KR20230142923A - Piezoresistive type pressure measuring sensor and manufacturing method for the same - Google Patents
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Abstract
본 발명의 실시예에 따른 압저항 타입의 압력 측정 센서는, 3D 프린팅 방법에 의해 제조되는 다공성의 탄성 구조체, 및 상기 탄성 구조체의 전체 표면에 균일하게 코팅되고, 복수개의 전도성 섬유가 서로 엉킨 형태로 마련되어 상기 탄성 구조체가 외부 압력에 의해 탄성 변형됨에 따라 압저항이 변화되는 압저항 코팅층을 포함할 수 있다.A piezoresistive pressure measurement sensor according to an embodiment of the present invention includes a porous elastic structure manufactured by a 3D printing method, the entire surface of the elastic structure being uniformly coated, and a plurality of conductive fibers entangled with each other. It may include a piezoresistive coating layer whose piezoresistance changes as the elastic structure is elastically deformed by external pressure.
Description
본 발명은 압저항 타입의 압력 측정 센서 및 그것의 제조 방법에 관한 것으로서, 더 상세하게는 FDM 3D 프린팅 방법에 의해 자이로이드 구조의 탄성 구조체를 저렴하고 간편하게 제작할 수 있고, 탄성 구조체의 구조 변수를 변경하는 간단한 방법에 의해 압력 측정 센서의 측정 민감도 및 측정 범위를 적절하게 조절할 수 있는 압저항 타입의 압력 측정 센서 및 그것의 제조 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a piezoresistive type pressure measurement sensor and a manufacturing method thereof. More specifically, the present invention relates to a piezoresistive type pressure measurement sensor and a manufacturing method thereof. More specifically, a gyroid-structured elastic structure can be manufactured inexpensively and easily by the FDM 3D printing method, and the structural parameters of the elastic structure can be changed. It relates to a piezoresistive type pressure measurement sensor that can appropriately adjust the measurement sensitivity and measurement range of the pressure measurement sensor by a simple method and a method of manufacturing the same.
일반적으로, 압저항 타입의 압력 측정 센서는 전도성 폴리머의 압축에 의해 발생하는 전도성 네트워크의 변화에 따른 저항 변화를 측정하는 방식으로 압력을 측정한다.Generally, a piezoresistive type pressure sensor measures pressure by measuring a change in resistance due to a change in the conductive network caused by compression of a conductive polymer.
기존에 사용되는 압저항 타입의 압력 측정 센서는 SLS 기반으로 제작되고 있다. 일례로, 기존의 압력 측정 센서는, TPU 폴리머 파우더 표면에 SWCNT(단일벽 탄소나노튜브)을 코팅하고, 레이저를 이용한 선택적 분말 소결 공법을 이용하여 3차원 메타구조로 제작하고 있다.The existing piezoresistive type pressure measurement sensor is manufactured based on SLS. For example, existing pressure measurement sensors are manufactured into a three-dimensional metastructure by coating SWCNT (single-walled carbon nanotubes) on the surface of TPU polymer powder and using a selective powder sintering method using a laser.
이때, 기존의 SLS 공정 기반으로 제작된 압력 측정 센서는, 압력 측정 센서에 가해진 압력으로 인한 TPU 파우더 표면에서 SWCNT의 전도성 네트워크의 접촉 면적 변화에 따라 저항을 변화시킬 수 있다. 따라서, 압력 측정 센서의 저항 변화를 측정하여 압력 측정 센서에 가해진 압력을 정량적으로 측정하는 것이 가능하다.At this time, the pressure measurement sensor manufactured based on the existing SLS process can change the resistance according to the change in the contact area of the conductive network of SWCNT on the surface of the TPU powder due to the pressure applied to the pressure measurement sensor. Therefore, it is possible to quantitatively measure the pressure applied to the pressure measurement sensor by measuring the change in resistance of the pressure measurement sensor.
하지만, 기존의 SLS 제조 공정을 기반으로 제작되는 압저항 타입의 압력 측정 센서는, 고비용의 SLS 제조 공정으로 제작되기 때문에 제작 비용이 높고, 복잡하고 특수한 고액의 장비가 필요하며, 압력 측정 센서의 성능 향상에 한계가 있다.However, the piezoresistive type pressure measurement sensor manufactured based on the existing SLS manufacturing process is manufactured using the expensive SLS manufacturing process, so the manufacturing cost is high, complex and special expensive equipment is required, and the performance of the pressure measuring sensor is low. There are limits to improvement.
상기의 단점을 극복하기 위하여, 최근에는 압저항 타입의 압력 측정 센서를 3차원 메타구조 형태로 제작하는 비용을 줄이면서 구조적 안전성과 압력 측정 범위를 높여 압력 측정 센서의 성능을 향상시킬 수 있는 기술의 개발이 절실한 실정이다. 관련 선행기술문헌으로는 한국공개특허 제10-2021-0147510호 (발명의 명칭: 3차원 다공성 구조체, 이의 제조방법 및 이를 이용한 감압 센서, 공개일: 2021.12.07)가 있다.In order to overcome the above shortcomings, recently, technology has been developed to improve the performance of pressure measurement sensors by increasing structural safety and pressure measurement range while reducing the cost of manufacturing piezoresistive type pressure measurement sensors in the form of a three-dimensional metastructure. Development is urgently needed. Related prior art documents include Korea Patent Publication No. 10-2021-0147510 (title of the invention: 3-dimensional porous structure, manufacturing method thereof, and pressure-sensitive sensor using the same, publication date: 2021.12.07).
본 발명의 실시예는, FDM 3D 프린팅 방법을 이용하여 저비용으로 간편하게 제작할 수 있고, FDM 3D 프린팅 방법에 의해 제조되는 구조물의 구조 변수를 변경하여 측정 민감도 및 측정 범위를 적절하게 조절할 수 있는 압저항 타입의 압력 측정 센서 및 그것의 제조 방법을 제공한다.An embodiment of the present invention is a piezoresistive type that can be easily manufactured at low cost using the FDM 3D printing method, and can appropriately adjust the measurement sensitivity and measurement range by changing the structural variables of the structure manufactured by the FDM 3D printing method. Provides a pressure measurement sensor and a manufacturing method thereof.
또한, 본 발명의 실시예는, FDM 3D 프린팅 방법에 의해 제작된 탄성 구조체를 미리 설정된 비율로 팽창시킨 상태에서 압저항 코팅층을 코팅한 후 탄성 구조체를 다시 수축시킴으로써, 압저항 코팅층을 탄성 구조체의 전체 표면에 효율적으로 균일하게 코팅할 수 있고, 압저항 코팅층을 탄성 구조체의 표면에 안정적으로 형성시킬 수 있는 압저항 타입의 압력 측정 센서 및 그것의 제조 방법을 제공한다.In addition, in an embodiment of the present invention, the elastic structure produced by the FDM 3D printing method is expanded at a preset ratio and then the elastic structure is contracted again by coating the piezoresistive coating layer, thereby applying the piezoresistive coating layer to the entire elastic structure. A piezoresistive type pressure measurement sensor that can efficiently and uniformly coat the surface and stably form a piezoresistive coating layer on the surface of an elastic structure and a method of manufacturing the same are provided.
본 발명의 일실시예에 따르면, 3D 프린팅 방법에 의해 제조되는 다공성의 탄성 구조체, 및 상기 탄성 구조체의 전체 표면에 균일하게 코팅되고, 복수개의 전도성 섬유가 서로 엉킨 형태로 마련되어 상기 탄성 구조체가 외부 압력에 의해 탄성 변형됨에 따라 압저항이 변화되는 압저항 코팅층을 포함하는 압저항 타입의 압력 측정 센서를 제공한다.According to one embodiment of the present invention, a porous elastic structure manufactured by a 3D printing method, the entire surface of the elastic structure is uniformly coated, and a plurality of conductive fibers are provided in a tangled form so that the elastic structure resists external pressure. A piezoresistive type pressure measurement sensor including a piezoresistive coating layer whose piezoresistance changes as it is elastically deformed is provided.
바람직하게, 본 발명의 일실시예에 따른 압저항 타입의 압력 측정 센서는, 상기 압저항 코팅층에 전극을 연결하도록 상기 압저항 코팅층이 코팅된 상기 탄성 구조체의 외측면 양측에 전도성 금속소재를 각각 도포한 구조로 마련된 전극 연결부를 더 포함할 수 있다.Preferably, the piezoresistive type pressure measurement sensor according to an embodiment of the present invention applies a conductive metal material to both sides of the outer surface of the elastic structure coated with the piezoresistive coating layer to connect electrodes to the piezoresistive coating layer. It may further include an electrode connection part provided in one structure.
여기서, 상기 탄성 구조체는 특정 종류의 유기 용매에 담그면 부풀면서 팽창하는 특성을 갖는 고분자 물질로 마련될 수 있다. 상기 압저항 코팅층은 상기 유기 용매에 담가 미리 설정된 비율로 팽창시킨 상기 탄성 구조체의 표면 전체에 코팅될 수 있다.Here, the elastic structure may be made of a polymer material that has the property of swelling and expanding when immersed in a specific type of organic solvent. The piezoresistive coating layer may be coated on the entire surface of the elastic structure that is immersed in the organic solvent and expanded at a preset rate.
그리고, 상기 탄성 구조체는, 상기 유기 용매에 담가 미리 설정된 비율로 팽창되면 상기 유기 용매에서 꺼낸 후 상기 압저항 코팅층의 코팅 작업이 실시될 수 있고, 상기 압저항 코팅층의 코팅이 완료되면 상기 압저항 코팅층과 함께 수축 및 건조될 수 있다.In addition, when the elastic structure is immersed in the organic solvent and expanded at a preset ratio, the piezoresistive coating layer can be coated after being taken out of the organic solvent, and when coating of the piezoresistive coating layer is completed, the piezoresistive coating layer It can shrink and dry with.
또한, 상기 탄성 구조체는, FDM(fused deposition modeling) 3D 프린팅 방법에 의해 자이로이드(gyroid) 구조로 제작될 수 있고, 상기 탄성 구조체의 구조 변수를 변경함에 따라 압력 측정 센서의 측정 민감도 및 측정 범위를 조절하도록 마련될 수 있다.In addition, the elastic structure can be manufactured as a gyroid structure using a fused deposition modeling (FDM) 3D printing method, and by changing the structural parameters of the elastic structure, the measurement sensitivity and measurement range of the pressure measurement sensor can be increased. It can be arranged to adjust.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 3D 프린팅 방법에 의해 다공성의 탄성 구조체를 제조하는 단계, 상기 탄성 구조체를 특정 종류의 유기 용매에 담가 상기 탄성 구조체를 미리 설정된 비율로 부풀려 팽창시키는 단계, 상기 탄성 구조체가 미리 설정된 비율로 팽창되면 상기 탄성 구조체를 상기 유기 용매에서 꺼낸 후 코팅액에 담가 상기 탄성 구조체의 전체 표면에 압저항 코팅층을 코팅하는 단계, 및 상기 압저항 코팅층의 코팅이 완료되면 상기 탄성 구조체를 상기 코팅액에서 꺼낸 후 상기 탄성 구조체를 원하는 크기로 수축 및 건조시키는 단계를 포함하는 압력 측정 센서의 제조 방법을 제공한다.According to another aspect of the present invention, manufacturing a porous elastic structure by a 3D printing method, immersing the elastic structure in a specific type of organic solvent to expand the elastic structure at a preset ratio, the elastic structure When the elastic structure is expanded at a preset rate, the elastic structure is removed from the organic solvent and then immersed in a coating solution to coat the entire surface of the elastic structure with a piezoresistive coating layer. When coating of the piezoresistive coating layer is completed, the elastic structure is coated with the coating solution. Provides a method of manufacturing a pressure measurement sensor including the step of shrinking and drying the elastic structure to a desired size after taking it out.
바람직하게, 상기 탄성 구조체를 제조하는 단계에서는, 상기 탄성 구조체를 FDM(fused deposition modeling) 3D 프린팅 방법에 의해 자이로이드(gyroid) 구조로 제작하되, 상기 탄성 구조체의 구조 변수를 변경함으로써 압력 측정 센서의 측정 민감도 및 측정 범위를 조절할 수 있다.Preferably, in the step of manufacturing the elastic structure, the elastic structure is manufactured into a gyroid structure using a fused deposition modeling (FDM) 3D printing method, and the pressure measurement sensor is changed by changing the structural variables of the elastic structure. Measurement sensitivity and measurement range can be adjusted.
바람직하게, 상기 탄성 구조체를 제조하는 단계에서는, 포밍 TPU(foaming thermoplastic polyurethane) 필라멘트를 이용하여 상기 탄성 구조체를 3D 프린팅 방법으로 제작하되, 온도 조절을 통해 포밍 수준(foaming level)을 조절하여 상기 탄성 구조체의 영율(young's modulus)을 조절할 수 있다.Preferably, in the step of manufacturing the elastic structure, the elastic structure is manufactured using a 3D printing method using a foaming thermoplastic polyurethane (TPU) filament, and the foaming level is adjusted through temperature control to form the elastic structure. Young's modulus can be adjusted.
바람직하게, 상기 탄성 구조체를 팽창시키는 단계에서는, 상기 탄성 구조체의 담김 시간 및 상기 유기 용매의 온도와 농도를 조절하여 상기 탄성 구조체의 팽창 비율을 조절할 수 있다.Preferably, in the step of expanding the elastic structure, the expansion rate of the elastic structure can be adjusted by adjusting the immersion time of the elastic structure and the temperature and concentration of the organic solvent.
바람직하게, 상기 압저항 코팅층을 코팅하는 단계는, 상기 코팅액을 만드는 단계, 및 상기 탄성 구조체를 팽창시키는 단계에서 미리 설정된 비율로 팽창된 상기 탄성 구조체를 상기 코팅액에 담가 상기 탄성 구조체의 전체 표면에 압저항 코팅층을 형성하는 단계를 포함할 수 있다.Preferably, the step of coating the piezoresistive coating layer includes immersing the elastic structure expanded at a preset ratio in the coating solution and pressing it on the entire surface of the elastic structure in the step of making the coating solution and the step of expanding the elastic structure. It may include forming a resistance coating layer.
여기서, 상기 코팅액을 만드는 단계에서는, 복수개의 전도성 섬유를 탈이온수(DI, deionized water)에 균일하게 분산시켜 상기 코팅액을 제조할 수 있다. 그리고, 상기 압저항 코팅층을 형성하는 단계에서는, 상기 전도성 섬유들이 상기 탄성 구조체의 전체 표면에 침투하여 서로 엉킨 형태로 마련될 수 있다.Here, in the step of preparing the coating solution, the coating solution can be prepared by uniformly dispersing a plurality of conductive fibers in deionized water (DI). In the step of forming the piezoresistive coating layer, the conductive fibers may penetrate the entire surface of the elastic structure and be entangled with each other.
또한, 상기 코팅액을 만드는 단계에서는, 상기 전도성 섬유들의 분산 효과를 높이기 위하여 상기 탈이온수에 계면활성제를 넣거나 상기 탈이온수에 초음파 진동을 제공할 수 있다.Additionally, in the step of preparing the coating solution, a surfactant may be added to the deionized water or ultrasonic vibration may be provided to the deionized water to increase the dispersion effect of the conductive fibers.
바람직하게, 상기 탄성 구조체를 수축 및 건조시키는 단계는, 상기 탄성 구조체를 상기 코팅액에 담긴 상태로 1차 수축시키는 단계, 및 상기 코팅액에서 꺼낸 상기 탄성 구조체를 건조시키면서 2차 수축시키는 단계를 포함할 수 있다.Preferably, the step of shrinking and drying the elastic structure may include primary shrinking the elastic structure while immersed in the coating liquid, and secondary shrinking the elastic structure while drying the elastic structure taken out of the coating liquid. there is.
여기서, 상기 탄성 구조체를 건조시키면서 2차 수축시키는 단계에서는, 상기 탄성 구조체를 대류오븐에 의해 가열 건조시킬 수 있다.Here, in the step of secondary shrinkage while drying the elastic structure, the elastic structure may be heated and dried in a convection oven.
한편, 본 발명의 일실시예에 따른 압력 측정 센서의 제조 방법은, 상기 탄성 구조체를 수축 및 건조시키는 단계에서 건조 및 수축된 상기 탄성 구조체의 양측에 금속 페이스트를 각각 도포하여 상기 압저항 코팅층에 전극을 연결하기 위한 전극 연결부를 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다.Meanwhile, in the method of manufacturing a pressure measurement sensor according to an embodiment of the present invention, in the step of shrinking and drying the elastic structure, metal paste is applied to both sides of the dried and contracted elastic structure to apply electrodes to the piezoresistive coating layer. It may further include forming an electrode connection part for connecting.
본 발명의 실시예에 따른 압저항 타입의 압력 측정 센서 및 그것의 제조 방법은, FDM 3D 프린팅 방법을 이용하여 자이로이드 구조의 탄성 구조체를 저비용으로 간편하게 제작할 수 있고, 특히 탄성 구조체의 제조에 사용되는 포밍 TPU 필라멘트의 출력 온도에 따라 포밍 수준을 조절하여 탄성 구조체의 영률을 조절할 수 있다.The piezoresistive type pressure measurement sensor and its manufacturing method according to an embodiment of the present invention can easily manufacture a gyroid-structured elastic structure at low cost using the FDM 3D printing method, and in particular, it can be used for manufacturing the elastic structure. The Young's modulus of the elastic structure can be adjusted by adjusting the level of foaming according to the output temperature of the forming TPU filament.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 압저항 타입의 압력 측정 센서 및 그것의 제조 방법은, FDM 3D 프린팅 방법에 의해 제조되는 탄성 구조체의 구조 변수를 변경함으로써 압력 측정 센서의 측정 민감도 및 측정 범위를 적절하게 조절할 수 있고, 탄성 구조체의 밀도, 두께, 다공도, 형상 등과 같은 구조 변수를 적절하게 설계하는 방법을 통해 압력 측정 센서의 측정 민감도 및 측정 범위를 원하는 수준으로 조절할 수 있다. 그에 따라서, 본 실시예에서는 압력 측정 센서의 성능을 다양하게 조절하여 다양한 설치 조건과 환경에 적합한 압력 측정 센서를 원활하게 제조할 수 있다.In addition, the piezoresistive type pressure measurement sensor and its manufacturing method according to an embodiment of the present invention appropriately improve the measurement sensitivity and measurement range of the pressure measurement sensor by changing the structural variables of the elastic structure manufactured by the FDM 3D printing method. The measurement sensitivity and measurement range of the pressure measurement sensor can be adjusted to the desired level by appropriately designing structural variables such as density, thickness, porosity, and shape of the elastic structure. Accordingly, in this embodiment, the performance of the pressure measurement sensor can be adjusted in various ways to smoothly manufacture a pressure measurement sensor suitable for various installation conditions and environments.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 압저항 타입의 압력 측정 센서 및 그것의 제조 방법은, 탄성 구조체를 유기 용매에 담가 미리 설정된 비율로 팽창시킨 후 팽창된 탄성 구조체에 압저항 코팅층을 코팅하고 탄성 구조체를 건조 및 수축시키는 방식으로 제조하므로, 압저항 코팅층을 탄성 구조체의 전체 표면에 고르게 코팅시킬 수 있고, 압저항 코팅층을 탄성 구조체의 표면에 균일하고 안정적으로 형성시켜 압저항 코팅층의 구조적 안정성을 확보할 수 있다.In addition, the piezoresistive pressure measurement sensor and its manufacturing method according to an embodiment of the present invention include immersing an elastic structure in an organic solvent and expanding it at a preset ratio, coating the expanded elastic structure with a piezoresistive coating layer, and forming the elastic structure. Since it is manufactured by drying and shrinking, the piezoresistive coating layer can be evenly coated on the entire surface of the elastic structure, and the structural stability of the piezoresistive coating layer can be secured by forming the piezoresistive coating layer uniformly and stably on the surface of the elastic structure. You can.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 압저항 타입의 압력 측정 센서 및 그것의 제조 방법은, 탄성 구조체를 미리 설정된 비율로 팽창시킨 상태에서 전도성 섬유들이 분산된 코팅액에 담가 압저항 코팅층을 탄성 구조체의 전체 표면에 원활하게 코팅시킬 수 있고, 특히 코팅액의 온도와 농도, 탄성 구조체와 코팅액의 반응 시간 등을 제어하여 압저항 코팅층의 형상을 적절하게 조절할 수 있다. In addition, the piezoresistive type pressure measurement sensor and its manufacturing method according to an embodiment of the present invention include immersing the elastic structure in a coating solution in which conductive fibers are dispersed in a state in which the elastic structure is expanded at a preset ratio, and applying the piezoresistive coating layer to the entire elastic structure. The surface can be coated smoothly, and in particular, the shape of the piezoresistive coating layer can be appropriately adjusted by controlling the temperature and concentration of the coating solution and the reaction time between the elastic structure and the coating solution.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 압저항 타입의 압력 측정 센서가 개략적으로 도시된 도면이다.
도 2는 도 1에 도시된 압저항 타입의 압력 측정 센서를 제조하는 방법을 도시한 도면이다.
도 3은 도 2에 도시된 제조 단계에 따라 제조되는 압력 측정 센서의 단면을 차례로 나타낸 도면이다.
도 4와 도 5는 도 1에 도시된 압력 측정 센서의 성능을 측정한 결과를 나타낸 그래프이다.Figure 1 is a diagram schematically showing a piezoresistive type pressure measurement sensor according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a diagram illustrating a method of manufacturing the piezoresistive type pressure measurement sensor shown in FIG. 1.
FIG. 3 is a diagram sequentially showing cross-sections of a pressure measurement sensor manufactured according to the manufacturing steps shown in FIG. 2.
Figures 4 and 5 are graphs showing the results of measuring the performance of the pressure measurement sensor shown in Figure 1.
이하에서, 본 발명에 따른 실시예들을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. 그러나, 본 발명이 실시예들에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 각 도면에 제시된 동일한 참조 부호는 동일한 부재를 나타낸다. Hereinafter, embodiments according to the present invention will be described in detail with reference to the attached drawings. However, the present invention is not limited or limited by the examples. The same reference numerals in each drawing indicate the same members.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 압저항 타입의 압력 측정 센서(100)가 개략적으로 도시된 도면이고, 도 2는 도 1에 도시된 압저항 타입의 압력 측정 센서(100)를 제조하는 방법을 도시한 도면이며, 도 3은 도 2에 도시된 제조 단계에 따라 제조되는 압력 측정 센서(100)의 단면을 차례로 나타낸 도면이다. 도 4와 도 5는 도 1에 도시된 압력 측정 센서(100)의 성능을 측정한 결과를 나타낸 그래프이다.FIG. 1 is a diagram schematically showing a piezoresistive type pressure measurement sensor 100 according to an embodiment of the present invention, and FIG. 2 is a diagram showing a method for manufacturing the piezoresistive type pressure measurement sensor 100 shown in FIG. 1. This is a diagram illustrating a method, and FIG. 3 is a diagram sequentially showing cross-sections of the pressure measurement sensor 100 manufactured according to the manufacturing steps shown in FIG. 2. Figures 4 and 5 are graphs showing the results of measuring the performance of the pressure measurement sensor 100 shown in Figure 1.
도 1를 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 압저항 타입의 압력 측정 센서(100)는, 탄성 구조체(110), 압저항 코팅층(120), 및 전극 연결부(130)를 포함할 수 있다.Referring to FIG. 1, the piezoresistive type pressure measurement sensor 100 according to an embodiment of the present invention may include an elastic structure 110, a piezoresistive coating layer 120, and an electrode connection portion 130. .
본 실시예의 압력 측정 센서(100)는 압저항(piezoresistive) 방식으로 압력을 측정하는 센서로서, 탄성 구조체(110)가 외부에서 작용되는 압력의 크기에 따라 형상 변형될 수 있고, 압저항 코팅층(120)이 탄성 구조체(110)의 형상 변형량에 따라 저항이 변경될 수 있다. 따라서, 압력 측정 센서(100)는 전극 연결부(130)에 전기를 연결하여 압저항 코팅층(120)의 저항 변화에 따라 탄성 구조체(110)에 작용되는 압력의 크기를 도출할 수 있다.The pressure measurement sensor 100 of this embodiment is a sensor that measures pressure in a piezoresistive manner, and the elastic structure 110 can change shape depending on the amount of pressure applied from the outside, and the piezoresistive coating layer 120 ) Resistance may change depending on the amount of shape deformation of the elastic structure 110. Accordingly, the pressure measurement sensor 100 can connect electricity to the electrode connection portion 130 to derive the magnitude of the pressure applied to the elastic structure 110 according to the change in resistance of the piezoresistive coating layer 120.
상기와 같은 압력 측정 센서(100)는 FDM(fused deposition modeling) 3D 프린팅 방법에 의해 3차원 메타 구조로 제작될 수 있다. 즉, 압력 측정 센서(100)의 탄성 구조체(110)는 탄성적으로 변형되는 3차원 메타 구조물로 제작되어 외부 압력에 의해 탄성적으로 형상 변형될 수 있다.The pressure measurement sensor 100 as described above can be manufactured as a three-dimensional meta structure using a fused deposition modeling (FDM) 3D printing method. That is, the elastic structure 110 of the pressure measurement sensor 100 is manufactured as an elastically deformable three-dimensional meta-structure and can be elastically deformed in shape by external pressure.
도 1과 도 2에 도시된 바와 같이, 본 실시예의 탄성 구조체(110)는, FDM 3D 프린팅 방법에 의해 다공성 재질의 3차원 구조로 제조될 수 있다. 상기와 같은 탄성 구조체(110)는 외부에서 작용되는 압력에 따라 탄성적으로 형상이 변형될 수 있다. 이하, 본 실시예에서는 탄성 구조체(110)가 3차원 메타 구조의 자이로이드(gyroid) 형태로 제조되는 것으로 설명한다.As shown in Figures 1 and 2, the elastic structure 110 of this embodiment can be manufactured as a three-dimensional structure of a porous material by the FDM 3D printing method. The elastic structure 110 as described above may elastically deform in shape depending on pressure applied from the outside. Hereinafter, in this embodiment, it will be described that the elastic structure 110 is manufactured in the form of a gyroid with a three-dimensional meta structure.
여기서, 탄성 구조체(110)는 특정 종류의 유기 용매(10)에 담그면 부풀면서 팽창하는 특성을 갖는 고분자 물질로 마련될 수 있다. 즉, 탄성 구조체(110)가 유기 용매(10)에 담겨져서 미리 설정된 비율로 팽창되면, 탄성 구조체(110)를 유기 용매(10)에서 꺼낸 후 압저항 코팅층(120)의 코팅 작업을 실시할 수 있다. 반면에, 압저항 코팅층(120)의 코팅이 완료되면, 탄성 구조체(110)가 압저항 코팅층(120)과 함께 수축 및 건조될 수 있다.Here, the elastic structure 110 may be made of a polymer material that has the property of swelling and expanding when immersed in a specific type of organic solvent 10. That is, when the elastic structure 110 is immersed in the organic solvent 10 and expanded at a preset rate, the elastic structure 110 can be taken out of the organic solvent 10 and then the coating operation of the piezoresistive coating layer 120 can be performed. there is. On the other hand, when coating of the piezoresistive coating layer 120 is completed, the elastic structure 110 may shrink and dry together with the piezoresistive coating layer 120.
또한, 탄성 구조체(110)는 TPU(thermoplastic polyurethane) 또는 PDMS(polydimethylsiloxane) 중 어느 한 소재의 필라멘트를 이용하여 FDM 3D 프린팅 방법으로 제조할 수 있다. 일례로, 본 실시예에서는 탄성 구조체(110)가 포밍 TPU(foaming thermoplastic polyurethane)의 필라멘트로 3D 프린팅 방법에 의해 제작될 수 있다. 이때, 탄성 구조체(110)의 3D 프린팅 제조 과정에서 필라멘트의 출력 온도에 따라 포밍 수준(foaming level)을 조절함으로써 탄성 구조체(110)의 영율(young's modulus)을 다양하게 설정할 수 있다.Additionally, the elastic structure 110 can be manufactured using a FDM 3D printing method using a filament made of either thermoplastic polyurethane (TPU) or polydimethylsiloxane (PDMS). For example, in this embodiment, the elastic structure 110 may be manufactured using a filament of foaming thermoplastic polyurethane (TPU) using a 3D printing method. At this time, during the 3D printing manufacturing process of the elastic structure 110, the Young's modulus of the elastic structure 110 can be set in various ways by adjusting the foaming level according to the output temperature of the filament.
도 1 내지 도 3에 도시된 바와 같이, 본 실시예의 압저항 코팅층(120)은, 탄성 구조체(110)의 전체 표면에 균일하게 코팅될 수 있다. 상기와 같은 압저항 코팅층(120)은 복수개의 전도성 섬유(30)가 서로 엉킨 형태로 마련될 수 있다. 따라서, 탄성 구조체(110)가 압저항 코팅층(120)과 함께 외부 압력에 의해 탄성 변형되면, 압저항 코팅층(120)을 구성하는 전도성 섬유(30)들이 뭉치거나 벌려지면서 전도성 섬유(30)들 간의 접촉량이 변화될 수 있고, 압저항 코팅층(120)의 압전 저항도 전도성 섬유(30)들 간의 접촉량 변화에 따라 변화될 수 있다.As shown in FIGS. 1 to 3, the piezoresistive coating layer 120 of this embodiment may be uniformly coated on the entire surface of the elastic structure 110. The piezoresistive coating layer 120 as described above may be provided in a form in which a plurality of conductive fibers 30 are tangled together. Therefore, when the elastic structure 110 is elastically deformed by external pressure together with the piezoresistive coating layer 120, the conductive fibers 30 constituting the piezoresistive coating layer 120 are bundled or spread out, creating a gap between the conductive fibers 30. The amount of contact may change, and the piezoresistance of the piezoresistive coating layer 120 may also change depending on the change in the amount of contact between the conductive fibers 30.
여기서, 압저항 코팅층(120)은 유기 용매(10)에 담가 팽창시킨 탄성 구조체(110)의 표면 전체에 균일하게 코팅될 수 있다. 압저항 코팅층(120)이 탄성 구조체(110)를 팽창시킨 상태에서 탄성 구조체(110)의 표면에 코팅되므로, 탄성 구조체(110)의 전체 표면에 용이하게 코팅될 수 있고, 전도성 섬유(30)들이 탄성 구조체(110)의 표면에 안정적으로 침투될 수 있다. 상기와 같은 압저항 코팅층(120)은 탄성 구조체(110)의 형상이 탄성 변형될 때 탄성 구조체(110)와 함께 변형될 수 있다.Here, the piezoresistive coating layer 120 may be uniformly coated on the entire surface of the elastic structure 110 that is expanded by immersing in the organic solvent 10. Since the piezoresistive coating layer 120 is coated on the surface of the elastic structure 110 in an expanded state, it can be easily coated on the entire surface of the elastic structure 110, and the conductive fibers 30 It can stably penetrate the surface of the elastic structure 110. The piezoresistive coating layer 120 as described above may be deformed together with the elastic structure 110 when the shape of the elastic structure 110 is elastically deformed.
그리고, 압저항 코팅층(120)의 전도성 섬유(30)는 MWCNT(multi-walled carbon nano tube, 다중벽 탄소나노튜브), 세라믹 섬유 또는 은나노 와이어 중 어느 하나로 형성될 수 있다. 일례로, 본 실시예에서는 압저항 코팅층(120)의 전도성 섬유(30)로 MWCNT(30)가 사용되는 것으로 설명한다.And, the conductive fiber 30 of the piezoresistive coating layer 120 may be formed of any one of MWCNT (multi-walled carbon nano tube), ceramic fiber, or silver nano wire. As an example, in this embodiment, it is explained that MWCNT (30) is used as the conductive fiber (30) of the piezoresistive coating layer (120).
도 1에 도시된 바와 같이, 본 실시예의 전극 연결부(130)는, 압저항 코팅층(120)에 전극을 연결하기 위해서 압저항 코팅층(120)이 코팅된 탄성 구조체(110)의 외측면 양측에 형성될 수 있다. 전극 연결부(130)는 압저항 코팅층(120)이 코팅된 탄성 구조체(110)의 표면에 전도성 금속소재를 도포한 구조로 마련될 수 있다. 일례로, 본 실시예에서는 전극 연결부(130)가 실버 페이스트(silver paste)로 제공되는 것으로 설명한다.As shown in FIG. 1, the electrode connection portion 130 of this embodiment is formed on both sides of the outer surface of the elastic structure 110 coated with the piezoresistive coating layer 120 in order to connect the electrode to the piezoresistive coating layer 120. It can be. The electrode connection portion 130 may be provided in a structure in which a conductive metal material is applied to the surface of the elastic structure 110 coated with the piezoresistive coating layer 120. As an example, in this embodiment, the electrode connection portion 130 is described as being provided with silver paste.
상기와 같이 구성된 본 발명의 일실시예에 따른 압력 측정 센서(100)의 제조 방법을 살펴보면 다음과 같다. The manufacturing method of the pressure measurement sensor 100 according to an embodiment of the present invention configured as described above is as follows.
도 2 내지 도 3를 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 압력 측정 센서(100)의 제조 방법은, 3D 프린팅 방법에 의해 다공성의 탄성 구조체(110)를 제조하는 단계(도 2의 (a) 및 도 3의 (a) 참조), 탄성 구조체(110)를 특정 종류의 유기 용매(10)에 담가 미리 설정된 비율로 부풀려 팽창시키는 단계(도 2의 (b) 및 도 3의 (b) 참조), 탄성 구조체(110)가 미리 설정된 비율로 팽창되면 탄성 구조체(110)를 유기 용매(10)에서 꺼낸 후 코팅액(20)에 담가 탄성 구조체(110)의 전체 표면에 압저항 코팅층(120)을 코팅하는 단계(도 2의 (c) 및 도 3의 (c) 참조), 압저항 코팅층(120)의 코팅이 완료되면 탄성 구조체(110)를 코팅액(20)에서 꺼낸 후 탄성 구조체(110)를 원하는 크기로 수축 및 건조시키는 단계(도 2의 (d) 및 도 3의 (d) 참조), 및 탄성 구조체(110)의 양측에 금속 페이스트를 각각 도포하여 압저항 코팅층(120)에 전극을 연결하기 위한 전극 연결부(130)를 형성하는 단계(미도시)를 포함할 수 있다.Referring to FIGS. 2 and 3, the method of manufacturing the pressure measurement sensor 100 according to an embodiment of the present invention includes manufacturing a porous elastic structure 110 by a 3D printing method ((a in FIG. 2) ) and (a) in Figure 3), a step of immersing the elastic structure 110 in a specific type of organic solvent 10 and inflating it at a preset ratio (see (b) in Figure 2 and (b) in Figure 3). ), when the elastic structure 110 is expanded at a preset rate, the elastic structure 110 is taken out of the organic solvent 10 and then immersed in the coating solution 20 to apply a piezoresistive coating layer 120 on the entire surface of the elastic structure 110. In the coating step (see (c) of Figure 2 and (c) of Figure 3), when the coating of the piezoresistive coating layer 120 is completed, the elastic structure 110 is taken out from the coating solution 20 and the elastic structure 110 is Shrinking and drying to a desired size (see Figure 2 (d) and Figure 3 (d)), and applying metal paste to both sides of the elastic structure 110 to connect the electrode to the piezoresistive coating layer 120. A step (not shown) of forming an electrode connection portion 130 may be included.
탄성 구조체(110)를 제조하는 단계(도 2의 (a) 및 도 3의 (a) 참조)에서는, FDM 3D 프린팅 방법에 의해 탄성 구조체(110)를 자이로이드(gyroid) 구조로 저렴한 비용으로 간단하게 제작한다. 이때, 본 실시예에서는 탄성 구조체(110)의 구조 변수를 설계 과정에서 다양하게 변경함으로써 FDM 3D 프린팅 방법에 의해 제조되는 압력 측정 센서(100)의 측정 민감도 및 측정 범위를 다양하게 조절할 수 있다. In the step of manufacturing the elastic structure 110 (see Figure 2(a) and Figure 3(a)), the elastic structure 110 can be easily and inexpensively made into a gyroid structure by the FDM 3D printing method. Produce it properly. At this time, in this embodiment, the measurement sensitivity and measurement range of the pressure measurement sensor 100 manufactured by the FDM 3D printing method can be adjusted in various ways by variously changing the structural variables of the elastic structure 110 during the design process.
여기서, 탄성 구조체(110)의 구조 변수로는 탄성 구조체(110)의 두께, 다공도, 밀도, 형상 등이 있으며, 탄성 구조체(110)의 구조 변수에 대한 튜닝을 통해 탄성 구조체(110)의 기계적 특성을 조율 가능하다.Here, the structural variables of the elastic structure 110 include the thickness, porosity, density, and shape of the elastic structure 110, and the mechanical properties of the elastic structure 110 are adjusted by tuning the structural variables of the elastic structure 110. can be adjusted.
그리고, 탄성 구조체(110)를 제조하는 단계에서는, 포밍 TPU 필라멘트를 이용하여 탄성 구조체(110)를 3D 프린팅 방법으로 제작하므로, 포밍 TPU 필라멘트의 출력 온도를 조절하여 포밍 수준(foaming level)을 조절하여 탄성 구조체(110)의 영율(young's modulus)을 조절하는 것이 가능하다.In the step of manufacturing the elastic structure 110, the elastic structure 110 is manufactured using a 3D printing method using a foaming TPU filament, so the foaming level is adjusted by adjusting the output temperature of the foaming TPU filament. It is possible to adjust the Young's modulus of the elastic structure 110.
탄성 구조체(110)를 팽창시키는 단계(도 2의 (b) 및 도 3의 (b) 참조)에서는, 탄성 구조체(110)의 담김 시간 및 유기 용매(10)의 온도와 농도를 조절하여 탄성 구조체(110)의 팽창 비율을 적절하게 조절한다. 이때, 탄성 구조체(110)의 제조에 사용되는 포밍 TPU는 유기 용매(10)의 종류에 따라 녹거나 부푸는 특징을 구비하고 있다.In the step of expanding the elastic structure 110 (see Figures 2(b) and 3(b)), the immersion time of the elastic structure 110 and the temperature and concentration of the organic solvent 10 are adjusted to form the elastic structure. Adjust the expansion ratio of (110) appropriately. At this time, the foaming TPU used to manufacture the elastic structure 110 has the characteristic of melting or swelling depending on the type of organic solvent 10.
여기서, 유기 용매(10)로는 에틸 아세테이트(ethyl acetate) 용액이 사용될 수 있다. 따라서, 탄성 구조체(110)가 에틸 아세테이트의 유기 용매(10)에 4시간 담겨진 후 미리 설정된 최초 부피의 170%까지 부풀게 한다. 이때, 탄성 구조체(110)가 포밍 TPU로 제조된 경우, 미리 설정된 170%보다 부풀림이 매우 커지면 3D 프린팅 제조된 탄성 구조체(110)의 레이어 간의 결합이 끊어져 기계적 특성과 전기적 특성이 매우 불량해지고, 미리 설정된 170%보다 부풀림이 매우 적어지면 MWCNT(30)가 탄성 구조체(110)의 표면에 원활하게 침투하지 못해 전기적 특성이 나타나지 않는다.Here, ethyl acetate solution may be used as the organic solvent 10. Therefore, the elastic structure 110 is immersed in the organic solvent 10 of ethyl acetate for 4 hours and then swelled to 170% of the preset initial volume. At this time, when the elastic structure 110 is made of foaming TPU, if the swelling becomes much larger than the preset 170%, the bond between the layers of the 3D printed elastic structure 110 is broken, resulting in very poor mechanical and electrical properties, and If the swelling is much less than the set 170%, the MWCNT (30) cannot smoothly penetrate the surface of the elastic structure (110) and thus no electrical properties appear.
압저항 코팅층(120)을 코팅하는 단계(도 2의 (c) 및 도 3의 (c) 참조)에서는, 미리 설정된 비율로 팽창된 탄성 구조체(110)를 유기 용매(10)에서 꺼낸 후 코팅액(20)에 담겨진다. 이때, 코팅액(20)에 존재하는 MWCNT(30)가 탄성 구조체(110)의 전체 표면에 침투되면서 탄성 구조체(110)의 표면에 압저항 코팅층(120)이 형성된다. 한편, 탄성 구조체(110)는 유기 용매(10)에서 인출된 후 코팅액(20)에 투입된 상태이므로, 탄성 구조체(110)가 더 이상 부풀지 않고 오히려 수축된다.In the step of coating the piezoresistive coating layer 120 (see Figures 2(c) and 3(c)), the elastic structure 110 expanded at a preset ratio is taken out of the organic solvent 10 and then applied with a coating solution ( 20). At this time, the MWCNTs (30) present in the coating solution (20) penetrate the entire surface of the elastic structure (110), forming a piezoresistive coating layer (120) on the surface of the elastic structure (110). Meanwhile, since the elastic structure 110 is taken out of the organic solvent 10 and then added to the coating solution 20, the elastic structure 110 no longer swells but rather contracts.
예를 들면, 압저항 코팅층(120)을 코팅하는 단계는, 코팅액(20)을 만드는 단계, 및 탄성 구조체(110)를 팽창시키는 단계에서 미리 설정된 비율로 팽창된 탄성 구조체(110)를 코팅액(20)에 담가 탄성 구조체(110)의 전체 표면에 압저항 코팅층(120)을 형성하는 단계를 포함할 수 있다.For example, in the step of coating the piezoresistive coating layer 120, the step of making the coating solution 20, and the step of expanding the elastic structure 110, the expanded elastic structure 110 at a preset ratio is applied to the coating solution 20. ) and forming a piezoresistive coating layer 120 on the entire surface of the elastic structure 110.
여기서, 코팅액(20)을 만드는 단계에서는, 복수개의 전도성 섬유(30)(예컨대, MWCNT)를 탈이온수(DI, deionized water)에 균일하게 분산시켜 코팅액(20)을 제조할 수 있다. 이때, 코팅액(20)을 만드는 단계에서는, 탈이온수에 대한 MWCNT(30)들의 분산 효과를 높이기 위하여 탈이온수에 계면활성제(surfactant)(S)를 넣을 수 있고, 뿐만 아니라 MWCNT(30)들의 분산 효과를 물리적으로 높이기 위하여 탈이온수에 초음파 진동을 제공할 수 있다.Here, in the step of preparing the coating solution 20, the coating solution 20 can be prepared by uniformly dispersing a plurality of conductive fibers 30 (eg, MWCNT) in deionized water (DI). At this time, in the step of making the coating solution 20, a surfactant (S) can be added to the deionized water to increase the dispersion effect of the MWCNTs 30 in the deionized water, and also the dispersion effect of the MWCNTs 30 In order to physically increase, ultrasonic vibration can be provided to deionized water.
그리고, 압저항 코팅층(120)을 형성하는 단계에서는, 탄성 구조체(110)를 코팅액(20)에 담겨진 상태로 설정 시간 동안 유지하여 탄성 구조체(110)의 표면에 MWCNT(30)들을 침투시킨다. 따라서, 탄성 구조체(110)의 표면 전체에는 MWCNT(30)들이 서로 엉킨 형태로 압저항 코팅층(120)이 형성된다.In the step of forming the piezoresistive coating layer 120, the elastic structure 110 is maintained in the coating liquid 20 for a set period of time to allow the MWCNTs 30 to penetrate the surface of the elastic structure 110. Accordingly, the piezoresistive coating layer 120 is formed on the entire surface of the elastic structure 110 in a form in which MWCNTs 30 are entangled with each other.
실제로, 본 실시예에서는, MWCNT(30)들을 탈이온수에 분산시킨 코팅액(20)에 탄성 구조체(110)를 12시간 정도를 담가 탄성 구조체(110)의 표면에 MWCNT(30)를 코팅시키면서 동시에 최초 부피로 줄어든다. 이때, 코팅액(20)은 탈이온수에 0.03% w/v의 MWCNT(30)를 혼합하되, 초음파 분산기의 초음파 효과를 이용하여 300W의 파워로 20분 동안 분산 처리하면서 제작하고, MWCNT(30)의 분산 효과를 극대화시키기 위하여 1 wt%의 게면활성제(예컨대, triton X-100)를 탈이온수에 첨가한다.In fact, in this embodiment, the elastic structure 110 is soaked in the coating solution 20 in which the MWCNTs 30 are dispersed in deionized water for about 12 hours to coat the surface of the elastic structure 110 with the MWCNTs 30 and at the same time decreases in volume. At this time, the coating solution (20) was prepared by mixing 0.03% w/v of MWCNT (30) in deionized water and dispersing it for 20 minutes at a power of 300 W using the ultrasonic effect of an ultrasonic disperser. To maximize the dispersion effect, 1 wt% of surfactant (e.g., triton X-100) is added to deionized water.
탄성 구조체(110)를 수축 및 건조시키는 단계(도 2의 (d) 및 도 3의 (d) 참조)에서는, 압저항 코팅층(120)이 코팅된 탄성 구조체(110)를 원하는 크기로 수축 및 건조시킨다. 상기와 같은 탄성 구조체(110)는 코팅액(20)에 담겨진 상태에서 1차 수축되고, 코팅액(20)에서 꺼내진 이후에 건조 과정과 함께 2차 수축된다.In the step of shrinking and drying the elastic structure 110 (see Figure 2 (d) and Figure 3 (d)), the elastic structure 110 coated with the piezoresistive coating layer 120 is shrunk and dried to a desired size. I order it. The elastic structure 110 as described above undergoes primary shrinkage while immersed in the coating liquid 20, and undergoes secondary shrinkage during the drying process after being taken out of the coating liquid 20.
예를 들면, 탄성 구조체(110)를 수축 및 건조시키는 단계는, 탄성 구조체(110)를 코팅액(20)에 담긴 상태로 1차 수축시키는 단계, 및 코팅액(20)에서 꺼낸 탄성 구조체(110)를 건조시키면서 2차 수축시키는 단계를 포함할 수 있다.For example, the step of shrinking and drying the elastic structure 110 includes first shrinking the elastic structure 110 in a state immersed in the coating liquid 20, and removing the elastic structure 110 from the coating liquid 20. It may include a step of secondary shrinkage while drying.
여기서, 탄성 구조체(110)를 1차 수축시키는 단계에서는, 탄성 구조체(110)를 코팅액(20)에 담겨진 상태에서 압저항 코팅층(120)의 코팅 및 탄성 구조체(110)의 수축이 동시에 이루어진다. 즉, 탄성 구조체(110)를 1차 수축시키는 단계는, 앞선 압저항 코팅층(120)을 형성하는 단계와 함께 진행된다.Here, in the step of first shrinking the elastic structure 110, coating of the piezoresistive coating layer 120 and contraction of the elastic structure 110 are performed simultaneously while the elastic structure 110 is immersed in the coating liquid 20. That is, the step of first shrinking the elastic structure 110 is performed together with the previous step of forming the piezoresistive coating layer 120.
그리고, 탄성 구조체(110)를 건조 및 2차 수축시키는 단계에서는, 대류오븐을 이용하여 코팅액(20)에서 꺼낸 탄성 구조체(110)를 가열 건조시킬 수 있다. 즉, 탄성 구조체(110)를 대류오븐에서 80 ℃의 온도로 12시간 동안 건조시켜 탄성 구조체(110)에 남아있는 수용액을 제거할 수 있다.In the step of drying and secondary shrinking the elastic structure 110, the elastic structure 110 taken out of the coating liquid 20 can be heated and dried using a convection oven. That is, the aqueous solution remaining in the elastic structure 110 can be removed by drying the elastic structure 110 in a convection oven at a temperature of 80° C. for 12 hours.
전극 연결부(130)를 형성하는 단계에서는, 탄성 구조체(110)를 수축 및 건조시키는 단계에서 수축된 탄성 구조체(110)의 양측에 금속 페이스트를 각각 도포하여 전극 연결부(130)를 형성한다. 전극 연결부(130)에는 압저항 코팅층(120)에 전극을 연결할 수 있다. 일례로, 금속 페이스트로는 실버 페이스트가 사용될 수 있다.In the step of forming the electrode connection portion 130, in the step of shrinking and drying the elastic structure 110, metal paste is applied to both sides of the shrunken elastic structure 110 to form the electrode connection portion 130. The electrode connection portion 130 may connect an electrode to the piezoresistive coating layer 120 . For example, silver paste may be used as the metal paste.
한편, 도 4와 도 5에는 본 실시예의 압력 측정 센서(100)에 대한 성능의 실험 결과가 도시되어 있다.Meanwhile, Figures 4 and 5 show performance test results for the pressure measurement sensor 100 of this embodiment.
도 4의 (a)에 도시된 바와 같이, 압력 측정 센서(100)의 탄성 구조체(110)의 밀도가 30%, 40%, 50%, 60%, 70%, 80%일 경우에 압력 측정 센서(100)에 작용되는 응력(stress) 및 해당 응력에 의한 압력 측정 센서(100)의 변형(strain)을 그래프로 도시하고 있다.As shown in (a) of FIG. 4, when the density of the elastic structure 110 of the pressure measurement sensor 100 is 30%, 40%, 50%, 60%, 70%, and 80%, the pressure measurement sensor The stress applied to 100 and the strain of the pressure measurement sensor 100 due to the stress are shown in a graph.
즉, 압력 측정 센서(100)에 작용된 응력 및 압력 측정 센서(100)의 변형은 서로 비례 관계로 확인되며, 압력 측정 센서(100)의 밀도가 증가됨에 따라 응력과 변형의 기울기도 증가된다. 그로 인해서, 본 실시예의 압력 측정 센서(100)는, 탄성 구조체(110)의 밀도를 적절하게 설정함으로써 응력에 대한 변형의 민감도를 적절하게 조정할 수 있고, 압력 측정 센서(100)의 변형에 따른 압저항 코팅층(120)의 압전 저항 변화를 이용하여 압력 측정 센서(100)의 응력을 도출할 수 있다. That is, the stress applied to the pressure measurement sensor 100 and the strain of the pressure measurement sensor 100 are confirmed to be proportional to each other, and as the density of the pressure measurement sensor 100 increases, the slope of the stress and strain also increases. Therefore, the pressure measurement sensor 100 of this embodiment can appropriately adjust the sensitivity of deformation to stress by appropriately setting the density of the elastic structure 110, and the pressure according to the deformation of the pressure measurement sensor 100. The stress of the pressure measurement sensor 100 can be derived using the change in piezoelectric resistance of the resistance coating layer 120.
도 4의 (b)에 도시된 바와 같이, 압력 측정 센서(100)의 탄성 구조체(110)의 밀도(packing density)에 따른 영률의 변화를 그래프로 도시하고 있다. 즉, 탄성 구조체(110)의 밀도와 영률이 비례 관계로 나타나므로, 탄성 구조체(110)의 밀도를 조정하여 탄성 구조체(110)의 탄성을 적절하게 설정할 수 있다. 따라서, 탄성 구조체(110)의 밀도에 따른 영률을 조정하여 압력 측정 센서(100)의 압력 측정 범위를 적절하게 설정할 수 있다.As shown in (b) of FIG. 4, the change in Young's modulus according to the density (packing density) of the elastic structure 110 of the pressure measurement sensor 100 is shown graphically. That is, since the density and Young's modulus of the elastic structure 110 appear in a proportional relationship, the elasticity of the elastic structure 110 can be appropriately set by adjusting the density of the elastic structure 110. Accordingly, the pressure measurement range of the pressure measurement sensor 100 can be appropriately set by adjusting the Young's modulus according to the density of the elastic structure 110.
도 4의 (c)에 도시된 바와 같이, 압력 측정 센서(100)의 탄성 구조체(110)의 밀도가 30%, 40%, 50%, 60%, 70%, 80%일 경우에 압력 측정 센서(100)에 작용되는 응력(stress) 및 해당 응력에 의한 압력 측정 센서(100)의 변형율(ΔR/R0)을 그래프로 도시하고 있다.As shown in (c) of FIG. 4, when the density of the elastic structure 110 of the pressure measurement sensor 100 is 30%, 40%, 50%, 60%, 70%, and 80%, the pressure measurement sensor The stress applied to 100 and the strain rate (ΔR/R 0 ) of the pressure measurement sensor 100 due to the stress are shown in a graph.
즉, 압력 측정 센서(100)에 작용된 응력에 따른 압력 측정 센서(100)의 변형율이 서로 비례 관계로 확인되며, 압력 측정 센서(100)의 밀도가 증가됨에 따라 응력과 변형율의 기울기는 감소된다. 그로 인해서, 본 실시예의 압력 측정 센서(100)는, 탄성 구조체(110)의 밀도를 적절하게 설정함으로써 응력에 대한 변형율의 민감도를 적절하게 조정할 수 있고, 압력 측정 센서(100)의 응력에 따른 변형율의 기울기를 통해 압력 측정 센서(100)의 측정 민감도를 설정할 수 있다. That is, the strain rate of the pressure measurement sensor 100 according to the stress applied to the pressure measurement sensor 100 is confirmed to be proportional to each other, and as the density of the pressure measurement sensor 100 increases, the slope of the stress and strain rate decreases. . Therefore, the pressure measurement sensor 100 of the present embodiment can appropriately adjust the sensitivity of the strain rate to stress by appropriately setting the density of the elastic structure 110, and the strain rate according to the stress of the pressure measurement sensor 100. The measurement sensitivity of the pressure measurement sensor 100 can be set through the slope of .
도 4의 (d)에 도시된 바와 같이, 압력 측정 센서(100)의 탄성 구조체(110)의 밀도(packing density)에 따른 압력 측정 센서(100)의 측정 민감도(sensitivity)와 측정 범위(sensing range)에 대한 변화를 그래프로 도시하고 있다. 즉, 탄성 구조체(110)의 밀도와 측정 민감도는 반비례 관계이고, 탄성 구조체(110)의 밀도와 측정 변위는 비례 관계이다. 그러므로, 탄성 구조체(110)의 밀도를 조정하여 압력 측정 센서(100)의 사용 환경에 따라 탄성 구조체(110)의 측정 민감도와 측정 범위를 적절하게 설정할 수 있다.As shown in (d) of FIG. 4, the measurement sensitivity and sensing range of the pressure measurement sensor 100 according to the density (packing density) of the elastic structure 110 of the pressure measurement sensor 100. ) is shown in a graph. That is, the density of the elastic structure 110 and the measurement sensitivity are inversely proportional, and the density of the elastic structure 110 and the measured displacement are proportional. Therefore, by adjusting the density of the elastic structure 110, the measurement sensitivity and measurement range of the elastic structure 110 can be appropriately set according to the usage environment of the pressure measurement sensor 100.
도 5에 도시된 바와 같이, 압력 측정 센서(100)에 반복적으로 압력을 제공할 때 변형율(ΔR/R0)을 나타내고 있다. 즉, 본 실시예의 압력 측정 센서(100)는 장시간에 걸쳐 반복적으로 압력이 제공되더라도, 압력 측정 센서(100)의 변형율이 안정적으로 출력되기 때문에 압력 측정 센서(100)의 측정 신뢰도 및 측정 안정성을 확인할 수 있다. As shown in FIG. 5, the strain rate (ΔR/R 0 ) is shown when pressure is repeatedly provided to the pressure measurement sensor 100. That is, the pressure measurement sensor 100 of this embodiment outputs the strain rate of the pressure measurement sensor 100 stably even if pressure is repeatedly provided over a long period of time, so the measurement reliability and measurement stability of the pressure measurement sensor 100 can be confirmed. You can.
이상과 같이 본 발명의 실시예에서는 구체적인 구성 요소 등과 같은 특정 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 통상적인 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 따라서, 본 발명의 사상은 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 청구범위뿐 아니라 이 청구범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 것들은 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다. As described above, the embodiments of the present invention have been described with specific details such as specific components and limited examples and drawings, but this is only provided to facilitate a more general understanding of the present invention, and the present invention is limited to the above embodiments. This does not mean that various modifications and variations can be made from this description by those skilled in the art. Accordingly, the spirit of the present invention should not be limited to the described embodiments, and all claims that are equivalent or equivalent to the claims as well as the following claims fall within the scope of the present invention.
100: 압력 측정 센서
110: 탄성 구조체
120: 압저항 코팅층
130: 전극 연결부
10: 유기용매
20: 코팅액
30: 전도성 섬유, MWCNT
S: 계면활성제100: pressure measurement sensor
110: elastic structure
120: Piezoresistive coating layer
130: Electrode connection part
10: Organic solvent
20: Coating liquid
30: Conductive fiber, MWCNT
S: surfactant
Claims (15)
상기 탄성 구조체의 전체 표면에 균일하게 코팅되고, 복수개의 전도성 섬유가 서로 엉킨 형태로 마련되어 상기 탄성 구조체가 외부 압력에 의해 탄성 변형됨에 따라 압저항이 변화되는 압저항 코팅층;
을 포함하는 압저항 타입의 압력 측정 센서.
A porous elastic structure manufactured by a 3D printing method; and
A piezoresistive coating layer that is uniformly coated on the entire surface of the elastic structure and includes a plurality of conductive fibers entangled with each other, and whose piezoresistance changes as the elastic structure is elastically deformed by external pressure;
A piezoresistive type pressure measurement sensor including.
상기 압저항 코팅층에 전극을 연결하도록 상기 압저항 코팅층이 코팅된 상기 탄성 구조체의 외측면 양측에 전도성 금속소재를 각각 도포한 구조로 마련된 전극 연결부;
를 더 포함하는 압저항 타입의 압력 측정 센서.
According to paragraph 1,
Electrode connection parts provided in a structure in which a conductive metal material is applied to both sides of the outer surface of the elastic structure coated with the piezoresistive coating layer to connect electrodes to the piezoresistive coating layer;
A piezoresistive type pressure measurement sensor further comprising:
상기 탄성 구조체는 특정 종류의 유기 용매에 담그면 부풀면서 팽창하는 특성을 갖는 고분자 물질로 마련되고,
상기 압저항 코팅층은 상기 유기 용매에 담가 미리 설정된 비율로 팽창시킨 상기 탄성 구조체의 표면 전체에 코팅되는 것을 특징으로 하는 압저항 타입의 압력 측정 센서.
According to paragraph 1,
The elastic structure is made of a polymer material that has the property of swelling and expanding when immersed in a specific type of organic solvent,
The piezoresistive coating layer is a piezoresistive type pressure measurement sensor, characterized in that the entire surface of the elastic structure is immersed in the organic solvent and expanded at a preset rate.
상기 탄성 구조체는,
상기 유기 용매에 담가 미리 설정된 비율로 팽창되면 상기 유기 용매에서 꺼낸 후 상기 압저항 코팅층의 코팅 작업이 실시되고,
상기 압저항 코팅층의 코팅이 완료되면 상기 압저항 코팅층과 함께 수축 및 건조되는 것을 특징으로 하는 압저항 타입의 압력 측정 센서.
According to paragraph 3,
The elastic structure is,
When immersed in the organic solvent and expanded at a preset ratio, the piezoresistive coating layer is coated after being removed from the organic solvent,
A piezoresistive type pressure measurement sensor, characterized in that it shrinks and dries together with the piezoresistive coating layer when coating of the piezoresistive coating layer is completed.
상기 탄성 구조체는,
FDM(fused deposition modeling) 3D 프린팅 방법에 의해 자이로이드(gyroid) 구조로 제작되고,
상기 탄성 구조체의 구조 변수를 변경함에 따라 압력 측정 센서의 측정 민감도 및 측정 범위를 조절하도록 마련된 것을 특징으로 하는 압저항 타입의 압력 측정 센서.
According to paragraph 1,
The elastic structure is,
It is manufactured as a gyroid structure using the fused deposition modeling (FDM) 3D printing method.
A piezoresistive type pressure measurement sensor, characterized in that the measurement sensitivity and measurement range of the pressure measurement sensor are adjusted by changing the structural variables of the elastic structure.
상기 탄성 구조체를 특정 종류의 유기 용매에 담가 미리 설정된 비율로 부풀려 팽창시키는 단계;
상기 탄성 구조체가 미리 설정된 비율로 팽창되면 상기 탄성 구조체를 상기 유기 용매에서 꺼낸 후 코팅액에 담가 상기 탄성 구조체의 전체 표면에 압저항 코팅층을 코팅하는 단계;
상기 압저항 코팅층의 코팅이 완료되면 상기 탄성 구조체를 상기 코팅액에서 꺼낸 후 상기 탄성 구조체를 원하는 크기로 수축 및 건조시키는 단계;
를 포함하는 압력 측정 센서의 제조 방법.
Manufacturing a porous elastic structure by a 3D printing method;
Inflating the elastic structure by immersing it in a specific type of organic solvent and inflating it at a preset ratio;
When the elastic structure expands at a preset rate, the elastic structure is removed from the organic solvent and then immersed in a coating solution to coat the entire surface of the elastic structure with a piezoresistive coating layer;
When coating of the piezoresistive coating layer is completed, taking the elastic structure out of the coating solution and then shrinking and drying the elastic structure to a desired size;
A method of manufacturing a pressure measurement sensor comprising.
상기 탄성 구조체를 제조하는 단계에서는,
상기 탄성 구조체를 FDM(fused deposition modeling) 3D 프린팅 방법에 의해 자이로이드(gyroid) 구조로 제작하되, 상기 탄성 구조체의 구조 변수를 변경함으로써 압력 측정 센서의 측정 민감도 및 측정 범위를 조절하는 것을 특징으로 하는 압력 측정 센서의 제조 방법.
According to clause 6,
In the step of manufacturing the elastic structure,
The elastic structure is fabricated into a gyroid structure using a fused deposition modeling (FDM) 3D printing method, and the measurement sensitivity and measurement range of the pressure measurement sensor are adjusted by changing the structural variables of the elastic structure. Manufacturing method of a pressure measurement sensor.
상기 탄성 구조체를 제조하는 단계에서는,
포밍 TPU(foaming thermoplastic polyurethane) 필라멘트를 이용하여 상기 탄성 구조체를 3D 프린팅 방법으로 제작하되, 온도 조절을 통해 포밍 수준(foaming level)을 조절하여 상기 탄성 구조체의 영율(young's modulus)을 조절하는 것을 특징으로 하는 압력 측정 센서의 제조 방법.
According to clause 6,
In the step of manufacturing the elastic structure,
The elastic structure is manufactured using a 3D printing method using a foaming thermoplastic polyurethane (TPU) filament, and the Young's modulus of the elastic structure is adjusted by controlling the foaming level through temperature control. Method for manufacturing a pressure measurement sensor.
상기 탄성 구조체를 팽창시키는 단계에서는,
상기 탄성 구조체의 담김 시간 및 상기 유기 용매의 온도와 농도를 조절하여 상기 탄성 구조체의 팽창 비율을 조절하는 것을 특징으로 하는 압력 측정 센서의 제조 방법.
According to clause 6,
In the step of expanding the elastic structure,
A method of manufacturing a pressure measurement sensor, characterized in that the expansion rate of the elastic structure is adjusted by controlling the immersion time of the elastic structure and the temperature and concentration of the organic solvent.
상기 압저항 코팅층을 코팅하는 단계는,
상기 코팅액을 만드는 단계; 및
상기 탄성 구조체를 팽창시키는 단계에서 미리 설정된 비율로 팽창된 상기 탄성 구조체를 상기 코팅액에 담가 상기 탄성 구조체의 전체 표면에 압저항 코팅층을 형성하는 단계;
를 포함하는 압력 측정 센서의 제조 방법.
According to clause 6,
The step of coating the piezoresistive coating layer,
preparing the coating solution; and
Forming a piezoresistive coating layer on the entire surface of the elastic structure by immersing the elastic structure expanded at a preset ratio in the coating liquid in the step of expanding the elastic structure;
A method of manufacturing a pressure measurement sensor comprising.
상기 코팅액을 만드는 단계에서는, 복수개의 전도성 섬유를 탈이온수(DI, deionized water)에 균일하게 분산시켜 상기 코팅액을 제조하고,
상기 압저항 코팅층을 형성하는 단계에서는, 상기 전도성 섬유들이 상기 탄성 구조체의 전체 표면에 침투하여 서로 엉킨 형태로 마련되는 것을 특징으로 하는 압력 측정 센서의 제조 방법.
According to clause 10,
In the step of preparing the coating solution, the coating solution is prepared by uniformly dispersing a plurality of conductive fibers in deionized water (DI),
In the step of forming the piezoresistive coating layer, the conductive fibers penetrate the entire surface of the elastic structure and are entangled with each other.
상기 코팅액을 만드는 단계에서는,
상기 전도성 섬유들의 분산 효과를 높이기 위하여 상기 탈이온수에 계면활성제를 넣거나 상기 탈이온수에 초음파 진동을 제공하는 것을 특징으로 하는 압력 측정 센서의 제조 방법.
According to clause 11,
In the step of making the coating solution,
A method of manufacturing a pressure measurement sensor, comprising adding a surfactant to the deionized water or providing ultrasonic vibration to the deionized water to increase the dispersion effect of the conductive fibers.
상기 탄성 구조체를 수축 및 건조시키는 단계는,
상기 탄성 구조체를 상기 코팅액에 담긴 상태로 1차 수축시키는 단계; 및
상기 코팅액에서 꺼낸 상기 탄성 구조체를 건조시키면서 2차 수축시키는 단계;
를 포함하는 것을 특징으로 하는 압력 측정 센서의 제조 방법.
According to clause 6,
The steps of shrinking and drying the elastic structure include:
Primary shrinking the elastic structure while immersed in the coating liquid; and
Secondary shrinkage while drying the elastic structure removed from the coating solution;
A method of manufacturing a pressure measurement sensor comprising a.
상기 탄성 구조체를 건조시키면서 2차 수축시키는 단계에서는,
상기 탄성 구조체를 대류오븐에 의해 가열 건조시키는 것을 특징으로 하는 압력 측정 센서의 제조 방법.
According to clause 13,
In the step of secondary shrinkage while drying the elastic structure,
A method of manufacturing a pressure measurement sensor, characterized in that the elastic structure is heated and dried in a convection oven.
상기 탄성 구조체를 수축 및 건조시키는 단계에서 건조 및 수축된 상기 탄성 구조체의 양측에 금속 페이스트를 각각 도포하여 상기 압저항 코팅층에 전극을 연결하기 위한 전극 연결부를 형성하는 단계;
를 더 포함하는 압력 측정 센서의 제조 방법.According to clause 6,
In the step of shrinking and drying the elastic structure, applying a metal paste to both sides of the dried and contracted elastic structure to form an electrode connection portion for connecting an electrode to the piezoresistive coating layer;
A method of manufacturing a pressure measurement sensor further comprising:
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|---|---|---|---|---|
| US20210055179A1 (en) * | 2019-04-30 | 2021-02-25 | Korea Advanced Institute Of Science And Technology | Soft pressure sensor using multi-material 3d-printed microchannel molds and method for making the sensor |
| KR20210147510A (en) | 2020-05-29 | 2021-12-07 | 연세대학교 산학협력단 | 3D porous structure, manufacturing method thereof, and pressure sensor using the same |
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Patent Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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