KR20200095145A - Method for manufacturing crack-based high sensitivity bending sensor - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 크랙 기반의 고 민감도 굽힘 센서 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 선형적으로 과도하게 잡아당기는 선형 인장 과정없이 굽히는 벤딩 과정을 거쳐 굽힘 센서를 제조함으로써, 미세한 진동이나 작은 변위에도 민감한 저항 변화를 제공할 수 있는 크랙 기반의 고 민감도 굽힘 센서 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method of manufacturing a crack-based high-sensitivity bending sensor, and more particularly, by manufacturing a bending sensor through a bending process without a linear tensioning process that linearly pulls excessively, resistance sensitive to minute vibration or small displacement It relates to a method of manufacturing a crack-based high sensitivity bending sensor that can provide a change.
일반적으로 고감도 센서는 미세한 신호를 감지하여 이를 전기적 신호 등의 데이터로 전달하는 장치로서 현대산업에서 필수적으로 요구되는 부품 중 하나이다.In general, a high-sensitivity sensor is a device that detects a minute signal and transmits it as data such as an electrical signal, and is one of the essential components in the modern industry.
이와 같은 센서 중 압력이나 인장력을 측정하는 센서로서는 정전용량(capacitive) 센서, 압전기(piezoelectric) 센서, 스트레인 게이지 등이 알려져 있다.Among such sensors, as sensors for measuring pressure or tensile force, a capacitive sensor, a piezoelectric sensor, a strain gauge, and the like are known.
기존의 인장 센서인 스트레인 게이지 센서는 기계적인 미세한 변화를 전기신호로 해서 검출하는 센서로서, 기계나 구조물의 표면에 접착해두면, 그 표면에서 생기는 미세한 치수의 변화, 즉 스트레인(strain)을 측정하는 것이 가능하고, 스트레인의 크기로부터 강도나 안전성을 확인하는데 중요한 응력을 알 수 있다.The strain gauge sensor, which is a conventional tensile sensor, is a sensor that detects minute mechanical changes as an electrical signal. When bonded to the surface of a machine or structure, it measures microscopic dimensional changes that occur on the surface, that is, strain. It is possible, and from the size of the strain it is possible to know the stresses that are important to confirm strength or safety.
또한, 스트레인 게이지는 금속저항 소자의 저항치 변화에 따라 피 측정물의 표면의 변형을 측정하는 것으로, 일반적으로 금속 재료의 저항치는 외부로부터의 힘에 의해 늘어나면 증가하고 압축되면 감소하는 성질을 가지고 있다. In addition, the strain gauge measures the deformation of the surface of the object to be measured according to the change in the resistance value of the metal resistance element. In general, the resistance value of a metal material increases when it is increased by an external force and decreases when it is compressed.
스트레인 게이지는 힘, 압력, 가속도, 변위 및 토크(torque) 등의 물리량을 전기신호로 바꾸기 위한 센서의 수감 소자로도 응용되고, 실험, 연구뿐만 아니라 계측제어용으로도 널리 이용되고 있다.Strain gauges are also applied as sensors for converting physical quantities such as force, pressure, acceleration, displacement, and torque into electrical signals, and are widely used not only for experiments and research, but also for measurement control.
그러나, 기존의 스트레인 게이지 센서는 금속선을 이용함에 따라, 부식에 약하며, 민감도가 매우 떨어질 뿐만아니라, 출력 값이 작아서, 작은 신호를 보상하기 위해, 추가 회로가 필요하며, 반도체 인장 센서는 열에 민감한 단점을 가진다.However, as the conventional strain gauge sensor uses a metal wire, it is weak against corrosion, its sensitivity is very low, and the output value is small, so it requires an additional circuit to compensate for a small signal, and the semiconductor tension sensor is sensitive to heat. Have.
압력 센서란, 표면에 가해지는 압력을 측정할 수 있는 센서로, 인공 피부 제작 시 필수적인 요소이다. The pressure sensor is a sensor that can measure the pressure applied to the surface, and is an essential element when making artificial skin.
스트레인은 표면에 가해지는 수평적 길이변화를 나타내지만, 압력은 표면에 수직으로 가해지는 힘을 나타낸다.Strain represents a horizontal change in length applied to a surface, whereas pressure represents a force applied perpendicular to the surface.
기존의 압력 센서는 박막으로 제작된 실리콘 필름이 압력에 의해 변화하는 저항 값을 측정하며, 연구용이나 계측용뿐만 아니라, 산업에서도 널리 쓰이고 있다.Existing pressure sensors measure the resistance value of a silicon film made of a thin film that changes due to pressure, and is widely used not only for research or measurement, but also in industry.
그러나, 기존의 압력 센서는 민감도가 매우 낮기 때문에 작은 압력을 구분할 수 없다는 단점이 있으며 휘어질 수 없다. However, since the conventional pressure sensor has very low sensitivity, it has a disadvantage that it cannot distinguish a small pressure, and cannot be bent.
이러한 단점은 인공피부로의 적용이 불가하게 하므로 작은 압력을 감지하면서도 휘어질 수 있는 센서의 제작이 필요하다.This disadvantage makes it impossible to apply to artificial skin, so it is necessary to manufacture a sensor that can bend while detecting a small pressure.
상기와 같은 문제점에 의해서, 상기의 센서는 특정 환경에서만 구동이 가능하거나, 다양한 환경적 요인에 의해 영향을 받아 측정값의 정확성이 저하되는 등의 문제가 존재함과 동시에 반복 구동 시 일정한 측정값을 확보하기 곤란한 문제가 있다. Due to the above problems, the sensor can be operated only in a specific environment, or the accuracy of the measured value is degraded due to the influence of various environmental factors. There is a problem that is difficult to secure.
또한, 이들 센서는 자체의 구조적인 문제로 인하여 플렉시블 구조체를 제조하기 곤란한 문제가 있다.In addition, these sensors have a problem in that it is difficult to manufacture a flexible structure due to their own structural problems.
착용형 의료 및 인공적 전자 피부 장치 및 고성능 센서의 개발에 대한 연구에 대한 관심이 높아짐에 따라, 나노와이어, 실리콘 고무, 압전 및 외부 정보를 축적하는 유기박막 트랜지스터를 기반으로 하는 다양한 유형의 압력 센서가 개발되어왔다.With increasing interest in research on the development of wearable medical and artificial electronic skin devices and high-performance sensors, various types of pressure sensors based on nanowires, silicon rubber, piezoelectric, and organic thin film transistors that accumulate external information have been developed. Has been developed.
크랙은 일반적으로 결함으로 간주되어 기피되어 왔지만, 크랙, 나노와이어 생산을 위한 박막의 크랙킹 및 인터컨넥터(interconnector)와 같은 크랙과 관련된 연구가 최근에 보고되고 있다.Cracks are generally regarded as defects and have been avoided, but studies related to cracks, cracking of thin films for nanowire production, and cracks such as interconnectors have been recently reported.
또한, 도 1에 도시한 바와 같이, 카본나노튜브, 나노섬유, 그래핀 혈소판 및 기계적 크랙을 기반으로 하는 스트레인 센서가 보고된 바 있다.In addition, as shown in FIG. 1, a strain sensor based on carbon nanotubes, nanofibers, graphene platelets, and mechanical cracks has been reported.
즉, 도 1과 같이, 나노 사이즈의 작음 금속 입자들과 크랙의 거리에 따라 전기 저항이 변하는 원리를 이용하는 센서로서, 고변위에서도 작동할 수 있으며, 인체의 다양한 모션 측정이 가능한 장점을 제공한다.That is, as shown in FIG. 1, as a sensor using the principle that electrical resistance changes according to the distance between nano-sized small metal particles and cracks, it can operate even at high displacement, and provides an advantage of measuring various motions of the human body.
도 2에 도시한 바와 같이, 크랙 센서는 거미의 감각 시스템에 의해 영향을 받았다. As shown in Fig. 2, the crack sensor was affected by the spider's sensory system.
거미의 감각 센서는 스트레인과 진동에 매우 민감한 것으로 알려져 있다.Spider's sensory sensors are known to be very sensitive to strain and vibration.
도 2의 경우, 거미의 감각 기관을 모사한 크랙 기반 스트레인 센서를 나타낸 것으로서, 거미의 감각 기관의 슬릿 구조(a~c)를 모사하여 신축성 폴리머 위에 전도성 금속을 코팅하고, 폴리머 기판이 인장될 때, 전도성 금속막이 갈라지며 전기 저항이 증가하는 원리를 이용(d~g)하는 것이다.2 shows a crack-based strain sensor that simulates a spider's sensory organs. When a conductive metal is coated on the stretchable polymer by simulating the slit structure (a to c) of the spider's sensory organs, and the polymer substrate is stretched , The conductive metal film is cracked and the electrical resistance increases (d~g).
크랙은 일반적으로 피해야 할 결함으로 간주되었으나, 크랙에 의한 패터닝에 대한 연구로서, 최근에는 나노와이어 및 인터커넥터 등의 제작을 위해 박막 필름 크랙 형성이 보고되어 있으며, 거미의 감각 시스템과 유사한 크랙 센서는 스트레인과 진동에 매우 민감한 것으로 보고되어 있으나, 단지 2%의 변형률을 갖는다는 한계가 있다.Cracks were generally regarded as defects to be avoided, but as a study on patterning by cracks, thin film crack formation has recently been reported for fabrication of nanowires and interconnects, and crack sensors similar to spider sensory systems It has been reported to be very sensitive to strain and vibration, but has a limitation of only 2% strain.
따라서, 이러한 문제점을 보완할 수 있는 새로운 고감도 센서의 개발이 요구된다.Therefore, there is a need to develop a new high-sensitivity sensor that can compensate for this problem.
이를 위하여, 대한민국공개특허 제10-2013-0084832호가 개시되었다.To this end, Korean Patent Application Publication No. 10-2013-0084832 has been disclosed.
상기 개시된 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 있고, 제조비용이 비싸다는 단점이 있었다.The strain sensor such as the strain gauge and the optical fiber sensor disclosed above has a small measurement range to detect human movement, cannot increase both the measurement range and sensitivity, and has many problems for human wear due to its complex structure, and manufacturing cost It had the disadvantage of being expensive.
따라서, 본 발명은 상기 종래의 문제점을 해소하기 위한 것으로,Therefore, the present invention is to solve the above conventional problems,
본 발명의 제1 목적은 선형적으로 과도하게 잡아당기는 선형 인장 과정없이 굽히는 벤딩 과정을 거쳐 굽힘 센서를 제조함으로써, 미세한 진동이나 작은 변위에도 민감한 저항 변화를 제공할 수 있는 크랙 기반의 고 민감도 굽힘 센서를 제공하는 것이다.The first object of the present invention is a high sensitivity crack-based bending sensor capable of providing a sensitive resistance change even with a slight vibration or small displacement by manufacturing a bending sensor through a bending process without a linear tensioning process that is linearly pulled excessively. Is to provide.
본 발명이 과제를 해결하기 위하여, 본 발명의 실시예에 따른 크랙 기반의 고 민감도 굽힘 센서 제조방법은,In order to solve the problem of the present invention, a crack-based high sensitivity bending sensor manufacturing method according to an embodiment of the present invention,
폴리우레탄(PU) 필름을 이용하여 폴리우레탄레이어(100)를 형성하는 지지체형성단계(S100)와,A support body forming step (S100) of forming a
소정 부위에 스퍼터를 이용하여 백금을 코팅하여 백금레이어(200)를 형성하는 백금레이어형성단계(S200)와,A platinum layer forming step (S200) of forming a platinum layer 200 by coating platinum using a sputter on a predetermined area,
레이저 커터를 이용하여 원하는 형상으로 절단하여 크랙 기반의 스트레인 센서를 완성하는 스트레인센서완성단계(S400)와,A strain sensor completion step (S400) of completing a crack-based strain sensor by cutting into a desired shape using a laser cutter, and
상기 완성된 크랙 기반의 스트레인 센서를 지지 기재에 위치시키고, 벤딩 처리하여 굽힘 센서를 제조하기 위한 굽힘센서완성단계(S400)를 포함한다.And a bending sensor completion step (S400) for manufacturing a bending sensor by placing the completed crack-based strain sensor on a supporting substrate and performing bending treatment.
본 발명인 크랙 기반의 고 민감도 굽힘 센서 제조방법에 의하면, According to the present inventors crack-based high sensitivity bending sensor manufacturing method,
선형적으로 과도하게 잡아당기는 선형 인장 과정없이 굽히는 벤딩 과정을 거쳐 굽힘 센서를 제조함으로써, 미세한 진동이나 작은 변위에도 민감한 저항 변화를 제공할 수 있으며, 저렴하게 굽힘 센서를 제조할 수 있는 효과를 발휘하게 된다.By manufacturing a bending sensor through a bending process that is bent without a linear tensioning process that is linearly pulled excessively, it can provide a sensitive resistance change even with a slight vibration or small displacement, and has the effect of manufacturing a bending sensor inexpensively. do.
도 1은 스트레인 센서의 개념도.
도 2는 거미의 감각 기관을 모사한 크랙 기반 스트레인 센서를 나타낸 예시도.
도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 크랙 기반의 고 민감도 굽힘 센서 제조방법의 전체 공정도.
도 4는 본 발명의 제1 실시예에 따른 크랙 기반의 고 민감도 굽힘 센서 제조방법에 의해 제조된 스트레인 센서 사시도.
도 5는 본 발명의 제1 실시예에 따른 크랙 기반의 고 민감도 굽힘 센서 제조방법에 의해 제조된 굽힘 센서 개념도.
도 6은 본 발명의 제1 실시예에 따른 크랙 기반의 고 민감도 굽힘 센서 제조방법에 의해 제조된 굽힘 센서 예시도.
도 7은 본 발명의 제1 실시예에 따른 크랙 기반의 고 민감도 굽힘 센서 제조방법에 의해 제조된 굽힘 센서의 전기 저항 변화를 나타낸 그래프.
도 8은 본 발명의 제1 실시예에 따른 크랙 기반의 고 민감도 굽힘 센서 제조방법에 의해 제조된 굽힘 센서의 전극의 방향을 기준으로 하고, 굽힘 축을 변형시켜 볼록 굽힘과 오목 굽힘을 관찰하기 위한 기본 개념도이며, 도 9는 크랙 이미지이며, 도 10은 실험 결과 그래프.
도 11은 본 발명의 제1 실시예에 따른 크랙 기반의 고 민감도 굽힘 센서 제조방법에 의해 제조된 굽힘 센서를 이용하여 굽힘 방향을 감지할 수 있는 장치 예시도.1 is a conceptual diagram of a strain sensor.
Figure 2 is an exemplary view showing a crack-based strain sensor simulating the sensory organs of a spider.
3 is an overall process diagram of a method for manufacturing a crack-based high sensitivity bending sensor according to the first embodiment of the present invention.
4 is a perspective view of a strain sensor manufactured by a method for manufacturing a crack-based high sensitivity bending sensor according to a first embodiment of the present invention.
5 is a conceptual diagram of a bending sensor manufactured by a method for manufacturing a crack-based high sensitivity bending sensor according to a first embodiment of the present invention.
6 is an exemplary view of a bending sensor manufactured by a method for manufacturing a crack-based high sensitivity bending sensor according to the first embodiment of the present invention.
7 is a graph showing changes in electrical resistance of a bending sensor manufactured by a method for manufacturing a crack-based high sensitivity bending sensor according to the first embodiment of the present invention.
8 is a basis for observing convex bending and concave bending by deforming the bending axis based on the direction of the electrode of the bending sensor manufactured by the crack-based high sensitivity bending sensor manufacturing method according to the first embodiment of the present invention. A conceptual diagram, FIG. 9 is a crack image, and FIG. 10 is a graph of experimental results.
11 is an exemplary view of a device capable of detecting a bending direction using a bending sensor manufactured by a method of manufacturing a crack-based high sensitivity bending sensor according to the first embodiment of the present invention.
아래에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대해 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings so that those of ordinary skill in the art may easily implement the present invention.
본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. The present invention can be implemented in many different forms and is not limited to the embodiments described herein.
도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체에서 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 도면부호가 사용되었다. In the drawings, parts irrelevant to the description are omitted in order to clearly describe the present invention, and the same reference numerals are used for the same or similar components throughout the specification.
또한, 널리 알려진 공지 기술의 경우, 그 구체적인 설명은 생략한다.In addition, in the case of a well-known technology, a detailed description thereof will be omitted.
도면에서 여러 층 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 나타내었다. In the drawings, thicknesses are enlarged to clearly represent various layers and regions.
층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "위에" 있다고 할 때, 이는 다른 부분 "바로 위에" 있는 경우뿐 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다. When a portion of a layer, film, region, plate, etc. is said to be “above” another portion, this includes not only the case “directly above” the other portion but also another portion in the middle.
한편, 어떤 부분이 다른 부분 "바로 위에" 있다고 할 때에는 중간에 다른 부분이 없는 것을 뜻한다. On the other hand, when a part is said to be "right above" another part, it means that there is no other part in the middle.
반대로 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "아래에" 있다고 할 때, 이는 다른 부분 "바로 아래에" 있는 경우뿐 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다. Conversely, when a part such as a layer, film, region, plate, etc. is said to be "below" another part, this includes not only the case where the other part is "directly below", but also the case where there is another part in the middle.
한편, 어떤 부분이 다른 부분 "바로 아래에" 있다고 할 때에는 중간에 다른 부분이 없는 것을 뜻한다.On the other hand, when one part is "right below" another part, it means that there is no other part in the middle.
본 명세서에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.In the present specification, when a part "includes" a certain component, it means that other components may be further included rather than excluding other components unless specifically stated to the contrary.
<제1 실시예><First Example>
본 발명에 따른 크랙 기반의 고 민감도 굽힘 센서 제조방법은,Crack-based high sensitivity bending sensor manufacturing method according to the present invention,
폴리우레탄(PU) 필름을 이용하여 폴리우레탄레이어(100)를 형성하는 지지체형성단계(S100)와,A support body forming step (S100) of forming a
소정 부위에 스퍼터를 이용하여 백금을 코팅하여 백금레이어(200)를 형성하는 백금레이어형성단계(S200)와,A platinum layer forming step (S200) of forming a platinum layer 200 by coating platinum using a sputter on a predetermined area,
레이저 커터를 이용하여 원하는 형상으로 절단하여 크랙 기반의 스트레인 센서를 완성하는 스트레인센서완성단계(S300)와,A strain sensor completion step (S300) of completing a crack-based strain sensor by cutting into a desired shape using a laser cutter, and
상기 완성된 크랙 기반의 스트레인 센서를 지지 기재에 위치시키고, 벤딩 처리하여 굽힘 센서를 제조하기 위한 굽힘센서완성단계(S400)를 포함하는 것을 특징으로 한다.It characterized in that it comprises a bending sensor completion step (S400) for manufacturing the bending sensor by placing the completed crack-based strain sensor on a supporting substrate and bending.
이때, 상기 크랙은,At this time, the crack,
폴리우레탄(PU) 필름이 늘어날 때 백금과의 영계수(Young's modulus) 차이로 백금 막이 갈라지면서 형성된 것을 특징으로 한다.When the polyurethane (PU) film is stretched, it is formed by cracking the platinum film due to the difference in Young's modulus from platinum.
이때, 상기 폴리우레탄레이어(100)는,At this time, the
100um 두께로 형성되어 신축성과 유연성을 가지도록 하며,It is formed to be 100um thick to have elasticity and flexibility,
상기 크랙 기반의 백금레이어(200)는, The crack-based platinum layer 200,
20nm 두께로 형성되는 것을 특징으로 한다.It is characterized in that it is formed to a thickness of 20nm.
이때, 상기 굽힘 센서는,At this time, the bending sensor,
볼록하게 굽혀 양의 곡률을 제공함으로써, 크랙 사이의 거리를 늘려 형성시키거나, 오목하게 굽혀 음의 곡률을 제공함으로써, 크랙들을 오버랩시켜 형성시키는 것을 특징으로 한다.It is characterized in that the cracks are formed by overlapping the cracks by convexly bending to provide a positive curvature, thereby increasing the distance between cracks, or by bending concavely to provide a negative curvature.
이때, 상기 굽힘 센서는,At this time, the bending sensor,
굽힘 방향을 감지할 수 있는 크랙 기반의 스트레인 센서인 것을 특징으로 한다.It is characterized in that it is a crack-based strain sensor capable of detecting the bending direction.
이때, 상기 굽힘 센서는,At this time, the bending sensor,
전자 기기, 인공피부, 웨어러블 기기 및 이들의 조합들로 이루어진 군으로부터 선택되는 것에 포함되어 전기저항 변화를 모니터링하는 것을 특징으로 한다.It is included in one selected from the group consisting of electronic devices, artificial skin, wearable devices, and combinations thereof to monitor changes in electrical resistance.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명인 크랙 기반의 고 민감도 굽힘 센서 제조방법의 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다.Hereinafter, a preferred embodiment of a method for manufacturing a crack-based high sensitivity bending sensor according to the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 크랙 기반의 고 민감도 굽힘 센서 제조방법의 전체 공정도이다.3 is an overall process diagram of a method for manufacturing a crack-based high sensitivity bending sensor according to the first embodiment of the present invention.
도 4는 본 발명의 제1 실시예에 따른 크랙 기반의 고 민감도 굽힘 센서 제조방법에 의해 제조된 스트레인 센서 사시도이다.4 is a perspective view of a strain sensor manufactured by a method for manufacturing a crack-based high sensitivity bending sensor according to a first embodiment of the present invention.
도 3에 도시한 바와 같이, 본 발명인 크랙 기반의 고 민감도 굽힘 센서 제조방법은 지지체형성단계(S100), 백금레이어형성단계(S200), 스트레인센서완성단계(S400), 굽힘센서완성단계(S400)를 포함하게 된다.As shown in Figure 3, the present inventors crack-based high sensitivity bending sensor manufacturing method is a support forming step (S100), a platinum layer forming step (S200), a strain sensor completion step (S400), a bending sensor completion step (S400) Will include.
구체적으로 설명하자면, 하기와 같다.Specifically, it is as follows.
먼저, 상기 지지체형성단계(S100)는 폴리우레탄(PU) 필름을 이용하여 폴리우레탄레이어(100)를 형성하는 과정이다.First, the support forming step (S100) is a process of forming a
예를 들어, 비전도성이고 신축성 부재인 폴리우레탄(PU)을 스핀 코팅 방법으로 생성시킬 수 있다. For example, polyurethane (PU), which is a non-conductive and elastic member, can be produced by a spin coating method.
회전하는 슬라이드 글라스의 상측에서 폴리우레탄 솔루션을 떨어뜨려 회전에 의해 폴리우레탄레이어(100)를 형성시키되, 상기 폴리우레탄레이어(100)는 100um 이하로 생성되는 것을 특징으로 한다.Polyurethane solution is dropped from the upper side of the rotating slide glass to form the
100um 를 초과할 경우에 최종적으로 완성되는 굽힘 센서의 굽힘 특성이 현저히 떨어지게 되므로 상기한 임계치를 준수해야만 한다.When it exceeds 100um, the bending characteristics of the finally completed bending sensor are significantly deteriorated, so the above threshold must be observed.
한편, 하기의 백금레이어(200)의 모서리에서 소정간격 이격되어 부착될 수 있도록, 생성영역을 결정하는 마스크를 부착시킬 수 있다. Meanwhile, a mask for determining the generation region may be attached so that the following platinum layer 200 may be attached at a predetermined interval from the edge thereof.
마스크는 백금레이어(200)를 부착시키는 영역만이 관통되어 있어 폴리우레탄레이어(100) 상에서 백금레이어(200)를 선택적으로 생성시킬 수 있게 된다.Since only the area to which the platinum layer 200 is attached is penetrated through the mask, the platinum layer 200 can be selectively generated on the
이후, 백금레이어형성단계(S200)는 소정 부위에 스퍼터를 이용하여 백금을 코팅하여 백금레이어(200)를 형성하는 과정이다.Thereafter, the platinum layer forming step (S200) is a process of forming the platinum layer 200 by coating platinum on a predetermined area using a sputter.
이때, 백금레이어의 두께는 그레인 사이즈에 따라 나노 크랙의 밀도가 달라지게 되며, 측정 가능한 곡률의 범위가 달라지게 되므로 최대 측정범위를 결정하여 두께를 결정해야 하는데, 바람직하게는 20nm 두께로 형성하게 된다.At this time, the thickness of the platinum layer varies depending on the grain size, and the density of the nano-cracks changes, and the range of the measurable curvature changes, so the maximum measurement range should be determined to determine the thickness, preferably 20 nm thick. .
구체적으로 폴리우레탄레이어(100)의 일면에 백금레이어(200)를 형성시키게 되는데, 스퍼터를 이용하여 스퍼터링(Sputtering) 공정을 수행함으로써, 백금레이어(200)를 생성시키며, 이때 스퍼터링은 백금을 이용하고, 10 내지 20 mA 로 200 내지 300초간 이루어질 수 있다. Specifically, a platinum layer 200 is formed on one surface of the
한편, 이와 같은 스퍼터링은 바람직한 실시예로서, 측정하고자 하는 측정범위에 따라서 다양한 공정이 채택될 수 있으며, 스퍼터링에 적용되는 시간 및 전류도 다양하게 적용될 수 있다. Meanwhile, such sputtering is a preferred embodiment, and various processes may be adopted according to a measurement range to be measured, and time and current applied to sputtering may be variously applied.
한편, 백금레이어의 그레인 사이즈를 조절하기 위하여 압력 및 온도 등을 조절하는 단계를 추가로 포함할 수도 잇다.On the other hand, it may further include a step of controlling pressure and temperature, etc. to adjust the grain size of the platinum layer.
이후, 백금레이어를 생성시킨 후에는 마스크를 제거한다.Then, after creating the platinum layer, the mask is removed.
상기와 같은 과정을 거치게 되면, 도 4와 같은 크랙 기반의 스트레인 센서를 완성하게 되는 것이다.When the above process is performed, the crack-based strain sensor as shown in FIG. 4 is completed.
이후에, 굽힘센서완성단계(S400)는 상기 완성된 크랙 기반의 스트레인 센서를 지지 기재(300)에 위치시키고, 벤딩 처리하여 굽힘 센서를 제조하는 과정이다.Thereafter, the bending sensor completion step (S400) is a process of manufacturing a bending sensor by placing the completed crack-based strain sensor on the support substrate 300 and performing bending treatment.
구체적으로 설명하면, 도 5에 도시한 바와 같이, 상기 완성된 크랙 기반의 스트레인 센서를 과도하게 신장시킴으로써, 균일한 분포의 복수의 크랙을 발생시키는 것이다.Specifically, as shown in FIG. 5, by excessively elongating the completed crack-based strain sensor, a plurality of cracks having a uniform distribution are generated.
그러나, 전기 저항의 변화에 극도로 민감한 센서를 제공하기에는 다소 부족한 면이 있었다.However, it was somewhat insufficient to provide a sensor that is extremely sensitive to changes in electrical resistance.
따라서, 본 발명에서는 크랙 기반의 스트레인 센서에 벤딩 과정을 추가적으로 거치게 함으로써, 전기 저항의 변화에 극도로 민감한 굽힘 센서를 제공할 수 있게 되는 것이다.Therefore, in the present invention, by additionally subjecting the crack-based strain sensor to a bending process, it is possible to provide a bending sensor that is extremely sensitive to changes in electrical resistance.
이때, 상기 크랙은,At this time, the crack,
폴리우레탄(PU) 필름이 늘어날 때 백금과의 영계수(Young's modulus) 차이로 백금 막이 갈라지면서 형성된 것을 특징으로 한다.When the polyurethane (PU) film is stretched, it is formed by cracking the platinum film due to the difference in Young's modulus from platinum.
예를 들어, 도 11에 도시한 바와 같이, 지지 기재(300)인 폴리에스테르 필름에 완성된 크랙 기반의 스트레인 센서를 설치 구성하고, 상기 지지 기재를 벤딩 처리하게 되면, 구부러진 굽힘 센서가 완성되는 것이며, 이를 각종 전자기기 등에 탑재시키게 되면 굽힘 센서를 통해 고 민감도의 변화를 감지할 수가 있게 되는 것이다.For example, as shown in FIG. 11, when a crack-based strain sensor is installed and configured on a polyester film that is a support substrate 300, and the support substrate is subjected to bending treatment, a bent bending sensor is completed. In addition, when it is mounted on various electronic devices, it is possible to detect a change in high sensitivity through a bending sensor.
또한, 본 발명의 제조 방법에 의해 제조된 상기 굽힘 센서는,In addition, the bending sensor manufactured by the manufacturing method of the present invention,
볼록하게 굽혀 양의 곡률을 제공함으로써, 크랙 사이의 거리를 늘려 형성시키거나, 오목하게 굽혀 음의 곡률을 제공함으로써, 크랙들을 오버랩시켜 형성시키는 것을 특징으로 한다.It is characterized in that the cracks are formed by overlapping the cracks by convexly bending to provide a positive curvature, thereby increasing the distance between cracks, or by bending concavely to provide a negative curvature.
즉, 도 6에 도시한 바와 같이, 양의 곡률부터 음의 곡률까지 다양한 곡률을 가지는 변형을 가하여 제조되게 되는데, 곡률 반경에 따른 크랙 굽힘 센서의 전기 저항은 차이가 발생하게 된다.That is, as shown in FIG. 6, it is manufactured by applying a deformation having various curvatures from a positive curvature to a negative curvature, and the electric resistance of the crack bending sensor according to the curvature radius is different.
예를 들어, 볼록 벤드는 볼록하게 굽혀서 크랙 사이 거리를 극단적으로 늘린 부위가 되며, 여기서는 전기 저항이 크게 증가하게 된다.For example, a convex bend becomes a convex bend, resulting in an extreme increase in the distance between cracks, where the electrical resistance increases significantly.
반대로, 오목 벤드는 오목하게 굽혀서 금속막 즉, 백금레이어 상에 주름이 생기고, 크랙들이 오버랩된 부위가 되며, 여기서는 전기 저항이 크게 감소하게 된다.On the contrary, the concave bend is bent concave to form a wrinkle on the metal film, that is, the platinum layer, and the cracks become an overlapping part, where the electrical resistance is greatly reduced.
상기와 같이, 양의 곡률부터 음의 곡률까지 다양한 곡률을 가진 변형에서 곡률 반경에 따른 크랙 굽힘 센서의 전기 저항을 실험하였으며, 실험 결과는 도 7과 같다.As described above, the electrical resistance of the crack bending sensor according to the radius of curvature was tested in deformation having various curvatures from positive to negative curvature, and the experimental results are shown in FIG. 7.
도 7의 a 도면은 실제정 결과로서, 동일한 변형률에서 볼록한 굽힘 벤드 > 선형 인장 벤드 > 오목한 굽힘 벤드 순으로 전기 저항 변화를 나타났다.A drawing of FIG. 7 shows a change in electrical resistance in the order of convex bending bend> linear tensile bend> concave bending bend at the same strain as a result of the actual result.
도 7의 b 도면은 백금레이어를 기준으로 변형률 계산시, 오목한 변형은 백금레이어를 압축시키고, 전기 저항을 감소시키는 것으로 나타났다.7B shows that when the strain is calculated based on the platinum layer, the concave strain compresses the platinum layer and reduces electrical resistance.
도 7의 c ~ d 도면은 곡률 반경이 작아질수록 센서 양단의 압축-인장 효과가 커지고(반경이 작을수록 많이형됨), 이에 따른 저항 변화를 나타낸 것이다.Figures c to d of FIG. 7 show the compression-tension effect at both ends of the sensor increases as the radius of curvature decreases (the smaller the radius is, the greater the shape), and thus resistance changes.
이때, 세로축 RR 초기 저항 대비 상대 저항 변화로 전기 저항(Resistance)을 의미한다. At this time, the vertical axis R R is a change in relative resistance compared to the initial resistance, meaning electrical resistance.
한편, 도 8은 전극의 방향을 기준으로 하고, 굽힘 축을 변형시켜 볼록 굽힘과 오목 굽힘을 관찰하기 위한 기본 개념도이며, 도 9는 크랙 이미지이며, 도 10은 실험 결과 그래프이다.Meanwhile, FIG. 8 is a basic conceptual diagram for observing convex bending and concave bending by deforming the bending axis based on the direction of the electrode, FIG. 9 is a crack image, and FIG. 10 is an experiment result graph.
구체적으로 도 8에 도시한 I 도면은 기본적인 볼록 벤딩 예시이며, II 도면은 기본적인 오목 벤딩 예시이며, III 도면은 양단의 전극 방향과 평행한 축을 기준으로 볼록 벤딩 예시이며, IV 도면은 양단의 전극 방향과 평행한 축을 기준으로 오목 벤딩 예시를 나타낸 것이다.Specifically, the I drawing shown in FIG. 8 is a basic convex bending example, the II drawing is a basic concave bending example, the III drawing is a convex bending example based on an axis parallel to the electrode direction at both ends, and the IV drawing is the electrode direction at both ends. It shows an example of concave bending based on an axis parallel to and.
이때, 도 9에 도시한 바와 같이, 크랙을 확대한 결과, 굽힘 축 방향에 상관없이 볼록 벤딩은 모두 크랙을 벌리고 있으며, 오목 벤딩은 모두 크랙을 압축하고 있음을 알 수 있었다.At this time, as shown in FIG. 9, as a result of expanding the crack, it was found that the convex bending all open the crack, and the concave bending all compressed the crack regardless of the bending axis direction.
이때, 도 10에 도시한 바와 같이, I 도면은 크랙이 극단적으로 벌어진 것으로서, 전류이 이동이 힘들기 때문에 저항이 크게 증가하게 되었으며, II 도면은 크랙이 압축되어 전류이 이동이 수월하기 때문에 저항이 크게 감소하게 되었으며, III 도면은 크랙은 벌어지지만, 전류의 이동에는 큰 방해가 되지 않았으며, IV 도면은 크랙은 압축되지만, 전류의 이동에 큰 방해가 되지 않았음을 나타낸 것이다.At this time, as shown in Fig. 10, the I drawing shows an extreme crack, and the resistance is greatly increased because the current is difficult to move, and in the II drawing, the resistance is greatly reduced because the crack is compressed and the current is easy to move. Figure III shows that the cracks are open, but there is no significant interference with the movement of the current, and the Figure IV shows that the crack is compressed, but does not interfere with the movement of the current.
결국, 상기와 같은 실험 결과를 토대로 본 발명의 굽힘 센서는 굽힘 방향을 감지할 수 있는 크랙 기반의 스트레인 센서로 활용이 가능할 것이다.As a result, the bending sensor of the present invention may be utilized as a crack-based strain sensor capable of detecting the bending direction based on the above experimental results.
예를 들어, 본 발명의 굽힘 센서는 전자 기기, 인공피부, 웨어러블 기기 및 이들의 조합들로 이루어진 군으로부터 선택되는 것에 포함되어 전기저항 변화를 모니터링하도록 구성할 수 있게 되는 것이다.For example, the bending sensor of the present invention is included in the group consisting of electronic devices, artificial skin, wearable devices, and combinations thereof to be configured to monitor changes in electrical resistance.
즉, 도 11의 (a) 도면에 도시한 바와 같이, 지지 기재(300)인 폴리에스테르 필름의 0도 각도에 S1의 크랙 기반의 스트레인 센서를 구성하고, 45도 각도에 S2의 크랙 기반의 스트레인 센서를 구성하고, 90도 각도에 S3의 크랙 기반의 스트레인 센서를 구성한 후, 볼록 벤딩을 처리하여 (b) 도면과 같이, 굽힘 센서를 만들게 된다.That is, as shown in (a) of FIG. 11, a crack-based strain sensor of S1 is configured at a 0 degree angle of the polyester film, which is the support substrate 300, and a crack-based strain of S2 at a 45 degree angle. After configuring the sensor, configuring the S3 crack-based strain sensor at an angle of 90 degrees, processing the convex bending (b) to make a bending sensor as shown in the figure.
한편, 상기 굽힘 센서에 대한 실험 그래프를 (c) 도면에 나타내었으며, 세로축 RR 인 전기 저항(Resistance)은 각도에 따라 민감하게 변화되는 것을 알 수 있었다.Meanwhile, an experimental graph for the bending sensor is shown in the figure (c), and it was found that the electrical resistance, which is the vertical axis R R , is sensitively changed according to the angle.
즉, 굽힘 축의 방향에 따라 동일한 곡률을 가져도 센서의 저항 변화가 특정 축에서 민감하게 작용하고 있는 것을 나타낸 것이다.In other words, it shows that the change in the resistance of the sensor is sensitively acting in a specific axis even if it has the same curvature according to the direction of the bending axis.
이때, 상기 굽힘 센서를 각종 전자 기기, 인공피부, 웨어러블 기기 등에 설치 구성하게 되면 작은 외부 변화에도 미세하게 반응하여 변화되는 전기 저항값을 제공할 수 있게 되는 것이다.In this case, when the bending sensor is installed and configured in various electronic devices, artificial skin, wearable devices, etc., it is possible to provide a changed electrical resistance value by reacting minutely to small external changes.
요약하자면, 지지 기재(300)인 폴리에스테르 필름에 완성된 크랙 기반의 스트레인 센서를 설치 구성하고, 상기 지지 기재를 벤딩 처리하게 되면, 구부러진 굽힘 센서가 완성되는 것이며, 이를 각종 전자기기 등에 탑재시키게 되면 굽힘 센서를 통해 고 민감도의 변화를 감지할 수가 있게 되는 것이다.In summary, when the completed crack-based strain sensor is installed on the polyester film, which is the support substrate 300, and the support substrate is subjected to bending treatment, a bent bending sensor is completed, and when it is mounted on various electronic devices, It is possible to detect high-sensitivity changes through the bending sensor.
굽힘 축의 방향에 따라 동일한 곡률을 가져도 센서의 저항 변화가 특정 축에서 민감하게 작용하는 현상을 이용하여 굽힘 방향을 감지할 수 있는 간단한 장치를 제작하였으며, 이를 실험한 결과, 크랙 기반 스트레인 센서가 굽힘 센서로도 활용할 수 있음을 알 수 있었다.A simple device capable of detecting the bending direction was made by using the phenomenon that the resistance change of the sensor sensitively acts on a specific axis even if the bending axis has the same curvature according to the direction of the bending axis. As a result of this experiment, a crack-based strain sensor is bent. It can be seen that it can also be used as a sensor.
지금까지 설명한 본 발명에 의하면, 선형적으로 잡아 당기는 선형 인장 과정없이 굽히는 벤딩 과정을 거쳐 굽힘 센서를 제조함으로써, 미세한 진동이나 작은 변위에도 민감한 저항 변화를 제공할 수 있으며, 저렴하게 굽힘 센서를 제조할 수 있는 효과를 발휘하게 된다.According to the present invention described so far, by manufacturing a bending sensor through a bending process without a linear tensioning process that pulls linearly, it is possible to provide a sensitive resistance change even with a small vibration or small displacement, and to manufacture a bending sensor inexpensively. It will exert the possible effect.
또한, 이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 상술한 특정의 실시 예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형 실시들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어서는 안될 것이다.In addition, although the preferred embodiments of the present invention have been illustrated and described above, the present invention is not limited to the specific embodiments described above, and the technical field to which the present invention belongs without departing from the gist of the present invention claimed in the claims. In addition, various modifications can be implemented by those of ordinary skill in the art, and these modifications should not be individually understood from the technical spirit or prospect of the present invention.
100 : 폴리우레탄레이어
200 : 백금레이어
300 : 지지 기재100: polyurethane layer
200: platinum layer
300: supporting substrate
Claims (6)
폴리우레탄(PU) 필름을 이용하여 폴리우레탄레이어(100)를 형성하는 지지체형성단계(S100)와,
소정 부위에 스퍼터를 이용하여 백금을 코팅하여 백금레이어(200)를 형성하는 백금레이어형성단계(S200)와,
레이저 커터를 이용하여 원하는 형상으로 절단하여 크랙 기반의 스트레인 센서를 완성하는 스트레인센서완성단계(S300)와,
상기 완성된 크랙 기반의 스트레인 센서를 지지 기재에 위치시키고, 벤딩 처리하여 굽힘 센서를 제조하기 위한 굽힘센서완성단계(S400)를 포함하는 것을 특징으로 하는 크랙 기반의 고 민감도 굽힘 센서 제조 방법.
In the crack-based high sensitivity bending sensor manufacturing method,
A support body forming step (S100) of forming a polyurethane layer 100 using a polyurethane (PU) film, and
A platinum layer forming step (S200) of forming a platinum layer 200 by coating platinum using a sputter on a predetermined area,
A strain sensor completion step (S300) of completing a crack-based strain sensor by cutting into a desired shape using a laser cutter, and
A method for manufacturing a crack-based high-sensitivity bending sensor, comprising: a bending sensor completion step (S400) for manufacturing a bending sensor by placing the completed crack-based strain sensor on a supporting substrate and bending.
상기 크랙은,
폴리우레탄(PU) 필름이 늘어날 때 백금과의 영계수(Young's modulus) 차이로 백금 막이 갈라지면서 형성된 것을 특징으로 하는크랙 기반의 고 민감도 굽힘 센서 제조 방법.
According to claim 1,
The crack is,
Crack-based high-sensitivity bending sensor manufacturing method, characterized in that when the polyurethane (PU) film is stretched, the platinum film is cracked due to a difference in Young's modulus from platinum.
상기 폴리우레탄레이어(100)는,
100um 두께로 형성되어 신축성과 유연성을 가지도록 하며,
상기 크랙 기반의 백금레이어(200)는,
20nm 두께로 형성되는 것을 특징으로 하는 크랙 기반의 고 민감도 굽힘 센서 제조 방법.
According to claim 1,
The polyurethane layer 100,
It is formed to be 100um thick to have elasticity and flexibility,
The crack-based platinum layer 200,
Crack-based high sensitivity bending sensor manufacturing method, characterized in that formed to a thickness of 20nm.
상기 굽힘 센서는,
볼록하게 굽혀 양의 곡률을 제공함으로써, 크랙 사이의 거리를 늘려 형성시키거나, 오목하게 굽혀 음의 곡률을 제공함으로써, 크랙들을 오버랩시켜 형성시키는 것을 특징으로 하는 크랙 기반의 고 민감도 굽힘 센서 제조 방법.
According to claim 1,
The bending sensor,
A method for manufacturing a crack-based high-sensitivity bending sensor, characterized in that the cracks are formed by overlapping the cracks by convexly bending to provide a positive curvature, or by concave bending to provide a negative curvature.
상기 굽힘 센서는,
굽힘 방향을 감지할 수 있는 크랙 기반의 스트레인 센서인 것을 특징으로 하는 크랙 기반의 고 민감도 굽힘 센서 제조 방법.
According to claim 1,
The bending sensor,
Crack-based high sensitivity bending sensor manufacturing method, characterized in that it is a crack-based strain sensor capable of detecting the bending direction.
상기 굽힘 센서는,
전자 기기, 인공피부, 웨어러블 기기 및 이들의 조합들로 이루어진 군으로부터 선택되는 것에 포함되어 전기저항 변화를 모니터링하는 것을 특징으로 하는 크랙 기반의 고 민감도 굽힘 센서 제조 방법.
According to claim 1,
The bending sensor,
A method for manufacturing a crack-based high-sensitivity bending sensor, characterized in that it is included in the group consisting of electronic devices, artificial skin, wearable devices, and combinations thereof to monitor changes in electrical resistance.
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| E701 | Decision to grant or registration of patent right | ||
| GRNT | Written decision to grant |