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KR20210014229A - 전단 및 수직 응력 감지 센서 및 이의 제조 방법 - Google Patents

전단 및 수직 응력 감지 센서 및 이의 제조 방법 Download PDF

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KR20210014229A
KR20210014229A KR1020190090183A KR20190090183A KR20210014229A KR 20210014229 A KR20210014229 A KR 20210014229A KR 1020190090183 A KR1020190090183 A KR 1020190090183A KR 20190090183 A KR20190090183 A KR 20190090183A KR 20210014229 A KR20210014229 A KR 20210014229A
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KR
South Korea
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sensor
shear
stress
manufacturing
piezoelectric member
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KR1020190090183A
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차영수
이예림
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한국과학기술연구원
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Abstract

복수의 절곡된 형상의 절곡부를 구비하는 양각 및 음각 중합체를 제작하는 단계와, 압전 부재의 일 면에서 전극 패턴을 형성하는 단계와, 상기 압전 부재를 상기 양각 및 음각 중합체 사이에 내장하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 전단 및 수직 응력 감지 센서 제조 방법과, 복수의 절곡된 형상의 절곡부를 구비하는 양각 및 음각 중합체와, 상기 양각 및 음각 중합체 사이에 내장되고, 일 면에 전극 패턴이 형성된 압전 부재와, 상기 음각 중합체 및 상기 압전 부재 사이에 내장되고, 상기 전극 패턴에 전기적으로 연결되는 FPCB를 포함하는 전단 및 수직 응력 감지 센서를 제공한다.

Description

전단 및 수직 응력 감지 센서 및 이의 제조 방법{Shear and Normal Force Sensor and Manufacturing Method thereof}
본 발명은 전단 및 수직 응력 감지 센서에 관한 것으로, 보다 상세하게는 압전 효과를 이용하는 전단 및 수직 응력 감지 센서에 관한 것이다.
최근 몇 년 사이에, 웨어러블 전자 장치(wearable electronics) 및 지능 로봇의 개발로 인해 유연 촉각 센서의 중요성이 증대되어 왔다. 또한, 다양한 연구들이 프록시미티(proximity), 변형 및 압력과 같은 외부의 입력을 센싱하기 위해 수행된다.
이런 센서들 중에서, 응력 센서는 피드백 시스템을 가지는 로봇 조작과 물체 분류의 기능을 구현하는 로보틱스 분야에서 넓게 사용된다. 동시에, 힘을 센싱할 때, 수직 응력과 전단 응력을 감지하는 것은 매우 중요하다. 실제로, 대부분의 응력은 수직 응력 및 전단 응력이 결합하여 작용되기 때문이다.
전단 응력 및 수직 응력을 센싱할 수 있는 응력 센서는 넓게 연구되어 왔다. 이런 센서는 재료의 압전(piezoelectric) 특성, 압저항(piezo-resistive), 및 정전 용량(capacitive)을 이용한다. 이런 센서들 중에서, 정전 용량 하나는 우수한 민감도, 큰 동력 범위 및 우수한 공간 해상도(spatial resolution)를 갖는다. 압저항, 하나는 우수한 공간 해상도와 단순한 구조를 가진다. 이들은 전력을 소비하는 바이어스 전압(bias voltage)을 요구한다.
대조적으로, 압전 소자(piezoelectric)는 외부의 기계적인 입력을 받으면 전기 신호를 생성해내는 것과 같은 자가발전(self-powered)이 가능한 유리한 특성을 가진다. 이러한 이점과 함께, 전단 응력을 측정할 수 있는 압전(piezoelectric) 응력 센서에 대한 몇몇의 연구들이 수행되어 왔다. 구체적으로, 몇몇의 연구원들은 납작하거나 미세 기둥형상의 PVDF(polyvinyliden fluoride) 위에 PDMS(polydimethylsiloxane) 범프 구조체를 조립하고, 효과적인 센싱을 위한 구체적 형상의 전극을 이용하였는데, 이로 인해 전단 및 수직 응력의 검출을 가능하게 하였다. 이러한 제조 방법은 리소그래피(lithography) 및 스퍼터링(sputtering)과 같은 처리로 인해 수행을 어렵게 한다.
일반적으로 PVDF는 유연성, 생체적합성(biocompatibility) 및 우수한 성능 때문에 측정 재료로 사용된다.
이와 같이, PVDF 및 PDMS를 이용하는 간단한 공정을 통해 제조할 수 있으며 전단 응력 및 수직 응력을 감지하는 응력 센서를 제조하는 방법이 요구된다.
본 발명의 일 목적은 센서에 인가된 응력을 실시간으로 크기 및 방향을 감지할 수 있는 전단 및 수직 응력 감지 센서의 제조 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 일 목적은 PVDF 및 PDMS를 이용하여 간단한 공정을 통해 제조할 수 있는 전단 및 수직 응력 감지 센서를 제공하는 것이다.
상기의 과제를 해결하기 위해, 본 발명의 전단 및 수직 응력 감지 센서 제조 방법은, 복수의 절곡된 형상의 절곡부를 구비하는 양각 및 음각 중합체를 제작하는 단계; 압전 부재의 일 면에서 전극 패턴을 형성하는 단계; 및 상기 압전 부재를 상기 양각 및 음각 중합체 사이에 내장하는 단계를 포함한다.
본 발명과 관련된 일 예에 의하면, 본 발명의 전단 및 수직 응력 감지 센서 제조 방법은, 상기 음각 중합체 및 상기 압전 부재 사이에 FPCB를 내장시키는 단계를 더 포함한다.
바람직하게는, 상기 절곡부는, 사다리꼴의 형상을 가질 수 있다.
본 발명과 관련된 다른 일 예에 의하면, 상기 양각 및 음각 중합체는 서로 정합된 형상일 수 있다.
본 발명과 관련된 또 다른 일 예에 의하면, 상기 양각 및 음각 중합체는 각각 PDMS의 재질일 수 있다.
바람직하게는, 상기 압전 부재는 PVDF의 재질일 수 있다.
또 다른 상기의 과제를 해결하기 위해, 전단 및 수직 응력 감지 센서는 복수의 절곡된 형상의 절곡부를 구비하는 양각 및 음각 중합체; 상기 양각 및 음각 중합체 사이에 내장되고, 일 면에 전극 패턴이 형성된 압전 부재; 및 상기 음각 중합체 및 상기 압전 부재 사이에 내장되고, 상기 전극 패턴에 전기적으로 연결되는 FPCB를 포함한다.
본 발명의 전단 및 수직 응력 감지 센서 제조 방법은 센서가 유연성을 지녀 곡면으로 이루어진 로봇 손 또는 인공 손에 부착되어 사용 가능하기에, 웨어러블 소자에 적용될 수 있다.
또한, 본 발명의 전단 및 수직 응력 감지 센서 제조 방법은 간단한 제작 공정: 제작 공정은 탄성 중합체 제작, 압전 필름의 전극 패터닝, 상기 부품들 조립 만을 포함하고, 마이크로/나노 공정이 불필요하기에, 매우 간단하게 수행된다.
또한, 본 발명의 전단 및 수직 응력 감지 센서는 힘이 인가될 때, 일 도메인으로 구성된 PVDF 필름의 형태(morphology)가 유한 요소법(FEM, finite element method) 과정에 의해 조사되고, 최종적으로, 센서 배열의 실제 적용을 위한 실시간 측정 시스템이 제공된다. 센싱 시스템은 실시간으로 센서에 인가된 미지의 응력의 크기와 방향을 센싱할 수 있다.
도 1은 본 발명의 전단 및 수직 응력 감지 센서 제조 방법을 도시하는 순서도.
도 2a는 상부 및 하부의 PDMS의 제조 과정을 도시하는 사시도.
도 2b는 은으로 코팅된 PVDF 필름이 레이저를 이용하여 전극 패턴이 되는 과정을 도시하는 사시도.
도 2c는 PDMS, PVDF 필름 및 FPCB의 조립에 의해 본 발명의 전단 및 수직 응력 감지 센서를 제조하는 예를 도시하는 사시도.
도 2d는 본 발명의 전단 및 수직 응력 감지 센서의 사진을 포함하는 예를 도시하는 사진.
도 2e는 도 2d에서의 전단 및 수직 응력 감지 센서의 2 * 2 배열을 도시하는 개념도.
도 2f는 본 발명의 전단 및 수직 응력 감지 센서의 단면도.
도 3a는 전단 및 수직 응력이 인가될 본 발명의 전단 및 수직 응력 감지 센서를 도시하는 개념도.
도 3b는 전단 응력 시험 동안의 3D-프린터의 바와 수직으로 위치된 센서가 설치된 실험 설비의 개략도.
도 3c는 수직 응력 시험 동안의 3D-프린터의 바와 수평으로 위치된 센서가 설치된 실험 설비의 개략도.
도 4a는 단일 유닛 측정을 위한 센서 시스템을 도시하는 개념도.
도 4b는 실시간 센서 배열을 위한 센서 시스템을 도시하는 개념도.
도 5a는 75.67 kPa의 전단 응력이 인가될 때 응력 센서 모듈의 출력 전압을 도시하는 그래프.
도 5b는 96.17 kPa의 수직 응력이 인가될 때 응력 센서 모듈의 출력 전압을 도시하는 그래프.
도 6a는 75.67 kPa의 전단 응력이 인가될 때 센서 모듈의 출력 전압으로부터 처리된 값을 도시하는 그래프.
도 6b는 96.17 kPa의 수직 응력이 인가될 때 센서 모듈의 출력 전압으로부터 처리된 값을 도시하는 그래프.
도 7a는 센서 모듈에 +x 방향으로 다른 압력하에서 처리된 값을 도시하는 그래프.
도 7b는 센서 모듈에 -z 방향으로 다른 압력하에서 처리된 값을 도시하는 그래프.
도 7c는 계산된 Ix값과 +x 방향으로의 압력을 도시한 그래프.
도 7d는 계산된 Iz값과 -z 방향으로의 압력을 도시한 그래프.
도 8a는 전단 응력이 인가될 때 PVDF 필름의 변위 분포를 위한 유한 요소법 결과와 이때의 센서에 작용하는 힘을 도시하는 그래프.
도 8b는 수직 응력이 인가될 때 PVDF 필름의 변위 분포를 위한 유한 요소법 결과와 이때의 센서에 작용하는 힘을 도시하는 그래프.
도 9a는 힘의 요소(Fx 및 Fz)의 크기 및 방향을 측정하는 실시간 응력 센싱 시스템의 실험을 보여주는 사진.
도 9b는 전단 응력이 인가될 때, 힘의 요소(Fx 및 Fz)의 크기 및 방향을 측정하는 실시간 응력 센싱 시스템의 실험을 보여주는 사진.
도 9c는 수직 응력이 인가될 때, 힘의 요소(Fx 및 Fz)의 크기 및 방향을 측정하는 실시간 응력 센싱 시스템의 실험을 보여주는 사진.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 명세서에 개시된 실시 예를 상세히 설명하되, 동일하거나 유사한 구성요소에는 동일, 유사한 도면 부호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 이하의 설명에서 사용되는 구성요소에 대한 접미사 "부"는 명세서 작성의 용이함만이 고려되어 부여되거나 혼용되는 것으로서, 그 자체로 서로 구별되는 의미 또는 역할을 갖는 것은 아니다. 또한, 본 명세서에 개시된 실시 예를 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 명세서에 개시된 실시 예의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 첨부된 도면은 본 명세서에 개시된 실시 예를 쉽게 이해할 수 있도록 하기 위한 것일 뿐, 첨부된 도면에 의해 본 명세서에 개시된 기술적 사상이 제한되지 않으며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
제1, 제2 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지는 않는다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.
단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
본 출원에서, "포함한다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
이하, 도면을 참조하여, 본 발명의 전단 및 수직 응력 감지 센서 제조 방법(S100)과 전단 및 수직 응력 감지 센서(100)에 대하여 서술한다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 전단 및 수직 응력 감지 센서 제조 방법(S100)은, 복수의 절곡된 형상의 절곡부를 구비하는 양각 및 음각 중합체(10a, 10b)를 제작하는 단계(S10), 압전 부재(20)의 일 면에서 전극 패턴을 형성하는 단계(S20), 및 상기 압전 부재(20)를 상기 양각 및 음각 중합체(10a, 10b) 사이에 내장하는 단계(S30)를 포함한다.
또한, 본 발명의 전단 및 수직 응력 감지 센서 제조 방법(S100)은, 상기 음각 중합체(10b) 및 상기 압전 부재(20) 사이에 FPCB(30)(flexible printed circuit board)를 내장시키는 단계(S40)를 더 포함할 수 있다. FPCB(30)는 압전 부재(20)의 상기 일 면의 전극 패턴과 전기적으로 연결되어 센서의 출력 측정을 가능하게 한다.
복수의 절곡된 형상의 절곡부를 구비하는 양각 및 음각 중합체(10a, 10b)를 제작하는 단계(S10)에서, 절곡부는, 사다리꼴의 형상을 가질 수 있다.
또한, 양각 및 음각 중합체(10a, 10b)는 서로 정합된 형상일 수 있다.
한편, 예를 들면, 양각 및 음각 중합체(10a, 10b)는 각각 탄성 중합체, 바람직하게는 PDMS(polydimethylsiloxane)의 재질일 수 있다.
압전 부재(20)는 양면에 전극을 구비할 수 있는데, 이 중 한 면에 전극 패턴이 형성되게 된다.
압전 부재(20)의 일 면에서 전극 패턴을 형성하는 단계(S20)는, 일례로, 레이저 커팅에 의해 전극 패턴의 형성이 이루어질 수 있다. 또한, 압전 부재(20)는 일례로, PVDF 재질의 압전 필름, 즉 PVDF 필름일 수 있다.
압전 부재(20)는, 외부의 힘이 가해지면 전압을 생성하기에, 외부 전력은 필요하지 않다.
또한, 본 발명의 전단 및 수직 응력 감지 센서 제조 방법(S100)에 의해 제조된 전단 및 수직 응력 감지 센서(100)는 유연한 재료들로만 구성되기에 전체 센서가 유연하다.
한편, 본 발명의 전단 및 수직 응력 감지 센서(100)는 복수의 절곡된 형상의 절곡부를 구비하는 양각 및 음각 중합체(10a, 10b), 상기 양각 및 음각 중합체(10a, 10b) 사이에 내장되고, 일 면에 전극 패턴이 형성된 압전 부재(20), 및 상기 음각 중합체(10b) 및 상기 압전 부재(20) 사이에 내장되고, 상기 전극 패턴에 전기적으로 연결되는 FPCB(30)를 포함한다.
이하, 본 발명의 전단 및 수직 응력 감지 센서 제조 방법(S100)의 일 예에 대해 보다 상세히 서술한다.
우선, 두 개의 주문 제작된 금형이 3D 프린터로 제조된다. 금형은 3염화 실레인(trichlorosilane)으로 코팅되어 양각 및 음각 중합체(10a, 10b)를 금형으로부터 쉽게 분리시킨다. 도 2a에 도시되는 바와 같이, 양각 및 음각 중합체(10a, 10b)는 주문 제작된 금형에서 주조되어 4시간 동안 55℃ 에서 말림으로써 양각 및 음각 중합체(10a, 10b)의 바닥면 및 윗면이 제조된다.
도 2b에 도시되는 바와 같이, 은으로 코팅된 6 * 23 mm2 의 PVDF 필름의 상면 전극은 레이저 마킹 기계에 의해 패턴화된다. 일례로, PVDF 필름의 두께는 28㎛이다. 도 2c를 참조하면, 패턴화된 PVDF 층 및 FPCB(30) 층은 바닥의 양각 중합체(10a)에 적층되고, 그 후에 상면의 음각 중합체(10b)가 PVDF 층 및 FPCB(30)를 덮는 예가 도시된다. 도 2d 및 2e에는 2 * 2 센서 배열의 전단 및 수직 응력 센서의 사진이 도시된다. 센서 모듈은 3개의 압전(piezoelectric) 센서, 일례로 도 1e의 P1, P2 및 P3으로 구성될 수 있다. 도 1e에는 P1 내지 P3이 1센서, P4 내지 P6이 2센서, P7 내지 P9가 3센서이고, P10 내지 P12가 4센서로, 총 2 * 2 센서 배열을 형성하는 예가 도시된다.
도 2f의 측면도를 살펴보면, 2개의 등변 사다리꼴 범프 형상의 바닥의 양각 중합체(10a)가 도시된다. 기저에서 사다리꼴 형상의 상면까지의 길이는 3 mm일 수 있고, 기저면과 사다리꼴 형상의 경사면 사이의 각도는 45°일 수 있다. 도 1f에는 P1 내지 P3 부분과 P9 내지 P7 부분이 사다리꼴 형상의 PVDF 필름의 예가 도시된다. 도 1e의 P4 부분 내지 P6 및 P12 내지 P10 부분은 단면으로 도시되지는 않았지만, P1 내지 P3 부분과 P9 내지 P7 부분과 동일한 구성임이 이해될 수 있다. 센서 출력의 측정을 위해, PVDF 필름의 상면 전극에 FPCB(30)가 연결되고, 바닥면의 전극에는 전기 와이어가 연결될 수 있다.
전단 및 수직 응력 센서의 성능을 분석하기 위해 수직 및 전단 응력을 인가하기 위한 인장 시험 기계가 이용된다. 도 3b에 도시된 바와 같이, 3D 프린팅된 바(bar)를 인장 시험 기계에 연결시켜서 응력을 도 3a의 8 mm * 14.7 mm로 표현된 영역에 인가할 수 있다. 게다가, 제조된 센서 배열은 센서를 수평적으로 또는 수직적으로 위치시키기 위해 아크릴 지지부에 고정될 수 있다. 도 3b에 도시되는 바와 같이, 전단 응력 시험을 위해, 샘플이 수직 방향으로 위치되는데 시험 속도는 300 mm/min 이다. 전단 응력을 위한 3D-프린팅된 바는 도 3b에 도시된 바와 같이 디자인된다. 도 3c에 도시된 바와 같이, 수직 응력 시험을 위해 샘플은 수직 방향으로 배치되고 시험 속도는 150 mm/min이다. 수직 응력이 인가될 때, 도 3c에 도시되는 바와 같이, 전단 응력 시험을 위한 다른 바가 사용된다.
하나의 모듈을 위한 센서 출력 측정의 설정이 도 4a에 도시된다. 구체적으로, P1, P2 및 P3 센서로부터 신호가 보여진다. 아날로그 전압은 아날로그-디지털 변환 핀을 통해 읽혀진다. 100 MΩ 의 부하 저항은 각각 센서에 연결되고, 3.3 V 옵셋 전압을 인가하여 양(positive)의 값 영역에서 아날로그 전압 출력을 측정한다. 샘플링 속도는 300 Hz이고, 데이터 처리를 위한 개인 컴퓨터(PC)는 직렬 통신(serial communication) 방식으로 마이크로 컨트롤러에 연결된다. 2 * 2 센서 배열의 전체 시험 동안에, 16-채널 아날로그 멀티플렉서가 사용되어 12 신호를 측정하고, 마이크로 컨트롤러를 통해 제어된다. 센서의 수가 증가하기 때문에 샘플링 속도는 50Hz까지 조절된다.
도 5a 및 5b는 전단 및 수직 응력이 인가되었다가 해제될 때, 센서의 출력 전압을 보여준다. 얻어진 데이터의 전압 오프셋이 제거되고, 전압 출력은 60Hz의 저주파 통과 필터(LPF, Low Pass Filter)에 의해 필터링되어 전압원 노이즈를 제거한다. 삽화 이미지는 전압을 읽는 센서의 위치를 보여주고, 빨간 화살표는 전단 및 수직 응력 시험을 위한 3D 프린팅된 바의 이동 방향을 보여준다. 도 5a는 75.67 kPa의 전단 응력이 x 방향으로 인가되는 측정 결과를 보여준다. P1 및 P2의 신호 위상은 P3 센서의 신호 위상에 반대인 것으로 보여진다. z 방향으로의 수직 응력이 인가될 때의 신호가 도 5b에 도시된다. 신호는 응력이 인가되거나 해제될 때에 같은 위상을 가진다. 그러므로, 신호의 위상 차이를 비교하는 것에 의해 신호에 인가된 응력이 전단 또는 수직인지 여부를 구별하는 것은 가능하다. 하지만, PVDF 센서는 부하 저항이 센서의 내부 임피던스 값에 있는 경우, 변형의 속도 변화에 비례하여 전압을 생성한다. 출력 전압의 피크 값은 응력이 인가되는 속도에 달려있고, 센서에 인가되는 응력의 크기는 출력 전압의 피크값으로부터 얻어질 수 없다. 센서에 인가되는 응력의 크기를 얻기 위해, [수학식 1]에 따라 도출된다.
[수학식 1]은 In = In-1 + Vn * △t이다. 여기서, In은 처리 값이고, Vn은 오프셋되지 않은 출력 전압이고, △t는 센싱 시간 간격이다.
처리 값의 피크값은 속도에 관계 없이 센서에 인가되는 응력에 비례한다. 도 6a에 도시되는 바와 같이, 전단 응력이 +x 방향으로 인가될 때, P1 센서는 양의 값을 발생시키고, 반면에, P3 센서는 음의 값을 발생시킨다. 도 6b에 도시되는 바와 같이, 수직 응력이 -z 방향으로 인가될 때, P1 및 P3 센서는 음의 값을 발생시킨다. 이런 결과에 따르면, 센서에 인가되는 힘의 방향이 x 방향 또는 z 방향인지 여부는 P1 및 P3 센서의 처리 값의 극성에 따라 달라진다. 즉, 만약, I1 * I3 < 0 이면, 전단 응력이 인가되며, I1 * I3 > 0 이면, 수직 응력이 인가된다.
또한, 처리된 값의 피크값을 통해서 인가된 힘의 크기는 측정될 수 있다. 센서를 통해서 인가된 힘의 민감도를 연구하기 위해, 각각 45 kPa 내지 86 kPa, 및 100 kPa 내지 260 kPa의 범위의 다른 전단 및 수직 응력을 인가하는 것에 의해 센서를 이용하는 추가적인 실험들을 수행했다.
도 7a 및 7b에는, 압력에 따른 처리 값이 도시된다. 인가된 압력이 증가함에 따라 처리값의 절대값은 선형적으로 증가하고, 선형 근사(fitting)는 각각의 센서 민감도에 비교하여 이런 결과 값에 중첩된다. 전단 응력이 센서에 인가될 때, P1, P2 및 P3 센서들의 근사선의 경사는 0.91, 0.198 및 -0.39 이다. 이 지점에서, 사다리꼴(trapezoid) 범프의 다리에 위치된 센서(P1 및 P3)는 사다리꼴 범프의 상부 기저에 위치된 센서(P2) 상대적으로 더욱 민감하다. 수직 응력이 인가될 때, 근사선의 경사는 -0.194, -0.119 및 -0.135 이다. 센서들의 다른 민감도 때문에, P1 및 P3 센서를 이용하여 전단 응력에 특히 민감한 신호와 함께 전단 응력을 감지한다. 또한 P2 센서를 이용하여 수직 응력을 감지한다. 특히, 센서에 인가된 응력은 수직 응력의 Fz 와 전단 응력의 Fx로 분극될 수 있다. Fx를 Ix의 기능으로 표현하는데, P1 및 P3 센서의 신호에 의해 정의되며, 식 Ix = (I1-I3)/2 이고, I1 및 I3은 P1 및 P3 센서의 각각의 처리 값이다. 게다가, Fz 을 Iz의 기능으로 표현하는데, Iz=I2 으로 정의되며, I2는 P2 센서의 처리값으로 표현된다. 이런 정의에 따르면, Ix 및 Iz는 도 7c 및 7d에서 각각 플로팅된다. 도 7c를 참조하면, Ix는 주로 대응되는 전단 응력 요소 Fx의 변화에 의해 영향을 받고, 전단 응력에 대해 선형성을 가지며, 도 7d를 참조하면, Iz는 Fz의 그것과 비슷한 경향을 가진다. 그 결과, 센서에 인가되는 응력이 전단 또는 수직 응력인지와, 그것의 크기를 추론할 수 있다.
게다가, 전단 또는 수직 응력 하의 필름의 형태를 관찰하기 위해, COMSOL Multiphysics 소프트 웨어의 유한요소법(FEM, Finite Elements Method) 절차를 이용하여 PVDF 필름의 전체 변위 분포를 분석한다. 지오메트리가 센서의 실제 크기와 같게 상부의 음각 중합체(10b) 모듈 설정은 3590 kPa로 모델화되고, 하부의 양각 중합체(10a) 모듈 설정은 980 kPa로 모델화된다.
시뮬레이션에서, 전단 및 수직 응력은 센서 모듈에 인가된다. 10N의 전단 응력 및 수직 응력이 인가될 때 변위 분포가 도 8a 및 8b에 각각 도시된다. 센서에 응력이 인가될 때 일 도메인의 필름 구성 형태가 보여질 수 있다. 두 경우에 있어서, 사다리꼴의 상부 기저는 가장 큰 변위를 가지고, 변위 분포는 도 2e에서의 MN 선에 대해 대칭이다. 신호 쌍은 MN 선에 대해 대칭이다. 이 결과는 두 개의 사다리꼴 형상의 연결은 대칭 변위에 영향을 미친다는 것을 보여준다. PVDF 필름의 1 층을 이용하는 것에 의해 제조되기 때문에 연결이 가능하다. 게다가, 연결에 의한 변위 차이는 P1 및 P3 센서 간의 민감도 차이에 기인한다. 실제 적용을 위해, 제안된 데이터 처리를 통해 전단 및 수직 응력 센서를 위해 실시간 측정 시스템을 제공한다. 4개의 센서 모듈 중의 하부의 2개에 응력이 인가된다. 응력 구성 성분(Fx 및 Fz)이 도 4b에서 보여준 센싱 시스템을 이용하여 측정되고 컴퓨터 화면에 보여진다. 도 9a에서, 각각의 센서 모듈은 응력의 크기에 대응하는 회색으로 보여지는 창을 구비하고, 인가된 힘의 방향 또한 보여진다. 구체적으로 일 모듈은 인가된 힘의 크기를 가리키는 세 개의 창을 가진다. 사다리꼴의 범프의 다리에 위치한 2개의 센서를 위한 창은 Fx의 크기를 보여주고, 사다리꼴의 범프의 상부 기저에 위치한 센서를 위한 창은 Fz의 크기를 나타낸다. 도 9b는 전단 응력 시험의 시스템 결과를 보여주는데, 반면, 도 9c는 수직 응력 시험의 시스템 결과를 보여준다. 전단 응력이 인가될 때, 수직 응력 또한 관측된다. 이는, 전단 응력이 인가될 때, 수직 응력의 요소가 존재하는 것을 보여준다. 반대로, 수직 응력이 인가될 때, Fx는 상당히 감소하여 Fz가 지배적이게 된다. 또한, 두 경우에, 응력이 사람의 손가락에 의해 인가되기 때문에, 각각의 모듈에 인가되는 힘의 차이가 보여진다.
본 발명의 전단 및 수직 응력 감지 센서(100)는, 유연 압전 센서(flexible piezoelectric sensor)로서, 전단 및 수직 응력을 감지할 수 있고, PVDF 필름 한 층을 이용하여 제조될 수 있다. 2 * 2 배열을 가지는 이 센서는 3차원 구조의 양각 및 음각 중합체(10a, 10b)로 밀봉된 PVDF 필름으로 구성된다. 특히, 이 센서는, 복잡한 처리 없이, 단순히 전극을 PVDF 필름에서의 레이저 커팅 기계로 제조되기 때문에, 제조 과정의 측면에서 유리하다. 센서 출력 전압의 데이터 처리 결과를 통해서, 인가되는 응력의 크기에 비례하는 값을 얻는다. 특히, 단일 모듈에서 세 개의 센서(P1, P2 및 P3)에 의해 발생된 신호는 다른 상을 보여주기 때문에, 인가된 힘의 방향은 유도된다. 또한, 처리 값의 피크값은 센서에 인가되는 압력에 비례하기 때문에, 응력의 크기는 데이터 처리된 센서 출력 전압의 피크값을 이용하는 것에 의해 또한 유도될 수 있다. 게다가, 유한 요소법에 의해 힘이 인가되었을 때 하나의 도메인의 PVDF 필름의 형태에 대해 연구했으며, 결과는 P1 및 P3 센서 사이의 민감도의 차이가 PVDF 필름의 일 도메인에 의한 연결에 기인하다는 것을 보여진다. 게다가, 실시간으로 센서에 인가되는 응력을 감지하는 센서 배열 시스템이 제공된다. 미지(unknown) 응력이 센서에 인가될 때, 시스템은 응력의 크기와 방향을 실시간으로 컴퓨터 화면에 보여준다.
3차원의 사다리꼴 구조의 양각 및 음각 중합체(10a, 10b)는 전단 및 수직 응력의 센싱을 가능하게 하는 일 층의 PVDF 필름을 밀봉한다. 센서의 정전 용량(capability)은 다양한 방향에서의 힘들을 인가하는 것에 의해 조사되는데, 인가되는 힘의 방향 및 크기가 측정된다.
본 발명의 전단 및 수직 응력 감지 센서 제조 방법(S100)은, 압전 센서를 이용해 외부 전압 인가가 필요 없고, 압전 센서의 변형률을 활용하여 감지한다.
본 발명의 전단 및 수직 응력 감지 센서 제조 방법(S100)은 센서가 유연성을 지녀 곡면으로 이루어진 로봇 손 또는 인공 손에 부착되어 사용 가능하기에, 웨어러블 소자에 적용될 수 있다.
본 발명의 전단 및 수직 응력 감지 센서 제조 방법(S100)은 간단한 제작 공정: 제작 공정은 탄성 중합체 제작, 압전 필름의 전극 패터닝, 상기 부품들 조립 만을 포함하고, 마이크로/나노 공정이 불필요하기에, 매우 간단하게 수행된다.
또한, 힘이 인가될 때, 일 도메인으로 구성된 PVDF 필름의 형태(morphology)가 유한 요소법(FEM, finite element method) 과정에 의해 조사되고, 최종적으로, 센서 배열의 실제 적용을 위한 실시간 측정 시스템이 제공된다. 센싱 시스템은 실시간으로 센서에 인가된 미지의 응력의 크기와 방향을 센싱할 수 있다.
이상에서 설명한 전단 및 수직 응력 감지 센서 제조 방법(S100)과 전단 및 수직 응력 감지 센서(100)는 위에서 설명된 실시예들의 구성과 방법에 한정되는 것이 아니라, 실시예들은 다양한 변형이 이루어질 수 있도록 각 실시예들의 전부 또는 일부가 선택적으로 조합되어 구성될 수도 있다.
본 발명은 본 발명의 정신 및 필수적 특징을 벗어나지 않는 범위에서 다른 특정한 형태로 구체화될 수 있음은 당업자에게 자명하다. 따라서, 상기의 상세한 설명은 모든 면에서 제한적으로 해석되어서는 아니되고 예시적인 것으로 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 첨부된 청구항의 합리적 해석에 의해 결정되어야 하고, 본 발명의 등가적 범위 내에서의 모든 변경은 본 발명의 범위에 포함된다.

Claims (7)

  1. 복수의 절곡된 형상의 절곡부를 구비하는 양각 및 음각 중합체를 제작하는 단계;
    압전 부재의 일 면에서 전극 패턴을 형성하는 단계; 및
    상기 압전 부재를 상기 양각 및 음각 중합체 사이에 내장하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 전단 및 수직 응력 감지 센서 제조 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 음각 중합체 및 상기 압전 부재 사이에 FPCB를 내장시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전단 및 수직 응력 감지 센서 제조 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 절곡부는, 사다리꼴의 형상을 가지는 것을 특징으로 하는 전단 및 수직 응력 감지 센서 제조 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 양각 및 음각 중합체는 서로 정합된 형상인 것을 특징으로 하는 전단 및 수직 응력 감지 센서 제조 방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 양각 및 음각 중합체는 각각 PDMS의 재질인 것을 특징으로 하는 전단 및 수직 응력 감지 센서 제조 방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 압전 부재는 PVDF의 재질인 것을 특징으로 하는 전단 및 수직 응력 감지 센서 제조 방법.
  7. 복수의 절곡된 형상의 절곡부를 구비하는 양각 및 음각 중합체;
    상기 양각 및 음각 중합체 사이에 내장되고, 일 면에 전극 패턴이 형성된 압전 부재; 및
    상기 음각 중합체 및 상기 압전 부재 사이에 내장되고, 상기 전극 패턴에 전기적으로 연결되는 FPCB를 포함하는 전단 및 수직 응력 감지 센서.
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