KR101737525B1 - 나노크랙을 이용한 고 민감도, 고 변형율 측정센서 및 그 제조방법 및 변형율 측정 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은, 비전도성이고 신축성 부재로 구성되는 제1 레이어, 전도체로 구성되며, 제1 레이어에 부착되며, 길이가 신장됨에 따라 복수의 크랙의 폭이 넓어짐으로써 저항이 증가되도록 구성되는 제2 레이어를 포함하는 변형율 측정센서, 그 제조방법 및 이를 포함하는 변형율 측정 시스템이 제공된다.
본 발명에 따른 나노 크랙을 이용한 고 민감도, 고 변형율 측정센서, 그 제조방법 및 변형율 측정 시스템을 이용하면, 저렴하게 생산이 가능하고, 미세한 변화량의 측정이 가능하며, 변형율의 측정범위가 극대화 될 수 있는 효과가 있다.

Description

나노크랙을 이용한 고 민감도, 고 변형율 측정센서 및 그 제조방법 및 변형율 측정 시스템{THE HIGH-SENSITIVE STRAIN SENSOR USING NANO-CRACK AND THE PROCESS OF THAT AND THE STRAIN SENSING SYSTEM COMPRISING THAT}

본 발명은 나노크랙을 이용한 변형율 측정센서, 제조방법 및 변형율 측정 시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 센서 자체의 길이가 신장되며 나노크랙을 이용하여 높은 인장을 측정할 수 있는 고 민감도 변형율 측정센서, 그 제조방법 및 변형율 측정 시스템에 관한 것이다.

변형율 측정센서는 다양한 종류가 개발되어 있다. 대표적으로 스트레인 게이지, 광섬유 센서 등이 개발되어 상업적으로 널리 사용되고 있다. 한편, 새로운 기술의 개발, 예컨대 착용가능한 전자기기, 디스플레이, 네트워크 통신기기, 휴대용 전자기기 등의 개발로 이와 관련된 인간의 움직임 검출에 대한 요구가 높아지고 있다.

그러나 대한민국 공개특허 제 2013-0084832 호(2013. 7. 26. 공개) 등에 나타난 스트레인 게이지 및 광섬유 센서와 같은 변형율 센서는 인간의 움직임을 감지하기에 측정범위가 작고, 측정범위와 민감도를 모두 높일 수 없으며, 구조가 복잡하여 사람이 착용하기에는 많은 문제점이 있고, 제조비용이 비싸다는 단점이 있었다.

대한민국 공개특허 제 2013-0084832 호(2013. 7. 26. 공개)

본 발명은 종래의 변형율 측정센서의 협소한 측정범위, 민감도, 비싼 제조비용 등의 문제를 해결하는 나노 크랙을 이용한 변형율 측정센서, 그 제조방법 및 변형율 측정 시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기 과제의 해결 수단으로서 비전도성이고 신축성 부재로 구성되는 제1 레이어, 전도체로 구성되며, 제1 레이어에 부착되며, 길이가 신장됨에 따라 복수의 크랙의 폭이 넓어짐으로써 저항이 증가되도록 구성되는 제2 레이어를 포함하는 변형율 측정센서가 제공된다.

여기서, 제1 레이어는 변형율을 측정하는 신장범위 내에서 크랙이 발생되지 않도록 구성될 수 있다.

그리고 제2 레이어는 신장시 제2 레이어에 형성된 복수의 크랙의 폭이 신장되는 방향으로 넒어짐으로써 저항이 증가되도록 구성될 수 있고, 회귀시 크랙의 폭이 회기되는 방향으로 좁아짐으로써 저항이 감소되도록 구성될 수 있다.

이때, 제1 레이어는 외력이 인가됨에 따라 길이가 신장되며, 제2 레이어는 제1 레이어의 신장에 의해 길이가 신장되도록 구성될 수 있다.

또한, 제2 레이어는 응력집중이 방지될 수 있도록 수 있도록 제1 레이어의 외력이 인가되는 지점으로부터 소정거리 이격되어 부착되도록 구성될 수 있다.

한편, 제2 레이어는 최초 1회의 신장으로 새로운 복수의 크랙을 발생시키며, 이후 반복되는 신장시 발생되는 크랙이 최초 발생된 새로운 복수의 크랙보다 적게 발생되도록 구성될 수 있다.

이때 발생되는 크랙은 폭이 0.5nm 이하로 구성될 수 있다.

이때 제2 레이어는 제1 레이어 상에 스퍼터링(sputtering)으로 부착될 수 있고, 10 내지 20 mA 로 200 내지 300 초 간 이루어질 수 있다.

그리고, 제1 레이어는 폴리우레탄(Polyurethane)을 포함하여 구성될 수 있으며, 제2 레이어는 백금을 포함하여 구성될 수 있다.

추가로 본 발명에 따라 비전도성이고 신축성 부재로 구성되는 제1 레이어를 생성시키는 단계, 제1 레이어의 일면에 전도성으로 구성되는 제2 레이어를 생성시키는 단계 및 제2 레이어를 신장시켜 제2 레이어상에 복수의 크랙을 발생시키는 단계를 포함하는 변형율 측정센서 제조방법이 제공된다.

여기서, 복수의 크랙을 발생시키는 단계는 응력집중이 되지 않도록 제1 레이어를 신장시킴으로써 제2 레이어를 신장시키도록 구성될 수 있으며, 제2 레이어의 길이의 60% 이내로 신장시켜 복수의 크랙을 발생시키도록 구성될 수 있다.

한편, 제2 레이어를 생성시키는 단계는 제1 레이어에 스퍼터링(sputtering)으로 제2 레이어를 생성시키는 단계를 포함할 수 있으며, 스퍼터링 단계는, 백금 타겟을 이용하며, 10 내지 20 mA 로 200 내지 300 초 간 이루어지도록 구성될 수 있다.

이때, 제2 레이어의 두께는 1μm 이하로 형성될 수 있으며, 제1 레이어는 200μm 이하로 생성될 수 있다.

그리고, 제1 레이어를 생성하는 단계는 폴리우레탄을 스핀 코팅하여 원하는 두께로 생성될 수 있다.

이에 더하여 비전도성이고 신축성 부재로 구성되는 제1 레이어 및 제1 레이어에 부착되며, 길이가 신장됨에 따라 복수의 크랙의 폭이 넓어짐으로써 저항이 증가되도록 구성되는 제2 레이어를 포함하는 변형율 측정센서, 변형율 측정센서의 양단에 전압을 인가하며, 변형율 측정센서의 저항 값을 측정하도록 구성되는 측정부 및 변형율 측정센서의 변형율에 대응되는 저항 값에 대한 데이터를 포함하며, 테이블로부터 측정된 저항 값에 따른 변형율을 출력하도록 구성되는 처리부를 포함하는 변형율 측정 시스템이 제공된다.

본 발명에 따른 나노 크랙을 이용한 변형율 측정센서, 그 제조방법 및 변형율 측정 시스템을 이용하면, 저렴하게 생산이 가능하고, 미세한 변화량의 측정이 가능하며, 변형율의 측정범위가 60% 이상까지 극대화 될 수 있는 효과가 있다.

도 1은 본 발명에 따른 변형율 측정센서의 사시도이다.
도 2는 본 발명에 따른 제2 레이어에 발생된 크랙을 확대하여 촬영한 사진이다.
도 3은 본 발명에 따른 제2 레이어에 발생된 크랙을 비교한 사진이다.
도 4는 본 발명에 따른 변형율 측정센서의 변형율-스트레스가 나타난 도면이다.
도 5는 본 발명에 따른 변형율 측정센서의 반복신장시 저항변화가 나타난 도면이다.
도 6은 본 발명에 따른 변형율 측정센서의 변형에 따른 저항변화를 나타낸 것이다.
도 7은 본 발명에 따른 변형율 측정센서의 제조방법의 순서도이다.
도 8은 본 발명에 따른 변형율 측정센서의 제조되는 모습을 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 9은 본 발명에 따른 변형율 측정 시스템의 개략도이다.
도 10은 본 발명에 다른 변형율 측정 시스템을 적용한 일예를 도시한 도면이다.

이하, 본 발명의 실시 예에 따른 나노크랙을 이용한 고 민감도, 고 변형율 측정센서, 그 제조방법 및 변형율 측정 시스템에 대하여, 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 그리고 이하의 실시예의 설명에서 각각의 구성요소의 명칭은 당업계에서 다른 명칭으로 호칭될 수 있다. 그러나 이들의 기능적 유사성 및 동일성이 있다면 변형된 실시예를 채용하더라도 균등한 구성으로 볼 수 있다. 또한 각각의 구성요소에 부가된 부호는 설명의 편의를 위하여 기재된다. 그러나 이들 부호가 기재된 도면상의 도시 내용이 각각의 구성요소를 도면내의 범위로 한정하지 않는다. 마찬가지로 도면상의 구성을 일부 변형한 실시예가 채용되더라도 기능적 유사성 및 동일성이 있다면 균등한 구성으로 볼 수 있다. 또한 당해 기술분야의 일반적인 기술자 수준에 비추어 보아, 당연히 포함되어야 할 구성요소로 인정되는 경우, 이에 대하여는 설명을 생략한다.

도 1은 본 발명에 따른 변형율 측정센서의 사시도이다.

도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 변형율 측정센서는 제1 레이어(10), 제2 레이어(20)를 포함하여 구성될 수 있다.

제1 레이어(10)와 제2 레이어(20)는 서로 부착되어 있으며, 변형율 측정시 함께 신장되도록 구성된다.

제1 레이어(10)는 측정 대상으로부터 외력을 받아 신장될 수 있도록 신축성 부재로 구성되며, 이하 기술할 제2 레이어(20)의 저항 변화에 전기적으로 영향을 미치지 않도록 비전도성 부재로 구성될 수 있다.

제1 레이어(10)는 변형율 측정범위 내에서 크랙(30)이 발생되지 않도록 구성될 수 있다. 제1 레이어(10)의 크랙(30) 발생시 제2 레이어(20)에 발생되는 크랙(30)이 불균일해 질 수 있으므로 이를 방지하기 위함이다. 본 실시예에서는 변형율 60%를 한계로 한 예를 들고 있으며, 이에 따라 제1 레이어(10)의 길이의 60% 이내로 신장되는 경우에는 제1 레이어(10)에 크랙(30)이 발생되지 않도록 구성되어 있다. 구체적으로 제1 레이어(10)를 구성하는 재질은 폴리우레탄(Polyurechane)을 포함하여 구성될 수 있으며, 제1 레이어(10)의 두께는 200μm 이하로 구성되는 것이 바람직하다. 그러나 이러한 두께 및 재질은 측정범위에 따라 다양하게 구성될 수 있다.

제2 레이어(20)는 전도성 재질로 구성되며 길이가 신장됨에 따라 복수의 크랙(30)의 폭이 넓어짐으로써 자체 저항이 증가되도록 구성된다. 이때 복수의 크랙(30)은 제2 레이어(20)를 제1 레이어(10)에 부착시킨 후 신장시켜 발생된 것을 이용한다.

제2 레이어(20)는 변형율 측정범위 내에서 신장되더라도 전류의 흐름이 완전히 차단되지 않도록 구성된다. 즉 한 부분에서 과도하게 신장되어 전기적으로 단절되지 않도록 복수의 크랙(30)이 밀집되도록 구성된다. 한편, 이러한 특징을 갖도록 적절한 재료를 선정할 수 있으며, 금, 은, 백금과 같은 전도성과 연성이 뛰어난 재료를 포함하여 구성될 수 있다. 본 실시예에서는 백금을 포함하여 구성되어 있다.

복수의 크랙(30)은 제2 레이어(20)의 길이가 신장되는 방향과 대략적으로 수직한 방향성을 가지며 형성된다. 따라서 제2 레이어(20)의 신장시 크랙(30)의 폭이 증가함에 따라 접촉하는 면적이 줄어들게 되어, 저항의 크기를 결정하는 유효단면적이 감소하여 자체 저항이 증가하게 된다. 반대로 원래의 길이로 회귀시 크랙(30)의 폭이 감소하여 접촉하는 면적이 넓어지게 되므로, 유효단면적이 증가하게 되어 자체 저항이 감소하게 된다.

이러한 크랙(30)의 작용, 기능 및 형성과정에 대하여는 차후 상세히 설명하기로 한다.

제1 레이어(10)는 변형율 측정 대상에 고정되어 설치될 수 있다. 측정 대상으 길이 신장에 따라 제1 레이어(10)가 늘어나게 된다. 이때 제1 레이어(10)에 부착된 제2 레이어(20)가 함께 신장되면서 저항 값이 달라지게 되며, 제2 레이어(20)의 양측에 외부 기기가 연결되어 저항변화를 측정하도록 구성될 수 있다.

다시 도 1을 살펴보면 제2 레이어(20)는 제1 레이어(10)에 외력이 작용하는 지점과 소정거리 이격되어 부착될 수 있다. 따라서 외력의 작용에 의해 제2 레이어(20)에 발생될 수 있는 응력집중, 부분적인 파손 등을 방지할 수 있다.

또한, 제2 레이어(20)는 제1 레이어(10)의 모서리로부터 소정거리 이격되어 부착될 수 있다. 제1 레이어(10)를 절단할 때, 절단면이 거칠어질 수 있으며, 거친 모서리에 제2 레이어(20)가 부착된 경우, 응력집중 등으로 적절한 성능을 발휘할 수 있는 문제점을 방지하기 위함이다.

이하에서는 도2 내지 도 5를 참조하여 변형율 측정센서의 기능 및 작용에 대하여 상세히 설명한다.

도 2는 본 발명에 따른 제2 레이어(20)에 발생된 크랙(30)을 확대하여 촬영한 사진이다.

도 2 (a)에는 변형율 측정센서의 길이가 20% 신장되었을 때의 모습, 도 2 (b)에는 변형율 측정센서의 길이가 50% 신장되었을 때의 모습이 도시되어 있다. 우상측에 나타난 스케일 바의 길이는 5μm이다.

제2 레이어(20)에는 도시된 바와 같은 복수의 크랙(30)이 균일하게 분포되어 있다. 크랙(30)은 제2 레이어(20)가 신장되는 방향과 대체로 수직한 방향으로 형성되어 있다. 전술한 바와 같이 크랙(30)은 제2 레이어(20)가 신장시 신장되는 방향의 폭이 넓어져 접촉면적이 감소함으로써 저항이 증가되도록 구성되며, 회기시에는 반대로 폭이 좁아짐으로써 저항이 감소되도록 구성될 수 있다.

크랙(30)은 제2 레이어(20)의 일측에서부터 타측을 가로지르는 방향으로 형성되어 있으나, 제2 레이어(20)가 파단되지는 않도록 형성된다. 따라서 크랙(30)의 폭이 넓어지더라도 어느 하나의 크랙(30)에 의해 제2 레이어(20)에 흐르는 전류가 완전히 차단되지 않는다. 즉 제2 레이어(20)가 신장되더라도 크랙(30)이 형성되지 않는 부분으로 전류가 통과될 수 있도록, 제2 레이어(20)의 폭보다 짧은 길이로 형성된 복수의 크랙(30)이 형성된다.

도 3은 본 발명에 따른 제2 레이어(20)에 발생된 크랙(30)을 비교한 사진이며, 길이가 20% 신장되었을 때의 모습이 나타나 있다.

도 3(a)는 제2 레이어(20)에 형성된 크랙(30)의 폭이 부적절하게 넓은 모습이 도시되어 있으며, 도 3(b)는 제2 레이어(20)에 형성된 크랙(30)의 폭이 적절하게 구성되며, 균일하고 촘촘하게 형성되어 있는 모습이 도시되어 있다.

도 3(a)와 같이 크랙(30)의 폭이 부적절하게 큰 경우에는 어느 하나의 크랙(30)에 의해 부분적으로 파단이 일어나게 된다. 부분적 파단으로 인해 해당 부분에서는 전류의 흐름이 차단되며, 전체적으로는 5%이내의 적은 변형에도 불구하고 측정되는 제2 레이어(20)의 저항이 급격하게 증가하게 된다. 이는 측정범위가 변형율 5% 이상이 되면 측정이 불가능하게 됨을 뜻한다.

반면 도 3(b)와 같이 크랙(30)이 도 3(a)보다 조밀하게 형성된 경우에는, 동일한 신장률(20%)에도 불구하고 더 많은 수의 크랙(30)의 폭이 균일하게 증가하여 제2 레이어(20)상에서 크랙(30)과 크랙(30) 사이에 전류가 흐를 수 있는 다양한 경로가 형성될 수 있으므로 안정적으로 전류가 흘러갈 수 있게 된다.

이와 같은 크랙(30)의 폭과 밀집도는 측정 대상의 신장률에 따라 다양하게 구성될 수 있다. 예를들어 최대 신장률 60%의 측정범위를 가질 때 크랙(30)의 폭이 최대 변형률로 신장된 상태에서 5nm 이상으로 형성된 경우, 변형률 측정범위 내에서 급격한 저항변화가 발생하여 정밀한 측정이 어려워지게 된다. 따라서 이러한 경우, 크랙(30)의 폭은 5nm 이하로 구성되는 것이 바람직하다.

도 4는 본 발명에 따른 변형율 측정센서의 변형율-스트레스 그래프가 나타난 도면이다. 변형률 측정센서를 60% 변형율로 반복적으로 신장시킨 데이터가 나타나 있으며, 신장시키는 횟수에 따라 다른 색깔로 표시되어 있다.

도시된 바와 같이, 최초 1회의 신장시의 데이터는 이후의 데이터와 다소 차이가 있는 모습이 나타나 있다. 이때 최초 1회의 신장은 제2 레이어(20)에 크랙(30)이 형성되기 전 상태에서 신장시킨 데이터이며, 최초의 1회 신장시에는 다소 높게 인가되는 응력(stress)에 따라 제2 레이어(20)에는 전술한 복수의 크랙(30)이 발생되며, 제1 레이어(10)는 미세변형이 발생되게 된다.

그러나 이후의 반복 사용시에는 도시된 것처럼 변형에 따라 일정한 응력이 인가되게 되며, 반복사용을 할수록 데이터가 수렴하는 모습을 보이고 있다.

이와 같이 본 발명에 따른 변형율 측정센서를 사용시 신뢰도 향상을 위하여 1차적으로 신장시켜 균일한 크랙(30)을 발생시켜야 한다. 다만 크랙(30)이 형성되지 않고 제1 레이어(10) 및 제2 레이어(20)가 부착된 상태에서 사용 직전 크랙(30)을 발생시키기 위해 신장시킬 수 있다.

도 5는 본 발명에 따른 변형율 측정센서의 반복신장시 저항변화가 나타난 도면이다.

도시된 바와 같이 변형율 측정센서는 50%의 신장률로 반복했을 때, 저항의 변화는 대략 15배 정도 차이가 발생할 수 있다. 즉 10%의 변형이 일어나더라도 저항은 3배 이상의 차이가 발생되므로 매우 민감하게 작동될 수 있다.

한편, 신장 가능한 변형률 측정센서의 민감도를 나타내는 가장 대표적인 인자로 gauge factor(GF=(저항변화량/초기저항)/변형률)를 들 수 있으며, 본 실시예의 GF 값은 20 내지 40의 값을 가질 수 있어 종래의 메탈 게이지가 5% 이내의 변형률 측정시 GF는 약 2 정도, 종래의 신장 가능한 변형률 측정센서가 약 0.8 정도인 것에 비하여 10배 이상의 높은 GF값을 가질 수 있다. 따라서 변형률을 매우 민감하게 측정이 가능하여 0.01 N 단위로 변화되는 외력에 의한 변형을 측정 가능하다.

또한 반복사용을 사더라도 변형율에 따른 변형율 측정센서의 저항 값은 일정하게 변화되므로 신뢰성을 확보할 수 있게 된다.

도 6은 본 발명에 따른 변형율 측정센서의 변형에 따른 저항변화를 나타낸 것이다.

도시된 바와 같이 변형율 30% 내에서 변형율 측정센서의 신장에 따른 저항증가되고 있으며, 30%까지 선형적으로 길이를 증가시킴에 따라 변형율 측정센서의 저항 값이 선형적으로 증가되는 실험결과 데이터가 나타나 있다.

제2 레이어(20)에 형성된 복수의 크랙(30)이 밀집되어 있어 급격한 저항변화를 방지하며 길이의 신장에 따라 선형적으로 저항이 달라지게 되므로, 측정값을 이용하여 절대값을 이용한 변형률 산출 또는 저항의 상대적 변화에 따른 변형율의 산출이 용이하다. 또한 변형에 따른 저항의 변화가 빠르게 이루어지며, 작은 오버슈트(overshoot) 및 회기시 작은 복구시간이 나타난다.

도 7은 본 발명에 따른 변형율 측정센서의 제조방법의 순서도이다.

도시된 바와 같이 본 발명에 따른 변형율 측정센서는 제1 레이어를 생성시키는 단계(S100), 제2 레이어를 생성시키는 단계(S200), 크랙(30)을 발생시키는 단계(S300)를 포함하여 구성될 수 있다.

나아가 제2 레이어(20)를 생성시 제2 레이어(20)를 부착시키는 영역을 결정하는 마스크를 부착 및 제거하는 과정이 포함될 수 있다.

제1 레이어를 생성시키는 단계(S100)는, 비전도성이고 신축성 부재를 스핀 코팅 방법으로 생성시킬 수 있다. 회전하는 슬라이드 글라스의 상측에서 폴리우레탄 솔루션을 떨어뜨려 회전에 의해 박막형태의 제1 레이어(10)를 형성시킨다. 이때 제1 레이어는 200μm 이하로 생성될 수 잇다.

이후 전술한 바와 같이 제2 레이어(20)의 응력집중을 방지하기 위하여 제1 레이어(10)의 모서리에서 소정간격 이격되어 부착될 수 있도록, 생성영역을 결정하는 마스크를 부착시킬 수 있다. 마스크는 제2 레이어(20)를 부착시키는 영역만이 관통되어 있어 제1 레이어(10)상에서 제2 레이어(20)를 선택적으로 생성시킬 수 있게 된다.

제2 레이어를 생성시키는 단계(S200)는 제1 레이어(10)의 일면에 전도성 제2 레이어(20)를 부착시킨다. 일 예로, 스퍼터링(Sputtering) 공정을 이용하여 제2 레이어(20)를 생성시키며, 이때 스퍼터링은 백금 타겟을 이용하고, 10 내지 20 mA 로 200 내지 300초 간 이루어질 수 있다. 스퍼터링이 15mA 로 240초 간 수행되는 경우 신장률 60% 이내로 측정가능한 변형율 측정센서의 제조에 바람직하다. 한편 이와 같은 스퍼터링은 일 예이며, 측정하고자 하는 측정범위에 따라서 다양한 공정이 채택될 수 있으며, 스퍼터링에 적용되는 시간 및 전류도 다양하게 적용될 수 있다. 한편, 이때 제2 레이어(20)의 두께는 2μm 이하로 형성될 수 있다.

제2 레이어(20)를 생성시킨 후에는 마스크를 제거한다.

크랙을 발생시키는 단계(S300)는 제1 레이어(10)를 신장시킴으로써 제2 레이어(20)의 전 영역에 균일한 인장력을 인가하여 균일한 분포로 복수의 크랙(30)을 발생시키게 된다.

이때, 크랙(30)을 발생시킬 때 신장되는 길이는 변형율 측정센서로 측정하고자 하는 변형율의 최대치로 적용시켜 신장시킬 수 있다. 일 예로 측정범위가 60% 이내인 변형율 측정센서를 제조하고자 하는 경우, 제1 레이어(10)를 60% 신장시켜 제2 레이어(20)상에 복수의 크랙(30)을 발생시킨다. 이후의 반복 사용에 의한 변형율에 대한 데이터는 도 4와 같이 나타날 수 있게 된다.

도 8은 본 발명에 따른 변형율 측정센서의 제조되는 모습을 개략적으로 도시한 단면도이다.

도시된 바와 같이, 제1 레이어를 생성시키고(a), 생성된 제1 레이어에 마스크를 부착하고(b), 일부분에 스퍼터링을 이용하여 제2 레이어(20)를 생성시킨다(c). 이후 마스크를 제거하고(d), 제1 레이어(10)를 신장시켜 제2 레이어(20)에 균일한 크랙(30)을 발생시키게 된다(e).

도 9은 본 발명에 따른 변형율 측정 시스템의 개략도이다.

도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 변형율 측정 시스템은 전술한 변형율 측정센서, 측정부(40), 처리부(50)를 포함하여 구성될 수 있다.

변형율 측정센서는 측정하고자 하는 대상에 부착되도록 구성될 수 있다.

측정부(40)는 변형율 측정센서의 양단, 구체적으로는 제2 레어이의 양단에 연결되어 전압을 인가할 수 있도록 구성되며, 전압을 인가함과 동시에 센서의 저항변화를 측정할 수 있도록 구성될 수 있다. 한편 이러한 저항변화를 측정하는 방법은 다양하게 적용될 수 있으므로 자세한 설명은 생략한다.

처리부(50)는 측정부(40)로부터 측정된 저항 값에 대응되는 변형율을 추출하여 출력할 수 있도록 구성된다. 처리부(50)에는 센서의 저항 값에 대응되는 변형율에 대한 데이터 테이블을 포함하여 구성될 수 있다.

도 10은 본 발명에 다른 변형율 측정 시스템을 적용한 일예를 도시한 도면이다.

도 10(a)에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 변형율 측정 시스템은 사람의 손의 움직임의 인식에 사용될 수 있다. 즉 각 손가락의 손등쪽에 다섯 개의 변형율 측정센서를 부착하고 측정되는 저항 값의 조합에 따라 손의 동작을 식별할 수 있게 된다.

도 10(b)를 살펴보면, 0~5초 까지 첫 동작은 다섯개의 손가락을 모두 펼친 상태이므로, 각 센서는 모두 신장되지 않은 상태로 있게 되며, 따라서 각 측정센서에서 측정되는 전류의 크기는 최대치로 기록된다.

5~10초의 구간에서는 엄지만을 펼치고 나머지 네 손가락은 접은 상태이므로 손등쪽에 배치된 센서들은 모두 신장되어 흐르는 전류 값이 낮아지게 된다.

이와 같이 변형율 측정시스템은 단순한 변형율의 측정 뿐 아니라, 복잡한 움직임을 단순한 움직임들의 조합으로 분석할 수 있다. 구체적으로 측정 대상의 움직임에 따른 복수의 변형율 측정센서의 전류 변화량 패턴을 데이터 베이스화하여 분석할 수 있게 된다.

한편, 변형율 측정 시스템을 전술한 손가락의 움직임을 분석하는데 적용한 것은 일 예일 뿐 아니라 다양한 움직임을 분석하는데 적용될 수 있다.

이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명에 따른 나노크랙을 이용한 고 민감도, 고 변형율 측정센서는 나노 단위의 크랙(30)이 있어, 60% 이상의 높은 변형율을 측정이 가능하며, 단위 변화량에 대한 저항의 변화폭이 상당히 크기 때문에, 매우 민감하고 매우 빠르게 작동한다. 또한, 단순한 메커니즘을 이용하므로 제조과정이 단순하여 저렴하게 생산할 수 있게 된다. 이러한 변형률 측정센서 및 이를 포함한 변형률 측정 시스템은 의료 및 로봇 등 다양한 분야에 적용될 수 있을 것으로 예상된다.

이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예들을 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 그 기술적 사상이나 필수적인 특징들이 변경되지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것으로 이해할 수 있을 것이다. 그러므로, 이상에서 기술한 실시 예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

10: 제1 레이어
20: 제2 레이어
30: 크랙
40: 측정부
50: 처리부

Claims (20)

1. 비전도성 물질로 구성되는 제1 레이어; 및
   전도성 물질로 구성되며, 상기 제1 레이어상에 형성되며, 복수의 크랙의 폭이 변화됨에 따라 저항의 크기가 달라지도록 구성되는 제2 레이어를 포함하며,
   상기 제2 레이어는 상기 복수의 크랙이 상기 제2 레이어의 전 영역에 무작위적으로 균일하고 조밀하게 형성될 수 있도록 2μm 이하로 형성되며,
   상기 제2 레이어는 50%의 신장률의 측정범위를 가질 때 크랙의 폭이 5nm 이하로 형성될 수 있도록 백금으로 형성되는 것을 특징으로 하는 변형률 측정센서.
2. 제1 항에 있어서,
   상기 제1 레이어는,
   변형률을 측정하는 신장범위 내에서 크랙이 발생되지 않도록 신축성 부재로 구성되는 것을 특징으로 하는 변형률 측정센서.
3. 제2 항에 있어서,
   상기 제2 레이어는,
   상기 복수의 크랙의 폭이 넓어짐에 따라 저항의 크기가 커지는 것을 특징으로 하는 변형률 측정센서.
4. 제3 항에 있어서,
   상기 제2 레이어는 신장시 상기 제2 레이어에 형성된 복수의 상기 크랙의 폭이 상기 신장되는 방향으로 넒어짐으로써 저항이 증가되도록 구성되는 것을 특징으로 하는 변형률 측정센서.
5. 제3 항에 있어서,
   상기 제2 레이어는 회귀시 상기 크랙의 폭이 회기되는 방향으로 좁아짐으로써 저항이 감소되도록 구성되는 것을 특징으로 하는 변형률 측정센서.
6. 제2 항에 있어서,
   상기 제1 레이어는 외력이 인가됨에 따라 길이가 신장되며,
   상기 제2 레이어는 상기 제1 레이어와 함께 신장되도록 구성되는 것을 특징으로 하는 변형률 측정센서.
7. 제6 항에 있어서,
   상기 제2 레이어는 응력집중이 방지될 수 있도록 수 있도록 상기 제1 레이어의 상기 외력이 인가되는 지점으로부터 소정거리 이격되어 부착되도록 구성되는 것을 특징으로 하는 변형률 측정센서.
8. 삭제
9. 제2 항에 있어서,
   상기 제2 레이어는 제1 레이어 상에 스퍼터링(sputtering)으로 증착되는 것을 특징으로 하는 변형률 측정센서.
10. 삭제
11. 제9 항에 있어서,
    상기 제2 레이어는,
    백금 타겟을 이용하며, 상기 제2 레이어의 두께를 1μm 이하로 형성시키는 것을 특징으로 하는 변형률 측정센서.
12. 제3 항에 있어서,
    상기 제1 레이어는 200μm 이하로 생성되는 것을 특징으로 하는 변형률 측정센서.
13. 제3 항에 있어서,
    상기 제1 레이어는 폴리우레탄(Polyurethane)을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 변형률 측정센서.
14. 비전도성이고 신축성 부재로 구성되는 제1 레이어를 생성시키는 단계;
    상기 제1 레이어의 일면에 전도성으로 구성되는 제2 레이어를 2μm 이하로 생성시키는 단계; 및
    상기 제2 레이어를 최대 신장률 50% 이하로 신장시켜 상기 제2 레이어의 전 영역에 무작위적으로 균일하고 조밀하며, 폭이 5nm 이하로 형성되는 복수의 크랙을 발생시키는 단계를 포함하는 변형률 측정센서 제조방법.
15. 제14 항에 있어서,
    상기 복수의 크랙을 발생시키는 단계는,
    응력집중이 되지 않도록 상기 제1 레이어를 신장시킴으로써 상기 제2 레이어를 신장시키는 것을 특징으로 하는 변형률 측정센서 제조방법.
16. 삭제
17. 제14 항에 있어서,
    상기 제2 레이어를 생성시키는 단계는,
    상기 제1 레이어에 스퍼터링(sputtering)으로 상기 제2 레이어를 생성시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 변형률 측정센서 제조방법.
18. 제17 항에 있어서,
    상기 스퍼터링 단계는,
    백금 타겟을 이용하여 1μm이하의 두께로 형성시키는 것을 특징으로 하는 변형률 측정센서 제조방법.
19. 제14항에 있어서,
    상기 제1 레이어를 생성하는 단계는 폴리우레탄을 스핀코팅하여 생성하는 것을 특징으로 하는 변형률 측정센서 제조방법.
20. 비전도성이고 신축성 부재로 구성되며, 변형률을 측정하는 신장범위내에서 크랙이 발생되지 않도록 구성되는 제1 레이어 및 전도체로 구성되는 제1 레이어 및 상기 제1 레이어에 부착되며, 길이가 신장됨에 따라 복수의 크랙의 폭이 넓어짐으로써 저항이 증가되도록 구성되는 제2 레이어를 포함하는 변형률 측정센서;
    상기 변형률 측정센서의 양단에 전압을 인가하며, 상기 변형률 측정센서의 저항 값을 측정하도록 구성되는 측정부; 및
    상기 변형률 측정센서의 변형률에 대응되는 상기 저항 값에 대한 데이터로부터 상기 측정된 저항 값에 따른 상기 변형률을 출력하도록 구성되는 처리부를 포함하며,
    상기 제2 레이어는 신장률 50% 의 측정범위를 가질 때 폭이 5nm 이하인 크랙이 상기 제2 레이어의 전 영역에 무작위적으로 균일하고 조밀하게 형성되도록 2μm 이하의 두께로 형성되는 백금으로 구성되는 변형률 측정 시스템.
    

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