ÇELK KUMA PANELLERNN ISINMA DAVRANILARI

Transkript

1 ÇELK KUMA PANELLERNN ISINMA DAVRANILARI Ar.Gör. Ozan KAYACAN Doç.Dr. Ender Yazgan BULGUN Dokuz Eylül Üniversitesi Mühendislik Fakültesi Tekstil Müh. Böl. ÖZET Günlük ya antmzn ayrlmaz bir parças olan konfeksiyon ürünleri ile özellikle ta nabilir nitelikteki elektronik yaplarn bir arada ve birbirine entegre bir biçimde kullanlmas fikri elektro-tekstiller kavramnn temelini olu turmaktadr. Bu do!rultuda, elektronik fonksiyonlara sahip interaktif konfeksiyon ürünlerinin geli imine yönelik bilimsel çal malar ve Ar-Ge faaliyetleri son yllarda giderek artmaktadr. %leri teknoloji ile üretilen konfeksiyon ürünlerinin en önemli örneklerinden olan elektro-tekstiller in geli imi, özellikle elektrik akmn ileten iplik ve kuma larn geli tirilmesi ile hz kazanm tr. Bu çal mada, elektrik iletken çelik iplikler kullanlarak üretilen tek katl ve iki katl kuma panellerinin snma davran lar incelenmi tir. Sistemi çal tran bir elektronik devre üzerinde ölçümler yaplarak elde edilen elektriksel parametreler de kar la trmal olarak de!erlendirilmi tir. Anahtar Sözcükler : Elektro-tekstiller, tekstil esasl iletken yaplar, çelik iplikler, stma HEATING BEHAVIOURS OF STEEL FABRIC PANELS ABSTRACT The electro-textile concept is mainly based on the integration of daily clothing products and mobile electronic systems. In this manner, scientific studies and R&D activities have been performed gradually in the field of the interactive smart garments. As one of the most important examples of high-technology textile based products, electro-textiles have been improved by the developments of electrically conductive yarns and fabrics. In this study, the heating behaviors of fabric panels produced by steel yarns are observed. Single and doubleply steel fabrics are applied to electrical current. The electrical parameters of the system are also evaluated and compared. Keywords : Electro-textiles, textile based conductive structures, steel yarns, heating

2 1. GR Günümüzde teknoloji giderek hzlanmakta ve sonuç olarak geli tirilen sistemler ve bunlarn bile enleri giderek küçülmektedir Bunun bir sonucu olarak, elektronik araçlar ve sistemler giderek günlük ya antmzn olmazsa olmaz bile enleri haline gelmi tir. Teknoloji geli tikçe uygulama alanlar da giderek yaygnla maktadr. Günümüzde artk benzerlerinden farkl özellikteki ürünler daha fazla talep görmektedir. Bugün ta nabilir olma, bir çok ürün ve uygulama için temel özelliktir ve sa!lk, ileti im, güvenlik, e!lence, spor vs. gibi bir çok sektörde sradanla an ürünler açsndan yeni açlmlar anlamna gelmektedir. Özellikle ki iye özel ürünlerde bu uygulamalarn daha da öne çkaca! tahminlenmektedir. Minyatürle me terimi ta nabilirlik anlamnda sadece boyutsal bir küçülmenin de!il, ayn zamanda bile en says ve karma kl!nda bir sadele menin de gerçekle tirilmesine olanak tanm tr (Tao, 21). Tekstil esasl ürünler, özellikle de konfeksiyon ürünleri, do!as gere!i kullanm amac ve kullanld! ortam ne olursa olsun günün her annda insanl!n hizmetindedir. %nsan-makine etkile imi için ideal bir ortama sahip olan konfeksiyon ürünleri giderek minyatürle en ve ta nabilir bir ekil kazanan araç gereçler için yeni uygulama alanlarn ortaya koymaktadr. Elektronik sistemler ile konfeksiyon ürünlerinin bir arada kullanlmasnn ilk örnekleri rijit elektronik aygtlarn giysiler üzerine harici olarak montesi eklinde olmu tur. Ancak elbette ideal olan, konfeksiyon ürünün yaps ile elektronik sistemlerin yapsnn bir arada ve birbirine tam entegre olmas ve belirli bir i levi yerine getirmek amacyla iki ayr sistemin tek bir ürün eklinde ortak hareket etmesidir. % te konfeksiyon ürünleri ile özellikle ta nabilir nitelikteki elektronik yaplarn bir arada ve tek bir ürün biçiminde kullanlmas fikri elektro-tekstiller kavramnn temelini olu turmaktadr. Günümüzde en sk kar la lan elektro-tekstiller, ceplerine mobil aygtlar (MP3 çalar, radyo, telefon vb.) yerle tirilmi konfeksiyon ürünleridir. Sa!lk, e!lence, ileti im, güvenlik vb alanlarda farkl amaçlara yönelik olarak bir çok ürün gün geçtikçe pazardaki yerini almaktadr. Bu tür ürünlerde tekstil esasl yaplarn fonksiyonel özelliklerinin yan sra sistemin genel elektriksel karakteristikleri bir arada de!erlendirilmeli ve gerçekle tirilmesi amaçlanan i lev do!rultusunda, do!ru malzemelerin do!ru bir konfigürasyonla kullanlmas hedeflenmelidir (Jung 23). Elektro-tekstiller in kullanm alanlarndan biri de koruma ve ki inin performansnn arttrlmas do!rultusunda kullancy destekler nitelikte olan ürünlerdir. Bu tür sistemlere örnek olarak verilebilecek stc giysiler, kullancnn vücut scakl!n hissederek gerekli durumlarda elektronik olarak ek stma fonksiyonunu sa!lama özelli!ine sahiptir. Bu giysiler günlük hayatta en çok kullanm potansiyeline sahip ürünlerden biri olarak kar mza çkmaktadr. Medikal uygulamalarn d nda askerler, do!a sporcular, güvenlik görevlileri, krsal bölge çal anlar gibi d ortamda çal an ki iler için geli tirilmi tir. Bu tür giysilerde stma fonksiyonu, giysi yapsna yerle tirilmi olan tekstil esasl panellerde gerçekle tirilir (;ahin, 26). Istc paneller uygun özellikteki iletken ipliklerden olu turulmaktadr. Bu çal mada, paslanmaz çelik liflerden üretilmi iletken iplikler metalik tekstil yaplar olu turmak amacyla kullanlm tr. Çelik ipliklerden üretilmi tek katl ve iki katl stc 2

3 kuma panelleri deneysel olarak de!erlendirilmi tir. Panellere elektrik akm uygulanm ve kuma yaplarnn snma davran lar kar la trmal olarak gözlenmi tir. Bu amaçla bir güç kayna!na ba!lanan stc panellerin snma derecelerinin dijital scaklk sensörleri vastasyla gözlenebildi!i bir elektronik devre tasarm yaplm tr. Ayrca sistemi çal tran elektronik devre üzerinde yaplan ölçümlerden elde edilen elektriksel parametreler de kar la trmal olarak de!erlendirilmi tir. 2. ISITMA LEV ÇN LETKEN PLKLER Giysilerde elektriksel olarak ek stma fonksiyonu için ta nabilir bir güç kayna!ndan elde edilen elektrik enerjisinin s enerjisine dönü türülmesi gerekmektedir. Bu tür bir dönü üm ancak elektrik iletken yaplar kullanlarak sa!lanabilir. Do!al kaynakl tekstil malzemeleri, elektri!i iletmemektedir. Di!er taraftan tekstil endüstrisinde, sentetik tekstil liflerinin üretiminde kullanlan polimerlerin tipik özgül dirençleri 1 1 m seviyesinden daha yüksektir. Bu durum ise elektri!i çok iyi yaltan bir malzemenin özelliklerine uyum sa!lamaktadr. Sonuç olarak, elektrik izolasyonu d nda herhangi bir elektriksel uygulama için bu tür malzemelerin kullanlma ihtimali yoktur. Elektri!i iyi ileten tekstil malzemelerine ihtiyaç duyulmas nedeniyle malzeme geli tirme amaçl bir çok ara trma bulunmaktadr (Vassiliadis, 25). Teknolojik geli im sürecinde iletken yaplar olu turulmas amacyla ilk a amada kuma lar dokunurken bakr esasl lif inceli!inde iletken teller veya iplik boyutlarndaki kablolar kullanlm, ancak daha sonra çe itli yöntemlerle tekstil esasl ürünlere elektrik iletim özelli!i kazandrlm veya metalik iletken yaplar tekstil esasl yaplara dönü türülmü tür. Do!al malzemelere iletken bir yap kazandrmak amacyla kaplama, laminasyon ve modifikasyon gibi kimyasal i lemler uygulanmaktadr. %letken iplik olarak metalik esasl lifler kullanlabilece!i gibi iletken yap kazandrlmas amacyla modifiye edilmi sentetik esasl liflerin uygulanmas da mümkündür (Mauch 25). Üretim prosesleri içinde çe itli kaplama teknikleri basit üretim a amalar ve kullanm kolayl! sebebiyle öne çkmaktadr. Üretilen tekstil malzemeleri sadece elektriksel özellikler kazanmakla kalmayp ayn zamanda mukavemet, esneklik gibi fiziksel özelliklerini de muhafaza etmektedir. Bu tür uygulamalara gümü ve bakr kaplanm lifler, galvanik kaplamalar, polypirol kaplamalar örnek verilebilir. Ayrca paslanmaz çelik ba ta olmak üzere metalik lifler, nitinol ala mlar, karbon/grafit lifleri, inox kablolar, karbon bi-komponent lifler de elektriksel uygulamalarda kullanlmaktadr (Schedukat, 23). 3. MATERYAL METOD %letken kuma yaplar kullanlarak tekstil yüzeylerinin stlmas ile ilgili yaplan önceki çal malarda dokuma tekni!i ile üretilmi stc kuma panellerinin direnç de!erlerinin ayn boyutlarda üretilmi örme kuma panellere oranla yapsal özellikler sebebiyle daha dü ük oldu!u belirtilmektedir. Bu sebeple stc kuma paneli biçimindeki uygulamalar açsndan daha uygun olarak tanmlanmaktadrlar (Post, 2). Bu çal mada kullanlan stc kuma panelleri %1 çelik liflerden iletken iplikler kullanlarak üretilmi tir. El tezgâhlarnda yaplan ön denemeler sonucunda çelik ipliklerin 3

4 dokuma i lemi srasnda yarattklar baz dezavantajlar sonucunda stc panellerin sanayi tipi dar enli çözgülü örme makinalarnda üretilmesine karar verilmi tir. Paneller içerisindeki iletken iplikler, dokuma kuma yapsna benzer ekilde paralel formdaki atk yatrm biçiminde sralar olu turmu tur. Çubuklar olu turan polyester iplikler ise bu iplikleri ta ma görevini üstlenmektedir. Sonuçta stcl kuma panelleri için 4 cm geni li!inde dar enli kuma yaplar üretilmi tir. Kuma yaps içerisindeki iletken ipliklerin konumu ;ekil1. de görülmektedir. ;ekil 1.Kuma yaps içindeki iletken ipliklerin paralel yerle imi ;ekil 1. de görüldü!ü gibi iletken iplikler, kuma yaps içine paralel bir formda yerle tirilmi tir. Istc kuma panelinin bir noktasndan giren ipli!in yatrm i lemini tamamladktan sonra di!er noktadan çkmasna ve herhangi bir kesintiye u!ramamasna özen gösterilmi tir Klasik bir stc (rezistans) sistemde geleneksel kablolar da benzeri bir yapya sahip olmaktadr. Bu tip bir yap elektrik akm uygulanmas için en do!ru seçimdir. Bu çal mada kuma panellerinin snma davran larnn izlenmesi amacyla bir elektronik devre tasarm yaplm tr. Devre, stc kuma panellerine elektrik akm uygulayarak hedeflenen stma fonksiyonunun gerçekle mesini sa!lamaktadr. Bu tür bir devrenin gelecekte akll/interaktif bir giysi tasarmnda kullanlabilmesi için küçük boyutta, hafif ve dü ük maliyetli bir ekilde olu turulmasna çal lm tr. Istcl kuma panelleri için birim kat uzunlu!u 1 cm olarak belirlenmi tir. Çelik ipliklerden yaplm 1 ve 2 katl stc panellerden srasyla 1, 2, 3 ve 4 adet olarak sisteme entegre edilmi ve toplamda 8 farkl konfigürasyonun snma davran lar gözlenmi tir. 12 V. 33 mah kapasitesindeki Ni-MH tipi güç kayna!ndan sa!lanan akm elektronik devreye uygulanm tr. Devre üzerinde bulunan DS182 dijital scaklk sensörleri bir crtband velkro yardmyla paneller üzerine sabitlenmi tir. 6 dakika süreyle sensörlerden elde edilen scaklk de!erleri kaydedilmi tir. E zamanl olarak da güç kayna!ndan sisteme sa!lanan gerilim ile panellerin çekti!i akm miktarlar ölçülmü tür. Güç kayna!nn bu süreden önce tükenmesi durumunda da ölçüm yaplabilen süre boyunca ayn veriler kaydedilmi tir. Denemelerin yaplaca! ortam artlar, stma i levinin asl kullanm alan olan so!uk ortam artlarnn simüle edilmesi amacyla o C olarak belirlenmi tir (Kayacan, 28). 4. ARATIRMA SONUÇLARI Çelik ipliklerden üretilmi tek katl stc kuma panellerin o C lik ortam artlarnda srasyla 1, 2, 3 ve 4 adet kullanm sonucunda elde edilen snma verileri kar la trmal olarak ;ekil 1 de verilmi tir. 1 adet tek katl panel denemeleri srasnda 6 dk. boyunca panellerin snma davran lar gözlenebilmi tir ve panellerde yakla k 1 o C lik scaklk art olu mu tur. 2 adet tek katl panel kullanld!nda ise paneller 58 dk. lk bir snma süreci 4

5 göstermi tir ve gerçekle en scaklk art yakla k 13 o C olarak ölçülmü tür. 3 adet panel uygulamasnda yakla k 1 o C lik bir art gerçekle mi ancak kullanm süresi 43 dakikaya inmi tir. 4 adet tek katl panel konfigürasyonu ise 3 dk. lk ölçüm periyodu süresince snma davran sergilemi ve yakla k 15 o C lik bir scaklk art olu mu tur. 6 Tek Katl Panel Isnma Deerleri Scaklk (C) Adet Tek Katl Panel 2 Adet Süre Tek (dk.) Katl Panel 3 Adet Tek Katl Panel 4 Adet Tek Katl Panel Ortam Scakl ;ekil 1. Tek katl panel snma grafi!i Tek katl panel uygulamalar süresince panellerin çekti!i akm de!erleri incelendi!inde ölçüm süresinin ba langcnda panellerin çekti!i akm de!erlerinin kat says ile bir ili kisinin olmad! ve tüm kat saylar için yakla k,25 A.lik bir de!erin söz konusu oldu!u görülmü tür. Kat adedine ba!l olarak panellerin kullanm süreleri olan srasyla 6, 58, 43 ve 3 dk. lk periyotlar sonunda çekilen akm de!erleri de yine srasyla,19 -,11 -,12 ve,11 A olarak gerçekle mi tir. Tek katl panellerin akm de!erlerine ili kin grafik ;ekil 2. de verilmi tir. Tek Katl Panel Akm Deerleri A.,3,25,2,15,1,5 1 Adet Tek Katl Panel 2 Adet Tek Katl Panel 3 Adet Tek Katl Panel 4 Adet Tek Katl Panel ;ekil 2. Tek katl panellere ili kin akm grafi!i 5

6 ;ekil 3. te tek katl stc kuma panellerinin gerilim grafi!i verilmi tir. Panellerin gerilim de!erleri kullanlan güç kayna!nn kapasitesi olan V. seviyesinden ba lamakta ve kullanm süresi sonunda yakla k 7 V. seviyesine dek inmektedir. Tek Katl Panel Gerilim Deerleri V Adet Tek Katl Panel 2 Adet Tek Katl Panel 3 Adet Tek Katl Panel 4 Adet Tek Katl Panel ;ekil 3. Tek katl panellerin gerilim-zaman grafi!i %ki katl stc kuma panellerinin snma denemeleri de o C lik ortam artlarnda yaplm ve yine srasyla 1, 2, 3 ve 4 adet panel sisteme entegre edilmi tir. Panellerin snma davran larna ili kin scaklk de!erleri ;ekil 4. te grafiksel olarak gösterilmektedir.1 adet iki katl panel uygulamasnda yakla k 16 o C lik scaklk art elde edilmi ve 6 dk.lk ölçüm süresinin tamamnda veri kayd gerçekle tirilmi tir. Panel says 2 ye çkarld!nda ise scaklk art 17 o C ye ula m tr. Ancak deneme süresi ksalm ve paneller 35 dk.lk bir snma davran sergilemi tir. 3 adet iki katl kuma panel kullanmndaki art 9 o C olarak ölçülmü, uygulama süresi ise 22 dk. ya inmi tir. 4 adet iki katl panel konfigürasyonu ise 18 dk. boyunca gözlenebilmi ve kaydedilen scaklk art yakla k 11 o C olmu tur. 6 2 Adet Panel Isnma Deerleri 5 Scaklk (C) Adet 2 Katl Panel 2 Adet 2 Katl Panel 3 Adet 2 Katl Panel 4 Adet 2 Katl Panel Ortam Scakl ;ekil 4. %ki katl panel snma grafi!i 6

7 %ki katl panel denemelerine ait akm de!erleri yakla k,4-,5 A ba langç de!erlerine sahiptir. Ölçüm süreleri boyunca kuma panellerinin çekti!i akm de!erleri de azalma e!ilimi göstermi ve yakla k,2 A seviyelerine kadar inmi tir. %ki katl panellere ili kin akm de!erlerinin grafiksel gösterimi ;ekil 5 te verilmi tir. 2 Katl Panel Akm Deerleri A.,5,4,3,2,1 1 Adet 2 Katl Panel 2 Adet 2 Katl Panel 3 Adet 2 Katl Panel 4 Adet 2 Katl Panel ;ekil 5. %ki katl stc kuma panelleri akm grafi!i ;ekil 6. de iki katl stc kuma panellerine ait gerilim grafi!i görülmektedir. Tek katl panel kullanmma benzer V. ba langç seviyesindeki gerilim de!erleri ölçüm sürelerinin sonunda yakla k 7 V. de!erine inmektedir. Scaklk ve akm ölçümlerinde oldu!u gibi panel adedine ba!l olarak gerilim de!erlerinin ölçüldü!ü süreler farklla maktadr. V. 2 Katl Panel Gerilim Deerleri Adet 2 Katl Panel 2 Adet 2 Katl Panel 3 Adet 2 Katl Panel 4 Adet 2 Katl Panel ;ekil 6. %ki katl panellere ait gerilim-zaman grafi!i 5. SONUÇ Elektronik ve tekstil malzemeleri ile ilgili ara trmalarn ilk a amalarnda, malzemelerin zt karakterleri sebebiyle bu uygulamalarn pratik olmayaca! dü ünülmü tür. Bilimsel ara trmalarda elde edilen ba arl sonuçlarla elektronik malzemeler ile tekstil ürünlerinin 7

8 entegrasyonu büyük avantajlar sa!lam tr. Özellikleri birbirinden çok farkl olan tekstil ve elektronik yaplarn bir arada kullanlmas sonucu ortaya çkan interaktif tekstil malzemelerinin ticari anlamdaki ilk uygulamalar pazardaki yerini almaya ba lam tr. Bu do!rultuda geli tirilen iletken lifler günümüzde özellikle interaktif elektro-tekstil uygulamalarndaki kullanm potansiyelleri sebebiyle büyük ilgi görmektedir. Sa!lk, e!lence, ileti im, güvenlik vb. elektronik fonksiyonlarn tekstil esasl ürünler kullanlarak yerine getirilmesi amacyla elektrik iletken özelli!e sahip metalik esasl de!i ik iplikler kullanlmaktadr. Bu tür bir kullanma örnek olabilecek nitelikteki scaklk kontrollü stc elektro-tekstil yaplar n temelini stma fonksiyonunu yerine getiren tekstil esasl yaplar olu turmaktadr. Bu çal mada stc kuma paneli olarak kullanlabilecek elektrik iletken özellikteki çelik ipliklerden olu an tekstil yaplarnn snma davran lar gözlenmi ve kar la trlm tr. Bu amaçla, sistemi çal trabilecek özellikte bir elektronik devre tasarm yaplm tr. Farkl adetlerde 1 ve 2 katl stc kuma panellerine elektronik devre aracl!yla akm uygulanm ve snma ölçümlerinin yan sra devrenin baz elektriksel parametrelerinin de kar la trmal olarak de!erlendirilmesi yaplm tr. o C lik ortam artnda çelik ipliklerden üretilmi tek katl stc kuma panellerin kullanm sonucunda 1 adet tek katl panel denemelerinde yakla k 1 o C lik scaklk art elde edilirken panel says 4 e çkarld!nda bu de!er 15 o C seviyesine yükselmi tir. %ki katl stc kuma panellerinin o C lik ortam artnda yaplan stma denemelerinde ise 1 adet iki katl panel uygulamasnda yakla k 16 o C lik scaklk art elde edilmi tir. Panel says 4 e çkarld!nda ise sistemin elektriksel direnç de!erinin dü mesi sebebiyle birim zamanda gerçekle en scaklk art di!er uygulamalara oranla daha hzl olmu tur. Ancak ta nabilir güç kayna! kapasitesinin snrl olmas sebebiyle bu scaklk art uzun süre korunamam ve deneme süresince eri ilen de!er yakla k 11 o C olarak ölçülmü tür. Isnma i levinin yerine getirilmesi amacyla kullanlan yaplarn farkl direnç özelliklerine sahip olmas, snma davran larn da farklla trmaktadr. Sistemin e de!er direncinin de!i mesi sebebiyle akm uygulamas sonucunda ortaya çkan snma seviyelerinin de farkl oldu!u deneysel çal malarla tespit edilmi tir. Bu sebeple tekstil esasl stc yap tasarmnda iletken malzemelerin elektriksel özelliklerinin do!ru incelenmesi, en uygun direnç de!erine sahip malzemelerin seçilmesi gerekti!i dü ünülmektedir. Ayrca stma fonksiyonunu yerine getiren elektronik devrede kullanlan akm miktar stc yaplarn elektriksel özelliklerine ba!ldr. Dolaysyla farkl kat saysna sahip stc panellerin snma süreleri de farkl olmaktadr. Istc kuma yaplarnn boyutlar, kat saylar ve panellerde kullanlacak iletken iplik miktarlar ve devreye ba!lanacak güç kayna! incelenmeli ve hedeflenen snma miktarlarna göre her bir parametre için uygun de!erler belirlenmelidir. Ta nabilir bir yapnn tasarlanmasnda kullanm anndaki dayankll!, kullanm süresinin yeterli olmas, ta nabilir güç kayna! seçiminin uygun yaplmas gibi konular öne çkmaktadr. Dolaysyla stc yaplarn bir giysi üzerine entegre edilmesi sürecinde hem uygun giysi tasarmnn yaplmas hem de snma fonksiyonunun yerine getirilmesi amacyla en uygun elektronik altyapnn hazrlanmas gerekmektedir. 8

9 KAYNAKLAR 1. Tao, X., Smart Textiles(3):Very Smart, Textile Asia, pp.35-37, August 21, 2. Jung,S., Lauterbach,C., Strasset, N., Weber,W., Enabling Technologies for Disappearing Electronics in Smart Textiles, IEEE Int. Solid State Circuits Conference, Paper 22.1, ;ahin, Ö., Kayacan, O., Bulgun, E.Y. Scaklk Kontrollü Akll Giysi Tasarm", ASYU- INISTA 26, Akll Sistemlerde Yenilikler ve Uygulamalar Sempozyumu, %stanbul, 31 Mays -2 Haziran Vassiliadis, S., Provatidis, C., Prekas, C., Rangussi, M., Novel Fabrics with Conductive Fibres, Intelligent Textile Structures - Application, Production & Testing International Workshop, Thessaloniki/Greece, Mauch H.P., Nusko R., New Possibilities With Special Conductive Yarns, Melliand International, pp , 3/ Schedukat,N., Gries,T., Spanier,G., Schnakenberg,U., Mokwa,W., Processing of High Conductive Yarns for Signal Transmission in Smart Textiles, Tech-Textil Symp., Post,E.R., Orth,M., Russo,P.R., Gershenfeld,N., E-broidery: Design and Fabrication of Textile Based Computing, IBM Systems Journal, Vol:39, 3&4, pp:84-86, 2 8. Kayacan, O., Akll Giysi Dizayni Üzerine Bir Ara trma, Yaynlanmam Doktora Tezi, Dokuz Eylül Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, 28 9