KR102342638B1 - 압력 감지 센서 및 이를 포함하는 압력 감지 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 한 실시예에 따른 압력 감지 센서는 제1 전극층, 제2 전극층, 그리고 상기 제1 전극층과 상기 제2 전극층 사이에 배치되며, 비공극 영역 내에 공극 영역이 분산된 폼(foam) 및 상기 폼 내에 분산되며 상기 폼 보다 도전율이 큰 전도 물질을 포함하는 중간층을 포함하며, 상기 전도 물질의 적어도 일부는 상기 비공극 영역 내에 분산되고, 상기 전도 물질은 제1 전도 물질, 그리고 상기 제1 전도 물질과 이종인 제2 전도 물질을 포함한다.

Description

압력 감지 센서 및 이를 포함하는 압력 감지 장치{PRESSURE SENSING SENSOR AND PRESSURE SENSING APPARATUS COMPRISING THE SAME}
본 발명은 압력 감지에 관한 것으로, 보다 상세하게는 압력을 감지하는 센서 및 장치에 관한 것이다.
가정용 안전 장치뿐만 아니라 체압 분포를 이용하는 다양한 응용 분야에서 압력을 감지하기 위한 장치가 요구된다.
압력 감지 장치는 하부 전극, 하부 전극 상에 배치된 중간층, 그리고 중간층 상에 배치된 상부 전극을 포함한다. 중간층은 탄성을 가지며, 전도성 필러를 포함할 수 있다. 이러한 압력 감지 장치의 성능은 중간층의 탄성 복원력, 전도 성능 등에 영향을 받을 수 있다.
일반적으로, 중간층은 탄성의 기재를 전도성 용액에 침지한 후, 세정 및 건조를 거치는 과정으로 제작될 수 있다. 이러한 경우, 압력 감지 장치의 반복적인 사용에 따라, 탄성의 기재 표면에 부착된 전도성 필러가 이탈될 수 있으며, 이탈된 전도성 필러는 주변 오염원이 될 뿐만 아니라, 압력 감지 장치의 센싱 감도를 떨어뜨리는 원인이 될 수도 있다.
또한, 전도성 필러를 기재 표면에 부착시키기 위하여, 전도성 용액이 접착제를 포함하는 경우, 중간층의 탄성 복원력이 떨어질 수 있다.
공개특허공보 제10-2017-0040985호(2017.04.14)
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 가해진 무게에 따른 압력을 감지하는 압력 감지 장치를 제공하는 데 있다.
본 발명의 한 실시예에 따른 압력 감지 장치는 제1 전극층, 제2 전극층, 그리고 상기 제1 전극층과 상기 제2 전극층 사이에 배치되며, 비공극 영역 내에 공극 영역이 분산된 폼(foam) 및 상기 폼 내에 분산되며 상기 폼 보다 도전율이 큰 전도 물질을 포함하는 중간층을 포함하며, 상기 전도 물질의 적어도 일부는 상기 비공극 영역 내에 분산되고, 상기 전도 물질은 제1 전도 물질, 그리고 상기 제1 전도 물질과 이종인 제2 전도 물질을 포함한다.
상기 제2 전도 물질의 전기전도도는 상기 제1 전도 물질의 전기전도도보다 높을 수 있다.
상기 제1 전도 물질은 비결정성 카본이고, 상기 제2 전도 물질은 결정성 카본일 수 있다.
상기 제1 전도 물질은 카본블랙을 포함하고, 상기 제2 전도 물질은 탄소나노튜브, 그래핀 및 그라파이트로 이루어진 그룹에서 선택될 수 있다.
상기 제2 전도 물질 10 중량부에 대하여 상기 제1 전도 물질은 20 중량부 이상 100 중량부 이하로 포함될 수 있다.
상기 전도 물질의 적어도 일부는 상기 비공극 영역 및 상기 공극 영역 간의 경계면을 통과할 수 있다.
상기 전도 물질의 적어도 일부는 상기 공극 영역 내에 분산될 수 있다.
상기 중간층의 두께 및 체적 중 적어도 하나의 변화에 따라 상기 중간층의 저항이 변화할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 압력 감지 센서는 제1 전도 영역을 포함하는 제1 전극층, 상기 제1 전극층과 수평면 상에 이격되어 배치되며 제2 전도 영역을 포함하는 제2 전극층, 그리고 상기 제1 전극층과 상기 제2 전극층 사이에 배치되며, 비공극 영역 내에 공극 영역이 분산된 폼(foam) 및 상기 폼 내에 분산되며 상기 폼 보다 도전율이 큰 전도 물질을 포함하는 중간층을 포함하며, 상기 전도 물질의 적어도 일부는 상기 비공극 영역 내에 분산되고, 상기 전도 물질은 제1 전도 물질, 그리고 상기 제1 전도 물질과 이종인 제2 전도 물질을 포함한다.
상기 제1 전도 영역 및 상기 제2 전도 영역 중 적어도 하나는 전도성 섬유로 이루어진 직물일 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 압력 감지 장치는 압력 감지 센서, 상기 압력 감지 센서와 연결되며, 상기 압력 감지 센서에서 발생한 전기 신호를 처리하는 신호 처리부, 그리고 상기 신호 처리부와 연결되며, 상기 신호 처리부에 의하여 처리된 신호에 기초하여 제어 신호를 생성하는 제어부를 포함하며, 상기 압력 감지 센서는 제1 전극층, 제2 전극층, 그리고 상기 제1 전극층과 상기 제2 전극층 사이에 배치되며, 비공극 영역 내에 공극 영역이 분산된 폼(foam) 및 상기 폼 내에 분산되며 상기 폼 보다 도전율이 큰 전도 물질을 포함하는 중간층을 포함하며, 상기 전도 물질의 적어도 일부는 상기 비공극 영역 내에 분산되고, 상기 전도 물질은 제1 전도 물질, 그리고 상기 제1 전도 물질과 이종인 제2 전도 물질을 포함한다.
본 발명의 실시예에 따른 압력 감지 장치는 가해진 무게에 따른 압력을 정밀하게 감지할 수 있으며, 압력 분포를 정확하게 감지할 수 있다.
특히, 본 발명의 실시예에 따르면, 전도성 필러의 이탈을 최소화하여 내구성이 높으며, 탄성 복원력이 높은 압력 감지 장치를 얻을 수 있다. 또한, 본 발명의 실시예에 따르면, 제작 공정을 단순화할 수 있다.
또한 본 발명의 실시예에 따르면, 압력 감지 장치가 가변하는 저항의 범위가 확대될 수 있으며, 이에 따라 넓은 범위의 압력 감지가 가능하다.
도 1은 본 발명의 한 실시예에 따른 압력 감지 센서의 사시도이다.
도 2는 본 발명의 한 실시예에 따른 압력 감지 센서의 중간층의 확대도이다.
도 3은 본 발명의 한 실시예에 따른 압력 감지 센서의 제조 방법을 나타내는 순서도이다.
도 4 내지 5는 비교예에 따라 제조된 중간층의 SEM 사진이다.
도 6 내지 7은 본 발명의 한 실시예에 따라 제조된 중간층의 SEM 사진이다.
도 8은 비교예 1에 따른 중간층에 가해지는 압력에 대한 저항 값의 변화 범위를 나타내는 그래프이다.
도 9는 비교예 2에 따른 중간층에 가해지는 압력에 대한 저항 값의 변화 범위를 나타내는 그래프이다.
도 10은 비교예 3에 따른 중간층에 가해지는 압력에 대한 저항 값의 변화 범위를 나타내는 그래프이다.
도 11은 실시예 1 내지 3에 따른 중간층에 가해지는 압력에 대한 저항 값의 변화 범위를 나타내는 그래프이다.
도 12는 본 발명의 다른 실시예에 따른 압력 감지 센서의 중간층의 확대도이다.
도 13은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 압력 감지 센서의 단면도이다.
도 14는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 압력 감지 센서의 단면도이다.
도 15는 본 발명의 실시예에 따른 압력 감지 장치의 블록도이다.
도 16은 본 발명의 한 실시예에 따른 압력 감지 장치가 압력 감지 의자에 적용된 예를 도시한다.
도 17은 본 발명의 한 실시예에 따른 압력 감지 장치가 압력 감지 매트에 적용된 예를 도시한다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
제2, 제1 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지는 않는다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제2 구성요소는 제1 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제1 구성요소도 제2 구성요소로 명명될 수 있다. 및/또는 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.
실시예들의 설명에 있어서, 각 층(막), 영역, 패턴 또는 구조들이 기판, 각층(막), 영역, 패드 또는 패턴들의 "상/위(on)"에 또는 "하/아래(under)"에 형성된다는 기재는, 직접(directly) 또는 다른 층을 개재하여 형성되는 것을 모두 포함한다. 각 층의 상/위 또는 하/아래에 대한 기준은 도면을 기준으로 설명한다. 또한, 도면에서 각 층(막), 영역, 패턴 또는 구조물들의 두께나 크기는 설명의 명확성 및 편의를 위하여 변형될 수 있으므로, 실제 크기를 전적으로 반영하는 것은 아니다.
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 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 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, 첨부된 도면을 참조하여 실시예를 상세히 설명하되, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 참조 번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
도 1은 본 발명의 한 실시예에 따른 압력 감지 센서의 사시도이고, 도 2는 본 발명의 한 실시예에 따른 압력 감지 센서의 중간층의 확대도이다.
도 1 내지 2를 참조하면, 압력 감지 센서(100)는 제1 전극층(110), 제2 전극층(120), 그리고 제1 전극층(110)과 제2 전극층(120) 사이에 배치되는 중간층(130)을 포함한다.
한 예로, 제1 전극층(110) 및 제2 전극층(120)은 전도성 섬유를 포함하는 직물로 이루어질 수 있다. 여기서, 전도성 섬유는 금속 와이어 또는 표면 상에 금속 막이 피복된 일반 섬유일 수 있다. 전도성 섬유는 금속 입자가 분산된 일반 섬유일 수도 있다. 전도성 섬유가 금속 와이어인 경우, 금속 와이어의 직경은 10㎛ 내지 500㎛일 수 있다. 금속 와이어의 직경이 10㎛ 미만이면 금속 와이어의 강도가 약하여 직물 가공이 어려울 수 있으며, 금속 와이어의 직경이 500㎛를 초과하면 금속 와이어의 강성이 높아 직물의 유연성이 떨어질 수 있으므로, 직물의 가공 시 설비에 데미지를 줄 수 있고, 사용자가 이질감을 느끼기 쉽다. 이때, 금속 와이어는 Cu, Ni, 또는 스테인레스 합금일 수 있다. 스테인레스 합금은, 예를 들면 마르텐사이트계 스테인레스 합금, 페라이트계 스테인레스 합금, 오스테나이트계 스테인레스 합금, 2상계 스테인레스 합금, 석출경화계 스테인레스 합금 등일 수 있다. 금속 와이어가 스테인레스 합금인 경우, 압력 감지 센서(100)의 내부식성을 높일 수 있다.
전도성 섬유가 표면 상에 금속 막이 피복된 일반 섬유인 경우, 금속 막은 금속 입자가 도금 방식 또는 증착 방식으로 일반 섬유의 표면 상에 피복되는 방법에 의하여 형성될 수 있다. 이때, 금속 입자는 Cu, Ni, 또는 스테인레스 합금일 수 있으며, 금속 막의 두께는 1㎛ 내지 50㎛일 수 있다. 금속 막의 두께가 1㎛ 미만이면 전도율이 낮으므로 신호 전송 시에 손실을 유발할 수 있으며, 금속 막의 두께가 50㎛ 를 초과하면 섬유의 표면에서 금속 막이 쉽게 이탈될 수 있다.
다른 예로, 제1 전극층(110) 및 제2 전극층(120)은 도금 전극 또는 프린팅 전극일 수 있으며, 유연하고 신축성을 가지는 전극일 수도 있다.
도시되지 않았으나, 제1 전극층(110)은 제2전극층(120)보다 크게 형성될 수도 있다.
한편, 중간층(130)은 비공극 영역(132) 내에 공극 영역(134)이 분산된 폼, 그리고 폼 내에 분산되며, 폼보다 도전율이 큰 전도 물질(136)을 포함한다. 이때, 제1 전극층(110)과 제2 전극층(120)이 교차하는 지점은 하나의 센싱 포인트로 작용할 수 있다. 이에 따라, 센싱 포인트를 가압하면, 제1 전극층(110) 과 제2 전극층(120) 간의 거리, 즉 중간층(130)의 두께는 줄어들게 된다. 가해지는 힘이 클수록 중간층(130)의 두께 및 체적 중 적어도 하나는 줄어들게 되며, 중간층(130)의 단위 체적 당 전도 물질(136)의 밀도가 높아지고, 전도 물질(136) 간 거리가 가까워질 수 있다. 이에 따라, 중간층(130)은 정상 상태에서 절연 특성을 가지나, 중간층(130)의 주변에 물리적인 변화가 발생한 경우, 예를 들어 중간층(130) 상에 압력이 가해진 경우, 중간층(130)의 두께 또는 체적 중 적어도 하나의 변화에 의하여, 압저항이 낮아지게 된다.
중간층(130)의 압저항이 낮아지게 되면, 본 발명의 실시예에 따른 압력 감지 센서(100)는 압저항의 변화량에 따라 무게를 감지할 수 있다. 여기서, 폼의 비공극 영역(132)은 폴리우레탄, 폴리올레핀, 고무, 실리콘 및 엘라스토머로 이루어진 그룹에서 선택되는 적어도 하나를 포함할 수 있다. 폼의 비공극 영역(132) 내에 공극 영역(134)이 분산되면, 중간층(130)은 탄성을 가질 수 있다. 이에 따라, 제1 전극층(110) 및 제2 전극층(120)이 교차하는 지점에 압력이 가해지면, 중간층(130)의 두께는 줄어들게 되며, 압저항이 변화하게 된다. 이때, 폼은 비공극 영역(132) 내에 공극 영역(134)이 분산되는 형태일 수 있다.
이때, 폼 내 공극 영역(134)의 면적 비는 5% 내지 90%일 수 있다. 폼 내 공극 영역(134)의 면적 비가 5% 미만이면, 두께의 변형이 작아 압저항 변화가 측정되지 않거나 무게 감지 구분이 작아지고, 폼 내 공극 영역(134)의 면적 비가 90%를 초과하면, 폼의 탄성 복원성이 저하되어 압력 감지 센서의 성능이 확보되지 못한다.
한편, 폼 내에 분산되는 전도 물질(136)은 제1 전도 물질(136-1), 그리고 제1 전도 물질(136-1)과 이종인 제2 전도 물질(136-2)을 포함할 수 있다. 이때, 제2 전도 물질(136-2)의 전기전도도는 제1 전도 물질(136-1)의 전기전도도보다 높을 수 있다. 이와 같이, 폼 내에 전기전도도가 상이한 이종의 전도 물질이 분산되는 경우, 압력에 따라 가변하는 저항 값의 범위가 넓어질 수 있다. 이에 따라, 감지할 수 있는 압력의 범위가 넓어질 수 있으며, 압력 감지의 정밀도가 높아질 수 있다.
예를 들어, 제1 전도 물질(136-1)은 비결정성 카본이고, 제2 전도 물질(136-2)은 결정성 카본일 수 있다. 결정성 카본은 비결정성 카본에 비하여 전기전도도가 높다. 예를 들어, 제1 전도 물질(136-1)은 카본 블랙을 포함하고, 제2 전도 물질(136-2)은 탄소나노튜브, 그래핀 및 그라파이트로 이루어진 그룹에서 선택될 수 있다.
이와 같이, 중간층(130)에 포함되는 전도 물질(136)이 비결정성 카본뿐만 아니라 결정성 카본을 포함하면 비결정성 카본에 의하여 가변하는 저항 값의 범위분만 아니라 결정성 카본에 의하여 가변하는 저항 값의 "牡㏊? 커버할 수 있으므로, 압력에 따라 가변하는 저항 값의 범위가 넓어질 수 있다. 이때, 전도 물질(136)은 폼의 1 내지 10wt%로 포함될 수 있다. 전도 물질(136)이 폼의 1wt% 미만으로 포함되면, 가압 시 압저항의 변화가 둔감하게 일어날 수 있다. 그리고, 전도 물질(136)이 폼의 10wt%를 초과하여 포함되면, 압력이 가해지지 않은 상태에서 중간층(130)의 절연 특성을 보장하기 어려워지며, 전도 물질(136)이 폼 내에서 분산되지 않고 뭉치게 된다.
이때, 제2 전도 물질(136-2) 10 중량부에 대하여 제1 전도 물질(136-1)은 20 중량부 이상 100 중량부 미만, 바람직하게는 20 중량부 이상 50 중량부 미만, 더욱 바람직하게는 20 중량부 이상 30 중량부 미만으로 포함될 수 있다. 제2 전도 물질(136-2) 10 중량부에 대하여 제1 전도 물질(136-1)이 20 중량부 미만으로 포함되거나, 100 중량부를 초과하여 포함되면, 가변하는 저항 값의 범위가 넓게 나타나지 않을 수 있으며, 전도 물질이 폼 내에서 고르게 분산되지 않고 뭉쳐질 수 있다. 예를 들어, 제2 전도 물질(136-2)은 폼의 0.5 내지 2.5wt%, 바람직하게는 1 내지 2wt%, 더욱 바람직하게는 1.2 내지 1.8wt%로 포함될 수 있으며, 제1 전도 물질(136-1)은 폼의 1 내지 7.5wt%, 바람직하게는 2 내지 6wt%, 더욱 바람직하게는 2.4 내지 5.4wt%로 포함될 수 있다.
이러한 전도 물질(136)의 적어도 일부는 비공극 영역(132) 내에 분산되거나, 비공극 영역(132)과 공극 영역(134) 간의 경계면을 통과하도록 분산되거나, 공극 영역(134) 내에 분산될 수 있다. 이와 같이, 전도 물질(136)의 적어도 일부가 비공극 영역(132) 내에 분산되거나, 비공극 영역(132)과 공극 영역(134) 간의 경계면을 통과하도록 분산되면, 전도 물질(136)은 폼 내에 고정될 수 있다. 이에 따라, 압력 감지 센서(100)의 장기간 반복된 사용에도 전도 물질(136)이 폼으로부터 이탈될 가능성을 낮출 수 있다.
이때, 폼에 포함되는 전체 전도 물질(136)에 대하여 비공극 영역(132) 내에 분산되거나, 비공극 영역(132)과 공극 영역(134) 간의 경계면을 통과하도록 분산되는 전도 물질은 20wt%이상, 바람직하게는 30wt% 이상, 더욱 바람직하게는 50wt% 이상일 수 있다. 비공극 영역(132) 내에 분산되거나, 비공극 영역(132)과 공극 영역(134) 간의 경계면을 통과하도록 분산되는 전도 물질이 20wt% 미만이면, 전도 물질의 이탈로 인하여 오염이 발생하거나, 저항 변화를 감지할 수 있는 감도가 떨어질 수 있다.
도 3은 본 발명의 한 실시예에 따른 압력 감지 센서의 제조 방법을 나타내는 순서도이다.
도 3을 참조하면, 폼 및 전도 물질을 혼합한다(S100). 여기서, 폼은 폴리우레탄, 폴리올레핀, 고무, 실리콘 및 엘라스토머로 이루어진 그룹에서 선택되는 적어도 하나를 포함할 수 있고, 전도 물질은 제1 전도 물질, 그리고 제1 전도 물질과 이종인 제2 전도 물질을 포함할 수 있다. 이때, 제2 전도 물질의 전기전도도는 제1 전도 물질의 전기전도도보다 높을 수 있다. 이와 같이, 폼 내에 전기전도도가 상이한 이종의 전도 물질이 분산되는 경우, 압력에 따라 가변하는 저항 값의 범위가 넓어질 수 있다. 이에 따라, 감지할 수 있는 압력의 범위가 넓어질 수 있으며, 압력 감지의 정밀도가 높아질 수 있다. 예를 들어, 제1 전도 물질은 비결정성 카본이고, 제2 전도 물질은 결정성 카본일 수 있다. 예를 들어, 제1 전도 물질은 카본 블랙을 포함하고, 제2 전도 물질은 탄소나노튜브, 그래핀 및 그라파이트로 이루어진 그룹에서 선택될 수 있다. 이때, 전도 물질은 폼의 1 내지 10wt%로 포함될 수 있다.
다음으로, 혼합된 폼 및 전도 물질을 발포 성형하여 중간층을 형성한다(S110). 이에 따라, 폼은 비공극 영역 및 공극 영역으로 구분될 수 있으며, 전도 물질의 적어도 일부는 비공극 영역 내에 분산되거나, 비공극 영역과 공극 영역 간의 경계면을 통과하도록 분산될 수 있다.
다음으로, 중간층에 전극층을 부착한다(S120). 예를 들어, 중간층의 한 면에 제1 전극층을 부착하고, 중간층의 다른 면에 제2 전극층을 부착할 수 있다. 이때, 중간층, 제1 전극층 및 제2 전극층은 접착층에 의하여 부착될 수도 있다. 접착층은 절연 물질을 포함하는 절연 접착층일 수 있다.
도 4 내지 5는 비교예에 따라 제조된 중간층의 SEM 사진이고, 도 6 내지 7은 본 발명의 한 실시예에 따라 제조된 중간층의 SEM 사진이다.
비교예에서는, 폼을 발포 성형한 후, 전도 물질을 포함하는 용액에 침지 또는 함침하는 방법으로 중간층을 제조하였다.
실시예에서는, 폼과 전도 물질을 혼합한 후, 발포 성형하는 방법으로 중간층을 제조하였다.
비교예 및 실시예에서 사용된 폼은 폴리우레탄이고, 전도 물질은 CNT이며, 전도 물질은 폼 전체 대비 0.05wt% 내지 3wt%로 첨가되었다.
도 4 내지 5 및 도 6 내지 7을 참조하면, 비교예에 따라 제조된 중간층의 비공극 영역의 표면에는 전도 물질로 이루어진 막이 형성되나, 실시예에 따라 제조된 중간층의 비공극 영역의 표면에는 전도 물질의 일부가 파묻혀 있음을 알 수 있다. 이는, 비교예에 따르면 폼을 발포 성형한 후 전도 용액에 침지하므로, 대부분의 전도 물질이 폼의 비공극 영역의 표면 상에 부착되기 때문이다. 이에 반해, 실시예에 따르면, 폼과 전도 물질을 혼합한 후 발포 성형하므로, 전도 물질이 폼의 비공극 영역 내에서 분산되거나, 비공극 영역과 공극 영역 간의 경계면을 통과하도록 분산될 수 있다.
이에 따라, 비교예에 따라 제조된 중간층은 가압 횟수가 늘어날수록 전도 물질이 이탈되어저항 값이 높아지나, 실시예에 따라 제조된 중간층은 가압 횟수가 늘어나더라도 전도 물질이 이탈될 확률이 낮으므로 저항 값이 모두 유사하게 나타날 수 있다. 이에 따라, 실시예에 따라 제조된 중간층의 반복성 및 재현성이 비교예에 따라 제조된 중간층의 반복성 및 재현성에 비하여 높게 나타날 수 있다.
이하, 전도 물질의 종류를 다르게 하여 실험한 비교예 및 실시예를 설명한다.
도 8은 비교예 1에 따른 중간층에 가해지는 압력에 대한 저항 값의 변화 범위를 나타내는 그래프이고, 도 9는 비교예 2에 따른 중간층에 가해지는 압력에 대한 저항 값의 변화 범위를 나타내는 그래프이며, 도 10은 비교예 3에 따른 중간층에 가해지는 압력에 대한 저항 값의 변화 범위를 나타내는 그래프이고, 도 11은 실시예 1 내지 3에 따른 중간층에 가해지는 압력에 대한 저항 값의 변화 범위를 나타내는 그래프이다.
비교예 1에서는 폼을 발포 성형한 후, 전도 물질을 포함하는 용액에 침지 또는 함침하는 방법으로 중간층을 제조하였다. 여기서, 전도 물질은 폼에 대하여 12wt%를 가지는 카본 블랙으로 첨가되었다.
비교예 2에서는 폼과 전도 물질을 혼합한 후, 발포 성형하는 방법으로 중간층을 제조하였다. 여기서, 전도 물질은 폼에 대하여 12wt%를 가지는 카본 블랙으로 첨가되었다.
비교예 3에서는 폼과 전도 물질을 혼합한 후, 발포 성형하는 방법으로 중간층을 제조하였다. 여기서, 전도 물질은 폼에 대하여 2wt%를 가지는 탄소나노튜브로 첨가되었다.
실시예 1에서는 폼과 전도 물질을 혼합한 후, 발포 성형하는 방법으로 중간층을 제조하였다. 여기서, 전도 물질은 폼에 대하여 1.5wt%를 가지는 탄소나노튜브 및 폼에 대하여 3wt%를 가지는 카본 블랙으로 첨가되었다.
실시예 2에서는 폼과 전도 물질을 혼합한 후, 발포 성형하는 방법으로 중간층을 제조하였다. 여기서, 전도 물질은 폼에 대하여 1.5wt%를 가지는 탄소나노튜브 및 폼에 대하여 3.5wt%를 가지는 카본 블랙으로 첨가되었다.
실시예 3에서는 폼과 전도 물질을 혼합한 후, 발포 성형하는 방법으로 중간층을 제조하였다. 여기서, 전도 물질은 폼에 대하여 1.5wt%를 가지는 탄소나노튜브 및 폼에 대하여 4wt%를 가지는 카본 블랙으로 첨가되었다.
비교예 1 내지 3 및 실시예 1 내지 3에서 사용된 폼은 폴리우레탄이며, 저항 값의 변화 범위는 0에서 1000kPa까지 압력을 증가시키며 측정하였다.
도 8을 참조하면, 저항 값의 변화 범위가 108 내지 106Ω으로 변화하며, 도 9를 참조하면, 저항 값의 변화 범위가 108 내지 107Ω으로 변화하고, 도 10을 참조하면, 저항 값의 변화 범위가 106 내지 103Ω으로 변화함을 알 수 있다.
이에 반해, 도 11을 참조하면, 저항 값의 변화 범위가 108 내지 103Ω으로 변화함을 알 수 있다.
이와 같이, 실시예 1 내지 3에 따른 중간층은 비교예 1 내지 3에 다른 중간층에 비하여 더욱 넓은 범위로 저항 값이 변화할 수 있다. 이에 따라, 중간층 상에 가해진 무게 또는 압력에 따른 저항 값이 더욱 세분화되어 측정될 수 있으며, 압력 감지의 정밀도를 높일 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 제1 전도 물질 및 제2 전도 물질 중 하나를 폼과 혼합한 후 발포 성형하고, 발포 성형된 폼을 제1 전도 물질 및 제2 전도 물질 중 다른 하나가 포함된 용액에 침지 또는 함침하는 방법으로 중간층을 제조할 수도 있다.
도 12는 본 발명의 다른 실시예에 따른 압력 감지 센서의 중간층의 확대도이다.
도 12를 참조하면, 중간층(130)은 비공극 영역(132) 내에 공극 영역(134)이 분산된 폼, 그리고 폼 내에 분산되며, 폼보다 도전율이 큰 전도 물질(136)을 포함하며, 제1 전도 물질(136-1)은 비공극 영역(132)의 표면 또는 공극 영역(134) 내에 분산되고, 제1 전도 물질(136-1)의 전기전도도보다 큰 전기전도도를 가지는 제2 전도 물질(136-2)은 비공극 영역(132) 내에 분산되며 제2 전도 물질(136-2)의 적어도 일부는 비공극 영역(132) 및 공극 영역(134) 간의 경계면을 통과할 수 있다.
즉, 도 12에서 도시된 중간층(130)은 폼 재료와 제2 전도 물질(136-2)을 혼합하고 발포 성형한 후, 제1 전도 물질(136-1)을 포함하는 용액에 침지 또는 함침하는 방법으로 제조될 수 있다.
이에 따르면, 제1 전도 물질(136-1) 및 제2 전도 물질(136-2)을 모두 폼 재료와 혼합할 필요가 없으므로, 전도 물질의 고르게 분산되지 않아 뭉치는 문제를 방지할 수 있다.
전기전도도가 높아 낮은 저항 값 범위를 커버하는 제2 전도 물질(136-2)이 비공극 영역(132) 내에 분산되고, 전기전도도가 상대적으로 낮아 높은 저항 값 범위를 커버하는 제1 전도 물질(136-1)이 공극 영역(134) 내에 분산되면, 중간층에 대한 가압 횟수가 늘어나더라도 제2 전도 물질(136-2)은 제1 전도 물질(136-1)에 비하여 이탈될 확률이 낮다. 이에 따라, 반복된 사용에도 넓은 범위의 저항 값 변화를 유지하는 성능은 유지될 수 있다.
도 13은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 압력 감지 센서의 단면도이다. 도 1 내지 12와 동일한 내용은 중복되는 설명을 생략한다.
도 13을 참조하면, 압력 감지 센서(100)는 제1 전도 영역(112)을 포함하는 제1 전극층(110), 제2 전도 영역(122)을 포함하는 제2 전극층(120), 그리고 제1 전극층(110)과 제2 전극층(120) 사이에 배치되는 중간층(130)을 포함한다.
한 예로, 제1 전극층(110) 및 제2 전극층(120)은 직물로 이루어지며, 제1 전도 영역(112) 및 제2 전도 영역(122)은 전도성 섬유를 포함하는 직물로 이루어질 수 있다.
이때, 제1 전극층(110)의 제1 전도 영역(112)과 제2 전극층(120)의 제2 전도 영역(122)은 서로 다른 방향으로 형성될 수 있으며, 제1 전도 영역(112) 및 제2 전도 영역(122)이 교차하는 지점은 하나의 센싱 포인트로 작용할 수 있다. 이에 따라, 센싱 포인트를 가압하면, 제1 전도 영역(112)과 제2 전도 영역(122) 간의 간격, 즉 중간층(130)의 두께는 줄어들게 된다. 가해지는 힘이 클수록 중간층(130)의 두께는 줄어들게 되며, 압저항이 낮아지게 된다. 따라서, 본 발명의 실시예에 따른 압력 감지 센서(100)는 압저항의 변화량에 따라 무게를 감지할 수 있다.
도시되지 않았으나, 제1 전도 영역(112)은 제2 전도 영역(122)보다 크게 형성되며, 하나의 제1 전도 영역(112) 상에 복수의 제2 전도 영역(122)이 배치되도록 형성될 수도 있다.
중간층(130)은 도 1 내지 12에서 본 발명의 실시예에 따른 구조를 가질 수 있다.
한편, 이상에서는 제1 전극층과 제2 전극층 사이에 중간층이 형성되는 구조를 중심으로 설명하고 있으나, 제1 전극층과 제2 전극층은 동일 면 상에 배치될 수도 있다.
도 14는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 압력 감지 센서의 단면도이다. 도 1 내지 12와 동일한 내용은 중복되는 설명을 생략한다.
도 14를 참조하면, 압력 감지 센서(100)는 제1 전도 영역을 포함하는 제1 전극층(110), 제2 전도 영역을 포함하는 제2 전극층(120), 그리고 중간층(130)을 포함한다.
제2 전극층(120)은 제1 전극층(110)과 수평면 상에 이격되어 배치되며, 중간층(130)은 제1 전극층(110) 및 제2 전극층(120)의 상부 또는 하부에 배치될 수 있다.
이로써, 하나의 층에서 접지 연결이 가능하며, 추가 접지 전극을 설치할 필요가 없으므로, 압력 감지 센서(100)의 재료비 및 제작 비용이 절감되며, 압력 감지 센서(100)의 두께도 줄일 수 있다.
한편, 제1 전극층(110) 및 제2 전극층(120)은 접착층(140)을 통하여 중간층(130)과 접착될 수 있다. 이때, 접착층(140)은 절연체를 포함하며, 제1 전극층(110)의 한 영역 및 제2 전극층(120)의 한 영역과 중간층(130) 사이에 배치될 수 있다.
그리고, 접착층(140)은 제1 전극층(110) 및 제2 전극층(120)과 같이 이격 배치될 수도 있다. 또한, 접착층(140)은 필름의 양면 상에 절연 접착제가 코팅된 구조일 수 있다.
압력 감지 센서(100) 상에 압력(F)이 가해지면, 탄성이 있는 중간층(130)의 두께가 변화한다. 중간층(130)의 두께 변화로 인해, 이격 배치된 제1 전극층(110)과 제2 전극층(120) 사이가 연결되어 전기가 통하게 된다. 그리고 발생된 전기 신호로부터 압력의 정도를 감지하게 된다. 여기서, 중간층(130)은 도 1 내지 12를 통하여 설명한 본 발명의 실시예에 따른 구조를 가질 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 압력 감지 센서는 압력 감지 장치에 포함될 수 있다.
도 15는 본 발명의 실시예에 따른 압력 감지 장치의 블록도이다.
도 15를 참조하면, 압력 감지 장치(200)는 압력 감지 센서(100), 신호 처리부(210), 제어부(220) 및 통신부(230)를 포함할 수 있다. 압력 감지 센서(100)는 본 발명의 실시예에 따른 중간층(130)의 두께 및 체적 중 적어도 하나의 변화에 따른 저항 변화에 의한 전기 신호를 발생시킬 수 있다. 제1 전극층(110) 및 제2 전극층(120)의 전기 신호는 신호 처리부(210)로 전달된다. 이를 위하여, 제1 전극층(110) 및 제2 전극층(120)과 신호 처리부(210)는 FPCB(Flexible Printed Circuit Board)에 의하여 연결될 수 있다.
신호 처리부(210)는 제1 전극층(110) 및 제2 전극층(120)으로부터 수신한 전기 신호를 처리하여 제어부(220)로 전달하며, 제어부(220)는 신호 처리부(210)에 의하여 처리된 신호에 기초하여 제어 신호를 생성할 수 있다. 한 예로, 제어부(220)는 압력 감지 센서(100)에 의하여 감지된 신호를 처리한 결과를 이용하여 압력 감지 장치(200)의 온오프를 제어할 수 있다. 다른 예로, 제어부(220)는 압력 감지 센서(100)에 의하여 감지된 신호를 처리한 결과를 이용하여 진단 정보를 생성할 수 있다. 또 다른 예로, 제어부(220)는 압력 감지 센서(100)에 의하여 감지된 신호를 처리한 결과를 이용하여 사용자를 위한 알람 신호 등을 생성할 수도 있다.
그리고, 통신부(230)는 제어부(220)에 의하여 생성된 제어 신호를 외부 장치로 송신한다.
이때, 압력 감지 센서(100)는 신호 처리부(210), 제어부(220) 및 통신부(230)와 독립적인 공간에 배치되고, FPCB를 통하여 연결될 수 있다. 또는, 압력 감지 센서(100)는 신호 처리부(210), 제어부(220) 및 통신부(230)와 동일한 공간 내에 배치되고, FPCB를 통하여 연결될 수도 있다.
본 발명의 실시예에 따른 압력 감지 센서는 압력 감지 인솔, 압력 감지 장갑, 압력 감지 매트, 압력 감지 의자, 가정용 안전 장치 등 체압 분포를 이용하는 다양한 응용 분야에 적용될 수 있다.
도 16은 본 발명의 한 실시예에 따른 압력 감지 장치가 압력 감지 의자에 적용된 예를 도시한다.
도 16을 참조하면, 압력 감지 의자(1200)는 좌판(1210), 팔걸이(1220), 등받이(1230), 그리고 다리(1240) 등을 포함한다. 좌판(1210)에 사람이 착석하면, 압력 감지 의자(1200)에 내장된 압력 감지 장치(200)는 사람의 착석 여부를 감지하고, 착석에 따른 상대적 압력 분포를 측정할 수 있다. 압력 감지 장치(200)는 측정한 압력 분포에 따라 무게, 연령대, 앉은 자세 등을 검출할 수 있다. 본 발명의 실시예에 따른 압력 감지 센서(100)는 좌판(1210) 내에 설치될 수 있다.
도 17은 본 발명의 한 실시예에 따른 압력 감지 장치가 압력 감지 매트에 적용된 예를 도시한다.
도 17을 참조하면, 압력 감지 센서(100)는 매트(1300) 내에 포함되며, 압력 감지 장치(200)의 신호 처리부(210), 제어부(220) 및 통신부(230)는 별도의 공간 내에 배치될 수 있다. 어린이가 매트(1300) 상에 올라간 경우, 매트(1300) 내에 포함되는 압력 감지 센서(100)는 압저항의 변화량을 감지하며, 제어부(220)는 감지된 압저항의 변화량에 기초하여 매트(1300) 상에 가해진 무게를 측정할 수 있다. 매트(1300) 상에 가해진 무게가 어린이의 무게인 것으로 추정되는 경우, 제어부(220)는 매트 주변의 가전 기기 또는 가스레인지 등을 잠그도록 하거나, 알람을 출력하기 위한 제어 신호를 생성할 수 있다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 폼된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
100: 압력 감지 센서
110: 제1 전극층
120: 제2 전극층
130: 중간층
132; 비공극 영역
134: 공극 영역
136-1: 제1 전도 물질
136-2: 제2 전도 물질

Claims (11)

  1. 제1 전극층,
    제2 전극층, 그리고
    상기 제1 전극층과 상기 제2 전극층 사이에 배치되며, 비공극 영역 내에 공극 영역이 분산된 폼(foam) 및 상기 폼 내에 분산되며 상기 폼 보다 도전율이 큰 전도 물질을 포함하는 중간층을 포함하며,
    상기 전도 물질의 적어도 일부는 상기 비공극 영역 내에 분산되고,
    상기 전도 물질은 제1 전도 물질, 그리고 상기 제1 전도 물질과 이종인 제2 전도 물질을 포함하며,
    상기 제2 전도 물질의 전기전도도는 상기 제1 전도 물질의 전기전도도보다 높은 압력 감지 센서.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제2 전도 물질은 상기 비공극 영역 내에 분산되고, 상기 제1 전도 물질은 상기 공극 영역 내에 분산되는 압력 감지 센서.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제1 전도 물질은 비결정성 카본이고, 상기 제2 전도 물질은 결정성 카본인 압력 감지 센서.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 제1 전도 물질은 카본블랙을 포함하고, 상기 제2 전도 물질은 탄소나노튜브, 그래핀 및 그라파이트로 이루어진 그룹에서 선택되는 압력 감지 센서.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 제2 전도 물질 10 중량부에 대하여 상기 제1 전도 물질은 20 중량부 이상 100 중량부 이하로 포함되는 압력 감지 센서.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 전도 물질의 적어도 일부는 상기 비공극 영역 및 상기 공극 영역 간의 경계면을 통과하는 압력 감지 센서.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 전도 물질의 적어도 일부는 상기 공극 영역 내에 분산되는 압력 감지 센서.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 중간층의 두께 및 체적 중 적어도 하나의 변화에 따라 상기 중간층의 저항이 변화하는 압력 감지 센서.
  9. 제1 전도 영역을 포함하는 제1 전극층,
    상기 제1 전극층과 수평면 상에 이격되어 배치되며 제2 전도 영역을 포함하는 제2 전극층, 그리고
    상기 제1 전극층과 상기 제2 전극층 사이에 배치되며, 비공극 영역 내에 공극 영역이 분산된 폼(foam) 및 상기 폼 내에 분산되며 상기 폼 보다 도전율이 큰 전도 물질을 포함하는 중간층을 포함하며,
    상기 전도 물질의 적어도 일부는 상기 비공극 영역 내에 분산되고,
    상기 전도 물질은 제1 전도 물질, 그리고 상기 제1 전도 물질과 이종인 제2 전도 물질을 포함하며,
    상기 제2 전도 물질의 전기전도도는 상기 제1 전도 물질의 전기전도도보다 높은 압력 감지 센서.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 제1 전도 영역 및 상기 제2 전도 영역 중 적어도 하나는 전도성 섬유로 이루어진 직물인 압력 감지 센서.
  11. 압력 감지 센서,
    상기 압력 감지 센서와 연결되며, 상기 압력 감지 센서에서 발생한 전기 신호를 처리하는 신호 처리부, 그리고
    상기 신호 처리부와 연결되며, 상기 신호 처리부에 의하여 처리된 신호에 기초하여 제어 신호를 생성하는 제어부
    를 포함하며,
    상기 압력 감지 센서는
    제1 전극층,
    제2 전극층, 그리고
    상기 제1 전극층과 상기 제2 전극층 사이에 배치되며, 비공극 영역 내에 공극 영역이 분산된 폼(foam) 및 상기 폼 내에 분산되며 상기 폼 보다 도전율이 큰 전도 물질을 포함하는 중간층을 포함하며,
    상기 전도 물질의 적어도 일부는 상기 비공극 영역 내에 분산되고,
    상기 전도 물질은 제1 전도 물질, 그리고 상기 제1 전도 물질과 이종인 제2 전도 물질을 포함하고,
    상기 제2 전도 물질의 전기전도도는 상기 제1 전도 물질의 전기전도도보다 높은 압력 감지 장치.
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