KR102490633B1 - 크랙 기반의 스트레인 센서 및 이의 민감도 조절 방법 - Google Patents

크랙 기반의 스트레인 센서 및 이의 민감도 조절 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 전도층에 복수의 크랙이 형성된 크랙 기반의 스트레인 센서의 제작 및 계측 후에도 후처리를 통해 센서의 민감도를 줄이거나 키우는 것이 가능하도록 하는 크랙 기반의 스트레인 센서 및 이의 민감도 조절 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

Description

크랙 기반의 스트레인 센서 및 이의 민감도 조절 방법{Crack-based strain sensor and its sensitivity control method}
본 발명은 크랙 기반의 스트레인 센서 및 이의 민감도 조절 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 스트레인 센서의 제작 및 계측 후에도 후처리를 통해 센서의 민감도 조절이 가능하도록 하는 크랙 기반의 스트레인 센서 및 이의 민감도 조절 방법에 관한 것이다.
일반적으로 고감도 센서는 미세한 신호를 감지하여 이를 전기적 신호 등의 데이터로 전달하는 장치로서 현대 산업에서 필수적으로 요구되는 부품 중 하나이다.
이와 같은 센서 중 압력이나 인장력을 측정하는 센서로 정전용량(capacitive) 센서, 압전기(piezoelectric) 센서, 스트레인(strain) 센서 등이 알려져 있다.
기존의 인장 센서인 스트레인 센서는 기계적인 미세한 변화를 전기 신호로 검출하는 센서로서, 기계나 구조물의 표면에 접착해두면 그 표면에서 생기는 미세한 치수의 변화, 즉 스트레인을 측정하는 것이 가능하고 스트레인의 크기로부터 강도나 안전성을 확인하는데 중요한 응력을 알 수 있다.
또한, 스트레인 센서는 금속 저항 소자의 저항치 변화에 따라 피 측정물의 표면의 변형을 측정하는 것으로, 일반적으로 금속 재료의 저항치는 외부로부터의 힘에 의해 늘어나면 증가하고 압축되면 감소하는 성질을 가지고 있다.
스트레인 센서는 힘, 압력, 가속도, 변위, 토크(torque) 등의 물리량을 전기 신호로 바꾸기 위한 센서의 수감 소자로도 응용되고 실험, 연구용으로 쓰일 뿐만 아니라 계측 제어용으로도 널리 이용되고 있다.
그러나, 기존의 스트레인 센서는 금속선을 이용하기 때문에 민감도가 매우 떨어져 인공 피부를 제작하거나 인체의 움직임을 감지하는 고성능 스트레인 센서를 제작하는데는 어려움이 있었다. 이에 따라 유연성을 가지며 고 민감도 및 대변위의 측정이 가능한 크랙 기반의 스트레인 센서가 개발되어 왔다.
유연성을 가지는 크랙 기반의 스트레인 센서는 넓은 사용처, 높은 민감도, 넓은 동작 범위 등의 장점을 가져 다양한 분야에서 수요가 점점 증가하고 있으며, 가상 현실, VR, 스포츠, 헬스 모니터링, 로봇 등에서 사용되기 위해 지속적으로 연구가 진행 중에 있다.
종래의 크랙 기반의 스트레인 센서는 신축성 폴리머 기판 위에 전도성 금속을 코팅하고, 기판을 과도하게 신장시키면 기판과 전도층 사이의 탄성계수 차이에 의하여 전도층의 금속막이 갈라지면서 복수의 크랙이 형성되게 된다.
도 1을 참조하면, 종래의 크랙 기반의 스트레인 센서는 크랙이 양의 곡률을 가지도록 센서를 볼록하게 굽히면 도 1a에 도시된 바와 같이 크랙 사이의 거리가 늘어나면서 전기 저항이 크게 증가하게 되고, 크랙이 음의 곡률을 가지도록 센서를 오목하게 굽히면 도 1c에 도시된 바와 같이 전도층의 금속막에 주름이 생기고 크랙들이 오버랩되며 전기 저항이 크게 감소하게 된다. 따라서 이러한 크랙 기반의 스트레인 센서는 기존의 스트레인 센서에 비해 스트레인에 대한 민감도가 매우 향상된다.
그러나, 이러한 종래의 크랙 기반의 스트레인 센서는 제작 공정에서만 센서의 민감도가 조절되고 있어 제작 및 계측 후에는 센서의 민감도가 불가능한 문제점이 있었다.
대한민국 등록특허공보 제10-1946150호 (발명의 명칭: 나노크랙을 포함하는 고 민감도, 고 변형율 측정센서 및 그 제조방법, 공고일: 2019. 02. 08)
이에 본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 전도층에 복수의 크랙이 형성된 크랙 기반의 스트레인 센서의 제작 및 계측 후에도 후처리를 통해 센서의 민감도를 줄이거나 키우는 것이 가능하도록 하는 크랙 기반의 스트레인 센서 및 이의 민감도 조절 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명의 과제들은 이상에서 언급한 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상술한 과제를 해결하기 위하여, 본 발명에 따른 크랙 기반의 스트레인 센서는, 비전도성이며 신축성 소재로 구성되는 기판 및 상기 기판에 금속을 코팅하여 형성되는 전도층을 포함하고, 상기 전도층은 복수의 크랙이 형성되며, 상기 기판은 스크래치 또는 돌출부가 적어도 하나 이상 형성된다.
또한, 상기 스크래치의 너비, 깊이, 개수, 간격, 방향 및 패턴에 따라 스트레인에 대한 민감도가 조절될 수 있다.
또한, 상기 돌출부의 너비, 높이, 개수, 간격, 방향 및 패턴에 따라 스트레인에 대한 민감도가 조절될 수 있다.
또한, 상기 복수의 크랙은, 상기 기판이 늘어날 때 상기 전도층과의 탄성계수 차이로 상기 전도층의 금속 막이 갈라지면서 형성될 수 있다.
본 발명에 따른 크랙 기반의 스트레인 센서의 민감도 조절 방법은, 비전도성이며 신축성 소재로 구성되는 기판 및 상기 기판에 금속을 코팅하여 형성되는 전도층을 포함하고, 상기 전도층은 복수의 크랙이 형성되는 크랙 기반의 스트레인 센서의 민감도 조절 방법에 있어서, 상기 기판에 스크래치 또는 돌출부를 적어도 하나 이상 형성하여 상기 크랙 기반의 스트레인 센서의 스트레인에 대한 민감도를 조절한다.
또한, 상기 기판에 레이저를 조사하여 상기 스크래치를 형성할 수 있다.
또한, 상기 기판에 주사기로 상기 기판과 동일한 재료를 보강하여 상기 돌출부를 형성할 수 있다.
또한, 상기 스크래치의 너비, 깊이, 개수, 간격, 방향 및 패턴을 조절하여 상기 크랙 기반의 스트레인 센서의 스트레인에 대한 민감도를 조절할 수 있다.
또한, 상기 돌출부의 너비, 높이, 개수, 간격, 방향 및 패턴을 조절하여 상기 크랙 기반의 스트레인 센서의 스트레인에 대한 민감도를 조절할 수 있다.
본 발명의 크랙 기반의 스트레인 센서 및 이의 민감도 조절 방법에 따르면 다음과 같은 효과가 하나 혹은 그 이상 있다.
첫째, 크랙 기반의 스트레인 센서의 제작 및 계측 후에도 레이저로 기판에 스크래치를 형성하거나 주사기로 기판의 재료를 보강함으로써 센서의 민감도를 키우거나 줄일 수 있는 이점이 있다.
본 발명의 효과들은 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 청구범위의 기재로부터 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 종래의 크랙 기반의 스트레인 센서를 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 크랙 기반의 스트레인 센서를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 크랙 기반의 스트레인 센서의 단면도이다.
도 4 및 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 크랙 기반의 스트레인 센서의 스크래치의 작용을 설명하기 위한 도면이다.
도 6 및 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 크랙 기반의 스트레인 센서의 스크래치 및 돌출부의 형태를 설명하기 위한 도면이다.
도 8은 본 발명의 실험예 1의 실험 결과를 나타낸 도면이다.
도 9 및 10은 본 발명의 실험예 2의 실험 결과를 나타낸 도면이다.
도 11 및 12는 본 발명의 실험예 3의 실시예 3 내지 6을 나타낸 도면이다.
도 13은 본 발명의 실험예 3의 실험 결과를 나타낸 도면이다.
도 14는 본 발명의 실험예 4의 실험 결과를 나타낸 도면이다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.
본 명세서에 첨부된 도면에 도시된 구성요소의 크기나 형상 등은 설명의 명료성과 편의성을 위하여 과장되게 도시될 수 있다. 각 도면에서 동일한 구성은 동일한 참조부호로 도시한 경우가 있음을 유의하여야 한다. 또한, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 공지 기술의 기능 및 구성에 관한 상세한 설명은 생략될 수 있다.
본 명세서에서 사용된 용어는 특정 실시예를 설명하기 위하여 사용되며, 본 발명을 제한하기 위한 것이 아니다. 본 명세서에서 사용된 바와 같이 단수 형태는 문맥상 다른 경우를 분명히 지적하는 것이 아니라면, 복수의 형태를 포함할 수 있다. 또한, 본 명세서 전체에서 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
어떠한 구성 요소가 다른 구성 요소에 “연결되어” 있다거나 “접속되어” 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성 요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성 요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떠한 구성 요소가 다른 구성요소에 “직접 연결되어” 있다거나 또는 “직접 접속되어” 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성 요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. 구성 요소들 간의 관계를 설명하기 위한 다른 표현들도 마찬가지로 해석되어야 한다.
본 명세서에서 사용되는 상단, 하단, 상면, 하면 또는 상부, 하부 등의 용어는 구성 요소들에 있어서 상대적인 위치를 구별하기 위해 사용되는 것이다. 예를 들어, 편의 상 도면상의 위쪽을 상부, 도면상의 아래쪽을 하부로 명명하는 경우 실제에 있어서는 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 상부는 하부로 명명될 수 있고, 하부는 상부로 명명될 수 있다.
본 명세서에서 기재한 ~제1~, ~제2~ 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성 요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성 요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지 않는다. 상기 용어들은 각 구성요소가 서로 다른 구성 요소들임을 구분하기 위해서 지칭한 것일 뿐, 제조된 순서에 구애받지 않는 것이며, 발명의 상세한 설명과 청구범위에서 그 명칭이 일치하지 않을 수 있다.
본 명세서에서 사용되는 기술적이거나 과학적인 용어를 포함한 모든 용어들은, 다르게 정의되지 않는 한 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 갖는 것으로 해석되어야 하며, 본 명세서에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하, 본 발명의 실시예들에 의한 크랙 기반의 스트레인 센서 및 이의 민감도 조절 방법을 설명하기 위하여 도면들을 참고하여 본 발명에 대해 설명하도록 한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 크랙 기반의 스트레인 센서를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 크랙 기반의 스트레인 센서(1)는 기판(10) 및 전도층(20)을 포함한다.
기판(10)은 측정 대상으로부터 외력을 받아 신장될 수 있도록 신축성 소재로 구성되며, 후술할 전도층(20)의 저항 변화에 전기적으로 영향을 미치지 않도록 비전도성 소재로 구성될 수 있으며, 본 발명의 일 실시예에 따르면 기판(10)의 소재는 폴리우레탄(PU)으로 구성하는 것이 바람직하다.
전도층(20)은 전도성을 가지는 금속 소재가 상기 기판(10)에 코팅되어 형성될 수 있다. 상기 전도층(20)을 구성하는 금속 소재는 금, 은, 백금과 같이 전도성과 연성이 뛰어난 재료로 선택되는 것이 바람직하다.
상기 전도층(20)은 복수의 크랙(21)이 형성될 수 있다. 상기 크랙(21)은 상기 전도층(20)이 코팅된 기판(10)을 과도하게 신장시키면 기판(10)과 전도층(20)의 탄성계수 차이로 전도층(20)의 금속막이 균일한 분포로 갈라지면서 형성된다. 이 때 크랙(21)은 기판(10)이 신장되는 방향과 수직한 방향으로 형성된다.
크랙(21)이 양의 곡률을 가지도록 스트레인 센서(1)를 볼록하게 굽히면 크랙(21) 사이의 거리가 늘어나면서 전기 저항이 크게 증가하게 되고, 크랙(21)이 음의 곡률을 가지도록 센서(1)를 오목하게 굽히면 전도층(20)의 금속막에 주름이 생기고 크랙(21)들이 오버랩되며 전기 저항이 크게 감소하게 되어 크랙(21)에 의해 스트레인 센서(1)의 민감도가 매우 향상되게 된다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 크랙 기반의 스트레인 센서의 단면도이다.
이 때, 도 3을 참조하면 상기 기판(10)은 스크래치(11) 또는 돌출부(12)가 적어도 하나 이상 형성될 수 있다.
도 3a에 도시된 바와 같이 레이저 커터에 의하여 상기 기판(10)에 레이저가 조사되어 스크래치(11)가 형성될 수 있으며, 본 발명의 다른 실시예에 따르면 에칭(etching) 기법으로 기판(10)의 두께를 줄이는 방식으로 스크래치(11)가 형성될 수 있고, 칼로 직접 기판(10)에 스크래치(11)를 내는 기계적인 방법을 사용하여 스크래치(11)가 형성될 수도 있다. 또한, 도 3b에 도시된 바와 같이 주사기로 기판(10)의 재료를 보강하여 돌출부(12)가 형성될 수 있으며, 기판(10)에 마스킹 후 코팅을 하는 방법으로 재료를 보강하여 돌출부(12)가 형성될 수 있다.
도 4 및 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 크랙 기반의 스트레인 센서의 스크래치의 작용을 설명하기 위한 도면이다.
도 4 및 5를 참조하면, 크랙 기반의 스트레인 센서(1)의 기판(10)에 스크래치(11)를 형성하였을 때 센서(1)가 신장되지 않았을 때에는 스크래치(11)가 형성되지 않은 센서(1)와 스크래치(11)가 형성된 센서(1)의 전기 저항이 같지만, 센서(1)가 신장될 때에는 스크래치(11)가 형성된 센서(1)가 스크래치(11)가 형성되지 않은 센서(1)보다 크랙(21)이 더 큰 범위로 갈라짐으로써 스크래치(11)가 형성된 센서(1)가 전기 저항이 훨씬 커지게 되어 스트레인 센서(1)의 민감도가 크게 향상될 수 있다. 이 때, 본 발명의 일 실시예에 따르면 상기 크랙 기반의 스트레인 센서(1)의 기판(10)에 스크래치(11)가 형성되면 민감도가 커지는 것이 일반적이나, 스크래치(11)가 형성되는 방향이나 패턴에 따라 센서(1)의 민감도가 줄어들 수도 있다. 이에 대한 상세한 설명은 후술하도록 한다.
또한, 크랙 기반의 스트레인 센서(1)의 기판(10)에 돌출부(12)를 형성하였을 때에는 돌출부(12)가 형성되지 않은 센서(1)와 돌출부(12)가 형성된 센서(1)의 전기 저항이 같지만, 센서(1)가 신장될 때에는 돌출부(12)가 형성된 센서(1)가 돌출부(12)가 형성되지 않은 센서(1)보다 크랙(21)이 더 작은 범위로 갈라짐으로써 돌출부(12)가 형성된 센서(1)가 전기 저항이 훨씬 줄어들어 스트레인 센서(1)의 민감도가 크게 줄어들 수 있다.
즉, 크랙 기반의 스트레인 센서(1)의 기판(10)에 스크래치(11) 또는 돌출부(12)를 형성함으로써 센서(1)의 제작 및 계측 후에도 원하는 만큼 민감도를 키우거나 줄이는 것이 가능하다.
도 6 및 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 크랙 기반의 스트레인 센서의 스크래치 및 돌출부의 형태를 설명하기 위한 도면이다.
먼저 도 6a를 참조하면 레이저의 파워 또는 조사 횟수를 조절하여 스크래치(11)의 너비 및 깊이가 조절될 수 있고, 도 6b 및 6c를 참조하면 스크래치(11) 되거나 재료가 보강되는 돌출부(12)의 단면의 모양은 다양하게 형성될 수 있으며, 도 6c에 도시된 바와 같이 주사기에 의해 기판(10)에 재료가 보강되는 정도에 따라 돌출부(12)의 너비 및 높이가 조절될 수 있으며, 또한 도 6d에 도시된 바와 같이 기판(10)에 형성된 스크래치(11)에 다시 재료를 보강하여 돌출부(12)가 형성될 수도 있다.
또한, 도 7a를 참조하면 기판(10)에 형성되는 스크래치(11) 또는 돌출부(12)의 개수와 간격에 따라 민감도가 조절될 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따르면 스크래치(11) 또는 돌출부(12)가 형성되는 개수가 많을수록, 스크래치(11) 또는 돌출부(12) 간의 간격이 좁을수록 민감도가 조절되는 범위가 커지게 된다.
도 7b를 참조하면 기판(10)에 형성되는 스크래치(11) 또는 돌출부(12)의 방향이나 패턴은 다양한 방식으로 형성될 수 있으며, 본 발명의 일 실시예에 따르면 스트레인 센서(1)의 길이방향에 수직으로 스크래치(11) 또는 돌출부(12)를 형성하였을 때 민감도가 조절되는 범위가 가장 커지게 된다.
이하에서는, 본 발명에 따른 크랙 기반의 스트레인 센서의 민감도 조절 방법에 대해 설명한다. 본 발명에 따른 크랙 기반의 스트레인 센서의 민감도 조절 방법에 있어서 상기 크랙 기반의 스트레인 센서(1)에 대한 설명은 상술한 바 있으므로 동일한 부호를 사용하되 중복되는 상세한 설명은 생략될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 크랙 기반의 스트레인 센서의 민감도 조절 방법은 상기 크랙 기반의 스트레인 센서(1)의 기판(10)에 스크래치(11) 또는 돌출부(12)를 적어도 하나 이상 형성하여 상기 크랙 기반의 스트레인 센서(1)의 스트레인에 대한 민감도를 조절할 수 있다.
상기 스크래치(11)는 레이저 커터를 이용하여 상기 기판(10)에 레이저를 조사하여 형성할 수 있으며, 상기 돌출부(12)는 주사기로 상기 기판(10)의 재료를 보강하여 형성할 수 있다. 이 때, 본 발명의 다른 실시예에 따르면 에칭 기법으로 기판(10)의 두께를 줄이는 방식으로 스크래치(11)를 형성할 수 있고, 칼로 직접 기판(10)에 스크래치(11)를 내는 기계적인 방법을 사용하여 스크래치(11)를 형성할 수도 있다. 또한, 센서(1)의 기판(10)에 마스킹 후 코팅을 하는 방법으로 재료를 보강하여 돌출부(12)를 형성할 수도 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 크랙 기반의 스트레인 센서의 민감도 조절 방법에서는 기판(10)에 스크래치(11)를 형성하거나 돌출부(12)를 형성하여 센서(1)의 민감도를 키우거나 줄일 수 있다.
스크래치(11)의 너비, 깊이, 개수, 간격, 방향 및 패턴과 돌출부(12)의 너비, 높이, 개수, 간격, 방향 및 패턴을 조절하여 센서(1)의 민감도가 변화하는 정도를 조절할 수 있다.
상술한 바와 같이 본 발명의 일 실시예에 따른 크랙 기반의 스트레인 센서의 민감도 조절 방법에 의한 민감도 조절 성능을 확인하기 위하여 다양한 실험을 진행하였다.
이하에서는 도 8 내지 12를 참조하여 크랙 기반의 스트레인 센서의 민감도 조절 방법의 민감도 조절 성능 및 효과를 확인하기 위하여 실시한 실험예 1 내지 4에 대하여 설명하도록 한다.
도 8은 본 발명의 실험예 1의 실험 결과를 나타낸 도면이다.
도 8을 참조하면, 실험예 1에서는 본 발명의 일 실시예에 따른 크랙 기반의 스트레인 센서에 레이저 장치를 사용하여 동일한 파워로 조사 횟수를 다르게 하여 기판(10)에 스크래치(11)를 형성하였다. 먼저 도 8a 내지 d에 도시된 바와 같이 레이저 파워가 동일하더라도 조사 횟수를 늘릴수록 스크래치(11)의 너비가 넓어지고 깊이가 깊어지는 것을 알 수 있다. 또한, 도면에 도시하지는 않았지만 동일한 조사 횟수에 레이저의 파워를 늘려도 이와 동일하게 스크래치(11)의 너비가 넓어지고 깊이가 깊어지게 된다.
도 9 및 10은 본 발명의 실험예 2의 실험 결과를 나타낸 도면이다.
도 9를 참조하면, 실험예 2에서는 도 9a에 도시된 바와 같이 크랙 기반의 스트레인 센서의 기판(10)에 스크래치(11)를 형성하지 않은 비교예 1, 도 9b에 도시된 바와 같이 크랙 기반의 스트레인 센서에 길이 방향에 수직으로 스크래치(11)를 형성한 실시예 1, 그리고 도 9c에 도시된 바와 같이 크랙 기반의 스트레인 센서에 길이 방향에 수평으로 스크래치(11)를 형성한 실시예 2를 사용하였다.
여기서, 상기 비교예 1, 실시예 1 및 실시예 2는 전도층(20)에 크랙(21)을 형성하기 위하여 크랙(21)이 형성되지 않은 전도층에 초기 길이의 60%까지 변형률을 가하여 인장시켰다가 초기 길이로 복구시켰다. 또한, 상기 비교예 및 실시예들의 길이 변형률에 따른 저항 변화율을 안정적으로 얻기 위하여 초기 변형률을 10% 가한 상태에서 60%까지 늘려 실험을 진행하였다.
실험예 2에서는 상기 비교예 1, 실시예 1 및 실시예 2를 길이 방향으로 초기 변형률 10%에서 최대 60%까지 인장시켜 최대 인장 시 센서의 전체 영역에서 늘어난 크랙(21)의 영역이 차지하는 비율 및 센서들의 길이 변형률에 따른 저항 변화율을 측정하는 실험을 진행하였다.
먼저, 도 9d를 참조하면 센서의 길이 방향에 수직으로 스크래치(11)를 형성한 실시예 1이 센서의 전체 영역에서 크랙(21)이 차지하는 비율이 현저히 높은 것으로 나타나 센서의 길이 방향에 수직으로 스크래치(11)를 냈을 때 센서의 민감도가 가장 크게 변하는 것을 알 수 있었다. 또한, 실시예 2에서도 스크래치(11)를 내지 않은 비교예 1보다 센서의 전체 영역에서 크랙(21)이 차지하는 비율이 더 높은 것으로 나타나 센서의 민감도가 커진 것을 알 수 있었다. 이 때, 실시예 1 및 2의 스크래치(11)가 되지 않은 영역은 비교예 1보다 센서의 전체 영역에 대한 비율이 낮게 측정된 것을 알 수 있었다.
도 10을 참조하면, 도 10에는 상기 비교예 1, 실시예 1 및 실시예 2의 길이 방향으로의 변형률에 따른 저항 변화율을 측정한 그래프를 도시하였다. 센서의 길이 방향에 수직으로 스크래치(11)를 형성한 실시예 1이 저항 변화율이 현저히 큰 것을 알 수 있으며, 센서의 길이 방향에 수평으로 스크래치(11)를 형성한 실시예 2는 저항 변화율이 비교예 1보다 약간 줄어든 것을 알 수 있다.
즉, 센서의 길이 방향에 수직으로 스크래치(11)를 형성하면 스크래치(11)가 형성되지 않은 센서보다 민감도가 상승하고, 센서의 길이 방향에 수평으로 스크래치(11)를 형성하면 스크래치(11)가 형성되지 않은 센서보다 민감도가 줄어드는 것을 알 수 있었다.
도 11 및 12는 본 발명의 실험예 3의 실시예 3 내지 6을 나타낸 도면이다.
본 발명의 실험예 3에서는 기판(10)에 스크래치(11)의 패턴을 각각 다르게 형성하여 스크래치(11)의 패턴에 따라 센서들의 길이 변형률에 따른 저항 변화율을 측정하는 실험을 진행하였다.
도 11 및 12를 참조하면, 도 11a 및 12a에 도시된 바와 같이 스크래치(11) 간격 1mm, 조사 횟수 3번, 기판(10)의 중심을 기준으로 반반 씩 스크래치(11)를 형성한 실시예 3, 도 11b 및 12b에 도시된 바와 같이 스크래치(11) 간격 2mm, 조사 횟수 3번, 길이 방향에 수직으로 스크래치(11)를 형성한 실시예 4, 도 11c 및 12c에 도시된 바와 같이 스크래치(11) 간격 1mm, 조사횟수 3번, 길이 방향에 수직으로 스크래치(11)를 형성한 실시예 5, 도 11d 및 12d에 도시된 바와 같이 스크래치(11) 간격 1mm, 조사횟수 5번, 길이 방향에 수직으로 스크래치(11)를 형성한 실시예 6을 사용하여 실험을 진행하였다.
도 13은 본 발명의 실험예 3의 실험 결과를 나타낸 도면이다.
도 13을 참조하면, 비교를 위하여 상기 실험예 2에서 진행한 비교예 1의 실험 결과도 함께 포함하여 실험예 3의 실험 결과를 나타내었다. 센서의 길이 방향에 수직으로 스크래치(11)를 형성한 실시예 5 및 6이 길이 방향으로의 변형률에 따른 저항 변화율이 가장 높은 것을 알 수 있으며, 조사 횟수가 더 많은 실시예 6이 실시예 5보다 저항 변화율이 더 높은 것을 알 수 있다. 또한, 동일한 조건에서 간격이 2mm인 실시예 4보다 간격이 1mm인 실시예 5가 저항 변화율이 더 높은 것을 알 수 있다. 그리고, 반반 씩 스크래치(11)를 형성한 실시예 3은 비교예 1보다 낮은 저항 변화율을 가지는 것을 알 수 있다.
즉, 실험예 3의 결과에 따르면 크랙 기반의 스트레인 센서에 형성하는 스크래치(11)의 깊이가 더 깊을수록 센서의 스트레인에 대한 민감도가 더 커지고, 스크래치(11) 간의 간격이 좁을수록 센서의 스트레인에 대한 민감도가 더 커지는 것을 알 수 있었다.
도 14는 본 발명의 실험예 4의 실험 결과를 나타낸 도면이다.
본 발명의 실험예 4에서는 기판(10)에 주사기로 재료를 보강하여 돌출부(12)를 형성한 센서를 길이 방향으로 늘렸을 때 길이 방향 변형률에 따른 센서의 저항 변화율을 측정하는 실험을 진행하였다.
본 발명의 실험예 4에서는 도 14a에 도시된 바와 같이 이전의 실험예들에서 진행하였던 것과 마찬가지로 스크래치(11)나 돌출부(12)가 형성되지 않은 크랙 기반의 센서인 비교예 1을 사용하였으며, 도 14b에 도시된 바와 같이 기판(10)의 길이 방향에 수평으로 돌출부(12)를 형성한 실시예 7 및 도 14c에 도시된 바와 같이 기판(10)의 길이 방향에 수직으로 돌출부(12)를 형성한 실시예 8을 사용하여 실험을 진행하였다.
도 14d에 실험예 4의 실험 결과를 나타난 그래프를 도시하였다. 도 14d를 참조하면 실시예 7 및 실시예 8 모두 비교예 1보다 저항 변화율이 줄어든 것을 알 수 있으며, 실시예 7 보다 실시예 8이 저항 변화율이 더 크게 줄어든 것을 알 수 있다.
즉, 크랙 기반의 스트레인 센서에 주사기를 사용하여 기판(10)에 재료를 보강하여 돌출부(12)를 형성하면 센서의 스트레인에 대한 민감도가 줄어들고, 기판(10)의 길이 방향에 수평으로 돌출부(12)를 형성하는 것 보다 수직으로 돌출부(12)를 형성하는 것이 민감도가 더 크게 줄어드는 것을 알 수 있었다.
상기와 같은 실험예들을 통해 본 발명의 실시예들에 따른 크랙 기반의 스트레인 센서의 민감도 조절 방법으로 기판(10)에 스크래치(11)를 형성하거나 기판(10)의 재료가 보강된 돌출부(12)를 형성함으로써 센서(1)의 제작 및 계측 이후에도 센서(1)의 민감도 조절이 자유롭게 가능한 것을 알 수 있었다.
본 발명의 한 실시예로, 크랙 기반의 스트레인 센서(1)에 센서(1)의 길이 방향에 수직으로 스크래치(11)를 형성하여 민감도를 기존보다 크게 향상시킨 뒤, 다시 스크래치(11)가 형성된 영역에 주사기로 재료를 보강하여 기존의 민감도로 돌아갈 수 있으며, 여기에 다시 주사기로 기판(10)의 재료를 더 보강하여 돌출부(12)를 형성함으로써 기존의 민감도보다 민감도가 더 줄어들게 만들 수 있다.
상술한 바와 같이 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 상술한 특정의 실시예에 한정되지 아니하며, 특허청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형실시들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어서는 안 될 것이다.
1: 크랙 기반의 스트레인 센서
10: 기판
11: 스크래치
12: 돌출부
20: 전도층
21: 크랙

Claims (9)

  1. 비전도성이며 신축성 소재로 구성되는 기판; 및
    상기 기판에 금속을 코팅하여 형성되는 전도층을 포함하고,
    상기 전도층은 복수의 크랙이 형성되며,
    상기 기판은 상기 전도층이 형성되는 면의 반대면에 스크래치 또는 돌출부가 적어도 하나 이상 형성되는 것을 특징으로 하는 크랙 기반의 스트레인 센서.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 스크래치의 너비, 깊이, 개수, 간격, 방향 및 패턴에 따라 스트레인에 대한 민감도가 조절되는 것을 특징으로 하는 크랙 기반의 스트레인 센서.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 돌출부의 너비, 높이, 개수, 간격, 방향 및 패턴에 따라 스트레인에 대한 민감도가 조절되는 것을 특징으로 하는 크랙 기반의 스트레인 센서.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 복수의 크랙은,
    상기 기판이 늘어날 때 상기 전도층과의 탄성계수 차이로 상기 전도층의 금속 막이 갈라지면서 형성된 것을 특징으로 하는 크랙 기반의 스트레인 센서.
  5. 비전도성이며 신축성 소재로 구성되는 기판 및 상기 기판에 금속을 코팅하여 형성되는 전도층을 포함하고, 상기 전도층은 복수의 크랙이 형성되는 크랙 기반의 스트레인 센서의 민감도 조절 방법에 있어서,
    상기 기판은 상기 전도층이 형성되는 면의 반대면에 스크래치 또는 돌출부를 적어도 하나 이상 형성하여 상기 크랙 기반의 스트레인 센서의 스트레인에 대한 민감도를 조절하는 것을 특징으로 하는 크랙 기반의 스트레인 센서의 민감도 조절 방법.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 기판에 레이저를 조사하여 상기 스크래치를 형성하는 것을 특징으로 하는 크랙 기반의 스트레인 센서의 민감도 조절 방법.
  7. 제 5항에 있어서,
    상기 기판에 주사기로 상기 기판과 동일한 재료를 보강하여 상기 돌출부를 형성하는 것을 특징으로 하는 크랙 기반의 스트레인 센서의 민감도 조절 방법.
  8. 제 5항에 있어서,
    상기 스크래치의 너비, 깊이, 개수, 간격, 방향 및 패턴을 조절하여 상기 크랙 기반의 스트레인 센서의 스트레인에 대한 민감도를 조절하는 것을 특징으로 하는 크랙 기반의 스트레인 센서의 민감도 조절 방법.
  9. 제 5항에 있어서,
    상기 돌출부의 너비, 높이, 개수, 간격, 방향 및 패턴을 조절하여 상기 크랙 기반의 스트레인 센서의 스트레인에 대한 민감도를 조절하는 것을 특징으로 하는 크랙 기반의 스트레인 센서의 민감도 조절 방법.
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