KR20180133601A - 3d 프린팅을 이용한 3차원 손가락 움직임 측정 시스템과 이의 제조방법 - Google Patents

3d 프린팅을 이용한 3차원 손가락 움직임 측정 시스템과 이의 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명에 따른 3차원 손가락 움직임 측정 시스템은, 3D 프린터를 이용하여 센서부, 진동자, 칩 등이 내재된 신축성 시트를 한번에 제조할 수 있기 때문에, 손의 움직임을 측정할 수 있을 뿐만 아니라, 사용자에게 햅틱 진동 피드백을 전달할 수 있는 이점이 있을 뿐만 아니라, 신축성을 가질 수 있으면서도 제조가 용이한 이점이 있다. 또한, 몰드를 이용하여 제작하는 경우에 비해 두께를 얇게 제작할 수 있다. 또한, CAD/CAM을 이용하여 다양한 채널 패턴을 용이하게 설계하고 변경할 수 있다.

Description

3D 프린팅을 이용한 3차원 손가락 움직임 측정 시스템과 이의 제조방법{3D finger motion measurement system using 3D printing and manufacturing method of the same}
본 발명은 3D 프린팅을 이용한 3차원 손가락 움직임 측정 시스템과 이의 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 3D 프린터를 이용하여 채널 패턴을 포함한 센서부를 제작하여, 손가락의 3차원 움직임을 측정하고, 손가락에 진동을 전달해 줄 수 있는 3D 프린팅을 이용한 3차원 손가락 움직임 측정 시스템과 이의 제조방법에 관한 것이다.
일반적으로 소프트 센서는, 실리콘이나 PDMS 등과 같은 신축성과 유연성을 갖는 소재에 전도성 물질로 형성된 전극을 구성하여, 신축성과 유연성을 가지며 변위나 힘 등을 측정할 수 있는 센서이다. 종래의 소프트 센서는, 실리콘이나 PDMS 등과 같은 신축성 소재의 내부에 마이크로 채널을 형성하고, 마이크로 채널 내부에 전도성 유체를 주입하여 제작되며, 외부에서 가해지는 힘에 의해 내부의 마이크로 채널의 형상 변화를 저항 변화로 측정하여 힘을 측정하는 센서이다. 최근에는 웨어러블 장비 등 적용 분야가 확대되면서 유연하고 신축성 있는 소프트 센서에 대한 요구가 증대되고 있다.
종래의 소프트 센서 제작 방법은, 마이크로 채널 성형을 위한 몰드를 제작하고, 상기 몰드에 실리콘 재료를 넣고 굳혀서 마이크로 채널 형상을 형성하고, 후처리 과정을 통해 센서를 만들었다.
그러나, 종래의 소프트 센서 제작 방법은, 제작 공정이 수작업에 의존하기 ??문에 제작자의 숙련도에 따라 센서의 성능이 달라질 수 있으며, 센서의 내부 채널의 형상이 불균일하게 제작될 수 있고, 대형 센서를 제작하기 위해서는 추가적인 조립 공정이 필요한 한계점이 있다.
한국공개특허 10-2016-0136894
본 발명의 목적은, 제작이 용이하면서 성능이 향상될 수 있는 3D 프린팅을 이용한 3D 프린팅을 이용한 3차원 손가락 움직임 측정 시스템과 이의 제조방법을 제공하는 데 있다.
본 발명에 따른 3D 프린팅을 이용한 3차원 손가락 움직임 측정 시스템의 제조방법은, 3D 프린터를 이용하여, 베이스 기재 위에 제1신축성 소재를 프린팅하여 제1신축성 층을 형성하는 단계와; 상기 3D 프린터를 이용하여, 상기 제1신축성 층 위에 복수의 손가락들에 대응하는 위치에 굴곡과 신전을 측정하도록 설정된 제1채널 패턴으로 전도성 액체 금속을 프린팅하고, 상기 복수의 손가락들 사이에 대응하는 위치에는 내전과 외전을 측정하도록 설정된 제2채널 패턴으로 상기 전도성 액체 금속을 프린팅하여, 상기 손가락들의 움직임을 감지하는 센서부를 형성하는 단계와; 상기 3D 프린터를 이용하여, 상기 제1신축성 층 위에 전도성 페이스트를 프린팅하여 상기 센서부에 연결되는 전극부를 형성하는 단계와; 상기 3D 프린터를 이용하여, 상기 베이스 기재 위에 커넥터를 형성하는 단계와; 상기 제1신축성 층 위에서 손목에 대응하는 위치에 칩을 삽입하는 단계와; 상기 3D 프린터를 이용하여, 상기 센서부, 상기 전극부 및 상기 칩이 구비된 상기 제1신축성 층 위에 상기 전도성 액체 금속보다 표면장력이 작은 제2신축성 소재를 프린팅하여 제2신축성 층을 형성하는 단계와; 상기 제2신축성 층이 굳으면, 레이저 커팅을 이용해 손 형상으로 재단하는 단계와; 상기 베이스 기재로부터 떼어내어, 상기 제1신축성 층과 상기 제2신축성 층 속에 상기 센서부, 상기 전극부 및 상기 칩이 내재되고, 상기 손 형상인 3차원 손가락 움직임 측정 시스템을 완성하는 단계를 포함한다.
본 발명의 다른 측면에 따른 3D 프린팅을 이용한 3차원 손가락 움직임 측정 시스템의 제조방법은, 3D 프린터를 이용하여, 베이스 기재 위에 제1신축성 소재를 프린팅하여 제1신축성 층을 형성하는 단계와; 상기 3D 프린터를 이용하여, 상기 제1신축성 층 위에 복수의 손가락들에 대응하는 위치에 굴곡과 신전을 측정하도록 설정된 제1채널 패턴으로 전도성 액체 금속을 프린팅하고, 상기 복수의 손가락들 사이에 대응하는 위치에는 내전과 외전을 측정하도록 설정된 제2채널 패턴으로 상기 전도성 액체 금속을 프린팅하여, 상기 손가락들의 움직임을 감지하는 센서부를 형성하는 단계와; 상기 3D 프린터를 이용하여, 상기 제1신축성 층 위에 전도성 페이스트를 프린팅하여 상기 센서부에 연결되는 전극부를 형성하는 단계와; 상기 3D 프린터를 이용하여, 상기 베이스 기재 위에 커넥터를 형성하는 단계와; 상기 제1신축성 층 위에서 상기 손가락들의 단부에 대응하는 위치에 진동자를 삽입하는 단계와; 상기 제1신축성 층 위에서 손목에 대응하는 위치에 칩을 삽입하는 단계와; 상기 3D 프린터를 이용하여, 상기 센서부, 상기 전극부, 상기 진동자 및 상기 칩이 구비된 상기 제1신축성 층 위에 상기 전도성 액체 금속보다 표면장력이 작은 제2신축성 소재를 프린팅하여 제2신축성 층을 형성하는 단계와; 상기 제2신축성 층이 굳으면, 레이저 커팅을 이용해 손 형상으로 재단하는 단계와; 상기 베이스 기재로부터 떼어내어, 상기 제1신축성 층과 상기 제2신축성 층 속에 상기 센서부, 상기 전극부, 상기 진동자 및 상기 칩이 내재되고, 상기 손 형상인 3차원 손가락 움직임 측정 시스템을 완성하는 단계를 포함하고, 상기 제1신축성 소재와 상기 제2신축성 소재는 동일하고, 상기 전도성 액체 금속보다 표면장력이 작은 소재인 실리콘 소재를 사용하고, 상기 커넥터는, 광경화성 수지를 프린팅하여 경화하는 폴리젯(Polyjet)방식으로 프린팅하고, 상기 칩은, FPCB(Flexible Printed Circuit Board), 모터 드라이버, 마이크로컨트롤 유닛 및 무선통신 유닛 중 적어도 하나를 포함한다.
본 발명에 따른3D 프린팅을 이용한 3차원 손가락 움직임 측정 시스템은, 3D 프린터를 이용하여 신축성 소재를 프린팅하여 형성된 신축성 시트와; 상기 신축성 시트의 내부에 구비되고, 상기 3D 프린터를 이용하여 전도성 액체 금속을 미리 설정된 채널 패턴으로 프린팅하여 형성된 센서부와; 상기 신축성 시트의 내부에 구비되어 상기 센서부와 연결되고, 상기 3D 프린터를 이용하여 전도성 페이스트를 프린팅하여 형성된 전극부와; 상기 신축성 시트의 내부에서 손가락의 단부에 위치하도록 삽입된 복수의 진동자들과; 상기 신축성 시트의 내부에서 손목에 대응하는 위치에 삽입된 칩을 포함하고, 상기 채널 패턴은, 상기 손가락들에 대응하는 위치에 굴곡과 신전을 측정하도록 프린팅된 제1채널 패턴과, 상기 복수의 손가락들 사이에 위치하여 내전과 외전을 측정하도록 프린팅된 제2채널 패턴을 포함한다.
본 발명에 따른 3D 프린팅을 이용한 3차원 손가락 움직임 측정 시스템은, 3D 프린터를 이용하여 센서부, 진동자, 칩 등이 내재된 신축성 시트를 한번에 제조할 수 있기 때문에, 손가락의 움직임을 측정할 수 있을 뿐만 아니라, 사용자에게 햅틱 진동 피드백을 전달할 수 있는 이점이 있을 뿐만 아니라, 신축성을 가질 수 있으면서도 제조가 용이한 이점이 있다.
또한, 몰드를 이용하여 제작하는 경우에 비해 비용이 절감되고, 두께를 보다 얇게 제작할 수 있으며, 다양한 크기와 형상으로 변경이 가능한 이점이 있다.
또한, CAD/CAM을 이용하여 다양한 채널 패턴을 용이하게 설계하고 변경할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 3D 프린팅을 이용한 3차원 손가락 움직임 측정 시스템이 도시된 사시도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 3D 프린팅을 이용한 3차원 손가락 움직임 측정 시스템이 도시된 단면도이다.
도 3은 도 2에 도시된 3차원 손가락 움직임 측정 시스템을 손가락에 착용한 상태가 도시된 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 3D 프린팅을 이용한 3차원 손가락 움직임 측정 시스템의 제조방법을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예 따른 3차원 손가락 움직임 측정 시스템을 손가락에 착용한 상태가 도시된 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대해 설명하면, 다음과 같다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 3D 프린팅을 이용한 3차원 손가락 움직임 측정 시스템이 도시된 사시도이다. 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 3D 프린팅을 이용한 3차원 손가락 움직임 측정 시스템이 도시된 단면도이다. 도 3은 도 2에 도시된 3차원 손가락 움직임 측정 시스템을 손가락에 착용한 상태가 도시된 도면이다. 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 3D 프린팅을 이용한 3차원 손가락 움직임 측정 시스템의 제조방법을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 1 내지 도 4를 참조하면, 3D 프린팅을 이용한 3차원 손가락 움직임 측정 시스템은, 신축성 시트(10)와, 센서부(20), 전극부(30), 진동자(40) 및 칩(50)을 포함한다.
상기 신축성 시트(10)는, 3D 프린터(100)를 이용하여 신축성 소재를 프린팅하여 형성된 시트이다. 상기 신축성 시트(10)는, 손 모양에 대응되는 형상으로 형성된다. 본 실시예에서는, 상기 신축성 시트(10)는, 손등이나 장갑 등에 부착가능하도록 손 모양으로 형성되고 시트 형상으로 형성된 것으로 예를 들어 설명하나, 이에 한정되지 않고, 손을 끼울 수 있는 장갑 형태로 3D 프린팅되는 것도 물론 가능하다. 상기 신축성 시트(10)는, 원하는 형상보다 큰 원형이나 사각형 형상으로 3D 프린팅된 후 레이저 커팅에 의해 원하는 형상으로 재단될 수 있다.
상기 신축성 시트(10)는, 제1신축성 층(11)과 제2신축성 층(12)을 포함한다.
상기 제1신축성 층(11)과 상기 제2신축성 층(12)은 별도로 형성되며, 상하방향으로 적층된 구조이다.
상기 제1신축성 층(11)은, 제1신축성 소재를 도포하여 상기 제1신축성 소재가 굳어져 형성된 층이다. 상기 제1신축성 소재는, 신축성과 유연성을 갖는 비전도성 물질이다. 상기 제1신축성 소재는, 실리콘을 사용하는 것으로 예를 들어 설명한다.
상기 제2신축성 층(12)은, 제2신축성 소재를 도포하여 상기 제2신축성 소재가 굳어져서 형성된 층이다. 상기 제2신축성 소재는, 신축성과 유연성을 갖는 비전도성 물질이다. 상기 제2신축성 소재는, 상기 마이크로 채널(20)을 형성하는 전도성 액체 금속(21)보다 표면 장력이 작은 물질이 사용된다. 본 실시예에서는, 상기 제2신축성 소재는 실리콘을 사용하고, 상기 제1신축성 소재와 상기 제2신축성 소재는 동일한 소재인 것으로 예를 들어 설명한다. 상기 제1신축성 소재와 상기 제2신축성 소재를 동일한 실리콘을 사용할 경우, 실리콘이 단일(monolithic)의 시트로 굳어질 수 있다. 다만, 이에 한정되지 않고, 상기 제2신축성 소재는 상기 전도성 액체 금속(21)보다 표면 장력이 작으면서 신축성과 유연성을 갖는 소재라면 어느 것이나 사용할 수 있다.
상기 센서부(20)는, 상기 신축성 시트(10)의 내부에 구비된다. 즉, 상기 센서부(20)는, 상기 제1신축성 층(11)과 상기 제2신축성 층(12)사이에 형성된다.
상기 센서부(20)는, 상기 3D 프린터(100)를 이용하여 전도성 액체 금속을 미리 설정된 채널 패턴으로 프린팅하여 형성된다. 상기 전도성 액체 금속은 상기 신축성 시트(10)내에서 액체 상태를 유지할 수 있다.
상기 전도성 액체 금속은, 상온에서 액체 상태를 유지하며, 전도성을 갖는 금속을 사용한다. 상기 전도성 액체 금속은, 공정 갈륨-인듐 합금(EGaIn, Eutetic Gallium-Indium)을 사용하는 것으로 예를 들어 설명한다. 다만, 이에 한정되지 않고, 상기 전도성 액체 금속은, 공정 갈륨-인듐 합금, Gallinstan, 카본 전도성 그리스(carbon conductive grease) 등과 같이 프린팅 후 형상을 유지할 수 있는 구조적 안정성을 가지는 전도성 액체 금속이라면 사용가능하다.
상기 공정 갈륨-인듐 합금은, 갈륨(Ga)이 75.5wt%와 인듐(In)이 24.5wt%를 포함한다. 상기 EGaIn는 약 15.7℃에서 녹아서 상온에서는 액체 상태를 유지할 수 있다. 또한, 상기 EGaIn은 3.4 x 104S/cm수준의 전도성을 가져 전도성이 매우 높고, 점도가 낮아 잘 흐르며, 표면의 산화막으로 인해 높은 표면장력을 갖는다. 상기 EGaIn는 표면장력이 높기 때문에, 원하는 패턴으로 3D 프린팅시 형태를 유지하는 장점이 있어 마이크로 크기의 상기 채널 패턴을 형성하는 것이 용이하다. 또한, 별도의 화학적 처리 없이도 CNC 설비에 결합된 주사기를 통해 주사하여 원하는 패턴으로 직접 프린팅하는 것이 가능하다.
상기 센서부(20)는, 상기 전도성 액체 금속으로 형성됨으로써 충분한 신축성을 가질 수 있다.
상기 채널 패턴은, 손가락들에 대응하는 위치에 굴곡과 신전을 측정하도록 프린팅된 제1채널 패턴(21)과, 상기 복수의 손가락들 사이에 위치하여 내전과 외전을 측정하도록 프린팅된 제2채널 패턴(22)을 포함한다.
상기 제1채널 패턴(21)은, 상기 손가락들의 길이방향으로 길게 형성되어, 손가락들의 굴곡과 신전을 측정하는 센서 역할을 한다. 상기 제2채널 패턴(22)은, 상기 손가락들의 길이방향에 수직하거나 상기 손가락들의 내,외전 방향으로 길게 형성되어, 상기 손가락들의 내전과 외전을 측정하는 센서 역할을 한다.
상기 제1,2채널 패턴(21)(22)은, 상기 손가락들의 움직임에 따라 길이, 높이 및 폭이 변화하여 저항이 변화하게 되므로, 저항의 변화를 측정하여 상기 손가락의 움직임을 측정할 수 있다.
상기 제1,2채널 패턴(21)(22)의 저항 변화를 통해 상기 손가락의 움직임을 측정하는 방법은 한국등록특허 10-1740308호에 개시되어 있다.
상기 전극부(30)는, 상기 신축성 시트(10)의 내부에 구비되고 상기 센서부(20)와 연결된다. 상기 전극부(30)는, 상기 3D 프린터(100)를 이용하여 상기 제1신축성 층(11)위에 전도성 페이스트를 프린팅하여 형성된다. 본 실시예에서는, 상기 전도성 페이스트는 페이스트(silver paste)를 사용하는 것으로 예를 들어 설명한다. 상기 전극부(30)는, 상기 제1채널 패턴(21)의 양단부와, 상기 제2채널 패턴(22)의 양단부에 각각 형성된다.
상기 신축성 시트(10), 상기 센서부(20) 및 상기 전극부(30)가 3D 프린팅 소프트 센서를 이룬다.
상기 진동자(40)는, 상기 신축성 시트(10)의 내부에 삽입된다. 상기 진동자(40)는, 상기 손가락의 단부에 대응되는 위치에 인서트 프린트 방식으로 삽입된다. 즉, 상기 진동자(40)는, 상기 제1신축성 층(11)위에 삽입된 후, 상기 제2신축성 층(12)으로 덮히게 된다. 상기 진동자(40)는, 상기 손가락의 단부 중에서 지문이 형성된 안쪽에 대응되도록 배치된다.
도 3을 참조하면, 본 실시예에서는, 상기 신축성 시트(10)는 손가락의 길이보다 길게 형성되어 상기 손가락의 단부를 감싸면서 착용되어, 상기 진동자(40)가 상기 손가락의 단부 안쪽에 배치될 수 있다.
상기 진동자(40)는, 소형의 진동 모터를 사용하는 것으로 예를 들어 설명하고, 진동의 세기를 복수의 단계로 조절가능한 진동 모터를 사용한다. 상기 진동자(40)는 후술하는 모터 드라이버(52)와 전선 등으로 연결된다.
상기 칩(50)은, 상기 신축성 시트(10)의 내부에서 손목에 대응하는 위치에 삽입된다. 상기 칩(50)은, 인서트 프린트 방식에 의해 삽입된다. 즉, 상기 칩(50)은, 상기 제1신축성 층(11)이 프린팅되어 형성된 이후, 삽입된다.
상기 칩(50)은, FPCB(Flexible Printed Circuit Board)(51), 모터 드라이버(52), 마이크로컨트롤 유닛(53), 무선통신유닛(미도시)을 포함한다.
상기 모터 드라이버(52)는, 상기 진동자(40)를 구동시키기 위한 구동장치이다.
상기 마이크로컨트롤 유닛(53)은, 상기 센서부(20)와 상기 진동자(40) 등의 작동을 제어하는 유닛이다.
상기 무선통신유닛(미도시)은, 외부 단말기와 블루투스 등의 무선 통신을 위해 통신한다.
상기 FPCB(51)에는 배터리(54)가 더 구비될 수 있다.
한편, 상기 3차원 손가락 움직임 측정 시스템은, 손가락 착용부(60)와 손목 착용부(70)를 더 포함한다.
상기 손가락 착용부(60)는, 상기 신축성 시트(10)와 별도로 제작된 후 부착될 수 있다. 상기 손가락 착용부(60)는, 상기 3D 프린터(100)를 이용하고 상기 신축성 소재를 프린팅하여 형성된다. 다만, 이에 한정되지 않고, 상기 손가락 착용부(60)는 상기 신축성 소재와 다른 소재로 형성되거나, 상기 3D 프린터(100)를 이용하지 않고 벨크로 등 다른 소재를 이용하여 다른 방법으로 형성되는 것도 물론 가능하다.
상기 손가락 착용부(60)는, 골무 형상으로 형성된 것으로 예를 들어 설명하나, 이에 한정되지 않고 상기 손가락의 단부를 끼울 수 있는 형상이라면 어느 것이나 가능하다.
상기 손목 착용부(70)는, 상기 신축성 시트(10)와 별도로 제작된 후, 상기 신축성 시트(10)에서 상기 손목에 대응되는 위치에 부착된다.
상기 손목 착용부(70)는, 상기 3D 프린터(100)를 이용하고 상기 신축성 소재를 프린팅하여 형성된다. 다만, 이에 한정되지 않고, 상기 손목 착용부(70)는 상기 신축성 소재와 다른 소재로 형성되거나, 상기 3D 프린터(100)를 이용하지 않고 벨크로 등 다른 소재를 이용하여 다른 방법으로 형성되는 것도 물론 가능하다.
상기 손목 착용부(70)는, 링 형상으로 형성된 것으로 예를 들어 설명하나, 이에 한정되지 않고 상기 손목을 끼울 수 있는 형상이라면 어느 것이나 가능하다.
본 실시예에서는, 상기 손가락 착용부(60)와 상기 손목 착용부(70)가 별도로 제작된 후 결합되는 것으로 예를 들어 설명하였으나, 이에 한정되지 않고 상기 손가락 착용부(60)와 상기 손목 착용부(70)가 하나의 장갑인 것도 물론 가능하다.
상기와 같이 구성된 3차원 손가락 움직임 측정 시스템의 제조방법을 설명하면, 다음과 같다.
도 4를 참조하면, 도 1에 도시된 3차원 손가락 움직임 측정 시스템의 구조 및 형상을 단순화하여 나타내고 있다.
도 4a를 참조하면, 상기 3D 프린터(100)를 이용하여, 베이스 기재(2) 위에 상기 제1신축성 소재를 도포한다. 상기 제1신축성 소재를 도포한 후, 설정시간이 경과하면 상기 제1신축성 소재가 굳어져서 상기 제1신축성 층(11)이 형성된다. 도 4a에서는 상기 제1신축성 층(11)이 단면이 사각형 형상으로 이루어진 것으로 예를 들어 설명하나, 이에 한정되지 않고 다양한 크기와 형상으로 형성이 가능하다.
상기 3D 프린터(100)에는 상기 제1신축성 소재가 들어 있는 제1주사기(101)와, 상기 전도성 액체 금속이 들어있는 제2주사기(102), 상기 은 페이스트가 들어 있는 제3주사기(103) 및 폴리 젯(Polyjet) 헤드(104)이 구비된다. 상기 제1,2,3주사기(101)(102)(103) 및 폴리 젯 헤드(104)는, CNC 설비에 결합되고, 3축 방향으로 이동가능하도록 제어된다. 상기 3D 프린터(100)는 3축 제어기, 주사 제어기, 현미경 등을 더 포함할 수 있다.
여기서, 상기 베이스 기재(2)는 유리 웨이퍼를 사용할 수 있다.
상기 제1신축성 층(11)은 두께가 매우 얇고 신축성이 좋기 때문에, 다양한 형상 및 크기로 제작이 가능하고, 원하는 형상에 맞게 잘라서 사용이 가능하다.
도 4b를 참조하면, 상기 제1신축성 층(11) 위에 상기 제2주사기(102)를 이용하여 상기 전도성 액체 금속을 주사한다.
상기 제2주사기(102)는, 미리 설정된 채널 패턴을 프린팅하도록 미리 설정된 경로로 이동하면서 상기 전도성 액체 금속을 주사한다.
도 4b에서는 상기 채널 패턴을 단순화하여 표시하고 있으나, 본 발명에 따른 3차원 손가락 움직임 시스템의 제조시 도 1에 도시된 제1,2채널 패턴(21)(22)으로 프린팅할 수 있다. 즉, 상기 손가락들에 대응하는 위치에는 굴곡과 신전을 측정하도록 상기 제1채널 패턴(21)을 프린팅하고, 상기 손가락들 사이에 대응하는 위치에는 내전과 외전을 측정하도록 상기 제2채널 패턴(22)을 프린팅할 수 있다.
상기 채널 패턴은, 사용자가 CAD를 이용하여 원하는 마이크로 채널의 패턴으로 설계한다. 상기 채널 패턴을 CAD를 이용하여 설계하기 때문에, 다양한 형상, 크기 및 개수로 설계가 용이하고, 수정도 용이하다. 상기 채널 패턴의 형상, 크기 및 개수는 소프트 센서의 용도, 크기 등에 따라 설정된다.
상기 채널 패턴을 설계한 후, CAM을 이용하여 G코드를 생성하고, 시뮬레이터를 이용하여 G코드를 수정한 후, 상기 3축 제어기에 전달된다. 따라서, 상기 채널 패턴은, CAD/CAM을 이용하여 설계 및 수정이 용이한 이점이 있다. 또한, 상기 채널 패턴을 형성하기 위한 별도의 몰드를 제작할 필요가 없는 이점이 있다.
상기 제2주사기(102)로 상기 전도성 액체 금속을 주사시 공정 변수의 조절을 통해 상기 마이크로 채널의 형상, 크기 및 상기 소프트 센서의 특성을 조절할 수 있다. 상기 공정 변수는, 상기 제2주사기(102)의 바늘의 내경, 주사 압력, 상기 제2주사기(102)와 상기 제1신축성 층(11)사이의 거리, 상기 제2주사기(102)의 이송 속도를 포함한다. 상기 공정 변수들을 적절히 조합하여, 원하는 마이크로 채널의 형상, 크기 및 소프트 센서의 특성을 조절할 수 있다. 상기 공정 변수들은, 사용자가 직접 설정하거나, 미리 설정된 프로그램에 의해 최적의 조건으로 설정되는 것도 가능하다.
상기 제2주사기(102)의 바늘의 내경이 작을수록 상기 센서부(20)의 단면의 폭과 높이가 작아진다. 상기 센서부(20)의 단면의 폭과 높이에 따라 상기 센서부(20)의 성능이 변화될 수 있다. 상기 폭과 높이가 작을수록 상기 센서부(20)의 민감도는 증가한다.
상기 제2주사기(102)에서 상기 전도성 액체 금속을 주사하는 압력이 높을수록 상기 센서부(20)의 단면의 폭과 높이가 커진다. 상기 제2주사기(102)의 압력은 상기 주사 제어기에 의해 제어된다. 상기 전도성 액체 금속을 주사하는 압력이 높을수록 상기 센서부(20)의 단면의 폭과 높이가 커진다.
상기 제2주사기(102)와 상기 제1신축성 층(11)사이의 거리가 가까울수록 상기 제2주사기(102)의 바늘의 단부에 맺힌 상기 전도성 액체 금속의 방울(droplet)이 상기 제1신축성 층(11)에 접하는 면적이 달라진다. 상기 제2주사기(102)와 상기 제1신축성 층(11)사이의 거리가 가까울수록 상기 방울 크기가 커지므로, 상기 센서부(20)의 단면의 폭이 커진다. 상기 제2주사기(102)와 상기 제1신축성 층(11)사이의 거리는 상기 3축 제어기가 상기 제2주사기(102)의 높이를 조절하여 제어할 수 있다.
상기 제2주사기(102)의 이송 속도가 빠를수록 상기 센서부(20)의 단면의 높이가 작아진다. 상기 제2주사기(102)의 이송 속도는 상기 3축 제어기에 의해 제어된다.
도 4c를 참조하면, 상기 센서부(20)가 형성된 상기 제1신축성 층(11)위에 상기 제3주사기(103)를 이용하여 상기 은 페이스트를 프린팅하여, 상기 센서부(20)에 연결되는 상기 전극부(30)를 형성한다.
도 4d를 참조하면, 상기 베이스 기재(2)위에서 상기 제1신축성 층(11)과 접하는 위치에 상기 폴리 젯 헤드(104)을 이용하여 커넥터(70)를 형성한다. 상기 폴리 젯 헤드(104)을 이용한 폴리젯 방식 프린팅은, 광경화성 수지를 프린팅하고 광 경화하는 방식이다.
도 4e를 참조하면, 상기 제1신축성 층(11)위에서 상기 칩(50)을 삽입한다. 도 4e에서는 상기 재1신축성 층(11)과 상기 센서부(20)를 개략화하여 나타내고 있지만, 도 1에 도시된 3차원 손가락 움직임 측정 시스템의 제조시 상기 칩(50)은 상기 제1신축성 층(11)위에서 상기 손목에 대응하는 위치에 삽입될 수 있다.
또한, 상기 제1신축성 층(11)위에서 상기 진동자(40)를 삽입한다.
도 4e에서는 상기 재1신축성 층(11)과 상기 센서부(20)를 개략화하여 나타내고 있지만, 도 1에 도시된 3차원 손가락 움직임 측정 시스템의 제조시 상기 진동자(40)는 상기 제1신축성 층(11)위에서 상기 손가락의 단부에 대응하는 위치에 삽입될 수 있다.
도 4f를 참조하면, 상기 3D 프린터(100)를 이용하여, 상기 센서부(20), 상기 전극부(30), 상기 진동자(40) 및 상기 칩(50)이 구비된 상기 제1신축성 층(11)위에 제2신축성 소재를 프린팅하여 상기 제2신축성 층(12)을 형성한다.
여기서, 상기 제2신축성 소재는 상기 제1신축성 소재와 동일한 소재인 실리콘을 사용하는 것으로 예를 들어 설명한다. 상기 제1,2신축성 소재는, 상기 전도성 액체 금속보다 표면장력이 작은 소재가 사용된다.
이 때, 상기 센서부(20)는 상기 전도성 액체 금속이 액체 상태를 유지하고 있으나 표면장력이 매우 크기 때문에, 액체 상태의 상기 센서부(20)위에 상대적으로 표면장력이 작은 상기 제2신축성 소재를 도포하면, 상기 제2신축성 소재와 상기 전도성 액체 금속이 혼합되지 않는다. 따라서, 상기 센서부(20)의 채널 패턴이 유지되면서 상기 제2신축성 소재로 덮히게 된다.
도 4f를 참조하면, 상기 커넥터(70)를 제외한 나머지 부분이 상기 제2신축성 층(12)으로 덮히는 것을 알 수 있다. 다만, 이에 한정되지 않고, 상기 칩(50)을 노출시키는 것도 물론 가능하다.
이후, 상기 제2신축성 층(12)이 굳으면, 레이저 커팅을 이용해 원하는 형상으로 재단할 수 있다.
도 4에서는 상기 신축성 시트(10)의 형상을 단순화하여 나타내었으나, 도 1에 도시된 제1,2채널 패턴(21)(22)을 포함하는 신축성 시트(10)를 형성한 후, 레이저 커팅을 이용해 손이나 장갑 형상으로 재단할 수 있다.
상기 재단이 완료된 이후, 상기 베이스 기재(2)로부터 떼어내어 상기 3차원 손가락 움직임 측정 시스템을 완성할 수 있다.
상기와 같은 방법으로 제작된 상기 3차원 손가락 움직임 측정 시스템은, 상기 3D 소프트 센서와 상기 진동자(40) 및 상기 칩(50)이 일련의 공정을 통해 한번에 제작될 수 있다.
상기 3차원 손가락 움직임 측정 시스템은, 상기 제1신축성 층(11)과 상기 제2신축성 층(12)사이에서 상기 센서부(20)가 액체 상태를 유지하기 때문에, 상기 센서부(20)의 신축성이 유지될 수 있다.
또한, 상기 3D 프린터(100)를 이용함으로써, 크기에 제약을 받지 않으며 센서의 두께가 매우 얇고 신축성을 가지기 때문에, 다양한 개수와 형상의 센서부(20)를 형성하는 것이 가능하기 때문에, 다양한 크기를 가지고 복잡한 움직임을 가지는 어깨, 발목, 손목, 손가락 등 관절에도 적용이 용이하다.
또한, 몰드를 이용하여 제작하는 경우에 비해 두께를 얇게 제작할 수 있다.
또한, CAD/CAM을 이용하여 다양한 채널 패턴을 용이하게 설계하고 변경할 수 있다.
또한, 제1,2신축성 층(11)(12)의 형성시 상기 칩(50), 상기 진동자(40), 전선 등을 인서트 프린팅 방식으로 삽입하여 제작함으로써, 제작이 보다 용이해질 수 있다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예 따른 3차원 손가락 움직임 측정 시스템을 손가락에 착용한 상태가 도시된 도면이다.
도 5를 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 3차원 손가락 움직임 측정 시스템은, 상기 센서부(20)가 내재된 상기 신축성 시트(10)와, 진동자(140)가 구비된 손가락 착용부(160)가 별도로 제조되는 점이 상기 제1실시예와 상이하고, 그 외 나머지 구성 및 작용은 유사하므로, 상이한 구성에 대해서만 상세히 설명하고, 유사 구성에 대해 동일 부호를 사용하고 상세한 설명은 생략한다.
상기 신축성 시트(10)와 상기 손가락 착용부(160)는 각각 상기 3D 프린터(100)를 이용하여 제조된다.
상기 신축성 시트(10)는, 상기 제1신축성 소재를 프린팅하여, 손등에 부착가능한 형상으로 형성된다.
상기 손가락 착용부(160)는, 상기 제1신축성 소재를 프린팅하여 상기 손가락의 단부가 끼워지도록 골무 형상으로 형성된다. 상기 손가락 착용부(160)는, 상기 신축성 시트(10)의 하면에 부착되어 결합된다.
상기 진동자(140)는, 상기 제1신축성 소재를 프린팅시 삽입된다.
본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.
10: 신축성 시트 11: 제1신축성 층
12: 제2신축성 층 20: 센서부
21: 제1채널 패턴 22: 제2채널 패턴
30: 전극부 40: 진동자
50: 칩 60: 손가락 착용부
70: 손목 착용부

Claims (20)

  1. 3D 프린터를 이용하여, 베이스 기재 위에 제1신축성 소재를 프린팅하여 제1신축성 층을 형성하는 단계와;
    상기 3D 프린터를 이용하여, 상기 제1신축성 층 위에 복수의 손가락들에 대응하는 위치에 굴곡과 신전을 측정하도록 설정된 제1채널 패턴으로 전도성 액체 금속을 프린팅하고, 상기 복수의 손가락들 사이에 대응하는 위치에는 내전과 외전을 측정하도록 설정된 제2채널 패턴으로 상기 전도성 액체 금속을 프린팅하여, 상기 손가락들의 움직임을 감지하는 센서부를 형성하는 단계와;
    상기 3D 프린터를 이용하여, 상기 제1신축성 층 위에 전도성 페이스트를 프린팅하여 상기 센서부에 연결되는 전극부를 형성하는 단계와;
    상기 3D 프린터를 이용하여, 상기 베이스 기재 위에 커넥터를 형성하는 단계와;
    상기 제1신축성 층 위에서 손목에 대응하는 위치에 칩을 삽입하는 단계와;
    상기 3D 프린터를 이용하여, 상기 센서부, 상기 전극부 및 상기 칩이 구비된 상기 제1신축성 층 위에 상기 전도성 액체 금속보다 표면장력이 작은 제2신축성 소재를 프린팅하여 제2신축성 층을 형성하는 단계와;
    상기 제2신축성 층이 굳으면, 레이저 커팅을 이용해 손 형상으로 재단하는 단계와;
    상기 베이스 기재로부터 떼어내어, 상기 제1신축성 층과 상기 제2신축성 층 속에 상기 센서부, 상기 전극부 및 상기 칩이 내재되고, 상기 손 형상인 3차원 손가락 움직임 측정 시스템을 완성하는 단계를 포함하는 3D 프린팅을 이용한 3차원 손가락 움직임 측정 시스템의 제조방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 제2신축성 층을 형성하기 이전에, 상기 제1신축성 층 위에서 상기 손가락들의 단부에 대응하는 위치에 진동자를 삽입하는 단계를 더 포함하는 3D 프린팅을 이용한 3차원 손가락 움직임 측정 시스템의 제조방법.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 3D 프린터를 이용하고, 상기 제1신축성 소재를 프린팅하여 상기 손가락의 단부가 끼워지도록 손가락 착용부를 형성하는 단계와;
    상기 손가락 착용부를 상기 제1신축성 층에 부착하는 단계를 더 포함하고,
    상기 손가락 착용부를 프린팅시 진동자를 삽입하는 3D 프린팅을 이용한 3차원 손가락 움직임 측정 시스템의 제조방법.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1신축성 소재와 상기 제2신축성 소재는 동일한 소재를 사용하고, 상기 전도성 액체 금속보다 표면장력이 작은 소재를 사용하는 3D 프린팅을 이용한 3차원 손가락 움직임 측정 시스템의 제조방법.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1신축성 소재와 상기 제2신축성 소재는 실리콘 소재인 3D 프린팅을 이용한 3차원 손가락 움직임 측정 시스템의 제조방법.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 전도성 액체 금속은, 공정 갈륨-인듐 합금(EGaIn, Eutectic Gallium-Indium), Gallinstan, 카본 전도성 그리스(carbon conductive grease) 중 적어도 하나를 사용하는 3D 프린팅을 이용한 3차원 손가락 움직임 측정 시스템의 제조방법.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1,2채널 패턴은,
    CAD를 이용하여 설계된 후, CAM을 이용하여 코드화되어, 상기 3D 프린터에 전달되는 3D 프린팅을 이용한 3차원 손가락 움직임 측정 시스템의 제조방법.
  8. 청구항 1에 있어서,
    상기 커넥터는,
    광경화성 수지를 프린팅하여 경화하는 폴리젯(Polyjet)방식으로 프린팅하는 3D 프린팅을 이용한 3차원 손가락 움직임 측정 시스템의 제조방법.
  9. 청구항 1에 있어서,
    상기 칩은, FPCB(Flexible Printed Circuit Board), 모터 드라이버, 마이크로컨트롤 유닛 및 무선통신 유닛 중 적어도 하나를 포함하는 3D 프린팅을 이용한 3차원 손가락 움직임 측정 시스템의 제조방법.
  10. 청구항 1에 있어서,
    상기 3D 프린터를 이용하고, 상기 제1신축성 소재를 프린팅하여 상기 손목이 끼워지도록 손목 착용부를 형성하는 단계와;
    상기 손목 착용부를 상기 제1신축성 층에 부착하는 단계를 더 포함하는 3D 프린팅을 이용한 3차원 손가락 움직임 측정 시스템의 제조방법.
  11. 3D 프린터를 이용하여, 베이스 기재 위에 제1신축성 소재를 프린팅하여 제1신축성 층을 형성하는 단계와;
    상기 3D 프린터를 이용하여, 상기 제1신축성 층 위에 복수의 손가락들에 대응하는 위치에 굴곡과 신전을 측정하도록 설정된 제1채널 패턴으로 전도성 액체 금속을 프린팅하고, 상기 복수의 손가락들 사이에 대응하는 위치에는 내전과 외전을 측정하도록 설정된 제2채널 패턴으로 상기 전도성 액체 금속을 프린팅하여, 상기 손가락들의 움직임을 감지하는 센서부를 형성하는 단계와;
    상기 3D 프린터를 이용하여, 상기 제1신축성 층 위에 전도성 페이스트를 프린팅하여 상기 센서부에 연결되는 전극부를 형성하는 단계와;
    상기 3D 프린터를 이용하여, 상기 베이스 기재 위에 커넥터를 형성하는 단계와;
    상기 제1신축성 층 위에서 상기 손가락들의 단부에 대응하는 위치에 진동자를 삽입하는 단계와;
    상기 제1신축성 층 위에서 손목에 대응하는 위치에 칩을 삽입하는 단계와;
    상기 3D 프린터를 이용하여, 상기 센서부, 상기 전극부, 상기 진동자 및 상기 칩이 구비된 상기 제1신축성 층 위에 상기 전도성 액체 금속보다 표면장력이 작은 제2신축성 소재를 프린팅하여 제2신축성 층을 형성하는 단계와;
    상기 제2신축성 층이 굳으면, 레이저 커팅을 이용해 손 형상으로 재단하는 단계와;
    상기 베이스 기재로부터 떼어내어, 상기 제1신축성 층과 상기 제2신축성 층 속에 상기 센서부, 상기 전극부, 상기 진동자 및 상기 칩이 내재되고, 상기 손 형상인 3차원 손가락 움직임 측정 시스템을 완성하는 단계를 포함하고,
    상기 제1신축성 소재와 상기 제2신축성 소재는 동일하고, 상기 전도성 액체 금속보다 표면장력이 작은 소재인 실리콘 소재를 사용하고,
    상기 커넥터는, 광경화성 수지를 프린팅하여 경화하는 폴리젯(Polyjet)방식으로 프린팅하고,
    상기 칩은, FPCB(Flexible Printed Circuit Board), 모터 드라이버, 마이크로컨트롤 유닛 및 무선통신 유닛 중 적어도 하나를 포함하는 3D 프린팅을 이용한 3차원 손가락 움직임 측정 시스템의 제조방법.
  12. 3D 프린터를 이용하여 신축성 소재를 프린팅하여 형성된 신축성 시트와;
    상기 신축성 시트의 내부에 구비되고, 상기 3D 프린터를 이용하여 전도성 액체 금속을 미리 설정된 채널 패턴으로 프린팅하여 형성된 센서부와;
    상기 신축성 시트의 내부에 구비되어 상기 센서부와 연결되고, 상기 3D 프린터를 이용하여 전도성 페이스트를 프린팅하여 형성된 전극부와;
    상기 신축성 시트의 내부에서 손가락의 단부에 위치하도록 삽입된 복수의 진동자들과;
    상기 신축성 시트의 내부에서 손목에 대응하는 위치에 삽입된 칩을 포함하고,
    상기 채널 패턴은, 상기 손가락들에 대응하는 위치에 굴곡과 신전을 측정하도록 프린팅된 제1채널 패턴과, 상기 복수의 손가락들 사이에 위치하여 내전과 외전을 측정하도록 프린팅된 제2채널 패턴을 포함하는 3D 프린팅을 이용한 3차원 손가락 움직임 측정 시스템.
  13. 청구항 12에 있어서,
    상기 신축성 시트는, 손과 장갑 중 적어도 하나에 부착가능하도록 손 형상으로 레이저 커팅되어 형성된 3D 프린팅을 이용한 3차원 손가락 움직임 측정 시스템.
  14. 청구항 12에 있어서,
    상기 신축성 시트는, 제1신축성 소재로 형성된 제1신축성 층과, 상기 제1신축성 층 위에 적층 형성되고 제2신축성 소재로 형성된 제2신축성 층을 포함하고,
    상기 제1신축성 소재와 상기 제2신축성 소재는 동일한 소재를 사용하고, 상기 전도성 액체 금속보다 표면장력이 작은 소재를 사용하는 3D 프린팅을 이용한 3차원 손가락 움직임 측정 시스템.
  15. 청구항 14에 있어서,
    상기 제1신축성 소재와 상기 제2신축성 소재는 실리콘 소재인 3D 프린팅을 이용한 3차원 손가락 움직임 측정 시스템.
  16. 청구항 11에 있어서,
    상기 전도성 액체 금속은, 공정 갈륨-인듐 합금(EGaIn, Eutectic Gallium-Indium), Gallinstan, 카본 전도성 그리스(carbon conductive grease) 중 적어도 하나를 사용하는 3D 프린팅을 이용한 3차원 손가락 움직임 측정 시스템.
  17. 청구항 12에 있어서,
    상기 칩은, FPCB(Flexible Printed Circuit Board), 모터 드라이버, 마이크로컨트롤 유닛, 무선통신 유닛 중 적어도 하나를 포함하는 3D 프린팅을 이용한 3차원 손가락 움직임 측정 시스템.
  18. 청구항 11에 있어서,
    상기 센서부와 연결되게 구비되고, 상기 3D 프린터를 이용하여 광경화성 수지를 프린팅하여 형성된 커넥터를 더 포함하는 3D 프린팅을 이용한 3차원 손가락 움직임 측정 시스템.
  19. 청구항 12에 있어서,
    상기 3D 프린터를 이용하고 상기 신축성 소재를 프린팅하여 상기 손가락의 단부가 끼워지도록 형성된 손가락 착용부를 더 포함하는 3D 프린팅을 이용한 3차원 손가락 움직임 측정 시스템.
  20. 청구항 12에 있어서,
    상기 3D 프린터를 이용하고 상기 신축성 소재를 프린팅하여 상기 손목이 끼워지도록 형성된 손목 착용부를 더 포함하는 3D 프린팅을 이용한 3차원 손가락 움직임 측정 시스템.
KR1020170070591A 2017-06-07 2017-06-07 3d 프린팅을 이용한 3차원 손가락 움직임 측정 시스템과 이의 제조방법 KR101951867B1 (ko)

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