KR101665191B1 - 생체모방 다중감각 피부센서 - Google Patents

생체모방 다중감각 피부센서 Download PDF

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Abstract

본 발명은 촉각을 감지하는 생체모방 피부센서에 관한 것이다. 본 발명의 일예와 관련된 생체모방 피부센서는 상술한 과제를 실현하기 위한 본 발명의 일예와 관련된 생체모방 다중감각 피부센서는 상면에 가해지는 외부의 자극을 수용하는 제 1 층; 상기 제 1 층의 하면에 부착되는 제 2 층; 상기 제 2 층의 하면에 부착되는 제 3 층; 상기 제 3 층의 하면에 부착되는 제 4 층; 및 상기 자극에 대한 촉각정보를 생성하는 제어부;를 포함하되, 상기 제 1 층이 수용한 자극은 상기 제 2 층으로 전달되고, 상기 제 2 층으로 전달된 자극은 상기 제 3 층으로 전달되며, 상기 제 3 층으로 전달된 자극은 상기 제 4 층으로 전달되고, 상기 제 2 층은 상기 제 2 층으로 전달된 자극을 감지하여 제 1 신호를 생성하며, 상기 제 4 층은 상기 제 4 층으로 전달된 자극을 감지하여 제 2 신호를 생성하고, 상기 제 2 층이 감지하는 자극은 압력자극을 포함하고, 상기 제 4 층이 감지하는 자극은 미끄럼자극, 온도자극, 진동자극 및 변형자극 중 적어도 하나를 포함하며, 상기 제어부는 상기 제 1 신호 및 상기 제 2 신호를 이용하여 상기 촉각정보를 생성할 수 있다.

Description

생체모방 다중감각 피부센서{A Multimodal Tactile Sensor Emulating the Perceptional Mechanism and Tissue Structure of Human Skin}
본 발명은 촉각을 감지하는 생체모방 피부센서에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 인체촉감 기관의 작동 원리와 피부의 기계적 특성을 모사하여 다양한 양상의 촉감을 감지하는 피부센서에 관한 것이다.
시각, 청각과 더불어 매우 중요한 감각인 촉각을 통한 상호작용 개발기술은 생활지원 로봇, 극한 상황에서 작업하는 국방, 탐사용 로봇 등의 지능로봇 분야 외에 제조업, 의료 등의 기간산업 분야에 직접 사용될 수 있을 뿐만 아니라 가상환경 내에서의 다양한 활동을 실세계와 유사하게 제공할 수 있는 기술로서 평가받고 있다.
특히, 인간을 지원하는 생활지원 로봇과 인간이 함께 생활하는 미래사회를 이루기 위해서는 정교한 상호작용이 필요하며 이를 위해선 촉각 정보의 활용은 필수적이다. 또한 사람의 팔과 유사한 동작과 감각의 피드백을 제공하는 바이오닉 암과 같은 인공팔을 구현하는 데에 있어서도 사람의 피부와 모양이 비슷하며 촉감 기능을 구현하는 인공전자피부가 필요하다.
바이오닉 암에 있어서 중요한 요소인 촉각센서 성능의 향상은 더 많은 입출력 정보를 단시간에 처리가능하게 하여야 하는데 하드웨어적인 기술개발도 필수적이지만 복합적인 신호를 효과적으로 처리하기 위한 새로운 메타데이터(meta-data)의 처리기술도 필수적이다. 촉각 정보의 전달은 기존에 존재 하지 않았던 비교적 새로운 신호로서 정보전달이라는 측면과 디바이스간의 상호작용이라는 점에서 큰 의의를 가진다.
이러한 촉각을 통한 인간의 물체 파악 과정으로는 문지르는 동작을 통한 질감(texture) 측정, 압력을 가함으로서 경도 및 강성을 측정, 정적으로 물체와 접촉을 유지함으로서 물체의 온도를 측정, 물체를 들어봄으로서 중량을 측정 등의 여러 가지 방법이 있다. 따라서 생체모방형 촉각센서를 개발하기 위해서는 측정물리량과 촉각간의 메카니즘 분석이 필요하다.
또한, 물체의 접촉성질 중 가장 중요한 질감을 감지하기 위해서는 수직력 및 미끄러지는 정도 즉 전단력을 감지할 수 있는 다축 힘센서와 열전도도를 측정할 수 있는 유연 온도센서가 필요하다. 따라서 이와 같은 기능을 가지는 생체모방형 촉각센서를 개발하기 위해서는 센서융합기술이 필요하다.
이뿐만 아니라 사람의 피부처럼 다양한 물리량을 감지하는 센서가 조밀하게 어레이 형태로 분포되어 있으므로 분포된 센서로 부터 데이터를 취득하고 처리할 전자회로가 인공전자피부 내에 장착되어 있어야 한다. 그렇지 않다면 수많은 센서의 신호선이 존재해야 하므로 처리가 쉽지 않은 문제가 있다.
종래의 촉각을 감지하는 장치는 실제 인체구조와 달리 촉각을 구성하는 압각, 온각, 미끄럼각 등 각각의 촉각을 감지할 수 있었지만 이를 통합적으로 감지하지 못하였다.
따라서 사람의 실제 피부 구조를 모방하여 인체가 촉각을 감지하는 방식으로 촉각을 센싱하는 피부센서의 개발이 요구되고 있는 실정이다.
대한민국 등록특허 제 10-1169943호 대한민국 등록특허 제 10-1200798호
본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 인체의 피부 구조를 모방한 촉감센서를 사용자에게 제공하는데 그 목적이 있다.
구체적으로, 사람의 피부와 같이 유연하고 힘 또는 압력 측정의 반복성과 우수한 촉감센서를 사용자에게 제공하는 데 그 목적이 있다.
또한, 하나의 자극에 의해 발생하는 다양한 양상의 촉감을 측정할 수 있는 촉감센서를 사용자에게 제공하는 데 그 목적이 있다.
또한, 인체 촉감 기관의 작동 원리와 피부의 기계적 특성을 모사함으로써 인체가 촉각을 감지하는 방식으로 촉각을 센싱하는 촉감센서를 사용자에게 제공하는 데 그 목적이 있다.
한편, 본 발명에서 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상술한 과제를 실현하기 위한 본 발명의 일예와 관련된 생체모방 다중감각 피부센서는 상면에 가해지는 외부의 자극을 수용하는 제 1 층; 상기 제 1 층의 하면에 부착되는 제 2 층; 상기 제 2 층의 하면에 부착되는 제 3 층; 상기 제 3 층의 하면에 부착되는 제 4 층; 및 상기 자극에 대한 촉각정보를 생성하는 제어부;를 포함하되, 상기 제 1 층이 수용한 자극은 상기 제 2 층으로 전달되고, 상기 제 2 층으로 전달된 자극은 상기 제 3 층으로 전달되며, 상기 제 3 층으로 전달된 자극은 상기 제 4 층으로 전달되고, 상기 제 2 층은 상기 제 2 층으로 전달된 자극을 감지하여 제 1 신호를 생성하며, 상기 제 4 층은 상기 제 4 층으로 전달된 자극을 감지하여 제 2 신호를 생성하고, 상기 제 2 층이 감지하는 자극은 압력자극을 포함하고, 상기 제 4 층이 감지하는 자극은 미끄럼자극, 온도자극, 진동자극 및 변형자극 중 적어도 하나를 포함하며, 상기 제어부는 상기 제 1 신호 및 상기 제 2 신호를 이용하여 상기 촉각정보를 생성할 수 있다.
또한, 상기 제 1 층의 상면에는 복수의 돌기가 형성될 수 있다.
또한, 상기 제 2 층은, 제 1 기판 상에 형성된 복수의 제 1 미세섬모를 가지며, 상기 복수의 제 1 미세섬모의 표면과 상기 복수의 제 1 미세섬모가 형성된 제 1 기판의 표면에 금속 박막이 형성된 제 1 연결부재; 및 상기 복수의 제 1 미세섬모에 접촉하는 제 2 기판 상에 형성된 복수의 제 2 미세섬모를 가지며, 상기 복수의 제 2 미세섬모의 표면과 상기 복수의 제 2 미세섬모가 형성된 제 2 기판의 표면에 금속 박막이 형성된 제 2 연결부재;를 포함하되, 상기 제 1 층을 통해 전달된 상기 자극에 의해 상기 제 1 기판에 휨이 발생하고, 상기 발생한 휨에 의해 상기 복수의 제 1 미세섬모와 상기 복수의 제 2 미세섬모가 접촉하는 면적이 달라지며, 상기 달라진 면적에 따른 상기 제 1 기판 및 상기 제 2 기판 사이의 저항 변화값을 측정함으로써 상기 자극을 감지할 수 있다.
또한, 상기 복수의 제 1 미세섬모 및 상기 복수의 제 2 미세섬모는 50 내지 300㎚의 직경과 600㎚ 내지 5㎛의 높이로 형성되며, 상기 제 1 기판과 제 2 기판은 5 내지 50㎛의 두께로 형성될 수 있다.
또한, 상기 금속 박막은 백금, 알루미늄, 구리, 은, 금으로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나로 형성될 수 있다.
또한, 상기 복수의 제 1 미세섬모는 상기 제 1 기판에 대하여 수직방향으로 형성되고, 상기 복수의 제 2 미세섬모는 상기 제 2 기판에 대하여 수직방향으로 형성될 수 있다.
또한, 상기 복수의 제 1 기판 및 상기 복수의 제 2 기판은 PET(Poly Ethylene Terephthalate)로 형성될 수 있다.
또한, 상기 복수의 제 1 미세섬모 및 상기 복수의 제 2 미세섬모는 PUA(Poly Urethane Acrylate), PS(PolyStyrene), PMMA(Poly Methyl MethAcrylate) 중 어느 하나로 형성될 수 있다.
또한, 상기 제 1 연결부재와 상기 제 2 연결부재를 밀봉하는 씰링층;을 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 씰링층은 PDMS(Polydimethylsiloxane)로 형성될 수 있다.
또한, 상기 씰링층은 5 내지 500㎛의 두께일 수 있다.
또한, 상기 씰링층은 상기 제 1 연결부재와 제 2 연결부재의 측면을 커버하고, 길이방향으로 제 1 연결부재와 제 2 연결부재의 일측 말단이나 양측 말단을 제외한 상기 제 1 연결부재의 하부면과 제 2 연결부재의 상부면을 커버하도록 형성될 수 있다.
또한, 상기 제 3 층은 신축성 폴리머 재료일 수 있다.
또한, 상기 제 4 층은, 복수의 단위체가 소정의 어레이 패턴으로 형성되어 힘 또는 압력에 의해 변형되는 반도체 스트레인 게이지; 필름면이 상호 대면하여 접하며 상기 접하는 필름면 사이에 상기 반도체 스트레인 게이지를 포함하는 한 쌍의 고분자 필름층; 상기 한 쌍의 고분자 필름층 중 어느 하나를 절연층으로 하여 상기 절연층 상하면으로 형성되고 상기 어레이 패턴의 각 단위체에 연결되어 전극을 형성하며 상기 각 단위체의 변형으로 출력되는 변형신호를 외부로 인출하는 한 쌍의 신호선층을 구비하는 회로기판; 및 상기 회로기판이 내부에 포함되도록 상기 회로기판의 양면에 형성되는 한 쌍의 탄성중합체층;을 포함하고,상기 한 쌍의 신호선층은 상기 절연층 일면에 일 방향으로 배열되는 복수의 제 1 신호선과 상기 절연층의 타면에 상기 일 방향에 수직으로 배열되는 복수의 제 2 신호선으로 구성되고, 상기 단위체는 상기 힘 또는 압력에 기초하여 저항변화가 있고 상기 변형신호는 상기 저항변화에 기초하여 출력되며, 상기 저항변화를 이용하여 상기 미끄럼자극, 상기 진동자극 및 상기 변형자극 중 적어도 하나를 감지할 수 있다.
또한, 상기 한 쌍의 고분자 필름층은 한 쌍의 폴리이미드 박막층일 수 있다.
또한, 상기 각 단위체는 막대 형상이며, 상기 어레이 패턴은 상기 막대 형상의 길이 방향을 동일하게 갖는 패턴일 수 있다.
또한, 상기 회로기판은 2개이며 상기 각 회로기판에 대응되는 각 단위체가 교차 되도록 겹쳐져 상기 2개의 회로기판이 하나로 접착될 수 있다.
또한, 상기 한 쌍의 탄성중합체층은 어느 하나의 탄성중합체층 표면으로 균일하게 다수의 돌기가 형성되어 있으며, 상기 어레이 패턴은 상기 각 돌기가 상기 표면과 이루는 경계선 하부에서 사방을 향하도록 나열된 패턴일 수 있다.
또한, 상기 제 1신호선 및 상기 제 2신호선은 CMOS 회로를 구성하고, 상기 제 1신호선은 상기 제 1신호선에 일정한 전류를 흐르게 하는 P-모스펫을 구비하고, 상기 회로기판은 상기 제 2신호선 각각의 끝단에 연결된 복수의 스위치 및 상기 스위치를 제어하여 상기 제 2신호선 중 어느 하나에 전류가 흐르도록 상기 제 2신호선 각각을 순차적으로 스캐닝하는 스위치 제어부를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 한 쌍의 신호선층은 금속 증착 또는 CMOS 공정에 의해 전사되어 형성될 수 있다.
또한, 상기 한 쌍의 탄성중합체층은 한 쌍의 폴리-디메틸실록세인층일 수 있다.
또한, 상기 제 4 층은 신축성의 온도센서를 포함하여 상기 온도자극을 감지할 수 있다.
한편, 상술한 과제를 실현하기 위한 본 발명의 일예와 관련된 암은 센서를 이용하여 자극으로부터 촉각정보를 생성하는 암(arm)에 있어서, 상기 암의 말단부는 손가락 형상을 가지고, 상기 손가락 형상을 가지는 말단부에는 상기 센서가 부착되며, 상기 센서는, 상면에 가해지는 상기 자극을 수용하는 제 1 층; 상기 제 1 층의 하면에 부착되는 제 2 층; 상기 제 2 층의 하면에 부착되는 제 3 층; 상기 제 3 층의 하면에 부착되는 제 4 층; 및 상기 자극에 대한 상기 촉각정보를 생성하는 제어부;를 포함하되, 상기 제 1 층이 수용한 자극은 상기 제 2 층으로 전달되고, 상기 제 2 층으로 전달된 자극은 상기 제 3 층으로 전달되며, 상기 제 3 층으로 전달된 자극은 상기 제 4 층으로 전달되고, 상기 제 2 층은 상기 제 2 층으로 전달된 자극을 감지하여 제 1 신호를 생성하며, 상기 제 4 층은 상기 제 4 층으로 전달된 자극을 감지하여 제 2 신호를 생성하고, 상기 제 2 층이 감지하는 자극은 압력자극을 포함하고, 상기 제 4 층이 감지하는 자극은 미끄럼자극, 온도자극, 진동자극 및 변형자극 중 적어도 하나를 포함하며, 상기 제어부는 상기 제 1 신호 및 상기 제 2 신호를 이용하여 상기 촉각정보를 생성할 수 있다.
또한, 상기 제어부는 상기 손가락형상을 가지는 말단부의 내부에 장착될 수 있다.
한편, 상술한 과제를 실현하기 위한 본 발명의 일예와 관련된 촉각 감지 방법은 최외면에 위치하는 제 1 층을 이용하여 외부의 자극을 수용하는 제 1 단계; 상기 수용한 자극을 상기 제 1 층의 하면에 위치하는 제 2 층에 전달하는 제 2 단계; 상기 제 2 층에 전달된 자극을 감지하여 상기 자극의 신호인 제 1 신호를 생성하는 제 3 단계; 상기 제 2 층에 전달된 자극을 상기 2 층의 하면에 위치하는 제 3 층에 전달하는 제 4 단계; 상기 제 3 층에 전달된 자극을 상기 3 층의 하면에 위치하는 제 4 층에 전달하는 제 5 단계; 상기 제 4 층에 전달된 자극을 감지하여 상기 자극의 신호인 제 2 신호를 생성하는 제 6 단계; 및 상기 제 1 신호 및 상기 제 2 신호를 이용하여 상기 외부의 자극에 대한 촉각정보를 생성하는 제 7 단계;를 포함하고, 상기 제 3 단계에서 감지하는 자극은 압력자극을 포함하며, 상기 제 6 단계에서 감지하는 자극은 미끄럼자극, 온도자극, 진동자극 및 변형자극 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
또한, 상기 제 2 층은 제 1 기판 상에 형성된 복수의 제 1 미세섬모를 가지며, 상기 복수의 제 1 미세섬모의 표면과 상기 복수의 제 1 미세섬모가 형성된 제 1 기판의 표면에 금속 박막이 형성된 제 1 연결부재 및 상기 복수의 제 1 미세섬모에 접촉하는 제 2 기판 상에 형성된 복수의 제 2 미세섬모를 가지며, 상기 복수의 제 2 미세섬모의 표면과 상기 복수의 제 2 미세섬모가 형성된 제 2 기판의 표면에 금속 박막이 형성된 제 2 연결부재를 포함하고,
상기 제 3 단계는,상기 제 1 층을 통해 전달된 상기 자극에 의해 상기 제 1 기판에 휨이 발생하고, 상기 발생한 휨에 의해 상기 복수의 제 1 미세섬모와 상기 복수의 제 2 미세섬모가 접촉하는 면적이 달라지며, 상기 달라진 면적에 따른 상기 제 1 기판 및 상기 제 2 기판 사이의 저항 변화값을 측정함으로써 상기 자극을 감지할 수 있다.
또한, 상기 제 3 층은 신축성 폴리머 재료이고,상기 제 5 단계는 상기 신축성 폴리머 재료를 이용하여 상기 제 3 층에 전달된 자극을 전달할 수 있다.
또한, 상기 제 4 층은,복수의 단위체가 소정의 어레이 패턴으로 형성되어 힘 또는 압력에 의해 변형되는 반도체 스트레인 게이지; 필름면이 상호 대면하여 접하며 상기 접하는 필름면 사이에 상기 반도체 스트레인 게이지를 포함하는 한 쌍의 고분자 필름층; 상기 한 쌍의 고분자 필름층 중 어느 하나를 절연층으로 하여 상기 절연층 상하면으로 형성되고 상기 어레이 패턴의 각 단위체에 연결되어 전극을 형성하며 상기 각 단위체의 변형으로 출력되는 변형신호를 외부로 인출하는 한 쌍의 신호선층을 구비하는 회로기판; 및 상기 회로기판이 내부에 포함되도록 상기 회로기판의 양면에 형성되는 한 쌍의 탄성중합체층;을 포함하고,상기 한 쌍의 신호선층은 상기 절연층 일면에 일 방향으로 배열되는 복수의 제 1 신호선과 상기 절연층의 타면에 상기 일 방향에 수직으로 배열되는 복수의 제 2 신호선으로 구성되고, 상기 단위체는 상기 힘 또는 압력에 기초하여 저항변화가 있고 상기 변형신호는 상기 저항변화에 기초하여 출력되며,상기 제 6 단계는, 상기 저항변화를 이용하여 상기 미끄럼자극, 상기 진동자극 및 상기 변형자극 중 적어도 하나를 감지할 수 있다.
본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 인체의 피부 구조를 모방한 촉감센서를 사용자에게 제공할 수 있다.
구체적으로, 사람의 피부와 같이 유연하고 힘 또는 압력 측정의 반복성과 우수한 촉감센서를 사용자에게 제공할 수 있다.
또한, 하나의 자극에 의해 발생하는 다양한 양상의 촉감을 측정할 수 있는 촉감센서를 사용자에게 제공할 수 있다.
또한, 인체 촉감 기관의 작동 원리와 피부의 기계적 특성을 모사함으로써 인체가 촉각을 감지하는 방식으로 촉각을 센싱하는 촉감센서를 사용자에게 제공할 수 있다.
한편, 본 발명에서 얻을 수 있는 효과는 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 일 실시례를 예시하는 것이며, 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술적 사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석 되어서는 아니 된다.
도 1은 사람의 피부에 분포하는 촉감 수용기를 나타내는 그림이다.
도 2는 자극에 따른 뉴런(수용기)의 출력 곡선이다.
도 3은 본 발명의 일 실시례에 따른 생체모방 피부센서의 단면도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시례에 따른 지문을 모방한 돌기가 형성된 생체모방 피부센서의 제 1 층의 상면을 나타낸다.
도 5는 본 발명의 일실시례에 의한 가역적 전기커넥터를 설명하기 위한 구성도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 가역적 전기커넥터를 설명하기 위한 개략적인 모식도이다.
도 7 및 도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 연결부재의 결합을 설명하기 위한 모식도이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 가역적 전기커넥터의 탈리를 설명하기 위한 모식도이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 의한 전기커넥터의 사이클 횟수에 따른 결합력의 변화를 설명하기 위한 그래프이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 의한 전기커넥터에 구비된 금속 박막의 두께에 따른 전단 접착력의 상관관계를 설명하기 위한 그래프이다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 의한 전기커넥터에 구비된 금속 박막의 두께에 따른 전류밀도의 상관관계를 설명하기 위한 그래프이다.
도 13은 본 발명의 일 실시예에 의한 전기커넥터의 유연성을 나타내는 사진이다.
도 14는 본 발명의 일 실시예에 의한 가역적 전기커넥터의 사용방법을 설명하기 위한 개략적인 흐름도이다.
도 15는 본 발명의 일 실시예에 따른 다기능 센서를 설명하기 위한 구성도이다.
도 16은 본 발명에 따른 다기능 센서에 작용하는 압력에 따른 움직임을 나타내는 부분 확대 사시도이다.
도 17 및 도 18은 본 발명에 따른 다기능 센서로 검출되는 데이터를 나타내는 개략도이다.
도 19 내지 도 21은 본 발명의 다기능 센서에 작용하는 압력, 전단력, 비틀림과 레지스턴스의 상관관계를 설명하기 위한 그래프이다.
도 22는 본 발명에 따른 다기능 센서의 사이클 과정을 설명하기 위한 개략도이다.
도 23은 본 발명에 따른 다기능 센서의 유연성을 나타내는 사진이다.
도 24는 본 발명의 다기능 센서에 작용하는 변형률의 상관관계를 설명하기 위한 그래프이다.
도 25는 본 발명에 따른 다기능 센서의 제작방법을 설명하기 위한 순서도이다.
도 26a는 본 발명인 반도체 스트레인 게이지를 이용한 힘 또는 압력 센서 어레이의 일 실시예를 나타낸 사시도,
도 26b는 도 26a에 도시된 힘 또는 압력 센서 어레이를 층 구성으로 분해한 분해사시도이다.
도 27은 도 1a의 A-A 방향의 단면을 나타낸 단면도이다.
도 28은 본 발명의 일실시예에 따른 회로기판에서의 제 1신호선 및 제 2 신호선, 스위치 및 스위치 제어부를 나타낸 회로도이다.
도 29는 본 발명인 반도체 스트레인 게이지를 이용한 힘 또는 압력 센서 어레이의 제조방법의 일 실시예를 순차적으로 나타낸 순서도이다.
도 30a 내지 도 30d는 본 발명인 반도체 스트레인 게이지를 이용한 힘 또는 압력 센서 어레이의 일 구성중 반도체 스트레인 게이지의 제조과정을 순차적으로 나타낸 공정단면도이다.
도 31은 본 발명인 반도체 스트레인 게이지를 이용한 힘 또는 압력 센서 어레이의 제조방법 중 반도체 스트레인 게이지를 전사하는 상태를 나타낸 사시도이다.
도 32는 본 발명인 반도체 스트레인 게이지를 이용한 힘 또는 압력 센서 어레이의 제조방법 중 캐리어 웨이퍼 층에 반도체 스트레인 게이지가 전사된 상태를 나타낸 사시도이다.
도 33은 본 발명인 반도체 스트레인 게이지를 이용한 힘 또는 압력 센서 어레이의 제조방법 중 다수의 신호선이 배열된 상태를 나타낸 사시도이다.
도 34는 본 발명인 힘 또는 압력 센서 어레이를 이용한 힘 또는 압력 측정방법을 순차적으로 나타낸 순서도이다.
도 35는 본 발명인 반도체 스트레인 게이지를 이용한 힘 또는 압력 센서 어레이의 제 1변형예로서 막대 형태의 단위체가 십자형태로 나열된 어레이 패턴을 간략하게 나타낸 평면도이다.
도 36은 본 발명인 반도체 스트레인 게이지를 이용한 힘 또는 압력 센서 어레이의 제 2변형예로서 어레이 패턴 상부에 돌기 구조를 형성한 상태를 나타낸 평면도이다.
도 37은 도 36의 B-B 방향의 단면을 나타낸 단면도이다.
도 38은 본 발명의 일 실시례에 따른 생체모방 피부센서가 바이오닉 암의 손가락 프레임에 부착된 것을 나타낸다
도 39는 본 발명의 일 실시례에 따른 촉감신호 감지방법을 나타내는 순서도이다.
사람의 피부는 가장 이상적인 촉감센서로 볼 수 있으며 기계적 내구성(robust), 유연성(flexible), 연성(stretchable)을 가지며, 고민감도, 고공간분해능(high spatial-resolution), 질감, 경도, 진동, 온도, 힘/압력, 미끄러짐을 동시 검출할 수 있다.
특히 손가락은 촉감 수용기의 밀도가 가장 높으므로 다양한 촉감 자극을 세밀하게 감지할 수 있어 정교한 작업이 가능하며 촉감만으로도 물체를 파악할 수 있다.
도 1은 사람의 피부에 분포하는 촉감 수용기를 나타내는 그림이다.
도 1을 참조하면 사람의 피부는 자극의 양상(modality)에 따라 각각 수용기들이 존재하며 이들이 반응하는 자극도 각각 다르다.
먼저, 마이스너(Meissner) (A) 및 메르켈(Merkel) (B) 소체는 표피층에 가깝고 밀도가 매우 높게 분포되어 매우 미세한 촉감을 얻는 데에 사용된다.
마이스너(Meissner) (A) 소체는 빠르게 반응하는 소체로 손가락으로 물체를 문지를 때 발생하는 미세 진동을 감지하거나 마치 벌레가 손가락 위에서 움직일 때 발생하는 국부적인 미세 압력 변화를 검출한다.
반면 메르켈(Merkel) (B) 소체는 천천히 반응하는 소체로 물체와 접촉 시 물체의 공간적인 특징(가령, 모서리, 곡면, 뾰족한 돌출부)에 민감히 반응하여 물체의 형상을 유추하는 데에 큰 역할을 한다.
도 2는 자극에 따른 뉴런(수용기)의 출력 곡선으로서, 메르켈 소체는 도 2와 같이 일정 역치보다 큰 자극이 들어오면 자극의 크기에 비례한 출력을 발생시키고, 일정 크기 이상의 자극에는 포화되는 양상을 보인다.
한편, 상대적으로 피부 깊숙한 진피 층에 위치한 파치니안(Pacinian)(D)과 루피니(Ruffini)(E) 소체는 분포 밀도가 낮으며 표피에 가해진 자극이 점탄성(viscoelastic)을 가진 진피를 거치면서 주위로 확산된 자극을 수용하는 소체로서 표피 소체보다 둔감하며 피부 전체적으로 전달된 물리량을 검출한다.
파치니안(Pacinian) (D) 소체는 빠르게 반응하는 소체로 전체적인 진동 감각에 반응한다. 또한, 파치니안 소체가 가장 민감한 주파수 대역은 200 ~ 300 Hz이다.
루피니 소체(Ruffini)(E)는 천천히 적응하는 소체로 넓은 검출 면적을 가지며 피부의 늘어남, 손끝에서의 미끄러짐 등을 검출한다. 루피니 소체는 메르켈 소체와 마찬가지로 전달된 힘과 출력은 도 2와 같은 상관관계를 가진다.
이와 같이 사람의 피부는 표피층과 진피층에 각각 다른 수용기들을 가지며 같은 층에서도 각각 다르게 적응하는 소체를 가짐으로써 다양한 양상(modality)을 대뇌에 제공한다.
한편, 종래의 촉각센서는 촉각 중 힘, 압력, 온도, 미끄럼 등 각각의 감각을 감지할 수 있었으나 하나의 자극에 따른 다양한 촉각을 감지할 수 없었고, 센서의 구조는 인체 피부의 구조와 달라 인체가 촉각을 감지하는 방식으로 촉각을 감지할 수 없다는 문제가 있었다.
따라서 사람의 실제 피부 구조를 모방하여 인체가 촉각을 감지하는 방식으로 촉각을 센싱하는 피부센서의 개발이 요구되고 있는 실정이다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 일실시례에 대해서 설명한다. 또한, 이하에 설명하는 일실시례는 특허청구범위에 기재된 본 발명의 내용을 부당하게 한정하지 않으며, 본 실시 형태에서 설명되는 구성 전체가 본 발명의 해결 수단으로서 필수적이라고는 할 수 없다.
도 3은 본 발명의 일 실시례에 따른 생체모방 피부센서의 단면도이다.
다만, 도 3에 도시된 구성요소들이 필수적인 것은 아니어서, 그보다 많은 구성요소들을 갖거나 그보다 적은 구성요소들을 갖는 생체모방 피부센서가 구현될 수도 있다.
도 3을 참조하면 생체모방 피부센서는 인체의 손가락 끝과 같은 외형을 가질 수 있고 제 1 층(1000), 제 2 층(2000), 제 3층, 제 4 층(4000) 및 제어부(5000) 등을 포함할 수 있다.
먼저, 제 1 층(1000)은 생체모방 피부센서의 최외면에 위치하며, 외부의 자극을 직접적으로 받아들이며, 받아들인 자극을 제 1층(1000)의 하면에 부착되는 제 2 층(2000)에 전달하는 구성이다.
제 1 층(1000)은 인체 피부의 구조에서 표피를 모방한 부분이므로 표피와 유사한 재료로 구성될 수 있다. 또한, 손가락 끝뿐만 아니라 다른 부위의 피부를 모방하기 위해 제 1 층(1000)의 상면에는 인체의 털을 모방하는 재료가 포함될 수도 있다.
한편, 인체의 손에 형성된 지문은 피부 표면에서 물체가 미끄러지는 것을 방지하고 촉각을 예민하게 하는 역할을 한다. 또한, 문지르는 자극이 가해진 경우 자극을 가하는 물체 표면의 상태에 따라 진동이 발생되도록 한다.
도 4는 본 발명의 일 실시례에 따른 지문을 모방한 돌기가 형성된 생체모방 피부센서의 제 1 층의 상면을 나타낸다.
도 4를 참조하면 제 1 층(1000)의 상면에는 지문을 모방한 돌기가 형성될 수 있다. 이러한 돌기가 형성됨으로써 생체모방 피부센서는 인체의 피부와 유사하게 자극을 받아들일 수 있다.
다음으로, 제 2 층(2000)은 제 1 층(1000)의 하면에 부착되고, 제 1 층(1000)을 통해 자극을 전달받는다. 또한, 제 1 층(1000)으로부터 전달받은 자극을 감지하여 감지한 자극의 신호를 생성한다.
제 2 층(2000)은 제 1 층(1000)의 하부에 위치함으로써 인체 피부의 표피층에 고밀도로 분포는 메르켈 소체 및 마이스너 소체를 모사한다.
또한, 압력의 감각을 감지하는 메르켈 소체와 마이스너 소체와 같이 제 1 층(1000)을 통해 전달 받은 자극 중 압력자극을 감지할 수 있다.
이러한 압력을 감지하기 위해 나노 구조물의 저항 기반 압력센서가 사용될 수 있다.
이하에서는 도면을 참조하여 나노 구조물의 저항 기반 압력센서에 사용되는 본 발명의 바람직한 실시예들에 의한 미세섬모의 인터락킹을 이용한 가역적 전기터넥터를 설명한다.
도 5는 본 발명의 일실시례에 의한 가역적 전기커넥터를 설명하기 위한 구성도이다.
도 5를 참조하면, 본 발명의 일실시예에 의한 가역적 전기커넥터는 제 1 연결부재(2100) 및 제 2 연결부재(2200)를 포함한다.
구체적으로, 상기 제 1 연결부재(2100)는 제 1 기판(2110) 및 제 1 기판(2110) 상에 형성된 제 1 미세섬모 구조물(2120)을 포함한다. 이때, 상기 제 1 미세섬모 구조물(2120)은 제 1 기판(2110) 상에 형성된 제 1 미세섬모(2122), 및 상기 제 1 미세섬모(2122)의 표면과 제 1 미세섬모(2122)가 형성된 제 1 기판(2110)의 표면에 형성된 금속 박막(2126)으로 구성된다.
또한, 상기 제 2 연결부재(2200)는 제 1 연결부재(2100)와 유사한 형태로서, 제 2 기판(2210) 및 상기 제 1 미세섬모 구조물(2120)과 접촉하여 접착력을 나타내도록 제 2 기판(2210) 상에 형성된 제 2 미세섬모 구조물(2220)을 포함한다. 이때, 상기 제 2 미세섬모 구조물(2220)은 제 1 미세섬모(2122)와 접촉하여 접착력을 나타내도록 상기 제 2 기판(2210) 상에 형성된 제 2 미세섬모(2222), 및 상기 제 2 미세섬모(2222)의 표면과 제 2 미세섬모(2222)가 형성된 제 2 기판(2210)의 표면에 형성된 금속 박막(2226)으로 구성된다.
필요에 따라, 상기 금속 박막(2126, 2226)은 제 1 기판(2110) 및 제 2 기판(2210)의 전면에 형성되도록 구비될 수있다.
아울러, 상기 제 1 연결부재(2100)에 형성된 금속 박막(2126)과 제 2 연결부재(2200)에 형성된 금속 박막2(226)에는 전선이 연결되어 전기가 소통된다.
이러한 제 1 기판(2110)과 제 2 기판(2210)은 다양한 소재로 제작할 수 있으나, 임프린트 리소그래피, 모세관력 리소그래피 등의 방법으로 미세섬모를 형성할 수 있는 유연한 성질을 가지는 고분자 수지를 사용하는 것이 바람직하다. 예를 들면, 상기 제 1 기판(2110)과 제 2 기판(2210)은 폴리에틸렌테레프탈레이트(Poly Ethylene Terephthalate: PET) 재질 등을 사용하여 제작할 수 있다.
또한, 제 1 미세섬모(2122) 및 제 2 미세섬모(2222)는 폴리우레탄 아크릴레이트(PUA : Poly Urethane Acrylate) 등의 자외선 고분자, 폴리스티렌(PS : PolyStyrene) 고분자, 또는 폴리메틸메타크릴레이트(Poly Methyl MethAcrylate ; PMMA) 등의 아크릴 수지 같은 고분자 등으로 형성하는 것이 바람직하다. 이러한 소재로 형성되는 상기 제 1 미세섬모(2122) 및 제 2 미세섬모(2222)는 UV 리소그래피, 나노임프린트 리소그래피, 모세관력 리소그래피 등의 방법을 통해 제조하는 것이 바람직하다. 이외에도 작은 크기의 미세 구조물을 만들 수 있는 방법이라면 어떠한 방법을 이용하여도 무방할 것이다.
아울러, 금속 박막은 제 1 미세섬모(2122)와 제 2 미세섬모(2222)의 표면에 플라즈마 코팅방식을 사용하여 형성하는 것이 바람직하다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 가역적 전기커넥터를 설명하기 위한 개략적인 모식도이다.
도 6을 참조하면, 본 발명의 전기커넥터는 서로 형태가 동일하거나 유사한 미세섬모가 각각 형성된 두 개의 연결부재(2100, 2200)를 서로 접촉시키는 방식으로 결합된다. 따라서, 제 1 기판(2110) 및 제 1 미세섬모 구조물(2120)을 포함하는 제 1 연결부재(2100)와, 제 2 기판(2210)과 제 2 미세섬모 구조물(2220)을 포함하는 제 2 연결부재(2200)는 서로 동일한 형상을 가져도 무방하다. 즉, 제 1 미세섬모 구조물(2120)과 제 2 미세섬모 구조물(2130)은 미세섬모의 길이, 종횡비, 굵기, 기판에 형성된 미세섬모의 방향, 금속 박막의 두께가 서로 다를 수 있으나, 미세섬모와 금속 박막을 이용한다는 점에서 동일성이 있다.
상기 제 1 미세섬모(2122) 및 제 2 미세섬모(2222)는 그 직경 및 높이가 마이크로미터(㎛) 사이즈 또는 나노미터(㎚) 사이즈로 형성된 미세 섬모 구조물이고, 서로 동일한 직경을 가지는 섬모 형상으로 형성될 수 있으며, 바람직하게는 직경 50㎚, 높이 1㎛가 되는 것이 좋다.
또한, 상기 제 1 미세섬모(2122)는 제 1 기판(2110) 상에 형성되며, 보다 구체적으로 미세섬모(2122)는 제 1 기판(2110)에 대하여 수직인 방향 또는 경사진 방향으로 형성할 수 있다. 다만, 경사지게 형성하는 경우, 서로 접촉되는 연결부재는 양측 미세섬모가 서로 평행한 방향으로 접근되어 접촉하는 것이 바람직하다. 따라서 경사방향을 고려하여 양 연결부재를 선택하는 것이 좋다.
이와 같이, 상기 제 1 기판(2110) 및 상기 제 2 기판(2210)에 대하여 제 1 미세섬모(2122) 및 제 2 미세섬모(2222)가 각각 수직방향으로 형성되는 경우, 제 1 기판(2110)의 수직방향으로 힘을 작용시켜 제 1 미세섬모 구조물(2120)과 제 2 미세섬모 구조물(2220)을 접촉시키면 제 2 연결부재(2200)에 제 1 연결부재(2100)가 결합된다.
따라서, 결합대상 간 서로 평행을 유지한 상태에서 맞닿은 구조라면, 각 기판에 대하여 미세섬모가 수직인 방향으로 형성하는 것이 실용적이다.
상기 제 1 미세섬모(2122) 및 제 2 미세섬모(2222)는 각각 상기 제 1 기판(2110) 및 제 2 기판(2210)의 단위면적당, 많은 개수가 형성될수록 결합력이 우수해진다. 즉, 형성된 미세섬모의 밀도가 높을수록, 미세섬모 간의 접촉에 의한 반데르발스 힘이 커지기 때문에 결합력이 향상된다. 따라서 본 발명에 의한 가역적 전기커넥터가 사용되는 환경에 따라 미세섬모의 형성 밀도를 조절할 수 있다.
이러한 반데르발스 힘은 본 발명의 가역적 전기커넥터에서 제 1 연결부재(2100)와 제 2 연결부재(2200)가 서로 결합될 때, 정확하게는 제 1 연결부재(2100)의 제 1 미세섬모(2122)와 제 2 연결부재(2200)의 제 2 미세섬모(2222)가 서로 접촉될 때 발생한다. 구체적으로, 상기 제 1 미세섬모 구조물(2120)과 제 2 미세섬모 구조물(2220)의 말단이 서로 접촉되거나, 추가적인 압력이 가해지는 경우 제 1 미세섬모 구조물(2120)과 제 2 미세섬모 구조물(2220)이 인터락킹 되는 형상(맞물려지는 형상)이 되는 경우, 또는 양 구조물의 측면끼리 접촉하게 될 때 발생한다.
이와 같이, 본 전기커넥터에서 결합력을 제공하는 반데르발스힘을 증가시키기 위해서는 제 1 미세섬모 구조물(2120)과 제 2 미세섬모 구조물(2220) 사이의 접촉면적을 넓히는 것이 바람직하다. 따라서, 접촉 시 상기 제 1 기판 또는 제 2 기판에 압력을 가하여 제 1 미세섬모 구조물(2120)과 제 2 미세섬모 구조물(2220)이 서로 끼워지는 형상이 되도록 하여 접촉면적을 증가시키면 강한 접착력을 구현할 수 있다.
상기와 같이 접착된 제 1 연결부재(2100)와 제 2 연결부재(2200)는 종래의 전기커넥터에 비해 탈리(脫離)시 소음이 거의 발생하지 않으며, 평균적인 초등학생 이상의 힘을 사용하면 간편하게 탈리할 수 있다.
이러한 사항을 도면을 통하여 구체적으로 설명하면 다음과 같다.
도 7 및 도 8은 본 발명의 일실시예에 의한 가역적 전기커넥터의 전기적 접속을 설명하기 위한 모식도이고,
도 9는 본 발명의 일실시예에 의한 가역적 전기커넥터의 탈리를 설명하기 위한 모식도이다.
도 7을 참조하면, 본 발명의 일실시예에 의한 가역적 전기커넥터는 전기적 접속을 위해 먼저, 제 1 연결부재(2100)와 제 2 연결부재(2200)를 결합시키는 동작을 수행한다. 이때, 상기 제 1 연결부재(2100)의 제 1 미세섬모와 제 2 연결부재(2200)의 제 2 미세섬모는 동일한 배열을 가지는 다수의 미세섬모들로 이루어진다.
따라서, 서로 동일한 배열을 가지는 미세섬모 구조물들이 겹쳐 짓눌리지 않도록, 제 1 미세섬모 구조물(2120) 및 제 2 미세섬모 구조물(2220)이 서로 교차하면서 결합 접착시키는 것이 바람직하다.
도 8을 참조하면, 상기와 같이 결합 동작을 수행한 제 1 연결부재(2100)와 제 2 연결부재(2200)에 강한 전단력을 가하여도 반데르발스 힘에 의한 결합력에 의하여 제 1 연결부재(2100)와 제 2 연결부재(2200)는 탈리되지 않는다. 더구나 전단력을 가하는 과정에서 제 1 미세섬모 구조물(2120)의 측면이 제 2 미세섬모 구조물(2220)의 측면과 밀착(인터락킹)되는 결과를 초래하게 되므로 결합력은 더욱 향상되고 이에 따라 강한 압력에도 견딜 수 있게 된다.
이러한 과정을 통해 상기 제 1 연결부재(2100)와 제 2 연결부재(2200)는 높은 인장강도를 가지면서 결합하게 된다.
도 9는 본 발명의 일실시예에 의한 가역적 전기커넥터의 탈리를 설명하기 위한 모식도이다.
도 9를 참조하면, 상기와 같이 접착된 제 1 연결부재(2100)와 제 2 연결부재(2200)를 탈리시키기 위한 동작으로, 제 2 연결부재(2200)의 일측 단부를 소정의 힘을 가해 제 1 연결부재(2100)로부터 탈거시키는 과정을 수행한다. 즉, 상기 제 2 연결부재(2200)(또는 제 1 연결부재(2100))의 일측 단부를 측방향이 아니라 상부 방향으로 잡아당기게 되면, A부분을 시작으로 접착이 해제되어 제 2 연결부재(2200)가 제 1 연결부재(2100)로부터탈리되게 된다.
특정 양태로서, 본 발명에 따른 가역적 전기커넥터는 38N/㎠까지 유도된 반데르발스힘을 유지하면서 결합된 제 1 연결부재(2100)와 제 2 연결부재(2200)가 탈리를 위해 필요로 하는 힘이 0.02N/㎠에 불과하다.
한편, 제 1 연결부재(2100)의 금속 박막(2126)과 제 2 연결부재(2200)의 금속 박막(2226)은 미세섬모의 표면에 금속 재료를 5 내지 30㎚의 두께로 코팅하는 방법을 통해 형성될 수 있다. 이때, 금속 재료로는 백금(Pt), 알루미늄(Al), 구리(Cu), 은(Ag), 금(Au) 등의 전기가 소통되는 금속을 사용할 수 있지만, 전기전도율과 내구성 및 내식성이 우수한 백금(Pt)을 사용하는 것이 바람직하다.
여기서, 금속 박막의 두께가 5㎚의 미만으로 형성되면 전기커넥터 본연의 기능이 저하될 수 있을 뿐만 아니라, 결합/분리 과정으로 이루어진 사이클이 다수회 반복될수록 결합력이 떨어지게 된다. 또한, 금속 박막의 두께가 30㎚를 초과하도록 형성되면 미세섬모 구조물의 직경이 커져서 제 1 미세섬모 구조물(2120)과 제 2 미세섬모 구조물(2130)의 결합력이 저하된다.
이러한 금속 박막의 두께에 따른 미세섬모 구조물 간의 접착력은 실험을 통해 확인할 수 있다. 도 10은 본 발명의 일실시예에 의한 전기커넥터의 사이클 횟수에 따른 결합력의 변화를 설명하기 위한 그래프이다.
도 10을 참조하면, 제 1 미세섬모와 제 2 미세섬모에 금속 박막으로 백금(Pt)이 코팅되지 않은 경우와, 제 1 미세섬모와 제 2 미세섬모에 각각 5㎚ 두께의 백금이 코팅된 경우, 및 제 1 미세섬모와 제 2 미세섬모에 각각 10㎚ 두께의 백금이 코팅된 경우에 결합횟수에 따라 제 1 미세섬모와 제 2 미세섬모 사이에 작용하는 전단력 (shearing force)을 비교하였다. 그 결과, 표면에 백금이 코팅되지 않은 미세섬모들은 사이클 횟수가 증가할수록 전단력이 급격히 감소한 반면, 표면에 백금이 코팅된 미세섬모들은 사이클 횟수가 증가하여도 전단력이 완만하게 감소하였다. 특히, 10㎚ 두께의 백금이 코팅된 미세섬모들 사이에 작용하는 전단력은 20 내지 35N/㎠를 유지하는 것을 알 수 있다.
도 11 및 도 12는 본 발명의 일실시예에 의한 전기커넥터에 구비된 금속 박막의 두께에 따른 전단 접착력 및 전류밀도와의 상관관계를 설명하기 위한 그래프이다.
도 11을 참조하면, 순차적으로 0㎚, 5㎚, 10㎚, 20㎚, 30㎚의 두께로 백금이 코팅된 제 1 미세섬모 및 제 2 미세섬모의 사이에 작용하는 전단 접착력(shearing adhesion force)은 코팅된 백금의 두께가 두꺼울수록 낮아진다. 하지만, 미세섬모에 코팅된 백금의 두께가 5 내지 30㎚일 때, 제 1 미세섬모와 제 2 미세섬모의 사이에는 서로 인터락킹 된 이후에도 서로 접착된 상태를 유지할 수 있는 전단 접착력이 작용한다.
또한 도 12를 참조하면, 5㎚, 10㎚, 20㎚의 두께로 백금이 코팅된 제 1 미세섬모 및 제 2 미세섬모는 종전의 연결 기술에 비해 낮은 전기 저항을 갖는다는 것을 확인할 수 있다.
도 13은 본 발명의 일 실시예에 의한 전기커넥터의 유연성을 나타내는 사진이다.
도 13에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 전기커넥터는 제 1 기판, 제 2 기판, 제 1 미세섬모, 제 2 미세섬모가 유연한 성질을 가지는 고분자 수지로 구성되고, 금속 박막이 나노미터 두께로 구성되기 때문에 양 측을 붙잡고 서로 다른 방향으로 외력을 작용하여도 파손되지 않고 외력에 따라 휘어진다. 따라서, 본 발명에 따른 전기커넥터는 이러한 유연성에 의해 다양한 분야에서 사용될 수 있다.
이러한 실험을 통해 미세섬모에 코팅된 금속 박막의 두께에 따른 전단력, 전단 접착력, 전기 저항의 상관관계를 확인할 수 있다. 다시 말해, 제 1 미세섬모와 제 2 미세섬모에 백금 등의 금속 박막이 코팅되면, 전단 접착력은 금속 박막의 두께에 따라 점차 낮아지지만 제 1 미세섬모와 제 2 미세섬모가 인터락킹 된 이후에도 전기커넥터의 역할을 수행할 수 있을 정도의 전단 접착력을 제공하고, 결합/분리 과정의 사이클이 다수회 반복되어도 일정 수준의 전단력을 제공하며, 전기 저항이 감소됨을 확인할 수 있다.
상술한 바와 같이 구성된 본 발명의 일실시예에 의한 가역적 전기커넥터를 이용한 사용방법을 살펴보면 다음과 같다.
도 14는 본 발명의 일실시예에 의한 가역적 전기커넥터의 사용방법을 설명하기 위한 개략적인 흐름도이다.
도 14를 참조하면, 본 발명의 가역적 전기커넥터의 사용방법은 먼저, 제 1 미세섬모와 상기 제 1 미세섬모의 표면에 코팅된 금속 박막으로 구성된 제 1 미세섬모 구조물이 제 1 기판 상에 구비된 제 1 연결부재를 준비하고(S1100), 이어서 상기 제 1 미세섬모 구조물과 접착력을 나타내도록 제 2 미세섬모와 상기 제 2 미세섬모의 표면에 코팅된 금속 박막으로 구성된 제 2 미세섬모 구조물을 상기 제 1 미세섬모 구조물에 접촉시킨다(S1200).
상기 스텝 S1200에서 제 1 미세섬모 구조물과 제 2 미세섬모 구조물을 접촉시키는 과정에서 접촉 시 가해지는 힘을 조절하여 접착력을 조절할 수 있다. 또한, 상기 제 1 미세섬모 구조물 또는 제 2 미세섬모 구조물의 직경이나, 상기 제 1 기판 및 제 2 기판에 각각 형성된 제 1 미세섬모 구조물 또는 제 2 미세섬모 구조물의 밀도, 또는 상기 제 1 미세섬모 구조물 또는 제 2 미세섬모 구조물의 종횡비를 조절하여 접착력을 조절할 수도 있다. 아울러, 제 1 미세섬모와 제 2 미세섬모에 코팅된 금속 박막의 두께를 조절하여 접착력을 조절할 수도 있다.
이어서 접착된 제 1 연결부재와 제 2 연결부재를 탈리시키려면, 접착하고 있는 상기 제 1 기판과 제 2 기판의 일부, 특히 일단부를 이격시켜 상기 제 1 연결부재와 제 2 연결부재를 분리할 수 있다. 즉, 도 5에 도시된 방식으로 상기 접착하고 있는 상기 제 1 기판(2110)과 제 2 기판(2210)의 일단부를 이격시키면, 작은 힘으로도 상기 제 1 연결부재(2100)와 제 2 연결부재(2200)를 분리할 수 있다.
한편, 전술한 전기커넥터를 이용하여 다기능 센서를 제공할 수 있다.
도 15는 본 발명의 일 실시예에 따른 다기능 센서를 설명하기 위한 구성도이다.
도 15를 참조하면, 본 발명에 따른 다기능 센서는 제 1 연결부재(2100)와, 제 2 연결부재(2200), 및 상기 제 1 연결부재(2100)와 제 2 연결부재(2200)를 밀봉하는 씰링층(2300)을 포함한다.
이때, 제 1 연결부재(2100)는 제 1 기판 상에 형성된 제 1 미세섬모를 가지며, 상기 제 1 미세섬모의 표면과 제 1 미세섬모가 형성된 제 1 기판의 표면에 금속 박막이 형성된다. 또한, 제 2 연결부재(2200)는 상기 제 1 미세섬모에 접촉하는 제 2 기판 상에 형성된 제 2 미세섬모를 가지며, 상기 제 2 미세섬모의 표면과 제 2 미세섬모가 형성된 제 2 기판의 표면에 금속 박막이 형성된다.
아울러, 본 발명의 다기능 센서가 반데르발스힘을 이용해 압력, 전단력, 비틀림을 원활하게 감지하기 위해서는 제 1 미세섬모 및 제 2 미세섬모가 50 내지 300㎚의 직경과 600㎚ 내지 5㎛의 높이로 형성되며, 제 1 기판 및 제 2 기판이 5 내지 50㎛의 두께로 형성되는 것이 바람직하다.
또한, 미세섬모의 직경과 높이가 하한치에 미달되면 제 1 미세섬모와 제 2 미세섬모의 결합이 형성되지 않으며, 상기 미세섬모의 직경과 높이가 상한치를 초과하면 제 1 미세섬모와 제 2 미세섬모가 서로 결합되기 전에 제 1 미세섬모가 주변 제 1 미세섬모와 부착되어 기판간의 결합에 문제를 유발할 수 있다. 그리고 상기 기판의 두께가 하한치에 미달되면 외부로부터 제공된 자극이 골고루 분산되기 어렵게 되며, 기판의 두께가 상한치를 초과하면 다기능 센서의 민감도가 저하될 수 있다.
이때, 상기 제 1 미세섬모와 제 2 미세섬모가 동일한 직경을 가지는 섬모 형상으로 형성될 수도 있다.
또한, 본 발명에 따른 씰링층(2300)은 제 1 연결부재(2100)와 제 2 연결부재(2200)를 외기로부터 보호하는 한편, 제 1 연결부재(2100)와 제 2 연결부재(2200)를 체결하기에 앞서 체결 시 외부로부터 제공된 힘을 골고루 제 1 연결부재(2100)와 제 2 연결부재(2200)에 제공하기 위해 구비되는 것으로, 제1 미세섬모와 제 2 미세섬모가 접촉된 상태의 제 1 연결부재(2100)와 제 2 연결부재(2200)의 표면을 밀봉하도록 형성된다. 보다 구체적으로, 상기 씰링층(2300)은 상기 제 1 연결부재(2100)와 제 2 연결부재(2200)의 측면을 커버하고, 길이방향으로 제 1 연결부재(2100)와 제 2 연결부재(2200)의 일측 말단이나 양측 말단을 제외한 상기 제 1 연결부재(2100)의 하부면과 제 2 연결부재(2200)의 상부면을 커버하도록 형성된다.
이때, 씰링층은 5 내지 500㎛ 두께로 형성되는 것이 바람직하다. 상기 씰링층의 두께가 5㎛에 미달되면 외부로부터 제공된 자극이 골고루 분산되기 어렵게 되며, 씰링층의 두께가 500㎛를 초과하면 다기능 센서의 민감도가 저하될 수 있다.
또한, 씰링층은 폴리머 기반의 접착제나 접착필름을 사용하여 산소 플라즈마(oxygen plasma) 코팅법을 통해 형성될 수 있다. 이때, 폴리머 기반의 접착제로는 내구성이 강하며, 계면자유에너지(interfacial free energy)가 낮아 제 1 연결부재 및 제 2 연결부재의 표면에 구비할 때 제 1 연결부재 및 제 2 연결부재와 접착이 잘 일어나지 않는 폴리다이메틸실록산(Polydimethylsiloxane : PDMS)을 사용하는 것이 바람직하다.
특히, 이러한 다기능 센서는 반데르발스힘에 의해 체결된 미세섬모가 압력, 전단력, 비틀림(torsion)이 가해짐에 따라 저항값이 바뀌는 성질을 이용하여 압력, 전단력, 비틀림을 감지하므로, 반데르발스힘에 의해 체결된 미세섬모의 수가 많을수록 유리하다.
도 16을 참조하면, 본 발명에 따른 다기능 센서는 수직 방향으로 가해지는 압력을 저항 변화에 따른 반응으로 측정할 수 있다. 또한, 도 17을 참조하면, 수평 방향으로 가해지는 전단력도 저항 변화에 따른 측정할 수 있다. 아울러 도 18을 참조하면, 모멘트로 인해 발생하는 비틀림도 측정할 수 있다.
이와 같이, 본 발명에 따른 다기능 센서는 압력, 전단력, 비틀림을 측정할 수 있으며, 금속에 비해 부드러운 고분자 소재를 사용하기 때문에 휘어질 수 있는 특성을 가지고 있다. 또한, 작은 압력과 힘에도 미세하게 반응하며, 측정할 수 있는 압력과 힘의 범위에서 작은 변화에도 크게 반응하는 민감도를 가진다. 그리고 미세섬모들이 측정 후에 원 상태로 복귀되므로, 반복적으로 사용할 수 있다.
본 발명의 다기능 센서의 특징을 보다 부각시키기 위해 다기능 센서의 민감도 측면을 그래프를 통해 구체적으로 설명하면 다음과 같다.
본 발명의 다기능 센서를 통한 압력 측정은 최소 10Pa 까지 측정할 수 있다. 이는, 20㎟ 면적에 20㎎이 얹어졌을 때, 이를 감지해낼 수 있는 민감도이며, 아주 가벼운 터치(~<10kPa) 보다도 작은 값이다.
본 발명의 다기능 센서를 통한 전단력 측정은, 외부로부터 힘이 가해짐에 따라 제 1 미세섬모 구조물과 제 2 미세섬모 구조물이 서로 닿는 면적이 넓어지게 되어 발생되는 저항의 저하를 통해 측정할 수 있다. 이는 최소 0.001N부터 감지할 수 있으며, 1N까지 측정할 수 있다. 또한, 전단력 측정은 10x10의 범위에서 측정할 수 있다.
본 발명의 다기능 센서를 통한 비틀림은 전단력과 비슷한 작용으로 감지할 수 있으며, 최소 0.0002Nm부터 측정할 수 있다. 또한, 압력 측정과 전단력 측정과 비교했을 때, 비틀림에 대한 다기능 센서의 반응은 저항이 훨씬 급격하게 변하는 양상을 보여준다. 이 현상은, 비틀림 자극이 압력이나 전단력보다 미세섬모가 닿게 되는 면적 변화가 더 크기 때문이다.
이러한 현상을 수치적으로 살펴보면, 도 19에서 압력 변화에 따른 센서의 저항 변화를 보여주고, 도 20에서는 전단력 변화에 따른 센서의 저항 변화를 보여준다. 그리고 도 21에서는 비틀림에서의 센서 저항 변화를 보여주고 있으며, 도 19 내지 21을 비교하면 비틀림 자극에 대한 저항 변화가 다른 자극에 비해 급격한 변화를 보임을 확인 할 수 있다.
한편, 본 발명에 따른 다기능 센서의 다른 장점은, 반복적으로 사용할 수 있다는 것이다. 이는, 도 22에 도시된 바와 같이 4가지 단계로 나타낼 수 있다.
첫 번째는, 스텝 1에 도시된 바와 같이 처음 미세섬모를 체결시키는 힘에 의해 섬모가 겹쳐지게 현상을 보여준다.
두 번째는, 스텝 2에 도시된 바와 같이 힘을 가함에 따라 위와 아래의 미세섬모가 서로 겹쳐지게 되면서 반데르발스힘에 의해 체결되는 것을 나타낸다.
세 번째는, 스텝 3에 도시된 바와 같이 힘이 증가됨에 따라 수많은 미세섬모들이 체결되면서 마찰 힘이 증가하는 것을 나타낸다.
네 번째는, 스텝 4에 도시된 바와 같이 힘이 한계 이상으로 가해졌을 때, 미세섬모들의 체결이 끊어지고, 각 미세섬모는 원래의 상태로 되돌아감을 나타낸다. 또한, 체결이 끊어지면서 발생한 잔류 응력도 회복함을 보여준다.
이러한 현상을 통해 본 발명에 따른 다기능 센서는 반복적으로 사용될 수 있다는 것을 나타내고 있다.
아울러, 본 발명에 따른 다기능 센서의 또 다른 장점은 휘어질 수 있다는 것이다. 도 23는 본 발명에 따른 다기능 센서를 설명하기 위한 사진이다.
도 23을 참조하면, 본 발명의 다기능 센서는 유연성을 가지고 있기 때문에 외력이 작용하여도 파손되지 않고 휘어지며, 이러한 특성은 많은 장점을 내포하고 있다.
보다 구체적으로, 압력이나 전단력 또는 비틀림을 측정할 때, 측정 대상은 언제나 평면인 것이 아니며, 원형이나 여러 가지 형태가 될 수 있다. 이때, 다른 센서는 측정하기가 힘들거나 불가능한 것에 비해, 본 발명의 다기능 센서는 휘어질 수 있기 때문에 측정이 가능하다.
더불어, 본 발명의 다기능 센서는 스트레인 게이지(strain gauge) 센서로도 사용될 수 있다. 여기서, 스트레인 게이지란 구조체의 변형되는 상태와 그 양을 측정하기 위하여 구조체 표면에 부착하는 게이지로서, 스트레인은 변형도(變形度) 또는 변형률(變形率)을 나타내며, 어느 물체가 인장 또는 압축을 받을 때 원래의 길이에 대하여 늘어나거나 줄어든 길이를 비율로 표시한 값을 의미한다.
도 24를 참조하면, 본 발명에 따른 다기능 센서는 게이지 계수가 11.45로서 높은 민감성을 갖는다는 것을 알 수 있다.
나아가, 본 발명은 전술한 구성요소가 포함된 다기능 센서의 제작방법을 제공한다. 도 25는 본 발명의 일 실시예에 따른 다기능 센서의 제작방법을 설명하기 위한 순서도이다.
도 25를 참조하면, 먼저 제 1 연결부재와 제 2 연결부재를 제작한다(S1500, S1600). 이어서, 상기 제 1 연결부재의 제 1 미세섬모와 제 2 연결부재의 제 2 미세섬모를 접촉시키고(S1700), 이어서 제 1 연결부재와 제 2 연결부재가 밀봉되도록 씰링층을 형성한다(S1800). 이어서, 상기 씰링층을 가압하여 제 1 미세섬모와 제 2 미세섬모를 서로 체결시킨다(단계 S1900).
이를 도면을 참조하여 각 단계별로 설명하면 다음과 같다.
본 발명의 다기능 센서를 제작하기 위해서는 먼저, 제 1 연결부재의 제작이 요구된다(S1500).
보다 구체적으로, 본 단계(S1500)에서는 제 1 미세섬모가 형성된 제 1 기판을 기본으로, 상기 제 1 기판 상에 형성된 제 1 미세섬모의 표면과 상기 제 1 미세섬모가 형성된 제 1 기판의 표면에 금속 박막을 형성한다. 결과적으로, 본 단계는 제 1 미세섬모 구조물이 형성된 제 1 연결부재를 제작하는 단계이다.
이어서, 두 번째 단계로는 제 2 연결부재의 제작을 수행한다(S1600).
보다 구체적으로, 본 단계(S1600)에서는 제 2 미세섬모가 형성된 제 2 기판을 기본으로, 상기 제 2 기판 상에 형성된 제 2 미세섬모의 표면과 상기 제 2 미세섬모가 형성된 제 2 기판의 표면에 금속 박막을 형성한다.
그 다음, 세 번째 단계로는 제 1 연결부재의 제 1 미세섬모와 제 2 연결부재의 제 2 미세섬모가 접촉되도록 제 1 기판과 제 2 기판을 밀착시키는 과정을 수행한다(S1700).
보다 구체적으로, 본 단계(S1700)에서는 제 1 미세섬모의 말단부와 제 2 미세섬모의 말단부가 서로 접촉될 수 있을 정도로 제 1 기판 및 제 2 기판을 밀착시킨다.
계속하여, 네 번째 단계로는 제 1 기판이 포함된 제 1 연결부재와 제 기판이 포함된 제 2 연결부재가 밀봉되도록 씰링층을 형성하는 과정을 수행한다(S1800).
특정 양태로서, 본 단계(S1800)에서는 제 1 미세섬모와 제 2 미세섬모가 밀착된 상태로 제 1 연결부재 및 제 2 연결부재의 표면에 폴리다이메틸실록산을 도포한 다음, 산소 플라즈마를 처리하여 제 1 연결부재와 제 2 연결부재를 밀봉하는 씰링층을 형성한다.
이때, 씰링층은 제 1 연결부재와 제 2 연결부재의 일측 말단이나 양측 말단이 외부로 노출될 수 있도록 형성하는 것이 바람직하다. 이는, 제 1 연결부재에 형성된 금속 박막과 제 2 연결부재에 형성된 금속 박막에 전선을 연결하여 전기를 소통시키기 위함이다.
마지막으로, 다섯 번째 단계로는 제 1 미세섬모와 제 2 미세섬모 사이에 반데르발스힘이 작용하여 상기 제 1 미세섬모와 제 2 미세섬모가 체결되도록 씰링층에 압력을 가하는 과정을 수행한다(S1900).
보다 구체적으로, 본 단계(S1900)에서는 씰링층이 형성된 제 1 기판 또는 제 2 기판에 0.01 내지 0.3N/㎠, 바람직하게는 0.1N/㎠을 압력을 가한다. 그 결과, 제 1 미세섬모 구조물과 제 2 미세섬모 구조물이 서로 맞닿으면서 반데르발스힘에 의하여 체결된다. 이때, 제 1 기판 또는 제 2 기판에 0.01N/㎠ 미만의 압력을 가하면 제 2 기판의 제 2 미세섬모가 제 1 기판의 제 1 미세섬모와 원활하게 체결되지 않으며, 0.3N/㎠가 초과된 압력을 가하면 상기 제 1 미세섬모와 제 2 미세섬모가 결합력이 강해져서 다기능 센서의 민감도가 저하될 수 있다.
제 2 층(2000)은 상기와 같은 다기능 센서, 즉 나노 구조물의 저항 기반 압력센서를 이용하여 압력을 감지할 수 있고, 도 23과 같이 나노 구조물의 저항 기반 압력센서는 유연성을 가지고 있기 때문에 표면에 곡률을 가지는 생체모방 피부센서에 적용될 수 있다는 장점이 있다.
이러한 몰딩 기반의 나노 구조를 사용하면 생산이 쉽고 내구성이 우수하며 3축 곡률에 성형이 가능하고 매우 작은 압력(가령 벌레가 손가락 위에 있을 때 느끼는 정도)도 검출할 수 있다. 또한 큰 압력 자극이 들어오면 센서 출력은 포화되며 제 3 층(3000)을 통하여 압력을 제 4 층(4000)으로 전달한다.
다음으로, 제 3 층(3000)은 제 2 층(2000)의 하면에 부착되고, 제 2 층(2000)을 통해 자극을 전달 받는다. 제 3 층(3000)은 피부의 진피를 모사한 부분이므로 점탄성 재료로 구성됨이 바람직하며, 신축성 폴리머 재료가 사용될 수 있다.
이러한 탄성을 가지는 제 3 층(3000)은 문지르는 자극이 가해진 경우 발생하는 진동을 제 4 층(4000)으로 확산시켜 전파하는 역할을 한다.
또한, 제 3 층(3000)의 하면에 부착되는 제 4 층(4000)의 상면에는 돌기가 형성될 수 있으므로 제 3 층(3000)의 하면은 돌기가 형성된 제 4 층(4000)의 상면에 맞물리도록 오목한 복수의 홈이 형성될 수 있다.
다음으로, 제 4 층(4000)은 제 3 층(3000)의 하면에 부착되고, 제 3 층(3000)을 통해 자극을 전달받는다. 또한, 제 3 층(3000)으로부터 전달받은 자극 감지하여 감지한 자극의 신호를 생성한다.
한편, 제 4 층(4000)은 진피에 위치하여 확산된 진동을 측정하는 파치니안 소체, 피부 늘림과 미끄러짐을 검출하는 루피니 소체 및 온도를 측정하는 서모셉터(Thermoreceptor)를 모사한 것이다. 따라서 제 4 층(4000)은 여러 가지 양상의 감각을 감지하므로 멀티 모달 촉감센서라 할 수 있다.
제 4 층(4000)은 진피에 위치하는 파치니안 소체와 루피니 소체와 같이 생체모방 피부센서의 가장 아래 층에 배치되어 사람의 피부가 감지하는 다양한 양상(미끄러짐, 진동, 온도, 피부 늘림)의 감각을 감지할 수 있다.
이를 구현하기 위해 수백 나노미터 두께를 가진 반도체 스트레인 게이지를 사용하는 플렉시블 3축 힘 또는 압력 센서 어레이와 금속 저항 기반 플렉시블 온도센서가 사용될 수 있다.
이하에서는 도면을 참조하여 반도체 스트레인 게이지를 사용하는 플렉시블 3축 힘 또는 압력 센서 어레이에 대해 설명한다.
<힘 또는 압력 센서 어레이의 구성 및 작용>
도 26a는 본 발명인 반도체 스트레인 게이지(3110)를 이용한 힘 또는 압력 센서 어레이의 일 실시예를 나타낸 사시도이며, 도 26b는 도 26a에 도시된 힘 또는 압력 센서 어레이를 층 구성으로 분해한 분해 사시도이다. 도 26a 및 도 26b에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예는 회로기판(3010)과 그 양면으로 접착되는 한 쌍의 탄성중합체층(3020, 3030)으로 구성된다. 여기서, 회로기판(3010)은 고분자 필름층과 그 내부에 다수의 단위체(3111)가 특정 어레이 패턴으로 나열되어 있는 반도체 스트레인 게이지(semicondutor strain guage, 110)가 위치하며, 전극을 형성하는 다수의 제 1, 2신호선(3140, 3150)이 형성되어 있다 또한, 회로기판 하부에는 제1신호선(3140)에 항상 일정한 전류를 흐르게 하는 전류소스(3141), 제 2신호선(3150) 끝단 각각에 연결된 스위치(3151)와 스위치를 제어하여 제 2신호선(3150)을 실시간으로 스캐닝하는 스위치제어부(3160)가 CMOS 공정으로 형성된 CMOS 회로층(3170)을 더 포함될 수 있다.
다수 단위체(3111)의 어레이 패턴을 갖는 반도체 스트레인 게이지(3110)는 변형에 따라 저항이 변화됨을 기초로 힘 또는 압력을 높은 게이지 팩터(gauge factor)의 우수한 감도로 센싱하는 역할을 한다. 그리고, 전체 층 구조에서 가운데 중립축(Neutral Axis)에 위치하여 전체 센서 어레이가 휘어져도 변형률이 0이다.
반도체 스트레인 게이지를 이루는 각 단위체(3111)는 복수로 구비되어 어레이 패턴을 갖도록 제조되며, 각 단위체(3111)는 막대 형상 또는 바 형상(bar-shaped)으로 동일한 형상을 갖는다. 어레이 패턴은 막대 형상의 길이 방향이 모두 동일하게 나열되도록 하여 대면적에 의한 힘 또는 압력 센싱이 균일하게 이루어질 수 있도록 하며 각 단위체(3111)는 신축성을 제공하기 위해 도면과 달리 그 형상이 웨이브 형태로 제조될 수도 있다. 각 단위체(3111)는 실리콘 웨이퍼(3040)에 기초하여 제조되어지는 것이므로 휨성을 부여하기 위해 100 ㎛ 이하의 두께로 제조된다.
다수의 단위체(3111)가 어레이 패턴으로 나열되는 반도체 스트레인 게이지(3110)는 폴리이미드(PI, Polyimid)와 같은 고분자 필름층에 형성되어 있다. 고분자 필름층은 전극간 절연층으로도 사용되므로 적어도 2층 이상의 얇은 박막으로 회로기판(310)이 완성되는 것이 바람직하다. 한 쌍의 탄성중합체층(3020, 3030)은 본 발명에 있어 힘(F)을 최초로 감지하는 감지부의 역할과 보호막의 역할을 한다. 한 쌍의 탄성중합체층(3020, 3030)은 힘 또는 압력 감지의 균일성을 보장하기 위해 양면을 동일한 두께(약 0.5 ~ 10 mm)로 제조한다.
그리고, 탄성중합체층(3020, 3030)(또는 폴리머층)은 유연성과 신축성을 제공하기 위해 사용되는 것으로서, 본실시예에서는 폴리-디메틸실록세인(PDMS, Poly-Dimethylsiloxane)층으로 형성하였다. 본 발명의 일 실시예는 도 26a에 도시된 바와 같이, 상부 탄성중합체층(3030)으로 외부의 힘(F)이 작용하게 되면 반도체 스트레인 게이지의 해당 부위의 단위체(3111)가 변형되고 이러한 변형에 기초하여 저항변화가 있으면, 다수의 제 1, 2신호선(3140, 3150)을 통해 소정 신호가 출력되어 본 발명 센서에 가해지는 힘 또는 압력이 측정된다.
도 27은 도 26a의 A-A 방향 단면을 나타낸 단면도이다. 도 27에 도시된 바와 같이, 본 발명의 회로기판(3010)은 제 1고분자 필름층(3120) 상에 반도체 스트레인 게이지(3110)가 나열되어 있고, 각 단위체(3111) 일단에 대응하여 제 1신호선(3140)이 연결되며, 각 단위체(3111) 타단에 대응하여 제 2신호선(3150)이 연결되어 있다. 그리고, 회로기판(3010)의 상하면으로 탄성중합체층(3020, 3030)이 접착되어 있다.
반도체 스트레인 게이지(3110)는 다양한 어레이 패턴으로 제조 가능하지만, 두께는 휨성을 부여하기 위해 100 ㎛ 이하이어야 하고, 전극형성을 위한 다수의 제 1, 2신호선(3140, 3150)의 경우, 바람직하게는 CMOS 회로를 구성하고, Au/Ti와 같은 금속을 사용하되 패터닝 공정과 금속증착(metal evaporation) 등으로 이루어진 CMOS 공정에 의해 전사되어 형성될 수 있다.
다만, 제 1신호선(3140)과 제 2신호선(3150)은 상호 절연되어야 하므로 제 1신호선(3140)과 제 2신호선(3150) 사이에는 절연층으로 제 2고분자 필름층(3130)이 더 형성되어 있고 홀을 통해 반도체 스트레인 게이지(3110)와 제 2신호선(3150)이 연결될 수 있다. 한편, 제 1, 2고분자 필름층(3120, 3130)은 회로 및 도선을 구성하기 위해 필요한 구성임과 동시에 반도체 스트레인 게이지(3110)가 막에 안착되도록 하는 역할도 수행한다. 이러한 제 1, 2고분자 필름층(3120, 3130)은 각각이 0.5 ~ 5 ㎛ 두께를 갖는 폴리이미드(PI, Polyimid) 박막층으로 형성될 수 있다.
도 28은 본 발명의 일실시예에 따른 회로기판에서의 제 1신호선(3140) 및 제 2 신호선(3150), 스위치(3151) 및 스위치 제어부(3160)를 나타낸 회로도를 도시한 것이다. 도 28에 도시된 바와 같이, 복수의(Y0, Y1...Yn-1) 제 1신호선(3140)은 각 단위체(3111)의 일단에 일방향으로 평행하게 연결되고, 복수의(X0, X1.....Xn-1) 제 2신호선(3150)은 각 단위체(3111)의 타단에 일방향과 수직되게 연결되어 있다. 또한, 복수의 제 1신호선(3140)은 P-모스펫(MOSFET)으로 구성되어 입력전압(Vin)이 인가되는 전류소스(3141)에 바이어스 전압(bias voltage)을 가해줌으로써 제 1신호선(3140) 각각에 항상 일정한 전류가 흐르게 된다.
그리고, 도 28에 도시된 바와 같이, 제 2신호선(3150)의 끝단 각각에는 스위치(3151)가 연결되어 있다. 스위치(3151) 각각은 스위치(3151)를 제어하여 제 2신호선(3150)을 스캐닝하는 스위치 제어부(3160)에 연결되어 있다. 따라서, 스위치제어부(3160)는 스위치(3151) 각각을 실시간, 순차적으로 어느 하나만을 온(on) 상태로 하고 나머지를 오프(off)시키게 된다. 스위치제어부(3160)는 디코더(decoder) 등으로 구성될 수 있다. 따라서, 외부에서 힘 또는 압력이 인가될 때, 저항값이 변하는 단위체(3111)에 연결된 출력단에서 출력전압(V0....Vn-2)을 측정하게 된다. 이러한 출력전압에 의해 변화된 저항값, 전압값을 연산하고, 이러한 저항값, 전압값을 기초로 하여 인가된 힘 또는 압력값을 측정하게 된다.
이러한 CMOS 회로를 이용한 신호처리는 신호처리 방식의 바람직한 일예를 제시한 것일 뿐 이에 한정하여서는 아니되고, 특허발명의 권리범위는 특허청구범위에 의해 해석되어야 할 것이다.
<힘 또는 압력 센서 어레이의 제조방법>
도 29는 본 발명인 반도체 스트레인 게이지(3110)를 이용한 힘 또는 압력 센서 어레이의 제조방법의 흐름도이다. 우선 실리콘 웨이퍼(3040) 상에서 소정의 어레이 패턴을 갖는 반도체 스트레인 게이지(3110)가 제조된다(S2100). 제조되는 반도체 스트레인 게이지(3110)는 SOI(Silicon-On-Insulator) 웨이퍼 또는 단결정 실리콘 웨이퍼를 이용하여 어레이 패턴의 각 단위체(3111) 두께가 0.1 ㎛ ~ 100 ㎛ 가 되도록 제조되며, 특히 SOI 웨이퍼를 이용하는 경우 에칭막이 삽입되어 있으므로 반도체 스트레인 게이지(3110)의 두께 조절이 용이할 수 있다.
다음, 제조된 반도체 스트레인 게이지(3110)가 폴리-디메틸실록세인 매개체(3050)를 이용하여, 캐리어 웨이퍼(3060)에 희생층(3062)을 사이에 두고 적층되어 있는 제 1고분자 필름층(3120)으로 전사된다(S2200). 희생층(3062)은 폴리메틸 메타크릴레이트, 즉, PMMA(Poly Methyl Methacrylate, 아크릴수지)이며, 제 1고분자 필름층(3120)은 폴리이미드 박막층을 이용하여 전사단계(S2200) 공정이 수행된다.
다음, 다수의 제 1신호선(3140)이 어레이 패턴의 각 단위체(3111) 일단과 연결되어 제 1전극이 형성된다(S2300). 여기서, 다수의 제 1신호선은 CMOS 공정으로 전사되어 형성될 수 있고, 다수의 제 1신호선(3140)이 일 방향으로 평행하게 나열되게 형성한다. 이러한 제 1신호선(3140)은, P-모스펫으로 구성되어 전류소스(3141)에 의해 항상 일정한 전류가 흐르게 된다.
다음, 제 2고분자 필름층(3130)이 다수의 제 1신호선(3140) 상부로 적층되어 절연층이 형성된다(S2400). 제 2고분자 필름층(3130)은 제 1고분자 필름층(3120)과 마찬가지로 폴리이미드 박막층이 사용된다. 다음, 다수의 제 2신호선(3150)이 제 2고분자 필름층(3130)에서 각 단위체(3111)의 타단과 연결되어 제 2전극이 형성된다(S2500). 또한, 다수의 제 2신호선(3150)도 CMOS 공정으로 전사되어 형성되며, 다수의 제 1신호선(3140)의 나열 방향에 수직으로 나열되도록 다수의 제 2신호선(3150)이 형성된다.
다음, 제 2신호선(3150) 끝단 각각에 스위치(3151)를 연결하고, 스위치(3151) 각각을 스위치 제어부(3160)에 연결시키게 된다(S2600). 다음, 제 1, 2고분자 필름층, 반도체 스트레인 게이지(3110) 및 다수의 제 1, 2신호선으로 구성된 회로기판(3010)이 소정의 용해제에 의한 희생층(3062)의 용해로 분리된다(S2700). 마지막으로, 회로기판(3010)이 한 쌍의 탄성중합체층(3020, 3030) 사이에 삽입되어 접착됨으로써(S2800) 본 발명인 힘 또는 압력센서 어레이의 제조방법이 수행된다.
한편, 게이지 제조단계(S2100)는, 실리콘 웨이퍼(3040)에 석판인쇄공정, 이온주입공정 및 식각공정이 순차적으로 수행됨으로써 의도하는 어레이 패턴의 반도체 스트레인 게이지(3110)가 제조될 수 있다. 이러한 공정은 반도체 스트레인 게이지 제조에 있어 자명한 공정이므로 설명은 생략한다. 상술한 바와 같은 일반적인 반도체 스트레인 게이지(3110) 제조공정 이외에도 여러 제조공정이 있을 수 있으나, 저비용의 공정으로서 단결정 실리콘 웨이퍼를 사용한 마이크로 구조체 추출방법[참고문헌: A.J. Baca, et al., Adv. Func. Mater., 17, 3051 (2007)]을 이용하여 반도체 스트레인 게이지(3110)를 제조하는 공정(도 30a 내지 도 30d)이 이용될 수도 있다.
도 30a 내지 도 30d는 본 발명인 반도체 스트레인 게이지(3110)를 이용한 힘 또는 압력 센서 어레이의 일 구성중 반도체 스트레인 게이지(3110)의 제조과정을 순차적으로 나타낸 공정단면도이다. 도 30a에 도시된 바와 같이, 제조될 반도체 스트레인 게이지(3110)를 고려하여 단결정 실리콘(3112)에 소정의 패턴으로 감광액(3113, Photo Resister)을 도포한다. 이후, 금속증착(metal evaporation)을 통해 해당부위를 제거하고 RIE(Reactive Ion Etching)를 통해 트렌치(3114, trench)를 형성한 상태에서 KOH에 의한 측벽정제(sidewall Refining)과정을 거치면 도 30b와 같은 단결정 실리콘이 완성된다.
이후, 도 30c에 도시된 바와 같이, 제 1보호막(3115) 및 제 2보호막(3116)을 순차적으로 형성하되 제 1보호막(3115)은 Si3N4/SiO2를 사용하고 제 2보호막(3116)은 Au/Ti를 사용한다. 다음, CF4 plasma를 이용한 RIE 과정과 KOH 에칭과정을 통해 제 1, 2보호막(3115, 3116)이 부분적으로 제거되고 마지막으로 완전히 제 1, 2보호막(3115, 3116)을 제거하면, 도 30d에 도시된 바와 같은 리본 형태(Si Ribbon)의 단위체(3111)가 어레이 패턴을 갖는 반도체 스트레인 게이지(3110)가 완성된다.
도 31은 본 발명인 반도체 스트레인 게이지(3110)를 이용한 힘 또는 압력 센서 어레이의 제조방법 중 반도체 스트레인 게이지(3110)를 전사하는 상태를 나타낸 사시도이다. 도 31에 도시된 바와 같이, 폴리-디메틸실록세인 매개체(또는 PDMS 스탬프, 50)를 이용하여 어레이 패턴을 갖는 반도체 스트레인 게이지(3110)를 폴리-디메틸실록세인 매개체(3050)의 면적만큼 실리콘 웨이퍼(3040)에서 이탈시키게 된다.
도 32는 본 발명인 반도체 스트레인 게이지(3110)를 이용한 힘 또는 압력 센서 어레이의 제조방법 중 캐리어 웨이퍼(3060) 층에 반도체 스트레인 게이지(3110)가 전사된 상태를 나타낸 사시도이다. 도 32에 도시된 바와 같이, 캐리어 웨이퍼(3060)에 희생층(3062)을 사이에 두고 적층되어 있는 제 1고분자 필름층(3120)으로 반도체 스트레인 게이지(3110)가 전사되어 적층된다. 여기서, 제 1고분자 필름층(3120)은 폴리이미드 박막층으로 형성된 것이며, 희생층(3062)은 폴리메틸 크릴레이트(PMMA, 아크릴수지)가 코팅되어 있다.
도 33은 본 발명인 반도체 스트레인 게이지(3110)를 이용한 힘 또는 압력 센서 어레이의 제조방법 중 다수의 신호선이 배열된 상태를 나타낸 사시도이다. 도 33에 도시된 바와 같이, CMOS 공정으로 전사하여 다수의 제 1, 2신호선(3140, 3150)을 형성하여, CMOS 회로를 구성하게 된다. 이때 세부적 도선 패터닝 작업이 이루어질 수 있으며 스핀코팅 등의 공정이 수행될 수 있다. 다수의 제 1, 2신호선(3140, 3150)은 임의의 X축 전극과 이에 수직하는 Y축 전극이 되도록 형성한다.
<힘 또는 압력의 측정방법>
도 34는 본 발명인 힘 또는 압력 센서 어레이를 이용한 힘 또는 압력 측정방법을 순차적으로 나타낸 순서도이다. 도 34에 도시된 바와 같이, 우선 필름면이 대면하여 접하는 한 쌍의 고분자 필름층(3120, 3130)의 외측 양면에 각각 탄성중합체층(3020,3030)이 접착되어 탄성중합체층(3020,3030) 중 적어도 하나가 외부로부터 힘 또는 압력을 수신한다(S3100).
다음, 한 쌍의 고분자 필름층(3120, 3130) 사이에 소정의 어레이 패턴을 가지는 반도체 스트레인 게이지(3110)가 위치하여 힘 또는 압력을 전달받아 힘이 인가된 부분에 근접한 단위체(3111) 일부의 저항이 변화된다(S3200). CMOS 회로를 구성하고 단위체 각각의 일단에 연결된 제 1신호선(3140)은 일정한 전류가 흐르게 된다(S3300). 제 1신호선(3140)은 앞서 설명한 바와 같이, P-모스펫으로 구성되고, 전류소스에 의해 항상 일정한 전류가 흐르도록 구성된다.
그리고, 스위치 제어부(3160)는 제 2신호선 끝단 각각에 연결된 스위치(3151)들을 제어하여 실시간으로 제 2신호선(3150)을 스캐닝하게 된다(S3400). 다음, 제어부가 스캐닝 후, 변화된 저항에 기초하여 출력되는 변형 신호를 어레이 패턴의 각 단위체(3111)와 연결된 다수의 제 1, 2신호선을 통해 수신한다(S3500). 여기서, 제어부(5000)는 수치연산과 수치비교가 가능한 컴퓨터일 수 있으며 본 발명인 힘 또는 압력 센서 어레이의 신호를 수신할 수 있는 입력포트를 갖추고 있는 것이 바람직하다.
다음, 제어부(5000)가 신호에 기초하여 측정 저항값 또는 측정 전압값을 연산한다(S3600). 마지막으로 제어부(5000)가 측정 저항값 또는 측정 전압값에 기초하여 힘 또는 압력의 세기를 출력함으로써(S3700) 힘 또는 압력 센서 어레이를 이용한 힘 또는 압력 측정방법이 수행된다. 여기서, 제어부(5000)의 연산단계(S3600)와 제어부(5000)의 출력단계(S3700) 사이에는, 제어부(5000)가 각 단위체(3111)에 대응하여 버퍼 메모리(미도시)에 저장해둔 초기 저항값 또는 초기 전압값을 읽어들이는 단계가 더 포함되어 측정값과 초기값을 비교하여 그 비례 정도에 기반하여 힘 또는 압력의 세기를 연산하고 출력하는 것이 바람직하다.
<힘 또는 압력 센서 어레이의 제 1변형예>
도 35는 본 발명인 반도체 스트레인 게이지(3110)를 이용한 힘 또는 압력 센서 어레이의 제 1변형예로서 막대 형태의 단위체(3111)가 십자형태로 나열된 어레이 패턴을 간략하게 나타낸 평면도이다. 도 35에 도시된 바와 같은 제 1변형예는 일실시예에서 상술하였던 다수의 막대 형태(또는 바 형태)의 단위체(3111, 3111')가 어레이 패턴으로 나열된 2개의 회로기판(3010)을 준비하여 각 회로기판(3010)에 대응하는 단위체(3111, 3111') 상호간에 십자형태가 되도록 겹쳐서 만들 수 있다. 물론 겹쳐 형성된 2개의 회로기판(3010) 외측 양면으로 각각 탄성중합체층을 접착하여 본 발명의 힘 또는 압력 센서 어레이가 완성된다.
<힘 또는 압력 센서 어레이의 제 2변형예>
도 36은 본 발명인 반도체 스트레인 게이지(3110)를 이용한 힘 또는 압력 센서 어레이의 제 2변형예로서 어레이 패턴 상부에 돌기(3031) 구조를 형성한 상태를 나타낸 평면도이며, 도 37은 도 11의 B-B 방향의 단면을 나타낸 단면도이다.
도 36 및 도 37에 도시된 바와 같이, 각 돌기(3031)가 탄성중합체(3030) 표면과 이루는 경계선 하부에서 사방을 향하도록 나열된 패턴을 어레이 패턴으로 갖는 반도체 스트레인 게이지(3110a, 3110b, 3110c, 3110d)가 형성되어 있다. 이러한 돌기(3031) 구조는 하중이 집중되도록 함과 동시에 3축 방향의 힘 또는 압력을 측정할 수 있는 구조이다.
상술한 제 1, 2변형예도 상술한 제조방법과 동일한 제조방법으로 제조될 수 있으며, 힘 또는 압력의 측정방법도 측정방향을 제외하고는 동일하게 수행된다.
상술한 반도체 스트레인 게이지를 이용한 플렉서블 힘 또는 압력 센서 어레이를 사용하면 X,Y,Z 축, 즉 3축 모두에 대한 힘을 측정할 수 있고, 측정한 힘을 이용하여 미끄러짐, 진동, 피부늘림 등의 다양한 양상을 검출할 수 있다.
또한, 박막의 반도체 단결정 실리콘을 사용하면 금속 기반 스트레인 게이지보다 약 30 ~ 70 배 정도 높은 감도를 가지며 감도를 높이기 위한 멤브레인 감지 구조를 사용할 필요가 없으므로 기계적 내구성이 우수하다.
한편, 인공 손을 제어하고 피부 감각을 사람에게 전달하기 위해서 촉감 신호의 선형성 및 반복도가 보장되어야 한다. 상기 설명한 반도체 실리콘 리본을 스트레인 게이지로 사용하는 플렉시블 3축 힘 센서 어레이는 스트레인 게이지 방식을 사용하므로 전도성 고무 및 전도성 잉크 기반의 FSR(Force Sensitive Resistor)보다 선형성 및 반복도 그리고 크립(creep) 특성이 매우 우수하여 본 발명의 생체모방 피부센서에 사용하기에 바람직하다.
다음으로, 제어부(5000)는 제 2 층(2000)과 제 4 층(4000)에서 감지한 자극의 신호를 이용하여 촉각정보를 생성하는 역할을 한다.
한편, 사람 피부의 모든 수용기들은 각각 개별적인 고유의 신호선(뉴런)을 갖고 있어 부호화가 필요 없다. 하지만 뇌에 말단 신경 신호를 전달하기 위해서는 척수에서 수많은 신경 다발이 올라가야 한다.
그러나 사람의 신경처럼 실질적으로 수많은 센서를 좁은 면적에 집적하면서 센서 신호선을 각각 연결하기는 불가능하다. 따라서 집적된 센서 어레이는 매트릭스 형태의 어레이로 배치되어야 하며 각 행과 열 신호선을 스캐닝하여 데이터를 취득한다.
가령 N× M 어레이의 경우 각각 연결 시 N× M 개의 신호선이 필요한 반면 매트릭스 형태로 배치할 경우 N+M 개의 신호선이 필요하다. 매트릭스 형태로 배치된다고 해도 많은 수의 신호선이 인공피부 밖으로 나와야 하며 신호처리 회로와의 거리가 길면 잡음의 영향도 배재할 수 없다.
따라서 촉감신호를 인공피부 가까이(예를 들어, 생체모방 피부센서가 바이오닉 암의 손가락프레임에 부착된 경우, 손가락프레임 내부)에서 처리한 후 디지털 신호로 변환하여 제공해주는 단일칩 형태의 전용 신호처리 프로세서를 제어부(5000)로 사용할 수 있다.
이러한 프로세서는 촉감 데이터를 패킷 형태로 촉감신호변환 프로세서(디지털 촉감 데이터를 처리하여 생체 수용기에 적합한 전기신호-펄스-로 변환)에 전달할 수 있다. 또한, 생체모방 피부센서가 복수개 구비되는 경우 피부센서의 제어부(5000)끼리 연결될 수도 있다.
도 38은 본 발명의 일 실시례에 따른 생체모방 피부센서가 바이오닉 암의 손가락 프레임에 부착된 것을 나타내는 것으로, 제 1 층(1000) 내지 제 4 층(4000)은 모두 유연성을 갖기 때문에 도 38과 같이 바이오닉 암의 손가락 프레임에 부착될 수 있다.
이하에서는 전술한 구성들을 기초로 촉감신호를 감지하는 방법에 대해 도 39를 참조하여 설명한다.
도 39는 본 발명의 일 실시례에 따른 촉감신호 감지방법을 나타내는 순서도이다.
먼저, 최외면에 위치하는 제 1 층(1000)을 이용하여 외부의 자극을 수용한다(S4100).
제 1 층(1000)은 전술한 바와 같이 피부의 표면과 유사한 재료로 구성될 수 있고 촉각과 관련된 어떠한 자극도 수용할 수 있다.
상기 수용한 자극을 상기 제 1 층(1000)의 하면에 위치하는 제 2 층(2000)에 전달한다(S4200).
상기 제 2 층(2000)에 전달된 자극 중 압력자극을 감지하여 제 1 신호를 생성한다(S4300).
제 2 층(2000)은 마이스너 소체와 메르켈 소체를 모사한 것으로서 S4300 단계에서는 전술한 나노 구조물의 저항 기반 압력센서를 제 2 층(2000)으로 사용하여 압력자극을 감지할 수 있다.
상기 제 2 층(2000)에 전달된 자극을 상기 2 층의 하면에 위치하는 제 3 층(3000)에 전달한다(S4400).
상기 제 3 층(3000)에 전달된 자극을 상기 3 층의 하면에 위치하는 제 4 층(4000)에 전달한다(S4500).
제 3 층(3000)은 피부의 진피를 모사한 것으로서 점탄성 재료가 사용됨이 바람직하고, S4400단계에서는 상부로부터 전달받은 자극을 제 4 층(4000)으로 확산시켜 전파한다.
상기 제 4 층(4000)에 전달된 자극 중 미끄럼자극, 온도자극, 진동자극 및 변형자극 중 적어도 하나의 자극을 감지하여 제 2 신호를 생성한다(S4600).
제 4 층(4000)은 확산된 진동을 측정하는 파치니안 소체, 피부 늘림과 미끄러짐을 검출하는 루피니 소체 및 온도를 측정하는 서모셉터(thermoreceptor)를 모사한 것으로서 전술한 반도체 스트레인 게이지를 사용하는 플렉시블 3측 힘 센서 어레이와 금속 저항 기반 플렉시블 온도센서를 사용하여 미끄럼자극, 온도자극, 진동자극 및 변형자극을 감지할 수 있다.
상기 제 1 신호 및 상기 제 2 신호를 이용하여 촉각정보를 생성한다(S4700).
한편, 본 발명은 또한 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체에 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드로서 구현하는 것이 가능하다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체는 컴퓨터 시스템에 의해 읽혀질 수 있는 데이터가 저장되는 모든 종류의 기록장치를 포함한다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체의 예로는 ROM, RAM, CD-ROM, 자기 테이프, 플로피 디스크, 광데이터 저장장치 등이 있으며, 또한 케리어 웨이브(예를 들어 인터넷을 통한 전송)의 형태로 구현되는 것도 포함한다. 또한, 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체는 네트워크로 연결된 컴퓨터 시스템에 분산되어, 분산방식으로 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드가 저장되고 실행될 수 있다. 그리고, 본 발명을 구현하기 위한 기능적인(functional) 프로그램, 코드 및 코드 세그먼트들은 본 발명이 속하는 기술분야의 프로그래머들에 의해 용이하게 추론될 수 있다.
상기와 같이 설명된 생체모방 피부센서는 상기 설명된 실시예들의 구성과 방법이 한정되게 적용될 수 있는 것이 아니라, 상기 실시예들은 다양한 변형이 이루어질 수 있도록 각 실시예들의 전부 또는 일부가 선택적으로 조합되어 구성될 수도 있다.
전술한 구성을 적용한 본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 인체의 피부 구조를 모방한 촉감센서를 사용자에게 제공할 수 있다.
구체적으로, 사람의 피부와 같이 유연하고 힘 또는 압력 측정의 반복성과 우수한 촉감센서를 사용자에게 제공할 수 있다.
또한, 하나의 자극에 의해 발생하는 다양한 양상의 촉감을 측정할 수 있는 촉감센서를 사용자에게 제공할 수 있다.
또한, 인체 촉감 기관의 작동 원리와 피부의 기계적 특성을 모사함으로써 인체가 촉각을 감지하는 방식으로 촉각을 센싱하는 촉감센서를 사용자에게 제공할 수 있다.
한편, 본 발명에서 얻을 수 있는 효과는 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
나아가, 의료진단 및 시술, 국방, 탐사 관련에 쓰이는 원격로봇에 필수적인 주변 환경과의 상호작용 감지시스템으로 활용할 수 있다.
또한, 구체적으로 플렉시블 터치스크린, 수술용 로봇의 촉각센서, 유방암 진단기와 같은 촉진(palpation)용 의료기구, 신체 압력 분포 측정(인체역학), 휴머노이드 로봇의 촉각센서 등에 활용 가능하며, 촉각 가상현실 기술 및 감성적 의류개발의 기반기술로 활용할 수 있다.
또한, 본 발명의 촉각센서를 이용하여 촉감을 정량적으로 기록할 수 있는 촉감 레코더개발이 가능하고, 촉감의 정량화는 제품의 감성 요소들 즉, 질감, 착용감, 온열/습윤감을 정량화하여 손과 접촉이 잦은 기기의 경쟁력을 끌어 올리는 데에 기여. 휴대전화, 화장품 등 다양한 관련 산업에 감성을 접목할 수 있다.
1000 : 제 1 층
1100 : 돌기
2000 : 제 2 층
2100 : 제 1 연결부재
2110 : 제 1 기판
2120 : 제 1 미세섬모 구조물
2122 : 제 1 미세섬모
2124 : 제 1 연결부재 금속 박막
2200 : 제 2 연결부재
2210 : 제 2 기판
2220 : 제 2 미세섬모 구조물
2222 : 제 2 미세섬모
2224 : 제 2 연결부재 금속 박막
2300 : 씰링층
3000 : 제 3 층
3010: 회로기판
3020, 3030: 한 쌍의 탄성중합체층
3031: 돌기
3040: 실리콘 웨이퍼
3050: 폴리-디메틸실록세인 매개체
3060: 캐리어 웨이퍼
3062: 희생층
3110: 반도체 스트레인 게이지
3111, 3111', 3111a, 3111b, 3111c, 3111d: 반도체 스트레인 게이지의 단위체
3112: 단결정 실리콘
3113: 포토 레지스터
3114: 트렌치
3115: 제 1보호막
3116: 제 2보호막
3120: 제 1고분자 필름층
3130: 제 2고분자 필름층
3140: 제 1신호선
3141: 전류소스
3150: 제 2신호선
3151: 스위치
3160: 스위치 제어부
3170: CMOS 회로층
4000 : 제 4 층
5000 : 제어부

Claims (29)

  1. 상면에 가해지는 외부의 자극을 수용하는 제 1 층;
    상기 제 1 층의 하면에 부착되며, 가역적 전기커넥터 기반의 압력센서로 형성된 제 2 층;
    상기 제 2 층의 하면에 부착되며, 점탄성 물질로 형성된 제 3 층;
    상기 제 3 층의 하면에 부착되며, 복수의 단위체가 소정의 어레이 패턴으로 형성되어 힘 또는 압력에 의해 변형되는 반도체 스트레인 게이지 기반의 3축 압력센서 어레이 및 온도센서를 포함하는 제 4 층; 및
    상기 자극에 대한 촉각정보를 생성하는 제어부;를 포함하되,
    상기 제 1 층이 수용한 자극은 상기 제 2 층으로 전달되고, 상기 제 2 층으로 전달된 자극은 상기 제 3 층으로 전달되며, 상기 제 3 층으로 전달된 자극은 상기 제 4 층으로 전달되고,
    상기 제 2 층은 상기 제 2 층으로 전달된 자극을 감지하여 제 1 신호를 생성하며,
    상기 제 4 층은 상기 제 4 층으로 전달된 자극을 감지하여 제 2 신호를 생성하고,
    상기 제 2 층이 감지하는 자극은 압력자극을 포함하고,
    상기 제 4 층이 감지하는 자극은 미끄럼자극, 온도자극, 진동자극 및 변형자극 중 적어도 하나를 포함하며,
    상기 제어부는 상기 제 1 신호 및 상기 제 2 신호를 이용하여 상기 촉각정보를 생성하되,
    상기 제 2 층의 가역적 전기커넥터 기반의 압력센서는,
    제 1 기판 상에 형성된 복수의 제 1 미세섬모를 가지며, 상기 복수의 제 1 미세섬모의 표면과 상기 복수의 제 1 미세섬모가 형성된 제 1 기판의 표면에 금속 박막이 형성된 제 1 연결부재; 및
    상기 복수의 제 1 미세섬모에 접촉하는 제 2 기판 상에 형성된 복수의 제 2 미세섬모를 가지며, 상기 복수의 제 2 미세섬모의 표면과 상기 복수의 제 2 미세섬모가 형성된 제 2 기판의 표면에 금속 박막이 형성된 제 2 연결부재;를 포함하되,
    상기 제 1 미세섬모 및 상기 제 2 미세섬모는 50 내지 300nm의 직경과 600nm 내지 5um의 높이로 형성되며, 유연한 성질을 가지는 고분자 물질 및 고분자 물질의 표면에 형성된 금속 박막을 포함하고,
    상기 제 1 층을 통해 전달된 상기 자극에 의해 상기 제 1 기판에 휨이 발생하고, 상기 발생한 휨에 의해 상기 복수의 제 1 미세섬모와 상기 복수의 제 2 미세섬모가 접촉하는 면적이 달라지며, 상기 달라진 면적에 따른 상기 제 1 기판 및 상기 제 2 기판 사이의 저항 변화값을 측정함으로써 압력, 전단력, 및 비틀림 중 적어도 하나를 감지하는 것을 특징으로 하는 생체모방 피부센서.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 층의 상면에는 복수의 돌기가 형성되는 것을 특징으로 하는 생체모방 피부센서.
  3. 삭제
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 기판과 제 2 기판은 5 내지 50㎛의 두께로 형성된 것을 특징으로 하는 생체모방 피부센서.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 금속 박막은 백금, 알루미늄, 구리, 은, 금으로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나로 형성된 것을 특징으로 하는 생체모방 피부센서.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 복수의 제 1 미세섬모는 상기 제 1 기판에 대하여 수직방향으로 형성되고,
    상기 복수의 제 2 미세섬모는 상기 제 2 기판에 대하여 수직방향으로 형성되는 것을 특징으로 하는 생체모방 피부센서.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 복수의 제 1 기판 및 상기 복수의 제 2 기판은 PET(Poly Ethylene Terephthalate)로 형성되는 것을 특징으로 하는 생체모방 피부센서.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 복수의 제 1 미세섬모 및 상기 복수의 제 2 미세섬모는 PUA(Poly Urethane Acrylate), PS(PolyStyrene), PMMA(Poly Methyl MethAcrylate) 중 어느 하나로 형성되는 것을 특징으로 하는 생체모방 피부센서.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 연결부재와 상기 제 2 연결부재를 밀봉하는 씰링층;을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 생체모방 피부센서.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 씰링층은 PDMS(Polydimethylsiloxane)로 형성된 것을 특징으로 하는 생체모방 피부센서.
  11. 제 9 항에 있어서,
    상기 씰링층은 5 내지 500㎛의 두께인 것을 특징으로 하는 생체모방 피부센서.
  12. 제 9 항에 있어서,
    상기 씰링층은 상기 제 1 연결부재와 제 2 연결부재의 측면을 커버하고, 길이방향으로 제 1 연결부재와 제 2 연결부재의 일측 말단이나 양측 말단을 제외한 상기 제 1 연결부재의 하부면과 제 2 연결부재의 상부면을 커버하도록 형성된 것을 특징으로 하는 생체모방 피부센서.
  13. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 3 층은 신축성 폴리머 재료인 것을 특징으로 하는 생체모방 피부센서.
  14. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 4 층은,
    복수의 단위체가 소정의 어레이 패턴으로 형성되어 힘 또는 압력에 의해 변형되는 반도체 스트레인 게이지;
    필름면이 상호 대면하여 접하며 상기 접하는 필름면 사이에 상기 반도체 스트레인 게이지를 포함하는 한 쌍의 고분자 필름층;
    상기 한 쌍의 고분자 필름층 중 어느 하나를 절연층으로 하여 상기 절연층 상하면으로 형성되고 상기 어레이 패턴의 각 단위체에 연결되어 전극을 형성하며 상기 각 단위체의 변형으로 출력되는 변형신호를 외부로 인출하는 한 쌍의 신호선층을 구비하는 회로기판; 및
    상기 회로기판이 내부에 포함되도록 상기 회로기판의 양면에 형성되는 한 쌍의 탄성중합체층;을 포함하고,
    상기 한 쌍의 신호선층은 상기 절연층 일면에 일 방향으로 배열되는 복수의 제 1 신호선과 상기 절연층의 타면에 상기 일 방향에 수직으로 배열되는 복수의 제 2 신호선으로 구성되고, 상기 단위체는 상기 힘 또는 압력에 기초하여 저항변화가 있고 상기 변형신호는 상기 저항변화에 기초하여 출력되며, 상기 저항변화를 이용하여 상기 미끄럼자극, 상기 진동자극 및 상기 변형자극 중 적어도 하나를 감지하는 것을 특징으로 하는 생체모방 피부센서.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 한 쌍의 고분자 필름층은 한 쌍의 폴리이미드 박막층인 것을 특징으로 하는 생체모방 피부센서.
  16. 제 14 항에 있어서,
    상기 각 단위체는 막대 형상이며,
    상기 어레이 패턴은 상기 막대 형상의 길이 방향을 동일하게 갖는 패턴인 것을 특징으로 하는 생체모방 피부센서.
  17. 제 16 항에 있어서,
    상기 회로기판은 2개이며 상기 각 회로기판에 대응되는 각 단위체가 교차 되도록 겹쳐져 상기 2개의 회로기판이 하나로 접착된 것을 특징으로 하는 생체모방 피부센서.
  18. 제 14 항에 있어서,
    상기 한 쌍의 탄성중합체층은 어느 하나의 탄성중합체층 표면으로 균일하게 다수의 돌기가 형성되어 있으며,
    상기 어레이 패턴은 상기 각 돌기가 상기 표면과 이루는 경계선 하부에서 사방을 향하도록 나열된 패턴인 것을 특징으로 하는 생체모방 피부센서.
  19. 제 14 항에 있어서,
    상기 제 1신호선 및 상기 제 2신호선은 CMOS 회로를 구성하고, 상기 제 1신호선은 상기 제 1신호선에 일정한 전류를 흐르게 하는 P-모스펫을 구비하고, 상기 회로기판은 상기 제 2신호선 각각의 끝단에 연결된 복수의 스위치 및 상기 스위치를 제어하여 상기 제 2신호선 중 어느 하나에 전류가 흐르도록 상기 제 2신호선 각각을 순차적으로 스캐닝하는 스위치 제어부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 생체모방 피부센서.
  20. 제 19 항에 있어서,
    상기 한 쌍의 신호선층은 금속 증착 또는 CMOS 공정에 의해 전사되어 형성된 것을 특징으로 하는 생체모방 피부센서.
  21. 제 14 항에 있어서,
    상기 한 쌍의 탄성중합체층은 한 쌍의 폴리-디메틸실록세인층인 것을 특징으로 하는 생체모방 피부센서.
  22. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 4 층은 신축성의 온도센서를 포함하여 상기 온도자극을 감지하는 것을 특징으로 하는 생체모방 피부센서.
  23. 센서를 이용하여 자극으로부터 촉각정보를 생성하는 암(arm)에 있어서,
    상기 암의 말단부는 손가락 형상을 가지고,
    상기 손가락 형상을 가지는 말단부에는 상기 센서가 부착되며,
    상기 센서는,
    상면에 가해지는 상기 자극을 수용하는 제 1 층;
    상기 제 1 층의 하면에 부착되며, 가역적 전기커넥터 기반의 압력센서로 형성된 제 2 층;
    상기 제 2 층의 하면에 부착되며, 점탄성 물질로 형성된 제 3 층;
    상기 제 3 층의 하면에 부착되며, 복수의 단위체가 소정의 어레이 패턴으로 형성되어 힘 또는 압력에 의해 변형되는 반도체 스트레인 게이지 기반의 3축 압력센서 어레이 및 온도센서를 포함하는 제 4 층; 및
    상기 자극에 대한 상기 촉각정보를 생성하는 제어부;를 포함하되,
    상기 제 1 층이 수용한 자극은 상기 제 2 층으로 전달되고, 상기 제 2 층으로 전달된 자극은 상기 제 3 층으로 전달되며, 상기 제 3 층으로 전달된 자극은 상기 제 4 층으로 전달되고,
    상기 제 2 층은 상기 제 2 층으로 전달된 자극을 감지하여 제 1 신호를 생성하며,
    상기 제 4 층은 상기 제 4 층으로 전달된 자극을 감지하여 제 2 신호를 생성하고,
    상기 제 2 층이 감지하는 자극은 압력자극을 포함하고,
    상기 제 4 층이 감지하는 자극은 미끄럼자극, 온도자극, 진동자극 및 변형자극 중 적어도 하나를 포함하며,
    상기 제어부는 상기 제 1 신호 및 상기 제 2 신호를 이용하여 상기 촉각정보를 생성하되,
    상기 제 2 층의 가역적 전기커넥터 기반의 압력센서는,
    제 1 기판 상에 형성된 복수의 제 1 미세섬모를 가지며, 상기 복수의 제 1 미세섬모의 표면과 상기 복수의 제 1 미세섬모가 형성된 제 1 기판의 표면에 금속 박막이 형성된 제 1 연결부재; 및
    상기 복수의 제 1 미세섬모에 접촉하는 제 2 기판 상에 형성된 복수의 제 2 미세섬모를 가지며, 상기 복수의 제 2 미세섬모의 표면과 상기 복수의 제 2 미세섬모가 형성된 제 2 기판의 표면에 금속 박막이 형성된 제 2 연결부재;를 포함하되,
    상기 제 1 미세섬모 및 상기 제 2 미세섬모는 50 내지 300nm의 직경과 600nm 내지 5um의 높이로 형성되며, 유연한 성질을 가지는 고분자 물질 및 고분자 물질의 표면에 형성된 금속 박막을 포함하고,
    상기 제 1 층을 통해 전달된 상기 자극에 의해 상기 제 1 기판에 휨이 발생하고, 상기 발생한 휨에 의해 상기 복수의 제 1 미세섬모와 상기 복수의 제 2 미세섬모가 접촉하는 면적이 달라지며, 상기 달라진 면적에 따른 상기 제 1 기판 및 상기 제 2 기판 사이의 저항 변화값을 측정함으로써 압력, 전단력, 및 비틀림 중 적어도 하나를 감지하는 것을 특징으로 하는 암.
  24. 제 23 항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 손가락 형상을 가지는 말단부의 내부에 장착되는 것을 특징으로 하는 암.
  25. 제 1 항에 생체모방 피부센서를 이용한 촉각 감지 방법에 있어서,
    최외면에 위치하는 제 1 층을 이용하여 외부의 자극을 수용하는 제 1 단계;
    상기 수용한 자극을 상기 제 1 층의 하면에 위치하는 제 2 층에 전달하는 제 2 단계;
    상기 제 2 층에 전달된 자극을 감지하여 상기 자극의 신호인 제 1 신호를 생성하는 제 3 단계;
    상기 제 2 층에 전달된 자극을 상기 2 층의 하면에 위치하는 제 3 층에 전달하는 제 4 단계;
    상기 제 3 층에 전달된 자극을 상기 3 층의 하면에 위치하는 제 4 층에 전달하는 제 5 단계;
    상기 제 4 층에 전달된 자극을 감지하여 상기 자극의 신호인 제 2 신호를 생성하는 제 6 단계; 및
    상기 제 1 신호 및 상기 제 2 신호를 이용하여 상기 외부의 자극에 대한 촉각정보를 생성하는 제 7 단계;를 포함하고,
    상기 제 3 단계에서 감지하는 자극은 압력자극을 포함하며,
    상기 제 6 단계에서 감지하는 자극은 미끄럼자극, 온도자극, 진동자극 및 변형자극 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 촉각 감지 방법.
  26. 제 25 항에 있어서,
    상기 제 2 층은 제 1 기판 상에 형성된 복수의 제 1 미세섬모를 가지며, 상기 복수의 제 1 미세섬모의 표면과 상기 복수의 제 1 미세섬모가 형성된 제 1 기판의 표면에 금속 박막이 형성된 제 1 연결부재 및 상기 복수의 제 1 미세섬모에 접촉하는 제 2 기판 상에 형성된 복수의 제 2 미세섬모를 가지며, 상기 복수의 제 2 미세섬모의 표면과 상기 복수의 제 2 미세섬모가 형성된 제 2 기판의 표면에 금속 박막이 형성된 제 2 연결부재를 포함하고,
    상기 제 3 단계는,
    상기 제 1 층을 통해 전달된 상기 자극에 의해 상기 제 1 기판에 휨이 발생하고, 상기 발생한 휨에 의해 상기 복수의 제 1 미세섬모와 상기 복수의 제 2 미세섬모가 접촉하는 면적이 달라지며, 상기 달라진 면적에 따른 상기 제 1 기판 및 상기 제 2 기판 사이의 저항 변화값을 측정함으로써 상기 자극을 감지하는 것을 특징으로 하는 촉각 감지 방법.
  27. 제 25 항에 있어서,
    상기 제 3 층은 신축성 폴리머 재료이고,
    상기 제 5 단계는 상기 신축성 폴리머 재료를 이용하여 상기 제 3 층에 전달된 자극을 전달하는 것을 특징으로 하는 촉각 감지 방법.
  28. 제 25 항에 있어서,
    상기 제 4 층은,
    복수의 단위체가 소정의 어레이 패턴으로 형성되어 힘 또는 압력에 의해 변형되는 반도체 스트레인 게이지;
    필름면이 상호 대면하여 접하며 상기 접하는 필름면 사이에 상기 반도체 스트레인 게이지를 포함하는 한 쌍의 고분자 필름층;
    상기 한 쌍의 고분자 필름층 중 어느 하나를 절연층으로 하여 상기 절연층 상하면으로 형성되고 상기 어레이 패턴의 각 단위체에 연결되어 전극을 형성하며 상기 각 단위체의 변형으로 출력되는 변형신호를 외부로 인출하는 한 쌍의 신호선층을 구비하는 회로기판; 및
    상기 회로기판이 내부에 포함되도록 상기 회로기판의 양면에 형성되는 한 쌍의 탄성중합체층;을 포함하고,
    상기 한 쌍의 신호선층은 상기 절연층 일면에 일 방향으로 배열되는 복수의 제 1 신호선과 상기 절연층의 타면에 상기 일 방향에 수직으로 배열되는 복수의 제 2 신호선으로 구성되고, 상기 단위체는 상기 힘 또는 압력에 기초하여 저항변화가 있고 상기 변형신호는 상기 저항변화에 기초하여 출력되며,
    상기 제 6 단계는,
    상기 저항변화를 이용하여 상기 미끄럼자극, 상기 진동자극 및 상기 변형자극 중 적어도 하나를 감지하는 것을 특징으로 하는 촉각 감지 방법.
  29. 제 25 항 내지 제 28 항 중 어느 한 항에 기재된 방법을 컴퓨터 상에서 수행하기 위한 프로그램을 기록한 컴퓨터 판독 가능한 기록 매체.
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