The objective of this study was to develop photonic neoprene textiles with a temperature sensor and button signal used for emergencies. To prepare the photonic neoprene textiles system, a temperature sensor, button, LED strip, battery, and circuit were prepared. The textile materials used in this sy...
The objective of this study was to develop photonic neoprene textiles with a temperature sensor and button signal used for emergencies. To prepare the photonic neoprene textiles system, a temperature sensor, button, LED strip, battery, and circuit were prepared. The textile materials used in this system included nylon knit and neoprene. Using Arduino software to program the system, four ranges of ambient temperature were established, each corresponding to a different colored LED. In addition, the LED signal was programmed to illuminate via the button signal to inform of an emergency. The resultant photonic neoprene textile system measured the visibility using a luminance test. In the case of the button signal-photonic neoprene textile system, the red-green-blue LED illuminated within a luminescence range of 0.1-14 lx. In the case of temperature sensor-photonic neoprene textile system, the emission performance was measured by controlling the temperature in the atmospheric and water environment. In the first temperature range (<$5.5^{\circ}C$), the red light illuminated within a range of 0.1-4 lx. In the second temperature range ($5.5-11^{\circ}C$), the yellow light illuminated within a range of 0.1-30 lx. In the third temperature range ($11-17^{\circ}C$), the green light illuminated within a range of 0.1-5 lx. Lastly, in the fourth temperature range (>$17^{\circ}C$), the blue light illuminated within a range of 0.1-1 lx.
The objective of this study was to develop photonic neoprene textiles with a temperature sensor and button signal used for emergencies. To prepare the photonic neoprene textiles system, a temperature sensor, button, LED strip, battery, and circuit were prepared. The textile materials used in this system included nylon knit and neoprene. Using Arduino software to program the system, four ranges of ambient temperature were established, each corresponding to a different colored LED. In addition, the LED signal was programmed to illuminate via the button signal to inform of an emergency. The resultant photonic neoprene textile system measured the visibility using a luminance test. In the case of the button signal-photonic neoprene textile system, the red-green-blue LED illuminated within a luminescence range of 0.1-14 lx. In the case of temperature sensor-photonic neoprene textile system, the emission performance was measured by controlling the temperature in the atmospheric and water environment. In the first temperature range (<$5.5^{\circ}C$), the red light illuminated within a range of 0.1-4 lx. In the second temperature range ($5.5-11^{\circ}C$), the yellow light illuminated within a range of 0.1-30 lx. In the third temperature range ($11-17^{\circ}C$), the green light illuminated within a range of 0.1-5 lx. Lastly, in the fourth temperature range (>$17^{\circ}C$), the blue light illuminated within a range of 0.1-1 lx.
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문제 정의
후속 연구에서는 사용환경에서 안전신호로서 필요한 조도의 정량적인 목표치를 설정하고, 이에 맞는 발광시스템 네오프렌 직물을 개발할 필요가 있다. 또한 개발한 발광시스템 네오프렌의 방수성능을 향상시키는 가공법을 적용하여 침수상황에서의 발광성능 및 물성평가를 목적으로 한 연구를 수행하고자 한다.
선행연구[13,14]에서는 시판 습식방수복의 소재특성이나 보온성 평가를 진행한 바 있고, 보온성을 증진시키는 네오프렌 개발을 목적으로 탄소나노복합체 나노웹으로 코팅된 네오프렌 직물을 제조하여 축열성과 광발열성능을 갖는 소재를 개발한 바 있다. 본 연구는 습식방수복에 스마트 기능을 적용한 네오프렌 텍스타일 개발에 관한 것이다. 즉, 위험신호 알림 및 수온감지 스마트 기기를 적용한 겨울용 스마트 수트용 소재를 개발하기 위하여, 네오프렌 직물위에 외부자극 감지 발광시스템을 설계하였다.
본 연구에서는 수온감지 및 위험신호 알림이 가능한 겨울용 스마트 수트용 소재를 개발하기 위하여, 온도감지기능의 센서를 부착한 LED 발광기능성 네오프렌 직물을 제작을 목적으로 하였다. 온도감지 센서로 겨울의 환경온도를 각각 4단계로 나누고, 각 단계별로 색상을 달리하여 온도를 표시할 수 있도록 설정하였다.
세월호 사건 이후 스마트 기능의 구명조끼에 대한 특허보고[10−12]가 있으나, 스마트 기능이 적용된 해양레저용품은 안전규정이 미비하고, 해상의 환경조건에서 안전성 확보를 위한 신뢰성평가에 대한 지원체계가 시급한 것으로 보인다. 시제품 개발 단계에서 IT 융합형의 안전기술을 적용하여, 국민 체감형의 다양한 해양레저 의류 제품 필요성 증대되고 있으므로, 이에 능동발광기능 및 온도 센서를 적용한 해양용 스마트 방수복의 소재인 네오프렌 텍스타일을 개발하고, 각각의 기능으로 아두이노 소프트웨어로 코딩한 후, 해양레저용 스마트 방수복 시스템 개발 및 성능평가의 기초 자료를 마련하고자 하였다.
가설 설정
온도감지-발광 프로그램 설정 시 온도설정은 겨울용 수트 개발 시 두께별 수온기준이 되는 온도범위인 5−23℃를 중심으로 설정하였다.
제안 방법
If 함수를 이용하여, 센서에 감지된 온도가 5.5℃ 미만일 땐 LED 스트립에 R255 G0 B0 값으로, 두 번째로 5.5℃ 이상 11℃ 미만일땐 LED 스트립에 R255 G255 B0 값을, 11℃ 이상 17℃ 미만일 땐 LED 스트립에 R0 G255 B0 값을, 17℃ 이상일 땐 LED 스트립에 R0 G0 B255 값으로 코딩하였다.
먼저 대기 중 환경온도를 변화시키기 위해서 1단계는 드라이아이스를 사용하였으며 2단계와 3단계는 얼음을 사용하였다. 각 단계의 환경온도는 방사온도계를 사용하여 약 5초간 측정하였다. 이에 1단계는 평균 1.
온도감지센서를 이용하여 환경온도를 감지하고, 각 온도별로 겨울용 서핑의 온도환경에 따라 네 가지 단계로 나누어 각각 색상을 나타내었다. 또 위험상황을 알리기 위해 버튼을 부착하여 LED 빛으로 상황을 나타내줄 수 있도록, 아두이노 프로그램 코딩을 통해 발광기능성 네오프렌 직물을 제작하였으며, 얻어진 버튼신호 및 온도감지-발광 시스템 네오프렌텍스타일의 발광성능은 조도 측정으로 평가하였다.
플러스 전원을 공급하기 위하여 FLORA의 VBATT 부분과 LED 스트립의 5 V 부분을 연결하고(Figure2(c)의 ⓐ), 디지털 신호 입출력을 위해서 FLORA의 #12 부분과 LED 스트립의 Din 부분을 연결하였다(Figure 2(c)의ⓑ). 마이너스 전원을 공급하기 위해 FLORA의 GND 부분과 LED 스트립의 GND 부분을 연결하였다(Figure 2(c)의ⓒ).
3 V 부분과 센서의 3 V 부분을 홈질로 연결하였고(Figure 2(b)의 ⓐ), 디지털 신호 입출력을 위해서 FLORA의 SDA#2 부분과 센서의 SDA 부분(Figure 2(b)의 ⓑ), FLORA의 #3 부분과 센서의 SCL 부분(Figure 2(b) ⓒ)을 홈질로 봉제하였다. 마지막으로 마이너스의 전원을 공급하기 위해서 FLORA의 GND부분과 센서의 GND 부분을 연결하였다(Figure 2(b)의 ⓓ).
가시거리는 1 m로 설정하였다. 버튼 신호시 LED 발광조도는 20 lux 범위에서 43초간 5회를 측정하고, 온도감지단계별 LED 발광조도는 200 lux 범위에서 각 온도단계별로 각각 10초간 5회를 측정하여 각각의 평균값을 나타내었다.
Figure 6은 버튼 신호에 따라 변화하는 LED의 조도 변화를 측정하여 나타낸 것이다. 색상의 변화 패턴이 끝나고 처음으로 돌아오는 시간인 약 43초 동안의 조도를 측정하였다.Red(R)-Orange(O)-Yellow(Y)-YellowGreen(YG)-Green(G)-SkyBlue(SB)-Blue(B)-Purple(PP)-Pink(PK) 순으로 LED의 색상을 나타날 때, R에서 조도는 약 6 lx에서 시작하였고 G에서 12 lx까지 증가하며, P 색상이 나타난 경우 약 0.
암막실에서 검은색원단 위에 시료를 두고 위쪽에 5 cm 지름의 구멍에 속이 빈 5 cm 지름의 높이 10 cm 원기둥이 꽂혀있는 30×21×22.5 cm의 상자를 덮어 측정하였다.
본 연구에서는 수온감지 및 위험신호 알림이 가능한 겨울용 스마트 수트용 소재를 개발하기 위하여, 온도감지기능의 센서를 부착한 LED 발광기능성 네오프렌 직물을 제작을 목적으로 하였다. 온도감지 센서로 겨울의 환경온도를 각각 4단계로 나누고, 각 단계별로 색상을 달리하여 온도를 표시할 수 있도록 설정하였다. 위험상황을 나타내주기 위해 버튼을 부착하거나, 환경온도를 감지하여 LED빛으로 상황을 나타내줄 수 있도록 스마트 센서 및 아두이노 프로그램을 설계하였다.
즉, 위험신호 알림 및 수온감지 스마트 기기를 적용한 겨울용 스마트 수트용 소재를 개발하기 위하여, 네오프렌 직물위에 외부자극 감지 발광시스템을 설계하였다. 온도감지센서를 이용하여 환경온도를 감지하고, 각 온도별로 겨울용 서핑의 온도환경에 따라 네 가지 단계로 나누어 각각 색상을 나타내었다. 또 위험상황을 알리기 위해 버튼을 부착하여 LED 빛으로 상황을 나타내줄 수 있도록, 아두이노 프로그램 코딩을 통해 발광기능성 네오프렌 직물을 제작하였으며, 얻어진 버튼신호 및 온도감지-발광 시스템 네오프렌텍스타일의 발광성능은 조도 측정으로 평가하였다.
프로그램은 온도감지센서의 시리얼프린트함수 값과 버튼의 디지털리드 신호 값을 주어 설계하였다. 위급상황을 나타내주기 위해 버튼을 누르면 무지개색으로 전체 LED가 발광하도록 설정하였다. 온도감지-발광 프로그램 설정 시 온도설정은 겨울용 수트 개발 시 두께별 수온기준이 되는 온도범위인 5−23℃를 중심으로 설정하였다.
네오프렌의 겉면인 니트 직물에 기능성 모둘 장치들을 부착한 후, 네오프렌 고무에 합포하여 완성하였다. 위에서 선택한 재료를 온도감지-발광기능성 스마트텍스타일로 제작하기 위해, 수트용 네오프렌 직물 위에 전도사로 홈질하여 봉제하였고, LED 스트립을 연결할 때는 납땜방법을 사용하였다.
위험 시 신호 알림을 위해 버튼을 눌러 LED에 여러 가지 색으로 위험신호를 알리고자 버튼-발광 기능형 네오프렌 텍스타일을 제작하였다. 이 때 LED 스트립의 길이는 20 cm, 폭 1 cm이고, 방수기능의 케이스에 넣어 둔 상태로 측정하였다.
온도감지 센서로 겨울의 환경온도를 각각 4단계로 나누고, 각 단계별로 색상을 달리하여 온도를 표시할 수 있도록 설정하였다. 위험상황을 나타내주기 위해 버튼을 부착하거나, 환경온도를 감지하여 LED빛으로 상황을 나타내줄 수 있도록 스마트 센서 및 아두이노 프로그램을 설계하였다. 버튼-발광 시스템을 적용한 네오프렌 직물의 경우, 버튼신호를 주면, LED는 Red(R)-Orange(O)-Yellow(Y)-YellowGreen(YG)-Green(G)-SkyBlue(SB)-Blue(B)-Purple(PP)-Pink(PK) 순으로 색상을 나타나고, 전체적으로 조도의 범위는 0.
Figure 2(a)는 컨트롤러에 온오프버튼을 연결하는 방법을 나타낸 것이다. 전도사를 사용하여 2 mm 땀수로 홈질로 하였으며, 센서와 회로의 각 연결부위가 겹치지 않고, FLORA와 온도감지 센서가 연결된 부분의 간격이 5 cm가 넘지 않도록 봉제하였다. 플러스의 전원공급 및 디지털 신호 입출력을 위해서 FLORA의 #10부분과 버튼의 S 부분을 연결하였고(Figure 2(a)의 ⓐ), 마이너스 전원 전압 공급을 위해서 FLORA의 GND 부분과 버튼의 –부분을 연결하였다(Figure 2(a)의 ⓑ).
본 연구는 습식방수복에 스마트 기능을 적용한 네오프렌 텍스타일 개발에 관한 것이다. 즉, 위험신호 알림 및 수온감지 스마트 기기를 적용한 겨울용 스마트 수트용 소재를 개발하기 위하여, 네오프렌 직물위에 외부자극 감지 발광시스템을 설계하였다. 온도감지센서를 이용하여 환경온도를 감지하고, 각 온도별로 겨울용 서핑의 온도환경에 따라 네 가지 단계로 나누어 각각 색상을 나타내었다.
4버전을 이용하여 작성하였다(Figure 1). 프로그램은 온도감지센서의 시리얼프린트함수 값과 버튼의 디지털리드 신호 값을 주어 설계하였다. 위급상황을 나타내주기 위해 버튼을 누르면 무지개색으로 전체 LED가 발광하도록 설정하였다.
먼저 점퍼와이어의 핀헤더부분을 제거한 후 인두로 납을 녹여 연결 부분에 와이어의 끝과 끝으로 접합시켜주어 연결한다. 플러스 전원을 공급하기 위하여 FLORA의 VBATT 부분과 LED 스트립의 5 V 부분을 연결하고(Figure2(c)의 ⓐ), 디지털 신호 입출력을 위해서 FLORA의 #12 부분과 LED 스트립의 Din 부분을 연결하였다(Figure 2(c)의ⓑ). 마이너스 전원을 공급하기 위해 FLORA의 GND 부분과 LED 스트립의 GND 부분을 연결하였다(Figure 2(c)의ⓒ).
플러스의 전원공급 및 디지털 신호 입출력을 위해서 FLORA의 #10부분과 버튼의 S 부분을 연결하였고(Figure 2(a)의 ⓐ), 마이너스 전원 전압 공급을 위해서 FLORA의 GND 부분과 버튼의 –부분을 연결하였다(Figure 2(a)의 ⓑ).
앞의 버튼의 연결방법과 동일하게, 2 mm 땀수로 홈질로 봉제하였다. 플러스의 전원을 공급하기 위하여 FRORA의 3.3 V 부분과 센서의 3 V 부분을 홈질로 연결하였고(Figure 2(b)의 ⓐ), 디지털 신호 입출력을 위해서 FLORA의 SDA#2 부분과 센서의 SDA 부분(Figure 2(b)의 ⓑ), FLORA의 #3 부분과 센서의 SCL 부분(Figure 2(b) ⓒ)을 홈질로 봉제하였다. 마지막으로 마이너스의 전원을 공급하기 위해서 FLORA의 GND부분과 센서의 GND 부분을 연결하였다(Figure 2(b)의 ⓓ).
환경 온도를 변화시키기 위해서 드라이아이스와 얼음을 사용하여, 대기 중 및 수면의 환경온도를 제어하였다. 이때 사용한 수조의 사이즈는 30×30×30(cm)이며, 물은 5 l를 부어, 수조 바닥에서 높이 6 cm인 조건에서 실험하였다.
)를 사용하였다. 환경온도에 따른 LED 발광현상은 카메라를 사용하여 촬영하였고, 육안으로 LED 색상을 확인하였다.
대상 데이터
입력 인터페이스로는 가속도 센서에 온도감지센서가 부착되어 있는 FLORA 9-DOF와 온오프 버튼인 Lilypad Button Board를 사용하였다. 출력 인터페이스로는 방수커버가 있는 LED인인 Adafruit NeoPixel Digital RGB LED 스트립을 사용하였으며, 전원으로는 충전식 이온 배터리를 사용하였다. 각각의 기능을 구현할 컨트롤러는 웨어러블 컴퓨팅 제어보드 중 FLORA V3을 사용하였다.
이론/모형
Figure 2(d)는 온도센서-온오프버튼-컨트롤러-LED-배터리를 각각 니트직물 위에 봉제 및 납땜법으로 부착시킨 완성본을 나타낸 것이며, 이후 사용할 때에는 방수가공제(nanopro, colloni.ltd)로 스프레이 코팅법으로 방수처리하여 사용하였다.
LED 발광 성능을 분석하기 위하여 조도계(TES-1330A, TES Electronic Co.)를 사용하였다[14]. 암막실에서 검은색원단 위에 시료를 두고 위쪽에 5 cm 지름의 구멍에 속이 빈 5 cm 지름의 높이 10 cm 원기둥이 꽂혀있는 30×21×22.
버튼식-발광 및 온도감지-발광 프로그램의 코드 프로그래밍은 아두이노 소프트웨어 1.6.4버전을 이용하여 작성하였다(Figure 1). 프로그램은 온도감지센서의 시리얼프린트함수 값과 버튼의 디지털리드 신호 값을 주어 설계하였다.
성능/효과
Red(R)-Orange(O)-Yellow(Y)-YellowGreen(YG)-Green(G)-SkyBlue(SB)-Blue(B)-Purple(PP)-Pink(PK) 순으로 LED의 색상을 나타날 때, R에서 조도는 약 6 lx에서 시작하였고 G에서 12 lx까지 증가하며, P 색상이 나타난 경우 약 0.8 lx로 감소하다가 이후 증가와 감소가 반복하는 것을 보였으며, 전체적으로 조도의 범위는 0.1−14 lx로 나타났다.
1−14 lx로 나타났다. R에서 G로 색상이 변하는 동안 조도는 증가하는 경향을 보였고 G에서 PP로 색상이 변하는 동안 조도는 감소하는 경향을 나타냈다. 한편, LED의 개수에 따른 조도의 차이는 크지 않은 것으로 나타났다.
이 때 제작한 온도감지-발광기능성네오프렌 텍스타일에 방수필름으로 포장한 후 각각의 온도로 제어된 수조에 담갔다. 네오프렌 텍스타일은 물에 뜨는 현상을 나타내었고, 방수필름 코팅막이 있어도 센서는 각각의 환경온도를 감지하여, 각 단계에 맞는 발광성능을 나타내고 있는 것을 육안으로 확인할 수 있었다. 각각의 온도단계별로 나타나는 LED의 조도를 측정한 결과 다음과 같이 나타났다.
1−1 lx 범위로 측정되었다. 발광 프로그램시 LED 개수는 0에서 4개로 점멸형식으로 켜지므로, 이에 따라 조도값이 일정한 범위와 주기를 나타내는 것을 확인할 수 있었다.
온도감지-발광시스템을 적용한 경우, 대기 및 수면환경에서 각각 온도를 제어하여 발광성능을 측정한 결과, 환경온도가 1단계(<5℃) 범위에서는 Red 빛이 0.1−4 lx의 조도범위에서 나타났고, 2단계(5−11℃)인 Yellow는 0.1−30 lx, 3단계((11−17℃)인 Green은 0.1−5 lx, 4단계(>17℃)인 Blue는 0.1−1 lx 범위로 측정되었다.
후속연구
본 연구에서의 수면 환경에서 조도를 측정한 것이 위험상황을 알릴만한 발광량인가에 대한 결과로서는 부족한 부분은 있으나, 발광기능성 네오프렌 직물의 설계와 가시성능 평가방법을 제안함으로써 기초적인 자료로서 의의가 있다고 본다. 후속 연구에서는 사용환경에서 안전신호로서 필요한 조도의 정량적인 목표치를 설정하고, 이에 맞는 발광시스템 네오프렌 직물을 개발할 필요가 있다. 또한 개발한 발광시스템 네오프렌의 방수성능을 향상시키는 가공법을 적용하여 침수상황에서의 발광성능 및 물성평가를 목적으로 한 연구를 수행하고자 한다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
스마트 텍스타일 기술의 구성 요소는?
한편, 스마트 텍스타일은 외부환경 또는 인체 상태를 감지하여 다양한 기능을 복합적으로 발현하거나, IT 등 첨단신기술과 결합하여 새로운 기능을 발현할 수 있는 다기능성 기반의 고기능성 섬유소재 및 제품을 말한다[3,4]. 스마트 텍스타일 기술의 구성요소에는 인터페이스(interface), 커뮤니케이션(communication), 에너지 매니지먼트(energy management), 데이터 매니지먼트(data management), 통합회로(intergrated circuit) 등이 있다[5,6]. 통합회로는 각 구성요소의 작동에 있어 필요한 모든 정보들의 이동통로의 역할을 하며, 프로세서와 메모리를 갖춘 마이크로컨트롤러의 역할을 한다.
습식방수복이란?
해양 레저 활동에 대한 전 세계 소비자들의 수요는 꾸준히 증가하고 있으며, 2020년에는 서핑이 도쿄 올림픽의 정식 종목으로 채택되어 서핑과 관련된 해양용 제품개발에 대한 관심도는 더욱 증가할 것으로 보인다. 습식방수복(wetsuit)[1,2]은 잠수 시 물의 출입이 허용되도록 설계된 방수복이며, 이중 네오프렌 텍스타일은 해양용 스포츠웨어에 매우 중요한 소재로 사용되고 있다. 습식방수복은 침수의 경우에 온도 하강으로부터 착용자를 보호하기 위해 설계된 의복으로 착용자의 체온유지가 핵심이다.
네오프렌 소재의 두께별로 구분되는 습식방수복은 어떠한가?
이때 구분하는 기준이 습식방수복에 사용되는 네오프렌 소재의 두께별로 구분할 수 있다. 3 mm 습식방수복은 약 18−25 oC 이상에서, 5 mm 습식방수복은 13−23 oC, 7 mm 습식방수복은 10−20 oC, 2−18 oC의 범위에서는 9.5 mm의 습식방수복이나 건식방수복으로 구분한다.
참고문헌 (15)
Korean Standard Association, "Rubber-or Plastics-coated Fabrics for Water-resistant Clothing", KS M ISO 8096(2009).
Korean Standard Association, "Immersion Suits-Part 1: Constant Wear Suits, Requirements Including Safety", KS V ISO 15027-1(2005).
H. R. Mattila, Ed., "Intelligent Textiles and Clothing", CRC Press, 2006.
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https://www.sparkfun.com/products
T. Holoubek, "Arduino", Hanbit Academy Inc., 2014, p.52.
Tony Olsson, "Arduino Wearables", Apress, 2015, p.15
https://www.arduino.cc
S. M. Kim, K. R. Kim, and S. K, Kim, "Distress Signal Transmitter and Life Jacket within the Same", Korea Patent, 10-1523704(2014).
J. W. Lee and N. K. Park, "The Smart Clothing for Marine Leisure", Korea Patent, 10-1487458(2015).
M. Y. Kang, S. J. Lee, and S. H. Lee, "Life Jacket", Korea Patent, 30-0852293(2015).
H. L. Kim and S. H. Lee, "Characterization and Manufacturing of Neoprene Fabrics Coated with CNF/PVDF-HFP Nanoweb", Text. Sci. Eng., 2016, 53, 109-119.
H. L. Kim, Y. H. Bang, and S .H. Lee, "Evaluation of Thermal Insulation and Characterization of Materials for Commercial Wetsuits for Surfers", Text. Sci. Eng., 2016, 53, 229-240.
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