KR100779081B1 - Pressure sensor for electronic skin and fabrication method of pressure sensor for electronic skin - Google Patents
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Abstract
본 발명은 전자 피부용 압력 센서 및 이의 제조 방법에 관한 것으로, 소정 압력 이상이 가해지면 전도도가 증가하는 전도성 고무, 전도성 고무의 양쪽 측면에 형성되어 전도성 고무에 전류가 흐르는 것을 측정하는 전극, 및 전극의 일측면 상단부에 형성되어 전도성 고무에 가해지는 압력을 분산시키는 탄성 고무;로 구성되어, 압력의 정도를 측정할 수 있는 전자 피부용 압력 센서 및 이를 제조할 수 있다.The present invention relates to a pressure sensor for electronic skin and a method for manufacturing the same, the conductive rubber of which conductivity increases when a predetermined pressure or more is applied, the electrode formed on both sides of the conductive rubber to measure the current flow through the conductive rubber, and It is formed on one side of the upper end of the elastic rubber for dispersing the pressure applied to the conductive rubber; consisting of, the pressure sensor for the electronic skin can measure the degree of the pressure and it can be produced.
Description
도 1은 종래의 압력 의존형 전도성 고무를 이용한 압력 센서의 개략도,1 is a schematic diagram of a pressure sensor using a conventional pressure-dependent conductive rubber,
도 2는 도 1의 압력 센서의 출력특성을 나타내는 그래프,2 is a graph showing the output characteristics of the pressure sensor of FIG.
도 3은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 아날로그형 전자 피부용 압력 센서의 개략도,3 is a schematic diagram of an analog type electronic skin pressure sensor according to an embodiment of the present invention;
도 4는 도 3의 아날로그형 전자 피부용 압력 센서의 출력특성을 나타내는 그래프,4 is a graph showing the output characteristics of the analog type electronic skin pressure sensor of FIG.
도 5는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 디지털형 전자 피부용 압력 센서의 개략도,5 is a schematic diagram of a digital electronic skin pressure sensor according to an embodiment of the present invention;
도 6은 본 발명의 바람직한 다른 일 실시예에 따른 디지털형 전자 피부용 압력 센서의 개락도,6 is a schematic diagram of a pressure sensor for a digital electronic skin according to another embodiment of the present invention;
도 7은 도 5 또는 도 6의 디지털형 전자 피부용 압력 센서의 출력특성을 나타내는 그래프, 및7 is a graph showing output characteristics of the digital electronic skin pressure sensor of FIG. 5 or FIG. 6, and
도 8은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 전자 피부용 압력 센서의 제작 방법에 대한 흐름도이다.8 is a flowchart illustrating a manufacturing method of an electronic skin pressure sensor according to an embodiment of the present invention.
본 발명은 압력 센서에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 전도성이 압력에 완만하게 의존하도록 하여 압력의 정도를 측정할 수 있는 전자 피부용 압력 센서 및 이의 제조 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a pressure sensor, and more particularly, to a pressure sensor for an electronic skin and a method for manufacturing the same that can measure the degree of pressure so that the conductivity is gently dependent on the pressure.
최근 압력 의존형 전도성 고무(pressure-sensitive or pressure-activated conductive rubber)를 이용한 전자 피부(artificial skin or electronic skin)가 연구되고 있다. 사람의 피부의 경우에는 특정 이상의 압력이 인가되면 인가된 압력의 유무를 확인할 수 있을 뿐더러 압력의 세기도 확인할 수 있다. 압력 의존형 전도성 고무를 이용한 전자 피부의 경우에도 실제 사람의 피부와 같은 역할을 하는 것이 중요하다. Recently, artificial skin or electronic skin using pressure-sensitive or pressure-activated conductive rubber has been studied. In the case of human skin, when a certain pressure is applied, not only the presence or absence of the applied pressure can be confirmed, but also the strength of the pressure can be checked. Even in the case of electronic skin using pressure-dependent conductive rubber, it is important to play the role of the actual human skin.
압력 의존형 전도성 고무는 압력이 인가되면 전도 특성을 나타내고, 압력이 제거되면 전도특성을 잃어버리는 특성을 보유하고 있어 압력 센서에 응용되고 있다. Pressure-dependent conductive rubbers have conductive properties when pressure is applied, and lose their conductive properties when pressure is removed, and thus have been applied to pressure sensors.
그러나 압력 의존형 전도성 고무는 적용되는 압력이 특정 압력에 도달하면 전도도가 갑자기 증가하므로 온(on)/오프(off) 용으로는 사용이 용이하지만 압력의 정도를 측정하는 목적으로는 사용이 곤란하다. 따라서 압력 의존형 전도성 고무를 이용하여 전자 피부를 제조할 경우에 압력의 유무를 알 수 있지만 실제 피부와 같이 압력의 정도를 알 수는 없게 된다.However, the pressure-dependent conductive rubber is easy to use for on (on) / off (off) because the conductivity is suddenly increased when the applied pressure reaches a certain pressure, but difficult to use for the purpose of measuring the degree of pressure. Therefore, when the electronic skin is manufactured using the pressure-dependent conductive rubber, the presence or absence of pressure may be known, but the degree of pressure may not be known as in actual skin.
도 1은 종래의 압력 의존형 전도성 고무를 이용한 압력 센서의 개략도이다. 도 1을 참조하면, 종래의 압력 센서는 압력 의존형 전도성 고무(1), 전극(2)(3), 전압계(10) 및 전류계(20)를 포함하여 이루어진다.1 is a schematic diagram of a pressure sensor using a conventional pressure dependent conductive rubber. Referring to FIG. 1, a conventional pressure sensor includes a pressure dependent
압력 의존형 전도성 고무(1)는 구부러짐이 가능하면서도 특정 압력 이상이 인가되면 전도도가 급격히 증가되어 전도특성을 보이는 물질이다.The pressure-dependent
압력 의존형 전도성 고무(1)의 양쪽 측면에 전극(2)(3)을 형성하고 전압계(10)를 통하여 전압을 인가한 후 전류계(20)를 통하여 전류를 측정하면 압력 의존형 전도성 고무(1)의 양쪽 측면에서의 압력 유무를 확인할 수 있게 된다. 즉, 압력 의존형 전도성 고무(1)의 양쪽 측면 중 어느 한 곳에서도 압력이 인가되지 않은 상태에서는 압력 의존형 전도성 고무(1)가 절연 특성을 나타내므로 전류계(20)에서는 전류가 흐르지 않고, 압력 의존형 전도성 고무(1)의 양쪽 측면 중 어느 한 쪽에라도 특정 이상의 압력이 인가되면 압력 의존형 전도성 고무(1)가 전도 특성을 나타내게 되어 전류계(20)에서는 전류가 흐르게 된다. 따라서, 도 1과 같은 구조의 압력 센서는 전극(2)(30) 양단에 인가되는 압력의 유무를 감지할 수 있는 역할을 수행하게 된다.Forming
도 2는 도 1의 압력 센서의 출력특성을 나타내는 그래프이다. 도 2를 참조하면, 압력 의존형 전도성 고무(1)는 도 2와 같이 특정 압력이 인가되면 저항이 급격히 감소하여 압력을 측정할 수 있는 범위가 매우 좁다는 문제점이 있다. 예를 들어 종래의 압력 센서를 로봇 손가락 끝에 장착하고 어떤 물건(예를 들면, 계란)을 들게 할 경우 로봇의 양 손가락 사이에 계란을 삽입하고 손가락 사이의 거리를 좁혀가면 압력 의존형 전도성 고무가 눌리게 되고, 이 때 눌려진 길이를 x라 하고 탄성 상수를 k라 하면 다음과 같은 수학식 1의 압력을 받게 된다.FIG. 2 is a graph illustrating output characteristics of the pressure sensor of FIG. 1. Referring to FIG. 2, the pressure-dependent
압력 의존형 전도성 고무(1)에 수학식 1에서의 계산에서 구해진 압력이 계란의 미끄러지는 압력보다 높고 깨지는 압력보다 낮은 정도의 압력이 인가되면 로봇의 두 손가락은 더 이상 오므라들지 않고 계란을 들면 된다. When the pressure obtained by the calculation in the equation (1) is applied to the pressure-dependent conductive rubber (1) higher than the sliding pressure of the egg and lower than the breaking pressure, the two fingers of the robot no longer lift and lift the egg.
그러나 다른 물질(예를 들면, 계란보다 더 무겁고 미끄러운 당구공)을 연속해서 들 경우에는 새로운 압력 센서를 장착해야 하는 문제점이 있다. 따라서, 종래의 압력 센서는 압력이 인가되는지 여부만을 알 수 있으며 실제로 사람의 피부가 느낄 수 있는 압력의 정도에 대하여는 알 수 없는 문제점이 있다.However, there is a problem in that a new pressure sensor must be mounted in the case of continuously holding other materials (for example, heavier and slippery billiard balls). Therefore, the conventional pressure sensor can only know whether the pressure is applied, and there is a problem that can not know about the degree of pressure that can actually feel the human skin.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 압력 의존형 전도성 고무 양쪽 측면의 전극상에 가해지는 압력을 분산시키는 탄성 고무를 두어 압력의 유무뿐만 아니라 압력의 정도도 측정할 수 있는 전자 피부용 압력 센서 및 이의 제조 방법을 제공한다.An object of the present invention is to provide an electronic skin pressure sensor and a method for manufacturing the same, which can measure the degree of pressure as well as the presence of pressure by placing an elastic rubber to disperse the pressure applied to the electrodes on both sides of the pressure-dependent conductive rubber to provide.
상기 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명의 전자 피부용 압력 센서는, 소정 압력 이상이 가해지면 전도도가 증가하는 전도성 고무; 상기 전도성 고무의 양쪽 측면에 형성되어 상기 전도성 고무에 전류가 흐르는 것을 측정하는 전극; 및 상 기 전극의 일측면 상단부에 형성되어 상기 전도성 고무에 가해지는 압력을 분산시키는 탄성 고무;를 포함하는 것을 특징으로 가진다.Electronic pressure sensor of the present invention for solving the above technical problem, the conductive rubber is increased in conductivity when a predetermined pressure or more is applied; Electrodes formed on both sides of the conductive rubber to measure an electric current flowing through the conductive rubber; And an elastic rubber formed at an upper end of one side of the electrode to disperse the pressure applied to the conductive rubber.
상기 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명의 전자 피부용 압력 센서의 제조 방법은, 소정 압력 이상이 가해지면 전도도가 증가하는 전도성 고무의 양쪽 측면에 전극을 형성하는 단계; 및 상기 전극의 일측면 상단부에 상기 전도성 고무에 가해지는 압력을 분산시켜주는 탄성 고무를 형성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 가진다.According to an aspect of the present invention, there is provided a method of manufacturing an electronic skin pressure sensor of the present invention, the method comprising: forming electrodes on both sides of a conductive rubber in which conductivity increases when a predetermined pressure or more is applied; And forming an elastic rubber to disperse the pressure applied to the conductive rubber on one side of the upper end of the electrode.
이하에서는, 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 일 실시예들에 대하여 상세히 살펴보기로 한다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도 3은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 아날로그형 전자 피부용 압력 센서의 개략도, 도 4는 도 3의 아날로그형 전자 피부용 압력 센서의 출력특성을 나타내는 그래프이다.3 is a schematic diagram of an analog type electronic skin pressure sensor according to an embodiment of the present invention, Figure 4 is a graph showing the output characteristics of the analog type electronic skin pressure sensor of FIG.
도 3을 참조하면, 본 발명에 따른 아날로그형 전자 피부용 압력 센서는 압력 의존형 전도성 고무(1), 전극(2)(3), 탄성 고무(4), 전압계(10) 및 전류계(20)를 포함하여 이루어진다.Referring to FIG. 3, the analog type electronic skin pressure sensor according to the present invention includes a pressure dependent
탄성 고무(4)는 압력 의존형 전도성 고무(1)가 압력에 완만하게 반응하도록 하는 물질이다. 즉, 탄성 고무(4)는 압력 의존형 전도성 고무(1)에 가해지는 압력을 분산시키는 역할을 수행한다. 이러한 탄성 고무(4)는 천연 고무 또는 합성 고무로 이루어질 수 있다. 그리고 탄성 고무(4)는 탄성율을 높이기 위하여 첨가제를 첨가하거나 발포 특성을 이용할 수 있다.The
예를 들면, 상기에서 살펴본 예와 같이 로봇의 손가락 끝에 본 발명에 따른 아날로그형 전자 피부용 압력 센서를 장착하고 물건을 들 경우에 고무가 눌리는 길 이 x에 따라 압력 의존형 전도성 고무(1)에 인가되는 압력이 분산되어 더 정밀하게 압력의 정도를 측정할 수 있다. 즉 압력 의존형 전도성 고무(1)의 탄성 상수를 k1이라 하고 탄성 고무(4)의 탄성 상수를 k2라 할 때 물체를 잡아 눌린 총 길이가 x라고 하고, 압력 의존형 전도성 고무(1)가 눌린 길이와 완충용 고무가 눌린 길이를 각각 x1, x2라 한다면 다음과 같은 수학식 2와 수학식 3이 성립한다.For example, as shown in the above example, the analog-type electronic skin pressure sensor according to the present invention is mounted on the fingertip of the robot and applied to the pressure-dependent
전도도의 변화를 나타내는 압력은 x1에 의해 인가되는데 수학식 2에서 보는 바와 같이 실제 눌린 길이 x는 x1과 x2로 분산되므로 길이(즉, 압력 의존형 전도성 고무와 두 고무층의 두께)의 변화에 따른 저항의 변화가 완만해지게 되는 것이다. The pressure representing the change in conductivity is applied by x1. As shown in
도 4를 참조하면 압력 센서의 출력 특성이 도 2와 비교하여 완만해진 것을 볼 수 있다. 따라서 길이의 변화에 따른 압력의 정도를 측정할 수 있어 도 3에서의 압력 센서는 아날로그형 전자 피부용 압력 센서로 활용할 수 있다.Referring to FIG. 4, it can be seen that the output characteristic of the pressure sensor is gentle compared to FIG. 2. Therefore, the degree of pressure according to the change in length can be measured, so the pressure sensor in FIG. 3 can be utilized as an analog type electronic skin pressure sensor.
도 5는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 디지털형 전자 피부용 압력 센서의 개략도이다. 도 5를 참조하면, 디지털형 전자 피부용 압력 센서는 압력 의존형 전도성 고무(1), 전극(2)(3), 제1탄성 고무(5), 제2탄성고무(6), 제3탄성고무(7), 제4탄성고무(8), 전압계(10) 및 전류계(20)를 포함하여 이루어진다.5 is a schematic diagram of a pressure sensor for digital electronic skin according to a preferred embodiment of the present invention. Referring to FIG. 5, the pressure sensor for digital electronic skin includes a pressure-dependent
도 5에서 제1탄성 고무(5), 제2탄성고무(6), 제3탄성고무(7), 제4탄성고무(8)는 서로 두께가 상이한 것을 볼 수 있다. 여기에서, 각각의 탄성 고무는 도 3에서 살펴본 바와 같이 압력 의존형 전도성 고무(1)와 상호 작용을 하여 아날로그 센서로 작용한다. 하지만 제1탄성 고무(5), 제2탄성고무(6), 제3탄성고무(7), 제4탄성고무(8)은 서로 두께가 상이하여 도 7의 파선으로 보는 바와 같이 특정 압력이 되면 전도도가 급격히 증가하는 디지털형 전자 피부용 압력 센서로 작동할 수 있게 된다. In FIG. 5, it can be seen that the first
여기에서, 제1탄성 고무(5), 제2탄성고무(6), 제3탄성고무(7), 제4탄성고무(8)와 같이 탄성 고무를 4개로 나누어서 살펴보았으나 탄성 고무의 개수는 다양하게 변화가 가능하다. 즉, 탄성 고무의 두께를 다양하게 변화함으로써 전도 특성을 다양하게 변화하여 탄성 고무의 수에 해당하는 압력의 정도를 구분하여 측정할 수 있게 된다.Herein, the elastic rubber is divided into four, such as the first elastic rubber (5), the second elastic rubber (6), the third elastic rubber (7), and the fourth elastic rubber (8). Various changes are possible. That is, by varying the thickness of the elastic rubber, it is possible to change the conduction properties in various ways to measure the degree of pressure corresponding to the number of elastic rubber.
도 6은 본 발명의 바람직한 다른 일 실시예에 따른 디지털형 전자 피부용 압력 센서의 개략도이다. 도 6을 참조하면, 디지털형 전자 피부용 압력 센서는 압력 의존형 전도성 고무(1), 전극(2)(3), 제1탄성 고무(5'), 제2탄성고무(6'), 제3탄성고무(7'), 제4탄성고무(8'), 전압계(10) 및 전류계(20)를 포함하여 이루어진다.6 is a schematic diagram of a digital electronic skin pressure sensor according to another preferred embodiment of the present invention. Referring to FIG. 6, the digital electronic skin pressure sensor includes a pressure-dependent
도 6에서 제1탄성 고무(5'), 제2탄성고무(6'), 제3탄성고무(7'), 제4탄성고무(8')는 서로 탄성 상수가 상이한 것을 볼 수 있다.In FIG. 6, it can be seen that the first
이 경우 독립된 하나 하나는 아날로그 센서이지만 미소 센서의 수에 따라 제 7도의 파선으로 보는 바와 같이 특정 압력이 되면 전도도가 급격히 증가하는 디지 털형 전자 피부용 압력 센서로 구성할 수도 있다. In this case, an independent one is an analog sensor, but as shown by the broken line of FIG. 7 according to the number of micro sensors, it may be configured as a digital type electronic skin pressure sensor whose conductivity rapidly increases when a certain pressure is reached.
각 미소 센서가 특전 압력에 도달하면 전도 특성을 나타내게 되고, 전도 특성을 나타내는 미소 센서의 수가 많아질수록 총 저항은 점점 낮아져 결국 미소센서의 수에 해당하는 압력을 읽을 수 있게 된다.When each micro sensor reaches the periphery pressure, it exhibits conduction characteristics. As the number of micro sensors exhibiting conduction characteristics increases, the total resistance gradually decreases, so that the pressure corresponding to the number of micro sensors can be read.
도 7은 도 5 또는 도 6의 디지털형 전자 피부용 압력 센서의 출력특성을 나타내는 그래프이다. 7 is a graph illustrating output characteristics of the digital electronic skin pressure sensor of FIG. 5 or FIG. 6.
도 8은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 전자 피부용 압력 센서의 제작 방법에 대한 흐름도이다. 도 8을 참조하면, 먼저, 소정 압력 이상이 가해지면 전도도가 증가하는 전도성 고무의 양쪽 측면에 전극을 형성한다(S800).8 is a flowchart illustrating a manufacturing method of an electronic skin pressure sensor according to an embodiment of the present invention. Referring to FIG. 8, first, electrodes are formed on both side surfaces of a conductive rubber in which conductivity increases when a predetermined pressure or more is applied (S800).
다음으로, 전극의 일측면 상단부에 전도성 고무에 가해지는 압력을 분산시켜주는 탄성 고무를 형성한다(S820).Next, to form an elastic rubber to disperse the pressure applied to the conductive rubber in the upper end of one side of the electrode (S820).
다음으로, 탄성 고무를 보호하기 위하여 탄성 고무의 표면에 보호막을 형성한다(S840). 예를 들면, 탄성 고무의 표면에 형성된 보호막은 플라스틱 필름으로 구성할 수 있다.Next, to protect the elastic rubber to form a protective film on the surface of the elastic rubber (S840). For example, the protective film formed on the surface of an elastic rubber can be comprised by a plastic film.
도 8에서 미설명된 부분은 도 3 내지 도 7을 참조하기로 한다.Parts not described in FIG. 8 will be referred to FIGS. 3 to 7.
본 발명은 또한 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체에 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드로서 구현하는 것이 가능하다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체는 컴퓨터 시스템에 의하여 읽혀질 수 있는 데이터가 저장되는 모든 종류의 기록장치를 포함한다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체의 예로는 ROM, RAM, CD_ROM, 자기테이프, 플로피디스크 및 광데이터 저장장치 등이 있으며, 또한 캐리어 웨이브(예를 들어 인터넷 을 통한 전송)의 형태로 구현되는 것도 포함한다. 또한 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체는 네트워크로 연결된 컴퓨터 시스템에 분산되어, 분산방식으로 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드로 저장되고 실행될 수 있다.The invention can also be embodied as computer readable code on a computer readable recording medium. The computer-readable recording medium includes all kinds of recording devices in which data that can be read by a computer system is stored. Examples of computer-readable recording media include ROM, RAM, CD_ROM, magnetic tape, floppy disks, and optical data storage, and also include those implemented in the form of carrier waves (eg, transmission over the Internet). . The computer readable recording medium can also be distributed over network coupled computer systems so that the computer readable code is stored and executed in a distributed fashion.
이상에서와 같이 도면과 명세서에서 최적 실시예가 개시되었다. 여기서 특정한 용어들이 사용되었으나, 이는 단지 본 발명을 설명하기 위한 목적에서 사용된 것이지 의미한정이나 특허청구범위에 기재된 본 발명의 범위를 제한하기 위하여 사용된 것은 아니다. 그러므로 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.As described above, optimal embodiments have been disclosed in the drawings and the specification. Although specific terms have been used herein, they are used only for the purpose of describing the present invention and are not intended to limit the scope of the present invention as defined in the claims or the claims. Therefore, those skilled in the art will understand that various modifications and equivalent other embodiments are possible from this. Therefore, the true technical protection scope of the present invention will be defined by the technical spirit of the appended claims.
종래의 압력 의존형 전도성 고무를 이용한 압력 센서에서 구현하지 못하였던 압력의 세기를 읽을 수 있게 되어보다 실제 피부에 가까운 전자 피부 구현이 가능하게 된다.It is possible to read the intensity of the pressure that could not be realized in the pressure sensor using a pressure-dependent conductive rubber of the prior art, it is possible to realize the electronic skin closer to the actual skin.
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