KR20220134154A - 직물기반의 스마트 의류용 패치 안테나 제조방법 - Google Patents

직물기반의 스마트 의류용 패치 안테나 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명에 따른 직물기반의 스마트 의류용 패치 안테나 제조방법은, I형 홀이 마련된 구금을 이용하여 편평사(flat yarn)를 방사하는 단계; 복수의 편평사를 연사한 다음 열고정하여 멀티-필라멘트사를 제조하는 단계; 상기 멀티 필라멘트사를 위사/경사로 하여 직물을 제조하는 단계; 상기 직물에 대한 후가공(finishing processes)을 수행하는 단계; 및 상기 후가공된 직물에 전도성 잉크를 프린팅한 다음 건조하는 단계를 포함할 수 있다.

Description

직물기반의 스마트 의류용 패치 안테나 제조방법{method of manufacturing fabric-based patch antenna for smart clothing}
본 발명은 직물기반의 안테나 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 직물 위에 전도성 잉크를 프린팅하여 뛰어난 방사효율(radiation efficiency)과 높은 피크 게인(peak gain) 및 Q-인자(quality factor)를 갖는 스마트 의류용 직물기반 패치 안테나를 제조하는 방법에 관한 것이다.
최근 스마트 의류에 장착되는 다양한 웨어러블 기기들이 대중화되고 있다. 이러한 웨어러블 기기들에는 배터리를 포함하여, 각종 센서 및 각종 인터페이싱 수단뿐만 아니라 무선통신모듈과 제어모듈 등이 포함될 수 있다.
물론, 센서들 등에는 배터리로부터 전력이 공급되어야 하며 구성요소들 사이에 데이터통신을 위한 통신 라인이 구축되어야 하며, 그 중에서도 외부 기기와 무선으로 통신을 수행하기 위한 안테나는 가장 중요한 구성요소 중 하나이다.
현재 다양한 연구개발이 이루어지고 있다고는 하나, 스마트 의류에 대하여, 크기와 형태에 따라 특성 및 성능이 제한되고 소형화를 통한 이물감 해소에 한계가 있는 고주파 소자인 안테나에 대한 개발은 여전히 미흡한 상황이다.
만약, 스마트 의류에 필요한 안테나를 섬유와 같은 유연한 소재를 이용하여 제조할 수 있다면, 우수한 착용감을 제공할 수 있고, 사용 편리성을 향상시킬 수 있을 것이다. 그러므로 스마트 의류용 직물제 안테나는 스마트 의류가 적용될 수 있는 아웃도어 의류, 스포츠 의류, 레저 의류, 헬스케어 의류, 특수복, 재난구조복, 산업용 의류 등에 널리 활용될 수 있을 것이다.
이에 본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는, 특유의 방사, 방적, 직조 및 마무리 공정을 통하여 높은 방사 효율, 피크 게인 및 Q-인자(quality factor)를 갖는 직물기반의 스마트 의류용 패치 안테나 제조 방법을 제공하는 것이다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 직물기반의 스마트 의류용 패치 안테나 제조 방법은, I형 홀이 마련된 구금을 이용하여 폴리에스터(polyester) 편평사(flat yarn)를 방사하는 단계; 복수의 편평사를 연사한 다음 열고정하여 멀티-필라멘트사를 제조하는 단계; 상기 멀티-필라멘트사를 위사/경사로 하여 직물을 제조하는 단계; 상기 직물에 대한 후가공(finishing processes)을 수행하는 단계; 및 상기 후가공된 직물에 전도성 잉크를 프린팅한 다음 건조하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 직물은, 평직물(plain weave textile)인 것이 바람직하다.
상기 멀티-필라멘트사의 굵기는, 70 내지 100 데니어(denier)이며, 상기 멀티-필라멘트사의 꼬임수는, 300 내지 500 TPM(Twist Per Meter)인 것이 바람직하다.
상기 후가공 단계는, 상기 직물에 대한 복수 회의 텐터링(tentering) 공정; 상기 직물에 대한 복수 회의 스커링(scouring) 공정; 및 단 1회의 캘린더링(calendering) 공정을 포함할 수 있다.
상기 후가공 단계는, 상기 직물에 대한 복수 회의 텐터링; 및 상기 직물에 대한 복수 회의 스커링(scouring) 공정을 포함하나, 상기 직물에 대한 캘린더링 공정은 포함하지 않을 수 있다.
본 발명에 따른 직물기반의 스마트 의류용 패치 안테나 제조 방법에 따르면, 높은 방사 효율, 피크 게인 및 Q-인자(quality factor)를 갖는 직물기반의 스마트 의류용 패치 안테나를 제조할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 직물기반의 스마트 의류용 패치 안테나(100)의 설계안의 사이도 및 측면 구조도를 나타낸다.
도 2는 도 1에 도시된 패치 안테나(100) 설계안의 반사계수(reflection coefficient, S11) 시뮬레이션 결과를 나타내는 그래프이다.
도 3은 본 발명에 따른 직물기반의 스마트 의류용 패치 안테나 제조방법을 나타내는 흐름도이다.
도 4는 도 3의 패치 안테나 제조방법에 따라 제조된 멀티-필라멘트사의 마이크로톰(microtom) 단면 사진 및 주사전자현미경(SEM) 사진이다.
도 5는 본 발명에 따라 편평사가 연사된 멀티-필라멘트사를 이용하여 제직된 평직물(plain weave fabric)과 통상적인 원형의 멀티-필라멘트사를 이용하여 제직된 평직물에, 동일한 조건으로 전도성 잉크를 프린팅하여 확대한 사진들을 나타낸다.
도 6은 본 발명에 따른 직물기반의 스마트 의류용 패치 안테나 제조방법의 평직물과 그 비교예에 따른 매트직물의 개념을 설명하기 위한 개념도이다.
도 7은 평직물과 매트직물로 제조된 패치 안테나의 실시예와 비교예의 반사계수 측정 결과를 나타내는 그래프이다.
도 8은 도 7에서의 평직물 기반 패치 안테나에서, 평직물에 대한 텐터링과 스커링 공정을 수행한 실시예와 그렇지 않은 비교예의 반사계수 측정 결과를 나타내는 그래프이다.
도 9는 도 6에서의 평직물 기반 패치 안테나에서, 평직물에 대한 캘린더링을 수행하지 않은 실시예와 캘린더링을 2회 이상 수행한 비교예의 반사계수 측정 결과를 나타내는 그래프이다.
도 10은 본 발명에 이용되는 평직물에 대해 캘린더링 공정을 수행하기 전의 단면을 촬영한 사진과 캘린더링 공정을 2회 이상 수행한 단면을 촬영한 사진이다.
도 11은 편평사 기반의 멀티-필라멘트사로 제직된 평직물의 다른 예에 대해 캘린더링 회수를 조절하여 제조된 패치 안테나의 피크 게인 및 방사 효율을 측정한 그래프를 나타낸다.
본 발명과 본 발명의 동작상 또는 기능상의 이점 및 본 발명의 실시에 의하여 달성되는 목적을 충분히 이해하기 위해서는 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 첨부 도면 및 첨부 도면에 기재된 내용을 참조하여야만 한다.
이하, 첨부도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명함으로써, 본 발명을 상세히 설명한다. 각 도면에 제시된 동일한 참조부호는 동일한 부재를 나타낼 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 직물기반의 스마트 의류용 패치 안테나(100)의 설계안의 사이도 및 측면 구조도를 나타낸다. 도 2는 도 1에 도시된 패치 안테나(100) 설계안의 반사계수(reflection coefficient, S11) 시뮬레이션 결과를 나타내는 그래프이다.
상기 패치 안테나(100)는 기질(Substrate, 110), 패치(Patch, 120) 및 그라운드(Ground, 130)를 포함하며, 2.4 GHz의 공진주파수와 80 MHz(2.36 ~ 2.44 GHz)의 대역폭의 주파수 특성을 갖도록, 풀웨이브 3차원 전자기 시뮬레이터 ANSYS®HFSSTM을 이용하여 설계되었다. 상기 기질(110)은 펠트(Felt)이고, 상기 패치(120)와 그라운드(130)는 폴리에스터 직물에 전도성 실버 잉크를 프린팅한 것일 수 있고, 각각의 두께는 0.12 mm일 수 있다.
상기 패치(120)와 그라운드(130)는 동일한 과정에 따라 제조되어, 동일한 성질을 가질 수 있다. 그리고 상기 패치 안테나(100)의 주파수 특성을 구현하기 위하여, 전도성 잉크의 종류와 그 프린팅 조건, 펠트와 폴리에스터 직물의 전도성, 저항률, 유전율 등의 조건이 설정될 수 있다.
본 발명에 따른 직물기반의 스마트 의류용 패치 안테나 제조방법의 기술적 사상의 도출은, 이상에서 살펴본 패치 안테나(100)의 설계안에서, 폴리에스터 직물을 구성하는 원사의 종류, 직물의 구조, 직물의 후가공 공정 등의 조건을 변경하면서 실제로 다양한 패치 안테나를 제조하고, 상기 제조된 패치 안테나의 주파수 특성이 상기 패치 안테나(100)에 얼마나 가까운지를 검토함으로써 이루어질 수 있다.
도 3은 본 발명에 따른 직물기반의 스마트 의류용 패치 안테나 제조방법을 나타내는 흐름도이다. 보다 구체적으로, 도 2의 패치 안테나 제조방법은 전체 과정이 아니라, 앞서 살펴본 패치 안테나(100)의 패치(120)와 그라운드(130)를 제조하는 과정에 관한 것이다.
먼저, 전도성 잉크를 프린팅할 직물의 원사를 확보하기 위하여, I형 홀이 마련된 구금을 이용하여 편평사(flat yarn)을 방사하고(S100), 복수의 편평사를 연사한 다음 열고정하여 멀티-필라멘트사를 제조한다(S110). 상기 편평사는 폴리에스터 편평사일 수 있다.
도 4는 도 3의 패치 안테나 제조방법에 따라 제조된 멀티-필라멘트사의 마이크로톰(microtom) 단면 사진 및 주사전자현미경(SEM) 사진이다.
상기 멀티-필라멘트사는 12개 가닥의 편평사를 포함한다.상기 멀티-필라멘트사는 70 내지 100 데니어(denier)의 굵기를 가질 수 있다. 각각의 편평사는 50 내지 60 ㎛의 폭을 가질 수 있으며, 약 10 ㎛의 두께를 가질 수 있다.
상기 멀티-필라멘트사는 300 내지 500 TPM(Twist Per Meter)의 꼬임수를 가지는 것이 바람직하다. 꼬임수가 300 TPM 미만이면 꼬임이 너무 약하여 제직성이 낮아질 수 있고, 꼬임수가 500 TPM을 초과하면 원형 필라멘트사에 가까워져 고유의 편평성이 지나치게 훼손될 수 있기 때문이다.
본 발명에서는 원형의 홀을 통과한 원형사(round yarn)들을 연사한 통상의 원형 멀티-필라멘트사가 아닌 편평사들을 연사한 멀티-필라멘트사를 활용하는데, 이는 더 높은 제직 밀도를 제공할 수 있고, 전도성 잉크의 프린팅에도 유리하기 때문이다.
도 5는 본 발명에 따라 편평사가 연사된 멀티-필라멘트사를 이용하여 제직된 평직물(plain weave fabric)과, 통상적인 원형의 멀티-필라멘트사를 이용하여 제직된 통상의 평직물에, 동일한 조건으로 전도성 잉크를 프린팅하여 확대한 사진들을 나타낸다.
도 5를 참조하면, 본 발명에 따른 직물에 비하여 통상의 직물에 공동(void)가 형성되어 있는 것을 알 수 있다. 공동이 많다는 것은 전도성 잉크의 전도성이 낮아지는 것으로, 결과적으로 안테나의 성능을 저하시키는 원인이 된다. 그러므로 원형 멀티-필라멘트사보다는, 본 발명에서와 같이 편평사를 이용한 멀티-필라멘트사를 활용하면 전도성 잉크의 프린팅에 유리하여 더 우수한 성능을 패치 안테나를 제조할 수 있다.
다시 도 3을 참조하면, 멀티-필라멘트사를 제조한 다음, 상기 멀티-필라멘트사를 위사/경사로 하여 직물을 제조한다(S120). 상기 직물은 제직이 용이하고, 구조상 두께가 얇으면서, 우수한 안테나 특성을 제공할 수 있는 평직물인 것이 바람직하다. 본 발명에서 평직물을 이용하는 이유는, 도 6 및 도 7을 참조하여 살펴본다.
도 6은 본 발명에 따른 직물기반의 스마트 의류용 패치 안테나 제조방법의 평직물과 그 비교예에 따른 매트직물의 개념을 설명하기 위한 개념도이다. 도 7은 평직물과 매트직물로 제조된 패치 안테나의 실시예와 비교예의 반사계수 측정 결과를 나타내는 그래프이다.
아래의 표 1은 도 7의 실시예와 비교예의 주파수 특성 분석결과를 나타내는 표인다.
Figure pat00001
도 7 및 표 1을 참조하면, 매트직물보다는 평직물을 이용하는 경우, 설계안의 공진주파수(2.40 GHz)에 더 가까운 공진주파수를 가지고, 높은 방사 효율(radiation efficiency), 높은 피크 게인(peak gain) 및 높은 Q-인자(quality factor)를 가지는 것을 알 수 있다. 그러므로 본 발명에서와 같이 평직물을 이용하면, 매트직물을 이용하는 것보다 성능이 우수한 패치 안테나를 제조할 수 있다.
다시 도 3을 참조하면, 상기 직물을 제조한 다음, 상기 직물에 대한 후가공(finishing processes)을 수행하고(S130), 상기 후가공된 전도성 잉크를 프린팅한 다음 건조하여(S140), 패치 안테나의 패치 또는 그라운드 부분을 제조하게 된다.
직물에 대한 후가공에는 매우 많은 공정이 포함될 수 있으나, 본 발명에서는 대표적인 후가공으로 텐터링(tentering) 공정, 스커링(scouring) 공정 및 캘린더링(calendering) 공정의 유무가 패치 안테나의 성능에 미치는 영향을 중심적으로 살펴본다.
도 8은 도 7에서의 평직물 기반 패치 안테나에서, 평직물에 대한 텐터링과 스커링 공정을 수행한 실시예와 그렇지 않은 비교예의 반사계수 측정 결과를 나타내는 그래프이다.
아래의 표 2는 도 8의 실시예와 비교예의 주파수 특성 분석결과를 나타내는 표인다.
Figure pat00002
도 8 및 표 2를 참조하면, 텐터링과 스커링을 수행한 경우, 설계안의 공진주파수(2.40 GHz)에 더 가까운 공진주파수를 가지고, 높은 방사 효율(radiation efficiency), 높은 피크 게인(peak gain) 및 높은 Q-인자(quality factor)를 가지는 것을 알 수 있다. 그러므로 본 발명에 따른 직물기반의 스마트 의류용 패치 안테나 제조방법에서는 직물에 대한 텐터링 공정과 스커링 공정을 수행함으로써 보다 성능이 우수한 패치 안테나를 제조할 수 있다.
도 9는 도 6에서의 평직물 기반 패치 안테나에서, 평직물에 대한 캘린더링을 수행하지 않은 실시예와 캘린더링을 2회 이상 수행한 비교예의 반사계수 측정 결과를 나타내는 그래프이다.
아래의 표 3은 도9의 실시예와 비교예의 주파수 특성 분석결과를 나타내는 표인다.
Figure pat00003
도 9 및 표 3을 참조하면, 캘린더링을 수행하지 않은 경우, 설계안의 공진주파수(2.40 GHz)에 더 가까운 공진주파수를 가지고, 높은 방사 효율(radiation efficiency), 높은 피크 게인(peak gain) 및 높은 Q-인자(quality factor)를 가지는 것을 알 수 있다. 그러므로 본 발명에 따른 직물기반의 스마트 의류용 패치 안테나 제조방법에서는 직물에 대한 캘린더링 공정을 2회 이상 수행하지 않는 것이 바람직하다. 그 이유는 아래에서 도 10을 참조하여 살펴본다.
도 10은 본 발명에 이용되는 평직물에 대해 캘린더링 공정을 수행하기 전의 단면을 촬영한 사진과 캘린더링 공정을 2회 이상 수행한 단면을 촬영한 사진이다.
도 10을 참조하면, 상기 평직물을 캘린더링 전에는 그 표면이 거칠지만, 상기 평직물에 대해 캘린더링을 2회 이상 수행하면 상기 평직물의 편평해지고 매그러워진 것을 알 수 있다. 상기 평직물의 캘린더링 전 거친 표면이 전도성 잉크가 상기 평직물에 스며드는 데에는 유리하므로 더 우수한 성능의 패치 안테나를 제조할 수 있는 것으로 판단된다.
도 11은 편평사 기반의 멀티-필라멘트사로 제직된 평직물의 다른 예에 대해 캘린더링 회수를 조절하여 제조된 패치 안테나의 피크 게인 및 방사 효율을 측정한 그래프를 나타낸다.
도 11을 참조하면, 상기 평직물에 대해 캘린더링을 1회 수행한 다음 제조한 패치 안테나의 경우 캘린더링을 수행하지 않거나 2회 수행한 경우에 비하여 우수한 피크 게인을 가지는 것을 알 수 있다. 그러나 캘린더링의 수행횟수가 증가할수록 방사효율은 감소하는 것을 알 수 있다.
즉, 패치 안테나에서 피크 게인이 중요한 성능인 경우, 본 발명에 따른 직물기반의 스마트 의류용 패치 안테나 제조방법에서는 평직물에 대하여 단 1회의 캘린더링만을 수행할 수도 있는 것이다.
이상과 같이 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다.
그러므로, 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
100: 패치 안테나 110: 기질
120: 패치 130: 그라운드

Claims (5)

  1. I형 홀이 마련된 구금을 이용하여 폴리에스터(polyester) 편평사(flat yarn)를 방사하는 단계;
    복수의 편평사를 연사한 다음 열고정하여 멀티-필라멘트사를 제조하는 단계;
    상기 멀티-필라멘트사를 위사/경사로 하여 직물을 제조하는 단계;
    상기 직물에 대한 후가공(finishing processes)을 수행하는 단계; 및
    상기 후가공된 직물에 전도성 잉크를 프린팅한 다음 건조하는 단계를 포함하는, 직물기반의 스마트 의류용 패치 안테나 제조방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 직물은,
    평직물(plain weave textile)인 것을 특징으로 하는, 직물기반의 스마트 의류용 패치 안테나 제조방법.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 멀티-필라멘트사의 굵기는,
    70 내지 100 데니어(denier)이며,
    상기 멀티-필라멘트사의 꼬임수는,
    300 내지 500 TPM(Twist Per Meter)인 것을 특징으로 하는, 직물기반의 스마트 의류용 패치 안테나 제조방법.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 후가공 단계는,
    상기 직물에 대한 복수 회의 텐터링(tentering) 공정;
    상기 직물에 대한 복수 회의 스커링(scouring) 공정; 및
    단 1회의 캘린더링(calendering) 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는, 직물기반의 스마트 의류용 패치 안테나 제조방법.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 후가공 단계는,
    상기 직물에 대한 복수 회의 텐터링; 및
    상기 직물에 대한 복수 회의 스커링(scouring) 공정을 포함하나,
    상기 직물에 대한 캘린더링 공정은 포함하지 않는 것을 특징으로 하는, 직물기반의 스마트 의류용 패치 안테나 제조방법.
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