KR101716695B1 - 생체신호측정과 압력측정이 가능한 3차원구조 직물센서 - Google Patents

Abstract

본 발명은 생체신호 측정과 동시에 압력감지를 할 수 있는 3차원구조의 직물센서에 관한 것으로서 본 발명에 의해 신체의 미세신호를 몸에 밀착하여 심전도, 근전도, 뇌파 등의 생체신호를 측정함과 동시에 압력발생시 정전용량변화량과 저항변화를 동시에 측정할 수 있어 하나의 센서로 2가지의 측정값을 얻음으로써 보다 정밀한 생체신호의 측정이 가능한 3차원구조 직물센서를 제공할 수 있다.

Description

생체신호측정과 압력측정이 가능한 3차원구조 직물센서{Three―Dimensional Type Fabric Sensor Capable Of Vital―Sign Measurement And Pressure Measurement}

본 발명은 생체신호 측정과 동시에 압력측정을 할 수 있는 3차원구조의 직물센서에 관한 것이다.

유비쿼터스시대가 도래하면서 사용자가 항상 신체에 휴대하면서 언제나 사용 가능한 컴퓨팅 기기에 대한 요구가 커지고 있다. 이에 PDA와 같이 손에 들고 사용하는 장치가 보편화되었으며, 더욱 나아가서 사람들의 생활에 가장 밀접한 위치를 차지하는 의류에 컴퓨팅 기능을 통합하려는 시도들이 나타나고 있는데, 이는 사용자가 이동 환경에서 자유로이 컴퓨팅 기능을 수행할 수 있고 이를 위해 소형화 및 경량화하여 신체 또는 의복에 착용하도록 할 수 있다. 이는 전도성 사의 출연으로 가능하게 되었다.

이와 같이 스마트 기능을 갖는 의복에 대한 관심이 높아짐으로 인해 스마트 의복을 구현하기 위한 연구가 활발히 진행되고 일부에서는 상용화된 의복을 출시하고 있다. 이러한 스마트 의복의 구현을 위해서는 사용자의 터치동작을 감지할 수 있는 터치 센서 즉, 압력 센서가 필요하다.

일반적인 직물형 센서로는 압전 방식이 널리 보급되어 사용되었다. 압전방식의 압력센서는 압전재료가 2개의 커넥터판 사이에 위치하는 구조로 제작된다. 그러나 기존의 압전방식의 압력센서는 유연성이 개선되지 않아 스마트 의복에 채용되기 어려운 단점이 있었다. 이를 개선한 기술이 한국공개특허제2007-7809호에 개시된 직물형터치 센서이다. 이는 외부 도전성층 사이에 압전저항재료로 코팅된 비도전성 직물을 배치하는 구조로, 커넥터판을 얇게 필름화함으로 인해 유연성을 크게 개선시켰다. 하지만, 기존의 압전 방식의 압력 센서의 경우 고가의 압전 재료가 포함되어야 하기 때문에 그 제조 단가가 높고 작업성이 낮아 대량 생산시에 큰 단점으로 작용하고, 그 제조가 용이하지 않는 문제가 있었다.

대한민국공개특허제2007-7809호(2007년01월16일공개)

그러므로 본 발명에 의하면 상기 선행기술의 문제점을 해결하여 제조가 용이하면서도 정전용량변화량과 저항변화를 동시에 측정할 수 있어 하나의 센서로 2가지의 측정값을 얻음으로써 보다 정밀한 생체신호의 측정이 가능한 3차원구조 직물센서를 제공하는 것을 기술적과제로 한다.

그러므로 본 발명에 의하면, 합성수지폼 또는 더블라셀편물재질의 탄성기재층;

상기 탄성기재층의 상부와 하부에 형성된 제1전도성직물층;

상기 상부 제1전도성직물층의 상부에 형성된 인슐레이터층;

상기 탄성기재층, 제1전도성직물층, 인슐레이터층을 감싸는 절연체;

상기 절연체를 감싸는 제2전도성직물층;

및 상기 제1전도성직물층 및 제2전도성직물층과 연결되는 커넥터를 포함하는 것을 특징으로 하는 생체신호측정과 압력측정이 가능한 3차원구조 직물센서가 제공된다.

본 발명의 생체신호측정과 압력측정이 가능한 3차원구조 직물센서의 상기 제2전도성직물층의 저항값은 상기 제1전도성직물층의 저항값보다 낮은 것을 특징으로 한다.

본 발명의 생체신호측정과 압력측정이 가능한 3차원구조 직물센서의 상기 인슐레이터층은 그물형태의 비전도성 직물인 것을 특징으로 한다.

그러므로 본 발명에 의하면 신체의 미세신호를 몸에 밀착하여 심전도, 근전도, 뇌파 등의 생체신호를 측정함과 동시에 압력발생시 정전용량변화량과 저항변화를 동시에 측정할 수 있어 하나의 센서로 2가지의 측정값을 얻음으로써 보다 정밀한 생체신호의 측정이 가능한 생체신호측정과 압력 측정이 가능한 3차원구조 직물센서를 제공할 수 있다.

도 1은 본 발명의 3차원 직물센서의 단면도이며,
도 2는 본 발명의 3차원 직물센서의 사진이다.

이하 본 발명을 상세히 설명하기로 한다.

본 발명의 생체신호측정과 압력측정이 가능한 3차원구조 직물센서는 인체와 접촉하여 생체신호의 측정과 동시에 압력감지를 할 수 있는 것으로서 탄성기재층; 제1전도성직물층; 인슐레이터층; 제2전도성직물층; 절연체 및 커넥터를 포함하여 이루어진다.

도 1은 본 발명의 3차원 직물센서의 단면도이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 생체신호측정과 압력측정이 가능한 3차원구조 직물센서(10)는 합성수지폼 또는 더블라셀편물재질의 탄성기재층(1); 상기 탄성기재층의 상부와 하부에 형성된 제1전도성직물층(2); 상기 상부 제1전도성직물층의 상부에 형성된 인슐레이터층(3); 상기 탄성기재층, 제1전도성직물층, 인슐레이터층을 감싸는 절연체(4); 상기 절연체를 감싸는 제2전도성직물층(5); 및 상기 제1전도성직물층 및 제2전도성직물층과 연결되는 커넥터(6)를 포함하여 이루어진다.

상기 탄성기재층은 직물센서의 내부에 위치하여 정전용량 측정을 위한 것으로서 합성수지폼 또는 더블라셀편물재질로 이루어진다. 상기 합성수지는 LDPE 폼 또는 폴리우레탄폼으로 이루어져 일정의 부피를 가지고 있으며, 탄성을 가져 외부압력에 의해 압축되더라도 복원력이 우수한 것을 사용하여야 한다. 외부에서 압력이 가해질 때, 탄성기재층의 두께가 줄어들어 상기 탄성기재층의 상부와 하부에 형성된 제1전도성직물층에 의해 정전용량의 변화가 생기는데, 이로 인해 압력측정이 이루어지는 것이다.

압력측정을 위해서는 용량, 저항, 광강도, 전압 등의 변화량과 변화원리가 있다. 본 발명의 경우 컨덕터(conductor)인 전도성직물층이 접촉하여 저항변화와 정전용량변화량을 측정하는 방식을 택하고 있다. 압력의 정도나 세기에 따라 저항변화와 정전용량변화량을 서로 보상하여 측정하고 있다.

절연된 탄성기재층의 상부와 하부에 형성된 제1전도성직물층에 전위를 주었을 때 탄성기재층이 전하를 축적하는 것에 의해 두 장의 제1전도성직물층간 용량이 다음식에 의해 계산될 수 있는데,

--- [식 1]

(C : 정전 용량, Q : 전하, V : 전압, ε: 탄성기재층의 비유전율, A : 제1전도성직물의 면적, t : 탄성기재층의 두께)

정전 용량을 증가시키려면 제1전도성직물의 면적을 증가하든가, 비유전율이 큰 물질을 제1전도성직물간에 사용하든가, 또는 제1전도성직물간 거리를 작게 하면 된다는 것을 위 식으로 알 수 있다. 단위는 1V의 전위를 주었을 때 1C의 전하를 축적하는 정전 용량을 1패럿이라 하고 F로 나타낸다.

상기 제1전도성직물층의 전도성직물은 금, 은, 동, 니켈 중 어느 하나 이상을 사용한 전도사로 이루어진 직물을 사용할 수 있다.

이렇게 본 발명과 같은 생체신호를 감지하는 센서는 비전도성직물층(7)에 부착하여 의류, 침구류, 자동차등의 센서로 사용하는데, 센서가 신체에 밀착하는 접촉면적의 변화에 의해 전기적신호의 세기가 변화하거나 노이즈가 발생하는데 본 발명에서는 상기 탄성기재층에 의해 신체동작에 능동적으로 대처하게 함으로써 센서의 밀착정도를 일정하게 유지하도록 하는 것이다.

또한, 상기 상부 제1전도성직물층의 상부에는 인슐레이터층이 형성되어 저항값측정을 하는 작용을 하는데, 그물형태의 비전도성 직편물인 것을 사용하면 그물형태내의 빈공간을 통해 전도성직물간의 접촉이 일어날 수 있게 하여 저항값의 변화를 측정할 수 있도록 한다.

상기 탄성기재층, 제1전도성직물층, 인슐레이터층의 외부는 절연체로 둘러싸도록하여 절연을 하도록 한다. 절연체는 의류의 내부를 충진하는 면솜, 합성섬유재솜, 스펀지등을 사용할 수 있다.

또한, 상기 절연체를 제2전도성직물층으로 감싸게 되어 인슐레이터층의 상부에 감싸진 제2전도성직물층의 외부에서 압력이 주어질 때 그물형태의 비전도성 직편물의 공간부를 통해 제2전도성직물층과 상부 제1전도성직물층의 접촉함에 의해 저항값이 변화하게 되는데, 이에 의해 압력측정이 가능해 진다. 상기 제2전도성직물층의 전도성직물은 상기 제1전도성직물층과 동일한 재질을 사용할 수 있다. 또한, 제2전도성직물층은 피부와 접촉하여 심전도, 근전도, 뇌파 등의 생체신호를 측정할 수 있게 된다. 상기 제2전도성직물층의 저항값이 제1전도성직물층의 저항값보다 낮은 것을 사용하는 것이 생체신호측정에 용이하므로 바람직하다.

상기 제1전도성직물층 및 제2전도성직물층에는 전도사나 전도성 테이프와 같은 커넥터를 봉재와 같은 방법으로 연결하여 측정된 생체신호와 압력값의 데이터를 통신장치나 모니터링 장치로 전달할 수 있도록 할 수 있는데, 본 발명의 센서에서는 제2전도성직물층과 피부가 접촉하여 심전도, 근전도, 뇌파 등의 생체신호를 측정할 수 있을 뿐만 아니라, 외부압력이 주어지는 경우에 압력의 정도나 세기에 따라 상기 각각 얻은 저항변화와 정전용량변화량을 서로 합산하여 압력을 측정한다.

1 : 탄성기재층 2 : 제1전도성직물층
3 : 인슐레이터층 4 : 절연체
5 : 제2전도성직물층 6 : 커넥터
7 : 비전도성직물층 10 : 3차원구조 직물센서

Claims (3)

1. 더블라셀편물재질의 탄성기재층;
   상기 탄성기재층의 상부와 하부에 형성된 제1전도성직물층;
   상기 상부 제1전도성직물층의 상부에 형성된 그물형태의 비전도성 직편물로 된 인슐레이터층;
   상기 탄성기재층, 제1전도성직물층, 인슐레이터층을 감싸는 절연체;
   상기 절연체를 감싸는 제2전도성직물층;
   및 상기 제1전도성직물층 및 제2전도성직물층과 연결되는 커넥터를 포함하고, 상기 제2전도성직물층의 저항값은 상기 제1전도성직물층의 저항값보다 낮은 것을 특징으로 하는 생체신호측정과 압력측정이 가능한 3차원구조 직물센서.
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