KR102472806B1 - 3차원 형상을 갖는 대상 표면에 전기회로를 직접 인쇄하는 방법 및 장치, 이에 이용되는 3차원 인쇄장치, 그리고 이에 의하여 인쇄된 전기회로를 구비하는 전자장치 - Google Patents

3차원 형상을 갖는 대상 표면에 전기회로를 직접 인쇄하는 방법 및 장치, 이에 이용되는 3차원 인쇄장치, 그리고 이에 의하여 인쇄된 전기회로를 구비하는 전자장치 Download PDF

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Abstract

3차원 형상을 갖는 대상 표면에 전기회로를 직접 인쇄하는 방법 및 장치가 제공된다. 이러한 방법에는 대상 표면에 부착될 수 있는 3차원 인쇄장치가 이용된다. 이 인쇄 방법에서는, 인쇄 대상 전기회로의 형상에 관한 2차원 정보 및 대상 표면의 3차원 형상에 관한 정보를 입력받고, 인쇄 대상 전기회로의 형상에 관한 2차원 정보를 대상 표면의 3차원 형상에 관한 정보에 기초하여 보정함으로써, 인쇄 대상 전기회로에 관한 3차원 정보를 생성하며, 이에 기초하여 3차원 인쇄장치를 제어하기 위한 도구경로를 생성한다.
본 방법 및 장치에 의하여 3차원 형상을 갖는 대상 표면에 전기회로를 직접 제작할 수 있다. 또한, 본 방법으로 제작된 3차원 전기회로를 구비하는 전자장치는 다양한 응용이 가능하다.

Description

3차원 형상을 갖는 대상 표면에 전기회로를 직접 인쇄하는 방법 및 장치, 이에 이용되는 3차원 인쇄장치, 그리고 이에 의하여 인쇄된 전기회로를 구비하는 전자장치{Method and apparatus for printing electrical circuit directly on target surface having 3-dimensional shape, 3D printer used for the same and electical device having electrical circuit printed by the same}
본 발명은 3차원 형상을 갖는 대상 표면에 전기회로를 직접 인쇄하는 방법 및 장치, 이에 이용되는 3차원 인쇄장치, 그리고 이에 의하여 인쇄된 전기회로를 구비하는 전자장치에 관한 것이다.
인간-컴퓨터 인터페이스(HCI)에서 온-바디 전자장치는 새로운 인터페이스 매체로 인식된다. 기존의 연구들은 다양한 착용 가능성 요소를 고려하여 온-바디 전자 제작이 가능하도록 하는 기술을 개발했다. 이러한 기술의 대부분은 동일한 설계 및 제작 흐름을 따른다. 전자장치는 평면 표면에 2차원 스티커 또는 문신으로 제작되고 나중에 신체에 부착한다. 제조 과정은 일반적으로 전도성 물질이 유연성 있는 기판에 부착되어 나중에 신체에 부착될 수 있도록 여러 단계를 필요로 한다. 이러한 제조 과정은 본질적으로 어렵고 오류가 발생하기 쉽다. 일반적으로 스티커를 만들고 원하는 대로 신체에 올바르게 적용하기 위해 여러번 반복해야 하기 때문이다. 보다 일반적으로 설계 및 제작은 2차원 공간에서 실행되는 반면 신체는 본질적으로 3차원 표면이기 때문에 프로토 타입과 회로의 최종 형태 사이에 단절이 있다.
사용자의 신체에 직접 인쇄할 수 있는 가능성을 보여준 연구는 두세개 있지만, 이러한 예는 사용되는 잉크 유형 및 인체의 제한된 위치에만 인쇄를 허용하는 인쇄 장치의 폼팩터에 따라 크게 제한된다.
[1] Lo, Joanne, et al. "Skintillates: Designing and creating epidermal interactions." Proceedings of the 2016 ACM Conference on Designing Interactive Systems. 2016. [2] Zhu, Zhijie, et al. "3D printed functional and biological materials on moving freeform surfaces." Advanced Materials 30.23 (2018): 1707495.
본 발명은 전술한 문제를 해결하기 위한 것으로서, 다양한 신체 위치의 피부와 같이 3차원 형상을 갖는 대상 표면에 전기회로를 직접 제작할 수 있는 빠르고 접근 가능한 방법 및 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 위 방법에서 이용되는 3차원 인쇄장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한 본 발명은 위 방법으로 제작된, 3차원 전기회로를 구비하는 전자장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
전술한 기술적 과제를 해결하기 위하여, 본 발명의 일 양태에 따라, 3차원 인쇄장치를 이용하여 3차원 형상을 갖는 대상 표면에 전기회로를 직접 인쇄하는 방법으로서, (a) 인쇄 대상 전기회로의 형상에 관한 2차원 정보를 입력받는 단계; (b) 상기 대상 표면의 3차원 형상에 관한 정보를 입력받는 단계; (c) 상기 인쇄 대상 전기회로의 형상에 관한 2차원 정보를 상기 대상 표면의 3차원 형상에 관한 정보에 기초하여 보정함으로써, 상기 인쇄 대상 전기회로에 관한 3차원 정보를 생성하는 단계; 및, (d) 상기 단계 (c)에서 생성된 상기 인쇄 대상 전기회로에 관한 3차원 정보에 기초하여, 상기 3차원 인쇄장치를 제어하기 위한 도구경로를 생성하는 단계를 포함하는 3차원 형상을 갖는 대상 표면에 전기회로를 직접 인쇄하는 방법이 제공된다.
본 발명의 다른 양태에 따라, 적어도 하나의 프로세서; 및 컴퓨터로 실행가능한 명령을 저장하는 적어도 하나의 메모리를 포함하되, 상기 적어도 하나의 메모리에 저장된 상기 컴퓨터로 실행가능한 명령은, 상기 적어도 하나의 프로세서에 의하여, (a) 인쇄 대상 전기회로의 형상에 관한 2차원 정보를 입력받는 단계; (b) 상기 대상 표면의 3차원 형상에 관한 정보를 입력받는 단계; (c) 상기 인쇄 대상 전기회로의 형상에 관한 2차원 정보를 상기 대상 표면의 3차원 형상에 관한 정보에 기초하여 보정함으로써, 상기 인쇄 대상 전기회로에 관한 3차원 정보를 생성하는 단계; 및, (d) 상기 단계 (c)에서 생성된 상기 인쇄 대상 전기회로에 관한 3차원 정보에 기초하여, 상기 3차원 인쇄장치를 제어하기 위한 도구경로를 생성하는 단계를 포함하는 3차원 형상을 갖는 대상 표면에 전기회로를 직접 인쇄하기 위한 장치가 제공된다.
본 발명의 또다른 양태에 따라, 3차원 형상을 갖는 대상 표면에 주어진 도구경로를 따라 전기회로를 직접 인쇄하기 위한 3차원 인쇄장치로서, 전도성 잉크를 상기 대상 표면 상에 공급하는 잉크 공급부; 상기 잉크 공급부를 상기 도구경로를 따라 이동시키는 3차원 구동부; 및, 상기 잉크 공급부와 상기 3차원 구동부의 동작을 제어하는 제어부를 포함하며, 상기 도구경로는 상기 전기회로의 형상에 관한 2차원 정보를 상기 대상 표면의 3차원 형상에 관한 정보에 기초하여 보정함으로써 생성되는3차원 형상을 갖는 대상 표면에 전기회로를 인쇄하기 위한 3차원 인쇄장치가 제공된다.
본 발명의 또다른 양태에 따라, 3차원 형상을 갖는 대상 표면에 부착된 1개 이상의 전기회로; 및, 상기 1개 이상의 전기회로와 연결되는 제어모듈을 포함하되, 상기 1개 이상의 전기회로는 상기 대상 표면에 직접 인쇄되어 형성되는 전자장치가 제공된다.
본 발명의 또다른 양태에 따라, 3차원 형상을 갖는 대상 표면에 전기회로를 직접 인쇄하기 위한 3차원 인쇄장치; 상기 전기회로의 형상에 관한 2차원 정보를 상기 대상 표면의 3차원 형상에 관한 정보에 기초하여 보정함으로써 상기 전기회로에 관한 3차원 정보를 생성하며, 상기 전기회로에 관한 3차원 정보에 기초하여 도구경로를 생성하는 도구경로 생성장치; 및, 상기 도구경로에 따라 상기 3차원 인쇄장치의 동작을 제어하는 인쇄장치 제어모듈을 포함하는 3차원 형상을 갖는 대상 표면에 전기회로를 직접 인쇄하기 위한 시스템이 제공된다.
본 발명에 따라, 3차원 형상을 갖는 대상 표면에 전기회로를 직접 제작할 수 있는 빠르고 접근 가능한 방법 및 장치가 제공된다.
또한, 본 발명에 따른 방법에서 이용되는 3차원 인쇄장치가 제공된다.
또한, 본 발명에 따른 방법으로 제작된 3차원 전기회로를 구비하는 전자장치가 제공된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 전기회로 인쇄 시스템을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 2는 도 1에 도시된 시스템에서 인쇄장치 제어모듈을 도시한 도면이다.
도 3은 도 1에 도시된 시스템에서 도구경로 생성장치를 도시한 도면이다.
도 4는 도 1에 도시된 시스템에 의하여 수행되는 방법을 나타내는 흐름도이다.
도 5는 도 1에 도시된 시스템을 이용하여 사용자의 팔에 전기회로를 인쇄하는 상태를 개략적으로 도시하는 도면이다.
도 6은 사용자의 팔의 두군데에 인쇄된 전기회로 및 이를 구비하는 전자장치를 개략적으로 도시하는 도면이다.
도 7은 도 6에 도시된 전자장치에서 제어모듈을 도시한 도면이다.
도 8은 도 6에 도시된 전자장치와 연결된 컴퓨터를 도시한 도면이다.
도 9(a) 및 도 9(b)는 도 6에 도시된 전자장치의 응용예에 따른 출력 화면을 도시한 도면이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 인쇄장치를 도시한 도면이다.
도 11은 도 10에 도시된 3차원 인쇄장치를 이용하는 시스템에서 2차원 도구경로를 3차원 도구경로로 보정하는 수식을 나타낸다.
도 12(a) 및 도 12(b)는 도 10에 도시된 3차원 인쇄장치를 이용하는 시스템의 그래픽 인터페이스를 나타낸다.
도 13은 도 10에 도시된 3차원 인쇄장치를 이용하여 인체의 다양한 부위에 전기회로를 인쇄하는 상태를 나타내는 도면이다.
도 14(a) 내지 도 14(c)는 본 발명에 따른 전자장치의 응용예로서 팔의 다양한 동작에 따른 출력을 나타낸다.
도 15는 사용자의 팔에 커패시턴스 전기회로를 인쇄한 상태를 나타낸다.
도 16은 본 발명에 따른 전자장치의 다른 응용예로서 타인과의 접촉에 따른 출력을 나타낸다.
도 17은 본 발명에 따른 전자장치의 또다른 응용예로서 다양한 동작에 따른 출력을 나타낸다.
도 18(a) 내지 도 18(c)는 본 발명에 따른 전자장치의 또다른 응용예로서 슬라이더 컨트롤러를 조작하는 것을 나타낸다.
도 19(a) 내지 도 19(c)는 본 발명에 따른 전자장치의 또다른 응용예로서 사용자의 자세 품질에 따라 출력이 변화하는 것을 나타낸다.
도 20(a) 및 도 20(b)는 본 발명에 따른 전자장치의 또다른 응용예로서 사용자의 피부에 인쇄된 다양한 LED 디스플레이를 나타낸다.
이하에서는, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 실시예를 상세히 설명한다. 동일하거나 유사한 구성요소에 대해서는 동일 또는 유사한 도면 부호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략한다. 본 명세서에 개시된 실시예를 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 명세서에 개시된 실시예의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. 첨부된 도면은 본 명세서에 개시된 실시예를 쉽게 이해할 수 있도록 하기 위한 것일 뿐, 첨부된 도면에 의해 본 명세서에 개시된 기술적 사상이 제한되지 않으며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 등가인 것 내지 대체하는 것을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
제1, 제2 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 이러한 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용되며 해당되는 구성요소들은 이러한 용어들에 의해 한정되지 않는다. 단수의 표현은, 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
본 명세서에서 사용된 "포함한다", "구비한다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 단계, 구성요소 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 한정하려는 것으로 이해되어야 하며, 하나 이상의 다른 특징들이나 단계, 구성요소 또는 이들을 조합한 것들이 존재할 또는 부가될 가능성을 배제하려는 것은 아니다.
도 1에는 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 형상을 갖는 대상 표면에 전기회로를 직접 인쇄하기 위한 시스템의 구성도가 개략적으로 도시되어 있으며, 도 2에는 3차원 인쇄장치의 동작을 제어하는 제어모듈이 도시되어 있고, 도 3에는 도 1에 도시된 3차원 인쇄장치를 이용하여 대상 표면에 전기회로를 인쇄하기 위한 도구경로를 생성하는 도구경로 생성장치가 도시되어 있다.
도시된 바와 같이, 3차원 전기회로 인쇄 시스템(1)은, 3차원 인쇄장치(100), 인쇄장치 제어모듈(200) 및 도구경로 생성장치(300)를 포함한다.
3차원 인쇄장치(100)는 전도성 잉크를 3차원 형상을 갖는 대상 표면 상에 공급하여 전도성 잉크의 트레이스(trace)를 형성한다. 전도성 잉크는, 일반적으로 시판 중인 소재로서, 인쇄 중에는 유동이 가능하고 인쇄된 후에 경화되는 특성을 갖는 것이 좋다.
3차원 인쇄장치(100)는 전도성 잉크를 대상 표면에 공급하기 위한 잉크 공급부(120) 및 이 잉크 공급부(120)를 3차원 도구경로를 따라 이동시키기 위한 3차원 구동부(110)를 포함한다. 잉크 공급부(120)는 3차원 구동부(110)에 의하여 이동하면서 전도성 잉크를 대상 표면 상에 공급한다. 잉크 공급부(120)는 대상 표면 상에 공급되는 전도성 잉크의 양을 조절할 수 있다. 잉크 공급부(120)로는 예를 들어 압출기, 브러시 등 전도성 잉크를 3차원 형상을 갖는 대상 표면에 공급할 수 있는 기구라면 어떤 것이든 이용될 수 있다. 3차원 구동부(110)는 예를 들어 잉크 공급부(120)를 서로 직교하는 3개의 방향에 대해 독립적으로 이동시키는 카테시안 (Cartesian) 플랫폼일 수 있다. 3차원 인쇄장치(100)는 전기회로의 양호한 인쇄를 보장하기 위하여, 인쇄가 이루어지는 동안 대상 표면에 부착된 상태를 유지하는 것이 바람직하다.
인쇄장치 제어모듈(200)은 3차원 인쇄장치(100)의 작동을 제어한다. 인쇄장치 제어모듈(200)은 주어진 도구경로에 따라 3차원 인쇄장치(100)의 3차원 구동부(110)와 잉크 구동부(120)의 작동을 제어한다. 제어모듈(200)은 예를 들어 아두이노(Arduino)와 같은 마이크로콘트롤러를 구비하는 전자장치일 수 있다. 도 2에는 인쇄장치 제어모듈(200)의 일 실시예가 개략적으로 도시되어 있다. 인쇄장치 제어모듈(200)은, 프로세서(210), 실행 중인 프로그램들을 저장하는 메모리(220), 3차원 인쇄장치(100) 또는 후술하는 도구경로 생성장치(300)와의 사이에서 정보를 입력 또는 출력하는 입/출력부(230), 및 이들 사이의 내부 통신 통로를 구비한다. 본 실시예에서, 메모리(220)에는 3차원 인쇄장치(100)를 제어하기 위한 제어 프로그램이 탑재되고, 이 제어 프로그램에 의하여 3차원 인쇄장치(100)가 제어된다. 제어 프로그램은 입/출력부(230)를 통하여 외부로부터 제어모듈(200)에 제공될 수 있다. 제공받은 제어 프로그램을 저장하기 위한 비휘발성 메모리(도시되지 않음)가 추가로 제공될 수 있다. 또한, 입/출력부(230)를 통하여, 도구경로 생성장치(300)로부터 도구경로를 전달받을 수 있다. 제어모듈(200)의 메모리(220)에 탑재된 3차원 인쇄장치 제어 프로그램은, 전달받은 도구경로에 기초하여 3차원 인쇄장치(100)의 잉크 공급부(110) 및 3차원 구동부(120)를 제어하기 위한 신호를 생성한다. 3차원 인쇄장치(100)를 제어하기 위한 신호는 입/출력부(230)를 통하여 3차원 인쇄장치(100)로 전달된다.
도 3에는 도구경로 생성장치(300)가 개략적으로 도시되어 있다. 도구경로 생성장치(300)는 예를 들어 컴퓨터일 수 있다. 도구경로 생성장치(300)는, 프로세서(310), 프로그램과 데이터 등을 저장하는 비휘발성 저장부(320), 실행 중인 프로그램들을 저장하는 휘발성 메모리(330), 사용자와의 사이에 정보를 입력 및 출력하는 입/출력부(340), 사용자 인터페이스(350) 및 이들 사이의 내부 통신 통로로 이루어져 있다. 실행 중인 프로그램으로는, 운영체계(Operating System) 및 다양한 어플리케이션이 있을 수 있다. 도시되지는 않았지만, 전력제공부를 포함한다. 본 실시예에서, 메모리(330)에는 도구경로 생성 프로그램이 탑재되고, 이에 의하여 3차원 인쇄장치(100)를 제어하기 위한 도구경로가 생성된다. 생성된 도구경로는 입/출력부(340)를 통하여 인쇄장치 제어모듈(200)로 전달되고, 인쇄장치 제어모듈(200)은 전달받은 도구경로에 기초하여 3차원 인쇄장치(100)를 제어하기 위한 신호를 생성한다.
도 4에는 도구경로 생성장치(300)의 도구경로 생성을 위한 컴퓨터 프로그램에서 의하여 수행되는 과정이 도시되어 있다. 도시된 실시예에서, 도구경로 생성 프로그램은, 인쇄 대상 전기회로의 형상에 관한 2차원 정보 및 대상 표면의 3차원 형상에 관한 정보를 입력받은 후에, 인쇄 대상 전기회로의 형상에 관한 2차원 정보를 대상 표면의 3차원 형상에 관한 정보에 기초하여 보정함으로써 인쇄 대상 전기회로에 관한 3차원 정보를 생성하고, 이에 기초하여 도구경로를 생성한다. 인쇄 대상 전기회로의 형상에 대한 정보는 장치의 외부에서 입/출력부(340)를 통하여 입력되거나, 사용자 인터페이스(350)를 통하여 입력될 수 있다. 입력된 정보는 저장부(320)에 저장될 수 있다. 인쇄대상 전기회로의 형상에 대한 정보는 전기회로의 2차원 형상을 정의할 수 있는 것이면 어떤 것이든 무방하다. 예를 들어, 전기회로에 관한 단순한 공간좌표 정보일 수도 있고, 2차원 도구경로 정보일 수도 있다. 또한, 도구경로 생성장치(300)는 전기회로가 인쇄될 대상 표면의 3차원 형상에 관한 정보를 입력받는다. 이 정보는 예를 들어 3차원 인쇄장치(100)를 이용하여 입력받을 수도 있고, 아니면 카메라, 레이저 스캐너 등 도시되지 않은 외부 장치를 이용하여 입력받을 수도 있다. 끝으로, 인쇄 대상 전기회로의 형상에 관한 2차원 정보를 대상 표면의 3차원 형상에 관한 정보에 기초하여 보정함으로써 인쇄 대상 전기회로에 관한 3차원 정보를 생성하고, 이에 기초하여 3차원 인쇄장치를 제어하기 위한 도구경로를 생성한다. 보정 과정은, 예를 들어, 인쇄 대상 전기회로의 형상에 관한 2차원 정보를 3차원 형상을 갖는 대상 표면에 투영시켜 전기회로의 각 지점에 대한 추가 정보를 획득하는 방식으로 이루어질 수 있다. 보정 작업에 의하여 인쇄 대상 전기회로에 관한 3차원 정보가 획득되면, 이에 기초하여 3차원 인쇄장치를 제어하기 위한 도구경로를 생성한다.
도 5에는 사용자의 팔꿈치의 오목한 지점에 도 1에 도시된 3차원 전기회로 인쇄 시스템(1)을 이용하여 전기회로를 인쇄하는 상태가 도시되어 있다. 도시된 실시에에서는, 설명의 편의를 위하여, 3차원 인쇄장치(100), 인쇄장치 제어모듈(200) 및 도구경로 생성장치(300)가 각각 개별적인 장치로서 도시되고 설명되었지만, 이들 장치는 서로 결합될 수도 있다. 예를 들어, 3차원 인쇄장치(100)와 인쇄장치 제어모듈(200)이 결합되어 하나의 장치를 형성하거나, 인쇄장치 제어모듈(200)과 도구경로 생성장치(300)가 결합하여 하나의 장치를 형성할 수 있다.
도 6에는 도 5에서 3차원 전기회로 인쇄 시스템(1)에 의하여 인쇄된 전자장치의 일 예가 도시되어 있다. 도시된 실시예에서는 사용자의 팔꿈치의 오목한 지점 및 손목에 전기회로가 인쇄되어 있다. 본 실시예에서, 각 전자장치는 스트레인게이지로서 작동하도록 형성되어 있다. 두 전자장치는 크기만 다르고 기술적 구성이 동일하므로, 이하에서는 팔꿈치에 배치된 전자장치에 대해서만 설명하고 손목에 배치된 전자장치에 대한 설명은 생략한다.
전자장치는, 전술한 3차원 전기회로 인쇄 시스템(1)에 의하여 인쇄된 전기회로(10), 이 전기회로(10)와 연결된 전기소자(21, 22), 전기회로와 전기적으로 연결되는 제어모듈(30), 및 사용자의 피부에 부착된 절연층(40)을 포함한다. 참조부호 400은 컴퓨터로서 제어모듈(30)과 연결된다.
전기회로(10)는 전술한 방법에 의하여 도 1에 도시된 3차원 전기회로 인쇄 시스템(1)에 의하여 사용자의 피부에 직접 인쇄된다. 도시된 실시에에서 전기회로(10)는 사행형(serpentine pattern)으로 인쇄되어 있다. 전기회로(10)는 유동성을 갖는 전도성 잉크로 인쇄된 후 경화되어 형성된다. 경화된 상태에서 전기회로는 신축성과 유연성을 갖는다.
바람직하게는, 전기적인 절연을 제공하여 안전성을 높이고, 전기회로의 접착력을 향상시키기 위하여, 먼저 절연층(40)을 사용자의 피부에 부착한 후에 그 위에 전기회로(10)를 인쇄할 수 있다. 또한, 전기회로(10) 위에 절연층(도시되지 않음)을 추가로 부착하여 전기회로(10)와 다른 물체와 사이를 절연하고, 전기회로(10)의 내구성을 높일 수도 있다. 절연층(40)은 예를 들면 시판되고 있는 쓰리엠(3M)사의 넥스캐어(Nexcare) 등과 같은 액상밴드(liquid bandage)를 이용하여 형성시킬 수 있다.
전자장치는 전기회로(10)와 전기적으로 연결되는 전기소자(21, 22)를 구비할 수 있다. 도시된 실시예에서는, 저항 소자(21) 및 커넥터(22)가 전기회로(10)에 연결된다. 전기회로(10)는 신축성과 유연성을 갖기 때문에 전기회로(10)가 부착된 지점의 피부와 함께 변형된다. 저항 소자(21)는 도시된 전자장치가 전압분배기로서 작동하도록 제공되며, 커넥터(22)는 전기회로(10)를 제어모듈(30)과 연결하기 위하여 제공된다. 도시된 실시예에서 전자장치는 스트레인게이지로서 작동하며, 사용자가 팔의 자세를 변경하는 것에 따라 피부에 가해지는 스트레인을 전기 신호로 변환하여 제어모듈(30)에 제공한다.
제어모듈(30)은 전기회로(10)와 전기적으로 연결되고, 전기회로(10)로부터 전기 신호를 받아 처리하거나 전기회로(10)를 작동시킨다. 제어모듈(30)은 예를 들어 아두이노(Arduino)와 같은 마이크로콘트롤러를 구비하는 전자장치일 수 있다. 도 7에는 제어모듈(30)의 일 실시예가 도시되어 있다. 제어모듈(30)은, 프로세서(31), 실행 중인 프로그램들을 저장하는 메모리(32), 전기회로(10) 또는 후술하는 컴퓨터(400)와의 사이에서 정보를 입력 또는 출력하는 입/출력부(33), 및 이들 사이의 내부 통신 통로를 구비한다. 본 실시예에서, 메모리(32)에는 전기회로(10)를 제어하기 위한 제어 프로그램이 탑재되고, 이 제어 프로그램에 의하여 전기회로(10)의 신호가 처리되거나 전기회로(10)가 작동된다. 도시된 실시예에서, 제어모듈(30)은 사용자가 팔의 자세를 변경할 때 전기회로(10)의 저항의 변화를 통하여 이를 감지할 수 있다.
보다 풍부한 응용을 위하여, 제어모듈(30)은 컴퓨터(400)와 협력할 수 있다. 도 8에는 제어모듈(30)과 협력하는 컴퓨터(400)가 도시되어 있다. 컴퓨터(400)는, 프로세서(410), 프로그램과 데이터 등을 저장하는 비휘발성 저장부(420), 실행 중인 프로그램들을 저장하는 휘발성 메모리(430), 사용자와의 사이에 정보를 입력 및 출력하는 입/출력부(440), 사용자 인터페이스(450) 및 이들 사이의 내부 통신 통로로 이루어져 있다. 도시된 실시예에서 컴퓨터(400)의 휘발성 메모리(430)에는 응용 프로그램이 탑재되어 있다. 응용 프로그램은 제어모듈(30)로부터 받은 전기 신호를 처리하여 사용자가 이해하기 위한 형태로 제공할 수 있다. 예를 들어, 응용 프로그램은 제어모듈(30)로부터 사용자의 팔의 자세의 변화에 따른 팔꿈치와 팔목에 배치된 전자회로의 저항의 변화를 수신하고 이를 화면에 그래픽으로 표시할 수 있다. 응용 프로그램은 제어모듈(30)에서 제공되는 전기 신호에 저역 통과 필터를 적용하고 단순화된 골격 모델의 관절의 회전 각도로 매핑한다. 그래픽 사용자 인터페이스는 팔의 움직임을 실시간으로 화면에 렌더링한다. 도 9(a) 및 도 9(b)에는 컴퓨터(400)의 응용 프로그램에 의하여 제공되는 그래픽 사용자 인터페이스의 일 예가 도시되어 있다. 도 9(a)에는 사용자가 팔꿈치를 약간 구부린 경우의 자세가 나타나 있으며, 도 9(b)에는 사용자가 팔꿈치를 약 90도 구부리고 팔목을 약간 구부린 상태가 나타나 있다.
[실시예]
이하에서는 도면을 참조하여 위에서 설명된 3차원 전기회로 인쇄 시스템에 관한 일 실시예를 설명한다.
도 10에는 본 실시예에 따른 3차원 인쇄장치가 도시되어 있다. 3차원 인쇄장치(100)는 카테시안 플로터 베이스(110)에 잉크 압출기(120)가 장착된 구조를 갖는다. 3차원 인쇄장치(100)에는 총 4개의 바이폴라 스테퍼 모터(114a, 114b, 115, 116)가 있다. 각각 나사 막대와 연결되는 2개의 스테퍼 모터(114a, 114b)가 카테시안 플로터 베이스(110)의 가장자리에 장착되어 잉크 압출기(120)를 x-축 방향으로 이동시킨다. 2개의 추가 스테퍼 모터(115, 116) 및 이와 관련된 나사 막대가 압출기를 각각 y-축 및 z-축 방향으로 이동시킨다. xy 평면에서 모션의 최대 해상도는 0.3mm이고 최대 속도는 8.3mm/s 이다. Z-축의 해상도는 0.1mm 이다. 잉크 압출기(120)는 플로터의 헤드에 장착된다. 플로터의 헤드는 기어드 DC 모터(123)와 나사 막대로 구성되고 잉크를 압출하는 데 사용된다. 잉크 압출기(120)에는 너트에 부착된 플런저가 있으며 모터에 의해 구동되는 나사 막대에 연결된다. 잉크 압출기(120)의 노즐(122)의 크기는 φ0.5mm이며 압출기 배럴(121)에 포함된 잉크가 압출된다. 배럴(121)에는 최대 1.5mL의 시판되고 피부에 안전한 전도성 잉크가 들어 있다. 카테시안 플로터 베이스(110)와 잉크 압출기(120)의 모든 부분은 3차원 인쇄 방식으로 제작 되었으며, 전체 크기는 120 x 80 x 140 mm 이고, 인쇄 영역은 74 x 39 mm인 크기를 갖는다. 카테시안 플로터 베이스(110)에 마련된 구멍(111a, 111b, 111c)를 통하여 3차원 인쇄장치를 대상 표면에 고정시키기 위한 끈과 같은 기구가 배치된다.
제어모듈에는 아두이노 우노 (Arduino Uno) 마이크로 컨트롤러, 4개의 A4988 스테퍼 모터 드라이버가 있는 CNC Arduino 실드 V3, 및 1개의 L293D H-브리지 집적 회로가 포함된다. 전체 시스템은 8V DC 전원 공급 장치를 통해 전원이 공급된다. 아두이노 우노는 CNC 소프트웨어를 실행하며, 모터로 잉크 압출기(120) 위치를 제어하는데 사용된다. 특히, x-축을 따라 배치된 2개의 스테퍼(114a, 114b)는 y-축을 따라 구조적으로 비틀리지 않도록 동기화된다. H-브리지 칩은 별도의 브레드 보드(45mm x 35mm)에 있으며 잉크 압출기(120)에서 플런저의 깊이와 동작 방향을 제어한다. 일반적으로 플런저는 잉크를 배출하기 위해 밀려나지만 압출기를 다시 채워야 하거나 회로에 의도적인 간격이 있을 때 당겨질 수도 있다.
도구경로 생성 프로그램은 Java로 작성되었으며 PC에서 실행된다.
사용자는 CAD 소프트웨어를 사용하여 원하는 전기회로를 설계한다. 완료 후 전기회로는 도구경로로 변환되고 2차원 G-코드로서 내보내진다. 사용자는 도구경로 생성 프로그램을 사용하여 생성된 G-코드를 로드한 다음 2차원 도구경로로 시각화 한다. 회로에 필요한 추가 사항은 마우스로 클릭 및 드래그 제스처를 사용하여 직접 구현할 수 있다.
다음으로 사용자는 3차원 인쇄장치(100)를 착용하고 컴퓨터-지원 z-축 보정을 시작한다. 보정 그리드 해상도를 설정한 후 사용자는 잉크 압출기(120)를 각 보정 포인트로 이동하고 z-축 값을 조정한다. 도구경로 생성 프로그램은 z-축 데이터를 가져온 2차원 G-코드에 통합하고 이를 하드웨어 제어 장치로 전송되는 3차원 도구경로로 변환한다. 보정을 수행하려면 각 지점에서 잉크 압출기(120)가 피부에 닿을 때까지 잉크 압출기(120)의 수직 높이를 수동으로 조정해야 한다. 회로에 가까운 지점만 보정이 필요하다. 보정하는 동안 잉크 압출기(120)는 0.1mm의 정밀도와 8.3mm/s의 속도로 이동할 수 있다. 보정 포인트는 인쇄할 신체 부위의 복잡성에 따라 인쇄 영역을 6~11개 사이의 원하는 수의 행과 열로 세분화 한 결과이다. 제한된 보정 포인트 세트가 주어지면 인쇄 표면의 모양을 추론할 수 있다. 세분화로 인한 등거리의 꼭지점은 보정 포인트를 구성한다. 따라서, 최소 36개의 꼭지점 최대 121개의 꼭지점으로 구성된 보정 그리드를 지원한다. 최대 분해능에서 보정 포인트는 x 및 y 방향으로 각각 6.7mm 및 3.6mm 떨어져 있다. 이러한 4개의 꼭지점(Q11~Q22)으로 구분된 영역 내의 모든 점은 점 (x, y)에서 트레이스 f의 높이에 대한 이중 선형 보간을 보여주는 도 11의 공식을 사용하여 계산할 수 있다. 상대적으로 뚱뚱한 신체 부위의 경우 보정을 위해 6x6 포인트를 사용하는 것으로 충분하며 완료하는 데 5분도 걸리지 않는다. 보정이 완료되면 사용자는 잉크 압출기 설정을 조정하여 인쇄 트레이스의 두께를 제어할 수 있다.
도구경로 생성 프로그램의 그래픽 인터페이스는 도 12(a) 및 도 12(b)에 나타나 있다. 그래픽 인터페이스는 도구경로 생성 프로그램에 의해 로드된 2차원 G-코드 명령에 해당하는 회로를 표시한다(도 12(a) 참조). 사용자가 함께 인쇄할 수 있는 사용자 정의 모양을 그릴 수 있다. 그래픽 인터페이스는 도구경로 위에 그리드 오버레이로 표시된 z-축의 숫자값을 보여준다(도 12(b) 참조). 화면 오른쪽에는 버튼과 슬라이더가 있는 제어판이 있다. 이 패널은 다음과 같은 3차원 인쇄장치의 동작을 정밀하게 제어할 수 있도록 한다: 1) 사용자가 세 축 중 하나에서 노즐을 이동하는 것, 2) 인쇄 초기화, 보정 및 시작, 3) 압출기의 플런저를 수직으로 이동시켜 압출기를 충전시키거나 잉크를 압출시키는 것, 및 4) 인쇄 회로의 두께 설정. 예를 들어 플런저를 최대 힘(100% 듀티 사이클)으로 설정하면 선이 대략 2mm 두께로 인쇄된다.
마지막으로 도구경로 생성 프로그램은 2차원 G-코드 정보와 결합된 각 꼭지점의 높이를 사용하여 신체 표면의 높이값과 함께 전기회로의 좌표를 포함하는 새로운 경로를 3차원으로 구성한다. 3차원 G-코드 명령 세트가 제어모듈에 입력되어 세 축에서 압출기의 위치를 제어하는 데 사용된다.
그래픽 인터페이스에서 "PRINT" 버튼을 누르면 전기회로 인쇄가 시작된다. 잉크 압출기는 생성된 3차원 도구경로에 따라 피부의 곡률을 따라 이동한다. 인쇄가 완료된 후 사용자는 3차원 인쇄장치를 피부 표면으로부터 제거하고 필요한 구성요소로 회로 배선을 준비할 수 있다. 인쇄된 전기회로는 일반적으로 10분 이내에 건조되며 건조하는 동안 필요한 전자 부품이 회로에 부착된다.
사용자는 원하는 인쇄 부위의 피부에 액상밴드를 적용하여 전기회로를 절연함으로써 피부 안전을 향상시키고 전기회로의 접착력을 향상시킬 수 있다. 또한 이로 인해 인쇄가 오래 지속된다. 전기회로가 건조되면 액상밴드 층을 추가로 적용하여 회로를 추가로 절연하고 내구성을 높인다.
본 실시예에 따른 3차원 전기회로 인쇄 시스템은 인체의 다양한 부위에 전기회로를 인쇄할 수 있다. 도 13을 참조하면, 좌측 상단부터 시계방향으로, 팔뚝, 손목, 손가락, 이마, 목, 등, 배, 허벅지, 발목 등의 부위에 전기회로를 인쇄할 수 있었다.
도 14 내지 도 20에는 본 실시예에 따른 3차원 전기회로 인쇄 시스템에 의하여 신체 부위에 인쇄된 전기회로를 포함하는 다양한 전자장치 및 이의 응용예가 도시되어 있다.
도 14(a) 내지 14(c)에는 팔꿈치의 오목한 부분에 인쇄된 스트레인게이지에 의하여 각각 팔의 구부리기, 비틀기, 전기회로 부위의 피부를 쥐기 등 다양한 입력 제스처를 감지할 수 있음을 나타낸다. 도시된 그래프는 구부리기, 비틀기 및 쥐기 입력 동작에 따라 저항이 얼마나 크게 변하는지 보여준다.
도 15에는 커패시턴스를 측정하기 위한 전자장치의 예가 도시되어 있다. CapactiveSensor 라이브러리와 인쇄된 센서의 알려진 1MΩ 저항을 사용하여 커패시터를 충전하는 데 필요한 시간을 제어모듈로 측정했다. 이 전자장치는 도 16 및 도 17에 도시된 두 가지 간단한 응용 프로그램을 만드는 데 사용했다. 사용자가 다른 사람을 만지면 상대 정전용량이 증가한다. 도 16에 도시된 바와 같이, 사용자가 타인과 비접촉 상태인 경우(I), 집게손가락을 다른 사람과 접촉한 경우(II) 및 가운데 손가락을 또다른 사람과 접촉한 경우(III) 각각 상대 정전용량이 다르게 나타난다. 이 응용 프로그램은 서로 다른 사람의 터치를 신뢰할 수 있게 감지하는 것을 보여준다. 사용자와 접지 사이의 접촉 면적이 감소하면 그에 따라 신체 정전 용량이 감소한다. 두번째 응용 프로그램은 이를 이용하여 서기(I), 걷기(II), 점프(III)와 같은 움직임 감지를 보여준다. 이러한 응용 프로그램에 따라, 걸음 수 카운터, 피트니스 추적기 등 다양한 유형의 감지에 대한 다른 기회를 쉽게 상상할 수 있다.
도 18에 도시된 응용예에서는 전압 분배기의 개념을 사용하여 슬라이더 컨트롤러를 사용자의 손가락에 인쇄했다. 2개의 평행선이 집게 손가락을 가로 지르는 반면 원형 스위치는 엄지 손가락에 인쇄되어 있다. 엄지 손가락이 슬라이더의 레일에 닿으면 회로를 효과적으로 닫아 제어모듈이 슬라이더의 시작과 터치가 발생한 위치 사이의 해당 저항을 감지할 수 있다. 그런 다음 이 값을 음악 플레이어의 볼륨 수준에 매핑했다.
도 19에 도시된 응용예에서는 2개의 스트레인게이지 센서를 사용하여 사용자의 앉은 자세의 품질을 감지했다. 전기회로는 등 위쪽(10a)과 아래쪽(10b)에 인쇄되어 있으며 이들의 조합된 판독값은 사용자의 자세를 추론하고 사용자에게 시각적 피드백을 제공하는 데 사용된다. 이 응용프로그램은 간섭을 일으키지 않고 전기회로를 옷으로 덮을 수 있는 방법도 보여준다.
본 실시예에 따른 3차원 전기회로 인쇄 시스템을 사용하면 기능적이며 미적으로 만족스러운 LED 디스플레이를 만들 수 있다. 도 20(a)는 애니메이션 효과를 만들기 위한 6개의 LED가 있는 이마에 인쇄된 불꽃모양 문신을 보여준다. LED는 찰리플렉싱(charlieplexing)을 사용하여 개별적으로 제어되며, 제어모듈에 연결된 3개의 와이어로 최대 8개의 LED를 제어할 수 있다. 도 20(b)에는 팔뚝에 인쇄된 LED 디스플레이의 다양한 예가 도시되어 있다.
전술한 상세한 설명은 어떤 면에서도 제한적으로 해석되어서는 아니되며 예시적인 것으로 고려되어야 한다. 예를 들어, 본 발명의 명세서에서는 실시예로서 인체의 피부에 전기회로가 인쇄되는 것으로 설명하였으나. 대상 표면은 인체의 피부에 한정되지 않으며, 3차원 인쇄장치가 부착될 수 있는 표면이라면 어떤 표면이든 대상 표면이 될 수 있다. 본 발명의 범위는 첨부된 청구항의 합리적 해석에 의해 결정되어야 하고, 본 발명의 등가적 범위 내에서의 모든 변경은 본 발명의 범위에 포함된다.
1: 3차원 전기회로 인쇄 시스템
10: 전기회로
20, 21, 22: 전기소자
30: 제어모듈
40: 절연층
100: 3차원 인쇄장치
200: 인쇄장치 제어모듈
300, 400: 컴퓨터

Claims (16)

  1. 3차원 인쇄장치를 이용하여 3차원 형상을 갖는 대상 표면에 전기회로를 직접 인쇄하는 방법으로서,
    (a) 인쇄 대상 전기회로의 형상에 관한 2차원 정보를 입력받는 단계;
    (b) 상기 대상 표면의 3차원 형상에 관한 정보를 입력받는 단계;
    (c) 상기 인쇄 대상 전기회로의 형상에 관한 2차원 정보를 상기 대상 표면의 3차원 형상에 관한 정보에 기초하여 보정함으로써, 상기 인쇄 대상 전기회로에 관한 3차원 정보를 생성하는 단계; 및,
    (d) 상기 단계 (c)에서 생성된 상기 인쇄 대상 전기회로에 관한 3차원 정보에 기초하여, 상기 3차원 인쇄장치를 제어하기 위한 도구경로를 생성하는 단계
    를 포함하되,
    상기 단계 (c)의 보정은, 상기 대상 표면의 복잡성에 따라 인쇄 영역을 6~11개 사이의 수의 행과 열로 세분화하여 결정된 복수개의 보정 포인트에서 이루어지는
    3차원 형상을 갖는 대상 표면에 전기회로를 직접 인쇄하는 방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 대상 표면은 인간의 피부 표면인 것
    을 특징으로 하는 3차원 형상을 갖는 대상 표면에 전기회로를 직접 인쇄하는 방법.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 대상 표면은 상기 전기회로가 그 표면 위에 인쇄되기 전에 인간의 피부에 부착된 절연층의 표면인 것
    을 특징으로 하는 3차원 형상을 갖는 대상 표면에 전기회로를 직접 인쇄하는 방법.
  4. 청구항 1에 있어서,
    (e) 상기 단계 (d)에서 생성된 도구경로를 따라 상기 대상 표면 상에 전도성 잉크를 공급하는 단계
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 3차원 형상을 갖는 대상 표면에 전기회로를 직접 인쇄하는 방법.
  5. 청구항 4에 있어서,
    (f) 상기 인쇄 대상 회로와 전기적으로 연결되는 전기소자를 상기 대상 표면에 배치시키는 단계
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 3차원 형상을 갖는 대상 표면에 전기회로를 직접 인쇄하는 방법.
  6. 적어도 하나의 프로세서; 및
    컴퓨터로 실행가능한 명령을 저장하는 적어도 하나의 메모리를 포함하되,
    상기 적어도 하나의 메모리에 저장된 상기 컴퓨터로 실행가능한 명령은, 상기 적어도 하나의 프로세서에 의하여,
    (a) 인쇄 대상 전기회로의 형상에 관한 2차원 정보를 입력받는 단계;
    (b) 대상 표면의 3차원 형상에 관한 정보를 입력받는 단계;
    (c) 상기 인쇄 대상 전기회로의 형상에 관한 2차원 정보를 상기 대상 표면의 3차원 형상에 관한 정보에 기초하여 보정함으로써, 상기 인쇄 대상 전기회로에 관한 3차원 정보를 생성하는 단계; 및,
    (d) 상기 단계 (c)에서 생성된 상기 인쇄 대상 전기회로에 관한 3차원 정보에 기초하여, 3차원 인쇄장치를 제어하기 위한 도구경로를 생성하는 단계
    를 포함하되,
    상기 단계 (c)의 보정은, 상기 대상 표면의 복잡성에 따라 인쇄 영역을 6~11개 사이의 수의 행과 열로 세분화하여 결정된 복수개의 보정 포인트에서 이루어지는
    3차원 형상을 갖는 대상 표면에 전기회로를 직접 인쇄하기 위한 장치.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 도구경로에 기초하여 상기 3차원 인쇄장치의 동작을 제어하기 위한 신호를 생성하는 3차원 인쇄장치 제어모듈을 더 포함하는 것
    을 특징으로 하는 3차원 형상을 갖는 대상 표면에 전기회로를 직접 인쇄하기 위한 장치.
  8. 3차원 형상을 갖는 대상 표면에 주어진 도구경로를 따라 전기회로를 직접 인쇄하기 위한 3차원 인쇄장치로서,
    전도성 잉크를 상기 대상 표면 상에 공급하는 잉크 공급부;
    상기 잉크 공급부를 상기 도구경로를 따라 이동시키는 3차원 구동부; 및,
    상기 잉크 공급부와 상기 3차원 구동부의 동작을 제어하는 제어부
    를 포함하며,
    상기 도구경로는 상기 전기회로의 형상에 관한 2차원 정보를 상기 대상 표면의 3차원 형상에 관한 정보에 기초하여 보정함으로써 생성되며,
    상기 보정은 상기 대상 표면의 복잡성에 따라 인쇄 영역을 6~11개 사이의 수의 행과 열로 세분화하여 결정된 복수개의 보정 포인트에서 이루어지는
    3차원 형상을 갖는 대상 표면에 전기회로를 인쇄하기 위한 3차원 인쇄장치.
  9. 청구항 8에 있어서,
    상기 잉크 공급부는 상기 전도성 잉크를 보유하고 압출하는 압출기인 것
    을 특징으로 하는 3차원 형상을 갖는 대상 표면에 전기회로를 인쇄하기 위한 3차원 인쇄장치.
  10. 청구항 8에 있어서,
    상기 3차원 구동부는 인쇄가 이루어지는 동안 상기 대상 표면에 대한 부착 상태를 유지할 수 있는 것
    을 특징으로 하는 3차원 형상을 갖는 대상 표면에 전기회로를 인쇄하기 위한 3차원 인쇄장치.
  11. 삭제
  12. 삭제
  13. 삭제
  14. 삭제
  15. 삭제
  16. 3차원 형상을 갖는 대상 표면에 전기회로를 직접 인쇄하기 위한 3차원 인쇄장치;
    상기 전기회로의 형상에 관한 2차원 정보를 상기 대상 표면의 3차원 형상에 관한 정보에 기초하여 보정함으로써 상기 전기회로에 관한 3차원 정보를 생성하며, 상기 전기회로에 관한 3차원 정보에 기초하여 도구경로를 생성하는 도구경로 생성장치; 및,
    상기 도구경로에 따라 상기 3차원 인쇄장치의 동작을 제어하는 인쇄장치 제어모듈
    을 포함하되,
    상기 도구경로 생성장치에 의한 보정은, 상기 대상 표면의 복잡성에 따라 인쇄 영역을 6~11개 사이의 수의 행과 열로 세분화하여 결정된 복수개의 보정 포인트에서 이루어지는
    3차원 형상을 갖는 대상 표면에 전기회로를 직접 인쇄하기 위한 시스템.
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