KR102290936B1 - Piezoelectric sensor with a pressure carrier in a three-dimensional textile structure - Google Patents
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Abstract
본 발명은 삼차원 텍스타일 구조의 압력 전달체를 갖는 압전 센서에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 압력 전달체의 외력이 가해질 때, 복수 개의 필라멘트가 굽어지면서 압전 물질의 국부 영역들에 압력을 가하여 변형을 일으킴으로써, 압전 성능을 향상시킬 수 있는 삼차원 텍스타일 구조의 압력 전달체를 갖는 압전 센서.서에 관한 것이다.The present invention relates to a piezoelectric sensor having a pressure transmitting body of a three-dimensional textile structure, and more particularly, when an external force of the pressure transmitting body is applied, a plurality of filaments are bent while applying pressure to local areas of the piezoelectric material to cause deformation, It relates to a piezoelectric sensor document having a pressure transmitter having a three-dimensional textile structure capable of improving piezoelectric performance.
Description
본 발명은 삼차원 텍스타일 구조의 압력 전달체를 갖는 압전 센서에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 압력 전달체에 외력이 가해질 때, 복수 개의 필라멘트가 굽어지면서 압전 물질의 국부 영역들에 압력을 가하여 변형을 일으킴으로써, 압전 성능을 향상시킬 수 있는 삼차원 텍스타일 구조의 압력 전달체를 갖는 압전 센서에 관한 것이다.The present invention relates to a piezoelectric sensor having a pressure transmitting body of a three-dimensional textile structure, and more particularly, when an external force is applied to the pressure transmitting body, a plurality of filaments are bent while applying pressure to local areas of the piezoelectric material to cause deformation, It relates to a piezoelectric sensor having a pressure transmitter having a three-dimensional textile structure capable of improving piezoelectric performance.
웨어러블 헬스케어 분야에서 입력 기술은 사용자의 생체 신호, 움직임, 음성 인식 드으이 다양한 물리적, 화학적, 생물학적 신호를 전기적 신호로 변환하는 모든 장치 기술을 의미한다.In the field of wearable healthcare, input technology refers to any device technology that converts various physical, chemical, and biological signals such as user's bio-signals, movements, and voice recognition into electrical signals.
한편, 헬스케어용 입력 기술 장치는 맥박, 호흡, 심전도, 근육의 움직임 등의 생체 신호를 측정하는 센서, pH, 염도 등을 검출할 수 있는 생화학 센서, 주변 온도, 습도, 자외선 등을 검출할 수 있는 환경 센서를 포함하며, 다양한 자극 신호를 검출하기 위해서는 각각의 자극에 선택적이고 민감하게 감응하는 센서 소재를 선정하는 것이 중요하다.On the other hand, an input technology device for healthcare is a sensor that measures biological signals such as pulse, respiration, electrocardiogram, and muscle movement, a biochemical sensor that can detect pH and salinity, and can detect ambient temperature, humidity, ultraviolet rays, etc. It is important to select a sensor material that selectively and sensitively responds to each stimulus in order to detect various stimulus signals.
일반적으로 자극에 감응하는 감지 센서는 방식에 따라 크게 저항(resistive), 커패시턴스(Capacitive), 압전(piezoelectric), 마찰전기(Triboelectric), 초전(Pyroelectric)으로 분류된다.In general, a sensor that responds to a stimulus is largely classified into a resistive, a capacitance, a piezoelectric, a triboelectric, and a pyroelectric according to a method.
압진 물질은 진동 또는 압력을 가하게되면 전기를 발생하는 물질로, 고유의 결정 중심을 가지지 않는 결정 구조에 의해 쌍극자 모멘트가 형성되어 외부 전원 없이 전압 또는 전류 신호를 생성한다.A push-up material is a material that generates electricity when vibration or pressure is applied, and a dipole moment is formed by a crystal structure that does not have an intrinsic crystal center to generate a voltage or current signal without an external power source.
이때 생성되는 전류 및 전압은 가해지는 자극에 비례하여 세기가 달라지기 때문에 높은 반응 속도의 센서로 응용 가능할 뿐만 아니라 기계적 에너지를 전기적 에너지로 변환하는 에너지 하베스팅 기술로도 사용될 수 있으며 이러한 압전 물질로는 ZnO, PZT(Lead Zirconium Titanate), BaTiO3와 같은 무기 소재와 PVDF(Poly Vinylidene Fluoride), PVDF 기반 공중합체, Paraylene-C와 같은 고분자 유기 소재가 있다.At this time, the generated current and voltage change in intensity in proportion to the applied stimulus, so it can be applied as a sensor with a high reaction rate and can also be used as an energy harvesting technology that converts mechanical energy into electrical energy. There are inorganic materials such as ZnO, PZT (Lead Zirconium Titanate), and BaTiO 3 , and polymer organic materials such as PVDF (Poly Vinylidene Fluoride), PVDF-based copolymer, and Paraylene-C.
그러나, 무기 압전 물질은 유기 압전 물질에 비해 높은 압전 계수 및 압전 특성을 보이지만, 소재 고유의 강성으로 인해 유연 소자로 적용에 해결해야할 문제가 있으며, 유연한 고분자 압전 물질은 매우 유연하여 웨어러블 디바이스로의 적용에 적합하나 낮은 압전 특성을 개선하는 기술이 필요하다. However, inorganic piezoelectric materials show higher piezoelectric coefficients and piezoelectric properties compared to organic piezoelectric materials, but there are problems to be solved in application as flexible devices due to the inherent rigidity of the material. However, a technology to improve low piezoelectric properties is required.
본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 본 발명은 삼차원 텍스타일의 압력 전달체에 외력을 가하게되면, 압전 물질의 국부 영역들에 압력이 가해지게됨으로써, 압력을 전달하는 표면적이 증가하여 압전 특성을 증폭시킬 수 있는 삼차원 텍스타일 구조의 압력 전달체를 갖는 압전 센서를 제공하는 데 있다. The present invention has been devised to solve the above problems, and the present invention is that when an external force is applied to a pressure transmitter of a three-dimensional textile, pressure is applied to local areas of the piezoelectric material, thereby increasing the surface area for transferring the pressure to the piezoelectric material. An object of the present invention is to provide a piezoelectric sensor having a pressure transmitter having a three-dimensional textile structure capable of amplifying characteristics.
본 발명의 목적은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.Objects of the present invention are not limited to the objects mentioned above, and other objects not mentioned will be clearly understood by those skilled in the art from the following description.
상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 압력이 가해지면 전압을 발생하는 압전 물질; 및 삼차원 텍스타일 구조로, 상기 압전 물질의 상면 또는 하면에 부착되어 외력이 가해지면 복수 개의 필라멘트가 상기 압전 물질의 국부 영역으로 압력을 전달하는 압력 전달체;를 포함하는 것을 특징으로 하는 삼차원 텍스타일 구조의 압력 전달체를 갖는 압전 센서를 제공한다.In order to achieve the above object, the present invention provides a piezoelectric material for generating a voltage when pressure is applied; and a three-dimensional textile structure, a pressure transmitter that is attached to the upper or lower surface of the piezoelectric material and transmits pressure to a local area of the piezoelectric material by a plurality of filaments when an external force is applied; Pressure of the three-dimensional textile structure comprising a A piezoelectric sensor having a transmission body is provided.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 압전 물질은 ZnO, GaN, Pb(Zr,Ti)O3(PZT), BaTiO3, PVDF, P(VDF-TrFE), P(VDF-TeFE), P(VDF-TrFE-CTFE), 셀룰로오스(Cellulose) 중 어느 하나일 수 있다.In a preferred embodiment, the piezoelectric material is ZnO, GaN, Pb(Zr,Ti)O 3 (PZT), BaTiO 3 , PVDF, P(VDF-TrFE), P(VDF-TeFE), P(VDF-TrFE) -CTFE), it may be any one of cellulose (Cellulose).
바람직힌 실시예에 있어서, 상기 압력 전달체:는 필라멘트로 직조된 직물로 이루어진 상부 레이어층;과 하부 레이어층; 및 상기 상부 레이어층가 상기 하부 레이어층을 연결하는 필라멘트가 복수 개로 이루어진 연결층;을 포함하고, 상기 상부 레이어층에 가해지는 외력이 상기 연결층을 통해 상기 하부 레이어층으로 전달되면서 상기 압력 물질의 국부 영역에 압력이 전달된다.In a preferred embodiment, the pressure transmitter: an upper layer made of a fabric woven with a filament; and a lower layer; and a connection layer in which the upper layer layer includes a plurality of filaments connecting the lower layer layers, wherein an external force applied to the upper layer layer is transmitted to the lower layer layer through the connection layer, pressure is transferred to the area.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 상부 레이어층과 상기 하부 레이어층은 멀티 필라멘트로 직조된 층이고, 상기 연결층의 필라멘트는 모노 필라멘트일 수 있다.In a preferred embodiment, the upper layer layer and the lower layer layer may be multifilament woven layers, and the filaments of the connection layer may be monofilaments.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 모노 필라멘트는 프리-스트레인(Pre-strain)이 가해져 굽어진(bending) 형상일 수 있다.In a preferred embodiment, the monofilament is pre-strain (Pre-strain) is applied to the bent (bending) shape may be.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 모노 필라멘트의 직경은 0.06mm 내지 2mm일 수 있다.In a preferred embodiment, the diameter of the monofilament may be 0.06mm to 2mm.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 모노 필라멘트의 길이는 1mm 내지 100mm일 수 있다.In a preferred embodiment, the length of the monofilament may be 1mm to 100mm.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 모노 필라멘트의 밀도는 100ea/cm2 내지 1000ea/cm2일 수 있다.In a preferred embodiment, the density of the monofilament may be 100 ea/cm 2 to 1000 ea/cm 2 .
바람직한 실시예에 있어서, 상기 상부 레이어층과 상기 하부 레이어층은 복수의 영역으로 구획되고, 각 영역의 모노 필라멘트는 두께, 길이 또는 밀도가 상이할 수 있다.In a preferred embodiment, the upper layer layer and the lower layer layer are divided into a plurality of regions, and the monofilaments in each region may have different thicknesses, lengths, or densities.
또한, 본 발명은 압전 센서; 및 상기 압전 센서에 구비되어, 상기 압전 센서로부터 출력되는 데이터를 무선 통신망을 통해 컴퓨터로 송수신하기 위한 통신 모듈;을 포함하는 것을 특징으로 하는 스마트 웨어러블 센서를 제공할 수 있다.In addition, the present invention is a piezoelectric sensor; and a communication module provided in the piezoelectric sensor to transmit and receive data output from the piezoelectric sensor to a computer through a wireless communication network.
본 발명은 다음과 같은 우수한 효과가 있다.The present invention has the following excellent effects.
본 발명의 삼차원 텍스타일 구조의 압력 전달체를 갖는 압전 센서는 복수 개의 모노 필라 멘트가 프리 스트레인(Prestrain)이 가해져 굽어진 상태에서 외력이 가해지게 되면, 외력의 손실을 최소화하면서 압전 물질의 국부 지역들에 압력을 가할 수 있어, 압전 물질에 가해지는 압력의 표면적이 증가하여 높은 출력 전압을 생성할 수 있다는 장점이 있다.In the piezoelectric sensor having a pressure transmitter of a three-dimensional textile structure of the present invention, when an external force is applied to a plurality of monofilaments in a bent state due to prestraining, the loss of external force is minimized in local areas of the piezoelectric material. Since the pressure can be applied, the surface area of the pressure applied to the piezoelectric material is increased to generate a high output voltage.
또한, 본 발명의 삼차원 텍스타일 구조의 압력 전달체를 갖는 압전 센서는 감도가 우수하며, 높은 출력 전압을 생성할 수 있기 때문에 웨어러블 센서로 사용되어 에너지 하베스팅에 적용될 수 있는 장점이 있다.In addition, the piezoelectric sensor having a pressure transmitter having a three-dimensional textile structure of the present invention has excellent sensitivity and can generate a high output voltage, so it is used as a wearable sensor and can be applied to energy harvesting.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 압전 센서의 구성을 보여주는 도면,
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 압력 전달체의 구성을 보여주는 도면,
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 압력 전달체의 변형 시뮬레이션을 보여주는 이미지,
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 서로 다른 종류의 필라멘트로 이루어진 연결층을 갖는 압전 센서를 보여주는 이미지,
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 압력 전달체의 연결층에 대한 응력-압축 변형률 선도 그래프,
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 압전 센서들의 성능을 보여주는 이미지
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 신발에 부착된 압전 센서로부터 측정된 걸음 걸이에 대한 전압 특성을 보여주는 그래프,
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 신발에 부착된 압전 센서로부터 측정된 걸음 걸이에 대한 전압 충전 및 전류 그래프이다.1 is a view showing the configuration of a piezoelectric sensor according to an embodiment of the present invention;
2 is a view showing the configuration of a pressure transmission body according to an embodiment of the present invention;
3 is an image showing a deformation simulation of a pressure transmitter according to an embodiment of the present invention;
4 is an image showing a piezoelectric sensor having a connecting layer made of different types of filaments according to an embodiment of the present invention;
5 is a stress-compression strain diagram for a connection layer of a pressure transmitter according to an embodiment of the present invention;
6 is an image showing the performance of piezoelectric sensors according to an embodiment of the present invention;
7 is a graph showing voltage characteristics for gait measured from a piezoelectric sensor attached to a shoe according to an embodiment of the present invention;
8 is a voltage charge and current graph for gait measured from a piezoelectric sensor attached to a shoe according to an embodiment of the present invention.
본 발명에서 사용되는 용어는 가능한 현재 널리 사용되는 일반적인 용어를 선택하였으나, 특정한 경우는 출원인이 임의로 선정한 용어도 있는데 이 경우에는 단순한 용어의 명칭이 아닌 발명을 실시하기 위한 구체적인 내용에 기재되거나 사용된 의미를 고려하여 그 의미가 파악되어야 할 것이다.The terms used in the present invention have been selected as widely used general terms as possible, but in certain cases, there are also terms arbitrarily selected by the applicant. should be taken into account to understand its meaning.
이하, 첨부한 도면에 도시된 바람직한 실시예들을 참조하여 본 발명의 기술적 구성을 상세하게 설명한다.Hereinafter, the technical configuration of the present invention will be described in detail with reference to preferred embodiments shown in the accompanying drawings.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 압전 센서의 구성을 보여주는 도면, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 압력 전달체의 구성을 보여주는 도면이다.1 is a view showing the configuration of a piezoelectric sensor according to an embodiment of the present invention, Figure 2 is a diagram showing the configuration of a pressure transmitting body according to an embodiment of the present invention.
도 1 내지 도 2를 참조하면 본 발명의 일 실시예에 따른 압전 센서(100)는 압전 물질(110) 및 압력 전달체(120)를 포함하여 이루어진다.1 to 2 , the
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 압전 센서(100)는 출력되는 데이터를 무선 통신망을 통해 컴퓨터와 송수신할 수 있는 통신 모듈이 구비되어, 하나의 스마트 웨어러블 센서로 제공될 수 있다.In addition, the
여기서, 상기 컴퓨터는 일반적인 퍼스널 컴퓨터뿐만 아니라 스마트 기기와 같은 장치일 수 있다.Here, the computer may be a device such as a smart device as well as a general personal computer.
상기 압전 물질(110)은 압력이 가해지면, 전압을 생성할 수 있는 물질로 ZnO, Gan, Pb(Zr,Ti)O3(PZT), BaTiO3, PVDF, P(VDF-TrFE), P(VDF-TeFE), P(VDF-TrFE-CTFE), 셀룰로오스(Cellulose) 중 어느 하나일 수 있다.The
또한, 상기 압전 물질(110)은 위에서 언급한 물질 이외에도 상기 압전 물질(110)의 단점을 보완하기 위해 다른 물질과 합성하여 1차원 또는 2차원 복합체로 제조될 수 있다.In addition, the
또한, 상기 압전 물질(110)은 면, 파이버 또는 필름 형태로 제조될 수 있다.In addition, the
또한, 상기 압전 물질(110)의 상면과 하면에는 전극(111)이 각각 배치되며, 이에 따라, 압력에 의해 상기 압전 물질(110)에서 생성되는 전압이 상기 전극(111)에 의해 외부로 출력될 수 있다.In addition,
상기 압력 전달체(120)는 삼차원 텍스타일 구조로, 상기 압전 물질(110)의 국부 지역들에 압력을 전달하며, 상부 레이어층(121), 하부 레이어층(122) 및 연결층(123)을 포함하여 이루어진다.The
여기서, 상기 상부 레이어층(121)은 외력에 의해 압력이 가해지는 층이며, 상기 하부 레이어층(122)은 상기 압전 물질(110)의 표면에 직접적으로 부착되어 상기 상부 레이어층(121)으로부터 전달받은 압력을 상기 압착 물질(110)로 전달하는 층, 그리고 상기 연결층(123)은 상기 상부 레이어층(121)에 가해진 압력을 상기 하부 레이어층(122)으로 전달하는 역할을 수행하는 층이다.Here, the
또한, 상기 압력 전달체(120)는 상기 압전 물질(110)의 상면 또는 하면에 부착되거나, 양면에 모두 부착될 수 있다.In addition, the
또한, 상기 상부 레이어층(121)과 상기 하부 레이어층(122)은 필라멘트로 직조된 직물 형태로 이루어진 층으로, 상기 필라멘트는 멀티 필라멘트인 것이 바람직하다..In addition, the
또한, 상기 연결층(123)은 상기 상부 레이어층(121)과 상기 하부 레이어층(122) 사이에 배치되어, 상기 상부 레이어층(121)과 상기 하부 레이어층(122)을 연결하는 복수 개의 필라멘트(123a)로 이루어진다.In addition, the
여기서, 상기 연결층(123)의 필라멘트(123a)는 모노 필라멘트인 것이 바람직하다.Here, the
또한, 상기 필라멘트(123a)는 프리-스트레인(Pre-Strain)을 가하여 굽어지도록(bending) 변형된 상태로 상기 상부 레이어층(121)과 상기 하부 레이어층(122)에 연결하는 것이 바람직하다.In addition, the
한편, 상기 필라멘트(123a)를 프리 스트레인을 가한 상태에서 상기 상부 레이어층(121)과 상기 하부 레이어층(122)을 연결하게 되면, 상기 상부 레이어층(121)에서부터 전달되는 압력의 에너지 손실을 최소화할 수 있다.On the other hand, when the
자세하게는 상기 필라멘트(123a)를 일직선으로 핀 상태에서 상기 상부 레이어층(121)과 상기 하부 레이어층(122)에 연결하면, 상기 상부 레이어층(121)에서부터 전달되는 압력에 의해 상기 필라멘트(123a)가 구겨지면서, 에너지를 흡수하여 충격을 흡수하는 충격 흡수체 역할을 수행하게되는 문제가 있으나 미리 굽어진 상태로 프리 스트레인을 가하게되면, 에너지 흡수를 최소화하여, 상기 하부 레이어층(122)에 압력을 가할 수 있다.In detail, when the
즉, 프리 스트레인이 가해진 상기 필라멘트(123a)가 초기 상태보다 더 굽어지게되면서 상기 하부 레이어층(122)의 표면을 가압하게되고, 이를 통해 상기 압착 물질(110)까지 압력이 전달되게 된다. That is, as the
따라서, 상기 필라멘트(123a)의 개수만큼 상기 압착 물질(110)의 국부 지역에 압력이 가해지게되고, 압력이 전달되는 표면적이 증가함에 따라 변형이 크게 발생하여 생산되는 전압 또한 증가하게 된다.Accordingly, pressure is applied to the local area of the
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 압력 전달체의 변형 시뮬레이션을 보여주는 이미지로, 도 3의 a)는 모노 필라멘트가 굽어짐에 따라 하부 레이어층에 압력이 가해지는 표면적이 증가하는 시뮬레이션, 도 3의 b)는 모노 필라멘트가 압력이 가해질 때, 하부 레이어층에 형성되는 변형을 보여주는 시뮬레이션, 도 3의 c)는 하부 레이어층의 변형에 따라 압전 물질에 생성되는 전압을 보여주는 시뮬레이션이다.3 is an image showing a deformation simulation of a pressure transmitter according to an embodiment of the present invention. FIG. 3 a) is a simulation in which the surface area applied to the lower layer increases as the monofilament is bent, FIG. 3 Fig. b) is a simulation showing the deformation formed in the lower layer layer when the monofilament is subjected to pressure, and Fig. 3 c) is a simulation showing the voltage generated in the piezoelectric material according to the deformation of the lower layer layer.
도 3에 도시된 바와 같이, 연결층(123)의 필라멘트(123a)를 모노 필라멘트를 사용하여 구성하였으며, 시뮬레이션 결과, 상기 필라멘트(123a)가 굽어지면서 하부 레이어층(122)에 국부 지역에 압력을 가하게되는 것을 확인할 수 있고, 다수의 국부 지역에 압력이 가해짐에 따라 압전 물질(110)에서 높은 전압을 출력하는 것을 확인할 수 있다. As shown in FIG. 3 , the
또한, 상기 필라멘트(123a)의 두께는 0.06mm 내지 2mm일 수 있다.In addition, the thickness of the filament (123a) may be 0.06mm to 2mm.
또한, 상기 필라멘트(123a)의 길이는 1mm 내지 100mm일 수 있으며, 바람직하게는 상기 필라멘트(123a)의 길이는 6mm일 수 있다.In addition, the length of the filament (123a) may be 1mm to 100mm, preferably, the length of the filament (123a) may be 6mm.
또한, 상기 필라멘트(123a)의 밀도는 100ea/cm2 내지 1000ea/cm2일 수 있다.In addition, the density of the
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 서로 다른 종류의 필라멘트로 이루어진 연결층을 갖는 압전 센서를 보여주는 이미지로, 도 4의 a)는 서로 다른 종류의 필라멘트로 구성된 연결층을 보여주는 사진, 도 4의 b)는 목에 착용된 압전 센서로부터 측정된 제1 측정 그래프, 도 4의 c)는 목에 착용된 압전 센서로부터 측정된 제2 측정 그래프를 보여준다.4 is an image showing a piezoelectric sensor having a connecting layer made of different types of filaments according to an embodiment of the present invention. b) shows a first measurement graph measured from the piezoelectric sensor worn on the neck, and c) of FIG. 4 shows a second measurement graph measured from the piezoelectric sensor worn on the neck.
한편, 도 4에 도시된 바와 같이 상기 상부 레이어층(121)과 상기 하부 레이어층(122)은 복수의 영역으로 구획될 수 있다.Meanwhile, as shown in FIG. 4 , the
자세하게는 상기 복수의 영역은 상기 필라멘트(123a)의 두께, 길이, 밀도가 상이하게 배치되도록 나뉠수 있으며, 이에 따라, 상기 연결층(123)이 압력을 상기 하부 레이어층(122)으로 전달할 때 상기 하부 레이어층(122)으로 전해지는 압력이 각 영역마다 다르게 전달되어 상기 압전 물질(110)에 생성되는 전압의 크기 또한 움직임의 방향에 따라 상이하게 출력될 수 있다.In detail, the plurality of regions may be divided to have different thicknesses, lengths, and densities of the
따라서, 복수의 영역으로 하나의 압전 센서(100)를 만들게되면, 각 영역마다 상이하게 출력되는 전압에 의해 신체 또는 사물의 움직임에 따른 방향(좌,우,앞,뒤)을 감지할 수 있다는 장점이 있다.Therefore, when one
[실험예 1][Experimental Example 1]
압력 전달체를 제조하여 실험을 수행하였으며, 연결층을 모노 필라멘트로 구성하되, 각 압력 전달체는 길이가 4mm, 5mm, 6mm인 모노 필라멘트를 일정한 프리 스트레인을 가한 상태에서 상부 레이어층과 하부 레이어층을 연결하였다.An experiment was performed by manufacturing a pressure transmitter, and the connecting layer was composed of monofilaments, but each pressure transmitter connected the upper and lower layers with monofilaments of 4 mm, 5 mm, and 6 mm in length with a constant pre-strain applied. did.
이렇게 제조된 각각의 압력 전달체에 외력을 가해 모노 필라멘트의 길이에 따른 응력-변형률 선도를 관찰하였다.By applying an external force to each of the pressure transmitters thus prepared, a stress-strain curve according to the length of the monofilament was observed.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 압력 전달체의 연결층에 대한 압축 응력-압축 변형률 선도 그래프이다. 5 is a compressive stress-compressive strain diagram for a connection layer of a pressure transmitter according to an embodiment of the present invention.
도 5에 도시된 바와 같이, 6mm의 길이를 갖는 모노 필라멘트를 사용한 압력 전달체가 압력에 따라 높은 변형률을 보여주고 있어 상기 모노 필라멘트에서 상기 하부 레이어층으로 압력이 전달될 때 에너지 손실이 최소화된다는 것을 알 수 있다.As shown in FIG. 5, it can be seen that the pressure transmitter using the monofilament having a length of 6 mm shows a high strain according to the pressure, so that the energy loss is minimized when the pressure is transferred from the monofilament to the lower layer. can
[실험예 2][Experimental Example 2]
4개의 압전 센서를 제조하여 실험을 수행하였으며, 압력 전달체를 포함하지 않은 압전 센서와 압력 전달체의 연결층이 모노 필라멘트로 구성되되, 모노 필라멘트의 길이가 4mm 이고 밀도가 750ea/cm2인 압전 센서, 모노 필라멘트의 길이가 4mm이고 밀도가 1000ea/cm2인 압전 센서, 모노 필라멘트의 길이가 6mm이고 밀도가 1000ea/cm2인 압전 센서를 각각 제조하여 압력에 의해 출력되는 전압을 관찰하였다.Experiments were conducted by manufacturing four piezoelectric sensors, and the piezoelectric sensor without a pressure transmitter and the connecting layer of the pressure transmitter consist of monofilaments, the monofilament length is 4mm and the density is 750ea/cm 2 piezoelectric sensor, A piezoelectric sensor having a monofilament length of 4 mm and a density of 1000 ea/cm 2 and a monofilament length of 6 mm and a density of 1000 ea/cm 2 were manufactured, respectively, and the voltage output by the pressure was observed.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 압전 센서들의 성능을 보여주는 도면으로 a)는 압전 센서들의 출력 전압을 보여주는 그래프, b)는 압전 센서들의 출력 전압과 센서 민감도를 보여주는 그래프이다.6 is a view showing the performance of piezoelectric sensors according to an embodiment of the present invention. A) is a graph showing the output voltage of the piezoelectric sensors, and b) is a graph showing the output voltage and sensor sensitivity of the piezoelectric sensors.
도 6에 도시된 바와 같이, 모노 필라멘트를 사용하지 않은 즉 연결 전달체를 사용하지 않은 상태에서 압전 물질에 압력을 가할 경우에는 생산되는 전압과 전압의 증가량이 낮은 것으로 나타났으나, 연결 전달체를 포함하는 압전 센서의 경우 초기 생성되는 전압이 높을뿐만 아니라 압력에 따라 증가하는 전압의 증가량이 상당히 높은 것을 확인할 수 있다. As shown in FIG. 6 , when pressure is applied to the piezoelectric material in a state that does not use a monofilament, that is, without using a connecting carrier, the voltage produced and the increase in voltage are low. In the case of the piezoelectric sensor, it can be seen that not only the initially generated voltage is high, but also the amount of increase in the voltage that increases according to the pressure is quite high.
또한, 모노 필라멘트의 길이가 6mm이고 밀도가 1000ea/cm2인 연결층을 갖는 연결 전달체를 포함하는 압전 센서를 기준으로 센서의 민감도가 압력 전달체를 사용하지 않은 압전 센서보다 8배 가량 높은 것을 확인할 수 있다.In addition, it can be seen that the sensitivity of the sensor is about 8 times higher than that of the piezoelectric sensor that does not use the pressure transmitter, based on the piezoelectric sensor including the connecting carrier having a connecting layer with a monofilament length of 6 mm and a density of 1000 ea/cm2. .
[실험예 3][Experimental Example 3]
압력 전달체를 갖는 압전 센서를 제조하여, 신발의 인솔에 부착하고 걸음 걸이에 따라 생성되는 전압과 전류를 관찰하였다.A piezoelectric sensor having a pressure transmitter was manufactured, attached to the insole of a shoe, and the voltage and current generated according to the gait were observed.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 신발에 부착된 압전 센서로부터 측정된 걸음 걸이에 대한 전압 특성을 보여주는 그림이다.7 is a diagram showing voltage characteristics for gait measured from a piezoelectric sensor attached to a shoe according to an embodiment of the present invention.
도 7에 도시된 바와 같이 신발이 지면에 닿아 신체의 무게 중심이 압전 센서로 쏠리게 되면서 전압이 생성되는 것을 확인할 수 있다.As shown in FIG. 7 , it can be confirmed that the voltage is generated as the shoe touches the ground and the center of gravity of the body is shifted to the piezoelectric sensor.
또한, 출력되는 전압과 전압이 생성되는 시간의 패턴을 이용하여 신체 이상을 판단하기 위한 의미있는 데이터로 활용할 수 있을만큼 높은 전압이 생산되는 것을 알 수 있다.In addition, it can be seen that a voltage high enough to be used as meaningful data for judging a body abnormality is generated using the output voltage and the pattern of the time when the voltage is generated.
도 8는 본 발명의 일 실시예에 따른 신발에 부착된 압전 센서로부터 측정된걸음 걸이에 대한 전압 충전 및 전류 그래프로, 도 8의 a)는 신발에 부착된 압전 센서로부터 생산되는 전압이 커패시터에 충전되는 것을 보여주는 그래프, 도 8의 b)는 신발에 부착된 압전 센서로부터 발생하는 전류 그래프이다.8 is a voltage charging and current graph for gait measured from a piezoelectric sensor attached to a shoe according to an embodiment of the present invention. A graph showing charging, b) of FIG. 8 is a current graph generated from a piezoelectric sensor attached to a shoe.
또한, 도 8에 도시된 바와 같이 신발에 부착된 압전 센서로부터 생산된 전압에 의해 커패시터가 충전이 가파르게 이루어지며, 높은 전압뿐만 아니라 6uA 이상의 높은 전류를 생성하기 때문에 에너지 효율이 높아 에너지 하베스팅에 적용하여 충분히 이용할 수 있다는 것을 확인할 수 있다.In addition, as shown in FIG. 8 , the capacitor is charged steeply by the voltage generated from the piezoelectric sensor attached to the shoe, and the energy efficiency is high because it generates not only a high voltage but also a high current of 6uA or more, so it is applied to energy harvesting So you can check that you can use it sufficiently.
이상에서 살펴본 바와 같이 본 발명은 바람직한 실시예를 들어 도시하고 설명하였으나, 상기한 실시예에 한정되지 아니하며 본 발명의 정신을 벗어나지 않는 범위 내에서 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변경과 수정이 가능할 것이다.As described above, the present invention has been illustrated and described with reference to preferred embodiments, but it is not limited to the above-described embodiments, and those of ordinary skill in the art to which the present invention pertains within the scope not departing from the spirit of the present invention Various changes and modifications will be possible.
100:압전 센서 110:압전 물질
120:압력 전달체 121:상부 레이어층
122:하부 레이어층 123:연결층100: piezoelectric sensor 110: piezoelectric material
120: pressure transmitter 121: upper layer layer
122: lower layer layer 123: connection layer
Claims (10)
복수 개의 필라멘트를 포함하는 삼차원 텍스타일 구조로 이루어지며 상기 압전 물질의 상면 또는 하면에 부착되어 외력이 가해지면 상기 복수 개의 필라멘트가 굽어지면서 상기 압전 물질의 국부 영역으로 압력을 전달하는 압력 전달체;를 포함하는 것을 특징으로 하는 삼차원 텍스타일 구조의 압력 전달체를 갖는 압전 센서.a piezoelectric material that produces a voltage when pressure is applied; and
It has a three-dimensional textile structure including a plurality of filaments and is attached to the upper or lower surface of the piezoelectric material, and when an external force is applied, the plurality of filaments are bent and a pressure transmitting body that transmits pressure to a local area of the piezoelectric material; Containing; A piezoelectric sensor having a pressure transmission body of a three-dimensional textile structure, characterized in that.
상기 압전 물질은 ZnO, GaN, Pb(Zr,Ti)O3(PZT), BaTiO3, PVDF, P(VDF-TrFE), P(VDF-TeFE), P(VDF-TrFE-CTFE), 셀룰로오스(Cellulose) 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 삼차원 텍스타일 구조의 압력 전달체를 갖는 압전 센서.The method of claim 1,
The piezoelectric material is ZnO, GaN, Pb(Zr,Ti)O 3 (PZT), BaTiO 3 , PVDF, P(VDF-TrFE), P(VDF-TeFE), P(VDF-TrFE-CTFE), cellulose ( Cellulose) a piezoelectric sensor having a pressure transmission body of a three-dimensional textile structure, characterized in that any one.
상기 압력 전달체:는
필라멘트로 직조된 직물로 이루어진 상부 레이어층;과 하부 레이어층; 및
상기 상부 레이어층가 상기 하부 레이어층을 연결하는 필라멘트가 복수 개로 이루어진 연결층;을 포함하고,
상기 상부 레이어층에 가해지는 외력이 상기 연결층을 통해 상기 하부 레이어층으로 전달되면서 상기 압전 물질의 국부 영역에 압력이 전달되는 것을 특징으로 하는 삼차원 텍스타일 구조의 압력 전달체를 갖는 압전 센서.The method of claim 1,
The pressure carrier:
An upper layer layer made of a fabric woven with filaments; and a lower layer layer; and
and a connection layer in which the upper layer layer includes a plurality of filaments connecting the lower layer layers.
A piezoelectric sensor having a pressure transmitter having a three-dimensional textile structure, characterized in that the external force applied to the upper layer is transferred to the lower layer through the connection layer, and the pressure is transferred to the local area of the piezoelectric material.
상기 상부 레이어층과 상기 하부 레이어층은 멀티 필라멘트로 직조된 층이고, 상기 연결층의 필라멘트는 모노 필라멘트인 것을 특징으로 하는 삼차원 텍스타일 구조의 압력 전달체를 갖는 압전 센서.4. The method of claim 3,
The piezoelectric sensor having a pressure transmitter of a three-dimensional textile structure, characterized in that the upper layer layer and the lower layer layer are multi-filament woven layers, and the filaments of the connection layer are monofilaments.
상기 모노 필라멘트는 프리-스트레인(Pre-strain)이 가해져 굽어진(bending) 형상인 것을 특징으로 하는 삼차원 텍스타일 구조의 압력 전달체를 갖는 압전 센서.5. The method of claim 4,
The monofilament is a piezoelectric sensor having a pressure transmitting body of a three-dimensional textile structure, characterized in that the pre-strain is applied to the bent (bending) shape.
상기 모노 필라멘트의 직경은 0.06mm 내지 2mm인 것을 특징으로 하는 삼차원 텍스타일 구조의 압력 전달체를 갖는 압전 센서.6. The method of claim 5,
A piezoelectric sensor having a pressure transmitter of a three-dimensional textile structure, characterized in that the monofilament has a diameter of 0.06 mm to 2 mm.
상기 모노 필라멘트의 길이는 1mm 내지 100mm인 것을 특징으로 하는 삼차원 텍스타일 구조의 압력 전달체를 갖는 압전 센서.7. The method of claim 6,
A piezoelectric sensor having a pressure transmitter of a three-dimensional textile structure, characterized in that the monofilament has a length of 1 mm to 100 mm.
상기 모노 필라멘트의 밀도는 100ea/cm2 내지 1000ea/cm2인 것을 특징으로 하는 삼차원 텍스타일 구조의 압력 전달체를 갖는 압전 센서.8. The method of claim 7,
The density of the monofilament is 100ea/cm 2 to 1000ea/cm 2 A piezoelectric sensor having a pressure transmitter of a three-dimensional textile structure, characterized in that it is.
상기 상부 레이어층과 상기 하부 레이어층은 복수의 영역으로 구획되고, 각 영역의 모노 필라멘트는 두께, 길이 또는 밀도가 상이한 것을 특징으로 하는 삼차원 텍스타일 구조의 압력 전달체를 갖는 압전 센서.9. The method of claim 8,
The upper layer layer and the lower layer layer are divided into a plurality of regions, and monofilaments in each region have different thicknesses, lengths, or densities.
상기 압전 센서에 구비되어, 상기 압전 센서로부터 출력되는 데이터를 무선 통신망을 통해 컴퓨터로 송수신하기 위한 통신 모듈;을 포함하는 것을 특징으로 하는 스마트 웨어러블 센서.
The piezoelectric sensor of any one of claims 1 to 9; and
and a communication module provided in the piezoelectric sensor to transmit and receive data output from the piezoelectric sensor to a computer through a wireless communication network.
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|---|---|---|---|
| KR1020200007265A KR102290936B1 (en) | 2020-01-20 | 2020-01-20 | Piezoelectric sensor with a pressure carrier in a three-dimensional textile structure |
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|---|---|---|---|---|
| KR20230143824A (en) | 2022-04-06 | 2023-10-13 | 충남대학교산학협력단 | Pressure sensor using condensation effect |
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