KR20180117891A - 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 전극에 연결되는 제1 전극층, 상기 제1 전극층 상에 배치되는 중간층, 그리고 상기 중간층 상에 배치되며, 상기 제1 전극과 반대의 극성을 가지는 제2 전극에 연결되는 제2 전극층을 포함하며, 상기 중간층은, 제1 방향으로 배치되는 복수의 도전성 섬유를 포함하는 제1 도전성 섬유 그룹, 그리고 상기 제1 방향과 상이한 제2 방향으로 배치되며, 상기 제1 도전성 섬유 그룹에 포함되는 복수의 도전성 섬유 사이를 교차하도록 배치되는 복수의 도전성 섬유를 포함하는 제2 도전성 섬유 그룹을 포함하고, 상기 제1 도전성 섬유 그룹 및 상기 제2 도전성 섬유 그룹 중 적어도 하나는 복수의 제1 도전성섬유, 그리고 상기 제1 도전성 섬유와 이종인 복수의 제2 도전성 섬유를 포함한다.
Description
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. 압력 감지 장치 상에 가해지는 압력에 따라 중간층의 저항이 변화하는 원리를 이용하여 압력이 감지될 수 있다. 이러한 압력 감지 장치의 성능은 중간층의 탄성 복원력, 전도 성능 등에 의하여 영향을 받을 수 있다.
일반적으로, 중간층은 폼 형태의 탄성의 기재를 전도성 용액에 침지한 후, 세정 및 건조를 거치는 과정에 의하여 제작될 수 있다. 도 1은 폼 형태의 탄성의 기재를 이용하여 제작된 중간층의 일 예이다. 이러한 폼 형태의 탄성의 기재는 온도에 따라 기공이 수축하거나 팽창하는 문제가 있다. 기공이 팽창할 경우 폼 형태의 탄성의 기재에 부착된 전도성 물질 간 이격 거리가 증가하게 되며, 이에 따라 중간층 내 가변 저항의 범위가 줄어들거나 압력 감지의 감도가 떨어지는 문제가 발생할 수 있다.
뿐만 아니라, 폼 형태의 탄성의 기재를 제작하는 과정에서, 기공의 크기를 제어하기 어려운 문제가 있으며, 장기적으로 강한 입력이 반복하여 가해지는 경우 기공이 원상태로 회복되지 않아 압저항 소재로써의 기능을 상실하기 쉬운 문제가 있다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 가해진 무게에 따른 압력을 감지하는 압력 감지 장치를 제공하는 데 있다.
본 발명의 한 실시예에 따른 압력 감지 센서는 제1 전극에 연결되는 제1 전극층, 상기 제1 전극층 상에 배치되는 중간층, 그리고 상기 중간층 상에 배치되며, 상기 제1 전극과 반대의 극성을 가지는 제2 전극에 연결되는 제2 전극층을 포함하며, 상기 중간층은, 제1 방향으로 배치되는 복수의 도전성 섬유를 포함하는 제1 도전성 섬유 그룹, 그리고 상기 제1 방향과 상이한 제2 방향으로 배치되며, 상기 제1 도전성 섬유 그룹에 포함되는 복수의 도전성 섬유 사이를 교차하도록 배치되는 복수의 도전성 섬유를 포함하는 제2 도전성 섬유 그룹을 포함하고, 상기 제1 도전성 섬유 그룹 및 상기 제2 도전성 섬유 그룹 중 적어도 하나는 복수의 제1 도전성 섬유, 그리고 상기 제1 도전성 섬유와 이종인 복수의 제2 도전성 섬유를 포함한다.
상기 제1 도전성 섬유는 제1 직경을 가지고, 상기 제2 도전성 섬유는 상기 제1 직경과 상이한 제2 직경을 가질 수 있다.
상기 제1 도전성 섬유의 전기전도도는 상기 제2 도전성 섬유의 전기전도도와 상이할 수 있다.
상기 제1 도전성 섬유에 포함되는 소재 및 상기 소재의 함량 중 적어도 하나는 상기 제2 도전성 섬유에 포함되는 소재 및 상기 소재의 함량 중 적어도 하나와 상이할 수 있다.
상기 제1 도전성 섬유 및 상기 제2 도전성 섬유 중 하나에는 중공이 형성될 수 있다.
상기 제1 도전성 섬유 및 상기 제2 도전성 섬유에는 중공이 형성되며, 상기 제1 도전성 섬유에 형성되는 중공의 직경은 상기 제2 도전성 섬유에 형성되는 중공의 직경과 상이할 수 있다.
상기 중간층은 제1 층, 그리고 상기 제1 층 상에 배치되는 제2 층을 포함하며, 상기 제1 층 및 상기 제2 층 중 적어도 하나는 상기 제1 도전성 섬유 그룹 및 상기 제2 도전성 섬유 그룹을 포함할 수 있다.
상기 중간층은 제1 영역 및 제2 영역을 포함하며, 상기 제1 영역에서 상기 제1 도전성 섬유 및 상기 제2 도전성 섬유의 함량 비는 상기 제2 영역에서 상기 제1 도전성 섬유 및 상기 제2 도전성 섬유의 함량 비와 상이할 수 있다.
상기 제1 영역 및 상기 제2 영역 중 적어도 하나는 센싱 영역이고, 나머지 하나는 비센싱 영역일 수 있다.
본 발명의 한 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 전극에 연결되는 제1 전극층, 상기 제1 전극층 상에 배치되는 중간층, 그리고 상기 중간층 상에 배치되며, 상기 제1 전극과 반대의 극성을 가지는 제2 전극에 연결되는 제2 전극층을 포함하며, 상기 중간층은, 제1 방향으로 배치되는 복수의 도전성 섬유를 포함하는 제1 도전성 섬유 그룹, 그리고 상기 제1 방향과 상이한 제2 방향으로 배치되며, 상기 제1 도전성 섬유 그룹에 포함되는 복수의 도전성 섬유 사이를 교차하도록 배치되는 복수의 도전성 섬유를 포함하는 제2 도전성 섬유 그룹을 포함하고, 상기 제1 도전성 섬유 그룹 및 상기 제2 도전성 섬유 그룹 중 적어도 하나는 복수의 제1 도전성섬유, 그리고 상기 제1 도전성 섬유와 이종인 복수의 제2 도전성 섬유를 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, 온도가 변화하는 환경에서도 중간층의 기공이 쉽게 수축하거나 팽창하지 않아 신뢰성 있는 압력 감지 성능을 얻을 수 있다. 또한, 중간층 내 기공의 크기가 제어될 수 있다. 또한, 본 발명의 실시예에 따른 압력 감지 센서는 반복 사용하더라도 기공의 크기 및 모양이 크게 변화하지 않으므로, 내구성이 높다.
도 1은 폼 형태의 탄성의 기재를 이용하여 제작된 중간층의 일 예이다.
도 2는 본 발명의 한 실시예에 따른 압력 감지 센서의 사시도이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 압력 감지 센서의 사시도이다.
도 4는 본 발명의 한 실시예에 따른 중간층의 사시도를 나타낸다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 중간층의 사시도를 나타낸다.
도 6은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 중간층의 사시도이다.
도 7은 도 6의 중간층이 적용된 압력 감지 센서 상에 가해지는 압력의 크기에 따른 단면 변화를 나타내는 도면이다.
도 8은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 압력 감지 센서의 단면도이다.
도 9는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 압력 감지 센서의 단면도이다.
도 10은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 압력 감지 센서의 단면도이다.
도 11은 본 발명의 한 실시예에 따른 압력 감지 장치의 블록도이다.
도 2는 본 발명의 한 실시예에 따른 압력 감지 센서의 사시도이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 압력 감지 센서의 사시도이다.
도 4는 본 발명의 한 실시예에 따른 중간층의 사시도를 나타낸다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 중간층의 사시도를 나타낸다.
도 6은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 중간층의 사시도이다.
도 7은 도 6의 중간층이 적용된 압력 감지 센서 상에 가해지는 압력의 크기에 따른 단면 변화를 나타내는 도면이다.
도 8은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 압력 감지 센서의 단면도이다.
도 9는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 압력 감지 센서의 단면도이다.
도 10은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 압력 감지 센서의 단면도이다.
도 11은 본 발명의 한 실시예에 따른 압력 감지 장치의 블록도이다.
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 2는 본 발명의 한 실시예에 따른 압력 감지 센서의 사시도이고, 도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 압력 감지 센서의 사시도이다.
도 2 내지 3을 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. 제1 전극층(110)은 제1 전극(미도시)에 연결되고, 제2 전극층(120)은 제1 전극과 반대의 극성을 가지는 제2 전극(미도시)에 연결될 수 있다. 도시되지 않았으나, 제1 전극 및 제2 전극은 리지드(rigid) 인쇄회로기판 또는 연성(flexible) 인쇄회로기판을 통해 연결될 수 있다.
이때, 제1 전극층(110) 및 제2 전극층(120)은 도금 전극 또는 프린팅 전극일 수 있으며, 유연하고 신축성을 가지는 전극일 수 있다. 이를 위하여, 도금 또는 프린팅은 베이스 기재 상에 형성될 수 있으며, 베이스 기재는, 예를 들어 에스테르계 직물 또는 우레탄계 필름일 수 있으나, 이로 제한되는 것은 아니다.
또는, 제1 전극층(110) 및 제2 전극층(120)은 도전성 섬유를 포함할 수도 있다. 여기서, 도전성 섬유는 금속 와이어 또는 표면 상에 금속 막이 피복된 일반 섬유일 수 있다. 도전성 섬유는 금속 입자가 분산된 일반 섬유일 수도 있다. 도전성 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. 도전성 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.
도 3과 같이, 제1 전극층(110)은 제1 전도 영역(112)을 포함하고, 제2 전극층(120)은 제2 전도 영역(122)을 포함할 수도 있다.
이때, 제1 전극층(110) 및 제2 전극층(120)은 직물로 이루어지며, 제1 전도 영역(112) 및 제2 전도 영역(122)은 도전성 섬유를 포함하는 직물로 이루어질 수 있다. 여기서, 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.
그리고, 중간층(130)은 탄성을 가지는 가변 저항층일 수 있다. 이를 위하여, 중간층(130) 내에는 도전 물질이 분산될 수 있다. 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 도전 물질의 밀도가 높아지고, 도전 물질 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.
도 4는 본 발명의 한 실시예에 따른 중간층의 사시도를 나타내고, 도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 중간층의 사시도를 나타낸다.
도 4 내지 5를 참조하면, 중간층(130)은 도전성 섬유를 포함할 수 있다. 여기서, 도전성 섬유는 표면 상에 금속 막이 피복되거나, 금속 입자가 분산된 섬유일 수 있다. 이때, 섬유는 고분자 화합물을 포함할 수 있으며, 예를 들어 아크릴 수지, PE(PolyEthylene) 수지, PP(PolyPropylene) 수지, 실리콘 수지, 우레탄 수지 등일 수 있다.
도전성 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. 금속 입자는 Cu, Ni, 또는 스테인레스 합금일 수 있다.
이때, 중간층(130)의 전기전도도는 제1 전극층(110) 및 제2 전극층(120)의 전기전도도보다 낮을 수 있다. 이에 따라, 압력 감지 센서(100) 상에 압력이 가해지지 않은 정상 상태에서 중간층(130)은 절연 상태를 유지할 수 있다. 예를 들어, 제1 전극층(110) 및 제2 전극층(120)이 도전성 섬유를 포함하는 경우, 제1 전극층(110) 및 제2 전극층(120)에 포함되는 도전성 섬유를 위한 도전 물질의 종류 및 함량 중 적어도 하나는 중간층(130)에 포함되는 도전성 섬유를 위한 도전 물질의 종류 및 함량과 상이할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 중간층(130)은 제1 방향으로 배치되는 복수의 도전성 섬유를 포함하는 제1 도전성 섬유 그룹(132), 그리고 제1 방향과 상이한 제2 방향으로 배치되며, 제1 도전성 그룹(132)에 포함되는 복수의 도전성 섬유 사이를 교차하도록 배치되는 복수의 도전성 섬유를 포함하는 제2 도전성 섬유 그룹(134)을 포함한다. 도시된 바와 같이, 제1 도전성 섬유 그룹(132)에 포함되는 일부 도전성 섬유는 제2 도전성 섬유 그룹(134)에 포함되는 복수의 도전성 섬유 중 일부 도전성 섬유의 상부 및 나머지 도전성 섬유의 하부에 배치될 수 있고, 제1 도전성 섬유 그룹(132)에 포함되는 나머지 도전성 섬유는 제2 도전성 섬유 그룹(134)에 포함되는 복수의 도전성 섬유 중 일부 도전성 섬유의 하부 및 나머지 도전성 섬유의 상부에 배치될 수 있다. 예를 들어, 제1 도전성 섬유 그룹(132)에 포함되는 복수의 도전성 섬유 및 제2 도전성 섬유 그룹(134)에 포함되는 복수의 도전성 섬유는 다양한 방식으로 직조될 수 있다.
이와 같이, 중간층(130)이 도전성 섬유를 포함하는 직물로 형성되는 경우, 직물을 구성하는 섬유 간 공극으로 인하여 탄성을 가지면서도, 직조 방식 또는 섬유의 굵기 등을 이용하여 중간층(130) 내 공극의 크기 및 간격을 제어하는 것이 가능하다. 또한, 중간층(130)의 두께, 크기 및 형상을 자유롭게 조절하는 것이 가능하다. 또한, 폼 소재에 비하여 온도 안정성성이 높고, 내구성이 높으므로, 압력 감지의 감도 및 신뢰성을 높이는 것이 가능하다.
한편, 제1 도전성 섬유 그룹(132) 및 제2 도전성 섬유 그룹(134) 중 적어도 하나는 복수의 제1 도전성 섬유(402), 그리고 제1 도전성 섬유(402)와 이종인 복수의 제2 도전성 섬유(404)를 포함한다.
예를 들어, 제1 도전성 섬유 그룹(132)은 복수의 제1 도전성 섬유(402) 및 이와 이종인 복수의 제2 도전성 섬유(404)를 포함하고, 제2 도전성 섬유 그룹(134)은 복수의 제1 도전성 섬유(402) 및 이와 이종인 복수의 제2 도전성 섬유(404)를 포함할 수 있다. 또는, 도시되지 않았으나, 제1 도전성 섬유 그룹(132)은 복수의 제1 도전성 섬유(402)를 포함하고, 제2 도전성 섬유 그룹(134)은 복수의 제1 도전성 섬유(402) 및 이와 이종인 복수의 제2 도전성 섬유(404)를 포함할 수도 있다. 또는, 도시되지 않았으나, 제1 도전성 섬유 그룹(132)은 복수의 제1 도전성 섬유(402) 및 이와 이종인 복수의 제2 도전성 섬유(404)를 포함하고, 제2 도전성 섬유 그룹(134)은 복수의 제1 도전성 섬유(402)를 포함할 수도 있다.
여기서, 이종이란 도전성 섬유의 직경이 상이하거나, 도전성 섬유의 전기전도도가 상이하거나, 도전성 섬유의 형상이 상이한 것을 의미할 수 있다. 예를 들어, 도전성 섬유의 전기전도도는 섬유에 분산되거나 코팅된 도전 물질의 종류, 함량, 두께 등에 따라 달라질 수 있다. 도전성 섬유의 형상은 도전성 섬유의 꼬임 방식, 도전성 섬유 내 중공의 형성 여부, 중공의 크기 등에 따라 달라질 수 있다.
여기서, 도 4에 도시된 바와 같이, 제1 도전성 섬유(402)와 제2 도전성 섬유(404)가 서로 번갈아 배치될 수 있다. 또는, 도 5에 도시된 바와 같이, 복수의 제1 도전성 섬유(402)가 서로 인접하여 연속적으로 배치되거나, 복수의 제2 도전성 섬유(404)가 서로 인접하여 연속적으로 배치될 수도 있다.
이때, 중간층(130)은 센싱 포인트에 대응하는 센싱 영역인 제1 영역(A1)과 비센싱 영역인 제2 영역(A2)으로 구분될 수 있으며, 제1 영역(A1)에서 제1 도전성 섬유(402) 및 제2 도전성 섬유(404)의 함량비는 제2 영역(A2)에서 제1 도전성 섬유(402) 및 제2 도전성 섬유(404)의 함량비와 상이할 수 있다. 이에 따라, 제1 영역(A1)에 압력이 가해진 경우 중간층(130)의 가변 저항 값과 제1 영역(A1)에 압력이 가해지지 않을 경우 중간층(130)의 가변 저항 값은 상이하며, 가변 저항 값의 차를 이용하여 제1 영역(A1)에 가해진 압력의 유무 및 크기를 감지하는 것이 가능하다.
도 6은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 중간층의 사시도이고, 도 7은 도 6의 중간층이 적용된 압력 감지 센서 상에 가해지는 압력의 크기에 따른 단면 변화를 나타내는 도면이다. 도 1 내지 5와 동일한 내용은 중복되는 설명을 생략한다.
도 6을 참조하면, 중간층(130)은 제1 방향으로 배치되는 복수의 도전성 섬유를 포함하는 제1 도전성 섬유 그룹(132), 그리고 제1 방향과 상이한 제2 방향으로 배치되며, 제1 도전성 그룹(132)에 포함되는 복수의 도전성 섬유 사이를 교차하도록 배치되는 복수의 도전성 섬유를 포함하는 제2 도전성 섬유 그룹(134)을 포함한다. 그리고, 제1 도전성 섬유 그룹(132) 및 제2 도전성 섬유 그룹(134) 중 적어도 하나는 복수의 제1 도전성 섬유(402), 그리고 제1 도전성 섬유(402)와 이종인 복수의 제2 도전성 섬유(404)를 포함한다.
여기서, 제1 도전성 섬유(402)는 제1 직경(D1)을 가지고, 제2 도전성 섬유(404)는 제2 직경(D2)을 가질 수 있다. 예를 들어, 제1 직경(D1)은 제2 직경(D2)보다 작으며, 센싱 영역인 제1 영역(A1)에서의 제2 도전성 섬유(404)에 대한 제1 도전성 섬유(402)의 함량 비는 비센싱 영역인 제2 영역(A2)에서의 제2 도전성 섬유(404)에 대한 제2 도전성 섬유(402)의 함량 비보다 클 수 있다. 예를 들어, 제1 직경(D1)은 제2 직경(D2)의 0.1 내지 0.9배, 바람직하게는 0.1 내지 0.7배, 더욱 바람직하게는 0.1 내지 0.5배일 수 있다. 제1 직경(D1)과 제2 직경(D2) 간의 비가 이러한 수치범위를 만족하는 경우, 센싱 영역(A1)과 비센싱 영역(A2)을 구분하는 것이 가능하다.
압력이 가해지지 않을 경우, 도 7(a)와 같이 제1 직경(D1)을 가지는 제1 도전성 섬유(402)는 제1 전극층(110)과 제2 전극층(120) 간의 수직 전류 경로(vertical current path)를 형성하지 않으며, 제2 직경(D2)을 가지는 제2 도전성 섬유(404)만이 제1 전극층(110)과 제2 전극층(120) 간의 수직 전류 경로(vertical current path)를 형성하게 된다.
이에 대하여, 압력이 가해지는 경우, 도 7(b)와 같이 제2 직경(D2)을 가지는 제2 도전성 섬유(404)뿐만 아니라, 제1 직경(D1)을 가지는 제1 도전성 섬유(404)도 제1 전극층(110)과 제2 전극층(120) 간의 수직 전류 경로를 형성하게 된다.
이에 따라, 압력이 가해지는 경우, 압력이 가해지지 않은 경우에 비하여 넓은 수직 전류 경로가 형성되며, 가변 저항 값이 낮아지게 된다.
예를 들어, 제1 영역(A1)에서의 제2 도전성 섬유(404)에 대한 제1 도전성 섬유(402)의 함량 비는 제2 영역(A2)에서의 제2 도전성 섬유(404)에 대한 제1 도전성 섬유(402)의 함량 비보다 클 수 있다. 이에 따라, 제1 영역(A1) 상에 압력이 가해지지 않은 상태에서는 제1 전극층(110), 제2 도전성 섬유(404) 및 제2 전극층(120) 방향으로 형성되는 좁은 전류 경로가 존재하나, 제1 영역(A1) 상에 압력이 가해진 상태에서는 제1 전극층(110), 제1 도전성 섬유(402), 제2 도전성 섬유(404) 및 제2 전극층(120) 방향으로 형성되는 넓은 전류 경로가 존재하게 된다. 이에 따라, 제1 영역 상에 압력이 가해지지 않은 상태에 비하여, 제1 영역 상에 압력이 가해진 상태에서의 가변 저항 값이 낮아지게 된다.
도 8은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 압력 감지 센서의 단면도이다. 도 1 내지 7과 동일한 내용은 중복되는 설명을 생략한다.
도 8을 참조하면, 중간층(130)은 복수의 층(800, 802, 804)을 포함하며, 제1 층(800), 제2 층(802) 및 제3 층(804) 중 적어도 하나는 도 4 내지 7에서 설명한 중간층의 구조를 가질 수 있다. 즉, 제1 층(800), 제2 층(802) 및 제3 층(804) 중 적어도 하나는 제1 방향으로 배치되는 복수의 도전성 섬유를 포함하는 제1 도전성 섬유 그룹(132), 그리고 제1 방향과 상이한 제2 방향으로 배치되며, 제1 도전성 그룹(132)에 포함되는 복수의 도전성 섬유 사이를 교차하도록 배치되는 복수의 도전성 섬유를 포함하는 제2 도전성 섬유 그룹(134)을 포함하며, 제1 도전성 섬유 그룹(132) 및 제2 도전성 섬유 그룹(134) 중 적어도 하나는 복수의 제1 도전성 섬유(402), 그리고 제1 도전성 섬유(402)와 이종인 복수의 제2 도전성 섬유(404)를 포함할 수 있다.
이와 같이, 중간층(130)이 복수의 층(800, 802, 804)을 포함하는 경우, 중간층(130)에 포함되는 도전성 섬유의 접촉 면적이 증가하게 되므로, 가변 저항 값의 변화의 폭이 커지게 된다.
도 9는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 압력 감지 센서의 단면도이다. 도 1 내지 7과 동일한 내용은 중복되는 설명을 생략한다.
도 9를 참조하면, 중간층(130)은 제1 방향으로 배치되는 복수의 도전성 섬유를 포함하는 제1 도전성 섬유 그룹(132), 그리고 제1 방향과 상이한 제2 방향으로 배치되며, 제1 도전성 그룹(132)에 포함되는 복수의 도전성 섬유 사이를 교차하도록 배치되는 복수의 도전성 섬유를 포함하는 제2 도전성 섬유 그룹(134)을 포함하며, 제1 도전성 섬유 그룹(132) 및 제2 도전성 섬유 그룹(134) 중 적어도 하나는 복수의 제1 도전성 섬유(402), 그리고 제1 도전성 섬유(402)와 이종인 복수의 제2 도전성 섬유(404)를 포함할 수 있다.
이때, 제1 도전성 섬유(402) 및 제2 도전성 섬유(404) 중 적어도 하나에는 중공이 형성될 수 있다. 이와 같이, 제1 도전성 섬유(402) 및 제2 도전성 섬유(404) 중 적어도 하나에 중공이 형성되면, 탄성이 높아지게 될뿐만 아니라, 제1 도전성 섬유(402) 및 제2 도전성 섬유(404) 중 적어도 하나의 표면적이 넓어지게 되므로, 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.
여기서, 도 9(a)에서 도시한 바와 같이 직경이 동일한 제1 도전성 섬유(402) 및 제2 도전성 섬유(404) 중 일부, 예를 들어 제1 도전성 섬유(402)에만 중공(h)이 형성되거나, 도 9(b)에 도시한 바와 같이 직경이 동일한 제1 도전성 섬유(402) 및 제2 도전성 섬유(404)에 서로 다른 직경의 중공이 형성되거나, 도 9(c)에 도시한 바와 같이 직경이 상이한 제1 도전성 섬유(402) 및 제2 도전성 섬유(404) 중 일부, 예를 들어 제1 도전성 섬유(402)에만 중공이 형성되거나, 도 9(d)에 도시한 바와 같이 직경이 상이한 제1 도전성 섬유(402) 및 제2 도전성 섬유(404)에 서로 다른 직경의 중공이 형성될 수 있다.
이와 같이, 제1 도전성 섬유(402) 및 제2 도전성 섬유(404)에 형성되는 중공의 유무 및 직경을 조절하면, 가변 저항의 변화 정도를 조절하는 것이 가능하다.
뿐만 아니라, 도 8에 도시된 바와 같이, 중간층(130)은 적층된 복수의 층을 포함하며, 복수의 층 중 적어도 하나는 도9(a) 내지 도 9(d)에 예시된 구조를 가질 수도 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 10은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 압력 감지 센서의 단면도이다. 도 1 내지 9와 동일한 내용은 중복되는 설명을 생략한다.
도 10을 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 9를 통하여 설명한 본 발명의 실시예에 따른 구조를 가질 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 압력 감지 센서는 압력 감지 장치에 포함될 수 있다.
도 11은 본 발명의 실시예에 따른 압력 감지 장치의 블록도이다.
도 11을 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.
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
110: 제1 전극층
120: 제2 전극층
130: 중간층
Claims (10)
- 제1 전극에 연결되는 제1 전극층,
상기 제1 전극층 상에 배치되는 중간층, 그리고
상기 중간층 상에 배치되며, 상기 제1 전극과 반대의 극성을 가지는 제2 전극에 연결되는 제2 전극층을 포함하며,
상기 중간층은,
제1 방향으로 배치되는 복수의 도전성 섬유를 포함하는 제1 도전성 섬유 그룹, 그리고
상기 제1 방향과 상이한 제2 방향으로 배치되며, 상기 제1 도전성 섬유 그룹에 포함되는 복수의 도전성 섬유 사이를 교차하도록 배치되는 복수의 도전성 섬유를 포함하는 제2 도전성 섬유 그룹을 포함하고,
상기 제1 도전성 섬유 그룹 및 상기 제2 도전성 섬유 그룹 중 적어도 하나는 복수의 제1 도전성섬유, 그리고 상기 제1 도전성 섬유와 이종인 복수의 제2 도전성 섬유를 포함하는 압력 감지 센서. - 제1항에 있어서,
상기 제1 도전성 섬유는 제1 직경을 가지고, 상기 제2 도전성 섬유는 상기 제1 직경과 상이한 제2 직경을 가지는 압력 감지 센서. - 제1항에 있어서,
상기 제1 도전성 섬유의 전기전도도는 상기 제2 도전성 섬유의 전기전도도와 상이한 압력 감지 센서. - 제1항에 있어서,
상기 제1 도전성 섬유에 포함되는 소재 및 상기 소재의 함량 중 적어도 하나는 상기 제2 도전성 섬유에 포함되는 소재 및 상기 소재의 함량 중 적어도 하나와 상이한 압력 감지 센서. - 제1항에 있어서,
상기 제1 도전성 섬유 및 상기 제2 도전성 섬유 중 하나에는 중공이 형성되는 압력 감지 센서. - 제1항에 있어서,
상기 제1 도전성 섬유 및 상기 제2 도전성 섬유에는 중공이 형성되며, 상기 제1 도전성 섬유에 형성되는 중공의 직경은 상기 제2 도전성 섬유에 형성되는 중공의 직경과 상이한 압력 감지 센서. - 제1항에 있어서,
상기 중간층은 제1 층, 그리고 상기 제1 층 상에 배치되는 제2 층을 포함하며,
상기 제1 층 및 상기 제2 층 중 적어도 하나는 상기 제1 도전성 섬유 그룹 및 상기 제2 도전성 섬유 그룹을 포함하는 압력 감지 센서. - 제1항에 있어서,
상기 중간층은 제1 영역 및 제2 영역을 포함하며,
상기 제1 영역에서 상기 제1 도전성 섬유 및 상기 제2 도전성 섬유의 함량 비는 상기 제2 영역에서 상기 제1 도전성 섬유 및 상기 제2 도전성 섬유의 함량 비와 상이한 압력 감지 센서. - 제8항에 있어서,
상기 제1 영역 및 상기 제2 영역 중 적어도 하나는 센싱 영역이고, 나머지 하나는 비센싱 영역인 압력 감지 센서. - 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 전극에 연결되는 제1 전극층,
상기 제1 전극층 상에 배치되는 중간층, 그리고
상기 중간층 상에 배치되며, 상기 제1 전극과 반대의 극성을 가지는 제2 전극에 연결되는 제2 전극층을 포함하며,
상기 중간층은,
제1 방향으로 배치되는 복수의 도전성 섬유를 포함하는 제1 도전성 섬유 그룹, 그리고
상기 제1 방향과 상이한 제2 방향으로 배치되며, 상기 제1 도전성 섬유 그룹에 포함되는 복수의 도전성 섬유 사이를 교차하도록 배치되는 복수의 도전성 섬유를 포함하는 제2 도전성 섬유 그룹을 포함하고,
상기 제1 도전성 섬유 그룹 및 상기 제2 도전성 섬유 그룹 중 적어도 하나는 복수의 제1 도전성섬유, 그리고 상기 제1 도전성 섬유와 이종인 복수의 제2 도전성 섬유를 포함하는 압력 감지 장치.
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