KR101513974B1 - 생체 접촉형 기기를 위한 자동 동작 스위치 모듈 - Google Patents

생체 접촉형 기기를 위한 자동 동작 스위치 모듈 Download PDF

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Abstract

본 발명은 생체 접촉형 기기에서 인체의 접촉을 감지함에 따라 자동 동작하는 인체감지회로에 관한 것으로, 인체의 표면과 접촉하는 둘 이상의 생체 접촉형 전극; 상기 둘 이상의 생체 접촉형 전극이 인체 접촉을 감지함에 따라 형성 또는 소멸하며 전류 공급에 대한 스위치 동작을 수행하는 전류 전송 채널; 소정의 미세 전류를 생성하여 상기 전류 전송 채널로 전송하는 전류원; 및 상기 전류 전송 채널을 통과한 미세 전류를 소정의 생체 접촉형 기기로 공급하는 둘 이상의 트랜지스터 소자로 구성된 전류 미러를 포함하며, 인체 접촉 여부에 따라 전류 공급 여부를 위한 자동 ON/OFF 동작하는 생체 접촉형 기기를 위한 자동 동작 스위치 모듈에 관한 것이다.

Description

생체 접촉형 기기를 위한 자동 동작 스위치 모듈 {A automatic operation switch module for biometric contact-type devices}
본 발명은 생체 접촉형 기기를 위한 자동 동작 스위치 모듈에 관한 것으로, 구체적으로는, 생체에서의 접점 접촉 여부를 자동으로 인지하여 기기 동작을 자동으로 ON/OFF 제어할 수 있는 자동 동작 스위치 구조를 갖는 모듈에 관한 것이다.
일반적으로, 생체 접촉형 기기는 생체 조직(예, 피부)과 직접 닿아서 동작하는 장치를 의미한다. 생체 접촉형 기기는 생체 신호의 수집 또는 모니터링을 위한 센서 기능을 수행하거나 전자기파 또는 광파 등을 이용한 에너지 공급방식을 이용하여 치료 목적으로 사용되기도 한다. 또한, 최근에는 생체 조직을 전자기파의 전송채널로 사용하는 인체 통신 기술을 사용하여 생체 내외부에 부착된 다양한 센서를 통해 수집한 센싱 정보를 외부 네트워크로 송신하는 단말기로 생체 접촉형 기기를 사용하기도 한다.
이와 같은 다양하게 활용되는 생체 접촉형 기기는 기기 내 제어부를 동작시켜 전원 공급을 제어하는 동작 스위치를 이용하는 것이 일반적이다. 기기 제어를 위한 동작 스위치는 크게 기계식 스위치와 전자식 스위치로 구분할 수 있다.
기계식 스위치는 전기적 접점을 기계적 구조체를 이용하여 분리 또는 연결하는 방식을 이용한다. 일반적인 기계식 스위치는 접점을 완전히 분리시켜 누설 신호로 인한 대기 전력 소모를 줄이고 정확한 동작 제어를 수행한다는 장점을 갖는 반면 동작 제어를 위해 외부에서 인가하는 힘으로 인해 기기의 접점이 분리되거나 원하는 생체 부위에서 기기가 이탈하여 기능 수행 오류가 발생하는 등의 문제점이 발생하기도 한다.
전자식 스위치는 생체 접점을 전기적 신호의 유무에 따라 분리 또는 연결하는 방식이다. 전자식 스위치는 물리적으로 외부에서 인가하는 힘의 크기를 최소화하면서 기기 제어 동작을 수행하는 장점을 갖는 반면 스위치 자체 특성으로 인한 전기적 누설 신호 크기가 상대적으로 커서 대기 전력 소모가 증가되는 문제점이 발생하기도 한다.
따라서, 기계식 스위치 및 전자식 스위치의 장점을 더하고 단점을 상쇄시킨 혼합 방식의 제어 스위치로 마이크로 머시닝 기반의 구조체를 사용하고 전기적 신호를 통해 구조체 특성을 제어하게 방식이 제안되기도 한다. 그러나, 이러한 경우 가격 측면에서 고가의 스위치로 구현된다는 문제점이 있다.
최근에는 스마트폰과 같은 개인 모바일 통신 단말기와 연동하여 접촉형 기기의 동작을 원격 제어하는 스위치 형태로 발전하고 있으나 스위치 자체 특성으로 인한 한계를 극복하기는 여전히 어려운 실정이다. 또한, 기계식 스위치 및 전자식 스위치를 생체 접촉형 기기에 사용하게 되면, 생체 접촉형 기기의 동작시 실제 접촉이 발생하고 있는 상황을 가정하여 실질적인 기기의 기능 수행 여부와는 무관하게 단순 기기 전원 공급 동작만을 제어하게 된다.
그러나, 생체 접촉형 기기는 접촉이 유지되는 경우에만 그 기능이 유효하고 원하는 기능과 응용에 따라 동작시간 동안 2개 이상의 지점에서 생체 접촉을 유지해야 한다. 특히, 생체 표면과 닿는 접촉식 전극을 통해 전자기파를 송수신하는 의료기기에서는 접촉이 유지되지 못하는 경우에 기기 오동작 및 기기 파손을 발생시킬뿐만 아니라 의도하지 않은 생체 영향을 줄 수 있다는 문제점이 있다. 또한, 모바일 환경에서 사용하는 기기에서는 이와 같은 비접촉 문제 발생시 정보 수집이나 치료 효과 확보 등의 정상적인 기능을 수행하지 못하면서도 지속적인 배터리 소모가 발생하여 기기 동작시간이 감소하는 문제점이 있다.
이와 같은 문제점을 해결하기 위해, 최근에는 접촉형 기기의 자체 동작을 기기 스스로 제어하는 스마트 스위치 개념이 도입되고 있다. 스마트 스위치는 압전 소자를 이용하여 자체 제어를 수행한다. 예컨대, 기기에서 압전 소자를 생체와 부착하는 면에 위치시켜 압전 소자에 가해지는 압력 변화를 통해 생체 접촉 유무를 판단하여 기기 전원을 제어하는 방식으로 동작하는 것이다.
그러나, 이와 같은 압전 소자 기반의 생체 접촉형 스마트 스위치는 압전 소자를 부착하는 형태, 기기 사용 장소, 생체 접촉 위치 및 접촉 면적 등에 따라 압전 소자에서 생성되는 충분한 전압/전류 생성을 보장할 수 없어 스위치 동작의 신뢰성을 확보할 수 없다는 기술적 한계도 동반된다. 또한, 단순히 압전소자에 가해지는 압력으로 스위치 구동 여부가 결정되기 때문에 사용자가 의도하지 않는 상황에서 오동작 발생 가능성이 있고, 사용하는 압전 소자의 수명으로 인한 기기 사용의 낮은 지속성, 소자의 두께 및 부피 등으로 인한 박막화 및 기기 소형화의 한계 등과 같은 문제점도 제기되고 있다.
따라서, 상술한 다양한 방식의 스위치 모듈의 장점을 조합하고 단점은 상쇄시킨 생체 접촉형 기기를 위한 스위치 모듈에 대한 연구가 계속되고 있다.
본 발명의 목적은 상술한 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 생체 접촉 기기에서 생체 접촉에 따른 피부 표면의 미세전류 유무에 따라 전원이 자동 ON/OFF 제어되는 스위치 모듈을 제안하는 것이다.
또한, 본 발명의 다른 목적은, 생체 접촉에 따라 자동 구동하는 스위치 모듈에 변복조 회로를 이용하여 외부 노이즈 및 전파 환경에 대한 동작 오류 발생을 최소화하고, 배열형 전극 구조를 사용하여 원하는 전극의 접촉 여부에 따른 동작 제어 및 다양한 동작 전극 조합을 선택할 수 있어 접촉 전극에 따른 기기 동작을 다양하게 구현할 수 있다.
본 발명에서 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상술한 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 생체 접촉형 기기에서 인체의 접촉을 감지함에 따라 자동 동작하는 인체감지회로는, 인체의 표면과 접촉하는 둘 이상의 생체 접촉형 전극; 상기 둘 이상의 생체 접촉형 전극이 인체 접촉을 감지함에 따라 형성 또는 소멸하며 전류 공급에 대한 스위치 동작을 수행하는 전류 전송 채널; 소정의 미세 전류를 생성하여 상기 전류 전송 채널로 전송하는 전류원; 및 상기 전류 전송 채널을 통과한 미세 전류를 소정의 생체 접촉형 기기로 공급하는 둘 이상의 트랜지스터 소자로 구성된 제1 전류 미러를 포함한다.
이때, 상기 둘 이상의 생체 접촉형 전극은, 상기 전류원과 연결되어 상기 미세전류를 전달받는 하나 이상의 송신 전극; 및 상기 전류 전송 채널이 형성되는 경우, 상기 전류 전송 채널을 통해 상기 송신 전극으로부터 상기 미세전류를 전달받는 하나 이상의 수신 전극을 포함할 수 있다.
또한, 상기 전류 전송 채널은, 상기 송신 전극 및 상기 수신 전극이 인체 표면에 접촉하는 경우 형성되고, 상기 송신 전극 및 상기 수신 전극이 인체 표면으로부터 분리되는 경우 소멸될 수 있다.
또한, 상기 제1 전류 미러는, 상기 전류 전송 채널을 통과한 미세 전류를 복사 또는 증폭하여 바이어스 전압 또는 바이어스 전류로 변조하여 상기 생체 접촉형 기기로 공급할 수 있다.
나아가, 본 발명의 다른 실시예에 따른 자동 동작 스위치 모듈은, 상기 제1 전류 미러에 연결되며, 소정의 입력전압의 크기에 따라 온오프 동작하는 PMOS(p-channel Metal-Oxide Semiconductor)형 스위치 소자; 및 상기 PMOS형 스위치 소자의 게이트 전극에 스위치 전압을 입력하기 위한 제1 바이어스 저항을 더 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 다른 실시예에 따른 자동 동작 스위치 모듈은, 상기 제1 전류 미러에 연결되며, 상기 전류원의 전류 공급 방향 변경 또는 전류 크기의 변경을 수행하는 둘 이상의 트랜지스터 소자로 구성된 제2 전류 미러; 상기 제2 전류 미러에 연결되며, 소정의 입력전압의 크기에 따라 온오프 동작하는 NMOS(n-channel Metal-Oxide Semiconductor)형 스위치 소자; 및 상기 NMOS형 스위치 소자의 게이트 전극에 스위치 전압을 입력하기 위한 제2 바이어스 저항을 더 포함할 수 있다.
나아가, 본 발명의 다른 실시예에 따른 자동 동작 스위치 모듈은, 소정의 주파수 변조 신호를 생성하여 상기 전류원으로 인가하는 변조 신호 발생기; 및 상기 제1 전류 미러를 통과한 변조화된 출력 신호를 복원하는 복조기를 더 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 다른 실시예에 따른 자동 동작 스위치 모듈은, 상기 복조기에 연결되며, 상기 복조기에서 복조화되는 신호의 시간 지연 유도를 위한 시간 지연 회로를 더 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 다른 실시예에 따른 자동 동작 스위치 모듈은, 상기 복조기에 연결되며 상기 복조기에서 복조화된 출력 신호의 전송 방향 또는 신호의 크기를 변경하는 둘 이상의 트랜지스터 소자로 구성된 제2 전류 미러; 상기 제2 전류 미러에 연결되며, 소정의 입력전압의 크기에 따라 온오프 동작하는 NMOS형 스위치 소자; 및 상기 NMOS형 스위치 소자의 게이트 전극에 스위치 전압을 입력하기 위한 하나 이상의 바이어스 저항을 더 포함할 수 있다.
나아가, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 자동 동작 스위치 모듈은, 상기 하나 이상의 송신 전극 및 상기 하나 이상의 수신 전극을 조합하여 하나 이상의 생체 접촉형 전극 쌍으로 배열하고, 상기 생체 접촉형 전극 쌍에서 생성되는 출력신호의 조합으로 최종 전원 제어를 생성하여 구동 신호로 이용할 수 있다.
바람직하게는, 상기 전류원에서 생성하는 미세전류는 수십 KHz ~ 수 MHz 대역의 주파수 신호를 사용할 수 있다.
상기 실시형태들은 본 발명의 바람직한 실시예들 중 일부에 불과하며, 본원 발명의 기술적 특징들이 반영된 다양한 실시예들이 당해 기술분야의 통상적인 지식을 가진 자에 의해 이하 상술할 본 발명의 상세한 설명을 기반으로 도출되고 이해될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 생체 접촉 기기에서 생체 접촉에 따른 피부 표면의 미세전류 유무에 따라 전원이 자동 ON/OFF 제어되는 스위치 모듈을 이용함으로써, 전극에 대한 생체 접촉 발생 여부에 따라 별도의 사용자 입력신호를 받지 않고 기기가 스스로 구동을 제어하는 스위치 동작 제어효과를 나타낼 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 생체 접촉형 기기 탈착시 스위치를 통한 소모 전력이 없으므로 효과적인 전력 사용이 가능하며 배터리 전원을 사용하는 모바일 기기의 사용시간을 증가시킬 수 있다.
또한, 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 생체 접촉에 따라 자동 구동하는 스위치 모듈에 변복조 회로를 이용하여 외부 노이즈 및 전파 환경에 대한 동작 오류 발생을 최소화하고, 배열형 전극 구조를 사용하여 원하는 전극의 접촉 여부에 따른 동작 제어 및 다양한 동작 전극 조합을 선택할 수 있어 접촉 전극에 따른 기기 동작을 다양하게 구현할 수 있다.
본 발명에 관한 이해를 돕기 위해 상세한 설명의 일부로 포함되는, 첨부도면은 본 발명에 대한 실시예를 제공하고, 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술적 사상을 설명한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 생체 접촉형 기기를 위한 자동 동작 스위치 모듈의 기본 회로 구성의 일 예를 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 생체 접촉형 기기를 위한 자동 동작 스위치 모듈의 기본 회로 구성의 다른 예를 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 생체 접촉형 기기를 위한 자동 동작 스위치 모듈의 기본 회로 구성의 또 다른 예를 나타내는 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 생체 접촉형 기기를 위한 자동 동작 스위치 모듈의 기본 회로 구성의 또 다른 예를 나타내는 도면이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 생체 접촉형 기기를 위한 자동 동작 스위치 모듈의 시뮬레이션 값의 일 예를 나타내는 도면이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 생체 접촉형 기기를 위한 자동 동작 스위치 모듈의 시뮬레이션 값의 다른 예를 나타내는 도면이다.
도 7은 본 발명의 실시예와 관련된 배열 스위치 전극 구조의 일 예를 나타내는 도면이다.
본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
이하, 본 발명에 따른 바람직한 실시 형태를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. 첨부된 도면과 함께 이하에 개시될 상세한 설명은 본 발명의 예시적인 실시형태를 설명하고자 하는 것이며, 본 발명이 실시될 수 있는 유일한 실시형태를 나타내고자 하는 것이 아니다. 이하의 상세한 설명은 본 발명의 완전한 이해를 제공하기 위해서 구체적 세부사항을 포함한다. 그러나, 당업자는 본 발명이 이러한 구체적 세부사항 없이도 실시될 수 있음을 안다.
본 발명은 생체 접촉형 기기를 위한 자동 동작 스위치 모듈에 관한 것으로, 구체적으로는, 생체에서의 접점 접촉 여부를 자동으로 인지하여 기기 동작을 자동으로 ON/OFF 제어할 수 있는 자동 동작 스위치 구조를 갖는 모듈에 관한 것이다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 생체 접촉형 기기를 위한 자동 동작 스위치 모듈의 기본 회로 구성의 일 예를 나타내는 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 자동 동작 스위치 모듈(100)은 자동 동작 스위치 구동을 위한 전원 전압원(101), 스위치 동작을 위해 전류 전송 채널로 인가하는 미세전류를 생성하는 전류원(102), 전류원(102)과 연결되어 전류를 송신하는 송신 전극(103), 송신 전극(103)으로부터 전류를 수신하는 수신 전극(104), 송신 전극(103) 및 수신 전극(104)의 생체 접촉 여부에 따라 생성 또는 소멸하는 전류 전송 채널(105), 수신 전극(104)을 통해 수신한 미세 전류로부터 바이어스 전압 및 전류를 기기에 공급하기 위한 전류 미러(106) 및 기기 전원부에 인가되는 출력 전류 포트(107)를 포함한다.
여기서, 송신 전극(103) 및 수신 전극(104)은 생체와 접촉시 피부 표면에 흐르는 미세전류를 통해 자동으로 생성되는 전류를 감지하기 위한 생체 접촉형 전극이다. 전류원(102)과 연결되는 송신 전극(103)은 전류원(102)으로부터 수신한 전류를 송신한다는 의미에서 송신 전극이라 나타내고, 수신 전극(104)은 전류 전송 채널(105)을 통과해 나온 전류를 수신한다는 의미에서 수신 전극이라 정의할 수 있다.
상기 전극들(103, 104)이 생체와 접촉하면서 전류 전송 채널(105)이 생성되어 전류가 흐르게 되고, 상기 전극들(103, 104)이 생체와 분리되면서 전류 전송 채널(105)이 소멸하여 전류 공급이 차단된다.
구체적으로, 전류원(102)에서 생성된 미세전류가 생체 접촉으로 인한 전송 채널(105)이 존재하는 경우에만 송신 전극(103)에서 수신 전극(104)으로 이동하게 되므로 전류 전송 채널(105)의 생성 및 소멸에 따라 자동 스위치 동작이 가능하게 된다. 즉, 송신 전극(103) 및 수신 전극(104)이 생체로부터 접촉된 상태에서 분리되어 채널이 존재하지 않는 경우, 전류원(102)에서 전극방향으로 보이는 부하가 존재하지 않아 원하는 크기의 전류 생성이 어렵고, 전류원(102) 양단에 전압차가 발생하지 않아 전류원 동작이 OFF되어 전력 소모가 발생하지 않게 된다.
본 발명의 실시예에 따르면, 미세 전류의 크기는 송신 전극(103) 및 수신 전극(104) 사이의 채널 거리를 통해 결정될 수 있다. 예컨대, 전송 채널(105)의 거리가 길어 생체 채널을 통한 저항 손실이 큰 경우 전류의 크기를 증가시키고, 전송 채널(105)의 거리가 짧은 경우에는 전류 크기를 줄이는 형태로 구현할 수 있다. 바람직하게는, 흐르는 전류의 크기가 소정 한계치 이상인 경우에는 해당 전류가 생체에 미치는 영향을 고려할 수 있다.
다시 도 1을 참조하면, 전류 미러(106)는 두 개의 트랜지스터 소자로 구성되며 수신 전극(104)에서 수집한 미세전류를 복사 및 증폭하여 바이어스 전압 또는 바이어스 전류로 변조하여 출력 전류 포트(107)로 전달한다.
본 발명의 실시예에 따른 스위치 모듈에서는 생체 전송 채널이 형성되는 경우에만 출력에 정전류가 공급되어 구동 전압이 생성되는데, 생체 접촉형 전극(103, 104)을 통해 최종적으로 출력 전류 포트(107)로 흐르는 전류의 크기는 전류원(102)에서 생성되는 전류 크기에 의해 결정되므로 원하는 구동 전압을 생성하도록 상기 도 1에 도시된 회로를 구현할 수 있다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 생체 접촉형 기기를 위한 자동 동작 스위치 모듈의 기본 회로 구성의 다른 예를 나타내는 도면으로, 생체 전자 기기의 스위치 구동 형태에 따른 생체 접촉형 자동 동작 스위치 회로의 일 예를 나타낸다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 자동 동작 스위치 모듈(200)은 상기 도 1에서 상술한 구성과 동일한 전원 전압원(201), 전류원(202), 송신 전극(203), 수신 전극(204), 전류 전송 채널(205), 제1 전류 미러(206)를 포함하고, PMOS(p-channel Metal-Oxide Semiconductor)형 스위치 소자(207), NMOS(n-channel Metal-Oxide Semiconductor)형 스위치 소자(208), PMOS형 스위치 소자(207)의 구동을 위한 제1 바이어스 저항(209), 제2 전류 미러(210), NMOS형 스위치 소자(208)의 구동을 위한 제2 바이어스 저항(211)을 더 포함할 수 있다.
여기서, 전원 전압원(201) 내지 제1 전류 미러(206)는 상기 도 1에서 상술한 전원 전압원(101) 내지 전류 미러(106)와 동일한 구성이므로 중복된 설명은 생략하도록 한다. 그리고, 도 2에서 전원 전압원(201)은 기기 전원부에 소정 전류를 인가하는 출력 전력 포트(201)와 동일한 개념으로 후술될 수 있다.
PMOS형 스위치 소자(207)는 입력전압이 high이면 스위치가 OFF되고, low이면 스위치가 ON되도록 동작하는 소자이고, NMOS형 스위치 소자(208)는 입력전압이 high이면 스위치가 ON되고, low이면 스위치가 OFF되도록 동작하는 소자이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 자동 동작 스위치 모듈(200)은 전자 기기 구동에 필요한 제어 스위치 타입에 따라 개별의 바이어스 회로를 생성하여 제어 전압을 생성할 수 있다. 일 예로, PMOS형 스위치 소자(207)를 사용하는 생체 접촉형 기기에서는 출력 전력 포트(201)에서 생성된 최종 전류를 제1 바이어스 저항(209)을 통해 전압으로 변환하여 스위치 동작을 구현할 수 있다. 다른 예로, NOMS형 스위치 소자(208)를 사용하는 생체 접촉형 기기에서는 출력 전력 포트(201)에서 생성된 최종 전류를 PMOS형 제2 전류 미러(210)를 통과시키고, 이를 제2 바이어스 저항(211)을 통해 전압으로 변환하여 원하는 스위치 동작을 구현할 수 있다.
일반적으로, 대부분의 생체 접촉형 기기는 NMOS형 스위치 소자(208)를 사용하는데, 이는 전류를 전류 미러에 2회 이상 통과시켜야 하므로 전압 생성 및 스위치 구동에 필요한 전류를 비대칭 전류 미러 등을 통해 더욱 쉽게 생성할 수 있다. 또한, 하나의 생체 접촉 채널을 통한 전류를 이용하여 여러 타입의 스위치를 동시에 제어할 수 있으므로 효과적인 스위치 구동이 가능하게 된다.
상기 도 2를 참조하여 상술한 실시예에서 전류 전송 채널을 통한 전류 이동을 위해 전류원은 교류(AC)를 사용하더라도 바이어스 회로에서 원하는 정전압 생성 및 스위치 구동 전압을 생성하기 위해서는 최종 전달되는 전류가 직류(DC) 형태가 되는 것이 바람직하다. 또한, 생체 표면으로 전류를 송수신하므로 외부 노이즈 및 전파 환경에 의해 스위치 오동작이 발생하는 것을 방지하기 위해 변조회로 및 복조회로를 추가구성할 수 있다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 생체 접촉형 기기를 위한 자동 동작 스위치 모듈의 기본 회로 구성의 또 다른 예를 나타내는 도면이다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 자동 동작 스위치 모듈(300)은 상기 도 1에서 상술한 구성과 동일한 전원 전압원(301), 전류원(302), 송신 전극(303), 수신 전극(304), 전류 전송 채널(305), 전류 미러(306) 및 출력 전력 포트(307)를 포함하고, 암호화된 신호 생성을 위한 변조 신호 발생기(308) 및 변조 신호를 복원하기 위한 복조기(309)를 더 포함할 수 있다.
마찬가지로, 전원 전압원(301) 내지 출력 전력 포트(307)는 상기 도 1에서 상술한 전원 전압원(101) 내지 출력 전력 포트(107)와 동일한 구성이므로 중복된 설명은 생략하도록 한다.
도 3을 참조하면, 변조 신호 발생기(308)는 소정의 변조 신호(310)를 생성하여 전류원(302)으로 인가함으로써, 송신 전극(303)으로 공급되는 미세 전류 신호를 AC 형태로 변조시킬 수 있다. 이때, 변조 신호(310)는 유사잡음코드(Pseudo Random Noise Sequence: PN Code)와 같은 임의의 약속된 암호화 신호로 구성될 수 있다. 변조된 미세 전류는 AC 특성을 가지므로 생체 표면을 따라 효율적으로 이동할 수 있다.
수신 전극(304)과 전류 미러(306)를 통해 출력 전류 포트(307)로 이동하는 미세 전류는 복조기(309)를 통해 다시 DC 형태로 전환된다. 복조기(309)에서는 변조 신호 발생기(308)에서 인가한 변조 신호(310)와 동일한 암호화 신호(311)를 사용하여 신호 복원을 수행한다.
따라서, 두 신호(310, 311)가 동일한 경우에만 원하는 DC 전류 신호가 생성되어 출력 전력 포트(307)에 전송될 수 있다. 또한, 최종 출력 전류 크기는 변조 신호(310)와 복조 신호(311)의 일치 정도에 따라 결정되므로, 두 신호가 서로 다른 경우에는 최종 출력 전류 포트(307)에서의 전류 크기는 축소되어 스위치 모듈이 OFF 동작하게 될 수 있다. 또한, 두 신호(310, 311)가 부분적으로 일치하는 경우에는 스위치 문턱전압 이하의 전압 생성으로 인하여 기기 동작이 정상적으로 수행되지 못할 수 있다.
도 3에 도시된 것처럼 단순한 변복조 회로를 추가함에 따라, 외부 노이즈 및 전파 환경에 둔감한 스위치 회로를 구현할 수 있고, 생체 전류 채널을 통한 효과적인 신호 전송이 가능해진다.
나아가, 하나의 생체 접촉형 기기에 통상적으로 송신 전극 및 수신 전극이 모두 포함되어 있으므로 변조 신호 발생기(308)는 동일하게 사용할 수 있으나, 신호 전송 상에서 발생하는 신호 전달 지연 등을 고려하면 복조기(309)의 입력에 별도의 시간 지연 회로를 추가하여 구성할 수 있다. 이때, 도 3에 도시된 것처럼 복조기(309)의 복조화된 출력 신호에 소정의 변조 신호를 인가하여 시간 지연을 유도하기 위한 다른 변조 신호 발생기(308)를 추가 구성할 수 있다.
또한, 변조 신호(310)와 복조 신호(311)는 모두 디지털 신호 파형으로 구현할 수 있으므로, 임의의 조작이 가능하며 임의의 시간 지연 또는 다중 암호 등의 신호 처리가 가능하게 된다.
상기 도 3을 참조하여 상술한 본 발명의 실시예에 따른 스위치 모듈에서 변조회로 및 복조회로는 미세 전류를 AC 형태로 변환시키고 암호화된 신호로 구성할 수 있으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니며, 다른 형태의 스위치 모듈을 구성할 수 있다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 생체 접촉형 기기를 위한 자동 동작 스위치 모듈의 기본 회로 구성의 또 다른 예를 나타내는 도면이다. 구체적으로, 도 4에 도시된 스위치 회로는 상기 도 2 및 도 3에서 상술한 회로구성에 변복조 신호 생성회로와 스위치 구동 전압 생성회로를 부가한 형태를 나타내는 것이다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 자동 동작 스위치 모듈(400)은 과 동일한 전원 전압원(401), 전류원(402), 송신 전극(403), 수신 전극(404), 전류 전송 채널(405) 및 전류 전송 채널(405)을 통과한 미세전류를 기기로 공급하기 위한 전류로 변환하기 위한 제1 전류 미러(406), 전류원 방향을 바꾸거나 원하는 전류원 크기를 생성하기 위한 제2 전류 미러(407), NMOS형 스위치 소자(408), 변조 신호 발생기(409), 변조 신호를 복원하기 위한 복조기(410), 스위치 구동 전원 생성을 위한 제1 바이어스 저항(411) 및 제2 바이어스 저항(412)을 포함한다.
이때, 제2 전류 미러(407)는 복조기(410)와 연결되어 복조화된 전류 또는 전압의 전송 방향을 바꾸거나 그 크기를 조절할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 자동 동작 스위치 모듈(400)은, 상기 도 2에서 상술한 것처럼, 스위치 동작하는 트랜지스터 소자 및 트랜지스터의 스위치 구동을 위한 바이어스 저항을 이용할 수 있다.
도 4에 도시된 것처럼, NMOS형 스위치 소자(408)는 제2 전류 미러(407)를 통과한 전류 또는 전압에 대해 스위치 동작을 수행하는데, NMOS형 스위치 소자(408)의 게이트 전압에 소정의 전압이 인가되면서 입력전압의 크기에 따라 ON/OFF 동작할 수 있다. 이때, 게이트 전극에 인가되는 스위치 전압을 생성하기 위한 저항으로 제1 바이어스 저항(411) 및 제2 바이어스 저항(412)으로 나누어 구성할 수 있다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 생체 접촉형 기기를 위한 자동 동작 스위치 모듈의 시뮬레이션 값의 일 예를 나타내는 도면으로, 상술한 본 발명의 다양한 실시예들에 따른 회로 구성을 검증하기 위한 시뮬레이션 결과를 나타낸다.
시뮬레이션 환경 설정값으로, 트랜지스터 소자는 실제 반도체 공정을 통해 제작할 수 있는 특정 값을 사용하고, 생체 접촉 모델은 피부 표면을 모델링하는데 사용하는 일반적인 RC 등가회로를 이용한다. 이때, 최종 출력단에는 스위치 소자로 인한 기생 커패시터를 추가하는 경우, 실제 스위치 동작시 시간에 따른 출력 파형 변화를 확인할 수 있다.
한편, 상기 도 3에 도시된 것과 같은 변복조 회로를 포함하는 본 발명의 실시예에 따른 자동 동작 스위치 모듈에서 변조 신호와 복조 신호의 값에 따라 스위치 구동 전압 시뮬레이션 결과도 다양하게 나타날 수 있다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 생체 접촉형 기기를 위한 자동 동작 스위치 모듈의 시뮬레이션 값의 다른 예를 나타내는 도면이다.
도 6을 참조하면, 제1 출력파형(601)은 변조 신호와 복조 신호를 동일한 주파수 신호로 사용하는 경우를 나타내고, 제2 출력파형(602)은 변조 신호와 복조 신호를 서로 다른 주파수 신호(예, 변조 신호와 대비하여 복조 신호가 2/3 가량 낮은 경우)로 사용하는 경우를 나타낸다.
상기 도 4에 도시된 자동 동작 스위치 모듈(400)에서, 스위치 구동하는 NMOS형 스위치 소자(408)의 문턱전압이 0.5V라고 가정하면 동일한 주파수 신호를 이용하여 변복조를 수행한 제1 출력파형(601)은 문턱전압 이상의 전압 생성이 가능하여 스위치 동작을 수행할 수 있다. 반면, 변복조 주파수 신호가 다른 경우의 제2 출력파형(602)은 문턱전압 이하의 전압이 생성되어 스위치 동작이 불가능해짐을 확인할 수 있다.
또한, 문턱전압 이하의 전압이 스위치에 인가되는 경우, 이로 인한 누설 전류가 스위치 소자에 발생하여 대기 전력 소모를 증가시킬 수 있으나 스위치 구동 회로에 통상의 기법을 적용하여 대기 전력 소모량을 최소화할 수 있다. 두 변조신호가 동일할 때 생성되는 전압의 크기는 출력단 바이어스 저항 및 최종 출력 전류 크기로 조절할 수 있다.
또한, 도 6에서 제3 출력파형(603)은 생체 접촉 전극의 피부 표면과의 접촉 상태가 좋지 않아 접촉분리되어 전송 채널이 소멸되는 상황에서 스위치 전압이 0V가 되어 전원 공급이 차단되는 경우의 출력파형을 나타내는 것이다.
한편, 본 발명의 다양한 실시예에 따른 자동 동작 스위치 모듈에서 180도 위상 차이를 가지는 동일 주파수를 변조 신호 및 복조 신호로 사용하게 되면 정상적인 스위치 구동 전원이 생성되지 않는다. 또한, 변조 신호 및 복조 신호간 위상 차이가 존재하는 경우에는 스위치 구동 전원의 크기가 정상적인 동작에 필요한 구동 전원보다 작을 수 있다.
이와 같은 변복조 신호간 위상 차이는 생체 채널로 인한 시간 지연 발생 및 구성 회로의 기생 소자 영향 등으로 인해 생성될 수 있는데, 상기 도 3에 도시된 회로 구성과 같이 복조기(309)로 시간 지연을 위한 변조 신호(311)를 인가하는 변조기(308)가 부가되는 시간 지연 회로를 추가 구성함으로써 변복조 신호간의 위상차 영향을 최소화할 수 있다.
또한, 전류 전송 채널을 통과하는 신호에서 발생하는 시간 지연 크기는 송신 전극 및 수신 전극과 같이 고정된 두 전극 사이에서 발생하는 것이므로 예측이 용이하고, 구성 회로에 부가되는 기생 소자는 동작 주파수 신호가 소정 기준치를 경과하지 않으면 시간 지연 특성에 큰 영향을 미치지 않을 수 있다. 따라서, 변조 신호와 복조 신호간 시간 지연 크기는 위상 보정 회로 등으로 쉽게 보상할 수 있다. 또한, 변조 주파수를 조절하면 180도 위상 차이로 인해 발생하는 문제를 쉽게 해결할 수 있으므로, 시간 지연 발생은 본 발명의 동작에 큰 영향을 미치지는 않는다.
나아가, 본 발명의 실시예에 따른 자동 동작 스위치 모듈에서 스위치 제어 모듈의 정확도를 높이고 스위치 모듈의 부착에 따른 동작 차별화 등의 부가 기능 구현을 위해 미세접촉 전극을 2개 이상의 배열형으로 구현할 수 있다. 이와 같이, 다수의 전극을 구비하여 스위치 모듈을 구성하는 배열형 자동 스위치 모듈 구조는 원하는 전극 조합에서 모든 전류 전송 채널이 존재해야 스위치 구동이 가능하도록 구현할 수 있으므로, 외부 노이즈 및 환경에 대한 오동작 방지율을 높일 수 있다. 또한, 여러 전극과의 접촉 여부를 자동으로 인지하는 것이 가능하므로 기기 밀착 여부를 스스로 인지할 수 있어 생체 접촉형 기기 사용의 정확도 및 효율성을 높일 수 있다.
나아가, 미세접촉 전극 각각의 배열 조합에 따른 출력 전압을 레지스터 또는 메모리 등과 같은 임의의 기억장치에 저장하는 경우, 이들 결과의 논리 조합을 통해 다양한 동작제어가 가능하고, 접점에 따른 동작 기능의 차별과 등과 같은 부가 기능 탑재가 가능하게 된다. 이에 대해서는 도 7을 참조하여 설명하도록 한다.
도 7은 본 발명의 실시예와 관련된 배열 스위치 전극 구조의 일 예를 나타내는 도면이다.
도 7을 참조하면, 상기 도 1에서 상술한 자동 동작 스위치 모듈의 기본 회로 구성에서 두 개의 송신 전극 및 두 개의 수신 전극을 배열하여 다양한 전극 조합을 구성할 수 있다. 예를 들어, 제1 송신 전극에서 제1 수신 전극으로 전류 전송 채널이 형성되는 경우, 제2 송신 전극에서 제2 수신 전극으로 전류 전송 채널이 형성되는 경우, 제1 송신 전극에서 제2 수신 전극으로 전류 전송 채널이 형성되는 경우 또는 제2 송신 전극에서 제1 수신 전극으로 전류 전송 채널이 형성되는 경우의 회로 구성을 구현할 수 있다.
이와 같이, 송신 전극 및 수신 전극과 같이 2개의 전극으로 구성된 배열 스위치를 이용하게 되면, 모든 접촉 전극이 전류 전송 채널을 생성하는 경우에만 기기 동작하도록 구성하여 기기의 동작 제어를 수행할 수 있다.
한편, 생체 내부에는 다양한 전기 신호들이 존재하며 각 전기 신호들은 일반적으로 수십 KHz 이하의 주파수 성분을 가진다. 따라서, 본 발명의 실시예에 따른 자동 동작 스위치 모듈에서, 전류 전송 채널을 통과하는 미세 전류가 생체에 미치는 영향 및 생체 신호가 자동 스위치 동작에 미치는 영향을 최소화하기 위해, 전류 전송 채널을 통한 미세 전류의 주파수를 생체 내부의 전기 신호 주파수 영역과 구분되도록 설정하는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 자동 동작 스위치 모듈에서 미세 전류의 주파수 영역대를 결정하는 것은 주파수 영역별로 생체 내 유해영향을 가할 수 있는 전류 크기의 제약과 동작 주파수에 따른 회로 구성의 차이가 존재한다는 측면에서 중요하다. 예를 들어, 수십 KHz ~ 수 MHz 대역의 주파수 신호를 사용하게 되면, 생체 내부에 미치는 영향을 최소화할 수 있고 회로 구성의 제약이 덜하며 생체에서 충분한 파장 길이를 확보할 수 있다. 반면, 수 GHz 이상의 주파수 대역을 사용하게 되면, 외부 전자파 환경에 의한 오동작 발생률이 증가하게 되고 상대적으로 짧은 파장거리와 표면 전류 효과로 인한 전류 전송 채널에서의 저항의 영향으로 전극간 전류 신호 감도가 증가되어 수신 감도로 인한 미세 접촉 전극의 거리 제약을 발생시킬 수 있다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서 본 발명에 기재된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상이 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의해서 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (11)

  1. 인체의 표면과 접촉하는 둘 이상의 생체 접촉형 전극;
    상기 둘 이상의 생체 접촉형 전극이 인체 접촉을 감지함에 따라 형성 또는 소멸하며 전류 공급에 대한 스위치 동작을 수행하는 전류 전송 채널;
    소정의 미세 전류를 생성하여 상기 전류 전송 채널로 전송하는 전류원;
    소정의 주파수 변조 신호를 생성하여 상기 전류원으로 인가하는 변조 신호 발생기;
    상기 전류 전송 채널을 통과한 미세 전류를 소정의 생체 접촉형 기기로 공급하는 둘 이상의 트랜지스터 소자로 구성된 제1 전류 미러; 및
    상기 제1 전류 미러를 통과한 변조화된 출력 신호를 복원하는 복조기를 포함하는, 생체 접촉형 기기를 위한 자동 동작 스위치 모듈.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 둘 이상의 생체 접촉형 전극은,
    상기 전류원과 연결되어 상기 미세전류를 전달받는 하나 이상의 송신 전극; 및
    상기 전류 전송 채널이 형성되는 경우, 상기 전류 전송 채널을 통해 상기 송신 전극으로부터 상기 미세전류를 전달받는 하나 이상의 수신 전극을 포함하는, 생체 접촉형 기기를 위한 자동 동작 스위치 모듈.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 전류 전송 채널은,
    상기 송신 전극 및 상기 수신 전극이 인체 표면에 접촉하는 경우 형성되고, 상기 송신 전극 및 상기 수신 전극이 인체 표면으로부터 분리되는 경우 소멸되는, 생체 접촉형 기기를 위한 자동 동작 스위치 모듈.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제1 전류 미러는,
    상기 전류 전송 채널을 통과한 미세 전류를 복사 또는 증폭하여 바이어스 전압 또는 바이어스 전류로 변조하여 상기 생체 접촉형 기기로 공급하는, 생체 접촉형 기기를 위한 자동 동작 스위치 모듈.
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 제1항에 있어서,
    상기 복조기에 연결되며, 상기 복조기에서 복조화되는 신호의 시간 지연 유도를 위한 시간 지연 회로를 더 포함하는, 생체 접촉형 기기를 위한 자동 동작 스위치 모듈.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 복조기에 연결되며 상기 복조기에서 복조화된 출력 신호의 전송 방향 또는 신호의 크기를 변경하는 둘 이상의 트랜지스터 소자로 구성된 제2 전류 미러;
    상기 제2 전류 미러에 연결되며, 소정의 입력전압의 크기에 따라 온오프 동작하는 NMOS형 스위치 소자; 및
    상기 NMOS형 스위치 소자의 게이트 전극에 스위치 전압을 입력하기 위한 하나 이상의 바이어스 저항을 더 포함하는, 생체 접촉형 기기를 위한 자동 동작 스위치 모듈.
  10. 제2항에 있어서,
    상기 하나 이상의 송신 전극 및 상기 하나 이상의 수신 전극을 조합하여 하나 이상의 생체 접촉형 전극 쌍으로 배열하고, 상기 생체 접촉형 전극 쌍에서 생성되는 출력신호의 조합으로 최종 전원 제어를 생성하여 구동 신호로 이용하는, 생체 접촉형 기기를 위한 자동 동작 스위치 모듈.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 전류원에서 생성하는 미세전류는 수십 KHz ~ 수 MHz 대역의 주파수 신호를 사용하는, 생체 접촉형 기기를 위한 자동 동작 스위치 모듈.
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