KR20230042991A - 탄성 촉각 센서 및 그 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
탄성 촉각 센서 및 그 제조 방법이 개시된다. 개시되는 일 실시예에 따른 탄성 촉각 센서는, 탄성 및 절연성을 갖는 베이스 부재; 상기 베이스 부재의 상부에 형성되는 전극층; 및 상기 전극층의 상부에서 상기 전극층과 접촉되고, 외부에서 가해지는 압력에 따라 체적이 변화하여 저항 값이 변화되도록 마련되는 감지층을 포함한다.
Description
본 발명의 실시예는 탄성 촉각 센서 및 그 제조 방법과 관련된다.
접촉을 통한 주변 환경의 정보(예를 들어, 접촉력, 진동, 표면의 거칠기, 열전도도에 대한 온도변화 등)를 획득하는 촉각 센싱 기술은 차세대 정보수집을 위한 기술로 인식되고 있다. 최근, 촉각 감각을 대체할 수 있는 생체 모방형 촉각 센서는 혈관 내의 미세 수술, 암 진단 등의 각종 의료 진단 및 시술에 사용될 뿐만 아니라 향후 가상 환경 구현 기술에 적용될 수 있기 때문에 그 중요성이 증가하고 있다. 종래의 촉각 센서는 외부 압력에 의해 저항 변화를 일으키는 감지층 부분의 저항이 높아 촉각 센서의 구동 전력이 높아지는 문제점이 있다.
본 발명의 실시예는 구동 전력을 최소화 할 수 있는 탄성 촉각 센서 및 그 제조 방법을 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 실시예는 신속한 응답 및 회복을 갖는 탄성 촉각 센서 및 그 제조 방법을 제공하기 위한 것이다.
개시되는 일 실시예에 따른 탄성 촉각 센서는, 탄성 및 절연성을 갖는 베이스 부재; 상기 베이스 부재의 상부에 형성되는 전극층; 및 상기 전극층의 상부에서 상기 전극층과 접촉되고, 외부에서 가해지는 압력에 따라 체적이 변화하여 저항 값이 변화되도록 마련되는 감지층을 포함한다.
상기 전극층은, 상기 베이스 부재의 상면 일측에 마련되는 제1 전극 패드; 상기 베이스 부재의 상면 타측에 마련되는 제2 전극 패드; 상기 베이스 부재의 상면에서 상기 제1 전극 패드와 상기 제2 전극 패드 사이에 마련되는 접촉부; 상기 베이스 부재의 상면에서 상기 제1 전극 패드와 상기 접촉부를 연결하며 마련되는 제1 전극 라인; 및 상기 베이스 부재의 상면에서 상기 제2 전극 패드와 상기 접촉부를 연결하며 마련되는 제2 전극 라인을 포함할 수 있다.
상기 감지층은, 탄성을 갖는 액상에 전도성 나노 튜브를 분산시켜 경화한 것이고, 상기 접촉부의 상부에서 상기 접촉부와 접촉하여 마련될 수 있다.
상기 접촉부는, 상기 제1 전극 패드 및 상기 제2 전극 패드 보다 넓은 면적으로 마련되고, 상기 감지층은, 상기 접촉부의 면적 이하의 면적을 가지며, 복수 개의 층이 적층된 형태로 마련될 수 있다.
상기 제1 전극 패드 및 상기 제1 전극 라인은 제1 저항이고, 상기 접촉부는 제2 저항이며, 상기 제2 전극 패드 및 상기 제2 전극 라인은 제3 저항이고, 상기 감지층은 외부 압력에 따라 변하는 가변 저항이며, 상기 제2 저항과 상기 가변 저항은 병렬로 연결되고, 상기 제1 저항 및 상기 제3 저항은 각각 상기 제2 저항 및 상기 가변 저항에 직렬로 연결될 수 있다.
상기 접촉부는, 상기 제1 전극 패드 및 상기 제2 전극 패드 사이의 중간 지점에 마련되고, 상기 제1 전극 라인 및 상기 제2 전극 라인은, 동일한 길이로 마련될 수 있다.
개시되는 일 실시예에 따른 탄성 촉각 센서의 제조 방법은, 탄성 및 절연성을 갖는 베이스 부재를 마련하는 단계; 상기 베이스 부재의 상부에 전극층을 형성하는 단계; 및 상기 전극층의 상부에서 상기 전극층과 접촉되도록 감지층을 형성하는 단계를 포함하고, 상기 감지층은, 외부에서 가해지는 압력에 따라 체적이 변화하여 저항 값이 변화되도록 마련된다.
상기 전극층을 형성하는 단계는, 도전성 슬러리를 적층 제조(Additive Manufacturing) 장치의 노즐을 통해 상기 베이스 부재의 상면에 압출하는 단계를 포함 할 수 있다.
상기 감지층을 형성하는 단계는, 전도성 나노 튜브를 포함하는 슬러리를 마련하는 단계; 상기 슬러리를 적층 제조(Additive Manufacturing) 장치 의 노즐을 통해 상기 전극층의 상면에 압출하는 단계를 포함 할 수 있다.
상기 슬러리를 마련하는 단계는, 전도성 나노 튜브 입자를 이소프로필 알코올 용액에 30분 간격으로 분산 및 초음파 처리하는 단계; 20 중량%의 메틸기 말단(methyl group-terminated) PDMS를 상기 용액에 첨가하고 초음파 처리하는 단계; 80 중량%의 PDMS 예비중합체(prepolymer)를 상기 용액에 혼합하여 초음파 처리하는 단계; 및 용매를 증발시킨 후 10 중량%의 PDMS 가교제를 혼합하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 전극층을 형성하는 단계는, 상기 베이스 부재의 상면 일측에 제1 전극 패드를 형성하는 단계; 상기 베이스 부재의 상면 타측에 제2 전극 패드를 형성하는 단계; 상기 베이스 부재의 상면에서 상기 제1 전극 패드와 상기 제2 전극 패드 사이에 접촉부를 형성하는 단계; 상기 베이스 부재의 상면에서 상기 제1 전극 패드와 상기 접촉부를 연결하며 제1 전극 라인을 형성하는 단계; 및 상기 베이스 부재의 상면에서 상기 제2 전극 패드와 상기 접촉부를 연결하며 제2 전극 라인을 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 접촉부는, 상기 제1 전극 패드 및 상기 제2 전극 패드 보다 넓은 면적으로 마련되고, 상기 감지층을 형성하는 단계는, 상기 접촉부의 상부에서 복수 개의 적층된 레이어를 형성하는 단계를 포함하고, 상기 감지층은, 상기 접촉부의 면적 이하의 면적을 가질 수 있다.
개시되는 실시예에 의하면, 전극층의 접촉부 상에 감지층이 접촉되어 형성됨으로써, 접촉부와 감지층이 전기적으로 병렬로 연결되어 탄성 촉각 센서의 전체 저항을 최소화 할 수 있으며 그로 인해, 탄성 촉각 센서의 구동 전력을 낮출 수 있게 된다.
또한, 개시되는 실시예에 의한 탄성 촉각 센서는 작은 압축 응력에도 민감하게 반응하고, 압축 응력이 급격히 증가함에 따라 저항이 큰 폭으로 변화하여 넓은 범위에 걸쳐 높은 감도를 나타낸다.
또한, 개시되는 실시예에 의한 탄성 촉각 센서는 동적 하중에 대해 빠른 응답과 회복을 나타낸다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 탄성 촉각 센서의 구조를 나타낸 도면
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 탄성 촉각 센서의 단면도
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 탄성 촉각 센서에서 베이스 부재 상에 형성된 전극층을 나타낸 평면도
도 4는 본 발명의 일 실시예에서 감지층의 저항 값이 변화되는 원리를 설명하기 위한 도면
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 탄성 촉각 센서의 회로도를 나타낸 도면
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 탄성 촉각 센서의 제조방법을 나타낸 흐름도
도 7은 본 발명의 일 실시예에서 3D 프린터를 이용하여 감지층을 형성하는 상태를 개략적으로 나타낸 도면
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 탄성 촉각 센서의 외부 압력에 따른 저항 변화를 나타낸 그래프
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 탄성 촉각 센서의 동적 하중에 대한 응답을 나타낸 그래프
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 탄성 촉각 센서의 단면도
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 탄성 촉각 센서에서 베이스 부재 상에 형성된 전극층을 나타낸 평면도
도 4는 본 발명의 일 실시예에서 감지층의 저항 값이 변화되는 원리를 설명하기 위한 도면
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 탄성 촉각 센서의 회로도를 나타낸 도면
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 탄성 촉각 센서의 제조방법을 나타낸 흐름도
도 7은 본 발명의 일 실시예에서 3D 프린터를 이용하여 감지층을 형성하는 상태를 개략적으로 나타낸 도면
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 탄성 촉각 센서의 외부 압력에 따른 저항 변화를 나타낸 그래프
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 탄성 촉각 센서의 동적 하중에 대한 응답을 나타낸 그래프
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 구체적인 실시형태를 설명하기로 한다. 이하의 상세한 설명은 본 명세서에서 기술된 방법, 장치 및/또는 시스템에 대한 포괄적인 이해를 돕기 위해 제공된다. 그러나 이는 예시에 불과하며 본 발명은 이에 제한되지 않는다.
본 발명의 실시예들을 설명함에 있어서, 본 발명과 관련된 공지기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략하기로 한다. 그리고, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다. 상세한 설명에서 사용되는 용어는 단지 본 발명의 실시예들을 기술하기 위한 것이며, 결코 제한적이어서는 안 된다. 명확하게 달리 사용되지 않는 한, 단수 형태의 표현은 복수 형태의 의미를 포함한다. 본 설명에서, "포함" 또는 "구비"와 같은 표현은 어떤 특성들, 숫자들, 단계들, 동작들, 요소들, 이들의 일부 또는 조합을 가리키기 위한 것이며, 기술된 것 이외에 하나 또는 그 이상의 다른 특성, 숫자, 단계, 동작, 요소, 이들의 일부 또는 조합의 존재 또는 가능성을 배제하도록 해석되어서는 안 된다.
한편, 상측, 하측, 일측, 타측 등과 같은 방향성 용어는 개시된 도면들의 배향과 관련하여 사용된다. 본 발명의 실시예의 구성 요소는 다양한 배향으로 위치 설정될 수 있으므로, 방향성 용어는 예시를 목적으로 사용되는 것이지 이를 제한하는 것은 아니다.
또한, 제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성 요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성 요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성 요소를 다른 구성 요소로부터 구별하는 목적으로 사용될 수 있다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성 요소는 제2 구성 요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성 요소도 제1 구성 요소로 명명될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 탄성 촉각 센서의 구조를 나타낸 도면이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 탄성 촉각 센서의 단면도이며, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 탄성 촉각 센서에서 베이스 부재 상에 형성된 전극층을 나타낸 평면도이다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 탄성 촉각 센서(100)는 베이스 부재(102), 전극층(104), 및 감지층(106)을 포함한다.
탄성 촉각 센서(100)는 베이스 부재(102) 및 감지층(106)이 탄성체로 제작되어 상부 또는 하부에서 압력이 가해지면 압력에 의해 체적이 변화되면서 감지층(106)의 저항 변화(즉, 변화된 저항 값)를 전극층(104)을 통해 측정할 수 있다. 이때, 압력에 의해 체적이 변화될 때, 각 층이 쉽게 분리되지 않도록 하기 위해 각 층은 접합되는 구조로 이루어질 수 있다. 한편, 전극층(104)도 탄성체로 이루어질 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 전극층(104)이 탄성체가 아닌 경우, 전극층(104)은 굽힘 또는 인장하중이 가해질 때 끊어지지 않도록 지그재그 형상으로 마련될 수 있다.
베이스 부재(102)는 탄성 및 절연성을 가지는 재료(예를 들어, 비전도성 폴리머 등)로 이루어질 수 있다. 예시적인 실시예에서, 베이스 부재(102)는 PDMS(poly dimethylsiloxane)로 이루어질 수 있으나, 베이스 부재(102)의 재질이 이에 한정되는 것은 아니다. 여기서, 베이스 부재(102)는 몰드를 이용하여 제조될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며 재료 분사(Material Jetting) 공정 등 그 이외의 다양한 공정에 의해 제조 될 수 있다. 베이스 부재(102)는 일정 두께를 가지는 플레이트 형태로 마련될 수 있다.
전극층(104)은 베이스 부재(102) 상에 형성될 수 있다. 즉, 전극층(104)은 베이스 부재(102)의 상면에 형성될 수 있다. 전극층(104)은 도전성 재료로 이루어진다. 예시적인 실시예에서, 전극층(104)은 DIW(Direct Ink Writing) 공정에 의해 형성될 수 있다. 전극층(104)은 제1 전극 패드(104-1), 제2 전극 패드(104-2), 제1 전극 라인(104-3), 제2 전극 라인(104-4), 및 접촉부(104-5)를 포함할 수 있다.
제1 전극 패드(104-1)는 베이스 부재(102)의 상면 일측에 마련될 수 있다. 제2 전극 패드(104-2)는 베이스 부재(102)의 상면 타측에 마련될 수 있다. 제1 전극 패드(104-1) 및 제2 전극 패드(104-2)는 외부 구성(예를 들어, 탄성 촉각 센서(100)의 센싱 신호를 수신하기 위한 구성 또는 탄성 촉각 센서(100)로 전기적 신호를 인가하기 위한 구성 등)과 전기적으로 연결될 수 있다.
제1 전극 라인(104-3)은 제1 전극 패드(104-1)와 접촉부(104-5)를 연결하며 마련될 수 있다. 제2 전극 라인(104-4)은 제2 전극 패드(104-2)와 접촉부(104-5)를 연결하며 마련될 수 있다.
접촉부(104-5)는 제1 전극 패드(104-1) 및 제2 전극 패드(104-2) 사이에 마련될 수 있다. 접촉부(104-5)는 제1 전극 패드(104-1) 및 제2 전극 패드(104-2) 사이의 중간 지점에 마련될 수 있다. 이때, 제1 전극 라인(104-3)과 제2 전극 라인(104-4)은 동일한 길이로 마련될 수 있다. 접촉부(104-5)는 감지층(106)과 접촉되어 마련된다. 접촉부(104-5)는 제1 전극 패드(104-1) 및 제2 전극 패드(104-2) 보다 넓은 면적으로 형성될 수 있다. 예를 들어, 접촉부(104-5)는 10mm의 직경을 갖는 원 형태로 마련될 수 있으나, 접촉부(104-5)의 크기 및 형태가 이에 한정되는 것은 아니다.
감지층(106)은 전극층(104)의 상부에 마련될 수 있다. 감지층(106)은 전극층(104) 중 접촉부(104-5) 상에 마련될 수 있다. 감지층(106)은 접촉부(104-5)의 면적과 대응되는 면적으로 마련될 수 있다. 즉, 감지층(106)의 하면이 접촉부(104-5)와 전체적으로 접촉하도록 상호 대응되는 면적으로 마련될 수 있다.
예를 들어, 감지층(106)은 접촉부(104-5)의 면적과 동일하거나 그 미만의 면적을 갖도록 마련될 수 있다. 다시 말하면, 접촉부(104-5)의 면적은 감지층(106)의 하면의 면적 이상이 되도록 마련될 수 있다. 이는 접촉부(104-5)의 면적이 감지층(106)의 하면 면적보다 작은 경우, 접촉부(104-5)와 접촉되지 않는 감지층(106)에 가해지는 하중을 감지하는 능력이 저하되어 탄성 촉각 센서(100)의 성능이 저하될 수 있기 때문이다. 예시적인 실시예에서, 감지층(106)은 적층 제조(Additive Manufacturing)(예를 들어, DIW(Direct Ink Writing)) 공정에 의해 형성될 수 있다.
감지층(106)은 외부에 의해 가해지는 압력에 의해 체적이 변화되면서 저항 값이 변하도록 마련될 수 있다. 도 4는 본 발명의 일 실시예에서 감지층(106)의 저항 값이 변화되는 원리를 설명하기 위한 도면이다. 도 4의 (a)를 참조하면, 감지층(106)은 탄성을 갖는 액상에 전도성 나노 튜브(113)를 분산시켜 경화한 것으로, 전도성 나노 튜브(113)들의 사이에 수많은 터널(Rtunneling)을 형성하게 된다.
여기서, 외부 압력에 의해 체적 변화가 일어나면, 도 4의 (b)에 도시된 바와 같이, 체적 변화가 전도성 나노 튜브(113) 사이의 거리를 변화시켜 전체 저항의 크기가 변화되며, 변화된 전체 저항을 전극층(104)을 통해 감지하게 되는 것이다.
즉, 전도성 나노 튜브(113)는 감지층(106) 내에서 상호 연결된 구조가 아니라 단락된 형태로 분산되는데, 감지층(106)에 전원이 인가되면 단락된 전도성 나노 튜브(113)에 의해 감지층(106)이 단전되는 것이 아니라 수많은 터널(Rtunneling)에 의해 저항을 받으면서 통전되게 된다. 따라서, 평상 시에는 도 4의 (a)와 같이 일정 저항 값을 가지나, 도 4의 (b)와 같이 외부 압력에 의해 체적 변화가 일어나면 전도성 나노 튜브(113)들의 이격 거리가 변하면서 전체 저항 값이 변화하게 되는 것이다.
예시적인 실시예에서, 감지층(106)은 복수 개의 층이 적층된 형태로 마련될 수 있다. 즉, 감지층(106)은 각각 접촉부(104-5)와 대응되는 면적을 가지는 복수 개의 층이 적층된 형태로 마련될 수 있다. 예를 들어, 감지층(106)은 5개층이 적층된 형태로 마련될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 본 발명에서는, 감지층(106)을 적층 제조(Additive Manufacturing) 공정(예를 들어, DIW 공정)을 통해 복수 개의 층으로 적층하여 제조할 수 있으며, 그로 인해 동일한 단면적에서 보다 많은 개수의 전도성 나노 튜브를 포함하여 탄성 촉각 센서(100)의 센싱 감도를 향상시킬 수 있게 된다.
이때, 각 층은 전도성 나노 튜브를 포함하는 층으로 구성될 수 있다. 예시적인 실시예에서, 각 층은 MWCNT(Multi-Walled Carbon Nano Tube)를 포함하는 층으로 이루어질 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며 각 층은 SWCNT(Single-Walled Carbon Nano Tube), 그래핀(Graphene) 등을 포함할 수도 있다. 개시되는 실시예에서는, 감지층(106)을 복수 개의 층이 적층된 형태로 마련함으로써, 센서의 성능 저하 없이도 주기적인 압축 응력을 견딜 수 있게 된다.
또한, 베이스 부재(102)의 상부에는 전극층(104) 및 감지층(106)을 감싸면서 보호층(미도시)이 형성될 수도 있다. 보호층(미도시)은 절연 재료 및 탄성체로 이루어질 수 있다.
한편, 개시되는 실시예에서 감지층(106)이 접촉부(104-5)의 상부에 접촉되어 마련됨에 따라, 탄성 촉각 센서(100)의 전체 저항을 낮출 수 있고 그로 인해, 탄성 촉각 센서(100)의 구동 전력을 낮출 수 있게 된다. 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 탄성 촉각 센서의 회로도를 나타낸 도면이다. 도 5를 참조하면, 제1 전극 패드(104-1) 및 제1 전극 라인(104-3)은 제1 저항(R1)으로 나타내고, 접촉부(104-5)는 제2 저항(R2)로 나타내며, 제2 전극 패드(104-2) 및 제2 전극 라인(104-4)는 제3 저항(R3)으로 나타내고, 감지층(106)은 가변 저항(Rs)으로 나타낼 수 있다. 여기서, 제2 저항(R2)과 가변 저항(Rs)이 병렬로 연결되고, 제1 저항(R1) 및 제3 저항(R3)은 직렬로 연결되므로, 탄성 촉각 센서(100)의 전체 저항(R)은 하기의 수학식 1로 나타낼 수 있다.
(수학식 1)
이와 같이, 접촉부(104-5) 상에 감지층(106)이 접촉되어 형성됨으로써, 접촉부(104-5)와 감지층(106)이 전기적으로 병렬로 연결되어 탄성 촉각 센서(100)의 전체 저항(R)을 최소화 할 수 있으며 그로 인해, 탄성 촉각 센서(100)의 구동 전력을 낮출 수 있게 된다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 탄성 촉각 센서의 제조방법을 나타낸 흐름도이다.
도 6을 참조하면, 베이스 부재(102)를 마련한다(S 101). 예시적인 실시예에서, 베이스 부재(102)는 몰드를 이용하여 제작될 수 있다. 이때, 몰드는 재료 압출(Material Extrusion) 공정에 의해 제작될 수 있다. 그러나, 이에 한정되는 것은 아니며 베이스 부재(102)는 재료 분사(Material Jetting) 공정 등 그 이외의 다양한 공정에 의해 제조 될 수 있다.
다음으로, 베이스 부재(102) 상에 전극층(104)을 성형한다(S 103). 여기서, 전극층(104)은 적층 제조(Additive Manufacturing) 공정(예를 들어, DIW(Direct Ink Writing))에 의해 형성될 수 있다.
구체적으로, 전극층(104)은 DIW 공정에 의해 형성되는 단일 레이어로 이루어질 수 있다. 예시적인 실시예에서, 은, 구리, 금 등과 같은 도전성 물질로 도전성 슬러리(즉, 도전성 잉크)를 제작하고, 도전성 슬러리를 적층 제조 장치(즉, 적층 제조 공정을 수행하기 위한 장치)의 노즐을 통해 압출하여 전극층(104)을 형성할 수 있다.
그리고, 적층 제조 장치의 노즐 직경은 0.26mm로 하고, 스탠드 오프(stand-off) 거리(즉, 노즐과 베이스 부재(102) 간의 이격 거리)는 0.2mm로 할 수 있다. 이때, 노즐을 세로 방향(제1축 방향) 및 가로 방향(제2축 방향)으로 이동하면서 제1 전극 패드(104-1), 제2 전극 패드(104-2), 제1 전극 라인(104-3), 제2 전극 라인(104-4), 및 접촉부(104-5)를 형성할 수 있다.
다음으로, 전극층(104)의 접촉부(104-5) 상에 감지층(106)을 성형한다(S 105). 여기서, 감지층(106)은 적층 제조(Additive Manufacturing) 공정(예를 들어, DIW(Direct Ink Writing))에 의해 형성될 수 있다.
구체적으로, 감지층(106)은 MWCNT(Multi-Walled Carbon Nano Tube)와 같은 전도성 나노 튜브를 포함하여 이루어질 수 있다. 감지층(106)은 복수 개의 레이어로 이루어질 수 있다. 예를 들어, 감지층(106)은 5개의 성형된 레이어로 이루어질 수 있다. 이때, 각 레이어는 두께 1mm이고, 직경이 10mm인 디스크 형태일 수 있다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에서 적층 제조 장치를 이용하여 감지층(106)을 형성하는 상태를 개략적으로 나타낸 도면이다. 적층 제조 장치(200)는 3축 스테이지(202), 잉크 주사기(204), 노즐(206), 에어 디스펜서(208), 및 에어 콤프레서(210)를 포함할 수 있다.
여기서, 전도성 나노 튜브를 포함하는 슬러리(즉, 잉크)는 잉크 주사기(204)에 수납되고, 잉크 주사기(204)의 단부에 형성되는 노즐(206)을 통하여 외부로 토출된다. 예를 들어, 노즐(206)의 직경은 0.45mm일 수 있다. 3축 스테이지(202)는 3축 방향(제1축 방향, 제2축 방향, 및 제3축 방향)으로 잉크 주사기(204)를 이동시킬 수 있다.
이때, 에어 콤프레서(210)에서 공급되는 압축 공기는 에어 디스펜서(208)를 통해 공압이 조절되어 잉크 주사기(204) 내의 전도성 나노 튜브를 압출하는데 사용된다. 그리고, 공급 속도는 200mm/min로 하고, 압축 공기의 공압은 300kPa로 할 수 있다. 또한, 스탠드 오프(stand-off) 거리(즉, 노즐(206)과 인쇄되는 면과의 이격 거리)는 0.2mm로 할 수 있다.
한편, 전도성 나노 튜브를 포함하는 슬러리는 다음과 같은 방법으로 제작될 수 있다. 먼저, 전도성 나노 튜브 입자(예를 들어, MWCNT)(입자 길이 5~ 20㎛, 입자 직경 10-30㎚)를 이소프로필 알코올(Isopropyl Alcohol) 용액에 30분 간격으로 분산(dispersed) 및 초음파 처리(sonicated)할 수 있다. 그 후, 20 중량 %(wt%)의 메틸기 말단(methyl group-terminated) PDMS를 용액에 첨가하고 추가로 초음파 처리를 할 수 있다. 다음으로, 80 중량 %(wt%)의 PDMS 예비중합체(prepolymer)를 용액에 혼합하여 초음파 처리하고, 용매를 증발시킨 후 PDMS 가교제를 10:1의 비율(또는 10 중량 %)로 혼합하여 전도성 나노 튜브를 포함하는 슬러리를 제조할 수 있다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 탄성 촉각 센서의 외부 압력에 따른 저항 변화를 나타낸 그래프이다. 여기서, 탄성 촉각 센서(100)를 압축 하중이 적용된 푸시-풀 힘 게이지(push-pull force gauae) 아래에 놓고 압축 응력에 따른 저항 변화를 디지털 멀티미터로 기록하였다.
도 8을 참조하면, 탄성 촉각 센서(100)는 작은 압축 응력(약 0.6kPa)에도 민감하게 반응하였으며, 압축 응력이 급격히 증가함에 따라 저항이 큰 폭으로 변화하는 것을 볼 수 있다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 탄성 촉각 센서의 동적 하중에 대한 응답을 나타낸 그래프이다. 여기서, 로딩 주파수(loading frequency)는 로딩(loading) 및 언로딩(unloading) 단계 각각에 대해 30mm/min의 속도에서 50Hz로 하였다.
도 9를 참조하면, 80초의 샘플링 시간 동안 로딩 및 언로딩 신호와 센서 응답 신호 사이의 지연(delay)이 0.02초 임을 알 수 있다. 이와 같이, 탄성 촉각 센서(100)는 동적 하중에 빠른 응답과 회복을 보임을 알 수 있다.
이상에서 본 발명의 대표적인 실시예들을 상세하게 설명하였으나, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 상술한 실시예에 대하여 본 발명의 범주에서 벗어나지 않는 한도 내에서 다양한 변형이 가능함을 이해할 것이다. 그러므로 본 발명의 권리범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 안 되며, 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
100 : 탄성 촉각 센서
102 : 베이스 부재
104 : 전극층
104-1 : 제1 전극 패드
104-2 : 제2 전극 패드
104-3 : 제1 전극 라인
104-4 : 제2 전극 라인
104-5 : 접촉부
106 : 감지층
102 : 베이스 부재
104 : 전극층
104-1 : 제1 전극 패드
104-2 : 제2 전극 패드
104-3 : 제1 전극 라인
104-4 : 제2 전극 라인
104-5 : 접촉부
106 : 감지층
Claims (12)
- 탄성 및 절연성을 갖는 베이스 부재;
상기 베이스 부재의 상부에 형성되는 전극층; 및
상기 전극층의 상부에서 상기 전극층과 접촉되고, 외부에서 가해지는 압력에 따라 체적이 변화하여 저항 값이 변화되도록 마련되는 감지층을 포함하는, 탄성 촉각 센서.
- 청구항 1에 있어서,
상기 전극층은,
상기 베이스 부재의 상면 일측에 마련되는 제1 전극 패드;
상기 베이스 부재의 상면 타측에 마련되는 제2 전극 패드;
상기 베이스 부재의 상면에서 상기 제1 전극 패드와 상기 제2 전극 패드 사이에 마련되는 접촉부;
상기 베이스 부재의 상면에서 상기 제1 전극 패드와 상기 접촉부를 연결하며 마련되는 제1 전극 라인; 및
상기 베이스 부재의 상면에서 상기 제2 전극 패드와 상기 접촉부를 연결하며 마련되는 제2 전극 라인을 포함하는, 탄성 촉각 센서.
- 청구항 2에 있어서,
상기 감지층은,
탄성을 갖는 액상에 전도성 나노 튜브를 분산시켜 경화한 것이고, 상기 접촉부의 상부에서 상기 접촉부와 접촉하여 마련되는, 탄성 촉각 센서.
- 청구항 3에 있어서,
상기 접촉부는, 상기 제1 전극 패드 및 상기 제2 전극 패드 보다 넓은 면적으로 마련되고,
상기 감지층은, 상기 접촉부의 면적 이하의 면적을 가지며, 복수 개의 층이 적층된 형태로 마련되는, 탄성 촉각 센서.
- 청구항 3에 있어서,
상기 제1 전극 패드 및 상기 제1 전극 라인은 제1 저항이고,
상기 접촉부는 제2 저항이며,
상기 제2 전극 패드 및 상기 제2 전극 라인은 제3 저항이고,
상기 감지층은 외부 압력에 따라 변하는 가변 저항이며,
상기 제2 저항과 상기 가변 저항은 병렬로 연결되고, 상기 제1 저항 및 상기 제3 저항은 각각 상기 제2 저항 및 상기 가변 저항에 직렬로 연결되는, 탄성 촉각 센서.
- 청구항 3에 있어서,
상기 접촉부는, 상기 제1 전극 패드 및 상기 제2 전극 패드 사이의 중간 지점에 마련되고,
상기 제1 전극 라인 및 상기 제2 전극 라인은, 동일한 길이로 마련되는, 탄성 촉각 센서.
- 탄성 및 절연성을 갖는 베이스 부재를 마련하는 단계;
상기 베이스 부재의 상부에 전극층을 형성하는 단계; 및
상기 전극층의 상부에서 상기 전극층과 접촉되도록 감지층을 형성하는 단계를 포함하고,
상기 감지층은, 외부에서 가해지는 압력에 따라 체적이 변화하여 저항 값이 변화되도록 마련되는, 탄성 촉각 센서의 제조 방법.
- 청구항 7에 있어서,
상기 전극층을 형성하는 단계는, 도전성 슬러리를 적층 제조(Additive Manufacturing) 장치의 노즐을 통해 상기 베이스 부재의 상면에 압출하는 단계를 포함하는, 탄성 촉각 센서의 제조 방법.
- 청구항 8에 있어서,
상기 감지층을 형성하는 단계는,
전도성 나노 튜브를 포함하는 슬러리를 마련하는 단계;
상기 슬러리를 적층 제조(Additive Manufacturing) 장치의 노즐을 통해 상기 전극층의 상면에 압출하는 단계를 포함하는, 탄성 촉각 센서의 제조 방법.
- 청구항 9에 있어서,
상기 슬러리를 마련하는 단계는,
전도성 나노 튜브 입자를 이소프로필 알코올 용액에 30분 간격으로 분산 및 초음파 처리하는 단계;
20 중량%의 메틸기 말단(methyl group-terminated) PDMS를 상기 용액에 첨가하고 초음파 처리하는 단계;
80 중량%의 PDMS 예비중합체(prepolymer)를 상기 용액에 혼합하여 초음파 처리하는 단계; 및
용매를 증발시킨 후 10 중량%의 PDMS 가교제를 혼합하는 단계를 포함하는, 탄성 촉각 센서의 제조 방법.
- 청구항 9에 있어서,
상기 전극층을 형성하는 단계는,
상기 베이스 부재의 상면 일측에 제1 전극 패드를 형성하는 단계;
상기 베이스 부재의 상면 타측에 제2 전극 패드를 형성하는 단계;
상기 베이스 부재의 상면에서 상기 제1 전극 패드와 상기 제2 전극 패드 사이에 접촉부를 형성하는 단계;
상기 베이스 부재의 상면에서 상기 제1 전극 패드와 상기 접촉부를 연결하며 제1 전극 라인을 형성하는 단계; 및
상기 베이스 부재의 상면에서 상기 제2 전극 패드와 상기 접촉부를 연결하며 제2 전극 라인을 형성하는 단계를 포함하는, 탄성 촉각 센서의 제조 방법.
- 청구항 11에 있어서,
상기 접촉부는, 상기 제1 전극 패드 및 상기 제2 전극 패드 보다 넓은 면적으로 마련되고,
상기 감지층을 형성하는 단계는, 상기 접촉부의 상부에서 복수 개의 적층된 레이어를 형성하는 단계를 포함하고,
상기 감지층은, 상기 접촉부의 면적 이하의 면적을 가지도록 하는, 탄성 촉각 센서의 제조 방법.
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| US20160340534A1 (en) * | 2015-05-22 | 2016-11-24 | Board Of Regents, The University Of Texas System | Inks, piezoresistive sensors, and conductive materials on flexible substrates |
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| KR101759120B1 (ko) | 2015-08-06 | 2017-07-21 | 부경대학교 산학협력단 | 촉각센서 및 그 제조방법 |
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