KR101884923B1

KR101884923B1 - 3차원 프린팅을 이용한 물리 센서 제작 장치 및 상기 제작 장치로 제작된 물리 센서

Info

Publication number: KR101884923B1
Application number: KR1020160145478A
Authority: KR
Inventors: 박인규; 김규영
Original assignee: 한국과학기술원
Priority date: 2016-11-03
Filing date: 2016-11-03
Publication date: 2018-08-03
Also published as: KR20180049495A

Abstract

본 발명의 목적은, 3차원 프린팅이 가능하면서도 충분한 유연성을 가지는 소재를 사용하여 기존 소재의 한계를 뛰어넘고, 기존의 공정 과정으로는 제작할 수 없는 3차원 형태의 물리 센서를 제작할 수 있는, 3차원 프린팅을 이용한 물리 센서 제작 장치 및 상기 제작 장치로 제작된 물리 센서를 제공함에 있다.

Description

3차원 프린팅을 이용한 물리 센서 제작 장치 및 상기 제작 장치로 제작된 물리 센서 {Manufacturing apparatus for physical sensor using 3D printing and the physical sensor}

본 발명은 3차원 프린팅을 이용한 물리 센서 제작 장치 및 상기 제작 장치로 제작된 물리 센서에 관한 것이다.

3차원 프린팅이란 3차원 입체 구조물을 적층 방식으로 제작하는 기술을 말하는 것이다. 3차원 입체 구조물을 제작함에 있어서, 선반, 밀링, 드릴링 등과 같이 덩어리에서 재료를 깎아내어 가는 방식을 사용하는, 이른바 절삭 가공(subtractive manufacturing) 방식이 전통적으로 사용되어 왔다. 반면 3차원 프린팅은 가루나 액체 형태의 재료를 굳혀가며 한 층씩 쌓는 적층 가공(additive manufacturing) 방식으로서, 절삭 가공에 비하여 비교적 복잡한 모양을 보다 용이하게 만들 수 있다.

3차원 프린팅 기술 중에는 현재 가장 활발하게 개발되고 있으며 또한 가장 저렴한 방식으로서 FDM(Fused Deposition Modeling) 방식이 있다. FDM 방식을 간략히 설명하자면, 열가소성 원료를 가열하여 가느다란 실 형태(필라멘트)로 만들어서, 이 필라멘트를 층층이 쌓아올려 3차원 구조물을 형성하는 것이다. 미국특허등록 제5121329호("Apparatus and method for creating three-dimensional objects", 1992.06.09)에 이러한 FDM 방식의 3차원 프린터가 처음 개시되었으며, 현재 이를 기반으로 한 다양한 상용화 제품들이 개발 및 사용되고 있다.

3차원 프린팅 기술은 현재로서는 산업 현장에서 프로토타입 제작에 사용되거나 의학 분야에서 사용되는 정도이나, 다양한 분야에서 3차원 프린팅을 도입하여 활용하기 위한 연구 개발이 활발하게 이루어지고 있다. 최근 이러한 3차원 프린팅을 이용하여 프로토타입 제작 이외에도 보다 다양한 분야에서 기술을 적용하고자 하는 시도가 진행되고 있는 예로, 열가소성 플라스틱에 카본 블랙(Carbon black)과 같은 전도성 물질을 넣고 3차원 프린터로 일정 패턴을 출력하여 일차원의 힘 센서, 정전용량식 센서를 제작한 연구가 보고 되었다. (Simon J. Leigh et al., PLoS ONE, 2012, Vol.11 (11), p.1-6) 또한, 열가소성 플라스틱에 물리적 힘에 의해 색깔이 변하는 폴리머를 교반한 필라멘트를 제작하여 가해진 힘에 따라 색깔이 변하게 되는 힘 센서를 제작한 예가 있다. (Gregory I. Peterson et al., ACS Applied Materials & Interfaces, 2015, Vol.7 (1), p.577-583)

이와 같은 기존의 3차원 프린팅을 활용한 센서 제작의 기술은, 물론 용이하게 센서를 제작할 수 있다는 장점을 가지기는 하지만, 다음과 같은 여러 한계점을 가진다.

먼저, 상술한 기존의 센서들은 PCL(Polycaprolactone)과 같은 유연성이 없는 소재(strain range < 0.1%)로 제작되기 때문에, 센서들이 작동하게 되는 물리적인 범위가 매우 제한적이다. 즉 상술한 기술들에 따른 센서 제작 방식은 웨어러블 분야의 스트레인 센서와 같은 분야에 적용될 수 없다.

다음으로, 물리 센서가 제공할 수 있는 값의 범위는 센서가 변형될 수 있는 범위에 비례하게 되는데, 소재가 많이 변형될 수 없으면 측정할 수 있는 데이터 값이 특정 범위 이상을 넘어가지 못하게 되는 한계를 갖게 된다.

마지막으로, 상술한 기술들에 따른 3차원 프린팅으로 만들어진 센서들은 사실상 3차원 프린터로 출력하였을 뿐 3차원 형상이 아니라 2차원 형상을 가지고 있다. 물리 센서가 2차원 평면에서 제작되는 경우 굳이 3차원 프린트 공정 방법을 쓰지 않더라도 기존의 방법들로도 안정적이고 높은 성능을 구현하는 센서를 제작할 수 있기 때문에, 상술한 기술들은 실질적으로 큰 경쟁력을 갖추지 못한다는 한계가 있다.

1. 미국특허등록 제5121329호("Apparatus and method for creating three-dimensional objects", 1992.06.09)

1. Simon J. Leigh et al., PLoS ONE, 2012, Vol.11 (11), p.1-6 2. Gregory I. Peterson et al., ACS Applied Materials & Interfaces, 2015, Vol.7 (1), p.577-583

따라서, 본 발명은 상기한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은, 3차원 프린팅이 가능하면서도 충분한 유연성을 가지는 소재를 사용하여 기존 소재의 한계를 뛰어넘고, 기존의 공정 과정으로는 제작할 수 없는 3차원 형태의 물리 센서를 제작할 수 있는, 3차원 프린팅을 이용한 물리 센서 제작 장치 및 상기 제작 장치로 제작된 물리 센서를 제공함에 있다.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 3차원 프린팅을 이용한 물리 센서 제작 장치(100)는, 압전저항성 및 유연성 소재 필라멘트를 배출하는 센서출력노즐(110); 유연성 소재 필라멘트를 배출하는 구조출력노즐(120); 상기 센서출력노즐(110) 및 상기 구조출력노즐(120)을 3차원 이동시키는 이동장치(150); 를 포함하여 이루어지며, 상기 이동장치(150)에 의하여 상기 센서출력노즐(110) 및 상기 구조출력노즐(120)이 미리 설계된 궤적에 따라 3차원 이동되되, 상기 구조출력노즐(120)에서 배출된 유연성 소재 필라멘트로 3차원 구조물을 형성하고, 상기 3차원 구조물 상에 상기 센서출력노즐(110)에서 배출된 압전저항성 및 유연성 소재 필라멘트로 센싱부(510)를 형성하여, 물리 센서(500)를 제작하도록 이루어질 수 있다.

이 때 상기 물리 센서 제작 장치(100)는, 강성 소재 필라멘트를 배출하는 부가출력노즐(130); 을 더 포함하여 이루어지며, 상기 부가출력노즐(130)에서 배출된 강성 소재 필라멘트로 상기 물리 센서(500)에 구비되는 부가 구조물을 형성하도록 이루어질 수 있다.

또한 본 발명의 3차원 프린팅을 이용한 물리 센서(500)는, 유연성 소재로 이루어져 변형 가능하며 각각 X, Y, Z축 방향으로 연장되는 3개의 빔이 중심부에서 겹쳐진 형태로 형성되며, 각각의 상기 빔마다 변형 시 저항값이 변경되는 감지물질 층이 형성되고, 3차원 프린팅에 의하여 형성될 수 있다. 보다 구체적으로는, 상기 물리 센서(500)는, 정육면체 형태로 형성되는 중심부(505); 유연성 소재로 이루어져 변형 가능하고, 상기 중심부(505)의 각 면으로부터 6방향으로 각각 수직 돌출되는 6개의 유연빔(520); 압전저항성 및 유연성 소재로 이루어져 변형 시 저항값이 변경되며 변형 가능하고, 상기 유연빔(520)의 연장 방향을 따라 상기 유연빔(520) 상에 형성되는 6개의 센싱부(510); 를 포함하여 이루어지며, 상기 중심부(505), 상기 유연빔(520), 상기 센싱부(510)는 3차원 프린팅에 의하여 형성될 수 있다.

또한 상기 센싱부(510)는, X, Y, Z축 방향 각각에 대하여, 상기 중심부(505)를 기준으로 대칭되도록 배치될 수 있다.

또한 상기 물리 센서(500)는, 강성 소재로 이루어져 변형되지 않고, 상기 유연빔(520)의 끝단에 구비되어 외부로부터 인가되는 힘을 받아들이는 인가부(530); 를 더 포함하여 이루어지며, 상기 인가부(530)는 3차원 프린팅에 의하여 형성될 수 있다.

또한 상기 물리 센서(500)는, 강성 소재로 이루어져 변형되지 않고, 상기 중심부(505), 상기 유연빔(520), 상기 센싱부(510)를 포함하여 이루어지는 3차원 구조물을 내장하되 상기 유연빔(520)의 끝단이 노출되도록 형성되는 케이스(535); 를 더 포함하여 이루어지며, 상기 케이스(535)는 3차원 프린팅에 의하여 형성될 수 있다.

또한 상기 압전저항성 및 유연성 소재는, 유연성 소재에 전도성 물질이 교반되어 만들어지는 유연성 나노복합소재일 수 있다.

본 발명에 의하면, 물리 센서를 제작함에 있어서 3차원 프린팅을 이용하기 때문에, 기존의 센서 제작 공정에 비하여 훨씬 공정이 단순화됨으로써 센서 제작에 드는 비용이 훨씬 저감되는 경제적 효과가 크다. 또한 기본적인 3차원 물리 센서 구조에 덧붙여지는 부속 구조물 역시 3차원 프린팅을 이용하여 제작될 수 있어, 역시 제작 공정 단순화 및 제작 비용 저감 효과를 얻을 수 있음은 물론이며, 사용자가 원하는 대로 다양한 변형 설계 및 제작이 용이하여 사용자 맞춤 편의성을 극대화할 수 있다는 큰 효과가 있다.

도 1 및 도 2는 본 발명의 3차원 프린팅을 이용한 물리 센서 제작 장치의 여러 실시예.
도 3은 빔 형태로 형성되는 1축 방향 물리 센서의 감지 원리 설명 및 실제 감지 실험 결과.
도 4는 본 발명의 3차원 프린팅을 이용한 물리 센서 제작 장치를 이용한 물리 센서 제작 공정의 실시예.
도 5는 본 발명의 3차원 프린팅을 이용한 물리 센서의 여러 실시예.
도 6은 본 발명의 3차원 프린팅을 이용한 물리 센서의 실제 측정 실험 결과.
도 7은 본 발명의 3차원 프린팅을 이용한 물리 센서의 실제 제작 사진.

이하, 상기한 바와 같은 구성을 가지는 본 발명에 의한 3차원 프린팅을 이용한 물리 센서 제작 장치 및 상기 제작 장치로 제작된 물리 센서를 첨부된 도면을 참고하여 상세하게 설명한다.

도 1은 본 발명의 3차원 프린팅을 이용한 물리 센서 제작 장치의 한 실시예를 개략적으로 도시한 것이며, 도 2는 다른 실시예를 개략적으로 도시한 것이다. 본 발명의 물리 센서 제작 장치(100)는, 도 1에 도시된 바와 같이 센서출력노즐(110), 구조출력노즐(120), 이동장치(150)를 포함하여 이루어지며, 여기에 더불어 도 2에 도시된 바와 같이 부가출력노즐(130)을 더 포함하여 이루어질 수도 있다. 본 발명의 물리 센서 제작 장치(100)의 구조는 기본적으로 FDM 방식의 3차원 프린팅 장치의 구조를 따르는데, 즉 열가소성 소재를 필라멘트 형태로 형성하여 노즐에 공급하고, 노즐이 3차원 이동하면서 필라멘트를 적층하여 3차원 입체 형상을 제작하도록 형성된다. 이러한 FDM 방식의 3차원 프린팅 장치에는, 열가소성 소재를 가열하여 용융시키는 장치나 소재를 필라멘트 형태로 만드는 장치 등이 기본적으로 구비되며, 또한 노즐에도 소재의 배출을 조절하는 개폐 장치 등이 구비될 수 있다. 이러한 구체적이고 세부적인 구성들은 기존에 개시되어 있는 FDM 방식의 3차원 프린팅 장치에 포함된 구성들을 적절히 채용하여 본 발명의 장치에 적용할 수 있으며, 따라서 이하에서는 그러한 세부적인 구성에 대한 설명은 생략한다.

상기 센서출력노즐(110)은 압전저항성 및 유연성 소재 필라멘트를 배출하며, 상기 구조출력노즐(120)은 유연성 소재 필라멘트를 배출한다. 상기 이동장치(150)는 상기 센서출력노즐(110) 및 상기 구조출력노즐(120)을 3차원 이동시키는데, 이 때 도 1에 도시된 바와 같이 상기 센서출력노즐(110) 및 상기 구조출력노즐(120)이 하나의 지지부(105)에 지지되어 있도록 하여 상기 이동장치(150)가 상기 지지부(105) 자체를 이동시키도록 이루어질 수 있다.

상술한 바와 같은 구성으로 이루어지는 상기 물리 센서 제작 장치(100)는, 상기 이동장치(150)에 의하여 상기 센서출력노즐(110) 및 상기 구조출력노즐(120)이 미리 설계된 궤적에 따라 3차원 이동되면서 물리 센서(500)를 제작한다. 조금 더 구체적으로 설명하자면, 상기 이동장치(150)는 예를 들어 기존의 3차원 프린팅 장치의 노즐 이동부와 유사하게, 2방향 이상으로 연장되는 레일들 및 레일에 의해 안내되는 움직임을 인가하는 모터들 등을 포함하여 이루어질 수도 있다. 또는 도시되지는 않았으나 상기 이동장치(150)는 상기 센서출력노즐(110) 및 상기 구조출력노즐(120)을 각각 독립적으로 3차원 이동시키도록 이루어질 수도 있다. 즉 예를 들어 상기 이동장치(150)는 원하는 대로 자유로운 궤적을 구사할 수 있는 로봇 팔 형태로 이루어질 수도 있다. 물론 이러한 설명으로 본 발명이 한정되는 것은 아니며, 상기 이동장치(150)는 미리 설계된 궤적에 따라 노즐들을 3차원 이동시킬 수 있다면 어떠한 형태로 구현되어도 무방하다.

이와 같이 상기 이동장치(150)가 상기 노즐들을 3차원 이동시키는 과정에서, 상기 구조출력노즐(120)에서 배출된 유연성 소재 필라멘트로 3차원 구조물이 형성되고, 상기 3차원 구조물 상에 상기 센서출력노즐(110)에서 배출된 압전저항성 및 유연성 소재 필라멘트로 센싱부(510)이 형성되게 된다.

상기 센서출력노즐(110)에서 배출되는 필라멘트의 소재, 즉 압전저항성 및 유연성 소재는, 유연성 소재에 전도성 물질이 교반되어 만들어지는 유연성 나노복합소재일 수 있다. 이처럼 변형이 가능한 유연성을 가짐과 동시에 전도성 물질을 포함하여 이루어지는 소재는, 자연히 인장에 따라 저항이 크게 달라지는 압전저항성 (Piezoresistivity)을 가지게 되며, 이러한 성질을 이용하여 외부의 물리적 자극을 전기적 신호로 변환시켜 주는 감지 원리 물질로 사용될 수 있다.

부가적으로, 상기 물리 센서 제작 장치(100)는, 도 2에 도시된 바와 같이 강성 소재 필라멘트를 배출하는 부가출력노즐(130)을 더 포함하여 이루어질 수 있다. 상기 부가출력노즐(130)에서 배출된 강성 소재 필라멘트로 상기 물리 센서(500)에 구비되는 부가 구조물을 형성할 수 있는데, 이러한 부가 구조물에 대해서는 이후 보다 상세히 설명한다.

먼저, 이와 같이 압전저항성 및 유연성을 가지는 구조물을 사용하여 힘을 감지하는 원리를 도 3을 통해 설명한다. 도 3은 빔 형태로 형성되는 1축 방향 물리 센서의 감지 원리 설명(도 3(A)) 및 실제 감지 실험 결과(도 3(B))를 도시하고 있다.

도 3(A)에 도시된 바와 같이 일방향으로 연장되는 빔 형상으로 된 가장 간단한 형태의 구조물을 통해 1축 방향의 힘을 감지하는 원리에 대해 설명하면 다음과 같다. 일방향으로 연장되며 양측 끝단이 지지되어 있는 빔에 대하여, 빔 중간부에 화살표 P로 표시된 바와 같은 힘을 가하면, 도 3(A)에 도시된 바와 같이 빔이 휘어지게 된다. 이 때 빔의 위쪽에서는 압축력(compression)이 작용하고, 빔의 아래쪽에서는 인장력(tension)이 작용하게 된다. 이 때, 도 3(A)에 도시된 바와 같이 빔의 위쪽에 감지 물질이 형성되어 있을 경우, 감지 물질은 중심에서 가장 큰 압축력을 받게 된다. 감지 물질 소재가 압전저항성을 가질 경우, 이러한 압축력은 저항의 변화로 나타나게 되며, 변화량은 가해지는 힘의 크기에 비례한다.

도 3(B)는, 도 3(A)의 개념도에 나타난, 위쪽에 압전저항성을 가지는 감지 물질 소재층이 형성되며 일방향으로 연장되는 빔이, 실제로 1축 방향 물리 센서의 역할을 할 수 있는지를 실험한 것이다. 도 3(B) 좌측은 실제 실험 사진이며, 도 3(B) 우측은 (시간에 따라 달라지는) 가해지는 힘(Force)의 변화 및 그에 따른 저항(Resistance)의 변화를 보여 주고 있다. 도 3(B)의 우측 그래프에 잘 나타나고 있는 바와 같이, 가해지는 힘의 변화량과 저항의 변화량은 매우 안정적인 상관관계를 가지고 있으며, 따라서 도 3(A)의 개념도 및 도 3(B)의 좌측 사진에 나타난 구조물이 1축 방향 물리 센서의 역할을 훌륭하게 수행할 수 있음을 확인할 수 있다.

본 발명에서는, 이와 같은 원리를 이용하여 X축 방향, Y축 방향, Z축 방향의 세 방향으로의 힘을 모두 측정할 수 있도록 하는 3차원 구조물 형태로 이루어지는 물리 센서(500)를 제시한다. 본 발명에 따른 물리 센서(500)는, 유연성 소재로 이루어져 변형 가능하며 각각 X, Y, Z축 방향으로 연장되는 3개의 빔이 중심부에서 겹쳐진 형태로 형성되며, 각각의 상기 빔마다 변형 시 저항값이 변경되는 감지물질 층이 형성될 수 있다. 즉 도 3에 나타난 1축 방향 물리 센서가 X, Y, Z 방향으로 배치되되 중심부에서 겹쳐진 형태로 형성되는 것이다. 특히 이러한 본 발명의 물리 센서(500)는, 상술한 바와 같은 물리 센서 제작 장치(100)를 이용하여 3차원 프린팅으로서 만들어지는 것을 특징으로 한다. 도 4는 본 발명의 3차원 프린팅을 이용한 물리 센서 제작 장치를 이용한 물리 센서 제작 공정의 실시예이며, 도 5는 이와 같은 방식으로 만들어진 본 발명의 3차원 프린팅을 이용한 물리 센서의 여러 실시예를 도시하고 있다.

본 발명의 물리 센서(500)의 구성을 보다 구체적으로 설명하자면, 본 발명의 물리 센서(500)는 도 5에 도시된 바와 같이, 중심부(505), 유연빔(520), 센싱부(510)를 포함하여 이루어진다. 각부에 대하여 보다 상세히 설명하면 다음과 같다.

상기 중심부(505)는 정육면체 형태로 형성되어 상기 물리 센서(500)의 중심을 형성한다. 외부 힘은 다양한 방향에서 상기 물리 센서(500)로 인가될 수 있는데, 상기 중심부(505)는 상기 물리 센서(500)의 3차원 형태상 결과적으로 인가되는 힘에 의한 압축력 또는 인장력이 최대가 되는 지점이 된다. 즉 상기 중심부(505)는, 도 3에 나타난 1축 방향 물리 센서의 중심 위치에 해당하게 된다.

상기 유연빔(520)은 상기 중심부(505)의 각 면으로부터 수직 돌출되는 빔 형태로 이루어진다. 상기 중심부(505)가 정육면체 형태로서 6개의 면을 가지고 있는 바, 상기 유연빔(520) 역시 6개가 6방향으로 각각 돌출 연장되게 된다. 이 때 상기 유연빔(520)은 유연성 소재로 이루어져 변형 가능하다. 즉 상기 유연빔(520)은, 앞서 설명된 상기 물리 센서 제작 장치(100)에서의 상기 구조출력노즐(120)에서 배출된 유연성 소재 필라멘트가 적층됨으로써 만들어지게 되는 것이다. X축 방향 / Y축 방향 / Z축 방향으로 각각 나란히 연장되는 3쌍의 상기 유연빔(520) 세트는, 그 각각이 도 3에 도시된 1축 방향 물리 센서의 빔에 해당한다.

부가적으로, 도 4의 실제 제작 사진 예시나 도 5(A)의 주 도면에서 보이는 바와 같이, 상기 중심부(505)의 각 면이 그와 연결된 상기 유연빔(520)의 단면보다 면적이 크게 형성될 수도 있다. 이렇게 할 경우 제작 상의 편의성이 좀더 향상되고 상기 중심부(505) 위치에서의 강성이 보다 강화된다는 점에서 구조적 안정성도 향상될 수 있다. 한편 본 발명의 물리 센서(500)는 상술한 바와 같이 개념적으로는 '도 3의 1축 방향 물리 센서 3개가 X, Y, Z 3방향으로 배치되되 그 중심이 겹쳐서 3개의 물리 센서의 중심이 공유되는 구조'이다. 따라서 도 4, 도 5(A)의 주 도면으로써 본 발명이 한정되는 것은 아니며, 도 5(A)의 원 안의 도면에 보이는 바와 같이, 상기 중심부(505)의 각 면이 그와 연결된 상기 유연빔(520)의 단면과 동일한 면적을 갖도록, 즉 상술한 '개념적인 구조'를 그대로 실현하는 형태로 형성될 수도 있음은 물론이다.

상기 센싱부(510)는 도시된 바와 같이 상기 유연빔(520)의 연장 방향을 따라 상기 유연빔(520) 상에 형성된다. 이 때 상기 센싱부(510)는 압전저항성 및 유연성 소재로 이루어져 변형 시 저항값이 변경되며 변형 가능하다. 즉 상기 센싱부(510)는, 역시 앞서 설명된 상기 물리 센서 제작 장치(100)에서의 상기 센서출력노즐(110)에서 배출된 압전저항성 및 유연성 소재 필라멘트가 적층됨으로써 만들어지게 되는 것이다. 상기 유연빔(520) 상에 형성된 상기 센싱부(510)는, 도 3에 도시된 1축 방향 물리 센서의 빔 상에 형성된 감지 물질에 해당한다.

한편 상기 센싱부(510)는, 상기 중심부(505)와 연결되는 상기 유연빔(520) 끝단측을 일측이라 하고 그 반대측을 타측이라 할 때, 도시된 바와 같이 상기 센싱부(510)의 일측 끝단은 상기 중심부(505)에 밀접되게 형성되게 한다. 반면 상기 센싱부(510)의 타측 끝단은, 상기 유연빔(520) 타측 끝단으로부터 이격 형성되게 할 수도 있고, 또는 상기 유연빔(520) 타측 끝단까지 완전히 연장 형성되게 할 수도 있는 등, 적절히 변경 설계가 가능하다. 앞서 설명한 바와 같이 상기 중심부(505)는 외부에서 인가되는 힘에 의한 변형이 가장 크게 일어나는 지점이고, 따라서 압축력 또는 인장력이 가장 크게 작용하는 지점이다. 따라서 상기 센싱부(510)는 도 5에 도시된 바와 같이 상기 중심부(505)에는 밀접 형성되어야 함은 당연하다. 한편 상기 유연빔(520)의 타측 끝단은 압축력 또는 인장력이 상대적으로 훨씬 적게 작용하는 지점이므로, 감지 물질인 상기 센싱부(510)의 타측 끝단은 상기 유연빔(520)의 타측 끝단까지 완전히 연장되어도 물론 무방하지만, 상기 유연빔(520)의 타측 끝단까지 연장 형성되지 않아도 무방하다. 전혀 다른 측면에서, 상기 센싱부(510)을 구성하는 소재 즉 압전저항성 및 유연성을 가지는 유연성 나노복합소재는, 상기 물리 센서(500)의 나머지 부분을 구성하는 소재에 비해 고가이기 때문에, 상기 센싱부(510)의 면적을 줄이는 것은 상기 물리 센서(500)의 제작 비용 저감에도 도움이 된다. 이러한 여러 사항들을 고려하여, 상기 유연빔(520) 타측 끝단까지 완전히 연장되지 않고 상기 유연빔(520)의 적절한 중간 지점까지만 연장 형성되게 할 수도 있는 것이다.

또한 상기 센싱부(510)는, 도 5(A)에 도시된 바와 같이, X, Y, Z축 방향 각각에 대하여, 상기 중심부(505)를 기준으로 대칭되도록 배치되는 것이 바람직하다. 앞서 설명한 바와 같이, X축 방향 / Y축 방향 / Z축 방향으로 각각 나란히 연장되는 3쌍의 상기 유연빔(520) 세트는, 그 각각이 도 3에 도시된 1축 방향 물리 센서의 빔에 해당한다. 즉 어느 한 방향에 대한 1쌍의 상기 유연빔(520) 세트 및 그 위에 형성된 상기 센싱부(510)가, 도 3에 도시된 1축 방향 물리 센서에 해당하게 되는 것이다. 이렇게 하나의 1축 방향 물리 센서에 해당하는 1쌍의 유연빔-센싱부 세트에 있어서, 한 예로 상기 중심부(505)를 기준으로 상기 센싱부(510)가, 좌측 유연빔(520)에서는 위쪽 / 우측 유연빔(520)에서는 아래쪽에 형성되게 할 수도 있고, 좌측 유연빔(520)에서는 위쪽 / 우측 유연빔(520)에서는 앞쪽에 형성되게 할 수도 있는 등 다양하게 형성될 수도 있으며, 물론 이 경우에도 각각에 대하여 저항값을 측정하고 계산할 수 있음은 물론이다. 그러나 이 경우에는 1쌍의 유연빔-센싱부 세트가 하나의 1축 방향 물리 센서에 정확하게 대응되지 않으므로, 새롭게 계산식을 도출해야 하며 계산량이 늘어나는 등의 불편함이 있을 수 있다.

반면 상기 중심부(505)를 기준으로 대칭되게, 즉 한 예로 상기 센싱부(510)가 좌측 유연빔(520)에서도 위쪽 / 우측 유연빔(520)에서도 동일하게 위쪽에 형성되게 하면, 1쌍의 유연빔-센싱부 세트가 하나의 1축 방향 물리 센서에 정확하게 대응될 수 있게 되며, 따라서 저항값의 측정 및 이를 통한 힘의 산출 등의 계산식이 훨씬 간단해지고 계산량이 줄어들어, 사용자 설계 편의성이 훨씬 향상된다.

본 발명의 물리 센서(500)는 이처럼, 상기 중심부(505)를 중심으로 하여 6방향으로 돌출 연장되는 상기 유연빔(520)들과, 각각의 상기 유연빔(510) 상에 형성된 상기 센싱부(510)들을 포함하여 이루어져, 3방향의 힘을 측정할 수 있다. 이 때, 외부로부터의 힘의 인가를 보다 편리하게 하기 위해, 상기 물리 센서(500)는 도 5(B)에 도시된 바와 같이, 인가부(530), 케이스(535) 등을 더 포함하여 이루어질 수 있다. 상기 인가부(530) 및 상기 케이스(535)는, 앞서 설명된 상기 물리 센서 제작 장치(100)에서의 상기 부가출력노즐(130)에서 배출된 강성 소재 필라멘트가 적층됨으로써 만들어지게 되는 것으로, 즉 이들은 상기 물리 센서 제작 장치(100)에서 언급한 부가 구조물에 해당한다.

상기 인가부(530)는 도시된 바와 같이 상기 유연빔(520)의 끝단에 구비되어 외부로부터 인가되는 힘을 받아들이는 역할을 하는 것으로, 강성 소재로 이루어져 변형되지 않도록 형성된다. 상기 인가부(530)가 유연성을 가지는 경우 인가되는 힘의 일부가 상기 인가부(530)에 흡수됨으로써 상기 센싱부(510)에서의 힘의 측정이 올바르게 이루어지지 않을 수 있기 때문에, 상기 인가부(530)는 외부 힘의 인가에 따라 형상이 변형되지 않도록 강성을 가지는 소재로 형성되어야 하는 것이다.

상기 케이스(535)는 상기 중심부(505), 상기 유연빔(520), 상기 센싱부(510)를 포함하여 이루어지는 3차원 구조물을 내장하되 상기 유연빔(520)의 끝단이 노출되도록 형성된다. 상기 케이스(535)는 상기 중심부(505), 상기 유연빔(520), 상기 센싱부(510)를 포함하여 이루어지는 3차원 구조물을 외부로부터 보호하기 위한 것으로, 그 목적에 맞게 역시 외부 힘의 인가에 따라 형상이 변형되지 않도록 강성을 가지는 소재로 형성되게 한다.

도 6은 본 발명의 3차원 프린팅을 이용한 물리 센서의 실제 측정 실험 결과를, 도 7은 본 발명의 3차원 프린팅을 이용한 물리 센서의 실제 제작 사진을 각각 도시하고 있다. 도 6의 실험에서는 도 5(A)에 도시된 바와 같은 가장 기본적인 형태의 본 발명의 물리 센서(500)에 대하여, Z축 방향 즉 상하 방향으로 힘을 가하고, 형상 변형량 및 저항값의 변화를 측정하였다. 도 6 상측에 도시된 바와 같이, 로드셀을 통해 힘을 인가함으로써 인가되는 힘도 따로 측정하여, 상기 물리 센서(500)가 올바르게 작동하는지를 확인하였다.

도 6 하측의 그래프에는 변위 및 힘의 상관관계가 선형적으로 나타나고 있음을 알 수 있다. 또한 상기 표는 단위 변위에 따른 저항 변화를 나타내는데, 이를 통해 저항값을 측정함으로써 궁극적으로 상기 물리 센서(500)에 인가되는 외부 힘을 간단하고도 정확하게 계산해 낼 수 있음을 확인할 수 있다.

본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 아니하며, 적용범위가 다양함은 물론이고, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이다.

100: 물리 센서 제작 장치 105: 지지부
110: 센서출력노즐 120: 구조출력노즐
130: 부가출력노즐 150: 이동장치
500: 물리 센서 505: 중심부
510: 센싱부 520: 유연빔
530: 인가부 535: 케이스

Claims

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유연성 소재로 이루어져 변형 가능하며 각각 X, Y, Z축 방향으로 연장되는 3개의 빔이 중심부에서 겹쳐진 형태로 형성되며, 각각의 상기 빔마다 변형 시 저항값이 변경되는 감지물질 층이 형성되고, 3차원 프린팅에 의하여 형성되는 것을 특징으로 하는 3차원 프린팅을 이용한 물리 센서로서,
정육면체 형태로 형성되는 중심부;
유연성 소재로 이루어져 변형 가능하고, 상기 중심부의 각 면으로부터 6방향으로 각각 수직 돌출되는 6개의 유연빔;
압전저항성 및 유연성 소재로 이루어져 변형 시 저항값이 변경되며 변형 가능하고, 상기 유연빔의 연장 방향을 따라 상기 유연빔 상에 형성되는 6개의 센싱부;
를 포함하여 이루어지며,
상기 중심부, 상기 유연빔, 상기 센싱부는 3차원 프린팅에 의하여 형성되는 것을 특징으로 하는 3차원 프린팅을 이용한 물리 센서.
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제 3항에 있어서, 상기 센싱부는,
X, Y, Z축 방향 각각에 대하여, 상기 중심부를 기준으로 대칭되도록 배치되는 것을 특징으로 하는 3차원 프린팅을 이용한 물리 센서.
제 3항에 있어서, 상기 물리 센서는,
강성 소재로 이루어져 변형되지 않고, 상기 유연빔의 끝단에 구비되어 외부로부터 인가되는 힘을 받아들이는 인가부;
를 더 포함하여 이루어지며,
상기 인가부는 3차원 프린팅에 의하여 형성되는 것을 특징으로 하는 3차원 프린팅을 이용한 물리 센서.
제 3항에 있어서, 상기 물리 센서는,
강성 소재로 이루어져 변형되지 않고, 상기 중심부, 상기 유연빔, 상기 센싱부를 포함하여 이루어지는 3차원 구조물을 내장하되 상기 유연빔의 끝단이 노출되도록 형성되는 케이스;
를 더 포함하여 이루어지며,
상기 케이스는 3차원 프린팅에 의하여 형성되는 것을 특징으로 하는 3차원 프린팅을 이용한 물리 센서.
제 3항에 있어서, 상기 압전저항성 및 유연성 소재는,
유연성 소재에 전도성 물질이 교반되어 만들어지는 유연성 나노복합소재인 것을 특징으로 하는 3차원 프린팅을 이용한 물리 센서.
제 3, 5, 8항 중 선택되는 어느 한 항에 따른 3차원 프린팅을 이용한 3차원 물리 센서를 제작하는 3차원 프린팅을 이용한 물리 센서 제작 장치에 있어서,
압전저항성 및 유연성 소재 필라멘트를 배출하는 센서출력노즐;
유연성 소재 필라멘트를 배출하는 구조출력노즐;
상기 센서출력노즐 및 상기 구조출력노즐을 3차원 이동시키는 이동장치;
를 포함하여 이루어지며,
상기 이동장치에 의하여 상기 센서출력노즐 및 상기 구조출력노즐이 미리 설계된 궤적에 따라 3차원 이동되되,
상기 구조출력노즐에서 배출된 유연성 소재 필라멘트로 3차원 구조물을 형성하고, 상기 3차원 구조물 상에 상기 센서출력노즐에서 배출된 압전저항성 및 유연성 소재 필라멘트로 센싱부를 형성하여, 물리 센서를 제작하는 것을 특징으로 하는 3차원 프린팅을 이용한 물리 센서 제작 장치.
제 3, 5, 6, 7, 8항 중 선택되는 어느 한 항에 따른 3차원 프린팅을 이용한 3차원 물리 센서를 제작하는 3차원 프린팅을 이용한 물리 센서 제작 장치에 있어서,
압전저항성 및 유연성 소재 필라멘트를 배출하는 센서출력노즐;
유연성 소재 필라멘트를 배출하는 구조출력노즐;
강성 소재 필라멘트를 배출하는 부가출력노즐;
상기 센서출력노즐 및 상기 구조출력노즐을 3차원 이동시키는 이동장치;
를 포함하여 이루어지며,
상기 이동장치에 의하여 상기 센서출력노즐, 상기 구조출력노즐 및 상기 부가출력노즐이 미리 설계된 궤적에 따라 3차원 이동되되,
상기 구조출력노즐에서 배출된 유연성 소재 필라멘트로 3차원 구조물을 형성하고, 상기 3차원 구조물 상에 상기 센서출력노즐에서 배출된 압전저항성 및 유연성 소재 필라멘트로 센싱부를 형성하고, 상기 부가출력노즐에서 배출된 강성 소재 필라멘트로 상기 물리 센서에 구비되는 부가 구조물을 형성하여, 물리 센서를 제작하는 것을 특징으로 하는 3차원 프린팅을 이용한 물리 센서 제작 장치.