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KR101653061B1 - 변형 정보 감지를 위한 전기활성고분자 직물 센서 - Google Patents

변형 정보 감지를 위한 전기활성고분자 직물 센서 Download PDF

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KR101653061B1
KR101653061B1 KR1020140173598A KR20140173598A KR101653061B1 KR 101653061 B1 KR101653061 B1 KR 101653061B1 KR 1020140173598 A KR1020140173598 A KR 1020140173598A KR 20140173598 A KR20140173598 A KR 20140173598A KR 101653061 B1 KR101653061 B1 KR 101653061B1
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electroactive polymer
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fibers
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장승환
배지훈
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중앙대학교 산학협력단
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Publication date
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Abstract

유연성과 내구성이 충분히 확보되어 다양한 종류의 외력에도 그 기능성을 잃지 않고 설치된 장소의 변형 정보를 정확하게 측정할 수 있는 기술을 제공한다. 본 발명의 일 실시예에 따른 변형 정보 감지를 위한 전기활성고분자 직물 센서는, 외력에 의해 변형되는 경우 전압을 생성하는 전기활성고분자 물질을 포함하는 적어도 하나의 제1 섬유; 및 도전성 물질을 포함하는 플렉서블(Flexible)한 적어도 하나의 제2 섬유;를 포함하고, 제1 섬유 및 제2 섬유는 서로 교차되도록 직조됨으로써 직물 형태로 구성되는 것을 특징으로 한다.

Description

변형 정보 감지를 위한 전기활성고분자 직물 센서{ELECTRO ACTIVE POLYMER FABRIC SENSOR FOR DETECTING TRANSFORMATION}
본 발명은 예를 들어, 변형 정보 감지를 위한 전기활성고분자 물질을 포함하여 구성되는 직물 형태의 센서에 관한 것이다.
복합재료를 포함하는 구조물 등의 객체는, 기존의 금속 구조물과는 달리, 에너지 충격 등에 의해 변형된 부분이 탄성력에 의해 복원되기 때문에, 겉으로는 변형이 이루어지지 않아 정상 상태를 유지하는 것으로 보일 수 있으나, 내부의 미세층 간 분리 및 미세 균열 등의 결함이 발생할 수 있다. 이러한 결함이 구조물의 운행 중, 결함의 확대나 성장으로 이어지거나, 결함에 심한 하중이 작용하면, 객체의 갑작스런 파괴 및 손상이 발생할 수 있어, 객체의 안전을 위해 손상부위의 위치를 초기에 감지하여 적절한 유지 보수를 수행함으로써, 원상으로 복구해야 한다.
이러한 손상부위의 위치 및 손상여부를 파악하는 기술로서, 구조물 안전성 모니터링 기술이 사용되고 있다. 대표적인 구조물안전성 모니터링 기술로는, 광섬유 센서, 음향방출, 마이크로파 센서 등을 이용하는 시험법이 사용되고 있다.
특히 광섬유 센서(FBG sensor)의 경우, 반영구적인 수명, 전자기파 등 외란에 대한 강한 저항특성 등 여러 장점을 가지고 있지만 실리카 유리를 사용하는 센서의 소재 특성 상 일방향 인장력을 제외하고 굽힘력 등 여러 종류의 외력에 대한 강성은 매우 약하다는 치명적인 단점을 가지고 있다. 다시 말해, 취성이 매우 강하여 곡률이 큰 구조물 표면에 부착하거나 삽입이 필요한 경우에 그 사용성이 대단히 제한된다. 또한 지속적인 센서 작동을 위해 전력공급이 필수이기 때문에 경제적 측면도 고려하지 않을 수 없다.
이에 따라서 한국 공개특허 2012-0083261호 등의 기존의 기술에서는 압전센서와 센서 상하부에 도포된 전극을 이용하여 구조물의 모니터링을 수행할 수 있는 소형 센서에 대해서 제시하고 있다. 이러한 압전센서 역시 세라믹 재질로 인한 취성은 폭 넓은 활용에 방해가 되고 있는 실정이다. 결국 광섬유 센서(FBG sensor)와 PZT센서 등과 같이 다양한 외력에 대한 유연성이 결여된 센서는 구조물의 건전성 파악 및 평가에 그 활용범위가 매우 제한되어 있음을 의미한다.
이와 같은, 종래의 기술은, 특히 유연성이 작은 특징을 가지고 있어, 다양한 장소에 다양한 형태로 설치하는 것이 어려운 문제점이 있어, 다양한 구조물 및 기타 장소에 대한 변형 정보를 정확하게 감지하기에는, 활용 범위가 매우 제한되는 문제점이 지적되고 있다.
이에 본 발명은, 유연성과 내구성이 충분히 확보되어 다양한 종류의 외력에도 그 기능성을 잃지 않고 설치된 장소의 변형 정보를 정확하게 측정함으로써, 구조물의 건전성 모니터링 시스템뿐 아니라 변형 정보를 측정해야 하는 다양한 시스템에 자유롭게 활용할 수 있는 기술을 제공하는 데 그 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 일 실시예에 따른 변형 정보 감지를 위한 전기활성고분자 직물 센서는, 외력에 의해 변형되는 경우 전압을 생성하는 전기활성고분자 물질을 포함하는 적어도 하나의 제1 섬유; 및 도전성 물질을 포함하는 플렉서블(Flexible)한 적어도 하나의 제2 섬유;를 포함하고, 상기 제1 섬유 및 상기 제2 섬유는 서로 교차되도록 직조됨으로써 직물 형태로 구성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 변형 정보 감지를 위한 전기활성고분자 직물 센서는, 외력에 의해 변형되는 경우 전압을 생성하는 전기활성고분자 물질을 포함하는 제1 섬유층 및 도전성 물질을 포함하는 플렉서블(Flexible)한 제2 섬유층을 포함하는 섬유체가 직물 형태로 직조된 것을 특징으로 하고, 상기 제2 섬유층은, 상기 제1 섬유층의 내부 및 표면 중 적어도 하나에 형성되어 있는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의하면, 외력에 의해 전력을 생성할 수 있는 동시에, 기계/전기적 연성 반응 속도가 빠르며, 기계/화학적 거동에 대한 신뢰성 및 안정도가 높은 전기활성고분자 물질과, 전기활성고분자 물질에 의해 발생된 전기 에너지를 높은 효율로 생산할 수 있는 전도성 물질을 이용함으로써, 구조물의 변형이 발생 시 전기활성고분자 물질과 전도성 물질에 의해 전기 에너지가 발생되고, 이를 통해 구조물의 변형 정보를 높은 정확도로 측정할 수 있는 효과가 있다.
특히, 전기활성고분자 물질의 섬유층 및 플렉서블한 전도성 섬유층을 직물 형태로 직조하여 센서로 활용 시, 견고한 직물구조 덕분에 다양한 종류의 외력에도 기능성을 잃지 않고 변형 정보를 정확하게 측정할 수 있는 동시에, 곡률이 큰 구조물 표면, 웨어러블 기기 등 다양한 장소에 제한 없이 센서를 설치할 수 있어, 외형 변형 측정 기술이 필요한 곳이라면 어디에나 센서를 설치할 수 있는 설치 자유도를 확보할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 변형 정보 감지를 위한 전기활성고분자 직물 센서의 구조를 나타낸 도면.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 변형 정보 감지를 위한 전기활성고분자 직물 센서의 구조를 나타낸 도면.
도 3은 본 발명의 각 실시예의 구현을 위한 제2 섬유층의 측단면도의 예.
도 4는 본 발명의 각 실시예에 따라 구현될 수 있는 직물 센서의 형태의 예.
도 5는 본 발명의 각 실시예에 따라 직물 센서가 작동되는 기능을 설명하기 위한 도면.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 각 실시예에 따른 변형 정보 감지를 위한 전기활성고분자 직물 센서에 대하여 설명하기로 한다.
이하의 설명에서 본 발명에 대한 이해를 명확히 하기 위하여, 본 발명의 특징에 대한 공지의 기술에 대한 설명은 생략하기로 한다. 이하의 실시 예는 본 발명의 이해를 돕기 위한 상세한 설명이며, 본 발명의 권리 범위를 제한하는 것이 아님은 당연할 것이다. 따라서, 본 발명과 동일한 기능을 수행하는 균등한 발명 역시 본 발명의 권리 범위에 속할 것이다.
이하의 설명에서 동일한 식별 기호는 동일한 구성을 의미하며, 불필요한 중복적인 설명 및 공지 기술에 대한 설명은 생략하기로 한다.
또한 상기 발명의 배경이 되는 기술에 대한 기재 내용과 중복되는 이하의 본 발명의 각 실시예에 관한 설명 역시 생략하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 변형 정보 감지를 위한 전기활성고분자 직물 센서의 구조를 나타낸 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 변형 정보 감지를 위한 전기활성고분자 직물 센서는, 제1 섬유(10), 제2 섬유(20)를 포함하는 것을 특징으로 하며, 추가적으로 제3 섬유(30)를 포함할 수 있다.
제1 섬유(10)는 전기활성고분자 물질을 포함하는 적어도 하나의 섬유 군을 의미한다. 전기활성고분자 물질은, 외력에 의해 변형되는 경우 전압을 생성하는 특징을 갖는 모든 물질을 의미한다. 예를 들어, 제1 섬유(10)는 이완 강유전성(Relaxor ferroelectric)의 기작으로 거동하는 PVDF 계열의 전기활성고분자 물질로 구성될 수 있다. 다만 이에 제한되지 않으며, 제1 섬유(10)는 외력에 의해 전원을 생성하고, 외력 제거 시 복원될 수 있는 물질이면 모두 가능할 것이다.
제2 섬유(20)는 도전성 물질을 포함하는 플렉서블(Flexible)한 섬유를 포함하며, 전극으로 이해될 수 있다. 제2 섬유(20)는, 전기전도도가 높고 비저항이 낮은 물질로 구성됨이 바람직하며, 제1 섬유(10)와 마찬가지로 적어도 하나의 섬유 군을 의미한다.
제2 섬유(20)는 압축, 인장, 굽힘력 등 외력에 파손되지 않기 위하여 내구성 및 연성이 우수한 동시에, 고 신축성 및 신장성을 갖도록 하여, 제1 섬유(10)와 함께 유연성이 확보되어야 한다.
제2 섬유(20)는 예를 들어, 구리, 금과 같은 금속 와이어로 구성되거나, PEDOT 기반의 전도성 폴리머 및 탄소 섬유 등의 물질로 구성될 수 있다. 이때, 전도성 고분자 물질과 함께, 탄성을 확보하기 위한 탄성 물질이 혼합될 수 있다.
예를 들어, 당 알코올의 한 종류인 자일리톨(Xylitol)을 전도성 고분자 물질에 첨가 시, 신축성 및 신장성이 뛰어난 전극을 제조할 수 있다. 전도성 고분자 물질로는, 예를 들어 PEDOT:PSS가 사용될 수 있다.
PEDOT:PSS는 50um이상의 후막의 형태로 응용될 시, 콜로이드 입자들 표면에 존재하는 PSS의 설포산(Sulfonic acid) 그룹 사이에 작용하는 수소결합에 의해 유연성이 약화되고 취성을 띌 수 있다. 이를 위해, 기설정된 비율(예를 들어 PEDOT:PSS의 50wt%)의 자일리톨 등의 탄성 물질 파우더를 첨가하고 열처리 등 여러 후처리를 수행함으로써, 유연하고 신축성이 뛰어난 전극을 제조할 수 있다.
한편, 제2 섬유(20)의 전기 전도성을 더욱 확보하기 위하여, 카본블랙, 탄소나노튜브, 그래핀 등의 전기전도도가 높은 전도성 파우더 층을 제2 섬유(20) 표면에 코팅시키거나 섞는 등으로 형성할 수 있다. 물론 제2 섬유(20)의 표면 층에 형성되는 전도성 파우더 층은, 상기의 예에 제한되지는 않을 것이다.
물론, 상기의 예 이외에, 제2 섬유(20)는 유연성이 확보된 플렉서블한 전극 섬유라면 어느 것이나 사용될 수 있음은 당연할 것이다.
본 발명에서 도 1에 도시된 바와 같이, 제1 섬유(10) 및 제2 섬유(20)는 직물 형태로 직조되어 있는 것을 특징으로 한다. 예를 들어, 제1 섬유(10)와 제2 섬유(20)를 평직, 주자직 및 능직 구조를 포함하여 다양한 직물 형태로 직조하여, 변형에 대한 적응성이 뛰어난 직물 구조의 센서를 제작할 수 있다.
평직 구조는 비교적 많은 교차점에 의하여, 외력에 의해 형태가 변형된 후, 능직 구조나 주자직 구조에 비하여 원 상태로의 복원이 늦는 문제점이 있다. 한편, 능직 구조는 평직 구조보다 적은 교차점 때문에 강성이 약한 문제점이 있으나 연하고 구김이 덜 생겨 변형에 대응하는 복원력은 우수하다.
이에 따라서, 직물 센서가 설치되는 구조물이 받는 외력의 종류, 외부환경의 조건 등에 따라서 상기의 구조들을 조합하여 다양한 구조(각 구조를 조합하는 구성)를 사용할 수 있다. 또한 2차원 직물 구조 이외에, 3차원의 쉘 구조 및 구체 구조 등 일반적으로 직물이 가질 수 있는 모든 형태로 적용 가능하게 된다.
한편, 도 1에 도시된 바와 같이, 제3 섬유(30)가 추가적으로 포함될 수 있다. 제3 섬유(30)는 전기 절연성 물질을 포함하되, 제1 섬유(10) 및 제2 섬유(20)와 마찬가지의 유연성이 확보된 섬유를 의미한다.
제3 섬유(30)는 제1 섬유(10) 및 제2 섬유(20)와 함께 서로 교차되도록 직조되어 직물 구조를 형성하고, 특히 제2 섬유(20)끼리의 접촉에 의한 오작동을 방지하기 위하여 제2 섬유(20)끼리의 접촉을 제3 섬유(30)가 차단하도록 하는 직물 형태로 구성될 수 있다.
제1 섬유(10)가 외력에 의하여 변형이 되면, 전기에너지가 발생하게 되고, 이를 제2 섬유(20)와의 상호 작용에 의해 높은 효율로 전기에너지를 생성하게 된다. 생성된 전기에너지는 제1 섬유(10)의 변형 정도에 따라서 그 크기가 달라지게 되며, 유무선의 방식을 통해 전기에너지의 크기 값을 분석하게 되면 변형 정도의 값을 측정할 수 있게 되는 것이다.
이때 도 1에 도시된 상기의 본 발명의 일 실시예에 의하면, 전기활성고분자 물질의 섬유층 및 플렉서블한 전도성 섬유층을 직물 형태로 직조하여 센서로 활용 시, 다양한 종류의 외력에도 기능성을 잃지 않고 변형 정보를 정확하게 측정할 수 있는 동시에, 곡률이 큰 구조물 표면, 웨어러블 기기 등 다양한 장소에 제한 없이 센서를 설치할 수 있어, 외형 변형 측정 기술이 필요한 곳이라면 어디에나 센서를 설치할 수 있는 설치 자유도를 확보할 수 있는 효과가 있다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 변형 정보 감지를 위한 전기활성고분자 직물 센서에 포함되는 섬유의 구조를 나타낸 도면이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 변형 정보 감지를 위한 전기활성고분자 직물 센서에 포함되는 섬유체는 제1 섬유층(10) 및 제2 섬유층(21, 22)을 포함하는 것을 특징으로 한다. 섬유체는 도 1에 대한 설명에서 언급한 바와 같은 다양한 직물 형태로 직조되어 직물 센서를 구성하게 될 것이다. 또한 제1 섬유층(10) 및 제2 섬유층(21, 22)의 세부적인 특징은 도 1에 대한 설명에서 언급한 바 이를 생략하기로 한다.
본 발명의 도 2의 실시예는 도 1의 실시예와 달리, 제1 섬유층(10) 및 제2 섬유층(21, 22)이 하나의 섬유체에 포함되어 있는 것을 특징으로 한다,
즉 전기활성고분자 물질로 구성된 제1 섬유층(10) 내에 전극으로서의 제2 섬유층(21)을 삽입하거나, 제1 섬유층(10)의 표면에 제2 섬유층(22)을 형성하도록 할 수 있다.
이와 같은 섬유체를 직물 형태로 직조하여, 도 1의 실시예와 같은 기능을 수행하도록 할 수 있다. 물론, 제2 섬유층(22)이 제1 섬유층(10)의 표면에 도포되는 실시예에서는, 전기 절연성 물질을 제2 섬유층(22)에 도포하거나 섬유체 사이에 도 1의 제3 섬유와 같이 위치하도록 하여, 전도성 물질인 제2 섬유층(22) 사이의 접촉을 차단하도록 할 수 있다.
도 3은 본 발명의 각 실시예의 구현을 위한 제2 섬유층의 측단면도의 예이다.
도 1에 대한 설명에서 언급한 바와 같이 제2 섬유층(20)에는, 전도성 고분자 물질과 탄성 물질이 포함된 전도성 섬유(23)와, 전기 전도도를 높이기 위한 전도성 파우더 층(24)이 포함될 수 있다.
도 3과 같은 구조를 통해, 도 1에서 언급한 바와 같이, 유연성이 확보된 전극을 제조할 수 있으며, 동시에 전기 전도도 측면에서도 높은 효율을 보이는 전극을 생성하여, 본 발명에서의 직물 센서의 특성에 적합한 전극 구조를 제공할 수 있다.
도 4는 본 발명의 각 실시예에 따라 구현될 수 있는 직물 센서의 형태의 예이다.
도 4에 도시된 바와 같이 직물 센서는 스트립 형 센서(100)와 패치 형 센서(110) 등 다양한 형태로 직조될 수 있다. 도 1 내지 도 2에서 언급한 바와 같이, 전기활성고분자 물질과 전극이 직물 형태로 직조되기 때문에, 직조에 따라서 다양한 형태의 직물 형태로 센서를 제조하는 것이 가능한 것이다.
이를 통해, 다양한 형태로 형성되어 있는 구조물, 인체에 적용되는 웨어러블 기기 등에 적응력이 매우 뛰어난 변형 정보 감지 센서를 제조하는 것이 가능해지며, 이를 통해, 변형 정보 감지를 다양한 분야에서 사용할 수 있는 효과가 있다.
이상에서 기재된 "포함하다", "구성하다" 또는 "가지다" 등의 용어는, 특별히 반대되는 기재가 없는 한, 해당 구성 요소가 내재될 수 있음을 의미하는 것이므로, 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것으로 해석되어야 한다. 기술적이거나 과학적인 용어를 포함한 모든 용어들은, 다르게 정의되지 않는 한, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다. 사전에 정의된 용어와 같이 일반적으로 사용되는 용어들은 관련 기술의 문맥 상의 의미와 일치하는 것으로 해석되어야 하며, 본 발명에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (8)

  1. 외력에 의해 변형되는 경우 전압을 생성하는 전기활성고분자 물질을 포함하는 적어도 하나의 제1 섬유; 및
    도전성 물질을 포함하는 플렉서블(Flexible)한 적어도 하나의 제2 섬유;를 포함하고,
    상기 제1 섬유 및 상기 제2 섬유는 서로 교차되도록 직조됨으로써 직물 형태로 구성되며,
    전기 절연성 물질을 포함하는 제3 섬유;를 더 포함하고,
    상기 제1 섬유, 상기 제2 섬유 및 상기 제3 섬유가 서로 교차되도록 직조됨으로써, 상기 제2 섬유끼리의 접촉을 상기 제3 섬유가 차단하도록 하는 직물 형태로 구성되어, 상기 제2 섬유끼리의 접촉에 의한 오작동을 방지하는 것을 특징으로 하는 변형 정보 감지를 위한 전기활성고분자 직물 센서.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제2 섬유는,
    전도성 고분자 물질과 탄성 물질을 혼합한 물질로 구성되는 것을 특징으로 하는 변형 정보 감지를 위한 전기활성고분자 직물 센서.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 탄성 물질은 적어도 당 알코올 물질을 포함하는 물질인 것을 특징으로 하는 변형 정보 감지를 위한 전기활성고분자 직물 센서.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 제2 섬유의 내부에 전도성 파우더가 섞여있거나 섬유 표면 층에 전도성 파우더 층이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 변형 정보 감지를 위한 전기활성고분자 직물 센서.
  6. 외력에 의해 변형되는 경우 전압을 생성하는 전기활성고분자 물질을 포함하는 제1 섬유층 및 도전성 물질을 포함하는 플렉서블(Flexible)한 제2 섬유층을 포함하는 섬유체가 직물 형태로 직조된 것을 특징으로 하고,
    상기 제2 섬유층은, 상기 제1 섬유층의 내부 및 표면 중 적어도 하나에 형성되고,
    전기 절연성 물질을 포함하는 제3 섬유;를 더 포함하고,
    상기 제2 섬유끼리의 접촉을 상기 제3 섬유가 차단하도록 하는 직물 형태로 구성되어, 상기 제2 섬유끼리의 접촉에 의한 오작동을 방지하는 것을 특징으로 하는 변형 정보 감지를 위한 전기활성고분자 직물 센서.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 제2 섬유층은,
    전도성 고분자 물질과 탄성 물질을 혼합한 물질로 구성되는 것을 특징으로 하는 변형 정보 감지를 위한 전기활성고분자 직물 센서.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 탄성 물질은 적어도 당 알코올 물질을 포함하는 물질인 것을 특징으로 하는 변형 정보 감지를 위한 전기활성고분자 직물 센서.
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