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KR-20260061824-A - POROUS STRUCTURE PIEZORESISTIVE SENSOR FOR SMART HELMET AND HAPTIC INTERFACE APPARATUS, AND METHOD FOR MANUFACTURING CARBON BLACK DOPED PIEZORESISTIVE SPONGE

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Abstract

스마트 헬멧용 다공성 구조 압저항 센서 및 이를 사용한 햅틱 인터페이스 장치, 그리고 카본 블랙이 도핑된 압저항 스펀지 제조 방법이 개시된다. 이 센서는 일측면에 제1 박막 전극이 형성되어 있는 상부 기판 및 일측면에 제2 박막 전극이 형성되어 있는 하부 기판을 포함한다. 또한, 이 센서는 상부 기판의 제1 박막 전극과 하부 기판의 제2 박막 전극 사이에 배치된 카본 블랙(CB)이 도핑된 압저항 스펀지(CDPS)를 더 포함한다. 이 CDPS는 시트르산 일수화물(CAM), 폴리디메틸실록산(PDMS) 및 카본 블랙(CB)을 혼합한 혼합물을 경화시킨 후 원통 형상의 절단을 통해 제조된다.

Inventors

  • 박윤석
  • 김수현

Assignees

  • 경희대학교 산학협력단

Dates

Publication Date
20260506
Application Date
20241028

Claims (18)

  1. 다공성 구조 압저항 센서로서, 일측면에 제1 박막 전극이 형성되어 있는 상부 기판, 일측면에 제2 박막 전극이 형성되어 있는 하부 기판, 그리고 상기 상부 기판의 제1 박막 전극과 상기 하부 기판의 제2 박막 전극 사이에 배치된 카본 블랙(carbon black, CB)이 도핑된 압저항 스펀지(CB-doped piezoresistive sponge, CDPS) ― 상기 CDPS는 시트르산 일수화물(citric acid monohydrate, CAM), 폴리디메틸실록산(polydimethylsiloxane, PDMS) 및 카본 블랙을 혼합한 혼합물을 경화시킨 후 원통 형상의 절단을 통해 제조됨 ― 를 포함하는 다공성 구조 압저항 센서.
  2. 제1항에 있어서, 상기 상부 기판은 상기 상부 기판 중 중심 부분의 원판이 외주 부분과 분리되어 상기 외주 부분보다 볼록하게 솟아 있는 상태에서 복수의 용수철 형상 부분을 통해 상기 외주 부분과 연결되도록 절개되어 있는, 다공성 구조 압저항 센서.
  3. 제1항에 있어서, 상기 제1 박막 전극과 상기 제2 박막 전극 사이에 배치되고, 환형상 기둥 구조를 가지며, 비어 있는 내부에 상기 CDPS가 배치되는 아크릴 스페이서 를 더 포함하는 다공성 구조 압저항 센서.
  4. 제1항에 있어서, 상기 CDPS 내의 CAM은 표준 체(sieve)를 사용한 쳄질을 통해 일정 크기 이내로 제어되는, 다공성 구조 압저항 센서.
  5. 제1항에 있어서, 상기 CDPS는 블레이드 코팅을 통해 높이가 일정 두께 이내로 제어되는, 다공성 구조 압저항 센서.
  6. 카본 블랙이 도핑된 압저항 스펀지(CDPS)를 제조하는 방법으로서, 시트르산 일수화물(CAM), 입자를 경화하지 않은 폴리디메틸실록산(PDMS) 및 카본 블랙(CB)을 혼합하여 혼합물을 생성하는 단계, 상기 혼합물을 경화시키는 단계, 경화된 혼합물을 에탄올에 담궈서 상기 CAM을 용해시켜서 상기 PDMS에 미세 구조가 형성되도록 하는 단계, 그리고 미세 구조가 형성된 혼합물을 원통 형상으로 절단하여 CDPS를 생성하는 단계 를 포함하는 카본 블랙이 도핑된 압저항 스펀지 제조 방법.
  7. 제6항에 있어서, 상기 PDMS에 미세 구조가 형성되도록 하는 단계와 상기 CDPS를 생성하는 단계 사이에, 블레이드 코팅을 사용하여 상기 미세 구조가 형성된 혼합물의 두께를 미리 설정된 두께로 제어하는 단계 를 더 포함하는 카본 블랙이 도핑된 압저항 스펀지 제조 방법.
  8. 제6항에 있어서, 상기 CAM은 표준 체(sieve)를 사용한 쳄질을 통해 입자 크기가 미리 설정된 크기 범위 내로 제어되는, 카본 블랙이 도핑된 압저항 스펀지 제조 방법.
  9. 햅틱 인터페이스 장치로서, 기판, 상기 기판 상에 장착되며, 외부로부터의 압력을 감지하여 대응하는 센서 값을 제공하는 다공성 구조 압저항 센서, 그리고 상기 기판 상에 장착되며, 상기 다공성 구조 압저항 센서로부터 제공되는 센서 값에 대응하는 진동을 발생하는 액추에이터(actuator) 를 포함하며, 상기 다공성 구조 압저항 센서는, 일측면에 제1 박막 전극이 형성되어 있는 상부 기판, 일측면에 제2 박막 전극이 형성되어 있는 하부 기판, 그리고 상기 상부 기판의 제1 박막 전극과 상기 하부 기판의 제2 박막 전극 사이에 배치된 카본 블랙(CB)이 도핑된 압저항 스펀지(CDPS) 를 포함하고, 상기 CDPS는 시트르산 일수화물(CAM), 폴리디메틸실록산(PDMS) 및 카본 블랙CB)을 혼합한 혼합물을 경화시킨 후 원통 형상의 절단을 통해 제조되는, 햅틱 인터페이스 장치.
  10. 제9항에 있어서, 상기 다공성 구조 압저항 센서와 상기 액추에이터를 외부로부터 보호하기 위해 상기 기판 상부를 밀봉하는 커버 를 더 포함하는 햅틱 인터페이스 장치.
  11. 제9항에 있어서, 상기 다공성 구조 압저항 센서는 감지되는 외부 압력이 미리 설정된 임계 압력보다 크기 않은 경우에는 상기 액추에이터가 제1 주파수에 대응하는 진동을 발생시키는 센서 값을 상기 액추에이터로 제공하거나, 또는 상기 다공성 구조 압저항 센서는 감지되는 외부 압력이 상기 미리 설정된 임계 압력보다 큰 경우에는 상기 액추에이터가 제2 주파수에 대응하는 진동을 발생시키는 센서 값을 상기 액추에이터로 제공하는, 햅틱 인터페이스 장치.
  12. 제11항에 있어서, 상기 제1 주파수는 상기 액추에이터의 진동으로 인해 사용자에 의한 외부 작동이 발생되지 않는 주파수인 0.83Hz이고, 상기 제2 주파수는 상기 액추에이터의 진동으로 인해 상기 사용자에 의해 외부 작동이 발생되는 주파수인 1.67Hz인, 햅틱 인터페이스 장치.
  13. 제9항에 있어서, 상기 상부 기판은 상기 상부 기판 중 중심 부분의 원판이 외주 부분과 분리되어 상기 외주 부분보다 볼록하게 솟아 있는 상태에서 복수의 용수철 형상 부분을 통해 상기 외주 부분과 연결되도록 절개되어 있는, 햅틱 인터페이스 장치.
  14. 제9항에 있어서, 상기 다공성 구조 압저항 센서는, 상기 제1 박막 전극과 상기 제2 박막 전극 사이에 배치되고, 환형상 기둥 구조를 가지며, 비어 있는 내부에 상기 CDPS가 배치되는 아크릴 스페이서 를 더 포함하는, 햅틱 인터페이스 장치.
  15. 착용형 장치로서, 복수 개의 햅틱 인터페이스가 장착되어 있으며, 상기 햅틱 인터페이스 각각은, 기판, 상기 기판 상에 장착되며, 외부로부터의 압력을 감지하여 대응하는 센서 값을 제공하는 다공성 구조 압저항 센서, 그리고 상기 기판 상에 장착되며, 상기 다공성 구조 압저항 센서로부터 제공되는 센서 값에 대응하는 진동을 발생하는 액추에이터 를 포함하고, 상기 다공성 구조 압저항 센서는, 일측면에 제1 박막 전극이 형성되어 있는 상부 기판, 일측면에 제2 박막 전극이 형성되어 있는 하부 기판, 그리고 상기 상부 기판의 제1 박막 전극과 상기 하부 기판의 제2 박막 전극 사이에 배치된 카본 블랙(CB)이 도핑된 압저항 스펀지(CDPS) 를 포함하며, 상기 CDPS는 시트르산 일수화물(CAM), 폴리디메틸실록산(PDMS) 및 카본 블랙CB)을 혼합한 혼합물을 경화시킨 후 원통 형상의 절단을 통해 제조되고, 상기 복수 개의 햅틱 인터페이스 각각은 감지되는 외부 압력이 미리 설정된 임계 압력보다 큰 경우, 상기 외부 압력을 감소시키기 위한 정보를 상기 착용형 장치를 착용한 사용자에게 진동으로서 제공하는, 착용형 장치.
  16. 제15항에 있어서, 상기 미리 설정된 임계 압력은 상기 착용형 장치가 상기 사용자에게 착용된 후로부터 일정 시간 동안 상기 복수 개의 햅틱 인터페이스를 통해 감지되는 외부 압력의 평균값으로 설정되는, 착용형 장치.
  17. 제15항에 있어서, 상기 착용형 장치는 4개의 햅틱 인터페이스 장치가 버클링 부위의 앞부분, 양 옆부분 및 뒷부분에 각각 1개씩 장착된 스마트 헬멧을 포함하는, 착용형 장치.
  18. 제15항에 있어서, 상기 상부 기판은 상기 상부 기판 중 중심 부분의 원판이 외주 부분과 분리되어 상기 외주 부분보다 볼록하게 솟아 있는 상태에서 복수의 용수철 형상 부분을 통해 상기 외주 부분과 연결되도록 절개되어 있는, 착용형 장치.

Description

스마트 헬멧용 다공성 구조 압저항 센서 및 이를 사용한 햅틱 인터페이스 장치, 그리고 카본 블랙이 도핑된 압저항 스펀지 제조 방법 {POROUS STRUCTURE PIEZORESISTIVE SENSOR FOR SMART HELMET AND HAPTIC INTERFACE APPARATUS, AND METHOD FOR MANUFACTURING CARBON BLACK DOPED PIEZORESISTIVE SPONGE} 본 발명은 스마트 헬멧용 다공성 구조 압저항 센서 및 이를 사용한 햅틱 인터페이스 장치, 그리고 카본 블랙이 도핑된 압저항 스펀지 제조 방법에 관한 것이다. 유연하고 초고감도인 압력 센서에 대한 수요는 높은 감도와 광범위한 측정으로 인해 의료 및 로봇 피부 응용 분야와 같은 다양한 분야에서 극적으로 증가하고 있다. 예를 들어, 행동 패턴 및 신체 건강에 대한 통찰력을 제공하는 실리콘 엘라스토머를 활용한 유연 압력 센서 등이 개발되고 있다. 한편, 안전 헬멧은 위험한 환경에서 일하는 근로자에게 필수적인 보호 장비로서, 외부 충격력을 90%까지 줄일 수 있다. 어떤 상황에서든 헬멧을 적절하게 사용하는 것은 최대한의 보호를 보장하는 데 중요하다. 이러한 헬멧에 대해서도 고감도 패브릭 기반 압력 센서 어레이가 적용되어 광범위한 압력을 모니터링하는 기술이 제공되고 있다. 그러나, 기존의 스마트 헬멧 연구에서는 턱끈 센서를 사용하여 안전 헬멧 착용 여부를 모니터링하는 접근 방식이 주를 이루며, 이는 헬멧 착용 상태의 확인 문제로만 제한된다는 단점이 존재한다. 따라서, 적절한 착용을 지원하는 유연한 압력 센서를 활용하는 인간-기계 인터페이스(human-machine interface, HMI)로 작동하는 진보된 헬멧 시스템이 요구된다. 도 1의 (a)는 본 발명의 실시예에 따른 스마트 헬멧용 다공성 구조 압저항 센서의 분해도이고, (b)는 그 정면도이며, (c)는 그 평면도이다. 도 2는 도 1에 도시된 CDPS를 제조하는 방법의 개략적인 흐름도이다. 도 3은 도 1에 도시된 CDPS를 제조하는 과정을 예시한 도면이다. 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 CDPS와 일반적인 CB가 도핑되지 않은 스펀지의 EDS 분석 결과를 도시한 도면이다. 도 5는 본 발명의 실시예에 따른 다공성 구조 압저항 센서에서 외부로부터의 힘에 따른 센서 값을 도시한 도면이다. 도 6은 본 발명의 실시예에 따른 다공성 구조 압저항 센서의 응답 및 복구 시간을 도시한 도면이다. 도 7은 본 발명의 실시예에 따른 햅틱 인터페이스 장치의 개략적인 구성도이다. 도 8은 본 발명의 실시예에 따른 4개의 햅틱 인터페이스 장치가 헬멧에 장착된 상태를 도시한 도면이다. 도 9는 도 8에 도시된 헬멧을 잘못 착용한 상태의 4개의 햅틱 인터페이스로부터 감지되는 압력 변화와 그에 따른 액추에이터에 의해 발생되는 진동 예를 도시한 도면이다. 아래에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다 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 있는 것을 의미한다. 또한, 명세서에 기재된 "…부", "…기", "모듈" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 연관성으로 구현될 수 있다. 본 발명에서 설명하는 장치들은 적어도 하나의 프로세서, 메모리 장치, 통신 장치 등을 포함하는 하드웨어로 구성되고, 지정된 장소에 하드웨어와 연관성되어 실행되는 프로그램이 저장된다. 하드웨어는 본 발명의 방법을 실행할 수 있는 구성과 성능을 가진다. 프로그램은 도면들을 참고로 설명한 본 발명의 동작 방법을 구현한 명령어(instructions)를 포함하고, 프로세서와 메모리 장치 등의 하드웨어와 결합하여 본 발명을 실행한다. 이하, 본 발명의 실시예에 따른 스마트 헬멧용 다공성 구조 압저항 센서에 대해 설명한다. 도 1의 (a)는 본 발명의 실시예에 따른 스마트 헬멧용 다공성 구조 압저항 센서의 분해도이고, (b)는 그 정면도이며, (c)는 그 평면도이다. 도 1의 (a)를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 다공성 구조 압저항 센서(100)는 박막 전극(111)이 일측면에 형성되어 있는 상부 폴리이미드(polyimide, PI) 기판(110), 박막 전극(121)이 일측면에 형성되어 있는 하부 폴리이미드 기판(120), 2개의 PI 기판(110, 120) 사이에 배치되어 있는 카본 블랙(carbon black, CB)이 도핑된 압저항 스펀지(CB-doped piezoresistive sponge, CDPS)(130), 및 환형상 기둥 구조를 가지며 비어 있는 내부에 CDPS(130)가 배치되어 있는 아크릴 스페이서(140)를 포함한다. 여기서, 상부 PI 기판(110)은 절단 수단, 예를 들어 레이저 커터 등을 사용하여 중심 부분의 원판(113)이 외주 부분(114)보다 볼록하게 솟아 있는 상태에서 외주 부분(114)과는 4개의 용수철 형상 부분(115)을 통해서만 연결되도록 절개되어 있다. 따라서, 도 1의 (b)에 도시된 바와 같이, CDPS(130)는 원판(113)과 하부 PI 기판(120) 사이에 배치되게 된다. 이러한 구조를 통해, 원판(113)이 가압되는 경우 CDPS(130)가 수축되어 저항 변화가 발생함으로써 외부 압력을 감지할 수 있다. 박막 전극(111, 121)은 깨끗한 PI 기판(110, 120)에 물리적 기상 증착(physical vapor deposition, PVD)을 사용하여 티타늄(Ti, 50nm)과 구리(Cu, 200nm)를 증착하여 형성된다. CDPS(130)는 전도성 에폭시를 사용하여 상단면과 하단면이 각각 상부 PI 기판(110)의 원판(113)과 하부 PI 기판(120)에 접합된다. 아크릴 스페이서(140)는 레이저 커터(EL-1290KL, E-LASER, 대한민국)를 사용한 절단을 통해 형성되며, 박막 전극(111, 121) 사이의 지지대와 계단 구조 역할을 한다. 도 1의 (b)와 같이 조립된 본 발명의 실시예에 따른 다공성 구조 압저항 센서(100)는 오븐에서 70℃에서 1시간 동안 경화되어 최종적인 다공성 구조 압저항 센서(100)를 형성하게 된다. 예시적으로, 도 1의 (b) 및 (c)를 참조하면, 다공성 구조 압저항 센서(100)에서, 원판(113)과 하부 PI 기판(120) 사이의 거리(D1)는 대략 3mm 정도이고, 상부 PI 기판(110)과 하부 PI 기판(120) 사이의 거리(D2)는 대략 2mm 정도이다. 또한, 상부 PI 기판(110)의 직경(D3)은 대략 10mm 정도이고, 원판(113)의 직경(D4)은 5mm 정도이다. 다음, 도 1에 도시된 CDPS(130)를 제조하는 방법에 대해 설명한다. 도 2는 도 1에 도시된 CDPS(130)를 제조하는 방법의 개략적인 흐름도이고, 도 3은 도 1에 도시된 CDPS(130)를 제조하는 과정을 예시한 도면이다. 도 2 및 도 3을 참조하면, 먼저, 표준 체(sieve)를 사용한 쳄질을 통해 시트르산 일수화물(citric acid monohydrate, CAM)의 입자 크기를 미리 설정된 크기 범위 내에서 제어한다(S110). 예를 들어, 메시 크기가 100μm와 300μm인 두 개의 표준 체를 사용하여 CAM 입자 크기를 100μm ~ 300μm 범위 내로 제어한다. 다음, CAM, 입자를 경화하지 않은 폴리디메틸실록산(polydimethylsiloxane, PDMS) 및 카본 블랙(carbon black, CB)을 혼합하여 혼합물(210)을 생성한다(S120)(도 2의 (a) 참조). 그 후, 블레이드 코팅을 사용하여 혼합물(210)의 두께를 일정 두께로 제어한다(도 2의 (b) 참조)(S130). 예를 들어, 블레이드 코팅을 통해 혼합물(210)은 3mm의 두께로 제어될 수 있다. 그런 다음, 혼합물(210)을 오븐에서 75℃에서 12시간 동안 경화시킨다(S140). 계속해서, 경화된 혼합물(210)을 에탄올에 담궈서 CAM을 용해시켜서 PDMS에 미세 구조가 형성되도록 한다(S150). 여기서, 상기 단계(S110)에서의 CAM의 메시 크기의 제어를 통해 미세 구조의 PDMS에서 기공 크기를 정밀하게 조정할 수 있는 것이다. 그 후, 혼합물(210)을 원통 형상으로 절단하여 CDPS(220)를 생성한다(S160)(도 2의 (c), (d) 참조). 전술한 CDPS 제조 방법은 변형된 당 희생 템플릿 방법(sugar sacrificial template method)에 의해 수행될 수 있다. 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 CDPS(130)와 일반적인 CB가 도핑되지 않은 스펀지의 EDS(Energy-Dispersive X-ray Spectroscopy) 분석 결과를 도시한 도면이다. 도 4를 참조하면, CDPS(130)에서 균일하게 분산된 CB를 확인하기 위해 주사 전자 현미경(Gemini SEM 360, ZEISS)으로 수행된 EDS 분석 결과가 도시되어 있다. 이러한 분석에는 CB 비율이 0wt%(C 56.26at%, O 27.04at%, Si 16.69at%)(검정색 막대) 및 23wt%(C 60.5at%, O 26.27at%, Si 13.23at%)(흰색 막대)인 샘플이 포함된다. C와 Si의 비율 변화는 23wt%의 CB를 첨가하면 매트릭스에서 비교적 높은 탄소 함량이 생성되었음을 나타낸다. 도 5는 본 발명의 실시예에 따른 다공성 구조 압저항 센서(100)에서 외부로부터의 힘에 따른 센서 값을 도시한 도면이다. 도 5를 참조하면, CAM/PDMS 비율이 1:1이고 CB가 23wt%인 다공성 구조 압저항 센서(100)에 대한 센서의