KR102532519B1 - 피부 땀을 이용한 자가발전 장치 및 이를 이용한 센서 유닛 - Google Patents

Abstract

본 발명은 피부 땀을 이용한 자가발전 장치에 관한 것이다. 본 발명에 의한 피부 땀을 이용한 자가발전 장치는 물과 반응시 전자를 내어 놓는 표준 환원 전위값의 차이에 의해 전력 발생을 가능하게 하는 것으로, 어느 하나는 피부에 접촉가능하게 배치되고 피부에서 발생한 땀이 통과될 수 있게 하는 통로를 구비하며, 다른 하나는 상기 어느 하나에 대하여 이격된 위치에 층을 이루며 배치되는 한 쌍의 발전용 전극들; 및 상기 발전용 전극들 사이에 배치되고 물을 흡수할 수 있는 재질로 이루어지는 분리층;을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

Description

피부 땀을 이용한 자가발전 장치 및 이를 이용한 센서 유닛{Self-powered device using skin sweat and sensor unit using the same}

본 발명은 피부 땀을 이용한 자가발전 장치 및 이를 이용한 센서 유닛에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 피부 땀을 이용하여 발전을 하고, 이와 같이 자가발전에 의해 생성된 전력을 센서 작동을 위해 사용함으로써 별도의 전력원 없이도 촉각 센서와 같은 기능 구현이 가능하도록, 구조가 개선된 피부 땀을 이용한 자가발전 장치 및 이를 이용한 센서 유닛에 관한 것이다.

4차 산업혁명이 도래함에 따라 빅 데이터, 인공지능, 로봇공학, 사물인터넷 등과 같은 기술들이 주목받기 시작했다. 이러한 기술들이 잘 활용되기 위해서는 외부 환경을 잘 파악하고 있어야 하므로 센서에 대한 관심이 증폭되었다. 외부 환경을 파악하는 센서들은 자연스럽게 인간의 오감(시각, 청각, 후각, 촉각, 미각)을 중심으로 발전되어 왔다.

이 중 촉각은 피부에 닿아서 느낄 수 있는 감각을 의미하며 통증과 압력 같은 외부의 물리적 자극을 느낀다. 촉각은 매우 중요하고 필수적인 인간의 감각 중 하나이며 다른 감각들을 대신할 수 있다는 장점이 있다. 가장 쉬운 예시로 시력을 잃은 사람들은 손 끝의 촉각을 이용하여 글을 읽는다.

촉각 센서를 신체에 부착하여 활용하기 위해서 촉각 센서는 필연적으로 유연한 소재를 활용하여야 할 뿐만이 아니라, 무게 가볍고 간결한 시스템으로 구성되어야 한다. 예를 들어, 배터리는 그 자체로 폭발할 위험이 있을 뿐만 아니라 그 자체로 피부에 부착하기 힘들다. 따라서, 촉각 센서는 별도의 전원장치가 불필요한 자가발전의 형태로 구성될 필요가 있다.

일본 특허공보 특허 제6830109호

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 피부에서 나오는 땀을 이용하여 발전을 함으로써 별도의 전력원 없이도 전력 사용이 요구되는 제품 구현을 가능하게 하고, 그 자가발전된 전력을 인체에 부착되어 사용되는 촉각 센서와 같은 센서 작동을 위한 전력원으로 사용할 수 있게 하는 피부 땀을 이용한 자가발전 장치 및 이를 이용한 센서 유닛을 제공하고자 하는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 의한 피부 땀을 이용한 자가발전 장치는 물과 반응시 전자를 내어 놓는 표준 환원 전위값의 차이에 의해 전력 발생을 가능하게 하는 것으로, 어느 하나는 피부에 접촉가능하게 배치되고 피부에서 발생한 땀이 통과될 수 있게 하는 통로를 구비하며, 다른 하나는 상기 어느 하나에 대하여 이격된 위치에 층을 이루며 배치되는 한 쌍의 발전용 전극들; 및 상기 발전용 전극들 사이에 배치되어 두 전극을 분리하고 물을 흡수할 수 있는 재질로 이루어지는 분리층;을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

상기 어느 하나의 발전용 전극은 Ag 소재로 이루어지고, 다른 하나의 발전용 전극은 Al소재로 이루어지는 것이 바람직하다.

상기 분리층은 종이 재질로 이루어지는 것이 바람직하다.

상기 어느 하나의 발전용 전극은 모세관현상에 의해 피부 땀을 원활하게 이동시킬 수 있도록, 다공성 구조로 이루어지는 것이 바람직하다.

상기 분리층은 피부 땀의 흡수가 원활하게 이루어질 수 있도록, 조해성 물질을 포함하여 이루어지는 것이 바람직하다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 의한 자가발전에 의한 압력 센싱이 가능한 센서 유닛은 위에 설명한 구조를 가지는 자가발전 장치; 및 상기 자가발전 장치의 한 쌍의 발전용 전극들과 전기적으로 연결되는 한 쌍의 센싱용 전극들과, 상기 한 쌍의 센싱용 전극들 사이에 배치되고 탄성변형이 가능한 전도성 재질로 이루어지며 다공성 구조를 가지는 전도성 변형층을 구비하는 압력센서;를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

본 발명은 상기 자가발전 장치와 압력센서가 탑재되고, 사용자에 의해 착용되는 장갑;을 더 포함하여 이루어져서, 상기 장갑을 착용한 손으로 점자블럭을 구별할 수 있도록 구성되는 것이 바람직하다.

상술한 바와 같은 구성을 가지는 본 발명에 의한 피부 땀을 이용한 자가발전 장치는, 한 쌍의 전극들 사이에 전해질을 배치하여 두고, 한 쌍의 전극들 중 어느 하나에 피부 땀이 전해질 측으로 유입될 수 있게 하는 통로가 형성된 구조를 가짐으로써, 피부에서 발생한 땀에 의해 상기 각 전극에서 산화 환원 반응이 일어나게 됨에 따라, 자가발전이 가능하여 별도의 전력원 없이도 센서와 같이 전력 사용이 요구되는 제품 구현을 가능하게 하는 효과를 가진다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 피부 땀을 이용한 자가발전 장치 및 이와 함께 사용되는 압력 센서의 구성을 설명하기 위한 단면도.
도 2는 본 발명 일실시예에 따른 자가발전 장치와 함께 사용되는 압력센서의 제조 과정을 설명하기 위한 도면.
도 3은 본 발명 일실시예에 따른 자가발전 장치와 함께 사용되는 압력센서의 구조 및 탄성변형 특징을 설명하기 위한 도면.
도 4 및 도 5는 본 발명 일실시예에 따른 자가발전 장치와 함께 사용되는 압력센서의 센싱 원리 및 실험 데이터를 설명하기 위한 도면들.
도 5는 본 발명 일실시예에 따른 자가발전 장치와 함께 사용되는 압력센서의 제조 과정, 센싱 원리 및 실험 데이터를 설명하기 위한 도면들.
도 6 및 도 7은 본 발명 일실시예의 사용례 및 이에 따른 실험 데이터를 설명하기 위한 도면들.
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 피부 땀을 이용한 자가발전 장치 및 이와 함께 사용되는 압력 센서의 구성을 설명하기 위한 단면도.

이하의 설명에서 본 발명에 대한 이해를 명확히 하기 위하여, 본 발명의 특징에 대한 공지의 기술에 대한 설명은 생략하기로 한다. 이하의 실시 예는 본 발명의 이해를 돕기 위한 상세한 설명이며, 본 발명의 권리 범위를 제한하는 것이 아님은 당연할 것이다. 따라서, 본 발명과 동일한 기능을 수행하는 균등한 발명 역시 본 발명의 권리 범위에 속할 것이다.

그리고, 이하의 설명에서 동일한 식별 기호는 동일한 구성을 의미하며, 불필요한 중복적인 설명 및 공지 기술에 대한 설명은 생략하기로 한다. 또한, 상기 발명의 배경이 되는 기술에 대한 기재 내용과 중복되는 이하의 본 발명의 각 실시예에 관한 설명 역시 생략하기로 한다.

이하에서는 본 발명의 일실시예에 따른 피부 땀을 이용한 자가발전 장치를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 피부 땀을 이용한 자가발전 장치 및 이와 함께 사용되는 압력 센서의 구성을 설명하기 위한 단면도이고, 도 2는 본 발명 일실시예에 따른 자가발전 장치와 함께 사용되는 압력센서의 제조 과정을 설명하기 위한 도면이고, 도 3은 본 발명 일실시예에 따른 자가발전 장치와 함께 사용되는 압력센서의 구조 및 탄성변형 특징을 설명하기 위한 도면이고, 도 4 및 도 5는 본 발명 일실시예에 따른 자가발전 장치와 함께 사용되는 압력센서의 센싱 원리 및 실험 데이터를 설명하기 위한 도면들이며, 도 6 및 도 7은 본 발명 일실시예의 사용례 및 이에 따른 실험 데이터를 설명하기 위한 도면들이다.

도 1에 잘 도면에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 피부 땀을 이용한 자가발전 장치(1)는, 물과 반응시 전자를 내어 놓는 표준 환원 전위값의 차이에 의해 전력 발생을 가능하게 하는 것으로, 한 쌍의 발전용 전극(11)(12)들과 분리층(13)을 포함하여 이루어진다.

상기 한 쌍의 발전용 전극(11)(12)들 중 어느 하나(11)는 피부(A)에 접촉가능하게 배치되고 피부(A)에서 발생한 땀이 통과될 수 있게 하는 통로를 구비하며, 다른 하나(12)는 상기 어느 하나(11)에 대하여 이격된 위치에 층을 이루며 배치된다.

상기 분리층(13)은 상기 발전용 전극(11)(12)들 사이에 배치되고 물을 흡수할 수 있는 재질로 이루어진다.

이와 같이, 본 실시예는 자가발전의 간단한 형식 중 하나인 갈바니 전지와 유사한 구조로 이루어진다. 즉, 갈바니 전지는 두 금속과 분리막으로 간단히 구성되어 있고 수용액 안에서 작동하는데, 수용액 안에서 두 금속이 산화 환원 반응을 일으켜 전자의 이동이 발생하게 되고 이를 통해 전기를 생성하도록 구성된 것으로, 본 실시예에는 이러한 갈바니 전지의 구성을 일부 변경하여 피부(A)의 땀에 의해 발전이 가능한 구조가 채택되었다.

이러한 구성을 가지는 본 발명의 일실시예에 따른 피부 땀을 이용한 자가발전 장치(1)는, 한 쌍의 전극들 사이에 전해질을 배치하여 두고, 한 쌍의 전극들 중 어느 하나에 피부(A) 땀이 전해질 측으로 유입될 수 있게 하는 통로가 형성된 구조를 가짐으로써, 피부(A)에서 발생한 땀에 의해 상기 각 전극에서 산화 환원 반응이 일어나게 됨에 따라, 자가발전이 가능하여 별도의 전력원 없이도 센서와 같이 전력 사용이 요구되는 제품 구현을 가능하게 하는 장점을 가진다.

상기 어느 하나의 발전용 전극(11)은 Al 소재로 이루어지고, 다른 하나의 발전용 전극(12)은 Ag소재로 이루어져서, 산화환원 반응이 원활하게 이루어지도록 구성되는 것이 바람직하다.

그리고, 상기 분리층(13)은 수분이 흡수될 수 있는 종이 또는 헝겊과 같은 섬유 재질로 이루어지는 것이 바람직하다.

또한, 상기 분리층(13)은 조해성 물질을 포함하여 이루어져서, 피부(A) 땀을 더욱 원활하게 흡수할 수 있도록 구성되는 것이 바람직하다.

한편, 본 발명의 일실시예에 따른 자가발전에 의한 압력 센싱이 가능한 센서 유닛은, 위에서 설명한 땀을 이용한 자가발전 장치(1)와 압력센서(2)를 포함하여 이루어진다.

상기 압력센서(2)는 도 1에 잘 도시된 바와 같이, 상기 자가발전 장치(1)의 한 쌍의 발전용 전극(11)(12)들과 전기적으로 연결되는 한 쌍의 센싱용 전극(21)(22)들과, 상기 한 쌍의 센싱용 전극(21)(22)들 사이에 배치되는 전도성 변형층(23)을 포함하여 이루어진다.

상기 전도성 변형층(23)은 변형 후 원래의 형상으로 복원이 가능하도록 탄성변형이 가능한 재질로 이루어지고, 구조적 변형에 따라 저항 변화가 가능하도록 전도성 재질로 이루어지며, 변형에 따른 저항 변화가 민감하도록 다공성 구조로 이루어진다.

이러한 구성을 가지는 본 실시예에 따른 자가발전에 의한 압력 센싱이 가능한 센서 유닛은, 한 쌍의 센싱용 전극(21)(22)들과 그 전극들 사이에 배치되고 변형에 의해 저항이 변화되는 전도성 변형층(23)을 포함하여 이루어져서, 미세한 압력 변화 감지를 가능하게 하여 간소한 구성에 의해서도 시각 장애인을 위한 촉각센서 또는 압력 측정을 위한 센서와 같이 다양한 센서로서 활용될 수 있는 장점을 가진다.

예컨대, 본 실시예는 도 6 및 도 7에 잘 도시된 바와 같이, 시각장애인이 앞에서 설명한 자가발전 장치(1)와 압력센서(2)가 탑재된 장갑(B)을 착용하고 점자블럭을 만지게 되면, 그 점자블럭의 요철의 차이에 따라 상기 전도성 변형층(23)의 저항이 변화되는 것에 의해 점자블럭을 구별할 수 있도록 구성됨으로써, 별도의 전력원 없이 간소한 구성에 의해서도 시각 장애인을 위한 촉각 센서 구현을 가능하게 하는 장점을 기대할 수 있게 한다.

한편, 도 2를 참조하여 상기 압력 센서를 제조하는 방법을 설명하면 다음과 같다. 즉, 본 실시예에 따른 압력 센서는 먼저 다공성 구조의 폴리우레탄을 산화 그래핀 수용액에 딥 코팅한 후에 200 ℃의 열처리를 통해 환원된 산화 그래핀을 코팅시킴으로써 도 3과 같은 다공성 구조의 전도성 변형층(23)을 형성시키고, 이후 상기 전도성 변형층(23)을 사이에 두고 한 쌍의 센싱용 전극(21)(22)들을 각각 전도성 변형층(23)과 대향하는 면에 결합시키는 과정을 거쳐 제조된다.

이와 같이 제작된 압력 센서는, 도 4에 잘 도시된 바와 같이, 압력을 가하기 전에는 환원된 산화 그래핀 간의 거리가 상대적으로 멀게 되고, 압력을 가한 후에는 서로 가까워진 후 접촉하는 것에 의해 전기 이동경로가 확장되어 저항이 감소되는 원리를 갖는 것으로, 도 5와 같이 압력을 처리하기 쉬운 전기적 신호인 저항 값으로 환산하여 압력을 원활하게 측정할 수 있게 한다.

도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 피부 땀을 이용한 자가발전 장치 및 이와 함께 사용되는 압력 센서의 구성을 설명하기 위한 단면도이다.

앞에서 설명한 실시예와 같이 상기 어느 하나의 발전용 전극은 피부에서 발생한 땀이 상기 분리층 측에 도달할 수 있는 통로를 가지는 것으로 족하나, 본 실시예에 채용된 전극(31)은 모세관현상에 의해 피부 땀이 상기 분리층 측에 더욱 원활하게 도달될 수 있도록, 다공성 구조(31a)로 이루어지는 것이 바람직하다.

이상 본 발명의 다양한 실시예에 대하여 설명하였으나, 본 실시예 및 본 명세서에 첨부된 도면은 본 발명에 포함되는 기술적 사상의 일부를 명확하게 나타내고 있는 것에 불과하며, 본 발명의 명세서 및 도면에 포함된 기술적 사상의 범위 내에서 당업자가 용이하게 유추할 수 있는 변형 예와 구체적인 실시예는 모두 본 발명의 권리범위에 포함되는 것이 자명하다고 할 것이다.

1:자가발전 장치 11,12:발전용 전극
13:분리층 2:압력센서
21,22:센싱용 전극 23:전도성 변형층
A:피부 B:장갑

Claims (7)

1. 물과 반응시 전자를 내어 놓는 표준 환원 전위값의 차이에 의해 전력 발생을 가능하게 하는 것으로, 어느 하나는 피부에 접촉가능하게 배치되고 피부에서 발생한 땀이 통과될 수 있게 하는 통로를 구비하며, 다른 하나는 상기 어느 하나에 대하여 이격된 위치에 층을 이루며 배치되는 한 쌍의 발전용 전극들; 및
   상기 발전용 전극들 사이에 배치되어 두 전극을 분리하고 물을 흡수할 수 있는 재질로 이루어지는 분리층;을 포함하여 이루어지고,
   상기 어느 하나의 발전용 전극은 Ag 소재로 이루어지고, 다른 하나의 발전용 전극은 Al소재로 이루어지며,
   상기 어느 하나의 발전용 전극은, 모세관현상에 의해 피부 땀을 원활하게 이동시킬 수 있도록, 다공성 구조로 이루어지며,
   상기 어느 하나의 발전용 전극은, 상기 통로들이 서로 간격을 형성하며 이격되게 배치되어서 다공성 구조를 가지고, 상기 다공성 구조에 의해 상기 피부와 분리층을 소통시키는 것을 특징으로 하는 피부 땀을 이용한 자가발전 장치.
2. 삭제
3. 제1항에 있어서,
   상기 분리층은 종이 재질로 이루어지는 것을 특징으로 하는 피부 땀을 이용한 자가발전 장치.
4. 삭제
5. 제1항에 있어서,
   상기 분리층은 피부 땀의 흡수가 원활하게 이루어질 수 있도록, 조해성 물질을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 피부 땀을 이용한 자가발전 장치.
6. 제1항, 제3항 및 제5항 중 어느 한 항의 자가발전 장치; 및
   상기 자가발전 장치의 한 쌍의 발전용 전극들과 전기적으로 연결되는 한 쌍의 센싱용 전극들과, 상기 한 쌍의 센싱용 전극들 사이에 배치되고 탄성변형이 가능한 전도성 재질로 이루어지며 다공성 구조를 가지는 전도성 변형층을 구비하는 압력센서;를 포함하여 이루어지고,
   상기 전도성 변형층은, 다공성 구조의 폴리우레탄을 산화 그래핀 수용액에 딥 코팅한 후, 열처리를 통해 환원된 산화 그래핀에 코팅시킴으로써 형성되는 것을 특징으로 하는 자가발전에 의한 압력 센싱이 가능한 센서 유닛.
7. 제6항에 있어서,
   상기 자가발전 장치와 압력센서가 탑재되고, 사용자에 의해 착용되는 장갑;을 더 포함하여 이루어져서, 상기 장갑을 착용한 손으로 점자블럭을 구별할 수 있도록 구성된 것을 특징으로 하는 자가발전에 의한 압력 센싱이 가능한 센서 유닛.

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