KR20190065881A - Fingerprint-type Self-powered Ion Channel Sensor - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 이온채널 압력 센서에 관한 것으로, 더 구체적으로, 압전 필름을 구비한 지문형 자체-동력 이온 채널 센서에 관한 것이다.The present invention relates to an ion channel pressure sensor, and more particularly, to a fingerprint type self-powered ion channel sensor having a piezoelectric film.
이온 채널은 모든 살아있는 세포(living cells)에 생명을 유지하기 위한 필수불가결한 수단이다. 이온 채널은 세포막(cell membranes)을 통한 이온의 전달을 연속적으로 수행한다. 이온 채널의 주요 기능은 항상성(homeostasis)을 유지하기 위하여 감각 기관(sensory organs)에서 필수불가결하다.Ion channels are an indispensable means to maintain life in all living cells. Ion channels continuously transport ions through cell membranes. The main function of ion channels is indispensable in sensory organs in order to maintain homeostasis.
기본적으로, 수용기(receptor)가 열, 빛, 냄새, 소리, 및 압력과 같은 다양한 환경적 힘으로부터 자극되어 활성화된 경우, 이온 채널은 세포막을 통과하는 이온 운동에 의하여 발생된 전기 신호를 신경에 제공한다. Basically, when a receptor is stimulated and activated from various environmental forces, such as heat, light, smell, sound, and pressure, the ion channel provides an electrical signal generated by ion motion through the cell membrane to the nerve do.
지금까지, 몇몇의 연구 그룹들은 자연에서 영감받은 인공 이온 채널 센서의 성과를 보고하였다. 이들 중에서, 이온 채널 시스템을 사용한 압력 감지는 거의 없다. 생물학 분야에서, 기계적 에너지변환(mechanotransduction)이 세포막 전위(cell membrane potential)에서 변화가 기계감각 수용기(mechanosensory receptors)에서 기계적 자극(mechanical stimuli)에 대응한다는 것으로 알려져 있다. 기계감각 수용기(mechanosensory receptors)에서 자극은 달팽이관(cochlea)에서 부동 섬모(hair-cell stereocilia)의 치우침(deflection)일 수 있다.So far, several research groups have reported on the performance of a natural-inspired artificial ion channel sensor. Among them, there is almost no pressure sensing using an ion channel system. In the biological field, it is known that mechanotransduction corresponds to mechanical stimuli in mechanosensory receptors that change in cell membrane potential. In mechanosensory receptors, stimulation may be a deflection of the hair-cell stereocilia in the cochlea.
특히, 아직 정확한 메가니즘은 알려지지 않았지만, 인장 활성 이온 채널(stretch-activated ion channels)은 미생물(microbes), 이스트(yeast), 그리고 식물(plants)에서 존재하는 압력-감지 구성(pressure-detectable configuration)의 하나이다.In particular, stretch-activated ion channels have been used in pressure-detectable configurations that exist in microbes, yeast, and plants, although the exact mechanism is not yet known. Lt; / RTI >
압력 감지를 위한 대부분의 연구는 실리콘 그리고 폴리머 기반 소자에 한정되어 있다. 이들 소자는 트렌지스터, 압력 감지(pressure sensing), 정전용량 감지(capacitive sensing), 압전 감지(piezoelectric sensing), 압전 저항 감지(piezoresistive), 그리고 광 감지(optical sensing)를 포함할 수 있다.Most studies for pressure sensing are limited to silicon and polymer-based devices. These devices may include a transistor, pressure sensing, capacitive sensing, piezoelectric sensing, piezoresistive, and optical sensing.
이들 시스템은 불안정한 전기적 성질, 낮은 선택성, 높은 동작 전력, 및 정적 감각을 유발하는 입출력 영역들과 결합된다. 예를 들어, 압전 센서의 주된 관심은 높은 내부 저항에 기인하고, 리드아웃(readout) 전기 회로의 입력 임피던스 및 온도 및 정적 힘에 대한 낮은 감도에 의하여 영향받는다.These systems combine with I / O areas that cause unstable electrical properties, low selectivity, high operating power, and a static sense. For example, the main concern of piezoelectric sensors is due to the high internal resistance, and is influenced by the input impedance of the readout electrical circuit and the low sensitivity to temperature and static forces.
정전용량 센서(capacitive sensors)의 경우, 노이즈가 전기장 상호 작용과 관련되어 있으며, 특정 전자회로의 요구를 유도하는 프린지 효과(fringe effect)가 제거되어야 하는 단점을 가진다.In the case of capacitive sensors, noise has a disadvantage associated with electric field interaction, and the fringe effect, which leads to the demand of a particular electronic circuit, must be eliminated.
외부 자극을 감지하는 생물학적 이온 채널 시스템은 기본적으로 수용기(receptors)와 나노포어(nanopores)로 구성된다. 이온 채널의 하이브리드 디자인은 효과적으로 진화하고 있다. 수용기는 외부 자극에 의하여 기계적으로 트리거(trigger)되고, 나노포어는 이온 전달을 위한 경로를 제공하는 기능을 전기화학적으로 수행한다. 그리고 두 요소는 서로 분리된다. 이온 채널은 다음과 같은 중요한 성질을 가진다. 첫째로, 이온 채널은 이들을 동작시키기 위하여 에너지 원이 거의 필요하지 않는다는 의미에서 고무적이다. 둘째로, 높은 수용기를 가진 기재(substrates)의 높은 선택 인식(highly selective recognition)이 제공된다. 또한, 직접 신호가 추가적인 증폭 시스템 또는 전자 회로 없이 전기화학적 구배(electrochemical gradient)에 따라 멤브레인을 통과하는 이온 전달로부터 획득된다. 이온 채널은 에너지 소모를 염려하지 않고, 나노스케일 또는 마이크로 스케일 차원(dimension)에서 매우 빠른 속도(> 106 s-1 이온에 대하여 그리고 ~109 s-1 물에 대하여 )에서 이온을 수송한다. 따라서, 이온 채널은 가속도, 온도, 음파, 유체공학, 또한 압력을 포함한 물리적 변수를 모니터링함에 있어 센서로서 사용될 수 있다.Biological ion channel systems that sense external stimuli are basically composed of receptors and nanopores. The hybrid design of ion channels is evolving effectively. The receptors are mechanically triggered by external stimuli, and the nanopores electrochemically perform the function of providing a path for ion transport. And the two elements are separated from each other. Ion channels have the following important properties. First, ion channels are encouraging in the sense that they require little or no energy to operate them. Second, highly selective recognition of substrates with high receptivity is provided. Also, a direct signal is obtained from the ion transport through the membrane in accordance with an electrochemical gradient without additional amplification system or electronic circuitry. Ion channels transport ions at very high rates (for> 10 6 s -1 ions and for ~ 10 9 s -1 water) in nanoscale or microscale dimensions, without worrying about energy consumption. Thus, ion channels can be used as sensors in monitoring physical parameters including acceleration, temperature, sound waves, fluid engineering, and also pressure.
많은 기능적 특징들은 다양한 소프트 및 하드 표면에서 짧은 반응 시간, 낮은 소모 전력, 동적 공간 분해능(dynamic spatial resolution), 유연성(flexibility), 그리고 집적도(integration)를 전달할 수 있다.Many functional features can deliver short response times, low power consumption, dynamic spatial resolution, flexibility, and integration on a variety of soft and hard surfaces.
외부 자극에 의해 발생되는 생태학적 이온채널은 자연계의 생명을 유지시키는데 매우 중요한 단위이다.Ecological ion channels generated by external stimuli are very important units for maintaining the life of nature.
본 발명의 해결하고자 하는 일 기술적 과제는 외부 전원없이 U자 및 C자등의 지문형 구조의 자체 동력으로 구동되고 접촉물의 질감을 구별할 수 있는 고민감성 및 손의 잡기 동작 및 미끄럼 동작을 구별할 수 있는 고선택성의 이온채널 압력센서를 제공하는 것이다.SUMMARY OF THE INVENTION [0006] The present invention is directed to a portable electronic device capable of distinguishing between a gripping operation and a sliding operation, which are driven by self-power of a fingerprint type structure such as U and C without an external power source, And a high selectivity ion channel pressure sensor.
본 발명의 일 실시예에 따른 지문형 자체-동력 이온 채널 센서는, 필름 형태이고 전해질을 수납하는 복수의 하부 저장 공간들을 구비하는 하부 저장부; 필름 형태이고 전해질을 수납하는 복수의 상부 저장 공간들을 구비하는 상부 저장부; 상기 하부 저장부와 상기 상부 저장부 사이에 배치되고 복수의 관통홀을 포함하는 멤브레인; 상기 하부 저장부의 하부면에 배치되는 하부 전극; 상기 상부 저장부의 상부면에 배치된 상부 전극; 상기 상부 전극 상에 배치되는 압전 필름; 및 상기 압전 필름 상에 배치되는 압전 전극을 포함한다.A fingerprint type self-powered ion channel sensor according to an embodiment of the present invention includes: a lower storage unit having a film-like shape and having a plurality of lower storage spaces for storing an electrolyte; An upper storage portion having a plurality of upper storage spaces in the form of a film and housing the electrolyte; A membrane disposed between the lower reservoir and the upper reservoir and including a plurality of through holes; A lower electrode disposed on a lower surface of the lower storage part; An upper electrode disposed on an upper surface of the upper storage unit; A piezoelectric film disposed on the upper electrode; And a piezoelectric electrode disposed on the piezoelectric film.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 하부 저장 공간들은 서로 순차적으로 감싸도록 배치되고, 상기 상부 저장 공간들은 서로 순차적으로 감싸도록 배치될 수 있다. 상기 하부 저장 공간들과 상기 상부 저장 공간들은 동일한 구조이고, 서로 수직으로 정렬될 수 있다.In one embodiment of the present invention, the lower storage spaces are arranged to sequentially surround one another, and the upper storage spaces may be arranged to sequentially surround one another. The lower storage spaces and the upper storage spaces have the same structure and can be vertically aligned with each other.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 하부 저장 공간들 각각은 "U"자 또는 "C" 형태일 수 있다.In one embodiment of the present invention, each of the lower storage spaces may be in the form of a " U "
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 압전 필름의 변형에 따라 상기 상부 전극과 상기 하부 전극 사이의 전압을 측정하는 제1 전압계를 더 포함할 수 있다.According to an embodiment of the present invention, the piezoelectric thin film may further include a first voltmeter measuring a voltage between the upper electrode and the lower electrode according to the deformation of the piezoelectric film.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 압전 필름의 변형에 따라 상기 압전 전극과 상기 하부 전극 사이의 전압 또는 상기 압전 전극과 상기 상부 전극 사이의 전압을 측정하는 제2 전압계를 더 포함할 수 있다.According to an embodiment of the present invention, the piezoelectric film may further include a second voltmeter measuring a voltage between the piezoelectric electrode and the lower electrode or a voltage between the piezoelectric electrode and the upper electrode in accordance with deformation of the piezoelectric film.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 압전 필름은 분극된 플루오르화 폴리비닐리덴(Polled Polyvinylidene fluoride; PVDF), poly(vinylidene fluoride-hexafluoropropylene(PVDF-HFP), 또는 Polyvinylidenefluoride-trifluoroethylene(PVDF-TrFe) 필름일 수 있다.In one embodiment of the present invention, the piezoelectric film may include a polarized polyvinylidene fluoride (PVDF), a polyvinylidene fluoride-hexafluoropropylene (PVDF-HFP), or a polyvinylidenefluoride-trifluoroethylene (PVDF-TrFe) Lt; / RTI >
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 압전 전극은 Ti/Au 박막일 수 있다.In one embodiment of the present invention, the piezoelectric electrode may be a Ti / Au thin film.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 상부 전극은 카본으로 코팅된 알루미륨 필름일 수 있다.In one embodiment of the present invention, the upper electrode may be a carbon-coated aluminum film.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 하부 전극은 카본으로 코팅된 알루미륨 필름일 수 있다.In one embodiment of the present invention, the lower electrode may be a carbon-coated aluminum film.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 전해질은 폴리아닐린(Polyaniline; PANi) 및 고체 전해질일 수 있다.In one embodiment of the present invention, the electrolyte may be a polyaniline (PANi) and a solid electrolyte.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 상부 저장부는 실리콘계 테이프, 양면 고분자 테이프 또는 카본 테이프일 수 있다.In one embodiment of the present invention, the upper storage portion may be a silicon tape, a double-sided polymer tape, or a carbon tape.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 상부 저장부는 상기 하부 저장부와 동일한 구조 및 형상을 가질 수 있다.In one embodiment of the present invention, the upper storage portion may have the same structure and shape as the lower storage portion.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 멤브레인은 폴리 카보네이트 트렉 에치드(poly carbonate track etched; PCTE) 및 수직 구조형 포어를 갖는 멤브레인일 수 있다.In one embodiment of the present invention, the membrane may be a membrane having polycarbonate trace etch (PCTE) and a vertical structured pore.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 멤브레인의 관통홀의 지름은 10 nm 내지 1 μm이고, 상기 멤브레인의 관통홀의 밀도는 2x107 pores/cm2 내지 6x108 pores/cm2 이고, 상기 멤브레인의 두께는 6μm 내지 20 μm 일 수 있다.In one embodiment of the present invention, the diameter of the through-hole of the membrane is 10 nm to 1 μm, the density of the through-hole of the membrane is 2 × 10 7 pores / cm 2 to 6 × 10 8 pores / cm 2 , Lt; RTI ID = 0.0 > 20 < / RTI >
본 발명의 일 실시예에 따른 지문형 자체-동력 이온 채널 센서는, 필름 형태이고 전해질을 수납하는 복수의 하부 저장 공간들을 구비하는 하부 저장부; 필름 형태이고 전해질을 수납하는 복수의 상부 저장 공간들을 구비하는 상부 저장부; 상기 하부 저장부와 상기 상부 저장부들 사이에 배치되고 복수의 관통홀을 포함하는 멤브레인; 상기 하부 저장부의 하부면에 배치되는 하부 전극; 상기 상부 저장부의 상부면에 배치된 상부 전극; 상기 상부 전극 상에 배치되는 압전 필름; 및 상기 압전 필름 상에 배치되는 압전 전극을 포함한다. 이 지문형 자체-동력 이온 채널 센서의 동작 방법은, 대상물과 접촉함에 따라 상기 상부 전극과 상기 하부 전극 사이의 느린 적응 신호를 측정하는 단계; 및 상기 대상물과 접촉함에 따라 상기 압전 전극과 상기 하부 전극 사이의 전압 또는 상기 압전 전극과 상기 상부 전극 사이의 빠른 적응 신호를 측정하는 단계;를 포함한다.A fingerprint type self-powered ion channel sensor according to an embodiment of the present invention includes: a lower storage unit having a film-like shape and having a plurality of lower storage spaces for storing an electrolyte; An upper storage portion having a plurality of upper storage spaces in the form of a film and housing the electrolyte; A membrane disposed between the lower and upper reservoirs and including a plurality of through holes; A lower electrode disposed on a lower surface of the lower storage part; An upper electrode disposed on an upper surface of the upper storage unit; A piezoelectric film disposed on the upper electrode; And a piezoelectric electrode disposed on the piezoelectric film. The method of operating the fingerprint self-powered ion channel sensor includes measuring a slow adaptive signal between the upper electrode and the lower electrode as it contacts the object; And measuring a voltage between the piezoelectric electrode and the lower electrode or a quick adaptation signal between the piezoelectric electrode and the upper electrode in contact with the object.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 느린 적응 신호 및 상기 빠른 적응 신호를 처리하여 상기 대상물의 표면 거칠기를 판단하는 단계를 더 포함할 수 있다.In one embodiment of the present invention, the method may further include processing the slow adaptive signal and the fast adaptive signal to determine the surface roughness of the object.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 지문형 자체-동력 이온 채널 센서가 로봇 손에 장착된 경우, 상기 느린 적응 신호 및 상기 빠른 적응 신호를 처리하여 상기 로봇 손의 잡기(holding) 상태를 판단하는 단계를 더 포함할 수 있다.In one embodiment of the present invention, when the fingerprint type self-powered ion channel sensor is mounted on a robot hand, the slow adaptive signal and the quick adaptive signal are processed to determine a holding state of the robot hand Step < / RTI >
본 발명의 실시예들에 따른 이온 채널 센서는 다양한 소재의 수용기와 전해질을 포함함으로써, 낮은 전력으로 광범위한 영역의 압력을 센싱할 수 있고, 나아가, 나노기공 멤브레인의 상부 및 하부에 제1 및 제2 전해질 패키징이 각각 구비됨으로써 상기 이온 채널 센서가 패치 및 웨어러블 형태로 구비될 수 있다. 또한, 상기 이온 채널 센서는 전해질 패키징 상에 압전 필름을 부착하여, 지문형 자체-동력 이온 채널 센서를 구현할 수 있다. 이에 따라, 이온 채널 센서는 지문형 자체 동력, 소형화 및 경량화가 구현될 수 있다.The ion channel sensor according to the embodiments of the present invention can sense a wide range of pressure with low power by including receptors and electrolytes of various materials, and further, the first and second The ion channel sensor may be provided in the form of a patch and a wearable. In addition, the ion channel sensor can implement a fingerprint type self-powered ion channel sensor by attaching a piezoelectric film on an electrolyte packaging. Accordingly, the ion channel sensor can realize a fingerprint self-powered, small size, and light weight.
도 1은 생물학적 체성감각 기관을 설명하는 개념도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 인공 이온 채널 센서를 설명하는 개념도이다.
도 3a는 본 발명의 다른 실시예에 따른 이온 채널 센서를 나타내는 분해사시도이다.
도 3b는 도 3a의 단면도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 이온 채널 소자의 측정 방법을 설명하는 도면이다.
도 5는 도 4의 측정 방법을 통하여 측정된 이온 채널 소자의 느린 적응 전압 신호(VSA)와 빠른 적응 전압 신호(VFA)의 파형을 나타내는 결과들이다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 이온 채널 센서의 느슨히 잡기(holding). 미끄럼(slipping), 및 꽉잡음(catching) 동작 특성을 나타내는 결과들이다.
도 7a, 도 7b, 및 도 7c는 본 발명의 또 다른 실시예들에 따른 하부 저장 공간의 패턴을 설명하는 도면들이다.1 is a conceptual diagram illustrating a biological somatic sensory organ.
2 is a conceptual diagram illustrating an artificial ion channel sensor according to an embodiment of the present invention.
3A is an exploded perspective view illustrating an ion channel sensor according to another embodiment of the present invention.
FIG. 3B is a cross-sectional view of FIG. 3A. FIG.
4 is a view for explaining a method of measuring an ion channel device according to an embodiment of the present invention.
FIG. 5 shows the waveforms of the slow adaptive voltage signal V SA and the fast adaptive voltage signal V FA of the ion channel device measured through the measurement method of FIG.
6 is a loose holding of an ion channel sensor according to another embodiment of the present invention. Slipping, and catching motion characteristics.
FIGS. 7A, 7B, and 7C are views illustrating patterns of a lower storage space according to still another embodiment of the present invention. FIG.
최근, 신체 기능을 대체하는 인공 손 또는 로봇 팔과 같은 재활 의료기기 개발이 활발해지고 있다. 이러한 신체 기능 대체 로봇에 장착된 압력 센서는 대상물에 인가된 압력 등을 감지할 수 있으나, 대상물의 질감, 잡기 상태와 잡은 상태에서 미끄러짐 동작을 정확히 구별할 수 없다.Recently, the development of rehabilitation medical devices such as artificial hand or robotic arm replacing the body function has become active. Such a pressure sensor mounted on a body-functional robot can sense the pressure applied to the object, but it can not accurately distinguish the slip motion in the texture, grip state and grip state of the object.
본 발명의 일 실시예에 따른 지문형 이온 채널 센서는 생물학적 이온 채널 시스템과 유사하게 동작하며, 질감을 감지하고, 미끄러짐 동작과 잡기 동작을 구별할 수 있다. 이에 따라, 상기 지문형 이온 채널 센서의 출력신호는 전기 신호를 생성하여, 뇌 또는 로봇 제어부에 전달하여, 뇌 또는 로봇 제어부는 접촉하는 대상물의 질감 및 미끄러짐 상태 등을 인식할 수 있다.The fingerprint type ion channel sensor according to an embodiment of the present invention operates in a similar manner to the biological ion channel system, and can sense the texture and distinguish between the slipping motion and the catching motion. Accordingly, the output signal of the fingerprint type ion channel sensor generates an electric signal and transmits the generated electric signal to the brain or robot controller, so that the brain or robot controller can recognize the texture and the slip state of the object to be contacted.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 이러한 이온채널을 모사하여 높은 선택성 및 분해능을 갖는 이온채널 센서가 제공된다.According to one embodiment of the present invention, such an ion channel is simulated to provide an ion channel sensor with high selectivity and resolution.
본 발명의 실시예들에 따른 이온 채널 압력 센서는 나노기공 멤브레인, 상기 나노기공 멤브레인을 관통하여 전해질의 통로를 제공하는 이온 채널로 기능하는 복수의 나도 채널부(관통홀들), 상기 나노 채널부의 양쪽에 위치하는 전해질, 그리고 상기 전해질을 각각 패키징하는 저장부를 포함할 수 있다. 또한, 상기 이온 채널의 양면 중에서 어느 한 면에 전압을 인가하는 압전 필름이 배치되어, 상기 압전 필름은 자체-동력을 제공한다.The ion channel pressure sensor according to embodiments of the present invention includes a nano pore membrane, a plurality of nano channel parts (through holes) functioning as an ion channel passing through the nano pore membrane and providing a path of an electrolyte, An electrolyte disposed on both sides, and a storage unit for packaging the electrolyte. Further, a piezoelectric film for applying a voltage to one of the two surfaces of the ion channel is disposed, and the piezoelectric film provides self-power.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 이온 채널 센서는 외부의 압력, 터치, 구부림, 뒤틀림, 진동 등의 다양한 환경적 힘에 의해 이온채널 양쪽의 전해질을 구성하고 있는 이온들의 이동에 따른 전압값의 변화에 의해 압력 정도를 센싱한다. According to an embodiment of the present invention, the ion channel sensor can detect a change in voltage value due to movement of ions constituting electrolytes on both sides of an ion channel due to various environmental forces such as external pressure, touch, bending, To sense the pressure degree.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 이온채널 센서 소자에는 기본적으로 압력을 인지하는 수용기와 이온 이동을 조절하는 나노 기공의 두 가지 요소로 구성된다. 따라서 수용기와 나노 기공의 종류와 기능에 따라 매우 다양한 이온채널 센서를 제작할 수 있다.According to one embodiment of the present invention, the ion channel sensor element basically consists of two components: a pressure receiver, and a nanopore, which regulates ion movement. Therefore, a wide variety of ion channel sensors can be manufactured depending on the type and function of the receptor and nanopore.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 이온 채널 센서는 나노기공 멤브레인, 상기 나노기공 멤브레인을 관통하여 전해질의 유동을 연결해주는 나노 채널부, 압력을 감지하는 수용기 및 이온을 포함하고 있는 전해질을 포함한다. 이로써, 이온 채널 센서는 압전 필름에 의하여 자체 동력으로 압력 변화에 가역적이고 민감하며 선택적인 특성을 가질 수 있다.According to an embodiment of the present invention, the ion channel sensor includes a nano-porous membrane, a nano-channel portion through which the electrolyte flows through the nano-porous membrane, a receptor for sensing pressure, and an electrolyte containing ions. As a result, the ion channel sensor can be reversible, sensitive and selective to the pressure change by its own power by the piezoelectric film.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 전해질에 포함되는 소재로는 전도성을 지니는 일반 액상, 졸-겔상, 고체상이 모두 포함되며 이는 압력 센싱 범위의 다양한 영역을 조절할 수 있다. 여기서, 상기 일반 액상, 졸-겔상, 고체상 재료는 이온전도성을 갖는 나트륨, 포타지움, 리튬, 마그네슘등의 이온을 포함한 수용액 및 액체 금속을 포함하고, 졸-겔상은 전도성 고분자, 생체성 겔 소재(아가로스, 젤라틴등의 이온성 겔)을 포함한다. 고체상에는 탄소계열의 나노튜브, 파이버 및 그래핀등이 포함되며, 압력에 따른 고체의 저항값이 변화할 수 있는 소재를 포함한다.In one embodiment of the present invention, the material contained in the electrolyte includes a general liquid, a sol-gel, and a solid having conductivity, which can control various regions of the pressure sensing range. Here, the general liquid, sol-gel, and solid-phase materials include an aqueous solution containing ionic ions such as sodium, potassium, lithium, magnesium, and the like and a liquid metal. The sol-gel phase includes a conductive polymer, Agarose, gelatin, and the like). The solid phase includes carbon nanotubes, fibers, and graphene, and includes materials that can change the resistance value of a solid depending on the pressure.
본 발명의 일 실시예에 따른 이온 채널 센서는, 상기 나노기공 멤버레인의 상부 및 하부를 덮으며, 제1 및 제2 전해질부들을 포함한다. 여기서, 상기 제1 및 제2 전해질부의 상하면에 전해질을 패키징하는 소재로서 실리콘 및 카본 양면 접착 테이프 및 일반 박막형의 양면 테이프가 배치될 수 있다.The ion channel sensor according to an embodiment of the present invention includes upper and lower portions of the nano pore member lane and includes first and second electrolyte portions. Here, silicon and carbon double-sided adhesive tapes and general thin-film double-sided tapes may be disposed on the upper and lower surfaces of the first and second electrolyte portions as a material for packaging the electrolyte.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 우리는 수용기(receptor)와 나노 기공 멤브레인(nanopore membrane) 및 마이크로 멤브레인(micro pore membrane)을 포함하는 이온 채널 압력 센서를 제안한다. 상기 이온 채널 압력 센서는 폴리머 재질의 수용기(또는 지지부), 전해질, 그리고 멤브레인을 가지고 적층구조로 구성될 수 있다. 상기 이온 채널 압력 센서는 높은 민감성, 반응성, 선택성, 동적 특성을 제공할 수 있다. 상기 이온 채널 압력 센서의 민감도는 ~5.6 kPa-1 수준의 값을 달성할 수 있다. 반응 시간은 1 Hz의 주파수에서 ~11 ms 수준을 기록할 수 있다. 안정성은 로딩-언로딩의 10,000 싸이클 초과에 대하여 전류 신호로 확인되었다. 민감도의 변화는 습윤 시험에서 발견되지 않았다. 또한, 부착형 이온 채널 압력 센서(patchable ion channel pressure sensor)는 인체 혈압 펄스를 성공적으로 감지하였다.According to one embodiment of the present invention, we propose an ion channel pressure sensor including a receptor, a nanopore membrane, and a micro pore membrane. The ion channel pressure sensor may have a laminated structure having a receiver (or a support part) made of a polymer, an electrolyte, and a membrane. The ion channel pressure sensor can provide high sensitivity, responsiveness, selectivity, and dynamic characteristics. The sensitivity of the ion channel pressure sensor can achieve a value of ~ 5.6 kPa < -1 > level. The reaction time can be recorded at ~ 11 ms level at a frequency of 1 Hz. Stability was confirmed by the current signal for over 10,000 cycles of loading-unloading. No change in sensitivity was found in the wet test. In addition, a patchable ion channel pressure sensor successfully detected human blood pressure pulses.
이하 본 발명에 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예와 결과 등에 대해 설명하고자 한다. 이하의 실시 예와 결과는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. 또한 설명의 편의를 위하여 도면에서는 구성 요소들이 그 크기가 과장 또는 축소될 수 있다.DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. The following examples and results are provided so that the disclosure of the present invention will be thorough and complete, and will fully convey the scope of the invention to those skilled in the art. Also, for convenience of explanation, the components may be exaggerated or reduced in size.
인간 기계 수용체(human mechanoreceptors)에서 영감을 받은 저전력 인공 센서의 개발은 인간의 노령화 및 장애로 인해 손상되거나 악화된 감각 기능을 복원하는 데 매우 중요하다. 피부 감각 기관은 다양한 외부 자극에 대한 기계 수용체(mechanoreceptor)를 통해 수용체 전위(receptor potential)을 생성하며, 이는 축삭돌기(axon)을 통해 뇌에 전달된다. 이 경우, 두뇌는 전형적인 두 가지 활동 전위인 느린 적응 (Slow Adaptation; SA)과 빠른 적응 (Fast Adaptation; FA)을 통해 외부 자극 유형을 구별할 수 있다.The development of low-power artificial sensors inspired by human mechanoreceptors is crucial for restoring sensory functions that are damaged or worsened by human aging and disability. The skin sensory organs produce a receptor potential through a mechanoreceptor to a variety of external stimuli, which is transmitted to the brain via the axons. In this case, the brain can differentiate between external stimulus types through two typical action potentials, slow adaptation (SA) and fast adaptation (FA).
본 발명의 일 실시예에 따르며, 우리는 인간의 피부 기계 수용체의 SA와 FA 행동에 의해 모방된 자체 구동 인공 이온 체널 센서(self powered artificial ion channel sensor)를 제안한다. 상기 센서는 압전 필름, 전해질, 나노 기공 멤브레인 및 전극으로 구성된 소자는 외부 자극에 대해 FA와 SA에 각각 대응하는 빠른 적응 전압 신호(VFA)와 느린 적응 전압 신호(VSA)를 제공할 수 있다. In accordance with one embodiment of the present invention, we propose a self powered artificial ion channel sensor imitated by the SA and FA actions of human skin machinery receptors. The sensor can provide a fast adaptive voltage signal (V FA ) and a slow adaptive voltage signal (V SA ) corresponding to FA and SA, respectively, for external stimuli, comprising a piezoelectric film, electrolyte, nanopore membrane and electrode .
빠른 적응 전압 신호(VFA)와 느린 적응 전압 신호(VSA)는 SA 및 FA에 대응하는 신호로, 효과적인 분석을 통하여 다양한 유형의 접촉 및 압력을 분석할 수 있다. 빠른 적응 전압 신호(VFA)와 느린 적응 전압 신호(VSA)는 다른 질감과 숫자 점자에 대한 독특한 감지 특성을 보여준다. 우리는 빠른 적응 전압 신호(VFA)와 느린 적응 전압 신호(VSA)를 통한 인간의 혈압 측정을 정밀하게 측정할 수 있다. 또한, 텀블러를 잡고 미끄러지는 감지 거동은 빠른 적응 전압 신호(VFA)와 느린 적응 전압 신호(VSA)의 조합에 의해 효과적으로 분석될 수 있다. The fast adaptive voltage signal (V FA ) and the slow adaptive voltage signal (V SA ) are signals corresponding to SA and FA, and can analyze various types of contact and pressure through an effective analysis. The fast adaptive voltage signal (V FA ) and the slow adaptive voltage signal (V SA ) show distinct sensing characteristics for different textures and number braille. We can precisely measure human blood pressure measurements through a fast adaptive voltage signal (V FA ) and a slow adaptive voltage signal (V SA ). In addition, the sensing behavior that slides holding the tumbler can be effectively analyzed by a combination of a fast adaptive voltage signal (V FA ) and a slow adaptive voltage signal (V SA ).
수많은 연구 그룹이 궁극적으로 다양한 방법을 통해 자연 피부의 기능을 모방하려고 했다. 구체적으로, 다양한 자극으로부터 차별적으로 검출할 수 있는 장치의 개발은 촉각 센서를 적용하는 중요한 부분이다. 이 센서의 범위는 휴머노이드 로봇뿐만 아니라 웨어러블 건강 모니터링 장치에도 적용된다. 터치 또는 압력 센서에 관한 대부분의 이전 연구에는 실리콘, 폴리머 기반의 디바이스 (트랜스 액티브, 압전, 압 저항 및 커패시티브 센싱 포함)가 포함되어 있다. 그러나, 이들 시스템은 복잡하지만 구별되는 생체 신호 시스템에 비해 매우 좁거나 오도된 정보를 줄 수 있다. 또한 입력과 출력 영역 사이에 결합되어 불안정한 전기적 특성과 높은 작동 전력을 나타낼 수 있다. Numerous research groups ultimately tried to imitate the functions of natural skin through a variety of methods. Specifically, the development of a device capable of differentiating from various stimuli is an important part of applying a tactile sensor. The scope of this sensor applies not only to humanoid robots but also to wearable health monitoring devices. Most of the previous studies on touch or pressure sensors have included silicon and polymer-based devices (including trans- ducers, piezoelectric, piezoresistive, and capacitive sensing). However, these systems can give very narrow or misleading information compared to complex but distinct biological signal systems. It can also be coupled between the input and output regions to represent unstable electrical characteristics and high operating power.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 기존의 터치 또는 압력 센서의 한계와 비교하여 매우 차별적이며 상보적인 감지 기능을 나타내는 지문형 자체 구동 체성 센서를 보고한다. 기존의 터치 또는 압력 센서는 복잡한 상황을 구별하기 어렵우나, 본 발명의 센서는 복잡한 상황을 구별할 수 있다.According to an embodiment of the present invention, a fingerprint type self-drive type body sensor that exhibits a highly discriminating and complementary sensing function in comparison with the limitations of existing touch or pressure sensors is reported. Conventional touch or pressure sensors are difficult to distinguish complex situations, but the sensors of the present invention can distinguish complex situations.
도 1은 생물학적 체성감각 기관을 설명하는 개념도이다.1 is a conceptual diagram illustrating a biological somatic sensory organ.
도 1을 참조하면, 인체의 체성감각(somesthesis) 내에서 피부를 통해 처리 된 감각 기능(sensory function)은 4 개의 대표적인 감각 기계 수용체(sensory mechanoreceptors)의 작동에 의해 달성된다. 이 시스템은 일반적으로 두 개의 FA와 두 개의 SA 기계 수용기로 나누어진다. 이들은 큰 수용 필드 크기(receptive field size)와 작은 수용 필드 크기의 조합으로 생성된다. 상세히, SA 수용체로 포함 된 머컬 디스크(Merkel disk; MD)와 러피니 실린더(Ruffini cylinder; RC)는 자극이 존재하는 한 반응성이다. 반대로, FA 수용체로 포함된 마이스너 혈구(Meissner corpuscle; MC) 및 파치니언 혈구(Pacinian corpuscle; PC)는 자극의 시작과 끝에서만 반응한다.Referring to FIG. 1, a sensory function processed through the skin within the somesthesi of the human body is achieved by the operation of four representative sensory mechanoreceptors. This system is generally divided into two FA and two SA machine receivers. They are created with a combination of large acceptance field size and small acceptance field size. Specifically, a Merkel disk (MD) and a Ruffini cylinder (RC), which are included as SA receptors, are reactive as long as a stimulus exists. In contrast, Meissner corpuscle (MC) and Pacinian corpuscle (PC), which are included as FA receptors, respond only at the beginning and end of stimulation.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 이온 채널 센서의 동작을 설명하는 개념도이다.2 is a conceptual diagram illustrating an operation of an ion channel sensor according to an embodiment of the present invention.
도 3a는 도 2의 이온 채널 센서를 설명하는 분해 사시도이다.FIG. 3A is an exploded perspective view illustrating the ion channel sensor of FIG. 2. FIG.
도 3b는 도 3a의 이온 채널 센서의 단면도이다.FIG. 3B is a cross-sectional view of the ion channel sensor of FIG. 3A.
도 2 및 도 3을 참조하면, 느린 적응(SA)와 빠른 적응(FA)의 기능을 모방한 이온 채널 센서의 구조가 설명된다. 이온 채널 센서(200)는. 필름 형태이고 전해질(160)을 수납하는 복수의 하부 저장 공간들(212)을 구비하는 하부 저장부(210); 필름 형태이고 전해질(160)을 수납하는 복수의 상부 저장 공간들(222)을 구비하는 상부 저장부(220); 상기 하부 저장부와 상기 상부 저장부 사이에 배치되고 복수의 관통홀(132)을 포함하는 멤브레인(130); 상기 하부 저장부의 하부면에 배치되는 하부 전극(140); 상기 상부 저장부(220)의 상부면에 배치된 상부 전극(150); 상기 상부 전극 상에 배치되는 압전 필름(170); 및 상기 압전 필름 상에 배치되는 압전 전극(180)을 포함한다.Referring to Figures 2 and 3, the structure of an ion channel sensor that mimics the functions of slow adaptation (SA) and fast adaptation (FA) is described. The ion channel sensor (200) A
상기 지문형 자체-동력 이온 채널 센서(200)의 빠른 적응 전압 신호(VFA)는 상기 압전 전극(180)과 상기 하부 전극(140) 사이의 신호 또는 상기 압전 전극(180)과 상기 상부 전극(150) 사이의 신호로 주어진다. 상기 느린 적응 전압 신호(VSA)는 상기 상부 전극(150)과 상기 하부 전극(140) 사이의 신호로 주어진다. 제1 전압계(182)는 변형에 따라 상기 상부 전극(150)과 상기 하부 전극(140) 사이의 느린 적응 전압 신호(VSA)를 측정한다. 제2 전압계(184)는 변형에 따라 상기 압전 전극(180)과 상기 하부 전극(140) 사이의 빠른 적응 전압 신호(VFA) 또는 상기 압전 전극(180)과 상기 상부 전극(150) 사이의 빠른 적응 전압 신호(VFA)를 측정한다.The quick adaptive voltage signal V FA of the fingerprint type self-powered
상기 하부 저장부(210)는 실리콘계 필름(또는 테이프) 또는 도전성 카본 테이프 및 박막형 양면 테이프일 수 있다. 상기 하부 저장부(210)는 일정한 두께를 가지는 필름 형태이고, 외부 압력에 의하여 변형될 수 있다. 상기 하부 저장부(210)는 복수의 하부 저장 공간(212)을 포함하고, 상기 하부 수납공간(212)은 필름 형태의 하부 저장부를 펀칭하여 형성될 수 있다. 상기 하부 저장부(210)의 필름의 두께는 수십 마이크로미터 내지 수백 마이크로미터일 수 있다. 상기 하부 저장 공간(212)은 전해질(160)로 채워질 수 있다. 상기 하부 저장부(210)의 상부면과 하부면에 각각 접착층이 배치될 수 있다. 상기 하부 저장부(210)는 필름 형태이고, 복수의 하부 저장 공간들(212)을 구비한다. 상기 하부 저장 공간들(212a~212c) 각각은 지문(fingerprint) 형태를 모사하도록 "U" 형태 또는 "C"로 구부러지고, 하부 저장 공간들 각각은 전해질(160)로 채워질 수 있다. 상기 하부 저장 공간들(212a~212c)은 서로 순차적으로 감싸도록 배치될 수 있다. 상기 하부 저장 공간들(212a~212c)은 넓은 영역에 대하여 센서를 분포시킬 수 있으며, 하나의 하부 저장 공간으로 구성하는 것에 비하여 국부적인 자극에 더욱 민감하게 반응할 수 있다.The
상부 저장부(220)는 상기 하부 저장부와 동일한 구조, 형상, 및 재질을 가질 수 있다. 상기 상부 저장부(220)는 실리콘계 필름, 고분자계 필름 또는 카본 필름일 수 있다. 상기 상부 저장부(220)는 일정한 두께를 가지는 필름 형태이고, 외부 압력에 의하여 변형될 수 있다. 상기 상부 저장부(220)는 복수의 상부 저장 공간(222)을 포함하고, 상기 상부 저장 공간(222)은 필름 형태의 상부 저장부(220)를 펀칭하여 형성될 수 있다. 상기 상부 저장부(220)의 필름 두께는 수십 마이크로미터 내지 수백 마이크로미터일 수 있다. 상기 상부 저장 공간(222)은 전해질(160)로 채워질 수 있다. 상기 상부 저장부의 상부면과 하부면에는 각각 접착층이 배치될 수 있다. 상기 상부 저장 공간은 상기 하부 저장 공간은 상하로 정렬될 수 있다. 상기 상부 저장부(220)는 필름 형태이고, 복수의 상부 저장 공간들(222)을 구비한다. 상기 상부 저장 공간들(222a~222c) 각각은 지문 형태를 모사하도록 "U" 형태 또는 "C"로 구부러지고, 상부 저장 공간들 각각은 전해질(160)로 채워질 수 있다. 상기 상부 저장 공간들(222a~222c)은 서로 순차적으로 감싸도록 배치될 수 있다. 상기 하부 저장 공간들과 상기 상부 저장 공간들은 동일한 구조이고, 서로 수직으로 정렬될 수 있다. The
상기 전해질(160)은 전도성을 지니는 일반 액상, 졸-겔 상, 또는 고체상 재료를 포함할 수 있다. 여기서, 상기 일반 액상, 졸-겔상, 또는 고체상 재료는 이온전도성을 갖는 나트륨(Na), 포타지움(K), 리튬(Li), 마그네슘(Mg)등의 이온을 포함한 수용액 및 액체 금속을 포함할 수 있다. 졸-겔상 재료는 전도성 고분자, 생체성 겔 소재(아가로스(ararose), 젤라틴(Gelatin) 등의 이온성 겔)을 포함한다. 고체상 재료는 탄소계열의 나노튜브, 파이버 및 그래핀 등을 포함하고, 압력에 따른 고체의 저항값이 변화할 수 있는 소재를 포함할 수 있다. 구체적으로, 상기 전해질(160)은 폴리아닐린(Polyaniline; PANi) 용액, 고체 고분자, 포타시움 클로라이드(Potassium cloride KCl, 1M) 용액, 또는 이온성 액체(ionic liquid, 1-ethyl-3-methylimidazolium ethyl sulfate) 용액을 포함할 수 있다. The
구체적으로, 폴리아닐린(PANi) 용액은 다음과 같이 제조된다. 0.286 g (1.25 mmol) 의 과황산암모늄(ammonium persulfate; AP)를 1 mL 정류수(Distilled water )에 용해하여 황산암모늄 용액을 제조한다. 아닐린 용액(Aniline solution)은 0.921 mL (1 mmol) 피트산(phytic acid), 0.458 mL (5 mmol) 아닐린(aniline), 그리고 2 mL 정류수(DI water)를 혼합하여 준비된다. 그리고, 황산암모늄 용액과 아닐린 용액은 4 시간 동안 냉장고에서 냉각되고, 혼합된다. 결국, 폴리아닐린 용액이 부분적인 겔화(partial gelation)를 가지고 얻어진다.Specifically, a polyaniline (PANi) solution is prepared as follows. 0.286 g (1.25 mmol) of ammonium persulfate (AP) is dissolved in 1 mL of distilled water to prepare an ammonium sulfate solution. The aniline solution is prepared by mixing 0.921 mL (1 mmol) phytic acid, 0.458 mL (5 mmol) aniline, and 2 mL DI water. The ammonium sulfate solution and the aniline solution are then cooled and mixed in the refrigerator for 4 hours. As a result, the polyaniline solution is obtained with partial gelation.
멤브레인(130)은 일정한 두께를 가지는 복수의 관통홀 또는 복수의 나노기공(nanopore)을 포함할 수 있다. 상기 멤브레인(130)은 폴리 카보네이트 트렉 에치드(poly carbonate track etched; PCTE) 및 수직형 기공을 갖는 멤브레인일 수 있다. 상기 멤브레인의 관통홀의 지름은 10 nm 내지 1 μm이고, 상기 멤브레인(130)의 관통홀의 밀도는 2x107 /cm2 내지 6x108 /cm2 이고, 상기 멤브레인(130)의 두께는 6μm 내지 20 μm 일 수 있다. 상기 관통홀은 상기 상부 저장 공간(222)의 전해질과 상기 하부 저장 공간(222)의 전해질의 이동 통로를 제공할 수 있다. The
하부 전극(140)은 상기 하부 저장부(210)의 하부면에 배치되고, 필름 형태일 수 있다. 상기 하부 전극(140)은 카본으로 코팅된 알루미륨 필름일 수 있다. 상기 하부 전극의 카본층은 상기 하부 저장부(210)에 수납된 전해질과 접촉하도로 배치될 수 있다. 상기 하부 전극(140)은 상기 하부 저장부의 하부면을 밀폐할 수 있다. 상기 하부 전극은 전기적으로 접지될 수 있다. 상기 하부 전극(140)의 두께는 수 μm 내지 수십 μm일 수 있다.The
상부 전극(150)은 상기 상부 저장부(220)의 상부면에 배치되고, 필름 형태일 수 있다. 상기 상부 전극(150)은 카본으로 코팅된 알루미륨 필름일 수 있다. 상기 상부 전극(150)의 카본층은 상기 상부 저장부에 수납된 상기 전해질과 접촉하도록 배치될 수 있다. 상기 상부 전극(150)은 상기 상부 저장부의 상부면을 밀폐할 수 있다. 상기 상부 전극(150)은 유연성을 가지고 외부 압력에 의하여 변형될 수 있다. 상기 상부 전극(150)은 전기적으로 플로팅될 수 있다. 상기 상부 전극(150)의 두께는 수 μm 내지 수십 μm일 수 있다.The
상기 압전 필름(170)은 분극된 플루오르화 폴리비닐리덴(Polled Polyvinylidene fluoride; PVDF), poly(vinylidene fluoride-hexafluoropropylene(PVDF-HFP), 또는 Polyvinylidenefluoride-trifluoroethylene(PVDF-TrFe) 필름일 수 있다. 상기 압전 필름(170)은 외부 압력에 의하여 변형되어 상기 압전 필름(170)의 양면 사이에 전위차를 유발할 수 있다. 외부 압력에 의하여 변형된 압전 필름(170)은 압전 전극(180)과 상기 하부 전극(140) 사이에 전위차 또는 압전 전극(180)과 상기 상부 전극(150) 사이의 전위차를 유발할 수 있다. 또한, 외부 압력에 의하여 변형된 압전 필름은 상기 상부 전극(150)과 상기 하부 전극(140) 사이에 전위차를 유발할 수 있다. 상기 압전 필름의 두께는 수십 80 μm 내지 수백 μm일 수 있다. 바람직하게는 상기 압전 필름의 두께는 80 μm일 수 있다.The
압전 전극(180)은 상기 압전 필름(170)의 노출된 상부면을 덮도록 배치된다. 상기 압전 전극, 상기 압전 필름, 및 상기 상부 전극은 전위차를 가지는 축전기로 동작할 수 있다. 상기 압전 전극(180)은 Ti/Au 박막일 수 있다. 상기 Ti 층은 압전 전극을 형성하기 위한 버퍼층으로 동작할 수 있다. 상기 압전 전극 상에는 보조 보호층(미도시)이 배치될 수 있다. 상기 보조 보호층은 도전 재질 또는 절연 재질일 수 있다. 상기 보조 보호층은 상기 압전 전극의 손상을 방지할 수 있다.The
지지부(144)는 상기 하부 전극의 하부면에는 배치될 수 있다. 상기 지지부는 유연성을 가진 플라스틱 필름일 수 있다. 상기 지지부(144)는 상기 하부 전극(140)을 보호하는 보호 필름일 수 있다.The
상기 압전 필름(170)은 외부 기계적 자극에 의하여 변형되는 수용기(receptor)일 수 있다. 상기 압전 필름(170) 및 상기 상부 저장부(220)의 변형은 상기 압전 필름(170)에 전위차를 유발하고, 상기 멤브레인을 가로지는 이온 운동을 유발할 수 있다.The
압력 또는 외부 자극이 제거된 경우, 상기 압전 필름(170) 및 상기 상부 저장부(220)은 원래의 형상으로 복원하고, 동시에 이온들은 상기 멤브레인을 가로질러 역으로 흐르고, 초기 전압값으로 복원을 야기할 수 있다.When the pressure or external stimulus is removed, the
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 이온 채널 소자의 측정 방법을 설명하는 도면이다.4 is a view for explaining a method of measuring an ion channel device according to an embodiment of the present invention.
도 5는 도 4의 측정 방법을 통하여 측정된 이온 채널 소자의 느린 적응 전압 신호(VSA)와 빠른 적응 전압 신호(VFA)의 파형을 나타내는 결과들이다.FIG. 5 shows the waveforms of the slow adaptive voltage signal V SA and the fast adaptive voltage signal V FA of the ion channel device measured through the measurement method of FIG.
도 4 및 도 5를 참조하면, 대상물 상에 판형의 이온 채널 센서(200)이 배치되고, 손가락을 사용하여 상기 이온 채널 센서(200)을 표면 방향으로 이동시킨다. 표면 촉각(surface sensation)을 조사하기 위하여, 대상물(201)은 유리판, 거름종이(상표명 와트만), 및 사포를 사용되었다. 상기 이온 채널 센서(200)는 전해질(160)을 수납하는 지문 형태의 상부/하부 저장 공간들을 가지고, 손가락의 지문이 있는 표면에 부착되었다. 상기 이온 채널 센서(200)는 500 Pa 이하의 힘으로 눌려진 상태에서 표면 방향으로 이동되었다. 상기 이온 채널 센서(200)의 신호는 오실로스코프로 측정되었다. 4 and 5, a plate-shaped
통상적으로, 인간의 손가락의 지문 부위는 물건을 집을 때, 미끄럼방지를 위하여 물건의 질감을 감지할 수 있다. 손가락의 지문 패턴을 모사하기 위하여, 상기 이온 채널 센서(200)는 지문 패턴을 단순화한 절단된 동심사각형 구조를 채택하였다.Typically, the fingerprint area of a human finger can sense the texture of the object to prevent slippage when picking it up. In order to simulate the fingerprint pattern of the finger, the
상기 이온 채널 센서(200)의 느린 적응 전압 신호(VSA)는 대상물에 관계없이 거의 동일한 패턴을 보인다. 한편, 빠른 적응 전압 신호(VFA)는 대상물에 따라 다른 파형을 보인다. 즉, 빠른 적응 전압 신호(VFA)는 표면 거칠기를 감지할 수 있다. 상기 이온 채널 센서의 느린 적응 전압 신호(VSA)와 빠른 적응 전압 신호(VFA)는 패턴 인식 알고리즘에 의하여 분류되어, 표면 거칠기를 감지할 수 있다. The slow adaptive voltage signal V SA of the
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 이온 채널 센서의 느슨히 잡기(holding). 미끄럼(slipping), 및 꽉잡음(catching) 동작 특성을 나타내는 결과들이다.6 is a loose holding of an ion channel sensor according to another embodiment of the present invention. Slipping, and catching motion characteristics.
도 6을 참조하면, 이온 채널 센서(200)의 느린 적응 전압 신호(VSA)는 79.6 mV의 휴식 전위(resting potential)을 가지고 느슨히 잡기(holding). 미끄럼(slipping), 및 꽉잡음(catching) 동작에 따라 서로 다른 전압 변화 특성을 보인다. 또한, 빠른 적응 전압 신호(VFA)는 느슨히 잡기(holding). 미끄럼(slipping), 및 꽉잡음(catching) 동작에 따라 서로 다른 빠른 전압 변화를 보인다. 느슨히 잡기(holding). 미끄럼(slipping), 및 꽉잡음(catching) 동작에 따른 느린 적응 전압 신호(VSA)와 빠른 적응 전압 신호(VFA)는 패턴 인식 알고리즘을 통하여 예측되고, 분류될 수 있다. 상기 이온 채널 센서(200)가 신체 기능 대체 로봇에 장착된 경우, 상기 이온 채널 센서(200)의 신호는 처리되어 인간의 신경에 전기신호로 전달될 수 있다. 또는, 상기 이온 채널 센서가 로봇에 장착된 경우, 상기 이온 채널 센서의 신호는 신호 처리부에 의하여 분류되어 대상물의 표면 거칠기 및 잡은 상태를 제공할 수 있다. Referring to FIG. 6, the slow adaptive voltage signal V SA of the
도 7a, 도 7b, 및 도 7c는 본 발명의 또 다른 실시예들에 따른 하부 저장 공간의 패턴을 설명하는 도면들이다.FIGS. 7A, 7B, and 7C are views illustrating patterns of a lower storage space according to still another embodiment of the present invention. FIG.
도 7a를 참조하면, 하부 저장 공간들(312) 각각은 "C"자 형태 또는 절단된 원형일 수 있다. 상기 하부 저장 공간들은 전체적으로 절단된 동심원 형상일 수 있다.Referring to FIG. 7A, each of the
도 7b를 참조하면, 하부 저장 공간들(412) 각각은 동심원 구조를 가진 원형일 수 있다.Referring to FIG. 7B, each of the
도 7c를 참조하면, 하부 저장 공간들(512) 각각은 동심 다각형 구조를 가진 다각형 형태일 수 있다.Referring to FIG. 7C, each of the
이상에서는 본 발명을 특정 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 이러한 실시예에 한정되지 않으며, 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 특허청구범위에서 청구하는 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 실시할 수 있는 다양한 형태의 실시예들을 모두 포함한다.While the invention has been shown and described with reference to certain preferred embodiments thereof, it will be understood by those skilled in the art that various changes and modifications may be made therein without departing from the spirit and scope of the invention as defined by the appended claims. And all of the various forms of embodiments that can be practiced without departing from the spirit of the invention.
200: 지문형 자체-동력 이온 채널 센서
210: 하부 저장부
220: 상부 저장부
130: 멤브레인
140: 하부 전극
150: 상부 전극
170: 압전 필름
180: 압전 전극200: Fingerprint type self-powered ion channel sensor
210: Lower storage part
220: upper storage unit
130: Membrane
140: lower electrode
150: upper electrode
170: Piezoelectric film
180: piezoelectric electrode
Claims (18)
필름 형태이고 전해질을 수납하는 복수의 상부 저장 공간들을 구비하는 상부 저장부;
상기 하부 저장부와 상기 상부 저장부 사이에 배치되고 복수의 관통홀을 포함하는 멤브레인;
상기 하부 저장부의 하부면에 배치되는 하부 전극;
상기 상부 저장부의 상부면에 배치된 상부 전극;
상기 상부 전극 상에 배치되는 압전 필름; 및
상기 압전 필름 상에 배치되는 압전 전극을 포함하는 것을 특징으로 하는 지문형 자체-동력 이온 채널 센서.A lower reservoir having a film form and a plurality of lower storage spaces for storing the electrolyte;
An upper storage portion having a plurality of upper storage spaces in the form of a film and housing the electrolyte;
A membrane disposed between the lower reservoir and the upper reservoir and including a plurality of through holes;
A lower electrode disposed on a lower surface of the lower storage part;
An upper electrode disposed on an upper surface of the upper storage unit;
A piezoelectric film disposed on the upper electrode; And
And a piezoelectric electrode disposed on the piezoelectric film.
상기 하부 저장 공간들은 서로 순차적으로 감싸도록 배치되고,
상기 상부 저장 공간들은 서로 순차적으로 감싸도록 배치되고,
상기 하부 저장 공간들과 상기 상부 저장 공간들은 동일한 구조이고, 서로 수직으로 정렬되는 것을 특징으로 지문형 자체-동력 이온 채널 센서.The method according to claim 1,
Wherein the lower storage spaces are arranged to sequentially surround one another,
Wherein the upper storage spaces are arranged to sequentially surround one another,
Wherein the lower storage spaces and the upper storage spaces have the same structure and are vertically aligned with each other.
상기 하부 저장 공간들 각각은 "U"자 또는 "C" 형태인 것을 특징으로 하는 지문형 자체-동력 이온 채널 센서.3. The method of claim 2,
Wherein each of said lower storage spaces is in the form of a " U "or" C ".
상기 하부 저장 공간들 각각은 원형 또는 다각형 형태인 것을 특징으로 하는 지문형 자체-동력 이온 채널 센서.3. The method of claim 2,
Wherein each of the lower storage spaces is of a circular or polygonal shape.
상기 상부 전극과 상기 하부 전극 사이의 전압을 측정하는 제1 전압계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 지문형 자체-동력 이온 채널 센서.The method according to claim 1,
Further comprising a first voltmeter for measuring a voltage between the upper electrode and the lower electrode.
상기 압전 전극과 상기 하부 전극 사이의 전압 또는 상기 압전 전극과 상기 상부 전극 사이의 전압을 측정하는 제2 전압계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 지문형 자체-동력 이온 채널 센서.The method of claim 1,
Further comprising a second voltmeter for measuring a voltage between the piezoelectric electrode and the lower electrode or a voltage between the piezoelectric electrode and the upper electrode.
상기 압전 필름은 분극된 플루오르화 폴리비닐리덴(Polled Polyvinylidene fluoride; PVDF), poly(vinylidene fluoride-hexafluoropropylene(PVDF-HFP), 또는 Polyvinylidenefluoride-trifluoroethylene(PVDF-TrFe) 필름인 것을 특징으로 하는 지문형 자체-동력 이온 채널 센서.The method according to claim 1,
Wherein the piezoelectric film is a polarized polyvinylidene fluoride (PVDF), a polyvinylidene fluoride-hexafluoropropylene (PVDF-HFP), or a polyvinylidenefluoride-trifluoroethylene (PVDF-TrFe) Power ion channel sensor.
상기 압전 전극은 Ti/Au 박막인 것을 특징으로 하는 지문형 자체-동력 이온 채널 센서.The method according to claim 1,
Wherein the piezoelectric electrode is a Ti / Au thin film.
상기 상부 전극은 카본으로 코팅된 알루미륨 필름 혹은 전도성의 필름인 것을 특징으로 하는 지문형 자체-동력 이온 채널 센서.The method according to claim 1,
Wherein the upper electrode is a carbon-coated aluminum film or a conductive film.
상기 하부 전극은 카본으로 코팅된 알루미륨 필름 혹은 전도성의 필름인 것을 특징으로 하는 지문형 자체-동력 이온 채널 센서.The method according to claim 1,
Wherein the lower electrode is a carbon-coated aluminum film or a conductive film.
상기 전해질은 폴리아닐린(Polyaniline; PANi) 및 고체전해질인 것을 특징으로 하는 지문형 자체-동력 이온 채널 센서.The method according to claim 1,
Wherein the electrolyte is a polyaniline (PANi) and a solid electrolyte.
상기 상부 저장부는 실리콘계 테이프, 고분자 양면 테이프 또는 카본 테이프인 것을 특징으로 하는 지문형 자체-동력 이온 채널 센서.The method according to claim 1,
Wherein the upper storage portion is a silicon tape, a polymer double-sided tape, or a carbon tape.
상기 상부 저장부는 상기 하부 저장부와 동일한 구조 및 형상을 가지는 것을 특징으로 하는 지문형 자체-동력 이온 채널 센서.The method according to claim 1,
Wherein the upper storage unit has the same structure and shape as the lower storage unit.
상기 멤브레인은 폴리 카보네이트 트렉 에치드(poly carbonate track etched; PCTE) 및 수직형 기공 구조를 갖는 멤브레인인 것을 특징으로 하는 지문형 자체-동력 이온 채널 센서.The method according to claim 1,
Characterized in that the membrane is a polycarbonate track etched (PCTE) and membrane having a vertical pore structure.
상기 멤브레인의 관통홀의 지름은 10 nm 내지 1 μm이고,
상기 멤브레인의 관통홀의 밀도는 2x107 pores/cm2 내지 6x108 pores/cm2 이고,
상기 멤브레인의 두께는 6μm 내지 20 μm 인 것을 특징으로 하는 지문형 자체-동력 이온 채널 센서.12. The method of claim 11,
The diameter of the through-hole of the membrane is 10 nm to 1 μm,
The density of the through-holes of the membrane is 2 x 10 7 pores / cm 2 to 6 x 10 8 pores / cm 2 ,
Wherein the thickness of the membrane is between 6 and 20 μm.
대상물과 접촉함에 따라 상기 상부 전극과 상기 하부 전극 사이의 느린 적응 신호를 측정하는 단계; 및
상기 대상물과 접촉함에 따라 상기 압전 전극과 상기 하부 전극 사이의 전압 또는 상기 압전 전극과 상기 상부 전극 사이의 빠른 적응 신호를 측정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 지문형 자체-동력 이온 채널 센서의 동작 방법.A lower reservoir having a film form and a plurality of lower storage spaces for storing the electrolyte; An upper storage portion having a plurality of upper storage spaces in the form of a film and housing the electrolyte; A membrane disposed between the lower and upper reservoirs and including a plurality of through holes; A lower electrode disposed on a lower surface of the lower storage part; An upper electrode disposed on an upper surface of the upper storage unit; A piezoelectric film disposed on the upper electrode; And a piezoelectric electrode disposed on the piezoelectric film, the method comprising:
Measuring a slow adaptation signal between the upper electrode and the lower electrode in contact with an object; And
And measuring a voltage between the piezoelectric electrode and the lower electrode or a quick adaptation signal between the piezoelectric electrode and the upper electrode in contact with the object, Way.
상기 느린 적응 신호 및 상기 빠른 적응 신호를 처리하여 상기 대상물의 표면 거칠기를 판단하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 지문형 자체-동력 이온 채널 센서의 동작 방법.17. The method of claim 16,
Further comprising processing the slow adaptation signal and the fast adaptation signal to determine a surface roughness of the object. ≪ Desc / Clms Page number 19 >
상기 지문형 자체-동력 이온 채널 센서가 로봇 손에 장착된 경우, 상기 느린 적응 신호 및 상기 빠른 적응 신호를 처리하여 상기 로봇 손의 잡기(holding) 상태를 판단하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 지문형 자체-동력 이온 채널 센서의 동작 방법.
17. The method of claim 16,
When the fingerprint type self-powered ion channel sensor is mounted on the robot hand, processing the slow adaptation signal and the quick adaptation signal to determine the holding state of the robot hand Fingerprint type self - powered ion channel sensor.
Priority Applications (1)
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|---|---|---|---|
| KR1020170165453A KR102051712B1 (en) | 2017-12-04 | 2017-12-04 | Fingerprint-type Self-powered Ion Channel Sensor |
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| KR20190065881A true KR20190065881A (en) | 2019-06-12 |
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2021172748A1 (en) * | 2020-02-26 | 2021-09-02 | 고려대학교 산학협력단 | Sensor device using proton transfer |
Citations (3)
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| KR20090010947A (en) * | 2008-10-01 | 2009-01-30 | 쥐.알.엔라이튼먼트 엘티디. | Apparatus and method for measuring parameters associated with electrochemical processes |
| KR20160105174A (en) * | 2015-02-27 | 2016-09-06 | 서울대학교산학협력단 | Stretchable Silicon Nanoribbon Electronics for Skin Prosthesis and Process for Preparing the Same |
| KR20170106753A (en) * | 2016-03-14 | 2017-09-22 | 고려대학교 산학협력단 | Ion Channel Pressure Sensor And The Manufacturing Method Of The Same |
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2017
- 2017-12-04 KR KR1020170165453A patent/KR102051712B1/en active IP Right Grant
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