KR20230005445A - 비접촉 모션 감지 센서 및 그 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 대상 객체의 움직임에 따라 변화하는 전기장을 감지하는 비접촉식 모션 감지 센서에 관한 것이다. 본 발명의 비접촉식 모션 감지 센서는 유연성 및 탄성을 가지는 엘라스토머 기판; 상기 엘라스토머 기판에 형성되는 유연 전극; 및 상기 유연 전극에 연결되는 저항 및 전압계;를 포함하며, 대상 객체의 움직임에 따라 유연 전극 내에서 전자 쏠림이 발생하며, 상기 전압계가 전자 쏠림에 의해 유도된 전압을 측정하여 대상 객체의 움직임을 감지하는 것을 특징으로 한다.
Description
본 발명은 비접촉 모션 감지 센서 및 그 제조방법에 관한 것이다.
물체의 움직임을 감지하는 모션 감지 센서는 크게 접촉식과 비접촉식으로 나누어진다.
접촉식 센서의 예로는 스프링에 의해 구동되는 핀에 따라 접전의 개폐가 이루어지는 스위치형 센서가 있다.
비접촉 센서의 예로는 자기력을 가진 물체를 감지하는 홀 센서, 빛을 이용하여 물체를 감지하는 광전 센서, 정전 용량의 변화를 측정하는 정전 센서 등이 있다.
종래의 모션 감지 센서는 접촉식 센서 및 비접촉식 센서를 가리지 않고 모두 딱딱한 기판에 여러가지 전자소자와 전극을 이용하여 형성되기 때문에, 종래의 모션 감지 센서는 불투명하고, 잘 휘어지지도 않는 문제가 있었다.
결국 종래의 모션 감지 센서의 불투명성과 휘어지지 않는 성질 때문에 설치 장소에 제약이 따른다.
특히, 소프트 로봇에 설치하거나, 인체에 착용이 가능한 모션 감지 센서는 종래의 모션 감지 센서로 구현하는 것에 한계가 있다.
따라서 투명성을 가지면서, 휘어질 수 있어서 설치 장소의 제약이 없는 새로운 모션 감지 센서가 필요한 실정이다.
본 발명의 목적은 투명하며, 휘어질 수 있으며, 원거리에서 대상 객체의 움직임을 감지할 수 있는 비접촉 모션 감지 센서와 그 제조방법을 제공하는 것이다.
한편, 본 발명의 명시되지 않은 또 다른 목적들은 하기의 상세한 설명 및 그 효과로부터 용이하게 추론할 수 있는 범위 내에서 추가적으로 고려될 것이다.
위와 같은 과제를 달성하기 위해 본 발명의 일 실시예에 따른 비접촉 모션 감지 센서는 대상 객체의 움직임에 따라 변화하는 전기장을 감지한다. 일 실시예에 따른 비접촉식 모션 감지 센서는 유연성 및 탄성을 가지는 엘라스토머 기판; 상기 엘라스토머 기판에 형성되는 유연 전극; 및 상기 유연 전극에 연결되는 저항 및 전압계;를 포함한다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 비접촉 모션 감지 센서도 대상 객체의 움직임에 따라 변화하는 전기장을 감지한다. 다른 실시예에 따른 비접촉 모션 감지 센서는 유연성 및 탄성을 가지는 엘라스토머 튜브; 상기 엘라스토머 튜브에 충전되는 유연 전극; 및 상기 유연 전극에 연결되는 저항 및 전압계;를 포함한다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따른 비접촉 모션 감지 센서의 제조방법은 엘라스토머 기판의 표면을 개질하는 단계; 표면 개질된 엘라스토머 기판에 유연 전극 또는 쉴드 부재를 형성하는 단계; 유연 전극 또는 쉴드 부재가 형성된 엘라스토머 기판을 적층하는 단계; 및 유연 전극에 유연 전극에 저항 및 전압계를 연결하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 비접촉 모션 감지 센서는 유연 전극과 엘라스토머 기판 또는 튜브를 이용하여 형성된다. 즉, 유연 전극과 엘라스토머는 투명성과 휘어지는 성질을 모두 가지고 있으며, 대상 객체가 유연 전극에 가까워짐에 따라 유연 전극 내에 전자 쏠림 현상이 발생하는 것을 이용하여 대상 객체의 움직임을 감지할 수 있다.
또한, 본 발명의 다른 실시예에 따른 비접촉식 모션 감지 센서는 복수의 유연 전극을 구비하되, 각 유연 전극의 일부를 쉴드부재로 가려 노출시킴으로써 서로 다른 위치에 복수의 센서부를 형성한다. 즉, 쉴드부재는 유연 전극과 대상 객체 사이에서 유연 전극의 적어도 일부를 가려 대상객체의 전기장이 유연전극의 가려진 부분에 미치는 것을 차단한다. 유연 전극 중 쉴드부재 의해 가려진 부분에서는 대상 객체의 움직임에 따른 전자 쏠림 현상이 발생하지 않기 때문에, 서로 다른 위치에 형성된 복수의 센서부에 의해 대상 객체의 이동 방향 또는 위치를 감지할 수 있다. 또한, 하이드로겔도 유연 전극이나 엘라스토머와 마찬가지로 투명성과 휘어지는 성질을 모두 가지고 있기 때문에, 본 발명의 다른 실시예에 따른 비접촉식 모션 감지 센서도 투명성과 휘어지는 성질을 가진다는 장점이 있다.
한편, 여기에서 명시적으로 언급되지 않은 효과라 하더라도, 본 발명의 기술적 특징에 의해 기대되는 이하의 명세서에서 기재된 효과 및 그 잠정적인 효과는 본 발명의 명세서에 기재된 것과 같이 취급됨을 첨언한다.
도 1은 본 발명의 제1실시형태에 따른 비접촉 모션 감지 센서의 구성 및 동작을 설명하기 위한 개략적 참고도이다.
도 2는 본 발명의 제1실시형태에 따른 비접촉 모션 감지 센서의 유연 전극의 사진이다.
도 3은 본 발명의 제1실시형태에 따른 비접촉 모션 감지 센서의 제조방법의 개략적 플로우 차트이다.
도 4는 본 발명의 제1실시형태에 따른 비접촉 모션 감지 센서를 이용하여 대상 객체의 거리를 변화에 따른 전압계의 전압 변화의 측정값을 나타낸 결과이다.
도 5는 본 발명의 제2실시형태에 따른 비접촉 모션 감지 센서의 구조를 설명하기 위한 개략적 참고도이다.
도 6은 본 발명의 제2실시형태에 따른 비접촉 모션 감지 센서를 촬영한 사진이다.
도 7은 본 발명의 제2실시형태에 따른 비접촉 모션 감지 센서의 제조방법의 각 단계를 개략적으로 도시한 참고도이다.
도 8는 엘라스토머 기판에 하이드로겔 패드를 형성한 후에 인장 실험을 수행한 결과를 촬영한 사진이다.
도 9은 본 발명의 제2실시형태에 따른 비접촉 모션 감지 센서를 이용하여 대상 객체의 위치를 감지하는 실험을 한 결과이다.
도 10은 본 발명의 제2실시형태에 따른 비접촉 모션 감지 센서에 있어서, 쉴드부재의 유무에 따른 대상 객체의 움직임의 감지하는 민감도를 실험한 결과이다.
도 11은 본 발명의 제2실시형태에 따른 비접촉 모션 감지 센서에 있어서, 물체가 움직이는 방향을 감지하는 실험을 한 결과이다.
도 12는 본 발명의 제2실시형태에 따른 비접촉 모션 감지 센서가 설치된 벽면의 앞뒤로 사람이 지나가는 것을 감지하는 실험을 한 결과이다.
도 13은 본 발명의 비접촉 모션 감지 센서의 전압계의 저항의 저항값에 따른 민감도를 측정한 결과이다.
첨부된 도면은 본 발명의 기술사상에 대한 이해를 위하여 참조로서 예시된 것임을 밝히며, 그것에 의해 본 발명의 권리범위가 제한되지는 아니한다.
도 2는 본 발명의 제1실시형태에 따른 비접촉 모션 감지 센서의 유연 전극의 사진이다.
도 3은 본 발명의 제1실시형태에 따른 비접촉 모션 감지 센서의 제조방법의 개략적 플로우 차트이다.
도 4는 본 발명의 제1실시형태에 따른 비접촉 모션 감지 센서를 이용하여 대상 객체의 거리를 변화에 따른 전압계의 전압 변화의 측정값을 나타낸 결과이다.
도 5는 본 발명의 제2실시형태에 따른 비접촉 모션 감지 센서의 구조를 설명하기 위한 개략적 참고도이다.
도 6은 본 발명의 제2실시형태에 따른 비접촉 모션 감지 센서를 촬영한 사진이다.
도 7은 본 발명의 제2실시형태에 따른 비접촉 모션 감지 센서의 제조방법의 각 단계를 개략적으로 도시한 참고도이다.
도 8는 엘라스토머 기판에 하이드로겔 패드를 형성한 후에 인장 실험을 수행한 결과를 촬영한 사진이다.
도 9은 본 발명의 제2실시형태에 따른 비접촉 모션 감지 센서를 이용하여 대상 객체의 위치를 감지하는 실험을 한 결과이다.
도 10은 본 발명의 제2실시형태에 따른 비접촉 모션 감지 센서에 있어서, 쉴드부재의 유무에 따른 대상 객체의 움직임의 감지하는 민감도를 실험한 결과이다.
도 11은 본 발명의 제2실시형태에 따른 비접촉 모션 감지 센서에 있어서, 물체가 움직이는 방향을 감지하는 실험을 한 결과이다.
도 12는 본 발명의 제2실시형태에 따른 비접촉 모션 감지 센서가 설치된 벽면의 앞뒤로 사람이 지나가는 것을 감지하는 실험을 한 결과이다.
도 13은 본 발명의 비접촉 모션 감지 센서의 전압계의 저항의 저항값에 따른 민감도를 측정한 결과이다.
첨부된 도면은 본 발명의 기술사상에 대한 이해를 위하여 참조로서 예시된 것임을 밝히며, 그것에 의해 본 발명의 권리범위가 제한되지는 아니한다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 다양한 실시예가 안내하는 본 발명의 구성과 그 구성으로부터 비롯되는 효과에 대해 살펴본다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지기능에 대하여 이 분야의 기술자에게 자명한 사항으로서 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다.
제1실시형태에 따른 비접촉 모션 감지 센서
도 1은 본 발명의 제1실시형태에 따른 비접촉 모션 감지 센서의 구성 및 동작을 설명하기 위한 개략적 참고도이며, 도 2는 본 발명의 제1실시형태에 따른 비접촉 모션 감지 센서의 유연 전극의 사진이다.
제1실시형태에 따른 비접촉 모션 감지 센서(101)는 엘라스토머 튜브(10)와 유연 전극(20)으로 구성되며, 유연 전극(20)은 저항(31) 및 전압계(32)와 연결된다. 저항(31)과 전압계(32)는 병렬로 연결된다.
엘라스토머 튜브(10)은 유전체(dielectric material)를 이용하여 형성될 수 있으며, 일방향으로 길게 형성된 관 형태의 튜브일 수 있다. 엘라스토머 튜브(10)는 유여 전극을 절연시키는 역할을 한다. 엘라스토머 튜브(10)가 관 형태의 튜브인 경우, 관의 단면은 원형 또는 다각형일 수 있다. 엘라스토머 튜브(10)는 유연성과 탄성, 그리고 투명성을 가지는 것을 특징으로 한다. 특히, 엘라스토머 튜브(10)로는 50% 이상 늘어날 수 있는 신축성을 가지는 것을 이용할 수 있다. 예를 들어, 엘라스토머 튜브(10)로 아크릴 유전 엘라스토머 또는 실리콘 유전 엘라스토머를 이용할 수 있다.
엘라스토머 튜브(10)에는 유연 전극(20)이 충전된다. 유연 전극(20)은 엘라스토머 튜브(10)의 신축 또는 변형에 관계없이 전도성이 유지된다. 또한, 유연 전극(20)은 엘라스토머 튜브(10)가 인장되면 같이 인장되고, 신축되면 같이 신축되며, 변형되면 같이 변형된다. 유연 전극(20)으로는 이온성 전도체, 탄소성 전도체 및 액체 금속으로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 어느 하나를 이용할 수 있다. 이온성 전도체는 하이드로겔(hydrogel), 오르가노겔(organogel), 이오노겔(ionogel) 및 이온탄성체(ionoelastomer)으로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 어느 하나이며, 탄소성 전도체는 탄소나노튜브(carbon nano tube) 및 그래핀(graphene)으로어지는 군에서 선택되는 적어도 어느 하나이며, 액체 금속은 수은(Hg), 갈륨(Ga), 세슘(Cs), 루비듐(Rb) 및 프랑슘(Fr)으로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 어느 하나일 수 있다. 유연 전극(20)은 엘라스토머 튜브(10)와 마찬가지로 투명성을 가진다.
유연 전극(20)에는 저항(31)과 전압계(32)가 연결된다. 도 1에서 보는 바와 같이, 저항(31)과 전압계(32)의 타단은 접지(Ground)될 수 있다. 저항(31)은 저항값이 100 MΩ 이상인 것을 이용할 수 있으며, 바람직하게는 1 GΩ 이상인 것을 이용할 수 있다. 저항(31)의 저항값이 100 MΩ 미만인 경우에는 대상 객체의 움직임에 따른 전압 변화를 전압계(32)가 민감하게 감지하지 못한다.
도 1에서 보는 바와 같이, 본 발명의 비접촉 모션 감지 센서의 근처에서 대상 객체가 움직이게 되면, 대상 객체에 의해 비접촉 모션 감지 센서의 유연 전극에서 전자 쏠림 현상이 발상하게 된다. 일반적으로 외부에 노출되어 있는 객체들은 주변 환경과 접촉하여 대전하게 된다. 즉, 대상 객체에는 정전기기 발생되며, 비접촉 모션 감지 센서의 주위에서 대상 객체가 움직이게 되면 대상 객체의 정전기에 의해 유연 전극에서 전자 쏠림 현상이 발생하게 되며, 유연 전극에서 발생한 전자 쏠림 현상에 의해 저항에서 전압 변화가 발생하게 되며, 전압계는 이와 같은 전압 변화를 감지하게 된다. 따라서 본 발명의 비접촉 모션 감지 센서는 전압계에서의 전압 변화를 통해 주변의 객체의 움직임을 감지할 수 있다.
도 3은 본 발명의 제1실시형태에 따른 비접촉 모션 감지 센서의 제조방법의 개략적 플로우 차트이다.
제1실시형태에 따른 비접촉 모션 감지 센서의 제조 방법은 엘라스토머 튜브를 준비하는 단계, 엘라스토머 튜브에 유연 전극을 충전하는 단계, 및 유연 전극에 저항 및 전압계를 연결하는 단계를 포함한다.
제1실시형태에 따른 비접촉 모션 감지 센서의 제조방법에 따라 비접촉 모션 감지를 제조하였다. 구체적인 방법은 다음과 같다.
먼저 엘라스토머 튜브를 준비한다. 엘라스토머 튜브로는 실리콘 유전 엘라스토머를 이용하였다. 그 다음 엘라스토머 튜브 내에 유연 전극을 충전한다. 유연전극으로 리튬클로라이드를 함유하는 폴리아크릴아미드 하이드로겔을 이용한다. 유연전극을 형성하기 위해 유연전극솔루션을 제조하여 엘라스토머 튜브에 충전한다. 유연전극솔루션은 리튬클로라이드(LiCl, L4408, Merck)를 이온 전하 캐리어로 포함하고, 아크릴 아미드 (AAm, A8887, Merck)와 N, N-메틸렌 비스 아크릴 아미드 (MBAAm, M7279, Merck)를 각각 하이드로겔의 모노머와 가교제로 포함한다. 구체적으로 유연전극솔루션은 먼저 2M의 아크릴 아미드와 2M 리튬클로라이드를 탈이온수에 용해시켜 하이드로겔 전구체 용액을 제조하고, 그곳에 아크릴 아미드 중량 대비 1.55 wt%의 N , N-메틸렌 비스아크릴아미드와 1.24 wt%의 리튬 페닐 -2,4,6- 트리메틸 벤조일 포스 피 네이트를 첨가한다. 리튬 페닐 -2,4,6- 트리메틸 벤조일 포스 피 네이트 (LAP, 900889, Merck)는 광개시제로 사용하였다. 마련한 유연전극 엘라스토머 튜브에 주입하고, 질소분위기에서 365nm 파장의 자외선을 조사하여 가교하여 유연 전극이 충전된 엘라스토머 튜브를 마련한다. 그 다음 유연 전극에 저항과 전압계를 연결하여 제1실시형태에 따른 비접촉 모션 감지 센서를 제조한다.
상술한 방법으로 제조한 제1실시형태에 따른 비접촉 모션 감지 센서를 이용하여 대상 객체의 거리를 변화에 따른 전압계의 전압 변화의 측정값을 나타낸 결과를 도 4에 나타내었다. 저항으로는 5 GΩ의 저항값을 가지는 저항을 이용하였다. 대상 객체로는 유리를 이용하였으며, 유리를 퍼플로오르알콕시알칸(PFA)을 문질러 준 것을 이용하였다. 다만, 여기서는 실험을 위해 퍼플로오르알콕시알칸(PFA)을 이용하여 대상 객체인 유리를 대전하여 대상 객체의 움직임에 대한 민감도를 증가시켰으나, 본 발명의 비접촉 모션 감지 센서는 별도로 대전하는 과정을 수행하지 않은 대상 객체의 움직임도 감지할 수 있다. 도 5를 참조하면, 본 발명의 비접촉 모션 감지 센서는 대상 객체(P)의 거리 변화에 즉각적으로 전압계가 전압 변화를 감지하는 것을 확인할 수 있다.
제2실시형태에 따른 비접촉 모션 감지 센서
도 6는 본 발명의 제2실시형태에 따른 비접촉 모션 감지 센서의 구조를 설명하기 위한 개략적 참고도이며, 도 7은 본 발명의 제2실시형태에 따른 비접촉 모션 감지 센서를 촬영한 사진이다.
본 발명의 제2실시형태에 따른 비접촉 모션 감지 센서(102)는 엘라스토머 기판(10'), 엘라스토머 기판(10)에 형성되는 유연 전극(20)과 유연 전극(20)과 연결되는 저항(31) 및 전압계(32)를 포함한다. 유연 전극(20)이 복수개인 경우 각각의 유연전극(20)에 저항(31) 및 전압계(32)가 설치된다.
엘라스토머 기판(10')은 유전체(dielectric material)를 이용하여 형성될 수 있으며, 평판 형태의 기판일 수 있다. 엘라스토머 기판(10')는 유여 전극을 절연시키는 역할을 한다. 엘라스토머 기판(10')은 유연성과 탄성, 그리고 투명성을 가지는 것을 특징으로 한다. 특히, 엘라스토머 기판(10')로는 50% 이상 늘어날 수 있는 신축성을 가지는 것을 이용할 수 있다. 예를 들어, 엘라스토머 기판(10')로 아크릴 유전 엘라스토머 또는 실리콘 유전 엘라스토머를 이용할 수 있으며, 다른 객체에 센서를 바로 부착할 수 있도록 접착 유전 엘라스토머를 이용하는 것도 가능하다.
엘라스토머 기판(10')의 일면에는 유연 전극(20)이 형성된다. 유연 전극(20)은 엘라스토머 기판(10')에 공유 결합된다. 유연 전극(20)을 엘라스토머 기판(10')에 공유 결합시킴으로써, 유연 전극(20)은 엘라스토머 기판(10')이 인장되면 같이 인장되고, 신축되면 같이 신축되며, 변형되면 같이 변형된다. 또한, 유연 전극(20)은 엘라스토머 기판(10')의 신축 또는 변형에 관계없이 전도성이 유지된다. 유연 전극(20)으로는 이온성 전도체, 탄소성 전도체 및 액체 금속으로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 어느 하나를 이용할 수 있다. 이온성 전도체는 하이드로겔(hydrogel), 오르가노겔(organogel), 이오노겔(ionogel) 및 이온탄성체(ionoelastomer)으로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 어느 하나이며, 탄소성 전도체는 탄소나노튜브(carbon nano tube) 및 그래핀(graphene)으로어지는 군에서 선택되는 적어도 어느 하나이며, 액체 금속은 수은(Hg), 갈륨(Ga), 세슘(Cs), 루비듐(Rb) 및 프랑슘(Fr)으로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 어느 하나일 수 있다. 유연 전극(20)은 엘라스토머 기판(10')와 마찬가지로 투명성을 가진다.
본 발명의 제2실시형태에 따른 비접촉 모션 감지 센서(102)는 유연 전극(20)이 적어도 2개 이상 설치되어, 대상 객체의 유무뿐만 아니라 위치를 파악할 수 있다.
대상 객체의 위치와 움직임을 보다 정밀하게 판단하기 위해, 본 발명의 제2실시형태에 따른 비접촉 모션 감지 센서(102)는 쉴드부재(40)를 이용하여 유연 전극(20)의 도선 영역(S2)을 가리고, 센싱 영역(S1)을 노출시키게 된다. 즉, 쉴드부재(40)는 유연 전극(20)과 대상 객체 사이에서 유연 전극(20)의 적어도 일부를 가려 대상객체의 전기장이 유연전극(20)의 가려진 부분에 미치는 것을 차단한다. 쉴대 부재(40)는 전도성 물체로 제조될 수 있다. 구체적으로 쉴드 부재(40)로는 이온성 전도체, 탄소성 전도체 및 액체 금속으로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 어느 하나를 이용할 수 있다. 이온성 전도체는 하이드로겔(hydrogel), 오르가노겔(organogel), 이오노겔(ionogel) 및 이온탄성체(ionoelastomer)으로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 어느 하나이며, 탄소성 전도체는 탄소나노튜브(carbon nano tube) 및 그래핀(graphene)으로어지는 군에서 선택되는 적어도 어느 하나이며, 액체 금속은 수은(Hg), 갈륨(Ga), 세슘(Cs), 루비듐(Rb) 및 프랑슘(Fr)으로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 어느 하나일 수 있다.
쉴드 부재(40)는 엘라스토머 기판(10')에 센싱 영역(S1)을 노출시킬 수 있는 형태로 형성되어, 유연 전극(20)이 형성된 엘라스토머 기판(10')에 적층된다. 도 5에서 보는 바와 같이, 각각의 유연전극(20)의 센싱 영역(S1)은 서로 다른 위치에 있으므로, 유연전극(20)의 센싱 영역(S1)의 대상 객체에 대한 거리 변화가 각각 다르다. 이러한 센싱 영역(S1) 별 대상 객체에 대한 거리 편차를 이용하여 대상 객체의 위치와 움직임을 보다 정확하게 판단하게 된다.
한편, 쉴드 부재(40)는 유연 전극(20)의 전면 또는 배면에 형성될 수 있다. 본 발명의 제2실시형태에 따른 비접촉 모션 감지 센서(102)는 쉴드 부재(40)가 없다면 유연 전극(20)의 전면에 위치한 대상 객체뿐만 아니라 배면에 위치한 대상 객체도 감지할 수 있다. 그러므로 쉴드 부재(40)를 유연 전극(20)의 배면에 유연 전극(20) 전체를 가리도록 형성하여, 유연 전극(20)의 전면에 위치한 대상 객체만을 감지하도록 할 수 있다. 이와 달리 쉴드 부재(40)를 유연 전극(20)의 전면에 일부의 유연 전극(20) 전체를 가리도록 형성하고, 유연 전극(20)의 배면에 다른 일부의 유연 전극(20) 전체를 가리도록 형성함으로써 일부의 유연 전극(20)은 배면에 위치하는 대상 객체를 감지하고, 다른 일부의 유연 전극(20)은 전면에 위치하는 대상 객체를 감지하도록 하는 것도 가능하다.
도 6은 본 발명의 제2실시형태에 따른 비접촉 모션 감지 센서(102)의 배면에 무지개 색깔로 인쇄된 서울대학교 로고를 위치시키고, 비접촉 모션 감지 센서(102)를 좌우로 인장시킨 후 촬영한 사진이다. 도 6에서 알 수 있듯이, 본 발명의 제2실시형태에 따른 비접촉 모션 감지 센서(102)는 높은 투명도를 가지고 있으며, 변형되더라도 그 투명도가 거의 변하지 않는 것을 확인할 수 있다.
도 7은 본 발명의 제2실시형태에 따른 비접촉 모션 감지 센서의 제조방법의 각 단계를 개략적으로 도시한 참고도이다.
본 발명의 제2실시형태에 따른 비접촉 모션 감지 센서의 제조방법은 엘라스토머 기판의 표면을 개질하는 단계, 표면 개질된 엘라스토머 기판에 유연 전극 또는 쉴드 부재를 형성하는 단계, 유연 전극 또는 쉴드 부재가 형성된 엘라스토머 기판을 적층하는 단계 및 유연 전극에 유연 전극에 저항 및 전압계를 연결하는 단계를 포함한다.
엘라스토머 기판의 표면을 개질하는 단계는 엘라스토머 기판을 표면개질제에 담구는 단계, 엘라스토머 기판을 세척 및 건조하는 단계와 표면개질제를 활성화하는 단계를 포함할 수 있으며, 이를 통해 엘라스토머 기판의 표면이 유연 전극과 공유결합이 가능하도록 표면 상태를 개질하게 된다. 표면개질제로는 벤조페논(benzophenone)을 알코올에 용해시켜 이용할 수 있으며, 표면개질제에 담구었던 엘라스토머 기판에 자외선을 조사하여 표면개질제를 활성화할 수 있다. 엘라스토머 기판의 표면이 유연전극과의 접착력이 떨어질 경우 유연전극을 엘라스토먹 기판에 형성하는 것도 쉽지 않으며, 비접촉 모션 감지 센서의 사용과정에서 유연전극이 엘라스토머 기판에서 박리되는 문제가 있다. 본 발명의 제2실시형태에 따른 비접촉 모션 감지 센서의 제조방법은 엘라스토머 기판을 유연 전극과 공유결합이 가능하도록 표면 상태를 친수성으로 개질하여 이 문제를 해소하였다.
표면 개질된 엘라스토머 기판에 유연 전극 또는 쉴드 부재를 형성하는 단계는 유연전극 솔루션을 마련하는 단계, 유연전극 솔루션을 디지털 광처리(Digital Light Processing: DLP) 3D 프린터를 통해 표면개질된 엘라스토머 기판에 인쇄하여 유연 전극 또는 쉴드 부재를 형성하는 단계와 유연 전극 또는 쉴드 부재가 형성된 엘라스토머 기판을 세척 및 건조하는 단계를 수행한다. DLP 3D 프린터를 통해 표면개질된 엘라스토머 기판에 인쇄하여 유연 전극 또는 쉴드 부재를 형성하는 단계에서는 인쇄하는 동안 유연전극 솔루션을 10 초 동안 385nm UV 광에 노출시키면서 수행된다. 또한, 유연전극 솔루션에는 광개시제를 더 포함할 수 있다.
그 다음, 유연 전극 또는 쉴드 부재가 형성된 엘라스토머 기판을 적층하는 단계 및 유연 전극에 유연 전극에 저항 및 전압계를 연결하는 단계를 순차적으로 수행한다.
본 발명의 제2실시형태에 따른 비접촉 모션 감지 센서의 성능을 측정하기 위해 다음과 같이 비접촉 모션 감지 센서를 마련하였다.
비접촉 모션 감지 센서를 제조하기 위한 재료는 다음과 같다.
유연전극으로는 리튬클로라이드(LiCl)을 함유하는 폴리아크릴아미드 하이드로겔을 사용하였다. 아크릴아미드 (AAm, A8887, Merck)와 N, N- 메틸렌비스아크릴아미드(MBAAm, M7279, Merck)는 각각 하이드로 겔의 모노머와 가교제로 사용하였다. 리튬클로라이드(LiCl, L4408, Merck)는 이온 전하 캐리어로 사용되었다. 리튬페닐-2,4,6- 트리메틸벤조일포스피네이트(LAP, 900889, Merck) 및 벤조페논 (BP, B9300, Merck)은 각각 광개시제 및 표면개질제로 사용되었다. 엘라스토머 기판으로는 접착 테이프(VHB, 4905, 3M)을 이용하였다.
유연전극 솔루션을 준비한다. AAm 및 LiCl을 탈 이온수에 용해시켜 유연전극 솔루션을 제조하였다. AAm 및 LiCl의 몰 농도는 둘 다 2M이며, AAm 중량 대비 1.55 중량 %의 MBAAm 및 1.24 중량 %의 LAP를 유연전극 솔루션에 첨가하였다.
엘라스토머 기판의 표면 개질을 10 분 동안 표면개질제인 BP 용액(에탄올 중 15 wt %)에 침지시켰다. 그런 다음 엘라스토머 기판을 에탄올로 세척하고 질소 가스로 완전히 건조시켰다. 표면개질제가 흡수된 엘라스토머 기판을 365nm 자외선 (UV) 램프 (UVGL-25, UVP)로 10 초 동안 자외선을 조사하였다. DLP 3D 프린터 (Litho Advanced 3D 프린터, Illuminaid)를 사용하여 유연전극솔루션을 표면개질된 엘라스토머 기판에 인쇄하였다. 인쇄하는 동안 유연전극솔루션을 10 초 동안 385nm UV 광에 노출시켰다. 유연전극 또는 쉴드부재가 인쇄된 엘라스토머 기판을 에탄올로 세척하고 질소 가스로 완전히 건조시켰다.
이후 실험에 맞춰 유연전극이 형성된 엘라스토머 기판과 쉴드부재가 형성된 엘라스토머 기판을 적층하고, 저항과 전압계를 유연전극에 연결하였다.
도 8는 엘라스토머 기판에 하이드로겔 패드를 형성한 후에 인장 실험을 수행한 결과를 촬영한 사진이다. 도 8에서 이용한 엘라스토머 기판은 벤조페논으로 표면개질한 것이며, 하이드로겔 패드는 엘라스토머 기판과 대비를 위해 형광 염료 (R6626, Merck)를 첨가한 것이다. 도 8을 보면, 표면개질한 엘라스토머 기판에 유연전극이로 이용하는 하이드로겔 패드를 형성한 경우 서로 견고한 접합계면을 형성하기 때문에 박리없이 300 % 이상의 기계적 변형을 견딜 수 있음을 알 수 있다.
도 9은 본 발명의 제2실시형태에 따른 비접촉 모션 감지 센서를 이용하여 대상 객체의 위치를 감지하는 실험을 한 결과이다. 사람의 손에 본 발명의 제2실시형태에 따른 비접촉 모션 감지 센서를 부착하였다. 이용한 비접촉 모션 감지 센서는 도 5에 도시된 구성을 가지는 것이다. 도 9를 보면, 서로 다른 위치에 있는 센싱 영역의 유도된 전압의 진폭을 비교함으로써 대상 객체의 상대적 위치를 알 수 있다는 것을 확인할 수 있다.
도 10은 본 발명의 제2실시형태에 따른 비접촉 모션 감지 센서에 있어서, 쉴드부재의 유무에 따른 대상 객체의 움직임의 감지하는 민감도를 실험한 결과이다. 유연 전극의 도선 영역은 엘라스토머 기판에 의해 감싸져 있더라도 대상 객체의 전기장에 영향을 받는다. 즉, 유연 전극의 도선 영역도 센서의 역할을 수행한다. 이와 같은 유연 전극의 도선 영역의 센서 역할은 신호의 왜곡을 초래하게 된다. 본 발명의 제2실시형태에 따른 비접촉 모션 감지 센서는 도 10에서 보는 바와 같이, 쉴드 부재로 센싱 영역은 노출시키고 도선 영역은 가려줌으로써 대상객체를 감지하는 정밀도를 더욱 향상시킬 수 있다.
도 11은 본 발명의 제2실시형태에 따른 비접촉 모션 감지 센서에 있어서, 물체가 움직이는 방향을 감지하는 실험을 한 결과이다. 도 11에서 알 수 있듯이, 물체가 움직이는 방향과 위치에 따라서 각 센싱 영역의 유도 전압이 변화하는 것을 알 수 있으며, 이와 같은 유도 전압의 변화를 통해 대상 객체의 위치와 움직이는 방향(즉, 모션)을 측정할 수 있다.
도 12는 본 발명의 제2실시형태에 따른 비접촉 모션 감지 센서가 설치된 벽면의 앞뒤로 사람이 지나가는 것을 감지하는 실험을 한 결과이다. 도 12에서 이용한 비접촉 모션 감지 센서는 배면에도 전면과 동일한 형태의 쉴드부재를 설치한 것이다. 즉, 도 12에서 이용한 비접촉 모션 감지 센서는 전면과 배면이 동일한 센싱영역을 가진다. 도 12에서 보는 바와 같이 비접촉 모션 감지 센서를 벽면의 일면에 설치하였다. 이후 사람이 벽면의 앞뒤로 지나가면서 사람의 움직임을 감지하였다. 도 12에서는 2가지를 알 수 있다. 첫번째는 본 발명의 비접촉 모션 감지 센서를 이용할 경우 전면뿐만 아니라 배면에서의 대상객체의 움직임을 감지할 수 있다는 것이며, 두번째는 벽으로 막혀 있는 너머의 대상객체의 움직임도 감지할 수 있다는 것이다. 즉, 본 발명의 제2실시형태에 따른 비접촉 모션 감지 센서는 유연전극과 쉴드부재의 설계를 통해 다양한 환경에서 동작할 수 있는 비접촉 모션 감지 센서를 제조하는 것이 가능하다.
또한, 도 12에서 알 수 있듯이, 대상 객체(사람)와 유연 전극 사이에 부도체의 장애물(벽면)이 위치하더라도, 장애물 너머의 대상 객체의 움직임에 따라 유연 전극 내에서 전자 쏠림이 발생하며, 전압계가 전자 쏠림에 의해 유도된 전압을 측정하여 대상 객체의 움직임을 감지할 수 있다.
도 13은 본 발명의 비접촉 모션 감지 센서의 전압계의 저항의 저항값에 따른 민감도를 측정한 결과이다.
도 13에서 이론값에서 알 수 있듯이, 저항의 저항값이 1MΩ에서 50GΩ으로 증가했을 때 유도 전압은 130 배 이상 증가한다. 특히, 유도 전압은 저항의 저항값이 100 MΩ 인 지점에서 급격히 증가하며, 1GΩ에서 수렴하기 시작한다. 따라서 본 발명의 제1실시형태 또는 제2실시형태의 비접촉 모션 감지 센서는 저항으로 저항값이 100 MΩ 이상인 것을 사용하며, 바람직하게는 1GΩ 이상인 것을 사용하며, 보다 더 바람직하게는 5GΩ 이상인 것을 사용한다.
본 발명의 보호범위가 이상에서 명시적으로 설명한 실시예의 기재와 표현에 제한되는 것은 아니다. 또한, 본 발명이 속하는 기술분야에서 자명한 변경이나 치환으로 말미암아 본 발명이 보호범위가 제한될 수도 없음을 다시 한번 첨언한다.
Claims (14)
- 대상 객체의 움직임에 따라 변화하는 전기장을 감지하는 비접촉식 모션 감지 센서로서:
유연성 및 탄성을 가지는 엘라스토머 기판;
상기 엘라스토머 기판에 형성되는 유연 전극; 및
상기 유연 전극에 연결되는 저항 및 전압계;를 포함하는 비접촉 모션 감지 센서.
- 제1항에 있어서,
대상 객체의 움직임에 따라 유연 전극 내에서 전자 쏠림이 발생하며, 상기 전압계가 전자 쏠림에 의해 유도된 전압을 측정하여 대상 객체의 움직임을 감지하는 것을 특징으로 하는 비접촉 모션 감지 센서.
- 제1항에 있어서,
상기 유연 전극은 이온성 전도체, 탄소성 전도체 및 액체 금속으로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 어느 하나이며,
상기 이온성 전도체는 하이드로겔(hydrogel), 오르가노겔(organogel), 이오노겔(ionogel) 및 이온탄성체(ionoelastomer)으로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 어느 하나이며,
상기 탄소성 전도체는 탄소나노튜브(carbon nano tube) 및 그래핀(graphene)으로어지는 군에서 선택되는 적어도 어느 하나이며,
상기 액체 금속은 수은(Hg), 갈륨(Ga), 세슘(Cs), 루비듐(Rb) 및 프랑슘(Fr)으로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 어느 하나인 것을 특징으로 하는 비접촉 모션 감지 센서.
- 제1항에 있어서,
상기 엘라스토머 기판은 아크릴 유전 엘라스토머, 실리콘 유전 엘라스토머 또는 접착테이프인 것을 특징으로 하는 비접촉 모션 감지 센서.
- 제1항에 있어서,
상기 유연 전극과 상기 대상 객체 사이에서 상기 유연 전극의 적어도 일부를 가리는 쉴드 부재를 더 포함하고,
상기 쉴드 부재는 상기 대상객체의 전기장이 상기 유연 전극의 가려진 부분에 미치는 것을 차단하는 것을 특징으로 비접촉 모션 감지 센서.
- 제5항에 있어서,
상기 쉴드 부재는 이온성 전도체, 탄소성 전도체 및 액체 금속으로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 어느 하나이며,
상기 이온성 전도체는 하이드로겔(hydrogel), 오르가노겔(organogel), 이오노겔(ionogel) 및 이온탄성체(ionoelastomer)으로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 어느 하나이며,
상기 탄소성 전도체는 탄소나노튜브(carbon nano tube) 및 그래핀(graphene)으로어지는 군에서 선택되는 적어도 어느 하나이며,
상기 액체 금속은 수은(Hg), 갈륨(Ga), 세슘(Cs), 루비듐(Rb) 및 프랑슘(Fr)으로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 어느 하나인 것을 특징으로 하는 비접촉 모션 감지 센서.
- 제1항에 있어서,
상기 유연 전극은 복수개 형성되며, 상기 대상 객체의 위치와 움직임에 따라 복수개의 상기 유연 전극에서 유도되는 전압변화의 차이를 이용하여 상기 대상 객체의 위치와 움직임을 감지하는 것을 특징으로 하는 비접촉 모션 감지 센서.
- 제1항에 있어서,
상기 저항의 저항값은 100 MΩ 이상인 것을 특징으로 하는 비접촉 모션 감지 센서.
- 제1항에 있어서,
상기 엘라스토머 기판 및 상기 유연 전극은 투명한 것을 특징으로 하는 비접촉 모션 감지 센서.
- 제1항에 있어서,
상기 대상 객체와 상기 유연 전극 사이에 부도체의 장애물이 위치하더라도, 상기 장애물 너머의 대상 객체의 움직임에 따라 유연 전극 내에서 전자 쏠림이 발생하며, 상기 전압계가 전자 쏠림에 의해 유도된 전압을 측정하여 대상 객체의 움직임을 감지하는 것을 특징으로 하는 비접촉 모션 감지 센서.
- 대상 객체의 움직임에 따라 변화하는 전기장을 감지하는 비접촉식 모션 감지 센서로서:
유연성 및 탄성을 가지는 엘라스토머 튜브;
상기 엘라스토머 튜브에 충전되는 유연 전극; 및
상기 유연 전극에 연결되는 저항 및 전압계;를 포함하는 비접촉 모션 감지 센서.
- 대상 객체의 움직임에 따라 변화하는 전기장을 감지하는 비접촉식 모션 감지 센서의 제조방법으로서:
엘라스토머 기판의 표면을 개질하는 단계;
표면 개질된 엘라스토머 기판에 유연 전극 또는 쉴드 부재를 형성하는 단계;
유연 전극 또는 쉴드 부재가 형성된 엘라스토머 기판을 적층하는 단계; 및
유연 전극에 유연 전극에 저항 및 전압계를 연결하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 비접촉 모션 감지 센서의 제조방법.
- 제12항에 있어서,
상기 엘라스토머 기판의 표면을 개질하는 단계는,
상기 엘라스토머 기판을 표면개질제에 담구는 단계; 및
상기 표면개질제를 활성화하는 단계;를 포함하고,
상기 엘라스토머 기판의 표면을 개질하는 단계에 의해 상기 엘라스토머 기판의 표면이 상기 유연 전극과 공유결합이 가능하도록 표면 상태가 개질되는 것을 특징으로 하는 비접촉 모션 감지 센서의 제조방법.
- 제12항에 있어서,
상기 표면 개질된 엘라스토머 기판에 유연 전극 또는 쉴드 부재를 형성하는 단계는,
유연전극 솔루션을 마련하는 단계; 및
유연전극 솔루션을 디지털 광처리(Digital Light Processing: DLP) 3D 프린터를 통해 표면개질된 엘라스토머 기판에 인쇄하여 유연 전극 또는 쉴드 부재를 형성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 비접촉 모션 감지 센서의 제조방법.
Priority Applications (2)
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| KR1020210086172A KR102609967B1 (ko) | 2021-07-01 | 2021-07-01 | 비접촉 모션 감지 센서 및 그 제조방법 |
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| CN117064363A (zh) * | 2023-08-21 | 2023-11-17 | 华南农业大学 | 一种多模式呼吸传感器及其制备方法 |
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| WO2020081007A1 (en) * | 2018-10-15 | 2020-04-23 | National University Of Singapore | Triboelectric sensor and control system |
| KR102128237B1 (ko) * | 2019-02-08 | 2020-07-01 | 한국화학연구원 | 3차원 인쇄가 가능한 고전도성 연신전극용 조성물 |
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-
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| CN117064363A (zh) * | 2023-08-21 | 2023-11-17 | 华南农业大学 | 一种多模式呼吸传感器及其制备方法 |
| CN117064363B (zh) * | 2023-08-21 | 2024-03-22 | 华南农业大学 | 一种多模式呼吸传感器及其制备方法 |
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