볼베어링을 이용한 관성스위치, 그 제조방법, 이를 이용한 자동차 에어백 센서 및 포탄의 신관{Inertial array switch using ball bearing, manufacturing method of the same, car airbag sensor and projectile fuze power supply switch using the same}
본 발명은 관성스위치에 관한 것이다. 더욱 상세하게는 볼베어링을 이용한 관성스위치에 관한 것이다.
관성(慣性)은 자신의 운동상태를 그대로 지속하는 성질을 말한다. 이런 관성은 생활 속에서 쉽게 발견할 수 있는데, 버스에 탄 승객이 버스가 멈추더라도 외부의 힘에 의해 잡아 당겨지는 것과 같이 앞으로 쏠리는 현상이 이를 대표한다. 이러한 관성을 이용한 기계장치로는 관성 스위치(inertial switch)가 있으며, 관성 스위치는 에어백 시스템(Airbag System), 포탄 신관의 전원공급장치 등에 적용된다. 종래에는 주로 고체 타입의 관성 빔과 스프링을 이용하여 관성 스위치를 제작하였으나, 제작 공정이 복잡하며, 부피가 크며, 제작비용이 비싸다는 문제점이 있었다. 최근에는 이러한 문제점을 개선하기 위해, 미세 액체금속 액적을 관성력 작동 물체로 이용함으로써 종래기술에 비해 상대적으로 단순한 구조이면서도 민감하게 스위치 작동할 수 있고, 저렴한 비용으로 제작할 수 있는 관성 스위치 및 그 제작방법이 개시되었다.
상술한 종래의 액체금속 액적을 이용한 관성스위치는 관성력 값이 커지면 액적이 깨지는 현상(scattering)이 발생하여 정확한 작동이 어렵다는 문제가 있었다. 관성스위치가 에어백 시스템(Airbag System), 포탄 신관의 전원공급장치 등과 같이 오작동이 허용되지 않는 분야에 사용된다는 점에서 오작동은 특히 문제가 된다. 본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 볼베어링을 사용하여 정확한 작동이 가능한 관성스위치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명에 의하면, 일 표면에 전기적으로 단절된 상태로 서로 마주하는 전극 쌍이 형성된 기판; 상기 기판 위에 결합하며, 일 방향을 따라 길게 형성된 유로, 및 상기 유로를 제1저장부와 상기 전극 쌍 위에 위치하는 제2저장부로 구획하며 상기 제1저장부 및 상기 제2저장부의 유로 폭보다 작은 유로 폭을 갖는 유연성 도어(flexible door),를 구비하는 몸체부; 및 상기 유로를 따라 거동하는 볼베어링을 포함하며, 상기 볼베어링에 정해진 값 이상의 관성력이 가해지면 상기 볼베어링이 상기 유연성 도어를 통과하여 다른 저장부로 이동하며 상기 전극 쌍 사이의 정전용량을 변화시키는 것을 특징으로 하는 볼베어링을 이용한 관성스위치가 제공된다. 또한, 상기 볼베어링이 상기 유로에서 빠져나오는 것을 방지하도록, 상기 몸체부 위에 결합하여 유로의 개방 면을 폐쇄하는 커버를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 볼베어링을 이용한 관성스위치가 제공된다. 또한, 상기 전극 층을 보호하기 위해 상기 기판 위에 형성된 수지층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 볼베어링을 이용한 관성스위치가 제공된다. 또한, 상기 수지층은, 그 윗면에 길게 형성된 가이드 홈을 포함하며, 상기 볼베어링은 상기 가이드 홈을 따라 거동하는 것을 특징으로 하는 볼베어링을 이용한 관성스위치가 제공된다. 또한, 상기 유연성 도어는, 상기 유로의 내부 표면에서 그 내부 방향으로 서로 마주보도록 연장된 한 쌍의 돌기부들을 포함하는 것을 특징으로 하는 볼베어링을 이용한 관성스위치가 제공된다. 상기 돌기부들 사이의 간격은 상기 볼베어링의 지름에 비해서 작은 것이 바람직하다. 또한, 상술한 관성 스위치를 포함하는 자동차 에어백 센서 및 포탄의 신관이 제공된다. 또한, 기판 위에 도전성 막을 형성하는 단계; 상기 도전성 막을 패터닝하여 전기적으로 단절된 상태로 서로 마주하는 전극 쌍을 형성하는 단계; 베이스 위에 몰드를 형성하고 패터닝하여 역상을 가진 몰드를 형성하는 단계; 상기 몰드가 형성된 상기 베이스 위에 몸체부를 형성하기 위한 수지 용액을 도포한 후 경화시켜 일 방향을 따라 길게 형성된 유로, 및 상기 유로를 제1저장부와 상기 전극 쌍 위에 위치하는 제2저장부로 구획하며 상기 제1저장부 및 상기 제2저장부의 유로 폭보다 작은 유로 폭을 갖는 유연성 도어(flexible door),를 구비하는 몸체부를 형성하는 단계; 상기 몸체부를 상기 베이스 및 몰드로부터 분리하는 단계; 상기 몸체부를 상기 전극 쌍이 형성된 기판 위에 부착하는 단계; 및 상기 몸체부에 형성된 저장부 중 하나에 볼베어링을 투입하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 볼베어링을 이용한 관성스위치의 제조방법이 제공된다. 또한, 상기 볼베어링이 상기 유로에서 빠져나오는 것을 방지하도록, 유로의 개방 면을 폐쇄하는 커버를 상기 몸체부 위에 결합하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 볼베어링을 이용한 관성스위치의 제조방법이 제공된다. 또한, 상기 전극 쌍을 형성하는 단계 이후에, 상기 전극 층을 보호하기 위한 수지층을 상기 전극 쌍이 형성된 기판 위에 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 볼베어링을 이용한 관성스위치의 제조방법이 제공된다. 또한, 상기 수지층을 패터닝하여 상기 볼베어링의 수용할 수 있도록 일 방향을 따라 길게 형성된 가이드홈을 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 볼베어링을 이용한 관성스위치의 제조방법이 제공된다. 또한, 상술한 관성 스위치를 포함하는 자동차 에어백 센서 및 포탄의 신관이 제공된다.
본 발명에 따른 볼베어링을 이용한 관성스위치는 볼베어링을 사용하므로 깨짐 현상이 발생하지 않아 정확한 작동이 가능하다. 또한, 구조가 비교적 단순하므로, 작은 크기로 제작할 수 있는 장점이 있다. 이로 인해, 본 발명에 따른 관성 스위치는 자동차 에어백 센서 또는 포탄의 신관뿐만 아니라, 로봇의 이동 시스템, 휴대용 시스템 등과 같이 다양한 분야에 관성스위치로서 적용할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 의한 볼베어링을 이용한 관성스위치의 사시도이다.
도 2 내지 15는 본 발명의 일실시예에 따른 볼베어링을 이용한 관성스위치의 제조방법을 설명하기 위한 도면들이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 일실시예에 의한 액체금속을 이용한 다채널 관성스위치 및 그 제조방법에 대하여 설명한다. 도면에서 구성요소의 크기와 형상 등은 발명의 이해를 돕기 위해 과장되거나 단순화되어 나타날 수 있다. 도 1은 본 발명의 일실시예에 의한 볼베어링을 이용한 관성스위치의 사시도이다. 도 1에 도시된 바와 같이 본 실시예에 따른 볼베어링을 이용한 관성스위치는 기판(1), 기판(1)의 일면에 형성된 전극 쌍(2), 전극 쌍이 형성된 기판 위에 형성된 수지층(3, 4), 수지층(3, 4)이 형성된 기판(1) 위에 배치된 몸체부(5), 몸체부(5) 위에 결합된 커버(6) 및 몸체부(5)에 수용되어 전기적으로 단절된 전극 쌍(2) 사이의 정전용량을 변화시키는 볼베어링(7)을 포함한다. 기판(1)으로는 얇은 판 형태의 유리 기판(1)을 사용하였다. 전극 쌍(2)은 볼베어링(7)이 그 위에 위치할 때 정전용량이 변화하여 스위칭 신호를 발생시키는 역할을 한다. 본 실시예는 서로 일정한 간격으로 떨어진 상태로 마주 보는 전극 쌍(2)을 이용하였다. 볼베어링(7)은 점으로 접촉을 하기 때문에 접촉면적이 제한되어 전극 쌍(2)을 연결하는 도체로서의 역할이 어렵다. 그러나 볼베어링(7)이 전극 쌍(2)의 사이에 위치할 때에는 전극 쌍(2) 사이의 정전용량이 변화하므로 이를 스위칭 신호로 활용할 수 있다. 전극 쌍(2)은 크롬 박막을 패터닝하여 형성하였으며, 두께는 대략 2000Å정도이다. 전극 쌍(2)이 형성되어 있는 기판(1) 위에는 SU-8 2 레지스트리로 이루어진 제1수지층(3)을 5㎛ 두께로 형성하였다. 제1수지층(3)의 위에는 SU-8 100 레지스트리로 이루어진 제2수지층(4)을 형성하였다. 제2수지층(4)의 중심부에는 일방향으로 길게 연장된 가이드 홈(41)이 형성되어있다. 가이드 홈(41)은 볼베어링(7)의 일부분을 수용하여 볼베어링(7)이 전극 쌍(2)의 사이를 지나가도록 안내하는 역할을 한다. 가이드 홈(41)의 폭은 볼베어링(7)의 지름에 비해서 약간 넓도록 설계되었다. 몸체부(5)는 유로(51) 및 유연성 도어(flexible door)(55)를 포함한다. 몸체부(5)는 PDMS를 이용하여 제조한다. 유로(51)는 유연성 도어(55)를 사이에 두고 제1저장부(52)와 제2저장부(53)로 나뉜다. 제2저장부(53)의 아래에 위치하는 기판(1) 위에는 전극 쌍(2)이 형성되어 있다. 유연성 도어(55)는 유로(51)의 양측 내면에서 유로의 중심을 향해서 각각 연장되어 있는 한 쌍의 돌기부들로 이루어진다. 유연성 도어(55)는 일정한 수준의 관성력이 가해지기 전까지 볼베어링(7)이 제1저장부(52)에서 제2저장부(53)로 이동하는 것을 방지하는 역할을 한다. 따라서 이들 돌기부들의 사이의 간격은 볼베어링(7)의 지름에 비해서 작아야 한다. 정해진 수준이상의 관성력이 가해지면 볼베어링(7)이 유연성 도어(55)를 밀어 변형시킴으로써 돌기부 사이의 간격이 볼베어링(7)의 지름이상이 되면서 볼베어링(7)이 제2저장부(53)로 이동한다. 몸체부(5)의 재질로는 PDMS이외에도 용도에 따라서 폴리이미드, UV 경화성 폴리머, PMMA 등 통상적으로 사용하는 액상이 가능한 다양한 폴리머를 사용할 수 있다. 커버(6)는 몸체부(5)의 저장부들(52, 53)의 상부에 개방된 면을 폐쇄하여 볼베어링(7)이 몸체부(5)에서 빠져나오는 것을 방지하기 위한 것이다. 커버(7)는 투명한 유리, PDMS 등으로 제조할 수 있다. 커버(7)는 에폭시를 이용하여 몸체부(5)에 접착한다. 본 발명에 따른 볼베어링을 이용한 관성스위치의 작동에 대해서 간단하게 설명한다. 관성력이 가해지지 않는 경우에는 볼베어링(7)이 유연성 도어(5)에 의해서 제1저장부(52)에 저장된 상태로 유지된다. 그러나 일정수준이상의 관성력이 가해지면 볼베어링(7)이 유연성 도어(55)를 밀어서 개방시키고 제2저장부(53)로 이동한다. 이동한 볼베어링(7)은 제2저장부(53)의 아래에 위치하는 전극 쌍(2) 사이의 정전용량을 변화시켜서 스위칭 신호를 발생시킨다. 이하에서는 본 발명의 일실시예에 의한 볼베어링을 이용한 관성스위치의 제조방법에 대하여 설명한다. 도 2 내지 15는 본 발명의 일실시예에 따른 볼베어링을 이용한 관성스위치의 제조방법을 설명하기 위한 도면들이다. 본 발명의 일시시예에 따른 볼베어링을 이용한 관성스위치의 제조방법은, 크게 기판(1) 위에 전극 쌍(2)과 수지층(3, 4)을 형성하는 단계와 몸체부(5)를 형성하는 단계 및 몸체부(5)를 전극 쌍(2)과 수지층(3, 4)이 형성된 기판(1)과 결합하여 조립하는 단계를 포함한다. 우선, 기판(1) 위에 전극 쌍(2)과 수지층(3, 4)을 형성하는 단계를 설명한다. 본 단계는 유리 기판(1) 위에 크롬을 증착하는 단계로 시작한다. 크롬 박막을 증착하는 방법으로는 공지의 다양한 PVD(Physical vapor deposition), CVD (Chemical vapor deposition)방법을 사용할 수 있다. 다음, 증착된 크롬 박막을 패터닝한다. 크롬 박막을 패터닝하기 위한 사진 식각 공정으로는 크롬 박막의 일부분을 제거할 수 있는 다양한 건식 또는 습식 방법이 사용될 수 있다. 사진식각 공정은 공지의 기술이므로, 이를 이용한 패터닝 과정에 대한 상세한 설명은 생략한다. 본 실시예에서는 도 2와 3에 도시된 바와 같이, 서로 일정한 간격으로 떨어진 상태로 마주 보는 전극 쌍(2)을 형성하였다. 다음, 도 4에 도시된 바와 같이, 크롬 전극 쌍(2)이 형성된 유리 기판(1) 위에 Su-8 2 포토레지스트(PR) 층(10)을 스핀 코터(20)를 이용한 회전 도포법으로 형성하였다. 이후, 사진식각 공정을 통해 Su-8 2 포토레지스트 층(10)을 패터닝하여, 도 5에 도시된 바와 같이 제1수지층(3)을 형성하였다. 다음, 도 6에 도시된 바와 같이, 제1수지층(3)이 형성된 유리 기판(1) 위에 Su-8 8 포토레지스트 층(11)을 스핀 코터(20)를 이용한 회전 도포법으로 형성하였다. 그리고 사진식각 공정을 통해 Su-8 8 포토레지스트 층(11)을 패터닝하여, 도 7과 8에 도시된 바와 같이 가이드 홈(41)이 형성되어 있는 제2수지층(4)을 형성하였다. 다음으로, 몸체부(5)를 형성하는 방법에 대해서 설명한다. 몸체부(5)를 형성하는 단계는 도 9에 도시된 바와 같이 베이스(30) 위에 Su-8 포토레지스트를 이용하여 몰드(12)를 형성하는 단계로 시작된다. 베이스(30)는 실리콘, 유리, 석영 등이 사용될 수 있다. 베이스(30)는 몸체부(5)를 제조하기 위해서 사용되는 별개의 기판으로서, 몸체부(5) 제조 후 몸체부(5)와 분리된다. 다음, 사진식각 공정을 통해서 Su-8 포토레지스트 몰드(12)를 패터닝하여 도 10에 도시된 바와 같이 몸체부 형성을 위해 필요한 역상(13)을 얻는다. 본 발명에 있어서, 몰드(12)는 Su-8 포토레지스트 이외의 다양한 재질로, 사진식각 공정 이외의 방법으로 베이스(30) 위에 형성될 수 있다. 역상(13)이 베이스(30)에 형성되고 나면, 도 11에 도시된 것과 같이, 베이스(30) 위에 폴리머 용액을 도포한 후 이를 경화시킨다. 이후, 베이스(30) 위에 제조된 몸체부(5)를 베이스(30)와 역상(13)으로부터 분리시킨다. 도 12와 13은 베이스(30)로부터 분리된 몸체부(5)를 나타낸다. 마지막으로, 조립하는 단계를 설명한다. 우선, 도 14에 도시된 바와 같이, 몸체부(5)의 제2저장부(53)가 기판(1) 위에 형성된 크롬 전극 쌍(2) 위에 위치하도록, 몸체부(5)를 전극 쌍(2)과 수지층(3, 4)이 형성된 기판(1)에 접합시킨다. 접합하는 방법은 에폭시 수지 등 접착제를 이용하거나 열을 이용하는 방법이 있다. 다음, 도 15에 도시된 바와 같이 몸체부(5)의 제1저장부(52)에 볼베어링(7)을 투입하고, PDMS재질의 커버(6)를 에폭시를 이용하여 몸체부(5) 위에 접착하였다. PDMS이외에 유리 기판을 커버(6)로 사용할 수도 있다. 이상에서 설명한 본 발명은 도시되고 설명된 그대로의 구성 및 작용으로 한정되지 않는다. 즉, 본 발명은 기재된 특허청구범위의 사상 및 범위 내에서 다양한 변경 및 수정이 가능하다. 본 발명에 있어서, 전극 층 또는 수지층을 형성하고, 2차원 또는 3차원으로 패터닝하는 공정은 종래의 반도체제조 공정에서 사용되는 기술 또는 MEMS(MicroElectroMechanicalSystems)에서 쓰이는 마이크로머시닝(Micromachining)기술을 이용하여 다양한 방법을 선택할 수 있다. 또한, 본 실시예에서는, 가이드 홈이 형성된 수지층을 포함하고, 볼베어링의 일부가 가이드 홈에 삽입된 후 거동하는 것으로 설명하였으나, 별도의 수지층을 형성하지 않고, 제1저장부와 제2저장부의 유로 폭을 좁혀서 제1저장부와 제2저장부가 직접 볼베어링의 거동을 안내하도록 할 수도 있다. 또한, 본 실시예에서는, 유연성 도어가 유로의 양쪽 측면에서 유로의 중심을 향해서 연장되는 것으로 설명하였으나, 유연성 도어를 유로에 형성하지 않고, 커버에 형성한 후 커버를 몸체부 결합하는 방법을 선택할 수도 있다.
1: 기판 2: 전극 쌍
3: 제1수지층 4: 제2수지층
41: 가이드 홈 5: 몸체부
51: 유로 52: 제1저장부
53: 제2저장부 55: 유연성 도어
6: 커버 7: 볼베어링 |
