KR20190060440A - 저항성 센싱 정보를 가지는 3d 에어메쉬 원단 - Google Patents

저항성 센싱 정보를 가지는 3d 에어메쉬 원단 Download PDF

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Abstract

저항성 센싱 정보를 가지는 3D 에어메쉬 원단은 각각 상면 및 하면을 형성하는 제1 및 제2 레이어들, 상기 제1 및 제2 레이어들 사이에서 상기 제1 및 제2 레이어들을 지지하는 지지부재 및 상기 제1 및 제2 레이어들에 직조되어 상기 제1 및 제2 레이어들을 전기적으로 연결하는 전도사를 포함한다.

Description

저항성 센싱 정보를 가지는 3D 에어메쉬 원단 {3D AIR-MESH TEXTILE WITH RESISTIVE SENSING INFORMATION}
본 발명은 3D 에어메쉬 원단에 관한 것으로, 보다 상세하게는 의류섬유 및 산업용 섬유에서 많이 사용되는 3D 에어메쉬 원단에 소정의 저항을 가지는 전도사를 연결하여 제작한 저항성 센싱 정보를 가지는 3D 에어메쉬 원단에 관한 것이다.
종래의 전자직물형 섬유에서는 인가되는 하중이나 그로 인한 압력을 측정하기 위하여 정전용량형 센서를 주로 이용한다.
종래의 정전용량형 센서는 대한민국 공개특허 제10-2012-0122269호 및 대한민국 등록특허 제10-1658308호 등에서와 같이, 자극의 역할을 하는 전도성 직물 레이어를 상하로 배치하고, 그 사이에 유전체로서 탄성력이 있는 섬유 폼(form) 레이어를 삽입한 형태를 가진다. 이러한 정전용량형 센서는 인가되는 하중이나 그로 인한 압력에 의해 상하 전도성 레이어의 두께가 변화함에 따라 정전용량 값이 변화하는 원리를 이용한다.
그러나, 종래의 정전용량형 센서는 기본적으로 2차원 형태로 배치가 되어야 하며 이에 따라 섬유 내에 배치될 때 통기성 및 세탁성을 방해하는 단점을 가진다.
또한, 종래의 정전용량형 센서는 미세한 정전용량 값을 측정하고자 할 때, 주변 인자(인체의 접근, 길어지는 신호선, 직물과 신호선 간 연결단자 등)에 의한 노이즈로 인해 원하는 측정값에 영향을 많이 받게 됨에 따라, 노이즈에 둔감하도록 접지판 및 신호선의 접지쉴드 등의 별도의 작업을 요구하고 있어 작업 효율을 저하시키는 문제가 있다.
한편, 종래의 3D 에어메쉬 원단은 도 1에 도시된 바와 같이, 양 메쉬원단 레이어(10) 사이에 탄성을 가진 필라멘트사(11)를 지지대로 삽입 연결한 구조로써, 통기성이 매우 우수하고 복원력과 탄성력이 좋은 특성을 가지므로 충격흡수를 위한 매트형 등에 많이 사용되고 있다.
대한민국 공개특허 제10-2012-0122269호 대한민국 등록특허 제10-1658308호
이에, 본 발명의 기술적 과제는 이러한 점에서 착안된 것으로 본 발명의 목적은 3D 에어메쉬 원단에 소정의 저항을 가지는 전도사를 상하로 재직 연결하는 것만으로 우수한 저항센서를 구현하고 작업 생산성을 향상시킬 수 있는 저항성 센싱 정보를 가지는 3D 에어메쉬 원단에 관한 것이다.
상기한 본 발명의 목적을 실현하기 위한 저항성 센싱 정보를 가지는 3D 에어메쉬 원단은 각각 상면 및 하면을 형성하는 제1 및 제2 레이어들, 상기 제1 및 제2 레이어들 사이에서 상기 제1 및 제2 레이어들을 지지하는 지지부재 및 상기 제1 및 제2 레이어들에 직조되어 상기 제1 및 제2 레이어들을 전기적으로 연결하는 전도사를 포함한다.
일 실시예에서, 상기 제1 레이어 또는 상기 제2 레이어에 인가된 압력에 따라 상기 전도사가 변형되며 상기 전도사 간 접촉 면적이 증가할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 제1 및 제2 레이어들 각각은 복수의 통기공이 형성된 메쉬망 구조로 형성될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 지지부재는 탄성력을 갖는 필라멘트 파일사일 수 있다.
일 실시예에서, 상기 압력이 인가되면 상기 지지부재는 압축변형되고, 상기 인가된 압력이 사라지면 상기 변형된 지지부재가 복원되어 상기 변형된 전도사도 복원될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 전도사는 상기 제1 및 제2 레이어들을 전기적으로 연결하는 제1 전도사를 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 제1 전도사는 상하방향으로 서로 마주하는 상기 제1 및 제2 레이어들 사이를 연결하거나, 대각선 상하방향으로 서로 마주하는 상기 제1 및 제2 레이어들 사이를 연결할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 제1 전도사는 상기 압력이 인가되지 않은 상태에서, 상기 제1 및 제2 레이어들 사이에서 직선으로 연결될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 압력이 인가되는 위치를 중심으로 상기 제1 및 제2 레이어들의 이격 거리가 감소하고, 상기 제1 전도사는 상기 이격거리의 감소에 따라 서로 접촉 면적이 증가하여 상기 제1 전도사의 양단에 걸리는 저항이 감소할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 전도사는 상기 제1 레이어의 상부 레이어 유닛들 사이를 전기적으로 연결하며, 상기 제1 전도사와 전기적으로 연결되는 제2 전도사 및 상기 제2 레이어의 하부 레이어 유닛들 사이를 전기적으로 연결하며, 상기 제1 전도사와 전기적으로 연결되는 제3 전도사를 더 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 제2 및 제3 전도사들은 외부의 저항 또는 전압 측정 회로에 연결될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 제1 레이어의 상면에 상기 제1 전도사와 전기적으로 연결되도록 형성되는 제1 전도부 및 상기 제2 레이어의 하면에 상기 제1 전도사와 전기적으로 연결되도록 형성되는 제2 전도부를 더 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 제1 및 제2 전도부들은 외부의 저항 또는 전압 측정 회로에 연결될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 제1 및 제2 전도부들은 상기 제1 및 제2 레이어들의 외면 전체에 형성되는 막 또는 필름일 수 있다.
본 실시예들에 의하면, 종래의 3D 에어메쉬 원단을 이용함으로써, 종래의 3D 에어메쉬 원단의 특성인 우수한 통기성, 우수한 복원력 및 우수한 탄성력을 그대로 유지할 수 있으며, 공기순환을 원활하게 유도할 수 있어 인체에 유해한 곰팡이 등의 세균번식을 억제하면서도, 동시에 압력이 인가되는 경우 해당 압력의 인가를 센싱할 수 있다.
특히, 외력에 의해 제1 레이어 또는 제2 레이어가 변형 되는 경우 상하로 재직 연결한 전도사 또한 변형되고 이에 따라 전도사 간의 접촉 면적이 확대되어 저항이 낮게 변화하는 특성을 이용하여 변화하는 저항을 측정함으로써, 압력 인가 전후를 비교하여 압력인가 여부 및 압력의 크기를 파악할 수 있다.
이를 위해, 종래 3D 에어메쉬 원단에 전도사만을 단순히 연결함으로써 센싱 정보 획득이 가능하므로, 제작이 용이하면서도 사용성이 높은 에어메쉬 원단을 제작할 수 있다.
나아가, 전도사들 사이의 저항 변화를 외부로부터 계측할 수 있도록, 상기 제1 및 제2 레이어들을 전기적으로 연결하는 전도사를 형성하거나, 상기 제1 및 제2 레이어들의 외면에 전도부를 형성하는 바, 상대적으로 간단한 제작 공정으로 저항 센싱이 가능한 원단을 제작할 수 있다.
또한, 사용하면서 발생하는 두께변화 등의 원단의 변형을 모니터링 할 수 있어 원단의 교체시기를 알려주는 것이 가능한 효과가 있다.
도 1은 종래의 3D 에어메쉬 원단을 도시한 이미지이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 의한 저항성 센싱 정보를 가지는 3D 에어메쉬 원단을 도시한 단면 모식도이다.
도 3은 도 2의 3D 에어메쉬 원단에서 전도사가 연결되는 형상을 확대하여 도시한 모식도이다.
도 4는 도 2의 3D 에어메쉬 원단에서 전도사의 저항을 감지하는 회로의 일 예를 도시한 모식도이다.
도 5는 도 2의 3D 에어메쉬 원단에서 전도사의 저항을 감지하는 회로의 다른 예를 도시한 모식도이다.
도 6은 도 2의 3D 에어메쉬 원단에 외력이 인가되는 상태를 도시한 단면 모식도이다.
도 7은 시간에 따라 인가되는 외력이 증가하는 경우의 저항값을 도시한 그래프이다.
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 의한 저항성 센싱 정보를 가지는 3D 에어메쉬 원단을 도시한 단면 모식도이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 실시예들을 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다. 제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 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 "이루어진다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 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 도면들을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예를 보다 상세하게 설명하고자 한다.
도 1은 종래의 3D 에어메쉬 원단을 도시한 이미지이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 종래 3D 에어메쉬 원단은, 양 메쉬원단 레이어들(10) 사이에 탄성을 가진 필라멘트사(11)를 지지대로 삽입 연결한 구조로, 상부 또는 하부 레이어들에 압력이 인가되는 경우 탄성을 가진 필라멘트사(11)가 압축되고, 인가되는 압력이 사라지면 상기 필라멘트사(11)는 다시 원 위치로 회복되는 것을 특징으로 한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 의한 저항성 센싱 정보를 가지는 3D 에어메쉬 원단을 도시한 모식도이다. 도 3은 도 2의 3D 에어메쉬 원단에서 전도사가 연결되는 형상을 확대하여 도시한 모식도이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 의한 저항성 센싱 정보를 가지는 3D 에어메쉬 원단(20)은 제1 및 제2 레이어들(100, 200), 지지부재(300), 및 전도사(400)를 포함한다.
본 실시예에서의 상기 제1 및 제2 레이어들(100, 200) 및 상기 지지부재(300)의 구조는 도 1을 참조하여 설명한 상기 종래의 3D 에어메쉬 원단 구조와 실질적으로 동일하다. 다만, 본 실시예에서의 상기 3D 에어메쉬 원단(20)은 상기 전도사(400)가 더 구비된 것으로, 상기 전도사(400)를 추가로 구비함으로써, 압력 인가를 센싱할 수 있는 것을 특징으로 한다.
즉, 상기 제1 및 제 2 레이어들(100, 200)은 직물로 이루어져 상면 및 하면의 층을 이루는 것으로 판상 형상으로 형성될 수 있다.
또한, 상기 제1 및 제2 레이어들(100, 200)의 단면에는 복수의 통기공(110)이 형성될 수 있으며 이에 따라 상기 제1 및 제2 레이어들(100, 200)은 메쉬망 구조로 형성될 수 있다.
즉, 상기 제1 및 제2 레이어들(100, 200)은 도 1에 도시된 바와 같은 메쉬(mesh)망 구조를 가지는 것으로, 도 2에서는 단면을 도시한 것이므로 서로 이격된 원형 형상의 구조를 가지는 것으로 도시되고 있으나, 실질적으로는 서로 연결된 구조를 가진다.
한편, 상기 복수의 통기공(110)은 상기 제1 및 제2 레이어들(100, 200) 모두에 형성될 수도 있지만 경우에 따라서는 상기 제1 및 제2 레이어(100, 200)들 중 어느 하나에만 형성될 수 있다. 또한, 상기 제1 및 제2 레이어들(100, 200)에 형성되는 상기 복수의 통기공(110)은 서로 상이한 크기를 갖거나 서로 동일한 크기를 갖도록 형성될 수 있다.
이와 같은 복수의 통기공(110)이 상기 제1 및 제2 레이어들(100, 200)에 형성되면 상기 제1 및 제2 레이어들(100, 200)의 통기성 및 건조력을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
상기 제1 및 제2 레이어들(100, 200) 사이에는 상기 제1 및 제2 레이어들(100, 200)을 지지하는 상기 지지부재(300)가 형성된다. 상기 지지부재(300)는 예를 들어, 탄성력을 갖는 필라멘트 파일사일 수 있다.
따라서 상기 제1 및 제2 레이어들(100, 200) 사이에 형성된 공간을 탄성력을 갖는 필라멘트 파일사로 연결함으로써, 상기 제1 및 제2 레이어들(100, 200)을 소정 두께를 가지는 하나의 섬유층으로 형성할 수 있다.
또한, 상기 지지부재(300)인 상기 필라멘트 파일사는 복잡하게 얽히면서 상기 제1 및 제2 레이어들(100, 200) 사이를 연결할 수 있고, 상기 얽히는 구조는 매우 다양하고 임의적으로 형성될 수 있다.
이 경우, 상기 지지부재(300)는 외부 압력에 따라 탄성 변형된다. 상기 지지부재(300)는 어느 한쪽의 레이어에 외력이 가해졌을 때 반대측 레이어를 향해 이동했다가 외력이 사라지면 원래의 상태로 복원되도록 탄성력을 발휘하게 된다.
따라서 상기 지지부재(300)는 외부압력에 의해 눌리는 경우 압축되고, 상기 외부 압력이 제거되면 본래의 형상으로 신속히 복원될 수 있는 재료로 구성된다.
예를 들면, 상기 지지부재(300)는 폴리올리피계, PVC계, 폴리스틸렌계, 폴리에스테르계, 폴리우레탄계, 폴리아미드계 등 널리 알려진 열가소성 탄성체 중 하나로 형성될 수 있으며, 이외에도 고무상 고분자로서 NBR(Acrylonitrile Butadiene Rubber), SBR(Styrene Butadiene Rubber), 부틸러버(BR), 이소프렌러버(IR), 클로로프렌러버(CR), 실리콘고무 등으로 구성될 수 있다.
한편, 상기 전도사(400)는 제1 내지 제3 전도사들(410, 420, 430)을 포함한다.
상기 제1 전도사(410)는 도시된 바와 같이 상기 제1 및 제2 레이어들(100, 200) 각각에 전체적으로 길이방향, 즉 상기 제1 및 제2 레이어들(100, 200)의 연장 방향인 수평방향에 수직인, 수직방향을 중심으로 직조된다.
즉, 상기 제1 및 제2 레이어들(100, 200) 각각에 직조된 상기 제1 전도사(410)는 상기 제1 및 제2 레이어들(100, 200) 사이를 상하로 연결한다.
이 경우, 상기 도 2에 도시된 바와 같이, 상기 제1 전도사(410)는 상하 방향으로 서로 마주하는 상기 제1 및 제2 레이어들(100, 200) 사이를 연결하거나, 대각선 상하 방향으로 서로 마주하는 상기 제1 및 제2 레이어들(100, 200) 사이를 연결할 수도 있다.
그리하여, 상기 제1 레이어(100)가 일 단면상에서 서로 인접하는 제1 내지 제3 상부 레이어 유닛들(101, 102, 103)을 포함하고, 상기 제2 레이어(200)가 일 단면상에서 서로 인접하는 제1 내지 제3 하부 레이어 유닛들(201, 202, 203)을 포함한다면, 상기 제2 상부 레이어 유닛(102)으로부터 연장된 제1 전도사(410)는 직하방의 상기 제2 하부 레이어 유닛(202)과 연결되거나, 상기 대각선 하방의 제1 및 제3 하부 레이어 유닛들(201, 203)과도 연결될 수 있다.
마찬가지로, 상기 제2 하부 레이어 유닛(202)으로부터 연장된 제1 전도사(410)는 직상방의 상기 제2 상부 레이어 유닛(102)과 연결되거나, 상기 대각선 하방의 제1 및 제3 상부 레이어 유닛들(101, 103)과도 연결될 수 있다.
또한, 상기 제1 전도사(410)는 서로 연결되는 상기 레이어 유닛들 사이를 최단 거리, 즉 직선으로 연결하는 것이 바람직하다. 그리하여, 후술하겠으나, 압력의 인가에 따라 상기 제1 전도사(410)간의 접촉 증가가 보다 용이하게 계측될 수 있다.
한편, 상기 제1 및 제2 레이어들(100, 200)은 도 2에 도시된 바와 같이 서로 이격된 원형 형상의 단면 구조를 가지는 것으로, 이때 상기 제1 및 제2 레이어들(100, 200) 각각에 직조된 상기 전도사들(410)은 실질적으로 상기 원형 형상의 구조를 감싸며 직조된다.
이 경우, 상기 제1 및 제2 레이어들(100, 200) 각각의 단면의 형상은, 도 2 에서는 원형으로 도시되었으나, 원형, 타원형 등 라운드된 형상으로 형성될 수 있으며, 이에 따라, 도 3에 도시된 바와 같이, 상기 제1 전도사들(410)은 상기 각각의 라운드 된 형상의 상기 제1 및 제2 레이어들(100, 200)의 외주면을 감싸는 형태로 연결될 수 있다.
즉, 상기 제1 및 제2 레이어들(100, 200)의 사이를 연결하는 상기 제1 전도사(410)의 저항을 직접적으로 계측하는 것은 용이하지 않으므로, 본 실시예에서는 상기 제1 전도사(410)가 상기 제1 및 제2 레이어들(100, 200) 각각에 직조되면서도 상기 라운드 된 형상의 구조를 감싸도록 형성되어 상기 제1 및 제2 레이어들(100, 200)을 서로 전기적으로 연결하며, 이를 통해 보다 용이하게 상기 제1 전도사(410)의 저항을 계측할 수 있다.
이 경우, 상기 제1 전도사(410)는 직물로 구성될 수 있으며, 소정 저항을 가지는 전도성 소재로 이루어질 수 있다. 상기 전도성 소재는 예를 들면, 은, 구리, 알루미늄, 철, 아연, 니켈 또는 이들의 합금을 사용하거나 또는 탄소나노튜브의 전도성 소재를 사용할 수 있으나 이에 한정되지는 않는다.
이상과 같이, 전기 전도성을 가지는 상기 제1 전도사(410)에 의해 상기 제1 및 제2 레이어들(100, 200)이 서로 전기적으로 연결되고, 이에 따라 상기 제1 전도사(410)를 통해 계측되는 저항의 변화를 통해 압력의 인가 여부 및 인가되는 압력의 크기를 계측할 수 있으며, 이에 대하여는 후술한다.
한편, 상기 제1 및 제2 레이어들(100, 200) 사이만을 연결하는 상기 제1 전도사(410) 만으로는 외부로부터 상기 제1 전도사(410)의 저항의 변화를 계측하는 것이 어려우므로, 본 실시예에서는, 상기 제1 레이어(100) 만을 전기적으로 연결하는 제2 전도사(420) 및 상기 제2 레이어(200) 만을 전기적으로 연결하는 제3 전도사(430)를 더 포함한다.
즉, 상기 제2 전도사(420)는 변형되지 않은 상태에서 수평방향으로 연장되는 플레이트 형상의 상기 제1 레이어(100) 전체에 연결되고, 상기 제3 전도사(430)는 변형되지 않은 상태에서 수평방향으로 연장되는 플레이트 형상의 상기 제2 레이어(200) 전체에 연결된다.
이 경우, 상기 제2 및 제3 전도사들(420, 430) 각각은 상기 제1 및 제2 레이어들(100, 200)을 관통하며 연결되거나, 또는 상기 제1 및 제2 레이어들(100, 200)의 외면을 따라, 또는 상기 제1 및 제2 레이어들(100, 200)의 내면(즉, 상기 지지부재(300)와의 사이면)을 따라 연결될 수도 있다.
그리하여, 상기 제2 전도사(420)는 상기 제1 레이어(100) 각각의 레이어 유닛들에 연결되는 상기 제1 전도사(410)의 일 단과 전기적으로 연결되고, 상기 제3 전도사(430)는 상기 제2 레이어(200) 각각의 레이어 유닛들에 연결되는 상기 제1 전도사(410)의 타 단과 전기적으로 연결된다.
이 경우, 상기 제2 및 제3 전도사들(420, 430)은 상기 제1 전도사(410)와 동일한 재료로, 소정 저항을 가지는 전도성 소재로 이루어질 수 있다.
그리하여, 상기 제1 내지 제3 전도사들(410, 420, 430)은 서로 전기적으로 통전되어 연결되며, 상기 제2 및 제3 전도사들(420, 430)은 상기 3D 에어메쉬 원단(20)의 외부로 연장되어, 외부로부터 상기 제2 및 제3 전도사들(420, 430)을 통해 상기 제1 전도사(410)의 저항의 변화를 계측할 수 있다.
도 4는 도 2의 3D 에어메쉬 원단에서 전도사의 저항을 감지하는 회로의 일 예를 도시한 모식도이다. 도 5는 도 2의 3D 에어메쉬 원단에서 전도사의 저항을 감지하는 회로의 다른 예를 도시한 모식도이다.
먼저, 전도사의 저항을 감지하기 위한 하나의 방법으로서 도 4를 참조하면, 상기 제1 레이어(100)에 직조된 상기 제2 전도사(420)는 전원과 연결되어 전압(V)을 공급받으며 저항(R1)과 연결되고, 상기 제2 레이어(200)에 직조된 상기 제3 전도사(430)는 접지된다.
이 경우, 상기 제1 레이어(100)에 직조된 상기 제2 전도사(420)의 일단의 출력전압(Vsense)을 측정할 수 있으며, 상기 출력전압(Vsense)을 통해 상기 제1 및 제2 레이어들(100, 200) 사이에 직조된 상기 제1 전도사(410)의 양단에 걸리는 출력저항(Rsense)을 계측할 수 있다.
상기 출력저항(Rsense)은 하기 식 (1)을 통해 계측된다.
Rsense= R1*Vsense/(V-Vsense) 식 (1)
이와 달리, 전도사의 저항을 감지하기 위한 다른 방법으로서 도 5를 참조하면, 상기 제1 및 제2 레이어들(100) 각각에 직조된 상기 제2 및 제3 전도사들(410, 420)은 휘스톤브릿지(Wheatstone bridge) 회로와 연결된다.
이 경우, 상기 휘스톤브릿지 회로의 초기저항(R)은 하기 식 (2)와 같이,
R1 = R2 = R3 = R 식 (2)
회로에 구비된 저항들(R1, R2, R3) 각각의 저항값과 같이 설정된다.
이 경우, 도 5에 도시된 바와 같은 회로를 통해, 휘스톤브릿지 회로의 출력전압(Vout)을 측정할 수 있으며, 상기 출력전압(Vout) 및 상기 초기저항(R)을 이용하여 하기 식 (3)을 통해 상기 제1 전도사(410)의 저항의 변화량(ΔR)을 구할 수 있다.
Vout = ΔR*V/(4R+2ΔR) 식 (3)
따라서, 상기 식 (3)을 통해 저항의 변화량(ΔR)을 구하면, 하기 식(4)를 통해 상기 제1 및 제2 레이어들(100, 200) 사이에 직조된 상기 제1 전도사(410)의 양단에 걸리는 출력저항(Rsense)을 계측할 수 있다.
Rsense= R + ΔR 식 (4)
즉, 이상과 같이, 3D 에어메쉬 원단의 외부로 상기 제2 및 제3 전도사들(420, 430)이 별도의 저항 또는 전압 측정 회로와 연결되고, 저항 또는 전압 변화를 바탕으로, 상기 3D 에어메쉬 원단의 내부에 연결된 상기 제1 전도사(410)의 저항 변화를 계측할 수 있으며, 이를 통해 상기 3D 에어메쉬 원단에 인가되는 압력을 계측할 수 있다.
도 6은 도 2의 3D 에어메쉬 원단에 외력이 인가되는 상태를 도시한 단면 모식도로서, 상기 제1 레이어(100) 및 상기 지지부재(300)가 외력에 의해 하부로 눌려진 상태를 보여준다.
이 경우, 상기 제1 전도사(410)도 압력의 인가에 따라 아래로 눌려지면서 기계적 변형을 겪을 수 있다. 즉, 상기 압력이 인가되는 위치를 중심으로 상기 제1 및 제2 레이어들(100, 200)은 이격 거리가 감소하게 된다.
이러한 상기 기계적 변형에 의해 직선으로 상기 제1 및 제2 레이어들(100, 200) 사이를 연결하던 상기 제1 전도사(410)는 도 6에 도시된 바와 같이 이격 거리의 감소에 따라 곡선 등의 형상으로 변형되며 상기 제1 전도사(410) 간에 서로 접촉하는 면적이 증가하게 된다.
이와 같이, 상기 제1 및 제2 레이어들(100, 200) 사이의 거리가 감소하여 상기 제1 전도사(410) 간의 접촉이 증가하게 되면, 상기 제1 및 제2 레이어들(100, 200) 각각에 직조된 상기 제1 전도사(410)의 양단에 걸리는 저항 또한 변화하게 된다.
즉, 상기 외력으로서 압축력이 인가되면 상기 제1 및 제2 레이어들(100, 200) 사이의 거리는 감소하고, 상기 제1 전도사(410)들 사이의 접촉 면적은 증가하게 되고, 상기 제1 전도사(410)들 사이의 접촉 면적이 증가하면 상기 제1 전도사(410)들 사이의 통전상태가 증가하게 되어 상기 제1 및 제2 레이어들(100, 200) 사이에 직조된 상기 제1 전도사(410)의 양단에 걸리는 저항이 감소하게 된다.
나아가, 상기 인가되는 외력이 증가하게 됨에 따라, 상기 제1 전도사(410)들 사이의 접촉 면적은 더욱 증가하게 되어, 통전상태가 증가하고, 이에 따라 상기 제1 전도사(410)의 양단에 걸리는 저항은 더욱 감소하게 된다.
이렇게 상기 제1 전도사(410)의 양단에 걸리는 저항이 감소하는 것은, 도 4 및 도 5를 참조하여 설명한 바와 같이, 상기 제2 및 제3 전도사들(420, 430) 사이의 출력전압(Vsense 및 Vout)을 측정함으로써 외부에서 확인이 가능하다. 또한, 상기 출력전압의 변화량을 바탕으로 상기 저항의 변화량을 확인할 수 있고, 이를 통해 상기 인가되는 압력의 크기를 예측할 수 있다.
즉, 본 실시예를 통해서는, 상기 출력전압을 측정함으로써, 인가되는 압력의 유무 및 압력의 크기까지 계측이 가능하게 된다.
한편, 도 6에서는 상기 제1 레이어(100)에 외력이 인가되는 경우를 도시하였으나, 이와 달리 상기 제2 레이어(200)에 외력이 인가될 수 있으며, 상기 제1 및 제2 레이어(100, 200)에 동시에 외력이 인가될 수도 있다.
이 경우, 상기 외력의 인가 및 외력의 크기 증가에 따른 저항의 변화는 이미 설명한 바와 동일하게 발생하게 된다.
도 7은 시간에 따라 인가되는 외력이 증가하는 경우의 저항값을 도시한 그래프이다.
도 7을 참조하면, 앞서 설명한 도 4 또는 도 5의 저항값 측정 회로를 이용하여, 초기 측정된 저항값(R0)과, 소정 시간동안 상기 제1 레이어(100)에 제1 외력(F1)이 인가되는 경우의 제1 저항값(R1)과, 이후 상기 제1 레이어(100)에 제1 외력(F1)보다 큰 제2 외력(F2)이 인가되는 경우의 제2 저항값(R2)을 측정한 결과이다.
즉, 인가되는 외력의 크기가 증가할수록 상기 제1 전도사(410)의 변형도도 커지게 되고 이에 따라 상기 제1 전도사(410) 사이의 접촉 면적도 확대됨으로써 저항이 감소(R0>R1>R2)하게 된다.
따라서, 이미 설명한 바와 같이, 상기 감소된 저항의 크기를 측정하고 이를 이용하여 상기 제1 레이어(100)에 인가된 압력의 크기를 구할 수 있으며, 저항값 변화의 여부를 바탕으로 압력인가 여부를 파악할 수 있다.
이는 상기 제1 전도사(410)의 변형에 대하여 저항이 바뀌는 특성, 즉 상기 제1 전도사(410)가 외력(하중 또는 압력)에 대해 변형이 될 때, 상하로 재직 연결한 상기 제1 전도사(410) 서로 간의 접촉 면적이 넓어지게 되어 통전성이 증가함에 따라 저항이 낮게 변화하는 특성을 이용한 것이다.
한편, 전술한 바와 같이 상기 지지부재(300)는 탄성 복원력을 갖는 재질로 구성된 것으로, 외력이 사라지면 변형된 상태에서 상부로 이동하여 원 상태로 복원된다. 따라서 상기 제1 및 제2 레이어들(100, 200) 사이에 형성된 상기 지지부재(300)가 원 상태로 복원됨에 따라, 압축되어 변형된 상기 제1 전도사(410)도 함께 복원될 수 있으며, 이에 따라 반복적으로 상기 제1 레이어(100)에 인가되는 외력을 측정할 수 있다.
그리고, 상기 제1 전도사(410)는 종래의 정전용량형 센서와 같이 2차원 평면의 형태로 형성되어 상기 제1 및 제2 레이어들(100, 200) 사이에 배치되는 것이 아닌, 직물로서 소정 직경을 가지는 라인으로 형성됨에 따라, 상기 제1 및 제2 레이어들(100, 200) 사이에 형성된 지지부재(300)의 복수의 관통홀(310)을 가리지 않으면서 상기 제1 및 제2 레이어들(100, 200) 사이에 형성될 수 있다.
이에 따라 종래의 정전용량형 센서가 기본적으로 2차원 평면의 형태로 형성되어 상기 제1 및 제2 레이어들(100, 200) 사이에 배치됨에 따라, 상기 제1 및 제2 레이어들(100, 200) 사이에 형성된 상기 지지부재(300)의 관통홀들(310)을 가리게 되어 통기성이 저하되는 현상을 방지할 수 있어 종래 정전용량형 센서의 단점을 극복할 수 있으며, 상기 지지부재(300)의 관통홀들(310)을 막지 않음으로써 상기 관통홀들(310)을 통한 통기성을 향상시켜 공기순환을 보다 활발히 하며 이를 통해 인체에 유해한 곰팡이 등의 세균번식을 억제할 수 있는 효과가 있다.
한편, 종래의 3D 에어메쉬 소재의 경우 타 소재에 비하여 탄성 복원력이 월등히 뛰어나나, 시간이 지나면서 구조적 변형이 일어나게 된다. 이 때, 본 실시예에서의 상기 제1 전도사(410)를 이용하여 3D 에어메쉬 원단의 변형에 따라 함께 변형되어 변화하는 저항을 측정함으로써 측정된 저항을 통하여 3D 에어메쉬 원단의 구조 변형도를 파악할 수 있으며 이를 통해 3D 에어메쉬 원단의 교체시기를 알 수 있는 효과가 있다.
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 의한 저항성 센싱 정보를 가지는 3D 에어메쉬 원단을 도시한 단면 모식도이다.
본 실시예에서는, 상기 제1 전도사(410)가 서로 마주하는 상기 제1 및 제2 레이어들(100, 200) 사이만을 연결하고, 상기 제1 레이어(100)의 상면 및 상기 제2 레이어(200)의 하면에 각각 전도부(500)가 형성된 것을 제외하고는 도 1 내지 도 6을 참조하여 설명한 상기 저항성 센싱 정보를 3D 에어메쉬 원단과 동일하므로 중복되는 설명은 생략한다.
즉, 도 8에 도시된 바와 같이, 본 실시예에서는 상기 제1 레이어(100)의 상면 및 상기 제2 레이어(200)의 하면에 각각 상기 전도부(500)를 형성하여, 서로 마주하는 제1 및 제2 레이어들(100, 200) 사이를 연결하는 상기 제1 전도사(410)와 상기 제1 및 제2 레이어들(100, 200) 각각이 서로 전기적으로 연결되도록 한다.
즉, 상기 제1 레이어(100)의 상면에는 제1 전도부(510)를 형성하고, 상기 제2 레이어(200)의 하면에는 제2 전도부(520)를 형성하고, 상기 제1 전도부(510) 및 상기 제2 전도부(520)는 상기 제1 전도사(410)와 전기적으로 연결된다.
한편, 앞서 설명한 바와 같이 상기 제1 및 제2 레이어들(100, 200)을 서로 전기적으로 연결하기 위하여 상기 제1 전도사(410)는 상기 제1 및 제2 레이어들(100, 200) 각각의 원형 형상의 구조를 감싸도록 형성되므로, 상기 제1 레이어(100)의 상면 및 상기 제2 레이어(200)의 하면에 각각 상기 제1 전도부(510) 및 상기 제2 전도부(520)를 형성하는 것으로 상기 제1 전도사(410)와 상기 전도부(500)들 사이는 전기적으로 연결된다.
또한, 상기 제1 전도부(510) 및 상기 제2 전도부(520)는 비록 도시하지는 않았으나, 도 4 및 도 5를 참조하여 설명한, 외부의 저항 또는 전압 측정 회로에 연결될 수 있다.
그리하여, 상기 제1 전도사(410)의 저항 변화를 외부로부터 계측이 가능하게 된다.
이 경우, 상기 제1 및 제2 전도부들(510, 520)은 상기 제1 레이어(100)의 상면 및 상기 제2 레이어(200)의 하면에 각각 전도성 잉크를 코팅하여 형성할 수 있으며, 그 외 다양한 전도성 막(layer) 또는 전도성 필름(film)을 형성하는 공정을 통해 형성될 수 있다.
또한, 상기 제1 및 제2 전도부들(510, 520)은 상기 제1 및 제2 레이어들(100, 200)의 외면 전체에 걸쳐 하나의 막 또는 필름 형태로 형성될 수 있으며, 우수한 통기성을 유지하기 위하여 이러한 막 또는 필름은 복수의 통기공을 가질 수 있다.
이를 통해, 상기 제2 및 제3 전도사들(420, 430)을 형성하는 공정보다 상대적으로 단순한 공정으로 상기 제1 전도사(410)와 전기적으로 연결되며 외부의 저항 또는 전압 계측 회로와의 연결이 가능한 효과가 있다.
본 실시예들에 의하면, 종래의 3D 에어메쉬 원단을 이용함으로써, 종래의 3D 에어메쉬 원단의 특성인 우수한 통기성, 우수한 복원력 및 우수한 탄성력을 그대로 유지할 수 있으며, 공기순환을 원활하게 유도할 수 있어 인체에 유해한 곰팡이 등의 세균번식을 억제하면서도, 동시에 압력이 인가되는 경우 해당 압력의 인가를 센싱할 수 있다.
특히, 외력에 의해 제1 레이어 또는 제2 레이어가 변형 되는 경우 상하로 재직 연결한 전도사 또한 변형되고 이에 따라 전도사 간의 접촉 면적이 확대되어 저항이 낮게 변화하는 특성을 이용하여 변화하는 저항을 측정함으로써, 압력 인가 전후를 비교하여 압력인가 여부 및 압력의 크기를 파악할 수 있다.
이를 위해, 종래 3D 에어메쉬 원단에 전도사만을 단순히 연결함으로써 센싱 정보 획득이 가능하므로, 제작이 용이하면서도 사용성이 높은 에어메쉬 원단을 제작할 수 있다.
나아가, 전도사들 사이의 저항 변화를 외부로부터 계측할 수 있도록, 상기 제1 및 제2 레이어들을 전기적으로 연결하는 전도사를 형성하거나, 상기 제1 및 제2 레이어들의 외면에 전도부를 형성하는 바, 상대적으로 간단한 제작 공정으로 저항 센싱이 가능한 원단을 제작할 수 있다.
또한, 사용하면서 발생하는 두께변화 등의 원단의 변형을 모니터링 할 수 있어 원단의 교체시기를 알려주는 것이 가능한 효과가 있다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
100 : 제1 레이어 101, 102, 103 : 상부 레이어 유닛들
200 : 제2 레이어 201, 202, 203 : 하부 레이어 유닛들
300 : 지지부재 400 : 전도사
410 : 제1 전도사 420 : 제2 전도사
430 : 제3 전도사 500 : 전도부
510 : 제1 전도부 520 : 제2 전도부

Claims (13)

  1. 각각 상면 및 하면을 형성하는 제1 및 제2 레이어들;
    상기 제1 및 제2 레이어들 사이에서 상기 제1 및 제2 레이어들을 지지하는 지지부재; 및
    상기 제1 및 제2 레이어들에 직조되어 상기 제1 및 제2 레이어들을 전기적으로 연결하는 전도사를 포함하며,
    상기 제1 레이어 또는 상기 제2 레이어에 인가된 압력에 따라 상기 전도사가 변형되며 상기 전도사 간 접촉 면적이 증가하는 것을 특징으로 하는 3D 에어메쉬 원단.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 레이어들 각각은 복수의 통기공이 형성된 메쉬망 구조로 형성되는 것을 특징으로 하는 3D 에어메쉬 원단.
  3. 제1항에 있어서, 상기 지지부재는,
    탄성력을 갖는 필라멘트 파일사인 것을 특징으로 하는 3D 에어메쉬 원단.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 압력이 인가되면 상기 지지부재는 압축변형되고,
    상기 인가된 압력이 사라지면 상기 변형된 지지부재가 복원되어 상기 변형된 전도사도 복원되는 것을 특징으로 하는 3D 에어메쉬 원단.
  5. 제1항에 있어서, 상기 전도사는,
    상기 제1 및 제2 레이어들을 전기적으로 연결하는 제1 전도사를 포함하는 것을 특징으로 하는 3D 에어메쉬 원단.
  6. 제5항에 있어서, 상기 제1 전도사는,
    상하방향으로 서로 마주하는 상기 제1 및 제2 레이어들 사이를 연결하거나, 대각선 상하방향으로 서로 마주하는 상기 제1 및 제2 레이어들 사이를 연결하는 것을 특징으로 하는 3D 에어메쉬 원단.
  7. 제5항에 있어서, 상기 제1 전도사는,
    상기 압력이 인가되지 않은 상태에서, 상기 제1 및 제2 레이어들 사이에서 직선으로 연결되는 것을 특징으로 하는 3D 에어메쉬 원단.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 압력이 인가되는 위치를 중심으로 상기 제1 및 제2 레이어들의 이격 거리가 감소하고,
    상기 제1 전도사는 상기 이격거리의 감소에 따라 서로 접촉 면적이 증가하여 상기 제1 전도사의 양단에 걸리는 저항이 감소하는 것을 특징으로 하는 3D 에어메쉬 원단.
  9. 제5항에 있어서, 상기 전도사는,
    상기 제1 레이어의 상부 레이어 유닛들 사이를 전기적으로 연결하며, 상기 제1 전도사와 전기적으로 연결되는 제2 전도사; 및
    상기 제2 레이어의 하부 레이어 유닛들 사이를 전기적으로 연결하며, 상기 제1 전도사와 전기적으로 연결되는 제3 전도사를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 3D 에어메쉬 원단.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 제2 및 제3 전도사들은 외부의 저항 또는 전압 측정 회로에 연결되는 것을 특징으로 하는 3D 에어메쉬 원단.
  11. 제5항에 있어서,
    상기 제1 레이어의 상면에 상기 제1 전도사와 전기적으로 연결되도록 형성되는 제1 전도부; 및
    상기 제2 레이어의 하면에 상기 제1 전도사와 전기적으로 연결되도록 형성되는 제2 전도부를 더 포함하는 3D 에어메쉬 원단.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 전도부들은 외부의 저항 또는 전압 측정 회로에 연결되는 것을 특징으로 하는 3D 에어메쉬 원단.
  13. 제11항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 전도부들은 상기 제1 및 제2 레이어들의 외면 전체에 형성되는 막 또는 필름인 것을 특징으로 하는 3D 에어메쉬 원단.
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