[논문]전도성 방적사 및 필라멘트사를 이용한 섬유형 전극 정전용량형 터치 센서의 성능 비교 연구

최세진; 방주엽; 민문홍; 이창헌; 김한성

doi:10.12772/tse.2018.55.390

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With the rapid growth of the Internet of things in the recent years, smart textile technologies have correspondingly attracted significant research attention in the industry. One important elementary technology being considered for smart textiles is a touch sensor input device to enable direct commu...

With the rapid growth of the Internet of things in the recent years, smart textile technologies have correspondingly attracted significant research attention in the industry. One important elementary technology being considered for smart textiles is a touch sensor input device to enable direct communication between users and other electronic devices. This study investigated the effect of the structural difference in conducting fibers on the sensing property of capacitive textile touch sensors. Conducting fibers made of stainless steel spun yarns and filaments used for electrodes presented different changes in electrical resistance with the application of tensile and compressive forces. It is believed that the different structures between spun yarns and filaments induced difference in the electric contact among their constituent fibers with the application of an external force. Moreover, the random deformation of staple fibers resulted in the unstable change of capacitance and large hysteresis, while a stable performance and low hysteresis was observed for textile sensors with filaments.

Keyword

표/그림 (11)

그림 Figure 1. Textile electrode made of PET and stainless steel fibers.
그림 Figure 2. Schematic illustrations of (a) the capacitive textile sensor and (b) the corresponding equivalent circuit.
표 Table 1. Specification of various conducting fibers
그림 Figure 3. Experimental setup for capacitive textile sensors.
그림 Figure 4. Definition of capacitance.
표 Table 2. Specification of a textile electrode
그림 Figure 5. Microscopic images of SY1, SY2, FL2, and FL3 at 100x magnification.
그림 Figure 6. Change in electrical resistance with elongation displacement of (a) SY1, (b) SY2, (c) FL2, and (d) FL3.
그림 Figure 7. Change in electrical resistance with compression displacement of (a) SY1, (b) SY2, (c) FL2, and (d) FL3 (resolution: 0.0001 Ω).
그림 Figure 8. Change in capacitance with compression displacement of textile sensors composed of (a) SY1 sensor, (b) SY2 sensor, (c) FL2 sensor, and (d) FL3 sensor.
그림 Figure 9. Textile sensors with different composition of FL2 electrodes and the corresponding change in capacitance with compression displacement; (a, b) 2×2, (c, d) 2×5, and (e, f) 5×5 lines in the upper and lower electrodes.

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문제 정의

본 논문에서는 스테인레스 스틸(stainless steel) 방적사와 필라멘트사를 정전용량형 텍스타일 터치 센서의 상/하부 전극으로 이용하여 섬유형 전극의 특성에 따른 센싱 성능에 대하여 조사하였다. 스테이플(staple) 단섬유로 구성된 전도성 방적사와 연속사로 구성된 필라멘트사는 그 섬유의 구조 차이로 인해 외력 인가에 따른 전기 저항의 변화 양상에 있어 서로 다른 거동이 예상된다.
스테이플(staple) 단섬유로 구성된 전도성 방적사와 연속사로 구성된 필라멘트사는 그 섬유의 구조 차이로 인해 외력 인가에 따른 전기 저항의 변화 양상에 있어 서로 다른 거동이 예상된다. 또한 텍스타일 센서 구현 시 섬유형 전극의 구조 차이는 유전층과의 접촉 면적 변화를 유발하는 변수로 생각되어 민감도(sensitivity), 이력(hysteresis) 등의 터치 센서 성능에 대한 영향을 확인 하고자 한다. 전극을 구성하는 전도사에 대한 심도있는 고찰을 통해 정전용량형 터치 센서와 나아가 완전한 텍스타 일형 센서를 구현하는 많은 연구에 기초적인 자료로서 활용될 수 있을 것으로 생각된다.
정전용량형 텍스타일 터치 센서를 구성하는 요소는 크게 유전층과 전극으로 나눌 수 있다. 본 논문에서는 방적사와 필라멘트사로 구성된 전극의 특성에 따른 성능 변화를 조사하였다. 방적사와 필라멘트사의 가장 큰 차이는 섬유 내기공 용적의 차이로 인해 인가 하중에 따른 변형 거동인 것으로 생각된다.

가설 설정

Figure 4. Definition of capacitance.

제안 방법

광학현미경(ECLIPSE LV100POL, Nikon, Japan)을 이용하여 스테인레스 스틸 전도사의 표면을 관찰하였다. 사용된 전도사의 인장 및 압축 특성과 그에 따른 저항 변화와 텍스타일 센서의 정전용량 변화를 실시간으로 측정할 수 있는 시스템을 Figure 3과 같이 구성하였다.
사용된 전도사의 인장 및 압축 특성과 그에 따른 저항 변화와 텍스타일 센서의 정전용량 변화를 실시간으로 측정할 수 있는 시스템을 Figure 3과 같이 구성하였다. 만능재료시험기 (TXA texture analyzer, Yeonjin Co., Republic of Korea)를 사용하여 시편에 인장 및 압축 하중 1 kgf을 인가하였으며, 임피던스 측정장치(LCR, IM 3570, HIOKI, Japan)와 시리얼 통신으로 연결된 분석 컴퓨터를 사용하여 저항 및 정전 용량 변화를 실시간 측정하였다.
전도사의 길이 방향에 대해 수직 방향으로 하중을 인가하며 전기 저항 변화를 관찰하였다(Figure 7). 압축력 인가에 따른 전도사의 단면적 감소효과가 지배적으로 작용하여 모든 시료에서 저항이 증가하는 것이 확인되었으며, 인장 시험과 마찬가지로 방적사가 구성 단섬유 간 다수 존재하는 접촉 저항으로 인해 필라멘트사보다 평균 저항이 높게 나타난 것을 알 수 있다.

대상 데이터

사용된 전도사는 방적사 10’s 2합사(SY1), 6’s 2합사(SY2)와 필라멘트 2합사(FL2), 3합사(FL3)로 총 4종의 스테인레스 스틸 섬유로 제조되었으며 각 섬유의 측정된 물성은 Table 1에서, 제조된 직물 전극의 특성은 Table 2에서 확인할 수 있다.
정전용량형 텍스타일 센서를 구현하기 위해 Figure 1과 같이 폴리에스터(PET) 섬유와 스테인레스 스틸 전도사로 구성한 평직물을 제조하여 상/하부 전극으로 사용하였다. 스테인레스 스틸 전도사는 10 mm 간격으로 배열되어 위사로 제직되었다.

성능/효과

이후 지속적인 신장으로 인해 섬유의 단면적이 감소하여 저항이 다시 증가하는 것을 볼 수 있으며, 이 때 SY1, SY2의 저항 변화(ΔR)는 각각 0.53, 0.79 χ으로 강도와 신도가 더 높아 많은 변형을 할 수있는 SY2가 더 높게 나타났다(Table 1).
5 d로 4,500, 2,646 d인 FL2, FL3에 비해 더 높은 기공 용적을 가질 것으로 생각된다. 또한, 방적사는 구성 단섬유 간의 접촉점이 무수히 많아 전자의 이동을 방해하는 접촉 저항으로 인해 필라멘트에 비해 높은 선저항 값이 측정되었다(Table 1).
79 χ으로 강도와 신도가 더 높아 많은 변형을 할 수있는 SY2가 더 높게 나타났다(Table 1). 한편, Figure 6(c)와 (d)의 FL2, FL3 필라멘트의 경우 연속적인 구성 섬유로 인해 신장에 따른 접촉점의 변화가 비교적 적기 때문에 초하중 근처의 저항 감소는 발견되지 않았으며 섬유 신장에 의한 단면적 감소에 따른 저항의 증가만 확인되었다. 전체적으로 방적사보다 필라멘트사의 평균 저항이 더 작고 조금 더 안정적인 저항 변화를 나타내었으며, 특히 FL2는 가장 높은 신장률을 보이고 있음에도 가장 낮은 0.
한편, Figure 6(c)와 (d)의 FL2, FL3 필라멘트의 경우 연속적인 구성 섬유로 인해 신장에 따른 접촉점의 변화가 비교적 적기 때문에 초하중 근처의 저항 감소는 발견되지 않았으며 섬유 신장에 의한 단면적 감소에 따른 저항의 증가만 확인되었다. 전체적으로 방적사보다 필라멘트사의 평균 저항이 더 작고 조금 더 안정적인 저항 변화를 나타내었으며, 특히 FL2는 가장 높은 신장률을 보이고 있음에도 가장 낮은 0.18 Ω의 변화량을 나타내었다.
전도사의 길이 방향에 대해 수직 방향으로 하중을 인가하며 전기 저항 변화를 관찰하였다(Figure 7). 압축력 인가에 따른 전도사의 단면적 감소효과가 지배적으로 작용하여 모든 시료에서 저항이 증가하는 것이 확인되었으며, 인장 시험과 마찬가지로 방적사가 구성 단섬유 간 다수 존재하는 접촉 저항으로 인해 필라멘트사보다 평균 저항이 높게 나타난 것을 알 수 있다. Figure 7(a), (b)의 방적사의 경우 상대적으로 높은 기공 용적 때문에 압축에 따른 섬유 구조의 변형이 더 많이 발생하여 0.
압축력 인가에 따른 전도사의 단면적 감소효과가 지배적으로 작용하여 모든 시료에서 저항이 증가하는 것이 확인되었으며, 인장 시험과 마찬가지로 방적사가 구성 단섬유 간 다수 존재하는 접촉 저항으로 인해 필라멘트사보다 평균 저항이 높게 나타난 것을 알 수 있다. Figure 7(a), (b)의 방적사의 경우 상대적으로 높은 기공 용적 때문에 압축에 따른 섬유 구조의 변형이 더 많이 발생하여 0.74, 0.34 Ω의 높은 저항 변화가 일어났으며, 변형 시 단섬유간 무수히 많은 접촉점이 불규칙적으로 형성되어 매우 불안정한 저항 변화를 보이고 있다. 반면 Figure 7(c), (d)의 필라멘트의 경우 인가 하중에 의한 단면적 감소의 영향만이 작용하여 상대적으로 안정적인 저항 변화를 보이고 있으며, 특히 FL2의 경우 0.
19 pF으로 상대적으로 높게 나타났다(Figure 8(a), (b)). 하중 인가와 회복에 따른 정전용량의 이력 또한 상당히 크게 나타났는데 이는 방적사 압축에 따라 유전층과 접촉하는 단 섬유의 수가 증가하여 전극면적(A) 증가의 효과가 유도되었으나 하중 제거에 따른 방적사의 형태 회복이 완전하게 이루어지지 않은 것으로 판단되며, 특히 SY2의 경우 정전용량 변화 양상이 약 1.2 mm 변위에서 역전하는 등 좋지 못한 압축/회복 재현성을 확인할 수 있다. Figure 8(c), (d)의 FL2, FL3의 정전용량 역시 하중 인가에 따라 증가하였으나, 그 변화량은 0.
SY1과 SY2의 이력을 개선하기 위해서는 적절한 압축 및 회복 성능을 부여할 수 있는 전도사 소재 선정 또는 구조의 변화가 필요할 것으로 예상되는 반면, FL2와 FL3의 정전용량 민감도는 전극의 면적 변화를 통한 개선이 비교적 용이할 것으로 판단되었다. 가장 작은 이력을 보였던 FL2 를 상/하부 전극으로 사용하여 전도사의 구성을 달리한 터치 센서를 Figure 9(a), (c), (d)와 같이 제조하였으며, 성능 변화를 Figure 9(b), (d), (f)에 나타내었다.
특히 필라멘트 2합사(FL2)가 3합사(FL3)에 비해 구성 섬유의 개수가 더 적기 때문에 변형의 정도가 작아 높은 안정성을 보이는 것으로 생각된다. 이러한 외력에 대한 섬유 구조의 변화와 전기 저항의 변화는 텍스타일 센서의 정전용량 변화에 영향을 미치는 중요한 요소로 작용하여 민감도와 이력의 차이를 유발하였으며, 4종의 전도사 중 FL2가 전극으로써 가장 적합한 것으로 판단되었다.

후속연구

또한 텍스타일 센서 구현 시 섬유형 전극의 구조 차이는 유전층과의 접촉 면적 변화를 유발하는 변수로 생각되어 민감도(sensitivity), 이력(hysteresis) 등의 터치 센서 성능에 대한 영향을 확인 하고자 한다. 전극을 구성하는 전도사에 대한 심도있는 고찰을 통해 정전용량형 터치 센서와 나아가 완전한 텍스타 일형 센서를 구현하는 많은 연구에 기초적인 자료로서 활용될 수 있을 것으로 생각된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	스마트 텍스타일은 무엇을 의미하는가?	최근 사물인터넷(Internet of Things, IoT) 기술의 빠른 성장과 함께 스마트 텍스타일(E-textiles) 분야가 많은 주목을 받고있다[1]. 환경 조건에 대한 감응 기능을 가진 섬유 또는 직물을 일컫는 좁은 범위의 용어로서 사용되어 온 스마트 텍스타일은 그 의미가 확장되어 삶의 질을 높이는데 직접적인 기여가 가능하며 미래 기술을 기반으로 한 고기능성 섬유 및 구조체를 포괄하는 넓은 개념으로 이해되고 있다. 이에, 다양한 산업으로 연계할 수 있는 이상적인 플랫 폼으로서 축전기(capacitors)[2,3], 배터리[4−6], 의료[7−9], 국방[10−12], 항공[13] 등 다양한 분야에서 연구가 활발히 진행중이다[14].
	최근에 스마트 텍스타일은 그 의미가 어떻게 확장되었는가?	최근 사물인터넷(Internet of Things, IoT) 기술의 빠른 성장과 함께 스마트 텍스타일(E-textiles) 분야가 많은 주목을 받고있다[1]. 환경 조건에 대한 감응 기능을 가진 섬유 또는 직물을 일컫는 좁은 범위의 용어로서 사용되어 온 스마트 텍스타일은 그 의미가 확장되어 삶의 질을 높이는데 직접적인 기여가 가능하며 미래 기술을 기반으로 한 고기능성 섬유 및 구조체를 포괄하는 넓은 개념으로 이해되고 있다. 이에, 다양한 산업으로 연계할 수 있는 이상적인 플랫 폼으로서 축전기(capacitors)[2,3], 배터리[4−6], 의료[7−9], 국방[10−12], 항공[13] 등 다양한 분야에서 연구가 활발히 진행중이다[14].
	스마트 텍스타일 구현을 위한 주요 기술은 어떤 것이 있는가?	스마트 텍스타일 구현을 위한 주요 기술로 에너지 저장 및 수집, 변환[15,16]과 같은 전원 기술과 광[17,18], 모션 [19,20] 센서 등을 활용한 입력 기술이 상당 수 연구되고 있다. 이 중 환경 조건에 대한 센싱이 아닌 사용자와 디바이스간의 직접적인 커뮤니케이션을 담당하는 입력장치의 개발은 상당히 중요하다고 할 수 있으며, 대표적인 입력장치로서 사용자의 터치센싱을 이용하는 텍스타일 키보드 (keyboard)가 있다. 텍스타일 터치 센서는 외부 자극에 대해 변화하는 전기적 특성의 종류에 따라 크게 정전용량형(capacitance)과 전기저항형(resistance)으로 분류되어 다양한 연구가 진행되고있다[21].

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