KR20230153222A - 마찰 전기장 전파를 이용한 촉각 센서 및 이를 이용한 촉각 센싱 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 기판; 상기 기판 상에 형성되며, 서로 이격되어 형성되는 제1-1전극 내지 제1-n전극(단, n은 2 이상의 자연수); 및 상기 제1-1전극 내지 제1-n전극을 덮도록 형성되는 유전체층;을 포함하고, 상기 유전체층에 객체가 접촉 내지 슬라이딩할 경우에 생성되는 마찰 전기장 전파에 의해 인접하는 한쌍의 전극에서 측정한 전압의 비(Vratio)를 이용하여 객체가 접촉한 위치 또는 슬라이딩 동작을 감지하는 것을 특징으로 하는 마찰 전기장 전파를 이용한 촉각 센서에 관한 것이다.
Description
본 발명은 마찰 전기장 전파를 이용한 촉각 센서 및 이를 이용한 촉각 센싱 방법에 관한 것이다.
휴대용 전자기기의 발달 및 인체에 적용되는 전자 피부 기술의 발달에는 정밀한 접촉 위치 감지가 가능한 촉각 센서의 개발이 요구된다.
대표적인 촉각 센서 기술로는 정전용량 방식 촉각 센서(capacitive tactile sensor)와 저항형 방식 촉각 센서(resistive tactile sensor)가 있다.
정전용량 방식 촉각 센서와 저항형 방식 촉각센서는 정밀한 접촉 위치 센싱을 위해 마이크로 내지 나노 단위의 미세 구조를 가지는 전극 패턴이 반드시 필요하다.
이와 같은 미세 구조의 전극 패턴을 제조하기 위해서는 복합하고 어려운 공정이 요구되고, 나아가 비효율적인 에너지 소비가 필요하다.
또한, 정전용량 방식의 촉각센서는 객체 특이성을 가지기 때문에 전도성 물질과 호환되는 접촉 물질만 감지(예를 들어, 장갑을 낀 경우에는 손가락으로 터치를 하더라도 감지하지 못하는 경우가 있다)하는 문제가 있으며, 저항형 방식 촉각센서는 높은 접촉 압력으로 인한 심각한 기계적 노화가 초래되는 문제가 있다.
정전용량 방식 촉각 센서와 저항형 방식 촉각센서 외에 다른 촉각 센서 기술로는 마찰 전기 기반의 촉각 센서가 제안되고 있다.
한국 공개특허 제10-2022-0037970호의 경우 "단일 전극 마찰발전기의 임피던스 정합을 이용한 자가동력 촉각센서"를 제안하고 있다.
하지만 한국 공개특허 제10-2022-0037970호의 "단일 전극 마찰발전기의 임피던스 정합을 이용한 자가동력 촉각센서"를 비롯하여 지금까지의 마찰전기 기반 촉각 센서는 정밀한 접촉 위치를 센싱할 수 없다는 문제가 있다.
본 발명의 일 목적은 마찰 전기장 전파를 이용한 촉각 센서 및 이를 이용한 터치 센싱 방법을 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.
이상에서 제안한 목적을 달성하기 위해 다음과 같은 해결수단을 제안한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 마찰 전기장 전파를 이용한 촉각 센서는 기판; 상기 기판 상에 형성되며, 서로 이격되어 형성되는 제1-1전극 내지 제1-n전극(단, n은 2 이상의 자연수); 및 상기 제1-1전극 내지 제1-n전극을 덮도록 형성되는 유전체층;을 포함하고, 상기 유전체층에 객체가 접촉 내지 슬라이딩할 경우에 생성되는 마찰 전기장 전파에 의해 인접하는 한쌍의 전극에서 측정한 전압의 비(Vratio)를 이용하여 객체가 접촉한 위치 또는 슬라이딩 동작을 감지하는 것을 특징으로 한다.
일 예에 있어서, 상기 제1-1전극 내지 제1-n전극을 사이의 간격은 27 내지 33 mm 인 것을 특징으로 할 수 있다.
일 예에 있어서, 상기 기판 상에 형성되며, 상기 제1-1전극 내지 제1-n전극과 서로 다른 각도로 형성되고, 서로 이격되어 형성되는 제2-1전극 내지 제2-m전극(단, m은 2 이상의 자연수)을 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
일 예에 있어서, 상기 유전체층은 polyamide (nylon 6,6), poly(vinyl alcohol) (PVA), poly(vinyl acetate) (PVAc), poly(methyl methacrylate) (PMMA), poly(ethylene terephthalate (Mylar), polyacrylonitrile (PAN), poly(bisphenol A carbonate) (PC), poly(vinylidene chloride), polystyrene (PS), polyethylene (PE), polypropylene (PP), poly(vinyl chloride) (PVC), polytetrafluoroethylene (PTFE), polyester, polydimethylsiloxane (PDMS) 및 polyurethane 이루어지는 군에서 선택되는 어느 하나인 것을 특징으로 할 수 있다.
일 예에 있어서, 상기 제1-1전극 내지 제1-n전극에는 각각 전압계가 연결되는 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 촉각 센싱 방법은 기판; 상기 기판 상에 형성되며, 서로 이격되어 형성되는 제1-1전극 내지 제1-n전극(단, n은 2 이상의 자연수); 및 상기 제1-1전극 내지 제1-n전극을 덮도록 형성되는 유전체층;을 포함하는 촉각 센서를 이용하며, 상기 유전체층에 객체가 접촉 내지 슬라이딩할 경우에 생성되는 마찰 전기장 전파에 의해 인접하는 한쌍의 전극에서 측정한 전압의 비(Vratio)를 이용하여 객체가 접촉한 위치 또는 슬라이딩 동작을 감지하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 마찰 전기장 전파를 이용한 촉각 센서 및 이를 이용한 터치 센싱 방법은 서로 대향하도록 배치된 복수개의 전극 사이에서 객체의 터치 내지 슬라이딩으로 인해 마찰전기가 생성될 경우 인접하는 전극에서 감지한 전압의 비를 이용하여 터치 내지 슬라이딩 된 위치를 감지함으로써 미세구조의 전극 패턴 없이도 정밀한 접촉 위치 내지 슬라이딩된 위치를 감지할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 마찰 전기장 전파를 이용한 촉각 센서 및 이를 이용한 터치 센싱 방법은 정전용량 방식의 촉각센서와 달리 접촉 물질의 종류와 무관하게 정밀한 접촉 위치 내지 슬라이딩된 위치를 감지할 수 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 일 실시예에 따른 마찰 전기장 전파를 이용한 촉각 센서의 개략적 모식도이다.
도 2는 유전체층의 일측에 전극을 설치한 테스트 장치의 개략적 사시도로서 객체를 일 위치에 접촉시킨 경우 마찰 대전에 의해 생성된 마찰전기가 전파하는 것을 개략적으로 도시한 것이며, 도 3은 도 2의 테스트 장치의 개략적 단면도로써, 객체의 다양한 접촉 위치에 따른 유전체 내의 쌍극자 에너지 전달 과정을 도식화한 것이다.
도 4는 테스트 장치의 전극으로부터 3mm, 9mm, 15 mm, 21 mm 및 27 mm 떨어진 위치에 객체를 접촉시킨 경우에 대한 전극에서 측정된 개방 회로 전압(OCV: open-circuit voltage) 측정 결과이다.
도 5는 테스트 장치의 전극을 기준으로 객체가 접촉된 위치에 따른 OCV 측정 결과를 그래프로 도시한 것이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 마찰 전기장 전파를 이용한 촉각 센서의 동작 원리를 설명하기 위한 모식도이며, 도 7은 도 6의 촉각 센서에서 각 전극에서 측정된 OCV 값과 전극들의 전압의 비를 측졍한 결과이다.
도 8은 전극 사이의 간격에 따른 Vratio의 측정 결과를 도시한 것이다.
도 9는 최적의 설계 치수를 결정하기 위해 감지 해상도와 패널 면적을 고려하여 설계 요소를 평가한 결과이다.
도 10은 30 mm의 전극간격을 가지는 본 발명의 일 실시예에 따른 마찰 전기장 전파를 이용한 촉각 센서의 위치 감지 분해능 평가 결과이다.
도 11은 객체의 접촉 속도 및 위치에 따른 Vratio 측정 결과이다.
도 12는 수직속도 50 cm/s로 객체를 접촉하되, 객체의 종류를 셀룰로오스, 나일론 및 실리콘을 사용한 경우의 Vratio 측정 결과이다.
도 13은 객체의 접촉시에 측정되는 OCV 값의 시간에 따른 변화를 측정한 결과이다.
도 14는 슬라이딩 모션에 의해 유도된 유전체층 내 쌍극자 에너지 전달의 개략도이다.
도 15는 0, 6, 15 및 24mm의 초기 위치에서 11.5cm/s의 속도로 슬라이딩 한 경우의 OCV 측정 값이며, 도 16은 다양한 초기 위치 및 슬라이딩 거리에 따른 Vratio 측정 값이다.
도 17은 본 발명의 일 실시예에 따른 마찰 전기장 전파를 이용한 촉각 센서를 활용하여 제조한 터치 패드이다.
도 19 및 도 20은 접촉과 슬라이딩의 혼합 동작을 추적한 결과이다.
도 21은 (a) 삼각형, (b) 사각형, (c) 별 형태와 같은 다각형 자극을 인가한 경우의 결과이다.
도 22는 본 발명의 일 실시예에 따른 마찰 전기장 전파를 이용한 촉각 센서의 제조방법의 개략적 플로우 차트이다.
첨부된 도면은 본 발명의 기술사상에 대한 이해를 위하여 참조로서 예시된 것임을 밝히며, 그것에 의해 본 발명의 권리범위가 제한되지는 아니한다.
도 2는 유전체층의 일측에 전극을 설치한 테스트 장치의 개략적 사시도로서 객체를 일 위치에 접촉시킨 경우 마찰 대전에 의해 생성된 마찰전기가 전파하는 것을 개략적으로 도시한 것이며, 도 3은 도 2의 테스트 장치의 개략적 단면도로써, 객체의 다양한 접촉 위치에 따른 유전체 내의 쌍극자 에너지 전달 과정을 도식화한 것이다.
도 4는 테스트 장치의 전극으로부터 3mm, 9mm, 15 mm, 21 mm 및 27 mm 떨어진 위치에 객체를 접촉시킨 경우에 대한 전극에서 측정된 개방 회로 전압(OCV: open-circuit voltage) 측정 결과이다.
도 5는 테스트 장치의 전극을 기준으로 객체가 접촉된 위치에 따른 OCV 측정 결과를 그래프로 도시한 것이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 마찰 전기장 전파를 이용한 촉각 센서의 동작 원리를 설명하기 위한 모식도이며, 도 7은 도 6의 촉각 센서에서 각 전극에서 측정된 OCV 값과 전극들의 전압의 비를 측졍한 결과이다.
도 8은 전극 사이의 간격에 따른 Vratio의 측정 결과를 도시한 것이다.
도 9는 최적의 설계 치수를 결정하기 위해 감지 해상도와 패널 면적을 고려하여 설계 요소를 평가한 결과이다.
도 10은 30 mm의 전극간격을 가지는 본 발명의 일 실시예에 따른 마찰 전기장 전파를 이용한 촉각 센서의 위치 감지 분해능 평가 결과이다.
도 11은 객체의 접촉 속도 및 위치에 따른 Vratio 측정 결과이다.
도 12는 수직속도 50 cm/s로 객체를 접촉하되, 객체의 종류를 셀룰로오스, 나일론 및 실리콘을 사용한 경우의 Vratio 측정 결과이다.
도 13은 객체의 접촉시에 측정되는 OCV 값의 시간에 따른 변화를 측정한 결과이다.
도 14는 슬라이딩 모션에 의해 유도된 유전체층 내 쌍극자 에너지 전달의 개략도이다.
도 15는 0, 6, 15 및 24mm의 초기 위치에서 11.5cm/s의 속도로 슬라이딩 한 경우의 OCV 측정 값이며, 도 16은 다양한 초기 위치 및 슬라이딩 거리에 따른 Vratio 측정 값이다.
도 17은 본 발명의 일 실시예에 따른 마찰 전기장 전파를 이용한 촉각 센서를 활용하여 제조한 터치 패드이다.
도 19 및 도 20은 접촉과 슬라이딩의 혼합 동작을 추적한 결과이다.
도 21은 (a) 삼각형, (b) 사각형, (c) 별 형태와 같은 다각형 자극을 인가한 경우의 결과이다.
도 22는 본 발명의 일 실시예에 따른 마찰 전기장 전파를 이용한 촉각 센서의 제조방법의 개략적 플로우 차트이다.
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.
촉각센서가 상업성을 가지기 위해서는 높은 분해능 및 빠른 응답 시간을 가져야 하며, 디스플레이나 전자 피부 등의 어플리케이션에 통합되기 용이하여야 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 마찰 전기장 전파를 이용한 촉각 센서는 높은 분해능과 빠른 응답시간을 가지며, 그 구조도 매우 간단하다.
나아가 본 발명의 일 실시예에 따른 마찰 전기장 전파를 이용한 촉각 센서는 접촉 물질의 종류와 무관하게 정밀한 접촉 위치 내지 슬라이딩된 위치를 감지할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 마찰 전기장 전파를 이용한 촉각 센서의 개략적 모식도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 마찰 전기장 전파를 이용한 촉각 센서(100)는 기판(10), 기판(10) 상에 형성되며 서로 이격된 제1-1전극 내지 제1-n전극(단, n은 2 이상의 자연수)로 구성되는 제1전극(21)과, 제1전극(21) 상에 형성되며 객체의 접촉 내지 슬라이딩이 이루어지는 유전체층(30)을 포함한다.
제1-1전극 내지 제1-n전극(단, n은 2 이상의 자연수)을 제1전극(21)이라 통칭할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 마찰 전기장 전파를 이용한 촉각 센서(100)는 서로 이격된 제2-1전극 내지 제2-m전극(단, m은 2 이상의 자연수)를 더 포함할 수 있다.
제2-1전극 내지 제2-m전극(단, m은 2 이상의 자연수)은 제2전극(22) 이라 통칭할 수 있다.
제1전극(21) 및/또는 제2전극(22) 은 일 방향으로 길게 형성될 수 있으며, 와이어 형태이거나 선 형태일 수 있다.
제1-1전극 내지 제1-n전극(단, n은 2 이상의 자연수)은 서로 평행하게 형성될 수 있으며, 제2-1전극 내지 제2-m전극(단, m은 2 이상의 자연수)도 서로 평행하게 형성될 수 있다.
여기서 평행하다는 것은 무한한 직선을 연장하였을 때 서로 만나지 않는 정도의 평행을 의미하는 것은 아니며, 장치 내에서 서로 만나지 않는 정도로 나란히 형성됨을 의미한다.
나아가 제1-1전극 내지 제1-n전극(단, n은 2 이상의 자연수)이 서로 평행하지 않더라도 인접하는 제1전극(21)에 의해 접촉 위치 내지 슬라이딩된 위치를 감지할 수 있으며, 제2-1전극 내지 제2-m전극(단, m은 2 이상의 자연수)이 서로 평행하지 않더라도 인접하는 제2전극(22)에 의해 접촉 위치 내지 슬라이딩된 위치를 감지할 수 있다.
제1전극(21) 및 제2전극(22) 은 서로 다른 방향, 예를 들어 직각으로 형성될 수 있다.
이때, 제1전극(21)은 행 전극, 제2전극(22)은 열 전극이라고 할 수 있다.
제1전극(21) 및/또는 제2전극(22) 은 금(gold), 은(silver), 구리(copper) 등 도전성이 높은 금속이나, 탄소나노튜브 등과 같은 탄소재료, 또는 전도성 폴리머 등으로 형성될 수 있다.
제1전극(21) 및 제2전극(22)의 각각에는 전압계가 연결되어 전압변화가 측정된다.
즉, 제1-1전극 내지 제1-n전극(단, n은 2 이상의 자연수)과 제2-1전극 내지 제2-m전극(단, m은 2 이상의 자연수)에 각각 전압계가 연결될 수 있다.
제1전극(21) 및 제2전극(22) 은 기판(10) 상에 형성될 수 있다.
보다 구체적으로 기판(10)으로는 PCB를 비롯하여, 그 재질로 polyamide (nylon 6,6), poly(vinyl alcohol) (PVA), poly(vinyl acetate) (PVAc), poly(methyl methacrylate) (PMMA), poly(ethylene terephthalate (Mylar), polyacrylonitrile (PAN), poly(bisphenol A carbonate) (PC), poly(vinylidene chloride), polystyrene (PS), polyethylene (PE), polypropylene (PP), poly(vinyl chloride) (PVC), polytetrafluoroethylene (PTFE), polyester, polydimethylsiloxane (PDMS) 및 polyurethane로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나를 이용할 수 있다.
다만, 본 발명의 권리범위 중 기판의 재질이 상술한 것으로 한정되는 것은 아니며 공지의 것을 이용할 수 있다.
유전체층(30)은 제1전극(21) 및 제2전극(22) 의 상부에 형성된다.
유전체층(30)은 polyamide (nylon 6,6), poly(vinyl alcohol) (PVA), poly(vinyl acetate) (PVAc), poly(methyl methacrylate) (PMMA), poly(ethylene terephthalate (Mylar), polyacrylonitrile (PAN), poly(bisphenol A carbonate) (PC), poly(vinylidene chloride), polystyrene (PS), polyethylene (PE), polypropylene (PP), poly(vinyl chloride) (PVC), polytetrafluoroethylene (PTFE), polyester, polydimethylsiloxane (PDMS) 및 polyurethane 이루어지는 군에서 선택되는 어느 하나를 이용할 수 있다.
유전체층(30)의 일면에는 사람의 손이나 펜슬과 같은 객체가 접촉하거나 슬라이딩 하게 된다.
도 2는 유전체층의 일측에 전극을 설치한 테스트 장치의 개략적 사시도로서 객체를 일 위치에 접촉시킨 경우 마찰 대전에 의해 생성된 마찰전기가 전파하는 것을 개략적으로 도시한 것이며, 도 3은 도 2의 테스트 장치의 개략적 단면도로써, 객체의 다양한 접촉 위치에 따른 유전체 내의 쌍극자 에너지 전달 과정을 도식화한 것이다.
객체가 유전체층에 접촉하게 되면 마찰 대전에 의해 마찰전기가 생성되며, 유전체의 표면을 따라 원형으로 마찰전기가 전파되면서 그 주위에 전기장을 형성한다(도 2 참조).
전파되는 마찰전기의 전기장과 인접한 쌍극자는 서로 상호작용에 의해 쌍극자의 모멘트 각도가 변경되며, 쌍극자의 모멘트 각도 변경에 소비된 에너지로 인해 마찰전기가 전파거리에 따라 감소하는 결과가 초래된다(도 3 참조).
그러므로 전극을 이용하여 마찰전기를 감지하여 감쇠된 정도를 측정할 경우 객체가 유전체층에 접촉한 접점의 위치를 역으로 도출할 수 있다.
도 4는 테스트 장치의 전극으로부터 3mm, 9mm, 15 mm, 21 mm 및 27 mm 떨어진 위치에 객체를 접촉시킨 경우에 대한 전극에서 측정된 개방 회로 전압(OCV: open-circuit voltage) 측정 결과이다.
위에서 설명한 바와 같이 전극으로부터 떨어진 거리에 따라 측정되는 OCV 값이 달라지는 것을 확인할 수 있다.
도 5는 테스트 장치의 전극을 기준으로 객체가 접촉된 위치에 따른 OCV 측정 결과를 그래프로 도시한 것이다.
도 5에서 보는 바와 같이, OCV 값은 전극을 기준으로 한 객체의 접촉 위치가 3mm 에서 15mm로 증가함에 따라 9.07 mV에서 1.41 mV로 감소하게 되며, 전극으로부터 30 mm 이상으로 떨어진 경우에는 유의미한 OCV 값 변화가 관찰되지 않는다.
도 5의 객체 접촉위치-OCV 그래프로부터 다음의 수학식 1과 같은 경험적 방적싱을 도출 할 수 있다.
수학식 1에서 VOCV 및 x는 각각 측정된 OCV 값 및 전극을 기준으로 한 객체의 접촉 위치를 의미한다.
도 5와 수학식 1의 계산 결과는 단일한 전극을 이용한 테스트 장치에서 마찰전기에 의한 전압변화를 측정할 경우 객체가 접촉한 위치, 즉 전극으로부터 얼마나 떨어진 거리에 객체가 접촉한 것인지를 역산할 수 있음을 시사한다.
하지만 단일한 전극을 이용한 테스트 장치에서는 전극으로부터 10 mm 이상 떨어진 위치는 측정되는 전압의 변화율이 적어 구분하기 어렵고, 나아가 객체의 종류, 유전체층의 종류, 온도, 습도 등의 요인에 의해 측정되는 전압값이 달라지는 문제가 있다.
즉, 테스트 장치와 같이 단일한 전극을 사용하는 방법으로는 객체가 접촉하는 정확한 위치를 도출하는 것에 한계가 있다.
이와 같은 한계를 극복하기 위해 본 발명의 일 실시예에 따른 마찰 전기장 전파를 이용한 촉각 센서(100)는 복수개의 전극(21, 22)을 포함하고, 전극(21, 22) 상에 형성된 유전체층(30)에 객체가 접촉 또는 슬라이딩하여 마찰전기가 생성되면, 인접하는 한 쌍의 전극에서 감지한 전압의 비(Vratio)를 이용한다.
인접하는 한 쌍의 전극에서 감지한 전압의 비를 이용할 경우 인접하는 전극의 거리를 최대 30 mm까지 넓히더라도 높은 정확도로 객체의 접촉 내지 슬라이딩 위치를 감지할 수 있으며, 객체의 종류가 달라지거나, 작동 환경이 달라지더라도 높은 정확도로 객체의 접촉 내지 슬라이딩 위치를 감지할 수 있다.
구체적인 원리를 살펴보면 다음과 같다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 마찰 전기장 전파를 이용한 촉각 센서의 동작 원리를 설명하기 위한 모식도이며, 도 7은 도 6의 촉각 센서에서 각 전극에서 측정된 OCV 값과 전극들의 전압의 비를 측졍한 결과이다.
도 7에서 알 수 있듯이. 마찰전기가 생성되어 전파됨에 따라 인접하는 전극은 객체의 접촉 위치로부터 떨어진 거리에 따라 다른 값의 OCV를 감지한다.
이때, 제1-1전극(Electrode 1)과 제1-2전극(Electrode 2)에서 감지된 OCV의 비(Vratio)를 이용하여 객체가 접촉한 위치를 감지하게 된다.
즉, 제1-1전극(Electrode 1)과 제1-2전극(Electrode 2) 사이에 전극이 형성되지 않은 영역에 객체가 접촉하더라도 그 위치를 정밀하게 감지할 수 있는 것이다.
제1-1전극(Electrode 1)과 제1-2전극(Electrode 2) 사이의 간격이 30 mm 인 경우 중앙인 15mm 위치에서는 양쪽의 전극에서 수신한 OCV 값이 거의 동일하였다.
도 8은 전극 사이의 간격에 따른 Vratio의 측정 결과를 도시한 것이다.
도 8에서 알 수 있듯이 Vratio는 전극 사이의 간격과 무관하게 그래프의 개형이 유사하고, 동일하게 중앙에서는 1로 수렴하는 것을 알 수 있다.
도 9는 최적의 설계 치수를 결정하기 위해 감지 해상도와 패널 면적을 고려하여 설계 요소를 평가한 결과이다.
전극 사이의 간격이 넓을수록 제조공정이 간단해지고, 특히 전극에 의해 스크린 가림 등의 문제가 적어진다.
한편, 감지 해상도는 목표로 하는 기준에 따라 그 값이 상이해지는데, 목표 감지 해상도가 3mm 인 경우에는 접촉 거리에 따른 Vratio의 변동 비율이 99.31 %이며, 100 μm인 경우에는 Vratio의 변동 비율이 2.36 % 수준에 불과하다.
도 9에서는 목표 감지 해상도 100 μm 경우의 최적 설계가 가능한 전극 간격을 도출하였다.
도 9를 참조하면 인접하는 전극 사이의 간격은 27 내지 33 mm 일 수 있으며, 가장 바람직하게는 30 mm 일 수 있다.
다음으로 본 발명의 일 실시예에 따른 마찰 전기장 전파를 이용한 촉각 센서의 성능평가를 수행하였다.
성능 평가는 베스트 모드였던 전극간격 30mm를 기준으로 수행되었다.
도 10은 30 mm의 전극간격을 가지는 본 발명의 일 실시예에 따른 마찰 전기장 전파를 이용한 촉각 센서의 위치 감지 분해능 평가 결과이다.
0 ~ 30 mm의 범위 내에서 2 mm 마다 객체를 접촉시켰으며, 그 결과 접촉위치와 무관하게 7.14% 미만으로 낮은 수준의 오차를 나타내었다.
도 11은 객체의 접촉 속도 및 위치에 따른 Vratio 측정 결과이다.
도 11에서 알 수 있듯이, 30, 50 및 70cm/s의 수직 속도로 객체를 접촉시켰을 때 6.29% 이내의 오차를 나타내므로, 접촉 속도와 무관하게 유사한 수준의 오차를 보임을 알 수 있다.
도 12는 수직속도 50 cm/s로 객체를 접촉하되, 객체의 종류를 셀룰로오스, 나일론 및 실리콘을 사용한 경우의 Vratio 측정 결과이다.
셀룰로오스, 나일론 및 실리콘과 같이 유전 특성이 서로 상이한 객체를 이용하여 접촉할 경우 측정된 OCV 값은 재료의 종류에 따라 서로 다르지만, Vratio는 일정한 것을 확인할 수 있다.
즉, 본 발명의 일 실시예에 따른 마찰 전기장 전파를 이용한 촉각 센서는 자극 역학 및 자극 물체 물질과 같은 자극 조건에 의존하지 않는 강력한 감지 특성을 가짐을 알 수 있다.
도 13은 객체의 접촉시에 측정되는 OCV 값의 시간에 따른 변화를 측정한 결과이다.
도 13을 참조하면, OCV 값은 객체가 에어 갭 커패시턴스를 통해 유전체층의 표면에 접근함에 따라 증가하였으며, 접촉한 이후에는 대전에 의해 감소되었다.
본 발명의 일 실시예에 따른 마찰 전기장 전파를 이용한 촉각 센서의 리프레쉬 타임(refresh time) 및 민첩성은 접촉한 이후의 OCV 거동에 의해 결정된다.
본 발명의 일 실시예에 따른 마찰 전기장 전파를 이용한 촉각 센서의 최대 리프레쉬 타임(refresh time)은 34.72 Hz 였다.
다음으로 본 발명의 일 실시예에 따른 마찰 전기장 전파를 이용한 촉각 센서의 슬라이딩 모션 감지에 대한 성능 평가를 수행하였다.
도 14는 슬라이딩 모션에 의해 유도된 유전체층 내 쌍극자 에너지 전달의 개략도이다.
촉각 센서의 유전체층 상에서 살라이딩 모션을 할 경우 슬라이딩 방향에 유전체 내에서 쌍극자 분극이 유도된다.
이와 같은 쌍극자 분극은 반대 부호(즉, 접지와 비교하여 음 또는 양의 부호)로 양 측의 전극에서 OCV 신호를 생성하게 된다.
예를 들어, 유전체층에서 객체가 제1-1전극(electrode 1)에서 제1-2전극(electrode 2)으로 슬라이딩 하게 되면, 양측의 전극에서는 서로 반대 부호의 전압 펄스가 측정된다.
그러므로 슬라이딩 모션의 방향과 최종 위치는 두 전극의 Vratio 와 그 값의 부호를 기반으로 감지할 수 있다.
도 15는 0, 6, 15 및 24mm의 초기 위치에서 11.5cm/s의 속도로 슬라이딩 한 경우의 OCV 측정 값이며, 도 16은 다양한 초기 위치 및 슬라이딩 거리에 따른 Vratio 측정 값이다.
도 15 및 도 16을 참조하면, Vratio를 이용할 경우 모든 초기 위치와 슬라이딩 거리에 대해 가려진 영역없이 감지할 수 있다는 장점이 있다.
다음으로 본 발명의 일 실시예에 따른 마찰 전기장 전파를 이용한 촉각 센서를 활용한 예를 소개한다.
도 17은 본 발명의 일 실시예에 따른 마찰 전기장 전파를 이용한 촉각 센서를 활용하여 제조한 터치 패드이다.
가장자리에만 한쌍의 제1전극과 한쌍의 제2전극을 부착하여 3 cm X 3 cm 크기의 터치 영역을 가지는 터치패드를 제작했으며, 터치 영역은 1 cm X 1 cm의 9개의 가상 영역으로 구분하였다.
가상 영역에는 A ~ I 까지의 알파벳을 할당하였다.
도 18은 "A", "D" 및 "E" 영역에서 손가락 접촉 자극에 의해 각 전극에서 생성된 OCV 값 측정 결과이다.
도 18에서 알 수 있듯이, 본 발명의 일 실시예에 따른 마찰 전기장 전파를 이용한 촉각 센서를 활용하여 제조한 터치 패드에 손가락이 접촉된 위치를 정확하게 구분할 수 있음을 확인할 수 있다.
도 19 및 도 20은 접촉과 슬라이딩의 혼합 동작을 추적한 결과이다.
도 19와 같이 영역 "A"에 접촉하고 영역 "G"로 순차적으로 슬라이딩 할 경우 모든 전극은 초기에 양의 OCV를 감지하하여 접촉위치가 "A"임을 감지하였으며, 그 이후 G 영역으로 슬라이딩 하면서 슬라이딩 방향에 위치한 Line 4에서만 양의 OCV가 측정되어 슬라이딩 방향과 위치를 정확히 감지하였음을 확인할 수 있다.
도 20과 같이 영역 "A"에 접촉하고 영역 "I"로 순차적으로 슬라이딩 할 경우 모든 전극은 초기에 양의 OCV를 감지하하여 접촉위치가 "A"임을 감지하였으며, 그 이후 I 영역으로 슬라이딩 하면서 슬라이딩 방향에 위치한 Lune 2와 Line 4에서만 양의 OCV가 측정되어 슬라이딩 방향과 위치를 정확히 감지하였음을 확인할 수 있다.
나아가 Vratio를 이용할 경우 접촉위치의 좌표와 슬라이딩 거리를 추산할 수 있다.
도 21은 (a) 삼각형, (b) 사각형, (c) 별 형태와 같은 다각형 자극을 인가한 경우의 결과이다.
도 21에서 보는 바와 같이 본 발명의 일 실시예에 따른 마찰 전기장 전파를 이용한 촉각 센서를 활용하여 제조한 터치 패드는 복잡한 형태의 접촉도 원활하게 감지함을 알 수 있다.
도 22는 본 발명의 일 실시예에 따른 마찰 전기장 전파를 이용한 촉각 센서의 제조방법의 개략적 플로우 차트이다.
구체적으로 살펴보면, 에탄올과 탈이온수로 세척한 PET 기판(10cm Х 10cm, 두께 50μm)을 전극 간격이 30mm인 스테인리스 스틸 섀도우 마스크로 덮는다.
은(4N 순도) 전극은 100W에서 1.5시간 동안 DC 마그네트론 스퍼터링을 통해 형성되었으며, 유속 30sccm의 아르곤 분위기 및 압력 2.8Х10-3Torr에서 컬럼 전극용 PET 기판에 증착되었다.
행 전극은 열 전극과 행 전극 사이의 전기적 간섭을 방지하기 위해 정렬된 셀룰로오스 절연체를 사용하여 동일한 조건에서 증착되었다.
질소를 분사하여 불순물을 제거한 후, vortex mixer를 이용하여 10:1의 중량비로 경화제와 혼합한 PDMS 용액(Sigma-Aldrich, SYLGARD 184) 1g을 붓고 60
에서 2시간 동안 소성하였다.
이와 같은 방법으로 본 발명의 일 실시예에 따른 마찰 전기장 전파를 이용한 촉각 센서를 제조하였다.
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 (6)
- 기판;
상기 기판 상에 형성되며, 서로 이격되어 형성되는 제1-1전극 내지 제1-n전극(단, n은 2 이상의 자연수); 및
상기 제1-1전극 내지 제1-n전극을 덮도록 형성되는 유전체층;을 포함하고,
상기 유전체층에 객체가 접촉 내지 슬라이딩할 경우에 생성되는 마찰 전기장 전파에 의해 인접하는 한쌍의 전극에서 측정한 전압의 비(Vratio)를 이용하여 객체가 접촉한 위치 또는 슬라이딩 동작을 감지하는 것을 특징으로 하는 마찰 전기장 전파를 이용한 촉각 센서.
- 제1항에 있어서,
상기 제1-1전극 내지 제1-n전극을 사이의 간격은 27 내지 33 mm 인 것을 특징으로 하는 마찰 전기장 전파를 이용한 촉각 센서.
- 제1항에 있어서,
상기 기판 상에 형성되며, 상기 제1-1전극 내지 제1-n전극과 서로 다른 각도로 형성되고, 서로 이격되어 형성되는 제2-1전극 내지 제2-m전극(단, m은 2 이상의 자연수)을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 마찰 전기장 전파를 이용한 촉각 센서.
- 제1항에 있어서,
상기 유전체층은 polyamide (nylon 6,6), poly(vinyl alcohol) (PVA), poly(vinyl acetate) (PVAc), poly(methyl methacrylate) (PMMA), poly(ethylene terephthalate (Mylar), polyacrylonitrile (PAN), poly(bisphenol A carbonate) (PC), poly(vinylidene chloride), polystyrene (PS), polyethylene (PE), polypropylene (PP), poly(vinyl chloride) (PVC), polytetrafluoroethylene (PTFE), polyester, polydimethylsiloxane (PDMS) 및 polyurethane 이루어지는 군에서 선택되는 어느 하나인 것을 특징으로 하는 마찰 전기장 전파를 이용한 촉각 센서.
- 제1항에 있어서,
상기 제1-1전극 내지 제1-n전극에는 각각 전압계가 연결되는 것을 특징으로 하는 마찰 전기장 전파를 이용한 촉각 센서.
- 기판; 상기 기판 상에 형성되며, 서로 이격되어 형성되는 제1-1전극 내지 제1-n전극(단, n은 2 이상의 자연수); 및 상기 제1-1전극 내지 제1-n전극을 덮도록 형성되는 유전체층;을 포함하는 촉각 센서를 이용한 촉각 센싱 방법으로서:
상기 유전체층에 객체가 접촉 내지 슬라이딩할 경우에 생성되는 마찰 전기장 전파에 의해 인접하는 한쌍의 전극에서 측정한 전압의 비(Vratio)를 이용하여 객체가 접촉한 위치 또는 슬라이딩 동작을 감지하는 것을 특징으로 하는 촉각 센싱 방법.
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