KR20200068370A - 위편직 인장센서 및 이의 제조방법 - Google Patents

위편직 인장센서 및 이의 제조방법 Download PDF

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유재형
윤은지
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Abstract

본 발명의 위편직 인장센서는, 섬유 원단; 섬유 원단의 제1 표면에 형성되는 전극부; 및 제1 표면과 반대쪽 표면인 섬유 원단의 제2 표면에 형성되는 감지부;를 포함하되, 전극부의 반대쪽 위치에 상기 감지부가 형성될 수 있다.

Description

위편직 인장센서 및 이의 제조방법{WEFT-KNITTED STRETCH SENSOR AND MANUFACTURING METHOD THEREOF}
본 발명은 위편직 인장센서 및 이의 제조방법에 관한 것으로, 상세하게는 위편 원단 구조 설계를 통해 프로그래밍이 가능한 위편직 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 일반 필름형 복합재료형 센서에 비하여 구조 변수가 많아 저항변화의 예측이 어렵고, 센서의 성능을 예측 하기가 어려운 문제점이 있다.
본 발명의 기술적 과제는 이러한 점에서 착안된 것으로 본 발명의 목적은 위편 구조를 갖는 전도성 원단의 인장에 따른 구조변화 및 저항변화 모델을 개발하여, 인장센서의 성능을 결정할 수 있는 프로그래밍 가능한 위편직 인장 센서 및 이를 제조하는 방법을 제공하는데 있다.
본 발명의 실시 예를 따르는 위편직 인장센서는 섬유 원단; 상기 섬유 원단의 제1 표면에 형성되는 전극부; 및 상기 제1 표면과 반대쪽 표면인 상기 섬유 원단의 제2 표면에 형성되는 감지부;를 포함하고, 상기 전극부의 반대쪽 위치에 상기 감지부가 형성된다.
또한, 상기 섬유 원단은, 단일 방향으로 배치된 복수의 섬유가 위편되어 연결되며, 외력이 가해짐에 따라 섬유 간 접촉되는 면적이 변경될 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 위편직 인장센서는 위편을 통해 형성된 루프의 밀도와 형상 또는 섬의 모듈러스 등에 의하여 원단의 인장 모듈러스가 결정되며, 이러한 원단의 역학적 변화를 기초로 인장-저항변화 거동 모델을 개발할 수 있다. 이를 통해, 역학-저항변화 거동모델을 개발하여 수학식으로 표할 수 있으며, 수학식을 기초로 MCU와 연결하여 센서를 최적화 할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 위편직 인장센서의 제조방법을 통해 제조된 인장센서의 성능을 예측하고 용도에 맞는 성능을 구현할 수 있는 위편직 인장센서를 개발할 수 있으며, 특히 위편 구조를 생산 공정 변수를 조절하여 설계하고, 섬유의 모듈러스를 달리하여 최종적으로 프로그래밍이 가능한 인장센서를 구현할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 위편직 인장센서의 제조방법을 통해 제조된 인장센서는 의복형 웨어러블 디바이스에 적용되어 높은 시장성을 기대할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 위편직 인장센서의 개략도이다.
도 2는 도 1의 위편직 인장센서의 섬유 원단을 나타낸 개략도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 위편직 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.
본 발명에 따른 위편직 인장센서는 위편을 통해 형성된 루프의 밀도와 형상 또는 섬유의 모듈러스 등에 의하여 원단의 인장 모듈러스가 결정되며, 이러한 원단의 역학적 변화를 기초로 인장-저항변화 거동 모델을 개발할 수 있다. 이를 통해, 역학-저항변화 거동모델을 개발하여 수학식으로 표할 수 있으며, 수학식을 기초로 MCU와 연결하여 센서를 최적화 할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 위편직 인장센서의 개략도이고, 도 2는 도 1의 위편직 인장센서의 섬유 원단을 나타낸 개략도이고, 도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 위편직 인장센서 제조방법의 흐름도이다.
이하에서는 도 1 내지 도 3을 참조하여 위편직 인장센서 및 이의 제조방법에 대하여 상술하도록 한다. 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.
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 위편직 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 단층의 위편직 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, 공기층과 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 위편직 인장센서는 압력 센서일 수 있으나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.
본 발명에 따른 위편직 인장센서는 위편 원단 구조를 가져 외부에서 섬유 원단으로 인장력을 가하면 섬유와 섬유간의 접촉면적이 변화할 수 있다. 특히, 위편 원단의 구조는 루프 간 접촉 면적을 형성하고 있는 구조이며, 위편의 구조에 따라 접촉 면적이 달라질 수 있다. 또한, 루프의 밀도와 형상, 섬유의 모듈러스 등에 의하여 원단의 인장 모듈러스가 결정될 수 있다. 이러한 원단의 역학적 변화를 예측할 수 있는 모델을 개발하고, 인장에 따른 접촉면적 변화 거동을 예측하는 모델을 개발함으로써 최종정으로 원단의 인장 변형률에 따른 저항 변화 값을 예측할 수 있다. 역학거동 모델과 등가회로 해석을 통한 저항변화 거동 모델을 통합하여 최종적으로 역학-저항변화 거동 모델을 개발할 수 있으며, 이를 수학 식으로 표현 할 수 있다. 수학식은 인장센서를 MCU와 연결하여 디바이스를 제조할 시, MCU의 코딩에 반영하여 센서를 최적화 할 수 있다.
이와 관련하여, 역학-저항변화 거동 모델과 관련된 수식은 섬유 원단에 가해지는 외력에 의해 변화하는 데이터를 기초로 산출할 수 있다. 상세하게는, 위편 원단의 인장에 의하여 원단을 구성하는 루프의 형태의 변화가 발생할 수 있으며, 루프의 변형은 섬유의 굽힘과 인장과 관련이 있다. 더욱 상세하게 섬유의 인장, 압축 모듈러스에 의하여 원단 전체의 모듈러스가 결정될 수 있다. 루프의 형상 변화는 기하학 해석을 통해 예측할 수 있으며, 최종적으로 원단의 인장응력과 변형률 간의 상관관계를 예측할 수 있는 모델을 수식으로 표현 할 수 있다.
또한, 전도성 위편 원단은 전도성 섬유로 구성된 위편 구조를 갖는 원단으로, 위편 구조는 루프간의 접촉을 통해 연결되어 있는 구조이며, 루프간 접촉 면적에 의하여 전체 저항의 거동을 예측 할 수 있다. 원단이 인장 될 경우 루프간 접촉면적의 변화가 생기며, 이로 인해 저항의 변화가 발생할 수 있다. 이를 등가회로로 표현할 경우, 전도성 섬유가 직, 병렬로 연결되어 있는 회로로 인식될 수 있으며, 회로의 전체 저항을 계산하여 수식으로 표현할 수 있다.
이처럼, 본 발명에 따른 위편직 인장센서의 제조방법을 통해 제조된 인장센서의 성능을 예측하고 용도에 맞는 성능을 구현할 수 있는 위편직 인장센서를 개발할 수 있으며, 특히 위편 구조를 생산 공정 변수를 조절하여 설계하고, 섬유의 모듈러스를 달리하여 최종적으로 프로그래밍이 가능한 인장센서를 구현할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 위편직 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. 위편직 인장센서에 있어서,
    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, 위편직 인장센서.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 섬유 원단은,
    단일 방향으로 배치된 복수의 섬유가 위편되어 연결되며, 외력이 가해짐에 따라 섬유 간 접촉되는 면적이 변경되는, 위편직 인장센서.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 전극부는,
    상기 제1 표면에 제1 전도성 잉크를 스크린프린팅하여 형성되는, 위편직 인장센서.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 제1 전도성 잉크는,
    10-6Ωm 이하의 비저항을 가지는 재료가 함유되어 있는, 위편직 인장센서.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 감지부는,
    상기 제2 표면에 제2 전도성 잉크를 스크린프린팅하여 형성되는, 위편직 인장센서.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 제2 전도성 잉크는,
    10-1 내지 10-6Ωm 이하의 비저항을 가지는 재료가 함유되어 있는, 위편직 인장센서.
  7. 위편직 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, 위편직 인장센서의 제조방법.
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