KR20230169520A - 3차원 구조를 이용한 다축 감지용 자가발전센서, 그 제조방법 및 감지방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 3차원 구조를 이용한 다축 감지용 자가발전센서, 그 제조방법 및 감지방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 자가 발전형 센서로서, 기판; 상기 기판과 특정간격 이격되어 위치된 음전하로 대전된 음전하 대전필름; 및 상기 기판 상에 구비되며 상기 음전자 대전필름을 기준으로 서로 특정간격 이격되어 배치되는 복수의 제1전극필름; 및 상기 음전하 대전필름을 상기 기판 상에서 이격시키며 탄성구조를 갖는 스페이서;를 포함하여, 외부 힘에 의해 상기 음전하 대전필름의 위치가 변화되며 상기 제1전극필름 각각의 출력변화에 기반하여 인가된 힘의 방향과 변위와 크기를 분석하는 것을 특징으로 하는 3차원 구조를 이용한 다축 감지용 자가발전센서에 관한 것이다.
Description
본 발명은 3차원 구조를 이용한 다축 감지용 자가발전센서, 그 제조방법 및 감지방법에 관한 것이다.
진동에너지 하베스터는 진동에너지를 전기에너지로 변환하는 장치이다. 일반적인 진동에너지 하베스터의 경우에는 장치의 고유 진동수와 진동에너지의 주파수가 일치할 때, 가장 높은 전기적 에너지를 발생시킨다. 하지만 장치의 고유 진동수와 다른 주파수에서는 상대적으로 낮은 전기적 에너지를 발생시킨다. 이는 고유 진동수와 진동에너지의 주파수가 일치할 때, 장치의 진동응답이 급격하게 커지는 공진현상에 의한 것이다. 즉, 단일 장치에서는 특정 주파수에서 에너지 수확이 가능하다는 제한점이 존재한다.
에너지 하베스터는 주변에 존재하는 태양열, 바람, 진동, 생체역학 에너지 등의 에너지를 우리가 사용할 수 있는 전기적 에너지로 변환시켜주는 장치이다. 다양한 에너지원 중 진동에너지는 세탁기, 자동차와 같은 많은 기계 시스템에서 발생하고 버려지는 에너지이며, 진폭과 주파수라는 큰 특징을 가지고 있다. 이러한 진동에너지를 에너지원으로 하는 진동에너지 하베스터는 진동에너지의 주파수에 따라 출력 성능이 결정된다. 특히 기존의 진동에너지 하베스터는 장치의 고유 진동수(natural frequency)와 입력 진동에너지의 주파수가 일치할 때 가장 큰 출력을 발생시킨다. 기존 진동에너지 하베스터의 특정 주파수에 대한 제한적인 입력 성능은 잠재적 다변성이 있는 진동에너지를 효과적으로 수확하는데 문제점이 있다. 이와 더불어, 진동에너지를 수확하는 기존의 에너지 하베스터에서는 전기적 에너지를 동시에 수확하는데 어려움이 있다.
그리고 기존 다축 정전용량 센서는 다축 하중을 수용하기 위한 범퍼(bumper)구조와 이를 지탱하는 프레임(frame) 구조 등 다양한 구조 및 요소가 필요하고, 이에 따라 복잡한 공정과 많은 공정 시간이 필요하다. 전극 사이 재료의 유전율과 전극 사이의 거리 등에 의해 발생되는 시스템의 전기용량의 변화로 외부 자극을 감지하는 정전용량 센서는 구동을 위해서 외부 전원이 필요하며, 이는 자율적인 시스템으로서의 개발을 제한하고 있다.
따라서 본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 실시예에 따르면, 센서의 3차원 구조를 활용한 다축 변위 감지용 자가 발전 센서의 개발과 그 제작 방법에 대한 것으로, 다축 변위 센서는 단일 축 방향의 변위 뿐만 아니라, 다양한 축 방향의 변위를 감지하는 장치로서 이의 개발을 위해서, 본 발명의 실시예에서는 기계적 좌굴 현상을 활용하여 2차원 구조의 전구체로부터 3차원 구조를 제작하고, 제작된 3차원 구조는 다축 변위를 수용할 수 있을 뿐만 아니라, 3차원 직교 좌표계의 3축 방향으로 독립적인 움직임 또한 가능하며 이와 함께, 센서는 일렉트렛(electret)을 기반으로 한 자가 발전형 정전용량(capacitive) 센서이기 때문에, 외부 전원의 도움 없이도 센서의 작동이 가능하여, 기계적 좌굴 기반의 3차원 구조와 일렉트렛을 활용함으로써, 손쉽게 다축 변위 감지용 자가 발전 센서를 제작할 수 있는, 3차원 구조를 이용한 다축 감지용 자가발전센서 및 그 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 기계적 좌굴 기반의 3차원 구조 제작 공정을 활용하여, 손쉽게 다축 변위 감지용 자가 발전 센서를 제작할 수 있고, 기계적 좌굴 기반의 3차원 구조 제작 공정을 통해서, 2차원 전구체로부터 3차원 구조를 제작하는 동안 자연스럽게 다축 변위 센서에 요구되는 범퍼구조와 프레임구조 등이 동시에 자연적으로 생성된고 또한, 3차원 구조에서 프레임 역할을 하는 다리(bridge)의 모양을 합리적으로 설계함에 따라, 3차원 직교 좌표계의 3축 방향으로 독립적인 움직임이 가능하고, 이에 따라, 센서는 정밀한 다축 변위 측정이 가능하고 이와 함께, 고분자에 전기장을 가함으로써, 인위적으로 전자를 주입하여 제작된 일렉트렛을 사용함으로써 자가 발전형 센서로 작동될 수 있는, 3차원 구조를 이용한 다축 감지용 자가발전센서 및 그 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
그리고 본 발명의 실시예에 따르면, 다축 변위 센서뿐만 아니라 다축 힘 센서로도 활용이 가능하며, 잠재적인 활용분야로 로봇공학 및 사물인터넷 분야 등이 있으며 특히, 다축 변위 센서는 정밀하고 민감하기 때문에, 정밀한 기계 제어를 필요로 하는 컨트롤러나 가상현실 기술에 활용될 수 있는, 3차원 구조를 이용한 다축 감지용 자가발전센서 및 그 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
또한 최근, 사물 인터넷과 스마트 기기 등의 빠른 발전으로 인해서 센서는 많은 관심을 받고 있으며, 중요한 역할을 하는 요소 중 하나이다. 다양한 센서 중 다축 센서는 그 제작에 있어 다양하고 복잡한 공정이 수반되었다. 하지만, 본 발명의 실시예에 따르면, 손쉽게 다축 변위 센서를 제작할 수 있어, 많은 센서를 제작함으로써 더욱 다양한 활용처에 사용할 수 있는, 3차원 구조를 이용한 다축 감지용 자가발전센서 및 그 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따르면 외부 전력 공급 없이 작동할 수 있는 시스템이기 때문에, 앞으로 다축 변위 감지를 위한 자가 발전형 센서를 필요로 하는 데에 기여를 할 수 있는 3차원 구조를 이용한 다축 감지용 자가발전센서 및 그 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
한편, 본 발명에서 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 제1목적은 자가 발전형 센서로서, 기판; 상기 기판과 특정간격 이격되어 위치된 음전하로 대전된 음전하 대전필름; 상기 기판 상에 구비되며 상기 음전자 대전필름을 기준으로 서로 특정간격 이격되어 배치되는 복수의 제1전극필름; 및 상기 음전하 대전필름을 상기 기판 상에서 이격시키며 탄성구조를 갖는 스페이서;를 포함하는 것을 특징으로 하는 3차원 구조를 이용한 다축 감지용 자가발전센서로서 달성될 수 있다.
그리고 외부 힘에 의해 상기 음전하 대전필름의 위치가 변화되며 상기 제1전극필름 각각의 출력변화에 기반하여 인가된 힘의 방향과 변위와 크기를 분석하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한 상기 스페이서는 구불구불한 다리형태를 가지는 것을 특징으로 할 수 있다.
그리고 상기 음전하 대전필름 상면에 부착되는 유전체 필름; 상기 유전체 필름 상면에 부착되는 제2전극필름; 및상기 제2전극필름 상면에 부착되는 보호필름을 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한 상기 제2전극필름과 상기 유전체 필름 중 적어도 어느 하나는, 중단측과, 상기 중단측의 외측에 위치되는 복수의 외측부와, 상기 외측부 각각을 상기 중단측에 연결하는 탄성구조를 갖는 낮은 강성의 연결부를 포함하며, 상기 외측부는 상기 기판에 접착되는 부분이고, 상기 연결부가 탄성구조를 갖는 낮은 강성의 스페이서를 구성하게 되며, 상기 중단측은 상기 음전하 대전필름과 접합되는 위치이고, 상기 제1전극필름은 상기 중단측과 외측으로 소정간격 이격되며, 상기 외측부 간 사이공간 각각에 위치되는 것을 특징으로 할 수 있다.
그리고 상기 구불구불한 다리형태에서 장변의 길이방향은 상기 음전하 대전필름과 상기 외측부을 연결하는 가상의 선에 대해 특정 각도를 갖는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한 상기 음전하 대전필름은, 음전하 주입 피가공재료를 전극판 하에서, 고전압이 인가되는 고전압 핀에 의해 상기 피가공재료 주위의 유체를 이온화하여, 생성된 이온들이 전기장에 의해 상기 피가공재료 주입되는 것을 특징으로 할 수 있다.
그리고 상기 기판은 신축성 기판인 PDMS로 구성되고, 상기 제1전극필름은 알루미늄, 상기 제2전극필름은 전도성 테이프로 구성되며, 상기 유전체 필름과 상기 보호필름은 PI로 구성되는 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 제2목적은 자가 발전형 유닛의 제조방법에 있어서, 제2전극필름과 유전체필름을 부착한 후 커팅기를 통해, 중단측과, 복수의 외측부와, 중단측과 외측부를 연결하는 탄성구조를 갖는 2D패턴 구조를 제작하는 단계; 상기 중단측 하면에 음전하로 대전된 음전하 대전필름을 부착하는 단계; 기 설정된 인장력 만큼 인장된 신축성 기판의 접합부 각각에 상기 외측부 각각을 접착하고, 상기 기 설정된 인장력을 해제하여 상기 2D패턴 구조에 압축력이 가해지면서 기계적 좌굴에 의해 상기 탄성구조가 낮은 강성의 스페이서가 되어 3D구조를 형성하는 단계; 및 상기 음전하 대전필름을 중심으로 외측으로 소정간격 이격되며 서로 원주방향으로 특정각도 이격되도록 복수의 제1전극필름을 상기 기판에 부착하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 3차원 구조를 이용한 다축 감지용 자가발전센서의 제조방법으로서 달성될 수 있다.
그리고 상기 기 설정된 인장력의 크기, 상기 신축성 기판의 탄성력, 상기 탄성구조를 갖는 스페이서의 형상, 재료, 두께, 너비, 및 길이에 따라 상기 센싱 성능 특성을 조절하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한 상기 음전하 대전필름은, 음전하 주입 피가공재료를 전극판 하에서, 고전압이 인가되는 고전압 핀에 의해 상기 피가공재료 주위의 유체를 이온화하여, 생성된 이온들이 전기장에 의해 상기 피가공재료 주입되는 것을 특징으로 할 수 있다.
그리고 상기 신축성 기판의 접합부와 상기 2D패턴의 외측부는 플라즈마 처리에 의해 접합되는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한 상기 2D패턴 구조를 제작하는 단계에서, 상기 제2전극필름의 상면에 보호필름을 부착하는 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 제3목적은 자가발전센서를 이용한 다축 감지방법으로서, 앞서 언급한 제1목적에 따른 자가발전센서를 준비하는 단계; 상기 자가발전센서의 3D 구조의 중단측에 외부 힘이 인가되는 단계; 복수의 제1전극필름 각각의 출력을 측정하는 단계; 및 복수의 제1전극필름 각각의 출력의 크기, 출력 차이, 출력 양상을 기반으로 상기 힘의 방향, 크기, 변위를 분석하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는자가발전센서를 이용한 다축 감지방법으로서 달성될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 3차원 구조를 이용한 다축 감지용 자가발전센서 및 그 제조방법에 따르면, 센서의 3차원 구조를 활용한 다축 변위 감지용 자가 발전 센서의 개발과 그 제작 방법에 대한 것으로, 다축 변위 센서는 단일 축 방향의 변위 뿐만 아니라, 다양한 축 방향의 변위를 감지하는 장치로서 이의 개발을 위해서, 본 발명의 실시예에서는 기계적 좌굴 현상을 활용하여 2차원 구조의 전구체로부터 3차원 구조를 제작하고, 제작된 3차원 구조는 다축 변위를 수용할 수 있을 뿐만 아니라, 3차원 직교 좌표계의 3축 방향으로 독립적인 움직임 또한 가능하며 이와 함께, 센서는 일렉트렛(electret)을 기반으로 한 자가 발전형 정전용량(capacitive) 센서이기 때문에, 외부 전원의 도움 없이도 센서의 작동이 가능하여, 기계적 좌굴 기반의 3차원 구조와 일렉트렛을 활용함으로써, 손쉽게 다축 변위 감지용 자가 발전 센서를 제작할 수 있는 장점이 있다.
본 발명의 실시예에 따른 3차원 구조를 이용한 다축 감지용 자가발전센서 및 그 제조방법에 따르면, 기계적 좌굴 기반의 3차원 구조 제작 공정을 활용하여, 손쉽게 다축 변위 감지용 자가 발전 센서를 제작할 수 있고, 기계적 좌굴 기반의 3차원 구조 제작 공정을 통해서, 2차원 전구체로부터 3차원 구조를 제작하는 동안 자연스럽게 다축 변위 센서에 요구되는 범퍼구조와 프레임구조 등이 동시에 자연적으로 생성된고 또한, 3차원 구조에서 프레임 역할을 하는 다리(bridge)의 모양을 합리적으로 설계함에 따라, 3차원 직교 좌표계의 3축 방향으로 독립적인 움직임이 가능하고, 이에 따라, 센서는 정밀한 다축 변위 측정이 가능하고 이와 함께, 고분자에 전기장을 가함으로써, 인위적으로 전자를 주입하여 제작된 일렉트렛을 사용함으로써 자가 발전형 센서로 작동될 수 있는 효과를 갖는다.
그리고 본 발명의 실시예에 따른 3차원 구조를 이용한 다축 감지용 자가발전센서 및 그 제조방법에 따르면, 다축 변위 센서뿐만 아니라 다축 힘 센서로도 활용이 가능하며, 잠재적인 활용분야로 로봇공학 및 사물인터넷 분야 등이 있으며 특히, 다축 변위 센서는 정밀하고 민감하기 때문에, 정밀한 기계 제어를 필요로 하는 컨트롤러나 가상현실 기술에 활용될 수 있는 장점이 있다.
또한 최근, 사물 인터넷과 스마트 기기 등의 빠른 발전으로 인해서 센서는 많은 관심을 받고 있으며, 중요한 역할을 하는 요소 중 하나이다. 다양한 센서 중 다축 센서는 그 제작에 있어 다양하고 복잡한 공정이 수반되었다. 하지만, 본 발명의 실시예에 따른 3차원 구조를 이용한 다축 감지용 자가발전센서 및 그 제조방법에 따르면, 손쉽게 다축 변위 센서를 제작할 수 있어, 많은 센서를 제작함으로써 더욱 다양한 활용처에 사용할 수 있는 장점이 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 3차원 구조를 이용한 다축 감지용 자가발전센서 및 그 제조방법에 따르면, 외부 전력 공급 없이 작동할 수 있는 시스템이기 때문에, 앞으로 다축 변위 감지를 위한 자가 발전형 센서를 필요로 하는 데에 기여를 할 수 있다.
한편, 본 발명에서 얻을 수 있는 효과는 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술적 사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석 되어서는 아니 된다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 3차원 구조를 이용한 다축 감지용 자가발전센서의 사진,
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 3차원 구조를 이용한 다축 감지용 자가발전센서를 이용한 다축 감지방법의 흐름도,
도 3a는 본 발명의 실시예에 따라 평면방향으로 인장력이 인가된 신축성 기판의 사시도,
도 3b는 본 발명의 실시예에 따른 신축성 기판과 2D 패턴구조(2D 전구체)와 음전자 대전필름의 분해 사시도,
도 3c는 본 발명의 실시예에 따른 신축성 기판에 2D 패턴구조가 부착된 사시도,
도 3d는 도 3c에서 인장력을 해제하여 형성된 본 발명의 실시예에 따른 3차원 구조를 이용한 다축 감지용 자가발전센서의 사진,
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 2D 패턴구조의 분해 사시도,
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 일렉트렛 제조방법의 흐름도,
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 일렉트렛 제조장치의 모식도,
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 수평방향 변위에 대한 센싱메커니즘과 제1전극필름 각각에 대한 예상출력,
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 수직방향 변위에 대한 센싱메커니즘과 제1전극필름 각각에 대한 예상출력,
도 9a는 본 발명의 실험예에 따른 센서를 모식적으로 나타낸 평면도와 측면도,
도 9b는 본 발명의 실험예에 따른 수평방향변위, 수직방향변위, 복합적인 변위에 대한 각 제1전극필름 각각의 출력 거동을 나타낸 것이다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 3차원 구조를 이용한 다축 감지용 자가발전센서의 사진,
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 3차원 구조를 이용한 다축 감지용 자가발전센서를 이용한 다축 감지방법의 흐름도,
도 3a는 본 발명의 실시예에 따라 평면방향으로 인장력이 인가된 신축성 기판의 사시도,
도 3b는 본 발명의 실시예에 따른 신축성 기판과 2D 패턴구조(2D 전구체)와 음전자 대전필름의 분해 사시도,
도 3c는 본 발명의 실시예에 따른 신축성 기판에 2D 패턴구조가 부착된 사시도,
도 3d는 도 3c에서 인장력을 해제하여 형성된 본 발명의 실시예에 따른 3차원 구조를 이용한 다축 감지용 자가발전센서의 사진,
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 2D 패턴구조의 분해 사시도,
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 일렉트렛 제조방법의 흐름도,
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 일렉트렛 제조장치의 모식도,
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 수평방향 변위에 대한 센싱메커니즘과 제1전극필름 각각에 대한 예상출력,
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 수직방향 변위에 대한 센싱메커니즘과 제1전극필름 각각에 대한 예상출력,
도 9a는 본 발명의 실험예에 따른 센서를 모식적으로 나타낸 평면도와 측면도,
도 9b는 본 발명의 실험예에 따른 수평방향변위, 수직방향변위, 복합적인 변위에 대한 각 제1전극필름 각각의 출력 거동을 나타낸 것이다.
이상의 본 발명의 목적들, 다른 목적들, 특징들 및 이점들은 첨부된 도면과 관련된 이하의 바람직한 실시예들을 통해서 쉽게 이해될 것이다. 그러나 본 발명은 여기서 설명되는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예들은 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 통상의 기술자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다.
본 명세서에서, 어떤 구성요소가 다른 구성요소 상에 있다고 언급되는 경우에 그것은 다른 구성요소 상에 직접 형성될 수 있거나 또는 그들 사이에 제 3의 구성요소가 개재될 수도 있다는 것을 의미한다. 또한 도면들에 있어서, 구성요소들의 두께는 기술적 내용의 효과적인 설명을 위해 과장된 것이다.
본 명세서에서 기술하는 실시예들은 본 발명의 이상적인 예시도인 단면도 및/또는 평면도들을 참고하여 설명될 것이다. 도면들에 있어서, 막 및 영역들의 두께는 기술적 내용의 효과적인 설명을 위해 과장된 것이다. 따라서 제조 기술 및/또는 허용 오차 등에 의해 예시도의 형태가 변형될 수 있다. 따라서 본 발명의 실시예들은 도시된 특정 형태로 제한되는 것이 아니라 제조 공정에 따라 생성되는 형태의 변화도 포함하는 것이다. 예를 들면, 직각으로 도시된 영역은 라운드지거나 소정 곡률을 가지는 형태일 수 있다. 따라서 도면에서 예시된 영역들은 속성을 가지며, 도면에서 예시된 영역들의 모양은 소자의 영역의 특정 형태를 예시하기 위한 것이며 발명의 범주를 제한하기 위한 것이 아니다. 본 명세서의 다양한 실시예들에서 제1, 제2 등의 용어가 다양한 구성요소들을 기술하기 위해서 사용되었지만, 이들 구성요소들이 이 같은 용어들에 의해서 한정되어서는 안 된다. 이들 용어들은 단지 어느 구성요소를 다른 구성요소와 구별시키기 위해서 사용되었을 뿐이다. 여기에 설명되고 예시되는 실시예들은 그것의 상보적인 실시예들도 포함한다.
본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 '포함한다(comprises)' 및/또는 '포함하는(comprising)'은 언급된 구성요소는 하나 이상의 다른 구성요소의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.
아래의 특정 실시예들을 기술하는데 있어서, 여러 가지의 특정적인 내용들은 발명을 더 구체적으로 설명하고 이해를 돕기 위해 작성되었다. 하지만 본 발명을 이해할 수 있을 정도로 이 분야의 지식을 갖고 있는 독자는 이러한 여러 가지의 특정적인 내용들이 없어도 사용될 수 있다는 것을 인지할 수 있다. 어떤 경우에는, 발명을 기술하는 데 있어서 흔히 알려졌으면서 발명과 크게 관련 없는 부분들은 본 발명을 설명하는데 있어 별 이유 없이 혼돈이 오는 것을 막기 위해 기술하지 않음을 미리 언급해 둔다.
이하에서는 본 발명의 실시예에 따른 3차원 구조를 이용한 다축 감지용 자가발전센서의 구성, 기능, 그 제조방법, 및 다축 변위 측정 매커니즘에 대해 설명하도록 한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 3차원 구조를 이용한 다축 감지용 자가발전센서의 사진을 도시한 것이다.
그리고 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 3차원 구조를 이용한 다축 감지용 자가발전센서를 이용한 다축 감지방법의 흐름도를 도시한 것이다.
또한 도 3a는 본 발명의 실시예에 따라 평면방향으로 인장력이 인가된 신축성 기판의 사시도, 도 3b는 본 발명의 실시예에 따른 신축성 기판과 2D 패턴구조(2D 전구체)와 음전자 대전필름의 분해 사시도, 도 3c는 본 발명의 실시예에 따른 신축성 기판에 2D 패턴구조가 부착된 사시도, 도 3d는 도 3c에서 인장력을 해제하여 형성된 본 발명의 실시예에 따른 3차원 구조를 이용한 다축 감지용 자가발전센서의 사진을 나타낸 것이다.
본 발명의 실시예에 따른 3차원 구조를 이용한 다축 감지용 자가발전센서(100)는 전체적으로 신축성 기판(10), 2D패턴구조(2D 전구체)(1), 음전하 대전필름(40), 복수의 제1전극필름(12), 복수의 제1전극필름(12) 각각의 출력을 측정하는 출력측정부, 제1전극필름(12) 간의 출력양상을 분석하여 외부 힘에 대한 방향, 크기, 변위를 분석하는 출력분석부 등을 포함하여 구성될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 3차원 구조를 이용한 다축 감지용 자가발전센서(100)의 제조방법에 대해 설명하면, 먼저, 도 3a에 도시된 바와 같이, 신축성 기판(10)에 대하여 평면방향으로 기 설정된 인장력을 인가하게 된다.
그리고 2D패턴구조(1)의 외측부(4) 각각을 기판(10)의 접합부(11) 각각에 접합시키게 된다.
본 발명의 2D패턴구조(1)는 도 4에 도시된 바와 같이, 하단부터 유전체 필름(30)-제2전극필름(20)-보호필름(50)이 적층된 형태를 가지며, 중단측(3)과 4개의 외측부(4) 그리고 중단측(3)와 외측부(4) 각각을 연결하는 탄성구조(2)를 포함하여 구성됨을 알 수 있다. 이러한 탄성구조(2)는 구불구불한 다리형태로 형성될 수 있으며, 다리형태의 장변의 길이방향은 중단측(3)와 외측부(4)를 연결하는 가상선에 대하여 특정 각도를 형성하도록 구성된다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 2D 패턴구조의 분해 사시도를 도시한 것이다. 보다 구체적으로 유전체 필름(30)은 폴리이미드(PI)필름으로 구성될 수 있으며, 중단부(31)와 4개의 접착부(32)와, 중단부(31)와 접착부(32) 각각을 연결하는 구불부불한 다리형태를 갖는 연결부(33)를 포함하여 구성될 수 있다, 그리고 상부로 적층되는 제2전극필름(20)은 전도성테이프로 구성될 수 있으며, 유전체 필름(30)과 동일한 형태로 전극단(21)과 4개의 외측단(22), 연결단(23)을 포함하여 구성되며 그 상측으로 동일한 형태를 갖는 보호필름(50)이 적층되게 된다. 보호필름(50)은 폴리이미드(PI) 필름으로 구성될 수 있다.
제조방법은 유전체 필름(30)-제2전극필름(20)-보호필름(50)을 순차적으로 적층 접합시킨 후(S1)에, 중단측(3), 탄성구조(2), 외측부(4)가 마련되도록 커팅기를 통해 절단하여 2D패턴구조(1)를 제작하게 된다(S2)
그리고 2D패턴구조(1)의 중단측(3) 하면에 음전하 대전필름(40)을 부착하게 된다. 이러한 음전하 대전필름(40)은 일렉트렛으로 구성될 수 있다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 일렉트렛 제조방법의 흐름도를 도시한 것이다. 그리고 도 6은 본 발명의 실시예에 따른 일렉트렛 제조장치의 모식도를 도시한 것이다.
도 5 및 도 6에 도시된 바와 같이, 음전하 대전필름(40)은, 음전하 주입 피가공재료를 전극판 하에서, 고전압이 인가되는 고전압 핀(42)에 의해 피가공재료 주위의 유체를 이온화하여, 생성된 이온들이 전기장에 의해 피가공재료 주입되어 제조될 수 있음을 알 수 있다. 이러한 피가공재료는 FEP필름일 수 있다.
구체적으로, 전극(43) 위에 FEP 필름을 위치시키고(S10), 고전압 발생기(41)의 음극에 핀(42)을 연결시키고, 양극에 전극(43)을 연결시키게 된다(S20).
그리고 고전압을 인가하면(S30), 코로나 방전으로 인해 핀(42) 주위 유체가 이온화되게 되며(S40), 코로나 방전에 의해 생성된 이온들이 전기장에 의해 FEP필름에 인위적으로 주입되어 음전하 대전필름(일렉트렛)(40)을 제작하게 된다.
그리고 기 설정된 인장력에 의해 변형되어 있는 신축성 기판(10)의 접합부(11)와, 2D패턴 구조(1)의 외측부(4) 즉, 유전체 필름(30) 양단의 접착부(32)를 서로 플라즈마 처리를 통해 화학적 결합에 의해 부착시키게 된다(S4). 신축성 기판(10)은 PDMS로 구성될 수 있다.
그리고 인가되었던 인장력을 제거하게 되면(S5), 늘려놓은 신축성 기판(10)이 복원력에 의해 원래 상태로 되돌아 보면서 2D패턴구조(1)에 압축 응력이 가해지게 되면서, 좌굴형상이 나타나 도 1 및 도 3d에 도시된 바와 같이, 3D 구조(70)가 형성되게 된다. 3D구조가 만들어지게 되면 신축성 기판(10)과 음전하 대전필름(40)이 이격되게 된다(S6).
그리고 기판(10)에 복수의 제1전극필름(12)을 부착하게 된다(S7). 이러한 제1전극필름(12) 각각은 음전하 대전필름(40)을 중심 기준으로 하여 외측으로 각각이 소정간격 이격되며, 서로 간에 원주방향으로 특정각도 이격되어 배치되게 된다.
구체적으로 도 1 및 도 3d에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에서는 외측부(4) 간의 사이공간 각각에 설치되어 총 4개의 제1전극필름(12)이 설치됨을 알 수 있다.
앞서 언급한 이러한 사전 변형률이 인가된 신축성 기판(10)에서 2D패턴 구조(1)를 접합시킨 후, 변형을 제거하여 기계적 좌굴에 의해 3D구조를 생성하게 되면, 기 설정된 인장력의 크기, 신축성 기판의 탄성력, 종류에 따라 유닛의 감도, 민감도, 작동 및 감지범위 등 유닛의 성능 특성을 조절, 가변, 제어할 수 있게 된다.
또한 구불구불한 다리 형태의 스페이서(60)의 형상, 재료, 두께, 너비, 및 길이에 따라 이러한 센서의 성능 특성을 조절, 가변, 제어할 수 있게 된다. 뿐만 아니라, 3D 구조(70)의 생성 후, 신축성 기판(10)에 기설정된 특정 변형력을 가하여 센서의 성능 특성이 가변시킬 수도 있다.
이하에서는 앞서 언급한 본 발명의 실시예에 따른 자가발전센서를 이용한 다축 감지방법, 감지 매커니즘, 및 실험예 등에 대해 설명하도록 한다.
앞서 언급한 방법으로 본 발명의 실시예에 따른 3차원 구조를 이용한 다축 감지용 자가발전센서(100)를 제작하게 된다.
그리고 이러한 자가발전센서(100)의 3D 구조(70)의 중단측에 외부 힘이 인가되게 된다(S8).
그리고 출력측정부는 복수의 제1전극필름(12) 각각의 출력을 측정하게 된다(S9). 또한 출력분석부는 복수의 제1전극필름(12) 각각의 출력의 크기, 출력 차이, 출력 양상을 기반으로 힘의 방향, 크기, 변위를 분석하게 된다(S10).
즉, 기본적으로 제1전극필름(12)과 음전하 대전필름(40)간의 거리에 따라 유도되는 양전하 양이 변화하게 되면, 특정 방향의 힘이 인가되어 음전하 대전필름(40)에 변위가 발생되는 경우, 음전하 대전필름(40)과 4개의 제1전극 필름(12) 간의 거리가 변하면서 그에 따른 상대적인 양전하 유도량에 따라 출력량이 변화되게 된다. 이러한 제1전극필름(12) 각각의 출력양상을 분석하여 방향, 변위, 힘의 크기를 감지할 수 있다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 수평방향 변위에 대한 센싱메커니즘과 제1전극필름 각각에 대한 예상출력을 나타낸 것이다. 즉 도 7은 제작된 센서의 메커니즘 중 수평 방향 변위에 대한 센싱 메커니즘과 예상 출력을 간단하게 나타낸 것이다.
음전하 대전필름(이하 일렉트렛)(40)이 붙어있는 3차원 구조에 전단력(수평방향힘)을 가하여 움직이면, 일렉트렛(40)과의 거리가 가까워지는 제1전극필름(도 7 기준 1번 전극(12-1))에는 상대적으로 많은 양전하가 유도된다. 반대로 일렉트렛(40)으로부터 멀리있는 제1전극필름(도 7 기준 3번 전극(12-3))은 일렉트렛(40)에 의한 정전기적 인력이 약해져서 유도된 양전하가 감소한다. 또한, 도 7에 도시된 2번 전극(12-2)과 4번 전극(12-[4) 또한 일렉트렛(40)으로부터 멀어지지만 3번 전극(12-3)보다는 가깝기 때문에, 약간의 양전하가 감소한다. 따라서, 이러한 출력 양상으로부터 수평 방향의 변위를 감지할 수 있다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 수직방향 변위에 대한 센싱메커니즘과 제1전극필름 각각에 대한 예상출력을 나타낸 것이다. 즉 도 8은 제작된 센서의 메커니즘 중 수직 방향 변위에 대한 센싱 메커니즘과 예상 출력을 간단하게 나타낸 것이다.
도 8에 도시된 바와 같이, 일렉트렛이 붙어있는 3차원 구조에 수직력을 가하여 움직이면, 모든 제1전극필름(도 8기준 1,2,3,4번 전극 모두)(12-1,12-2,12-3,12-4)이 일렉트렛(40)과의 거리가 가까워지기 때문에 동일한 량의 양전하가 각각의 제1전극필름(12-1,12-2,12-3,12-4)에 유도된다. 이에 따라, 각 제1전극필름(12-1,12-2,12-3,12-4)이은 동일한 출력을 나타낸다. 이로부터 본 센서(100)는 수직 방향의 방향의 변위를 감지할 수 있다.
도 9a는 본 발명의 실험예에 따른 센서를 모식적으로 나타낸 평면도와 측면도, 도 9b는 본 발명의 실험예에 따른 수평방향변위, 수직방향변위, 복합적인 변위에 대한 각 제1전극필름 각각의 출력 거동을 나타낸 것이다.
도 9b의 그래프들은 제작된 센서에 세 가지 특정 방향의 변위를 가했을 때, 출력을 나타낸 것이다.
첫 번째 그래프는 1번 전극(12-1)으로의 수평 방향 변위에 대한 각 전극의 출력 거동을 나타낸다. 첫 번째 그래프 도시된 바와 같이, 1번 전극(12-1)의 출력은 향상되고, 3번 전극(12-3)의 출력은 감소되며, 2,4번 전극(12-2,12-4)은 3번 전극(12-3) 만큼은 아니지만 출력이 감소되었음을 알 수 있다. 따라서 이러한 출력거동을 기반으로 1번 전극 측의 수평방향 힘이 인가되었음을 감지할 수 있으며, 1번 전극(12-1)의 출력 상승 크기를 기반으로 변위량, 힘의 크기를 분석할 수 있다.
두 번째 그래프는 수직 방향 변위에 대한 각 전극의 출력 거동을 나타낸다. 두 번째 그래프에서 나타난 바와 같이, 1,2,3,4번 전극(12-1,12-2,12-3,12-4) 모두 유사한 출력 증가량을 보임을 알 수 있고, 이러한 출력 거동을 기반으로 수직방향의 힘이 인가되었음을 알 수 있으며, 증가된 출력량을 기반으로 수직방향 변위량, 힘의 크기를 감지할 수 있다.
세 번째 그래프는 복합적인 변위에 대한 각 전극의 출력 거동을 나타내며, 세 번째 그래프에 나타난 바와 같이, 4개의 전극 모두 일정량의 출력 상승이 있음을 기반으로 수직방향의 힘이 인가되었음을 알 수 있으며 또한 1번 전극(12-1)의 상승크기가 가장크고, 3번 전극(12-3)의 출력 상승크기가 가장 작음으로부터 1번 전극(12-1) 측의 전단력도 동시에 인가되었음을 감지할 수 있다. 이를 바탕으로 개발된 센서(100)가 복합적인 변위 또한 잘 감지할 수 있음을 증명한다.
또한, 상기와 같이 설명된 장치 및 방법은 상기 설명된 실시예들의 구성과 방법이 한정되게 적용될 수 있는 것이 아니라, 상기 실시예들은 다양한 변형이 이루어질 수 있도록 각 실시예들의 전부 또는 일부가 선택적으로 조합되어 구성될 수도 있다.
1:2D 패턴 구조
2:탄성구조
3:중단측
4:외측부
10:신축성 기판
11:접합부
12:제1전극필름
12-1:1번 전극
12-2:2번 전극
12-3:3번 전극
12-4:4번 전극
20:제2전극필름
21:전극단
22:외측단
23:연결단
30:유전체필름
31:중단부
32:접착부
33:연결부
40:음전하 대전필름
41:고전압발생기
42:핀
43:전극
50:보호필름
60:스페이서
70:3D 구조
100:3차원 구조를 이용한 다축 감지용 자가발전센서
2:탄성구조
3:중단측
4:외측부
10:신축성 기판
11:접합부
12:제1전극필름
12-1:1번 전극
12-2:2번 전극
12-3:3번 전극
12-4:4번 전극
20:제2전극필름
21:전극단
22:외측단
23:연결단
30:유전체필름
31:중단부
32:접착부
33:연결부
40:음전하 대전필름
41:고전압발생기
42:핀
43:전극
50:보호필름
60:스페이서
70:3D 구조
100:3차원 구조를 이용한 다축 감지용 자가발전센서
Claims (14)
- 자가 발전형 센서로서,
기판;
상기 기판과 특정간격 이격되어 위치된 음전하로 대전된 음전하 대전필름;
상기 기판 상에 구비되며 상기 음전자 대전필름을 기준으로 서로 특정간격 이격되어 배치되는 복수의 제1전극필름; 및
상기 음전하 대전필름을 상기 기판 상에서 이격시키며 탄성구조를 갖는 스페이서;를 포함하는 것을 특징으로 하는 3차원 구조를 이용한 다축 감지용 자가발전센서
- 제 1항에 잇어서,
외부 힘에 의해 상기 음전하 대전필름의 위치가 변화되며 상기 제1전극필름 각각의 출력변화에 기반하여 인가된 힘의 방향과 변위와 크기를 분석하는 것을 특징으로 하는 3차원 구조를 이용한 다축 감지용 자가발전센서.
- 제 2항에 있어서,
상기 스페이서는 구불구불한 다리형태를 가지는 것을 특징으로 하는 3차원 구조를 이용한 다축 감지용 자가발전센서.
- 제 2항에 있어서,
상기 음전하 대전필름 상면에 부착되는 유전체 필름;
상기 유전체 필름 상면에 부착되는 제2전극필름; 및
상기 제2전극필름 상면에 부착되는 보호필름을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 3차원 구조를 이용한 다축 감지용 자가발전센서.
- 제 3항에 있어서,
상기 제2전극필름과 상기 유전체 필름 중 적어도 어느 하나는,
중단측과, 상기 중단측의 외측에 위치되는 복수의 외측부와, 상기 외측부 각각을 상기 중단측에 연결하는 탄성구조를 갖는 낮은 강성의 연결부를 포함하며,
상기 외측부는 상기 기판에 접착되는 부분이고, 상기 연결부가 탄성구조를 갖는 낮은 강성의 스페이서를 구성하게 되며, 상기 중단측은 상기 음전하 대전필름과 접합되는 위치이고,
상기 제1전극필름은 상기 중단측과 외측으로 소정간격 이격되며, 상기 외측부 간 사이공간 각각에 위치되는 것을 특징으로 하는 3차원 구조를 이용한 다축 감지용 자가발전센서.
- 제 5항에 있어서,
상기 구불구불한 다리형태에서 장변의 길이방향은 상기 음전하 대전필름과 상기 외측부을 연결하는 가상의 선에 대해 특정 각도를 갖는 것을 특징으로 하는 3차원 구조를 이용한 다축 감지용 자가발전센서.
- 제 4항에 있어서,
상기 음전하 대전필름은,
음전하 주입 피가공재료를 전극판 하에서, 고전압이 인가되는 고전압 핀에 의해 상기 피가공재료 주위의 유체를 이온화하여, 생성된 이온들이 전기장에 의해 상기 피가공재료 주입되는 것을 특징으로 하는 3차원 구조를 이용한 다축 감지용 자가발전센서.
- 제 4항에 있어서,
상기 기판은 신축성 기판인 PDMS로 구성되고,
상기 제1전극필름은 알루미늄, 상기 제2전극필름은 전도성 테이프로 구성되며, 상기 유전체 필름과 상기 보호필름은 PI로 구성되는 것을 특징으로 하는 3차원 구조를 이용한 다축 감지용 자가발전센서.
- 자가 발전형 유닛의 제조방법에 있어서,
제2전극필름과 유전체필름을 부착한 후 커팅기를 통해, 중단측과, 복수의 외측부와, 중단측과 외측부를 연결하는 탄성구조를 갖는 2D패턴 구조를 제작하는 단계;
상기 중단측 하면에 음전하로 대전된 음전하 대전필름을 부착하는 단계; 및
기 설정된 인장력 만큼 인장된 신축성 기판의 접합부 각각에 상기 외측부 각각을 접착하고, 상기 기 설정된 인장력을 해제하여 상기 2D패턴 구조에 압축력이 가해지면서 기계적 좌굴에 의해 상기 탄성구조가 낮은 강성의 스페이서가 되어 3D구조를 형성하는 단계; 및
상기 음전하 대전필름을 중심으로 외측으로 소정간격 이격되며 서로 원주방향으로 특정각도 이격되도록 복수의 제1전극필름을 상기 기판에 부착하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 3차원 구조를 이용한 다축 감지용 자가발전센서의 제조방법.
- 제 9항에 있어서,
상기 기 설정된 인장력의 크기, 상기 신축성 기판의 탄성력, 상기 탄성구조를 갖는 스페이서의 형상, 재료, 두께, 너비, 및 길이에 따라 상기 센싱 성능 특성을 조절하는 것을 특징으로 하는 3차원 구조를 이용한 다축 감지용 자가발전센서의 제조방법.
- 제 9항에 있어서,
상기 음전하 대전필름은,
음전하 주입 피가공재료를 전극판 하에서, 고전압이 인가되는 고전압 핀에 의해 상기 피가공재료 주위의 유체를 이온화하여, 생성된 이온들이 전기장에 의해 상기 피가공재료 주입되는 것을 특징으로 하는 3차원 구조를 이용한 다축 감지용 자가발전센서의 제조방법.
- 제 9항에 있어서,
상기 신축성 기판의 접합부와 상기 2D패턴의 외측부는 플라즈마 처리에 의해 접합되는 것을 특징으로 하는 3차원 구조를 이용한 다축 감지용 자가발전센서의 제조방법.
- 제 9항에 있어서,
상기 2D패턴 구조를 제작하는 단계에서, 상기 제2전극필름의 상면에 보호필름을 부착하는 것을 특징으로 하는 3차원 구조를 이용한 다축 감지용 자가발전센서의 제조방법.
- 자가발전센서를 이용한 다축 감지방법으로서,
제 1항 내지 제 8항 중 어느 한 항에 따른 자가발전센서를 준비하는 단계;
상기 자가발전센서의 3D 구조의 중단측에 외부 힘이 인가되는 단계;
복수의 제1전극필름 각각의 출력을 측정하는 단계; 및
복수의 제1전극필름 각각의 출력의 크기, 출력 차이, 출력 양상을 기반으로 상기 힘의 방향, 크기, 변위를 분석하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는자가발전센서를 이용한 다축 감지방법.
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| KR1020220069589A KR102707297B1 (ko) | 2022-06-08 | 2022-06-08 | 3차원 구조를 이용한 다축 감지용 자가발전센서, 그 제조방법 및 감지방법 |
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| KR20230169520A true KR20230169520A (ko) | 2023-12-18 |
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Citations (5)
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|---|---|---|---|---|
| JPS5037961B1 (ko) | 1968-08-30 | 1975-12-06 | ||
| KR101658308B1 (ko) | 2015-03-20 | 2016-09-20 | 서강대학교산학협력단 | 압전 에너지 수확소자가 집적된 자가발전형 정전용량 직물 센서 |
| KR101984866B1 (ko) | 2018-03-19 | 2019-05-31 | 울산과학기술원 | 자가 동력원 이용 센서 및 그 센서의 제조 방법 |
| KR102085295B1 (ko) | 2018-06-19 | 2020-03-05 | 한국과학기술원 | 자가발전형 압저항 센서 모듈 |
| KR20230073765A (ko) * | 2021-11-19 | 2023-05-26 | 경희대학교 산학협력단 | 일렉트렛 기반의 자가 발전형 정전용량 센서 및 그 제조방법 |
-
2022
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Patent Citations (5)
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