신체부착형 웨어러블 디바이스의 핵심 섬유형 온도센서 개발에 성공했다.
신체부착형 웨어러블 디바이스의 핵심 섬유형 온도센서 개발에 성공했다.
  • 최광민 기자
  • 승인 2016.01.11 19:03
  • 댓글 0
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피트니스/웰빙/레저, 헬스케어/의료, 인포테인먼트, 산업/군사 등 다양한 분야에의 적용 및 활용이 가능하다.
개발된 섬유형 온도센서(좌로부터 A:Textile Type B:Stitch Type)

구미시(시장 남유진)는 구미전자정보기술원(GERI, 원장 차종범)이 구미시 지원사업인 2015년 '구미시 핵심부품 소재기술개발사업'을 통해 신체부착형 웨어러블(wearable) 디바이스의 핵심 기술 중의 하나인 섬유형 온도센서 개발에 성공했다고 오늘(11일) 밝혔다.

최근 정부는 부품 플랫폼 기술개발에 1,110억원, 상용화를 위한 사업화 지원센터 구축에 160억원 등 2016년부터 2020년까지 5년간 총 1,270억원 규모의 사업을 본격적으로 추진한다고 발표한 바 있다.

현재까지 국·내외적으로 개발된 스마트 의류·섬유 기술은 기존 의류에 상용화된 센서를 부착하는 형태, 전도성 필러(섬유사이에 전도성 물질을 체워 넣는 방식에 사용되는 충진제)를 직물에 부착하는 방법, 전도성 고분자를 전기 방사를 통해 직접 섬유화하는 방법 등이 제안되고 있었다.

기존에 전도성 필러를 사용하는 경우에는 파우더 형태로 이루어져 분산 및 분진으로 용도에 따른 성형이 어렵고, 호흡기 계통에 문제를 일으킬 소지가 있었다. 중합된 전도성 고분자를 전기방사를 통해 섬유화하는 방법은 고전압 및 보조제의 필수 등 단점이 존재한다.

이러한 단점을 극복하고 제작 비용 절감 및 제작 시간 단축 등의 효과를 기대할 수 있는 혁신적인 섬유형 온도센서기술을 구미전자정보기술원 혁신기술연구본부 스마트부품기술연구센터 이왕훈 박사 연구그룹에서 개발했다.

이번에 개발된 섬유형 온도센서는 일반 섬유에 온도 감응 전도성 고분자 잉크를 침염(Dipping,섬유류를 균일하게 염색하는 방법) 또는 날염(Rolling, 섬유류에 무늬 및 특정부분을 염색하는 방법) 방식을 적용하여 온도 감응 섬유를 제작하는 기술로 온도 변화에 따라 섬유 자체의 저항이 변화하는 소자이며 이 기술은 다른 직물(천)에의 바느질(stitch) 혹은 타 섬유와 혼합한 직조(textile) 방식을 통해 온도 감지용 패턴을 형성하는 것이 가능한 센서기술이다.

이번 개발에 성공한 섬유형 온도센서기술은 이왕훈 박사 연구그룹에서 얇은 필름이나 종이와 같은 유연성 기판위에 전도성 고분자 물질을 잉크젯 프린팅방식으로 개발했던 「플렉서블 온도센서기술」과 압력의 세기 및 방향 인식이 가능한 「압력 센서기술」의 응용연구를 통해 개발되었다.

차종범 구미전자정보기술원장은 "밴드형과 시계형 제품이 웨어러블 디바이스 시장을 주도하고 있으나 섬유형 온도센서 기술개발을 계기로 향후 직물 및 의류 일체형 웨어러블 디바이스로 트렌드가 변화할 것으로 예상되며 바이오·헬스케어분야는 물론 국방·환경·농업 등 다양한 분야에의 적용이 기대 된다"고 말했다.

또한 구미시 김우춘 과학경제과장은 "『구미시 핵심부품 소재기술개발사업』을 통하여 개발된 기술을 지역기업에게 기술이전 할 수 있는 선순환 체계를 마련하겠다."고 말하며, "R&D성과를 공유하고 기술개발에 대한 관심을 제고함은 물론 부품소재분야 연구개발사업 지원을 대폭 확대하고 지역부품소재산업을 지속적으로 적극 육성 할 것"이라고 전했다.

다음은 이번에 개발된 섬유형 온도센서 기술의 세부설명이다.

 기술개요

일반 섬유에 전도성 고분자 잉크를 침염(Dipping) 혹은 날염(Rolling) 방식을 이용하여 온도 감응 섬유를 제작하여, 섬유에 침투(코팅)된 전도성 고분자 물질의 온도 특성을 이용하여 온도에 따라 섬유 자체의 저항이 변화되는 센서이다.

또한 타 직물(천)에의 직접 stitch를 통한 패턴의 형성, 타 섬유와의 직조(textile)를 통한 패턴의 형성 등 다양한 형태로의 확장성을 가지는 기술로 섬유에 전도성 물질을 코팅하거나, 섬유사 몇가닥과 전도성 재료를 꼬아서 섬유를 만드는 기존 기술들과 차별화되어 섬유 자체를 직접 센서로 제작하는 기술이다.

본 기술에 대해 ‘섬유형 온도센서 제조방법'이라는 발명의 명칭으로 2015년 5월 4일 국내 특허출원(출원번호 10-2015-0062480)이 완료됐다.

스마트 의류 기술

  상세 기술 소개

일반섬유에 전도성 고분자(PEDOT:PSS) 잉크를 침투시키고, 외부 수분 및 이물질과 격리를 위해 보호층을 형성한 후, 양 끝단에 시스템과의 연결을 원활히 하기 위해 금속배선을 형성한다.

섬유형 온도센서 제작 공정 및 구조도

또한 일반섬유와 비교하여 온도감지섬유는 전도성 고분자물질이 섬유간의 틈에 잘 침투되어 경화되어 있다.

온도감지섬유와 일반섬유 SEM 이미지

일반 섬유에 전도성 고분자(PEDOT:PSS) 잉크를 코팅한 온도감지섬유는 길이에 따라 상온(25°C)에서의 기본 저항값이 비례하여 증가하는 것을 확인하여, 전도성 고분자 물질이 섬유에 고르게 코팅이 되는 것을 확인할 수 있으며,  길이에 따른 저항값은 99.98%의 선형성을 가지고 비례하여 증가하며, 온도감지섬유 1cm 당 12.03kΩ의 저항을 가지고 있다.

온도감지섬유의 길이에 따른 상온에서의 기본 저항

이 밖에 제작된 섬유형 온도센서를 이용하여 -50°C ~ +80°C의 온도범위내에서 온도변화에 따른 섬유 자체 저항 변화를 측정한 결과, 약 27kΩ ~ 50kΩ까지 변화하였으며, 1°C당 약 167Ω정도의 저항 변화를 보이며, 웨어러블 디바이스에의 적용을 위해서는 필요한 디바이스의 소자 요구 특성에 맞춰 섬유형 온도센서의 기본 저항값(상온에서의 저항값)을 제작시 코팅횟수의 증감으로 구현이 가능하다.

섬유형 온도센서 온도감지특성

  활용방안 및 기대성과

기술적으로 전도성 고분자 잉크를 직접 섬유에 dipping 혹은 rolling에 의해 센서 제작이 가능하여 제작 공정이 간단하며, 상온 제작이 가능하고 다양한 형태로의 변형이 자유로운 기술로 폭넓은 분야에의 적용이 가능하다.

경제적으로는 반도체공정 및 스크린 프린팅 기술 등을 이용한 웨어러블 소자와 비교하여 직접 패턴 형성이 가능하여 공정시간의 단축 및 비용 절감의 효과를 가진다.

적용 및 활용분야는 피트니스/웰빙/레저, 헬스케어/의료, 인포테인먼트(infortainment), 산업/군사 등 다양한 분야에의 적용 및 활용이 가능하다.

textile 및 stitch형 웨어러블 온도센서 구조
textile 및 stitch형 웨어러블 온도센서 실제 제작 사진

 

 

 

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