웨어러블 센서 구동을 위한 은 나노와이어 도전성 코팅사 개발

Abstract

Due to the development of IT technology, the convergence of electronic technology in a variety of industries is enabling wireless communication to be a normal part of daily life. In addition, owing to the growth of IoT industry, subminiaturization of devices which increases their portability is under way. This phenomenon has affected clothes, which allows demands for a smartwear, a wearable clothing, to be on the rise. While the existing smartwears had a form of attaching devices, researches are currently under way to make textiles themselves have conductivity. Hence, it is required to develop a textile technology with IT converged which enables the wearable sensing of textiles themselves. In order to make wearable sensing possible, there are ways to give a function of conductivity to textiles or their thread or fibers. Among the ways mentioned above, the way to give a function of conductivity to thread mainly uses metal processing, and sometimes metals with nano sized particles are used to solve the problems of strength and flexibility caused metal processing. Therefore, in this study, I examined the feasibility of the conductive thread coated with silver nanowire (AgNW) to find out that it is suitable as a wearable sensor through the evaluation on its basic physical properties, electrical conductivity, and sensing after making conductive thread by using metallic silver nanowire and nylon. Moreover, for the purpose of evaluating its performance, silver-plated thread and stainless steel thread were selected as a conductive thread for comparison. The result of coating with AgNW six times at the heat treatment temperatures of 140℃, 150℃, and 160℃ in order to make conductive thread showed that the electrical resistances were low in the order of treatment temperatures: 140℃, 160℃, and 150℃. Tensile Stresses in AgNW-coated thread and Ag-plated thread showed a constant change in shape, and stainless steel thread showed a peak value at the early stage of tension followed by lower values. Electrical resistances of the specimens except stainless steel thread showed a graph of constant shape while their tension and recovery were repeated. As the tension progressed, the electrical resistance values tended to increase. For the purpose of evaluating the conductive thread, cables for signal transmission were fabricated with the thread used in the experiment. The electrical resistances at both ends of the cables for signal transmission were low in the order of treatment temperatures: 140℃, 150℃, and 160℃. In order to evaluate operability of the wearable sensors of the cables for signal transmission, a Cds sensor, a DHT11 sensor, and ECG sensor were used. The Cds sensor and the sensor of temperature and humidity outputted data through Arduino, and the heart rate sensor received data through a data translation device. As a result of measurement through the Cds sensor, it was possible to confirm that all of them operated normally because the sensor flickered eight times for one second for them. The results by use of the sensor of temperature and humidity showed that the Ag-plated thread, the stainless steel thread, and the AgNW-coated thread fabricated at the treatment temperature of 140℃ were sensed well. According to the measured results by the ECG sensor, it was possible to confirm that the cables for signal transmission were suitable as a wearable heart rate sensor because PQRST waveforms on ECG were extracted from all of them. Therefore, as a result of fabricating the coated conductive thread by using AgNW and three-ply nylon thread, the AgNW-coated thread fabricated at the treatment temperature of 140℃ was the best. Moreover, the range of the electrical resistances which can be normally sensed by the Cds sensor is 0.43 Ω/cm to 1020.67 Ω/cm. The range of the electrical resistances which can be normally sensed by the DHT11 sensor is 0.43 Ω/cm to 286.43 Ω/cm. Finally, the range of the electrical resistances which can be normally sensed by the ECG sensor is 0.43 Ω/cm to 1020.67 Ω/cm.;IT 기술의 발전에 따라 각종 산업 분야는 전자 기술의 융합으로 무선 통신의 일상화가 가능해지고 있다. 또한 IoT 산업의 성장으로, 휴대성을 증대시키는 기기의 초 소형화가 진행되고 있다. 이는 의복에도 영향을 주어 웨어러블한 의류인 스마트웨어의 수요가 증대하고 있는 실정이다. 기존의 스마트웨어의 형태가 디바이스 부착 형태이었다면 현재는 텍스타일 자체에 전도성을 부여하는 연구가 진행되고 있다. 따라서 텍스타일 자체에서 웨어러블 센싱이 가능한 IT융합 섬유기술 개발이 필요하다. 웨어러블 센싱이 가능하기 위해서는 텍스타일이나 텍스타일을 이루는 실, 섬유에 전도성 기능을 부여하는 방법이 있다. 이 중에서 실에 전도성 기능을 부여하는 방법은 주로 금속 가공을 사용하며, 금속가공에서 오는 강도와 유연성의 문제를 해결하기 위하여 나노 입자 단위의 금속 물질을 사용하기도 한다. 따라서 본 논문은 금속 은 나노와이어(AgNW)와 나일론을 이용한 전도성 실을 제작하여 보고, 기본 물성 및 전기 전도성, 센싱 평가를 통해 웨어러블 센서로서 AgNW 전도성 코팅 실이 적합한지 실현성을 타진해보았다. 또한, 성능 평가를 위하여 비교 전도사로 AgPlated사와 Stainless Steel사를 선정하였다. 전도성 실 제작을 위해 처리 온도 140℃, 150℃, 160℃에서 6회의 AgNW 코팅을 진행해 본 결과, 전기 저항은 처리 온도 140℃, 160℃, 150℃ 순서로 낮았다. 인장 응력은 AgNW 코팅사들과 AgPlated사는 일정한 형태 변화를 보였고, Stainless Steel사는 인장 초기 피크 값을 기록하고 그 이후는 낮은 값을 나타냈다. 인장 시 전기 저항성은 Stainless Steel사를 제외한 시료는 인장과 회복이 반복될 동안 일정한 형태의 그래프가 나타났다. 인장이 진행될수록 인장 시 전기 저항 값이 증가하는 경향이 나타났다. 전도사의 평가를 위해서 실험에 사용된 전도사를 이용하여 신호 전달용 케이블을 제작하였다. 신호 전달용 케이블의 양 끝의 전기 저항은 140℃, 150℃, 160℃로 낮게 나타났다. 신호 전달용 케이블의 웨어러블 센서 구동성을 보기 위해서 조도센서, 온/습도 센서, 심박 센서를 사용하였다. 조도센서와 온/습도 센서는 아두이노를 통해 데이터를 출력하였고, 심박센서는 Data Translation기기를 통해 데이터를 받았다. 조도센서를 측정해본 결과, 모두 1초에 8회의 깜빡임(Flicker)이 나타나 모두 정상 구동하는 것을 확인 할 수 있었다. 온/습도 센서를 센싱해 본 결과, AgPlated사, Stainless Steel사, 처리 온도 140℃에서 제작한 AgNW 코팅사는 센싱이 잘되었다. 심전도 센서를 측정해 본 결과 신호 전달용 케이블은 모두 ECG의 PQRST 파형이 추출되어 웨어러블 심전도 센서로서의 적합성을 확인할 수 있었다. 따라서 AgNW를 이용하여 처리 온도를 다르게 하여 나일론 3합사를 이용하여 전도성 코팅 실을 제작해 본 결과, 처리 온도 140℃에서 제작한 AgNW 코팅사의 성능이 가장 좋은 것을 확인할 수 있었다. 또한 조도센서에서 정상 센싱 가능한 전기 저항 범위는 0.43 ~ 1020.67Ω/cm이다. 온/습도 센서의 정상적으로 구동 가능한 전기 저항 범위는 0.43 ~ 286.43Ω/cm이다. 마지막으로 심전도센서에서 정상 센싱 가능한 전기 저항 범위는 0.43 ~ 1020.67Ω/cm임을 알 수 있다. 본 연구의 결과 값을 활용하여 심화연구로 발전시킨다면, 이전보다 정밀하고 센서 정확성이 높아지는 IoT시대에 적합한 웨어러블 센서에 구동 가능한 전도성 실을 개발할 수 있을 것으로 사료된다.