KR101331858B1 - Smart pants for measuring movement signal of muscle - Google Patents

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KR101331858B1
KR101331858B1 KR1020120141402A KR20120141402A KR101331858B1 KR 101331858 B1 KR101331858 B1 KR 101331858B1 KR 1020120141402 A KR1020120141402 A KR 1020120141402A KR 20120141402 A KR20120141402 A KR 20120141402A KR 101331858 B1 KR101331858 B1 KR 101331858B1
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piezoelectric
signal
exercise
muscle
piezoelectric sensor
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KR1020120141402A
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김갑진
윤선
안유진
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경희대학교 산학협력단
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Abstract

The present invention relates to smart pants, more specifically, to smart pants for measuring movement signal of muscle, which confirms the degree of exercise by the movement of the thigh generated during walking or running while wearing the smart pants with an elastic clamping band and a piezoelectric sensor. [Reference numerals] (610) Calculation unit;(620) Storage unit;(630) Wireless transmission unit;(640) Power supply unit

Description

근육의 운동신호 측정이 가능한 스마트 팬츠{Smart pants for measuring movement signal of muscle}Smart pants for measuring movement signal of muscle

본 발명은 스마트 팬츠에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 탄성 조임밴드와 압전센서를 트레이닝복과 같은 팬츠에 구비함으로써, 스마트 팬츠를 착용하고 보행하거나 뛰면 그러한 운동에 의해 발생되는 허벅지 근육의 움직임에 의해 운동정도를 확인할 수 있게 한 근육의 운동신호 측정이 가능한 스마트 팬츠에 관한 것이다.The present invention relates to a smart pants, and more particularly, by providing an elastic fastening band and a piezoelectric sensor in a pants such as a sweat suit, the degree of movement by the movement of the thigh muscles caused by such exercise when walking or running with the smart pants It relates to a smart pants that can measure the exercise signal of the muscles.

경제수준의 향상과 인구의 고령화로 건강관리에 대한 일반인의 관심이 높아지면서, 신체활동 및 규칙적인 스포츠 활동을 통하여 건강상태를 관리해주는 건강 매니지먼트에 대한 관심이 증가하고 있다. 이러한 건강 매니지먼트를 수행하기 위해 심전도(ECG, Electrocardiogram), 호흡(respiration), 맥파(heart pulse wave)와, 신체의 근육의 움직임에 관계되는 근전도(EMG, electromyogram) 등의 생체신호를 상시 측정할 수 있는 센서를 탑재한 스마트 의류의 개발이 필요하다.As the public's interest in health care increases due to the improvement of the economic level and the aging of the population, the interest in health management that manages the health status through physical activities and regular sports activities is increasing. In order to perform such health management, it is possible to constantly measure bio signals such as electrocardiogram (ECG), respiration, heart pulse wave, and electromyogram (EMG) related to the movement of muscles of the body. There is a need for the development of smart clothing equipped with sensors.

종래에 근전도를 측정하기 위해 사용되던 센서전극은 피부와 긴밀한 접착성을 유지하여야 하는 Ag/AgCl 겔 전극이기 때문에 장시간 사용 시 피부가 알레르기 반응을 일으키거나, 피부염 등을 일으키는 경우가 발생할 수 있어 장시간의 착용이 요구되는 스마트 의류에 적용하기는 매우 곤란한 문제점이 있었다.In the past, the sensor electrode used to measure electromyography is an Ag / AgCl gel electrode that must maintain close adhesion to the skin. Therefore, when used for a long time, the skin may cause an allergic reaction or dermatitis. There is a problem that is very difficult to apply to smart clothing that is required to wear.

또한, 이러한 전도성 Ag/AgCl 겔 전극을 장시간 부착하여 사용할 경우에는 겔 전극이 건조해지면서 전기전도도가 감소하게 되고 그로 인해 근전도(EMG) 신호의 품질이 떨어지는 문제점과, 한 번 피부에 부착하여 사용한 후에는 겔 전극의 접착력이 떨어지게 되어 반복 사용이 어려우므로 일회용으로 밖에 사용할 수 없는 문제점이 있었는바, 종래의 Ag/AgCl 겔 전극을 반복 적인 사용이 요구되는 스마트 의류의 전극으로는 사용하기 어려운 문제점이 있었다.In addition, when the conductive Ag / AgCl gel electrode is attached and used for a long time, the gel electrode dries and the electrical conductivity decreases, resulting in a drop in the quality of EMG signals, and after it is attached to the skin once, Since the adhesive strength of the gel electrode is difficult to use repeatedly, there is a problem that can be used only for one-time use, and it was difficult to use the conventional Ag / AgCl gel electrode as a smart garment electrode that requires repeated use. .

그에 따라, 의복을 착용하고 운동하거나 생활할 수 있게 하여 운동이나 생활 중의 근전도 신호를 상시 측정할 수 있게 한 형태의 센서나, 이러한 센서가 적용된 스마트 의복은 상용화되고 있지 못하다.Accordingly, a sensor of a type that enables a person to exercise or live with a garment to measure an EMG signal during exercise or life, or a smart garment to which such a sensor is applied, is not commercially available.

그에 따라, 걷거나 뛰는 동안의 운동량 측정을 위해 종래에는 만보계, 3-축 가속기 센서, 신진 대사시 발생되는 CO2 가스 측정 시스템 등이 이용되었다. 그러나, CO2 가스 측정 시스템의 경우 가격이 매우 비싸며 무겁고 딱딱하면서 착용하기 불편한 단점을 갖고 있으며, 만보계나 3-축 가속기 센서의 경우 운동하는 사람의 몸무게, 나이, 키, 성별에 따른 정확한 정보가 입력되지 않으면 운동하는 동안의 소비열량을 직접 계산할 수 없는 문제점이 있었고, 만보계는 운동하는 사람의 몸무게, 나이, 키, 성별에 따른 정확한 정보를 알더라도 평지, 내리막길, 또는 오르막길을 다닐 때의 소비 에너지 차이를 파악할 수 없다는 문제점이 있었다.Accordingly, a pedometer, a three-axis accelerator sensor, a CO 2 gas measurement system generated during metabolism, and the like have been conventionally used to measure momentum during walking or running. However, the cost of CO 2 gas measurement system is very expensive, heavy, hard, and inconvenient to wear.In the case of pedometer or 3-axis accelerator sensor, accurate information according to the weight, age, height, and gender of the exerciser is input. If you do not have the problem that you can not directly calculate the calories burned during exercise, the pedometer consumes energy when walking flat, downhill, or uphill even if you know the exact information according to the weight, age, height, and gender of the athlete There was a problem that the difference could not be identified.

또한, 종래에는 대한민국등록특허 제10-1087167호에서 운동량 변화에 따른 사용자 신체신호를 운동량 측정 센서로부터 감지하여 주파수 대역별로 상기 사용자 신체신호를 분류하여 측정하는 측정 단계, 상기 주파수 대역에 따라 측정된 주파수 신호들에 따른 운동량 및 소모된 칼로리량을 프로세서에서 분석하는 분석 단계, 및 상기 분석된 결과값을 디스플레이어로 표시하는 표시 단계를 포함하는 ‘근전도를 이용한 운동량 측정 방법, 장치 및 이를 이용한 시스템’이 제안된 바 있다.Further, in the related art, in the Republic of Korea Patent Registration No. 10-1087167, the step of detecting the user's body signal according to the amount of exercise from the exercise amount measuring sensor to classify and measure the user's body signal for each frequency band, the frequency measured according to the frequency band Suggested 'Method of measuring exercise, device and system using the EMG', including an analysis step of analyzing the amount of exercise and the amount of calories burned by the processor, and a display step of displaying the analyzed result value as a display. It has been.

그러나, 이러한 종래의 ‘근전도를 이용한 운동량 측정 방법, 장치 및 이를 이용한 시스템’은 입력부, 필터부, 신호 변환부, 및 데이타 처리부로 이루어진 운동량 측정센서를 이용하여 사용자의 신체신호(sEMG)를 증폭한 후 데이터 처리하여 운동량을 측정하는 것을 제안하고 있을 뿐, 사용자의 신체신호인 근전도(EMG) 신호 측정을 위해 사용되던 겔 전극을 의류에 적용할 경우에 발생될 수 있는 상술한 문제점에 대해서는 어떠한 해결수단도 제시하고 있지 않은바, 겔전극 사용으로 인한 반복사용의 어려운 문제점과, 스마트 의류에 적용하기 어려운 문제점은 여전히 내포하고 있다고 할 것이다.However, such a conventional method, apparatus, and system using the EMG, which amplifies a user's body signal (sEMG) by using an exercise sensor measuring an input unit, a filter unit, a signal converter, and a data processor It is proposed to measure the amount of exercise by processing the data afterwards, and to solve the above-mentioned problems that may occur when the gel electrode used for measuring the EMG signal, which is a user's body signal, is applied to the garment. Also not shown, the difficult problem of repeated use due to the use of the gel electrode, and problems that are difficult to apply to smart clothing will still be included.

또한, 본 발명자는 대한민국등록특허 제10-1023446호에서 호흡이나 맥파에 의해 발생되는 자극에 의해 신체의 특정부위를 조이고 있던 탄성밴드가 늘어나거나 줄어듦에 따라 함께 연신하면서 발생되는 전기적 신호를 감지할 수 있는 센서를 제안한 바 있으며, 이처럼 ‘연신에 의해 전기적 신호를 발생시키는 물질을 포함하는 센서’의 활용예로서 탄성밴드 내에 압전성 고분자 필름을 삽입시키고 그 탄성밴드를 신체에 착용하여 호흡이나 맥파를 측정할 수 있게 한 기술을 제안하였다.In addition, the present inventors in the Republic of Korea Patent No. 10-1023446 can detect the electrical signal generated while stretching together as the elastic band is tightening or shrinking the specific part of the body by stimulation caused by breathing or pulse wave. As a use example of the 'sensor including the material generating the electrical signal by stretching', a piezoelectric polymer film is inserted into the elastic band and the elastic band is worn on the body to measure respiration or pulse wave. We have proposed a technology that makes it possible.

그러나, 종래에 제안하였던 ‘연신에 의해 전기적 신호를 발생시키는 물질을 포함하는 센서’는 정지 상태에 있는 구조물이나 식물의 변화, 또는 환자가 정지상태에 있을 경우 호흡 등에 의해 발생되는 움직임을 감지하고자 하는 것이므로, 착용자가 보행하거나 운동하는 등 일상적인 생활을 영위할 경우에는 착용자의 움직임에 의해 발생되는 동잡음(motion artifact)에 의해 정확한 호흡거동을 측정하기 어려운 문제점이 있음과 아울러, 반복 사용시 내구성이 급격히 저하되는 문제점이 있어, 보행이나 운동과 같은 일상생활 중의 측정수단으로 사용하기 어려운 문제점이 있었다.However, the conventionally proposed 'sensor comprising a substance that generates an electrical signal by stretching' is intended to detect changes in structures or plants in a stationary state, or movement caused by breathing when the patient is stationary. Therefore, when the wearer walks or exercise, such as daily life, there is a problem that it is difficult to measure the correct breathing behavior by motion artifacts caused by the wearer's movement, and the durability is rapidly increased when repeated use. There is a problem that is lowered, there is a problem that is difficult to use as a measuring means in daily life such as walking or exercising.

따라서, 반복적으로 입고 벗으며 사용할 수 있을 뿐만 아니라, 일상적인 생활을 영위하면서도 근육의 운동신호를 안정적이고 정확하게 함께 측정할 수 있는 스마트 의류가 여전히 요청되고 있다.Therefore, there is still a demand for smart clothing that can be repeatedly worn and taken off, and that can measure the motion signal of the muscles stably and accurately while maintaining daily life.

본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 탄성 조임밴드와 압전센서를 트레이닝복과 같은 팬츠에 구비함으로써, 스마트 팬츠를 착용하고 보행하거나 뛰면 그러한 운동에 의해 발생되는 허벅지 근육의 움직임에 의해 운동정도를 안정적이고 정확하게 측정할 수 있게 한 근육의 운동신호 측정이 가능한 스마트 팬츠를 제공함에 있다.The problem to be solved by the present invention, by providing an elastic tightening band and a piezoelectric sensor in the pants, such as sweatshirts, by using the smart pants walking or running, the degree of movement is stable and accurate by the movement of the thigh muscles caused by such exercise It is to provide a smart pants that can measure the exercise signal of the muscles that can be measured.

상기 과제를 해결하기 위한 근육의 운동신호 측정이 가능한 스마트 팬츠는, 운동이나 일상생활을 위해 착용하는 팬츠(pants)에 있어서, 상기 팬츠의 허벅지 부위를 감싸는 탄성재질로 이루어져 착용자의 허벅지를 압박하면서 조이는 탄성 조임밴드; 상기 탄성 조임밴드에 일 측이 개방된 상태로 덧대어져 삽입공간을 형성하는 탄성 덮개밴드; 상기 삽입공간에 끼워져 팬츠 착용자의 움직임에 따른 허벅지 근육의 변형에 의해 팽창하거나 수축하는 탄성 조임밴드와 함께 늘어나거나 원상태로 복귀하면서 전기적 신호를 생성하는 압전센서; 상기 압전센서에서 발생된 전기적 신호를 전송하는 차폐신호 전송선; 및 상기 차폐신호 전송선을 통하여 전송되는 전기적 신호를 수신하고 근육의 운동량을 연산하는 제어부를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.Smart pants that can measure the exercise signal of the muscle to solve the above problems, in the pants (pants) worn for exercise or daily life, made of an elastic material surrounding the thigh area of the pants to tighten while tightening the thighs of the wearer Elastic tightening band; An elastic cover band padded in an open state to one side of the elastic tightening band to form an insertion space; A piezoelectric sensor inserted into the insertion space and generating an electrical signal while being stretched or returned to its original state with an elastic tightening band which expands or contracts due to deformation of the thigh muscle according to the movement of the pants wearer; A shielded signal transmission line configured to transmit an electrical signal generated by the piezoelectric sensor; And a controller configured to receive an electrical signal transmitted through the shielding signal transmission line and calculate an exercise amount of the muscle.

이때, 상기 압전센서는,At this time, the piezoelectric sensor,

압전성 폴리비닐리덴 플루오라이드(PVDF) 필름 및 상기 필름의 양면에 형성되는 전극을 포함하여 이루어지는 압전감지유닛; 및 상기 압전감지유닛을 감싸는 탄성층을 포함하여 구성되며; 상기 탄성층은 도전성 카본블랙이 1 내지 3중량%로 함유된 실리콘 고무 조성물로 이루어지는 것을 특징으로 한다.A piezoelectric sensing unit comprising a piezoelectric polyvinylidene fluoride (PVDF) film and electrodes formed on both sides of the film; And an elastic layer surrounding the piezoelectric sensing unit; The elastic layer is characterized by consisting of a silicone rubber composition containing 1 to 3% by weight of conductive carbon black.

또한, 상기 압전센서는,In addition, the piezoelectric sensor,

압전성 폴리비닐리덴 플루오라이드(PVDF) 필름 및 상기 필름의 양면에 형성되는 전극을 포함하여 이루어지는 압전감지유닛과; 상기 압전감지유닛을 감싸는 절연층; 상기 절연층을 감싸는 도전층; 및 상기 도전층을 감싸는 탄성층을 포함하여 구성되며, 상기 탄성층은 도전성 카본블랙이 1 내지 3중량%로 함유된 실리콘 고무 조성물로 이루어지는 것을 특징으로 한다.A piezoelectric sensing unit comprising a piezoelectric polyvinylidene fluoride (PVDF) film and electrodes formed on both sides of the film; An insulation layer surrounding the piezoelectric sensing unit; A conductive layer surrounding the insulating layer; And an elastic layer surrounding the conductive layer, wherein the elastic layer is made of a silicone rubber composition containing 1 to 3% by weight of conductive carbon black.

이때, 상기 절연층은 실리콘 고무 조성물로 이루어지고, 상기 도전층은 도전성 카본블랙이 30중량% 이상 함유되는 것을 특징으로 한다.In this case, the insulating layer is made of a silicone rubber composition, the conductive layer is characterized in that the conductive carbon black containing 30% by weight or more.

또한, 상기 차폐신호 전송선은 전기적 신호를 전송하는 도체로 이루어진 심사가 내부에 놓이고, 그 둘레를 절연층/차폐선/절연층 순으로 순차적으로 감싸도록 구성되는 것이 바람직하다.In addition, the shielding signal transmission line is preferably configured to be placed inside the screen consisting of a conductor for transmitting an electrical signal, and to surround the insulation layer / shielding line / insulation layer in order.

또한, 상기 제어부는,In addition,

상기 차폐신호 전송선을 통하여 전송되는 전기적 신호를 수신하여 근육의 운동량을 연산한 후 소비된 칼로리 등의 운동정도를 수치화하여 제공하는 연산부; 상기 연산부에서 연산된 근육의 운동량과 상기 차폐신호 전송선을 통하여 전송된 전기적 신호를 저장하는 메모리로 이루어진 저장부; 및 상기 연산부에서 연산된 근육의 운동량을 무선으로 연결되어 있는 착용자의 스마트폰이나 일정 거리 이격되어 있는 서버시스템으로 전송할 수 있는 통신수단으로 이루어진 무선송신부를 포함하여 구성되며; 상기 연산부는 허벅지 근육의 변형에 따라 압전센서에서 발생되는 전기적 신호인 압전신호를 정류화한 후 적분하여 일정 시간 동안 소비된 운동에너지를 연산하도록 구성되는 것을 특징으로 한다.A calculating unit which receives the electrical signal transmitted through the shielding signal transmission line, calculates the amount of exercise of the muscle, and quantifies the degree of exercise such as calories consumed; A storage unit configured to store an amount of exercise of the muscle calculated by the calculating unit and an electrical signal transmitted through the shielding signal transmission line; And a wireless transmitter comprising communication means for transmitting the amount of exercise of the muscle calculated by the calculator to a wearer's smartphone or a server system spaced a certain distance from the wearer. The calculating unit may be configured to calculate the kinetic energy consumed for a predetermined time by rectifying and integrating the piezoelectric signal, which is an electrical signal generated from the piezoelectric sensor, according to the deformation of the thigh muscle.

또한, 상기 탄성 조임밴드는 기본 허벅지 둘레의 10 ~20% 신율을 갖도록 형성되는 것이 바람직하다.In addition, the elastic tightening band is preferably formed to have a 10 to 20% elongation around the basic thigh.

본 발명은 스마트 팬츠를 착용하고 보행하거나 뛰면 그러한 운동에 의해 발생되는 허벅지 근육의 움직임에 의해 운동정도를 안정적이고 정확하게 측정할 수 있는 효과가 있다.The present invention has the effect of stably and accurately measuring the degree of movement by the movement of the thigh muscles caused by such movement when wearing smart pants and walking or running.

도 1은 본 발명에 따른 근육의 운동신호 측정이 가능한 스마트 팬츠의 사시도.
도 2는 본 발명에 따른 근육의 운동신호 측정이 가능한 스마트 팬츠에 구비된 압전센서를 이루는 압전감지유닛의 사시도.
도 3은 본 발명에 따른 근육의 운동신호 측정이 가능한 스마트 팬츠에 구비된 압전센서를 이루는 압전감지유닛의 사시도 및 분해도.
도 4는 본 발명에 따른 근육의 운동신호 측정이 가능한 스마트 팬츠에 구비된 압전센서의 제1실시예를 나타내는 횡단면도.
도 5는 본 발명에 따른 근육의 운동신호 측정이 가능한 스마트 팬츠에 구비된 압전센서의 제2실시예를 나타내는 횡단면도.
도 6은 본 발명에 따른 압전센서(도전성 카본블랙이 함유된 실리콘 고무 코팅)를 이용하여 허벅지 근육의 운동을 측정하여 나타낸 것으로서, 에크날리지 4.1에 의해서 수집된 신호데이터를 모니터로 출력한 결과를 나타낸 그래프.
도 7은 바이오노메딕스 EMG 모듈(Bionomadix EMG module)과 의료용 Ag/AgCl 겔전극을 이용하여 3km/h로 주행 시 허벅지의 근전도를 측정하여 나타낸 그래프.
도 8은 본 발명에 따른 스마트 팬츠에 구비된 압전센서(도전성 카본블랙이 함유된 실리콘 고무 코팅)를 이용하여 3km/h로 주행 시 허벅지 근육의 운동을 측정하여 나타낸 그래프.
도 9는 바이오노메딕스 EMG 모듈(Bionomadix EMG module)과 의료용 Ag/AgCl 겔전극을 이용하여 5km/h로 주행 시 허벅지의 근전도를 측정하여 나타낸 그래프.
도 10은 본 발명에 따른 스마트 팬츠에 구비된 압전센서(도전성 카본블랙이 함유된 실리콘 고무 코팅)를 이용하여 5km/h로 주행 시 허벅지 근육의 운동을 측정하여 나타낸 그래프.
도 11은 바이오노메딕스 EMG 모듈(Bionomadix EMG module)과 의료용 Ag/AgCl 겔전극을 이용하여 7km/h로 주행 시 허벅지의 근전도를 측정하여 나타낸 그래프.
도 12는 본 발명에 따른 스마트 팬츠에 구비된 압전센서(도전성 카본블랙이 함유된 실리콘 고무 코팅)를 이용하여 7km/h로 주행 시 허벅지 근육의 운동을 측정하여 나타낸 그래프.
도 13(A), (B), (C)는 본 발명에 따른 스마트 팬츠에 압전센서를 착용하기 위한 탄성 조임밴드의 신율을 각각 10%, 15%, 20%로 한 상태에서 5km/h로 주행 시 허벅지 근육의 운동을 측정하여 나타낸 그래프.
도 14는 보행속도 3km/h로 보행시 허벅지에 두른 압전센서로부터 나온 압전신호의 시간에 따른 변화(A)와 이를 정류화 한 후의 압전신호(B) 및 정류화한 압전신호를 1분 동안 적분하여 적분 값을 시간에 대하여 플롯(C)한 그래프.
도 15는 본 발명에 따른 스마트 팬츠에 구비되는 압전센서의 착용 위치를 변경하여 실험하는 것을 나타내는 예시 사진.
도 16은 허벅지 안쪽에 위치한 압전센서의 정류화된 압전신호의 적분값의 시간에 따른 변화를 보행속도 및 트레드밀의 경사도에 따라 나타낸 그래프.
도 17은 허벅지에 두른 압전센서의 착용위치에 따른 정류화된 압전신호의 적분값의 시간에 따른 변화를 보행속도에 따라 나타낸 그래프.
도 18은 본 발명에 따른 압전센서의 제1실시예를 적용한 압전센서로부터 HPF 차단주파수를 0.1Hz와 LPF 차단주파수를 10Hz로 하여 측정된 배경신호를 나타내는 그래프.
도 19는 본 발명에 따른 압전센서의 제2실시예를 적용한 압전센서로부터 HPF 차단주파수를 0.1Hz와 LPF 차단주파수를 10Hz로 하여 측정된 배경신호를 나타내는 그래프.
도 20은 본 발명에 따른 압전센서의 제1실시예를 적용한 압전센서로부터 HPF 차단주파수를 0.1Hz와 LPF 차단주파수를 100Hz로 하여 측정된 배경신호를 나타내는 그래프.
도 21은 본 발명에 따른 압전센서의 제2실시예를 적용한 압전센서로부터 HPF 차단주파수를 0.1Hz와 LPF 차단주파수를 100Hz로 하여 측정된 배경신호를 나타내는 그래프.
1 is a perspective view of a smart pants capable of measuring the exercise signal of the muscle according to the present invention.
Figure 2 is a perspective view of a piezoelectric sensing unit constituting a piezoelectric sensor provided in the smart pants capable of measuring the exercise signal of the muscle according to the present invention.
Figure 3 is a perspective view and an exploded view of the piezoelectric sensing unit of the piezoelectric sensor provided in the smart pants capable of measuring the exercise signal of the muscle according to the present invention.
Figure 4 is a cross-sectional view showing a first embodiment of a piezoelectric sensor provided in a smart pants capable of measuring the exercise signal of the muscle according to the present invention.
Figure 5 is a cross-sectional view showing a second embodiment of the piezoelectric sensor provided in the smart pants capable of measuring the exercise signal of the muscle according to the present invention.
Figure 6 shows the measurement of the movement of the thigh muscle using a piezoelectric sensor (silicon rubber coating containing conductive carbon black) according to the present invention, showing the result of outputting the signal data collected by Ecnaridge 4.1 to the monitor graph.
Figure 7 is a graph showing the measurement of the EMG of the thigh when running at 3km / h using a Bionomedics EMG module (Bionomadix EMG module) and a medical Ag / AgCl gel electrode.
Figure 8 is a graph showing the measurement of the movement of the thigh muscles when running at 3km / h using a piezoelectric sensor (silicon rubber coating containing conductive carbon black) provided in the smart pants according to the present invention.
Figure 9 is a graph showing the measurement of the electromyography of the thigh when running at 5 km / h using a Bionomedics EMG module (Bionomadix EMG module) and a medical Ag / AgCl gel electrode.
Figure 10 is a graph showing the measurement of the movement of the thigh muscles when driving at 5km / h using a piezoelectric sensor (silicon rubber coating containing conductive carbon black) provided in the smart pants according to the present invention.
Figure 11 is a graph showing the measurement of the EMG of the thigh when running at 7 km / h using a Bionomedics EMG module (Bionomadix EMG module) and medical Ag / AgCl gel electrode.
Figure 12 is a graph showing the measurement of the movement of the thigh muscles when running at 7km / h using a piezoelectric sensor (silicon rubber coating containing conductive carbon black) provided in the smart pants according to the present invention.
Figure 13 (A), (B), (C) is the elongation of the elastic tightening band for wearing a piezoelectric sensor in the smart pants according to the present invention at 5 km / h at 10%, 15%, 20% respectively A graph that measures the thigh muscle movement while driving.
FIG. 14 shows the change (A) of the piezoelectric signal from the piezoelectric sensor attached to the thigh during walking at a walking speed of 3 km / h, the piezoelectric signal (B) after rectifying it, and the rectified piezoelectric signal for 1 minute. To plot the integral value against time (C).
15 is an exemplary photograph showing that the experiment by changing the wearing position of the piezoelectric sensor provided in the smart pants according to the present invention.
FIG. 16 is a graph showing a time-dependent change of an integrated value of a rectified piezoelectric signal of a piezoelectric sensor located inside the thigh according to a walking speed and a treadmill slope.
17 is a graph showing a time-dependent change of the integral value of the rectified piezoelectric signal according to the wearing position of the piezoelectric sensor worn around the thigh according to the walking speed.
18 is a graph showing a background signal measured using a HPF cutoff frequency of 0.1 Hz and a LPF cutoff frequency of 10 Hz from a piezoelectric sensor to which the first embodiment of the piezoelectric sensor according to the present invention is applied;
FIG. 19 is a graph illustrating a background signal measured using a HPF cutoff frequency of 0.1 Hz and a LPF cutoff frequency of 10 Hz from a piezoelectric sensor to which a second embodiment of the piezoelectric sensor according to the present invention is applied; FIG.
20 is a graph illustrating a background signal measured using an HPF cutoff frequency of 0.1 Hz and an LPF cutoff frequency of 100 Hz from a piezoelectric sensor to which the first embodiment of the piezoelectric sensor according to the present invention is applied;
21 is a graph showing a background signal measured by HPF cutoff frequency 0.1Hz and LPF cutoff frequency 100Hz from the piezoelectric sensor to which the second embodiment of the piezoelectric sensor according to the present invention is applied.

이하에서는 본 발명의 구체적인 실시예를 도면을 참조하여 상세히 설명하도록 한다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.

도 1은 본 발명에 따른 근육의 운동신호 측정이 가능한 스마트 팬츠의 사시도이고, 도 2는 본 발명에 따른 근육의 운동신호 측정이 가능한 스마트 팬츠에 구비된 압전센서를 이루는 압전감지유닛의 사시도이며, 도 3은 본 발명에 따른 근육의 운동신호 측정이 가능한 스마트 팬츠에 구비된 압전센서를 이루는 압전감지유닛의 사시도 및 분해도이고, 도 4는 본 발명에 따른 근육의 운동신호 측정이 가능한 스마트 팬츠에 구비된 압전센서의 제1실시예를 나타내는 횡단면도이며, 도 5는 본 발명에 따른 근육의 운동신호 측정이 가능한 스마트 팬츠에 구비된 압전센서의 제2실시예를 나타내는 횡단면도이다.1 is a perspective view of a smart pants capable of measuring the exercise signal of the muscle according to the present invention, Figure 2 is a perspective view of a piezoelectric sensing unit forming a piezoelectric sensor provided in the smart pants capable of measuring the exercise signal of the muscle, 3 is a perspective view and an exploded view of a piezoelectric sensing unit constituting a piezoelectric sensor provided in the smart pants capable of measuring the exercise signal of the muscle according to the present invention, Figure 4 is provided in the smart pants capable of measuring the exercise signal of the muscle according to the present invention Figure 5 is a cross-sectional view showing a first embodiment of the piezoelectric sensor, Figure 5 is a cross-sectional view showing a second embodiment of the piezoelectric sensor provided in the smart pants capable of measuring the exercise signal of the muscle according to the present invention.

도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 근육의 운동신호 측정이 가능한 스마트 팬츠는, 운동이나 일상생활을 위해 착용하는 팬츠(pants)(100)와, 상기 팬츠의 허벅지 부위를 감싸는 탄성재질로 이루어져 착용자의 허벅지를 압박하면서 조이는 탄성 조임밴드(200)와, 상기 탄성 조임밴드에 일 측이 개방된 상태로 덧대어져 삽입공간을 형성하는 탄성 덮개밴드(300)와, 상기 삽입공간에 끼워져 팬츠 착용자의 움직임에 따른 허벅지 근육의 변형에 의해 팽창하거나 수축하는 탄성 조임밴드와 함께 늘어나거나 원상태로 복귀하면서 전기적 신호를 생성하는 압전센서(400)와, 상기 압전센서에서 발생된 전기적 신호를 전송하는 차폐신호 전송선(500)과, 상기 차폐신호 전송선을 통하여 전송되는 전기적 신호를 수신하고 근육의 운동량을 연산하는 제어부(600)를 포함하여 구성된다.Referring to Figure 1, the smart pants can measure the exercise signal of the muscle according to the present invention, a wearer (pants) 100 for wearing for exercise or daily life, and made of an elastic material surrounding the thigh portion of the pants While tightening the thigh of the elastic tightening band 200, the elastic cover band 300 is padded in an open state in one side to the elastic tightening band 300 to form an insertion space, and inserted into the insertion space of the pants wearer movement Piezoelectric sensor 400 for generating an electrical signal while extending or retracted with the elastic tightening band that expands or contracts due to the deformation of the thigh muscle according to the shielding signal transmission line for transmitting the electrical signal generated by the piezoelectric sensor ( 500) and a control unit 600 for receiving an electrical signal transmitted through the shielding signal transmission line and calculating the amount of exercise of the muscle. It is.

상기 팬츠(pants)(100)는 보행이나 외출과 같은 일생생활을 하기 위해 입는 일반 하의로 구성될 수도 있으나, 상기 탄성 조임밴드(200)에 의해 허벅지의 특정 부위를 압박해야 하는바 운동하기 위해 착용하는 트레이닝복으로 구성되는 것이 바람직하다.The pants 100 may be configured as general bottoms worn for life, such as walking or going out, but the elastic tightening band 200 should be pressed to exercise a specific area of the thigh bar. It is preferable that it consists of a sweat suit.

상기 탄성 조임밴드(200)는 보행이나 운동시 한 걸음을 뗄 때마다 반드시 변형되는 허벅지 근육의 움직임을 인식할 수 있도록 허벅지 부위를 감싸면서 압박하는 탄성밴드로 구성된다. 이때, 상기 탄성 조임밴드(200)는 도 1에 도시된 바와 같이 한 쪽의 허벅지 부위에만 구비될 수 있음은 물론, 양쪽의 허벅지 부위에 모두 구비될 수도 있다.The elastic tightening band 200 is composed of an elastic band that compresses while wrapping the thigh so as to recognize the movement of the thigh muscle that is necessarily deformed each time you take a step when walking or exercising. At this time, the elastic tightening band 200 may be provided only on one side of the thigh, as shown in Figure 1, of course, may be provided on both thigh.

또한, 상기 탄성 조임밴드(200)는 허벅지 근육의 자그마한 움직임에도 밴드가 팽창하거나 수축할 수 있도록 허벅지를 조일 수 있어야 하는바, 착용자의 허벅지 둘레보다 작은 크기를 갖도록 구성되는 것이 바람직하다.In addition, the elastic tightening band 200 should be able to tighten the thigh so that the band can expand or contract even in the small movement of the thigh muscle, it is preferably configured to have a size smaller than the wearer's thigh circumference.

상기 탄성 덮개밴드(300)는 착용자의 보행과 같은 움직임시 상기 탄성 조임밴드(200)와 함께 팽창하거나 수축할 수 있는 탄성재질로 구성되며, 상기 압전센서(400)가 삽입되거나 이탈되는 통로를 형성하기 위해 일 측이 개방된 상태로 상기 탄성 조임밴드(200)에 덧대어지도록 구성된다.The elastic cover band 300 is formed of an elastic material that can expand or contract with the elastic tightening band 200 when the wearer moves, such as walking, and forms a passage through which the piezoelectric sensor 400 is inserted or detached. One side is configured to be padded to the elastic tightening band 200 in an open state.

이때, 상기 탄성 덮개밴드(300)는 탄성 조임밴드의 외측은 물론 내측에 덧대어질 수도 있으나, 압전센서의 수납과 이탈의 편의성을 추구하고, 착용시 차폐신호 전송선을 이루는 단자가 신체에 접하게 되어 불필요한 잡음이 유입되는 것을 방지할 수 있도록 상기 탄성 조임밴드(200)의 외측에 덧대어지는 것이 바람직하다.In this case, the elastic cover band 300 may be padded on the inner side as well as the outer side of the elastic tightening band, in order to facilitate the storage and detachment of the piezoelectric sensor, the terminal forming the shielding signal transmission line is in contact with the body when worn. It is preferable to be padded on the outer side of the elastic tightening band 200 to prevent noise from flowing.

또한, 상기 탄성 덮개밴드(300)의 형상이 특별히 제한되지는 않으나, 착용자의 움직임시 탄성 조임밴드가 팽창하거나 수축하는 방향으로 길게 형성된 압전센서 전체를 안정적으로 수납하는 삽입공간을 형성할 수 있도록 직사각형의 형상으로 이루어지는 것이 바람직하며, 상기 탄성 덮개밴드가 직사각형의 형상으로 이루어진 경우 박음질 등에 의해 세 변을 탄성 조임밴드(200)에 고정시키고 한 변만을 개방하여 압전센서의 수납통로를 형성할 수 있게 된다.In addition, the shape of the elastic cover band 300 is not particularly limited, but the rectangular shape to form an insertion space for stably housing the entire piezoelectric sensor formed long in the direction in which the elastic tightening band expands or contracts when the wearer moves. When the elastic cover band is formed in a rectangular shape, it is possible to fix the three sides to the elastic tightening band 200 by stitching and to open only one side to form a receiving passage of the piezoelectric sensor. .

이와 같이 상기 상부의 탄성 덮개밴드(300)와 하부의 탄성 조임밴드(200)로 이루어진 삽입공간에 삽입된 압전센서(400)는 상기 탄성 덮개밴드와 탄성 조임밴드에 상면과 하면이 접하게 되어 표면의 마찰력이 증가하게 되므로, 상기 탄성 덮개밴드 및 탄성 조임밴드와 함께 신축하면서 착용자의 허벅지 움직임을 인식할 수 있게 된다.As described above, the piezoelectric sensor 400 inserted into the insertion space including the upper elastic cover band 300 and the lower elastic tightening band 200 is in contact with the upper and lower surfaces of the elastic cover band and the elastic tightening band. Since the frictional force is increased, it is possible to recognize the thigh movement of the wearer while stretching together with the elastic cover band and elastic tightening band.

상기 압전센서(400)는 도 2, 도 3 및 도 4에 도시된 제1실시예와 같이 압전성 폴리비닐리덴 플루오라이드(PVDF) 필름(11) 및 상기 필름의 양면에 형성되는 전극(12)을 포함하여 이루어지는 압전감지유닛(10)과, 상기 압전감지유닛을 감싸는 탄성층(40)을 포함하여 구성되며, 상기 탄성층(40)은 도전성 카본블랙이 1 내지 3중량%로 함유된 실리콘 고무 조성물로 형성된다.The piezoelectric sensor 400 is a piezoelectric polyvinylidene fluoride (PVDF) film 11 and the electrode 12 formed on both sides of the film, as shown in the first embodiment shown in Figures 2, 3 and 4 It comprises a piezoelectric sensing unit 10 and an elastic layer 40 surrounding the piezoelectric sensing unit, the elastic layer 40 is a silicone rubber composition containing 1 to 3% by weight of conductive carbon black Is formed.

이때, 상기 탄성층(40)의 두께는 0.1 내지 1㎜이고, 압전센서(400)의 총 두께는 0.2 내지 2㎜인 것이 바람직하다.At this time, the thickness of the elastic layer 40 is 0.1 to 1mm, the total thickness of the piezoelectric sensor 400 is preferably 0.2 to 2mm.

이러한 상기 압전센서(400)의 제1실시예는, 압전성 폴리비닐리덴 플루오라이드(PVDF) 필름(11) 및 상기 필름의 양면에 형성되는 전극(12)을 포함하여 이루어지는 압전감지유닛(10)을 도전성 카본블랙이 1 내지 3중량%로 함유된 실리콘 고무 조성물로 감싸도록 코팅하여 제조된다.The first embodiment of the piezoelectric sensor 400 includes a piezoelectric polyvinylidene fluoride (PVDF) film 11 and a piezoelectric sensing unit 10 including electrodes 12 formed on both surfaces of the film. It is prepared by coating the conductive carbon black to be wrapped with a silicone rubber composition containing 1 to 3% by weight.

또한, 상기 압전센서(400)는 도 5에 도시된 제2실시예와 같이, 압전성 폴리비닐리덴 플루오라이드(PVDF) 필름(11) 및 상기 필름의 양면에 형성되는 전극(12)을 포함하여 이루어지는 압전감지유닛(10)과, 상기 압전감지유닛(10)을 감싸는 절연층(20)과, 상기 절연층을 감싸는 도전층(30), 및 상기 도전층을 감싸는 탄성층(40)을 포함하여 구성되며, 이때에도 상기 탄성층(40)은 도전성 카본블랙이 1 내지 3중량%로 함유된 실리콘 고무 조성물로 형성된다.In addition, the piezoelectric sensor 400 includes a piezoelectric polyvinylidene fluoride (PVDF) film 11 and electrodes 12 formed on both surfaces of the film, as in the second embodiment of FIG. 5. It comprises a piezoelectric sensing unit 10, an insulating layer 20 surrounding the piezoelectric sensing unit 10, a conductive layer 30 surrounding the insulating layer, and an elastic layer 40 surrounding the conductive layer. In this case, the elastic layer 40 is formed of a silicone rubber composition containing 1 to 3% by weight of conductive carbon black.

그에 따라, 도 5에 도시된 바와 같이 상기 압전센서(400)의 횡단면을 보면, 상기 압전성 PVDF 필름(11)을 중심으로 상부에 전극(12)이 위치하고, 상기 전극의 상부에는 절연층(20)이 위치하며, 상기 절연층의 상부에는 도전층(30)이 위치하고, 상기 도전층의 상부에는 탄성층(40)이 순차적으로 적층된 형태를 이루게 된다. 또한, 상기 압전성 PVDF 필름(11)을 중심으로 하부에도 동일한 순서로 전극과 절연층과 도전층 및 탄성층이 순차적으로 적층된 형태를 나타내게 된다.Accordingly, as shown in FIG. 5, when the cross section of the piezoelectric sensor 400 is viewed, an electrode 12 is positioned at an upper portion of the piezoelectric PVDF film 11 and an insulating layer 20 is formed on the electrode. In this position, the conductive layer 30 is positioned on the insulating layer, and the elastic layer 40 is sequentially stacked on the conductive layer. In addition, an electrode, an insulating layer, a conductive layer, and an elastic layer are sequentially stacked in the same order below the piezoelectric PVDF film 11.

이때 상기 절연층(20)은 실리콘 고무 조성물로 이루어지는 것이 바람직하며, 상기 도전층(30)은 도전성 카본블랙이 30중량% 이상 함유되는 것이 바람직하다. 또한, 이 경우 상기 절연층(20)의 두께가 0.01 내지 0.2㎜이며, 도전층(30)의 두께가 0.01 내지 0.2㎜이고, 탄성층(40)의 두께가 0.1 내지 1㎜이며, 압전센서(400)의 총 두께가 0.2 내지 2㎜인 것이 바람직하다.In this case, the insulating layer 20 is preferably made of a silicone rubber composition, and the conductive layer 30 preferably contains 30 wt% or more of conductive carbon black. In this case, the thickness of the insulating layer 20 is 0.01 to 0.2 mm, the thickness of the conductive layer 30 is 0.01 to 0.2 mm, the thickness of the elastic layer 40 is 0.1 to 1 mm, and the piezoelectric sensor ( It is preferable that the total thickness of 400) is 0.2 to 2 mm.

이러한 상기 압전센서(400)의 제2실시예는, 압전성 폴리비닐리덴 플루오라이드(PVDF) 필름 및 상기 필름의 양면에 형성되는 전극을 포함하여 이루어지는 압전감지유닛(10)을 감싸도록 실리콘 고무 조성물로 코팅하여 절연층(20)을 형성하는 단계와, 상기 절연층이 형성된 압전감지유닛을 감싸도록 도전성 카본블랙이 30중량% 이상 함유된 카본블랙 페이스트로 코팅하여 도전층(30)을 형성하는 단계, 및 상기 절연층 및 상기 도전층이 형성된 압전감지유닛을 감싸도록 도전성 카본블랙이 1 내지 3중량%로 함유된 실리콘 고무 조성물로 코팅하여 탄성층(40)을 형성하는 단계를 포함하는 제조된다.The second embodiment of the piezoelectric sensor 400 includes a piezoelectric polyvinylidene fluoride (PVDF) film and a silicon rubber composition to surround the piezoelectric sensing unit 10 including electrodes formed on both sides of the film. Coating to form an insulating layer 20 and coating the carbon black paste containing 30 wt% or more of conductive carbon black to surround the piezoelectric sensing unit on which the insulating layer is formed, thereby forming the conductive layer 30. And forming an elastic layer 40 by coating with a silicone rubber composition containing 1 to 3% by weight of conductive carbon black to surround the piezoelectric sensing unit on which the insulating layer and the conductive layer are formed.

이때, 상기 압전성 폴리비닐리덴 플루오라이드(PVDF) 필름은 비교적 간단한 단량체 구조인(-CH2-CF2-)n를 반복 단위로 하는 선상 고분자로서 분자 쇄 내에 존재하는 강한 C-F 쌍극자에 의하여 고분자 재료 중 가장 큰 유전율을 나타내며, 유기고분자로 이루어져 부식에 강하고, 가공성이 좋으며, 세라믹 압전재료가 파괴되는 구간에서도 견딜 수 있는 절연 강도를 갖고, 가벼울 뿐만 아니라 세라믹 계열의 압전재료에 비해 음향 임피던스가 상대적으로 낮아서 액체나 생체 조직 등과 같은 물질에 적용하는데 있어 유리한 장점이 있는 분극(poling)처리된 PVDF(압전성 폴리비닐리덴 플루오라이드)계 필름으로 구성된다.At this time, the piezoelectric polyvinylidene fluoride (PVDF) film is a linear polymer having a relatively simple monomer structure (-CH 2 -CF 2- ) n as a repeating unit, and is a polymer of high molecular weight due to the strong CF dipoles present in the molecular chain. It has the highest dielectric constant, is made of organic polymer, resistant to corrosion, good processability, has insulation strength that can withstand the breakdown of ceramic piezoelectric material, and is light and relatively low in acoustic impedance compared to ceramic piezoelectric materials. It consists of a polarized PVDF (piezoelectric polyvinylidene fluoride) based film which has advantageous advantages in application to materials such as liquids or biological tissues.

상기 압전성 폴리비닐리덴 플루오라이드(PVDF) 필름은 외부 자극 등에 의해 변형이나 응력이 가해지면 수축하거나 팽창하면서 전하분포나 전기장이 발생하는 특성을 갖는데, 이처럼 변형이 생기는 순간에 전하가 발생하므로 그에 따른 전기적 신호의 발생을 인식하여 호흡에 의한 흉곽의 수축 팽창처럼 압전성 PVDF 필름에 변형을 가하는 변화가 있는지의 여부를 판단할 수 있게 된다.The piezoelectric polyvinylidene fluoride (PVDF) film has a property of generating a charge distribution or an electric field as it contracts or expands when deformation or stress is applied due to an external stimulus. By recognizing the occurrence of the signal, it is possible to determine whether there is a change in deformation of the piezoelectric PVDF film, such as contraction expansion of the rib cage by breathing.

또한, 상기 압전센서(400)의 전극으로는 주로 은을 사용하는데, 은 잉크로 압전성 PVDF 필름의 양면을 각각 별도로 코팅하는 방법을 사용할 수 있다.In addition, silver is mainly used as an electrode of the piezoelectric sensor 400, and a method of separately coating both surfaces of the piezoelectric PVDF film with silver ink may be used.

압전센서를 구성하는 압전감지유닛의 손상, 즉 전극 또는 압전성 PVDF 필름의 손상을 방지하기 위해서는 압전감지유닛(10)을 코팅할 필요가 있다. 그리고 이 압전감지유닛에 신체의 수축 및 팽창 운동을 효과적으로 전달하기 위해서는 신체와의 밀착성 및 신축성이 우수한 재질로 코팅할 필요가 있다. 여기에 적용할 수 있는 코팅제로 고무 재질을 생각할 수 있는데, 일반적인 고무 재질로 코팅을 시도할 경우, 코팅을 위해 사용되는 용제가 압전성 PVDF 필름 또는 전극을 손상시키는 문제가 발생할 수 있다. 하지만, 실리콘 고무로 코팅을 시도할 경우, 특별한 용제를 사용하지 않고도 코팅이 용이하기 때문에 상기와 같은 문제가 발생하지 않게 된다. 따라서 본 발명에서는 압전감지유닛의 코팅제, 즉 탄성층에 실리콘 고무를 사용하였다.In order to prevent damage to the piezoelectric sensing unit constituting the piezoelectric sensor, that is, damage to the electrode or the piezoelectric PVDF film, it is necessary to coat the piezoelectric sensing unit 10. In order to effectively transmit the contraction and expansion motion of the body to the piezoelectric sensing unit, it is necessary to coat with a material having excellent adhesion and elasticity with the body. It is possible to think of a rubber material as a coating that can be applied to this. When attempting a coating with a general rubber material, a problem may occur that the solvent used for coating damages the piezoelectric PVDF film or the electrode. However, when attempting to coat with silicone rubber, such a problem does not occur because the coating is easy without using a special solvent. Therefore, in the present invention, a silicone rubber was used for the coating of the piezoelectric sensing unit, that is, the elastic layer.

실리콘 고무만으로 코팅하게 되면, 상기와 같은 압전감지유닛의 손상 방지 및 신체와의 밀착효과를 어느 정도 달성할 수 있으나, 압전센서의 특성상 감지하고자 하는 신호 이외에 다른 원인으로 발생할 수 있는 잡음 신호, 예를 들어 운동 중 움직임에 의한 잡음 신호 또는 드릴과 같은 장비로 인해 발생되는 전기적인 잡음 신호에 따른 생체신호 감지 저해 문제를 해결하기는 어렵다. 또한, 상기 실리콘 고무로만 코팅된 센서는 내구성이 낮아 오랫동안 사용하기 곤란하기 때문에 인성(toughness)을 보다 증가시킬 필요가 있다.If only the silicone rubber is coated, the piezoelectric sensing unit can prevent damage to the piezoelectric sensing unit as described above and achieve close contact with the body to some degree. For example, it is difficult to solve the problem of inhibiting the detection of a biosignal caused by an electrical noise signal generated by a noise signal caused by movement during movement or equipment such as a drill. In addition, the sensor coated only with the silicone rubber is low in durability and difficult to use for a long time, so it is necessary to further increase toughness.

이를 위하여, 본 발명에서는 상기와 같은 두 가지의 주요 문제점을 동시에 해결하기 위해 실리콘 고무에 도전성 필러(filler) 물질을 적용하였다.To this end, in the present invention, a conductive filler material is applied to the silicone rubber in order to simultaneously solve the above two main problems.

이때, 상기 도전성 필러로는 다양한 도전성 금속물질, 탄소나노튜브(CNT), 그라핀 등을 사용할 수 있는데, 이들은 실리콘 고무에 분산시키기 어렵고, 고른 분산을 위해서는 복잡한 추가 공정이 필요하거나 많은 비용이 발생한다는 문제점이 있다.In this case, as the conductive filler, various conductive metal materials, carbon nanotubes (CNT), graphene, and the like may be used, which are difficult to disperse in silicone rubber, and require a complicated additional process or costly dispensing for even dispersion. There is a problem.

반면, 도전성 카본블랙은 상기와 같은 도전성 필러와는 달리 실리콘 고무에 분산시키는 것이 용이하고 작업이 간편하며 비용이 적게 든다는 장점이 있기 때문에, 본 발명에서는 도전성 필러로 도전성 카본블랙을 선택하였으며, 이러한 도전성 카본블랙을 적용하여 압전센서를 제조한 결과, 압전센서의 잡음 신호 문제를 해결하고 인성을 증가시키는데 매우 효과적이라는 것을 확인하였다. 대표적인 도전성 카본블랙으로는 캐천블랙(Ketjen black)이 있다. 캐천블랙은 도전성이 뛰어나며 특히 실리콘 고무에 함유시키기 용이하기 때문에, 본 발명에 적합하다. 특히 가장 적합한 캐천블랙(Ketjen black)은 초미세분말상인 캐천블랙 ECP600JD(Ketjen black ECP600JD)이다.On the other hand, the conductive carbon black, unlike the conductive filler as described above has the advantage that it is easy to disperse in the silicone rubber, easy to operate and low cost, in the present invention, the conductive carbon black was selected as the conductive filler, such conductive As a result of manufacturing the piezoelectric sensor using carbon black, it was confirmed that the piezoelectric sensor was very effective in solving the noise signal problem and increasing the toughness. Representative conductive carbon black is Ketjen black. The catch black is suitable for the present invention because it is excellent in conductivity and particularly easy to be contained in silicone rubber. The most suitable Ketjen black is Ketjen black ECP600JD, which is an ultra fine powder.

또한, 상기 압전센서의 잡음 신호 문제 해결 및 인성 증가를 위해서는 탄성층(40)에 도전성 카본블랙이 1 내지 3중량%로 함유되는 것이 바람직하다. 카본블랙의 함량이 낮을 경우 잡음 신호 문제 해결 및 인성 증가 효과를 기대하기 어렵고, 높을 경우 탄성층이 지나치게 경화되기 때문에 신체의 수축 및 팽창 운동이 압전성 PVDF 필름에 전달되지 않거나 압전성 PVDF 필름 자체의 수축 및 팽창이 저해될 수 있기 때문이다.In addition, in order to solve the noise signal problem and increase the toughness of the piezoelectric sensor, it is preferable that the conductive layer 40 contain 1 to 3% by weight of conductive carbon black. When the carbon black content is low, it is difficult to solve the noise signal problem and increase the toughness. When the carbon black content is high, the elastic layer is excessively cured, so that the contraction and expansion movements of the body are not transmitted to the piezoelectric PVDF film or the piezoelectric PVDF film itself shrinks and This is because expansion can be inhibited.

또한, 본 발명의 압전센서(400)를 제조하기 위해, 압전감지유닛을 도전성 카본블랙이 함유된 실리콘 고무 조성물로 코팅하는 방법을 사용할 수 있으며, 이때 코팅을 위한 조성물은 액상 실리콘 고무에 도전성 카본블랙을 첨가하고 혼합하는 방법으로 제조할 수 있고, 코팅을 용이하게 하기 위해 점착제, 경화제 등을 추가로 첨가하여 제조할 수 있다. 본 발명의 분야에서 일반적으로 많이 사용되는 실리콘 엘라스토머 베이스와 경화제를 혼합하여 사용하는 형식의 2액형 실리콘 고무 제품을 사용할 수 있으며, 이 경우 카본블랙의 분산정도를 높이기 위해 실리콘 엘라스토머 베이스와 카본블랙을 먼저 혼합하고 이후 경화제를 혼합하는 순서로 제조하는 것이 바람직하다. 이들을 혼합한 다음에는 진공 데시게이터 등의 장치를 이용하여 코팅 조성물의 기포를 제거하는 것이 좋다. 또한 도전성 카본블랙의 분산을 보다 용이하게 하기 위해 도전성 카본블랙을 페이스트의 형태로 제조한 다음 이를 실리콘 고무와 혼합하는 방법을 사용할 수 있다. 도전성 카본블랙 페이스트는 도전성 카본블랙, 분산제 및 바인더 수지를 혼합하여 제조할 수 있다.In addition, in order to manufacture the piezoelectric sensor 400 of the present invention, a method of coating the piezoelectric sensing unit with a silicone rubber composition containing conductive carbon black may be used, wherein the composition for coating is conductive carbon black on a liquid silicone rubber. It can be prepared by the method of adding and mixing, and in order to facilitate the coating can be prepared by further adding an adhesive, a curing agent and the like. In the field of the present invention, a two-component silicone rubber product of a type used by mixing a silicone elastomer base and a curing agent generally used may be used, and in this case, the silicone elastomer base and the carbon black are first used to increase the dispersion degree of the carbon black. It is preferred to prepare in the order of mixing and then mixing the curing agent. After mixing these, it is preferable to remove bubbles of the coating composition by using a device such as a vacuum desiccator. In addition, in order to more easily disperse the conductive carbon black, a method of preparing the conductive carbon black in the form of a paste and then mixing it with a silicone rubber may be used. The conductive carbon black paste can be prepared by mixing conductive carbon black, a dispersant, and a binder resin.

상기 코팅 조성물을 유리판 등의 지지체 위에 얇게 펴서 코팅층을 형성한 다음 열처리하여 부분 경화시키고, 압전감지유닛을 올린 다음 다시 상기 코팅 조성물을 얇게 펴서 코팅층을 형성하고 열처리하여 완전 경화시키는 방법으로 상기 압전센서를 제조할 수 있다. 이때 열처리 온도는 60 내지 80℃가 적당하고, 10 내지 40분간 이루어지는 것이 바람직하다. 상기 열처리를 위해 오븐을 사용할 수 있다.The piezoelectric sensor is formed by spreading the coating composition thinly on a support such as a glass plate to form a coating layer and then partially hardening it by heat treatment, then raising the piezoelectric sensing unit, and then again spreading the coating composition to form a coating layer, followed by heat treatment to completely cure the piezoelectric sensor. It can manufacture. At this time, the heat treatment temperature is suitably 60 to 80 ° C, preferably 10 to 40 minutes. An oven can be used for the heat treatment.

본 발명의 압전센서(400)에서 탄성층(40)을 구성할 때 도전성 카본블랙의 함량을 높이면 잡음 신호 문제를 해결하는데 유리해 질 수 있으나, 탄성층의 경화도가 높아지기 때문에 적당한 신축성을 요구하는 압전센서에 적합하지 못하다. 따라서 보다 효율적인 잡음 신호 문제의 해결을 위해서 별도의 도전층(30)을 구비하는 것이 좋다.When configuring the elastic layer 40 in the piezoelectric sensor 400 of the present invention, increasing the content of the conductive carbon black may be advantageous to solve the noise signal problem, but the piezoelectric body requires moderate elasticity because the elasticity of the elastic layer is increased. Not suitable for sensor Therefore, it is preferable to provide a separate conductive layer 30 to solve the noise signal problem more efficiently.

그에 따라, 상기 압전센서(400)의 제2실시예와 같이, 상기 탄성층(40) 이전에 압전감지유닛을 감싸는 도전층(30)을 더 포함하여 이루어지는 것이 바람직하며, 본 발명에서 상기 도전층(30)은 도전성 물질이 30중량% 이상 함유된 층으로 정의한다. 도전성 물질이 함유된다는 점에서 상기 탄성층과 혼동될 수 있으나, 도전성 물질의 함량으로 구분할 수 있다.Accordingly, as in the second embodiment of the piezoelectric sensor 400, it is preferable that the conductive layer 30 further includes a conductive layer 30 surrounding the piezoelectric sensing unit before the elastic layer 40. (30) is defined as a layer containing 30 wt% or more of a conductive material. Although it may be confused with the elastic layer in that the conductive material is contained, it may be classified by the content of the conductive material.

도전성 물질로는 도전성 금속물질, 탄소나노튜브(CNT), 그라핀 등을 사용할 수 있는데, 본 발명에서는 도전성 카본블랙을 사용하는 것이 비용절감 및 공정 단순화의 측면에서 바람직하다.As the conductive material, a conductive metal material, carbon nanotube (CNT), graphene, or the like may be used. In the present invention, it is preferable to use conductive carbon black in view of cost reduction and process simplification.

상기 도전층(30)은 도전성 물질이 포함된 용액으로 코팅하여 형성시킬 수 있으며, 코팅을 용이하게 하기 위한 점착제, 도전성 물질의 분산을 용이하게 하기 위한 분산제 등을 용액에 첨가할 수 있다.The conductive layer 30 may be formed by coating with a solution containing a conductive material, and an adhesive for facilitating coating and a dispersant for facilitating dispersion of the conductive material may be added to the solution.

도전층을 형성하기 위해 도전성 물질로 도전성 카본블랙을 사용하는 경우, 페이스트의 형태로 제조하여 사용하는 것이 코팅의 용이성을 위해 바람직하다. 도전성 카본블랙 페이스트는 도전성 카본블랙, 분산제 및 바인더 수지를 혼합하여 제조할 수 있다.When conductive carbon black is used as the conductive material to form the conductive layer, it is preferable to prepare and use in the form of a paste for ease of coating. The conductive carbon black paste can be prepared by mixing conductive carbon black, a dispersant, and a binder resin.

도전성 물질로 도전성 카본블랙을 사용하는 경우, 코팅 및 분산을 용이하게 하기 위해 일반적으로 사용되는 용매가 압전감지유닛의 전극이나 이 전극을 보호하기 위해 형성한 고분자 보호막과 반응하여 손상시킬 수 있기 때문에, 도전층(30) 이전에 전극을 보호하기 위한 층, 즉 본 발명의 절연층(20)을 별도로 구성하는 것이 바람직하다. 이 층은 전극을 통하는 전기신호가 도전층에 전달되지 않도록 절연물질로 이루어지는 것이 바람직하다.In the case where conductive carbon black is used as the conductive material, a solvent generally used to facilitate coating and dispersion may be damaged by reacting with the electrode of the piezoelectric sensing unit or the polymer protective film formed to protect the electrode. Before the conductive layer 30, it is preferable to separately configure a layer for protecting the electrode, that is, the insulating layer 20 of the present invention. This layer is preferably made of an insulating material so that electrical signals through the electrodes are not transmitted to the conductive layer.

참고로, 압전감지유닛의 전극은 매우 얇게 형성되기 때문에 작업 시 손상될 우려가 있다. 이에 압전감지유닛을 별도로 제작하여 유통하거나 보관할 때에는 전극의 손상을 방지하기 위하여, 전극의 노출부에 별도의 얇은 고분자 보호층을 형성시키는데, 본 발명의 압전센서를 제조할 때 이와 같이 전극의 보호를 위한 고분자 보호층이 존재하는 상태의 압전감지유닛을 사용할 수 있다.For reference, since the electrode of the piezoelectric sensing unit is formed very thin, it may be damaged during operation. Accordingly, when the piezoelectric sensing unit is separately manufactured and distributed or stored, in order to prevent damage to the electrode, a separate thin polymer protective layer is formed on the exposed portion of the electrode. The piezoelectric sensing unit in a state where the polymer protective layer is present may be used.

절연층(20)은 다양한 탄성 물질로 구성할 수 있으나, 실리콘 고무의 경우 코팅을 위해 사용되는 물질들이 압전성 PVDF 필름, 은 전극 및 박막의 고분자 보호층을 손상시키지 않기 때문에, 가장 바람직하다. 이때 절연층(20)은 되도록 얇게 형성하는 것이 바람직하다.The insulating layer 20 may be made of various elastic materials, but in the case of silicone rubber, the materials used for coating do not damage the piezoelectric PVDF film, the silver electrode, and the polymer protective layer of the thin film. At this time, the insulating layer 20 is preferably formed as thin as possible.

이상과 같이 절연층 및 도전층이 추가된 압전센서(400)는 도 5에 도시된 바와 같은 형태로 구성될 수 있다.As described above, the piezoelectric sensor 400 having the insulating layer and the conductive layer added thereto may be configured as shown in FIG. 5.

본 발명의 압전센서를 스마트 의류 등에 적용할 경우, 압전센서의 두께가 너무 두꺼우면 압전센서가 적용된 의류의 착용감이 좋지 않기 때문에 얇으면서 신체의 수축 운동 등을 효과적으로 감지할 수 있어야 한다. 이러한 문제를 해결하기 위해 제조된 압전센서(400)의 최종 두께는 2㎜ 이하인 것이 바람직하다.When the piezoelectric sensor of the present invention is applied to a smart garment or the like, if the thickness of the piezoelectric sensor is too thick, the piezoelectric sensor should be able to effectively sense the contraction movement of the body while being thin because the wearability of the piezoelectric sensor is not good. The final thickness of the piezoelectric sensor 400 manufactured to solve this problem is preferably 2mm or less.

상기 차폐신호 전송선(500)은 상기 압전센서를 이루는 전극에 연결되어 착용자가 운동할 때 발생되는 허벅지 근육의 팽창이나 수축에 따라 발생되는 전기적 신호를 상기 제어부(600)로 전송하는 도선으로 구성된다.The shielding signal transmission line 500 is connected to an electrode constituting the piezoelectric sensor and is composed of a conductive wire which transmits an electrical signal generated by the expansion or contraction of the thigh muscles generated when the wearer moves.

이때, 상기 차폐신호 전송선(500)은 전기적 신호를 전송하는 단순 도선으로 구성될 수 있음은 물론, 전기적 신호를 전송하는 도체로 이루어진 심사가 내부에 놓이고, 그 둘레를 절연층/차폐선/절연층 순으로 순차적으로 감싸도록 구성되는 것이 바람직하다.In this case, the shielded signal transmission line 500 may be composed of a simple conductor for transmitting an electrical signal, as well as a screen made of a conductor for transmitting the electrical signal is placed therein, and the insulation layer / shielding line / insulation around the shielding signal transmission line 500. It is preferably configured to wrap sequentially in layer order.

상기 제어부(600)는 상기 차폐신호 전송선을 통하여 전송되는 전기적 신호를 수신하여 근육의 운동량을 연산한 후 소비된 칼로리 등의 운동정도를 수치화하여 제공하는 연산부(610)와, 상기 연산부에서 연산된 근육의 운동량과 상기 차폐신호 전송선을 통하여 전송된 전기적 신호를 저장하는 메모리로 이루어진 저장부(620)와, 상기 연산부에서 연산된 근육의 운동량을 무선으로 연결되어 있는 착용자의 스마트폰이나 일정 거리 이격되어 있는 서버시스템으로 전송할 수 있는 통신수단으로 이루어진 무선송신부(630)를 더 포함하여 구성되는 것이 바람직하다.The control unit 600 receives an electrical signal transmitted through the shielding signal transmission line, calculates the amount of exercise of the muscles, and calculates and provides a degree of exercise such as calories consumed, and the muscles calculated by the operation unit. The storage unit 620 made of a memory for storing the amount of exercise and the electrical signal transmitted through the shielding signal transmission line, and the amount of exercise of the muscle calculated by the calculation unit is connected to the wearer's smartphone or a certain distance It is preferably configured to further include a wireless transmitter 630 made of communication means capable of transmitting to the server system.

이와 같이, 상기 제어부(600)가 무선송신부(630)를 포함하여 구성될 경우 착용자가 운동하거나 일상생활을 영위하는 동안에도 근육의 운동정도를 지속적으로 모니터링 하면서 보행이나 주행 중의 소비운동에너지까지 평가할 수 있게 되어 착용자의 건강상태를 지속적으로 확인할 수 있게 된다.As such, when the control unit 600 is configured to include the wireless transmitter 630, the wearer can evaluate the kinetic energy consumed while walking or driving while continuously monitoring the degree of muscle movement even while the wearer is exercising or performing daily activities. It will be able to continuously check the health of the wearer.

이때, 상기 연산부(610)는 허벅지 근육의 변형에 따라 압전센서에서 발생되는 전기적 신호인 압전신호를 정류화한 후 적분함으로써, 일정 시간 동안 소비된 운동에너지를 연산하도록 구성되는 것이 바람직하다.In this case, the calculating unit 610 is preferably configured to calculate the kinetic energy consumed for a predetermined time by rectifying and integrating the piezoelectric signal, which is an electrical signal generated from the piezoelectric sensor according to the deformation of the thigh muscle.

상기 압전센서를 이루는 압전성 PVDF 필름에서는 허벅지 근육의 변형에 따라 팽창하는 탄성 조임밴드와 함께 팽창하면서 전기적 신호인 양(+)의 압전신호가 발생하고, 원래의 상태로 수축하는 탄성 조임밴드와 함께 수축하면서 전기적 신호인 음(-)의 압전신호를 생성하게 된다. 이때, 허벅지 근육의 변형 정도, 즉 탄성 조임밴드와 압전성 PVDF 필름에 가해지는 외력의 세기가 클수록 발생되는 압전신호의 크기도 비례적으로 크게 나타난다. 따라서, 시간에 따른 압전신호 곡선으로 나타나는 면적의 크기를 구하여 소비된 운동에너지를 연산할 수 있게 된다.In the piezoelectric PVDF film constituting the piezoelectric sensor, a positive (+) piezoelectric signal, which is an electrical signal, is generated while expanding with an elastic tightening band that expands according to deformation of the thigh muscle, and contracts with an elastic tightening band that contracts to its original state. In addition, a negative piezoelectric signal, which is an electrical signal, is generated. At this time, the larger the degree of deformation of the thigh muscle, that is, the intensity of the external force applied to the elastic tightening band and the piezoelectric PVDF film, the larger the magnitude of the piezoelectric signal is generated. Therefore, it is possible to calculate the kinetic energy consumed by obtaining the size of the area represented by the piezoelectric signal curve over time.

상기 압전신호는 양(+)의 값과 음(-)의 값이 교대로 나타나기 때문에 압전신호 곡선 자체를 적분할 경우 0의 값이 되므로, 상기 압전성 PVDF 필름을 통하여 측정된 압전신호를 정류화하는 등 모두 양의 값을 갖는 신호곡선을 만든 후에 적분함으로써 일정시간 동안 소비된 운동에너지를 평가할 수 있게 된다.The piezoelectric signal has a value of 0 when the piezoelectric signal curve itself is integrated since the positive and negative values are alternately displayed, thereby rectifying the piezoelectric signal measured through the piezoelectric PVDF film. By integrating the signal curves with both positive values and the like, the kinetic energy consumed for a certain time can be evaluated.

또한, 상기 제어부(600)는 상기 압전센서로부터 전기적 신호를 수신하여 운동량이나 운동에너지를 연산하며, 이를 저장부에 저장하거나 무선전송하기 위한 전원을 독립적으로 공급할 수 있는 배터리 등의 전원공급부(640)를 더 포함하여 구성되는 것이 바람직하다.In addition, the control unit 600 receives the electrical signal from the piezoelectric sensor to calculate the momentum or kinetic energy, the power supply unit 640 such as a battery that can independently supply the power for storing or wireless transmission to the storage unit It is preferably configured to further include.

다음에는 이와 같이 구성된 본 발명에 따른 압전센서를 제조하는 실시예를 설명한다.Next, an embodiment of manufacturing a piezoelectric sensor according to the present invention configured as described above will be described.

먼저, 제1실시예에 따른 압전센서를 제조하기 위하여, 압전감지유닛(두께 52㎛, 폭 5㎜, 길이 30㎜)을 도전성 카본블랙이 함유된 실리콘 고무로 코팅(탄성층)하여 제조하였다.First, in order to manufacture the piezoelectric sensor according to the first embodiment, a piezoelectric sensing unit (thickness 52 μm, width 5 mm, length 30 mm) was manufactured by coating (elastic layer) with silicon rubber containing conductive carbon black.

이때, 다우코닝(Dow corning)사의 실가드/B(Sylgard/B) 실리콘 엘라스토머 키트 및 케천 블랙(Ketjen black) ECP600JD를 사용하였다. 실가드/B 실리콘 엘라스토머 키트는 주제와 촉매(경화제)로 구성된 2액형 실리콘 엘라스토머 키트이며, 케천 블랙 ECP600JD는 미세분말형 전도성 카본블랙이다.At this time, Dow Corning's Silgard / B silicone elastomer kit and Ketjen black ECP600JD were used. The SealGuard / B Silicone Elastomer Kit is a two-component silicone elastomer kit consisting of a main body and a catalyst (curing agent), and Ketchen Black ECP600JD is a fine powder type conductive carbon black.

실리콘 엘라스토머 베이스(Sylgard) 및 케천 블랙 ECP600JD를 97 : 3 중량비로 2분간 혼합하였다. 여기에 상기 실리콘 엘라스토머 베이스(Sylgard) 대비 10중량%의 실리콘 엘라스토머 경화제(Sylgard)를 첨가한 다음 2분간 혼합하였다. 혼합과정 중 용액 내부로 침투한 기포를 제거하기 위하여 진공 데시게이터로 20분간 처리하였다.Silicone elastomer base (Sylgard) and Ketchen Black ECP600JD were mixed at 97: 3 weight ratio for 2 minutes. To this was added 10% by weight of silicone elastomer curing agent (Sylgard ) compared to the silicone elastomer base (Sylgard) and then mixed for 2 minutes. In order to remove the air bubbles penetrating into the solution during the mixing process it was treated with a vacuum desiccator for 20 minutes.

이렇게 제조된 혼합용액을 유리판 위에 얇게 펴고, 60 ~ 80℃의 오븐에서 10 ~ 30분간 열처리하였다. 열처리로 부분 경화되어 흐름성은 없지만 점착성을 갖는 실리콘 고무 코팅층 위에 압전감지유닛을 올려놓고 다시 한 번 혼합용액을 얇게 펴고 60 ~ 80℃의 오븐에서 30분간 열처리하여 압전센서를 제작하였다.The mixed solution thus prepared was thinly spread on a glass plate and heat-treated for 10 to 30 minutes in an oven at 60 to 80 ° C. Partially hardened by heat treatment, but not flowable, but the piezoelectric sensing unit was placed on the silicone rubber coating layer having adhesiveness, and the mixed solution was once again thinly heat-treated in an oven at 60 to 80 ° C. for 30 minutes to produce a piezoelectric sensor.

각 전극에 연결되어 있는 두 개의 핀에 접착성 전도성 테이프를 이용하여 각각 신호선과 차폐선을 연결하였으며 접착력을 높여주기 위하여 초음파 분산기(ultrasonic homogenizer, HT-200u, HAN TECH Co.)를 사용하여 초음파 압착시켰다. 두 개의 전극 핀 사이에 합선이 일어나지 않도록 부도체로 절연시켰다.The signal and shield lines were connected to each of the two pins connected to each electrode using an adhesive conductive tape. Ultrasonic crimping was performed using an ultrasonic homogenizer (HT-200u, HAN TECH Co.) to increase adhesion. I was. Insulators were insulated to prevent short circuits between the two electrode pins.

다음에는, 제2실시예에 따른 압전센서를 제조하기 위하여, 압전감지유닛(두께 52㎛, 폭 5㎜, 길이 30㎜)을 실리콘 고무로 먼저 코팅(절연층)하고, 이후 도전성 카본블랙 페이스트로 코팅(도전층)한 다음, 마지막에 도전성 카본블랙이 함유된 실리콘 고무로 코팅(탄성층)하여 압전센서를 제조하였다.Next, in order to manufacture the piezoelectric sensor according to the second embodiment, the piezoelectric sensing unit (thickness 52 μm, width 5 mm, length 30 mm) was first coated (insulated layer) with silicone rubber, and then conductive carbon black paste. After coating (conductive layer), the piezoelectric sensor was manufactured by coating (elastic layer) with silicon rubber containing conductive carbon black at the end.

상기 제1실시예에서와 동일하게 다우코닝(Dow corning)사의 실가드/B 실리콘 엘라스토머 키트 및 케천 블랙 ECP600JD를 사용하였으며 전도성 카본페이스트(용제형)는 국내 KLK사 제품을 사용하였다.In the same manner as in the first embodiment, Dow Corning's Seal Guard / B silicone elastomer kit and Ketchen Black ECP600JD were used, and conductive carbon paste (solvent type) was used for domestic KLK company.

실리콘 엘라스토머 베이스(Sylgard)에 대비 10중량%의 실리콘 엘라스토머 경화제(Sylgard)를 첨가한 다음 2분간 혼합하였다. 혼합과정 중 용액 내부로 침투한 기포를 제거하기 위하여 진공 데시게이터로 20분간 처리하였다. 이렇게 제조된 혼합용액을 압전감지유닛의 표면에 얇게 펴고, 60 ~ 80℃의 오븐에서 30분간 열처리하였다.A silicone elastomer curing agent (Sylgard ) of 10% by weight relative to the silicone elastomer base (Sylgard) was added and then mixed for 2 minutes. In order to remove the air bubbles penetrating into the solution during the mixing process it was treated with a vacuum desiccator for 20 minutes. The mixed solution thus prepared was thinly spread on the surface of the piezoelectric sensing unit and heat-treated in an oven at 60 ° C. to 80 ° C. for 30 minutes.

실리콘 고무 코팅층(절연층) 표면에 KLK 사의 전도성 카본페이스트(용제형)를 얇게 펴고, 60 ~ 80℃의 오븐에서 30분간 열처리하였다. 실리콘 엘라스토머 베이스(Sylgard) 및 전도성 카본 블랙인 케천 블랙 ECP600JD를 97 : 3 중량비로 2분간 혼합하였다. 여기에 상기 실리콘 엘라스토머 베이스(Sylgard) 대비 10중량%의 실리콘 엘라스토머 경화제(Sylgard)를 첨가한 다음 2분간 혼합하였다. 혼합과정 중 용액 내부로 침투한 기포를 제거하기 위하여 진공 데시게이터로 20분간 처리하였다. 이렇게 제조된 혼합용액을 도전성 카본블랙 코팅층 위에 얇게 펴고, 60 ~ 80 ℃의 오븐에서 30분간 열처리하여 압전센서를 제작하였다.KLK's conductive carbon paste (solvent type) was spread thinly on the surface of the silicone rubber coating layer (insulating layer) and heat-treated in an oven at 60 to 80 ° C for 30 minutes. Silicone elastomer base (Sylgard) and Ketchen Black ECP600JD, a conductive carbon black, were mixed for 2 minutes in a 97: 3 weight ratio. To this was added 10% by weight of silicone elastomer curing agent (Sylgard ) compared to the silicone elastomer base (Sylgard) and then mixed for 2 minutes. In order to remove the air bubbles penetrating into the solution during the mixing process it was treated with a vacuum desiccator for 20 minutes. The mixed solution thus prepared was thinly spread on the conductive carbon black coating layer and heat-treated in an oven at 60 to 80 ° C. for 30 minutes to produce a piezoelectric sensor.

각 전극에 연결되어 있는 두 개의 핀에 접착성 전도성 테이프를 이용하여 각각 신호선과 차폐선을 연결하였으며 접착력을 높여주기 위하여 초음파 분산기(ultrasonic homogenizer, HT-200u, HAN TECH Co.)를 사용하여 초음파 압착시켰다. 두 개의 전극 핀 사이에 합선이 일어나지 않도록 부도체로 절연시켰다.The signal and shield lines were connected to each of the two pins connected to each electrode using an adhesive conductive tape. Ultrasonic crimping was performed using an ultrasonic homogenizer (HT-200u, HAN TECH Co.) to increase adhesion. I was. Insulators were insulated to prevent short circuits between the two electrode pins.

다음에는 본 발명에 따른 근육의 운동신호 측정이 가능한 스마트 팬츠를 착용하고 착용자가 시속 3㎞, 시속 5㎞ 및 시속 7㎞로 운동할 때에 근육의 운동신호를 측정하는 것을 설명한다.Next, a description will be given of measuring the exercise signal of the muscle when the wearer wears a smart pants capable of measuring the exercise signal of the muscle according to the present invention and the wearer exercises at 3 km, 5 km and 7 km per hour.

도 6은 본 발명에 따른 압전센서(도전성 카본블랙이 함유된 실리콘 고무 코팅)를 이용하여 허벅지 근육의 운동을 측정하여 나타낸 것으로서, 에크날리지 4.1에 의해서 수집된 신호데이터를 모니터로 출력한 결과를 나타낸 그래프이고, 도 7은 바이오노메딕스 EMG 모듈(Bionomadix EMG module)과 의료용 Ag/AgCl 겔전극을 이용하여 3km/h로 주행 시 허벅지의 근전도를 측정하여 나타낸 그래프이며, 도 8은 본 발명에 따른 스마트 팬츠에 구비된 압전센서(도전성 카본블랙이 함유된 실리콘 고무 코팅)를 이용하여 3km/h로 주행 시 허벅지 근육의 운동을 측정하여 나타낸 그래프이다.Figure 6 shows the measurement of the movement of the thigh muscle using a piezoelectric sensor (silicon rubber coating containing conductive carbon black) according to the present invention, showing the result of outputting the signal data collected by Ecnaridge 4.1 to the monitor Figure 7 is a graph showing the measurement of the EMG of the thigh when driving at 3km / h using a Bionomedics EMG module (Bionomadix EMG module) and a medical Ag / AgCl gel electrode, Figure 8 is a smart according to the present invention It is a graph showing the measurement of the thigh muscle movement when driving at 3km / h using a piezoelectric sensor (silicon rubber coating containing conductive carbon black) provided in the pants.

또한, 도 9는 바이오노메딕스 EMG 모듈(Bionomadix EMG module)과 의료용 Ag/AgCl 겔전극을 이용하여 5km/h로 주행 시 허벅지의 근전도를 측정하여 나타낸 그래프이고, 도 10은 본 발명에 따른 스마트 팬츠에 구비된 압전센서(도전성 카본블랙이 함유된 실리콘 고무 코팅)를 이용하여 5km/h로 주행 시 허벅지 근육의 운동을 측정하여 나타낸 그래프이며, 도 11은 바이오노메딕스 EMG 모듈(Bionomadix EMG module)과 의료용 Ag/AgCl 겔전극을 이용하여 7km/h로 주행 시 허벅지의 근전도를 측정하여 나타낸 그래프이고, 도 12는 본 발명에 따른 스마트 팬츠에 구비된 압전센서(도전성 카본블랙이 함유된 실리콘 고무 코팅)를 이용하여 7km/h로 주행 시 허벅지 근육의 운동을 측정하여 나타낸 그래프이다.In addition, Figure 9 is a graph showing the measurement of the EMG of the thigh when driving at 5km / h using a Bionomedics EMG module (Bionomadix EMG module) and a medical Ag / AgCl gel electrode, Figure 10 is a smart pants according to the present invention The piezoelectric sensor (silicon rubber coating containing conductive carbon black) included in the graph shows the measurement of the thigh muscle movement when driving at 5 km / h, and FIG. 11 is a bionodic EMG module (Bionomadix EMG module). It is a graph showing the measurement of the electromyography of the thigh when running at 7km / h using a medical Ag / AgCl gel electrode, Figure 12 is a piezoelectric sensor (silicon rubber coating containing conductive carbon black) provided in the smart pants according to the present invention This is a graph showing the measurement of thigh muscle movement when driving at 7km / h.

본 발명에 따른 근육의 운동신호 측정이 가능한 스마트 팬츠를 착용하고, 압전센서(400)를 탄성 덮개밴드(300)와 탄성 조임밴드(200)의 사이에 형성되는 삽입공간에 끼워 넣음으로써, 압전센서(400)가 탄성 조임밴드(200)의 장력에 의해 일정 정도 가압되면서 허벅지 부위에 위치할 수 있게 한다.Wearing a smart pants capable of measuring the exercise signal of the muscle according to the present invention, by inserting the piezoelectric sensor 400 in the insertion space formed between the elastic cover band 300 and the elastic tightening band 200, piezoelectric sensor 400 is pressed to some extent by the tension of the elastic tightening band 200 to be located in the thigh.

이때, 상기 압전센서를 이루는 압전성 PVDF 필름은 힘(압력/장력)에 의해서 C-F 쌍극자들이 변하게 되며, 이에 따라 전류가 흐르게 된다. 따라서 이 전류를 피에조 필름 실험 증폭장치(Piezo Film Lab Amplifier, Measurement Specialties, Inc.)를 통하여 전압신호를 얻은 후에 데이터 수집 장치(모델 : MP150, Biopac Systems, Inc.)에 연결하여 에크날리지(AcqKnowledge) 4.1 프로그램을 사용하여 허벅지 근육의 움직임에 따라 발생되는 전기적 신호를 저장하였다.At this time, in the piezoelectric PVDF film forming the piezoelectric sensor, the C-F dipoles are changed by a force (pressure / tension), so that a current flows. Therefore, this current is obtained through a piezo film lab amplifier (Piezo Film Lab Amplifier, Measurement Specialties, Inc.) to obtain a voltage signal, and then connected to a data acquisition device (model: MP150, Biopac Systems, Inc.) to connect to AcqKnowledge. A 4.1 program was used to store the electrical signals generated by the thigh muscle movements.

피에조 필름 실험 증폭장치의 입력 임피던스(input impedance)는 1GΩ을 사용하였으며 잡음제거를 위하여 차단주파수(cut-off frequency)가 0.1Hz와 10Hz인 대역 필터(band pass filter)를 사용하였다. 이득(gain)은 출력되는 입력신호의 세기에 따라 40dB까지 조절가능하지만 본 실험예에서는 0dB로 하였다. 이의 결과, 에크날리지 4.1에 의해서 수집된 신호데이터를 모니터로 출력한 결과는 도 6에 도시된 바와 같다.The input impedance of the piezo film test amplifier was 1GΩ and a band pass filter with cut-off frequencies of 0.1 Hz and 10 Hz was used for noise reduction. The gain is adjustable up to 40 dB depending on the intensity of the input signal output, but in this experimental example it was set to 0 dB. As a result, the result of outputting the signal data collected by the acknowledgment 4.1 to the monitor is as shown in FIG.

일반적으로 보행이나 주행 시 한 걸음을 뗄 때마다 허벅지의 근육이 반드시 변형이 일어나야 한다. 본 실험예에서 본 발명에 따른 근육의 운동신호 측정이 가능한 스마트 팬츠를 착용한 후 보행이나 주행 시 허벅지 근육 움직임에 따라 압전센서에서 발생되는 압전신호를 측정하는 동시에, 보행이나 주행 시 한 걸음당 허벅지 근육 움직임의 변화를 정확하게 측정하는지 확인하기 위하여 바이오노메딕스 EMG 모듈(Bionomadix EMG module)과 의료용 Ag/AgCl 겔전극을 이용하여 EMG도 측정하였다. 바이오노메딕스 EMG 모듈과 Ag/AgCl 겔전극은 왼쪽 허벅지와 왼쪽 다리의 아래쪽에 부착하였으며 상기 압전센서는 오른쪽 허벅지에 위치하게 하였다.In general, the thigh muscles must be deformed each time you walk or drive. In this experimental example, after wearing the smart pants that can measure the exercise signal of the muscle according to the present invention, while measuring the piezoelectric signal generated by the piezoelectric sensor according to the thigh muscle movement during walking or driving, the thigh per step during walking or driving EMG was also measured using a Bionomedics EMG module and a medical Ag / AgCl gel electrode to confirm that the change in muscle movement was accurately measured. The Bionomedics EMG module and the Ag / AgCl gel electrode were attached to the bottom of the left thigh and the left leg, and the piezoelectric sensor was placed on the right thigh.

또한, 주행 중 허벅지의 근육 움직임에 따라 압전센서에서 발생되는 압전신호를 증강시키기 위하여 탄성 조임밴드가 착용자의 허벅지에 약간의 압력을 가할 수 있도록 허벅지 둘레 보다 15% 작은 크기로 이루어져 허벅지를 압박하면서 감쌀 수 있게 하였다. 실험기간 동안 상기 압전센서는 허벅지의 앞쪽 가운데에 위치하도록 하였고, 트레드밀(Treadmill)의 속도는 3km/h, 5km/h, 7km/h로 하였다.In addition, in order to enhance the piezoelectric signal generated by the piezoelectric sensor according to the muscle movement of the thigh while driving, the elastic tightening band is 15% smaller than the thigh circumference so as to apply a slight pressure to the thigh of the wearer to wrap it while compressing the thigh. Made it possible. During the experiment, the piezoelectric sensor was positioned at the front center of the thigh, and the speed of the treadmill was 3 km / h, 5 km / h, and 7 km / h.

이러한 실험의 결과를 도 7 내지 12에 나타내었다. 트레드밀(Treadmill)의 속도를 달리하였을 때 측정된 EMG 신호와 압전신호를 5초간 나타낸 것이다. 도 7 및 8에서 보는 바와 같이 3km/h로 보행 시 EMG 신호와 압전신호가 5초당 4회 동일하게 나타났다. 또한 5km/h로 보행 시에도 EMG 신호와 압전신호가 5초당 5회 동일하게 나타났으며(도 9 및 10 참조), 7km/h로 주행 시에도 EMG 신호와 압전신호가 5초당 7회 동일하게 나타났다(도 11 및 12 참조). 이상과 같이 보행이나 주행에 상관없이 한 걸음당 허벅지 근육의 팽창과 이완으로 발생되는 압전센서로 부터의 전기적 신호 패턴이 EMG 신호와 정확하게 동조되어 나타남을 확인하였다. 그러므로 복잡하고 불편한 EMG 전극의 착용대신에 압전센서가 구비된 스마트 팬츠를 착용하는 것 만으로도 보행이나 주행 시의 걸음 수를 측정하거나 운동량을 평가할 수 있음을 확인할 수 있게 된다.The results of these experiments are shown in Figures 7-12. EMG signal and piezoelectric signal measured at different treadmill speeds are shown for 5 seconds. As shown in FIGS. 7 and 8, when walking at 3 km / h, the EMG signal and the piezoelectric signal were the same four times every 5 seconds. In addition, the EMG signal and the piezoelectric signal were the same 5 times every 5 seconds when walking at 5 km / h (see FIGS. 9 and 10), and the EMG signal and the piezoelectric signal were the same 7 times every 5 seconds when driving at 7 km / h. Appeared (see FIGS. 11 and 12). As described above, it was confirmed that the electrical signal pattern from the piezoelectric sensor caused by the expansion and relaxation of the thigh muscle was shown to be accurately synchronized with the EMG signal regardless of walking or driving. Therefore, it is possible to check the number of steps during walking or driving or to evaluate the amount of exercise simply by wearing smart pants equipped with piezoelectric sensors instead of wearing complicated and inconvenient EMG electrodes.

또한, 보행이나 주행 시 허벅지 근육의 움직임을 측정하기 위하여 상기 탄성 조임밴드를 기본 허벅지 둘레와 동일한 둘레로 형성하면 허벅지 근육의 팽창과 수축으로 야기되는 압전성 PVDF 필름의 변형이 작아서 출력신호의 크기가 매우 작아 정확한 측정이 어려워진다. 그에 따라, 상기 탄성 조임밴드는 허벅지를 일정 정도 압박할 수 있는 크기로 이루어져야 하는바, 이하 탄성 조임밴드의 적합한 크기를 결정하기 위한 실험을 설명한다.In addition, when the elastic tightening band is formed in the same circumference as the basic thigh circumference to measure the thigh muscle movement during walking or driving, the deformation of the piezoelectric PVDF film caused by the expansion and contraction of the thigh muscle is small, resulting in a very large output signal. Small, making accurate measurements difficult. Therefore, the elastic tightening band should be made of a size that can press the thigh to a certain extent, the following describes an experiment for determining the appropriate size of the elastic tightening band.

도 13(A), (B), (C)는 본 발명에 따른 스마트 팬츠에 압전센서를 착용하기 위한 탄성 조임밴드의 신율(elongation)을 각각 10%, 15%, 20%로 한 상태에서 5km/h로 주행 시 허벅지 근육의 운동을 측정하여 나타낸 그래프이다.Figures 13 (A), (B), (C) is 5 km in the elongation of the elastic tightening band (elongation) for wearing the piezoelectric sensor in the smart pants according to the present invention to 10%, 15%, 20%, respectively This graph shows the measurement of thigh muscle movement when driving at / h.

이때, 상기 압전센서의 위치는 허벅지의 앞쪽 가운데로 고정하였다. 기본 허벅지 둘레 대비 신율이 높아지면서 압전센서가 허벅지를 더욱 조이게 되면, 동일한 허벅지 근육의 변형에 따라 압전성 PVDF 필름에서는 더 많은 변형이 발생되며, 그에 따라 압전센서에서 발생되는 압전신호의 세기도 커지게 됨을 볼 수 있다.At this time, the position of the piezoelectric sensor was fixed to the front center of the thigh. If the piezoelectric sensor tightens the thigh more as the elongation relative to the basic thigh circumference increases, more deformation occurs in the piezoelectric PVDF film according to the deformation of the same thigh muscle, which increases the strength of the piezoelectric signal generated by the piezoelectric sensor. can see.

도 13에 도시된 바와 같이, 5km/h로 주행 시 상기 탄성 조임밴드의 신율이 10%일 때 신호의 세기가 도 13(A)에 도시된 바와 같이 -1 ~ +1.5V 범위로 나타났으며, 15%일 때 신호의 세기가 도 13(B)에 도시된 바와 같이 -1 ~ +1.8V 범위로 나타났고, 20%일 때 신호의 세기가 도 13(C)에 도시된 바와 같이 -1.5 ~ +2V 범위로 나타남을 알 수 있었다. 이러한 실험 결과에 의할 때 상기 탄성 조임밴드의 신율이 높을수록 더 큰 압전신호가 얻어지게 됨을 확인할 수 있었다.As shown in FIG. 13, when the elongation of the elastic tightening band is 10% when driving at 5 km / h, the signal intensity is in the range of -1 to +1.5 V as shown in FIG. 13 (A). At 15%, the signal strength ranges from -1 to + 1.8V as shown in Figure 13 (B), and at 20% the signal strength is -1.5 as shown in Figure 13 (C). It can be seen that the range is ~ + 2V. Based on the experimental results, the higher the elongation of the elastic tightening band, the larger the piezoelectric signal was obtained.

그에 따라, 상기 탄성 조임밴드가 20% 신율을 갖도록 형성될 경우 15% 신율을 갖도록 형성될 경우보다 더 큰 압전신호를 얻을 수 있지만, 20% 신율의 경우는 허벅지를 조이는 정도가 커서 착용에 불편함을 초래하게 되는바, 상기 탄성 조임밴드는 기본 허벅지 둘레의 10 ~20% 신율을 갖도록 형성되는 것이 바람직하다.Accordingly, when the elastic tightening band is formed to have 20% elongation, a piezoelectric signal can be obtained larger than when formed to have 15% elongation. However, in the case of 20% elongation, it is inconvenient to wear the thigh. The elastic tightening band is preferably formed to have a 10 to 20% elongation around the basic thigh.

도 8, 도 10, 도 12에 나타낸 바와 같이 보행속도에 따른 근육의 움직임에 따른 압전신호의 세기 및 주기가 달라지므로 보행이나 주행 시에 소비되는 운동에너지는 시간에 따른 압전 신호 곡선의 면적의 크기에 비례할 것으로 보인다. 그런데 도 14(A)에 나타낸 바와 같이 시속 3km로 보행시 허벅지에 둘러진 압전센서는 허벅지 둘레가 증가함에 따라 양(+)의 압전 신호가 발생하면, 허벅지의 둘레가 본래의 상태로 돌아올 때는 음(-)의 압전 신호가 발생하므로 압전 신호곡선 [V(t)]를 시간에 따라 적분을 하면 “0”의 값이 얻어진다. 그러므로 도 14(A)의 [V(t)]를 정류화하여 도 14(B)와 같이 모두 양의 신호 [|V(t)|]를 만든 후에 적분[]을 한 값으로 t 시간 동안 소비된 에너지를 평가할 수 있을 것으로 본다. 도 14(C)는 3 km/h 속도로 보행시 허벅지에 장착한 압전센서의 압전신호를 정류화한 이후에 1 분 동안 적분한 값을 시간 t 에 따라 나타낸 것이다. 일정한 속도로 보행을 한다는 것은 보행 중 에너지 소비 속도가 시간에 관계없이 일정하다는 것을 의미하는데, 1 분 동안 적분한 값이 거의 동일한 기울기를 유지한 직선을 보인 것은 이 소비된 에너지를 평가하는데 훌륭하게 사용될 수 있는 가능성을 보인 것이라 볼 수 있다.As shown in FIGS. 8, 10, and 12, the intensity and period of the piezoelectric signal according to the muscle movement according to the walking speed are different, so the kinetic energy consumed during walking or driving is the magnitude of the area of the piezoelectric signal curve with time. Seems to be proportional to. However, as shown in FIG. 14 (A), when the piezoelectric sensor surrounded by the thigh when walking at 3 km per hour generates a positive piezoelectric signal as the thigh circumference increases, when the circumference of the thigh returns to its original state, A negative piezoelectric signal is generated, so when the piezoelectric signal curve [ V ( t )] is integrated over time, a value of "0" is obtained. Therefore, [ V ( t )] in FIG. 14 (A) is rectified so that all positive signals [| After making V ( t ) |], it is assumed that the energy consumed for t hours can be estimated with the integral []. Figure 14 (C) shows the value integrated over time t after integrating the piezoelectric signal of the piezoelectric sensor mounted on the thigh during walking at 3 km / h speed. Walking at a constant speed means that the rate of energy consumption during walking is constant over time. A straight line with an integral value nearly equal in slope over a minute can be used to evaluate this energy consumption. It can be seen that there is a possibility.

도 15는 본 발명에 따른 스마트 팬츠에 구비되는 압전센서의 착용 위치를 변경하여 실험하는 것을 나타내는 예시 사진이다.15 is an exemplary photograph showing that the experiment by changing the wearing position of the piezoelectric sensor provided in the smart pants according to the present invention.

본 발명에 따른 근육의 운동신호 측정이 가능한 스마트 팬츠에 구비되는 압전센서는 보행이나 주행시 허벅지 근육의 움직임에 따른 허벅지의 둘레변화에 따라 압전성 PVDF 필름이 길이방향으로 늘어나거나 수축하면서 보행에 따른 압전신호를 발생하게 된다. 그런데 탄성 조임밴드의 신율(elongation)을 증가시킬 경우에는 허벅지를 수직으로 누르는 압력에 의한 압전신호도 발생하게 되므로, 그에 따른 영향을 검토하기 위해 상기 압전센서가 놓이는 위치를 변경하며 그 결과를 검토하였다.The piezoelectric sensor provided in the smart pants capable of measuring the motion signal of the muscle according to the present invention is a piezoelectric signal according to walking while the piezoelectric PVDF film is stretched or contracted in the longitudinal direction according to the change of the thigh according to the movement of the thigh muscle during walking or driving. Will occur. However, when the elongation of the elastic tightening band is increased, a piezoelectric signal due to the pressure that pushes the thighs vertically is also generated. In order to examine the effect, the position of the piezoelectric sensor is changed and the result is examined. .

도 15에서는 팬츠에서 분리된 탄성 조임밴드와 탄성 덮개밴드 만을 허벅지에 착용하면서 그 위치를 변경하였으며(도 15에서 붉은 원으로 표시된 영역에 압전센서가 위치하게 됨), 이때, 상기 탄성 조임밴드는 신율 15%로 고정하였다. 도 15에 도시된 바와 같이 허벅지의 앞쪽(A)과 뒤쪽(B), 허벅지 외측(C)과 내측(D)에 위치시켜 검토하였다. 그 결과 트레드밀 속도에 관계없이 압전센서를 허벅지 앞쪽에 위치시켰을 때 허벅지 근육의 움직임 신호가 가장 복잡하게 나타나는 것을 확인할 수 있었다. 반면에 상기 압전센서를 허벅지 뒤쪽에 위치시켰을 때는 신호가 약간 단순하게 나타났다.In FIG. 15, only the elastic tightening band and the elastic cover band separated from the pants are worn on the thigh, and its position is changed (the piezoelectric sensor is positioned in the area indicated by the red circle in FIG. 15). Fixed at 15%. As shown in FIG. 15, it examined by placing in the front (A) and the back (B) of the thigh, the thigh outer side (C), and the inner side (D). As a result, when the piezoelectric sensor was placed in front of the thigh regardless of the treadmill speed, it was confirmed that the motion signal of the thigh muscle appeared most complicated. On the other hand, when the piezoelectric sensor was placed behind the thigh, the signal appeared slightly simple.

그러나, 어느 위치에서라도 일정 속도까지는 각 걸음마다 나타나는 반복적인 신호패턴을 확인할 수 있었는바, 이러한 반복적인 신호패턴으로 시간당 걸음 수가 동일하다는 것을 확인할 수 있게 된다. 또한, 이보다 고속으로 운동할 경우 반복적인 신호패턴을 찾기 어려운 점은 있으나 이 경우에는 별도의 디지털 필터를 추가함으로써 시간당 걸음 수를 평가할 수 있을 것이다.However, it was possible to confirm the repetitive signal pattern appearing for each step up to a certain speed at any position. As a result, the number of steps per hour is the same. In addition, although it is difficult to find a repetitive signal pattern when exercising at a higher speed than this, in this case, an additional digital filter may be added to evaluate the number of steps per hour.

도 16에는 속도를 달리하여 주행하는 경우에도 허벅지에 두른 압전센서로 부터의 정류화된 압전신호의 적분값으로 소비된 에너지를 평가할 수 있는지를 확인하기 위하여 도 15에 보인 바와 같이 압전센서의 위치를 달리하여 측정한 정류화된 압전신호를 이용하여 적분한 값을 시간에 따라 플롯한 것을 나타낸 것이다. 도 16에서 보듯이 압전센서 위치가 앞쪽(A), 외측(C), 내측(D)에 위치하였을 때는 속도의 증가에 따라 적분한 값이 증가하는 것을 볼 수 있다. 하지만 압전센서가 뒤쪽(B)에 위치하였을 경우 5 km/h의 속도에서 적분 값이 7 km/h의 속도에서의 적분 값보다 약간 크게 나타나는 현상을 보이기도 하였다. 그러므로 이와 같은 결과를 통하여 보행이나 주행에 따른 소비에너지를 평가하기 위해서는 PVDF film 센서의 위치가 대단히 중요하다는 사실을 알 수 있다.FIG. 16 shows the position of the piezoelectric sensor as shown in FIG. 15 to check whether the energy consumed by the integrated value of the rectified piezoelectric signal from the piezoelectric sensor on the thigh can be evaluated even when traveling at different speeds. The plotted values are plotted over time using the rectified piezoelectric signals measured differently. As shown in Figure 16, when the piezoelectric sensor position is located in the front (A), the outer (C), the inner (D) it can be seen that the integrated value increases with increasing speed. However, when the piezoelectric sensor is located at the rear side (B), the integral value is slightly larger than the integral value at the speed of 7 km / h at the speed of 5 km / h. Therefore, it can be seen from these results that the position of PVDF film sensor is very important for evaluating energy consumption by walking or driving.

따라서 압전센서가 허벅지의 앞쪽과 외측에 위치하였을 경우에도 적분값이 시간에 따라 선형적인 직선의 관계를 보이면서 주행속도에 따라 직선의 기울기도 커지지만 압전센서가 허벅지 안쪽에 위치하는 경우 속도에 따른 기울기 변화가 가장 크게 나타났으므로, 보행이나 주행시에 소비되는 에너지를 평가하기 위해서 실시되는 실험에는 압전센서가 허벅지 안쪽에 위치하는 것이 타당하다고 본다.Therefore, even when the piezoelectric sensor is located at the front and the outside of the thigh, the integral value shows a linear linear relationship with time and the slope of the straight line increases according to the traveling speed, but the slope according to the speed when the piezoelectric sensor is located inside the thigh. Since the change was greatest, it is reasonable to have a piezoelectric sensor located inside the thigh in an experiment conducted to evaluate the energy consumed when walking or driving.

이번에는 트레드밀(treadmill)에서 경사각도를 달리하여 달릴 때에도 허벅지에 두른 압전센서로 부터의 정류화된 압전신호의 적분값으로 소비된 에너지를 평가할 수 있는지를 확인하기 위하여 3가지의 속도 (3 km/h, 5 km/h, 7 km/h)와 평지 (0°)및 5o의 경사를 이용하여 트레드밀(treadmill)에서 5 분 동안 주행실험을 한 결과를 도 17에 나타내었다. 이때 압전센서 위치는 허벅지 안쪽에 위치시켰다. 주행속도와 경사여부에 관계없이 적분값이 시간에 대하여 직선적인 거동을 보이며, 주행속도에 관계없이 5o의 경사에서 주행실험을 한 경우 기울기가 가파르게 나타났으며, 경사여부에 관계없이 기울기는 주행속도가 증가할수록 크게 나타났다.This time, three speeds (3 km / s) were used to verify that the energy consumed can be estimated from the integrated value of the rectified piezoelectric signal from the piezoelectric sensor on the thigh, even when running at different inclination angles on the treadmill. h, 5 km / h, 7 km / h) and the driving test for 5 minutes in a treadmill using a slope (0 °) and 5 o is shown in Figure 17. At this time, the piezoelectric sensor position was located inside the thigh. Integral value shows linear behavior with time regardless of driving speed and inclination. When driving experiment is performed at 5 o inclination regardless of driving speed, slope is steep. As the speed increased, it increased.

이상의 결과로부터 보행이나 주행시 본 연구에서 허벅지에 두른 압전센서로부터 측정된 정류화된 압전신호의 적분값을 보행이나 주행시 소비되는 에너지를 평가할 수 있는 다른 시험방법 (3-축 가속기 센서, 배출 탄산가스, 또는 소비 산소량을 이용하는 방법)을 사용하여 calibration함으로써 운동량을 간단히 측정을 할 수 있는 스마트 팬츠의 개발 가능성을 찾았다.Based on the above results, other test methods for evaluating the energy consumed when walking or driving the integrated value of the rectified piezoelectric signal measured from the piezoelectric sensor worn on the thigh during walking or driving (3-axis accelerator sensor, exhaust carbon dioxide, Or by using a method of using oxygen consumption, the researchers discovered the possibility of developing smart pants that can easily measure exercise.

이처럼, 탄성 조임밴드와 압전센서를 트레이닝복과 같은 팬츠에 구비함으로써, 스마트 팬츠를 착용하고 보행하거나 뛰면 그러한 운동에 의해 발생되는 허벅지 근육의 움직임에 의해 운동정도를 확인할 수 있게 된다. 또한, 빠른 속도로 운동하거나 경사진 곳을 오르는 경우에는 허벅지 근육의 변화가 커질 수밖에 없는바, 그에 따라 늘어나거나 줄어드는 정도가 커지게 되고 그로 인한 압전신호의 측정값이 커지는 것을 확인함으로써 착용자의 운동정도와 운동시 소모된 에너지를 보다 정확하게 평가할 수 있게 된다.As such, by providing the elastic tightening band and the piezoelectric sensor in the pants, such as sweatshirts, it is possible to check the degree of movement by the movement of the thigh muscles caused by such exercise when walking or running with smart pants. In addition, if you exercise at a high speed or climb a slope, the thigh muscle changes inevitably increase, and accordingly, the degree of increase or decrease of the thigh muscles increases, thereby confirming that the measurement value of the piezoelectric signal increases. And the energy consumed during exercise can be more accurately assessed.

또한, 상기 압전센서의 제1실시예와 제2실시예에서 외부의 전기적인 잡음제거 특성을 조사하기 위하여 제1 및 제2실시예에 따라 제조된 압전센서를 책상위에 놓은 뒤 2대의 피에조 필름 실험 증폭장치(Piezo Film Lab Amplifier, Measurement Specialties, Inc.)에 각각 연결하고 에크날리지(AcqKnowledge) 4.1 프로그램을 사용하여 각 센서의 배경신호를 측정하였다. 이때 피에조 필름 실험 증폭장치의 입력 임피던스(input impedance)는 1GΩ을 사용하였으며 HPF (high pass filter)의 차단주파수(cut-off frequency)는 0.1Hz로 하고 LPF (low pass filter)의 차단주파수는 10Hz와 100Hz로 설정하고, 이득(gain)은 0dB로 하여 에크날리지 4.1에 의해서 수집된 신호데이터를 모니터로 출력한 결과를 도 18에서 21까지 나타내었다.In addition, two piezo film experiments were carried out after placing piezoelectric sensors manufactured according to the first and second embodiments on a desk in order to investigate external electrical noise removing characteristics in the first and second embodiments of the piezoelectric sensor. Each signal was connected to an amplifier (Piezo Film Lab Amplifier, Measurement Specialties, Inc.) and the background signal of each sensor was measured using an AcqKnowledge 4.1 program. In this case, the input impedance of the piezo film experimental amplifier was 1 GΩ, and the cut-off frequency of the HPF (high pass filter) was 0.1 Hz, and the cut-off frequency of the low pass filter (LPF) was 10 Hz. 18 to 21 show the results of outputting the signal data collected by Acknowledge 4.1 to a monitor with 100 Hz and a gain of 0 dB.

도 18은 HPF 차단주파수를 0.1Hz와 LPF 차단주파수를 10Hz로 한 경우 제1실시예의 압전센서로 부터의 배경신호를 나타낸 것이고, 도 19는 동일한 조건에서 제1실시예의 압전센서로부터의 배경신호를 나타낸 것이다. 두 경우 모두 고주파의 잡음신호는 무시할 수 있을 정도로 작게 관찰되었다. 그러나 제1실시예의 압전센서로부터의 배경신호 베이스라인이 저주파수의 상하 드리프트 현상을 보이고 있는 반면에 제2실시예의 압전센서로부터의 배경신호 베이스라인은 일직선으로 어떤 저주파수의 드리프트 현상도 전혀 보이지 않았다.FIG. 18 shows the background signal from the piezoelectric sensor of the first embodiment when the HPF cutoff frequency is set to 0.1 Hz and the LPF cutoff frequency is 10 Hz. FIG. 19 shows the background signal from the piezoelectric sensor of the first embodiment under the same conditions. It is shown. In both cases, high frequency noise signals were observed to be negligibly small. However, while the background signal baseline from the piezoelectric sensor of the first embodiment shows the vertical drift of low frequency, the background signal baseline from the piezoelectric sensor of the second embodiment shows no drift of any low frequency in a straight line.

도 20은 HPF 차단주파수를 0.1Hz와 LPF 차단주파수를 100Hz로 한 경우 제1실시예의 압전센서로부터의 배경신호를 나타낸 것이고, 도 21은 도 20과 동일한 조건에서 제2실시예의 압전센서로부터의 배경신호를 나타낸 것이다. 이 경우에는 두 압전센서 간의 배경신호에 엄청난 차이를 볼 수 있다. 제1실시예의 압전센서의 경우는 Vp -p가 0.4V인 60Hz의 교류전기 신호잡음이 뚜렷하게 나타난 반면에 제2실시예의 압전센서로 부터는 Vp -p가 0.004V로 매우 작은 60Hz의 교류전기 신호가 나타났다. 이것으로 보아 제2실시예에서 제시한 바와 같이 제조된 압전센서가 전자파 차폐효과가 훨씬 큼으로써 저잡음의 맥파신호, 호흡신호, 근육의 움직임 신호를 정확하게 얻을 수 있음을 예상할 수 있다.20 shows a background signal from the piezoelectric sensor of the first embodiment when the HPF cutoff frequency is set to 0.1 Hz and the LPF cutoff frequency is set to 100 Hz, and FIG. 21 shows a background signal from the piezoelectric sensor of the second embodiment under the same conditions as those of FIG. The signal is shown. In this case, there is a huge difference in the background signal between the two piezoelectric sensors. In the case of the piezoelectric sensor of the first embodiment, an AC electric signal noise of 60 Hz with a V p -p of 0.4 V was clearly seen, whereas an AC electric power of 60 Hz with a very small V p -p of 0.004 V was obtained from the piezoelectric sensor of the second embodiment. Signal appeared. In view of this, it can be expected that the piezoelectric sensor manufactured as shown in the second embodiment has a much greater electromagnetic wave shielding effect, thereby accurately obtaining low noise pulse wave signals, respiration signals, and muscle movement signals.

이상에서는 본 발명에 대한 기술사상을 첨부 도면과 함께 서술하였지만 이는 본 발명의 바람직한 실시예를 예시적으로 설명한 것이지 본 발명을 한정하는 것은 아니다. 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 이라면 누구나 본 발명의 기술적 사상의 범주를 이탈하지 않는 범위 내에서 다양한 변형 및 모방이 가능함은 명백한 사실이다.While the present invention has been described in connection with what is presently considered to be the most practical and preferred embodiment, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed embodiments. It will be understood by those skilled in the art that various changes in form and details may be made therein without departing from the spirit and scope of the invention as defined by the appended claims.

100 - 트레이닝복 200 - 탄성 조임밴드
300 - 탄성 덮개밴드 400 - 압전센서
500 - 차폐신호 전송선 600 - 제어부
610 - 연산부 620 - 저장부
630 - 무선송신부 640 - 전원공급부
10 - 압전감지유닛 11 - 압전성 PVDF 필름
12 - 전극 20 - 절연층
30 - 도전층 40 - 탄성층
100-Sweatshirts 200-Elastic Tight Bands
300-Elastic cover band 400-Piezoelectric sensor
500-shielded signal transmission line 600-control unit
610-calculator 620-storage
630-Wireless Transmitter 640-Power Supply
10-Piezoelectric Sensing Unit 11-Piezoelectric PVDF Film
12-electrode 20-insulation layer
30-conductive layer 40-elastic layer

Claims (10)

운동이나 일상생활을 위해 착용하는 팬츠(pants)에 있어서,
상기 팬츠의 허벅지 부위를 감싸는 탄성재질로 이루어져 착용자의 허벅지를 압박하면서 조이는 탄성 조임밴드;
상기 탄성 조임밴드에 일 측이 개방된 상태로 덧대어져 삽입공간을 형성하는 탄성 덮개밴드;
상기 삽입공간에 끼워져 팬츠 착용자의 움직임에 따른 허벅지 근육의 변형에 의해 팽창하거나 수축하는 탄성 조임밴드와 함께 늘어나거나 원상태로 복귀하면서 전기적 신호를 생성하는 압전센서;
상기 압전센서에서 발생된 전기적 신호를 전송하는 차폐신호 전송선; 및
상기 차폐신호 전송선을 통하여 전송되는 전기적 신호를 수신하고 근육의 운동량을 연산하는 제어부를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 근육의 운동신호 측정이 가능한 스마트 팬츠.
In pants that are worn for exercise or everyday life,
An elastic tightening band made of an elastic material surrounding the thigh portion of the pants and tightened while pressing the thigh of the wearer;
An elastic cover band padded in an open state to one side of the elastic tightening band to form an insertion space;
A piezoelectric sensor inserted into the insertion space and generating an electrical signal while being stretched or returned to its original state with an elastic tightening band which expands or contracts due to deformation of the thigh muscle according to the movement of the pants wearer;
A shielded signal transmission line configured to transmit an electrical signal generated by the piezoelectric sensor; And
Smart pants capable of measuring the exercise signal of the muscle, characterized in that it comprises a control unit for receiving the electrical signal transmitted through the shielding signal transmission line and calculates the amount of exercise of the muscle.
제1항에 있어서,
상기 압전센서는,
압전성 폴리비닐리덴 플루오라이드(PVDF) 필름 및 상기 필름의 양면에 형성되는 전극을 포함하여 이루어지는 압전감지유닛; 및
상기 압전감지유닛을 감싸는 탄성층을 포함하여 구성되며;
상기 탄성층은 도전성 카본블랙이 1 내지 3중량%로 함유된 실리콘 고무 조성물로 이루어지는 것을 특징으로 하는 근육의 운동신호 측정이 가능한 스마트 팬츠.
The method of claim 1,
The piezoelectric sensor,
A piezoelectric sensing unit comprising a piezoelectric polyvinylidene fluoride (PVDF) film and electrodes formed on both sides of the film; And
An elastic layer surrounding the piezoelectric sensing unit;
The elastic layer is a smart pants capable of measuring the exercise signal of the muscle, characterized in that made of a silicone rubber composition containing 1 to 3% by weight of conductive carbon black.
제2항에 있어서,
상기 탄성층의 두께는 0.1 내지 1㎜이고, 상기 압전센서의 총 두께는 0.2 내지 2㎜인 것을 특징으로 하는 근육의 운동신호 측정이 가능한 스마트 팬츠.
3. The method of claim 2,
The thickness of the elastic layer is 0.1 to 1mm, the total thickness of the piezoelectric sensor is a smart pants capable of measuring the exercise signal of the muscle, characterized in that 0.2 to 2mm.
제2항에 있어서,
상기 압전센서는,
상기 압전감지유닛과 상기 탄성층의 사이에 형성되며, 상기 압전감지유닛을 감싸도록 형성되는 절연층; 및
상기 절연층과 상기 탄성층의 사이에 형성되며, 상기 절연층이 형성된 압전감지유닛을 감싸도록 형성되는 도전층을 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 근육의 운동신호 측정이 가능한 스마트 팬츠.
3. The method of claim 2,
The piezoelectric sensor,
An insulating layer formed between the piezoelectric sensing unit and the elastic layer and surrounding the piezoelectric sensing unit; And
Is formed between the insulating layer and the elastic layer, smart pants that can measure the exercise signal of the muscles, characterized in that it further comprises a conductive layer formed to surround the piezoelectric sensing unit formed with the insulating layer.
제4항에 있어서,
상기 절연층은 실리콘 고무 조성물로 이루어지는 것을 특징으로 하는 근육의 운동신호 측정이 가능한 스마트 팬츠.
5. The method of claim 4,
The insulating layer is a smart pants capable of measuring the exercise signal of the muscle, characterized in that made of a silicone rubber composition.
제4항에 있어서,
상기 도전층은 도전성 카본블랙이 30중량% 이상 함유되는 것을 특징으로 하는 근육의 운동신호 측정이 가능한 스마트 팬츠.
5. The method of claim 4,
The conductive layer is a smart pants capable of measuring the exercise signal of the muscles, characterized in that containing 30% by weight or more conductive carbon black.
제4항에 있어서,
상기 절연층의 두께가 0.01 내지 0.2㎜이며, 도전층의 두께가 0.01 내지 0.2㎜이고, 탄성층의 두께가 0.1 내지 1㎜이며, 상기 압전센서의 총 두께가 0.2 내지 2㎜인 것을 특징으로 하는 근육의 운동신호 측정이 가능한 스마트 팬츠.
5. The method of claim 4,
The insulating layer has a thickness of 0.01 to 0.2 mm, the conductive layer has a thickness of 0.01 to 0.2 mm, the elastic layer has a thickness of 0.1 to 1 mm, and the total thickness of the piezoelectric sensor is 0.2 to 2 mm. Smart pants that can measure muscle movement signals.
제2항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 차폐신호 전송선은 전기적 신호를 전송하는 도체로 이루어진 심사가 내부에 놓이고, 그 둘레를 절연층/차폐선/절연층 순으로 순차적으로 감싸도록 구성되는 것을 특징으로 하는 근육의 운동신호 측정이 가능한 스마트 팬츠.
8. The method according to any one of claims 2 to 7,
The shielding signal transmission line is placed inside the screen made of a conductor for transmitting an electrical signal, and wrapped around the insulation layer / shielding line / insulating layer in order in order to measure the motion signal of the muscles possible Smart pants.
제2항에 있어서,
상기 제어부는,
상기 차폐신호 전송선을 통하여 전송되는 전기적 신호를 수신하여 근육의 운동량을 연산한 후 소비된 칼로리 등의 운동정도를 수치화하여 제공하는 연산부;
상기 연산부에서 연산된 근육의 운동량과 상기 차폐신호 전송선을 통하여 전송된 전기적 신호를 저장하는 메모리로 이루어진 저장부; 및
상기 연산부에서 연산된 근육의 운동량을 무선으로 연결되어 있는 착용자의 스마트폰이나 일정 거리 이격되어 있는 서버시스템으로 전송할 수 있는 통신수단으로 이루어진 무선송신부를 포함하여 구성되며;
상기 연산부는 허벅지 근육의 변형에 따라 압전센서에서 발생되는 전기적 신호인 압전신호를 정류화한 후 적분하여 일정 시간 동안 소비된 운동에너지를 연산하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 근육의 운동신호 측정이 가능한 스마트 팬츠.
3. The method of claim 2,
The control unit,
A calculating unit which receives the electrical signal transmitted through the shielding signal transmission line, calculates the amount of exercise of the muscle, and quantifies the degree of exercise such as calories consumed;
A storage unit configured to store an amount of exercise of the muscle calculated by the calculating unit and an electrical signal transmitted through the shielding signal transmission line; And
It comprises a wireless transmission unit consisting of a communication means for transmitting the amount of exercise of the muscles calculated in the calculation unit to the wearer's smartphone or a server system spaced apart a certain distance;
The calculation unit is configured to calculate the kinetic energy consumed for a certain time by rectifying the piezoelectric signal, which is an electrical signal generated from the piezoelectric sensor according to the deformation of the thigh muscle smart smart measurement possible pants.
제2항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 탄성 조임밴드는 기본 허벅지 둘레의 10 ~20% 신율을 갖도록 형성되는 것을 특징으로 하는 근육의 운동신호 측정이 가능한 스마트 팬츠.
8. The method according to any one of claims 2 to 7,
The elastic tightening band is a smart pants capable of measuring the exercise signal of the muscle, characterized in that it is formed to have a 10 ~ 20% elongation around the basic thigh.
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