WO2019059468A1 - 수직 방향의 압력을 센싱하는 압력 센서, 수평 방향의 인장력을 센싱하는 스트레인 센서 및 이들의 제조 방법 - Google Patents

수직 방향의 압력을 센싱하는 압력 센서, 수평 방향의 인장력을 센싱하는 스트레인 센서 및 이들의 제조 방법 Download PDF

Info

Publication number
WO2019059468A1
WO2019059468A1 PCT/KR2018/001593 KR2018001593W WO2019059468A1 WO 2019059468 A1 WO2019059468 A1 WO 2019059468A1 KR 2018001593 W KR2018001593 W KR 2018001593W WO 2019059468 A1 WO2019059468 A1 WO 2019059468A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
pressure
pressure sensor
strain sensor
conductive particles
strain
Prior art date
Application number
PCT/KR2018/001593
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
김주용
최민기
Original Assignee
숭실대학교 산학협력단
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 숭실대학교 산학협력단 filed Critical 숭실대학교 산학협력단
Priority to EP18858190.4A priority Critical patent/EP3686570A4/en
Priority to US16/649,071 priority patent/US11467048B2/en
Publication of WO2019059468A1 publication Critical patent/WO2019059468A1/ko

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L1/00—Measuring force or stress, in general
    • G01L1/20—Measuring force or stress, in general by measuring variations in ohmic resistance of solid materials or of electrically-conductive fluids; by making use of electrokinetic cells, i.e. liquid-containing cells wherein an electrical potential is produced or varied upon the application of stress
    • G01L1/22—Measuring force or stress, in general by measuring variations in ohmic resistance of solid materials or of electrically-conductive fluids; by making use of electrokinetic cells, i.e. liquid-containing cells wherein an electrical potential is produced or varied upon the application of stress using resistance strain gauges
    • G01L1/2287—Measuring force or stress, in general by measuring variations in ohmic resistance of solid materials or of electrically-conductive fluids; by making use of electrokinetic cells, i.e. liquid-containing cells wherein an electrical potential is produced or varied upon the application of stress using resistance strain gauges constructional details of the strain gauges
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L1/00—Measuring force or stress, in general
    • G01L1/18—Measuring force or stress, in general using properties of piezo-resistive materials, i.e. materials of which the ohmic resistance varies according to changes in magnitude or direction of force applied to the material
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L9/00—Measuring steady of quasi-steady pressure of fluid or fluent solid material by electric or magnetic pressure-sensitive elements; Transmitting or indicating the displacement of mechanical pressure-sensitive elements, used to measure the steady or quasi-steady pressure of a fluid or fluent solid material, by electric or magnetic means
    • G01L9/02—Measuring steady of quasi-steady pressure of fluid or fluent solid material by electric or magnetic pressure-sensitive elements; Transmitting or indicating the displacement of mechanical pressure-sensitive elements, used to measure the steady or quasi-steady pressure of a fluid or fluent solid material, by electric or magnetic means by making use of variations in ohmic resistance, e.g. of potentiometers, electric circuits therefor, e.g. bridges, amplifiers or signal conditioning
    • G01L9/04—Measuring steady of quasi-steady pressure of fluid or fluent solid material by electric or magnetic pressure-sensitive elements; Transmitting or indicating the displacement of mechanical pressure-sensitive elements, used to measure the steady or quasi-steady pressure of a fluid or fluent solid material, by electric or magnetic means by making use of variations in ohmic resistance, e.g. of potentiometers, electric circuits therefor, e.g. bridges, amplifiers or signal conditioning of resistance-strain gauges

Definitions

  • Embodiments of the present invention relate to a pressure sensor that senses pressure in the vertical direction to realize various sensing performance, a strain sensor that senses a tensile force in the horizontal direction to realize various sensing performance, and a method of manufacturing the same.
  • the pressure sensor is a device for sensing the pressure in the vertical direction.
  • the textile pressure sensor has a single-layer structure and has a structure in which fibers (conductive materials) including conductive particles cross the upper and lower portions of a multi-layer structure fabric (which can be a knitted fabric or a nonwoven fabric with two or more layers) .
  • FIG. 1 is a view showing the textile pressure sensor of the single layer described above.
  • pressure is sensed by using a phenomenon that conductive particles in the fibers move and resistance changes according to a distance change of the conductive particles.
  • the textile pressure sensor is pressure sensitive depending on the modulus of elasticity of the pressure (modulus) or the amount of conductive particles contained in the fiber. That is, the smaller the pressure elastic modulus or the larger the amount of the conductive particles, the higher the pressure sensitivity, and the smaller the pressure elastic modulus or the smaller the amount of conductive particles, the lower the pressure sensitivity. This is as shown in Fig.
  • a textile pressure sensor having a low elastic modulus or a large amount of conductive particles is a pressure sensitive sensor with a low minimum sensing pressure and a maximum sensing pressure.
  • a textile pressure sensor with high pressure sensitivity can react to low pressure but not high pressure.
  • a textile pressure sensor having a high elastic modulus or a small amount of conductive particles is a sensor with low pressure sensitivity, and has a minimum sensing pressure and a maximum sensing pressure.
  • a textile pressure sensor with low pressure sensitivity can react to high pressures but not low pressures.
  • a strain sensor or a strain gauge is a sensor for detecting a mechanical change (strain) by an electric signal, and can particularly sense a tensile force in the horizontal direction.
  • strain sensor When the strain sensor is bonded to the surface of a machine or a structure, it is possible to measure a fine dimensional change (strain) occurring on the surface of the strain sensor, and the stress that is important for confirming strength and safety can be found from the size.
  • Conventional strain sensors are made of a textile material or a polymer material. At this time, when tensile force is applied to the strain sensor, as shown in FIG. 3, the resistance changes as the position of the conductive particles included in the textile material or the polymer material changes, and the resistance is measured to sense the tensile force .
  • the conventional strain sensor has tensile sensitivity or gauge factor adjusted depending on the tensile elastic modulus or the amount of conductive particles contained in the fiber. That is, the smaller the tensile modulus of elasticity or the larger the amount of conductive particles, the higher the gauge factor. The larger the tensile elastic modulus or the smaller the amount of conductive particles, the lower the gauge factor.
  • FIG. 4 shows a conventional strain sensor having a low tensile elastic modulus or a large amount of conductive particles (Fig. 4 (a)) and a conventional strain sensor having a large tensile elastic modulus or a small amount of conductive particles ).
  • a strain sensor having a low tensile elastic modulus or a large amount of conductive particles is a sensor with high tensile sensitivity, and has a minimum sensing tensile force and a maximum sensing tensile force.
  • strain sensors with low tensile modulus can react to low tensile forces, but not high tensile forces.
  • a strain sensor having a high tensile elastic modulus or a small amount of conductive particles is a sensor having a low tensile sensitivity, and has a minimum sensed tensile force and a maximum sensed tensile force.
  • a strain sensor with a high tensile modulus can react to high tensile forces but can not respond to low tensile forces.
  • the conventional strain sensor described above has a problem that the minimum sensing tensile force and the maximum sensing tensile force , The range of the sensed tensile force is limited.
  • the present invention provides a pressure sensor that senses pressure in the vertical direction to realize various sensing performance, a strain sensor that senses a tensile force in the horizontal direction, And a manufacturing method thereof is proposed.
  • a pressure sensor for sensing a pressure in a vertical direction, the pressure sensor including a plurality of pressure sensor parts stacked in a plurality of layers, Wherein at least one of the pressure elastic modulus and the amount of the conductive particles per unit area are different from each other.
  • a strain sensor for sensing a tensile force in a horizontal direction, the strain sensor including a plurality of strain sensor parts connected to each other in the left-right direction, Wherein at least one of the elastic modulus and the amount of the conductive particles per unit area is different.
  • the pressure sensor and the strain sensor according to the present invention have an advantage that various sensing performance can be realized.
  • 1 and 2 are views showing the concept of a conventional textile pressure sensor.
  • 3 and 4 are views showing the concept of a conventional textile strain sensor.
  • FIG. 5 is a view showing a schematic configuration of a pressure sensor according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 6 is a view for explaining the operation concept of the pressure sensor according to the embodiment of the present invention.
  • FIG. 7 is a view showing a schematic configuration of a pressure sensor according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 8 is a flowchart illustrating a method of manufacturing a pressure sensor according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 9 is a diagram for explaining a concept of integrally producing two layers of laminated textiles according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 10 is a view showing a schematic configuration of a strain sensor according to an embodiment of the present invention.
  • 11 is a view for explaining the operation concept of the strain sensor according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 12 is a view showing a schematic configuration of a strain sensor according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 13 is a flowchart illustrating a method of manufacturing a strain sensor according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 14 is a diagram for explaining a concept of integrally forming textile lines interconnected by two columns according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 is a view showing a schematic configuration of a pressure sensor according to an embodiment of the present invention.
  • the pressure sensor 500 is a sensor for sensing a pressure in a vertical direction, and may be used in a wearable device product (shoes, clothes, bedding, etc.) A first pressure sensor unit 510, and a second pressure sensor unit 520.
  • the first pressure sensor portion 510 is a single-layer pressure sensor, and is disposed in the first layer of the pressure sensor 500.
  • the first pressure sensor unit 510 may be a single-layer pressure sensor made of a textile material in a form of weaving, knitting or embroidery, and the fibers constituting the textile may be conductive fibers, Or by impregnating or printing conductive particles to the insulating fibers.
  • the second pressure sensor unit 520 is also a single-layer pressure sensor, and is disposed in the second layer of the pressure sensor 500.
  • the second pressure sensor unit 520 may also be a single-layer textile-like material produced using one of weaving, knitting and embroidery, and the fibers constituting the textile may be conductive fibers, Or by impregnating or printing conductive particles.
  • first pressure sensor unit 510 and the second pressure sensor unit 520 are of a textile type.
  • the present invention is not limited thereto.
  • the pressure sensor 500 has a structure in which two different pressure sensor parts 510 and 520 are stacked on each other.
  • the first pressure sensor part 510 and the second pressure sensor part 520 may have the same height.
  • the first pressure sensor part 510 and the second pressure sensor part 520 may be separately formed and then laminated and the first pressure sensor part 510 and the second pressure sensor part 520 may be continuous Or may be fabricated at one time in a laminated structure.
  • the manufacture of the first pressure sensor part 510 and the second pressure sensor part 520 will be described in detail below in the " method of manufacturing a pressure sensor ".
  • the first pressure sensor part 510 and the second pressure sensor part 520 have a pressure elastic modulus (modulus) of a specific size, which can be adjusted.
  • the pressure sensitivity of the first pressure sensor part 510 and the second pressure sensor part 520 can be adjusted by adjusting the pressure elastic modulus. That is, when the pressure elastic modulus is low and the drape property is high, the pressure sensitivity is high, and when the pressure elastic modulus is high and the drape property is low, the pressure sensitivity is low.
  • the pressure elastic modulus of the first pressure sensor part 510 and the pressure elastic modulus of the second pressure sensor part 520 may be different from each other.
  • the first pressure sensor unit 510 is a single-layer pressure sensor having a pressure elastic modulus of a first size
  • the second pressure sensor unit 520 is a pressure sensor having a pressure elastic modulus of a second size smaller than the first size
  • the branch may be a single layer pressure sensor. That is, the pressure elastic modulus of the first pressure sensor portion 510 may be greater than the pressure elastic modulus of the second pressure sensor portion 520.
  • a multi-layered pressure sensor 500 when a multi-layered pressure sensor 500 is constructed by stacking a pressure sensor having a low pressure elastic modulus on the upper side and a pressure sensor having a high pressure elastic modulus on the lower side (see FIG. 6
  • the pressure sensor having a low pressure elastic modulus i.e., the second pressure sensor part 520
  • a pressure sensor having a low pressure elastic modulus i.e., the second pressure sensor 520
  • a pressure sensor having a high pressure elastic modulus 1 pressure sensor unit 510) all sense the pressure change (Fig. 6 (c)). Therefore, the pressure sensor 500 can detect both the minimum pressure and the maximum pressure (multi-sensor), and has a wide range of sensing pressure than that of the single-layer pressure sensor.
  • a highly efficient sensor can be manufactured in which the resistance changes to the maximum pressure while the resistance changes to the minimum pressure.
  • a pressure sensor of a single layer can be stacked according to a performance range required by the user, thereby manufacturing a customized pressure sensor.
  • the pressure elastic modulus of the first pressure sensor part 510 and the second pressure sensor part 520 can be adjusted, The pressure elastic modulus can be adjusted by using different fiber yarns in the pressure sensor unit 520.
  • the pressure elastic modulus when the same fiber yarn is used, the pressure elastic modulus can be controlled by making the amounts of the conductive particles per unit area the same and by making the fiber densities different from each other. That is, the first pressure sensor unit 510 may increase the fiber density and the second pressure sensor unit 520 may decrease the fiber density. At this time, the number of impregnation times and the number of printing times can be increased and the amount of conductive particles per unit area can be made the same, as the pressure sensor portion having a small density of insulating fibers is increased.
  • the first pressure sensor portion 510 is formed of a fiber yarn having a large pressure elastic modulus (for example, a nylon fiber yarn)
  • the second pressure sensor portion 520 can be formed of a fiber yarn having a small elastic modulus (for example, a fiber yarn made of polyurethane). At this time, the amount of conductive particles per unit area is the same.
  • N is an integer of 2 or more layers.
  • the pressure elastic modulus of each of the N pressure sensor parts may be different from each other.
  • the stacking order can be determined based on the magnitude of the pressure elastic modulus of the N pressure sensor parts.
  • FIG. 7 shows an example in which a plurality of pressure sensor units are stacked in the order of increasing pressure elastic modulus of the plurality of pressure sensor units. That is, the pressure sensor portion of the uppermost layer among the N pressure sensor portions has a low high pressure elastic modulus, the pressure sensor portion of the lowermost layer among the plurality of pressure sensor portions has the highest pressure elastic modulus, A plurality of pressure sensor portions may be stacked in descending order of elastic modulus.
  • each of the N pressure sensor parts may be a textile material produced by using one of weaving, knitting and embroidery.
  • the fibers constituting the textile of each of the N pressure sensor parts may be conductive fibers, Or by impregnating or printing conductive particles on the fibers.
  • each of the N pressure sensor portions may be separately formed and then laminated, and preferably, the N pressure sensor portions may be manufactured at once in a laminated structure through a continuous process.
  • the pressure sensor may be configured by varying the amount of conductive particles in each layer. That is, in the upper layer, a pressure sensor portion composed of fibers containing a large amount of conductive particles is disposed in order to increase the pressure sensitivity, and a pressure sensor portion composed of fibers including a small amount of conductive particles is disposed in the lower layer in order to lower the pressure sensitivity can do.
  • FIG. 8 is a flowchart illustrating a method of manufacturing a pressure sensor according to an embodiment of the present invention. Hereinafter, a process performed in each step will be described.
  • step 810 a plurality of layers of laminated textiles are integrally formed.
  • FIG. 9 is a view for explaining a concept of integrally producing two layers of laminated textiles.
  • step 810 a fiber yarn is squeezed at a different density for each layer.
  • one of the weaving, knitting and embroidery methods can be used.
  • a plurality of layers of laminated textiles can be produced in one process.
  • the fiber yarn may be an insulating fiber yarn or a conductive fiber yarn, and the fiber yarn of each layer may be a fiber yarn of the same material, and the amount of the conductive particles per unit area is the same.
  • the method of manufacturing the pressure sensor is completed through step 810, and if the fiber yarn is an insulating fiber yarn, step 820 is further performed. That is, if the fiber yarn is an insulating fiber yarn, then in step 820, the deposited textile is impregnated or printed with conductive particles. At this time, when the impregnation is used, the deposited textile can be immersed in a solution containing the conductive particles and then removed to impregnate the conductive particles.
  • a plurality of layers formed by the conductive fiber threads into a plurality of layers or the insulating fiber threads including the conductive particles constitute a plurality of pressure sensor portions, and the pressure elastic modulus of each of the plurality of pressure sensor portions is different due to the density difference.
  • the method according to the present invention can manufacture the pressure sensor as shown in FIG.
  • FIG. 10 is a view showing a schematic configuration of a strain sensor according to an embodiment of the present invention.
  • the strain sensor 1000 is a sensor that senses a tensile force in a horizontal direction, and can be used in a wearable device product (shoes, clothes, bedding, etc.)
  • a first strain sensor unit 1010, and a second strain sensor unit 1020 are examples of a wearable device product.
  • the first strain sensor unit 1010 is one strain sensor, and is disposed on the left side of the strain sensor 1000.
  • the first strain sensor unit 1010 may be formed of a textile-like material produced using one of weaving, knitting, and embroidery, or may be a polymer material including conductive particles.
  • the fibers constituting the textile may be conductive fibers or may be produced by impregnating or printing conductive particles on the insulating fibers.
  • the second strain sensor unit 1020 is also a strain sensor, and is disposed on the right side of the strain sensor 1000.
  • the second strain sensor unit 1020 may also be a textile-like material produced using one of weaving, knitting, and embroidery, or may be a polymer material including conductive particles.
  • the fibers constituting the textile may be conductive fibers or may be produced by impregnating or printing conductive particles on the insulating fibers.
  • first strain sensor unit 1010 and the second strain sensor unit 1020 are made of a textile material.
  • the present invention is not limited thereto.
  • the strain sensor 1000 has a structure in which two different strain sensor units 1010 and 1020 of the same height are tangentially connected to each other in the left-right direction.
  • the first strain sensor portion 1010 and the second strain sensor portion 1020 may have the same height.
  • the first strain sensor unit 1010 and the second strain sensor unit 1020 may be separately formed and then contacted with each other.
  • the first strain sensor unit 1010 and the second strain sensor unit 1020 may be connected to each other, Or they may be manufactured at once in a state connected to each other through a continuous process.
  • silver paste is applied between one surface of the first strain sensor unit 1010 and the other surface of the second strain sensor unit 1020, and the first strain sensor unit 1010 And the second strain sensor unit 1020 can be stitched and connected through an electric wire.
  • first strain sensor portion 1010 and the second strain sensor portion 1020 will be described in detail in the “ strain sensor manufacturing method " below.
  • the first strain sensor portion 1010 and the second strain sensor portion 1020 have a tensile modulus (i.e., modulus) of a specific size, which can be adjusted.
  • the tensile sensitivity of the first strain sensor portion 1010 and the second strain sensor portion 1020 can be adjusted by adjusting the tensile elastic modulus. That is, a low tensile modulus and a high drapability result in a high tensile sensitivity and a high gauge factor, a high tensile modulus and a low drapability, resulting in a low tensile sensitivity and a gauge factor.
  • the tensile elastic modulus of the first strain sensor portion 1010 and the tensile elastic modulus of the second strain sensor portion 1020 may be different from each other.
  • the first strain sensor portion 1010 has a tensile elastic modulus of a first magnitude
  • the second strain sensor portion 1020 has a tensile modulus of a second magnitude
  • the first magnitude has a second magnitude
  • May be smaller or larger. 3 shows an example in which the first size is smaller than the second size.
  • the strain sensor part having a low tensile elastic modulus i.e., the first strain sensor part 1010
  • the strain sensor part having a high tensile elastic modulus (Step 1020) all detect a tensile force change (Fig. 11 (c)). Therefore, the strain sensor 1000 can detect both the minimum tensile force and the maximum tensile force (multi-sensor), and the range of the sensed tensile force is wide.
  • strain sensor when a strain sensor having different tensile sensitivity is tangentially connected to each other to fabricate a strain sensor as a multi-gauge factor flexible sensor, it is possible to manufacture a high-efficiency sensor in which the resistance varies with a minimum tensile force, have.
  • the strain sensor can be customized according to the performance range required by the user.
  • the tensile elastic modulus of the first strain sensor portion 1010 and the second strain sensor portion 1020 can be adjusted, or the tensile elastic modulus of the first strain sensor portion 1010 and the second strain sensor portion 1020 can be controlled.
  • the tensile elastic modulus can be adjusted by using different fiber yarns as the strain sensor unit 1020.
  • the tensile elastic modulus when the same fiber yarn is used, the tensile elastic modulus can be controlled by making the amount of the conductive particles equal to the unit area and making the fiber densities different from each other.
  • the first strain sensor unit 1010 may increase the fiber density and the second strain sensor unit 1020 may decrease the fiber density.
  • the number of impregnation times and the number of printing times can be increased and the amount of conductive particles per unit area can be made the same, as the pressure sensor portion having a small density of insulating fibers is increased.
  • the first strain sensor portion 1010 is formed of a fiber yarn having a large tensile elastic modulus (for example, a nylon fiber yarn)
  • the second strain sensor portion 1020 can be formed of a fiber yarn having a small elastic modulus (for example, a fiber yarn made of polyurethane). At this time, the amount of conductive particles per unit area is the same.
  • strain sensor having a structure in which three or more strain sensor parts are connected to each other.
  • N is an integer of 2 or more
  • the strain sensors may be connected to each other by contacting N strain sensors having the same height, and tensile elastic modulus of each of the N strain sensors may be different from each other.
  • connection order can be determined based on the magnitude of the tensile elastic modulus of the N strain sensor parts. That is, N strain sensors may be connected in order of increasing tensile elastic modulus, or N strain sensors may be connected in order of decreasing tensile elastic modulus.
  • the material of each of the N strain sensor units may be a textile material or a polymer material produced using one of weaving, knitting and embroidery.
  • the fibers constituting the textile of each of the N strain sensor portions may be conductive fibers or may be produced by impregnating or printing conductive particles on insulating fibers.
  • each of the N strain sensor portions may be separately formed and then connected, and the N pressure sensor portions may be manufactured at a time in a state where they are connected to each other through a continuous process.
  • strain sensors may be formed by varying the amount of conductive particles in each column.
  • the strain sensor portion having a high tensile elastic modulus corresponds to a strain sensor portion composed of fibers containing a small amount of conductive particles
  • the strain sensor portion having a low tensile modulus of elasticity is composed of a fiber including a large amount of conductive particles And corresponds to the strain sensor unit.
  • FIG. 13 is a flowchart illustrating a method of manufacturing a strain sensor according to an embodiment of the present invention. Hereinafter, a process performed in each step will be described.
  • step 1310 textiles that are tangent to each other and connected by a plurality of rows are integrally generated.
  • FIG. 14 is a diagram for explaining a concept of integrally creating a textile in contact with two columns.
  • step 1310 a fiber yarn is squeezed at a different density for each column.
  • one of the weaving, knitting and embroidery methods can be used.
  • a plurality of interconnected textiles can be created in one process.
  • the fiber yarn may be an insulating fiber yarn or a conductive fiber yarn, and the fiber yarn in each row may be a fiber yarn of the same material, and the amount of the conductive particles per unit area is the same.
  • the method of manufacturing the strain sensor is completed through step 1310, and if the fiber yarn is an insulating fiber yarn, step 1320 is further performed. That is, if the fiber yarn is an insulating fiber yarn, step 1320 impregnates or prints the conductive fibers on the connected textile. In this case, when the impregnation is used, the conductive particles may be impregnated by immersing the connected textile in a solution containing the conductive particles.
  • each of the plurality of rows of the insulating fiber yarns including the plurality of heat-conductive or conductive particles sandwiched by the conductive fiber yarns constitutes a plurality of strain sensor portions, and the tensile elastic modulus of each of the plurality of strain sensor portions is different due to the difference in density .
  • the strain sensor when the strain sensor is constituted by two rows, it has a high tensile elastic modulus in the case of the left side where the fiber yarn is densely present and a low tensile elastic modulus in the right side where the fiber yarn is loosely present. Therefore, the method according to the present invention can produce the strain sensor as shown in Fig.

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Force Measurement Appropriate To Specific Purposes (AREA)

Abstract

수직 방향의 압력을 센싱하는 압력 센서, 수평 방향의 인장력을 센싱하는 스트레인 센서 및 이들의 제조 방법이 개시된다. 개시된 압력 센서는 다수 개의 층으로 적층된 다수 개의 압력 센서부;를 포함하되, 상기 다수 개의 압력 센서부 각각의 압력 탄성 계수 및 단위 면적당 전도성 입자의 양 중에서 적어도 하나는 서로 다르다.

Description

수직 방향의 압력을 센싱하는 압력 센서, 수평 방향의 인장력을 센싱하는 스트레인 센서 및 이들의 제조 방법
본 발명의 실시예들은 수직 방향의 압력을 센싱하여 다양한 감지 성능을 구현하는 압력 센서와, 수평 방향의 인장력을 센싱하여 다양한 감지 성능을 구현하는 스트레인 센서와, 이들의 제조 방법에 관한 것이다.
압력 센서는 수직 방향의 압력의 센싱하는 장치로서, 압력을 감지하는 원리에 따라 다양한 종류가 존재하며, 일례로, 압저항형 압력 센서, 압전형 압력 센서, 정전용량형 압력 센서, 텍스타일 압력 센서 등이 있다.
특히, 텍스타일 압력 센서는 단층 구조를 가지며, 다층 구조 직물(2층 이상의 섬유 구조체로써 편물, 부직포에도 가능)의 상부 및 하부에 전도성 입자를 포함하는 섬유(도전사)을 교차하여 접촉되지 않게 배치되는 구조를 가진다.
도 1는 상기에서 설명한 단층의 텍스타일 압력 센서를 도시한 도면이다. 도 1을 참조하면, 텍스타일 압력 센서에 압력이 인가되는 경우, 섬유 내의 전도성 입자들이 움직이고, 전도성 입자의 거리 변화에 따라 저항이 변화하는 현상을 이용하여 압력이 감지된다.
텍스타일 압력 센서는 압력 탄성 계수(모듈러스) 또는 섬유에 포함되는 전도성 입자의 양에 따라서 압력 민감도가 조절된다. 즉, 압력 탄성 계수가 작거나 전도성 입자의 양이 많을수록 압력 민감도가 높아지고, 압력 탄성 계수가 크거나 전도성 입자의 양이 적을수록 압력 민감도가 낮아진다. 이는 도 2에 도시된 바와 같다.
다시 말해, 낮은 탄성 계수를 갖거나 전도성 입자의 양이 많은 텍스타일 압력 센서(도 2의 (a))는 압력 민감도가 높은 센서로서, 최소 감지 압력 및 최대 감지 압력이 낮다. 다시 말해, 높은 압력 민감도를 가지는 텍스타일 압력 센서는 낮은 압력에는 반응할 수 있지만 높은 압력에는 반응할 수 없는 특징이 있다.
그리고, 높은 탄성 계수를 갖거나 전도성 입자의 양이 적은 텍스타일 압력 센서(도 2의 (b))는 압력 민감도가 낮은 센서로서, 최소 감지 압력 및 최대 감지 압력이 높다. 다시 말해, 낮은 압력 민감도를 가지는 텍스타일 압력 센서는 높은 압력에는 반응할 수 있지만 낮은 압력에는 반응할 수 없는 특징이 있다.
즉, 상기에서 설명한 종래의 단층의 일반적인 텍스타일 압력 센서는 최소 감지 압력 및 최대 감지 압력이 모두 낮거나(도 2의 (a)), 또는 최소 감지 압력 및 최대 감지 압력이 모두 높기 때문에(도 2의 (b)), 감지 압력의 범위가 한정되어 있는 문제점이 있다.
한편, 스트레인 센서 또는 스트레인 게이지는 기계적인 미세한 변화(스트레인)을 전기 신호로 검출하는 센서로서, 특히 수평 방향의 인장력을 센싱할 수 있다. 스트레인 센서를 기계나 구조물의 표면에 접착해두면, 그 표면에서 생기는 미세한 치수의 변화(스트레인)을 측정하는 것이 가능하고, 그 크기로부터 강도나 안전성의 확인을 하는데 중요한 응력을 알 수 있다.
종래의 스트레인 센서는 텍스타일 재질 또는 고분자 재질로 이루어진다. 이 때, 스트레인 센서에 인장력이 가해지면, 도 3에 도시된 바와 같이 텍스타일 재질 또는 고분자 재질에 포함된 전도성 입자의 위치 등이 변화됨에 따라 저항이 변화하고, 상기한 저항을 측정하여 인장력을 센싱한다.
이 때, 종래의 스트레인 센서는 인장 탄성 계수 또는 섬유에 포함되는 전도성 입자의 양에 따라서 인장 민감도 또는 게이지 펙터가 조절된다. 즉, 인장 탄성 계수가 작거나 전도성 입자의 양이 많을수록 게이지 팩터가 높으며, 인장 탄성 계수가 크거나 전도성 입자의 양이 적을수록 게이지 팩터가 낮다.
도 4에서는 인장 탄성 계수가 낮거나 전도성 입자의 양이 많은 종래의 스트레인 센서(도 4의 (a)) 및 인장 탄성 계수가 크거나 전도성 입자의 양이 적은 종래의 스트레인 센서(도 4의 (b))를 도시하고 있다.
도 4를 참조하면, 낮은 인장 탄성 계수를 갖거나 전도성 입자의 양이 많은 스트레인 센서(도 4의 (a))는 인장 민감도가 높은 센서로서, 최소 감지 인장력 및 최대 감지 인장력이 낮다. 다시 말해, 낮은 인장 탄성 계수를 가지는 스트레인 센서는 낮은 인장력에는 반응할 수 있지만 높은 인장력에는 반응할 수 없는 특징이 있다.
그리고, 높은 인장 탄성 계수를 갖거나 전도성 입자의 양이 적은 스트레인 센서(도 4의 (b))는 인장 민감도가 낮은 센서로서, 최소 감지 인장력 및 최대 감지 인장력이 높다. 다시 말해, 높은 인장 탄성 계수를 가지는 스트레인 센서는 높은 인장력에는 반응할 수 있지만 낮은 인장력에는 반응할 수 없는 특징이 있다.
즉, 상기에서 설명한 종래의 스트레인 센서는 최소 감지 인장력 및 최대 감지 인장력이 모두 낮거나(도 4의 (a)), 또는 최소 감지 인장력 및 최대 감지 인장력이 모두 높기 때문에(도 4의 (b)), 감지 인장력의 범위가 한정되어 있는 문제점이 있다.
상기한 바와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위해, 본 발명에서는 수직 방향의 압력을 센싱하여 다양한 감지 성능을 구현하는 압력 센서와, 수평 방향의 인장력을 센싱하여 다양한 감지 성능을 구현하는 스트레인 센서와, 이들의 제조 방법을 제안하고자 한다.
본 발명의 다른 목적들은 하기의 실시예를 통해 당업자에 의해 도출될 수 있을 것이다.
상기한 목적을 달성하기 위해 본 발명의 일 실시예에 따르면, 수직 방향의 압력을 센싱하는 압력 센서에 있어서, 다수 개의 층으로 적층된 다수 개의 압력 센서부;를 포함하되, 상기 다수 개의 압력 센서부 각각의 압력 탄성 계수 및 단위 면적당 전도성 입자의 양 중에서 적어도 하나는 서로 다른 것을 특징을 하는 압력 센서가 제공된다.
또한, 본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 수평 방향의 인장력을 센싱하는 스트레인 센서에 있어서, 좌우 방향으로 서로 접하여 연결되는 다수 개의 스트레인 센서부;를 포함하되, 상기 다수 개의 스트레인 센서부 각각의 인장 탄성 계수 및 단위 면적당 전도성 입자의 양 중에서 적어도 하나는 서로 다른 것을 특징을 하는 스트레인 센서를 제공한다.
본 발명에 따른 압력 센서 및 스트레인 센서는 다양한 감지 성능을 구현할 수 있는 장점이 있다.
또한, 본 발명의 효과는 상기한 효과로 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 상세한 설명 또는 특허청구범위에 기재된 발명의 구성으로부터 추론 가능한 모든 효과를 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
도 1 및 도 2는 종래의 텍스타일 압력 센서의 개념을 도시한 도면이다.
도 3 및 도 4는 종래의 텍스타일 스트레인 센서의 개념을 도시한 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 압력 센서의 개략적인 구성을 도시한 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 압력 센서의 동작 개념을 설명하기 위한 도면이다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 압력 센서의 개략적인 구성을 도시한 도면이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 압력 센서의 제조 방법의 흐름도를 도시한 도면이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따라서, 2개의 층으로 적층된 텍스타일을 일체로 생성하는 개념을 설명하기 위한 도면이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 스트레인 센서의 개략적인 구성을 도시한 도면이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 스트레인 센서의 동작 개념을 설명하기 위한 도면이다.
도 12는 본 발명의 다른 실시예에 따른 스트레인 센서의 개략적인 구성을 도시한 도면이다.
도 13은 본 발명의 일 실시예에 따른 스트레인 센서의 제조 방법의 흐름도를 도시한 도면이다.
도 14는 본 발명의 일 실시예에 따라서, 2개의 열로 서로 연결된 텍스타일을 일체로 생성하는 개념을 설명하기 위한 도면이다.
본 명세서에서 사용되는 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "구성된다" 또는 "포함한다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 여러 구성 요소들, 또는 여러 단계들을 반드시 모두 포함하는 것으로 해석되지 않아야 하며, 그 중 일부 구성 요소들 또는 일부 단계들은 포함되지 않을 수도 있고, 또는 추가적인 구성 요소 또는 단계들을 더 포함할 수 있는 것으로 해석되어야 한다. 또한, 명세서에 기재된 "...부", "모듈" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어 또는 소프트웨어로 구현되거나 하드웨어와 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.
이하, 본 발명의 다양한 실시예들을 첨부된 도면을 참조하여 상술한다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 압력 센서의 개략적인 구성을 도시한 도면이다.
도 5를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 압력 센서(500)는 수직 방향의 압력을 센싱하는 센서로서, 웨어러블 디바이스 제품(신발, 의류, 침구류 등), 바이오 센서 등에 이용될 수 있으며, 제1 압력 센서부(510) 및 제2 압력 센서부(520)를 포함한다.
제1 압력 센서부(510)는 단층의 압력 센서로서, 압력 센서(500)의 제1 층에 배치된다.
이 때, 제1 압력 센서부(510)는 제직, 편성 및 자수 중 하나의 방법을 이용하여 생성된 텍스타일 형태의 재질의 단층의 압력 센서일 수 있으며, 텍스타일을 구성하는 섬유는 전도성 섬유이거나, 또는 절연성 섬유에 전도성 입자를 함침하거나 프린팅하여 생성될 수 있다.
그리고, 제2 압력 센서부(520) 역시 단층의 압력 센서로서, 압력 센서(500)의 제2 층에 배치된다.
이 때, 제2 압력 센서부(520) 역시 제직, 편성 및 자수 중 하나의 방법을 이용하여 생성된 단층의 텍스타일 형태의 재질일 수 있으며, 텍스타일을 구성하는 섬유는 전도성 섬유이거나, 또는 절연성 섬유에 전도성 입자를 함침하거나 프린팅하여 생성될 수 있다.
이하, 설명의 편의를 위해, 제1 압력 센서부(510) 및 제2 압력 센서부(520)가 텍스타일 형태의 재질인 것으로 가정하여 설명한다. 그러나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.
요컨대, 압력 센서(500)는 서로 다른 2개의 압력 센서부(510, 520)가 서로 적층되어 있는 구조를 가진다. 이 때, 제1 압력 센서부(510) 및 제2 압력 센서부(520)는 동일한 높이를 가질 수 있다. 그리고, 제1 압력 센서부(510) 및 제2 압력 센서부(520) 각각은 서로 별도로 생성된 후 적층될 수도 있고, 제1 압력 센서부(510) 및 제2 압력 센서부(520)가 연속 공정을 통해 적층된 구조로 한번에 제조될 수도 있다. 제1 압력 센서부(510) 및 제2 압력 센서부(520)의 제조는 아래에서 "압력 센서의 제조 방법"에서 상세하게 설명하기로 한다.
한편, 제1 압력 센서부(510) 및 제2 압력 센서부(520)는 특정 크기의 압력 탄성 계수(모듈러스)을 가지며, 이는 조절될 수 있다. 그리고, 압력 탄성 계수의 조절을 통해 제1 압력 센서부(510) 및 제2 압력 센서부(520)의 압력 민감도가 조절될 수 있다. 즉, 압력 탄성 계수가 낮고 드레이프성이 높은 경우 압력 민감도가 커지고, 압력 탄성 계수가 높고 드레이프성이 낮은 경우 압력 민감도가 낮아진다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 제1 압력 센서부(510)의 압력 탄성 계수와 제2 압력 센서부(520)의 압력 탄성 계수는 서로 다를 수 있다. 이를 통해, 압력 센서(500)의 감지 압력의 범위를 넓힐 수 있는 장점이 있다.
보다 상세하게, 제1 압력 센서부(510)는 제1 크기의 압력 탄성 계수를 가지는 단층의 압력 센서이고, 제2 압력 센서부(520)는 제1 크기보다 작은 제2 크기의 압력 탄성 계수를 가지는 단층의 압력 센서일 수 있다. 즉, 제1 압력 센서부(510)의 압력 탄성 계수는 제2 압력 센서부(520)의 압력 탄성 계수보다 클 수 있다.
다시 말해, 도 6을 참조하면, 낮은 압력 탄성 계수를 갖는 압력 센서를 상부에, 높은 압력 탄성 계수를 갖는 압력 센서를 하부에 적층하여 다층의 압력 센서(500)를 구성하는 경우(도 6의 (a)), 최소의 압력이 압력 센서(500)에 인가되면 낮은 압력 탄성 계수의 압력 센서(즉, 제2 압력 센서부(520))가 압력 변화를 감지하여 최소 압력에도 센서가 반응하며(도 6의 (b)), 최대의 압력이 압력 센서(500)에 인가되면 낮은 압력 탄성 계수의 압력 센서(즉, 제2 압력 센서부(520))와 높은 압력 탄성 계수의 압력 센서(즉, 제1 압력 센서부(510)) 모두가 압력 변화를 감지한다(도 6의 (c)). 따라서, 압력 센서(500)는 최소 압력 및 최대 압력을 모두 감지할 수 있게 되며(멀티 센서), 단층의 압력 센서보다 감지 압력의 범위가 넓은 장점이 있다.
즉, 서로 다른 압력 민감도를 가지는 단층의 압력 센서를 적층하여 하나의 압력 센서로 제작하면 최소의 압력에도 저항이 변화하면서 최대의 압력에도 저항이 변화하는 고효율의 센서를 제작할 수 있다. 또한, 단층의 압력 센서를 사용자가 필요한 성능 범위에 따라 적층하여 커스터마이징된 압력 센서를 제작할 수 있다.
한편, 동일한 섬유실(원사)의 섬유 밀도의 조절을 통해 제1 압력 센서부(510) 및 제2 압력 센서부(520)의 압력 탄성 계수를 조절하거나 제1 압력 센서부(510) 및 제2 압력 센서부(520)를 서로 다른 섬유실의 사용함으로써 압력 탄성 계수를 조절할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 동일한 섬유실을 사용하는 경우, 단위 면적당 전도성 입자의 양은 동일하게 하고, 섬유 밀도를 서로 다르게 하여 압력 탄성 계수를 조절할 수 있다. 즉, 제1 압력 센서부(510)는 섬유 밀도를 크게 형성하고, 제2 압력 센서부(520)는 섬유 밀도를 작게 형성할 수 있다. 이 때, 절연성 섬유의 밀도가 작은 압력 센서부일수록 함침 횟수 및 프린팅 횟수를 증가시켜 단위 면적당 전도성 입자의 양을 동일하게 할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 서로 다른 섬유실을 사용하는 경우, 압력 탄성 계수가 큰 섬유실(예를 들어, 나일론 재질의 섬유실)로 제1 압력 센서부(510)를 형성하고, 압력 탄성 계수가 작은 섬유실(예를 들어, 폴리 우레탄 재질의 섬유실)로 제2 압력 센서부(520)를 형성할 수 있다. 이 때, 단위 면적당 전도성 입자의 양은 동일하다.
또한, 상기에서 설명한 내용은 3 이상의 단층의 압력 센서를 적층하는 압력 센서의 경우에도 적용될 수 있다.
도 7에서는 N개(N는 2 이상이 정수임)의 층으로 적층된 N개의 압력 센서부를 포함하는 압력 센서를 도시하고 있다.
도 7를 참조하면, N개의 압력 센서부 각각의 압력 탄성 계수는 서로 다를 수 있다. 이 경우, N개의 압력 센서부는 압력 탄성 계수의 크기를 기준으로 하여 적층 순서가 결정될 수 있다. 일례로, 도 7에서는 다수 개의 압력 센서부의 압력 탄성 계수가 큰 순서부터 다수 개의 압력 센서부를 적층하는 일례를 도시하고 있다. 즉, N개의 압력 센서부 중 최고층의 압력 센서부는 낮은 높은 압력 탄성 계수를 가지고, 다수 개의 압력 센서부 중 최저층의 압력 센서부는 가장 높은 압력 탄성 계수를 가지며, 최저층의 압력 센서부를 기준으로 하여, 압력 탄성 계수의 내림 차순으로 다수 개의 압력 센서부가 적층될 수 있다.
또한, N개의 압력 센서부 각각의 재질은 제직, 편성 및 자수 중 하나의 방법을 이용하여 생성된 텍스타일 재질일 수 있으며, N개의 압력 센서부 각각의 텍스타일을 구성하는 섬유는 전도성 섬유이거나, 또는 절연성 섬유에 전도성 입자를 함침하거나 프린팅하여 생성될 수 있다. 이 경우, N개의 압력 센서부 각각은 서로 별도로 생성된 후 적층될 수도 있고, 바람직하게는 N개의 압력 센서부는 연속 공정을 통해 적층된 구조로 한번에 제조될 수도 있다.
그리고, 상기에서는 압력 탄성 계수를 중심으로 다층 구조를 형성하는 일례를 설명하였으나, 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 각 층의 전도성 입자의 양을 달리하여 압력 센서를 구성할 수도 있다. 즉, 상부층에는 압력 민감도를 높이기 위해 많은 양의 전도성 입자를 포함하는 섬유로 구성되는 압력 센서부를 배치하고, 하부층에는 압력 민감도를 낮게 하기 위해 적은 양의 전도성 입자를 포함하는 섬유로 구성된 압력 센서부를 배치할 수 있다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 압력 센서의 제조 방법의 흐름도를 도시한 도면이다. 이하, 각 단계 별로 수행되는 과정을 설명하기로 한다.
먼저, 단계(810)에서는 다수의 층으로 적층된 텍스타일을 일체로 생성한다.
도 9에서는 2개의 층으로 적층된 텍스타일을 일체로 생성하는 개념을 설명하기 위한 도면이다.
도 9를 참조하면, 단계(810)에서는 각 층 마다 상이한 밀도로 섬유실을 짠다. 여기서, 제직, 편성 및 자수 중 하나의 방법이 이용될 수 있다. 따라서, 다수의 층으로 적층된 텍스타일을 하나의 공정으로 생성할 수 있다.
이 때, 섬유실은 절연성 섬유실 또는 전도성 섬유실일 수 있고, 각 층의 섬유실은 동일한 재질의 섬유실일 수 있으며, 단위 면적당 전도성 입자의 양은 동일하다. 만약, 섬유실이 전도성 섬유실인 경우, 단계(810)을 통해 압력 센서의 제조 방법이 완료되며, 섬유실이 절연성 섬유실인 경우, 단계(820)가 더 수행된다. 즉, 섬유실이 절연성 섬유실인 경우, 단계(820)에서는 상기 적층된 텍스타일에 전도성 입자를 함침하거나 프린팅한다. 이 때, 함침을 이용하는 경우, 전도성 입자가 포함된 용액에 상기 적층된 텍스타일을 담궜다가 빼서 전도성 입자를 함침할 수 있다.
따라서, 전도성 섬유실로 짜진 다수의 층 또는 전도성 입자가 포함된 절연성 섬유실로 짜진 다수의 층이 다수 개의 압력 센서부를 구성하고, 다수 개의 압력 센서부 각각의 압력 탄성 계수는 상기 밀도 차이로 인해 서로 다르다.
일례로, 압력 센서가 2층으로 적층되는 경우, 섬유실이 촘촘하게 존재하는 제1 층의 경우 많은 높은 압력 탄성 계수를 가지고, 섬유실이 느슨하게 존재하는 제2 층의 경우 낮은 압력 탄성 계수를 가진다. 따라서, 본 발명에 따른 방법은 도 5와 같은 압력 센서를 제조할 수 있다.
지금까지 본 발명에 따른 압력 센서의 제조 방법의 실시예들에 대하여 설명하였고, 앞서 도 5 내지 도 7에서 설명한 압력 센서(500)에 관한 구성이 본 실시예에도 그대로 적용 가능하다. 이에, 보다 상세한 설명은 생략하기로 한다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 스트레인 센서의 개략적인 구성을 도시한 도면이다.
도 10을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 스트레인 센서(1000)는 수평 방향의 인장력을 센싱하는 센서로서, 웨어러블 디바이스 제품(신발, 의류, 침구류 등), 바이오 센서 등에 이용될 수 있으며, 제1 스트레인 센서부(1010) 및 제2 스트레인 센서부(1020)를 포함한다.
제1 스트레인 센서부(1010)는 하나의 스트레인 센서로서, 스트레인 센서(1000)의 좌측에 배치된다.
이 때, 제1 스트레인 센서부(1010)는 제직, 편성 및 자수 중 하나의 방법을 이용하여 생성된 텍스타일 형태의 재질일 수 있으며, 전도성 입자를 포함하는 고분자 재질일 수도 있다. 그리고, 텍스타일 형태의 재질인 경우, 텍스타일을 구성하는 섬유는 전도성 섬유이거나, 또는 절연성 섬유에 전도성 입자를 함침하거나 프린팅하여 생성될 수 있다.
그리고, 제2 스트레인 센서부(1020) 역시 하나의 스트레인 센서로서, 스트레인 센서(1000)의 우측에 배치된다.
이 때, 제2 스트레인 센서부(1020) 역시 제직, 편성 및 자수 중 하나의 방법을 이용하여 생성된 텍스타일 형태의 재질일 수 있으며, 전도성 입자를 포함하는 고분자 재질일 수도 있다. 그리고, 텍스타일 형태의 재질인 경우, 텍스타일을 구성하는 섬유는 전도성 섬유이거나, 또는 절연성 섬유에 전도성 입자를 함침하거나 프린팅하여 생성될 수 있다.
이하, 설명의 편의를 위해, 제1 스트레인 센서부(1010) 및 제2 스트레인 센서부(1020)가 텍스타일 형태의 재질인 것으로 가정하여 설명한다. 그러나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.
요컨대, 스트레인 센서(1000)는 동일한 높이의 서로 다른 2개의 스트레인 센서부(1010, 1020)가 좌우 방향으로 서로 접하여 연결되는 구조를 가진다. 이 때, 제1 스트레인 센서부(1010) 및 제2 스트레인 센서부(1020)는 동일한 높이를 가질 수 있다. 그리고, 제1 스트레인 센서부(1010) 및 제2 스트레인 센서부(1020) 각각은 서로 별도로 생성된 후 서로 접하게 연결될 수도 있고, 제1 스트레인 센서부(1010) 및 제2 스트레인 센서부(1020)가 연속 공정을 통해 서로 연결된 상태로 한번에 제조될 수도 있다.
이 때, 서로 별도로 생성된 후에 연결되는 경우, 서로 접하는 제1 스트레인 센서부(1010)의 일면과 제2 스트레인 센서부(1020)의 타면 사이에는 실버페이스트가 발려지고, 제1 스트레인 센서부(1010)와 제2 스트레인 센서부(1020)는 전도사를 통해 박음질되어 연결될 수 있다.
그리고, 연속 공정을 이용하는 경우, 제1 스트레인 센서부(1010) 및 제2 스트레인 센서부(1020)의 제조는 아래에서 "스트레인 센서의 제조 방법"에서 상세하게 설명하기로 한다.
한편, 제1 스트레인 센서부(1010) 및 제2 스트레인 센서부(1020)는 특정 크기의 인장 탄성 계수(즉, 모듈러스)을 가지며, 이는 조절될 수 있다. 그리고, 인장 탄성 계수의 조절을 통해 제1 스트레인 센서부(1010) 및 제2 스트레인 센서부(1020)의 인장 민감도가 조절될 수 있다. 즉, 인장 탄성 계수가 낮고 드레이프성이 높은 경우 인장 민감도 및 게이지 팩터가 높으며, 인장 탄성 계수가 높고 드레이프성이 낮은 경우 인장 민감도 및 게이지 팩터가 낮아진다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 제1 스트레인 센서부(1010)의 인장 탄성 계수와 제2 스트레인 센서부(1020)의 인장 탄성 계수는 서로 다를 수 있다. 이를 통해, 스트레인 센서(1000)의 감지 압력의 범위를 넓힐 수 있는 장점이 있다.
보다 상세하게, 제1 스트레인 센서부(1010)는 제1 크기의 인장 탄성 계수를 가지고, 제2 스트레인 센서부(1020)는 제2 크기의 인장 탄성 계수를 가지되, 제1 크기는 제2 크기보다 작을 수도 있고 클 수도 있다. 도 3에서는 제1 크기가 제2 크기보다 작은 일례를 도시하고 있다.
이 때, 도 11를 참조하면, 낮은 인장 탄성 계수를 갖는 스트레인 센서부를 좌측에, 높은 인장 탄성 계수를 갖는 스트레인 센서부를 우측에 연결하는 경우에 있어(도 11의 (a)), 최소의 인장력이 스트레인 센서(1000)에 인가되면 낮은 인장 탄성 계수의 스트레인 센서부(즉, 제1 스트레인 센서부(1010))가 인장력 변화를 감지하여 최소 인장력에도 센서가 반응하며(도 11의 (b)), 최대의 인장력이 압력 센서(1000)에 인가되면, 낮은 인장 탄성 계수의 스트레인 센서부(즉, 제1 스트레인 센서부(1010))와 높은 인장 탄성 계수의 스트레인 센서부(즉, 제2 스트레인 센서부(1020)) 모두가 인장력 변화를 감지한다(도 11의 (c)). 따라서, 스트레인 센서(1000)는 최소 인장력 및 최대 인장력을 모두 감지할 수 있게 되며(멀티 센서), 감지 인장력의 범위가 넓은 장점이 있다.
즉, 서로 다른 인장 민감도를 가지는 스트레인 센서를 서로 접하게 연결하여 멀티 게이지 팩터 플렉시블 센서인 하나의 스트레인 센서로 제작하면 최소의 인장력에도 저항이 변화하면서 최대의 인장력에도 저항이 변화하는 고효율의 센서를 제작할 수 있다. 또한, 사용자가 필요한 성능 범위에 따라 스트레인 센서를 커스터마이징된 스트레인 센서를 제작할 수 있다.
한편, 동일한 섬유실(원사)의 섬유 밀도의 조절을 통해 제1 스트레인 센서부(1010) 및 제2 스트레인 센서부(1020)의 인장 탄성 계수를 조절하거나 제1 스트레인 센서부(1010) 및 제2 스트레인 센서부(1020)를 서로 다른 섬유실의 사용함으로써 인장 탄성 계수를 조절할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 동일한 섬유실을 사용하는 경우, 단위 면적당 전도성 입자의 양은 동일하게 하고, 섬유 밀도를 서로 다르게 하여 인장 탄성 계수를 조절할 수 있다. 일례로, 제1 스트레인 센서부(1010)는 섬유 밀도를 크게 형성하고, 제2 스트레인 센서부(1020)는 섬유 밀도를 작게 형성할 수 있다. 이 때, 절연성 섬유의 밀도가 작은 압력 센서부일수록 함침 횟수 및 프린팅 횟수를 증가시켜 단위 면적당 전도성 입자의 양을 동일하게 할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 서로 다른 섬유실을 사용하는 경우, 인장 탄성 계수가 큰 섬유실(예를 들어, 나일론 재질의 섬유실)로 제1 스트레인 센서부(1010)를 형성하고, 인장 탄성 계수가 작은 섬유실(예를 들어, 폴리 우레탄 재질의 섬유실)로 제2 스트레인 센서부(1020)를 형성할 수 있다. 이 때, 단위 면적당 전도성 입자의 양은 동일하다.
또한, 상기에서 설명한 내용은 3 이상의 스트레인 센서부를 서로 접하여 연결하는 구조를 가지는 스트레인 센서의 경우에도 적용될 수 있다.
도 12에서는 N개(N는 2 이상이 정수임)의 스트레인 센서부를 서로 연결하는 스트레인 센서를 도시하고 있다.
도 12를 참조하면, 스트레인 센서는 높이가 동일한 N개의 스트레인 센서부를 서로 접하여 연결할 수 있으며, N개의 스트레인 센서부 각각의 인장 탄성 계수는 서로 다를 수 있다.
이 경우, N개의 스트레인 센서부는 인장 탄성 계수의 크기를 기준으로 하여 연결 순서가 결정될 수 있다. 즉, 인장 탄성 계수가 큰 순서대로 N개의 스트레인 센서부를 연결할 수도 있고, 인장 탄성 계수가 작은 순서대로 N개의 스트레인 센서부를 연결할 수도 있다.
또한, N개의 스트레인 센서부 각각의 재질은 제직, 편성 및 자수 중 하나의 방법을 이용하여 생성된 텍스타일 재질 또는 고분자 재질일 수 있다.
만약, 텍스타일 재질인 경우, N개의 스트레인 센서부 각각의 텍스타일을 구성하는 섬유는 전도성 섬유이거나, 또는 절연성 섬유에 전도성 입자를 함침하거나 프린팅하여 생성될 수 있다. 이 경우, N개의 스트레인 센서부 각각은 서로 별도로 생성된 후 연결될 수도 있고, N개의 압력 센서부는 연속 공정을 통해 서로 연결된 상태에서 한번에 제조될 수도 있다.
그리고, 상기에서는 인장 탄성 계수를 중심으로 본 발명의 일례를 설명하였으나, 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 각 열의 전도성 입자의 양을 달리하여 스트레인 센서를 구성할 수도 있다. 이 때, 높은 인장 탄성 계수를 가지는 스트레인 센서부는 적은 양의 전도성 입자를 포함하는 섬유로 구성된 스트레인 센서부와 대응되고, 낮은 인장 탄성 계수를 가지는 스트레인 센서부는 많은 양의 전도성 입자를 포함하는 섬유로 구성된 스트레인 센서부와 대응된다.
도 13은 본 발명의 일 실시예에 따른 스트레인 센서의 제조 방법의 흐름도를 도시한 도면이다. 이하, 각 단계 별로 수행되는 과정을 설명하기로 한다.
먼저, 단계(1310)에서는 다수의 열로 서로 접하여 연결되는 텍스타일을 일체로 생성한다.
도 14에서는 2개의 열로 접하여 연결된 텍스타일을 일체로 생성하는 개념을 설명하기 위한 도면이다.
도 14을 참조하면, 단계(1310)에서는 각 열 마다 상이한 밀도로 섬유실을 짠다. 여기서, 제직, 편성 및 자수 중 하나의 방법이 이용될 수 있다. 따라서, 다수의 열로 연결된 텍스타일을 하나의 공정으로 생성할 수 있다.
이 때, 섬유실은 절연성 섬유실 또는 전도성 섬유실일 수 있고, 각 열의 섬유실은 동일한 재질의 섬유실일 수 있으며, 단위 면적당 전도성 입자의 양은 동일하다. 만약, 섬유실이 전도성 섬유실인 경우, 단계(1310)을 통해 스트레인 센서의 제조 방법이 완료되며, 섬유실이 절연성 섬유실인 경우, 단계(1320)가 더 수행된다. 즉, 섬유실이 절연성 섬유실인 경우, 단계(1320)에서는 상기 연결된 텍스타일에 전도성 입자를 함침하거나 프린팅한다. 이 때, 함침을 이용하는 경우, 전도성 입자가 포함된 용액에 상기 연결된 텍스타일을 담궜다가 빼서 전도성 입자를 함침할 수 있다.
따라서, 전도성 섬유실로 짜진 다수의 열 또는 전도성 입자가 포함된 절연성 섬유실로 짜진 다수의 열 각각이 다수 개의 스트레인 센서부를 구성하고, 다수 개의 스트레인 센서부 각각의 인장 탄성 계수는 상기 밀도 차이로 인해 서로 다르다.
일례로, 스트레인 센서가 2열로 구성되는 경우, 섬유실이 촘촘하게 존재하는 좌측의 경우 높은 인장 탄성 계수를 가지고, 섬유실이 느슨하게 존재하는 우측의 경우 낮은 인장 탄성 계수를 가진다. 따라서, 본 발명에 따른 방법은 도 3과 같은 스트레인 센서를 제조할 수 있다.
지금까지 본 발명에 따른 스트레인 센서의 제조 방법의 실시예들에 대하여 설명하였고, 앞서 도 10 내지 도 13에서 설명한 스트레인 센서(1000)에 관한 구성이 본 실시예에도 그대로 적용 가능하다. 이에, 보다 상세한 설명은 생략하기로 한다.
이상과 같이 본 발명에서는 구체적인 구성 요소 등과 같은 특정 사항들과 한정된 실시예 및 도면에 의해 설명되었으나 이는 본 발명의 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상적인 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 따라서, 본 발명의 사상은 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 것들은 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.

Claims (15)

  1. 수직 방향의 압력을 센싱하는 압력 센서에 있어서,
    다수 개의 층으로 적층된 다수 개의 압력 센서부;를 포함하되,
    상기 다수 개의 압력 센서부 각각의 압력 탄성 계수 및 단위 면적당 전도성 입자의 양 중에서 적어도 하나는 서로 다른 것을 특징을 하는 압력 센서.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 다수 개의 압력 센서부는 상기 압력 탄성 계수의 크기 또는 상기 단위 면적당 전도성 입자의 양을 기준으로 하여 적층 순서가 결정되는 것을 특징으로 하는 압력 센서.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 다수 개의 압력 센서부의 압력 탄성 계수가 큰 순서부터 또는 상기 단위 면적당 전도성 입자의 양이 적은 순서부터 상기 다수 개의 압력 센서부가 적층되는 것을 특징으로 하는 압력 센서.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 다수 개의 압력 센서부는 텍스타일 재질을 가지되, 연속 공정을 통해 상기 적층되는 다수 개의 압력 센서부가 제조되는 것을 특징으로 하는 압력 센서.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 적층되는 다수 개의 압력 센서부는 각 층 마다 상이한 밀도로 짠 동일한 절연성 섬유에 전도성 입자를 함침하거나 프린팅하여 생성되는 것을 특징으로 하는 압력 센서.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 절연성 섬유의 밀도가 작은 압력 센서부일수록 함침 횟수 및 프린팅 횟수를 증가시켜 전도성 입자의 양을 증가시키는 것을 특징으로 하는 압력 센서.
  7. 제4항에 있어서,
    상기 적층되는 다수 개의 압력 센서부는 하나의 공정을 통해 각 층 마다 상이한 밀도로 짠 동일한 전도성 섬유의 재질인 것을 특징으로 하는 압력 센서.
  8. 수평 방향의 인장력을 센싱하는 스트레인 센서에 있어서,
    좌우 방향으로 서로 접하여 연결되는 다수 개의 스트레인 센서부;를 포함하되,
    상기 다수 개의 스트레인 센서부 각각의 인장 탄성 계수 및 단위 면적당 전도성 입자의 양 중에서 적어도 하나는 서로 다른 것을 특징을 하는 스트레인 센서.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 다수 개의 스트레인 센서부는 상기 인장 탄성 계수의 크기 또는 상기 단위 면적당 전도성 입자의 양을 기준으로 하여 연결 순서가 결정되는 것을 특징으로 하는 스트레인 센서.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 다수 개의 스트레인 센서부는 인장 탄성 계수의 크기의 올림 차순 또는 내림 차순의 순서로 또는 상기 단위 면적당 전도성 입자의 양의 올림 차순 또는 내림 차순의 순서로 좌우 방향으로 서로 접하여 연결되는 것을 특징으로 하는 스트레인 센서.
  11. 제8항에 있어서,
    상기 다수 개의 스트레인 센서부는 텍스타일 재질을 가지되, 연속 공정을 통해 상기 서로 접하여 연결되는 다수 개의 스트레인 센서부가 제조되는 것을 특징으로 하는 스트레인 센서.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 서로 접하여 연결되는 다수 개의 스트레인 센서부는 각 열 마다 상이한 밀도로 짠 동일한 절연성 섬유에 전도성 입자를 함침하거나 프린팅하여 생성되는 것을 특징으로 하는 스트레인 센서.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 절연성 섬유의 밀도가 작은 압력 센서부일수록 함침 횟수 및 프린팅 횟수를 증가시켜 전도성 입자의 양을 증가시키는 것을 특징으로 하는 스트레인 센서.
  14. 제11항에 있어서,
    상기 서로 접하여 연결되는 다수 개의 스트레인 센서부는 하나의 공정을 통해 각 열 마다 상이한 밀도로 짠 동일한 전도성 섬유의 재질인 것을 특징으로 하는 스트레인 센서.
  15. 제8항에 있어서,
    상기 다수 개의 스트레인 센서부 중 제1 스트레인 센서부와 제2 스트레인 센서부가 서로 연결되되,
    서로 접하는 상기 제1 스트레인 센서부의 일면과 상기 제2 스트레인 센서부의 타면 사이에는 실버페이스트가 발려지고, 상기 제1 스트레인 센서부와 상기 제2 스트레인 센서부는 전도사를 통해 박음질되어 연결되는 것을 특징으로 하는 스트레인 센서.
PCT/KR2018/001593 2017-09-20 2018-02-06 수직 방향의 압력을 센싱하는 압력 센서, 수평 방향의 인장력을 센싱하는 스트레인 센서 및 이들의 제조 방법 WO2019059468A1 (ko)

Priority Applications (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
EP18858190.4A EP3686570A4 (en) 2017-09-20 2018-02-06 PRESSURE SENSOR FOR DETECTING PRESSURE IN A VERTICAL DIRECTION, STRAIN SENSOR FOR DETECTING TENSION IN A HORIZONTAL DIRECTION AND PROCESS FOR MANUFACTURING SENSORS
US16/649,071 US11467048B2 (en) 2017-09-20 2018-02-06 Pressure sensor for sensing pressure in vertical direction, strain sensor for sensing tension in horizontal direction, and method for manufacturing sensors

Applications Claiming Priority (4)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR20170121131 2017-09-20
KR20170121130 2017-09-20
KR10-2017-0121130 2017-09-20
KR10-2017-0121131 2017-09-20

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2019059468A1 true WO2019059468A1 (ko) 2019-03-28

Family

ID=65810721

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/KR2018/001593 WO2019059468A1 (ko) 2017-09-20 2018-02-06 수직 방향의 압력을 센싱하는 압력 센서, 수평 방향의 인장력을 센싱하는 스트레인 센서 및 이들의 제조 방법

Country Status (3)

Country Link
US (1) US11467048B2 (ko)
EP (1) EP3686570A4 (ko)
WO (1) WO2019059468A1 (ko)

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US11725992B2 (en) * 2018-01-05 2023-08-15 Sony Corporation Sensor, inputting device, and electronic apparatus
CN112798158B (zh) * 2021-04-14 2021-08-10 江西新力传感科技有限公司 一种压力传感器芯片及压力传感器

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20130118267A1 (en) * 2011-11-14 2013-05-16 National University Corporation Shizuoka University Strain Sensor
US8590389B2 (en) * 2012-02-10 2013-11-26 Metrodyne Microsystems Corporation, R.O.C. MEMS pressure sensor device and manufacturing method thereof
KR20150096316A (ko) * 2014-02-14 2015-08-24 오므론 가부시키가이샤 정전용량형 압력 센서 및 입력 장치
KR101554543B1 (ko) * 2015-02-17 2015-09-21 고려대학교 산학협력단 압력센서
KR20170028171A (ko) * 2015-09-03 2017-03-13 엘지이노텍 주식회사 압력 센서

Family Cites Families (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CA2784997C (en) * 2009-12-30 2018-06-19 Jacques Beauvais Carbon nanotubes based sensing elements and system for monitoring and mapping force, strain and stress
US20170153738A1 (en) * 2015-11-30 2017-06-01 Flex Ltd. Dual layer force sensitive resistor sensor
GB2549451A (en) * 2016-02-17 2017-10-25 The Helping Hand Company (Ledbury) Ltd Support evaluation device
US10267690B2 (en) * 2016-09-13 2019-04-23 The Board Of Trustees Of The Leland Stanford Junior University Capacitive force/torque sensor

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20130118267A1 (en) * 2011-11-14 2013-05-16 National University Corporation Shizuoka University Strain Sensor
US8590389B2 (en) * 2012-02-10 2013-11-26 Metrodyne Microsystems Corporation, R.O.C. MEMS pressure sensor device and manufacturing method thereof
KR20150096316A (ko) * 2014-02-14 2015-08-24 오므론 가부시키가이샤 정전용량형 압력 센서 및 입력 장치
KR101554543B1 (ko) * 2015-02-17 2015-09-21 고려대학교 산학협력단 압력센서
KR20170028171A (ko) * 2015-09-03 2017-03-13 엘지이노텍 주식회사 압력 센서

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
See also references of EP3686570A4 *

Also Published As

Publication number Publication date
EP3686570A1 (en) 2020-07-29
US20200264058A1 (en) 2020-08-20
EP3686570A4 (en) 2021-06-09
US11467048B2 (en) 2022-10-11

Similar Documents

Publication Publication Date Title
WO2017039401A1 (ko) 압력 센서
WO2019059468A1 (ko) 수직 방향의 압력을 센싱하는 압력 센서, 수평 방향의 인장력을 센싱하는 스트레인 센서 및 이들의 제조 방법
US7365031B2 (en) Conductive pressure sensitive textile
JP5668966B2 (ja) 導電性織物及び導電性織物を使用したタッチセンサ装置
CN107257869B (zh) 具有导电路径的织造物
CN102002791B (zh) 一种感触电子织物
CN110926661B (zh) 一种柔性织物压力与应变复合传感器
US20190017885A1 (en) Woven fabric having a plurality of woven fabric layers
KR20120122269A (ko) 나노섬유 웹을 이용한 정전용량형 압력센서
WO2016095324A1 (zh) 光纤感应层及其监测系统
JP7186179B2 (ja) 成型編地および成型編地の使用
WO2021141395A1 (ko) 전도사 압력센서
JP5659349B2 (ja) 引張変形検知布
WO2021045365A1 (ko) 압력센서
Terada et al. Functional fabric pattern—Examining the case of pressure detection and localization
WO2018147583A1 (ko) 햅틱 피드백 섬유체, 햅틱 피드백 직물 및 웨어러블 디바이스
WO2019059469A1 (ko) 요철을 가지는 압력 센서 및 이의 제조 방법
KR20170093655A (ko) 촉각센서
KR20190032986A (ko) 수직 방향의 압력을 센싱하는 압력 센서 및 이의 제조 방법
CN219551734U (zh) 一种布料基材的指状式柔性压力传感器
KR20200068369A (ko) 직렬식 텍스타일형 인장센서 및 이의 제조방법
CN105140070B (zh) 非接触式导电层的织物键盘开关
Shaker et al. Development of 3D woven fabric based pressure switch
KR20180102970A (ko) 부하감지센서
CN110411618B (zh) 一种点触式柔性测力计

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 18858190

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE

ENP Entry into the national phase

Ref document number: 2018858190

Country of ref document: EP

Effective date: 20200420