KR101643172B1 - 전도성 잉크를 이용한 접촉 힘센서 가공 방법 - Google Patents

전도성 잉크를 이용한 접촉 힘센서 가공 방법 Download PDF

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류영선
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Abstract

본 발명은 전도성 잉크를 이용하여 접촉 힘센서를 설계 및 가공하는 방법에 관한 것이다.
본 발명의 일면에 따른 전도성 잉크를 이용한 접촉 힘센서 가공 방법은 액상재료의 주입을 위한 게이트와 돌기가 음각되어 가공된 몰드를 형성하는 단계와, 전도성 잉크 및 실리콘 고무가 배합된 액상재료를 몰드에 주입시키는 단계와, 액상재료가 건조되면 이를 몰드와 분리하여 센서 어레이를 획득하는 단계 및 센서 어레이에 포함된 센서 돌기와 더미 돌기에 대하여 디텍트 레이어와 결합하는 작업을 수행하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

전도성 잉크를 이용한 접촉 힘센서 가공 방법{METHOD FOR PROCESSING TACTILE FORCE SENSOR USING CONDUCTIVE INK}
본 발명은 전도성 잉크를 이용하여 접촉 힘센서를 설계 및 가공하는 방법에 관한 것이다.
종래 기술에 따르면, 접촉 힘센서를 제작하는 분야에 있어서 MEMS 기술을 이용하는 방식, 캐패시터(capacitor), 압전 저항(piezoresistor), PVDF와 피에조(piezo)를 융합하는 방식이 제안되었다.
최근에는 인간의 손가락의 기능을 모사하여 감촉을 파악할 수 있는 로봇 센서(BioTac)가 소개되며, 로봇 핸드 손가락에 부착되어 힘을 측정하는 센서로 제안되었으며, 이러한 센서는 liquid fluid filled 타입으로 제작된다.
종래 기술에 따른 방식으로 제작된 센서들은 제작 단가가 상당히 높은 문제점이 있다.
본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 전도성 잉크 및 탄성체를 이용하여 제작 단가를 줄이면서도 플렉서블(flexible)한 특성, 전도성 및 탄성력을 가지는 접촉 힘센서의 설계 및 가공 방법을 제공하는 데 목적이 있다.
본 발명의 일면에 따른 전도성 잉크를 이용한 접촉 힘센서 가공 방법은 액상재료의 주입을 위한 게이트와 돌기가 음각되어 가공된 몰드를 형성하는 단계와, 전도성 잉크 및 실리콘 고무가 배합된 액상재료를 몰드에 주입시키는 단계와, 액상재료가 건조되면 이를 몰드와 분리하여 센서 어레이를 획득하는 단계 및 센서 어레이에 포함된 센서 돌기와 더미 돌기에 대하여 디텍트 레이어와 결합하는 작업을 수행하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 다른 면에 따른 전도성 잉크를 이용한 접촉 힘 센서는 전도성 잉크 및 실리콘 고무가 배합된 액상재료가 건조되어 형성되는 센서 돌기 및 액상재료와 동일한 배합비로 형성되어 센서 돌기와 동일한 모양으로 형성되는 더미 돌기를 포함하고, 센서 돌기 및 더미 돌기는 디텍트 레이어에 가까워질수록 그 횡단면의 면적이 일정하거나 또는 삼각형, 사각형, 원호 모양 등으로 형성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 전도성 잉크를 이용한 접촉 힘센서 가공 방법은 전도성 잉크와 실리콘의 배합비를 조절하여 전기 전도도 및 탄성력을 모두 가지는 접촉 힘센서를 용이하게 획득하는 것이 가능한 효과가 있다.
본 발명에 따르면 몰드를 이용하여 센서의 사용 목적에 따라 다양한 단면 형상을 갖는 센서 구조를 획득하고, 이를 배열하여 센서 어레이를 형성하며, 센서 돌기와 동일한 크기, 재질, 모양을 가지는 더미(dummy) 돌기를 다양하게 조합하여 배치함으로써, 센서 돌기의 탄성 변형에 따른 저항 변화를 측정하여 작용된 힘을 측정하는 것이 가능하다.
본 발명에 따른 더미 돌기는 탄성력을 가지는 센서 돌기에 외력이 가해지는 경우, 다른 돌기에 생기는 반발력(reaction force)에 의한 외란(disturbance)의 영향을 최소화시키는 효과가 있다.
본 발명에 따른 센서 어레이는 낮은 제작 단가로 생산하는 것이 가능하여 경제적 효과가 있으며, 사용자는 원하는 크기로 센서 어레이를 잘라서 사용이 가능하므로, 산업용 로봇 또는 일반적인 물품에서 가해지는 힘을 측정하기 위한 용도로 적용성이 뛰어난 장점이 있다.
또한, 플렉서블 특성을 가진 센서 어레이를 이용하여, 평면만이 아니라 굴곡이 있는 면에도 유연하게 부착하는 것이 가능하다.
본 발명의 효과는 이상에서 언급한 것들에 한정되지 않으며, 언급되지 아니한 다른 효과들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 전도성 잉크를 이용한 접촉 힘센서 가공 방법을 나타내는 순서도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 상판 게이트를 나타내는 사시도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 상판 게이트의 상면도 및 측단면도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 게이트 및 원뿔 모형의 돌기를 포함하는 몰드를 나타내는 사시도이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 원뿔 모형의 돌기를 포함하는 몰드의 상면도 및 측단면도이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 완곡형 원뿔 모형의 돌기를 포함하는 몰드를 나타내는 사시도이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 완곡형 원뿔 모형의 돌기를 포함하는 몰드의 상면도 및 측단면도이다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 원기둥 모형의 돌기를 포함하는 몰드를 나타내는 사시도이다.
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 원기둥 모형의 돌기를 포함하는 몰드의 상면도 및 측단면도이다.
도 10은 본 발명의 실시예에 따른 삼각뿔 모형의 돌기를 포함하는 몰드를 나타내는 사시도이다.
도 11은 본 발명의 실시예에 따른 센서 돌기 및 더미 돌기의 배치를 나타내는 예시도이다.
도 12는 본 발명의 실시예에 따른 더미 돌기의 배치를 나타내는 예시도이다.
도 13은 본 발명의 실시예에 따른 센서 어레이 및 디텍트 어레이의 배치 구조를 나타내는 예시도이다.
본 발명의 전술한 목적 및 그 이외의 목적과 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다.
그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 이하의 실시예들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 목적, 구성 및 효과를 용이하게 알려주기 위해 제공되는 것일 뿐으로서, 본 발명의 권리범위는 청구항의 기재에 의해 정의된다.
한편, 본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함한다(comprises)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급된 구성소자, 단계, 동작 및/또는 소자가 하나 이상의 다른 구성소자, 단계, 동작 및/또는 소자의 존재 또는 추가됨을 배제하지 않는다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 전도성 잉크를 이용한 접촉 힘센서 가공 방법을 나타내는 순서도이다.
본 발명의 실시예에 따르면, 전도성 및 탄성력을 동시에 구비하는 센서 어레이를 획득하고자, 전도성 잉크(conductive ink) 및 실리콘 고무(silicon elastomer or rubber)를 배합한 액상재료를 이용하여 센서 어레이를 획득한다.
본 발명의 실시예에 따른 전도성 잉크를 이용한 접촉 힘센서 가공 방법은 사용 목적에 따라 다양한 단면형상을 가지는 돌기와 게이트를 포함하는 몰드를 형성하는 단계(S100)와, 전도성 잉크 및 실리콘 고무가 배합된 액상재료를 몰드에 주입시키는 단계(S200)와, 액상재료가 건조되면 이를 몰드와 분리하여 센서 어레이를 획득하는 단계(S300) 및 센서 어레이에 포함된 센서 돌기와 더미 돌기를 디텍트 레이어와 결합하는 작업을 수행하는 단계(S400)를 포함한다.
S100 단계는 전도성 잉크와 실리콘 고무의 액상재료가 주입되는 게이트가 있고 사용목적에 따라 다양한 단면 형상의 돌기가 음각되어 있는 몰드를 형성한다.
도 2 및 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 상판 게이트(1)를 나타내는 사시도, 상단면도 및 측단면도이며, 도시된 바와 같이, 상판 게이트의 가운데 구멍(10)으로 액상재료가 주입된다.
도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이 몰드(2)에는 액상재료가 주입되어 돌기 형상으로 형성된다.
도 4 및 도 5에 도시된 예시에 따르면, 9개의 센서돌기(20a)가 배치되어 있으며, 이러한 돌기형상은 사용목적에 따라 다양한 단면형상을 가진다.
즉, 도 5에 도시된 예시에 따르면, 상면에서 바라본 몰드(2)에 대하여, A-A’를 연결하는 가상의 선을 기준으로 한 측단면도에 나타낸 바와 같이, 돌기형상은 목적에 따라 원뿔 모형으로 형성된다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 완곡형 원뿔 모형의 돌기를 포함하는 몰드의 사시도, 도 7은 본 발명의 실시예에 따른 완곡형 원뿔 모형의 돌기를 포함하는 몰드의 상면도 및 측단면도이다.
또한, 도 8은 본 발명의 실시예에 따른 원기둥 모형의 돌기를 포함하는 몰드를 나타내는 사시도이며, 도 9는 본 발명의 실시예에 따른 원기둥 모형의 돌기를 포함하는 몰드의 상면도 및 측단면도이다.
도 10은 본 발명의 실시예에 따른 삼각뿔 모형의 돌기를 포함하는 몰드를 나타내는 사시도이다.
이와 같이, 사용목적에 따라 돌기형상은 다양한 단면 형상을 가지도록 몰드(2)가 형성된다.
S200 단계는 전기 전도도 및 탄성을 고려하여 기설정된 배합비에 따라 배합된 액상재료를 상판 게이트(1)를 통하여 몰드(2)에 주입시키는 단계이다.
형성된 몰드(2) 전체에 액상재료를 뿌려주고 압력을 주어서 눌러주면, 형성된 돌기 모양(20)에 액상재료가 채워진다.
S300 단계는 몰드(2)에 주입된 액상재료를 실온에서 건조시키고, 건조된 액상재료를 몰드(2)로부터 분리하여 센서 어레이를 획득하는 단계이다.
전술한 바와 같이, 전기 전도도 특성을 가지는 전도성 잉크와, 탄성체인 실리콘 고무를 배합한 액상재료를 이용하여 센서 어레이를 획득하므로, 이러한 센서 어레이는 전도성 및 탄성 특성을 모두 가지게 된다.
전도성 잉크 및 실리콘 고무의 혼합비에 따라 전기 전도도 및 강성이 결정되는데, 전도성 잉크의 비율이 높아지면 전기 전도도는 높아지나 쉽게 부서져 내구성에 문제가 생긴다.
또한, 탄성을 높이기 위하여 실리콘 고무의 비율을 높이게 되는 경우 전기 전도도가 낮아져, 센서로 활용할 수 없게 되는 문제점이 있다.
따라서, 본 발명의 실시예에 따르면, 센서로서 사용 가능한 전기 전도도 및 탄성 특성을 모두 가질 수 있도록 기설정된 배합비로 전도성 잉크와 실리콘 고무가 배합되어 액상재료를 형성한다.
도 11은 본 발명의 실시예에 따른 센서 돌기(100) 및 더미 돌기(200)의 배치를 나타내는 예시도이고, 도 12는 본 발명의 실시예에 따른 더미 돌기(200)의 배치를 나타내는 예시도이다.
본 발명의 실시예에 따라 획득된 센서 어레이에는 센서 돌기(100)와 더미 돌기(200)가 포함된다.
일례로서, 전술한 몰드(2)의 9개의 돌기모양으로 주입된 액상재료가 성형되고, 이중 가운데 돌기를 포함한 방사 형태의 5개의 돌기가 각각의 센서로 사용되는 경우, 나머지 4개의 돌기가 더미 돌기(200)로 사용된다.
이 때, 더미 돌기(200)는 센서 어레이를 디텍트 레이어(300)에 고정시켜주는 부분으로서, 디텍트 레이어(300)에서 접지된다.
이러한 더미 돌기(200)는 탄성력을 가지는 센서 돌기(100)에 외력이 가해지는 경우, 다른 돌기로부터 받게 되는 반발력을 최소화하기 위하여, 센서 돌기(100)와 동일한 크기, 모양, 재질로 형성된다.
도 12에 도시된 바와 같이, 더미 돌기(200)의 배치는 설계에 따라 다양한 조합으로 변경하여 배치가 가능하다.
도 13은 본 발명의 실시예에 따른 센서 어레이 및 디텍트 어레이의 배치구조를 나타내는 예시도이다.
본 발명의 실시예에 따른 S400 단계는 센서 돌기(100)를 디텍트 레이어(300)의 연결선(310)과 접속시키고, 더미 돌기(200)를 접지시키는 단계이다.
도 13에서는 센서 어레이 중 더미 돌기를 제외한 5개의 센서 돌기(100)만을 도시하였으며, 디텍트 레이어(300)는 FPCB(Flexible PCB)이다.
본 발명에 따르면, 탄성력을 가진 센서 어레이 및 FPCB인 디텍트 레이어(300)를 이용하여 접촉 힘센서를 설계하므로, 평면뿐 아니라 굴곡진 면에도 이를 배치하는 것이 가능하다.
전술한 바와 같이, 더미 돌기(200)에는 GND가 연결되며, 센서 돌기(100)에는 전원 및 신호선이 연결된다.
외부에서 센서 어레이에 대하여 외력이 가해지는 경우, 센서 돌기(100)에 변형이 생기고, 그에 따라 저항값이 변하며, 변화된 수치를 측정하여 힘의 환산이 가능하다.
이러한 센서 어레이의 감도는 센서 돌기(100)의 형상 및 크기에 따라 달라지게 되며, 몰드(2)를 제작함에 있어 돌기 형상을 그 설계에 따라 조정하여 센서 돌기(100) 및 더미 돌기(200)의 형상 및 크기를 조절할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따라 제작된 센서 어레이는 그 자체가 탄성을 가지는 하나의 전도체 이므로, 사용자는 사용하고자 하는 목적에 따라 원하는 크기로 잘라서 사용할 수 있어 적용성 및 편의성이 뛰어나다.
이제까지 본 발명의 실시예들을 중심으로 살펴보았다. 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 실시예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.
1: 상판 게이트 10: 구멍
2: 몰드 20: 돌기 형상
100: 센서 돌기 200: 더미 돌기
300: 디텍트 레이어

Claims (5)

  1. (a) 액상재료의 주입을 위한 게이트와 돌기가 음각되어 가공된 몰드를 형성하는 단계;
    (b) 전도성 잉크 및 실리콘 고무가 배합된 상기 액상재료를 상기 몰드에 주입시키는 단계;
    (c) 상기 액상재료가 건조되면 이를 상기 몰드와 분리하여 센서 어레이를 획득하는 단계; 및
    (d) 상기 센서 어레이에 포함된 센서 돌기를 디텍트 레이어의 전원 및 신호선과 접속시키고, 복수의 상기 센서 돌기 사이에 배치되어 상기 센서 돌기에 외력이 가해지는 경우 그에 인접한 다른 돌기에 생기는 반발력에 의한 외란을 방지하는 더미 돌기를 상기 디텍트 레이어에서 접지시키는 단계
    를 포함하는 전도성 잉크를 이용한 접촉 힘센서 가공 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 (a) 단계는 사용목적에 따라 액상재료가 채워져 다양한 형태의 돌기형상으로 성형되도록 하는 몰드를 형성하는 것
    인 전도성 잉크를 이용한 접촉 힘센서 가공 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 (b) 단계는 전기 전도도 및 탄성을 고려하여 기설정된 배합비에 따라 배합된 상기 액상재료를 상기 몰드에 주입시키는 것
    인 전도성 잉크를 이용한 접촉 힘센서 가공 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 (c) 단계는 상기 몰드에 주입된 액상재료를 실온에서 건조시키고, 건조된 액상재료를 상기 몰드로부터 분리하여 센서 어레이를 획득하는 것
    인 전도성 잉크를 이용한 접촉 힘센서 가공 방법.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR20090019985A (ko) * 2007-08-22 2009-02-26 오의진 압전감지유닛
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