KR101449410B1

KR101449410B1 - 전도성 나노 또는 마이크로 기둥의 맞물림을 이용한 촉각 센서

Info

Publication number: KR101449410B1
Application number: KR1020120142460A
Authority: KR
Inventors: 임현의; 정영도; 이준희; 송경준; 김완두; 허신; 박수아; 고현협; 박종화
Original assignee: 한국기계연구원
Priority date: 2012-12-10
Filing date: 2012-12-10
Publication date: 2014-10-15
Also published as: KR20140074478A

Abstract

본 발명은 미세 하중의 감지를 위한 촉각 센서에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 전도성 나노 또는 마이크로 기둥의 맞물림에 따른 전압, 전류 및 저항의 변화에 따라 수직 하중, 전단 하중 및 비틀림 하중을 감지하는 전도성 나노 또는 마이크로 기둥의 맞물림을 이용한 촉각 센서에 관한 것이다.

Description

전도성 나노 또는 마이크로 기둥의 맞물림을 이용한 촉각 센서{Highly Sensitive Tactile Sensor using Interlocking of Conducting nano or micro pillars}

접촉을 통한 주변 환경의 정보, 즉 접촉력, 진동, 표면의 거칠기, 열전도도에 대한 온도변화 등을 획득하는 촉각 기능은 차세대 정보수집 매체로 인식되고 있다. 촉각 감각을 대체할 수 있는 생체 모방형 촉각센서는 혈관 내의 미세수술, 암진단 등의 각종 의료진단 및 시술에 사용될 뿐만 아니라 향후 가상환경 구현기술에서 중요한 촉각 제시 기술에 적용될 수 있기 때문에 그 중요성이 더해지고 있다.

생체모방 형 촉각센서는 이미 산업용 로봇의 손목에 사용되고 있는 6 자유도의 힘/토크 센서와 로봇의 그립퍼(gripper)용으로 접촉 압력 및 순간적인 미끄러짐을 감지할 수 있으나, 이는 감지부의 크기가 비교적 큰 관계로 민감도가 낮은 문제점이 있었다.

한편, 미소기전집적시스템(MEMS) 제작기술을 이용하여 촉각센서의 개발 가능성을 제시한 바 있고, 공정기술이 발전된 실리콘 웨이퍼나 최근에는 유연한 소재를 이용한 촉각센서가 개발되고 있다. 그러나 지금까지 개발된 촉각센서들은 대부분 수직 하중만을 감지하도록 구성이 되어 있어 수직하중, 전단하중 및 비틀림 하중을 정확히 측정하기가 힘들고, 수직하중, 전단하중 및 비틀림 하중을 측정하기 위해 복잡한 추가 측정 회로 및 장치들이 요구되는 문제점이 있다.

따라서 본 발명이 속하는 기술분야에서는 미세 하중 예를 들면 수직 하중(normal force), 전단 하중(shear force) 및 비틀림 하중(torsion force)을 정확하게 감지함과 동시에 휘어짐 및 복원력이 우수하고 유연성 및 신축성이 뛰어난 촉각센서의 개발이 요구되고 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서 본 발명의 목적은, 전도성을 갖는 0D, 1D, 2D 탄소 물질들을 포함하도록 제작된 탄성이 있는 나노 또는 마이크로 기둥을 구성하고, 상기 기둥에 가해진 미세 하중들에 의해 전압, 전류 또는 저항의 변위가 생기며, 이를 측정함으로써 수직, 전단 및 비틀림 하중을 정확하게 측정하는 전도성 나노 또는 마이크로 기둥의 맞물림을 이용한 촉각 센서를 제공함에 있다.

본 발명의 촉각 센서는, 일면에 외부의 하중이 인가되는 제1 층; 상기 제1 층의 타면 외측으로 돌출 형성되며, 전도성 나노 또는 마이크로 재질로 되는 적어도 하나 이상의 제1 기둥; 일면이 상기 제1 층의 타면에 대향하도록 구비되는 제2층; 및 상기 제2 층의 일면 외측으로 돌출 형성되며, 전도성 나노 또는 마이크로 재질로 되는 적어도 하나 이상의 제2 기둥; 를 포함하며, 상기 제1 기둥과, 제2 기둥은 서로 맞물림 결합되며, 상기 제1 기둥의 끝단은 상기 제2 층의 일면에서 소정거리 이격되고, 상기 제2 기둥의 끝단은 상기 제1 층의 타면에서 소정거리 이격된다.

이때, 상기 제1 층, 제2 층, 제1 기둥 및 제2 기둥은, 탄성 재질에 탄소 물질을 고루 분산시켜 이루어지며, 상기 탄소 물질은 카본블랙(carbon black), 카본 나노튜브(carbon nanotube), 흑연(graphite) 또는 그래핀(graphene) 중 선택되는 적어도 하나 이상인 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 탄성 재질은, 탄성을 갖고 몰딩 성형을 이용하여 상기 제1 및 제2 기둥의 형성이 가능하도록 PDMS(Polydimethylsiloxane) 또는 PUA(polyurethane acrylate)인 것을 특징으로 한다.

아울러, 제1 기둥 및 제2 기둥은, 나노 임프린트, 나노 사출성형 또는 모세관력 리소그래피 중 선택되는 어느 하나로 형성되는 것을 특징으로 하는, 전도성 나노 또는 마이크로 기둥의 맞물림을 이용한 촉각 센서.

상기와 같은 구성에 의한 본 발명의 전도성 나노 또는 마이크로 기둥의 맞물림을 이용한 촉각 센서는, 전도성 나노 또는 마이크로 기둥을 이용해 수직하중, 전단 하중 및 비틀림 하중을 정확하게 감지할 수 있는 효과가 있다. 특히 탄성이 있는 전도성 나노 또는 마이크로 기둥의 맞물림에 의한 변형에 따라 상기 기둥끼리의 접촉 면적이 변화하고, 또한 탄성력이 있는 상기 기둥을 이루는 0D, 1D, 2D 탄소 물질들의 정렬 특성 변화를 유도함으로써 전압 또는 전류의 변화를 이용하므로 추가적인 전도성 재질의 코팅이 요구되지 않아 내구성이 우수하며, 수직하중, 전단 하중 및 비틀림 하중 발생 시 별도의 변위 측정 장비가 필요하지 않아 제작 및 유지 보수비용이 저렴한 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 촉각 센서 전체 사시도
도 2는 본 발명의 일실시 예의 촉각 센서 정면도
도 3은 본 발명의 촉각 센서 작동 정면도 (수직 하중)
도 4는 본 발명의 촉각 센서 작동 정면도 (전단 하중)

도 1을 참조하면, 본 발명의 일실시 예에 따른 촉각 센서(1000)의 전체 사시도가 도시되어 있다. 도시된 바와 같이 본 발명의 촉각 센서(1000)는 일면으로 하중이 전달되는 제1 층(100)과, 제1 층(100)에서 타면 외측으로 대향 배치되는 제2 층(200)과, 제1 층(100)의 타면 외측으로 연장되는 복수 개의 제1 기둥(300)과, 제2 층(200)의 일면 외측으로 연장되는 복수 개의 제2 기둥(400)을 포함한다. 복수 개의 제1 및 제2 기둥(300, 400)은 각각이 서로 맞물려 결합되며, 제1 층(100)에 가해지는 미세 하중에 따라 제1 및 제2 기둥(300, 400)의 맞물림 상태가 변화되고, 이 변화에 따른 전압, 전류 또는 저항의 변화에 따라 미세 하중의 종류와 세기를 감지하게 된다. 이하, 상기와 같은 본 발명의 일실시 예에 따른 촉각 센서에 대하여 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

도 2에는 본 발명의 일실시 예에 따른 촉각 센서(1000)의 정면도가 도시되어 있다. 도시된 바와 같이 제1 층(100)은 두께가 있는 판상으로 이루어진다. 제1 층(100)은 탄성 재질에 0D, 1D, 2D 나노 구조를 갖는 탄소 물질들을 고루 분산시켜 이루어지며, 일면에 가해지는 하중을 타면에 전달하기 위해 구성된다.

상기 0D, 1D, 2D 나노 구조를 갖는 탄소 물질들로는 카본블랙(carbon black), 카본나노튜브(carbon nanotube), 흑연(graphite), 그래핀(graphene) 등을 사용할 수 있으나 이에 한정하지 않고, 이와 유사한 특성을 갖는 재질이 적용될 수 있음은 자명하다.

상기, 탄성이 있는 재질로는 PDMS(Polydimethylsiloxane)나 PUA(polyurethane acrylate) 등과 같이 탄성을 가지면서 몰딩방법을 이용하여 제1 및 제2 기둥(300, 400)을 형성 할 수 있는 레진을 사용할 수 있으나 이에 한정하지는 않고, 이와 유사한 특성을 갖는 재질이 적용될 수 있음은 자명하다.

제1 층(100)의 타면에는 제1 기둥(300)이 형성된다. 제1 기둥(300)은 제1 층(100)의 타면에서 타측 방향으로 연장 형성되는 돌기 형으로 이루어진다. 제1 기둥(300)은 제1 층(100)의 타면에 복수 개가 소정거리 이격되어 고루 배치될 수 있다. 제1 기둥(300)은 제1 층(100)과 동일한 재질로 이루어지며, 나노 또는 마이크로 사이즈를 갖는 나노 또는 마이크로 기둥으로 구성된다. 제1 기둥(300)을 형성하는 방법으로는 나노 임프린트 방법, 나노 사출성형 방법, 모세관력 리소그래피 방법 등이 사용될 수 있으나 이에 한정하지 않는다. 또한, 복수 개가 구비되는 제1 기둥(300) 각각의 형상은 크기, 이격거리, 종횡비(sapect ratio) 및 모양에서 다양한 값을 가질 수 있다.

제1 기둥(300)은 탄성체인 동시에 전도성을 갖기 때문에 제2 기둥(400)과 서로 맞물려서 변형을 받았을 때 전기적인 성질의 변화가 일어날 수 있다. 제1 기둥(300) 및 제1 층(100)에 전류를 인가하여 저항 신호를 전달하는 구성은 통상의 전기 전달 구성이 적용될 수 있는 바 이에 대한 상세한 설명은 생략한다.

제2 층(200)은 제1 층(100)의 타측 방향으로 소정거리 이격 배치된다. 제2 층(200)은 일면이 제1 층(100)의 타면에 대향하도록 배치된다. 제2 층(200)은 두께가 있는 판상으로 이루어진다. 제2 층(200)은 탄성 재질에 0D, 1D, 2D 나노 구조를 갖는 탄소 물질들을 고루 분산시켜 이루어지며, 제1 층(100)에 가해지는 하중을 감지하기 위해 제1 기둥(300)에 맞물리는 제2 기둥(400)이 일면에 배치된다. 도면상에는 제1 센서돌기(300)와 제2 센서돌기(400)가 서로 이격 배치되는 것으로 도시되어 있으나, 이는 본 발명의 제1 센서돌기(300) 및 제2 센서돌기(400)의 구성에 대한 이해를 돕기 위한 것이며, 실제로는 서로 밀착되어 맞물려 구성될 수 있다. 제2 층(200)의 세부 구성은 상술된 제1 층(100)의 세부 구성과 동일하게 적용될 수 있다.

제2 층(200)의 일면에는 제2 기둥(400)이 형성된다. 제2 기둥(400)은 제2 층(200)의 일면에서 일측 방향으로 연장 형성되는 돌기 형으로 이루어진다. 제2 기둥(400)은 제2 층(200)의 타면에 복수 개가 소정거리 이격되어 고루 배치될 수 있다. 이때 제2 기둥(400)은 제1 기둥(300)과 서로 맞물리도록 구성되며, 제1 기둥(300)의 끝단이 제2 층(200)의 일면에서 소정거리 이격되고, 제2 기둥(400)의 끝단이 제1 층(100)의 타면에서 소정거리 이격되도록 맞물릴 수 있다. 이는 제1 층(100)에 수직 하중이 발생했을 때 제1 기둥(300)이 하중 발생 방향으로 이동하여 제1 기둥(300)과 제2 기둥(400)의 접촉 면적이 변화되도록 하기 위함이다.

제2 기둥(400)은 제1 층(100)과 동일한 재질로 이루어지며, 나노 또는 마이크로 사이즈를 갖는 나노 또는 마이크로 기둥으로 구성된다. 제2 기둥(400)을 형성하는 방법으로는 나노 임프린트 방법, 나노 사출성형 방법, 모세관력 리소그래피 방법 등이 사용될 수 있으나 이에 한정하지 않는다. 또한, 복수 개가 구비되는 제2 기둥(400) 각각의 형상은 크기, 이격거리, 종횡비(sapect ratio) 및 모양에서 다양한 값을 가질 수 있다. 제2 기둥(400) 및 제2 층(200)에 전류를 인가하여 저항 신호를 전달하는 구성은 통상의 전기 전달 구성이 적용될 수 있는 바 이에 대한 상세한 설명은 생략한다.

이하에서는 상기와 같이 구성된 본 발명의 작용에 대하여 도면을 참조하여 설명한다.

도 3에는 제1 층(100)의 일면에 수직 하중이 발생하는 경우의 촉각 센서(1000)의 작동 상태가 도시되어 있다. 도시된 바와 같이 제1 층(100)의 일면에 수직 하중이 발생하면, 수직 하중 발생 부의 제1 기둥(300)이 타방향으로 이동하게 되고, 제2 기둥(400)과의 접촉 면적이 증가한다. 이에 따라 제1 기둥(300)에 맞물린 제2 기둥(400)의 저항의 변화에 의해 하중이 종류가 수직 하중임을 인지하며, 세기를 감지하게 된다.

도 4에는 제1 층(100)의 일면에 전단 하중이 발생하는 경우의 촉각 센서(1000)의 작동 상태가 도시되어 있다. 도시된 바와 같이 제1 층(100)의 일면에 전단 하중이 발생하면, 제1 층(100)이 수평 방향으로 이동하고, 제1 기둥(300)과, 이에 맞물린 제2 기둥(400)이 수평방향으로 변위가 발생하게 된다. 이에 따라 제1 기둥(300)과 제2 기둥(400)의 저항의 변화에 의해 하중의 종류가 전단 하중임을 인지하며, 세기를 감지하게 된다.

상기와 같은 구성을 통해 제1 기둥(300) 및 제2 기둥(400)의 변위를 별도의 측정 장비를 통해 측정하지 않아도 전단 하중 또는 비틀림 하중의 인지 및 세기 감지가 가능한 장점이 있다.

또한, 제1 기둥(300) 및 제2 기둥(400)의 재질이 탄성이 있는 물질에 0D, 1D, 2D 나노 구조를 갖는 탄소 물질을 분산하여 만든 전도성 나노복합체 소재이므로 통전을 위해 따로 전도성 물질을 코팅하지 않아도 됨으로써, 제작공정이 단순화되고, 반복 사용 시 전극 코팅층이 벗겨질 염려가 없어 센서의 내구성이 향상되는 장점이 있다.

본 발명의 상기한 실시 예에 한정하여 기술적 사상을 해석해서는 안 된다. 적용범위가 다양함은 물론이고, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당업자의 수준에서 다양한 변형 실시가 가능하다. 따라서 이러한 개량 및 변경은 당업자에게 자명한 것인 한 본 발명의 보호범위에 속하게 된다.

1000 : 촉각 센서
100 : 제1 층 200 : 제2 층
300 : 제1 기둥 400 : 제2 기둥

Claims

일면에 외부의 하중이 인가되는 제1 층;
상기 제1 층의 타면 외측으로 돌출 형성되며, 전도성 나노 또는 마이크로 재질로 되는 적어도 하나 이상의 제1 기둥;
일면이 상기 제1 층의 타면에 대향하도록 구비되는 제2층; 및
상기 제2 층의 일면 외측으로 돌출 형성되며, 전도성 나노 또는 마이크로 재질로 되는 적어도 하나 이상의 제2 기둥; 를 포함하며,
상기 제1 기둥과, 제2 기둥은 서로 밀착되어 맞물림 결합되며, 상기 제1 기둥의 끝단은 상기 제2 층의 일면에서 소정거리 이격되고, 상기 제2 기둥의 끝단은 상기 제1 층의 타면에서 소정거리 이격되는, 전도성 나노 또는 마이크로 기둥의 맞물림을 이용한 촉각 센서.
제 1항에 있어서,
상기 제1 층, 제2 층, 제1 기둥 및 제2 기둥은,
탄성 재질에 탄소 물질을 고루 분산시켜 이루어지며, 상기 탄소 물질은 카본블랙(carbon black), 카본 나노튜브(carbon nanotube), 흑연(graphite) 또는 그래핀(graphene) 중 선택되는 적어도 하나 이상인 것을 특징으로 하는 전도성 나노 또는 마이크로 기둥의 맞물림을 이용한 촉각 센서.
제 2항에 있어서,
상기 탄성 재질은,
탄성을 갖고 몰딩 성형을 이용하여 상기 제1 및 제2 기둥의 형성이 가능하도록 PDMS(Polydimethylsiloxane) 또는 PUA(polyurethane acrylate)인 것을 특징으로 하는, 전도성 나노 또는 마이크로 기둥의 맞물림을 이용한 촉각 센서.
제 3항에 있어서,
제1 기둥 및 제2 기둥은,
나노 임프린트, 나노 사출성형 또는 모세관력 리소그래피 중 선택되는 어느 하나로 형성되는 것을 특징으로 하는, 전도성 나노 또는 마이크로 기둥의 맞물림을 이용한 촉각 센서.