KR20190033259A

KR20190033259A - 전도성 필름과 전도성 다공체 폼시트를 이용한 다층구조 압력센서

Info

Publication number: KR20190033259A
Application number: KR1020170121813A
Authority: KR
Inventors: 김동현; 이성준
Original assignee: 주식회사 엠에스씨
Priority date: 2017-09-21
Filing date: 2017-09-21
Publication date: 2019-03-29
Anticipated expiration: 2037-09-21
Also published as: KR102015055B1

Abstract

본 발명은 절연성 다공체(10)와, 상기 절연성 다공체(10)를 기준하여 양면에 접착하는 전도성 다공체 폼시트(20)와, 상기 전도성 다공체 폼시트(20)의 일면에 접착하는 전도성 필름(30)으로 다층구조의 압력센서(1)를 구성하고; 상기 압력센서(1)의 표면상에 있는 전도성 필름(30)과 전도성 다공체 폼시트(20)에 외부압력이 가해지면 상하 전극체로 작용하여 압전저항값의 변화를 측정하고; 상기 절연성 다공체(10) 및 전도성 다공체 폼시트(20)에 포함된 공기의 변화에 따른 정전용량을 이용하여 압력을 측정하는 동적, 정적 압력을 동시에 측정이 가능한 것을 특징으로 한다.
이에 따라 본 발명은, 비격자방식으로 유연성을 갖는 박막 전도성 필름과 우수한 탄성 회복율을 갖는 다공체 폼시트를 이용하여 압저항방식 및 정전용량방식 모두를 표현할 수 있는 다층구조 압력센서를 구현하여 제품 형태의 다양화, 휴대의 편리성 및 저비용 양산화가 가능한 효과가 있다.

Description

전도성 필름과 전도성 다공체 폼시트를 이용한 다층구조 압력센서{Multi-layer pressure sensor using conductive film and conductive porous foam seat}

본 발명은 다층구조 압력센서에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 비격자방식으로 유연성을 갖는 박막 전도성 필름과 우수한 탄성 회복율을 갖는 다공체 폼시트를 이용하여 압저항방식 및 정전용량방식 모두를 표현할 수 있는 다층구조 압력센서를 구현하여 제품 형태의 다양화, 휴대의 편리성 및 저비용 양산화가 가능한 전도성 필름과 전도성 다공체 폼시트를 이용한 다층구조 압력센서에 관한 것이다.

통상, 압력센서는 외부에서 가해지는 압력에 의한 기계적인 에너지를 전기적인 에너지로 변환하여 절대압 또는 게이지압을 측정하는데 이용되고, 압력을 감지하는 원리에 따라 스트레인게이지타입의 메탈형 압력센서, 압저항형 압력센서(Piezoresistive pressure sensor), 압전형 압력센서(Piezoelectric pressure sensor), MOSFET형, 피에조 접합형(Piezojunction), 광섬유 압력센서 및 정전용량형 압력센서(Piezocapacitive pressure sensor) 등 다양한 종류가 이용되고 있다.

이러한 압력센서 중 압전성 고분자를 이용하는 압전형 압력센서는 동적인 힘에 의해 발생되는 압력을 재는 데에만 주로 이용되는 한계가 있었으며, 압저항형 압력센서는 정적인 압력과 동적인 압력을 모두 측정할 수 있지만 센서의 전체적인 부피가 증가하게 되는 단점과 빠른 주기로 반복해서 인가되는 외부의 압력을 정확하게 측정하기 어려운 문제점이 있었다.

또한, 정전용량형 압력센서는 동적인 힘뿐만 아니라 정적힌 힘에 의한 압력도 측정할 수 있어 정밀한 측정이 요구되는 분야에서 주로 이용되지만, 제조공정의 어려움으로 인하여 제조비용이 많이 소요되므로 그 활용도가 높지 않은 문제점이 있었으며, 시트로 이루어진 두 전극 사이에 복원력을 제공하는 고무를 삽입하게 되는바 이러한 구조적인 제약으로 인하여 전체적으로 상당한 두께를 가질 수 밖에 없어 슬림화를 구현하기 어려운 문제점이 있었다.

이와 관련하여 참조할 수 있는 선행기술문헌으로서, 한국 등록특허공보 제10-1094165호(선행문헌 1), 한국 등록특허공보 제10-1248410호(선행문헌 2), 한국 공개특허공보 제10-2013-0022544호(선행문헌 3) 등을 참조할 수 있다.

선행문헌 1은 터치 패널을 제조하는 방법에 있어서, 압력에 따라서 저항값이 변화하는 압저항(Piezoresistive) 필름 패턴이 매립되어 있는 폴리머 막을 제조하는 단계; 스페이서(spacer) 층을 제조하여, 상기 폴리머 막의 일면에 부착하는 단계; 상기 스페이서 층의 일면에 하판(bottom substrate)을 부착하는 단계;를 포함하한다. 이에 따라, 내구성이 높으며, 어떠한 입력 수단이라도 사용할 수 있는 압저항 방식의 터치 패널을 제안한다.

선행문헌 2는 나노섬유가 랜덤하게 어셈블리되면서 기공을 내포하도록 이루어지고 상기 기공에 충진된 공기의 출입으로 야기되는 두께 변경에 의해 정전용량을 가변시켜 압력을 센싱하는 나노섬유 웹; 전도성 직물로 이루어져 상기 나노섬유 웹의 상하에 위치하는 유연성 전극부; 및 상기 유연성 전극부에 각각 연결되고 상기 나노섬유 웹에 가해지는 압력에 의한 정전용량 값의 변화를 인식하여 전기적 신호를 전달하는 신호전달부를 포함한다. 이에 따라, 기공을 가지면서 탄성 회복율이 우수한 나노섬유 웹과, 이러한 나노섬유 웹의 상하면에 형성되는 유연성 전극부를 모두 직물로 얇게 형성하고, 압력에 의해 기공이 압착되면서 줄어드는 유연성 전극부 사이의 거리 변경으로 인한 정전용량 변화에 의해 압력 측정이 가능하게 함으로써, 센서의 두께를 얇게 형성하면서도 우수한 감도를 얻을 수 있는 나노섬유 웹을 이용한 정전용량형 압력센서를 제안한다.

선행문헌 3은 압력 감지 센서는 가요성을 갖는 제1 전도성 기판, 상기 제1 전도성 기판과 평행하게 배치되는 제2 전도성 기판, 및 상기 제1전도성 기판과 상기 제2 전도성 기판 사이에 배치되며, 뿔 형상을 갖는 복수의 구조체가 마련되는 탄성 유전층을 포함한다. 이에 따라, 뿔 형상을 갖는 복수의 구조체가 압력에 의해 그 형상이 변화하여 정전용량 변화를 생성함으로써, 미세한 압력을 효율적으로 감지할 수 있는 압력 감지센서를 제안한다.

그러나, 상기한 선행문헌에 의하면 실제 상용화된 압력 감지센서는 압저항방식 또는 압정전용량방식으로 구분되어 각각의 장점을 동시에 구현하는 압력센서는 부재하며, 또한 웨어러블 혹은 플러시블디바이스에 적용 가능한 유연성을 가진 박막 전도성 필름 및 전도성 다공체 폼시트를 활용한 압력센서는 부재한 단점이 있었다.

한국 등록특허공보 제10-1094165호 "압저항 방식의 터치 패널, 그 제조방법, 이를 포함하는 디스플레이 장치, 터치 패드 및 압력센서" (등록일자: 2011. 12. 08.) 한국 등록특허공보 제10-1248410호 "나노섬유 웹을 이용한 정전용량형 압력센서" (등록일자: 2013. 03. 22.) 한국 공개특허공보 제10-2013-0022544호 "정전용량형 압력 감지 센서 및 그를 포함하는 입력 장치" (공개일자: 2013. 03. 07.)

상기와 같은 종래의 문제점들을 근본적으로 개선하기 위한 본 발명의 목적은, 비격자방식으로 유연성을 갖는 박막 전도성 필름과 우수한 탄성 회복율을 갖는 다공체 폼시트를 이용하여 압저항방식 및 정전용량방식 모두를 표현할 수 있는 다층구조 압력센서를 구현하여 제품 형태의 다양화, 휴대의 편리성 및 저비용 양산화가 가능한 전도성 필름과 전도성 다공체 폼시트를 이용한 다층구조 압력센서를 제공하려는데 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 절연성 다공체와, 상기 절연성 다공체를 기준하여 양면에 접착하는 전도성 다공체 폼시트와, 상기 전도성 다공체 폼시트의 일면에 접착하는 전도성 필름으로 다층구조의 압력센서를 구성하고; 상기 압력센서의 표면상에 있는 전도성 필름과 전도성 다공체 폼시트에 외부압력이 가해지면 상하 전극체로 작용하여 압전저항값의 변화를 측정하고; 상기 절연성 다공체 및 전도성 다공체 폼시트에 포함된 공기의 변화에 따른 정전용량을 이용하여 압력을 측정하는 동적, 정적 압력을 동시에 측정이 가능한 것을 특징으로 한다.

이때, 본 발명에 따르면 상기 절연성 다공체는 독립기포 80%이상, 연속기포 20%미만의 소재인 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 따르면 상기 전도성 다공체 폼시트는 연속기포 90%이상의 다공성 시트 상에 금, 은, 니켈, 구리, 주석과 같은 전도성이 우수한 도전성 물질을 무전해 도금 또는 전기 도금방법 혹은 건식도금 방법으로 코팅한 소재인 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 따르면 상기 전도성 필름은 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET), 폴리이미드(PI), 폴리아미드(polyamide), 폴리페닐렌설파이드(PPS), 폴리프로필렌(PP), 폴리에틸렌(PE), 발포화 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET), 발포화폴리프로필렌(PP)중의 어느 하나의 재질로 택일하여 구비하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 따르면 상기 전도성 필름은 그 표면상에 금, 은, 니켈, 구리, 주석과 같은 전도성이 우수한 도전성 물질을 무전해 도금 또는 전기 도금방법 혹은 건식도금방법으로 코팅한 소재인 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 따르면 상기 전도성 필름은 필름을 타공한 후 금, 은, 니켈, 구리, 주석과 같은 전도성이 우수한 도전성 물질을 무전해 도금 또는 전기 도금방법 혹은 건식도금방법으로 코팅하여 상하 통전이 가능하게 한 소재인 것을 특징으로 한다.

한편, 이에 앞서 본 명세서 및 특허청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 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. 따라서 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고, 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.

이상의 구성 및 작용에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 다층구조 압력센서는 비격자방식으로 유연성을 갖는 박막 전도성 필름과 우수한 탄성 회복율을 갖는 다공체 폼시트를 이용하여 압저항방식 및 정전용량방식 모두를 표현할 수 있는 다층구조 압력센서를 구현하여 제품 형태의 다양화, 휴대의 편리성 및 저비용 양산화가 가능한 효과를 제공한다.

도 1은 본 발명에 따른 전도성 필름과 전도성 다공체 폼시트를 이용한 다층구조 압력센서의 구조를 나타내는 구성도.
도 2는 본 발명에 따른 전도성 필름과 전도성 다공체 폼시트를 이용한 다층구조 압력센서를 제조하는 공정을 나타내는 플로우차트.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다.

본 발명은 비격자방식으로 유연성을 갖는 박막 전도성 필름과 우수한 탄성 회복율을 갖는 다공체 폼시트를 이용하여 압저항방식 및 정전용량방식 모두를 표현할 수 있는 다층구조 압력센서에 관하여 제안한다.

한편, 비격자방식으로 유연성을 갖는 박막 전도성 필름과 우수한 탄성 회복율을 갖는 다공체 폼시트를 이용한 다층구조 압력센서를 압저항방식 및 정전용량방식 모두를 표현할 수 있어 욕창방지용 시트, 운전자 자세연구 자동차 시트, 도난방지용 보안 카페트, 의료용 다채널 임피던스 단층촬영시스템의 전극체, 유동인구 밀집시설 동선 연구 시트, 차세대 스마트 로봇의 촉각 인지 센서 등 다양한 분야에서 적용함을 대상으로 하지만 반드시 이에 국한되는 것은 아니다.

본 발명에 따르면 절연성 다공체(10)와, 상기 절연성 다공체(10)를 기준하여 양면에 접착하는 전도성 다공체 폼시트(20)와, 상기 전도성 다공체 폼시트(20)의 일면에 접착하는 전도성 필름(30)으로 다층구조의 압력센서(1)를 구성하고; 상기 압력센서(1)의 표면상에 있는 전도성 필름(30)과 전도성 다공체 폼시트(20)에 외부압력이 가해지면 상하 전극체로 작용하여 압전저항값의 변화를 측정하고; 상기 절연성 다공체(10) 및 전도성 다공체 폼시트(20)에 포함된 공기의 변화에 따른 정전용량을 이용하여 압력을 측정하는 동적, 정적 압력을 동시에 측정이 가능한 것을 제안한다.

한편, 본 발명의 다층구조의 압력센서(1)는 도 1에 도시된 것처럼 절연성 다공체(10)를 기준 하는데, 여기서 상기 절연성 다공체(10)는 독립기포 80%이상, 연속기포 20%미만의 소재를 사용한다. 이러한 절연성 다공체(10)의 양면에 전도성 다공체 폼시트(20)를 접착하고, 각각의 전도성 다공체 폼시트(20)의 일면에 전도성 필름(30)을 접착하여 완성한다. 이러한 압력센서(1)는 전도성 필름(30)과 전도성 다공체 폼시트(20)에 외부압력이 가해지면 상하 전극체로 작용하여 압전저항값의 변화를 측정함과 함께 절연성 다공체(10) 및 전도성 다공체 폼시트(20)에 포함된 공기의 변화에 따른 정전용량을 이용하여 압력을 측정하는 동적, 정적 압력을 동시에 측정이 가능하게 된다.

여기서, 본 발명의 세부 구성으로서, 상기 전도성 다공체 폼시트(20)는 연속기포 90%이상의 다공성 시트 상에 금, 은, 니켈, 구리, 주석과 같은 전도성이 우수한 도전성 물질을 무전해 도금 또는 전기 도금방법 혹은 건식도금 방법으로 코팅한 소재인 것을 사용한다. 이러한 전도성 다공체 폼시트(20)는 도 2에 도시된 것처럼 연속기포 90%이상의 다공성 시트 상에 탈지ㆍ에칭 후 산세, 촉매화, 활성화, 무전해 니켈 도금, 무전해 구리 도금, 전기 니켈 도금, 무전해 니켈 도금 후 건조과정을 거치고 각각의 과정에 수세를 진행하여 완성한다. 한편, 니켈, 구리 대신에 금, 은, 주석과 같은 전도성이 우수한 도전성 물질을 무전해 도금 또는 전기 도금방법 혹은 건식도금 방법으로도 전도성 다공체 폼시트(20)를 완성할 수 있다.

또한, 본 발명의 세부 구성으로서, 상기 전도성 필름(30)은 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET), 폴리이미드(PI), 폴리아미드(polyamide), 폴리페닐렌설파이드(PPS), 폴리프로필렌(PP), 폴리에틸렌(PE), 발포화 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET), 발포화폴리프로필렌(PP)중의 어느 하나의 재질로 택일하여 구비한다. 여기서, 전도성 필름(30)은 예를 들면, 폴리에틸렌 테레프탈레이트 (PET) 필름을 이용한 경우에는 그 두께를 25∼200㎛의 범위로, 특히 38∼100㎛의 범위로 하는 것이 가장 바람직하다. 그 이유는 25㎛ 이하의 두께에서는 고분자필름의 유연성에 의해 또는 200㎛ 이상의 두께에서는 고분자 필름의 경성에 의해 가공성과 생산성이 저하되는 문제가 있다.

한편, 이러한 전도성 필름(30)은 전도성 다공체 폼시트(20)의 일면에 접착하기 위해 도포한 점착층은 도금 공정상에서 발생하는 도금용액의 침투에 의한 특성의 저하를 방지하기 위해 상기 점착층의 응집성 및 내화학성이 요구되며, 전자기기/전기케이블 상의 접착공정/박리 후, 전자기기/전기케이블 상에 상기 점착층의 잔류물 없이 박리되어야 하는 공정 특성을 만족시켜야 한다. 이러한 특성을 만족시키기 위하여 점착층으로 예를 들어 아크릴 수지 혹은 에폭시 수지 등을 사용할 수 있다.

또한, 본 발명에 따르면 상기 전도성 필름(30)은 그 표면상에 금, 은, 니켈, 구리, 주석과 같은 전도성이 우수한 도전성 물질을 무전해 도금 또는 전기 도금방법 혹은 건식도금방법으로 코팅한 소재를 사용한다. 전도성 필름(30)은 도 2에 도시된 것처럼 필름 상에 프라이머 코팅, 구리 혹은 구리 증착, 무전해 구리 도금, 전기 니켈 도금, 무전해 니켈 도금후 건조하는 과정으로 진행하여 완성한다. 한편, 니켈, 구리 대신에 금, 은, 주석과 같은 전도성이 우수한 도전성 물질을 무전해 도금 또는 전기 도금방법 혹은 건식도금 방법으로도 전도성 필름(30)을 완성할 수 있다

또한, 본 발명에 따르면 상기 전도성 필름(30)은 필름을 타공한 후 금, 은, 니켈, 구리, 주석과 같은 전도성이 우수한 도전성 물질을 무전해 도금 또는 전기 도금방법 혹은 건식도금방법으로 코팅하여 상하 통전이 가능하게 한 소재인 것을 사용한다. 전도성 필름(30)은 필름 상에 타공을 한 후 앞서 설명한 것처럼 프라이머 코팅, 구리 혹은 구리 증착, 무전해 구리 도금, 전기 니켈 도금, 무전해 니켈 도금후 건조하는 과정으로 진행하여 완성한다. 한편, 니켈, 구리 대신에 금, 은, 주석과 같은 전도성이 우수한 도전성 물질을 무전해 도금 또는 전기 도금방법 혹은 건식도금 방법으로도 전도성 필름(30)을 완성할 수 있다.

이와 같이, 본 발명은 비격자방식으로 유연성을 갖는 박막 전도성 필름과 우수한 탄성 회복율을 갖는 다공체 폼시트를 이용하여 압저항방식 및 정전용량방식 모두를 표현할 수 있는 다층구조 압력센서를 구현하여 제품 형태의 다양화, 휴대의 편리성 및 저비용 양산화가 가능하여 욕창방지용 시트, 운전자 자세연구 자동차 시트, 도난방지용 보안 카페트, 의료용 다채널 임피던스 단층촬영시스템의 전극체, 유동인구 밀집시설 동선 연구 시트, 차세대 스마트 로봇의 촉각 인지 센서 등 다양한 분야에서 적용 가능하다.

본 발명은 기재된 실시예에 한정되는 것은 아니고, 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 다양하게 수정 및 변형할 수 있음은 이 기술의 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하다. 따라서 그러한 변형예 또는 수정예들은 본 발명의 특허청구범위에 속한다 해야 할 것이다.

1: 압력센서 10: 절연성 다공체
20: 전도성 다공체 폼시트 30: 전도성 필름

Claims

절연성 다공체(10)와, 상기 절연성 다공체(10)를 기준하여 양면에 접착하는 전도성 다공체 폼시트(20)와, 상기 전도성 다공체 폼시트(20)의 일면에 접착하는 전도성 필름(30)으로 다층구조의 압력센서(1)를 구성하고;
상기 압력센서(1)의 표면상에 있는 전도성 필름(30)과 전도성 다공체 폼시트(20)에 외부압력이 가해지면 상하 전극체로 작용하여 압전저항값의 변화를 측정하고;
상기 절연성 다공체(10) 및 전도성 다공체 폼시트(20)에 포함된 공기의 변화에 따른 정전용량을 이용하여 압력을 측정하는 동적, 정적 압력을 동시에 측정이 가능한 것을 특징으로 하는 전도성 필름과 전도성 다공체 폼시트를 이용한 다층구조 압력센서.
제1항에 있어서,
상기 절연성 다공체(10)는 독립기포 80%이상, 연속기포 20%미만의 소재인 것을 특징으로 하는 전도성 필름과 전도성 다공체 폼시트를 이용한 다층구조 압력센서.
제1항에 있어서,
상기 전도성 다공체 폼시트(20)는 연속기포 90%이상의 다공성 시트 상에 금, 은, 니켈, 구리, 주석과 같은 전도성이 우수한 도전성 물질을 무전해 도금 또는 전기 도금방법 혹은 건식도금 방법으로 코팅한 소재인 것을 특징으로 하는 전도성 필름과 전도성 다공체 폼시트를 이용한 다층구조 압력센서.
제1항에 있어서,
상기 전도성 필름(30)은 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET), 폴리이미드(PI), 폴리아미드(polyamide), 폴리페닐렌설파이드(PPS), 폴리프로필렌(PP), 폴리에틸렌(PE), 발포화 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET), 발포화폴리프로필렌(PP)중의 어느 하나의 재질로 택일하여 구비하는 것을 특징으로 하는 전도성 필름과 전도성 다공체 폼시트를 이용한 다층구조 압력센서.
제4항에 있어서,
상기 전도성 필름(30)은 그 표면상에 금, 은, 니켈, 구리, 주석과 같은 전도성이 우수한 도전성 물질을 무전해 도금 또는 전기 도금방법 혹은 건식도금방법으로 코팅한 소재인 것을 특징으로 하는 전도성 필름과 전도성 다공체 폼시트를 이용한 다층구조 압력센서.
제4항에 있어서,
상기 전도성 필름(30)은 필름을 타공한 후 금, 은, 니켈, 구리, 주석과 같은 전도성이 우수한 도전성 물질을 무전해 도금 또는 전기 도금방법 혹은 건식도금방법으로 코팅하여 상하 통전이 가능하게 한 소재인 것을 특징으로 하는 전도성 필름과 전도성 다공체 폼시트를 이용한 다층구조 압력센서.