WO2018203658A1 - 변형률 측정센서, 신체에 적용되는 변형률 측정센서를 이용한 데이터 처리 시스템 및 이를 이용한 데이터 처리 방법 - Google Patents

변형률 측정센서, 신체에 적용되는 변형률 측정센서를 이용한 데이터 처리 시스템 및 이를 이용한 데이터 처리 방법 Download PDF

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layer
resistance
resistance value
strain
measurement sensor
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임근배
조성진
전형국
홍성경
김민서
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포항공과대학교 산학협력단
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    • G01L1/22—Measuring force or stress, in general by measuring variations in ohmic resistance of solid materials or of electrically-conductive fluids; by making use of electrokinetic cells, i.e. liquid-containing cells wherein an electrical potential is produced or varied upon the application of stress using resistance strain gauges
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    • H01L29/66—Types of semiconductor device ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/84—Types of semiconductor device ; Multistep manufacturing processes therefor controllable by variation of applied mechanical force, e.g. of pressure

Definitions

  • the present invention relates to a strain measuring sensor, a data processing system using a strain measuring sensor applied to the body, and a data processing method using the same, and more particularly, to a body capable of communicating by converting a simple movement into data attached to the body.
  • the present invention relates to a data processing system using a strain sensor, and a data processing method using the same.
  • strain measuring sensors have been developed. Typical strain gages, optical fiber sensors, etc. have been developed and are widely used commercially. Meanwhile, the development of new technologies, such as wearable electronic devices, displays, network communication devices, portable electronic devices, and the like, increases the demand for human motion detection.
  • Strain sensors such as strain gauges and fiber optic sensors, have a small measuring range for detecting human movement, cannot increase both the measuring range and sensitivity, and have a complicated structure, which causes many problems for human wearing. Therefore, there is a problem that it is difficult to measure when the body is a natural movement without feeling a sense of foreign body.
  • the first layer and the first layer are made of a non-conductive and stretchable material, and are provided with a conductive metal, and the grain size is formed within a predetermined range according to the measurement range, and cracks are generated during stretching.
  • a high strain measurement sensor including a nanocracks comprising a second layer having a density of within a predetermined range.
  • the second layer may be generated by depositing on the first layer, and may be generated as the grain size increases on the first layer.
  • the second layer may have a grain size within a predetermined range, and may be generated by adjusting a thickness deposited on the first layer so that the density of cracks may be within a predetermined range.
  • the grain size may be formed to 15 nm or less.
  • the thickness of the second layer may be formed to 25 nm or less so that the grain size can be formed to 15 nm or less when it has a measurement range of 100% elongation.
  • the width of the crack may be 5 * 10 -8 m / or less.
  • the second layer may be made of platinum.
  • the second layer may be deposited using sputtering.
  • forming a first layer made of a stretchable non-conductive material forming a second layer by adjusting the thickness so that the grain size is within a predetermined range by using sputtering on the first layer and
  • a method of manufacturing a high strain measurement sensor including nanocracks comprising stretching two layers to generate a plurality of nanocracks.
  • the forming of the second layer may have a thickness of 25 nm or less so that the grain size may be formed to 13 nm or less when it has a measurement range of 100% elongation.
  • generating the nanocracks may form the width of the nanocracks less than 5 * 10 -8 m.
  • it may be configured to adjust at least one of the temperature or pressure of the sputtering to adjust the grain size.
  • the method may further include post-processing the grain size of the second layer to be formed within a predetermined range.
  • a data processing system using a strain measuring sensor applied to a body may include a lookup table stored therein and a processing unit configured to receive a resistance value from a measurement unit, compare a pattern of resistance change, and output a matched data. .
  • the processing unit sets a reference resistance value of the resistance value of the sensor, and if the measured resistance value is greater than or equal to the reference resistance value, it is divided into a first resistance value, and if it is less than the reference resistance value, it is divided into a second resistance value and the lookup table of the lookup table. Match with the stored data.
  • the processor may match a pattern divided into a retention time and a generation order of the first resistance value and the second resistance value for a predetermined unit time with the data stored in the lookup table.
  • the strain measuring sensor is in close contact with the skin where deformation occurs due to the movement of the muscle, and the treatment unit sets the reference resistance value based on the maximum and minimum values of the resistance when relaxed and contracted according to the degree of deformation of the skin. Can be.
  • processing unit may be configured to include the alphabet corresponding to the pattern of the resistance change in the lookup table 1: 1.
  • processing unit may match the pattern of resistance change by configuring the pattern of resistance change in Morse code that is distinguished according to the holding time and the generation order.
  • the strain measurement sensor may be attached to the finger or the eyelid may be configured to change the resistance in accordance with the movement of the finger or eyelid.
  • the strain sensor according to the present invention the data processing system using the strain sensor applied to the body and the data processing method using the same can be transformed with a small force and can measure the movement of the body using a strain sensor with high sensitivity Therefore, it can be utilized as a method for transmitting data by transmitting simple and small muscles.
  • FIG. 1 is a block diagram showing the concept of a data processing system using a strain measurement sensor applied to the body according to the present invention.
  • 2A and 2B are graphs showing the concept of patterning a resistance value measured according to the present invention.
  • 3A and 3B are diagrams showing results of matching Morse code by applying to eyes and fingers.
  • FIG. 4 is a flow chart of a data processing method using a strain measurement sensor applied to the body according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 is a perspective view of a strain measuring sensor.
  • 6A and 6B are enlarged photographs of cracks generated in the second layer of the strain sensor.
  • 7A and 7B are photographs comparing cracks generated in the second layer of the strain measurement sensor.
  • 8A, 8B, 8C, 8D and 8E show the concept of crack structure and resistance change.
  • FIG. 9 is a diagram illustrating grain sizes of a second layer.
  • 10A, 10B and 10C are graphs showing the relationship between grain size and crack size, maximum strain and thickness of the second layer.
  • 11 is a diagram showing the strain-stress of the strain measuring sensor.
  • FIG. 12 is a view showing a change in resistance during repeated extension of the strain measurement sensor.
  • Figure 13 shows the resistance change according to the deformation of the strain measuring sensor.
  • 14A, 14B, 14C, 14D, 14E, and 14F are diagrams showing grain sizes when the second layer is made of another material.
  • 15 is a flowchart illustrating a method of manufacturing a strain measuring sensor.
  • 16A, 16B, 16C, 16D, and 16E are cross-sectional views schematically showing how the strain measuring sensor is manufactured.
  • 17 is a conceptual diagram of a body motion measurement system using a strain sensor.
  • 19 is a graph showing resistance values according to partial movements of the body movement.
  • 20A and 20B are graphs showing resistance changes according to movement of a finger.
  • 21 is a flowchart illustrating a method of measuring body motion using a strain sensor.
  • strain measurement sensor or “sensor” will be described on the premise that the width of the crack varies according to the elongation shown in FIG.
  • FIG. 1 is a block diagram illustrating a concept of a data processing system using a strain measurement sensor 100 applied to a body according to the present invention.
  • the data processing system using the strain measurement sensor 100 applied to the body according to the present invention comprises a plurality of sensor unit, measuring unit 200, processing unit 300 and output unit 400 Can be.
  • Each of the plurality of sensor units includes a strain measuring sensor 100, and the sensor 100 is attached to the body to measure the movement of the body.
  • the plurality of sensors 100 may be directly attached to the surface of the body or attached to a wearing part worn on each part of the body, and configured to deform as the body moves.
  • Each sensor 100 is configured to bend and stretch, and is configured to measure the degree of tension as the resistance value changes as the bend and stretch is performed.
  • the plurality of sensors 100 may be attached to the surface of the body and may be configured to be deformable even with a small force so that the user does not feel foreign object when the deformation is made according to the user's movement.
  • Sensor 100 is configured to be able to measure both the movement of the joint level and the movement of the face level.
  • the deformation may be made by the muscles moving with the smallest force of the facial muscles, for example, when the eyelids are moved by the movement of some of the facial muscles, it may be configured to the strength capable of deformation even such movements.
  • the plurality of sensor units may be configured in various sizes and various intensities. In other words, when applied to the muscles of the facial level is composed of a smaller and more sensitive sensor 100, much greater force than the muscles of the facial level acts on parts such as knees and elbows, it can be composed of a more insensitive sensor (100). have.
  • the measurement unit 200 is configured to apply a voltage to each of the plurality of sensors 100 to measure the resistance of the sensor 100 in real time. Since the resistance varies depending on the deformation of each of the plurality of sensors 100, the resistance is configured to be measured. On the other hand, according to the size of the sensor 100 is configured to be able to measure the resistance by applying electrical energy of different sizes, respectively.
  • the processor 300 is configured to process the measured resistance value continuously and to make data. It is configured to digitize the analog signal continuously generated from the sensor 100, it is possible to set the reference value and to divide the data by the number of resistance values of the reference value +1. At this time, it can be divided into a plurality of resistance values, and can be patterned according to the duration and generation order of each resistance value.
  • the processor 300 may include a lookup table, and the lookup table may store a unique data value corresponding to a patterned value of a resistance value in a 1: 1 ratio. For example, it may be an alphabet or a MORSE code. Meanwhile, the processing of the resistance value will be described in detail later with reference to FIGS. 2 and 3.
  • the output unit 400 is configured to receive and output the matched data by using the pattern of resistance change in the processing unit 300.
  • the output unit 400 may be output to a variety of values that can be perceived by a person, such as visual and auditory, and may be output by generating a signal for switching to a separate visualization or audiovisual.
  • the configuration of the output unit 400 is a widely used configuration, further detailed description thereof will be omitted.
  • 2A and 2B are graphs showing the concept of patterning a resistance value measured according to the present invention.
  • the resistance value is continuously changed to various sizes by the body movement.
  • the resistance value varies depending on the length of the strain measuring sensor 100 is extended.
  • FIG. 2A illustrates a graph in which resistances are distinguished according to a case in which two reference resistance values exist.
  • a graph of the relative resistance strain is displayed according to the value measured in the resistance.
  • the first resistance value R1 of the high range and the second low value range of the reference resistance value are determined. It may be divided by the resistance value R2. Therefore, the time for which the first resistance value R1 and the second resistance value R2 are maintained may be distinguished.
  • the data may vary depending on the holding time of each resistance value and the order in which they occur sequentially.
  • two or more reference resistance values are set, one more section is added.
  • the reference resistance value includes a first reference resistance value and a second reference resistance value.
  • the resistance value is classified according to the change rate of the resistance value (the ratio of the initial resistance value and the resistance value when the sensor 100 is deformed), but may also be determined according to the absolute resistance value range.
  • the processor 300 may be configured to analyze a pattern during a predetermined time interval, and to recognize the pattern and convert the pattern into normalized data after the predetermined time interval, and include a lookup table corresponding to a plurality of patterns. Can be.
  • 3A and 3B are diagrams showing results of matching Morse code by applying to eyes and fingers.
  • the lookup table includes a Morse code, and a predetermined time interval may be set to convert a change in resistance caused by eye and hand movement into a Morse code.
  • the resistance value When the resistance value is changed by the movement of the hand as shown in FIG. 3A or the movement of the eye as shown in FIG. 3B, the resistance value is divided into a first resistance value R1 and a second resistance value R2, and one time duration of each resistance value is determined. Depending on the Dash and Dot, it is possible to match the Morse code and to output the corresponding alphabet.
  • the reference resistance value is set near 50%, which is a relatively large resistance strain than the sensor 100 applied to the eyelid, and in the case of the eyelid, the reference resistance value is set near 25% to form the first resistance.
  • the value R1 and the second resistance value R2 are distinguished. On the other hand, these values are examples and can be applied to various values.
  • FIG. 4 is a flow chart of a data generation method using a strain measurement sensor applied to the body according to another embodiment of the present invention.
  • the step of positioning the strain measurement sensor (S1000), measuring the resistance change (S2000), the step of distinguishing the resistance value (S3000 ), A matching step (S4000) and an output step (S5000) can be configured.
  • Positioning the strain measuring sensor corresponds to the step of closely contacting the strain measuring sensor capable of bending and stretching to the body to be applied to various parts of the body.
  • the strain measurement sensor may be attached directly to the surface of the body, that is, the skin, or provided on a wearing part such as a glove and may be in close contact with the surface of the body.
  • the strain measuring sensor used may be a high sensitivity and high strain measuring sensor using nanocracks described below with reference to FIG. 5.
  • Measuring the resistance change (S2000) corresponds to the step of measuring the resistance by applying a voltage to the strain measuring sensor.
  • the measured resistance may be calculated as a relative change rate based on the initial resistance value.
  • the step of distinguishing the resistance value (S3000) corresponds to the step of setting a reference resistance value which is an intermediate value based on the maximum value of the resistance value and the minimum value of the resistance value since the deformation degree according to the movement is different for each body part. do.
  • the reference resistance value may be divided into a first resistance value and a second resistance value. Meanwhile, the resistance value may be a relative change rate of the resistance as well as the resistance value in ohms.
  • the matching step S4000 when the measured resistance value is divided into a first resistance value and a second resistance value, the matching step S4000 corresponds to a step of matching the stored data with normalized data.
  • the data is matched by comparing the pattern determined by the duration of the first resistance value and the second resistance value and the generation order with the stored data.
  • the output step S5000 is a step of outputting matched data.
  • FIG. 5 is a perspective view of a strain measuring sensor according to the present invention.
  • the strain measuring sensor 100 may be configured to include a first layer 10, a second layer 20.
  • the first layer 10 and the second layer 20 are attached to each other, it is configured to extend together when measuring the strain.
  • the first layer 10 may be configured as a stretchable member so as to be extended by receiving an external force from a measurement target, and may be configured as a non-conductive member so as not to affect the resistance change of the second layer 20 to be described below. .
  • the second layer 20 is made of a conductive material and is configured to increase its resistance as the width of the plurality of cracks 30 increases as the length thereof is extended.
  • the plurality of cracks 30 may be formed by attaching and extending the second layer 20 to the first layer 10.
  • the second layer 20 is configured not to completely block the flow of current even when it is extended within the strain measurement range.
  • the plurality of cracks 30 are densely packed so as not to be excessively extended at one portion and electrically disconnected.
  • a suitable material it may be configured to include a material having excellent conductivity and ductility, such as gold, silver, platinum. In this embodiment, platinum is included.
  • the plurality of cracks 30 are formed with a direction approximately perpendicular to the direction in which the length of the second layer 20 extends. Therefore, as the width of the crack 30 increases when the second layer 20 is stretched, the contact area decreases, and the effective area for determining the size of the resistor decreases, thereby increasing its own resistance. On the contrary, since the width of the crack 30 decreases upon returning to the original length, the contact area becomes wider, so that the effective cross-sectional area is increased, thereby reducing its own resistance.
  • the first layer 10 may be fixed to the strain measurement object. As the length of the object to be measured increases, the first layer 10 is stretched. In this case, as the second layer 20 attached to the first layer 10 is extended together, the resistance value is changed, and external devices are connected to both sides of the second layer 20 to measure the resistance change. .
  • the second layer 20 may be attached to the first layer 10 while being spaced apart from a point at which an external force acts. Therefore, it is possible to prevent stress concentration, partial breakage, and the like, which may occur in the second layer 20 by the action of an external force.
  • the second layer 20 may be attached to be spaced apart from the edge of the first layer 10 by a predetermined distance.
  • the cut surface may be rough, and when the second layer 20 is attached to the rough edge, it is to prevent a problem in which proper performance may be exhibited due to stress concentration.
  • 6A and 6B are enlarged photographs of cracks 30 generated in the second layer 20 according to the present invention.
  • FIG. 6A illustrates a state when the length of the strain measurement sensor 100 is 20% elongated
  • FIG. 6B illustrates a state when the length of the strain measurement sensor 100 is 50% elongated.
  • the scale bar shown on the upper right side is 5 m in length.
  • the plurality of cracks 30 as shown in the second layer 20 are uniformly distributed.
  • the crack 30 is formed in a direction substantially perpendicular to the direction in which the second layer 20 extends.
  • the crack 30 is configured to increase the resistance by increasing the width in the direction in which the second layer 20 is stretched so that the contact area decreases. Can be configured.
  • the crack 30 is formed in a direction crossing the other side from one side of the second layer 20, but is formed so that the second layer 20 does not break. Therefore, even if the width of the crack 30 is widened, the current flowing in the second layer 20 is not completely blocked by any one of the cracks 30. That is, a plurality of cracks 30 formed to have a length shorter than the width of the second layer 20 are formed so that a current can pass to a portion where the crack 30 is not formed even when the second layer 20 is extended.
  • FIG. 7A and 7B are photographs comparing the cracks 30 generated in the second layer 20 according to the present invention, and are shown when the length is 20% elongated.
  • FIG. 7A illustrates that the width of the cracks 30 formed in the second layer 20 is inappropriately wide.
  • FIG. 7B the widths of the cracks 30 formed in the second layer 20 are appropriately configured. The figure is shown to be uniform and tightly formed.
  • the width of the larger number of cracks 30 increases uniformly on the second layer 20 despite the same elongation (20%). Since various paths through which current can flow can be formed between the crack 30 and the crack 30, the current can stably flow.
  • the width and density of such cracks 30 may be variously configured according to the elongation rate of the measurement target. For example, when the width of the crack 30 is formed at 50 nm or more while the width of the crack 30 is elongated at the maximum strain, when the width of the crack 30 is elongated at the maximum strain rate, a rapid resistance change occurs in the strain measurement range, thereby making accurate measurement difficult. . Therefore, in this case, the width of the crack 30 is preferably composed of 50nm or less.
  • 8A, 8B, 8C, 8D and 8E show the concept of crack structure and resistance change. As shown, cracks occurring on the second layer can be divided into cracks and islands, where cracks represent a gap between the grains and islands are connected portions even if the cracks are wider. .
  • R is the total resistance
  • R1, R2, and Rc are the resistances of the islands, the resistance between two adjacent islands, and the resistance between two adjacent cracks.
  • the total resistance can be expressed as follows.
  • Figure 8d shows the shape of the crack according to the amount of elongation of the strain sensor, the width of the crack increases as the amount of elongation increases, the island is formed small and dense, Figure 8e shows the original form after the strain measuring sensor is extended The islands are merged back to the size of. Meanwhile, in FIGS. 8D and 8E, the scale bar is 500 nm.
  • FIG. 9 shows the size of grain 1 of the second layer 20.
  • the second layer 20 is formed of platinum, grain sizes are different from each other, and the first layer 10 is stretched to a length of 50% to generate cracks 30. The appearance of time is shown.
  • the size of the crack 30 refers to the width of the crack 30 is generated, the location of the crack 30 is randomly generated uniformly over the entire area.
  • the density of the cracks 30 defined by the number of cracks 30 generated per unit length varies depending on the size of the grains 1.
  • the width of each of the plurality of cracks 30 that are microscopically generated corresponds to the stretched length of the second layer 20. Therefore, when the crack 30 has a low density, that is, when the number of cracks 30 is small, the width of the cracks 30 is widened so as to be stretched to the same length. In order to reduce the width of the crack (30).
  • the crack 30 generated at the first tension in the second layer 20 is generated from the bonding portion between the grain 1 and the grain 1, the crack 30 density is closely related to the grain 1 size. Will be. The larger the grain 1 size, the lower the crack 30 density.
  • the width of one crack 30 should be made within a predetermined range according to the elongation rate. If the crack 30 has a density of 1 * 10 7 or more, each crack divides and occupies the totally extended length of the strain measuring sensor except for Ireland, and the width of one crack 30 is 5 * 10. -8 m or less.
  • the grain size is shown as 2 nm or less, 13 nm or less, and 30 nm or less as the strain measuring sensor is extended, respectively, and the scale bar is 400 nm.
  • the grain 1 can be visually identified from the acquired image, and the number of cracks 30 decreases, so that the density of the cracks 30 decreases and the width of the cracks 30 increases. Able to know.
  • 10A, 10B, and 10C are graphs showing the relationship between the size of grain 1, the size of crack 30, the maximum strain, and the thickness of the second layer 20.
  • the crack 30 density tends to decrease sharply when the grain size increases to the initial 5 nm, and the width of the crack 30 also increases rapidly. You can check it.
  • the maximum measurable tensile modulus according to the grain size is shown, and the range where the high strain of 100% or more can be measured is confirmed to be the case where the grain size is 2 nm to 13 nm.
  • the measurable range is measured until the strain measuring sensor 100 becomes wider, and the width of each crack 30 gradually increases, so that if there is no significant change in resistance even if the length of the strain measuring sensor 100 is changed, the measurement is performed until immediately before that time. It becomes the possible range.
  • the size of the grain (1) can be adjusted by adjusting the thickness of the second layer 20, when the size of the grain (1) is very small of the second layer 20
  • the thickness is very thin, and in this case, it is impossible to measure because it does not have a significant conductivity, and a significant difference in resistance occurs when the size of grain 1 becomes larger than a predetermined size.
  • the resistance change according to the length change becomes a meaningful value from about 2 nm or more.
  • the size of grain 1 can be adjusted by adjusting thickness when the second layer 20 is deposited on the first layer 10 by sputtering. It may be divided into a first section that increases, a second section in which the grain size increases rapidly from 10 nm or more, and a third section in which the amount of change in the grain size is slight even after the thickness increases.
  • the size of grain 1 is increased in the first section while the single grain 1 is attached and grown on the first layer 10 in the thickness direction, and in the second section, several to tens of grains in the thickness direction are grown.
  • the crane rapidly grows as (1) is stacked and the interatomic connections are rearranged through sputtering.
  • the third section more than hundreds of grains 1 of increasing size are stacked in the thickness direction.
  • the grain 1 size of the second layer 20 may be selected according to the elongation rate.
  • the grain 1 size is determined to be about 2 to 25 nm.
  • the thickness of the second layer 20 may be formed to about 75 nm or less.
  • the size of grain 1 is determined to be about 3 to 13 nm, and the maximum thickness of the second layer 20 may be about 25 nm.
  • the grain size may be determined by adjusting the thickness of the second layer 20 according to the measurement range of the strain measurement sensor 100.
  • FIG. 11 is a diagram showing a strain-stress graph of the strain measuring sensor 100 according to the present invention.
  • the strain measurement sensor 100 is repeatedly stretched at 50% strain, and the data are shown, and are displayed in different colors according to the number of stretches.
  • the data at the first stretch is somewhat different from the following data.
  • the first stretch is data that is stretched in a state before the crack 30 is formed in the second layer 20, and the first stretch is the second layer 20 according to a stress applied to a higher level during the first stretch. ), A plurality of cracks 30 described above are generated, and the first layer 10 is microstrained.
  • a uniform crack 30 must be generated by firstly extending it to improve reliability.
  • the crack 30 may be elongated to generate the crack 30 immediately before use in the state in which the crack 30 is not formed and the first layer 10 and the second layer 20 are attached.
  • FIG. 12 is a view showing a resistance change during repeated extension of the strain measurement sensor 100 according to the present invention.
  • a change in resistance may occur by about 15 times. In other words, even if 10% deformation occurs, the resistance can be operated very sensitively because the difference is more than three times.
  • the value may have a value of 20 to 40 so that the GF is about 2 when the strain of the conventional metal gauge is within 5%, and is 10 times higher than that of the conventional stretchable strain sensor 100 of about 0.8. It may have a GF value. Therefore, it is possible to measure the strain very sensitively, it is possible to measure the deformation by the external force that changes in 0.01 N units.
  • Figure 13 shows the resistance change according to the deformation of the strain measurement sensor 100 according to the present invention.
  • the resistance of the strain measuring sensor 100 is increased within 50% of strain, and the resistance value of the strain measuring sensor 100 increases linearly as the length increases linearly to 50%.
  • the experimental data is shown.
  • the strain may be calculated using an absolute value using a measured value or It is easy to calculate the strain rate according to the relative change of the resistance. In addition, the change of resistance due to deformation occurs quickly, and a small overshoot and a small recovery time in recurrence appear.
  • FIG. 14 shows the size of grain 1 when the first layer 10 is made of different materials and the size of grain 1 when the second layer 20 is made of different materials.
  • 14A, 14B, 14C, 14D, 14E, and 14F show SEM images when the first layer 10 and the second layer 20 are made of different materials.
  • the scale bar is 10 ⁇ m.
  • the size of grain (1) is different for each material, and relatively large grain (1) is generated, unlike in the above-described embodiment, very large and low density cracks (30) The measuring range becomes very narrow. Therefore, the thickness of the second layer 20 can be set differently according to the material in order to adjust the grain size.
  • 15 is a flow chart of the manufacturing method of the strain measurement sensor 100 according to the present invention.
  • the strain measurement sensor 100 may include generating a first layer (S100), determining a thickness of the second layer (S200), generating a second layer (S300), It may be configured to include a step (S400) for generating a crack (30).
  • a process of attaching and removing a mask for determining a region for attaching the second layer 20 when generating the second layer 20 may be included.
  • the nonconductive and stretchable member may be generated by a spin coating method.
  • the polyurethane solution is dropped on the upper side of the rotating slide glass to form the first layer 10 in the form of a thin film by rotation.
  • the first layer may be generated to 200 ⁇ m or less.
  • a mask for determining a generation area may be attached so that the second layer 20 may be attached at a predetermined interval.
  • the mask penetrates only the region attaching the second layer 20 to selectively generate the second layer 20 on the first layer 10.
  • the density of the nanocracks varies according to the size of the grain 1, and thus, the range of the elongation rate that can be measured changes, so that the maximum measurement range is determined to determine the thickness of the second layer.
  • the step of determining corresponds to the step of determining.
  • the generating of the second layer (S300) attaches the conductive second layer 20 to one surface of the first layer 10.
  • the second layer 20 is generated by using a sputtering process, wherein sputtering may be performed using a platinum target and performed for 10 to 20 mA for 200 to 300 seconds.
  • sputtering is performed at 15 mA for 240 seconds, it is preferable to manufacture a strain measurement sensor 100 that can be measured within 60% of elongation.
  • sputtering is an example, and various processes may be adopted according to a measurement range to be measured, and a time and a current applied to sputtering may be variously applied.
  • a step of adjusting the pressure and temperature it may be further included a step of adjusting the pressure and temperature.
  • the mask is removed.
  • the plurality of cracks 30 may be generated in a uniform distribution by applying a uniform tensile force to the entire area of the second layer 20 by stretching the first layer 10.
  • the length of elongation when generating the crack 30 may be extended by applying the maximum value of the strain to be measured by the strain measuring sensor 100.
  • the strain measuring sensor 100 having a measurement range of 50% or less
  • a plurality of cracks 30 are generated on the second layer 20 by stretching the first layer 10 by 50%.
  • the data on the strain due to repeated use may be shown in FIG. 11.
  • 16A, 16B, 16C, 16D, and 16D are cross-sectional views schematically illustrating how the strain measuring sensor 100 according to the present invention is manufactured.
  • a first layer is created (FIG. 16A), a mask is attached to the created first layer (FIG. 16B), and a portion of the second layer 20 is created using sputtering (FIG. 16C). . Then, the mask is removed (FIG. 16D), and the first layer (FIG. 16E) is stretched to generate a uniform crack 30 in the second layer 20 (e).
  • the data processing system using the strain measuring sensor applied to the body according to the present invention and the data processing method using the same can measure the movement of the body using a strain sensor that can be transformed with a small force and high sensitivity Because it can be, it can be used as a method of data-forming and transmitting simple and small muscle movements.
  • 17 is a conceptual diagram of a body motion measurement system using a strain sensor.
  • the body motion measurement system may be configured to include a plurality of sensors 100, the measuring unit 200, the monitoring unit 500.
  • the plurality of sensors 100 are configured to be attached to the body to measure the movement of the body.
  • the plurality of sensors 100 may be directly attached to the surface of the body or attached to a wearing part worn on each part of the body, and configured to deform as the body moves.
  • Each sensor 100 is configured to bend and stretch, and is configured to measure the degree of tension as the resistance value changes as the bend and stretch is performed.
  • the plurality of sensors 100 may be attached to the surface of the body and may be configured to be deformable even with a small force so that the user does not feel foreign object when the deformation is made according to the user's movement.
  • Sensor 100 is configured to be able to measure both the movement of the joint level and the movement of the face level.
  • the deformation may be made by the muscles moving with the smallest force of the facial muscles, for example, when the eyelids are moved by the movement of some of the facial muscles, it may be configured to the strength capable of deformation even such movements.
  • the plurality of sensors 100 may be configured in various sizes and various intensities. In other words, when applied to the muscles of the facial level is composed of a smaller and more sensitive sensor 100, much greater force than the muscles of the facial level acts on parts such as knees and elbows, it can be composed of a more insensitive sensor (100). have.
  • the measuring unit 200 is configured to apply a voltage to each of the plurality of sensors 100 to measure the resistance of the sensor 100 in real time. Since the resistance varies depending on the deformation of each of the plurality of sensors 100, the resistance is configured to be measured. On the other hand, depending on the size of the sensor 100 is configured to measure the resistance by applying a voltage of each different size.
  • the monitoring unit 500 is configured to receive the resistance value from the measuring unit 200 and monitor the movement according to the change in the resistance value.
  • the monitoring unit 500 may include a lookup table in which data about a relative change in resistance value according to each muscle movement is stored, and a relative change in resistance value according to relative movement of each part of the body stored in the lookup table. By matching the body movement of the body relative to the movement of the muscles and the angle of the joint can be measured.
  • the monitoring unit 500 may generate data according to a minimum relaxation position and a maximum relaxation position or rotation of each part of the body through an initial test step in a state where the sensor 100 is attached.
  • the distance between the attachment position of the sensor 100 and the length of the skin to the surface of the joint center of each user may be applied to the case where the stored data and the error are large. Therefore, through the initial test phase, the resistance measurement range optimized for the user is determined, and the body movement can be accurately determined.
  • the movement of the body can be divided into the movement of the joint level and the movement of the facial level, and not only direct movement of the body by the muscle but also fine movement by the pulse.
  • Representative movements include facial level movements such as eye blinking, shoulder movements, abduction, addition, flexion, extension, rotation of the body, and breathing. May accompany movement.
  • the movement by each muscle can finally appear as the tension of the skin.
  • pulsation causes minute skin tension and contraction repeatedly.
  • 19 is a graph showing resistance values according to partial movements of the body movement. As shown, by attaching the sensor 100 to each part of the body can measure the resistance value according to the movement. At this time, by setting the resistance value at the reference position and the reference position of the body to measure the resistance change value according to the relative change from the reference position.
  • the reference position may be a position where the body part in which relative movement occurs is contracted most or is stretched most.
  • the body part When the body part is contracted, it may be a reference when the surface of the skin is stretched while being tensioned, and when the body part is tensioned, it may be a part where the skin is tensioned while being contracted. That is, the maximum tension or contracted position may be a reference position in a portion where contraction or tension is reversed by the same muscle movement, such as the front and rear of the knee joint.
  • it can be applied to the shoulders, oblique muscles, knees, eyelids, wrists and ribs.
  • the resistance value when repeated abduction and adduction is shown.
  • the resistance value is changed according to the angle of movement of the shoulder, and the monitoring unit 500 can determine the movement of the body by measuring only the relative change of the resistance value by matching the resistance value with the movement.
  • the resistance value of the sensor 100 attached in pairs is shown, and the resistance value when the rotation direction is changed can be clearly determined.
  • the relative resistance change according to the movement is shown, and since the length of the sensor 100 is changed even with a very small force, the resistance value can be changed, so that the movement of the muscle of the facial level can be determined.
  • the value of the movement in the ribs is shown by breathing, which can be clearly determined from the relative change of the resistance value.
  • each sensor 100 may set a movement according to a relative difference in resistance, and the monitoring unit 500 may measure a maximum value and a minimum value of the resistance and represent a change in relative resistance based on the relative difference. It is possible to determine by scaling the measured resistance value.
  • 20A and 20B are graphs showing resistance changes according to movement of a finger.
  • the plurality of sensors 100 are not only directly attached to the body, but also applicable to an object worn on the body.
  • a plurality of sensors 100 are attached to the glove and are provided at positions corresponding to the respective fingers.
  • the monitoring unit 500 may monitor the resistance value measured from each sensor 100 to determine the movement of the finger.
  • the monitoring unit 500 may determine the movement of the body according to the change in the resistance value of the single sensor 100. As shown in FIG. 20B, the monitoring unit 500 may determine the movement by combining resistance values measured from the plurality of sensors 100. It becomes possible.
  • 21 is a flowchart illustrating a method of measuring body motion according to the present invention.
  • Body motion measurement method is the step of placing the strain measurement sensor 100 in a part of the body (S6000), setting a reference resistance value (S7000), measuring the resistance value (S8000), monitoring It may be configured to include a step (S9000).
  • Positioning the strain measurement sensor 100 in a portion of the body may use the strain measurement sensor 100, the resistance value increases as the length is stretched including the nanocracks. At this time, it may be selectively positioned including the muscle of the facial level and the muscle of the joint level.
  • the strain measurement sensor 100 may be directly attached to the skin, or may be worn, and may be applied to a device that is deformable according to the movement of the body.
  • Setting the reference resistance value corresponds to the step of setting the resistance value at the time as the reference value based on the state in which the body is most relaxed or most contracted so that the movement can be determined according to the relative change in the resistance.
  • the strain measurement sensor 100 is deformed according to the movement so that the resistance value measured therefrom is changed, which corresponds to the step of measuring the value in real time.
  • the monitoring step S9000 corresponds to the step of determining the movement of the body using the measured resistance value.

Abstract

본 발명은, 피부에 밀착되어 피부가 늘어남에 따라 함께 길이가 인장되어 저항이 증가하도록 구성되는 나노크랙의 변화를 이용한 변형률 측정센서, 변형률 측정센서의 저항을 측정하도록 구성되는 측정부 및 저항이 변화되는 복수의 패턴에 대한 데이터가 저장되는 룩업테이블을 포함하며, 측정부로부터 저항값을 수신하여 저항변화의 패턴을 비교하여 매칭되는 데이터를 출력하는 처리부를 포함하는 신체에 적용되는 변형률 측정센서를 이용한 데이터 처리 시스템 및 그 처리 방법이 제공될 수 있다. 본 발명에 따른 신체에 적용되는 변형률 측정센서를 이용한 데이터 처리 시스템 및 이를 이용한 데이터 처리 방법은 적은 힘으로 변형이 가능하고 민감도가 높은 변형률 측정센서를 이용하여 신체의 움직임을 측정할 수 있으므로, 간단하고 작은 근육의 움직임을 데이터화 하여 전송할 수 있는 방법으로 활용될 수 있다.

Description

변형률 측정센서, 신체에 적용되는 변형률 측정센서를 이용한 데이터 처리 시스템 및 이를 이용한 데이터 처리 방법
본 발명은 변형률 측정센서, 신체에 적용되는 변형률 측정센서를 이용한 데이터 처리 시스템 및 이를 이용한 데이터 처리 방법에 관한 것이며, 보다 상세하게는 신체에 부착하여 단순한 움직임을 데이터로 변환하여 의사소통이 가능한 신체에 적용되는 변형률 측정센서를 이용한 데이터 처리 시스템 및 이를 이용한 데이터 처리 방법 에 관한 것이다.
변형율 측정센서는 다양한 종류가 개발되어 있다. 대표적으로 스트레인 게이지, 광섬유 센서 등이 개발되어 상업적으로 널리 사용되고 있다. 한편, 새로운 기술의 개발, 예컨대 착용가능한 전자기기, 디스플레이, 네트워크 통신기기, 휴대용 전자기기 등의 개발로 이와 관련된 인간의 움직임 검출에 대한 요구가 높아지고 있다.
스트레인 게이지 및 광섬유 센서와 같은 변형율 센서는 인간의 움직임을 감지하기에 측정범위가 작고, 측정범위와 민감도를 모두 높일 수 없으며, 구조가 복잡하여 사람이 착용하기에는 많은 문제점이 있었다. 따라서 이물감을 느끼지 않고 신체가 자연스러운 움직임이 일어날 때 이를 측정하기 어려운 문제점이 있었다.
상기 과제의 해결 수단으로서 비전도성이며 신축성 소재로 구성되는 제1 레이어 및 제1 레이어상에 전도성 금속으로 구비되며, 측정범위에 따라 그레인(Grain) 크기가 소정범위 내로 구성되며, 신장시 발생되는 크랙의 밀도가 소정범위 내로 구성되는 제2 레이어를 포함하는 나노크랙을 포함하는 고 변형률 측정센서가 제공된다.
여기서, 제2 레이어는 제1 레이어상에서 증착시켜 생성되며, 제1 레이어상에서 그레인 크기가 커지면서 생성될 수 있다.
그리고, 제2 레이어는 그레인 크기가 소정범위 내로 구성되며, 크랙의 밀도가 소정범위 내로 구성될 수 있도록 제1 레이어상에서 증착되는 두께를 조절하여 생성될 수 있다.
한편, 그레인 크기는 15nm 이하로 형성될 수 있다.
나아가, 제2 레이어의 두께는 신장률 100%의 측정범위를 가질 때 그레인 크기가 15nm 이하로 형성될 수 있도록 25nm 이하로 형성될 수 있다.
또한, 크랙의 밀도가 1*107 개/m 이상인 경우 크랙의 폭이 5*10-8m/개 이하가 될 수 있다.
한편, 제2 레이어는 백금으로 구성될 수 있다.
그리고, 제2 레이어는 스퍼터링을 이용하여 증착될 수 있다.
추가로, 신축성 비전도성 재질로 구성되는 제1 레이어를 형성시키는 단계, 제1 레이어상에 스퍼터링을 이용하여 그레인 크기가 소정범위내로 이루어 질 수 있도록 두께를 조절하여 제2 레이어를 형성시키는 단계 및 제2 레이어를 신장시켜 복수의 나노크랙을 발생시키는 단계를 포함하는 나노크랙을 포함하는 고 변형률 측정센서의 제조방법이 제공될 수 있다.
여기서, 제2 레이어를 형성시키는 단계는, 신장률 100%의 측정범위를 가질 때 그레인 크기는 13nm 이하로 형성될 수 있도록 두께를 25nm 이하로 형성시킬 수 있다.
그리고, 나노크랙을 발생시키는 단계는 나노크랙의 폭을 5*10-8m 이하로 형성시킬 수 있다.
한편, 그레인 크기를 조절할 수 있도록 스퍼터링의 온도 또는 압력 중 적어도 하나를 조절할 수 있도록 구성될 수 있다.
또한, 제2 레이어의 그레인 크기가 소정범위내로 형성될 수 있도록 후처리하는 단계를 더 포함할 수 있다.
추가로 피부에 밀착되어 피부가 늘어남에 따라 함께 길이가 인장되어 저항이 증가하도록 구성되는 변형률 측정센서, 변형률 측정센서의 저항을 측정하도록 구성되는 측정부 및 저항이 변화되는 복수의 패턴에 대한 데이터가 저장되는 룩업테이블을 포함하며, 측정부로부터 저항값을 수신하여 저항변화의 패턴을 비교하여 매칭되는 데이터를 출력하는 처리부를 포함하는 신체에 적용되는 변형률 측정센서를 이용한 데이터 처리 시스템이 제공될 수 있다.
여기서, 처리부는, 센서의 저항값의 기준저항값을 설정하며, 측정되는 저항값을 기준저항값 이상인 경우 제1 저항값으로 구분되며, 기준저항값 미만인 경우 제2 저항값으로 구분하여 룩업테이블의 저장된 데이터와 매칭시킬 수 있다.
그리고 처리부는, 소정 단위시간동안 제1 저항값 및 제2 저항값의 유지 시간 및 발생 순서로 구분되는 패턴을 룩업테이블에 저장된 데이터와 매칭시킬 수 있다.
나아가, 변형률 측정센서는 근육의 움직임에 의해 변형이 발생하는 피부에 밀착되며, 처리부는 피부의 변형정도에 따라 이완되었을 때와 수축되었을 때의 저항의 최대값과 최소값을 근거로 기준저항값을 설정할 수 있다.
또한 처리부는 룩업테이블에는 저항변화의 패턴에 1:1로 대응하는 알파벳을 포함하여 구성될 수 있다.
나아가, 처리부는 룩업테이블에는 저항변화의 패턴을 유지 시간 및 발생순서에 따라 구별되는 모스코드로 구성하여 저항변화의 패턴을 매칭시킬 수 있다.
한편, 변형률 측정센서는, 손가락 또는 눈꺼풀에 부착되어 손가락 또는 눈꺼풀의 움직임에 따라 저항변화가 발생하도록 구성될 수 있다.
본 발명에 따른 변형률 측정센서, 신체에 적용되는 변형률 측정센서를 이용한 데이터 처리 시스템 및 이를 이용한 데이터 처리 방법은 적은 힘으로 변형이 가능하고 민감도가 높은 변형률 측정센서를 이용하여 신체의 움직임을 측정할 수 있으므로, 간단하고 작은 근육의 움직임을 데이터화 하여 전송할 수 있는 방법으로 활용될 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 신체에 적용되는 변형률 측정센서를 이용한 데이터 처리 시스템의 개념을 나타낸 블록도이다.
도 2a, 2b는 본 발명에 따라 측정된 저항값을 패턴화하는 개념이 나타난 그래프이다.
도 3a, 3b는 눈과 손가락에 적용하여 모스코드와 매칭한 결과를 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명에 따른 다른 실시예인 신체에 적용되는 변형률 측정센서를 이용한 데이터 처리 방법의 순서도이다.
도 5는 변형율 측정센서의 사시도이다.
도 6a, 6b는 변형률 측정센서의 제2 레이어에 발생된 크랙을 확대하여 촬영한 사진이다.
도 7a, 7b는 변형률 측정센서의 제2 레이어에 발생된 크랙을 비교한 사진이다.
도 8a, 8b, 8c, 8d 및 8e는 크랙구조와 저항변화의 개념을 나타낸 도면이다.
도 9는 제2 레이어의 그레인 사이즈가 도시된 도면이다.
도 10a, 10b 및 10c은 제2 레이어의 그레인 사이즈와 크랙 사이즈, 최대 변형률 및 두께의 관계에 대한 그래프이다.
도 11은 변형율 측정센서의 변형율-스트레스가 나타난 도면이다.
도 12는 변형율 측정센서의 반복신장시 저항변화가 나타난 도면이다.
도 13은 변형율 측정센서의 변형에 따른 저항변화를 나타낸 것이다.
도 14a, 14b, 14c, 14d, 14e 및 14f는 제2 레이어를 다른 재질로 구성했을 때의 그레인 사이즈를 나타낸 도면이다.
도 15는 변형율 측정센서의 제조방법의 순서도이다.
도 16a, 16b, 16c, 16d 및 16e는 변형율 측정센서의 제조되는 모습을 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 17은 변형률 측정센서를 이용한 신체 움직임 측정 시스템에 대한 개념도이다.
도 18은 신체 움직임을 정량화한 도면이다.
도 19는 신체 움직임의 부분적인 움직임에 따른 저항값을 나타낸 그래프이다.
도 20a, 20b는 손가락의 움직임에 따른 저항변화를 나타낸 그래프이다.
도 21은 변형률 측정센서를 이용한 신체 움직임 측정 방법의 순서도이다.
이하, 본 발명의 실시 예에 따른 변형률 측정센서, 신체에 적용되는 변형률 측정센서를 이용한 데이터 처리 시스템 및 이를 이용한 데이터 처리 방법에 대하여, 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 그리고 이하의 실시예의 설명에서 각각의 구성요소의 명칭은 당업계에서 다른 명칭으로 호칭될 수 있다. 그러나 이들의 기능적 유사성 및 동일성이 있다면 변형된 실시예를 채용하더라도 균등한 구성으로 볼 수 있다. 또한 각각의 구성요소에 부가된 부호는 설명의 편의를 위하여 기재된다. 그러나 이들 부호가 기재된 도면상의 도시 내용이 각각의 구성요소를 도면내의 범위로 한정하지 않는다. 마찬가지로 도면상의 구성을 일부 변형한 실시예가 채용되더라도 기능적 유사성 및 동일성이 있다면 균등한 구성으로 볼 수 있다. 또한 당해 기술분야의 일반적인 기술자 수준에 비추어 보아, 당연히 포함되어야 할 구성요소로 인정되는 경우, 이에 대하여는 설명을 생략한다.
이하에서 ‘변형률 측정센서’ 또는 ‘센서’라 함은 도 5에 나타난 신장에 따라 크랙의 폭이 달라져 전기적 저항이 달라질 수 있는 센서를 뜻함을 전제로 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 신체에 적용되는 변형률 측정센서(100)를 이용한 데이터 처리 시스템의 개념을 나타낸 블록도이다.
도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 신체에 적용되는 변형률 측정센서(100)를 이용한 데이터 처리 시스템은 복수의 센서부, 측정부(200), 처리부(300) 및 출력부(400)를 포함하여 구성될 수 있다.
복수의 센서부 각각은 변형률 측정센서(100)를 포함하여 구성되며, 센서(100)는 신체에 부착되어 신체의 움직임을 측정할 수 있도록 구성된다. 복수의 센서(100)는 신체의 표면에 직접 부착되거나, 신체의 각 부분에 착용하는 착용부에 부착되며, 신체가 움직임에 따라 변형이 되도록 구성된다. 각 센서(100)는 벤딩 및 인장이 이루어질 수 있도록 구성되며, 벤딩 및 인장함에 따라 저항값이 달라져 인장정도를 측정할 수 있도록 구성된다. 복수의 센서(100)는 신체의 표면에 부착되어 사용자의 움직임에 따라 변형이 이루어질 때 사용자에게 이물감이 느껴지지 않도록 작은 힘에도 변형이 가능하도록 구성될 수 있다. 센서(100)는 관절 수준의 움직임과 얼굴 수준의 움직임을 모두 측정 가능할 수 있도록 구성된다. 따라서 안면 근육 중 가장 작은 힘으로 움직이는 근육에 의해 변형이 이루어질 수 있도록 구성될 수 있으며, 일 예로 안면 근육중 일부의 움직임에 의해 눈꺼풀이 움직일 때, 이러한 움직임에도 변형이 가능한 강도로 구성 될 수 있다. 한편, 복수의 센서부는 다양한 크기 및 다양한 강도로 구성될 수 있다. 즉 안면 수준의 근육에 적용시에는 보다 작고 민감한 센서(100)로 구성되며, 무릎이나 팔꿈치와 같은 부위에는 안면 수준의 근육보다 훨씬 큰 힘이 작용하므로, 보다 둔감한 센서(100)로 구성될 수 있다.
한편 이러한 센서(100)의 구성에 대하여는 차후 도 5를 참조하여 상세히 설명하기로 한다.
측정부(200)는 복수의 센서(100) 각각에 전압을 인가하여 센서(100)의 저항을 실시간으로 측정가능하도록 구성된다. 복수의 센서(100) 각각의 변형에 의해 저항이 달라지므로, 이러한 저항을 측정할 수 있도록 구성된다. 한편, 센서(100)의 크기 에 따라 각각 다른 크기의 전기 에너지를 인가하여 저항을 측정할 수 있도록 구성된다.
처리부(300)는 연속적으로 측정된 저항값을 처리하여 데이터화 할 수 있도록 구성된다. 센서(100)로부터 연속적으로 발생되는 아날로그 신호를 디지털화 할 수 있도록 구성되며, 기준값을 설정하고 기준값+1의 개수만큼의 저항값으로 구분하여 데이터화 할 수 있다. 이때 복수의 저항값으로 구분하고, 각각의 저항값의 지속시간 및 발생순서에 따라 패턴화 시킬 수 있다. 또한 처리부(300)는 룩업테이블을 포함하여 구성될 수 있으며, 룩업테이블에는 저항값의 패턴화된 값에 1:1로 대응하는 고유의 데이터값이 저장될 수 있다. 일 예로 알파벳, MORSE 부호가 될 수 있다. 한편 이와 같은 저항값의 처리는 차후 도 2 및 도 3을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.
출력부(400)는 처리부(300)에서 저항변화의 패턴을 이용하여 매칭된 데이터를 수신하고 이를 출력할 수 있도록 구성된다. 출력부(400)는 시각, 청각 등 사람이 인지가능한 다양한 값으로 출력될 수 있으며, 별도의 시각화 또는 청각화 등으로 전환하기 위한 신호를 생성하여 출력될 수 있다. 다만, 이러한 출력부(400)의 구성은 널리 쓰이는 구성이므로 더 이상의 상세한 설명은 생략하도록 한다.
도 2a, 2b는 본 발명에 따라 측정된 저항값을 패턴화하는 개념이 나타난 그래프이다.
도시된 바와 같이, 신체 움직임에 의해 저항값은 연속적으로 다양한 크기로 변화하게 된다. 이때 달라지는 저항값은 변형률 측정센서(100)가 신장되는 길이에 따라 달라질 수 있다. 이때 사람의 신체는 부위별로 그 신장률이 달라지므로, 절대적인 저항의 값보다 저항의 상대변형률을 이용하여 패턴화 하는 것이 바람직하다.
도 2a는 기준저항값이 한 개인 경우, 도 2b는 기준저항값이 두 개인 경우에 따라 저항이 구별되는 그래프가 도시되어 있다.
저항에서 측정되는 값에 따라 상대적인 저항 변형률에 대한 그래프가 나타나게 되며, 이를 중심으로 한 개의 기준저항값이 결정되면 기준저항값을 기준으로 높은 범위의 제1 저항값(R1), 낮은 범위의 제2 저항값(R2)으로 구분될 수 있다. 따라서 제1 저항값(R1) 및 제2 저항값(R2)이 각각 유지되는 시간이 구별될 수 있다. 또한 각각의 저항값의 유지시간과 순차적으로 발생하는 순서에 따라서 데이터가 달라질 수 있다. 또한 두 개 이상의 기준저항값이 설정되는 경우 그보다 한 개의 구간이 더 추가되게 되며, 도 2B의 경우 기준저항값은 제1 기준저항값, 제2 기준저항값으로 구성되며, 이를 기준으로 가장 높은 순서대로 제1 저항값(R1), 제2 저항값(R2) 및 제3 저항값으로 구분될 수 있다. 이때 저항값은 저항값의 변화율(초기 저항값과 센서(100)가 변형되었을 때 저항값의 비율)에 따라 구분되었으나, 절대적인 저항값의 범위에 따라서도 결정될 수 있다.
처리부(300)는 소정 시간간격동안의 패턴을 분석하며, 소정시간간격 이후에는 패턴을 재인식하여 정규화된 데이터로 변환시킬 수 있도록 구성될 수 있으며, 다수의 패턴에 대응하는 룩업테이블을 포함하여 구성될 수 있다.
도 3a, 3b는 눈과 손가락에 적용하여 모스코드와 매칭한 결과를 도시한 도면이다.
도시된 바와 같이, 룩업테이블에는 모스(Morse) 부호가 포함되어 있으며, 소정시간 간격동안을 설정하여 눈과 손의 움직임에 의한 저항값의 변화를 모스부호로 변환할 수 있다.
도 3a와 같이 손의 움직임 또는 도 3b와 같이 눈의 움직임에 의해 저항값이 달라지면, 이를 제1 저항값(R1) 및 제2 저항값(R2)으로 구별하며, 각 저항값의 1회 지속시간에 따라 Dash와 Dot으로 구별하여 모스부호에 매칭한 뒤 이에 대응하는 알파벳으로 출력할 수 있게 된다.
이때 손가락에서의 변형률이 크므로 눈꺼풀에 적용된 센서(100)보다 상대적으로 큰 저항변형률인 50% 근처에서 기준저항값이 설정되며, 눈꺼풀의 경우에는 25% 근처에서 기준저항값이 설정되어 제1 저항값(R1)과 제2 저항값(R2)을 구분하게 된다. 한편 이러한 수치는 일 예이며 다양한 수치로 적용될 수 있다.
다만, 전술한 예에서는 저항값을 모스 부호로 매칭시키는 예에 대하여 설명하였으나, 저항변형률에 따라 2진법, 3진법 등 다양한 데이터와 매칭시킬 수 있다.
도 4는 본 발명에 따른 다른 실시예인 신체에 적용되는 변형률 측정센서를 이용한 데이터 생성방법의 순서도이다
도시된 바와 같이 본 발명에 따른 신체에 적용되는 변형률 측정센서를 이용한 데이터 처리 방법은 변형률 측정센서를 위치시키는 단계(S1000), 저항변화를 측정하는 단계(S2000), 저항값을 구별하는 단계(S3000), 매칭단계(S4000) 및 출력단계(S5000)를 포함하여 구성될 수 있다.
변형률 측정센서를 위치시키는 단계(S1000)는 신체의 다양한 부분에 적용될 수 있도록 벤딩 및 신장이 가능한 변형률 측정센서를 신체에 밀착시키는 단계에 해당한다. 변형률 측정센서는 신체의 표면, 즉 피부에 직접 부착되거나, 글러브와 같은 착용부에 구비되어 신체의 표면에 밀착될 수 있다. 이때 사용되는 변형률 측정센서는 이하 도 5이후부터 기술할 나노크랙을 이용한 고 민감도, 고변형률 측정센서가 이용될 수 있다.
저항변화를 측정하는 단계(S2000)는 변형률 측정센서에 전압을 인가하여 저항을 측정하는 단계에 해당한다. 이때 측정되는 저항은 초기 저항값을 기준으로 상대적인 변화율로 계산될 수 있다.
저항값을 구별하는 단계(S3000)는 신체부위마다 움직임에 따른 변형정도가 다르므로, 그에 대응하여 저항값의 최대값과 저항값의 최소값을 근거로 중간값인 기준저항값을 설정하는 단계에 해당한다. 기준저항값을 기준으로 제1 저항값과 제2 저항값으로 구분될 수 있다. 한편, 이때 저항값은 옴 단위의 저항값 뿐만 아니라 저항의 상대적인 변화율이 될 수 있다.
매칭단계(S4000)는 측정된 저항값이 제1 저항값과 제2 저항값으로 구분되면 이를 정규화하여 저장되어 있는 데이터와 매칭시키는 단계에 해당한다. 제1 저항값 및 제2 저항값의 지속시간, 발생순서로 결정되는 패턴과 저장된 데이터를 비교하여 데이터를 매칭하게 된다.
출력단계(S5000)는 매칭된 데이터를 출력하는 단계이다.
이하에서는 본 발명에 적용되는 변형률 측정센서에 대하여 상세하게 설명하도록 한다.
도 5는 본 발명에 따른 변형율 측정센서의 사시도이다.
도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 변형율 측정센서(100)는 제1 레이어(10), 제2 레이어(20)를 포함하여 구성될 수 있다.
제1 레이어(10)와 제2 레이어(20)는 서로 부착되어 있으며, 변형율 측정시 함께 신장되도록 구성된다.
제1 레이어(10)는 측정 대상으로부터 외력을 받아 신장될 수 있도록 신축성 부재로 구성되며, 이하 기술할 제2 레이어(20)의 저항 변화에 전기적으로 영향을 미치지 않도록 비전도성 부재로 구성될 수 있다.
제2 레이어(20)는 전도성 재질로 구성되며 길이가 신장됨에 따라 복수의 크랙(30)의 폭이 넓어짐으로써 자체 저항이 증가되도록 구성된다. 이때 복수의 크랙(30)은 제2 레이어(20)를 제1 레이어(10)에 부착시킨 후 신장시켜 발생된 것을 이용한다.
제2 레이어(20)는 변형율 측정범위 내에서 신장되더라도 전류의 흐름이 완전히 차단되지 않도록 구성된다. 즉 한 부분에서 과도하게 신장되어 전기적으로 단절되지 않도록 복수의 크랙(30)이 밀집되도록 구성된다. 한편, 이러한 특징을 갖도록 적절한 재료를 선정할 수 있으며, 금, 은, 백금과 같은 전도성과 연성이 뛰어난 재료를 포함하여 구성될 수 있다. 본 실시예에서는 백금을 포함하여 구성되어 있다.
복수의 크랙(30)은 제2 레이어(20)의 길이가 신장되는 방향과 대략적으로 수직한 방향성을 가지며 형성된다. 따라서 제2 레이어(20)의 신장시 크랙(30)의 폭이 증가함에 따라 접촉하는 면적이 줄어들게 되어, 저항의 크기를 결정하는 유효단면적이 감소하여 자체 저항이 증가하게 된다. 반대로 원래의 길이로 회귀시 크랙(30)의 폭이 감소하여 접촉하는 면적이 넓어지게 되므로, 유효단면적이 증가하게 되어 자체 저항이 감소하게 된다.
이러한 크랙(30)의 작용, 기능 및 형성과정에 대하여는 차후 상세히 설명하기로 한다.
제1 레이어(10)는 변형율 측정 대상에 고정되어 설치될 수 있다. 측정 대상의 길이 신장에 따라 제1 레이어(10)가 늘어나게 된다. 이때 제1 레이어(10)에 부착된 제2 레이어(20)가 함께 신장되면서 저항 값이 달라지게 되며, 제2 레이어(20)의 양측에 외부 기기가 연결되어 저항변화를 측정하도록 구성될 수 있다.
다시 도 5를 살펴보면 제2 레이어(20)는 제1 레이어(10)에 외력이 작용하는 지점과 소정거리 이격되어 부착될 수 있다. 따라서 외력의 작용에 의해 제2 레이어(20)에 발생될 수 있는 응력집중, 부분적인 파손 등을 방지할 수 있다.
또한, 제2 레이어(20)는 제1 레이어(10)의 모서리로부터 소정거리 이격되어 부착될 수 있다. 제1 레이어(10)를 절단할 때, 절단면이 거칠어질 수 있으며, 거친 모서리에 제2 레이어(20)가 부착된 경우, 응력집중 등으로 적절한 성능을 발휘할 수 있는 문제점을 방지하기 위함이다.
이하에서는 도 6은 내지 도 10을 참조하여 변형율 측정센서(100)의 기능 및 작용에 대하여 상세히 설명한다.
도 6a, 6b는 본 발명에 따른 제2 레이어(20)에 발생된 크랙(30)을 확대하여 촬영한 사진이다.
도 6a에는 변형율 측정센서(100)의 길이가 20% 신장되었을 때의 모습, 도 6b에는 변형율 측정센서(100)의 길이가 50% 신장되었을 때의 모습이 도시되어 있다. 우상측에 나타난 스케일 바의 길이는 5μm이다.
제2 레이어(20)에는 도시된 바와 같은 복수의 크랙(30)이 균일하게 분포되어 있다. 크랙(30)은 제2 레이어(20)가 신장되는 방향과 대체로 수직한 방향으로 형성되어 있다. 전술한 바와 같이 크랙(30)은 제2 레이어(20)가 신장시 신장되는 방향의 폭이 넓어져 접촉면적이 감소함으로써 저항이 증가되도록 구성되며, 회기시에는 반대로 폭이 좁아짐으로써 저항이 감소되도록 구성될 수 있다.
크랙(30)은 제2 레이어(20)의 일측에서부터 타측을 가로지르는 방향으로 형성되어 있으나, 제2 레이어(20)가 파단되지는 않도록 형성된다. 따라서 크랙(30)의 폭이 넓어지더라도 어느 하나의 크랙(30)에 의해 제2 레이어(20)에 흐르는 전류가 완전히 차단되지 않는다. 즉 제2 레이어(20)가 신장되더라도 크랙(30)이 형성되지 않는 부분으로 전류가 통과될 수 있도록, 제2 레이어(20)의 폭보다 짧은 길이로 형성된 복수의 크랙(30)이 형성된다.
도 7a 및 도 7b는 본 발명에 따른 제2 레이어(20)에 발생된 크랙(30)을 비교한 사진이며, 길이가 20% 신장되었을 때의 모습이 나타나 있다.
도 7a는 제2 레이어(20)에 형성된 크랙(30)의 폭이 부적절하게 넓은 모습이 도시되어 있으며, 도 7b는 제2 레이어(20)에 형성된 크랙(30)의 폭이 적절하게 구성되며, 균일하고 촘촘하게 형성되어 있는 모습이 도시되어 있다.
도 7a와 같이 크랙(30)의 폭이 부적절하게 큰 경우에는 어느 하나의 크랙(30)에 의해 부분적으로 파단이 일어나게 된다. 부분적 파단으로 인해 해당 부분에서는 전류의 흐름이 차단되며, 전체적으로는 5%이내의 적은 변형에도 불구하고 측정되는 제2 레이어(20)의 저항이 급격하게 증가하게 된다. 이는 측정범위가 변형율 5% 이상이 되면 측정이 불가능하게 됨을 뜻한다.
반면 도 7b와 같이 크랙(30)이 도 7a보다 조밀하게 형성된 경우에는, 동일한 신장률(20%)에도 불구하고 더 많은 수의 크랙(30)의 폭이 균일하게 증가하여 제2 레이어(20)상에서 크랙(30)과 크랙(30) 사이에 전류가 흐를 수 있는 다양한 경로가 형성될 수 있으므로 안정적으로 전류가 흘러갈 수 있게 된다.
이와 같은 크랙(30)의 폭과 밀집도는 측정 대상의 신장률에 따라 다양하게 구성될 수 있다. 예를들어 최대 신장률 50%의 측정범위를 가질 때 크랙(30)의 폭이 최대 변형률로 신장된 상태에서 50nm 이상으로 형성된 경우, 변형률 측정범위 내에서 급격한 저항변화가 발생하여 정밀한 측정이 어려워지게 된다. 따라서 이러한 경우, 크랙(30)의 폭은 50nm 이하로 구성되는 것이 바람직하다.
도 8a, 8b, 8c, 8d 및 8e는 크랙구조와 저항변화의 개념을 나타낸 도면이다. 도시된 바와 같이, 제2 레이어상에 발생하는 크랙은 크랙과 아일랜드(island)로 구분될 수 있으며, 크랙은 그레인 사이에 공백을 뜻하며 아일랜드는 크랙의 폭이 넓어지더라도 연결되어 있는 부분을 뜻한다.
Figure PCTKR2018005088-appb-I000001
여기서 R은 전체 저항을 뜻하며, R1, R2, Rc는 아일랜드의 저항, 두 인접한 아일랜드 간 저항, 두 인접한 크랙 간의 저항을 뜻한다.
이때
Figure PCTKR2018005088-appb-I000002
이므로, 전체 저항은 다음과 같이 나타낼 수 있다.
Figure PCTKR2018005088-appb-I000003
= 9.87(㏀) + 2.96(㏀/%) × strain (%)
따라서 50%의 신장률을 가질 때 실험결과로부터, R1는 약 4.94kΩ, R2는 2.96kΩ/% 의 변형률(%)을 얻을 수 있다.
도 8d에는 변형률 측정센서의 신장량에 따른 크랙의 형상이 나타나 있으며, 신장량이 증가할수록 크랙의 폭이 커져 아일랜드가 작고 치밀하게 형성되는 모습이 도시되어 있으며, 도 8e에는 변형률 측정센서가 신장된 이후 원래의 크기로 되돌아가면서 아일랜드가 병합되는 모습이 도시되어 있다. 한편, 도 8d 및 도 8e에서 scale bar는 500nm 이다.
이하에서는 본 발명에 따른 고 변형률 측정센서(100)의 크랙과 그레인(1) 사이즈에 대하여 도 9 및 도 10을 참조하여 상세히 설명하도록 한다.
도 9는 제2 레이어(20)의 그레인(1) 사이즈가 도시된 도면이다. 도 9에는 제2 레이어(20)를 백금을 이용하여 그레인(1) 사이즈(Grain Size)가 각각 다르게 형성시킨 후 제1 레이어(10)를 50%의 길이로 인장시켜 크랙(30)이 발생되었을 때의 모습이 나타나 있다.
도시된 바와 같이, 그레인(1) 사이즈가 커짐에 따라 같은 변형률인 경우에도 발생되는 크랙(30)의 사이즈가 다르게 구성된다. 여기서 크랙(30)의 사이즈는 발생되는 크랙(30)의 폭을 말하며, 크랙(30)의 발생위치는 무작위로 전영역에 균일하게 발생된다. 이때, 그레인(1) 사이즈에 따라 단위 길이당 발생되는 크랙(30)의 수로 정의되는 크랙(30)밀도가 달라지게 된다. 이때 제2 레이어(20)의 인장된 길이에 대응하여 미시적으로는 발생된 다수의 크랙(30) 각각의 폭이 넓어지게 된다. 따라서 크랙(30)밀도가 낮은 경우, 즉 크랙(30)의 수가 적은 경우 동일한 길이로 인장되기 위하여 크랙(30)의 폭이 넓어지게 되며, 반대로 크랙(30)의 수가 많은 경우 동일한 길이로 인장되기 위하여 크랙(30)의 폭이 작아질 수 있게 된다. 제2 레이어(20)에서 최초 인장시 발생되는 크랙(30)은 그레인(1)과 그레인(1) 사이의 결합부분에서부터 발생하게 되므로, 크랙(30)밀도는 그레인(1) 사이즈와 밀접한 관련이 있게 된다. 그레인(1) 사이즈가 크면 클수록 크랙(30)밀도는 낮아지게 된다. 한편 하나의 크랙(30)의 관점에서 살펴보면, 하나의 크랙(30)의 폭은 신장률에 따라 소정 범위 내로 이루어 져야 한다. 크랙(30)밀도가 1 * 107 개/m 이상인 경우, 아일랜드를 제외하고 변형률 측정센서의 전체적으로 신장된 길이를 각각의 크랙이 분할하여 차지하게 되며 하나의 크랙(30)의 폭은 5*10-8m 이하가 된다.
도 9에는 각각 변형률 측정센서가 신장됨에 따라 그레인 사이즈가 2nm 이하, 13nm이하, 30nm 이하로 나타날 때의 모습이 도시되어 있으며, scale bar는 400nm 이다. 그레인(1) 사이즈가 커짐에 따라 획득된 영상에서 육안으로 그레인(1)을 확인할 수 있게 되며, 크랙(30)의 개수가 적어져 크랙(30)밀도가 낮아지고 크랙(30)의 폭도 커짐을 알 수 있다.
도 10a, 10b 및 10c는 제2 레이어(20)의 그레인(1) 사이즈와 크랙(30) 사이즈, 최대 변형률 및 두께의 관계에 대한 그래프이다.
도 10a를 살펴보면, 그레인(1) 사이즈가 커짐에 따라 그레인(1) 사이즈의 초기 5nm 까지 커질 때 크랙(30)밀도는 급격한 감소경향을 보이며, 크랙(30)의 폭 또한 급격한 증가가 이루어지는 경향을 확인할 수 있다.
도 10b를 살펴보면 그레인(1) 사이즈에 따른 최대 측정가능한 인장률이 나타나 있는데, 100% 이상의 고 변형률이 측정가능한 범위는 그레인(1) 사이즈가 2 nm 내지 13nm 인 경우로 확인된다. 측정가능한 범위는 변형률 측정센서(100)가 인장됨에 따라 각각의 크랙(30)의 폭이 점차 넓어져 변형률 측정센서(100)의 길이가 변화됨에도 의미있는 저항의 변화가 없는 경우 그 직전까지가 측정가능한 범위가 된다. 한편, 후술할 두께조절과 관련하여, 그레인(1) 사이즈는 제2 레이어(20)의 두께를 조절하여 크기를 조절할 수 있는데, 그레인(1) 사이즈가 매우 작은 경우는 제2 레이어(20)의 두께가 매우 얇은 경우이며, 이 경우에는 의미있는 전도성을 갖지 못해 측정이 불가하며, 그레인(1) 크기가 소정크기 이상이 되었을 때 의미있는 저항의 차이가 발생하게 된다. 이 경우, 약 2nm 이상이 될 때부터 길이변화에 따른 저항변화가 의미있는 값이 된다.
도 10c를 살펴보면, 그레인(1) 사이즈는 제2 레이어(20)를 제1 레이어(10)상에 스퍼터링으로 증착할 때 두께조절을 통하여 조절이 가능하며, 초기 적층에 따라 그레인(1) 사이즈가 증가하는 제1 구간, 두께가 10nm 이상부터 그레인(1) 사이즈가 급격하게 증가하는 제2 구간, 이후 두께가 증가되는 변화에도 그레인(1) 사이즈의 변화량이 미미한 제3 구간으로 구분될 수 있다. 스퍼터링으로 적층하여 제1 구간에는 그레인(1) 사이즈가 커지면서 두께 방향으로는 단일 그레인(1)이 제1 레이어(10)상에서 부착되고 성장하게 되며, 제2 구간에서는 두께방향으로 수개~수십개의 그레인(1)이 적층되고 스퍼터링을 통하여 원자간 연결이 재배열되면서 크레인이 급격하게 성장하게 된다. 제3 구간에서는 사이즈가 점점 커지는 그레인(1)이 두께방향으로 수백개 이상 적층된다.
다시 도 10b를 살펴보면, 신장률에 따라 제2 레이어(20)의 그레인(1) 사이즈를 선택할 수 있는데, 신장률 50%의 측정범위를 필요로 하는 경우 그레인(1) 사이즈는 약 2 내지 25nm로 결정되며, 이를 위하여 제2 레이어(20)의 두께는 약75nm 이하로 형성될 수 있다. 또한, 고변형률인 신장률 100%의 측정범위를 필요로 하는 경우 그레인(1) 사이즈는 약 3 내지 13nm 로 결정되며 이때 제2 레이어(20)의 최대 두께는 약 25nm 가 될 수 있다.
즉, 변형률 측정센서(100)의 측정범위에 따라 제2 레이어(20)의 두께를 조절하여 그레인(1) 사이즈를 결정할 수 있게 된다.
도 11은 본 발명에 따른 변형율 측정센서(100)의 변형율-스트레스 그래프가 나타난 도면이다. 변형률 측정센서(100)를 50% 변형율로 반복적으로 신장시킨 데이터가 나타나 있으며, 신장시키는 횟수에 따라 다른 색깔로 표시되어 있다.
도시된 바와 같이, 최초 1회의 신장시의 데이터는 이후의 데이터와 다소 차이가 있는 모습이 나타나 있다. 이때 최초 1회의 신장은 제2 레이어(20)에 크랙(30)이 형성되기 전 상태에서 신장시킨 데이터이며, 최초의 1회 신장시에는 다소 높게 인가되는 응력(stress)에 따라 제2 레이어(20)에는 전술한 복수의 크랙(30)이 발생되며, 제1 레이어(10)는 미세변형이 발생되게 된다.
그러나 이후의 반복 사용시에는 도시된 것처럼 변형에 따라 일정한 응력이 인가되게 되며, 반복사용을 할수록 데이터가 수렴하는 모습을 보이고 있다.
이와 같이 본 발명에 따른 변형율 측정센서(100)를 사용시 신뢰도 향상을 위하여 1차적으로 신장시켜 균일한 크랙(30)을 발생시켜야 한다. 다만 크랙(30)이 형성되지 않고 제1 레이어(10) 및 제2 레이어(20)가 부착된 상태에서 사용 직전 크랙(30)을 발생시키기 위해 신장시킬 수 있다.
도 12는 본 발명에 따른 변형율 측정센서(100)의 반복신장시 저항변화가 나타난 도면이다.
도시된 바와 같이 변형율 측정센서(100)는 50%의 신장률로 반복했을 때, 저항의 변화는 대략 15배 정도 차이가 발생할 수 있다. 즉 10%의 변형이 일어나더라도 저항은 3배 이상의 차이가 발생되므로 매우 민감하게 작동될 수 있다.
한편, 신장 가능한 변형률 측정센서(100)의 민감도를 나타내는 가장 대표적인 인자로 gauge factor(GF=(저항변화량/초기저항)/변형률)를 들 수 있으며, 본 발명에 따른 변형률 측정센서(100)의 GF 값은 20 내지 40의 값을 가질 수 있어 종래의 메탈 게이지가 5% 이내의 변형률 측정시 GF는 약 2 정도, 종래의 신장 가능한 변형률 측정센서(100)가 약 0.8 정도인 것에 비하여 10배 이상의 높은 GF값을 가질 수 있다. 따라서 변형률을 매우 민감하게 측정이 가능하여 0.01 N 단위로 변화되는 외력에 의한 변형을 측정 가능하다.
또한 반복사용을 하더라도 변형율에 따른 변형율 측정센서(100)의 저항 값은 일정하게 변화되므로 신뢰성을 확보할 수 있게 된다.
도 13은 본 발명에 따른 변형율 측정센서(100)의 변형에 따른 저항변화를 나타낸 것이다.
도시된 바와 같이 변형율 50% 내에서 변형율 측정센서(100)의 신장에 따른 저항증가되고 있으며, 50%까지 선형적으로 길이를 증가시킴에 따라 변형율 측정센서(100)의 저항 값이 선형적으로 증가되는 실험결과 데이터가 나타나 있다.
제2 레이어(20)에 형성된 복수의 크랙(30)이 밀집되어 있어 급격한 저항변화를 방지하며 길이의 신장에 따라 선형적으로 저항이 달라지게 되므로, 측정값을 이용하여 절대값을 이용한 변형률 산출 또는 저항의 상대적 변화에 따른 변형율의 산출이 용이하다. 또한 변형에 따른 저항의 변화가 빠르게 이루어지며, 작은 오버슈트(overshoot) 및 회기시 작은 복구시간이 나타난다.
도 14는 제1 레이어(10)를 다른 재질로 구성했을 때의 그레인(1) 사이즈와 제2 레이어(20)를 다른 재질로 구성했을 때의 그레인(1) 사이즈를 나타낸 도면이다.
도 14a, 14b, 14c, 14d, 14e 및 14f는 제1 레이어(10)와 제2 레이어(20)를 다른 재질로 구성했을 때의 SEM영상이 도시되어 있으며, 도 9와 달리 scale bar는 10μm 이다. 도시된 바와 같이, 각 재질별로 그레인(1) 사이즈가 달라지게 되며, 전술한 실시예에서와 달리 상대적으로 매우 큰 그레인(1)이 발생하게 되며, 매우 크고 낮은 밀도의 크랙(30)이 발생하여 측정범위가 매우 협소해진다. 따라서 그레인(1) 사이즈를 조절하기 위하여 재질에 따라 제2 레이어(20)의 두께를 다르게 설정할 수 있게 된다.
도 15는 본 발명에 따른 변형율 측정센서(100)의 제조방법의 순서도이다.
도시된 바와 같이 본 발명에 따른 변형율 측정센서(100)는 제1 레이어를 생성시키는 단계(S100), 제2 레이어의 두께를 결정하는 단계(S200), 제2 레이어를 생성시키는 단계(S300), 크랙(30)을 발생시키는 단계(S400)를 포함하여 구성될 수 있다.
나아가 제2 레이어(20)를 생성시 제2 레이어(20)를 부착시키는 영역을 결정하는 마스크를 부착 및 제거하는 과정이 포함될 수 있다.
제1 레이어를 생성시키는 단계(S100)는, 비전도성이고 신축성 부재를 스핀 코팅 방법으로 생성시킬 수 있다. 회전하는 슬라이드 글라스의 상측에서 폴리우레탄 솔루션을 떨어뜨려 회전에 의해 박막형태의 제1 레이어(10)를 형성시킨다. 이때 제1 레이어는 200μm 이하로 생성될 수 잇다.
이후 전술한 바와 같이 제2 레이어(20)의 응력집중을 방지하기 위하여 제1 레이어(10)의 모서리에서 소정간격 이격되어 부착될 수 있도록, 생성영역을 결정하는 마스크를 부착시킬 수 있다. 마스크는 제2 레이어(20)를 부착시키는 영역만이 관통되어 있어 제1 레이어(10)상에서 제2 레이어(20)를 선택적으로 생성시킬 수 있게 된다.
제2 레이어의 두께를 결정하는 단계(S200)는 그레인(1) 사이즈에 따라 나노크랙의 밀도가 달라지게 되며, 결국 측정가능한 신장률의 범위가 달라지게 되므로 최대 측정범위를 결정하여 제2 레이어의 두께를 결정하는 단계에 해당한다.
제2 레이어를 생성시키는 단계(S300)는 제1 레이어(10)의 일면에 전도성 제2 레이어(20)를 부착시킨다. 일 예로, 스퍼터링(Sputtering) 공정을 이용하여 제2 레이어(20)를 생성시키며, 이때 스퍼터링은 백금 타겟을 이용하고, 10 내지 20 mA 로 200 내지 300초 간 이루어질 수 있다. 스퍼터링이 15mA 로 240초 간 수행되는 경우 신장률 60% 이내로 측정가능한 변형율 측정센서(100)의 제조에 바람직하다. 한편 이와 같은 스퍼터링은 일 예이며, 측정하고자 하는 측정범위에 따라서 다양한 공정이 채택될 수 있으며, 스퍼터링에 적용되는 시간 및 전류도 다양하게 적용될 수 있다. 한편, 제2 레이어(20)의 그레인(1) 사이즈를 조절하기 위하여 압력 및 온도 등을 조절하는 단계를 추가로 포함할 수 있게 된다.
제2 레이어(20)를 생성시킨 후에는 마스크를 제거한다.
크랙을 발생시키는 단계(S400)는 제1 레이어(10)를 신장시킴으로써 제2 레이어(20)의 전 영역에 균일한 인장력을 인가하여 균일한 분포로 복수의 크랙(30)을 발생시키게 된다.
이때, 크랙(30)을 발생시킬 때 신장되는 길이는 변형율 측정센서(100)로 측정하고자 하는 변형율의 최대치로 적용시켜 신장시킬 수 있다. 일 예로 측정범위가 50% 이내인 변형율 측정센서(100)를 제조하고자 하는 경우, 제1 레이어(10)를 50% 신장시켜 제2 레이어(20)상에 복수의 크랙(30)을 발생시킨다. 이후의 반복 사용에 의한 변형율에 대한 데이터는 도 11과 같이 나타날 수 있게 된다.
도 16a, 16b, 16c, 16d 및 16d는 본 발명에 따른 변형율 측정센서(100)의 제조되는 모습을 개략적으로 도시한 단면도이다.
도시된 바와 같이, 제1 레이어를 생성시키고(도 16A), 생성된 제1 레이어에 마스크를 부착하고(도 16B), 일부분에 스퍼터링을 이용하여 제2 레이어(20)를 생성시킨다(도 16C). 이후 마스크를 제거하고(도 16D), 제1 레이어(도 16E)를 신장시켜 제2 레이어(20)에 균일한 크랙(30)을 발생시키게 된다(e).
이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명에 따른 신체에 적용되는 변형률 측정센서를 이용한 데이터 처리 시스템 및 이를 이용한 데이터 처리 방법은 적은 힘으로 변형이 가능하고 민감도가 높은 변형률 측정센서를 이용하여 신체의 움직임을 측정할 수 있으므로, 간단하고 작은 근육의 움직임을 데이터화 하여 전송할 수 있는 방법으로 활용될 수 있다.
이하에서는 본 발명에 따른 다른 실시예에 대하여 도 17 내지 도 21을 참조하여 상세히 설명하도록 한다.
도 17은 변형률 측정센서를 이용한 신체 움직임 측정 시스템에 대한 개념도이다.
도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 신체 움직임 측정 시스템은 복수의 센서(100), 측정부(200), 모니터링부(500)를 포함하여 구성될 수 있다.
복수의 센서(100)는 신체에 부착되어 신체의 움직임을 측정할 수 있도록 구성된다. 복수의 센서(100)는 신체의 표면에 직접 부착되거나, 신체의 각 부분에 착용하는 착용부에 부착되며, 신체가 움직임에 따라 변형이 되도록 구성된다. 각 센서(100)는 벤딩 및 인장이 이루어질 수 있도록 구성되며, 벤딩 및 인장함에 따라 저항값이 달라져 인장정도를 측정할 수 있도록 구성된다. 복수의 센서(100)는 신체의 표면에 부착되어 사용자의 움직임에 따라 변형이 이루어질 때 사용자에게 이물감이 느껴지지 않도록 작은 힘에도 변형이 가능하도록 구성될 수 있다. 센서(100)는 관절 수준의 움직임과 얼굴 수준의 움직임을 모두 측정 가능할 수 있도록 구성된다. 따라서 안면 근육 중 가장 작은 힘으로 움직이는 근육에 의해 변형이 이루어질 수 있도록 구성될 수 있으며, 일 예로 안면 근육중 일부의 움직임에 의해 눈꺼풀이 움직일 때, 이러한 움직임에도 변형이 가능한 강도로 구성 될 수 있다. 한편, 복수의 센서(100)부는 다양한 크기 및 다양한 강도로 구성될 수 있다. 즉 안면 수준의 근육에 적용시에는 보다 작고 민감한 센서(100)로 구성되며, 무릎이나 팔꿈치와 같은 부위에는 안면 수준의 근육보다 훨씬 큰 힘이 작용하므로, 보다 둔감한 센서(100)로 구성될 수 있다.
측정부(200)는 복수의 센서(100) 각각에 전압을 인가하여 센서(100)의 저항을 실시간으로 측정 가능하도록 구성된다. 복수의 센서(100) 각각의 변형에 의해 저항이 달라지므로, 이러한 저항을 측정할 수 있도록 구성된다. 한편, 센서(100)의 크기 에 따라 각각 다른 크기의 전압을 인가하여 저항을 측정할 수 있도록 구성된다.
모니터링부(500)는 측정부(200)로부터 저항값을 수신하고 저항값의 변화에 따라 움직임을 모니터링할 수 있도록 구성된다. 모니터링부(500)에는 각 근육의 움직임에 따른 저항값의 상대적인 변화에 대한 데이터가 저장된 룩업테이블이 구비될 수 있으며, 룩업테이블에 저장되어 있는 신체의 각 부위별 상대적 움직임에 따른 저항값의 상대적인 변화를 매칭시켜 근육의 움직임 및 관절의 각도 등에 대한 신체의 움직임을 측정할 수 있게 된다.
또한 모니터링부(500)는 센서(100)가 부착된 상태에서 초기 테스트 단계를 거쳐 신체 각 부분의 최소 이완 위치와 최대 이완 위치 또는 회전에 따른 데이터를 생성할 수 있다. 이 경우, 각 사용자마다 센서(100)의 부착위치 및 관절을 중심으로 피부 표면까지의 길이 등이 사이가 있어 저장된 데이터와 오차가 큰 경우에 적용될 수 있다. 따라서 초기 테스트 단계를 거쳐 사용자에게 최적화된 저항 측정범위가 결정되며, 신체움직임을 정확하게 판단할 수 있게 된다.
도 18은 신체 움직임을 정량화한 도면이다.
도시된 바와 같이, 신체의 움직임은 관절 수준의 움직임과 안면 수준의 움직임으로 구분될 수 있으며, 근육에 의한 직접적인 신체의 움직임 뿐만 아니라 맥박에 의한 미세한 움직임까지 발생된다. 대표적인 움직임으로, 안면 수준의 움직임은 눈의 깜박거림(Eye Blinking), 어깨의 움직임(Abduction, Adduction), 굽힘(Flexion, Extension), 몸통의 회전(Rotation), 호흡에 의한 움직임(Breathing) 등 복잡한 움직임을 동반할 수 있다. 이때 각각의 근육에 의한 움직임은 최종적으로 피부의 인장으로 나타날 수 있게 된다. 관절움직임 뿐만 아니라 맥동에 의하여도 미세하게 피부표면에서의 인장과 수축이 반복적으로 일어나게 된다.
도 19는 신체 움직임의 부분적인 움직임에 따른 저항값을 나타낸 그래프이다. 도시된 바와 같이, 신체의 각 부분에 센서(100)를 부착하여 움직임에 따른 저항값을 측정할 수 있다. 이때 신체의 기준위치 및 기준위치에서의 저항값을 설정하여 기준위치로부터 상대적인 변화에 따른 저항변화값을 측정하게 된다.
이때 기준위치는 상대적인 움직임이 일어나는 신체부위가 가장 수축되어 있거나, 가장 인장되어 있는 위치가 될 수 있다. 신체부위가 수축되어 있는 경우에는 이후 인장되면서 피부 표면이 늘어나는 경우에 기준이 될 수 있이며, 신체부위가 인장되어 있는 경우에는 이후 수축되면서 피부가 인장되는 부분이 될 수 있다. 즉 무릎관절의 앞쪽과 뒤쪽 같이 동일한 근육 움직임으로 수축 또는 인장이 반대로 이루어지는 부분에서 최대 인장 또는 수축된 위치가 기준위치가 될 수 있다.
예를 들어 어깨, 외복사근, 무릎, 눈꺼풀, 손목 및 늑골에 적용될 수 있다.
어깨의 경우, abduction 및 adduction을 반복적으로 수행할 때의 저항값이 나타나 있다. 어깨의 움직임 각도에 따라 저항값이 달라지게 되며, 모니터링부(500)는 저항값을 움직임과 매칭시켜 저항값의 상대적인 변화만을 측정하여 신체의 움직임을 판단할 수 있게 된다.
외복사근의 경우, 한쌍으로 부착된 센서(100)의 저항값이 나타나 있으며, 회전방향이 달라질 때의 저항값을 명확하게 판단할 수 있게 된다.
무릎의 경우, 움직임에 따른 저항값이 나타나 있으며, 무릎을 굽혔다가 펴는 동장을 반복적으로 할 때이며, 굽힘정도를 변화시켰을 때 저항변화 또한 명확하게 확인할 수 있다.
눈꺼풀의 경우, 움직임에 따른 상대적인 저항변화가 나타나 있으며, 매우 작은 힘으로도 센서(100)의 길이가 달라져 저항값이 달라질 수 있으므로, 안면 수준의 근육의 움직임도 판단할 수 있게 된다.
맥박의 경우, 손목에서의 맥동을 측정한 결과이다. 상대적으로 적은 저항값의 변화가 있으나, 맥동에 의한 저항값의 변화를 명확하게 판단할 수 있게 된다.
늑골의 경우, 호흡시 의해 늑골에서의 움직임을 측정한 값이 나타나 있으며, 이 또한 저항값의 상대적인 변화로부터 명확하게 판단이 가능하다.
도 19에 나타난 바와 같이, 각각의 센서(100)에서 저항의 상대적인 차이에 따른 움직임을 설정할 수 있으며, 모니터링부(500)는 저항의 최대값 및 최소값을 측정하여 이를 기준으로 상대적인 저항의 변화를 나타낼 수 있도록 측정된 저항값을 스케일링하여 판단할 수 있게 된다.
도 20a, 20b는 손가락의 움직임에 따른 저항변화를 나타낸 그래프이다.
도시된 바와 같이, 복수의 센서(100)는 신체에 직접 부착될 뿐 아니라, 신체에 착용하는 물건에 적용가능하다. 도 20a를 살펴보면, 글러브에 복수의 센서(100)가 부착되어 있으며, 각각의 손가락에 대응되는 위치에 구비되어 있다.
모니터링부(500)는 각각의 센서(100)부로부터 측정되는 저항값을 모니터링하여 손가락의 움직임을 판단할 수 있게 된다. 모니터링부(500)는 신체의 움직임을 단일 센서(100)의 저항값의 변화에 따라 판단할 수 있으며, 도 20B와 같이, 복수의 센서(100)로부터 측정된 저항값을 조합하여 움직임을 판단할 수 있게 된다.
이하에서는 변형률 측정센서를 이용한 신체 움직임 측정방법의 순서도에 대하여 상세히 설명하도록 한다.
도 21은 본 발명에 따른 신체 움직임 측정 방법의 순서도이다.
본 발명에 따른 신체 움직임 측정 방법은 변형률 측정센서(100)를 신체의 일부분에 위치시키는 단계(S6000), 기준 저항값을 설정하는 단계(S7000), 저항값을 측정하는 단계(S8000), 모니터링하는 단계(S9000)를 포함하여 구성될 수 있다.
변형률 측정센서(100)를 신체의 일부분에 위치시키는 단계(S6000)는 나노크랙을 포함하여 길이가 인장됨에 따라 저항값이 증가하는 변형률 측정센서(100)를 이용할 수 있다. 이때 안면 수준의 근육 및 관절 수준의 근육을 포함하여 선택적으로 위치할 수 있다. 이때, 변형률 측정센서(100)를 피부에 직접 부착하거나, 착용가능하며, 신체의 움직임에 따라 변형가능한 장치에 적용될 수 있다.
기준 저항값을 설정하는 단계(S7000)는 저항의 상대적인 변화에 따라 움직임을 판단할 수 있도록 신체가 가장 이완되거나, 가장 수축된 상태를 기준으로 당시의 저항값을 기준값으로 설정하는 단계에 해당한다.
저항값을 측정하는 단계(S8000)는 움직임에 따라 변형률 측정센서(100)가 변형되어 이로부터 측정되는 저항값이 달라지게 되는데, 이 값을 실시간으로 측정하는 단계에 해당한다.
모니터링 단계(S9000)는 측정된 저항값을 이용하여 신체의 움직임을 판단하는 단계에 해당한다.
이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예들을 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 그 기술적 사상이나 필수적인 특징들이 변경되지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것으로 이해할 수 있을 것이다. 그러므로, 이상에서 기술한 실시 예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

Claims (20)

  1. 비전도성이며 신축성 소재로 구성되는 제1 레이어; 및
    상기 제1 레이어상에 전도성 금속으로 구비되며, 측정 범위에 따라 그레인(Grain) 크기가 소정범위 내로 구성되며, 신장시 발생되는 크랙의 밀도가 소정범위 내로 구성되는 제2 레이어를 포함하는 나노크랙을 포함하는 고 변형률 측정센서.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 제2 레이어는 상기 제1 레이어상에서 증착시켜 생성되며, 상기 제1 레이어상에서 그레인 크기가 커지면서 생성되는 것을 특징으로 하는 나노크랙을 포함하는 고 변형률 측정센서.
  3. 제2 항에 있어서,
    상기 제2 레이어는 상기 그레인 크기가 소정범위 내로 구성되며, 상기 크랙의 밀도가 소정범위 내로 구성될 수 있도록 상기 제1 레이어상에서 증착되는 두께를 조절하여 생성되는 것을 특징으로 하는 나노크랙을 포함하는 고 변형률 측정센서.
  4. 제2 항에 있어서,
    상기 그레인 크기는 신장률 100%의 측정 범위를 가질 때15nm 이하로 형성되는 것을 특징으로 하는 나노크랙을 포함하는 고 변형률 측정센서.
  5. 제4 항에 있어서,
    상기 제2 레이어의 두께는 상기 그레인 크기가 13nm 이하로 형성될 수 있도록 25nm 이하로 형성되는 것을 특징으로 하는 나노크랙을 포함하는 고 변형률 측정센서.
  6. 제2 항에 있어서,
    상기 크랙은 폭이 5*10-8m/개 이하인 것을 특징으로 하는 나노크랙을 포함하는 고 변형률 측정센서.
  7. 제1 항에 있어서,
    상기 제2 레이어는 백금으로 구성되는 것을 특징으로 하는 나노크랙을 포함하는 고 변형률 측정센서.
  8. 제2 항에 있어서,
    상기 제2 레이어는 스퍼터링을 이용하여 증착되는 것을 특징으로 하는 나노크랙을 포함하는 고 변형률 측정센서.
  9. 신축성 비전도성 재질로 구성되는 제1 레이어를 형성시키는 단계;
    제1 레이어상에 스퍼터링을 이용하여 그레인 크기가 소정범위내로 이루어 질 수 있도록 두께를 조절하여 제2 레이어를 형성시키는 단계; 및
    상기 제2 레이어를 신장시켜 복수의 나노크랙을 발생시키는 단계를 포함하는 나노크랙을 포함하는 고 변형률 측정센서의 제조방법.
  10. 제9 항에 있어서,
    상기 제2 레이어를 형성시키는 단계는, 신장률 100%의 측정범위를 가질 때 상기 그레인 크기는 13nm 이하로 형성될 수 있도록 두께를 25nm 이하로 형성키는 것을 특징으로 하는 나노크랙을 포함하는 고 변형률 측정센서의 제조방법.
  11. 제9 항에 있어서,
    상기 나노크랙을 발생시키는 단계는 상기 나노크랙의 폭을 5*10-8m 이하로 형성시키는 것을 특징으로 하는 나노크랙을 포함하는 고 변형률 측정센서의 제조방법.
  12. 제9 항에 있어서,
    상기 그레인 크기를 조절할 수 있도록 상기 스퍼터링의 온도 또는 압력 중 적어도 하나를 조절하는 것을 특징으로 하는 나노크랙을 포함하는 고 변형률 측정센서의 제조방법.
  13. 제9 항에 있어서,
    상기 제2 레이어의 그레인 크기가 상기 소정범위내로 형성될 수 있도록 후처리하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 나노크랙을 포함하는 고 변형률 측정센서의 제조방법.
  14. 피부에 밀착되어 피부가 늘어남에 따라 함께 길이가 인장되어 저항이 증가하도록 구성되는 변형률 측정센서;
    상기 변형률 측정센서의 저항을 측정하도록 구성되는 측정부; 및
    저항이 변화되는 복수의 패턴에 대한 데이터가 저장되는 룩업테이블을 포함하며, 상기 측정부로부터 저항값을 수신하여 저항변화의 패턴을 비교하여 매칭되는 데이터를 출력하는 처리부를 포함하는 신체에 적용되는 변형률 측정센서를 이용한 데이터 처리 시스템.
  15. 제14 항에 있어서,
    상기 처리부는,
    상기 센서의 저항값의 기준저항값을 설정하며,
    측정되는 저항값을 상기 기준저항값 이상인 경우 제1 저항값으로 구분되며,
    상기 기준저항값 미만인 경우 제2 저항값으로 구분하여 상기 룩업테이블의 저장된 데이터와 매칭시키는 것을 특징으로 하는 신체에 적용되는 변형률 측정센서를 이용한 데이터 처리 시스템.
  16. 제15 항에 있어서,
    상기 처리부는,
    소정 단위시간동안 상기 제1 저항값 및 상기 제2 저항값의 유지 시간 및 발생 순서로 구분되는 패턴을 상기 룩업테이블에 저장된 데이터와 매칭시키는 것을 특징으로 하는 신체에 적용되는 변형률 측정센서를 이용한 데이터 처리 시스템.
  17. 제16 항에 있어서,
    상기 변형률 측정센서는 근육의 움직임에 의해 변형이 발생하는 피부에 밀착되며,
    상기 처리부는 상기 피부의 변형정도에 따라 이완되었을 때와 수축되었을 때 의 저항의 최대값과 최소값을 근거로 기준저항값을 설정하는 것을 특징으로 하는 신체에 적용되는 변형률 측정센서를 이용한 데이터 처리 시스템.
  18. 제17 항에 있어서,
    상기 처리부는,
    상기 룩업테이블에는 상기 저항변화의 패턴에 1:1로 대응하는 알파벳을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 신체에 적용되는 변형률 측정센서를 이용한 데이터 처리 시스템.
  19. 제17 항에 있어서,
    상기 처리부는,
    상기 룩업테이블에는 상기 저항변화의 패턴을 상기 유지 시간 및 발생순서에 따라 구별되는 모스코드로 구성하여 상기 저항변화의 패턴을 매칭시키는 것을 특징으로 하는 신체에 적용되는 변형률 측정센서를 이용한 데이터 처리 시스템.
  20. 제14 항에 있어서,
    상기 변형률 측정센서는,
    손가락 또는 눈꺼풀에 부착되어 상기 손가락 또는 상기 눈꺼풀의 움직임에 따라 저항변화가 발생하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 신체에 적용되는 변형률 측정센서를 이용한 데이터 처리 시스템.
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