KR102041604B1

KR102041604B1 - 소프트 센서 및 이의 제조 방법과, 소프트 센서를 구비한 손 착용형 장치 및 이의 제조 방법

Info

Publication number: KR102041604B1
Application number: KR1020180007294A
Authority: KR
Inventors: 배준범; 김수인; 박우근; 정다희; 오진혁
Original assignee: 주식회사 필더세임
Priority date: 2018-01-19
Filing date: 2018-01-19
Publication date: 2019-11-07
Also published as: KR20190089111A

Abstract

본 발명은 서로 마주보는 제1 신축성 층 및 제2 신축성 층을 포함하는 신축성 시트 및 상기 제1 신축성 층 및 제2 신축성 층 사이에 소정의 전도성 액체 금속이 프린팅되어 형성되는 센서부를 포함하는 소프트 센서를 제공한다.

Description

소프트 센서 및 이의 제조 방법과, 소프트 센서를 구비한 손 착용형 장치 및 이의 제조 방법 {Soft sensor and manufacturing method of the same, and Hand wearable device and manufacturing method of the same}

본 발명은 소프트 센서 및 이의 제조 방법과, 소프트 센서를 구비한 손 착용형 장치 및 이의 제조 방법에 관한 것이다.

최근에는 손에 착용하여, 가상 현실에서 가상의 물체에서 발생하는 힘을 손가락에 전달하여 가상 물체와 상호작용하기 위한 손 착용형 장치에 대한 관심이 대두되고 있다.

따라서, 손의 움직임에 대해 분석이 선행되어야 하며, 착용이 간편하면서도 손의 움직임을 보다 정확하게 측정할 수 있는 연구가 수행되어야 한다.

한편, 소프트 센서는 신축성과 유연성을 갖는 소재에 전도성 물질로 형성된 전극을 구성하여, 신축성과 유연성을 가지며 변위나 힘 등을 측정할 수 있는 센서이다. 최근에는 웨어러블 장비 등 적용 분야가 확대되면서 유연하고 신축성 있는 소프트 센서에 대한 요구가 증대되고 있다.

한국공개특허 10-2016-0136894

본 발명은 제조가 용이하며 성능이 향상된 소프트 센서 및 이의 제조 방법과, 소프트 센서를 구비한 손 착용형 장치 및 이의 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명은 서로 마주보는 제1 신축성 층 및 제2 신축성 층을 포함하는 신축성 시트 및 상기 제1 신축성 층 및 제2 신축성 층 사이에 소정의 전도성 액체 금속이 프린팅되어 형성되는 센서부;를 포함하는 소프트 센서를 제공한다.

또한, 본 발명은 상술한 소프트 센서를 적어도 하나 구비하고, 손 모양의 적어도 일부와 대응되는 형상으로 형성되며, 상기 하나 이상의 소프트 센서는 손의 관절들 중 적어도 일부와 대응되는 위치에 형성되는 손 착용형 장치를 제공한다.

또한, 본 발명은 베이스 기재 상에 제1 신축성 층을 형성하는 단계, 상기 제1 신축성 층 상에 소정의 전도성 액체 금속을 기 설정된 패턴으로 프린팅하여 센서부를 형성하는 단계 및 상기 전도성 액체 금속이 프린팅 된 상기 제1 신축성 층 상에 제2 신축성 층을 형성하는 단계;를 포함하는 소프트 센서의 제조 방법을 제공한다.

또한, 본 발명은 베이스 기재 상에 제1 신축성 층을 형성하는 단계, 상기 제1 신축성 층 상에 소정의 전도성 액체 금속을 기 설정된 패턴으로 프린팅하여 센서부를 형성하는 단계, 상기 전도성 액체 금속이 프린팅 된 상기 제1 신축성 층 상에 제2 신축성 층을 형성하는 단계, 상기 제1 신축성 층 및 제2 신축성 층 중에서 상기 센서부들이 형성된 부분을 제외한 나머지 부분들을 착용부위에 맞는 형상으로 자르는 단계;를 포함하는 손 착용형 장치의 제조 방법을 제공한다.

본 발명의 소프트 센서 및 이의 제조 방법과, 소프트 센서를 구비한 손 착용형 장치 및 이의 제조 방법에 의해 소프트 센서 및 손 착용형 장치의 제조가 용이해지고 성능이 향상되는 효과를 얻을 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 소프트 센서를 나타내는 사시도이다.
도 2는 도 1의 소프트 센서의 손가락 관절 변화에 따른 센서부의 길이 변화를 보여주는 모식도이다.
도 3은 도 1의 소프트 센서를 구비하는 손 착용형 장치를 나타내는 평면도이다.
도 4는 도 3의 손 착용형 장치를 손에 착용한 모습을 나타내는 사시도이다.
도 5는 도 1의 소프트 센서의 제작 방법을 나타내는 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 소프트 센서에서, 다중 실리콘 소재의 배합을 이용하여 소프트 센서의 기계적 성질을 제어하는 방법을 나타내는 개념도이다.
도 7은 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 손 착용형 장치를 나타내는 평면도이다.
도 8은 도 7의 손 착용형 장치를 손에 착용한 모습을 나타내는 사시도이다.

본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 이에 대해 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.

제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.

본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

이하, 본 발명의 실시예를 첨부한 도면들을 참조하여 상세히 설명하기로 하며, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 도면번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.

또한, 본 발명의 다양한 실시예들을 설명함에 있어, 각 실시예가 독립적으로 해석되거나 실시되어야 하는 것은 아니며, 각 실시예에서 설명되는 기술적 사상들이 개별적으로 설명되는 다른 실시예에 조합되어 해석되거나 실시될 수 있는 것으로 이해되어야 한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대해 설명하면, 다음과 같다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 소프트 센서를 나타내는 사시도이다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 소프트 센서(100)는, 신축성 시트(110), 센서부(120), 연결부(130), 전선부(140)를 포함할 수 있다.

여기서, 본 발명의 일 실시예의 소프트 센서는 가상현실 또는 공존현실이나 재활 분야에서 관절의 각도를 측정하는데 사용될 수 있으며, 특히 손가락 관절의 각도를 측정하여 가상현실 기기 등에 데이터를 입력하는 수단으로 사용할 수 있다.

상세히, 신축성 시트(110)는, 제1 신축성 층(111)과 제2 신축성 층(112)을 포함한다. 제1 신축성 층(111)과 제2 신축성 층(112)은 별도로 형성되며, 상하방향으로 적층된 구조일 수 있다. 여기서, 신축성 시트(110)는 제1 신축성 층(111)과 제2 신축성 층(112)의 두 개의 층을 포함하는 것으로 도시되어 있지만, 본 발명의 사상은 이에 제한되지 아니하며, 필요에 따라 신축성 시트(110)는 다양한 재질의 두 개 이상의 층으로 형성될 수도 있다. 이에 대해서는 뒤에서 보다 상세히 설명하도록 한다.

제1 신축성 층(111)은 제1 신축성 소재를 도포하여 형성된 층이다. 제1 신축성 소재는, 신축성과 유연성을 갖는 비전도성 물질일 수 있다. 여기서는 제1 신축성 소재는 실리콘을 사용하는 것으로 예를 들어 설명하나, 본 발명의 사상은 이에 제한되지 아니한다. 이와 같은 제1 신축성 층(111)은 베이스 기재(도 5a의 101 참조) 위에 제1 신축성 소재를 스핀 코팅, 실리콘 코팅 또는 프린팅 등의 다양한 방법으로 도포하여 형성될 수 있다.

제2 신축성 층(112)은 제2 신축성 소재를 도포하여 형성된 층이다. 제2 신축성 소재는, 신축성과 유연성을 갖는 비전도성 물질일 수 있다. 제2 신축성 소재는, 센서부(120)를 형성하는 전도성 액체 금속(도 5b의 121 참조)보다 표면 장력이 작은 물질이 사용될 수 있다. 본 실시예에서는, 제2 신축성 소재로 실리콘을 사용하여, 제1 신축성 소재와 제2 신축성 소재가 동일한 소재인 것으로 예를 들어 설명하나, 본 발명의 사상이 이에 제한되지는 아니한다. 여기서, 제1 신축성 소재와 제2 신축성 소재는 동일한 실리콘을 사용할 경우, 실리콘이 단일(monolithic)의 시트로 형성될 수도 있다. 다만, 본 발명의 사상은 이에 한정되지 않고, 제2 신축성 소재가 전도성 액체 금속(121)보다 표면 장력이 작으면서 신축성과 유연성을 갖는 소재라면 어느 것이나 사용할 수 있다. 이와 같은 제2 신축성 층(112)은 제1 신축성 층(111)(및 그 위의 센서부(120)) 위에 제2 신축성 소재를, 스핀 코팅, 실리콘 코팅 또는 프린팅 등의 다양한 방법으로 도포하여 형성될 수 있다.

센서부(120)는 제1 신축성 층(111)과 제2 신축성 층(112) 사이에 형성될 수 있다. 여기서 센서부(120)는 제1 신축성 층(111) 위에 전도성 액체 금속(도 5b의 121 참조)을 이용하여 미리 설정된 패턴으로 형성될 수 있다. 이와 같은 센서부(120)는 3D 프린팅, 노즐 프린팅, 잉크젯 프린팅, 롤투롤 프린팅 등 다양한 방법을 이용하여 형성될 수 있다.

센서부(120)는 소정의 전도성 물질로 형성될 수 있으며, 도포 가능한 액체 혹은 고체 형태의 전도성 물질로 형성될 수 있다. 일 예로, 센서부(120)는 상온에서 액체 상태를 유지하며 전도성을 갖는 전도성 액체 금속으로 형성될 수도 있다. 여기서 전도성 액체 금속은, EGaIn(Eutetic Gallium-Indium)을 사용하는 것으로 예를 들어 설명한다.

EGain은 공정 갈륨 인듐 복합체라고도 한다. 상기 EGaIn은, 갈륨(Ga) 75.5wt%와 인듐(In) 24.5wt%을 포함할 수 있다. 상기 EGaIn는 약 15.7℃에서 녹아서 상온에서는 액체 상태를 유지할 수 있다. 또한, 상기 EGaIn은 3.4 x 10⁴S/cm 수준의 전도성을 가져 전도성이 매우 높고, 점도가 낮아 잘 흐르며, 표면의 산화막으로 인해 높은 표면장력을 갖는다. 상기 EGaIn는 표면장력이 높기 때문에, 원하는 패턴으로 3D 프린팅시 형태를 유지하는 장점이 있어 마이크로 채널을 형성하는 것이 용이하다. 또한, 별도의 화학적 처리 없이도 CNC 설비에 결합된 주사기를 통해 주사하여 원하는 패턴으로 직접 프린팅하는 것이 가능하다.

이와 같이 센서부(120)가 전도성 액체 금속으로 형성됨으로써 충분한 신축성을 가질 수 있다.

한편, 소프트 센서의 위치는 손 착용형 장치의 표면 중 각 손가락의 관절 부위 및 엄지와 검지 사이에 구비될 수 있고, 엄지와 검지 사이에 구비되는 소프트 센서는 엄지의 내전 및 외전의 움직임을 감지하기 위한 것일 수 있다.

또한, 각 손가락의 관절 부위에 구비되는 소프트 센서는 굴곡 및 신전 움직임을 측정하는 센서와, 내전 및 외전의 움직임을 측정하는 센서가 함께 구비될 수 있다.

또는, 각 손가락의 관절 부위에 구비되는 소프트 센서는 굴곡 및 신전 움직임을 측정하는 센서와, 내전 및 외전의 움직임을 측정하는 센서가 각각 별도로 구비될 수도 있다. 이때, 굴곡 및 신전 움직임을 측정하는 센서는, 손가락들의 길이방향으로 길게 형성되어, 손가락들의 굴곡과 신전을 측정하는 센서 역할을 할 수 있다. 한편, 내전 및 외전의 움직임을 측정하는 센서는 손가락들의 길이방향에 수직하거나 손가락들의 내,외전 방향으로 길게 형성되어, 손가락들의 내전과 외전을 측정하는 센서 역할을 할 수 있다. 여기서, 굴곡 및 신전 움직임을 측정하는 센서와 내전 및 외전의 움직임을 측정하는 센서는, 손가락들의 움직임에 따라 길이, 높이 및 폭이 변화하여 저항이 변화하게 되므로, 저항의 변화를 측정하여 손가락의 움직임을 측정할 수 있다. 이에 대해서는 도 2 및 도 3에서 더욱 상세히 설명하도록 한다.

연결부(130)는 신축성 시트(110)의 내부 또는 그 일 측에 구비되어, 센서부(120) 및 전선부(140)를 연결하는 역할을 수행할 수 있다. 이와 같은 연결부(130)는, 3D 프린터 등을 이용하여 제1 신축성 층(111) 위에 전도성 페이스트를 프린팅하여 형성될 수 있다. 본 실시예에서는, 전도성 페이스트는 은 페이스트(silver paste)를 사용하는 것으로 예를 들어 설명한다. 이와 같은 연결부(130)는 각 센서부(120)의 양단부에 각각 또는 일체로 형성될 수 있다.

전선부(140)는 연결부(130)와 전기적으로 연결되며, 센서부(120)에서 전달되는 전기적 신호를 칩(미도시)으로 전달하는 역할을 수행할 수 있다. 이와 같은 전선부(140)는 3D 프린터 등을 이용하여 제1 신축성 층(111) 또는 베이스 기재(도 5a의 101 참조) 위에 전도성 페이스트를 프린팅하여 형성될 수 있다.

이하에서는 본 발명의 실시예에 따른 소프트 센서의 작동 원리에 대해 보다 상세히 설명한다.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 소프트 센서의 손가락 관절 각도 변화에 따른 센서부(120)의 길이 변화를 보여주는 모식도이다.

도 2를 참조하면, 본 실시예의 소프트 센서의 원리는 다음과 같다.

일반적으로 소프트 센서의 마이크로 채널 양단 저항을 R(Resistance of conductive metal), 채널 내부 전도성 물질의 비저항을 ρ(electrical resistivity [Ω*m]), 채널 부피를 V(channel volume [m³]), 채널 단면적을 A(channel area [m²]), 채널 길이를 l(channel length [m]), 변형율을 ε 이라고 할 때, 높은 신축성을 가지는 소재 내부 마이크로 채널이 비압축성 물질로 채워져 있는 경우 마이크로 채널의 총 부피 V는 일정하게 유지되며 하기 수학식 1로 표현된다.

이때, 채널은 전도성 금속의 전자가 통과하는 경로로 볼 수 있으며, 전도성 금속의 외형이 변화하면 상기 채널의 길이, 높이, 폭 등이 변화할 수 있고 저항 역시 변화하게 된다.

여기서, 채널 길이 l은 하기 수학식 2로 표현되고, 채널 단면적 A는 수학식 3으로 표현된다.

한편, 전도성 금속의 저항은 하기 수학식 4로 표현된다.

그리고, 현재의 저항(R)은 초기 저항(R₀)과 변형율 ε에 의해 하기의 수학식 5로 표현될 수 있다.

도 2를 참조하면, 손가락 관절에서 관절의 각도 변화(Δθ)와 반지름(r) 및 채널의 길이 변화(ΔL)은 다음의 수학식 6로 표현된다.

상기 수학식 6을 이항하면 하기 수학식 7이 도출된다.

이때, r은 상수이기 때문에 채널의 길이 변화(ΔL)를 통하여 손가락 관절의 각도 변화(Δθ)를 계산할 수 있다.

여기서, 소프트 센서의 저항 변화를 측정하기 위해 적절히 형성된 증폭기가 사용될 수 있으며, 증폭기의 성질에 따라 증폭기 출력으로 측정된 전압의 변화(ΔV)로부터 소프트 센서의 저항 변화(ΔR)를 계산할 수 있다.

이때, 수학식 5에 따라 측정된 소프트 센서의 저항 변화(ΔR)를 이용하여 변형율(ε)을 계산하고 이를 이용해 채널의 길이 변화(ΔL)를 계산할 수 있다.

따라서, 본 실시예의 소프트 센서에 전압의 변화(ΔV)에 대한 센서를 구비하면 손가락 관절의 각도 변화(Δθ)를 구할 수 있는 것이다.

설명의 편의상 손가락 관절을 예로 들어 설명하였지만, 본 실시예의 소프트 센서는 신체의 다른 부위의 관절에도 모두 적용 가능한 것은 당연하다.

도 3은 도 1의 소프트 센서를 구비하는 손 착용형 장치를 나타내는 평면도이고, 도 4는 도 3의 손 착용형 장치를 손에 착용한 모습을 나타내는 사시도이다.

도 3 및 도 4를 참조하면, 손 착용형 장치(200)는 손가락의 각 관절에 대응되도록 복수의 소프트 센서(100)가 형성된, 신축성 소재의 시트일 수 있다. 여기서 손 착용형 장치(200)는 손 모양의 적어도 일부와 대응되는 형상으로 형성될 수 있다. 본 실시예에서는, 손 착용형 장치(200)는, 손등이나 장갑 등에 부착 가능하도록 손 모양으로 형성되고 시트 형상으로 형성된 것으로 예를 들어 설명하나, 이에 한정되지 않고, 손을 끼울 수 있는 장갑 형태로 형성되는 것도 가능하다 할 것이다. 이와 같은 손 착용형 장치(200)는, 원하는 형상보다 큰 원형이나 사각형 형상으로 형성된 후 레이저 커팅에 의해 원하는 형상으로 재단되어 형성될 수 있다. 즉, 신축성 시트(110) 중에서 복수의 센서부(120)가 형성된 부분을 제외한 나머지 부분들을 손가락 등의 착용부위에 맞는 형상으로 잘라내어 사용할 수 있다. 복수의 센서부(120)들은 손가락의 움직임을 감지할 수 있도록 각 손가락의 관절 부위에 위치될 수 있다.

도 3 및 도 4의 손 착용형 장치(200)를 보다 상세히 설명하면 다음과 같다.

손 착용형 장치(200)는 엄지 센싱부(210), 검지 센싱부(220), 중지 센싱부(230)를 포함한다. 한편, 도면에는 도시되지 않았지만 손 착용형 장치(200)는 약지 센싱부 및 계지 센싱부를 더 포함할 수 있다.

또한, 손 착용형 장치(200)는 엄지 센싱부(210)와 검지 센싱부(220) 사이에 형성되는 제1 내/외전 측정 센서(260)와, 검지 센싱부(220)와 중지 센싱부(230) 사이에 형성되는 제2 내/외전 측정 센서(270)를 포함한다. 한편, 도면에는 도시되지 않았지만 손 착용형 장치(200)는 검지의 내/외전 측정을 측정하기 위해 검지 측면에 형성되는 제3 내/외전 측정 센서(미도시)를 더 포함할 수 있다. 나아가, 도면에는 도시되지 않았지만 손 착용형 장치(200)는 중지 센싱부(230)와 약지 센싱부(미도시) 사이에 형성되는 제4 내/외전 측정 센서(미도시)와, 약지 센싱부(미도시)와 계지 센싱부(미도시) 사이에 형성되는 제5 내/외전 측정 센서(미도시)를 더 포함할 수 있다.

엄지 센싱부(210)는 제1 엄지부 센서(211), 제2 엄지부 센서(212), 제3 엄지부 센서(213)를 포함할 수 있다. 제1 엄지부 센서(211)는 엄지 손가락의 말절골(distal phalanx)과 기절골(proximal phalanx) 사이의 굽힘 및 신전을 측정할 수 있다. 제2 엄지부 센서(212)는 엄지 손가락의 기절골(proximal phalanx)과 중수골(metacapals) 사이의 굽힘 및 신전을 측정할 수 있다. 제3 엄지부 센서(213)는 엄지 손가락의 중수골(metacapals)과 수근골(carpals) 사이의 굽힘 및 신전을 측정할 수 있다.

검지 센싱부(220)는 제1 검지부 센서(221), 제2 검지부 센서(222)를 포함할 수 있다. 제1 검지부 센서(221)는 검지 손가락의 중절골(middle phalanx)과 기절골(proximal phalanx) 사이의 굽힘 및 신전을 측정할 수 있다. 제2 검지부 센서(222)는 검지 손가락의 기절골(proximal phalanx)과 중수골(metacapals) 사이의 굽힘 및 신전을 측정할 수 있다.

중지 센싱부(230)는 제1 중지부 센서(231), 제2 중지부 센서(232)를 포함할 수 있다. 제1 중지부 센서(231)는 중지 손가락의 중절골(middle phalanx)과 기절골(proximal phalanx) 사이의 굽힘 및 신전을 측정할 수 있다. 제2 중지부 센서(232)는 중지 손가락의 기절골(proximal phalanx)과 중수골(metacapals) 사이의 굽힘 및 신전을 측정할 수 있다.

한편, 약지 센싱부(미도시)는 제1 약지부 센서 및 제2 약지부 센서를 포함할 수 있고, 계지 센싱부(미도시)는 제1 계지부 센서 및 제2 계지부 센서를 더 포함할 수 있다.

제1 내/외전 측정 센서(260)는 엄지 센싱부(210)와 검지 센싱부(220) 사이에 형성되어 엄지의 내전 및 외전을 측정할 수 있다.

제2 내/외전 측정 센서(270)는 검지 센싱부(220)와 중지 센싱부(230) 사이에 형성되어 검지 및 중지의 내전 및 외전을 측정할 수 있다.

이 외에도 제3 내/외전 측정 센서(미도시)와 제4 내/외전 측정 센서(미도시)가 더 형성될 수 있다.

여기서, 본 발명의 일 실시예에 따른 손 착용형 장치(200)는, CAD를 이용하여 길이 및 형상이 다른 여러 손가락들의 각 관절에 각각 대응되는 복수의 채널 패턴들을 하나의 손 착용형 장치에 일체로 설계될 수 있다. 즉, 본 발명에서는 CAD를 이용하여 채널 패턴들을 설계하기 때문에, 복수의 채널 패턴들을 한 번에 설계하는 것이 용이하다.

이와 같이 복수의 센서부(120)를 3D 프린팅 등을 이용해 한 번에 형성할 수 있으므로, 대면적 크기의 센서 제작이 용이하다. 또한, 복수의 채널 패턴들을 형성하기 위한 몰드가 필요하지 않으므로, 제조가 간편하고 비용이 절감될 수 있다.

한편, 도면에는 엄지, 검지, 중지의 세 개의 손가락에 착용되는 손 착용형 장치 및 이에 배치되는 소프트 센서들이 도시되어 있으나, 본 발명의 사상은 이에 제한되지 아니한다. 즉, 5개 손가락 전체, 또는 그 중 일부의 손가락에 해당하는 소프트 센서들이 손 착용형 장치에 배치될 수 있으며, 또는 각 손가락에서도 일부의 소프트 센서들이 추가 또는 생략될 수도 있다.

본 발명에 따른 소프트 센서는 크기에 제약을 받지 않으며 센서의 두께가 매우 얇고 신축성을 가지기 때문에, 다양한 개수와 형상의 센서부(120)를 형성하는 것이 가능하게 되어, 다양한 크기를 가지고 복잡한 움직임을 가지는 어깨, 발목, 손목, 손가락 등 관절에도 적용이 용이하다.

한편, 도면에는 도시되지 않았지만, 손 착용형 장치(200)는 칩(chip)을 더 포함할 수 있다. 칩은 신축성 시트(110)의 내부에서 손목에 대응하는 위치에 삽입될 수 있다. 이와 같은 칩은 인서트 프린트 방식에 의해 삽입될 수 있다. 이와 같은 칩은 FPCB(Flexible Printed Circuit Board), 모터 드라이버, 마이크로컨트롤 유닛, 무선통신유닛 등을 포함할 수 있다.

한편, 도면에는 도시되지 않았지만, 손 착용형 장치(200)는 손가락 착용부와 손목 착용부를 더 포함할 수 있다. 손가락 착용부 및 손목 착용부는 신축성 시트(110)와 별도로 제작된 후 부착될 수도 있고, 또는 신축성 시트(110)와 일체로 형성될 수도 있다.

도 5는 도 1의 소프트 센서의 제작 방법을 나타내는 도면이다. 도 5a를 참조하면, 베이스 기재(101) 위에 제1 신축성 소재를 도포한다. 제1 신축성 소재를 도포한 후, 소정의 시간이 경과하면 제1 신축성 소재가 굳어져서 제1 신축성 층(111)이 형성된다. 여기서, 도 5a에서는 제1 신축성 층(111)의 단면이 사각형 형상으로 이루어진 것으로 예를 들어 설명하나, 이에 한정되지 않고 다양한 크기와 형상으로 형성될 수 있다.

여기서, 베이스 기재(101)로는 유리 웨이퍼를 사용할 수 있다.

제1 신축성 층(111)은 두께가 매우 얇고 신축성이 좋기 때문에, 다양한 형상 및 크기로 제작이 가능하고, 원하는 형상에 맞게 잘라서 사용이 가능하다.

다음으로, 도 5b를 참조하면, 제1 신축성 층(111) 위에 노즐(103)을 이용하여 전도성 액체 금속을 프린팅한다.

노즐(103)에는 전도성 액체 금속인 EGaIn이 수용될 수 있다. 노즐(103)은 CNC 설비에 결합되고, 3축 방향으로 이동가능하도록 제어될 수 있다. CNC 설비는, 3D 프린터기일 수 있으며, 나아가 3축 제어기, 주사 제어기, 현미경 등을 포함할 수 있다.

노즐(103)은 3축 제어기의 제어에 의해 미리 설정된 경로로 이동하면서 전도성 액체 금속을 프린팅할 수 있다. 3축 방향의 경로는 채널 패턴에 따라 각각 설정될 수 있다.

여기서, 채널 패턴은, 사용자가 CAD를 이용하여 원하는 마이크로 채널의 패턴으로 설계할 수 있다. 채널 패턴을 CAD를 이용하여 설계하기 때문에, 다양한 형상, 크기 및 개수로 설계가 용이하고, 수정도 용이하다. 채널 패턴의 형상, 크기 및 개수는 소프트 센서의 용도, 크기 등에 따라 설정될 수 있다.

채널 패턴을 설계한 후, CAM을 이용하여 G코드를 생성하고, 시뮬레이터를 이용하여 G코드를 수정한 후, 3축 제어기에 전달될 수 있다. 따라서, 채널 패턴은 CAD/CAM을 이용하여 설계 및 수정이 용이한 이점이 있다. 또한, 채널 패턴을 형성하기 위한 별도의 몰드를 제작할 필요가 없는 이점이 있다.

노즐(103)로 전도성 액체 금속을 프린팅 시, 공정 변수의 조절을 통해 센서부(120)의 형상, 크기 및 특성을 조절할 수 있다. 여기서 공정 변수는, 노즐(103)의 내경, 노즐(103)의 주사 압력, 노즐(103)과 제1 신축성 층(111) 사이의 거리, 노즐(103)의 이송 속도를 포함할 수 있다. 이러한 공정 변수들을 적절히 조합하여, 원하는 센서부의 형상, 크기 및 소프트 센서의 특성을 조절할 수 있다. 상기 공정 변수들은, 사용자가 직접 설정하거나, 미리 설정된 프로그램에 의해 최적의 조건으로 설정되는 것도 가능하다.

노즐(103)의 내경이 작을수록 센서부(120)의 단면의 폭과 높이가 작아질 수 있다. 그리고 센서부(120)의 단면의 폭과 높이에 따라 소프트 센서의 성능이 변화될 수 있다. 폭과 높이가 작을수록 소프트 센서의 민감도는 증가한다.

한편, 노즐(103)은 CNC 설비에 착탈가능하도록 결합되어, 교체 가능할 수 있다. 또한, 상기 노즐(103)의 바늘만 교체하는 것도 물론 가능하다.

노즐(103)에서 상기 전도성 액체 금속을 주사하는 압력이 높을수록 센서부(120)의 단면의 폭과 높이가 커진다. 노즐(103)의 압력은 노즐 제어기에 의해 제어된다.

노즐(103)과 제1 신축성 층(111) 사이의 거리가 가까울수록 노즐(103)의 바늘의 단부에 맺힌 전도성 액체 금속의 방울(droplet)이 제1 신축성 층(111)에 접하는 면적이 달라진다. 즉, 노즐(103)과 제1 신축성 층(111) 사이의 거리가 가까울수록 상기 방울 크기가 커지므로, 센서부(120)의 단면의 폭이 커진다. 노즐(103)과 제1 신축성 층(111) 사이의 거리는 3축 제어기가 노즐(103)의 높이를 조절하여 제어할 수 있다.

노즐(103)의 이송 속도가 빠를수록 센서부(120)의 단면의 높이가 작아진다. 노즐(103)의 이송 속도는 3축 제어기에 의해 제어된다.

다음으로, 도 5c를 참조하면, 센서부(120)의 일 단부 상에 연결부(130)를 형성한다. 연결부(130)는 신축성 시트(110)의 내부 또는 그 일 측에 구비되어, 센서부(120) 및 전선부(140)를 연결하는 역할을 수행할 수 있다. 이와 같은 연결부(130)는, 3D 프린터 등을 이용하여 센서부(120) 위에 전도성 페이스트를 프린팅하여 형성될 수 있다. 또는, 전선부(140)를 센서부(120)에 직접 삽입하거나, 액체 금속을 프린팅하거나, 또는 전도성 페이스트 이외의 전도성 물질을 도포하는 등의 다양한 방법으로 연결부를 형성할 수도 있을 것이다.

다음으로, 도 5d를 참조하면, 센서부(120)가 형성된 제1 신축성 층(111) 위에 제2 신축성 소재를 도포하여 제2 신축성 층(112)을 형성한다.

제2 신축성 층(112)이 굳으면, 레이저 커팅을 이용해 원하는 형상으로 재단한다. 도 5e에서는 신축성 시트(110)의 형상을 단순화하여 나타내었으나, 도 3에 도시된 센서부(120)를 포함하는 신축성 시트(110)를 형성한 후, 레이저 커팅을 이용해 손이나 장갑 형상으로 재단할 수 있다.

마지막으로, 베이스 기재(101)로부터 이를 떼어내어 소프트 센서 및 이를 구비하는 손 착용형 장치를 완성할 수 있다.

이와 같은 방법으로 제작된 소프트 센서는, 제1 신축성 층(111)과 제2 신축성 층(112) 사이에서 센서부(120)가 액체 상태를 유지하기 때문에 센서부(120)의 신축성이 유지될 수 있다.

또한, 소프트 센서는 몰드를 이용하여 제작하는 경우에 비해 두께를 얇게 제작할 수 있으며, CAD/CAM을 이용하여 채널 패턴을 용이하게 설계하고 변경할 수 있다.

도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 소프트 센서에서, 다중 실리콘 소재의 배합을 이용하여 소프트 센서의 기계적 성질을 제어하는 방법을 나타내는 개념도이다.

도 6을 참조하면, 두 개 이상의 서로 다른 물리적/기계적/화학적/유동학적 성질을 가지는 신축성 소재(예를 들어 실리콘 소재)를 배합하여 신축성 시트(도 1의 110 참조)를 제작할 수도 있다.

즉, 상용 실리콘 소재는 그 물리적/기계적/화학적/유동학적 성질이 정해져 있다, 예를 들어, 특정 실리콘 소재는 정해진 경도(hardness)와 강성(stiffness)과 같은 기계적 성질을 갖는다. 또한, 앞서 설명한 바와 같이, 실리콘 소재의 기계적 성질은 제작되는 소프트 센서의 성능에 영향을 준다.

본 발명의 소프트 센서에서 센서부(도 1의 120 참조)는 전도성 액체 금속이 액체 상태를 유지하고 있기 때문에, 높이 방향으로 길어질 수 없다. 또한, 내압이 없으므로 외부에서 압력이 가해지면 잘 부숴지는 위험이 있다. 따라서 신축성 시트(도 1의 110 참조)는 정확히 요구되는 경도를 가져야 하나, 상용 실리콘 소재로는 필요한 경도를 구현하기가 어렵다는 문제점이 존재하였다.

이와 같은 문제점을 해결하기 위하여, 소프트 센서(도 1의 100 참조)는 두 개 이상의 서로 다른 물리적/기계적/화학적/유동학적 성질을 가지는 신축성 소재(예를 들어 실리콘 소재)를 배합하여 신축성 시트(도 1의 110 참조)를 제작할 수 있다.

즉, 상대적으로 낮은 제1 경도를 가진 제1 실리콘 소재와, 상대적으로 높은 제2 경도를 가진 제2 실리콘 소재를 적정 비율로 혼합하여, 원하는 경도를 가지는 실리콘 소재를 만든 후, 이를 이용하여 신축성 시트(도 1의 110 참조)를 제작하는 것이다. 이와 같이, 신축성 시트의 기계적 성질을 조절하기 위해 상용의 실리콘 소재를 일정 비율로 배합하여 사용함으로써, 원하는 기계적 성질을 구현하는 효과를 얻을 수 있다.

이하에서는 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 손 착용형 장치에 대해서 설명한다. 여기서, 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 손 착용형 장치(400)는 앞서 기술한 본 발명의 일 실시예에 따른 손 착용형 장치(도 3의 200 참조)에 비해 검지의 일 측에 제3 내/외전 측정 센서(480)가 추가로 구비된다는 점이 특징적으로 달라지는 바, 이하에서는 이와 같은 제3 내/외전 측정 센서(480)의 구성을 중심으로 설명하도록 한다.

도 7은 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 손 착용형 장치를 나타내는 평면도이고, 도 8은 도 7의 손 착용형 장치를 손에 착용한 모습을 나타내는 사시도이다.

도 7 및 도 8을 참조하면, 손 착용형 장치(400)는 엄지 센싱부(410), 검지 센싱부(420), 중지 센싱부(430)를 포함한다. 한편, 도면에는 도시되지 않았지만 손 착용형 장치(400)는 약지 센싱부 및 계지 센싱부를 더 포함할 수 있다.

또한, 손 착용형 장치(400)는 엄지 센싱부(410)와 검지 센싱부(420) 사이에 형성되는 제1 내/외전 측정 센서(460)와, 검지 센싱부(420)와 중지 센싱부(430) 사이에 형성되는 제2 내/외전 측정 센서(470)를 포함한다. 또한, 손 착용형 장치(400)는 검지 센싱부(420)의 일 측면에 형성되어 검지의 내/외전을 측정하는 제3 내/외전 측정 센서(480)를 포함한다.

한편, 도면에는 도시되지 않았지만 손 착용형 장치(400)는 중지 센싱부(430)와 약지 센싱부(미도시) 사이에 형성되는 제4 내/외전 측정 센서(미도시)와, 약지 센싱부(미도시)와 계지 센싱부(미도시) 사이에 형성되는 제5 내/외전 측정 센서(미도시)를 더 포함할 수 있다.

엄지 센싱부(410)는 제1 엄지부 센서(411), 제2 엄지부 센서(412), 제3 엄지부 센서(413)를 포함할 수 있다. 제1 엄지부 센서(411)는 엄지 손가락의 말절골(distal phalanx)과 기절골(proximal phalanx) 사이의 굽힘 및 신전을 측정할 수 있다. 제2 엄지부 센서(412)는 엄지 손가락의 기절골(proximal phalanx)과 중수골(metacapals) 사이의 굽힘 및 신전을 측정할 수 있다. 제3 엄지부 센서(413)는 엄지 손가락의 중수골(metacapals)과 수근골(carpals) 사이의 굽힘 및 신전을 측정할 수 있다.

검지 센싱부(420)는 제1 검지부 센서(421), 제2 검지부 센서(422)를 포함할 수 있다. 제1 검지부 센서(421)는 검지 손가락의 중절골(middle phalanx)과 기절골(proximal phalanx) 사이의 굽힘 및 신전을 측정할 수 있다. 제2 검지부 센서(422)는 검지 손가락의 기절골(proximal phalanx)과 중수골(metacapals) 사이의 굽힘 및 신전을 측정할 수 있다.

중지 센싱부(430)는 제1 중지부 센서(431), 제2 중지부 센서(432)를 포함할 수 있다. 제1 중지부 센서(431)는 중지 손가락의 중절골(middle phalanx)과 기절골(proximal phalanx) 사이의 굽힘 및 신전을 측정할 수 있다. 제2 중지부 센서(432)는 중지 손가락의 기절골(proximal phalanx)과 중수골(metacapals) 사이의 굽힘 및 신전을 측정할 수 있다.

제1 내/외전 측정 센서(460)는 엄지 센싱부(410)와 검지 센싱부(420) 사이에 형성되어 엄지의 내전 및 외전을 측정할 수 있다.

제2 내/외전 측정 센서(470)는 검지 센싱부(420)와 중지 센싱부(430) 사이에 형성되어 중지의 내전 및 외전을 측정할 수 있다.

제3 내/외전 측정 센서(480)는 검지 센싱부(420)의 일 측에 형성되어 검지의 내전 및 외전을 측정할 수 있다.

여기서, 본 발명의 일 실시예에 따른 손 착용형 장치(400)는, 내/외전 측정 센서 신호를 굽힘/신전 측정 센서 신호와 분리하기 위하여, 검지의 일 측에 제3 내/외전 측정 센서(480)가 추가로 구비된다. 즉, 도 3에 도시된 실시예의 경우, 검지와 중지의 내/외전을 독립적으로 측정할 수 없기 때문에, 본 실시예에서는 검지의 일 측에 제3 내/외전 측정 센서(480)를 추가로 구비하여, 검지 및 중지의 내/외전을 독립적으로 측정할 수 있도록 하였다.

본 발명에서 설명하는 특정 실행들은 일 실시 예들로서, 어떠한 방법으로도 본 발명의 범위를 한정하는 것은 아니다. 명세서의 간결함을 위하여, 종래 전자적인 구성들, 제어 시스템들, 소프트웨어, 상기 시스템들의 다른 기능적인 측면들의 기재는 생략될 수 있다. 또한, 도면에 도시된 구성 요소들 간의 선들의 연결 또는 연결 부재들은 기능적인 연결 및/또는 물리적 또는 회로적 연결들을 예시적으로 나타낸 것으로서, 실제 장치에서는 대체 가능하거나 추가의 다양한 기능적인 연결, 물리적인 연결, 또는 회로 연결들로서 나타내어질 수 있다. 또한, "필수적인", "중요하게" 등과 같이 구체적인 언급이 없다면 본 발명의 적용을 위하여 반드시 필요한 구성 요소가 아닐 수 있다.

본 발명의 명세서(특히 특허청구범위에서)에서 "상기"의 용어 및 이와 유사한 지시 용어의 사용은 단수 및 복수 모두에 해당하는 것일 수 있다. 또한, 본 발명에서 범위(range)를 기재한 경우 상기 범위에 속하는 개별적인 값을 적용한 발명을 포함하는 것으로서(이에 반하는 기재가 없다면), 발명의 상세한 설명에 상기 범위를 구성하는 각 개별적인 값을 기재한 것과 같다. 마지막으로, 본 발명에 따른 방법을 구성하는 단계들에 대하여 명백하게 순서를 기재하거나 반하는 기재가 없다면, 상기 단계들은 적당한 순서로 행해질 수 있다. 반드시 상기 단계들의 기재 순서에 따라 본 발명이 한정되는 것은 아니다. 본 발명에서 모든 예들 또는 예시적인 용어(예들 들어, 등등)의 사용은 단순히 본 발명을 상세히 설명하기 위한 것으로서 특허청구범위에 의해 한정되지 않는 이상 상기 예들 또는 예시적인 용어로 인해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다. 또한, 당업자는 다양한 수정, 조합 및 변경이 부가된 특허청구범위 또는 그 균등물의 범주 내에서 설계 조건 및 팩터에 따라 구성될 수 있음을 알 수 있다.

이상 설명된 본 발명에 따른 실시예는 컴퓨터 상에서 다양한 구성요소를 통하여 실행될 수 있는 컴퓨터 프로그램의 형태로 구현될 수 있으며, 이와 같은 컴퓨터 프로그램은 컴퓨터로 판독 가능한 매체에 기록될 수 있다. 이때, 매체는 컴퓨터로 실행 가능한 프로그램을 계속 저장하거나, 실행 또는 다운로드를 위해 저장하는 것일 수도 있다. 또한, 매체는 단일 또는 수개 하드웨어가 결합된 형태의 다양한 기록수단 또는 저장수단일 수 있는데, 어떤 컴퓨터 시스템에 직접 접속되는 매체에 한정되지 않고, 네트워크 상에 분산 존재하는 것일 수도 있다. 매체의 예시로는, 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기 매체, CD-ROM 및 DVD와 같은 광기록 매체, 플롭티컬 디스크(floptical disk)와 같은 자기-광 매체(magneto-optical medium), 및 ROM, RAM, 플래시 메모리 등을 포함하여 프로그램 명령어가 저장되도록 구성된 것이 있을 수 있다. 또한, 다른 매체의 예시로, 애플리케이션을 유통하는 앱 스토어나 기타 다양한 소프트웨어를 공급 내지 유통하는 사이트, 서버 등에서 관리하는 기록매체 내지 저장매체도 들 수 있다.

이상에서 본 발명이 구체적인 구성요소 등과 같은 특정 사항과 한정된 실시예 및 도면에 의하여 설명되었으나, 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위하여 제공된 것일 뿐, 본 발명이 상기 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상적인 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정과 변경을 꾀할 수 있다.

따라서, 본 발명의 사상은 상기 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 이 특허청구범위와 균등한 또는 이로부터 등가적으로 변경된 모든 범위는 본 발명의 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.

100: 소프트 센서
110: 신축성 시트
120: 센서부
130: 연결부
140: 전선부

Claims

제1 신축성 층;
상기 제1 신축성 층의 상측에, 공정 갈륨-인듐 합금(Eutectic Gallium-Indium Alloy, EGaIn)을 포함하는 전도성 액체 금속이 3D 프린팅되어 형성되는 센서부;
상기 제1 신축성 층 및 상기 센서부의 상측에, 상기 제1 신축성 층 및 상기 센서부를 덮도록 형성된 제2 신축성 층;을 포함하고,
상기 전도성 액체 금속은 상온에서 액체 상태를 유지하며 전도성을 가지며,
상기 제1 신축성 층 또는 상기 제2 신축성 층은 제1 경도를 가진 제1 신축성 소재와 제2 경도를 가진 제2 신축성 소재를 혼합하여 형성되며,
상기 제2 신축성 층은 상기 센서부보다 작은 표면장력을 갖고,
상기 제2 신축성 층이 형성된 이후에도 상기 제1 신축성 층과 상기 제2 신축성 층 사이에서 상기 센서부가 액체 상태를 유지하고,
상기 센서부의 형상, 크기 및 성능은,
노즐의 내경, 상기 노즐의 주사 압력, 상기 노즐과 상기 제1 신축성 층의 상면 사이의 거리 및 상기 노즐의 이송 속도의 조합에 의해 조절되는 것을 특징으로 하는 소프트 센서.
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제 1 항에 있어서,
상기 센서부의 적어도 일 단부에 형성되는 연결부를 더 포함하는 소프트 센서.
제 4 항에 있어서,
상기 소프트 센서는, 외부와 전기적으로 연결되는 전선부를 더 포함하고,
상기 연결부는 상기 센서부와 상기 전선부를 연결하는 것을 특징으로 하는 소프트 센서.
삭제
제 1 항, 제 4 항 및 제 5 항 중 어느 한 항의 소프트 센서를 적어도 하나 구비하고,
손 모양의 적어도 일부와 대응되는 형상으로 형성되며,
상기 하나 이상의 소프트 센서는 손의 관절들 중 적어도 일부와 대응되는 위치에 형성되는 손 착용형 장치.
제 7 항에 있어서,
상기 소프트 센서 중 하나 이상은,
손가락의 관절 부위에 형성되어, 해당 손가락의 굽힘 및 신전을 측정하는 센서인 것을 특징으로 하는 손 착용형 장치.
제 7 항에 있어서,
상기 소프트 센서 중 하나 이상은,
서로 이웃한 손가락 사이에 형성되어, 양 손가락 중 적어도 일부의 내전 및 외전을 측정하는 내/외전 측정 센서인 것을 특징으로 하는 손 착용형 장치.
제 7 항에 있어서,
상기 손 착용형 장치는,
상기 신축성 시트 중에서 상기 소프트 센서들이 형성된 부분을 제외한 나머지 부분들을 착용부위에 맞는 형상으로 잘라서 형성되는 것을 특징으로 하는 손 착용형 장치.
베이스 기재 상에 제1 신축성 소재를 도포하여 제1 신축성 층을 형성하는 단계;
상기 제1 신축성 층 상에 공정 갈륨-인듐 합금(Eutectic Gallium-Indium Alloy, EGaIn)을 포함하는 전도성 액체 금속을 기 설정된 패턴으로 3D 프린팅하여 센서부를 형성하는 단계; 및
상기 전도성 액체 금속이 3D 프린팅 된 상기 제1 신축성 층 상에, 상기 제1 신축성 층 및 상기 센서부를 덮도록, 상기 센서부 보다 표면 장력이 작은 제2 신축성 소재를 도포하여 제2 신축성 층을 형성하는 단계;를 포함하고,
상기 전도성 액체 금속은 상온에서 액체 상태를 유지하며 전도성을 가지며,
상기 제2 신축성 층이 형성된 이후에도 상기 제1 신축성 층과 상기 제2 신축성 층 사이에서 상기 센서부가 액체 상태를 유지하고,
상기 센서부의 형상, 크기 및 성능은,
노즐의 내경, 상기 노즐의 주사 압력, 상기 노즐과 상기 제1 신축성 층의 상면 사이의 거리, 상기 노즐의 이송 속도의 조합에 의해 조절되는 것을 특징으로 하는 소프트 센서의 제조 방법.
제 11 항에 있어서,
상기 센서부를 형성하는 단계는,
3축 방향으로 이동 가능한 상기 노즐에 의해 3D 프린팅이 수행되는 것을 특징으로 하는 소프트 센서의 제조 방법.
삭제
제 11 항에 있어서,
상기 센서부를 형성하는 단계 이후,
상기 센서부의 적어도 일 단부에 전도성 페이스트를 프린팅하여 연결부를 형성하는 단계를 더 포함하는, 소프트 센서의 제조방법.
제 11 항, 제 12 항 및 제 14 항 중 어느 한 항의 소프트 센서의 제조 방법; 및
상기 제1 신축성 층 및 제2 신축성 층 중에서 상기 센서부들이 형성된 부분을 제외한 나머지 부분들을 착용부위에 맞는 형상으로 자르는 단계;를 포함하는 손 착용형 장치의 제조 방법.
제 15 항에 있어서,
상기 센서부는 손가락의 관절들 중 적어도 일부와 대응되는 위치에 하나 이상 형성되는 것을 특징으로 하는 손 착용형 장치의 제조 방법.