KR101971945B1 - 촉각 측정 장치 및 방법 - Google Patents

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Abstract

촉각 측정 장치 및 방법이 개시된다. 촉각 측정 장치는 압력에 따라 저항이 변화하는 저항 가변 물질을 이용하여 외부 압력의 크기를 측정하는 압력 측정부; 및 상기 복수의 압력 측정부들 각각의 위치 및 상기 복수의 압력 측정부들 각각이 측정한 압력을 이용하여 외부 압력에 기초한 3차원 촉각(tactile)을 측정하는 촉각 측정부를 포함할 수 있다.

Description

촉각 측정 장치 및 방법{APPARATUS AND METHOD FOR SENSING TACTILE}
이하의 일실시예들은 촉각 측정 장치 및 방법에 관한 것으로 압력에 따라 저항이 변화하는 물질을 사용하여 촉각을 측정하는 장치 및 방법에 관한 것이다.
촉각 측정 기술은 접촉 방식으로 대상 물체나 주변환경에 대한 물리적 특성을 측정하는 기술이며, 사람이나 로봇의 안정성, 로봇의 고성능화 및 지능화를 위해 필요한 기술이다.
촉각 측정 기술에서 촉각 센서를 의료용 로봇에 사용하기 위해서는 촉각 센서와 접촉한 장기의 손상을 최소화할 필요가 있다. 그래서, 촉각 센서는 피부와 같은 유연성을 가지고, 센서의 표면을 부드럽고 유연한 재질로 구성된다. 그리고, 촉각 센서는 사용자와 같이 수직항력과 전단력을 측정 할 수 있어야 한다. 　
일실시예에 따른 촉각 측정 장치의 압력 측정 장치는 외부 압력에 따라 저항이 변화하는 저항 가변 물질의 저항을 측정하는 저항 측정부; 및 측정한 저항을 사용하여 저항 가변 물질에 가해진 외부 압력의 크기를 결정하는 압력 결정부를 포함할 수 있다.
일실시예에 따른 압력 측정 장치의 압력 결정부는 측정한 저항에 비례하여 저항 가변 물질에 가해진 압력의 크기를 결정할 수 있다.
일실시예에 따른 압력 측정 장치의 저항 가변 물질은, 외부 압력에 의해 부피가 감소하는 제1 도체 및 외부 압력에 관계없이 부피가 유지되는 제2 도체를 포함하고, 상기 제2 도체는 상기 제1 도체보다 저항이 높을 수 있다.
일실시예에 따른 압력 측정 장치의 압력 결정부는 측정한 저항에 반비례하여 저항 가변 물질에 가해진 압력의 크기를 결정할 수 있다.
일실시예에 따른 압력 측정 장치의 저항 가변 물질은 외부 압력에 의해 부피가 감소하는 제1 도체 및 외부 압력에 관계없이 부피가 유지되는 제2 도체를 포함하고, 상기 제2 도체는 상기 제1 도체보다 저항이 낮을 수 있다.
일실시예에 따른 촉각 측정 장치는 압력에 따라 저항이 변화하는 저항 가변 물질을 이용하여 외부 압력의 크기를 측정하는 압력 측정부; 및 상기 복수의 압력 측정부들 각각의 위치 및 상기 복수의 압력 측정부들 각각이 측정한 압력을 이용하여 외부 압력에 기초한 3차원 촉각(tactile)을 측정하는 촉각 측정부를 포함할 수 있다.
일실시예에 따른 촉각 측정 장치는 사용자의 동작에 기초한 압력 방향에 따라 복수의 압력 측정부들 중 적어도 하나의 압력 측정부에 압력을 제공하는 압력 제공부를 더 포함할 수 있다.
일실시예에 따른 압력 측정 방법은 외부 압력에 따라 저항이 변화하는 저항 가변 물질의 저항을 측정하는 단계; 및 측정한 저항을 사용하여 저항 가변 물질에 가해진 외부 압력의 크기를 결정하는 단계를 포함할 수 있다.
일실시예에 따른 촉각 측정 방법은 복수의 압력 측정부가 압력에 따라 저항이 변화하는 저항 가변 물질을 이용하여 외부 압력의 크기를 측정하는 단계; 및 상기 복수의 압력 측정부들 각각의 위치 및 상기 복수의 압력 측정부들 각각이 측정한 압력을 이용하여 외부 압력에 기초한 3차원 촉각(tactile)을 측정하는 단계를 포함할 수 있다.
일실시예에 따른 촉각 측정 장치를 생성하는 방법은 기판에 복수의 전극들 및 금속 배선을 배치하는 단계; 압력에 따라 저항이 변화하는 저항 가변 물질을 상기 전극들에 연결하는 단계; 사용자의 동작에 반응하여 상기 저항 가변 물질에 압력을 제공하는 센싱 레이어(sensing layer)를 생성하는 단계; 및 상기 센싱 레이어와 상기 기판을 연결하는 단계를 포함할 수 있다.
일실시예에 따른 촉각 측정 장치를 생성하는 방법에서 상기 전극들에 연결하는 단계는, 기판에 수직으로 배치된 전극과, 기판에 수평으로 배치된 전극 사이에 상기 저항 가변 물질을 결합할 수 있다.
도 1은 일실시예에 따른 촉각 측정 장치의 구조를 도시한 도면이다.
도 2는 일실시예에 따른 압력 측정부의 구조를 도시한 도면이다.
도 3은 일실시예에 따른 촉각 측정 장치의 단면도이다.
도 4는 일실시예에 따른 촉각 측정 장치에서 하판의 상면도이다.
도 5는 일실시예에 따른 촉각 측정 장치의 동작을 도시한 도면이다.
도 6은 일실시예에 따른 촉각 측정 장치가 측면 방향의 압력을 측정하는 과정을 도시한 도면이다.
도 7은 일실시예에 따른 저항 가변 물질의 구조를 도시한 도면이다.
도 8은 일실시예에 따른 저항 가변 물질의 구조를 도시한 도면이다.
도 9는 일실시예에 따른 촉각 측정 장치의 단면도이다.
도 10은 일실시예에 따른 촉각 측정 장치의 단면도이다.
도 11은 일실시예에 따른 촉각 측정 장치의 생성 방법을 나타내는 도면이다.
도 12는 일실시예에 따른 촉각 측정 방법을 도시한 도면이다.
도 13은 일실시예에 따른 촉각 측정 장치의 생성 방법을 도시한 도면이다.
이하, 실시예들을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
도 1은 일실시예에 따른 촉각 측정 장치의 구조를 도시한 도면이다.
도 1을 참고하면, 촉각 측정 장치(100)는 압력 제공부(110), 압력 측정부(120), 및 촉각 측정부(130)를 포함한다. 이때, 촉각 측정 장치(100)는 촉각 센서일 수 있다.
압력 제공부(110)는 사용자의 동작에 기초한 압력 방향에 따라 복수의 압력 측정부(120)들 중 적어도 하나의 압력 측정부(120)에 외부 압력을 제공할 수 있다.
이때, 압력 제공부(110)는 일정 이상의 탄성이 있고, 유연한 폴리머(polymer)로 형성될 수 있다. 예를 들어, 압력 제공부(110)는 고무와 비슷한 탄성을 가지는 폴리머로 형성될 수 있다. 또한, 압력 제공부(110)는 사용자와 접촉하는 면에 적어도 하나의 돌기를 포함할 수 있다.
압력 제공부(100)가 압력 측정부(120)에 외부 압력을 제공하는 과정은 이하 도 5와 도 6을 참조하여 상세히 설명한다.
압력 측정부(120)는 압력에 따라 저항이 변화하는 저항 가변 물질을 이용하여 외부 압력의 크기를 측정할 수 있다. 실시예에 따라, 저항 가변 물질은 압력에 비례하는 저항을 나타내거나 또는 압력에 반비례하는 저항을 나타낼 수 있다.
저항 가변 물질의 구성은 이하 도 7과 도 8을 참조하여 상세히 설명한다.
따라서, 압력 측정부(120)는 저항 가변 물질의 구성과 저항 가변 물질의 저항에 따라 저항 가변 물질에 가해진 외부 압력의 크기가 증가, 또는 감소하는 것을 측정할 수 있다.
또한, 압력 측정부(120)들은 압력 제공부(110)의 하부에 어레이(array) 형태로 배치될 수 있다.
압력 측정부(120)의 구체적인 구성은 이하 도 2를 참조하여 상세히 설명한다.
촉각 측정부(130)는 복수의 압력 측정부(120)들 각각의 위치 및 상기 복수의 압력 측정부(120)들 각각이 측정한 압력을 이용하여 외부 압력에 기초한 3차원 촉각(tactile)을 측정할 수 있다.
예를 들어 복수의 압력 측정부(120)들이 동일한 압력을 측정하는 경우, 촉각 측정부(130)는 사용자가 압력 제공부(110)의 수직 방향으로 가하는 외부 압력을 측정할 수 있다. 또한, 복수의 압력 측정부(120)들 중에서 일부의 압력 측정부(120)가 다른 압력 측정부(120)들에 비하여 높은 압력을 측정하는 경우, 촉각 측정부(130)는 사용자가 일부의 압력 측정부(120)의 위치 또는 일부의 압력 측정부(120)가 위치한 방향으로 가하는 외부 압력을 측정할 수 있다.
도 2는 일실시예에 따른 압력 측정부의 구조를 도시한 도면이다.
도 2를 참고하면, 압력 측정부(120)는 저항 가변 물질(210), 저항 측정부(220) 및 압력 결정부(230)를 포함한다.
저항 가변 물질(210)은 외부 압력에 따라 저항이 변화하는 물질일 수 있다. 구체적으로 저항 가변 물질(210)은 외부 압력에 의해 부피가 감소하는 제1 도체 및 외부 압력에 관계없이 부피가 유지되는 제2 도체를 포함할 수 있다. 이 때,, 저항 가변 물질(210)의 저항은 전기가 제1 도체와 제2 도체를 통과하는 거리 및 제1 도체와 제2 도체의 저항에 따라 결정될 수 있다.
이때, 제2 도체의 저항이 제1 도체의 저항보다 높은 경우, 저항 가변 물질(210)은 외부 압력에 비례하는 저항을 나타낼 수 있다.구체적으로, 외부 압력을 받을 경우, 저항 가변 물질(210)에서 제1 도체의 부피가 감소할 수 있다. 즉, 저항 가변 물질(210)에 입력되는 전기가 제1 도체를 통과하는 시간이나 거리가 감소하게 된다. 따라서, 전기가 저항 가변 물질(210)를 통과하는 거리 중에서, 저항이 높은 제2 도체를 통과하는 거리의 비중이 증가할 수 있다.
예를 들어, 저항 가변 물질(210)에 입력되는 전기가 통과하는 거리가 100이고, 전기가 제1 도체를 통과하는 거리가 50이며, 제1 도체와 제2 도체의 저항이 각각 20, 40인 경우, 저항 가변 물질의 저항은 20*0.5+40*0.5=30이 될 수 있다. 또한, 저항 가변 물질(210)에 입력되는 전기가 통과하는 거리가 100이고, 전기가 제1 도체를 통과하는 거리가 25로 감소하는 경우, 저항 가변 물질(210)의 저항은 20*0.25+40*0.75=35로 증가할 수 있다. 따라서, 외부 압력에 의하여 제1 도체의 부피가 감소하는 경우, 저항 가변 물질(210)의 저항은 증가할 수 있다.
또한, 제2 도체의 저항이 제1 도체보다 낮은 경우, 저항 가변 물질(210)은 외부 압력에 반비례하는 저항을 나타낼 수 있다. 이때, 제2 도체는 그래핀(graphene)으로 구성될 수 있다.
이때, 외부 압력을 받으면, 전기가 저항이 높은 제1 도체를 통과하는 거리가 감소할 수 있다. 따라서, 전기가 저항 가변 물질(210)을 통과하는 경우, 전기가 저항이 낮은 제2 도체를 통과할 확률이 증가할 수 있다. 그러므로, 외부 압력에 의하여 제1 도체의 부피가 감소하는 경우, 저항 가변 물질(210)의 저항은 감소할 수 있다.
그리고, 저항 가변 물질(210)은 판상 형태의 그래핀을 같은 방향으로 정렬하여 형성한 물질, 판상 형태의 그래핀을 다양한 방향으로 형성한 그래핀 플라워와 같은 물질, 및 탄소 나노 튜브(CNT: Carbon Nanotube)를 한 방향으로 정렬 시킨 물질 중 하나를 포함할 수 있다.
저항 측정부(220)는 저항 가변 물질(210)의 저항을 측정할 수 있다. 이때, 저항 측정부(220)는 저항 가변 물질(210)의 일측에 전기를 입력하고, 타측에서 저항 가변 물질(210)을 통과한 전기의 전압 또는 전류를 측정하여 저항 가변 물질(210)의 저항을 측정할 수 있다.
압력 결정부(230)는 저항 측정부(220)가 측정한 저항을 사용하여 저항 가변 물질(210)에 가해진 외부 압력의 크기를 결정할 수 있다. 이때, 압력 결정부(230)는 저항 가변 물질(210)의 특징에 따라 저항에 대응하는 외부 압력의 크기를 결정할 수 있다.
예를 들어, 저항 가변 물질(210)의 저항이 외부 압력에 비례하여 변화하는 경우, 압력 결정부(230)는 저항 가변 물질(210)에 가해진 압력의 크기를 저항 측정부(220)가 측정한 저항에 비례하도록 결정할 수 있다. 또한, 저항 가변 물질(210)의 저항이 외부 압력에 반비례하여 변화하는 경우, 압력 결정부(230)는 저항 가변 물질(210)에 가해진 압력의 크기를 저항 측정부(220)가 측정한 저항에 반비례하도록 결정할 수 있다.
도 3은 일실시예에 따른 촉각 측정 장치의 단면도이다.
일실시예에 따른 촉각 측정 장치(100)는 도 3에 도시된 바와 같이 하판(310)과 하판(310)에 결합된 저항 가변 물질(320) 및 상판(330)을 포함할 수 있다. 이때, 하판(310) 및 상판(330)은 실리콘 고무 계열의 폴리머(PDMS: polydimethylsiloxane)로 구성될 수 있다.
하판(310)은 촉각 측정부(130)로 동작한다. 일례로, 하판(310)에 촉각 측정부(130)와 연결하는 금속 배선, 저항 가변 물질(320)에 전기를 공급하는 전극(311) 및 전기가 출력되는 전극(312)이 배치될 수 있다.
이때, 저항 가변 물질(320)은 상판(330)에 작용하는 외부 압력에 따라 압축될 수 있다. 그래서, 전기가 입력되는 전극(311)과 전기가 출력되는 전극(312)을 저항 가변 물질(320)의 좌우로 배치하는 경우, 전기가 입력되는 전극(311)과 전기가 출력되는 전극(312)의 높이로 인해 외부 압력의 전달이 방해될 수 있다. 또한, 전기가 입력되는 전극(311)과 전기가 출력되는 전극(312)이 모두 저항 가변 물질(320)의 하부에 결합되는 경우, 전기가 저항 가변 물질(320)의 하부로만 통과할 수 있다.
따라서, 저항 가변 물질(320)의 측면에 저항이 낮고 저항 가변 물질(320)이 출력한 전기를 전기가 출력되는 전극(312)으로 전달하는 전기 전달부(321)를 결합하면, 전기가 입력되는 전극(311)에서 입력된 전기는 저항 가변 물질(320)의 모든 부분을 통과할 수 있다.
상판(330)은 사용자의 동작에 반응하여 저항 가변 물질(320)에 압력을 제공할 수 있다. 이때, 상판(330)은 적어도 하나의 돌기(331)를 포함할 수 있다. 이러한 상판(330)에 포함된 돌기(331)로 인해 수평 방향으로 가해진 힘은 저항 가변 물질(320)에 대한 압력으로 변환될 수 있다.
수평 방향의 힘이 저항 가변 물질(320)에 대한 압력으로 변환되는 과정은 이하 도 6을 참조하여 상세히 설명한다.
도 4는 일실시예에 따른 촉각 측정 장치에서 하판의 상면도이다.
일실시예에 따른 촉각 측정 장치(100)의 하판(310)은 저항 가변 물질(320)을 사용한 복수의 압력 측정부(410)를 포함할 수 있다. 이때, 압력 측정부(410) 각각은 저항 가변 물질(320), 전기를 공급하는 전극(311), 전기가 출력되는 전극(312) 및 전기 전달부(321)을 포함할 수 있다.
일실시예에 따른 촉각 측정 장치(100)의 하판(310)은 도 4에 도시된 바와 같이 각 방향 별로 압력 측정부(410)가 배치될 수 있다. 그래서, 하판(310)은 상판(330)이 사용자의 동작에 반응하여 제공하는 압력의 위치를 측정할 수 있다. 이때, 촉각 측정 장치(100)는 압력 측정부(410) 각각이 측정한 압력의 크기와 압력 측정부(410) 각각의 위치를 이용하여 사용자의 동작에 대응하는 힘의 크기와 방향을 3축으로 측정할 수 있다.
또한, 저항 가변 물질(320)은 도 4에 도시된 바와 같이 전기가 출력되는 전극(312)에 결합된 전기 전달부(321)을 둘러싸는 형태로 구성함으로써, 전기가 출력되는 면적을 최대화할 수 있다.
도 5는 일실시예에 따른 촉각 측정 장치의 동작을 도시한 도면이다.
일실시예에 따른 촉각 측정 장치(100)는 사용자의 동작에 의해 상판(330)에 압력이 가해지는 경우, 저항 가변 물질(320)이 압력에 따라 압축되며 저항이 변화할 수 있다.
이때, 상판(330)에 가해지는 압력은 도 5에 도시된 바와 같이 수직이므로 제1 압력 측정 장치(510)와 제2 압력 측정 장치(520)는 동일한 압력을 받을 수 있다. 따라서, 제1 압력 측정 장치(510)와 제2 압력 측정 장치(520)가 각각 측정한 저항 가변 물질(320)의 저항은 동일한 값일 수 있다.
그리고, 제1 압력 측정 장치(510)와 제2 압력 측정 장치(520)가 동일한 압력을 측정하는 경우, 촉각 측정부(130)는 상판(330)에 가해진 외부 압력의 방향을 수직으로 판단할 수 있다. 따라서, 촉각 측정부(130)는 상판(330)에 제1 압력 측정 장치(510)와 제2 압력 측정 장치(520)가 측정한 크기의 수직항력이 발생한 것을 측정할 수 있다.
도 6은 일실시예에 따른 촉각 측정 장치가 전단력을 측정하는 과정을 도시한 도면이다.
도 6은 사용자의 동작에 의해 상판(330)에 전단력이 발생하는 경우, 촉각 측정 장치(100)의 동작을 나타낸다. 예를 들어 사용자가 손을 상판(330)에 접촉한 상태에서 수평으로 미끄러뜨리는 경우, 상판(330)은 수평 방향의 압력인 전단력을 받을 수 있다. 이때, 상판(330)의 돌기(331)는 압력이 가해지는 반대 방향으로 기울어질 수 있다.
이때, 외부 압력이 가해지는 반대 방향에 위치한 제2 압력 측정 장치(620)는 돌기(331)의 기울기에 따라 압력을 측정할 수 있다. 또한, 외부 압력이 가해지는 방향에 위치한 제1 압력 측정 장치(610)는 돌기(331)가 제2 압력 측정 장치(620)로 기울어짐에 따라 도 6에 도시된 바와 같이 압력이 감소한다고 판단할 수 있다.
이로 인해서, 제1 압력 측정 장치(610)가 측정하는 압력은 감소하고, 제2 압력 측정 장치(620)가 측정하는 압력은 증가한다. 결국, 제1 압력 측정 장치(610)에 포함된 저항 가변 물질의 저항과 제2 압력 측정 장치(620)에 포함된 저항 가변 물질의 저항은 다른 값을 나타낼 수 있다.
또한, 제2 압력 측정 장치(620)가 측정한 압력이 증가하고, 제1 압력 측정 장치(610)가 측정한 압력이 감소하는 경우, 촉각 측정부(130)는 상판(330)에 가해진 외부 압력의 방향이 제1 압력 측정 장치(610)의 위치에서 제2 압력 측정 장치(620)의 위치로 향하는 방향으로 판단할 수 있다. 따라서, 촉각 측정부(130)는 상판(330)에서 제1 압력 측정 장치(610)의 위치에서 제2 압력 측정 장치(620)의 위치로 이동하는 방향으로 전단력이 발생한 것을 측정할 수 있다.
도 7는 일실시예에 따른 저항 가변 물질의 구조를 도시한 도면이다.
일실시예에 따른 저항 가변 물질(320)은 도 7에 도시된 바와 같이 외부 압력에 의해 부피가 감소하는 제1 도체(701)의 내부에 외부 압력에 관계없이 부피가 유지되는 제2 도체(702)를 포함할 수 있다. 이때, 제1 도체(701)의 저항은 제2 도체(702)의 저항보다 낮을 수 있다.
또한, 저항 가변 물질(320)는 외부 압력에 없는 경우 케이스 1(case 1)의 상태가 되고, 외부 압력이 발생하는 경우 케이스 2(case 2)가 될 수 있다.
케이스 1에서, 저항 가변 물질(320)에 입력된 전기는 제1 도체(701) 및 제2 도체(702)를 통과할 수도 있다(711). 이때, 저항 가변 물질(320)의 저항은 제1 도체(701)에서 전기가 통과한 거리, 제1 도체(701)의 저항, 제2 도체(702)에서 전기가 통과한 거리 및 제2 도체(702)의 저항에 따라 결정될 수 있다.
또한, 저항 가변 물질(320)에 입력된 전기는 제2 도체(702)의 간격에 따라 제1 도체(701)만을 통과할 수도 있다(712). 이때, 저항 가변 물질(320)의 저항은 제1 도체(701)에서 전기가 통과한 거리, 및 제1 도체(701)의 저항에 따라 결정될 수 있다.
그러므로, 저항 가변 물질(320)의 저항은 경로(711)로 통과한 전기에 기초한 저항과 경로(712)로 통과한 전기에 기초한 저항에 따라 결정될 수 있다.
그리고, 케이스 2에서, 저항 가변 물질(320)은 도 7에 도시된 바와 같이 제1 도체(701)가 압축되며, 제2 도체(702)들 간의 간격이 좁아질 수 있다.
이때, 저항 가변 물질(320)에 입력된 전기가 제2 도체(702)를 통과하는 거리는 제1 도체(701)를 통과하는 거리보다 길 수 있다(721). 따라서, 저항 가변 물질(320)의 저항은 제2 도체(702)에서 전기가 통과한 거리 및 제2 도체(702)의 거리에 따라 결정될 수 있다. 또한, 제1 도체(701)도 압축으로 인하여 밀도가 증가하는 경우, 저항이 증가할 수 있다.
즉, 외부 압력이 발생하는 경우, 전기가 저항 가변 물질(320)에서 저항이 높은 제2 도체(702)를 통과하는 거리가 증가하므로 저항 가변 물질(320)의 저항이 증가할 수 있다.
도 8은 일실시예에 따른 저항 가변 물질의 구조를 도시한 도면이다.
일실시예에 따른 저항 가변 물질(320)은 도 8에 도시된 바와 같이 외부 압력에 의해 부피가 감소하는 제1 도체(801)의 내부에 외부 압력에 관계없이 부피가 유지되는 제2 도체(802)를 포함할 수 있다. 이때, 제2 도체(802)는 제1 도체(801)보다 저항이 낮을 수 있다.
또한, 저항 가변 물질(320)는 외부 압력에 없는 경우 케이스 1(case 1)의 상태가 되고, 외부 압력이 발생하는 경우 케이스 2(case 2)가 될 수 있다.
케이스 1에서 저항 가변 물질(320)에 입력된 전기는 제1 도체(801) 및 제2 도체(802)를 통과할 수도 있다(811). 이때, 저항 가변 물질(320)의 저항은 제1 도체(801)에서 전기가 통과한 거리(812), 제1 도체(801)의 저항, 제2 도체(802)에서 전기가 통과한 거리(812) 및 제2 도체(802)의 저항에 따라 결정될 수 있다.
그리고, 케이스 2에서 저항 가변 물질(320)은 도 8에 도시된 바와 같이 제1 도체(801)가 압축되며, 제2 도체(802)들 간의 간격이 좁아질 수 있다. 만약 외부 압력에 의하여 제1 도체(801)이 압축되어 제2 도체(802)들이 접촉하는 경우, 저항 가변 물질(320)에 입력된 전기는 제2 도체(802)를 통과하여 출력될 수도 있다(821). 따라서, 저항 가변 물질(320)의 저항은 제2 도체(802)에서 전기가 통과한 거리 및 제2 도체(802)의 저항에 따라 결정될 수 있다.
즉, 외부 압력이 발생하는 경우, 전기가 저항 가변 물질(320)에서 저항이 낮은 제2 도체(802)를 통과하는 거리가 증가하므로 저항 가변 물질(320)의 저항이 감소할 수 있다.
도 9는 일실시예에 따른 촉각 측정 장치의 단면도이다.
일실시예에 따른 촉각 측정 장치(100)는 휘어짐에 따라 저항이 변화하는 스트레인 게이지(strain gage)를 사용하여 외부 압력의 크기를 측정할 수도 있다.
이때, 촉각 측정 장치(100)는 도 9에 도시된 바와 같이 제1 스트레인 게이지(915), 제2 스트레인 게이지(916) 및 금속 배선이 배치된 하판(911)과 돌기, 또는 범프(914)가 형성된 상판(913)를 포함할 수 있다.
촉각 측정 장치(100)에서 사용자의 동작에 의해 상판(9130)의 돌기(150)에 수직으로 압력이 가해지는 경우, 제1 스트레인 게이지(915), 및 제2 스트레인 게이지(916)가 도 7에 도시된 바와 같이 하부 방향으로 휘어질 수 있다(920).
이때, 제1 스트레인 게이지(915), 및 제2 스트레인 게이지(916)의 저항은 동일한 방향과 크기로 변화할 수 있다.
그리고, 제1 스트레인 게이지(915), 및 제2 스트레인 게이지(916)의 저항이 동일한 크기와 방향으로 변화하는 경우, 촉각 측정부(130)는 상판(913)에 가해진 압력의 방향을 수직으로 판단할 수 있다. 또한, 촉각 측정부(130)는 상판(913)에 제1 스트레인 게이지(915), 및 제2 스트레인 게이지(916)가 측정한 크기의 수직항력이 발생한 것을 측정할 수 있다.
촉각 측정 장치(100)는 사용자의 동작에 의해 상판(9130)의 돌기(150)에 수평으로 외부 압력이 가해지는 경우, 돌기(150)는 외부 압력이 가해지는 반대 방향으로 기울어질 수 있다. 따라서, 돌기(150)의 기울기에 따라 압력이 가해지는 방향에 위치한 제1 스트레인 게이지(915)는 상부 방향으로 휘어지고, 압력이 가해지는 반대 방향에 위치한 제2 스트레인 게이지(916)가 하부 방향으로 휘어질 수 있다(930).
이때, 제1 스트레인 게이지(915), 및 제2 스트레인 게이지(916)의 저항은 반대 방향으로 변화할 수 있다.
그리고, 제1 스트레인 게이지(915)의 저항 변화가 압력이 감소하는 것을 나타내고, 제2 스트레인 게이지(916)의 저항 변화가 압력이 증가하는 것을 나타내는 경우, 촉각 측정부(130)는 상판(913)에 가해진 압력이 제1 스트레인 게이지(915)에서 제2 스트레인 게이지(916)로 이동하는 수평 방향으로 판단할 수 있다.
따라서, 촉각 측정부(130)는 상판(913)에서 제1 스트레인 게이지(915)에서 제2 스트레인 게이지(916)로 이동하는 수평 방향으로 전단력이 발생한 것을 측정할 수 있다.
또한, 촉각 측정부(130)는 제1 스트레인 게이지(915), 및 제2 스트레인 게이지(916)가 측정한 크기의 압력이 상판(913)에 가해진 것을 측정할 수 있다.
도 10은 일실시예에 따른 촉각 측정 장치의 단면도이다.
일실시예에 따른 촉각 측정 장치(100)에서, 휘어짐에 따라 저항이 변화하는 스트레인 게이지(strain gage)는 상판에 삽입될 수 있다.
구체적으로 제1 스트레인 게이지(1010), 및 제2 스트레인 게이지(1020)는 도 10에 도시된 바와 같이 상판의 돌기(1014) 내부에 삽입할 수 있다. 이때, 제1 스트레인 게이지(1010), 및 제2 스트레인 게이지(1020)는 돌기(1014)의 적은 변화에도 휘어질 수 있으므로 촉각 측정 장치(100)의 민감도가 증가할 수 있다.
도 11은 일실시예에 따른 촉각 측정 장치의 생성 방법을 나타내는 도면이다.
촉각 측정 장치의 생성 방법은 하판(911)을 생성하는 단계와 상판(913)을 생성하는 단계 및 하판(911)과 상판(913)을 결합하는 단계를 포함할 수 있다. 이때, 하판(911)을 생성하는 단계와, 상판(913)을 생성하는 단계는 각각 독립적으로 수행될 수 있다.
하판(911)을 생성하는 단계는 이하 단계(1110) 내지 단계(1115)를 포함할 수 있다.
단계(1110)에서 촉각 측정 장치를 생성하는 생성 장치는 산화된 실리콘 기판 위에 폴리이미드를 코팅하여 하판(911)을 생성할 수 있다.
단계(1111)에서 생성 장치는 단계(1110)에서 생성한 하판에 폴리이미드를 패터닝할 수 있다.
단계(1112)에서 생성 장치는 단계(1111)에서 폴리이미드를 패터닝한 하판에 골드를 패터닝하여 금속 배선(912)을 형성할 수 있다.
단계(1113)에서 생성 장치는 단계(1112)에서 형성된 금속 배선(912) 위에 감지 물질인 금속이나 분산된 탄소 나노 튜브를 패터닝하여 스트레인 게이지를 구성할 수 있다.
단계(1114)에서 생성 장치는 단계(1113)에서 구성한 스트레인 게이지의 민감도를 높이기 위하여 SU-8 재질의 트렌치를 리소그래피하여 생성할 수 있다.
단계(1115)에서 생성 장치는 단계(1114)에서 SU-8 재질의 트렌치가 생성된 하판에서 실리콘 산화막을 제거하여 폴리이미드 기판을 분리할 수 있다.
상판(913)을 생성하는 단계는 이하 단계(1121) 내지 단계(1124)를 포함할 수 있다.
단계(1121)에서 생성 장치는 기판에 실리콘을 등방 식각(isotropic etch)할 수 있다.
단계(1122)에서 생성 장치는 단계(1121)에서 등방 식각한 기판에 질화물을 식각할 수 있다.
단계(1123)에서 생성 장치는 실리콘 고무 계열의 폴리머(PDMS: polydimethylsiloxane)를 단계(1122)에서 식각한 기판에 삽입하여 굳힐 수 있다.
단계(1124)에서 생성 장치는 단계(1123)에서 굳힌 폴리머를 기판에서 분리하여 상판(913)을 생성할 수 있다.
하판(911)과 상판(913)을 결합하는 과정은 단계(1130)에서 수행될 수 있다.
단계(1130)에서 생성 장치는 단계(1124)에서 생성한 상판(913)을 단계(1115)에서 생성된 하판(911)과 정렬하여 결합함으로써 촉각 측정 장치를 생성할 수 있다.
도 12는 일실시예에 따른 촉각 측정 방법을 도시한 도면이다.
단계(1210)에서 압력 측정부(120)의 저항 측정부(220)는 저항 가변 물질(210)의 저항을 측정할 수 있다. 이때, 저항 측정부(220)는 저항 가변 물질(210)의 일측에 전기를 입력하고, 타측에서 저항 가변 물질(210)을 통과한 전기의 전압 또는 전류를 측정하여 저항 가변 물질(210)의 저항을 측정할 수 있다.
단계(1220)에서 압력 측정부(120)의 압력 결정부(230)는 단계(1210)에서 측정한 저항을 사용하여 저항 가변 물질(210)에 가해진 외부 압력의 크기를 결정할 수 있다. 이때, 압력 결정부(230)는 저항 가변 물질(210)의 특징에 따라 저항에 대응하는 외부 압력의 크기를 결정할 수 있다.
예를 들어, 저항 가변 물질(210)의 저항이 외부 압력에 비례하여 변화하는 경우, 압력 결정부(230)는 저항 가변 물질(210)에 가해진 압력의 크기를 저항 측정부(220)가 측정한 저항에 비례하도록 결정할 수 있다. 또한, 저항 가변 물질(210)의 저항이 외부 압력에 반비례하여 변화하는 경우, 압력 결정부(230)는 저항 가변 물질(210)에 가해진 압력의 크기를 저항 측정부(220)가 측정한 저항에 반비례하도록 결정할 수 있다.
단계(1230)에서 촉각 측정부(130)는 단계(1220)에서 압력을 측정한 복수의 압력 측정부(120)들 각각의 위치 및 상기 복수의 압력 측정부(120)들 각각이 측정한 압력을 이용하여 외부 압력에 기초한 3차원 촉각(tactile)을 측정할 수 있다.
예를 들어 촉각 측정부(130)는 복수의 압력 측정부(120)들이 동일한 압력을 측정하는 경우, 사용자가 압력 제공부(110)의 수직 방향으로 압력을 가하는 것으로 측정할 수 있다. 또한, 촉각 측정부(130)는 복수의 압력 측정부(120)들 중에서 일부의 압력 측정부(120)가 다른 압력 측정부(120)들에 비하여 높은 압력을 측정하는 경우, 사용자가 일부의 압력 측정부(120)의 위치 또는 일부의 압력 측정부(120)가 위치한 방향으로 압력을 가하는 것으로 측정할 수 있다.
도 13은 일실시예에 따른 촉각 측정 장치의 생성 방법을 도시한 도면이다.
단계(1110)에서 생성 장치는 기판에 복수의 전극들 및 금속 배선을 배치할 수 있다.
단계(1120)에서 생성 장치는 단계(1110)에서 배치한 전극들에 압력에 따라 저항이 변화하는 저항 가변 물질을 연결할 수 있다.
이때, 생성 장치는 기판에 수직으로 배치된 전극과, 기판에 수평으로 배치된 전극 사이에 저항 가변 물질을 결합할 수 있다.
또한, 저항 가변 물질은 탄소 나노 튜브, 그래핀, 그래핀 플라워 중 적어도 하나를 사용하여 생성한 물질일 수 있다.
단계(1130)에서 생성 장치는 사용자의 동작에 반응하여 상기 저항 가변 물질에 압력을 제공하는 센싱 레이어(sensing layer)를 생성할 수 있다.
이때, 생성 장치는 폴리머의 형상을 결정하는 실리콘 몰드에 액상 폴리머를 사용하여 센싱 레이어를 구성할 수 있다.
단계(1140)에서 생성 장치는 단계(1120)에서 저항 가변 물질이 연결된 기판과 단계(1130)에서 생성한 센싱 레이어를 연결하여 촉각 측정 장치(100)를 생성할 수 있다.
실시예에 따른 방법은 다양한 컴퓨터 수단을 통하여 수행될 수 있는 프로그램 명령 형태로 구현되어 컴퓨터 판독 가능 매체에 기록될 수 있다. 상기 컴퓨터 판독 가능 매체는 프로그램 명령, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다. 상기 매체에 기록되는 프로그램 명령은 실시예를 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거나 컴퓨터 소프트웨어 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다. 컴퓨터 판독 가능 기록 매체의 예에는 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기 매체(magnetic media), CD-ROM, DVD와 같은 광기록 매체(optical media), 플롭티컬 디스크(floptical disk)와 같은 자기-광 매체(magneto-optical media), 및 롬(ROM), 램(RAM), 플래시 메모리 등과 같은 프로그램 명령을 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치가 포함된다. 프로그램 명령의 예에는 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드를 포함한다. 상기된 하드웨어 장치는 실시예의 동작을 수행하기 위해 하나 이상의 소프트웨어 모듈로서 작동하도록 구성될 수 있으며, 그 역도 마찬가지이다.
　이상과 같이 실시예들이 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기의 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 시스템, 구조, 장치, 회로 등의 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다.
　그러므로, 다른 구현들, 다른 실시예들 및 특허청구범위와 균등한 것들도 후술하는 특허청구범위의 범위에 속한다.
100: 촉각 측정 장치
110: 압력 제공부
120: 압력 측정부
130: 촉각 측정부

Claims (25)

  1. 외부 압력에 따라 저항이 변화하는 저항 가변 물질의 저항을 측정하는 저항 측정부; 및
    측정한 저항을 사용하여 저항 가변 물질에 가해진 외부 압력의 크기를 결정하는 압력 결정부
    를 포함하고,
    상기 저항 가변 물질은,
    제1 도체 및 제2 도체를 포함하고,
    상기 제2 도체는 상기 제1 도체보다 저항이 높고,
    상기 제1 도체는 외부 압력에 의해 부피가 감소하고,
    상기 제2 도체는 외부 압력에 관계없이 부피가 유지되는, 압력 측정 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 압력 결정부는,
    측정한 저항에 비례하여 저항 가변 물질에 가해진 압력의 크기를 결정하는 압력 측정 장치.
  3. 외부 압력에 따라 저항이 변화하는 저항 가변 물질의 저항을 측정하는 저항 측정부; 및
    측정한 저항을 사용하여 저항 가변 물질에 가해진 외부 압력의 크기를 결정하는 압력 결정부
    를 포함하고,
    상기 압력 결정부는,
    측정한 저항에 비례하여 저항 가변 물질에 가해진 압력의 크기를 결정하고,
    상기 저항 가변 물질은,
    외부 압력에 의해 부피가 감소하는 제1 도체 및 외부 압력에 관계없이 부피가 유지되는 제2 도체를 포함하고,
    상기 제2 도체는 상기 제1 도체보다 저항이 높은 압력 측정 장치.
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 압력에 따라 저항이 변화하는 저항 가변 물질을 이용하여 외부 압력의 크기를 측정하는 복수의 압력 측정부들; 및
    상기 복수의 압력 측정부들 각각의 위치 및 상기 복수의 압력 측정부들 각각이 측정한 압력을 이용하여 외부 압력에 기초한 3차원 촉각(tactile)을 측정하는 촉각 측정부
    를 포함하고,
    상기 저항 가변 물질은,
    제1 도체 및 제2 도체를 포함하고,
    상기 제2 도체는 상기 제1 도체보다 저항이 높고,
    상기 제1 도체는 상기 외부 압력에 의해 부피가 감소하고,
    상기 제2 도체는 상기 외부 압력에 관계 없이 부피가 유지되는, 촉각 측정 장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 압력 측정부들은,
    저항 가변 물질의 저항에 비례하여 저항 가변 물질에 가해진 압력의 크기를 측정하는 촉각 측정 장치.
  8. 삭제
  9. 제6항에 있어서,
    사용자의 동작에 기초한 압력 방향에 따라 복수의 압력 측정부들 중 적어도 하나의 압력 측정부에 압력을 제공하는 압력 제공부
    를 더 포함하는 촉각 측정 장치.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 압력 제공부는,
    폴리머(polymer)로 구성되며, 사용자와 접촉하는 면에 돌기를 포함하는 촉각 측정 장치.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 압력 측정부는,
    상기 압력 제공부의 하부에 어레이(array) 형태로 배치되는 촉각 측정 장치.
  12. 외부 압력에 따라 저항이 변화하는 저항 가변 물질의 저항을 측정하는 단계; 및
    측정한 저항을 사용하여 저항 가변 물질에 가해진 외부 압력의 크기를 결정하는 단계
    를 포함하고,
    상기 저항 가변 물질은,
    제1 도체 및 제2 도체를 포함하고,
    상기 제2 도체는 상기 제1 도체보다 저항이 높고,
    상기 제1 도체는 외부 압력에 의해 부피가 감소하고,
    상기 제2 도체는 외부 압력에 관계없이 부피가 유지되는, 압력 측정 방법.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 결정하는 단계는,
    측정한 저항에 비례하여 저항 가변 물질에 가해진 압력의 크기를 결정하는 압력 측정 방법.
  14. 외부 압력에 따라 저항이 변화하는 저항 가변 물질의 저항을 측정하는 단계; 및
    측정한 저항을 사용하여 저항 가변 물질에 가해진 외부 압력의 크기를 결정하는 단계
    를 포함하고,
    상기 결정하는 단계는,
    측정한 저항에 비례하여 저항 가변 물질에 가해진 압력의 크기를 결정하고,
    상기 저항 가변 물질은,
    외부 압력에 의해 부피가 감소하는 제1 도체 및 외부 압력에 관계없이 부피가 유지되는 제2 도체를 포함하고,
    상기 제2 도체는 상기 제1 도체보다 저항이 높은 압력 측정 방법.
  15. 삭제
  16. 삭제
  17. 복수의 압력 측정부들이 압력에 따라 저항이 변화하는 저항 가변 물질을 이용하여 외부 압력의 크기를 측정하는 단계; 및
    상기 복수의 압력 측정부들 각각의 위치 및 상기 복수의 압력 측정부들 각각이 측정한 압력을 이용하여 외부 압력에 기초한 3차원 촉각(tactile)을 측정하는 단계
    를 포함하고,
    상기 저항 가변 물질은,
    제1 도체 및 제2 도체를 포함하고,
    상기 제2 도체는 상기 제1 도체보다 저항이 높고,
    상기 제1 도체는 상기 외부 압력에 의해 부피가 감소하고,
    상기 제2 도체는 상기 외부 압력에 관계 없이 부피가 유지되는,촉각 측정 방법.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 외부 압력의 크기를 측정하는 단계는,
    저항 가변 물질의 저항에 비례하여 저항 가변 물질에 가해진 압력의 크기를 측정하는 촉각 측정 방법.
  19. 삭제
  20. 제17항에 있어서,
    압력 제공부가 사용자의 동작에 기초한 압력 방향에 따라 복수의 압력 측정부들 중 적어도 하나의 압력 측정부에 압력을 제공하는 단계
    를 더 포함하는 촉각 측정 방법.
  21. 기판에 복수의 전극들 및 금속 배선을 배치하는 단계;
    압력에 따라 저항이 변화하는 저항 가변 물질을 상기 전극들에 연결하는 단계;
    사용자의 동작에 반응하여 상기 저항 가변 물질에 압력을 제공하는 센싱 레이어(sensing layer)를 생성하는 단계; 및
    상기 센싱 레이어와 상기 기판을 연결하는 단계
    를 포함하고,
    상기 저항 가변 물질은,
    제1 도체 및 제2 도체를 포함하고,
    상기 제2 도체는 상기 제1 도체보다 저항이 높고,
    상기 제1 도체는 외부 압력에 의해 부피가 감소하고,
    상기 제2 도체는 외부 압력에 관계 없이 부피가 유지되는,촉각 측정 장치 생성 방법.
  22. 제21항에 있어서,
    상기 전극들에 연결하는 단계는,
    기판에 수직으로 배치된 전극과, 기판에 수평으로 배치된 전극 사이에 상기 저항 가변 물질을 결합하는 촉각 측정 장치 생성 방법.
  23. 제21항에 있어서,
    상기 저항 가변 물질은,
    탄소 나노 튜브, 그래핀, 그래핀 플라워 중 적어도 하나를 사용하여 생성한 물질인 촉각 측정 장치 생성 방법.
  24. 제21항에 있어서,
    상기 센싱 레이어를 생성하는 단계는,
    액상 폴리머를 사용하여 센싱 레이어를 구성하는 촉각 측정 장치 생성 방법.
  25. 제12항 내지 제14항, 제17항, 제18항 및 제20항 내지 제24항 중 어느 한 항의 방법을 실행하기 위한 프로그램이 기록된 컴퓨터에서 판독 가능한 기록 매체.
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