KR102542123B1 - 복합 강성 센서 및 그 제조 방법 - Google Patents

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한양대학교 에리카산학협력단
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Abstract

높은 변형률을 가지는 복합 강성 센서 및 그 제조 방법이 제공된다. 높은 변형률을 가지는 복합 강성 센서는, 일방향을 따라 연장 형성되고, 내부에 일방향을 따라 수용공간을 형성하는 본체부, 본체부의 수용공간에 배치되는 코어부, 코어부의 양단부에 각각 배치되는 광원부 및 광검출부를 포함하는 센서부와, 일방향을 따라 연장 형성되고, 일단부가 센서부의 끝단부에 연결되는 탄성부를 포함한다.

Description

복합 강성 센서 및 그 제조 방법{Composite stiffness sensor and manufacturing method thereof}
본 발명은 복합 강성 센서 및 그 제조 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 높은 변형률을 가지는 복합 강성 센서 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
인체나 소프트 로봇의 움직임을 측정하기 위해 단단한 센서 보다 소프트한 센서가 많이 사용되고 있다.
소프트 센서는 소프트 물체가 휘거나 늘어나는 것을 측정한다. 기존의 갈륨과 인륨의 합금인 액체 금속을 이용한 EGaIn(Eutectic Gallium Indium) 센서는 외력이 가해지는 지점이나 늘어남의 정도를 측정할 수 있으며, 원래의 길이에서 2배정도 늘어나는 것이 가능하여 인체의 움직임을 측정하는데 사용되고 있다. 그러나, 기존의 소프트 센서는 인체의 굽힘 정도가 아닌 크게 변형이 일어나는 소프트 물체를 측정하는데 한계가 있으며, 원래 길이에서 2배 이상 늘어나게 될 경우 측정 품질이 크게 저하되는 문제가 있다. 또한, EGaIn(Eutectic Gallium Indium) 센서는 전문적인 장비 없이 제작이 불가능한 문제가 있다.
따라서, 센서가 3배 이상 늘어나더라도 안정적으로 측정 가능하고, 제작 난이도가 낮으며 제작 비용을 최소화할 수 있는 소프트 센서를 필요로 하였다.
대한민국 공개특허 제10-2019-0112883호("손 착용형 장치 및 이의 제조 방법", 주식회사 필더세임, 2019.10.28)
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 이러한 문제를 해결하기 위한 것으로서, 높은 변형률을 가지는 복합 강성 센서 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
본 발명의 기술적 과제는 이상에서 언급한 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제는 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 복합 강성 센서는, 일방향을 따라 연장 형성되고, 내부에 상기 일방향을 따라 수용공간을 형성하는 본체부, 상기 본체부의 상기 수용공간에 배치되는 코어부, 상기 코어부의 양단부에 각각 배치되는 광원부 및 광검출부를 포함하는 센서부와, 상기 일방향을 따라 연장 형성되고, 일단부가 상기 센서부의 끝단부에 연결되는 탄성부를 포함한다.
상기 본체부는 양 끝단부가 개방 형성되어 상기 수용공간이 외부로 노출되며, 상기 광원부와 상기 광검출부는 적어도 일부가 외부로 노출되도록 상기 본체부의 내측 양단부에 각각 배치될 수 있다.
상기 코어부는 탄성계수가 상기 탄성부보다 큰 것을 특징으로 할 수 있다.
상기 코어부와 상기 탄성부는 서로 다른 유연성을 가지는 엘라스토머(Elastomer)로 이루어진 것을 특징으로 할 수 있다.
상기 코어부와 상기 탄성부는 인가된 외력에 따라 직경 및 길이가 변형될 수 있다.
상기 탄성부는 인장력이 가해지면 상기 코어부보다 변형 정도가 더 큰 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 복합 강성 센서 제조 방법은, 일방향을 따라 연장 형성되고, 내부에 상기 일방향을 따라 수용공간을 형성하는 본체부, 상기 수용공간에 배치되는 코어부, 상기 코어부의 양단부에 각각 배치되는 광원부 및 광검출부를 포함하는 센서부를 형성하는 단계와, 일방향을 따라 연장 형성되고, 일단부가 상기 센서부의 끝단부에 연결되는 탄성부를 형성하는 단계와, 상기 센서부와 상기 탄성부를 연결하는 단계를 포함한다.
상기 센서부를 형성하는 단계는, 유연성이 있는 본체부 혼합액을 마련된 센서부 몰드에 주입하여 상기 본체부를 형성하는 단계와, 유연성이 있는 코어부 혼합액을 코어부 몰드 또는 상기 본체부 내부에 주입하여 상기 코어부를 형성하는 단계와, 상기 본체부의 내측에 마련된 상기 코어부의 양 끝단부에 상기 광원부와 상기 광검출부를 각각 배치하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 탄성부를 형성하는 단계는, 유연성이 있는 탄성부 혼합액을 마련된 탄성부 몰드에 주입하여 상기 탄성부를 형성할 수 있다.
상기 코어부와 상기 탄성부는 서로 다른 유연성을 가지는 엘라스토머(Elastomer)로 이루어진 것을 특징으로 할 수 있다.
상기 코어부는 탄성계수가 상기 탄성부보다 큰 것을 특징으로 할 수 있다.
상기 탄성부는 인가된 외력에 따라 직경 및 길이가 변형될 수 있다.
상기 연결하는 단계에서, 상기 탄성부는 상기 광원부가 배치된 상기 센서부의 일단부에 연결될 수 있다.
상기 본체부 혼합액 및 상기 탄성부 혼합액에 미리 결정된 실리콘 안료가 혼합되며, 상기 본체부는 첨가되는 상기 실리콘 안료에 의해 상기 코어부에 유입되는 광의 양이 조절 가능한 것을 특징으로 할 수 있다.
도 1은 본 발명의 복합 강성 센서의 사시도이다.
도 2는 본 발명의 복합 강성 센서의 코어부의 사시도이다.
도 3은 본 발명의 길이가 인장된 복합 강성 센서의 사시도이다.
도 4는 본 발명의 복합 강성 센서 제조 방법의 순서도이다.
도 5는 도 4의 센서부를 제조하기 위한 구체적인 순서도이다.
도 6은 도 5의 센서부를 제조하는 것을 설명하기 위한 도면이다.
도 7은 도 4의 탄성부를 제조하기 위한 구체적인 순서도이다.
도 8은 도 7의 탄성부를 제조하는 것을 설명하기 위한 도면이다.
도 9는 도 4의 센서부와 탄성부를 연결하는 것을 설명하기 위한 도면이다.
도 10은 본 발명의 복합 강성 센서 제조 방법에 의해 제조된 복합 강성 센서의 예시적인 도면이다.
도 11은 본 발명의 복합 강성 센서의 변형에 따른 신호를 실험한 그래프이다.
본 발명의 이점 및 특징 그리고 그것들을 달성하기 위한 방법들은 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 단지 청구항에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조부호는 동일 구성요소를 지칭한다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 복합 강성 센서(1)는 물체가 휘거나 늘어나는 것을 측정하기 위한 센서로, 기존 길이에서 인장되어 측정 가능한 길이를 최대화할 수 있도록 서로 다른 유연성을 가지는 두개의 부분을 연결하여 제작된다. 본 발명의 복합 강성 센서(1)는 서로 다른 유연성을 가지는 센서부(10)와 탄성부(20)를 연결하여 제작하여 기존의 길이에서 3배 이상 인장 가능한 높은 변형률을 가지며, 전체 구간에서 변형을 가지더라도 민감도를 유지하여 안정적인 측정이 가능한 특징이 있다.
이하, 도 1 내지 도 11을 참조하여 본 발명의 복합 강성 센서 및 그의 제조 방법에 대해 구체적으로 설명하도록 한다.
도 1 내지 도 3을 참조하여 본 발명의 복합 강성 센서의 구조에 대해 구체적으로 설명하고, 도 4 내지 도 9를 참조하여 복합 강성 센서의 제조 방법에 대해 설명한 후에, 도 10 및 도 11을 참조하여 복합 강성 센서의 예시와 복합 강성 센서의 변형에 따른 신호를 실험한 그래프에 대해 구체적으로 설명하도록 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 복합 강성 센서의 사시도이고, 도 2는 본 발명의 복합 강성 센서의 코어부의 사시도이다.
도 1 및 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 복합 강성 센서(1)는 외력에 따른 변형을 감지하는 센서부(10)와 외력에 따라 변형하는 탄성부(20)를 포함한다.
센서부(10)는 사람의 인체나 소프트 로봇의 움직임을 측정하기 위한 복합 강성 센서(1)의 일부분으로, 센서부(10)는 일방향을 따라 연장 형성되고 내부에 일방향을 따라 수용공간을 형성하는 본체부(11)와, 본체부(11)의 수용공간에 배치되는 코어부(12)와, 코어부(12)의 양단부에 각각 배치되는 광원부(14) 및 광검출부(13)를 포함하며, 광검출부(13)의 신호를 해석하여 외력의 크기를 감지하는 제어부(도시하지 않음)를 포함하여, 외력에 따른 광변화에 기초하여 외력을 센싱할 수 있다.
탄성부(20)는 센서부(10)에 연결되며 외력에 따라 센서부(10)보다 더 많이 변형된다. 이하, 각 구성에 대하여 상세하게 설명하도록 한다.
본체부(11)는 센서부(10)의 하우징을 형성하는 것으로, 유연성이 있는 연성의 재질로 이루어져 인가되는 외력에 따라 변형 가능할 수 있다. 본체부(11)는 탄성을 가진 고분자 물질로 이루어질 수 있으며, 예를 들어, 엘라스토머(elastomer)로 이루어질 수 있다. 본체부(11)는 고분자 물질과 실리콘 안료가 혼합된 본체부 혼합액(도 6의 ML1 참조)으로 구성될 수 있다. 본체부(11)에 첨가되는 실리콘 안료는 광원부(14)에서 광검출부(13)로 광경로가 형성되게 하며, 본체부(11)에 첨가되는 실리콘 안료에 따라 후술할 코어부(12)에 유입되는 광의 양을 조절할 수 있다.
본체부(11)는 후술할 탄성부(20) 보다 높은 탄성계수를 가지도록 형성될 수 있으며, 이에, 탄성부(20)와 동일한 외력이 인가되더라도 탄성부(20) 보다 적게 변형된다,
본체부(11)는 일 방향을 따라 연장 형성되며, 내부에 길이방향을 따라 연장 형성된 수용공간을 포함할 수 있다. 본체부(11)는 도 1에서 x축 길이방향으로 연장 형성될 수 있으며, 내부의 수용공간도 길이방향인 x축 방향을 따라 빈 공간을 형성할 수 있다. 본체부(11)의 수용공간에는 코어부(12)가 마련될 수 있으며, 광원부(14), 광검출부(13)가 마련되기 위한 공간을 가질 수도 있다.
본체부(11)는 양 끝단부가 개방 형성되어 내부의 수용공간이 외부로 노출될 수 있다. 이와 같이 형성되는 본체부(11)의 수용공간은 일종의 도파관과 같은 기능을 하게 된다. 즉, 본체부(11)와 본체부(11) 내부에 형성되는 코어부(12)는 광경로를 형성하게 된다.
본체부(11)와 코어부(12)는 외력에 의하여 변형되며, 이와 같은 변형에 의하여 광검출부(13)에서 검출되는 광이 달라지게 된다. 제어부는 광검출부(13)의 출력 신호 변화에 기초하여 외력을 감지한다. 도 2를 참조하여 코어부(12)에 대해 보다 구체적으로 설명하도록 한다.
도 2를 참조하면, 코어부(12)는 본체부(11) 내측 수용공간에 삽입되어 광 경로를 제공하기 위한 것으로, 유연성이 있는 연성의 재질로 이루어질 수 있다. 코어부(12)는 탄성을 가진 고분자물질로 이루어질 수 있다. 예를 들어, Vyta Flex 20이나 굴절률이 높고 흡광도가 낮은 엘라스토머(elastomer) 성분으로 구성된 코어부 혼합액(도 6의 ML2)으로 이루어질 수 있다. 코어부(12)는 후술할 탄성부(20) 보다 높은 탄성계수를 가지며, Mold Max 30을 사용할 수 있다.
코어부(12)는 실리콘 안료가 첨가된 본체부(11)에 의해 외부의 간섭으로부터 내부를 유동하는 광 신호를 보호할 수 있으며, 본체부(11)에 첨가된 안료의 색상에 따라 외부로부터 유입되는 광의 양이 조절될 수 있다.
이와 관련하여 제조 방법을 통해 보다 구체적으로 설명하도록 한다. 상술한 재질로 이루어지는 코어부(12)는 본체부(11)의 길이방향을 따라 연장 형성될 수 있다. 코어부(12)는 센서부(11)의 광경로를 형성하며, 본체부(11)에 외력이 인가되는 경우 변형될 수 있다. 코어부(12)가 외력에 의해 변형되는 경우, 광검출부(13)는 변경되는 광신호 변화에 기초하여 외력을 센싱할 수 있다. 외력 센싱을 위해, 코어부(12)는 양 끝단부에 광원부(14)와 광검출부(13)가 각각 배치될 수 있다.
광원부(14)는 빛을 방출하는 일종의 LED(light emitting diode)로, 코어부(12)의 끝단부에 배치될 수 있다. 광원부(14)는 본체부(11)의 수용공간에 삽입배치될 수 있으며, 끝단부에 배치되어 적어도 일부가 외부로 노출될 수 있다. 광원부(14)는 본체부(11)의 내측 수용공간 끝단부에 코어부(12)와 연결되도록 삽입 배치되어, 광원부(14)에서 발생한 광은 코어부(12)를 거쳐 코어부(12)의 다른 끝단부에 배치된 광검출부(13)에 이를 수 있다.
광검출부(13)는 광을 검출하는 일종의 포도다이오드(photodiode)로 구성될 수 있으며, 코어부(12)의 다른 끝단부에 배치될 수 있다. 광검출부(13)는 본체부(11)의 수용공간에 삽입 배치될 수 있으며, 다른 끝단부에 배치되어 적어도 일부가 외부로 노출될 수 있다. 광검출부(13)는 본체부(11)의 내측 수용공간 다른 끝단부에 코어부(12)와 연결되도록 삽입 배치되어 광원부(14)로부터 방출된 광을 센싱할 수 있다. 광검출부(13)는 본체부(11) 또는 코어부(12)에 외력이 인가되는 경우 광경로가 변형되어 변형된 신호를 센싱할 수 있다.
센서부(10)는 본체부(11)의 내측에 코어부(12)의 양단에 결합되는 광원부(14) 및 광검출부(13)를 포함하여, 광신호의 변화에 기초하여 센서의 길이 변형을 측정한다.
한편, 본체부(11)의 양단부에 레이어(도 6의 L참조)가 배치될 수 있다.
레이어(L)는 본체부(11) 또는 코어부(12)에 인가된 외력에 의해 광원부(14) 및 광검출부(13)가 파손 또는 손상되는 것을 방지하기 위한 것으로, 본체부(11)의 양끝단부에 배치된다. 레이어(L)는 후술할 광원부(14) 및 광검출부(13)와 동일 축 상에 위치할 수 있으며, 본체부(11)의 양단부에 삽입 배치되거나, 광원부(14)와 광검출부(13)의 내측 또는 외측에 위치할 수 있다. 도 6의 도면 상에서 레이어(L)는 광원부(14) 및 광검출부(13)가 위치한 본체부(11)의 내측에 삽입 배치되는 것을 예로 들어 설명하지만, 광원부(14) 및 광검출부(13)가 위치한 본체부(11)의 외측을 둘러싸도록 배치될 수도 있다.
이와 같은 레이어(L)는 가요성이 없으며, 변형이 일어나지 않는 섬유 재질로 이루어질 수 있다. 이에, 복합 강성 센서(1)에 외력이 인가되더라도 변형이 일어나지 않을 수 있으며, 광원부(14)와 광검출부(13)가 인가된 외력에 의해 손상되는 것을 방지할 수 있다.
센서부(10)는 레이어(L)에 의해 내구성이 향상될 수 있다. 또한, 센서부(10)는 정교한 광신호 변화의 측정과 내구성을 위하여 변형의 정도가 제한될 수 있다. 이에, 본 발명의 복합 강성 센서(1)는 센서부(10) 보다 더 낮은 탄성계수를 갖는 탄성부(20)를 더 포함하여 외력 센싱 범위가 확장된다.
탄성부(20)는 센서부(10)에 결합되며, 센서부(10)와 대응되도록 일방향을 따라 연장된 가느다란 막대 형상으로 형성될 수 있으나, 형상이 이에 한정되는 것은 아니다.
탄성부(20)는 원통 형상으로 형성될 수 있으며, 유연성이 있는 연성의 재질로 이루어져 인가되는 외력에 따라 변형 가능할 수 있다. 탄성부(20)은 탄성을 가진 고분자물질로 이루어질 수 있으며, 예를 들어, Eco-Flex 50 엘라스토머로 이루어져 100%인 112psi의 센싱 영역에서 12psi의 탄성계수를 가질 수 있다. 즉, 탄성부(20)는 센서부(10) 보다 낮은 탄성계수를 갖도록 형성되어 강성이 낮은 스프링처럼 작동할 수 있으며, 인가된 외력에 따라 직경 및 길이가 변형될 수 있다.
탄성부(20)는 일단부가 본체부(11)의 일단부와 연결될 수 있다. 탄성부(20)는 일단부가 광원부(14)가 배치된 본체부(11)의 끝단에 배치될 수 있다. 이와 같이, 탄성부(20)가 광검출부(13)와 반대되는 끝단인 광원부(14)에 배치하여 광신호의 잡음 생성을 최소화하 수 있으며, 센서의 내구성을 높일 수 있다.
다만, 본 명세서 상에서의 복합 강성 센서(1)는 광원부(14)가 배치된 센서부(10)의 일단부가 탄성부(20)와 연결된 것을 예로 들어 설명하지만, 반드시 이에 한정될 필요는 없으며, 광검출부(13)가 배치된 센서부(10)의 타단부가 탄성부(20)와 연결될 수도 있다. 탄성부(20)와 센서부(10)는 Smooth-On의 "Sil-Poxy"와 같은 엘라스토머 접착제를 사용하여 연결되어 복합 강성 센서(1)를 형성할 수 있다.
복합 강성 센서(1)는 서로 다른 유연성을 갖는 엘라스토머로 이루어진 센서부(10)와 탄성부(20)가 서로 연결되어 형성될 수 있다. 즉, 복합 강성 센서(1)는 외력을 공유하여 변형이 낮은 강성 파트인 센서부(10)와 변형이 높은 탄성부(20)로 이루어질 수 있다. 복합 강성 센서(1)는 센서부(10)와 탄성부(20)의 두 부분의 탄성계수와 강성 차이로 인한 각 부분을 스프링으로 가정하였을 때, 다음과 같은 식으로 나타낼 수 있다.
[수학식 1]
Figure 112021108896469-pat00001
여기서, 센서부(10)의 탄성계수 E1는 탄성부(20)의 탄성계수 E2보다 크다. 따라서, 센서에 외력이 가해지면 센서부(10)의 변형 ε1은 탄성부(20)의 변형 ε2보다 작아진다.
복합 강성 센서(1)의 스프링 계수 1/Kep는 상술한 수학식 1과 같을 수 있다.
이와 같이, 센서부(10) 탕 복합 강성 센서(1)는 센서부(10)와 탄성부(20)의 두 부분을 합쳐 기존 길이에서 3배 이상 인장될 수 있으며, 도 3을 참조하여 보다 구체적으로 설명하도록 한다.
도 3은 길이가 인장된 복합 강성 센서의 사시도이다.
도 3을 참조하면, 복합 강성 센서(1)는 인가된 외력에 따라 인장 및 복원될 수 있다. 복합 강성 센서(1)는 양 끝단부에서 잡아당기는 외력(인장력)에 따라 길이가 늘어날 수 있다. 탄성부(20)는 센서부(10)보다 낮은 강성과 탄성계수를 갖도록 형성되어 스프링처럼 작용할 수 있으며, 센서부(10)와 동일한 외력이 인가되더라도 센서부(10) 보다 많은 변형이 이루어져 약 300% 이상의 변형이 이루어질 수 있다. 탄성부(20)는 기존 길이 L1에서 약 3배 증가한 L2의 이상의 길이를 갖도록 인장될 수 있다. 탄성부(20)는 인가된 외력에 의해 인장됨에 따라 광 신호가 유동하는 직경 및 길이가 변형될 수 있다. 이에, 센서부(10)는 측정 부분의 길이 변화에 비례하여 늘어남 정도를 측정할 수 있다.
도 3에서는 탄성부(20)가 인장된 도면만 도시하였지만, 센서부(10)도 인가된 외력에 따라 인장 및 복원될 수 있다. 다만, 센서부(10)는 탄성부(20) 보다 탄성계수가 높고 강성이 큰 재질로 형성되어 탄성부(20)와 동일한 외력이 인가되더라도 적은 변형이 이루어질 수 있다.
복합 강성 센서(1)는 인가된 외력에 의한 변형으로 인해 센서부(10)가 손상되는 것을 방지하고 높은 변형률을 갖는 탄성부(20)에 의해 전체 구간에서 민감도를 유지하며 센싱 가능할 수 있다. 복합 강성 센서(1)는 탄성부(20)에 의해 3배 이상 인장 가능하며, 기존 길이의 300%이상 인장 되더라도 안정적으로 측정이 가능한 특징이 있다. 또한, 복합 강성 센서(1)는 제작을 위한 전문적인 장비를 필요로 하지 않고 최소한의 비용으로 손쉽게 제작 가능한 특징이 있다.
이하, 도 4 내지 도 10을 참조하여 본 발명의 복합 강성 센서를 제조하는 방법에 대해 구체적으로 설명하도록 한다.
도 4는 본 발명의 복합 강성 센서 제조 방법의 순서도이다.
본 발명의 복합 강성 센서(1) 제조 방법은 센서부(10)를 형성하는 단계(S100)와, 탄성부(20)를 형성하는 단계(S200)와, 형성된 센서부(10)와 탄성부(20)를 연결하는 단계(S300)를 포함한다.
구체적으로, 복합 강성 센서(1) 제조 방법은 일방향을 따라 연장 형성되고, 내부에 일방향을 따라 수용공간을 형성하는 본체부(11)와, 본체부(11)의 수용공간에 배치되는 코어부(12)와, 코어부(12)의 양단부에 각각 배치되는 광원부(14) 및 광검출부(13)를 포함하는 센서부(10)를 형성하는 단계(S100)와, 일방향을 따라 연장 형성되고, 일단부가 센서부(10)의 끝단부에 연결되는 탄성부(20)를 형성하는 단계(S200)와, 센서부(10)와 탄성부(20)를 연결하는 단계(S300)를 포함한다.
본 발명의 복합 강성 센서(1)를 제조하기 위해 서로 다른 종류의 엘라스토머를 사용하여 센서부(10)와 탄성부(20)를 형성하고, 형성된 센서부(10)와 탄성부(20)를 연결한다. 본 명세서 센서부(10)를 먼저 형성한 후에 탄성부(20)를 형성하는 것을 예로 들어 설명하지만, 이에 한정되지 않고, 탄성부(20)가 먼저 형성된 후에 센서부(10)가 형성될 수도 있다.
이하, 도 5 및 도 6을 참조하여 센서부를 형성하는 것과 관련하여 보다 구체적으로 설명하도록 한다.
도 5 및 도 6은 도 4의 센서부를 형성하기 위한 구체적인 순서도 및 이를 설명하기 위한 도면을 도시하고 있다.
센서부(10)를 형성하기 위해 도 6의 (a)에서와 같이 본체부 혼합액(ML1)과 코어부 혼합액(ML2)을 각각 생성(S110)한다.
본체부 혼합액(ML1)은 Mold Max 30 A/B 파트가 각각 9:1 비율로 혼합된 용액일 수 있으며, A/B에 따라 유연성 특성이 가변될 수 있다. 본체부 혼합액(ML1)은 외부 간섭으로부터 신호를 보호할 수 있도록 실리콘 안료를 포함할 수 있으며, 실리콘 안료가 첨가된 Mold Max 30을 사용하여 생성될 수 있다.
코어부 혼합액(ML2)은 본체부 혼합액(ML1)과 굴절률이 높고 흡광도가 낮은 엘라스토머 성분으로 이루어질 수 있다. 코어부 혼합액(ML2)은 Vyta Flex 20 A/B파트가 각각 1:1 비율로 혼합된 용액으로 이루어질 수 있다.
본체부 혼합액(ML1)과 코어부 혼합액(ML2)은 응고되면 유연성 있는 연질의 재질로 이루어질 수 있으며, 인가된 외력에 의해 인장 및 복원 가능한 성분으로 구성될 수 있다. 다만, 본체부 혼합액(ML1)과 코어부 혼합액(ML2)은 후술할 탄성부 혼합액(ML3) 보다 탄성계수와 강성이 높은 성분으로 생성될 필요가 있다.
본체부 혼합액(ML1)과 코어부 혼합액(ML2)이 생성된 후에, 도 6의 (b)에서와 같이 본체부 몰드(BM)를 마련(S120)한다. 본체부 몰드(BM)는 3D 프린팅 공정을 통해 형성될 수 있다. 본체부 몰드(BM)는 형성하고자 하는 본체부(11)에 상응하는 형상을 제공하도록 제작 형성될 수 있다. 본체부 혼합액(ML1)은 마련된 본체부 몰드(BM)에 주입(S130)된다. 도 6의 (c) 내지 (e)에서와 같이, 본체부 몰드(BM)에 주입된 본체부 혼합액(ML1)의 양 끝단부에 레이어(L)를 배치하고, 배치된 레이어(L)의 상면에 본체부 혼합액(ML1)을 주입한다. 여기서, 레이어(L)는 가요성이 없으며, 변형이 일어나지 않는 섬유 재질로 이루어질 수 있으며, 추후에 광원부(14)와 광검출부(13)가 마련되는 위치가 될 수 있다. 레이어(L)는 가요성이 없는 재질로 이루어져 복합 강성 센서(1)에 외력이 인가되더라도 변형이 일어나지 않을 수 있으며, 이에, 추후에 마련되는 광원부(14)와 광검출부(13)가 인가된 외력에 의해 손상되는 것을 방지할 수 있다.
계속해서, 본체부 혼합액(ML1)이 주입된 후 일정 시간이 경과하고, 응고되어 형성된 본체부(11)를 본체부 몰드(BM)로부터 분리(S130)한다. 형성된 본체부(11)는 도 6의 (f)에 도시된 도면과 같을 수 있다.
도 6의 (g)에서, 본체부(11)에 코어부 몰드(CM)를 마련하고, 마련된 코어부 몰드(CM)에 코어부 혼합액(ML2)를 주입(S140)한다. 코어부 몰드(CM)는 3D 프린팅 공정을 통해 형성될 수 있다. 코어부 몰드(CM)는 형성하고자 하는 코어부(12)에 상응하는 형상을 제공하도록 제작 형성될 수 있다. 코어부 몰드(CM)는 본체부(11)의 상부에 배치될 수 있다. 마련된 코어부 몰드(CM)에 코어부 혼합액(ML2)을 주입하면, 코어부 혼합액(ML2)은 본체부(11) 내부 공간에 배치될 수 있으며, 코어부 몰드(CM)에서 응고되어 코어부(12)를 형성(S150)할 수 있다. 코어부(12)는 도 6의 (h)에서와 같이 본체부(11)의 내부 공간에 형성될 수 있다. 코어부(12)는 본체부(11) 내부 공간에 배치되어, 본체부(11)에 혼합되는 실리콘 안료의 색상에 따라 유입되는 광의 양이 조절 가능할 수 있다.
코어부 몰드(CM)를 본체부(11)로부터 분리한 후에, 코어부(12)의 양 끝단부에 광원부(14)와 광검출부(13)를 배치(S160)할 수 있다. 본체부(11)는 코어부(12)의 양 끝단부에 광원부(14)와 광검출부(13)가 배치된 후에, 상부에 상부 몰드(TM)가 배치된다. 이때, 도 6의 (i)에 도시된 몰드(TM)는 개방된 본체부(11)의 상부를 덮기 위한 것으로, 마련된 상부 몰드(TM)에 본체부 혼합액(ML1)을 주입(S160)하여 광원부(14)와 광검출부(13)를 덮어줄 수 있으며, 개방된 본체부(11)의 상면을 덮을 수 있다. 도 6의 (i)과정을 거쳐 본체부(11)는 코어부(12)의 외주면을 둘러쌀 수 있다. 본체부(11)는 내측에 코어부(12) 및 센서부(10)가 배치될 수 있다.
센서부(10)를 형성한 후에 탄성부(20)를 형성할 수 있다.
이하, 도 7 및 도 8을 참조하여 센서부를 형성하는 것과 관련하여 보다 구체적으로 설명하도록 한다.
도 7 및 도 8은 도 4의 탄성부를 형성하기 위한 구체적인 순서도 및 이를 설명하기 위한 도면을 도시하고 있다.
탄성부(20)를 형성하기 위해 도 8의 (a)에서와 같이 탄성부 혼합액(ML3)을 생성(S210)한다. 탄성부 혼합액(ML3)은 본체부 혼합액(ML1)과 코어부 혼합액(ML2) 보다 탄성계수가 낮은 엘라스토머 성분으로 이루어질 수 있다. 탄성부 혼합액(ML3)은 Eco-Flex 50 0050 A/B 파트가 혼합된 용액일 수 있다. 탄성부 혼합액(ML3)은 외부 간섭으로부터 신호를 보호할 수 있도록 실리콘 안료를 포함할 수도 있다.
탄성부 혼합액(ML3)이 생성된 후에 탄성부 몰드(EM)를 마련(S220)한다. 탄성부 몰드(EM)는 도 8의 (b)에 도시된 바와 같이, 3D 프린팅 공정을 통해 분리 형성된, 3개의 베이스몰드, 좌측 몰드, 우측 몰드가 결합되어 형성될 수 있다. 탄성부 몰드(EM)는 형성하고자 하는 탄성부(20)에 상응하는 형상을 제공하도록 제작 형성될 수 있다.
탄성부 몰드(EM)가 마련된 후에, 탄성부 혼합액(ML3)은 탄성부 몰드(EM)에 주입(S230)된다. 주입된 탄성부 혼합액(ML3)은 도 8의 (c) 내지 도 (e)에 도시된 바와 같이, 탄성부 몰드(EM) 내측에서 탄성부(20)로 응고된 후에 탄성부 몰드(EM)로부터 분리(S240)될 수 있다.
도 9 및 도 10은 센서부와 탄성부를 연결하여 복합 강성 센서를 형성하는 도면을 도시하고 있다.
도 9는 도 4의 센서부와 탄성부를 연결하는 것을 설명하기 위한 도면이고, 도 10은 본 발명의 복합 강성 센서 제조 방법에 의해 제조된 복합 강성 센서의 예시적인 도면이다.
도 9 및 도 10을 참조하면, 센서부(10)와 탄성부(20)를 연결하여 복합 강성 센서(1)를 형성할 수 있다. 센서부(10)와 탄성부(20)는 실리콘 접착제인 Sil-Poxy로 접착되어 연결될 수 있다. 이때, 센서부(10)는 광원부(14)가 배치된 일단부가 탄성부(20)의 일단부와 연결된다. 센서부(10)는 광검출부(13)가 배치된 타단부가 탄성부(20)의 일단부와 연결될 수도 있지만, 광원부(14)가 배치된 일단부가 탄성부(20)의 일단부와 연결되고 광검출부(13)가 배치되는 타단부가 한쪽에 고정되어 있어 안정적인 구조를 이룰 수 있다. 본 발명의 복합 강성 센서(1)는 이러한 구조로 구성되어 기존 길이의 300%이상 인장 되더라도 안정적으로 측정이 가능한 특징이 있다.
본 발명의 복합 강성 센서(1)는 전문적인 장비를 필요로 하지 않고 제작할 수 있으며, 최소한의 비용으로 손쉽게 제작 가능한 특징이 있다.
또한, 복합센서는 인가된 외력에 의한 변형으로 인해 센서부(10)가 손상되는 것을 방지하고 높은 변형률을 갖는 탄성부(20)에 의해 전체 구간에서 민감도를 유지하며 센싱 가능할 수 있다.
이하, 도 11을 참조하여 본 발명의 복합 강성 센서의 강성에 대해 구체적으로 설명하도록 한다.
도 11은 본 발명의 복합 강성 센서의 강성을 실험한 그래프이다.
도 11을 참조하면 본 발명의 복합 강성 센서(1)를 선형 레일에 부착하고 구동기를 작동하여 센서에 변형을 가할 수 있다. 이때, 복합 강성 센서(1)는 미리 정해둔 일정한 속도에 따라 최소 길이로부터 300%까지의 변형이 반복적으로 이루어질 수 있다. 이로 같이 측정된 도 11의 데이터는 센서 모델을 특성화하는데 활용될 수 있다. 도 11의 x축은 변형률을 나타내며 y축은 인가되는 외력을 나타낸다. 도 11에 두 개의 빨간색으로 표시된 그래프는 복합 강성 센서(1)를 당길 때와 놓을 때의 그래프를 나타낸다. 즉, 도 11의 그래프는 복합 강성 센서(1)에 외력을 가하여 탄성부(20)가 인장 및 복원되는 그래프를 나타내며 도면에서 살펴볼 수 있는 바와 같이, 300%의 변형에 따른 복합 강성 센서의 특성을 살펴볼 수 있다.
이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 설명하였으나 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.
1: 복합 강성 센서
10: 센서부
11: 본체부
12: 코어부
13: 광검출부
14: 광원부
20: 탄성부
ML1: 본체부 혼합액
ML2: 코어부 혼합액
ML3: 탄성부 혼합액
BM: 본체부 몰드
CM: 코어부 몰드
TM: 상부 몰드
EM: 탄성부 몰드
L: 레이어

Claims (14)

  1. 일방향을 따라 연장 형성되고, 내부에 상기 일방향을 따라 수용공간을 형성하는 본체부, 상기 본체부의 상기 수용공간에 배치되어 광 경로를 형성하는 코어부, 상기 코어부의 양단부에 각각 배치되는 광원부 및 광검출부를 포함하는 센서부; 및
    상기 일방향을 따라 연장 형성되고, 일단부가 상기 광원부가 배치된 상기 센서부의 끝단부에 연결되는 탄성부를 포함하며,
    상기 본체부는 외부의 간섭으로부터 내부를 유동하는 광 신호를 보호하는 실리콘 안료를 포함하고, 양 끝단부가 개방 형성되어 상기 수용공간이 외부로 노출되며,
    상기 광원부와 상기 광검출부는 적어도 일부가 외부로 노출되도록 상기 본체부의 내측 양단부에 각각 배치되고,
    상기 코어부와 상기 탄성부는 인가된 외력에 따라 직경 및 길이가 변형되는 복합 강성 센서.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 코어부는 탄성계수가 상기 탄성부보다 큰 것을 특징으로 하는 복합 강성 센서.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 코어부와 상기 탄성부는 서로 다른 유연성을 가지는 엘라스토머(Elastomer)로 이루어진 것을 특징으로 하는 복합 강성 센서.
  5. 삭제
  6. 제1항에 있어서,
    상기 탄성부는 인장력이 가해지면 상기 코어부보다 변형 정도가 더 큰 것을 특징으로 하는 복합 강성 센서.
  7. 일방향을 따라 연장 형성되고, 내부에 상기 일방향을 따라 수용공간을 형성하는 본체부, 상기 수용공간에 배치되어 광 경로를 형성하는 코어부, 코어부의 양단부에 각각 배치되는 광원부 및 광검출부를 포함하는 센서부를 형성하는 단계;
    일방향을 따라 연장 형성되고, 일단부가 상기 광원부가 배치된 상기 센서부의 끝단부에 연결되는 탄성부를 형성하는 단계; 및
    상기 센서부와 상기 탄성부를 연결하는 단계;
    를 포함하며,
    상기 센서부를 형성하는 단계는,
    실리콘 안료와 유연성이 있는 고분자 물질로 이루어진 본체부 혼합액을 마련된 센서부 몰드에 주입하여 상기 본체부를 형성하는 단계;
    유연성이 있는 코어부 혼합액을 코어부 몰드 또는 상기 본체부 내부에 주입하여 상기 코어부를 형성하는 단계;
    상기 본체부의 내측에 마련된 상기 코어부의 양 끝단부에 상기 광원부와 상기 광검출부를 각각 배치하는 단계;를 포함하고,
    상기 탄성부를 형성하는 단계는,
    인가된 외력에 따라 직경 및 길이가 변형되도록 형성하는 단계;를 포함하는 복합 강성 센서 제조 방법.
  8. 삭제
  9. 제7항에 있어서,
    상기 탄성부를 형성하는 단계는,
    유연성이 있는 탄성부 혼합액을 마련된 탄성부 몰드에 주입하여 상기 탄성부를 형성하는 복합 강성 센서 제조 방법.
  10. 제7항에 있어서,
    상기 코어부와 상기 탄성부는 서로 다른 유연성을 가지는 엘라스토머(Elastomer)로 이루어진 것을 특징으로 하는 복합 강성 센서 제조 방법.
  11. 제7항에 있어서,
    상기 코어부는 탄성계수가 상기 탄성부보다 큰 것을 특징으로 하는 복합 강성 센서 제조 방법.
  12. 삭제
  13. 삭제
  14. 삭제
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