KR102149829B1 - strain sensor using multi porous PDMS-CNT structure - Google Patents
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Abstract
본 발명에 따른 다공성 구조체를 이용한 스트레인 센서 및 이의 제조 방법은 오일 상(Oil phase)의 제1 매질을 준비하는 단계; 액 상(Aqueous phase)의 제2 매질을 준비하는 단계; 상기 제1,2 매질을 혼합한 상태에서 초음파 처리를 실시하는 단계; 및 초음파 처리 단계 이후에, 교질 입자(Micelle)의 형태로 결과물이 상존하는 단계;를 포함한다.A strain sensor using a porous structure and a method for manufacturing the same according to the present invention include: preparing a first medium in an oil phase; Preparing a second medium in the liquid phase (Aqueous phase); Performing ultrasonic treatment while mixing the first and second media; And after the ultrasonic treatment step, the resultant remains in the form of colloidal particles (Micelle).
Description
본 발명은 다공성 PDMS-CNT 구조체를 이용하여 신뢰성과 민감도를 향상시키는 스트레인 센서에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 다공성 PDMS-CNT 구조체를 이용하여 압력에는 저항이 변하지 않고 스트레인에만 저항이 변하는 민감도가 높은 스트레인 센서 기술에 관한 것이다.The present invention relates to a strain sensor that improves reliability and sensitivity using a porous PDMS-CNT structure, and more particularly, a strain with high sensitivity in which resistance does not change to pressure and only strain using a porous PDMS-CNT structure. It relates to sensor technology.
최근에 로봇용 센서 중에서 가장 많은 관심을 받고 있는 센서는 촉각 센서이다. 촉각 센서는 향후 서비스용 로봇 뿐만 아니라 산업용 로봇 시장에서도 새로운 혁신을 몰고 올 분야로 인식되고 있다. 이는 인간 수준 이상으로 로봇이 물체를 인지하고 느끼며 옮길 수 있는 기술을 구현함으로써 편의성과 효율성을 더욱 개선한다는 목표를 담고 있다.Among the sensors for robots recently, the sensor that is receiving the most attention is the tactile sensor. The tactile sensor is recognized as a field that will drive new innovation in the industrial robot market as well as service robots in the future. This aims to further improve convenience and efficiency by implementing technology that enables robots to recognize, feel, and move objects beyond the human level.
한편, 촉각 센서는 상술한 바와 같은 로봇용 인공 피부 센서 분야 뿐만 아니라 의료용 수술 도구, 웨어러블 전자 소재 및 플렉서블 터치 스크린 분야에도 비중 있게 적용이 되고 있는 상태이다.On the other hand, the tactile sensor is heavily applied not only to the field of artificial skin sensors for robots as described above, but also to medical surgical tools, wearable electronic materials, and flexible touch screens.
촉각 센서는 힘 또는 압력센서의 특별한 경우이고, 센서와 물체 사이의 접촉 파라미터(parameter), 즉 접촉에 의해 영향받는 국부적인 힘이나 압력을 측정하는 센서이다. 힘 또는 토크센서가 물체에 가해진 총력(總力)을 측정하는 것에 비해서, 촉각 센서는 작은 영역에 국한된다. A tactile sensor is a special case of a force or pressure sensor, and is a sensor that measures a contact parameter between a sensor and an object, that is, a local force or pressure that is affected by the contact. Whereas force or torque sensors measure the total force applied to an object, tactile sensors are confined to a small area.
촉각 센서는 실용화를 위한 고려사항으로서 저비용, 제작 용이성, 내구성 및 우수한 성능 등을 요한다. 최근에는 반도체 기술과 마이크로머시닝 기술을 이용한 촉각센서의 연구 개발이 활발히 진행되고 있으며, 마이크로 촉각센서는 어레이가 용이하고, 전자회로를 센싱 엘레멘트와 함께 집적화할 수 있는 장점을 갖는다. The tactile sensor is a consideration for practical use and requires low cost, ease of manufacture, durability, and excellent performance. Recently, research and development of tactile sensors using semiconductor technology and micromachining technology have been actively conducted, and micro tactile sensors have the advantage of being able to easily array and integrate electronic circuits with sensing elements.
마이크로 촉각 센싱 방법들은 정전용량 방식, 압 저항 방식, 압전 방식 등을 포함한다.Micro tactile sensing methods include a capacitive method, a piezoresistive method, and a piezoelectric method.
한편, 기존의 촉각 센서들 중 압력 센서의 경우는 불균일한 센서 특성, 한정된 압력 측정 범위, 낮은 민감도 및 높은 이력 현상을 갖는다는 문제점이 있다.Meanwhile, among the conventional tactile sensors, the pressure sensor has a problem in that it has non-uniform sensor characteristics, a limited pressure measurement range, low sensitivity, and high hysteresis.
스트레인 센서의 경우는 압력과 스트레인에 동시 반응한다는 점, 3D 코팅이 불가능하다는 점 및 대량 생산이 어렵다는 문제점이 있다.In the case of the strain sensor, there are problems in that it responds to pressure and strain at the same time, that 3D coating is impossible, and that mass production is difficult.
탄소나노튜브 3차원 네트워크를 포함하는 고분자 복합체, 그 제조방법 및 이를 이용하여 제조된 스트레인 센서를 기술하는 종래의 문헌으로는 등록특허 제10-1087539호를 참조할 수 있는데, 상기 종래의 기술은 고분자 복합체 사이에 3차원 네트워크로 탄소나노튜브가 수평 및 수직방향으로 성장되어 있는 구조로 스트레인 센서를 구성하고 제작하는 방법을 개시하며, 고분자 복합체 합성과정에서 탄소나노튜브가 수평 및 수직방향으로 3차원 네트워크를 이루며 성장되므로 탄소나노튜브 사이에 분산제 등의 이물질이 존재하지 않아 전기적 연결이 우수하고 균일한 효과를 나타내며, 탄소나노튜브가 고분자 내부에 함침되어 있어, 외부 환경에 의한 오염 및 손상을 방지 가능하다.As a conventional document describing a polymer composite including a carbon nanotube three-dimensional network, a method of manufacturing the same, and a strain sensor manufactured using the same, refer to Patent No. 10-1087539, the conventional technology Disclosed is a method of constructing and manufacturing a strain sensor with a structure in which carbon nanotubes are grown in horizontal and vertical directions as a three-dimensional network between composites.In the process of synthesizing a polymer composite, carbon nanotubes are a three-dimensional network in horizontal and vertical directions. Because it is grown to form the carbon nanotubes, there are no foreign substances such as dispersants between the carbon nanotubes, so the electrical connection is excellent and shows a uniform effect, and the carbon nanotubes are impregnated inside the polymer, so it is possible to prevent contamination and damage by the external environment. .
한편, 유연성 기재에 탄소나노튜브 네트워크 필름이 도입된 양극성 변형 센서 및 이의 제조방법을 기술하는 종래의 문헌으로는 등록특허 제10-1527863호를 참조할 수 있는데, 양극성 변형 센서는 금속성 탄소나노튜브와 반도체성 탄소나노튜브가 무작위하게 배열 및 연결되어 유연성 기재의 일면에 도입됨으로써 변형의 크기를 전기적으로 감지하여 측정할 수 있는 효과 있으며, 단순히 변형정도에 따른 일차원적 변형 센서가 아닌 변형의 방향성까지 측정가능한 이차원적 양극성 변형 센서로의 기능할 수 있는 구성을 가진다는 내용을 개시한다.On the other hand, as a conventional document describing a bipolar strain sensor in which a carbon nanotube network film is introduced into a flexible substrate and a method for manufacturing the same, reference may be made to Patent No. 10-1527863. The bipolar strain sensor includes metallic carbon nanotubes and As semiconducting carbon nanotubes are randomly arranged and connected and introduced on one side of a flexible substrate, the size of deformation can be electrically detected and measured.It is not simply a one-dimensional deformation sensor according to the degree of deformation, but also the direction of deformation. It discloses that it has a configuration that can function as a possible two-dimensional bipolar strain sensor.
본 발명은 상기 종래의 문제점을 해소하고자 하는 것으로서, 에멀전 공정을 이용하여 다공성 PDMS에 CNT가 존재하는 구조체를 제작함으로써 상기 구조체의 표면 상에 압력이 가해졌을 때는 기공을 닫히게 하여 압력에 따른 저항 변화를 최소화하는 반면에 길이 방향을 따라 스트레인이 가해졌을 때에만 저항을 변화하게 하는 스트레인 센서 및 이의 제조 방법을 제공하는 것이 목적이다.The present invention is to solve the above conventional problems, by making a structure in which CNTs are present in a porous PDMS using an emulsion process, the pores are closed when pressure is applied on the surface of the structure, thereby reducing resistance change according to pressure. While minimizing, it is an object to provide a strain sensor and a method of manufacturing the same that changes the resistance only when strain is applied along the longitudinal direction.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 다공성 구조체를 이용한 스트레인 센서 및 이의 제조 방법은 오일 상(Oil phase)의 제1 매질을 준비하는 단계; 액 상(Aqueous phase)의 제2 매질을 준비하는 단계; 상기 제1,2 매질을 혼합한 상태에서 초음파 처리를 실시하는 단계; 및 초음파 처리 단계 이후에, 교질 입자(Micelle)의 형태로 결과물이 존재하는 단계;를 포함한다.A strain sensor using a porous structure and a method of manufacturing the same according to the present invention for achieving the above object comprises: preparing a first medium of an oil phase; Preparing a second medium in the liquid phase (Aqueous phase); Performing ultrasonic treatment while mixing the first and second media; And after the ultrasonic treatment step, the resultant product is present in the form of a colloidal particle (Micelle).
상기 제1 매질은 PDMS(폴리디메틸실록산(polydimethyl siloxane+Hexadecane)이다.The first medium is PDMS (polydimethyl siloxane + Hexadecane).
상기 제2 매질은 MWCNT(Multi Wall Carbon Nano Tube)+water+SDBS(SODIUM DODECYLBENZENE SULFONATE)이다.The second medium is MWCNT (Multi Wall Carbon Nano Tube) + water + SDBS (SODIUM DODECYLBENZENE SULFONATE).
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 방법에 따라 제조된 스트레인 센서를 제공한다.It provides a strain sensor manufactured according to a method for achieving the above object.
상술한 바와 같은 본 발명에 따르면, 다공성 PDMS-CNT 구조체를 이용한 스트레인 센서는 에멀전 공정을 이용하여 다공성 PDMS에 CNT가 존재하는 구조체를 제작하여 압력이 가해졌을 때는 기공을 닫히게 하여 압력에 따른 저항 변화를 최소화함으로써 스트레인이 가해졌을 때에만 저항을 변화하게 한다.According to the present invention as described above, the strain sensor using the porous PDMS-CNT structure uses an emulsion process to fabricate a structure in which CNTs are present in the porous PDMS, and when pressure is applied, the pores are closed, thereby reducing resistance change according to pressure. By minimizing, the resistance changes only when strain is applied.
이를 통해, 압력과 스트레인을 구분하여 감지함으로써 신뢰성과 민감도를 향상시킨 스트레인 센서의 제작을 가능하게 한다.Through this, it is possible to manufacture a strain sensor with improved reliability and sensitivity by detecting pressure and strain separately.
도 1 및 도 2는 에멀전 공정을 이용하여 마이크로 다공성 페이스트 형상의 스트레인 센서를 생산하는 과정을 보인다.
도 3은 본 발명을 통해 제조된 스트레인 센서를 보인다.
도 4는 다공성 스트레인 센서 상에 인장 응력을 0% 에서 100%로 가하는 과정에서의 변화 정도를 보인다.
도 5는 다공성 스트레인 센서 상에 압축 응력을 0% 에서 50%로 가하는 과정에서의 변화 정도를 보인다.
도 6은 도 4 및 도 5에서 다공성 스트레인 센서 상에 인장 응력 및 압축 응력을 가하는 경우에 스트레인 및 저항 변형율 간의 관계를 보인다.
도 7은 사이클을 진행하는 과정에서 스트레인에 따른 시간 및 저항 변형율 간의 관계를 보인다.1 and 2 show a process of producing a strain sensor in the form of a microporous paste using an emulsion process.
3 shows a strain sensor manufactured through the present invention.
4 shows the degree of change in the process of applying a tensile stress from 0% to 100% on the porous strain sensor.
5 shows the degree of change in the process of applying a compressive stress from 0% to 50% on the porous strain sensor.
6 shows a relationship between strain and resistance strain when tensile stress and compressive stress are applied on the porous strain sensor in FIGS. 4 and 5.
7 shows the relationship between time and resistance strain according to strain in the course of the cycle.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 더욱 상세히 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. 도면 상에서 동일 부호는 동일한 요소를 지칭한다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in more detail with reference to the accompanying drawings. However, the present invention is not limited to the embodiments disclosed below, but will be implemented in a variety of different forms. It is provided to be fully informed. In the drawings, the same reference numerals refer to the same elements.
이하, 도면을 이용하여 본 발명에 따라 다공성 PDMS-CNT 구조체를 이용한 스트레인 센서의 제조 과정을 상세히 설명한다. 본 발명은 에멀전 공정을 이용하여 마이크로 다공성 페이스트를 개발하는 것으로서, 대량 생산에 유리한 동시에 페이스트 형태로 바르거나 부착이 가능하다.Hereinafter, the manufacturing process of the strain sensor using the porous PDMS-CNT structure according to the present invention will be described in detail with reference to the drawings. The present invention is to develop a microporous paste using an emulsion process, which is advantageous for mass production and can be applied or attached in a paste form.
도 1 내지 도 2를 참조하여, 구체적인 제조 공정을 보면 다음과 같다.Referring to FIGS. 1 to 2, a specific manufacturing process is as follows.
먼저, 오일 상(Oil phase)의 제1 매질을 준비한다. 상기 제1 매질은 PDMS(폴리디메틸실록산(polydimethyl siloxane+Hexadecane)의 형태일 수 있다.First, an oil phase first medium is prepared. The first medium may be in the form of PDMS (polydimethyl siloxane + Hexadecane).
다음으로는 액 상(Aqueous phase)의 제2 매질을 준비한다. 상기 제2 매질은 MWCNT(Multi Wall Carbon Nano Tube)+water+SDBS(SODIUM DODECYLBENZENE SULFONATE)의 형태일 수 있다. Next, a second medium in the liquid phase is prepared. The second medium may be in the form of MWCNT (Multi Wall Carbon Nano Tube) + water + SDBS (SODIUM DODECYLBENZENE SULFONATE).
상기 제2 매질을 준비하는 단계에서는 MWCNT, water, SDBS를 섞은 후에 초음파(sonication) 처리를 통해 액상을 제작한다.In the step of preparing the second medium, after mixing MWCNT, water, and SDBS, a liquid phase is prepared through sonication.
상기 준비된 제1,2 매질을 혼합한 상태에서 초음파(sonication) 처리를 실시한다. Sonication treatment is performed in a state in which the prepared first and second media are mixed.
초음파 처리를 실시한 경우에는 단계적인 가열 및 수분 감소 등의 과정을 통해서 에멀전 공정을 이용하여 다공성 PDMS에 CNT가 존재하는 형태인, 교질 입자(Micelle)의 형태로 존재한다.In the case of ultrasonic treatment, CNTs exist in the porous PDMS in the form of Micelle by using an emulsion process through steps such as stepwise heating and moisture reduction.
도 4는 다공성 스트레인 센서 상에 인장 응력을 0% 에서 100%로 가하는 과정에서의 변화 정도를 보인다. 도 5는 다공성 스트레인 센서 상에 압축 응력을 0% 에서 50%로 가하는 과정에서의 변화 정도를 보인다.4 shows the degree of change in the process of applying a tensile stress from 0% to 100% on the porous strain sensor. 5 shows the degree of change in the process of applying a compressive stress from 0% to 50% on the porous strain sensor.
도 4 및 도 5에서 확인할 수 있는 바와 같이, 본 발명에 따른 다공성 스트레인 센서는 그 길이 방향을 따라 가해지는 인장 응력에는 민감하지만, 그 두께 방향을 따라 가해지는 압축 응력에는 둔감한 것을 알 수 있다.As can be seen in FIGS. 4 and 5, it can be seen that the porous strain sensor according to the present invention is sensitive to tensile stress applied along its length direction, but insensitive to compressive stress applied along its thickness direction.
구체적으로, 인장 응력(tensile strain)을 가했을 때는 기공이 닫히지 않고 crack이 발생하여 저항이 증가하게 된다.Specifically, when a tensile strain is applied, the pores are not closed and cracks are generated, thereby increasing the resistance.
한편, 압축 응력(compressive strain)을 가했을 때는 기공이 닫히는걸 확인할 수 있다.On the other hand, it can be seen that the pores are closed when compressive strain is applied.
도 6은 도 4 및 도 5에서 다공성 스트레인 센서 상에 인장 응력 및 압축 응력을 가하는 경우에 스트레인 및 저항 변형율 간의 관계를 보인다. 6 shows a relationship between strain and resistance strain when tensile stress and compressive stress are applied on the porous strain sensor in FIGS. 4 and 5.
물체에 외력이 작용하면 물체는 저항력이 생겨 변형한다. 그 변형의 정도를 스트레인이라고 한다. 즉 스트레인은 어느 물체가 인장 또는 압축을 받을 때 원래의 길이에 대하여 늘어나거나 줄어든 길이를 비율로 표시한 값을 일컫는다.When an external force acts on an object, the object develops resistance and deforms. The degree of deformation is called strain. In other words, strain refers to a value expressed as a ratio of the length that is increased or decreased with respect to the original length when an object is tensioned or compressed.
본 발명에서 사용되는 용어인 GF(gage factor)는 길이 변형율 대 저항 변형율을 나타내는 것으로서, 왜율계에서의 감도로서 게이지율로 정의되는 양 S를 말한다. GF (gage factor), which is a term used in the present invention, represents length strain versus resistance strain, and refers to an amount S defined as a gauge factor as a sensitivity in a distortion meter.
GF= (ΔR/R)/(Δl/l) = (ΔR/R)/σGF= (ΔR/R)/(Δl/l) = (ΔR/R)/σ
R은 게이지 선의 저항, l은 그 길이이며, 스트레스에 의한 그들의 변화가 각각 ΔR, Δl이다. σ는 일그러짐이다.R is the resistance of the gauge line, l is the length, and their changes due to stress are ΔR and Δl, respectively. σ is the distortion.
도 6에서 확인할 수 있는 바와 같이, 가로축으로는 길이 변형율인 스트레인을 나타내고 세로축으로는 저항 변형율을 나타낸다.As can be seen in FIG. 6, the horizontal axis represents strain, which is the length strain, and the vertical axis represents the resistance strain.
다공성 스트레인 센서 상에 인장 응력을 가하는 경우에는 게이지율은 22를 나타내는데, 스트레인 증가에 따라 저항 변형율이 증가하는 것을 알 수 있다.When tensile stress is applied on the porous strain sensor, the gauge factor is 22, and it can be seen that the resistance strain increases as the strain increases.
한편, 다공성 스트레인 센서 상에 압축 응력을 가하는 경우에는 게이지율은 0.07 나타내는데, 스트레인 증가에 따라 저항 변형율의 증가가 아주 미미한 것을 알 수 있다.On the other hand, when compressive stress is applied on the porous strain sensor, the gauge rate is 0.07, and it can be seen that the increase in the resistance strain is very slight as the strain increases.
도 7은 사이클을 진행하는 과정에서 스트레인에 따른 시간 및 저항 변형율 간의 관계를 보인다.7 shows the relationship between time and resistance strain according to strain in the course of the cycle.
도 7에서 확인할 수 있는 바와 같이, 가로축으로는 시간을 나타내고 세로축으로는 저항 변형율을 나타낸다.As can be seen in Fig. 7, the horizontal axis represents time and the vertical axis represents resistance strain.
상단의 그래프 상에서는 복수의 스트레인 값에 따른 저항 변형율의 등락을 보인다.The upper graph shows the fluctuations in resistance strain according to a plurality of strain values.
하단의 그래프 상에서는 특정 스트레인 값에서 사이클에 따른 저항 변형율의 등락을 보인다.The graph below shows the fluctuations in resistance strain with cycle at a specific strain value.
전체적으로는 시간이 점점 증가함에 따라 저항 변형율이 점진적으로 감소하는 것을 확인할 수 있다.Overall, it can be seen that the resistance strain gradually decreases as time increases.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.The above description is merely illustrative of the technical idea of the present invention, and those of ordinary skill in the art to which the present invention pertains will be able to make various modifications and variations without departing from the essential characteristics of the present invention. Accordingly, the embodiments disclosed in the present invention are not intended to limit the technical idea of the present invention, but to explain the technical idea, and the scope of the technical idea of the present invention is not limited by these embodiments. The scope of protection of the present invention should be interpreted by the following claims, and all technical ideas within the scope equivalent thereto should be interpreted as being included in the scope of the present invention.
Claims (4)
액 상(Aqueous phase)의 제2 매질을 준비하는 단계;
상기 제1,2 매질을 혼합한 상태에서 초음파 처리를 실시하는 단계; 및
초음파 처리 단계 이후에, 교질 입자(Micelle)의 형태로 결과물이 상존하는 단계;를 포함하고,
상기 교질 입자의 형태는 단계적인 가열 및 수분 감소 등의 과정을 통해서 에멀전 공정을 이용하여 다공성 PDMS에 CNT가 존재하는 형태이고,
상기 다공성 PDMS에 CNT가 존재하는 형태를 갖는 다공성 스트레인 센서는 길이 방향을 따라 가해지는 인장 응력에는 민감한 동시에 두께 방향을 따라 가해지는 압축 응력에는 둔감하고,
인장 응력을 가했을 때는 기공이 닫히지 않은 상태로 저항이 증가하고, 압축 응력을 가했을 때는 기공이 닫히게 되는,
다공성 구조체를 이용한 스트레인 센서를 제조하는 방법.
Preparing a first medium in an oil phase;
Preparing a second medium in the liquid phase (Aqueous phase);
Performing ultrasonic treatment while mixing the first and second media; And
Including; after the sonication step, the resultant remains in the form of colloidal particles (Micelle),
The form of the colloidal particles is a form in which CNTs exist in the porous PDMS using an emulsion process through processes such as stepwise heating and moisture reduction,
The porous strain sensor having a form in which CNTs are present in the porous PDMS is sensitive to tensile stress applied along the length direction and insensitive to compressive stress applied along the thickness direction,
When tensile stress is applied, the resistance increases without the pores being closed, and when compressive stress is applied, the pores are closed.
A method of manufacturing a strain sensor using a porous structure.
상기 제1 매질은 PDMS(폴리디메틸실록산(polydimethyl siloxane+Hexadecane)인,
다공성 구조체를 이용한 스트레인 센서를 제조하는 방법.
The method of claim 1,
The first medium is PDMS (polydimethyl siloxane + Hexadecane),
A method of manufacturing a strain sensor using a porous structure.
상기 제2 매질은 MWCNT(Multi Wall Carbon Nano Tube)+water+SDBS(SODIUM DODECYLBENZENE SULFONATE)인,
다공성 구조체를 이용한 스트레인 센서를 제조하는 방법.
The method of claim 1,
The second medium is MWCNT (Multi Wall Carbon Nano Tube) + water + SDBS (SODIUM DODECYLBENZENE SULFONATE),
A method of manufacturing a strain sensor using a porous structure.
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