KR101671621B1 - 서로 다른 주기를 갖는 탄성체 패턴 그룹들을 구비하는 촉각 센서 - Google Patents

Abstract

서로 다른 주기를 갖는 탄성체 패턴 그룹들을 구비하는 촉각 센서를 제공한다. 상기 촉각 센서는 압력 또는 진동 센서를 구비한다. 상기 압력 또는 진동 센서 상에 베이스층이 배치된다. 상기 베이스층 상에 제1 주기를 갖는 다수 개의 메인 탄성체 패턴들이 배치된다. 상기 베이스층 상에 상기 제1 주기에 비해 짧은 제2 주기를 갖는 다수 개의 서브 탄성체 패턴들을 구비하는 서브 탄성체 패턴 그룹이 배치된다.

Description

서로 다른 주기를 갖는 탄성체 패턴 그룹들을 구비하는 촉각 센서{Tactile sensor including elastomer pattern groups having different periods}

본 발명은 센서에 관한 것으로, 보다 상세하게는 촉각 센서에 관한 것이다.

촉각 센서는 접촉을 통해 주변환경의 정보, 예를 들어, 접촉압력, 진동, 표면의 거칠기, 온도변화 등을 감지할 수 있는 센서를 의미한다. 이러한 촉각센서는 각종 의료진단 및 수술 등에 사용될 뿐 아니라 향후 가상환경 구현기술에도 사용될 것으로 전망되고 있다.

그러나, 현재까지 개발된 촉각센서들은 단순히 전체적인 접촉압력이나 전단력을 측정하는 정도이다. 미국 공개특허 제2009-0320611호는 반구 형태의 탄성체 범프를 사용한 촉각 센서를 제시하고 있다. 그러나, 여전히 출력신호를 향상시킬 수 있는 방법에 대해서는 제시하지 못하는 것으로 보인다.

따라서, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 출력 신호의 감도가 크게 향상된 촉각 센서를 제시하는 것이다.

본 발명의 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

상기 기술적 과제를 이루기 위하여 본 발명의 일 측면은 촉각 센서를 제공한다. 상기 촉각 센서는 압력 또는 진동 센서를 구비한다. 상기 압력 또는 진동 센서 상에 베이스층이 배치된다. 상기 베이스층 상에 제1 주기를 갖는 다수 개의 메인 탄성체 패턴들이 배치된다. 상기 베이스층 상에 상기 제1 주기에 비해 짧은 제2 주기를 갖는 다수 개의 서브 탄성체 패턴들을 구비하는 서브 탄성체 패턴 그룹이 배치된다.

상기 서브 탄성체 그룹은 상기 메인 탄성체 패턴 상에 배치될 수 있다. 이와는 달리, 상기 서브 탄성체 그룹은 상기 메인 탄성체 패턴들 사이에 배치될 수 있다. 상기 메인 탄성체 패턴들과 상기 서브 탄성체 패턴들은 라인 형태를 가질 수 있다. 상기 압력 또는 진동 센서는 박막 형태를 가질 수 있다.

상술한 바와 같이 본 발명에 따르면, 제1 주기를 갖는 메인 탄성체 패턴들과 제1 주기에 비해 짧은 제2 주기를 갖는 서브 탄성체 패턴들을 구비함에 따라 표면 몰폴로지 감지특성을 향상시킬 수 있다. 이에 따라, 파피루스의 표면과 같은 미세한 표면의 거칠기 특성도 측정할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 촉각 센서를 나타낸 사시도이고, 도 2는 도 1의 Ⅰ-Ⅰ′를 따라 취해진 단면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 촉각 센서에 힘이 가해지는 경우를 나타낸 개략도로서, 도 2의 A 부분을 확대하여 나타낸 도면이다.
도 4a 및 도 4b는 본 발명의 다른 실시예에 따른 촉각 센서를 나타낸 단면도들이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 촉각 센서를 나타낸 사시도이다.
도 6은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 촉각 센서를 나타낸 사시도이다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 촉각 센서를 나타낸 사시도이다.
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 촉각 센서를 나타낸 사시도이다.
도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 촉각 센서를 나타낸 사시도이고, 도 10은 도 9의 절단선 Ⅰ-Ⅰ′를 따라 취해진 단면도이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 촉각 센서 시스템을 도시한 개략도이다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 대상 물체의 표면 거칠기 주기를 분석하는 방법을 도시한 플로우챠트이다.
도 13은 촉각센서 제조예에 따른 촉각센서의 제조방법 중 일부를 나타낸 개략도이다.
도 14는 제조예에 따른 탄성 베이스층/탄성체 패턴 적층 구조체를 나타낸 SEM (scanning electron microscope)사진이다.
도 15는 제조예에 따른 촉각 센서를 촬영한 사진이다.
도 16은 평가예 1에서 얻은 제조예 및 비교예들에 따른 촉각 센서들의 신호크기-주파수 그래프이다.
도 17은 500um의 주기로 형성된 PDMS 패턴들을 구비하는 접촉 대상체와 30um의 주기로 형성된 PDMS 패턴들을 구비하는 접촉 대상체를 제조예 및 비교예 1에 따른 촉각 센서들 상에 스캔하였을 때의 신호크기-주파수 그래프와 90um의 주기로 형성된 PDMS 패턴들을 구비하는 접촉 대상체의 표면을 보여주는 SEM 사진이다.
도 18은 20, 30, 50, 90, 150, 200, 및 500um로 서로 다른 주기를 갖는 PDMS 패턴들을 구비하는 접촉 대상체들을 제조예 및 비교예 1에 따른 촉각 센서 상에 스캔하였을 때의 접촉 대상체들의 해당 주기에 의해 나타나는 피크를 나타낸 그래프이다.
도 19는 파피루스를 제조예 및 비교예 1에 따른 촉각 센서 상에 스캔하였을 때의 파피루스의 표면 주기에 의해 나타나는 피크를 나타낸 그래프, 및 파피루스의 광학사진 및 SEM 사진이다.

이하, 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 보다 상세하게 설명한다. 그러나, 본 발명은 여기서 설명되어지는 실시예에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 도면들에 있어서, 층이 다른 층 또는 기판 "상"에 있다고 언급되어지는 경우에 그것은 다른 층 또는 기판 상에 직접 형성될 수 있거나 또는 그들 사이에 제 3의 층이 개재될 수도 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 촉각 센서를 나타낸 사시도이고, 도 2는 도 1의 Ⅰ-Ⅰ′를 따라 취해진 단면도이다.

도 1 및 도 2를 참조하면, 기판(10) 상에 압력 또는 진동 센서(20)가 배치될 수 있다. 압력 또는 진동 센서(20) 상에 베이스층(33)이 배치될 수 있다. 베이스층(33)은 탄성을 갖는 탄성 베이스층일 수 있다. 베이스층(33) 상에 탄성체 패턴들(37)이 배치될 수 있다. 탄성체 패턴들(37)은 서로 다른 주기를 갖는 메인 탄성체 패턴 그룹과 서브 탄성체 패턴 그룹을 구비할 수 있다.

메인 탄성체 패턴 그룹은 제1 주기를 갖는 다수 개의 메인 탄성체 패턴들(37a)을 구비할 수 있다. 또한, 서브 탄성체 패턴 그룹은 제1 주기에 비해 짧은 제2 주기를 갖는 다수 개의 서브 탄성체 패턴들(37b)을 구비할 수 있다. 각 메인 탄성체 패턴(37a) 상에 하나의 서브 탄성체 패턴 그룹이 배치될 수 있다. 다시 말해서, 하나의 메인 탄성체 패턴(37a) 상에 메인 탄성체 패턴(37a)의 주기보다 작은 주기를 가지는 다수 개의 서브 탄성체 패턴들(37b)이 배치될 수 있다. 이와 같이, 서로 다른 주기를 갖는 탄성체 패턴 그룹을 구비함에 따라, 촉각 센서의 감도가 향상될 수 있다. 구체적으로, 촉각 센서가 대상 물체의 표면과 접촉하여 그 표면의 거칠기 특성을 감지함에 있어서, 거칠기의 더욱 다양한 표면 주기들을 감지할 수 있다.

메인 탄성체 패턴(37a)의 높이는 폭에 비해 같거나 클 수 있다. 또한, 서브 탄성체 패턴(37b)의 높이는 폭에 비해 같거나 클 수 있다. 이 경우, 탄성체 패턴(37)의 상부에 같은 전단력이 가해지더라도 탄성체 패턴(37)이 기울어지는 정도가 더 커져, 탄성 베이스층(33)의 변형률이 더 커질 수 있고, 이에 따라 압력 전달 특성이 더 향상될 수 있다. 한편, 압력 전달 특성 향상을 위해 탄성 베이스층(33)의 두께는 탄성체 패턴(37)의 전체 높이에 비해 같거나 작을 수 있다.

한편, 탄성체 패턴들(37)의 영률(Young's modulus)은 탄성 베이스층(33)의 영률에 비해 같거나 클 수 있다. 탄성체 패턴들(37)과 탄성 베이스층(33)은 고분자, 일 예로서 탄성 고분자로 형성될 수 있다. 일 예로서, 탄성체 패턴들(37)과 탄성 베이스층(33)은 PET(Polyethylene terephthalate, 영률: 1 ~ 5 GPa), PU(Polyurethane, 영률: 0.3 ~ 150 MPa), PUA(Polyurethane acrylate, 영률: 0.3 ~ 1.5 GPa), PI(Polyimide, 영률: 1 ~ 8 GPa), PEN(Polyethylene naphthalate, 영률: 2 ~ 8 GPa), 에폭시 레진, PDMS(Polydimethylsiloxane, 영률: 0.1 ~ 1 MPa), 폴리에스테르(영률: 3.5 ~ 5 GPa), PTFE(Polytetrafluoroethylene, 영률: 0.2 ~ 3 GPa), LDPE(Low-density polyethylene, 영률: 0.1 ~ 0.6 GPa), HDPE(High-density polyethylene, 영률: 0.8 ~ 1.1 GPa), 실리콘 고무(silicone rubber, 영률: 5kPa ~ 2MPa), Ecoflex(바스프 사, 영률: 5 ~ 60 kPa), 폴리프로필렌(Polypropylene, 영률: 0.5 ~ 3 GPa), 폴리스티렌(Polystyrene, 영률: 2 ~ 4 GPa) 또는 이들의 복합체로 이루어진 군에서 선택되되, 탄성체 패턴들(37)의 영률이 탄성 베이스층(33)의 영률에 비해 같거나 큰 조건을 만족하도록 선택될 수 있다. 에폭시 레진은 일 예로서, 에폭시-베이스드 네가티브 포토레지스트를 사용하여 만들어진 에폭시 레진, 보다 구체적으로 SU-8를 사용하여 만들어진 에폭시 레진(영률: 1 ~ 5 GPa)일 수 있다.

일 예로서, 탄성 베이스층(33)의 영률은 10 kPa ~ 0.1 GPa, 구체적으로는 10 kPa ~ 0.01 GPa의 범위를 가질 수 있고, 탄성체 패턴들(37)의 영률은 탄성 베이스층(33)의 영률에 비해 10 내지 1000배의 범위를 가질 수 있다. 일 예로서, 탄성체 패턴들(37)의 영률은 0.1 GPa ~ 10 GPa의 범위를 가질 수 있다. 구체예에서, 탄성 베이스층(33)은 PDMS(영률: 0.1 ~ 1 MPa), 실리콘 고무(silicone rubber, 영률: 5kPa ~ 2MPa), Ecoflex(바스프 사, 영률: 5 ~ 60 kPa), 또는 이들의 복합체일 수 있고, 탄성체 패턴들(37)은 SU-8 (영률: 1 ~ 5 GPa), 폴리우레탄(영률: 0.3 ~ 150 MPa), 폴리우레탄아크릴레이트(영률: 0.3 ~ 1.5 GPa), 폴리이미드(영률: 1 ~ 8 GPa), PTFE(Polytetrafluoroethylene, 영률: 0.2 ~ 3 GPa) 또는 이들의 복합체일 수 있다.

나아가, 서브 탄성체 패턴들(37b)의 영률은 메인 탄성체 패턴들(37a)의 영률과 같거나 클 수 있는데, 이를 위해 상기 기술된 탄성 고분자들의 예시들 중에서 이를 만족하도록 선택될 수 있다. 또한, 서브 탄성체 패턴들(37b)의 높이는 메인 탄성체 패턴들(37a)의 높이와 같거나 이보다 작을 수 있다. 서브 탄성체 패턴들(37b)과 메인 탄성체 패턴들(37a)의 단면을 사각형으로 도시하였으나, 이에 한정되지 않고, 다양하게 변화될 수 있다. 일 예로서, 상기 서브 탄성체 패턴들(37b)의 단면은 반원 또는 삼각형 등의 다각형일 수 있다. 상기 메인 탄성체 패턴들(37a)과 상기 서브 탄성체 패턴들(37b)은 라인 형태를 가질 수 있다.

압력 또는 진동 센서(20)는 예를 들어, 정전용량식 압력 센서, 압전식 진동 센서, 압저항식 압력 센서, 압저항식 진동 센서, 정전용량식 압력 센서, 스트레인 게이지 기반 압력 센서, MEMS 기반 압력 센서, 또는 마이크로폰일 수 있다. 한편, 압력 또는 진동 센서(20)는 도시된 바와 같이, 박막형 센서, 예를 들어 PVDF(Polyvinylidenefluoride) 센서 일 수 있다. 이와 같이, 박막형 센서의 경우에, 탄성체 패턴들(37)의 주기에 기반한 압력 또는 진동 센서(20)의 출력신호가 발생할 수 있다. 이 경우, 촉각 센서를 센싱 대상 물체(100)의 표면에 접촉시켜 문지를 때의 측정 속도 즉, 스캔 속도를 계산해 낼 수 있다.

기판(10)은 압력 또는 진동 센서(20)를 보호할 수 있는 재질로 형성될 수 있다. 일 예로서, 기판(10)은 탄성체 기판일 수 있다. 이 경우, 센서(20)의 기계적 변형의 정도가 커질 수 있어 감도가 향상될 수 있다. 일 예에서, 기판(10)은 압력 또는 진동 센서(20)를 구비하는 시판 압력 또는 진동 센서 내에 구비된 것일 수 있다.

이러한 촉각 센서는 대상 물체의 미세 표면 질감을 감지할 수 있어 로봇 손, 수술 및 진단용 로봇, 인공피부, 및 인공의수에 적용가능하다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 촉각 센서에 힘이 가해지는 경우를 나타낸 개략도로서, 도 2의 A 부분을 확대하여 나타낸 도면이다.

도 3을 참조하면, 탄성체 패턴들(37)에 힘 예를 들어, 전단력(shear force, F)이 가해질 수 있다. 전단력(F)은, 촉각 센서를 센싱 대상 물체(100)의 표면에 접촉시켜 문지를 때, 즉, 촉각 센서와 센싱 대상 물체(100)가 서로 접촉한 상태에서 어느 한 쪽이 수평으로 움직일 때, 예를 들어, 촉각 센서가 소정 방향(D)으로 움직일 때, 센싱 대상 물체(100)의 표면 돌출부 또는 거칠기에 의해 탄성체 패턴들(37)에 가해지는 힘일 수 있다.

이 때, 탄성체 패턴들(37), 구체적으로 메인 탄성체 패턴(37b)의 영률이 탄성 베이스층(33)의 영률에 비해 클 때, 탄성체 패턴들(37)은 상기 전단력(F)을 거의 흡수하지 않으면서 탄성 베이스층(33)에 토크를 발생시키면서 전달하고, 이에 따라 탄성 베이스층(33)은 높은 변형률(deflection rate)을 나타내면서, 하부의 압력 또는 진동 센서(20)로 수직 압력(P)를 전달할 수 있다.

결과적으로, 탄성체 패턴들(37)의 영률, 구체적으로 메인 탄성체 패턴(37b)의 영률이 탄성 베이스층(33)의 영률에 비해 클 때, 향상된 압력 전달 특성을 나타낼 수 있다. 따라서, 압력 또는 진동 센서(20)의 출력 신호의 세기가 커질 수 있으므로, 보다 높은 감도로 센싱 대상 물체(100)의 표면 거칠기 예를 들어, 표면 거칠기의 주기 및/또는 단차를 센싱할 수 있다. 이에 더하여, 탄성 베이스층(33)의 영률에 비해 탄성체 패턴들(37)의 영률이 커질수록 압력 또는 진동 센서(20)의 출력 신호의 세기는 더 커질 수 있다.

이하에서, 도 1 및 도 2를 다시 참조하여, 상기 촉각 센서를 제조하는 방법에 대해 설명한다.

먼저, 보조 기판 상에 제1 탄성 고분자를 도포하여 탄성 베이스층(33)을 형성하고, 탄성 베이스층(33) 상에 제2 탄성 고분자를 도포한 후 패터닝하여 탄성체 패턴들(37)을 형성할 수 있다. 탄성 고분자를 도포하는 것은 용액공정, 예를 들어, 스핀코팅법, 캐스트법, 스프레이 코팅법, 딥코팅법, 그래비어 코팅법 등을 사용하여 수행할 수 있다. 도포된 제2 탄성 고분자층을 패터닝하는 것은, 포토리소그라피법, 몰딩법 등을 사용하여 수행할 수 있다. 특히, 제2 탄성 고분자가 포토레지스트인 경우에는, 도포된 제2 탄성 고분자층을 노광 및 현상하여 탄성체 패턴들(37)을 형성할 수 있다. 탄성체 패턴들(37)을 형성한 후, 상기 보조 기판을 제거할 수 있다. 이를 위해, 상기 탄성 베이스층(33)을 형성하기 전, 상기 보조 기판 상에 이형층(release layer)를 형성할 수 있다. 탄성체 패턴들(37)을 형성한 후, 상기 이형층을 제거하거나, 또는 상기 탄성 베이스층(33)으로부터 상기 이형층을 분리하여, 상기 보조 기판을 제거할 수 있다. 상기 보조 기판이 실리콘 기판인 경우에, 상기 이형층은 실리콘 산화막(SiO2)일 수 있고, 이 때, 상기 이형층을 제거하는 것은 HF 용액을 사용하여 수행할 수 있다. 또는 상기 이형층은 PVA(Polyvinyl alcohol)층일 수 있고, 이 경우 물을 사용하여 상기 이형층을 제거할 수 있다. 상기 보조 기판을 제거한 후, 탄성 베이스층(33)과 탄성체 패턴(37)의 적층체를 압력 또는 진동 센서(20)가 배치된 기판(10) 상에 에폭시 레진 등의 접착제를 사용하여 접합시켜 촉각 센서를 제조할 수 있다.

위에서 보조 기판을 사용하여 탄성 베이스층(33)과 탄성체 패턴(37)을 형성하는 것을 설명하였으나, 이에 한정되지 않고 상기 센서(20) 상에 탄성 베이스층(33)과 탄성체 패턴(37)을 바로 형성할 수도 있다.

이러한 제조방법은 탄성 베이스층(33)과 탄성체 패턴들(37)의 재질에 따라서, 다양하게 변화될 수 있다.

도 4a 및 도 4b는 본 발명의 다른 실시예에 따른 촉각 센서를 나타낸 단면도들이다. 본 실시예에 따른 촉각 센서는 후술하는 것을 제외하고는 도 1 및 도 2를 참조하여 설명한 촉각 센서와 유사할 수 있다.

도 4a 및 도 4b를 참조하면, 압력 또는 진동 센서(20)는 박막형이 아닌 라인 형태 또는 도트의 형태로 배치될 수 있다.

도 4a를 참조하면, 한 쌍의 압력 또는 진동 센서(20)가 탄성체 패턴(37), 구체적으로 메인 탄성체 패턴(37a)의 양측 가장자리에 각각 위치한다. 이 경우, 전단력의 방향에 따라, 한 쌍의 센서들(20) 중 출력신호를 나타내는 센서가 결정되므로 전단력의 방향을 감지할 수 있다.

도 4b를 참조하면, 압력 또는 진동 센서(20)가 탄성체 패턴(37), 구체적으로 메인 탄성체 패턴(37a)의 실질적으로 중앙부에 배치될 수 있다. 이 경우, 수직 하방 압력을 민감하게 감지할 수 있다. 이와 더불어서, 전단력 또한 감지할 수 있다.

도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 촉각 센서를 나타낸 사시도이다. 도 6은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 촉각 센서를 나타낸 사시도이다. 본 실시예들에 따른 촉각 센서는 후술하는 것을 제외하고는 도 1 및 도 2를 참조하여 설명한 촉각 센서와 유사할 수 있다.

도 5를 참조하면, 탄성체 패턴(37)은 원형 라인들이 중심을 공유하면서 지름을 달리하여 배열된 동심원 형태로 배열될 수 있다. 이와는 달리, 탄성체 패턴(37)은 인간의 지문 또는 이와 유사한 형태로 배열될 수도 있다. 일 예로서, 도 6에 도시된 바와 같이, 탄성체 패턴은 정기문, 반기문, 호형문, 두형문, 쌍기문 등의 다양한 지문 형태로 배열될 수 있다.

도시되지는 않았으나, 상기 탄성체 패턴(37)은 도 1을 참조하여 설명한 바와 같이 메인 탄성체 패턴(도 1의 37a)와 그의 상부에 형성된 서브 탄성체 패턴(도 1의 37b)을 구비할 수 있다.

도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 촉각 센서를 나타낸 사시도이다. 본 실시예에 따른 촉각 센서는 후술하는 것을 제외하고는 도 1 및 도 2를 참조하여 설명한 촉각 센서와 유사할 수 있다.

도 7을 참조하면, 메인 탄성체 패턴(37a)은 아일랜드 형태 일 예로서, 매트릭스 형태로 배열될 수 있다. 서브 탄성체 패턴(37b)은 상기 메인 탄성체 패턴(37a) 상에 아일랜드 형태로 배치될 수 있다.

그러나, 이에 한정되지 않고 서브 탄성체 패턴(37b)은 상기 아일랜드 형태로 배치된 각 메인 탄성체 패턴(37a) 상에 라인형태로 배치되거나, 라인 형태로 배치된 각 메인 탄성체 패턴(37a) 상에 서브 탄성체 패턴(37b)는 아일랜드 형태로 배치될 수도 있다. 다시 말해서, 본 실시예에서는 메인 탄성체 패턴(37a)과 서브 탄성체 패턴(37b) 중 적어도 한 종류는 아일랜드 형태로 배치될 수 있다.

상기 서브 탄성체 패턴(37b)은 직육면체인 것으로 도시하였으나, 이에 한정되지 않고 원기둥, 다각기둥, 반구, 각뿔 등일 수 있다.

도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 촉각 센서를 나타낸 사시도이다. 본 실시예에 따른 촉각 센서는 후술하는 것을 제외하고는 도 1 및 도 2를 참조하여 설명한 촉각 센서와 유사할 수 있다.

도 8을 참조하면, 메인 탄성체 패턴들(37a) 사이에 하나의 서브 탄성체 패턴 그룹이 배치될 수 있다. 다시 말해서, 메인 탄성체 패턴들(37a) 사이에 동일 주기를 갖는 다수 개의 서브 탄성체 패턴들(37b)이 배치될 수 있다.

도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 촉각 센서를 나타낸 사시도이고, 도 10은 도 9의 절단선 Ⅰ-Ⅰ′를 따라 취해진 단면도이다. 본 실시예에 따른 촉각 센서는 후술하는 것을 제외하고는 도 1 및 도 2를 참조하여 설명한 촉각 센서와 유사할 수 있다.

도 9 및 도 10을 참조하면, 탄성 베이스층(33)과 메인 탄성체 패턴(37a) 사이에 제1 접착층(35a)이 배치될 수 있다. 이와 더불어서, 메인 탄성체 패턴(37a)과 서브 탄성체 패턴(37b) 사이에 제2 접착층(35b)이 배치될 수 있다. 상기 제1 접착층(35a)와 제2 접착층(35b) 중 어느 하나는 생략될 수도 있다.

제1 접착층(35a)은 탄성 베이스층(33)과 탄성체 패턴(37) 사이의 접착특성을 향상시킬 수 있는 층이고, 제2 접착층(35b)은 메인 탄성체 패턴(37a)과 서브 탄성체 패턴(37b) 사이의 접착특성을 향상시킬 수 있는 층으로서, 일반적인 접착제층일 수도 있고 메인 탄성체 패턴(37a) 또는 서브 탄성체 패턴(37b)을 이루는 물질과 동일한 물질층일 수도 있다.

각 접착층(35a, 35b)의 두께는 10㎛ 이하 나아가, 2㎛ 이하일 수 있다. 특히, 접착층(35a, 35b)이 메인 탄성체 패턴(37a) 또는 서브 탄성체 패턴(37b)을 이루는 물질과 동일한 물질층인 경우에는, 접착층(35a, 35b)으로 인해 압력 전달 특성이 저감되지 않도록 각 접착층(35a, 35b)의 두께는 탄성체 패턴(37)의 두께 대비 0.0001 ~ 0.1배 나아가 0.0001 ~ 0.05 배로 형성될 수 있다.

다른 예로서, 탄성 베이스층(33)의 표면 개질 예를 들어, 표면적 증가를 위한 표면 거칠기 부여 공정 또는 산소나 오존 처리를 통한 표면 기능화(fictionalization)를 진행하는 경우 제1 접착층(35a)을 형성하지 않아도 탄성 베이스층(33)과 탄성체 패턴(37) 사이의 접착특성을 향상시킬 수 있다. 이와 더불어서 또는 이와 별도로, 메인 탄성체 패턴(37a)의 표면 개질 예를 들어, 표면적 증가를 위한 표면 거칠기 부여 공정 또는 산소나 오존 처리를 통한 표면 기능화를 진행하는 경우 제2 접착층(35b)을 형성하지 않아도 메인 탄성체 패턴(37a)과 서브 탄성체 패턴(37b) 사이의 접착특성을 향상시킬 수 있다.

도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 촉각 센서 시스템을 도시한 개략도이다.

도 11을 참조하면, 먼저, 센싱 대상 물체를 촉각 센서에 문지를 때 촉각 센서로부터 발생하는 출력 신호를 필터(filter)에 통과시켜 주변 환경 및 파워 노이즈를 제거할 수 있다. 이 후, 노이즈 제거된 신호를 증폭기(amplifier)에서 증폭한 후, A/D 변환기(A/D converter)에서 디지털화하고, 이 후, 디지털화된 신호를 FFT 회로(Fast Fourier Transform circuit)에서 주파수축 상의 신호로 변환할 수 있다. 주파수축 상의 신호는 질감패턴 인식기로 입력될 수 있다. 질감패턴 인식기는 입력된 신호로부터 특징을 추출하여 어떤 재질인지 인식할 수 있는 장치일 수 있다. 구체적으로, 질감패턴 인식기는 다양한 재질에서 발생하는 신호의 특징이 학습에 의해 저장된 데이터 베이스를 가지며, 상기 입력된 신호로부터 추출된 특징이 상기 데이터 베이스 내에서 어떤 재질과 매치되는지를 판별하여 판별된 재질을 디스플레이 등을 통해 출력할 수 있다.

상기 촉각 센서는 도 1 내지 도 3, 도 4a, 도 4b, 도 5 내지 도 10을 참조하여 설명한 실시예들 중 어느 하나의 촉각 센서일 수 있다.

도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 대상 물체의 표면 거칠기 주기를 분석하는 방법을 도시한 플로우챠트이다.

도 12를 참조하면, 먼저, 촉각 센서 상에 대상 물체를 문질러 촉각 센서로부터 출력 신호를 얻을 수 있다(S1). 상기 촉각 센서는 도 1 내지 도 3, 도 4a, 도 4b, 도 5 내지 도 10을 참조하여 설명한 실시예들 중 어느 하나의 촉각 센서일 수 있다.

촉각 센서의 출력 신호로부터 신호크기-주파수 그래프를 얻을 수 있다(S2). 이는 도 11을 참조하여 설명한 바와 같은 과정을 통해 얻을 수 있다.

신호크기-주파수 그래프의 피크들로부터 탄성체 패턴에 의한 주파수값 및/또는 대상물체의 표면 거칠기에 의한 주파수값을 얻을 수 있다(S3). 탄성체 패턴에 의한 피크는 좁고 큰 피크일 수 있다. 또한, 도 1을 참조하여 설명한 바와 같이, 압력 또는 진동 센서를 박막형으로 사용하는 경우에 탄성체 패턴에 의한 피크를 얻기에 유리하고, 도 4a 또는 4b를 참조하여 설명한 바와 같이 라인형 또는 도트형의 압력 또는 진동 센서를 사용한 경우에는 탄성체 패턴에 의한 피크를 얻지 못할 수도 있다.

이 후, 대상 물체의 표면 거칠기 주기 특성을 확인할 수 있다(S4). 구체적으로, 탄성체 패턴에 의한 주파수값과 대상물체의 표면 거칠기에 의한 주파수값을 모두 얻은 경우에는, 탄성체 패턴에 의한 주파수값 및 탄성체 패턴의 주기를 하기 수학식에 대입하여, 촉각 센서와 대상 물체 사이의 접촉 속도를 알 수 있다. 이 후, 얻어진 접촉 속도와 대상물체의 표면 거칠기에 의한 주파수값을 하기 수학식에 대입하여 대상물체의 표면 거칠기 주기를 구해낼 수 있다.

[수학식]

접촉속도/주파수=주기

한편, 대상물체의 표면 거칠기에 의한 주파수값 만을 얻은 경우에는, 촉각 센서와 대상 물체 사이의 접촉 속도를 알고 있어야 하며, 이들 두 값을 상기 수학식에 대입하여, 대상물체의 표면 거칠기 주기를 구해낼 수 있다.

본원 실시예들에 따른 촉각 센서는 제1 주기를 갖는 다수 개의 메인 탄성체 패턴들과 제1 주기에 비해 짧은 제2 주기를 갖는 다수 개의 서브 탄성체 패턴들을 구비함에 따라, 대상물체가 파피루스와 같이 미세한 표면 거칠기를 가진 경우에도 표면 거칠기 주기를 구할 수 있는 등, 대상물체의 표면 몰폴로지 감지 특성이 향상될 수 있다.

이하, 본 발명의 이해를 돕기 위해 바람직한 실험예(example)를 제시한다. 다만, 하기의 실험예는 본 발명의 이해를 돕기 위한 것일 뿐, 본 발명이 하기의 실험예들에 의해 한정되는 것은 아니다.

<촉각센서 제조예>

도 13은 촉각센서 제조예에 따른 촉각센서의 제조방법 중 일부를 나타낸 개략도이다.

도 13을 참조하면, 실리콘 기판 상에 SU-8을 10㎛의 두께로 코팅한 후, 노광 마스크에 의해 패터닝된 광을 조사하여 10㎛의 폭과 20㎛의 주기를 갖고 또한 10㎛의 높이를 갖는 다수 개의 제1 몰팅 패턴들을 구비하는 제1 몰딩 패턴 그룹들을 형성하였다. 제1 몰딩 패턴이 형성된 기판의 표면에 SU-8을 50㎛의 두께로 코팅한 후, 노광 마스크에 의해 패터닝된 광을 조사하여 100㎛의 폭과 200㎛의 주기를 갖고 또한 50㎛의 높이를 갖는 다수 개의 제2 몰팅 패턴들을 형성하였다. 상기 제2 몰딩 패턴들은 상기 제1 몰딩 패턴 그룹들 사이에 배치되었다. 이 후, 몰딩 패턴이 형성된 기판을 PDMS에 디핑한 후 열처리하여 제1 몰딩 패턴에 의해 형성된 10㎛ 두께의 서브 PDMS 탄성체 패턴, 제2 몰딩 패턴에 의해 형성된 50㎛ 두께의 메인 PDMS 탄성체 패턴, 및 50㎛ 두께의 PDMS 탄성 베이스층을 형성하였다. 이 후, PDMS 탄성체 패턴들과 PDMS 탄성 베이스층을 기판 및 몰딩 패턴으로부터 벗겨 내어, 두께 50㎛의 PDMS 탄성 베이스층(영률: ~750kPa), 폭 100㎛, 주기 200㎛, 높이 50㎛의 메인 PDMS 탄성체 패턴(영률: ~750kPa), 폭 10㎛, 주기 20㎛, 높이 10㎛의 서브 PDMS 탄성체 패턴(영률: ~750kPa)이 차례로 적층된 구조체를 얻었다. 이 구조체를 박막형 PVDF 압전 센서(Measurement Specialties Inc.) 상에 에폭시 레진을 사용하여 접착하여 촉각 센서를 얻었다.

<촉각센서 비교예 1>

제1 몰딩 패턴 그룹들을 형성하지 않은 것을 제외하고는 촉각센서 제조예와 동일한 방법을 사용하여 촉각 센서를 얻었다. 구체적으로, 본 예에 따른 촉각 센서는 PDMS 탄성 베이스층 상에 폭 100㎛, 주기 200㎛, 높이 50㎛의 메인 PDMS 탄성체 패턴이 형성되었을 뿐, 서브 PDMS 탄성체 패턴들이 형성되지는 않았다.

<촉각센서 비교예 2>

제1 몰딩 패턴 그룹들 및 제2 몰딩 패턴을 형성하지 않은 것을 제외하고는 촉각센서 제조예와 동일한 방법을 사용하여 촉각 센서를 얻었다. 구체적으로, 본 예에 따른 촉각 센서는 PDMS 탄성 베이스층만 형성되었을 뿐, 메인 및 서브 PDMS 탄성체 패턴들이 형성되지는 않았다.

도 14는 제조예에 따른 탄성 베이스층/탄성체 패턴 적층 구조체를 나타낸 SEM사진이다.

도 14를 참조하면, PDMS 탄성 베이스층 상에 폭 100㎛, 주기 200㎛, 높이 50㎛의 메인 PDMS 탄성체 패턴이 형성되었고, 상기 메인 PDMS 탄성체 패턴 상에 폭 10㎛, 주기 20㎛, 높이 10㎛의 서브 PDMS 탄성체 패턴들이 형성된 것을 확인할 수 있다.

도 15는 제조예에 따른 촉각 센서를 촬영한 사진이다.

<평가예 1>

제조예 및 비교예들 따른 촉각 센서들에 PET 팁을 촉각 센서들 표면에 접촉시킨 상태에서, 일 방향으로 2 mm/s 속도로 움직여 촉각 센서의 표면에 위치한 탄성체 패턴들 또는 탄성 베이스층에 전단력을 인가하여, 촉각 센서들로부터 출력 신호 즉, 신호크기-주파수 그래프를 얻었다.

도 16은 평가예 1에서 얻은 제조예 및 비교예들에 따른 촉각 센서들의 신호크기-주파수 그래프이다.

도 16을 참조하면, PET 팁을 사용하여 2 mm/s의 속도로 촉각센서 표면을 스캐닝할 때, 탄성체 패턴들이 형성되지 않은 촉각센서(비교예 2)는 두드러지는 피크를 보여주지 못하는 반면, 서브 탄성체 패턴 없이 메인 탄성체 패턴만 형성된 촉각센서(비교예 1)는 10Hz 피크(A)를 두드러지게 나타내고, 서브 탄성체 패턴과 메인 탄성체 패턴이 모두 형성된 촉각센서(제조예)는 10Hz 피크(A)와 100 Hz 피크(B)를 두드러지게 나타냄을 알 수 있다. PET 팁이 2 mm/s의 속도로 움직이는 것을 고려하면, 메인 탄성체 패턴에 의해 나타나는 피크는 이론적으로 10Hz ((2mm/s)/200um)이고, 서브 탄성체 패턴에 의해 나타나는 피크는 이론적으로 100Hz((2mm/s)/20um)인데, 실험결과 또한 이와 동일하게 나온 것으로 볼 때, 탄성체 패턴들이 접촉정보를 하부의 센서에 효과적으로 전달하고 있음을 알 수 있다.

<평가예 2>

표면 구조로서 폭 10um, 높이 30um, 주기가 20um인 PDMS 패턴들이 형성된 접촉 대상체를 제조하였다. 또한, 폭 10um와 높이 30um를 고정하고, 주기만 30, 50, 90, 150, 200, 및 500um로 다르게 한 6개의 접촉 대상체를 추가 제조하였다.

이 주기적인 표면 구조를 갖는 접촉 대상체들 중 임의의 하나를 제조예 및 비교예 1에 따른 촉각 센서들 표면에 접촉시킨 상태에서, 일 방향으로 2 mm/s 속도로 움직여 촉각 센서의 표면에 위치한 탄성체 패턴들에 전단력을 인가하여, 촉각 센서들로부터 출력 신호 즉, 신호크기-주파수 그래프를 얻었다.

도 17은 500um의 주기로 형성된 PDMS 패턴들을 구비하는 접촉 대상체와 30um의 주기로 형성된 PDMS 패턴들을 구비하는 접촉 대상체를 제조예 및 비교예 1에 따른 촉각 센서들 상에 스캔하였을 때의 신호크기-주파수 그래프와 90um의 주기로 형성된 PDMS 패턴들을 구비하는 접촉 대상체의 표면을 보여주는 SEM 사진이다.

도 17을 참조하면, 촉각 센서 내의 탄성체 패턴들에 의한 피크인 10Hz와 100 Hz 외에, 500um의 주기의 접촉 대상체를 제조예에 따른 촉각 센서에 스캔한 경우에는 약 4.2Hz 에서 약 8.5dB 정도의 피크를 얻었고, 30um의 주기의 접촉 대상체를 스캔한 경우에는 약 68Hz 에서 약 15.8dB 정도의 피크를 얻었다. 한편, 500um의 주기의 접촉 대상체를 비교예 1에 따른 촉각 센서에 스캔한 경우에는 약 4Hz에서 약 11.8dB 정도의 피크를 얻었고, 30um의 주기의 접촉 대상체를 스캔한 경우에는 약 68Hz에서 약 10.9dB 정도의 피크를 얻었다.

도 18은 20, 30, 50, 90, 150, 200, 및 500um로 서로 다른 주기를 갖는 PDMS 패턴들을 구비하는 접촉 대상체들을 제조예 및 비교예 1에 따른 촉각 센서 상에 스캔하였을 때의 접촉 대상체들의 해당 주기에 의해 나타나는 피크를 나타낸 그래프이다. 접촉 대상체들의 해당 주기에 의해 나타나는 피크의 크기는 도 16에 대한 설명에서와 같은 방법으로 신호크기-주파수 그래프로부터 얻었다.

도 18을 참조하면, 서브 탄성체 패턴을 구비하지 않는 비교예 1에 따른 촉각 센서는 메인 탄성체 패턴의 주기인 200um의 0.25배 이하 즉, 50um 이하의 주기를 갖는 접촉 대상체들에 대해서 약 15dB 이하의 감지특성을 나타내었다. 반면, 서브 탄성체 패턴과 더불어 메인 탄성체 패턴을 구비하는 제조예에 따른 촉각센서는, 50um 이하의 주기를 갖는 접촉 대상체들에 대해서도 15dB 이상의 감지특성을 나타내었다. 이러한 결과로부터, 서브 탄성체 패턴과 더불어 메인 탄성체 패턴을 구비하는 제조예에 따른 촉각센서는 100um 이하의 미세한 표면 구조 즉, 미세한 표면 주기를 가지는 접촉 대상체들까지도 효과적으로 그들의 표면 주기(또는 표면 특성)를 감지할 수 있음을 알 수 있다. 다시 말해서, 서브 탄성체 패턴과 더불어 메인 탄성체 패턴을 구비하는 촉각센서는 감지 능력이 크게 향상됨을 알 수 있다.

도 19는 파피루스를 제조예 및 비교예 1에 따른 촉각 센서 상에 스캔하였을 때의 파피루스의 표면 주기에 의해 나타나는 피크를 나타낸 그래프, 및 파피루스의 광학사진 및 SEM 사진이다.

도 19를 참조하면, 파피루스는 약 35 내지 50um의 표면 주기를 가지며 파피루스를 2mm/s로 스캔하였을 때, 이론적인 계산에 의해 나타날 수 있는 40 내지 55 Hz 영역(C) 내의 피크분포를 살펴보면, 서브 탄성체 패턴을 구비하지 않는 비교예 1에 따른 촉각 센서는 15dB 이하의 피크만 관찰될 뿐 두드러진 피크가 거의 관찰되지 않는 반면, 서브 탄성체 패턴과 더불어 메인 탄성체 패턴을 구비하는 제조예에 따른 촉각센서는 15dB 이상 약 20dB 정도의 다수의 피크들이 관찰되었다. 이러한 결과로부터, 서브 탄성체 패턴과 더불어 메인 탄성체 패턴을 구비하는 제조예에 따른 촉각센서는 미세한 표면 구조를 가지는 파피루스의 표면주기를 효과적으로 감지할 수 있으며, 비교예 1에 따른 서브 탄성체 패턴을 구비하지 않고 메인 탄성체 패턴만 구비하는 촉각 센서에 비해 해당영역에서 약 220% 정도 감지특성이 향상된 것을 확인할 수 있다.

Claims (16)

1. 압력 또는 진동 센서;
   상기 압력 또는 진동 센서 상에 배치된 베이스층;
   상기 베이스층 상에 배치되고 제1 주기를 갖는 다수 개의 메인 탄성체 패턴들; 및
   상기 베이스층 상에 배치되고 상기 제1 주기에 비해 짧은 제2 주기를 갖는 다수 개의 서브 탄성체 패턴들을 구비하는 서브 탄성체 패턴 그룹을 포함하고,
   상기 탄성체 패턴들의 영률(Young's modulus)은 상기 베이스층의 영률에 비해 크고 상기 베이스층의 변형률이 상기 탄성체 패턴들에 비해 큰 촉각 센서.
2. 삭제
3. 제1항에 있어서,
   상기 베이스층의 영률은 10 kPa ~ 0.1 GPa이고, 상기 탄성체 패턴들의 영률은 0.1 GPa ~ 10 GPa인 촉각 센서.
4. 제1항에 있어서,
   상기 탄성체 패턴들과 상기 베이스층은 PET(Polyethylene terephthalate), PU(Polyurethane), PUA(Polyurethane acrylate), PI(Polyimide), PEN(Polyethylene naphthalate), 에폭시 레진, PDMS(Polydimethylsiloxane), 폴리에스테르, PTFE(Polytetrafluoroethylene), LDPE(Low-density polyethylene), HDPE(High-density polyethylene), 실리콘 고무(silicone rubber), Ecoflex(바스프 사), 폴리프로필렌(Polypropylene), 폴리스티렌(Polystyrene) 또는 이들의 복합체로 이루어진 군에서 선택되는 촉각 센서.
5. 제1항에 있어서,
   상기 서브 탄성체 그룹은 상기 하나의 메인 탄성체 패턴 상에 배치된 촉각 센서.
6. 제5항에 있어서,
   상기 서브 탄성체 그룹에 포함된 상기 서브 탄성체 패턴들의 영률은 상기 메인 탄성체 패턴의 영률과 같거나 큰 촉각 센서.
7. 제5항에 있어서,
   상기 서브 탄성체 그룹에 포함된 상기 서브 탄성체 패턴들과 상기 메인 탄성체 패턴 사이에 배치된 접착층을 더 포함하는 촉각 센서.
8. 제1항에 있어서,
   상기 서브 탄성체 그룹은 상기 메인 탄성체 패턴들 사이에 배치된 촉각 센서.
9. 제1항에 있어서,
   상기 메인 탄성체 패턴들과 상기 서브 탄성체 패턴들은 라인 형태를 갖는 촉각 센서.
10. 제9항에 있어서,
    상기 탄성체 패턴들은 동심원 형태 또는 인간의 지문 형태를 갖는 촉각 센서.
11. 제1항에 있어서,
    상기 메인 탄성체 패턴들과 상기 서브 탄성체 패턴들 중 적어도 한 종류의 탄성체 패턴들은 아일랜드 형태를 갖는 촉각 센서.
12. 제1항에 있어서,
    상기 압력 또는 진동 센서는 박막 형태를 갖는 촉각 센서.
13. 제1항에 있어서,
    상기 탄성체 패턴들과 상기 베이스층 사이에 배치된 접착층을 더 포함하는 촉각 센서.
14. 제1항에 있어서,
    상기 센서 하부에 위치하는 기판을 더 포함하고,
    상기 기판은 탄성체인 촉각 센서.
15. 압력 또는 진동 센서, 상기 압력 또는 진동 센서 상에 배치된 베이스층, 상기 베이스층 상에 배치되고 제1 주기를 갖는 다수 개의 메인 탄성체 패턴들, 및 상기 베이스층 상에 배치되고 상기 제1 주기에 비해 짧은 제2 주기를 갖는 다수 개의 서브 탄성체 패턴들을 구비하는 서브 탄성체 패턴 그룹을 포함하는 촉각 센서 상에 대상 물체를 문지르는 단계;
    상기 촉각 센서의 출력 신호로부터 신호크기-주파수 그래프를 얻는 단계;
    상기 신호크기-주파수 그래프의 피크들로부터 상기 대상물체의 표면 거칠기 주기에 의한 주파수값을 얻는 단계; 및
    상기 대상물체의 표면 거칠기 주기에 의한 주파수값을 사용하여 상기 대상물체의 표면 거칠기 주기를 구하는 단계를 포함하는 촉각 센서를 사용하여 대상 물체 표면 특성을 측정하는 방법.
16. 제15항에 있어서,
    상기 신호크기-주파수 그래프의 피크들로부터 상기 탄성체 패턴의 주기에 의한 주파수값을 더 얻고,
    상기 대상물체의 표면 거칠기 주기는 상기 탄성체 패턴의 주기에 의한 주파수값 및 상기 대상물체의 표면 거칠기 주기에 의한 주파수값을 사용하여 구하는 촉각 센서를 사용하여 대상 물체 표면 특성을 측정하는 방법.

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