KR102835116B1 - Stretchable pressure sensor array and electronic device including same - Google Patents
Stretchable pressure sensor array and electronic device including sameInfo
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Abstract
본 발명은 신축성 압력센서 어레이에 관한 것으로, 탄성체를 포함하는 센서 시트; 상기 센서 시트에 적어도 일부가 매립되며 상기 센서 시트의 두께 방향으로 자성입자가 정렬하여 형성된 복수 개의 전도성 기둥; 상기 센서 시트의 상부에 형성된 상부 전극; 및 상기 센서 시트의 하부에 형성된 하부 전극;을 포함하고, 상기 센서 시트의 상면 또는 하면에서 두께 방향으로 압력이 가해지면 상기 상부 및 하부 전극과 상기 전도성 기둥 간에 도전성 경로가 형성되어 전류가 흐르는 것이다.The present invention relates to an elastic pressure sensor array, comprising: a sensor sheet including an elastic body; a plurality of conductive pillars formed by aligning magnetic particles in a thickness direction of the sensor sheet, at least part of which is embedded in the sensor sheet; an upper electrode formed on an upper portion of the sensor sheet; and a lower electrode formed on a lower portion of the sensor sheet; wherein when pressure is applied in a thickness direction to an upper or lower surface of the sensor sheet, a conductive path is formed between the upper and lower electrodes and the conductive pillars, allowing current to flow.
Description
본 발명에서 개시되는 실시 예들은, 신축성 압력센서에 대한 것으로 보다 상세하게는 신축성이 있는 고해상도의 구현이 가능한 압력센서 어레이에 관한 것이다.Embodiments disclosed in the present invention relate to a flexible pressure sensor, and more particularly, to a flexible, high-resolution pressure sensor array.
또한, 본 발명에서 개시되는 실시 예들은 압력센서를 포함하는 전자 장치에 관한 것이기도 하다.Additionally, embodiments disclosed in the present invention also relate to an electronic device including a pressure sensor.
이동통신 기술의 발달로, 퍼스널 컴퓨터(personal computer)의 보급에 뒤이어 스마트폰(smartphone)의 시대가 도래했고, 그 이후로 웨어러블(wearable) 기기 또는 스트레처블(stretchable) 기기 등 유연성 있는 차세대 디스플레이를 구비한 전자 장치에 대한 연구가 점차 진행되고 있다. With the development of mobile communication technology, the era of smartphones arrived following the spread of personal computers, and since then, research on electronic devices equipped with flexible next-generation displays, such as wearable devices or stretchable devices, has been gradually conducted.
이러한 디스플레이들은 보통 터치 방식으로 입력장치가 구동되는 것이 일반적이며 그러한 기기 들에는 통상적으로 압력센서가 구비된다. 종래의 기기는 리지드(rigid)한 기판 상에 압력센서가 구비되면 되는 구조였으나, 향후 다가올 유연성 있는 기기의 시대에서는 유연하면서도 공간 해상도가 높은 신축성 압력센서에 대한 개발이 필요로 되고 있었다.These displays are usually operated by touch input devices, and such devices are usually equipped with pressure sensors. Conventional devices have a structure in which pressure sensors are equipped on rigid substrates, but in the coming era of flexible devices, there is a need for the development of flexible and stretchable pressure sensors with high spatial resolution.
현재까지의 연구들에 따르면 기존의 신축성 압력 센서들은 전기적 크로스톡 효과를 최소화하기 위해 우수한 압력 특성을 가진 폴리머에 Organic Thin-Film Transistor (OTFT) 회로를 형성하는 식으로 제작되곤 하였다. According to previous studies, existing stretchable pressure sensors have been manufactured by forming an Organic Thin-Film Transistor (OTFT) circuit on a polymer with excellent pressure characteristics to minimize electrical crosstalk effects.
기존의 방식에 따르면 압력에 따라 커패시턴스가 변화하는 폴리머를 OTFT의 절연층으로 사용하거나, 저항이 변화하는 폴리머를 소스 혹은 드레인에 연결하는 방식으로 어레이를 형성한다. According to the conventional method, an array is formed by using a polymer whose capacitance changes depending on pressure as an insulating layer of an OTFT, or by connecting a polymer whose resistance changes to the source or drain.
하지만, 이와 같은 방식은 여러 단계의 공정으로 인해 높은 공정 비용과 어려운 난이도를 가지게 되며, 신축성이 요구되는 부분에 트랜지스터가 위치하여 소자의 특성 저하를 피할 수 없는 문제점이 있었다. However, this method has the problem that it has high process costs and difficulty due to the multiple steps of the process, and that the transistor is located in a part that requires elasticity, which inevitably leads to a deterioration in the characteristics of the device.
본 발명은 상술한 것과 같은 종래의 압력센서의 구조와 제조 공정을 개선하여 유연성을 유지함과 동시에 압력 측정의 공간 해상도를 한층 높일 수 있는 압력 센서 어레이와 그 제조방법을 제공하기 위한 것이다.The present invention provides a pressure sensor array and a manufacturing method thereof that can improve the structure and manufacturing process of conventional pressure sensors as described above while maintaining flexibility and further increasing the spatial resolution of pressure measurement.
본 발명에서 제안하는 실시예들은, 간단한 공정 과정을 통하여 제조 가능하여 대량 생산이 가능하면서도, 센서 어레이를 필요로 하는 각각의 장치 특성이나 사용자의 니즈에 따라 커스터마이징된 압력센서 어레이를 제공하고자 하는 것에 목적이 있다.The purpose of the embodiments proposed in the present invention is to provide a pressure sensor array that is customized according to the characteristics of each device requiring a sensor array or the needs of a user, while being capable of mass production through a simple manufacturing process.
상술한 과제 해결 수단으로서 본 발명의 일 실시예들에 따르는 신축성 압력센서 어레이는, 플렉시블한 재질의 두께를 가지는 센서 시트; 상기 센서 시트의 두께 방향으로 자성입자가 자기정렬하여 형성된 복수 개의 전도성 기둥; 상기 센서 시트의 상부에 형성된 상부 전극; 및 상기 센서 시트의 하부에 형성된 하부 전극;을 포함하고, 상기 센서 시트의 상면 또는 하면에서 두께 방향으로 압력이 가해지면 상기 상부 및 하부 전극과 상기 전도성 기둥 간에 도전성 경로가 형성되어 전류가 흐르는 것이다.According to one embodiment of the present invention as a means for solving the above-described problem, a flexible pressure sensor array includes: a sensor sheet having a flexible material thickness; a plurality of conductive pillars formed by magnetically aligning magnetic particles in the thickness direction of the sensor sheet; an upper electrode formed on an upper portion of the sensor sheet; and a lower electrode formed on a lower portion of the sensor sheet; wherein when pressure is applied in the thickness direction to the upper or lower surface of the sensor sheet, a conductive path is formed between the upper and lower electrodes and the conductive pillars, allowing current to flow.
일 실시예에 따르면, 상기 복수 개의 전도성 기둥은 상기 센서 시트 전면에 불규칙적인 배열을 형성하며 분포된 것일 수 있다.In one embodiment, the plurality of conductive pillars may be distributed in an irregular arrangement across the front surface of the sensor sheet.
일 실시예에 따르면, 상기 상부 전극 및 상기 하부 전극은 각각 복수 개 구비되는 것이고, 상기 상부 전극 및 상기 하부 전극 각각은 상기 센서 시트의 수직 단면을 기준으로 볼 때 서로 교차하는 구조로 형성되는 것일 수 있다.According to one embodiment, the upper electrode and the lower electrode may each be provided in multiple numbers, and each of the upper electrode and the lower electrode may be formed in a structure that intersects each other when viewed based on the vertical cross-section of the sensor sheet.
일 실시예에 따르면, 상기 센서 시트는 플렉시블한 고분자 소재로 형성되는 것일 수 있다.In one embodiment, the sensor sheet may be formed of a flexible polymer material.
일 실시예에 따르면, 상기 복수 개의 상부 전극, 상기 복수 개의 하부 전극 또는 이 둘 다는, 인접한 전극과의 피치(pitch) 간격이 0.1 mm 내지 5 mm 인 것일 수 있다.In one embodiment, the plurality of upper electrodes, the plurality of lower electrodes, or both may have a pitch distance from adjacent electrodes of 0.1 mm to 5 mm.
일 실시예에 따르면, 상기 자성입자는, 강자성체 입자 또는 그 응집체를 포함하는 것일 수 있다.According to one embodiment, the magnetic particles may include ferromagnetic particles or aggregates thereof.
일 실시예에 따르면, 상기 자성입자는, 니켈, 코발트, 철, 망간, 이들의 합금 또는 이들의 조합에서 선택된 금속 입자를 포함하는 것일 수 있다.In one embodiment, the magnetic particles may include metal particles selected from nickel, cobalt, iron, manganese, alloys thereof, or combinations thereof.
일 실시예에 따르면, 상기 자성입자는, 제1 금속을 포함하는 코어 및 상기 제1 금속과 다른 제2 금속을 포함하는 쉘을 포함하는 강자성체 입자 또는 그 응집체를 포함하는 것일 수 있다.According to one embodiment, the magnetic particle may include a ferromagnetic particle or an aggregate thereof including a core including a first metal and a shell including a second metal different from the first metal.
일 실시예에 따르면, 상기 압력센서 어레이는 서로 구분되는 제1 영역 및 제2 영역을 포함하고, 상기 구분되는 각각의 영역은, 각각의 영역에 형성된 상기 상부 전극, 상기 하부 전극 또는 이 둘 다의 평균 피치 간극이 상이한 것일 수 있다.According to one embodiment, the pressure sensor array includes a first region and a second region that are distinct from each other, and each of the distinct regions may have an average pitch gap of the upper electrode, the lower electrode, or both formed in each region that is different.
일 실시예에 따르면, 상기 탄성체는, 치환 또는 비치환된 폴리오가노실록산, 치환 또는 비치환된 부타디엔 모이어티를 포함하는 탄성체, 우레탄 모이어티를 포함하는 탄성체, 아크릴 모이어티를 포함하는 탄성체, 올레핀 모이어티를 포함하는 탄성체 또는 이들의 조합 중 하나 이상을 포함하는 것일 수 있다.In one embodiment, the elastomer may include at least one of a substituted or unsubstituted polyorganosiloxane, an elastomer comprising a substituted or unsubstituted butadiene moiety, an elastomer comprising a urethane moiety, an elastomer comprising an acrylic moiety, an elastomer comprising an olefin moiety, or a combination thereof.
일 실시예에 따르면, 상기 전도성 기둥은, 도전성 나노와이어, 도전성 나노튜브, 도전성 나노로드, 도전성 나노섬유 또는 이들의 조합 중 하나 이상을 더 포함하는 것일 수 있다.In one embodiment, the conductive pillar may further include one or more of a conductive nanowire, a conductive nanotube, a conductive nanorod, a conductive nanofiber, or a combination thereof.
일 실시예에 따르면, 상기 압력센서 어레이는, 상기 두께 방향에 수직인 방향으로는 전기적으로 단절된 것일 수 있다.In one embodiment, the pressure sensor array may be electrically isolated in a direction perpendicular to the thickness direction.
일 실시예에 따르면, 상기 복수 개의 전도성 기둥 간의 간극은 수십 nm 내지 수백 nm 인 것일 수 있다.In one embodiment, the gap between the plurality of conductive pillars may be tens to hundreds of nm.
일 실시예에 따르면, 상기 상부 전극, 상기 하부 전극 또는 이 둘 다는, 상기 센서 시트에 적어도 일부가 매립된 구조를 형성하는 것일 수 있다.In one embodiment, the upper electrode, the lower electrode, or both may form a structure at least partially embedded in the sensor sheet.
본 발명의 다른 일 실시예에서 제안하는 신축성 압력센서 어레이를 포함하는 전자 장치의 일 형태는, 커버 글래스; 상기 커버 글래스 하부의 디스플레이 패널; 상기 디스플레이 패널 하부의 압력센서 어레이를 포함하고, 상기 압력센서 어레이는, 본 발명의 실시예에 따르는 신축성 압력센서 어레이인 것일 수 있다.In another embodiment of the present invention, an electronic device including a flexible pressure sensor array is proposed, comprising: a cover glass; a display panel under the cover glass; and a pressure sensor array under the display panel, wherein the pressure sensor array may be a flexible pressure sensor array according to an embodiment of the present invention.
본 발명의 다른 일 실시예에서 제안하는 신축성 압력센서 어레이를 포함하는 전자 장치의 다른 일 형태는, 외면이 제1 방향으로 향하는 제1 플레이트, 및 외면이 상기 제1 방향의 반대인 제2 방향으로 향하는 제2 플레이트를 포함하도록 구성되는 하우징; 상기 제1 플레이트의 상기 외면을 통해 노출된 디스플레이; 상기 하우징 내부에 배치되고, 상기 디스플레이의 아래에 배치되는 압력 센서 어레이; 상기 하우징 내부에 위치하고 상기 디스플레이, 상기 압력 센서에 전기적으로 연결된 프로세서; 및 상기 프로세서에 전기적으로 연결되고 상기 하우징 내부에 위치하는 메모리를 포함하고, 상기 압력센서 어레이는, 본 발명의 일 실시예에 따르는 압력센서 어레이를 포함하는 것일 수 있다.Another form of an electronic device including a flexible pressure sensor array proposed in another embodiment of the present invention comprises a housing configured to include a first plate having an outer surface facing a first direction and a second plate having an outer surface facing a second direction opposite to the first direction; a display exposed through the outer surface of the first plate; a pressure sensor array disposed inside the housing and disposed below the display; a processor positioned inside the housing and electrically connected to the display and the pressure sensor; and a memory electrically connected to the processor and positioned inside the housing, wherein the pressure sensor array may include a pressure sensor array according to one embodiment of the present invention.
본 발명의 다른 일 실시예에서 제안하는 신축성 압력센서 어레이를 포함하는 전자 장치의 또 다른 일 형태는, 디스플레이; 상기 디스플레이 중 제1 영역에 가해지는 압력 및 제2 영역에 가해지는 압력을 서로 다른 공간 해상도로 감지하는 압력 센서 어레이; 메모리; 및 상기 메모리에 전기적으로 연결되는 프로세서를 포함하고, 상기 압력 센서 어레이는 본 발명의 일 실시예에 따르는 압력 센서 어레이인 것일 수 있다.Another embodiment of an electronic device including a flexible pressure sensor array proposed in another embodiment of the present invention comprises: a display; a pressure sensor array for detecting a pressure applied to a first area of the display and a pressure applied to a second area with different spatial resolutions; a memory; and a processor electrically connected to the memory, wherein the pressure sensor array may be a pressure sensor array according to an embodiment of the present invention.
본 발명의 일 실시예에 따르는 상기 신축성 압력센서 어레이를 포함하는 전자기기는, 압력센서의 공간 해상도가 수십 dpi 내지는 수백 dpi 인 것일 수 있다.An electronic device including the flexible pressure sensor array according to one embodiment of the present invention may have a spatial resolution of the pressure sensor of tens to hundreds of dpi.
본 발명의 다른 일 실시예에 따르는 신축성 압력센서 어레이의 제조방법은, 기판을 준비하는 단계; 상기 기판 상에 하부 전극을 형성하는 단계; 상기 신축성 전극이 형성된 기판 위에 스페이서를 배치하고 강자성체 입자와 탄성 고분자가 혼합된 물질을 도포하여 센서 시트를 형성하는 단계; 상기 도포되어 형성된 센서 시트 위로 상부 전극을 형성하는 단계; 및 상기 상부 전극의 상부와 상기 하부 전극의 하부에 자석을 구비하여 상기 센서 시트에 자기장을 가하는 단계;를 포함하는 것이다.According to another embodiment of the present invention, a method for manufacturing a flexible pressure sensor array includes the steps of: preparing a substrate; forming a lower electrode on the substrate; arranging a spacer on the substrate on which the flexible electrode is formed and applying a material mixed with ferromagnetic particles and an elastic polymer to form a sensor sheet; forming an upper electrode on the sensor sheet formed by the application; and applying a magnetic field to the sensor sheet by providing a magnet on an upper portion of the upper electrode and a lower portion of the lower electrode.
본 발명의 또 다른 일 실시예에 따르는 신축성 압력센서 어레이의 제조방법은, 기판을 준비하는 단계; 상기 기판 상에 스페이서를 배치하고 강자성체 입자와 탄성 고분자가 혼합된 센서 시트를 형성하기 위한 물질을 도포하여 센서 시트를 형성하는 단계; 상기 센서 시트의 상부와 하부에 자석을 구비하여 상기 센서 시트에 자기장을 가하는 단계; 및 상기 센서 시트의 상부와 하부에 상부 전극 및 하부 전극을 형성하는 단계;를 포함하는 것이다.According to another embodiment of the present invention, a method for manufacturing a flexible pressure sensor array comprises the steps of: preparing a substrate; arranging a spacer on the substrate and applying a material for forming a sensor sheet in which ferromagnetic particles and an elastic polymer are mixed to form a sensor sheet; providing magnets on the upper and lower portions of the sensor sheet to apply a magnetic field to the sensor sheet; and forming upper electrodes and lower electrodes on the upper and lower portions of the sensor sheet.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 상부 전극 및 하부 전극을 형성하는 단계 중 하나 이상은, 서로 인접한 전극과의 피치 간격이 상이하도록 형성된 제1 영역 및 제2 영역을 포함하도록 전극을 형성하는 것일 수 있다.According to one embodiment of the present invention, at least one of the steps of forming the upper electrode and the lower electrode may be forming the electrode to include a first region and a second region formed such that the pitch intervals between adjacent electrodes are different.
본 발명의 실시예를 따라 제작되는 압력 센서 어레이는 간단한 공정 과정을 통하여 제조할 수 있으며 자기장 및 열 조절 장치를 추가한 롤투롤 공정에 적합한 특성을 지녀 대량 생산성 측면에서 이점이 있다. A pressure sensor array manufactured according to an embodiment of the present invention can be manufactured through a simple process and has characteristics suitable for a roll-to-roll process with an added magnetic field and heat control device, thereby having an advantage in terms of mass productivity.
또한, 자성 입자와 탄성체의 혼합물로 구성된 대면적 필름에 전극을 형성하여 어레이를 제작할 수 있으므로 용액 공정과 같이 전극 패턴을 임의로 조절할 수 있는 전극 형성 방식을 이용하면, 센서 어레이를 개개인에 맞춰 커스터마이징하여 제작할 수 있다. 이에 신축성 디스플레이에서 사용자 인터페이스로 활용될 수 있을 뿐 아니라, 헬스케어용 웨어러블 디바이스의 입력장치로도 활용될 수 있다.In addition, since the array can be manufactured by forming electrodes on a large-area film composed of a mixture of magnetic particles and elastomers, if an electrode forming method that can arbitrarily control the electrode pattern, such as a solution process, is used, the sensor array can be customized and manufactured for each individual. Accordingly, it can be utilized not only as a user interface in a stretchable display, but also as an input device for a wearable device for healthcare.
본 발명에서는 전극 사이에 위치하는 센싱 필름의 전도성 입자를 두께 방향으로 정렬하는 방식을 통해 인접 픽셀의 영향을 최소화하고 공간 해상도를 향상시킨다. 입자들을 정렬시킨 필름의 경우 정렬 없이 무작위로 배치된 형태에 비해 전기 전도도가 높고 percolation threshold가 현저히 낮기 때문에, 비교적 낮은 입자 농도로 센서를 형성하여 신축성을 높이고 일상생활의 압력 범위를 모두 감지할 수 있도록 작동 범위를 늘릴 수 있다. 또한 상하부의 전극에 따라 센서 어레이의 형태가 결정되는 구조 특성상 헬스케어 디바이스로 사용 시 전극의 간격을 다양화하여 부착해 사용자에 맞게 센서 어레이를 커스터마이징할 수 있다. 간단한 공정 과정을 가지며 센서의 크기를 제한하는 요소가 자기장을 받는 면적의 크기 뿐이므로 통상의 롤투롤 공정 등에도 적용할 수 있어 대면적화 및 비용상의 측면에서도 이점이 있다.In the present invention, the influence of adjacent pixels is minimized and the spatial resolution is improved by aligning conductive particles of a sensing film located between electrodes in the thickness direction. Since the film in which the particles are aligned has higher electrical conductivity and significantly lower percolation threshold than a form in which the particles are randomly arranged without alignment, the sensor can be formed with a relatively low particle concentration to increase elasticity and increase the operating range so that the entire pressure range of daily life can be detected. In addition, since the shape of the sensor array is determined by the upper and lower electrodes, the sensor array can be customized to the user by attaching it with a variety of electrode intervals when used as a healthcare device. Since the manufacturing process is simple and the only factor limiting the size of the sensor is the size of the area receiving the magnetic field, it can be applied to a typical roll-to-roll process, etc., and thus there are advantages in terms of large-area expansion and cost.
도 1은, 본 발명의 일 실시예에 따르는 압력 센서 어레이의 개략적인 구조를 나타내는 모식도이다.
도 2는, 본 발명의 일 실시예에 따르는 압력 센서 어레이의 제조 공정의 각 단계를 나타내는 모식도이다.
도 3은, 본 발명의 일 실시예에 따르는 압력 센서에서 나타나는 압력-저항 특성 그래프이다.
도 4는, 본 발명의 일 실시예에 따르는 압력 센서를 이용하여 어레이를 형성한 경우 나타내는 매핑에 대한 예시 이미지이다.
도 5는, 본 발명의 일 실시예에 따르는 압력 센서를 이용하여 어레이를 형성할 때 제작한 전극의 일 형태를 나타내는 이미지이다.
도 6은, 본 발명의 일 실시예에 따르는 압력 센서 어레이를 제작한 후 플렉시블 및 스트레처블 특성을 확인하기 위하여 반으로 접어본 이미지이다.FIG. 1 is a schematic diagram showing the schematic structure of a pressure sensor array according to one embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a schematic diagram showing each step of a manufacturing process of a pressure sensor array according to one embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a graph of pressure-resistance characteristics shown in a pressure sensor according to one embodiment of the present invention.
FIG. 4 is an example image of mapping that shows an array formed using a pressure sensor according to one embodiment of the present invention.
FIG. 5 is an image showing one form of an electrode manufactured when forming an array using a pressure sensor according to one embodiment of the present invention.
FIG. 6 is an image of a pressure sensor array folded in half to confirm flexible and stretchable characteristics after fabricating the array according to one embodiment of the present invention.
본 개시의 실시예들은 본 개시의 기술적 사상을 설명하기 위한 목적으로 예시된 것이다. 본 개시에 따른 권리범위가 이하에 제시되는 실시예들이나 이들 실시예들에 대한 구체적 설명으로 한정되는 것은 아니다.The embodiments of the present disclosure are provided for the purpose of explaining the technical idea of the present disclosure. The scope of rights according to the present disclosure is not limited to the embodiments presented below or the specific description of these embodiments.
본 개시에 사용되는 모든 기술적 용어들 및 과학적 용어들은, 달리 정의되지 않는 한, 본 개시가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 일반적으로 이해되는 의미를 갖는다. 본 개시에 사용되는 모든 용어들은 본 개시를 더욱 명확히 설명하기 위한 목적으로 선택된 것이며 본 개시에 따른 권리범위를 제한하기 위해 선택된 것이 아니다.All technical and scientific terms used in this disclosure, unless otherwise defined, have the meaning commonly understood by one of ordinary skill in the art to which this disclosure belongs. All terms used in this disclosure have been selected for the purpose of more clearly describing this disclosure and are not selected to limit the scope of rights under this disclosure.
본 개시에서 사용되는 "포함하는", "구비하는", "갖는" 등과 같은 표현은, 해당 표현이 포함되는 어구 또는 문장에서 달리 언급되지 않는 한, 다른 실시예를 포함할 가능성을 내포하는 개방형 용어(open-ended terms)로 이해되어야 한다.The expressions “including,” “comprising,” “having,” and the like, used in this disclosure, should be understood as open-ended terms implying the possibility of including other embodiments, unless otherwise stated in the phrase or sentence in which the expression is included.
본 개시에서 기술된 단수형의 표현은 달리 언급하지 않는 한 복수형의 의미를 포함할 수 있으며, 이는 청구범위에 기재된 단수형의 표현에도 마찬가지로 적용된다.The singular forms described in this disclosure may include plural meanings unless otherwise stated, and the same applies to the singular forms recited in the claims.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여, 본 개시의 실시예들을 설명한다. 또한, 이하의 실시예들의 설명에 있어서, 동일하거나 대응하는 구성요소를 중복하여 기술하는 것이 생략될 수 있다. 그러나, 구성요소에 관한 기술이 생략되어도, 그러한 구성요소가 어떤 실시예에 포함되지 않는 것으로 의도되지는 않는다.Hereinafter, embodiments of the present disclosure will be described with reference to the attached drawings. In addition, in the description of the embodiments below, duplicate descriptions of identical or corresponding components may be omitted. However, even if the description of a component is omitted, it is not intended that such a component is not included in any embodiment.
본 발명은 신축성 디스플레이에 적용 가능한 고해상도 압력 센서 어레이에 관한 것이다. The present invention relates to a high-resolution pressure sensor array applicable to a stretchable display.
본 발명의 실시예에서 제안하는 압력 센서 어레이의 제작 방법과 그를 이용하여 제조한 압력 센서 및 그를 포함하는 어레이, 압력 센서 어레이를 포함하는 전자 장치에 관한 내용이 제안된다. In an embodiment of the present invention, a method for manufacturing a pressure sensor array, a pressure sensor manufactured using the same, an array including the same, and an electronic device including the pressure sensor array are proposed.
기존의 많은 신축성 압력 센서 어레이의 경우 인접 픽셀의 영향을 최소화하기 위해 Organic Thin-Film Transistor (OTFT) 회로와 결합하는 방식으로 제작되곤 하였다. 하지만, 해당 방식은 여러 단계의 공정으로 인해 높은 공정 비용과 난이도를 가지고 있었으며, 신축성이 요구되는 부분에 트랜지스터가 위치는 문제로 소자의 특성 저하를 피할 수 없었다. In the case of many existing flexible pressure sensor arrays, they were manufactured by combining them with Organic Thin-Film Transistor (OTFT) circuits to minimize the influence of adjacent pixels. However, this method had high process costs and difficulty due to the multiple process steps, and the location of the transistor in the part where elasticity was required could not avoid the deterioration of the device characteristics.
본 발명자들은 이러한 문제를 해결하기 위하여 자성입자들의 자기 정렬을 통해 인접 픽셀의 영향을 줄이면서 공간 해상도와 신축성을 높인 압전 저항식 센서 시트를 제작할 수 있었다. 본 발명에서 상기 공간 해상도는 공간 분해능(Spatial resolution)과 같은 의미로 쓰일 수 있다. 이러한 센서 시트를 이용하여 원하는 패턴의 신축성 전극을 상하부에 형성하여 고해상도 압력 센서 어레이를 제작하였으며, 이 센서 어레이는 비용적 측면에서 큰 장점을 가지고, 의도에 따라 어레이의 해상도를 임의로 제어하여 전자 장치를 형성할 수 있다는 이점이 있음을 확인하였다.In order to solve these problems, the inventors of the present invention were able to manufacture a piezoresistive sensor sheet that increases spatial resolution and elasticity while reducing the influence of adjacent pixels through magnetic alignment of magnetic particles. In the present invention, the spatial resolution can be used in the same meaning as spatial resolution. Using this sensor sheet, a high-resolution pressure sensor array was manufactured by forming elastic electrodes of a desired pattern on the upper and lower portions. This sensor array has a great advantage in terms of cost, and it has been confirmed that there is an advantage in that the resolution of the array can be arbitrarily controlled according to intention to form an electronic device.
본 발명에서 제안하는 신축성 압력 센서 어레이는 휴대용 디스플레이로부터 전장용 디스플레이까지 다양한 형태의 디스플레이와 사람이 직접 상호작용할 수 있는 웨어러블 또는 스트레처블 디스플레이의 사용자 인터페이스로써 활용될 수 있다. 또한 헬스케어용 웨어러블 디바이스에도 탑재되어, 사용자의 피부에 부착하여 생체 신호를 효과적으로 읽어내는 입력장치로도 활용될 수 있다. The flexible pressure sensor array proposed in the present invention can be utilized as a user interface for various types of displays ranging from portable displays to battlefield displays and for wearable or stretchable displays with which people can directly interact. It can also be utilized as an input device that is attached to a user's skin and effectively reads biosignals by being mounted on a wearable device for healthcare.
본 발명의 다른 일 실시예에서는 신축성 디스플레이용 고해상도 압력 센서 어레이의 제작 공정에 관한 내용을 제안하며, 보다 구체적으로는 인접 픽셀의 영향을 줄이면서 신축성을 높이는 자기 정렬 기술과, 원하는 패턴을 구현할 수 있는 신축성 전극의 형성 기술이 제안된다.In another embodiment of the present invention, a process for manufacturing a high-resolution pressure sensor array for a stretchable display is proposed, and more specifically, a self-alignment technique for increasing stretchability while reducing the influence of adjacent pixels and a technique for forming a stretchable electrode capable of implementing a desired pattern are proposed.
도 1은, 본 발명의 일 실시예에 따르는 압력 센서 어레이의 개략적인 구조를 나타내는 모식도이다. FIG. 1 is a schematic diagram showing the schematic structure of a pressure sensor array according to one embodiment of the present invention.
이하에서는 상기 도 1을 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따르는 압력 센서 어레이의 구조에 대하여 상세히 설명한다.Hereinafter, with reference to the above Drawing 1, the structure of a pressure sensor array according to one embodiment of the present invention will be described in detail.
상술한 과제 해결 수단으로서 본 발명의 일 실시예들에 따르는 신축성 압력센서 어레이는, 플렉시블한 재질의 두께를 가지는 센서 시트; 상기 센서 시트의 두께 방향으로 자성입자가 자기정렬하여 형성된 복수 개의 전도성 기둥; 상기 센서 시트의 상부에 형성된 상부 전극; 및 상기 센서 시트의 하부에 형성된 하부 전극;을 포함하고, 상기 센서 시트의 상면 또는 하면에서 두께 방향으로 압력이 가해지면 상기 상부 및 하부 전극과 상기 전도성 기둥 간에 도전성 경로가 형성되어 전류가 흐르는 것이다.According to one embodiment of the present invention as a means for solving the above-described problem, a flexible pressure sensor array includes: a sensor sheet having a flexible material thickness; a plurality of conductive pillars formed by magnetically aligning magnetic particles in the thickness direction of the sensor sheet; an upper electrode formed on an upper portion of the sensor sheet; and a lower electrode formed on a lower portion of the sensor sheet; wherein when pressure is applied in the thickness direction to the upper or lower surface of the sensor sheet, a conductive path is formed between the upper and lower electrodes and the conductive pillars, allowing current to flow.
상기 센서 시트 안에서 상기 센서 시트의 두께 방향으로 정렬된 자성입자들이 뭉쳐서 형성된 전도성 기둥들은 압전 저항식 필름 형태의 센서 시트의 상하면 전극 사이에 위치한다. Conductive pillars formed by agglomerating magnetic particles aligned in the thickness direction of the sensor sheet within the sensor sheet are located between the upper and lower electrodes of the sensor sheet in the form of a piezoresistive film.
일 실시예에 따르면, 상기 복수 개의 전도성 기둥은 상기 센서 시트 전면에 불규칙적인 배열을 형성하며 분포된 것일 수 있다.In one embodiment, the plurality of conductive pillars may be distributed in an irregular arrangement across the front surface of the sensor sheet.
상기 자성입자들의 센서 시트의 두께 방향으로 기둥과 같은 형태로 정렬된 구조는 센서 전면에 퍼져서 형성되지만, 일정한 간극이나 배열의 규칙성을 가지는 것은 아닐 수 있다.The structure in which the magnetic particles are aligned in a pillar-like shape in the thickness direction of the sensor sheet is formed by spreading across the entire surface of the sensor, but may not have a certain gap or regularity of arrangement.
일 실시예에 따르면, 상기 상부 전극 및 상기 하부 전극은 각각 복수 개 구비되는 것이고, 상기 상부 전극 및 상기 하부 전극 각각은 상기 센서 시트의 수직 단면을 기준으로 볼 때 서로 교차하는 구조로 형성되는 것일 수 있다.According to one embodiment, the upper electrode and the lower electrode may each be provided in multiple numbers, and each of the upper electrode and the lower electrode may be formed in a structure that intersects each other when viewed based on the vertical cross-section of the sensor sheet.
상기 센서 시트의 상하 전극이 교차하는 지점에서는 전도 경로(conduction path)가 형성될 수 있으며, 이 교차 지점들 각각은 상기 압력 센서 어레이의 단위 픽셀이 될 수 있다. 이와 같은 구조가 도 1에 구체적으로 나타나 있다.A conduction path can be formed at the point where the upper and lower electrodes of the sensor sheet intersect, and each of these intersection points can become a unit pixel of the pressure sensor array. This structure is specifically shown in Fig. 1.
일 실시예에 따르면, 상기 센서 시트는 플렉시블한 고분자 소재로 형성되는 것일 수 있다.In one embodiment, the sensor sheet may be formed of a flexible polymer material.
본 발명에서는 상기 센서 시트의 소재를 특별히 한정하지는 아니하나, 상기 센서 시트의 베이스 소재는 플렉시블 특성을 나타내는 고분자로 형성되는 것일 수 있다.In the present invention, the material of the sensor sheet is not particularly limited, but the base material of the sensor sheet may be formed of a polymer exhibiting flexible properties.
일 실시예에 따르면, 상기 복수 개의 상부 전극, 상기 복수 개의 하부 전극 또는 이 둘 다는, 인접한 전극과의 피치(pitch) 간격이 0.1 mm 내지 5 mm 인 것일 수 있다.In one embodiment, the plurality of upper electrodes, the plurality of lower electrodes, or both may have a pitch distance from adjacent electrodes of 0.1 mm to 5 mm.
상기 전극들에서 인접 전극과의 피치 간격은 미세할수록 압력센서의 공간 해상도가 올라갈 수 있다. 본 발명에서는 실험을 통하여 인접한 전극과의 피치 간격을 10-1 mm 스케일 단위로 형성함으로써 고해상도의 압력센서 어레이를 구현 가능함을 확인하였다.The finer the pitch spacing between adjacent electrodes in the above electrodes, the higher the spatial resolution of the pressure sensor. In the present invention, it was confirmed through experiments that a high-resolution pressure sensor array can be implemented by forming the pitch spacing between adjacent electrodes in units of 10 -1 mm scale.
일 실시예에 따르면, 상기 자성입자는, 강자성체 입자 또는 그 응집체를 포함하는 것일 수 있다.According to one embodiment, the magnetic particles may include ferromagnetic particles or aggregates thereof.
상기 자성입자는 강자성체(ferromagnetic material) 입자를 포함할 수 잇다. 상기 자성입자는 탄성체 내에 매립된 구조로 형성될 수 있다. 상기 자성입자는 예컨대 강자성체 입자(ferromagnetic particles) 또는 그 응집체의 형태일 수 있다. 상기 자성체 입자는 예컨대 수 나노미터 내지 수십 마이크로미터의 평균입경을 가질 수 있으며, 예컨대 약 3nm 이상 100㎛ 미만, 약 5nm 내지 80㎛ 또는 약 10nm 내지 50㎛의 평균입경을 가질 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.The magnetic particles may include ferromagnetic material particles. The magnetic particles may be formed as a structure embedded in an elastic body. The magnetic particles may be, for example, in the form of ferromagnetic particles or aggregates thereof. The magnetic particles may have an average particle diameter of, for example, several nanometers to several tens of micrometers, and may have an average particle diameter of, for example, about 3 nm to less than 100 μm, about 5 nm to 80 μm, or about 10 nm to 50 μm, but is not limited thereto.
일 실시예에 따르면, 상기 자성입자는, 니켈, 코발트, 철, 망간, 이들의 합금 또는 이들의 조합에서 선택된 금속 입자를 포함하는 것일 수 있다.In one embodiment, the magnetic particles may include metal particles selected from nickel, cobalt, iron, manganese, alloys thereof, or combinations thereof.
일 실시예에 따르면, 상기 자성입자는, 제1 금속을 포함하는 코어 및 상기 제1 금속과 다른 제2 금속을 포함하는 쉘을 포함하는 강자성체 입자 또는 그 응집체를 포함하는 것일 수 있다.According to one embodiment, the magnetic particle may include a ferromagnetic particle or an aggregate thereof including a core including a first metal and a shell including a second metal different from the first metal.
상기 자성입자는 예컨대 코어-쉘(core-shell) 형태의 자성 입자일 수 있으며, 예컨대 니켈(Ni), 코발트(Co), 철(Fe), 망간(Mn), 이들의 합금 또는 이들의 조합에서 선택된 제1 금속을 포함하는 코어 및 제1 금속과 다른 제2 금속을 포함하는 쉘을 포함할 수 있다. 이 때 상기 제2 금속은 예컨대 은(Ag), 금(Au), 구리(Cu), 납(Pd), 백금(Pt) 또는 이들의 조합일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. The above magnetic particles may be, for example, core-shell type magnetic particles, and may include a core including a first metal selected from, for example, nickel (Ni), cobalt (Co), iron (Fe), manganese (Mn), alloys thereof, or combinations thereof, and a shell including a second metal different from the first metal. In this case, the second metal may be, for example, silver (Ag), gold (Au), copper (Cu), lead (Pd), platinum (Pt), or a combination thereof, but is not limited thereto.
일 실시예에 따르면, 상기 압력센서 어레이는 서로 구분되는 제1 영역 및 제2 영역을 포함하고, 상기 구분되는 각각의 영역은, 각각의 영역에 형성된 상기 상부 전극, 상기 하부 전극 또는 이 둘 다의 평균 피치 간극이 상이한 것일 수 있다.According to one embodiment, the pressure sensor array includes a first region and a second region that are distinct from each other, and each of the distinct regions may have an average pitch gap of the upper electrode, the lower electrode, or both formed in each region that is different.
상기 압력 센서 어레이는 사용자의 필요에 따라 구분되는 영역을 형성하여 압력 센싱의 공간 해상도를 서로 다른 정도로 형성할 수 있으며, 이는 전극의 피치 간격을 조절함으로써 구현될 수 있다.The above pressure sensor array can form distinct areas according to the user's needs to form the spatial resolution of pressure sensing to different degrees, which can be implemented by adjusting the pitch interval of the electrodes.
일 실시예에 따르면, 상기 탄성체는, 치환 또는 비치환된 폴리오가노실록산, 치환 또는 비치환된 부타디엔 모이어티를 포함하는 탄성체, 우레탄 모이어티를 포함하는 탄성체, 아크릴 모이어티를 포함하는 탄성체, 올레핀 모이어티를 포함하는 탄성체 또는 이들의 조합 중 하나 이상을 포함하는 것일 수 있다.In one embodiment, the elastomer may include at least one of a substituted or unsubstituted polyorganosiloxane, an elastomer comprising a substituted or unsubstituted butadiene moiety, an elastomer comprising a urethane moiety, an elastomer comprising an acrylic moiety, an elastomer comprising an olefin moiety, or a combination thereof.
상기 탄성체는, 일 예로서 PDMS 소재를 포함하도록 형성될 수 있으며, 다만 본 발명에서 상기 탄성체의 소재를 한정하지는 아니한다.The above elastic body can be formed to include, for example, a PDMS material, but the material of the elastic body is not limited in the present invention.
일 실시예에 따르면, 상기 전도성 기둥은, 도전성 나노와이어, 도전성 나노튜브, 도전성 나노로드, 도전성 나노섬유 또는 이들의 조합 중 하나 이상을 더 포함하는 것일 수 있다.In one embodiment, the conductive pillar may further include one or more of a conductive nanowire, a conductive nanotube, a conductive nanorod, a conductive nanofiber, or a combination thereof.
상기 전도성 기둥은 도전성 나노구조체(conductive nanostructures)를 더 포함할 수 있다. 상기 도전성 나노구조체는 외부 힘에 의한 저항 변화를 나타낼 수 있는 물질일 수 있다. 예컨대 상기 도전성 나노구조체는 저저항 금속을 포함할 수 있다. The conductive pillars may further include conductive nanostructures. The conductive nanostructures may be a material capable of exhibiting a change in resistance due to an external force. For example, the conductive nanostructures may include a low-resistance metal.
상기 도전성 나노구조체는 예컨대 선형 도전성 나노구조체일 수 있으며, 예컨대 도전성 나노와이어(conductive nanowires), 도전성 나노튜브(conductive nanotubes), 도전성 나노로드(conductive nanorods), 도전성 나노섬유(conductive nanofibers) 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. The conductive nanostructures may be, for example, linear conductive nanostructures, and may include, for example, conductive nanowires, conductive nanotubes, conductive nanorods, conductive nanofibers, or combinations thereof.
예컨대 상기 도전성 나노구조체는 은(Ag) 나노와이어일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.For example, the above-described challenging nanostructure may be, but is not limited to, a silver (Ag) nanowire.
일 실시예에 따르면, 상기 압력센서 어레이는, 상기 센서 시트 내에서 상기 두께 방향에 수직인 방향으로는 전기적으로 단절된 것일 수 있다.In one embodiment, the pressure sensor array may be electrically isolated in a direction perpendicular to the thickness direction within the sensor sheet.
상기 압력센서 어레이는 상기 센서 시트의 두께 방향으로 형성된 전도성 기둥에 의하여 두께 방향으로 전기가 통하는 것일 수는 있으나, 그에 수직한 수평 방향으로는 어떠한 방향으로도 시트 내부에서 전기가 통전되지 않는 것일 수 있다.The above pressure sensor array may conduct electricity in the thickness direction by conductive pillars formed in the thickness direction of the sensor sheet, but may not conduct electricity in any direction within the sheet in the horizontal direction perpendicular thereto.
일 실시예에 따르면, 상기 복수 개의 전도성 기둥 간의 평균 간극은 수십 nm 내지 수백 nm 인 것일 수 있다.In one embodiment, the average gap between the plurality of conductive pillars may be tens to hundreds of nm.
상기 복수 개의 전도성 기둥들은 후술하는 것과 같이 탄성체와 함께 혼입된 후 외부에서 가해진 자기장에 의해 상기 두께 방향으로 배열된 것으로서, 전도성 기둥 간의 간극이 특정 간극을 가지고 정렬된 구조를 보이지는 않을 수 있다. 이 때, 전도성 기둥 간의 평균 간극은 전도성 입자를 어느 정도의 밀도로 탄성체 내에 함유하였는지에 따라 상이할 수 있으나, 필요에 따라 수십 nm 내지 수백 nm 간극으로 형성될 수 있다.The above-described plurality of conductive pillars are arranged in the thickness direction by an externally applied magnetic field after being mixed with an elastic body as described below, and may not show a structure in which the gaps between the conductive pillars are aligned with a specific gap. At this time, the average gap between the conductive pillars may vary depending on the density of the conductive particles contained in the elastic body, but may be formed with a gap of several tens nm to several hundred nm as needed.
일 실시예에 따르면, 상기 상부 전극, 상기 하부 전극 또는 이 둘 다는, 상기 센서 시트에 적어도 일부가 매립된 구조를 형성하는 것일 수 있다.In one embodiment, the upper electrode, the lower electrode, or both may form a structure at least partially embedded in the sensor sheet.
본 발명의 다른 일 실시예에서 제안하는 신축성 압력센서 어레이를 포함하는 전자 장치의 일 형태는, 커버 글래스; 상기 커버 글래스 하부의 디스플레이 패널; 상기 디스플레이 패널 하부의 압력센서 어레이를 포함하고, 상기 압력센서 어레이는, 본 발명의 실시예에 따르는 신축성 압력센서 어레이인 것일 수 있다.In another embodiment of the present invention, an electronic device including a flexible pressure sensor array is proposed, comprising: a cover glass; a display panel under the cover glass; and a pressure sensor array under the display panel, wherein the pressure sensor array may be a flexible pressure sensor array according to an embodiment of the present invention.
본 발명의 다른 일 실시예에서 제안하는 신축성 압력센서 어레이를 포함하는 전자 장치의 다른 일 형태는, 외면이 제1 방향으로 향하는 제1 플레이트, 및 외면이 상기 제1 방향의 반대인 제2 방향으로 향하는 제2 플레이트를 포함하도록 구성되는 하우징; 상기 제1 플레이트의 상기 외면을 통해 노출된 디스플레이; 상기 하우징 내부에 배치되고, 상기 디스플레이의 아래에 배치되는 압력 센서 어레이; 상기 하우징 내부에 위치하고 상기 디스플레이, 상기 압력 센서에 전기적으로 연결된 프로세서; 및 상기 프로세서에 전기적으로 연결되고 상기 하우징 내부에 위치하는 메모리를 포함하고, 상기 압력센서 어레이는, 본 발명의 일 실시예에 따르는 압력센서 어레이를 포함하는 것일 수 있다.Another form of an electronic device including a flexible pressure sensor array proposed in another embodiment of the present invention comprises a housing configured to include a first plate having an outer surface facing a first direction and a second plate having an outer surface facing a second direction opposite to the first direction; a display exposed through the outer surface of the first plate; a pressure sensor array disposed inside the housing and disposed below the display; a processor positioned inside the housing and electrically connected to the display and the pressure sensor; and a memory electrically connected to the processor and positioned inside the housing, wherein the pressure sensor array may include a pressure sensor array according to one embodiment of the present invention.
본 발명의 다른 일 실시예에서 제안하는 신축성 압력센서 어레이를 포함하는 전자 장치의 또 다른 일 형태는, 디스플레이; 상기 디스플레이 중 제1 영역에 가해지는 압력 및 제2 영역에 가해지는 압력을 서로 다른 공간 해상도로 감지하는 압력 센서 어레이; 메모리; 및 상기 메모리에 전기적으로 연결되는 프로세서를 포함하고, 상기 압력 센서 어레이는 본 발명의 일 실시예에 따르는 압력 센서 어레이인 것일 수 있다.Another embodiment of an electronic device including a flexible pressure sensor array proposed in another embodiment of the present invention comprises: a display; a pressure sensor array for detecting a pressure applied to a first area of the display and a pressure applied to a second area with different spatial resolutions; a memory; and a processor electrically connected to the memory, wherein the pressure sensor array may be a pressure sensor array according to an embodiment of the present invention.
상기 전자 장치는, 영역에 따라서 서로 다른 공간 해상도로 압력을 센싱할 수 있는 특징을 가진 것일 수 있다.The above electronic device may have a feature capable of sensing pressure with different spatial resolutions depending on the area.
본 발명의 일 실시예에 따르는 상기 신축성 압력센서 어레이를 포함하는 전자기기는, 압력센서의 공간 해상도가 수십 dpi 내지는 수백 dpi 인 것일 수 있다.An electronic device including the flexible pressure sensor array according to one embodiment of the present invention may have a spatial resolution of the pressure sensor of tens to hundreds of dpi.
상기 전자 장치는, 실험을 통해 수백 dpi 까지도 정밀하게 압력을 인지하고 디스플레이 상에 높은 공간 해상도를 구현할 수 있는 특징을 가진 것일 수 있다.The above electronic device may have the characteristics of being able to precisely recognize pressure up to several hundred dpi through experiments and implement high spatial resolution on the display.
도 2는, 본 발명의 일 실시예에 따르는 압력 센서 어레이의 제조 공정의 각 단계를 나타내는 모식도이다. FIG. 2 is a schematic diagram showing each step of a manufacturing process of a pressure sensor array according to one embodiment of the present invention.
본 발명의 다른 일 실시예에서는 상기 도 2를 참조하여, 신축성 압력센서 어레이의 제조방법에 대하여 구체적으로 개시한다.In another embodiment of the present invention, a method for manufacturing a flexible pressure sensor array is specifically disclosed with reference to FIG. 2.
우선, 신축성 (하부)전극을 기판 상에 준비한다. 상기 전극은 스프레이 코팅하여 형성된 전극일 수 있으나, 다른 방식을 이용하여 제조될 수 있으며 본 발명에서 전극의 형성 방식을 한정하지는 아니한다.First, a flexible (lower) electrode is prepared on a substrate. The electrode may be an electrode formed by spray coating, but may be manufactured using another method, and the present invention does not limit the method of forming the electrode.
상기 형성된 전극의 경우 경우에 따라 센서 시트 상부와 하부에 직접 용액 공정을 진행하거나 이미 형성되어 있는 전극 센서를 부착하는 방식으로 형성될 수도 있다. In the case of the electrodes formed above, in some cases, they may be formed by directly performing a solution process on the upper and lower parts of the sensor sheet or by attaching an electrode sensor that has already been formed.
즉, 상술한 실시예에서는 기판 상에 하부 전극을 먼저 형성하는 경우를 설명하였으나, 전극을 형성하는 공정은 센서 시트를 형성한 후 마지막 순서에 센서 시트의 상하부에 전극을 형성하는 방식으로 진행하여도 무방하다.That is, in the above-described embodiment, the case where the lower electrode is first formed on the substrate is described, but the process of forming the electrode may be performed in a manner in which the electrode is formed on the upper and lower parts of the sensor sheet as the last step after forming the sensor sheet.
그 다음, 센서 시트를 형성할 수 있다. 이 때 제작하기를 희망하는 센서 시트의 두께에 맞게 스페이서를 기판에 배치하고 강자성체 입자와 탄성체를 충분히 섞은 후 기판에 붓는 방식으로 센서 시트를 형성할 수 있다.Next, a sensor sheet can be formed. At this time, a spacer is placed on the substrate according to the thickness of the sensor sheet desired to be manufactured, and the sensor sheet can be formed by sufficiently mixing the ferromagnetic particles and the elastomer and then pouring the mixture onto the substrate.
이후 이와 같이 형성된 센서 시트 상부에 기 형성된 하부 전극의 방향과 교차되도록 상부 전극이 형성된 기판을 샌드위치 구조가 되도록 덮을 수 있다. Afterwards, a substrate on which an upper electrode is formed so as to intersect the direction of the lower electrode formed on top of the sensor sheet formed in this manner can be covered to form a sandwich structure.
그리고 하부 기판과 상부 기판의 하부와 상부에서 충분한 세기의 자기장을 수직방향으로 가하며 실온에서 정렬시킨 후, 그대로 자기장을 가하며 열경화시켜 탄성체를 경화함과 동시에 자성입자 기둥을 고정시킬 수 있다.And, by vertically applying a magnetic field of sufficient strength to the lower and upper substrates and aligning them at room temperature, the elastic body can be hardened and the magnetic particle pillars fixed at the same time by applying the magnetic field while thermally curing.
상술한 신축성 압력센서 어레이의 제조방법에 대하여 구체적으로 정리하면 다음과 같다.The manufacturing method of the above-described flexible pressure sensor array is summarized specifically as follows.
본 발명의 다른 일 실시예에 따르는 신축성 압력센서 어레이의 제조방법은, 기판을 준비하는 단계; 상기 기판 상에 하부 전극을 형성하는 단계; 상기 신축성 전극이 형성된 기판 위에 스페이서를 배치하고 강자성체 입자와 탄성 고분자가 혼합된 물질을 도포하여 센서 시트를 형성하는 단계; 상기 도포되어 형성된 센서 시트 위로 상부 전극을 형성하는 단계; 및 상기 상부 전극의 상부와 상기 하부 전극의 하부에 자석을 구비하여 상기 센서 시트에 자기장을 가하는 단계;를 포함하는 것이다.According to another embodiment of the present invention, a method for manufacturing a flexible pressure sensor array includes the steps of: preparing a substrate; forming a lower electrode on the substrate; arranging a spacer on the substrate on which the flexible electrode is formed and applying a material mixed with ferromagnetic particles and an elastic polymer to form a sensor sheet; forming an upper electrode on the sensor sheet formed by the application; and applying a magnetic field to the sensor sheet by providing a magnet on an upper portion of the upper electrode and a lower portion of the lower electrode.
본 발명의 또 다른 일 실시예에 따르는 신축성 압력센서 어레이의 제조방법은, 기판을 준비하는 단계; 상기 기판 상에 스페이서를 배치하고 강자성체 입자와 탄성 고분자가 혼합된 센서 시트를 형성하기 위한 물질을 도포하여 센서 시트를 형성하는 단계; 상기 센서 시트의 상부와 하부에 자석을 구비하여 상기 센서 시트에 자기장을 가하는 단계; 및 상기 센서 시트의 상부와 하부에 상부 전극 및 하부 전극을 형성하는 단계;를 포함하는 것이다.According to another embodiment of the present invention, a method for manufacturing a flexible pressure sensor array comprises the steps of: preparing a substrate; arranging a spacer on the substrate and applying a material for forming a sensor sheet in which ferromagnetic particles and an elastic polymer are mixed to form a sensor sheet; providing magnets on the upper and lower portions of the sensor sheet to apply a magnetic field to the sensor sheet; and forming upper electrodes and lower electrodes on the upper and lower portions of the sensor sheet.
도 3은, 본 발명의 일 실시예에 따르는 압력 센서에서 나타나는 압력-저항 특성 그래프이다.FIG. 3 is a graph of pressure-resistance characteristics shown in a pressure sensor according to one embodiment of the present invention.
도 3에서 나타나는 것과 같이 이 과정으로 형성된 센서 어레이의 경우 실생활 압력의 대부분을 높은 공간 해상도로 감지할 수 있다. As shown in Fig. 3, the sensor array formed by this process can detect most real-life pressures with high spatial resolution.
도 4는, 본 발명의 일 실시예에 따르는 압력 센서를 이용하여 어레이를 형성한 경우 나타내는 매핑에 대한 예시 이미지이다.FIG. 4 is an example image of mapping that shows an array formed using a pressure sensor according to one embodiment of the present invention.
상기 공정 방식은 대단히 간편한 방식으로 수행되는 것으로서, 단일 필름 상에 다양한 간격의 전극을 형성할 경우, 영역에 따라 동일한 자극에 대해서도 여러 해상도로 감지할 수 있는 센서 어레이를 확보할 수 있다.The above process method is performed in a very simple manner, and when electrodes with various intervals are formed on a single film, a sensor array capable of detecting the same stimulus with various resolutions depending on the area can be secured.
실제 제조 공정을 통하여 제작한 실시예에서는, 0.25 mm 내지 1 mm 스케일로 제작하고 공간 해상도를 확인하였으나(도 4 참조), 이 피치 간격은 실시예의 설계에 따라 얼마든지 축소 또는 확대될 수 있다.In the examples manufactured through an actual manufacturing process, they were manufactured on a scale of 0.25 mm to 1 mm and the spatial resolution was confirmed (see Fig. 4), but this pitch interval can be reduced or enlarged as much as necessary depending on the design of the examples.
도 5는, 본 발명의 일 실시예에 따르는 압력 센서를 이용하여 어레이를 형성할 때 제작한 전극의 일 형태를 나타내는 이미지이다.FIG. 5 is an image showing one form of an electrode manufactured when forming an array using a pressure sensor according to one embodiment of the present invention.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 상부 전극 및 하부 전극을 형성하는 단계 중 하나 이상은, 서로 인접한 전극과의 피치 간격이 상이하도록 형성된 제1 영역 및 제2 영역을 포함하도록 전극을 형성하는 것일 수 있다.According to one embodiment of the present invention, at least one of the steps of forming the upper electrode and the lower electrode may be forming the electrode to include a first region and a second region formed such that the pitch intervals between adjacent electrodes are different.
도 6은, 본 발명의 일 실시예에 따르는 압력 센서 어레이를 제작한 후 플렉시블 및 스트레처블 특성을 확인하기 위하여 반으로 접어본 이미지이다.FIG. 6 is an image of a pressure sensor array folded in half to confirm flexible and stretchable characteristics after fabricating the array according to one embodiment of the present invention.
이와 같은 방식으로 본 발명의 실시예에 따라 제작된 압력 센서 어레이는 얼마든지 손으로 접더라도 굽어짐을 확인하였으며, 압력 센서의 공간 해상도나 센서로서의 특징이 굽힘 작업을 반복하더라도 쉽게 저하되지 않는 것을 확인하였다.In this way, it was confirmed that the pressure sensor array manufactured according to an embodiment of the present invention can be bent by hand as much as desired, and it was confirmed that the spatial resolution of the pressure sensor or the characteristics as a sensor are not easily degraded even when the bending operation is repeated.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따르는 압력센서 어레이가 적용된 전자 장치의 일 예를 나타낸 그림이다.FIG. 7 is a drawing showing an example of an electronic device to which a pressure sensor array according to one embodiment of the present invention is applied.
본 발명에서 제안하는 압력센서 어레이를 이용하면, 도 7과 같은 형태의 전자 장치의 제조가 가능하며, 도 7에 도시된 전자 장치는 본 발명의 압력센서 어레이가 탑재된 일 형태에 불과할 뿐 반듯시 이와 같은 형태의 전자 장치로 구현되어야 하는 것은 아니다.By using the pressure sensor array proposed in the present invention, it is possible to manufacture an electronic device having a shape like that of Fig. 7. The electronic device illustrated in Fig. 7 is merely one form in which the pressure sensor array of the present invention is mounted, and it is not necessary to implement an electronic device having a shape like that.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양하게 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.The above description is merely an illustrative description of the technical idea of the present invention, and those skilled in the art will appreciate that various modifications and variations may be made without departing from the essential characteristics of the present invention. Accordingly, the embodiments disclosed in the present invention are not intended to limit the technical idea of the present invention but to explain it, and the scope of the technical idea of the present invention is not limited by these embodiments. The protection scope of the present invention should be interpreted by the following claims, and all technical ideas within a scope equivalent thereto should be interpreted as being included in the scope of the rights of the present invention.
Claims (20)
상기 센서 시트에 적어도 일부가 매립되며 상기 센서 시트의 두께 방향으로 자성입자가 정렬하여 형성된 복수 개의 전도성 기둥;
상기 센서 시트의 상부에 형성된 복수 개의 상부 전극; 및
상기 센서 시트의 하부에 형성된 복수 개의 하부 전극;을 포함하고,
상기 센서 시트의 상면 또는 하면에서 두께 방향으로 압력이 가해지면 상기 상부 및 하부 전극과 상기 전도성 기둥 간에 도전성 경로가 형성되어 전류가 흐르는 것이고,
상기 압력센서 어레이는 서로 구분되는 제1 영역 및 제2 영역을 포함하고,
상기 제1 영역과 제2 영역은, 각각의 영역에 형성된 상기 상부 전극 간의, 상기 하부 전극 간의 또는 이 둘 다의 평균 피치 간극이 상이하게 형성되어 영역별 해상도 차이가 형성된 것이고,
상기 복수 개의 상부 전극, 상기 복수 개의 하부 전극 또는 이 둘 다는, 인접한 전극과의 피치(pitch) 간격이 0.1 mm 내지 5 mm 인 것인,
신축성 압력센서 어레이.
A sensor sheet comprising an elastic body;
A plurality of conductive pillars formed by aligning magnetic particles in the thickness direction of the sensor sheet and at least partially embedded in the sensor sheet;
A plurality of upper electrodes formed on the upper part of the sensor sheet; and
comprising a plurality of lower electrodes formed on the lower portion of the sensor sheet;
When pressure is applied in the thickness direction to the upper or lower surface of the sensor sheet, a conductive path is formed between the upper and lower electrodes and the conductive pillar, and current flows.
The above pressure sensor array includes a first region and a second region which are distinct from each other,
The first and second regions are formed so that the average pitch gaps between the upper electrodes, between the lower electrodes, or both formed in each region are different, thereby forming a difference in resolution for each region.
The plurality of upper electrodes, the plurality of lower electrodes, or both, have a pitch interval with respect to adjacent electrodes of 0.1 mm to 5 mm.
Flexible pressure sensor array.
상기 복수 개의 전도성 기둥은 상기 센서 시트 전면에 불규칙적인 배열을 형성하며 분포된 것인,
신축성 압력센서 어레이.
In the first paragraph,
The above plurality of conductive pillars are distributed in an irregular arrangement on the front surface of the sensor sheet,
Flexible pressure sensor array.
상기 상부 전극 및 상기 하부 전극은 각각 복수 개 구비되는 것이고,
상기 상부 전극 및 상기 하부 전극 각각은 상기 센서 시트의 수직 단면을 기준으로 볼 때 서로 교차하는 구조로 형성되는 것인,
신축성 압력센서 어레이.
In the first paragraph,
The upper electrode and the lower electrode are each provided in multiples,
The upper electrode and the lower electrode are each formed in a structure that intersects each other when viewed based on the vertical cross-section of the sensor sheet.
Flexible pressure sensor array.
상기 자성입자는,
강자성체 입자 또는 그 응집체를 포함하는 것인,
신축성 압력센서 어레이.
In the first paragraph,
The above magnetic particles are,
Comprising ferromagnetic particles or aggregates thereof,
Flexible pressure sensor array.
상기 자성입자는,
니켈, 코발트, 철, 망간, 이들의 합금 또는 이들의 조합에서 선택된 금속 입자를 포함하는 것인,
신축성 압력센서 어레이.
In the first paragraph,
The above magnetic particles are,
Comprising metal particles selected from nickel, cobalt, iron, manganese, alloys thereof or combinations thereof;
Flexible pressure sensor array.
상기 자성입자는,
제1 금속을 포함하는 코어 및 상기 제1 금속과 다른 제2 금속을 포함하는 쉘을 포함하는 강자성체 입자 또는 그 응집체를 포함하는 것인,
신축성 압력센서 어레이.
In the first paragraph,
The above magnetic particles are,
A ferromagnetic particle or an aggregate thereof comprising a core comprising a first metal and a shell comprising a second metal different from the first metal.
Flexible pressure sensor array.
상기 탄성체는,
치환 또는 비치환된 폴리오가노실록산, 치환 또는 비치환된 부타디엔 모이어티를 포함하는 탄성체, 우레탄 모이어티를 포함하는 탄성체, 아크릴 모이어티를 포함하는 탄성체, 올레핀 모이어티를 포함하는 탄성체 또는 이들의 조합 중 하나 이상을 포함하는 것인,
신축성 압력센서 어레이.
In the first paragraph,
The above elastic body is,
Comprising at least one of a substituted or unsubstituted polyorganosiloxane, an elastomer comprising a substituted or unsubstituted butadiene moiety, an elastomer comprising a urethane moiety, an elastomer comprising an acrylic moiety, an elastomer comprising an olefin moiety, or a combination thereof.
Flexible pressure sensor array.
상기 전도성 기둥은,
도전성 나노와이어, 도전성 나노튜브, 도전성 나노로드, 도전성 나노섬유 또는 이들의 조합 중 하나 이상을 더 포함하는 것인,
신축성 압력센서 어레이.
In the first paragraph,
The above conductive pillars are,
Further comprising at least one of a conductive nanowire, a conductive nanotube, a conductive nanorod, a conductive nanofiber or a combination thereof;
Flexible pressure sensor array.
상기 압력센서 어레이는, 상기 센서 시트 내에서 상기 두께 방향에 수직인 방향으로는 전기적으로 단절된 것인,
신축성 압력센서 어레이.
In the first paragraph,
The above pressure sensor array is electrically disconnected in a direction perpendicular to the thickness direction within the sensor sheet.
Flexible pressure sensor array.
상기 복수 개의 전도성 기둥 간의 평균 간극은 수십 nm 내지 수백 nm 인 것인,
신축성 압력센서 어레이.
In the first paragraph,
The average gap between the plurality of conductive pillars is tens to hundreds of nm,
Flexible pressure sensor array.
상기 상부 전극, 상기 하부 전극 또는 이 둘 다는, 상기 센서 시트에 적어도 일부가 매립된 구조를 형성하는 것인,
신축성 압력센서 어레이.
In the first paragraph,
The upper electrode, the lower electrode, or both form a structure at least partially embedded in the sensor sheet.
Flexible pressure sensor array.
상기 커버 글래스 하부의 디스플레이 패널;
상기 디스플레이 패널 하부의 압력센서 어레이를 포함하고,
상기 압력센서 어레이는, 제1항의 압력센서 어레이를 포함하는 것인,
신축성 압력센서 어레이를 포함하는 전자 장치.
cover glass;
A display panel underneath the cover glass;
Including a pressure sensor array at the bottom of the display panel,
The above pressure sensor array includes the pressure sensor array of claim 1.
An electronic device comprising a flexible pressure sensor array.
상기 제1 플레이트의 상기 외면을 통해 노출된 디스플레이;
상기 하우징 내부에 배치되고, 상기 디스플레이의 아래에 배치되는 압력 센서 어레이;
상기 하우징 내부에 위치하고 상기 디스플레이, 상기 압력 센서에 전기적으로 연결된 프로세서; 및
상기 프로세서에 전기적으로 연결되고 상기 하우징 내부에 위치하는 메모리를 포함하고,
상기 압력센서 어레이는, 제1항의 압력센서 어레이를 포함하는 것인,
신축성 압력센서 어레이를 포함하는 전자 장치.
A housing configured to include a first plate having an outer surface facing a first direction, and a second plate having an outer surface facing a second direction opposite to the first direction;
A display exposed through the outer surface of the first plate;
A pressure sensor array disposed inside the housing and below the display;
a processor positioned within said housing and electrically connected to said display and said pressure sensor; and
comprising a memory electrically connected to said processor and positioned within said housing;
The above pressure sensor array includes the pressure sensor array of claim 1.
An electronic device comprising a flexible pressure sensor array.
상기 디스플레이 중 제1 영역에 가해지는 압력 및 제2 영역에 가해지는 압력을 서로 다른 공간 해상도로 감지하는 압력 센서 어레이;
메모리; 및
상기 메모리에 전기적으로 연결되는 프로세서를 포함하고,
상기 압력센서 어레이는, 제1항의 압력센서 어레이를 포함하는 것인,
전자 장치.
display;
A pressure sensor array for detecting pressure applied to a first area and pressure applied to a second area of the display with different spatial resolutions;
memory; and
comprising a processor electrically connected to said memory;
The above pressure sensor array includes the pressure sensor array of claim 1.
Electronic devices.
상기 신축성 압력센서 어레이를 포함하는 전자 장치는,
압력센서의 공간 해상도가 수십 dpi 내지는 수백 dpi 인 것인,
신축성 압력센서 어레이를 포함하는 전자 장치.
In any one of Articles 14 to 16,
An electronic device comprising the above flexible pressure sensor array,
The spatial resolution of the pressure sensor is tens or hundreds of dpi.
An electronic device comprising a flexible pressure sensor array.
상기 기판 상에 하부 전극을 형성하는 단계;
신축성 전극이 형성된 기판 위에 스페이서를 배치하고 강자성체 입자와 탄성 고분자가 혼합된 물질을 도포하여 센서 시트를 형성하는 단계;
상기 도포되어 형성된 센서 시트 위로 상부 전극을 형성하는 단계; 및
상기 상부 전극의 상부와 상기 하부 전극의 하부에 자석을 구비하여 상기 센서 시트에 자기장을 가하는 단계;를 포함하는,
신축성 압력센서 어레이의 제조방법.
Steps to prepare the substrate;
A step of forming a lower electrode on the above substrate;
A step of forming a sensor sheet by placing a spacer on a substrate on which a flexible electrode is formed and applying a material mixed with ferromagnetic particles and an elastic polymer;
A step of forming an upper electrode over the sensor sheet formed by applying the above; and
A step of providing a magnet on the upper part of the upper electrode and on the lower part of the lower electrode to apply a magnetic field to the sensor sheet; including;
A method for manufacturing a flexible pressure sensor array.
상기 기판 상에 스페이서를 배치하고 강자성체 입자와 탄성 고분자가 혼합된 센서 시트를 형성하기 위한 물질을 도포하여 센서 시트를 형성하는 단계;
상기 센서 시트의 상부와 하부에 자석을 구비하여 상기 센서 시트에 자기장을 가하는 단계; 및
상기 센서 시트의 상부와 하부에 상부 전극 및 하부 전극을 형성하는 단계;를 포함하는,
제1항의 신축성 압력센서 어레이의 제조방법.
Steps to prepare the substrate;
A step of forming a sensor sheet by arranging a spacer on the substrate and applying a material for forming a sensor sheet in which ferromagnetic particles and an elastic polymer are mixed;
A step of providing magnets on the upper and lower parts of the sensor sheet to apply a magnetic field to the sensor sheet; and
A step of forming upper electrodes and lower electrodes on the upper and lower parts of the sensor sheet; comprising;
A method for manufacturing a flexible pressure sensor array of claim 1.
상기 상부 전극 및 하부 전극을 형성하는 단계 중 하나 이상은,
서로 인접한 전극과의 피치 간격이 상이하도록 형성된 제1 영역 및 제2 영역을 포함하도록 전극을 형성하는 것인,
신축성 압력센서 어레이의 제조방법.
In Article 18 or 19,
At least one of the steps of forming the upper electrode and the lower electrode is:
An electrode is formed to include a first region and a second region formed so that the pitch intervals between adjacent electrodes are different.
A method for manufacturing a flexible pressure sensor array.
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