WO2014208883A1 - 변형 센서 제조 방법, 변형 센서 및 변형 센서를 이용한 움직임 감지 장치 - Google Patents

변형 센서 제조 방법, 변형 센서 및 변형 센서를 이용한 움직임 감지 장치 Download PDF

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conductive
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conductive flexible
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홍용택
김태훈
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서울대학교 산학협력단
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Definitions

  • the present invention relates to a deformation sensor manufacturing method, a deformation sensor and a motion detection device using the deformation sensor.
  • a strain sensor refers to a sensor that senses a physical change such as tension, bending, or distortion applied to the sensor, and various industrial applications using the characteristic of detecting the physical change are possible. From the motion sensor for detecting the movement of the fingers and toes, it can be utilized as a smart sportswear that can check the degree of relaxation and contraction of the body joints and muscles, and the amount of exercise during exercise. In addition to human motion detection, sensitivity and standard adjustments can be used in a wide range of applications, from manufacturing large-area strain sensor arrays to micro crack detectors in equipment installations.
  • a conventional strain sensor is a sensor using a metal thin film, which is a sensor that can detect the deformation by measuring the resistance change caused by the physical change applied to the metal.
  • Deformation sensors using thin metal films are difficult to implement as human motion detectors because of their large area and low sensitivity.
  • the conventional deformation sensor has a disadvantage that the error of the detection result according to the speed at which deformation occurs.
  • the deformation sensor includes a flexible substrate, a rigid pattern disposed on one surface of the flexible substrate, and a conductive flexible pattern disposed extending in a first direction on the one surface of the flexible substrate.
  • the conductive flexible pattern is disposed to overlap with the solid pattern, and the conductive flexible pattern is compressed or stretched as the flexible substrate is compressed or stretched so that the electrical resistance changes.
  • the deformation sensor manufacturing method comprises the steps of preparing a flexible substrate, forming a first pattern on one surface of the flexible substrate, and curing the first pattern to form a solid pattern And forming a conductive flexible pattern, wherein the solid pattern and the conductive flexible pattern are formed using a printing process.
  • the motion monitoring apparatus includes a flexible substrate, a rigid pattern disposed on one surface of the flexible substrate, and a conductive flexible pattern extending in a first direction on the one surface of the flexible substrate.
  • a conductive flexible pattern is disposed to overlap with the solid pattern, and a strain sensor in which the conductive flexible pattern is compressed or stretched as the flexible substrate is compressed or stretched to change electrical resistance Mounted.
  • the effect of the electrical resistance caused by the crack of the conductive flexible line generated by the elongation and contraction of the flexible substrate is detected, it provides an advantage that the deformation of the living body or the object can be measured with high sensitivity.
  • the variation of the measurement result according to the speed of elongation and contraction is less than that of the prior art, thereby providing the advantage that the deformation of the object can be detected with high reliability.
  • the product can be produced by using a printing process, it can be manufactured by a simple manufacturing process, and an advantage that it can be easily implemented in a large area.
  • FIG. 1 is a view schematically showing an embodiment of a deformation sensor according to the present embodiment.
  • FIG. 2 is a diagram schematically illustrating a state in which a tensile force FTS is applied to a deformation sensor according to an exemplary embodiment in a direction opposite to each other along a first direction.
  • FIG 3 is a view schematically illustrating a state in which a large tensile force is applied to the conductive flexible line portions 130a, 130b, 130c so as to be spaced apart from each other.
  • FIG. 6 is a view showing the motion detecting apparatus 100 according to the present embodiment mounted on the skin of a joint part of a human hand.
  • FIG. 11 is a diagram showing the characteristics of the deformation sensor formed in accordance with the present embodiment.
  • strain sensor 12 is a photomicrograph of the strain sensor according to the present embodiment and the strain sensor according to the comparative example.
  • each step may occur differently from the stated order unless the context clearly dictates the specific order. That is, each step may occur in the same order as specified, may be performed substantially simultaneously, or may be performed in the reverse order.
  • the deformation sensor includes a flexible substrate, a rigid pattern disposed on one surface of the flexible substrate, and a conductive flexible pattern disposed extending in a first direction on one surface of the flexible substrate.
  • the conductive flexible pattern is disposed to overlap with the solid pattern, and the conductive flexible pattern is compressed or stretched as the flexible substrate is compressed or stretched, thereby changing the electrical resistance.
  • the flexible substrate 110 has elasticity and is deformed by compressive force and extension force applied from the outside. In one embodiment, the flexible substrate 110 is compressed, stretched and deformed in at least a first direction in which the conductive flexible pattern 120 extends.
  • the flexible substrate 110 may include rubber, PDMS, and polyurethane ( poly-urethane), stretchable fibers, ecoflex and commercially available stretchable tapes.
  • Both the conductive flexible pattern 130 and the hard pattern 120 are printed conductive materials.
  • the printable conductive material includes at least one of carbon nanotubes (CNT), carbon black, PEDOT: PSS, and conductive nano inks using zinc oxide (ZnO), silver (Silver, Ag), and the like. can do.
  • the hardened pattern 120 is hardened as described below, and its hardness is larger than that of the conductive flexible pattern 130.
  • the solid pattern 120 and the conductive flexible pattern 130 are disposed to overlap at least a part.
  • FIG. 1A illustrates a state in which a part of the solid pattern 120 is overlapped with the conductive flexible pattern 130
  • FIG. 1B illustrates a state in which the solid pattern is entirely overlapped with the conductive flexible pattern 130.
  • FIG. 1C illustrates a state in which the solid pattern 120 and the conductive flexible pattern 130 cross each other at a predetermined angle.
  • FIG. 2 is a diagram schematically illustrating a state in which a tensile force F TS is applied to a deformation sensor according to an exemplary embodiment in a direction opposite to each other along a first direction.
  • the tensile force (F TS ) applied in this process is enough to form a crack in the conductive flexible line, but is not sufficient to separate the portions 130a, 130b, and 130c of the conductive flexible line from each other.
  • F TS tensile force
  • the conductive flexible pattern 130 disposed on the flexible substrate also has flexibility, the conductive flexible pattern 130 extends along the direction in which the flexible substrate extends.
  • the hardened pattern 120 is hardened by a hardening process, and the adhesiveness to the flexible substrate 110 is improved by the hardening process, so that even when a tensile force is applied, the hardened pattern 120 is harder than the flexible substrate 110 or the conductive flexible pattern 130. The degree of stretching is small.
  • the conductive flexible line 130 positioned on the upper portion of the flexible substrate 110 extends along with the flexible substrate, but the conductive flexible line positioned on the upper portion of the rigid pattern 120 hardly extends along with the rigid pattern. . Therefore, as the tensile force is applied, cracks are generated in the conductive flexible line 130 along the boundary of the portion overlapped with the hard pattern 120, and the cracks generated by the conductive flexible line portions 130a and 130c are generated. The contact area between the conductive flexible line portions 130b formed on the solid pattern is reduced, thereby increasing the electrical resistance of the conductive flexible line.
  • FIG. 3 is a view schematically illustrating a state in which a large tensile force is applied to the conductive flexible line portions 130a, 130b, 130c so as to be spaced apart from each other.
  • the conductive flexible line is stretched by the tensile force applied to a larger magnitude than the tensile force applied in FIG. 2, the length of the conductive flexible line 130 increases, and the width of the conductive path further decreases to increase the electrical resistance.
  • a larger tensile force is applied, so that a crack is formed larger by the tensile force. That is, since the conductive flexible track portions 130a and 130c formed on the flexible substrate 110 and the conductive flexible track portions 130b formed on the solid pattern are spaced apart from each other, the conductive flexible track portions formed on the flexible substrate 110 ( The area where the electrical contact between 130a and 130c and the conductive flexible line portion 130b formed on the hard pattern 120 is further reduced. Thus, the conductive path width of the conductive flexible line is reduced, resulting in an increase in electrical resistance.
  • the flexible substrate is relaxed and restored to its original state by elasticity. Accordingly, as the flexible substrate is relaxed, the conductive flexible line patterns 130a and 130c, which are stretched, are also restored to their original widths and original lengths, and the conductive flexible line portion 130b and the conductive flexible lines located on the rigid pattern 120 are also restored. The line portions 130a and 130c are rejoined with spaced portions to form a conductive path again. Therefore, the conductive flexible line has a lower electric resistance value than the electric resistance measured in the state where the tensile force is applied.
  • FIG. 4 and 5 schematically illustrate another embodiment of a strain sensor.
  • the conductive flexible line 130 extends in one direction, and the plurality of hard patterns 120 are symmetrically arranged with respect to the conductive flexible pattern 130 along the first direction.
  • the plurality of solid patterns 120 are formed so that only a portion thereof overlaps the conductive flexible line 130.
  • FIG. 4B when a tensile force is applied in a direction opposite to each other along the extending direction of the conductive flexible line, no crack is formed in the conductive flexible line positioned between the solid patterns as shown. Cracks are formed in the areas where the hard patterns symmetrically arranged as a reference are formed to decrease the width of the conductive path, thereby increasing the electrical resistance.
  • the conductive flexible lines 130 extend in one direction, and the plurality of solid patterns 120 are alternately arranged with respect to the conductive flexible pattern along the first direction.
  • the plurality of hard patterns 120 are formed so that only a portion thereof overlaps with the conductive flexible line 130, and as shown in FIG. 5B, when the tensile force is applied in a direction opposite to each other along the extending direction of the conductive flexible line, the jig as shown in FIG. Cracks are formed in the form of zig-zag.
  • the length of the conductive path is increased, and the width of the conductive path is reduced compared to the width of the conductive path before the tensile force is applied. Therefore, as the tensile force is applied, the electrical resistance of the conductive flexible line 130 increases.
  • a person skilled in the art can refer to the above-described embodiments to adjust the arrangement of the solid patterns and the width of the solid patterns to adjust the difference in electrical resistance between the application of the tensile force and the application of the non-tensile force.
  • FIG. 6 is a view showing the motion detecting apparatus 100 according to the present embodiment mounted on the skin of a joint part of a human hand.
  • the motion monitoring apparatus 100 includes the deformation sensor according to the above-described embodiment, when the finger joint is bent, a tensile force is applied to the flexible substrate attached to the skin of the finger joint portion. Therefore, the electrical resistance of the flexible conductive line changes as described in the above embodiment.
  • the motion monitoring apparatus according to the present embodiment may include a deformation sensor disposed on the opposite side of the finger joint, each strain sensor is applied a tension force, the other deformation sensor is a compression force Are applied and operate complementarily to each other. Thus, motion can be detected with more precision and higher sensitivity.
  • the finger joint In the present embodiment has been described as an example of the finger joint, but this is for easy description, it can be mounted on living body joints, such as shoulders, knees, elbows, wrists and ankles.
  • the finger joints when observing the movement of the finger joints may be placed in the joint portion in the form of a glove can detect the movement, when observing the movement of large joints such as knee joints in the form of a band (band) It can be mounted on to detect movement.
  • a band band
  • the motion monitoring apparatus may be inserted into an artificial joint to detect motion.
  • the stress applied to the joint can be detected.
  • a flexible substrate 110 is prepared to form a first pattern on one surface of the flexible substrate.
  • the first pattern 120a is formed by printing with a printable conductive material.
  • the flexible substrate may be a PDMS substrate, and may be a substrate formed of a flexible material such as rubber, polyurethane, stretch fiber, ecoflex, and commercially available stretchable tape. Can be.
  • the printable conductive material may include, for example, a carbon-based material such as carbon nanotube (CNT), carbon black, and a conductive polymer material, and PEDOT: PSS may be used as the conductive polymer material.
  • a conductive nano ink using zinc oxide, silver, or the like may be used as the printable conductive material.
  • deionized water, a surfactant, and a carbon nanotube may be mixed at a predetermined ratio, and then filtered after ultrasonic mixing and centrifugation to form a printable conductive material.
  • the printable conductive material is printed with the predetermined solution to form the first pattern 120a.
  • the printing process is performed by a transfer print method in which a material for forming the first pattern is buried in the mold 200a and transferred thereto.
  • the process of printing and forming the first pattern is performed by ink jet printing in which a conductive material printable by the nozzle 200b is sprayed to form the first pattern.
  • the process of printing and forming the first pattern may include roll to roll priting, in which a printable conductive material is buried on the roller 200c and printed thereon to form a first pattern. ). Since the surface of the flexible substrate 110 is hydrophobic, when the first pattern is printed with a solution containing a conductive material, the pattern is formed without being spread and formed on the surface.
  • FIG. 9 is a diagram illustrating a step of forming a hardened pattern 120 by curing the first pattern.
  • UV Ultraviolet
  • the first pattern is cured by irradiated ultraviolet (UV) to form a rigid pattern (120), and the adhesion to the flexible substrate 110 increases during the curing process.
  • the surface of the flexible substrate is hydrophilic (hydrophillic) by the ultraviolet rays irradiated during the curing process.
  • Curing process for forming a solid pattern may be performed by performing heat treatment, laser irradiation, chemical treatment as well as ultraviolet treatment.
  • the conductive flexible line 130 is formed by printing with a printable conductive material.
  • the flexible substrate 110 may be a PDMS substrate and has flexibility such as rubber, PDMS, polyurethane, stretch fiber, ecoflex, and commercially available stretchable tape. It may be a substrate.
  • the printable conductive material may include, for example, carbon-based materials such as carbon nanotubes (CNTs) and carbon blacks, and conductive polymer materials or conductive nanoparticle-based inks.
  • the conductive polymer materials may be PEDOT: PSS. Can be used.
  • the conductive nanoparticle-based ink may be conductive nanoparticle-based ink using zinc oxide (Zn) and silver (Silver, Ag).
  • the conductive flexible line may be performed using a printing process in the same manner as forming the first pattern. That is, the conductive flexible line may be formed by performing transfer printing, ink generation printing or roll-to-roll printing.
  • the flexible conductive line since the hardening treatment is not performed after the formation of the flexible conductive line, the flexible conductive line has flexibility.
  • the flexible conductive line formed after the hardening process is formed in a state in which the surface of the flexible substrate is hydrophilically modified, and is formed by spreading on the surface of the flexible substrate 110 unlike the first pattern.
  • FIGS. 11 to 12. 11 is a diagram showing the characteristics of the deformation sensor formed in accordance with the present embodiment.
  • the deformation sensor formed by the present embodiment is ink jet printing a printable conductive material formed by dispersing carbon nanotubes and a surfactant, Sodium DodecylBenzeneSulfonate (SDBS) in DI water, performing ultrasonic dispersion and filtering after centrifugation.
  • SDBS Sodium DodecylBenzeneSulfonate
  • the size of the solid pattern in the conductive flexible line pattern is 900 ⁇ m.
  • the deformation sensor according to the present embodiment shows a constant reactivity regardless of the tensile and contraction rates causing deformation, and the resistance value changes by about 4 times compared to the relaxed state for 25% elongation, so the extension is performed with high sensitivity. And relaxation can be detected.
  • the change in the resistance value during stretching and contraction is shown to change linearly (linear) characteristic is also excellent.
  • 12 is a photomicrograph of the strain sensor according to the present embodiment and the strain sensor according to the comparative example.
  • 12 (a) is an upper view of the deformation sensor according to the present embodiment, the lower end is a view showing an enlarged state by 50% elongation by applying a tensile force to the deformation sensor according to this embodiment. Referring to the drawing shown at the bottom of FIG. 12 (a), it is clearly shown that cracks are formed on the conductive flexible line around the hardened pattern 120 by applying an extension force, and the conductive flexible line is formed by the crack formed as described above. The increase in electrical resistance at both ends has already been explained.
  • FIG. 12 (b) is a photograph of a deformation sensor according to a comparative example.
  • the comparative example shown in the upper part of FIG. 12 (b) was formed by performing curing with ultraviolet rays after the first pattern and the conductive flexible line were formed of the conductive material printable on the flexible substrate.
  • FIG. 12 (b) which shows an enlarged state by applying a tensile force to the comparative example thus formed, it can be seen that cracks are uniformly distributed in the conductive line.
  • the deformation sensor is formed as in the comparative example, the crack formation position and the degree of formation of the crack cannot be controlled, and thus the electric resistance change similar to the present embodiment cannot be expected even when a tensile force is applied.
  • strain sensor 110 flexible substrate

Abstract

본 실시예에 따른 변형 센서는 유연 기판(flexible substrate), 유연 기판의 일면에 배치된 굳은 패턴(rigid pattern), 유연 기판의 상기 일면에 제1 방향으로 연장되어 배치된 도전성 유연 패턴(conductive flexible pattern)을 포함하며, 도전성 유연 패턴은 상기 굳은 패턴과 겹치도록 배치되고, 유연 기판이 압축되거나, 신장됨에 따라 도전성 유연 패턴이 압축되거나, 신장되어 전기적 저항이 변화한다.

Description

변형 센서 제조 방법, 변형 센서 및 변형 센서를 이용한 움직임 감지 장치
본 발명은 변형 센서 제조 방법, 변형 센서 및 변형 센서를 이용한 움직임 감지 장치에 관한 것이다.
변형 센서(strain sensor)는 센서에 가해지는 인장, 굽힘 또는 뒤틀림 등의 물리적 변화를 감지하는 센서를 말하며, 이러한 물리적 변화를 감지하는 특성을 이용하는 다양한 산업적 응용이 가능하다. 손가락 및 발가락의 움직임 변화를 감지하는 모션 센서로부터, 운동시 신체 관절 및 근육의 이완과 수축 정도, 운동량 등을 체크할 수 있는 스마트 운동복 등으로 활용할 수 있다. 인간 움직임 감지 뿐만 아니라, 민감도 및 규격 조절을 통해 대면적 스트레인 센서 어레이 제작부터 기기 설비의 미세 균열 감지기 등 다양한 분야에서 활용 가능하다.
종래의 변형센서로는 금속 박막을 이용한 센서가 있으며, 이는 금속에 가해지는 물리적 변화에 의해 발생하는 저항변화를 측정하여 변형을 감지할 수 있는 센서이다. 금속 박막을 이용한 변형 센서는 특성상 대면적 구현이 어렵고 낮은 민감도 때문에 인간 움직임 탐지기로 활용하기 어렵다. 또한, 종래의 변형 센서는 변형이 일어나는 속도에 따른 감지 결과의 오차가 크다는 단점이 있다.
본 발명은 상술한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적중 하나는 높은 민감도로 생체 또는 물체의 변형을 측정할 수 있는 변형 센서 제조 방법, 그에 따른 변형 센서 및 변형 센서를 사용한 움직임 감지 장치를 제공하기 위한 것이다. 본 발명의 다른 목적 중 하나는 간단한 제조 공정으로 제작될 수 있는 변형 센서 제조 방법과, 변형 센서 및 변형 센서를 사용한 움직임 감지 장치를 제공하는 것이며, 본 발명의 또 다른 목적 중 하나는 용이하게 대면적으로 구현할 수 있는 변형 센서 제조 방법과, 변형 센서 및 변형 센서를 사용한 움직임 감지 장치를 제공하는 것이다.
본 실시예에 따른 변형 센서는 유연 기판(flexible substrate), 유연 기판의 일면에 배치된 굳은 패턴(rigid pattern), 유연 기판의 상기 일면에 제1 방향으로 연장되어 배치된 도전성 유연 패턴(conductive flexible pattern)을 포함하며, 도전성 유연 패턴은 상기 굳은 패턴과 겹치도록 배치되고, 유연 기판이 압축되거나, 신장됨에 따라 도전성 유연 패턴이 압축되거나, 신장되어 전기적 저항이 변화한다.
본 실시예에 따른 변형 센서 제조 방법은 유연 기판(flexible substrate)을 준비하는 단계와, 유연 기판의 일면에 제1 패턴(first pattern)을 형성하는 단계와, 제1 패턴을 경화시켜 굳은 패턴을 형성하는 단계 및 도전성 유연 패턴을 형성하는 단계를 포함하며, 굳은 패턴을 형성하는 단계와, 도전성 유연 패턴을 형성하는 단계는 인쇄 공정을 이용하여 수행한다.
본 실시예에 따른 움직임 감시 장치는 유연 기판(flexible substrate), 유연 기판의 일면에 배치된 굳은 패턴(rigid pattern), 유연 기판의 상기 일면에 제1 방향으로 연장되어 배치된 도전성 유연 패턴(conductive flexible pattern)을 포함하며, 도전성 유연 패턴은 상기 굳은 패턴과 겹치도록 배치되고, 유연 기판이 압축되거나, 신장됨에 따라 상기 도전성 유연 패턴이 압축되거나, 신장되어 전기적 저항이 변화하는 변형 센서(strain sensor)가 탑재된다.
본 실시예에 의하면 유연 기판의 신장과 수축에 따라 발생되는 도전성 유연 선로의 크랙에 의한 전기적 저항에 따른 효과를 검출하므로 높은 민감도로 생체 또는 물체의 변형을 측정할 수 있다는 장점이 제공된다. 또한, 신장과 수축의 속도에 따른 측정 결과의 변동이 종래 기술에 비하여 적어 높은 신뢰성으로 물체의 변형을 검출할 수 있다는 장점이 제공된다.
본 실시예에 의한 변형 센서 제조 방법에 의하면 인쇄공정을 이용하여 제품을 생산할 수 있으므로, 간단한 제조 공정으로 제작될 수 있다는 장점과, 용이하게 대면적으로 구현할 수 있다는 장점이 제공된다.
도 1은 본 실시예에 따른 변형 센서의 일 실시예를 개요적으로 도시한 도면이다.
도 2는 본 실시예에 따른 변형 센서에 제1 방향을 따라 서로 반대되는 방향으로 인장력(FTS)이 인가된 상태를 개요적으로 도시한 도면이다.
도 3은 도전성 유연 선로 부분(130a, 130b, 130c)을 서로 이격시킬 수 있을 정도의 큰 인장력이 인가되는 상태를 개요적으로 도시한 도면이다.
도 4와 도 5는 변형 센서(strain sensor)의 다른 실시예를 개요적으로 도시한 도면이다.
도 6은 본 실시예에 의한 움직임 감지 장치(100)를 사람 손의 관절부분의 피부에 장착한 것을 도시한 도면이다.
도 7 내지 도 10은 본 실시예에 따른 변형 센서 제조 방법의 각 공정의 공정 단면도이다.
도 11은 본 실시에에 의하여 형성한 변형 센서에 대한 특성을 도시한 도면이다.
도 12는 본 실시예에 의한 변형 센서와 비교예에 의한 변형 센서의 현미경 사진이다.
개시된 기술에 관한 설명은 구조적 내지 기능적 설명을 위한 실시예에 불과하므로, 개시된 기술의 권리범위는 본문에 설명된 실시예에 의하여 제한되는 것으로 해석되어서는 아니 된다. 즉, 실시예는 다양한 변경이 가능하고 여러 가지 형태를 가질 수 있으므로 개시된 기술의 권리범위는 기술적 사상을 실현할 수 있는 균등물들을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
한편, 본 출원에서 서술되는 용어의 의미는 다음과 같이 이해되어야 할 것이다.
단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한 복수의 표현을 포함하는 것으로 이해되어야 하고, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 설시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
각 단계들은 문맥상 명백하게 특정 순서를 기재하지 않은 이상 명기된 순서와 다르게 일어날 수 있다. 즉, 각 단계들은 명기된 순서와 동일하게 일어날 수도 있고 실질적으로 동시에 수행될 수도 있으며 반대의 순서대로 수행될 수도 있다.
여기서 사용되는 모든 용어들은 다르게 정의되지 않는 한, 개시된 기술이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의된 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미를 지니는 것으로 해석될 수 없다.
도면에 도시된 실시예들은 명확한 설명을 위하여 그 크기, 두께 또는 길이등이 과장되어 표현될 수 있음을 이해하여야 한다.
이하에서는 첨부된 도면들을 참조하여 본 실시예에 따른 변형 센서(strain sensor)를 설명한다. 도 1은 본 실시예에 따른 변형 센서의 일 실시예를 개요적으로 도시한 도면이다. 변형 센서는 유연 기판(flexible substrate)과, 유연 기판의 일면에 배치된 굳은 패턴(rigid pattern)과, 유연 기판의 일면에 제1 방향으로 연장되어 배치된 도전성 유연 패턴(conductive flexible pattern)을 포함하며, 도전성 유연 패턴은 굳은 패턴과 겹치도록 배치되고, 유연 기판이 압축되거나, 신장됨에 따라 상기 도전성 유연 패턴이 압축되거나, 신장되어 전기적 저항이 변화한다.
유연 기판(flexible substrate, 110)은 신축성을 가져 외부에서 인가되는 압축력, 신장력에 의하여 변형된다. 일 실시예로, 유연 기판(110)은 적어도 도전성 유연 패턴(120)이 연장된 제1 방향으로 압축, 신장되어 변형되며, 일 예로 유연 기판(110)은 고무(rubber), PDMS, 폴리우레탄(poly-urethane), 신축성 섬유, 에코플렉스(ecoflex) 및 상용으로 시판되는 신축성 테입(strectchable tape)를 포함하는 기판일 수 있다.
도전성 유연 패턴(conductive flexible pattern, 130)과 굳은 패턴(120)은 모두 인쇄 가능한 전도성 물질로, 인쇄되어 형성된다. 일 예로, 인쇄 가능한 전도성 물질은 카본 나노 튜브(CNT), 카본 블랙, PEDOT:PSS 및 징크 옥사이드(Zinc Oxide, ZnO), 실버(Silver, Ag) 등을 이용한 전도성 나노 잉크 중 적어도 어느 하나 이상을 포함할 수 있다. 굳은 패턴(120)은 후술할 바와 같이 경화처리가 수행되어 그 경도는 도전성 유연 패턴(130)의 경도에 비하여 크다. 굳은 패턴(120)과 도전성 유연 패턴(130)은 적어도 일부가 겹쳐지도록 배치된다. 도 1a에는 굳은 패턴(120)의 일부가 도전성 유연 패턴(130)에 겹쳐지도록 배치된 상태를 도시하였으며, 도 1b에는 굳은 패턴이 전체적으로 도전성 유연 패턴(130)과 겹쳐지도록 배치된 상태를 도시하였다. 도 1c에는 굳은 패턴(120)과 도전성 유연 패턴(130)이 소정의 각도로 교차하여 배치된 상태를 도시하였다.
도 2는 본 실시예에 따른 변형 센서에 제1 방향을 따라 서로 반대되는 방향으로 인장력(FTS)이 인가된 상태를 개요적으로 도시한 도면이다. 본 과정에서 인가되는 인장력(FTS)은 도전성 유연선로에 크랙을 형성시킬 정도이나, 도전성 유연 선로의 부분들(130a, 130b, 130c)을 서로 이격시킬 정도의 인장력은 아니다. 도 2를 참조하면, 도전성 유연 선로가 연장된 방향을 따라 서로 반대되는 방향으로 인장력이 인가되면 유연 기판(110)은 인장력이 인가되는 방향으로 늘어난다. 유연 기판의 상부에 배치된 도전성 유연 패턴(130)도 유연성을 가지므로 유연 기판이 늘어나는 방향을 따라 늘어난다. 그러나 굳은 패턴(120)은 경화 과정이 수행되어 굳은 상태이며, 경화 과정에 의하여 유연 기판(110)과의 접착성이 향상되어 인장력이 인가되어도 유연 기판(110) 또는 도전성 유연 패턴(130)에 비하여 늘어나는 정도가 작다.
인장력이 가됨에 따라 유연 기판(110)의 상부에 위치한 도전성 유연 선로(130)는 유연 기판과 함께 신장되나, 굳은 패턴(120)의 상부에 위치한 도전성 유연 선로는 굳은 패턴과 함께 거의 신장되지 않는다. 따라서, 인장력이 인가됨에 따라 도전성 유연 선로(130)에는 굳은 패턴(120)과 겹쳐진 부분의 경계를 따라 크랙(Crack)이 발생하며, 이와 같이 발생한 크랙에 의하여 도전성 유연 선로 부분(130a, 130c)과 굳은 패턴 상에 형성된 도전성 유연 선로 부분(130b) 사이의 접촉 면적이 감소하여 도전성 유연 선로의 전기적 저항이 증가한다.
도 3은 도전성 유연 선로 부분(130a, 130b, 130c)을 서로 이격시킬 수 있을 정도의 큰 인장력이 인가되는 상태를 개요적으로 도시한 도면이다. 도 2에 인가된 인장력에 비하여 더 큰 크기로 인가된 인장력에 의하여 도전성 유연 선로가 신장됨에 따라 도전성 유연 선로(130)의 길이는 증가하고, 도전 경로의 너비는 더욱 감소하여 전기적 저항은 증가한다.
나아가 보다 큰 인장력이 인가되어 인장력에 의하여 크랙(crack)이 더욱 크게 형성된다. 즉, 유연 기판(110) 상에 형성된 도전성 유연 선로 부분(130a, 130c)과 굳은 패턴 상에 형성된 도전성 유연 선로 부분(130b)은 서로 이격되므로, 유연 기판(110) 상에 형성된 도전성 유연 선로 부분(130a, 130c)과 굳은 패턴(120) 상에 형성된 도전성 유연 선로 부분(130b)이 전기적으로 접촉하는 면적이 더욱 감소한다. 따라서, 도전성 유연 선로의 도전 경로 폭이 감소하는 결과를 가져와 전기적 저항이 증가한다.
그러나, 인가된 인장력을 감소시킴에 따라 유연 기판은 탄성에 의하여 원상태로 이완되어 회복된다. 따라서, 유연 기판이 이완됨에 따라 인장된 도전성 유연 선로 패턴들(130a, 130c)도 다시 원래의 너비와 원래 길이로 회복되며, 굳은 패턴(120) 상에 위치한 도전성 유연 선로 부분(130b)과 도전성 유연 선로 부분(130a, 130c)들은 이격된 부분이 다시 접합하여 도전 경로가 다시 형성된다. 따라서, 도전성 유연 선로는 인장력을 인가한 상태에서 측정된 전기저항에 비하여 낮은 전기저항 값을 가진다.
도전성 유연 선로(130) 일단에 신호원을 인가하고, 타단에 리드 아웃 회로부를 전기적으로 연결하면 유연성 기판의 인장 및 압축에 의하여 발생하는 전기적 저항의 변화를 검출하여 유연성 기판의 인장 및 압축을 감지할 수 있다.
도 4와 도 5은 변형 센서(strain sensor)의 다른 실시예를 개요적으로 도시한 도면이다. 도 4a를 참조하면, 도전성 유연 선로(130)는 일 방향으로 연장되어 배치되고, 복수의 굳은 패턴들(120)은 제1 방향을 따라 도전성 유연 패턴(130)을 기준으로 서로 대칭으로 배치된다. 마찬가지로, 복수의 굳은 패턴들(120)은 일부분만이 도전성 유연 선로(130)과 겹치도록 형성된다. 도 4b와 같이 도전성 유연 선로가 연장된 방향을 따라 서로 반대되는 방향으로 인장력을 인가하면 도시된 바와 같이 굳은 패턴들의 사이에 위치하는 도전성 유연 선로에는 크랙이 형성되지 않으나, 도전성 유연 선로(130)을 기준으로 대칭으로 배치된 굳은 패턴들이 마주 보는 부분에서는 크랙이 형성되어 도전 경로의 폭이 줄어들어 전기적 저항이 증가한다.
도 5a를 참조하면, 도전성 유연 선로(130)는 일 방향으로 연장되어 배치되고, 복수의 굳은 패턴들(120)은 제1 방향을 따라 도전성 유연 패턴을 기준으로 서로 엇갈려 배치된다. 복수의 굳은 패턴들(120)은 일부분만이 도전성 유연 선로(130)와 겹치도록 형성되어 도 5b와 같이 도전성 유연 선로가 연장된 방향을 따라 서로 반대되는 방향으로 인장력을 인가하면 도시된 바와 같이 지그 재그(zig-zag) 형태로 크랙이 형성된다. 따라서, 도전성 경로의 길이는 증가하며, 도전성 경로의 폭은 인장력이 인가되기 전의 도전성 경로의 폭에 비하여 감소한다. 따라서 인장력이 인가됨에 따라 도전성 유연 선로(130)의 전기적 저항은 증가한다.
통상의 기술자라면 위에서 도시된 실시예들을 참조하여 굳은 패턴의 배치와 굳은 패턴의 폭을 조절하여 인장력 인가시와 인장력 비인가시의 전기적 저항 차이를 조절할 수 있음을 알 수 있다.
이어서, 본 실시예에 의한 움직임 감지 장치를 설명한다. 도 6은 본 실시예에 의한 움직임 감지 장치(100)를 사람 손의 관절부분의 피부에 장착한 것을 도시한 도면이다. 움직임 감시 장치(100)는 상술한 실시예에 따른 변형 센서를 포함하므로, 손가락 관절을 굽히면, 손가락 관절 부분의 피부에 부착된 유연 기판에는 인장력이 인가된다. 따라서 위의 실시예에서 설명된 바와 같이 유연성 도전 선로의 전기적 저항이 변화한다. 또한, 본 실시예에 의한 움직임 감시장치는 상기한 손가락 관절의 반대편에 배치된 변형 센서를 포함할 수 있으며, 관절이 움직일 때 마다 어느 하나의 변형 센서는 인장력이 인가되고, 다른 변형 센서는 압축력이 인가되어 서로 상보적으로 동작한다. 따라서 더욱 정밀하고 높은 민감도로 움직임을 감지할 수 있다.
본 실시예에서는 손가락 관절을 예시로 하여 설명하였으나 이는 용이한 설명을 위한 것으로, 어깨, 무릎, 팔꿈치, 손목 및 발목 등의 생체 관절에 장착될 수 있다. 또한, 손가락 관절의 움직임을 관찰하는 경우에는 장갑의 형태로 관절부분에 배치되어 움직임을 감지할 수 있을 것이며, 무릎 관절과 같이 커다란 관절의 움직임을 관찰하는 경우에는 밴드(band)의 형태로 관절부분에 장착되어 움직임을 감지할 수 있다.
위의 설명에서는 단순히 관절부분의 피부에 장착되거나, 장갑 또는 밴드의 형태로 장착되는 경우를 예로 하여 설명하였으나, 본 실시예에 따른 움직임 감시 장치는 인공 관절에 삽입되어 움직임을 검출할 수 있으며, 인공 관절에 인가되는 스트레스를 검출할 수 있다.
이하에서는 도 7 내지 도 10을 참조하여 본 실시예에 따른 변형 센서 제조 방법을 설명한다. 도 7 내지 도 10은 본 실시예에 따른 변형 센서 제조 방법의 각 공정의 공정 단면도이다. 도 7을 참조하면, 유연 기판(110)을 준비하여 유연 기판의 일면에 제1 패턴(first pattern)을 형성한다. 제1 패턴(120a)은 인쇄 가능한 도전성 물질로 인쇄하여 형성한다. 일 예로, 유연 기판은 PDMS 기판일 수 있으며 고무, 폴리우레탄(poly-urethane), 신축성 섬유, 에코플렉스(ecoflex) 및 상용으로 시판되는 신축성 테입(strectchable tape) 등의 유연성을 가진 재료로 형성된 기판일 수 있다.
인쇄가능한 도전성 물질은 일 예로, 카본 나노 튜브(CNT, Carbon Nano Tube), 카본 블랙 등의 카본 계열 물질 및 전도성 고분자 물질을 포함할 수 있으며, 전도성 고분자 물질로는 PEDOT:PSS를 사용할 수 있다. 다른 예로, 인쇄 가능한 도전성 물질로 징크 옥사이드, 실버등을 이용한 전도성 나노 잉크를 사용할 수 있다. 일 예로, 탈이온수(De Ionized Water), 계면 활성제와 카본 나노 튜브를 소정의 비율로 혼합한 후, 초음파 혼합, 원심 분리 후 필터링을 수행하여 인쇄 가능한 도전성 물질을 형성할 수 있다. 인쇄 가능한 도전성 물질은 소정의 용액과 함께 인쇄되어 제1 패턴(120a)를 형성한다.
인쇄 공정은 일 예로, 도 8a에 도시된 바와 같이 몰드(mold, 200a)에 제1 패턴을 형성할 물질을 묻혀 이를 전사하는 트랜스퍼 프린트(transfer print) 방식으로 수행한다. 다른 예에서, 제1 패턴을 인쇄하여 형성하는 과정은, 노즐(200b)로 인쇄가능한 도전성 물질을 분사하여 제1 패턴을 형성하는 잉크젯 인쇄(ink jet printing) 방식으로 수행한다. 또 다른 예에서, 도 7c에 도시된 바와 같이 제1 패턴을 인쇄하여 형성하는 과정은 롤러(200c)에 인쇄 가능한 도전성 물질을 묻혀서 이를 인쇄하여 제1 패턴을 형성하는 롤투롤 인쇄(roll to roll priting)로 수행한다. 유연 기판(110)의 표면은 소수성(hydrophobic)을 가지므로, 도전성 물질을 포함하는 용액으로 제1 패턴을 인쇄하는 경우에는 패턴이 표면에 퍼져서 형성되지 않고 맺혀서 형성된다.
도 9는 제1 패턴을 경화시켜 굳은 패턴(120)을 형성하는 단계를 도시하는 도면이다. 도 9를 참조하면, 인쇄되어 형성된 제1 패턴(도 8 120a 참조)에 자외선(UV, Ultraviolet)을 조사한다. 제1 패턴은 조사된 자외선(UV)에 의하여 경화되어 굳은 패턴(rigid pattern, 120)으로 형성되며, 경화과정에서 유연 기판(110)과의 접착성이 증가한다. 또한, 경화과정에서 조사된 자외선에 의하여 유연 기판의 표면은 친수성(hydrophillic)으로 개질된다. 굳은 패턴을 형성하기 위한 경화 과정은 자외선 처리 뿐만 아니라 열처리, 레이저 조사, 화학적 처리를 수행하여 이루어질 수 있다.
도 10은 굳은 패턴(120) 위에 도전성 유연 선로를 형성한 과정을 도시한 도면이다. 도 10을 참조하면, 도전성 유연 선로(130)는 인쇄 가능한 도전성 물질로 인쇄하여 형성한다. 일 예로, 유연 기판(110)은 PDMS 기판일 수 있으며 고무, PDMS, 폴리우레탄(poly-urethane), 신축성 섬유, 에코플렉스(ecoflex) 및 상용으로 시판되는 신축성 테입(strectchable tape)등의 유연성을 가진 기판일 수 있다. 인쇄가능한 도전성 물질은 일 예로, 카본 나노 튜브(CNT, Carbon Nano Tube), 카본 블랙 등의 카본 계열 물질과 전도성 고분자 물질 또는 전도성 나노 입자 기반 잉크를 포함할 수 있으며, 전도성 고분자 물질로는 PEDOT:PSS를 사용할 수 있다. 전도성 나노 입자 기반 잉크는 징크 옥사이드(Zinc Oxide, Zn), 실버(Silver, Ag)를 이용한 전도성 나노 입자 기반 잉크일 수 있다. 또한, 도전성 유연 선로는 제1 패턴을 형성하는 과정과 동일하게 인쇄 공정을 이용하여 수행될 수 있다. 즉, 트랜스퍼 프린트, 잉크젠 프린트 또는 롤투롤 프린트를 수행하여 도전성 유연 선로를 형성할 수 있다.
또한, 유연성 도전 선로 형성 후에는 경화 처리가 수행되지 않아 굳은 패턴(120)들에 비하여 유연한 성질(flexibility)를 가진다. 경화과정 이후에 형성되는 유연성 도전 선로는 유연 기판의 표면이 친수성으로 개질된 상태에서 형성되는 것으로, 제1 패턴과 달리 유연 기판(110)의 표면에 퍼져서 형성된다.
실험예 및 비교예
이하에서는 본 실시예에 따른 실험예를 도 11 내지 도 12를 통하여 설명한다. 도 11은 본 실시에에 의하여 형성한 변형 센서에 대한 특성을 도시한 도면이다. 본 실시예에 의하여 형성한 변형 센서는 카본 나노 튜브와 계면 활성제인 SDBS(Sodium DodecylBenzeneSulfonate)를 탈이온수(DI Water)에 분산시켜 초음파 분산, 원심분리 후 필터링을 수행하여 형성된 인쇄 가능한 도전성 물질을 잉크젯 프린팅하여 PDMS 기판상에 형성하였다. 도시된 바와 같이 도전성 유연 선로 패턴 내 굳은 패턴의 크기는 900μm이다.
*도 11에 도시된 바와 같이 완전히 이완된 상태에서 25% 신장되도록 인장력을 인가하여 저항값을 측정하였을 때 이완된 상태에서 측정된 저항값 대비 400% 가량 저항값이 증가한 것으로 측정되었다. 인가된 인장력을 제거하면서 이완시키는 경우에 저항값은 다시 원상태로 회복되는 것으로 측정되었다. 또한, 최저 인장 속도(분당 1mm 인장) 내지 최대 인장 속도(분당 500mm를 인장)로 인장시키는 경우에 측정된 저항값은 크게 차이나지 않는 것으로 측정되었다.
즉, 본 실시예에 의한 변형 센서는 변형을 일으키는 인장, 수축 속도에 관계없이 일정한 반응성을 보여주며, 25%의 신장에 대하여 이완된 상태 대비 저항값이 4배 정도로 변화하는 바, 높은 민감도로 신장과 이완을 검출할 수 있다. 또한, 신장과 수축시 저항값의 변화가 선형적(linear)으로 변화하는 것으로 나타나 선형성 특성도 우수하다.
도 12는 본 실시예에 의한 변형 센서와 비교예에 의한 변형 센서의 현미경 사진이다. 도 12(a)의 상단은 본 실시에에 의한 변형센서를 도시한 도면이고, 하단은 본 실시예에 의한 변형센서에 인장력을 가하여 50% 신장된 상태를 확대하여 도시한 도면이다. 도 12(a)의 하단에 도시된 도면을 참조하면, 신장력을 인가하여 굳은 패턴(120)의 주위에 도전성 유연 선로에 크랙이 형성된 것이 명확하게 도시되어 있으며, 이와 같이 형성된 크랙에 의하여 도전성 유연 선로 양단의 전기 저항이 증가함은 이미 설명되었다.
도 12(b)는 비교예에 의한 변형 센서의 사진이다. 도 12(b) 상단에 도시된 비교예는 유연 기판에 인쇄가능한 도전성 물질로 제1 패턴과 도전성 유연 선로를 형성한 이후에 자외선으로 경화를 수행하여 형성하였다. 이와 같이 형성된 비교예에 인장력을 인가하여 신장된 상태를 확대하여 도시한 도 12(b)의 하단을 참조하면, 도전성 선로 내에 균일하게 크랙이 분포하는 것을 알 수 있다. 즉, 비교예와 같이 변형 센서를 형성한다면 크랙 형성 위치와 크랙의 형성 정도를 제어할 수 없으므로, 인장력을 인가하여도 본 실시예와 같은 정도의 전기 저항 변화를 기대할 수 없다.
본 발명에 대한 이해를 돕기 위하여 도면에 도시된 실시 예를 참고로 설명되었으나, 이는 실시를 위한 실시예로, 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상적 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시 예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 첨부된 특허청구범위에 의해 정해져야 할 것이다.
<부호의 설명>
100: 변형 센서 110: 유연 기판
120: 굳은 패턴 130: 도전성 유연 선로
상기에 기재되어 있음

Claims (19)

  1. 유연 기판(flexible substrate);
    상기 유연 기판의 일면에 배치된 굳은 패턴(rigid pattern);
    상기 유연 기판의 상기 일면에 제1 방향으로 연장되어 배치된 도전성 유연 패턴(conductive flexible pattern)을 포함하며,
    상기 도전성 유연 패턴은 상기 굳은 패턴과 겹치도록 배치되고, 상기 유연 기판이 압축되거나, 신장됨에 따라 상기 도전성 유연 패턴이 압축되거나, 신장되어 전기적 저항이 변화하는 변형 센서(strain sensor).
  2. 제1항에 있어서,
    상기 유연 기판은 PDMS, 고무(rubber), PDMS, 폴리우레탄(poly-urethane), 신축성 섬유, 에코플렉스(ecoflex) 및 신축성 테입(strectchable tape) 중 어느 하나를 포함하는 변형 센서.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 굳은 패턴 및 상기 도전성 유연 패턴은 인쇄 가능한 물질로 형성된 변형 센서
  4. 제3항에 있어서,
    상기 인쇄 가능한 물질은 CNT(Carbon NanoTube), 카본 블랙, PEDOT 중 적어도 어느 하나를 포함하는 변형 센서.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 굳은 패턴은 상기 제1 방향을 따라 복수개가 배치된 변형 센서.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 굳은 패턴은 제1 방향으로 연장된 상기 도전성 유연 패턴을 기준으로 서로 엇갈려 배치된 변형 센서.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 굳은 패턴은 제1 방향으로 연장된 상기 도전성 유연 패턴을 기준으로 서로 대칭으로 배치된 변형 센서.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 굳은 패턴의 경도는 상기 도전성 유연 패턴의 경도에 비하여 큰 변형 센서.
  9. 유연 기판(flexible substrate)을 준비하는 단계와,
    상기 유연 기판의 일면에 제1 패턴(first pattern)을 형성하는 단계와,
    상기 제1 패턴을 경화시켜 굳은 패턴을 형성하는 단계 및
    상기 도전성 유연 패턴을 형성하는 단계를 포함하고,
    상기 굳은 패턴을 형성하는 단계와, 상기 도전성 유연 패턴을 형성하는 단계는 인쇄 공정을 이용하여 수행하는 변형 센서 제조 방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 유연 기판은 PDMS, 고무(rubber), PDMS, 폴리우레탄(poly-urethane), 신축성 섬유, 에코플렉스(ecoflex) 및 상용으로 시판되는 신축성 테입(strectchable tape) 중 어느 하나를 포함하는 기판인 변형 센서 제조 방법.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 제1 패턴을 형성하는 단계와 사이 도전성 유연 패턴을 형성하는 단계는 인쇄 가능한 물질로 수행하는 변형 센서 제조 방법.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 인쇄 가능한 물질은 CNT, 카본 블랙, PEDOT 중 적어도 어느 하나를 포함하는 변형 센서 제조 방법.
  13. 제9항에 있어서,
    상기 제1 패턴을 경화시켜 굳은 패턴을 형성하는 단계는 자외선 처리, 열처리, 레이저 조사, 화학적 처리 중 적어도 어느 하나를 수행하여 이루어지는 변형 센서 제조 방법.
  14. 제9항에 있어서,
    상기 제1 패턴을 경화시켜 굳은 패턴을 형성하는 단계는 유연성 기판의 표면을 개질하는 단계와 함께 이루어지는 변형 센서 제조 방법.
  15. 제9항에 있어서,
    상기 인쇄 공정은 트랜스퍼 프린트(transfer print), 잉크젯 인쇄 및 롤투롤 인쇄(roll to roll priting) 중 어느 하나를 수행하여 이루어지는 변형 센서 제조 방법.
  16. 제9항에 있어서,
    상기 제1 패턴을 경화시켜 굳은 패턴을 형성하는 단계는 상기 굳은 패턴의 경도가 적어도 상기 도전성 유연 패턴의 경도에 비하여 크도록 형성하는 변형 센서 제조 방법.
  17. 유연 기판(flexible substrate);
    상기 유연 기판의 일면에 배치된 굳은 패턴(rigid pattern);
    상기 유연 기판의 상기 일면에 제1 방향으로 연장되어 배치된 도전성 유연 패턴(conductive flexible pattern)을 포함하며,
    상기 도전성 유연 패턴은 상기 굳은 패턴과 겹치도록 배치되고, 상기 유연 기판이 압축되거나, 신장됨에 따라 상기 도전성 유연 패턴이 압축되거나, 신장되어 전기적 저항이 변화하는 변형 센서(strain sensor)가 탑재된 움직임 감지 장치.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 움직임 감지 장치는
    상기 변형 센서에 전기적 자극을 인가하는 신호원과,
    상기 변형 센서의 전기 저항의 변화에 따른 전기적 신호를 입력받아 처리를 수행하는 리드 아웃 회로를 더 포함하는 움직임 감지 장치.
  19. 제17항에 있어서,
    상기 움직임 감지 장치는
    관절 부위 피부 표면, 관절을 둘러싸는 밴드, 장갑 및 관절 내에 장착되는 움직임 감지 장치.
PCT/KR2014/003488 2013-06-24 2014-04-22 변형 센서 제조 방법, 변형 센서 및 변형 센서를 이용한 움직임 감지 장치 WO2014208883A1 (ko)

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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN107934908A (zh) * 2017-05-15 2018-04-20 北京大学深圳研究生院 合成纳米材料及其制备方法
KR102054171B1 (ko) * 2018-10-24 2019-12-10 중앙대학교 산학협력단 생장 측정용 변형 센서 및 이의 제조 방법
CN111721192A (zh) * 2020-06-30 2020-09-29 暨南大学 一种基于图形化诱导裂纹的应变传感器及其制备方法

Families Citing this family (33)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2011047171A2 (en) 2009-10-16 2011-04-21 Kesumo, Llc Foot-operated controller
US9076419B2 (en) 2012-03-14 2015-07-07 Bebop Sensors, Inc. Multi-touch pad controller
WO2015083874A1 (ko) * 2013-12-03 2015-06-11 재단법인 멀티스케일 에너지시스템 연구단 크랙 함유 전도성 박막을 구비하는 고감도 센서 및 그의 제조방법
US10362989B2 (en) * 2014-06-09 2019-07-30 Bebop Sensors, Inc. Sensor system integrated with a glove
WO2016143925A1 (ko) * 2015-03-11 2016-09-15 서울대학교산학협력단 전기전도성 물질 패터닝을 이용한 변형 감지 유연성 기판
US9827996B2 (en) 2015-06-25 2017-11-28 Bebop Sensors, Inc. Sensor systems integrated with steering wheels
KR101740308B1 (ko) 2015-07-09 2017-05-29 울산과학기술원 소프트 센서 및 이를 이용한 손가락 움직임 측정 시스템
JP6069446B1 (ja) * 2015-09-28 2017-02-01 日本写真印刷株式会社 導電回路付成形品の製造方法および導電回路付プリフォーム
US10746612B2 (en) 2016-11-30 2020-08-18 The Board Of Trustees Of Western Michigan University Metal-metal composite ink and methods for forming conductive patterns
KR20180096141A (ko) 2017-02-20 2018-08-29 한국전기연구원 금속나노벨트와 탄소나노소재 복합체를 포함하는 섬유형 스트레인 센서 및 그 제조방법
EP3720995A4 (en) * 2017-12-01 2021-12-01 University of Washington FIBER-BASED COMPOSITE WITH FRACTURE-INDUCED MECHAN-ELECTRIC SENSITIVITY
US11690415B2 (en) 2018-01-19 2023-07-04 Feel The Same, Inc. Soft sensor and manufacturing method therefor, and hand-wearable device having soft sensor and manufacturing method therefor
KR102041604B1 (ko) * 2018-01-19 2019-11-07 주식회사 필더세임 소프트 센서 및 이의 제조 방법과, 소프트 센서를 구비한 손 착용형 장치 및 이의 제조 방법
US10908685B2 (en) 2018-02-20 2021-02-02 Feel The Same, Inc. Hand-wearable device and manufacturing method therefor
KR102080855B1 (ko) * 2018-05-14 2020-02-24 재단법인 멀티스케일 에너지시스템 연구단 중간층이 개재된 금속 박막을 이용한 크랙 기반 고감도 인장 센서
KR102002981B1 (ko) 2018-05-15 2019-07-23 울산과학기술원 에너지 생성 및 센싱 장치와 이를 제조하는 방법
KR102036756B1 (ko) 2018-05-17 2019-10-25 울산과학기술원 에너지 생성 및 센싱 장치와 이를 제조하는 방법
US10884496B2 (en) 2018-07-05 2021-01-05 Bebop Sensors, Inc. One-size-fits-all data glove
JP7390700B2 (ja) 2018-09-07 2023-12-04 国立大学法人 東京大学 伸縮性導電インク及び伸縮性導電塗膜
RU2685570C1 (ru) * 2018-10-10 2019-04-22 Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский университет "Московский институт электронной техники" Униполярный датчик деформации
KR102089686B1 (ko) 2018-11-02 2020-04-24 성균관대학교 산학협력단 인장 센서를 이용한 운동량 측정 방법 및 장치
CN111352498B (zh) * 2018-12-21 2024-02-20 财团法人纺织产业综合研究所 动作感测装置及具有动作感测装置的智能服饰
US11480481B2 (en) 2019-03-13 2022-10-25 Bebop Sensors, Inc. Alignment mechanisms sensor systems employing piezoresistive materials
KR102215926B1 (ko) 2019-06-28 2021-02-17 한국생산기술연구원 미세 균열이 형성된 스트레인 게이지의 제작방법
KR102251274B1 (ko) * 2019-10-07 2021-05-11 한남대학교 산학협력단 Cnt센서 및 그 제조방법
US11959819B2 (en) 2020-05-13 2024-04-16 Electronics And Telecommunications Research Institute Multi-axis strain sensor
KR102534574B1 (ko) * 2020-05-13 2023-05-26 한국전자통신연구원 스트레인 센서
KR20220028348A (ko) 2020-08-28 2022-03-08 삼성전자주식회사 연신 스트레인 센서, 복합 센서, 표시 패널 및 장치
CN113790666A (zh) * 2020-11-10 2021-12-14 友达光电股份有限公司 应力感测组件和显示装置
KR20220104654A (ko) * 2021-01-18 2022-07-26 서울대학교산학협력단 응력 집중 구조를 이용한 박막 균열 제어를 통해 스트레인 센서를 제조하는 방법 및 이를 이용하여 제조된 스트레인 센서
CN113295191B (zh) * 2021-05-17 2022-08-23 广州大学 一种仿生竹叶结构柔性应变传感器及其制备方法和应用
CN114489340B (zh) * 2022-01-26 2023-12-05 浙江大学 基于柔性拉伸应变传感器的穿戴式人体姿态数据反馈设备
KR20230145759A (ko) 2022-04-11 2023-10-18 부경대학교 산학협력단 초탄성 소재의 대변형 측정을 위한 굴곡 형상의 변형 측정 센서 및 그 제조 방법

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4506250A (en) * 1981-05-16 1985-03-19 Crystalate Electronics Limited Strain gauge
JPH0412201A (ja) * 1990-05-01 1992-01-16 Komatsu Ltd 関節の曲げ角検出センサ
US7278324B2 (en) * 2005-06-15 2007-10-09 United States Of America As Represented By The Administrator Of The National Aeronautics And Space Administration Carbon nanotube-based sensor and method for detection of crack growth in a structure
US20100154556A1 (en) * 2008-12-24 2010-06-24 Huiming Yin Strain Guage and Fracture Indicator Based on Composite Film Including Chain-Structured Magnetically Active Particles
US20120266685A1 (en) * 2009-10-01 2012-10-25 Jin-Woo Choi Apparatus and method for nanocomposite sensors

Family Cites Families (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4715235A (en) * 1985-03-04 1987-12-29 Asahi Kasei Kogyo Kabushiki Kaisha Deformation sensitive electroconductive knitted or woven fabric and deformation sensitive electroconductive device comprising the same
US5097252A (en) * 1987-03-24 1992-03-17 Vpl Research Inc. Motion sensor which produces an asymmetrical signal in response to symmetrical movement
US6701296B1 (en) * 1988-10-14 2004-03-02 James F. Kramer Strain-sensing goniometers, systems, and recognition algorithms
JP2725433B2 (ja) * 1990-03-30 1998-03-11 ヤマハ株式会社 曲げ角度検出器及び該検出器を用いた電子楽器
US6809462B2 (en) * 2000-04-05 2004-10-26 Sri International Electroactive polymer sensors
JP2002031503A (ja) * 2000-07-14 2002-01-31 Shigeaki Kuroiwa 弾性歪みセンサ
US6901807B1 (en) * 2003-12-30 2005-06-07 Honeywell International Inc. Positive and negative pressure sensor
US6886410B1 (en) * 2003-12-30 2005-05-03 Honeywell International Inc. Modified dual diaphragm pressure sensor
KR102046377B1 (ko) * 2011-09-24 2019-11-19 프레지던트 앤드 펠로우즈 오브 하바드 칼리지 인공 피부 및 탄성 스트레인 센서
US9625330B2 (en) * 2014-08-01 2017-04-18 The Board Of Trustees Of The Leland Stanford Junior University Methods and apparatus concerning multi-tactile sensitive (E-skin) pressure sensors

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4506250A (en) * 1981-05-16 1985-03-19 Crystalate Electronics Limited Strain gauge
JPH0412201A (ja) * 1990-05-01 1992-01-16 Komatsu Ltd 関節の曲げ角検出センサ
US7278324B2 (en) * 2005-06-15 2007-10-09 United States Of America As Represented By The Administrator Of The National Aeronautics And Space Administration Carbon nanotube-based sensor and method for detection of crack growth in a structure
US20100154556A1 (en) * 2008-12-24 2010-06-24 Huiming Yin Strain Guage and Fracture Indicator Based on Composite Film Including Chain-Structured Magnetically Active Particles
US20120266685A1 (en) * 2009-10-01 2012-10-25 Jin-Woo Choi Apparatus and method for nanocomposite sensors

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN107934908A (zh) * 2017-05-15 2018-04-20 北京大学深圳研究生院 合成纳米材料及其制备方法
KR102054171B1 (ko) * 2018-10-24 2019-12-10 중앙대학교 산학협력단 생장 측정용 변형 센서 및 이의 제조 방법
CN111721192A (zh) * 2020-06-30 2020-09-29 暨南大学 一种基于图形化诱导裂纹的应变传感器及其制备方法
CN111721192B (zh) * 2020-06-30 2020-12-29 暨南大学 一种基于图形化诱导裂纹的应变传感器及其制备方法

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