KR20190057811A

KR20190057811A - 탄소나노튜브 시트를 이용한 신축성 온도 센서 및 그 제조방법

Info

Publication number: KR20190057811A
Application number: KR1020170155182A
Authority: KR
Inventors: 유의상; 임대영; 소주희; 이현경; 이재경; 김은주; 김지홍; 노수현
Original assignee: 한국생산기술연구원
Priority date: 2017-11-20
Filing date: 2017-11-20
Publication date: 2019-05-29
Also published as: KR102502547B1

Abstract

웨어러블 온도 센서로서 탄소나노튜브 시트를 이용한 신축성 온도 센서 및 그 제조방법이 개시된다. 탄소나노튜브 시트를 이용한 신축성 온도 센서는, 유전율 실로 이루어지고 전도성 섬유나 전도성 재료 혼입사에 의한 배선 구조를 구비하는 베이스 원단과, 베이스 원단의 일면 상에서 배선 구조의 한 쌍의 배선 말단들부 사이에 전기적으로 연결되는 탄소나노튜브(CNT) 시트와, 의류에 의해 지지되며 CNT 시트의 양단에 연결되는 전자소자를 포함하며, 전자소자는 CNT 시트의 양단에 전압을 인가하는 전원부와, CNT 시트에서 생성되거나 변하는 물리량을 감지하는 신호감지부와, 신호감지부에서 감지되는 감지신호나 이에 대응하는 생체신호를 출력하는 출력부를 구비한다.

Description

탄소나노튜브 시트를 이용한 신축성 온도 센서 및 그 제조방법{STRETCHABLE TEMPERATURE SENSOR USING CARBON NANOTUBE SHEETS AND MANUFACTURING METHOD THEREOF}

본 발명의 실시예는 웨어러블 온도 센서에 관한 것으로, 보다 상세하게는 탄소나노튜브 시트를 이용한 신축성 온도 센서 및 그 제조방법에 관한 것이다.

웨어러블 온도 센서와 관련된 기존 기술은 웨어러블 온도 센서로 사용할 수 있는 평면형 신축성 전기저항 발열체를 개시하거나, 나노섬유와 탄소나노튜브(carbon nanotube, CNT)를 포함한 시트를 개시하거나, 연속 구조체와 시트상 충분한 구조적 결합성을 고려하여 반복하여 배치되고 인접한 CNT 사이의 간극에 프로톤화제를 배치하며 CNT의 정렬을 촉진하는 혼합물 용액을 추가한 구성을 개시하거나, 시트상 카본나노튜브를 포함하는 저항 소자를 개시한다.

현재, 다양한 웨어러블 온도 센서에 대한 연구개발이 진행 중에 있으나, 기존 기술 대부분은 금속재료를 포함하므로 금속재료의 산화 문제가 있고, 직물과는 다른 신축성을 가진 재료를 사용하므로 사용자에게 이물감을 주는 문제가 있다.

국내 등록특허공보 제10-1763658호 일본 공개특허공보 제2016-216888호 일본 등록특허공보 제6182176호 미국 등록특허공보 제7859385호

본 발명은 종래 기술의 문제점을 해소하기 위해 도출된 것으로 본 발명의 목적은 금속재료를 포함하지 않아 웨어러블 제품 특히 의복에 부착 및 응용이 가능하고, 사용자의 이물감을 최소화시켜 착용감을 향상시킬 수 있는 스마트 웨어용 신축성 온도 센서를 제공하는데 있다.

본 발명의 다른 목적은, 내구성이 우수하고 유기재료를 사용하여 가볍고 의복에 부착시 봉제가 가능하므로 그 활용범위가 넒은, 탄소나노튜브(carbon nanotube, CNT) 시트를 이용한 신축성 온도 센서 및 그 제조 방법을 제공하는데 있다.

본 발명의 또 다른 목적은, 기존 전자섬유용 온도센서(서미스터 등) 내의 금속 재료를 대체하는 CNT 시트를 사용하여 분말 형상의 CNT를 분산해야하는 기존의 제조 공정과 달리 직접 섬유 및 시트(sheet)로 변환하여 제작할 수 있는, CNT 시트를 이용한 신축성 온도 센서의 제조 방법을 제공하는데 있다.

상기 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 측면에 따른 탄소나노튜브 시트를 이용한 신축성 온도 센서는, 유전율 실로 이루어지고 전도성 섬유나 전도성 재료 혼입사에 의한 배선 구조를 구비하는 베이스 원단; 상기 베이스 원단의 일면 상에서 상기 배선 구조의 한 쌍의 배선 말단들부 사이에 전기적으로 연결되는 탄소나노튜브(carbon nanotube, CNT) 시트; 및 상기 의류에 의해 지지되며 상기 CNT 시트의 양단에 연결되는 전자소자를 포함한다. 전자소자는, CNT 시트의 양단에 전압을 인가하는 전원부와, CNT 시트에서 생성되거나 변하는 물리량을 감지하는 신호감지부와, 신호감지부에서 감지되는 감지신호나 이에 대응하는 생체신호를 출력하는 출력부를 구비한다.

일실시예에서, 상기 CNT 시트를 포함하는 상기 배선 구조의 한 쌍의 배선 말단들부 사이의 전기저항값은 수백 오옴(Ω)으로 설정된다.

일실시예에서, 탄소나노튜브 시트를 이용한 신축성 온도 센서는 상기 CNT 시트와 상기 배선 구조 사이에 전기적으로 직렬 연결되는 저항 성분 영역을 더 포함할 수 있다.

일실시예에서, 탄소나노튜브 시트를 이용한 신축성 온도 센서는 상기 CNT 시트와 상기 배선 구조 사이를 전기적으로 연결되는 전도성 직물 패드를 더 포함할 수 있다.

일실시예에서, 탄소나노튜브 시트를 이용한 신축성 온도 센서는, 상기 CNT 시트를 덮는 전도성 바인더를 더 포함할 수 있다.

일실시예에서, 상기 전도성 바인더는 실리콘 계열의 고분자이거나 비 수소결합을 가지면서 루이스 염기성을 가질 수 있다.

상기 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명의 다른 측면에 따른, 탄소나노튜브 시트를 이용한 신축성 온도 센서의 제조 방법은, 유전율 실로 이루어지고 전도성 섬유나 전도성 재료 혼입사에 의한 배선 구조를 구비하는 베이스 원단을 준비하는 단계; 상기 베이스 원단의 일면 상에서 상기 배선 구조의 한 쌍의 배선 말단들부 사이에 탄소나노튜브(carbon nanotube, CNT) 시트를 전기적으로 직렬 연결하는 단계; 및 상기 의류에 의해 지지되며 상기 배선 구조를 통해 상기 CNT 시트의 양단에 연결되는 전자소자를 배치하는 단계를 포함한다. 전자소자는, CNT 시트의 양단에 전압을 인가하는 전원부와, CNT 시트에서 생성되거나 변하는 물리량을 감지하는 신호감지부와, 신호감지부에서 감지되는 감지신호나 이에 대응하는 생체신호를 출력하는 출력부를 구비한다.

일실시예에서, 상기 CNT 시트는 상기 의류를 입은 사용자가 호흡할 때 사용자 피부와의 접촉 면적이 가장 크게 변하는 위치에 배치되며, 상기 위치는 상기 사용자의 횡경막의 팽창에 따라 가장 많이 부풀어오르는 부분에 대응할 수 있다.

일실시예에서, 상기 연결하는 단계는, 상기 베이스 원단에 상기 CNT 시트를 고정하고, 상기 CNT 시트와 상기 배선 구조 사이에 저항 성분 영역을 전기적으로 직렬 연결하는 것을 포함할 수 있다.

일실시예에서, 상기 전자소자는 상기 사용자의 체온 정보를 포함하는 상기 생체신호에 기초하여 상기 사용자의 호흡을 감지하는 생체신호 처리부를 더 구비할 수 있다.

전술한 탄소나노튜브(CNT) 시트를 이용한 신축성 온도 센서 및 그 제조 방법을 이용하는 경우에는, 금속재료를 포함하지 않아 웨어러블 제품 특히 의복에 부착 및 응용이 가능하고, 사용자에게 이물감이 최소화된 스마트 웨어를 제공할 수 있다.

또한, CNT 시트를 활용한 온도센서는 내구성이 우수하고, 유기재료를 사용하여 가볍고 의복에 부착시 봉제가 가능하므로 그 활용범위가 넒은 장점이 있다.

또한, 기존 전자섬유용 온도센서(서미스터 등) 내의 금속 재료를 대체하는 CNT 시트를 사용하므로, CNT 시트의 장점 즉, CNT가 네트워크 구조를 가진 집합체로 합성된 구조의 장점을 활용하여 기존의 분말 형상의 CNT와는 달리 분산 과정 없이 직접 섬유 및 시트(sheet)로 변환할 수 있기 때문에 응용분야에 적용하는 데 큰 장점이 있다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 신축성 온도 센서가 적용된 의류의 정면도이다.
도 2는 도 1의 신축성 온도 센서에 채용할 수 있는 체온 감지회로를 설명하기 위한 개략적인 모식도이다.
도 3은 도 1의 신축성 온도 센서에 채용할 수 있는 탄성나노튜브 시트의 구조를 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 도 1의 신축성 온도 센서에 채용할 수 있는 전자소자를 설명하기 위한 블록도이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 신축성 온도센서가 적용된 의류의 정면도이다.
도 6은 도 5의 전자섬유 온도센서에 채용할 수 있는 전자소자를 설명하기 위한 블록도이다.

본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.

본 명세서에서 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. 또한, "특징으로 한다", "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.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세하게 설명한다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 신축성 온도 센서가 적용된 의류의 정면도이다. 도 2는 도 1의 신축성 온도 센서에 채용할 수 있는 체온 감지회로를 설명하기 위한 개략적인 모식도이다. 도 3은 도 1의 신축성 온도 센서에 채용할 수 있는 탄성나노튜브 시트의 구조를 설명하기 위한 도면이다. 도 4는 도 1의 신축성 온도 센서에 채용할 수 있는 전자소자를 설명하기 위한 블록도이다.

도 1을 참조하면, 본 실시예에 따른 탄소나노튜브 시트를 이용한 신축성 온도 센서(이하, 간략히 신축성 온도 센서라고 함)는, 베이스 원단(11), 탄소나노튜브(carbon nanotube, CNT) 시트, 및 전자소자(20)를 포함하고, CNT 시트가 배치된 센싱 영역(10)에서 사용자의 체온 등의 온도를 감지한다.

베이스 원단(11)은 유전율 실로 이루어지고 전도성 섬유나 전도성 재료 혼입사에 의한 배선 구조를 구비할 수 있다.

CNT 시트는 베이스 원단(11)의 일면 상에서 배선 구조의 한 쌍의 배선 말단들부 사이에 전기적으로 직렬 또는 직병렬 연결될 수 있다. CNT 시트는 복수의 CNT 시트 유닛들(12a, 12b, 12c, 12d)을 구비할 수 있다. 복수의 CNT 시트 유닛들(12a, 12b, 12c, 12d) 중 전기적으로 서로 연결되는 CNT 시트 유닛들 사이에는 전도성 섬유나 전도성 재료 혼입사 등의 도전사(121)나 이것을 이용하여 형성되는 전도성 배선이나 패턴이 형성될 수 있다.

의류(100)은 기본적으로 유전율 실로 이루어지고 적어도 일부 영역에서 CNT 시트를 포함하도록 이루어진다.

의류(100)는 모(울), 마(린넨), 면(코튼), 견(실크) 등의 천연섬유나 폴리에스테르, 나일론, 레이온, 아크릴, 폴리우레탄 등의 인조섬유 또는 이들의 조합으로 이루어지는 직물(woven fabric, cloth), 편조물(braid), 펠트(felt), 매트(mat) 또는 이들의 조합물을 포함할 수 있다.

또한, 의류(100)는 편직물인 피케조직이 네오프렌층과 별도의 층으로 형성된 구조를 구비할 수 있다. 그 경우, 센싱 영역(10)은 체온 감지를 위한 센싱부로서 2.5 내지 5㎏/㎠의 신축 압력을 구비할 수 있으나, 이에 한정되지는 않는다.

센싱 영역(10)은 적어도 일부 영역에서 의류(100)를 구성하는 유전율 실(11)과 CNT 시트를 구비한다. CNT 시트는 센싱 영역(10)의 베이스 원단(11)에서 유전율 실로 이루어진 주변 영역에 의해 둘러쌓여 배치될 수 있다.

본 실시예에서 센싱 영역(10)의 위치는 의류(100)를 입은 사용자의 명치 바로 아래 부분에 대응될 수 있다. 이러한 센싱 영역(10)의 위치는 의류(100)을 착용한 사용자의 호흡에 따라 사용자의 피부와 접촉하는 면적이 가장 크게 변하는 부분으로 설정될 수 있다. 이러한 센싱 영역(10)에 의하면, 사용자의 피부가 센싱 영역(10)에 접촉할 때 CNT 시트에서 변하는 저항값을 감지하여 사용자의 체온을 산출할 수 있다.

CNT 시트는 신축성 탄성섬유를 코어로 하거나 평면형 신축성 기판을 베이스로 하여 제조될 수 있다. 예를 들어, 막대 형상의 신축성 기판을 늘리고, 탄성나노튜브 소재의 전도층을 부착하고, 전극을 연결한 후 액상 신축성 물질을 덮은 다음, 신축성 기판을 원래 길이로 복원되도록 놔두면, 신축성 기판을 둘러싸는 탄성나노튜브 기반의 탄성체가 만들어진다. 즉, 신축성 기판을 병렬로 복수개 배치한 후 상기의 과정을 반복하면 신축성 기판들을 덮는 CNT 시트가 제조될 수 있다. 또한, 신축성 탄성섬유 복수개를 병렬로 배열되는 코어들로 사용하면, 복수의 신축성 기판을 이용하는 것과 유사하게 CNT 시트를 제조할 수 있다. 신축성 탄성섬유의 소재는 가소성 SEBS(styrene-(ethylene-butylene_-styrene) 공중합체를 포함할 수 있다.

이러한 CNT 시트는 주기적인 길고 짧은 버클링(buckling) 형태를 구비하게 되고, 그에 의해 실질적으로 연신 상태에 상관없이 전기전도성을 유지할 수 있는 장점이 있다. 본 실시예에서는 이러한 CNT 시트를 이용한 체온 감지나 체온 감지를 활용한 호흡 감지에 효과적으로 사용할 수 있다.

또한, 전술한 의류(100)은 다양한 기능의 스마트 의류의 구현을 위해 탄소섬유를 구비할 수 있다. 탄소섬유는 탄소화 온도 800∼1,500℃ 부근의 온도에서 유기물질의 열분해에 의해 생성되고 탄소만으로 구성된 직경 5-15㎛의 섬유로서 0.5 내지 3.0^-3Ω㎝의 전기저항 값(비저항)을 갖을 수 있다. 탄소섬유는 원료 물질 즉, 전구체의 종류에 따라 레이온계(Rayon based), PAN계(Polyacrylonitrile based), 피치계(Pitch based), 기상성장(gas phase grown) 탄소섬유로 구분될 수 있다.

탄소섬유는 2차원 또는 3차원 제직으로 전자회로 구현이 가능하며 인장강도 1.2gf/de 이상, 신축도 5% 이상의 기계적 물성을 갖추고 직기나 편기를 이용한 제조공정 중 마찰과 꼬임 등 외력에 견딜 수 있는 것이 사용될 수 있다.

또한, 탄소섬유는 실 또는 필라멘트로서 단위 탄소섬유 수백 내지 수천 가닥으로 구성될 수 있다. 또한, 단위 탄소섬유의 개수를 증가시키면 탄소섬유 또는 CNT 시트의 전기저항값을 높일 수 있다. 일례로, 탄소섬유가 단위 탄소섬유 3000가닥으로 구성되는 탄소섬유의 10m당 전기저항값은 240Ω 정도일 수 있다.

전술한 전자소자(20)는 도 2에 도시한 바와 같이 전원부(21)와 신호감지부(22)를 포함할 수 있다. 전원부(21)는 배선(30)을 통해 센싱 영역(10)의 CNT 그룹들(120)의 양측에 소정 전압을 인가할 수 있다. 전원부(21)는 배터리, 압전 발전기, 태양전지, 열전지 등을 포함할 수 있다. 압전 발전기는 탄소섬유를 이용하여 제작되는 직물형 압전 발전기일 수 있고, 태양전기 또한 탄소섬유를 이용하여 제작되는 직물형 태양전지일 수 있다.

신호감지부(22)는 전원부(21)와 CNT 그룹들(120) 사이에 연결되고 사용자 피부와 CNT 시트(12)의 접촉에 따라 센싱 영역(10) 양단에서 발생하거나 변하는 물리량을 감지한다. 신호감지부(22)는 센싱 영역(10) 내 CNT 그룹들(120)의 전기저항값에 따라 발생하거나 변하는 전압을 측정할 수 있다.

또한, 신호감지부(22)는 CNT 그룹들(120)와의 접속부에 CNT 그룹들로부터 입력되는 신호 또는 물리양을 증폭하는 신호증폭부를 구비할 수 있다. 신호감지부(22)의 입력단은 입력부(20a)로서 신호증폭부의 입력단들 중 적어도 어느 하나에 대응될 수 있다.

또한, 전자소자(20)는 신호감지부(22)에서 감지되는 감지신호나 이에 대응하는 생체신호를 출력하는 출력부(20b)를 구비할 수 있다. 출력부(20b)는 커넥터 또는 통신서브시스템의 안테나 등을 포함할 수 있다. 통신서브시스템은 무선 통신을 위한 통신 모듈을 포함할 수 있고, 무선 통신은 근거리 무선통신, 이동통신 등을 포함할 수 있다.

커넥터는 기존의 다양한 형태들 중 적어도 어느 하나를 선택하여 채용될 수 있다. 커넥터는 USB(universal serial bus)를 포함할 수 있다. 커넥터, 통신서브시스템 등을 이용하면, 스마트폰 등의 휴대 단말을 연결하여 휴대 단말에 탑재된 애플리케이션을 통해 체온이나 이 체온을 이용한 호흡 패턴 등을 화면에 표시하는 것이 가능하다. 물론, 생체신호는 헬스케어 서버 등으로 전송되어 개인 건강관리를 모니터링하는데 이용될 수 있다.

배선(30)은 피복형 전도성 섬유나 전도성 재료 혼입사를 포함하여 직조되는 의류의 일부로서 배치될 수 있다. 피복형 전도성 섬유는 다양한 금속을 섬유에 증착, 코팅 또는 도금하는 방식으로 형성될 수 있고, 전도성 재료 혼입사는 실이나 필라멘트의 제조를 위한 방사 시 카본블랙, CNT, 금속입자, 금속섬유 등의 전도성 물질을 혼입한 섬유로 형성될 수 있다.

또한, 본 실시예에 따른 신축성 온도 센서는 도 2에 도시한 바와 같이 직렬 또는 직병렬 연결되는 복수의 CNT 시트들(12)을 포함하는 CNT 그룹들(120)과, CNT 그룹들(120)의 양단에 공통 연결되는 직물 패드들(41, 42)과, 각 직물 패드에 연결되는 저항기(R1, R2)와, 각 저항기에 연결되는 전자소자(20)를 포함할 수 있다.

CNT 시트들(12)은 도전성 실(121)에 의해 전기적으로 직렬 또는 직병렬 연결되며 센싱 영역(10)을 듬성듬성 메꾼 형태로 배치될 수 있다. 도전성 실(121)은 멀티필라멘트 구조를 가질 수 있다. 복수의 CNT 그룹들(120)를 포함하는 센싱 영역(10)의 양단 간 저항값은 수백 오옴(Ω)이다. 바람직하게는 센싱 영역(10) 양단의 전기저항값은 체온을 감지하기 위한 용도로서 약 200Ω/m 내지 약 400Ω/m일 수 있다.

저항기(R1, R2)는 저항 성분 또는 저항 성분 영역으로 지칭될 수 있으며, CNT 시트(12)에 비해 상대적으로 전기전도도가 수백 배 내지 수천 배 이상 작은, 전도성 소재나 전도성 섬유 등의 재료가 사용될 수 있다.

특히, 본 실시예에서는, 센싱 영역(10) 양단 간의 저항값 즉, 두 노드들(N1, N2) 사이의 전기 저항값을 수백 오옴 수준으로 높이기 위해 CNT 그룹들(120)의 양단에 각각 배치되는 제1 저항기(R1)와 제2 저항기(R2)를 사용할 수 있다.

제1 저항기(R1)와 제2 저항기(R2)의 저항값들은 서로 동일할 수 있다. 이 경우, 제1 저항기(R1)와 제2 저항기(R2)의 전기 저항값들의 평균값을 최소화할 수 있다. 즉, 제1 저항기(R1)와 제2 저항기(R2)의 저항값들이 서로 다르면, 동일한 저항값의 저항기를 기준으로 저항값이 큰 저항기와의 차이가 커질 수 있다. 이 경우, 제1 저항기(R1)와 제2 저항기(R2)의 저항값들의 차이가 일정 범위를 초과하여 커지면, 저항값이 큰 저항기를 제외하고 CNT 그룹들(120)이나 센싱 영역(10)의 대부분에서 실제 전기전도도가 크게 증가하여 센싱 영역(10)이 체온을 감지하는 기능을 제대로 수행하지 못할 수 있다.

또한, CNT 그룹들의 각 CNT 시트(12)는 도 3에 도시한 바와 같이, 전기적 절연체로서 기능하는 스페이서(123) 상에 배치되고, 바인더(125)에 의해 피복될 수 있다. 바인더(125)는 전도성 바인더나 절연성 바인더를 포함할 수 있다. 구체적으로, CNT 시트(12)의 표면을 덮는 전도성 바인더를 더 포함할 수 있다.

전도성 바인더의 재료는 전도성 분말, 광경화형 바인더, 용제 및 광경화 개시제를 포함하는 전도성 페이스트 조성물에 의해 제조될 수 있다. 광경화형 바인더는 아크릴레이트 화합물을 포함할 수 있고, 아크릴레이트 화합물의 주사슬의 하이드록시키(-OH)에 대한 카프로락톤 치환율은 5~21% 범위일 수 있다. 전도성 분말은 그래핀(12c)을 지칭할 수 있다. 용제는 에틸 카비톨 아세테이트(Ethyl cabitol acetate, ECA), 에틸 카비톨(Ethyl carbitol), 부틸 카비톨(Butyl cabitol), 부틸 아세테이트 (Butyl acetate) 등이 사용될 수 있다. 그리고 광경화 개시제는 디에톡시아세토페논(Diethoxy Acetophenone, DEAP) 등이 사용될 수 있다.

또한, CNT 시트(12)는 도전성 실 다발(122)을 통해 도전성 실(121)과 연결될 수 있다. 도전성 실 다발(122)은 병렬로 연장하는 복수의 도전성 실들(121)을 포함할 수 있다.

한편, 전술한 전자소자(20)는, 도 4에 도시한 바와 같이, 신호감지부(22), 비교부(24) 및 생체신호 처리부(25)를 포함할 수 있다. 비교부(24)는 신호감지부(22)의 감지신호를 기준신호, 기준레벨 또는 제2 감지신호와 비교한다.

여기서, 전자소자(20)는 의류(100)의 다른 영역(다른 센싱 영역)에 일체로 설치되는 다른 CNT 시트(다른 센싱용 강화 탄성섬유)에 연결되어 제2 감지신호를 감지할 수 있다(도 5 참조). 제2 감지신호는 체온 감지를 의류(100)의 한 위치에 기초하여 수행하지 않고 복수의 위치들에서 동시에 수행하기 위해 이용되는 신호일 수 있다. 이러한 제2 감지신호를 이용하면, 체온 감지에 있어서 센서의 신뢰도를 향상시킬 수 있다.

전술한 경우, 비교부(24)는 제2 감지신호를 포함하는 두 개의 감지신호를 동시에 혹은 순차적으로 받고 기준신호 또는 기준레벨과 비교하거나 두 개의 감지신호를 비교하여 생체신호임을 확인하도록 동작할 수 있다. 기준신호는 일정 레벨 이상의 감지신호를 판별하기 위한 것일 수 있다. 두 개의 감지신호의 비교는 두 감지신호들의 차이가 소정 레벨보다 작은 경우에 생체신호로 판별하도록 수행될 수 있다. 물론, 이 두 방식의 조합 또한 본 실시예에 적용가능하다.

생체신호 처리부(25)는 감지신호 중 비교부(24)를 통해 생체신호로 판단된 감지신호에 기초하여 체온을 측정할 수 있다. 감지신호는 저항에 대응하는 전압의 세기이거나 이 전압에 대응한 전류의 세기일 수 있다. 생체신호 처리부(25)는 체온 약 20도와 약 50도 범위에 대응하여 전압 약 10V 내지 약 20V 범위에서 대략 선형적으로 비례하는 관계에 따라 사용자의 체온을 감지할 수 있다.

한편, 생체신호 처리부(25)는 체온이 낮아짐에 따라 저항이 증가(전압은 감소)하는 방식에 기초하여 동작하거나, 체온이 낮아짐에 따라 저항이 감소(전압은 증가)하는 방식에 기초하여 동작할 수 있다.

구현에 따라서, 전자소자(20)는 생체신호 처리부(25)에서 계산한 체온을 출력부(도 5의 20b 참조)를 통해 출력할 수 있다. 여기서 출력부는 커넥터나 통신서브시스템에 더하여 추가로 포함하거나 이것을 대체하는 표시소자로 구현될 수 있으며, 그 경우 액정표시장치(LED) 등에 의해 체온을 숫자 형태로 표시하도록 구현될 수 있다.

전술한 실시예에서 전자소자(20)는 박음질 등에 의해 의류에 부착될 수 있으나, 이에 한정되지는 않는다. 박음질은 칩 또는 모듈 형태의 전자소자(20)를 감싸는 형태를 구비할 수 있다. 이 경우, 전자소자(20)의 유동을 방지하여 의류에 안정적으로 고정되는 전자소자(20)를 제공할 수 있다. 전자소자(20)는 FPGA(field programmable gate array), ASIC(Application Specific Integrated Circuit) 등과 같은 하드웨어 구성요소를 포함할 수 있다.

또한, 전술한 전자소자(20)는 CNT 시트(12)와의 안정적인 전기 접속을 위해 전기 접속 부분에 형성되는 핫멜트를 구비할 수 있다. 핫멜트는 액상 또는 필름 형태의 접착제로서 열에 의해 전기 접속 부분을 포위하여 물리적인 접속을 강화할 수 있다. 핫멜트의 소재는 투명한 것이 바람직하다.

전술한 본 실시예의 탄소나노튜브 시트를 이용한 신축성 온도 센서의 제조 방법에 대한 일실시예를 설명하면 다음과 같다.

먼저, 유전율 실로 이루어지고 전도성 섬유나 전도성 재료 혼입사에 의한 배선 구조를 구비하는 베이스 원단을 준비한다.

다음, 상기 베이스 원단의 일면 상에서 배선 구조의 한 쌍의 배선 말단들부 사이에 탄소나노튜브(carbon nanotube, CNT) 시트를 전기적으로 직렬 연결한다.

본 단계에서는, 베이스 원단에 CNT 시트를 고정하고, CNT 시트와 배선 구조 사이에 저항 성분 영역을 전기적으로 직렬 연결하는 과정을 포함할 수 있다.

다음, 상기 의류에 의해 지지되며 배선 구조를 통해 CNT 시트의 양단에 연결되는 전자소자를 배치한다.

전술한 CNT 시트는 의류를 입은 사용자가 호흡할 때 사용자 피부와의 접촉 면적이 가장 크게 변하는 위치에 배치되며, 이러한 위치는 사용자의 횡경막의 팽창에 따라 사용자의 몸 중에서 가장 많이 부풀어오르는 부분에 대응할 수 있다. 이러한 부분은 명치에서 배 중앙부 사이 부분을 포함할 수 있다.

또한, 전술한 전자소자는, CNT 시트의 양단에 전압을 인가하는 전원부와, CNT 시트에서 생성되거나 변하는 물리량을 감지하는 신호감지부와, 신호감지부에서 감지되는 감지신호나 이에 대응하는 생체신호를 출력하는 출력부를 구비할 수 있다.

또한, 전자소자는 사용자의 체온 정보를 포함하는 생체신호에 기초하여 사용자의 호흡을 감지하는 생체신호 처리부를 더 구비할 수 있다.

도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 신축성 온도센서가 적용된 의류의 정면도이다. 도 6은 도 5의 전자섬유 온도센서에 채용할 수 있는 전자소자를 설명하기 위한 블록도이다.

도 5를 참조하면, 본 실시예에 따른 신축성 온도 센서를 이용하는 의류(100)는, 신축성 온도 센서를 통해 사용자의 체온을 측정하거나 체온에 기초하여 호흡을 감지하는 의류로서, 신축성 온도 센서가 탄소나노튜브(CNT) 시트에 기반한 복수의 센싱 영역들(10, 10R)과, 센싱 영역들(10, 10R)에서 감지되는 제1 및 제2 감지신호들에 기초하여 체온을 감지하거나 감지된 체온에 기초하여 호흡을 감지하는 전자소자(20)와, 센싱 영역들(10, 10R)과 전자소자(20)를 연결하는 배선(30, 32)를 포함하여 구성된다. 배선(30; 32)은 CNT 그룹들과 전자소자(20)가 밀착하여 배치되는 경우, 생략될 수 있다.

의류(100)는 유전율 실을 포함하는 베이스 원단(11)을 포함하며, CNT 시트 또는 CNT 시트들을 포함하는 CNT 그룹들의 각 CNT 시트 유닛(12a, 12b, 12c, 12d)은 센싱 영역(10) 내 베이스 원단(11)에 부착될 수 있다.

각 CNT 시트 유닛의 지지를 위해 각 CNT 시트는 스페이서와 바인더 사이에 샌드위치 형태로 삽입될 수 있다. 스페이서는 유전율 실로만 이루어진 영역이나 의류(100)의 소정 부분일 수 있다.

의류(100)는 언더셔츠(undershirt), 메리야스 의류(knitwear), 셔츠(shirt), 런닝(runing) 셔츠, 스포츠웨어, 블라우스(blouse), 윗도리(top), 원피스(one piece) 의류 등을 포함할 수 있다.

전자소자(20)는, 도 6에 도시한 바와 같이, 신호감지부(22), 신호변환부(23), 비교부(24), 생체신호 처리부(25), 생체신호 저장부(26) 및 생체신호 전송부(27)를 포함할 수 있다.

신호변환부(23)는 신호감지부(22)에서 감지된 신호를 비교부(24)에서 사용하기 적합한 형태로 변환한다. 신호변환부(23)는 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하는 아날로그 디지털 컨버터를 포함할 수 있다.

생체신호 저장부(26)는 생체신호 처리부(25)에서 일정 시간 동안 출력되는 신호를 저장할 수 있다. 생체신호 저장부(26)는 체온에 따른 저항 패턴이나 전압 패턴을 미리 설정된 시간 단위로 기록할 수 있다.

생체신호 전송부(27)는 생체신호 저장부(26)에 저장된 생체 정보를 미리 설정된 전송 신호 형태로 미리 설정된 단말이나, 애플리케이션이나, 호스트 장치로 전송할 수 있다. 생체신호 전송부(27)는 통신서브시스템에 대응할 수 있다. 생체 정보는 체온 정보나 체온 정보에 기초하는 호흡 정보 등을 포함할 수 있다.

한편, 전술한 실시예에서는 도 1 등에 도시된 언더웨어와 같은 특정 의류 형태를 예를 들어 설명하였지만, 본 발명은 그러한 구성으로 한정되지 않고, 사람 등이 신체에 직접 접촉하도록 입는 다양한 형태의 의류에 적용될 수 있다.

또한, 전술한 실시예들 중 하나에서는 센싱 영역에 저항기를 포함하는 구성을 설명하였지만, 본 발명은 그러한 구성으로 한정되지 않고 저항기를 신호감지부 측으로 이동하여 배치하는 구성을 포함할 수 있다. 그 경우, 전자소자의 신호감지부는 CNT 시트(들)에 연결되는 부분에 해당 저항기 또는 저항 성분을 구비할 수 있다.

또한, 전술한 실시예에서는 센싱 영역에서 CNT 시트를 사용하는 것을 중심으로 설명하였지만, 본 발명을 그러한 구성으로 한정되지 않고 CNT 시트 대신에 그래핀 시트를 사용할 수 있음은 물론이다.

본 발명은 도면에 도시된 실시 예를 참고로 하여 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 기술적 보호범위는 청구범위에 의해서 정하여져야 할 것이다.

Claims

유전율 실로 이루어지고 전도성 섬유나 전도성 재료 혼입사에 의한 배선 구조를 구비하는 베이스 원단;
상기 베이스 원단의 일면 상에서 상기 배선 구조의 한 쌍의 배선 말단들부 사이에 전기적으로 연결되는 탄소나노튜브(carbon nanotube, CNT) 시트; 및
상기 의류에 의해 지지되며 상기 CNT 시트의 양단에 연결되는 전자소자를 포함하고,
상기 전자소자는, 상기 CNT 시트의 양단에 전압을 인가하는 전원부와, 상기 CNT 시트에서 생성되거나 변하는 물리량을 감지하는 신호감지부와, 상기 신호감지부에서 감지되는 감지신호나 이에 대응하는 생체신호를 출력하는 출력부를 구비하는, 탄소나노튜브 시트를 이용한 신축성 온도 센서.
제1항에 있어서,
상기 CNT 시트를 포함하는 상기 배선 구조의 한 쌍의 배선 말단들부 사이의 전기저항값은 수백 오옴(Ω)인, 탄소나노튜브 시트를 이용한 신축성 온도 센서.
제2항에 있어서,
상기 CNT 시트와 상기 배선 구조 사이에 전기적으로 직렬 연결되는 저항 성분 영역을 더 포함하는, 탄소나노튜브 시트를 이용한 신축성 온도 센서.
제1항에 있어서,
상기 CNT 시트와 상기 배선 구조 사이를 전기적으로 연결되는 전도성 직물 패드를 더 포함하는, 탄소나노튜브 시트를 이용한 신축성 온도 센서.
제1항에 있어서,
상기 CNT 시트를 덮는 전도성 바인더를 더 포함하는, 탄소나노튜브 시트를 이용한 신축성 온도 센서.
제1항에 있어서,
상기 전도성 바인더는 실리콘 계열의 고분자이거나 비 수소결합을 가지면서 루이스 염기성을 가지는, 탄소나노튜브 시트를 이용한 신축성 온도 센서.
탄소나노튜브 시트를 이용한 신축성 온도 센서의 제조 방법으로서.
유전율 실로 이루어지고 전도성 섬유나 전도성 재료 혼입사에 의한 배선 구조를 구비하는 베이스 원단을 준비하는 단계;
상기 베이스 원단의 일면 상에서 상기 배선 구조의 한 쌍의 배선 말단들부 사이에 탄소나노튜브(carbon nanotube, CNT) 시트를 전기적으로 직렬 연결하는 단계; 및
상기 의류에 의해 지지되며 상기 배선 구조를 통해 상기 CNT 시트의 양단에 연결되는 전자소자를 배치하는 단계를 포함하고,
상기 전자소자는, 상기 CNT 시트의 양단에 전압을 인가하는 전원부와, 상기 CNT 시트에서 생성되거나 변하는 물리량을 감지하는 신호감지부와, 상기 신호감지부에서 감지되는 감지신호나 이에 대응하는 생체신호를 출력하는 출력부를 구비하는, 신축성 온도 센서의 제조 방법.
제7항에 있어서,
상기 CNT 시트는 상기 의류를 입은 사용자가 호흡할 때 사용자 피부와의 접촉 면적이 가장 크게 변하는 위치에 배치되며, 상기 위치는 상기 사용자의 횡경막의 팽창에 따라 가장 많이 부풀어오르는 부분에 대응하는, 신축성 온도 센서의 제조 방법.
제7항에 있어서,
상기 연결하는 단계는, 상기 베이스 원단에 상기 CNT 시트를 고정하고, 상기 CNT 시트와 상기 배선 구조 사이에 저항 성분 영역을 전기적으로 직렬 연결하는, 신축성 온도 센서의 제조 방법.
제7항에 있어서,
상기 전자소자는 상기 사용자의 체온 정보를 포함하는 상기 생체신호에 기초하여 상기 사용자의 호흡을 감지하는 생체신호 처리부를 더 구비하는, 신축성 온도 센서의 제조 방법.