KR20190072488A - 섬유 기반 정전용량형 압력센서 - Google Patents

Abstract

본 발명은 도전사를 표면층으로 제직하고 일반사를 중간층으로 제직하여 표면층이 정전유도층이 되게 하고 중간층이 유전체가 되게 하여 압력에 의해 정전용량 변화를 일으키도록 한 섬유 기반 정전용량형 압력센서에 관한 것이다.
본 발명은 표면층, 중간층 및 이면층으로 이루어지고, 상기 표면층과 상기 이면층은 경사와 위사가 반복 교차되되, 상기 경사는 경사부 섬유사와 경사부 도전사가 교호적으로 형성되고, 상기 위사는 위사부 도전사가 상기 경사부 섬유사 및 상기 경사부 도전사와 교차되어 상기 경사부 도전사와 상기 위사부 도전사는 정전유도층을 형성하며, 상기 중간층은 섬유사를 경사로 형성되어 유전층을 형성하는 섬유 기반 정전용량형 압력센서를 제공한다.

Description

섬유 기반 정전용량형 압력센서{FIBER-BASED CAPACITIVE PRESSURE SENSOR}

본 발명은 섬유 기반 정전용량형 압력센서에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 도전사를 표면층으로 제직하고 일반사를 중간층으로 제직하여 표면층이 정전유도층이 되게 하고 중간층이 유전체가 되게 하여 압력에 의해 정전용량 변화를 일으키도록 한 섬유 기반 정전용량형 압력센서에 관한 것이다.

최근에는 섬유를 기반으로 한 IT 디바이스(Information Technology device) 결합용 압력센서의 개발이 늘어나는 추세이며, 현재 개발된 제품들은 기존의 압력에 의한 저항변화를 감지하는 타입(type)에서 정전용량형 센서 타입으로 개발이 진행되는 양상을 보이고 있다.

이러한 섬유 기반 정전용량형 압력센서를 제작하기 위해 금속이 혼합된 고분자 시트 적층 방식과 직물구조물 내부에 압전소자를 집적시키는 방식이 적용되기도 한다.

신호전달용으로 개발되는 섬유 기반 센서 중 압력감지 센서는 각 분야에 활용도가 높아 그 중요성이 커지고 있으며, 압력에 의한 저항변화를 감지하는 1세대 타입에서 정전유도층과 유전층으로 구성된 2세대 타입으로 개발이 이루어지고 있다.

섬유 기반의 정전용량형 센서 구현을 위해 주로 전도성 고분자 시트를 이용한 정전유도층과 고분자폼(PU(폴리우레탄) 발포, PE(폴리에틸렌) 발포 등)을 이용한 유전체를 점착제로 적층하여 구성하거나, 압전섬유와 중공사를 교차 제직하여 압전섬유의 인장 및 압축 반복에 의한 자가발전형 압축센서를 구성하는 방법이 있으며, 섬유를 여러 층으로 폴딩하여 압착에 의한 거리 변경이 가능한 구조로 개발된 정전용량형 섬유센서도 있다.

한편, 등록특허공보 제10-1248410호(2013. 03. 22. 등록)에는 '나노섬유 웹을 이용한 정전용량형 압력센서'가 개시되어 있다.

이러한 '나노섬유 웹을 이용한 정전용량형 압력센서'는, 나노섬유가 어셈블리 되면서 기공을 내포하고 기공에 충진된 공기의 출입으로 야기되는 두께 변경에 의해 전전용량을 가변시켜 압력센싱이 가능하다.

하지만, 종래의 '나노섬유 웹을 이용한 정전용량형 압력센서'는, 유전체로 사용되는 나노섬유 상층과 하층에 여러 층으로 적층되는 금속 전극부와 보호층, 차폐층으로 유연성이 떨어지며, 일체화된 직물 타입으로 볼 수 없고, 적층되면서 사용되는 PU계 또는 아크릴(Acrylic)계 점착제에 의한 대기오염 및 인체 유해성을 야기할 수 있는 문제점이 있다.

그리고 등록특허공보 제10-1658308호(2016. 09. 09. 등록)에는 '압전 에너지 수확소자가 집적된 자가발전형 정전용량 직물 센서'가 개시되어 있다.

이러한 '압전 에너지 수확소자가 집적된 자가발전형 정전용량 직물 센서'는, 중간층에 전극이 형성되고, 상부와 하부로 중공사층이 형성되며, 상기 중공사층 위로 압전섬유가 형성되는 구조를 가지는데, 이는 전극을 기준으로 교차되는 중공사의 눌림에 의한 압력 변화를 검출해 낸다.

하지만, 종래의 '압전 에너지 수확소자가 집적된 자가발전형 정전용량 직물 센서'는, 구조적으로 구성이 복잡하고, 중공사의 단면 크기가 커야하며, 눌림에 의한 회복현상이 느려져 일정한 정전용량값을 유지하기 힘든 문제점이 있다.

그리고 이러한 '압전 에너지 수확소자가 집적된 자가발전형 정전용량 직물 센서'는, 기공을 가지면서 탄성회복이 우수한 나노섬유 웹을 전극과 함께 폴더링함으로써 폴더링된 섬유의 두께 변화로 센싱이 가능한 압력센서를 제공하지만, 전기방사로 나노섬유 웹을 만들고 섬유를 폴딩하며 사이사이에 전극을 집어넣고 보호층과 차폐층으로 감싸며 신호전달부를 빼내는 일련의 공정들이 너무나 까다로우며, 폴딩 구조상 반드시 전극을 병렬로 연결해야 되는 문제점이 있다.

또한, 등록특허공보 제10-1716695호(2017. 03. 09. 등록)에는 '생체신호측정과 압력측정이 가능한 3차원구조 직물센서'가 개시되어 있다.

이러한 '생체신호측정과 압력측정이 가능한 3차원구조 직물센서'는, 인체에 적용되는 3차원 구조의 압력회복이 우수한 직물센서이다.

하지만, 종래의 '생체신호측정과 압력측정이 가능한 3차원구조 직물센서'는, 상하 표면의 전도성 직물과 내부의 절연층으로 사용되는 더블라셀편물재질의 탄성기재층, 이 탄성기재층의 상부와 하부에 형성된 제1전도성직물층, 이 제1전도성직물층의 상부에 형성된 그물형태의 비전도성 직편물로 된 절연층, 상기 탄성기재층, 제1전도성직물층, 절연층을 감싸는 절연체, 이 절연체를 감싸는 제2전도성직물층을 포함하므로, 매우 복잡하고 어려운 공정이 필요하며, 직물타입이 아닌 단일형 타입의 센서로 제공되는 단점이 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 창출된 것으로서, 다층이지만 일체형으로 일반 3D 메쉬 타입의 두께가 얇고, 유연한 특성을 지니면서, 단일 제직공정으로 제공되어 공정과 비용이 획기적으로 줄어들며, 탄성회복력이 우수해 일정한 정전용량 변화를 유지하도록 한 섬유 기반 정전용량형 압력센서를 제공하는데 그 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 섬유 기반 정전용량형 압력센서는,

표면층, 중간층 및 이면층으로 이루어지고,

상기 표면층과 상기 이면층은 경사와 위사가 반복 교차되되,

상기 경사는 경사부 섬유사와 경사부 도전사가 교호적으로 형성되고, 상기 위사는 위사부 도전사가 상기 경사부 섬유사 및 상기 경사부 도전사와 교차되어 상기 경사부 도전사와 상기 위사부 도전사는 정전유도층을 형성하며,

상기 중간층은 섬유사를 경사로 형성되어 유전층을 형성하는 것을 그 특징으로 한다.

본 발명에 있어서, 상기 중간층은, 앞쪽 및 뒤쪽의 일부가 섬유사로 된 위사가 상기 중앙부의 경사부 섬유사와 교차하여 상기 표면층과 상기 이면층을 엮어주는 동시에 상기 표면층의 절연이 이루어진다.

본 발명에 있어서, 상기 도전사는, 섬유사에 코어, 코팅, 연사, 합사, 또는 증착 공정으로 형성된다.

본 발명의 실시예에 따르면, 일반 제직으로 제조 가능하여 적층 등 공정이 줄어들고, 일반 직물과 같이 유연하며, 일체화된 조직으로 완벽한 섬유직물 형태를 갖춘다.

또한, 사용하고자 하는 크기로 잘라서 바로 사용이 가능하며, 경사 및 위사로 사용되는 도전사의 저항을 선택적으로 조절하거나, 유전체로 사용되는 경사양 및 소재의 조절로 하중에 따른 원하는 정전용량값을 가지는 직물설계가 가능하다.

그리고 일반 직물과 같이 구기거나 접어도 되고, 세탁이 가능하며, 인체에 적용되는 제품의 경우에도 같은 섬유재질로 거부감이 없다.

도 1은 본 발명에 따른 섬유 기반 정전용량형 압력센서의 구성을 나타낸 단면 구성도.
도 2는 도 1의 패턴도.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.

도 1에는 본 발명에 따른 섬유 기반 정전용량형 압력센서의 구성을 나타낸 단면 구성도가 도시되어 있고, 도 2에는 도 1의 패턴도가 도시되어 있다.

도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 섬유 기반 정전용량형 압력센서는, 적어도 3중직 이상으로 제직하여 제조할 수 있으며, 본 발명의 실시예에서는 3중직으로 표면층(10), 중간층(20), 이면층(30)이 형성되도록 제직하였다.

이를 보다 구체적으로 설명한다.

상기 표면층(10)과 상기 이면층(30)은, 경사와 위사가 반복 교차되되, 상기 경사는 경사부 섬유사(2', 6')와 경사부 도전사(2,6)가 교호적으로 형성되고, 상기 위사는 위사부 도전사(3,5)가 경사부 섬유사(2',6') 및 경사부 도전사(2,6)와 교차되어 상기 경사부 도전사(2,6)와 위사부 도전사(3,5)는 정전유도층을 형성한다.

또한, 상기 중간층(20)은, 경사부 섬유사(4)를 경사로 형성되어 유전층을 형성한다.

그리고 상기 표면층(10)과 이면층(30)의 위사부 섬유사(1)는 일체로 이루어진다.

또한, 상기 중간층(20)은, 앞쪽 및 뒤쪽의 일부가 섬유사로 된 위사부 섬유사(1)가 중앙부의 경사부 섬유사(4)와 교차하여 상기 표면층(10)과 이면층(30)을 엮어주는 동시에 표면층(10)의 절연이 이루어지도록 한다.

한편, 여기에서 섬유사는 일반 섬유사 또는 일반사를 의미한다.

이러한 섬유사는, PET(Polyethylene Terephthalate) 등의 폴리에스테르계열, 나일론(Nylon), 아라미드(Aromatic amide) 등의 폴리아마이드계열, 폴리우레탄 고분자 계열 등을 포함하는 합성섬유와, 면, 마 등을 포함하는 천연섬유 중 어느 하나로 이루어진다.

그리고 상기 도전사는, 금(Au), 은(Ag), 구리(Cu), 스테인리스스틸(SUS), 니켈(Ni) 등의 금속합금사 및 카본사 중 어느 하나로 이루어질 수 있고, 섬유사에 코어, 코팅, 연사, 합사, 또는 증착 공정으로 형성될 수 있다.

상기한 바와 같은 구성을 갖는 본 발명에 따른 섬유 기반 정전용량형 압력센서의 작용을 설명하면 다음과 같다.

도 1 및 도 2를 다시 참조하면, 본 발명에 따른 섬유 기반 정전용량형 압력센서는, 3중직 이상으로 제직이 가능하며, 표면층(10)과 이면층(30)으로 사용되는 경사가 선택적으로 섬유사와 도전사가 번갈아 위치하고, 도전사인 위사가 그 사이의 모든 올들을 교차하며 제직된다.

또한, 중간층(20)에 섬유사로 유전층을 경사로 형성되는데, 앞뒷면의 일부 섬유사로 된 위사가 중간 유전체층 경사를 서로 교차하여 표면층(10)과 중간층(20)을 역어주는 동시에 표면층(10)의 경사 및 위사간 절연 기능도 가진다.

이와 같은 구조의 본 발명에 따른 섬유 기반 정전용량형 압력센서의 제조방법은 다음과 같다.

3중직 이상의 다중직물 제작이 가능한 레피어직기 또는 자카드 직기를 사용하여 3중직 또는 그 이상으로 도전사와 섬유사를 사용하여 봉투직(후쿠로)으로 제직한다.

이때, 표면층(10)과 이면층(30)으로 사용되는 경사가 선택적으로 섬유사와 번갈아 위치하고 도전사인 위사가 그 사이 모든 올들을 교차하며 직교한다.

또한, 중간층(20)에 섬유사로 유전층을 경사로 형성되는데, 앞쪽 표면에서 위입되는 섬유사 위사가 유전층으로 형성되는 중간의 섬유사 경사를 왕복으로 교차하여 표면과 엮이며 일체화되고, 동시에 뒤쪽 표면에서 위입되는 섬유사 위사가 유전층으로 형성되는 중간의 섬유사 경사를 왕복으로 교차하여 표면과 엮이며 일체화되며 제직된다.

상기한 바와 같이, 본 발명에 따른 섬유 기반 정전용량형 압력센서는, 일반 제직으로 제조 가능하여 적층 등 공정이 줄어들고, 일반 직물과 같이 유연하며, 정전유도층과 유전체가 별도 분리 및 결합된 형태가 아닌 일체화된 조직으로 완벽한 섬유직물 형태를 갖춘다.

또한, 사용하고자 하는 크기로 잘라서 바로 사용이 가능하며, 경사 및 위사로 사용되는 도전사의 저항을 선택적으로 조절하거나, 유전체로 사용되는 경사양 및 소재의 조절로 하중에 따른 원하는 정전용량값을 가지는 직물설계가 가능하다.

그리고 일반 직물과 같이 구기거나 접어도 되고, 세탁이 가능하며, 인체에 적용되는 제품의 경우에도 같은 섬유재질로 거부감이 없다.

상술한 바와 같이 본 발명은 도면에 도시된 일 실시예를 참고로 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다.

따라서 본 발명의 진정한 보호 범위는 첨부된 청구범위에 의해서만 정해져야 할 것이다.

1. 위사부 섬유사
2',6'. 경사부 섬유사
2,6. 경사부 도전사
3,5. 위사부 도전사
4. 경사부 섬유사
10. 표면층
20. 중간층
30. 이면층

Claims (3)

1. 표면층, 중간층 및 이면층으로 이루어지고,
   상기 표면층과 상기 이면층은 경사와 위사가 반복 교차되되,
   상기 경사는 경사부 섬유사와 경사부 도전사가 교호적으로 형성되고, 상기 위사는 위사부 도전사가 상기 경사부 섬유사 및 상기 경사부 도전사와 교차되어 상기 경사부 도전사와 상기 위사부 도전사는 정전유도층을 형성하며,
   상기 중간층은 섬유사를 경사로 형성되어 유전층을 형성하는 것을 특징으로 하는 섬유 기반 정전용량형 압력센서.
2. 제1항에 있어서,
   상기 중간층은, 앞쪽 및 뒤쪽의 일부가 섬유사로 된 위사가 상기 중앙부의 경사부 섬유사와 교차하여 상기 표면층과 상기 이면층을 엮어주는 동시에 상기 표면층의 절연이 이루어지도록 하는 것을 특징으로 하는 섬유 기반 정전용량형 압력센서.
3. 제1항에 있어서,
   상기 도전사는, 섬유사에 코어, 코팅, 연사, 합사, 또는 증착 공정으로 형성된 것을 특징으로 하는 섬유 기반 정전용량형 압력센서.

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