KR102317323B1 - 다층 구조 체압 센서 - Google Patents

Abstract

본 발명은 담요나 매트리스 커버 등에 적용될 수 있는 얇은 직물 형태로 다층 구조를 가지는 체압 센서에 관한 것이다. 다층 구조 체압 센서는, 복수의 유전체 섬유사들과 전도사를 가진 제1 합사와, 복수의 유전체 섬유사들과 전도사를 가진 제2 합사를 편직한 압전성 섬유층; 및 상기 압전성 섬유층 상하에 배치되는 상부 섬유층과 하부 섬유층;을 포함하며, 상기 압전성 섬유층이 두께 방향으로 눌릴 때 매트릭스 형태로 생성되는 다수의 전기신호를 감지회로로 출력한다.

Description

다층 구조 체압 센서{BODY PRESSURE SENSOR HAVING A MULTI-LAYER STRUCTURE}

본 발명은 체압 센서에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 담요나 매트리스 커버 등에 적용될 수 있는 얇은 직물 형태로 다층 구조를 가지는 체압 센서에 관한 것이다.

체압 센서는 사람의 몸에 가해지는 압력을 신체부위별로 측정하는 장치이다. 체압 센서는 스포츠 의류에 사용해 인체의 움직임을 인식하고 자세교정이나 훈련 등에 활용될 수 있고, 욕창 예방 매트리스에 사용되어 체압을 측정하고 최적으로 체압을 분산하는데 사용될 수 있다.

예를 들어, 체압 센서는 침상바닥에 장시간 부동의 자세로 누워 있는 사람의 신체가 압력을 받아 형성되는 체압을 측정하는데 사용될 수 있다. 이러한 체압 센서를 이용하는 장시간 부동의 자세로 침상바닥에 누워 있는 사람의 체압 변화에 따라 혈액순환 장애가 오고 산소와 영양 공급이 부족해서 피부, 피하지방, 근육에 허혈로 인한 조직 손상(욕창, pressure ulcer, bed sore)을 예측할 수 있다.

전술한 체압 센서의 일례가 대한민국 등록특허공보 제10-1080063호 '욕창 방지를 위한 체압 측정 장치 및 이와 연결되는 사용자 단말장치'에 개시되어 있다. 이 종래 기술의 체압 측정 장치는 매트릭스 형태로 배열되는 복수의 힘 감지 저항기(force sensing resistor, FSR) 센서와, 이 센서의 출력 값을 디지털 값으로 변환하는 아날로그 디지털(analog digital, A/D) 컨버터, 및 디지털 값을 사용자 단말장치로 송신하는 송신부를 구비한다.

FSR은 물리적인 힘, 무게 등을 저항 값으로 변환하는 센서로서 압력센서의 일종이다. 통상 FSR은 중간에 공간적인 갭을 형성하는 스페이서를 사이에 두고 회로가 인쇄되어 있는 레이어(FPC)와 전도성 물질이 코팅되어 있는 필름 레이어(예컨대, MD 필름)가 적층된 박막 형태를 가진다. 이러한 박막 형태의 FSR은 적층 방향으로 가해하는 힘에 따라 변하는 저항 값을 A/D 컨버터를 통해 출력하도록 이루어진다.

한편, 외부 힘에 의한 변화를 전기 신호로 읽어내는 센서는 더 가볍고 작게 진화해 왔고, 최근에는 섬유 등을 통해 구부리기 쉽고 접을 수 있어 다양한 분야에 활용할 수 있는 직물형 센서 등의 새로운 센서 개발에 진행되고 있으며, 이러한 직물형 센서에 대한 요구가 증가하고 있는 실정이다.

국내 등록특허공보 제10-1080063호(2011.11.09)

본 발명은 새로운 직물형 센서에 대한 요구에 부응하여 새로운 구조의 체압 센서를 제공하는데 그 목적이 있다.

본 발명의 다른 목적은 용도에 따라 간편하게 구성하여 제작하고 사용할 수 있는 다층 구조 체압 센서를 제공하는데 그 목적이 있다.

상기 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 측면에 따른 다층 구조 체압 센서는, 복수의 유전체 섬유사들과 전도사를 가진 제1 합사와, 복수의 유전체 섬유사들과 전도사를 가진 제2 합사를 편직한 압전성 섬유층; 및 상기 압전성 섬유층 상하에 배치되는 상부 섬유층과 하부 섬유층;을 포함하며, 상기 압전성 섬유층이 두께 방향으로 눌릴 때 매트릭스 형태로 생성되는 다수의 전기신호를 감지회로로 출력한다.

일실시예에서, 상기 다층 구조 체압 센서는 상기 상부 섬유층과 상기 하부 섬유층 사이에서 상기 압전성 섬유층 상에 직접 적층되는 다른 압전성 섬유층을 더 포함하고, 상기 다른 압전성 섬유층은 복수의 유전체 섬유사들과 전도사를 가진 제3 합사, 및 복수의 유전체 섬유사들과 전도사를 가진 제4 합사를 편직한 구조를 구비한다.

일실시예에서, 상기 압전성 섬유층과 상기 다른 압전성 섬유층의 각 표면저항은 10²~10³ Ω/sq이다.

일실시예에서, 상기 다른 압전성 섬유층의 개수는 체압 센서의 서로 용도에 따라 서로 다르게 결정된다.

일실시예에서, 상기 다른 압전성 섬유층의 개수가 2개일 때, 상기 압전성 섬유층과 상기 다른 압전성 섬유층을 포함하는 직물의 저항은 동일 압력 분위기에서 상기 압전성 섬유층만을 포함한 직물의 표면저항의 2배 이상, 3배 이하이다.

일실시예에서, 상기 다른 압전성 섬유층의 개수가 4개일 때, 상기 압전성 섬유층과 상기 다른 압전성 섬유층을 포함하는 직물의 반복수축시간은 동일 압력 분위기에서 상기 압전성 섬유층만을 포함한 직물의 반복수축시간의 2배 내지 3배이다.

일실시예에서, 상기 상부 섬유층과 하부 섬유층은 도전사와 섬유사를 편직한 상부 전자섬유층과 하부 전자섬유층을 포함하고, 상기 상부 전자섬유층의 도전사와 상기 하부전자섬유층의 도전사는 상기 압전성 섬유층을 게재하고 매트릭스 형태로 서로 교차하는 방향으로 연장하도록 배치된다.

전술한 다층 구조 체압 센서를 사용하면, 용도에 따라 서로 다른 개수의 압전성 섬유층을 포함하는 섬유형 체압 센서를 제공할 수 있다. 또한, 섬유형 체압 센서에서 제조가 용이하게 체압 센싱의 신뢰성이 우수한 저렴한 장치 구조를 제공할 수 있다.

아울러, 본 발명에 의하면, 용도에 따라 압전성 섬유층의 개수를 변경함으로써 침대용 커버, 방바닥용 매트, 휠체어용 방석 등의 용도에 따른 체압 센서를 실질적으로 동일 제조장치를 통해 간단히 제조할 수 있어 제조 비용을 낮출 수 있으며, 단순한 구조에 의해 장치의 안정성과 신뢰성을 유지하고 높일 수 있는 장점이 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 다층 구조 체압 센서를 구현한 사진.
도 2는 도 1의 체압 센서의 구조를 설명하기 위한 개략적인 단면도.
도 3은 도 2의 체압 센서의 압전성 섬유층을 예시한 도면.
도 4는 도 2의 체압 센서의 전자 섬유층을 예시한 도면.
도 5은 도 2의 체압 센서의 작동 원리를 설명하기 위한 단면도.
도 6은 도 1의 체압 센서의 다른 구조를 설명하기 위한 개략적인 단면도.
도 7은 도 1의 체압 센서의 또다른 구조를 설명하기 위한 개략적인 단면도.
도 8은 도 2, 6 및 7의 체압 센서에서 압력에 따른 저항을 측정한 그래프들.
도 9는 도 1의 체압 센서를 이용한 체압 측정을 예시한 도면.
도 10은 도 1의 체압 센서를 이용한 체압 측정의 다른 예를 예시한 도면.

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다.

본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함한다", "가진다" 등과 관련된 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

이하, 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 다층 구조 체압 센서를 구현한 사진이고, 도 2는 도 1의 체압 센서의 구조를 설명하기 위한 개략적인 단면도이다. 도 3은 도 2의 체압 센서의 압전성 섬유층을 예시한 도면이고, 도 4는 도 2의 체압 센서의 전자 섬유층을 예시한 도면이다. 그리고 도 5은 도 2의 체압 센서의 작동 원리를 설명하기 위한 단면도이다.

도 1 및 도 2를 참조하면, 본 실시예에 따른 다층 구조 체압 센서(100)는 섬유형 센서 또는 전자 섬유로서 제1 합사(21)와 제2 합사(22)를 편직한 압전성 섬유층(20)과 압전성 섬유층(20)의 하부 및 상부에 각각 배치되는 하부 섬유층(10)과 상부 섬유층(30)을 구비한다.

하부 섬유층(10)은 유전체 섬유사를 위사(11) 또는 경사로 하고, 도전사 또는 메탈사를 경사(12) 또는 위사로 하여 직조 또는 편조될 수 있다. 그리고 상부 섬유층(30)은 다른 유전체 섬유사를 위사(31) 또는 경사로 하고, 도전사 또는 메탈사를 경사(32) 또는 위사로 하여 직조 또는 편조될 수 있다.

압전성 섬유층(20)의 제1 합사(21)는 도 3에 도시한 바와 같이 섬유사(21a)와 메탈사 혹은 도전사(21b)를 사용하고 실질적으로 트위스트되지 않은 구조나 형태를 가진다. 유사하게, 제2 합사(22)는 다른 섬유사(22a)와 메탈사 혹은 도전사(22b)를 사용하고 실질적으로 트위스트되지 않은 구조나 형태를 가진다. 압전성 섬유층(20)의 표면저항은 10²~10³ Ω/sq이다.

하부 섬유층(10)과 상부 섬유층(30)은 섬유사(11,31)와 메탈사(12,32)를 위사와 경사로 사용하여 직조한 구조를 각각 구비한다.

이와 같이 상부 섬유층(30)과 하부 섬유층(10)은 도전사와 섬유사를 편직한 상부 전자섬유층과 하부 전자섬유층으로 지칭될 수 있다. 상부 전자섬유층의 도전사와 하부전자섬유층의 도전사는 압전성 섬유층(20)을 게재하고 매트릭스 형태로 서로 교차하는 방향으로 연장하도록 배치된다.

전술한 구성에 의하면, 도 5에 도시한 바와 같이 소정의 외부 압력(pressure)에 의해 압전성 섬유층(20)이 두께 방향으로 눌릴 때 매트릭스 형태로 생성되는 다수의 전기신호가 하부 섬유층(10)과 상부 섬유층(30)을 통해 감지회로(200)로 출력될 수 있다.

전술한 체압 센서는 추가로 다른 압전성 섬유층을 구비할 수 있다. 그 경우, 다른 압전성 섬유층의 개수는 체압 센서의 용도에 따라 서로 다르게 결정된다.

도 6은 도 1의 체압 센서의 다른 구조를 설명하기 위한 개략적인 단면도이다.

도 6을 참조하면, 본 실시예에 따른 다층 구조 체압 센서(100)는 상부 섬유층(30)과 하부 섬유층(10) 사이에서 기본 압전성 섬유층(20a) 상에 직접 적층되는 2개의 다른 압전성 섬유층(20b,20c)을 더 포함한다.

여기서, 다른 압전성 섬유층은 복수의 유전체 섬유사들과 전도사를 가진 제3 합사, 및 복수의 유전체 섬유사들과 전도사를 가진 제4 합사를 편직한 구조를 구비할 수 있다.

다른 압전성 섬유층의 개수가 2개일 때, 즉 압전성 섬유층의 개수가 3개일 때, 압전성 섬유층과 다른 압전성 섬유층을 포함하는 직물의 저항은 동일 압력 분위기에서 압전성 섬유층만을 포함한 직물의 표면저항의 2배 이상, 3배 이하이다.

도 7은 도 1의 체압 센서의 또다른 구조를 설명하기 위한 개략적인 단면도이다.

도 7을 참조하면, 본 실시예에 따른 다층 구조 체압 센서(100)는 상부 섬유층(30)과 하부 섬유층(10) 사이에서 기본 압전성 섬유층(20a) 상에 직접 적층되는 4개의 다른 압전성 섬유층(20b,20c,20d,20e)을 더 포함한다.

이와 같이, 압전성 섬유층의 적층 개수를 조절하면, 적층 개수에 따라 서로 다른 표면저항을 나타내는 압전성 섬유층을 사용하여 체압 센서의 용도에 따라 서로 다른 체압을 신뢰성 있게 측정할 수 있다.

도 8은 도 2, 6 및 7의 체압 센서에서 압력에 따른 저항을 측정한 그래프들이다.

도 8에 나타낸 바와 같이, 본 실시예에 따른 체압 센서에 350kPa의 압력을 50초에 2회 정도 가할 때((a) 참조), 하나의 압전성 섬유층을 가진 제1 체압 센서에서 측정되는 저항값(resistance)((b) 참조), 3개의 압전성 섬유층을 가진 제2 체압 센서에서 측정되는 저항값((c) 참조), 및 5개의 압전성 섬유층을 가진 제3 체압 센서에서 측정되는 저항값((d) 참조)은 서로 다른 유의미한 결과를 나타내는 것을 알 수 있다.

제1 체압 센서는 4,000Ω 전후 범위에서 저항값을 나타내고, 제2 체압 센서는 10,000Ω 전후 범위에서 저항값을 나타내고, 제3 체압 센서는 4000Ω 전후 범위에서 저항값을 나타내면서 그 반복수축시간이 단일 압전성 섬유층만을 포함한 경우에 비해 반복수축시간과 대비하여 2배 내지 3배 길어진 것을 알 수 있다.

도 9는 도 1의 체압 센서를 이용한 체압 측정을 예시한 도면이고, 도 10은 도 1의 체압 센서를 이용한 체압 측정의 다른 예를 예시한 도면이다.

도 9의 (a)와 (b)에 나타낸 바와 같이, 본 실시예에 따른 체압 센서를 구비한 면상 직물 상에 사용자가 누워있을 때, 엉덩이, 어깨, 발 및 뒤꿈치 순으로 높은 체압에서 낮은 체압까지의 분포가 잘 나타내는 것을 확인할 수 있다.

또한, 도 10의 (a)와 (b)에 나타낸 바와 같이, 본 실시예에 따른 체압 센서를 구비한 면상 직물 상에 사용자가 앉아있을 때, 엉덩이, 뒤꿈치, 종아리, 허벅지 순으로 높은 체압에서 낮은 체압까지의 분포가 잘 나타내는 것을 확인할 수 있다.

이와 같이, 본 실시예에 따른 다층 구조 체압 센서를 사용하면, 휠체어, 침대, 매트릭스, 담요, 카페트 등의 용도에 따라 압전성 섬유층의 개수를 서로 다르게 결정하여 용도에 알맞게 체압을 효과적으로 측정할 수 있다.

상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

Claims (7)

1. 제1 도전사와 제1 유전체 섬유사를 직조 또는 편조한 하부 섬유층;
   제2 도전사와 제2 유전체 섬유사를 직조 또는 편조한 상부 섬유층으로서, 상기 하부 섬유층과 두께 방향으로 이격된 상부 섬유층; 및
   상기 하부 섬유층 및 상부 섬유층의 상기 두께 방향 사이에 개재된 압전성 섬유층을 포함하되,
   상기 제1 도전사와 상기 제2 도전사는 평면 시점에서, 서로 교차하는 방향으로 연장되고,
   상기 압전성 섬유층의 표면저항은 10²~10³ Ω/sq인 다층 구조 체압 센서.
2. 제1항에 있어서,
   상기 압전성 섬유층은 제1 압전성 섬유층 및 제2 압전성 섬유층을 포함하고,
   상기 제1 압전성 섬유층은 섬유사와 도전사의 합사인 제1 합사, 및 섬유사와 도전사의 합사인 제2 합사의 편직물이고,
   상기 제2 압전성 섬유층은 섬유사와 도전사의 합사인 제3 합사, 및 섬유사와 도전사의 합사인 제4 합사의 편직물인 다층 구조 체압 센서.
3. 삭제
4. 제1항에 있어서,
   상기 압전성 섬유층은 상기 두께 방향으로 적층된 적어도 하나 이상의 압전성 섬유층을 포함하되,
   상기 적층된 압전성 섬유층의 개수가 증가함에 따라 상기 체압 센서의 저항이 증가하다가, 다시 감소하는 다층 구조 체압 센서.
5. 삭제
6. 삭제
7. 제1항에 있어서,
   상기 체압 센서가 상기 두께 방향으로 눌릴 때,
   생성되는 전기 신호가 상기 제1 도전사의 연장 방향 및 상기 제2 도전사의 연장 방향을 따라 전달되는 다층 구조 체압 센서.

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