KR20230136483A - 자가 동력 촉각센서 - Google Patents

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KR20230136483A
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tactile sensor
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electrode
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KR1020220034321A
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박진우
김승록
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연세대학교 산학협력단
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Abstract

본 발명은 자가동력 촉각센서에 관한 것으로, 더 상세하게는 별도의 외부 전원 없이, 고감도로 접촉된 물체의 압력, 온도 및 소재의 멀티 센싱이 가능한 자가동력 촉각센서에 관한 것이다.
본 발명에 따른 촉각센서는 제1전극 및 제2전극; 상기 제1전극 및 제2전극 사이에 위치하는 고분자 이온젤과 상기 고분자 이온젤에 인입되는 제1강유전체를 함유하는 센싱부; 및 상기 제1전극 및 제2전극 중 어느 하나의 전극 상에 접하여 위치하며, 외부 접촉물과의 접촉에 의해 대전되는 유전체부;를 포함한다.

Description

자가 동력 촉각센서 {Self-powered tactile sensor}
본 발명은 자가동력 촉각센서에 관한 것으로, 더 상세하게는 별도의 외부 전원 없이, 고감도로 접촉된 물체의 압력, 온도 및 소재의 멀티 센싱이 가능한 자가동력 촉각센서에 관한 것이다.
인간의 피부에서 느끼는 촉감은 오감 중 하나로, 외부의 접촉에 의해 진동, 압력, 온도 등을 감지한다. 이와 같은 촉각은 외부의 환경을 인지하는 주요 감각 중 하나로, 차세대 정보수집 매체로 인식되고 있다. 이에, 촉각을 감지하기 위한 감각기관을 대체할 수 있는 촉각센서에 관한 연구가 활발히 이루어지고 있다.
촉각센서는 의수(義手)뿐만 아니라 혈관내의 미세수술, 암진단 등의 각종 의료진단 및 시술에 사용될 수 있으며, 가상환경 구현기술의 차세대 주요기술인 촉각제시 기술에 적용될 수 있기 때문에 그 중요성이 더해지고 있다.
촉각센서는 전기적 신호의 종류에 따라 저항(piezoresistive) 방식, 전기용량(piezocapacitive) 방식, 트랜지스터(transistor) 방식으로 크게 분류할 수 있다. 이 중 전기용량 방식은 전극-유전체-전극의 소자 구조로 이루어져 있는 것으로, 유전체의 유전율과 면적, 두께에 따라 전기용량이 결정된다.
이에, 대한민국 등록특허 제10-1726516호 촉각센서가 개시되어 있다. 이처럼 종래 촉각센서는 유전율이 높은 강유전체를 압전층으로써 사용하여 우수한 감도를 가지고자 하였다.
그러나 강유전체를 적용한 촉각센서는 외부 물리적 자극에 의한 형태변형, 즉 유전체의 두께 변형율이 높지 않아 유전율이 높음에도 불구하고, 특정 범위의 압력 내에서만 높은 감도를 보인다는 문제점이 있으며, 센서에 접촉되는 물질의 소재 및 온도 등을 복합적으로 감지하진 못해, 실질적으로 촉각센서로 사용하기 어렵다는 문제점이 있다.
(특허 문헌1) : 대한민국 등록특허 제10-1726516호
본 발명의 목적은 별도의 외부 전원 없이, 고감도로 접촉된 물체의 압력, 온도 및 소재의 멀티 센싱이 가능한 자가동력 촉각센서를 제공하는 것이다.
본 발명의 자가동력 촉각센서는 제1전극 및 제2전극; 상기 제1전극 및 제2전극 사이에 위치하는 고분자 이온젤과 상기 고분자 이온젤에 인입되는 제1강유전체를 함유하는 센싱부; 및 상기 제1전극 및 제2전극 중 어느 하나의 전극 상에 접하여 위치하며, 외부 접촉물과의 접촉에 의해 대전되는 유전체부;를 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 자가동력 촉각센서에 있어서, 상기 유전체부는 탄성고분자 및 제2강유전체를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 자가동력 촉각센서에 있어서, 상기 제2강유전체는 섬유상의 네트워크 구조를 가질 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 자가동력 촉각센서에 있어서, 상기 제2강유전체는 p(VDF-TrFE)(Poly(vinylidene fluoride-trifluoroethylene))을 함유할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 자가동력 촉각센서에 있어서, 상기 제2강유전체에 함유된 p(VDF-TrFE)는 VDF : TrFE의 몰비가 1 : 0.5 ~1.2일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 자가동력 촉각센서에 있어서, 상기 탄성고분자는 실록산계 중합체를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 자가동력 촉각센서에 있어서, 상기 고분자 이온젤은 고분자 및 이온성 액체를 포함하며, 상기 고분자는 PVDF계 공중합체 또는 상기 이온성 액체에 용해성을 가지는 블록을 포함하는 블록공중합체를 포함하고, 상기 이온성 액체는 [EMIM][TFSI](Ethyl- methylimidazolium bis(trifluoromethylsulfonyl)imide)을 함유할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 자가동력 촉각센서에 있어서, 상기 이온성 액체에 용해성을 가지는 블록을 포함하는 블록공중합체는 폴리아크릴레이트계 블록을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 자가동력 촉각센서에 있어서, 상기 고분자 이온젤은 상기 고분자 : 상기 이온성 액체의 중량비가 1 : 0.1~5일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 자가동력 촉각센서에 있어서, 상기 제1강유전체는 p(VDF-TrFE)(Poly(vinylidene fluoride-trifluoroethylene))을 함유할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 자가동력 촉각센서에 있어서, 상기 제1강유전체에 함유된 p(VDF-TrFE)는 VDF : TrFE의 몰비가 1 : 0.05 ~0.5 일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 자가동력 촉각센서에 있어서, 상기 제1강유전체는 섬유상의 다공막 구조를 가질 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 자가동력 촉각센서에 있어서, 상기 제1강유전체의 두께(Td)는, 상기 센싱부의 전체 두께(Ttotal)를 기준으로, 0.01Ttotal 내지 0.8Ttotal 일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 자가동력 촉각센서에 있어서, 상기 전극은 유연고분자 및 전도성 나노와이어 네트워크를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 자가동력 촉각센서에 있어서, 상기 유연고분자는 실록산계 중합체를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 자가동력 촉각센서에 있어서, 상기 센싱부는 상기 제1강유전체가 상기 센싱부의 중심부에 위치할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 자가동력 촉각센서에 있어서, 상기 촉각센서는 상기 접촉물의 온도, 압력 및 소재에 따라 전위값이 변화할 수 있다.
본 발명에 따른 자가동력 촉각센서는 외부 접촉물과의 접촉에 의해 대전되는 유전체부를 포함하여, 접촉에 따라 생성되는 마찰전기를 전력원으로 사용할 수 있음에 따라, 별도의 외부전력 없이도 센싱이 가능하다.
또한, 본 발명에 따른 자가동력 촉각센서는 접촉되는 외부 접촉물의 소재, 온도 및 압력에 따라 센싱부의 분극에 의하여 형성되는 전위 값이 변화함에 따라, 접촉물의 소재, 온도 및 압력의 멀티 센싱이 가능하다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 자가동력 촉각센서의 분리 사시도,
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 자가동력 촉각센서의 단면을 간략히 도시한 단면도,
도 3 내지 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 자가동력 촉각센서의 외부 자극 감지방법을 모식화한 모식도,
도 5 내지 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 자가동력 촉각센서의 압력 및 온도에 따른 전위차 측정 결과,
도 7는 본 발명의 일 실시예에 따른 자가동력 촉각센서의 광투과도를 나타내는 사진,
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 자가동력 촉각센서를 인체모형에 다수개 배열한 사진,
도 9는 도 8의 촉각센서에 반복적인 압력을 인가한 결과를 나타내는 그래프이다.
본 명세서에서 사용되는 기술 용어 및 과학 용어에 있어서 다른 정의가 없다면, 이 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 통상적으로 이해하고 있는 의미를 가지며, 하기의 설명 및 첨부 도면에서 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 설명은 생략한다.
또한, 본 명세서에서 사용되는 단수 형태는 문맥에서 특별한 지시가 없는 한 복수 형태도 포함하는 것으로 의도할 수 있다.
또한, 본 명세서에서 특별한 언급 없이 사용된 단위는 중량을 기준으로 하며, 일 예로 % 또는 비의 단위는 중량% 또는 중량비를 의미하고, 중량%는 달리 정의되지 않는 한 전체 조성물 중 어느 하나의 성분이 조성물 내에서 차지하는 중량%를 의미한다.
또한, 본 명세서에서 사용되는 수치 범위는 하한치와 상한치와 그 범위 내에서의 모든 값, 정의되는 범위의 형태와 폭에서 논리적으로 유도되는 증분, 이중 한정된 모든 값 및 서로 다른 형태로 한정된 수치 범위의 상한 및 하한의 모든 가능한 조합을 포함한다. 본 발명의 명세서에서 특별한 정의가 없는 한 실험 오차 또는 값의 반올림으로 인해 발생할 가능성이 있는 수치범위 외의 값 역시 정의된 수치범위에 포함된다.
본 명세서의 용어, '포함한다'는 '구비한다', '함유한다', '가진다' 또는 '특징으로 한다' 등의 표현과 등가의 의미를 가지는 개방형 기재이며, 추가로 열거되어 있지 않은 요소, 재료 또는 공정을 배제하지 않는다.
본 발명에 따른 촉각센서는 제1전극 및 제2전극; 상기 제1 및 제2전극 사이에 위치하는 고분자 이온젤과 상기 고분자 이온젤에 인입되는 제1강유전체를 함유하는 센싱부; 및 상기 제1전극 및 제2전극 중 어느 하나의 전극 상에 접하여 위치하며, 외부 접촉물과의 접촉에 의해 대전되는 유전체부;를 포함한다.
종래, 전기용량방식 촉각센서는 전극-유전체-전극으로 이루어진 소자 구조로, 유전체의 유전율, 면적 및 두께에 따라 전기용량이 결정되며, 전기용량변화를 통해 센싱이 가능하다. 이와 같은 전기용량변화를 유도하기 위해서는 유전체의 두께 혹은 유전체와 전극간 접촉면적 변화를 시키는 방법이 있다. 유전체의 두께변화는 외부의 물리적 자극(압력)에 의한 변화로서, 유전체의 높은 두께 변화율은 높은 전기용량변화율을 뜻하며 높은 민감도로 외부 압력의 센싱 가능하다는 의미이다.
최근 촉각센서는 강유전체를 사용하여 기존 유전체에 비해 유전율을 높여 전기용량을 높임에 따라 고감도를 가지고자 하였으나, 강유전체를 적용한 촉각센서는 외부 물리적 자극에 의한 형태변형, 즉 유전체의 두께 변형율이 높지 않아 유전율이 높음에도 불구하고, 특정 범위의 압력 내에서만 고감도 센싱이 가능하며, 센서에 접촉되는 물질의 소재 및 온도 등을 복합적으로 감지하진 못해, 실질적으로 촉각센서로 사용하기 어렵다는 문제점이 있다.
그러나 본 발명에 따른 자가동력 촉각센서는 외부 접촉물과의 접촉에 의해 대전되는 유전체부를 포함하여, 접촉에 따라 생성되는 마찰전기를 전력원으로 사용할 수 있음에 따라, 별도의 외부전력 없이도 센싱이 가능하다. 아울러, 접촉되는 외부 접촉물의 소재, 온도 및 압력에 따라 센싱부의 분극에 의하여 형성되는 전위 값이 변화함에 따라, 접촉물의 소재, 온도 및 압력의 멀티 센싱이 가능하다. 나아가, 센싱부가 고분자 이온젤에 강유전체가 인입된 구조로, 높은 유전율을 가짐과 동시에 두께 변형률이 높아, 고감도 센싱이 가능하다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 촉각센서에 대해 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 촉각센서의 분리사시도가 도시되어 있으며, 도 2는 도 1에 도시된 촉각센서의 단면이 간략하게 도시되어 있다.
도 1 내지 도 2를 참조하면, 본 발명의 촉각센서는 제1전극 및 제2전극; 제1전극 및 제2전극 사이에 위치하는 고분자 이온젤, 고분자 이온젤에 인입되는 제1강유전체를 포함하는 센싱부; 및 상기 제1전극 및 제2전극 중 어느 하나의 전극 상에 접하여 위치하며, 외부 접촉물과의 접촉에 의해 대전되는 유전체부;를 포함한다.
도면에 도시된 바와 같이, 제1전극-센싱부-제2전극-유전체부 순으로 적층될 수 있으나, 외부 접촉물이 접촉되는 위치에 따라 유전체부가 제1전극 상에 적층되어, 제1전극-센싱부-제2전극 순으로 적층될 수 있다.
유전체부는 외부 접촉물과 접촉되는 것으로, 촉각센서에 있어서 최외층에 위치하며 외부 접촉물과 접촉될 수 있다. 유전체부는 접촉물의 접촉 시, 대전됨에 따라 마찰전기를 생성하는 역할을 한다.
구체적으로, 도 2에 도시된 바와 같이, 외부로 노출된 유전체부의 일면에 접촉물이 접촉될 시, 유전체부의 일면에 대전이 일어나며, 일면과 대향되는 면, 즉, 제2전극과 접촉되는 면에는 일면과 반대되는 극성의 전하가 대전된다. 이때, 이와 접하는 제2전극에는 보상전하가 대전되며, 제2전극와 전기적으로 연결된 제1전극에 대전이 일어남으로써 전위가 발생하게 되어, 발전이 수행될 수 있다.
이때, 접촉물의 소재에 따라 대전되는 정도가 상이함에 따라, 촉각센서로부터 도출되는 전위를 측정함으로써 접촉물의 소재를 감지할 수 있다.
유전체부는 상술한 바와 같이 접촉물과의 접촉에 따라 마찰전기를 생성할 수 있는 것이라면 한정되지 않으나, 비교적 작은 접촉에도 대량의 마찰전기가 생성될 수 있도록 고유전율을 가지는 것이 유리할 수 있다.
구체적으로, 유전체부는 탄성고분자 및 제2강유전체를 포함할 수 있다. 이와 같은 유전체부는 반복적인 접촉에도 탄성에 의한 회복력으로 지속적인 마찰전기 생산이 가능하며, 고유전율을 가짐에 따라 미세한 자극에도 대전에 의한 분극이 원활히 일어나 마찰전기에 의한 센서 전원 공급이 용이하다.
탄성고분자는 상온에서 탄성력을 가지는 고분자라면 한정되지 않으며, 예를 들어 엘라스토머로서 폴리디메틸실록산(PDMS)와 같은 실록산계 중합체일 수 있다. 실록산계 중합체는 유연성이 높음과 동시에 우수한 탄성력을 가져 회복성이 높음에 따라 센서의 반복사용이 가능할 수 있다.
제2강유전체는 강유전성을 가지는 물질은 모두 적용이 가능하나 바람직하게는 강유전성을 가지는 고분자일 수 있다. 강유전성 고분자는 불소계 중합체 또는 불소계 공중합체일 수 있으며, 비한정적인 일 예로, p(VDF-TrFE)(Poly(vinylidene fluoride- trifluoroethylene)) 공중합체가 예시될 수 있다. p(VDF-TrFE)는 유전율이 매우 높아 작은 접촉에도 쉽게 분극될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 제2강유전체에 함유된 p(VDF-TrFE)는 VDF : TrFE의 몰비가 특별히 한정되지 않으나, 유리하게 VDF : TrFE의 몰비가 1 : 0.5 ~1.2, 구체적으로 1 : 0.6~1.0, 더욱 구체적으로, 1 : 0.7~0.9 일 수 있다. 이와 같은 제2강유전체는 비교적 플루오린(F) 이온이 다량 함유되어 전기 음성도가 높음에 따라 대전에 의한 마찰전기 생성에 있어서 더욱 유리할 수 있다.
유전체부는 도면에 도시된 바와 같이, 탄성고분자막 내에 섬유상의 네트워크 구조의 제2강유전체가 임베딩(인입)된 층상 구조일 수 있으나 이에 한정되지 않고, 제2강유전체 및 탄성고분자의 형상에 따라 자유로이 조절될 수 있다.
구체적으로, 탄성고분자는 도면에 도시된 바와 같이 “막”형상으로 구비될 수 있으나, 이와 달리, 단순 바인더로서 일정 형상을 형성하지 않고, 입자상 또는 섬유상으로 구비되는 제2강유전체를 고정시키도록 구비될 수 있다.
제2강유전체의 경우, 막 구조로 구비되거나, 구형, 로드형, 섬유형 또는 무정형의 입자상 또는 다양한 입자상들의 네트워크 구조일 수 있다. 바람직하게는 섬유상의 네트워크 구조로, 나노파이버가 랜덤하게 방사된 네트워크 형상일 수 있다. 이와 같은 제2강유전체는 유연성이 높아 접촉에 따른 마찰전기 변화량의 범위가 넓음에 따라, 더욱 다양한 소재의 측정이 가능하도록 할 수 있다.
제2강유전체가 섬유상의 네트워크 구조일 시, 기공율은 두껍게 만드는 정도와 후처리 공정으로 열처리, 압력 등의 정도에 따라 달라질 수 있지만 50% 내지 90%, 구체적으로 60% 내지 80%의 기공률로 구비될 수 있으며, 나노파이버는 10㎚ 내지 1000㎚, 구체적으로 200㎚ 내지 300㎚의 섬유 직경을 가질 수 있다. 이와 같은 범위에서 단위면적 당 높은 유전율을 가짐과 동시에 높은 유연성을 가질 수 있다.
이와 같은 탄성고분자 및 제2강유전체는 도면에 도시된 바와 달리, 탄성고분자 내에 입자상의 제2강유전체가 분산된 구조 이거나, 막 형상의 탄성고분자의 일면에 제2강유전체의 일부분이 인입되고, 나머지 부분이 노출된 구조일 수 있다. 유리하게, 제2강유전체가 섬유상의 네트워크 구조로 구비될 경우, 탄성고분자막 일면에 제2강유전체의 일면이 고정되되, 일면과 대향하는 면은 외부로 노출될 수 있다. 외부로 노출된 면은 외부 접촉물과 접촉되는 면으로, 접촉물과의 마찰력을 높여 동일 자극 대비 대량의 마찰전기 생성이 가능하도록 할 수 있다.
센싱부는 상호 이격 배치된 제1전극 및 제2전극 사이에 위치되는 것으로, 압력 및 온도에서 선택된 어느 하나 이상의 외부자극에 의해 유전성을 나타내는 물질이다. 센싱부의 두께는 제1전극 및 2전극의 사이거리를 나타낼 수 있다.
센싱부는 고분자 이온젤과 고분자 이온젤에 인입되어 위치하는 제1강유전체를 포함함에 따라 높은 유전율을 가질 뿐만 아니라, 외력에 의한 두께 변형율이 높다. 상세하게, 센싱부는 높은 유전율을 가지는 제1강유전체 및 고분자 이온젤을 동시에 포함하여 높은 전기용량을 가질 수 있다. 아울러, 제1강유전체가 고분자 이온젤에 임베딩(embedding)되어, 제1강유전체만을 포함하는 종래 센싱부에 비해, 외력에 의한 센싱부의 두께 변형률이 높다. 이와 같은 센싱부는 높은 유전율 및 두께 변화율을 가지며, 넓은 압력 및 온도 범위에서 고감도 센싱이 가능하다.
센싱부는 제1강유전체가 고분자 이온젤의 중심부에 위치할 수 있다. 즉, 제1강유전체 기준으로 제1,2전극이 상호 대칭하게 위치할 수 있으며, 제1강유전체와 제1전극사이의 거리(D1)와 제1강유전체와 제2전극 사이의 거리(D2)가 동일할 수 있다. 이와 같은 센싱부는 제1강유전체를 중심으로 제1강유전체의 상부 및 하부에 위치하는 고분자 이온젤의 두께조절을 통해 유전율을 보다 정밀하게 조절할 수 있다. 또한, 이와 같은 센싱부는 외력 비례하여 두께변화가 일정하게 증가할 수 있다. 즉, 센싱부는 외력에 의해 전기용량 변화가 선형적으로 증가하여, 보다 정밀한 센싱이 가능하도록 한다.
센싱부의 고분자 이온젤은 이온전도성 물질로, 제1 및 제2전극 사이에 충진될 수 있다. 고분자 이온젤은 외부환경에 의한 제1강유전체의 분극 시, 전하를 전극으로 이동시킬 수 있다. 고분자 이온젤은 이온전도성이 비교적 높은 종래 고분자 이온젤을 사용할 수 있으나 구체적으로, 결정성을 가지는 제1강유전체에 비해 결정도가 낮아 외력에 의한 변형율이 높은 고분자 이온젤을 사용하는 것이 바람직하다.
고분자 이온젤은 고분자 및 이온성 액체를 포함한다. 구체적으로, 상기 고분자로는 PVDF계 공중합체 또는 이온성 액체에 용해성을 가지는 블록을 포함하는 블록공중합체일 수 있다.
PVDF계 공중합체로는 VDF(vinylidene fluoride)와 불소계 단량체의 공중합체로서, 구체적으로 p(VDF-HFP)(Poly(vinylidene fluoride-co-hexafluoropropylene))가 예시될 수 있다. 또한 이온성 액체에 용해성을 가지는 블록을 포함하는 블록공중합체로는 폴리아크릴레이트계 블록을 포함하는 블록공중합체로서, 폴리스티렌-폴리메틸메타크릴레이트-폴리스티렌 트리블록 공중합체, 폴리스티렌-폴리메틸메타크릴레이트-폴리(t-부틸메타크릴레이트) 일 수 있으나 이에 제한받지 않는다.
이온성 액체로는 이미다졸륨계 이온성 액체일 수 있고, 구체적으로 [EMIM][TFSI](Ethyl- methylimidazolium bis(trifluoromethylsulfonyl)imide)일 수 있다. p(VDF-HFP)와 [EMIM][TFSI]의 혼합 시, [EMIM][TFSI]의 비율이 높을수록 주파수에 따른 전기저항 값이 낮아지며, 단위면적당 전기용량이 커질 수 있다. 다만, p(VDF-HFP) : [EMIM][TFSI]의 중량비가 1 : 0.1 내지 5 , 구체적으로 1 : 0.5 내지 4일 수 있다. 상기 범위에서 [EMIM][TFSI] 투입량 대비 낮은 전기저항 및 높은 전기용량 값을 가질 수 있다.
이와 같은 고분자 이온젤은 외력에 의한 형태 변형율이 높으며, 약 8nF/cm2 내지 12μF/cm2, 구체적으로 1μF/cm2 내지 10μF/cm2의 높은 전기용량을 나타낼 수 있다. 즉, 이와 같은 고분자 이온젤은 비교적 우수한 이온전도도 및 높은 전기용량을 가짐과 동시에 형태 변형율이 높다. 이에, 센싱부의 두께변화율을 높임과 동시에, 후술할 제1강유전체의 분극 시, 전극으로의 전하이동을 원활하게 하여 감도를 더욱 높일 수 있도록 한다.
본 발명의 일 양태에 있어서, 고분자 이온겔은 상술한 고분자 및 이온성 액체와 함께 용매를 더 포함할 수 있다. 용매를 더 포함하는 고분자 이온겔은 상술한 고분자 및 이온성 액체가 균일하게 혼합되며, 후술하는 제1강유전체가 효과적으로 인입되어 위치할 수 있다. 용매는 고분자와 이온성 액체를 모두 용해할 수 있는 양용매(good solvent)라면 제한없이 사용될 수 있다. 구체적으로, 상기 고분자 이온겔은 용매로서 유기용매를 더 포함함에 따라 고분자와 이온성 액체를 용해하여 균일한 용액 또는 분산액 형태의 졸(sol)로 제조될 수 있다.
제1강유전체는 유전율이 높은 유전체로, 종래, 강유전성을 가지는 물질은 모두 적용이 가능하나 바람직하게는 강유전성을 가지는 고분자일 수 있으며, 고분자 이온젤 내에 인입될 시 고분자 이온젤 내에 존재하는 용매에 의해 용해되거나 구조가 파괴되지 않도록 용해성을 가지지 않거나 매우 낮은 용해도를 가지는 고분자가 바람직할 수 있다. 강유전성 고분자는 불소계 중합체 또는 불소계 공중합체일 수 있으며, 비한정적인 일 예로, p(VDF-TrFE)(Poly(vinylidene fluoride- trifluoroethylene))가 예시될 수 있다. p(VDF-TrFE)는 유전율이 매우 높아 압력 및 온도의 변화에 의해 분극되며, 압력 및 온도의 듀얼센싱이 가능한 센서를 제공할 수 있도록 한다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 제1강유전체에 함유된 p(VDF-TrFE)는 VDF : TrFE의 몰비가 특별히 한정되지 않으나, 유리하게 VDF : TrFE의 몰비가 1 : 0.05 ~0.5 구체적으로 1 : 0.1~0.4, 더욱 구체적으로, 1 : 0.2~0.3 일 수 있다. 이와 같은 제1강유전체는 비교적 더욱 높은 유연성을 가지며, 변형율이 높아 센서의 감도 향상에 있어서 더욱 유리할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 제1강유전체는 섬유상의 다공막 구조로, 나노파이버가 랜덤하게 방사된 네트워크 형상으로 유연성을 가질 수 있다. 이와 같은 제1강유전체는 센싱부의 변형률을 높일 수 있으며, 고분자 이온젤과 접촉면적이 넓어, 더욱 높은 감도를 가지는 센서를 제공할 수 있도록 한다.
구체적으로, 섬유상의 다공막 구조인 제1강유전체는 시트 또는 필름 구조의 제1강유전체 대비 매우 우수한 유연성을 가질 수 있으며, 높은 광투과도를 나타냄에 따라 더욱 다양한 분야에서 활용할 수 있다. 상세하게, 섬유상의 다공막 구조인 제1강유전체를 포함하는 센싱부는 가시광선(400㎚ 내지 700㎚) 영역에서 80%이상의 광투과율을 나타낼 수 있다.
섬유상의 다공막 구조일 시, 기공율은 두껍게 만드는 정도와 후처리 공정으로 열처리, 압력 등의 정도에 따라 달라질 수 있지만 50% 내지 90%, 구체적으로 60% 내지 80%의 기공률로 구비될 수 있으며, 나노파이버는 10㎚ 내지 1000㎚, 구체적으로 200㎚ 내지 300㎚의 섬유 직경을 가질 수 있다. 이와 같은 범위에서 단위면적 당 높은 유전율을 가짐과 동시에 높은 유연성을 가질 수 있다.
전술한 바와 같이, 상기 고분자 이온젤을 포함하는 졸은 용매를 포함함에 따라 제1강유전체가 중심부에 안정적으로 인입될 수 있으며, 졸의 확산에 의해 고분자 이온겔이 제1강유전체 섬유상의 다공막 구조 내로 침투하여 효과적으로 복합화될 수 있다.
제1강유전체의 두께는 센싱부가 고유전율 및 외력에 의한 높은 두께 변형율을 유지할 수 있는 두께라면 한정되지 않으나, 센싱부의 전체 두께(Ttotal)를 기준으로 두께(Td)가 0.01Ttotal 내지 0.8Ttotal, 구체적으로, 0.05Ttotal 내지 0.5Ttotal, 더욱 구체적으로, 0.1Ttotal 내지 0.3Ttotal, 일 수 있다. 이때, 센싱부의 두께는 비한정적으로 100㎛ 내지 10㎜, 구체적으로 250㎛ 내지 500㎛ 일 수 있으며, 상기 범위에서 높은 유전율을 가지며, 두께 변형률이 높아 촉각센서(1)로 사용도가 높을 수 있다.
제1전극 및 제2전극은 제1강유전체를 기준으로 상호 대칭하며 나란하게 위치한다.
제1전극 및 제2전극은 각각, 굴곡진 임의의 형상에 밀착 구비될 수 있는 소재로 구비될 수 있다. 구체적으로, 유연고분자 및 전도성 나노와이어 네트워크를 포함할 수 있다.
유연고분자는 아크릴계 중합체, 실록산계 중합체, 비닐계 중합체, 우레탄계 중합체 및 올레핀계 중합체으로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나 또는 둘 이상을 포함할 수 있으나 이에 한정되진 않는다. 바람직하게는 유연고분자는 폴리디메틸실록산(PDMS)와 같은 실록산계 중합체일 수 있다. 실록산계 중합체는 유연성이 높음과 동시에 우수한 탄성력을 가져 회복성이 높음에 따라 센서의 반복사용이 가능하도록 한다.
전도성 나노와이어 네트워크의 전도성 나노와이어는 우수한 전도성과 연성(ductility)을 가지는 금속이면 무방하다. 일 예로, 전도성 나노와이어는 은(Ag), 금(Au), 백금(Pt), 구리(Cu), 알루미늄(Al) 또는 이들의 합금 일 수 있으며, 구체적으로, 1Ω/sq 내지 100 Ω/sq, 더욱 구체적으로 10Ω/sq 내지 50 Ω/sq 면저항을 가질 수 있으나 이에 한정되지 않는다. 전도성 나노와이어의 직경은 비 한정적으로 20㎚ 내지 500㎚, 구체적으로 30㎚ 내지 300㎚ 일 수 있으며, 종횡비는 150 내지 1500, 구체적으로, 100 내지 1000일 수 있다.
도면에 도시된 바와 같이, 제1전극 및 제2전극은 전도성 나노와이어 네트워크가 유연고분자에 분산된 구조, 즉, 전도성 나노와이어가 유연고분자에 의해 고정된 구조일 수 있으나 높은 유연성을 갖되 전도성을 가질 수 있는 구조라면 한정되지 않는다.
상기와 같은 전극의 두께는 10㎛ 내지 100㎛, 구체적으로 30㎛ 내지 80㎛, 더욱 구체적으로 40㎛ 내지 60㎛ 일 수 있다. 상기 범위에서 제1 및 제2전극으로서 사용 가능한 굽힘강성을 가지며, 유연성이 저하되지 않는다.
이와 같은 본 발명의 촉각센서는 상기 접촉물의 온도, 압력 및 소재에 따라 전위값이 변화할 수 있다. 즉, 접촉물의 온도, 압력 및 소재를 감지할 수 있다.
이하, 일 실시예에 따른 자가동력 촉각센서의 외부 자극 감지 방법을 모식화한 도 3 내지 도 4를 참조하여, 본 발명에 따른 자가동력 촉각센서의 접촉물의 온도, 압력 및 소재 감지 방법을 자세히 설명한다.
도 3은 외부 접촉물과 접촉 시 촉각센서의 시간에 따른 전기적 신호 결과를 모식화한 모식도이다. 상세하게, 도 3 (a)는 외부 접촉물의 소재에 따른 전하량(Q변화 측정 결과, 도 3 (b)는 외부 접촉물의 온도에 따른 전기용량(C) 측정 결과, 도 3 (C)는 외부 접촉물의 압력에 따른 전기용량(C)정 결과, 도 3(d)는 소재의 접촉, 온도 및 추가 압력을 순차적으로 인가하였을 때, 전위 측정 결과를 나타낸다.
도 4는 도 3의 전위 측정 결과를 통해 소재, 압력 및 온도와 같은 외부 자극의 종류 및 세기를 도출하는 하는 방법이 도시된 모식도이다. 상세하게, 도 4 (a)는 시간에 따른 전위 측정 결과에서 각 외부자극을 도출하는 논리가 간략히 도시되어 있으며, 도 4 (b)는 이를 토대로 외부 자극을 시각화한 결과가 도시되어 있다.
도 3 내지 4를 참조하면, 접촉물의 소재 감지는 소재에 따라 상이한 센서의 전하량 값을 통해 소재를 감지할 수 있다. 각 소재의 촉각센서 접촉 시 발생하는 마찰 전하량이 상이함에 따라, 이를 토대로 센서로부터 발생되는 전위 크기를 통해 소재의 종류를 감지할 수 있다. 예를 들어, 폴리에틸렌 테레프탈레이트(Polyethylene terephthalate, PET), 폴리이미드(polyimide, PI), 퍼플루오로알콕시 알칸(Perfluoroalkoxy alkanes, PFA) 순으로 전위(V) 크기가 작다.
2) 온도 및 압력은 전기용량 변화를 통해 감지할 수 있다. 온도가 증가하면 센싱부의 열적 해리 (thermal dissociation)에 의해 이온전도도가 커지고, 센싱부의 표면에서 만들어지는 전기 이중층이 증가하여 전기용량이 변화한다. 또한, 압력이 가해지면 이온 스퀴징(squeezing)에 의해 센싱부 표면에서 만들어지는 전기 이중층이 증가하여, 이 역시 전기용량이 변화한다.
즉, 온도 및 압력이 가해짐에 따라 전기용량이 변화하고, 이에, 센서로부터 측정되는 전위값이 변화함에 따라, 센서의 시간에 따른 전위 변화량을 감지하여 온도 및 압력을 센싱할 수 있다.
또한, 도면에 도시된 바와 같이 접촉물 접촉 후 추가적인 압력이 가해지더라도 압력에 따라 전기용량값이 변함에 따라, 접촉 후 변화된 전위 변화 값을 통해 추가된 압력 역시 측정할 수 있다.
이와 같은 방법으로 도출한 외부 접촉물의 소재, 압력 및 온도는 각 구간별로 미리 설정된 시각표시를 통해 사용자에게 전달될 수 있다. 도 4 (b)에 도시된 바와 같이, 온도 및 압력은 미리 설정된 색깔로 표기될 수 있으나 이와 달리, 글자 및 숫자 등으로 표기될 수 있음은 물론이다.
이처럼 본 발명에 따른 자가동력 촉각센서는 별도의 외부 전원이 공급되지 않더라도, 유전체부에서 생성되는 마찰전기를 토대로 외부 접촉물의 소재, 압력 및 온도의 멀티 센싱이 가능하다.
[실시예 1]
1) 센싱부
P(VDF-TrFE) (PVDF:TrFE=80:20, FC20, Piezotech, France)를 용매인 디메틸포름아미드 (DMF) : 아세톤 (Acetone = 3 : 2 에 용해하여 10 ~ 15 중량%의 고분자 용액을 제조한 후, 상기 고분자 용액을 10cm 거리에서 5~8kV로 1시간 전기방사 시켜 섬유상의 다공막 구조로 제1강유전체를 형성하였다. 다공막 구조의 나노섬유는 평균 250㎚의 직경으로 형성되었으며, 다공막 구조는 40㎛의 두께를 가졌다. 이후, P(VDF-HFP):[EMIM][TFSI]:Acetone=1:4:7 비율의 졸(sol)에 강유전체를 인입시켰다. 이때 졸은 아세톤(Acetone)이 증발되며 고체의 젤로 제작되어 고분자 이온젤을 형성하였다. 제작된 센싱부는 300㎛ 이었다.
2) 은나노와이어를 PDMS에 임베딩한 투명전극(두께50㎛)을 센싱부의 상면 및 하면에 각각 부착하였다
3) 유전체부
P(VDF-TrFE) (PVDF:TrFE=55:45, FC20, Piezotech, France)를 10cm 거리에서 5~8kV로 1시간 전기방사 시켜 섬유상의 네트워크 구조로 제2강유전체를 형성한 후 PDMS에 임베딩하여 50㎛ 두께의 유전체부를 형성한 후, 전극 상에 유전체부를 부착하였다.
도 5 내지 도 6은 실시예 1에서 제조한 촉각센서의 온도 및 압력에 따른 전위 값 측정 결과가 도시되어 있다. 구체적으로, 도 5는 실시예 1에서 제조한 촉각센서의 온도 및 압력에 따른 측정하기 위한 장비 셋업(set-up)사진을 나타낸 사진으로, 도 5를 참조하면, 압력기 및 펠티어 소자를 통해 촉각센서 폴리이미드(PI)필름을 접촉시키며 인가되는 각각 압력 및 온도를 조절하며 전위를 측정하였다.
도 6 A는 촉각센서를 0kPa, 2kPa, 5kPa 및 10kPa 으로 각각 가압하고, 25℃, 35℃ 및 45℃ 에서 시간에 따른 전기용량 변화를 측정한 결과 이고, 도 6 B는 촉각센서를 가압하지 않은 상태에서 승온하여 각각 25℃, 35℃ 및 45℃에서 시간에 따른 전위(V) 측정결과를 나타내는 그래프이다.
도 6을 참조하면, 실시예 1의 촉각센서는 온도 및 압력을 고감도로 센싱할 수 있음을 확인할 수 있었다.
도 7은 실시예 1의 촉각센서(1㎝X1㎝)를 6X6 어레이로 배열시킨 후 광투과도를 나타내는 사진이다. 도 7을 참조하면, 본 발명에 따른 촉각센서는 매우 높은 광투과도를 가짐을 확인할 수 있었다.
도 8은 인조 마네킹 손에 실시예 1의 촉각센서를 6X6 어레이로 배열시켜 양면테이프로 고정한 사진이다. 도 8을 참조하면, 촉각센서가 유연성을 가짐에 따라 마네킹 손에 밀착되어 접착됨을 확인할 수 있었다.
도 9는 도 8의 촉각센서 어레이에 있어서, (3,4)에 위치하는 촉각센서에 자극을 반복적으로 인가한 결과가 도시되어 있다. 도 9를 참조하면, 반복적으로 닿고 떨어지는 터치 자극에 의해서 마찰 발전 원리로 특정 위치의 촉각센서에 전위 변화가 일어남을 확인할 수 있었다.
이상과 같이 본 발명에서는 특정된 사항들과 한정된 실시예 및 도면에 의해 설명되었으나 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다.
따라서, 본 발명의 사상은 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 것들은 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.

Claims (17)

  1. 제1전극 및 제2전극;
    상기 제1전극 및 제2전극 사이에 위치하는 고분자 이온젤과 상기 고분자 이온젤에 인입되는 제1강유전체를 함유하는 센싱부; 및
    상기 제1전극 및 제2전극 중 어느 하나의 전극 상에 접하여 위치하며, 외부 접촉물과의 접촉에 의해 대전되는 유전체부;를 포함하는, 자가동력 촉각센서.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 유전체부는 탄성고분자 및 제2강유전체를 포함하는, 자가동력 촉각센서
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제2강유전체는 섬유상의 네트워크 구조를 가지는, 자가동력 촉각센서.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 제2강유전체는 p(VDF-TrFE)(Poly(vinylidene fluoride-trifluoroethylene))을 함유하는, 자가동력 촉각센서.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 제2강유전체에 함유된 p(VDF-TrFE)는 VDF : TrFE의 몰비가 1 : 0.5 ~1.2인, 자가동력 촉각센서.
  6. 제2항에 있어서,
    상기 탄성고분자는 실록산계 중합체를 포함하는, 자가동력 촉각센서.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 고분자 이온젤은 고분자 및 이온성 액체를 포함하며,
    상기 고분자는 PVDF계 공중합체 또는 상기 이온성 액체에 용해성을 가지는 블록을 포함하는 블록공중합체를 포함하고,
    상기 이온성 액체는 [EMIM][TFSI](Ethyl- methylimidazolium bis(trifluoromethylsulfonyl)imide)을 함유하는, 자가동력 촉각센서.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 이온성 액체에 용해성을 가지는 블록을 포함하는 블록공중합체는 폴리아크릴레이트계 블록을 포함하는 것인, 자가동력 촉각센서.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 고분자 이온젤은
    상기 고분자 : 상기 이온성 액체의 중량비가 1 : 0.1~5인, 자가동력 촉각센서,
  10. 제1항에 있어서,
    상기 제1강유전체는 p(VDF-TrFE)(Poly(vinylidene fluoride-trifluoroethylene))을 함유하는, 자가동력 촉각센서.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 제1강유전체에 함유된 p(VDF-TrFE)는 VDF : TrFE의 몰비가 1 : 0.05 ~0.5 인, 자가동력 촉각센서.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 제1강유전체는 섬유상의 다공막 구조를 가지는, 자가동력 촉각센서.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 제1강유전체의 두께(Td)는,
    상기 센싱부의 전체 두께(Ttotal)를 기준으로, 0.01Ttotal 내지 0.8Ttotal 인, 자가동력 촉각센서.
  14. 제1항에 있어서,
    상기 전극은 유연고분자 및 전도성 나노와이어 네트워크를 포함하는, 자가동력 촉각센서.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 유연고분자는 실록산계 중합체를 포함하는, 자가동력 촉각센서.
  16. 제1항에 있어서,
    상기 센싱부는 상기 제1강유전체가 상기 센싱부의 중심부에 위치하는, 자가동력 촉각센서.
  17. 제1항에 있어서,
    상기 촉각센서는 상기 접촉물의 온도, 압력 및 소재에 따라 전위값이 변화하는, 자가동력 촉각센서.
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