KR20170025694A - 커패시터형 촉각센서 및 그 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명의 커패시터형 촉각센서는 제 1 전극, 제 1 전극의 상부면에 형성된 활성층, 및 활성층의 상부면에 형성된 제 2 전극을 포함한다. 이때, 활성층은 이온성 탄성중합체로 이루어진 것이고, 외부 압력에 의하여 표면의 유효 이온의 농도가 조절된다.

Description

커패시터형 촉각센서 및 그 제조방법{TACTILE SENSOR AND METHOD FOR MANUFACTURING THE SAME}

본 발명은 이온성 탄성중합체 기반의 커패시터형 촉각센서 및 이를 제조하는 방법에 관한 것이다.

최근 전자정보 소자의 급속한 발전으로 휴대용 정보통신 및 스마트 기기의 보급이 활성화되고 있다. 미래 전자시스템은 단순 휴대형에서 벗어나 사람의 몸에 부착하거나 인체 내부에 삽입이 가능한 형태로 까지 발전될 것으로 예상된다. 특히, 최근 구부리거나 늘릴 수 있으면서 사람의 피부나 몸 또는 관절부위와 같은 굴곡진 부분에 부착이 가능한 인공전자피부나 촉각 센서에 대한 관심이 증가하고 있다.

한편, 촉각센서에는 변형에 따른 저항변화(압저항 현상)를 이용한 센서와, 외부 압력에 의해 전극간의 간극의 변화에 의한 정전용량 변화를 이용한 센서가 있다. 일반적으로 촉각 센서는 실리콘 반도체 공정에 의해 제작되었다. 실리콘 반도체 공정은 미세한 채널을 제조 할 수 있어, 높은 공간분해능을 구현할 수 있으며, 센서 성능이 상대적으로 우수한 장점이 있다. 더욱이 잘 확립된 반도체 CMOS 기술을 같이 이용하면 증폭기와 디코더 등을 촉각 센서에 내장시킴으로써 복잡한 신호처리 문제를 해결할 수 있다. 이러한 장점에도 불구하고 실리콘 재료는 내구성이 약하고, 유연하지 않은 특성을 갖기 때문에 곡면에 부착이 불가능한 단점이 있다.

전술한 문제점을 해결하고자, 다양한 소재를 도입하여 내구성을 높이고, 매우 미세한 압력 및 스트레인을 인식할 수 있는 소재에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 이러한 소재의 개발은 인공전자피부, 촉각센서, 인공보철, 로보틱스, 의료용 기기 분야에 응용할 수 있는 핵심적인 기술로 자리 잡고 있다.

이와 관련하여 국제공개특허 WO 2013/044226 호(발명의 명칭: 인공 피부 및 탄성 스트레인 센서)는 지지 구조의 모션을 검출 및 추적할 수 있도록 스트레인 축과 2개 이상의 채널을 구비한 탄성 재료와 전극을 가지며, 탄성 재료에 압력을 가했을 때, 채널들의 단면이 변형되며 이때의 변화된 전기 저항을 검출하는 기술을 개시하고 있다.

하지만, 이와 같은 인공 피부는 외부 압력에 의하여 발생된 탄성 재료의 변형만을 측정하기 때문에, 제한된 압력 범위 내에서만 민감하게 전기 저항을 검출한다. 따라서, 모든 압력범위를 인지하기 위해서는 각 압력범위에 대하여 소자구조를 변경하여 사용해야 하기때문에,소자 직접화에 한계가 있다.

본 발명의 일부 실시예는 인간의 머켈 셀(merkel cell)을 모사하여, 하나의 센서가 모든 압력 범위를 민감하게 인지 할 수 있는 이온성 탄성중합체 기반의 커패시터형 촉각 센서를 제공하는 것을 목적으로 한다.

상술한 기술적 과제를 달성하기 위한 기술적 수단으로서, 본 발명의 제 1 측면에 따른 커패시터형 촉각센서는 제 1 전극, 제 1 전극의 상부면에 형성된 활성층, 및 활성층의 상부면에 형성된 제 2 전극을 포함한다. 이때, 활성층은 이온성 탄성중합체로 이루어진 것이고, 외부 압력에 의하여 전극과 활성층 표면의 유효 이온의 농도가 조절된다.

본 발명의 제 2 측면에 따른 커패시터형 촉각센서의 제작 방법은 제 1 기판의 상부면에 제 1 전극을 형성하는 단계, 제 1 전극의 상부면에 활성층을 형성하는 단계, 활성층의 상부면에 제 2 전극을 형성하는 단계, 및 제 2 전극의 상부면에 제 2 기판을 배치하는 단계를 포함한다. 이때, 활성층은 이온성 탄성중합체로 이루어진 것이고, 외부 압력에 의하여 전극과 활성층 표면의 유효 이온의 농도가 조절된다.

본 발명에서 제안하는 커패시터형 촉각센서는 머켈 셀의 생체모사를 구현하는 효과가 있다.

또한, 본 발명에서 제안하는 커패시터형 촉각센서는, 하나의 센서가 모든 압력 범위에 대하여 민감하게 반응하기 때문에 햅틱 디스플레이, 및 전자피부 등의 다양한 분야에 적용될 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 커패시터형 촉각센서와 머켈 셀에서의 이온교환 원리를 비교한 개념도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에서 고려되는 열가소성 폴리 우레탄 및 이온성 액체에 포함되는 이온의 일례를 도시하고 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 커패시터형 촉각센서의 구동원리를 도시한 개념도이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 커패시터형 촉각센서의 구동원리를 도시한 개념도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 커패시터형 촉각센서의 제조 방법을 도시한 순서도이다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 필러 구조의 활성층을 제조하는 방법을 도시한 개념도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 커패시터형 촉각센서의 압력에 따른 커패시턴스의 변화를 측정한 그래프이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 커패시터형 촉각센서의 성능을 테스트한 그래프이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 커패시터형 촉각센서를 이용하여 외부의 다양한 압력을 측정한 결과 그래프이다.

아래에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.

명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 "전기적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.

일반적으로, 사람 손끝의 피부는 10-40kPa의 압력 수준에서, 약 40μm의 공간 분해능으로 표면의 질감 및 온도를 동시에 감지한다. 따라서, 사람의 손끝의 면적이 약 1cm X 1cm라고 하면, 압력을 감지하는 센서의 개수는 62,500개로 각각의 센서가 압력을 실시간으로 측정하여 뇌로 전송하게 된다.

사람의 피부는 0.1 mm∼0.3 mm 두께의 표피(epidermis), 표피의 아래에 존재하는 진피(dermis), 및 피하지방으로 구성되어 있다. 이러한, 표피 및 진피에는 각종 물리량을 감지할 수 있는 수용기(receptor)들이 존재한다. 따라서, 외부와 신체의 여러 부위에서 일어나는 자극들은 이러한 수용기를 통해 감지되며, 수용기는 화학, 광학에너지를 전기신호로 바꾸어 감각신경을 통해 중추신경계로 전달한다. 이때, 수용기는 종류에 따라감지할 수 있는 감각들이 다르다.

일례로, 촉각을 감지하는 대표적인 수용기로 마이소너(Meissner) 소체, 머켈(Merkel) 수용기, 파시닌(Pacinian), 및 루피니(Ruffini) 소체 등이 있다. 마이소너(Meissner) 소체는 피부 움직임을 가장 잘 감지하며 피부의 표피와 진피 사이에 존재하는 머켈(Merkel) 수용기는 피부를 누르는 감각에 가장 잘 반응하고 진동에 대한 인식 기능을 일부 담당한다. 한편 파시닌(Pacinian) 소체는 피부의 가장 깊은 곳에 위치하고, 운동감과 미세한 접촉, 진동을 인식한다. 또한, 루피니(Ruffini) 소체도 피부의 깊은 곳에 위치하며 방추형 구조로 압력과 온도변화를 감지한다.

촉각센서의 관점에서 보면 사람의 피부는 각각의 물리량을 측정하는 능동형 센서(수용기, 뉴런)들이 점탄성을 갖는 물질(진피)에 박혀있는 형태이다.

따라서, 본 발명의 일 실시예는 사람의 피부에 존재하는 다양한 수용기 중 촉각이 예민한 부위에 발달되어 있는 머켈 셀을 모사하여, 모든 압력 범위를 민감하게 인지할 수 있는 탄성중합체 기반의 커패시터형 촉각센서를 제공하고자 한다. 이하, 도면을 참조하여 머켈 셀을 모사한 커패시터형 촉각센서에 대해 상세히 설명하도록 한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 커패시터형 촉각센서와 머켈 셀에서의 이온교환 원리를 비교한 개념도이다.

도 1의 (a)는 인간의 피부의 진피층을 도시한 도면이고, (b)는 외부 자극이 있기 전의 진피층 내의 머켈 셀의 상태를 도시한 도면이다. (c)는 외부에서 자극을 받았을 때의 머켈 셀의 내외부의 이온농도의 변화를 도시한 도면이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 외부의 물리인 자극에 의해, 머켈 셀 내부의 닫혀있던 채널이 열리게 되며, 이에 따라 외부에서 내부로 이온의 스퀴징(Squeezing)이 일어난다.

이때, 머켈 셀 내부에 존재하는 채널은 피에조 타입의 기계수용 이온채널(Piezo-type mechanosensitive ion channel component 2, Piezo2)이며, 세포막의 물리적 자극에 의해 활성화되는 채널이다. 따라서, 기계적 자극에 의해 기계수용 이온채널이 활성화하면 양이온의 투과성이 높아져 막탈분극이 발생한다. 따라서, 물리적 자극은 수용기전위로 변환되며 중추에 신호가 전달된다.

도 1의 (d) 내지 (f)는 본 발명의 일 실시예에 따른 커패시터형 촉각센서의 개념도이다. 도 1의 (d)를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 커패시터형 촉각센서는 활성층(300), 활성층(300)의 하부에 형성된 제 1 전극(200), 및 활성층(300)의 상부에 형성된 제 2 전극(400)을 포함한다. 이때, 활성층(300)으로서 이온성 탄성중합체로 형성된다. 이때, 활성층(300)의 형태의 제한은 없으며, 사각의 형상을 띨 수도 있고 도면의 가운데 및 오른쪽처럼 반구형일 수도 있다.

도 1의 (e)는 반구형의 활성층(300)을 도시하고 있으며, 자극이 가해지기 전의 활성층(300) 및 제 2 전극(400)의 상태를 도시하고 있다. 더욱 상세하게, 활성층(300)은 양이온, 음이온, 하드 세그먼트(hard segment, 310), 및 소프트 세그먼트(soft segment, 320)를 포함하고 있다. 이때, 세그먼트들은 활성층(300) 내부에서 구역을 구획하고, 이온들을 격리할 수 있다. 또한, 자극이 가해지기 전, 활성층(300)의 상부에 형성된 제 2 전극(400)은 음전하를 띠고 있다.

본 발명의 일 실시예 따른 활성층(300)은 열가소성 폴리 우레탄과 이온성 액체의 매트릭스(IL/TPU)용액을 이용하여 형성될 수 있다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에서 고려되는 열가소성 폴리 우레탄 및 이온성 액체에 포함되는 이온의 일례를 도시하고 있다. 구체적으로, 도 2의 (a)는 열가소성 폴리 우레탄 구조를 도시하고 있으며, 도 2의 (b) 및 (c)는 이온성 액체에 포함되는 이온의 일례를 도시하고 있다. 도 2에 도시된 X는 할로겐(halogen) 원소를 나타내며, R은 알킬기(alkyl)를 나타낸다.

도 2에 도시된 바와 같이, 일반적으로, 열가소성 폴리 우레탄은 경직한 분자쇄인 하드 세그먼트와 유연한 구조의 소프트 세그먼트로 이루어진 세그먼티드 블럭 코폴리머(segmented block copolymer)로 구성된다.

하드 세그먼트는 상온보다 높은 유리전이온도(Tg)를 가진다. 따라서, 유리질(glassy)한 성질을 나타내는 하드 세그먼트간에 결정형성이나, 수소 결합, 또는 반데르발스 힘 등의 결합으로 인하여 물리적인 가교점을 형성한다. 반면, 소프트 세그먼트는 상온보다 낮은 유리전이온도를 가진다. 따라서, 러버(rubber)한 성질을 나타내는 탄성체가 나타내야 할 중요한 성질들, 즉 높은 연신비, 높은 탄성률, 높은 탄성 회복률 등을 부여하는 역할을 한다. 이러한 세그먼트들은 외력을 받으면 세그먼트의 배향뿐만 아니라 구조의 변화를 일으킬 수 있다.

다시 도 1의 (f)를 참조하면, 외부에서 제 2 전극(400)에서 활성층(300)의 방향으로 자극(압력)이 가해졌을때, 유연한 이온성 탄성중합체로 이루어진 활성층(300)은 외부의 자극에 의해서 모양이 변형된다. 또한, 반구형의 활성층(300)의 상단이 제 2 전극(400)과 접촉하면서 압력을 받아 모양이 변형된 것을 확인할 수 있다.

이때, 반구형의 활성층(300)의 상단이 제 2 전극(400)과 접촉하면서, 음전하를 띄고 있는 제 2 전극(400)의 주변으로 활성층(300) 내부의 양전하가 이동하게 된다. 또한, 활성층(300) 내부를 구획하고 있는 세그먼트들의 형상이 바뀌면서 세그먼트 내부에 격리되어 있던 이온들이 외부로 방출되게 된다. 이러한 현상은 도 1의 (c)에서 자극을 받았을 때 Piezo2 채널이 열리며 이온이 채널 안으로 스퀴징 되는 현상과 유사하다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 커패시터형 촉각센서의 구성 및 구동원리를 개략적으로 도시한 도면이다.

도 3 의 (a)와 (b)는 활성층이 사각 형상일 때의 압력 전, 후의 모습을 도시하고 있다.

먼저 도 3의 (a)를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 커패시터형 촉각센서는 제 1 기판(100), 제 1 전극(200), 활성층(300), 제 2 전극(400), 및 제 2 기판(500)을 포함한다. 또한, 도시되어 있지는 않지만, 제 1 전극(200) 및 제 2 전극(400) 사이에 형성되는 커패시턴스를 검출하고, 커패시턴스에 따라 외부 압력을 감지하는 제어부를 더 포함할 수 있다.

사용자의 목적에 따라서, 활성층(300)과 제 2 전극(400)의 사이는 처음부터 접촉이 되어 있을 수도 있고, 접촉되지 않은 상태로 소정의 간격을 두고 이격될 수도 있다.

도 1의 (e)에서 전술한 바와 같이 활성층(300)은 세그먼트들을 포함하여, 세그먼트들이 활성층(300) 내부에서 구역을 구획하고, 일정 농도의 이온을 포획할 수 있다.

활성층(300)은 탄성을 가지고 있기 때문에 압력을 가해줌에 따라, 도시된 바와 같이 수축하게 된다. 외부 압력에 의하여 활성층(300)이 수축되면, 활성층(300)내의 세그먼트들의 모양이 변화하게 되고, 세그먼트들 내에 포획된 이온들이 세그먼트에서 활성층(300)으로 방출되게 된다. 따라서, 활성층(300)내에서의 커패시턴스 값에 유효한 유효 이온의 농도가 증가 된다.

도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 커패시터형 촉각센서의 구성 및 구동원리를 도시한 개념도이다.

도 4의 (a) 및 (b)는 필라 구조의 유닛 한 개에서 일어나는 현상을 도시하고 있다.

도 4를 참조하면, 활성층(300)이 반구형의 필라 구조의 커패시터형 촉각센서는, 외부의 압력의 세기에 따라서 접촉되는 면을 조절할 수 있으므로 사용자의 목적에 맞게 반구형의 모양을 설계할 수도 있다. 즉, 활성층(300)은 반구형의 필라 구조뿐 아니라 외부 압력에 따라 제 2 전극(500)과의 접촉면을 증가시킬 수 있는 요철 구조라면 어떤 형태든지 가능하다.

만약, 제 2 전극(400)에서 활성층(300)의 방향으로 외부의 압력이 가해지면, 가해진 압력의 크기에 따라, (b)와 같이 반구형의 필라 구조인 활성층(300)은 제 2 전극(400)과 일정부분이 접촉하게 된다.

한편, 도 4의 (c)에 도시된 바와 같이, 상술한 유닛 한 개의 필라 구조는 어레이 형태로 배열될 수도 있다.

도 4의 (d)는 본 발명의 다른 실시예에 따른 반구형의 필라 구조 유닛이 어레이 형태로 배열된 활성층을 포함하는 커패시터형 촉각센서의 단면을 도시하고 있다. 도 4의 (d)를 참조하면, 활성층(300)이 복수의 필라 구조가 어레이로 배치되어 구현된 경우, 외부에서 압력에 의해, 복수의 필라 구조의 활성층(300)이 변형될 수 있다.

한편, 도 5를 함께 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 커패시터형 촉각센서를 제조하는 방법과 각각의 구성이 갖는 기능에 대해서 보다 자세히 설명하도록 한다.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 커패시터형 촉각센서의 제조 방법을 도시한 순서도이다.

도 5를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 커패시터형 촉각센서를 제조하는 방법은 제 1 기판(100)의 상부면에 제 1 전극(200)을 형성하는 단계(S410), 제 1 전극(200)의 상부면에 활성층(300)을 형성하는 단계(S420), 활성층(300)의 상부면에 제 2 전극(400)을 형성하는 단계(S430), 및 제 2 전극의 상부면에 제 2 기판(500)을 배치하는 단계(S440)를 포함한다.

경우에 따라, 활성층(300)과 제 2 전극(400)이 접촉되지 않은 경우에는 단계(S420)까지는 동일하게 공정을 한 후, 제 2 전극(400)과 제 2 기판(500)은 별도로 형성할 수 있다. 즉, 상술한 도5의 제 2 전극(400)을 형성하는 단계(S430), 및 제 2 전극의 상부면에 제 2 기판(500)을 배치하는 단계(S440)를 수행하는 순서는 도 5에 도시된 순서에 제한되지 않으며, 단계(s410) 내지 단계(s420)와 병렬로 이루어 질 수 있다.

참고로, 제 1 기판(100), 및 제 2 기판(500)은 커패시터형 촉각센서의 맨 아래층에 위치하는 구성요소로써, 유리, 세라믹, 실리콘, 고무 및 플라스틱 중 어느 하나로 이루어 질 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다. 이때, 제 1 기판(100), 및 제 2 기판(500)의 두께, 크기 및 형상은 다양하게 설정할 수 있다. 또한, 필요에 따라 생략할 수도 있다. 제 1 기판(100), 및 제 2 기판(500)은 각각 제 1 전극(200) 및 제 2 전극(400)과 접촉하여 지지하는 역할을 한다.

먼저, 제 1 전극(200)을 형성하는 단계(S410)에서, 제 1 전극(200)이 일반적으로 반도체공정에서 수행되는 포토리소그래피 공정에 의하여 형성될 수 있다.

더욱 상세하게, 제 1 기판(100)의 상부면에 열 증착법(thermal evaporation), 전자빔 증착법(e-beam evaporation), 및 스퍼터링 증착법(sputtering) 중 어느 한 증착법에 의하여 제 1 전극(200)을 형성하기 위한 물질이 형성될 수 있다. 이때, 제 1 전극(200)을 형성하기 위한 물질의 형성 방법은 상술한 방법에 한정되지는 않으며, 전사 혹은 조건에 따라 스프레이 코팅이나 베큠 필터레이션(Vacuum filteration), 및 전기방사도 가능하다.

제 1 전극(200)을 형성하는 물질은 금속, 전도성 산화 금속, 전도성 폴리머, 전도성 카본, 전도성 나노 입자 및 유기 물질이나 전도성 물질 사이에 삽입된 나노 입자에서 선택된 전극 물질일 수 있다.

이이서, 원하는 모양의 전극을 제조하기 위해, 감광제를 코팅하고 마스크를 이용하여 특정 부분을 노광한 후, 패턴을 현상할 수 있다. 이후, 건식 또는 습식 식각 공정을 수행함으로써 원하는 형상의 전극을 형성할 수 있다.

이어서, 단계 (S420)에서, 제 1 전극(200)의 상부면에 활성층(300)이 형성될 수 있다. 활성층(300)을 형성하는 방법은 일반적으로 몰딩법, 식각 공정, 스핀코팅 중 어느 한가지 방법으로도 가능하나, 이에 한정하지는 않는다. 본 발명의 일 실시예에 따른 활성층은 이온성 탄성중합체를 스핀코팅하여 간단히 제조할 수 있지만, 반구형과 같은 요철 구조로 활성층을 제조할 경우에는, 원하는 모양의 몰드(mold)에 액상의 이온성 탄성중합체를 경화시키는 방법을 이용하기도 한다. 이하, 도 6을 참조하여 활성층을 제조하는 방법을 예를 들어 상세히 설명하도록 한다.

도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 필러 구조의 활성층을 제조하는 방법을 도시한 개념도이다.

먼저, 도 6의 (a)와 같이, 액상의 이온성 탄성중합체를 준비한다. 본 발명의 일 실시예에 따른 활성층을 제조하는 방법은 열가소성 폴리 우레탄과 이온성 액체의 매트릭스(IL/TPU)용액을 이온성 탄성중합체로 사용하였다. 다음으로, 요철 구조의 몰드(mold)를 준비하고, 액상의 이온성 탄성중합체를 요철 구조의 몰드에 주입한다(b). 다음으로, 액상의 이온성 탄성중합체를 경화시키고, 경화된 이온성 탄성중합체를 몰드로부터 분리하면(c), 도 5의 (d)와 같이, 반구형의 필라 구조인 활성층(300)이 생성되게 된다.

참고로, 이온성 액체는 상온에서 액체 상태로 존재하는 염으로 물질 자체가 이온들로만 구성되어 있어, 대략 10mS/cm의 높은 전도도와 4V이상의 넓은 전기화학창을 비롯하여 매우 낮은 휘발성을 갖는다. 이때, 이온성 액체의 점도는 물과 유사하다. 한편, TPU의 경우 투명하고, 탄성을 가지며, 이온성 액체와 블랜딩이 잘되고, 높은 이온전도도의 특성을 보유하고 있다.

따라서, 액상의 이온성 탄성중합체를 이용하여, 활성층(300)을 형성하였다. 이때, 활성층(300)은 세그먼트들이 포함되고, 세그먼트들은 하드 세그먼트 및 소프트 세그먼트를 포함한다. 이러한 세그먼트들은 활성층(300) 내부에서 구역을 구획하고, 일정한 농도의 이온들을 포획하는 역할을 한다. 따라서, 외부 압력이 가해지면, 세그먼트들의 구획된 영역이 변형되면서 이온을 활성층(300)으로 출납시킬 수 있다. 여기서, 이온이 출납되는 것은 머켈 셀의 세포막에서 이온이 스퀴징 되는 원리를 모사하였다.위와 같이, 외부 압력에 따라 활성층(300)내에서의 유효 이온의 농도가 조절되고, 그에 따라 커패시터형 촉각센서의 커패시턴스 값이 조절된다.다시 도 5를 참조하면, 제 1 전극(200)의 상부면에 활성층(300)을 형성한 후, 활성층(300)의 상부면에 제 2 전극(400)을 형성할 수 있다(S430). 이때, 활성층(300)의 상부면에 제 2 전극(400)을 형성하는 방법은 전술한 제 1 전극(200)의 제조 방법과 동일하다.

한편, 활성층(300)의 상부 및 하부에 형성된 제 1 전극(200) 및 제 2 전극(400)은 제어부(미도시)로부터 전기 신호를 입력 받고, 이로 인해 전위차가 인가되어 나타나는 커패시턴스의 변화를 측정하거나 저항을 측정할 수 있다. 마지막으로, 단계 (S440)에서, 제 2 전극의 상부면에 제 2 기판(500)을 배치한다. 제 2 기반(500)에 대한 설명은 전술한 제 1 기판과 동일하므로 생략하기로 한다. 전술한 바와 같이, 도 5의 제 2 전극(400)을 형성하는 단계(S430)는 병렬로 이루어 질 수 있다. 따라서, 제 2 전극(400)과 제 2 기판(500)을 별도로 형성하여 활성층(300)의 상부에 배치시킬 수 있다.

도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 커패시터형 촉각센서의 압력에 따른 커패시턴스의 변화를 측정한 그래프이다.

TPU와 이온성 TPU를 비교하였을 때, 본 발명의 일 실시예에 의한 이온성 TPU는 압력이 증가될수록 커패시턴스의 값이 증가되는 것을 확인하였으나, 기존 TPU는 커패시턴스의 변화가 거의 없는 것을 확인하였다.

이는 활성층(300)으로 사용된 이온성 TPU에 압력이 가해지면, 내부의 세그먼트들의 변형이 일어나 포획되어 있는 이온이 방출되게 되고, 활성층(300)의 표면의 유효 이온의 농도가 증가되어, 표면의 이온수가 증가되기 때문이다. 이때, 증가된 표면의 이온수는 정전 용량을 증가시켜 전기적 신호로 전달되게 된다.

또한, 도 7의 그래프를 통해, 본 발명의 일 실시예에 따른 커패시터형 촉각센서가 설정한 측정 범위의 압력 영역에서 측정가능 하다는 것을 확인하였다.

도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 커패시터형 촉각센서의 성능을 테스트한 그래프이다.

도 8의 (a)와 (b)는 본 발명의 일 실시예에 따른 커패시터형 촉각센서의 특정 압력에 대한 응답성을 나타내고 있다. (a)의 경우, 100Pa, 1kPa, 및 10kPa의 압력으로 일정 주기 반복해서 자극을 주었을 때의 커패시턴스의 변화이다. 그래프를 참조하면, 100Pa의 경우에는 1kPa 이나 10kPa 보다는 변화가 미약하기는 하나 일정한 그래프 개형을 보인다. 1kPa 정도의 압력을 가했을 경우, 10kPa의 압력을 가했을 경우에 비하여 약 3배 큰 커패시턴스의 변화를 보이고, 각각은 자극에 대해 일정한 변화폭을 가진다. 이로 인해, 반복적인 힘을 가해주었을 때도 본 발명의 일 실시예에 따른 커패시터형 촉각센서의 신뢰성이 확보된다는 것을 알 수 있다.

더욱이, 도 8의 (b)는 본 발명의 일 실시예에 따른 커패시터형 촉각센서의 반복 응답성을 확인한 그래프이다. 1N의 힘으로 360초 동안 일정 주기 반복해서 외력을 가했을 때의 커패시턴스의 변화 값이 일정한 것을 확인하였다.

또한, 도 8의 (c)는 본 발명의 일 실시예에 따른 커패시터형 촉각센서의 활성층(300)이 반구형 필라구조로 패턴된 TPU인 경우(Patterned TPU, 빨간색), 반구형 필라구조이면서 이온성 TPU인 경우(Patterned Ionic TPU, 파란색), 필라구조가 아닌 TPU인 경우(Pristine TPU, 검은색), 및 필라구조가 아니고 이온성 TPU인 경우(Pristine Ionic, 녹색)에 압력에 따른 커패시턴스의 변화를 측정한 그래프이다.

도 8의 (c)에서는 본 발명의 일 실시예에 따른 이온성 TPU를 활성층(300)으로 사용한 경우(파란색, 녹색)가 압력에 따른 커패시턴스의 변화가 크게 나타났으며, 필라구조의 여부에 상관없이 이온성이 아닌 일반 TPU를 활성층(300)으로 사용한 경우(빨간색, 검은색)에는 압력에 따른 커패시턴스의 변화가 거의 없었다.

또한, 이온성 TPU를 활성층(300)으로 사용하면서, 필라구조의 여부에 따라서 필라구조가 있는 경우(파란색)의 압력에 따른 커패시턴스의 변화가 크게 나타나는 것을 알 수 있다.

도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 커패시터형 촉각센서를 이용하여 외부의 다양한 압력을 측정한 결과 그래프이다.

도 9의 (a)는 스피커를 이용하여, ‘도’음(좌) 또는 아리랑(우)을 들려주었을 때, 본 발명의 일 실시예에 따른 커패시터형 촉각센서에서 측정된 커패시턴스값의 변화를 보여준다. 이를 통해, 커패시터형 촉각센서를 향후 인공고막으로 활용할 수 있는 가능성을 확인할 수 있었다. 또한, (b)는 핸드폰의 수화기의 진동을 통해 ‘You raise me up’을 들려주었을 때의 결과이고, 이를 통해, 인공성대로서 활용할 수 있을 것이다. (c)는 커패시터형 촉각센서를 사람의 관자놀이에 부착하여, 맥박을 측정한 결과 그래프이고, (d)는 손가락에 부착하여 키보드를 타이핑한 결과를 보여준다. 이를 통해, 본 발명의 일 실시예에 따른 커패시터형 촉각센서가 다양한 외부의 압력을 측정할 수 있는 것을 확인하였다.

또한, 도면에 나타내지는 않았지만 본 발명의 일 실시예에 따른 커패시터형 촉각센서는 최소 10.33Pa의 압력인지 한계를 갖고 있다. 이것은 커패시터의 변화를 측정하였을 때, 측정 가능한 최소한의 압력이다.

전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.

본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

100: 제 1 기판
200: 제 1 전극
300: 활성층
400: 제 2 전극
500: 제 2 기판

Claims (13)

1. 커패시터형 촉각센서에서,
   제 1 전극;
   상기 제 1 전극의 상부면에 형성된 활성층; 및
   상기 활성층의 상부면에 형성된 제 2 전극을 포함하되,
   상기 활성층은 이온성 탄성중합체로 이루어진 것이고, 외부 압력에 의하여 유효 이온의 농도가 조절되는 것인 커패시터형 촉각센서.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 외부 압력에 따라
   상기 유효 이온의 농도가 조절되고, 상기 유효 이온의 농도의 조절에 따라 상기 커패시터형 촉각센서의 커패시터 값이 조절되는 것인 커패시터형 촉각센서.
3. 제 1 항에 있어서,
   상기 활성층의 상부면은 요철 구조로 형성된 것이고,
   상기 외부 압력에 따라 상기 제 2 전극과의 접촉면이 증가되며, 상기 접촉면의 증가에 따라 유효 이온의 농도가 증가되는 것을 포함하는 커패시터형 촉각센서.
4. 제 1 항에 있어서,
   상기 활성층의 상부면에 형성되고,
   반구형의 구조물이 복수개 배치된 커패시터형 촉각센서.
5. 제 1 항에 있어서,
   상기 활성층 내에
   상기 활성층을 구획하고, 일정한 농도의 이온들을 격리하는 세그먼트들을 포함하고,
   상기 세그먼트들은 상기 외부 압력에 따라
   상기 구획된 영역이 변형되어 상기 격리된 이온들을 상기 활성층으로 출납시키는 것인 커패시터형 촉각센서.
6. 제 5 항에 있어서,
   상기 세그먼트들은
   하드 세그먼트(hard segment), 및 소프트 세그먼트(soft segment)를 포함하고,
   상기 외부 압력에 따라 상기 세그먼트들은 머켈 셀(Merkel cell)의 세포막에서 이온이 스퀴징(squeezing)되는 원리를 모사하여 이온을 출납시키는 것을 포함하는 커패시터형 촉각센서.
7. 제 1 항에 있어서,
   상기 활성층으로 사용된 이온성 탄성 중합체는
   열가소성 폴리 우레탄과 이온성 액체의 매트릭스(IL/TPU)용액을 포함하는 커패시터형 촉각센서.
8. 제 1 항에 있어서,
   상기 제 1 전극과 접촉하는 제 1 기판; 및
   상기 제 2 전극과 접촉하는 제 2 기판을 더 포함하는 커패시터형 촉각센서.
9. 제 1 항에 있어서,
   상기 제 1 전극 및 제 2 전극 사이에 형성되는 커패시턴스를 검출하고, 상기 커패시턴스에 따라 외부 압력을 감지하는 제어부를 더 포함하는 커패시터형 촉각센서.
10. 커패시터형 촉각센서의 제작 방법에 있어서,
    제 1 기판의 상부면에 제 1 전극을 형성하는 단계;
    상기 제 1 전극의 상부면에 활성층을 형성하는 단계;
    상기 활성층의 상부면에 제 2 전극을 형성하는 단계; 및
    상기 제 2 전극의 상부면에 제 2 기판을 배치하는 단계를 포함하되,
    상기 활성층은 이온성 탄성중합체로 이루어진 것이고, 외부 압력에 의하여 유효 이온의 농도가 조절되는 것인 커패시터형 촉각센서의 제작 방법.
11. 제 10 항에 있어서,
    상기 활성층을 형성하는 단계는
    액상의 이온성 탄성중합체를 요철 구조의 몰드(mold)에 주입하는 단계;
    상기 액상의 이온성 탄성중합체를 경화하는 단계; 및
    상기 경화된 이온성 탄성중합체를 몰드로부터 분리하는 단계를 포함하는 커패시터형 촉각센서의 제작 방법.
12. 제 11 항에 있어서,
    상기 요철 구조의 몰드는 반구형의 구조물의 형성을 위한 홈을 포함하는 커패시터형 촉각센서의 제작 방법.
13. 제 11 항에 있어서,
    상기 요철 구조의 몰드는 반구형의 구조물이 어레이 형태로 배치되도록 형성된 복수의 홈을 포함하는 것인 커패시터형 촉각센서의 제작 방법.

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