KR101533974B1 - 센서 및 그 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 센서 및 센서 제조 방법에 관한 것으로, 본 발명의 일 실시예에 따른 센서는 기판부, 상기 기판부 상부로 돌출되며 탄성을 갖는 복수 개의 돌기로 이루어진 돌기부, 및 전기 전도성을 가지며 상기 돌기 및 상기 돌기 사이에 노출된 상기 기판부 상부를 덮는 전극부를 포함하여 이루어져 마이크로 사이즈로 구현이 가능하며 압력 및 미끄러짐을 모두 감지할 수 있는 것을 특징으로 한다.

Description

센서 및 그 제조방법{Sensor and Method for Manufacturing the Sensor}

본 발명은 센서 및 그 제조방법에 관한 것이다. 보다 구체적으로 본 발명은 전기저항의 변화를 이용하여 압력 및 미끄러짐을 감지할 수 있으며, 마이크로 사이즈로 구현이 가능한 센서 및 그 제조방법에 관한 것이다.

최근 로봇산업이 발달함에 따라 인간처럼 다양한 작업을 수행할 수 있는 인간형 로봇의 개발이 요구되고 있다.

이러한 인간형 로봇은 인간처럼 물체를 적절하게 파지하기 위해서 손가락에 해당하는 접촉단부에 미끄러짐을 탐지할 수 있는 슬립 센서가 부착되어 접촉단부가 최소한의 마찰력을 가질 수 있도록 구성되어야 인간과 유사한 역할을 수행할 수 있다.

이러한 요구에 따라 다양한 형태의 센서들이 개발되었으나 종래 센서들은 대부분 구조가 복잡하고 크기가 큰 단점을 가지고 있어 제조 공정상의 어려움이 있을 뿐만 아니라 인간형 로봇의 손에 부착되기 어려운 문제점이 있다.

등록특허공보 제10-1261137호

상술한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 탄성을 갖는 돌기부의 움직임에 따라 가변되는 전기 저항을 측정하여 압력 및/또는 미끄러짐을 감지할 수 있는 센서 및 그 제조방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 임프린트 공정을 이용하여 제조함으로써 마이크로 사이즈로 제작될 수 있으며 대량 생산이 가능한 센서 및 그 제조방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 탄성 유전체로 이루어져 인간의 피부와 같은 유연성을 실현할 수 있는 센서 및 그 제조방법을 제공하는 것이다.

상술한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 센서는 기판부; 상기 기판부 상부로 돌출되며 탄성을 갖는 복수 개의 돌기로 이루어진 돌기부; 및 전기 전도성을 가지며, 상기 돌기 및 상기 돌기 사이에 노출된 상기 기판부 상부를 덮는 전극부를 포함하여 이루어진다.

또한 상기 돌기의 높이가 이웃하는 돌기와의 간격보다 길게 형성되어 있으며, 상기 기판부에 수평 방향의 힘이 작용할 경우 기울어지며, 작용하는 힘이 제거될 경우 제자리로 돌아오도록 구성할 수 있다.

상기 돌기는 상기 상부에서 평면적으로 봤을 때 지문과 같은 패턴을 갖도록 구성할 수 있으며, 상기 기판부에 일체로 형성할 수도 있다.

또한 기판부와 돌기는 탄성 유전체로 이루어질 수 있고, 전극부는 그래핀 물질로 이루어질 수 있다.

상기 센서는 전극부의 일측과 타측 사이의 전기 저항값을 측정하는 측정부; 상기 측정부에서 측정된 전기 저항값을 분석하여 센서에 작용하는 압력 또는 센서의 미끄러짐을 계산하는 연산부를 더 포함하여 이루어질 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 센서 제조 방법은 탄성 유전체로 기판부를 형성하는 기판부 형성 단계; 상기 기판부 상부에 탄성 유전체로 이루어진 복수 개의 돌기를 형성하는 돌기부 형성 단계; 및 돌기부가 형성된 상기 필름 상부를 덮도록 전도성 물질을 도포하여 전극부를 형성하는 전극부 형성 단계를 포함하여 이루어진다.

상기 돌기부 형성 단계에서 복수 개의 오목부를 갖는 스탬프를 상기 필름 상부에 가압하여 상기 복수 개의 돌기를 형성할 수 있으며, 이때 스탬프는 오목부의 깊이가 서로 이웃하는 오목부 사이의 간격보다 큰 일정한 패턴을 갖도록 형성할 수 있다.

상기 전극부 형성 단계에서 그래핀 물질을 스프레이 공정을 이용하여 돌기부가 형성된 상기 필름 상부에 도포하여 전극부를 형성할 수 있으며, 그래핀 물질은 상기 돌기의 높이 및 복수 개의 돌기들 사이의 간격보다 작은 직경을 갖는 그래핀 입자로 이루어진다.

본 발명은 탄성을 갖는 돌기부의 움직임에 따라 가변되는 전기 저항을 측정하여 압력 및/또는 미끄러짐을 감지할 수 있으며, 마이크로 사이즈로 대량 생산이 가능하며, 인간의 피부와 같은 유연성을 실현할 수 있는 센서 및 그 제조방법을 제공하는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 센서의 단면도이다.
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 센서의 움직임을 보여주는 도면이다.
도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 센서에 수직방향 힘이 주어졌을 때 전기적 경로 변화를 보여주는 도면이다.
도 4는 본 발명의 제2 실시예에 따른 센서의 움직임을 보여주는 도면이다.
도 5는 본 발명의 제2 실시예에 따른 센서에 수평방향 힘이 주어졌을 때 전기적 경로 변화를 보여주는 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 센서 제조 방법을 보여주는 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 센서 제조 방법에 따라 제조된 센서를 현미경으로 촬영한 사진이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 센서를 이용한 센싱 시스템의 구성도이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 센서를 테스트하기 위한 실험 시스템의 개략도이다.
도 10은 도 9에 도시된 실험에서 측정된 마찰력, 센서의 전기저항 및 레이저 변위센서에 의해 측정된 변위를 보여주는 그래프이다.

이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명에 따른 센서 및 그 제조방법에 대해 상세히 설명하기로 한다.

하기의 설명에서는 본 발명의 실시예에 따른 센서 및 그 제조방법을 이해하는데 필요한 부분만이 설명되며 그 이외 부분의 설명은 본 발명의 요지를 흩뜨리지 않도록 생략될 수 있다.

또한, 이하에서 설명되는 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 본 발명을 가장 적절하게 표현할 수 있도록 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야 한다.

도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 센서를 보여주는 단면도이다.

도 1에 도시된 바와 같이 본 발명의 제1 실시예에 따른 센서는 기판부(10), 돌기부(20), 전극부(30)를 포함하여 이루어진다.

기판부(10)는 본 발명의 제1 실시예에 따른 센서의 베이스가 되는 부분으로서 돌기가 형성되지 않은 하부면이 본 발명에 따른 센서가 부착될 로봇 등과 접촉하는 부분이다. 따라서 접촉면이 곡면이거나 울퉁불퉁한 경우에도 본 발명에 따른 센서가 잘 부착될 수 있도록 기판부(10)가 유연성을 갖도록 구성하는 것이 바람직하다. 따라서 신축성이 있는 물질로 기판부를 형성하거나 기판부의 두께를 얇게 형성하는 것이 바람직하다.

돌기부(20)는 상기 기판부(10) 상부면에 형성된 복수 개의 돌기로 이루어진다. 상기 돌기는 도 1에 도시된 바와 같이 상기 기판부 상부면으로부터 상부로 돌출된 형상을 가진다.

또한 상기 돌기는 탄성을 갖는 물질로 이루어져 기판부에 수직 방향(돌기의 높이 방향, 도면에서의 상하 방향)의 힘이 작용할 경우 도 2에 도시된 바와 같이 수축(l<l')하며, 작용하는 힘이 제거될 경우 다시 원래의 자리로 되돌아올 수 있어야 한다.

전극부(30)는 돌기부(20)가 형성된 기판부(10) 상부를 덮도록 형성되며, 전기가 흐를 수 있도록 전기 전도성을 가져야 한다.

특히 전극부(30)가 돌기부가 형성된 기판부 상부를 덮도록 형성되더라도 돌기는 도 2에 도시된 바와 같이 수직 방향의 힘이 작용할 경우 수축되며, 작용하는 힘이 제거될 경우 다시 원래의 자리로 되돌아올 수 있는 유연성을 유지할 수 있어야 한다. 이를 위해 전극부는 돌기부가 형성된 기판부 상부에 얇게 형성되는 것이 바람직하며, 돌기의 움직임이 반복되더라도 파손되지 않는 물질로 형성되어야 한다.

위와 같은 본 발명의 제1 실시예에 따른 센서는 센서에 압력이 작용했는지 여부를 판단할 수 있는 압력 센서로서 작동할 수 있으며, 압력이 작용했는지 여부는 전극부(30)의 일측과 타측 사이의 전기 저항을 측정하여 판단할 수 있다.

이를 보다 상세히 설명하면, 도 3(a)에 도시된 바와 같이 센서에 압력이 작용하지 않은 경우 전극부의 A로부터 A'까지의 전기적 경로는 S와 같다. 하지만 센서에 물체(O)가 접촉하여 압력이 가해질 경우 도 3(b)에 도시된 바와 같이 수직 방향의 힘이 가해지게 되고 이에 의해 돌기가 수축된다. 이 경우 전극부의 A로부터 A'까지의 전기적 경로는 S''가 되고 압력이 작용하지 않은 경우의 경로 S에 비해 전기적 경로가 짧아진다. 따라서 전극부의 A와 A' 사이의 전기적 저항은 압력이 작용했을 때 감소하게 되며, 이러한 전기적 저항의 변화로 미끄러짐 발생을 판단할 수 있다.

따라서 본 발명의 제1 실시예에 따른 센서를 손에 부착한 로봇은 사람의 손처럼 손이 다른 물건에 닿았는지 여부를 감지할 수 있게 된다.

도 4에 본 발명의 제2 실시예에 따른 센서(100')가 도시되어 있다.

본 발명의 제2 실시예에 따른 센서는 제1 실시예에 따른 센서와 달리 돌기부(20')가 수평 방향(돌기의 높이 방향에 대해서는 수직 방향, 도면에서의 좌우 방향)의 힘이 작용했을 때 도 4에 도시된 바와 같이 기울어지며 작용하는 힘이 제거될 경우 다시 원래의 자리로 되돌아올 수 있어야 한다.

이를 위해 상기 돌기는 제1 실시예에서와 동일하게 탄성을 갖는 물질로 이루어지는 것이 바람직하며, 후술할 돌기들 사이의 접촉을 위해 복수 개 돌기들 사이의 간격 보다 돌기의 높이(l)를 길게 형성한다.

본 발명의 제2 실시예에 따른 센서는 돌기부를 제외한 나머지 구성은 제1 실시예와 동일하므로 나머지 구성요소에 대한 설명은 생략한다.

위와 같은 본 발명의 제2 실시예에 따른 센서는 미끄러짐이 발생했는지 여부를 판단할 수 있는 슬립 센서로서 작동할 수 있으며, 미끄러짐이 발생했는지 여부는 전극부(30)의 일측과 타측 사이의 전기 저항을 측정하여 판단할 수 있다.

이를 보다 상세히 설명하면, 도 5(a)에 도시된 바와 같이 미끄러짐이 발생하지 않은 경우 전극부의 A로부터 A'까지의 전기적 경로는 S와 같다. 하지만 센서에 접촉한 물체(O)가 미끄러질 경우 도 5(b)에 도시된 바와 같이 수평 방향의 힘이 가해지게 되고 이에 의해 돌기가 기울어지면서 서로 이웃하는 돌기와 접촉되게 된다.

이 경우 전극부의 A로부터 A'까지의 전기적 경로는 S'가 되고 미끄러짐이 발생하지 않은 경우의 경로 S에 비해 전기적 경로가 짧아진다. 따라서 전극부의 A와 A' 사이의 전기적 저항은 미끄러짐이 발생했을 때 감소하게 되며, 이러한 전기적 저항의 변화로 미끄러짐 발생을 판단할 수 있다.

따라서 본 발명의 제2 실시예에 따른 센서를 손에 부착한 로봇은 파지한 물건이 손에서 미끄러지는지 여부를 감지할 수 있으며 이 경우 더 힘을 가하여 파지한 물건이 손에서 떨어지지 않도록 할 수 있다.

이러한 본 발명의 실시예들에 따른 센서는 도 6에 예시적으로 도시된 방법에 따라 제조할 수 있으며, 이를 상세히 설명하면 다음과 같다.

우선, 도 6(a)에 도시된 바와 같이, 센서의 베이스가 될 기판부(10)를 형성한다(S1: 기판부 형성 단계).

기판부(10)는 앞서 설명한 바와 같이 얇고 신축성이 있는 물질로 형성하는 것이 바람직하다. 따라서 니트릴 부타디엔 러버(NBR: Nitrile Butadiene Rubber)와 같은 탄성 유전체를 사용하여 형성하는 것이 바람직하고, NBR을 사용하여 기판부(10)를 형성할 때 NBR 용액을 도포한 후 이를 오븐에 구워 얇은 필름 형태의 기판부(10)를 형성한다.

다음으로 기판부(10) 상부에 복수 개의 돌기를 형성한다(S2: 돌기부 형성 단계).

돌기는 별도로 형성하여 기판부(10) 상부에 부착할 수도 있으나 기판부와 돌기부 모두 탄성을 갖는 물질로 형성하여야 하고 돌기가 외력에 의해 기울어지거나 수축된 후 제자리로 돌아가더라도 기판부에서 떨어지지 않아야 하므로 기판부와 일체로 형성하는 것이 바람직하다.

이를 위해 도 6(b)~(d)에 도시된 바와 같이 임프린트 방법을 이용하여 돌기부(20)를 형성할 수 있다.

즉, 형성하고자 하는 돌기부의 형상에 대응하는 복수 개의 오목부를 갖는 스탬프(P)를 만들고, 임프린트 공압 챔버(미도시) 내에서 기판부(10) 상부를 스탬프로 가압한 후 제거하면 기판부(10) 상부에 스탬프(p)에 대응하는 복수 개의 돌기가 형성된다.

이렇게 복수 개의 돌기가 형성된 기판부 상부에 전극부(30)를 형성하기 위해 스프레이 공정을 이용하여 그래핀 물질을 균일하게 도포한다(S3: 전극부 형성 단계).

위와 같은 방법에 의해 제조한 본 발명에 따른 센서를 현미경으로 촬영한 사진이 도 7에 도시되어 있다.

본 발명에 따른 센서는 임프린트 방법을 사용하여 돌기를 형성하기 때문에 도 7에 도시된 바와 같이 돌기의 폭과 돌기들 사이의 간격을 사람의 지문보다 작은 마이크로 사이즈로 형성하는 것이 가능하다. 도 7에 도시된 센서를 형성하기 위해 사용된 스탬프(P)의 오목부 깊이는 70㎛, 오목부 사이의 간격은 20㎛이다.

또한 전극부(30)를 형성하기 위해 사용되는 그래핀 물질은 나노 단위 입자를 갖기 때문에 마이크로 사이즈로 돌기를 형성한 후 그 상부에 전극부를 형성하더라도 마이크로 사이즈의 돌기 형상이 그대로 유지될 수 있다.

따라서 웨이퍼에 리소그래피 방법을 이용하여 평면적으로 봤을 때 사람의 지문과 같은 패턴을 갖는 다수의 오목부를 새겨 스탬프(P)를 만들고 이를 이용하여 본 발명에 따른 센서를 만들어 인간형 로봇의 손에 부착할 경우 로봇은 사람과 같이 물체와의 접촉 및 미끄러짐을 감지할 수 있게 된다.

또한 본 발명의 일 실시예에 따른 센서는 도 1에 도시된 바와 같이 간단한 구조를 가지며, 그 제조 방법에 있어서도 한번 제작된 스탬프(P)를 기판부에 가압하여 그 형태를 전사하고 이를 반복하여 사용할 수 있기 때문에 마이크로 사이즈의 센서를 간단히 대량 생산할 수 있다.

이렇게 생산된 본 발명의 일 실시예에 따른 센서를 로봇에 부착하고 도 8에 도시된 바와 같이 전극부(30)의 일측과 타측 사이의 전기 저항을 측정하는 측정부(40)를 구비할 경우 로봇의 제어부와 같은 연산부(50)에서 측정부에서 측정된 저항값을 이용하여 센서가 부착된 부분에 접촉 및/또는 미끄러짐이 발생하였는지 여부를 판단할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 센서를 앞서 압력을 감지할 수 있는 제1 실시예와 미끄러짐을 감지할 수 있는 제2 실시예로 나누어 설명하였다. 그러나 본 발명의 일 실시예에 따른 제조 방법으로 제조한 센서(100)는 돌기 사이의 간격보다 돌기의 높이를 길게 형성할 경우 제1 실시예와 제2 실시예에 따른 특징을 모두 가지게 된다.

즉, 탄성을 갖는 재질로 돌기를 형성했을 때 수평 방향의 힘에 의해 돌기가 기울어지고, 수직 방향의 힘이 작용했을 때 돌기가 수축되며, 작용하는 힘이 제거되었을 때 처음의 형상으로 되돌아와 압력과 미끄러짐을 모두 감지할 수 있다.

따라서 이러한 본 발명의 일 실시예에 따른 센서를 부착한 로봇은 센서가 부착된 부분에 작용하는 압력 및 미끄러짐을 모두 감지할 수 있게 된다. 이를 도 9에 도시된 방법으로 실험하였다.

실험 방법을 보다 상세히 설명하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 센서(100) 위에 물체(O)를 올려놓고 Y축 푸쉬-풀 게이지를 이용하여 수직방향 힘(F_N)을 일정하게 가하여 일정한 마찰력을 가한 후, 가로방향 힘(F_T)을 가하여 미끄러짐을 발생시키면서 이때 센서의 전지적 변화를 측정하였으며, 미끄러짐이 발생하는 순간을 확인하기 위해 레이저 변위기를 이용하여 물체의 움직임을 확인하였다.

이 결과 도 10에 도시된 바와 같이 센서에 힘이 가해지지 않은 구간(구간 (1))에서는 센서의 저항값 변화가 없다가 물체와 센서의 접촉으로 수직방향의 힘이 가해졌을 때(약 0.5초경, 도 10 위쪽 그래프 참조) 센서의 저항값(도 10의 중간 그래프)이 감소함을 확인할 수 있었으며, 이때 레이저 변위기에 의해 측정된 변위(도 10의 아래 그래프 참조)가 없으므로 본 발명에 따른 센서가 미끄러짐 없는 외부 압력을 감지할 수 있음을 확인할 수 있었다.

또한 센서에 힘이 계속 가해지나 미끄러짐이 발생하지 않은 구간(구간(2))에서 센서의 저항값은 한차례 감소된 저항값을 계속 유지하다가 미끄러짐이 발생한 순간(약 1.25초경)에 다시 저항값이 감소함을 확인할 수 있었다. 이에 의해 본 발명에 따른 센서가 미끄러짐을 감지할 수 있음 역시 확인할 수 있었다.

지금까지 본 발명에 따른 센서 및 센서 제조 방법을 구체적인 실시예를 참조로 한정되게 설명하였다. 그러나 본 발명은 이러한 구체적인 실시예에 한정되지 않으며, 특허청구범위에서 청구된 발명의 사상 및 그 영역을 이탈하지 않으면서 다양한 변화 및 변경이 있을 수 있음을 이해하여야 할 것이다.

10 : 기판부 20 : 돌기부
30 : 전극부 40 : 측정부
50 : 연산부 100 : 센서

Claims (13)

1. 비전도성 기판부;
   상기 기판부 상부로 돌출되며 탄성을 갖는 복수 개의 돌기로 이루어진 비전도성 돌기부; 및
   전기 전도성을 가지며, 상기 복수 개의 돌기 및 상기 복수 개의 돌기 사이에 노출된 상기 기판부 상부가 전기적으로 연결되도록 복수 개의 돌기가 형성된 기판부 상부를 일체로 덮는 전극부;
   를 포함하여 이루어지며, 상기 돌기부는 상기 돌기의 높이가 이웃하는 돌기와의 간격보다 길게 형성되어 상기 기판부에 수평 방향의 힘이 작용할 경우 돌기가 기울어져 이웃하는 돌기와 접촉함으로써 상기 전극부의 일측으로부터 타측까지의 전기적 경로가 단축되는 센서.
   
2. 삭제
3. 제1항에 있어서,
   상기 돌기는 상기 상부에서 평면적으로 봤을 때 지문과 같은 패턴을 갖는 센서.
   
4. 제1항에 있어서,
   상기 돌기는 상기 기판부에 일체로 형성된 센서.
   
5. 제1항에 있어서,
   상기 기판부와 상기 돌기는 탄성 유전체로 이루어진 센서.
   
6. 제1항에 있어서,
   상기 전극부는 그래핀 물질로 이루어진 센서.
   
7. 제1항에 있어서,
   상기 일측과 상기 타측 사이의 전기 저항값을 측정하는 측정부를 더 포함하여 이루어진 센서.
   
8. 제7항에 있어서,
   상기 측정부에서 측정된 전기 저항값을 분석하여 센서에 작용하는 압력 또는 센서의 미끄러짐을 계산하는 연산부를 더 포함하여 이루어진 센서.
   
9. 탄성 유전체로 기판부를 형성하는 기판부 형성 단계;
   상기 기판부 상부에 탄성 유전체로 이루어진 복수 개의 돌기를 형성하되 돌기의 높이가 이웃하는 돌기와의 간격보다 길게 형성하는 돌기부 형성 단계; 및
   돌기부가 형성된 상기 기판부 상부를 일체로 덮도록 전도성 물질을 도포하여 상기 복수 개의 돌기와 복수 개의 돌기 사이에 노출된 상기 기판부가 전기적으로 연결되며, 상기 기판부에 수평 방향의 힘이 작용할 경우 돌기가 기울어져 이웃하는 돌기와 접촉함으로써 일측으로부터 타측까지의 전기적 경로가 단축되는 전극부를 형성하는 전극부 형성 단계;
   를 포함하여 이루어지는 센서 제조 방법.
   
10. 제9항에 있어서,
    상기 돌기부 형성 단계에서 복수 개의 오목부를 갖는 스탬프를 상기 기판부 상부에 가압하여 상기 복수 개의 돌기를 형성하는 센서 제조 방법.
    
11. 제10항에 있어서,
    상기 스탬프는 오목부의 깊이가 서로 이웃하는 오목부 사이의 간격보다 큰 일정한 패턴을 갖는 센서 제조 방법.
    
12. 제9항에 있어서,
    상기 전극부 형성 단계에서 그래핀 물질을 스프레이 공정을 이용하여 돌기부가 형성된 상기 필름 상부에 도포하여 전극부를 형성하는 센서 제조 방법.
    
13. 제12항에 있어서,
    상기 그래핀 물질은 상기 돌기의 높이 및 복수 개의 돌기들 사이의 간격보다 작은 직경을 갖는 그래핀 입자로 이루어진 센서 제조 방법.

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