KR20140090345A - 투명한 스트레인 센서 - Google Patents

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배상훈
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Abstract

본 발명은, 투광성의 기판, 및 기판의 제1 면 상에 위치하고, 기판의 제1 면 상의 제1 점을 기준으로 제1 거리만큼 이격되어 배치된 적어도 3개의 측정 유닛들을 포함하고, 적어도 3개의 측정 유닛들은 상기 제1 점을 중심점으로 하는 원주 방향을 따라 동일한 각도만큼 상호 이격되어 있으며, 측정 유닛 각각은, 투광성의 회로 패턴과, 회로 패턴과 전기적으로 연결된 제1 단자, 및 회로 패턴과 전기적으로 연결된 제2 단자를 포함하는 투명한 스트레인 센서에 관한 것이다.

Description

투명한 스트레인 센서{Transparent strain sensor}
본 발명은 투명한 스트레인 센서에 관한 것이다.
최근 들어, 탄소로 구성되는 풀러렌(fullerenes), 탄소 나노 튜브(carbon nanotubes), 그래핀(graphene), 흑연(graphite) 등의 탄소 물질에 관한 관심이 증가하고 있다.
특히, 그래핀에 관한 연구가 활발히 진행되고 있다. 그래핀은 대면적으로 형성할 수 있으며, 전기적, 기계적, 화학적인 안정성을 가지고 있을 뿐만 아니라 뛰어난 도전성의 성질을 가지고 있으므로, 전자 회로의 기초 소재로 관심을 받고 있다.
한편, 스트레인 센서(strain sensor)는 구조체의 변형율을 측정하는 센서로서, 일반적으로 스트레인 게이지(strain gage)라 불리는 센서가 널리 사용되어 왔다. 종래의 스트레인 게이지는, 기계식 스트레인 게이지(mechanical strain gage)와 전기식 스트레인 게이지(electrical strain gage)로 구별되는데, 기계식 스트레인 게이지는 구조체의 변형을 기계적으로 측정하여 스트레인을 측정하는 방식을 채용하고 있으며, 전기식 스트레인 게이지는 구조체에 변형이 가해짐에 따라, 내부 전기저항이 변하여 스트레인을 측정할 수 있는 압저항형(piezoresistive) 소재를 사용하고 있다.
본 발명의 일실시예는, 투명한 스트레인 센서에 관한 것이다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 투광성의 기판; 및 상기 기판의 제1 면 상에 위치하고, 상기 기판의 제1 면 상의 제1 점을 기준으로 제1 거리만큼 이격되어 배치된 적어도 3개의 측정 유닛들;을 포함하고, 상기 적어도 3개의 측정 유닛들은 상기 제1 점을 중심점으로 하는 원주 방향을 따라 동일한 각도만큼 상호 이격되어 있으며, 상기 측정 유닛 각각은, 투광성의 회로 패턴; 상기 회로 패턴과 전기적으로 연결된 제1 단자; 및 상기 회로 패턴과 전기적으로 연결된 제2 단자;를 포함하는, 투명한 스트레인 센서를 제공한다.
본 발명의 일 특징에 따르면, 상기 기판은 가요성을 갖는 폴리머 물질로 형성될 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 상기 회로 패턴은 서펜타인(serpentine) 타입의 회로 패턴일 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 상기 회로 패턴은, 서로 평행하게 형성된 복수의 장변부들; 및 상기 장변부들의 단부를 연결하면서 상기 장변부들과 일체로 형성된 단변부;를 포함할 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 상기 회로 패턴은 그래핀 소재를 포함할 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 상기 측정 유닛들 상에 형성된 보호층을 더 포함할 수 있다.
상기와 같은 본 발명의 일실시예에 따르면, 안정성 및 감도가 우수한 투명한 스트레인 센서를 제공할 수 있다. 특히, 유연한 기판 위에서도 안정성 및 감도가 우수한 스트레인 센서를 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 투명한 스트레인 센서를 개략적으로 나타낸 사시도이다.
도 2는 도 1의 상부면도이다.
도 3은 도 1에서 제1 측정 유닛의 회로 패턴을 발췌하여 나타낸 상부면도이다.
도 4는 도 2 중 제1 측정 유닛에 변형력을 가함에 따른 저항 변화를 측정한 경우를 나타낸 그래프이다.
도 5는 도 1의 투명한 스트레인 센서를 구비한 의복 시스템을 나타낸 사시도이다.
도 6은 도 5에 도시된 장갑을 착용한 손의 손가락(특히, 검지 손가락) 구부러짐에 따른 투명 센서의 저항값을 나타낸다.
본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고, 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. 제 1, 제 2 등의 용어는 다양한 구성 요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 구성 요소들은 용어들에 의하여 한정되어서는 안된다. 용어들은 하나의 구성 요소를 다른 구성 요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함한다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나, 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다. 한편, 하기에서 사용된 "/"는 상황에 따라 "및"으로 해석될 수도 있고 "또는"으로 해석될 수도 있다.
도면에서 여러 층 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 나타내었다. 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 동일한 도면 부호를 붙였다. 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "상에" 또는 "위에" 있다고 할 때, 이는 다른 부분의 바로 위에 있는 경우뿐만 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 투명한 스트레인 센서를 개략적으로 나타낸 사시도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 투명한 스트레인 센서(10)는 스트레인 게이지(strain gage) 형식의 센서로서, 기판(100), 기판(100) 상에 형성된 센서부(200), 센서부(200) 상에 형성된 보호층(300)을 포함할 수 있다.
기판(100)은 투광성을 갖는 기판으로서, 폴리머 물질로 형성될 수 있다. 또 다른 실시예로서, 기판(100)은 투광성뿐만 아니라 가요성을 가짐으로써, 후술할 의복 시스템에 적용 가능하고, 기판(100)에 작용하는 응력에 의해 파괴되지 않고 해당 응력을 정확하게 측정할 수 있다.
폴리머 물질은 폴리이미드(PI, polyimide), 폴리에테르술폰(PES, polyethersulphone), 폴리아크릴레이트(PAR, polyacrylate), 폴리에테르 이미드(PEI,polyetherimide), 폴리에틸렌 나프탈레이트(PEN, polyethyelenen napthalate),폴리에틸렌테레프탈레이드(PET,polyethyeleneterepthalate),폴리페닐렌설파이드(polyphenylene sulfide: PPS), 폴리아릴레이트(polyallylate), 폴리카보네이트(PC), 폴리아릴렌에테르술폰(poly(aryleneether sulfone)) 및 이들의 조합으로 이루어진 그룹에서 선택될 수 있다. 또 다른 실시예로서, 기판(100)은 PDMS(Polydimethylsiloxane)으로 형성될 수 있다.
센서부(200)는 투명한 스트레인 센서(10)에 작용한 변형량을 감지하는 부위로서, 변형량을 감지하는 다수의 측정 유닛들(210, 220, 230)이 기판(100)의 제1면인 상면에 형성된다. 각각의 측정 유닛들(210, 220, 230)은 그래핀 소재로 형성될 수 있다. 센서부(200)은 응력이 작용하는 방향의 측정 정밀도를 향상시키기 위해, 적어도 3개 이상의 측정 유닛들(210, 220, 230)로 구성될 수 있다. 측정 유닛(210, 220, 230)의 구체적 구조는 도 2 및 도 3을 참조하여 해당 부분에서 후술한다.
보호층(300)은 센서부(200) 상에 형성되며, 센서부(200)을 덮도록 형성된다. 보호층(300)은 측정 유닛(210, 220, 230)의 오염을 방지하며 외부의 도전성 물질과 전기적 쇼트를 방지할 수 있다. 보호층(300)은 에폭시 소재, 또는 상술한 바와 같은 폴리머 물질을 포함할 수 있다.
이하에서는, 도 2 및 도 3을 참조하여 측정 유닛의 구조를 설명한다.
도 2는 도 1의 상부면도이고, 도 3은 도 1에서 제1 측정 유닛(210)의 회로 패턴(212)을 발췌하여 나타낸 상부면도이다. 도 4는 도 2 중 제1 측정 유닛(210)에 변형력을 가함에 따른 저항 변화를 측정한 경우를 나타낸 그래프이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 투명한 스트레인 센서(10)는 3개의 측정 유닛(210, 220, 230)을 구비한다. 이하에서는 설명의 편의를 위하여 각각의 측정 유닛(210, 220, 230)을 제1 측정 유닛(210), 제2 측정 유닛(220), 제3 측정 유닛(230)으로 명명하여 설명한다.
도 2를 참조하면, 제1 내지 제3 측정 유닛(230)은 기판(100) 상에 형성된 임의의 가상 기준점인 제1 점(P)으로부터 동일한 거리만큼 이격되어 있으며, 제1 점(P)을 중심점으로 하는 원주 방향을 따라 동일한 각도(θ)만큼 상호 이격되어 있다.
제1 측정 유닛(210)은 투광성의 회로 패턴(212), 회로 패턴(212)의 양측에 위치하는 제1,2 단자(211, 213)를 포함한다. 제2 측정 유닛(220) 및 제3 측정 유닛(230) 각각은, 제1 측정 유닛(210)과 마찬가지로 각각의 회로 패턴(222, 232), 회로 패턴(222, 232)의 양측에 위치하는 제1,2 단자(221, 223, 231, 233)를 포함한다. 이하에서는 제1 측정 유닛(210)의 구조를 중심으로 설명하지만, 해당 구조는 제2 측정 유닛(220) 및 제3 측정 유닛(230)의 구조에도 동일하게 적용될 수 있다.
회로 패턴(212)은 투광성을 가지며, 그래핀 소재로 형성될 수 있다. 회로 패턴(212)은 투명한 스트레인 센서(10)에 작용한 실제 변형량을 감지하는 부분으로서, 변형량을 증폭할 수 있도록 서펜타인(serpentine) 타입으로 형성될 수 있다.
도 3을 참조하면, 서펜타인(serpentine) 타입으로 형성된 회로 패턴(212)은, 서로 평행하게 배치된 장변부(212a)와 장변부들(212a)을 연결하는 단변부(212b)를 포함할 수 있다. 상대적으로 긴 길이의 장변부들(212a)은 투명한 스트레인 센서(10)에 작용한 변형량에 따라 전기적 신호를 발생하는 부분이다. 서로 평행하게 배치된 장변부들(212a)이 복수개 구비됨으로써 투명한 스트레인 센서(10)에 작용한 변형량이 증폭될 수 있다. 즉, 회로 패턴(212)에 작용한 변형량의 증폭 정도는 장변부(212a)의 개수에 비례한다.
상대적으로 짧은 길이의 단변부들(212b)은 장변부들(212a)을 일체로 연결하는 기능을 수행한다. 단변부들(212b)은 그 길이가 짧기 때문에 투명한 스트레인 센서(10)에 변형이 가해지더라도 변형의 정도가 미미하여 변형량 측정에 실질적으로 기여하지는 않는다.
만약, 단변부들(212b)의 길이가 장변부들(212a)과 같이 충분히 길다면, 단변부들(212b)도 투명한 스트레인 센서(10)에 작용한 변형량에 따라 따라 전기저항의 변화가 커질 수 있다. 이는 스트레인에 따른 poison비에 의한 변화로써 최종 측정되는 저항변화치에 영향을 주기 때문에 단변부들(212b)의 길이는 최소화 되어야 한다. 본 발명에 따른 투명한 스트레인 센서(10)는 각각의 측정 유닛(210, 220, 230)에서의 전기적 신호에 기초하여 Mohr's circle에 따라 투명한 스트레인 센서(10)에 작용한 변형력의 방향을 알아내는 방식이므로, 상술한 바와 같이 단변부(212b)와 장변부(212a)가 모두 전기적 저항변화가 발생한다면 하나의 측정 유닛 자체에 가해진 변형력에 따른 전기적 신호에 간섭이 생길 수 있으므로 투명한 스트레인 센서(10)에 작용한 변형력의 방향을 알아내는데 그 정밀도가 떨어질 수 있다.
상기와 같은 구조를 가지며, 전기 전도성이 우수한 그래핀 소재로 형성된 회로 패턴(212)은, 도 4에 도시된 바와 같이 안정성(stability) 및 민감도(sensibility)의 측면에서 우수한 특성을 나타낸다.
다시 도 2를 참조하면, 제1,2 단자(211, 213)는 회로 패턴(212)의 양측에 배치되며, 회로 패턴(212)에서 생성된 전기적 신호를 외부로 전달한다. 전기적 신호를 외부로 전달하기 위해 제1,2 단자(211, 213) 각각은 와이어 본딩을 통해 전선(w)과 연결될 수 있다. 제1,2 단자(211, 213)는 회로 패턴(212)과 마찬가지로 그래핀 소재로 형성될 수 있다.
투명한 스트레인 센서(10)에 작용한 변형력의 수치 및 방향은, 상술한 바와 같은 회로 패턴(212) 및 제1,2 단자(211, 213)를 구비하는 제1 내지 제3 측정 유닛(210, 220, 230)을 이용하여 측정가능하며, 그 값은 하기의 수학식 1 및 2과 같다.
[수학식 1]
Figure pat00001
[수학식 2]
Figure pat00002
[수학식 1] 및 [수학식 2]에서
Figure pat00003
는 투명한 스트레인 센서(10)에 작용한 변형력의 세기를 나타내고,
Figure pat00004
는 제1 측정 유닛(210)에 작용한 변형력의 세기로서 제1 측정 유닛(210)에서 감지된 신호의 세기를 나타내며,
Figure pat00005
는 제2 측정 유닛(220)에 작용한 변형력의 세기로서 제2 측정 유닛(220)에서 감지된 신호의 세기를 나타내고,
Figure pat00006
는 제3 측정 유닛(230)에 작용한 변형력의 세기로서 제3 측정 유닛(230)에서 감지된 신호의 세기를 나타내며,
Figure pat00007
는 투명한 스트레인 센서(10)에 작용한 변형력의 방향을 나타낸다.
도 5는 도 1의 투명한 스트레인 센서(10)를 구비한 의복 시스템을 나타낸 사시도이다. 본 실시예에서는 의복 시스템으로서, 투명한 스트레인 센서(10)를 구비한 장갑을 나타낸다.
도 1 내지 도 4를 참조하여 설명한 본 발명의 실시예에 따른 투명한 스트레인 센서(10)는 접착층을 통해 장갑에 부착될 수 있으며, 접착층으로는 에폭시계 물질을 사용할 수 있다. 도 5에 도시된 의복 시스템인 장갑 중 손가락에 대응되는 위치에 투명한 스트레인 센서(10)가 배치되어 있으며, 검지 손가락을 구부림에 따라 투명한 스트레인 센서(10)에는 변형력이 가해진다.
도 6은 도 5에 도시된 장갑을 착용한 손의 손가락(특히, 검지 손가락) 구부러짐에 따른 투명 센서의 저항값을 나타낸다. 도 6에서 A 지점은 검지 손가락을 평평하게 펼친 상태이고, D 지점은 검지 손가락을 완전히 구부린 상태로서, A 지점, B 지점, C 지점, D 지점의 순서로 구부린 정도가 커진 상태를 나타낸다.
본 발명의 실시예에 따른 투명한 스트레인 센서(10)에 포함된 각각의 측정 유닛(210, 220, 230)의 게이지 팩터(gauge factor)가 2.5인 경우, 본 발명의 실시예에 따른 투명한 스트레인 센서(10)는 약 2% 내지 3%에 해당하는 장갑의 변형율까지 측정 가능하다.
비록 본 발명이 상기 언급된 바람직한 실시예와 관련하여 설명되었지만, 발명의 요지와 범위로부터 벗어남이 없이 다양한 수정이나 변형을 하는 것이 가능하다. 따라서 첨부된 특허청구의 범위에는 본 발명의 요지에 속하는 한 이러한 수정이나 변형을 포함할 것이다.
10: 투명한 스트레인 센서 100: 기판
200: 센서부 210: 제1 측정 유닛
220: 제2 측정 유닛 230: 제3 측정 유닛
211, 221, 231: 제1 단자 212, 222, 232: 회로 패턴
213, 223, 233: 제2 단자 300: 보호층
w: 전선

Claims (6)

  1. 투광성의 기판; 및
    상기 기판의 제1 면 상에 위치하고, 상기 기판의 제1 면 상의 제1 점을 기준으로 제1 거리만큼 이격되어 배치된 적어도 3개의 측정 유닛들;을 포함하고,
    상기 적어도 3개의 측정 유닛들은 상기 제1 점을 중심점으로 하는 원주 방향을 따라 동일한 각도만큼 상호 이격되어 있으며,
    상기 측정 유닛 각각은,
    투광성의 회로 패턴;
    상기 회로 패턴과 전기적으로 연결된 제1 단자; 및
    상기 회로 패턴과 전기적으로 연결된 제2 단자;를 포함하는, 투명한 스트레인 센서.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 기판은 가요성을 갖는 폴리머 물질로 형성된, 투명한 스트레인 센서.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 회로 패턴은 서펜타인(serpentine) 타입의 회로 패턴인, 투명한 스트레인 센서.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 회로 패턴은,
    서로 평행하게 형성된 복수의 장변부들; 및
    상기 장변부들의 단부를 연결하면서 상기 장변부들과 일체로 형성된 단변부;를 포함하는, 투명한 스트레인 센서.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 회로 패턴은 그래핀 소재를 포함하는, 투명한 스트레인 센서.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 측정 유닛들 상에 형성된 보호층을 더 포함하는, 투명한 스트레인 센서.

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* Cited by examiner, † Cited by third party
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