물질 중 선택된 어느 하나를 포함하는 플렉서블(Flexible)한 도전성 소재를 이용하여 0.1㎛ ~ 5㎜의 두께로 구비되는 것이 바람직하다. 또한, 제 1 전극(130) 및 제 2 전극(140)은 시트(sheet) 성형기로 형성된 판형 또는 필름형으로 구비될 수 있고, 주형기로 형성된 입체형을 포함한 다양한 형상으로 구비될 수 있다.In this case, the
다음에는, 제 1 전극(130) 및 제 2 전극 사이(140)의 영역에 비전도성 탄성층(100)이 충진되어 구비된다. 이때, 비전도성 탄성층(100) 내부에 도전성 필러 입자(Conductive Filler Particle; 120)들이 포함된다.Next, the non-conductive
여기서, 비전도성 탄성층(100)은 폴리에틸렌(polyethylene; PE), 고 밀도 폴리에틸렌(high density PE), 저 밀도 폴리에틸렌(low density PE), 베이클라이트(bakelite), 네오프렌(neoprene), 나일론(nylon), 폴리 염화비닐(polyvinyl chloride; PVC), 폴리스티렌(polystyrene; PS), 폴리아크릴로니트릴(polyacrylonitrile), 초고분자량 폴리에틸렌(ultra-high molecular weight polyethylene; UHMWPE), 에틸렌 비닐아세테이트(ethylene vinylacetate; EVA), 폴리비닐부틸랄(polyvinyl butyral; PVB), 폴리프로필렌(polypropylene; PP), 폴리사풀루오르에틸렌(polytetrafluoroethylene) 및 이들이 혼합된 물질 중 선택된 어느 하나로 구비되며, 0.1㎛ ~ 5㎜의 두께로 형성되는 것이 바람직하다.Here, the non-conductive
그리고 도전성 필러 입자(120)들은 Ag, Au, Al, Cu, Pt, Ni 및 C(Carbon-black) 중 선택된 하나 이상 포함하고, 10㎚ ~ 100㎛의 크기를 갖는 구형, 막대형 또는 침상형 물질이며, 비전도성 탄성층(100) 과의 중량 대비 0.05 ~ 95 중량% 만 큼 첨가되는 것이 바람직하며, 이때 도전성 필러 입자(120) 서로 다른 크기 또는 서로 다른 종류의 입자들이 동시에 혼합될 수 있다.The
이와 같이 구비되는 압력 감응 소자의 제 1 전극(130) 또는 상기 제 2 전극(140)에 압력(150)이 가해질 수 있는데, 도 1b에서는 제 1 전극(130)에 압력(150)이 가해지는 경우를 나타낸다.The
압력(150)에 의해서 제 1 전극(130) 및 비전도성 탄성층(100)이 압착되고, 제 1 전극(130)의 압착된 지점과 제 2 전극(140) 사이의 영역에 분산되어 있는 도전성 필러 입자(120)들 사이의 간격이 줄어들고, 서로 접속되는 경우가 발생한다. 이때, 제 1 전극(130) 및 제 2 전극(140)에 1㎷ ~ 100V의 구동전압을 걸어주면, 서로 접속된 도전성 필러 입자(120)들 사이에서 전기적 터널링 효과(160)가 발생하고, 제 1 전극(130) 및 제 2 전극(140) 사이에 1mA ~ 100A의 전류가 흐르게 된다. The
그리고, 압력(150)의 세기가 증가함에 따라서 압착된 지점의 제 1 전극(130)과 제 2 전극(140) 사이의 영역이 축소되므로 이 영역에서의 전계와 전기적 터널링 효과(160)가 증가하여 전류는 증가하고 저항은 감소하게 된다.As the strength of the
반면에, 제 1 전극(130)을 압축하는 힘이 감소되거나 제거되면 비전도성 탄성층(100)의 복원력에 의하여 제 1 전극(130)의 압축되는 지점과 제 2 전극(140) 사이의 간격은 다시 늘어나게 되며, 이 영역에 존재하는 전계 효과와 도전성 필러 입자(120)의 밀도가 모두 감소함에 따라 전기적 터널링 효과는 다시 감소하게 된다. 전기적 터널링 효과가 감소하면 전류의 양이 감소하며 저항은 전류의 양에 반비례하여 증가하게 된다.On the other hand, when the force compressing the
상술한 바와 같이 변화하는 전류 또는 저항을 제 1 전극(130) 및 제 2 전극(140)을 통하여 측정하고, 비전도성 탄성층(100)의 탄성 계수와 같은 데이터를 조합하여 압력(150)의 세기 또는 면적을 정확하게 계산해 낼 수 있다.The change in current or resistance as described above is measured through the
도 2는 압력의 변화에 따른 압전 감응 소자의 저항률의 변화를 도시한 그래프이다.2 is a graph illustrating a change in resistivity of a piezoelectric sensitive element according to a change in pressure.
도 2는 상기 도 1a 및 도 1b에 따른 실시예를 이용하여 실험한 결과로서, 압력(Pressure)의 크기에 따라서 전기적 터널링 효과가 증가하게 되고, 전기적 터널링 효과가 증가하면 전류의 양이 증가하여 저항률(Resistivity)이 감소하게 되는 것을 알 수 있다. 또한, 필러의 함량(Filler Amount)에 따라서도 저항률에 차이가 발생하는데, 표시된 바와 같이 선형적 또는 비선형적인 변화를 가지며 본 발명에서는 'A' 영역에 해당하는 상태를 활용하여 촉각 센서 또는 압력 센서로 활용할 수 있다. 여기서 표시된 필러의 함량(중량%)는 비전도성 탄성층과 도전성 필러 입자들의 총 중량에 대한 필러의 중량을 나타낸 것이다.
이는, 상기 도 1a의 설명에서 기재 바와 같이 비전도성 탄성층과의 중량 대비 0.05 ~ 95 중량% 만큼의 도전성 필러 입자들을 첨가하였을 때 나타나는 함량이다.
그 결과로서, 도전성 필러 입자들의 첨가량이 상기 도전성 필러 입자들 및 상기 비전도성 탄성층이 결합된 전체 중량의 10중량% 일 경우 7 ~ 14Pa의 압력 범위에서 저항률이 급격히 감소되고 있으므로, 센서로서의 활용이 가능함을 알 수 있다.
마찬가지로, 도전성 필러 입자들의 첨가량이 상기 도전성 필러 입자들 및 상기 비전도성 탄성층이 결합된 전체 중량의 30중량% 일 경우 6 ~ 13Pa의 압력 범위에서 센서로서의 활용이 가능함을 알 수 있고, 도전성 필러 입자들의 첨가량이 상기 도전성 필러 입자들 및 상기 비전도성 탄성층이 결합된 전체 중량의 50중량% 일 경우 5 ~ 12Pa의 압력 범위에서 센서로서의 활용이 가능함을 알 수 있다.2 is a result of experiments using the embodiment according to FIGS. 1A and 1B, and the electric tunneling effect is increased according to the pressure, and the amount of current is increased when the electric tunneling effect is increased. You can see that (Resistivity) decreases. In addition, there is a difference in resistivity depending on the filler content (Filler Amount), as shown, has a linear or non-linear change, and in the present invention by utilizing the state corresponding to the 'A' region as a tactile sensor or a pressure sensor It can be utilized. The content of the filler (% by weight) indicated here represents the weight of the filler relative to the total weight of the non-conductive elastic layer and the conductive filler particles.
This is the content that appears when the amount of conductive filler particles added by 0.05 to 95% by weight relative to the weight with the non-conductive elastic layer as described in the description of Figure 1a.
As a result, when the addition amount of the conductive filler particles is 10% by weight of the total weight combined with the conductive filler particles and the non-conductive elastic layer, the resistivity is rapidly reduced in the pressure range of 7 to 14 Pa. It can be seen that.
Similarly, when the amount of the conductive filler particles added is 30% by weight of the total weight of the conductive filler particles and the non-conductive elastic layer combined, it can be seen that it can be utilized as a sensor in the pressure range of 6 ~ 13Pa, conductive filler particles When the addition amount of the conductive filler particles and the non-conductive elastic layer is 50% by weight of the combined weight it can be seen that it can be utilized as a sensor in the pressure range of 5 ~ 12Pa.
도 3은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 촉각 센서를 도시한 개략도이다.3 is a schematic diagram illustrating a tactile sensor according to a first embodiment of the present invention.
도 3을 참조하면, 규칙적으로 배열되는 도전성 필러 입자(220)들을 포함하는 비전도성 탄성층(200)과, 그 상부 및 하부에 각각 제 1 전극(230) 및 제 2 전극(240)이 구비된 압력 감응 소자를 단위 크기로 제작하여 압력의 세기를 감지하는 촉각 센서로 작용하도록 한다.Referring to FIG. 3, the non-conductive
촉각 센서의 제 1 전극(230)에 소정의 압력(270)이 가해지면, 그에 따라서 압력 감응 소자의 전류 또는 저항이 변화하게 되고, 그 변화과정은 제 1 연결부(260) 및 제 2 연결부(265)를 통하여 측정장치(280) 내에서 모니터링 되고, 모니터링 된 결과를 조합하여 압력(270)의 세기를 측정할 수 있다.When a
도 4는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 촉각 센서를 도시한 개략도이다.4 is a schematic diagram illustrating a tactile sensor according to a second embodiment of the present invention.
도 4를 참조하면, 규칙적으로 배열되는 도전성 필러 입자(320)들을 포함하는 비전도성 탄성층(300)과, 그 상부 및 하부에 각각 제 1 전극(330) 및 제 2 전극(340)이 구비된 압력 감응 소자를 단위 크기로 제작하고, 각각의 단위 압력 감응 소자에 넘버링을 수행한다.Referring to FIG. 4, the non-conductive
다음에는, 1번 내지 16번 단위 압력 감응 소자를 매트릭스 형태로 배열하여 결합함으로써, 압력의 세기 및 압력이 가해지는 면적을 감지하는 촉각 센서(400)로 작용하도록 한다.Next, by arranging and combining unit pressure sensitive elements 1 to 16 in a matrix form, it acts as a
촉각 센서(400)의 제 1 전극(330)들이 결합된 부분에 소정의 면적을 갖는 압력이 가해지면, 그에 따라서 소정 개수의 단위 압력 감응 소자들의 전류 또는 저항이 변화하게 되고, 그 변화과정은 제 1 연결부(360) 및 제 2 연결부(365)를 통하여 측정장치(380) 내에서 모니터링 되고, 모니터링 된 결과를 조합하여 압력(370)이 가해지는 면적 및 세기를 측정할 수 있다.When a pressure having a predetermined area is applied to a portion where the
도 5는 본 발명의 제 3 실시예에 따른 압력 센서를 도시한 개략도이다.5 is a schematic diagram illustrating a pressure sensor according to a third embodiment of the present invention.
도 5를 참조하면, 중심부에 도전성 필러 입자들을 포함하는 비전도성 탄성 층(410)이 구비되고, 비전도성 탄성층의 양면에 각각 상부 전극(430) 및 하부 전극(440)이 구비된다. 이때, 상부 전극(430)은 압력이 가해지는 수신부로 작용하도록 전면 전극으로 구비되고, 하부 전극(440)은 압력의 위치 및 크기 정보를 실시간으로 파악할 수 있도록 복수개의 패턴으로 형성된다. 여기서, 상부 전극(430) 및 하부 전극(440)은 전기 전도도 및 유연성을 고려하여 Ag 인쇄박막으로 형성할 수 있다.Referring to FIG. 5, a nonconductive
다음으로, 하부 전극(440)이 복수개의 패턴으로 구비되는 경우 하부 전극(440)이 비전도성 탄성층(410)에 균일하게 접속될 수 있도록 PCB 기판(450)에 올려질 수 있다. 그리고, PCB 기판(450)은 비전도성 탄성층(410)의 외각으로 연장될 수 있으며, 그 연장된 PCB 기판(450) 상에 연결부(460)가 더 구비된다.Next, when the
마지막으로, 상부 전극(430) 및 PCB 기판(450) 표면에는 상부보호 필름(470) 및 하부보호 필름(480)이 구비된다.Finally, the upper
이와 같이 구비되는 압력 센서(500)는 총 두께(t)를 5.5 ~ 2mm로 형성하여 혈압측정센서, 침입감지센서, 교통량 분석 센서, 자동차 좌석 모니터링 센서 또는 터치스크린(Touch Screen) 등 다양한 분야에 적용할 수 있다.The
이상에서는 본 발명의 일 실시예를 중심으로 설명하였지만, 당업자의 수준에서 다양한 변경이나 변형을 가할 수 있다. 이러한 변경과 변형이 본 발명의 범위를 벗어나지 않는 한 본 발명에 속한다고 할 수 있다. 따라서, 본 발명의 권리범위는 이하에 기재되는 청구범위에 의해 판단되어야 할 것이다.While the present invention has been particularly shown and described with reference to exemplary embodiments, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed exemplary embodiments. Such changes and modifications may belong to the present invention without departing from the scope of the present invention. Therefore, the scope of the present invention should be judged by the claims described below.
도 1a 및 도 1b는 본 발명에 따른 압력 감응 소자의 단면을 도시한 단면도들.1A and 1B are cross-sectional views showing a cross section of a pressure sensitive element according to the present invention.
도 2는 압력의 변화에 따른 압전 감응 소자의 저항률의 변화를 도시한 그래프.2 is a graph showing a change in resistivity of a piezoelectric sensitive element according to a change in pressure.
도 3은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 촉각 센서를 도시한 개략도.3 is a schematic diagram illustrating a tactile sensor according to a first embodiment of the present invention;
도 4는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 촉각 센서를 도시한 개략도.4 is a schematic diagram illustrating a tactile sensor according to a second embodiment of the present invention.
도 5는 본 발명의 제 3 실시예에 따른 압력 센서를 도시한 개략도.5 is a schematic diagram illustrating a pressure sensor according to a third embodiment of the present invention.
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