KR102183137B1 - 촉각 센서 및 그 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 촉각 센서는, 완충층 및 상기 완충층 위에 형성된 센서층을 포함하되, 상기 센서층은, 상기 완충층 위에 형성되며 외력에 의해 변형되는 패드; 및 상기 완충층 위에 형성되며 상기 패드와 이격된 자기 센싱 소자;를 포함하며, 상기 자기 센싱 소자는 상기 패드의 변형에 의한 자기장 세기의 변화를 감지한다.

Description

촉각 센서 및 그 제조 방법 {TACTILE SENSOR AND METHOD FOR MANUFACTURING THE SAME}
본 발명은 촉각 센서 및 그 제조 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 자성체의 자기 변형(magnetostriction)을 이용하여 외력 혹은 외부 압력 변화를 측정하는 촉각 센서 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
접촉 등을 통한 주변 환경의 정보, 예컨대 접촉력, 진동, 표면의 거칠기, 열전도에 대한 온도 변화 등을 획득하는 촉각 기능은 중요한 차세대 정보 수집 매체로 인식되고 있다.
이러한 인식에 따라, 촉각 기능을 구현하기 위하여 다양한 센서가 개발되고 있는데, 이러한 센서는 저항의 변화, 정전용량 변화, 전압의 변화 등의 물리량을 이용하여, 압력 감지, 진동 감지, 전단력 감지, 미끄럼 감지, 온도 감지 등 다양한 감지 능력을 구현하고자 많은 연구가 진행되고 있다.
예를 들어, 자성체를 이용하는 자기 센서는 센서의 기판에 가해지는 진동이나 압력 변화를 감지면에 구비된 자석의 위치 변화에 따른 자기장 세기(또는 자속)의 변화로서 감지하는 센서로, 감지면의 미세한 떨림이나 하중도 정밀하게 감지가 가능하기 때문에 촉각 센서 분야에 다양하게 적용되고 있다.
촉각 센서는 사람의 피부나 인공피부에 적용될 수 있는데, 정확한 신호 감지를 위해 등각 접촉(conformal contact)이 필요하며, 유연하면서 얇을수록 센서와 접착부의 접촉력이 향상된다. 이에 따라, 센서를 소형화하면서 센서의 내구성과 민감도의 향상이 요구되고 있다.
그러나 기존의 촉각 센서 중 자기 센서의 경우, 외부의 자기장 세기의 변화를 감지하기 위해서는 영구자석 또는 자기장 발생장치가 필요하기 때문에 센서의 소형화에 한계가 있으며, 유연하고 얇은 센서로 제작하는데 어려움이 있다. 또한, 큰 외력이 가해지는 경우 센서에 직접적인 손상이 발생하여 센서 성능에 문제를 일으킬 수 있다.
본 발명의 일 측면은, 별도의 외부 자기장 발생 장치 또는 영구자석 없이, 외부의 압력에 의해 자기 변형이 발생하는 패드를 이용한 촉각 센서를 제공하고자 한다.
또한, 신호의 안정성과 민감도가 향상된 촉각 센서를 제공하고자 한다.
본 발명의 다른 측면은, 유연하고 얇은 형태이면서 내구성이 향상된 촉각 센서의 제조 방법을 제공하고자 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 촉각 센서는, 완충층 및 상기 완충층 위에 형성된 센서층을 포함하되, 상기 센서층은, 상기 완충층 위에 형성되며 외력에 의해 변형되는 패드; 및 상기 완충층 위에 형성되며 상기 패드와 이격된 자기 센싱 소자;를 포함하며, 상기 자기 센싱 소자는 상기 패드의 변형에 의한 자기장 세기의 변화를 감지한다.
상기 패드는 자성체로 이루어질 수 있다.
상기 패드는 상기 자기 센싱 소자에 인접한 끝단으로 갈수록 뾰족한 형태일 수 있다.
상기 완충층 및 상기 센서층은 각각 수 nm 내지 수십 μm 범위의 두께의 박막으로 이루어질 수 있다.
상기 완충층은 고분자 물질로 이루어질 수 있다.
한편, 상기 촉각 센서는 상기 센서층 위에 형성된 보호층을 더 포함할 수 있다.
상기 보호층은 상기 완충층과 동일한 물질로 이루어질 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 촉각 센서의 제조 방법은, 기판을 준비하는 단계; 상기 기판 상에 완충층을 형성하는 단계; 및 상기 완충층 상에 센서층을 형성하는 단계를 포함하고, 상기 센서층은, 자성체로 이루어지며 외력에 의해 변형이 발생되는 패드와, 상기 패드와 이격되어 자기장 세기의 변화를 감지하는 자기 센싱 소자를 포함한다.
상기 센서층을 형성하는 단계 이후에, 상기 센서층 위에 보호층을 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 완충층의 모듈러스(modulus) 및 열팽창 계수는 상기 기판의 모듈러스 및 열팽창 계수와 상기 센서층의 모듈러스 및 열팽창 계수 사이의 값을 가질 수 있다.
상기 기판은 탄성 중합체로 이루어질 수 있다.
상기 센서층을 형성하는 단계에서, 상기 완충층 위에 수 nm 내지 수십 μm 범위의 두께의 박막을 증착하여 상기 패드 및 상기 자기 센싱 소자를 형성할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 별도의 외부 자기장 발생 장치 또는 영구자석 없이도 자기장 세기 변화를 통한 외력이나 외부 압력 변화를 측정할 수 있으므로, 촉각 센서를 유연하고 얇게 구현할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 센서층의 크랙을 방지하는 완충층을 구비하고, 외력이 가해지는 패드와 센싱 소자를 분리 구성함으로써, 촉각 센서의 내구성, 신호 안정성 및 민감도를 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 촉각 센서를 도시한 사시도이다.
도 2는 도 1의 Ⅱ-Ⅱ 방향을 도시한 단면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 촉각 센서의 다른 형태를 도시한 단면도이다.
도 4 및 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 촉각 센서가 외력을 감지하는 원리를 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 촉각 센서를 통한 자기 집속 효과를 나타낸 그래프이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 촉각 센서를 통해 외력을 감지한 결과를 나타낸 그래프이다.
도 8 내지 도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 촉각 센서의 제조 방법을 도시한 도면이다.
도 11 및 도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 촉각 센서의 내구성을 설명하기 위한 사진이다.
도 13은 본 발명의 일 실시예에 따른 촉각 센서를 통한 효과를 나타낸 그래프이다.
도 14는 본 발명의 일 실시예에 따른 촉각 센서가 사람의 피부에 적용된 모습을 도시한 사진이다.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.
도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 붙였다.
또한, 도면에서 나타난 각 구성의 크기 및 두께는 설명의 편의를 위해 임의로 나타내었으므로, 본 발명이 반드시 도시된 바에 한정되지 않는다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 만 아니라, 다른 부재를 사이에 두고 "간접적으로 연결"된 것도 포함한다. 또한, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 촉각 센서를 도시한 사시도이고, 도 2는 도 1의 Ⅱ-Ⅱ 방향을 도시한 단면도이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 촉각 센서(100)는 사람의 피부 또는 인공 피부에 용이하게 부착되어 사용될 수 있도록(도 13 참조), 복수의 층으로 구성된 유연하고 얇은 박막의 형태로 이루어질 수 있다. 도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 촉각 센서(100)는 완충층(120) 및 완층층(120) 위에 형성된 센서층(140)을 포함한다. 이 때, 센서층(140)은 패드(130)와 자기 센싱 소자(150)를 포함할 수 있다.
완충층(120)은 피부(S) 등에 부착되는 부분으로, 센서층(140)의 변형을 용이하게 하고, 센서층(140)의 파손을 방지하기 위해 고분자 물질로 이루어질 수 있다. 후술하겠지만, 촉각 센서(100)의 제조 과정에서 센서층(140)의 크랙(crack)을 방지하여 신호 안정성을 가질 수 있도록, 완충층(200)의 모듈러스(modulus) 및 열 팽창 계수는 기판(10, 도 7 내지 도 9 참조)의 모듈러스 및 열 팽창 계수와 비슷한 값을 가지거나, 기판(10)과 센서층(140)의 해당 값들의 사이의 값을 가질 수 있다. 예를 들어, 완충층(120)은 파릴렌(parylene)으로 이루어질 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
완충층(120)은 촉각 센서(100)에 부착력과 유연성을 부여하기 위해, 수 nm 내지 수십 ㎛의 얇은 두께(t1)를 가지는 박막 형태일 수 있다. 예를 들어, 5 ㎛이하의 두께일 수 있다.
한편, 촉각 센서(100)는 완충층(120)을 통해 피부(S)에 직접 부착될 수 있지만, 피부(S)와 완충층(120) 사이에 별도의 부가층(도면 미도시)이 구비될 수 있다. 부가층은 생체 적합성을 가지는 고분자 물질로 이루어질 수 있는데, 피부와 유사한 물성을 가질 수 있으며, 접착력을 높이기 위한 물질이 포함될 수도 있다. 예를 들어, 부가층은 PDMS(polydimethylsiloxane), Ecoflex, Dragon skin 등으로 이루어질 수 있다.
센서층(140)은 완충층(120) 위에 형성되는 부분으로, 전술하였듯이 패드(130)와 자기 센싱 소자(150)를 포함할 수 있다. 센서층(140)은 완충층(120) 위에 금속 박막을 증착하여 형성할 수 있으며, 단층으로 이루어지거나 또는 복수의 층으로 이루어질 수 있다.
센서층(140)은 촉각 센서(100)에 유연성을 부여하기 위하여 수 nm 내지 수십 ㎛의 얇은 두께(t2)를 가지는 박막 형태일 수 있다. 센서층(140)은 전술한 완충층(120)보다 얇은 두께를 가질 수 있으며, 예를 들어, 0.04 ㎛이하의 두께일 수 있다. 이하, 센서층(140)을 구성하는 패드(130)와 자기 센싱 소자(150)에 대하여 상세히 설명한다.
패드(130)는 외력, 예를 들어 외부의 압력이 가해지는 부분으로, 외력에 의해 패드(130) 자체가 변형될 수 있으며, 자성체로 이루어질 수 있다. 이에 따라, 패드(130) 변형에 의한 자기장 세기의 변화를 후술할 자기 센싱 소자(150)에서 감지할 수 있으며, 자기 센싱 소자(150)에서 감지된 자기장 세기의 변화를 이용하여 패드(130)에 가해진 외력을 산출할 수 있다. 즉, 본 발명의 일 실시예에 따른 촉각 센서(100)는 비접촉 방식, 다시 말하면, 외력이 가해지는 부분(패드)과 이에 따른 신호를 감지하는 부분(자기 센싱 소자)이 분리되어 있기 때문에, 과도한 외력이 가해지더라도 내구성과 신호의 안정성을 보장할 수 있다.
패드(130)는 자성체 중에서 자구의 배열이 정렬되어 있는 강자성체로 이루어질 수 있다. 일 형태로는, 패드(130)는 단층의 강자성체로 이루어질 수 있으며, 다른 형태로는, 패드(130)는 복수의 물질 층이 결합되어 구성될 수도 있다. 예를 들어, 강자성체/반강자성체의 2층 박막 구조로 구성될 수도 있으며, 일 예로, NiFe/IrMn의 bilayer로 구성될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 패드(130)는 자기 센싱 소자(150)에 인접한 끝단으로 갈수록 뾰족한 형태일 수 있다. 즉, 패드(130)는 자기 센싱 소자(150)를 향한 방향으로 팁(t, tip)을 가질 수 있다. 도 1 에서는 이해의 편의를 위해서 패드(130)가 삼각형 형태인 경우만을 도시하였으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 자기 센싱 소자(150)를 향하여 뾰족한 팁(t)을 가지는 형태라면 다양한 형태로 이루어질 수 있다. 패드(130)가 끝단이 뾰족한 형태를 가짐에 따라, 외력을 수용할 수 있는 영역을 넓게 확보하면서도, 자기장 세기를 효과적으로 감지할 수 있다.
즉, 패드(130)가 자기 센싱 소자(150)에 인접한 방향에 뾰족한 팁(t)이 구비됨에 따라, 자기 집속 효과가 발휘될 수 있다. 뒤에서 다시 상세히 설명하겠지만, 자성체인 패드(130)의 자기장의 세기는 팁(t)에서 가장 크게 되므로, 다시 말해, 패드(130)의 팁(t)에서의 자속 밀도가 가장 크게 된다. 이에 따라, 패드(130)에 의한 자기장이 팁(t)에 집속되는 효과가 나타나며, 패드(130)의 팁(t)에서의 자기장의 크기를 자기 센싱 소자(150)가 감지함으로써, 감지 민감도가 극대화될 수 있다. 이와 관련해서는 뒤에서 다시 상세히 설명한다.
자기 센싱 소자(150)는 전술한 패드(130)에서 전달되는 집속된 자기장의 세기를 감지하는 부분으로, 완충층(120) 위에 형성된다. 이 때, 전술한 패드(130)와 이격되어 배치되되, 패드(130)의 팁(t)에 근접한 위치에 형성될 수 있다. 이에 따라, 패드(130)의 팁(t)을 통해 전달되는 집속된 자기장의 세기를 감지할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 자기 센싱 소자(150)는 패드(130)와 동일한 레벨(높이)로 배치될 수 있다. 보다 구체적으로, 패드(130)와 동일하게 완충층(120) 상에 금속 박막으로 형성될 수 있으며, 패드(130)와 함께 완충층(120) 상에 증착되어 형성될 수 있다. 자기 센싱 소자(150)는 일 예로 자성체로 구성된 자기 저항 센서 소자일 수 있으며, 예를 들어, 단층 또는 복수의 층으로 이루어진 박막 형태일 수 있다. 일 예로, NiFe/IrMn의 bilayer로 구성될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
도면에 도시되지 않았지만, 자기 센싱 소자(150)는 전류 입/출력을 위한 한 쌍의 전류 단자와 센서의 출력 전압을 측정하기 위한 한 쌍의 전압 단자를 포함할 수 있다. 또한, 자기 센싱 소자(150)는 원형 고리 형태, 예를 들어 반복적으로 회전 및 절곡된 복수의 원형 고리 형태일 수 있으나(도 11, 12 등 참조), 이에 한정되는 것은 아니다.
자기 센싱 소자(150)는 패드(130)의 자기 변형(magnetostriction)을 이용하여 자기장의 세기를 감지할 수 있다. 보다 구체적으로, 패드(130)에 가해진 외부 압력에 의하여 패드(130)가 변형됨에 따라 패드(130) 내부의 정렬된 자구 배열이 흐트러지게 되면서, 패드(130)의 팁(t)에서 자기 센싱 소자(150)로 전달되는 자속 밀도의 변화가 감지되게 되는데, 이를 통해 패드(130)에 가해진 외부 압력을 측정할 수 있다. 이하, 패드(130)와 자기 센싱 소자(150)를 통해 외력을 감지하는 과정을 도면을 통해 설명한다.
도 4 및 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 촉각 센서가 외력을 감지하는 원리를 설명하기 위한 도면이다. 이해의 편의를 위해 도 4, 5는 다소 과장되고 간략하게 도시하였고, 도 4는 단면도, 도 5는 평면도로 도시하였다. 또한, 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 촉각 센서를 통한 자기 집속 효과를 나타낸 그래프이고, 도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 촉각 센서를 통해 외력을 감지한 결과를 나타낸 그래프이다.
도 4 및 도 5를 참조하면, 자성체인 패드(130) 내부의 자구의 정렬 방향이 일정하고, 패드(130)의 팁(t)에 근접한 위치에 소정거리 이격되어 자기 센싱 소자(150)가 배치될 때, 자기 센싱 소자(150)는 패드(130)의 팁(t)에서 전달되는 자기장의 세기(MF, 자속 밀도)를 감지할 수 있다. 이 때, 패드(130)에 외력(F)이 작용하면 패드(130) 자체의 변형이 일어나고, 이에 따라 패드(130)에서 압력이 작용된 구역의 정렬된 자구 배열이 흐트러지게 된다. 정렬된 자구 배열이 흐트러짐에 따라 자기 센싱 소자(150)에서 감지되는 자기장의 세기(MF)는 변화하게 되므로, 자기장 세기의 변화값을 통해 패드(130)에 작용한 외력(F)을 감지할 수 있게 된다.
또한, 패드(130)가 자기 센싱 소자(150)를 향한 끝단이 뾰족한 형태를 가짐에 따라, 자기 집속 효과에 의하여 자기 센싱 소자(150)에서 감지되는 감지 민감도를 극대화할 수 있다.
도 6은, 패드(130)에 다양한 크기의 압력을 가한 경우, 자기 센싱 소자(150)를 패드(130)의 팁 측 방향에서 X축을 따라 이동하면서 자기장을 감지하였고(좌측 그림), 자기 센싱 소자(150)의 위치에 따라 감지되는 자기장의 세기를 나타내었다(우측 그래프). 도 6을 참조하면, 자기 센싱 소자(150)가 패드(130)의 팁 앞에 위치할 때 감지된 자기장의 세기가 확연히 크게 나타나는 바, 팁을 가진 패드(130)의 형태를 통한 자기 집속 효과를 확인할 수 있다. 또한, 우측 그래프에서 A, B, C는 패드(130)에 가해지는 압력의 크기를 각각 달리한 것인데(A, B, C의 순서로 압력의 크기가 작음), 외력의 크기에 따라 자기장의 세기가 달라짐을 확인할 수 있다. 즉, 패드(130)에 인가되는 압력이 커질수록 자기 센싱 소자(150)에서 감지되는 자기장의 세기가 작아짐을 확인할 수 있는데, 이는, 패드(130)에 인가되는 압력이 커질수록 패드(130) 내의 정렬된 자구 배열이 더 흐트러지게 되며, 이에 따라 패드(130)에서 자기 센싱 소자(150)로 전달되는 자속 밀도가 더 줄어들기 때문이다.
도 7은, 패드(130)에 압력을 가했다가(loading) 압력을 해제한 경우(unloading)의 자기 센싱 소자(150)에서 감지된 전압 신호를 나타내었다. 도 7을 참조하면, 이력(hysteresis) 현상이 매우 작게 나타나는 바, 본 발명의 일 실시예에 따른 촉각 센서(100)의 신호 안정성이 양호함을 확인할 수 있다.
한편, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 촉각 센서의 다른 형태를 일 예를 도시한 단면도인데, 도 3을 참조하면, 촉각 센서(100)는 보호층(160)을 더 포함할 수 있다. 보호층(160)은 센서층(140) 위에 형성되어 센서층(140)을 보호하는 부분이다. 외력은 센서층(140) 중 패드(130)에 작용하는데, 금속 박막으로 이루어진 패드(130)가 외력에 의해 크랙(crack)이 발생되어 손상될 위험이 있으며, 외부의 환경에 의하여 증착된 금속 박막이 손상될 수도 있다. 보호층(160)은 센서층(140) 위에 형성되어 센서층(140)을 커버 또는 봉지화(encapsulation)함으로써, 센서층(140)을 보호할 수 있다.
보호층(160)은 고분자 물질로 이루어질 수 있으며, 완충층(120)과 동일한 물질로 이루어질 수도 있다. 예를 들어, 보호층(160)은 파릴렌(parylene)으로 이루어질 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 또한, 촉각 센서(100)의 얇은 두께를 구현하면서 유연성을 갖기 위하여, 보호층(160)은 수 nm 내지 수십 ㎛의 얇은 두께(t2)를 가지는 박막 형태일 수 있다.
이하, 전술한 본 발명의 일 실시예에 따른 촉각 센서(100)의 제조 방법을 설명한다.
도 8 내지 도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 촉각 센서의 제조 방법을 도시한 도면이다. 도 8 내지 도 10은 촉각 센서의 제조 방법 중 일부를 순서대로 도시하였다.
도 8을 참조하면, 기판(10)을 준비하여 기판(10) 상에 완충층(120)을 형성한다. 이 때, 기판(10)은 생체 적합성을 가지는 고분자 물질로 이루어질 수 있는데, 피부와 유사한 물성을 가질 수 있으며, 접착력을 높이기 위한 물질이 포함될 수도 있다. 예를 들어, 기판(10)은 PDMS(polydimethylsiloxane), Ecoflex, Dragon skin 등으로 이루어질 수 있다. 한편, 기판(10)은 촉각 센서(100)의 제조 과정에서 최종적으로 제거될 수도 있고, 제거되지 않고 피부 등에 직접 부착되는 부분이 될 수도 있다. 제거되지 않고 남아 있을 경우, 완충층(120)과 피부 사이에 위치하는 일종의 부가층(앞선 설명에서 부가층 참조)이 될 수 있으며, 이 때는 피부, 즉 생체의 굴곡면에 용이하게 부착될 수 있도록, 충분히 얇은 두께, 예를 들어 2,000㎛이하의 두께를 가질 수 있다.
이어서, 도 9를 참조하면, 완충층(120) 위에 센서층(140)을 형성한다. 센서층(140)은 수 nm 내지 수십 μm 범위 두께의 박막으로 형성할 수 있다. 센서층(140)은 외력에 의해 변형이 발생되는 패드(130)와, 패드(130)와 이격되어 자기장 세기의 변화를 감지하는 자기 센싱 소자(150)를 포함할 수 있다. 이 때, 패드(130)와 자기 센싱 소자(150)는 금속 박막을 완충층(120)위에 증착하여 형성할 수 있다. 예를 들어, 패드(130)와 자기 센싱 소자(150)는 DC 마그네트론 스터퍼 방법을 이용하여 증착될 수 있으며, 단층 또는 복수의 층으로 증착되어 형성될 수 있다.
증착된 패드(130)와 자기 센싱 소자(150)는 모두 자성체일 수 있으며, 각각 다른 물질로 이루어진 금속 박막일 수 있으나, 동일한 물질의 금속 박막을 증착하여 패드(130)와 자기 센싱 소자(150)을 함께 형성할 수도 있다.
패드(130)는 자기 센싱 소자(150)를 향한 끝단이 뾰족한 형태로 형성될 수 있으며, 자기 센싱 소자(150)는 패드(130)의 팁에 근접하게 배치되되 패드(130)의 팁과 접촉하지 않도록 소정거리 이격되게 배치될 수 있다.
한편, 완충층(120)을 형성하지 않고, 기판(10) 상에 직접 센서층(140)을 형성하는 경우, 금속 박막으로 이루어진 센서층(140)에 증착 과정에서 크랙이 발생할 수 있다. 보다 상세히, PDMS 등의 고분자 물질로 이루어진 기판(10)과 금속 박막으로 이루어진 센서층(140) 간의 모듈러스 및 열 팽창 계수 차이로 인하여 센서층(140)에 크랙이 발생할 수 있는데, 완충층(120)의 모듈러스 및 열 팽창 계수를 기판(10)과 센서층(140)의 사이 값을 가지는 물질로 형성함으로써, 센서층(140)의 손상을 방지할 수 있다. 예를 들어, 완충층(120)은 파릴렌(parylene)으로 형성할 수 있다. 이와 같이 완충층(120) 위에 센서층(140)을 형성함으로써, 센서층(140)의 증착 과정에서 발생되는 센서층(140)의 손상을 방지할 수 있을 뿐만 아니라, 센서층(140)을 구성하는 패드(130)에 압력을 가할 때에도 패드(130)에 크랙과 같은 손상이 발생될 수 있는데, 이러한 손상도 방지할 수 있다.
이상의 과정을 통해 본 발명의 일 실시예에 따른 촉각 센서(100)를 제조할 수 있으나, 센서층(140)의 보호를 위해 추가적인 공정을 더 포함할 수도 있다. 도 10을 참조하면, 센서층(140) 위에 보호층(160)을 더 형성할 수 있다. 보호층(160)은 센서층(140)을 커버 또는 봉지화하여 외력이나 외부 환경으로부터 센서층(140)의 손상을 방지할 수 있다.
도 11 및 도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 촉각 센서의 내구성을 설명하기 위한 사진이며, 도 13은 본 발명의 일 실시예에 따른 촉각 센서를 통한 효과를 나타낸 그래프이다.
도 11은 전술한 촉각 센서의 제조 과정과는 달리, 기판(10) 위에 완충층(120)을 형성하는 과정을 생략하고, 기판(10) 위에 직접 센서층(140)을 형성한 경우를 확대한 사진이다. 도 11을 참조하면, 패드(130)와 자기 센싱 소자(150)에 많은 크랙이 발생한 것을 확인할 수 있다.
도 12는 전술한 촉각 센서의 제조 과정대로, 기판(10) 위에 완충층(120)을 형성한 후, 완충층(120) 위에 센서층(140)을 형성한 경우를 확대한 사진이다. 도 12를 참조하면, 도 11과는 달리, 패드(130)와 자기 센싱 소자(150)에 크랙이 발생하지 않음을 확인할 수 있다. 즉, 본 발명의 일 실시예에 따른 촉각 센서(100)의 경우에 내구성이 향상됨을 확인할 수 있다.
도 13은 기판(10) 위에 완충층(120)을 형성하지 않고 기판(10) 위에 직접 센서층(140)을 형성한 경우(A)와, 기판(10) 위에 완충층(120)을 형성한 후 완충층(120) 위에 센서층(140)을 형성한 경우(B)에 각각 자기장의 세기에 따른 자기 센싱 소자(150)에서 감지한 전압 신호를 나타낸 그래프이다. 도 13을 참조하면, 기판(10) 위에 완충층(120)을 형성한 후 완충층(120) 위에 센서층(140)을 형성한 경우(B), 즉 본 발명의 일 실시예에 따른 촉각 센서(100)의 경우에 신호의 안정성을 확인할 수 있다.
도 14는 본 발명의 일 실시예에 따른 촉각 센서가 사람의 피부에 적용된 모습을 도시한 사진이다. 도 14를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 촉각 센서(100)는 매우 얇은 두께를 가지도록 구현할 수 있으며, 인체의 굴곡면에 용이하게 부착될 수 있음을 확인할 수 있다.
이상을 통해 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.
10 기판 100 촉각 센서
120 완충층 130 패드
140 센서층 150 자기 센싱 소자
160 보호층

Claims (12)

  1. 고분자 물질로 이루어진 완충층 및 상기 완충층 위에 박막으로 형성된 센서층을 포함하되,
    상기 센서층은
    상기 완충층 위에 형성되며 자구의 배열이 정렬되어 있는 자성체로 이루어지고 외력이 가해지는 부분이며 외력에 의해 변형되는 패드; 및 상기 완충층 위에 형성되며 상기 패드와 이격된 자기 센싱 소자;를 포함하며,
    상기 패드는 상기 외력에 의해 변형됨에 따라 상기 패드의 정렬된 자구의 배열이 흐트러지게 되면서 상기 자기 센싱 소자로 전달되는 자기장 세기가 변화하고,
    상기 자기 센싱 소자는 상기 패드의 변형에 의한 자기장 세기의 변화를 감지하는, 촉각 센서.
  2. 삭제
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 패드는 상기 자기 센싱 소자에 인접한 끝단으로 갈수록 뾰족한 형태인, 촉각 센서.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 완충층 및 상기 센서층은 각각 수 nm 내지 수십 μm 범위의 두께의 박막으로 이루어지는, 촉각 센서.
  5. 삭제
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 센서층 위에 형성된 보호층을 더 포함하는, 촉각 센서.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 보호층은 상기 완충층과 동일한 물질로 이루어지는, 촉각 센서.
  8. 탄성 중합체로 이루어진 기판을 준비하는 단계;
    상기 기판 상에 고분자 물질로 이루어진 완충층을 형성하는 단계; 및
    상기 완충층 상에 박막으로 이루어진 센서층을 형성하는 단계;
    를 포함하고,
    상기 센서층은
    자구의 배열이 정렬되어 있는 자성체로 이루어지며 외력이 가해지는 부분이며 외력에 의해 변형이 발생되는 패드와, 상기 패드와 이격되어 자기장 세기의 변화를 감지하는 자기 센싱 소자를 포함하고,
    상기 패드는 상기 외력에 의해 변형됨에 따라 상기 패드의 정렬된 자구의 배열이 흐트러지게 되면서 상기 자기 센싱 소자로 전달되는 자기장 세기가 변화하며,
    상기 완충층의 모듈러스(modulus) 및 열팽창 계수는 상기 기판의 모듈러스 및 열팽창 계수와 상기 센서층의 모듈러스 및 열팽창 계수 사이의 값을 가지는, 촉각 센서의 제조 방법.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 센서층을 형성하는 단계 이후에, 상기 센서층 위에 보호층을 형성하는 단계를 더 포함하는, 촉각 센서의 제조 방법.
  10. 삭제
  11. 삭제
  12. 제 8 항에 있어서,
    상기 센서층을 형성하는 단계에서, 상기 완충층 위에 수 nm 내지 수십 μm 범위의 두께의 박막을 증착하여 상기 패드 및 상기 자기 센싱 소자를 형성하는, 촉각 센서의 제조 방법.
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