KR102003123B1 - 고민감도 신축성 변형률 측정센서를 이용한 3차원 조작장치 및 이를 포함하는 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은, 외부와 고정되는 고정부, 외력을 전달받을 수 있도록 구성되는 조작부, 고정부와 조작부를 연결하며, 외력에 따라 변형이 집중되는 부분이 발생할 수 있도록 적어도 하나의 만곡부가 구비되는 바디부 및 바디부의 변형을 측정할 수 있도록 바디부에 구비되는 나노크랙을 포함하는 적어도 하나의 변형률 측정센서를 포함하는 3차원 조작장치 및 이를 포함하는 시스템이 제공될 수 있다.
본 발명에 따른 고민감도 신축성 변형률 측정센서를 이용한 3차원 조작장치 및 이를 포함하는 시스템은 고민감도 신축성 변형률 측정센서를 이용하여 민감한 움직임을 측정가능하며, 단순한 구성으로 마스터 디바이스의 3차원 위치를 측정할 수 있으므로 정밀도의 향상, 공간 활용 효율 상승 및 제조비용을 저감하는 효과가 있다.

Description

고민감도 신축성 변형률 측정센서를 이용한 3차원 조작장치 및 이를 포함하는 시스템{THREE DIMENSIONAL CONTROL DEVICE UTILIZING HIGHLY SENSITIVE AND STRETCHABLE STRAIN SENSOR AND SYSTEM HAVING THAT}

본 발명은 고민감도 신축성 변형률 측정센서를 이용한 3차원 조작장치 및 이를 포함하는 시스템에 관한 것이며, 보다 상세하게는 슬레이브 디바이스(slave device)의 조작을 위해 사용자의 조작입력을 정밀하게 측정하기 위한 고민감도 신축성 변형률 측정센서를 이용한 3차원 조작장치 및 이를 포함하는 시스템에 관한 것이다.

마스터 디바이스(master device)는 사용자의 조작을 입력받아 슬레이브 디바이스를 구동시킨다. 마스터 디바이스는 사용자로부터 외력을 전달받아 위치, 속도, 가속도가 변화하게 되며, 이러한 변화량을 측정하여 슬레이브 디바이스의 제어에 활용하게 된다.

최근 의료분야에도 로봇 수술이 도입되었으며, 다양한 형태의 마스터 디바이스가 개발되고 있다. 대한민국 공개특허 제2012-0117223호에는 이러한 로봇의 마스터 조작 디바이스가 개시되어 있다.

그러나, 기존의 디바이스는 사용자의 조작에 따른 조작입력을 감지하기 위해 복잡한 구성의 기구적 형상 및 다양한 센서가 적용되어 큰 작업공간 및 비싼 제조비용이 요구되는 문제점이 있었다.

대한민국 공개특허 제2012-0117223호(2012.10.24.)

본 발명은 전술한 종래의 마스터 디바이스의 문제점을 해결하기 위한 고민감도 신축성 변형률 측정센서를 이용한 3차원 조작장치 및 이를 포함하는 시스템을 제공하는 것에 목적이 있다.

상기 과제의 해결 수단으로서, 외부와 고정되는 고정부, 외력을 전달받을 수 있도록 구성되는 조작부, 고정부와 조작부를 연결하며, 외력에 따라 변형이 집중되는 부분이 발생할 수 있도록 적어도 하나의 만곡부가 구비되는 바디부 및 바디부의 변형을 측정할 수 있도록 바디부에 구비되는 나노크랙을 포함하는 적어도 하나의 변형률 측정센서를 포함하는 3차원 조작장치가 제공될 수 있다.

여기서, 바디부는 탄성소재로 구성되며 외력이 작용함에 따라 조작부가 3축 방향 움직임이 가능하도록 구성되며, 조작부의 3축 방향 움직임의 발생 시 각각의 축 방향 움직임에 따라 변형이 집중되는 복수의 변형집중부분을 포함할 수 있다.

또한, 변형률 측정센서는 복수로 구비되어 변형집중부분에 구비될 수 있다.

나아가, 변형집중부분은 바디부 중 신장이 집중되는 부분일 수 있다.

그리고, 변형률 측정센서는 길이가 신장됨에 따라 전도층에 형성된 복수의 나노크랙의 폭이 넓어져 저항이 커질 수 있도록 구성될 수 있다.

또한, 변형률 측정센서는 변형집중부분의 신장길이를 측정할 수 있도록 신장 전 초기길이로 바디부에 설치될 수 있다.

나아가, 변형률 측정센서는 변형집중부분의 바디부의 수축길이 및 신장길이를 측정할 수 있도록 소정길이로 신장된 상태에서 바디부에 설치될 수 있다.

한편, 바디부는 조작부에 외력이 인가시 원위치로 복귀할 수 있도록 바디부의 중심부에 연장되어 구비되는 응력집중부를 포함할 수 있다.

또한, 응력집중부는 바디부의 다른 부분보다 높은 강도의 재질로 구성될 수 있다.

여기서, 바디부는 고정부로부터 직선상으로 소정길이로 연장된 연장부를 포함하며, 만곡부는 연장부의 일측에 구비될 수 있다.

그리고, 연장부의 중심축과 조작부의 중심축은 90도의 간격을 이룰 수 있다.

또한, 연장부의 중심축과 조작부의 중심축은 평행하게 구성될 수 있다.

한편, 만곡부는 일 방향의 외력발생시 중심부분에 변형이 집중될 수 있도록 U형상으로 구비되며, 일단이 연장부와 연결되며, 타단은 조작부와 연결될 수 있다.

한편, 바디부는 연장부와 만곡부의 연결부분에 일 방향의 외력발생 시 변형이 집중될 수 있도록 90도로 만곡되어 구성될 수 있다.

한편, 바디부의 단면은 사각형으로 구성되며, 변형률 측정센서는 바디부의 외면 중 적어도 3면에 구비될 수 있다.

여기서, 변형률 측정센서는, 비전도성 물질로 구성되는 제1 레이어 및 전도성 물질로 구성되며, 제1 레이어상에 형성되며, 복수의 나노크랙의 폭이 변화됨에 따라 저항의 크기가 달라지도록 구성되는 제2 레이어를 포함하며, 제2 레이어는 복수의 크랙이 제2 레이어의 전 영역에 무작위적으로 균일하고 조밀하게 형성될 수 있도록 2μm 이하로 형성될 수 있다.

그리고, 제2 레이어는 신장시 제2 레이어에 형성된 복수의 크랙의 폭이 신장되는 방향으로 넒어짐으로써 저항이 증가되도록 구성될 수 있다.

한편, 제1 레이어는 변형률을 측정하는 신장범위 내에서 크랙이 발생되지 않도록 신축성 부재로 구성될 수 있다.

추가로, 3차원 조작장치 및 3차원 조작장치로부터 수신된 값을 레퍼런스 데이터와 매칭시키고 출력하는 연산부를 포함하며, 3차원 조작장치는, 고정부, 외력을 전달받을 수 있도록 구성되는 조작부, 고정부와 조작부를 연결하며, 외력에 따라 변형이 집중되는 부분이 발생할 수 있도록 적어도 하나의 만곡부가 구비되는 바디부 및 바디부의 변형을 측정할 수 있도록 바디부에 구비되는 나노크랙을 포함하는 적어도 하나의 변형률 측정센서를 포함하는 3차원 조작장치를 포함하는 시스템이 제공될 수 있다.

여기서, 변형률 측정센서는 복수로 구비되며, 조작부의 3차원 위치에 따라 변형률 측정센서에서 측정된 복수의 값의 조합은 유일한 값을 가질 수 있도록 바디부 상의 복수의 지점에 설치될 수 있다.

본 발명에 따른 고민감도 신축성 변형률 측정센서를 이용한 3차원 조작장치 및 이를 포함하는 시스템은 고민감도 신축성 변형률 측정센서를 이용하여 민감한 움직임을 측정가능하며, 단순한 구성으로 마스터 디바이스의 3차원 위치를 측정할 수 있으므로 정밀도의 향상, 공간 활용 효율 상승 및 제조비용을 저감하는 효과가 있다.

도 1은 본 발명에 따른 3차원 조작장치를 포함하는 시스템의 개념을 나타낸 블록도이다.
도 2는 본 발명에 따른 3차원 조작장치의 사시도이다.
도 3은 3차원 조작장치의 응력집중부가 도시된 도면이다.
도 4는 바디부 제조방법의 일예가 도시된 도면이다.
도 5는 3차원 조작장치의 프로토타입을 촬영한 사진이다.
도 6은 X방향 움직임 발생시 응력집중부분을 도시한 도면이다.
도 7은 Y방향 움직임 발생시 응력집중부분을 도시한 도면이다.
도 8은 Z방향 움직임 발생시 응력집중부분을 도시한 도면이다.
도 9는 각 축방향 움직임에 따른 변형률 측정센서의 저항변화를 도시한 그래프이다.
도 10은 응력집중부와 변형률 측정센서를 도시한 도면이다.
도 11은 변형률 측정센서가 부착된 다른 실시예를 도시한 도면이다.
도 12는 변형률 측정센서의 사시도이다.
도 13은 변형률 측정센서의 제2 레이어에 발생된 크랙을 확대하여 촬영한 사진이다.
도 14는 변형률 측정센서의 제2 레이어에 발생된 크랙을 비교한 사진이다.
도 15는 변형률 측정센서의 변형률-스트레스가 나타난 도면이다.
도 16은 변형률 측정센서의 반복신장시 저항변화가 나타난 도면이다.
도 17은 변형률 측정센서의 변형에 따른 저항변화를 나타낸 것이다.
도 18은 변형률 측정센서의 제조방법의 순서도이다.
도 19는 변형률 측정센서의 제조되는 모습을 개략적으로 도시한 단면도이다.

이하, 본 발명의 실시 예에 따른 민감도 신축성 변형률 측정센서를 이용한 3차원 조작장치 및 이를 포함하는 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.

이하에서는 도 1 내지 도 5를 참조하여 본 발명에 따른 3차원 조작장치(1) 및 이를 포함하는 시스템의 구성에 대하여 상세히 설명하도록 한다. 그리고 이하에서 3축방향이라 함은 3차원 좌표계에서 각각의 독립적인 축방향인 X, Y, Z 축방향을 뜻함을 전제로 설명하기로 한다.

도 1은 본 발명에 따른 3차원 조작장치를 포함하는 시스템의 개념을 나타낸 블록도이다.

도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 3차원 조작장치(1)를 포함하는 시스템은 3차원 조작장치(1) 및 연산부(2)를 포함하여 구성될 수 있다.

3차원 조작장치(1)는 사용자로부터 마스터 입력을 조작받기 위하여 구성된다. 3차원 조작장치(1)는 조작부(300), 바디부(200), 고정부(100) 및 변형률 측정센서(400)를 포함하여 구성될 수 있다. 3차원 조작장치(1)는 일측이 고정되며, 사용자는 조작부(300)를 파지한 상태에서 위치를 변경하는 등 다양한 방식으로 조작부(300)에 외력을 인가하게 된다. 사용자의 외력에 따라 조작부(300)의 위치가 변화하면 바디부(200)에 변형이 발생되고 이러한 변형을 변형률 측정센서(400)로 측정할 수 있도록 구성된다. 한편 이러한 3차원 조작장치(1)의 구성에 대하여는 차후 상세히 설명하기로 한다.

연산부(2)는 복수의 변형률 측정센서(400)로부터 측정된 센싱값을 연산하여 현재 조작부(300)의 위치, 속도 및 가속도를 연산할 수 있도록 구성된다. 연산부(2)는 조작부(300)가 3차원 좌표에서 유일한 위치로 결정될 때 그에 따른 복수의 변형률 측정센서(400)로부터 측정되는 저항값을 데이터 베이스(3)에 저장된 저항 값의 조합과 매칭하여 조작부(300)의 상태, 즉 위치, 속도 및 가속도를 연산하도록 구성된다. 연산부(2)에는 조작부(300)의 조작가능한 공간 내의 각 좌표에서 측정된 저항값의 조합에 대한 정보가 포함된 룩업테이블을 포함할 수 있다. 연산부(2)는 현재 측정된 복수의 변형률 측정센서(400)로부터 측정된 저항값의 조합을 이용하여 현재의 위치를 출력하거나, 이전 단계에서 계산되었던 위치값과 연산하여 속도 또는 가속도를 연산할 수 있도록 구성된다. 다만, 측정된 위치로부터 속도 및 가속도에 대한 연산방법은 널리 알려져 있으므로 이에 대한 설명은 생략하기로 한다. 또한, 도시되지는 않았으나, 변형률 측정센서의 저항변화를 측정하기 위한 연산부와 변형률 측정센서를 연결하는 전기적 연결이 구비될 수 있다.

도 2는 본 발명에 따른 3차원 조작장치(1)의 사시도이며, 도 3은 3차원 조작장치(1)의 응력집중부(210)가 도시된 도면이고, 도 4는 바디부(200) 제조방법의 일예가 도시된 도면이며, 도 5는 3차원 조작장치(1)의 프로토타입을 촬영한 사진이다.

전술한 바와 같이, 본 발명에 따른 3차원 조작장치(1)는 바디부(200), 조작부(300) 및 고정부(100)를 포함하여 구성될 수 있다. 바디부(200)는 조작부(300)를 3축 방향으로 조작함에 따라 각각의 축 방향의 움직임이 발생할 때 변형되는 부분이 집중될 수 있는 기하학적 형상으로 구성될 수 있다. 구체적으로 바디부(200)를 연장되는 방향으로 구분하여 보면 연장부(230)와 만곡부(240)로 구성될 수 있다. 연장부(230)는 고정부(100)로부터 직선상으로 소정길이 연장되는 부분이며, 만곡부(240)는 연장부(230)에서 90도 방향으로 만곡되는 지점부터 조작부까지 연결되는 구성으로 이루어진다. 만곡부(240)는 연장부(230)에서 90도 방향으로 연결된 후 180도가 만곡되어 U 형상으로 구성될 수 있다. 만곡부(240)의 끝단에는 조작부(300)가 연결될 수 있다. 만곡부(240)의 끝단이 연장되는 방향, 즉 조작부(300)의 중심축은 연장부(230)와 90도 간격이 될 수 있도록 구성될 수 있다.

바디부(200)는 조작부(300)를 3축방향으로 조작함에 따라 각 축방향의 움직임에 변형되는 부분이 집중될 수 있도록 단면의 형상이 사각형상으로 구성될 수 있다. 따라서 연장부(230)에는 2축 방향의 조작에 의해 표면에서 변형이 이루어지며, 만곡부(240)는 연장부(230)와 90도 방향으로 만곡되어 있어 2축 방향의 조작에 의해 변형이 표면에서 이루어지게 된다. 이중 변형이 집중되는 부분에 변형률 측정센서(400)가 배치되어 변형률을 측정할 수 있도록 구성된다. 다만, 바디부(200)의 형상은 이에 한정하지 않으며, 조작부(300)의 3축방향 움직임에 따라 바디부(200)의 외면에 변형이 집중될 수 있는 형상, 즉 일 축방향으로 연장된 일부분과 이에 연결되어 90도 방향으로 만곡되어 있는 형상을 포함하는 구성으로 변형되어 적용될 수 있다. 또한 만곡부(240)를 포함하되, 조작부(300)와 연장부(230)의 중심축이 평행한 방향으로 배치될 수 있다.

바디부(200)는 중심부분에 연장되어 형성되는 응력집중부(210)가 구비될 수 있다. 바디부(200)는 조작부(300)의 미세한 움직임에도 외면의 변형이 이루어질 수 있도록 탄성을 가진 재질로 구성될 수 있으며, 이후 외력이 제거된 경우 원래의 형상 및 위치로 복귀될 수 있도록 탄성력을 제공하는 응력집중부(210)가 구비될 수 있다. 응력집중부(210)는 조작부(300)를 조작할때에 외력에 의한 응력이 집중되어 소정형상을 유지할 수 있도록 구성되며, 원위치로 복원할 수 있는 탄성재질로 구성된다. 다시말해 응력집중부(210)는 바디부(200)의 다른 부분보다 강도가 높은 재질로 구성될 수 있다. 도 4를 살펴보면, 응력집중부(210)(skeleton)가 뼈대와 같이 기능하며 중심부측에 배치한 이후 바디부(200)의 나머지 부분을 molding으로 제작하는 틀이 도시되어 있다.

도 5를 살펴보면, 본 발명에 따른 3차원 조작장치(1)의 prototype에 대산 사진이 도시되어 있다. 전술한 바와 같이 고정부(100)가 외부에 고정되어 있으며, U형상의 만곡부(240)를 포함한 바디부(200)의 복수의 지점에 변형률 측정센서(400)가 배치될 수 있다.

이하에서는 본 발명에 따른 3차원 조작장치(1)를 조작함에 따라 발생하는 표면의 변형률에 대하여 상세히 설명하도록 한다.

도 6은 X방향 움직임 발생시 응력집중부(210)분을 도시한 도면이고, 도 7은 Y방향 움직임 발생시 응력집중부(210)분을 도시한 도면이며, 도 8은 Z방향 움직임 발생시 응력집중부(210)분을 도시한 도면이다.

도시된 바와 같이 조작부(300)를 3축방향으로 조작함에 따라 바디부(200)에 발생하는 변형률에 대한 시뮬레이션 결과를 살펴보면, 바디부(200)의 형상에 의해 각 축방향의 움직임에 따라 변형집중부분(220)이 발생된다.

x축 방향으로 조작하는 경우 만곡부(240)의 측면에서 변형이 집중되는 부분이 발생하며, 연장부(230)와 만곡부(240)가 연결되는 지점에 변형이 집중되는 부분이 발생한다. 여기서 연장부(230)와 만곡부(240)가 연결되는 지점은 부분적으로 급격한 변화가 나타나므로 만곡부(240)에서 변형률을 측정하는 것이 바람직하다. 따라서 x 축의 양방향으로의 조작에 대한 변형률을 측정할 수 있도록 만곡부(240)의 양측면에 존재하는 변형집중부분(220)에 변형률 측정센서(400)가 배치될 수 있다.

Y 축 방향으로 조작하는 경우 만곡부(240)의 상측면 및 연장부(230)와 만곡부(240)가 연결되는 지점에 변형이 집중된다. 여기에서도 연장부(230)와 만곡부(240)가 연결되는 지점은 급격한 변형이 일어나므로 변형률을 측정하기에는 바람직하지 않으며, 변형률 측정센서(400)는 만곡부(240)의 상측면에 구비된다.

Z 축 방향으로 조작하는 경우 만곡부(240)의 시작지점에서 변형이 집중되는 변형집중부분(220)이 발생하며, 변형집중부분(220)에 변형률 측정센서(400)가 배치될 수 있다.

도 9는 각 축방향 움직임에 따른 변형률 측정센서(400)의 저항변화를 도시한 그래프이다.

도시된 바와 같이, 각 축방향의 변형에 따라 복수의 센서에서 측정되는 저항값의 조합은 조작부(300)의 위치에 따라 유일하게 결정될 수 있다. 이때, 후술할 변형률 측정센서는 신장됨에 따라 나노크랙의 폭이 달라져 저항변화가 발생되므로, 매우 민감하고, 150%이상의 신장범위에서도 측정가능하게 되므로 조작부의 크기와 무관하게 정밀하게 변형을 측정하는 것이 가능하다.

변형률 측정센서에서 측정되는 저항값의 조합을 살펴보면, x, y, z 방향의 움직임에 따라 변형이 집중되는 부분에서의 변형은 각각 다르게 되며, 3축 방향으로 움직임이 발생하였을 때에도 복수의 저항에서 측정되는 저항값은 유일하게 결정될 수 있다. 이때, 3축방향 움직임을 측정하기 위하여 적어도 3개의 변형률 측정센서(400)가 구비될 수 있다.

도 10은 응력집중부(210)와 변형률 측정센서(400)를 도시한 도면이며, 도 11은 변형률 측정센서(400)가 부착된 다른 실시예를 도시한 도면이다.

도 10 (a)를 살펴보면, 변형집중부분에 변형률 측정센서(400)가 외력이 인가되지 않은 초기 길이(L1)로 배치되어 있는 모습이 도시되어 있다. 초기 길이로 배치되어 있을 때 변형집중부분이 신장됨에 따라 부착되어있는 변형률 측정센서(400) 또한 길이가 신장된다. 도 10 (b)를 살펴보면 변형률 측정센서의 변형에 따른 저항변화가 나타나 있으며, 센서의 작동범위(working range)는 가장 작은 초기 값으로부터 소정 저항값 까지로 결정될 수 있다. 이 경우, 변형률 측정센서(400)는 길이가 신장됨에 따라 전도층 레이어인 제1 레이어에 존재하는 다수의 나노크랙의 폭이 넓어지게 되어 증가하는 저항의 변화를 측정하여 신장률을 계산할 수 있게 된다. 그러나 반대로 초기위치로부터 압축되는 길이는 측정이 어렵게 된다.

도 11 (a)는 변형률 측정센서(400)가 소정길이(L2)로 신장된 상태에서 변형집중부분에 부착되어 있는 모습이 도시되어 있다. 도시된 바와 같이, 소정길이로 신장시킨 상태에서 부착되는 경우에는 도 11(b)에 나타난 바와 같이 설치 길이에서 소정범위까지 압축변형이나 신장변형을 측정할 수 있게 된다. 이와 같이 구성되는 경우 압축과 신장을 하나의 변형률 측정센서로 측정이 가능하므로 3축 방향 움직임 측정에 필요한 센서의 개수를 줄일 수 있다.

도 12는 본 발명에 따른 변형률 측정센서의 사시도이다.

도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 변형률 측정센서(400)는 제1 레이어(410), 제2 레이어(420)를 포함하여 구성될 수 있다.

제1 레이어(410)와 제2 레이어(420)는 서로 부착되어 있으며, 변형률 측정시 함께 신장되도록 구성된다.

제1 레이어(410)는 측정 대상으로부터 외력을 받아 신장될 수 있도록 신축성 부재로 구성되며, 이하 기술할 제2 레이어(420)의 저항 변화에 전기적으로 영향을 미치지 않도록 비전도성 부재로 구성될 수 있다.

제1 레이어(410)는 변형률 측정범위 내에서 크랙(430)이 발생되지 않도록 구성될 수 있다. 제1 레이어(410)의 크랙(430) 발생시 제2 레이어(420)에 발생되는 크랙(430)이 불균일해 질 수 있으므로 이를 방지하기 위함이다. 본 실시예에서는 변형률 60%를 한계로 한 예를 들고 있으며, 이에 따라 제1 레이어(410)의 길이의 60% 이내로 신장되는 경우에는 제1 레이어(410)에 크랙(430)이 발생되지 않도록 구성되어 있다. 구체적으로 제1 레이어(410)를 구성하는 재질은 폴리우레탄(Polyurechane)을 포함하여 구성될 수 있으며, 제1 레이어(410)의 두께는 200μm 이하로 구성되는 것이 바람직하다. 그러나 이러한 두께 및 재질은 측정범위에 따라 다양하게 구성될 수 있다.

제2 레이어(420)는 전도성 재질로 구성되며 길이가 신장됨에 따라 복수의 크랙(430)의 폭이 넓어짐으로써 자체 저항이 증가되도록 구성된다. 이때 복수의 크랙(430)은 제2 레이어(420)를 제1 레이어(410)에 부착시킨 후 신장시켜 발생된 것을 이용한다.

제2 레이어(420)는 변형률 측정범위 내에서 신장되더라도 전류의 흐름이 완전히 차단되지 않도록 구성된다. 즉 한 부분에서 과도하게 신장되어 전기적으로 단절되지 않도록 복수의 크랙(430)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(430)은 제2 레이어(420)의 길이가 신장되는 방향과 대략적으로 수직한 방향성을 가지며 형성된다. 따라서 제2 레이어(420)의 신장시 크랙(430)의 폭이 증가함에 따라 접촉하는 면적이 줄어들게 되어, 저항의 크기를 결정하는 유효단면적이 감소하여 자체 저항이 증가하게 된다. 반대로 원래의 길이로 회귀시 크랙(430)의 폭이 감소하여 접촉하는 면적이 넓어지게 되므로, 유효단면적이 증가하게 되어 자체 저항이 감소하게 된다.

이러한 크랙(430)의 작용, 기능 및 형성과정에 대하여는 차후 상세히 설명하기로 한다.

제1 레이어(410)는 변형률 측정 대상에 고정되어 설치될 수 있다. 측정 대상으 길이 신장에 따라 제1 레이어(410)가 늘어나게 된다. 이때 제1 레이어(410)에 부착된 제2 레이어(420)가 함께 신장되면서 저항 값이 달라지게 되며, 제2 레이어(420)의 양측에 외부 기기가 연결되어 저항변화를 측정하도록 구성될 수 있다.

다시 도 12를 살펴보면 제2 레이어(420)는 제1 레이어(410)에 외력이 작용하는 지점과 소정거리 이격되어 부착될 수 있다. 따라서 외력의 작용에 의해 제2 레이어(420)에 발생될 수 있는 응력집중, 부분적인 파손 등을 방지할 수 있다.

또한, 제2 레이어(420)는 제1 레이어(410)의 모서리로부터 소정거리 이격되어 부착될 수 있다. 제1 레이어(410)를 절단할 때, 절단면이 거칠어질 수 있으며, 거친 모서리에 제2 레이어(420)가 부착된 경우, 응력집중 등으로 적절한 성능을 발휘할 수 있는 문제점을 방지하기 위함이다.

이하에서는 도 13 내지 도 16를 참조하여 변형률 측정센서(400)의 기능 및 작용에 대하여 상세히 설명한다.

도 13는 본 발명에 따른 제2 레이어(420)에 발생된 크랙(430)을 확대하여 촬영한 사진이다.

도 13 (a)에는 변형률 측정센서(400)의 길이가 20% 신장되었을 때의 모습, 도 13 (b)에는 변형률 측정센서(400)의 길이가 50% 신장되었을 때의 모습이 도시되어 있다. 우상측에 나타난 스케일 바의 길이는 5μm이다.

제2 레이어(420)에는 도시된 바와 같은 복수의 크랙(430)이 균일하게 분포되어 있다. 크랙(430)은 제2 레이어(420)가 신장되는 방향과 대체로 수직한 방향으로 형성되어 있다. 전술한 바와 같이 크랙(430)은 제2 레이어(420)가 신장시 신장되는 방향의 폭이 넓어져 접촉면적이 감소함으로써 저항이 증가되도록 구성되며, 회기시에는 반대로 폭이 좁아짐으로써 저항이 감소되도록 구성될 수 있다.

크랙(430)은 제2 레이어(420)의 일측에서부터 타측을 가로지르는 방향으로 형성되어 있으나, 제2 레이어(420)가 파단되지는 않도록 형성된다. 따라서 크랙(430)의 폭이 넓어지더라도 어느 하나의 크랙(430)에 의해 제2 레이어(420)에 흐르는 전류가 완전히 차단되지 않는다. 즉 제2 레이어(420)가 신장되더라도 크랙(430)이 형성되지 않는 부분으로 전류가 통과될 수 있도록, 제2 레이어(420)의 폭보다 짧은 길이로 형성된 복수의 크랙(430)이 형성된다.

도 14은 본 발명에 따른 제2 레이어(420)에 발생된 크랙(430)을 비교한 사진이며, 길이가 20% 신장되었을 때의 모습이 나타나 있다.

도 14(a)는 제2 레이어(420)에 형성된 크랙(430)의 폭이 부적절하게 넓은 모습이 도시되어 있으며, 도 14(b)는 제2 레이어(420)에 형성된 크랙(430)의 폭이 적절하게 구성되며, 균일하고 촘촘하게 형성되어 있는 모습이 도시되어 있다.

도 14(a)와 같이 크랙(430)의 폭이 부적절하게 큰 경우에는 어느 하나의 크랙(430)에 의해 부분적으로 파단이 일어나게 된다. 부분적 파단으로 인해 해당 부분에서는 전류의 흐름이 차단되며, 전체적으로는 5%이내의 적은 변형에도 불구하고 측정되는 제2 레이어(420)의 저항이 급격하게 증가하게 된다. 이는 측정범위가 변형률 5% 이상이 되면 측정이 불가능하게 됨을 뜻한다.

반면 도 14(b)와 같이 크랙(430)이 도 14(a)보다 조밀하게 형성된 경우에는, 동일한 신장률(20%)에도 불구하고 더 많은 수의 크랙(430)의 폭이 균일하게 증가하여 제2 레이어(420)상에서 크랙(430)과 크랙(430) 사이에 전류가 흐를 수 있는 다양한 경로가 형성될 수 있으므로 안정적으로 전류가 흘러갈 수 있게 된다.

이와 같은 크랙(430)의 폭과 밀집도는 측정 대상의 신장률에 따라 다양하게 구성될 수 있다. 예를들어 최대 신장률 60%의 측정범위를 가질 때 크랙(430)의 폭이 최대 변형률로 신장된 상태에서 5nm 이상으로 형성된 경우, 변형률 측정범위 내에서 급격한 저항변화가 발생하여 정밀한 측정이 어려워지게 된다. 따라서 이러한 경우, 크랙(430)의 폭은 5nm 이하로 구성되는 것이 바람직하다.

도 15는 본 발명에 따른 변형률 측정센서(400)의 변형률-스트레스 그래프가 나타난 도면이다. 변형률 측정센서(400)를 60% 변형률로 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(420)에 크랙(430)이 형성되기 전 상태에서 신장시킨 데이터이며, 최초의 1회 신장시에는 다소 높게 인가되는 응력(stress)에 따라 제2 레이어(420)에는 전술한 복수의 크랙(430)이 발생되며, 제1 레이어(410)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 변형률 측정센서(400)를 사용시 신뢰도 향상을 위하여 1차적으로 신장시켜 균일한 크랙(430)을 발생시켜야 한다. 다만 크랙(430)이 형성되지 않고 제1 레이어(410) 및 제2 레이어(420)가 부착된 상태에서 사용 직전 크랙(430)을 발생시키기 위해 신장시킬 수 있다.

도 16는 본 발명에 따른 변형률 측정센서(400)의 반복신장시 저항변화가 나타난 도면이다.

도시된 바와 같이 변형률 측정센서(400)는 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 측정센서(400)의 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 측정센서(400)가 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 변형률에 따른 변형률 측정센서(400)의 저항 값은 일정하게 변화되므로 신뢰성을 확보할 수 있게 된다.

도 17은 본 발명에 따른 변형률 측정센서(400)의 변형에 따른 저항변화를 나타낸 것이다.

도시된 바와 같이 변형률 30% 내에서 변형률 측정센서(400)의 신장에 따른 저항증가되고 있으며, 30%까지 선형적으로 길이를 증가시킴에 따라 변형률 측정센서(400)의 저항 값이 선형적으로 증가되는 실험결과 데이터가 나타나 있다.

제2 레이어(420)에 형성된 복수의 크랙(430)이 밀집되어 있어 급격한 저항변화를 방지하며 길이의 신장에 따라 선형적으로 저항이 달라지게 되므로, 측정값을 이용하여 절대값을 이용한 변형률 산출 또는 저항의 상대적 변화에 따른 변형률의 산출이 용이하다. 또한 변형에 따른 저항의 변화가 빠르게 이루어지며, 작은 오버슈트(overshoot) 및 회기시 작은 복구시간이 나타난다.

도 18은 본 발명에 따른 변형률 측정센서(400)의 제조방법의 순서도이다.

도시된 바와 같이 본 발명에 따른 변형률 측정센서(400)는 제1 레이어를 생성시키는 단계(S100), 제2 레이어를 생성시키는 단계(S200), 크랙(430)을 발생시키는 단계(S300)를 포함하여 구성될 수 있다.

나아가 제2 레이어(420)를 생성시 제2 레이어(420)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(410)를 형성시킨다. 이때 제1 레이어는 200μm 이하로 생성될 수 잇다.

이후 전술한 바와 같이 제2 레이어(420)의 응력집중을 방지하기 위하여 제1 레이어(410)의 모서리에서 소정간격 이격되어 부착될 수 있도록, 생성영역을 결정하는 마스크를 부착시킬 수 있다. 마스크는 제2 레이어(420)를 부착시키는 영역만이 관통되어 있어 제1 레이어(410)상에서 제2 레이어(420)를 선택적으로 생성시킬 수 있게 된다.

제2 레이어를 생성시키는 단계(S200)는 제1 레이어(410)의 일면에 전도성 제2 레이어(420)를 부착시킨다. 일 예로, 스퍼터링(Sputtering) 공정을 이용하여 제2 레이어(420)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 변형률 측정센서(400)의 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(420)의 두께는 2μm 이하로 형성될 수 있다.

제2 레이어(420)를 생성시킨 후에는 마스크를 제거한다.

크랙을 발생시키는 단계(S300)는 제1 레이어(410)를 신장시킴으로써 제2 레이어(420)의 전 영역에 균일한 인장력을 인가하여 균일한 분포로 복수의 크랙(430)을 발생시키게 된다.

이때, 크랙(430)을 발생시킬 때 신장되는 길이는 변형률 측정센서(400)로 측정하고자 하는 변형률의 최대치로 적용시켜 신장시킬 수 있다. 일 예로 측정범위가 60% 이내인 변형률 측정센서(400)를 제조하고자 하는 경우, 제1 레이어(410)를 60% 신장시켜 제2 레이어(420)상에 복수의 크랙(430)을 발생시킨다. 이후의 반복 사용에 의한 변형률에 대한 데이터는 도 15와 같이 나타날 수 있게 된다.

도 19은 본 발명에 따른 변형률 측정센서(400)의 제조되는 모습을 개략적으로 도시한 단면도이다.

도시된 바와 같이, 제1 레이어를 생성시키고(a), 생성된 제1 레이어에 마스크를 부착하고(b), 일부분에 스퍼터링을 이용하여 제2 레이어(420)를 생성시킨다(c). 이후 마스크를 제거하고(d), 제1 레이어(410)를 신장시켜 제2 레이어(420)에 균일한 크랙(430)을 발생시키게 된다(e).

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 고민감도 신축성 변형률 측정센서를 이용한 3차원 조작장치 및 이를 포함하는 시스템은 고민감도 신축성 변형률 측정센서를 이용하여 민감한 움직임을 측정가능하며, 단순한 구성으로 마스터 디바이스의 3차원 위치를 측정할 수 있으므로 정밀도의 향상, 공간 활용 효율 상승 및 제조비용을 저감하는 효과가 있다.

1: 3차원 조작장치
2: 연산부
3: 데이터 베이스
100: 고정부
200: 바디부
210: 응력집중부
220: 변형집중부분
230: 연장부
240: 만곡부
300: 조작부
400: 변형률 측정센서
410: 제1 레이어
420: 제2 레이어
430: 크랙
S100: 제1 레이어를 생성시키는 단계
S200: 제2 레이어를 생성시키는 단계
S300: 크랙(30)을 발생시키는 단계

Claims (20)

1. 외부와 고정되는 고정부;
   외력을 전달받을 수 있도록 구성되는 조작부;
   상기 고정부와 상기 조작부를 연결하며, 상기 외력에 따라 변형이 집중되는 부분이 발생할 수 있도록 적어도 하나의 만곡부가 구비되는 바디부; 및
   상기 바디부의 변형을 측정할 수 있도록 상기 바디부에 구비되는 나노크랙을 포함하는 적어도 하나의 변형률 측정센서를 포함하며,
   상기 바디부는,
   상기 조작부가 상기 고정부와 상대적인 3축 축방향 움직임이 가능하도록 탄성소재로 구성되며,
   상기 만곡부는 일 방향의 외력발생시 중간부분에 변형이 집중될 수 있도록 U형상을 포함하여 구성되는 3차원 조작장치.
2. 제1 항에 있어서,
   상기 바디부는,
   상기 조작부의 3축 방향 움직임의 발생 시 각각의 축 방향 움직임에 따라 변형이 집중되는 복수의 변형집중부분을 포함하는 것을 특징으로 하는 3차원 조작장치.
3. 제2 항에 있어서,
   상기 변형률 측정센서는,
   상기 복수로 구비되어 상기 변형집중부분에 구비되는 것을 특징으로 하는 3차원 조작장치.
4. 제3 항에 있어서,
   상기 변형집중부분은 상기 바디부 중 신장이 집중되는 부분인 것을 특징으로 하는 3차원 조작장치.
5. 제3 항에 있어서,
   상기 변형률 측정센서는 길이가 신장됨에 따라 전도층에 형성된 복수의 나노크랙의 폭이 넓어져 저항이 커질 수 있도록 구성되는 것을 특징으로 하는 3차원 조작장치.
6. 제5 항에 있어서,
   상기 변형률 측정센서는 상기 변형집중부분의 신장길이를 측정할 수 있도록 신장 전 초기길이로 상기 바디부에 설치되는 것을 특징으로 하는 3차원 조작장치.
7. 제5 항에 있어서,
   상기 변형률 측정센서는,
   상기 변형집중부분의 바디부의 수축길이 및 신장길이를 측정할 수 있도록 소정길이로 신장된 상태에서 상기 바디부에 설치되는 것을 특징으로 하는 3차원 조작장치.
8. 제2 항에 있어서,
   상기 바디부는,
   상기 조작부에 외력의 해제시 원위치로 복귀할 수 있도록 상기 바디부의 중심부에 연장되어 구비되는 응력집중부를 포함하는 것을 특징으로 하는 3차원 조작장치.
9. 제8 항에 있어서,
   상기 응력집중부는 상기 바디부의 다른 부분보다 높은 강도의 재질로 구성되는 것을 특징으로 하는 3차원 조작장치.
10. 제2 항에 있어서,
    상기 바디부는,
    상기 고정부로부터 직선상으로 소정길이로 연장된 연장부를 포함하며,
    상기 만곡부는 상기 연장부의 일측에 구비되는 것을 특징으로 하는 3차원 조작장치.
11. 제10 항에 있어서,
    상기 연장부의 중심축과 상기 조작부의 중심축은 90도의 간격을 이루는 것을 특징으로 하는 3차원 조작장치.
12. 제10 항에 있어서,
    상기 연장부의 중심축과 상기 조작부의 중심축은 평행한 것을 특징으로 하는 3차원 조작장치.
13. 제10 항에 있어서,
    상기 만곡부는 일단이 상기 연장부와 연결되며, 타단은 상기 조작부와 연결되는 것을 특징으로 하는 3차원 조작장치.
14. 제10 항에 있어서,
    상기 바디부는 상기 연장부와 상기 만곡부의 연결부분에 일 방향의 외력발생 시 변형이 집중될 수 있도록 90도로 만곡되어 구성되는 것을 특징으로 하는 3차원 조작장치.
15. 제10 항에 있어서,
    상기 바디부의 단면은 사각형으로 구성되며,
    상기 변형률 측정센서는 상기 바디부의 외면 중 적어도 3면에 구비되는 것을 특징으로 하는 3차원 조작장치.
16. 제2 항에 있어서,
    상기 변형률 측정센서는,
    비전도성 물질로 구성되는 제1 레이어; 및
    전도성 물질로 구성되며, 상기 제1 레이어상에 형성되며, 복수의 나노크랙의 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 형성되는 것을 특징으로 하는 3차원 조작장치.
17. 제16 항에 있어서,
    상기 제2 레이어는 신장시 상기 제2 레이어에 형성된 복수의 상기 크랙의 폭이 신장되는 방향으로 넒어짐으로써 저항이 증가되도록 구성되는 것을 특징으로 하는 3차원 조작장치.
18. 제16 항에 있어서,
    상기 제1 레이어는,
    변형률을 측정하는 신장범위 내에서 크랙이 발생되지 않도록 신축성 부재로 구성되는 것을 특징으로 하는 3차원 조작장치.
19. 3차원 조작장치; 및
    상기 3차원 조작장치로부터 수신된 값을 레퍼런스 데이터와 매칭시키고 출력하는 연산부를 포함하며,
    상기 3차원 조작장치는,
    고정부;
    외력을 전달받을 수 있도록 구성되는 조작부;
    상기 고정부와 상기 조작부를 연결하며, 상기 외력에 따라 변형이 집중되는 부분이 발생할 수 있도록 적어도 하나의 만곡부가 구비되는 바디부; 및
    상기 바디부의 변형을 측정할 수 있도록 상기 바디부에 구비되는 나노크랙을 포함하는 적어도 하나의 변형률 측정센서를 포함하며,
    상기 바디부는,
    상기 조작부가 상기 고정부와 상대적인 3축 축방향 움직임이 가능하도록 탄성소재로 구성되며,
    상기 만곡부는 일 방향의 외력발생시 중간부분에 변형이 집중될 수 있도록 U 형상을 포함하여 구성되는 3차원 조작장치를 포함하는 시스템.
20. 제19 항에 있어서,
    상기 변형률 측정센서는,
    복수로 구비되며,
    상기 조작부의 3차원 위치에 따라 상기 변형률 측정센서에서 측정된 복수의 값의 조합은 유일하게 결정될 수 있도록 상기 바디부 상의 복수의 지점에 설치되는 것을 특징으로 하는 3차원 조작장치를 포함하는 시스템.
    

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