KR20220133792A - 정렬된 크랙 구조를 갖는 스트레인 게이지, 및 그 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
스트레인 게이지의 제조 방법이 제공된다. 상기 스트레인 게이지의 제조 방법은, 유연(flexible)한 기재를 준비하는 단계, 상기 기재의 제1 면 상에 전도층을 형성하는 단계, 및 상기 전도층이 형성된 상기 기재를 제1 방향으로 인장시켜, 상기 전도층의 표면 상에, 상기 기재가 인장된 상기 제1 방향으로 서로 이격된 복수의 크랙을 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
Description
본 출원은 스트레인 게이지, 및 그 제조 방법에 관련된 것으로, 보다 상세하게는, 3D 프린팅 공정을 이용하여 제조된 정렬된 크랙 구조를 갖는 스트레인 게이지, 및 그 제조 방법에 관련된 것이다.
웨어러블 전자 장치, 전자 스킨을 이용해 인공 로봇, 심장 박동, 목소리, 호흡, 인간의 움직임 등을 감지하고 모니터링하기 위한 바이오 통합 장치 등 다양한 종류의 장치에 스트레인 센서가 적용되고 있다.
스트레인 센서는 모든 유형의 물체의 기계 왜곡을 측정하는 전자 기계식 센서로, 다양한 종류의 장치에 적용되는 스트레인 센서는 고감도를 가지며, 저비용으로 용이하게 제조될 수 있어야 한다.
스트레인 센서 중에서도 저항 변화식 센서는 가장 간단한 형태이며 저렴한 비용으로 제조 가능하며 높은 성능으로, 헬스케어 업계 등의 여러 업계에서 각광을 받고 있다.
이러한 저항 변화식 센서는 물체에 외부 변형이 가해질 때 저항 변화를 감지하여 작동하는 것으로서, graphene, nanowires, nanotubes, silicon membranes 등과 같은 재료나 나노 물질을 사용하여 저항 변화식 센서의 성능을 향상시키기 위한 많은 노력이 있었다.
이에 따라, 높은 감도의 저항 변화식 센서들이 개발되고 있다. 이러한 종래 기술의 일 실시예로 대한민국 등록특허공보 제10-1926371호, "고민감도 스트레인 센서의 제조 방법, 스트레인 센서 및 이를 포함하는 웨어러블 디바이스" 에서는 복수의 개구부를 갖는 패턴된 주형 필름을 준비하는 단계, 상기 주형 필름에 제1 고분자를 코팅하는 단계, 상기 제1 고분자가 코팅된 상기 주형 필름에 전도성 카본 물질 및 제2 고분자를 포함하는 분산액을 제공하여, 복수의 개구부를 갖는 전도성 카본층을 형성하는 단계 및 상기 전도성 카본층을 센서 베이스 필름에 전사하는 단계를 포함하는 스트레인 센서의 제조 방법이 개시되어 있다.
그러나, 높은 감도의 저항 변화식 센서를 제조할 시 재료의 합성, 센서 제조 중에 필요한 고온 환경 조성 및 초고진공 장비 조작 등의 복잡한 공정 때문에 제조 단가가 높고, 제조 시간이 오래 걸린다는 문제점이 있었다.
본 출원이 해결하고자 하는 일 기술적 과제는, 고민감도를 갖는 스트레인 게이지, 및 그 제조 방법을 제공하는 데 있다.
본 출원이 해결하고자 하는 다른 기술적 과제는, 간단한 공정을 갖는 스트레인 게이지, 및 그 제조 방법을 제공하는 데 있다.
본 출원이 해결하고자 하는 또 다른 기술적 과제는, 제조 단가를 낮춘 스트레인 게이지, 및 그 제조 방법을 제공하는 데 있다.
본 출원이 해결하고자 하는 또 다른 기술적 과제는, 제조 시간이 단축된 스트레인 게이지, 및 그 제조 방법을 제공하는 데 있다.
본 출원이 해결하고자 하는 또 다른 기술적 과제는, 유연성을 갖는 스트레인 게이지, 및 그 제조 방법을 제공하는 데 있다.
본 출원이 해결하고자 하는 또 다른 기술적 과제는, 3D 프린팅 공정을 이용한 스트레인 게이지, 및 그 제조 방법을 제공하는 데 있다.
본 출원이 해결하고자 하는 기술적 과제는 상술된 것에 제한되지 않는다.
상기 기술적 과제를 해결하기 위해, 본 출원은 정렬된 크랙 구조를 갖는 스트레인 게이지 제조 방법을 제공한다.
일 실시 예에 따르면, 3D 프린팅 공정을 이용한 스트레인 게이지 제조 방법은, 유연(flexible)한 기재를 준비하는 단계, 상기 기재의 제1 면 상에 전도층을 형성하는 단계, 및 상기 전도층이 형성된 상기 기재를 제1 방향으로 인장시켜, 상기 전도층의 표면 상에, 상기 기재가 인장된 상기 제1 방향으로 서로 이격된 복수의 크랙을 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 기재를 준비하는 단계는, 필라멘트를 준비하는 단계, 및 3D 프린터를 이용하여 상기 제1 방향으로 상기 필라멘트를 적층하는 단계를 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 기재의 상기 제1 면은, 상기 제1 방향으로 이격된 복수의 볼록부, 및 인접한 상기 볼록부 사이에 정의되고 상기 제1 방향으로 이격된 복수의 오목부를 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 전도층은, 상기 볼록부 및 상기 오목부를 갖는 상기 기재의 상기 제1 면의 표면 프로파일을 따라 형성되어, 상기 전도층은, 복수의 상기 볼록부 상의 복수의 돌출부, 및 복수의 상기 오목부 상의 복수의 함몰부를 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 복수의 상기 크랙은 복수의 상기 함몰부에 형성되는 것을 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 3D 프린팅 공정을 이용한 스트레인 게이지 제조 방법은, 상기 기재를 준비하는 단계 후, 상기 전도층을 형성하는 단계 이전에, 상기 기재의 상기 제1 면을 플라즈마 처리하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 기술적 과제를 해결하기 위해, 본 출원은 정렬된 크랙 구조를 갖는 스트레인 게이지를 제공한다.
일 실시 예에 따르면, 스트레인 게이지는 유연한 기재, 및 상기 기재의 제1 면 상의 전도층을 포함하되, 상기 전도층은 상기 기재의 길이 방향으로 서로 이격된 복수의 크랙을 포함하고, 외부에서 인가되는 힘에 의한 신축(伸縮)으로, 복수의 상기 크랙의 서로 인접한 적어도 일부가 서로 이격 또는 서로 접촉되는 것을 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 기재의 상기 제1 면은, 상기 제1 면 상에 상기 기재의 길이 방향으로 서로 이격된 복수의 볼록부, 및 인접한 상기 볼록부 사이에 정의되고, 상기 기재의 길이 방향으로 이격된 복수의 오목부를 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 전도층은, 상기 볼록부 및 상기 오목부를 갖는 상기 기재의 상기 제1 면의 표면 프로파일을 따라 형성되어, 상기 전도층은, 복수의 상기 볼록부 상의 복수의 돌출부, 및 복수의 상기 오목부 상의 복수의 함몰부를 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 복수의 상기 크랙은 복수의 상기 함몰부에 형성되는 것을 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 기재는 TPU(Thermoplastic polyurethane), PUA(Polyurethane acrylate), PDMS(Polydimethylsiloxane), Ecoflex, Flexible UV curable resin 중에서 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 전도층은 Pt(Platinum), CNT(Carbon nanotube), CB(Carbon black), Au (aurum), Ag-rGO(Graphene oxide decorated with Ag nanoparticles), SWCNTs(Single-wall carbon nanotubes), AgNWs(Ag nanowires) 중에서 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
본 출원의 실시 예에 따르면, 전도층이 형성되고 오목부 및 볼록부를 갖는 기재를 제1 방향으로 인장시켜, 상기 전도층의 표면 상에, 상기 기재가 인장된 상기 제1 방향으로 서로 이격된 복수의 크랙을 형성할 수 있다. 복수의 상기 크랙은, 상기 기재의 상기 오목부에 대응하는 영역에 정렬되어 형성될 수 있고, 이에 따라, 스트레인의 작은 변화에도 복수의 상기 크랙의 서로 인접한 적어도 일부가 서로 이격 또는 서로 접촉되어, 민감도가 향상된 스트레인 게이지가 제조될 수 있다.
또한, 상기 기재는, 3D 프린터를 이용하여 상기 제1 방향으로 필라멘트를 적층하여 제조될 수 있고, 이에 따라, 상기 필라멘트의 두께를 제어하는 방법으로, 상기 기재의 상기 오목부 사이의 거리가 제어될 수 있다. 이로 인해 복수의 상기 크랙 사이의 간격 및 단위면적당 상기 크랙의 밀도가 용이하게 제어되어, 상기 스트레인 게이지의 특성이 제어될 수 있다. 또한, 3D 프린팅을 통해 균일한 품질을 갖는 상기 기재의 대량 생산이 가능하여, 상기 스트레인 게이지를 제조하는 비용이 절감되고, 제조 시간이 단축될 수 있다.
또한, 본 출원의 실시 예에 따른 스트레인 게이지에서 복수의 상기 크랙을 갖는 상기 전도층은 유연(flexible)한 기재 상에 형성될 수 있다. 이에 따라, 상기 스트레인 게이지 또한 유연성을 가질 수 있고, 이로 인해, 상기 스트레인 게이지는 측정 부위의 굴곡, 면적, 위치 등에 관계없이 용이하게 부착될 수 있다.
도 1은 본 출원의 실시 예에 따른 스트레인 게이지의 제조 방법을 설명하기 위한 순서도이다.
도 2는 본 출원의 실시 예에 따른 스트레인 게이지의 제조 방법에서 유연한 기재를 준비하는 단계를 설명하기 위한 사시도이다.
도 3은 도 2의 A-A'를 따라 절취한 단면도이다.
도 4는 본 출원의 실시 예에 따른 스트레인 게이지의 제조 방법에서 기재의 제1 면을 플라즈마 처리하는 단계를 설명하기 위한 사시도이다.
도 5는 본 출원의 실시 예에 따른 스트레인 게이지의 제조 방법에서 기재의 제1 면 상에 전도층을 형성하는 단계를 설명하기 위한 사시도이다.
도 6은 도 5의 B-B'를 따라 절취한 단면도이다.
도 7은 본 출원의 실시 예에 따른 스트레인 게이지의 제조 방법에서 전도층이 형성된 기재를 제1 방향으로 인장시켜, 전도층의 표면 상에 서로 이격된 복수의 크랙을 형성하는 단계를 설명하기 위한 사시도이다.
도 8은 도 7의 C-C'를 따라 절취한 단면도이다.
도 9는 본 출원의 실시 예에 따른 스트레인 게이지의 제조 방법에 따라 제조된 복수의 크랙이 형성된 스트레인 게이지를 설명하기 위한 평면도이다.
도 10은 본 출원의 제2 실험 예에 따라 제조된 스트레인 게이지에 형성된 크랙을 보여주기 위한 도면이다.
도 11은 본 출원의 제2 실험 예에 따라 제조된 스트레인 게이지를 손가락에 착용한 모습을 보여주기 위한 도면이다.
도 12는 본 출원의 제2 실험 예에 따라 제조된 스트레인 게이지를 착용한 손가락의 굽힘 정도에 따른 저항 변화율을 나타내는 도면이다.
도 13의 (a)는 본 출원의 제2 실험 예에 따라 제조된 스트레인 게이지를 목에 착용한 모습을 보여주기 위한 도면이며, 도 13의 (b) 및 (c)는 본 출원의 제2 실험 예에 따라 제조된 스트레인 게이지를 부착한 목에서 측정된 맥박에 따른 저항 변화율을 나타내는 도면이고, 도 13의 (d) 및 (e)는 본 출원의 제2 실험 예에 따라 제조된 스트레인 게이지를 부착한 목에서 측정된 음성에 따른 저항 변화율을 나타내는 도면이다.
도 14 의 (a)는 본 출원의 제2 실험 예에 따라 제조된 스트레인 게이지를 손등에 착용한 모습을 보여주기 위한 도면이고, 도 14의 (b)는 본 출원의 제2 실험 예에 따라 제조된 스트레인 게이지를 부착한 손등에서의 손을 펴거나, 주먹을 쥐었을 때의 모션에 따른 저항 변화율을 나타내는 도면이다.
도 15는 본 출원의 제2 내지 제4 실험 예 및 비교 예에 따라 제조된 스트레인 게이지의 측면 사진들이다.
도 16a는 본 출원의 제2 실험 예 내지 제4 실험 예 및 비교에에 따른 스트레인 게이지의 변형율에 따른 저항 변화율을 나타내는 그래프이다.
도 16b는 본 출원의 제2 실험 예 내지 제4 실험 예 및 비교 예에 따른 스트레인 게이지의 반복적인 인장에 따른 저항 변화율을 나타내는 그래프이다.
도 16c는 본 출원의 제2 실험 예 내지 제4 실험 예 및 비교 예에 따른 스트레인 게이지의 회복시간을 나타내는 그래프이다.
도 17a는 본 출원의 제2 실험 예 내지 제4 실험 예에 따른 스트레인 게이지의 패턴 높이를 나타내는 그래프이다.
도 17b는 본 출원의 제1 실험 예 내지 제4 실험 예에 따른 스트레인 게이지의 패턴 높이 및 너비를 나타내는 그래프이다.
도 17c는 본 출원의 제2 실험 예에 따른 인장-회복 싸이클을 나타내는 그래프이다.
도 2는 본 출원의 실시 예에 따른 스트레인 게이지의 제조 방법에서 유연한 기재를 준비하는 단계를 설명하기 위한 사시도이다.
도 3은 도 2의 A-A'를 따라 절취한 단면도이다.
도 4는 본 출원의 실시 예에 따른 스트레인 게이지의 제조 방법에서 기재의 제1 면을 플라즈마 처리하는 단계를 설명하기 위한 사시도이다.
도 5는 본 출원의 실시 예에 따른 스트레인 게이지의 제조 방법에서 기재의 제1 면 상에 전도층을 형성하는 단계를 설명하기 위한 사시도이다.
도 6은 도 5의 B-B'를 따라 절취한 단면도이다.
도 7은 본 출원의 실시 예에 따른 스트레인 게이지의 제조 방법에서 전도층이 형성된 기재를 제1 방향으로 인장시켜, 전도층의 표면 상에 서로 이격된 복수의 크랙을 형성하는 단계를 설명하기 위한 사시도이다.
도 8은 도 7의 C-C'를 따라 절취한 단면도이다.
도 9는 본 출원의 실시 예에 따른 스트레인 게이지의 제조 방법에 따라 제조된 복수의 크랙이 형성된 스트레인 게이지를 설명하기 위한 평면도이다.
도 10은 본 출원의 제2 실험 예에 따라 제조된 스트레인 게이지에 형성된 크랙을 보여주기 위한 도면이다.
도 11은 본 출원의 제2 실험 예에 따라 제조된 스트레인 게이지를 손가락에 착용한 모습을 보여주기 위한 도면이다.
도 12는 본 출원의 제2 실험 예에 따라 제조된 스트레인 게이지를 착용한 손가락의 굽힘 정도에 따른 저항 변화율을 나타내는 도면이다.
도 13의 (a)는 본 출원의 제2 실험 예에 따라 제조된 스트레인 게이지를 목에 착용한 모습을 보여주기 위한 도면이며, 도 13의 (b) 및 (c)는 본 출원의 제2 실험 예에 따라 제조된 스트레인 게이지를 부착한 목에서 측정된 맥박에 따른 저항 변화율을 나타내는 도면이고, 도 13의 (d) 및 (e)는 본 출원의 제2 실험 예에 따라 제조된 스트레인 게이지를 부착한 목에서 측정된 음성에 따른 저항 변화율을 나타내는 도면이다.
도 14 의 (a)는 본 출원의 제2 실험 예에 따라 제조된 스트레인 게이지를 손등에 착용한 모습을 보여주기 위한 도면이고, 도 14의 (b)는 본 출원의 제2 실험 예에 따라 제조된 스트레인 게이지를 부착한 손등에서의 손을 펴거나, 주먹을 쥐었을 때의 모션에 따른 저항 변화율을 나타내는 도면이다.
도 15는 본 출원의 제2 내지 제4 실험 예 및 비교 예에 따라 제조된 스트레인 게이지의 측면 사진들이다.
도 16a는 본 출원의 제2 실험 예 내지 제4 실험 예 및 비교에에 따른 스트레인 게이지의 변형율에 따른 저항 변화율을 나타내는 그래프이다.
도 16b는 본 출원의 제2 실험 예 내지 제4 실험 예 및 비교 예에 따른 스트레인 게이지의 반복적인 인장에 따른 저항 변화율을 나타내는 그래프이다.
도 16c는 본 출원의 제2 실험 예 내지 제4 실험 예 및 비교 예에 따른 스트레인 게이지의 회복시간을 나타내는 그래프이다.
도 17a는 본 출원의 제2 실험 예 내지 제4 실험 예에 따른 스트레인 게이지의 패턴 높이를 나타내는 그래프이다.
도 17b는 본 출원의 제1 실험 예 내지 제4 실험 예에 따른 스트레인 게이지의 패턴 높이 및 너비를 나타내는 그래프이다.
도 17c는 본 출원의 제2 실험 예에 따른 인장-회복 싸이클을 나타내는 그래프이다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 상세히 설명할 것이다. 그러나 본 발명의 기술적 사상은 여기서 설명되는 실시 예에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화 될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시 예는 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다.
또한, 본 명세서의 다양한 실시 예 들에서 제1, 제2, 제3 등의 용어가 다양한 구성요소들을 기술하기 위해서 사용되었지만, 이들 구성요소들이 이 같은 용어들에 의해서 한정되어서는 안 된다. 이들 용어들은 단지 어느 구성요소를 다른 구성요소와 구별시키기 위해서 사용되었을 뿐이다. 따라서, 어느 한 실시 예에 제 1 구성요소로 언급된 것이 다른 실시 예에서는 제 2 구성요소로 언급될 수도 있다. 여기에 설명되고 예시되는 각 실시 예는 그것의 상보적인 실시 예도 포함한다. 또한, 본 명세서에서 '및/또는'은 전후에 나열한 구성요소들 중 적어도 하나를 포함하는 의미로 사용되었다.
명세서에서 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한 복수의 표현을 포함한다. 또한, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 구성요소 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징이나 숫자, 단계, 구성요소 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 배제하는 것으로 이해되어서는 안 된다. 또한, 하기에서 본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략할 것이다.
도 1은 본 출원의 실시 예에 따른 스트레인 게이지의 제조 방법을 설명하기 위한 순서도이고, 도 2는 본 출원의 실시 예에 따른 스트레인 게이지의 제조 방법에서 유연한 기재를 준비하는 단계를 설명하기 위한 사시도이며, 도 3은 도 2의 A-A'를 따라 절취한 단면도이고, 도 4는 본 출원의 실시 예에 따른 스트레인 게이지의 제조 방법에서 기재의 제1 면을 플라즈마 처리하는 단계를 설명하기 위한 사시도이며, 도 5는 본 출원의 실시 예에 따른 스트레인 게이지의 제조 방법에서 기재의 제1 면 상에 전도층을 형성하는 단계를 설명하기 위한 사시도이고, 도 6은 도 5의 B-B'를 따라 절취한 단면도이며, 도 7은 본 출원의 실시 예에 따른 스트레인 게이지의 제조 방법에서 전도층이 형성된 기재를 제1 방향으로 인장시켜, 전도층의 표면 상에 서로 이격된 복수의 크랙을 형성하는 단계를 설명하기 위한 사시도이고, 도 8은 도 7의 C-C'를 따라 절취한 단면도이며, 도 9는 본 출원의 실시 예에 따른 스트레인 게이지의 제조 방법에 따라 제조된 복수의 크랙이 형성된 스트레인 게이지를 설명하기 위한 평면도이다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 유연(flexible)한 기재(100)가 준비된다(S110).
상기 기재(100)는 TPU(Thermoplastic polyurethane), PUA(Polyurethane acrylate), PDMS(Polydimethylsiloxane), Ecoflex, Flexible UV curable resin 중에서 적어도 어느 하나를 포함할 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
도 2에 도시된 바와 같이, 상기 기재(100)는 필라멘트가 적층되어 판(plate)의 형태로 제조될 수 있다. 상기 기재(100)는 제1 면(110)을 포함할 수 있다. 상기 제1 면(110)은 판 형태의 상기 기재(100)의 상부면일 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 기재(100)는 3D 프린터를 이용한 상기 필라멘트의 적층 공정으로 제조될 수 있다. 구체적으로, 상기 기재(100)를 제조하기 위한 상기 필라멘트가 준비된다. 상기 필라멘트는 열가소성을 가질 수 있다. 상기 필라멘트는 상술된 바와 같이, TPU(Thermoplastic polyurethane), PUA(Polyurethane acrylate), PDMS(Polydimethylsiloxane), Ecoflex, Flexible UV curable resin 중에서 적어도 어느 하나를 포함할 수 있으나, 이에 제한되지 않는다. 상기 필라멘트는 얇은 실의 형상을 포함할 수 있고, 필요에 따라 다양한 색상을 포함할 수 있다. 일 실시 예에 따르면, 상기 필라멘트는 3D 프린터를 통해 필라멘트 적층 방식(Fused Filament Fabrication, FFF) 또는 열용융 적층 모델링(Fused Deposition Modeling, FDM) 방식으로 적층될 수 있다. 구체적으로, 상기 필라멘트는 3D 프린터를 이용하여 제1 방향(D1)으로 적층될 수 있다.
상기 3D 프린터는 상기 필라멘트를 용융하여 배출시킬 수 있다. 상기 3D 프린터는 노즐 및 히터를 포함할 수 있다.
상기 노즐은 상기 필라멘트가 녹아 압출되는 개구를 가질 수 있다. 상기 노즐의 개구 형상은 원형일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다. 상기 노즐의 형상은 후술할 볼록부(111)의 형상에 영향을 미칠 수 있다. 또한, 상기 노즐의 크기는 상기 볼록부(111)의 두께에 영향을 미칠 수 있다.
상기 히터는 고체 상태의 상기 필라멘트를 녹여 액체 상태로 용융시킬 수 있다. 상기 히터는 노즐에 근접하게 배치될 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
상기 제1 방향(D1)은 상기 필라멘트가 적층되는 방향으로, 스테이지 또는 지면과 직각을 이루는 방향일 수 있다.
상기 제1 면(110)은 후술할 전도층(200)이 형성되는 면일 수 있다. 상기 제1 면(110)은 상기 필라멘트가 적층되는 상기 제1 방향(D1)과 평행을 이루는 면일 수 있다.
상술된 바와 같이, 상기 기재(100)는 노즐을 통과하여 압출된 필라멘트가 적층되어 제조되고, 상기 제1 면(110) 또한 압출된 필라멘트가 적층되어 형성됨에 따라, 상기 제1 면(110) 상에 복수의 볼록부(111) 및 복수의 오목부(112)를 포함할 수 있다. 다시 말하면, 복수의 상기 필라멘트의 적층에 따른 표면 프로파일에 의해, 상기 제1 면(110)은 물론, 상기 제1 면(110)에 대향하는 제2 면(미도시) 상에 복수의 상기 볼록부(111) 및 복수의 상기 오목부(112)가 형성될 수 있다.
상기 볼록부(111)는 상기 필라멘트가 적층되는 상기 제1 방향(D1)으로 이격되고 서로 평행하게 배치될 수 있다. 상술된 바와 같이, 상기 기재(200)는 필라멘트 적층방식(FFF) 또는 열용융 적층 모델링 방식(FDM)으로 제조될 수 있고, 이에 따라, 상기 기재(110)의 상기 제1 면(110) 상에 상기 볼록부(111)가 형성될 수 있다. 다시 말하면, 복수의 상기 볼록부(111)가 상기 필라멘트가 적층되는 방향으로 서로 이격되어 배치될 수 있다. 상기 볼록부(111)는 상기 제1 면(110)에서 멀어지는 방향으로 돌출될 수 있으며, 예를 들어, 둥근 단면을 포함할 수 있다. 상기 볼록부(111)의 형상은 상기 노즐의 형상을 통해 조절할 수 있다. 상기 볼록부(111)는 복수로 형성될 수 있다.
상기 오목부(112)는 인접한 상기 볼록부(111) 사이에 형성 및 정의될 수 있다. 상기 오목부(112)는 상기 필라멘트가 적층되는 상기 제1 방향(D1)으로 이격되고 서로 평행하게 배치될 수 있다. 상술된 바와 같이, 상기 기재(200)는 필라멘트 적층방식(FFF) 또는 열용융 적층 모델링 방식(FDM)으로 제조될 수 있고, 이에 따라, 상기 기재(110)의 상기 제1 면(110) 상에 상기 오목부(112)가 형성될 수 있다. 다시 말하면, 복수의 상기 오목부(111)가 상기 필라멘트가 적층되는 방향으로 서로 이격되어 배치될 수 있다. 상기 오목부(112)는 상기 제1 면(110)에서 상기 제1 면에 대향하는 상기 제2 면(미도시) 방향으로 함몰될 수 있으며, 예를 들어, 뾰족한 단면을 포함할 수 있다. 상기 오목부(112)의 형상은 상기 볼록부(111) 및 상기 노즐의 형상을 통해 조절할 수 있다. 상기 오목부(112)는 복수로 형성될 수 있다.
계속해서, 도 4를 참조하면, 상기 기재(100)가 준비된 후, 상기 기재(100)의 상기 제1 면(110)이 플라즈마 처리된다.
상기 기재(100)의 상기 제1 면(110)과 후술할 전도층(200)의 접착력을 증대시키기 위해 플라즈마 처리를 통한 표면 전처리가 실행된다. 예를 들어, Femto Science Inc. 의 CUTE-1MPR 모델을 이용하여 30초 동안, 상기 기재(100)의 상기 제1 면(110)이 플라즈마 처리될 수 있다.
도 5 및 도 6을 참조하면, 상기 기재(100)의 제1 면(110) 상에 상기 전도층(200)이 형성된다(S120).
상기 전도층(200)은 Pt(Platinum), CNT(Carbon nanotube), CB(Carbon black), Au (aurum), Ag-rGO(Graphene oxide decorated with Ag nanoparticles), SWCNTs(Single-wall carbon nanotubes), AgNWs(Ag nanowires) 중에서 적어도 어느 하나를 포함할 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
상기 전도층(200)은 마스킹 테이프(150)의 부착 유무에 따라, 상기 기재(100)의 제1 면(110) 상에 선택적으로 형성될 수 있다. 다시 말하면, 상기 전도층(200)은 상기 마스킹 테이프(150)가 부착된 상기 제1 면(110) 상의 일부 영역에 형성되지 않을 수 있다. 또한, 상기 전도층(200)은 상기 제1 면(110) 상의 상기 일부 영역을 제외한 영역에 형성될 수 있다. 구체적으로 예를 들어, 상기 제1 방향(D1)으로 연장하는 상기 제1 면(110)의 양단 상에 상기 마스킹 테이프(150)가 부착될 수 있다.
상기 마스킹 테이프(150)는 예를 들어, 폴리이미드(Polyimide, PI) 소재의 내열성 및/또는 전도성을 갖는 캡톤(Kapton) 테이프 일 수 있다. 상기 마스킹 테이프(150)는 상기 기재(100)의 상기 제1 면(110)의 상기 양단 상에 부착되어, 상기 기재(100)의 제1 면(110) 상에 상기 전도층(200)이 형성되지 않도록 차폐할 수 있다. 상기 마스킹 테이프(150)는 상기 전도층(200)이 형성된 이후에 제거될 수 있다.
도 6에 도시된 바와 같이, 상기 전도층(200)은 상기 마스킹 테이프(150)가 부착된 상기 기재(100)의 상기 제1 면(110)의 양단을 제외한 영역에 전도성 박막 형태로 형성될 수 있다. 도 5 및 도 6에서 상기 전도층(200)이 Pt를 이용한 스퍼터링 공정으로 형성되는 것으로 도시되었으나, 상기 전도층(200)이 다른 소재 및 다른 공정으로 형성될 수 있음은 당업자에게 자명하다.
상기 전도층(200)은 상기 볼록부(111) 및 상기 오목부(112)를 갖는 상기 기재(100)의 상기 제1 면(110) 또는/및 상기 제1 면(110)에 대향하는 제2 면(미도시)의 표면 프로파일을 따라 형성될 수 있다. 상술된 바와 같이, 복수의 상기 필라멘트의 적층에 따른 표면 프로파일에 의해, 상기 제1 면(110)은 물론, 상기 제1 면(110)에 대향하는 제2 면(미도시) 상에 복수의 상기 볼록부(111) 및 복수의 상기 오목부(112)가 형성될 수 있으며, 이에 따라, 상기 전도층(200) 또한 상기 오목부(112)를 갖는 상기 기재(100)의 상기 제1 면(110) 상에는 물론, 상기 제1 면(110)에 대향하는 제2 면(미도시) 상에 복수의 돌출부(210) 및 복수의 함몰부(220)를 포함할 수 있다.
상기 돌출부(210)는 상기 기재(100)의 상기 볼록부(111)의 표면 프로파일을 따라 형성될 수 있다. 복수의 상기 돌출부(210)는 상기 제1 방향(D1)으로 이격되고 서로 평행하게 배치될 수 있다. 상술된 바와 같이, 상기 기재(200)는 필라멘트 적층방식(FFF) 또는 열용융 적층 모델링 방식(FDM)으로 제조될 수 있고, 이에 따라, 상기 기재(110)의 상기 제1 면(110) 상에 상기 볼록부(111)가 제공될 수 있으며, 이에 따라, 상기 볼록부(111)의 표면 프로파일을 따라 상기 돌출부(210)가 형성될 수 있다. 다시 말하면, 상기 볼록부(111) 상의 상기 전도층(200)의 일부분이 상기 돌출부(210)로 정의되며, 복수의 상기 돌출부(210)는 복수의 상기 볼록부(111)가 이격되는 방향으로 서로 이격되어 형성될 수 있다. 상기 돌출부(210)는 상기 볼록부(111)에서 멀어지는 방향으로 돌출될 수 있으며, 예를 들어, 둥근 단면을 포함할 수 있다. 상기 돌출부(210)의 형상은 상기 볼록부(111)의 형상을 통해 조절할 수 있다. 상기 돌출부(210)는 복수로 형성될 수 있다.
상기 함몰부(220)는 상기 기재(100)의 상기 오목부(112)의 표면 프로파일을 따라 형성될 수 있다. 복수의 상기 함몰부(220)는 상기 제1 방향(D1)으로 이격되고 서로 평행하게 형성될 수 있다. 상술된 바와 같이, 상기 기재(200)는 필라멘트 적층방식(FFF) 또는 열용융 적층 모델링 방식(FDM)으로 제조될 수 있고, 이에 따라, 상기 기재(110)의 상기 제1 면(110) 상에 상기 오목부(112)가 제공될 수 있으며, 이에 따라, 상기 오목부(112)의 표면 프로파일을 따라 상기 함몰부(220)가 형성될 수 있다. 다시 말하면, 상기 오목부(112) 상의 상기 전도층(200)의 일부분이 상기 함몰부(220)로 정의되며, 복수의 상기 함몰부(220)는 복수의 상기 오목부(112)가 이격되는 방향으로 서로 이격되어 형성될 수 있다. 상기 함몰부(220)는 상기 오목부(112)에 가까워지는 방향으로 함몰될 수 있으며, 예를 들어, 뾰족한 단면을 포함할 수 있다. 상기 함몰부(220)의 형상은 상기 볼록부(111) 및 상기 오목부(112)의 형상을 통해 조절할 수 있다. 상기 함몰부(220)는 복수로 형성될 수 있다.
도 7 내지 도 9를 참조하면, 상기 전도층(200)이 형성된 상기 기재(100)를 상기 제1 방향(D1)으로 인장시켜, 상기 전도층(200)의 표면 상에, 상기 기재(100)가 인장된 상기 제1 방향(D1)으로 서로 이격된 복수의 크랙(230)이 형성된다(S130). 다시 말하면, 상기 전도층(200)이 형성된 후, 상기 기재(100)를 상기 제1 방향(D1)으로 인장시킬 수 있고, 이로 인해, 상기 기재(100) 상에 형성된 상기 전도층(200) 역시 상기 제1 방향(D1)으로 인장되어, 상기 크랙(230)이 형성될 수 있다.
상기 크랙(230)은 상기 함몰부(220)에 집중되는 응력에 의해 상기 함몰부(220)에 형성될 수 있다. 상기 크랙(230)은 인접한 상기 돌출부(210) 사이에 형성될 수 있다. 상기 크랙(230)은 복수로 형성될 수 있다. 일 실시 예에 따르면, 상기 크랙(230)은 하나의 상기 함몰부(220) 당 하나씩 형성될 수 있고, 상기 크랙(230)은 복수의 상기 함몰부(220) 중 일부 또는 전체에 형성될 수 있다. 도 8에 도시된 바와 같이, 상기 크랙(230)은 상기 전도층(200)이 찢어져 생긴 불규칙적인 단면을 포함할 수 있다. 이에 따라, 상기 기재(100) 및 상기 전도층(200)이 인장된 상태에서, 복수의 상기 크랙(230)은 서로 인접한 적어도 일부가 서로 이격될 수 있다.
다른 실시 예에 따르면, 상기 기재(100) 및 상기 전도층(200)에 인가된 인장력이 제거된 경우, 복수의 상기 크랙(230)은 서로 인접한 적어도 일부가 서로 접촉될 수 있다. 이에 따라, 상기 전도층(200)이 찢어져 생긴 상기 크랙(230)의 불규칙적인 단면의 적어도 일부는 다시 서로 접촉될 수 있다.
결과적으로, 상기 기재(100) 및/또는 상기 전도층(200)에 인가되는 힘의 유무 및/또는 크기에 따라, 복수의 상기 크랙(230)은 서로 인접한 적어도 일부가 서로 이격 또는 접촉될 수 있다. 복수의 상기 크랙(230)의 서로 인접한 적어도 일부가 서로 이격되는 방향으로 인가되는 인장력이 커질수록, 복수의 상기 크랙(230) 중 상대적으로 많은 수의 상기 크랙(230)이 이격되어 상기 전도층(200) 내부의 저항이 증가할 수 있다. 반대로, 복수의 상기 크랙(230)의 서로 인접한 적어도 일부가 서로 이격되는 방향으로 인가되는 인장력이 작아질수록, 복수의 상기 크랙(230) 중 상대적으로 많은 수의 상기 크랙(230)이 이격되어 상기 전도층(200) 내부의 저항이 감소할 수 있다.
즉, 복수의 상기 크랙(230)의 서로 인접한 적어도 일부가 서로 이격되는 방향으로 인가되는 인장력의 크기에 따라, 상기 전도층(200) 내부의 저항값이 증가 또는 감소할 수 있다. 이에 따라, 저항값과 스트레인의 변화량의 관계를 통해 모션, 맥박, 음성 등을 감지 할 수 있는 스트레인 게이지를 제조할 수 있다.
상술된 도 1 내지 도 9를 참조하여 설명된 스트레인 게이지 제조 방법에 따라 스트레인 게이지(FDM based Strain Gauge, 이하, FSG)를 제조할 수 있다. 이하, 도 10 및 도 14를 참조하여, 본 출원의 제2 실험 예에 따른 스트레인 게이지(2-FSG)가 설명된다.
제1 실험 예에 따른 스트레인 게이지(1-FSG) 제조
TPU 기판(도 1 내지 도 9에서 설명한 기재에 대응)은 열용융 적층 모델링(Fused Deposition Modeling, FDM) 기반의 3D 프린터(Guider IIs, Flashforge 3D Technology Ltd.)를 사용하여 인쇄 속도 20mm/s, 충전 밀도 100%, 베드 온도 60°C 및 노즐 온도 230 °C의 조건 하에 출력되었다. 또한, 인쇄층의 두께(도 1 내지 도 9에서 설명한 볼록부의 너비에 대응)는 100μm로 설계되었다.
Pt 증착 전 보다 나은 접착력을 얻기 위해, FDM 방식으로 출력된 TPU 기판은 30초 동안 에어플라즈마 처리(CUTE-1MPR, Femto Science Inc.)를 적용하여, TPU 표면을 정리한다.
이온 스퍼터링 시스템(E-1045, Hitachi Ltd.)을 통해, 32nm 두께의 Pt 층이 에어플라즈마 처리된 TPU 기판 표면에 증착되었다. 마스킹 테이프로 캡톤 테이프를 사용하여 일부 영역을 차폐시킨 후, 길이 30mm, 너비 6mm의 영역에 노출시켜 Pt 층을 증착시킨다.
전극 및 전선으로 구리 와이어 및 Ag 페이스트가 사용되었으며, 유효길이 30mm의 Pt층을 길이 방향으로 0.6mm 인장시켜(2%의 변형률 적용) Pt층에 정렬된 크랙을 생성하여, 스트레인 게이지(1-FSG)를 제조한다.
제2 실험 예에 따른 스트레인 게이지(2-FSG) 제조
제1 실험 예에 따른 방법으로 스트레인 게이지를 제조하되, 인쇄층의 두께 200um로 제어하여, 볼록부의 두께가 200um인 스트레인 게이지(2-FSG)를 제조한다.
제3 실험 예에 따른 스트레인 게이지(3-FSG) 제조
제1 실험 예에 따른 방법으로 스트레인 게이지를 제조하되, 인쇄층의 두께 300um로 제어하여, 볼록부의 두께가 300um인 스트레인 게이지(3-FSG)를 제조한다.
제4 실험 예에 따른 스트레인 게이지(4-FSG) 제조
제1 실험 예에 따른 방법으로 스트레인 게이지를 제조하되, 인쇄층의 두께 400um로 제어하여, 볼록부의 두께가 300um인 스트레인 게이지(4-FSG)를 제조한다.
비교 예에 따른(Flat type) 스트레인 게이지 제조
일반적인 방법으로 스트레인 게이지를 제조하여, 볼록부를 포함하지 않아, 평평한 표면층을 포함하는(Flat type) 스트레인 게이지를 제조한다.
도 10은 본 출원의 제2 실험 예에 따라 제조된 스트레인 게이지에 형성된 크랙을 보여주기 위한 도면이고, 도 11은 본 출원의 제2 실험 예에 따라 제조된 스트레인 게이지를 손가락에 착용한 모습을 보여주기 위한 도면이며, 도 12는 본 출원의 제2 실험 예에 따라 제조된 스트레인 게이지를 착용한 손가락의 굽힘 정도에 따른 저항 변화율을 나타내는 도면이고, 도 13의 (a)는 본 출원의 제2 실험 예에 따라 제조된 스트레인 게이지를 목에 착용한 모습을 보여주기 위한 도면이며, 도 13의 (b) 및 (c)는 본 출원의 제2 실험 예에 따라 제조된 스트레인 게이지를 부착한 목에서 측정된 맥박에 따른 저항 변화율을 나타내는 도면이고, 도 13의 (d) 및 (e)는 본 출원의 제2 실험 예에 따라 제조된 스트레인 게이지를 부착한 목에서 측정된 음성에 따른 저항 변화율을 나타내는 도면이며, 도 14 의 (a)는 본 출원의 제2 실험 예에 따라 제조된 스트레인 게이지를 손등에 착용한 모습을 보여주기 위한 도면이고, 도 14의 (b)는 본 출원의 제2 실험 예에 따라 제조된 스트레인 게이지를 부착한 손등에서의 손을 펴거나, 주먹을 쥐었을 때의 모션에 따른 저항 변화율을 나타내는 도면이다.
도 10 및 도 11을 참조하면, 본 출원의 제2 실험 예에 따라 제조된 스트레인 게이지에 형성된 크랙은 TPU 기판의 그루브 패턴의 골을 따라 정렬 형성되었으나, TPU 기판 자체는 손상되지 않았음을 확인할 수 있다.
본 출원의 실시 예에 따라 제조된 스트레인 게이지(FSG)를 이용하여, 맞춤형 웨어러블 장치를 쉽게 제작할 수 있다. 적용 가능성을 확인하기 위해, 손가락의 굽힘 각도 및 동작 감지가 가능한 손가락 모션 센서를 제작했다. TPU로 만든 유연한 모션 센서는 제2 실험 예를 따라 제조된다. 고리 모양의 밴드는 사용자의 신체적 특성(관절의 회전 반경 및 관절 사이의 길이 등)에 따라 조절할 수 있다. 두 개의 고리 모양 밴드 사이에 위치한 신축부(스트레인 게이지)만 플라즈마 처리 및 Pt 스퍼터링 공정에 노출된다.
도 12를 참조하면, 전기적으로 연결된 FSG를 착용하는 것만으로 사용자의 손가락의 다양한 굽힘 동작(모션)을 감지할 수 있다. 도 12의 (a) 내지 (d)를 참조하여 보다 상세하게 설명하자면, 손가락을 굽히지 않은 상태로 펴고 있는 동작은 굽힘 동작의 초기 위치로 지정되고, 손가락은 3가지 각도(18.54°, 34.77°, 및 48.92°)로 천천히 구부려질 수 있다. FSG는 시간이 지남에 따라 연속적인 움직임을 감지하고, 손가락을 다시 펴면 초기 위치로 인식하여 복원되었다. 이러한 결과는 다양한 스마트 시스템에 대한 고감도의 맞춤형 현장 웨어러블 모션 감지 장치(스트레인 게이지)용 센서의 적용성을 보여준다.
도 13의 (a)를 참조하면, 사용자의 목에 FSG를 부착하여 말하는 동안 맥박수와 인접 근육의 움직임을 동시에 감지할 수 있다.
도 13의 (b) 및 (c)를 참조하면, 말하지 않고 운동만 하는 경우, 각각 운동 전과 후의 맥박수를 일시적으로 감지하는 것을 보여준다. 운동 전 특성파(P, T, D파)는 평균 0.702초로 인식되었으며 이는 인간 맥박수의 정상 범위 내에 있는 85.58bpm에 해당한다. 반대로 운동 후 평균 0.474초(126.63bpm)의 기간이 측정되었으며 이는 초기 맥박수(48% 증가)보다 높았다. 또한, 맥압(맥박당 최대 상대 저항과 최소 상대 저항 사이의 간격)도 운동 후 62.26% 증가했다.
도 13의 (d) 및 (e)를 참조하면, 두 개의 다른 단어(즉, "hello" 및 "strain sensor")가 세 번 발음되었고, 그에 따른 해당 결과를 확인할 수 있다. 동일한 단어로 반복 테스트한 결과 동일한 근육 움직임이 나타났으며 각 신호 패턴에 대해 동일한 특성이 나타났다. 그러나 다른 단어가 발음될 때 다른 패턴이 기록되었고, 동일한 맥박 패턴이 발음 사이에 동시에(즉, 말을 하지 않는 침묵 구간 동안) 나타났다.
도 14의 (a)를 참조하면, 동작 감지 적용 분야를 추가로 확인하기 위해 사용자의 손등에 2-FSG(본 출원의 제2 실험 예에 따라 제조된 스트레인 게이지)를 부착하여, 손을 펴는 동작(모션 1)과 주먹을 쥐는 동작(모션 2)을 테스트를 진행했다.
도 14의 (b)를 참조하면, 그림의 흰색 영역과 녹색 영역은 각각 손을 펴는 동작(모션 1)과 주먹을 쥐는 동작(모션 2)을 수행한 구간을 나타낸다. 모션의 변화는 상대 저항의 변화로 인식되었고, 주먹을 쥐었을 때 2-FSG(본 출원의 제2 실험 예에 따라 제조된 스트레인 게이지)에 변형이 가해지면서 상대저항이 급격히 증가한다. 이러한 테스트를 통해, 인체 건강 관리 및 동작 모니터링의 적용을 위한 스트레인 게이지의 신뢰도를 확인할 수 있다.
이하, 본 출원의 실험 예에 따른 스트레인 게이지의 구체적인 실험 예와 비교 예 및 특성 평가 결과가 설명된다.
도 15는 본 출원의 제2 내지 제4 실험 예 및 비교 예에 따라 제조된 스트레인 게이지의 측면 사진들이고, 도 16a는 본 출원의 제2 실험 예 내지 제4 실험 예 및 비교에에 따른 스트레인 게이지의 변형율에 따른 저항 변화율을 나타내는 그래프이며, 도 16b는 본 출원의 제2 실험 예 내지 제4 실험 예 및 비교 예에 따른 스트레인 게이지의 반복적인 인장에 따른 저항 변화율을 나타내는 그래프이고, 도 16c는 본 출원의 제2 실험 예 내지 제4 실험 예 및 비교 예에 따른 스트레인 게이지의 회복시간을 나타내는 그래프이며, 도 17a는 본 출원의 제2 실험 예 내지 제4 실험 예에 따른 스트레인 게이지의 패턴 높이를 나타내는 그래프이고, 도 17b는 본 출원의 제1 실험 예 내지 제4 실험 예에 따른 스트레인 게이지의 패턴 높이 및 너비를 나타내는 그래프이며, 도 17c는 본 출원의 제2 실험 예에 따른 인장-회복 싸이클을 나타내는 그래프이다.
도 15의 (a) 내지 (d)를 참조하면, TPU 층이 있는 기판의 두께는 2-FSG, 3-FSG, 4-FSG에 대해 각각 209μm, 298μm 및 407μm 였고, 평평한 표면층을 가진 기판은 전체적으로 매끄러운 상부 표면을 나타냈으나, 기판에 증착된 Pt 표면의 물리적 형태는 2-FSG, 3-FSG, 4-FSG 및 평평한 표면층을 가진 스트레인 게이지가 모두 동일한 것을 확인할 수 있다.
도 16a 내지 도 16c를 참조하면, 인장되는 길이에 대한 상대 저항의 평균 변화를 통해, 2-FSG, 3-FSG, 4-FSG 및 평평한 표면층을 가진(Flat type) 스트레인 게이지에 대한 감지 성능을 알 수 있다.
도 16a를 참조하면, 각각의 스트레인 게이지는 0.33%, 0.5%, 0.77%, 1%, 1.33%, 1.67%의 기계적 변형률에 해당하는 0.1mm, 0.15mm, 0.23mm, 0.3mm, 0.4mm 및 0.5mm만큼 늘어난다. 또한, 평균 GF(Gauge Factor, 스트레인 센서의 게이지 계수)는 2-FSG, 3-FSG 4-FSG 및 평평한 표면층을 가진(Flat type) 스트레인 게이지에 대해 각각 184.88, 88.80, 53.33 및 34.13로 계산되었다. 크랙 배열의 고밀도 때문에 2-FSG의 GF는 평평한 표면층을 가진(Flat type) 스트레인 게이지의 GF보다 442% 더 크다. 그 결과 인쇄층의 두께가 얇을수록 금속 표면의 크랙 밀도가 높은 것으로 나타났다. 따라서 저항의 변화율이 증가했다(즉, 향상된 GF). 또한, 간단한 제조 방법으로 민감한 스트레인 게이지를 쉽게 구현했으며, FDM 기반 3D 프린팅 공정에서 인쇄층의 두께를 조정하여 감도를 제어할 수 있다.
도 16b를 참조하면, 스트레칭 범위가 0.5mm인 스트레인 게이지의 5회 반복되는 과도 응답을 보여준다. 각 스트레인 게이지에 대해 저항은 신축 길이에 따라 주기적으로 변경되었으며 작은 표준 편차를 나타냈다. 또한, 홈 패턴이 있는 FSG는 Flat type 스트레인 게이지보다 더 큰 저항 변화(즉, 더 민감함)를 나타냈다. 모든 가역 센서의 경우 초기 신호 레벨을 신속하게 복원하는 기능은 연속 감지에 있어서, 또 다른 중요한 특성이다. 작동의 가역성을 특성화하기 위해 회복 시간은 0.5mm 신축 및 회복 과정 동안 초기 값의 10%에서 90% 사이의 지속 시간으로 정의되었다. 본 실험에서는 즉각적인 반응 결과를 관찰하기 위해 300mm/min의 회복속도를 적용했다.
도 16c를 참조하면, 센서 유형에 따른 평균 복원 시간 결과를 보여준다. 그 결과, 2-FSG의 평균 복원 시간은 0.145초였고, Flat type 스트레인 게이지의 평균 복원 시간은 15.519초로 Flat type 스트레인 게이지에 비해 2-FSG의 평균 복원 시간은 약 99% 감소했다. 여기서 모든 패턴 유형(2-FSG, 3-FSG, 4-FSG)이 Flat type 스트레인 게이지보다 더 빠른 응답을 보인다는 점에 주목해야 한다. 이것은 홈 패턴의 골을 따라 정렬된 크랙이 홈 패턴의 형태학적 효과에 의해 신속하게 재연결될 수 있는 반면, 불연속적이고 불규칙한 균열은 완전히 연결되기까지 시간이 필요하기 때문일 수 있다. 따라서 3D프린팅된 기판은 민감한 저항 변화와 빠른 복원 거동을 나타낸다.
도 17a를 참조하면, 인쇄 두께에 따라 5가지 다른 가공된 표면의 5가지 패턴 높이에 대한 평균을 보여준다. 그 결과, 200μm, 300μm, 400μm의 인쇄 두께에서 각각 52.95μm, 98.93μm, 44.52μm의 평균 패턴 높이가 측정되었다. 반복 적층 가공으로 인쇄된 표면 형태는 200, 300 및 400μm의 인쇄 두께에 대해 각각 5.7, 5.7 및 3.0%의 작은 표준 편차로 균일한 홈을 나타낸다. 3D 프린팅된 TPU 표면의 구조적 특성은 FSG에서 중요한 역할을 하므로 이 결과는 제조 방법의 신뢰성을 나타낸다. 인쇄층 두께가 감소함에 따라 GF 및 회복시간이 향상되었기 때문에 200μm 이하의 두께로 프린팅된 FSG는 향상된 GF와 회복시간을 보인다. 인쇄 가능한 최소 두께를 조사하기 위해 도 17의 (b)와 같이 TPU 기판을 100μm 두께로 인쇄하고 다른 기판과 비교된다.
도 17b를 참조하면, 200, 300 및 400μm 두께로 인쇄된 기판에서 볼 수 있는 균일하고 규칙적인 홈 패턴과 비교하여 100μm 두께의 TPU 기판은 불규칙한 표면 프로파일을 나타낸다. 또한 100, 200, 300 및 400μm TPU 기판에 대한 평면도 이미지를 비교한 결과 100μm TPU 기판에서 불완전한 패턴이 나타나는 것을 확인할 수 있다. 정렬된 크랙을 갖는 FSG를 생성하는 FDM 인쇄 방법에서 불안정한 인쇄 두께를 나타낸다. 더 작은 인쇄 두께(25μm)로 기판을 제작하기 위해 DLP(Digital Light Processing) 인쇄 방식을 사용하였지만 기판이 유연하지 않고 DLP 방식의 특성으로 인해 홈 패턴이 없는 비교적 매끄러운 표면을 나타낸다. 따라서 DLP 공정은 FSG를 만드는 데 적합하지 않다.
도 17c를 참조하면, 2-FSG의 민감도는 전체 테스트 동안 변하지 않은 채로 유지되는 것을 확인할 수 있다. 또한, 2-FSG는 1%의 기계적 변형을 반복적으로 감지했다. 이러한 결과는 FSG의 내구성과 신뢰성을 뒷받침할 수 있다.
도 18은 본 출원의 실시 예에 따른 스트레인 게이지의 적용 가능 분야를 나타내는 도면이다.
도 18을 참조하면, FDM 기반의 크랙이 정렬된 스트레인 게이지의 제조 공정은 구부러지거나 휘는 영역에 금속층을 단순히 증착함으로써 스트레인 게이지를 포함하는 다양한 웨어러블 장치를 제조하는 데 쉽게 적용될 수 있다. 결과적으로, 이를 통해 제조된 고감도 스트레인 게이지는 건강 모니터링 및 동작 감지를 위한 웨어러블 장치 전반에 쉽게 적용될 수 있다.
이상, 본 발명을 바람직한 실시 예를 사용하여 상세히 설명하였으나, 본 발명의 범위는 특정 실시 예에 한정되는 것은 아니며, 첨부된 특허청구범위에 의하여 해석되어야 할 것이다. 또한, 이 기술분야에서 통상의 지식을 습득한 자라면, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않으면서도 많은 수정과 변형이 가능함을 이해하여야 할 것이다.
100: 기재
110: 제1 면
111: 볼록부
112: 오목부
150: 마스킹 테이프
200: 전도층
210: 돌출부
220: 함몰부
230: 크랙
110: 제1 면
111: 볼록부
112: 오목부
150: 마스킹 테이프
200: 전도층
210: 돌출부
220: 함몰부
230: 크랙
Claims (12)
- 유연(flexible)한 기재를 준비하는 단계;
상기 기재의 제1 면 상에 전도층을 형성하는 단계; 및
상기 전도층이 형성된 상기 기재를 제1 방향으로 인장시켜, 상기 전도층의 표면 상에, 상기 기재가 인장된 상기 제1 방향으로 서로 이격된 복수의 크랙을 형성하는 단계를 포함하는 스트레인 게이지의 제조 방법.
- 제1 항에 있어서,
상기 기재를 준비하는 단계는,
필라멘트를 준비하는 단계; 및
3D 프린터를 이용하여 상기 제1 방향으로 상기 필라멘트를 적층하는 단계를 포함하는 스트레인 게이지의 제조 방법.
- 제2 항에 있어서,
상기 기재의 상기 제1 면은,
상기 제1 방향으로 이격된 복수의 볼록부; 및
인접한 상기 볼록부 사이에 정의되고 상기 제1 방향으로 이격된 복수의 오목부를 포함하는 스트레인 게이지의 제조 방법.
- 제3 항에 있어서,
상기 전도층은, 상기 볼록부 및 상기 오목부를 갖는 상기 기재의 상기 제1 면의 표면 프로파일을 따라 형성되어,
상기 전도층은, 복수의 상기 볼록부 상의 복수의 돌출부, 및 복수의 상기 오목부 상의 복수의 함몰부를 포함하는 스트레인 게이지의 제조 방법.
- 제4 항에 있어서,
복수의 상기 크랙은 복수의 상기 함몰부에 형성되는 것을 포함하는 스트레인 게이지의 제조 방법.
- 제1 항에 있어서,
상기 기재를 준비하는 단계 후, 상기 전도층을 형성하는 단계 이전에, 상기 기재의 상기 제1 면을 플라즈마 처리하는 단계를 더 포함하는 스트레인 게이지의 제조 방법.
- 유연한 기재; 및
상기 기재의 제1 면 상의 전도층을 포함하되,
상기 전도층은 상기 기재의 길이 방향으로 서로 이격된 복수의 크랙을 포함하고,
외부에서 인가되는 힘에 의한 신축(伸縮)으로, 복수의 상기 크랙의 서로 인접한 적어도 일부가 서로 이격 또는 서로 접촉되는 것을 포함하는 스트레인 게이지.
- 제7 항에 있어서,
상기 기재의 상기 제1 면은,
상기 제1 면 상에 상기 기재의 길이 방향으로 서로 이격된 복수의 볼록부; 및
인접한 상기 볼록부 사이에 정의되고, 상기 기재의 길이 방향으로 이격된 복수의 오목부를 포함하는 스트레인 게이지.
- 제8 항에 있어서,
상기 전도층은, 상기 볼록부 및 상기 오목부를 갖는 상기 기재의 상기 제1 면의 표면 프로파일을 따라 형성되어,
상기 전도층은, 복수의 상기 볼록부 상의 복수의 돌출부, 및 복수의 상기 오목부 상의 복수의 함몰부를 포함하는 스트레인 게이지.
- 제9 항에 있어서,
복수의 상기 크랙은 복수의 상기 함몰부에 형성되는 것을 포함하는 스트레인 게이지.
- 제7 항에 있어서,
상기 기재는 TPU(Thermoplastic polyurethane), PUA(Polyurethane acrylate), PDMS(Polydimethylsiloxane), Ecoflex, Flexible UV curable resin 중에서 적어도 어느 하나를 포함하는 스트레인 게이지.
- 제7 항에 있어서,
상기 전도층은 Pt(Platinum), CNT(Carbon nanotube), CB(Carbon black), Au (aurum), Ag-rGO(Graphene oxide decorated with Ag nanoparticles), SWCNTs(Single-wall carbon nanotubes), AgNWs(Ag nanowires) 중에서 적어도 어느 하나를 포함하는 스트레인 게이지.
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020210038400 | 2021-03-25 | ||
| KR20210038400 | 2021-03-25 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| KR20220133792A true KR20220133792A (ko) | 2022-10-05 |
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ID=83596881
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| KR1020220035172A KR20220133792A (ko) | 2021-03-25 | 2022-03-22 | 정렬된 크랙 구조를 갖는 스트레인 게이지, 및 그 제조 방법 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| KR (1) | KR20220133792A (ko) |
-
2022
- 2022-03-22 KR KR1020220035172A patent/KR20220133792A/ko active IP Right Grant
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