WO2021132771A1 - 수평방향 인장력 및 수직방향 압력 측정이 가능한 전도성 복합사 및 이를 포함하는 직물센서 - Google Patents

수평방향 인장력 및 수직방향 압력 측정이 가능한 전도성 복합사 및 이를 포함하는 직물센서 Download PDF

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covering yarn
conductive
covering
conductive composite
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PCT/KR2019/018585
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정일환
김지연
김예리
정상욱
김홍제
전상후
황진년
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(주)부영섬유
광림섬유(주)
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    • D02—YARNS; MECHANICAL FINISHING OF YARNS OR ROPES; WARPING OR BEAMING
    • D02G—CRIMPING OR CURLING FIBRES, FILAMENTS, THREADS, OR YARNS; YARNS OR THREADS
    • D02G3/00—Yarns or threads, e.g. fancy yarns; Processes or apparatus for the production thereof, not otherwise provided for
    • D02G3/22—Yarns or threads characterised by constructional features, e.g. blending, filament/fibre
    • D02G3/38—Threads in which fibres, filaments, or yarns are wound with other yarns or filaments, e.g. wrap yarns, i.e. strands of filaments or staple fibres are wrapped by a helically wound binder yarn
    • D—TEXTILES; PAPER
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    • D—TEXTILES; PAPER
    • D03—WEAVING
    • D03D—WOVEN FABRICS; METHODS OF WEAVING; LOOMS
    • D03D15/00—Woven fabrics characterised by the material, structure or properties of the fibres, filaments, yarns, threads or other warp or weft elements used
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    • 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
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L15/00—Devices or apparatus for measuring two or more fluid pressure values simultaneously

Definitions

  • the present invention relates to a conductive composite yarn capable of measuring an external force acting in the horizontal and vertical directions and to a textile sensor including the same, and more particularly, to a plurality of fibers having different electrical conductivity on the outer surface of an elastic central yarn as a multiple It relates to a conductive composite yarn made of covered fibers and capable of measuring both horizontal tensile force and vertical pressure, and a fabric sensor including the same.
  • Electronic fibers are used as flexible displays, wearable smart devices, and various sensors as they exhibit electrical conductivity while retaining the characteristics of light and easily bendable fibers.
  • the sensor of Korean Patent Laid-Open No. 10-2019-0032987 measures the tensile force by detecting a change in resistance when tensile in the horizontal direction by disposing fibers having different tensile modulus of elasticity or conductive particle density per unit area in contact with each other in the left and right directions.
  • the fabric of Patent Publication No. 10-2018-0083220 is composed of a weft yarn and a warp yarn, which is a conductive composite yarn having an elastic polymer coating layer, and when pressure is applied in the vertical direction, the thickness of the polymer coating layer changes at the intersection of the weft yarn and the warp yarn. Detects pressure according to variable capacitance or resistance.
  • An object of the present invention is to provide a conductive composite yarn capable of measuring both the tensile force acting in the horizontal direction and the pressure acting in the vertical direction, and a fabric sensor including the same.
  • the conductive composite yarn according to another embodiment of the present invention is conducted to have a greater electrical resistance of the core yarn made of an elastic material, the first covering yarn surrounding the central yarn by forming a conductive layer to conduct electricity, and the first covering yarn A second covering yarn in which a layer is formed to surround the first covering yarn, and a third covering yarn in which a conductive layer is formed to have a smaller electrical resistance than that of the second covering yarn and surrounds the second covering yarn.
  • the textile sensor according to another embodiment of the present invention has a core yarn made of an elastic material, a first covering yarn with a conductive layer formed so as to conduct electricity to surround the core yarn, and an electrical resistance greater than that of the conductive layer of the first covering yarn.
  • a conductive layer is formed and the first fabric layer and the second fabric layer including a conductive composite yarn having a second covering yarn wrapped around the first covering yarn as weft or warp yarns are formed by stacking part or all of the area.
  • the conductive composite yarn according to the present invention is composed of fibers in which a plurality of fibers having different electrical conductivity are multiplied on the outer surface of the elastic core yarn, and as the electrical resistance varies when stretched in the horizontal direction or compressed in the vertical direction, this
  • the fabric sensor woven with warp or weft yarn can measure both horizontal and vertical external forces while being stretched and compressed without being damaged by an applied external force, so it can be used together as a strain sensor and a pressure sensor.
  • FIG. 1 is a plan view of a fabric sensor according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 is a cross-sectional view of a first covering yarn and a second covering yarn of the conductive composite yarn used in FIG. 1 .
  • FIG. 4 is a view showing the state before and after horizontal stretching of the conductive composite yarn used in the fabric sensor of FIG. 1 .
  • FIG. 5 is a view showing the state before and after the vertical compression of the textile sensor of FIG.
  • FIG. 6 is a plan view of a fabric sensor according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 7 is a view showing a conductive composite yarn used in the fabric sensor of FIG. 6 .
  • FIG. 9 is a view showing a fabric sensor according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 10 is a view showing the state before and after the vertical compression of the textile sensor of FIG.
  • the term 'fiber' refers to a long, thin and softly bendable natural or artificial linear polymer object
  • the term 'conductive composite yarn' is used as a weft or warp yarn in the textile sensor of the present invention to be used in horizontal and vertical directions. It is a fiber whose electrical resistance varies depending on the external force acting in the direction.
  • 1 is a plan view of a fabric sensor 10 according to the present invention.
  • the fabric sensor 10 according to the present invention is woven with a weft yarn 11 and a warp yarn 12, and the fabric structure can be variously formed into plain weave as well as twill weave, main weave, or a change structure thereof.
  • the textile sensor 10 at least one weft yarn 11 is formed of a conductive composite yarn 110, and the warp yarn 12 interwoven with the weft yarn 11 is a polyester yarn, nylon yarn, etc. that does not cause an electrical short circuit. is formed by shards
  • the weft yarn 11 formed of the conductive composite yarn 110 detects the external force by changing the electrical resistance according to the external force applied horizontally or vertically, as will be described later, and a part of the fabric sensor 10 according to the sensor sensitivity or use.
  • the conductive composite yarn 110 may be used only for the weft yarn 11 , or the conductive composite yarn 110 may be used for all the weft yarns 11 .
  • the weft yarn 11 having electrical conductivity is formed of a conductive composite yarn 110 in which two conductive yarns 110a and 110b are braided, such a conductive composite yarn 110 is shown in FIG. 2 .
  • the conductive yarns 110a and 110b have a central yarn 111 having elasticity, a first covering yarn 112 that surrounds the central yarn 111 and conducts electricity than the first covering yarn 112 .
  • a second covering yarn 113 having a large electrical resistance and surrounding the first covering yarn 112 is provided.
  • the core yarn 111 is formed of a single fiber or a composite fiber of an elastic material such as polyurethane, styrene-butadiene-styrene (SBS), styrene butadiene rubber (SBR), polydimethylsiloxane (PDMS), or silicone. It can be stretched and contracted by an external force applied to (10) in the weft direction.
  • an elastic material such as polyurethane, styrene-butadiene-styrene (SBS), styrene butadiene rubber (SBR), polydimethylsiloxane (PDMS), or silicone. It can be stretched and contracted by an external force applied to (10) in the weft direction.
  • the first covering yarn 112 is a fiber having electrical conductivity.
  • the conductive layer 115 made of metal nanoparticles or a conductive polymer is formed on the entire outer peripheral surface of the conductive layer 115. formed with a larger surface area.
  • the metal nanoparticles gold (Au), silver (Ag), copper (Cu), nickel (Ni), etc. may be used, and the conductive polymer is carbon black, carbon nanotube (CNT), silver nanowire, polyurethane. etc. may be used.
  • the first covering yarn 112 on which the conductive layer 115 is formed with a large surface area has a low line resistance of 1 to 100 ⁇ /cm, preferably 100 ⁇ /cm or less, so that electricity can be smoothly conducted.
  • the first covering yarn 112 formed in this way is wound in a spring structure along the central axis of the central yarn 111, and the spacing between the first covering yarns 112 is increased by the central yarn 111 that expands and contracts in the central axis direction. change, resulting in a change in resistance.
  • the second covering yarn 113 is configured to substantially separate the conductive yarns 110a and 110b that are braided into two strands so as to sense the pressure acting in the vertical direction on the fabric sensor 10 without electrically insulating them. to be.
  • a conductive layer is formed on the second covering yarn 113 to have a greater electrical resistance than that of the first covering yarn 112 .
  • the conductive layer may be formed of a conductive material having a higher resistivity than the conductive layer 115 of the first covering yarn 112 with a small surface area.
  • the conductive layer of the second covering yarn 113 may be made of carbon having a higher resistivity than a metal, and as shown in FIG. 3 , the conductive layer 116 is disposed inside the second covering yarn 113 .
  • the conductive layer 117 may be formed to a predetermined thickness (FIG. 3(b)) or in the longitudinal direction in the form of a plurality of strips having a predetermined width, that is, a portion of the surface of the second covering yarn 113 ( 3(c)).
  • the second covering yarn 113 has electrical conductivity, but has a high line resistance of 10 5 to 10 8 ⁇ /cm.
  • the line resistance of the second covering yarn 113 is formed as large as 10 5 ⁇ /cm or more, each of the first covering yarns 112 of the braided two-stranded conductive yarns 110a and 110b is electrically substantially It can be isolated so that it can be electrically connected only to the vertical pressure as described later.
  • the second covering yarn 113 acts as a switch according to the vertical pressure, resulting in a sudden electrical change according to On/Off Due to this, there is a problem of impairing the sensor sensitivity. Accordingly, the second covering yarn 113 is formed to be energizable so as not to insulate the second covering yarn 113 although it has lower electrical conductivity than the conductor.
  • the second covering yarn 113 is wound around the first covering yarn 112 along the central axis of the central yarn 111, and when the twisting directions of the first covering yarn 112 and the second covering yarn 113 are the same, conductivity is Twisting phenomenon of the composite yarn 110 may occur, so it is preferable to twist in different directions as shown in FIG. 2 .
  • FIG. 4 The state before and after stretching due to an external force acting on the conductive composite yarn 110 formed in this way in the horizontal direction is shown in FIG. 4 .
  • the central yarn 111 which is a stretch yarn, is stretched and a spring structure is formed on the surface of the central yarn 111.
  • an external force in the horizontal direction can be detected.
  • the pressure is applied to the fabric sensor 10 in the vertical direction, and the state before and after compression is shown in FIG. 5 .
  • the two conductive yarns 110a and 110b are substantially separated by the second covering yarn 113 in the outermost layer of the conductive yarns 110a and 110b,
  • the two conductive yarns 110a and 110b are compressed due to the central yarn 111 made of an elastic material, and each first covering yarn 112, which is a conductor, is electrically connected to change resistance.
  • the vertical pressure can also be detected.
  • Each of the first covering yarns 112 of the conductive yarns 110a and 110b is connected to electrodes of different polarities in the textile sensor 10 to measure the external force in the horizontal and vertical directions, and a tensile force and pressure measuring device (not shown) ) is electrically connected to
  • the tensile force and pressure measuring device may include a battery, a memory, a memory controller, one or more processors (CPU), a display device, an input device, and a communication circuit, and these components communicate through one or more communication buses or signal lines.
  • An external force measuring program is installed in the memory of the tensile force and pressure measuring device, and the one or more processors measure the resistance change of the textile sensor 10 according to the external force measuring program stored in the memory, and then display it on the display device as external force information. Alternatively, it may be transmitted to a remote device through a communication circuit, and the pressure information may be stored for each time period and statistical information may be displayed on the display device.
  • the textile sensor 10 formed of the conductive composite yarn 110 in which two conductive yarns 110a and 110b are braided as an embodiment has been described, a conductive composite yarn in which three or more conductive yarns 110a and 110b are braided. It is also possible to implement the fabric sensor 10 as (110).
  • FIG. 6 is a plan view of the fabric sensor 20 according to another embodiment of the present invention
  • FIG. 7 is a view showing a conductive composite yarn 210 used therein.
  • one or more weft yarns 21 are formed of a conductive composite yarn 210
  • the warp yarns 22 are formed of non-conductive yarns, as in the above-described exemplary embodiment of FIG. 6, but the two conductive yarns 110a , 110b) is braided to form the conductive composite yarn 110, unlike the embodiment of FIG. 6, the conductive composite yarn 210 of the single yarn is formed in the embodiment of FIG.
  • the conductive composite yarn 210 includes a central yarn 211 having elasticity, a first covering yarn 212 that surrounds the central yarn 211 and conducts electricity, and a first covering yarn ( 112) a second covering yarn 213 having a greater electrical resistance and surrounding the first covering yarn 212, a third covering yarn having a smaller electrical resistance than the second covering yarn 213 and surrounding the second covering yarn 213
  • a yarn 214 is provided.
  • the conductive layer 115 having the same structure as that of the aforementioned conductive composite yarn 110 is formed on the first covering yarn 212 of the conductive composite yarn 210 according to the present embodiment, and the second covering yarn 213 is also formed as described above.
  • Conductive layers 116 and 117 having the same structure as one conductive composite yarn 110 are formed, respectively, and a third covering yarn 214 is further formed.
  • the third covering yarn 214 has the same line resistance as that of the first covering yarn 212, that is, 1 to 100 ⁇ /cm, preferably 100 ⁇ /cm or less, so that the third covering yarn 214 is formed as low as 100 ⁇ /cm or less. This is provided
  • the conductive layer of the third covering yarn 214 like the conductive layer 115 of the first covering yarn 212, is made of metal nanoparticles or a conductive polymer to form a larger surface area on the entire outer circumferential surface, and the conductive composite yarn 210 is twisted in different directions from the inner second covering yarn 213 so as not to be twisted.
  • the conductive composite yarn 210 When pressure is applied, the conductive composite yarn 210 is compressed due to the central yarn 211 made of an elastic material, so that the first covering yarn 212 and the third covering yarn 214, which are conductors, are electrically connected, so that the resistance change is reduced. As it occurs, pressure in the vertical direction can also be detected.
  • the first covering yarn 212 and the third covering yarn 214 are respectively connected to electrodes of different polarities to detect the external force in the vertical and horizontal directions, and are electrically connected to the above-described tensile force and pressure measuring device. do.
  • FIG. 9 is a plan view of a fabric sensor 30 according to another embodiment of the present invention.
  • the fabric sensor 30 of FIG. 9 is formed by laminating a first fabric layer 30a and a second fabric layer 30b, and at least one weft yarn 31 in each fabric layer 30a, 30b is a conductive composite yarn.
  • the warp 32 is formed of a non-conductive yarn.
  • the conductive composite yarn 310 the conductive yarns 110a and 110b of FIG. 1 consisting of the central yarn 111, the first covering yarn 112, and the second covering yarn 113 are used, but single yarns that are not braided are used.
  • first fabric layer 30a and a second fabric layer 30b including a weft yarn 31 made of such a conductive composite yarn 310 is formed by laminating a first fabric layer 30a and a second fabric layer 30b including a weft yarn 31 made of such a conductive composite yarn 310 . Although it is illustrated in FIG. 9 that partial regions of the first fabric layer 30a and the second fabric layer 30b are laminated, the entire region may be laminated.
  • the + electrode and the - electrode are respectively connected to the first covering yarn 112 of the first fabric layer 30a and the second fabric layer 30b to electrically connect with the tensile force and pressure measuring device. Connected.
  • a fabric sensor 30 can detect an external force in a horizontal direction by generating a change in resistance according to a change in the interval of the first covering yarn 112 during expansion and contraction, as in the above-described embodiment, and similarly acts in the vertical direction. Pressure can also be detected, and the state before and after compression of the fabric sensor 30 is shown in FIG. 10 . 10, before the compression of the fabric sensor 30, the first fabric layer 30a and the second fabric layer 30b are separated.
  • the conductive composite yarn according to the present invention is composed of fibers in which a plurality of fibers having different electrical conductivity are multiplied on the outer surface of the elastic core yarn, and the electrical resistance is variable when stretched in the horizontal direction or compressed in the vertical direction. Accordingly, the fabric sensor woven with such a conductive composite yarn can measure both horizontal and vertical external forces while being stretched and compressed without being damaged by an applied external force, and thus can be used as a strain sensor and a pressure sensor.

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Abstract

본 발명은 전도성 복합사와 이를 포함하는 직물센서에 관한 것으로, 전도성 복합사는 수평방향으로 신축되거나 수직방향으로 압축되는 경우 전기 저항이 가변됨에 따라, 이를 경사 또는 위사로 제직된 직물센서는 인가되는 외력에 파손되지 않고 신장 및 압축되면서도 수평 및 수직방향으로 작용하는 외력을 모두 측정할 수 있는 것을 특징으로 한다.

Description

수평방향 인장력 및 수직방향 압력 측정이 가능한 전도성 복합사 및 이를 포함하는 직물센서
본 발명은 수평 및 수직방향으로 작용하는 외력을 측정할 수 있는 전도성 복합사와 이를 포함하는 직물센서에 관한 것으로, 보다 상세하게는 신축성이 있는 중심사 외면에 전기 전도도가 서로 다른 복수의 섬유를 다중으로 커버링되는 섬유로 이루어져 수평방향의 인장력과 수직방향의 압력을 모두 측정할 수 있는 전도성 복합사와 이를 포함하는 직물센서에 관한 것이다.
IT 기술이 발전함에 따라 경박 단소하고 휴대가 편리한 전자제품의 개발이 활발하게 진행되고 있으며, 이에 따라 다양한 소재 또는 부품의 개발도 함께 이루어지고 있다. 이들 중 금속분말이나 전도성 폴리머 등을 코팅하여 섬유에 전기전도성을 부여한 전자섬유가 최근 각광받고 있다.
전자섬유는 가볍고 쉽게 휘어지는 섬유의 특성을 그대로 가지면서 전기전도성을 발현됨에 따라, 플렉서블 디스플레이(Flexible Display), 웨어러블 스마트 디바이스(Wearable Smart Device), 각종 센서로 사용되고 있다.
전자섬유를 이용한 센서로 대한민국 공개특허 제10-2019-0032987호의 "수평 방향의 인장력을 센싱하는 스트레인 센서 및 이의 제조 방법", 공개특허 제10-2018-0083220호의 "압력 측정이 가능한 직물 및 이를 이용한 압력 측정 장치"가 개시되어 있다.
공개특허 제10-2019-0032987호의 센서는 인장탄성 계수 또는 단위 면적당 전도성 입자 밀도가 상이한 섬유를 좌우 방향으로 서로 접하게 배치함으로서, 수평방향으로 인장 시 저항변화를 감지하여 인장력을 측정한다. 그리고, 공개특허 제10-2018-0083220호의 직물은 탄성이 있는 고분자 피복층을 구비하는 전도성 복합사인 위사와 경사로 이루어져, 수직방향으로 압력이 인가되면 위사와 경사의 교차점에서 고분자 피복층의 두께가 변함에 따라 가변되는 정전용량 또는 저항에 따른 압력을 검출한다.
하지만, 센싱되는 물체에 인가되는 외력은 수평방향과 수직방향으로 다양하게 발생할 수 있어, 상기 물체에 외력을 측정하기 위해서는 상술한 스트레인 센서와 압력센서를 별도로 설치해야 하는 부담이 있다.
본 발명은 수평방향으로 작용하는 인장력과 수직방향으로 작용하는 압력을 모두 측정할 수 있는 전도성 복합사 및 이를 포함하는 직물센서를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기와 같은 기술적 과제를 해결하기 위하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 전도성 복합사는 탄성재질로 이루어지는 중심사와, 전기가 전도되도록 전도층이 형성되어 중심사를 감싸는 제1 커버링사 및, 제1 커버링사의 보다 큰 전기저항을 가지도록 전도층이 형성되어 제1 커버링사를 감싸는 제2 커버링사를 구비하는 전도사가 합사되어 형성된다.
그리고, 본 발명의 다른 실시예에 따른 전도성 복합사는 탄성재질로 이루어지는 중심사와, 전기가 전도되도록 전도층이 형성되어 중심사를 감싸는 제1 커버링사와, 제1 커버링사의 보다 큰 전기저항을 가지도록 전도층이 형성되어 제1 커버링사를 감싸는 제2 커버링사 및, 제2 커버링사 보다 작은 전기저항을 가지도록 전도층이 형성되어 제2 커버링사를 감싸는 제3 커버링사를 구비한다.
또한, 본 발명은 수평 및 수직방향으로 작용하는 외력을 측정하도록 상술한 전도성 복합사를 경사 또는 위사로 구비하는 직물센서를 제공한다.
또한, 본 발명의 다른 실시예에 따른 직물센서는 탄성재질로 이루어지는 중심사와, 전기가 전도되도록 전도층이 형성되어 중심사를 감싸는 제1 커버링사와, 제1 커버링사의 전도층 보다 큰 전기저항을 가지는 전도층이 형성되어 제1 커버링사를 감싸는 제2 커버링사를 구비하는 전도성 복합사를 위사 또는 경사로 포함하는 제1 직물층과 제2 직물층이 일부 또는 전체 영역이 적층되어 형성된다.
본 발명에 따른 전도성 복합사는 신축성이 있는 중심사 외면에 전기 전도도가 서로 다른 복수의 섬유를 다중으로 커버링한 섬유로 이루어져, 수평방향으로 신축되거나 수직방향으로 압축되는 경우 전기 저항이 가변됨에 따라, 이를 경사 또는 위사로 제직된 직물센서는 인가되는 외력에 파손되지 않고 신장 및 압축되면서도 수평 및 수직방향으로 작용하는 외력을 모두 측정할 수 있어 스트레인 센서 및 압력센서로 함께 활용될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 직물센서의 평면도이다.
도 2는 도 1의 직물센서에 사용되는 전도성 복합사를 도시한 도면이다.
도 3은 도 1에 사용되는 전도성 복합사의 제1 커버링사와 제2 커버링사의 단면도이다.
도 4는 도 1 직물센서에 사용되는 전도성 복합사의 수평방향 신장 전, 후 상태를 도시한 도면이다.
도 5는 도 1의 직물센서의 수직방향 압축 전, 후의 상태를 도시한 도면이다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 직물센서의 평면도이다.
도 7은 도 6의 직물센서에 사용되는 전도성 복합사를 도시한 도면이다.
도 8은 도 6의 직물센서의 수직방향 압축 전, 후의 상태를 도시한 도면이다.
도 9는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 직물센서를 도시한 도면이다.
도 10은 도 9의 직물센서의 수직방향 압축 전, 후의 상태를 도시한 도면이다.
이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다.
본 실시예는 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되어지는 것으로서, 도면에서의 요소의 형상, 요소의 크기, 요소간의 간격 등은 보다 명확한 설명을 강조하기 위해서 과장되거나 축소되어 표현될 수 있다.
또한, 실시예를 설명하는데 있어서 원칙적으로 관련된 공지의 기능이나 공지의 구성과 같이 이미 당해 기술분야의 통상의 기술자에게 자명한 사항으로서 본 발명의 기술적 특징을 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략하기로 한다.
본 발명에서의 용어 '섬유'란, 길고 가늘며 연하게 굽힐 수 있는 천연 또는 인조의 선상 고분자 물체를 의미하고, 용어 '전도성 복합사'는 본 발명의 직물센서에 위사 또는 경사로 사용되어 수평방향 및 수직방향으로 작용하는 외력에 따라 전기저항이 가변하는 섬유이다.
도 1은 본 발명에 따른 직물센서(10)의 평면도이다. 도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 직물센서(10)는 위사(11)와 경사(12)로 제직되는데, 직물 조직은 평직은 물론 능직, 주자직 또는 이들의 변화조직으로 다양하게 형성될 수 있다. 직물센서(10)는 하나 이상의 위사(11)은 전도성 복합사(110)로 형성되고, 위사(11)와 교직되는 경사(12)는 전기적인 단락을 일으키지 않는 폴리에스테르사, 나일론사 등의 비전도사로 형성된다.
전도성 복합사(110)로 형성되는 위사(11)는 후술하는 바와 같이 수평 또는 수직으로 인가되는 외력에 따라 전기저항이 변하게 되어 외력을 검출하는데, 센서 감도나 용도에 따라 직물센서(10)의 일부 위사(11)에만 전도성 복합사(110)가 사용될 수도 있고, 전체 위사(11) 모두에 전도성 복합사(110)가 사용될 수도 있다.
도 1에 도시되는 바와 같이, 전기 전도성을 가지는 위사(11)는 2 가닥의 전도사(110a,110b)가 합사된 전도성 복합사(110)로 형성되는데, 이와 같은 전도성 복합사(110)가 도 2에 도시되어 있다. 도 2에 도시되는 바와 같이 전도사(110a,110b)는 신축성을 가지는 중심사(111), 중심사(111)를 감싸며 전기가 전도되는 제1 커버링사(112), 제1 커버링사(112) 보다 큰 전기저항을 가지며 제1 커버링사(112)를 감싸는 제2 커버링사(113)를 구비한다.
중심사(111)는 폴리우레탄(polyurethane), SBS(styrene-butadiene-styrene), SBR(styrene butadiene rubber), PDMS(polydimethylsiloxane) 또는 실리콘과 같은 탄성재질의 단일섬유 또는 복합섬유로 형성되어, 직물센서(10)에 위사 방향으로 인가되는 외력에 의해 신축될 수 있다.
제1 커버링사(112)는 전기 전도성을 가지는 섬유로, 금속 나노입자나 도전성 폴리머로 이루어진 전도층(115)이 도 3(a)에 도시되는 바와 같이, 전기 전도층(115)이 외주면 전체에 보다 넓은 표면적으로 형성된다. 여기서, 금속 나노입자는 금(Au), 은(Ag), 구리(Cu), 니켈(Ni) 등이 사용될 수 있으며, 도전성 폴리머는 카본블랙, 카본나노튜브 (CNT), 은 나노와이어, 폴리우레탄 등이 사용될 수 있다. 이와 같이 전도층(115)이 넓은 표면적으로 형성되는 제1 커버링사(112)는 선 저항이 1~100 Ω/cm, 바람직하게는 100 Ω/cm 이하로 낮게 형성되어 전기가 원활하게 통전될 수 있다. 이와 같이 형성되는 제1 커버링사(112)는 중심사(111)의 중심축을 따라 스프링구조로 감겨지는데, 중심축 방향으로 신축되는 중심사(111)에 의해 제1 커버링사(112)의 간격이 가변하게 되어 저항변화가 발생하게 된다.
제2 커버링사(113)는 2가닥으로 합사되는 전도사(110a,110b)를 전기적으로 절연하지 않으면서도, 직물센서(10)에 수직방향으로 작용하는 압력을 감지되도록 실질적으로 분리시키도록 마련되는 구성이다. 이를 위하여 제2 커버링사(113)는 제1 커버링사(112) 보다 큰 전기저항을 가지도록 전도층이 형성된다. 전도층은 제1 커버링사(112)의 전도층(115) 보다 비저항값이 높은 도전성 재질로 작은 표면적으로 형성될 수 있다. 예를 들어, 제2 커버링사(113)의 전도층은 금속보다 비저항값이 높은 탄소로 이루어질 수 있으며, 도 3에 도시되는 바와 같이 전도층(116)은 제2 커버링사(113)의 내부에 소정 두께로 형성되거나(도 3(b)), 제2 커버링사(113)의 표면 일부 즉, 소정 폭을 가지는 다수 스트립(strip) 형태로 길이방향으로 전도층(117)이 형성될 수 있다(도 3(c)).
이와 같이 형성되는 전도층(116,117)으로 인하여 제2 커버링사(113)는 전기 전도성을 가지나, 선 저항이 105~108Ω/cm으로 크게 형성된다. 이와 같이 제2 커버링사(113)의 선 저항이 105Ω/cm 이상으로 크게 형성됨에 따라, 합사되는 2가닥 전도사(110a,110b)의 제1 커버링사(112) 각각은 전기적으로는 실질적으로 격리할 수 있어 후술하는 바와 같이 수직방향의 압력에만 전기적으로 연결될 수 있다. 그리고, 제2 커버링사(113)의 선 저항이 108Ω/cm을 초과하면, 수직방향의 압력에 따라 제2 커버링사(113)가 스위치로 작용하여 On/Off에 따른 급격한 전기적인 변화로 인하여 센서 감도를 저해하는 문제가 있다. 따라서, 제2 커버링사(113)를 도전체 보다는 전기 전도성이 낮지만 절연하지 않도록 통전가능하게 형성된다. 제2 커버링사(113)는 중심사(111)의 중심축을 따라 제1 커버링사(112)에 감겨지는데, 제1 커버링사(112)와 제2 커버링사(113)의 꼬임방향이 같을 경우 전도성 복합사(110)의 뒤틀림 현상이 발생될 수 있어 도 2에 도시되는 바와 같이 서로 다른 방향으로 꼬임되는 것이 바람직하다.
이와 같이 형성되는 전도성 복합사(110)에 수평방향으로 외력이 작용하여 신장 전, 후 상태가 도 4에 도시되어 있다. 도시된 바와 같이, 수평방향, 즉 전도성 복합사(110)가 배열된 위사방향으로 전도성 복합사(110)가 신장되면, 신축사인 중심사(111)가 신장하고 중심사(111) 표면에 스프링 구조로 감겨진 제1 커버링사(112)의 간격이 넓게 되어 저항변화가 발생함에 따라 수평방향의 외력을 검출할 수 있다.
그리고, 직물센서(10)에 수직방향으로 압력이 작용하여 압축 전, 후 상태가 도 5에 도시되어 있다. 도시된 바와 같이, 압축 전에는 전도성 복합사(110)는 전도사(110a,110b)의 가장 외층에 있는 제2 커버링사(113)에 의해 2가닥의 전도사(110a,110b)가 실질적으로 분리되어 있고, 여기서 수직방향으로 압력이 작용하면, 탄성재질로 이루어진 중심사(111)로 인하여 2가닥의 전도사(110a,110b)가 압착되어 도전체인 각각의 제1 커버링사(112)가 전기적으로 연결되어 저항변화가 발생함에 따라 수직방향의 압력도 검출할 수 있다.
이와 같은 수평방향 및 수직방향의 외력을 측정하도록 직물센서(10)에서 전도사(110a,110b)의 제1 커버링사(112) 각각이 서로 다른 극성의 전극에 연결되어 인장력 및 압력 측정장치(미도시)와 전기적으로 연결된다. 여기서 인장력 및 압력 측정장치는 배터리, 메모리, 메모리 제어기, 하나 이상의 프로세서(CPU), 디스플레이 장치, 입력 장치 및 통신 회로를 포함할 수 있고, 이러한 구성요소는 하나 이상의 통신 버스 또는 신호선을 통하여 통신한다. 인장력 및 압력 측정장치의 메모리에 외력 측정 프로그램이 설치되고, 상기 하나 이상의 프로세서는 메모리에 저장된 외력 측정 프로그램에 따라 직물센서(10)의 저항변화를 측정한 후, 이를 외력정보로 디스플레이 장치에 표시할 수 있고, 또는 통신 회로를 통해 원격의 장치로 전송할 수도 있으며, 시간대별로 압력 정보를 저장하여 통계 정보를 디스플레이 장치에 표시할 수도 있다
한편, 실시예로 2가닥의 전도사(110a,110b)를 합사한 전도성 복합사(110)로 형성되는 직물센서(10)를 설명하였지만, 3가닥 이상의 전도사(110a,110b)를 합사한 전도성 복합사(110)로 직물센서(10)를 구현할 수도 있다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 직물센서(20)의 평면도이고, 도 7은 이에 사용되는 전도성 복합사(210)를 도시한 도면이다. 도 6의 실시예는 전술한 도 1 실시예와 마찬가지로 하나 이상의 위사(21)는 전도성 복합사(210)로, 경사(22)는 비전도사로 형성되는 점은 동일하나, 두 가닥의 전도사(110a,110b)가 합사되어 전도성 복합사(110)로 형성되는 도 1 실시예와 달리, 도 6의 실시예는 단사인 전도성 복합사(210)가 형성된다.
전도성 복합사(210)는 도 6,7에 도시되는 바와 같이, 신축성을 가지는 중심사(211), 중심사(211)를 감싸며 전기가 전도되는 제1 커버링사(212), 제1 커버링사(112) 보다 큰 전기저항을 가지며 제1 커버링사(212)를 감싸는 제2 커버링사(213), 제2 커버링사(213) 보다 작은 전기저항을 가지며 제2 커버링사(213)를 감싸는 제3 커버링사(214)를 구비한다. 본 실시예에 따른 전도성 복합사(210)의 제1 커버링사(212)에는 전술한 전도성 복합사(110)와 동일한 구조의 전도층(115)이 형성되고, 제2 커버링사(213) 역시 전술한 전도성 복합사(110)와 동일한 구조의 전도층(116, 117)이 각각 형성되며, 제3 커버링사(214)가 더 형성되어 있다.
여기서, 제3 커버링사(214)는 전기가 원활하게 통전되도록 제1 커버링사(212)와 동일한 선 저항, 즉 1~100 Ω/cm, 바람직하게는 100 Ω/cm 이하로 낮게 형성되도록 전도층이 구비된다. 제3 커버링사(214)의 전도층은 제1 커버링사(212)의 전도층(115)과 같이 금속 나노입자나 도전성 폴리머로 이루어져 외주면 전체에 보다 넓은 표면적으로 형성되며, 전도성 복합사(210)가 뒤틀리지 않도록 내측의 제2 커버링사(213)와 서로 다른 방향으로 꼬임된다.
이와 같이 형성되는 전도성 복합사(210)는 신축 시, 전술한 실시예와 마찬가지로 제1 커버링사(112)의 간격변화에 따른 저항변화가 발생하여 수평방향의 외력을 검출할 수 있다. 그리고, 도 6의 실시예에서 수직방향으로 작용하는 압력에 따른 직물센서(20)의 압축 전, 후 상태가 도 8에 도시되어 있다. 도시된 바와 같이, 압축 전에는 높은 저항값을 가진 제2 커버링사(213)에 의해 제1 커버링사(212)와 제3 커버링사(214)가 전기적으로는 실질적으로 분리되어 있고, 여기서 수직방향으로 압력이 작용하면, 탄성재질로 이루어진 중심사(211)로 인하여 전도성 복합사(210)가 압착되어 도전체인 제1 커버링사(212)와 제3 커버링사(214)가 전기적으로 연결되어 저항변화가 발생함에 따라 수직방향의 압력도 검출할 수 있다. 한편, 이와 같은 수직방향 및 수평방향의 외력을 검출하도록 제1 커버링사(212) 및 제3 커버링사(214)는 각각 서로 다른 극성의 전극에 연결되어 전술한 인장력 및 압력 측정장치와 전기적으로 연결된다.
도 9는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 직물센서(30)의 평면도이다. 도 9의 직물센서(30)는 제1 직물층(30a)과 제2 직물층(30b)이 적층되어 형성되는데, 각각의 직물층(30a,30b)에서 하나 이상의 위사(31)는 전도성 복합사(310)로, 경사(32)는 비전도사로 형성된다. 전도성 복합사(310)로는 중심사(111), 제1커버링사(112), 제2 커버링사(113)로 이루어지는 도 1 전도사(110a,110b)를 사용하나, 합사하지 않은 단사로 사용한다. 도 9의 직물센서(30)는 이와 같은 전도성 복합사(310)로 이루어진 위사(31)를 포함하는 제1 직물층(30a)과 제2 직물층(30b)이 적층되어 형성된다. 도 9에는 제1 직물층(30a)과 제2 직물층(30b)의 일부영역이 적층되는 것으로 도시되어 있으나, 전체영역이 적층되어 형성될 수도 있다.
도 9의 직물센서(30)에서 제1 직물층(30a)과 제2 직물층(30b)의 제1 커버링사(112)에 +전극, -전극이 각각 연결되어 인장력 및 압력 측정장치와 전기적으로 연결된다. 이와 같은 직물센서(30)는 상술한 실시예와 마찬가지로 신축 시, 제1 커버링사(112)의 간격변화에 따른 저항변화가 발생하여 수평방향의 외력을 검출할 수 있고, 마찬가지로 수직방향으로 작용하는 압력도 검출할 수 있는데, 직물센서(30)의 압축 전, 후 상태가 도 10에 도시되어 있다. 도 10에 도시되는 바와 같이, 직물센서(30)의 압축 전에는 제1 직물층(30a)과 제2 직물층(30b)이 분리되어 있는데, 수직방향으로 압력이 작용하면, 탄성재질로 이루어진 중심사(111)로 인하여 제1 직물층(30a)과 제2 직물층(30b) 각각의 전도성 복합사(110)가 압착되어 전기적으로 연결되어 저항변화가 발생함에 따라 수직방향의 압력도 검출할 수 있다.
한편 이상의 실시예에서, 전도성 복합사를 위사로 사용하는 예를 설명하였으나, 경사를 전도성 복합사로 사용하여 직물센서를 구현할 수 있음은 물론이다.
본 발명에 따른 전도성 복합사는 신축성이 있는 중심사 외면에 전기 전도도가 서로 다른 복수의 섬유를 다중으로 커버링한 섬유로 이루어져, 수평방향으로 신축되거나 수직방향으로 압축되는 경우 전기 저항이 가변된다. 따라서 이와 같은 전도성 복합사로 제직된 직물센서는 인가되는 외력에 파손되지 않고 신장 및 압축되면서도 수평 및 수직방향으로 작용하는 외력을 모두 측정할 수 있어 스트레인 센서 및 압력센서로 함께 활용될 수 있다.
이상 설명한 본 발명은 기재된 실시예에 한정되는 것은 아니고, 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 다양하게 수정 및 변형할 수 있음은 이 기술의 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하다. 따라서 그러한 변형예 또는 수정예들은 본 발명의 특허청구범위에 속한다 해야 할 것이다.

Claims (12)

  1. 수평 및 수직방향으로 작용하는 외력에 따라 전기저항이 가변되는 전도성 복합사에 있어서,
    탄성재질로 이루어지는 중심사;
    전기가 전도되도록 전도층이 형성되어 상기 중심사를 감싸는 제1 커버링사; 및,
    상기 제1 커버링사의 보다 큰 전기저항을 가지도록 전도층이 형성되어 상기 제1 커버링사를 감싸는 제2 커버링사;를 구비하는 전도사가 합사되어 형성되는 것을 특징으로 하는 전도성 복합사.
  2. 수평 및 수직방향으로 작용하는 외력에 따라 전기저항이 가변되는 전도성 복합사에 있어서,
    탄성재질로 이루어지는 중심사;
    전기가 전도되도록 전도층이 형성되어 상기 중심사를 감싸는 제1 커버링사;
    상기 제1 커버링사의 보다 큰 전기저항을 가지도록 전도층이 형성되어 상기 제1 커버링사를 감싸는 제2 커버링사; 및,
    상기 제2 커버링사 보다 작은 전기저항을 가지도록 전도층이 형성되어 상기 제2 커버링사를 감싸는 제3 커버링사;를 구비하는 것을 특징으로 하는 전도성 복합사.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 제1 커버링사 및 제3 커버링사의 전도층은 금속 나노입자 또는 도전성 폴리머로 커버링사의 외주면 전체에 형성되는 것을 특징으로 하는 전도성 복합사.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 제1 커버링사 및 제3 커버링사의 선 저항은 100 Ω/cm 이하인 것을 특징으로 하는 전도성 복합사.
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 제2 커버링사의 전도층은 제1 커버링사 및 제3 커버링사 보다 비저항값이 높은 도전성 재질로 형성되는 것을 특징으로 하는 전도성 복합사.
  6. 제3항에 있어서,
    상기 제2 커버링사의 전도층은 탄소로 이루어져, 상기 제1 커버링사 및 제3 커버링사의 전도층 보다 작은 표면적으로 형성되는 것을 특징으로 하는 전도성 복합사.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 제2 커버링사의 선 저항은 105~108Ω/cm 인 것을 특징으로 하는 전도성 복합사.
  8. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 제2 커버링사는 제1 커버링사와 서로 다른 방향으로 꼬임되고, 및 제3 커버링사는 제2 커버링사와 서로 다른 방향으로 꼬임되는 것을 특징으로 하는 전도성 복합사.
  9. 제1항에 있어서,
    제1항의 합연되는 서로 다른 상기 전도사의 제1 커버링사 각각에 서로 다른 극성의 전극이 연결되는 전도성 복합사를 경사 또는 위사로 구비하는 것을 특징으로 하는 직물센서.
  10. 제2항의 제1 커버링사와 제3 커버링사에 서로 다른 극성의 전극이 연결되는 전도성 복합사를 경사 또는 위사로 구비하는 것을 특징으로 하는 직물센서.
  11. 수평 및 수직방향으로 작용하는 외력을 측정하는 직물센서에 있어서,
    탄성재질로 이루어지는 중심사;
    전기가 전도되도록 전도층이 형성되어 상기 중심사를 감싸는 제1 커버링사; 및,
    상기 제1 커버링사의 전도층 보다 큰 전기저항을 가지는 전도층이 형성되어 상기 제1 커버링사를 감싸는 제2 커버링사;를 구비하는 전도성 복합사를 위사 또는 경사로 포함하는 제1 직물층과 제2 직물층이 일부 또는 전체 영역이 적층되어 형성되는 것을 특징으로 하는 직물센서.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 제1 직물층과 제2 직물층의 제1 커버링사에 서로 다른 극성의 전극에 연결되는 것을 특징으로 하는 직물센서.
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