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문제 정의
- 본 연구의 목적은 우수한 착용성과 내구성과 신뢰성을 가지는 스마트 웨어러블의 신호와 전력 전송용 섬유형 케이블을 개발하는 것이며, 이를 통해 다양한 웨어러블 기기의 전력 공급 및 회로 구동을 위한 기반 기술로 활용하고자 한다. 본 연구에서는 신호 전송용 섬유형 케이블 제작을 위해 먼저 전도성사가 개발되었고 이를 이용하여 신호 전송용 섬유형 케이블이 설계되고 제작되었다.
- 본 연구에서는 전도성사를 이용하여 세가지 타입의 스마트 의류용 신호 및 전력 전송용 섬유형 케이블이 성공적으로 개발되었다. 신호선과 접지선에 사용하기 위한 전도성사는 폴리우레탄 코팅된 구리 필라멘트사와 폴리에스터사의 다중복합사 형태로 제작되었다.
- 본 연구에서 개발된 신호 전송용 섬유형 케이블은 다양한 웨어러블 디바이스들의 정상적 구동과 시스템간 연결을 위한 소재 및 부품의 기반 기술이다. 본 연구에서 개발된 신호와 전력전송용 섬유형 케이블을 바탕으로 우수한 활동성, 내구성, 신뢰성이 요구되는 스마트 웨어러블 제품에 활용되기를 기대한다.
제안 방법
- 전도성사는 폴리우레탄이 코팅된 구리 필라멘트(PU-Cu, ØPU-Cu: 0.040mm)와 폴리에스터사의 다중 복합 방식으로 제작되었다.
- 본 연구의 목적은 우수한 착용성과 내구성과 신뢰성을 가지는 스마트 웨어러블의 신호와 전력 전송용 섬유형 케이블을 개발하는 것이며, 이를 통해 다양한 웨어러블 기기의 전력 공급 및 회로 구동을 위한 기반 기술로 활용하고자 한다. 본 연구에서는 신호 전송용 섬유형 케이블 제작을 위해 먼저 전도성사가 개발되었고 이를 이용하여 신호 전송용 섬유형 케이블이 설계되고 제작되었다. 개발된 전도성사와 신호 전송용 섬유형 케이블의 전기적·물리적 성능이 평가되었다.
- 1은 설계된 신호 전송용 섬유형 케이블의 도식화이다. 전도성사는 Fig. 1과 같이 흰색의 신호선과 검정색의 접지선 다발이 각각 중심부의 좌측과 우측에 위치하도록 하였다. 전도성사 가닥수에 따른 성능의 차이를 알아보기 위해 신호선과 접지선에 각각 6가닥, 12가닥, 18가닥을 사용하여 세 가지 섬유형 케이블을 제작하였다(TC 신호선/접지선; TC 6/6, TC 12/12, TC 18/18).
- 1과 같이 흰색의 신호선과 검정색의 접지선 다발이 각각 중심부의 좌측과 우측에 위치하도록 하였다. 전도성사 가닥수에 따른 성능의 차이를 알아보기 위해 신호선과 접지선에 각각 6가닥, 12가닥, 18가닥을 사용하여 세 가지 섬유형 케이블을 제작하였다(TC 신호선/접지선; TC 6/6, TC 12/12, TC 18/18). 케이블의 중심부에 위치한 전도성사 다발은 폴리에스터 필라멘트사(300D/96f, DTY) 32가닥으로 짜인 브레이드 덮개(Braided cover)로 절연되고 보호된다.
- 개발한 전도성사와 신호 전송용 섬유형 케이블의 물리적 전기적 특성을 평가하기 위하여 외관, 인장특성, 전기저항 특성, RF(Radio frequency) 특성 등을 평가하였다. 전도성사 및 신호전송용 섬유형 케이블의 외관은 실사 현미경 시스템(SV-55 video microscope system)을 사용하여 외관평가를 실시하였다.
- 개발한 전도성사와 신호 전송용 섬유형 케이블의 물리적 전기적 특성을 평가하기 위하여 외관, 인장특성, 전기저항 특성, RF(Radio frequency) 특성 등을 평가하였다. 전도성사 및 신호전송용 섬유형 케이블의 외관은 실사 현미경 시스템(SV-55 video microscope system)을 사용하여 외관평가를 실시하였다. 전도성사의 인장특성은 만능재료시험기(Instron 5543)를 이용하여 측정되었다.
- 전도성사와 전송용 텍스타일 케이블의 전기적 특성은 10cm, 50cm, 100cm, 200cm 길이별로 준비된 5개의 시료를 대상으로 측정되었다(측정기: Agilient: Milliohmeter 4338A). 전송용 섬유형 케이블의 RF 특성 분석을 위해 10cm, 50cm, 100cm, 200cm 길이별로 준비된 전송용 섬유형 케이블의 양 끝에 SMA(SubMiniature version A)커넥터를 연결하여 네트워크 분석기(Agilient: Network Analyzer E8358A)를 사용하였다.
- 전송용 섬유형 케이블의 RF(Radio Frequency) 특성을 분석하기 위해 시료를 10cm, 50cm, 100cm, 200cm 길이별로 준비하여 전송용 섬유형 케이블의 길이별로 S21(dB, Insertion loss)을 측정하였다. S21(dB)은 입력전압에 대한 출력전압의 비율을 나타내는 S(Scattering) 파라미터로, 입력신호가 전송하고자 하는 포트까지 얼마나 도달하느냐를 평가한다.
- 신호선과 접지선에 사용하기 위한 전도성사는 폴리우레탄 코팅된 구리 필라멘트사와 폴리에스터사의 다중복합사 형태로 제작되었다. 신호 전송용 섬유형 케이블은 신호선과 접지선에 같은 전도성사 가닥 수를 사용하여 TC 6/6, TC 12/12, 그리고 TC 18/18 세가지 유형으로 제작되었다. 제작된 신호전송용 섬유형 케이블의 끝에는 USB를 달아 다른 스마트 기기와의 연결이 용이하게 활용될 수 있다.
대상 데이터
- 040mm)와 폴리에스터사의 다중 복합 방식으로 제작되었다. 신호선(Signal line)과 접지선(Ground line)의 명확한 구별을 위해 폴리에스터사는 신호선을 위한 흰색과 접지선을 위한 검정색의 두 가지 색상을 준비하여 사용하였다.
- 전도성사 및 신호전송용 섬유형 케이블의 외관은 실사 현미경 시스템(SV-55 video microscope system)을 사용하여 외관평가를 실시하였다. 전도성사의 인장특성은 만능재료시험기(Instron 5543)를 이용하여 측정되었다. 전도성사와 전송용 텍스타일 케이블의 전기적 특성은 10cm, 50cm, 100cm, 200cm 길이별로 준비된 5개의 시료를 대상으로 측정되었다(측정기: Agilient: Milliohmeter 4338A).
- 전도성사의 인장특성은 만능재료시험기(Instron 5543)를 이용하여 측정되었다. 전도성사와 전송용 텍스타일 케이블의 전기적 특성은 10cm, 50cm, 100cm, 200cm 길이별로 준비된 5개의 시료를 대상으로 측정되었다(측정기: Agilient: Milliohmeter 4338A). 전송용 섬유형 케이블의 RF 특성 분석을 위해 10cm, 50cm, 100cm, 200cm 길이별로 준비된 전송용 섬유형 케이블의 양 끝에 SMA(SubMiniature version A)커넥터를 연결하여 네트워크 분석기(Agilient: Network Analyzer E8358A)를 사용하였다.
- 신호 전송용 섬유형 케이블은 개발된 전도성사를 이용하여 세가지 유형(TC 6/6, TC 12/12, TC 18/18)으로 제작되었다. Table 2는 제작한 세가지 전송용 섬유형 케이블의 특성을 정리한 표이다.
- Table 2는 제작한 세가지 전송용 섬유형 케이블의 특성을 정리한 표이다. 전송용 섬유형 케이블에 사용된 전도성사의 가닥 수는 세가지 타입에 대해 신호선과 접지선에 각각 6가닥, 12가닥, 18가닥씩 사용되었다. 제작된 TC 6/6, TC 12/12, 그리고 TC 18/18의 두께와 선밀도는 각각 1.
- 전송용 섬유형 케이블에 사용된 전도성사의 가닥 수는 세가지 타입에 대해 신호선과 접지선에 각각 6가닥, 12가닥, 18가닥씩 사용되었다. 제작된 TC 6/6, TC 12/12, 그리고 TC 18/18의 두께와 선밀도는 각각 1.73mm(33,000denier), 1.92mm(41,000denier), 그리고 2.23mm(47,000denier)로, 내부에 사용된 전도성사의 가닥수가 12개씩 증가함에 따라 굵기가 약 0.2~0.3mm씩 증가하였다. 제작된 전송용 섬유형 케이블은 Fig.
데이터처리
- 개발된 전도성사와 신호 전송용 섬유형 케이블의 전기적·물리적 성능이 평가되었다.
- 개발한 전도성사와 신호 및 전력 전송용 섬유형 케이블의 물리적 전기적 특성이 평가되었다. 개발한 전도성사는 금속 필라멘트사의 돌출 없이 매끈한 외관을 가졌으며, 시판중인 전도성사와 비교하여 낮은 선밀도와 전기저항을 나타냈고, 길이의 증가에 따라 전기저항이 매우 일정하게 선형적으로 증가하고 있어 전기저항의 균제도가 매우 높았다.
이론/모형
- 신호 전송용 섬유형 케이블(Signal and power transmission textile cable (TC)) 개발을 위해 먼저 전도성사가 제작되었다. 신호 전송용 케이블에 사용되는 전도성사의 제조 방법은 선행연구(Kang et al., 2017; Roh, 2014)를 참조하였다. 전도성사는 폴리우레탄이 코팅된 구리 필라멘트(PU-Cu, ØPU-Cu: 0.
성능/효과
- 개발된 전송용 섬유형 케이블 TC 6/6, TC 12/12, 그리고 TC 18/18의 전기저항(Ω/cm)은 신호선/접지선 각각 0.0084/0.0084Ω/cm, 0.0045/0.0044Ω/cm, 0.0032/0.0031Ω/cm로(Table 2), 개발된 모든 전송용 섬유형 케이블에 있어서 각각의 신호선과 접지선의 저항이 유사하게 제작된 것을 확인하였다.
- 0031Ω/cm로(Table 2), 개발된 모든 전송용 섬유형 케이블에 있어서 각각의 신호선과 접지선의 저항이 유사하게 제작된 것을 확인하였다. 또한 전송용 섬유형 케이블의 10cm, 50cm, 100cm, 200cm 길이별 전기저항을 측정한 결과, 전송용 섬유형 케이블의 길이가 증가함에 따라 전기저항이 매우 선형적으로 증가하며 전기저항의 균제도도 매우 균일함을 확인하였다(Fig. 5).
- 측정 결과, TC 6/6이 가장 성능이 좋았다. 사용된 전도성사의 가닥수가 가장 적어서 전기저항이 가장 높았던 반면에, 사용된 전도성사가 적은 만큼 시그널선과 그라운드선 사이의 간격이 좁고 거리가 일정하기 때문에 RF 특성이 더 우수한 것으로 해석된다.
- 개발한 전도성사와 신호 및 전력 전송용 섬유형 케이블의 물리적 전기적 특성이 평가되었다. 개발한 전도성사는 금속 필라멘트사의 돌출 없이 매끈한 외관을 가졌으며, 시판중인 전도성사와 비교하여 낮은 선밀도와 전기저항을 나타냈고, 길이의 증가에 따라 전기저항이 매우 일정하게 선형적으로 증가하고 있어 전기저항의 균제도가 매우 높았다. 이 전도성사를 이용하여 개발된 신호 및 전력 전송용 섬유형 케이블 또한 가닥수가 증가함에 따라 두께와 선밀도가 일정하게 증가하였다.
- 개발한 전도성사는 금속 필라멘트사의 돌출 없이 매끈한 외관을 가졌으며, 시판중인 전도성사와 비교하여 낮은 선밀도와 전기저항을 나타냈고, 길이의 증가에 따라 전기저항이 매우 일정하게 선형적으로 증가하고 있어 전기저항의 균제도가 매우 높았다. 이 전도성사를 이용하여 개발된 신호 및 전력 전송용 섬유형 케이블 또한 가닥수가 증가함에 따라 두께와 선밀도가 일정하게 증가하였다. 신호 및 전력 전송용 섬유형 케이블의 전기저항은 길이가 증가함에 따라 매우 선형적으로 증가하였고 전기저항의 균제도도 매우 균일하였다.
- 이 전도성사를 이용하여 개발된 신호 및 전력 전송용 섬유형 케이블 또한 가닥수가 증가함에 따라 두께와 선밀도가 일정하게 증가하였다. 신호 및 전력 전송용 섬유형 케이블의 전기저항은 길이가 증가함에 따라 매우 선형적으로 증가하였고 전기저항의 균제도도 매우 균일하였다. 신호 전송용 섬유형 케이블의 전력 전송 능력은 전기저항이 낮을수록 우수하지만, RF 특성은 개발한 세가지 타입 중적은 개수의 전도성사를 사용할수록 성능이 더욱 우수하였다.
- 신호 및 전력 전송용 섬유형 케이블의 전기저항은 길이가 증가함에 따라 매우 선형적으로 증가하였고 전기저항의 균제도도 매우 균일하였다. 신호 전송용 섬유형 케이블의 전력 전송 능력은 전기저항이 낮을수록 우수하지만, RF 특성은 개발한 세가지 타입 중적은 개수의 전도성사를 사용할수록 성능이 더욱 우수하였다.
- 06Ω/cm 이하로, 동일 선밀도로 비교시에 시판중인 스테인스틸사와 은코팅사보다 13~70배 정도로 전기전도도가 매우 높았다(Roh, 2010). 개발된 흰색과 검정색의 두 가지 전도성사는 혼용율, 두께, 데니어, 저항, 인장강도 모두 유사한 물리적 특성으로 제작되어 각각 텍스타일 케이블 내의 신호선과 접지선으로 사용되기에 적합한 것으로 확인되었다.
후속연구
- 본 연구에서 개발된 신호 전송용 섬유형 케이블은 다양한 웨어러블 디바이스들의 정상적 구동과 시스템간 연결을 위한 소재 및 부품의 기반 기술이다. 본 연구에서 개발된 신호와 전력전송용 섬유형 케이블을 바탕으로 우수한 활동성, 내구성, 신뢰성이 요구되는 스마트 웨어러블 제품에 활용되기를 기대한다.
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