KR20230174095A - 복합 감지 방식 압력센서 - Google Patents

복합 감지 방식 압력센서 Download PDF

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KR20230174095A
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이보연
오선종
정영도
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한국기계연구원
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Abstract

본 발명의 일 측면에 따른 복합 감지 방식 압력센서는, 압저항 방식 및 마찰 대전 방식을 이용하여 압력을 측정하는 센서 모듈, 상기 센서 모듈에 결합되어, 전력 제공하는 전원 및 상기 센서 모듈에 결합된, 고정저항인 부하를 포함하며, 상기 센서 모듈은, 상기 전원에 연결되고, 전류가 흐르며 상기 압력을 가하면 이동하는 전극, 상기 전극이 접촉 시, 마찰에 의해 대전되는 제1 층 및 상기 제1 층에 결합되고, 상기 부하에 결합되어 상기 전류가 흐르는 제2 층을 포함하며 상기 제1 층은 상기 압력에 따라 저항 값이 변할 수 있다.

Description

복합 감지 방식 압력센서{COMPOSITE SENSING TYPE PRESSURE SENSOR}
본 발명은 복합 감지 방식 압력센서에 관한 것이다.
압력 센서는　압력을 측정하는　압력계의 일종으로, 주로 측정 결과를 전기신호로 변환하여 출력하는 압력계를 가리킨다. 압력 감지기, 압력 검출기라고도 하며, 압력 정보를 전기신호로 변환한다는 점을 강조하여 압력 변환기(pressure transducer, pressure converter)라고도 한다.
압력 감지 방식으로는 크게 가해진 압력을 연속적으로 감지하는 정전용량(capacitive) 방식 및 압저항(piezoresistive) 방식과, 순간적인 변화를 감지하는 압전(piezoelectric) 방식 및 마찰대전(triboelectric) 방식이 있다. 정전용량 방식 및 압저항 방식은 주로 정적 압력을 감지하며 압전 방식 및 마찰대전 방식은 주로 동적 압력을 감지한다.
이 중 압저항 방식은 압력동작범위가 넓지만 미세 압력에 대한 민감도가 낮은 문제가 있다. 마찰대전 방식은 미세진동도 감지하며, 압전 방식에 비해 출력 신호 크기 조절이 용이하지만, 펄스(pulse)형태의 출력신호를 띄어 정적 압력 측정이 제한적이다.
최근, 터치패널 및 전자피부(electronic skin)과 같은 여러 분야에서 압력센서가 활용되고 있는데, 여기서 활용되는 압력센서는 미세진동에서부터 높은 압력에 이르기까지 넓은 범위의 압력을 감지할 수 있어야 한다. 또한, 접촉변화와 같은 동적압력 뿐만 아니라, 지속적으로 가해지는 정적압력 모두 감지 해야할 필요가 있다.
이를 위해, 마찰대전 및 압저항 방식을 조합으로 한 압력센서에 대한 연구가 제시된 바 있으나, 기존의 경우에는 서로 다른 방식의 소자가 단순 직렬 연결된 형태로 되어 좁은 범위의 압력 범위나 정적압력 감지에 대한 한계를 해결하지 못하는 문제가 있다.
대한민국 등록특허공보 제10-2322132호 대한민국 등록특허공보 제10-2240611호
상기와 같은 기술적 배경으로, 본 발명은 하나의 소자가 마찰대전 방식 및 압저항 방식을 동시에 차용하여 넓은 동작범위에서 동적, 정적 압력 감지가 모두 가능한 높은 민감도의 복합 감지 방식 압력센서를 제공한다.
본 발명의 일 측면에 따른 복합 감지 방식 압력센서는, 압저항 방식 및 마찰 대전 방식을 이용하여 압력을 측정하는 센서 모듈, 상기 센서 모듈에 전력을 제공하는 전원 및 상기 센서 모듈에 결합된, 고정저항인 부하를 포함하며, 상기 센서 모듈은, 상기 전원에 연결되고, 상기 압력을 가하면 이동하는 전극, 상기 전극이 이동하여 접촉 시, 마찰에 의해 대전되는 제1 층 및 상기 제1 층 및 상기 부하의 사이에 전기적으로 결합되는 제2 층을 포함하며 상기 제1 층은 상기 압력에 따라 저항 값이 변한다.
상기 제1 층은, 상기 전극이 접촉할 때, 마찰 대전에 의해 전류를 생성하고, 상기 전극이 접촉된 후 압력이 인가될 때, 변형되어 저항 값이 변할 수 있다.
상기 제1 층은, 탄성력을 지니는 제1 탄성체 및 상기 제1 탄성체에 전기적으로 결합된 제1 전도성 필러를 포함할 수 있다.
상기 제2 층은, 탄성력을 지니는 제2 탄성체 및 상기 제2 탄성체에 전기적으로 결합된 제2 전도성 필러를 포함할 수 있다.
상기 제1 층의 전체 질량에 대한 상기 제1 전도성 필러의 질량비가 상기 제2 층의 전체 질량에 대한 상기 제2 전도성 필러의 질량비보다 작을 수 있다.
상기 제1 전도성 필러 및 상기 제2 전도성 필러 중 적어도 하나는 나노 전도성 입자일 수 있다.
상기 나노 전도성 입자의 직경은 500nm 내지 2um일 수 있다.
상기 제1 전도성 필러 및 상기 제2 전도성 필러 중 적어도 하나는 나노 전도성 튜브일 수 있다.
상기 제1 탄성체와 상기 제2 탄성체는 동일한 재질일 수 있다.
상기 제1 전도성 필러와 상기 제2 전도성 필러는 동일한 재질일 수 있다.
상기한 바와 같이, 본 발명의 일 측면에 따른 복합 감지 방식 압력센서는 하나의 소자가 마찰대전 방식 및 압저항 방식을 동시에 차용하여 넓은 동작범위에서 동적, 정적 압력 감지가 모두 가능하고 민감도가 높을 수 있다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 복합 감지 압력센서의 개념도이다.
도 2는 도 1의 복합 감지 압력센서의 압력에 따른 동작을 나타낸 도면이다.
도 3은 도 1의 복합 감지 압력센서가 동적 압력을 측정할 경우의 개념도이다.
도 4는 도 1의 복합 감지 압력센서가 정적 압력을 측정할 경우의 개념도이다.
도 5는 도 1의 제1 층의 압력에 따른 변화를 나타낸 단면도이다.
도 6은 도 1의 제1 층의 압력에 따른 저항 값 변화를 나타낸 그래프이다.
도 7은 기존 압저항 소자와 도 1의 복합 감지 압력센서의 압력감지 성능을 나타낸 그래프이다.
도 8은 도 1의 복합 감지 압력센서에 동적압력이 인가되었을 때 개방회로 전압을 나타낸 그래프이다.
도 9는 도 1의 복합 감지 압력센서에 동적압력이 인가되었을 때 단락회로 전류를 나타낸 그래프이다.
도 10은 본 발명의 제2 실시예에 따른 복합 감지 방식 압력센서를 나타낸 도면이다.
본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예를 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
본 발명에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 발명에서, '포함하다' 또는 '가지다' 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세히 설명한다. 이 때, 첨부된 도면에서 동일한 구성 요소는 가능한 동일한 부호로 나타내고 있음에 유의한다. 또한, 본 발명의 요지를 흐리게 할 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략할 것이다. 마찬가지 이유로 첨부 도면에 있어서 일부 구성요소는 과장되거나 생략되거나 개략적으로 도시되었다.
이하, 본 발명의 제1 실시예에 따른 복합 감지 방식 압력센서(1)에 대해 설명한다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 복합 감지 압력센서의 개념도이고, 도 2는 도 1의 복합 감지 압력센서의 압력에 따른 동작을 나타낸 도면이고, 도 3은 도 1의 복합 감지 압력센서가 동적 압력을 측정할 경우의 개념도이고, 도 4는 도 1의 복합 감지 압력센서가 정적 압력을 측정할 경우의 개념도이고, 도 5는 도 1의 제1 층의 압력에 따른 변화를 나타낸 단면도이고, 도 6은 도 1의 제1 층의 압력에 따른 저항 값 변화를 나타낸 그래프이다.
도 1 내지 도 6을 참조하면, 본 발명의 제1 실시예에 따른 복합 감지 방식 압력센서(1)는, 센서 모듈(10), 전원(20) 및 부하(30)를 포함할 수 있다. 여기에서, 도 1 내지 도 6에 도시되어 있는 구성 요소들 외에 다른 범용적인 구성 요소들이 복합 감지 방식 압력센서(1)에 더 포함될 수 있음을 본 실시예와 관련된 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이해할 수 있다.
본 실시예에 따른 복합 감지 방식 압력센서(1)는 마찰대전 방식을 활용해 동적압력을 감지하고 압저항 방식을 활용해 정적압력을 감지할 수 있다. 전원이 필요하지 않은 마찰대전 방식과 달리 압저항 방식도 활용하기 위해 전력을 제공하는 별도의 전원(20)이 구비될 수 있다. 마찰대전 방식은 크게 수직 접촉-분리 모드(vertical contact-separation mode)와 단일 전극 모드(single electrode mode)로 구분되는데, 복합 감지 방식 압력센서(1)에서는 전극(100) 및 다른 전극 역할을 하는 제2 층(300)이 회로로 연결되어 있지 않기 위해 단일 전극 모드가 활용될 수 있다. 이와 같이, 전극(100) 및 제2 층(300)이 회로로 연결되어 있지 않기 때문에 웨어러블 디바이스 등과 같은 다양한 응용분야 적응이 더욱 용이할 수 있다.
센서 모듈(10)은 전극(100), 제1 층(200) 및 제2 층(300)을 포함할 수 있다. 센서 모듈(10)은 압저항 방식 및 마찰 대전 방식을 이용하여 압력을 측정할 수 있다. 센서 모듈(10)은 동적압력을 감지할 때, 마찰 대전에 의해 전력을 공급하는 전력원의 역할을 할 수 있다(도 3 참조). 센서 모듈(10)은 정적압력을 감지할 때, 압력에 따라 저항이 변하는 가변저항의 역할을 할 수 있다(도 4 참조).
도 2 (a)를 참조하면, 압력이 인가되기 전의 센서 모듈(10)의 구성을 확인할 수 있다. 전극(100)은 제1 층(200)으로부터 일정거리 이격되어 위치한 바, 접촉에 의해 전류가 흐르거나 대전되지 않는다.
도 2(b)를 참조하면, 순간적으로 압력이 인가되었을 때의 센서 모듈(10)의 구성을 확인할 수 있다. 전극(100)은 제1 층(200)과 접촉하며, 마찰에 의해 전극(100)과 제1 층(200)은 반대 부호의 전하가 기계적으로 나뉘어 전류가 발생한다.
전극(100)과는 또 다른 전극 역할을 하는 제2 층(300)은 제1 층(200) 및 부하(30)의 사이에 전기적으로 결합된다. 전극(100)과 제1 층(200)의 마찰 대전에 의해 발생한 전류는 제2 층(300)을 통해 부하(30)를 따라 흐르게 된다. 이때, 센서 모듈(10)은 전력원의 역할을 할 수 있다. 상기 전류 값을 측정하여 동적압력을 감지할 수 있다. 이와 같이 센서 모듈(10)은 마찰대전 방식에 의해 동적압력을 측정할 수 있다.
도 2(c)를 참조하면, 지속적으로 압력이 인가되었을 때의 센서 모듈(10)의 구성을 확인할 수 있다. 전극(100)은 제1 층(200)과 접촉한 후에도 지속적으로 압력을 제1 층(200)에 전달할 수 있다. 제1 층(200)은 탄성재질의 제1 탄성체(210)를 포함하는 바, 형상이 변형되고 이에 따라 저항 값이 변화할 수 있다.
이때, 센서 모듈(10)은 가변저항의 역할을 할 수 있다. 즉, 후술하는 전원(20)이 가변저항 역할을 하는 센서 모듈(10)을 통과하여 부하(30)로 흐를 수 있다. 상기 전류 값을 측정하여 정적압력을 감지할 수 있다. 이와 같이 센서 모듈(10)은 압저항 방식에 의해 정적압력을 측정할 수 있다.
센서 모듈(10)은 압저항 방식 및 마찰 대전 방식을 모두 활용하는 바, 미세진동(<1kPa)에서부터 가벼운 접촉(<10kPa), 활동적인 움직임(<100kPa)에 이르는 넓은 범위의 압력을 감지할 수 있다.
전극(100)은 후술하는 전원(20)에 연결되고, 압력을 가하면 이동하며 전류가 흐를 수 있다. 전극(100)은 제1 층(200)으로부터 일정 간격 이격되어 배치되며, 압력을 가하면 제1 층(200) 방향으로 이동할 수 있다. 전극(100)은 제1 층(200)과 접촉할 경우, 마찰에 의해 대전되어 제1 층(200)과 반대 부호의 전하가 기계적으로 나뉘어 전류를 생성할 수 있다. 전극(100)은 제1 층(200)과 접촉한 이후에도 압력이 인가되는 경우, 압력을 제1 층(200)에 전달하여 제1 층(200)을 변형시킬 수 있다(도 2 참조).
또한, 전극(100)은 전원(20)의 전력을 후술하는 제1 층(200) 및 제2 층(300)으로 전달할 수 있다. 전극(100)은 전류가 흐를 수 있도록, 전류를 잘 전달하는 단조동, 그라파이트 및 황동 등의 도체(Conductor)으로 제작될 수 있다. 다만 전극(100)의 재질은 이에 한정되지 않고 전류를 잘 전달할 수 있는 어떠한 재질도 가능할 수 있다.
제1 층(200)은 제1 탄성체(210) 및 제1 전도성 필러(220)를 포함할 수 있다. 제1 층(200)은 전극(100)이 접촉 시, 마찰에 의해 대전될 수 있다. 제1 층(200)과 전극(100)이 접촉할 때, 제1 층(200)과 전극(100)은 마찰 대전에 의해 반대 부호의 전하로 기계적으로 나뉘고 이에 의해 전류가 생성될 수 있다. 즉, 제1 층(200)은 전극(100)이 접촉할 때, 마찰 대전에 의해 전류를 생성할 수 있다.
제1 층(200)은 압력에 따라 저항 값이 변할 수 있다. 제1 층(200)은 전극(100)이 제1 층(200) 방향으로 이동되어 인가되는 압력에 의해 형상이 변형될 수 있다. 이에 따라, 제1 층(200)의 전체 저항 값은 감소할 수 있다. 즉, 제1 층(200)은 전극(100)이 접촉된 후 압력이 인가될 때, 압력에 따라 저항 값이 변하는 가변저항일 수 있다. 제1 층(200)은 전극(100)과의 접촉면이 불규칙하게 돌출되어 마찰 대전에 의한 동적압력 측정 시 민감도를 향상시킬 수 있다.
도 5를 참조하면, 도 5(a)는 압력이 인가되기 전 제1 층(200)의 구성을 알 수 있고, 도 5(b)는 압력이 인가된 후 제1 층(200)의 구성을 알 수 있다. 이와 같이 제1 층(200)은 압력이 인가됨에 따라, 압축되어 두께가 감소할 수 있다. 이에 따라, 내부에 분포된 후술하는 제1 전도성 필러(220)의 거리가 가까워질 수 있다. 제1 전도성 필러(220)는 전류가 흐를 수 있는 바, 제1 전도성 필러(220)의 거리가 가까워지면 도전 경로(conduction path)가 증가하고 저항 값이 감소할 수 있다.
도 1 내지 도 6을 참조하면, 제1 층(200)의 전체 질량에 대한 제1 전도성 필러(220)의 질량비가 제2 층(300)의 전체 질량에 대한 제2 전도성 필러(320)의 질량비보다 작을 수 있다. 즉, 제1 층(200)은 제1 전도성 필러(220)에 비해 제1 탄성체(210)의 비중이 크고 제2 층(300)은 제2 탄성체(310)에 비해 제2 전도성 필러(320)의 비중이 클 수 있다.
전극(100)에 대응되는 다른 전극의 역할을 하는 제2 층(300)과 달리, 제1 층(200)은 제1 탄성체(210)에 제1 전도성 필러(220)가 저밀도로 존재하여 마찰층의 역할을 하는 동시에 압저항층의 역할을 할 수 있다. 따라서, 전도도(conductivity)가 높아야 하는 제2 층(300)과는 달리, 전도도가 비교적 낮고 형상 변형률이 높을 수 있다.
제1 탄성체(210)는 탄성력을 지니며 압력이 인가되면 형상이 변형될 수 있다. 제1 탄성체(210)는 강성이 낮아 원하는 모양, 두께 및 감도를 가지도록 제작될 수 있다. 이에 제1 탄성체(210)는 곡면이나 불규칙한 표면에도 적용될 수 있다. 제1 탄성체(210)는 고분자 재료, 탄성 중합체 및 PDMS(Polydimethylsiloxane) 등의 탄성력을 지닌 재질로 제작될 수 있다. 다만, 제1 탄성체(210)의 재질은 이에 한정되지 않고 다양한 재질을 가질 수 있다.
제1 탄성체(210)는 제2 탄성체(310)와 동일한 재질일 수 있다. 제1 탄성체(210)는 제2 탄성체(310)와 동일한 재질로 제작되는 바, 동일 공정에 의해 제작되어 제조 비용을 절감할 수 있다.
제1 전도성 필러(220)는 제1 탄성체(210)에 전기적으로 결합되고, 전류가 흐를 수 있다. 제1 전도성 필러(220)는 제1 탄성체(210)에 전기적으로 결합되어 제1 층(200)에 전류가 흐르도록 할 수 있다.
제1 전도성 필러(220)는 나노 전도성 입자일 수 있다. 상기 나노 전도성 입자의 직경은 500nm 내지 2um일 수 있다. 제1 전도성 필러(220)는 나노 전도성 입자로 이루어진 바, 제1 층(200)의 형상이 복잡하더라도 형상에 구애받지 않고 제1 층(200) 전반에 균등하게 분포될 수 있다.
다만, 나노 전도성 입자의 직경이 지나치게 작을 경우, 제1 층(200)의 두께(T1)가 감소하더라도 나노 전도성 입자의 접촉에 의한 도전경로가 형성되지 않아 저항 값의 변화가 미비할 수 있다. 따라서 나노 전도성 입자의 직경은 500nm 내지 2um인 것이 바람직할 수 있다.
제1 전도성 필러(220)와 제2 전도성 필러(320)는 동일한 재질일 수 있다. 제1 전도성 필러(220)와 제2 전도성 필러(320)는 동일한 재질로 제작되는 바, 동일 공정에 의해 제작되어 제조 비용을 절감할 수 있다.
제2 층(300)은 제2 탄성체(310) 및 제2 전도성 필러(320)를 포함할 수 있다. 제2 층(300)은 제1 층(200) 및 부하(30)의 사이에 전기적으로 결합되어, 전류가 흐를 수 있다. 제2 층(300)은 전극(100)에 대응되는 다른 전극 역할을 할 수 있다.
제2 층(300)은 전체 질량에 대한 제2 전도성 필러(320)의 질량비율이 제1 층(200)의 전체 질량에 대한 제1 전도성 필러(220)의 질량비율보다 클 수 있다. 제2 층(300)은 전극 역할을 하기 위해 전도도가 높아야 하는 바, 제2 전도성 필러(320)의 비율이 높을 수 있다. 또한, 제2 층(300)은 제1 층(200)과 달리 일정한 전도도를 유지해야 하고 형상이 변할 필요가 적은 바, 후술하는 제2 탄성체(310)의 비율이 적을 수 있다.
제2 층(300)은 제1 층(200)과 전극(100)이 접촉할 때, 마찰 대전에 의해 발생한 전류가 부하(30)로 흐르도록 할 수 있다. 제2 층(300)은 제1 층(200)에 전극(100)이 접촉된 후 압력이 인가될 때, 전원(20)에 의해 흐르는 전류가 가변저항인 제1 층(200)을 거쳐 부하(30)로 흐르도록 할 수 있다.
제2 탄성체(310)는 탄성력을 지니며 압력이 인가되면 형상이 변형될 수 있다. 제2 탄성체(310)는 강성이 낮아 원하는 모양, 두께 및 감도를 가지도록 제작될 수 있다. 이에 제2 탄성체(310)는 곡면이나 불규칙한 표면에도 적용될 수 있다. 제2 탄성체(310)는 고분자 재료, 탄성 중합체 및 PDMS(Polydimethylsiloxane) 등의 탄성력을 지닌 재질로 제작될 수 있다. 다만, 제2 탄성체(310)의 재질은 이에 한정되지 않고 다양할 재질을 가질 수 있다.
제2 탄성체(310)는 제1 탄성체(210)와 동일한 재질일 수 있다. 제2 탄성체(310)는 제1 탄성체(210)와 동일한 재질로 제작되는 바, 동일 공정에 의해 제작되어 제조 비용을 절감할 수 있다.
제2 전도성 필러(320)는 제2 탄성체(310)에 전기적으로 결합되고, 전류가 흐를 수 있다. 제2 전도성 필러(320)는 제2 탄성체(310)에 전기적으로 결합되어 제2 층(300)에 전류가 흐르도록 할 수 있다.
제2 전도성 필러(320)는 나노 전도성 입자일 수 있다. 상기 나노 전도성 입자의 직경은 500nm 내지 2um일 수 있다. 제2 전도성 필러(320)는 나노 전도성 입자로 이루어진 바, 제2 층(300)의 형상이 복잡하더라고 형상에 구애받지 않고 제2 층(300) 전반에 균등하게 분포될 수 있다.
다만, 나노 전도성 입자의 직경이 지나치게 작을 경우, 나노 전도성 입자의 접촉에 의한 도전경로가 형성되지 않아 전도도가 낮을 수 있다. 따라서 나노 전도성 입자의 직경은 500nm 내지 2um인 것이 바람직할 수 있다.
제2 전도성 필러(320)와 제1 전도성 필러(220)는 동일한 재질일 수 있다. 제1 전도성 필러(220)와 제2 전도성 필러(320)는 동일한 재질로 제작되는 바, 동일 공정에 의해 제작되어 제조 비용을 절감할 수 있다.
전원(20)은 센서 모듈(10)에 결합되어, 전력을 제공할 수 있다. 전원(20)은 마찰대전 방식에 의해 압력을 감지할 경우에는 필요 없을 수 있다. 전원(20)은 압저항 방식에 의해 압력을 감지할 경우에 가변저항 역할을 하는 센서 모듈(10)에 전류가 흐르도록 할 수 있다(도 4 참조). 전원(20)은 마찰대전 방식으로 압력 감지할 경우, 전하유도를 방해하는 요소가 될 수 있으나, 이는 단일 전극 마찰대전 방식을 차용하여 해결할 수 있다. 전원(20)은 전력을 제공할 수 있는 어떠한 종류의 전력원도 가능할 수 있다.
부하(30)는 센서 모듈(10)에 결합된 고정저항일 수 있다. 부하(30)는 전류가 흐르는 것을 방해할 수 있는 어떠한 종류의 저항도 가능할 수 있다.
이하에서는, 본 발명의 제1 실시예에 따른 복합 감지 방식 압력센서(1)의 성능에 대해서 설명한다.
도 7은 기존 압저항 소자와 도 1의 복합 감지 압력센서의 압력감지 성능을 나타낸 그래프이고, 도 8은 도 1의 복합 감지 압력센서에 동적압력이 인가되었을 때 개방회로 전압을 나타낸 그래프이고, 도 9는 도 1의 복합 감지 압력센서에 동적압력이 인가되었을 때 단락회로 전류를 나타낸 그래프이다.
도 7를 참조하면, 도 7(a)는 기존 압저항 소자에 미세한 압력을 인가하였을 때의 전류를 나타낸 그래프이고, 도 7(b)는 복합 감지 방식 압력센서(1)에 미세 압력을 인가하였을 때, 전류를 나타낸 그래프이다.
도 7(a)를 참조하면, 기존 압저항 소자는 노이즈와 구분이 어려울 정도로 전류 변화가 거의 없음을 알 수 있다. 이는, 기존 압저항 소자는 미세 압력을 충분히 감지할 수 없음을 의미한다.
도 7(b)를 참조하면, 본 발명의 복합 감지 방식 압력센서(1)는 미세 압력이 가해질 때, 전류가 급격한 경사의 피크(Peak)를 형성하고 압력이 지속될 때 일정한 전류를 유지함을 알 수 있다. 즉, 복합 감지 방식 압력센서(1)는 미세 압력을 감지할 수 있으며, 압력의 순간적인 변화(동적압력) 및 지속된 압력(정적압력)을 모두 측정할 수 있음을 알 수 있다.
도 8을 참조하면, 미세 압력을 일정한 속도로 인가하였을 때, 복합 감지 방식 압력센서의 개방 회로 전압(Open circuit voltage)을 확인할 수 있다.
도 9를 참조하면, 도 9(a)는 미세 압력을 일정한 속도로 인가하였을 때, 복합 감지 방식 압력센서의 단락회로 전류(Short circuit current)를 나타낸다. 도 9(b)는 도 9(a)의 피크를 확대하여 나타낸다.
도 8 및 도 9에서 모두 미세 압력이 가해질 때마다 피크를 형성하여 복합 감지 방식 압력센서(1)가 미세한 동적압력을 감지할 수 있음을 알 수 있다. 도 9(b)에서 미세 압력이 가해져 전극(100) 및 제1 층(200)이 접촉할 때 음의 방향으로 전류가 흐르고 미세 압력이 없어져 분리될 때는 양의 방향으로 전류가 흐름을 알 수 있다. 즉, 복합 감지 방식 압력센서(1)는 동적압력의 크기뿐만 아니라 방향도 감지할 수 있음을 알 수 있다.
이하에서는, 본 발명의 제2 실시예에 따른 복합 감지 방식 압력센서(1)에 대해서 설명한다.
도 10은 본 발명의 제2 실시예에 따른 복합 감지 방식 압력센서를 나타낸 도면이다.
도 10을 참조하여 설명하면, 본 제2 실시예에 따른 복합 감지 방식 압력센서(1)는 제1 전도성 필러(220) 및 제2 전도성 필러(320)를 제외하고는 상기 제1 실시예에 따른 복합 감지 방식 압력센서(1)와 동일한 구조로 이루어지므로 동일한 구성에 대한 중복 설명은 생략한다.
제1 전도성 필러(220)는 나노 전도성 튜브일 수 있다. 제1 전도성 필러(220)는 입자 형태의 나노 전도성 입자에 비해 일방향으로 연장된 막대 형상인 나노 전도성 튜브일 수 있다. 제1 전도성 필러(220)는 막대형상인 바, 복수의 나노 전도성 튜브가 상호 접촉하여 도전경로를 보다 용이하게 형성할 수 있다. 이 때, 나노 전도성 튜브의 직경은 수십nm 정도이면서 길이는 1um이상의 크기로 형성될 수 있다. 이에 따라, 압력이 인가되어 제1 층(200)의 두께(T1)가 줄어들 때, 저항 값이 보다 급격하게 감소할 수 있다. 이에 의해 압저항 방식으로 압력 감지할 때 복합 감지 방식 압력센서(1)의 민감도를 향상시킬 수 있다.
제2 전도성 필러(320)는 나노 전도성 튜브일 수 있다. 제2 전도성 필러(320)는 입자 형태인 나노 전도성 입자에 비해 일방향으로 연장된 막대 형상인 나노 전도성 튜브일 수 있다. 제2 전도성 필러(320)는 마찬가지로 막대형상인 바, 복수의 나노 전도성 튜브가 접촉하여 도전경로를 보다 용이하게 형성할 수 있다. 이 때, 나노 전도성 튜브의 직경은 수십nm 정도이면서 길이는 1um이상의 크기로 형성될 수 있다. 이에 따라, 전류가 흐르는 전극의 역할을 하는 제2 층(300)의 전도도가 높아질 수 있다. 이에 의해, 압저항 방식 및 마찰대전 방식으로 압력 감지할 때 복합 감지 방식 압력센서(1)의 민감도를 향상시킬 수 있다.
이상, 본 발명의 일 실시예에 대하여 설명하였으나, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서, 구성 요소의 부가, 변경, 삭제 또는 추가 등에 의해 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있을 것이며, 이 또한 본 발명의 권리범위 내에 포함된다고 할 것이다.
1 복합 감지 방식 압력센서
10 센서 모듈
20 전원
30 부하
100 전극
200 제1 층
210 제1 탄성체
220 제1 전도성 필러
300 제2 층
310 제2 탄성체
320 제2 전도성 필러

Claims (10)

  1. 압저항 방식 및 마찰 대전 방식을 이용하여 압력을 측정하는 센서 모듈;
    상기 센서 모듈에 전력을 제공하는 전원; 및
    상기 센서 모듈에 결합된, 고정저항인 부하를 포함하며,
    상기 센서 모듈은,
    상기 전원에 연결되고, 상기 압력을 가하면 이동하는 전극;
    상기 전극이 이동하여 접촉 시, 마찰에 의해 대전되는 제1 층; 및
    상기 제1 층 및 상기 부하의 사이에 전기적으로 결합되는 제2 층을 포함하며
    상기 제1 층은 상기 압력에 따라 저항 값이 변하는, 복합 감지 방식 압력센서.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 제1 층은,
    상기 전극이 접촉할 때, 상기 전극과의 마찰 대전에 의해 전류를 생성하고,
    상기 전극이 접촉된 후 압력이 인가될 때, 변형되어 저항 값이 변하는 복합 감지 방식 압력센서.
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 제1 층은,
    탄성력을 지니는 제1 탄성체 및
    상기 제1 탄성체에 전기적으로 결합된 제1 전도성 필러를 포함하는, 복합 감지 방식 압력센서.
  4. 제3 항에 있어서,
    상기 제2 층은,
    탄성력을 지니는 제2 탄성체 및
    상기 제2 탄성체에 전기적으로 결합된 제2 전도성 필러를 포함하는, 복합 감지 방식 압력센서.
  5. 제4 항에 있어서,
    상기 제1 층의 전체 질량에 대한 상기 제1 전도성 필러의 질량비가 상기 제2 층의 전체 질량에 대한 상기 제2 전도성 필러의 질량비보다 작은, 복합 감지 방식 압력센서.
  6. 제4 항에 있어서,
    상기 제1 전도성 필러 및 상기 제2 전도성 필러 중 적어도 하나는 나노 전도성 입자인, 복합 감지 방식 압력센서.
  7. 제6 항에 있어서,
    상기 나노 전도성 입자의 직경은 500nm 내지 2um인, 복합 감지 방식 압력센서.
  8. 제4 항에 있어서,
    상기 제1 전도성 필러 및 상기 제2 전도성 필러 중 적어도 하나는 나노 전도성 튜브인, 복합 감지 방식 압력센서.
  9. 제4 항에 있어서,
    상기 제1 탄성체와 상기 제2 탄성체는 동일한 재질인, 복합 감지 방식 압력센서.
  10. 제4 항에 있어서,
    상기 제1 전도성 필러와 상기 제2 전도성 필러는 동일한 재질인, 복합 감지 방식 압력센서.
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Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR102240611B1 (ko) 2018-11-05 2021-04-15 경희대학교 산학협력단 다층 구조 압력 센서를 이용한 압력 분포 영상화 장치 및 방법
KR102322132B1 (ko) 2019-12-31 2021-11-05 한국과학기술원 압전 물질을 이용한 고민감도 압력 센서 및 이를 이용한 스마트 디바이스

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