KR20160125565A - 근접 검출이 가능한 필름 타입의 촉각 센서 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 근접 검출이 가능한 촉각 센서에 관한 것으로서, 필름 타입으로 형성되는 기판; 상기 기판 상에 복수 개의 양극 전극들과 복수 개의 음극 전극들이 배치되고 서로 이웃하는 상기 양극 전극들 사이에 상기 복수 개의 음극 전극들 중 적어도 하나가 배치되도록 형성되는 전극 레이어; 및 실리콘 중에 분산된 나선형 코일 상태의 카본마이크로 코일들로 구성되어 상기 전극 레이어가 형성된 상기 기판을 덮도록 형성되는 CMC 레이어;를 포함할 수 있다.
Description
본 발명은 근접 검출이 가능한 필름 타입의 촉각 센서에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 유연한 필름 형태로 제조되어 로봇의 피부에 적용할 수 있는 근접 검출이 가능한 촉각 센서에 관한 것이다.
현재 로봇의 손목, 팔꿈치 등 관절에서 사용되고 있는 6자유도의 힘/토크 센서와 로봇의 그리퍼(gripper)용으로 압력 및 미끄러짐을 감지할 수 있는 다축 로드셀은 가장 초보적인 단계의 촉각센서로서 로봇 손에 적용하기가 쉽지 않다.
또한, 종래의 6자유도의 힘/토크 센서와 종래의 다축 로드셀은 향후 로봇은 접촉상황을 인지하는 것이 가능한 촉각센서가 필요하다는 관점에서 적합하지 않다.
최근에 몇몇 연구자들은 반도체 집적회로 제조기술의 하나인 미소기전집적시스템(MEMS) 제작기술을 이용하여 촉각센서 개발을 하고 있다. 스탠포드 대학에서는 CMOS 공정을 통해 신호처리부와 100μm x 100μm 크기의 3축 힘센서 감지부로 이루어진 촉각센서를 개발하였다. 그러나 이들 연구는 실리콘 기반 미소기전집적시스템 기술로 제작된 촉각센서로 유연성을 가지지 못하는 단점을 가지고 있다. 이런 문제를 해결하기 위해서 최근에는 유연성을 갖는 생체모방형 인공피부를 개발하여 지능로봇에 적용하는 연구를 진행 중에 있다. 그러나 취성재료인 실리콘 웨이퍼를 사용하였기 때문에 곡면에 부착할 수 없는 단점을 가지고 있었다.
이에, 로봇의 관절 및 손가락 팁과 같은 곡면에도 적용할 수 있도록 종래의 촉각센서 보다 더 얇고 유연한 촉각 센서의 제조 기술의 개발이 요구된다.
본 발명의 실시예는 종래의 촉각 센서보다 더 얇으며, 로봇의 피부에 적용할 수 있는 얇고 유연한 근접 검출이 가능한 필름 타입의 촉각 센서를 제공한다.
또한, 본 발명의 실시예는 촉각 센서 및 근접 센서로 동작할 수 있는 근접 검출이 가능한 필름 타입의 촉각 센서를 제공한다.
본 발명의 실시예에 따른 근접 검출이 가능한 필름 타입의 촉각 센서는, 필름 타입으로 형성되는 기판; 상기 기판 상에 복수 개의 양극 전극들과 복수 개의 음극 전극들이 배치되고 서로 이웃하는 상기 양극 전극들 사이에 상기 복수 개의 음극 전극들 중 적어도 하나가 배치되도록 형성되는 전극 레이어; 및 실리콘 중에 분산된 나선형 코일 상태의 카본마이크로 코일들로 구성되어 상기 전극 레이어가 형성된 상기 기판을 덮도록 형성되는 CMC 레이어; 를 포함할 수 있다.
상기 기판은, 유연성을 갖는 비전도성 재질로 형성되며, 상기 비전도성 재질은 폴리에틸렌(Polyethylene), 폴리패닐에테르(Polyphenylene ether), 폴리이미드(Polyimide) 및 무색투명 폴리이미드(Colorless and transparent polyimide) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상기 카본마이크로 코일들은, 전도성 재질과 고분자 재질의 혼합물로 형성되며, 상기 고분자 재질로는 실리콘 고무(Silicone rubber), 아크릴로니트릴-부타디엔 고무(NBR : Acrylonitrile butadiene rubber), 폴리 디메틸실록산(PDMS: Poly-dimethylsiloxane) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상기 복수 개의 음극 전극들은 전기적으로 하나로 연결되어 있으며 상기 양극 전극들은 서로 연결되지 않고 개별적으로 형성될 수 있다.
상기 CMC 레이어는, 일면에 물체가 외부로부터 접촉되어 압력이 가해진 경우, 가해지는 상기 압력이 가해진 지점에 위치한 카본마이크로 코일들의 형상이 변형되고, 상기 형상의 변형에 의해 변화되는 상기 CMC 레이어의 저항 값 또는 정전용량 값을 측정하여 상기 물체가 접촉된 위치를 검출할 수 있다.
상기 CMC 레이어는, 일면에 물체가 접근하는 경우, 상기 물체와 가장 인접한 거리에 위치한 카본마이크로 코일들과 상기 전극 레이어가 형성하는 전자기장이 변화되고, 상기 전자기장의 변화에 의해 변화되는 상기 CMC 레이어의 정전용량 값을 측정하여 상기 물체의 접근 정도를 측정할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 로봇의 피부에 적용할 수 있는 얇고 유연한 근접 검출이 가능한 근접 검출이 가능한 필름 타입의 촉각 센서를 제공할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따르면, 외부로부터 물체가 접촉한 위치뿐만 아니라 물체의 근접 정도를 검출할 수 있는 근접 검출이 가능한 필름 타입의 촉각 센서를 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 근접 검출이 가능한 필름 타입의 촉각 센서의 단면도.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 근접 검출이 가능한 필름 타입의 촉각 센서 제조 방법을 나타내는 공정도.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 전극 레이어 및 CMC 패드부를 형성하는 예시도.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 전극 레이어 및 CMC 패드부를 형성하는 예시도.
도 5는 종래의 촉각 센서의 작동 원리를 나타내는 예시도.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 근접 검출이 가능한 필름 타입의 촉각 센서의 작동 원리를 나타내는 예시도.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 근접 검출이 가능한 필름 타입의 촉각 센서가 외부로부터 접촉하는 물체의 위치를 검출하는 원리를 나타내는 예시도.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 근접 검출이 가능한 필름 타입의 촉각 센서가 물체의 접근 정도를 측정하는 원리를 나타내는 예시도.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 근접 검출이 가능한 필름 타입의 촉각 센서가 근접하는 물체와의 거리에 따라 변화하는 정전용량의 값을 나타내는 그래프이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 근접 검출이 가능한 필름 타입의 촉각 센서의 접촉 센싱의 데이터를 나타내는 그래프이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 근접 검출이 가능한 필름 타입의 촉각 센서가 외부로부터 접촉하는 물체로 인해 가해지는 힘의 크기에 따라 변화하는 정전용량의 값을 나타내는 그래프이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 근접 검출이 가능한 필름 타입의 촉각 센서 제조 방법을 나타내는 공정도.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 전극 레이어 및 CMC 패드부를 형성하는 예시도.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 전극 레이어 및 CMC 패드부를 형성하는 예시도.
도 5는 종래의 촉각 센서의 작동 원리를 나타내는 예시도.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 근접 검출이 가능한 필름 타입의 촉각 센서의 작동 원리를 나타내는 예시도.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 근접 검출이 가능한 필름 타입의 촉각 센서가 외부로부터 접촉하는 물체의 위치를 검출하는 원리를 나타내는 예시도.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 근접 검출이 가능한 필름 타입의 촉각 센서가 물체의 접근 정도를 측정하는 원리를 나타내는 예시도.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 근접 검출이 가능한 필름 타입의 촉각 센서가 근접하는 물체와의 거리에 따라 변화하는 정전용량의 값을 나타내는 그래프이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 근접 검출이 가능한 필름 타입의 촉각 센서의 접촉 센싱의 데이터를 나타내는 그래프이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 근접 검출이 가능한 필름 타입의 촉각 센서가 외부로부터 접촉하는 물체로 인해 가해지는 힘의 크기에 따라 변화하는 정전용량의 값을 나타내는 그래프이다.
이하, 첨부된 도면들에 기재된 내용들을 참조하여 본 발명에 따른 예시적 실시예를 상세하게 설명한다. 다만, 본 발명이 예시적 실시예들에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 각 도면에 제시된 동일한 참조부호는 실질적으로 동일한 기능을 수행하는 부재를 나타낸다.
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. 예컨대, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. 본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
본 발명에서 사용되는 용어는 본 발명에서의 기능을 고려하면서 가능한 현재 널리 사용되는 일반적인 용어들을 선택하였으나, 이는 당 분야에 종사하는 기술자의 의도 또는 판례, 새로운 기술의 출현 등에 따라 달라질 수 있다. 또한, 특정한 경우는 출원인이 임의로 선정한 용어도 있으며, 이 경우 해당되는 발명의 설명 부분에서 상세히 그 의미를 기재할 것이다. 따라서 본 발명에서 사용되는 용어는 단순한 용어의 명칭이 아닌, 그 용어가 가지는 의미와 본 발명의 전반에 걸친 내용을 토대로 정의되어야 한다.
명세서 전체에서 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있음을 의미한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 근접 검출이 가능한 필름 타입의 촉각 센서의 단면도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 근접 검출이 가능한 필름 타입의 촉각 센서(100)는 기판(110), 전극 레이어(120: 121, 122-1, 122-2), CMC(carbon micro coils) 레이어(130)를 포함할 수 있다.
기판(110)은 필름 타입으로 형성되되, 유연성을 갖는 비전도성 재질로 형성될 수 있다.
더욱 상세하게는, 기판(110)은 유연선을 갖는 비전도성 재질로서 폴리에틸렌(Polyethylene), 폴리패닐에테르(Polyphenylene ether), 폴리이미드(Polyimide) 및 무색투명 폴리이미드(Colorless and transparent polyimide) 중 적어도 하나를 포함 중 적어도 하나를 포함하여 형성될 수 있다.
전극 레이어(120: 121, 122-1, 122-2)는 기판(110) 상부에 형성될 수 있다. 또한, 전극 레이어(120: 121, 122-1, 122-2)는 복수 개의 양극 전극(122: 122-1, 122-2)들과 복수 개의 음극전극(121)들을 포함할 수 있다.
더욱 상세하게는, 다음 도 3 및 4를 참조하여 전극 레이어(120: 121, 122-1, 122-2)에 대하여 상세히 설명하기로 한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 전극 레이어 및 CMC 패드부를 형성하는 예시도이며, 도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 전극 레이어 및 CMC 패드부를 형성하는 예시도이다.
본 발명의 실시예에 따른 전극 레이어(120)는 복수 개의 양극 전극(122: 122-1, 122-2, 122-3, 122-4)들과 복수 개의 음극 전극(121)들을 포함하여 형성될 수 있다. 기판(110) 상에 복수 개의 양극 전극(122: 122-1, 122-2, 122-3, 122-4)들이 배치되고, 복수 개의 양극 전극(122: 122-1, 122-2, 122-3, 122-4)들 중 서로 이웃하는 양극 전극들 사이에 복수 개의 음극 전극(121)들을 중 하나의 음극 전극이 배치되도록 형성될 수 있다.
도 3(a)를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 전극 레이어(120: 121, 122-1, 122-2, 122-3, 122-4)는 기판(110) 상면에 복수 개의 음극 전극(121)들과 복수 개의 양극 전극(122-1, 122-2, 122-3, 122-4)들인 제1 양극 전극(122-1), 제2 양극 전극(122-2), 제3 양극 전극(122-3) 및 제4 양극 전극(122-4)을 포함하여 단위 어레이 형상으로 형성될 수 있다.
더욱 상세하게는, 본 발명의 일 실시예에 따른 전극 레이어(120: 121, 122-1, 122-2, 122-3, 122-4)를 구성하는 복수 개의 양극 전극(122-1, 122-2, 122-3, 122-4)들과 복수 개의 음극 전극(121)들은 기판 상의 동일 평면상에 형성될 수 있다. 복수 개의 양극 전극(122-1, 122-2, 122-3, 122-4)들을 구성하는 제1 양극 전극(122-1), 제2 양극 전극(122-2), 제3 양극 전극(122-3) 및 제4 양극 전극(122-4)은 서로 소정의 간극을 갖도록 각각 형성될 수 있다.
또한, 복수 개의 음극 전극(121)들과 복수 개의 양극 전극(122-1, 122-2, 122-3, 122-4)들을 구성하는 제1 양극 전극(122-1), 제2 양극 전극(122-2), 제3 양극 전극(122-3) 및 제4 양극 전극(122-4)은 각각 센싱 영역(Sensing area)으로 동작할 수 있다. 본 발명의 실시예에 따른 근접 검출이 가능한 필름 타입의 촉각 센서(100)는 센싱 영역 및 CMC 레이어(130)를 통해 촉각 센서뿐만 아니라 근접 센서로도 동작할 수 있다.
전극 레이어(120: 121, 122-1, 122-2, 122-3, 122-4)를 구성하는 복수 개의 양극 전극(122-1, 122-2, 122-3, 122-4)들을 구성하는 각각의 양극 전극은 하나의 양극 패드(미도시)와 하나의 양극 신호선(미도시)을 포함하여 형성될 수 있다. 복수 개의 양극 전극(122-1, 122-2, 122-3, 122-4)들을 구성하는 각각의 양극 전극의 하나의 양극 패드는 기판(110) 상에 형성될 수 있다. 하나의 양극 신호선은 하나의 양극 패드(미도시)와 전기적으로 연결되되 기판(110)의 길이 방향을 따라 연장되어 형성될 수 있다.
또한, 복수 개의 양극 전극(122-1, 122-2, 122-3, 122-4)들을 구성하는 각각의 양극 전극을 구성하는 하나의 양극 패드와 하나의 양극 신호선은 다른 양극 패드와 다른 양극 신호선과 전기적으로 서로 연결되지 않고 개별적으로 형성될 수 있다.
복수 개의 음극 전극(121)들은 복수 개의 음극 전극 패드들(미도시)와 하나의 음극 신호선(미도시)을 포함하여 형성될 수 있다. 하나의 음극 신호선은 복수 개의 음극 전극 패드들과 전기적으로 연결되되 기판(110)의 길이 방향을 따라 연장되어 형성되어 복수 개의 음극 전극(121)들은 전기적으로 하나로 연결될 수 있다. 따라서 복수 개의 음극 전극(121)들 전기적으로 하나로 연결될 수 있다.
또한, 복수 개의 음극 전극(121)들의 복수 개의 음극 전극 패드들을 중 적어도 하나는 복수 개의 양극 전극(122-1, 122-2, 122-3, 122-4)들 중 서로 이웃하는 양극 전극들 사이에 배치되도록 형성될 수 있다.
도 3(b)를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 CMC 패드부(130)는 전극 레이어(120: 121, 122-1, 122-2, 122-3, 122-4)가 형성된 기판(110)을 덮도록 형성될 수 있다.
도 4(a)를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 전극 레이어(120: 121, 122-1 내지 122-16)는 기판(110) 상면에 복수 개의 음극 전극(121)들과 복수 개의 양극 전극(122-1 내지 122-16)들인 제1 양극 전극(122-1) 내지 제16 양극 전극(122-16)을 포함하는 복수 개의 단위 어레이가 결합된 대면적 어레이 형상으로 형성될 수 있다.
더욱 상세하게는, 본 발명의 일 실시예에 따른 전극 레이어(120: 121, 122-1 내지 122-16)를 구성하는 복수 개의 양극 전극(122-1 내지 122-16)들과 복수 개의 음극 전극(121)들은 기판 상의 동일 평면상에 형성될 수 있다. 복수 개의 양극 전극(122-1 내지 122-16)들을 구성하는 제1 양극 전극(122-1) 내지 제16 양극 전극(122-4)은 서로 소정의 간극을 갖도록 각각 형성될 수 있다. 또한, 복수 개의 음극 전극(121)들 중 적어도 하나는 복수 개의 양극 전극(122-1 내지 122-4)들 중 서로 이웃하는 양극 전극들 사이에 배치되도록 형성될 수 있다.
또한, 복수 개의 음극 전극(121)들과 복수 개의 양극 전극(122-1 내지 122-16)들을 구성하는 제1 양극 전극(122-1) 내지 제16 양극 전극(122-16)은 각각 센싱 영역(Sensing area)으로 동작할 수 있다.
전극 레이어(120: 121, 122-1 내지 122-16)를 구성하는 복수 개의 양극 전극(122-1 내지 122-16)들을 구성하는 각각의 양극 전극은 하나의 양극 패드(미도시)와 하나의 양극 신호선(미도시)을 포함하여 형성될 수 있다. 복수 개의 양극 전극(122-1 내지 122-16)들을 구성하는 각각의 양극 전극의 하나의 양극 패드는 기판(110) 상에 형성될 수 있다. 하나의 양극 신호선은 하나의 양극 패드(미도시)와 전기적으로 연결되되 기판(110)의 길이 방향을 따라 연장되어 형성될 수 있다.
또한, 복수 개의 양극 전극(122-1 내지 122-4)들을 구성하는 각각의 양극 전극을 구성하는 하나의 양극 패드와 하나의 양극 신호선은 다른 양극 패드와 다른 양극 신호선과 전기적으로 서로 연결되지 않고 개별적으로 형성될 수 있다.
복수 개의 음극 전극(121)들은 복수 개의 음극 전극 패드들(미도시)와 하나의 음극 신호선(미도시)을 포함하여 형성될 수 있다. 복수 개의 음극 전극(121)들의 복수 개의 음극 전극 패드들은 기판(110) 상에 형성될 수 있다. 복수 개의 음극 전극 패드들은 전기적으로 하나로 연결될 수 있다. 하나의 음극 신호선은 복수 개의 음극 전극 패드들과 전기적으로 연결되되 기판(110)의 길이 방향을 따라 연장되어 형성될 수 있다. 따라서 복수 개의 음극 전극(121)들 전기적으로 하나로 연결될 수 있다.
복수 개의 음극 전극(121)들의 복수 개의 음극 전극 패드들을 중 적어도 하나는 복수 개의 양극 전극(122-1 내지 122-16)들 중 서로 이웃하는 양극 전극들 사이에 배치되도록 형성될 수 있다.
CMC 레이어(130)는 전극 레이어(120: 121, 122-1 내지 122-16)가 형성된 기판(110) 상에 전극 레이어(120: 121, 122-1 내지 122-16)와 기판(110)을 덮도록 형성될 수 있다.
도 4(b)를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 CMC 패드부(130)는 전극 레이어(120: 121, 122-1 내지 122-16)가 형성된 기판(110)을 덮도록 형성될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 CMC 레이어(130)는 도 1에 도시된 바와 같이 형성된 기판(110) 상에 형성된 전극 레이어(120: 121, 122-1, 122-2)와 기판(110)을 덮도록 기판(110) 상에 형성될 수 있다.
더욱 상세하게는, CMC 레이어(130)는 실리콘 중에 분산된 나선형 코일 상태의 카본마이크로 코일들로 형성될 수 있다. 카본마이크로 코일들은 전도성 재질과 고분자 재질의 혼합물로 형성될 수 있다. 고분자 재질로는 실리콘 고무(Silicone rubber), 아크릴로니트릴-부타디엔 고무(NBR : Acrylonitrile butadiene rubber), 폴리 디메틸실록산(PDMS: Poly-dimethylsiloxane) 중 적어도 하나를 포함하여 형성될 수 있다.
한편, 본 발명의 실시예에 따른 근접 검출이 가능한 필름 타입의 촉각 센서(100)는 터치 레이어(미도시)를 포함할 수 있다. 터치 레이어는 CMC 레이어(130)의 상부에 형성될 수 있다.
한편, 본 발명의 실시예에 따라 근접 검출이 가능한 필름 타입의 촉각 센서(100)는 물체가 외부로부터 접촉되어 압력이 가해진 경우, 물체가 접촉된 위치를 검출하는 촉각 센서로 동작할 수 있다.
더욱 상세하게는, 본 발명의 실시예에 따라 근접 검출이 가능한 필름 타입의 촉각 센서(100)의 CMC 레이어(130)의 일면에 물체가 외부로부터 접촉되어 압력이 가해진 경우, 가해지는 압력이 가해진 지점에 저항 값 또는 정전용량 값은 외부로부터 가해지는 압력에 의해 변화된다. 이는 접촉된 물체에 의해 가해진 CMC 레이어(130)의 접촉 지점의 내부에 카본마이크로 코일들은 외부로부터 가해지는 압력에 의해 형상이 변화되고, 카본마이크로 코일들의 형상이 변화에 따라 접촉 지점의 저항 값 또는 정전용량 값이 변화되기 때문이다.
따라서 본 발명의 실시예에 따른 근접 검출이 가능한 필름 타입의 촉각 센서(100)는 접촉되는 물체에 의해 가해지는 압력에 의해 변화되는 접촉 지점의 내부에 저항 값 또는 정전용량 값을 측정함으로써 물체가 접촉되는 접촉 지점을 검출할 수 있는 접촉 센서로 동작할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따라 근접 검출이 가능한 필름 타입의 촉각 센서(100)는 외부로부터 접근하는 물체를 검출하는 근접 검출 센서로 동작할 수 있다.
더욱 상세하게는, 본 발명의 실시예에 따라 근접 검출이 가능한 필름 타입의 촉각 센서(100)는 CMC 레이어(130)는 외부로부터 물체가 접근하는 경우, 물체가 가장 인접한 거리에 위치한 CMC 레이어(130)의 근접 지점 내부에 카본마이크로 코일들과 전극 레이어(120: 121, 122-1, 122-2)가 형성하는 전자기장이 변화된다. 이는 물체가 가장 인접한 거리에 위치한 CMC 레이어(130)의 내부에 카본마이크로 코일들과 전극 레이어(120: 121, 122-1, 122-2)가 형성하는 전자기장이 변화됨에 따라 CMC 레이어(130)의 정전용량 값이 변화되기 때문이다.
따라서 본 발명의 실시예에 따른 근접 검출이 가능한 필름 타입의 촉각 센서(100)는 외부로부터 접근하는 물체에 의해 변화하는 CMC 레이어(130의 정전용량 값을 측정함으로써 물체의 접근 정도를 측정할 수 있는 근접 검출 센서로 동작할 수 있다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 근접 검출이 가능한 필름 타입의 촉각 센서 제조 방법을 나타내는 공정도이다.
도 2(a)를 참조하면, 기판(110)이 준비될 수 있다, 기판(110)은 유연성을 갖는 비전도성 재질로 형성될 수 있다.
더욱 상세하게는, 기판(110)은 탄성 고분자 절연체 재질을 디스펜싱 머신을 이용하여 얇은 시트 형태로 제작될 수 있다. 기판(110)은 유연선을 갖는 비전도성 재질로서 폴리에틸렌(Polyethylene), 폴리패닐에테르(Polyphenylene ether), 폴리이미드(Polyimide) 및 무색투명 폴리이미드(Colorless and transparent polyimide) 중 적어도 하나를 포함 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
그 후, 도 2(b)를 참조하면, 기판(110)의 상부에 전극 레이어(120: 121, 122-1, 122-2)를 형성하기 위한 전극 패턴 형상의 마스크(140)를 배치할 수 있다.
그 후, 도 2(c)를 참조하면, 전극 레이어(120)가 형성시키기 위해 전극 패턴 형상의 마스크(140)의 빈 공간에 전극 레이어(120: 121, 122-1, 122-2)의 재질을 채워 경화시킬 수 있다.
그 후, 도 2(d)를 참조하면, 전극 레이어(120: 121, 122-1, 122-2)의 재질이 경화된 기판(110) 상부로부터 전극 패턴 형상의 마스크(140)를 제거하여 전극 레이어(120: 121, 122-1, 122-2)를 형성할 수 있다.
그 후, 도 2(e)를 참조하면, 전극 레이어(120: 121, 122-1, 122-2) 상부에 CMC 레이어(130)를 형성하기 위한 CMC 패턴 형상의 마스크(150)를 배치할 수 있다.
그 후, 도 2(f)를 참조하면, CMC 레이어(130)를 형성시키기 위해 CMC 패턴 형상의 마스크(150)의 빈 공간에 CMC 레이어(130)의 재질을 채워 경화시킬 수 있다.
그 후, 도 2(g)를 참조하면, CMC 레이어(130)의 재질이 경화된 기판(110) 상부로부터 CMC 패턴 형상의 마스크(150)를 제거하여 CMC 레이어(130)를 형성할 수 있다.
더욱 상세하게는, CMC 레이어 패턴 형상의 마스크(150)의 빈 공간에는 실리콘 중에 분산된 나선형 코일 상태의 카본마이크로 코일들로 형성된 CMC 레이어(130)의 재질로 채워질 수 있다. 카본마이크로 코일들은 전도성 재질과 고분자 재질의 혼합물로 형성될 수 있다. 전도성 재질로는 카본 마이크로 코일(Carbon Micro Coil)을 포함될 수 있으며, 고분자 재질로는 실리콘 고무(Silicone rubber), 아크릴로니트릴-부타디엔 고무(NBR : Acrylonitrile butadiene rubber), 폴리 디메틸실록산(PDMS: Poly-dimethylsiloxane) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
한편, CMC 레이어(130) 상부에 터치 레이어가 생성될 수 있다. 터치 레이어는 CMC 레이어(130)를 덮도록 형성될 수 있다. 터치 레이어는 유연성 및 탄성력을 갖는 실리콘 베이스의 재질로 형성될 수 있다.
도 5는 종래의 촉각 센서의 작동 원리를 나타내는 예시도이다.
도 5(a)를 참조하면, 종래의 촉각 센서의 구조는 제1 전극(Electrodes)(511) 및 제2 전극(512)을 포함하는 두 개의 전극 레이어(511, 512)와 제1 전극(511)과 제2 전극(512) 사이에 형성된 유전체(Dielectric)(520)로 구성된다. 종래의 촉각 센서에 외부로부터 물체가 접촉하여 압력이 가해지면, 제1 전극(511)과 제2 전극(512)의 전정용량의 값이 변화하게 되고, 변화된 정전용량 값을 측정함으로써 외부로부터 물체가 접촉하는 접촉 지점을 검출할 수 있다.
도 5(b)를 참조하면, 종래의 촉각 센서는 외부로부터 접근하는 전도성의 물체(Conductive Object) (540)를 검출할 수 있다. 센싱 전극(530)과 전도성의 물체 간의 거리(d)가 변화되면, 변화된 거리(d)에 따라 도 5(c)에 도시된 바와 같이 종래의 촉각 센서의 정전용량 값은 변화된다. 즉, 종래의 촉각 센서의 정전용량 값은 센싱 전극(530)과 전도성의 물체(540) 간의 거리(d)가 가까울수록 증가하고, 멀어질수록 감소한다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 근접 검출이 가능한 필름 타입의 촉각 센서의 작동 원리를 나타내는 예시도이다.
도 6(a)를 참조하면, 근접 검출이 가능한 필름 타입의 촉각 센서(100)는 제1 전극(611) 및 제2 전극(612)을 포함하는 전극 레이어(611, 612)와 전극 레이어(611, 612) 상에 형성된 유전체(620)를 포함할 수 있다. 제1 전극(611)과 제2 전극(612)는 서로 동일 평면상에 배치되도록 형성될 수 있다. 근접 검출이 가능한 필름 타입의 촉각 센서(100)는 외부로부터 물체가 접촉하여 압력이 가해지면, 제1 전극(611)과 제2 전극(612) 간의 정전용량 값이 변화되고, 변화된 정전용량 값을 측정함으로써 외부로부터 물체가 접촉하는 접촉 지점을 검출할 수 있다.
도 6(b)를 참조하면, 근접 검출이 가능한 필름 타입의 촉각 센서(100)는 외부로부터 접근하는 물체(Object) (640)를 검출할 수 있다. 즉, 종래의 다축 힘 센서는 근접하는 전도성의 물체만 검출할 수 있는 반면, 근접 검출이 가능한 필름 타입의 촉각 센서(100)는 전도성이 아닌 물체도 검출할 수 있다.
더욱 상세하게는, 종래의 촉각 센서는 유전체(520)를 사이에 두고 서로 대칭된 제1 전극(511) 및 제2 전극(512) 간의 정전용량의 변화를 센싱하는 원리로 동작한다. 종래의 촉각 센서는 제1 전극(511) 및 제2 전극(512) 중 어느 하나의 전극에 도전성의 물체가 근접하는 경우, 제1 전극(511) 및 제2 전극(512)이 형성하는 전자기장의 영역이 도전성 물체에 의해 변화되고, 전자기장의 변화에 따라 정전용량 값이 변화되며 정전용량 값의 변화를 검출하여 도전성 물체의 근접 정도를 검출할 수 있다.
한편, 근접 검출이 가능한 필름 타입의 촉각 센서의 제1 전극(631)과 제2 전극(632)은 동일 평면상에 소정 간격으로 이격되어 형성된다. 제1 전극(631)과 제2 전극(632)이 형성하는 전자기장의 영역이 센싱 영역으로 동작할 수 있다. 종래의 촉각 센서의 제1 전극(511) 및 제2 전극(512)들은 서로 대칭된 구조로 형성된 반면, 근접 검출이 가능한 필름 타입의 촉각 센서의 제1 전극(631)과 제2 전극(632)이 형성하는 전자기장의 영역이 물체에 의해 변화되고, 전자기장의 변화에 따라 변화된 정전용량 값을 검출하여 물체의 근접 정도를 검출할 수 있다. 동일 평면상에 형성된 제1 전극(631)과 제2 전극(632)가 형성하는 전자기장의 영역의 변화를 주는 주요 요인은 전극들(631, 632)과 물체 간의 거리이다. 동일 평면상에 형성된 전극들(631, 632)이 전자기장을 형성하므로 접근하는 도전성 물체가 아닌 물체가 근접해도 이를 검출할 수 있다. 전극들(631, 632)과 물체 간의 거리(d)가 변화되면, 변화된 거리(d)에 따라 도 6(c)에 도시된 바와 같이 근접 검출이 가능한 필름 타입의 촉각 센서의 정전용량 값은 변화된다. 즉, 근접 검출이 가능한 필름 타입의 촉각 센서의 정전용량 값은 전극들(631, 632)과 물체(640) 간의 거리(d)와 가까울수록 감소하고, 멀어질수록 증가한다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 근접 검출이 가능한 필름 타입의 촉각 센서가 외부로부터 접촉하는 물체의 위치를 검출하는 원리를 나타내는 예시도이다.
도 7(a)를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 근접 검출이 가능한 필름 타입의 촉각 센서(100)는 외부로부터 물체가 접촉하여 압력이 가해지는 경우, 압력이 가해지는 CMC 레이어(130)의 접촉 지점의 내부에 카본마이크로 코일(144)들은 형상이 변형된다.
도 7(b)를 참조하면, CMC 레이어(130)의 접촉 지점의 내부에 카본마이크로 코일(131)들의 형상이 변형에 따라 CMC 레이어(130)의 저항 값 또는 정전용량 값도 변화된다. 변화된 CMC 레이어(130)의 저항 값 또는 정전용량 값을 측정하여 외부로부터 물체가 접촉된 접촉 지점을 검출할 수 있다.
또한, CMC 레이어(130)의 저항 값 또는 정전용량 값이 변화되면, 근접 검출이 가능한 필름 타입의 촉각 센서(100)의 저항 값 또는 정전용량 값이 된다. 변화된 근접 검출이 가능한 필름 타입의 촉각 센서(100)의 저항 값 또는 정전용량 값을 측정하여 외부로부터 물체가 접촉된 접촉 지점을 검출할 수 있다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 근접 검출이 가능한 필름 타입의 촉각 센서가 물체의 접근 정도를 측정하는 원리를 나타내는 예시도이다.
도 8(a)를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 근접 검출이 가능한 필름 타입의 촉각 센서(100)의 CMC 레이어(130)와 전극 레이어(120: 121, 122-1, 122-2)는 전자기장을 형성할 수 있다.
도 8(b)를 참조하면, 물체가 접근하는 경우, CMC 레이어(130)의 내부에 카본마이크로 코일(131)들과 전극 레이어(120: 121, 122-1, 122-2)가 형성하는 전자기장의 변화되고, 전자기장의 변화에 의해 변화되는 CMC 레이어(130)의 정전용량 값을 측정하여 물체의 접근 정도를 측정할 수 있다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 근접 검출이 가능한 필름 타입의 촉각 센서가 근접하는 물체와의 거리에 따라 변화하는 정전용량의 값을 나타내는 그래프이다.
먼저, 본 발명의 일 실시예에 따른 근접 검출이 가능한 필름 타입의 촉각 센서(100)는 유연성과 비전도성 특성을 갖는 플라스틱 재질을 사용하여 형성된 기판과 기판 상부에 구리 재질로 형성된 전극 레이어를 포함하여 제조된 상태이다.
도 9(a)를 참조하면, X축은 근접 검출이 가능한 필름 타입의 촉각 센서(100)와 물체 간의 거리 변화를 나타낸다. Y축은 물체가 근접하지 않은 상태의 근접 검출이 가능한 필름 타입의 촉각 센서(100)의 정전용량 값을 변화되는 정전용량 값으로 나눈 값을 나타낸다. n은 근접 검출이 가능한 필름 타입의 촉각 센서(100)의 전극 레이어(120) 상부에 CMC 레이어(130)가 형성되지 않은 상태를 나타내며, s는 근접 검출이 가능한 필름 타입의 촉각 센서(100)의 전극 레이어(120) 상부에 실리콘 레이어가 형성된 상태를 나타낸다.
CMC는 근접 검출이 가능한 다축 힘 센서(100)의 전극 레이어(120) 상부에 CMC 패드부(140)가 형성된 상태를 나타낸다. CMC 패드부(140)는 전체 중량 중 실리콘 중에 분산된 나선형 코일 상태의 카본마이크로 코일들의 중량비를 다르게 설정하여 형성될 수 있다. CMC 패드부(140)는 전체 중량 중 실리콘 중에 분산된 나선형 코일 상태의 카본마이크로 코일들의 중량비를 2%로 설정하여 형성된 상태이다.
전극 레이어(120) 상부에 CMC 패드부(140)가 형성된 상태가 전극 레이어(120) 상부에 CMC 레이어(130)가 형성되지 않은 상태(n) 및 근접 검출이 가능한 필름 타입의 촉각 센서(100)의 전극 레이어(120) 상부에 실리콘 레이어가 형성된 상태(s)에 비해 변화되는 거리에 따라 센싱 민감도가 좋다는 것을 알 수 있다.
도 9(b)를 참조하면, X축은 전극 레이어(120)만 형성된 상태, 전극 레이어(120) 상부에 실리콘 레이어가 형성된 상태 및 전극 레이어(120) 상부에 CMC 패드부(140)가 형성된 상태를 나타낸다. 도 9(b)에서 사용된 CMC 패드부(140)는 전체 중량 중 실리콘 중에 분산된 나선형 코일 상태의 카본마이크로 코일들의 중량비를 2%로 설정하여 형성된 상태이다. Y축은 근접 검출이 가능한 다축 힘 센서(100)의 이득(Gain)을 나타낸다.
전극 레이어(120) 상부에 CMC 패드부(140)가 형성된 상태가 전극 레이어(120) 상부에 CMC 패드부(140)가 형성되지 않은 상태 및 근접 검출이 가능한 다축 힘 센서(100)의 전극 레이어(120) 상부에 실리콘 레이어가 형성된 상태에 비해 변화되는 거리에 따라 센싱 민감도가 좋다는 것을 나타낸다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 근접 검출이 가능한 필름 타입의 촉각 센서의 접촉 센싱의 데이터를 나타내는 그래프이며, 도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 근접 검출이 가능한 필름 타입의 촉각 센서가 외부로부터 접촉하는 물체로 인해 가해지는 힘의 크기에 따라 변화하는 정전용량의 값을 나타내는 그래프이다.
도 10(a)은 근접 검출이 가능한 필름 타입의 촉각 센서(100)의 전극 레이어(120) 상부에 실리콘 레이어가 형성된 상태이고, 도 10(b)는 전극 레이어(120) 상부에 실리콘 레이어가 형성된 상태 및 전극 레이어(120) 상부에 CMC 패드부(140)가 형성된 상태이다. CMC 패드부(140)는 전체 중량 중 실리콘 중에 분산된 나선형 코일 상태의 카본마이크로 코일들의 중량비를 8%로 설정되어 형성된 상태를 나타낸다.
도 10(a) 및 도 10(b)를 참조하면, 상부의 그래프의 X축은 외부로부터 가해지는 힘이 접촉된 시간(ms)을 나타내며, Y축은 외부로부터 가해지는 힘의 크기를 나타낸다. 하부의 그래프의 X축은 외부로부터 가해지는 힘이 접촉된 시간(ms)을 나타내며, Y축은 외부로부터 가해지는 힘에 따라 변화되는 근접 검출이 가능한 필름 타입의 촉각 센서(100)의 정전용량의 값을 나타낸다.
8% 카본마이크로 코일들의 중량비로 형성된 상태가 전극 레이어(120) 상부에 실리콘 레이어가 형성된 상태에 비해 외부로부터 가해지는 힘에 따라 변화되는 근접 검출이 가능한 필름 타입의 촉각 센서(100)의 정전용량 값의 크기가 더 크다는 것을 나타낸다.
도 11을 참조하면, 근접 검출이 가능한 필름 타입의 촉각 센서(100)가 전극 레이어(120) 상부에 형성된 CMC 레이어(130)에 의해 외부로부터 가해지는 힘에 대한 정전용량의 변화가 더 크다. 즉, 전극 레이어(120) 상부에 CMC 패드부(140)가 형성된 상태가 전극 레이어(120) 상부에 실리콘 레이어가 형성된 상태에 비해 외부로부터 가해지는 힘에 따라 더 민감하게 정전용량 값이 변화되는 것을 알 수 있다.
일반적으로 본 명세서에서 사용된 용어는, 특히 청구항에서(예를 들어, 청구항의 본문) 일반적으로 "개방적인" 용어로 의도된다(예를 들어, "포함하는"은 "포함하나 이에 제한되지 않는"으로, "가지다"는 "적어도 그 이상으로 가지다"로, "포함하다"는 "포함하나 이에 제한되지 않는다"로 해석되어야 함). 도입된 청구항 기재에 대하여 특정한 개수가 의도되는 경우, 이러한 의도는 해당 청구항에서 명시적으로 기재되며, 이러한 기재가 부재하는 경우 이러한 의도는 존재하지 않는 것으로 이해된다.
본 발명의 특정 특징만이 본 명세서에서 도시되고 설명되었으며, 다양한 수정 및 변경이 당업자에 대하여 발생할 수 있다. 그러므로 청구항은 본 발명의 사상 내에 속하는 변경 및 수정을 포함하는 것으로 의도된다는 점이 이해된다.
100 : 근접 검출이 가능한 필름 타입의 촉각 센서
110 : 기판
120 : 전극 레이어
121 : 복수 개의 음극 전극
122 : 양극 전극들
122-1 : 제1 양극 전극
122-2 : 제2 양극 전극
130 : CMC 레이드
131 : 카본마이크로 코일
140 : 전극 패턴 형상의 마스크
150 : CMC 패턴 형상의 마스크
511 : 제1 전극
512 : 제2 전극
520 : 유전체
530 : 센싱 전극
540 : 전도성의 물체
611 : 제1 전극
612 : 제2 전극
620 : 유전체
631 : 제1 전극
632 : 제2 전극
640 : 물체
110 : 기판
120 : 전극 레이어
121 : 복수 개의 음극 전극
122 : 양극 전극들
122-1 : 제1 양극 전극
122-2 : 제2 양극 전극
130 : CMC 레이드
131 : 카본마이크로 코일
140 : 전극 패턴 형상의 마스크
150 : CMC 패턴 형상의 마스크
511 : 제1 전극
512 : 제2 전극
520 : 유전체
530 : 센싱 전극
540 : 전도성의 물체
611 : 제1 전극
612 : 제2 전극
620 : 유전체
631 : 제1 전극
632 : 제2 전극
640 : 물체
Claims (6)
- 필름 타입으로 형성되는 기판;
상기 기판 상에 복수 개의 양극 전극들과 복수 개의 음극 전극들이 배치되고 서로 이웃하는 상기 양극 전극들 사이에 상기 복수 개의 음극 전극들 중 적어도 하나가 배치되도록 형성되는 전극 레이어; 및
실리콘 중에 분산된 나선형 코일 상태의 카본마이크로 코일들로 구성되어 상기 전극 레이어가 형성된 상기 기판을 덮도록 형성되는 CMC 레이어;
를 포함하는 근접 검출이 가능한 촉각 센서.
- 제1 항에 있어서, 상기 기판은,
유연성을 갖는 비전도성 재질로 형성되며, 상기 비전도성 재질은 폴리에틸렌(Polyethylene), 폴리패닐에테르(Polyphenylene ether), 폴리이미드(Polyimide) 및 무색투명 폴리이미드(Colorless and transparent polyimide) 중 적어도 하나를 포함하는 근접 검출이 가능한 촉각 센서.
- 제1 항에 있어서, 상기 카본마이크로 코일들은,
전도성 재질과 고분자 재질의 혼합물로 형성되며, 상기 고분자 재질로는 실리콘 고무(Silicone rubber), 아크릴로니트릴-부타디엔 고무(NBR : Acrylonitrile butadiene rubber), 폴리 디메틸실록산(PDMS: Poly-dimethylsiloxane) 중 적어도 하나를 포함하는 근접 검출이 가능한 촉각 센서.
- 제1 항에 있어서, 상기 복수 개의 음극 전극들은,
전기적으로 하나로 연결되어 있으며 상기 양극 전극들은 서로 연결되지 않고 개별적으로 형성되는 근접 검출이 가능한 촉각 센서.
- 제1 항에 있어서, 상기 CMC 레이어는,
일면에 물체가 외부로부터 접촉되어 압력이 가해진 경우, 가해지는 상기 압력이 가해진 지점에 위치한 카본마이크로 코일들의 형상이 변형되고, 상기 형상의 변형에 의해 변화되는 상기 CMC 레이어의 저항 값 또는 정전용량 값을 측정하여 상기 물체가 접촉된 위치를 검출하는 근접 검출이 가능한 촉각 센서.
- 제1 항에 있어서, 상기 CMC 레이어는,
일면에 물체가 접근하는 경우, 상기 물체와 가장 인접한 거리에 위치한 카본마이크로 코일들과 상기 전극 레이어가 형성하는 전자기장이 변화되고, 상기 전자기장의 변화에 의해 변화되는 상기 CMC 레이어의 정전용량 값을 측정하여 상기 물체의 접근 정도를 측정하는 근접 검출이 가능한 촉각 센서.
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