KR20200068369A - 직렬식 텍스타일형 인장센서 및 이의 제조방법 - Google Patents

직렬식 텍스타일형 인장센서 및 이의 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명의 직렬식 텍스타일형 인장센서는, 상이한 인장 모듈러스를 갖는 소재가 직렬로 연결된 섬유 원단; 섬유 원단의 제1 표면에 형성되는 전극부; 및 제1 표면과 반대쪽 표면인 섬유 원단의 제2 표면에 형성되는 감지부;를 포함하되, 상기 전극부의 반대쪽 위치에 상기 감지부가 형성될 수 있다.

Description

직렬식 텍스타일형 인장센서 및 이의 제조방법{SERIAL ARRANGE TEXTILE TYPE STRETCH SENSOR AND MANUFACTURING METHOD THEREOF}
본 발명은 사용자가 필요한 성능에 맞춰 제작 가능한 직렬식 텍스타일형 인장센서 및 이의 제조방법에 관한 것으로, 상세하게는 하나의 성능을 가진 텍스타일 또는 고분자형태의 인장센서를 연결하여 멀티 모듈러스를 포함하는 직렬식 텍스타일형 인장센서 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
최근, 건강 및 여가 활동에 대한 관심이 높아짐에 따라 인체 정보를 진단하여 피드백 할 수 있는 스마트 웨어러블 디바이스의 수요가 늘어나고 있다.
종래의 스마트 웨어러블 디바이스는 필름형 전자 소자들을 주로 사용한다. 특히, 종래의 필름형 센서 일례로, 압력 센서는 전극층, 공기층(spacer), 감지층의 구조로 이루어져 있다.
그러나, 종래의 필름형 센서는 3층 이상의 서로 다른 필름층으로 구성되어 있다. 따라서, 종래의 필름형 센서는 두께가 두껍고, 유연성이 떨어지기 때문에, 스마트 의복 및 텍스타일 소재 제품(인테리어용 제품 등)에 적용하기가 용이하지 않는 단점이 있다.
즉, 종래의 필름형 센서는 전도성 섬유를 적층시켜 구현한 것으로서, 실질적으로 의류에 적용하는 경우, 유연성 및 신축성 등의 문제로 인해 의류 소재와 일체화가 힘든 단점이 있다.
한편, 이를 보완하기 위한 텍스타일형 소자가 개발되고 있으나, 종래의 텍스타일형 소자는 단일 소재의 섬유로 구성되어, 소자의 게이지 팩터가 높거나 낮은 특성에 따라 제한적으로 사용되는 문제점이 있다.
본 발명의 기술적 과제는 이러한 점에서 착안된 것으로 본 발명의 목적은 서로 다른 인장 모듈러스를 가진 고분자 또는 섬유 소재를 연결하여 멀티 게이지 팩터를 가진 직렬식 텍스타일형 인장센서 및 이를 제작하는 방법을 제공하는데 있다.
본 발명의 실시 예를 따르는 위편직 인장센서는 상이한 인장 모듈러스를 갖는 소재가 직렬로 연결된 복수의 섬유가 배치된 섬유 원단; 상기 섬유 원단의 제1 표면에 형성되는 전극부; 및 상기 제1 표면과 반대쪽 표면인 상기 섬유 원단의 제2 표면에 형성되는 감지부;를 포함하되, 상기 전극부의 반대쪽 위치에 상기 감지부가 형성된다.
또한, 상기 섬유 원단은, 외력이 가해짐에 따라 소재별로 상이하게 변형될 수 있다.
또한, 상기 전극부는, 상기 제1 표면에 제1 전도성 잉크를 스크린프린팅하여 형성될 수 있다.
또한, 상기 제1 전도성 잉크는, 10-6Ωm 이하의 비저항을 가지는 재료가 함유될 수 있다.
또한, 상기 감지부는, 상기 제2 표면에 제2 전도성 잉크를 스크린프린팅하여 형성될 수 있다.
또한, 상기 제2 전도성 잉크는, 10-1 내지 10-6Ωm 이하의 비저항을 가지는 재료가 함유될 수 있다.
또한, 본 발명의 실시 예를 따르는 위편직 인장센서의 제조방법은 섬유 원단의 제1 표면에 제1 전도성 잉크를 스크린프린팅하여 전극부를 형성하는 단계; 및 상기 섬유 원단의 제2 표면에 제2 전도성 잉크를 스크린프린팅하여 감지부를 형성하는 단계;를 포함하고, 상기 전극부의 반대쪽 위치에 상기 감지부가 형성된다.
본 발명에 따른 직렬식 텍스타일형 인장센서는 요구되는 인장응력에 따라 맞춤형으로 제작되어, 텍스타일 인장센서가 필요한 ICT 웨어러블 분야에 다양하게 사용할 수 있으며, 하나의 성능을 가진 텍스타일 또는 고분자형태의 스트레치 센서를 연결하여 다양한 성능을 가질 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 직렬식 텍스타일형 인장센서의 제조방법을 통해 제조된 인장센서는 의복형 웨어러블 디바이스에 적용되어 높은 시장성을 기대할 수 있다.
도 1은 일반적인 인장센서의 구동원리를 나타낸 모식도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 직렬식 텍스타일형 인장센서를 나타낸 개략도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 직렬식 텍스타일형 인장센서 제조방법의 흐름도이다.
후술하는 본 발명에 대한 상세한 설명은, 본 발명이 실시될 수 있는 특정 실시 예를 예시로서 도시하는 첨부 도면을 참조한다. 이들 실시 예는 당업자가 본 발명을 실시할 수 있기에 충분하도록 상세히 설명된다. 본 발명의 다양한 실시 예는 서로 다르지만 상호 배타적일 필요는 없음이 이해되어야 한다. 예를 들어, 여기에 기재되어 있는 특정 형상, 구조 및 특성은 일 실시 예와 관련하여 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 다른 실시 예로 구현될 수 있다. 또한, 각각의 개시된 실시 예 내의 개별 구성요소의 위치 또는 배치는 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 변경될 수 있음이 이해되어야 한다. 따라서, 후술하는 상세한 설명은 한정적인 의미로서 취하려는 것이 아니며, 본 발명의 범위는, 적절하게 설명된다면, 그 청구항들이 주장하는 것과 균등한 모든 범위와 더불어 첨부된 청구항에 의해서만 한정된다. 도면에서 유사한 참조부호는 여러 측면에 걸쳐서 동일하거나 유사한 기능을 지칭한다.
이하, 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예들을 보다 상세하게 설명하기로 한다.
도 1은 일반적인 인장센서의 구동원리를 나타낸 모식도이다.
도 1을 참조하면, 종래의 텍스타일 및 고분자로 제작된 스트레치 센서는 matrix 성질과 전도성 입자의 크기 및 양에 따라 스트레치 센서가 상이하게 구동할 수 있다. 상세하게, 센서에 인장력을 가하면 matrix의 형태 변화에 따라 내부의 전도성 입자의 위치 등이 변화하게 되면서 저항이 변화할 수 있다. 이때 일반적으로, 전도성 입자간의 간격이 커져, 저항이 증가 하는 경향이 나타날 수 있다.
한편, Matrix의 모듈러스가 낮을수록 적은 인장력에도 센서가 용이하게 변형하여 전도성 입자의 거리변화가 일어나 저항이 변화할 수 있다. 이러한 변화는 게이지 팩터가 높은 센서에서 나타날 수 있다.
또한, 전도성 입자의 양도 게이지 팩터에 영항을 미칠 수 있다. 상세하게, 같은 크기의 matrix 에 배치된 전도성 입자가 적을수록 게이지 팩터가 높은 값을 가질 수 있다. 따라서, 이러한 원리를 바탕으로 서로 다른 게이지 팩터를 갖는 스트레치 센서를 제조할 수 있다.
이하에서는 종래의 텍스타일형 인장센서의 단점을 보완한 직렬식 텍스타일형 인장센서에 대하여 도면을 참조하여 상술하도록 한다.
본 발명에 따른 직렬식 텍스타일형 인장센서는 상이한 모듈러스를 갖는 다양한 소재가 직렬연결되어 형성된 섬유의 각 영역이 상이한 모듈러스를 갖게되며, 이러한 원단의 역학적 변화를 기초로 맞춤형 인장센서를 제공할 수 있다. 이를 통해, 단일섬유의 모든 영역에서 동일한 모듈러스를 갖는 종래의 텍스타일형 인장센서 대비 넓은 시장성을 가지며, 특히 영역별 상이한 모듈러스가 적용되는 ICT 인장센서, 웨어러블 디바이스, 멀티 인장센서 등 다양한 분야에 적용될 수 있다.
한편 본 발명에 따른 직렬식 텍스타일형 인장센서는 서로 다른 모듈러스를 갖는 인장센서를 연결하여 다양한 성능을 갖는 인장센서이다. 이러한 텍스타일 또는 고분자로 제작한 직렬식 텍스타일형 인장센서는 인장력을 주면 섬유내의 전도성 입자들이 움직여 저항이 변화하는 현상을 이용하며, 센서의 성능을 평가 할 때, 센서의 형태의 변화에 따른 저항 변화를 바탕으로 판별하는 게이지 팩터로 측정할 수 있다. 상세하게, 게이지 팩터가 높은 경우, 인장센서의 형태 변화에 따라 센서가 민감하게 반응하고, 역치값이 낮아 적은양의 힘도 감지할 수 있다. 반면, 게이지 팩터가 낮은경우, 센서의 민감도가 떨어지며 역치값이 높아 적은양의 힘을 감지하기에는 적합하지 않으며, 상대적으로 큰 양의 힘을 감지하기에 유리할 수 있다.
한편, 인장센서의 민감도에 따라서 사용할 수 있는 분야가 다를 수 있다. 반면, 본 발명에 따른 직렬식 텍스타일형 인장센서는 다양한 모듈러스를 갖는 소재가 복합적으로 연결되어, 다양한 분야에서 용이하게 적용될 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 직렬식 텍스타일형 인장센서를 나타낸 개략도이고, 도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 직렬식 텍스타일형 인장센서 제조방법의 흐름도이다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 직렬식 텍스타일형 인장센서는 섬유 원단, 전극부 및 감지부를 포함한다. 또한, 본 발명의 일 실시 예에 따른 직렬식 텍스타일형 인장센서의 제조방법은 섬유 원단 제조 단계(110), 제1 전도성 잉크 스프린팅 단계(120) 및 제2 전도성 잉크 스프린팅 단계(130)를 포함한다.
우선, 섬유 원단 제조 단계(110)에서는 섬유 원단을 제조한다. 섬유 원단 제조 단계(110)에서는 도 1과 같은 형태의 섬유 원단을 제조할 수 있다. 섬유 원단은 단일 방향으로 배치된 복수의 섬유가 위편되어 연결되며, 외력이 가해짐에 따라 섬유 간 접촉되는 면적이 변경될 수 있다. 섬유 원단을 구성하기 위해 단일 방향으로 배치된 복수의 섬유는 절연성 섬유 재질일 수 있다.
상세하게, 섬유 원단은 상이한 인장 모듈러스를 갖는 소재가 직렬로 연결된 복수의 섬유가 배치될 수 있다. 특히, matrix의 모듈러스와 전도성 입자의 양에 따라 감지되는 압력의 범위가 달라질 수 있다. 상세하게, matrix의 모듈러스가 낮고 전도성 입자가 적을수록 게이지 팩터가 높은 민감한 성능을 가진 스트레치 센서를 제작할 수 있으며, 반대로 matrix의 모듈러스가 높고 전도성 입자가 많을수록 감지 인장력이 큰 센서를 제작할 수 있다.
이처럼, 상이한 소재가 직렬로 연결된 인장센서는 게이지 팩터가 서로 다른 스트레치 센서를 순서대로 연결하여 제조될 수 있다. 이때, 상이한 소재로 구성된 두 센서를 연결하기 위해 동일한 높이에 센서가 위치될 수 있다. 또한, 각각의 센서의 연결 시, 연결 부위에 접촉저항을 최소화 하기 위한 실버 페이스트를 바르고 각 센서를 전도사로 박음질하여 고정시킬 수 있다.
전도사로 박음질된 인장센서는 적은 인장력을 가하면 모듈러스가 낮고 전도성 입자의수가 적은 센서가 먼저 형태 변형을 일으키며, 저항의 변화가 나타날 수 있다. 추가적인 인장력을 인장센서에 가하면 모듈러스가 높고 전도성 입자의 수가 많은 센서가 형태를 변형하며 저항의 변화가 발생할 수 있다.
이처럼, 서로 다른 모듈러스를 갖는 인장센서를 직렬로 연결하면 최소의 인장력에도 저항이 변화하고, 최대의 인장력에도 저항이 변화하는 고성능의 스트레치 센서를 제작할 수 있다.
또한, 두 개 이상의 인장센서를 직렬로 연결하여 사용자가 필요한 성능 범위에 맞춤형으로 제작된 직렬식 텍스타일형 인장센서를 제조할 수 있다.
한편, 섬유 원단은 기 제조된 섬유 원단을 사용할 수 있으며, 이 경우 단계(110)는 생략될 수 있다.
다음으로, 제1 전도성 잉크 스프린팅 단계(120)에서는 섬유 원단의 제1 표면에 제1 전도성 잉크를 스크린프린팅하여 전극부를 형성할 수 있다. 여기서, 제1 표면은 섬유 원단의 위쪽 표면 또는 아래쪽 표면 중 하나일 수 있다. 또한, 제1 전도성 잉크는 10-6Ωm 이하의 비저항을 가지는 재료가 함유될 수 있다. 일 예로, 제1 전도성 잉크는 은(silver)이 함유되어 있는 잉크일 수 있다. 이때, 전극부는 shunt pattern 형태를 가질 수 있다. shunt 형태의 전극은 전극간 간격이 좁을수록 압력 분해능이 높다. 다만, 전극 사이에 10μm 이상의 간격이 유지되는 것이 바람직하다.
계속하여, 제2 전도성 잉크 스프린팅 단계(130)에서는 섬유 원단의 제2 표면에 제2 전도성 잉크를 스크린프린팅하여 감지부를 형성할 수 있다. 이때, 제2 표면은 섬유 원단의 위쪽 표면 또는 아래쪽 표면 중 하나일 수 있으며, 이를 통해 제1 표면과 제2 표면에 상이한 전도성 잉크가 부착될 수 있다. 또한, 전극부의 반대쪽 위치에 감지부가 형성되어 있다.
또한, 제2 전도성 잉크는 10-1 내지 10-6Ωm 이하의 비저항을 가지는 재료가 함유될 수 있다. 일례로, 제2 전도성 잉크는 흑연(graphite)이 함유되어 있는 잉크일 수 있다.
이 때, 감지부는 사각형 형상으로 형성될 수 있으나, 본 발명에 따른 감지부의 형상이 이에 한정되는 것은 아니다.
한편, 제2 전도성 잉크 스프린팅 단계(130)는 제1 전도성 잉크 스프린팅 단계(120) 전에 수행하는 것으로 설명하였으나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며, 제2 전도성 잉크 스프린팅 단계(130)가 먼저 수행된 후에 제1 전도성 잉크 스프린팅 단계(120)가 수행될 수도 있다.
한편, 본 발명에 따른 단층의 직렬식 텍스타일형 인장센서는 압력 센서일 수 있으며, 외부 압력에 의해 전극부와 감지부간 접촉 면적 또는 감지부의 전도성 입자간의 간격이 변하게 됨으로 전기 저항의 변화가 일어나게 되고, 이를 통해 압력이 감지될 수 있다.
이 때, 일반적인 압력 센서는 전극층, 공기층(spacer), 감지층의 구조로 이루어져 있으며, 종래의 필름형 섬유 센서는 3층 이상의 서로 다른 필름층으로 구성되어 있는바, 두께가 두껍고, 유연성이 떨어지기 때문에, 스마트 의복 및 텍스타일 소재 제품(인테리어용 제품 등)에 적용하기가 용이하지 않은 문제점이 있다.
그러나, 본 발명의 직렬식 텍스타일형 인장센서의 경우, 원단 소재의 단일층에 전극부, 공기부와 대응되는 절연성 소재의 섬유 원단 및 감지부가 모두 포함되어 있다. 따라서, 종래의 필름형 센서에 비하여 유연성을 확보할 수 있고, 얇으며, 공기 투과도가 높아 텍스타일 소재로 구성된 스마트 의복 등의 스마트 기기에 적용이 용이한 장점이 있다.
한편, 일반적인 센서는 압력 감응 범위, 압력 분해능, 정확도 및 내구성 등이 중요한 성능 지표로서 사용되며, 센서를 구성하고 있는 전극부, 공기부, 감지부의 구조에 따라 성능이 결정된다. 이 때, 본 발명의 경우, 비저항이 낮은 재료(10-6Ωm 이하의 비저항)로 전극부는 형성하고 있으므로, 분해능 및 내구성이 우수하며, shunt 형태의 전극 간 간격을 조절함으로써(10μm 이상의 간격 유지 필요) 높은 압력 분해능을 확보할 수 있다.
또한, 본 발명의 경우, 10-1 내지 10-6Ωm 이하의 비저항을 가지는 재료를 통해 감지부를 형성하고 있으므로, 전도성 입자 간의 변화폭이 커서 높은 압력 분해능을 얻을 수 있다. 또한, 공기층와 대응되는 섬유 원단 내의 기공은 전극부와 감지부간 접촉 면적이 압력에 의하여 달라질 수 있다.
한편, 본 발명의 경우, 감지된 압력과 대응되는 저항 변화를 전극부와 연결되는 MCU(Micro Controller Unit) 및 무선 통신 모듈을 이용하여 연동되는 스마트 기기로 전송할 수 있으며, 이를 통해 실시간으로 외부 자극에 대한 정보를 알려줄 수 있다.
한편, 본 발명에 따른 직렬식 텍스타일형 인장센서는 압력 센서일 수 있으나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.
본 발명에 따른 직렬식 텍스타일형 인장센서는 외부에서 섬유 원단으로 인장력을 가하면 각 소재의 모듈러스에 따라 상이한 변형이 유도될 수 있다. 특히, 소재의 특성에 따라 모듈러스가 결정되어 인장력에 따라 상이한 변형이 나타날 수 있으며, 이를 통해 맞춤형 텍스타일에 적합한 인장센서가 제공될 수 있다.
이처럼, 본 발명에 따른 직렬식 텍스타일형 인장센서의 제조방법을 통해 용도에 맞는 성능을 구현할 수 있는 직렬식 텍스타일형 인장센서를 개발할 수 있으며, 특히 요구되는 응력에 대응되는 모듈러스를 갖는 소재를 활용하여 인장센서를 구성하고, 섬유의 밀도 및 종류를 유동적으로 변경하여 최종적으로 프로그래밍이 가능한 인장센서를 구현할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 직렬식 텍스타일형 인장센서의 제조방법을 통해 제조된 인장센서는 의복형 웨어러블 디바이스에 적용되어 높은 시장성을 기대할 수 있다.
이상에서 대표적인 실시 예를 통하여 본 발명을 상세하게 설명하였으나, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 상술한 실시 예에 대하여 본 발명의 범주에서 벗어나지 않는 한도 내에서 다양한 변형이 가능함을 이해할 것이다. 그러므로 본 발명의 권리 범위는 설명한 실시 예에 국한되어 정해져서는 안 되며, 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 특허청구범위와 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태에 의하여 정해져야 한다.
110: 섬유 원단 제조 단계
120: 제1 전도성 잉크 스프린팅 단계
130: 제2 전도성 잉크 스프린팅 단계

Claims (7)

  1. 직렬식 텍스타일형 인장센서에 있어서,
    상이한 인장 모듈러스를 갖는 소재가 직렬로 연결된 복수의 섬유가 배치된 섬유 원단;
    상기 섬유 원단의 제1 표면에 형성되는 전극부; 및
    상기 제1 표면과 반대쪽 표면인 상기 섬유 원단의 제2 표면에 형성되는 감지부;를 포함하되, 상기 전극부의 반대쪽 위치에 상기 감지부가 형성되는, 직렬식 텍스타일형 인장센서.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 섬유 원단은,
    외력이 가해짐에 따라 소재별 상이하게 변형되는, 직렬식 텍스타일형 인장센서.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 전극부는,
    상기 제1 표면에 제1 전도성 잉크를 스크린프린팅하여 형성되는, 직렬식 텍스타일형 인장센서.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 제1 전도성 잉크는,
    10-6Ωm 이하의 비저항을 가지는 재료가 함유되어 있는, 직렬식 텍스타일형 인장센서.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 감지부는,
    상기 제2 표면에 제2 전도성 잉크를 스크린프린팅하여 형성되는, 직렬식 텍스타일형 인장센서.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 제2 전도성 잉크는,
    10-1 내지 10-6Ωm 이하의 비저항을 가지는 재료가 함유되어 있는, 직렬식 텍스타일형 인장센서.
  7. 직렬식 텍스타일형 인장센서의 제조 방법에 있어서,
    섬유 원단의 제1 표면에 제1 전도성 잉크를 스크린프린팅하여 전극부를 형성하는 단계; 및
    상기 섬유 원단의 제2 표면에 제2 전도성 잉크를 스크린프린팅하여 감지부를 형성하는 단계;를 포함하되,
    상기 전극부의 반대쪽 위치에 상기 감지부가 형성되는, 직렬식 텍스타일형 인장센서의 제조방법.
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KR20220041975A (ko) 2020-09-25 2022-04-04 동국대학교 산학협력단 인장 센서 및 이의 제조방법

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