KR102200599B1 - Tactile sensor and Figertip sensor using Graphene - Google Patents

Tactile sensor and Figertip sensor using Graphene Download PDF

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KR102200599B1
KR102200599B1 KR1020190134626A KR20190134626A KR102200599B1 KR 102200599 B1 KR102200599 B1 KR 102200599B1 KR 1020190134626 A KR1020190134626 A KR 1020190134626A KR 20190134626 A KR20190134626 A KR 20190134626A KR 102200599 B1 KR102200599 B1 KR 102200599B1
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tactile
graphene
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finger
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KR1020190134626A
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김민석
박민훈
복보규
안종현
김제중
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한국표준과학연구원
연세대학교 산학협력단
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Abstract

The present invention relates to a tactile sensor using graphene, a finger sensor, and a manufacturing method thereof and, more specifically, to a tactile sensor using graphene, which comprises the following steps of: forming a first polymer film layer on a substrate of a sacrificial layer; forming a metal layer on the first polymer film layer and manufacturing electrode wiring by patterning; transferring a graphene film onto an upper portion; forming a plurality of sensor parts by etching the graphene film; forming a second polymer film layer on an upper portion; etching the graphene film after leaving the sensor parts and leg portions of the sensor parts; and manufacturing the tactile sensor by removing the sacrificial layer. Therefore, the tactile sensor using the graphene can detect a state of a pressure, temperature, and moisture related to a touch of a human without distortion.

Description

그래핀을 이용한 촉감센서, 손가락 센서 및 그 제조방법{Tactile sensor and Figertip sensor using Graphene}Tactile sensor and finger sensor using graphene, and manufacturing method thereof {Tactile sensor and Figertip sensor using Graphene}

본 발명은 그래핀을 이용한 촉감센서, 손가락 센서 및 그 제조방법에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 압력, 온도, 수분 상태와 같은 인간의 촉감을 정량화할 수 있는 촉감 센서, 손가락센서 및 그 제조방법에 대한 것이다. The present invention relates to a tactile sensor, a finger sensor, and a method of manufacturing the same using graphene. More specifically, the present invention relates to a tactile sensor, a finger sensor, and a method of manufacturing the same, which can quantify human tactile sensations such as pressure, temperature, and moisture.

의류, 자동차, 화장품 산업 분야에서는 촉감과 관련된 딱딱함(hardness), 유연감(slippery), 제동감(braking), 거칠기(roughness), 깊이감(depth), 온열감(thermal sensation)의 촉감 인자를 정량화하기 위한 많은 연구를 진행하고 있다. In the apparel, automobile, and cosmetic industries, quantifying tactile factors such as hardness, slippery, braking, roughness, depth, and thermal sensation related to tactile feel. There is a lot of research in progress.

자동차 산업에서는 섬유에 관한 촉감 평가를 실시할 때, 다양한 형용사로 표현되는 사람의 주관적인 촉감을 객관적인 지표로 나타내기 위해 노력하고 있다. 이를 위해서 실증적인(empirical) 도구로 알려진 촉감 참고 프레임(tactile reference frames, Sensotact®Touchfeel box) 툴을 패널들에게 사용한다. 그리고, 촉감 참고 프레임에 존재하는 각 촉감 인자의 샘플들을 이용하여 0-100의 스케일로 인지시키며, 이러한 조정과정을 통해서 패널들은 촉감에 대한 정량적인 공통 기준을 마련하고 있다. In the automotive industry, when conducting tactile evaluation on textiles, efforts are being made to express human subjective tactile sensations expressed by various adjectives as objective indicators. To do this, we use the tactile reference frames (Sensotact® Touchfeel box) tool, known as an empirical tool, on the panels. In addition, samples of each tactile factor existing in the tactile reference frame are used to recognize them on a scale of 0-100, and through this adjustment process, the panels are preparing a common quantitative standard for tactile feel.

이러한 촉감의 정량화를 위해서 손가락 인공 모형을 활용하거나, 인간의 실제 손가락을 활용하는 2가지 방식이 현재 사용되고 있다. In order to quantify such tactile sensation, two methods are currently being used, using an artificial finger model or using an actual human finger.

먼저 인공 모형을 활용하는 방식은 탄성 중합체로 만든 인공 손가락 모형을 도전성 유체(conductive fluid), 미세전자제어기술(microelectromechanical system, MEMS) 힘 센서, 탄소나노튜브(carbon nanotube) 필름, 강유전성 물질(ferroelectric), 실리콘 스트레인 게이지와 결합하여 그 데이터를 분석하고 있다. First, the method of using the artificial model is to use an artificial finger model made of an elastomer with a conductive fluid, a microelectromechanical system (MEMS) force sensor, a carbon nanotube film, and a ferroelectric material. In combination with a silicon strain gauge, the data is being analyzed.

하지만, 이러한 방식은 인공 손가락 모형의 물리적 특성이 실제 손가락과 다르다는 단점이 있다. 따라서, 사물과 손가락이 발생할 때 생기는 마찰력과 같은 촉감을 정확히 분석하기 힘들다.However, this method has the disadvantage that the physical characteristics of the artificial finger model are different from that of the real finger. Therefore, it is difficult to accurately analyze tactile sensations such as frictional force generated when objects and fingers occur.

그리고 실제 사람의 손가락을 활용하는 연구는 LED 광검출기를 손톱에 부착시키거나, 비디오카메라 센서, 가속도센서, 진동센서, 마이크로폰 센서를 외부에 설치하여 촉감 데이터를 분석하고 있다. And research using real human fingers is analyzing tactile data by attaching an LED photodetector to a fingernail or by installing a video camera sensor, acceleration sensor, vibration sensor, and microphone sensor outside.

하지만, 이러한 방식들은 인간의 손가락과 접촉하는 부분이 약하기 때문에, 측정 과정에서 기생 노이즈(parasitic noise)가 발생하는 단점이 있다. 또한, 사용하는 장비의 부피가 크거나 물리적 응력 분산 (stress distribution), 온열감, 진동과 같은 인간의 다양한 촉감을 동시에 분석할 수 없다는 단점도 있다.However, these methods have a disadvantage of generating parasitic noise in the measurement process because the part in contact with the human finger is weak. In addition, there is a disadvantage in that the volume of the equipment used is large, or various human touch sensations such as physical stress distribution, heat sensation, and vibration cannot be simultaneously analyzed.

또한, 그래핀 물질은 대면적으로 균일성 있게 합성이 가능하기 때문에, 촉각 센서 분야뿐만 아니라 트랜지스터, 터치 패널 등에도 많은 연구개발이 이루어지고 있다.In addition, since graphene materials can be uniformly synthesized over a large area, a lot of research and development has been conducted not only in the field of tactile sensors, but also in transistors and touch panels.

대한민국 등록특허 제1553384호Korean Registered Patent No. 1553384 대한민국 등록특허 제1635770호Korean Patent Registration No. 1635770 대한민국 공개특허 제2016-0050664호Republic of Korea Patent Publication No. 2016-0050664

따라서 본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 실시예에 따르면, 500 nm 이하 두께의 매우 얇은 손가락 센서는 손가락의 표면 굴곡에 따라 들뜸 현상(delamination) 없이 그 표면에 접착시킬 수 있어, 사람이 느끼는 것과 동시에 측정을 할 수 있고, 센서와 손가락 표면의 낮은 접착력으로 인한 측정 오차를 줄일 수 있는 그래핀을 이용한 촉감센서, 손가락 센서 및 그 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다. Accordingly, the present invention has been devised to solve the conventional problems as described above, and according to an embodiment of the present invention, a very thin finger sensor having a thickness of 500 nm or less has its surface without delamination due to the surface curvature of the finger. The purpose is to provide a tactile sensor using graphene, a finger sensor, and a method of manufacturing the same, which can be bonded to and measured at the same time as a person feels it, and can reduce measurement errors due to low adhesion between the sensor and the finger surface. There is this.

본 발명의 실시예에 따르면, 센서를 제작하기 위해서 2차원 물질인 그래핀 물질을 활용하여 온도, 습도, 깊이(depth), 수직/수평 방향의 압력을 감지하는 센서를 반도체 공정을 이용하여 한 번에 구현할 수 있는(batch microfabrication process) 그래핀을 이용한 촉감센서, 손가락 센서 및 그 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다. According to an embodiment of the present invention, in order to manufacture a sensor, a sensor that senses temperature, humidity, depth, and pressure in the vertical/horizontal direction using a graphene material, which is a two-dimensional material, is used once by using a semiconductor process. It is an object of the present invention to provide a tactile sensor, a finger sensor, and a method of manufacturing the same using graphene, which can be implemented in a batch microfabrication process.

본 발명의 실시예에 따르면, 인간이 느끼는 압력, 온도, 습도와 같은 촉감을 정량화할 수 있는 그래핀 기반의 촉각 센서 및 그 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다. According to an embodiment of the present invention, it is an object of the present invention to provide a graphene-based tactile sensor and a method of manufacturing the same, capable of quantifying tactile sensations such as pressure, temperature, and humidity felt by humans.

그리고 본 발명의 실시예에 따르면, 센서를 통해 측정한 다양한 물리량을, 효과적으로 인간의 스케일로 바꾸는 연구 과정을 제공하는 것을 목적으로 한다. And according to an embodiment of the present invention, it is an object of the present invention to provide a research process for effectively converting various physical quantities measured through a sensor into a human scale.

한편, 본 발명에서 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.Meanwhile, the technical problems to be achieved in the present invention are not limited to the technical problems mentioned above, and other technical problems that are not mentioned are clearly to those of ordinary skill in the technical field to which the present invention belongs from the following description. It will be understandable.

본 발명의 제1목적은, 촉감센서의 제조방법에 있어서, 희생층 기판상에 제1고분자 필름층을 형성하는 단계; 상기 제1고분자 필름층 상에 금속층을 형성하고, 패터닝하여 전극배선을 제작하는 단계; 상부에 그래핀 필름을 전사하는 단계; 상기 그래핀 필름을 식각하여 복수의 센서부를 형성하는 단계; 상부에 제2고분자 필름층을 형성하는 단계; 상기 센서부와, 센서부 다리 부분만 남기고 에칭하는 단계; 및 상기 희생층을 제거하여 촉감센서를 제작하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 그래핀을 이용한 촉감센서로서 달성될 수 있다. A first object of the present invention is to provide a method for manufacturing a tactile sensor, comprising: forming a first polymer film layer on a sacrificial layer substrate; Forming a metal layer on the first polymer film layer and patterning to fabricate electrode wiring; Transferring the graphene film to the upper portion; Etching the graphene film to form a plurality of sensor units; Forming a second polymer film layer thereon; Etching leaving only the sensor unit and the sensor unit leg portion; And manufacturing a tactile sensor by removing the sacrificial layer. It may be achieved as a tactile sensor using graphene.

그리고 상기 제1고분자 필름층을 형성하는 단계와, 상기 제2고분자 필름층을 형성하는 단계는 폴리이미드(PI) 용액을 도포한 후 경화하는 것을 특징으로 할 수 있다. In addition, the forming of the first polymer film layer and the forming of the second polymer film layer may be characterized by curing after applying a polyimide (PI) solution.

또한 그래핀 필름을 전사하는 단계는, CVD 방식으로 합성되어 4층으로 적층된 그래핀 필름을 전사하는 것을 특징으로 할 수 있다. In addition, the step of transferring the graphene film may be characterized by transferring the graphene film synthesized by a CVD method and stacked in four layers.

그리고 상기 센서부를 형성하는 단계 후에, 상기 전극 배선 부분을 도핑하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다. And after the step of forming the sensor unit, it may be characterized in that it further comprises a step of doping the electrode wiring portion.

또한 상기 센서부는 온도센서, 3축힘센서, 깊이센서, 및 수분센서를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다. Further, the sensor unit may include a temperature sensor, a 3-axis force sensor, a depth sensor, and a moisture sensor.

그리고 상기 온도센서는 프랙탈(fractal) 구조로 구성되는 것을 특징으로 할 수 있다. And the temperature sensor may be characterized in that it is composed of a fractal (fractal) structure.

또한 상기 수분센서는 공면(coplanar) 구조로 구성되는 것을 특징으로 할 수 있다. In addition, the moisture sensor may be characterized in that it is configured in a coplanar structure.

본 발명의 제2목적은 앞서 언급한 제1목적에 따른 제조방법에 의해 제조되는 것을 특징으로 하는 촉감센서로서 달성될 수 있다. The second object of the present invention can be achieved as a tactile sensor, characterized in that it is manufactured by the manufacturing method according to the first object mentioned above.

본 발명의 제3목적은 사람의 손가락에 직접 부착되어 촉감인자 샘플에 접촉되어 촉감데이터를 정량화할 수 있는 그래핀 기반의 손가락센서의 제조방법에 있어서, 희생층 기판상에 제1고분자 필름층을 형성하는 단계; 상기 제1고분자 필름층 상에 금속층을 형성하고, 패터닝하여 전극배선을 제작하는 단계; 상부에 그래핀 필름을 전사하는 단계; 상기 그래핀 필름을 식각하여 복수의 센서부를 형성하는 단계; 상기 전극 배선부분을 도핑하는 단계; 상부에 제2고분자 필름층을 형성하는 단계; 상기 센서부와, 센서부 다리부분을 남긴 후 나머지 부분을 에칭하는 단계; 상기 희생층을 제거하여 촉감센서를 제작하는 단계;상기 촉감센서를 수용성 테이프에 전사하는 단계; 수용성 테이프를 통해 상기 촉감센서를 손가락 표면에 부착하는 단계; 및 물을 이용해 상기 수용성 테이프를 제거하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 촉감데이터를 정량화하기 위한 손가락 센서의 제조방법으로서 달성될 수 있다. A third object of the present invention is a method of manufacturing a graphene-based finger sensor that can be directly attached to a human finger and contacted with a tactile factor sample to quantify tactile data, in which a first polymer film layer is formed on a sacrificial layer substrate. Forming; Forming an electrode wiring by forming a metal layer on the first polymer film layer and patterning it; Transferring the graphene film to the upper portion; Etching the graphene film to form a plurality of sensor units; Doping the electrode wiring portion; Forming a second polymer film layer on top; Etching the remaining portions after leaving the sensor unit and the sensor unit leg portions; Removing the sacrificial layer to manufacture a tactile sensor; transferring the tactile sensor to a water-soluble tape; Attaching the tactile sensor to a finger surface through a water-soluble tape; And removing the water-soluble tape by using water.

그리고 상기 손가락에 부착된 손가락센서를 촉감인자 샘플 표면에 접촉한 후 촉각데이터를 측정하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다. And measuring tactile data after contacting the finger sensor attached to the finger to the surface of the tactile factor sample.

또한 상기 센서부는 온도센서, 3축힘센서, 깊이센서, 및 수분센서를 포함하고, 상기 측정하는 단계는, 상기 센서부에서 측정된 데이터를 기반으로 딱딱함, 유연감, 제동감, 거칠기, 깊이감, 온열감을 분석하여 정량적 데이터로 산출하는 것을 특징으로 할 수 있다. In addition, the sensor unit includes a temperature sensor, a three-axis force sensor, a depth sensor, and a moisture sensor, and the step of measuring includes hardness, flexibility, braking, roughness, depth, based on the data measured by the sensor unit. It may be characterized by analyzing the feeling of heat and calculating it as quantitative data.

본 발명의 실시예에 따른 그래핀을 이용한 촉감센서, 손가락 센서 및 그 제조방법에 따르면, 그래핀 기반 손가락 센서는 매우 얇은 두께로 이루어져 있어 기판 효과에 자유롭기 때문에 인간의 촉감과 관련한 압력, 온도, 수분 상태를 왜곡없이 감지할 수 있는 효과를 갖는다. According to a tactile sensor using graphene, a finger sensor, and a method of manufacturing the same according to an embodiment of the present invention, since the graphene-based finger sensor is made of a very thin thickness and is free from the substrate effect, pressure, temperature, and moisture related to human touch It has the effect of being able to detect the state without distortion.

본 발명의 실시예에 따른 그래핀을 이용한 촉감센서, 손가락 센서 및 그 제조방법에 따르면, 피부의 물리적 특성과 사람의 촉감을 분석하는 연구자를 위해, 측정 환경에서 바로 분석할 수 있는 유용한 도구로 활용될 수 있고(In-situ 방식) 아울러, 내구성(850 사이클), 반복성(1000 사이클)이 좋고 땀과 습도 환경에 따른 센서 출력도 안정적이라는 장점이 있다.According to a tactile sensor using graphene, a finger sensor, and a method of manufacturing the same according to an embodiment of the present invention, it is utilized as a useful tool that can be directly analyzed in a measurement environment for researchers who analyze physical properties of skin and human tactile sensation In addition, durability (850 cycles), repeatability (1000 cycles) are good, and sensor output is stable according to sweat and humidity environments.

그리고 의류, 자동차, 화장품 분야와 같은 산업계에서는 다양한 촉감 인자 (딱딱함, 유연감, 제동감, 거칠기, 깊이감, 온열감) 를 포함한 촉감 참고 프레임 (tactile reference frames) 을 이용하여 설문 조사 방식으로 사람의 촉감 스케일을 맞추는 작업을 하고 있다. 본 발명의 실시예에 따른 그래핀을 이용한 촉감센서, 손가락 센서 및 그 제조방법에 따르면, 동일한 방식으로 조정과정을 진행할 수 있어 이를 대체할 수 있는 장점이 있으며, 실제로 그래핀 기반의 손가락 센서를 이용하여 섬유의 질감 측정을 진행하였을 때, 산업계 방식보다 더 작은 측정 편차가 관찰되었으며, 더 나아가, 본 발명에 따른 그래핀 기반 손가락 센서는 높은 인공 지능이 탑재된 로봇 분야의 활용도도 매우 높다는 장점도 있다.In addition, in industries such as apparel, automobiles, and cosmetics, a survey method uses tactile reference frames including various tactile factors (hardness, suppleness, braking, roughness, depth, and warmth). I am working on a scale. According to the tactile sensor, the finger sensor and the manufacturing method using graphene according to an embodiment of the present invention, the adjustment process can be performed in the same manner, and thus there is an advantage that can be replaced, and in fact, a graphene-based finger sensor is used. Therefore, when measuring the texture of the fiber, a smaller measurement deviation was observed than that of the industrial method, and further, the graphene-based finger sensor according to the present invention has the advantage of very high utilization in a robot field equipped with high artificial intelligence. .

한편, 본 발명에서 얻을 수 있는 효과는 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.On the other hand, the effects obtainable in the present invention are not limited to the above-mentioned effects, and other effects not mentioned will be clearly understood by those of ordinary skill in the art from the following description. I will be able to.

본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 일실시예를 예시하는 것이며, 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술적 사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석 되어서는 아니 된다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 그래핀을 이용한 손가락 센서의 제조방법의 흐름도,
도 2a는 본 발명의 실시예에 따라 희생층에 제1고분자 필름과 그래핀 필름을 전사한 상태의 사시도,
도 2b는 본 발명의 실시예에 따라 그래핀 필름을 패터닝하고 전극 배선을 도핑한 상태의 사시도,
도 2c는 본 발명의 실시예에 따라 제2고분자 필름을 적층한 상태의 사시도,
도 2d는 본 발명의 실시예에 따른 희생층을 제거한 촉감센서의 사시도,
도 2e는 본 발명의 실시예에 따라 촉감센서를 수용성 테이프에 전사한 손가락 센서의 사시도,
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 전극 배선과 센서부들을 나타낸 구성도,
도 4a는 본 발명의 실시예에 따른 온도센서의 구성도,
도 4b는 본 발명의 실시예에 따른 수분센서의 구성도,
도 4c는 본 발명의 실시예에 따른 3축 힘센서와 깊이센서의 구성도,
도 5는 종래 촉감 참고 프레임을 이용하여 설문소자 방식으로 사람의 촉감스케일을 맞추는 작업에서, 수평움직임, 수직움직임 그리고 정적 접촉을 포함한 촉감디멘션(tactile dimensions) 6가지 촉감인자(tactile indicator)(유연감 (slippery), 제동감 (braking), 거칠기 (roughness), 깊이감 (depth), 온열감 (thermal sensation)를 나타낸 모식도,
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 손가락 센서를 손가락 표면에 부착하여 촉감데이터를 측정, 분석하는 과정을 나타낸 모식도를 도시한 것이다. The following drawings attached to the present specification illustrate a preferred embodiment of the present invention, and serve to further understand the technical idea of the present invention together with the detailed description of the present invention, so the present invention is limited to the matters described in such drawings. It is limited and should not be interpreted.
1 is a flowchart of a method of manufacturing a finger sensor using graphene according to an embodiment of the present invention,
2A is a perspective view of a state in which a first polymer film and a graphene film are transferred to a sacrificial layer according to an embodiment of the present invention;
2B is a perspective view of a state in which a graphene film is patterned and electrode wiring is doped according to an embodiment of the present invention;
2C is a perspective view of a state in which a second polymer film is stacked according to an embodiment of the present invention;
2D is a perspective view of a tactile sensor with a sacrificial layer removed according to an embodiment of the present invention,
2E is a perspective view of a finger sensor in which a tactile sensor is transferred to a water-soluble tape according to an embodiment of the present invention;
3 is a configuration diagram showing electrode wiring and sensor units according to an embodiment of the present invention;
4A is a configuration diagram of a temperature sensor according to an embodiment of the present invention,
4B is a block diagram of a moisture sensor according to an embodiment of the present invention,
Figure 4c is a configuration diagram of a three-axis force sensor and a depth sensor according to an embodiment of the present invention,
5 shows six tactile dimensions including horizontal movement, vertical movement, and static contact in a task of adjusting the tactile scale of a person using a questionnaire element method using a conventional tactile reference frame. Schematic diagram showing (slippery), braking, roughness, depth, and thermal sensation,
6 is a schematic diagram showing a process of measuring and analyzing tactile data by attaching a finger sensor according to an embodiment of the present invention to a finger surface.

이상의 본 발명의 목적들, 다른 목적들, 특징들 및 이점들은 첨부된 도면과 관련된 이하의 바람직한 실시예들을 통해서 쉽게 이해될 것이다. 그러나 본 발명은 여기서 설명되는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예들은 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 통상의 기술자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다.The above objects, other objects, features, and advantages of the present invention will be easily understood through the following preferred embodiments related to the accompanying drawings. However, the present invention is not limited to the embodiments described herein and may be embodied in other forms. Rather, the embodiments introduced herein are provided so that the disclosed contents may be thorough and complete, and the spirit of the present invention may be sufficiently conveyed to those skilled in the art.

본 명세서에서, 어떤 구성요소가 다른 구성요소 상에 있다고 언급되는 경우에 그것은 다른 구성요소 상에 직접 형성될 수 있거나 또는 그들 사이에 제 3의 구성요소가 개재될 수도 있다는 것을 의미한다. 또한 도면들에 있어서, 구성요소들의 두께는 기술적 내용의 효과적인 설명을 위해 과장된 것이다.In the present specification, when a component is referred to as being on another component, it means that it may be formed directly on the other component or that a third component may be interposed between them. In addition, in the drawings, the thickness of the components is exaggerated for effective description of the technical content.

본 명세서에서 기술하는 실시예들은 본 발명의 이상적인 예시도인 단면도 및/또는 평면도들을 참고하여 설명될 것이다. 도면들에 있어서, 막 및 영역들의 두께는 기술적 내용의 효과적인 설명을 위해 과장된 것이다. 따라서 제조 기술 및/또는 허용 오차 등에 의해 예시도의 형태가 변형될 수 있다. 따라서 본 발명의 실시예들은 도시된 특정 형태로 제한되는 것이 아니라 제조 공정에 따라 생성되는 형태의 변화도 포함하는 것이다. 예를 들면, 직각으로 도시된 영역은 라운드지거나 소정 곡률을 가지는 형태일 수 있다. 따라서 도면에서 예시된 영역들은 속성을 가지며, 도면에서 예시된 영역들의 모양은 소자의 영역의 특정 형태를 예시하기 위한 것이며 발명의 범주를 제한하기 위한 것이 아니다. 본 명세서의 다양한 실시예들에서 제1, 제2 등의 용어가 다양한 구성요소들을 기술하기 위해서 사용되었지만, 이들 구성요소들이 이 같은 용어들에 의해서 한정되어서는 안 된다. 이들 용어들은 단지 어느 구성요소를 다른 구성요소와 구별시키기 위해서 사용되었을 뿐이다. 여기에 설명되고 예시되는 실시예들은 그것의 상보적인 실시예들도 포함한다.Embodiments described herein will be described with reference to cross-sectional views and/or plan views, which are ideal exemplary views of the present invention. In the drawings, the thicknesses of films and regions are exaggerated for effective description of technical content. Accordingly, the shape of the exemplary diagram may be modified by manufacturing technology and/or tolerance. Accordingly, embodiments of the present invention are not limited to the specific form shown, but also include a change in form generated according to the manufacturing process. For example, an area shown at a right angle may be rounded or may have a shape having a predetermined curvature. Accordingly, the regions illustrated in the drawings have properties, and the shapes of the regions illustrated in the drawings are intended to illustrate a specific shape of a device region and are not intended to limit the scope of the invention. In various embodiments of the present specification, terms such as first and second are used to describe various elements, but these elements should not be limited by these terms. These terms are only used to distinguish one component from another component. The embodiments described and illustrated herein also include complementary embodiments thereof.

본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 '포함한다(comprises)' 및/또는 '포함하는(comprising)'은 언급된 구성요소는 하나 이상의 다른 구성요소의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.The terms used in the present specification are for describing exemplary embodiments and are not intended to limit the present invention. In this specification, the singular form also includes the plural form unless specifically stated in the phrase. As used in the specification, "comprises" and/or "comprising" does not exclude the presence or addition of one or more other elements.

아래의 특정 실시예들을 기술하는데 있어서, 여러 가지의 특정적인 내용들은 발명을 더 구체적으로 설명하고 이해를 돕기 위해 작성되었다. 하지만 본 발명을 이해할 수 있을 정도로 이 분야의 지식을 갖고 있는 독자는 이러한 여러 가지의 특정적인 내용들이 없어도 사용될 수 있다는 것을 인지할 수 있다. 어떤 경우에는, 발명을 기술하는 데 있어서 흔히 알려졌으면서 발명과 크게 관련 없는 부분들은 본 발명을 설명하는데 있어 별 이유 없이 혼돈이 오는 것을 막기 위해 기술하지 않음을 미리 언급해 둔다.In describing the specific embodiments below, a number of specific contents have been prepared to explain the invention in more detail and to aid understanding. However, readers who have knowledge in this field to the extent that they can understand the present invention can recognize that it can be used without these various specific contents. In some cases, it is mentioned in advance that parts that are commonly known in describing the invention and are not largely related to the invention are not described in order to prevent confusion without any reason in describing the invention.

이하에서는 본 발명의 실시예에 따른 그래핀을 이용한 손가락 센서(100)의 구성, 기능 및 그 제조방법에 대해 설명하도록 한다. 도 1은 본 발명의 실시예에 따른 그래핀을 이용한 손가락 센서(100)의 제조방법의 흐름도를 도시한 것이다. Hereinafter, a configuration, function and a method of manufacturing the finger sensor 100 using graphene according to an embodiment of the present invention will be described. 1 is a flowchart illustrating a method of manufacturing a finger sensor 100 using graphene according to an embodiment of the present invention.

먼저 희생층(10)을 준비한 후, 이러한 희생층(10) 상에 제1고분자 필름(11)을 형성하게 된다(S1). 본 발명의 실시예에서는 약 70㎛ 두께의 구리로 구성된 희생층(10) 기판을 준비하고 이러한 희생층(10) 상에 약 250nm의 폴리이미드(PI) 용액을 도포하여 경화시킨다. First, after the sacrificial layer 10 is prepared, a first polymer film 11 is formed on the sacrificial layer 10 (S1). In an embodiment of the present invention, a substrate for the sacrificial layer 10 made of copper having a thickness of about 70 μm is prepared, and a polyimide (PI) solution of about 250 nm is applied on the sacrificial layer 10 to cure.

그리고 금(Au)으로 구성된 금속층을 형성시키고, 금속층을 패터닝하여 전극배선(20)을 제작하게 된다(S2). 그리고 그 상부에 그래핀 필름(30)을 전사시키게 된다(S3). Then, a metal layer made of gold (Au) is formed, and the electrode wiring 20 is fabricated by patterning the metal layer (S2). And the graphene film 30 is transferred to the upper portion (S3).

본 발명의 실시예에서는 CVD(Chemical Vapor Deposition) 방식으로 합성되어 이를 4 층으로 적층한 1nm 두께의 그래핀 필름(30)을 활용하였다. 도 2a는 본 발명의 실시예에 따라 희생층(10)에 제1고분자 필름(11)과 그래핀 필름(30)을 전사한 상태의 사시도를 도시한 것이다. In an embodiment of the present invention, a graphene film 30 having a thickness of 1 nm was synthesized by a chemical vapor deposition (CVD) method and laminated in four layers. 2A is a perspective view illustrating a state in which the first polymer film 11 and the graphene film 30 are transferred to the sacrificial layer 10 according to an embodiment of the present invention.

그리고 반도체 패터닝 과정을 이용하여 그래핀 필름(30)을 식각하여 복수의 센서부(40)를 형성하게 된다(S4). 그리고 전극 배선(20) 부분에만 TFSA 용액을 이용하여 선택적으로 도핑을 한다(S5). 도 2b는 본 발명의 실시예에 따라 그래핀 필름(30)을 패터닝하고 전극 배선(20)을 도핑한 상태의 사시도를 도시한 것이다. Then, a plurality of sensor units 40 are formed by etching the graphene film 30 using a semiconductor patterning process (S4). In addition, only the portion of the electrode wiring 20 is selectively doped using the TFSA solution (S5). 2B is a perspective view illustrating a state in which the graphene film 30 is patterned and the electrode wiring 20 is doped according to an embodiment of the present invention.

본 발셩의 실시예에 따라 그래핀을 이용한 센서부(40)는 온도센서(41), 3축힘센서(42), 깊이센서(44), 및 수분센서(43)를 포함하며, 앞서 언급한 반도체 패터닝 과정을 통해 동시에 제작되게 된다. According to the embodiment of the present invention, the sensor unit 40 using graphene includes a temperature sensor 41, a 3-axis force sensor 42, a depth sensor 44, and a moisture sensor 43, and the aforementioned semiconductor They are produced simultaneously through the patterning process.

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 전극 배선(20)과 센서부(40)들을 나타낸 구성도를 도시한 것이다. 그리고 도 4a는 본 발명의 실시예에 따른 온도센서(41)의 구성도를 도시한 것이고, 도 4b는 본 발명의 실시예에 따른 수분센서(43)의 구성도를 도시한 것이며, 도 4c는 본 발명의 실시예에 따른 3축 힘센서(42)와 깊이센서(44)의 구성도를 도시한 것이다. 3 is a block diagram showing the electrode wiring 20 and the sensor unit 40 according to an embodiment of the present invention. And Figure 4a shows a configuration diagram of a temperature sensor 41 according to an embodiment of the present invention, Figure 4b shows a configuration diagram of a moisture sensor 43 according to an embodiment of the present invention, Figure 4c is It shows the configuration of the three-axis force sensor 42 and the depth sensor 44 according to an embodiment of the present invention.

도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에서 3축 힘센서(42)는 서로 소정간격 이격된 4개로 구성되며, 깊이 센서(44)는 9개, 온도센서(41) 1개, 수분센서(43) 1개로 구성될 수 있다. 이러한 센서들의 개수는 실시예에 따라 다양하게 변경, 조절될 수 있다. As shown in Figure 3, in the embodiment of the present invention, the three-axis force sensor 42 is composed of four spaced apart a predetermined distance from each other, the depth sensor 44 is 9, the temperature sensor 41, 1, moisture It may be composed of one sensor 43. The number of these sensors may be variously changed and adjusted according to embodiments.

도 4a에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 온도센서(41)는 폭이 약 0.02mm인 프랙탈(fractal) 구조로 구성될 수 있음을 알 수 있다. 그리고 도 4b에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 수분센서(43)는 폭이 약 0.015mm인 공면(coplanar) 구조로 구성될 수 있음을 알 수 있다. 또한, 도 4c에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 3축 힘센서(42)와, 깊이센서(44)는 폭이 액 0.015mm이고 길이가 약 8mm정도의 지그재그 형태의 구조를 가질 수 있음을 알 수 있다. As shown in FIG. 4A, it can be seen that the temperature sensor 41 according to the embodiment of the present invention may be configured in a fractal structure having a width of about 0.02 mm. And, as shown in FIG. 4B, it can be seen that the moisture sensor 43 according to the embodiment of the present invention may be configured in a coplanar structure having a width of about 0.015 mm. In addition, as shown in Fig. 4c, the 3-axis force sensor 42 and the depth sensor 44 according to the embodiment of the present invention have a zigzag-shaped structure with a width of 0.015 mm and a length of about 8 mm. You can see that you can.

그리고 상부에 제2고분자필름(50)을 형성하게 된다(S6). 본 발명의 실시예에서는 약 250nm 두께의 폴리이미드(PI) 용액을 도포한 후 경화시킨다(S6). 도 2c는 본 발명의 실시예에 따라 제2고분자 필름(50)을 적층한 상태의 사시도를 도시한 것이다. 그리고 센서부(40)와 센서부 다리 부분을 제외한 나머지 부분의 그래핀 필름(30)을 에칭시킨다(S7). Then, a second polymer film 50 is formed on the top (S6). In an embodiment of the present invention, a polyimide (PI) solution having a thickness of about 250 nm is applied and then cured (S6). 2C is a perspective view illustrating a state in which the second polymer film 50 is stacked according to an embodiment of the present invention. Then, the graphene film 30 of the remaining portions except for the sensor unit 40 and the sensor unit leg is etched (S7).

마지막으로 희생층(10)을 APS용액을 이용하여 식각하여 촉감센서(1)를 제작하게 된다(S8). 도 2d는 본 발명의 실시예에 따른 희생층(10)을 제거한 촉감센서(1)의 사시도를 도시한 것이다. Finally, the sacrificial layer 10 is etched using an APS solution to fabricate the tactile sensor 1 (S8). 2D is a perspective view of the tactile sensor 1 from which the sacrificial layer 10 is removed according to an embodiment of the present invention.

그리고 제작된 촉감센서(1)를 수용성 테이프(60)에 전사시켜 손가락 센서(100)를 제조하게 된다(S9). 본 발명의 실시예에 따른 수용성 테이프(60)는 PVA 필름으로 구성될 수 있다. 도 2e는 본 발명의 실시예에 따라 촉감센서(1)를 수용성 테이프(60)에 전사한 손가락 센서(100)의 사시도를 도시한 것이다. Then, the manufactured tactile sensor 1 is transferred to the water-soluble tape 60 to manufacture the finger sensor 100 (S9). The water-soluble tape 60 according to an embodiment of the present invention may be composed of a PVA film. 2E is a perspective view of a finger sensor 100 in which the tactile sensor 1 is transferred to a water-soluble tape 60 according to an embodiment of the present invention.

도 5는 종래 촉감 참고 프레임을 이용하여 설문소자 방식으로 사람의 촉감스케일을 맞추는 작업에서, 수평움직임, 수직움직임 그리고 정적 접촉을 포함한 촉감디멘션(tactile dimensions) 6가지 촉감인자(tactile indicator)(유연감 (slippery), 제동감 (braking), 거칠기 (roughness), 깊이감 (depth), 온열감 (thermal sensation)를 나타낸 모식도를 도시한 것이다. 도 5에 도시된 바와 같이, 의류, 자동차, 화장품 분야와 같은 산업계에서는 다양한 촉감 인자(딱딱함, 유연감, 제동감, 거칠기, 깊이감, 온열감)를 포함한 촉감 참고 프레임 (tactile reference frames)(5)을 이용하여 설문 조사 방식으로 사람의 촉감 스케일을 맞추는 작업을 하고 있다. FIG. 5 shows 6 tactile dimensions including horizontal movement, vertical movement, and static contact in a task of adjusting the tactile scale of a person in a questionnaire element method using a conventional tactile reference frame. It shows a schematic diagram showing (slippery), braking, roughness, depth, and thermal sensation As shown in Fig. 5, such as in the field of clothing, automobiles, and cosmetics. In the industry, tactile reference frames (5) including various tactile factors (hardness, suppleness, braking, roughness, depth, and warmth) are used to adjust the scale of human tactile feel through a survey method. have.

본 발명의 실시예에 따른 그래핀을 이용한 손가락 센서(100)를 이용하면, 동일한 방식으로 조정과정을 진행할 수 있어 이를 대체할 수 있는 장점이 있으며, 실제로 그래핀 기반의 손가락 센서(100)를 이용하여 섬유의 질감 측정을 진행하였을 때, 산업계 방식보다 더 작은 측정 편차가 관찰되었으며, 더 나아가, 본 발명에 따른 그래핀 기반 손가락 센서(100)는 높은 인공 지능이 탑재된 로봇 분야의 활용도도 매우 높다는 장점도 있다.If the finger sensor 100 using graphene according to an embodiment of the present invention is used, the adjustment process can be performed in the same manner, and thus there is an advantage that can be replaced, and in fact, a graphene-based finger sensor 100 is used. Thus, when measuring the texture of the fiber, a smaller measurement deviation was observed than the industrial method, and furthermore, the graphene-based finger sensor 100 according to the present invention has a very high utilization in the robot field equipped with high artificial intelligence. There are also advantages.

도 6은 본 발명의 실시예에 따른 손가락 센서(100)를 손가락 표면에 부착하여 촉감데이터를 측정, 분석하는 과정을 나타낸 모식도를 도시한 것이다. 도 6에 도시된 바와 같이, PVA 필름으로 구성된 수용성 테이프(60)를 통해 손가락 센서(100)를 패널의 손가락 표면에 부착하고, 물을 이용해 수용성 테이프(60)를 제거한다. 그리고 이러한 손가락센서(100)에서 측정되는 다양한 셀 들의 신호를 한꺼번에 획득하기 위해서 FPCB(3)와 연결한다. 6 is a schematic diagram showing a process of measuring and analyzing tactile data by attaching the finger sensor 100 according to an embodiment of the present invention to a finger surface. As shown in FIG. 6, the finger sensor 100 is attached to the finger surface of the panel through a water-soluble tape 60 made of a PVA film, and the water-soluble tape 60 is removed using water. And it is connected to the FPCB (3) to acquire signals of various cells measured by the finger sensor 100 at once.

그리고 손가락에 부착된 손가락센서(100)를 촉감인자 샘플(5) 표면에 접촉한 후 촉각데이터를 측정하게 된다. 앞서 언급한 바와 같이, 손가락 센서(100)의 센서부(40)는 온도센서(41), 3축힘센서(42), 깊이센서(44), 및 수분센서(43)를 포함하고, 분석수단은 센서부(40)에서 측정된 데이터를 기반으로 딱딱함, 유연감, 제동감, 거칠기, 깊이감, 온열감을 분석하여 정량적 데이터로 표출하게 된다. 즉, 본 발명의 실시예에서는 패널들에게 손가락 센서(100)를 장착시킨 뒤, 조정과정 중 나타나는 물리 변화량을 촉감 알고리즘을 활용하여 촉감인자(딱딱함, 유연감, 제동감, 거칠기, 깊이감, 온열감)의 스케일과 매칭시켰다. In addition, after the finger sensor 100 attached to the finger is in contact with the surface of the tactile factor sample 5, tactile data are measured. As mentioned above, the sensor unit 40 of the finger sensor 100 includes a temperature sensor 41, a 3-axis force sensor 42, a depth sensor 44, and a moisture sensor 43, and the analysis means is Based on the data measured by the sensor unit 40, hardness, softness, braking, roughness, depth, and heat are analyzed and expressed as quantitative data. That is, in the embodiment of the present invention, after mounting the finger sensor 100 to the panels, the amount of physical change that appears during the adjustment process is applied to the tactile factor (hardness, suppleness, braking, roughness, depth, warmth) using a tactile algorithm. ) To match the scale.

또한, 상기와 같이 설명된 장치 및 방법은 상기 설명된 실시예들의 구성과 방법이 한정되게 적용될 수 있는 것이 아니라, 상기 실시예들은 다양한 변형이 이루어질 수 있도록 각 실시예들의 전부 또는 일부가 선택적으로 조합되어 구성될 수도 있다.In addition, the above-described apparatus and method are not limitedly applicable to the configuration and method of the above-described embodiments, but all or part of each of the embodiments may be selectively combined so that various modifications can be made. It can also be configured.

1:촉감센서
2:손가락
3:FPCB
4:분석수단
10:희생층
11:제1고분자필름
20:전극배선
30:그래핀 필름
40:센서부
41:온도센서
42:3축 힘센서
43:수분센서
44:깊이센서
50:제2고분자필름
60:수용성 테이프
100:손가락 센서1: tactile sensor
2: finger
3:FPCB
4: Analysis means
10: victims
11: First polymer film
20: electrode wiring
30: graphene film
40: sensor unit
41: temperature sensor
42: 3-axis force sensor
43: moisture sensor
44: depth sensor
50: second polymer film
60: water-soluble tape
100: finger sensor

Claims (11)

촉감센서의 제조방법에 있어서,
희생층 기판상에 제1고분자 필름층을 형성하는 단계;
상기 제1고분자 필름층 상에 금속층을 형성하고, 패터닝하여 전극배선을 제작하는 단계;
상부에 그래핀 필름을 전사하는 단계;
상기 그래핀 필름을 식각하여 복수의 센서부를 형성하는 단계;
상기 전극 배선 부분을 도핑하는 단계;
상부에 제2고분자 필름층을 형성하는 단계;
상기 센서부와, 센서부 다리 부분만 남기고 그래핀 필름을 에칭하는 단계; 및
상기 희생층을 제거하여 촉감센서를 제작하는 단계;를 포함하고,
상기 그래핀 필름을 전사하는 단계는, CVD 방식으로 합성되어 4층으로 적층된 그래핀 필름을 전사하며,
상기 센서부는 온도센서, 3축힘센서, 깊이센서, 및 수분센서를 포함하고,
상기 온도센서는 프랙탈(fractal) 구조로 구성되며, 상기 수분센서는 공면(coplanar) 구조로 구성되는 것을 특징으로 하는 그래핀을 이용한 촉감센서의 제조방법.
In the manufacturing method of the tactile sensor,
Forming a first polymer film layer on the sacrificial layer substrate;
Forming a metal layer on the first polymer film layer and patterning to fabricate electrode wiring;
Transferring the graphene film to the upper portion;
Etching the graphene film to form a plurality of sensor units;
Doping the electrode wiring portion;
Forming a second polymer film layer thereon;
Etching the graphene film leaving only the sensor unit and the sensor unit leg portion; And
Including; removing the sacrificial layer to manufacture a tactile sensor
In the step of transferring the graphene film, the graphene film synthesized by a CVD method and stacked in four layers is transferred,
The sensor unit includes a temperature sensor, a 3-axis force sensor, a depth sensor, and a moisture sensor,
The temperature sensor is composed of a fractal (fractal) structure, the moisture sensor is a method of manufacturing a tactile sensor using graphene, characterized in that the coplanar (coplanar) structure.
 제 1항에 있어서,
상기 제1고분자 필름층을 형성하는 단계와, 상기 제2고분자 필름층을 형성하는 단계는 폴리이미드(PI) 용액을 도포한 후 경화하는 것을 특징으로 하는 그래핀을 이용한 촉감센서의 제조방법.
The method of claim 1,
The step of forming the first polymer film layer and the step of forming the second polymer film layer include applying a polyimide (PI) solution and then curing the method of manufacturing a tactile sensor using graphene.
 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 제 1항 또는 제 2항에 따른 제조방법에 의해 제조되는 것을 특징으로 하는 촉감센서.
A tactile sensor manufactured by the manufacturing method according to claim 1 or 2.
 사람의 손가락에 직접 부착되어 촉감인자 샘플에 접촉되어 촉감데이터를 정량화할 수 있는 그래핀 기반의 손가락센서의 제조방법에 있어서,
제1항 또는 제2항에 따른 제조방법으로 촉감센서를 제작하는 단계;
상기 촉감센서를 수용성 테이프에 전사하는 단계;
수용성 테이프를 통해 상기 촉감센서를 손가락 표면에 부착하는 단계; 및
물을 이용해 상기 수용성 테이프를 제거하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 촉감데이터를 정량화하기 위한 손가락 센서의 제조방법.
In the manufacturing method of a graphene-based finger sensor that can be directly attached to a human finger and in contact with a tactile factor sample to quantify tactile data,
Manufacturing a tactile sensor by the manufacturing method according to claim 1 or 2;
Transferring the tactile sensor to a water-soluble tape;
Attaching the tactile sensor to a finger surface through a water-soluble tape; And
A method of manufacturing a finger sensor for quantifying tactile data, comprising: removing the water-soluble tape using water.
 제 9항에 있어서,
상기 손가락에 부착된 손가락센서를 촉감인자 샘플 표면에 접촉한 후 촉각데이터를 측정하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 촉감데이터를 정량화하기 위한 손가락 센서의 제조방법.
The method of claim 9,
And measuring tactile data after contacting the finger sensor attached to the finger to the surface of the tactile factor sample. 2. A method of manufacturing a finger sensor for quantifying tactile data, comprising:
 제 10항에 있어서,
상기 센서부는 온도센서, 3축힘센서, 깊이센서, 및 수분센서를 포함하고,
상기 측정하는 단계는, 상기 센서부에서 측정된 데이터를 기반으로 딱딱함, 유연감, 제동감, 거칠기, 깊이감, 온열감을 분석하여 정량적 데이터로 산출하는 것을 특징으로 하는 촉감데이터를 정량화하기 위한 손가락 센서의 제조방법.
The method of claim 10,
The sensor unit includes a temperature sensor, a 3-axis force sensor, a depth sensor, and a moisture sensor,
The measuring step is a finger sensor for quantifying tactile data, characterized in that based on the data measured by the sensor unit, stiffness, softness, braking, roughness, depth, and heat are analyzed and calculated as quantitative data. Method of manufacturing.
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