WO2016060427A1 - 변형 정보의 무선 송수신을 위한 전기활성고분자를 이용한 센서 유닛 및 이를 이용한 센서 - Google Patents

변형 정보의 무선 송수신을 위한 전기활성고분자를 이용한 센서 유닛 및 이를 이용한 센서 Download PDF

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장승환
배지훈
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중앙대학교 산학협력단
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Definitions

  • a sensor using an electroactive polymer for wireless transmission and reception of deformation information includes: at least one first fiber including an electroactive polymer material that generates a voltage when deformed by an external force; And at least one flexible second fiber comprising a conductive material, wherein the first fiber and the second fiber are woven to intersect with each other, or the second fiber layer is formed within the first fiber layer and Forming a fiber body to be formed on at least one of the surfaces, characterized in that the fiber body is woven in the form of a fabric.
  • FIG. 18 is a view showing a part of the cross-sectional structure of the fiber coil for the implementation of the fourth embodiment of the present invention.
  • a part 32 of the electrode part is configured to be inserted into the fiber which is the first sensor part 10, and the second part is formed as a matrix covering the first sensor part 10. It can be seen that the sensor unit 20 is configured. It can be seen that the remaining portion 31 of the electrode unit is configured to contact the outside of the second sensor unit 20.
  • another electrode unit 33 may be applied to the outer surface of the first sensor unit 10 to transmit the electrical signal.
  • Each electrode portion 31, 32, 33 may be configured to be insulated from each other, for accurate measurement of the deformation direction and size through the transmitted electrical signal.
  • FIG. 4 is a plan view of a sensor using an electroactive polymer for wireless transmission and reception of deformation information according to another embodiment of the first embodiment of the present invention.
  • the first sensor unit 50 is configured to include the above-mentioned ferroelectric electroactive polymer material, and is characterized in that it is composed of a film unlike the embodiment of FIGS.
  • the structure (C) of this fiber may be of a structure as mentioned in the description of FIGS. 1 and 4. That is, the structures of the first sensor unit, the second sensor unit, and the electrode are configured as shown in FIGS. 1 and 4, thereby forming one sensor unit 110.
  • the configuration of the sensor unit includes the first electrode 300 and the sensor unit 310.
  • the first electrode 300 may be formed of a fiber yarn.
  • the shape of the sensor unit may also be configured in the form of a fiber yarn based on the first electrode 300, so that the sensor may be configured in the form of a fabric as shown in FIG. 9.
  • FIG. 14 is a view showing the structure of a sensor using an electroactive polymer for wireless transmission and reception of deformation information according to another embodiment of a third embodiment of the present invention.
  • Such a fiber body can be woven into a woven fabric to perform the same function as the embodiment of FIG. 13.
  • an electrically insulating material is applied to the second fiber layer 512 or positioned between the fibers as shown in the third fiber of FIG. 13. In order to prevent the contact between the second fiber layer 512, which is a conductive material, to be blocked.
  • the unit fiber bodies 700 and 710 are composed of a combination of independent first fibers 610 and second fibers 620, such as the unit fibers 700 of Fig. 18A. Can be.
  • adjacent unit fiber bodies 710 may be configured to partially share the first fiber 610.
  • a capacitor 810 may be connected to both ends of the coil of the fiber coil 600.
  • the fiber coil 600 and the capacitor 810 may be wrapped with a waterproof polymer such as polydimethysiloxane (PDMS).
  • PDMS polydimethysiloxane
  • the fiber coil 600 and the capacitor 810 may be implemented in less than 5mm in diameter.

Abstract

곡률이 큰 구조물 내부 등 다양한 설치 위치에 설치 가능한 유연성을 갖고, 다방향의 변형을 안정적으로 측정할 수 있으며, 높은 효율로 무선으로 변형 정보를 측정할 수 있는 새로운 센서 유닛에 관한 기술을 제공하여, 변형 정보를 측정해야 하는 다양한 시스템에 범용적으로 활용할 수 있는 센서 구조의 기술을 제공한다. 본 발명의 제1 실시예에 따른 변형 정보의 무선 송수신을 위한 전기활성고분자를 이용한 센서 유닛은, 강유전성 전기활성고분자 물질을 포함하는 섬유 또는 필름으로 구성된 제1 센서부; 제1 센서부를 내부에 포함하도록 구성되며, 유전성 탄성체 전기활성고분자 물질을 포함하는 매트릭스로 구성된 제2 센서부; 및 제1 센서부 또는 제2 센서부와 접촉되도록 설치되어, 제1 센서부 또는 제2 센서부에 외력이 가해졌을 시, 제1 센서부 또는 제2 센서부에서 생성되는 전기 신호를 외부에 전달하는 전극부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

변형 정보의 무선 송수신을 위한 전기활성고분자를 이용한 센서 유닛 및 이를 이용한 센서
본 발명은 예를 들어, 구조물 등의 변형 정보를 무선, 무전력으로 감지하기 위하여, 전기활성고분자 물질과 전극의 구조를 포함하여 구성되는 센서 유닛 및 이를 이용하여 이루어지는 센서에 관한 것이다.
복합재료를 포함하는 구조물 등의 객체는, 기존의 금속 구조물과는 달리, 에너지, 충격 등에 의해 변형된 부분이 탄성력에 의해 복원되기 때문에, 겉으로는 변형이 이루어지지 않아 정상 상태를 유지하는 것으로 보일 수 있으나, 내부의 미세층 간 분리 및 미세 균열 등의 결함이 발생할 수 있다. 이러한 결함이 구조물의 운행 중, 결함의 확대나 성장으로 이어지거나, 결함에 심한 하중이 작용하면, 객체의 갑작스런 파괴 및 손상이 발생할 수 있어, 객체의 안전을 위해 손상부위의 위치를 초기에 감지하여 적절한 유지 보수를 수행함으로써, 원상으로 복구해야 한다.
이러한 손상부위의 위치 및 손상여부를 파악하는 기술로서, 구조물 안전성 모니터링 기술이 사용되고 있다. 최근에는, 압전센서 및 압전센서에 가해지는 변형에 의하여 압전센서로부터의 전기적 신호를 수신하는 전극의 구성을 통해, 구조물의 모니터링을 수행할 수 있는 소형 센서에 대한 개발이 활발하게 이루어지고 있다.
예를 들어, 한국 공개특허 2012-0083261호 등의 기존의 기술에서는 압전센서와 센서 상하부에 도포된 전극을 이용하여 구조물의 모니터링을 수행할 수 있는 소형 센서에 대해서 제시하고 있다. 이러한 압전센서 역시 세라믹 재질로 인한 취성에 의하여, 폭 넓은 활용, 특히 곡률이 큰 구조물 내부에 대한 설치 및 다방향의 변형 정보 측정에 방해가 되고 있는 실정이다. 결국 광섬유 센서(FBG sensor)와 PZT센서 등과 같이 다양한 외력에 대한 유연성이 결여된 센서는 구조물의 건전성 파악 및 평가에 그 활용범위가 매우 제한되어 있음을 의미한다.
상기 언급한 바와 같이 종래의 변형 정보 감지 센서는, 유연성이 작은 특징 및 압전 특성에 의하여, 다양한 장소에 설치하는 것이 어렵고, 특정 방향의 변형만을 측정할 수 있어, 다방향의 변형 정보 측정이 실질적으로 불가능한 문제점이 지적되어, 상기와 같이 활용 범위가 매우 제한되는 문제점이 지적되고 있다.
이에 본 발명은, 곡률이 큰 구조물 내부 등 다양한 설치 위치에 설치 가능한 유연성을 갖고, 다방향의 변형을 안정적으로 측정할 수 있는 새로운 센서 유닛에 관한 기술을 제공하여, 변형 정보를 측정해야 하는 다양한 시스템에 범용적으로 활용할 수 있는 센서 구조의 기술을 제공하는 데 일 목적이 있다.
또한, 유연성과 내구성이 충분히 확보되어 다양한 종류의 외력에도 그 기능성을 잃지 않고 설치된 장소의 변형 정보를 정확하게 측정함으로써, 구조물의 건전성 모니터링 시스템뿐 아니라 변형 정보를 측정해야 하는 다양한 시스템에 자유롭게 활용할 수 있는 기술을 제공하는 데 다른 목적이 있다.
또한, 변형에 의한 전력의 생산량이 증가되어, 높은 전력 효율로 정확하게 구조물 등의 변형 정보를 무선 및 무전력 방식으로 측정할 수 있는 센서 유닛 및 이를 이용한 센서 구조의 기술을 제공하는 데 그 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 제1 실시예에 따른 변형 정보의 무선 송수신을 위한 전기활성고분자를 이용한 센서 유닛은, 강유전성 전기활성고분자 물질을 포함하는 섬유 또는 필름으로 구성된 제1 센서부; 상기 제1 센서부를 내부에 포함하도록 구성되며, 유전성 탄성체 전기활성고분자 물질을 포함하는 매트릭스로 구성된 제2 센서부; 및 상기 제1 센서부 또는 상기 제2 센서부와 접촉되도록 설치되어, 상기 제1 센서부 또는 상기 제2 센서부에 외력이 가해졌을 시, 상기 제1 센서부 또는 상기 제2 센서부에서 생성되는 전기 신호를 외부에 전달하는 전극부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 제2 실시예에 따른 변형 정보의 무선 송수신을 위한 전기활성고분자를 이용한 센서 유닛은, 제1 전극; 상기 제1 전극을 코일 형태로 감싸도록 구성되는 전기활성고분자 물질을 포함하는 센서부;및 상기 제1 전극과 절연되도록 마련되며, 상기 센서부를 감싸는 형태로 형성된 제2 전극;을 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 제3 실시예에 따른 변형 정보의 무선 송수신을 위한 전기활성고분자를 이용한 센서는, 외력에 의해 변형되는 경우 전압을 생성하는 전기활성고분자 물질을 포함하는 적어도 하나의 제1 섬유; 및 도전성 물질을 포함하는 플렉서블(Flexible)한 적어도 하나의 제2 섬유;를 포함하고, 상기 제1 섬유 및 상기 제2 섬유는 서로 교차되도록 직조되거나, 상기 제2 섬유층이 상기 제1 섬유층의 내부 및 표면 중 적어도 하나에 형성되도록 섬유체를 형성하여 상기 섬유체가 직물 형태로 직조되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 제4 실시예에 따른 변형 정보의 무선 송수신을 위한 전기활성고분자를 이용한 센서는, 외력에 의해 변형되는 경우 전압을 생성하는 전기활성고분자 물질을 포함하는 적어도 하나의 제1 섬유와 도전성 물질로 구성되는 적어도 하나의 제2 섬유를 포함하는 코일형태의 섬유코일; 및 상기 섬유코일의 적어도 일부에 연결된 캐패시터;를 포함하고, 상기 적어도 하나의 제2 섬유로 상기 생성된 전압이 인가되는 경우, 상기 캐패시터에 상기 제2 섬유를 통하여 상기 생성된 전압이 충방전됨에 따라 상기 적어도 하나의 제2 섬유에 전류가 흐르고, 상기 제2 섬유에 전류가 흐름에 따라 상기 섬유코일 외부에 전자기장이 형성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 제1 내지 제4 실시예에 의하면, 외력에 의하여 충격 및 변형이 가해질 때 전기에너지를 발생시키는 전기활성고분자 물질의 특징을 이용하여 변형 정보를 감지할 수 있는 센서를 구성하는데 있어서, 강유전성 전기활성고분자로 구성된 제1 센서부는 빠른 기계-전기적 연성 반응 속도 및 기계-화학적 거동에 대한 높은 신뢰성 및 안정도와, 낮은 임피던스의 특성을 갖게 되며, 유전성 탄성체 전기활성고분자로 구성된 제2 센서부는 대변형 및 기계 전기적 연성 반응 속도가 빠른 특성을 갖는 동시에 유연성이 매우 높은 특성을 갖게 된다.
이러한 서로 다른 특성을 갖는 전기활성고분자 물질을 복합적으로 2개의 센서부로 사용하게 되면, 각 센서부의 큰 유연성에 의하여 곡률이 큰 구조물 상에도 설치 가능하기 때문에, 설치 장소의 제한을 최소화할 수 있는 효과 및 제1 센서부와 제2 센서부가 감지할 수 있는 자극의 방향을 서로 다르게 구성함으로써, 다양한 방향의 변형을 정확하게 감지할 수 있는 효과가 있다.
한편, 제1 센서부에 큰 외력이 가해질 시 제1 센서부를 구성하는 강유전성 전기활성고분자 물질의 특징에 의하여 제1 센서부가 손상되는 등의 경우 큰 연신률을 갖는 제2 센서부가 보조 센서로서 작동할 수 있어, 기능의 안정성을 크게 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
한편, 외력에 의해 전력을 생성할 수 있는 동시에, 기계/전기적 연성 반응 속도가 빠르며, 기계/화학적 거동에 대한 신뢰성 및 안정도가 높은 전기활성고분자 물질과, 전기활성고분자 물질에 의해 발생된 전기 에너지를 높은 효율로 생산할 수 있는 전도성 물질을 이용함으로써, 구조물의 변형이 발생 시 전기활성고분자 물질과 전도성 물질에 의해 전기 에너지가 발생되고, 이를 통해 구조물의 변형 정보를 높은 정확도로 측정할 수 있는 효과가 있다. 이에 더하여, 전기활성고분자 물질의 섬유층 및 플렉서블한 전도성 섬유층을 직물 형태로 직조하여 센서로 활용 시, 견고한 직물구조 덕분에 다양한 종류의 외력에도 기능성을 잃지 않고 변형 정보를 정확하게 측정할 수 있는 동시에, 곡률이 큰 구조물 표면, 웨어러블 기기 등 다양한 장소에 제한 없이 센서를 설치할 수 있어, 외형 변형 측정 기술이 필요한 곳이라면 어디에나 센서를 설치할 수 있는 설치 자유도를 확보할 수 있는 효과가 있다.
한편, 센서 유닛에 있어서 센서부가 코일형태로 전극을 감싸기 때문에, 전기 에너지 및 전자기장의 형성 효율이 크게 증가하여 작은 변형에도 큰 전자기장을 송출할 수 있어, 무전력 및 무선의 변형 정보 감지를 위한 센서의 설치 위치 및 측정 장치의 측정 위치의 한계를 극복할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 변형 정보의 무선 송수신을 위한 전기활성고분자를 이용한 센서의 평면도.
도 2 및 3은 도 1의 A-A'의 각 예를 설명하기 위한 단면도.
도 4는 본 발명의 제1 실시예의 다른 실시예에 따른 변형 정보의 무선 송수신을 위한 전기활성고분자를 이용한 센서의 평면도.
도 5 및 6은 도 4의 B-B'의 각 예를 설명하기 위한 단면도.
도 7은 본 발명의 제1 실시예의 또 다른 실시예에 따른 변형 정보의 무선 송수신을 위한 전기활성고분자를 이용한 센서의 구성도의 일 예.
도 8은 본 발명의 제1 실시예의 또 다른 실시예에 따른 변형 정보의 무선 송수신을 위한 전기활성고분자를 이용한 센서의 다른 실시예에 따른 구성의 예.
도 9는 본 발명의 제2 실시예에 따른 변형 정보의 무선 송수신을 위한 전기활성고분자를 이용한 센서 유닛을 이용한 센서의 구조의 예.
도 10은 본 발명의 제2 실시예에 따른 변형 정보의 무선 송수신을 위한 전기활성고분자를 이용한 센서 유닛의 측단면도의 예.
도 11은 본 발명의 제2 실시예의 다른 실시예에 따른 변형 정보의 무선 송수신을 위한 전기활성고분자를 이용한 센서 유닛의 정단면도의 예.
도 12는 본 발명의 제2 실시예에 의하여 변형 정보가 측정되는 흐름을 설명하기 위한 도면.
도 13은 본 발명의 제3 실시예에 따른 변형 정보의 무선 송수신을 위한 전기활성고분자를 이용한 센서의 구조를 나타낸 도면.
도 14는 본 발명의 제3 실시예의 다른 실시예에 따른 변형 정보의 무선 송수신을 위한 전기활성고분자를 이용한 센서의 구조를 나타낸 도면.
도 15는 본 발명의 제3 실시예의 구현을 위한 제2 섬유층의 측단면도의 예.
도 16은 본 발명의 제3 실시예에 따라 구현될 수 있는 센서의 형태의 예.
도 17은 본 발명의 제4 실시예에 따른 변형 정보의 무선 송수신을 위한 전기활성고분자를 이용한 센서의 섬유코일 및 섬유코일의 일부를 확대한 도면.
도 18는 본 발명의 제4 실시예의 구현을 위한 섬유코일의 단면구조 중 일부를 도시한 도면.
도 19은 본 발명의 제4 실시예에 따른 구조물 건전성 모니터링 시스템의 일부 구성도.
도 20은 본 발명의 제4 실시예에 따른 구조물 건전성 모니터링 시스템의 리더기의 구성도.
도 21는 본 발명의 제4 실시예에 따른 구조물 건전성 모니터링 시스템의 수신모듈에 포함된 코일의 단면을 도시한 도면.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 제1 내지 제4 실시예에 따른 변형 정보의 무선 송수신을 위한 전기활성고분자를 이용한 센서 유닛 및 이를 이용한 센서에 대하여 설명하기로 한다.
이하의 설명에서 본 발명에 대한 이해를 명확히 하기 위하여, 본 발명의 특징에 대한 공지의 기술에 대한 설명은 생략하기로 한다. 이하의 실시 예는 본 발명의 이해를 돕기 위한 상세한 설명이며, 본 발명의 권리 범위를 제한하는 것이 아님은 당연할 것이다. 따라서, 본 발명과 동일한 기능을 수행하는 균등한 발명 역시 본 발명의 권리 범위에 속할 것이다.
이하의 설명에서 동일한 식별 기호는 동일한 구성을 의미하며, 불필요한 중복적인 설명 및 공지 기술에 대한 설명은 생략하기로 한다. 또한 상기 발명의 배경이 되는 기술에 대한 기재 내용과 중복되는 이하의 본 발명의 각 실시예에 관한 설명 역시 생략하기로 한다.
또한 본 발명의 제1 내지 제4 실시예에 대한 설명은 서로 동일하게 중복될 수 있으나, 각 실시예는 독립적으로 구현될 수 있으며, 동일한 명칭이더라도 식별 번호가 다르거나 다른 실시예에서 언급되는 구성은 서로 다른 기술적 구성으로 이해될 것이다.
[제1 실시예]
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 변형 정보의 무선 송수신을 위한 전기활성고분자를 이용한 센서의 평면도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 제1 실시예에 따른 도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 변형 정보의 무선 송수신을 위한 전기활성고분자를 이용한 센서는, 제1 센서부(10), 제2 센서부(20) 및 전극부(30)를 포함하는 것을 특징으로 한다.
제1 센서부(10)는 강유전성(Ferroelectric) 거동 원리로 작동하는 전기활성고분자 물질을 포함하는 섬유형태의 센서부를 의미한다. 강유전성 전기활성고분자는 빠른 기계/전기적 연성 반응속도(수m초 내지 초), 기계/화학적 거동에 대한 높은 신뢰성 및 안정도와, 낮은 임피던스 등 변형을 감지하는 센서로 활용하기에 우수한 특성을 가지고 있다. 제1 센서부(10)는 예를 들어 PVDF 등이 될 수 있으나, 이에 제한되지는 않을 것이다.
제2 센서부(20)는, 제1 센서부(10)의 내부에 포함하도록 구성되는 매트릭스 형태로서, 유전성 탄성체 전기활성고분자 물질을 포함하는 센서부를 의미한다.
유전성 탄성체 전기활성고분자는 예를 들어 실리콘(silicone) 등으로, 대변형과 기계/전기적 연성 반응속도가 빠르고, 기계적인 자극에 따른 전기적인 반응이 선형관계에 있어서 센서로 활용이 가능한 특징이 있고, 유연성이 큰 장점이 있다.
이에 따라서 제2 센서부(20)에 유전성 탄성체 전기활성고분자가 포함하도록 하되, 제1 센서부(10)를 내부에 포함하도록 함으로써, 강유전성 전기활성고분자를 포함하는 섬유인 제1 센서부(10)의 정렬을 돕고, 전기적 안정성 확보를 위한 절연체 역할을 하는 동시에, 큰 외력(예를 들어 1방향 변형률 약 5%이상)으로 인하여 제1 센서부(10)가 기능을 수행할 수 없는 경우(예를 들어 단선 등)에 보조 센서로서 기능을 수행할 수 있다.
한편, 제1 센서부(10)와 제2 센서부(20)의 기능 수행의 극대화를 위하여, 제1 센서부(10)와 제2 센서부(20)가 전기 신호를 발생하도록 하는 외력의 방향이 서로 다르도록 구성될 수 있다. 이를 통해, 제2 센서부(20)가 상기 언급한 바와 같이 단순 보조 센서로서의 역할 뿐 아니라 제1 센서부(10)가 감지하는 변형 방향과 서로 다른 방향의 변형을 감지하도록 하여, 다양한 변형에 대한 측정이 가능하도록 하는 효과를 얻을 수 있다.
전극부(30)는 제1 센서부(10) 또는 제2 센서부(20)와 접촉되도록 설치되며, 제1 센서부(10) 또는 제2 센서부(20)의 기능 수행 시, 즉 외력이 가해졌을 시 제1 센서부(10) 또는 제2 센서부(20)로부터 생성되는 전기 신호를 전달받아 외부의 측정용 장치에 전달하여 변형 정보를 센싱할 수 있도록 하는 기능을 수행한다. 전극부(30)의 구체적인 설치 예 및 제1 센서부(10)와 제2 센서부(20)의 구성 예가 도 2 및 3에 도시되어 있다.
도 2 및 3은 도 1의 A-A'의 각 예를 설명하기 위한 단면도이다.
먼저 도 2의 단면도를 참조하면, 전극부의 일부(32)는 제1 센서부(10)인 섬유의 내부에 삽입된 형태로 구성되며, 제1 센서부(10)를 감싸는 형태의 매트릭스로 제2 센서부(20)가 구성된 것을 확인할 수 있다. 전극부의 나머지 부분(31)은 제2 센서부(20)의 외부에 접촉하도록 구성되는 것을 확인할 수 있다. 또한 또 다른 전극부(33)가 전기 신호의 전달을 위하여 제1 센서부(10)의 외면에 도포될 수 있다. 각 전극부(31, 32, 33)는 전달되는 전기 신호를 통한 정확한 변형 방향 및 크기의 측정을 위하여, 서로 절연되도록 구성될 수 있다.
한편 도 3의 단면도를 참조하면, 제1 센서부가 도 2와 달리, 다수의 섬유 다발(11)로 구성된 것을 확인할 수 있다. 이때 전극부의 일부(32)는 다수의 섬유 다발(11)이 둘러싼 형태로 구성될 것이다. 이외에는 도 2와 동일하게 제2 센서부(20)와 전극부의 나머지 부분(31)이 구성되는 것을 확인할 수 있다.
이와 같은 구성을 통해, 제2 센서부(20)는 제1 센서부(10, 11)의 정렬을 돕는 형태로, 각 전극부(31, 32)는 서로 절연되어 제1 센서부(10, 11) 또는 제2 센서부(20)와 접촉되어 외력이 가해질 시 제1 센서부(10, 11)와 제2 센서부(20)로부터 생성되는 전기 신호를 정확하게 전달할 수 있는 기능을 수행할 수 있다.
이와 더불어, 제1 센서부(10, 11)와 제2 센서부(20)의 유연성이 높은 특징을 이용하여 본 발명의 제1 실시예에 의한 센서는 복잡한 구조물, 특히 곡률이 매우 높은 구조물 상에도 설치 가능한 장점이 있다.
한편, 제2 센서부(20)의 높은 연신률에 의하여, 외부로부터 큰 외력이 가해져 제1 센서부(10, 11)에 손상이 가해지더라도, 제2 센서부(20)가 보조 센서로서 역할을 할 수 있어, 외력에 의한 유지 측면에서도 유지력을 높일 수 있는 효과가 있다.
도 4는 본 발명의 제1 실시예의 다른 실시예에 따른 변형 정보의 무선 송수신을 위한 전기활성고분자를 이용한 센서의 평면도이다. 이하의 설명에 있어서, 도 1 내지 3에 대한 설명과 도 4 내지 6에 대한 설명에서 언급되는 각 실시예는 독립적인 발명으로 이해될 것이기 때문에, 동일한 구성에 대한 지칭이 있더라도 서로 다른 기술적 특징으로 이해될 것이나, 도 1 내지 3에 대한 설명에서 언급한 부분과 중복되는 개념에 대한 불필요한 설명은 이를 생략하기로 한다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 제1 실시예의 다른 실시예에 따른 변형 정보의 무선 송수신을 위한 전기활성고분자를 이용한 센서는, 제1 센서부(50), 제2 센서부(60) 및 전극부(70)를 포함하는 것을 특징으로 한다.
제1 센서부(50)는 상기 언급한 강유전성 전기활성고분자 물질을 포함하도록 구성되며, 도 1 내지 3에서의 실시예와 달리 필름으로 구성되는 것을 특징으로 한다.
제2 센서부(60)는 제1 센서부(50)를 내부에 포함하도록 구성되며, 유전성 탄성체 전기활성고분자 물질을 포함하는 매트릭스로 구성되어 제1 실시예와 동일한 구성을 의미한다.
전극부(70)는 도 1 내지 3에서의 실시예에 대한 설명과 동일하게, 제1 센서부(50) 또는 제2 센서부(60)와 접촉되도록 설치되며, 제1 센서부(50) 또는 제2 센서부(60)의 기능 수행 시, 즉 외력이 가해졌을 시 제1 센서부(50) 또는 제2 센서부(60)로부터 생성되는 전기 신호를 전달받아 외부의 측정용 장치에 전달하여 변형 정보를 전달할 수 있도록 하는 기능을 수행한다.
도 1 내지 3에서의 실시예와 동일한 개념으로, 제1 센서부(50)와 제2 센서부(60)가 전기 신호를 발생하도록 하는 외력의 방향은 서로 다르도록 구성될 수 있을 것이다.
본 발명의 도 4 내지 6에서의 실시예와 도 1 내지 3에서의 실시예를 명확하게 구분하며, 전극부(70)의 구체적인 설치 예 및 제1 센서부(50)와 제2 센서부(60)의 구성 예를 설명하기 위한 도면이 도 5 및 6에 도시되어 있다.
도 5 및 6은 도 4의 B-B'의 각 예를 설명하기 위한 단면도이다.
먼저 도 5의 실시예를 참조하면, 제1 센서부(50)는 한 층의 레이어를 구성하는 필름 형태로 구성되는 것을 확인할 수 있다. 한편 전극의 일부(72)는 도 1 내지 3에서의 실시예에 대한 설명에서 언급한 바와 같이 제1 센서부(50)와 접촉하도록 구성되며, 제1 센서부(50)를 감싸는 형태의 매트릭스 구조로 제2 센서부(60)가 형성되는 것을 확인할 수 있다.
전극부의 나머지 부분(71) 역시, 도 1 내지 3에서의 실시예에 대한 설명과 동일하게, 제2 센서부(60)에 접촉하도록 형성될 수 있다. 물론, 상기 언급한 바와 같이 각 전극부의 부분(71, 72)은 서로 절연되도록 형성되어 측정되는 변형 정보의 변형 방향 및 크기를 정확하게 측정할 수 있도록 구성될 수 있을 것이다.
한편 도 6의 실시예를 참조하면, 제1 센서부(50)는 도 5의 실시예와 달리 다층의 레이어(51)가 적층된 형태로 구성된 것을 확인할 수 있다. 전극부의 일부(72) 역시 각 적층 구조에 삽입된 형태로 구성될 수 있다.
한편 제2 센서부(60) 및 전극부의 나머지 부분(71)은 도 5의 실시예와 같은 구성으로 형성될 수 있다.
도 7은 본 발명의 제1 실시예의 또 다른 실시예에 따른 변형 정보의 무선 송수신을 위한 전기활성고분자를 이용한 센서의 구성도의 일 예이다. 이하의 설명에 있어서, 본 발명의 도 1 내지 6에서의 실시예와 도 7 및 8에서의 실시예는 독립적인 발명으로 이해될 것이기 때문에, 동일한 구성에 대한 지칭이 있더라도 서로 다른 기술적 특징으로 이해될 것이나, 도 1 내지 6에 대한 설명에서 언급한 부분과 중복되는 개념에 대한 불필요한 설명은 이를 생략하기로 한다.
도 7을 참조하면, 본 발명의 제1 실시예의 또 다른 실시예에 따른 변형 정보의 무선 송수신을 위한 전기활성고분자를 이용한 센서는 제1 센서부(90) 및 제2 센서부(100) 및 전극부(미도시)로 구성되되 도 7에 도시된 바와 같이 제1 센서부(90)와 제2 센서부(100)를 구성하는 섬유가 평직, 능직, 주자직, 혹은 그것들의 하이브리드 형태의 직물 형태로 구성되는 것을 특징으로 한다.
즉, 도 7에 도시된 실시예에서는, 제1 센서부(90)와 제2 센서부(100)가 섬유 혹은 섬유의 다발 혹은 폭이 작은 필름 형태로 구성되는 것을 특징으로 한다. 물론 도 1 내지 6에서의 실시예와 동일한 개념으로, 제1 센서부(90)와 제2 센서부(100)가 전기 신호를 발생하도록 하는 외력의 방향은 서로 다르도록 구성될 수 있을 것이다.
도 7 및 8에서의 실시예에서 전극부는, 상기 도 1 내지 6에서의 실시예에 대한 설명에서 언급한 바와 동일한 기능을 수행하기 위하여 형성될 수 있다. 물론 제1 센서부(90)에 접하는 전극부와 제2 센서부(100)에 접하는 전극부 사이의 절연을 위한 구성이 포함될 수 있다.
예를 들어, 전극부가 제1 센서부(90) 및 제2 센서부(100)를 구성하는 섬유 내부에 삽입되도록 구성되거나, 제1 센서부(90) 및 제2 센서부(100)의 외면에 도포되고 전극부의 외면에 절연층이 도포되는 형태로 구성될 수 있다. 이외에도 전극부 사이가 서로 절연되며, 전극부의 기능을 수행할 수 있는 구성이라면 어느 것이나 가능할 것이다.
한편, 도 7에서는 제1 센서부(90) 및 제2 센서부(100)가 별도로 구성되어 있는 것으로 도시되어 있으나, 도 7에서의 실시예는 도 8과 같이 변형되어 구성될 수 있다.
도 8은 본 발명의 제1 실시예의 또 다른 실시예에 따른 변형 정보의 무선 송수신을 위한 전기활성고분자를 이용한 센서의 다른 실시예에 따른 구성의 예 이다.
도 8을 참조하면, 본 발명의 제1 실시예의 또 다른 실시예에 따른 변형 정보의 무선 송수신을 위한 전기활성고분자를 이용한 센서에서, 도 7과 달리, 센서부가 한 종류의 섬유로 구성되는 센서 유닛(110)을 포함하도록 구성되어, 해당 섬유, 즉 센서 유닛(110)이 평직, 능직, 주자직, 혹은 그것들의 하이브리드 형태의 직물 형태로 구성되는 것을 확인할 수 있다.
이러한 섬유의 구조(C)는, 도 1 및 4에 대한 설명에서 언급한 바와 같은 구조로 구성될 수 있다. 즉, 제1 센서부, 제2 센서부 및 전극의 구조가 도 1 및 도 4에 도시된 바와 같이 구성됨으로써 하나의 센서 유닛(110)으로 구성된다.
즉, 센서 유닛(110)은 도 1 및 도 4에 도시된 바와 같이, 강유전성 전기활성고분자 물질을 포함하는 섬유 및 필름 중 어느 하나로 구성된 제1 센서부, 제1 센서부를 내부에 포함하도록 구성되며, 유전성 탄성체 전기활성고분자 물질을 포함하는 매트릭스로 구성된 제2 센서부 및 제1 센서부 또는 제2 센서부와 접촉되도록 설치되어, 제1 센서부 또는 제2 센서부에 외력이 가해졌을 시, 제1 센서부 또는 제2 센서부에서 생성되는 전기 신호를 외부에 전달하는 전극부;를 포함하도록 구성될 수 있다.
상기의 예에 의하면, 하나의 센서 유닛(110)이 섬유 형태로 구성되고, 해당 섬유가 직물 형태로 구성됨으로써, 유연성이 더욱 향상되는 효과가 있다.
이와 같이, 도 7 및 8에서의 실시예를 통해 제작된 센서유닛은 그 유연성이 대폭 향상되어, 더욱 다양한 구조물상에 설치가 가능한 효과가 있다.
[제2 실시예]
도 9은 본 발명의 일 실시예에 따른 변형 정보의 무선 송수신을 위한 전기활성고분자 섬유 코일 센서 유닛을 이용한 직물 센서의 구조의 예이다.
도 9을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 변형 정보의 무선 송수신을 위한 전기활성고분자 섬유 코일 센서 유닛을 이용한 직물 센서(200, 이하 센서라 함)는, 도 9에 도시된 바와 같이 특정 섬유사 형태의 변형 정보의 무선 송수신을 위한 전기활성고분자 섬유 코일 센서 유닛(210, 이하 센서 유닛이라 함)이 직물 형태로 직조되어 있는 것을 특징으로 한다.
이하 설명하는 바와 같이 센서 유닛(210)은 전기활성고분자 물질로 구성되는 센서부 및 전극을 포함하여 구성된다. 센서 유닛(210)은 섬유사 형태로 형성되며, 이에 따라서 다양한 직조 방식(평직, 능직, 주자직, 그것들의 하이브리드 형태 등)에 따라서 직물로 직조되어 센서(200)를 구성할 수 있다.
이를 위해, 센서 유닛(210)에 포함되는 전극 및 센서부에 포함되는 전기활성고분자 물질은, 유전성 탄성체 특성을 포함할 수 있으나, 이에 제한되지는 않을 것이다. 예를 들어, 전기활성고분자는 실리콘(silicone) 등으로 구성될 수 있는데, 이는 대변형과 기계/전기적 연성 반응속도가 빠르고, 기계적인 자극에 따른 전기적인 반응이 선형관계에 있어서 센서로 활용이 가능한 특징이 있고, 유연성이 큰 장점이 있어 본 발명에 적합한 물질이다. 그러나, PVDF 등 다양한 전기활성고분자 물질이 본 발명에서 사용될 수 있음은 당연할 것이다.
상기와 같은 특성 및 직물 구조의 센서(200)의 구성에 의하면, 직물 형태로 센서(200)가 구성되기 때문에, 유연성이 커, 기존의 변형 정보 감지 센서가 설치되기 어려운 위치, 즉 곡률이 큰 구조물에도 설치할 수 있어, 설치 장소의 제한을 최소화할 수 있는 효과가 있다.
이하에서는, 상기와 같은 센서(200)의 구성 단위가 되는 센서 유닛(210)의 구조에 대해서 더욱 자세하게 설명하기로 한다.
도 10는 본 발명의 일 실시예에 따른 변형 정보의 무선 송수신을 위한 전기활성고분자 섬유 코일 센서 유닛의 측단면도의 예이다.
도 10와 도 11을 함께 참조하면, 도 9에서 언급한 센서 유닛은, 제1 전극(300), 센서부(310) 및 절연층(330)을 포함하여 구성될 수 있다. 물론 도 11에 대한 설명에서 언급하는 바와 같이, 센서부(310)를 감싸는 제2 전극(320)이 센서 유닛에 포함될 수 있다.
기본적으로 센서 유닛의 구성은, 제1 전극(300), 센서부(310)를 포함하는 것을 특징으로 한다. 제1 전극(300)은 도 10에 도시된 바와 같이 섬유사 형태로 구성될 수 있다. 이에 따라서 센서 유닛의 형태 역시 제1 전극(300)을 기준으로 섬유사 형태로 구성되어, 도 9에 도시된 바와 같이 직물 형태로 센서를 구성하도록 이루어질 수 있다.
센서부(310)는 제1 전극(300)을 코일 형태로 감싸도록 구성되며, 상기 언급한 바와 같이 PVDF와 같은 전기활성고분자 물질(EAP)를 포함하여 구성된다. 제1 전극(300)에 코일 형태로 센서부(310)가 감싸면서 형성되되 도 10에 도시된 바와 같이 코일 형태에 있어서 서로 간격이 없도록 형성할 수 있다.
한편, 도 9에 도시된 바와 같이 센서 유닛(210)은 서로 직물 구조를 이루도록 접촉하면서 직조되기 때문에, 각 센서 유닛(210)에 포함된 제1 전극(300) 및 센서부(310)와 함께 후술한 제2 전극(320)이 서로 접촉되지 않도록 절연층(330)이 제1 전극(300) 및 센서부(310)와 함께 후술한 제2 전극(320)의 외면을 감싸도록 형성될 수 있다. 이에 의하여, 변형이 일어나는 위치에서 정확하게 변형 정도에 해당하는 전자기장을 형성하도록 함으로써, 센싱의 정확도를 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
도 10에는 센서부(310)가 하나의 센서섬유로 구성되어, 제1 전극(300)을 코일 형태로 감싸도록 도시되어 있으나, 본 발명의 일 실시예에 따라서 센서부(310)는 다수의 센서 섬유로 구성되어 다수의 센서섬유가 각각 제1 전극(300)을 코일 형태로 감싸도록 구성될 수 있다.
상기 언급한 바와 같이, 본 발명에 있어서 제1 전극(300) 및 센서부(310)는 섬유사 형태로 구성될 수 있다. 이에 따라서 센서 유닛 역시 섬유사 형태로 구성되어, 도 9에 대한 설명에서 언급한 바와 같이 센서 유닛을 직조함에 따라서 섬유의 직물 구조의 센서를 제조할 수 있게 된다.
도 11은 본 발명의 다른 실시예에 따른 변형 정보의 무선 송수신을 위한 전기활성고분자 섬유 코일 센서 유닛의 정단면도의 예이다.
도 11은 도 10와 유사한 구성을 포함한다. 도 10에 비하여, 도 11에서는 제2 전극(320)이 포함되는 것을 특징으로 한다. 제2 전극(320)은 센서부(310)에 의하여 발생하는 전기 에너지를 제1 전극(300)과 함께 인가받아 더욱 큰 전자기장을 형성 및 외부에 송출하도록 구성된다.
이때 도 11에 도시된 바와 같이 하나의 센서 유닛에는 실시예에 따라서 다수의 제1 전극(300) 및 제2 전극(320)이 형성될 수 있다. 물론, 상기 언급한 바와 같이 센싱 정확도를 위하여 제2 전극(320)은 절연층(330)에 의하여 서로 절연되도록 형성될 수 있다.
물론, 도 10에 도시된 바를 도 11의 실시예에도 적용할 수 있다. 즉, 상기 도 10에 대한 설명에서 언급한 바와 같이, 하나의 제1 전극(300), 센서부(310) 및 제2 전극(320)이 센서 유닛을 이룰 수 있는 것이다. 이때에도, 제2 전극(320)을 절연층이 감싸도록 형성됨으로써, 도 9에 도시된 직물 구조에 의하여 센서 유닛 간의 접촉이 일어나더라도 인접한 센서 유닛의 제2 전극(320)끼리는 절연될 수 있다. 본 발명에서 절연층(330)은 센서의 직물 구조의 특징 및 설치 장소의 특징에 의하여 탄성체로 구성될 수 있으나, 이에 제한되지는 않을 것이다.
제2 전극(320)은 센서부(310)와 동일한 구성으로, 센서부(310)를 코일 형태로 감싸도록 형성될 수 있으나, 센서부(310)에 전극 물질을 도포하는 형태로도 형성될 수 있을 것이다.
이와 같은 구조에 의하면, 센서 유닛에 있어서 센서부(310)가 코일형태로 제1 전극(300)을 감싸면서 센서 유닛을 형성하기 때문에, 전기 에너지 및 전자기장의 형성 효율이 크게 증가하여 작은 변형에도 큰 전자기장을 송출할 수 있어, 무전력 및 무선의 변형 정보 감지를 위한 센서의 설치 위치 및 측정 장치의 측정 위치의 한계를 극복할 수 있는 효과가 있다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 의하여 변형 정보가 측정되는 흐름을 설명하기 위한 도면이다.
먼저, 외부 충격 및 변형이 발생하게 되면, 센서(200)에도 외력이 작용하면서 기계적인 변형이 일어나게 된다(S1). 즉, 전기활성고분자 물질을 포함하는 센서부, 즉 코일 구조를 포함하는 직물에 변형이 일어나게 된다.
이 경우, 전기활성고분자 물질의 특징에 의하여, 센서(200)에서는 전류와 전압, 즉 전기 에너지가 생성된다(S2). 이때 상기의 전기 에너지가 외부에 무선 송출되어 변형 정보를 원격에서 측정할 수 있다.
상기의 과정은 구체적으로 코일형태로 구성된 센서(200)에 포함된 전극에 의하여 전자기장이 형성(S3)되는 동시에, 전극에 의하여 전자기장이 외부에도 형성되어 전자기장이 외부에 송출(S4)되는 효과가 발생하게 된다.
관리자는 센서(200)가 설치된 위치로부터 인접한 위치, 예를 들면 S4 단계에 의하여 형성 및 송출된 전자기장을 센싱 장치(400)에 포함된 수신기(410)를 통하여 감지할 수 있는 위치에서, 수신기(410)에 의하여 송출되는 전자기장을 수신하고, 전압계/증폭기(420) 및 컴퓨터(430)를 이용하여 수신한 전자기장을 이용하여 변형 정보를 측정할 수 있게 된다.
이러한 구조에 있어서, 무선/무전력의 센서(200)가 상기 도 9 내지 3에 대한 설명에서 언급한 구조를 포함하기 때문에, 외력에 의하여 발생되는 전자기장의 세기가 더욱 크게 발생할 수 있다. 이에 따라서, 전기 에너지 및 전자기장의 형성 효율이 크게 증가하여 작은 변형에도 큰 전자기장을 송출할 수 있어, 무전력 및 무선의 변형 정보 감지를 위한 센서(200)의 설치 위치 및 측정 장치의 측정 위치의 한계를 극복할 수 있는 효과가 있다.
[제3 실시예]
도 13은 본 발명의 제3 실시예에 따른 변형 정보의 무선 송수신을 위한 전기활성고분자를 이용한 센서의 구조를 나타낸 도면이다.
도 13을 참조하면, 본 발명의 제3 실시예에 따른 변형 정보의 무선 송수신을 위한 전기활성고분자를 이용한 센서는, 제1 섬유(500), 제2 섬유(510)를 포함하는 것을 특징으로 하며, 추가적으로 제3 섬유(520)를 포함할 수 있다.
제1 섬유(500)는 전기활성고분자 물질을 포함하는 적어도 하나의 섬유 군을 의미한다. 전기활성고분자 물질은, 외력에 의해 변형되는 경우 전압을 생성하는 특징을 갖는 모든 물질을 의미한다. 예를 들어, 제1 섬유(500)는 이완 강유전성(Relaxor ferroelectric)의 기작으로 거동하는 PVDF 계열의 전기활성고분자 물질로 구성될 수 있다. 다만 이에 제한되지 않으며, 제1 섬유(500)는 외력에 의해 전원을 생성하고, 외력 제거 시 복원될 수 있는 물질이면 모두 가능할 것이다.
제2 섬유(510)는 도전성 물질을 포함하는 플렉서블(Flexible)한 섬유를 포함하며, 전극으로 이해될 수 있다. 제2 섬유(510)는, 전기전도도가 높고 비저항이 낮은 물질로 구성됨이 바람직하며, 제1 섬유(500)와 마찬가지로 적어도 하나의 섬유 군을 의미한다.
제2 섬유(510)는 압축, 인장, 굽힘력 등 외력에 파손되지 않기 위하여 내구성 및 연성이 우수한 동시에, 고 신축성 및 신장성을 갖도록 하여, 제1 섬유(500)와 함께 유연성이 확보되어야 한다.
제2 섬유(510)는 예를 들어, 구리, 금과 같은 금속 와이어로 구성되거나, PEDOT 기반의 전도성 폴리머 및 탄소 섬유 등의 물질로 구성될 수 있다. 이때, 전도성 고분자 물질과 함께, 탄성을 확보하기 위한 탄성 물질이 혼합될 수 있다.
예를 들어, 당 알코올의 한 종류인 자일리톨(Xylitol)을 전도성 고분자 물질에 첨가 시, 신축성 및 신장성이 뛰어난 전극을 제조할 수 있다. 전도성 고분자 물질로는, 예를 들어 PEDOT:PSS가 사용될 수 있다.
PEDOT:PSS는 50um이상의 후막의 형태로 응용될 시, 콜로이드 입자들 표면에 존재하는 PSS의 설포산(Sulfonic acid) 그룹 사이에 작용하는 수소결합에 의해 유연성이 약화되고 취성을 띌 수 있다. 이를 위해, 기설정된 비율(예를 들어 PEDOT:PSS의 50wt%)의 자일리톨 등의 탄성 물질 파우더를 첨가하고 열처리 등 여러 후처리를 수행함으로써, 유연하고 신축성이 뛰어난 전극을 제조할 수 있다.
한편, 제2 섬유(510)의 전기 전도성을 더욱 확보하기 위하여, 카본블랙, 탄소나노튜브, 그래핀 등의 전기전도도가 높은 전도성 파우더 층을 제2 섬유(510) 표면에 코팅시키거나 섞는 등으로 형성할 수 있다. 물론 제2 섬유(510)의 표면 층에 형성되는 전도성 파우더 층은, 상기의 예에 제한되지는 않을 것이다.
물론, 상기의 예 이외에, 제2 섬유(510)는 유연성이 확보된 플렉서블한 전극 섬유라면 어느 것이나 사용될 수 있음은 당연할 것이다.
본 발명에서 도 13에 도시된 바와 같이, 제1 섬유(500) 및 제2 섬유(510)는 직물 형태로 직조되어 있는 것을 특징으로 한다. 예를 들어, 제1 섬유(500)와 제2 섬유(510)를 평직, 주자직 및 능직 구조를 포함하여 다양한 직물 형태로 직조하여, 변형에 대한 적응성이 뛰어난 직물 구조의 센서를 제작할 수 있다.
평직 구조는 비교적 많은 교차점에 의하여, 외력에 의해 형태가 변형된 후, 능직 구조나 주자직 구조에 비하여 원 상태로의 복원이 늦는 문제점이 있다. 한편, 능직 구조는 평직 구조보다 적은 교차점 때문에 강성이 약한 문제점이 있으나 연하고 구김이 덜 생겨 변형에 대응하는 복원력은 우수하다.
이에 따라서, 센서가 설치되는 구조물이 받는 외력의 종류, 외부환경의 조건 등에 따라서 상기의 구조들을 조합하여 다양한 구조(각 구조를 조합하는 구성)를 사용할 수 있다. 또한 2차원 직물 구조 이외에, 3차원의 쉘 구조 및 구체 구조 등 일반적으로 직물이 가질 수 있는 모든 형태로 적용 가능하게 된다.
한편, 도 13에 도시된 바와 같이, 제3 섬유(520)가 추가적으로 포함될 수 있다. 제3 섬유(520)는 전기 절연성 물질을 포함하되, 제1 섬유(500) 및 제2 섬유(510)와 마찬가지의 유연성이 확보된 섬유를 의미한다.
제3 섬유(520)는 제1 섬유(500) 및 제2 섬유(510)와 함께 서로 교차되도록 직조되어 직물 구조를 형성하고, 특히 제2 섬유(510)끼리의 접촉에 의한 오작동을 방치하기 위하여 제2 섬유(510)끼리의 접촉을 제3 섬유(520)가 차단하도록 하는 직물 형태로 구성될 수 있다.
제1 섬유(500)가 외력에 의하여 변형이 되면, 전기에너지가 발생하게 되고, 이를 제2 섬유(510)와의 상호 작용에 의해 높은 효율로 전기에너지를 생성하게 된다. 생성된 전기에너지는 제1 섬유(500)의 변형 정도에 따라서 그 크기가 달라지게 되며, 유무선의 방식을 통해 전기에너지의 크기 값을 분석하게 되면 변형 정도의 값을 측정할 수 있게 되는 것이다.
이때 도 13에 도시된 상기의 본 발명의 일 실시예에 의하면, 전기활성고분자 물질의 섬유층 및 플렉서블한 전도성 섬유층을 직물 형태로 직조하여 센서로 활용 시, 다양한 종류의 외력에도 기능성을 잃지 않고 변형 정보를 정확하게 측정할 수 있는 동시에, 곡률이 큰 구조물 표면, 웨어러블 기기 등 다양한 장소에 제한 없이 센서를 설치할 수 있어, 외형 변형 측정 기술이 필요한 곳이라면 어디에나 센서를 설치할 수 있는 설치 자유도를 확보할 수 있는 효과가 있다.
도 14는 본 발명의 제3 실시예의 다른 실시예에 따른 변형 정보의 무선 송수신을 위한 전기활성고분자를 이용한 센서의 구조를 나타낸 도면이다.
도 14를 참조하면, 본 발명의 제3 실시예의 다른 실시예에 따른 변형 정보의 무선 송수신을 위한 전기활성고분자를 이용한 센서에 포함되는 섬유체는 제1 섬유층(501) 및 제2 섬유층(511, 512)을 포함하는 것을 특징으로 한다. 섬유체는 도 13에 대한 설명에서 언급한 바와 같은 다양한 직물 형태로 직조되어 직물 센서를 구성하게 될 것이다. 또한 제1 섬유층(501)은 및 제2 섬유층(511, 512)의 세부적인 특징은 도 13에 대한 설명에서의 제1 섬유 및 제2 섬유에 대한 설명과 동일한 바, 이를 생략하기로 한다.
본 발명의 도 14의 실시예는 도 13의 실시예와 달리, 제1 섬유층(501) 및 제2 섬유층(511, 512)이 하나의 섬유체에 포함되어 있는 것을 특징으로 한다,
즉 전기활성고분자 물질로 구성된 제1 섬유층(501) 내에 전극으로서의 제2 섬유층(511)을 삽입하거나, 제1 섬유층(501)의 표면에 제2 섬유층(512)을 형성하도록 할 수 있다.
이와 같은 섬유체를 직물 형태로 직조하여, 도 13의 실시예와 같은 기능을 수행하도록 할 수 있다. 물론, 제2 섬유층(512)이 제1 섬유층(501)의 표면에 도포되는 실시예에서는, 전기 절연성 물질을 제2 섬유층(512)에 도포하거나 섬유체 사이에 도 13의 제3 섬유와 같이 위치하도록 하여, 전도성 물질인 제2 섬유층(512) 사이의 접촉을 차단하도록 할 수 있다.
도 15은 본 발명의 제3 실시예의 구현을 위한 제2 섬유층의 측단면도의 예이다.
도 13에 대한 설명에서 언급한 바와 같이 제2 섬유(510)에는, 전도성 고분자 물질과 탄성 물질이 포함된 전도성 섬유(513)와, 전기 전도도를 높이기 위한 전도성 파우더 층(514)이 포함될 수 있다.
도 15과 같은 구조를 통해, 도 13에서 언급한 바와 같이, 유연성이 확보된 전극을 제조할 수 있으며, 동시에 전기 전도도 측면에서도 높은 효율을 보이는 전극을 생성하여, 본 발명에서의 직물 센서의 특성에 적합한 전극 구조를 제공할 수 있다.
도 16는 본 발명의 제3 실시예에 따라 구현될 수 있는 센서의 형태의 예이다.
도 16에 도시된 바와 같이 센서는 직물 형태로, 스트립 형 센서(520)와 패치 형 센서(521) 등 다양한 형태로 직조될 수 있다. 도 13 내지 도 14에서 언급한 바와 같이, 전기활성고분자 물질과 전극이 직물 형태로 직조되기 때문에, 직조에 따라서 다양한 형태의 직물 형태로 센서를 제조하는 것이 가능한 것이다.
이를 통해, 다양한 형태로 형성되어 있는 구조물, 인체에 적용되는 웨어러블 기기 등에 적응력이 매우 뛰어난 변형 정보 감지 센서를 제조하는 것이 가능해지며, 이를 통해, 변형 정보 감지를 다양한 분야에서 사용할 수 있는 효과가 있다.
[제4 실시예]
도 17은 본 발명의 제4 실시예에 따른 변형 정보의 무선 송수신을 위한 전기활성고분자를 이용한 센서의 섬유코일 및 섬유코일의 일부를 확대한 도면이며, 도 18는 본 발명의 제4 실시예의 구현을 위한 섬유코일의 단면구조 중 일부를 도시한 도면이다.
먼저 도 17을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 변형 정보의 무선 송수신을 위한 전기활성고분자를 이용한 센서(이하 센서라 함)는, 외력에 의해 변형될 때, 전압이 생성되는 물질인 전기활성고분자 물질을 포함하는 제1 섬유(610)와, 제1 섬유(610)에서 발생한 전압이 인가될 수 있는 도전성 물질로 구성된 섬유로서 제2 섬유(620)를 포함하여 구성된 섬유체가 코일 형태로 형성된 섬유코일(600)과, 섬유코일(600)의 양끝단에 연결된 캐패시터(미도시)를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
제4 실시예에서, 외력에 의해 섬유코일(600)에 변형이 발생하면, 섬유코일(600)의 압전특성에 의하여 제1 섬유(610)에 전원이 발생할 수 있다. 발생된 전원(예를 들어 전압)이 제2 섬유(620)에 인가되는 경우, 캐패시터에 제2 섬유(620)를 통해 전압이 충방전됨에 따라서, 제2 섬유(620)에는 전류가 흐르게 되며, 제2 섬유(620)는 섬유코일(600)과 같이 코일구조를 형성하기 때문에, 제2 섬유(620)에 흐르는 전류에 의해 전자기장이 형성될 수 있다.
제4 실시예에서, 제1 섬유(610)는 전기활성고분자 물질로 구성될 수 있다. 예를 들어, 제1 섬유(610)는 이완 강유전성(Relaxor ferroelectric)의 기작으로 거동하는 PVDF 계열의 전기활성고분자 물질로 구성될 수 있다. 다만 이에 제한되지 않으며, 제1 섬유(610)는 외력에 의해 전원을 생성하고, 외력 제거 시 복원될 수 있는 물질이면 모두 가능할 것이다.
제4 실시예에서, 제2 섬유(620)는 전극으로 이해될 수 있다. 예를 들어, 제1 섬유(610)에 의해 발생된 전압이 제2 섬유(620)에 인가되는 경우, 제2 섬유(620)와 연결된 캐패시터에 전압이 충방전되며, 이에 의하여 제2 섬유(620)에 전류가 흐를 수 있다. 제2 섬유(620)에 전류가 흐르게 되면 코일 구조에 의하여 전자기장이 발생된다.
제4 실시예에서, 제2 섬유(620)는 전기전도도가 높고 비저항이 낮은 물질로 구성될 수 있다. 제4 실시예에서의 다른 실시예에서, 제2 섬유(620)는 압축, 인장, 굽힘력 등 제2 섬유(620)에도 전해지는 외력에 파손되지 않기 위해 내구성 및 연성이 우수한 물질로 구성될 수 있다. 예를 들어, 제2 섬유(620)는 전도성 물질로서 구리, 금과 같은 금속이나, 전도성을 갖는 폴리머를 포함할 수 있다. 다만, 이에 제한되지 않으며, 상기의 기능을 수행하는 물질이면 모두 가능할 것이다.
도 18를 참조하면, 섬유코일(600)은 제2 섬유(620)를 감싸도록 제1 섬유(610)가 배치될 수 있다. 섬유코일(600)을 구성하는 제2 섬유(620)가 발전 효율 및 전자기장 생성 효율을 높이기 위하여 복수 개로 구성되는 경우, 섬유 코일(600)은 제2 섬유(620)끼리 전기적으로 이격되도록 형성되는 단위체인 유닛 섬유체(700, 710)를 적어도 하나 이상 포함할 수 있다. 예를 들어, 유닛 섬유체(700, 710)를 단위로 하여, 복수의 유닛 섬유체(700, 710)가 포함된 구조로 섬유코일이 구성될 수 있다.
제4 실시예에서, 유닛 섬유체(700, 710)는 도 18의 (a)의 유닛 섬유체(700)와 같이 각기 독립한 제1 섬유(610) 및 제2 섬유(620)의 조합으로 구성될 수 있다. 제4 실시예의 다른 실시예에서, 도 18의 (b)의 유닛 섬유체(710)와 같이, 인접한 유닛 섬유체(710)끼리 제1 섬유(610)를 일부 공유하도록 구성될 수 있다.
제4 실시예에서, 제2 섬유(620)와 더불어 제1 섬유(610)의 압전효과를 유도하기 위하여 유닛 섬유체(700, 710) 외벽(미도시)에는 전기 전도성 물질(미도시)이 도포되거나 코팅 될 수 있다.
도 19은 본 발명의 제4 실시예에 따른 구조물 건전성 모니터링 시스템의 일부 구성도, 도 20는 본 발명의 제4 실시예에 따른 구조물 건전성 모니터링 시스템의 리더기의 구성도, 및 도 21는 본 발명의 제4 실시예에 따른 구조물 건전성 모니터링 시스템의 수신모듈에 포함된 코일의 단면을 도시한 도면이다.
예를 들어, 도 19은 본 발명의 제4 실시예에 따라서 구조물의 변형 정보를 산출하기 위한 데이터가 생성 및 송신되는 기능을 설명하기 위한 도면이며, 도 20는 전자기장 발생 시 이를 수신하여 구조물의 변형 정보를 산출하기 위한 기능을 수행하는 리더기의 구성을 설명하기 위한 도면이고, 도 21는 전자기장을 수신하기 위한 수신모듈의 개략적인 단면 구조를 도시한 도면이다.
도 19 내지 21에서 설명할 바와 같이, 본 발명의 제4 실시예에 따른 구조물 건전성 모니터링 시스템은, 적어도 섬유코일(600) 및 캐패시터(810)를 포함하는 센서 모듈(800)과, 수신모듈(820) 및 프로세서(미도시)를 포함하는 리더기(미도시)로 구성되는 것을 특징으로 한다.
이를 바탕으로 도 19을 참조하면, 상기 섬유코일(600)의 코일 양 끝단에 캐패시터(810)가 연결될 수 있다. 일 실시예에서, PDMS(polydimethysiloxane)와 같은 방수성 폴리머로 섬유코일(600)과 캐패시터(810)를 감쌀 수 있다. 일 실시예에서, 섬유코일(600)과 캐패시터(810)는 직경이 5mm 미만으로 구현할 수 있다.
제4 실시예에서, 외력에 의하여 섬유코일(600)에 변형이 일어나게 되면, 상기 언급한 기능 작용에 의해, 섬유코일(600)에는 전원이 형성될 수 있다. 상기 언급한 바와 같이, 제4 실시예에서 섬유코일(600)은 전극을 포함하고 있어, 섬유코일(600) 자체가 Concentric flat solenoid의 역할을 하게 되어, 전류가 섬유코일(600)을 통과하게 되면, 전자기장이 형성되며, 형성되는 전자기장은 외부로 송출된다.
제4 실시예에서, 구조물 건전성 모니터링 시스템에 포함된 수신모듈(820)은 상기와 같이 센서에서 형성되는 전자기장을 수신하는 기능을 수행한다.
수신모듈(820)이 센서로부터 형성되어 송출되는 전자기장을 수신할 수 있다. 센서로부터 형성되어 송출되는 전자기장이 수신모듈(820)에 인가되는 경우, 인가된 전자기장과 수신모듈(820)의 구조(예를 들어 코일 구조로 권선된 구성)에 의해 전자기 유도 현상이 발생한다.
제4 실시예에서, 수신모듈(820)은 센서로부터 형성되어 송출되는 전자기장이 인가될 수 있는 거리에 위치될 수 있다. 제4 실시예의 다른 실시예에서 수신모듈(820)은 전자기장이 인가되면 전류 및 전압값 중 적어도 하나로 변환하기 위해, 수신용 코일(코일구조의 전도성 물질)을 포함할 수 있다. 한편 수신모듈(820)을 포함하는 리더기가 휴대 가능하도록 제조되는 경우, 수신모듈(820) 역시 이동 가능하게 되며, 이때 관리자는 리더기를 센서로부터 형성되어 송출되는 전자기장이 인가될 수 있는 거리에 수신모듈(820)을 포함하는 리더기를 위치시키게 되며, 이때 수신모듈(820)이 전자기장을 인가받게 된다. 즉, 관리자는 리더기를 원하는 시점에 원하는 위치(변형 정보를 측정할 위치)에 위치시킴으로써, 생성되는 전자기장을 수신모듈(820)이 수신하도록 할 수 있다.
제4 실시예에서, 수신모듈(820)의 수신용 코일은 권선(821), 권선(822) 및 권선(823) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 권선(821)에 도포되는 권선(822)는, 센서로부터 발생되는 전자기장과 수신모듈(820)에 포함된 수신용 코일 간에 누설되는 전자기장을 최소화하여 무선전력전송효율을 높이기 위한 구성이다. 권선(822)는 예를 들어 페라이트 등의 물질을 포함하여 구성될 수 있으나, 이에 제한되지는 않을 것이다. 권선(823)은 상기 언급한 바와 같이 PDMS 등의 물질을 포함함으로써, 수분 등의 외부환경으로부터 수신용 코일을 보호하기 위한 구성이다.
수신모듈(820)에 전자기장이 인가되면, 도 21에서 언급한 수신용 코일과 같은 코일 구조에 의하여, 전류 및 전압이 인가될 것이다.
전압계 및 증폭기(830)는 수신모듈(820)에 인가된 전류 및 전압을 측정할 수 있다. 컴퓨터(850)는 측정된 값을 변형 정보로 산출할 수 있다.
본 발명의 제4 실시예에서 전압계 및 증폭기(830)와 컴퓨터(850)는 하나의 프로세서에 포함되어 구성될 수 있다. 즉, 프로세서는, 수신모듈(820)이 수신한 전자기장의 크기에 따라 수신모듈(820)에 인가되는 전류 및 전압의 크기를 이용하여, 전기활성고분자 물질을 이용한 변형 감지 센서가 설치된 영역의 외력에 의한 변형 정보를 산출하는 기능을 수행하게 된다.
한편, 본 발명의 제4 실시예의 다른 실시예에서, 증폭기(830)는 프로세서가 아닌 수신모듈(820)에 포함될 수 있다. 증폭기(830)는, 수신모듈(820)이 수신한 전자기장을 증폭하여 수신모듈(820)이 증폭된 전자기장값을 전압 및 전류값으로 변환하도록 하거나, 수신모듈(820)에서 변환된 전압 및 전류값을 증폭하는 기능을 수행하는 구성이라면 어느 것이나 가능할 것이다. 이 경우, 프로세서는 컴퓨터(850)를 지칭하는 구성으로 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 제4 실시예에 있어서, 섬유코일은 전기활성고분자 물질의 외력에 의한 변화에 의해 생성되는 전원을 이용하여 전자기장을 방출하도록 하는데, 방출되는 전자기장의 크기는 매우 작을 수 있다. 이에 따라서, 리더기에 포함된 수신모듈(820)이나 프로세서에서, 이를 증폭함으로써, 더욱 정확하게 구조물의 변형 정도를 측정할 수 있도록 하는 것이다.
상기와 같은 구성에 의하면, 외력을 직접 산출하기 위해 설치되는 기존의 변형 감지 센서에 필수적으로 연결되어야 하는 전력공급모듈 및 유선 구조와, 통신 모듈이, 극소형의 섬유코일로 대체될 수 있다. 즉, 섬유코일은 전기활성고분자 물질와 전극 및 캐패시터를 포함하기 때문에, 섬유코일에 외력이 가해지면 전압이 생성되며, 이에 따라 전극에 전류가 인가되고, 전류에 의해 코일에 전자기장이 생성된다. 즉, 전류 공급 없이도, 외력의 크기에 의한 섬유코일의 변형 정도에 따라서 다른 크기의 전자기장이 발생하기 때문에, 변형 정보를 산출할 수 있는 데이터가 무전원 상태, 무 통신 모듈 상태 및 무선 상태에서 생성되는 것이다.
상기와 같은 기능 작용에 의해, 본 발명의 제4 실시예에 의하면 기존의 구조물 건전성 모니터링 시스템에 비하여 매우 작은 크기의 시스템의 구현이 가능하여, 구조물 내부에 용이하게 설치가 가능하고, 별도의 전원 공급 수단, 통신 모듈이 필요하지 않아, 설치 비용 및 유지 보수 비용의 절감이 가능한 효과가 있다.
이상에서 기재된 "포함하다", "구성하다" 또는 "가지다" 등의 용어는, 특별히 반대되는 기재가 없는 한, 해당 구성 요소가 내재될 수 있음을 의미하는 것이므로, 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것으로 해석되어야 한다. 기술적이거나 과학적인 용어를 포함한 모든 용어들은, 다르게 정의되지 않는 한, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다. 사전에 정의된 용어와 같이 일반적으로 사용되는 용어들은 관련 기술의 문맥 상의 의미와 일치하는 것으로 해석되어야 하며, 본 발명에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (18)

  1. 강유전성 전기활성고분자 물질을 포함하는 섬유 또는 필름으로 구성된 제1 센서부;
    상기 제1 센서부를 내부에 포함하도록 구성되며, 유전성 탄성체 전기활성고분자 물질을 포함하는 매트릭스로 구성된 제2 센서부; 및
    상기 제1 센서부 또는 상기 제2 센서부와 접촉되도록 설치되어, 상기 제1 센서부 또는 상기 제2 센서부에 외력이 가해졌을 시, 상기 제1 센서부 또는 상기 제2 센서부에서 생성되는 전기 신호를 외부에 전달하는 전극부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 변형 정보의 무선 송수신을 위한 전기활성고분자를 이용한 센서 유닛.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 전극부의 일부는,
    상기 제1 센서부의 내부에 삽입된 형태로 구성되는 것을 특징으로 하는 변형 정보의 무선 송수신을 위한 전기활성고분자를 이용한 센서 유닛.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제1 센서부는 다수의 섬유 다발로 구성되며, 상기 전극부의 일부를 상기 다수의 섬유 다발이 둘러싼 형태로 구성되는 것을 특징으로 하는 변형 정보의 무선 송수신을 위한 전기활성고분자를 이용한 센서 유닛.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제1 센서부와 상기 제2 센서부가 전기 신호를 발생하도록 하는 외력의 방향이 서로 다르도록 구성되는 것을 특징으로 하는 변형 정보의 무선 송수신을 위한 전기활성고분자를 이용한 센서 유닛.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제1 센서부는,
    복수의 필름이 적층된 형태로 구성되는 것을 특징으로 하는 변형 정보의 무선 송수신을 위한 전기활성고분자를 이용한 센서 유닛.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 복합 전기활성고분자 구조를 이용한 변형 감지 센서 유닛은 섬유 형태로 구성되어 센서를 이루는 것을 특징으로 하는 변형 정보의 무선 송수신을 위한 전기활성고분자를 이용한 센서 유닛.
  7. 외력에 의해 변형되는 경우 전압을 생성하는 전기활성고분자 물질을 포함하는 적어도 하나의 제1 섬유; 및
    도전성 물질을 포함하는 플렉서블(Flexible)한 적어도 하나의 제2 섬유;를 포함하고,
    상기 제1 섬유 및 상기 제2 섬유는 서로 교차되도록 직조되거나, 상기 제2 섬유층이 상기 제1 섬유층의 내부 및 표면 중 적어도 하나에 형성되도록 섬유체를 형성하여 상기 섬유체가 직물 형태로 직조되는 것을 특징으로 하는 변형 정보의 무선 송수신을 위한 전기활성고분자를 이용한 센서.
  8. 제7항에 있어서,
    전기 절연성 물질을 포함하는 제3 섬유;를 더 포함하고,
    상기 제1 섬유, 상기 제2 섬유 및 상기 제3 섬유가 서로 교차되도록 직조됨으로써, 상기 제2 섬유끼리의 접촉을 상기 제3 섬유가 차단하도록 하는 직물 형태로 구성되는 것을 특징으로 하는 변형 정보의 무선 송수신을 위한 전기활성고분자를 이용한 센서.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 제2 섬유는,
    전도성 고분자 물질과 탄성 물질을 혼합한 물질로 구성되는 것을 특징으로 하는 변형 정보의 무선 송수신을 위한 전기활성고분자를 이용한 센서.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 탄성 물질은 적어도 당 알코올 물질을 포함하는 물질인 것을 특징으로 하는 변형 정보의 무선 송수신을 위한 전기활성고분자를 이용한 센서.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 제2 섬유의 내부에 전도성 파우더가 섞여있거나 섬유 표면 층에 전도성 파우더 층이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 변형 정보의 무선 송수신을 위한 전기활성고분자를 이용한 센서.
  12. 제1 전극;
    상기 제1 전극을 코일 형태로 감싸도록 구성되는 전기활성고분자 물질을 포함하는 센서부;및
    상기 제1 전극과 절연되도록 마련되며, 상기 센서부를 감싸는 형태로 형성된 제2 전극;을 포함하는 것을 특징으로 하는 변형 정보의 무선 송수신을 위한 전기활성고분자를 이용한 센서 유닛.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 센서부는,
    다수의 센서섬유로 구성되며, 다수의 센서섬유가 각각 제1 전극을 코일 형태로 감싸도록 구성되는 것을 특징으로 하는 변형 정보의 무선 송수신을 위한 전기활성고분자를 이용한 센서 유닛.
  14. 제12항에 있어서,
    상기 제1 전극 및 센서부가 섬유사 형태로 구성됨으로써, 상기 변형 정보의 무선 송수신을 위한 전기활성고분자 섬유 코일 센서 유닛이 섬유사 형태로 구성되는 것을 특징으로 하는 변형 정보의 무선 송수신을 위한 전기활성고분자를 이용한 센서 유닛.
  15. 제12항에 있어서,
    상기 제2 전극을 감싸도록 형성되는 절연층;을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 변형 정보의 무선 송수신을 위한 전기활성고분자를 이용한 센서 유닛.
  16. 제12항에 있어서,
    복수의 상기 변형 정보의 무선 송수신을 위한 전기활성고분자를 이용한 센서 유닛은 직물 형태로 직조되어 센서를 구성하도록 마련되는 것을 특징으로 하는 변형 정보의 무선 송수신을 위한 전기활성고분자를 이용한 센서 유닛.
  17. 제16항에 있어서,
    서로 인접한 상기 변형 정보의 무선 송수신을 위한 전기활성고분자를 이용한 센서 유닛의 제2 전극 사이를 절연하도록 상기 제2 전극을 감싸도록 구성되는 절연층;을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 변형 정보의 무선 송수신을 위한 전기활성고분자를 이용한 센서 유닛.
  18. 제16항에 있어서,
    상기 센서는,
    외력이 가해지는 경우 상기 변형 정보의 무선 송수신을 위한 전기활성고분자를 이용한 센서 유닛의 변형에 의하여 상기 변형 정보의 무선 송수신을 위한 전기활성고분자를 이용한 센서 유닛에서 발생하여 전극에 전송되는 전기 에너지를 원격의 무선 전기 에너지 수신장치가 수신하도록 상기 전기 에너지를 무선 송출하고, 상기 전기 에너지를 이용하여 상기 센서가 설치된 위치의 구조물의 변형 정보를 측정할 수 있도록 구성되는 것을 특징으로 하는 변형 정보의 무선 송수신을 위한 전기활성고분자를 이용한 센서 유닛.
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