KR102009750B1 - 스트레치 센서를 이용한 유연 압력측정 시스템 및 이를 포함한 대면적 섬유직물 - Google Patents

스트레치 센서를 이용한 유연 압력측정 시스템 및 이를 포함한 대면적 섬유직물 Download PDF

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Abstract

스트레치 센서를 이용한 유연 압력측정 시스템 및 이를 포함한 대면적 섬유직물에서, 상기 유연 압력측정 시스템은 유연성 직물, 센서부, 복수의 수평 와이어부들 및 복수의 수직 와이어부들을 포함한다. 상기 센서부는 상기 유연성 직물 상에 형성되며, 제1 방향, 및 상기 제1 방향에 교차하는 제2 방향으로 일정 간격 서로 이격된 복수의 센서들을 포함한다. 상기 수평 와이어부들은 상기 제1 방향을 따라 서로 이격된 상기 센서들 사이를 전기적으로 서로 연결한다. 상기 수직 와이어부들은 상기 제2 방향을 따라 연장되며, 상기 수평 와이어부들 사이를 전기적으로 서로 연결한다.

Description

스트레치 센서를 이용한 유연 압력측정 시스템 및 이를 포함한 대면적 섬유직물{FLEXIBLE PRESSURE MEASURING SYSTEM AND LARGE-SIZED TEXTILE HAVING THE SAME}
본 발명은 유연 압력측정 시스템 및 이를 포함한 대면적 섬유직물에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 스트레치 센서를 이용하여 수평 방향의 인가되는 힘은 물론 수직 방향으로 인가되는 압력을 측정하고, 유연성 소재인 섬유직물에 적용될 수 있는 스트레치센서를 이용한 유연 압력측정 시스템 및 이를 포함한 대면적 섬유직물에 관한 것이다.
다양한 전자기술이 의류 등에 접목되기 시작하면서, 압력 센서가 포함되거나 직조된 섬유나 직물 제품에 대한 개발이 활발하게 진행되고 있다.
현재까지 직물에 구비되어 압력을 측정하는 센서들은 대부분 정전용량형 센싱 구조, 즉 유전체 등을 중간층으로 형성하고 상부 및 하부에 전도성 섬유를 배치하여 압력이 인가되는 접점에서의 정전용량의 변화를 감지하는 기술이 대부분이다. 예를 들어, 대한민국 공개특허 제10-2017-0003101호에서도 중간층(330)의 상부 및 하부에 제1 및 제2 전극들이 서로 교차하도록 배치된 압력 감지 센서 구조를 개시하고 있다.
그러나, 정전용량형 센싱 구조의 경우, 복수의 적층식 레이어 구조로서 섬유와 일체화하기에는 제작 효율이 높지 않으며 섬유의 통기성을 방해하는 등의 문제가 있다.
한편, 도 1a에 도시된 스트레치(stretch) 센서는 전통적으로 수평방향으로의 압력이나 힘에 의해 연장되는 경우 저항의 변화에 의해 압력을 계측하는 센서인데, 상기 스트레치 센서에 대하여 수직방향으로는 임의의 위치(P1, P2, P3)에서 압력을 인가하더라도, 도 1b에 도시된 바와 같이 거의 동일한 수준의 압력변화만이 감지되기 때문에, 수직 방향으로 작용하는 압력의 위치를 계측할 수 없는 한계가 있다. 이에 따라, 종래 스트레치 센서는 의류나 직물에 직조되어 압력 센서로 적용되지 못하는 문제가 있었다.
대한민국 공개특허 제10-2017-0003101호
이에, 본 발명의 기술적 과제는 이러한 점에서 착안된 것으로 본 발명의 목적은 스트레치 센서를 사용하면서도 수직 방향의 압력의 크기 및 작용 위치를 정확하게 계측할 수 있고, 상대적으로 얇고 간단하게 제작이 가능하여 제작 효율을 향상시키면서도 섬유의 통기성을 향상시킬 수 있는 유연 압력측정 시스템에 관한 것이다.
또한, 본 발명의 다른 목적은 상기 유연 압력측정 시스템을 포함한 대면적 섬유직물에 관한 것이다.
상기한 본 발명의 목적을 실현하기 위한 일 실시예에 의한 유연 압력측정 시스템은 유연성 직물, 센서부, 복수의 수평 와이어부들 및 복수의 수직 와이어부들을 포함한다. 상기 센서부는 상기 유연성 직물 상에 형성되며, 제1 방향, 및 상기 제1 방향에 교차하는 제2 방향으로 일정 간격 서로 이격된 복수의 센서들을 포함한다. 상기 수평 와이어부들은 상기 제1 방향을 따라 서로 이격된 상기 센서들 사이를 전기적으로 서로 연결한다. 상기 수직 와이어부들은 상기 제2 방향을 따라 연장되며, 상기 수평 와이어부들 사이를 전기적으로 서로 연결한다.
일 실시예에서, 상기 센서부, 상기 수평 와이어부들, 및 상기 수직 와이어부들은 상기 유연성 직물에 직조될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 수평 와이어부들 및 상기 수직 와이어부들은 전도사(electric thread)일 수 있다.
일 실시예에서, 상기 센서부는 길이방향으로 인장 또는 압축됨에 따라 양단의 저항이 변화하는 스트레치 센서(stretch sensor)일 수 있다.
일 실시예에서, 상기 제1 방향을 따른 상기 센서의 길이 대비, 상기 인접한 센서들 사이를 연결하는 수평 와이어부의 길이의 비가 클수록, 상기 저항의 변화율이 증가할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 수평 와이어부들 각각의 양 끝단에서의 저항 변화를 바탕으로, 인가되는 압력의 상기 제2 방향으로의 위치를 판단하고, 상기 수직 와이어부들 각각의 양 끝단에서의 저항 변화를 바탕으로, 인가되는 압력의 상기 제1 방향으로의 위치를 판단할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 센서부는, 상기 제1 방향으로 서로 이격된 제1 및 제2 센서들, 및 상기 제1 방향으로 서로 이격되며, 상기 제1 및 제2 센서들 각각과 상기 제2 방향으로 서로 이격된 제3 및 제4 센서들을 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 수평 와이어부들은, 상기 제1 센서의 외측에 연결된 제1 서브 수평 와이어, 상기 제1 및 제2 센서들 사이에 연결된 제2 서브 수평 와이어, 상기 제2 센서의 외측에 연결된 제3 서브 수평 와이어, 상기 제3 센서의 외측에 연결된 제4 서브 수평 와이어, 상기 제3 및 제4 센서들 사이에 연결된 제5 서브 수평 와이어, 및 상기 제4 센서의 외측에 연결된 제6 서브 수평 와이어를 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 수직 와이어부들은, 상기 제1 및 제4 서브 수평 와이어들을 연결하는 제1 수직 와이어, 상기 제2 및 제5 서브 수평 와이어들을 연결하는 제2 수직 와이어, 및 상기 제3 및 제6 서브 수평 와이어들을 연결하는 제3 수직 와이어를 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 수직 와이어부들은, 상기 제1 및 제4 서브 수평 와이어들을 연결하는 제1 수직 와이어, 상기 제2 서브 수평 와이어에만 연결된 제1 서브 수직 와이어, 상기 제5 서브 수평 와이어에만 연결된 제2 서브 수직 와이어, 및 상기 제3 및 제6 서브 수평 와이어들을 연결하는 제3 수직 와이어를 포함할 수 있다.
상기한 본 발명의 다른 목적을 실현하기 위한 일 실시예에 의한 대면적 섬유직물은 사용자가 착용하는 섬유직물의 일부 면에 형성되어 인가되는 압력을 계측하는 유연 압력측정 시스템을 포함한다. 상기 유연 압력측정 시스템은, 상기 섬유직물의 일부 면 상에 형성되며, 제1 방향, 및 상기 제1 방향에 교차하는 제2 방향으로 일정 간격 서로 이격된 복수의 센서들을 포함하는 센서부, 상기 제1 방향을 따라 서로 이격된 상기 센서들 사이를 전기적으로 서로 연결하는 복수의 수평 와이어부들, 및 상기 제2 방향을 따라 연장되며, 상기 수평 와이어부들 사이를 전기적으로 서로 연결하는 복수의 수직 와이어부들을 포함한다.
본 발명의 실시예들에 의하면, 유연성 직물상에 형성되는 센서들과 상기 센서들 사이를 수평 또는 수직으로 전기적으로 서로 연결한 와이어들을 통해, 직물의 연장방향에 수직인 방향으로 인가되는 압력의 인가 위치를 정확하게 계측할 수 있다.
특히, 상기 센서들 및 상기 와이어들은 유연성 직물상에 직조되도록 형성되므로, 종래 복수의 층으로 적층됨에 따라 직물이 두꺼워지거나 제조 단가가 증가하는 등의 문제를 해결하면서도 압력의 인가 위치를 계측할 수 있다.
이 경우, 상기 센서는 길이방향으로의 인장 또는 압축에 따라 저항이 가변되는 스트레치 센서로서, 상기 센서들 사이에 상기 와이어들이 연결됨에 따라 수직 방향으로의 압력도 정확하게 계측이 가능하다. 나아가, 스트레치 센서는 와이어 타입의 센서이며, 와이어 역시 전도사로서 매우 얇은 소재이므로, 상기 유연성 직물 상에 일체로 용이하게 직조될 수 있어 제작 단가를 절감할 수 있으며, 직물의 통기성을 충분히 유지할 수 있다.
또한, 상기 유연성 직물이 대면적으로 형성되는 경우에도, 센서와 와이어들을 교번적으로 연결하는 것으로 대면적에 대한 압력측정 시스템을 용이하게 구현할 수 있다.
나아가, 저항 변화의 판단에 있어서도, 상기 와이어들을 수평 및 수직 와이어부들로 구분하고, 각각의 와이어들의 끝단 사이의 저항 변화를 바탕으로 압력 인가 위치를 제1 방향 및 제2 방향 각각에서 파악할 수 있으므로, 상대적으로 용이한 알고리즘으로 압력 위치에 대한 판단을 수행할 수 있다.
도 1a는 종래기술에 의한 스트레치 센서를 도시한 측면도이다.
도 1b는 도 1a의 스트레치 센서에 압력을 인가한 경우의 저항의 변화를 도시한 그래프이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 의한 유연 압력측정 시스템을 도시한 평면도이다.
도 3a는 도 2의 센서부 및 수평 와이어부의 일부에 압력이 인가된 상태를 도시한 측면도이다.
도 3b는 도 3a의 센서부 및 수평 와이어부를 도식화한 모식도이다.
도 4a는 종래기술에 의한 스트레치 센서에 압력이 인가된 상태를 도시한 측면도이다.
도 4b는 도 4a의 스트레치 센서를 도식화한 모식도이다.
도 5는 도 2의 유연 압력측정 시스템을 도식화한 모식도이다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 의한 유연 압력측정 시스템을 도식화한 모식도이다.
도 7은 상기 유연 압력측정 시스템이 직조된 대면적 섬유직물의 예를 도시한 배면도이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 실시예들을 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다. 제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다.
상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
본 출원에서, "포함하다" 또는 "이루어진다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예를 보다 상세하게 설명하고자 한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 의한 유연 압력측정 시스템을 도시한 평면도이다.
도 2를 참조하면, 본 실시예에 의한 유연 압력측정 시스템(100)은 유연성 직물(200), 센서부(110), 복수의 수평 와이어부들(120, 130, 140), 및 복수의 수직 와이어부들(150, 160, 170)을 포함한다.
상기 유연성 직물(200)은 유연한 소재의 섬유 또는 직물일 수 있으며, 섬유 또는 직물 소재 외에도 압력이 인가되는 위치의 계측이 필요한 비전도성 물질로 제작되어 소정의 넓이를 가질 수 있다.
이 경우, 상기 유연성 직물(200)은 상대적으로 넓은, 소위 대면적을 차지할 수 있으며, 이에 따라 후술되는 상기 센서부 및 상기 와이어부들이 대면적의 유연성 직물(200) 상에 균일하게 배열되도록 형성될 수 있다.
상기 유연성 직물(200)이 유연한 소재의 섬유 또는 직물인 경우라면, 상기 센서부(110) 및 상기 와이어부들은 상기 유연성 직물(200) 상에 직조될 수 있으며, 이에 따라 상기 센서부(110) 및 상기 와이어부들은 상기 유연성 직물(200)에 일체로 형성된다.
이 경우, 직조(weaving)란 실을 엮어 직물을 만드는 것을 의미하는 것으로, 상기 센서부(110) 및 상기 와이어부들은 실 또는 길이방향으로 연장된 장방형 구조체로서 상기 유연성 직물(200) 상에 엮이면서 일체로 고정될 수 있다.
한편, 도 2에서는 상기 유연성 직물(200)의 일부와, 상기 유연성 직물(200)의 일부에 형성된 센서부 및 와이어부들을 예시한 것으로, 상기 유연성 직물(200)의 면적이 증가함에 따라 상기 센서부 및 와이어부들은 반복적으로 추가되어 형성될 수 있다. 다만, 설명의 편의상 상기 유연성 직물(200) 상에 6개의 센서들이 형성된 것을 예시하고, 이하에서는 6개의 센서들만 배치된 구조에 대하여 설명하되, 상기 구조는 반복되어 확장될 수 있다. 이 경우, 반복되며 확장되는 센서들의 구조 및 배열은 도 2에 예시된 센서의 구조 및 배열과 동일하다.
상기 센서부(110)는 복수의 센서들을 포함하며, 예를 들어, 제1 내지 제6 센서들(111, 112, ..., 116)을 포함할 수 있다.
상기 제1 내지 제6 센서들 각각은 스트레치 센서(stretch sensor)일 수 있으며, 스트레치 센서는 길이 변화에 따라 저항이 변화하며, 저항의 변화율은 길이 변화율에 비례하는 센서이다. 이에 따라, 상기 제1 내지 제6 센세들 각각의 길이가 변화하는 경우 이에 비례하여 저항이 변화하게 된다.
한편, 상기 제1 및 제2 센서들(111, 112)은 제1 방향(X)을 따라 소정거리 이격되며 배열되고, 상기 제3 및 제4 센서들(113, 114)도 제1 방향을 따라 소정거리 이격되며 배열되고, 상기 제5 및 제6 센서들(115, 116)도 제1 방향을 따라 소정거리 이격되며 배열된다.
또한, 제1, 제3 및 제5 센서들(111, 113, 115)은 상기 제1 방향에 수직인 제2 방향(Y)을 따라 소정거리 이격되며 배열되고, 상기 제2, 제4 및 제6 센서들(112, 114, 116)도 상기 제2 방향을 따라 소정거리 이격되며 배열된다.
그리하여, 도 2에 도시된 바와 같이, 상기 제1 내지 제6 센서들(111, 112, ..., 116)은 2*3의 격자 배열로 배열된다. 또한, 상기 제1 내지 제6 센서들(111, 112, ..., 116)은 제1 방향으로 동일한 간격으로 배열되며, 제2 방향으로도 동일한 간격으로 배열된다.
상기 수평 와이어부들(120, 130, 140)은 제1 내지 제3 수평 와이어부들(120, 130, 140)로 구분되며, 각각의 수평 와이어부들은 상기 제1 방향을 따라 연장된다. 또한, 상기 제1 내지 제3 수평 와이어부들(120, 130, 140)은 상기 제2 방향을 따라 서로 평행하게 연장된다.
그리하여, 상기 제1 수평 와이어부(120)는 상기 제1 방향을 따라 서로 일렬로 배열된 제1 및 제2 센서들(111, 112)을 연결하며 연장되고, 상기 제2 수평 와이어부(130)는 상기 제1 방향을 따라 서로 일렬로 배열된 제3 및 제4 센서들(113, 114)을 연결하며 연장되고, 상기 제3 수평 와이어부(140)는 상기 제1 방향을 따라 서로 일렬로 배열된 제5 및 제6 센서들(115, 116)을 연결하며 연장된다.
보다 구체적으로, 상기 제1 수평 와이어부(120)는 제1 내지 제3 서브 수평 와이어들(121, 122, 123)을 포함하며, 상기 제1 서브 수평 와이어(121)는 상기 제1 센서(111)의 좌측(도시된 도 2에서)으로 연결되고, 상기 제2 서브 수평 와이어(122)는 상기 제1 및 제2 센서들(111, 112) 사이를 연결하며, 상기 제3 서브 수평 와이어(123)는 상기 제2 센서(112)의 우측(도시된 도 2에서)으로 연결된다.
또한, 상기 제2 수평 와이어부(130)는 제4 내지 제6 서브 수평 와이어들(131, 132, 133)을 포함하며, 상기 제4 서브 수평 와이어(131)는 상기 제3 센서(113)의 좌측(도시된 도 2에서)으로 연결되고, 상기 제5 서브 수평 와이어(132)는 상기 제3 및 제4 센서들(113, 114) 사이를 연결하며, 상기 제6 서브 수평 와이어(133)는 상기 제4 센서(114)의 우측(도시된 도 2에서)으로 연결된다.
또한, 상기 제3 수평 와이어부(140)는 제7 내지 제9 서브 수평 와이어들(141, 142, 143)을 포함하며, 상기 제7 서브 수평 와이어(141)는 상기 제5 센서(115)의 좌측(도시된 도 2에서)으로 연결되고, 상기 제8 서브 수평 와이어(142)는 상기 제5 및 제6 센서들(115, 116) 사이를 연결하며, 상기 제9 서브 수평 와이어(143)는 상기 제6 센서(116)의 우측(도시된 도 2에서)으로 연결된다.
이 경우, 도 2에서는 개방되어 별도의 센서가 연결된 것으로 도시되지 않은 상기 제1, 제4 및 제7 서브 수평 와이어들(121, 131, 141)의 일 단에는 센서가 연결될 수 있으며, 마찬가지로 상기 제2, 제6 및 제9 서브 수평 와이어들(123, 133, 143)의 타 단에도 센서가 연결될 수 있음은 이미 설명한 바와 같다.
상기 수직 와이어부들(150, 160, 170)은 제1 내지 제3 수직 와이어부들(150, 160, 170)로 구분되며, 각각의 수평 와이어부들은 상기 제2 방향을 따라 연장된다. 또한, 상기 제1 내지 제3 수직 와이어부들(150, 160, 170)은 상기 제1 방향을 따라 서로 평행하게 연장된다.
이 경우, 상기 제1 수직 와이어부(150)는 상기 제1 서브 수평 와이어(121), 상기 제4 서브 수평 와이어(131) 및 상기 제7 서브 수평 와이어(141)와 전기적으로 연결되며 상기 제2 방향으로 연장된다.
또한, 상기 제2 수직 와이어부(160)는 상기 제2 서브 수평 와이어(122), 상기 제5 서브 수평 와이어(132) 및 상기 제8 서브 수평 와이어(142)와 전기적으로 연결되며 상기 제2 방향으로 연장된다.
마찬가지로, 상기 제3 수직 와이어부(170)는 상기 제3 서브 수평 와이어(123), 상기 제6 서브 수평 와이어(133) 및 상기 제9 서브 수평 와이어(143)와 전기적으로 연결되며 상기 제2 방향으로 연장된다.
그리하여, 도 2에 도시된 바와 같이, 상기 수평 및 수직와이어부들은 바둑판과 같은 직사각형으로 서로 전기적으로 연결되며, 매 격자마다 센서부가 위치하도록 연결된다.
한편, 상기 수평 와이어부들(120, 130, 140) 및 상기 수직 와이어부들(150, 160, 17)은 모두 전도사(electric thread)로서, 전류가 흐르는 도전체인 실일 수 있다. 이에 따라, 상기 수평 와이어부들(120, 130, 140) 및 상기 수직 와이어부들(150, 160, 17)의 양 단에 전압이 인가되면, 전류가 흐르게 되며, 이에 따라 상기 센서부(110) 각각에도 전류가 흐르게 된다.
본 실시예에서와 같이 센서들 사이를 전도사인 와이어부들을 통해 연결하는 경우 특히, 수직 방향으로 인가되는 압력에 대한 저항 변화율이 증가함에 따라 저항 변화율을 보다 정밀하게 계측할 수 있다.
이하에서는, 이와 같이 전도사를 사용함에 따른 저항 변화율의 증가에 대하여 설명의 편의상 하나의 수평 와이어를 예를 들어 설명한다.
도 3a는 도 2의 센서부 및 수평 와이어부의 일부에 압력이 인가된 상태를 도시한 측면도이다. 도 3b는 도 3a의 센서부 및 수평 와이어부를 도식화한 모식도이다.
도 3a 및 도 3b를 참조하면, 제1 수평 와이어부(120) 상에 2개의 제1 및 제2 센서들(111, 112)이 연결된 상태에서, 상기 제1 및 제2 센서들(111, 112) 사이에 압력(P)이 상하 방향, 즉 상기 제1 및 제2 방향들에 모두 수직인 제3 방향(Z)으로 인가된다면, 도 3a에 도시된 바와 같이 상기 제1 수평 와이어부(120)는 압력이 인가되는 부분에서 음의 제3 방향(-Z)으로 이동하게 된다.
이 때, 상기 제1 수평 와이어부(120)를 절반, 즉 상기 제1 센서(111)만 연결된 상태(단위 유닛, 101)에 대하여 도 3b에 도시된 바와 같이 상기 제1 센서(111)의 저항 변화율을 연산하면 하기와 같다.
즉, 상기 제1 서브 수평 와이어(121)의 길이를 CX1, 상기 제1 센서(111)의 길이를 SX, 상기 제2 서브 수평 와이어(122)의 길이의 절반을 CX2라고 가정하고, 상기 압력(P)이 인가됨에 따라 연장된 상태에서의 상기 제1 서브 수평 와이어(121)의 길이를 CY1, 상기 제1 센서(111)의 길이를 SY, 상기 제2 서브 수평 와이어(122)의 길이의 절반을 CY2라고 가정한다.
또한, 연장되기 전의 단위 유닛의 총 길이를 A, 연장된 후의 단위 유닛의 총 길이를 C, 상기 압력(P)에 대한 상기 제3 방향으로의 길이 변화를 B라고 가정하면, 상기 A와 C는 하기 식 (1) 및 식 (2)와 같이 정의된다.
A = CX1 + SX + CX2 식 (1)
C = CY1 + SY + CY2 식 (2)
이 때, 스트레치 센서인 상기 제1 센서(111)의 저항 변화율(%)은 하기 식 (3)과 같이 정의된다.
저항 변화율(%) = △R/R = △L/L 식 (3)
{R은 센서 저항, △R은 센서 저항 변화량, L은 센서 길이, △L은 센서 길이 변화량}
따라서, 상기 제1 센서(111)의 저항 변화율은 상기 제1 센서(111)의 길이 변화량으로부터 연산될 수 있으며, 이에 따라 상기 식 (3)으로부터 하기와 같이 연산된다.
저항 변화율(%) = △R/R = △L/L
= {R(SY)-R(SX)}/R(SX)
= {L(SY)-L(SX)}/L(SX)
= [{C-(L(CY1,CY2))}-{A-(L(CX1, CX2))}]/{A-(L(CX1, CX2))}
= (C-A)/{A-(L(CX1, CX2))} 식 (4)
이 때, R(CX1, CY1) ~ 0, R(CX2, CY2) ~ 0, L(CX1) = L(CY1), L(CX2) = L(CY2)로 가정할 수 있다. 즉, 상기 제1 센서(111)의 저항 변화율은 상기 식 (4)로 정의된다.
도 4a는 종래기술에 의한 스트레치 센서에 압력이 인가된 상태를 도시한 측면도이다. 도 4b는 도 4a의 스트레치 센서를 도식화한 모식도이다.
도 4a 및 도 4b를 참조하면, 별도의 와이어부들을 통한 연결 없이, 제1 및 제2 센서들(11, 12)이 직접 연결된 상태에서, 상기 제1 및 제2 센서들 사이에 압력(P)이 상하방향, 즉 상기 제3 방향으로 인가된다면, 도 4a에 도시된 바와 같이 상기 제1 및 제2 센서들은 압력이 인가된 부분에서 음의 제3 방향으로 이동하게 된다.
이 때, 상기 제1 센서(11)에 대하여만 도 4b에 도시된 바와 같이 저항 변화율을 연산하면 하기와 같다.
즉, 앞선 정의에서와 같이 연장되기 전의 단위 유닛의 총 길이를 A, 연장된 후의 단위 유닛의 총 길이를 C, 상기 압력(P)에 대한 상기 제3 방향으로의 길이 변화를 B라고 가정하면, 상기 A와 C는 하기 식 (5) 및 식 (6)과 같이 정의된다.
A = SX 식 (5)
C = SY 식 (6)
이 때, 스트레치 센서인 상기 제1 센서(11)의 저항 변화율(%)은 상기 식 (3)으로부터 하기와 같이 연산된다.
저항 변화율(%) = △R/R = △L/L
= {R(SY)-R(SX)}/R(SX)
= {L(SY)-L(SX)}/L(SX)
= (C-A)/A 식 (7)
즉, 상기 제1 센서(11)의 저항 변화율은 상기 식 (7)로 정의된다.
상기 식 (4)로 정의된 본 발명에서와 같이 전도사를 사용하여 센서들을 서로 연결한 경우의 저항 변화율의 연산식과, 상기 식 (7)로 정의된 종래 기술에서와 같이 센세들만을 서로 연결한 경우의 저항 변화율의 연산식을 비교하건데, 식 (4)에서와 같이 전도사가 삽입되는 경우 센서의 저항 변화율은 증가하게 된다.
특히, 식 (4)에서와 같이, 전도사의 길이가 증가할수록 센서의 저항 변화율은 더욱 증가하게 된다.
수직 방향(제3 방향)으로의 압력의 인가에 따른 센서의 저항 변화율이 증가할수록, 수직 방향(제3 방향)으로의 압력의 인가를 보다 정확하게 센싱할 수 있다. 따라서, 본 실시예에서와 같이 센서들 사이에 전도사가 연결되고, 상기 전도사의 길이가 증가할수록 센서의 저항 변화율이 증가하게 되므로, 수직 방향으로의 압력 인가를 보다 정확하게 센싱할 수 있게 된다.
도 5는 도 2의 유연 압력측정 시스템을 도식화한 모식도이다. 도 5는 본 실시예에서의 유연 압력측정 시스템(100)에서, 실제 저항 변화가 발생하는 위치를 판별하기 위한 모식도이다.
즉, 도 5를 참조하면, 도 2에 도시된 유연 압력측정 시스템(10)은 도 5에서와 같이 저항이 연결된 병렬회로로 도식화될 수 있다.
이 경우, 상기 제1 내지 제6 센서들(111, 112, 113, 114, 115, 116) 각각은 제1 내지 제6 저항(R1, ..., R6)을 갖는 저항으로 정의될 수 있으며, 상기 제1 수평 와이어부(120)의 양 단은 A11, A12로, 상기 제2 수평 와이어부(130)의 양단은 A21, A22로, 상기 제3 수평 와이어부(140)의 양단은 A31, A32로 정의될 수 있다.
또한, 상기 제1 수직 와이어부(150)는 상기 제1, 제4 및 제7 서브 수평 와이어들(121, 131, 141)에 전기적으로 연결되며 끝단은 B1으로, 상기 제2 수직 와이어부(160)는 상기 제2, 제5 및 제8 서브 수평 와이어들(122, 132, 142)에 전기적으로 연결되며 끝단은 B2로, 상기 제3 수직 와이어부(170)는 상기 제3, 제6 및 제9 서브 수평 와이어들(123, 133, 143)에 전기적으로 연결되며 끝단은 B3로 정의될 수 있다.
상기와 같이 도식화된 병렬 회로에서, 초기 상태에서의 A11과 A12 사이, A21과 A22 사이, A31과 A32 사이의 저항과, B1과 B2 사이, B2와 B3 사이의 저항을 계측한다.
이 후, 일정 위치에 수직 방향의 압력이 인가된 후의, A11과 A12 사이, A21과 A22 사이, A31과 A32 사이의 저항과, B1과 B2 사이, B2와 B3 사이의 저항을 계측한다.
그리하여, 상기 A11~A12, A21~A22, A31~A32, B1~B2, B2~B3 중 적어도 하나의 저항 변화의 계측을 통해, 상기 인가되는 수직 방향의 압력의 인가점을 확인할 수 있다.
즉, A11과 A12 사이, A21과 A22 사이, A31과 A32 사이 중에서 저항이 변화된 결과를 바탕으로 압력의 인가점의 제2 방향(Y)으로의 위치를 확인할 수 있으며, B1과 B2 사이, B2와 B3 사이 중에서 저항이 변화된 결과를 바탕으로 압력의 인가점의 제1 방향(X)으로의 위치를 확인할 수 있다.
이상과 같이, 본 실시예에 의한 유연 압력측정 시스템(100)을 통해 평면 상에서 수직방향으로 인가되는 압력의 인가점을 확인할 수 있으며, 특히, 전도사를 사용함으로써 저항 변화율을 보다 큰 값으로 계측할 수 있으므로, 스트레치 센서를 적용하는 경우에도 보다 정확한 압력의 인가점 확인이 가능하게 된다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 의한 유연 압력측정 시스템을 도식화한 모식도이다.
본 실시예에 의한 유연 압력측정 시스템은 수직 와이어부들의 수평 와이어부들과의 연결관계를 제외하고는 도 2 내지 도 5를 참조하여 설명한 유연 압력측정 시스템과 실질적으로 동일하므로 중복되는 설명은 생략하며 동일한 구성요소에 대하여는 동일한 참조번호를 사용하고, 특히 도 5에서와 같은 회로도를 바탕으로 연결관계 및 압력점 확인 방법에 대하여 설명한다.
본 실시예에 의한 유연 압력측정 시스템(300)에서는, 상기 제1 내지 제6 센서들(111, ..., 116) 및 상기 제1 내지 제3 수평 와이어부들(120, 130, 140) 배열 및 연결관계는 도 2 및 도 5 에서와 동일하다.
다만, 상기 유연 압력측정 시스템(300)에서는, 제1 내지 제3 수직 와이어부들(350, 360, 370)의 연결관계가 다르다. 이 경우, 상기 제1 내지 제3 수직 와이어부들의 연결관계는 도 6에 도시된 병렬회로를 통해 설명하고, 도 2에서와 같은 실제 구성도는 생략한다.
보다 구체적으로, 도 6에 도시된 병렬회로의 도식화에 도시된 바와 같이, 상기 제1 내지 제6 센서들(111, 112, 113, 114, 115, 116) 각각은 제1 내지 제6 저항(R1, ..., R6)을 갖는 저항으로 정의될 수 있다.
한편, 상기 제1 수직 와이어부(350)는 상기 제1, 제4 및 제7 서브 수평 와이어들(121, 131, 141)에 전기적으로 연결되며 끝단은 B1으로 정의될 수 있다.
상기 제2 수직 와이어부(360)는 제1 내지 제3 서브 수직 와이어들(361, 362, 363)을 포함한다.
구체적으로, 상기 제1 서브 수직 와이어(361)는 일 단이 상기 제2 서브 수평 와이어(122)에만 전기적으로 연결되며, 타단은 상기 제5 및 제8 서브 수평 와이어들(132, 142)에는 전기적으로 연결되지 않고 B2로 정의될 수 있다.
또한, 상기 제2 서브 수직 와이어(362)는 일 단이 상기 제5 서브 수평 와이어(132)에만 전기적으로 연결되며, 타단은 상기 제8 서브 수평 와이어(142)에는 전기적으로 연결되지 않고 B3로 정의될 수 있다.
또한, 상기 제3 서브 수직 와이어(363)는 일 단이 상기 제8 서브 수평 와이어(142)에만 전기적으로 연결되며, 타단은 B4로 정의될 수 있다.
나아가, 상기 제3 수직 와이어부(370)는 상기 제3, 제6 및 제9 서브 수평 와이어들(123, 133, 143)에 전기적으로 연결되며 끝단은 B5로 정의될 수 있다.
상기와 같이 도식화된 병렬 회로에서, 초기 상태에서의 B1과 B2 사이, B1과 B3 사이, B1과 B4 사이의 저항과, B2와 B5 사이, B3와 B5 사이, B4와 B5 사이의 저항을 계측한다.
이 후, 일정 위치에 수직 방향의 압력이 인가된 후의, B1과 B2 사이, B1과 B3 사이, B1과 B4 사이의 저항과, B2와 B5 사이, B3와 B5 사이, B4와 B5 사이의 저항을 계측한다.
그리하여, 상기 B1~B2, B1~B3, B1~B4, B2~B5, B3~B5, B4~B5 중 적어도 하나의 저항 변화의 계측을 통해, 상기 인가되는 수직 방향(제3 방향)의 압력의 인가점을 확인할 수 있다.
즉, B1과 B2 사이의 저항이 변화된 것이 계측되면, 이는 R1의 변화가 계측된 것으로, 상기 압력의 인가점은 제1 센서(111)가 위치한 곳으로 확인될 수 있다. 또한, B1과 B3 사이의 저항이 변화된 것이 계측되면, 이는 R3의 변화가 계측된 것으로, 상기 압력의 인가점은 제3 센서(113)가 위치한 곳으로 확인될 수 있다. 또한, B1과 B4 사이의 저항이 변화된 것이 계측되면, 이는 R5의 변화가 계측된 것으로, 상기 압력의 인가점은 제5 센서(115)가 위치한 곳으로 확인될 수 있다. 또한, B2와 B5 사이의 저항이 변화된 것이 계측되면, 이는 R2의 변화가 계측된 것으로, 상기 압력의 인가점은 제2 센서(112)가 위치한 곳으로 확인될 수 있다. 또한, B3와 B5 사이의 저항이 변화된 것이 계측되면, 이는 R4의 변화가 계측된 것으로, 상기 압력의 인가점은 제4 센서(114)가 위치한 곳으로 확인될 수 있다. 또한, B4와 B5 사이의 저항이 변화된 것이 계측되면, 이는 R6의 변화가 계측된 것으로, 상기 압력의 인가점은 제6 센서(116)가 위치한 곳으로 확인될 수 있다.
이상과 같이, 본 실시예에서의 유연 압력측정 시스템(300)에서는, 개별 저항, 즉 개별 센서의 양단 사이의 저항의 변화를 각각 계측함으로써 해당 센서에 압력이 인가되었는지의 여부를 식별할 수 있으며, 회로의 구성, 즉 수직 와이어부들의 연결관계가 다소 복잡하기는 하지만 보다 정확하게 압력이 인가되는 인가점을 확인할 수 있는 장점이 있다.
도 7은 상기 유연 압력측정 시스템이 직조된 대면적 섬유직물의 예를 도시한 배면도이다.
도 7을 참조하면, 도 2 내지 도 6을 참조하여 설명한 상기 실시예에 의한 유연 압력측정 시스템(100, 300)은 대면적으로 형성되어, 도 7에 도시된 바와 같은 의류와 같은 섬유직물(400)에 직조될 수 있다.
이 경우, 상기 유연 압력측정 시스템(100, 300)은 압력의 측정이 필요한 위치에 대면적으로 형성될 수 있으며, 앞서 설명한 바와 같이 상기 유연 압력측정 시스템(100, 300)의 주요 구성요소인 센서들은 길이방향으로 연장되는 스트레치 센서이고 와이어부들은 전도사이므로 섬유직물에 직접 직조되도록 일체화하여 형성될 수 있으며, 상기 센서나 상기 와이어부를 고정하기 위한 별도의 고정 레이어나 고정 직물 등이 추가로 형성될 필요가 없다.
상기와 같은 본 발명의 실시예들에 의하면, 유연성 직물상에 형성되는 센서들과 상기 센서들 사이를 수평 또는 수직으로 전기적으로 서로 연결한 와이어들을 통해, 직물의 연장방향에 수직인 방향으로 인가되는 압력의 인가 위치를 정확하게 계측할 수 있다.
특히, 상기 센서들 및 상기 와이어들은 유연성 직물상에 직조되도록 형성되므로, 종래 복수의 층으로 적층됨에 따라 직물이 두꺼워지거나 제조 단가가 증가하는 등의 문제를 해결하면서도 압력의 인가 위치를 계측할 수 있다.
이 경우, 상기 센서는 길이방향으로의 인장 또는 압축에 따라 저항이 가변되는 스트레치 센서로서, 상기 센서들 사이에 상기 와이어들이 연결됨에 따라 수직 방향으로의 압력도 정확하게 계측이 가능하다. 나아가, 스트레치 센서는 와이어 타입의 센서이며, 와이어 역시 전도사로서 매우 얇은 소재이므로, 상기 유연성 직물 상에 일체로 용이하게 직조될 수 있어 제작 단가를 절감할 수 있으며, 직물의 통기성을 충분히 유지할 수 있다.
또한, 상기 유연성 직물이 대면적으로 형성되는 경우에도, 센서와 와이어들을 교번적으로 연결하는 것으로 대면적에 대한 압력측정 시스템을 용이하게 구현할 수 있다.
나아가, 저항 변화의 판단에 있어서도, 상기 와이어들을 수평 및 수직 와이어부들로 구분하고, 각각의 와이어들의 끝단 사이의 저항 변화를 바탕으로 압력 인가 위치를 제1 방향 및 제2 방향 각각에서 파악할 수 있으므로, 상대적으로 용이한 알고리즘으로 압력 위치에 대한 판단을 수행할 수 있다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
본 발명에 따른 유연 압력측정 시스템 및 이를 포함한 대면적 섬유직물은 의류 등의 섬유 제품에 사용될 수 있는 산업상 이용 가능성을 갖는다.
100, 300 : 유연 압력측정 시스템 110 : 센서부
120, 130, 140 : 수평 와이어부
150, 350, 160, 360, 170, 370 : 수직 와이어부

Claims (11)

  1. 유연성 직물;
    상기 유연성 직물 상에 형성되며, 제1 방향, 및 상기 제1 방향에 교차하는 제2 방향으로 일정 간격 서로 이격된 복수의 센서들을 포함하는 센서부;
    상기 제1 방향을 따라 서로 이격된 상기 센서들 사이를 전기적으로 서로 연결하는 복수의 수평 와이어부들; 및
    상기 제2 방향을 따라 연장되며, 상기 수평 와이어부들 사이를 전기적으로 서로 연결하고, 상기 수평 와이어부들과 교차하여 격자를 형성하는 복수의 수직 와이어부들을 포함하고,
    상기 센서부는, 상기 격자마다, 상기 수직 와이어부와 교차하지 않는 상기 수평 와이어부 상에 배열되는 스트레치(stretch) 센서인 것을 특징으로 하는 유연 압력측정 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 센서부, 상기 수평 와이어부들, 및 상기 수직 와이어부들은 상기 유연성 직물에 직조되는 것을 특징으로 하는 유연 압력측정 시스템.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 수평 와이어부들 및 상기 수직 와이어부들은 전도사(electric thread)인 것을 특징으로 하는 유연 압력측정 시스템.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 센서부는 길이방향으로 인장 또는 압축됨에 따라 양단의 저항이 변화하는 것을 특징으로 하는 유연 압력측정 시스템.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 제1 방향을 따른 상기 센서의 길이 대비, 상기 인접한 센서들 사이를 연결하는 수평 와이어부의 길이의 비가 클수록, 상기 저항의 변화율이 증가하는 것을 특징으로 하는 유연 압력측정 시스템.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 수평 와이어부들 각각의 양 끝단에서의 저항 변화를 바탕으로, 인가되는 압력의 상기 제2 방향으로의 위치를 판단하고,
    상기 수직 와이어부들 각각의 양 끝단에서의 저항 변화를 바탕으로, 인가되는 압력의 상기 제1 방향으로의 위치를 판단하는 것을 특징으로 하는 유연 압력측정 시스템.
  7. 제1항에 있어서, 상기 센서부는,
    상기 제1 방향으로 서로 이격된 제1 및 제2 센서들; 및
    상기 제1 방향으로 서로 이격되며, 상기 제1 및 제2 센서들 각각과 상기 제2 방향으로 서로 이격된 제3 및 제4 센서들을 포함하는 것을 특징으로 하는 유연 압력측정 시스템.
  8. 제7항에 있어서, 상기 수평 와이어부들은,
    상기 제1 센서의 외측에 연결된 제1 서브 수평 와이어, 상기 제1 및 제2 센서들 사이에 연결된 제2 서브 수평 와이어, 상기 제2 센서의 외측에 연결된 제3 서브 수평 와이어, 상기 제3 센서의 외측에 연결된 제4 서브 수평 와이어, 상기 제3 및 제4 센서들 사이에 연결된 제5 서브 수평 와이어, 및 상기 제4 센서의 외측에 연결된 제6 서브 수평 와이어를 포함하는 것을 특징으로 하는 유연 압력측정 시스템.
  9. 제8항에 있어서, 상기 수직 와이어부들은,
    상기 제1 및 제4 서브 수평 와이어들을 연결하는 제1 수직 와이어, 상기 제2 및 제5 서브 수평 와이어들을 연결하는 제2 수직 와이어, 및 상기 제3 및 제6 서브 수평 와이어들을 연결하는 제3 수직 와이어를 포함하는 것을 특징으로 하는 유연 압력측정 시스템.
  10. 제8항에 있어서, 상기 수직 와이어부들은,
    상기 제1 및 제4 서브 수평 와이어들을 연결하는 제1 수직 와이어, 상기 제2 서브 수평 와이어에만 연결된 제1 서브 수직 와이어, 상기 제5 서브 수평 와이어에만 연결된 제2 서브 수직 와이어, 및 상기 제3 및 제6 서브 수평 와이어들을 연결하는 제3 수직 와이어를 포함하는 것을 특징으로 하는 유연 압력측정 시스템.
  11. 사용자가 착용하는 섬유직물의 일부 면에 형성되어 인가되는 압력을 계측하는 유연 압력측정 시스템을 포함하고, 상기 유연 압력측정 시스템은,
    상기 섬유직물의 일부 면 상에 형성되며, 제1 방향, 및 상기 제1 방향에 교차하는 제2 방향으로 일정 간격 서로 이격된 복수의 센서들을 포함하는 센서부;
    상기 제1 방향을 따라 서로 이격된 상기 센서들 사이를 전기적으로 서로 연결하는 복수의 수평 와이어부들; 및
    상기 제2 방향을 따라 연장되며, 상기 수평 와이어부들 사이를 전기적으로 서로 연결하고, 상기 수평 와이어부들과 교차하여 격자를 형성하는 복수의 수직 와이어부들을 포함하고,
    상기 센서부는, 상기 격자마다, 상기 수직 와이어부와 교차하지 않는 상기 수평 와이어부 상에 배열되는 스트레치(stretch) 센서인 것을 특징으로 하는 것을 특징으로 하는 대면적 섬유직물.
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