KR102432009B1 - 압력 센서 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 한 실시 예의 압력 센서는 전도성 섬유, 비전도성 섬유 및 압저항 섬유가 함께 직조된 시트 형태의 압력 센서에 관한 것으로, 상기 전도성 섬유와 상기 비전도성 섬유를 포함하는 제 1 전극층; 상기 전도성 섬유와 상기 비전도성 섬유를 포함하는 제 2 전극층; 및 상기 제 1 전극층과 제 2 전극층 사이에 배치되며 상기 압저항 섬유를 포함하는 압저항층을 포함한다.

Description

압력 센서{PRESSURE SENSOR}
본 발명은 압력 센서에 관한 것으로, 상세하게는 시트 형태의 압력 센서에 관한 것이다.
가정용 안전 소자뿐만 아니라 체압 분포를 이용하는 다양한 응용 분야에서 압력을 감지하기 위한 소자가 요구된다. 일반적인 압력 센서는 하부 전극, 하부 전극 상에 배치된 중간층, 그리고 중간층 상에 배치된 상부 전극을 포함한다.
상기와 같은 압력 센서는 외부의 압력에 의해 압저항층인 중간층의 두께가 감소하므로, 중간층의 두께 변화를 통해 가해진 압력을 감지할 수 있다. 특히, 박막 형태의 압력 센서인 FSR(Force Sensing Register) 센서는 대면적화가 어렵고 박막에 전도성 배선이 인쇄된 형태로 이루어져 유연성이 떨어진다. 이에 따라, 최근 시트 형태의 압력 센서가 개발되었다.
도 1은 일반적인 시트 형태의 압력 센서의 사진이다.
도 1과 같이, 일반적인 시트 형태의 압력 센서는 제 1, 제 2 전극층(5a, 5c) 및 중간층(5b)을 별도로 제작하고 센서는 제 1, 제 2 전극층(5a, 5c) 및 중간층(5b)을 서로 부착시키므로 제조 비용이 증가하고 얼라인(Align) 문제가 발생할 수 있다.
1. 미국 등록특허 9448127호
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 시트 형태의 일체형 압력 센서를 제공하는 데 있다.
본 발명의 한 실시 예에 따른 압력 센서는 전도성 섬유, 비전도성 섬유 및 압저항 섬유가 함께 직조된 시트 형태의 압력 센서에 관한 것으로, 상기 전도성 섬유와 상기 비전도성 섬유를 포함하는 제 1 전극층; 상기 전도성 섬유와 비전도성 섬유를 포함하는 제 2 전극층; 및 상기 제 1 전극층과 제 2 전극층 사이에 배치되며 상기 압저항 섬유를 포함하는 압저항층을 포함한다.
본 발명의 다른 실시 예의 압력 센서는 전도성 섬유와 비전도성 섬유가 함께 직조된 시트 형태의 압력 센서에 관한 것으로, 상기 전도성 섬유와 상기 비전도성 섬유를 포함하는 제 1 전극층; 상기 전도성 섬유와 비전도성 섬유를 포함하는 제 2 전극층; 상기 제 1 전극층과 제 2 전극층 사이에 배치되며 상기 비전도성 섬유를 포함하는 압저항층; 및 상기 전도성 섬유와 상기 비전도성 섬유 사이의 간극에 채워진 압저항 물질층을 포함한다.
상기 제 1 전극층이 상기 비전도성 섬유를 더 포함하여 이루어져, 상기 제 1 전극층은 제 1 방향으로 나란하게 배열되며 상기 전도성 섬유로 이루어진 복수 개의 제 1 전극 패턴을 포함하며, 상기 제 2 전극층은 상기 제 1 방향과 교차하는 제 2 방향으로 나란하게 배열되며, 상기 전도성 섬유로 이루어진 복수 개의 제 2 전극 패턴을 포함한다.
본 발명의 실시 예에 따른 압력 센서는 다음과 같은 효과가 있다.
첫째, 전도성 섬유, 비전도성 섬유 및 압저항 섬유를 함께 직조하여 일체형의 압력 센서를 구현할 수 있다. 이에 따라, 압력 센서의 유연성을 확보하고 전도성층과 압저항층의 얼라인(Align) 오차가 발생하는 것을 방지함으로써 압력 센서의 정확도를 향상시킬 수 있다.
둘째, 전도성 섬유와 비전도성 섬유를 함께 직조하여 전도성 섬유와 비전도성 섬유로 이루어진 제 1 전도성층, 비전도성 섬유로만 이루어진 압저항층 및 전도성 섬유와 비전도성 섬유로 이루어진 제 2 전도성층을 포함하는 시트를 형성한 후, 시트를 압저항 물질을 포함하는 용액에 담가 압저항층에 압저항 특성을 부여함으로써, 압력 센서를 제조하는 공정을 간소화할 수 있다.
도 1은 일반적인 시트 형태의 압력 센서의 사진이다.
도 2a는 본 발명 실시 예의 압력 센서의 사시도이다.
도 2b는 도 2a의 A 영역의 확대도이다.
도 3a는 본 발명 실시 예의 압력 센싱을 나타낸 평면도이다.
도 3b는 도 3a의 압력 센싱을 나타낸 단면도이다.
도 4는 본 발명 다른 실시 예에 따른 도 2a의 A 영역의 확대도이다.
도 5a 및 도 5b는 본 발명의 또 다른 실시 예의 압력 센서의 사시도이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시 예를 가질 수 있는 바, 특정 실시 예들을 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.
제1, 제2 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.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 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 실시 예를 상세히 설명하되, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 참조 번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 실시 예의 압력 센서를 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 2a는 본 발명 실시 예의 압력 센서의 사시도이며, 도 2b는 도 2a의 A 영역의 확대도이다.
도 2a와 같이, 본 발명의 한 실시 예의 압력 센서는 제 1 전극층(11)과 제 2 전극층(13) 및 제 1 전극층(11)과 제 2 전극층(13) 사이에 배치된 압저항층(12)을 포함하며, 제 1, 제 2 전극층(11, 13)은 전도성 섬유와 비전도성 섬유를 포함하는 시트 형태이며, 압저항층(12)은 압저항 섬유를 포함하는 시트 형태이다. 이 때, 전도성 섬유, 비전도성 섬유 및 압저항 섬유는 평직(Plain weave), 능직(Twill), 주자직(Satin) 등 다양한 방법으로 함께 직조되어 본 발명 실시 예의 압력 센서는 제 1, 제 2 전극층(11, 13) 및 압저항층(12)이 일체형인 구조이다.
구체적으로, 제 1 전극층(11)은 전도성 섬유와 비전도성 섬유가 함께 직조된 구조이다. 특히, 제 1 전극층(11)은 전도성 섬유가 제 1 방향으로 나란하게 배열되도록 직조되며, 도면에서는 전도성 섬유로 이루어진 4 개의 제 1 전도성 패턴(11a)을 도시하였다. 그리고, 인접한 제 1 전도성 패턴(11a) 사이에서는 비전도성 섬유로 이루어진 비전도성 패턴이 노출된다.
전도성 섬유는 폴리에스터, 나일론, 아크릴, 폴리프로필렌, 폴리우레탄, 면, 실크, 아세테이트 등과 같은 일반 섬유로 이루어진 코어에 금속과 같은 전도성 물질이 코팅된 구조이거나, 전도성 물질로만 이루어진 실(yarn)일 수 있다. 그리고, 비전도성 섬유는 상술한 일반 섬유일 수 있다.
압저항층(12)은 압저항 섬유가 직조된 구조이다. 압저항 섬유는 압저항 물질로만 이루어진 실(yarn)일 수 있다. 이 때, 압저항 섬유는 탄소 나노 튜브(Carbon Nano Tube; CNT), 탄소 원자가 벌집 모양으로 얽혀있는 얇은 막인 그래핀(Graphene) 등과 같이 탄소를 포함하는 전도성 물질, 폴리파이롤(Ppy), 폴리 에틸렌 디옥시 티오펜(PEDOT) 등과 같은 전도성 고분자, 산화 아연(ZnO)과 같은 반도성 무기 금속 산화물 등에서 선택될 수 있다. 또한, 압저항 섬유는 상술한 일반 섬유로 이루어진 코어에 압저항 물질이 코팅된 구조일 수도 있다.
제 2 전극층(13)은 제 1 전극층(11)과 같이 전도성 섬유와 비전도성 섬유가 함께 직조된 구조이다. 이 때, 제 2 전극 패턴(13a)은 제 1 전극 패턴(11a)과 동일한 전도성 섬유로 형성될 수 있다. 제 2 전극층(13)은 전도성 섬유가 제 1 방향과 교차하는 제 2 방향으로 나란하게 배열되며, 도면에서는 전도성 섬유로 이루어진 4 개의 제 2 전도성 패턴(13a)을 도시하였다. 그리고, 인접한 제 2 전도성 패턴(13a) 사이에서는 비전도성 섬유로 이루어진 비전도성 패턴이 노출된다.
이하, 전도성 섬유, 비전도성 섬유 및 압저항 섬유의 직조를 구체적으로 설명하면 다음과 같다.
도 2b와 같이, 전도성 섬유(10a), 비전도성 섬유(10b) 및 압저항 섬유(10c)가 함께 직조된 형태이다. 이 때, 전도성 섬유(10a), 비전도성 섬유(10b) 및 압저항 섬유(10c)는 평직(Plain weave), 능직(Twill), 주자직(Satin) 등 다양한 방법으로 함께 직조될 수 있다.
전도성 섬유(10a), 비전도성 섬유(10b) 및 압저항 섬유(10c)는 함께 직조되어 압력 센서는 제 1, 제 2 전극층(11, 13) 및 제 1, 제 2 전극층(11, 13) 사이의 압저항층(12)으로 구분될 수 있다. 특히, 제 1 전극층(11)의 제 1 전극 패턴(11a)과 제 2 전극층(13)의 제 2 전극 패턴(13a)의 배열 방향이 서로 교차하므로, 제 1 전극층(11)의 날실(warp)이 비전도성 섬유(10b)이며 씨실(weft)이 전도성 섬유(10a)인 경우, 제 2 전극층(13)의 날실(warp)은 전도성 섬유(10a)이며 씨실(weft)이 비전도성 섬유(10b)일 수 있으며, 이에 한정하지 않는다.
또한, 도면에서는 제 1, 제 2 전극층(11, 13)의 전도성 섬유(10a)와 비전도성 섬유(10b)가 규칙적으로 직조된 구조를 도시하였으나, 전도성 섬유(10a)와 비전도성 섬유(10b)는 불규칙적으로 직조되어, 제 1, 제 2 전극 패턴(11a, 13a)이 막대 형상이 아닌 물결 형상일 수도 있다.
압저항층(12)은 압저항 섬유(10c)로만 이루어질 수 있으며, 압저항 섬유(10c)는 인접한 제 1, 제 2 전극층(11, 13)의 전도성 섬유(10a) 및 비전도성 섬유(10b)과 직조되어 압저항층(12)이 제 1, 제 2 전극층(11, 13) 사이에 배치될 수 있다.
즉, 상술한 바와 같이, 본원 발명의 압력 센서는 전도성 섬유(10a), 비전도성 섬유(10b) 및 압저항 섬유(10c)를 함께 직조하여 시트 형태의 압력 센서를 구현할 수 있다. 이에 따라, 압력 센서의 유연성을 확보하고 제 1, 2 전극층(11, 13)과 압저항층(12)의 얼라인(Align) 오차가 발생하는 것을 방지함으로써 압력 센서의 정확도를 향상시킬 수 있다.
도 3a는 본 발명 실시 예의 압력 센싱을 나타낸 평면도이며, 도 3b는 도 3a의 압력 센싱을 나타낸 단면도이다.
도 3a 및 도 3b와 같이, 본 발명 실시 예의 압력 센서에 압력이 가해지면, 압력이 가해지지 않은 영역의 압저항층(12)의 두께(a1)보다 압력이 가해진 영역의 압저항층(12)의 두께(a2)가 얇아진다. 이에 따라 압력이 가해진 영역에서 압저항층(12)의 압저항이 낮아져 압력을 감지할 수 있다.
특히, 압저항층(12)은 압저항 섬유가 아니라 비전도성 물질로 직조된 영역에 압저항 물질이 코팅되어 형성될 수도 있다.
도 4는 본 발명 다른 실시 예에 따른 도 2a의 A 영역의 확대도이다.
도 4와 같이, 본 발명 다른 실시 예의 압력 센서는 전도성 섬유(10a)와 비전도성 섬유(10b)를 직조하여 제 1 전도성층(11), 비전도성 섬유(10b)로 이루어진 압저항층(12) 및 전도성 섬유(10a)와 비전도성 섬유(10b)로 이루어진 제 2 전도성층(13)을 포함하는 시트를 형성할 수 있다. 그리고, 시트를 압저항 물질을 포함하는 용액에 담가 압저항층(12)에 압저항 특성을 부여한 후 이를 건조시켜 압력 센서를 제조할 수 있다.
시트를 압저항 물질을 포함하는 용액에 담그면 압저항 물질이 시트 표면에 코팅되어 압저항 코팅막(12a)이 형성되고 시트 내에 채워져 압저항 물질층(12b)이 형성될 수 있다. 즉, 압저항 물질층(12b)은 시트 내부로 흡수되어 전도성 섬유(10a)와 비전도성 섬유(10b) 사이에 채워진 구조이다. 이 경우, 도 2b의 압력 센서에 비해 제 1, 제 2 전극층(11, 13)과 압저항층(12) 사이의 저항이 감소되고, 면저항의 균일도가 향상될 수 있다. 특히, 전도성 섬유(10a)와 비전도성 섬유(10b)만을 사용하므로 전도성 섬유(10a), 비전도성 섬유(10b) 및 압저항 섬유를 사용하는 공정에 비해 제조 공정이 간소하다.
특히, 도 4의 경우, 압저항 코팅막(12a) 및 압저항 물질층(12b)의 표면 저항은 100/㎡ 이상이며 10M/㎡ 이하일 수 있다. 일반적으로, 전도성 섬유(10a)의 저항은 수m /㎡이다. 그런데, 압저항 코팅막(12a) 및 압저항 물질층(12b)의 표면 저항이 너무 낮은 경우에는 분리된 구조의 전극 패턴들이 압저항 코팅막(12a)을 통해 서로 전기적으로 연결될 수 있다. 또한, 압저항 코팅막(12a) 및 압저항 물질층(12b)의 표면 저항이 너무 높은 경우에는 압저항 코팅막(12a) 및 압저항 물질층(12b)이 거의 절연체로 기능한다. 따라서, 상술한 바와 같이, 압저항 코팅막(12a) 및 압저항 물질층(12b)의 표면 저항은 100/㎡ 이상이며 10M/㎡ 이하일 수 있다.
이하, 본 발명의 압력 센서의 또 다른 실시 예를 구체적으로 설명하면 다음과 같다.
도 5a 및 도 5b는 본 발명의 또 다른 실시 예의 압력 센서의 사시도이다.
도 5a와 같이, 본 발명의 또 다른 실시 예의 압력 센서는 제 1 전극층(11)이 일체형의 구조로 형성된다. 즉, 제 1 전극층(11)이 제 1 방향으로 배열된 복수 개의 제 1 전극 패턴 구조가 아닌 일체형으로 압저항층(12)과 모두 중첩되도록 형성될 수도 있다. 이 경우, 제 1 전극층(11)은 전도성 섬유만으로 이루어지고, 제 2 전극층(13)은 전도성 섬유와 비전도성 섬유로 이루어져 도 2a의 제 1 방향 또는 제 2 방향으로 배열된 복수 개의 제 2 전극 패턴(13a)을 포함한다. 따라서, 외부 압력에 의해 제 1 전극층(11)과 제 2 전극 패턴(13a)이 중첩되는 영역에서 압저항층(12)의 압저항이 변하여 압력을 감지할 수 있다.
또한, 도 5b와 같이, 제 2 전극층(13)이 압저항층(12)과 모두 중첩되는 일체형 구조로 형성될 수도 있다. 이 경우, 제 2 전극층(13)은 전도성 섬유만으로 이루어지고, 제 1 전극층(11)은 전도성 섬유와 비전도성 섬유로 이루어져 제 1 전극층(11)이 도 2a의 제 1 방향 또는 제 2 방향으로 배열된 복수 개의 제 1 전극 패턴(11a)을 포함할 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 압력 센서는 FSR(Force Sensing Register) 센서 및 일반적인 시트 형태의 압력 센서의 장점만을 확보할 수 있다. 구체적으로, FSR(Force Sensing Register) 센서는 필름에 전도성 패턴이 인쇄된 구조로 형성되어 대면적화가 어렵고 유연성이 취약하나 얼라인(Align) 문제를 방지할 수 있으며, 일반적인 시트 형태의 압력 센서는 유연성을 가지나 제 1 전극층, 압저항층 및 제 2 전극층을 각각 형성하고 이를 접착시키므로 얼라인 문제가 발생할 수 있다.
반면, 본 발명은 전도성 섬유(10a), 비전도성 섬유(10b) 및 압저항 섬유(10c)를 함께 직조하여 시트 형태의 압력 센서를 구현할 수 있다. 이에 따라, 압력 센서의 유연성을 확보하고 대면적화가 가능하다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
10a: 전도성 섬유 10b: 비전도성 섬유
10c: 압저항 섬유 11: 제 1 전극층
11a: 제 1 전극 패턴 12: 압저항층
12a: 압저항 코팅막 12b: 압저항 물질층
13: 제 2 전극층 13a: 제 2 전극 패턴

Claims (19)

  1. 전도성 섬유, 비전도성 섬유 및 압저항 섬유가 함께 직조된 시트 형태의 압력 센서에 관한 것으로,
    상기 전도성 섬유와 상기 비전도성 섬유를 포함하는 제 1 전극층;
    상기 전도성 섬유와 상기 비전도성 섬유를 포함하는 제 2 전극층; 및
    상기 제 1 전극층과 상기 제 2 전극층 사이에 배치되며 상기 압저항 섬유를 포함하는 압저항층을 포함하고,
    상기 제 1 전극층 및 상기 제 2 전극층은 각각 씨실과 날실을 포함하고,
    상기 제 1 전극층은 날실이 비전도성 섬유이며, 씨실이 전도성 섬유이고,
    상기 제 2 전극층의 날실이 전도성 섬유이며, 씨실이 비전도성 섬유인 압력 센서.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 전극층은 제 1 방향으로 나란하게 배열되며 상기 전도성 섬유로 이루어진 복수 개의 제 1 전극 패턴을 포함하는 압력 센서.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 전극층은 상기 비전도성 섬유를 더 포함하며, 상기 제 1 전극층은 제 1 방향으로 나란하게 배열되며 상기 전도성 섬유로 이루어진 복수 개의 제 1 전극 패턴을 포함하고,
    상기 제 2 전극층은 상기 제 1 방향과 교차하는 제 2 방향으로 나란하게 배열되며, 상기 전도성 섬유로 이루어진 복수 개의 제 2 전극 패턴을 포함하는 압력 센서.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 압저항 섬유는 압저항 물질로만 이루어지고,
    상기 압저항 물질은 탄소 물질, 전도성 고분자 및 반도체성 무기 금속 산화물 중 선택된 물질을 포함하는 압력 센서.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 압저항 섬유는 코어 및 상기 코어의 외면에 코팅된 압저항 물질을 포함하고,
    상기 압저항 물질은 탄소 물질, 전도성 고분자 및 반도체성 무기 금속 산화물 중 선택된 물질을 포함하는 압력 센서.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 전도성 섬유는 전도성 물질로만 이루어진 압력 센서.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 전도성 섬유는 코어 및 상기 코어의 외면에 코팅된 전도성 물질을 포함하는 압력 센서.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 비전도성 섬유는 폴리에스터, 나일론, 아크릴, 폴리프로필렌, 폴리우레탄, 면, 실크, 아세테이트 중 선택된 물질을 포함하는 압력 센서.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 전도성 섬유와 상기 비전도성 섬유 사이의 간극에 채워진 압저항 물질층을 포함하는 압력 센서.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 제 1 전극층과 상기 제 2 전극층의 외측면에 코팅된 압저항 코팅막을 더 포함하는 압력 센서.
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