KR101082856B1 - Sensor textile, textile based pressure sensor, instrument for preparing textile based pressure sensor and method for textile based pressure sensor - Google Patents
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Abstract
본 발명은 전도성 소재의 코어층과 피복층으로 구성된 다층구조 전도사를 경사 및 위사로서 포함하는 센서 직물을 제공한다. 상기 본 발명의 센서 직물은 일반 센서에서 구현할 수 없는 유연성을 갖고, 그러한 센서 직물을 활용한 직물기반 압력 센서 시스템은 그 두께와 부피를 절감하고, 경량화할 수 있으며, 제조원가도 낮출 수 있는 장점이 있다.The present invention provides a sensor fabric comprising a multi-layer conductive yarn composed of a core layer and a coating layer of a conductive material as warp and weft yarns. The sensor fabric of the present invention has a flexibility that can not be implemented in a general sensor, the fabric-based pressure sensor system using such a sensor fabric has the advantage that the thickness and volume can be reduced, light weight, and the manufacturing cost can be lowered .
Description
본 발명은 센서 직물, 직물기반 압력 센서 시스템, 직물기반 압력 센서 시스템 제조용 장치 및 직물기반 압력 센서 시스템을 제조하는 방법에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 압력 신호를 전기적 신호로 변환하여 전송할 수 있는 센서 직물, 상기 센서 직물을 활용하는 직물기반 압력 센서 시스템, 상기 센서 직물을 이용하여 직물기반 압력 센서 시스템으로 제조하는 장치 및 상기 센서 직물을 이용하여 직물기반 압력 센서 시스템을 제조하는 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a sensor fabric, a fabric-based pressure sensor system, a fabric-based pressure sensor system manufacturing apparatus and a method for manufacturing a fabric-based pressure sensor system, and more particularly, a sensor fabric that can convert the pressure signal into an electrical signal and transmit it A fabric-based pressure sensor system utilizing the sensor fabric, an apparatus for manufacturing a fabric-based pressure sensor system using the sensor fabric, and a method for manufacturing a fabric-based pressure sensor system using the sensor fabric.
근래 IT 산업의 급속한 발달로 IT 제품을 소재로 한 융합 제품이 개발되고 있으며, 섬유 산업에도 이러한 융합형 제품이 신규 수요를 창출하며 미래시장을 주도할 것으로 여러 기관들이 전망하고 있다. In recent years, due to the rapid development of the IT industry, convergence products based on IT products are being developed, and various organizations are predicting that the convergence products will lead the future market by creating new demand in the textile industry.
섬유 산업에서의 이러한 융합형 제품들은 신호 전송이나 정보통신을 위한 전도성 소재를 기반으로 하고 있으며, IT 제품을 작동시키기 위한 시스템은 압력 신호를 인식하는 센서로 구성된다.These converged products in the textile industry are based on conductive materials for signal transmission or telecommunications, and the system for operating IT products consists of sensors that recognize pressure signals.
종래의 직물기반 압력 센서로서 KR 2002-7013355는 전도체를 소재로 제직하여, 직물의 압력 인가로 인한 전도체의 접촉 방식을 이용한 압력 센서로서, 전기 저항의 변화 성질을 이용한 압력 센서에 관한 것이고, KR 2006-7020393은 압전 저항 재료와 비도전성 직물을 3개의 직물 층으로 형성하여 제작한 직물형 터치센서에 관한 것으로서, 전도성 또는 비전도성 소재들의 전기 저항에 의한 감지 기능을 이용하였다. As a conventional fabric-based pressure sensor, KR 2002-7013355 is a pressure sensor using a contact method of a conductor by weaving a conductor from a material, and a pressure sensor using a change property of an electrical resistance. KR 2006 -7020393 relates to a fabric type touch sensor fabricated by forming a piezo-resistive material and a non-conductive fabric into three fabric layers, and utilizes the electrical resistance sensing of conductive or non-conductive materials.
KR 2008-0017487는 전도성 소재를 이용하여 자수 방식으로 제작하였으며, 전도성 소재의 전도성을 이용한 신호 전송 수단으로 활용할 수 있는 직물기반 전자 회로에 관한 것이다.KR 2008-0017487 relates to a fabric-based electronic circuit that is fabricated by embroidery using a conductive material and that can be used as a signal transmission means using conductivity of a conductive material.
위의 특허들은 직물상의 도전성 물질을 형성하거나, 2층의 직물 구조를 형성하여 센서로 활용하고 있다.The above patents form a conductive material on a fabric or use a sensor by forming a two-layer fabric structure.
본 발명의 목적은 물리적 신호를 전기적 신호로 바꾸어 전송하는 센서 직물을 제공하는 것이다.It is an object of the present invention to provide a sensor fabric that converts and transmits a physical signal into an electrical signal.
본 발명의 다른 목적은 물리적 신호를 전기적 신호로 바꾸어 전송할 수 있으면서 유연성이 뛰어난 센서 직물을 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to provide a flexible sensor fabric that can convert physical signals into electrical signals and transmit them.
본 발명의 또 다른 목적은 상기의 센서 직물을 적용한 직물기반 압력 센서 시스템을 제공하는 것이다.Still another object of the present invention is to provide a fabric-based pressure sensor system to which the sensor fabric is applied.
본 발명의 또 다른 목적은 상기의 센서 직물을 적용하여 부피를 절감되고 경량화되면서 그 활용도가 높은 직물기반 압력 센서 시스템을 제공하는 것이다.Still another object of the present invention is to provide a fabric-based pressure sensor system having high utilization while reducing volume and weight by applying the sensor fabric.
본 발명의 또 다른 목적은 상기의 센서 직물을 적용하여 직물기반 압력 센서 시스템을 제조하는 장치를 제공하는 것이다.Still another object of the present invention is to provide an apparatus for manufacturing a fabric-based pressure sensor system by applying the above sensor fabric.
본 발명의 또 다른 목적은 상기의 센서 직물을 적용하여 부피를 절감되고 경량화되면서 그 활용도가 높은 직물기반 압력 센서 시스템을 제조하는 방법을 제공하는 것이다.Still another object of the present invention is to provide a method of manufacturing a fabric-based pressure sensor system having high utilization while reducing volume and weight by applying the sensor fabric.
본 발명의 상기 및 기타의 목적들은 상세히 설명되는 본 발명에 의하여 모두 달성될 수 있다.All of the above and other purposes of the present invention may be achieved in accordance with the present invention as described in detail.
상기 기술적 과제를 이루기 위하여, 본 발명은 전도성 소재의 코어층과 피복층으로 구성된 다층구조 전도사를 경사 및 위사로서 포함하는 센서 직물을 제공한다.In order to achieve the above technical problem, the present invention provides a sensor fabric comprising a multi-layered conductive yarn consisting of a core layer and a coating layer of a conductive material as a warp and weft yarn.
본 발명의 일 구체예에서, 상기 다층구조 전도사의 경사 및 위사의 교차로 인해 발생하는 정전용량 발생 면적이 직물 1㎠당 0.1 내지 50㎟이다.In one embodiment of the present invention, the capacitance generating area caused by the crossing of the warp yarn and the warp yarn of the multi-layered conductive yarn is 0.1 to 50 mm 2 per cm 2 of fabric.
본 발명의 다른 구체예에서, 상기 코어층은 전도성 소재의 복수 개의 가닥이 합사된 것이다. 바람직하게는 1, 3, 7 또는 9 개의 전도성 소재 가닥이 합사된다.In another embodiment of the present invention, the core layer is a plurality of strands of conductive material are fused. Preferably 1, 3, 7 or 9 strands of conductive material are plied.
본 발명의 또 다른 구체예에서, 상기 다층구조 전도사는 상기 코어층 및 상기 피복층 사이에 점착사를 더 포함할 수 있다.In another embodiment of the present invention, the multi-layered conductive yarn may further include an adhesive yarn between the core layer and the coating layer.
본 발명의 또 다른 구체예에서, 상기 다층구조 전도사는 상기 피복층 외각으로 커버링 원사를 더 포함할 수 있다. In another embodiment of the present invention, the multi-layered conductive yarn may further include a covering yarn to the outer surface of the coating layer.
상기 전도성 소재는 은, 구리, 알루미늄, 철, 아연, 니켈 또는 이들의 합금이거나, 탄소나노튜브일 수 있다. 상기 피복층은 면, 양모, 명주, 마, 나일론 또는 폴리에스터일 수 있다. 상기 점착사는 나일론 또는 나일론 혼합사일 수 있다. 상기 커버링 원사의 소재는 면, 양모, 명주, 마, 나일론 또는 폴리에스터일 수 있다.The conductive material may be silver, copper, aluminum, iron, zinc, nickel or an alloy thereof, or carbon nanotubes. The coating layer may be cotton, wool, silk, hemp, nylon or polyester. The adhesive yarn may be nylon or nylon mixed yarn. The covering yarn may be cotton, wool, silk, hemp, nylon or polyester.
바람직하게는, 상기 피복층의 유전율이 1.5 내지 7이다.Preferably, the dielectric constant of the coating layer is 1.5 to 7.
바람직하게는, 상기 커버링 원사의 유전율이 1.5 내지 7이다.Preferably, the dielectric constant of the covering yarn is 1.5 to 7.
바람직하게는, 상기 다층구조 전도사의 번수가 1/10 Nm 내지 1/16 Nm일 때의 단일직의 제직밀도가 42 본/inch 내지 54 본/inch 이고, 이중직의 제직밀도는 60 본/inch 내지 80 본/inch 이다.Preferably, when the number of times of the multi-layered conductive yarn is 1/10 Nm to 1/16 Nm, the weaving density of the single weave is 42 bones / inch to 54 bones / inch, and the weaving density of the double weave is 60 bones / inch to It is 80 patterns / inch.
본 발명의 또 다른 구체예에서, 센서 직물은 상기 다층구조 전도사로만 직조된다.In another embodiment of the invention, the sensor fabric is woven only with the multilayered conductive yarn.
본 발명의 또 다른 구체예에서, 센서 직물은 상기 다층구조 전도사와 일반사가 함께 직조된다.In another embodiment of the present invention, the sensor fabric is woven together with the multilayered conductive yarn and the ordinary yarn.
상기 일반사의 소재는 면, 양모, 명주, 마, 나일론 또는 폴리에스터일 수 있다.The general yarn material may be cotton, wool, silk, hemp, nylon or polyester.
본 발명의 또 다른 구체예에서, 상기 다층구조 전도사와 상기 일반사의 제직비율이 1 : 1 내지 1 : 15이다.In another embodiment of the present invention, the weaving ratio of the multilayered conductive yarn and the general yarn is 1: 1 to 1: 15.
상기 다른 기술적 과제를 이루기 위하여, 본 발명은 상기 본 발명에 따른 센서 직물; 및 상기 센서 직물을 구성하는 다층구조 전도사 내부의 전도성 소재에 연결된 정전용량 측정 컨트롤러를 포함하는 직물기반 압력 센서 시스템을 제공한다. 상기 센서 직물 내의 경사 및 위사의 교차점에서 경사 및 위사 내부의 전도성 소재가 각각 축전기의 전극을 형성하고, 상기 정전용량 측정 컨트롤러가 센서 직물에 가해지는 압력 변화에 따른 정전용량 변화를 감지하여 작동된다.In order to achieve the above another technical problem, the present invention is a sensor fabric according to the present invention; And a capacitance measurement controller connected to a conductive material inside a multilayered conductive yarn constituting the sensor fabric. At the intersection of the warp and weft yarns in the sensor fabric, conductive materials inside the warp and weft yarns respectively form the electrodes of the capacitor, and the capacitive measurement controller operates by sensing the change in capacitance due to the pressure change applied to the sensor fabric.
본 발명의 또 다른 구체예에서, 상기 정전용량 측정 컨트롤러는 다층구조 전도사 내부의 전도성 소재에 전하를 공급하는 수단 또는 이러한 수단으로 연결하는 수단 및 하나 이상의 센서 직물로부터 전송되어 온 전기적 신호를 인식하는 수단을 포함한다.In another embodiment of the present invention, the capacitive measurement controller is a means for supplying or connecting to a conductive material inside a multilayered conductor and means for connecting to it and means for recognizing electrical signals transmitted from one or more sensor fabrics. It includes.
본 발명의 또 다른 구체예에서, 상기 센서 직물은 복수의 유닛으로 포함되어 상기 정전용량 측정 컨트롤러에 연결되고, 상기 정전용량 측정 컨트롤러는 상기 센서 직물의 각각의 유닛을 개별적으로 통제하여 작동된다.In another embodiment of the invention, the sensor fabric is included in a plurality of units and connected to the capacitive measurement controller, the capacitive measurement controller being operated by individually controlling each unit of the sensor fabric.
본 발명의 또 다른 구체예에서, 상기 정전용량 측정 컨트롤러는 상기 센서 직물 내의 단일 경사와 단일 위사를 각각 개별적으로 통제하여 작동된다.In another embodiment of the present invention, the capacitance measurement controller is operated by individually controlling a single warp and a single weft in the sensor fabric, respectively.
본 발명의 또 다른 구체예에서, 상기 정전용량 측정 컨트롤러는 상기 센서 직물에 가해지는 압력 변화에 따른 정전용량의 변화를 감지하여 그 변화량에 따라서 전원을 공급하거나 차단하는 스위치 기능을 제공한다.In another embodiment of the present invention, the capacitance measuring controller detects a change in capacitance according to a change in pressure applied to the sensor fabric and provides a switch function for supplying or cutting off power according to the change amount.
본 발명의 또 다른 구체예에서, 상기 정전용량 측정 컨트롤러는 시간을 측정하는 수단을 더 포함하여 시간에 따른 상기 센서 직물의 정전용량 변화를 감지하여 작동한다.In another embodiment of the present invention, the capacitance measuring controller further comprises means for measuring time to operate by sensing a change in capacitance of the sensor fabric over time.
상기 또 다른 기술적 과제를 이루기 위하여, 본 발명은 히터, 브러쉬 및 직물 와인딩 장치를 구비하여 상기 본 발명에 따른 직물기반 압력 센서 시스템을 제조하는 장치를 제공한다.In order to achieve the above another technical problem, the present invention provides a heater for manufacturing a fabric-based pressure sensor system according to the present invention having a heater, a brush and a fabric winding device.
상기 또 다른 기술적 과제를 이루기 위하여, 본 발명은 전도성 소재의 코어층과 피복층으로 구성된 다층구조 전도사로 직조된 센서 직물의 끝단에 전도성 소재의 용융점 이하와 피복층 물질의 연소점 이상의 온도를 가하여 피복층을 히터로 연소시키고, 연소된 피복층의 이물을 브러쉬로 긁어서 제거하여 다층구조 전도사의 끝단에서 피복층을 제거하고, 그리고 피복층이 제거된 다층구조 전도사의 끝단의 전도성 소재를 배선하여 센서 직물과 정전용량 측정 컨트롤러를 연결하는 단계를 포함하는 직물기반 압력 센서 시스템을 제조하는 방법을 제공한다.In order to achieve the above another technical problem, the present invention is a heater by applying a temperature below the melting point of the conductive material and the combustion point of the coating material at the end of the sensor fabric woven by a multi-layer conductive yarn consisting of the core layer and the coating layer of the conductive material The sensor fabric and the capacitance measuring controller by wiring the conductive material at the end of the multilayered conductive yarn by scraping and removing the foreign material of the burned coating layer by brushing. It provides a method of manufacturing a fabric-based pressure sensor system comprising the step of connecting.
본 발명의 센서 직물은 단일 직물에서 압전 센서를 구현할 수 있고, 단일 직물 자체에서 센서의 특성을 가지므로, 일반 센서에서 구현할 수 없는 유연성을 갖는다. 그러한 센서 직물을 활용한 직물기반 압력 센서 시스템은 그 두께와 부피를 절감하고, 경량화할 수 있으며, 제조원가도 낮출 수 있는 장점이 있다.The sensor fabric of the present invention can implement a piezoelectric sensor in a single fabric, and has the characteristics of the sensor in a single fabric itself, and thus has flexibility that cannot be realized in a general sensor. Fabric-based pressure sensor systems utilizing such sensor fabrics have the advantage of reducing thickness, volume, and weight, and lowering manufacturing costs.
도 1은 다층구조 전도사의 개략적인 단면도를 도시한 것이다.
도 2는 다층구조 전도사 단면의 SEM(전자주사현미경) 사진이다.
도 3 및 도 4는 다층구조 전도사를 확대한 표면 사진이다.
도 5 및 도 6은 본 발명의 일 구체예에 따른 센서 직물의 모식도이다.
도 7은 본 발명의 다른 구체예에 따른 센서 직물 내의 다층구조 전도사 경사와 위사가 교차하는 지점에서의 센서 직물 단면의 모식도이다.
도 8은 일반 축전기(capacitor)의 구조를 나타낸 모식도이다.
도 9는 본 발명의 또 다른 구체예에 따른 센서 직물을 도시한 것이다.
도 10은 본 발명의 또 다른 구체예에 따른 센서 직물의 단면을 도시한 것이다.
도 11은 본 발명의 또 다른 구체예에 따른 센서 직물에 하중이 가해지는 예시적인 경우를 보여주기 위한 도면이다.
도 12는 본 발명의 또 다른 구체예에 따른 직물기반 압력 센서 시스템에 대한 모식도이다.
도 13은 본 발명의 또 다른 구체예에 따른 직물기반 압력 센서 시스템에 대한 모식도이다.
도 14는 본 발명의 또 다른 구체예에 따른 직물기반 압력 센서 시스템에 대한 모식도이다.
도 15는 본 발명의 또 다른 구체예에 따른 센서 직물의 사진이다.
도 16는 본 발명의 또 다른 구체예에 따른 센서 직물을 일부를 확대한 사진이다.
도 17은 본 발명의 또 다른 구체예에 따른 센서 직물을 직조하기 위하여 제조된 다층구조 전도사의 사진이고, 도 18은 그 단면의 SEM 사진이다.
도 19는 직물기반 압력 센서 시스템을 제조에 사용될 수 있는 본 발명의 또 다른 구체예에 따른 장치의 사진이다.
도 20은 본 발명의 또 다른 구체예에 따른 직물기반 압력 센서 시스템을 제조하는 공정을 플로우 챠트로 나타낸 것이다.
도 21은 본 발명의 또 다른 구체예에 따른 직물기반 압력 센서 시스템의 사진이다.1 shows a schematic cross-sectional view of a multilayered conductive yarn.
2 is an SEM (electron scanning microscope) photograph of a cross section of a multilayer structure conductive yarn.
3 and 4 are enlarged surface photographs of the multilayer structure conductive yarn.
5 and 6 are schematic views of the sensor fabric according to an embodiment of the present invention.
Figure 7 is a schematic diagram of the sensor fabric cross-section at the intersection of the multi-layered conductive yarn slope and the weft yarn in the sensor fabric according to another embodiment of the present invention.
8 is a schematic diagram showing the structure of a general capacitor (capacitor).
9 shows a sensor fabric according to another embodiment of the invention.
10 shows a cross section of a sensor fabric according to another embodiment of the invention.
11 is a view showing an exemplary case where a load is applied to the sensor fabric according to another embodiment of the present invention.
12 is a schematic diagram of a fabric-based pressure sensor system according to another embodiment of the present invention.
Figure 13 is a schematic diagram of a fabric-based pressure sensor system according to another embodiment of the present invention.
14 is a schematic diagram of a fabric-based pressure sensor system according to another embodiment of the present invention.
15 is a photograph of a sensor fabric according to another embodiment of the present invention.
16 is an enlarged photograph of a portion of a sensor fabric according to another embodiment of the present invention.
FIG. 17 is a photograph of a multilayered conductive yarn manufactured to weave a sensor fabric according to another embodiment of the invention, and FIG. 18 is a SEM photograph of its cross section.
19 is a photograph of an apparatus according to another embodiment of the present invention that may be used to make a fabric based pressure sensor system.
20 is a flow chart illustrating a process for making a fabric based pressure sensor system according to another embodiment of the present invention.
21 is a photograph of a fabric based pressure sensor system according to another embodiment of the present invention.
이하, 본 발명을 보다 상세하게 설명하기로 한다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail.
본 발명은 전도성 소재의 코어층과 피복층으로 구성된 다층구조 전도사를 경사 및 위사로서 포함하는 센서 직물을 제공한다.The present invention provides a sensor fabric comprising a multi-layer conductive yarn composed of a core layer and a coating layer of a conductive material as warp and weft yarns.
본 발명에 따른 센서 직물은 다층구조의 전도사가 센서 직물의 경사 및 위사를 형성하면서 직조된 직물로서, 이러한 센서 직물에 압력을 가하면 다층구조 전도사의 정전용량의 변화가 유도되는데, 이러한 성질을 이용하여 센서로서 작동할 수 있다.The sensor fabric according to the present invention is a woven fabric in which the multi-layered conductive yarn forms the warp and weft of the sensor fabric. When the pressure is applied to the sensor fabric, the capacitance of the multi-layered conductive yarn is induced. Can act as a sensor.
본 발명의 센서 직물은 단일 직물에서 경사(또는 위사)와 위사(또는 경사)를 각각의 축전지의 전극으로 설계하였으므로, 단일 직물에서 압전 센서를 구현할 수 있다. 이러한 기술은 직물기반 압력 센서의 두께와 부피를 절감하고, 경량화할 수 있으며, 제조원가도 낮출 수 있는 장점이 있다. 그리고, 단일 직물 자체에서 센서의 특성을 가지므로, 일반 센서에서 구현할 수 없는 유연성(Flexible)을 갖출 수 있고, 직물/센서 일체형 구조로 제작이 가능하며, 보안용 카펫, 스마트 의류용 터치센서, 방향감지센서 등으로 활용할 수 있다. In the sensor fabric of the present invention, since the warp yarn (or weft yarn) and the warp yarn (or warp yarn) are designed as electrodes of each battery in a single fabric, the piezoelectric sensor can be implemented in a single fabric. This technology has the advantage of reducing the thickness and volume of the fabric-based pressure sensor, light weight, and low manufacturing costs. And, because it has the characteristics of the sensor in a single fabric itself, it can have a flexible (flexible) that can not be implemented in the general sensor, can be manufactured in a fabric / sensor integrated structure, security carpet, smart clothing touch sensor, direction It can be used as a sensor.
상기 다층구조 전도사는 전도성 소재의 코어층과 피복층으로 구성된다. 도 1은 상기 다층구조 전도사의 개략적인 단면도를 도시한 것이다. 도 1에서 중심부의 코어층(10)은 전도성 소재로 이루어지고, 피복층(30)은 비전도성 소재를 사용한다.The multilayer conductive yarn is composed of a core layer and a coating layer of a conductive material. Figure 1 shows a schematic cross-sectional view of the multi-layered conductive yarn. In FIG. 1, the
상기 다층구조 전도사는, 바람직하게는, 점착사(20)를 더 포함하여, 코어층(10)의 전도성 소재와 피복층(30) 간의 결합력을 높일 수 있다. 점착사를 사용하지 않고 전도성 소재와 피복층의 비전도성 소재 만을 사용하여 방적하여 상호간의 충분한 결합이 이루지지 않을 경우, 피복층이 벗겨져 전도성 소재가 표면에 노출되는 현상이 나타날 수 있다. 한편, 전도성 소재의 표면에 피복층의 비전도성 소재로서 합성수지를 코팅하는 경우와 같이, 자체 결합력이 높은 소재를 피복층으로 사용할 경우, 별도의 점착사를 필요로 하지 않는다.The multi-layered conductive yarn may preferably further include an
상기 다층구조 전도사는 상기 피복층 외각으로 커버링 원사를 더 포함할 수 있다. 커버링 원사를 더 포함함으로써, 센서 직물의 수분에 대한 안정성을 부여할 수 있다. The multi-layered conductive yarn may further include a covering yarn to the outer surface of the coating layer. By further comprising a covering yarn, it is possible to impart stability to the moisture of the sensor fabric.
코어층의 전도성 소재는, 예를 들면, 은, 구리, 알루미늄, 철, 아연, 니켈 또는 이들의 합금을 사용하거나, 또는 탄소나노튜브의 전도성 소재를 사용할 수 있고, 여기에 한정되지는 않는다. 피복층의 비전도성 소재는 면, 양모, 명주, 마, 나일론, 우레탄 등의 비전도성 소재를 사용할 수 있고, 여기에 한정되지는 않는다. 점착사는 나일론, 또는 나일론 혼합사 등을 사용할 수 있다. 커버링 원사로서는 면, 양모, 명주, 마, 나일론, 폴리에스터 등의 일반적인 섬유가 사용할 수 있고, 여기에 한정되지는 않는다.The conductive material of the core layer may be, for example, silver, copper, aluminum, iron, zinc, nickel, or an alloy thereof, or a conductive material of carbon nanotubes, but is not limited thereto. As the nonconductive material of the coating layer, nonconductive materials such as cotton, wool, silk, hemp, nylon, urethane, and the like can be used, but are not limited thereto. The adhesive yarn may use nylon, nylon blended yarn, or the like. As a covering yarn, general fibers, such as cotton, wool, silk, hemp, nylon, and polyester, can be used, but it is not limited to this.
도 2는 다층구조 전도사 단면의 SEM(전자주사현미경) 사진이고, 도 3 및 도 4는 다층구조 전도사를 확대한 표면 사진이다. 2 is an SEM (electron scanning microscope) photograph of a cross section of a multilayer conductive yarn, and FIGS. 3 and 4 are enlarged surface photographs of a multilayer conductive yarn.
이러한 다층구조 전도사를 이용하여 본 발명의 센서 직물을 직조하면, 도 5와 같이 짜여진 직물을 얻을 수 있게 된다. 도 6은 이를 보다 확대한 모식도로서, 다층구조 전도사가 경사 및 위사로 짜여진 형태를 나타내고 있다.When the sensor fabric of the present invention is woven using the multilayered conductive yarn, a woven fabric as shown in FIG. 5 can be obtained. FIG. 6 is an enlarged schematic diagram illustrating a multi-layered conductive yarn woven in warp and weft yarns.
도 5 및 도 6에서, 다층구조 전도사 내부의 전도성 소재에 (+) 또는 (-)의 전하를 공급하게 되면, 다층구조 전도사의 경사와 위사가 교차하는 지점에서 다층구조 전도사 내부의 전도성 소재가 전극을 구성하게 되어 축전지처럼 작용하게 된다.In FIGS. 5 and 6, when a positive (+) or (-) charge is supplied to a conductive material inside the multilayer conductive yarn, the conductive material inside the multilayer conductive yarn becomes an electrode at a point where the slope and weft of the multilayer conductive yarn cross each other. It is configured to act as a storage battery.
도 7은 다층구조 전도사의 경사와 위사가 교차하는 지점에서의 센서 직물 단면의 모식도이고, 도 8은 일반 축전기(capacitor)의 구조를 나타낸 것이다. 즉, 도 7의 경사 및 위사 내부의 전도성 소재가 도 8의 축전기에서 금속판으로 작용하게 되고, 이때 금속판 간의 거리 d는 도 7에서의 나타난 d에 대응한다. 도 8의 축전기의 정전 용량(C)는 하기 식으로 표현된다.FIG. 7 is a schematic view of a cross section of the sensor fabric at the intersection of the warp yarn and the weft yarn of the multilayered conductive yarn, and FIG. 8 shows the structure of a general capacitor. That is, the conductive material inside the warp and weft yarn of FIG. 7 acts as a metal plate in the capacitor of FIG. 8, where the distance d between the metal plates corresponds to d shown in FIG. 7. The capacitance C of the capacitor of FIG. 8 is represented by the following equation.
ε: 유전율ε: dielectric constant
S: 전극 면적S: electrode area
d: 전극간 거리d: distance between electrodes
본 발명의 센서 직물의 교차점에서의 정전 용량도 마찬가지로 계산될 수 있고, 이때, 전극 면적(S)은 경사 및 위사의 교차점에서의 코어층의 표면 면적에 대응하고, 유전율(ε)은 다층구조 전도사의 피복층의 유전율이며, 전극간 거리(d)는 경사 및 위사 내의 코어층간 거리이다.The capacitance at the junction of the sensor fabric of the present invention can likewise be calculated, wherein the electrode area S corresponds to the surface area of the core layer at the intersection of the warp and weft yarns, and the dielectric constant? Is the dielectric constant of the coating layer, and the distance d between the electrodes is the distance between the core layers in the warp and weft yarns.
도 7에서 우측 도면은 센서 직물이 압력을 받았을 때의 다층구조 전도사의 경사 및 위사의 교차점의 단면을 보여준다. 즉, 센서 직물이 압력을 받게 되면, 전극간 거리(d')가 줄어들게 되는 것이다. d'가 작아지면 정전 용량(C)은 커지게 되므로, 결국 센서 직물에 압력이 가해질 경우 정전 용량(C)의 변화를 초래하게 되는 것이다. 즉, 센서 직물을 누르게 되면 경사 및 위사 간의 간격이 좁아지게 되고, 이에 반비례하여 정전 용량(C)이 커지게 된다. 이러한 정전 용량(C)의 변화량을 인식하여 압력 신호의 크기를 측정할 수 있게 되는 것이다.7 shows the cross section of the intersection of the warp and weft of the multilayered conductive yarn when the sensor fabric is pressurized. That is, when the sensor fabric is pressurized, the distance d 'between the electrodes is reduced. As d 'becomes smaller, the capacitance C becomes larger, which results in a change in capacitance C when pressure is applied to the sensor fabric. That is, when the sensor fabric is pressed, the distance between the warp and the weft becomes narrow, and inversely, the capacitance C increases. By recognizing the amount of change in the capacitance (C) it is possible to measure the magnitude of the pressure signal.
이하, 보다 구체적으로, 각각 20개의 경사와 위사를 포함하는 1㎠ 면적의 센서 직물을 예로서 설명한다.Hereinafter, more specifically, a sensor fabric of 1 cm 2 area including 20 warp yarns and weft yarns will be described as an example.
도 9는 각각 20개의 경사와 위사를 포함하는 1㎠ 면적의 센서 직물을 도시한 것으로 우측 확대 도면은 경사와 위사의 교차점에서 다층구조 전도사 내부의 직경 0.08㎜ 전도성 소재의 코어층이 겹쳐지는 면적을 나타낸 것이다. 정전용량을 발생시키는 면적(S1)은 1㎠ 전체에서 전도성 소재의 표면적과 동일하므로, FIG. 9 shows a sensor fabric of 1 cm 2 area including 20 warp and weft yarns respectively. The enlarged right view shows an area where a core layer of 0.08 mm diameter conductive material overlaps inside a multilayered conductive yarn at an intersection point of warp and weft yarns. It is shown. Since the area (S 1 ) generating the capacitance is the same as the surface area of the conductive material in the entire 1 cm 2,
S1 = 전도성 소재의 표면적 × 1㎠ 당 경사 본 수 × 1㎠ 당 위사 본 수S 1 = surface area of conductive material × number of inclined patterns per 1 cm 2 × number of weft patterns per 1 cm 2
= (2πr × 2πr) × 20 × 20 = (2πr × 2πr) × 20 × 20
= (2×π×0.04 × 2×π×0.04) × 20 × 20= (2 × π × 0.04 × 2 × π × 0.04) × 20 × 20
= 25.26 (㎟)이다. = 25.26 (mm 2).
상기 식에서 r은 전도성 소재의 반경으로서, 직경 0.08㎜ 전도성 소재를 사용하였으므로, r = 0.04㎜이다.In the above formula, r is the radius of the conductive material, and since 0.08 mm diameter conductive material was used, r = 0.04 mm.
또한, 피복층을 나일론으로 사용할 경우, 나일론의 유전상수는 3.03이므로, In addition, when the coating layer is used as nylon, the dielectric constant of nylon is 3.03,
유전율(ε)은:The dielectric constant (ε) is:
ε = 3.03 × ε0 = 3.03 × 8.8541878176×10-12 = 2.68×10-11 F/m 이다(ε0: 진공에서의 유전율). ε = 3.03 × ε 0 = 3.03 × 8.8541878176 × 10 −12 = 2.68 × 10 −11 F / m (ε 0 : permittivity in vacuum).
도 10은 센서 직물의 일 단면을 도시한 단면도로서, 경사와 위사의 전도성 소재 간의 간격(d1)이 약 0.1㎜ 이고, 1cm2 면적의 센서 직물에 작용하는 정전용량(C1)는10 is a cross-sectional view showing one cross section of the sensor fabric, wherein the distance d 1 between the warp and weft conductive material is about 0.1 mm, and the capacitance C 1 acting on the sensor fabric having an area of 1 cm 2 is
C1 = ε×S1/d1 = 2.68×10-11 F/m × 2.56×10-5 m2 / 0.0001 m = 6.77 pF 이다.C 1 = ε x S 1 / d 1 = 2.68 x 10 -11 F / m x 2.56 x 10 -5 m 2 / 0.0001 m = 6.77 pF.
일반적인 전도성 금속판의 면적(S0)이 1cm2 이고, 금속판 간의 간격(d0)이 0.1mm 일 경우에 작용하는 정전용량(C0)은When the area (S 0 ) of a general conductive metal plate is 1 cm 2 and the spacing (d 0 ) between the metal plates is 0.1 mm, the capacitance (C 0 ) acting is
C0 = ε×S0/d0 = 2.68×10-11 F/m × 1×10-4 m2 / 0.0001 m = 26.8 pF 이다.C 0 = ε x S 0 / d 0 = 2.68 x 10 -11 F / m x 1 x 10 -4 m 2 / 0.0001 m = 26.8 pF.
따라서, 상기 센서 직물에 작용하는 정전용량(C1)는 일반 금속판에 작용하는 정전용량(C0)의 약 25%의 정전용량이 발휘된다고 볼 수 있다. Therefore, it can be seen that the capacitance C 1 acting on the sensor fabric exhibits about 25% of the capacitance C 0 acting on a normal metal plate.
한편, 상기 센서 직물에 일정 하중을 가하여, 전도성 소재 간의 간격(d2)이 전체적으로 0.05㎜로 줄어들 경우의 정전용량(C2)은On the other hand, by applying a certain load to the sensor fabric, the capacitance (C 2 ) when the distance between the conductive material (d 2 ) is reduced to 0.05mm as a whole
C2 = ε×S1/d1 = 2.68×10-11 F/m × 2.56×10-5 m2 / 0.00005 m = 13.5 pF로 변화하게 된다. 이와 같이 센서 직물에 가해진 하중에 따라 정전용량이 변화하는 차이값을 인식함으로써, 센서 직물에 가해진 하중의 유무와 그 하중의 크기를 인식하는 센서로 활용할 수 있다.C 2 = ε × S 1 / d 1 = 2.68 × 10 -11 F / m × 2.56 × 10 -5 m 2 / 0.00005 m = 13.5 pF. Thus, by recognizing the difference value of the capacitance changes according to the load applied to the sensor fabric, it can be used as a sensor for recognizing the presence or absence of the load applied to the sensor fabric and the magnitude of the load.
도 11은 본 발명의 센서 직물을 활용하여 동일한 하중의 압력이라도 압력을 가해지는 지점을 파악하면, 하중이 가해지는 면적과 압력 크기를 인지할 수 있음을 보여주기 위한 도면이다. 즉, 동일한 무게이면서도 A는 하중 면적이 좁으므로 압력이 높고, A'는 하중 면적이 넓으므로, 압력이 낮다. 압력의 크기는 정전 용량의 변화량을 측정하는 수단을 센서 직물에 연결하여 인지할 수 있고, 압력이 가해지는 지점은 각각의 위사 및 경사에 배선 연결하여 그 위치 파악이 가능하도록 하여 파악할 수 있게 된다.11 is a view for showing that by using the sensor fabric of the present invention to grasp the pressure point even if the pressure of the same load, it is possible to recognize the area and the pressure applied to the load. That is, although A is the same weight, since A has a narrow load area, pressure is high, and A 'has a low load area because a wide load area. The magnitude of the pressure can be recognized by connecting a means for measuring the amount of change in capacitance to the sensor fabric, and the point at which the pressure is applied can be grasped by connecting the respective wefts and inclinations to the position thereof.
즉, 본 발명은 이와 같은 이론적 기술을 바탕으로 직물의 위사(또는 경사)의 전도성 소재를 하나의 전극으로 형성하고, 경사(또는 위사)의 전도성 소재를 다른 하나의 전극으로 형성하며, 전도성 소재의 피복층을 유전체로 형성하여, 정전용량의 변화량을 감지하고 정전용량을 제어할 수 있는 센서 직물을 개발한 것이다.That is, the present invention forms a conductive material of the weft (or warp yarn) of the fabric with one electrode, and forms a conductive material of the warp (or weft yarn) with the other electrode based on the theoretical technique. The coating layer is formed of a dielectric material to detect a change in capacitance and to develop a sensor fabric that can control the capacitance.
정전용량(C)의 변화의 정도는 센서 직물의 민감도와 관계된다. 정전 용량(C)의 변화를 보다 크게 하기 위해서 경사 및 위사의 교차점에서의 코어층의 표면 면적을 크게 하거나, 유전율(ε)을 크게 할 수 있다. The degree of change in capacitance C is related to the sensitivity of the sensor fabric. In order to make the change of the capacitance C larger, the surface area of the core layer at the intersection point of the warp and the weft can be increased or the dielectric constant? Can be increased.
바람직하게는, 상기 다층구조 전도사의 경사 및 위사의 교차로 인해 발생하는 정전용량 발생 면적이 직물 1㎠당 0.1 내지 50㎟이다. Preferably, the area of capacitance generated due to the crossing of the warp yarn and the warp yarn of the multilayer conductive yarn is 0.1 to 50 mm 2 per 1 cm 2 of fabric.
경사 및 위사의 교차점에서의 코어층의 표면 면적을 크게 하기 위해서, 다층구조 전도사의 코어층을 전도성 소재의 복수 개의 가닥이 합사된 것으로 형성할 수 있다. 예를 들면, 전도성 소재 1, 3, 7 또는 9 개의 전도성 소재 가닥을 합사하여 다층구조 전도사의 코어층을 형성할 수 있다.In order to increase the surface area of the core layer at the intersection of the warp and weft yarns, the core layer of the multilayered conductive yarn may be formed by plural strands of conductive material. For example, one, three, seven, or nine conductive material strands may be spliced to form a core layer of a multilayered conductive yarn.
유전율(ε)을 크게 하기 위해서, 피복층의 소재로 높은 유전율(ε)을 갖는 비전도성 소재를 사용할 수 있다. 바람직하게는, 상기 피복층의 유전율은 1.5 내지 7이다. 마찬가지로, 높은 유전율(ε)을 갖는 비전도성 소재를 커버링 원사로 사용할 수 있다. 바람직하게는, 상기 커버링 원사 소재의 유전율은 1.5 내지 7이다.In order to increase the dielectric constant epsilon, a non-conductive material having a high dielectric constant epsilon can be used as the material of the coating layer. Preferably, the dielectric constant of the coating layer is 1.5 to 7. Likewise, a non-conductive material having a high dielectric constant? Can be used as the covering yarn. Preferably, the dielectric constant of the covering yarn material is about 1.5 to 7.
다층구조 전도사의 밀도 역시 센서 직물의 민감도에 영향을 줄 수 있다. 바람직하게는, 다층구조 전도사의 제직밀도는 다층구조 전도사의 번수가 1/10 Nm 내지 1/16 Nm일 때에 단일직은 42 본/inch 내지 54 본/inch 이고, 이중직의 제직밀도는 60 본/inch 내지 80 본/inch 이다.The density of multilayer conductive yarns can also affect the sensitivity of the sensor fabric. Preferably, the weaving density of the multi-layered conductive yarn is from 42 patterns / inch to 54 patterns / inch when the number of multi-layered conductive yarns is 1/10 Nm to 1/16 Nm, and the weaving density of the double-woven conductor is 60 patterns / inch to 80 bones / inch.
본 발명의 센서 직물은 또한 그 용도에 따라서 다층구조 전도사로만 직조될 수도 있고, 다층구조 전도사와 일반사가 함께 섞여서 직조될 수 있다. 상기 일반사는 면, 양모, 명주, 마, 나일론 또는 폴리에스터 등의 일반적인 섬유가 사용될 수 있고, 상기 예시로만 한정되지는 않는다. 일반사를 함께 직조함으로써, 센서의 민감도, 수분에 대한 안정성, 제조원가, 생산품질 등을 조절할 수 있으므로 용도에 맞게 활용할 수 있다. 바람직하게는, 다층구조 전도사와 일반사의 제직비율이 1 : 1 내지 1 : 15이다.The sensor fabric of the present invention may also be woven only with multilayer conductive yarns, depending on the application, or may be woven by mixing together multilayered conductive yarns and ordinary yarns. The general yarn may be used a general fiber such as cotton, wool, silk, hemp, nylon or polyester ,, but is not limited to the above examples. By weaving the common yarn together, it is possible to adjust the sensitivity of the sensor, stability to moisture, manufacturing cost, production quality, etc. can be utilized according to the application. Preferably, the weaving ratios of the multilayer structure conductive yarn and the general yarn are from 1: 1 to 1:15.
기존의 압력 센서 및 소자는 일정 형태의 고체로 제작되어 있어 유연성이 없으므로, 의류나 카펫, 소파 등의 섬유를 소재로 하는 제품에 사용이 부적합한 단점이 있는데 반하여, 본 발명의 직물기반 압력 센서 시스템은 전도성 소재의 피복을 섬유 소재를 이용하고, 제직 방식으로 제작되어 유연성을 가지므로, 이와 같은 특성이 요구되는 의류나 카펫, 소파 등의 섬유를 소재로 하는 제품의 압력 센서 및 소재로 활용할 수 있다.Existing pressure sensors and devices are made of a solid in a certain form, so there is no flexibility, so the fabric-based pressure sensor system of the present invention has the disadvantage of being unsuitable for use in products made of fibers such as clothes, carpets, sofas, etc. Since the coating of the conductive material is made by using a fiber material and is manufactured by a weaving method, it can be used as a pressure sensor and a material of a product made of fibers such as clothing, carpet, sofa, etc., which require such characteristics.
더욱이, 본 발명의 직물기반 압력 센서는 재단과 봉제가 가능하므로 디자인에 구애받지 않으며, 전도성 소재의 크기보다 크다면 제품의 크기에도 구애받지 않는다.Moreover, the fabric-based pressure sensor of the present invention is not limited to design because it can be cut and sewn, and is not limited to the size of the product if it is larger than the size of the conductive material.
특히 본 발명은 단일 직물로 제작되므로 원료 단가가 절감되며 제작 공정이 단순화된다는 잇점이 있다.In particular, since the present invention is made of a single fabric, the raw material cost is reduced and the manufacturing process is simplified.
최근 IT 융합과 관련된 스마트 의류는 의류 표면에 키보드 또는 키패드를 구현하여 제작할 수 있는데, 이러한 스마트 의류는 유연한(flexible) 특성을 유지해야하므로, 본 발명의 센서 직물이 매우 유용하게 적용될 수 있다.Smart clothing related to the recent IT convergence can be produced by implementing a keyboard or keypad on the clothing surface, such smart clothing must maintain a flexible (flexible) characteristics, the sensor fabric of the present invention can be very usefully applied.
그 밖에도 낙상 방지용 매트나 보안용 카펫의 제품도 섬유 특성을 유지하여야 하므로 섬유를 소재로 하는 본 발명의 센서 직물이 또한 매우 유용하게 적용될 수 있다.In addition, since the product of the fall prevention mat or the security carpet must also maintain the fiber properties, the sensor fabric of the present invention can also be very useful.
본 발명은 또한 전술한 센서 직물을 활용한 직물기반 압력 센서 시스템을 제공한다. 즉, 본 발명의 센서 직물과, 상기 센서 직물을 구성하는 다층구조 전도사 내부의 전도성 소재에 정전용량 측정 컨트롤러를 연결시켜, 센서 직물과 정전용량 측정 컨트롤러를 포함하는 직물기반 압력 센서 시스템을 제공한다. The present invention also provides a fabric based pressure sensor system utilizing the sensor fabric described above. That is, the capacitive measurement controller is connected to the sensor fabric of the present invention and the conductive material inside the multilayered conductive yarn constituting the sensor fabric to provide a fabric-based pressure sensor system including the sensor fabric and the capacitive measurement controller.
상기 정전용량 측정 컨트롤러는 다층구조 전도사 내부의 전도성 소재에 전하를 공급하는 수단 또는 이러한 수단으로 연결하는 수단, 하나 이상의 센서 직물로부터 전송되어 온 전기적 신호를 인식하는 수단을 포함하게 된다. The capacitive measurement controller may include means for supplying or connecting electrical material to the conductive material inside the multilayered conductive yarn, and means for recognizing electrical signals transmitted from one or more sensor fabrics.
센서 직물에 전원을 연결하여 전하가 공급되게 되면, 센서 직물은 축전기로 작동하게 되는데, 이때 센서 직물의 경사와 위사의 전극 설정 방법에 따라서 압력 신호의 이동 경로를 추적할 수 있는 센서 기능을 변화시킬 수도 있다.When the charge is applied by connecting power to the sensor fabric, the sensor fabric operates as a capacitor, which can change the sensor's ability to track the path of pressure signal travel depending on the inclination of the sensor fabric and how the electrode is set at the weft. It may be.
센서 직물에 전하를 공급하여 전극을 설정함으로써 센서용 축전기로 작동시키기 위해서는 다층구조 전도사는 피복층이 형성되어 있으므로 경사(또는 위사) 끝단의 피복층을 제거하여 드러나는 전도성 소재에 연결하여야 한다. In order to operate as a sensor capacitor by supplying electric charge to the sensor fabric and setting it as an electrode, the multilayered conductive yarn has a covering layer formed. Therefore, the covering layer at the end of the warp (or weft) must be removed and connected to the exposed conductive material.
상기 배선 방법에 대하여 예시적으로 설명하면, 먼저, 전도성 소재의 용융점 이하와 피복층 물질의 연소점 이상의 온도를 가하여 피복층에 가하여 피복층을 히터로 연소시킨 후, 연소된 피복층의 이물을 브러쉬로 긁어서 제거한 다음, 피복층이 제거된 다층구조 전도사의 끝단의 전도성 소재를 배선하여 센서 직물과 정전용량 측정 컨트롤러를 연결시킬 수 있다. 예를 들면, 상기 전도성 소재의 용융점 이하와 피복층 물질의 연소점 이상의 온도는 대략 150 내지 350℃일 수 있다. Illustratively, the wiring method is described below. First, by applying a temperature below the melting point of the conductive material and above the combustion point of the coating material, the coating layer is burned with a heater, and then the foreign material of the burned coating layer is scraped off with a brush. In addition, the sensor fabric and the capacitive measurement controller can be connected by wiring the conductive material at the end of the multilayered conductive yarn having the coating layer removed therefrom. For example, the temperature below the melting point of the conductive material and above the burning point of the coating layer material may be approximately 150 to 350 ° C.
본 발명은 또한 히터, 브러쉬 및 직물 와인딩 장치를 구비한 직물기반 압력 센서 시스템 제조용 장치를 제공하는데, 이를 이용하여 상기 예시한 배선 방법으로 센서 직물에 전극을 설정할 수 있다.The present invention also provides a fabrication apparatus for manufacturing a fabric-based pressure sensor system having a heater, a brush, and a fabric winding device, by which the electrode can be set on the sensor fabric by the above-described wiring method.
도 12는 위사(또는 경사)의 전도성 소재를 모두 연결하여 하나의 전극으로 하고, 경사(또는 위사)의 전도성 소재를 모두 연결하여 또 하나의 전극으로 구성한 축전지를 제작하는 경우의 직물기반 압력 센서 시스템에 대한 모식도로서, 센서 직물 상에 작용하는 압력에 따라 상기와 같이 형성된 축전기의 전극의 간격이 변화하게 되고, 간격의 변화에 따라 정전용량이 변화하는 직물기반 압력 센서 시스템을 제작할 수 있다. 12 is a fabric-based pressure sensor system in the case of manufacturing a storage battery consisting of one electrode by connecting all the conductive material of the weft (or warp), and connecting the conductive material of the warp (or weft) As a schematic diagram for the fabrication, it is possible to fabricate a fabric-based pressure sensor system in which the spacing of the electrodes of the capacitor formed as described above changes according to the pressure acting on the sensor fabric, and the capacitance changes according to the change of the spacing.
센서 직물을 어떠한 구성으로 배치하여 전극을 설정하고, 정전용량 측정 컨트롤러에 연결하여 작동시키는가에 따라 다양하게 활용이 가능하다.Various configurations are available depending on how the sensor fabric is placed to set up the electrodes and connected to the capacitive measuring controller.
일 구체예에서, 상기 정전용량 측정 컨트롤러는 상기 센서 직물 내의 단일 경사와 단일 위사를 각각 개별적으로 통제하여 작동시킴으로써, 압력이 가해진 지점의 경사와 위사의 교차점 위치 파악이 가능할 수 있다. 도 13은 각각의 경사와 각각의 위사가 개별적으로 전극으로 작동하는 직물기반 압력 센서 시스템의 모식도이다.In one embodiment, the capacitive measurement controller may operate by individually controlling a single warp and a single weft in the sensor fabric, so that it is possible to locate the intersection of the warp and the weft of the point where the pressure is applied. FIG. 13 is a schematic diagram of a fabric-based pressure sensor system in which each warp yarn and each weft yarn are individually operated as electrodes.
도 13에서, A 지점에 압력을 가하면 점선으로 표시된 다층구조 전도사와 연결된 배선의 전극에 해당하는 정전용량이 변화하게 되고, 정전용량 측정 컨트롤러에서는 이 위치에 대한 정전용량 변화량을 인지하여 위치와 압력의 크기를 나타낼 수 있다. 도 13과 같은 구조로 제작하게 되면, 압력이 부하된 위치 인식의 해상도를 높일 수 있으며, 사용되는 직물 원단의 양도 줄일 수 있어 원가가 절감된다. 실제로, 압력 위치에 대한 해상도는 다층구조 전도사 간의 간격과 일치한다. 이러한 구조로 제작된 직물기반 압력 센서 시스템은 키패드, 터치패드 등, 컴퓨터용 마우스를 대체하는 용도로 사용할 수 있고, 휴대전화 및 MP3 등과 같은 디지털 장치를 작동시킬 수 있는 스마트 의류용 압력 센서 등의 다양한 제품 전개가 가능하다.In FIG. 13, when the pressure is applied to the point A, the capacitance corresponding to the electrode of the wiring connected with the multi-layered conductive line indicated by the dotted line is changed, and the capacitance measuring controller recognizes the amount of change in capacitance at this position to determine the position and pressure. It can indicate the size. When manufactured in the structure as shown in Figure 13, it is possible to increase the resolution of the position-recognized load under pressure, it is also possible to reduce the amount of fabric fabric used to reduce the cost. Indeed, the resolution for the pressure position coincides with the spacing between the multilayer conductors. The fabric-based pressure sensor system manufactured with this structure can be used as a substitute for a computer mouse such as a keypad, a touch pad, and a variety of smart clothing pressure sensors that can operate digital devices such as mobile phones and MP3s. Product deployment is possible.
다른 구체예에서, 상기 정전용량 측정 컨트롤러는 상기 센서 직물에 가해지는 압력 변화에 따른 정전용량의 변화를 감지하여 그 변화량에 따라서 전원을 공급하거나 차단하는 스위치 기능을 제공할 수 있다.In another embodiment, the capacitance measurement controller may provide a switch function that detects a change in capacitance in response to a change in pressure applied to the sensor fabric and supplies or cuts power according to the change amount.
또 다른 구체예에서, 상기 센서 직물은 복수의 유닛으로 포함되어 상기 정전용량 측정 컨트롤러에 연결되고, 상기 정전용량 측정 컨트롤러는 상기 센서 직물의 각각의 유닛을 개별적으로 통제하여 작동시킴으로써, 각 유닛의 위사(또는 경사)와 경사(또는 위사)의 전도성 소재를 각각의 전극으로 설정하여 센서 직물에 작용하는 압력의 위치와 크기를 유닛 별로 감지할 수 있다.In another embodiment, the sensor fabric is comprised of a plurality of units connected to the capacitive measurement controller, the capacitive measurement controller operating by individually controlling each unit of the sensor fabric, thereby forming a weft of each unit. By setting the conductive material of (or inclined) and inclined (or weft) to each electrode, the position and magnitude of the pressure applied to the sensor fabric can be sensed per unit.
도 14는 복수의 유닛의 센서 직물을 포함하는 직물기반 압력 센서의 모식도이다. 도 14에서는 복수의 유닛의 본 발명의 센서 직물을 소정의 배열을 이루도록 행과 열 방향으로 나열하고, 각각의 유닛의 센서 직물에 작용하는 압력의 위치와 크기를 인식하는 직물기반 압력 센서를 구현하고 있다. 이러한 직물기반 압력 센서는, 예를 들면 넓은 면적의 카펫으로 제작하여 사람의 이동 경로를 파악할 수 있다. 예를 들면, 도 12에서, A 센서와 B 센서에서 차례로 인지될 경우는 A 지점에서 B 지점으로 이동한 경우이며, A 센서와 D 센서에서 차례로 인지될 경우는 A 지점에서 D 지점으로 이동한 경우이다. 그리고, A 센서, B 센서, D 센서, C 센서가 차례로 반복될 경우는 시계방향으로 회전하고 있다는 것을 나타내는 것이다. 14 is a schematic diagram of a fabric-based pressure sensor comprising a plurality of unit sensor fabrics. FIG. 14 illustrates a fabric-based pressure sensor that arranges the sensor fabrics of the present invention of a plurality of units in a row and column direction to form a predetermined arrangement, and recognizes the position and size of pressure acting on the sensor fabric of each unit. have. Such fabric-based pressure sensors, for example, can be made of a large area of carpet to understand the movement path of a person. For example, in FIG. 12, when the A sensor and the B sensor are sequentially recognized, the A sensor moves from the A point to the B point, and the A sensor and the D sensor are sequentially detected when the A sensor moves from the A point to the D point. to be. In addition, when A sensor, B sensor, D sensor, and C sensor are repeated in turn, it shows that it is rotating clockwise.
동일한 원리로, 이러한 직물기반 압력 센서 시스템은 크기에 제한을 받지 않는 키보드, 키패드 등으로 제작할 수 있다. On the same principle, these fabric-based pressure sensor systems can be manufactured with keyboards, keypads, etc., which are not limited in size.
또 다른 구체예에서, 상기 정전용량 측정 컨트롤러는 시간을 측정하는 수단을 더 포함하여 시간에 따른 상기 센서 직물의 정전 용량 변화를 감지하여 작동할 수 있다. 이 경우, 압력이 가해진 체류 시간을 측정할 수 있게 된다.In another embodiment, the capacitive measurement controller may further comprise a means for measuring time to operate by sensing a change in capacitance of the sensor fabric over time. In this case, the residence time to which the pressure is applied can be measured.
본 발명은 하기의 실시예에 의하여 보다 더 잘 이해될 수 있으며, 하기의 실시예는 본 발명의 예시 목적을 위한 것이며 첨부된 특허청구 범위 에 의하여 한정되는 보호범위를 제한하고자 하는 것은 아니다.This invention may be better understood than by the following embodiments, which are intended for the purpose of illustrating the invention and are not intended to limit the scope of protection, which is limited by the appended claims.
<실시예><Examples>
제조예Manufacturing example 1 One
전도성 소재로서 구리(Cu)를 사용하고, 직경 0.08㎜ 한 가닥으로 코어를 형성한 다음 피복층을 면(Cotton)으로 하여 다층구조 전도사를 제조하고 이를 직조하여 센서 직물을 제조하였다. Copper (Cu) was used as the conductive material, and a core was formed with a strand having a diameter of 0.08 mm, and then a multi-layered conductive yarn was manufactured using a coating layer of cotton and woven to fabricate a sensor fabric.
제조예Manufacturing example 2 2
전도성 소재로서 구리(Cu)를 사용하고, 직경 0.05㎜ 한 가닥으로 코어를 형성한 다음 피복층을 면으로 하여 다층구조 전도사를 제조하고 이를 직조하여 센서 직물을 제조하였다. Copper (Cu) was used as the conductive material, and a core was formed with a strand having a diameter of 0.05 mm, and then a multi-layered conductive yarn was prepared using the coating layer as a cotton, and the woven fabric was fabricated.
제조예Manufacturing example 3 3
전도성 소재로서 구리(Cu)를 사용하고, 직경 0.05㎜ 세 가닥으로(3합) 코어를 형성한 다음 피복층을 면으로 하여 다층구조 전도사를 제조하고 이를 직조하여 센서 직물을 제조하였다. Copper (Cu) was used as the conductive material, and the core was formed of three strands (three bonds) with a diameter of 0.05 mm, and then a multi-layered conductive yarn was prepared using the coating layer as a cotton, and the woven fabric was fabricated.
제조예Manufacturing example 4 4
전도성 소재로서 구리(Cu)를 사용하고, 직경 0.08㎜ 세 가닥으로(3합) 코어를 형성한 다음 피복층을 모(Wool)로 하여 다층구조 전도사를 제조하고 이를 직조하여 센서 직물을 제조하였다. Copper (Cu) was used as the conductive material, and a core was formed by three strands (three bonds) in diameter of 0.08 mm, and then a multi-layered conductive yarn was prepared using a wool as a coating layer and woven to fabricate a sensor fabric.
도 3은 제조예 1의 센서 직물 제조에 사용된 다층구조 전도사의 사진이고, 도 2는 그 단면의 SEM 사진이다. 도 17은 제조예 3의 센서 직물 제조에 사용된 다층구조 전도사의 사진이고, 도 18은 그 단면의 SEM 사진이다. Figure 3 is a photograph of a multi-layered conductive yarn used to manufacture the sensor fabric of Preparation Example 1, Figure 2 is a SEM photograph of the cross section. FIG. 17 is a photograph of a multilayered conductive yarn used for fabricating the sensor fabric of Preparation Example 3, and FIG. 18 is an SEM photograph of its cross section.
도 15는 제조예 1에서 제조된 센서 직물의 사진이다. 도 16은 제조예 1에서 제조된 센서 직물 표면을 확대한 사진이다. 하기 표 1은 제조예 1 내지 3에서 제조된 센서 직물의 정전 용량 및 전기 저항을 측정하여 나타낸 것이다. 정전 용량은 FLUKE社의 LCR Meter를 사용하여 측정하였고, 전기 저항은 FLUKE社의 Multi Tester를 사용하여 측정하였다.15 is a photograph of a sensor fabric prepared in Preparation Example 1. FIG. 16 is an enlarged photograph of a sensor fabric surface manufactured in Preparation Example 1. FIG. Table 1 below shows the measurement of the capacitance and the electrical resistance of the sensor fabric produced in Preparation Examples 1-3. Capacitance was measured using FLUKE's LCR meter, and electrical resistance was measured using FLUKE's Multi Tester.
실시예Example 1 내지 4 1 to 4
히터, 브러쉬 및 직물 와인딩 장치를 구비하는 장치를 사용하여 제조예 1 내지 4에서 제조된 센서 직물의 끝단의 피복층을 제거하고 배선하여 정전용량 측정 컨트롤러에 연결시켜 직물기반 압력 센서 시스템을 사용하였다. 도 19는 상기 히터, 브러쉬 및 직물 와인딩 장치를 구비하는 장치의 사진이다. 먼저, 상기 장치의 히터로 200℃ 온도를 센서 직물의 끝단에 가하여 피복층을 연소시키고, 연소된 피복층의 이물을 브러쉬로 긁어서 제거하여 다층구조 전도사의 끝단에서 피복층을 제거한 다음, 피복층이 제거된 다층구조 전도사의 끝단의 전도성 소재를 배선하여 센서 직물과 정전용량 측정 컨트롤러를 연결하여 직물기반 압력 센서 시스템을 제조하였다.A fabric-based pressure sensor system was used by removing and wiring the coating layer of the ends of the sensor fabrics prepared in Preparation Examples 1 to 4 using a device equipped with a heater, a brush, and a fabric winding device and connecting them to the capacitance measurement controller. 19 is a photograph of a device having the heater, brush and fabric winding device. First, the coating layer is burned by applying a 200 ° C. temperature to the end of the sensor fabric with a heater of the apparatus, and the foreign material of the burned coating layer is removed by brushing to remove the coating layer at the end of the multilayer structure conductor, and then the coating layer is removed. A fabric-based pressure sensor system was fabricated by connecting the conductive fabric at the end of the conductor and connecting the sensor fabric with the capacitance measurement controller.
도 20은 상기 제조예 1 내지 4에서 다층구조 전도사를 제조한 뒤 이를 직조하여 센서 직물을 제조하고, 상기 실시예 1 내지 4에서의 직물기반 압력 센서 시스템을 제조하는 공정을 플로우 챠트로 나타낸 것이다.FIG. 20 is a flow chart illustrating a process of manufacturing a multi-layer conductive yarn in Preparation Examples 1 to 4 and then weaving the same to fabricate a sensor fabric, and fabricating a fabric-based pressure sensor system in Examples 1 to 4.
도 21은 실시예 1에 따라 제조된 직물기반 압력 센서 시스템의 사진이다. 21 is a photograph of a fabric based pressure sensor system made according to Example 1. FIG.
상기 실시예 1 내지 4에서 제조된 직물기반 압력 센서 시스템의 특성과 제품의 수명을 평가하기 위하여 센서 직물의 압축탄성률과 마모강도, 피복도와 센서의 회복시간, 세탁내구성을 항목으로 정하여 하기 표 2의 평가방법에 나타난 기준에 따라 측정하여 그 측정값을 표 2에 나타내었다. In order to evaluate the characteristics of the fabric-based pressure sensor system manufactured in Examples 1 to 4 and the service life of the product, the compression elastic modulus and wear strength of the sensor fabric, the coating degree and the recovery time of the sensor, and the durability of the laundry were determined as shown in Table 2 below. Measured according to the criteria shown in the evaluation method and the measured values are shown in Table 2.
Cotton0.05mm
Cotton
Cotton0.08mm
Cotton
Cotton0.05 / 3 合
Cotton
Wool0.05 / 3 合
Wool
10: 전도성 소재의 코어층
20: 피복층
30: 점착사10: core layer of conductive material
20: coating layer
30: adhesive yarn
Claims (25)
상기 다층구조 전도사는 상기 코어층 및 상기 피복층 사이에 점착사를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 센서 직물.A multi-layered conductive yarn composed of a core layer and a coating layer of a conductive material as warp and weft yarns,
And wherein the multilayer conductive yarn further comprises an adhesive yarn between the core layer and the coating layer.
상기 센서 직물을 구성하는 다층구조 전도사 내부의 전도성 소재에 연결된 정전용량 측정 컨트롤러를 포함하는 직물기반 압력 센서 시스템으로서,
상기 센서 직물 내의 경사 및 위사의 교차점에서 경사 및 위사 내부의 전도성 소재가 각각 축전기의 전극을 형성하고, 상기 정전용량 측정 컨트롤러가 센서 직물에 가해지는 압력 변화에 따른 정전용량 변화를 감지하여 작동되는 것을 특징으로 하는 직물기반 압력 센서 시스템.18. A sensor fabric according to any one of claims 1 to 7 and 9 to 17; And
A fabric-based pressure sensor system comprising a capacitance measurement controller connected to a conductive material inside a multilayered conductive yarn constituting the sensor fabric,
At the intersection of the warp and weft yarns in the sensor fabric, the conductive material inside the warp and weft yarns respectively form an electrode of the capacitor, and the capacitance measuring controller operates by sensing a change in capacitance due to a pressure change applied to the sensor fabric. Fabric-based pressure sensor system.
연소된 피복층의 이물을 브러쉬로 긁어서 제거하여 다층구조 전도사의 끝단에서 피복층을 제거하고, 그리고
피복층이 제거된 다층구조 전도사의 끝단의 전도성 소재를 배선하여 센서 직물과 정전용량 측정 컨트롤러를 연결하는 단계를 포함하는 직물기반 압력 센서 시스템을 제조하는 방법.The coating layer is combusted with a heater by applying a temperature below the melting point of the conductive material and above the burning point of the coating layer material to the ends of the sensor fabric woven from the multilayered conductive yarn composed of the core layer and the coating layer of the conductive material,
Foreign material of burned coating layer is scraped off with a brush to remove the coating layer from the end of multi-layered conductive yarn, and
A method of manufacturing a fabric-based pressure sensor system comprising connecting a sensor fabric and a capacitance measurement controller by wiring a conductive material at the end of the multilayered conductive yarn from which the coating layer has been removed.
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