KR102029002B1 - 온도 센서 및 이를 포함하는 의지용 소켓 - Google Patents

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전제경
홍광욱
박홍근
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인하대학교 산학협력단
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Abstract

본 발명은, 제1소켓과; 상기 제1소켓의 외측에 배치되는 제2소켓과; 상기 제1 및 제2소켓 사이에 배치되는 적어도 하나의 온도 센서를 포함하는 의지용 소켓을 제공한다.

Description

온도 센서 및 이를 포함하는 의지용 소켓 {Temperature Sensor And Socket For Prosthesis Including The Same}
본 발명은 온도 센서에 관한 것으로, 특히 대상물 내부에 삽입 제조함으로써, 설계자유도가 개선되는 온도 센서 및 이를 포함하는 의지용 소켓에 관한 것이다.
온도 센서는, 열저항(thermistor)형 센서, 열전(thermoelectric)형 센서 및 열전대(열전쌍)(thermocouple)형 센서로 구분할 수 있는데, 열저항형 센서는 금속 또는 반도체의 저항이 온도에 따라 변하는 성질을 이용하여 온도를 감지하고, 열전형 센서는 온도 차이에 의해 전압 차이가 발생하는 성질을 이용하여 온도를 감지하고, 열전대형 센서는 서로 다른 두 종류의 금속의 기전력을 이용하여 온도를 감지한다.
이러한 온도 센서는 의수 또는 의족과 같은 의지와 인체를 연결해주는 의지용 소켓에 적용할 수 있는데, 단순히 기존의 온도 센서를 의지용 소켓에 부착할 경우 사용자의 안전문제를 야기할 수 있다.
즉, 부착자의 숙련도에 따라 온도 센서의 부착 상태가 달라지고, 그에 따라 온도의 측정 정밀도가 좌우되므로, 부착자의 숙련도에 따라 측정 정밀도가 불균일 해지고 이에 따라 사용자의 착용 상태를 정확히 전달하지 못하여 사용자의 안전이 확보되지 못하는 문제가 있다.
그리고, 온도 센서가 의지용 소켓으로부터 돌출되어 사용자의 환부 및 피부와 같은 인체에 접촉하여 인체가 손상되는 문제가 있다.
본 발명은, 상기한 문제점을 해결하고자 안출된 것으로, 온도 센서를 3D 프린터를 이용하여 대상물 내부에 삽입 제조함으로써, 대상물의 형상, 온도 센서의 물질 및 온도 센서의 위치에 따른 제한이 감소되어 설계자유도가 개선되고 온도 센서와의 접촉에 의한 인체의 손상이 방지되는 온도 센서 및 이를 포함하는 의지용 소켓을 제공하는 것을 목적으로 한다.
그리고, 본 발명은, 3D 프린터를 이용하여 온도 센서 및 대상물을 함께 형성함으로써, 제조공정이 단순화 되어 공정시간이 감소되는 온도 센서 및 이를 포함하는 의지용 소켓을 제공하는 것을 다른 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은, 제1소켓과; 상기 제1소켓의 외측에 배치되는 제2소켓과; 상기 제1 및 제2소켓 사이에 배치되는 적어도 하나의 온도 센서를 포함하는 의지용 소켓을 제공한다.
그리고, 상기 적어도 하나의 온도 센서는, 상기 제1소켓 상부에 배치되는 제1배선과; 상기 제1소켓 및 상기 제1배선 상부에 배치되는 절연층과; 상기 절연층 상부에 배치되는 제2배선과; 상기 절연층 및 상기 제2배선 상부에 배치되는 제2소켓과; 상기 제2소켓 상부에 배치되는 열저항체를 포함할 수 있다.
또한, 상기 제1소켓은 제1열가소성 수지를 포함하고, 상기 제1배선은 제2열가소성 수지 및 도전성 물질을 포함하고, 상기 절연층은 제3열가소성 수지를 포함하고, 상기 제2배선은 제4열가소성 수지 및 도전성 물질을 포함하고, 상기 제2소켓은 제5열가소성 수지를 포함하고, 상기 열저항체는 제6열가소성 수지 및 도전성 물질을 포함할 수 있다.
그리고, 상기 제1 내지 제6열가소성 수지는, 각각 폴리락틱산, 폴리에틸렌 테레프탈레이트, 폴리염화비닐, 폴리염화비닐리덴, 폴리스티렌, 폴리프로필렌 중 하나이고, 상기 도전성 물질은 그래핀(graphene), 카본블랙(carbon black), 카본 나노튜브(carbon nanotube: CNT)와 같은 탄소계 물질과, 철(Fe), 구리(Cu), 니켈(Ni), 알루미늄(Al), 규소(Si), 마그네슘(Mg), 백금(Pt), 로듐(Rh), 텅스텐(W), 레늄(Re)과 같은 금속 물질과, 이들의 합금 중 하나 일 수 있다.
또한, 상기 적어도 하나의 온도 센서는, 상기 제1소켓 상부에 배치되는 열전체와; 상기 제1 및 제2소켓 사이의 상기 열전체 주위에 배치되는 절연층과; 상기 제2소켓 상부에 배치되는 제1전극, 연결전극 및 제2전극을 포함할 수 있다.
그리고, 상기 열전체는, 각각이 바 형상을 갖는 다수의 열전체를 포함하고, 상기 연결전극은, 각각이 상기 다수의 열전체 중 인접한 둘의 양단을 연결하는 다수의 연결전극을 포함할 수 있다.
또한, 상기 제1소켓은 제1열가소성 수지를 포함하고, 상기 열전체는 제2열가소성 수지 및 도전성 물질을 포함하고, 상기 절연층은 제3열가소성 수지를 포함하고, 상기 제1전극, 상기 연결전극 및 상기 제2전극은 금속물질을 포함할 수 있다.
그리고, 상기 적어도 하나의 온도 센서는, 상기 제1소켓 상부에 배치되는 제1배선과; 상기 제1소켓 및 상기 제1배선 상부에 배치되는 절연층과; 상기 절연층 상부에 배치되는 제2배선과; 상기 절연층 및 제2배선 상부에 배치되는 제2소켓과; 상기 제2소켓 상부에 배치되고, 상기 제1 및 제2배선에 각각 연결되는 제1 및 제2열전부를 포함하는 접합부를 포함할 수 있다.
또한, 상기 제1소켓은 제1열가소성 수지를 포함하고, 상기 제1배선은 제2열가소성 수지 및 제1도전성 물질을 포함하고, 상기 절연층은 제3열가소성 수지를 포함하고, 상기 제2배선은 제4열가소성 수지 및 제2도전성 물질을 포함하고, 상기 제2소켓은 제5열가소성 수지를 포함하고, 상기 제1열전부는 제6열가소성 수지 및 상기 제1도전성 물질을 포함하고, 상기 제2열전부는 상기 제6열가소성 수지 및 상기 제2도전성 물질을 포함할 수 있다.
한편, 본 발명은, 온도를 측정하는 의지용 소켓과; 상기 의지용 소켓으로부터 전달되는 상기 온도를 분석하여 인체의 변화를 검출하는 제어부와; 상기 인체의 변화를 표시하는 표시부를 포함하고, 상기 의지용 소켓은, 제1소켓과; 상기 제1소켓의 외측에 배치되는 제2소켓과; 상기 제1 및 제2소켓 사이에 배치되는 적어도 하나의 온도 센서를 포함하는 의지용 소켓 시스템을 제공한다.
본 발명은, 온도 센서를 3D 프린터를 이용하여 대상물 내부에 삽입 제조함으로써, 대상물의 형상, 온도 센서의 물질 및 온도 센서의 위치에 따른 제한이 감소되어 설계자유도가 개선되고 온도 센서와의 접촉에 의한 인체의 손상이 방지되는 효과를 갖는다.
그리고, 본 발명은, 3D 프린터를 이용하여 온도 센서 및 대상물을 함께 형성함으로써, 제조공정이 단순화 되어 공정시간이 감소되는 효과를 갖는다.
도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 온도 센서를 포함하는 의지용 소켓 시스템을 도시한 사시도.
도 2는 본 발명의 제1실시예에 따른 온도 센서를 도시한 사시도.
도 3은 본 발명의 제1실시예에 따른 의지용 소켓 시스템의 온도 감지 회로를 도시한 도면.
도 4a, 도 4b 및 도 4c는 각각 본 발명의 제1실시예에 따른 0/0방향, 45/-45방향 및 0/90방향의 열저항체의 온도 비저항 곡선을 도시한 그래프.
도 5는 본 발명의 제2실시예에 따른 온도 센서를 도시한 사시도.
도 6은 본 발명의 제2실시예에 따른 온도 센서의 온도차 전압차 곡선을 도시한 그래프.
도 7a 내지 도 7c는 본 발명의 제2실시예에 따른 온도 센서의 제조방법을 설명하기 위한 평면도.
도 8은 본 발명의 제3실시예에 따른 온도 센서를 도시한 사시도.
이하, 본 발명의 구체적인 내용을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 온도 센서를 포함하는 의지용 소켓 시스템을 도시한 사시도이다.
도 1에 도시한 바와 같이, 본 발명의 제1실시예에 따른 온도 센서를 포함하는 의지용 소켓 시스템(110)은, 의지용 소켓(120), 제어부(140) 및 표시부(150)를 포함한다.
의지용 소켓(120)은 의수 또는 의족과 같은 의지와 인체를 연결해주는 반타원구 형상의 장치로서, 인체의 부피에 기인한 압력에 의하여 의지 및 의지용 소켓(120)이 인체에 고정될 수 있다.
의지용 소켓(120)은, 외부의 제1소켓(122), 내부의 제2소켓(124), 제1 및 제2소켓(122, 124) 사이에 배치되는 적어도 하나의 온도 센서(130)를 포함한다.
여기서, 적어도 하나의 온도 센서(130)를 의지용 소켓(120)의 제1소켓(122) 표면에 형성할 경우 의지와 의지용 소켓(120) 사이의 밀착에 문제가 발생할 수 있고, 적어도 하나의 온도 센서(130)를 의지용 소켓(120)의 제2소켓(124) 표면에 부착할 경우 인체 적합성에 문제가 발생할 수 있는데, 의지용 소켓 시스템(110)에서는 적어도 하나의 온도 센서(130)를 의지용 소켓(120)의 제1 및 제2소켓(122, 124) 사이에 삽입 배치함으로써, 이러한 문제를 해결할 수 있다.
도시하지는 않았지만, 제1 및 제2소켓(122, 124) 사이에는 적어도 하나의 온도 센서(130)와 함께 형성되는 절연층(126)이 배치될 수 있으며, 이에 대하여 도 2에서 상세히 설명한다.
적어도 하나의 온도 센서(130)는, 의지용 소켓(120)의 온도에 대응되는 전기적인 신호를 출력하는 감지기로서, 본 발명의 제1실시예의 의지용 소켓 시스템(110)의 적어도 하나의 온도 센서(130)는 열저항형 일 수 있다.
제어부(140)는, 적어도 하나의 온도 센서(130)로부터 전압차를 전달 받고, 전압차로부터 온도를 산출한다.
표시부(150)는, 제어부(140)로부터 전달 받은 온도 및/또는 온도 변화를 표시한다.
이러한 의지용 소켓 시스템(110)은, 의지용 소켓(120)에 인가되는 온도로부터 인체의 변화를 검출하고, 검출된 인체의 변화를 사용자에게 전달 할 수 있다.
예를 들어, 의지용 소켓 시스템(110)은, 의지용 소켓(120)의 적어도 하나의 온도 센서(130)를 통하여 의지용 소켓(120)의 온도를 측정하여 인체의 상태변화를 검출하고, 인체의 상태변화에 따라 사용자에게 의지 및 의지용 소켓(120)의 분리 위험을 전달하여 부상을 방지할 수 있다.
도 2는 본 발명의 제1실시예에 따른 온도 센서를 도시한 사시도로서, 도 1을 함께 참조하여 설명한다.
도 2에 도시한 바와 같이, 본 발명의 제1실시예에 따른 온도 센서(130)는 제1배선(132), 열저항체(134), 제2배선(136)을 포함한다.
여기서, 제1배선(132)은 제1소켓(122) 상부에 배치되고, 제1소켓(122) 및 제1배선(132) 상부에는 절연층(126)이 배치되고, 제2배선(136)은 절연층(126) 상부에 배치되고, 제2배선(136) 및 절연층(126) 상부에는 제2소켓(124)이 배치되고, 열저항체(134)는 제2소켓(124) 상부에 배치된다.
제1배선(132)의 일단은 열저항체(134)의 일 가장자리부 하면에 접촉하고, 제1배선(132)의 타단은 제1소켓(122)의 상부에서 열저항체(134)로부터 멀어지도록 제1방향으로 연장되고, 제2배선(136)의 일단은 열저항체(134)의 타 가장자리부 하면에 접촉하고, 제2배선(136)의 타단은 절연층(126)의 상부에서 열저항체(134)로부터 멀어지도록 제1방향과 상이한 제2방향으로 연장된다.
제1 및 제2배선(132, 136)을 각각 서로 상이한 제1 및 제2방향으로 연장함으로써, 의지용 소켓(120)에 매트릭스 형태로 배치되는 다수의 온도 센서(130)를 용이하게 연결할 수 있다.
이러한 온도 센서(130)에서, 열저항체(134)는 온도에 따라 저항이 변하고, 열저항체(130)의 저항을 측정하여 온도를 감지할 수 있다.
특히, 열저항체(134)의 표면을 내부 소켓인 제2소켓(124)의 표면과 동일한 높이로 배치함으로써, 온도 센서(130)와 인체 사이의 거리를 최소화 할 수 있으며, 그 결과 온도 측정의 정확도를 개선할 수 있다.
그리고, 열저항체(134)의 표면을 내부 소켓인 제2소켓(124)의 표면과 동일한 높이로 배치함으로써, 온도 센서(130)가 제2소켓(124) 내면으로 돌출되는 것을 방지할 수 있으며, 그 결과 온도 센서(130)와 사용자의 환부 및 피부와 같은 인체의 접촉에 의한 인체 손상을 방지할 수 있다.
온도 센서(130)를 포함하는 의지용 소켓(120)은 3D 프린터를 이용하여 제조할 수 있다.
3D 프린터는, 다양한 물질의 필라멘트를 고온의 노즐을 통하여 압출하고, 압출된 필라멘트를 이용하여 설계된 구조물을 1층씩 적층하여 제조할 수 있다.
먼저, 3D 프린터를 이용하여, 제1열가소성 수지로 제1소켓(122)을 형성하고, 도전성 물질을 포함하는 제2열가소성 물질로 제1배선(132)을 형성한다.
예를 들어, 제1 및 제2열가소성 수지는 각각 폴리락틱산(polylactic acid: PLA), 폴리에틸렌(polyethylene: PE), 폴리에틸렌 테레프탈레이트(polyethylene terephthalate: PET), 폴리염화비닐(polyvinyl chloride: PVC), 폴리염화비닐리덴 polyvinylidene chloride), 폴리스티렌(polystyrene), 폴리프로필렌(polypropylene: PP) 중 하나일 수 있고, 도전성 물질은 그래핀(graphene), 카본블랙(carbon black), 카본 나노튜브(carbon nanotube: CNT)와 같은 탄소계 물질과, 철(Fe), 구리(Cu), 니켈(Ni), 알루미늄(Al), 규소(Si), 마그네슘(Mg), 백금(Pt), 로듐(Rh), 텅스텐(W), 레늄(Re)과 같은 금속 물질과, 이들의 합금 중 하나일 수 있다.
그리고, 3D 프린터를 이용하여, 제1소켓(122) 및 제1배선(132) 상부에, 제3열가소성 수지로 절연층(126)을 형성하고, 도전성 물질을 포함하는 제4열가소성 수지로 제2배선(136)을 형성한다.
예를 들어, 제3 및 제4열가소성 수지는 각각 폴리락틱산(polylactic acid: PLA), 폴리에틸렌(polyethylene: PE), 폴리에틸렌 테레프탈레이트(polyethylene terephthalate: PET), 폴리염화비닐(polyvinyl chloride: PVC), 폴리염화비닐리덴 polyvinylidene chloride), 폴리스티렌(polystyrene), 폴리프로필렌(polypropylene: PP) 중 하나일 수 있고, 도전성 물질은 그래핀(graphene), 카본블랙(carbon black), 카본 나노튜브(carbon nanotube: CNT)와 같은 탄소계 물질과, 철(Fe), 구리(Cu), 니켈(Ni), 알루미늄(Al), 규소(Si), 마그네슘(Mg), 백금(Pt), 로듐(Rh), 텅스텐(W), 레늄(Re)과 같은 금속 물질과, 이들의 합금 중 하나일 수 있다.
그리고, 3D 프린터를 이용하여, 절연층(126) 및 제2배선(136) 상부에, 제5열가소성 수지로 제2소켓(124)을 형성하고, 도전성 물질을 포함하는 제6열가소성 수지로 열저항체(134)를 형성한다.
예를 들어, 제5 및 제6열가소성 수지는 각각 폴리락틱산(polylactic acid: PLA), 폴리에틸렌(polyethylene: PE), 폴리에틸렌 테레프탈레이트(polyethylene terephthalate: PET), 폴리염화비닐(polyvinyl chloride: PVC), 폴리염화비닐리덴 polyvinylidene chloride), 폴리스티렌(polystyrene), 폴리프로필렌(polypropylene: PP) 중 하나일 수 있고, 도전성 물질은 그래핀(graphene), 카본블랙(carbon black), 카본 나노튜브(carbon nanotube: CNT)와 같은 탄소계 물질과, 철(Fe), 구리(Cu), 니켈(Ni), 알루미늄(Al), 규소(Si), 마그네슘(Mg), 백금(Pt), 로듐(Rh), 텅스텐(W), 레늄(Re)과 같은 금속 물질과, 이들의 합금 중 하나일 수 있다.
여기서, 제1소켓(122), 제1배선(132), 절연층(126), 제2배선(136), 제2소켓(124), 열저항체(134)는 각각 동일물질을 다수회 적층하여 다층구조로 형성될 수 있다.
그리고, 제1 내지 제6열가소성 수지는 서로 동일하거나 상이한 물질일 수 있는데, 제1 내지 제6열가소성 수지가 동일 물질인 경우 제1소켓(122), 절연층(126), 제2소켓(124)은 연속되는 하나의 층으로 형성될 수 있다.
이상과 같이, 3D 프린터를 이용하여 적어도 하나의 온도 센서(130)를 의지용 소켓(120) 내부에 삽입 배치함으로써, 인체 및 의지의 형상, 온도 센서(130)의 물질 및 온도 센서(130)의 위치에 따른 제한이 감소되어 설계자유도가 개선되고, 온도 센서(130)와의 접촉에 의한 사용자의 환부 및 피부와 같은 인체의 손상이 방지된다.
도 3은 본 발명의 제1실시예에 따른 의지용 소켓 시스템의 온도 감지 회로를 도시한 도면으로, 도 1 및 도 2를 함께 참조하여 설명한다.
도 3에 도시한 바와 같이, 본 발명의 제1실시예에 따른 온도 센서(130)의 제1 및 제2배선(132, 136)은 각각 제1 및 제2배선저항(RL1, RL2)으로 해석할 수 있고, 열저항체(134)는 제1 및 제2배선저항(RL1, RL2) 사이에 연결되고 온도에 따라 저항값이 변하는 가변 열저항(RT)으로 해석할 수 있다.
그리고, 본 발명의 제1실시예에 따른 제어부(140)는, 제1배선저항(RL1)에 연결되는 제1저항(R1), 제1저항(R1)에 연결되는 제2저항(R2), 제2배선저항(RL2)에 연결되는 제3저항(R3), 제1저항(R1) 및 제1배선저항(RL1) 사이의 노드와 제2 및 제3저항(R2, R3) 사이의 노드에 공급되는 전원(E)으로 구성되는 휘스톤 브리지(Wheatstone Bridge)를 포함한다.
이러한 휘스톤 브리지에서는 제1 및 제2저항(R1, R2) 사이의 노드와 제3저항(R3) 및 제2배선저항(RL2) 사이의 노드의 전압차(ΔV)를 측정하여 온도를 산출할 수 있다.
예를 들어, 전원(E)과 전압차(ΔV)는 다음의 식(1)을 만족한다.
ΔV = E{R2/(R1+R2)-R3/(Rtot+R3)}, (Rtot = RL1+RT+RL2) --- 식(1)
여기서, 제1 및 제3저항(R1, R3)가 동일한 경우(R1 = R3), 다음의 식(2)에 따라 전압차(ΔV)로부터 총저항(Rtot) 및 열저항(RT)을 산출할 수 있다.
Rtot = R1{ER1+ΔV(R1+R2)}/{ER2-ΔV(R1+R2)} --- 식(2)
열저항체(134)는, 온도와 무관하게 일정한 저항값이 유지되는 기준온도 미만의 제1영역과, 온도에 따라 저항이 선형적으로 변하는 기준온도 이상의 제2영역으로 구분할 수 있는데, 제2영역의 열저항(RT)으로부터 온도를 산출할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 온도 센서(130)는 열저항체(134)의 압출방향 및 적층수에 따라 상이한 온도 저항 곡선을 갖는데, 이를 도면을 참조하여 설명한다.
도 4a, 도 4b 및 도 4c는 각각 본 발명의 제1실시예에 따른 0/0방향, 45/-45방향 및 0/90방향의 열저항체의 온도 비저항 곡선을 도시한 그래프로서, 도 1 내지 도 3을 함께 참조하여 설명한다.
도 4a에 도시한 바와 같이, 본 발명의 제1실시예에 따른 0/0방향의 열저항체(134)는 각각이 상부층 및 하부층으로 이루어지는 적어도 1층을 포함하는데, 하부층 및 상부층의 도전성 물질을 포함하는 제5열가소성 수지의 압출방향은 각각 가로방향에 대하여 0도 및 0도이다.
여기서, 열저항체(134)는, 약 30도까지 일정한 비저항(resistivity)을 갖고, 약 30도 이상에서는 온도에 따라 비저항이 선형적으로 증가한다.
그리고, 열저항체(134)의 적층수가 1인 경우의 비저항보다 적층수가 2인 경우의 비저항이 작고, 적층수 2이상에서는 비저항이 포화될 수 있다.
도 4b에 도시한 바와 같이, 본 발명의 제1실시예에 따른 45/-45방향의 열저항체(134)는 각각이 상부층 및 하부층으로 이루어지는 적어도 1층을 포함하는데, 상부층 및 하부층의 도전성 물질을 포함하는 제5열가소성 수지의 압출방향은 각각 가로방향에 대하여 45도 및 -45도이다.
여기서, 열저항체(134)는, 약 30도까지 일정한 비저항을 갖고, 약 30도 이상에서는 온도에 따라 비저항이 선형적으로 증가한다.
그리고, 열저항체(134)의 적층수가 1인 경우의 비저항보다 적층수가 2인 경우의 비저항이 작고, 적층수 2이상에서는 비저항이 포화될 수 있다.
도 4c에 도시한 바와 같이, 본 발명의 제1실시예에 따른 0/90방향의 열저항체(134)는 각각이 상부층 및 하부층으로 이루어지는 적어도 1층을 포함하는데, 상부층 및 하부층의 도전성 물질을 포함하는 제5열가소성 수지의 압출방향은 각각 가로방향에 대하여 0도 및 90도이다.
여기서, 열저항체(134)는, 약 30도까지 일정한 비저항을 갖고, 약 30도 이상에서는 온도에 따라 비저항이 선형적으로 증가한다.
그리고, 열저항체(134)의 적층수가 1인 경우의 비저항보다 적층수가 2인 경우의 비저항이 작고, 열저항체(134)의 적층수가 2인 경우의 비저항보다 적층수가 3인 경우의 비저항이 작다.
한편, 다른 실시예에서는 적어도 하나의 온도 센서를 열전형으로 형성할 수도 있는데, 이를 도면을 참조하여 설명한다.
도 5는 본 발명의 제2실시예에 따른 온도 센서를 도시한 사시도이고, 도 6은 본 발명의 제2실시예에 따른 온도 센서의 온도차 전압차 곡선을 도시한 그래프로서, 제1실시예와 동일한 부분에 대한 설명은 생략한다.
도 5에 도시한 바와 같이, 본 발명의 제2실시예에 따른 온도 센서는, 열전체(234), 제1전극(260), 연결전극(262), 제2전극(264)를 포함하고, 열전형 일 수 있다.
구체적으로, 제1소켓(222) 상부에는 열전체(234)가 배치되고, 제1소켓(222) 상부의 열전체(234) 주위에는 절연층(226)이 배치된다.
열전체(234)는 각각이 바(bar) 형상을 갖는 제1 내지 제4열전체(234a, 234b, 234c, 234d)를 포함할 수 있다.
열전체(234) 및 절연층(226) 상부에는 제2소켓(224)이 배치되는데, 제2소켓(224)은 제1 내지 제4열전체(234a, 234b, 234c, 234d)의 양단을 노출하는 개구부를 갖는다.
제2소켓(224) 상부에는 제1전극(260), 연결전극(262), 제2전극(264)이 형성되는데, 연결전극(262)은 제1 내지 제4연결전극(262a, 262b, 262c, 262d)을 포함한다.
제1전극(260)은 제1열전체(234a)의 일단에 연결되고, 제1연결전극(262a)은 제1열전체(234a)의 타단과 제2열전체(234b)의 일단에 연결되고, 제2연결전극(262b)은 제2열전체(234b)의 타단과 제3열전체(234c)의 일단에 연결되고, 제3연결전극(262c)은 제3열전체(234c)의 타단과 제4열전체(234d)의 일단에 연결되고, 제4연결전극(262d)은 제4열전체(234d)의 타단에 연결되고, 제2전극(264)은 제4연결전극(262d)의 타단에 연결된다.
여기서, 제1 내지 제4열전체(234a, 234b, 234c, 234d)의 양단은 온도차에 따라 전압차를 갖게 되고, 이러한 제1 내지 제4열전체(234a, 234b, 234c, 234d)의 양단의 전압차의 합은 제1 및 제2전극(260, 264)의 전압차로 나타나므로, 제1 및 제2전극(260, 264)의 전압차를 측정하여 열전체(234) 양단의 온도차를 감지할 수 있다.
도 6에 도시한 바와 같이, 열전체(234) 양단의 온도차가 증가할수록 제1 및 제2전극(260, 264)의 전압차(절대값)가 증가하는데, 열전체(234)를 구성하는 부분 열전체(예를 들어, 제1 내지 제4열전체(234a, 234b, 234c, 234d))의 개수가 증가할수록 온도차에 따른 전압차(기울기)가 증가하여 온도차 감지의 민감도가 향상된다.
이와 같이, 본 발명의 제2실시예에 따른 온도 센서를 의지용 소켓의 제1 및 제2소켓(222, 224) 사이에 형성함으로써, 의지용 소켓의 온도차를 감지하여 인체의 변화를 검출하고, 검출된 인체의 변화를 사용자에게 전달할 수 있다.
그리고, 본 발명의 제2실시예에 따른 온도 센서는, 제1 및 제2전극(260, 264)의 전압차를 측정하여 열전체(234) 양단의 온도차를 감지하므로, 열전체(234) 양단 중 하나의 온도를 알아야 열전체(234) 양단 중 나머지 하나의 온도를 파악할 수 있으며, 이를 위하여 본 발명의 제1실시예에 따른 열저항형 온도 센서(도 2의 130)를 열전체(234) 양단 중 하나에 인접하게 배치할 수 있다.
예를 들어, 본 발명의 제1실시예에 따른 열저항형 온도 센서(도 2의 130)로부터 열전체(234) 양단 중 하나의 온도를 감지하고, 본 발명의 제2실시예에 따른 온도 센서로부터 열전체(234) 양단의 온도차를 감지하고, 이들로부터 열전체(234) 양단 중 나머지 하나의 온도를 감지할 수 있다.
이 경우, 본 발명의 제2실시예에 따른 온도 센서는 압력 및 온도에 따른 열팽창과 같은 기하학적 외형 변화에 무관하게 온도차를 감지할 수 있는 열전형 센서이므로, 본 발명의 제1실시예에 따른 열저항형 온도 센서(130)를 보완 할 수 있다.
이러한 본 발명의 제2실시예에 따른 온도 센서의 제조방법을 도면을 참조하여 설명한다.
도 7a 내지 도 7c는 본 발명의 제2실시예에 따른 온도 센서의 제조방법을 설명하기 위한 평면도로서, 도 5를 함께 참조하여 설명한다.
도 7a에 도시한 바와 같이, 3D 프린터를 이용하여, 제1열가소성 수지로 제1소켓(222)을 형성하고, 제1소켓(222) 상부에 도전성 물질을 포함하는 제2열가소성 수지로 제1 내지 제4열전체(234a, 234b, 234c, 234d)를 포함하는 열전체(234)를 형성하고, 제1소켓(222) 상부의 열전체(234) 주위에 제3열가소성 수지로 절연층(226)을 형성한다.
제1 내지 제3열가소성 수지는, 각각 폴리락틱산(polylactic acid: PLA), 폴리에틸렌(polyethylene: PE), 폴리에틸렌 테레프탈레이트(polyethylene terephthalate: PET), 폴리염화비닐(polyvinyl chloride: PVC), 폴리염화비닐리덴 polyvinylidene chloride), 폴리스티렌(polystyrene), 폴리프로필렌(polypropylene: PP) 중 하나일 수 있고, 도전성 물질은 그래핀(graphene), 카본블랙(carbon black), 카본 나노튜브(carbon nanotube: CNT)와 같은 탄소계 물질과, 철(Fe), 구리(Cu), 니켈(Ni), 알루미늄(Al), 규소(Si), 마그네슘(Mg), 백금(Pt), 로듐(Rh), 텅스텐(W), 레늄(Re)과 같은 금속 물질과, 이들의 합금 중 하나일 수 있다.
도 7b에 도시한 바와 같이, 3D 프린터를 이용하여, 열전체(234) 및 절연층(226) 상부에 제4열가소성 수지로 제2소켓(224)을 형성하는데, 제2소켓(224)은 제1 내지 제4열전체(234a, 234b, 234c, 234d)의 양단을 노출하는 개구부를 갖는다.
제4열가소성 수지는, 폴리락틱산(polylactic acid: PLA), 폴리에틸렌(polyethylene: PE), 폴리에틸렌 테레프탈레이트(polyethylene terephthalate: PET), 폴리염화비닐(polyvinyl chloride: PVC), 폴리염화비닐리덴 polyvinylidene chloride), 폴리스티렌(polystyrene), 폴리프로필렌(polypropylene: PP) 중 하나일 수 있다.
도 7c에 도시한 바와 같이, 제2소켓(224) 상부에 제1전극(260), 제1 내지 제4연결전극(262a, 262b, 262c, 262d)을 포함하는 연결전극(262), 제2전극(264)을 형성하는데, 제1전극(260)은 제2소켓(224)의 개구부를 통하여 제1열전체(234a)의 일단에 연결되고, 제1연결전극(262a)은 제2소켓(224)의 개구부를 통하여 제1열전체(234a)의 타단과 제2열전체(234b)의 일단에 연결되고, 제2연결전극(262b)은 제2소켓(224)의 개구부를 통하여 제2열전체(234b)의 타단과 제3열전체(234c)의 일단에 연결되고, 제3연결전극(262c)은 제2소켓(224)의 개구부를 통하여 제3열전체(234c)의 타단과 제4열전체(234d)의 일단에 연결되고, 제4연결전극(262d)은 제2소켓(224)의 개구부를 통하여 제4열전체(234d)의 타단에 연결되고, 제2전극(264)은 제4연결전극(262d)의 타단에 연결된다.
예를 들어, 제1전극(260), 연결전극(262), 제2전극(264)은 은(Au)과 같은 금속물질을 증착(deposition, evaporation)하여 형성할 수 있다.
한편, 다른 실시예에서는 적어도 하나의 온도 센서를 열전대형으로 형성할 수도 있는데, 이를 도면을 참조하여 설명한다.
도 8은 본 발명의 제3실시예에 따른 온도 센서를 도시한 사시도로서, 제1 및 제2실시예와 동일한 부분에 대한 설명은 생략한다.
도 8에 도시한 바와 같이, 본 발명의 제3실시예에 따른 온도 센서(330)는 제1배선(332), 접합체(334), 제2배선(336)을 포함한다.
여기서, 제1배선(332)은 외부의 제1소켓(322) 상부에 배치되고, 제1소켓(322) 및 제1배선(332) 상부에는 절연층(326)이 배치되고, 제2배선(336)은 절연층(326) 상부에 배치되고, 제2배선(336) 및 절연층(326) 상부에는 내부의 제2소켓(324)이 배치되고, 접합체(334)는 제2소켓(324) 상부에 배치된다.
접합체(334)는 제1 및 제2열전부(334a, 334b)를 포함하고, 제1배선(332)의 일단은 접합체(334)의 제1열전부(334a)에 연결되고, 제1배선(332)의 타단은 제1소켓(322)의 상부에서 접합체(334)의 제1열전부(334a)로부터 멀어지도록 제1방향으로 연장되고, 제2배선(336)의 일단은 접합체(334)의 제2열전부(334b)에 연결되고, 제2배선(336)의 타단은 절연층(326)의 상부에서 접합체(334)의 제2열전부(334b)로부터 멀어지도록 제1방향과 상이한 제2방향으로 연장된다.
제1 및 제2배선(332, 336)을 각각 서로 상이한 제1 및 제2방향으로 연장함으로써, 의지용 소켓에 매트릭스 형태로 배치되는 다수의 온도 센서(330)를 용이하게 연결할 수 있다.
그리고, 제1배선(332) 및 접합체(334)의 제1열전부(334a)는 각각 제1도전성 물질을 포함하고, 제2배선(336) 및 접합체(334)의 제2열전부(334b)는 각각 제2도전성 물질을 포함할 수 있다.
이러한 온도 센서(330)에서, 제1 및 제2배선(332, 336)의 일단인 접합체(334)와 제1 및 제2배선(332, 336)의 타단의 온도차에 따라 제1 및 제2배선(332, 336)의 타단은 전압차를 갖게 되고, 이러한 제1 및 제2배선(332, 336)의 타단의 전압차를 측정하여 접합체(334)와 제1 및 제2배선(332, 336)의 타단 사이의 온도차를 감지할 수 있다.
특히, 접합체(334)의 표면을 내부 소켓인 제2소켓(324)의 표면과 동일한 높이로 배치함으로써, 온도 센서(330)와 인체 사이의 거리를 최소화 할 수 있으며, 그 결과 온도차 측정의 정확도를 개선할 수 있다.
그리고, 접합체(334)의 표면을 내부 소켓인 제2소켓(324)의 표면과 동일한 높이로 배치함으로써, 온도 센서(330)가 제2소켓(324) 내면으로 돌출되는 것을 방지할 수 있으며, 그 결과 온도 센서(330)와 사용자의 환부 및 피부와 같은 인체의 접촉에 의한 인체 손상을 방지할 수 있다.
온도 센서(330)를 포함하는 의지용 소켓은 3D 프린터를 이용하여 제조할 수 있다.
3D 프린터는, 다양한 물질의 필라멘트를 고온의 노즐을 통하여 압출하고, 압출된 필라멘트를 이용하여 설계된 구조물을 1층씩 적층하여 제조할 수 있다.
예를 들어, 제1소켓(322)은 3D 프린터를 이용하여 제1열가소성 수지로 형성하고, 제1배선(332)은 제1도전성 물질을 포함하는 제2열가소성 물질로 형성하고, 절연층(326)은 제3열가소성 수지로 형성하고, 제2배선(336)은 제1도전성 물질과 상이한 제2도전성 물질을 포함하는 제4열가소성 수지로 형성하고, 제2소켓(324)은 제5열가소성 수지로 형성하고, 접합체(334)는 제1 및 제2도전성 물질을 포함하는 제6열가소성 수지로 형성할 수 있다.
여기서, 제1 내지 제6열가소성 수지는 각각 폴리락틱산(polylactic acid: PLA), 폴리에틸렌(polyethylene: PE), 폴리에틸렌 테레프탈레이트(polyethylene terephthalate: PET), 폴리염화비닐(polyvinyl chloride: PVC), 폴리염화비닐리덴 polyvinylidene chloride), 폴리스티렌(polystyrene), 폴리프로필렌(polypropylene: PP) 중 하나일 수 있고, 제1도전성 물질은 그래핀(graphene), 카본블랙(carbon black), 카본 나노튜브(carbon nanotube: CNT)와 같은 탄소계 물질과, 철(Fe), 구리(Cu), 니켈(Ni), 알루미늄(Al), 규소(Si), 마그네슘(Mg), 백금(Pt), 로듐(Rh), 텅스텐(W), 레늄(Re)과 같은 금속 물질과, 이들의 합금 중 하나이고, 제2도전성 물질은 그래핀(graphene), 카본블랙(carbon black), 카본 나노튜브(carbon nanotube: CNT)와 같은 탄소계 물질과, 철(Fe), 구리(Cu), 니켈(Ni), 알루미늄(Al), 규소(Si), 마그네슘(Mg), 백금(Pt), 로듐(Rh), 텅스텐(W), 레늄(Re)과 같은 금속 물질과, 이들의 합금 중 다른 하나 일 수 있다.
여기서, 제1소켓(322), 제1배선(332), 절연층(326), 제2배선(336), 제2소켓(324), 접합체(334)는 각각 동일물질을 다수회 적층하여 다층구조로 형성될 수 있다.
그리고, 제1 내지 제6열가소성 수지는 서로 동일하거나 상이한 물질일 수 있는데, 제1 내지 제6열가소성 수지가 동일 물질인 경우 제1소켓(322), 절연층(326), 제2소켓(324)은 연속되는 하나의 층으로 형성될 수 있다.
이와 같이, 본 발명의 제3실시예에 따른 온도 센서(330)를 의지용 소켓의 제1 및 제2소켓(322, 324) 사이에 형성함으로써, 의지용 소켓의 온도차를 감지하여 인체의 변화를 검출하고, 검출된 인체의 변화를 사용자에게 전달할 수 있다.
그리고, 본 발명의 제3실시예에 따른 온도 센서(330)는, 제1 및 제2배선(332, 336)의 타단의 전압차를 측정하여 접합체(334)와 제1 및 제2배선(332, 336)의 타단 사이의 온도차를 감지하므로, 접합체(334)와 제1 및 제2배선(332, 336)의 타단 중 하나의 온도를 알아야 접합체(334)와 제1 및 제2배선(332, 336)의 타단 중 나머지 하나의 온도를 파악할 수 있으며, 이를 위하여 본 발명의 제1실시예에 따른 열저항형 온도 센서(도 2의 130)를 접합체(334)와 제1 및 제2배선(332, 336)의 타단 중 하나에 인접하게 배치할 수 있다.
예를 들어, 본 발명의 제1실시예에 따른 열저항형 온도 센서(도 2의 130)로부터 접합체(334)와 제1 및 제2배선(332, 336)의 타단 중 하나의 온도를 감지하고, 본 발명의 제3실시예에 따른 온도 센서(330)로부터 접합체(334)와 제1 및 제2배선(332, 336)의 타단 사이의 온도차를 감지하고, 이들로부터 접합체(334)와 제1 및 제2배선(332, 336)의 타단 중 나머지 하나의 온도를 감지할 수 있다.
이와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 온도 센서에서는, 3D 프린터를 이용하여 열저항체(134), 열전체(234) 또는 접합체(334)를 제1 및 제2소켓(122, 124)(222, 224)(322, 324) 사이에 형성함으로써, 의지용 소켓(120) 및 온도 센서(130)(330)의 형상, 온도 센서(130)(330)의 물질 및 위치에 따른 제한이 감소되고, 그 결과 자유곡면 등의 다양한 형상에 대한 설계자유도가 향상되고, 인체의 손상이 방지되고, 인체 적합성 및 밀착성이 개선된다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
110: 의지용 소켓 시스템 120: 의지용 소켓
130: 온도 센서 140: 제어부
150: 표시부

Claims (10)

  1. 제1소켓과;
    상기 제1소켓의 내측에 배치되는 제2소켓과;
    상기 제1 및 제2소켓 사이에 배치되는 적어도 하나의 온도 센서
    를 포함하고,
    상기 적어도 하나의 온도 센서는,
    상기 제1소켓 상부에 배치되는 제1배선과;
    상기 제1소켓 및 상기 제1배선 상부에 배치되는 절연층과;
    상기 절연층 상부에 배치되는 제2배선과;
    상기 절연층 및 상기 제2배선 상부에 배치되는 제2소켓과;
    상기 제2소켓 상부에 배치되는 열저항체
    를 포함하고,
    상기 열저항체의 표면은 상기 제2소켓의 표면과 동일한 높이로 배치되는 의지용 소켓.
  2. 삭제
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1소켓은 제1열가소성 수지를 포함하고,
    상기 제1배선은 제2열가소성 수지 및 도전성 물질을 포함하고,
    상기 절연층은 제3열가소성 수지를 포함하고,
    상기 제2배선은 제4열가소성 수지 및 도전성 물질을 포함하고,
    상기 제2소켓은 제5열가소성 수지를 포함하고,
    상기 열저항체는 제6열가소성 수지 및 도전성 물질을 포함하는 의지용 소켓.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 제1 내지 제6열가소성 수지는, 각각 폴리락틱산, 폴리에틸렌 테레프탈레이트, 폴리염화비닐, 폴리염화비닐리덴, 폴리스티렌, 폴리프로필렌 중 하나이고,
    상기 도전성 물질은 그래핀(graphene), 카본블랙(carbon black), 카본 나노튜브(carbon nanotube: CNT)와 같은 탄소계 물질과, 철(Fe), 구리(Cu), 니켈(Ni), 알루미늄(Al), 규소(Si), 마그네슘(Mg), 백금(Pt), 로듐(Rh), 텅스텐(W), 레늄(Re)과 같은 금속 물질과, 이들의 합금 중 하나인 의지용 소켓.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 온도 센서는,
    상기 제1소켓 상부에 배치되는 열전체와;
    상기 제1 및 제2소켓 사이의 상기 열전체 주위에 배치되는 상기 절연층과;
    상기 제2소켓 상부에 배치되는 제1전극, 연결전극 및 제2전극
    을 더 포함하고,
    상기 열저항체는 상기 열전체 양단 중 하나에 인접하게 배치되는 의지용 소켓.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 열전체는, 각각이 바 형상을 갖는 다수의 열전체를 포함하고,
    상기 연결전극은, 각각이 상기 다수의 열전체 중 인접한 둘의 양단을 연결하는 다수의 연결전극을 포함하는 의지용 소켓.
  7. 제 5 항에 있어서,
    상기 제1소켓은 제1열가소성 수지를 포함하고,
    상기 열전체는 제2열가소성 수지 및 도전성 물질을 포함하고,
    상기 절연층은 제3열가소성 수지를 포함하고,
    상기 제1전극, 상기 연결전극 및 상기 제2전극은 금속물질을 포함하는 의지용 소켓.
  8. 제1소켓과;
    상기 제1소켓의 내측에 배치되는 제2소켓과;
    상기 제1 및 제2소켓 사이에 배치되는 적어도 하나의 온도 센서
    를 포함하고,
    상기 적어도 하나의 온도 센서는,
    상기 제1소켓 상부에 배치되는 제1배선과;
    상기 제1소켓 및 상기 제1배선 상부에 배치되는 절연층과;
    상기 절연층 상부에 배치되는 제2배선과;
    상기 절연층 및 제2배선 상부에 배치되는 제2소켓과;
    상기 제2소켓 상부에 배치되고, 상기 제1 및 제2배선에 각각 연결되는 제1 및 제2열전부를 포함하는 접합체
    를 포함하고,
    상기 접합체의 표면은 상기 제2소켓의 표면과 동일한 높이로 배치되는 의지용 소켓.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 제1소켓은 제1열가소성 수지를 포함하고,
    상기 제1배선은 제2열가소성 수지 및 제1도전성 물질을 포함하고,
    상기 절연층은 제3열가소성 수지를 포함하고,
    상기 제2배선은 제4열가소성 수지 및 제2도전성 물질을 포함하고,
    상기 제2소켓은 제5열가소성 수지를 포함하고,
    상기 제1열전부는 제6열가소성 수지 및 상기 제1도전성 물질을 포함하고,
    상기 제2열전부는 상기 제6열가소성 수지 및 상기 제2도전성 물질을 포함하는 의지용 소켓.
  10. 온도를 측정하는 의지용 소켓과;
    상기 의지용 소켓으로부터 전달되는 상기 온도를 분석하여 인체의 변화를 검출하는 제어부와;
    상기 인체의 변화를 표시하는 표시부
    를 포함하고,
    상기 의지용 소켓은,
    제1소켓과;
    상기 제1소켓의 외측에 배치되는 제2소켓과;
    상기 제1 및 제2소켓 사이에 배치되는 적어도 하나의 온도 센서
    를 포함하고,
    상기 적어도 하나의 온도 센서는,
    상기 제1소켓 상부에 배치되는 제1배선과;
    상기 제1소켓 및 상기 제1배선 상부에 배치되는 절연층과;
    상기 절연층 상부에 배치되는 제2배선과;
    상기 절연층 및 상기 제2배선 상부에 배치되는 제2소켓과;
    상기 제2소켓 상부에 배치되는 열저항체
    를 포함하고,
    상기 열저항체의 표면은 상기 제2소켓의 표면과 동일한 높이로 배치되는 의지용 소켓 시스템.
KR1020180090129A 2018-08-02 2018-08-02 온도 센서 및 이를 포함하는 의지용 소켓 KR102029002B1 (ko)

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