KR20180013338A - Reliable tactile sensor of interlocking structure with hybrid stiffness - Google Patents

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KR20180013338A
KR20180013338A KR1020160096895A KR20160096895A KR20180013338A KR 20180013338 A KR20180013338 A KR 20180013338A KR 1020160096895 A KR1020160096895 A KR 1020160096895A KR 20160096895 A KR20160096895 A KR 20160096895A KR 20180013338 A KR20180013338 A KR 20180013338A
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임현의
정영도
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한국기계연구원
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Abstract

The present invention relates to a tactile sensor for detecting minute load, and more specifically relates to an engagement tactile sensor with stiffness which has excellent detection ability and distinguishing ability with respect to vertical load, shear load, torsional load, and orientation of load according to changes of a voltage, a current, and resistance in accordance with engagement of a conductive filler having a curve shaped structure at an end thereof, and specifically improves electrical stability and sensitivity of the sensor by carbonizing and hardening the end of the filler having the curve shaped structure.

Description

복합적인 강성도를 갖는 맞물림 촉각센서{Reliable tactile sensor of interlocking structure with hybrid stiffness}TECHNICAL FIELD [0001] The present invention relates to a tactile sensor having a complex stiffness and an interlocking structure with a hybrid stiffness.

본 발명은 미세 하중의 감지를 위한 촉각 센서에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 끝단이 커브 형 구조를 갖는 전도성 필러의 맞물림에 따른 전압, 전류 및 저항의 변화에 따라 수직 하중, 전단 하중, 비틀림 하중 및 하중의 방향성에 대한 구별능력이 뛰어난 감지능력을 가지며, 특히 커브 형 구조를 갖는 필러의 끝단을 탄화하여 경화시킴으로써 센서의 전기적 안정성과 감도를 높인 복합적인 강성도를 갖는 맞물림 촉각센서에 관한 것이다. [0001] The present invention relates to a tactile sensor for sensing a minute load, and more particularly to a tactile sensor for detecting a minute load by a vertical load, a shear load, a torsional load, and a torsional load according to changes in voltage, current, The present invention relates to an engaging tactile sensor having a composite stiffness that has an excellent sensing ability to distinguish the directionality of a load, and in particular, enhances the electrical stability and sensitivity of the sensor by carbonizing and hardening the end of the filler having a curved structure.

접촉을 통한 주변 환경의 정보, 즉 접촉력, 진동, 표면의 거칠기, 열전도도에 대한 온도변화 등을 획득하는 촉각 기능은 차세대 정보수집 매체로 인식되고 있다. 촉각 감각을 대체할 수 있는 생체 모방 형 촉각센서는 혈관 내의 미세수술, 암진단 등의 각종 의료진단 및 시술에 사용될 뿐만 아니라 향후 가상환경 구현기술에서 중요한 촉각 제시 기술에 적용될 수 있기 때문에 그 중요성이 더해지고 있다.The tactile function that acquires information about the surrounding environment through contact, such as contact force, vibration, roughness of surface, and temperature change with respect to thermal conductivity, is recognized as a next generation information collection medium. The biomimetic tactile sensor that can replace the tactile sense can be used not only for various medical diagnoses and procedures such as microsurgery and cancer diagnosis in the blood vessels but also because it can be applied to important tactile presentation technology in future virtual environment implementation technology. It is becoming.

생체모방 형 촉각센서는 이미 산업용 로봇의 손목에 사용되고 있는 6-way 자유도의 힘/토크 센서와 로봇의 그리퍼(gripper)용으로 접촉 압력 및 순간적인 미끄러짐을 감지할 수 있으나, 이는 감지부의 크기가 비교적 큰 관계로 민감도가 낮은 문제점이 있었다.Biomimetic tactile sensors can detect contact pressure and momentary slip for six-way degrees of freedom force / torque sensors and robot grippers already used in industrial robots wrists, There is a problem that sensitivity is low due to a large relation.

한편, 미소기전집적시스템(MEMS) 제작기술을 이용하여 촉각센서의 개발 가능성을 제시한 바 있고, 공정기술이 발전된 실리콘 웨이퍼나 최근에는 유연한 소재를 이용한 촉각센서가 개발되고 있다. 그러나 지금까지 개발된 촉각센서들은 대부분 수직 하중만을 감지하도록 구성이 되어 있어 수직하중, 전단하중 및 비틀림 하중을 정확히 측정하기가 힘들고, 수직하중, 전단하중 및 비틀림 하중을 측정하기 위해 복잡한 추가 측정 회로 및 장치들이 요구되는 문제점이 있다.On the other hand, the possibility of developing a tactile sensor has been suggested by using micro-fabrication technology (MEMS) fabrication technology, and a silicon wafer having advanced process technology and a tactile sensor using a flexible material have been developed. However, since the tactile sensors developed so far are mostly configured to detect vertical loads, it is difficult to accurately measure vertical load, shear load, and torsional load, and additional complicated measuring circuits for measuring vertical load, shear load and torsional load There is a problem that devices are required.

따라서 본 발명이 속하는 기술분야에서는 미세 하중 예를 들면 수직 하중(normal force), 전단 하중(shear force) 및 비틀림 하중(torsion force)을 정확하게 감지함과 동시에 하중의 방향성에 대한 구별이 뛰어난 감지능력을 가지며, 휘어짐 및 복원력이 우수하고 유연성 및 신축성이 뛰어나고, 더불어 사람이나 동물의 피부처럼 질감이나 감도가 우수한 촉각센서의 개발이 요구되고 있다.Therefore, in the technical field of the present invention, it is possible to accurately detect a normal load, a shear force, and a torsion load, and at the same time, And it is required to develop a tactile sensor having excellent warping and restoring ability, excellent flexibility and stretchability, and having a texture and sensitivity similar to human or animal skin.

한국공개특허 제10-2008-0008892호(2008.01.24.)Korean Patent Publication No. 10-2008-0008892 (2008.04.24.)

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서 본 발명의 목적은, 전도성을 갖는 탄소나노튜브(CNT)를 포함하도록 제작된 탄성이 있는 마이크로 필러를 구성하고, 상기 필러에 가해진 미세 하중들에 의해 전압, 전류 또는 저항의 변위가 생기며, 이를 측정함으로써 수직, 전단 및 비틀림 하중을 정확하게 측정하는 복합적인 강성도를 갖는 맞물림 촉각센서를 제공함에 있다.SUMMARY OF THE INVENTION It is an object of the present invention to provide an elastic micropillar made of carbon nanotubes (CNT) having conductivity, The present invention provides a combined tactile sensor having a complex stiffness that accurately measures vertical, shear, and torsional loads by measuring voltage, current, or resistance displacement.

또한, 필러 끝단을 이온 빔 처리하여 필러의 끝단을 커브 형으로 구성함에 따라 상기 필러의 전압, 전류 또는 저항의 변위를 증가시켜 센서에 가해지는 미세 하중의 감도를 증가시키고, 특히 하중의 방향성에 대한 구별능력이 뛰어난 감지능력을 가지며, 더불어 이온 빔 처리를 통해 필러의 끝단을 탄소화하여 경화시킴으로써 센서의 전기적 안정성과 감도가 증가된 복합적인 강성도를 갖는 맞물림 촉각센서를 제공함에 있다.Further, since the end of the filler is formed into a curved shape by ion beam treatment of the end of the filler, the displacement of the voltage, current, or resistance of the filler is increased to increase the sensitivity of the micro load applied to the sensor, The present invention also provides an engaging tactile sensor having a composite stiffness with increased sensitivity and electrical stability by carbonizing and hardening the ends of the filler through ion beam processing.

본 발명의 일실시 예에 따른 복합적인 강성도를 갖는 맞물림 촉각센서는 일면에 인가되는 외부의 하중에 의해 탄성 변형되는 제1 층; 상기 제1 층의 타면 외측으로 돌출 형성되며, 전도성 나노 또는 마이크로 재질로 되는 적어도 하나 이상의 제1 필러; 일면이 상기 제1 층의 타면에 대향하도록 구비되는 제2 층; 및 상기 제2 층의 일면 외측으로 돌출 형성되며, 전도성 나노 또는 마이크로 재질로 되는 적어도 하나 이상의 제2 필러; 를 포함하고, 상기 제1 및 제2 필러는 각각 선단부가 상기 제1 층 및 제2 층에 대해 소정 각도록 기울어지도록 형성되는 커브 영역을 갖고, 상기 제1 필러와 제2 필러의 선단부는 서로 이격되어 마주보도록 형성된다.According to an embodiment of the present invention, there is provided an engagement tactile sensor having a complex stiffness, including: a first layer elastically deformed by an external load applied to one surface; At least one first filler protruding outside the other surface of the first layer and made of a conductive nano- or micro-material; A second layer provided on one side of the first layer so as to face the other side of the first layer; And at least one second filler protruding outward from one surface of the second layer, the at least one second filler being of a conductive nano- or micro-material; Wherein each of the first and second pillars has a curved region formed such that a tip thereof is inclined at a predetermined angle with respect to the first layer and the second layer, and the tip portions of the first and second pillars are spaced apart from each other As shown in FIG.

이때, 상기 제1 필러의 타측 경도는 상기 제1 필러의 경도보다 강하고, 상기 제2 필러의 일측은 상기 제2 필러의 평균 경도보다 강한 것을 특징으로 한다.At this time, the other side hardness of the first pillar is stronger than the hardness of the first pillar, and one side of the second pillar is stronger than the average hardness of the second pillar.

또한, 상기 제1 층, 제2 층, 제1 필러 및 제2 필러는, 탄성 재질에 탄소 물질을 고루 분산시켜 이루어지며, 상기 탄소 물질은 카본블랙(carbon black), 카본 나노튜브(carbon nanotube), 흑연(graphite) 또는 그래핀(graphene) 중 선택되는 적어도 하나 이상인 것을 특징으로 한다.The first layer, the second layer, the first filler, and the second filler are formed by uniformly dispersing a carbon material in an elastic material. The carbon material may be carbon black, carbon nanotube, , Graphite, or graphene. In the present invention,

다른 실시 예로, 상기 제1 층, 제2 층, 제1 필러 및 제2 필러는, 탄성 재질에 금속 물질을 고루 분산시켜 이루어지며, 상기 금속 물질은 금(gold), 은(silver), 백금(platinum), 철(iron), 구리(copper)가 입자나 와이어의 형태를 갖는 것 중 선택되는 적어도 하나 이상인 것을 특징으로 한다.In another embodiment, the first layer, the second layer, the first filler, and the second filler are formed by uniformly dispersing a metal material in an elastic material, and the metal material may be gold, silver, platinum platinum, iron, and copper in the form of particles or wires.

또한, 상기 탄성 재질은, 탄성을 갖고 몰딩 성형을 이용하여 상기 제1 및 제2 필러의 형성이 가능하도록 PDMS(Polydimethylsiloxane), PUA(polyurethane acrylate) 또는 에코플렉스(ecoflex)중의 하나인 것을 특징으로 한다.The elastic material is one of PDMS (Polydimethylsiloxane), PUA (polyurethane acrylate), and ecoflex so that the first and second fillers can be formed using elastic molding and molding. .

본 발명의 일실시 예에 따른 복합적인 강성도를 갖는 맞물림 촉각센서의 제조 방법은, 금형을 제조하는 단계; 금형에 MWCNT와 PDMS의 혼합물을 충전하는 단계; 상기 혼합물을 경화시켜 상기 금형으로부터 분리하는 단계; 및 상기 분리된 혼합물의 필러 끝단을 커브형으로 성형하는 단계; 를 포함한다.According to an embodiment of the present invention, there is provided a method of manufacturing an engaging tactile sensor having a complex stiffness, the method comprising: manufacturing a mold; Filling the mold with a mixture of MWCNT and PDMS; Curing the mixture to separate it from the mold; And forming a pillar end of the separated mixture into a curve shape; .

또한, 상기 커브형으로 성형하는 단계는, 상기 제1 필러의 타측 및 상기 제2 필러의 일측에 이온 빔을 조사하는 것을 특징으로 한다. In the step of forming the curve shape, an ion beam is irradiated to the other side of the first pillar and one side of the second pillar.

또한, 상기 이온 빔은 비활성 기체인 He+, Ar+, Xe+ Ion beam 인 것을 특징으로 한다. Further, the ion beam is a He + , Ar +, or Xe + Ion beam which is an inert gas.

아울러, 상기 이온 빔의 조사각은 상기 필러의 길이 방향을 기준으로 60도 이하인 것을 특징으로 한다. In addition, the irradiation angle of the ion beam is not more than 60 degrees with respect to the longitudinal direction of the filler.

상기와 같은 구성에 의한 본 발명의 복합적인 강성도를 갖는 맞물림 촉각센서는, 전도성 마이크로 필러를 이용해 수직하중, 전단 하중 및 비틀림 하중을 정확하게 감지할 수 있는 효과가 있다. The combined tactile sensor having the complex stiffness of the present invention according to the present invention can accurately detect the vertical load, shear load and torsional load using the conductive micro pillars.

또한, 필러의 끝단을 커브 형으로 구성하여 필러의 전압, 전류 또는 저항의 변위가 증가하여 촉각 센서에 가해지는 미세 하중에 대한 감도 증대 및 미세 하중의 방향성 정확하게 확보할 수 있는 효과가 있다. In addition, since the end of the filler is formed in a curved shape, the displacement of the voltage, current, or resistance of the filler increases, thereby increasing the sensitivity to the micro-load applied to the tactile sensor and accurately securing the direction of the micro-load.

특히, 필러의 끝단을 이온 빔 처리함에 따라 탄소화되어 필러의 센싱 값이 균일해짐에 따라 센서의 질감과 감도가 우수해진 효과가 있다.Particularly, since the tip of the filler is carbonized by ion beam treatment, the sensing value of the filler becomes uniform, so that the texture and sensitivity of the sensor are improved.

도 1은 본 발명의 촉각 센서 전체 사시도
도 2는 본 발명의 촉각 센서 분해 사시도
도 3은 본 발명의 일실시 예의 촉각 센서 정면도
도 4는 본 발명의 일실시 예의 촉각 센서 제조방법 공정도
도 5는 본 발명의 촉각 센서 동작 상태 정면도 (전단 하중)
도 6은 본 발명의 촉각 센서 동작 상태 정면도 (수직 하중)1 is a perspective view of a tactile sensor according to the present invention,
2 is an exploded perspective view of the tactile sensor of the present invention
3 is a front view of a tactile sensor according to an embodiment of the present invention.
4 is a process flow chart of a tactile sensor manufacturing method according to an embodiment of the present invention
5 is a front view (shear load) of the tactile sensor operating state of the present invention;
6 is a front view (vertical load) of the tactile sensor operating state of the present invention,

도 1에는 본 발명의 일실시 예에 따른 복합적인 강성도를 갖는 맞물림 촉각센서(1000, 이하 "촉각센서")의 전체 사시도가 도시되어 있고, 도 2에는 본 발명의 일실시 예에 따른 촉각 센서(1000)의 분해 사시도가 도시되어 있다. 1 is an overall perspective view of an engaging tactile sensor 1000 (hereinafter referred to as a "tactile sensor") having a complex stiffness according to an embodiment of the present invention, and FIG. 2 is a perspective view of a tactile sensor 1000 are shown in an exploded perspective view.

도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 촉각 센서(1000)는 일면으로 하중이 전달되는 제1 층(100)과, 제1 층(100)에서 타면 외측으로 대향 배치되는 제2 층(200)과, 제1 층(100)의 타면 외측으로 연장되는 복수 개의 제1 필러(300)와, 제2 층(200)의 일면 외측으로 연장되는 복수 개의 제2 필러(400)와, 제1 층(100)의 일면에 구비되는 제1 전극(700)과, 제2 층(200)의 타면에 구비되는 제2 전극(800)을 포함한다. 촉각 센서(1000)에 하중이 전달되지 않는 초기 상태의 경우 복수 개의 제1 및 제2 필러(300, 400)는 선단부가 서로 이격되어 마주보도록 형성될 수 있다. 즉 제1 필러(300)와 제2 필러(400)는 전기적으로 단선된 상태로 유지될 수 있다. 촉각 센서(1000)에 하중이 전달될 경우 복수 개의 제1 및 제2 필러(300, 400)는 각각이 서로 맞물려 전기적으로 통전되며, 제1 층(100)에 가해지는 미세 하중의 크기에 따라 제1 및 제2 필러(300, 400)의 맞물림 상태가 변화되고, 이 변화에 따른 전압, 전류 또는 저항의 변화에 따라 미세 하중의 종류와 세기를 감지하게 된다.1 and 2, the tactile sensor 1000 of the present invention includes a first layer 100 to which a load is transferred on one surface, a second layer 200 that is disposed on the other surface of the first layer 100, A plurality of first pillars 300 extending outward from the first surface of the first layer 100, a plurality of second pillars 400 extending outward from a surface of the second layer 200, A first electrode 700 provided on one side of the first layer 100 and a second electrode 800 provided on the other side of the second layer 200. In the initial state in which no load is transmitted to the tactile sensor 1000, the plurality of first and second pillars 300 and 400 may be formed such that their tip portions are spaced apart from each other. That is, the first pillars 300 and the second pillars 400 can be maintained in an electrically disconnected state. When a load is transmitted to the tactile sensor 1000, the plurality of first and second pillars 300 and 400 are engaged with each other to be electrically energized. Depending on the magnitude of the minute load applied to the first layer 100, 1 and the second pillars 300 and 400 are changed, and the kind and strength of the micro load are detected according to the change of voltage, current or resistance according to the change.

이하, 상기와 같은 본 발명의 일실시 예에 따른 촉각 센서에 대하여 도면을 참조하여 상세히 설명한다.Hereinafter, a tactile sensor according to an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.

도 3에는 본 발명의 일실시 예에 따른 촉각 센서(1000)의 정면도가 도시되어 있다. 도시된 바와 같이 제1 층(100)은 두께가 있는 판상으로 이루어진다. 제1 층(100)은 탄성 재질에 0D, 1D, 2D 나노 구조를 갖는 탄소 물질이나 금속 물질들을 고루 분산시켜 이루어지며, 일면에 가해지는 하중을 타면에 전달하기 위해 구성된다. 3 is a front view of a tactile sensor 1000 according to an embodiment of the present invention. As shown in the figure, the first layer 100 is a plate having a thickness. The first layer 100 is formed by uniformly dispersing carbon materials or metal materials having 0D, 1D, 2D nanostructures in an elastic material and is configured to transmit a load applied to one surface to another surface.

상기 0D, 1D, 2D 나노 구조를 갖는 탄소 물질들로는 카본블랙(carbon black), 카본나노튜브(carbon nanotube), 흑연(graphite), 그래핀(graphene) 등을 사용할 수 있으나 이에 한정하지 않고, 이와 유사한 특성을 갖는 재질이 적용될 수 있다.The carbon materials having the 0D, 1D and 2D nanostructures may be carbon black, carbon nanotube, graphite, graphene or the like, but the present invention is not limited thereto. A material having properties can be applied.

또한 상기 0D, 1D, 2D 나노 구조를 갖는 금속 물질들로는 금(Au), 은(Ag), 백금(Pt), 팔라듐(Pd), 알루미늄(Al), 구리(Cu) 등의 입자나 와이어 형태를 갖는 것을 사용할 수 있으나 이에 한정하지 않고, 이와 유사한 특성을 갖는 재질이 적용될 수 있다.The metal materials having 0D, 1D and 2D nanostructures may be particles or wires of gold (Au), silver (Ag), platinum (Pt), palladium (Pd), aluminum (Al) But the present invention is not limited thereto, and materials having similar characteristics can be applied.

상기, 탄성이 있는 재질로는 PDMS(Polydimethylsiloxane)나 PUA (polyurethane acrylate) 등과 같이 탄성을 가지면서 몰딩방법을 이용하여 제1 및 제2 필러(300, 400)를 형성 할 수 있는 레진을 사용할 수 있으나 이에 한정하지는 않고, 이와 유사한 특성을 갖는 재질이 적용될 수 있음은 자명하다. 가장 대표적인 제품으로는 에코플렉스(ecoflex)를 들 수 있다. The elastic material may be a resin such as PDMS (Polydimethylsiloxane), PUA (polyurethane acrylate) or the like, which is elastic and capable of forming the first and second pillars 300 and 400 using a molding method It is obvious that a material having similar characteristics can be applied. The most representative product is ecoflex.

제1 층(100)의 타면에는 제1 필러(300)가 형성된다. 제1 필러(300)는 제1 층(100)의 타면에서 타측 방향으로 연장 형성되는 돌기 형으로 이루어진다. 제1 필러(300)는 제1 층(100)의 타면에 복수 개가 소정거리 이격되어 고루 배치될 수 있다. 제1 필러(300)는 제1 층(100)과 동일한 재질로 이루어지며, 나노 또는 마이크로 사이즈를 갖는 나노 또는 마이크로 필러로 구성된다. 제1 필러(300)를 형성하는 방법으로는 나노 임프린트 방법, 나노 사출성형 방법, 모세관력 리소그래피 방법 등이 사용될 수 있으나 이에 한정하지 않는다. 또한, 복수 개가 구비되는 제1 필러(300) 각각의 형상은 크기, 이격거리, 종횡비(sapect ratio) 및 모양에서 다양한 값을 가질 수 있다.A first filler (300) is formed on the other surface of the first layer (100). The first pillars 300 are formed in a protruding shape extending from the other surface of the first layer 100 in the other direction. A plurality of first pillars 300 may be disposed on the other surface of the first layer 100 with a predetermined distance therebetween. The first filler 300 is made of the same material as the first layer 100 and is formed of nano or micro pillar having nano or micro size. The first filler 300 may be formed by a nanoimprint method, a nano-injection molding method, a capillary force lithography method, or the like. In addition, the shape of each of the plurality of first pillars 300 may have various values in size, spacing distance, aspect ratio, and shape.

제1 필러(300)는 탄성체인 동시에 전도성을 갖기 때문에 제2 필러(400)와 서로 맞물려서 변형을 받았을 때 또는 접촉 면적이 달라질 때 전기적인 성질의 변화가 일어날 수 있다. 제1 필러(300) 및 제1 층(100)에 전류를 인가하여 저항 신호를 전달하는 구성은 통상의 전기 전달 구성이 적용될 수 있는 바 이에 대한 상세한 설명은 생략한다.Since the first filler 300 is an elastic body and has conductivity, when the second filler 400 is engaged with the second filler 400 and deformed, or when the contact area is changed, an electrical property change may occur. A configuration for transferring a resistance signal by applying a current to the first pillar 300 and the first layer 100 can be applied to a conventional electric transfer configuration, and thus a detailed description thereof will be omitted.

이때, 제1 필러(300)의 타측단부(301)는 제1 필러(300)의 일측보다 소정각도 기울어지는 커브형으로 형성될 수 있다. 따라서 제1 필러(300)의 일측과 타측단부(301) 사이에는 제1 커브(310)가 형성된다. 제1 커브(310)는 일측에서 타측으로 갈수록 완만한 경사를 이루도록 구성되며, 제1 커브(310)는 타측 끝단에 근접하여 형성될 수 있다. 상기와 같은 구성의 제1 커브(310)는 제1 필러(300)를 형성한 후 제1 필러(300)의 타측에 이온 빔 표면처리(ion-beam treatment)를 통해 형성할 수 있다.At this time, the other end 301 of the first pillar 300 may be formed in a curve shape that is inclined at a predetermined angle from one side of the first pillar 300. Therefore, a first curve 310 is formed between one end of the first pillar 300 and the other end 301 of the first pillar 300. The first curve 310 may have a gentle inclination from one side to the other, and the first curve 310 may be formed close to the other end. The first curve 310 having the above-described structure may be formed on the other side of the first filler 300 after the first filler 300 is formed through ion beam treatment.

또한, 위 이온 빔 표면처리를 통해 상기 타측단부(301)는 탄소화될 수 있다. 즉 탄성이 있는 타측단부(301)가 이온 빔 표면처리를 통해 탄소화됨에 따라 제1 필러(300)의 경도보다 타측단부(301)의 경도가 더 단단해질 수 있으며, 표면의 물리적ㅇ화학적 구조가 변화함에 따라 전기적 안정성을 가지게 된다.In addition, the other end 301 may be carbonized through the upper ion beam surface treatment. That is, as the other end 301 having elasticity is carbonized through the ion beam surface treatment, the hardness of the other end 301 can be made harder than the hardness of the first filler 300, and the physical and chemical structure of the surface As they change, they have electrical stability.

이때 이온 빔 표면처리(ion-beam treatment)는 필라의 국부적인 부분에 에너지 전달로 커브형상을 만들과 동시에 필라 표면의 강성을 높이고 전기적 안정도를 높이는 역할도 하게 된다. 따라서 화학적 반응을 최대한 줄이고 물리적인 충격으로 처리되도록 하게 위하여 비활성기체인 He, Ar, Xe 등을 이용하여 이온빔을 만드는 것이 좋으나 이에 한정되지는 않는다.In this case, the ion beam treatment treats the localization of the pillar to form a curved shape by energy transfer, and at the same time enhances the rigidity of the pillar surface and enhances the electrical stability. Therefore, it is preferable to form the ion beam by using He, Ar, Xe or the like which is an inert gas in order to reduce the chemical reaction as much as possible and to treat it by physical impact, but it is not limited thereto.

제2 층(200)은 제1 층(100)의 타측 방향으로 소정거리 이격 배치된다. 제2 층(200)은 일면이 제1 층(100)의 타면에 대향하도록 배치된다. 제2 층(200)은 두께가 있는 판상으로 이루어진다. 제2 층(200)은 탄성 재질에 0D, 1D, 2D 나노 구조를 갖는 탄소 물질이나 금속 물질들을 고루 분산시켜 이루어지며, 제1 층(100)에 가해지는 하중을 감지하기 위해 제1 필러(300)에 맞물리는 제2 필러(400)가 일면에 배치된다. 촉각 센서(1000)에 하중이 전달되지 않는 초기 상태의 경우 제1 필러(300)와 제2 필러(400)의 선단부는 서로 이격 배치되며, 촉각 센서(1000)에 하중이 전달되는 시점부터 제1 필러(300)와 제2 필러(400)가 서로 밀착되어 맞물려 전기적으로 통전되도록 구성될 수 있다. 제2 층(200)의 세부 구성은 상술된 제1 층(100)의 세부 구성과 동일하게 적용될 수 있다.The second layer 200 is disposed at a predetermined distance in the other direction of the first layer 100. The second layer 200 is disposed such that one surface thereof faces the other surface of the first layer 100. The second layer 200 is made of a plate having a thickness. The second layer 200 is formed by uniformly dispersing a carbon material or metal materials having 0D, 1D, 2D nanostructures in an elastic material. The second layer 200 is formed by dispersing a carbon material or a metal material, A second pillar 400 is disposed on one surface. In the initial state in which no load is transmitted to the tactile sensor 1000, the tip ends of the first and second pillars 300 and 400 are spaced apart from each other, and from the time when a load is transmitted to the tactile sensor 1000, The filler 300 and the second filler 400 may be configured to be in close contact with each other to be electrically connected to each other. The detailed configuration of the second layer 200 can be applied in the same manner as the detailed configuration of the first layer 100 described above.

제2 층(200)의 일면에는 제2 필러(400)가 형성된다. 제2 필러(400)는 제2 층(200)의 일면에서 일측 방향으로 연장 형성되는 돌기 형으로 이루어진다. 제2 필러(400)는 제2 층(200)의 타면에 복수 개가 소정거리 이격되어 고루 배치될 수 있다. 이때 제1 필러(300)와 제2 필러(400)가 서로 맞물림될 경우 제1 필러(300)는 제2 층(200)의 일면에서 소정거리 이격되고, 제2 필러(400)는 제1 층(100)의 타면에서 소정거리 이격되도록 맞물릴 수 있다. 이는 제1 층(100)에 수직 하중이 발생했을 때 제1 필러(300)가 하중 발생 방향으로 이동하여 제1 필러(300)와 제2 필러(400)의 접촉 면적이 변화되도록 하기 위함이다.The second pillar 400 is formed on one surface of the second layer 200. The second pillar 400 has a protrusion shape extending from one side of the second layer 200 in one direction. A plurality of second pillars 400 may be disposed on the other surface of the second layer 200 with a predetermined distance therebetween. In this case, when the first and second pillars 300 and 400 are engaged with each other, the first filler 300 is separated from the first surface of the second layer 200 by a predetermined distance, (Not shown). This is for the first pillars 300 to move in the load generating direction when a vertical load is generated in the first layer 100 to change the contact area between the first pillars 300 and the second pillars 400.

제2 필러(400)는 제1 층(100)과 동일한 재질로 이루어지며, 나노 또는 마이크로 사이즈를 갖는 나노 또는 마이크로 필러로 구성된다. 제2 필러(400)를 형성하는 방법으로는 나노 임프린트 방법, 나노 사출성형 방법, 모세관력 리소그래피 방법 등이 사용될 수 있으나 이에 한정하지 않는다. 또한, 복수 개가 구비되는 제2 필러(400) 각각의 형상은 크기, 이격거리, 종횡비(sapect ratio) 및 모양에서 다양한 값을 가질 수 있다. 제2 필러(400) 및 제2 층(200)에 전류를 인가하여 저항 신호를 전달하는 구성은 통상의 전기 전달 구성이 적용될 수 있는 바 이에 대한 상세한 설명은 생략한다.The second filler 400 is made of the same material as the first layer 100 and is formed of a nano- or micro-pillar having a nano- or micro-size. As the method for forming the second filler 400, a nanoimprint method, a nano-injection molding method, a capillary force lithography method, or the like can be used, but the present invention is not limited thereto. In addition, the shape of each of the plurality of second pillars 400 may have various values in terms of size, separation distance, aspect ratio, and shape. A configuration for transferring a resistance signal by applying a current to the second pillars 400 and the second layer 200 can be applied to a conventional electric transfer configuration, and a detailed description thereof will be omitted.

이때, 제2 필러(400)의 일측단부(401)는 제2 필러(400)의 타측보다 소정각도 기울어지게 형성될 수 있다. 따라서 제2 필러(400)의 타측과 일측단부(401) 사이에는 제2 커브(410)가 형성된다. 제2 커브(410)는 타측에서 일측으로 갈수록 완만한 경사를 이루도록 구성되며, 제2 커브(410)는 일측에 근접하여 형성될 수 있다. 상기와 같은 구성의 제2 커브(410)는 제2 필러(400)를 형성한 후 제2 필러(400)의 일측에 이온 빔 표면처리(ion-beam treatment)를 통해 형성할 수 있다.At this time, one end 401 of the second pillar 400 may be inclined at a predetermined angle from the other side of the second pillar 400. Therefore, a second curve 410 is formed between the other end of the second pillar 400 and the one end 401. The second curve 410 may be formed to have a gentle slope toward the one side from the other side, and the second curve 410 may be formed to be close to one side. The second curve 410 may be formed by ion beam treatment on one side of the second pillars 400 after the second pillars 400 are formed.

또한, 위 이온 빔 표면처리를 통해 상기 일측단부(401)는 탄소화될 수 있다. 즉 탄성이 있는 일측단부(401)가 이온 빔 표면처리를 통해 탄소화됨에 따라 제2 필러(400)의 경도보다 일측단부(401)의 경도가 더 단단해질 수 있다. Further, the upper end 401 can be carbonized through the upper ion beam surface treatment. That is, as one side end portion 401 having elasticity is carbonized through the ion beam surface treatment, the hardness of the one end portion 401 can be made harder than the hardness of the second pillars 400.

상기와 같은 제1 커브(310) 및 제2 커브(410)의 구성을 통해 제1 필러(300)와 제2 필러(400)가 맞물렸을 때 제1 층(100)에 가해지는 하중의 방향에 따라 압력 변화 정도가 달라지며, 이에 따라 제1 필러(300)와 제2 필러(400)의 접촉 면적에 따른 전압, 전류 또는 저항의 변위를 증가시켜 센서에 가해지는 미세 하중의 감도를 증가시킬 수 있다.When the first pillars 300 and the second pillars 400 are engaged with each other through the structure of the first curve 310 and the second curve 410 as described above, the direction of the load applied to the first layer 100 The displacement of the voltage, current, or resistance according to the contact area between the first and second pillars 300 and 400 is increased, thereby increasing the sensitivity of the micro load applied to the sensor. have.

또한, 제1 필러(300)와 제2 필러(400)의 끝단이 탄소화됨에 따라 경도가 다른 부분에 비해 단단해지며, 이에 따라 다른 부분에 비해 필러의 센싱 값이 균일해짐에 따라 센서의 질감과 감도가 우수해진 효과가 있다.Further, as the ends of the first and second pillars 300 and 400 are carbonized, the hardness becomes harder than the other portions. Accordingly, as the sensing value of the filler becomes uniform compared to other portions, And the sensitivity is improved.

제1 전극(700)은 제1 층(100)의 일면에 구비되며, 제1 층(100)에 전류를 인가하여 제1 필러(300)를 통해 저항 신호를 전달받도록 구성된다. 이때 제1 전극(700)은 유연한 금속 재질로 구성될 수 있다. The first electrode 700 is provided on one surface of the first layer 100 and is configured to receive a resistance signal through the first filler 300 by applying a current to the first layer 100. At this time, the first electrode 700 may be formed of a flexible metal material.

또한, 제2 전극(800)은 제2 층(200)의 타면에 구비되며, 제2 층(200)에 전류를 인가하여 제2 필러(400)를 통해 저항 신호를 전달받도록 구성된다. 제2 전극(800) 역시 유연한 금속 재질로 구성될 수 있다.The second electrode 800 is provided on the other surface of the second layer 200 and is configured to receive a resistance signal through the second filler 400 by applying a current to the second layer 200. The second electrode 800 may also be formed of a flexible metal material.

이하에서는 상기와 같이 구성된 본 발명의 일실시 예에 따른 복합적인 강성도를 갖는 맞물림 촉각센서의 제조 방법에 대하여 도면을 참조하여 설명한다.Hereinafter, a method of manufacturing an engaging tactile sensor having a complex stiffness according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.

도 4에는 본 발명의 일실시 예에 따른 촉각센서의 제조 방법 공정도가 도시되어 있다. FIG. 4 is a flowchart illustrating a method of manufacturing a tactile sensor according to an embodiment of the present invention.

우선 도 4a에 도시된 바와 같이 실리콘 몰드를 제작하는 단계를 수행한다. 실리콘 몰드 상에는 필러 성형을 위한 마이크로 홀 배열이 형성되어 있고 이는 포토 리소그래피 및 에칭 공정을 통해 형성될 수 있다. 실리콘 몰드의 표면은 성형물질의 분리가 용이하도록 소수성을 제공하도록 구성된다. First, a step of fabricating a silicon mold is performed as shown in FIG. 4A. Microhole arrays for filler molding are formed on the silicon mold and can be formed through photolithography and etching processes. The surface of the silicone mold is configured to provide hydrophobicity to facilitate separation of the molding material.

다음으로 도 4b에 도시된 바와 같이 다중 벽으로 이루어진 탄소나노튜브(MWCNT)와 실리콘오일(PDMS) 혼합물을 용해제를 통해 용해시켜 실리콘 몰드에 충전하는 단계를 수행한다. Next, as shown in FIG. 4B, the multi-walled carbon nanotube (MWCNT) and silicone oil (PDMS) mixture are dissolved through a dissolving agent to fill the silicon mold.

다음으로 도 4c에 도시된 바와 같이 위 혼합물을 섭씨 90도의 온도로 약 3시간 동안 경화시키는 단계 및 경화된 성형물을 몰드에서 제거하는 단계를 수행하게 되면, Next, as shown in FIG. 4C, when the above mixture is cured at a temperature of 90 degrees Celsius for about 3 hours and the step of removing the cured molding material from the mold is performed,

도 4d에 도시된 바와 같이 마이크로 필러 구조물이 완성된다.The micropillar structure is completed as shown in FIG. 4D.

마지막으로 필러 끝단의 탄소화 및 커브 형 구조물로 성형하기 위해 위 구조물의 필러 끝단에 이온 빔을 조사하는 단계를 수행한다. 이온 빔은 Ar+ Ion beam 이 조사될 수 있다. 이때 이온빔의 입사각은 마이크로 필러의 길이 방향을 기준으로 60도 이하로 조사되는 것이 바람직하다. 60도를 초과할 경우 마이크로 필러의 측벽이 이온빔에 노출되어 오히려 필러의 굽어지는 정도가 감소하게 된다. Finally, a step of irradiating the ion beam to the filler end of the stiffening structure to form the carbonized and curved structure of the end of the filler is performed. The ion beam can be irradiated with an Ar + ion beam. In this case, the incident angle of the ion beam is preferably not more than 60 degrees with respect to the longitudinal direction of the micropiller. If the angle exceeds 60 degrees, the side wall of the micropiller is exposed to the ion beam, and the degree of bending of the filler is reduced.

이하에서는 상기와 같이 구성된 본 발명의 일실시 예에 따른 촉각센서(1000)의 동작에 대하여 도면을 참조하여 설명한다.Hereinafter, the operation of the tactile sensor 1000 according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.

도 5에는 제1 층(100)의 일면에 전단 하중이 발생하는 경우의 촉각 센서(1000)의 동작 상태가 도시되어 있다. 도시된 바와 같이 제1 층(100)의 일면에 전단 하중이 발생하면, 제1 층(100)이 수평 방향으로 이동하고, 제1 필러(300)와, 이에 맞물린 제2 필러(400)에 수평방향으로 변위가 발생하게 된다. 이에 따라 제1 필러(300)와 제2 필러(400)의 접촉면적이 변하고 저항의 변화에 의해 하중의 종류가 전단 하중임을 인지하며, 세기를 감지하게 된다.FIG. 5 shows the operating state of the tactile sensor 1000 when a shear load is generated on one surface of the first layer 100. As shown in the drawing, when a shear load is applied to one surface of the first layer 100, the first layer 100 moves in the horizontal direction, and the first pillar 300 and the second pillar 400, Displacement occurs. Accordingly, the contact area between the first pillar 300 and the second pillar 400 changes, and it is recognized that the type of load is the shear load due to the change in resistance, and the strength is sensed.

또한 커브 형 제1 필러(300)와 커브 형 제2 필러(400)에는 방향이 존재하므로 전단 하중이 발생할 경우 방향에 따라 저항 값이 달라지므로 방향지향적인 저항의 변화를 보여주는 장점이 있다. Also, since the curved first pillar 300 and the curved second pillar 400 have directions, the resistance value varies depending on the direction when a shear load is generated, which is advantageous in showing a change in direction-oriented resistance.

상기와 같은 구성을 통해 제1 필러(300) 및 제2 필러(400)의 변위를 별도의 측정 장비를 통해 측정하지 않아도 전단 하중 또는 비틀림 하중의 인지 및 세기 감지가 가능한 장점이 있다. With the above configuration, there is an advantage that the sensing of the shear load or the torsional load can be performed without measuring the displacement of the first and second pillars 300 and 400 through a separate measuring device.

또한, 제1 필러(300) 및 제2 필러(400)의 재질이 탄성이 있는 물질에 0D, 1D, 2D 나노 구조를 갖는 탄소 물질이나 금속 물질을 분산하여 만든 전도성 나노복합체 소재이므로 통전을 위해 따로 전도성 물질을 코팅하지 않아도 됨으로써, 제작공정이 단순화되고, 반복 사용 시 전극 코팅 층이 벗겨질 염려가 없어 센서의 내구성이 향상되는 장점이 있다.In addition, since the material of the first filler 300 and the second filler 400 is a conductive nanocomposite material made by dispersing a carbon material or a metal material having 0D, 1D, 2D nanostructure in a material having elasticity, Since the conductive material is not required to be coated, the manufacturing process is simplified, and there is no fear that the electrode coating layer is peeled off during repeated use, thereby improving the durability of the sensor.

도 6에는 제1 층(100)의 일면에 수직 하중이 발생하는 경우의 촉각 센서(1000)의 동작 상태가 도시되어 있다. 도시된 바와 같이 제1 층(100)의 일면에 수직 하중이 발생하면, 수직 하중 발생 부의 제1 필러(300)가 타방향으로 이동하게 되고, 제2 필러(400)와의 접촉 면적이 증가한다. 이에 따라 제1 필러(300)에 맞물린 제2 필러(400)의 저항의 변화에 의해 하중이 종류가 수직 하중임을 인지하며, 세기를 감지하게 된다.6 shows an operation state of the tactile sensor 1000 when a vertical load is generated on one surface of the first layer 100. As shown in FIG. As shown in the figure, when a vertical load is generated on one surface of the first layer 100, the first filler 300 of the vertical load generating part moves in the other direction, and the contact area with the second filler 400 increases. Accordingly, it is recognized that the load is a vertical load due to a change in resistance of the second pillar 400 engaged with the first pillar 300, and the strength is sensed.

본 발명의 상기한 실시 예에 한정하여 기술적 사상을 해석해서는 안 된다. 적용범위가 다양함은 물론이고, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당업자의 수준에서 다양한 변형 실시가 가능하다. 따라서 이러한 개량 및 변경은 당업자에게 자명한 것인 한 본 발명의 보호범위에 속하게 된다.The technical idea should not be construed to be limited to the above-described embodiment of the present invention. It will be understood by those skilled in the art that various changes in form and details may be made therein without departing from the spirit and scope of the invention as defined by the appended claims. Accordingly, such modifications and changes are within the scope of protection of the present invention as long as it is obvious to those skilled in the art.

1000 : 촉각 센서
100 : 제1 층 200 : 제2 층
300 : 제1 필러 310 : 제1 커브
400 : 제2 필러 410 : 제2 커브
700 : 제1 전극
800 : 제2 전극1000: Tactile sensor
100: first layer 200: second layer
300: first filler 310: first curve
400: second filler 410: second curve
700: first electrode
800: Second electrode

Claims (9)

일면에 인가되는 외부의 하중에 의해 탄성 변형되는 제1 층;
상기 제1 층의 타면 외측으로 돌출 형성되며, 전도성 나노 또는 마이크로 재질로 되는 적어도 하나 이상의 제1 필러;
일면이 상기 제1 층의 타면에 대향하도록 구비되는 제2 층;
상기 제2 층의 일면 외측으로 돌출 형성되며, 전도성 나노 또는 마이크로 재질로 되는 적어도 하나 이상의 제2 필러; 를 포함하고,
상기 제1 및 제2 필러는 각각 선단부가 상기 제1 층 및 제2 층에 대해 소정 각도록 기울어지도록 형성되는 커브 영역을 갖고,
상기 제1 필러와 제2 필러의 선단부는 서로 이격되어 마주보도록 형성되는, 복합적인 강성도를 갖는 맞물림 촉각센서.
A first layer elastically deformed by an external load applied to one surface;
At least one first filler protruding outside the other surface of the first layer and made of a conductive nano- or micro-material;
A second layer provided on one side of the first layer so as to face the other side of the first layer;
At least one second pillar protruding outwardly from one surface of the second layer and made of a conductive nano- or micro-material; Lt; / RTI >
Wherein each of the first and second pillars has a curved region formed such that a tip thereof is inclined at a predetermined angle with respect to the first layer and the second layer,
And the tip portions of the first and second fillers are spaced apart from each other to face each other.
제 1항에 있어서,
상기 제1 필러의 타측 경도는 상기 제1 필러의 경도보다 강하고, 상기 제2 필러의 일측은 상기 제2 필러의 평균 경도보다 강한 것을 특징으로 하는, 복합적인 강성도를 갖는 맞물림 촉각센서.
The method according to claim 1,
Wherein the other side hardness of the first filler is stronger than the hardness of the first filler and one side of the second filler is stronger than the average hardness of the second filler.
제 1항에 있어서,
상기 제1 층, 제2 층, 제1 필러 및 제2 필러는,
탄성 재질에 탄소 물질을 고루 분산시켜 이루어지며, 상기 탄소 물질은 카본블랙(carbon black), 카본 나노튜브(carbon nanotube), 흑연(graphite) 또는 그래핀(graphene) 중 선택되는 적어도 하나 이상인 것을 특징으로 하는, 복합적인 강성도를 갖는 맞물림 촉각센서.
The method according to claim 1,
Wherein the first layer, the second layer, the first filler,
Wherein the carbon material is uniformly dispersed in an elastic material and the carbon material is at least one selected from carbon black, carbon nanotube, graphite, and graphene. Of a tactile sensor having a complex stiffness.
제 1항에 있어서,
상기 제1 층, 제2 층, 제1 필러 및 제2 필러는,
탄성 재질에 금속 물질을 고루 분산시켜 이루어지며, 상기 금속 물질은 금(gold), 은(silver), 백금(platinum), 철(iron), 구리(copper)가 입자나 와이어의 형태를 갖는 것 중 선택되는 적어도 하나 이상인 것을 특징으로 하는, 복합적인 강성도를 갖는 맞물림 촉각센서.
The method according to claim 1,
Wherein the first layer, the second layer, the first filler,
Wherein the metal material is made of gold, silver, platinum, iron, and copper in the form of particles or wires. Wherein the at least one selected tactile sensor has a complex stiffness.
제 3항 또는 제 4항에 있어서,
상기 탄성 재질은,
탄성을 갖고 몰딩 성형을 이용하여 상기 제1 및 제2 필러의 형성이 가능하도록 PDMS(Polydimethylsiloxane), PUA(polyurethane acrylate) 또는 에코플렉스(ecoflex) 중의 하나인 것을 특징으로 하는, 복합적인 강성도를 갖는 맞물림 촉각센서.
The method according to claim 3 or 4,
The elastic material,
Characterized in that it is one of PDMS (Polydimethylsiloxane), PUA (polyurethane acrylate) or ecoflex so that the first and second fillers can be formed by elastic molding and molding. Tactile sensor.
제 1항 내지 제 5항 중 어느 한 항의 촉각 센서를 제조하는 방법에 있어서,
금형을 제조하는 단계;
금형에 MWCNT와 PDMS의 혼합물을 충전하는 단계;
상기 혼합물을 경화시켜 상기 금형으로부터 분리하는 단계; 및
상기 분리된 혼합물의 필러 끝단을 커브형으로 성형하는 단계;
를 포함하는, 복합적인 강성도를 갖는 맞물림 촉각센서의 제조 방법.
7. A method of manufacturing a tactile sensor according to any one of claims 1 to 5,
Manufacturing a mold;
Filling the mold with a mixture of MWCNT and PDMS;
Curing the mixture to separate it from the mold; And
Forming a filler end of the separated mixture into a curve shape;
Wherein the engagement tactile sensor has a complex stiffness.
제 6항에 있어서,
상기 커브형으로 성형하는 단계는,
상기 제1 필러의 타측 및 상기 제2 필러의 일측에 이온 빔을 조사하는 것을 특징으로 하는, 복합적인 강성도를 갖는 맞물림 촉각센서의 제조 방법.
The method according to claim 6,
The step of shaping into the curve-
And the ion beam is irradiated to the other side of the first filler and the one side of the second filler.
제 7항에 있어서,
상기 이온 빔은 비활성 기체인 He+, Ar+, Xe+ Ion beam 인 것을 특징으로 하는, 복합적인 강성도를 갖는 맞물림 촉각센서의 제조 방법.
8. The method of claim 7,
Wherein the ion beam is a He + , Ar +, or Xe + Ion beam that is an inert gas.
제 7항에 있어서,
상기 이온 빔의 조사각은 상기 필러의 길이 방향을 기준으로 60도 이하인 것을 특징으로 하는, 복합적인 강성도를 갖는 맞물림 촉각센서의 제조 방법.8. The method of claim 7,
Wherein the irradiation angle of the ion beam is 60 degrees or less with respect to the longitudinal direction of the filler.
KR1020160096895A 2016-07-29 2016-07-29 Reliable tactile sensor of interlocking structure with hybrid stiffness KR20180013338A (en)

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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN114754906A (en) * 2022-03-18 2022-07-15 复旦大学 Ultra-sensitive flexible pressure sensor inspired by biology and preparation method thereof
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