KR101248410B1 - Electrostatic capacitance-type pressure sensor using nanofiber web - Google Patents
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Abstract
본 발명은 정전용량형 압력센서에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 기공을 가지면서 탄성 회복율이 우수한 나노섬유 웹과, 이러한 나노섬유 웹의 상하면에 형성되는 유연성 전극부를 모두 직물로 얇게 형성하고, 압력에 의해 기공이 압착되면서 줄어드는 유연성 전극부 사이의 거리 변경으로 인한 정전용량 변화에 의해 압력 측정이 가능하게 함으로써, 센서의 두께를 얇게 형성하면서도 우수한 감도를 얻을 수 있는 나노섬유 웹을 이용한 정전용량형 압력센서에 관한 것이다.The present invention relates to a capacitive pressure sensor, and more particularly, a nanofiber web having pores and excellent elastic recovery rate, and a flexible electrode portion formed on the upper and lower surfaces of the nanofiber web are both thinly formed of a fabric and subjected to pressure. Capacitive pressure sensor using nanofiber web that can obtain excellent sensitivity while forming a thinner thickness of the sensor by enabling pressure measurement due to capacitance change due to the change in distance between flexible electrode parts which are reduced by compressing pores. It is about.
Description
본 발명은 정전용량형 압력센서에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 기공을 가지면서 탄성 회복율이 우수한 나노섬유 웹과, 이러한 나노섬유 웹의 상하면에 형성되는 유연성 전극부를 모두 직물로 얇게 형성하고, 압력에 의해 기공이 압착되면서 줄어드는 유연성 전극부 사이의 거리 변경으로 인한 정전용량 변화에 의해 압력 측정이 가능하게 함으로써, 센서의 두께를 얇게 형성하면서도 우수한 감도를 얻을 수 있는 나노섬유 웹을 이용한 정전용량형 압력센서에 관한 것이다.The present invention relates to a capacitive pressure sensor, and more particularly, a nanofiber web having pores and excellent elastic recovery rate, and a flexible electrode portion formed on the upper and lower surfaces of the nanofiber web are both thinly formed of a fabric and subjected to pressure. Capacitive pressure sensor using nanofiber web that can obtain excellent sensitivity while forming a thinner thickness of the sensor by enabling pressure measurement due to capacitance change due to the change in distance between flexible electrode parts which are reduced by compressing pores. It is about.
일반적으로 압력센서는 기계적인 에너지를 전기적인 에너지로 변환하는 에너지 변환장치로서 절대압 또는 게이지압을 측정하는데 이용되며, 압력을 감지하는 원리에 따라 스트레인게이지타입의 메탈형 압력센서, 압저항형 압력센서(Piezoresistive pressure sensor), 압전형 압력센서(Piezoelectric pressure sensor), MOSFET형, 피에조 접합형(Piezojunction), 광섬유 압력센서 및 정전용량형 압력센서(Piezocapacitive pressure sensor) 등 다양한 종류가 제안되어 이용되고 있다.In general, the pressure sensor is an energy converter that converts mechanical energy into electrical energy. It is used to measure absolute pressure or gauge pressure, and strain gauge type metal pressure sensor and piezoresistive pressure sensor according to the pressure sensing principle. (Piezoresistive pressure sensor), piezoelectric pressure sensor (Piezoelectric pressure sensor), MOSFET type, piezojunction (fiberzojunction), optical fiber pressure sensor and capacitive pressure sensor (Piezocapacitive pressure sensor) and various kinds have been proposed and used.
이러한 다양한 압력센서 중 압전성 고분자를 이용하는 압전형 압력센서는 정적인 힘에 의해 발생되는 압력을 재기 위해서는 복잡한 구조의 인식 회로를 구비하여 하는 문제점이 있었는바, 동적인 힘에 의해 발생되는 압력을 재는데 주로 이용되었다.Among the various pressure sensors, piezoelectric pressure sensors using piezoelectric polymers have a problem of having a complex recognition circuit to measure the pressure generated by the static force, and mainly measure the pressure generated by the dynamic force. Was used.
또한, 상기 압저항형 압력센서는 압력에 의해 눌리면서 가까워지는 거리에 비례해서 작아지는 저항에 의해 압력을 측정할 수 있도록 전도성 충진재로 이루어진 고무를 넣어 구성되었으며, 압력에 의해 변경된 저항 값에 의해 압력을 인식하므로 동적인 힘뿐만 아니라 정적인 힘에 의한 압력도 모두 측정할 수 있었다.In addition, the piezoresistive pressure sensor is composed of a rubber made of a conductive filler so that the pressure can be measured by a resistance that decreases in proportion to the distance that is pressed by the pressure, the pressure is changed by the resistance value changed by the pressure As a result, the dynamic force as well as the static pressure could be measured.
그러나, 이러한 압저항형 압력센서는 압력 제거시의 거리복원을 위해 전도성 충진재로 이루어진 고무 등 탄성체를 전극에 위치시켜야 하므로 센서의 전체적인 부피가 증가할 수 밖에 없었고, 외부 자극에 의해 압착된 전도성 충진재가 원래의 부피로 복원되기 위해서는 많은 시간이 요구되어야 하므로 빠른 속도로 반복해서 인가되는 외부의 압력을 정확하게 측정하기 어려운 문제점이 있었다.However, such a piezoresistive pressure sensor has to place an elastic body such as rubber made of conductive filler on the electrode to restore the distance when the pressure is removed. Therefore, the overall volume of the sensor is inevitably increased. Since a large amount of time is required to restore the original volume, it is difficult to accurately measure the external pressure applied repeatedly at a high speed.
또한, 상기 정전용량형 압력센서는 다이아프램(멤브라인)과 지지대 사이에 평판 커패시터를 형성하고, 외부에서 가해지는 압력에 따라 다이아프램의 휨(Deflection), 즉 멤브레인의 변형에 따른 두 전극 사이의 간격 변화로 야기되는 정전용량(Capacitance) 값의 변화에 의해 압력을 인식할 수 있도록 구성되는 것이 일반적이었다.In addition, the capacitive pressure sensor forms a plate capacitor between the diaphragm (membrane) and the support, and the deflection of the diaphragm according to the external pressure, that is, between the two electrodes due to the deformation of the membrane It was common to be able to recognize the pressure by a change in capacitance value caused by the change in the interval.
즉, 압력에 의해 두 평판 커패시터 사이에 위치하는 다이아프램의 변형으로 인한 두 전극 사이의 거리 또는 면적 변화로 야기되는 정전용량의 변화에 의해 동적인 힘뿐만 아니라 정적인 힘에 의한 압력도 측정할 수 있게 되므로 정밀한 측정을 요하는 분야에서 주로 이용되었다.In other words, due to the change in capacitance caused by the change in the distance or area between the two electrodes due to the deformation of the diaphragm located between the two plate capacitors due to the pressure, not only the dynamic force but also the pressure due to the static force can be measured. As a result, it was mainly used in fields requiring precise measurement.
그에 따라, 종래의 정전용량형 압력센서는 두 개의 전극 사이에 전극 상호간이 붙지 않게 함과 아울러, 외부의 압력에 의해 압축 및 복원되면서 정전용량을 가변시킬 수 있는 다이아프램이나 멤브레인 등을 유전체로서 위치시켜 구성되는 것이 일반적이었다. 또한 이러한 종래의 정전용량형 압력센서는 멤브레인의 압착시 배출되는 공기를 원형 복원시에 다시 이용하기 위해 공기의 누출을 방지할 수 있는 밀폐된 구조로 구성되었다.Accordingly, the conventional capacitive pressure sensor is positioned as a dielectric such as a diaphragm or a membrane capable of changing the capacitance while compressing and restoring by external pressure while preventing the electrodes from sticking to each other between the two electrodes. It was common to make it. In addition, such a conventional capacitive pressure sensor has a closed structure that can prevent the leakage of air in order to reuse the air discharged when the membrane is compressed in the circular restoration.
이와 같이 구성된 정전용량형 압력센서는 압력이 가해지면 두 전극 사이의 간격이 줄어들면서 두 전극 사이의 거리에 반비례하는 정전용량의 값이 변하는 것을 측정하여 압력을 인식할 수 있게 된다. 또한, 압력이 해제되면 두 전극 사이에 위치하는 다이아프램의 탄성에 의하여 전극이 본래의 위치로 복원되는데, 이러한 복원시에도 두 전극 사이의 거리가 변하면서 정전용량 값이 변하는 것을 측정하여 압력 변화를 인식할 수 있게 된다.The capacitive pressure sensor configured as described above is able to recognize the pressure by measuring the change in the value of the capacitance inversely proportional to the distance between the two electrodes as the interval between the two electrodes is reduced when pressure is applied. In addition, when the pressure is released, the electrode is restored to its original position by the elasticity of the diaphragm positioned between the two electrodes. In this restoration, the pressure change is measured by measuring the change in capacitance value as the distance between the two electrodes changes. Can be recognized.
이처럼 다이아프램의 휨에 따라 변경되는 두 전극 사이의 거리 변화에 따른 정전용량 값을 검출하는 정전용량형 압력센서는 압저항형 압력센서보다 수십에서 수백 배 이상의 높의 민감도를 가질 뿐만 아니라, 안정성도 뛰어나고 소비전력도 적은 장점이 있어 많이 이용되지만, 제조공정의 어려움으로 인하여 제조비용이 크게 증가하게 되어 정밀한 압력측정 등에만 한정적으로 이용되는 등 활용도가 높지 않은 문제점이 있었다.The capacitive pressure sensor that detects the capacitance value according to the distance change between the two electrodes changed according to the deflection of the diaphragm has a sensitivity of tens to hundreds of times higher than that of the piezoresistive pressure sensor. It has many advantages because it has excellent advantages and low power consumption, but due to the difficulty of the manufacturing process, the manufacturing cost is greatly increased, and there is a problem in that the utilization is not high, such as limited use only for precise pressure measurement.
또한 이러한 정전용량형 압력센서는 압력에 의해 변경되는 두 전극 사이의 거리를 확보함과 아울러, 압력 해제시 두 전극을 원래의 위치로 복원시키기 위한 복원력을 제공하기 위해 두 전극을 이루는 시트 사이에 탄성력이 있는 고무를 설치하여 구성되는 것이 일반적이다.In addition, such a capacitive pressure sensor ensures a distance between two electrodes that are changed by pressure, and provides an elastic force between the sheets forming the two electrodes to provide a restoring force for restoring the two electrodes to their original positions when the pressure is released. It is generally constructed by installing rubber.
그러나, 이와 같이 두 전극 사이에 위치하는 고무는 압력이 가해질 경우 신속하게 압축되지만, 압력 해제시에는 압축시보다 고무의 복원에 많은 시간이 소요되어 히스테리시스 손실(hysteresis loss)이 크게 되므로 반복적으로 빠르게 가해지는 압력을 정밀하게 측정하기 어려운 문제점이 있었다.However, the rubber located between the two electrodes is rapidly compressed when the pressure is applied, but when the pressure is released, it takes more time to restore the rubber than the compression, so that the hysteresis loss is large, so that the rubber is repeatedly applied quickly. Losing pressure was difficult to measure accurately.
또한, 종래의 정전용량형 압력센서는 두 전극을 시트로 형성함으로써, 시트 자체가 갖는 유연성의 한계로 인해 압력 인가시 두 전극 사이의 두께변화가 작을 수 밖에 없었는바, 미세한 압력의 차이를 인식하기 어려운 문제점이 있었다.In addition, the conventional capacitive pressure sensor by forming the two electrodes in the sheet, due to the limitation of the flexibility of the sheet itself, due to the limitation of the thickness change between the two electrodes when the pressure was applied to the bar, to recognize the minute pressure difference There was a difficult problem.
또한, 종래의 정전용량형 압력센서는 시트로 이루어진 두 전극 사이에 복원력을 제공하기 위한 고무 등을 삽입하여야 하였는바, 전체적인 압력센서가 상당한 두께를 가질 수 밖에 없었고, 이러한 구조적인 제약으로 인하여 압력센서 자체의 두께를 슬림화하기 어려운 문제점이 있었다.In addition, the conventional capacitive pressure sensor had to insert a rubber, etc. to provide a restoring force between the two electrodes made of a sheet, the overall pressure sensor was forced to have a considerable thickness, due to this structural constraint pressure sensor There was a problem that it is difficult to slim the thickness of itself.
따라서, 동적인 힘과 정적인 힘을 모두 측정할 수 있으며, 큰 압력뿐만 아니라 작은 압력에 의해서도 두 전극 사이의 거리변화가 쉽게 발생되어 정밀한 압력측정이 가능하며, 센서의 전체적인 두께를 얇게 형성하여 압력센서의 이용분야를 확대할 수 있게 한 새로운 정전용량형 압력센서가 요청되고 있다.Therefore, both dynamic and static forces can be measured, and the distance between the two electrodes can be easily generated by small pressures as well as large pressures, enabling precise pressure measurement, and thinning the overall thickness of the sensor There is a need for a new capacitive pressure sensor that could expand its use.
본 발명이 해결하려는 과제는, 기공을 가지면서 탄성 회복률이 우수한 나노섬유 웹과, 이러한 나노섬유 웹의 상하면에 형성되는 유연성 전극부를 모두 직물로 얇게 형성하고, 압력에 의해 기공이 압착되면서 줄어드는 유연성 전극부 사이의 거리 변경으로 인한 정전용량 변화에 의해 압력 측정이 가능하게 함으로써, 센서의 두께를 얇게 형성하면서도 우수한 감도를 얻을 수 있는 나노섬유 웹을 이용한 정전용량형 압력센서를 제공함에 있다.The problem to be solved by the present invention is a nanofiber web having pores and excellent elastic recovery rate, and the flexible electrode portion formed on the upper and lower surfaces of the nanofiber web is all formed in a thin fabric, the flexible electrode is reduced as the pores are compressed by pressure The present invention provides a capacitive pressure sensor using a nanofiber web capable of measuring pressure due to a change in capacitance due to a change in distance between parts, thereby obtaining excellent sensitivity while forming a thin sensor thickness.
상기 과제를 이루기 위한 나노섬유 웹을 이용한 정전용량형 압력센서는,Capacitive pressure sensor using a nanofiber web for achieving the above object,
나노섬유가 랜덤하게 어셈블리되면서 기공을 내포하도록 이루어지고 상기 기공에 충진된 공기의 출입으로 야기되는 두께 변경에 의해 정전용량을 가변시켜 압력을 센싱하는 나노섬유 웹; 전도성 직물로 이루어져 상기 나노섬유 웹의 상하에 위치하는 유연성 전극부; 및 상기 유연성 전극부에 각각 연결되고 상기 나노섬유 웹에 가해지는 압력에 의한 정전용량 값의 변화를 인식하여 전기적 신호를 전달하는 신호전달부를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.Nanofiber web is configured to contain pores while the nanofibers are randomly assembled, and the nanofiber web for sensing the pressure by varying the capacitance by the thickness change caused by the entrance and exit of air filled in the pores; A flexible electrode part formed of a conductive fabric and positioned above and below the nanofiber web; And a signal transfer unit connected to each of the flexible electrode units and recognizing a change in capacitance value due to pressure applied to the nanofiber web to transfer an electrical signal.
이때, 상기 나노섬유 웹은 탄성 회복률이 우수하고 유전율이 크며 취성파괴가 잘 일어나지 않는 재질의 직물로 구성되며, 탄성이 우수한 폴리우레탄 또는 고무상 고분자 [NBR(Acrylonitrile Butadiene Rubber), SBR(Styrene Butadiene Rubber), 부틸러버(BR), 이소프렌러버(IR), 클로로프렌러버(CR), 실리콘고무] 또는 이들의 복합체로 구성되는 것이 바람직하다.At this time, the nanofiber web is composed of a material of excellent elastic recovery rate, high dielectric constant and brittle fracture does not occur, excellent elasticity polyurethane or rubber polymer [NBR (Acrylonitrile Butadiene Rubber), SBR (Styrene Butadiene Rubber) ), Butyl rubber (BR), isoprene rubber (IR), chloroprene rubber (CR), silicone rubber] or a composite thereof.
또한, 상기 나노섬유 웹은 폴리우레탄 또는 고무상 고분자 [NBR(Acrylonitrile Butadiene Rubber), SBR(Styrene Butadiene Rubber), 부틸러버(BR), 이소프렌러버(IR), 클로로프렌러버(CR), 실리콘고무] 또는 이들의 복합체로 이루어진 나노섬유에 실리콘 질화물(Silicon nitride), 바륨 스트론튬(Barium strontium), 또는 바륨 티타네이트(Barium titanate) 등 유전 상수가 큰 물질을 혼입하여 형성되는 것이 바람직하다.In addition, the nanofiber web is a polyurethane or rubber polymer [NBR (Acrylonitrile Butadiene Rubber), SBR (Styrene Butadiene Rubber), butyl rubber (BR), isoprene rubber (IR), chloropren rubber (CR), silicone rubber] or It is preferable that the nanofibers formed of these composites are formed by incorporating materials having a high dielectric constant such as silicon nitride, barium strontium, or barium titanate.
또한, 상기 유연성 전극부는, 상기 나노섬유 웹의 일면에 부착되는 제1전극부; 및 상기 나노섬유 웹의 타면에 설치되는 제2전극부를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하며, 상기 제1전극부와 제2전극부는 직물 조직에 니켈, 구리, 금, 은 또는 카본블랙과 같은 전도성이 우수한 도전성 물질이 코팅된 전도성 직물로 형성되는 것이 바람직하다.The flexible electrode unit may include a first electrode unit attached to one surface of the nanofiber web; And a second electrode portion provided on the other surface of the nanofiber web, wherein the first electrode portion and the second electrode portion have conductivity such as nickel, copper, gold, silver, or carbon black in the fabric structure. It is desirable that the superior conductive material be formed of a coated conductive fabric.
이때, 상기 나노섬유 웹과 제2전극부 사이에는 상기 나노섬유와 제2전극부를 이격시키며, 중앙이 통공된 링 형상으로 이루어진 스페이서를 더 포함하여 구성되는 것이 바람직하다.At this time, it is preferable that the nanofiber web and the second electrode portion is spaced apart from the nanofiber and the second electrode portion, and further comprises a spacer made of a ring-shaped through-hole.
또한, 상기 유연성 전극부를 감싸는 보호부를 더 포함하여 구성되고; 상기 보호부는 발수성 나노섬유 또는 유연성 있는 필름으로 이루어지며; 상기 제1전극부의 저면에 부착되는 제1보호층과, 상기 제2전극부의 상면에 부착되는 제2보호층을 포함하여 구성되는 것이 바람직하다.The apparatus may further include a protection unit surrounding the flexible electrode unit. The protective part is made of a water repellent nanofiber or a flexible film; It is preferable that the first protective layer is attached to the bottom surface of the first electrode portion, and a second protective layer attached to the upper surface of the second electrode portion.
또한, 상기 보호부를 감싸면서 외부의 노이즈로부터 유연성 전극부를 차폐시키기 위해 전도성 물질이 코팅된 직물로 이루어진 차폐부를 더 포함하여 구성되며; 상기 차폐부는 상기 제1보호층의 저면에 부착되는 제1차폐층과, 상기 제2보호층의 상면에 부착되는 제2차폐층을 포함하여 구성되는 것이 바람직하다.In addition, it further comprises a shield made of a conductive material coated fabric to shield the flexible electrode portion from external noise while wrapping the protection portion; The shielding part may be configured to include a first shielding layer attached to a bottom surface of the first protective layer and a second shielding layer attached to an upper surface of the second protective layer.
본 발명은 외력에 의해 두께가 감소되는 센서부가 탄성 회복률이 우수하고 자체적인 기공을 갖고 있는 나노섬유 웹으로 형성됨으로써, 유전체인 공기 등의 유출입을 위한 공간과 압력 제거시 원형 회복을 위한 복원력을 확보하기 위한 별도의 고무나 멤브레인 등을 배제할 수 있게 되어 압력센서 자체의 두께를 현저히 감소시킬 수 있는 장점이 있다.The present invention is formed by a nanofiber web having excellent elastic recovery rate and its own pores, the thickness of the sensor portion is reduced by the external force, thereby ensuring a restoring force for the circular recovery when pressure and space for the inflow and outflow of dielectric air, etc. Since it is possible to exclude a separate rubber or membrane, there is an advantage that can significantly reduce the thickness of the pressure sensor itself.
또한, 본 발명은 정전용량형 압력센서를 이루는 센서부와 전극부 등 모든 구성요소가 유연성이 우수한 직물로 형성됨으로써, 압력센서 자체의 유연성을 크게 향상시킬 수 있으며, 그로 인하여 굴곡 있는 영역 등 곡면에도 큰 제약 없이 사용될 수 있어 압력센서의 활용범위를 현저히 확대할 수 있는 장점이 있다.In addition, the present invention is that all the components, such as the sensor portion and the electrode portion constituting the capacitive pressure sensor is formed of a fabric having excellent flexibility, it is possible to greatly improve the flexibility of the pressure sensor itself, thereby to the curved surface such as curved area Since it can be used without great constraints, there is an advantage that can significantly expand the application range of the pressure sensor.
도 1은 본 발명에 따른 나노섬유 웹을 이용한 정전용량형 압력센서의 분리 사시도.
도 2는 본 발명에 따른 나노섬유 웹을 이용한 정전용량형 압력센서의 단면도.
도 3은 본 발명에 따른 나노섬유 웹을 제조하기 위한 폴리우레탄의 전자현미경 사진.
도 4는 본 발명에 따른 정전용량형 압력센서에서 압력에 대한 정전용량의 변화를 나타내는 그래프.
도 5는 본 발명에 따른 정전용량형 압력센서에서 차폐 유무시 압력에 대한 정전용량의 변화를 나타내는 그래프.
도 6은 폴리우레탄을 필름으로 형성하고 차폐하지 않은 경우의 압력에 대한 정전용량 변화를 나타내는 그래프.
도 7은 본 발명에 따라 여러 채널에 의해 제조된 정전용량형 압력센서 중 한 채널에 의해 제조된 정전용량형 압력센서에서의 압력에 대한 정전용량 변화를 나타내는 그래프.1 is an exploded perspective view of a capacitive pressure sensor using a nanofiber web according to the present invention.
2 is a cross-sectional view of a capacitive pressure sensor using a nanofiber web according to the present invention.
Figure 3 is an electron micrograph of a polyurethane for producing a nanofiber web according to the present invention.
Figure 4 is a graph showing the change in capacitance with respect to the pressure in the capacitive pressure sensor according to the present invention.
Figure 5 is a graph showing the change in capacitance with respect to pressure with or without shielding in the capacitive pressure sensor according to the present invention.
6 is a graph showing capacitance change with respect to pressure when polyurethane is formed into a film and not shielded.
Figure 7 is a graph showing the change in capacitance with respect to the pressure in the capacitive pressure sensor manufactured by one of the capacitive pressure sensor manufactured by several channels in accordance with the present invention.
이하에서는 본 발명의 구체적인 실시예를 도면을 참조하여 상세히 설명하도록 한다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
도 1은 본 발명에 따른 나노섬유 웹을 이용한 정전용량형 압력센서의 분리 사시도이고, 도 2는 본 발명에 따른 나노섬유 웹을 이용한 정전용량형 압력센서의 단면도이다.1 is an exploded perspective view of a capacitive pressure sensor using a nanofiber web according to the present invention, Figure 2 is a cross-sectional view of the capacitive pressure sensor using a nanofiber web according to the present invention.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 나노섬유 웹을 이용한 정전용량형 압력센서는, 나노섬유가 랜덤하게 어셈블리되면서 기공을 내포하도록 이루어지고 상기 기공에 충진된 공기의 출입으로 야기되는 두께 변경에 의해 정전용량을 가변시켜 압력을 센싱하는 나노섬유 웹(100)과, 전도성 직물로 이루어져 상기 나노섬유 웹의 상하에 위치하는 유연성 전극부(200)와, 상기 나노섬유 웹의 일면과 유연성 전극부 사이에 위치하는 스페이서(300)와, 상기 유연성 전극부에 각각 연결되고 상기 나노섬유 웹에 가해지는 압력에 의한 정전용량 값의 변화를 인식하여 전기적 신호를 전달하는 신호전달부(400)를 포함하여 구성된다.1 and 2, the capacitive pressure sensor using the nanofiber web according to the present invention, the nanofibers are randomly assembled to contain pores and the thickness caused by the entrance and exit of air filled in the pores Nanofiber web (100) for sensing the pressure by varying the capacitance by the change, and a
상기 나노섬유 웹(100)은 외부에서 가해지는 압력에 의해 기공에 충진된 유전체, 즉 공기가 빠져나가면서 감소되는 두께의 변화에 따른 정전용량의 변화를 야기하여 압력을 인식할 수 있는 센서부로서, 20~3000㎚의 직경을 갖는 나노섬유의 집합체로 이루어진다.The
이때, 상기 나노섬유가 20㎚ 이하일 경우에는 외력에 의하여 찢어지거나 소성이 변형되는 등 손상을 입기 쉽고, 3000㎚ 이상일 경우에는 랜덤하게 얽혀있는 나노섬유 웹의 특성상 일정하지 않고 큰 두께를 갖게 되는 영역들이 존재하게 되어 균일한 재현성을 확보하기 어렵게 되므로, 상기 나노섬유 웹은 20~3000㎚의 직경을 갖는 나노섬유들로 형성되는 것이 바람직하다.In this case, when the nanofiber is 20 nm or less, it is easy to be damaged by tearing or plastic deformation due to external force, and when the nanofiber is 3000 nm or more, regions having a large thickness are not constant due to the characteristics of the randomly entangled nanofiber web. Since it is difficult to ensure uniform reproducibility to exist, the nanofiber web is preferably formed of nanofibers having a diameter of 20 ~ 3000nm.
또한, 상기 나노섬유 웹(100)은 단위 부피당 나노섬유가 차지하는 부피가 10~90%에 이르도록 형성되는 것이 바람직하며, 그 외의 나머지 영역은 유전체가 충진되어 구성된다. 그에 따라, 상기 나노섬유가 차지하는 부피를 제외한 영역은 유전체로서 작용하는 공기나 후술하는 바와 같이 유전 상수가 큰 물질들로 충진되어 유전율을 향상시킬 수 있게 된다.In addition, the
이때, 상기 나노섬유가 차지하는 부피의 비율이 너무 작을 경우에는 압력에 의해 나노섬유 웹의 변형이 너무 크게 발생하여 균일한 재현성을 확보하기 어려우며, 상기 나노섬유가 차지하는 부피의 비율이 너무 커서 필름에 가까워질 경우에는 압력에 의한 변형이 잘 일어나지 않게 되어 감도가 큰 압력센서로 기능하기에 부적합하게 된다.In this case, when the ratio of the volume of the nanofibers is too small, deformation of the nanofiber web is too large due to pressure, making it difficult to ensure uniform reproducibility, and the ratio of the volume of the nanofibers is too large to be close to the film. In case of loss, the deformation by pressure is hard to occur and it is not suitable to function as a high pressure sensor.
또한, 상기 나노섬유 웹(100)은 압력에 의한 휘어짐과 복원이 용이하게 이루어질 수 있도록, 탄성 회복률이 우수하고 유전율이 크며, 취성파괴가 잘 일어나지 않는 재질의 나노섬유 웹으로 구성되는 것이 바람직하다. 그에 따라, 상기 나노섬유 웹은 탄성이 우수한 폴리우레탄이나, 고무상 고분자 [NBR(Acrylonitrile Butadiene Rubber), SBR(Styrene Butadiene Rubber), 부틸러버(BR), 이소프렌러버(IR), 클로로프렌러버(CR), 실리콘고무] 또는 이들의 복합체 또는 이들의 복합체로 형성되는 것이 바람직하다.In addition, the
또한, 상기 나노섬유 웹(100)은 유전율(ε) 값을 크게 하기 위해 상기 폴리우레탄이나 고무상 고분자 [NBR(Acrylonitrile Butadiene Rubber), SBR(Styrene Butadiene Rubber), 부틸러버(BR), 이소프렌러버(IR), 클로로프렌러버(CR), 실리콘고무] 또는 이들의 복합체로 이루어진 나노섬유에 실리콘 질화물(Silicon nitride), 바륨 스트론튬(Barium strontium), 또는 바륨 티타네이트(Barium titanate) 등 유전 상수가 큰 물질을 혼입하여 형성되는 것이 바람직하다.In addition, the
이와 같이 탄성회복률이 우수하고 유연성이 뛰어난 나노섬유 웹에 의해 압력에 따른 거리변화를 인식하여 정밀한 압력 측정이 가능하게 함으로써, 기존 압력센서의 세라믹 계열 필름과 멤브레인 구조를 대체할 수 있게 하여 종래에 시트 구조로 이루어졌던 압력센서에 비해 유연성을 크게 향상시킬 뿐만 아니라 직물의 특성을 그대로 함유하고 있는 나노섬유 웹에 의해 대면적화가 용이하고 경제성도 우수한 정전용량형 압력센서를 구현할 수 있게 된다.As such, the nanofiber web with excellent elastic recovery rate and flexibility enables the precise pressure measurement by recognizing the distance change according to the pressure, thereby replacing the ceramic-based film and membrane structure of the conventional pressure sensor, thereby making it possible to replace the conventional sheet. Compared to the pressure sensor, which is made of structure, the flexibility is greatly improved, and the nanofiber web containing the characteristics of the fabric as it is is possible to realize a capacitive pressure sensor with large area and easy economical.
또한, 나노섬유 웹을 이루는 고분자 재료의 특성에 따라 뛰어난 성형성을 구현할 수 있고, 두께도 현저하게 감소시켜 압력을 가하는 착용자 등에 크게 지장을 주지 않을 수 있으므로, 보행시 압력을 측정하는 족압센서 등 다양한 활용이 가능하게 된다.In addition, according to the characteristics of the polymer material constituting the nanofiber web, excellent moldability can be realized, and the thickness can also be remarkably reduced so that it does not significantly affect the wearer applying pressure. Application is possible.
이와 같이 상기 나노섬유 웹(100)은 얇은 나노섬유로 형성되어 종래의 정전용량형 압력센서에서 주로 이용되던 멤브레인 형태의 센서부에 비해 그 두께를 현저히 감소시켜 얇게 형성할 수 있으며, 직물의 특성을 여전히 보유하고 있어 가공이 쉽고, 우수한 유연성을 확보할 수 있게 된다.As described above, the
또한, 상기 센서부로 작용하는 나노섬유 웹(100)은 두께가 얇아서 압력에 의해 변경되는 거리변화도 작게 되며, 그에 따라, 평판 플레이트인 두 전극판 사이의 거리에 반비례하면서 변하는 정전용량 값의 범위가 크게 되어 정밀한 압력 변화를 용이하게 측정할 수 있게 된다.In addition, the
그리고, 상기 나노섬유 웹은 기존의 단순 섬유물에 비해 밀도가 균일하고 일정한 두께로 생성되어 센서부로 작용시 비슷한 범위의 정전용량 값을 가질 뿐만 아니라, 직물의 특성으로 인한 재단, 레이저 커팅 등에 의해 쉽게 가공할 수 있어 나노섬유 웹뿐만 아니라 압력센서의 제조도 용이하게 할 수 있게 된다.In addition, the nanofiber web has a uniform density and a constant thickness compared to the conventional simple fibers, and has a similar range of capacitance values when acting as a sensor unit, and is easily cut and cut due to the characteristics of the fabric. It can be processed to facilitate the manufacture of pressure sensors as well as nanofiber webs.
이러한 나노섬유 웹(100)은 내포하고 있는 기공(도 3에서는 나노섬유인 폴리우레탄 사이의 빈 공간으로 표현됨)으로 인하여 외력이 가해질 경우 가변될 수 있는 공간이 많게 되므로, 단순히 시트로 이루어지던 종래의 정전용량형 압력센서에 비해 같은 압력하에서도 정전용량(Capacitance) 값이 크게 나오게 되어 압력 측정을 위한 우수한 센서부로 이용할 수 있게 된다.Since the
또한, 공기를 유전체로 이용할 수 있도록 구성된 압력센서는 외력에 의해 압착되거나 변형된 센서부를 원상회복시키기 위해 밀폐된 구조를 필요로 함이 일반적이지만, 상기 나노섬유 웹은 두 전극 간의 접촉을 방지함과 아울러, 자체의 탄성회복률에 의해 히스테리시스 손실을 줄일 수 있으므로 개방된 구조로 형성할 수 있게 되어 제조시 편의성을 향상시킬 수 있게 된다.In addition, a pressure sensor configured to use air as a dielectric generally requires a closed structure for restoring a sensor part compressed or deformed by an external force, but the nanofiber web prevents contact between two electrodes. In addition, since the hysteresis loss can be reduced by its elastic recovery rate, it is possible to form an open structure, thereby improving convenience in manufacturing.
또한, 상기 나노섬유 웹은 유전상수가 큰 물질을 혼입하여 구성되므로, 공기보다 큰 유전율을 갖게 되어 정전용량의 값을 크게 하므로 보다 정밀한 압력을 용이하게 측정할 수 있게 된다.In addition, since the nanofiber web is composed of a material having a large dielectric constant, the nanofiber web has a larger dielectric constant than air, thereby increasing the value of the capacitance, so that more precise pressure can be easily measured.
상기 유연성 전극부(200)는 상기 나노섬유 웹(100)에 의해 접촉이 방지되면서 평판 플레이트로서 작용하는 두 전극으로 구성되며, 상기 나노섬유 웹의 일면에 부착되는 제1전극부(210)와, 상기 나노섬유 웹의 타면에 이격되게 설치되는 제2전극부(220)를 포함하여 구성된다.The
상기 제1전극부(210)는 상기 나노섬유 웹의 일면, 도 1 및 도 2에서는 나노섬유 웹(100)의 저면에 직접 접하도록 부착되는 전도성 직물로 형성된다. 이때, 상기 전도성 직물은 상기 나노섬유 웹의 일면과의 접촉 면적을 증가시켜 면적에 비례하는 정전용량 값을 크게 할 수 있도록 무늬가 없는 직물, 바람직하게는 평직물(Taffeta) 이나 립스톱(Rip Stop) 조직에 니켈, 구리, 금, 은 또는 카본블랙 등 전도성이 우수한 도전성 물질이 코팅되어 구성된다.The
또한, 상기 제1전극부(210)는 외부에서 가해지는 잡아당김이나 정전기 등에 의한 전극부와 나노섬유 웹의 이격 현상을 줄일 수 있도록 금속 페이스트에 의해 상기 나노섬유 웹(100)의 일면에 견고하게 접착시켜 구성되는 것이 바람직하다.In addition, the
상기 제2전극부(220)는 상기 나노섬유 웹의 타면 방향, 도 1 및 도 2에서는 나노섬유 웹(100)의 상면에서 일정거리 이격되게 부착되는 전도성 직물로 형성된다. 이를 위하여 상기 제2전극부와 나노섬유 웹을 일정거리 이격시킬 수 있는 스페이서(300)가 상기 제2전극부(220)와 나노섬유 웹(100) 사이에 설치되는 것이 바람직하다.The
이때, 상기 제2전극부(220)를 이루는 전도성 직물도 상기 제1전극부와 마찬가지로 무늬가 없는 직물, 바람직하게는 평직물(Taffeta) 조직에 니켈, 구리, 금, 은 또는 카본블랙 등 전도성이 우수한 도전성 물질이 코팅되어 구성된다.At this time, the conductive fabric constituting the
또한, 상기 제1전극부(210)와 제2전극부(220)는 나노섬유 웹에 의해 차단되지 않는 영역에서 외력 등에 상호 접합되는 것을 방지할 수 있도록, 상기 나노섬유 웹으로 이루어지는 센서부와 같은 크기로 형성되거나, 그보다 작은 크기를 갖도록 구성되는 것이 바람직하다.In addition, the
상기 스페이서(300)는 상기 제2전극부(220)를 이루는 전도성 직물의 날카로운 절단면에 의해 나노섬유 웹이 찢겨지거나 긁혀서 상기 제1 및 제2전극부 간의 접촉이 일어나는 것을 방지할 수 있도록, 중앙이 통공된 링 형상의 얇은 필름이나 직물을 상기 제2전극부(220)와 나노섬유 웹(100) 사이에 접착시켜 구성된다.The
이때, 상기 스페이서(300)의 두께는 최소의 수준으로 얇게 형성함으로써, 센서 전체의 두께가 두꺼워지거나 그로 인해 정전용량 값이 작아지는 것을 최소화하는 것이 바람직하다.At this time, the thickness of the
이와 같이, 평판 플레이트로 기능하는 상기 제1전극부와 제2전극부 사이에 위치하는 링 형상의 상기 스페이서 중앙 공간과 상기 나노섬유 웹이 외력에 의해 압착되는 유전체 공간을 형성하게 되며, 외력에 의해 상기 스페이서 중앙 공간 및 나노섬유에 내포되어 있는 기공이 압착되면서 제1전극부와 제2전극부의 거리가 감소됨에 따라 정전용량 값이 변하여 압력을 감지할 수 있게 된다.As such, the ring-shaped spacer center space positioned between the first electrode portion and the second electrode portion functioning as the flat plate and the nanofiber web form a dielectric space in which the nanofiber web is compressed by an external force. As the pores contained in the spacer center space and the nanofibers are compressed, the capacitance value changes as the distance between the first electrode portion and the second electrode portion decreases, so that the pressure can be sensed.
이와 같이 상기 스페이서(300)가 나노섬유 웹과 제2전극부 사이에 위치함으로써, 상기 스페이서의 중앙부분에서 스페이서의 두께에 해당하는 거리만큼의 이격공간을 확보할 수 있게 되어 보다 넓은 범위의 압력을 측정할 수 있게 된다.As such, since the
상기 신호전달부(400)는 일단이 상기 제1 및 제2전극부(210,220)에 각각 연결되고, 타단이 정전용량 값의 변화에 따른 전기적 신호를 전달하고자 하는 회로에 연결되어 있는 디지털사로 구성된다.The
이때, 상기 신호전달부(400)는 센서 설치시 외형상 표출되는 것을 최소화할 수 있도록 압력센서의 두께보다 얇은 직경을 갖도록 구성되는 것이 바람직하며, 외부의 영향에 의한 노이즈를 줄이면서 유연성도 우수한 디지털사로 구성되는 것이 바람직하다.In this case, the
또한, 상기 나노섬유 웹을 이용한 정전용량형 압력센서는 상기 유연성 전극부(200)를 감싸서 외부의 불필요한 자극이나 오염물질로부터 전극부와 센서부를 보호하는 보호부(500)를 더 포함하여 구성되는 것이 바람직하다.In addition, the capacitive pressure sensor using the nanofiber web further comprises a
그에 따라, 상기 보호부(500)는 수분이나 오염물에 의해 정전용량 값이 변하지 않도록 발수성 나노섬유나 필름 등 유연성 있는 물질로 이루어지며, 상기 제1전극부의 저면에 부착되는 제1보호층(510)과, 상기 제2전극부의 상면에 부착되는 제2보호층(520)을 포함하여 구성된다. 이때, 상기 제1 및 제2보호층(510,520)은 상기 유연성 전극부를 충분히 감쌀 수 있도록 상기 제1 및 제2전극부(210,220)보다 넓은 면적으로 형성되는 것이 바람직하다.Accordingly, the
또한, 상기 제1보호층(510)과 제2보호층(520)은 정전용량 값의 변화에 의해 상기 유연성 전극부에서 발생되는 전기적인 신호가 원하지 않게 누출되는 것을 방지할 수 있도록 절연성 있는 직물로 형성되는 것이 바람직하다.In addition, the first
또한, 상기 나노섬유 웹을 이용한 정전용량형 압력센서는 상기 보호부를 감싸며 외부의 노이즈로부터 유연성 전극부를 차폐시키는 차폐부(600)를 더 포함하여 구성되는 것이 바람직하다.In addition, the capacitive pressure sensor using the nanofiber web is preferably configured to further include a shielding
이때, 상기 차폐부(600)는 전도성 물질이 코팅된 섬유제품으로 이루어져, 상기 제1보호층의 저면에 부착되는 제1차폐층(610)과, 상기 제2보호층의 상면에 부착되는 제2차폐층(620)을 포함하여 구성된다. 또한, 상기 차폐층은 전도성 물질이 코팅된 섬유에 편물이나 부직포 등 섬유 제품을 더 추가하여 구성될 수도 있음은 물론이다.At this time, the
이러한 차폐부에 의해 외부의 노이즈가 유연성 전극부로 유입되는 것을 방지할 수 있게 되어 압력측정의 정밀성을 구현할 수 있게 된다.The shielding part can prevent external noise from flowing into the flexible electrode part, thereby realizing the precision of the pressure measurement.
이와 같이 본 발명에 따른 나노섬유 웹을 이용한 정전용량형 압력센서는 외부에서 가해지는 압력에 의해 두께가 변하는 센서부인 나노섬유 웹(100)과, 이러한 나노섬유 웹의 상하부에 위치하여 평판 플레이트로 작용하는 유연성 전극부(200)와, 이러한 유연성 전극부의 상하부에 위치하여 오염을 방지하는 보호부(500)와, 상기 보호부를 감싸서 외부의 노이즈로부터 차폐시키는 차폐부(600), 및 상기 유연성 전극부에서 외부회로에 압력 변화로 발생되는 전기적 신호를 전달하는 신호전달부(400) 등 압력센서를 이루는 모든 요소가 유연성이 우수한 직물로 형성됨으로써, 압력센서 자체의 유연성을 크게 향상시킬 수 있게 된다.As described above, the capacitive pressure sensor using the nanofiber web according to the present invention is a
그에 따라, 종래에 시트 등으로 이루어졌던 압력센서는 적용될 수 없었던 굴곡 있는 영역 등 곡면에도 특별한 제약 없이 사용할 수 있어 그 활용범위를 크게 확대할 수 있게 된다.Accordingly, the pressure sensor, which is made of a sheet or the like in the related art, can be used without any special restrictions on curved surfaces, such as curved areas that cannot be applied, thereby greatly expanding its application range.
또한, 이와 같이 정전용량형 압력센서를 직물로 형성함으로써, 직물의 우수한 성형성을 그대로 유지하게 되어 압력센서가 사용되는 장소에 적합한 모양을 자유롭게 형성할 수 있게 된다.In addition, by forming the capacitive pressure sensor in the fabric in this way, it is possible to maintain the excellent formability of the fabric as it is free to form a shape suitable for the place where the pressure sensor is used.
또한, 외부로 노출되는 차폐부가 직물로 이루어져 신체 접촉시의 거부감을 감소시킬 뿐만 아니라, 그 내부에 위치하는 유연성 전극부와 나노섬유 웹도 외력에 의해 부드럽게 변형이 가능하므로 신체에의 접촉시 이물감과 같은 거부감을 현저히 감소시켜 족압센서 등 다양한 분야에 이용이 가능하게 된다.In addition, the shield exposed to the outside is made of a fabric to reduce the rejection of contact with the body, and the flexible electrode portion and the nanofiber web located therein can also be deformed smoothly by external force, so that when the body touches the body, By significantly reducing the same rejection it can be used in various fields such as foot pressure sensor.
또한, 외력에 의해 두께가 감소되는 센서부가 탄성 회복률이 우수하고 자체적인 기공을 갖고 있는 나노섬유 웹으로 형성됨으로써, 유전체인 공기 등의 유출입을 위한 공간을 확보하기 위한 별도의 고무나 멤브레인 등을 배제할 수 있게 되어 압력센서 자체의 두께를 현저히 감소시킬 수 있게 된다.
In addition, since the sensor part having a reduced thickness due to external force is formed of a nanofiber web having excellent elastic recovery rate and having its own pores, it excludes a separate rubber or membrane to secure a space for inflow and outflow of dielectric air, etc. It is possible to significantly reduce the thickness of the pressure sensor itself.
다음에는 본 발명에 따른 나노섬유 웹을 이용한 정전용량형 압력센서를 이용하여 압력을 측정하는 여러 실시예들을 설명한다.
Next, various embodiments of measuring pressure using a capacitive pressure sensor using a nanofiber web according to the present invention will be described.
<실시예 1>≪ Example 1 >
먼저 실시예 1에서는 폴리우레탄으로 형성된 나노섬유 웹과 PVDF(Polyvinylidene fluoride)로 형성된 나노섬유 웹을 이용하여 제조된 정전용량형 압력센서의 압력에 대한 정전용량 변화를 실험적으로 확인한다.First, in Example 1, the capacitance change of the capacitive pressure sensor manufactured using the nanofiber web formed of polyurethane and the nanofiber web formed of PVDF (Polyvinylidene fluoride) was experimentally confirmed.
도 3은 본 발명에 따른 나노섬유 웹을 제조하기 위한 폴리우레탄의 전자현미경 사진이고, 도 4는 본 발명에 따른 정전용량형 압력센서에서 압력에 대한 정전용량의 변화를 나타내는 그래프이다.Figure 3 is an electron micrograph of a polyurethane for producing a nanofiber web according to the present invention, Figure 4 is a graph showing the change in capacitance with respect to the capacitive pressure sensor according to the present invention.
먼저, 폴리우레탄으로 형성된 나노섬유 웹 및 PVDF로 형성된 나노섬유 웹을 센서부로 하고, 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이 나노섬유 웹(100)의 상부와 하부에 전도성 직물로 이루어진 유연성 전극부인 제1전극부(210)와 제2전극부(220)를 부착시킨다.First, a nanofiber web formed of polyurethane and a nanofiber web formed of PVDF are used as a sensor unit, and as shown in FIGS. 1 and 2, a flexible electrode part made of a conductive fabric on the upper and lower portions of the
이때, 상기 폴리우레탄으로 형성된 나노섬유 웹은 22㎛의 두께를 갖도록 전기 방사하여 제조하고, 상기 PVDF로 형성된 나노섬유 웹은 38㎛의 두께를 갖도록 전기 방사하여 제조한다.At this time, the nanofiber web formed of the polyurethane is prepared by electrospinning to have a thickness of 22㎛, nanofiber web formed of the PVDF is prepared by electrospinning to have a thickness of 38㎛.
도 3에서는 폴리우레탄으로 형성된 나노섬유 웹의 전자현미경 사진을 일예로 나타내었다. 도 3에서 알 수 있는 바와 같이 100~300㎚ 정도의 직경을 갖는 나노섬유로 나노섬유 웹을 형성할 경우, 전기 방사하여 랜덤하게 어셈블리되는 나노섬유 들의 사이에는 많은 기공이 존재하게 됨을 확인할 수 있다. 이러한 나노섬유 웹에 외부에서 압력이 가해지면 기공에 존재하는 공기들이 외부로 빠져나가면서 압착되어 두께가 얇아지고 되어 평판 플레이트로 작용하는 유연성 전극부 사이의 정전용량 값 변화를 야기하게 된다.3 shows an electron micrograph of a nanofiber web formed of polyurethane as an example. As can be seen in Figure 3 when forming a nanofiber web with nanofibers having a diameter of about 100 ~ 300nm, it can be seen that there are many pores between the nanofibers randomly assembled by electrospinning. When pressure is applied to the nanofiber web from the outside, the air present in the pores is compressed to be thinned out to the outside, resulting in a change in capacitance value between the flexible electrode portions serving as the flat plate.
그리고, 이와 같이 폴리우레탄으로 형성된 나노섬유 웹(100)의 저면에 26㎝의 지름을 갖는 제1전극부(210)를 접착시키고, 상기 나노섬유 웹의 상면에는 중앙이 관통된 링 형상의 스페이서(300)를 먼저 접착시킨 후 상기 스페이서의 상부에 26㎝의 지름을 갖는 제2전극부(220)를 접착시킨다.In addition, the
이때, 상기 스페이서(300)는 PET 필름으로 형성되고 내경이 25.5㎝ 이고 외경이 27㎝인 링 형상으로 구성되어 상기 제2전극부보다 큰 지름을 갖게 함으로써, 상기 제2전극부의 거친 모서리에 의해 나노섬유 웹이 손상되는 것을 방지할 수 있게 한다. 또한, 이와 같이 나노섬유 웹의 손상을 방지함으로써, 상기 제1전극부와 제2전극부가 단락되는 것을 방지하게 되어 안정적인 압력측정이 가능하게 된다.In this case, the
그리고, 상기 제1전극부(210)와 제2전극부(220)는 니켈 도금된 폴리에스테르 직물로 형성하여 전도성을 갖게 하며, 이러한 전도성 직물에 니켈 페이스트를 도포하여 전도도를 유지하면서 상기 나노섬유 웹 또는 스페이서에 안정적으로 접착될 수 있게 한다.In addition, the
또한, 상기 제1전극부와 제2전극부에는 나일론 직물로 이루어진 제1보호층(510)과 제2보호층(520)을 부착하여 유연성 전극부와 나노섬유 웹을 보호하면서 절연시키게 된다. 그리고, 차폐를 위해 니켈 도금된 폴리에스테르 직물 등을 상기 제1보호층과 제2보호층으로 이루어진 보호부를 포함하는 압력센서 전체를 덮어서 차폐부(600)를 형성한다. 이때, 상기 니켈 도금된 폴리에스테르 직물로 이루어진 차폐부는 디지털사의 실드선에 연결되어 외부 노이즈 등으로부터 유입되는 전기적인 노이즈를 외부로 흘려보내서 압력센서 내부를 차폐시키게 된다.In addition, the first
그리고, 상기 제1전극부와 제2전극부 각각에는 정전용량의 변화에 따라 변하는 커패시턴스에 의한 전기적 신호를 외부의 회로로 전달하기 위한 디지털사가 연결되어 신호전달부(400)를 형성하며, 상기 디지털사는 전도성 에폭시(예를 들어, 제품명 CW2400)에 의해 상기 제1 및 제2전극부(210,220)에 각각 전기적으로 연결된다.In addition, each of the first electrode portion and the second electrode portion is connected to a digital yarn for transmitting an electrical signal due to the capacitance changes according to the change of capacitance to an external circuit is connected to form a
이와 같이 형성된 나노섬유 웹을 이용한 정전용량형 압력센서에 가해지는 실제 압력에 따른 정전용량 변화를 확인하기 위해, 상기 제1 및 제2전극부에 연결되어 신호전달부를 이루는 디지털사와 실드선을 LCR미터(제품명 : NF사 ZM2353)와 그라운드에 각각 연결한다.In order to confirm the change in capacitance according to the actual pressure applied to the capacitive pressure sensor using the nanofiber web formed as described above, the LCR meter is connected to the digital yarn and the shield wire connected to the first and second electrode parts to form a signal transmission part. (Product name: NF ZM2353) and ground respectively.
그리고 컴퓨터 프로그램으로 조절 가능하고 압력을 측정할 수 있도록 로드셀이 달린 Z축 로봇팔을 이용하여 압력을 가한다. 이때, 상기 로드셀 끝은 센서의 크기와 유사한 2.8㎝의 크기를 갖는 알루미늄 플레이트로 형성한 후, 상기 로드셀의 Z축에 대한 속도는 10㎜/min로 설정하고, 최대 압력을 50N 으로 조절하여 압력 인가시 정전용량(Capacitance)의 값을 4회 측정한다.The pressure is then applied using a Z-axis robotic arm with a load cell that is adjustable by computer program and can measure pressure. At this time, the end of the load cell is formed of an aluminum plate having a size of 2.8 cm similar to the size of the sensor, the speed with respect to the Z axis of the load cell is set to 10 mm / min, the pressure is applied by adjusting the maximum pressure to 50N Measure the value of time capacitance 4 times.
그 결과, 도 4에 도시된 바와 같이 0에서 최대압력인 50N에 이르는 범위내에서, 상기 정전용량 값은 약 10~15㎊의 범위를 가지며 변화하였으며, 수회 측정에서도 같은 값을 계속 유지하는 것을 확인할 수 있다.As a result, in the range from 0 to 50N, the maximum pressure, as shown in Figure 4, the capacitance value was changed to have a range of about 10 ~ 15㎊, confirming that it keeps the same value even in several measurements Can be.
이때, 도 4에서 22㎛의 두께로 형성된 폴리우레탄 나노섬유 웹과 38㎛의 두께로 형성된 PVDF 나노섬유 웹의 정전용량 차이는 폴리우레탄과 PVDF 자체의 특성인 유전율과 초기의 두께의 차이에 기인하지만, 압력의 증가에 따른 정전용량 값의 변화정도는 폴리우레탄 나노섬유 웹과 PVDF 나노섬유 웹에서 거의 유사함을 확인할 수 있게 된다.At this time, the capacitance difference between the polyurethane nanofiber web formed in the thickness of 22㎛ and PVDF nanofiber web formed in the thickness of 38㎛ in Figure 4 is due to the difference in the dielectric constant and the initial thickness of the characteristics of the polyurethane and PVDF itself As a result, the change in capacitance value with increasing pressure is almost similar in the polyurethane nanofiber web and PVDF nanofiber web.
또한, 일반적인 폴리우레탄의 탄성 회복률이 PVDF보다 우수하기 때문에 히스테리시스 손실도 적음을 확인할 수 있으며, 압력 변화량이 폴리우레탄의 경우 좀 더 크게 됨을 확인할 수 있게 된다.
In addition, it can be confirmed that the hysteresis loss is small because the elastic recovery rate of the general polyurethane is superior to that of PVDF, and it can be confirmed that the pressure change amount is larger in the case of polyurethane.
<실시예 2><Example 2>
다음으로 실시예 2에서는 디지털사의 실드선을 그라운드에 연결하여 차폐하였을 경우와, 연결하지 않아 차폐하지 않았을 경우의 압력에 대한 정전용량 변화를 실험적으로 확인한다.Next, in Example 2, the capacitance change with respect to the pressure when the shield wire of the digital company is connected to the ground and not shielded because it is not connected is experimentally confirmed.
도 5는 본 발명에 따른 정전용량형 압력센서에서 차폐 유무시 압력에 대한 정전용량의 변화를 나타내는 그래프이다.5 is a graph showing a change in capacitance with respect to pressure with or without shielding in the capacitive pressure sensor according to the present invention.
먼저 상기 실시예 1과 같이 나노섬유 웹을 이용한 정전용량형 압력센서를 형성하고, 동일한 조건으로 압력을 가하면서 정전용량 값을 측정한다.First, the capacitive pressure sensor using the nanofiber web was formed as in Example 1, and the capacitive value was measured while applying pressure under the same conditions.
그 결과, 도 5에 도시된 바와 같이 상기 디지털사의 실드선을 그라운드에 연결하지 않아 차폐하지 않았을 경우에는 압력센서 주변에서 로봇이나 신체 등 외부요인에 의해 유발되는 정전용량에 영향을 받게 되어 동일 압력조건에서도 측정할 때마다 차이가 큰 값이 측정된다. 이와 같이 차폐하지 않았을 경우 정전용량 값의 변화가 커진 것은 제1 및 제2전극부에서 전기적 신호를 전달하는 디지털사와 실드선 사이의 정전용량에 의해 유발된 것임을 알 수 있다.As a result, as shown in FIG. 5, when the shield wire of the digital company is not connected to the ground and not shielded, the capacitive force caused by external factors such as a robot or a body is affected around the pressure sensor. At each measurement, a large difference is measured. In the case where the shielding is not performed as described above, it is understood that the increase in the capacitance value is caused by the capacitance between the digital yarn and the shield wire which transmit the electrical signal in the first and second electrode units.
그러나, 상기 디지털사의 실드선을 그라운드에 연결하여 차폐하였을 때에는 실시예 1에서와 마찬가지로(폴리우레탄 나노섬유 웹의 경우) 압력의 변화에 따라 정전용량 값이 10~15㎊의 범위에서 일정하게 변하게 됨을 알 수 있다.However, when shielding by connecting the shield wire of the digital company to the ground, as in Example 1 (for the polyurethane nanofiber web), the capacitance value is constantly changed in the range of 10 ~ 15㎊ according to the pressure change Able to know.
따라서, 이러한 실시예 2의 결과에 의해 정밀한 압력측정을 요하는 정전용량형 압력센서를 제조하기 위해서는 차폐시키는 것이 유리함을 확인할 수 있다.
Therefore, it can be seen from the results of Example 2 that it is advantageous to shield in order to manufacture a capacitive pressure sensor requiring precise pressure measurement.
<실시예 3><Example 3>
다음으로 실시예 3에서는 폴리우레탄을 용제에 용해시킨 용액으로 용액주조하여 나노섬유 웹과 유사하게 28㎛의 두께를 갖는 필름으로 압력센서를 형성할 경우 압력에 대한 정전용량 변화를 실험적으로 확인한다.Next, in Example 3, when a pressure sensor is formed of a film having a thickness of 28 μm similar to a nanofiber web by solution casting with a solution in which a polyurethane is dissolved in a solvent, the capacitance change with respect to pressure is experimentally confirmed.
도 6은 폴리우레탄을 필름으로 형성하고 차폐하지 않은 경우의 압력에 대한 정전용량 변화를 나타내는 그래프이다.6 is a graph showing capacitance change with respect to pressure when polyurethane is formed into a film and not shielded.
먼저 폴리우레탄 용액으로 용액주조한 후 28㎛의 두께를 갖는 필름을 형성하고, 이러한 폴리우레탄 필름의 하부와 상부에는 제1 및 제2전극부를 형성한다. 즉, 나노섬유 웹을 폴리우레탄 필름으로 형성하는 것을 제외하고는 실시예 1에 의해 제조되는 압력센서와 동일하게 형성된다.First, solution casting is performed with a polyurethane solution to form a film having a thickness of 28 μm, and first and second electrode parts are formed on the lower and upper portions of the polyurethane film. That is, it is formed in the same manner as the pressure sensor manufactured by Example 1 except that the nanofiber web is formed of a polyurethane film.
상기 실시예 3에서는 차폐하지 않고 정전용량의 변화를 측정하였다. 도 5에서 확인할 수 있는 바와 같이 상기 실시예 2에서 차폐하지 않은 경우의 측정값과 비교하여도 압력에 따른 정전용량 값의 변화가 명확하지 않고 그 변화량도 1㎊을 넘지 않음을 알 수 있다.In Example 3, the change in capacitance was measured without shielding. As can be seen in FIG. 5, even when compared with the measured value without shielding in Example 2, it can be seen that the change in capacitance value according to pressure is not clear and the change amount does not exceed 1 dB.
이는 압력 인가시 폴리우레탄 필름의 두께 방향으로의 변화가 나노섬유 웹보다 작기 때문에, 폴리우레탄 필름만으로는 압력에 따른 정전용량 변화를 기대할 수 없음을 확인할 수 있게 하는바, 폴리우레탄 필름에 별도의 멤브레인 등이 구비되지 않고는 압력센서로 이용될 수 없음을 확인할 수 있다.This is because the change in the thickness direction of the polyurethane film when the pressure is applied is smaller than the nanofiber web, it can be confirmed that the polyurethane film alone can not be expected to change the capacitance according to the pressure, a separate membrane, etc. Without this it can be seen that it can not be used as a pressure sensor.
따라서, 실시예 3에서와 같은 필름형이 아니라, 실시예 1에서와 같이 기공을 내포하는 나노섬유 웹의 형태로 정전용량형 압력센서를 제작함이 바람직함을 확인할 수 있게 된다.
Therefore, it can be seen that it is preferable to manufacture a capacitive pressure sensor in the form of a nanofiber web containing pores, as in Example 1, rather than the film type as in Example 3.
<실시예 4><Example 4>
마지막으로 실시예 4에서는 일정 크기로 제조된 40㎛ 두께의 폴리우레탄 나모섬유 웹을 이용하여 4채널의 정전용량형 압력센서를 제작하고, 이를 통해 균일 생산이 가능한가를 확인한다. 이때, 상기 폴리우레탄 나노섬유 웹의 상부와 하부에 부착되는 유연성 전극부는 1.6㎝의 크기로 제작하였다.Finally, in Example 4, a four-channel capacitive pressure sensor was manufactured using a 40 μm-thick polyurethane filament web manufactured to a predetermined size, and through this, it was confirmed whether uniform production was possible. At this time, the flexible electrode portion attached to the upper and lower portions of the polyurethane nanofiber web was produced in a size of 1.6cm.
이와 같이 제작된 4채널의 정전용량형 압력센서 각각에 일정 범위의 압력을 가할 경우에 측정된 정전용량 값을 도 7에 도시함(도 7에서는 1번 채널의 압력에 따른 정전용량 값의 변화를 나타냄)과 아울러 하기의 표 1에 나타내었다.
The capacitance value measured when a certain range of pressure is applied to each of the four-channel capacitive pressure sensors manufactured as described above is shown in FIG. 7 (in FIG. 7, the change in capacitance value according to the pressure of channel 1 is shown. It is shown in Table 1 below.
상기 표 1에서 C0는 압력이 0일 때의 정전용량 값을 나타내고, Ct는 압력이 25N일 때의 정전용량 값을 나타내며, Ct/C0는 압력이 0에서 25N으로 증가할 경우 정전용량 값의 변화정도를 나타낸다.In Table 1, C 0 represents the capacitance value when the pressure is 0, C t represents the capacitance value when the pressure is 25N, C t / C 0 represents a power failure when the pressure increases from 0 to 25N The degree of change in the dose value is indicated.
상기 표 1에서 C0일 때의 정전용량 값이 채널별로 조금씩 다르게 측정되었는데, 이는 나노섬유 웹의 기본적인 두께 차이 및 전극과 접촉 정도 차이에 의한 것일 뿐, 각 나노섬유 웹의 부피 비율이나 탄성 회복률 자체는 비슷함을 알 수 있는바, 압력이 가해질 경우 정전용량 값의 변화정도는 대략 1.7~1.8 배 증가로 비슷함을 확인할 수 있다.In Table 1, the capacitance value at the time of C 0 was slightly different for each channel, which is only due to the difference in the basic thickness of the nanofiber web and the degree of contact with the electrode, and the volume ratio or elastic recovery rate of each nanofiber web itself. It can be seen that the similarity, the change in capacitance value when the pressure is applied is about 1.7 ~ 1.8 times the increase is similar.
따라서, 이러한 측정 결과에서 알 수 있는 바와 같이 동일하게 제조된 나노섬유 웹을 이용하여 제조되는 정전용량형 압력센서는 외부압력에 의한 두께 감소 및 복원 정도의 일정성 등 균일한 특성을 가짐을 확인할 수 있다. 따라서 동일하게제조된 나노섬유 웹을 이용한 다수의 정전용량형 압력센서 제조가 가능하게 되어 생산의 편의성과 아울러 생산성의 향상도 구현할 수 있게 된다.Therefore, as can be seen from these measurement results, the capacitive pressure sensor manufactured using the same fabricated nanofiber web can be confirmed to have uniform characteristics such as the thickness reduction and the degree of restoration by the external pressure. have. Therefore, it is possible to manufacture a plurality of capacitive pressure sensors using the same manufactured nanofiber web, thereby realizing the convenience of production and the improvement of productivity.
이상에서는 본 발명에 대한 기술사상을 첨부 도면과 함께 서술하였지만 이는 본 발명의 바람직한 실시예를 예시적으로 설명한 것이지 본 발명을 한정하는 것은 아니다. 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 이라면 누구나 본 발명의 기술적 사상의 범주를 이탈하지 않는 범위 내에서 다양한 변형 및 모방이 가능함은 명백한 사실이다.While the present invention has been described in connection with what is presently considered to be the most practical and preferred embodiment, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed embodiments. Anyone with ordinary knowledge in the technical field to which the present invention belongs may make various modifications and imitations without departing from the scope of the technical idea of the present invention.
100 - 나노섬유 웹 200 - 유연성 전극부
210 - 제1전극부 220 - 제2전극부
300 - 스페이서 400 - 신호전달부
500 - 보호부 510 - 제1보호층
520 - 제2보호층 600 - 차폐부
610 - 제1차폐층 620 - 제2차폐층100-Nanofiber Web 200-Flexible Electrode
210-first electrode 220-second electrode
300-Spacer 400-Signal Transmitter
500-Protective part 510-First protective layer
520-Second protective layer 600-Shield
610-First shield 620-Second shield
Claims (15)
전도성 직물로 이루어져 상기 나노섬유 웹의 상하에 위치하는 유연성 전극부; 및
상기 유연성 전극부에 각각 연결되고 상기 나노섬유 웹에 가해지는 압력에 의한 정전용량 값의 변화를 인식하여 전기적 신호를 전달하는 신호전달부를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 나노섬유 웹을 이용한 정전용량형 압력센서.Nanofiber web is configured to contain pores while the nanofibers are randomly assembled, and the nanofiber web for sensing the pressure by varying the capacitance by the thickness change caused by the entrance and exit of air filled in the pores;
A flexible electrode part formed of a conductive fabric and positioned above and below the nanofiber web; And
Capacitive type using a nanofiber web connected to each of the flexible electrode unit and comprises a signal transmission unit for transmitting an electrical signal by recognizing a change in capacitance value due to the pressure applied to the nanofiber web Pressure sensor.
상기 나노섬유 웹은 탄성 회복률이 우수하고 유전율이 크며 취성파괴가 잘 일어나지 않는 고분자물질로 구성되는 것을 특징으로 하는 나노섬유 웹을 이용한 정전용량형 압력센서.The method of claim 1,
The nanofiber web is a capacitive pressure sensor using a nanofiber web, characterized in that the elastic recovery rate is high, the dielectric constant is large, and brittle fracture is composed of a high molecular material.
상기 나노섬유 웹은 탄성회복률이 우수한 폴리우레탄 또는 고무상 고분자 [NBR(Acrylonitrile Butadiene Rubber), SBR(Styrene Butadiene Rubber), 부틸러버(BR), 이소프렌러버(IR), 클로로프렌러버(CR), 실리콘고무] 또는 이들의 복합체로 구성되는 것을 특징으로 하는 나노섬유 웹을 이용한 정전용량형 압력센서.The method of claim 2,
The nanofiber web is a polyurethane or rubber-like polymer having excellent elastic recovery rate [NBR (Acrylonitrile Butadiene Rubber), SBR (Styrene Butadiene Rubber), butyl rubber (BR), isoprene rubber (IR), chloropren rubber (CR), silicone rubber Or capacitive pressure sensor using a nanofiber web, characterized in that composed of a composite thereof.
상기 나노섬유 웹은 폴리우레탄 또는 고무상 고분자 [NBR(Acrylonitrile Butadiene Rubber), SBR(Styrene Butadiene Rubber), 부틸러버(BR), 이소프렌러버(IR), 클로로프렌러버(CR), 실리콘고무] 또는 이들의 복합체에 유전 상수가 큰 물질을 혼입하여 형성되는 것을 특징으로 하는 나노섬유 웹을 이용한 정전용량형 압력센서.The method of claim 3,
The nanofiber web is a polyurethane or rubber polymer [NBR (Acrylonitrile Butadiene Rubber), SBR (Styrene Butadiene Rubber), butyl rubber (BR), isoprene rubber (IR), chloropren rubber (CR), silicone rubber] A capacitive pressure sensor using a nanofiber web, characterized in that formed by incorporating a material having a high dielectric constant in the composite.
상기 나노섬유 웹은 폴리우레탄 또는 고무상 고분자 [NBR(Acrylonitrile Butadiene Rubber), SBR(Styrene Butadiene Rubber), 부틸러버(BR), 이소프렌러버(IR), 클로로프렌러버(CR), 실리콘고무] 또는 이들의 복합체로 이루어진 나노섬유에 실리콘 질화물(Silicon nitride), 바륨 스트론튬(Barium strontium), 또는 바륨 티타네이트(Barium titanate)를 혼입하여 형성되는 것을 특징으로 하는 나노섬유 웹을 이용한 정전용량형 압력센서.5. The method of claim 4,
The nanofiber web is a polyurethane or rubber polymer [NBR (Acrylonitrile Butadiene Rubber), SBR (Styrene Butadiene Rubber), butyl rubber (BR), isoprene rubber (IR), chloropren rubber (CR), silicone rubber] A capacitive pressure sensor using a nanofiber web, which is formed by mixing silicon nitride, barium strontium, or barium titanate in a nanofiber made of a composite.
상기 나노섬유 웹은 20~3000㎚의 직경을 갖는 나노섬유로 구성되는 것을 특징으로 하는 나노섬유 웹을 이용한 정전용량형 압력센서.The method of claim 5,
The nanofiber web is a capacitive pressure sensor using a nanofiber web, characterized in that consisting of nanofibers having a diameter of 20 ~ 3000nm.
상기 나노섬유 웹은 단위 부피당 나노섬유가 차지하는 영역이 10~90%에 이르고, 나머지 영역은 기공을 형성하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 나노섬유 웹을 이용한 정전용량형 압력센서.The method according to claim 6,
The nanofiber web is a capacitive pressure sensor using a nanofiber web, characterized in that the area occupies 10 to 90% of the nanofiber per unit volume, the remaining area is formed to form pores.
상기 유연성 전극부는,
상기 나노섬유 웹의 일면에 부착되는 제1전극부; 및
상기 나노섬유 웹의 타면에 설치되는 제2전극부를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 나노섬유 웹을 이용한 정전용량형 압력센서.8. The method according to any one of claims 1 to 7,
The flexible electrode portion,
A first electrode part attached to one surface of the nanofiber web; And
Capacitive pressure sensor using a nanofiber web, characterized in that it comprises a second electrode portion provided on the other surface of the nanofiber web.
상기 제1전극부와 제2전극부는 직물 조직에 니켈, 구리, 금, 은 또는 카본블랙과 같은 전도성이 우수한 도전성 물질이 코팅된 전도성 직물로 형성되는 것을 특징으로 하는 나노섬유 웹을 이용한 정전용량형 압력센서.9. The method of claim 8,
The first electrode portion and the second electrode portion capacitive type using a nanofiber web, characterized in that the fabric is formed of a conductive fabric coated with a conductive material having excellent conductivity such as nickel, copper, gold, silver or carbon black Pressure sensor.
상기 유연성 전극부는 금속 페이스트에 의해 상기 나노섬유 웹에 부착되는 것을 특징으로 하는 나노섬유 웹을 이용한 정전용량형 압력센서.9. The method of claim 8,
The flexible electrode unit is a capacitive pressure sensor using a nanofiber web, characterized in that attached to the nanofiber web by a metal paste.
상기 나노섬유 웹의 일면과 제2전극부 사이에 위치하여 상기 나노섬유와 제2전극부를 이격시키며, 중앙이 통공된 링 형상으로 이루어진 스페이서를 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 나노섬유 웹을 이용한 정전용량형 압력센서.9. The method of claim 8,
Located between one surface of the nanofiber web and the second electrode portion spaced apart from the nanofiber and the second electrode portion, using a nanofiber web characterized in that it further comprises a spacer made of a ring-shaped through-hole Capacitive pressure sensor.
상기 유연성 전극부를 감싸는 보호부를 더 포함하여 구성되고;
상기 보호부는 발수성 나노섬유 또는 유연성 있는 필름으로 이루어지며;
상기 제1전극부의 저면에 부착되는 제1보호층과, 상기 제2전극부의 상면에 부착되는 제2보호층을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 나노섬유 웹을 이용한 정전용량형 압력센서.The method of claim 11,
A protective part surrounding the flexible electrode part;
The protective part is made of a water repellent nanofiber or a flexible film;
And a first protective layer attached to the bottom surface of the first electrode portion, and a second protective layer attached to the top surface of the second electrode portion.
상기 제1보호층과 제2보호층은 절연성 있는 직물로 형성되는 것을 특징으로 하는 나노섬유 웹을 이용한 정전용량형 압력센서.The method of claim 12,
The first protective layer and the second protective layer is a capacitive pressure sensor using a nanofiber web, characterized in that formed of an insulating fabric.
상기 보호부를 감싸면서 외부의 노이즈로부터 유연성 전극부를 차폐시키기 위해 전도성 물질이 코팅된 직물로 이루어진 차폐부를 더 포함하여 구성되며;
상기 차폐부는 상기 제1보호층의 저면에 부착되는 제1차폐층과, 상기 제2보호층의 상면에 부착되는 제2차폐층을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 나노섬유 웹을 이용한 정전용량형 압력센서.The method of claim 12,
And further comprising a shield made of a fabric coated with a conductive material to shield the flexible electrode part from external noise while covering the protection part.
The shielding part includes a first shielding layer attached to the bottom of the first protective layer, and a second shielding layer attached to the upper surface of the second protective layer, characterized in that the capacitive type using a nanofiber web Pressure sensor.
상기 신호전달부는,
일단이 상기 제1 및 제2전극부에 각각 연결되고 타단이 외부회로에 연결된 디지털사로 구성되며;
상기 제1 및 제2차폐층은 상기 디지털사의 실드선에 연결되고, 상기 디지털사의 실드선은 그라운드에 연결되어 외부 노이즈에 의한 전기적 신호로부터 압력센서를 차폐시키도록 구성되는 것을 특징으로 하는 나노섬유 웹을 이용한 정전용량형 압력센서.15. The method of claim 14,
Wherein the signal transfer unit comprises:
One end is composed of digital yarns connected to the first and second electrode units and the other end is connected to an external circuit;
The first and second shielding layer is connected to the shield wire of the digital yarn, the shield wire of the digital yarn is connected to the ground is configured to shield the pressure sensor from electrical signals caused by external noise Capacitive pressure sensor.
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