KR20240059913A - Soft pressure sensor and method for manufacturing the same - Google Patents
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Abstract
소프트 압력 센서가 개시된다. 본 발명에 따른 소프트 압력 센서는, 전하 축적 특성을 갖는 기능성 고분자를 포함하는 변형부; 상기 변형부 내에 패터닝 되어 센서를 작동시키기 위한 구동 전압을 인가하는 작동 전극부; 상기 변형부 내에 패터닝 되는 접지 전극부; 및 상기 작동 전극부 및 상기 접지 전극 사이에 전기적으로 연결되어 상기 센서의 임피던스를 측정하기 위한 제어부;를 포함한다.A soft pressure sensor is disclosed. A soft pressure sensor according to the present invention includes a deformable portion containing a functional polymer having charge accumulation characteristics; An operating electrode portion patterned within the deformable portion to apply a driving voltage to operate the sensor; a ground electrode portion patterned within the deformed portion; and a control unit electrically connected between the working electrode unit and the ground electrode to measure the impedance of the sensor.
Description
본 발명은 소프트 압력 센서 및 이의 제조방법에 관한 것이다. 더 자세하게는, 전하 축적 특성을 가지는 기능성 고분자와 액체 금속 전극을 이용하여 신축성을 가지면서도 인장에 대하여 독립적으로 압력 센싱이 가능한 소프트 압력 센서 및 이의 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a soft pressure sensor and a method of manufacturing the same. More specifically, it relates to a soft pressure sensor capable of sensing pressure independently of tension while being flexible using a functional polymer with charge accumulation characteristics and a liquid metal electrode, and a method of manufacturing the same.
현재 개발되고 있는 인장에 독립적인 압력 센서 기술은 비인장영역 구조, 3차원 전극 패턴 구조, 2차원 전극 패턴 구조를 바탕으로 연구되어 오고 있다. 비인장영역 구조는 압력 센싱을 하는 국부적 영역을 비신축성 소재로 제작하여 인장에 독립적인 압력 센싱을 하는 기술이다. 이 방법은 제작이 단순하다는 장점이 있으나, 각 영역마다 탄성계수가 다르기 때문에 내구성이 약하다는 단점이 있다.Tension-independent pressure sensor technology currently being developed has been studied based on non-tensile region structure, three-dimensional electrode pattern structure, and two-dimensional electrode pattern structure. The non-tensile region structure is a technology that performs tension-independent pressure sensing by manufacturing the local pressure sensing area with a non-elastic material. This method has the advantage of being simple to manufacture, but has the disadvantage of poor durability because the elastic modulus is different for each area.
또한, 3차원 전극 패턴 구조 및 2차원 전극 패턴 구조를 사용하는 방법은, 압력 센싱용 전극을 주름 형태로 배치하여 인장이 가해졌을 때 전극이 펴지면서 저항 변화를 야기하지 않는 구조를 사용하는 것이다. 해당 방법은 일반적으로 금속 전극을 사용하기 때문에 센싱 신호 전달이 유리하다는 장점이 있으나, 인장 및 외부 압력에 의해 전극 패턴이 파괴되기 쉽기 때문에 내구성이 약하다는 단점이 존재한다.In addition, a method of using a three-dimensional electrode pattern structure and a two-dimensional electrode pattern structure is to use a structure in which pressure sensing electrodes are arranged in a wrinkled shape so that the electrodes unfold when tension is applied and do not cause a change in resistance. This method has the advantage of being advantageous in transmitting sensing signals because it generally uses metal electrodes, but has the disadvantage of poor durability because the electrode pattern is easily destroyed by tension and external pressure.
한편, 종래의 전극 형성 방법으로는, 스탬프를 이용한 접촉 인쇄, 액체 금속의 내부 주입, 직접 쓰기 (Direct writing) 등이 있다. 스탬프를 이용한 접촉 인쇄의 경우, 미세 공정을 활용하여 스탬프를 제작하기 때문에 정밀한 패턴으로 액체 금속을 도포할 수 있다는 장점이 있으나, UV 처리를 통해 액체 금속 젖음성의 큰 변화가 있는 물질이 필요하다는 단점이 있다. 또한, 액체 금속의 내부 주입 방법의 경우, 액체 금속 주입 공정은 간단하다는 장점이 있지만, 센서 내부에 미세 유로를 형성하는 과정이 까다롭다는 단점이 존재한다. 또한, 직접 쓰기의 경우, 기판 표면에 원하는 패턴으로 전극 형성이 가능하다는 장점이 있으나, 기판 표면 특성과 액체 금속의 토출 조건의 최적화가 선행되어야 한다는 단점이 있다.Meanwhile, conventional electrode formation methods include contact printing using a stamp, internal injection of liquid metal, and direct writing. In the case of contact printing using a stamp, it has the advantage of being able to apply liquid metal in a precise pattern because the stamp is produced using a microprocess, but the disadvantage is that it requires a material that has a large change in liquid metal wettability through UV treatment. there is. Additionally, in the case of the internal injection method of liquid metal, the liquid metal injection process has the advantage of being simple, but there is a disadvantage that the process of forming a microchannel inside the sensor is difficult. In addition, in the case of direct writing, there is an advantage that electrodes can be formed in a desired pattern on the substrate surface, but there is a disadvantage that optimization of substrate surface characteristics and liquid metal discharge conditions must be preceded.
본 발명은 전하 축적 특성을 가지는 기능성 고분자에 액체 금속 전극을 활용하여, 인장에 독립적인 소프트 압력 센서 기술을 제공하고자 한다. The present invention seeks to provide a soft pressure sensor technology that is independent of tension by utilizing a liquid metal electrode in a functional polymer with charge accumulation properties.
또한, 기능성 고분자에 액체 금속 전극을 원활히 도포 및 주입할 수 있는 제조 기술을 제공하고자 한다.In addition, we aim to provide a manufacturing technology that can smoothly apply and inject liquid metal electrodes into functional polymers.
본 발명의 일 실시예에 따른 소프트 압력 센서는, 전하 축적 특성을 갖는 기능성 고분자를 포함하는 변형부; 상기 변형부 내에 패터닝 되어 센서를 작동시키기 위한 구동 전압을 인가하는 작동 전극부; 상기 변형 부 내에 패터닝 되는 접지 전극부; 및 상기 작동 전극부 및 상기 접지 전극 사이에 전기적으로 연결되어 상기 센서의 임피던스를 측정하기 위한 제어부;를 포함할 수 있다.A soft pressure sensor according to an embodiment of the present invention includes a deformed portion including a functional polymer having charge accumulation characteristics; An operating electrode portion patterned within the deformable portion to apply a driving voltage to operate the sensor; a ground electrode portion patterned within the deformed portion; and a control unit electrically connected between the working electrode unit and the ground electrode to measure the impedance of the sensor.
또한, 상기 변형부의 상기 기능성 고분자는, 고분자 사슬과 이동성 쌍극자가 혼합된 형태일 수 있다.Additionally, the functional polymer of the deformation portion may be a mixture of polymer chains and mobile dipoles.
또한, 상기 고분자 사슬은 가소화가 가능한 고분자 물질이고, 상기 이동성 쌍극자는 상기 고분자 사슬을 유연하게 만드는 액상 가소제일 수 있다.Additionally, the polymer chain may be a plasticizable polymer material, and the mobile dipole may be a liquid plasticizer that makes the polymer chain flexible.
또한, 상기 작동 전극부와 상기 접지 전극부는 액체 금속일 수 있다.Additionally, the working electrode portion and the ground electrode portion may be made of liquid metal.
또한, 상기 작동 전극부에 전압 인가 시, 상기 이동성 쌍극자가 상기 작동 전극부로 끌려가면서 전하 축적 영역이 형성되어, 상기 전하 축적 영역은 다른 영역에 비해 탄성계수가 낮은 것일 수 있다.In addition, when voltage is applied to the working electrode portion, the mobile dipole is attracted to the working electrode portion and a charge accumulation region is formed, so that the charge accumulation region may have a lower elastic modulus than other regions.
본 발명의 일 실시예에 따른, 소프트 압력 센서 패드는, 전하 축적 특성을 갖는 기능성 고분자를 포함하는 변형 패드; 상기 변형 패드 내에 소정의 배열로 패터닝 되어 센서를 작동시키기 위한 구동 전압을 인가하는 복수의 작동 전극부; 복수의 상기 작동 전극부에 대응하는 위치에 상기 변형 부 내에 패터닝 되는 복수의 접지 전극부; 및 각각의 상기 작동 전극부와 상기 접지 전극의 쌍에 전기적으로 연결되어 상기 변형 패드 내의 각 위치에서의 임피던스를 측정하기 위한 제어부;를 포함할 수 있다.According to one embodiment of the present invention, a soft pressure sensor pad includes a deformable pad containing a functional polymer having charge accumulation characteristics; a plurality of operating electrode units patterned in a predetermined arrangement within the deformable pad to apply a driving voltage to operate the sensor; a plurality of ground electrode portions patterned within the deformation portion at positions corresponding to the plurality of working electrode portions; and a control unit electrically connected to each pair of the working electrode unit and the ground electrode to measure impedance at each location within the deformable pad.
또한, 상기 소프트 압력 센서 패드는 로봇의 암의 안전외피로 사용될 수 있다.Additionally, the soft pressure sensor pad can be used as a safety shell for the robot arm.
본 발명의 일 실시예에 따른 소프트 압력 센서의 제조방법은, 전극 물질로 액체 금속을 용매인 수용액에 주입하고 초음파를 이용하여 1차 분산시키는 단계; 탈산화막 처리 용액과 액적 코팅 폴리머를 첨가하고, 초음파를 이용하여 2차 분산시키는 단계; 및 2차 분산된 상기 액체 금속을 기능성 고분자 위에 코팅하고, 상기 용매를 증발시켜 패터닝을 형성하는 단계;를 포함할 수 있다.A method of manufacturing a soft pressure sensor according to an embodiment of the present invention includes the steps of injecting liquid metal as an electrode material into an aqueous solution as a solvent and first dispersing it using ultrasonic waves; Adding a deoxidation film treatment solution and a droplet coating polymer and performing secondary dispersion using ultrasonic waves; And coating the secondary dispersed liquid metal on the functional polymer and evaporating the solvent to form patterning.
또한, 상기 초음파를 이용하여 2차 분산시키는 단계 이후에, 분산액을 방치하여 상기 액체 금속 액적을 침강시키는 단계; 및 침강된 상기 금속 액적을 남기고 상부의 용액을 제거하여 액적 금속 슬러리를 생성하는 단계;를 더 포함할 수 있다.In addition, after the step of secondary dispersion using ultrasonic waves, leaving the dispersion to precipitate the liquid metal droplets; and generating a droplet metal slurry by removing the upper solution, leaving behind the settled metal droplets.
본 발명의 일 실시예에 따른, 소프트 압력 센서는 인장에 독립적으로 반응할 수 있다. According to one embodiment of the present invention, a soft pressure sensor can respond independently to tension.
또한, 기능성 고분자에 대한 액체 금속 전극의 젖음성을 개선하여 제조할 수 있다.In addition, it can be manufactured by improving the wettability of the liquid metal electrode to the functional polymer.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 소프트 압력 센서 패드는 로봇의 안전외피 센서에 적용할 수 있고, 이 경우 로봇의 전체 구조를 감싸는 센서를 설계하여 기존의 안전외피가 보호하지 못했던 관절부도 보호할 수 있다. 이에 따라, 로봇이 외부 물체와 충돌할 때 로봇 안전외피 센서가 충격 흡수 및 비상 정지 기능을 수행하여 로봇과 물체 모두를 보호할 수 있다.In addition, the soft pressure sensor pad according to an embodiment of the present invention can be applied to the safety shell sensor of a robot. In this case, by designing a sensor that surrounds the entire structure of the robot, it can also protect joints that the existing safety shell did not protect. You can. Accordingly, when the robot collides with an external object, the robot safety envelope sensor can protect both the robot and the object by performing shock absorption and emergency stop functions.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 소프트 압력 센서의 제조 방법은, 액체 금속 잉크 및 슬러리는 기능성 고분자에 대한 젖음성이 매우 좋기 때문에 별도의 공정 없이도 정교한 전극 패터닝을 가능하게 할 수 있다.In addition, the method for manufacturing a soft pressure sensor according to an embodiment of the present invention can enable precise electrode patterning without a separate process because liquid metal ink and slurry have very good wettability for functional polymers.
또한, 액체 금속 액적 표면의 산화막을 제거하기 위한 소결 공정을 필요로 하지 않기 때문에, 기능성 고분자 등 다양한 기판을 안전하게 보호할 수 있다. Additionally, because it does not require a sintering process to remove the oxide film on the surface of the liquid metal droplet, various substrates such as functional polymers can be safely protected.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 소프트 압력 센서의 개념도이다.
도 2는 도 1의 선 A-A'를 따라 취한 단면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 압력 센서의 압력 감지 원리를 나타내는 도면이다.
도 4는 도 3에 있어서, 인장된 압력 센서의 압력 감지를 나타내는 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 소프트 압력 센서의 전극 소재 제조 방법을 나타내는 도면이다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 소프트 압력 센서의 전극 소재 제조 방법을 나타내는 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 소프트 압력 센서 패드의 개념도이다.
도 8은 도 7의 소프트 압력 센서가 적용된 로봇의 암을 나타내는 도면이다.1 is a conceptual diagram of a soft pressure sensor according to an embodiment of the present invention.
Figure 2 is a cross-sectional view taken along line A-A' in Figure 1.
Figure 3 is a diagram showing the pressure detection principle of a pressure sensor according to an embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a diagram showing pressure sensing by the tensioned pressure sensor in FIG. 3.
Figure 5 is a diagram showing a method of manufacturing an electrode material for a soft pressure sensor according to an embodiment of the present invention.
Figure 6 is a diagram showing a method of manufacturing an electrode material for a soft pressure sensor according to another embodiment of the present invention.
Figure 7 is a conceptual diagram of a soft pressure sensor pad according to an embodiment of the present invention.
FIG. 8 is a diagram showing the arm of a robot to which the soft pressure sensor of FIG. 7 is applied.
아래에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예가 상세하게 설명된다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고, 도면에서 본 발명의 실시예를 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략되었다.Below, with reference to the attached drawings, embodiments of the present invention are described in detail so that those skilled in the art can easily implement the present invention. However, the present invention may be implemented in many different forms and is not limited to the embodiments described herein. In addition, in order to clearly explain the embodiments of the present invention in the drawings, parts unrelated to the description have been omitted.
본 명세서에서 사용된 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도로 사용된 것이 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함할 수 있다.The terms used herein are merely used to describe specific embodiments and are not intended to limit the invention. Singular expressions may include plural expressions, unless the context clearly indicates otherwise.
본 명세서에서, "포함하다", "가지다" 또는 "구비하다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것으로서, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해될 수 있다.In this specification, terms such as “include,” “have,” or “equipped with” are intended to designate the presence of features, numbers, steps, operations, components, parts, or combinations thereof described in the specification. It can be understood that it does not exclude in advance the existence or possibility of addition of other features, numbers, steps, operations, components, parts, or combinations thereof.
또한, 본 발명의 실시예에 나타나는 구성부들은 서로 다른 특징적인 기능들을 나타내기 위해 독립적으로 도시되는 것으로, 각 구성부들이 분리된 하드웨어나 하나의 소프트웨어 구성단위로 이루어짐을 의미하지 않는다. 즉, 각 구성부는 설명의 편의상 각각의 구성부로 나열하여 기술되고, 각 구성부 중 적어도 두 개의 구성부가 합쳐져 하나의 구성부로 이루어지거나, 하나의 구성부가 복수 개의 구성부로 나뉘어져 기능을 수행할 수 있다. 이러한 각 구성부의 통합된 실시예 및 분리된 실시예도 본 발명의 본질에서 벗어나지 않는 한 본 발명의 권리 범위에 포함된다.Additionally, the components appearing in the embodiments of the present invention are shown independently to show different characteristic functions, and this does not mean that each component is comprised of separate hardware or one software component. That is, for convenience of explanation, each component is listed and described as each component, and at least two of each component may be combined to form one component, or one component may be divided into a plurality of components to perform a function. Integrated embodiments and separate embodiments of each of these components are also included in the scope of the present invention as long as they do not deviate from the essence of the present invention.
또한, 이하의 실시예들은 당 업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 보다 명확하게 설명하기 위해서 제공되는 것으로서, 도면에서의 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있다.Additionally, the following embodiments are provided to provide a clearer explanation to those with average knowledge in the art, and the shapes and sizes of elements in the drawings may be exaggerated for clearer explanation.
이하, 첨부된 도면을 참조하여, 본 발명에 따른 바람직한 실시예에 대하여 설명한다.Hereinafter, preferred embodiments according to the present invention will be described with reference to the attached drawings.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 소프트 압력 센서의 개념도이고, 도 2는 도 1의 선 A-A'를 따라 취한 단면도이다.FIG. 1 is a conceptual diagram of a soft pressure sensor according to an embodiment of the present invention, and FIG. 2 is a cross-sectional view taken along line A-A' of FIG. 1.
도 1 및 도 2를 참조하면 본 발명의 일 실시예에 따른, 소프트 압력 센서(100)는, 변형부(101), 작동 전극부(102), 접지 전극부(103) 및 제어부(108)를 포함한다.1 and 2, the soft pressure sensor 100 according to an embodiment of the present invention includes a deformation part 101, a working electrode part 102, a ground electrode part 103, and a control part 108. Includes.
변형부(101)는 전하 축적 특성을 갖는 기능성 고분자를 포함할 수 있다. 보다 구체적으로, 변형부(101)는 고분자 사슬(111)과 고분자 사슬(111) 사이에 기능성 고분자(110)가 퍼진 상태로 형성될 수 있다.The deformable portion 101 may include a functional polymer having charge accumulation properties. More specifically, the deformation portion 101 may be formed in a state in which the functional polymer 110 is spread between the polymer chains 111 and the polymer chains 111 .
작동 전극부(102)는 변형부(101) 내에 패터닝 되어 소프트 압력 센서(100)를 작동시키기 위한 구동 전압을 인가하기 위하여 마련된 것이고, 마찬가지로 접지 전극부(103)는 작동 전극부(102)에 대응되는 위치로 변형부(101) 내에 패터닝 되어 마련될 수 있다.The working electrode part 102 is patterned within the deformation part 101 and is provided to apply a driving voltage to operate the soft pressure sensor 100, and similarly, the ground electrode part 103 corresponds to the working electrode part 102. It may be provided by patterning within the deformation part 101 at a position that is desired.
제어부(108)는 작동 전극부(102)와 접지 전극부(103) 사이에 전기적으로 연결되어 소프트 압력 센서(100)의 임피던스를 측정하기 위해 마련될 수 있다. 작동 전극부(102)의 일단에는 제어부(108)와 연결되는 신호 전달선(106, 107)과 전기적으로 연결하기 위한 작동 전극 연결부(104) 및 접지 전극 연결부(105)를 포함할 수 있다.The control unit 108 may be electrically connected between the working electrode unit 102 and the ground electrode unit 103 to measure the impedance of the soft pressure sensor 100. One end of the working electrode unit 102 may include a working electrode connection part 104 and a ground electrode connection part 105 for electrical connection to the signal transmission lines 106 and 107 connected to the control unit 108.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 압력 센서의 압력 감지 원리를 나타내는 도면이고, 도 4는 도 3에 있어서, 인장된 압력 센서의 압력 감지를 나타내는 도면이다.FIG. 3 is a diagram illustrating the principle of pressure sensing of a pressure sensor according to an embodiment of the present invention, and FIG. 4 is a diagram illustrating pressure sensing of the tensioned pressure sensor in FIG. 3 .
먼저 도 3(a)을 참조하면, 변형부(101)의 기능성 고분자(110)는 고분자 사슬(111)과 이동성 쌍극자(113)가 혼합된 형태일 수 있다. 여기서, 고분자 사슬(111)은 가소화가 가능한 고분자 물질이고, 이동성 쌍극자(113)는 고분자 사슬(111)을 유연하게 하기 위한 액상 가소제일 수 있다. 또한, 작동 전극부(102)와 접지 전극부(103)는 액체 금속일 수 있다.First, referring to FIG. 3(a), the functional polymer 110 of the deformable portion 101 may be a mixture of polymer chains 111 and mobile dipoles 113. Here, the polymer chain 111 is a plasticizable polymer material, and the mobile dipole 113 may be a liquid plasticizer to make the polymer chain 111 flexible. Additionally, the working electrode portion 102 and the ground electrode portion 103 may be made of liquid metal.
도 3(b)는 소프트 압력 센서(100)에 구동 전압 인가 시 나타나는 전기적 변형을 나타내고, 도 3(c)는 압력 인가 시 나타나는 기계적 변형 및 인장에 독립적인 압력 감지 메커니즘을 나타내고 있다. 본 발명의 일 실시예에 따른 소프트 압력 센서(100)는 전하 축적 특성을 가지는 기능성 고분자(110)에, 작동 전극부(102) 및 접지 전극부(103)가 내장된 형태로 구성될 수 있다. 전하 축적 특성을 가지는 기능성 고분자(110)는 고분자 사슬(111)과 이동성 쌍극자(113)가 혼합된 형태로 구성될 수 있다. 이동성 쌍극자(113)는 일반적으로 고분자 물질을 유연하게 만드는 액상 가소제로 구현될 수 있고, 고분자 사슬(111)은 전체적인 형상을 유지하는 역할을 할 수 있다. 이로 인해, 기능성 고분자(110)는 높은 신축성을 가진 탄성체로 구현될 수 있다. FIG. 3(b) shows the electrical deformation that appears when a driving voltage is applied to the soft pressure sensor 100, and FIG. 3(c) shows a pressure sensing mechanism independent of mechanical deformation and tension that appears when pressure is applied. The soft pressure sensor 100 according to an embodiment of the present invention may be configured with a working electrode portion 102 and a ground electrode portion 103 built into a functional polymer 110 having charge accumulation characteristics. The functional polymer 110, which has charge accumulation characteristics, may be composed of a mixture of polymer chains 111 and mobile dipoles 113. The mobile dipole 113 can generally be implemented as a liquid plasticizer that makes polymer materials flexible, and the polymer chain 111 can play a role in maintaining the overall shape. Because of this, the functional polymer 110 can be implemented as an elastic material with high elasticity.
일례로, 고분자 사슬(111)은 Polyvinyl chloride(PVC)와 같이 가소화가 가능한 고분자 물질로 구성될 수 있고, 이동성 쌍극자(113)는 Dibutyl adipate(DBA), Propylene carbonate(PC), Acetyl Tributyl Citrate(ATBC) 등과 같은 가소제가 사용될 수 있다. 작동 전극부(102) 및 접지 전극부(103)는 기능성 고분자(110)에 내장된 형태로 구성될 수 있다. For example, the polymer chain 111 may be made of a plasticizable polymer material such as polyvinyl chloride (PVC), and the mobile dipole 113 may be made of Dibutyl adipate (DBA), Propylene carbonate (PC), and Acetyl Tributyl Citrate (ATBC). ), etc., may be used. The working electrode unit 102 and the ground electrode unit 103 may be built into the functional polymer 110.
각각의 전극부(102, 103)는 액체 금속 잉크, 액체 금속 슬러리, 액체 금속과 같이 고신축성을 가지고 인장 시 저항 변화가 없는 소재를 사용할 수 있다. 각각의 전극부(102, 103)의 제작 공정으로는, 기능성 고분자(110) 내에 각각의 전극부(102, 103)가 주입될 수 있는 유로를 먼저 형성해 둔 상태에서 각각의 전극 소재를 주입하는 방법이 적용될 수 있다. 다른 제작 공정으로는, 기능성 고분자(110)를 먼저 얇은 층으로 제작하고, 상기 얇은 층의 양면에 전극을 도포한 다음, 절연층을 코팅하는 방법을 사용할 수도 있다. Each of the electrode units 102 and 103 may use a material such as liquid metal ink, liquid metal slurry, or liquid metal that has high elasticity and does not change resistance when stretched. The manufacturing process of each electrode part (102, 103) involves first forming a flow path into the functional polymer 110 into which each electrode part (102, 103) can be injected, and then injecting each electrode material. This can be applied. As another manufacturing process, the functional polymer 110 may first be manufactured into a thin layer, electrodes may be applied to both sides of the thin layer, and then an insulating layer may be coated.
소프트 압력 센서(100)를 작동시키기 위하여 각각의 전극부(102, 103)는 작동 전극 연결부(104) 및 접지 전극 연결부(105)를 통하여 제어부(108)와 연결될 수 있다. 제어부(108)는 외부 제어기 역할을 수행하는 전자 회로로 구성될 수 있다. 제어부(108)는 소프트 압력 센서(100) 구동을 위한 전압 인가 및 센서 임피던스 측정이 가능한 회로가 내장될 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따른 소프트 압력 센서(100)는 작동 전극부(102) 와 접지 전극부(103) 사이에 전압을 인가함으로써 작동될 수 있다. In order to operate the soft pressure sensor 100, each electrode unit 102 and 103 may be connected to the control unit 108 through the operating electrode connection unit 104 and the ground electrode connection unit 105. The control unit 108 may be comprised of an electronic circuit that functions as an external controller. The control unit 108 may have a built-in circuit capable of applying voltage for driving the soft pressure sensor 100 and measuring sensor impedance. The soft pressure sensor 100 according to an embodiment of the present invention can be operated by applying voltage between the working electrode portion 102 and the ground electrode portion 103.
도 3(a)의 소프트 압력 센서에 구동 전압 인가 시 도 3(b)와 같이 전하 축적 영역(118)이 형성될 수 있다. 전하 축적 영역(118)은 기능성 고분자(110) 내의 이동성 쌍극자(113)가 작동 전극부(102)로 끌려가면서 형성될 수 있다. 형성된 전하 축적 영역(118)은 이동성 쌍극자(113)가 집중되어 있는 영역이기 때문에 다른 영역에 비하여 임피던스가 상대적으로 매우 높을 수 있다. 또한, 이동성 쌍극자(113)가 가소제로서의 역할을 하기 때문에 다른 영역에 비하여 탄성계수가 낮고 더욱 유연할 수 있다. When a driving voltage is applied to the soft pressure sensor of FIG. 3(a), a charge accumulation region 118 may be formed as shown in FIG. 3(b). The charge accumulation region 118 may be formed as the mobile dipole 113 in the functional polymer 110 is attracted to the working electrode portion 102. Since the formed charge accumulation region 118 is a region where the mobile dipoles 113 are concentrated, the impedance may be relatively very high compared to other regions. In addition, because the mobile dipole 113 acts as a plasticizer, the elastic modulus is lower than that of other regions and can be more flexible.
도 3(c)와 같이 소프트 압력 센서(100)에 압력 인가 시, 전하 축적 영역(118)은 탄성 계수가 낮고 국부적으로 더욱 유연하기 때문에 작은 압력이 작용하여도 쉽게 변형될 수 있다. 또한, 전하 축적 영역(118)은 임피던스가 높기 때문에 기계적 변형이 발생하였을 때 임피던스 변화량도 매우 높을 수 있다. 이에 따라, 전하 축적 영역(118)의 임피던스를 관측하면 외부에서 가해지는 압력을 매우 민감하게 감지할 수 있다. 이러한 임피던스 관측은 작동 전극부(102)와 접지 전극부(103) 사이에 구동 전압을 인가한 상태에서, 전류를 측정함으로써 구현할 수 있다. 구동 전압 인가 및 전류 측정 회로는 제어부(108)에 내장되어 구성할 수 있다. As shown in FIG. 3(c), when pressure is applied to the soft pressure sensor 100, the charge accumulation region 118 has a low elastic coefficient and is locally more flexible, so it can be easily deformed even when a small pressure is applied. Additionally, since the charge accumulation region 118 has high impedance, the amount of impedance change may be very high when mechanical deformation occurs. Accordingly, by observing the impedance of the charge accumulation region 118, pressure applied from the outside can be detected very sensitively. This impedance observation can be implemented by measuring the current while applying a driving voltage between the working electrode unit 102 and the ground electrode unit 103. The driving voltage application and current measurement circuit can be built into the control unit 108.
도 4는 도 3에 있어서, 인장된 압력 센서의 압력 감지를 나타내는 도면이다.FIG. 4 is a diagram showing pressure sensing by the tensioned pressure sensor in FIG. 3.
도 4를 참조하면, 소프트 압력 센서(100)에 작동 전압이 인가된 상태에서 도 4(a)와 같이 소프트 압력 센서(100)가 인장되는 경우, 기능성 고분자(110)와 작동 전극부(102), 접지 전극부(103)는 신축성을 가지기 때문에 전체적인 구조와 함께 인장될 수 있다. 그러나 전하 축적 영역(118)은 작동 전극부(102)와 접지 전극부(103)가 서로 교차되는 한 점에서 형성되고, 해당 두께 및 폭은 센서 전체 두께의 1/100 이하 수준으로 형성될 수 있다. 이에 따라, 소프트 압력 센서(100) 전체에 대한 기계적 인장이 발생하여도, 전하 축적 영역(118)에서는 기계적 변형이 거의 일어나지 않을 수 있다. 또한 전하 축적 영역(118)은 구동 전압 인가 후 수 시간 단위에 의해 형성되기 때문에, 수 초 사이에 발생하는 기계적 인장에 의하여 그 특성이 변화하지 않는다. 따라서, 전하 축적 영역(118)은 직접적인 압력이 가해지는 경우에 의해서만 변형되므로, 도 4(b)와 같이 인장에 독립적인 압력 감지할 수 있다.Referring to FIG. 4, when the soft pressure sensor 100 is stretched as shown in FIG. 4(a) while an operating voltage is applied to the soft pressure sensor 100, the functional polymer 110 and the working electrode portion 102 , Since the ground electrode portion 103 has elasticity, it can be stretched along with the overall structure. However, the charge accumulation region 118 is formed at a point where the working electrode portion 102 and the ground electrode portion 103 intersect, and the thickness and width may be formed to be less than 1/100 of the total thickness of the sensor. . Accordingly, even if mechanical tension occurs throughout the soft pressure sensor 100, little mechanical deformation may occur in the charge accumulation region 118. Additionally, since the charge accumulation region 118 is formed several hours after the driving voltage is applied, its characteristics do not change due to mechanical tension that occurs within a few seconds. Therefore, since the charge accumulation region 118 is deformed only when direct pressure is applied, pressure can be sensed independently of tension as shown in FIG. 4(b).
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 소프트 압력 센서의 전극 소재 제조 방법을 나타내는 도면이고, 도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 소프트 압력 센서의 전극 소재 제조 방법을 나타내는 도면이다.Figure 5 is a diagram showing a method of manufacturing an electrode material of a soft pressure sensor according to an embodiment of the present invention, and Figure 6 is a diagram showing a method of manufacturing an electrode material of a soft pressure sensor according to another embodiment of the present invention.
먼저 도 5를 참조하면, 센서를 구성하는 기능성 고분자(110)에 대한 액체금속의 젖음성이 좋은 경우, 액체 금속 자체를 주입하거나 코팅하는 방식으로 전극(102/103)을 형성할 수 있다. 만약 기능성 고분자(110)와 액체 금속 간의 젖음성이 좋지 않은 경우에는, 액체 금속(301)을, 물, 알코올 등의 용매(302)에 투입하고, 초음파(303)를 이용하여 미세 스케일의 액적으로 분산시킨 액체 금속 잉크(309)나 액체 금속 슬러리(311)를 활용하여 전극을 제작할 수 있다. First, referring to FIG. 5, when the wettability of the liquid metal to the functional polymer 110 constituting the sensor is good, the electrodes 102/103 can be formed by injecting or coating the liquid metal itself. If the wettability between the functional polymer 110 and the liquid metal is not good, the liquid metal 301 is added to a solvent 302 such as water or alcohol, and dispersed into fine-scale droplets using ultrasonic waves 303. An electrode can be manufactured using the prepared liquid metal ink (309) or liquid metal slurry (311).
도 5에 도시된 액체 금속 잉크를 제조하는 방법은, 전극 물질로 사용되는 갈륨계 액체금속(301)을, 물, 알코올 수용액 등의 용매(302)에 넣고 초음파(303)를 이용하여 미세 스케일의 액적으로 1차 분산시킬 수 있다. 이 경우, 액체 금속 액적 표면에는 산화막이 형성되기 때문에, 도포 후 소결 과정을 거치지 않으면 매우 낮은 전기 전도성을 가질 수 있다. 소결은 가열 혹은 가업 과정을 통해 이루어 지므로 소프트 압력 센서(100)의 기능성 고분자(110)와 전극 패턴 등에 손상을 초래할 수 있다. 따라서, 본 발명의 일 실시예에서는, 탈산화막 처리 용액(305)과 액적 코팅 폴리머(306)을 첨가하여 2차 초음파 분산(308)을 실시한다. 그 결과 제작된 액체 금속 잉크(309)는 액적 주변에 산화막이 형성되지 않기 때문에 소결 과정이 필요 없으며, 센서 제조 시 기능성 고분자와 전극 패턴의 손상을 방지할 수 있다. 액체 금속 잉크(309/310/312)는 기능성 고분자(311) 위에 코팅한 후, 용매를 증발시켜 패 터닝을 완료할 수 있다. The method of manufacturing liquid metal ink shown in FIG. 5 involves placing gallium-based liquid metal 301, used as an electrode material, in a solvent 302 such as water or an aqueous alcohol solution, and using ultrasonic waves 303 to create fine-scale It can be first dispersed into droplets. In this case, since an oxide film is formed on the surface of the liquid metal droplet, it may have very low electrical conductivity if a sintering process is not performed after application. Since sintering is performed through heating or processing, it may cause damage to the functional polymer 110 and electrode patterns of the soft pressure sensor 100. Therefore, in one embodiment of the present invention, the deoxidation film treatment solution 305 and the droplet coating polymer 306 are added to perform secondary ultrasonic dispersion 308. As a result, the produced liquid metal ink 309 does not require a sintering process because an oxide film is not formed around the droplet, and damage to the functional polymer and electrode pattern can be prevented during sensor manufacturing. Liquid metal ink (309/310/312) can be coated on the functional polymer (311) and then patterning can be completed by evaporating the solvent.
도 6을 참조하면, 액체 금속 슬러리(323)는 액체 금속 잉크에 비해 점도가 높으며 펴바름성이 더 좋다는 특징이 있다. 전체적인 제조 공정은 액체 금속 잉크와 동일하지만, 2차 초음파 분산(320) 이후 24시간가량 분산액을 방치하여 액체 금속 액적을 침강시킨다. 침강된 액체 금속 액적(321)만 남기고 상부의 용액(322)을 제거하면, 액체 금속 슬러리(323)를 얻을 수 있다. 이 액체 금속 슬러리(323/324/326)는 점도가 높고 펴바름성이 좋기 때문에 기능성 고분자(325) 위에 브러쉬를 이용하여 즉각적으로 코팅하는 것이 가능하다. 본 발명의 일 실시예에 따른 액체 금속 잉크(309) 및 액체 금속 슬러리(323)는 순수한 액체금속에 비하여 표면장력이 매우 낮기 때문에, 기능성 고분자(310/325) 등의 기판에 대한 액체 금속의 낮은 젖음성을 개선할 수 있다는 장점이 있다.Referring to FIG. 6, the liquid metal slurry 323 has the characteristics of higher viscosity and better spreadability compared to liquid metal ink. The overall manufacturing process is the same as that of liquid metal ink, but after the second ultrasonic dispersion (320), the dispersion is left for about 24 hours to allow the liquid metal droplets to settle. By removing the upper solution 322, leaving only the settled liquid metal droplets 321, the liquid metal slurry 323 can be obtained. Since this liquid metal slurry (323/324/326) has high viscosity and good spreadability, it is possible to immediately coat the functional polymer (325) using a brush. Since the liquid metal ink 309 and liquid metal slurry 323 according to an embodiment of the present invention have a very low surface tension compared to pure liquid metal, the liquid metal has a low resistance to substrates such as functional polymers 310/325. It has the advantage of improving wettability.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 소프트 압력 센서 패드의 개념도이다.Figure 7 is a conceptual diagram of a soft pressure sensor pad according to an embodiment of the present invention.
도 7을 참조하면, 대면적 배열형 소프트 압력 센서 패드(400)에 대한 실시예이다. 본 발명의 일 실시예에 따른 소프트 압력 센서는 인장에 독립적으로 압력 센싱을 할 수 있으며, 신축성이 있고, 한 지점에 가해진 압력을 측정할 수 있다. 이에 따라, 대면적의 압력을 측정하기 위하여 대면적으로 구성된 기능성 폴리머(401)에 액체 금속 전극(402/403)을 패터닝하고, 전극연결부(404/405)를 통해 제어부와 연결하는 것이 가능하다. 대면적 배열형 소프트 압력 센서 패드(400)의 해상도를 높이기 위하여 액체 금속 전극(402/403)을 더욱 촘촘하게 배열할 수 있다. 대면적 배열형 소프트 압력 센서 패드(400)는 로봇의 안전외피 센서, 웨어러블 로봇, 디스플레이 인터페이스, 및 차량의 안전을 위한 샤시의 표면 등 다양한 방면에 응용될 수 있다.Referring to FIG. 7, an example of a large-area array type soft pressure sensor pad 400 is shown. The soft pressure sensor according to an embodiment of the present invention can sense pressure independently of tension, has elasticity, and can measure pressure applied to a single point. Accordingly, in order to measure the pressure of a large area, it is possible to pattern liquid metal electrodes 402/403 on the functional polymer 401 composed of a large area and connect them to the control unit through the electrode connection parts 404/405. In order to increase the resolution of the large-area array-type soft pressure sensor pad 400, the liquid metal electrodes 402/403 can be arranged more densely. The large-area array-type soft pressure sensor pad 400 can be applied to various fields such as robot safety envelope sensors, wearable robots, display interfaces, and chassis surfaces for vehicle safety.
도 8은 도 7의 소프트 압력 센서가 적용된 로봇의 암을 나타내는 도면이다.FIG. 8 is a diagram showing the arm of a robot to which the soft pressure sensor of FIG. 7 is applied.
도 8을 참조하면, 소프트 압력 센서를 로봇의 안전외피로서 사용하는 실시예를 나타낸다. 로봇 안전외피 센서(502)는 충격 흡수 및 압력 감지가 가능한 시스템으로 구성되어, 로봇과 외부 물체가 충돌할 때 충격력을 감소시키는 장치이다. 본 발명의 일 실시예에 따른 로봇 안전외피 센서는(502)는 탄성체로 구성되기 때문에 생산, 물류 등에 사용되는 로봇 매니퓰레이터(501)의 전체 구조를 감싸도록 제작할 수 있다. 이때 로봇 안전외피 센서(502)는 신축성이 있으며, 인장에 독립적으로 압력 센싱이 가능하기 때문에 로봇의 관절부까지 감쌀 수 있을 뿐만 아니라 충돌을 감지할 수 있다. 종래의 로봇 안전외피 센서는 관절부에서 압력 센싱을 못한 다는 한계가 있었으나, 본 발명의 일 실시예에 따른 로봇 안전외피 센서는 여러 개의 센서(503/504)를 적절히 배열하여 로봇의 전체 영역을 보호할 수 있다.Referring to Figure 8, an embodiment of using a soft pressure sensor as a safety shell of a robot is shown. The robot safety envelope sensor 502 is composed of a system capable of shock absorption and pressure detection, and is a device that reduces impact force when a robot collides with an external object. Since the robot safety envelope sensor 502 according to an embodiment of the present invention is made of an elastic body, it can be manufactured to surround the entire structure of the robot manipulator 501 used in production, logistics, etc. At this time, the robot safety envelope sensor 502 is elastic and can sense pressure independently of tension, so it can not only cover the joints of the robot but also detect collisions. Conventional robot safety envelope sensors had the limitation of not being able to sense pressure at joints, but the robot safety envelope sensor according to an embodiment of the present invention protects the entire area of the robot by appropriately arranging multiple sensors (503/504). You can.
상술한 실시예들에 따른 본 발명의 일 실시예에 따른, 소프트 압력 센서는 인장에 독립적으로 반응할 수 있다. 또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 소프트 압력 센서의 제조 방법은, 액체 금속 잉크 및 슬러리는 기능성 고분자에 대한 젖음성이 매우 좋기 때문에 별도의 공정 없이도 정교한 전극 패터닝을 가능하게 할 수 있다. 또한, 액체 금속 액적 표면의 산화막을 제거하기 위한 소결 공정을 필요로 하지 않기 때문에, 기능성 고분자 등 다양한 기판을 안전하게 보호할 수 있다. According to one embodiment of the present invention according to the above-described embodiments, the soft pressure sensor may respond independently to tension. In addition, the method for manufacturing a soft pressure sensor according to an embodiment of the present invention can enable precise electrode patterning without a separate process because liquid metal ink and slurry have very good wettability for functional polymers. Additionally, because it does not require a sintering process to remove the oxide film on the surface of the liquid metal droplet, various substrates such as functional polymers can be safely protected.
본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시 예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해서 정해져야 할 것이다.The present invention has been described with reference to the embodiments shown in the drawings, but these are merely illustrative, and those skilled in the art will understand that various modifications and equivalent other embodiments are possible therefrom. Therefore, the true scope of technical protection of the present invention should be determined by the technical spirit of the appended claims.
100: 소프트 압력 센서
101: 변형부
102: 작동 전극부
103: 접지 전극부:
104: 작동 전극 연결부
105: 접지 전극 연결부
106, 107: 신호 전달선
118: 전하 축적 영역
110: 기능성 고분자
111: 고분자 사슬
113: 이동성 쌍극자100: soft pressure sensor 101: deformation part
102: Working electrode section 103: Ground electrode section:
104: working electrode connection 105: ground electrode connection
106, 107: signal transmission line 118: charge accumulation area
110: functional polymer 111: polymer chain
113: mobility dipole
Claims (9)
전하 축적 특성을 갖는 기능성 고분자를 포함하는 변형부;
상기 변형부 내에 패터닝 되어 센서를 작동시키기 위한 구동 전압을 인가하는 작동 전극부;
상기 변형부 내에 패터닝 되는 접지 전극부; 및
상기 작동 전극부 및 상기 접지 전극 사이에 전기적으로 연결되어 상기 센서의 임피던스를 측정하기 위한 제어부;를 포함하는 것인 소프트 압력 센서.
As a soft pressure sensor,
A modified portion containing a functional polymer having charge accumulation properties;
An operating electrode portion patterned within the deformable portion to apply a driving voltage to operate the sensor;
a ground electrode portion patterned within the deformed portion; and
A soft pressure sensor comprising a control unit electrically connected between the working electrode unit and the ground electrode to measure the impedance of the sensor.
상기 변형부의 상기 기능성 고분자는,
고분자 사슬과 이동성 쌍극자가 혼합된 형태인 것인 소프트 압력 센서.
According to paragraph 1,
The functional polymer of the deformation portion is,
A soft pressure sensor is a mixture of polymer chains and mobile dipoles.
상기 고분자 사슬은 가소화가 가능한 고분자 물질이고, 상기 이동성 쌍극자는 상기 고분자 사슬을 유연하게 만드는 액상 가소제인 것인 소프튼 압력 센서.
According to paragraph 2,
Soften pressure sensor, wherein the polymer chain is a plasticizable polymer material, and the mobile dipole is a liquid plasticizer that makes the polymer chain flexible.
상기 작동 전극부와 상기 접지 전극부는 액체 금속인 것인 소프트 압력 센서.
According to paragraph 1,
A soft pressure sensor wherein the working electrode portion and the ground electrode portion are made of liquid metal.
상기 작동 전극부에 전압 인가 시, 상기 이동성 쌍극자가 상기 작동 전극부로 끌려가면서 전하 축적 영역이 형성되어, 상기 전하 축적 영역은 다른 영역에 비해 탄성계수가 낮은 것인 소프트 압력 센서.
According to paragraph 2,
When voltage is applied to the working electrode part, the mobile dipole is attracted to the working electrode part and a charge accumulation region is formed, and the charge accumulation region has a lower elastic modulus than other regions.
전하 축적 특성을 갖는 기능성 고분자를 포함하는 변형 패드;
상기 변형 패드 내에 소정의 배열로 패터닝 되어 센서를 작동시키기 위한 구동 전압을 인가하는 복수의 작동 전극부;
복수의 상기 작동 전극부에 대응하는 위치에 상기 변형 부 내에 패터닝 되는 복수의 접지 전극부; 및
각각의 상기 작동 전극부와 상기 접지 전극의 쌍에 전기적으로 연결되어 상기 변형 패드 내의 각 위치에서의 임피던스를 측정하기 위한 제어부;를 포함하는 것인 소프트 압력 센서 패드.
As a soft pressure sensor pad,
Modified pad comprising a functional polymer with charge accumulation properties;
a plurality of operating electrode units patterned in a predetermined arrangement within the deformable pad to apply a driving voltage to operate the sensor;
a plurality of ground electrode portions patterned within the deformation portion at positions corresponding to the plurality of working electrode portions; and
A soft pressure sensor pad comprising a control unit electrically connected to each pair of the working electrode unit and the ground electrode to measure impedance at each location within the deformable pad.
상기 소프트 압력 센서 패드는 로봇의 암의 안전외피로 사용되는 것인 소프트 압력 센서 패드.
According to clause 6,
The soft pressure sensor pad is a soft pressure sensor pad used as a safety shell of a robot arm.
전극 물질로 액체 금속을 용매인 수용액에 주입하고 초음파를 이용하여 1차 분산시키는 단계;
탈산화막 처리 용액과 액적 코팅 폴리머를 첨가하고, 초음파를 이용하여 2차 분산시키는 단계; 및
2차 분산된 상기 액체 금속을 기능성 고분자 위에 코팅하고, 상기 용매를 증발시켜 패터닝을 형성하는 단계;를 포함하는 것인 소프트 압력 센서의 제조방법.
As a method of manufacturing a soft pressure sensor,
Injecting liquid metal as an electrode material into an aqueous solution as a solvent and first dispersing it using ultrasonic waves;
Adding a deoxidation film treatment solution and a droplet coating polymer and performing secondary dispersion using ultrasonic waves; and
A method of manufacturing a soft pressure sensor comprising: coating the secondary dispersed liquid metal on a functional polymer and evaporating the solvent to form patterning.
상기 초음파를 이용하여 2차 분산시키는 단계 이후에, 분산액을 방치하여 상기 액체 금속 액적을 침강시키는 단계; 및
침강된 상기 금속 액적을 남기고 상부의 용액을 제거하여 액적 금속 슬러리를 생성하는 단계;를 더 포함하는 것인 소프트 압력 센서의 제조방법.According to clause 8,
After the step of secondary dispersion using ultrasonic waves, leaving the dispersion to precipitate the liquid metal droplets; and
A method of manufacturing a soft pressure sensor further comprising: generating a droplet metal slurry by removing the upper solution, leaving behind the settled metal droplets.
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| KR20220014297A (en) | 2020-07-28 | 2022-02-04 | 고려대학교 산학협력단 | Method for fabricating electrode based on liquid metal |
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