KR101436991B1 - 미세 액체금속 액적을 이용한 촉각센서 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 목적은 비교적 높은 민감성(sensitivity)과 공간 해상도(spatial resolution)를 동시에 가지는 미세 액체금속 액적을 이용한 촉각센서를 제공하는 것이다. 본 발명의 일 실시예에 따른 미세 액체금속 액적을 이용한 촉각센서는, 제1전극판을 구비한 제1판막, 상기 제1전극판을 향하는 제2전극판을 구비하는 제2판막, 상기 제2전극판을 덮으면서 상기 제2판막에 구비되는 절연층, 및 상기 제1전극판과 상기 절연층 사이에 배치되어 상기 제1전극판과 상기 제2전극판에 대응하는 챔버를 형성하고, 상기 챔버에 미세 액체금속 액적을 수용하는 본체를 포함한다.

Description

미세 액체금속 액적을 이용한 촉각센서 {TACTUAL SENSOR USING MICRO LIQUID METAL DROPLET}
본 발명은 촉각센서에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 미세 액체금속 액적을 이용한 촉각센서에 관한 것이다.
예를 들면, 정전용량식 촉각센서가 있다. 도 1을 참조하면, 정전용량식 촉각센서는 상부 전극판(1)이 부착되어 있는 피접촉부인 상판막(2), 하부 전극판(3)이 부착되어 있는 하판막(4), 및 상부 전극판(1)과 하부 전극판(3)의 접촉을 분리시키도록 두 전극판(1, 3) 사이에 구비되는 절연층(5)을 포함한다.
도 2에 도시된 바와 같이, 상판막(2)에 터치 힘(F)이 작용하면, 두 전극판(1, 3) 사이의 거리가 변화하고, 이 거리의 변화에 따라 두 전극판(1, 3) 사이에 발생되는 정전용량이 측정된다.
하지만, 두 전극판(1, 3) 사이의 거리가 100μm 이상이 되면 측정되는 정전용량의 양이 매우 작아진다. 그리고 공기로 채워진 두 전극판(1, 3) 사이에서 거리를 매우 작게 유지해야 하므로 상판막(2)이 휘어질 수 있는 범위가 매우 작다. 즉 정전용량식 촉각센서는 매우 작은 민감성(sensitivity)을 가지게 된다.
따라서 종래의 정전용량식 촉각센서는 피접촉부인 상판막(2)에 작용하는 터치 힘(F)을 측정하기 보다는 단순히 피접촉부의 접촉 여부를 판단하는데 적합한 것으로 볼 수 있다.
이러한 문제를 해결하기 위하여, 정전용량식 촉각센서를 여러 층으로 쌓아서 촉각센서를 제작하는 방식이 있다. 그러나 여러 층으로 쌓는 방식은 정전용량식 촉각센서의 제작 공정을 복잡하게 하고, 제작 효율을 저하시킨다.
다른 예를 들면, 마이크로 채널에 액체금속을 주입하는 방식으로 제작한 촉각센서가 있다. 이러한 촉각센서는 셀 면적이 넓기 때문에 낮은 공간 해상도(spatial resolution)를 가지며, 기존 정전용량식 촉각센서와 측정 원리가 같아서 민감성(sensitivity)이 떨어지므로 정밀 계측에 적합하지 않다.
본 발명의 목적은 비교적 높은 민감성(sensitivity)과 공간 해상도(spatial resolution)를 동시에 가지는 미세 액체금속 액적을 이용한 촉각센서를 제공하는 것이다.
또한, 본 발명의 다른 목적은 내부적으로 피로를 받지 않는 액체금속을 이용하여 반복적인 터치 힘의 작용에도 장기간 사용할 수 있는 미세 액체금속 액적을 이용한 촉각센서를 제공하는 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 미세 액체금속 액적을 이용한 촉각센서는, 제1전극판을 구비한 제1판막, 상기 제1전극판을 향하는 제2전극판을 구비하는 제2판막, 상기 제2전극판을 덮으면서 상기 제2판막에 구비되는 절연층, 및 상기 제1전극판과 상기 절연층 사이에 배치되어 상기 제1전극판과 상기 제2전극판에 대응하는 챔버를 형성하고, 상기 챔버에 미세 액체금속 액적을 수용하는 본체를 포함한다.
상기 본체는 상기 챔버를 복수로 구비하고, 상기 제1전극판과 상기 제2전극판은 상기 챔버 각각에 대응하여 서로 마주할 수 있다.
상기 제1전극판은, 제1방향을 따라 복수로 배치되어 연결되는 제1전극라인을 형성하고 상기 제1전극라인을 상기 제1방향에 교차하는 제2방향을 따라 복수로 배치하여 형성될 수 있다.
상기 제2전극판은, 상기 제2방향을 따라 복수로 배치되어 연결되는 제2전극라인을 형성하고 상기 제2전극라인을 상기 제2방향에 교차하는 제1방향을 따라 복수로 배치하여 형성될 수 있다.
상기 챔버는, 상기 제1전극라인과 상기 제2전극라인이 교차하는 복수의 교차점에 대응하여 배치될 수 있다.
상기 챔버는, 상기 본체의 평면에 대하여 수직하는 수직 내벽을 형성할 수 있다.
상기 챔버는, 상기 본체의 평면에 대하여 경사진 경사 내벽을 형성할 수 있다.
상기 미세 액체금속 액적은, 상기 챔버의 내벽, 상기 절연층 및 상기 제1전극판에 접촉되는 구로 형성될 수 있다.
상기 미세 액체금속 액적은 수은으로 형성되고, 상기 미세 액체금속 액적의 직경은 50㎛ 내지 2mm일 수 있다.
상기 제1판막은 PDMS(polydimethylsiloxane)로 형성되고, 상기 제1판막의 두께는 50㎛ 내지 1mm일 수 있다.
이와 같이 본 발명의 일 실시예에 따르면, 제1, 제2판막에 구비되는 제1, 제2전극판 사이의 챔버에 미세 액체금속 액적을 구비하여, 제1판막에 작용하는 터치 힘에 의하여 미세 액체금속 액적이 변형되므로 절연층을 개재한 미세 액체금속 액적과 제2전극판의 접촉 면적에 발생되는 정전용량을 측정함으로써 높은 민감성을 가질 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 제1전극판의 제1전극라인과 제2전극판의 제2전극라인이 교차하는 위치에 챔버를 구비하므로 제1판막에 작용하는 터치 힘의 크기 및 접촉부의 위치를 인식하고, 매트릭스 구조로 배치되는 챔버 내에서 미세 액체금속 액적을 수용하므로 높은 공간 해상도를 가지는 효과가 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에서, 미세 액체금속 액적의 직경 및 제1판막의 두께를 조절하므로 민감성을 더 조절할 수 있다.
도 1은 종래기술에 따른 촉각센서의 단면도이다.
도 2는 도 1의 촉각센서에 터치 힘이 작용하는 상태의 단면도이다.
도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 미세 액체금속 액적을 이용한 촉각센서의 분해 사시도이다.
도 4는 도 3의 미세 액체금속 액적을 이용한 촉각센서의 결합 사시도이다.
도 5는 상판막에 터치 힘이 작용하는 않는 상태, 미세 액체금속 액적의 형상을 나타내는 상태도이다.
도 6은 도 5의 상태에서 미세 액체금속 액적을 이용하여 정전용량을 감지하는 상태도이다.
도 7은 상판막에 터치 힘이 작용하는 상태, 미세 액체금속 액적의 형상 변화를 나타내는 상태도이다.
도 8은 도 7의 상태에서 미세 액체금속 액적을 이용하여 정전용량의 변화를 감지하는 상태도이다.
도 9는 본 발명의 제2 실시예에 따른 미세 액체금속 액적을 이용한 촉각센서의 단면도이다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 붙였다.
도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 미세 액체금속 액적을 이용한 촉각센서의 분해 사시도이고, 도 4는 도 3의 미세 액체금속 액적을 이용한 촉각센서의 결합 사시도이다.
도 3 및 도 4를 참조하면, 제1 실시예에 따른 미세 액체금속 액적을 이용한 촉각센서(100)(이하 "촉각센서"라 한다)는 제1판막(10)(이하, "상판막"이라 한다), 제2판막(20)(이하, "하판막"이라 한다), 절연층(30), 본체(40) 및 미세 액체금속 액적(50)을 포함한다.
제1판막(10)은 피접촉부를 형성하며 내면에 전기 전도재인 제1전극판(11)을 구비한다. 제2판막(20)은 제1전극판(11)을 향하며 전기 전도재인 제2전극판(21)을 구비한다. 절연층(30)은 제2전극판(21)을 덮으면서 제2판막(20)에 구비되어 있다. 절연층(30)은 절연막을 부착하여 형성되거나 절연재를 코팅하여 형성될 수 있다.
본체(40)는 제1판막(10)과 제2판막(20) 사이에 배치되며, 보다 상세하게는 제1전극판(11)과 절연층(30) 사이에 배치되어 제1전극판(11)과 제2전극판(21)에 대응하는 챔버(41)를 구비한다. 챔버(41)는 미세 액체금속 액적(50)을 수용하며 터치 힘(F)의 작용에 따라 미세 액체금속 액적(50)의 형상 변형을 지지 및 한정한다.
예를 들면, 본체(40)는 챔버(41)를 복수로 구비하기 위하여 관통구를 복수로 형성하며, 제1전극판(11)과 제2전극판(21)은 관통구들 각각에 대응하여 서로 마주한다. 따라서 챔버(41)는 본체(40)에 형성되는 관통구와 제1전극판(11) 및 절연층(30) 사이의 공간으로 설정된다. 각 챔버(41)에서 절연층(30)을 사이에 두고, 미세 액체금속 액적(50)과 제2전극판(21) 사이에 정전용량이 발생될 수 있다.
미세 액체금속 액적(50)은 챔버(41)에 수용되어 위로는 제1전극판(11)에 도통되고, 아래로는 절연층(30)에 접촉된다. 절연층(30)의 두께가 고정되고, 터치 힘(F)에 따라 변형되므로 미세 액체금속 액적(50)과 절연층(30)은 접촉 면적이 증감될 수 있다. 접촉 면적의 증감에 따라 미세 액체금속 액적(50)과 제2전극판(21) 사이에 발생되는 정전용량이 증감된다.
즉 피접촉부인 상판막(10)에 터치 힘(F)이 크게 작용하여 미세 액체금속 액적(50)과 절연층(30) 간의 접촉 면적이 커지면 정전용량이 증가한다. 상판막(10)에 작용하던 터치 힘(F)이 제거되어 미세 액체금속 액적(50)과 절연층(30) 간의 접촉 면적이 작아지면 정전용량이 감소한다.
한편, 제1전극판(11)은 제1방향(x축 방향)을 따라 복수로 배치되어 연결되는 제1전극라인(L1)을 형성한다. 제1전극라인(L1)은 복수로 배치되어 제1방향(x축 방향)에 교차하는 제2방향(y축 방향)을 따라 이격되어 복수로 배치된다.
제2전극판(21)은 제2방향(y축 방향)을 따라 복수로 배치되어 연결되는 제2전극라인(L2)을 형성한다. 제2전극라인(L2)은 제2방향(y축 방향)에 교차하는 제1방향(x축 방향)을 따라 이격되어 복수로 배치된다.
제1전극판(11)의 제1전극라인(L1)과 제2전극판(21)의 제2전극라인(L2)이 교차하는 복수의 교차점에 대응하여, 챔버(41)가 배치된다. 즉 챔버들(41)은 본체(40)에서 매트릭스 구조를 형성하며, 접촉되는 단위 셀의 면적을 좁게 형성한다. 따라서 촉각센서(100)의 공간 해상도가 높아진다.
즉 제1전극라인들(L1)과 제2전극라인들(L2)의 교차점의 매트릭스 구조는 챔버들(41)의 매트릭스 구조에 상응한다. 따라서 제1전극라인들(L1)과 제2전극라인들(L2)에서 측정되는 정전용량으로 촉각센서(100)에서 접촉부의 위치를 인식할 수 있게 된다.
도 5는 상판막에 터치 힘이 작용하는 않는 상태, 미세 액체금속 액적의 형상을 나타내는 상태도이고, 도 6은 도 5의 상태에서 미세 액체금속 액적을 이용하여 정전용량을 감지하는 상태도이다.
도 5 및 도 6을 참조하면, 챔버(41)는 본체(40)의 평면에 대하여 수직하는 수직 내벽을 형성한다. 따라서 미세 액체금속 액적(50)은 챔버(41)의 내벽과 절연층(30) 및 제1전극판(11)으로 설정된 공간에 수용된다.
미세 액체금속 액적(50)은 전기 전도성을 갖는 금속이면서, 상온에서 액체인 구 상태를 유지한다. 예를 들면, 미세 액체금속 액적(50)은 수은으로 이루어질 수 있다. 미세 액체금속 액적(50)의 직경은 50㎛ 내지 2mm일 수 있고, 챔버(41)는 미세 액체금속 액적(50)에 대응하는 공간으로 형성된다.
미세 액체금속 액적(50)의 직경이 50㎛ 미만인 경우, 미세 액체금속 액적(50)과 제2전극판(21) 사이에 발생되는 정전용량이 미미하여 촉각 여부를 확인하기 어렵다. 미세 액체금속 액적(50)의 직경이 2mm 초과인 경우, 표면장력의 한계로 인하여 미세 액체금속 액적(50)이 챔버(41)에 대응하는 구를 유지하기 어렵다. 즉 터치 힘(F)이 작용하지 않은 상태에서 미세 액체금속 액적(50)이 절연층(30)에 지나치게 넓은 면적으로 접촉될 수 있다.
미세 액체금속 액적(50)은 표면장력이 아주 크기 때문에 피접촉부인 상판막(10)에 터치 힘(F)이 작용하지 않는 초기 조건에서 대략적으로 구의 액체방울로 유지된다.
피접촉부인 상판막(10)에 터치 힘(F)이 작용하는 조건에서 미세 액체금속 액적(50)이 수용되어 있는 챔버(41)의 체적이 줄어들면서 미세 액체금속 액적(50)이 압축될 수 있다. 이때, 미세 액체금속 액적(50)과 절연층(30)의 접촉 면적이 증가된다.
즉 미세 액체금속 액적(50)이 챔버(41)에 수용된 상태에서 상판막(10)에 터치 힘(F)이 작용하기 전에, 미세 액체금속 액적(50)은 구로 형성되어 내벽과 제1전극판(11) 및 절연층(30)에 접촉된 상태를 유지한다.
이때, 미세 액체금속 액적(50)은 제1전극판(11) 및 절연층(30)에 점접촉 또는 좁은 면접촉 상태를 유지한다. 따라서 절연층(30)을 사이에 둔 미세 액체금속 액적(50)과 제2전극판(11)에는 설정된 최소의 정전용량이 발생된다.
도 7은 상판막에 터치 힘이 작용하는 상태, 미세 액체금속 액적의 형상 변화를 나타내는 상태도이고, 도 8은 도 7의 상태에서 미세 액체금속 액적을 이용하여 정전용량의 변화를 감지하는 상태도이다.
도 7 및 도 8을 참조하면, 상판막(10)에 터치 힘(F)이 작용하면, 미세 액체금속 액적(50)은 제1전극판(11)에 의하여 눌리면서 챔버(41) 내의 빈 공간으로 채워진다.
이때, 미세 액체금속 액적(50)은 제1전극판(11) 및 절연층(30)에 증가된 면접촉 상태로 변화된다. 따라서 절연층(30)을 사이에 둔 미세 액체금속 액적(50)과 제2전극판(11)에는 면접촉의 증가에 대응하는 정전용량이 발생된다.
터치 힘(F)에 따라 변형되는 상판막(10) 및 본체(40)는 유연성(flexibility) 및 전기 절연성을 가진 재질로 형성된다. 유연성으로 인하여, 상판막(10) 및 본체(40)의 성형이 용이하다.
예를 들면, 상판막(10)은 PDMS(polydimethylsiloxane)로 형성될 수 있다. 이때 상판막(10)의 두께는 50㎛ 내지 1mm일 수 있다. 상판막(10)의 두께가 50㎛ 미만인 경우, 최소한의 터치 힘(F)이 작용하는 경우에도 상판막(10)이 찢어지기 쉽다. 상판막(10)의 두께가 1mm를 초과하는 경우, 상판막(10)의 유연성이 저하되어 작용하는 터치 힘(F)을 미세 액체금속 액적(50)에 전달하기 어렵다. 즉 촉각센서(100)는 약한 터치 힘(F)을 감지하지 못하게 된다.
제1, 제2전극판(11, 21)은 상, 하판막(10, 20)에 각각 접착되거나 상, 하판막(10, 20)에 증착 방식으로 형성될 수 있다. 제1, 제2전극판(11, 21)은 촉각센서(100)의 측정 방식, 회로 구조, 및 측정하고자 하는 면적 등에 따라 변형될 수 있다.
이와 같이 촉각센서(100)는 내부에서 압축되는 미세 액체금속 액적(50)을 사용하고, 미세 액체금속 액적(50)이 피로를 받지 않으므로 터치 힘(F)을 반복적으로 받는 환경에서도 장기간 사용될 수 있다.
한편, 제1실시예의 촉각센서(100)에서, 촉각센서(100)의 1셀을 기준으로 하여, 촉각센서(100)를 구동하는 회로에 인가되는 주파수보다 작은 주파수의 진동(터치 힘(F))을 피접촉부인 상판막(10)에 인가했을 때, 촉각센서(100)는 진동을 측정할 수 있다.
또한, 촉각센서(100)의 피접촉부인 상판막(10)에 아무런 터치 힘(F)도 가하지 않은 상태에서 촉각센서(100)에 온도를 변화시키면 열팽창 계수의 영향에 의하여, 미세 액체금속 액적(50)의 부피가 변화될 수 있다.
이때, 한정된 공간의 챔버(41) 내에서 미세 액체금속 액적(50)의 부피가 변화하게 되므로 미세 액체금속 액적(50)과 챔버(41)의 내벽 사이에서 접촉 면적이 변화하게 된다.
이를 이용하면, 절연층(30)에 대한 미세 액체금속 액적(50)의 접촉면적이 변화하게 되므로 미세 액체금속 액적(50)과 제2전극판(21) 사이에 형성되는 정전용량이 변화된다. 이를 이용하면, 촉각센서(100)는 온도의 변화를 감지할 수 있다.
이하 본 발명의 다양한 실시예에 대하여 설명한다. 제1 실시예와 동일한 구성을 생략하고 서로 다른 구성에 대하여 설명한다.
도 9는 본 발명의 제2 실시예에 따른 미세 액체금속 액적을 이용한 촉각센서의 단면도이다. 도 9를 참조하면, 제2 실시예의 촉각센서(200)에서, 챔버(241)는 본체(240)의 평면에 대하여 경사진 경사 내벽을 가진다.
즉 챔버(241)는 경사 내벽을 가지는 관통구를 제1전극판(11) 측에서 넓게 하고, 제2전극판(21) 측에서 좁게 하여 형성한다. 따라서 챔버(241)는 미세 액체금속 액적(250)을 챔버(241)의 경사진 내벽을 따라 중심부로 안내될 수 있다.
촉각센서에서 챔버에 수용된 미세 액체금속 액적의 위치에 따라 같은 터치 힘을 상판막에 가하는 경우에도 민감성(sensitivity)이 변할 수 있다. 그러나 제2 실시예에서 챔버(241)는 미세 액체금속 액적(250)을 챔버(241)의 중심부에 위치시키므로 보다 정확한 계측을 가능하게 한다.
이상을 통해 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.
10: 제1판막(상판막) 11: 제1전극판
20: 제2판막(하판막) 21: 제2전극판
30: 절연층 40, 240: 본체
41, 241: 챔버 50, 250: 미세 액체금속 액적
100, 200: 촉각센서 F: 터치 힘
L1: 제1전극라인 L2: 제2전극라인

Claims (10)

  1. 제1전극판을 구비한 제1판막;
    상기 제1전극판을 향하는 제2전극판을 구비하는 제2판막;
    상기 제2전극판을 덮으면서 상기 제2판막에 구비되는 절연층; 및
    상기 제1전극판과 상기 절연층 사이에 배치되어 상기 제1전극판과 상기 제2전극판에 대응하는 챔버를 형성하고, 상기 챔버에 미세 액체금속 액적을 수용하는 본체
    을 포함하는 미세 액체금속 액적을 이용한 촉각센서.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 본체는 상기 챔버를 복수로 구비하고,
    상기 제1전극판과 상기 제2전극판은 상기 챔버 각각에 대응하여 서로 마주하는 미세 액체금속 액적을 이용한 촉각센서.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제1전극판은,
    제1방향을 따라 복수로 배치되어 연결되는 제1전극라인을 형성하고 상기 제1전극라인을 상기 제1방향에 교차하는 제2방향을 따라 복수로 배치하여 형성되는 미세 액체금속 액적을 이용한 촉각센서.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 제2전극판은,
    상기 제2방향을 따라 복수로 배치되어 연결되는 제2전극라인을 형성하고 상기 제2전극라인을 상기 제2방향에 교차하는 제1방향을 따라 복수로 배치하여 형성되는 미세 액체금속 액적을 이용한 촉각센서.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 챔버는,
    상기 제1전극라인과 상기 제2전극라인이 교차하는 복수의 교차점에 대응하여 배치되는 미세 액체금속 액적을 이용한 촉각센서.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 챔버는,
    상기 본체의 평면에 대하여 수직하는 수직 내벽을 형성하는 미세 액체금속 액적을 이용한 촉각센서.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 챔버는,
    상기 본체의 평면에 대하여 경사진 경사 내벽을 형성하는 미세 액체금속 액적을 이용한 촉각센서.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 미세 액체금속 액적은,
    상기 챔버의 내벽, 상기 절연층 및 상기 제1전극판에 접촉되는 구로 형성되는 미세 액체금속 액적을 이용한 촉각센서.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 미세 액체금속 액적은 수은으로 형성되고
    상기 미세 액체금속 액적의 직경은 50㎛ 내지 2mm인 미세 액체금속 액적을 이용한 촉각센서.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 제1판막은 PDMS(polydimethylsiloxane)로 형성되고,
    상기 제1판막의 두께는 50㎛ 내지 1mm인 미세 액체금속 액적을 이용한 촉각센서.
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