[논문]전도사를 이용하여 제작한 섬유형 열전대의 제백 효과에 대한 연구

노수현; 임대영; 유의상

doi:10.12772/tse.2019.56.411

전도사를 이용하여 제작한 섬유형 열전대의 제백 효과에 대한 연구
Analysis of the Seebeck Effect of Textile Thermocouples Fabricated with Conductive Yarns

한국섬유공학회지 = Textile science and engineering, v.56 no.6, 2019년, pp.411 - 417

노수현 (한국생산기술연구원 휴먼융합기술그룹) , 임대영 (한국생산기술연구원 휴먼융합기술그룹) , 유의상 (한국생산기술연구원 휴먼융합기술그룹)

Abstract ▼ AI-Helper

Recently, as the wearable device industry has expanded, textile sensors have been evaluated for use in the field of monitoring human biological signals such as pulse rate, respiration rate, and body temperature. Until now, most textile products with embedded semiconductors or small metal-based sensors have been known to exhibit problems, including uncomfortable fit, low stretchability, and poor durability. To resolve these issues, we fabricated a textile thermocouple using conductive yarns and then confirmed the feasibility of this thermocouple structure as a wearable temperature sensor. The electromotive forces generated by the textile thermocouples were then measured experimentally and the Seebeck coefficient of the embroidered thermocouple was measured as 21.9 ㎶/K.

주제어

표/그림 (15)

그림 Figure 1. Structural images of different yarn types; (a) basic metal coated polyamide filament yarn, (b) twisted yarn, and (c) textured yarn.
그림 Figure 2. Pictures of as-prepared textile thermocouples with two conductive yarns; (a) knotted yarn type thermocouple and (b) embroidered fabric type thermocouple.
표 Table 1. Specifications of four metal coated conductive yarns used in the experiments
그림 Figure 3. Illustration of the electromotive force measurement setup according to the temperature change; (a) electromotive force measurement set up and (b) temperature control system consist of cartridge heater (for heating), Peltier device (for cooling) and RTD sensor.
그림 Figure 4. Pictures of the durability test setup for embroidered type thermocouple; (a) 1000 times repeated stretch test setup and (b) high humidity exposure test setup.
표 Table 2. Embroidery conditions of manufacturing embroidered fabric type thermocouple
그림 Figure 5. Structural optical image (left) and schematic image (right) of conductive yarn; (a) CY-Ag1 (S-axis twisted yarn), (b) CY-Ag2 (textured yarn), (c) CY-Ag3 (Z-axis twisted yarn), and (d) CY-Cu (Z-axis twisted yarn).
그림 Figure 6. EDS mapping images of cross section of silver coated conductive yarns; (a) CY-Ag1, (b) CY-Ag2, and (c) CY-Ag3.
그림 Figure 7. SEM images of silver coated conductive yarns and thickness measurement of coated silver layer from FE-SEM images.
그림 Figure 8. Analysis of amount of silver atom from TGA result.
그림 Figure 9. Electromotive force values of four conductive yarns according to the temperature; (a) CY-Cu and (b) Ag conductive yarns.
표 Table 3. TGA results, thickness of coated silver layer and line resistance of silver coated conductive yarns
그림 Figure 10. Electromotive force values of conductive yarn with different construction according to the temperature.
그림 Figure 11. Durability test results of electromotive force values according to temperature.
그림 Figure 12. Optical images of connection to each conductive yarn; (a) initial one and (b) after repeated stretch test.

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

따라서 본 연구에서는 기존의 섬유 제조장비에 활용이 가능하도록 합성섬유 기반의 전도성 섬유(이하 전도사)를 사용하여 제조 방법을 달리하여 두가지 종류의 섬유형 열전대를 제작하였다. 제작된 섬유형 열전대의 제백효과를 확인하여 열전대의 특성을 평가함으로써, 유연성과 내구성을 가지는 섬유형 온도 센서로서 활용성을 확인하는 연구를 수행하였다.
따라서 본 연구에서는 기존의 섬유 제조장비에 활용이 가능하도록 합성섬유 기반의 전도성 섬유(이하 전도사)를 사용하여 제조 방법을 달리하여 두가지 종류의 섬유형 열전대를 제작하였다. 제작된 섬유형 열전대의 제백효과를 확인하여 열전대의 특성을 평가함으로써, 유연성과 내구성을 가지는 섬유형 온도 센서로서 활용성을 확인하는 연구를 수행하였다.

제안 방법

신장-이완 과정을 1000회 반복 후 온도변화에 따른 열기전력의 변화를 측정하여 계산된 제백계수를 초기값과 비교하여 평가하였다. 습도에 대한 내구성 평가는 Figure 4(b)처럼 JEIO TECH의 TH-DG 항온항습기에 자수 타입 열전대를 넣어 35℃, 상대습도 70%에 48시간 노출시킨 후 온도변화에 따른 열기전력의 변화를 측정하여 계산된 제백계수를 초기값과 비교하여 평가하였다.
80 mm×80 mm×63 mm 크기(W×L×H)의 알루미늄 사각기둥 윗면에 열전대의 측정 접합부가 위치할 5 mm×40 mm×3 mm의 작은 홈을 파고, 그 위를 두께 5 mm의 알루미늄 뚜껑으로 덮어 외부로의 열방출을 최소화할 수 있도록 챔버를 구성하였다.
초창기 시도된 방법으로는 금속 물질을 얇은 필름형태로 제작하여 제백효과를 확인하였다[2−9]. 또한 금속선 형태의 열전대를 섬유 기재에 삽입하는 방식으로 연구가 되었다. Dupont 등[13]은구리가 도금된 콘스탄탄 와이어로 구리의 두께를 달리하여 써모파일을 만들었고 이를 폴리에스터 얀(yarn)과 함께 편직하여 heat flow meter를 제작하였고, Bedek 등[14]은Constantan-copper wire를 polyester, cotton과 함께 직조하여 제작하였다.
전도사의 선저항은 멀티미터(Multimeter 175, Fluke)를 사용하여 20 cm 길이에 대한 저항값을 측정하였다. 또한 전도사의 단면을 주사전자현미경(HITACHI SU8010, HITACHI)을 이용하여 분석하여 전도사의 코팅된 금속층의 두께를 확인하였으며, 에너지분산형 분광분석법(UltraDry Detector, Thermo Fisher ScientificInc.) 측정결과로부터 금속의 함량을 확인하였다. 전도사표면에 코팅된 금속의 함유량을 확인하기 위하여 열중량분석기(TGA Q500, TA Instruments)를 사용하여 질소분위기에서 20℃/min의 속도로 승온하면서 600℃까지 가열하여 잔류량에 대해 분석하였다.
전도사의 특성 분석은 전도사의 구조적 특성 분석과 전기적인 특성 분석으로 나누어 진행하였다. 먼저 구조적 특성 분석은 3D 디지털 현미경(RH-2000, Hirox)으로 촬영하여 표면의 구조를 확인하여 전도사의 사종을 구분하였다. 전기적인 특성분석으로는 선저항 값과 은의 두께 및 함유량간의 관계를 파악하였다.
본 연구에서는 제작방법에 따라 두 가지의 섬유형 열전대를 제작하여 평가하였는데, Figure 2에 사진을 촬영하여 나타내었다. Figure 2(a)는 두 개의 전도사 한쪽 부분을 매듭을 지은 실 타입 열전대(knotted yarn type thermocouple)이며, Figure 2(b)는 면직물 위에 두 전도사를 자수하여 제조한 자수 타입 열전대(embroidered fabric type thermocouple)이다.
먼저 반복 신장-이완 시험(repeated stretch test)은 Figure 4(a)에 나타낸 것처럼 자체 제작한 bending system에 자수형 열전대를 고정하고 초기 길이 대비 10% 신장하여 길이 변화를 주었다. 신장-이완 과정을 1000회 반복 후 온도변화에 따른 열기전력의 변화를 측정하여 계산된 제백계수를 초기값과 비교하여 평가하였다. 습도에 대한 내구성 평가는 Figure 4(b)처럼 JEIO TECH의 TH-DG 항온항습기에 자수 타입 열전대를 넣어 35℃, 상대습도 70%에 48시간 노출시킨 후 온도변화에 따른 열기전력의 변화를 측정하여 계산된 제백계수를 초기값과 비교하여 평가하였다.
80 mm×80 mm×63 mm 크기(W×L×H)의 알루미늄 사각기둥 윗면에 열전대의 측정 접합부가 위치할 5 mm×40 mm×3 mm의 작은 홈을 파고, 그 위를 두께 5 mm의 알루미늄 뚜껑으로 덮어 외부로의 열방출을 최소화할 수 있도록 챔버를 구성하였다. 알루미늄 챔버는 PID 제어 방식의 온도조절기로 카트리지 히터와 펠티어 소자를 정밀하게 제어하여 온도를 조절하였다.
은 전도사의 전기적 특성 분석결과: 은을 포함한 전도사 3종은 동일한 금속을 포함하고 있지만 전기 저항값이 모두 다르게 측정되어 이를 파악하고자 다양한 분석을 실시하였다. 은 전도사의 절단면 EDS mapping 결과를 Figure 6에나타내었는데, 이를 통해 은 성분은 전도사의 표면에 존재함을 확인하였고, 전도사의 전기적인 특징은 표면의 은 성분에 기인하는 것으로 판단된다.
자수 타입 열전대의 내구성 평가는 반복 신장-이완 시험과 고온다습환경에 48시간 노출 시험을 진행하였다. Figure 11에는 내구성 평가 전후의 자수 타입 열전대 열기전력 값을 비교하여 나타내었다.
자수 타입 열전대의 내구성을 평가하기 위해서 반복적인 신장-이완과 고온다습 환경에 노출시킨 전후의 온도 변화에 따른 열기전력의 차이를 평가하였다. 먼저 반복 신장-이완 시험(repeated stretch test)은 Figure 4(a)에 나타낸 것처럼 자체 제작한 bending system에 자수형 열전대를 고정하고 초기 길이 대비 10% 신장하여 길이 변화를 주었다.
먼저 구조적 특성 분석은 3D 디지털 현미경(RH-2000, Hirox)으로 촬영하여 표면의 구조를 확인하여 전도사의 사종을 구분하였다. 전기적인 특성분석으로는 선저항 값과 은의 두께 및 함유량간의 관계를 파악하였다. 전도사의 선저항은 멀티미터(Multimeter 175, Fluke)를 사용하여 20 cm 길이에 대한 저항값을 측정하였다.
전기적인 특성분석으로는 선저항 값과 은의 두께 및 함유량간의 관계를 파악하였다. 전도사의 선저항은 멀티미터(Multimeter 175, Fluke)를 사용하여 20 cm 길이에 대한 저항값을 측정하였다. 또한 전도사의 단면을 주사전자현미경(HITACHI SU8010, HITACHI)을 이용하여 분석하여 전도사의 코팅된 금속층의 두께를 확인하였으며, 에너지분산형 분광분석법(UltraDry Detector, Thermo Fisher ScientificInc.
전도사의 특성 분석은 전도사의 구조적 특성 분석과 전기적인 특성 분석으로 나누어 진행하였다. 먼저 구조적 특성 분석은 3D 디지털 현미경(RH-2000, Hirox)으로 촬영하여 표면의 구조를 확인하여 전도사의 사종을 구분하였다.
) 측정결과로부터 금속의 함량을 확인하였다. 전도사표면에 코팅된 금속의 함유량을 확인하기 위하여 열중량분석기(TGA Q500, TA Instruments)를 사용하여 질소분위기에서 20℃/min의 속도로 승온하면서 600℃까지 가열하여 잔류량에 대해 분석하였다.

대상 데이터

전도사들은 모두 polyamide(PA)표면에 금속이 코팅된 단일 필라멘트가 다발로 표면처리된 상태로, 단일 필라멘트를 Figure 1(a)에 도식화하여 나타내었다. 코팅에 사용된 금속의 종류에 따라 분류하였으며, 은이 코팅된 CY-Ag1, CY-Ag2, CY-Ag3와 구리가 코팅된 CYCu를 사용하였다. 사용된 전도사는 여러가닥의 금속이 코팅된 필라멘트를 twisting(꼬임)과 texturing(텍스쳐링)의 표면처리를 한 것으로 Figure 1(b)와 Figure 1(c)는 표면처리한 뒤의 구조를 도식화하여 나타낸 것이다.

성능/효과

내구성 평가 전후의 온도센서 모두 온도증가에 대하여 열기전력이 선형적으로 변화하였지만, 반복 신장-이완 시험 후 40℃에서의 열기전력값이 394.9μV로 시험 전보다 약 14% 증가하였다.
이러한 결과는 사종이 다름이 반영하는 결과로 CY-Ag2는 은 코팅된 나일론 필라멘트를 텍스쳐링한 것이며, CY-Ag3는 은 코팅된 나일론 필라멘트와PET 필라멘트를 함께 연사한 제품이다. 따라서 CY-Ag3의경우 첨가된 PET 필라멘트에 의해서 은 함량이 적게 나타났으며, 표면의 저항인 선저항 또한 CY-Ag2에 비해 높게 나타난 것으로 판단된다.
본 연구를 통해 전도사 4종의 온도 변화에 따른 열기전력 값을 측정한 결과 측정 온도 범위에서 선형적인 증가를 보였으며, 은 전도사 중 측정 온도 범위 내에서 선형성이 가장 좋은 CY-Ag2 전도사와 열기전력이 가장 큰 CY-Cu 전도사 쌍을 지어 구성함으로써 섬유형 열전대의 재료를 선별하였다. 선별된 두 전도사를 이용하여 제조방법에 따라실 타입 열전대와 자수 타입 열전대를 제작하여 평가한 결과 열기전력의 차이가 4%내로 거의 없음을 확인하였다.
본 연구를 통해 전도사 4종의 온도 변화에 따른 열기전력 값을 측정한 결과 측정 온도 범위에서 선형적인 증가를 보였으며, 은 전도사 중 측정 온도 범위 내에서 선형성이 가장 좋은 CY-Ag2 전도사와 열기전력이 가장 큰 CY-Cu 전도사 쌍을 지어 구성함으로써 섬유형 열전대의 재료를 선별하였다. 선별된 두 전도사를 이용하여 제조방법에 따라실 타입 열전대와 자수 타입 열전대를 제작하여 평가한 결과 열기전력의 차이가 4%내로 거의 없음을 확인하였다. 이는 전도사 자체만으로도 열전대를 제작이 가능함을 확인하였고, 섬유 공정 중 하나인 자수방식을 사용해 제작하여 섬유제품으로 제작가능성을 확인하였다.
실 타입 열전대와 자수 타입 열전대의 40℃에서 측정된 열기전력 값은 각각 423.9μV, 439.3μV로 제작방법에 따른 열기전력 값의 변화는 적은 것을 확인하였다.
선별된 두 전도사를 이용하여 제조방법에 따라실 타입 열전대와 자수 타입 열전대를 제작하여 평가한 결과 열기전력의 차이가 4%내로 거의 없음을 확인하였다. 이는 전도사 자체만으로도 열전대를 제작이 가능함을 확인하였고, 섬유 공정 중 하나인 자수방식을 사용해 제작하여 섬유제품으로 제작가능성을 확인하였다. 측정된 열기전력을 온도변위를 나눈 값인 제백계수로 환산한 결과, 자수 타입 열전대의 경우 21.
측정된 열기전력을 온도변위를 나눈 값인 제백계수로 환산한 결과, 자수 타입 열전대의 경우 21.9μV/K로 상온(25℃)에서 N-type 열전대의 제배계수 27μV/K에 필적하므로, 상온에서 섬유형 Ntype 열전대로써 활용이 가능함을 확인하였다.
표준환경(온도 20℃, 상대습도 50%)에서의 온도차에 따른 열기전력 평가 결과 4종의 전도사 모두 20−40℃의 구간에서 선형적인 변화를 보여 섬유형 열전대 소자로의 적용가능성을 확인하였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	제백계수는 무엇인가?	이는 전도사 자체만으로도 열전대를 제작이 가능함을 확인하였고, 섬유 공정 중 하나인 자수방식을 사용해 제작하여 섬유제품으로 제작가능성을 확인하였다. 측정된 열기전력을 온도변위를 나눈 값인 제백계수로 환산한 결과, 자수 타입 열전대의 경우 21.9μV/K로 상온(25oC)에서 N-type 열전대의 제배계수 27μV/K에 필적하므로, 상온에서 섬유형 Ntype 열전대로써 활용이 가능함을 확인하였다.
	자수 타입 열전대의 경우 내구성 측면에서 고온다습환경에서 성능의 감소가 일어나는 이유는 무엇인가?	2 mm증가하면서 자수된 전도사 간의 접촉 면적이 넓어짐에 따라 전기적인 네트워크의 증가에 기안한 것으로 판단된다. 고온다습 환경 노출 후 308.3μV로 약 11% 감소하였는데,이는 은성분의 산화에 의한 전도도의 감소에 기인한 것으로 판단된다.
	필름형태 혹은 와이어 형태의 열전대가 가지는 한계는 무엇인가?	하지만 이처럼 필름형태 혹은 와이어 형태의 열전대를 패브릭(fabric)에 부착 혹은 삽입한 온도센서의 경우에는 신체와 접촉을 하였을 때는 섬유와의 이질감 문제가 있으며,신체 활동을 할 경우 센서의 탈락 및 내구성 문제가 발생하기 때문에 웨어러블 온도센서로의 적용에 한계가 있었다.이러한 문제점을 해결하기 위하여 열전대 재료로 섬유를 사용한 연구가 진행되었다[10−12,14−16].

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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