KR101764384B1 - 스트레인 센서 시스템 및 이를 이용한 스트레인 측정 방법 - Google Patents

스트레인 센서 시스템 및 이를 이용한 스트레인 측정 방법 Download PDF

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KR101764384B1
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    • H01L41/047
    • H01L41/193
    • H01L41/25

Abstract

본 발명은 스트레인 센서 시스템 및 이를 이용한 스트레인 측정 방법에 관한 것이다. 상세하게는, 전도성을 띄는 고분자 복합재 및 상기 고분자 복합재의 경계면에 연결된 복수개의 전극을 포함하는 스트레인 센서; 상기 복수개의 전극에 전기적으로 연결된 멀티플렉서; 및 상기 멀티플렉서에 전기적으로 연결된 신호처리장치를 포함하는 스트레인 센서 시스템 및 이를 이용한 스트레인 측정방법에 관한 것이다. 상기 스트레인 센서 시스템은 스트레인을 감지하는 부분이 유연한 고분자 복합재로 구성되어 있어 3차원 형상으로 제조 가능하며, 또한, 상기 고분자 복합재의 경계면에 연결된 전극에 전류를 인가하여 상기 고분자 복합재 경계면의 전위값을 측정하고 이를 통해, 상기 고분자 복합재 내부 저항 분포를 측정하는 것으로, 외력이 다양한 위치에 가해졌을 때 전극이 형성되지 않은 내부 영역에서도 스트레인을 측정 가능하다는 장점이 있다.

Description

스트레인 센서 시스템 및 이를 이용한 스트레인 측정 방법{Strain sensor system and sensing method using it}
본 발명은 스트레인 센서 시스템 및 이를 이용한 스트레인 측정 방법에 관한 것이다.
최근 인간과 전자기기간 상호작용의 증가에 따라, 그 매개체 역할을 할 수 있는 센서 기술 개발에 대한 요구가 증가하고 있다. 고성능 센서 기술은 인간의 편의를 제공하고 새로운 서비스를 창출할 수 있는 원격관리 제어, 스마트 기기, 보안 및 공공 안전, 환경 감시, 의료 및 헬스케어 분야에 적용될 수 있는데, 이를 위한 센서의 특성향상 및 실생활 적용 기술에 대한 연구가 많이 진행되고 있다.
그 중 최근에는 유연성과 신축성을 가지고 외부 압력을 센싱하는 스트레인 센서에 대한 관심이 급증하고 있다. 이러한 유연성과 신축성을 가지는 스트레인 센서는 사람과 로봇의 상호작용에서 편안한 촉감을 제공하고 로봇 자체에 가해지는 외부의 충격에 대한 안정성을 확보할 수 있기 때문에 최근 인공 피부에서부터 인체의 형상을 모델링한 생체역학, 재활공학 및 엔터테인먼트 산업에 이르기까지 관심이 높아지고 있다.
이러한 유연한 스트레인 센서를 사용한 일례로써 종래의 기술을 살펴보면, 외팔보 형태로 다축의 처짐이나 길이 변화를 측정하거나, 평평한 박막 형태로 센싱 소재를 배열하여 표면에서의 3축 스트레인 분포를 측정하는 스트레인 센서가 개시된 바 있다. 하지만 상기 센서는 주어진 방향의 스트레인 분포를 측정할 뿐 복잡한 표면 형상 위에서 측정할 수 없어, 많은 분야에서 응용하기 위한, 복잡한 표면 형상 위에서 스트레인 분포를 측정할 수 있는 센서가 필요하다.
예를 들어 사람의 발바닥 형상을 모사하여 로봇 발바닥을 제작하려는 경우, 발바닥의 유선형 굴곡들은 바닥면과 접촉 시 하중을 분산시키면서 동시에 부드러운 보행운동을 가능하게 하기 때문에 3차원 형상을 유지하면서 동시에 여러 위치에 가해지는 스트레인을 측정하는 것이 중요하다.
한편, 유연한 스트레인 센서의 센싱 방법으로 종래의 경우, 크게 고무나 실리콘 등의 탄성체의 변형을 광섬유로 전달된 특정 파장의 변화를 측정하는 방식으로 상세하게는, 괌섬유 혹은 광 가이드를 이용하여 외력 작용 시 광성질이 변하는 것을 이용하여 외력분포를 계산하는 방식, 탄성막의 형상변화를 광학 카메라를 이용하여 영상 처리기법을 통해 스트레인을 추정하는 방식, 탄성체를 유전체로 이용하여 정전 용량(Capacitor)의 변화를 측정하는 방식, 압전(piezoelectric)효과를 이용한 방식, 압력에 의한 저항변화를 이용한 압저항(piezoresistive) 방식으로 분류할 수 있다. 그 중 압저항 방식은 주로 전도성 입자가 포함된 고무 혹은 실리콘이 외력에 의해 변형을 일으킬 때 전도성 입자의 분포가 달라지는 것을 저항 변화를 통해 측정하는 방식이다. 이 방식은 여타 방법에 비해 사출 성형 또는 코팅 기술과 같은 종래의 고분자 대량 생산기술에 적용하여 좀 더 복잡한 3차원 형상으로 제작할 수 있다는 장점이 있는 반면, 3차원 형상 전체 영역의 압저항을 측정하기 위한 전극을 형성하기 어렵다는 문제점을 가지고 있다.
이와 관련된 종래의 기술을 살펴보면, Y. Menguc,“Soft wearable motion sensing suit for lower limb biomechanics measurements”IEEE, 2013, 5309-5316에서는 압저항 방식의 액체금속 센서를 개시한 바 있다. 상세하게는 유연한 실리콘 고무에 압저항 성질을 가지고 있는 액체금속을 주입한 센서로서, 단축의 인장 센서와 다축의 압력 센서로 활용이 가능한 센서이다. 하지만 상기 압저항 방식의 액체금속 센서는 중금속인 갈륨과 인듐이 포함되어 있어, 센서 외부에 충격이 가해져 비산될 경우, 안전의 위험이 존재하며, 또한 압저항을 측정하기 위해 필요한 3차원 형상의 제작 전선부를 제작하기 어렵다는 문제점을 가지고 있다.
또한, R. Koiva, "A highly sensitive 3D-shaped tactile sensor,”IEEE, 2013, 1084-1089에서는 압저항 방식의 손가락 형상의 접촉센서를 개시한 바 있다. 상세하게는, 압저항 재료를 이용하여 3차원 형상을 구현한 센서로, CNC와 레이저 각인 기술을 이용하여 손가락 모양으로 구현한 3차원 압저항 센서를 개시한 바 있다. 하지만, 상기 압저항 방식의 손가락 형상의 접촉센서 또한, 전극이 형성되지 않은 일부 영역에서의 스트레인의 측정이 불가능하여 적용범위가 낮다는 문제점을 가지고 있다.
이에 본 발명에서는 전극이 형성되지 않은 영역을 포함한 센서 내 전 영역에서의 스트레인 분포를 측정하기 위하여, 3차원 형상을 가지며, 또한 전도성 고분자 복합재 및 상기 전도성 고분자 복합재 경계면에 연결된 복수개의 전극을 포함하는 스트레인 센서를 제조하고, 상기 스트레인 센서, 멀티플렉서 및 신호처리장치가 포함된 스트레인 센서 시스템을 형성하여, 상기 전극이 형성되지 않은 영역에서도 스트레인을 측정할 수 있는, 스트레인 센서 시스템 및 이를 이용한 스트레인 측정방법을 개발하고 본 발명을 완성하였다.
본 발명의 목적은 스트레인 센서 시스템 및 이를 이용한 스트레인 측정 방법을 제공하는 데 있다.
상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명은
전도성을 띄는 고분자 복합재 및 상기 고분자 복합재의 경계면에 연결된 복수개의 전극을 포함하는 스트레인 센서;
상기 복수개의 전극에 전기적으로 연결된 멀티플렉서; 및
상기 멀티플렉서에 전기적으로 연결된 신호처리장치를 포함하는 스트레인 센서 시스템을 제공한다.
또한 본 발명은,
전도성을 띄는 고분자 복합재를 제조하는 단계(단계 1);
상기 제조된 고분자 복합재를 3차원 형상으로 성형하는 단계(단계 2);
상기 제조된 3차원 형상의 전도성 고분자 복합재의 경계면에 복수개의 전극을 부착하는 단계(단계 3);를 포함하는 스트레인 센서 제조방법을 제공한다.
나아가 본 발명은
상기 스트레인 센서 시스템의 스트레인 센서 중 고분자 복합재에 외부 압력을 가하는 단계(단계 1);
복수개의 전극 중 일부 전극을 통해 고분자 복합재로 전류를 인가하는 단계(단계 2);
상기 전류가 인가된 전극을 제외한 나머지 전극을 통하여 고분자 복합재 경계면에서의 전위값을 측정하는 단계(단계 3);
멀티플렉서를 이용하여 상기 전극을 스위칭하면서 상기 단계 2 및 3을 반복하는 단계(단계 4);
상기 측정된 전위값으로부터 내부 저항 분포를 계산하는 단계(단계 5); 및
상기 계산된 내부 저항 분포로부터 내부 스트레인 분포를 환산하는 단계(단계 6);를 포함하는, 상기 고분자 복합재의 경계면에 연결된 전극을 통해 상기 고분자 복합재의 내부 스트레인을 측정하는 것을 특징으로 하는 제1항의 스트레인 센서 시스템을 이용한 스트레인 측정 방법을 제공한다.
본 발명의 스트레인 센서 시스템은 스트레인 센서, 멀티플렉서 및 신호처리장치를 포함한다. 이때, 상기 스트레인 센서가 유연한 고분자 복합재로 구성되어 있어 3차원 형상으로 제조 가능하며, 또한, 상기 고분자 복합재의 경계면에 연결된 전극에 전류를 인가하여 상기 고분자 복합재 경계면의 전위값을 측정하고 이를 통해, 상기 고분자 복합재 내부 저항 분포를 측정하는 것으로, 외력이 다양한 위치에 가해졌을 때 전극이 형성되지 않은 내부 영역에서도 스트레인을 측정 가능하다는 장점을 가지고 있다.
도 1은 본 발명에 따른 스트레인 센서 시스템의 흐름도를 나타낸 것이고,
도 2는 본 발명에 따른 멀티플렉서의 스위칭 과정을 나타낸 것이고,
도 3은 본 발명에 따른 스트레인 센서를 제조하는 과정을 나타낸 공정도이고,
도 4는 본 발명에 따라 제조된 3차원의 반구형, 막대형 및 평면형 스트레인 센서를 나타낸 사진이고,
도 5는 본 발명의 실험예 3에 따른 결과로, 입자의 함량에 따른 고분자 복합재의 전기적 저항 변화를 나타낸 그래프이고,
도 6은 본 발명의 실시예 1에 따라 제조된 반구형 스트레인 센서 사진 및 이를 이용하여 측정한 스트레인에 따른 저항 분포를 나타낸 그래프이고,
도 7은 본 발명의 실시예 2에 따라 제조된 평면형 스트레인 센서 사진 및 이를 이용하여 측정한 스트레인에 따른 저항 분포를 나타낸 그래프이다.
본 발명은
전도성을 띄는 고분자 복합재 및 상기 고분자 복합재의 경계면에 연결된 복수개의 전극을 포함하는 스트레인 센서;
상기 복수개의 전극에 전기적으로 연결된 멀티플렉서; 및
상기 멀티플렉서에 전기적으로 연결된 신호처리장치를 포함하는 스트레인 센서 시스템을 제공한다.
이하 도면을 참조하여 본 발명에 따른 스트레인 센서 시스템을 상세히 설명한다.
스트레인은 물체가 인장 또는 압축을 받았을 때 원래의 길이에 대하여 늘어나거나 줄어든 길이를 비율로 표시한 값으로, 즉 물체의 변형의 정도를 나타내며,
상기 스트레인 센서 시스템은 상기 스트레인 센서에서 외부 압력에 의해 생기는 상기 스트레인을 감지하고, 상기 감지된 스트레인 즉, 변형의 정도를 전기적 신호로 변환 및 처리하는 시스템일 수 있다.
본 발명의 스트레인 센서 시스템은 도 1에 나타난 바와 같이 고분자 복합재(14), 상기 고분자 복합재에 연결된 복수개의 전극(38), 상기 복수개의 전극(38)에 전기적으로 연결된 멀티플렉서(31) 및 상기 멀티플렉서(31)에 전기적으로 연결된 신호처리장치(37)를 포함하는 스트레인 센서 시스템을 제공한다
상기 스트레인 센서 시스템 중 상기 스트레인 센서는 외부 압력에 의해 스트레인이 발생되는 전도성을 띄는 고분자 복합재(14)를 포함한다. 이때, 상기 고분자 복합재(14)는 고분자 기지상에 전도성 입자가 분산된 형태인 전도성을 띄는 고분자 복합재일 수 있으며, 예를 들어, 상기 전도성을 띄는 고분자 복합재는 액상의 고분자에 다중벽 탄소나노튜브(MWCNT)를 혼합 및 분산시켜 제조된 전도성을 띄는 고분자 복합재일 수 있다.
이는 상기 스트레인 센서를 유연성을 갖는 3차원 형상으로 제조하기 위한 것이며, 또한 상기 스트레인 센서가 전도성을 갖도록 하기 위한 것이다.
상기 고분자 복합재는 유연성을 갖는 3차원 형상으로 제조될 수 있다. 예를 들어, 도 3에 나타난 바와 같이 상기 고분자 복합재는 반구형, 막대형 또는 평면형으로 제조될 수 있으나 이에 제한된 것은 아니며, 더욱 복잡한 3차원 형상으로 제조될 수도 있다. 이는 스트레인 센서가 사용될 수 있는 다양한 분야에 적용되기 위한 것이다. 예를 들어, 유연성을 갖는 3차원 형상의 고분자 복합재를 포함하는 상기 스트레인 센서는 사람의 피부와 같이 접촉 지점이 어디인지, 어느 정도의 접촉력이 가해졌는지 추정 가능하면서 동시에 외부의 충격을 효과적으로 흡수할 수 있는 로봇의 인공 피부나 기계의 외피에 적용될 수 있다. 또한, 유연 조이스틱이나 마우스 인터페이스, 신체 부착형 인터페이스 등과 같이 사람과 밀접한 물리적 상호작용이 발생하는 환경의 인터페이스로 활용될 수 있다.
또한, 상기 고분자 복합재는 전도성을 띄는 고분자 복합재이다. 상기 스트레인 센서 시스템은 상기 고분자 복합재에 가해진 외부 압력에 의해 발생된 스트레인을 상기 고분자 복합재 경계면의 전위값 변화를 통해 감지하기 위한 것으로, 상기 고분자 복합재에 발생된 스트레인에 의한 상기 고분자 복합재 경계면의 전위값 변화를 상기 고분자 복합재의 내부 저항 변화로 바꾸고, 이후 상기 고분자 복합재의 내부 저항변화를 통해 상기 고분자 복합재 내부에서 발생된 스트레인을 감지하는 것으로, 상기 고분자 복합재의 전위값 변화를 측정하기 위해서는 상기 고분자 복합재가 전도성을 가질 필요가 있다. 이때, 상기 '경계면'은 상기 고분자 복합재의 형상을 정의하는 외측 말단부이며, 상기 경계면이 아닌 고분자 복합재의 영역은 '내부'영역이다.
상기 고분자 복합재 경계면의 전위값 변화를 감지하기 위해, 상기 고분자 복합재는 경계면에 전극(38)이 연결될 수 있으며, 상기 전극(38)은 전류를 인가하기 위해, 또는 전위를 측정하기 위해 복수개가 연결될 수 있다.
상기 고분자 복합재 경계면의 전위값의 측정은 상기 복수개의 전극 중 일부의 전극으로 일정 값의 전류를 상기 고분자 복합재에 인가한 후, 상기 전류에 의해 발생된 상기 고분자 복합재 경계면의 전위값을 측정하는 것으로, 상기 경계면의 전위값은 전류가 인가되는 전극을 제외한 나머지 전극들을 통해 측정된다. 한편, 상기 고분자 복합재에 스트레인이 발생할 경우, 상기 고분자 복합재 경계면의 전위값이 변하게 되므로, 이를 측정함으로써 스트레인 변화를 감지할 수 있다.
이때, 상기 전극(38)은 상기 고분자 복합재의 형상에 따라 그 위치 및 개수가 결정될 수 있다. 즉, 상기 전극(38)의 위치 및 개수는 상기 고분자 복합재 전 영역의 스트레인 분포를 측정하기 위한 것으로, 측정 가능한 범위는 상기 전극들의 철포(convex hull)로 결정되기 때문에 상기 전극은 3차원 센서 형상을 커버할 수 있도록 상기 전극(38)의 개수 및 위치가 결정될 수 있다.
또한, 상기 복수개의 전극 중 전류를 인가하는 전극 및 전위값을 측정하는 전극은 상기 멀티플렉서(31)를 통하여 순차적으로 변경된다. 상기 멀티플렉서(31)는 복수개 연결된 전극들 중 일부 전극으로만 전류를 인가한다. 즉, 도 2에 나타난 바와 같이, 상기 멀티플렉서를 통해 복수개의 전극 중 일부 전극으로 전류를 인가하고 나머지 전극들을 통하여 이에 따른 상기 고분자 복합재 경계면의 전위을 측정하고, 이후, 상기 전류를 인가한 전극 이외의 다른 전극으로 전류를 인가하고 나머지 전극들을 통하여 이에 따른 전위값을 측정하는 것을 반복한다.
상기와 같이 전류를 인가하는 전극 및 전위를 측정하는 전극을 순차적으로 바꾸는 것을 '스위칭'이라 하고, 상기 스위칭 과정을 통해 상기 고분자 복합재에 전류를 인가하고 경계면의 전위값을 반복적으로 측정할 수 있다.
상기 스트레인 센서 시스템 중 신호처리장치(37)를 통해 상기 발생된 전위값의 변화에 대한 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하고, 이후 상기 변환된 디지털 신호를 계산 및 환산하여 스트레인 분포를 나타낼 수 있다.
이때, 상기 신호처리장치(37)를 통하여, 디지털 신호로 변환된 상기 고분자 복합재 경계면의 전위값을 상기 고분자 복합재의 내부 저항분포로 변환시키고, 다시 상기 내부저항분포를 내부 스트레인분포로 변환시킬 수 있다.
또한, 상기 스트레인 센서 시스템은 상기 멀티플렉서(31)와 상기 신호처리장치(37) 사이에 전기적으로 연결된 전류구동장치(Current Driver)(32)가 연결될 수 있다. 상기 전류구동장치(Current Driver)(32)는 일정한 전류를 인가하기 위한 것으로, 스트레인에 의한 전위값 변화를 확인하기 위해 상기 고분자 복합재의 모든 전극으로 동일한 값의 전류량을 인가하기 위한 것이다. 또한, 상기 인가된 전류에 의해 발생된 전위를 증폭시켜 나타내기 위해 멀티플렉서와 전기적으로 연결된 차동증폭기(Differential Aplifier)(33)가 연결될 수 있으며, 이를 통해 증폭되어 나타난 값이 신호처리장치로 전달된다.
상기 스트레인 센서 시스템은 상기 고분자 복합재에 발생한 스트레인을 측정하기 위한 것으로, 특히, 상기 고분자 복합재의 경계면에 연결된 전극을 통해 상기 전극이 형성되지 않은 고분자 복합재 내부에서 발생되는 스트레인을 측정할 수 있다. 이는 스트레인에 따라 발생하는 경계면의 전위값 변화를 측정하고, 상기 전위값을 통한 내부 저항분포를 계산함으로써 가능하게 된다. 이는 종래의 압저항 재료를 사용하여 스트레인을 측정하는 방식과는 구별된다.
종래의 경우, 스트레인을 감지하는 방법으로, 물리적 양을 전기적 값으로 변환하는 매체에 따라 압저항방식, 축전용량 방식, 압전방식 및 광학방식으로 분류될 수 있다. 그 중 상기 압저항 방식은 물체에 외력을 가했을 때 생기는 변형을 압저항 재료의 저항 변화로 측정하는 방식으로 예를 들어, 전도성 입자가 포함된 고무 혹은 실리콘이 외력에 의해 변형을 일으킬 때 전도성 입자의 분포가 달라지는 저항 분포 변화를 측정으나, 상기 압저항 방식은 전극이 형성된 부분에서만 측정이 가능하여, 센서가 3차원의 복잡한 표면을 갖는 경우, 전극의 형성이 어려워, 스트레인 측정 또한 어려운 문제점을 가지고 있다.
이에 반해 상기 스트레인 센서 시스템은 저항을 직접적으로 측정하는 대신, 상기 전도성을 띈 고분자 복합재의 경계면의 전위값을 측정하여 이를 통해 내부 저항분포를 계산하는 방식으로, 상기 고분자 복합재 경계면에 연결된 전극을 이용하여 전극이 형성되지 않은 상기 고분자 복합재 내부영역의 저항변화 및 스트레인 변화를 측정할 수 있어, 상기 고분자 복합재가 3차원의 복잡한 표면을 갖는 경우에도 스트레인 측정할 수 있는 장점이 있다.
또한, 본 발명은
전도성을 띄는 고분자 복합재를 제조하는 단계(단계 1);
상기 제조된 고분자 복합재를 3차원 형상으로 성형하는 단계(단계 2);
상기 제조된 3차원 형상의 전도성 고분자 복합재의 경계면에 복수 개의 전극을 부착하는 단계(단계 3);를 포함하는 스트레인 센서 제조방법을 제공한다.
이하, 본 발명에 따른 스트레인 센서 제조방법을 각 단계별로 상세히 설명한다.
본 발명에 따른 스트레인 센서 제조방법에 있어, 단계 1은 전도성을 띄는 고분자 복합재를 제조하는 단계이다.
상기 스트레인 센서는 상기 고분자 복합재에 가해진 외부 압력에 의해 발생된 스트레인을 상기 고분자 복합재 경계면의 전위값 변화를 통해 감지하기 위한 것으로, 상기 고분자 복합재의 전위값 변화를 측정하기 위해서는 상기 고분자 복합재가 전도성을 가질 필요가 있다.
이때, 상기 전도성을 띄는 고분자 복합재는 전도성 입자 및 고분자를 혼합 및 분산시켜 제조될 수 있다. 상기 전도성 입자는 예를 들어 다중벽 탄소나노튜브(MWCNT)일 수 있으며, 상기 입자를 액상의 고분자에 혼합 및 분산시켜 제조될 수 있다. 이때, 상기 전도성 입자는 고분자 복합재 총 중량에 대하여 2 내지 3.5 중량% 첨가되는 것이 바람직하다.
상기 입자의 함량은 상기 고분자 복합재 내부의 전기적 저항 네트워크를 형성하는데 중요한 값으로, 만약 상기 입자가 고분자 복합재 총 중량에 대하여 2 중량% 미만 첨가될 경우, 상기 고분자 복합재의 전도성이 미약하여, 전위분포 측정이 어려울 수 있고 또한, 입자가 고분자 복합재 총 중량에 대하여 3.5 중량%를 초과하여 첨가될 경우, 저항변화의 민감도가 낮아져 작은 스트레인 변화에 따른 전위분포변화가 미비할 수 있다. 그러므로, 상기 전도성 입자가 고분자 복합재 총 중량에 대하여 2 내지 3.5 중량% 첨가되었을 때 높은 민감도를 통해 전위분포의 작은 변화도 보다 잘 확인할 수 있다.
한편, 고분자 복합재를 제조하기 위한 상기 혼합 및 분산은 기계식 믹서를 통해 수행될 수 있다.
예를 들어, 상기 기계식 분산방법은 좁은 관이나 상대적으로 높은 유동을 이용하여 전단력을 발생시켜 입자를 분산시키는 전단밀링(shear milling) 방법일 수 있으나, 이에 제한된 것은 아니며, 상기 고분자 기지상에 상기 전도성 입자를 고르게 혼합 및 분산시키는 다른 방법이 적용될 수 있다.
본 발명에 따른 스트레인 센서 제조방법에 있어, 단계 2는 상기 제조된 고분자 복합재를 3차원 형상으로 성형하는 단계이다.
상기 성형은 상기 고분자 복합재를 유연성을 갖는 3차원 형상으로 제조하기 위한 것일 수 있다. 상기 고분자 복합재는 상기 성형을 통해 반구형, 막대형 또는 평면형으로 제조될 수 있으나 이에 제한된 것은 아니며, 더욱 복잡한 3차원 형상으로 제조될 수도 있다. 이는 상기 스트레인 센서가 사용될 수 있는 다양한 분야에 적용되기 위한 것일 수 있다. 예를 들어, 유연성을 갖는 3차원 형상의 고분자 복합재를 포함하는 상기 스트레인 센서는 사람의 피부와 같이 접촉 지점이 어디인지, 어느 정도의 접촉력이 가해졌는지 추정 가능하면서 동시에 외부의 충격을 효과적으로 흡수할 수 있는 로봇의 인공 피부나 기계의 외피에 적용될 수 있다. 또한 유연 조이스틱이나 마우스 인터페이스, 신체 부착형 인터페이스 등과 같이 사람과 밀접한 물리적 상호작용이 발생하는 환경의 인터페이스로 활용될 수 있다.
이때, 상기 성형을 위한 방법은 제조하고자 하는 3차원 형상에 맞도록 선택될 수 있으며, 예를 들어 사출성형(injection molding), 압출성형(profile extrusion), 필름성형(film molding)으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종의 방법으로 수행될 수 있다. 하지만, 상기 고분자 복합재를 성형하기 위한 방법이 이에 제한된 것은 아니며, 상기 고분자 복합재를 3차원 형상으로 제조하는데 있어 더 적절한 방법이 있다면, 다른 성형방법이 적용될 수 있다.
이때 상기 사출 성형은 액상의 고분자 복합재를 상기 준비된 3차원 형상의 몰드 주입구로 주입하고, 이후 상기 고분자 복합재를 냉각시킨 후 금형으로부터 분리시켜 3차원의 형상을 얻는 방법이며, 상기 압출 성형은 상기 고분자 복합재를 스크류 회전되는 실린더에 투입시켜 압착 및 용융시킨 후, 3차원 형상의 금형으로 밀어내어 형상을 만든 후 이것을 냉각시키고 이후 금형으로부터 분리시켜 성형품을 제조하는 방법이고, 필름 성형은 상기 고분자 복합재를 얇고 넓은 판상으로 만드는 성형방법이다.
본 발명에 따른 스트레인 센서 제조방법에 있어, 단계 3은 상기 제조된 3차원 형상의 전도성 고분자 복합재의 경계면에 복수개의 전극을 부착하는 단계이다.
상기 고분자 복합재는 전류 인가하기 위해 또는 전위값 변화를 감지하기 위해 경계면에 전극이 복수개가 연결될 수 있다.
이때, 상기 전극은 상기 고분자 복합재의 형상에 따라 그 위치 및 개수가 결정될 수 있다. 즉, 상기 전극(38)의 위치 및 개수는 상기 고분자 복합재 전 영역의 스트레인 분포를 측정하기 위한 것으로, 측정 가능한 범위는 상기 전극(38)의 개수 및 위치로 결정될 수 있다.
이때, 상기 전극의 부착은 상기 고분자 복합재와 전극 사이의 표면 저항을 줄이기 위하여 실버페이스트, 실버나노와이어-에폭시 복합재 및 액체금속으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종을 사용하여 수행될 수 있다. 하지만, 상기 접합을 위한 재료가 이에 제한된 것은 아니며, 상기 고분자 복합재와 상기 전극사이의 표면 저항을 최소로 할 수 있는 다른 소재가 사용될 수 있다.
나아가 본 발명은
상기 스트레인 센서 시스템의 스트레인 센서 중 고분자 복합재에 외부 압력을 가하는 단계(단계 1);
복수개의 전극 중 일부 전극을 통해 고분자 복합재로 전류를 인가하는 단계(단계 2);
상기 전류가 인가된 전극을 제외한 나머지 전극을 통하여 고분자 복합재 경계면에서의 전위값을 측정하는 단계(단계 3);
멀티플렉서를 이용하여 상기 전극을 스위칭하면서 상기 단계 2 및 3을 반복하는 단계(단계 4);
상기 측정된 전위값으로부터 내부 저항 분포를 계산하는 단계(단계 5); 및
상기 계산된 내부 저항 분포로부터 내부 스트레인 분포를 환산하는 단계(단계 6);를 포함하는, 상기 고분자 복합재의 경계면에 연결된 전극을 통해 상기 고분자 복합재의 내부 스트레인을 측정하는 것을 특징으로 하는 제1항의 스트레인 센서 시스템을 이용한 스트레인 측정 방법을 제공한다.
이하 본 발명의 스트레인 센서 시스템을 이용한 스트레인 측정 방법을 단계별로 상세히 설명한다.
본 발명에 따른 스트레인 측정 방법에 있어, 단계 1은 상기 스트레인 센서 시스템의 스트레인 센서 중 고분자 복합재에 외부 압력을 가하는 단계이다.
상기 스트레인 센서는 상기 고분자 복합재의 스트레인 즉, 변형의 정도를 측정하기 위한 센서로, 상기 단계 1은 상기 고분자 복합재에 스트레인을 발생시키기 위해 외부 압력을 인가하는 단계이다. 이때, 상기 외부 압력은 상기 고분자 복합재의 전극이 형성되지 않은 내부 영역에 인가될 수 있다.
본 발명에 따른 스트레인 측정 방법에 있어, 단계 2는 전극을 통해 고분자 복합재로 전류를 인가하는 단계이다.
상기 고분자 복합재로 전류를 인가하는 단계는 상기 고분자 복합재 내부에 전위를 형성시키기 위한 단계로, 상기 스트레인을 가하지 않았을 때 상기 전류에 의해 고분자 복합재에 형성되는 전위값과 스트레인이 존재할 경우, 상기 동일한 양의 전류를 인가하였을 때의 전위값을 비교하여 전위값 변화를 확인할 수 있다.
이때, 상기 전극의 일단은 상기 고분자 복합재의 경계면에 연결되어 있고, 타단은 멀티플렉서와 연결되어 있으며, 상기 고분자 복합재의 경계면을 둘러싸도록 복수개의 전극이 연결될 수 있다.
한편, 상기 고분자 복합재로 인가되는 전류는 상기 멀티플렉서와 전기적으로 연결된 전류구동기(current driver)로부터 생산되어 멀티플렉서로 전달될 수 있으며, 상기 멀티플렉서는 상기 전극을 통해 상기 고분자 복합재로 전류를 인가할 수 있다. 이때 상기 멀티플렉서는 복수 개의 전극 중 일부 전극으로만 선택적으로 전류를 인가하며, 상기 전극을 순차적으로 바꿀 수 있다.
본 발명에 따른 스트레인 측정 방법에 있어, 단계 3은 상기 전류가 인가된 전극을 제외한 나머지 전극을 통하여 고분자 복합재 경계면에서의 전위값을 측정하는 단계이다.
상기 전위값은 상기 고분자 복합재 경계면에 연결된 복수개의 전극에 의해 측정될 수 있으며, 이때, 상기 전극은 전류가 인가되는 전극을 제외한 나머지 전극들일 수 있으며, 상기 고분자 복합재를 둘러쌀 수 있도록 복수 개가 위치될 수 있다. 상기 측정된 전위값은 상기 복수 개의 전극과 연결된 멀티플렉서를 통해 출력될 수 있으며, 상기 발생된 전위값을 증폭시켜 나타내기 위해 멀티플렉서와 전기적으로 연결된 차동증폭기(Differential Aplifier)를 거쳐 신호처리장치로 전달될 수 있다.
본 발명에 따른 스트레인 측정 방법에 있어, 단계 4는 멀티플렉서를 이용하여 상기 전극을 스위칭하면서 상기 단계 2 및 3을 반복하는 단계이다.
상기 복수개의 전극 중 전류를 인가하는 전극 및 전위값을 측정하는 전극은 상기 멀티플렉서(31)를 통하여 순차적으로 변경된다. 상기 멀티플렉서(31)는 복수개 연결된 전극들 중 일부 전극으로만 전류를 인가한다. 즉, 상기 멀티플렉서를 통해 복수 개의 전극 중 일부 전극으로 전류를 인가하고 나머지 전극을 통하여 이에 따른 상기 고분자 복합재 경계면의 전위을 측정하고, 이후, 상기 전류를 인가한 전극 이외의 다른 전극으로 전류를 인가하고 나머지 전극을 통하여 이에 따른 전위값을 측정하는 것을 반복한다.
본 발명에 따른 스트레인 측정 방법에 있어, 단계 5는 상기 측정된 전위값으로부터 내부 저항 분포를 계산하는 단계이다.
상기 고분자 복합재 경계면에서 측정된 전위값으로부터 상기 고분자 복합재 내부의 저항 분포는 맥스웰 방정식(Maxwell's equation)으로부터 유도된 연속체 옴의 법칙(continuum form of ohm's law)을 적용하여 하기 식 1 내지 식 4를 통하여 계산될 수 있다.
<식 1>
Figure 112016005799034-pat00001
Figure 112016005799034-pat00002
<식 2>
Figure 112016005799034-pat00003
Figure 112016005799034-pat00004
<식 3>
Figure 112016005799034-pat00005
Figure 112016005799034-pat00006
Figure 112016005799034-pat00007
Figure 112016005799034-pat00008
Figure 112016005799034-pat00009
<식 4>
Figure 112016005799034-pat00010
Figure 112016005799034-pat00011
먼저, 고분자 복합재 경계면에 인가된 전류에 의해 상기 식 1과 같은 전위분포가 형성될 수 있다. 상기 식 1을 통해 동일한 전류가 인가될 경우, 컨덕턴스가 변할 때 전위분포가 변하게 됨을 알 수 있다. 전도도의 변화에 따른 상기 전극(38)에서 측정된 전위차의 변화를 초기 전도도를 기준으로 선형화 할 경우, 상기 식 2와 같이 자코비안 행렬(jacobian matrix)을 이용하여 나타낼 수 있다. 이때, 자코비안 행렬(jacobian matrix)은 상기 식 3과 같이 상기 식 1에서 각 전극에서의 전압 값을 곱한 뒤 constant current를 가정함으로써 내부 저항 분포의 변화가 constant current가 가해질 때 변하는 전압 변화를 모델링 할 수 있다. 상기 식 4는 상기 식 3의 역함수 연산으로 이를 미리 구해놓음으로써 추후 상기 고분자 복합재 경계면에서의 전위측정값으로부터 상기 고분자 복합재 내부의 저항분포가 계산될 수 있다.
본 발명에 따른 스트레인 측정 방법에 있어, 단계 6은 상기 계산된 내부 저항 분포로부터 내부 스트레인 분포를 환산하는 단계이다.
상기 내부 저항분포로부터 내부 스트레인 분포를 환산하는 방법은 종래의 압저항 방식의 스트레인 센서에서 사용하는 방법과 동일한 방법을 사용할 수 있다.
상기 스트레인 측정 방법은 상기 고분자 복합재의 경계면에 연결된 전극을 통해 상기 전극이 형성되지 않은 고분자 복합재 내부에서 발생되는 스트레인을 측정하는 것으로, 종래의 압저항 재료를 사용하여 스트레인을 측정하는 방식과는 구별된다.
종래의 압저항 방식은 물체에 외력을 가했을 때 생기는 변형을 압저항 재료의 저항 변화로 측정하는 방식으로 전극이 형성된 부분에서만 측정이 가능하여, 센서가 3차원의 복잡한 표면을 갖는 경우, 전극의 형성이 어려워, 스트레인 측정 또한 어려운 문제점을 가지고 있다. 이에 반해 상기 스트레인 측정방법은 저항을 직접적으로 측정하는 대신, 상기 전도성을 띈 고분자 복합재의 경계면의 전위값을 측정하여 이를 통해 내부 저항분포를 계산하는 방식으로, 상기 고분자 복합재 경계면에 연결된 전극을 이용하여 전극이 형성되지 않은 상기 고분자 복합재 내부영역의 저항변화 및 스트레인 변화를 측정할 수 있어, 상기 고분자 복합재가 3차원의 복잡한 표면을 갖는 경우에도 스트레인 측정할 수 있는 장점이 있다.
이하, 실시예를 통하여 본 발명을 상세하게 설명한다. 단, 하기 실시예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐, 본 발명의 내용이 하기의 실시예에 의해 한정되는 것은 아니다.
<실시예 1> 스트레인 센서의 제조방법(1)
본 발명의 스트레인 센서를 제조하기 위하여, 다음과 같은 단계를 통해 스트레인 센서를 제조하였으며, 하기 제조과정을 도 3에 나타내었다.
단계 1: 다중벽 탄소나노튜브(MWCNT)(11) 25 g과 액상의 고분자(12) 1000 gd을 준비하고, 상기 액상의 고분자(12)에 다중벽 탄소나노튜브(MWCNT)(11)를 넣고 50분 동안 전단밀링(Shear milling)방식(13)의 기계식 믹서로 혼합 및 분산시켜 상기 탄소나노튜브(MWCNT)(11)가 2.5 %함유된 고분자 복합재(14)를 제조하였다.
단계 2: 상기 제조된 고분자 복합재를 직경 80 mm인 반구형으로 성형하기 위해, 반구 형태의 사출성형을 위한 몰드(22)를 준비한 후, 상기 고분자 복합재를 상기 몰드로 주입하여 반구형 고분자 복합재를 제조하였다.
단계 3: 상기 제조된 반구형 고분자 복합재에 전극을 형성시키기 위하여, 상기 고분자 복합재 바닥부 경계면를 둘러싼 부분에 실버 페이스트를 이용하여 총 16개의 전극을 같은 간격으로 부착시켜 반구형 스트레인 센서를 제조하였다.
<실시예 2> 스트레인 센서의 제조방법(2)
본 발명에 따른 스트레인 센서를 제조하기 위하여, 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 수행하되, 단, 단계 2에서 반구형 몰드 대신 가로 세로 크기가 50 mm x 50mm x 5mm인 평면형 몰드(23)를 사용하였고, 단계 3에서 총 16개의 전극을 사용하여 평면형 스트레인 센서를 제조하였다.
<실시예 3> 스트레인 센서 제조방법(3)
본 발명에 따른 스트레인 센서를 제조하기 위하여, 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 수행하되, 단, 단계 2에서 반구형 몰드 대신 가로 세로 크기가 10mm x 10mm x 50mm인 막대형 몰드를 사용하였고, 단계 3에서 총 8개의 전극을 사용하여 평면형 스트레인 센서를 제조하였다.
<실시예 4> 고분자 복합재 (1)
본 발명의 고분자 복합재를 제조하기 위하여, 다음과 같은 단계를 통해 고분자 복합재를 제조하였다.
단계 1: 다중벽 탄소나노튜브(MWCNT) 10 g과 액상의 고분자 1000 g을 준비하고, 상기 액상의 고분자에 다중벽 탄소나노튜브(MWCNT)를 넣고 50분 동안 전단밀링(Shear milling)방식의 기계식 믹서로 혼합 및 분산시켜 상기 탄소나노튜브(MWCNT)(11)가 1 %함유된 고분자 복합재를 제조하였다.
단계 2: 상기 제조된 고분자 복합재를 직경 80 mm인 반구형으로 성형하기 위해, 반구 형태의 사출성형을 위한 몰드를 준비한 후, 상기 고분자 복합재를 상기 몰드로 주입하여 반구형 고분자 복합재를 제조하였다.
<실시예 5> 고분자 복합재 (2)
상기 실시예 4와 동일한 방법으로 수행하되, 단, 단계 1에서 다중벽 탄소나노튜브(MWCNT) 25 g과 액상의 고분자 1000 g을 준비하여 탄소나노튜브(MWCNT)가 2.5 % 함유된 고분자 복합재를 제조하였다.
<실시예 6> 고분자 복합재 (3)
상기 실시예 4와 동일한 방법으로 수행하되, 단, 단계 1에서 다중벽 탄소나노튜브(MWCNT) 45 g과 액상의 고분자 1000 g을 준비하여 탄소나노튜브(MWCNT)가 4.5 % 함유된 고분자 복합재를 제조하였다.
<실험예 1> 스트레인 분포 측정(1)
본 발명에 따라 제조된 스트레인 센서에 발생되는 스트레인 분포를 확인하기 위하여, 실시예 1에 의하여 제조된 반구형 스트레인 센서를 포함하는 스트레인 센서 시스템을 형성하고, 상기 스트레인 센서에 스트레인을 발생시키기 위하여, 이하와 같은 실험을 수행하였다.
먼저, 상기 실시예 1에 의하여 제조된 스트레인 센서를 포함하는 스트레인 센서 시스템을 형성하기 위하여, 상기 스트레인 센서 내 복수개의 전극 각각을 전선을 연결하여 멀티플렉서에 연결하고, 상기 멀티플렉서를 전류구동기(Current Driver)와 연결하였다. 또한, 출력된 전위값을 증폭시키기 위하여 상기 멀티플렉서에 차동증폭기(Differential Aplifier)를 연결하였으며, 상기 차동증폭기를 아날로그 디지털 변환기(analog digital converter, ADC), 데이터 수집장치(data acquisition, DAQ) 및 신호처리장치와 연결하여 스트레인 센서 시스템을 형성하였다.
이후, 상기 스트레인 센서에 스트레인을 발생시키기 위하여, 상기 스트레인 센서 시스템 내 반구형 고분자 복합재에 외부 압력을 가하고, 상기 스트레인 센서 중 전극을 통해 고분자 복합재로 전류를 인가하고, 상기 전류에 의해 생성된 전위값에 대한 아날로그 신호를 디질털 신호로 변환 및 수집한 후 계산을 통해 상기 전위값을 내부 저항분포로 나타내었으며, 이때 사용된 반구형 스트레인 센서 및 스트레인에 의한 내부 저항 분포 결과를 도 6에 나타내었다.
도 6에 나타난 바와 같이, 실시예 1에 의해 제조된 반구형 스트레인 센서의고분자 복합재 내부에 외부 압력을 인가한 경우, 상기 외부 압력이 가해진 영역이 짙은색으로 나타났음을 확인할 수 있다. 즉, 상기 외부 압력에 의해 상기 고분자 복합재 내부에 발생된 스트레인 분포를 상기 스트레인 센서 시스템을 통해 확인할 수 있음을 알 수 있다.
<실험예 2> 스트레인 분포 측정(2)
본 발명에 따라 제조된 스트레인 센서에 발생되는 스트레인 분포를 확인하기 위하여, 실험예 1과 동일한 방법을 통하여 실시예 2에 의하여 제조된 평면형 스트레인 센서를 포함하는 스트레인 센서 시스템을 형성하고, 상기 스트레인 센서에 스트레인을 발생시키기 위하여, 실험예 1과 같은 방법으로 실험을 수행하였으며, 이때 사용된 평면형 스트레인 센서 및 스트레인에 의한 내부 저항 분포 결과를 도 7에 나타내었다.
도 7에 나타난 바와 같이, 실시예 2에 의해 제조된 반구형 스트레인 센서의고분자 복합재 내부에 외부 압력을 인가한 경우, 상기 외부 압력이 가해진 영역이 짙은색으로 나타났음을 확인할 수 있다. 즉, 상기 외부 압력에 의해 상기 고분자 복합재 내부에 발생된 스트레인 분포를 상기 스트레인 센서 시스템을 통해 확인할 수 있음을 알 수 있다.
<실험예 3> 고분자 복합재의 전기적 특성 평가
본 발명에 사용되는 고분자 복합재에 있어서, 상기 고분자 복합재 내 포함된 입자의 함량에 따른 전기적 특성을 확인하기 위하여, 실시예 4 내지 6에 의하여 제조된 고분자 복합재를 이하와 같은 실험을 수행하였다.
실시예 4 내지 6에 의해 제조된 고분자 복합재를 막대 형태로 제작하여 2 포인트 프루브(2-point probe)를 이용하여 선저항을 측정하였으며, 그 결과를 도 5에 나타내었다.
도 5에 나타난 바와 같이, 다중벽 탄소나노튜브(MWCNT)가 2.5 % 함유된 경우 비저항값이 8
Figure 112016005799034-pat00012
로 높은 값은 나타낸 반면, 다중벽 탄소나노튜브(MWCNT)가 1 % 함유된 경우, 전기적 특성이 나타나지 않았으며, 다중벽 탄소나노튜브(MWCNT)가 4.5% 함유된 경우 비저항값이 1
Figure 112016005799034-pat00013
로 낮은 값을 나타낸 것을 알 수 있다. 이를 통해, 상기 입자의 함량은 상기 고분자 복합재 내부의 전기적 저항 네트워크를 형성하는데 중요한 값으로, 상기 전도성 입자가 고분자 복합재 총 중량에 대하여 2.5 중량% 첨가될 때 전기적 민감도가 높다는 것을 알 수 있다.
11: 입자
12: 액상 고분자
13: 기계식 믹서
14: 고분자 복합재
21: 빠른 프로로파이핑
22: 반구형 플라스틱 몰드
23: 평면형 플라스틱 몰드
31: 멀티플렉서
32: 전류구동기(Current Driver)
33: 차동증폭기(Differential Amplifier)
34: 디지털 아날로그 변환기(digital to analog converter, DAC)
35: 아날로그 디지털 변화기(analog to digital converter, ADC)
36: 데이타 수집장치(data acquisition, DAQ)
37: 데이타 처리장치

Claims (14)

  1. 전도성을 띄는 고분자 복합재 및 상기 고분자 복합재의 경계면에 연결된 복수개의 전극을 포함하는 스트레인 센서;
    상기 복수개의 전극에 전기적으로 연결된 멀티플렉서; 및
    상기 멀티플렉서에 전기적으로 연결된 신호처리장치를 포함하되,
    상기 스트레인 센서 시스템은 상기 복수개의 전극 중 일부의 전극으로 전류가 인가되고, 상기 전류가 인가되는 전극을 제외한 나머지 전극들을 통해 고분자 복합재 경계면에서의 전위값을 측정하며, 상기 전류를 인가하는 전극 및 전위값을 측정하는 전극은 상기 멀티플렉서를 통하여 순차적으로 바뀌고,
    상기 스트레인 센서 시스템은 상기 고분자 복합재의 경계면에 연결된 전극을 통해 상기 고분자 복합재의 내부 스트레인을 측정하며, 상기 신호처리장치는 상기 고분자 복합재의 경계면에서의 전위값을 내부 저항 분포로 변환시키고, 다시 상기 내부 저항 분포를 내부 스트레인 분포로 변환시키는 역할을 수행하는 것을 특징으로 하는 스트레인 센서 시스템.
  2. 제1항에 있어서, 상기 고분자 복합재는 고분자 기지상에 전도성 입자가 분산된 형태인 것을 특징으로 하는 스트레인 센서 시스템.
  3. 제1항에 있어서, 상기 고분자 복합재는 3차원 형태인 것을 특징으로 하는 스트레인 센서 시스템.
  4. 제1항에 있어서, 상기 고분자 복합재는 유연성을 갖는 것을 특징으로 하는 스트레인 센서 시스템.
  5. 삭제
  6. 제1항에 있어서, 상기 전극은 상기 고분자 복합재의 형상에 따라 그 위치 및 개수가 결정되는 것을 특징으로 하는 스트레인 센서 시스템.
  7. 제1항에 있어서, 상기 스트레인 센서 시스템은 상기 멀티플렉서에 전기적으로 연결된 전류구동장치(Current Driver) 및 차동증폭기(Differential Aplifier)을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 스트레인 센서 시스템.
  8. 삭제
  9. 삭제
  10. 삭제
  11. 삭제
  12. 삭제
  13. 삭제
  14. 제1항의 스트레인 센서 시스템의 스트레인 센서 중 고분자 복합재에 외부 압력을 가하는 단계(단계 1);
    복수개의 전극 중 일부 전극을 통해 고분자 복합재로 전류를 인가하는 단계(단계 2);
    상기 전류가 인가된 전극을 제외한 나머지 전극을 통하여 고분자 복합재 경계면에서의 전위값을 측정하는 단계(단계 3);
    멀티플렉서를 이용하여 상기 전극을 스위칭하면서 상기 단계 2 및 3을 반복하는 단계(단계 4);
    상기 측정된 전위값으로부터 내부 저항 분포를 계산하는 단계(단계 5); 및
    상기 계산된 내부 저항 분포로부터 내부 스트레인 분포를 환산하는 단계(단계 6);를 포함하는, 상기 고분자 복합재의 경계면에 연결된 전극을 통해 상기 고분자 복합재의 내부 스트레인을 측정하는 것을 특징으로 하는 제1항의 스트레인 센서 시스템을 이용한 스트레인 측정 방법.
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