KR102411907B1 - 직물기반 웨어러블 센서의 제조 방법 및 이를 포함하는 스마트 의류 - Google Patents

직물기반 웨어러블 센서의 제조 방법 및 이를 포함하는 스마트 의류 Download PDF

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Abstract

제 1 전도성 섬유를 포함한 하부 패브릭을 형성하는 단계; 상기 하부 패브릭 상에 다공성 이온젤을 배치하는 단계; 상기 다공성 이온젤 상에서 상기 제 1 전도성 섬유와 교차점을 형성하도록 배치된 제 2 전도성 섬유를 포함한 상부 패브릭을 형성하는 단계; 및 상기 하부 패브릭 및 상기 상부 패브릭을 결합시키는 단계, 를 포함하는, 직물기반 웨어러블 센서의 제조 방법.

Description

직물기반 웨어러블 센서의 제조 방법 및 이를 포함하는 스마트 의류 {PREPARING METHOD OF TEXTILE-BASED WEARABLE SENSOR AND SMART CLOTHES INCLUDING THE SAME}
본원은 직물기반 웨어러블 센서의 제조 방법 및 이를 포함하는 스마트 의류에 관한 것이다.
압력 센서는 스마트 윈도우, 디스플레이, 보안 시스템, 휴대 전화 및 전자피부(e-skin) 등과 같은 다양한 장치에 광범위하게 적용되고 있다. 사물인터넷(IoT, Internet of Things) 기술이 발달하면서 압력 센서에 사물인터넷 기술을 적용시키려는 시도가 활발하다.
압력센서는 혈압, 움직임 등 생체에서 발생되는 압력정보를 감지하는 센서로서, 최근에는 넓은 범위의 압력을 고감도 및 저전력으로 감지할 수 있는 압력센서에 대한 연구에 대한 관심이 높다. 압력센서는 저항막 방식과 정전용량 방식의 두 가지로 나눌 수 있다. 저항막 압력 센서는 압력에 다른 전기 저항의 변화를 기반으로 하고 구성이 단순하며 압력 민감도가 높지만, 정전용량 방식 압력 센서보다 훨씬 높은 전력을 소모하기 때문에 사물인터넷용으로는 부적합하다.
반면, 정전용량형 압력 센서는 수직으로 적층된 구조를 갖춘 레이아웃으로 소형화가 가능하며, 대략 1 V 의 작동 전압을 가져 전력을 적게 소모하고, 빠른 응답시간을 인해 사물인터넷용으로서 적합하다. 정전용량 방식은 저항막 방식에 비해 내구성이 우수하고, 외부에서 가해지는 압력의 크기를 단순한 0, 1 의 이진 데이터가 아닌, 압력의 강도가 반영된 수치 형태로 감지할 수 있는 점에서 그 활용도가 높다.
종래의 정전용량형 압력센서는 정전용량을 크게 하고, 센싱 감도를 높이기 위하여 유전체로서 이온성 액체를 이용하려는 시도를 하였다.
이와 관련하여, 대한민국 등록특허 제10-1956998호는 이온성 겔 타입의 유전층을 포함한 고민감도 유연 압력 센서 및 이의 제조 방법에 대한 것이나, 직물 소재에 적용하기는 어렵다는 한계가 있다.
이에 따라, 상기와 같은 문제점을 개선하여 스마트 의류에 이용 가능한 직물기반 웨어러블 센서에 대한 연구가 요구된다.
본원은 전술한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 직물기반 웨어러블 센서의 제조방법에 대해 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 상기 제조방법에 의해 제조된 직물기반 웨어러블 센서를 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 상기 직물기반 웨어러블 센서를 포함하는 스마트 의류를 제공하는 것을 목적으로 한다.
다만, 본원의 실시예가 이루고자 하는 기술적 과제는 상기된 바와 같은 기술적 과제들로 한정되지 않으며, 또 다른 기술적 과제들이 존재할 수 있다.
상기한 기술적 과제를 달성하기 위한 기술적 수단으로서, 본원의 제 1 측면은, 제 1 전도성 섬유를 포함한 하부 패브릭을 형성하는 단계; 상기 하부 패브릭 상에 다공성 이온젤을 배치하는 단계; 상기 다공성 이온젤 상에서 상기 제 1 전도성 섬유와 교차점을 형성하도록 배치된 제 2 전도성 섬유를 포함한 상부 패브릭을 형성하는 단계; 및 상기 하부 패브릭 및 상기 상부 패브릭을 결합시키는 단계를 포함하는, 직물기반 웨어러블 센서의 제조 방법을 제공한다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 다공성 이온젤은, 이온성 액체 및 고분자 용액의 혼합 용액을 기판 상에 코팅하는 단계; 상기 혼합 용액 상에 물방울을 성장시키는 단계; 및 상기 혼합 용액을 건조 및 경화시키는 단계를 포함하여 제조되는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 건조 및 경화에 의해 상기 혼합 용액 상의 물방울이 증발하여 상기 이온젤의 표면에 기공이 형성되는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 혼합 용액 상에 물방울을 성장시키는 단계는 고습도 환경에서 진행되는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 고습도 환경은 상대습도가 70% 이상인 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 이온성 액체 및 상기 고분자 용액은 4:6 내지 2:8 의 중량비로 혼합 되는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 이온성 액체는 [EMIM][TFSI], [EMIM][TCM], [EMIM][NTF2], [EMI][TFSI], [BMIM][TF2N], [BMIM][PF6], [BMI][TFSI], 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택된 것을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 고분자 용액은 폴리(비닐리덴 플루오라이드-헥사플루오로프로필렌) (PVDF-HFP), 폴리(비닐리덴 플루오라이드) (PVDF), 폴리비닐 알코올 (PVA), 폴리(에틸렌 옥사이드) (PEO), 폴리(아크릴로-니트릴) (PAN), 및 폴리(메틸 메타크릴레이트) (PMMA), 에폭시 유도체, 실리콘 유도체 및 이들의 조합들로 이루어진 군으로부터 선택되는 것을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 제 1 전도성 섬유 또는 상기 제 2 전도성 섬유는 각각 독립적으로 도금, 코팅, 증착, 방사, 합성, 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택된 방법에 의해서 형성되는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 전도성 섬유는 금속, 전도성 고분자, 탄소나노튜브, 그래핀, 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택된 전도성 물질을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 전도성 섬유는 금속이 도금된 고분자 물질을 포함하는 멀티-필라멘트 구조인 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 고분자 물질은 나일론, 코튼, 폴리에스터, 폴리우레탄, 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택된 것을 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 하부 패브릭 및 상기 상부 패브릭은 재봉, 니팅, 위빙, 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택된 방법에 의해서 형성되는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 하부 패브릭 및 상기 상부 패브릭은 상기 제 1 전도성 섬유 및 상기 제 2 전도성 섬유를 각각 1개 이상 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 하부 패브릭 또는 상기 상부 패브릭은 각각 독립적으로 폴리에스터, 모, 마, 면 실크, 나일론, 스판덱스 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 섬유를 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 하부 패브릭 및 상기 상부 패브릭은 상기 다공성 이온젤이 배치된 영역을 제외한 나머지 영역에 형성된 접착부에 의해 결합되는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 접착부는 양면테이프, 패브릭용 본드, 핫멜트 접착제, 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택된 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
또한, 본원의 제 2 측면은, 제 1 전도성 섬유를 포함하는 하부 패브릭; 및 상기 하부 패브릭 상에, 상기 제 1 전도성 섬유와 교차점을 형성하도록 배치된 제 2 전도성 섬유를 포함하는 상부 패브릭; 및 상기 하부 패브릭 및 상기 상부 패브릭 사이에 배치된 다공성 이온젤, 을 포함하는, 직물기반 웨어러블 센서를 제공한다.
또한, 본원의 제 3 측면은 본원의 제 2 측면에 따른 직물기반 웨어러블 센서를 포함하는, 스마트 의류를 제공한다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 스마트 의류는 사물인터넷(IoT)과 연결되는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
상술한 과제 해결 수단은 단지 예시적인 것으로서, 본원을 제한하려는 의도로 해석되지 않아야 한다. 상술한 예시적인 실시예 외에도, 도면 및 발명의 상세한 설명에 추가적인 실시예가 존재할 수 있다.
본원에 따른 직물기반 웨어러블 센서는 인가되는 압력에 따른 정전용량의 변화로서 압력을 센싱할 수 있으며, 이외에도 굽힘 및 온도에 따라 정전용량이 변화하므로 굽힘 및 온도 또한 센싱할 수 있다.
본원에 따른 직물기반 웨어러블 센서의 제조방법은 초기 정전용량 값이 큰 다공성 구조를 가진 이온젤 필름을 제작할 수 있고, 상기 다공성 이온젤을 센싱 물질로 적용하여 멀티필라멘트 구조를 가진 전도성 섬유를 전극으로 하는 직물기반 웨어러블 센서의 제조가 가능하다.
또한, 상기 다공성 이온젤은 내부의 수많은 이동성 이온(mobile ion)에 의하여 이온젤 표면과 전극의 접촉면에서 전기이중층(Electrical Double Layers, EDLs)을 형성하여 큰 정전용량을 가지며 외부 압력 인가 시 멀티필라멘트 구조의 전도성 섬유와 이온젤 필름의 접촉 면적이 증가함에 따라 이온젤 표면의 전기이중층 면적이 넓어지게 되고 이는 큰 정전용량 변화를 유도할 수 있다.
또한, 상기 다공성 이온젤 필름의 다공성 구조는 외부 압력 인가 시 전도성 섬유와 이온젤 필름의 접촉 면적을 더 크게 유도할 수 있으며, 이를 통해서 높은 민감도를 가진 정전용량 방식의 압력 센서를 구현할 수 있다.
본원에 따른 직물기반 웨어러블 센서는 센서 하나로 체온, 호흡수, 움직임, 및 자세 등 다양한 생체 정보를 한번에 센싱할 수 있다.
본원에 따른 스마트 의류는 사물인터넷(IoT)과 연결되어 상기 스마트 의류에서 수집한 생체 정보를 무선인터넷을 통해 송신하여 활용할 수 있다.
다만, 본원에서 얻을 수 있는 효과는 상기된 바와 같은 효과들로 한정되지 않으며, 또 다른 효과들이 존재할 수 있다.
도 1 은 본원의 일 구현예에 따른 직물기반 웨어러블 센서의 제조 방법의 순서도이다.
도 2 는 본원의 일 구현예에 따른 직물기반 웨어러블 센서의 분해도이다.
도 3 은 본원의 일 구현예에 따른 다공성 이온젤의 제조 방법을 나타낸 모식도 이다.
도 4 는 본원의 일 실시예 및 비교예에 따른 다공성 이온젤의 현미경 사진이다.
도 5 는 본원의 일 실험예에 따른 여러 혼합 비율에 따라 제작된 다공성 이온젤의 초기 정전용량 값을 나타낸 그래프이다.
도 6 의 (A)는 본원의 일 실험예에 따른 여러 혼합 비율에 따라 제작된 다공성 이온젤의 인가압력에 따른 상대적 정전 용량의 변화 및 민감도를 나타낸 그래프이며, (B)는 본원의 일 실험예에 따른 여러 혼합 비율에 따라 제작된 다공성 이온젤의 인가 압력에 따른 실제 정전용량 변화값을 나타낸 그래프이다.
도 7 은 본원의 일 실험예에 따른 여러 혼합 비율에 따라 제작된 다공성 이온젤의 100kHz 인가 주파수 환경에서 압력에 따른 상대적 정전용량의 변화와 민감도를 나타낸 그래프이다.
아래에서는 첨부한 도면을 참조하여 본원이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본원의 실시예를 상세히 설명한다. 그러나 본원은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본원을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
본원 명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 "전기적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다.
본원 명세서 전체에서, 어떤 부재가 다른 부재 "상에", "상부에", "상단에", "하에", "하부에", "하단에" 위치하고 있다고 할 때, 이는 어떤 부재가 다른 부재에 접해 있는 경우뿐 아니라 두 부재 사이에 또 다른 부재가 존재하는 경우도 포함한다.
본원 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함" 한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
본 명세서에서 사용되는 정도의 용어 "약", "실질적으로" 등은 언급된 의미에 고유한 제조 및 물질 허용오차가 제시될 때 그 수치에서 또는 그 수치에 근접한 의미로 사용되고, 본원의 이해를 돕기 위해 정확하거나 절대적인 수치가 언급된 개시 내용을 비양심적인 침해자가 부당하게 이용하는 것을 방지하기 위해 사용된다. 또한, 본원 명세서 전체에서, "~ 하는 단계" 또는 "~의 단계"는 "~를 위한 단계"를 의미하지 않는다.
본원 명세서 전체에서, 마쿠시 형식의 표현에 포함된 "이들의 조합"의 용어는 마쿠시 형식의 표현에 기재된 구성 요소들로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 혼합 또는 조합을 의미하는 것으로서, 상기 구성 요소들로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상을 포함하는 것을 의미한다.
본원 명세서 전체에서, "A 및/또는 B" 의 기재는, "A, B, 또는, A 및 B" 를 의미한다.
이하, 본원의 직물기반 웨어러블 센서의 제조 방법, 상기 제조 방법에 의하여 제조된 직물기반 웨어러블 센서 및 상기 직물기반 웨어러블 센서를 포함하는 스마트 의류에 대하여 구현예 및 실시예와 도면을 참조하여 구체적으로 설명하도록 한다. 그러나, 본원이 이러한 구현예 및 실시예와 도면에 제한되는 것은 아니다.
상기한 기술적 과제를 달성하기 위한 기술적 수단으로서, 본원의 제 1 측면은, 제 1 전도성 섬유를 포함한 하부 패브릭을 형성하는 단계; 상기 하부 패브릭 상에 다공성 이온젤을 배치하는 단계; 상기 다공성 이온젤 상에서 상기 제 1 전도성 섬유와 교차점을 형성하도록 배치된 제 2 전도성 섬유를 포함한 상부 패브릭을 형성하는 단계; 및 상기 하부 패브릭 및 상기 상부 패브릭을 결합시키는 단계를 포함하는, 직물기반 웨어러블 센서의 제조 방법을 제공한다.
이하, 도 1 및 도 2 를 참조하여 본원에 따른 직물기반 웨어러블 센서의 제조 방법에 대하여 설명한다.
도 1 은 본원의 일 구현예에 따른 직물기반 웨어러블 센서의 제조 방법의 순서도이다.
도 2 는 본원의 일 구현예에 따른 직물기반 웨어러블 센서의 분해도이다.
먼저, 제 1 전도성 섬유(110)를 포함한 하부 패브릭(100)을 형성한다(S100).
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 전도성 섬유는 금속, 전도성 고분자, 탄소나노튜브, 그래핀, 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택된 전도성 물질을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 전도성 섬유는 금속이 도금된 고분자 물질을 포함하는 멀티-필라멘트 구조인 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 고분자 물질은 나일론, 코튼, 폴리에스터, 폴리우레탄, 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택된 것을 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 전도성 섬유 및 상기 고분자 물질은 신축성 등의 성질이 유사한 것을 사용하는 것이 바람직할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
이어서, 하부 패브릭(100) 상에 다공성 이온젤(300)을 배치한다(S200).
상기 다공성 이온젤(300)은 내부의 수많은 이동성 이온(mobile ion)에 의하여 상기 다공성 이온젤(300) 표면과 전극의 접촉면에서 전기이중층(Electrical Double Layers, EDLs)을 형성하여 큰 정전용량을 가지며 외부 압력 인가 시 멀티-필라멘트 구조의 전도성 섬유와 상기 다공성 이온젤(300)의 접촉 면적이 증가함에 따라 상기 다공성 이온젤(300) 표면의 전기이중층 면적이 넓어지게 되고 이는 큰 정전용량 변화를 유도할 수 있다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 다공성 이온젤(300)은, 이온성 액체 및 고분자 용액의 혼합 용액을 기판 상에 코팅하는 단계; 상기 혼합 용액 상에 물방울을 성장시키는 단계; 및 상기 혼합 용액을 건조 및 경화시키는 단계를 포함하여 제조되는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
도 3 은 본원의 일 구현예에 따른 다공성 이온젤(300)의 제조 방법의 모식도이다.
도 3의 (A)를 참조하면, 상기 다공성 이온젤(300)을 제조하기 위하여 먼저 이온성 액체 및 고분자 용액의 혼합 용액을 기판 상에 코팅을 한다.
이온성 액체는 양이온과 음이온만으로 이루어진 100 ℃ 이하의 녹는점을 가지는 용융 염(molten salt)을 지칭한다. 이온성 액체는 열 안정성 및 화학적·전기화학적 안정성이 뛰어나며, 높은 전기용량, 이온전도도를 가지는 반면, 액상이므로 소자에 적용할 때에는 누액의 위험이 있다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 이온성 액체는 [EMIM][TFSI], [EMIM][TCM], [EMIM][NTF2], [EMI][TFSI], [BMIM][TF2N], [BMIM][PF6], [BMI][TFSI], 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택된 것을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 고분자 용액은 용매로서 아세톤, 메틸에틸케톤 등의 케톤계 유기용매; 메탄올, 에탄올, 프로판올, 이소프로판올, 부탄올, t-부틸알코올, 아밀알코올 등의 알코올성 유기용매; 에틸렌글리콜, 디에틸렌글리콜, 트리에틸렌글리콜, 프로필렌글리콜, 디프로필렌글리콜, 1,3-프로판디올 등의 디올계 유기용매; 에틸렌글리콜모노메틸에테르, 에틸렌글리콜모노에틸에테르, 에틸렌글리콜디에틸에테르 등의 에테르계 유기용매 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택되는 용매를 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 고분자 용액은 폴리(비닐리덴 플루오라이드-헥사플루오로프로필렌) (PVDF-HFP), 폴리(비닐리덴 플루오라이드) (PVDF), 폴리비닐 알코올 (PVA), 폴리(에틸렌 옥사이드) (PEO), 폴리(아크릴로-니트릴) (PAN), 및 폴리(메틸 메타크릴레이트) (PMMA), 에폭시 유도체, 실리콘 유도체 및 이들의 조합들로 이루어진 군으로부터 선택되는 것을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 이온성 액체 및 상기 고분자 용액은 4:6 내지 2:8 의 중량비로 혼합 되는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 이온성 액체 및 상기 고분자 용액의 혼합 비율에 따라 정전용량 및 다공성이 조절될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, 상기 고분자 용액의 함량이 높아질수록 다공성 구조의 형성이 적을 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
도 3 의 (B)를 참조하면, 상기 기판 상에 상기 혼합 용액을 코팅한 후, 상기 혼합 용액 상에 물방울을 성장시킨다.
상기 기판 상에 코팅된 상기 혼합 용액을 고습도 환경에서 방치를 하면, 상기 혼합 용액의 표면에 물방울이 성장하게 된다. 이를 브레스 피겨(Breath-figure) 자가 조립법이라 한다.
브레스 피겨(Breath-figure) 자가 조립법은 폴리머 용액을 고습도 환경에 가만히 두면 용액의 용매가 증발하게 되면서 기화열의 방출로 인해 용액의 온도가 내려가게 된다. 이로 인해, 차가워진 용액 표면에 고습도 환경으로 인한 미세한 물방울들이 용액의 표면에 맺히고, 이 물방울들이 점차 성장을 하게 되는데 이 상태에서 건조를 시키면 용액의 경화와 동시에 표면에 자리잡은 물방울들이 증발하여 표면에 다공성 구조를 남기게 된다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 혼합 용액 상에 물방울을 성장시키는 단계는 고습도 환경에서 진행되는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 고습도 환경은 상대습도가 70% 이상인 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
도 3 의 (C) 및 (D)를 참조하면, 표면 상에 물방울이 성장된 상기 혼합 용액을 건조 및 경화를 시켜 상기 다공성 이온젤(300)을 제조한다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 건조 및 경화에 의해 상기 혼합 용액 상의 물방울이 증발하여 상기 이온젤의 표면에 기공이 형성되는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 혼합 용액에서 상기 이온성 액체 및 상기 고분자 용액의 혼합 비율에 따라 상기 이온젤 표면에 형성되는 기공에 차이가 발생할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 예를 들면, 상기 혼합 용액의 상기 고분자 용액 비율이 높아질수록 기공의 형성이 줄어들 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
이어서, 다공성 이온젤(300) 상에서 제 1 전도성 섬유(110)와 교차점을 형성하도록 배치된 제 2 전도성 섬유(410)를 포함한 상부 패브릭(400)을 형성한다(S300).
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 하부 패브릭(100) 및 상기 상부 패브릭(400)은 상기 제 1 전도성 섬유(110) 및 상기 제 2 전도성 섬유(410)를 각각 1 개 이상 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 하부 패브릭(100) 및 상기 상부 패브릭(400) 상에 상기 제 1 전도성 섬유(110) 및 상기 제 2 전도성 섬유(410)를 각각 2 개 이상 포함하여 어레이를 형성한 경우, 상기 제 1 전도성 섬유(110) 및 상기 제 2 전도성 섬유(410)가 형성하는 교차점마다 상기 다공성 이온젤(300)이 배치되어 다수의 다공성 이온젤(300)을 포함하거나, 하나의 다공성 이온겔(300) 상에 다수의 교차점이 존재할 수 있다. 압력이 인가되는 위치에 따라서 상기 다수의 다공성 이온젤(300)은 서로 다른 정전용량 값을 나타냄으로써 압력을 센싱할 수 있다.
본원에 따른 직물기반 웨어러블 센서는 전압 인가 시, 제 1 전도성 섬유(110) 및 제 2 전도성 섬유(410)는 전극으로서 기능한다. 예를 들면, 상기 제 1 전도성(110) 섬유는 양극이고 상기 제 2 전도성 섬유(410)는 음극이거나, 상기 제 1 전도성 섬유(110)는 음극이고 상기 제 2 전도성 섬유(410)는 양극일 수 있다.
상기 다공성 이온젤(300)은 전극(상기 제 1 전도성 섬유(110) 및 상기 제 2 전도성 섬유(410))과의 접촉면에서 각각 전기 이중층 (electrical double layer)을 형성한다.
상기 전기 이중층은 상기 전극과 접촉하고 있는 상기 다공성 이온젤(300) 상의 접촉면이 상기 전극과 반대의 전하로 대전되어 상기 전극의 전하 및 접촉면의 전하가 이중의 층을 형성한 것이다.
상기 제 1 전도성 섬유(110) 및 상기 제 2 전도성 섬유(410)가 서로 반대의 전극으로 기능하므로 상기 다공성 이온젤(300)의 상부 및 하부는 각각 서로 반대의 전하로 대전되어 있다. 이에 따라, 본원에 따른 직물기반 웨어러블 센서에 포함된 상기 다공성 이온젤(300)은 캐패시터의 역할을 할 수 있다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 제 1 전도성 섬유(110) 또는 상기 제 2 전도성 섬유(410)는 각각 독립적으로 도금, 코팅, 증착, 방사, 합성, 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택된 방법에 의해서 형성되는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 하부 패브릭(100) 및 상기 상부 패브릭(400)은 재봉, 니팅, 위빙, 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택된 방법에 의해서 형성되는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 하부 패브릭(100) 또는 상기 상부 패브릭(400)은 각각 독립적으로 폴리에스터, 모, 마, 면 실크, 나일론, 스판덱스 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 섬유를 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
마지막으로, 하부 패브릭(100) 및 상부 패브릭(400)을 결합시킨다(S400).
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 하부 패브릭(100) 및 상기 상부 패브릭(400)은 상기 다공성 이온젤(300)이 배치된 영역을 제외한 나머지 영역에 형성된 접착부(200)에 의해 결합되는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 접착부(200)는 양면테이프, 패브릭용 본드, 핫멜트 접착제, 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택된 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
또한, 본원의 제 2 측면은, 제 1 전도성 섬유(110)를 포함하는 하부 패브릭(100); 및 상기 하부 패브릭(100) 상에, 상기 제 1 전도성 섬유(110)와 교차점을 형성하도록 배치된 제 2 전도성 섬유(410)를 포함하는 상부 패브릭(400); 및 상기 하부 패브릭(100) 및 상기 상부 패브릭(400) 사이에 배치된 다공성 이온젤(300), 을 포함하는, 직물기반 웨어러블 센서를 제공한다.
본원의 제 2 측면에 따른 직물기반 웨어러블 센서에 대하여, 본원의 제 1 측면과 중복되는 부분들에 대해서는 상세한 설명을 생략하였으나, 그 설명이 생략되었더라도 본원의 제 1 측면에 기재된 내용은 본원의 제 2 측면에 동일하게 적용될 수 있다.
본원에 따른 직물기반 웨어러블 센서는 압력 이외에도 굽힘 및 온도 에 따라 정전용량이 변화하므로 굽힘 및 온도 또한 센싱할 수 있다. 자세하게는, 상기 센서에 굽힘이 가해지게 되면, 상기 센서에 포함된 상기 다공성 이온젤(300)이 구부러지면서 구부러진 내측면은 압축(compression)되고, 외측면은 이완되며 장력(tension)이 작용하면서 상기 전도성 섬유 및 상기 다공성 이온젤(300)의 접촉면적이 넓어지므로 전기적 이중층 또한 넓어지게 되어 정전용량이 증가한다. 또한 온도가 상승됨에 따라 상기 다공성 이온젤(300) 내부의 유동성 이온들의 운동성이 증대되고, 저항이 감소하여 이온전도도가 증가한다. 이로 인해 상기 다공성 이온젤(300) 및 상기 전도성 섬유의 접촉면 상에 전기적 이충층이 더욱 용이해지며 정전용량이 증가한다.
또한, 본원의 제 3 측면은 본원의 제 2 측면에 따른 직물기반 웨어러블 센서를 포함하는, 스마트 의류를 제공한다.
본원의 제 3 측면에 따른 스마트 의류에 대하여, 본원의 제 1 측면 및/또는 제 2 측면과 중복되는 부분들에 대해서는 상세한 설명을 생략하였으나, 그 설명이 생략되었더라도 본원의 제 1 측면 및/또는 제 2 측면에 기재된 내용은 본원의 제 3 측면에 동일하게 적용될 수 있다
본원에 따른 직물기반 웨어러블 센서는 스마트 의류에 적용되어 상기 센서 하나로 체온, 호흡수, 움직임, 및 자세 등 다양한 생체 정보를 한번에 센싱할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 스마트 의류는 사물인터넷(IoT)과 연결되는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
사물인터넷은 무선인터넷을 통해 각종 사물을 연결하는 기술로서 상기 스마트 의류에서 수집한 정보를 무선인터넷을 통해 송신하여 활용할 수 있다.
이하 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세하게 설명하고자 하나, 하기의 실시예는 단지 설명의 목적을 위한 것이며 본원의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다.
[실시예 1: 다공성 이온젤의 제조]
다공성 이온젤 필름은 이온성 액체인 [EMIM][TFSI] (1-Ethyl-3-methylimidazolium bis(trifluoromethylsulfonyl)imide)와 아세톤을 용매로 하는 10 중량%의 PVDF-HFP (Poly(vinylidene fluoride-co-hexafluoropropylene)) 고분자 용액의 혼합 용액을 기판 위에 10μL씩 캐스팅하고 상대습도 80 %의 챔버에서 10분의 breath-figure 공정을 진행시키고 40도의 온도에서 6시간 건조하여 상기 다공성 이온젤 필름을 제작하였다.
상기 다공성 이온젤의 적절한 정전용량 값의 확보와 압력 센서의 민감도를 최적화하기 위하여 상기 혼합 용액의 PVDF-HFP 용액 및 [EMIM][TFSI]의 중량비를 각각 6.5:3.5, 6:4, 7:3 및 7.5:2.5 로 하여 상기 다공성 이온젤을 제조하였다.
[비교예]
본원의 일 실시예에 따른 다공성 이온젤의 비교예로서 이온성 액체 및 고분자 용액의 중량비를 5:5로 하여, 다공성 구조를 가지지않는 이온젤을 제조하였다. 중량비를 제외한 나머지 과정은 상기 실시예 1 과 동일하다.
[실험예 1]
이온성 액체 및 고분자 용액의 혼합 비율에 따른 다공성의 특성을 알아보기 위해서 상기 실시예 및 비교예를 통해 제작된 이온젤을 현미경 사진을 통해 비교했다.
도 4 의 (A)는 본원의 일 실시예에 따른 다공성 이온젤의 현미경 사진이며, (B)는 본원의 일 비교예에 따른 다공성 구조를 가지지않는 이온젤의 현미경 사진이다.
도 4 의 (A)를 참조하면, PVDF-HFP 의 함량이 높은 조건일수록 표면 다공성 구조의 형성이 약한 것을 확인할 수 있었다.
도 4 의 (B)를 참조하면, PVDF-HFP 용액 및 [EMIM][TFSI]의 비율을 5:5 로 하여 제작된 이온젤 필름은 표면에 미세구조가 관찰되지 않았으며, 대신 불규칙적으로 형성된 표면을 보였다.
[실험예 2]
도 5 은 본원의 일 실험예에 따른 여러 혼합 비율에 따라 제작된 다공성 이온젤의 초기 정전용량 값을 나타낸 그래프이다.
도 5 를 참조하면, 상기 다공성 이온젤의 초기 정전용량값은 이온성 액체의 비율이 가장 높은 5:5 혼합 비율로 제작된 이온젤이 가장 높았으며, 6:4, 6.5:3.5 순서로 이온성 액체의 비율이 낮아질수록 초기 정전용량값이 낮아지는 것을 확인할 수 있었다.
또한, 인가 주파수가 높아질수록 초기 정전용량값이 낮아지는 것을 확인할 수 있었다.
[실험예 3]
센서의 성능을 판단하기 위하여 여러 혼합 비율로 제작된 다공성 이온젤의 민감도를 측정하였다. 민감도(sensitivity)는 인가 압력의 변화에 따른 상대적인 정전용량 값의 변화이며, 하기 식 1 로 나타낼 수 있다.
[식 1]
Figure 112020129378657-pat00001
도 6 의 (A)는 본원의 일 실험예에 따른 여러 혼합 비율에 따라 제작된 다공성 이온젤의 인가압력에 따른 상대적 정전 용량의 변화 및 민감도를 나타낸 그래프이며, (B)는 본원의 일 실험예에 따른 여러 혼합 비율에 따라 제작된 다공성 이온젤의 인가 압력에 따른 실제 정전용량 변화값을 나타낸 그래프이다.
도 6 을 참조하면, 같은 압력 인가 시, 이온성 액체 35 wt%, PVDF-HFP 65 wt% 조성의 이온젤 압력 센서가 다른 조성의 이온젤 압력 센서에 비해 상대적인 정전용량 변화가 가장 커서 가장 높은 민감도(sensitivity)를 갖는 것으로 확인이 되었다.
이온성 액체의 함량이 높을수록 실질적으로 변화하는 정전용량 값의 변화량은 크지만, 상기 실험예 2 에서 보여주듯이 초기 정전용량 값 또한 크기 때문에 상대적인 정전용량 변화량은 더 작아서 민감도 또한 작아지게 된다.
또한, 상기 방법으로 제조된 압력센서의 민감도는 인가 주파수 환경에 따라서도 차이가 있으며, 상대적인 정전용량 값 변화는 도 6 의 (A)에서와 같이 조성과 상관없이 100 kHz에서 가장 높았으며, 100 Hz에서는 실질적인 정전용량 값의 변화는 컸지만 상대적인 정전용량 값 변화는 제일 작았다.
도 7 은 본원의 일 실험예에 따른 여러 혼합 비율에 따라 제작된 다공성 이온젤의 100kHz 인가 주파수 환경에서 압력에 따른 상대적 정전용량의 변화와 민감도를 나타낸 그래프이다.
도 7 을 참조하면, 이온성 액체 35 wt%, PVDF-HFP 65 wt% 조성으로 제작한 이온젤 압력 센서는 100 kHz 주파수 인가 상태에서 최대 2.24 kPa-1 의 민감도를 보였으며 우수한 선형성(R2=0.9170)을 보였다.
전술한 본원의 설명은 예시를 위한 것이며, 본원이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본원의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.
본원의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본원의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
100: 하부 패브릭
110: 제 1 전도성 섬유
200: 접착부
300: 다공성 이온젤
400: 상부 패브릭
410: 제 2 전도성 섬유

Claims (20)

  1. 제 1 전도성 섬유를 포함한 하부 패브릭을 형성하는 단계;
    상기 하부 패브릭 상에 다공성 이온젤을 배치하는 단계;
    상기 다공성 이온젤 상에서 상기 제 1 전도성 섬유와 교차점을 형성하도록 배치된 제 2 전도성 섬유를 포함한 상부 패브릭을 형성하는 단계; 및
    상기 하부 패브릭 및 상기 상부 패브릭을 결합시키는 단계,
    를 포함하고,
    상기 다공성 이온젤은,
    이온성 액체 및 고분자 용액이 4:6 내지 2:8 의 중량비로 혼합된 혼합 용액을 기판 상에 코팅하는 단계;
    상기 혼합 용액 상에 물방울을 성장시키는 단계; 및
    상기 혼합 용액을 건조 및 경화시키는 단계,
    를 포함하여 제조되는 것인,
    직물기반 웨어러블 센서의 제조 방법.
  2. 삭제
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 건조 및 경화에 의해 상기 혼합 용액 상의 물방울이 증발하여 상기 이온젤의 표면에 기공이 형성되는 것인, 직물기반 웨어러블 센서의 제조방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 혼합 용액 상에 물방울을 성장시키는 단계는 고습도 환경에서 진행되는 것인, 직물기반 웨어러블 센서의 제조방법.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 고습도 환경은 상대습도가 70% 이상인 것인, 직물기반 웨어러블 센서의 제조방법.
  6. 삭제
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 이온성 액체는 [EMIM][TFSI], [EMIM][TCM], [EMIM][NTF2], [EMI][TFSI], [BMIM][TF2N], [BMIM][PF6], [BMI][TFSI], 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택된 것을 포함하는 것인, 직물기반 웨어러블 센서의 제조 방법.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 고분자 용액은 폴리(비닐리덴 플루오라이드-헥사플루오로프로필렌) (PVDF-HFP), 폴리(비닐리덴 플루오라이드) (PVDF), 폴리비닐 알코올 (PVA), 폴리(에틸렌 옥사이드) (PEO), 폴리(아크릴로-니트릴) (PAN), 및 폴리(메틸 메타크릴레이트) (PMMA), 에폭시 유도체, 실리콘 유도체 및 이들의 조합들로 이루어진 군으로부터 선택되는 것을 포함하는 것인, 직물기반 웨어러블 센서의 제조 방법.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 전도성 섬유 또는 상기 제 2 전도성 섬유는 각각 독립적으로 도금, 코팅, 증착, 방사, 합성, 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택된 방법에 의해서 형성되는 것인, 직물기반 웨어러블 센서의 제조 방법.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 전도성 섬유는 금속, 전도성 고분자, 탄소나노튜브, 그래핀, 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택된 전도성 물질을 포함하는 것인, 직물기반 웨어러블 센서의 제조 방법.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 전도성 섬유는 금속이 도금된 고분자 물질을 포함하는 멀티-필라멘트 구조인 것인, 직물기반 웨어러블 센서의 제조 방법.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 고분자 물질은 나일론, 코튼, 폴리에스터, 폴리우레탄, 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택된 것을 포함하는, 직물기반 웨어러블 센서의 제조 방법.
  13. 제 1 항에 있어서,
    상기 하부 패브릭 및 상기 상부 패브릭은 재봉, 니팅, 위빙, 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택된 방법에 의해서 형성되는 것인, 직물기반 웨어러블 센서의 제조 방법.
  14. 제 1 항에 있어서,
    상기 하부 패브릭 및 상기 상부 패브릭은 상기 제 1 전도성 섬유 및 상기 제 2 전도성 섬유를 각각 1개 이상 포함하는 것인, 직물기반 웨어러블 센서의 제조 방법.
  15. 제 1 항에 있어서,
    상기 하부 패브릭 또는 상기 상부 패브릭은 각각 독립적으로 폴리에스터, 모, 마, 면 실크, 나일론, 스판덱스 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 섬유를 포함하는 것인, 직물기반 웨어러블 센서의 제조 방법.
  16. 제 1 항에 있어서,
    상기 하부 패브릭 및 상기 상부 패브릭은 상기 다공성 이온젤이 배치된 영역을 제외한 나머지 영역에 형성된 접착부에 의해 결합되는 것인, 직물기반 웨어러블 센서의 제조 방법.
  17. 제 16 항에 있어서,
    상기 접착부는 양면테이프, 패브릭용 본드, 핫멜트 접착제, 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택된 것인, 직물기반 웨어러블 센서의 제조 방법.
  18. 제 1 전도성 섬유를 포함하는 하부 패브릭; 및
    상기 하부 패브릭 상에, 상기 제 1 전도성 섬유와 교차점을 형성하도록 배치된 제 2 전도성 섬유를 포함하는 상부 패브릭; 및
    상기 하부 패브릭 및 상기 상부 패브릭 사이에 배치된 다공성 이온젤,
    을 포함하고,
    상기 다공성 이온젤은,
    이온성 액체 및 고분자 용액이 4:6 내지 2:8 의 중량비로 혼합 된 혼합 용액을 기판 상에 코팅하는 단계;
    상기 혼합 용액 상에 물방울을 성장시키는 단계; 및
    상기 혼합 용액을 건조 및 경화시키는 단계,
    를 포함하여 제조되는 것인,
    직물기반 웨어러블 센서.
  19. 제 18 항에 따른 직물기반 웨어러블 센서를 포함하는, 스마트 의류.
  20. 제 19 항에 있어서,
    상기 스마트 의류는 사물인터넷(IoT)과 연결되는 것인, 스마트 의류.
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