KR101990894B1 - 진공 흡착을 이용한 cnt 혼합 전극 - Google Patents

진공 흡착을 이용한 cnt 혼합 전극 Download PDF

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Abstract

본 발명의 일 실시 형태에 따른 진공 흡착을 이용한 CNT 혼합 전극은, 관통 홀이 형성되며, 피검체의 피부에 접착되어 생체 신호를 감지하도록 구성된 하부 전극과, 하부 전극의 일 면에 구비되어 하부 전극과의 사이에 밀폐된 공간을 형성하며, 하부 전극에 의해 감지된 생체 신호를 전달받도록 구성된 상부 전극과, 하부 전극 및 상부 전극 중 적어도 하나에 형성되고, 밀폐된 공간 및 관통 홀에 존재하는 공기를 외부로 배출시킴으로써, 상부 전극 및 하부 전극을 피검체의 피부에 진공 흡착시키도록 구성된 에어 배출부를 포함할 수 있다.

Description

진공 흡착을 이용한 CNT 혼합 전극{CARBON NANOTUBE COMPOSITE ELECTRODE USING VACUUM SUCTION}
본 출원은, 진공 흡착을 이용한 CNT 혼합 전극에 관한 것이다.
심전도(ElectroCardioGram, ECG), 근전도(ElectroMyoGraph. EMG), 생체 임피던스(bio-impedance) 등 신체로부터 발생하는 다양한 전기신호를 측정하기 위해서 인체에 접착하여 사용하는 전극을 사용한다.
전극은 보통 습식(wet-type)과 건식(dry-type) 전극으로 나뉜다.
대표적으로 하이드로겔(Hydrogel)과 접착물질을 포함하는 일회용 습식 Ag/AgCl 전극이 있다. 일회용 습식 Ag/AgCl 전극은 간편한 부착과 높은 전기적 특성으로 인해 생체 신호를 측정하기 위해 가장 많이 사용된다. 하지만, 시간에 따라 전기적 특성이 변할 수 있고 장시간 측정시 알레르기와 같은 트러블 반응을 일으킬 수 있기 때문에 장시간 측정하기 어렵다.
건식 전극은 밴드와 같은 별도의 도구를 이용하여 신체에 고정시키거나 전극을 집게 형태나 흡착 방식을 이용하여 피부에 고정시키는 방법을 사용한다. 하지만 전극의 부피가 매우 크기 때문에 부착된 상태에서 움직임이 매우 제한된다.
한국공개특허 제2017-0100956호(“장시간 부착 가능한 심전도 측정용 생체전극”, 공개일: 2017년09월05일)
본 발명의 일 실시 형태에 의하면, 별도의 도구나 접착제 없이도 피검체의 피부에 부착시킬 수 있고, 피검체의 피부 주름에 의한 공간을 최소화하여 전극의 밀착력을 유지함과 동시에 장시간 측정시 발생할 수 있는 피부 트러블을 방지할 수 있는 진공 흡착을 이용한 CNT 혼합 전극을 제공한다.
본 발명의 일 실시 형태에 의하면, 관통 홀이 형성되며, 피검체의 피부에 접착되어 생체 신호를 감지하도록 구성된 하부 전극; 상기 하부 전극의 일 면에 구비되어 상기 하부 전극과의 사이에 밀폐된 공간을 형성하며, 상기 하부 전극에 의해 감지된 생체 신호를 전달받도록 구성된 상부 전극; 및 상기 하부 전극 및 상기 상부 전극 중 적어도 하나에 형성되고, 상기 밀폐된 공간 및 상기 관통 홀에 존재하는 공기를 외부로 배출시킴으로써, 상기 상부 전극 및 상기 하부 전극을 상기 피검체의 피부에 진공 흡착시키도록 구성된 에어 배출부를 포함하는 CNT 혼합 전극을 제공한다.
본 발명의 일 실시 형태에 의하면, 전극을 피검체의 피부에 진공 흡착 방식으로 부착시킴으로써, 별도의 도구나 접착제 없이도 피검체의 피부에 부착시킬 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시 형태에 의하면, 하부 전극은 aPDMS의 재질을 포함함으로써, 피검체의 피부 주름에 의한 공간을 최소화하여 전극의 밀착력을 유지함과 동시에 장시간 측정시 발생할 수 있는 피부 트러블을 방지할 수 있다.
상술한 진공 흡착을 이용한 CNT 혼합 전극은 홀스터(holster)와 같이 장시간 생체 신호를 측정하기 위한 기기나 웨어러블 디바이스 등에 적용할 수 있다.
도 1a 내지 도 1f는 본 발명의 일 실시 형태에 따른 진공 흡착을 이용한 CNT 혼합 전극을 도시한 도면이다.
도 2a 내지 도 2b는 본 발명의 다른 실시 형태에 따라 하부 전극에 형성된 에어 배출부 및 동작 원리를 도시한 도면이다.
도 3은 종래 습식 전극과 본 발명의 일 실시 형태에 따른 CNT 혼합 전극으로 측정한 생체 신호의 비교 실시예이다.
도 4는 본 발명의 일 실시 형태에 따른 CNT 혼합 전극을 피검체에 부착한 상태에서 인장기를 이용하여 수직으로 들어올렸을 때 버틸 수 있는 힘을 측정한 데이터이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시형태를 설명한다. 그러나 본 발명의 실시형태는 여러 가지의 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명하는 실시형태로만 한정되는 것은 아니다. 도면에서의 요소들의 형상 및 크기 등은 더욱 명확한 설명을 위해 과장될 수 있으며, 도면상의 동일한 부호로 표시되는 요소는 동일한 요소이다.
도 1a 내지 도 1f는 본 발명의 일 실시 형태에 따른 진공 흡착을 이용한 CNT 혼합 전극(100)을 도시한 도면이다.
구체적으로, 도 1a는 본 발명의 일 실시 형태에 따른 CNT 혼합 전극을 위에서 바라본 도면이며, 도 1b는 도 1a의 A-A'를 절단하여 바라본 도면이며, 도 1c는 본 발명의 일 실시 형태에 따른 CNT 혼합 전극에 의한 생체 신호 전달 과정을 도시한 도면이며, 도 1d는 도 1a의 상부 전극에 형성된 에어 배출부를 도시한 도면이며, 도 1e는 도 1d의 에어 배출부의 동작을 설명하는 도면이며, 도 1f는 본 발명의 일 실시 형태에 따른 CNT 혼합 전극 중 하부 전극의 재질에 따른 피검체의 접착 상태를 도시한 도면이다.
이하, 도 1a 내지 도 1f를 참조하여 본 발명의 일 실시 형태에 따른 진공 흡착을 이용한 CNT 혼합 전극을 상세하게 설명한다.
도 1a 내지 도 1b에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시 형태에 따른 진공 흡착을 이용한 CNT 혼합 전극(100)은 하부 전극(110)과 상부 전극(120)을 포함한다.
하부 전극(110)에는 피검체의 피부(S)와 전극(110, 120) 사이의 공기를 제거하기 위한 다수의 관통 홀(H)이 형성되며, 피검체의 피부(S)에 접착되어 생체 신호를 감지하도록 구성된다.
이러한 하부 전극(110)은 접착력 및 도전성을 가지는 재질로 구성되고, 후술하는 상부 전극(120)의 도전층(122)과 연결된 원형의 판상 구조물일 수 있다. 상술한 하부 전극(110)의 형상은 원형으로 한정하고 있으나, 사각 형상 등 다양한 형태가 채용될 수 있음에 유의하여야 한다.
상술한 접착력 및 도전성을 가지는 재질은 탄소나노튜브(Carbon nanotube, CNT)와 aPDMS(adhesive PolyDiMethylSiloane)의 혼합 재질을 포함할 수 있다.
도 1f는 본 발명의 일 실시 형태에 따른 CNT 혼합 전극 중 하부 전극(110)의 재질에 따른 피검체의 피부(S)의 접착 상태를 도시한 도면으로, (a)는 하부 전극(110)의 재질이 실리콘인 경우 (b)는 하부 전극(110)의 재질이 aPDMS인 경우이다.
도 1f에 도시된 바와 같이, 하부 전극(110)으로 aPDMS을 사용하는 경우 피부와의 사이의 공간을 최소화하여 전극(110, 120)과 피검체의 피부(S)의 밀착력을 높일 수 있음을 알 수 있다.
다시 도 1a 및 도 1b를 참조하면, 상부 전극(120)은 하부 전극(110)의 일 면에 구비되어 하부 전극(110)과의 사이에 밀폐된 공간(CS)을 형성하며, 하부 전극(120)에 의해 감지된 생체 신호를 전달받도록 구성된다.
상술한 상부 전극(120)은 탄성력 및 복원력을 가지는 재질로 구성된 아치 형상의 구조물(121)과, 아치 형상의 구조물(121)의 내면에 형성되도록 구성된 도전층(122)과, 아치 형상의 구조물(121)의 외면에 형성되며, 아치 형상의 구조물(121)을 관통하여 도전층(122)과 연결되도록 구성된 스냅 커넥터(123)를 포함할 수 있다. 여기서, 탄성력 및 복원력을 가지는 아치 형상의 구조물(121)의 재질은, 예를 들면 실리콘을 포함할 수 있다.
도전층(122)은 아치 형상의 구조물(121)의 내면의 전부 또는 일부에 스퍼터링을 이용하여 코팅되거나 도전성 와이어, 도전성 테이프 형태로 부착되는 도전체를 포함할 수 있다. 이러한 도전층(122)은 스냅 커넥터(123) 및 하부 전극(110)과 연결된다.
스냅 커넥터(123)는 생체 신호를 외부로 전달하기 위해 사용되며 금속 재질일 수 있다. 이러한 스냅 커넥터(123)는 일반 습식 Ag/AgCl 전극에서 사용하는 버튼 형태일 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시 형태에 의하면, 원형의 판상 구조물(110)의 일면에는, 외력에 의해 상부 전극(120)의 도전층(122)과 원형의 판상 구조물(110)의 접촉을 방지하기 위한 절연층(125)이 더 형성될 수 있다. 이는 인가된 외력에 의해 상부 전극(120)의 도전층(122)과 원형의 판상 구조물(110)이 접촉할 경우 생체 신호의 왜곡 및 잡음이 유입될 수 있기 때문이다.
또한, 아치 형상의 구조물(121)이 부착되지 않은 원형의 판상 구조물(110)의 일면에도 절연층(124)이 더 형성될 수 있으며, 이는 원형의 판상 구조물(110)의 노출된 부분을 덮음으로써, 외부 환경으로부터 발생되는 잡음을 방지하기 위함이다.
한편, 도 1c는 본 발명의 일 실시 형태에 따른 CNT 혼합 전극에 의한 생체 신호 전달 과정을 도시한 도면이다.
도 1c에 도시된 바와 같이, 피검체의 피부(S)의 생체 신호(130)는 하부 전극(110)과 상부 전극 중 아치 형상의 구조물(121)의 내면에 형성된 도전층(122)을 통해 스냅 커넥터(123)로 전달될 수 있다.
한편, 본 발명의 일 실시 형태에 의하면, 상부 전극(120)에는 밀폐된 공간(CS) 및 관통 홀(H)에 존재하는 공기를 외부로 배출시킴으로써, 상부 전극(120) 및 하부 전극(110)을 피검체의 피부(S)에 진공 흡착시키도록 구성된 에어 배출부(120a)를 포함할 수 있다. 상술한 에어 배출부(120a)는, 도 1a에 도시된 바와 같이, 적어도 2 이상 형성될 수 있다.
상술한 에어 배출부(120a)가 도 1d에 도시되어 있다.
도 1d를 참조하면, 에어 배출부(120a)는, 힌지 구조를 가질 수 있다. 즉, 에어 배출부(120a)는 아치 형상의 구조물(121)의 일부이며, 양측에 평행한 절개부(120a-1)를 가지며, 절개되지 않은 힌지부(120a-2)를 중심으로 외측(D1) 방향으로 개방 및 복원될 수 있다. 이러한 에어 배출부(120a)는 원형의 판상 구조물(110)과 접하는 아치 형상의 구조물(121)의 일측에 형성되어, 외력이 인가되면 외측(D1) 방향으로 개방되고 외력이 제거되면 원 상태로 복원될 수 있다.
도 1e에는 상술한 본 발명의 일 실시 형태에 따른 에어 배출부(120a)의 동작 원리가 도시되어 있다.
도 1e에 도시된 바와 같이, 외력이 인가되어 상부 전극(120)(구체적으로는, 스넵 커넥터(123))이 눌려지면, 에어 배출부(120a)가 개방되고, 개방된 에어 배출부(120a)를 통해 밀폐된 공간(도 1b의 CS) 내의 공기는 외부로 배출될 수 있다. 이후 외력이 제거되면, 에어 배출부(120a)가 원 상태로 복원되어 밀폐된 공간(도 1b의 CS) 내부를 진공 상태를 만듦으로써, 상부 전극(120) 및 하부 전극(110)이 피검체의 피부(S)에 진공 흡착될 수 있다.
한편, 도 2a 내지 도 2b는 본 발명의 다른 실시 형태에 따라 하부 전극에 형성된 에어 배출부 및 동작 원리를 도시한 도면이다.
도 1a의 실시예와 달리, 도 2a에서 도시된 에어 배출부(110a)는 하부 전극(110)에 형성되도록 구성된다.
구체적으로, 에어 배출부(110a)는 피검체의 피부(S)에 접착되는 원형의 판상 구조물(110)의 일면(하부면)에 형성되고, 외곽부(111)는 돌출되고 중심부(112)는 파이도록 형성된다.
상술한 본 발명의 다른 실시 형태에 따른 에어 배출부(110a)는 도 2b에 도시된 바와 같이 동작한다.
구체적으로, 도 2b에 도시된 바와 같이, 외력이 인가되어 상부 전극(120)이 눌려지면, 하부 전극(110)의 외곽부(111)가 상부(D2) 방향으로 들어 올려지며 밀폐된 공간(도 1b의 CS) 내부의 공기는 외부로 배출될 수 있다. 이후 외력이 제거되면, 하부 전극(110)의 외곽부(111)는 원 상태로 복원되어 밀폐된 공간 내부(도 1b의 CS)를 진공 상태를 만듦으로써, 상부 전극(120) 및 하부 전극(110)이 피검체의 피부(S)에 진공 흡착될 수 있다.
도 3은 종래 습식 전극과 본 발명의 일 실시 형태에 따른 CNT 혼합 전극으로 측정한 생체 신호의 비교 실시예로, (a)는 상용화된 습식 전극을 측정한 생체 신호이며 (b)는 본 발명의 일 실시 형태에 따른 CNT 혼합 전극으로 측정한 생체 신호이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 기존 상용화된 습식 전극과 본 발명의 일 실시 형태에 따른 CNT 혼합 전극에서 측정된 생체 신호의 큰 차이가 없다는 것을 알 수 있으며, 이로써 본 발명의 일 실시 형태에 따른 CNT 혼합 전극이 생체 신호용 전극으로 활용할 수 있음을 알 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시 형태에 따른 CNT 혼합 전극을 피검체에 부착한 상태에서 인장기를 이용하여 수직으로 들어올렸을 때 버틸 수 있는 힘을 측정한 데이터이다.
도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시 형태에 따른 CNT 혼합 전극은 12kPa까지 버틸 수 있어 격렬한 운동시에도 전극이 떨어짐 없이 생체 신호를 정확하게 측정할 수 있다.
상술한 바와 같이, 전극을 피검체의 피부에 진공 흡착 방식으로 부착시킴으로써, 별도의 도구나 접착제 없이도 피검체의 피부에 부착시킬 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시 형태에 의하면, 하부 전극은 aPDMS의 재질을 포함함으로써, 피검체의 피부 주름에 의한 공간을 최소화하여 전극의 밀착력을 유지함과 동시에 장시간 측정시 발생할 수 있는 피부 트러블을 방지할 수 있다.
상술한 진공 흡착을 이용한 CNT 혼합 전극은 홀스터(holster)와 같이 장시간 생체 신호를 측정하기 위한 기기나 웨어러블 디바이스 등에 적용할 수 있다.
본 발명은 상술한 실시형태 및 첨부된 도면에 의해 한정되지 아니한다. 첨부된 청구범위에 의해 권리범위를 한정하고자 하며, 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 형태의 치환, 변형 및 변경할 수 있다는 것은 당 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에게 자명할 것이다.
100: CNT 혼합 전극
110: 하부 전극
120: 상부 전극
110a, 120a: 에어 배출부
121: 아치 형상의 구조물
122: 도전층
123: 스냅 커넥터
124, 125: 절연층
CS: 밀폐된 공간
S: 피검체의 피부
H: 관통 홀

Claims (10)

  1. 관통 홀이 형성되며, 피검체의 피부에 접착되어 생체 신호를 감지하도록 구성된 하부 전극;
    상기 하부 전극의 일 면에 구비되어 상기 하부 전극과의 사이에 밀폐된 공간을 형성하며, 상기 하부 전극에 의해 감지된 생체 신호를 전달받도록 구성된 상부 전극; 및
    상기 하부 전극 및 상기 상부 전극 중 적어도 하나에 형성되고, 상기 밀폐된 공간 및 상기 관통 홀에 존재하는 공기를 외부로 배출시킴으로써, 상기 상부 전극 및 상기 하부 전극을 상기 피검체의 피부에 진공 흡착시키도록 구성된 에어 배출부를 포함하는 CNT 혼합 전극.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 상부 전극은,
    탄성력 및 복원력을 가지는 재질로 구성된 아치 형상의 구조물;
    상기 아치 형상의 구조물의 내면에 형성되도록 구성된 도전층; 및
    상기 아치 형상의 구조물의 외면에 형성되며, 상기 아치 형상의 구조물을 관통하여 상기 도전층과 연결되도록 구성된 스냅 커넥터를 포함하며,
    상기 하부 전극은,
    접착력 및 도전성을 가지는 재질로 구성되고, 상기 도전층과 연결되도록 구성된 원형의 판상 구조물을 포함하며,
    상기 관통 홀은, 상기 원형의 판상 구조물을 관통하도록 형성되며,
    상기 탄성력 및 복원력을 가지는 재질은, 실리콘을 포함하는 CNT 혼합 전극.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 에어 배출부는,
    상기 원형의 판상 구조물과 접하는 상기 아치 형상의 구조물의 일측에 형성되어, 외력이 인가되면 개방되고 외력이 제거되면 원 상태로 복원되도록 구성된 에어 배출부를 포함하는 CNT 혼합 전극.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 에어 배출부는,
    힌지 구조를 가지는 CNT 혼합 전극.
  5. 제2항에 있어서,
    상기 에어 배출부는,
    상기 피검체의 피부에 접착되는 상기 원형의 판상 구조물의 일면에 형성되고, 외곽부는 돌출되고 중심부는 파이도록 형성된 CNT 혼합 전극.
  6. 제2항에 있어서,
    상기 원형의 판상 구조물은,
    탄소나노튜브(Carbon NanoTube, CNT)와 aPDMS(adhesive PolyDiMethylSiloane))의 혼합 재질로 구성된 CNT 혼합 전극.
  7. 제2항에 있어서,
    상기 도전층은,
    상기 아치 형상의 구조물의 내면의 전부 또는 일부에 스퍼터링을 이용하여 코팅되거나 도전성 와이어, 도전성 테이프 형태로 부착되는 도전체를 포함하는 CNT 혼합 전극.
  8. 제2항에 있어서,
    상기 원형의 판상 구조물의 일면에는,
    인가된 외력에 의해 상기 상부 전극의 도전층과 상기 원형의 판상 구조물의 접촉을 방지하기 위한 절연층이 더 형성된 CNT 혼합 전극.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 관통 홀 및 상기 에어 배출부는,
    적어도 2 이상 구비되는 CNT 혼합 전극.
  10. 삭제
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