KR20180107375A - 다축 스트레인 센서 측정 시스템 및 다축 스트레인 센서 측정 방법 - Google Patents

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KR20180107375A
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Abstract

본 발명은 다축 스트레인 센서 측정 시스템 및 다축 스트레인 센서 측정 방법에 관한 것으로, 본 발명의 실시 예를 따르는 고분자 복합재 및 상기 고분자 복합재의 가장자리에 배치된 복수의 전극을 포함하는 센서부를 포함하고, 상기 복수의 전극 중 한 쌍의 전극에 전류가 인가되고, 나머지 전극 중의 한 쌍을 통해 전압을 측정하며 압저항 비등방성 변형을 감지한다.

Description

다축 스트레인 센서 측정 시스템 및 다축 스트레인 센서 측정 방법{MULTI AXIS STRAIN SENSOR MEASUREMENT SYSTEM AND MULTI AXIS STRAIN SENSOR MEASUREMENT METHOD}
본 발명은 다축 스트레인 센서 측정 시스템 및 다축 스트레인 센서 측정 방법에 관한 것이다.
큰 변형에도 작동할 수 있는 유연한 스트레인 센서는 최근 관심이 대두되고 있는 기술로 사람과 로봇의 상호작용에서 부드러운 촉감을 제공하고 로봇 자체에 가해지는 외부의 충격에 대해 안전성을 제공할 수 있다. 이러한 이유로 최근 인공 피부에서부터 생체 모사 기술, 재활공학 및 엔터테인먼트 산업에 이르기까지 관심이 높아지고 있다.
촉각 센서(tactile sensor)란 개별의 센서를 정렬하여 사람의 피부처럼 넓은 범위에 가해지는 압력 분포를 측정하기 위해 특별히 제작된 센서를 의미하며 압저항 소재들은 유연하면서 인장(stretch)까지 가능한 촉각센서를 개발하는데 이용할 수 있다.
매우 유연한 촉각 센서는 굴곡진 표면 형상을 가지는 로봇에도 적용 가능하며 사람의 피부에 붙이는 형태까지 응용할 수 있다는 장점이 있다. 이러한 유연 촉각센서를 개발하기 위해 주로 넓은 범위의 접촉 면적을 커버하기 위해 배열화된 유연전극을 이용하는 것이 일반적이다. 하지만, 유연한 센싱 소재와 함께 데이터 취득을 위한 유연 전극을 제작하는 과정은 박막금속을 이용할 경우 다수의 MEMS공정이 필요하거나 전도성 고무를 이용하는 경우 이형질의 재료를 따로 제작해야 하기 때문에 제작 비용이 증가하는 요인이 된다. 또한, 로봇의 인공 피부 또는 엔터테인먼트용 인터페이스와 같은 분야에서는 사람의 피부와 같이 고정밀의 측정보다는 접촉한 위치, 강도, 방향 정도만 파악이 가능하면서 다양한 모양으로 제작이 가능하며 경제적으로 저렴하게 대량 생산이 가능한 센서를 개발하는 기술이 요구된다. 이러한 요구와 맞물려 저항단층계산(Electrical Resistance Tomography) 이라는 방법을 이용한 촉각 센서들이 개발되었다. 이 방식은 전도성 물질의 표면에 전극을 배치하고 전류를 인가한 뒤 전압을 측정하여 전도성 물질 내부의 저항 분포를 추정하는 방법으로서 유연한 전극을 제작할 필요가 없으며 압저항 소재를 사출성형을 통해 다양한 형상으로 제작할 수 있기 때문에 실용적인 유연 촉각 센서 개발에 큰 장점이 있다.
하지만, 기존에 개발된 저항단층방식(ERT) 촉각센서는 등방성의 스칼라 (scalar) 형태의 저항 분포를 계산하고 각 위치에서의 저항 값을 센서 평면의 수직한 방향으로 가해지는 힘으로 맵핑하였다. 하지만 제안하는 저항단층방식(ERT) 촉각센서는 이방성의 2차원 텐서 (Tensor) 형태의 저항분포를 계산하여 각 위치에서의 서로 다른 방향의 저항 값을 이용하여 센서 평면에 가해지는 수직방향의 힘과 동시에 센서 횡 방향의 인장을 추정할 수 있다.
아래의 선행기술문헌은 스트레인 센서 시스템에 관한 것으로, 전도성 물질을 이용한 촉각센서를 포함하고 있다. 전도성 물질에 수직하는 방향의 촉각 센싱은 가능하나, 전도성 물질의 횡 방향 인장을 측정하는 기술은 개시하지 못하고 있다.
T. Someya et al., "A large-area, flexible pressure sensor matrix with organic field-effect transistors for artificial skin applications." , Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A., vol. 101, no. 27, pp. 9966-9970, 2004. T. F. Tsuyoshi Sekitani et al., "A Rubberlike Stretchable Active Matrix Using Elastic Conductors," Science (80-. )., no. September, pp. 1468-1472, 2008.
본 발명은 매우 유연한 전도성 고분자 복합재를 이용한 다축 스트레인을 측정할 수 있는 다축 스트레인 센서 시스템을 제공함을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 외부의 자극을 보다 정확하게 다축 스트레인으로 변환하는 다축 스트레인 측정 방법을 제공함을 목적으로 한다.
본 발명의 실시 예를 따르는 다축 스트레인 센서 시스템은 고분자 복합재 및 상기 고분자 복합재의 가장자리에 배치된 복수의 전극을 포함하는 센서부를 포함하고, 상기 복수의 전극 중 한 쌍의 전극에 전류가 인가되고, 나머지 전극 중의 한 쌍을 통해 상기 고분자 복합재 내의 전압을 측정하며, 고분자 복합재의 변형에 대한 압저항 비등방성 저항을 감지한다.
또한, 상기 전류가 인가되는 전극 및 전위 값을 측정하는 전극은 순차적으로 바뀔 수 있다.
또한, 상기 고분자 복합재의 저항 변화를 상기 고분자 복합재 가장자리에 위치한 전극만을 이용해 추정할 수 있다.
또한, 데이터 회로부를 더 포함하고, 상기 데이터 회로부는 전류의 인가, 전압의 측정을 제어할 수 있다.
또한, 데이터 취득부를 더 포함하고, 상기 데이터 취득부는 취득된 데이터를 분석하여 다축 스트레인 값을 도출할 수 있다.
본 발명의 다른 실시 예를 따르는 다축 스트레인 측정 방법은 고분자 복합재 및 복수의 전극을 포함하는 다축 스트레인 센서의 상기 고분자 복합재에 압력을 가하는 단계(단계 1); 상기 복수의 전극 중 한 쌍의 전극을 통해 고분자 복합재로 전류를 인가하는 단계(단계 2); 상기 전류가 인가된 전극을 제외한 나머지 전극 중 적어도 한 쌍을 통하여 전위 값을 측정하는 단계(단계 3); 및 상기 측정된 전위 값으로부터 고분자 복합재 내의 저항 성분을 계산하는 단계(단계 4);를 포함한다.
또한, 상기 단계 2 및 단계 3의 전극을 스위칭하면서 반복 수행될 수 있다.
본 발명의 실시 예를 따르는 다축 스트레인 센서 시스템은 센서부에 가해지는 외부 압력의 위치 및 크기 감지 기능뿐만 아니라 힘의 방향성을 감지하는 것이 가능하다. 또한, 본 발명의 실시 예를 따르는 센서 시스템은 다양한 입체 형상으로 형성될 수 있기 때문에 소프트 인간 - 기계 인터페이스로 사용될 수 있는 큰 가능성이 있다.
도 1은 본 발명의 실시 예를 따르는 다축 스트레인 센서 시스템을 도시한 것이다.
도 2는 근접 패턴 측정의 일 예를 도시한 것이다.
도 3은 고분자 복합재의 제조 방법을 도시한 것이다.
도 4는 본 발명의 실시 예를 따르는 다축 스트레인 센서 시스템의 센서부를 도시한 것이다.
도 5a는 고분자 복합재의 변형 전 구조를 도시한 것이다.
도 5b는 고분자 복합재의 변형 전 표면을 촬영한 것이다.
도 5c는 고분자 복합재의 변형 후 구조를 도시한 것이다.
도 5d는 고분자 복합재의 변형 후 표면을 촬영한 것이다.
도 6a는 고분자 복합재의 변형 전에 복합재 내의 전도성 물질의 배열 상태를 도시한 것이다.
도 6b는 고분자 복합재의 변형 후에 복합재 내의 전도성 물질의 배열 상태를 도시한 것이다.
도 7a는 Rxx, Rxy 저항 성분의 정의를 도시한 것이다.
도 7b는 Ryy, Ryx 저항 성분의 정의를 도시한 것이다.
도 8a는 본 발명의 실시 예를 따르는 반구형 고분자 복합재를 갖는 다축 스트레인 센서 시스템의 센서부 사진이다.
도 8b는 반구형 고분자 복합재 센서부에 외부 변형이 가해졌을 때 비저항 분포를 도시한 것이다.
도 9a는 고분자 복합재의 I-V 특성을 분석하기 위한 장치의 모식도이다.
도 9b 내지 도 9e는 고분자 복합재의 일 축 인장률에 따른 I-V 특성을 나타낸 그래프이다.
도 10은 고분자 복합재 내의 전도성 물질(MWCNT) 중량비에 따른 전기저항을 나타낸 그래프이다.
도 11은 고분자 복합재의 전기 비저항을 반복 측정하여 나타낸 그래프이다.
도 12a는 고분자 복합재가 일축 인장 장치에 장착된 모습을 촬영한 사진이다.
도 12b는 고분자 복합재의 일축 인장률에 따른 하중을 도시한 그래프이다.
도 12c는 고분자 복합재의 일축 인장률에 따른 저항 변화율을 나타낸 그래프이다.
도 13a는 고분자 복합재가 일축 인장 장치에 장착된 모습을 촬영한 사진이다.
도 13b는 고분자 복합재의 변형이 12.5%일 때 x성분 비저항(ρxx) 분포를 나타낸 것이다.
도 13c는 고분자 복합재의 변형이 20.0%일 때 x성분 비저항(ρxx) 분포를 나타낸 것이다.
도 13d는 고분자 복합재의 변형이 12.5%일 때 y 성분 비저항(ρyy) 분포를 나타낸 것이다.
도 13e는 고분자 복합재의 변형이 20.0%일 때 y 성분 비저항(ρyy) 분포를 나타낸 것이다.
도 14a는 4포인트 프로브 Ryy 측정 모드를 도시한 것이다.
도 14b는 4포인트 프로브 Rxx 측정 모드를 도시한 것이다.
도 15a는 수직 압하 실헙을 위한 압하기, 압하기 제어기 및 본 발명의 실시 예를 따르는 다축 스트레인 센서 시스템의 센서부를 촬영한 사진이다.
도 15b는 도 15a의 압하기의 수직 압하 깊이에 따른 수직 압하력의 실제값 및 본 발명의 다른 실시 예를 따르는 다축 스트레인 센서 측정 방법에 의해 추정된 값을 도시한 그래프이다.
도 15c는 본 발명의 다른 실시 예를 따르는 다축 스트레인 센서 측정 방법에 의해 추정된 49개의 압하점의 위치 및 실제 위치를 비교한 그래프이다.
도 15d는 본 발명의 다른 실시 예를 따르는 다축 스트레인 센서 측정 방법에 의해 9개의 수직 압하점의 Rxx, Ryy 및 Rxy 성분을 맵핑한 것이다.
도 16a는 일축 인장 시험 제어기, 센서부 및 상기 센서부에 연결된 전극을 촬영한 사진이다.
도 16b는 본 발명의 다른 실시 예를 따르는 다축 스트레인 센서 측정 방법에 의해 추정된 고분자 복합재의 인장 길이 및 실제 인장된 길이를 비교한 그래프이다.
도 16c는 본 발명의 다른 실시 예를 따르는 다축 스트레인 센서 측정 방법으로 고분자 복합재의 일축 인장률에 따른 Rxx, Ryy 및 Rxy 성분을 맵핑한 것이다.
도 17a는 본 발명의 다른 실시 예를 따르는 다축 스트레인 측정 방법에 의해 고분자 복합재를 x 방향으로 늘릴 때, Rxx 성분을 맵핑한 것이다.
도 17b는 본 발명의 다른 실시 예를 따르는 다축 스트레인 측정 방법에 의해 고분자 복합재를 y 방향으로 늘릴 때, Ryy성분을 맵핑한 것이다.
도 17c는 본 발명의 다른 실시 예를 따르는 다축 스트레인 측정 방법에 의해 고분자 복합재를 xy 방향으로 늘릴 때, Rxy성분을 맵핑한 것이다.
도 18a은 본 발명의 실시 예를 따르는 3차원 소프트 인터페이스용 고분자 복합재를 촬영한 것이다.
도 18b는 본 발명의 다른 실시 예를 따르는 다축 스트레인 측정 방법에 의해 일 점 접촉 압력 증가에 대한 비저항 성분을 맵핑한 것이다.
도 18c는 본 발명의 실시 예를 따르는 3차원 소프트 인터페이스용 고분자 복합재의 다중 점 접촉을 도시한 것이다.
도 18d는 본 발명의 다른 실시 예를 따르는 다축 스트레인 측정 방법에 의해 다중 점 접촉에 대한 비저항 성분을 맵핑한 것이다.
도 19a는 본 발명의 다른 실시 예를 따르는 다축 스트레인 측정 방법에 의해 추정된 압하점과 실제 압하점을 도시한 것이다.
도 19b는 본 발명의 실시 예를 따르는 다축 스트레인 센서 시스템의 센서부의 로봇 손 제어를 위한 기능을 도시한 것이다.
도 19c는 본 발명의 실시 예를 따르는 다축 스트레인 센서 시스템에 의해 제어되는 로봇 손의 펼침 및 벌림 동작을 촬영한 사진이다.
도 20는 본 발명의 다른 실시 예를 따르는 다축 스트레인 측정 방법에서 비저항의 중앙점을 도시한 것이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 형태들을 다음과 같이 설명한다. 그러나, 본 발명의 실시 형태는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명하는 실시 형태로 한정되는 것은 아니다. 또한, 본 발명의 실시 형태는 당해 기술분야에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 따라서, 도면에서의 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있으며, 도면 상의 동일한 부호로 표시되는 요소는 동일한 요소이다. 또한, 유사한 기능 및 작용을 하는 부분에 대해서는 도면 전체에 걸쳐 동일한 부호를 사용한다. 덧붙여, 명세서 전체에서 어떤 구성요소를 "포함"한다는 것은 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있다는 것을 의미한다.
본 발명의 실시 예를 따르는 다축 스트레인 센서 시스템은 고분자 복합재 및 상기 고분자 복합재의 가장자리에 배치된 복수의 전극을 포함하는 센서부를 포함하고, 상기 복수의 전극 중 한 쌍의 전극에 전류가 인가되고, 나머지 전극 중의 한 쌍을 통해 전압을 측정하며 압저항 비등방성 변형을 감지한다.
이하 도면을 참조하여 본 발명에 따른 스트레인 센서 시스템을 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 실시 예를 따르는 다축 스트레인 센서 시스템을 도시한 것이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 실시 예를 따르는 다축 스트레인 센서 시스템은 고분자 복합재(101) 및 상기 고분자 복합재의 가장자리에 배치된 복수의 전극(102)을 포함하는 센서부를 포함한다.
상기 고분자 복합재는 전도성 물질 및 고분자의 복합재일 수 있다.
상기 전도성 물질(11)은 섬유 형태의 전도성을 갖는 물질일 수 있다. 즉, 섬유 형태처럼 직경 대비 길이가 큰 전도성 물질일 수 있다. 또한, 상기 전도성 물질은 전도성 나노입자일 수 있다. 예를 들어, 상기 전도성 물질은 직경 대비 길이가 긴 카본나노튜브 또는 실버나노와이어일 수 있고, 이에 제한되는 것은 아니다. 상기 전도성 물질은 전도성 물질의 중량비에 의해 상기 고분자 복합재의 전도도 또는 비저항이 변할 수 있다. 상기 전도성 물질은 전도성 물질의 중량비가 증가함에 따라 비저항이 감소할 수 있으며, 이때, 상기 비저항은 선형적으로 감소하는 것은 아닐 수 있다.
상기 고분자(12)는 실리콘 엘라스토머, 폴리이미드(Polymide), 아크릴로니트릴부타디엔스티렌(ABS), 폴리카보네이트(PC), 아크릴로니트릴부타디엔스티렌/폴리카보네이트, 복합수지(ABS/PC), 폴리부틸렌테레프탈레이트(PBT), 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET), 폴리페닐렌설파이드(PPS), 폴리에테르에테르케톤 (PEEK), 폴리디메틸실록산(polydimethylsiloxane, PDMS), 연질 폴리우레탄 및 천연 고무 등의 단분자 및 고분자 입자 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상기 고분자는 고분자 복합재의 기지 역활을 할 수 있다. 상기 고분자가 신축성 및 유연성이 있는 물질일 수 있으며, 특정한 형상에 제한받지 않을 수 있다. 이와 같은 특성으로 인하여 다리 및 피부와 같은 복잡한 형상의 고분자 복합재 제조가 가능할 수 있다.
상기 고분자 복합재(101)를 제조하기 위해 전도성 물질(11) 및 고분자(12)의 혼합 및 분산은 기계식 믹서를 통해 수행될 수 있다.
예를 들어, 도 3에 도시된 바와 같이 상기 기계식 분산방법은 좁은 관이나 상대적으로 높은 유동을 이용하여 전단력을 발생시켜 입자를 분산시키는 전단밀링(shear milling) 방법일 수 있으나, 이에 제한된 것은 아니며, 상기 고분자 기지상에 상기 전도성 물질을 고르게 혼합 및 분산시키는 다른 방법이 적용될 수 있다.
이후, 상기의 방법에 의해 혼합된 전도성 물질 및 고분자의 혼합물은 준비된 금형(22, 23)에 주입되어, 열처리를 통해 원하는 형상의 고분자 복합재가 제조될 수 있다.
본 발명의 실시 예를 따르는 다축 스트레인 센서 시스템에 포함되는 고분자 복합재를 일축 방향으로 인장 전 및 인장 후의 표면을 주사전자현미경 장치를 통해 관찰하였고, 이를 도 5b 및 도 5d에 나타내었다.
도 5b를 참조하면, 고분자 복합재에 변형이 가해지기 전에는 고분자 기지 표면에 섬유형태의 전도성 물질이 대체로 불규칙하게 분포되어 있는 것을 확인할 수 있다. 도 5a를 통해 상기한 구조를 도시하였다. 상기 고분자 복합재를 일축으로 인장 변형을 가하게 되면, 고분자 복합재 내에 불규칙하게 분포되어 있는 섬유 형태의 전도성 물질이 고분자 복합재 기지가 늘어남에 따라 전도성 물질도 따라서 인장되거나, 엉켜있는 형태의 섬유가 펴지는 것을 도 5d에서 확인할 수 있다. 도 5c를 통해 상기한 고분자 복합재 내부의 재배열을 도시하였다.
도 6a 및 도 6b를 참조하면 상기한 설명이 도식화되어있다. 고분자 복합재(101)의 변형 전에는 전도성 물질(11)이 고분자 기지 내에 배치되어 있고, 이에 따라 연결된 전도성 물질(11')에 의해 전도성 채널이 형성될 수 있다. 상기 고분자 복합재에 변형을 가하게 되면 이러한 전도성 채널의 변형이 발생하여 내부상태가 변화한다. 이로써 전도성 물질 및 고분자 기지의 재배열하게 되고, 이로 인해 전기적 특성의 이방성의 가능성을 예측할 수 있다.
상기 전류가 인가되는 전극 및 전위 값을 측정하는 전극은 순차적으로 바뀔 수 있다.
도 2에 나타난 바와 같이, 상기 전류의 인가 및 전위 값 측정은 소위 "근접 패턴(adjacent pattern)"이라는 방법을 이용할 수 있고, 이는 전류 인가 전극 한 쌍과 전위차 측정 전극 한 쌍을 선정할 때 가까이 붙어있는 2개의 전극을 옆으로 옮겨가면서 고분자 복합재 모든 면적을 커버하는 방법이다. 상기 근접 패턴을 사용할 경우, 예를 들어 16개의 전극을 포함하는 센서부에서는 256개의 전류인가/전위차측정 패턴이 형성되고, 이를 기반으로 하여 고분자 복합재의 변형을 감지할 수 있다.
상기 고분자 복합재의 저항 변화를 상기 고분자 복합재 가장자리에 위치한 전극(102)만을 이용해 추정할 수 있다.
종래에는 유연 전극을 가로 및 세로 방향으로 고분자 복합재 상에 배치하여 특정 위치의 스트레인 변화량을 감지하였다. 하지만, 본 발명의 실시 예를 따르는 다축 스트레인 센서 시스템은 도 4에 도시된 바와 같이, 고분자 복합재의 가장자리에 복수의 전극을 배치하고, 이에 전류 인가 및 전압 측정을 통하여 상기 고분자 복합재 내의 압저항 비등방성 저항을 감지하는 것이 가능할 수 있다. 따라서, 본 발명의 실시 예를 따르는 다축 스트레인 센서 시스템은 고분자 복합재 표면 상 또는 중심부에 배치되는 유연 전극이 필요하지 않아, 다양한 형상으로 다축 스트레인 센서 시스템을 제조하는 것이 가능할 수 있다.
도 7a 및 도 7b를 참조하면, x방향으로 전류가 흐를 때 전류와 평행한 방향으로 측정된 저항 값이 Rxx 성분으로 정의되고, 그에 수직하는 저항 값이 Rxy로 정의될 수 있다. 또한, y방향으로 전류가 흐를 때 전류와 평행한 방향으로 측정된 저항 값이 Ryy 성분으로 정의되고, 그에 수직하는 저항 값이 Ryx로 정의될 수 있다.
상기 전극은 고분자 복합재와의 표면 저항을 줄이기 위해 실버페이스트, 실버나노와이어-에폭시 복합재 및 액체금속 중 적어도 하나를 포함할 수 있고, 이에 제한된 것은 아니다.
도 8a 및 도 8b를 참조하면, 본 발명의 실시 예를 따르는 반구형 형상의 고분자 복합재를 포함하는 다축 스트레인 센서 시스템에서, 반구형 형상의 고분자 복합재에 외부 압력을 가했을 때, 상기 압력이 비저항 x성분, y성분 및 xy성분 비저항 값으로 도시되는 것을 확인할 수 있다.
또한, 상기 다축 스트레인 센서 시스템은 데이터 회로부를 더 포함하고, 상기 데이터 회로부는 전류의 인가, 전압의 측정을 제어할 수 있다.
도 1을 참조하면, 상기 회로부는 멀티플렉서(MUX, Multiflexer), 전류구동기(current driver) 및 차동증폭기(differential amplifier)를 포함할 수 있다.
상기 멀티플렉서(201)는 일반적으로 간단한 반도체 소자로 이루어지며, 상기 복수개의 전극 중 전류를 인가하는 전극 및 전위 값을 측정하는 전극은 상기 멀티플렉서(201)를 통하여 순차적으로 변경될 수 있다. 상기 멀티플렉서(201)는 복수개 연결된 전극들 중 일부 전극으로만 전류를 인가할 수 있다.
도 2에 나타난 바와 같이, 상기 멀티플렉서를 통해 복수개의 전극 중 일부 전극으로 전류를 인가하고 나머지 전극들을 통하여 이에 따른 상기 고분자 복합재 경계면의 전위을 측정하고, 이후, 상기 전류를 인가한 전극 이외의 다른 전극으로 전류를 인가하고 나머지 전극들을 통하여 이에 따른 전위 값을 측정하는 것을 반복할 수 있다.
상기 전류구동기(202)는 일반적으로 간단한 반도체 소자로 이루어지며, 상기 멀티플렉서에 일정한 전류값이 입력되도록 하는 역할을 할 수 있다.
상기 차동 증폭기(203)는 일반적으로 간단한 반도체 소자로 이루어지며, 두 개의 입력단자(두 개의 입력값)와 한 개 또는 두 개의 출력단자(한 개 또는 두 개의 출력값)를 가질 수 있고, 두 개의 입력단자를 통해 입력된 값을 출력단자에서 증폭시키는 기능을 한다. 본 발명의 실시 예를 따르는 다축 스트레인 센서 시스템에서, 상기 차동 증폭기는 고분자 복합재에서 측정된 전압값을 입력값으로 할 수 있다. 도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시 예를 따르는 다축 스트레인 센서 시스템은 고분자 복합재에 연결된 한 쌍의 전극에 가해진 2개의 전류 입력 값으로부터 출력되는 다른 한 쌍에서 측정된 2개의 전압 출력 값을 차동 증폭기에 가해지는 입력 값으로 한다.
상기 다축 스트레인 센서 시스템은 데이터 취득부를 더 포함하고, 상기 데이터 취득부는 취득된 데이터를 분석하여 다축 스트레인 값을 도출할 수 있다.
도 1을 참조하면, 상기 데이터 취득부는 디지털 아날로그 변환기(digital analog converter, DAC), 아날로그 디지털 변환기(analog digital converter, ADC), 데이터 수집장치(data acquisition, DAQ) 를 포함할 수 있다.
상기 디지털 아날로그 변환기(204)는 일반적으로 간단한 반도체 소자로 이루어지며, 디지털 값을 아날로그 값으로 변환시키는 장치이다. 상기 아날로그 디지털 변환기(205)는 일반적으로 간단한 반도체 소자로 이루어지며, 아날로그 값을 디지털 값으로 변환시키는 장치이다. 상기 데이터 수집장치(206)는 일반적으로 간단한 반도체 소자로 이루어지며, 본 발명의 실시 예를 따르는 다축 스트레인 센서 시스템에서 발생하는 데이터를 수집하는 역할을 한다. 상기 다축 스트레인 센서 시스템은 상기 데이터 수집장치에 유에스비를 통해 연결된 컴퓨터(207)를 포함할 수 있다. 상기 다축 스트레인 센서 시스템은 상기 시스템에 연결되어 제어할 수 있는 로봇 손, 도관형 로봇 또는 팽창형 조정 장치와 같은 복잡한 행동을 수행하는 기계 장치를 제어할 수 있다.
본 발명의 다른 실시 예를 따르는 다축 스트레인 측정 방법은 고분자 복합재 및 복수의 전극을 포함하는 다축 스트레인 센서의 상기 고분자 복합재에 압력을 가하는 단계(단계 1); 상기 복수의 전극 중 한 쌍의 전극을 통해 고분자 복합재로 전류를 인가하는 단계(단계 2); 상기 전류가 인가된 전극을 제외한 나머지 전극 중 적어도 한 쌍을 통하여 전위 값을 측정하는 단계(단계 3); 및 상기 측정된 전위 값으로부터 고분자 복합재 내의 저항 성분을 계산하는 단계(단계 4)를 포함한다.
이하, 본 발명의 다른 실시 예를 따르는 다축 스트레인 성분 측정 방법을 각 단계별로 상세히 설명한다.
상기 “다축 스트레인 센서”는 앞서 설명한 다축 스트레인 센서 시스템에 포함된 것일 수 있으며, 중복 설명을 피하기 위해 기재를 생략한다
본 발명의 다른 실시 예를 따르는 다축 스트레인 측정 방법의 단계 1은 고분자 복합재 및 복수의 전극을 포함하는 다축 스트레인 센서의 상기 고분자 복합재에 압력을 가하는 단계이다.
상기 다축 스트레인 센서는 상기 고분자 복합재의 다축 스트레인 즉, 변형의 세기 및 방향성을 측정하기 위한 센서로, 상기 단계 1은 상기 고분자 복합재에 스트레인을 발생시키기 위해 외부 압력 및 변형을 인가하는 단계이다. 이때, 상기 외부 압력은 상기 고분자 복합재의 전극이 형성되지 않은 내부 영역에 인가될 수 있다
상기 고분자 복합재에 압력을 가하는 단계는 상기 고분자 복합재 표면의 일 점 접촉, 이 점 접촉 또는 복수개의 접촉을 동시에 수행하면서 압력을 가할 수 있고, 일 점이 접촉되는 면적은 제한되지 않을 수 있다.
상기 접촉은 사람의 신체를 통해 수행될 수도 있고, 기계 장치를 통해서도 수행될 수 있다.
상기 고분자 복합재에 압력을 가하는 단계는 상기 고분자 복합재를 늘리거나 또는 압축하는 방식으로 수행될 수 있다. 상기 고분자 복합재에 가해지는 압력의 크기는 제한되지 않을 수 있다.
본 발명의 다른 실시 예를 따르는 다축 스트레인 측정 방법의 단계 2는 상기 복수의 전극 중 한 쌍의 전극을 통해 고분자 복합재로 전류를 인가하는 단계이다.
상기 복수의 전극 중 한 쌍의 전극을 통해 고분자 복합재에 전류를 인가하여 상기 고분자 복합재 내부에 전위를 형성시키기 위한 단계로, 상기 스트레인을 가하지 않았을 때 상기 전류에 의해 고분자 복합재에 형성되는 전위 값과 스트레인이 존재할 경우, 상기 동일한 양의 전류를 인가하였을 때의 전위 값을 비교하여 전위 값 변화를 확인할 수 있다.
이때, 상기 전극의 일단은 상기 고분자 복합재의 경계면에 연결되어 있고, 타단은 멀티플렉서와 연결되어 있으며, 상기 고분자 복합재의 경계면을 둘러싸도록 복수개의 전극이 연결될 수 있다.
한편, 상기 고분자 복합재로 인가되는 전류는 상기 멀티플렉서와 전기적으로 연결된 전류구동기(current driver)로부터 생산되어 멀티플렉서로 전달될 수 있으며, 상기 멀티플렉서는 상기 전극을 통해 상기 고분자 복합재로 전류를 인가할 수 있다. 이때 상기 멀티플렉서는 복수 개의 전극 중 일부 전극으로만 선택적으로 전류를 인가하며, 상기 전극을 순차적으로 바꿀 수 있다.
본 발명의 다른 실시 예를 따르는 다축 스트레인 측정 방법의 단계 3은 상기 전류가 인가된 전극을 제외한 나머지 전극 중 적어도 한 쌍을 통하여 전위 값을 측정하는 단계이다.
이때, 상기 전극은 전류가 인가되는 한 쌍의 전극을 제외한 나머지 한 쌍의 전극일 수 있다. 상기 측정된 전위 값은 상기 복수 개의 전극과 연결된 멀티플렉서를 통해 출력될 수 있으며, 상기 발생된 전위 값을 증폭시켜 나타내기 위해 멀티플렉서와 전기적으로 연결된 차동증폭기(Differential Amplifier)를 거쳐 신호처리장치로 전달될 수 있다.
본 발명의 다른 실시 예를 따르는 다축 스트레인 측정 방법의 단계 4는 상기 측정된 전위 값으로부터 고분자 복합재 내의 저항 성분을 계산하는 단계이다.
상기 고분자 복합재에 가해지는 전류에 의해 형성되는 고분자 내의 전위차는 맥스웰 방정석을 이용하여 아래 수학식 1과 같이 유도될 수 있다.
Figure pat00001
j: 전류 밀도
σ: 전도성
u: 전위 포텐셜
상기 수학식 1에서 전류 밀도는 고분자 복합재의 표면에 수직하는 방향으로 전도되므로 아래의 수학식 2와 같이 모델링 될 수 있다.
Figure pat00002
n: 고분자 복합재의 표면에서의 법선 벡터(unit outwards normal vector)
상기 수학식 2를 계산하기 위해 상기 수학식 1을 약형식(weak formulation)을 하면 하기의 수학식 3을 얻을 수 있다.
Figure pat00003
Ω : 적분 영역
Figure pat00004
: 적분 영역의 경계면
dr:볼륨 미분
dS: 면적 미분
w: 테스트 함수(test function)
상기 수학식 3에서 w는 임의의 테스트 함수이고, w=u를 대입하면 하기의 수학식 4가 얻어질 수 있다.
Figure pat00005
상기의 수학식 4에서 고분자 복합재의 경계면에 위치한 L개의 전극에 가해지는 전류 I와 해당 전극에서의 전압 V를 이용하면 아래 수학식 5와 같이 표현 할 수 있다.
Figure pat00006
L: 전극 개수
Ii: 전류 인가 벡터 (Current injection vector)
Vj: 전압 전위 벡터(Voltage potential vector)
상기의 수학식 5 는 특정 전극에 전류가 가해질 때 발생하는 에너지의 합이 고분자 복합재 내부에 전체적으로 변화된 전위의 양과 같음을 의미할 수 있다. 상기 수학식 5에서 섭동(perturbation) 기법을 사용하여 전류가 일정할 때 전도성의 미소 변화가 전위차에 변화에 미치는 영향을 계산할 수 있다.
Figure pat00007
상기 수학식 6을 수학식 5에 대입한 후 미소 변화가 가해지기 전의 값을 빼준 결과가 고차항을 제외하면 동일하다고 가정하면 아래와 같은 수학식 7을 얻을 수 있다.
Figure pat00008
본 발명의 센서 시스템이 작동할 때 일부 전극에는 전류가 가해지고, 또 다른 일부 전극에서는 전위차를 측정할 수 있다. 상기 과정에서 일부 전극에 가해진 전류(Id)에 의해 발생한 내부 전위차(u)의 값은 u(Id)이며, 전위차 측정을 위해 가해지는 전류(Im)에 의해 발생한 내부 전위차 (u)의 값은 u(Im)이라고 할 수 있고, 상기 수학식 7은 아래 수학식 8로 표현이 가능할 수 있다.
Figure pat00009
d: 전류 드라이브 지수(current drive index)
m: 전압 측정 지수(voltage measurement index)
앞서 언급한 수학식 3에서 아래의 수학식 9와 같이 기저 함수(basis function, )를 이용하고 약 형식(weak formulation)에서 사용했던 테스트 함수(test function) w 를 로 치환하면 아래 수학식 10을 얻을 수 있다.
Figure pat00010
N: 격자(mesh)를 구성하는 꼭짓점(vertex)수
φ: 유한요소법을 위한 기저 함수(basis function for finite element method)
Figure pat00011
Vj: 전압 전위 벡터(Voltage potential vector)
Sij: 시스템 매트릭스(system matrix)
Ii: 전류 인가 벡터 (Current injection vector)
상기 수학식 10을 이용하면 특정 위치에 전류 Id또는 Im이 가해질 때 초기 전도성 σ0 를 가지는 상황에서 내부에 형성되는 ∇u(Id), ∇u(Im)를 계산할 수 있다.
자코비안을 이용하면 전도성의 변화량 Δσ에 의해 형성되는 전위측정값의 변화량 ΔV을 두 변화량 사이의 관계를 선형관계라고 가정하여 아래 수학식 11과 같이 쉽게 계산할 수 있다.
Figure pat00012
본 발명의 다른 실시예를 따르는 다축 스트레인 측정 방법은 내부 전위차의 그라디언트 값을 계산하는 과정에서 아래와 같이 수학식 12의 전위차의 편미분 값을 내적하여 계산할 수 있다.
Figure pat00013
δσij,k : 전도성 복합재(σ)를 구성하는 k번째 요소(element)의 이방성(i, j 방향) 저항 성분
상기의 계산 과정을 통해 본 발명의 다른 실시예를 따르는 다축 스트레인 센서 측정 방법은 이방성 전도성 변화 (δσij,k)를 계산할 수 있다.
상기 단계 2 및 단계 3의 전극을 스위칭하면서 반복 수행될 수 있다.
상기 복수개의 전극 중 전류를 인가하는 전극 및 전위 값을 측정하는 전극은 상기 멀티플렉서(31)를 통하여 순차적으로 변경된다. 상기 멀티플렉서를 통해 복수 개의 전극 중 일부 전극으로 전류를 인가하고 나머지 전극을 통하여 이에 따른 상기 고분자 복합재 경계면의 전위 값을 측정하고, 이후, 상기 전류를 인가한 한 쌍의 전극 이외의 다른 한 쌍의 전극으로 전류를 인가하고 나머지 전극을 통하여 이에 따른 전위 값을 측정하는 것을 반복한다.
상기와 같이 전류를 인가하는 전극 및 전위를 측정하는 전극을 순차적으로 바꾸는 것을 '스위칭'이라 하고, 상기 스위칭 과정을 통해 상기 고분자 복합재에 전류를 인가하고 경계면의 전위 값을 반복적으로 측정할 수 있다. 상기의 과정을 통해서 전도성 고분자 복합재 내의 이방성 전도성 변화를 계산할 수 있고, 다축 스트레인 성분을 측정할 수 있다.
제조 예 1 - MWCNT를 포함하는 전도성 고분자 복합재 혼합물의 제조
본 발명의 실시 예를 따르는 다축 스트레인 센서 시스템의 센서부에 포함되는 고분자 복합재를 제조하기 위해서, 실리콘 고무(EcoFlex0030, Smooth-On, Inc, USA)를 고분자 기지로 선택하였고, 섬유 형태의 다중벽 탄소 나노튜브(multi-walled carbon nanotube, MWCNT, 효성)를 전도성 물질로서 선택하였다.
상기 두 재료는 플래너테리(planetary) 원심 교반기(PDM-300, EXAKT, Germany) 를 이용하여 2분간 교반되었다. 그 후, 3롤밀(three roll mill, 80E, EXAKT, Germany)을 이용하여 MWCNT가 고분자 기재에 고루 분산되도록 혼합시켰고, 이를 통해 MWCNT의 중량비가 2.5%인 전도성 고분자 복합재 혼합물을 제조하였다.
제조 예 2 - MWCNT를 포함하는 전도성 고분자 복합재 혼합물의 제조
제조 예 1에서 MWCNT의 중량비가 3.5%인 것을 제외하고는 제조 예 1과 동일한 과정을 통해 제조되었다.
제조 예 3 - MWCNT를 포함하는 전도성 고분자 복합재 혼합물의 제조
제조 예 1에서 MWCNT의 중량비가 4.5%인 것을 제외하고는 제조 예 1과 동일한 과정을 통해 제조되었다.
제조 예 4 - MWCNT를 포함하는 전도성 고분자 복합재 혼합물의 제조
제조 예 1에서 MWCNT의 중량비가 5%인 것을 제외하고는 제조 예 1과 동일한 과정을 통해 제조되었다.
이하, 상기 MWCNT와 실리콘 고무가 혼합된 혼합물은 MWCNT-실리콘 고무 혼합물로 지칭될 수 있다.
제조 예 5 내지 8 - 도그본 ( dog bone ) 형상의 고분자 복합재 제조
도그본 형상의 고분자 복합재를 제조하기 위해, 상대적으로 저렴한 비용으로 제조가 가능한 아크릴로니트릴 부타디엔 스티렌(Acrylonitrile butadiene styrene, ABS)을 금형 재료로 사용하였고, 3차원 프린팅 장치(Dimension elite, Stratasys, USA)를 이용하여 도그본 형상의 고분자 복합재를 제조할 수 있는 금형을 제조하였다.
상기 3차원 프린팅 장치에 의해 제조된 플라스틱 금형의 표면에 이형제(ER200, Mann release technologies, USA)를 도포하여, 이후 제조된 복합재를 금형로부터의 분리가 수월하도록 하였다.
상기에서 제조된 도그본 형상의 복합재를 제조할 수 있는 금형에 제조 예 1 내지 제조 예 4에 의해 준비된 MWCNT-실리콘 고무 혼합물을 압축된 공기로 약 __의 압력을 가하며 상기에서 제조된 금형에 주입하였고, 대류 오븐(Convection Oven, OF-02, Jeiotech, South Korea) 장치를 이용하여 대기 분위기에서 70℃에서 약 1시간 열처리 하였다.
상기 열처리 수행 후 도그본 형상의 고분자 복합재를 금형으로부터 분리하여 MWCNT의 중량이 2.5%, 3.5%, 4.5% 및 5.0%이고, 길이 방향 양 끝단에 돌출부를 포함하는 도그본 형상의 MWCNT-실리콘 고무 복합재를 제조하였다. 상기한 고분자 복합재는 도그본 형상의 고분자 복합재는 인장 시험기에 고정시키기 적합한 구조의 형상을 특징으로 한다.
제조 예 9 내지 12 - 사각 파이프 형상의 고분자 복합재 제조
사각 파이프 형상의 고분자 복합재는 1개의 축 방향으로 긴 형상을 갖는 것을 특징으로 한다. 상기한 고분자 복합재를 제조하기 위해서, 아크릴로니트릴 부타디엔 스티렌을 재료로 사용하여, 3차원 프린팅 장치(Dimension elite, Stratasys, USA)를 이용하여 내부에 가로 약 5mm, 세로 약 3mm 및 길이 약 10mm의 내부 빈공간 및 MWCNT-실리콘 고무 혼합물 주입부를 갖는 금형을 제조하였다.
상기한 금형을 사용한 것을 제외하고는 상기 제조 예 5 내지 제조 예 8와 동일한 제조 과정을 거쳐서, MWCNT의 중량이 2.5%, 3.5%, 4.5% 및 5.0%이고, 가로 약 5mm, 세로 약 3mm 및 길이 약 10mm의 치수를 갖는 사각 파이프 형상의 고분자 복합재를 제조하였다.
제조 예 13 - 사각 평면 형상의 고분자 복합재 제조
사각 평면 형상의 고분자 복합재는 넓은 주면을 갖는 것을 특징으로 한다. 상기한 고분자 복합재를 제조하기 위해서, 아크릴로니트릴 부타디엔 스티렌을 재료로 사용하여, 3차원 프린팅 장치(Dimension elite, Stratasys, USA)를 이용하여 내부에 가로 약 50mm, 세로 약 30mm 및 두께 약 5mm의 내부 빈공간 및 MWCNT-실리콘 고무 혼합물 주입부를 갖는 금형을 제조하였다.
상기한 금형을 사용한 것을 제외하고는 상기 제조 예 5와 동일한 제조 과정을 거쳐서, MWCNT의 중량이 2.5%이고, 가로 약 50mm, 세로 약 30mm 및 두께 약 5mm의 치수를 갖는 사각 평면 형상의 고분자 복합재를 제조하였다.
제조 예 14 - 3차원 소프트 인터페이스용 고분자 복합재 제조
반구형 고분자 복합재가 일축으로 늘어난 형태의 고분자 복합재를 제조하기 위해 3차원 프린팅 장치를 통해 제조된 금형을 준비하였다.
상기 준비된 금형에 제조 예 1에 의해 준비된 MWCNT-실리콘 고무 복합물을 주입하였고, 이후는 제조 예 5와 동일한 과정을 거쳐서 각각의 중심축을 기준으로 가로 약 70mm, 세로 약 150mm의 치수를 갖는 반구형 고분자 복합재가 y축 방향으로 늘어난 형태의 고분자 복합재를 준비하였다.
실시 예 1 - 사각 평면 형상의 센서부를 갖는 다축 스트레인 센서 시스템
사각 평면 형상의 센서부를 갖는 다축 스트레인 센서 시스템을 제조하기 위해서, 제조 예 10에 의해 준비된 사각 평면 형상의 고분자 복합재의 가장자리에 16개의 실버 페이스트 전극을 부착하고 사각 평면 형상의 센서부를 제작 하였다.
상기에서 제작된 센서부의 전극에 연결된 전선을 통해 회로부와 데이터 취득부를 연결하였다. 상기 회로부는 멀티플렉서, 전류 구동 장치 및 차동 증폭기를 포함한다. 상기 데이터 취득부는 디지털-아날로그 컨버터, 아날로그-디지털 컨버터 및 데이터 수집(Data Acqusition) 장치를 포함한다. 또한, 상기 데이터 수집 장치와 USB를 통해 연결된 컴퓨터를 포함한다.
본 발명의 실시 예를 따르는 사각 판형 다축 스트레인 센서 시스템은 데이터 수집 장치로 cDAQ 9174(National Instruments, USA)를 사용 하였고, 30 kHz의 취득 주파수(sampling frequency )로 작동한다.
근접 패턴을 사용할 경우 16개의 전극에 의한 256개의 전류인가/전위차측정 패턴은 주파수 대역폭이 10kHz인 다축 스트레인 센서 시스템을 이용할 경우 약 0.025초 정도의 데이터 획득시간이 소요된다. 상기 취득된 데이터는 본 발명의 다른 실시 예를 따르는 다축 스트레인 측정 방법에 의해 처리되고, 다축 스트레인으로 구현되는데 0.1초 이내의 시간이 소요된다.
실시 예 2 - 3차원 소프트 인터페이스 센서부를 갖는 다축 스트레인 센서 시스템
3차원 소프트 인터페이스 센서부를 갖는 다축 스트레인 센서 시스템을 제조하기 위해서, 제조 예 14에 의해 준비된 고분자 복합재의 가장자리에 16개의 실버 페이스트 전극을 부착하고 사각 평면 형상의 센서부를 제작 하였다.
상기에서 제작된 센서부의 전극에 연결된 전선을 통해 회로부와 데이터 취득부를 연결하였다. 상기 회로부는 멀티플렉서, 전류 구동 장치 및 차동 증폭기를 포함한다. 상기 데이터 취득부는 디지털-아날로그 컨버터, 아날로그-디지털 컨버터 및 데이터 수집(Data Acqusition) 장치를 포함한다. 또한, 상기 데이터 수집 장치와 USB를 통해 연결된 컴퓨터를 포함한다.
본 발명의 실시 예를 따르는 3차원 소프트 인터페이스 센서부를 갖는 다축 스트레인 센서 시스템은 데이터 수집 장치로 cDAQ 9174(National Instruments, USA)를 사용 하였고, 30 kHz의 취득 주파수(sampling frequency )로 작동한다.
근접 패턴을 사용할 경우 16개의 전극에 의한 256개의 전류인가/전위차측정 패턴은 주파수 대역폭이 10kHz인 다축 스트레인 센서 시스템을 이용할 경우 약 0.025초 정도의 데이터 획득시간이 소요된다. 상기 취득된 데이터는 본 발명의 다른 실시 예를 따르는 다축 스트레인 측정 방법에 의해 처리되고, 다축 스트레인으로 구현되는데 0.1초 이내의 시간이 소요된다.
실험 예 1 - MWCNT-실리콘 고무 복합재 인장에 따른 저항 변화 측정
도 12a에 나타난 바와 같이, 제조 예 5 내지 8에 의해 제조된 도그본 모양의 MWCNT-실리콘 고무 복합재를 수작업으로 제작된 인장기를 이용하여, 0 내지 40% 인장을 시켰고, 이때 장치 및 고분자 복합재에 가해진 하중을 도 12b에 나타내었다.
도 12b에서 나타난 바와 같이, MWCNT-실리콘 고무 복합재 내의 MWCNT의 중량비가 늘어날 수록 동일 인장률에 가해지는 하중이 증가하는 결과를 보였다. 기계적 강성은 MWCNT 중량비가 2.5%, 3.5%, 4.5% 및 5%로 증가함에 따라 76 kPa 에서 166 kPa로 증가하였다. 166 kPa의 기계적 강성은 사람이 직접 이용을 하기 위해서 필요한 유연성 및 부드러움을 제공하기 위해 충분히 낮은 수치이다.
또한, 고분자 복합재의 가장 자리에 연결된 전극을 통해 전류 인가 및 전압 측정을 동시에 수행하면서, 고분자 복합재의 변형 정도에 따른 고분자 복합재의 비저항을 측정하였고 그 결과를 도 12c에 나타내었다.
도 12c에 나타난 바와 같이, 동일한 인장률에 대해서 저항 값의 변화율 즉 압저항 민감도는 MWCNT-실리콘 고무 복합재 내의 MWCNT의 중량비가 작을 수록 큰 것으로 나타났다. 즉, MWCNT-실리콘 고무 복합재 내의 MWCNT의 중량비가 작을 수록 외부 변형에 대한 압저항 성질의 민감성이 큰 것을 알 수 있다.
제조 예 5 내지 8에 의해 준비된 MWCNT-실리콘 고무 복합재의 민감도는 각각 1.61, 1.12, 0.91, 0.67으로 측정되었다. 본 발명의 실시 예를 따르는 다축 스트레인 센서 시스템의 센서부에 사용되는 고분자 복합재는 유연하고 압저항 민감성이 높아야 하기 때문에, 강성이 낮고 높은 민감도를 갖는 제조 예 1에 의한 MWCNT 중량비 2.5%를 갖는 고분자 복합재 물질을 사용하여 제조된 고분자 복합재가 적합할 수 있다.
실험 예 2 - 사각 파이프형 MWCNT-실리콘 고무 복합재 저항 및 전기적 특성 측정
고분자 복합재 내에 전도성 물질인 MWCNT의 중량비 변화에 따른 저항 수치의 변화를 확인하기 위하여, 제조 예 9 내지 제조 예 12에 의해 준비된 사각 파이프형 고분자 복합재를 준비하였고, 이에 도 9a의 모식도에 나타난 바와 같이 은 페이스트 전극(102)을 사각 파이프 형태의 고분자 복합재(101) 길이 방향 양 끝단에 부착하고, 상기 전극에 연결된 전선을 반도체 파라미터 분석기(4155A, HP, USA)에 연결하여 MWCNT 중량비에 따른 전기 저항 값을 측정하였고, 그 결과를 도 10에 나타내었다.
이를 통해, MWCNT의 중량비가 2.5%에서 3.5%, 4.5%, 5.0%로 점차 증가함에 따라 저항 값이 감소하는 것을 확인하였다.
MWCNT의 중량비가 2.5%인 제조 예 9에 의한 고분자 복합재의 저항 값을 20회 반복 측정하였고, 그 결과를 도 11에 나타내었다. 측정 결과 약 263 ohm-mm의 평균 값에 표준 편차는 평균에 대해서 약 16.7%(± 43.8 ohm-mm )의 수치를 기록하였다.
제조 예 9에 의해 제조된 사각 파이프형 고분자 복합재를 이에 도 14(a)의 모식도에 나타난 바와 같이 은 페이스트 전극을 사각 파이프 형태의 고분자 복합재 길이 방향 양 끝단에 부착하고, 전선을 반도체 파라미터 분석기(4155A, HP, USA) 에 연결하여, 상기 고분자 복합재의 0% 내지 80%인장에 따른 I-V 관계를 측정하였고, 그 결과를 도 9b 내지 도 9e에 나타내었다.
상기 I-V관계의 측정 결과, 인장률에 상관없이 전류-전압은 선형 관계 즉 오믹 거동을 나타내는 것을 확인하였다.
실험 예 3 - MWCNT-실리콘 고무 복합재 인장에 따른 저항 성분 측정
제조 예 13에 의한 2.5% 중량비를 가지는 사각 평면 고분자 복합재를 준비하였고, 상기 고분자 복합재의 양 끝단을 장치에 고정하고 10 내지 20% 일축 인장을 수행하였다. 상기 실험을 위해 도13a와 같이 고분자 복합재를 일축 인장 장치에 장착하였고, y방향으로 인장을 실시하였다. 상기 인장에 따른 복합재 평면의 x, y 방향의 비저항 성분을 측정하기 위해 140개 영역의 사각형으로 분할된 영역을 할당하여, 각 분할된 영역을 도 14a 및 도 14b에 도시된 4 포인트 프로브 장치(4 point probe, Dasol engineering, South Korea)로 각 할당 영역을 측정하였다. 도 14a 및 도 14b에 도시된 바와 같이, 도 14a에 도시된 방법으로 Ryy 모드 측정을 수행하였고, 도 14b에 도시된 방법으로 Rxx 모드 측정을 수행하였다.
상기 측정 결과, 도 13a 내지 도 13e에 나타난 바와 같이, y방향의 변형이 12.5% 및 20%일 때 ρxx는 각각 4.73% 및 12.65%가 증가하였고, x방향의 변형이 12.5% 및 20%일 때 ρyy는 각각 8.58% 및 24.02%가 증가하였다. y방향으로 고분자 복합재를 인장시켰을 때 ρyy 비저항 변화가 ρxx 비저항 변화보다 약 2배 높은 것으로 나타났다.
상기한 결과는 본 발명의 실시 예를 따르는 다축 스트레인 센서 시스템에 포함된 고분자 복합재는 일축 변형에 의해 비저항 이방성 변화가 발생하는 것을 의미한다. 이는 길고, 얇은 섬유 형태의 전도성 물질(MWCNT)이 외부의 변형에 의해 늘어나는 재배열되어, 전자 이동의 채널이 변화되고, 늘어난 방향과 늘어난 방향의 수직한 방향의 전기적 특성이 달라지는 것으로 생각할 수 있다.
실험 예 4 - 다축 스트레인 센서 시스템 수직 압하 시험( normal indentation test)
압하 시험을 위해 실시 예 1에 의해 준비된 사각 평면 센서부를 갖는 다축 스트레인 센서 시스템을 이용하였다. 도 15a를 참조하면, 본 실험을 위해 직경 5mm의 ABS 플라스틱 재질로 이루어진 원통형 압입자(indentor)를 사용하였고, 고분자 복합재의 중심 상부에 압입자를 위치시킨 후, 압입자를 고분자 복합재와 접촉한 후 압하력을 점차 증가시켰다.
이에 따라 실제 가해진 압하력 및 압입자의 압입 깊이와 본 발명의 실시 예를 따르는 사각 평면 센서부를 갖는 다축 스트레인 센서 시스템을 이용하여 압하력 및 압입 깊이를 추정하였고, 그 결과를 도 15b에 나타내었다.
도 15b 에 나타난 바와 같이, 한 개의 압하점에 대해서 9N의 압하력이 가해질 때 0.61 ± 0.62 N 정도의 오차를 보였다. 이를 통해, 실제 가해진 압하력 및 압입자의 압입 깊이와 본 발명의 실시 예를 따르는 사각 평면 센서부를 갖는 다축 스트레인 센서 시스템을 이용하여 추정된 압하력 및 압하 깊이는 유사한 결과를 갖는 것을 확인하였다.
또한, 상기 사각 평면 형태의 고분자 복합재의 고분자 복합재 상부 표면의 가로 40mm, 세로 40mm 영역에서, 5mm 간격으로 상기와 동일한 방식으로 49개 지점에 대해 압입(indentation)을 수행하였고, 이에 대한 압하점 위치 추정에 대한 결과를 도 15c에 나타내었다.
상기 측정 결과 49 개의 개별 접점에 대한 예상 접촉 위치와 실제 접촉 위치 간의 오차는 센서부의 중심 영역에서 더 멀리 떨어진 위치에서 실제값과 추정값의 차이가 더 큰 경향이 있고, 실제 압하점과 본 발명의 실시 예를 따르는 사각 평면 센서부를 갖는 다축 스트레인 센서 시스템을 이용하여 추정된 압하점의 추정 오차는 1.88 ± 0.95 mm으로 측정되었다.
도 15d를 참조하면 상기 49개의 압하점 중에 9개의 다른 압하점에 대한 이방성 저항 분포를 보이고 있음을 알 수 있다. 이를 통해, 고분자 복합재 표면 수직 압입 시험의 결과는 x 및 y 방향을 따라 유사한 저항률 변화를 나타냄을 확인할 수 있다.
실험 예 5 - 다축 스트레인 센서 시스템 y방향 인장 감지 시험
실시 예 1에 의해 준비된 사각 평면 센서부를 갖는 다축 스트레인 센서 시스템에서, 도 16a에 나타난 바와 같이 사각 평면 고분자 복합재를 수작업으로 준비된 인장 시험기에 장착하여 인장시험을 실시하였다.
도 16b를 참조하면, 16mm까지 y방향 인장을 가할 때 1.15 ± 0.64 mm 정도의 오차로 추정이 가능함을 확인할 수 있다.
도 16c를 참조하면, 0 내지 50%의 인장률에서 x 및 y방향의 비저항이 모두 증가한 것을 확인할 수 있다. X방향의 비저항 분포(ρxx)는 평균 약 10% 증가하였고, y방향의 비저항 분포(ρyy)평균 20% 증가하였다. 상기 결과는 본 발명의 실시 예를 따르는 다축 스트레인 센서 시스템은 이방성 비저항 분포와 인장률의 방향을 구분할 수 있음을 의미한다.
실험 예 6 - 다축 스트레인 센서 시스템 3개 방향 감지 시험
실시 예 1에 의해 준비된 사각 평면 센서부를 갖는 다축 스트레인 센서 시스템의 사각 평면 고분자 복합재를 x방향을 기준으로 하여 x축(θ = 0°)방향, y축(θ = 0°) 및 대각선 방향(θ = 0°)으로 직접 손으로 인장을 하였고, 상기 결과를 도 17a 내지 도 17c에 도시하였다.
도 17a를 참조하면, 상기 고분자 복합재가 x 축 (θ = 0°)을 따라 신장되었을 때, x 축의 비저항(ρxx) 분포가 증가한 것을 확인할 수 있었다. 도 17b를 참조하면, 상기 고분자 복합재가 y 축 (θ = 90°)을 따라 신장되었을 때, y 축에서 비저항(ρyy) 분포가 증가한 것을 확인할 수 있었다. 도 17c를 참조하면, 상기 고분자 복합재가 대각선(θ = 45°) 방향으로 잡아 당겨지면 전단 비저항(ρxy) 분포가 증가한 것을 확인할 수 있었다. 상기한 결과는 본 발명의 실시 예를 따르는 다축 스트레인 센서 시스템에 포함된 센서부의 고분자 복합재 신축 방향을 식별할 수 있음을 의미한다.
실험 예 7 - 다축 스트레인 센서 시스템 3차원 소프트 인터페이스 실험
실시 예 2에 의해 준비된 3차원 소프트 인터페이스를 갖는 다축 스트레인 센서 시스템에서, 고분자 복합재에 접촉된 점의 압하력 증가에 따른 비저항 분포를 측정하였고, 이를 도 18a 및 도 18b에 도시하였다.
도 18b를 참조하면 일 점 접촉(one point contact)시에 본 발명의 실시 예를 따르는 다축 스트레인 센서 시스템은 접촉 압력의 차이를 구분할 수 있음을 확인할 수 있다.
도 18c는 본 발명의 실시 예를 따르는 3차원 소프트 인터페이스용 고분자 복합재의 다중점 접촉을 도시한 것이다. 도 18d를 참조하면, 처음 5개 열은 각 접촉 위치가 개별적으로 눌려 질 때 저항률 변화의 분포를 도시한다. 한편, 마지막 2개 항목의 다중 접촉 테스트 결과는 다양한 다중 압력 패턴을 감지할 때 센서의 기능을 나타냅니다
도 19a를 참조하면, 3차원 소프트 인터페이스용 고분자 복합재를 갖는 다축 스트레인 센서 시스템의 센서부는 x방향으로 10 내지 60mm 영역에서 10mm 간격으로, y 방향으로 25 내지 125mm 영역에서 10mm 간격으로 접촉 위치 추정 실험을 하였고, 실제 접촉 위치와 추정 위치 오류는 4.80 ± 3.05 mm로 확인되었다.
도 19b는 상기 다축 스트레인 센서 시스템에 연결된 로봇 손(robot hand, BH8-262, Barrett Technology, USA)을 도시하고 있다. 상기 로봇 손은 3개의 손가락을 가지고 있기 때문에, 상기 3차원 소프트 인터페이스를 갖는 다축 스트레인 센서 시스템의 센서부는 동일한 3개의 제어점(control point)을 설정하였다. 상세하게는, 도 19b에 나타난 바와 같이 센서부는 3개의 부분으로 나누어지고, 각각의 접촉 위치가 계산되었다.
도 19c를 참조하면, 각각의 손가락에 할당된 구분된 영역에서 구해진 비저항 변화의 평균값은 각각의 구역에 할당된 로본 손가락의 굽히는 속도를 제어하는데 사용되었다. 또한, 로봇 손가락의 펼치는 각도는 3개의 구역의 비저항 값의 중앙 점을 도출하여 계산되었다. 상기 비저항 값의 중앙 점은 하기 수학식 13을 참조하여 계산되었다.
Figure pat00014
도 20을 참조하면, 상기 수학식 13의 계산 과정이 도시화되어 표현되었다.
상기 본 발명의 실시 예를 따르는 3차원 소프트 인터페이스용 고분자 복합재를 갖는 다축 스트레인 센서 시스템의 센서부를 통한 조작과 상기 로봇 손의 움직임은 0.1초 내의 시간 격차를 두고 수행되었다. 상기 시간 격차는 비저항 분포 계산, 데이터 취득, 및 비저항 분포를 디스플레이하는데 소요된 시간이다.
본 발명의 실시 예를 따르는 3차원 소프트 인터페이스용 고분자 복합재를 갖는 다축 스트레인 센서 시스템은 다양한 입체 형상으로 제조될 수 있다. 3차원 소프트 인터페이스용 고분자 복합재는 예를 들면 도관형 로봇 또는 팽창형 조정 장치에 응용되어 겉표면을 감싸는 형태로 제조될 수 있다.
101: 고분자 복합재
102: 전극
201: 멀티플렉서
202: 전류구동기(Current Driver)
203: 차동증폭기(Differential Amplifier)
204: 디지털 아날로그 변환기(digital to analog converter, DAC)
205: 아날로그 디지털 변화기(analog to digital converter, ADC)
206: 데이터 수집장치(data acquisition, DAQ)
207: 컴퓨터
11: 전도성 물질
11' : 연결된 전도성 물질
12: 고분자
13: 기계식 믹서
101: 고분자 복합재
21: 3D 프린팅 장치
22: 반구형 고분자 복합재 금형
23: 사각 평면형 고분자 복합재 금형

Claims (8)

  1. 고분자 복합재 및 상기 고분자 복합재의 가장자리에 배치된 복수의 전극을 포함하는 센서부를 포함하고, 상기 복수의 전극 중 한 쌍의 전극에 전류가 인가되고, 나머지 전극 중의 한 쌍을 통해 전압을 측정하며, 상기 고분자 복합재의 변형에 대한 고분자 복합재의 압저항 비등방성 저항 성분을 감지하는 다축 스트레인 센서 시스템.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 전류가 인가되는 전극 및 전위 값을 측정하는 전극은 순차적으로 바뀌는 것을 특징으로 하는 다축 스트레인 센서 시스템.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 고분자 복합재의 저항 성분 변화를 상기 고분자 복합재 가장자리에 위치한 전극만을 이용해 추정할 수 있는 것을 특징으로 하는 다축 스트레인 센서 시스템.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 고분자 복합재의 변형에 대해서, 고분자 복합재 표면을 따르는 제1 방향 및 제 2방향 변형 성분을 측정할 수 있는 것을 특징으로 하는 다축 스트레인 센서 시스템.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 다축 스트레인 센서 시스템은 데이터 회로부를 더 포함하고, 상기 데이터 회로부는 전류의 인가, 전압의 측정을 제어하는 것을 특징으로 하는 다축 스트레인 센서 시스템.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 다축 스트레인 센서 시스템은 데이터 취득부를 더 포함하고, 상기 데이터 취득부는 취득된 데이터를 분석하여 다축 스트레인 값을 도출하는 것을 특징으로 하는 다축 스트레인 센서 시스템.
  7. 고분자 복합재 및 복수의 전극을 포함하는 다축 스트레인 센서의 상기 고분자 복합재에 압력을 가하는 단계(단계 1);
    상기 복수의 전극 중 한 쌍의 전극을 통해 고분자 복합재로 전류를 인가하는 단계(단계 2);
    상기 전류가 인가된 전극을 제외한 나머지 전극 중 적어도 한 쌍을 통하여 전위 값을 측정하는 단계(단계 3); 및
    상기 측정된 전위 값으로부터 고분자 복합재 내의 저항 성분을 계산하는 단계(단계 4);을 포함하는 것을 특징으로 하는 다축 스트레인 측정 방법.
  8. 제 7항에 있어서,
    상기 단계 2 및 단계 3의 전극을 스위칭하면서 반복 수행하는 것을 특징으로 하는 다축 스트레인 측정 방법.


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