KR20190057813A - 페브릭 압력 센서 - Google Patents

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Abstract

실로 짜인 유연하고 신축성 있는 직물에 설치되는 페브릭 압력 센서가 개시된다. 페브릭 압력 센서는, 전도사나 전도성 입자가 분산된 소재를 각각 포함하는 제1 전도성 직물 레이어 및 제2 전도성 직물 레이어와, 제1 및 제2 전도성 직물 레이어들 사이에 배치되고 유전율 실로 이루어지는 스페이서 레이어를 포함하며, 스페이서 레이어의 두께는 50㎛ 내지 300㎛일 수 있다.

Description

페브릭 압력 센서{Fabric Pressure Sensor}
본 발명의 실시예는 압력 센서에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 실로 짜인 유연하고 신축성 있는 직물에 설치되는 페브릭 압력 센서에 관한 것이다.
기존의 압력 센서(pressure sensors) 대부분은 가볍고 유연하며 신축성이 있는 텍스타일로 만들어진다. 이러한 압력 센서는 사용자에게 불편함이 없이 착용되어 호흡이나 모션 등과 관련된 데이터를 지속적으로 수집하는데 이용된다.
텍스타일이 가지는 신축성(stretchability)이란, 인체의 불균일하고 복잡한 형태를 자연스럽게 감당하고 그 움직임에 순응할 수 있는 능력에 대응된다.
한편, 섬유 레이어에 스트레인 센서를 형성하는 것은 쉽지 않다. 그것은 직물이나 편물 구조의 레이어은 실로 짜여 있으므로 인접한 실들 사이에 공간이 생기고, 이러한 공간에 의해 전극으로서의 기능과 신뢰성에 문제가 발생하기 때문이다.
국내 등록특허공보 제10-1722064호(2017.03.27.) 미국 공개특허공보 제2017/0249041호(2017.08.31.)
본 발명은 전술한 종래 기술은 문제점을 해결하기 위한 도출된 것으로, 본 발명의 목적은 전도사나 전도성 입자가 분산된 소재를 이용하여 직조되는 레이어를 구비하고 신축성 및 유연성을 가지는 페브릭 압력 센서를 제공하는 데 있다.
본 발명의 다른 목적은 직물이나 의류 등에 사용할 때 이물감을 상당히 줄이거나 제거할 수 있는 페브릭 압력 센서를 제공하는 데 있다.
상기 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 측면에 따른 페브릭 압력 센서는, 전도사나 전도성 입자가 분산된 소재를 각각 포함하는 제1 전도성 직물 레이어 및 제2 전도성 직물 레이어와, 상기 제1 및 제2 전도성 직물 레이어들 사이에 배치되고 유전율 실로 이루어지는 스페이서 레이어를 포함한다. 스페이서 레이어의 두께는 50㎛ 내지 300㎛일 수 있다.
일실시예에서, 상기 스페이서 레이어의 인접한 유전율 실들에 의해 한정되는 구멍이나 공간의 평면상 평균 사이즈는 상기 제1 또는 제2 전도성 직물 레이어의 것보다 클 수 있다.
일실시예에서, 상기 제1 또는 제2 전도성 직물 레이어는 상기 스페이서 레이어의 적어도 일부 유전율 실을 전극사로 대체한 것일 수 있다.
일실시예에서, 상기 제1 또는 제2 전도성 직물 레이어와 상기 스페이서 레이어의 신축성은 동일할 수 있다.
일실시예에서, 페브릭 압력 센서는 상기 제1 및 제2 전도성 직물 레이어들의 일단과 타단 각각에서 상기 제1 및 제2 전도성 직물 레이어들에 공통 연결되는 제1 및 제2 직물 패드들을 더 포함할 수 있다.
일실시예에서, 페브릭 압력 센서는 상기 제1 및 제2 직물 패드들에 연결되는 센싱 회로를 더 포함할 수 있다.
상기 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명의 다른 측면에 따른 페브릭 압력 센서는, 일반사 또는 유전율 실로 각각 이루어지고 서로 이격 배치되는 제1 일반 레이어과 제2 일반 레이어; 및 상기 제1 및 제2 일반 레이어들 사이에 배치되고 도전사나 전도성 입자가 분산된 소재를 구비하는 전도성 직물 레이어를 포함한다.
일실시예에서, 페브릭 압력 센서는 상기 전도성 직물 레이어의 일단과 타단에 연결되고, 상기 제1 또는 제2 일반 레이어 외측의 외력에 의해 상기 전도성 직물 레이어가 눌릴 때, 상기 전도성 직물 레이어 내의 전도성 필라멘트들 간의 간격 또는 밀도 변화에 따른 저항 변화를 감지하는 센싱 회로를 더 포함할 수 있다.
본 발명에 의하면, 신축성 및 유연성을 가진 페브릭 압력 센서를 제공할 수 있고, 그에 의해 언더웨어 등의 의류나 밴드, 머리띠 등의 신체와 접촉하는 직물 제품에 적용하여 사용자가 사용하기 편안하고 실질적으로 이물감을 거의 느끼지 못하는 의류-센서 환경을 제공할 수 있다.
또한, 본 발명에 의하면, 일반 직물 레이어의 신장률에 대응하도록 전도성 직물 레이어의 직물 또는 편물 구조나 밀도를 조정하거나 그 역으로 조정하여 일반 직물 레이어와 전도성 직물 레이어의 신장률을 동일하게 설계함으로써, 페브릭 압력 센서를 언더웨어 등의 신체에 직접 접촉하는 직물에 사용하는 경우에도 이물감을 효과적으로 제거하고 사용자의 편의성을 극대화할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 페브릭 압력 센서와 이를 채용한 의류를 나타낸 도면이다.
도 2는 도 1의 페브릭 압력 센서의 부분 단면도이다.
도 3은 도 1의 페브릭 압력 센서의 부분 분해 평면도이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 페브릭 압력 센서의 부분 단면도이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 페브릭 압력 센서에 채용할 수 있는 도전사 또는 전도성 섬유에 대한 단면도이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 페브릭 압력 센서에 채용할 수 있는 다른 도전사 또는 전도성 섬유에 대한 부분 측면도이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 페브릭 압력 센서에 채용할 수 있는 센싱 회로에 대한 블록도이다.
본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 또한, "특징으로 한다", "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 페브릭 압력 센서와 이를 채용한 의류를 나타낸 도면이다. 도 2는 도 1의 페브릭 압력 센서의 부분 단면도이다. 도 3은 도 1의 페브릭 압력 센서의 부분 분해 평면도이다.
본 실시예에 따른 페브릭 압력 센서는, 도 1에 도시한 바와 같이, 의류(100)에 설치될 수 있다. 의류(100)는 일반 실(yarn) 또는 유전율 실을 기존 소재로 구성되는 직물이나 원단(천, 10)을 포함할 수 있다. 페브릭 압력 센서는 의류(100)의 적어도 하나의 특정 위치에 설치될 수 있다.
페브릭 압력 센서는 센싱전극부(20) 및 센싱 회로(40)를 포함한다. 센싱전극부(20)와 센싱 회로(40)는 배선(30)에 의해 전기적으로 연결될 수 있다. 센싱전극부(20)와 배선(30) 사이에는 직물 패드(50)가 게재될 수 있다.
직물 패드(50)는 센싱회로(40)과의 전기 회로 구성을 위해 제1 및 제2 전도성 직물 레이어들(21, 22)의 일단과 타단 각각에서 제1 및 제2 전도성 직물 레이어들(21, 22)에 공통 연결되는 제1 및 제2 직물 패드들을 구비할 수 있다.
센싱전극부(20)는, 도 2에 도시한 바와 같이, 전도사나 전도성 입자가 분산된 소재를 각각 포함하는 제1 및 제2 전도성 직물 레이어들(21, 22)과, 제1 및 제2 전도성 직물 레이어들(21, 22) 사이에 배치되고 유전율 실로 이루어지는 스페이서 레이어(23)를 포함한다. 스페이서 레이어의 두께는 50㎛ 내지 300㎛일 수 있다. 전도사나 전도성 입자가 분산된 소재는 전도성 섬유로 지칭될 수 있다.
제1 전도성 직물 레이어(21)는 제1 전도성 섬유(21a)를 포함하고, 제2 전도성 직물 레이어(22)는 제2 전도성 섬유(22a)를 포함하고, 스페이서 레이어(23)는 일반실 또는 유전율 실(23a)을 포함할 수 있다.
스페이서 레이어(23)의 두께는 페브릭 타입의 압력 센서로서 소정 간격 이격되고 스페이서 레이어를 중간에 삽입하고 있는 제1 및 제2 전도성 직물 레이어들(21, 22)이 대기 모드에서는 전기적으로 신뢰성 있게 분리되고 일정 이상의 외력이 가해질 때는 전기적으로 신뢰성 있게 접속하도록 설계된 것이다.
또한, 스페이서 레이어(23)의 인접한 유전율 실들에 의해 한정되는 구멍이나 공간의 평면상 평균 사이즈는 제1 또는 제2 전도성 직물 레이어(21; 22)의 것보다 클 수 있다. 그것은 스페이서 레이어(23)의 직물 밀도(23b)가 제1 또는 제2 전도성 직물 레이어의 직물 밀도(21b, 22b)가 상대적으로 작은 외력에 의해서도 제1 및 제2 전도성 직물 레이어들(21, 22)가 잘 접속하도록 설계하기 위한 것이다.
또한, 제1 또는 제2 전도성 직물 레이어(21; 22)는 스페이서 레이어(23)의 적어도 일부 유전율 실을 전극사 또는 상기 소재로 대체한 것일 수 있다. 이 경우인 제1 또는 제2 전도성 직물 레이어(21; 22)와 스페이서 레이어(23)는 실질적으로 동일한 구조나 형태를 구비할 수 있다. 또한, 제1 또는 제2 전도성 직물 레이어(21; 22)와 스페이서 레이어(23)의 신축성은 실질적으로 동일할 수 있다. 그리고, 전술한 경우에도 직물 밀도에서는 차이를 갖도록 하는 것도 가능하다.
배선(30)은 전도성 섬유를 이용하여 의류(100)을 직조할 때 일체로 형성될 수 있다.
센싱회로(40)는 배선(30)을 통해 센싱전극부(20)의 양단에 소정의 전압을 인가하는 전원부를 포함할 수 있다. 센싱회로(40)는 전자소자에 대응될 수 있다. 센싱회로(40)는 반도체 칩이나 모듈 구조나 형태를 가질 수 있다. 센싱회로(40)는FPGA(field programmable gate array), ASIC(Application Specific Integrated Circuit) 등과 같은 하드웨어 구성요소를 포함할 수 있다.
직물 패드(50)는 전도성 섬유를 이용하여 의류(100)에 일체로 형성될 수 있다. 직물 패드(50)는 배선(30)와 센싱전극부(20)의 전기적 접속에서 병목 현상이나 핫 스팟이 발생하지 않도록 소정의 전기저항값을 갖고 설치될 수 있다.
또한, 본 실시예에서는 배선(30)과 직물 패드(50)나 제1 또는 제2 전도성 직물 레이어와의 전기접 접속의 안정성 향상을 위해 추가적인 박음질이나 핫멜트 등의 지지수단을 더 포함할 수 있다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 페브릭 압력 센서의 부분 단면도이다.
도 4를 참조하면, 본 실시예에 따른 페브릭 압력 센서는, 일반사 또는 유전율 실로 각각 이루어지고 서로 이격 배치되는 제1 및 제2 일반 직물 레이어들(23, 23c)과, 제1 및 제2 일반 직물 레이어들(23, 23c) 사이에 배치되고 도전사나 전도성 입자가 분산된 소재(21a, 21c)를 구비한 전도성 직물 레이어(21)를 포함한다.
전도성 직물 레이어(21) 내 상기 도전사나 상기 소재(21a, 21c)는 단위 제곱센티미터당 평균 밀도가 수 개의 수(실) 범위 내에서 차이를 갖고 규칙적으로 혹은 소정의 반복 패턴으로 배치될 수 있다. 이러한 균일한 배치는 외력에 의해 전도성 직물 레이어(21) 내 필라멘트들 간의 접촉 면적이 증가할 때 전도성 직물 레이어(21)의 양단에서의 저항값이 선형적으로 혹은 반비례하여 증가하며, 그에 의해 페브릭 압력 센서의 동작에 대한 안정성과 신뢰성을 높일 수 있다.
이와 같이, 본 실시예에서는 전도성 직물 레이어(40)의 일단과 타단에 연결되는 센싱 회로를 통해, 제1 또는 제2 일반 직물 레이어 외측의 외력에 의해 전도성 직물 레이어가 눌릴 때, 전도성 직물 레이어 내의 도전사들이나 소재들이나 전도성 필라멘트들 간의 간격 또는 밀도 변화에 따른 저항 변화를 신뢰성 있게 감지할 수 있다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 페브릭 압력 센서에 채용할 수 있는 도전사 또는 전도성 섬유에 대한 단면도이다. 도 6은 본 발명의 실시예에 따른 페브릭 압력 센서에 채용할 수 있는 다른 도전사 또는 전도성 섬유에 대한 부분 측면도이다.
도 5에 도시한 바와 같이, 전도성 직물 레이어의 전도성 섬유(21a)로 사용되는 도전사 또는 전도성 입자가 분산된 실은, 유전율 실(211)이나 탄소섬유의 표면에 바인더(212)에 의한 탄소나노튜브나 그래핀(213)의 분산을 포함할 수 있다. 또한, 전도성 섬유(21a)는 바인더(212)에 의해 탄소나노튜브나 그래핀(213)과 함께 코어를 형성하는 유전율 실(211)의 표면에 분산되는 첨가재(214)를 더 구비할 수 있다. 첨가재(214)는 흑연 분말을 포함할 수 있다.
또한, 도 6에 도시한 바와 같이 전도성 직물 레이어의 전도성 섬유(22c)는 유전율 실(23a)과 꼬여져 멀티필라멘트 형태를 구비할 수 있다. 본 실시예에서는 전도성 섬유(22c)를 두 개의 실을 꼬은 형태를 예시하나, 이에 한정되지는 않는다. 전도성 섬유(22c)는 도전 특성이 표면에 노출되는 형태라면 특별히 한정되지 않는다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 페브릭 압력 센서에 채용할 수 있는 센싱 회로에 대한 블록도이다.
도 7에 도시한 바와 같이, 센싱회로(40)는 전원부(미도시), 신호감지부(42), 비교부(44), 생체신호 처리부(46) 및 출력부(48)를 구비할 수 있다. 전원부는 배선(30)을 통해 전도성 직물 레이어(21; 22)의 도전사나 전도성 섬유의 양측 단자부들에 소정 전압을 인가할 수 있다. 전원부는 배터리, 압전 발전기, 열전지 등을 포함할 수 있으며, 압전 발전기와 열전지는 탄소섬유를 이용하여 직물이나 의류에 일체로 형성될 수 있다.
신호감지부(42)는 전원부와 전도성 직물 레이어(20) 사이에 연결되고 전도성 직물 레이어(20)가 눌리거나 한쌍이 전도성 직물 레이어들이 접속 면적이 증가할 때 발생하거나 변하는 물리량(저항 등)을 감지할 수 있다.
신호감지부(42)는 부피 변화에 따른 물리양을 증폭하는 신호증폭부를 구비할 수 있다. 신호감지부(42)의 입력단은 센싱회로(40)의 입력부로서 신호증폭부의 입력단들 중 적어도 어느 하나에 대응될 수 있다.
비교부(44)는 신호감지부(42)의 출력신호를 기준신호 또는 기준레벨과 비교한다.
생체신호 처리부(46)는 감지신호 중 비교부(44)를 통해 판단된 신호에 기초하여 미리 설정된 생체신호를 감지할 수 있다. 이러한 생체신호를 이용하면, 상처 치료, 상처 치료 과정의 지속적인 모니터링 등을 수행할 수 있다.
또한, 센싱회로(40)는 신호감지부(42)에서 감지되는 감지신호나 이에 대응하는 생체신호를 출력하는 출력부(48)를 구비할 수 있다. 출력부(48)는 커넥터, 통신서브시스템의 안테나, 표시장치 등을 포함할 수 있다. 통신서브시스템은 무선 통신을 위한 통신 모듈을 포함할 수 있고, 무선 통신은 근거리 무선통신, 이동통신 등을 포함할 수 있다.
커넥터는 기존의 다양한 형태들 중 적어도 어느 하나를 선택하여 채용될 수 있다. 커넥터는 USB(universal serial bus)를 포함할 수 있다. 커넥터, 통신서브시스템 등을 이용하면, 스마트폰 등의 휴대 단말을 연결하여 휴대 단말에 탑재된 애플리케이션을 통해 생체 신호나 상처 치료 과정 등을 화면에 표시하는 것이 가능하다. 물론, 생체신호는 헬스케어 서버 등으로 전송되어 개인 건강관리를 모니터링하는데 이용될 수 있다.
출력부는 커넥터나 통신서브시스템에 더하여 추가로 포함하거나 이것을 대체하는 표시소자로 구현될 수 있으며, 그 경우 액정표시장치(LED) 등에 의해 감지된 생체신호를 미리 정해진 숫자나 문자 형태로 표시하도록 구현될 수 있다.
전술한 바와 같이, 본 실시예에 따른 페브릭 압력 센서는 전도성 섬유를 이용하여 상하 직물 레이어들과 이들 사이에 유전율 실로 이루어진 중간 레이어를 구비한 구조체에서 외부 압력에 따른 상하 레이어들 간의 접촉 면적 변화에 기초하여 압력을 측정할 수 있다.
또한, 본 실시예의 페브릭 압력 센서에서 일반 직물 레이어와 전도성 직물 레이어의 신장률을 동일하게 설계할 수 있다. 이를 위해 구성하고자 하는 압력 센서의 종류에 따라 및/또는 일반 직물 레이어의 종류나 구조에 따라 직물 레이어의 신축성에 대응하도록 전도성 직물 레이어의 신축성을 조정할 수 있다.
전술한 페브릭 압력 센서는 3층 적층 구조를 가질 수 있다. 또한, 서로 이웃하는 층들 간의 신장률은 실질적으로 동일하거나 유사할 수 있다. 이를 위해 제조하고자 하는 페브릭 압력 센서의 종류에 따라 및/또는 섬유의 종류나 구조에 따라 전도성 직물 레이어나 일반 직물 레이어 중 어느 한쪽의 신장률을 조정할 수 있다.
본 발명은 도면에 도시된 실시 예를 참고로 하여 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 기술적 보호범위는 청구범위에 의해서 정하여져야 할 것이다.

Claims (8)

  1. 전도사나 전도성 입자가 분산된 소재를 각각 포함하는 제1 및 제2 전도성 직물 레이어들; 및
    상기 제1 및 제2 전도성 직물 레이어들 사이에 배치되고 유전율 실로 이루어지는 스페이서 레이어를 포함하며,
    상기 스페이서 레이어의 두께는 50㎛ 내지 300㎛인 페브릭 압력 센서.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 스페이서 레이어의 인접한 유전율 실들에 의해 한정되는 구멍이나 공간의 평면상 평균 사이즈는 상기 제1 또는 제2 전도성 직물 레이어의 것보다 큰 페브릭 압력 센서.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 또는 제2 전도성 직물 레이어는 상기 스페이서 레이어의 적어도 일부 유전율 실을 상기 전극사 또는 상기 소재로 대체한 것인 페브릭 압력 센서.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 제1 또는 제2 전도성 직물 레이어와 상기 스페이서 레이어의 신축성은 동일한 페브릭 압력 센서.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 및 제2 전도성 직물 레이어들의 일단과 타단 각각에서 상기 제1 및 제2 전도성 직물 레이어들에 공통 연결되는 제1 및 제2 직물 패드들을 더 포함하는 페브릭 압력 센서.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 제1 및 제2 직물 패드들에 연결되는 센싱 회로를 더 포함하는 페브릭 압력 센서.
  7. 일반사 또는 유전율 실로 각각 이루어지고 서로 이격 배치되는 제1 및 제2 일반 직물 레이어들; 및
    상기 제1 및 제2 일반 직물 레이어들 사이에 배치되고 도전사나 전도성 입자가 분산된 소재를 구비한 전도성 직물 레이어를 포함하며,
    상기 전도성 직물 레이어 내 상기 도전사나 상기 소재는 단위 제곱센티미터당 평균 밀도가 수 개의 수(실) 범위 내에서 차이를 갖고 규칙적으로 혹은 소정의 반복 패턴으로 배치되는 페브릭 압력 센서.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 전도성 직물 레이어의 일단과 타단에 연결되고, 상기 제1 또는 제2 일반 직물 레이어 외측의 외력에 의해 상기 전도성 직물 레이어가 눌릴 때, 상기 전도성 직물 레이어 내의 도전사들이나 소재들이나 전도성 필라멘트들 간의 간격 또는 밀도 변화에 따른 저항 변화를 감지하는 센싱 회로를 더 포함하는 페브릭 압력 센서.
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