발명의 배경과 필요성

기술의 배경과 문제점

차량의 안전과 편의 기능이 고도화되면서 탑승자의 하중을 정밀하게 감지하는 센서의 중요성이 커지고 있습니다. 기존 압력감지 고무(PSR) 기반 센서는 여러 장점에도 불구하고 다음과 같은 문제점을 가지고 있었습니다.

• 낮은 감도: 기존의 압력감지 고무(PSR) 기반 센서는 감도가 낮아 미세한 압력 변화를 감지하는 데 한계가 있었습니다.

• 복잡하고 어려운 공정: 감도를 높이기 위해 전기용량 변화를 측정하거나 특별한 연동 구조를 사용하는 방법은 미세제작 공정이 복잡하고 비용이 많이 듭니다.

• 불균일한 다공성 구조: 스펀지와 같은 다공성 구조를 도입하려는 시도가 있었으나, 기존 방식으로는 기공의 크기, 부피율, 균일도를 제어하기 어려웠습니다. 특히 화학 기상 증착법이나 침지담금법은 대면적화가 어려워 상용화에 걸림돌이 되었습니다.

기술의 필요성

• 첨단 안전 시스템 연동: 탑승자의 유무, 체형(성인, 어린이), 착석 위치 등을 정확히 감지하여 에어백, 안전벨트, 롤-바 시스템과 같은 안전장치를 상황에 맞게 최적으로 작동시키기 위한 고감도 압력 센서가 필요합니다.

• 개인 맞춤형 편의 기능 제공: 시트 히터, 통풍, 마사지 기능뿐만 아니라, 운전자가 탑승 시 조명을 밝히는 웰컴 시스템, 자동 시트 위치 조정, 맞춤형 실내 온도 조절 등 다양한 편의 기능을 압력 감지를 통해 자동으로 제공할 필요가 있습니다.

• 상용화를 위한 단순화된 공정: 복잡한 공정 없이도 높은 감도와 신뢰성을 가지며, 대면적으로 쉽게 제작할 수 있는 새로운 방식의 압력감지 고무 제조 기술이 요구됩니다.

구현 방법

기술의 원리

본 발명은 기존 기술의 한계를 극복하기 위해 액상 반응을 통해 기공의 크기와 균일도를 정밀하게 제어하는 다공성 압력감지 고무(PPSR)를 제조하는 새로운 방법을 제시합니다. 주요 원리는 다음과 같습니다.

• 핵심 구성 요소: 기공을 함유하는 실리콘 고무와 전기 전도성을 부여하는 다중벽 탄소 나노튜브(MWNT)를 포함합니다. 실리콘 고무의 탄성과 탄소 나노튜브의 전기적 특성을 결합하여 압력에 따른 저항 변화를 극대화합니다.

• 기공 형성 원리: 용매, 유화제, 물을 교반하여 제조된 역미셀 용액(Reverse Micelle Solution)을 주형(template)으로 사용합니다. 이 용액을 실리콘 고무 예비중합체와 혼합 후 열처리를 하면 역미셀이 이동, 융합, 증발하면서 내부에 균일한 크기(100 μm ~ 2 mm)의 기공을 형성합니다.

• 압력 감지 메커니즘: 외부에서 압력이 가해지면 다공성 구조가 압축되면서 내부에 분산된 탄소 나노튜브 간의 접촉점이 늘어나고 거리가 가까워집니다. 이로 인해 전기 저항이 감소하게 되며, 이 저항 변화량(압전저항 현상)을 측정하여 압력의 크기를 정밀하게 감지합니다.

구체적인 구현 방법

1. 역미셀 용액 제조: 옥탄, 헥산, 헵탄 등의 유기 용매에 유화제와 소량의 탈이온수를 넣고 교반하여 역미셀 용액을 만듭니다.

2. 흑색 젤유사 용액 제조: 제조된 역미셀 용액, 다중벽 탄소 나노튜브(MWNT), 폴리디메틸실록산(PDMS) 예비중합체를 혼합합니다. 이후 초음파 처리와 교반을 통해 MWNT를 균일하게 분산시킨 흑색 젤 형태의 용액을 얻습니다.

3. 필름 성형 및 열처리: 흑색 젤유사 용액을 주형에 붓고 유리로 덮은 뒤, 단계적으로 온도를 높여 열처리를 진행합니다. 이 과정에서 PDMS가 경화되고 역미셀이 증발하며 다공성 구조가 형성됩니다.

4. 압력감지 직물 제작: 제조된 다공성 압력감지 고무(PPSR) 필름의 상면과 하면에 전도성 탄소 직물을 삽입하고, 전도성 고무 페이스트를 바인더로 사용하여 정합 접촉시켜 최종적으로 압력감지 직물을 완성합니다.

기술의 장점

• 정밀한 기공 제어 및 높은 감도: 액상 반응과 역미셀 용액을 이용하여 기공의 크기와 분포를 균일하게 제어할 수 있어, 높은 감도와 신뢰성 있는 압력 측정이 가능합니다.

• 단순한 공정과 상용화 용이성: 복잡한 진공 증착이나 리소그래피 공정 없이 단순한 혼합 및 열처리 공정으로 제작이 가능합니다. 또한, 노즐 젯 프린팅 등을 통해 원하는 패턴으로 제작하거나 대면적으로 생산하기 용이하여 상용화에 유리합니다.

• 우수한 기계적 신뢰도 및 유연성: 실리콘 고무 기반으로 유연하고 신축성이 뛰어나며, 반복적인 압축(약 10kPa 압력에서 30% 변형)에도 동일한 저항 변화 반응을 보여 높은 내구성과 기계적 신뢰도를 가집니다.

• 넓은 적용 범위: 차량용 시트뿐만 아니라 필름, 직물, 의복, 웨어러블 밴드 등 다양한 형태로 가공하여 여러 산업 분야에 폭넓게 적용할 수 있습니다.

실험 및 결과

실험의 목적

본 연구의 실험은 제시된 액상 반응법을 통해 다공성 압력감지 고무(PPSR)를 성공적으로 제조하고, 그 물리적 특성과 전기적 성능을 평가하는 것을 목표로 합니다. 또한, 이를 실제 자동차 시트에 적용하여 탑승자의 착석 및 하중 변화를 감지하는 실용적인 성능을 검증하고자 하였습니다.

실험 방법 및 과정

1. PPSR 필름 제조: 역미셀 용액과 PDMS, MWNT를 혼합한 젤유사 용액을 주형에 부어 열처리하여 다공성 필름을 제조하였습니다. 이때 사용되는 유기 용매(헥산, 헵탄, 옥탄)의 종류와 양을 달리하여 기공 특성의 변화를 관찰했습니다.

2. 압력감지 직물 제작: 제조된 PPSR 필름을 두 개의 전도성 탄소 직물 사이에 삽입하여 대면적(23 cm x 16 cm)의 압력감지 직물을 만들었습니다.

3. 성능 평가: 마이크로-CT(μ-CT) 촬영을 통해 내부 기공 구조를 3차원으로 분석하였고, 반복적인 압축 테스트를 통해 기계적 신뢰도를 평가했습니다. 또한, 다양한 압력(태핑, 노킹, 타격)에 대한 저항 변화 응답을 측정했습니다.

4. 자동차 시트 적용 테스트: 제작된 압력감지 직물을 실제 자동차 시트의 쿠션, 등받이, 헤드레스트에 부착하고 무선 통신(블루투스) 시스템을 연결했습니다. 운전자가 앉고 일어설 때 각 센서에서 측정되는 저항 변화 데이터를 수집하고 분석했습니다.

실험 결과

실험 결과, 제안된 방법으로 제조된 다공성 압력감지 고무는 우수한 성능과 실제 적용 가능성을 보여주었습니다. 유기 용매의 비점이 높을수록, 그리고 역미셀 용액(RMS)의 양이 많을수록 기공의 크기와 공극률이 증가하는 경향을 확인했습니다. 이는 기공 구조를 조절할 수 있음을 시사합니다.

용매에 따른 열처리 온도 및 시간

자동차 시트에 적용한 실험에서는 운전자의 행동을 성공적으로 감지했습니다. 하중이 가장 많이 걸리는 시트 쿠션에서 저항 변화가 가장 컸으며, 등받이, 헤드레스트 순으로 변화량이 작아졌습니다. 특히, 앉을 때와 일어설 때 각 부위의 센서에서 나타나는 저항 변화 피크의 순서가 다르게 나타나, 이를 통해 운전자의 앉고 일어서는 동작을 명확히 구별할 수 있음을 확인했습니다.

활용 방안 및 기대효과

활용 방안

• 스마트 자동차 시트: 시트 쿠션, 등받이, 헤드레스트에 적용하여 탑승자 유무, 체중, 자세 등을 감지하고 에어백 전개 제어, 시트벨트 경고, 개인 맞춤형 편의 기능 제공에 활용합니다.

• 웨어러블 및 스마트 의류: 압력감지 직물 형태로 의복에 적용하여 착용자의 움직임이나 자세를 감지하고, 손목이나 발목 등에 착용하는 밴드 형태로 제작하여 맥박 등 생체 신호를 측정하는 데 응용합니다.

• 의료 및 헬스케어: 의수/의족 등 보조기기의 압력 분포 측정, 환자의 욕창 방지를 위한 압력 모니터링, 재활 훈련 시 움직임 분석 등에 활용할 수 있습니다.

• 스마트 포장 및 보안: 자동차나 중요 물품의 포장용 커버에 적용하여 외부 충격이나 접촉을 감지하고, 이를 전기 신호로 전송하여 도난 방지 및 상태 모니터링 시스템에 활용합니다.

기대효과

• 자동차 산업 경쟁력 강화: 더욱 안전하고 편리한 지능형 자동차 개발을 가능하게 하여 미래 모빌리티 시장에서의 기술 우위를 확보할 수 있습니다.

• 신시장 창출: 웨어러블 기기, 스마트 텍스타일, 로보틱스, 메타버스 등 다양한 첨단 산업 분야와의 융합을 통해 새로운 시장과 부가가치를 창출할 것으로 기대됩니다.

• 국민 생활 편의 증진: 일상생활 속 다양한 제품에 적용되어 사용자의 편의성을 높이고, 헬스케어 분야에서는 건강 모니터링을 통해 삶의 질을 향상시키는 데 기여할 수 있습니다.

시장 동향

본 기술은 개발 시제품 제작 및 평가 단계인 TRL 5 단계에 해당하며, 실제 환경 테스트를 위한 시제품이 준비된 상태입니다. (출처: KIMM CORE TECHNOLOGIES, 소셜벤처 판별기준 및 평가모형 안내서) 이 기술이 적용될 수 있는 지능형 자동차 시트 및 관련 시장은 꾸준한 성장세를 보이고 있습니다.

시장 규모 및 성장 전망

지능형 자동차 시트 시장은 전 세계적으로 꾸준히 성장하고 있으며, 특히 아시아-오세아니아 지역이 성장을 주도하고 있습니다. 편의성과 안전에 대한 소비자 요구가 증가함에 따라 시장은 지속적으로 확대될 전망입니다.

• 시장 규모: 금액 기준으로 2014년 263.6억 달러에서 2020년 349억 달러 규모로 성장할 것으로 예측되었습니다.

• 연평균 성장률(CAGR): 2014년부터 2020년까지 연평균 5.18%의 성장률을 기록할 것으로 전망되었습니다. (출처: KISTI, 지능형 자동차 시트의 기술 및 사업화 기회, 2016)

주요 플레이어 및 경쟁 환경

세계 자동차 시트 시장은 소수의 대형 부품사들이 시장을 주도하는 과점 형태를 보이고 있습니다. 이들 기업은 기술력과 자본을 바탕으로 경량화, 승차감, 안전성 등 핵심 경쟁 요소를 강화하기 위한 R&D에 막대한 투자를 하고 있습니다. (출처: KISTI, 지능형 자동차 시트의 기술 및 사업화 기회, 2016)

세계 자동차 시트 시장 주요 경쟁사

산업 동인 및 기회 요인

자동차 산업의 패러다임이 변화하면서 압력감지 기술을 포함한 지능형 시트의 중요성은 더욱 커질 것입니다. 주요 성장 동인과 기회 요인은 다음과 같습니다. (출처: GM Insights, Automotive Seat Market Size & Share, 2034 Growth Forecast)

1. 안전 및 편의 기능 고도화: 운전자와 승객의 안전과 편의성을 극대화하기 위한 스마트 및 커넥티드 시팅 기술 통합이 가속화되고 있습니다.

2. 전기차 및 자율주행차의 부상: 미래 모빌리티 환경에서는 차량 내부 공간의 개념이 바뀌면서, 다양한 상황에 맞게 변형되고 새로운 기능을 제공하는 시트 디자인의 중요성이 커지고 있습니다.

3. 헬스케어 기능 통합: 단순한 이동 수단을 넘어, 시트 내 건강 모니터링 시스템, 인체공학적 자세 교정 등 사용자의 건강과 웰빙을 증진하는 방향으로 기술이 발전하고 있습니다.

4. 지속가능성 및 경량화 요구 증대: 연비 효율 향상과 배기가스 규제 강화에 대응하기 위해 경량 및 지속 가능한 소재에 대한 수요가 증가하고 있으며, 이는 새로운 소재 기술에 기회가 됩니다.