KR101511562B1 - 압전소자와 형상기억폴리머를 이용한 자동차용 능동형 시트폼 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 자동차에 설치되어 운전자가 착좌되는 시트폼(seat foam)에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 시트폼에 착좌한 운전자의 체압을 압전소자를 이용하여 전기에너지로 변환하고, 변환된 전기에너지를 형상기억폴리머에 인가하여 시트폼 형상을 운전자의 체압에 따라서 능동적으로 변형시킬 수 있는 자동차용 능동형 시트폼에 관한 것이다.

Description

압전소자와 형상기억폴리머를 이용한 자동차용 능동형 시트폼{Active type seat foam using piezoelectric effect element and shape memory polymer for a car}
본 발명은 자동차에 설치되어 운전자가 착좌되는 시트폼(seat foam)에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 시트폼에 착좌한 운전자의 체압을 압전소자를 이용하여 전기에너지로 변환하고, 변환된 전기에너지를 형상기억폴리머에 인가하여 시트폼 형상을 운전자의 체압에 따라서 능동적으로 변형시킬 수 있는 자동차용 능동형 시트폼에 관한 것이다.
최근에 압전소자(Piezoelectric effect element)와 형상기억폴리머(Shape memory polymer) 소재가 다양한 분야에 상용화되고 있는 추세이다.
압전소자란 결정구조를 가진 재질 내에 기계적-전기적 상태의 상호작용을 통하여 발생되는 현상을 이용한 것으로서, 압전소자에 압축이나 인장에 의한 기계적 변화량을 인가하면 전기적인 신호가 발생하고, 역으로 전기적인 신호를 가하면 기계적인 변화량이 발생되는 소자이다. 이때, 전자를 1차 압전효과라 부르고, 후자를 2차 압전효과 또는 역 압전효과라 칭한다.
그리고, 형상기억폴리머는 고정된 임의의 형상에 전기적 자극이 주어질 경우 소재 자체의 탄성계수가 변화하여 다른 모양으로 변형될 수 있는 성질을 가진 폴리머를 가리킨다.
예를 들어, 곧게 뻗은 형상기억폴리머를 코일 모양으로 구부려 놓은 후 전기자극을 가하면 이전의 모양을 기억하고 있었던 것처럼 다시 펴지는 성질을 가지고 있다.
이때, 형상기억폴리머는 전기적 신호의 세기에 따라서 형상기억폴리머의 탄성계수를 변화시킬 수 있기 때문에 다양한 형태로 변형이 가능하다.
이러한 형상기억폴리머는 확장성이 크고, 고탄성 변형(200% 이상의 응력), 저비용, 저밀도, 이용온도 조절의 범위가 넓으며, 가공이 용이한 장점을 가지고 있으며, 주로 사용되는 재료는 폴리노르보넨, 폴리에스테르 섬유, 트랜스-이소프렌, 스티렌-부타디엔 공중합체, 일부 폴리우레탄이 이용된다.
한편, 운전자가 장시간동안 자동차의 시트에 착좌하게 되면, 시트폼이 변형됨으로 인하여 인체의 특정 부위(예를 들어, 골반의 결절부위 등)에만 체압이 집중되는 현상이 발생하여 운전자의 피로를 가중시키게 된다.
이러한 시트폼상의 체압 집중을 방지하기 위하여 시트폼의 설계단계에서부터 체압 분포 측정 등의 방법을 이용하여 시트폼의 형상을 설계하지만, 운전자마다 체형과 착좌 습관 등이 각각 다르므로 모든 운전자의 체형을 만족시키기 어려운 실정이다.
이러한 문제점을 해소하기 위하여 형상기억폴리머를 사용하여 자동차의 시트폼을 구성한 미국특허공개 US2005/0218710 호의 형상기억폴리머시트 결합체(이하 '선행기술 1' 이라함)의 기술이 공지되어 있다.
상기의 선행기술 1 은 형상기억폴리머를 이용하여 시트 직조물을 만들고, 형상기억폴리머의 탄성계수를 변화시켜 시트의 강성과 연성을 변화시키는 구성을 특징으로 하고 있다.
그러나, 상기의 선행기술 1 은 직물 단위의 제어가 필요하며 형상기억폴리머의 탄성계수 영역 특성상 큰 변화 효과 미비한 약점이 있다. 또한, 인체와 시트 사이의 영향도를 검출할 수 있는 센서를 가지고 있지 않아서 시트의 변형 정도가 임의적으로 제어될 가능성이 높아 운전자의 착좌감 개선 효과가 미비한 문제점이 있다.
또한, 미국특허공개 US 2010/0289302 호의 시트조절 방법 및 그 시스템의 기술(이하, '선행기술 2' 이라함)도 공지된 바 있는데, 시트 내부에 압력 센서를 배치하고, 압력 센서에 의하여 체압을 검출하고, 검출된 체압에 따라서 시트에 부착된 에어백 유닛의 공기압을 변동시켜 운전자에게 안락감을 부여하는 기술이다.
그러나, 상기와 같은 선행기술 2 는 에어백을 채용함으로써 시트폼의 정밀한 형상 변형이 불가능한 제약사항을 가지고 있다.
또한, 에어백 내부에 충진된 공기는 비압축성의 특성을 가지고 있어 시트에 착좌한 인체에 반발력을 부여할 우려가 있으며, 이러한 반발력은 자동차 충돌시 운전자의 안전성을 감소시키는 취약점으로 작용할 여지가 있다.
더구나, 상기의 선행기술 1 및 선행기술 2 은 형상기억폴리머 또는 에어백의 변형을 위한 다량의 전원 공급원이 요구되므로, 전체적인 제조비용도 상승될 가능성이 있다.
본 발명은 상술한 바와 같은 종래의 제반 문제점을 해소하기 위하여 창안된 것으로서, 운전자의 체압에 따라 능동적으로 형상이 변형됨으로써 체압 집중으로 인한 이물감을 저감시키고, 장시간 착좌시의 시트 불편도를 개선할 수 있는 압전소자와 형상기억폴리머를 이용한 능동형 시트폼의 구성을 제공하는데 본 발명의 기술적 과제가 있다.
상기와 같은 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명 압전소자와 형상기억폴리머를 이용한 능동형 시트폼의 구성은, 시트폼에 착좌한 운전자의 체압을 압전소자를 이용하여 전기에너지로 변환하고, 변환된 전기에너지를 형상기억폴리머에 인가하여 시트폼 형상을 운전자의 체압에 따라서 능동적으로 변형시킬 수 있는 구성을 특징으로 한다.
상기와 같은 본 발명 압전소자와 형상기억폴리머를 이용한 능동형 시트폼은, 압전소자에 의하여 인체와 시트 사이에 하중이 집중되는 영역을 검출하고, 상기 압전소자의 형태 변형으로 유발된 전기에너지를 형상기억폴리머에 주입함으로써 형상이 변형된 형상기억폴리머가 운전자에 의하여 시트상에 가해지는 체압을 저감시키게 되므로, 장시간의 시트 착좌시 이물감을 감소시킬 수 있으며, 운전상의 편의성및 안락감을 증대시킨 효과가 있다.
도 1 은 본 발명 시트폼의 일부절개사시도,
도 2 는 본 발명 시트폼의 구조를 나타내는 단면도,
도 3 은 본 발명 시트폼의 제어의 다이어그램이다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 압전소자와 형상기억폴리머를 이용한 능동형 시트폼의 구성 및 작동을 설명한다.
단, 개시된 도면들은 당업자에게 본 발명의 사상이 충분하게 전달될 수 있도록 하기 위한 예로서 제공되는 것이다. 따라서, 본 발명은 이하 제시되는 도면들에 한정되지 않고 다른 태양으로 구체화될 수도 있다.
또한, 본 발명 명세서에서 사용되는 용어에 있어서 다른 정의가 없다면, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 통상적으로 이해하고 있는 의미를 가지며, 하기의 설명 및 첨부 도면에서 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다.
도 1 은 본 발명 시트폼의 일부절개사시도, 도 2 는 본 발명 시트폼의 구조를 나타내는 개략 단면도이다.
도면을 참조하면, 본 발명의 시트폼(1)은 시트폼의 몸체를 이루는 상부시트폼(10)과 하부시트폼(20)을 포함한다.
그리고, 상기 상부시트폼(10)과 하부시트폼(20) 사이에 형상기억폴리머(40)가 게재된다.
아울러, 압전소자(30)가 상기 하부시트폼(20)의 하부에 부착된 구성이다.
상기 압전소자(30)는 두개의 양극 및 음극의 전극(31,32)이 결선되어 있으며, 이들 전극(31,32)들에 전선(50)이 접속되어 있다.
또한, 상기 형상기억폴리머(40)도 두개의 양극 및 음극의 전극(41,42)이 결선되어 있으며, 이들 전극(41,42)들은 상기 압전소자(30)로부터의 전선(50)과 연결되어 압전소자(30)가 발생하는 전류가 형상기억폴리머(40)로 입력되는 단자쌍을 이루게 된다.
상기와 같은 본 발명 시트폼(1)은 상기 압전소자(30)에 압축이나 인장에 의한 기계적 변화를 인가하면, 압전소자(30)가 전기에너지를 발생시키고, 발생된 전기에너지는 전선(50)에 의하여 형상기억폴리머(40)의 두개의 극(41,42)으로 입력되어 형상기억폴리머(40)의 형상을 변형시키게 된다.
또한, 상기 전선(50)상에 적정한 값의 저항을 연결하고, 저항을 통하여 전류량을 조절함으로써 형상기억폴리머(40)의 탄성계수를 소망하는 치수로 변동시킬 수 있다.
도 3 은 본 발명 시트폼의 제어를 나타내는 다이어그램으로서, 이를 참조하여 본 발명 시트폼의 작동을 설명한다.
도면을 참조하면, 시트에 앉은 운전자의 체압이 인가되면, 압전소자(30)가 시트상에 주어지는 체압에 따른 전기에너지를 발생시키고, 발생한 전기에너지가 형상기억폴리머와 형상기억폴리머에 연결된 저항소자에 인가된다.
그러면, 전기에너지가 저항소자를 통과하면서 형상기억폴리머의 탄성계수를 변동시키고 탄성계수가 변동된 형상기억폴리머의 형상 변화가 발생한다(단계 S1).
이때, 상기 형상기억폴리머는 변형된 형상을 계속적으로 유지하게 된다(단계 S2).
따라서, 전기적에너지가 인가된 형상기억폴리머(40)의 강성이 상부 및 하부 시트폼(10)의 강성보다 증가하여 체압이 집중된 시트폼 부분의 하중을 분산시킴으로써 운전자에게 편안감과 안락감을 부여할 수 있게 된다.
이후, 시트에 앉은 운전자가 시트를 벗어남으로써 형상기억폴리머에 주어지던 하중이 제거되면 압전소자(30)에 의한 전기에너지가 변동되고, 변동된 전기에너지가 형상기억폴리머로 인가되어 형상기억폴리머가 원래의 형상으로 복귀되어(단계 S3), 복귀된 원래의 형상을 계속 유지하게 된다(단계 S4).
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *
1; 본 발명 시트폼
10; 상부 시트폼
20; 하부 시트폼
30; 압전소자
31,32; 압전소자 전극
40; 형상기억폴리머
41,42; 폴리머 전극
50; 전선

Claims (2)

  1. 자동차의 시트폼에 있어서,
    시트폼을 이루는 상부시트폼(10)과 하부시트폼(20);
    상기 상부시트폼(10)과 하부시트폼(20) 사이에 배치된 형상기억폴리머(40);
    상기 시트폼에 착좌한 운전자의 체압을 감지하기 위하여 상기 하부시트폼(20)의 하부에 부착된 압전소자(30); 를 포함하고,
    상기 압전소자(30)에 두개의 양극 및 음극의 전극(31,32)이 결선되고, 이들 전극(31,32)들에 전선(50)이 접속되고,
    상기 형상기억폴리머(40)에 두개의 양극 및 음극의 전극(41,42)이 결선되고, 이들 전극(41,42)들은 상기 전선(50)과 연결되어 상기 압전소자(30)가 발생하는 전기에너지가 상기 형상기억폴리머(40)로 인가되어 형상기억폴리머(40)의 형상이 운전자의 체압에 따라서 변형되는 것을 특징으로 하는 자동차용 능동형 시트폼.
  2. 삭제
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