KR102436635B1 - 압력 감지 인솔 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 한 실시예에 따른 압력 감지 인솔은 제1 전도 영역을 포함하는 제1 전극층, 상기 제1 전극층 상에 배치되며, 절연 영역을 포함하는 제1 접착층, 상기 제1 접착층 상에 배치되는 중간층, 상기 중간층 상에 배치되며, 절연 영역을 포함하는 제2 접착층, 그리고 상기 제2 접착층 상에 배치되며, 제2 전도 영역을 포함하는 제2 전극층을 포함한다.

Description

압력 감지 인솔{INSOL OF SENSING PRESSURE}
본 발명은 압력 감지에 관한 것으로, 보다 상세하게는 압력을 감지하는 인솔에 관한 것이다.
최근, 전자 기술과 정보 통신 기술의 발전으로 헬스 케어(Health Care) 분야가 급속하게 발전하고 있다. 즉, 생체 정보를 이용하여 사람의 몸 상태를 측정할 수 있는 건강 관리 시스템이 요구되고 있다. 예를 들어, 신발 내에 압력을 감지하는 센서를 장착하여 착용자의 건강 상태, 보행 자세 등을 파악하고자 하는 기술이 개발되고 있다.
그러나, 신발의 밑창 또는 인솔 내에 압력 감지 센서를 내장하는 경우, 다수의 센서가 필요하며, 센서의 삽입을 위하여 추가의 공간이 요구되는 문제가 있다. 또한, 센서가 유연성 및 신축성이 없으므로, 복곡면 형태의 신발에 적용하기는 무리가 있다.
한국 공개특허공보 제10-2014-0128440호(2014.11.05)
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 가해진 무게에 따른 압력 및 위치를 감지하는 압력 감지 인솔을 제공하는 데 있다.
본 발명의 한 실시예에 따른 압력 감지 인솔은 제1 전도 영역을 포함하는 제1 전극층, 상기 제1 전극층 상에 배치되며, 절연 영역을 포함하는 제1 접착층, 상기 제1 접착층 상에 배치되는 중간층, 상기 중간층 상에 배치되며, 절연 영역을 포함하는 제2 접착층, 그리고 상기 제2 접착층 상에 배치되며, 제2 전도 영역을 포함하는 제2 전극층을 포함한다.
상기 제2 전극층의 전도 영역은 압력을 감지하는 적어도 하나의 센싱 영역 및 상기 적어도 하나의 센싱 영역에 연결되는 적어도 하나의 연결 영역을 포함할 수 있다.
상기 제1 접착층의 절연 영역 및 상기 제2 접착층의 절연 영역 중 적어도 하나에 대응하도록 상기 제2 전극층의 연결 영역이 배치될 수 있다.
상기 제2 전극층의 센싱 영역 아래에는 상기 제1 접착층의 절연 영역 및 상기 제2 접착층의 절연 영역이 배치되지 않을 수 있다.
제1 전도 영역 및 상기 제2 전도 영역은 각각 전도성 섬유로 구성될 수 있다.
상기 전도성 섬유는 금속 와이어이거나, 표면 상에 금속 막이 피복된 섬유일 수 있다.
상기 중간층은 탄성체, 그리고 상기 탄성체 내에 분산된 전도성 복합체를 포함할 수 있다.
상기 중간층은 적층된 복수의 층을 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 압력 감지 인솔은 적어도 하나의 센싱 영역, 그리고 상기 센싱 영역에 연결되는 연결 영역을 포함하고, 상기 센싱 영역 및 상기 연결 영역은 전도성 섬유로 구성되는 제1 전도 영역, 상기 제1 전도 영역 상에 배치되는 중간층, 그리고 전도성 섬유로 구성되며 상기 중간층 상에 배치되는 제2 전도 영역을 포함하며, 상기 연결 영역은 상기 제1 전도 영역 및 상기 중간층 사이와 상기 중간층 및 상기 제2 전도 영역 사이에 형성되는 절연 영역을 더 포함한다.
본 발명의 실시예에 따른 압력 감지 인솔은 가해진 무게에 따른 압력을 정밀하게 감지할 수 있으며, 압력 분포를 정확하게 감지할 수 있다. 또한, 본 발명의 실시예에 따른 압력 감지 인솔을 사용할 경우, 신발 내에 센서를 내장하기 위한 별도의 공간이 요구되지 않는다. 그리고, 본 발명의 실시예에 따른 압력 감지 인솔은 유연하고 신축성이 좋으므로, 다양한 형태의 신발에 적용이 가능하다.
도 1은 본 발명의 한 실시예에 따른 압력 감지 인솔의 사시도이다.
도 2는 본 발명의 한 실시예에 따른 압력 감지 인솔의 상면도이다.
도 3은 본 발명의 한 실시예에 따른 압력 감지 인솔의 하면도이다.
도 4는 본 발명의 한 실시예에 따른 압력 감지 인솔의 단면도이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 압력 감지 인솔의 단면도이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따라 중간층이 단층으로 구성된 경우와 복층으로 구성된 경우의 해상도를 비교한 도면이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 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.
제2, 제1 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지는 않는다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제2 구성요소는 제1 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제1 구성요소도 제2 구성요소로 명명될 수 있다. 및/또는 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.
본 출원에서 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 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 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.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 실시예를 상세히 설명하되, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 참조 번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
도 1은 본 발명의 한 실시예에 따른 압력 감지 인솔의 사시도이고, 도 2는 본 발명의 한 실시예에 따른 압력 감지 인솔의 상면도이며, 도 3은 본 발명의 한 실시예에 따른 압력 감지 인솔의 하면도이고, 도 4는 본 발명의 한 실시예에 따른 압력 감지 인솔의 단면도이다.
도 1 내지 4를 참조하면, 압력 감지 인솔(100)은 하부 커버(110), 하부 전극층(120), 하부 접착층(130), 중간층(140), 상부 접착층(150), 상부 전극층(160) 및 상부 커버(170)를 포함한다.
하부 커버(110) 및 상부 커버(170)는 각각 하부 전극층(120) 및 상부 전극층(170)을 감싸며, 보호한다.
하부 전극층(120) 및 상부 전극층(160)은 직물로 이루어지며, 전도 영역을 포함한다. 이때, 하부 전극층(120) 및 상부 전극층(160)에 포함되는 전도 영역은 전도성 섬유를 포함하는 직물로 이루어질 수 있다. 여기서, 전도성 섬유는 금속 와이어 또는 표면 상에 금속 막이 피복된 일반 섬유일 수 있다. 전도성 섬유는 금속 입자가 분산된 일반 섬유일 수도 있다. 전도성 섬유가 금속 와이어인 경우, 금속 와이어의 직경은 10㎛ 내지 500㎛일 수 있다. 금속 와이어의 직경이 10㎛ 미만이면 금속 와이어의 강도가 약하여 직물 가공이 어려울 수 있으며, 금속 와이어의 직경이 500㎛를 초과하면 금속 와이어의 강성이 높아 직물의 유연성이 떨어질 수 있으므로, 직물의 가공 시 설비에 데미지를 줄 수 있고, 사용자가 이질감을 느끼기 쉽다. 이때, 금속 와이어는 Cu, Ni, 또는 스테인레스 합금일 수 있다. 스테인레스 합금은, 예를 들면 마르텐사이트계 스테인레스 합금, 페라이트계 스테인레스 합금, 오스테나이트계 스테인레스 합금, 2상계 스테인레스 합금, 석출경화계 스테인레스 합금 등일 수 있다. 금속 와이어가 스테인레스 합금인 경우, 압력 감지 인솔(100)의 내부식성을 높일 수 있다.
전도성 섬유가 표면 상에 금속 막이 피복된 일반 섬유인 경우, 금속 막은 금속 입자가 도금 방식 또는 증착 방식으로 일반 섬유의 표면 상에 피복되는 방법에 의하여 형성될 수 있다. 이때, 금속 입자는 Cu, Ni, 또는 스테인레스 합금일 수 있으며, 금속 막의 두께는 1㎛ 내지 50㎛일 수 있다. 금속 막의 두께가 1㎛ 미만이면 전도율이 낮으므로 신호 전송 시에 손실을 유발할 수 있으며, 금속 막의 두께가 50㎛ 를 초과하면 섬유의 표면에서 금속 막이 쉽게 이탈될 수 있다.
한편, 상부 전극층(160)의 전도 영역은 압력을 감지하는 적어도 하나의 센싱 영역(162), 그리고 적어도 하나의 센싱 영역(162)에 연결되는 적어도 하나의 연결 영역(164)을 포함할 수 있다.
센싱 영역(162)은 압력을 감지하고자 하는 포인트마다 배치될 수 있다. 센싱 영역(162) 상에 압력이 가해지면, 탄성이 있는 중간층(140)의 두께가 변화하며, 상부 전극층(160)의 센싱 영역(162)과 하부 전극층(120) 사이에 전기가 통하게 된다.
연결 영역(164)은 센싱 영역(162)으로부터 발생한 전기 신호를 커넥터(180)에 전달한다. 여기서, 커넥터(180)는 FPCB(Flexible Printed Circuit Board)로 구현될 수 있으며, 외부 장치(미도시)와 연결될 수 있다. 외부 장치는 커넥터(180)를 통하여 수신한 전기 신호를 이용하여 압력 감지 인솔(100) 상에 가해진 사용자의 체압 분포를 분석할 수 있다.
이때, 연결 영역(164), 중간층(140) 및 하부 전극층(120) 사이는 절연될 수 있다. 이에 따라, 본 발명의 실시예에 따른 압력 감지 인솔(100)은 센싱 영역(162) 상에 가해진 압력만을 감지하며, 연결 영역(164) 상에 가해진 압력은 감지하지 않게 된다.
이를 위하여, 하부 전극층(120)과 중간층(140) 사이에 배치되는 하부 접착층(130) 및 중간층(140)과 상부 전극층(160) 사이에 배치되는 상부 접착층(150)은 절연 영역(132, 152)을 포함할 수 있다. 그리고, 연결 영역(164) 아래에는 하부 접착층(130)의 절연 영역(132) 및 상부 접착층(150)의 절연 영역(152)이 배치될 수 있으며, 센싱 영역(162) 아래에는 하부 접착층(130)의 절연 영역 및 상부 접착층(150)의 절연 영역이 배치되지 않을 수 있다. 일 예로, 하부 접착층(130) 및 상부 접착층(150)은 필름의 양면 상에 절연 접착제가 코팅된 구조이며, 센싱 영역(162) 아래에 배치되는 부분은 펀칭되거나 절연 접착제가 코팅되지 않을 수 있다. 다른 예로, 하부 접착층(130) 및 상부 접착층(150)은 필름의 양면 상에 접착제가 코팅된 구조이며, 센싱 영역(162) 아래에 배치되는 영역을 제외하고는 절연 물질이 추가로 코팅된 구조일 수도 있다.
한편, 중간층(140)은 탄성체, 그리고 탄성체 내에 분산된 전도성 복합체를 포함할 수 있다. 여기서, 탄성체는 발포폼, 부직포, 나노웹 등의 랜덤한 섬유 배열을 가지는 섬유 기재, 폴리우레탄, 나일론, 폴리에틸렌 테레프탈레이트 및 폴리에스터로 이루어진 그룹에서 선택된 하나를 포함하는 합성섬유 또는 천연 섬유, 엘라스토머, 고무, 우레탄 등일 수 있다. 이에 따라, 중간층(140)에는 미세 기공이 존재하며, 탄성이 있다. 이때, 중간층(140)의 두께는 1 내지 4mm일 수 있다. 중간층(140)의 두께가 1mm 미만인 경우, 정상 상태, 즉 외력이 가해지지 않은 상태에서 절연 기능을 유지하기 어려울 수 있으며, 외력이 가해진 경우 두께의 변화량이 작으므로 저항의 변화량이 작을 수 있다. 이에 따라, 압력 감지 효율이 낮아질 수 있다. 중간층(140)의 두께가 4mm를 초과하는 경우, 신발 내에 적용하기 어려울 수 있다.
한편, 중간층(140)에 포함되는 전도성 복합체는 탄성체를 이루는 섬유의 표면 상에 피복되거나, 탄성체 내에 분산될 수 있다.
이에 따라, 중간층(140)은 정상 상태에서 저항이 1kΩ이상으로 절연 특성을 가지나, 중간층(140)의 주변에 물리적인 변화가 발생한 경우, 즉 센싱 영역(162) 상에 압력이 가해진 경우, 센싱 영역(162) 아래에 배치된 중간층(140)의 두께가 줄어들어, 저항이 변화하게 된다.
이를 위하여, 전도성 복합체는 전도성 고분자 및 전도성 분말을 포함할 수 있다. 전도성 복합체는 탄성체의 1 내지 10wt%로 포함될 수 있다. 전도성 복합체가 탄성체의 10wt%를 초과하여 포함되면, 압력이 가해지지 않은 상태에서 절연 특성을 보장하기 어려워진다. 이때, 전도성 고분자는 폴리아닐린(polyaniline) 또는 폴리피롤(polypyrrole)을 포함할 수 있다. 그리고, 전도성 분말은 Au, Ag, Cu, Ni, CNT(Carbon Nano Tube), 그래핀 및 세라믹 필러로 이루어진 그룹에서 선택된 하나를 포함할 수 있다.
이때, 전도성 분말의 직경은 10nm 내지 500㎛일 수 있고, 구형, 침상형 또는 판상형일 수 있다. 전도성 분말의 직경이 10nm 미만이면 전도성 고분자 내 분산이 어려우며 입자간 계면 저항이 높아 중간층(140) 전체의 저항이 낮아지게 된다. 그리고, 전도성 분말의 직경이 500㎛를 초과하면 중간층(140)의 표면이 매끄럽지 못하여 마찰력이 증가하고, 이로 인하여 가공이 어려울 수 있다.
한편, 중간층(140)은 복수의 층이 적층된 형태일 수도 있다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 압력 감지 인솔의 단면도이다. 도 1 내지 4와 동일한 내용은 중복된 설명을 생략한다.
도 5를 참조하면, 압력 감지 인솔(100)은 하부 커버(110), 하부 전극층(120), 하부 접착층(130), 중간층(140), 상부 접착층(150), 상부 전극층(160) 및 상부 커버(170)를 포함한다.
이때, 중간층(140)은 상하로 적층되는 제1 중간층(142) 및 제2 중간층(144)을 포함할 수 있다. 제1 중간층(142) 및 제2 중간층(144)은 각각 탄성체, 그리고 탄성체 내에 분산된 전도성 복합체를 포함할 수 있다. 여기서, 탄성체는 발포폼, 부직포, 나노웹 등의 랜덤한 섬유 배열을 가지는 섬유 기재, 폴리우레탄, 나일론, 폴리에틸렌 테레프탈레이트 및 폴리에스터로 이루어진 그룹에서 선택된 하나를 포함하는 합성섬유 또는 천연 섬유, 엘라스토머, 고무, 우레탄 등일 수 있다. 그리고, 전도성 복합체는 전도성 고분자 및 전도성 분말을 포함할 수 있다. 이때, 전도성 고분자는 폴리아닐린(polyaniline) 또는 폴리피롤(polypyrrole)을 포함할 수 있다. 그리고, 전도성 분말은 Au, Ag, Cu, Ni, CNT(Carbon Nano Tube), 그래핀 및 세라믹 필러로 이루어진 그룹에서 선택된 하나를 포함할 수 있다.
이와 같이, 중간층(140)이 복수의 층으로 구성되는 경우, 중간층(140)의 해상도를 높일 수 있다. 이에 따라, 가해진 압력을 더욱 정밀하게 센싱할 수 있다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따라 중간층이 단층으로 구성된 경우와 복층으로 구성된 경우의 해상도를 비교한 도면이다.
여기서, 단층으로 구성된 중간층과 복층으로 구성된 중간층의 소재, 밀도 및 두께가 모두 동일한 조건 하에서, 2.5kg/cm2, 5.6kg/cm2, 9.0kg/cm2의 압력을 가한 후 저항을 측정하였다. 각 조건 하에서 4개의 샘플에 대한 저항 값을 측정하였으며, 각 조건 하에서 측정된 저항 값의 최대 값 및 최소값을 나타내었다.
도 6을 참조하면, 단층으로 구성된 중간층인 경우, 5.6kg/cm2로 가압한 경우와 9.0kg/cm2로 가압한 경우, 측정되는 저항 값의 일부가 겹쳐짐을 알 수 있다. 이에 반해, 복층으로 구성된 중간층인 경우, 서로 다른 압력으로 가압한 경우 측정되는 저항 값이 겹쳐지지 않음을 알 수 있다.
이로부터, 단층으로 구성된 중간층에 비하여 복층으로 구성된 중간층 구조에서 압력 구간 별 압저항 해상도가 우수함을 알 수 있다.
본 명세서 내에서 하부 전극층, 하부 접착층, 중간층, 상부 접착층 및 상부 전극층이 인솔 내에 포함되는 것을 예로 들어 설명하고 있다. 다만, 본 발명은 이에 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 실시예에 따른 하부 전극층, 하부 접착층, 중간층, 상부 접착층 및 상부 전극층이 신발의 밑창에 배치되는 경우도 포함할 수 있다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
100: 압력 감지 인솔
110: 하부 커버
120: 하부 전극층
130: 하부 접착층
140: 중간층
150: 상부 접착층
160: 상부 전극층
170: 상부 커버
162: 센싱 영역
164: 연결 영역

Claims (10)

  1. 제1 전도 영역을 포함하는 제1 전극층,
    상기 제1 전극층 상에 배치되며, 절연 영역을 포함하는 제1 접착층,
    상기 제1 접착층 상에 배치되는 중간층,
    상기 중간층 상에 배치되며, 절연 영역을 포함하는 제2 접착층, 그리고
    상기 제2 접착층 상에 배치되며, 제2 전도 영역을 포함하는 제2 전극층
    을 포함하고,
    상기 중간층은 탄성체, 그리고 상기 탄성체 내에 분산된 전도성 복합체를 포함하고,
    상기 제2 전극층의 제2 전도 영역은 압력을 감지하는 적어도 하나의 센싱 영역 및 상기 적어도 하나의 센싱 영역에 연결되는 적어도 하나의 연결 영역을 포함하며,
    상기 제1 접착층의 절연 영역 및 상기 제2 접착층의 절연 영역 중 적어도 하나에 대응하도록 상기 제2 전극층의 연결 영역이 배치되는 압력 감지 인솔.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제2 전극층의 센싱 영역 아래에는 상기 제1 접착층의 절연 영역 및 상기 제2 접착층의 절연 영역이 배치되지 않는 압력 감지 인솔.
  3. 제1항에 있어서,
    제1 전도 영역 및 상기 제2 전도 영역은 각각 전도성 섬유로 구성되고,
    상기 전도성 섬유는 금속 와이어이거나, 표면 상에 금속 막이 피복된 섬유인 압력 감지 인솔.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 중간층은 적층된 복수의 층을 포함하는 압력 감지 인솔.
  5. 적어도 하나의 센싱 영역, 그리고
    상기 센싱 영역에 연결되는 연결 영역을 포함하고,
    상기 센싱 영역 및 상기 연결 영역은 전도성 섬유로 구성되는 제1 전도 영역, 상기 제1 전도 영역 상에 배치되는 중간층, 그리고 전도성 섬유로 구성되며 상기 중간층 상에 배치되는 제2 전도 영역을 포함하며,
    상기 연결 영역은 상기 제1 전도 영역 및 상기 중간층 사이와 상기 중간층 및 상기 제2 전도 영역 사이에 형성되는 절연 영역을 더 포함하고,
    상기 중간층은 탄성체, 그리고 상기 탄성체 내에 분산된 전도성 복합체를 포함하는 압력 감지 인솔.
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