KR20190061641A - 3d 프린팅 기술을 이용한 스트레인 게이지의 제조방법 - Google Patents

3d 프린팅 기술을 이용한 스트레인 게이지의 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 3D 프린팅 기술을 이용한 스트레인 게이지의 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 3D 프린팅 기술을 활용하여 전도성 소재와 같은 저항 재료를 자유 곡면의 구조물 표면에 프린팅함으로써 구조물의 형상 변화를 평가할 수 있는 스트레인 게이지의 제조방법에 관한 것이다.
본 발명에 따르면, 필름 기반의 스트레인 게이지(Strain gauge)가 적용될 수 없는 자유 곡면을 갖는 구조물의 변형을 평가할 수 있기 때문에 자동차, 항공기, 선박, 로봇 등 자유 곡면으로 이루어진 구조물의 변형을 모니터링할 수 있다.
또한, 자유 곡면의 구조물에 균일하게 프린팅 공정이 가능하기 때문에 다양한 모양과 크기를 갖는 인체에 맞춤형 센서를 제조할 수 있어 웨어러블 분야에도 응용이 가능하다.

Description

3D 프린팅 기술을 이용한 스트레인 게이지의 제조방법{Manufacturing method of strain gauge using 3D printing}
본 발명은 3D 프린팅 기술을 이용한 스트레인 게이지의 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 3D 프린팅 기술을 활용하여 전도성 소재와 같은 저항 재료를 자유 곡면의 구조물 표면에 프린팅함으로써 구조물의 형상 변화를 평가할 수 있는 스트레인 게이지의 제조방법에 관한 것이다.
스트레인 게이지는 어느 물체가 인장 또는 압축을 받을 때 원래의 길이에서 늘어나거나 줄어든 길이를 비율로 표시한 값인 스트레인에 의하여 구조물이 변형되는 상태와 그 양을 측정하기 위하여 구조물의 표면에 부착하는 게이지이다. 즉, 스트레인 게이지는 구조물의 변형을 측정하기 위해 특정 부분에 부착하여 사용되고 있으며, 변형에 따른 저항의 변화를 측정하여 구조물의 상태를 모니터링할 수 있다.
이러한 스트레인 게이지는 구조물이 변형되는 양을 저항으로 변화하여 측정하는 전기식 스트레인 게이지와 변형되는 구조물의 거리변화를 기계적으로 측정하는 기계식 스트레인 게이지가 있다.
전기식 스트레인 게이지의 소자는 저항 변화가 큰 금속을 사용하는데, 저항 변화가 큰 금속을 사용하는 경우 절연체 위에 와이어 또는 포일 형태로 저항선을 만들어서 저항을 측정한다.
변형에 따른 저항변화를 이용하여 구조물의 변형정도를 측정하는 종래의 스트레인 게이지(strain gauge)는 Cu, Cr, Ni, W 등의 금속을 2차원 필름 위에 증착한 후 패터닝 공정을 통해 제작되고 있다.
종래 선행기술로서, 대한민국 공개특허 제2010-0010857호는 나노 소재의 메탈막을 이용한 스트레인 게이지에 관한 것으로, 외력에 의하여 원하는 정도로 휘어질 수 있는 재료로 된 기판(10), 상기 기판(10)과 접하여 또는 아이솔레이션막(11)을 개재하여 상기 기판(10)의 상부측에 형성되며, 나노 소재의 메탈막으로 된 저항체(12), 상기 저항체(12)와 접속되며, 외부와의 전기적 연결을 위한 패드(14)로 구성되고, 잉크젯 프린팅이나 스크린 프린팅으로 스트레인 게이지의 저항체를 형성할 수 있는 금속 스트레인 게이지를 제조하는 방법을 개시하고 있다.
그러나, 상기 특허와 같은 종래의 필름 타입의 스트레인 게이지는 평면이나 원통 파이프와 같은 1차 곡면에 부착하여 구조물의 변형을 평가할 수 있지만, 구형이나 곡면이 2개 이상의 구조물에서는 필름이 부착되지 않는 부분이 발생하기 때문에 필름 타입의 스트레인 게이지를 적용할 수 없는 문제점을 가지고 있었다.
대한민국 공개특허 제2010-0010857호 (2010.02.02)
따라서 본 발명의 목적은 자유 곡면을 갖는 구조물 표면에 3D 프린팅 기술을 이용하여 스트레인 게이지를 제조하는 방법을 제공하는데 있다.
상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 3D 프린팅 기술을 이용한 스트레인 게이지의 제조방법은 곡면 형상의 구조물 표면에 3D 프린팅 기술을 이용하여 절연 재료를 분사하거나 증착 공정을 이용하여 절연층을 형성하는 단계; 상기 절연층 상부에 3D 프린팅 기술을 이용하여 저항 재료를 분사하여 저항체를 형성하는 단계; 및 상기 저항체 상부에 3D 프린팅 기술을 이용하여 고분자 물질을 분사하거나 증착 공정을 이용하여 보호층을 형성하는 단계를 포함한다.
또한, 본 발명에 따른 3D 프린팅 기술을 이용한 스트레인 게이지의 제조방법에 있어서, 상기 저항 재료는, 금속, 카본 및 전도성 고분자로 이루어진 군 중에서 선택되는 하나인 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 3D 프린팅 기술을 이용한 스트레인 게이지의 제조방법에 있어서, 상기 금속은 Ag, Cu, Au, Mo, Al 및 Cr으로 이루어진 군 중에서 선택되는 1종 이상이고, 상기 카본은 CNT, 카본 블랙 또는 그래핀이고, 상기 전도성 고분자는 PEDOT:PSS(poly(3,4-ethylenedioxythiophene) polystyrene sulfonate)인 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 3D 프린팅 기술을 이용한 스트레인 게이지의 제조방법에 있어서, 상기 3D 프린팅 기술은, FFF(Fused Filament Fabrication), FDM(Fused Deposition Modeling), PolyJet(Photopolymer Jetting Technology), MJM(Multi Jet Modeling), 3DP 프로젯(Projet), MJF(multi jet fusion), LOM(Laminated Object Manufacturing), SLA(Stereolithography Apparatus), DLP(Digital Light Processing), SLS(Selective Laser Sintering), SLM(Selective Laser Melting) 및 DMT(Direct Metal Tooling)로 이루어진 군 중에서 선택되는 하나인 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 3D 프린팅 기술을 이용한 스트레인 게이지의 제조방법에 있어서, 상기 저항체의 선폭은 0.01 내지 1000㎛이고, 상기 저항체의 두께는 0.01 내지 1000㎛인 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 3D 프린팅 기술을 이용한 스트레인 게이지의 제조방법에 있어서, 상기 절연 재료 및 상기 보호층 재료는, 폴리이미드(Polyimide), 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET), PEN(poly(ethylene-2,6-naphthalene dicarboxylate)), 폴리카보네이트(PC), PDMS(polydimethylsiloane), 에폭시(Epoxy) 및 폴리에스터(Polyester)로 이루어진 군 중에서 선택되는 1종 이상인 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 3D 프린팅 기술을 이용한 스트레인 게이지의 제조방법에 있어서, 상기 증착공정은 열 증착(Thermal evaporation), 전자 빔 증착(E-beeam evaporation), 스퍼터링, PECVD, APCVD, LPCVD, 써멀(Thermal) CVD 및 ALD로 이루어진 군 중에서 선택되는 1종인 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 3D 프린팅 기술을 이용한 스트레인 게이지의 제조방법에 있어서, 각각의 단계 이후에, 소결하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 필름 기반의 스트레인 게이지(Strain gauge)가 적용될 수 없는 자유 곡면을 갖는 구조물의 변형을 평가할 수 있기 때문에 자동차, 항공기, 선박, 로봇 등 자유 곡면으로 이루어진 구조물의 변형을 모니터링할 수 있다.
또한, 자유 곡면의 구조물에 균일하게 프린팅 공정이 가능하기 때문에 다양한 모양과 크기를 갖는 인체에 맞춤형 센서를 제조할 수 있어 웨어러블 분야에도 응용이 가능하다.
도 1은 본 발명에 따른 스트레인 게이지의 제조 단계를 도시한 공정 흐름도이다.
도 2는 본 발명에 따른 3D 프린팅 기술을 이용하여 곡면의 구조물 위에 제조된 스트레인 게이지를 도식적으로 나타낸 모식도이다.
도 3은 본 발명에 따른 3D 프린팅 기술을 이용하여 곡면 형상의 구조물 위에 형성된 스트레인 게이지의 이미지이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 명세서에 개시된 실시 예를 상세히 설명하되, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 유사한 구성요소는 동일한 참조 번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 이하의 설명에서 사용되는 구성요소에 대한 접미사 "모듈" 및 "부"는 명세서 작성의 용이함만이 고려되어 부여되거나 혼용되는 것으로서, 그 자체로 서로 구별되는 의미 또는 역할을 갖는 것은 아니다. 또한, 본 명세서에 개시된 실시 예를 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 명세서에 개시된 실시 예의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 첨부된 도면은 본 명세서에 개시된 실시 예를 쉽게 이해할 수 있도록 하기 위한 것일 뿐, 첨부된 도면에 의해 본 명세서에 개시된 기술적 사상이 제한되지 않으며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
제1, 제2 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지는 않는다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.
단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
본 출원에서, "포함한다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
이하, 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예에 대해 상세히 설명하기로 한다. 본 발명은 본 발명의 정신 및 필수적 특징을 벗어나지 않는 범위에서 다른 특정한 형태로 구체화될 수 있음은 당업자에게 자명하다.
도 1은 본 발명에 따른 스트레인 게이지의 제조 단계를 도시한 공정 흐름도이고, 도 2는 본 발명에 따른 3D 프린팅 기술을 이용하여 곡면의 구조물 위에 제조된 스트레인 게이지를 도식적으로 나타낸 모식도이다. 도 3은 본 발명에 따른 3D 프린팅 기술을 이용하여 곡면 형상의 구조물 위에 형성된 스트레인 게이지의 이미지이다.
본 발명의 실시예에 따른 3D 프린팅 기술을 이용한 스트레인 게이지의 제조방법은 곡면 형상의 구조물 표면에 3D 프린팅 기술을 이용하여 절연 재료를 분사하거나 증착 공정을 이용하여 절연층을 형성하는 단계(S10); 상기 절연층 상부에 3D 프린팅 기술을 이용하여 저항 재료를 분사하여 저항체를 형성하는 단계(S20); 및 상기 저항체 상부에 3D 프린팅 기술을 이용하여 고분자 물질을 분사하거나 증착 공정을 이용하여 보호층을 형성하는 단계(S30)를 포함한다.
도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 3D 프린팅 기술을 이용한 스트레인 게이지의 제조방법은 S10 단계에서 곡면 형상의 구조물 표면에 3D 프린팅 기술을 이용하여 절연 재료를 분사하거나 증착 공정을 이용하여 절연층을 형성한다.
여기서, 곡면 형상의 구조물은 사용 용도 및 조건에 따라 다양한 소재 및 형상이 사용될 수 있다.
3D 프린팅 기술은 3차원의 입체물을 만들어 낼 수 있는 3D 프린터(Three-Dimension Printer)를 이용하여 얇은 2D 레이어를 쌓아서 3D 물체를 만드는 것이다. 상기 3D 프린팅 기술 및 프린터기는 특별히 제한되지 않고 이 기술분야에서 널리 알려진 것을 모두 포함한다. 예를 들면, 상기 3D 프린팅 기술은, FFF(Fused Filament Fabrication), FDM(Fused Deposition Modeling), PolyJet(Photopolymer Jetting Technology), MJM(Multi Jet Modeling), 3DP 프로젯(Projet), MJF(multi jet fusion), LOM(Laminated Object Manufacturing), SLA(Stereolithography Apparatus), DLP(Digital Light Processing), SLS(Selective Laser Sintering), SLM(Selective Laser Melting) 및 DMT(Direct Metal Tooling)로 이루어진 군 중에서 선택되는 하나인 것을 특징으로 한다.
한편, 적층형의 3D 프린터는 FDM 방식(또는 FFF 방식)과 SLA 방식을 이용하는데, FDM(Fused Deposition Modeling) 방식은 노즐을 통하여 필라멘트 형태의 재료가 압출되며, 압출된 재료는 베드 상에서 적층됨으로써 원하는 객체를 제작할 수 있고, SLA(Stereolithography) 방식은 수조에 수용된 레진에 레이저를 투사하여 경화시키는 방법으로 적층할 수 있다.
상기 절연 재료는 폴리이미드(Polyimide), 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET), PEN(poly(ethylene-2,6-naphthalene dicarboxylate)), 폴리카보네이트(PC), PDMS(polydimethylsiloane), 에폭시(Epoxy) 및 폴리에스터(Polyester)로 이루어진 군 중에서 선택되는 1종 이상인 것이 바람직하다.
다음으로, S20 단계에서 상기 절연층 상부에 3D 프린팅 기술을 이용하여 저항 재료를 분사하여 저항체를 형성한다.
여기서, 상기 저항 재료는 금속, 카본 및 전도성 고분자로 이루어진 군 중에서 선택되는 하나인 것을 특징으로 한다. 이때, 상기 금속은 Ag, Cu, Au, Mo, Al 및 Cr으로 이루어진 군 중에서 선택되는 1종 이상이고, 상기 카본은 CNT, 카본 블랙 또는 그래핀이고, 상기 전도성 고분자는 PEDOT:PSS(poly(3,4-ethylenedioxythiophene) polystyrene sulfonate)인 것을 특징으로 한다.
상기 저항체의 선폭은 0.01 내지 1000㎛이고, 상기 저항체의 두께는 0.01 내지 1000㎛인 것이 바람직하다.
본 발명의 바람직한 일 실시예로서, 폴리이미드(PI) 절연층 위에 Ag 잉크를 3D 프린팅하여 스트레인 게이지 저항체(전극)를 형성할 수 있다.
그리고, S30 단계에서 상기 저항체 상부에 3D 프린팅 기술을 이용하여 고분자 물질을 분사하여 보호층을 형성한다.
상기 보호층 재료는, 폴리이미드(Polyimide), 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET), PEN(poly(ethylene-2,6-naphthalene dicarboxylate)), 폴리카보네이트(PC), PDMS(polydimethylsiloane), 에폭시(Epoxy) 및 폴리에스터(Polyester)로 이루어진 군 중에서 선택되는 1종 이상인 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 일 실시예로서, 본 발명의 3D 프린팅 기술을 이용한 스트레인 게이지의 제조방법에 있어서, 각각의 단계 이후에, 소결하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 절연층 또는 보호층을 형성하는 단계에서, 상기 증착공정은 특별히 제한되지 않고 이 기술분야에서 널리 알려진 것을 포함한다. 예를 들면, 열 증착(Thermal evaporation), 전자 빔 증착(E-beeam evaporation), 스퍼터링, PECVD, APCVD, LPCVD, 써멀(Thermal) CVD 및 ALD로 이루어진 군 중에서 선택되는 1종일 수 있다.
증착공정에 이용되는 절연층 및 보호층 재료는 실리콘, 유리, 세라믹, 석영, 패럴린(Parylene) 중 하나를 포함할 수 있다.
도 2를 참조하면, 3D 프린터(Dispenser)를 이용하여 Ag 잉크를 자유곡면의 구조물 표면에 프린팅함으로써 스트레인 게이지를 제조하였다. 자유 곡면을 갖는 구조물과 스트레인 게이지의 저항체(전극)를 전기적으로 분리하기 위해 구조물의 곡면을 따라 3D 프린터의 노즐을 이동해가며 절연층(Polyimide)을 형성하였다. 이후 특정 저항 값을 갖는 저항체(전극)와 외부 회로를 연결할 수 있는 패드를 형성하기 위해 3D 프린터 노즐과 절연층 사이의 간격을 일정하게 유지해가며 Ag 잉크를 프린팅 하였다. 마지막으로 외부로부터 저항체(전극)을 보호하기 위해 패드 부분을 제외한 부분에 폴리에스터(Polyester)를 이용하여 보호층을 형성하였다. 상기 제조 단계 중 구조물의 특성과 외부 환경에 따라 절연층과 보호층은 생략될 수 있다.
본 발명의 3D 프린팅 기술을 이용한 스트레인 게이지의 제조방법에 따르면, 필름 기반의 스트레인 게이지가 적용될 수 없는 자유 곡면을 갖는 구조물의 변형을 평가할 수 있기 때문에 자동차, 항공기, 선박, 로봇 등 자유 곡면으로 이루어진 구조물의 변형을 모니터링할 수 있다.
또한, 자유 곡면의 구조물에 균일하게 프린팅 공정이 가능하기 때문에 다양한 모양과 크기를 갖는 인체에 맞춤형 센서를 제조할 수 있어 웨어러블 분야에도 응용이 가능하다.
또한, 3D 프린팅 기술을 이용하여 구조물 표면에 직접 패턴을 형성할 수 있기 때문에 저항체(전극)의 증착공정 및 패터닝 공정을 생략할 수 있고, 3D 프린터의 잉크 노즐(토출부)이 상하좌우 방향으로 이동이 가능하기 때문에 자유 곡면을 갖는 3차원의 구조물 표면에 센서를 직접 제조할 수 있다.
한편, 이상의 상세한 설명은 모든 면에서 제한적으로 해석되어서는 아니되고 예시적인 것으로 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 첨부된 청구항의 합리적 해석에 의해 결정되어야 하고, 본 발명의 등가적 범위 내에서의 모든 변경은 본 발명의 범위에 포함된다.
100 : 곡면 형상의 구조물
110 : 3D 프린팅 기술로 제작된 절연층(PI Film)
120 : 3D 프린팅 기술로 제작된 스트레인 게이지 저항체(전극)
130 : 3D 프린팅 기술로 제작된 보호층(Polyester Film)

Claims (8)

  1. 곡면 형상의 구조물 표면에 3D 프린팅 기술을 이용하여 절연 재료를 분사하거나 증착 공정을 이용하여 절연층을 형성하는 단계;
    상기 절연층 상부에 3D 프린팅 기술을 이용하여 저항 재료를 분사하여 저항체를 형성하는 단계; 및
    상기 저항체 상부에 3D 프린팅 기술을 이용하여 고분자 물질을 분사하거나 증착 공정을 이용하여 보호층을 형성하는 단계;
    를 포함하는 3D 프린팅 기술을 이용한 스트레인 게이지의 제조방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 저항 재료는,
    금속, 카본 및 전도성 고분자로 이루어진 군 중에서 선택되는 하나인 것을 특징으로 하는 3D 프린팅 기술을 이용한 스트레인 게이지의 제조방법.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 금속은 Ag, Cu, Au, Mo, Al 및 Cr으로 이루어진 군 중에서 선택되는 1종 이상이고,
    상기 카본은 CNT, 카본 블랙 또는 그래핀이고,
    상기 전도성 고분자는 PEDOT:PSS(poly(3,4-ethylenedioxythiophene) polystyrene sulfonate)인 것을 특징으로 하는 3D 프린팅 기술을 이용한 스트레인 게이지의 제조방법.
  4. 제1항에 있어서, 상기 3D 프린팅 기술은,
    FFF(Fused Filament Fabrication), FDM(Fused Deposition Modeling), PolyJet(Photopolymer Jetting Technology), MJM(Multi Jet Modeling), 3DP 프로젯(Projet), MJF(multi jet fusion), LOM(Laminated Object Manufacturing), SLA(Stereolithography Apparatus), DLP(Digital Light Processing), SLS(Selective Laser Sintering), SLM(Selective Laser Melting) 및 DMT(Direct Metal Tooling)로 이루어진 군 중에서 선택되는 하나인 것을 특징으로 하는 3D 프린팅 기술을 이용한 스트레인 게이지의 제조방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 저항체의 선폭은 0.01 내지 1000㎛이고, 상기 저항체의 두께는 0.01 내지 1000㎛인 것을 특징으로 하는 3D 프린팅 기술을 이용한 스트레인 게이지의 제조방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 절연 재료 및 상기 보호층 재료는,
    폴리이미드(Polyimide), 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET), PEN(poly(ethylene-2,6-naphthalene dicarboxylate)), 폴리카보네이트(PC), PDMS(polydimethylsiloane), 에폭시(Epoxy) 및 폴리에스터(Polyester)로 이루어진 군 중에서 선택되는 1종 이상인 것을 특징으로 하는 3D 프린팅 기술을 이용한 스트레인 게이지의 제조방법.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 증착공정은 열 증착(Thermal evaporation), 전자 빔 증착(E-beeam evaporation), 스퍼터링, PECVD, APCVD, LPCVD, 써멀(Thermal) CVD 및 ALD로 이루어진 군 중에서 선택되는 1종인 것을 특징으로 하는 3D 프린팅 기술을 이용한 스트레인 게이지의 제조방법.
  8. 제1항에 있어서,
    각각의 단계 이후에, 소결하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 3D 프린팅 기술을 이용한 스트레인 게이지의 제조방법.
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