KR102542447B1

KR102542447B1 - 필터의 투과성을 제어하기 위한 장치 및 방법

Info

Publication number: KR102542447B1
Application number: KR1020210025208A
Authority: KR
Inventors: 고승환; 정성민; 신재호; 김진모; 최준화
Original assignee: 서울대학교산학협력단
Priority date: 2021-02-25
Filing date: 2021-02-25
Publication date: 2023-06-12
Also published as: KR20220121318A

Abstract

제 1 공간으로부터 제 2 공간으로 이동하는 유체를 필터링하기 위한 필터의 투과성을 제어하기 위한 방법이 제공된다. 방법은, 제 1 시점의 제 2 공간의 호흡 상태 평가값 및 필터의 기공 개폐량을 측정하고, 제 1 인공 신경망을 이용하여, 제 1 시점의 호흡 상태 평가값 및 기공 개폐량을 기반으로 제 1 시점에 후속하는 제 2 시점의 제 2 공간의 호흡 상태 평가값을 예측하며, 제 2 인공 신경망을 이용하여, 제 2 시점의 제 2 공간의 호흡 상태 평가값을 기반으로 제 2 시점의 필터의 목표 기공 개폐량을 결정한다.

Description

필터의 투과성을 제어하기 위한 장치 및 방법{AN APPARATUS FOR CONTROLLING PERMEABILITY OF FILTER AND METHOD THEREOF}

본 발명은 필터에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 필터의 투과성을 제어하기 위한 장치 및 방법에 관한 것이다.

황사나 미세먼지(PM 10), 미세먼지(PM2.5)에 따른 공기질 악화 문제 및 2020년 전세계에 창궐한 COVID-19 문제로 인해 마스크 등을 포함하는 PPE(Personal protective equipment)에 대한 관심이 높아지고 있다.

이에 따라 PPE에 대한 많은 기술이 개발되고 있거나, 이미 개발되어 시중에 판매되고 있다. 대부분의 PPE는 사용자를 보호하는 것에 집중되어 있어, 사용자의 편의성 문제나 주변환경에 변화에 적응하는 적응성 문제 등을 거의 고려하지 못하는 문제가 있다. 이러한 문제는 마스크도 마찬가지이다. 다만, 마스크는 다른 종류의 PPE들에 비해 다양한 연령대와 기저질환자들도 사용한다는 점에서 구별된다. 노약자 또는 호흡계통 기저질환자의 경우 마스크 착용이 오히려 건강상의 문제, 예컨대 심폐기능 장애 가능성이 보고되고 있으며 있으며, 건강한 성인의 경우에도 마스크 착용으로 인한 제한된 산소공급에 따른 신체적 활동이 제약된다.

더욱이 마스크는 필터링 성능을 향상시킬수록 호흡 중 호기를 마스크와 안면 사이의 공간에 가둬두게 된다. 가둬진 호기는 냄새, 습기, 온도 등의 불쾌감을 유발한다. 이러한 불쾌감은 마스크 착용에 대한 반감을 유발하여 공중보건적 측면에서 한계점으로 작용한다.

특히, 마스크는 일반인들 뿐만 아니라 의료인들에게 더욱 중요한데, 의료용 마스크는 필터링 성능을 위해 안면에 더욱 강하게 밀착되고 통기성도 낮을 수 밖에 없다. 즉, 위험도가 낮은 곳에서도 항상 최고수준의 필터링 성능을 가지는 마스크를 상시 착용해야 하므로, 의료인들의 마스크 착용에 대한 피로도가 높을 수 밖에 없다. 최근 의료용 마스크로 팬(fan)을 구비하여 통기성을 돕고자 하는 시도가 있으나, 팬을 구동하기 위한 구성의 무게로 마스크 자체의 무게가 증가되고, 작동시간이 짧으며, 나아가 팬의 구동시 발생하는 소음으로 의료인들 사이에 원활한 의사소통이 어렵다는 문제가 있다.

결국 마스크는 사용자 주위의 환경 변화 및/또는 사용자의 호흡과 같은 마스크 내부 환경 변화에 따른 가변성이 없기 때문에 사용자들이 상시 마스크를 착용하기 어렵다는 문제가 있다.

한국 공개특허공보 제2021-0013979호 ("온도 조절 스마트 마스크 및 그 제어방법", 김원재)

전술한 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 일 목적은 필터링 된 유체가 진입하는 공간의 호흡 상태를 기반으로 필터의 투과성을 적응적으로 제어하도록 함으로써 필터 제품의 사용자가 편안함을 느끼도록 하고 장시간 사용에도 피로감을 느끼지 않도록 할 수 있는, 필터의 투과성을 제어하기 위한 방법을 제공하는 것이다.

전술한 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 다른 목적은 필터링 된 유체가 진입하는 공간의 호흡 상태를 기반으로 필터의 투과성을 적응적으로 제어하도록 함으로써 필터 제품의 사용자가 편안함을 느끼도록 하고 장시간 사용에도 피로감을 느끼지 않도록 할 수 있는, 필터의 투과성을 제어하기 위한 장치를 제공하는 것이다.

다만, 본 발명의 해결하고자 하는 과제는 이에 한정되는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위에서 다양하게 확장될 수 있을 것이다.

전술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 필터의 투과성을 제어하기 위한 방법은, 컴퓨팅 디바이스에 의해 수행되는, 제 1 공간으로부터 제 2 공간으로 이동하는 유체에 포함된 입자를 필터링하기 위한 필터의 투과성을 상기 제 2 공간의 호흡 상태에 적응적으로 제어하기 위한 방법으로서, 제 1 시점의 상기 제 2 공간의 호흡 상태 평가값 및 상기 필터의 기공 개폐량을 측정하는 단계; 제 1 인공 신경망을 이용하여, 상기 제 1 시점의 호흡 상태 평가값 및 기공 개폐량을 기반으로 상기 제 1 시점에 후속하는 제 2 시점의 상기 제 2 공간의 호흡 상태 평가값을 예측하는 단계; 및 제 2 인공 신경망을 이용하여, 상기 제 2 시점의 상기 제 2 공간의 호흡 상태 평가값을 기반으로 상기 제 2 시점의 상기 필터의 목표 기공 개폐량을 결정하는 단계를 포함할 수 있다.

전술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 실시예에 따른 필터의 투과성을 제어하기 위한 장치는, 제 1 공간으로부터 제 2 공간으로 이동하는 유체에 포함된 입자를 필터링하기 위한 필터의 투과성을 상기 제 2 공간의 호흡 상태에 적응적으로 제어하기 위한 장치로서, 상기 장치는 프로세서 및 메모리를 포함하고, 상기 프로세서는, 제 1 시점의 상기 제 2 공간의 호흡 상태 평가값 및 상기 필터의 기공 개폐량을 측정하고; 제 1 인공 신경망을 이용하여, 상기 제 1 시점의 호흡 상태 평가값 및 기공 개폐량을 기반으로 상기 제 1 시점에 후속하는 제 2 시점의 상기 제 2 공간의 호흡 상태 평가값을 예측하고; 그리고 제 2 인공 신경망을 이용하여, 상기 제 2 시점의 상기 제 2 공간의 호흡 상태 평가값을 기반으로 상기 제 2 시점의 상기 필터의 목표 기공 개폐량을 결정하도록 구성될 수 있다.

전술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 실시예에 따른 필터의 투과성을 제어하기 위한 명령어들을 포함하는 컴퓨터 판독 가능한 저장 매체는, 프로세서에 의해 실행 가능한 명령어들을 포함하고, 상기 명령어들은 제 1 공간으로부터 제 2 공간으로 이동하는 유체에 포함된 입자를 필터링하기 위한 필터의 투과성을 상기 제 2 공간의 호흡 상태에 적응적으로 제어하기 위한 것이고, 상기 명령어들은 상기 프로세서에 의해 실행되었을 때 상기 프로세서로 하여금, 제 1 시점의 상기 제 2 공간의 호흡 상태 평가값 및 상기 필터의 기공 개폐량을 측정하고; 제 1 인공 신경망을 이용하여, 상기 제 1 시점의 호흡 상태 평가값 및 기공 개폐량을 기반으로 상기 제 1 시점에 후속하는 제 2 시점의 상기 제 2 공간의 호흡 상태 평가값을 예측하고; 그리고 제 2 인공 신경망을 이용하여, 상기 제 2 시점의 상기 제 2 공간의 호흡 상태 평가값을 기반으로 상기 제 2 시점의 상기 필터의 목표 기공 개폐량을 결정하게 하도록 구성될 수 있다.

개시된 기술은 다음의 효과를 가질 수 있다. 다만, 특정 실시예가 다음의 효과를 전부 포함하여야 한다거나 다음의 효과만을 포함하여야 한다는 의미는 아니므로, 개시된 기술의 권리범위는 이에 의하여 제한되는 것으로 이해되어서는 아니 될 것이다.

전술한 본 발명의 일 실시예에 따른 필터의 투과성을 제어하기 위한 장치 및 방법에 따르면, 필터링 된 유체가 진입하는 공간의 호흡 상태를 기반으로 필터의 투과성을 적응적으로 제어하도록 함으로써 필터 제품의 사용자가 편안함을 느끼도록 하고 장시간 사용에도 피로감을 느끼지 않도록 할 수 있다.

따라서, 호흡 상태의 불편함으로 인해 필터 제품의 착용을 해제하거나 제품 작동을 중단시킴으로써 오염 물질 또는 세균에 사용자가 노출되는 것을 방지할 수 있다.

또한, 일 측면에 따르면 인공 지능을 기반으로 사용자의 호흡 상태를 미리 예측하여 선제적으로 필터의 투과성을 제어하기 위한 동작을 개시하므로, 보다 신속하게 사용자의 호흡 상태를 안정화시킬 수 있다.

도 1은 기공을 통과하는 입자가 필터에서 필터링 되는 원리를 설명하기 위한 참고도로서, (a) 필터의 기공근처의 공기의 흐름을 도시한 3D 이미지와, (b) 필터의 기공에서의 유선의 개략적 단면도와, (c) 공기에 포함된 부유성 입자의 기공에 인접한 위치에서의 거동을 유선과 함께 개략적으로 도시한 것이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 에어필터 유닛의 개략적 사시도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 에어필터 유닛의 개략적 절개 사시도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 에어필터 유닛의 다른 실시형태의 개략적 절개 사시도이다.
도 5는 에어필터의 멤브레인에 필터가 설치되는 것을 설명하기 위한 참고도이다.
도 6은 본 발명의 에어필터 유닛이 덮개(30)와 자외선을 조사하는 램프(40)를 구비한 실시형태를 도시한 개략적 사시도이다.
도 7(a)는 에어필터의 필터 성능을 우선시할 경우의 스트레쳐의 상태를 도시한 것이며, 도 7(b)는 에어필터의 통기성을 우선시할 경우의 스트레쳐의 상태를 도시한 것이다.
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 에어필터 유닛의 개략적 사시도이다.
도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 에어필터 유닛의 개략적 절개 사시도이다.
도 10은 본 발명의 다른 실시예에 따른 에어필터 유닛의 개략적 평면도이다.
도 11은 본 발명의 다른 실시예에 따른 에어필터 유닛의 스트레쳐의 가변부 일부의 개략적 단면도로서, 다양한 실시형태를 도시한 것이다.
도 12(a)는 본 발명의 에어필터 유닛에 사용되는 탄성력있는 필터의 일 예인 탄성 파이버 필터를 제조하기 위한 electro spinning의 모식도이며, 도 12(b)는 도 12(a)의 electro spinning의 방법으로 제조된 탄성 파이버 필터의 사진이고, 도 12(c)는 탄성 파이버 필터의 SEM(Scanning Electron Microscope) 이미지이다.
도 13은 본 발명의 에어필터 유닛에 사용되는 탄성력있는 필터의 다른 예로써 기공이 형성된 탄성층 필터의 사시도이며, 도 14는 탄성층 필터의 사진, 도 15는 탄성층 필터의 광학 현미경 사진이다.
도 16은 본 발명의 일 실시예에 따른 에어필터 유닛에서 이용되는 탄성력있는 필터의 확장 전(a)과 확장 후(b)의 기공 크기에 따른 변화를 설명하기 위한 참고도이다.
도 17은 본 발명의 일 실시예에 따른 에어필터 유닛에서 이용되는 탄성력있는 필터의 확장 전(a)과 확장 후(b)의 동일한 압력차에서의 유동량을 시뮬레이션 한 것이다.
도 18(a)는 멤브레인 확장에 따른 필터의 효율과 통기성의 관계를 설명하기 위한 그래프이며, 도 18(b)는 A 모드(필터효율우선 모드) 및 B 모드(통기성우선 모드)를 설명하기 위한 참고도이다.
도 19는 본 발명의 일 실시예에 따른 에어필터 유닛에서 이용되는 탄성력있는 필터를 확장시키면서 동일한 유량을 가지기 위한 필터 전후의 압력차를 측정한 그래프이다.
도 20은 본 발명의 일 실시예에 따른 에어필터 유닛에서 이용되는 탄성력있는 필터를 확장시키면서 필터 효율을 측정한 것으로서, 각각 (a) PM_1.0, (b) PM_2.5, (c) PM_3.0 기준으로 측정한 것이다.
도 21은 본 발명의 다른 예에 따른 마스크의 개략적 사시도와, 마스크의 착용한 상태를 도시한 참고도이다.
도 22는 주변 상태 내지 착용자의 상태에 따라 마스크의 통기성이 조절되는 것을 설명하기 위한 참고도이다.
도 23은 본 발명의 다른 예의 따른 마스크의 제1실시형태이다.
도 24는 본 발명의 다른 예의 따른 마스크의 제2실시형태이다.
도 25는 본 발명의 일 실시예에 따른 투과성 제어 필터 시스템의 구성을 나타내는 블록도이다.
도 26은 마스크 착용 상태의 마스크 내부와 외부의 압력 차이에 대산 실시간 측정 자료를 나타낸다.
도 27은 도 26 의 일부에 대한 확대도이다.
도 28은 본 발명의 일 측면에 따라 인공 신경망을 기반으로 필터의 투과성을 조절하는 프로세스를 나타낸다.
도 29는 본 발명의 일 실시예에 따른 필터 투과성 제어 방법의 흐름도이다.
도 30은 본 발명의 일 실시예에 따른 마스크의 통기성을 제어하기 위한 장치로서 구현될 수 있는 예시적인 컴퓨팅 시스템의 구성을 나타내는 블록도이다.
첨부된 도면은 본 발명의 기술사상에 대한 이해를 위하여 참조로서 예시된 것임을 밝히며, 그것에 의해 본 발명의 권리범위가 제한되지는 아니한다.

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 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.

제 1, 제 2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제 1 구성요소는 제 2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제 2 구성요소도 제 1 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 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가진 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.

이하, 첨부한 도면들을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예를 보다 상세하게 설명하고자 한다. 본 발명을 설명함에 있어 전체적인 이해를 용이하게 하기 위하여 도면상의 동일한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 사용하고 동일한 구성요소에 대해서 중복된 설명은 생략한다.

본 명세서에 따른 필터의 '기공'은 예를 들어 기체 또는 액체와 같은 유체가 지나다니는 구멍 내지 공극을 의미하며, 예를 들어 여러가지 섬유에 의해 형성되는 구멍이나 평판에 형성된 구멍을 포함할 수 있다.

또한, 본 명세서에서는 설명의 편의를 위해 '에어필터 유닛'을 기준으로 주로 설명하고 있으나, 본 발명에 따른 필터 및 필터 유닛은 공기를 필터링하기 위한 것에 한정되지 아니하며 예를 들어 액체 및 기체를 포함하는 '유체'를 필터링하기 위한 것을 전부 포함하는 것으로 이해되어야 할 것이다.

한편, 본 명세서에서는 본 발명의 일 실시예에 따른 필터가 '마스크'에 적용되는 것을 주로 예시하고 있으나, 본 발명의 필터는 마스크를 위한 것에 한정되지 아니하며, 예를 들어 차량용 또는 실내용의 공기 청정 시스템을 위한 마스크와 같이 유체를 필터링하기 위한 활용을 전부 포함하는 것으로 이해되어야 할 것이다.

필터 유닛 및 마스크

본 발명에 대해 보다 명확히 설명하기 위해여, 먼저 도 1을 참조하여 에어필터 유닛의 작동원리에 대해 살펴보면, 필터(1)에 형성된 기공(2)으로 유입되는 공기는 유선(steamline)을 따라 흐르게 된다. 공기에 포함되어 있는 부유성 입자(예를 들어, 미세먼지, 초미세먼지, 비말 등)도 유선을 따라 기공(2)을 통과한다. 부유성 입자는 확산(diffusion) 및 정전기 인력(electrostatic attraction force) 효과에 의해 유선 밖으로 이탈(deviation)하게 되며, 이러한 이탈에 따라 기공의 내벽과 접촉 및 안착됨으로써 필터링된다. 기공의 크기가 작아질수록 부유성 입자가 필터링될 확률은 증가하나, 반대로 통기성은 낮아지게 된다. 배경기술에서 설명한 바와 같이, 통기성의 저하는 착용자에게 여러가지 문제를 발생시킬 소지가 있다. 아래에서 설명할 본 발명의 에어필터 유닛 및 마스크는 주변 상태에 따라 필터링 능력과 통기성을 조절가능하도록 하여 종래의 에어필터 및 마스크가 가지고 있는 문제를 해결하고자 한다.

이하, 도면을 참고하여 본 발명의 에어필터 유닛과 마스크에 대해서 설명하도록 한다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 에어필터 유닛의 개략적 사시도이며, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 에어필터 유닛의 개략적 투시 사시도이며, 도 4는 에어필터의 멤브레인에 필터가 설치되는 것을 설명하기 위한 참고도이다.

본 발명의 일 실시예에 따른 에어필터 유닛(100)은 필터(10)와 스트레쳐(20)로 구성된다.

필터(10)로는 기공이 형성되어 있으며, 스트레쳐(20)에 의해 필터가 적어도 일방향으로 확장 내지 수축됨으로써 필터의 통기성이 조절된다. 본 발명의 에어필터 유닛(100)이 제공하고자 하는 주변 상태에 따라 필터링 능력과 통기성의 조절 가능한 효과는 필터(10)도 그 중요성이 높으므로 필터(10)의 제조방법과 재질 등에 대해서는 뒤에서 구체적으로 살펴보도록 한다. 한편, 확장 내지 수축이라 함은 일 상태를 기준으로 상대적으로 필터(10)가 확장 되거나 수축된 것을 의미한다. 즉, 최대 수축 상태를 기준 상태로 한다면 확장만 가능할 것이고, 최대 확장 상태를 기준 상태로 수축만 가능할 것이다.

스트레쳐(20)는 멤브레인(21)과 가변부(26)로 구성된다.

멤브레인(21)에는 도 4에서와 같이 필터(10)가 설치된다. 필터(10)가 멤브레인(21)에 설치된다는 것은 필터(10)가 멤브레인(21)에 밀착된다는 것이다. 이때 밀착은 분자간 힘에 의하거나, 정전기적 인력에 의하거나, 별도의 접착제에 의할 수 있다. 다만, 본 발명에서 '밀착'이 이와 같은 예시에 제한되는 것은 아니며, 필터(10)가 멤브레인(21)의 움직임에 종속될 정도로 붙어있는 것을 의미한다.

멤브레인(21)의 중앙부는 메쉬 형태로 형성될 수 있다. 즉, 도 4에서 보는 바와 같이 멤브레인(21)에는 필터(10)로 유입되는 공기가 통과하는 구멍(22)이 형성되어 있다. 중요한 것은 멤브레인(21)의 중앙부의 구멍(22)을 이루는 프레임이 필터(10)에 밀착(도 5 참조)되어, 멤브레인(21)에 전달되는 힘을 필터(10)에 전달한다는 것이다. 따라서 구멍(22)의 형상이나 크기에 의해 본 발명이 제한되지 않는다. 예컨대, 멤브레인(21)의 중앙부가 메쉬 형태가 아니고 비어 있는 큰 구멍이 형성되어 있고, 멤브레인(21)의 테두리 부분에만 필터(10)가 설치되는 형태도 가능할 것이다.

멤브레인(21)의 주위에는 가변부(26)가 설치된다. 가변부(26)는 멤브레인(21)의 적어도 일측 또는 주위를 등방향으로 잡아당기거나 밀어서 멤브레인(21)을 확장 또는 수축시킨다. 멤브레인(21)을 확장 또는 수축시킨다는 것은 궁극적으로 필터(10)의 필터링 효율이나 통기성을 변화시킨다는 의미이다.

상술한 바와 같이 가변부(26)는 멤브레인(21)의 적어도 일측을 잡아당기도록 구성될 수 있다. 멤브레인(21)의 적어도 일측을 잡아당기도록 구성될 경우, 멤브레인(21)의 다른 일측은 고정되는 것이 바람직하다. 만약 멤브레인(21)의 다른 일측이 고정되어 있지 않을 경우, 멤브레인(21)의 일측을 잡아당기더라도 그 형상에 변화가 있을 뿐 멤브레인(21)에 면적 변화가 생기지 않아 필터(10)의 기공의 크기가 변화하지 않는다. 결국 가변부(26)가 멤브레인(21)의 일측을 잡아당기거나 미는 것은 멤브레인(21)의 다른 일측이 고정된 상태로 이루어져 가변부(26)에 의해 멤브레인(21)의 면적이 변화한다.

가변부(26)가 멤브레인(21)의 일측만을 잡아당기거나 미는 것보다 더욱 바람직한 것은 등방향으로 가변부(26)가 멤브레인(21)을 등방향으로 잡아당기거나 미는 것이다. 멤브레인(21)의 변화를 극대화할 수 있기 때문이다. 예를 들어, 멤브레인(21)이 구멍이 뚫린 원형의 판일 경우 멤브레인(21)의 외주 전부가 가변부(26)와 연결되거나, 등간격으로 가변부(26)와 연결되도록 구성될 수 있다.

가변부(26)의 구성은 도 3을 참조하여 설명하도록 한다.

가변부(26)는 제1벽(27) 및 제2벽(28)을 포함하여 구성된다. 제1벽(27) 및 제2벽(28)은 중공(S)을 구성한다. 제1벽(27)은 멤브레인(21)과 직접적으로 연결되며 탄성력을 가진다. 이에 비해, 제2벽(28)은 제1벽(27)과 중공(S)을 구성할 뿐 탄성력을 가지지 않거나, 고정벽 내지 고정프레임(29)에 의해 탄성력이 제한된다. 즉, 중공(S)에 공기가 빠져나가거나 주입되는 것에 따라 제1벽(27)은 일방향 또는 그 반대방향으로 신장되거나 팽창됨으로써 멤브레인(21)을 잡아당기거나 미는 움직임을 수행하여 멤브레인(21)의 면적을 변화시키지만, 제2벽(28)은 중공(S)에 공기가 빠져나가거나 주입되는 것에 의해 변화가 없거나 극히 적다. 가변부(26)의 동작을 위해 중공(S)은 공기가 주입되거나 빠져나가는 곳 외의 다른 곳은 밀폐되어야 함이 당연하다. 한편, 고정벽 또는 고정프레임(29)이 형성되는 위치는 중요하지 않다. 예를 들어, 고정벽 또는 고정프레임(29)은 제2벽(28)의 내측면에 형성되거나 외측면에 형성될 수 있으며, 아예 제2벽(28)의 내부에 일체로 형성되는 것도 가능하다. 한편, 고정벽 또는 고정프레임(29)을 이용하는 대신 제2벽(28) 자체의 재질을 탄성력이 없는 것으로 형성하는 것도 가능하다.

한편, 도 3에 도시된 가변부와 달리, 도 4와 같이 가변부(26)는 제1벽(27)과 고정프레임(29)에 의해 결합함으로써 중공(S)을 형성하는 것도 가능하다. 이 경우 제2벽(28)이 없거나, 제2벽(28)이 제1벽(27)과 고정프레임(29)을 결합하는 역할을 수행하는 것에 그친다.

도 6은 본 발명의 에어필터 유닛이 덮개(30)와 자외선을 조사하는 램프(40)를 구비한 실시형태를 도시한 개략적 사시도이다.

도 6을 참조하면, 필터(10)의 전면에는 필터(10)와 이격되어 설치되는 덮개(30)가 형성된다. 덮개(30)는 가이드(35)에 의해 필터(10)와 이격되고, 가이드(35)의 사이에는 공기유동로(P)가 형성되어 있다. 즉, 필터(10)로 유입되는 공기유동로(P)를 통해 유동한다.

덮개(30)의 내측에는 필터(10)로 자외선을 조사하는 램프(40)가 구비된다, 에어필터 유닛(100)을 공기를 정화하는 기능을 수행하다보면 필터(10)에 박테리아 등이 증식될 가능성이 있다. 본 발명은 에어필터 유닛(100) 자체에 필터로 자외선을 조사하는 램프(40)를 구비하여 필터(10)로 자외선을 조사함으로써 박테리아 증식을 방지한다.

도 7(a)는 에어필터 유닛의 필터 성능을 우선시할 경우의 스트레쳐의 상태를 도시한 것이며, 도 7(b)는 에어필터 유닛의 통기성을 우선시할 경우의 스트레쳐의 상태를 도시한 것이다.

도 7에서 스트레쳐(20)는 두가지 상태로 구성된다. 하나는 제1상태로 필터 성능을 우선시할 경우로서 중공(S)의 공기를 별도로 빼거나 주입하거나 하지 않아 필터(10)의 기공이 최소화된 상태이며, 다른 하나는 제2상태로 중공(S)의 공기를 빼냄으로써 스트레쳐(20)에 의해 필터(10)의 기공이 확대된 상태를 의미힌다.

도 7(a)와 도 7(b)를 비교해보면, 중공(S)에서 튜브를 통해 공기가 빠져나감에 따라 중공(S)이 수축된다. 즉, 제1벽(27)이 중공(S) 내측으로 팽창된다. 제1벽(27)에는 멤브레인(21)이 연결되어 있으므로, 제1벽(27)의 팽창에 따라 멤브레인(21)이 확장되고, 멤브레인(21)의 확장에 따라 필터(10)가 확장됨으로써 기공이 확장된다.

튜브를 통해 중공(S)으로 공기가 주입되면, 제1벽(27)이 다시 본래 상태로 돌아가게 되며, 멤브레인(21)도 수축되며, 멤브레인(21)의 수축에 따라 필터(10)가 수축됨으로써 기공이 축소된다.

따라서 제1상태에서는 기공이 축소되어 있으므로 필터(10)를 통과하는 공기에 포함된 부유성 입자들이 필터에 충돌하고 안착하여 포집될 가능성이 높아져 필터링 능력이 향상된다. 반대로 제2상태에서는 기공이 확장되어 있으므로 동일한 압력차에서도 통과하는 공기의 양이 증가하여 통기성이 향상된다. 특히, 본 발명의 에어필터 유닛은 제1상태와 제2상태의 중간 상태에서 이용이 가능하다. 따라서 주변 환경 또는 필요에 따라 적정하게 에어필터 유닛을 동작함으로써 환경에 대한 적응성이 현저히 높다는 장점이 있다.

즉, 본 발명의 일 실시예에 따른 에어필터 유닛(100)은 주변 환경에 따라 필터링 능력과 통기성을 조절할 수 있다. 특히 본 발명의 일 실시예에 따른 에어필터 유닛(100)에서 이용되는 스트레쳐(20)는 공압을 이용하여 멤브레인(21)을 등방향으로 확장 또는 수축시킬 수 있는데, 이는 종래 이용되는 등방성 팽창 유닛들이 복잡한 기계장치에 의존하고 있다는 문제를 해결한 것이다. 더욱이 이와 같은 기계장치들은 매우 무겁고 부피가 크다는 문제가 있다. 따라서 본 발명의 일 실시예에 따른 에어필터 유닛(100)은 무게가 가볍고 부피가 작아 사람이 착용하는 마스크에 이용이 가능하다는 장점이 있다.

더욱이 아래와 같이 본 발명의 다른 실시형태에 따른 에어필터 유닛(100')을 이용할 경우 스트레쳐의 동작을 제어하기 위해 별도의 튜브나 전선 등이 필요 없다.

도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 에어필터 유닛(100')의 개략적 사시도이며, 도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 에어필터 유닛(100')의 개략적 절개 사시도이고, 도 10은 본 발명의 다른 실시예에 따른 에어필터 유닛(100')의 개략적 평면도이다.

도 8 내지 10을 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 에어필터유닛(100')의 스트레쳐(20')는 가변부(26')가 탄성력을 가지는 제1벽(27')과 제1벽(27')과 함께 중공을 구성하는 제2벽(28')을 포함하되, 상술한 일 실시예에 에어필터 유닛(100)과 달리 중공을 제1공간(A)과 제2공간(B)이 분리벽(25')에 의해 분리된다.

한편, 가변부(26')는 링 형태로 형성될 수 있으며, 링의 단면은 도시한 바와 같이 사각형이거나 원형인 것도 가능하다. 다만, 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니다.

스트레쳐(20')의 중앙에는 탄성물질이 위치한다. 에어필터 유닛(100')의 경우에는 중앙에 탄성적 재질로 형성되는 필터(10)를 확장시키기 위한 멤브레인(21')이 위치한다. 구체적으로는 탄성물질 또는 멤브레인(21')은 제1벽(27')과 적어도 일부가 연결된다. 만약, 탄성물질 또는 멤브레인(21')의 외주 전부가 제1벽(27')과 연결되거나, 탄성물질 또는 멤브레인(21')의 외주가 등간격으로 제1벽(27')과 연결될 경우 후술하는 바와 같이 탄성물질이나 멤브레인(21')을 등방향으로 확장시킬 수 있다는 장점이 있다.

분리벽(25')에는 적어도 하나 이상의 연결구멍(32')이 형성된다. 연결구멍(32')은 제1공간(A)과 제2공간(B)의 사이로 공기(또는 유체)가 지나다닐 수 있는 경로를 제공한다. 이때, 제2공간(B)의 적어도 일부는 제1벽(27')에 의해 형성된다.

제1공간(A)에는 밀폐부재(31')가 설치된다. 밀폐부재(31')는 중공, 즉 제1공간(A)과 제2공간(B)을 외부와 밀폐시키는 역할을 한다. 따라서 제1공간(A)과 제2공간(B)에 있는 공기는 연결구멍(32')를 통해 제1공간(A)과 제2공간(B) 사이를 움직일 수 있지만, 외부로 빠져나가거나 외부로부터 제1공간(A)과 제2공간(B)으로 들어오지 못한다. 밀폐부재(31')는 레버(35')와 연결되며, 레버(35')의 조작에 따라 밀폐부재(31')가 움직이게 된다.

한편, 레버(35')는 기변부(26')의 외측에 설치된다. 도 8에 도시된 것과 같이 레버(35')는 가변부(26')의 레버구멍(30')을 통해 외부에서 사용자가 조작가능하도록 설치된다. 다만, 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니며, 밀폐부재(31')의 움직임을 제어할 수 있다면 레버는 다른 형태를 취할 수 있다.

도면에는 도시하지 않았으나, 레버(35')에는 단계를 조절할 수 있는 걸림쇠 등이 설치될 수 있다. 걸림쇠는 레버(35')를 반고정시키는 역할과 사용자에게 단계 변화를 인식시키는 역할을 한다.

밀폐부재(31')가 제1위치(P₁)에서 제2위치(P₂)로 이동(d)하면, 제1공간(A) 중 밀폐부재(31')에 의해 밀폐된 공간이 증가하게 되고, 이에 따라 제2공간(B)의 공기가 연결구멍(32')을 통해 제1공간(A)으로 빠져나오게 된다. 이에 따라 탄성적 재질인 제1벽(27')이 제2공간(B)의 내측으로 신장된다. 제1벽(27')에는 탄성물질 또는 멤브레인(21')이 연결되어 있기 때문에, 제1벽(27')의 신장에 따라 탄성물질 또는 멤브레인(21')이 확장된다. 반대로 밀폐부재(31')가 제2위치(P₂)에서 제1위치(P₁)로 이동할 경우에는 상술한 것과 반대의 과정이 진행되는 것은 자명하다. 즉, 밀폐부재가 제2위치(P₂)에서 제1위치(P₁)으로 이동하면, 이에 따라 제2공간(B)의 공기가 제1공간(A)으로 유입됨으로써 제1벽(27')이 제2공간(B)의 반대방향으로 신축된다. 제1벽(27')이 제2공간(B)의 반대방향으로 신축됨에 따라 제1벽(27')이 상기 탄성물질을 확장시키던 힘이 낮아지면서 탄성물질이 원상태로 회복된다.

한편, 제2벽(28')의 내측에는 멈춤부재(34')가 형성된다.

여기에서는 설명하지 않았으나, 일 실시예의 에어필터 유닛과 마찬가지로 고정벽 또는 고정프레임을 다른 실시예의 에어필터 유닛에 차용하는 것도 가능하다.

도 11은 본 발명의 다른 실시예에 따른 에어필터 유닛의 스트레쳐의 가변부 일부의 개략적 단면도로서, 다양한 실시형태를 도시한 것이다. 도 11(a)와 같이 분리벽(35')은 중공을 대각선으로 가로지르도록 형성되거나, 도 11(b)와 같이 분리벽(35')은 중공을 수평으로 가로지르도록 형성되거나, 도 11(c)와 같이 분리벽(35')은 중공을 수직으로 가로지르도록 형성될 수 있다.

한편, 도 11(a) ~ (c)와 같이 제1공간(A)을 구성하는 외벽에 예각인 부분이 있는 경우 밀폐부재(31')가 제1공간(A)을 밀폐시키는 것이 어려워진다. 즉, 제1공간(A)을 구성하는 외벽의 예각 부분에서 공기의 누출(leakage)가 발생할 가능성이 높다. 따라서, 도 11(d) ~ (f)와 같이 제1공간(A)을 구성하는 외벽의 단면은 예각이 없이 둔각으로만 구성되거나, 원 또는 타원이 되도록 할 수 있다. 즉, 제1공간(A)의 단면이 둔각으로 이루어진 다각형, 원 또는 타원 중 어느 하나일 수 있다. 이때, 제2벽(28')의 일부는 제1공간(A)의 외벽이 되고, 다른 일부는 하우징의 역할을 하게될 수 있다. 이 경우에도 제1공간(A)과 제2공간(B)은 연결구멍(32')을 통해 공기가 서로 움직을 수 있도록 구성된다.

상술한 본 발명의 에어필터 유닛(100, 200)이 구현되기 위해서는 스트레쳐(20, 20')에 의해 필터링 능력과 통기성이 조절할 수 있는 필터(10)가 필요하다.

스트레쳐(20, 20')에 의해 필터링 능력과 통기성이 조절할 수 있는 필터(10)로는 기공을 가지는 탄성 파이버 필터나 기공이 형성된 탄성층 필터를 이용할 수 있으나, 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니다.

먼저, 도 12를 참조하여, 탄성 파이버 필터에 대해 살펴보도록 한다. 도 12(a)는 본 발명의 에어필터 유닛에 사용되는 탄성력있는 필터의 일 예인 탄성 파이버 필터를 제조하기 위한 electro spinning의 모식도이며, 도 12(b)는 도 12(a)의 electro spinning의 방법으로 제조된 탄성 파이버 필터의 사진이고, 도 12(c)는 탄성 파이버 필터의 SEM(Scanning Electon Microscope) 이미지이다.

종래의 파이버 필터는 대부분 M/B(Melt-Blowing) 방식에 의해 제조되었다. M/B 필터는 Polypropylene, Polystyrene, Polyesters, Polyurethane, Polyamids, Polyethylene, Polycarbonate와 같은 열가소성 고분자를 용융하여 노즐을 통해 압출 방사하는 제조된다. 즉, 고온, 고압의 공기를 용융되어 방사되는 고분자에 가하여 연신, 극세화된 상태로 컨베이어 벨트(conveyor belt)에서 적층하여 잔열에 의한 자기 접착성으로 결합하여 부직포 형태로 제조되는 필터 제조기술을 의미한다. 그런데 이러한 M/B 방식은 비탄성(inelastic) 물질에만 적용이 가능한바, 본 발명에서 이용하고자 하는 탄성 파이버 필터의 제조에는 이용되기 어렵다.

이에 본 발명에서는 Electro-Spinning(E-Spinning) 방식을 이용하여 탄성 파이버 필터를 제조한다. E-Spinning 방식은 도 12(a)와 같이 전기장을 인가한 상태에서 고분자 용액을 노즐을 통해 토출하여 수행된다. 이때 노즐 팁에 고전압을 인가하면 표면전하 사이의 상호 정전기적 반발력과 외부 전기장에 작용된 쿨롱력에 의해 액상의 고분자 방울이 원뿔(conical) 형태로 연신되고, 나아가 고분자 용액이 매우 가는 형태로 방사된다. 방사된 고분자 용액은 스크린에 도달하기 전에 연신되는 것과 동시에 용매의 휘발이 동시에 이루어지면서 스크린의 상부에 무작위적으로 배열된 파이버(도 12(b) 및 도 12(c) 참조)를 수득할 수 있다. 이러한 E-Spinning 방식은 재료의 선택에 제한이 적다는 장점이 있다. 따라서 E-Spinning 방식을 이용하여 Poly(styrene-co-butadiene) (SBS), 또는 Poly(dimethyl siloxane) (PDMS)를 이용하여 탄성 파이버 필터를 제작할 수 있다. 또한, 재료의 선택에 제한이 없으므로 하나의 종류의 고분자 재료만을 이용하는 것이 아니라, Poly(vinylidene fluoride) (PVDF) 등의 전기 쌍극자 모멘트(electric dipole moment)가 높은 물질을 첨가하여 집진 능력을 향상시킬 수 있다. 즉, 이종의 고분자 재료를 이용하여 탄성 파이버 필터를 제조할 수 있다.

본 발명의 탄성 파이버 필터는 도 12(c)에서 보는 바와 같이 평행 또는 부정방향으로 파이버가 단층 내지 다층으로 구성된다. 즉, 파이버들에 의해 기공이 형성(12)돠며, 기공을 통해 공기가 통과하면서 입자들이 필터에 의해 제거된다. 본 발명의 파이버 필터는 개개의 파이버들이 탄성체이기 때문에 탄성 파이버 필터를 멤브레인에 의해 확장시키면 기공이 확대되어 보다 수월하게 공기가 통과할 수 있게 된다.

무엇보다 본 발명의 탄성 파이버 필터는 도 12(c)에서 보는 바와 같이, 나노 파티클 프리(nano particle free)인 것을 특징으로 한다. 공개특허공보 제10-2020-0031376호는 2차원 형상의 금속유기구조체가 서로 수직적으로 성장하여 형성된 계층구조가 결착된 멤브레인에 관한 것이고, 등록특허공보 제10-2039243호는 은-실리카 복합체 및 탄소계 섬유를 포함하는 다기능성 마스크에 관한 것인데 2 건의 선행문헌들은 모두 고형상의 나노입자가 섬유로부터 이탈될 가능성이 높다는 문제가 있다. 이러한 고형상의 나노입자를 흡입할 경우 PM을 직접 흡입하는 것과 동일하거나 그보다 더 위험할 수 있다. 이와 달리 본 발명의 탄성 파이버 필터는 제조과정에서 균질한 탄성체로 형성이 되며, 종래 M/B 방식과 같이 제조과정에서 나노 파티클이 형성되지 않는다. 따라서 본 발명의 탄성 파이버 필터는 나노 파티클 프리를 구현함으로써 나노 파티클에 의한 위험을 방지하였다.

다음으로 도 13 내지 도 15을 참조하면, 필터(10)로는 탄성층 필터가 이용될 수 있다. 탄성층 필터는 Poly(styrene-co-butadiene) (SBS), Poly(dimethyl siloxane) (PDMS), 또는 ECOFLEX^tm 등을 단층 내지 다층으로 형성하되, 기공(12)을 미세하게 형성한 것을 이용할 수 있다. 탄성층 필터를 멤브레인에 의해 확장시키면 기공이 확대되어 보다 수월하게 공기가 통과할 수 있게 된다. 도 14는 탄성층 필터의 사진으로써, 도 14(a)와 도 14(b)를 비교해 보면 외력에 의해 탄성층 필터가 탄성적으로 인장되는 것을 확인할 수 있다. 도 15은 탄성층 필터를 광학 현며경으로 촬영한 평면 사진(a)과 단면 사진(b)으로서, 탄성층 필터에 마이크로 수준의 기공이 형성되어 있음을 확인할 수 있다.

또한, 본 발명에서는 상술한 탄성 파이버 필터와 탄성층 필터를 복합적으로 이용하는 것도 가능할 것이다. 한편, 본 발명의 다른 예로 disinfection 기능 부여를 위해 필터 자체에 항균물질을 첨가하는 것도 가능하다. 항균물질로는 Ag, Cu, Zn등의 항균성을 가지는 금속이온 또는 hydroxyl, carboxyl, amino, phosphonium salts, ammonium salts, phenol groups, chitosan derivatives, polyamides, polyesters, or polyurethanes 등으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나의 항균성 고분자(Antimicrobial polymer)를 더 포함할 수 있다.

도 16은 본 발명의 일 실시예에 따른 에어필터 유닛에서 이용되는 탄성력있는 필터의 확장 전(a)과 확장 후(b)의 기공 크기에 따른 변화를 설명하기 위한 참고도이며, 도 17은 본 발명의 일 실시예에 따른 에어필터 유닛에서 이용되는 탄성력있는 필터의 확장 전(a)과 확장 후(b)의 동일한 압력차에서의 유동량을 시뮬레이션 한 것이다. 또한, 도 18(a)는 멤브레인 확장에 따른 필터의 효율과 통기성의 관계를 설명하기 위한 그래프이며, 도 18(b)는 A 모드(필터효율우선 모드) 및 B 모드(통기성우선 모드)를 설명하기 위한 참고도이다.

본 발명의 일 실시예에 따른 에어필터 유닛(100)의 효과를 살펴보면 다음과 같다. 본 발명의 에어필터 유닛(100)은 도 16(a), 도 17(a) 및 도 18(b)의 A-mode에서 보는 바와 같이 필터의 기공의 크기를 줄여 유속을 낮춤으로써 여과성능을 향상시킬 수 있다. 이에 비해 본 발명의 에어필터 유닛(100)은 도 16(b), 도 17(b) 및 도 18(b)의 B-mode에서 보는 바와 같이 필터의 기공의 크기를 증가시켜 통기성을 증가시키는 것도 가능하다. 즉, 본 발명의 일 실시예에 따른 에어필터 유닛(100)은 주변의 상태나 착용자의 필요에 맞춰 작동 특성을 최적화할 수 있다. 도 17에서도 알 수 있듯이, 필터의 기공의 크기가 2배 확장될 경우 동일한 압력차에서도 유동량이 8배 증가하는 것을 확인할 수 있다. 즉, 통기성을 조절 가능함을 알 수 있다. 결국 도 18(a)의 그래프처럼 스트레쳐(20)를 조절하여 멤브레인(21)의 확장 또는 수축을 조절하여 능동적으로 주변환경 또는 사용자의 요구에 대응할 수 있다. 예컨대, PM 센서와 논리회로를 이용할 경우, 공기 오염이 심한 곳에서는 기공의 크기를 줄여 필터링 능력을 향상시키고, 공기 오염이 양호한 곳으로 이동할 경우에는 통기성을 증대시켜 호흡의 부담을 최소화할 수 있다.

도 19는 본 발명의 일 실시예에 따른 에어필터 유닛에서 이용되는 탄성력있는 필터인 탄성 파이버 필터를 확장시키면서 동일한 유량을 가지기 위한 필터 전후의 압력차를 측정한 그래프이다.

도 19를 참조해보면, 필터를 확장시켜 기공의 크기를 증가시킬 경우 동일한 유량의 공기가 통과하기 위한 압력차가 기공의 크기가 최소인 경우와 비교하여 50% 이상 감소하게 됨을 알 수 있다. 이는 마스크에 본 발명의 일 실시예에 따른 에어필터 유닛(100)을 적용할 경우 그만큼 착용자가 편하게 호흡할 수 있다는 것을 의미한다.

도 20은 본 발명의 일 실시예에 따른 에어필터 유닛에서 이용되는 탄성력있는 필터인 탄성 파이버 필터를 확장시키면서 필터 효율을 측정한 것으로서, 각각 (a) PM_1.0, (b) PM_2.5, (c) PM_3.0 기준으로 측정한 것이다. 본 실험은 매우 가혹한 환경에서 수행되었다.

도 20을 참조하면, PM_3.0입자의 경우 기공의 크기를 가장 작게 줄인 상태에서는 99.6% 제거가 가능하면, 기공의 크기를 최대 확장하더라도 70.5%의 제거가 가능함을 알 수 있다. 이는 도 19에서 필요 압력이 50% 수준으로 떨어지는 것에 비하여 여전히 높은 수준으로 미세먼지를 제거하고 있는 것임을 알 수 있다. PM_2.5의 경우에도 기공의 크기를 가장 작게 줄인 상태에서는 98.4% 제거가 가능하면, 기공의 크기를 최대 확장하더라도 70.5%의 제거가 가능함을 알 수 있다. PM_1.0의 경우 기공의 크기를 가장 작게 줄인 상태에서는 95.0% 제거가 가능하면, 기공의 크기를 최대 확장하더라도 39.7%의 제거가 가능함을 알 수 있다. 본 데이터는 에어필터 유닛(100)의 확장에 따른 통기성과 효율의 변화라는, 본 발명의 기본 구성을 정성적으로 증빙하기 위해 제시된 것이며, 그 수치가 절대적인 것은 아니다. 데이터 획득에 이용된 에어필터 유닛(100)의 필터(10)는 최적화 전 단계이며, 이후의 연구를 통해 대한민국 인증(KF 99, KF 94 등)에 준하는 수준에 무리없이 도달할 수 있을 것으로 기대된다.

도 21은 본 발명의 다른 예에 따른 마스크의 개략적 사시도와, 마스크의 착용한 상태를 도시한 참고도이다.

도 21을 참조하면, 본 발명의 다른 예에 따른 마스크(1000)는 에어필터 유닛(100)과, 착용자의 코와 잎을 덮으며 에어필터 유닛(100) 설치되는 마스크 본체(200) 및 본체(200)의 양측에 형성되어 본체(200)를 착용자의 안면에 고정시키는 고정부재(300)를 포함한다. 에어필터 유닛(100)은 상술한 본 발명의 일 예에 따른 에어필터 유닛(100)을 이용하며, 중복되는 부분에 대해서는 설명을 생략하도록 한다. 고정부재(300)는 착용자의 귀에 거는 형태 뿐만 아니라 밴드 형태로 사용자의 머리를 감싸는 형태 등을 가질 수 있으며, 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니다. 즉, 고정부재(300)로는 마스크 본체(200)를 착용자의 코와 입을 덮도록 유지할 수 있는 것이라면 충분하다.

착용자는 에어필터 유닛(100)을 조절하여, 마스크(1000)의 필터링 능력과 통기성을 조절할 수 있다. 예를 들어, 상술한 스트레쳐(20)를 이용할 경우 중공(S)에 튜브를 통해 공기를 배출 또는 주입하여 멤브레인(21)을 확장시키거나 수축시킴으로써 필터(10)의 기공을 확장시키거나 수축시킬 수 있다.

또한, 외부의 환경을 감지하거나 알려줄 수 있는 장치(예를 들어, PM 센서, 스마트폰 등)와 연동하여 능동적으로 마스크의 필터링 능력과 통기성을 조정하는 것도 가능하다. 도 21에 도시한 것처럼 본 발명의 다른 실시예에 따른 마스크(1000)는 PM 센서(400), 논리회로(500) 및 펌프(600)를 더 구비하고, PM 센서(400)에서 주변의 공기 상태를 감지하면 논리회로(500)를 통해 펌프(600)를 동작시켜 중공(S)으로 공기를 주입하거나 배출할 수 있다.

도 22는 주변 상태 내지 착용자의 상태에 따라 마스크의 통기성이 조절되는 것을 설명하기 위한 참고도이다.

도 22(a)는 평상시와 운동상태인 경우의 마스크(1000)의 동작을 설명하는 것으로서, 평소에는 기공을 좁혀 필터링 능력을 향상시키고 사용자가 운동을 할 경우에는 기공을 확장시켜 통기성을 향상시킬 수 있다. 무엇보다 본 발명의 마스크(1000)는 기공의 크기를 연속적으로 조절할 수 있으므로, 중간정도의 운동 상태에서 적정한 기공의 크기로 조절하여 필터링 능력과 기공의 크기를 조율하는 것이 가능하다.

한편, 도 22(a)에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 필터의 투과성 제어 방법에 따르면, 필터 제품 사용자의 흡기에는 필터의 투과성을 낮추고, 필터 제품 사용자의 호기에는 필터의 투과성을 높이도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 사용자가 숨을 들이마시는 시기에는 필터의 기공을 축소시켜 필터의 투과성을 낮추어 오염 물질을 사용자가 흡입하지 않게 할 수 있고, 사용자가 숨을 내쉬는 시기에는 필터의 기공을 확대시켜 필터의 투과성을 높이는 것에 의해 사용자가 호흡에 불편함을 느끼지 않게 하고, 호기에 의한 불쾌감을 느끼지 않게 할 수 있다. 또한, 호흡 주기가 미리 결정한 임계값보다 빠른 경우에는, 호기와 흡기를 불문하고 일정 시간에 걸쳐 필터의 기공 개폐량을 일정량 이상으로 유지시킴으로써 필터의 투과성을 높이고, 사용자의 호흡 불편을 방지할 수 있다. 호흡 주기가 빠른 경우, 즉 호흡이 가빠지는 경우에는 사용자의 들숨과 날숨에 맞추어 필터 기공 개폐량을 제어하는 것보다, 연속적인 팽창 상태가 사용자의 건강 상태를 더 고려한 반응이 될 수 있다. 한편, 도 22(a)에는 사용자의 들숨 및 날숨에 맞추어 필터의 투과성을 제어하는 것이 도시되어 있으나, 본 발명의 일 측면에 따르면 호흡 정도 (예를 들어, 평균 호흡량, 진폭, 진동수 중 적어도 하나) 를 고려하여 필터 투과성을 제어하도록 동작할 수 있다.

22(b)는 주변의 공기 상태에 따른 마스크(1000)의 동작을 설명하는 것으로서, 공기의 상태가 나쁠 경우에는 기공의 크기를 줄여서 필터링 능력을 향상시키고, 공기의 상태가 좋을 경우에는 기공의 크기를 확장시켜서 통기성을 확보할 수 있다. 특히, 마스크(1000)가 PM 센서나 스마트폰과 연계될 경우에는 착용자의 조작없이도 마스크(1000)가 능동적으로 공기질과 연동하여 마스크(1000)의 필터링 능력과 통기성을 조절할 수 있다. 도 22(c)는 평상시와 대화시의 마스크(1000)의 동작을 설명하는 것으로서, 대화를 할 경우 기공을 확장시켜 호흡의 편의성을 높이고 대화의 전달력을 향상시킬 수 있다. 한편, 도 22에서 설명한 마스크(1000)의 동작은 예를 들어 논리회로(500) 및 펌프(600)를 이용하여 수행될 수 있다.

도 23은 본 발명의 다른 예의 따른 마스크의 제1실시형태이며, 도 24는 본 발명의 다른 예의 따른 마스크의 제2실시형태이다.

제1실시형태의 마스크(1000)는 마스크 본체(200)는 통기성이 없고, 에어필터 유닛(100)만이 통기성을 가지는 형태이다. 즉, 제1실시형태에서는 에어필터 유닛(100)에 의해 필터링 능력과 통기성이 조절된다.

이에 반해, 제2실시형태의 마스크(1000)는 마스크 본체(200)가 통기성을 가지되, 동시에 필터링 능력을 가지는 재질로 형성된다. 이 경우 마스크 본체(200)와 에어필터 유닛(100)으로 공기가 유입되면서 필터링이 수행되지만, 에어필터 유닛(100)에 의해 부가적으로 필터링 능력과 통기성이 조절될 수 있다.

이 경우 필터 대신 통기성 제어층을 구비하며, 스트레쳐가 통기성 제어층을 적어도 일 방향으로 확장 또는 수축시켜 통기성을 조절하게 된다. 즉, 통기성 제어층에 공기가 통과하는 기공이 형성되며, 통기성 제어층이 탄성적 재질로 형성되어 스트레쳐의 동작에 의해 기공의 크기가 달려져 통기성이 조절된다. 통기성 제어층의 일 예로 탄성층에 레이저 드릴링으로 기공이 형성된 것을 이용할 수 있다. 또한, 통기성 제어층의 기공은 필터의 기공보다는 클 수 있다.

본 발명의 보호범위가 이상에서 명시적으로 설명한 실시예의 기재와 표현에 제한되는 것은 아니다. 또한, 본 발명이 속하는 기술분야에서 자명한 변경이나 치환으로 말미암아 본 발명이 보호범위가 제한될 수도 없음을 다시 한 번 첨언한다.

필터 투과성 제어

앞서 살핀 바와 같이, 본 발명의 실시예들에 따른 필터는 예를 들어 기공의 개폐량을 제어하는 것에 의해 투과성을 조절하도록 작동 가능하다. 필터의 기공 개폐량을 증가시키는 것에 의해 필터의 투과성 역시 증가될 수 있으며, 필터의 기공 개폐량을 감소시키는 것에 의해 필터의 투과성을 감소시킬 수 있다. 관련하여, 필터의 투과성은 본 발명의 일 측면에 따른 필터가 적용된 제품을 사용하는 사용자의 호흡 상태에 적응적으로 제어하도록 함으로써, 사용자의 호흡 불편을 최소화하고 필터 제품의 착용을 장시간 지속하도록 할 수 있다. 따라서, 호흡 상태의 불편함으로 인해 필터 제품의 착용을 해제하거나 제품 작동을 중단시킴으로써 오염 물질 또는 세균에 사용자가 노출되는 것을 방지할 수 있다.

도 25는 본 발명의 일 실시예에 따른 투과성 제어 필터 시스템의 구성을 나타내는 블록도이다. 본 발명의 일 실시예에 따른 필터의 투과성 제어는, 호흡 상태를 기반으로 필터의 투과성을 제어하도록 구성될 수 있다. 이를 위해, 본 발명의 일 측면에 따른 투과성 제어 필터 시스템은, 호흡의 상태를 파악하기 위해서 필요한 변수들을 측정하고, 이를 바탕으로 인공지능 딥러닝 알고리즘을 통해 호흡을 예측 및 작동 출력 정도를 연산하고, 연산된 목표값을 출력하여 기구를 작동하는 절차를 따를 수 있다.

이를 위해, 호흡 상태 및 주변 상황을 인지하기 위한 센서가 요구된다. 도 25에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 투과성 제어 필터 시스템 (2500) 은 압력 센서 (2510), 위치 정보 수집부 (2560), 온도 정보 수집부 (2550), 습도 정보 수집부 (2540) 중 적어도 하나 이상을 포함할 수 있다. 이와 같은 센서 및/또는 정보 수집부는 예를 들어 압력 / 온도 / 습도 / 미세먼지 농도 등의 측정을 위한 센서들 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 이러한 센서들은 예를 들어 투과성 제어 필터 시스템을 구성하는 회로 내에 탑재될 수 있다.

위와 같은 센서 및/또는 정보 수집부로부터 수집된 자료는 송수신부 (2530) 를 이용하여 투과성 제어 필터 시스템 (2500) 주변의 컴퓨팅 디바이스 (2590) 로 송신될 수 있다. 송수신부 (2530) 는 예를 들어 회로 내의 블루투스 통신 (무선) 을 수행하는 유닛일 수 있으나, 이에 한정되지 아니한다. 컴퓨팅 디바이스 (2590) 는 연산 가능 기기로서, 예를 들어 노트북, 스마트워치, 스마트폰 중 적어도 하나일 수 있다. 즉, 컴퓨팅 디바이스 (2590) 는 예를 들어 웨어러블 디바이스일 수 있고, 센서 등을 통해 수집된 정보에 대한 연산 능력을 갖춘 디바이스일 수 있다. 이와 같은 컴퓨팅 디바이스 (2590) 는 예를 들어 인공지능 딥러닝을 처리하여 실시간으로 목표 값을 출력하도록 구성될 수 있다. 출력된 목표 값은 다시 블루투스 통신과 같은 송수신부 (2530) 를 이용하여 투과성 제어 필터 시스템 (2500) 으로 전달되고, 이를 기반으로 제어부 (2520) 가 출력하는 신호에 의해 필터의 기공 개폐도를 제어하도록 할 수 있다. 예를 들어, 제어 지령에 따라 모터를 작동하여 구동하도록 할 수 있다.

위와 같은 투과성 제어 필터 시스템 (2500) 은 예를 들어 도 25 에 도시된 바와 같은 구성 요소들을 포함할 수 있다. 여기서, 압력 센서 (2510) 은 내부 센서 (2511) 및 외부 센서 (2513) 를 포함할 수 있다. 내부 센서 (2511) 는 필터에 의해 필터링 된 유체가 유입되는 공간의 압력을 측정하는 센서일 수 있으며, 외부 센서 (2513) 는 필터링 되기 전의 유체가 존재하는 공간의 압력을 측정하는 센서일 수 있다. 본 발명의 일 측면에 따르면, 내부 센서 (2511) 에 의해 측정된 내부 공간의 압력이 호흡 상태를 판단하기 위한 근거로 활용될 수 있고, 본 발명의 다른 측면에 따르면, 내부 공간의 압력과 외부 공간의 압력의 차를 호흡 상태를 판단하기 위한 근거로 활용될 수도 있다.

온도 정보 수집부 (2550) 는 주변 환경 또는 필터 내부의 온도를 측정하기 위해 활용될 수 있으며, 습도 정보 수집부 (2540) 역시 주변 환경 또는 필터 내부의 온도를 측정하기 위해 활용될 수 있다. 여기서, 위치 정보 수집부 (2560) 는 예를 들어 GPS 와 같이 투과성 제어 필터 시스템 (2500) 의 위치에 대한 정보를 획득하기 위해 활용될 수 있고, 또한 본 발명의 일 측면에 따르면 위치 정보 수집부 (2560) 가 위치하는 지역의 미세먼지 농도, 습도 등을 실제 측정이 아니라 예를 들어 기상청 서버와 같이, 관련된 정보 제공 서버를 통해 실시간으로 수신하도록 할 수 있다. 또한, 위치 정보 수집부 (2560) 는 투과성 제어 필터 시스템의 분실 방지 를 위해서도 사용될 수 있다.

도 26은 마스크 착용 상태의 마스크 내부와 외부의 압력 차이에 대산 실시간 측정 자료를 나타내고, 도 27은 도 26 의 일부에 대한 확대도이다. 도 26 은, 예를 들어 마스크와 같은 필터 적용 제품의 사용자가 제품을 착용 또는 사용 중인 상태에서, 필터 내부와 외부의 압력 차이를 실시간으로 측정하여 기록한 것을 도시한다. 도 26 에 도시된 바와 같이, 사용자의 운동 강도를 달리하여 측정하였으며, 예를 들어 0 내지 120 초에는 사용자가 휴식 상태에서, 120 내지 240 초에서는 사용자가 운동 상태에서, 240 초 내지 360 초에서는 다시 사용자가 휴식 상태에서 필터 내부와 외부의 압력 차이를 측정하여 기록하였다. 따라서, 운동 상태에 따라 변화하는 호흡 패턴이 도시되어 있다. BPM (가는 선) 은 호흡 속도를 의미한다.

도 27 은, 상대적으로 긴 시간 동안 측정한 결과를 도시하는 도 26 의 그래프에서 표시된 일부 짧은 시간 (2600) 의 압력 차이 자료를 추출하여 확대한 그래프이다. 거시적인 관점에는 호흡의 패턴을 쉽게 확인할 수 있지만, 미시적인 관점에서는 현재 사용자의 호흡 상태를 파악하기가 용이하지 않다. 따라서, 본 발명의 일 실시예에 따른 필터 투과성 제어 방법 및 장치는, 인공 지능을 이용하여 호흡 상태를 분석하고 예측하도록 구성될 수 있다. 본 발명의 일 측면에 따른 필터 투과성 제어에 따르면, 필터 제품의 착용 후 측정되는 데이터 (t 시점) 를 처리하여 이후 일정 시간 뒤의 호흡 (t + ㅿt 시점) 을 예측할 수 있다. 도 27 은 실선을 통해 실제 측정값을 도시하고, 점선을 통해 예측된 값을 도시한다. 도 27 에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 측면에 따른 호흡 예측 절차에 따르면, 실제 측정값과 예측값이 매우 유사하게 나타났음을 확인할 수 있다.

관련하여, 앞서 살핀 본 발명의 일 측면에 따른 기공 제어가 가능한 마스크 필터 유닛을 예로 들어, 본 발명의 일 측면에 따른 필터의 투과성 제어를 위한 절차를 다시 살펴본다. 예를 들어 마스크 내부의 압력(P1)을 측정하여 회로 내 블루투스 송수신을 통해 외부(스마트워치, 스마트폰, 노트북 등)으로 전송한다. 전송 받은 데이터(압력P1, P2, 미세먼지 농도 포함)를 기반으로 인공지능 딥러닝 알고리즘을 구동하여 호흡 상태에 대한 예측값과 이를 최적화 시킬 수 있는 목표 수축/확장 정도를 도출할 수 있다.

여기서, 2 개의 압력 센서가 사용될 수 있다. 제 1 압력 센서 (P1) 은 마스크 전체의 내부 압력을 측정하도록 구성될 수 있고, 제 2 압력 센서 (P2) 는 필터의 수축 확장을 결정짓는 유닛의 내부에 대한 압력을 측정할 수 있다. 즉, 제 2 압력 센서의 값은, 필터의 현재 기공 개폐도를 나타내는 정보들 중 하나일 수 있다.

제 1 압력 센서는, 실시간으로 사용자의 호흡 패턴을 분석하기 위한 데이터를 수집하기 위해 사용될 수 있다. 여기서, 인공지능 딥러닝을 위한 기반 자료로 활용되는 것은, 제 1 압력 센서의 측정값 뿐만 아니라, 유닛 내부의 압력 (필터의 수축 확장 정도를 결정하는 요소, P2) 또한 함께 측정하여 활용될 수 있다. 현재의 수축 확장 정도에 따라서 미래의 기공 개폐도에 대한 목표값이 변동될 수 있기 때문이다.

이후, 호흡 상태에 대한 예측값을 활용하여 결정된 기공 개폐에 대한 목표 출력값을 이용함으로써 유닛 수축 및/또는 확장을 수행할 수 있다. 이때, 필터 유닛의 구동 방식은 음압의 정도에 따라 수축 확장이 달라지는 공압식이 활용될 수 있으나, 이에 한정되지 아니한다. 일 측면에 따라 공압식이 활용되는 경우, 유닛 내부 압력(P2)에 대한 최적 출력값, 즉 제어 목표값이 된다. 본 발명의 다른 측면에 따르면, 공압식 필터 유닛을 대신하여, 기계식 필터 유닛이 활용될 수도 있다. 기계식 필터 유닛은 기계적 장치에 의해 특정 변위를 이동하는 형태로 구성될 수 있다. 이때, 변위의 위치가 확장의 정도가 될 수 있고 이는 예를 들어 위치 센서를 이용하여 측정될 수 있다. 예를 들어, 등방향으로 잡아 당겨 확장시킬 때 잡아당기는 기구의 이동 거리(변위)와 그 위치를 센싱하여 어느 정도 당겼는지 실시간으로 측정할 수 있다. 당기는 정도에 따른 통기성과 효율에 대한 데이터를 기반으로, 공압식 필터 유닛의 경우와 유사하게 구동하고 딥러닝 하는 것이 가능하다.

호흡 상태에 대한 예측값과 기공 개폐도의 제어를 위한 최적값의 도출은 인공지능 딥러닝으로 진행할 수 있으며, 결정된 제어 목표값에 도달하도록 예를 들어 공압 모터를 작동하는 것은 종래의 제어 방식, 예를 들어 PID 제어를 사용할 수 있다.

도 28은 본 발명의 일 측면에 따라 인공 신경망을 기반으로 필터의 투과성을 조절하는 프로세스를 나타낸다. 도 28 에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 측면에 따라 인공 신경망을 기반으로 필터의 투과성을 조절하기 위한 프로세스는, 호흡 상태, 기공 개폐도 및 오염도 중 적어도 하나에 대한 학습 데이터를 기반으로 학습된 인공 신경망을 기반으로, 미래 시점의 마스크 내부의 호흡 상태를 예측하여, 예측된 호흡 상태와 미세 먼지와 같은 오염도의 정보를 기반으로 기공 개폐도의 최적 제어 목표 값을 결정하도록 할 수 있다.

도 28 에 도시된 바와 같이, 센서 (2810) 를 통하여 예를 들어 압력과 같은 호흡 상태에 대한 측정값 및 미세먼지 농도와 같은 오염도에 대한 측정값이 확보될 수 있으며, 인공지능 (2820) 를 이용하여 측정된 데이터를 기반으로 필터의 최적의 투과성을 위한 제어 목표값을 산출할 수 있다. 또한, 현재 기공 개폐도에 대한 정보에 최적의 제어 목표값을 기반으로 예를 들어 PID 제어 (2830) 를 수행하는 것에 의해 기공 개폐도를 최적의 제어 목표값으로 변경시키고, 이에 따라 호흡 제어 (2840) 가 가능하다. 즉, 필터의 투과성에 대한 제어가 없었을 때 예상되는 정도와 비교하여, 필터의 투과성을 제어함으로써 호흡의 압력 진폭 또는 주파수 (호흡 속도)가 증가하는 정도를 완화시키도록 하여 평소의 호흡 패턴을 유지할 수 있게 할 수 있다.

관련하여, 본 발명의 일 측면에 따르면, 인공 신경망을 학습시키기 위한 입력 값은 예를 들어, 마스크 내부 압력, 작동 유닛 내부 압력, 미세먼지 농도 중 적어도 하나를 포함할 수 있고, 출력값은 호흡 시의 마스크 내부 및 작동 유닛 내부 압력 예측, 예측 값을 통해 상황에 맞게 호흡을 최적화할 수 있는 필터 확장 정도를 포함할 수 있다. 인공 신경망을 학습시키기 위한 학습 데이터의 종류는 예를 들어, 운동 강도에 따른 압력 자료와 실시간 미세먼지 농도 자료를 포함할 수 있으며, 보다 구체적으로는, 쉴 때 / 빠르게 걸을 때 / 뛸 때와 같이 필터 제품 사용자의 운동 상태에 대한 다양한 자료들을 수집하여 학습을 진행할 수도 있다. 또한, 코딩의 맞춤 개인화를 위해 트랜스퍼 러닝 (transfer learning) 을 적용할 수 있으며, 이때는 임의의 운동 상황에서 확보된 짧은 시간 구간에 대한 자료만으로도 적용이 가능할 수 있다.

다만, 본 발명의 실시예들에 따른 필터 투과성 제어에 있어서, 호흡 상태를 분석하고 판단할 수 있는 요소는 압력에 한정되지 아니하며, 본 명세서에서 이후 상술되는 바와 같이 다양한 요소들 중 적어도 하나가 호흡 상태를 분석 및 판단하기 위한 요소로서 활용될 수 있다. 또한, 필터가 적용되는 제품은 본 명세서에서 예시한 마스크에 한정되지 아니하며, 기공 개폐도의 제어를 위한 방식 역시 공압식에 한정되지 아니한다. 다만, 아래에서는 설명의 편의를 위해 필터 제품이 마스크에 적용되고, 필터 기공의 크기가 공압에 의해 제어되는 공압식이 적용되며, 호흡 상태를 판단하기 위해 마스크 내부의 압력이 활용되는 일 실시예를 기준으로 인공지능을 이용하는 호흡 분석 및 필터 투과성 제어 절차에 대해서 보다 구체적으로 설명한다.

도 28 을 다시 참조하면, 센서부 (2810) 에는 예를 들어 마스크 내부의 압력 (P₁) 을 측정하기 위한 제 1 센서 (2811) 와 마스크 기공의 개폐를 제어하기 위한 중공 내부의 압력 (P₂) 를 측정하기 위한 제 2 센서 (2813) 이 구비될 수 있다. 일 측면에 따르면, 마스크 주변의 미세 먼지 농도를 측정하기 위한 PM 센서 (2814) 가 더 구비될 수 있다. 마스크 내부의 압력 (P₁), 중공 내부의 압력 (P2), 미세 먼지 농도는 학습된 인공 신경망 (2820) 에 입력될 수 있다.

도 28 의 인공 지능 (2820) 부분을 참조하면, 측정한 압력 P₁, P₂(t 시점) 를 이용하여 LSTM (2821) 을 통해 t+ Δt 시점의 P₁을 예측할 수 있다. 이를 통해 획득한 호흡 상태에 대한 예측 값과 측정된 미세먼지 농도를 이용하여 ANN (2823) 을 통해 최적 필터 확장 정도 (직접적으로 확장에 관여하는 조작 요소, P₂ t+Δt 시점) 를 도출한다. ANN에 적용되는 최적 모델 손실 함수는 아래와 같다.

Loss-function (or cost-fuction) = ROOT((압력데이터(정상상태)-압력데이터(미래상태))^2) + Weight *ROOT( (필터 투과율에 따른 절대적 PM 흡입량)^2 )

# of particle = (외부 PM 농도 * 흡입유량) * (1-efficiency)

여기에서, 어느 것에 가중치 (weight) 를 줄 것인지 여부는 다양한 실험 내지 연구를 통해 달리 지정될 수 있다.

이후, PID 제어 (2830) 부분을 참조하면, 현재의 P₂(t 시점) 을 연산된 P₂(t+ Δt 시점)에 맞춰 작동할 수 있도록 PID 제어를 통해 모터를 작동시킬 수 있고, 그에 따라 필터를 확장 또는 수축하여 목표값에 도달하도록 할 수 있다.

그 결과(Breathing control, 2840), 제어를 하지 않은 경우 압력 진폭이 큰폭으로 변하거나 호흡이 가빠져 호흡 속도가 빨라지는 등 몸에 부담이 되는 방향으로 호흡이 변할 것으로 예상하지만 본 발명의 일 측면에 따른 필터 투과성 제어가 적용될 경우 호흡의 압력 진폭 또는 주파수(호흡 속도)가 증가했을 때 이를 감소시키는 방향으로 필터를 조작하여 평소 호흡 패턴을 유지할 수 있게 된다.

도 29는 본 발명의 일 실시예에 따른 필터 투과성 제어 방법의 흐름도이다. 이하, 도 29 를 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 필터 투과성 제어 방법에 대해서 보다 구체적으로 설명한다. 본 발명의 일 실시예에 따른 방법은 컴퓨팅 디바이스에 의해 수행될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 필터 투과성 제어 방법은, 제 1 공간으로부터 제 2 공간으로 이동하는 유체에 포함된 입자를 필터링하기 위한 필터의 투과성을 상기 제 2 공간의 호흡 상태에 적응적으로 제어하기 위한 방법을 포함한다.

도 29 에 도시된 바와 같이, 먼저, 제 1 시점의 제 2 공간의 호흡 상태 평가값 및 필터의 기공 개폐량을 측정 (단계 2910) 하고, 제 1 인공 신경망을 이용하여, 제 1 시점의 호흡 상태 평가값 및 기공 개폐량을 기반으로 제 1 시점에 후속하는 제 2 시점의 제 2 공간의 호흡 상태 평가값을 예측 (단계 2920) 할 수 있으며, 이후, 제 2 인공 신경망을 이용하여, 제 2 시점의 제 2 공간의 호흡 상태 평가값을 기반으로 제 2 시점의 필터의 목표 기공 개폐량을 결정 (단계 2930) 할 수 있다.

제 2 공간의 호흡 상태 평가값 및 필터의 기공 개폐량 측정 (단계 2910) 에 대해서 보다 구체적으로 살펴보면, 제 2 공간은 필터를 통해 필터링 된 유체가 진입하는 공간으로서, 필터 내부 공간으로도 지칭될 수 있다. 예를 들어 필터 제품이 마스크인 경우, 마스크 내부 공간을 의미할 수도 있다.

여기서 호흡 상태는 필터 제품 착용에 따른 사용자의 호흡과 관련된 상태를 나타낼 수 있다. 제 2 공간의 호흡 상태를 평가 및/또는 분석하기 위한 평가 요소는, 예를 들어, 제 2 공간의 압력일 수 있으나 이에 한정되지 아니한다. 제 2 공간의 호흡 상태 평가값은, 제 2 공간의 압력, 제 1 공간과 제 2 공간의 압력 차이, 제 2 공간의 이산화탄소 농도, 필터를 투과하는 유체의 방향 또는 필터의 사용자의 폐의 운동 방향 중 적어도 하나를 기반으로 측정될 수 있다.

제 2 공간의 압력을 기반으로 제 2 공간의 호흡 상태를 평가하는 것은 예를 들어 제 2 공간의 압력이 낮아지는 것을 기반으로 사용자의 호흡 상태가 흡기에 해당하는 것으로 판단하거나 제 2 공간의 압력이 높아지는 것을 기반으로 사용자의 호흡 상태가 호기에 해당하는 것으로 판단할 수 있다. 또한, 압력 상태 변화를 기반으로 호흡의 주기나 진폭을 판단하여 호흡 상태를 평가할 수 있다.

환언하면, 내뱉을 때와, 들이 마셨을 때 변화하는 압력에 따라 사용자의 호흡 상태를 확인할 수 있다. 예를 들어 숨을 내뱉을 때는 압력이 상승하고 들이마실 때는 압력이 감소하며, 통상적으로 호흡이 가빠지면 진동수/진폭이 상승하고 평상시에는 상대적으로 진동수/진폭이 일정하며 낮게 측정될 수 있다.

유사한 취지로, 단지 제 2 공간의 압력만을 기반으로 호흡 상태를 평가하지 아니하고, 제 1 공간과 제 2 공간의 압력 차이를 기반으로 호흡 상태를 평가하도록 구성될 수도 있다. 이를 위해서는 제 1 공간의 압력을 측정하기 위한 외부 압력 센서가 더 구비될 수 있다.

한편, 이산화탄소의 농도를 기반으로 호흡 상태를 판단할 수도 있다. 필터 제품의 착용자가 숨을 들이마실 때는 외부 공기가 들어오기 때문에 대기중 평균 이산화탄소 농도와 제 2 공간의 이산화탄소의 차이가 크지 않게 되지만, 착용자가 숨을 내뱉을 때는 착용자의 호흡에 의해 이산화탄소 수치가 상승할 수 있다. 이산화탄소의 농도 또한 호흡의 정도에 따라 빠르거나 큰폭으로 변하는 등의 변화를 통해 호흡을 분석할 수 있다.

필터를 투과하는 유체의 방향을 기반으로 호흡 상태를 평가할 수도 있다. 필터 제품의 착용자가 숨을 들이마실 때는 바람의 방향이 제 1 공간으로부터 제 2 공간을 향하게 되며, 필터 제품의 착용자가 숨을 내쉴 때는 바람의 방향이 제 2 공간으로부터 제 1 공간을 향할 수 있다. 또한, 호흡의 정도에 따라 바람의 세기 또는 주기 중 적어도 하나가 변화하는 것에 의해 호흡 상태의 분석이 가능하다.

필터의 사용자의 폐의 운동 방향을 기반으로 호흡 상태를 평가할 수도 있다. 폐의 움직임은, 숨쉴 때 들어가는 공기에 의해 폐가 팽창하고 가슴 근육이 부풀게 된다. 들이마시는 공기의 양, 속도, 주기에 따라 즉각적으로 반응하기 때문에 이 또한 호흡을 판단하는 요소로 작용할 수 있다. 폐의 운동 방향을 평가하기 위한 다양한 센서가 추가로 구비될 수 있다.

한편, 제 1 시점에는 제 2 공간의 호흡 상태 평가값 뿐만 아니라, 필터의 기공 개폐량 역시 측정 (단계 2910) 될 수 있다. 제 1 시점에 후속하는 제 2 시점의 호흡 상태는 제 1 시점의 필터의 투과성에도 영향을 받기 때문에, 제 1 시점의 제 2 공간의 호흡 상태의 평가값 뿐만 아니라 필터의 기공 개폐량 역시 인공 신경망의 학습에 활용하거나, 인공 신경망을 통한 예측 값 출력에 활용하는 것에 의해 예측의 정확성을 보다 향상시킬 수 있다. 또한, 후술하는 PID 제어를 위해서도 제 1 시점의 필터의 기공 개폐량에 대한 측정이 요구될 수 있다.

다시 도 29 를 참조하여, 제 1 인공 신경망을 이용하여, 제 1 시점의 호흡 상태 평가값 및 기공 개폐량을 기반으로 제 1 시점에 후속하는 제 2 시점의 제 2 공간의 호흡 상태 평가값을 예측 (단계 2920) 하는 단계에 대해서 보다 구체적으로 설명한다. 제 1 시점의 제 2 공간의 호흡 상태 평가값과, 필터의 기공 개폐량을 학습된 제 1 인공 신경망에 입력하는 것에 의해, 제 1 시점에 후속하는 제 2 시점의 제 2 공간의 호흡 상태에 대한 평가값의 예측을 출력받을 수 있다. 예를 들어, 호흡 상태 평가값이 제 2 공간의 압력인 경우, 제 1 인공 신경망을 통해 제 2 시점의 제 2 공간의 압력에 대한 예측값을 획득할 수 있다.

여기서, 제 1 인공 신경망은, 복수 시점의 제 2 공간의 호흡 상태 평가값 및 필터의 기공 개폐량에 대한 데이터를 기반으로 학습되어, 측정 시점의 호흡 상태 평가값 및 필터의 기공 개폐량을 입력하면 측정 시점에 후속하는 예측 시점의 호흡 상태 평가값을 출력하도록 구성될 수 있다. 제 1 인공 신경망은, 예를 들어, 순환 신경망 (Recurrent Neural Network, RNN) 일 수 있고, 보다 구체적으로는 예를 들어 도 28 에 도시된 바와 같은 LSTM (2821) 일 수 있다.

다시 도 29 를 참조하여, 제 2 인공 신경망을 이용하여, 제 2 시점의 제 2 공간의 호흡 상태 평가값을 기반으로 제 2 시점의 필터의 목표 기공 개폐량을 결정 (단계 2930) 하는 단계에 대해서 보다 구체적으로 설명한다.

제 2 인공 신경망은 예를 들어 도 28 에 도시된 바와 같은 인공 신경망 (Artificial Neural Network, ANN) (2823) 을 나타낼 수 있다. 제 1 인공 신경망이 제 2 시점의 제 2 공간의 호흡 상태 평가값을 예측하면, 이를 기반으로 제 2 인공 신경망은 제 2 시점에 대한 최적의 필터 투과성을 확보할 수 있는 제 2 시점의 필터의 목표 기공 개폐량을 결정할 수 있다. 여기서, 목표 기공 개폐량을 결정하는 단계는, 제 1 공간의 오염도에 더 기반하여 목표 기공 개폐량을 결정하도록 구성될 수 있다. 즉, 제 2 인공 신경망은, 제 2 시점의 예상되는 제 2 공간의 호흡 상태 뿐만 아니라, 제 1 공간의 오염도를 함께 고려함으로써 최적의 목표 기공 개폐량을 결정할 수 있다. 제 1 공간의 오염도는 예를 들어 미세먼지 농도를 나타낼 수 있다.

일 측면에 따르면, 제 2 인공 신경망은, 입력된 제 2 공간의 호흡 상태 평가값 및 제 1 공간의 오염도에 기초한 손실 함수를 최소화시키는 목표 기공 개폐량을 출력하도록 학습된 것일 수 있다. 예를 들어, 제 1 공간의 오염도는, 제 1 공간의 미세먼지 농도이고, 예를 들어 도 28 과 관련하여 전술한 바와 같이, 손실 함수는, 목표 기공 개폐량에 따른 압력에 관한 항과 목표 기공 개폐량에 따른 미세 먼지 흡입량에 관한 항의 합으로 구성될 수 있다. 압력에 관한 항 및 미세 먼지 흡입량에 관한 항 중 적어도 하나에 대해 가중치가 곱해지도록 구성되어, 상황 및/또는 필요에 따라 제 2 공간의 예상되는 호흡 상태와 제 1 공간의 미세 먼지 농도 중 더 중요하게 반영하기 위한 요소를 제어할 수 있다.

한편, 일 측면에 따르면, 제 1 인공 신경망 또는 제 2 인공 신경망 중 적어도 하나는, 필터의 제 1 사용자에 대한 데이터를 기반으로 학습된 인공 신경망을 트랜스퍼 러닝 (transfer learning) 을 통해 제 2 사용자에 대한 데이터를 기반으로 추가 학습시키는 것에 의해 제 2 사용자에 대해 커스터마이징된 것일 수 있다.

앞서 살핀 바와 같이, 본 발명의 일 측면에 따른 인공 신경망 중 적어도 하나의 학습을 위해 활용되는 학습 데이터는 예를 들어 뛰는 상태 / 휴식 상태와 같이 다양한 환경에 대한 데이터를 포함할 수 있고, 또한 긴 시간 구간에 대한 학습 데이터를 확보하여 인공 신경망을 훈련시키는 것에 의해 예측의 정확도를 향상시킬 수도 있다. 그러나, 특히 호흡 분석과 관련된 데이터는 필터 제품을 사용 또는 착용하는 사용자에 따라 서로 상이할 수 있고, 사용자 맞춤형으로 인공 신경망을 학습시키면 예측의 정확도는 보다 향상될 수 있다. 그러나, 이와 같은 사용자 맞춤형 인공 신경망 모델의 학습을 위해서는 개별 사용자마다 대량의 학습 데이터를 확보하는 것이 요구되므로, 학습 데이터 확보를 위한 시간과 공수가 지나치게 요구될 수도 있다. 따라서, 본 발명의 일 측면에 따르면, 특정 사용자에 대한 충분한 학습 데이터를 기반으로 인공 신경망들 중 적어도 하나를 학습시키고, 트랜스퍼 러닝을 통해 제 2 사용자와 관련된 비교적 적은 학습 데이터를 기반으로 인공 신경망을 재차 학습시키는 것에 의해, 효율적으로 제 2 사용자에 맞춤형으로 학습된 인공 신경망 모델을 확보할 수 있다.

한편, 일 측면에 따르면, 투과성 제어의 대상이 되는 필터는, 필터를 둘러싸고 적어도 일방향으로 필터를 확장 또는 수축시킬 수 있는 스트레쳐를 기반으로 투과성이 제어되고, 스트레쳐는 필터에 인접한 중공 내부의 압력에 따라 필터의 확장 또는 수축을 제어하도록 구성되며, 기공 개폐량은, 중공 내부의 압력을 기반으로 측정 또는 제어되는 것일 수 있다. 즉, 전술한 본 발명의 일 실시예에 따른 공압식 필터 유닛들 중 적어도 하나가 투과성 제어의 대상이 될 수 있으며, 기공 개폐량은 중공 내부의 압력에 따라 판단될 수 있다. 중공 내부의 압력과 기공 개폐량의 상관 관계에 대한 데이터는 예를 들어 실험을 통해 확보될 수 있고, 룩업 테이블의 형태로 구비될 수도 있다.

다시 도 29 를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 필터 투과성 제어 방법은, PID (Proportional Integral Derivation) 제어를 통해 중공 내부의 압력을 목표 압력으로 변경시키는 것에 의해, 제 1 시점의 필터의 기공 개폐량을 목표 기공 개폐량으로 변경 (단계 2940) 시킬 수 있다. 다만, 필터 기공 개폐량의 제어 방법은 이에 한정되지 아니하며, 제 1 시점의 필터 기공 개폐량을 결정된 목표 기공 개폐량으로 변경시키기 위한 임의의 제어 방법이 사용될 수 있다.

한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 필터 투과성 제어 방법에 따르면, 예를 들어 인공 신경망을 통해 결정된 목표 기공 개폐량에도 불구하고, 소정의 조건을 만족할 때 목표 기공 개폐량을 따르지 않고 다른 방식으로 필터의 투과성을 제어하도록 구성될 수도 있다.

일 측면에 따르면, 본 발명의 일 실시예에 따른 필터의 투과성을 제어하기 위한 방법은, 복수 시점의 제 2 공간의 호흡 상태 평가값을 기반으로 제 2 공간의 호흡 주기 평가값을 결정한 뒤, 호흡 주기 평가값이 미리 결정한 임계값을 초과한다는 결정에 응답하여, 목표 기공 개폐량을 따르지 않고 필터의 기공 개폐량을 소정 시간동안 미리 결정된 개폐량 이상으로 유지시켜, 필터의 투과성을 일정 수준 이상 유지하도록 할 수 있다. 관련하여, 도 22(a) 를 참조하여 전술된 바와 같이, 호흡 주기가 빠른 경우, 즉 호흡이 가빠지는 경우에는 사용자의 들숨과 날숨에 맞추어 필터 기공 개폐량을 제어하는 것보다, 연속적인 팽창 상태가 사용자의 건강 상태를 더 고려한 반응이 될 수 있다. 한편, 도 22(a)에는 사용자의 들숨 및 날숨에 맞추어 필터의 투과성을 제어하는 것이 도시되어 있으나, 본 발명의 일 측면에 따르면 호흡 정도 (예를 들어, 평균 호흡량, 진폭, 진동수 중 적어도 하나) 를 고려하여 필터 투과성을 제어하도록 동작할 수 있다.

또한, 일 측면에 따르면, 본 발명의 일 실시예에 따른 필터의 투과성을 제어하기 위한 방법은, 필터 사용자의 발화 여부를 판단하고, 필터 사용자가 발화 중이라는 결정에 응답하여, 목표 기공 개폐량을 따르지 않고 필터의 기공 개폐량을 소정 시간동안 미리 결정된 개폐량 이상으로 유지시킬 수 있다. 관련하여, 앞서 도 22(c)를 참조하여 전술된 바와 같이, 대화를 할 경우 기공을 확장시켜 호흡의 편의성을 높이고 대화의 전달력을 향상시킬 수 있다. 사용자가 말을 시작하면 이를 감지하여 의사소통이 원활하게 되도록 필터 투과성을 향상시킬 수 있다. 호흡의 패턴과 발화시 압력의 패턴은 매우 다르기 때문에 이를 구분하여 감지하도록 할 수 있다. 일 측면에 따르면 인공 신경망을 학습시키는 것에 의해 사용자의 발화 여부를 판단하여 목표 제어량을 결정하도록 구성될 수도 있다.

또한, 일 측면에 따르면, 본 발명의 일 실시예에 따른 필터의 투과성을 제어하기 위한 방법은, 필터 사용자의 재채기 상황을 감지하고, 필터 사용자가 재채기 상황이라는 결정에 응답하여, 목표 기공 개폐량을 따르지 않고 필터의 기공 개폐량을 소정 시간동안 미리 결정된 개폐량 이하로 유지시킬 수 있다. 즉, 재채기 상황에서 외부로의 비말 분산에 대비하여 필터를 수축시키도록 구성될 수 있다.

한편, 일 측면에 따르면, 본 발명의 일 실시예에 따른 필터의 투과성을 제어하기 위한 방법은, 복수 시점의 상기 제 2 공간의 호흡 상태 평가값을 기반으로, 상기 필터 사용자가 미리 결정한 시간 구간 이상 호흡을 수행하지 않는다고 결정하는 것을 더 수행할 수도 있다. 따라서, 무호흡 증세 또는 이상 호흡 증세를 판단하여 알림을 전달하는 등의 대처도 가능하다.

앞서 도 25 를 참조하여 설명한 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 호흡 상태 평가값 및 필터의 기공 개폐량은 적어도 하나의 센서 (예를 들어, 도 25의 압력 센서, 위치 정보 수집부, 온도 정보 수집부, 습도 정보 수집부 중 적어도 하나) 에 의해 측정되고, 무선 통신 (예를 들어, 송수신부) 을 통해 컴퓨팅 디바이스 (2590) 로 송신될 수 있다. 보다 구체적으로는, 필터는 마스크를 구성하고, 센서는 마스크에 구비되며, 컴퓨팅 디바이스는 스마트 워치, 스마트폰, 태블릿 PC 또는 노트북 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 따라서, 투과성 제어가 되는 마스크는 센싱을 위한 필수 구성 요소와 투과성 제어를 위한 필수 구성 요소만을 포함하도록 하고 최적 제어량을 위한 연산은 예를 들어 웨어러블 디바이스를 통해 수행하도록 함으로써 마스크의 크기 및 중량을 최소화하고 사용자의 착용 편의를 향상시킬 수 있다.

도 30은 본 발명의 일 실시예에 따른 마스크의 투과성을 제어하기 위한 장치로서 구현될 수 있는 예시적인 컴퓨팅 시스템의 구성을 나타내는 블록도이다. 도 30을 참조하면, 컴퓨팅 시스템 (3000) 은 플래시 스토리지 (3010) , 프로세서 (3020), RAM (3030), 입출력 장치 (3040) 및 전원 장치 (3050) 를 포함할 수 있다. 또한, 플래시 스토리지 (3010) 는 메모리 장치 (3011) 및 메모리 컨트롤러 (3012) 를 포함할 수 있다. 한편, 도 30에는 도시되지 않았지만, 컴퓨팅 시스템 (3000) 은 비디오 카드, 사운드 카드, 메모리 카드, USB 장치 등과 통신하거나, 또는 다른 전자 기기들과 통신할 수 있는 포트 (port) 들을 더 포함할 수 있다.

컴퓨팅 시스템 (3000) 은 퍼스널 컴퓨터로 구현되거나, 노트북 컴퓨터, 휴대폰, PDA (personal digital assistant) 및 카메라 등과 같은 휴대용 전자 장치로 구현될 수 있다.

프로세서 (3020) 는 특정 계산들 또는 태스크 (task) 들을 수행할 수 있다. 실시예에 따라, 프로세서 (3020) 는 마이크로프로세서 (micro-processor), 중앙 처리 장치 (Central Processing Unit, CPU)일 수 있다. 프로세서 (3020) 는 어드레스 버스 (address bus), 제어 버스 (control bus) 및 데이터 버스 (data bus) 등과 같은 버스 (3060) 를 통하여 RAM (3030), 입출력 장치 (3040) 및 플래시 스토리지 (3010) 와 통신을 수행할 수 있다.

일 실시예에 따라, 프로세서 (3020) 는 주변 구성요소 상호연결 (Peripheral Component Interconnect, PCI) 버스와 같은 확장 버스에도 연결될 수 있다.

RAM (3030) 는 컴퓨팅 시스템 (3000) 의 동작에 필요한 데이터를 저장할 수 있다. 예를 들어, 디램 (DRAM), 모바일 디램, 에스램 (SRAM), 피램 (PRAM), 에프램 (FRAM), 엠램 (MRAM), 알램 (RRAM) 을 포함하는 임의의 유형의 랜덤 액세스 메모리가 RAM (3030)으로 이용될 수 있다.

입출력 장치 (3040) 는 키보드, 키패드, 마우스 등과 같은 입력 수단 및 프린터, 디스플레이 등과 같은 출력 수단을 포함할 수 있다. 전원 장치 (3050) 는 컴퓨팅 시스템 (3000) 의 동작에 필요한 동작 전압을 공급할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 필터 투과성 제어 장치는, 제 1 공간으로부터 제 2 공간으로 이동하는 유체에 포함된 입자를 필터링하기 위한 필터의 투과성을 제 2 공간의 호흡 상태에 적응적으로 제어하기 위한 장치일 수 있다. 상기 장치는 프로세서 및 메모리를 포함하고, 예를 들어 프로세서 (3020) 는, 제 1 시점의 상기 제 2 공간의 호흡 상태 평가값 및 상기 필터의 기공 개폐량을 측정하고, 제 1 인공 신경망을 이용하여, 상기 제 1 시점의 호흡 상태 평가값 및 기공 개폐량을 기반으로 상기 제 1 시점에 후속하는 제 2 시점의 상기 제 2 공간의 호흡 상태 평가값을 예측하고 그리고 제 2 인공 신경망을 이용하여, 상기 제 2 시점의 상기 제 2 공간의 호흡 상태 평가값을 기반으로 상기 제 2 시점의 상기 필터의 목표 기공 개폐량을 결정하도록 구성될 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따른 필터 투과성 제어 장치의 구체적인 동작은 전술한 본 발명의 일 실시예에 따른 필터 투과성 제어 방법을 적어도 부분적으로 채용할 수 있다.

상술한 본 발명에 따른 방법은 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체에 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드로서 구현되는 것이 가능하다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록 매체로는 컴퓨터 시스템에 의하여 해독될 수 있는 데이터가 저장된 모든 종류의 기록 매체를 포함한다. 예를 들어, ROM(Read Only Memory), RAM(Random Access Memory), 자기 테이프, 자기 디스크, 플래시 메모리, 광 데이터 저장장치 등이 있을 수 있다. 또한, 컴퓨터로 판독 가능한 기록매체는 컴퓨터 통신망으로 연결된 컴퓨터 시스템에 분산되어, 분산방식으로 읽을 수 있는 코드로서 저장되고 실행될 수 있다.

이상, 도면 및 실시예를 참조하여 설명하였지만, 본 발명의 보호범위가 상기 도면 또는 실시예에 의해 한정되는 것을 의미하지는 않으며 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.

구체적으로, 설명된 특징들은 디지털 전자 회로, 또는 컴퓨터 하드웨어, 펌웨어, 또는 그들의 조합들 내에서 실행될 수 있다. 특징들은 예컨대, 프로그래밍 가능한 프로세서에 의한 실행을 위해, 기계 판독 가능한 저장 디바이스 내의 저장장치 내에서 구현되는 컴퓨터 프로그램 제품에서 실행될 수 있다. 그리고 특징들은 입력 데이터 상에서 동작하고 출력을 생성함으로써 설명된 실시예들의 함수들을 수행하기 위한 지시어들의 프로그램을 실행하는 프로그래밍 가능한 프로세서에 의해 수행될 수 있다. 설명된 특징들은, 데이터 저장 시스템으로부터 데이터 및 지시어들을 수신하기 위해, 및 데이터 저장 시스템으로 데이터 및 지시어들을 전송하기 위해 결합된 적어도 하나의 프로그래밍 가능한 프로세서, 적어도 하나의 입력 디바이스, 및 적어도 하나의 출력 디바이스를 포함하는 프로그래밍 가능한 시스템 상에서 실행될 수 있는 하나 이상의 컴퓨터 프로그램들 내에서 실행될 수 있다. 컴퓨터 프로그램은 소정 결과에 대해 특정 동작을 수행하기 위해 컴퓨터 내에서 직접 또는 간접적으로 사용될 수 있는 지시어들의 집합을 포함한다. 컴퓨터 프로그램은 컴파일된 또는 해석된 언어들을 포함하는 프로그래밍 언어 중 어느 형태로 쓰여지고, 모듈, 소자, 서브루틴(subroutine), 또는 다른 컴퓨터 환경에서 사용을 위해 적합한 다른 유닛으로서, 또는 독립 조작 가능한 프로그램으로서 포함하는 어느 형태로도 사용될 수 있다.

지시어들의 프로그램의 실행을 위한 적합한 프로세서들은, 예를 들어, 범용 및 특수 용도 마이크로프로세서들 둘 모두, 및 단독 프로세서 또는 다른 종류의 컴퓨터의 다중 프로세서들 중 하나를 포함한다. 또한 설명된 특징들을 구현하는 컴퓨터 프로그램 지시어들 및 데이터를 구현하기 적합한 저장 디바이스들은 예컨대, EPROM, EEPROM, 및 플래쉬 메모리 디바이스들과 같은 반도체 메모리 디바이스들, 내부 하드 디스크들 및 제거 가능한 디스크들과 같은 자기 디바이스들, 광자기 디스크들 및 CD-ROM 및 DVD-ROM 디스크들을 포함하는 비휘발성 메모리의 모든 형태들을 포함한다. 프로세서 및 메모리는 ASIC들(application-specific integrated circuits) 내에서 통합되거나 또는 ASIC들에 의해 추가되어질 수 있다.

이상에서 설명한 본 발명은 일련의 기능 블록들을 기초로 설명되고 있지만, 전술한 실시 예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경 가능하다는 것이 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.

전술한 실시 예들의 조합은 전술한 실시 예에 한정되는 것이 아니며, 구현 및/또는 필요에 따라 전술한 실시예들 뿐 아니라 다양한 형태의 조합이 제공될 수 있다.

전술한 실시 예들에서, 방법들은 일련의 단계 또는 블록으로서 순서도를 기초로 설명되고 있으나, 본 발명은 단계들의 순서에 한정되는 것은 아니며, 어떤 단계는 상술한 바와 다른 단계와 다른 순서로 또는 동시에 발생할 수 있다. 또한, 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 순서도에 나타난 단계들이 배타적이지 않고, 다른 단계가 포함되거나, 순서도의 하나 또는 그 이상의 단계가 본 발명의 범위에 영향을 미치지 않고 삭제될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

전술한 실시 예는 다양한 양태의 예시들을 포함한다. 다양한 양태들을 나타내기 위한 모든 가능한 조합을 기술할 수는 없지만, 해당 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자는 다른 조합이 가능함을 인식할 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명은 이하의 특허청구범위 내에 속하는 모든 다른 교체, 수정 및 변경을 포함한다고 할 것이다.

Claims

컴퓨팅 디바이스에 의해 수행되는, 제 1 공간으로부터 제 2 공간으로 이동하는 유체에 포함된 입자를 필터링하기 위한 필터의 투과성을 상기 제 2 공간의 호흡 상태에 적응적으로 제어하기 위한 방법으로서,
제 1 시점의 상기 제 2 공간의 호흡 상태 평가값 및 상기 필터의 기공 개폐량을 측정하는 단계;
제 1 인공 신경망을 이용하여, 상기 제 1 시점의 호흡 상태 평가값 및 기공 개폐량을 기반으로 상기 제 1 시점에 후속하는 제 2 시점의 상기 제 2 공간의 호흡 상태 평가값을 예측하는 단계; 및
제 2 인공 신경망을 이용하여, 상기 제 2 시점의 상기 제 2 공간의 호흡 상태 평가값을 기반으로 상기 제 2 시점의 상기 필터의 목표 기공 개폐량을 결정하는 단계를 포함하는, 필터 투과성 제어 방법.
제 1 항에 있어서,
상기 제 2 공간의 호흡 상태 평가값은,
상기 제 2 공간의 압력;
상기 제 1 공간과 제 2 공간의 압력 차이;
상기 제 2 공간의 이산화탄소 농도;
상기 필터를 투과하는 유체의 방향; 및
상기 필터의 사용자의 폐의 운동 방향; 중 적어도 하나를 기반으로 측정되는, 필터의 투과성 제어 방법.
제 1 항에 있어서,
상기 제 1 인공 신경망은,
복수 시점의 상기 제 2 공간의 호흡 상태 평가값 및 상기 필터의 기공 개폐량에 대한 데이터를 기반으로 학습되어, 측정 시점의 호흡 상태 평가값 및 필터의 기공 개폐량을 입력하면 상기 측정 시점에 후속하는 예측 시점의 호흡 상태 평가값을 출력하도록 구성되는, 필터의 투과성 제어 방법.
제 3 항에 있어서,
상기 제 1 인공 신경망은,
순환 신경망 (Recurrent Neural Network, RNN) 인, 필터의 투과성 제어 방법.
제 1 항에 있어서,
상기 목표 기공 개폐량을 결정하는 단계는,
상기 제 1 공간의 오염도에 더 기반하여 상기 목표 기공 개폐량을 결정하도록 구성되는, 필터의 투과성 제어 방법.
제 5 항에 있어서,
상기 제 2 인공 신경망은,
입력된 상기 제 2 공간의 호흡 상태 평가값 및 상기 제 1 공간의 오염도에 기초한 손실 함수를 최소화시키는 목표 기공 개폐량을 출력하도록 학습된 것인, 필터의 투과성 제어 방법.
제 6 항에 있어서,
상기 제 1 공간의 오염도는, 제 1 공간의 미세먼지 농도이고,
상기 손실 함수는, 목표 기공 개폐량에 따른 압력에 관한 항과 목표 기공 개폐량에 따른 미세 먼지 흡입량에 관한 항의 합으로 구성되는, 필터의 투과성 제어 방법.
제 7 항에 있어서,
상기 압력에 관한 항 및 미세 먼지 흡입량에 관한 항 중 적어도 하나에 대해 가중치가 곱해지도록 구성되는, 필터의 투과성 제어 방법.
제 1 항에 있어서,
상기 제 1 인공 신경망 또는 상기 제 2 인공 신경망 중 적어도 하나는,
상기 필터의 제 1 사용자에 대한 데이터를 기반으로 학습된 인공 신경망을 트랜스퍼 러닝 (transfer learning) 을 통해 제 2 사용자에 대한 데이터를 기반으로 추가 학습시키는 것에 의해 상기 제 2 사용자에 대해 커스터마이징된 것인, 필터의 투과성 제어 방법.
제 1 항에 있어서,
상기 필터는, 상기 필터를 둘러싸고 적어도 일방향으로 상기 필터를 확장 또는 수축시킬 수 있는 스트레쳐를 기반으로 투과성이 제어되고, 상기 스트레쳐는 상기 필터에 인접한 중공 내부의 압력에 따라 상기 필터의 확장 또는 수축을 제어하도록 구성되며,
상기 기공 개폐량은, 상기 중공 내부의 압력을 기반으로 측정 또는 제어되는, 필터의 투과성 제어 방법.
제 10 항에 있어서,
PID (Proportional Integral Derivation) 제어를 통해 상기 중공 내부의 압력을 목표 압력으로 변경시키는 것에 의해, 상기 제 1 시점의 필터의 기공 개폐량을 상기 목표 기공 개폐량으로 변경시키는 단계를 더 포함하는, 필터의 투과성 제어 방법.
제 1 항에 있어서,
복수 시점의 상기 제 2 공간의 호흡 상태 평가값을 기반으로 상기 제 2 공간의 호흡 주기 평가값을 결정하는 단계; 및
상기 호흡 주기 평가값이 미리 결정한 임계값을 초과한다는 결정에 응답하여, 상기 목표 기공 개폐량을 따르지 않고 상기 필터의 기공 개폐량을 소정 시간동안 미리 결정된 개폐량 이상으로 유지시키는 단계를 더 포함하는, 필터의 투과성 제어 방법.
제 1 항에 있어서,
상기 필터 사용자의 발화 여부를 판단하는 단계;
상기 필터 사용자가 발화 중이라는 결정에 응답하여, 상기 목표 기공 개폐량을 따르지 않고 상기 필터의 기공 개폐량을 소정 시간동안 미리 결정된 개폐량 이상으로 유지시키는 단계를 더 포함하는, 필터의 투과성 제어 방법.
제 1 항에 있어서,
상기 필터 사용자의 재채기 상황을 감지하는 단계;
상기 필터 사용자가 재채기 상황이라는 결정에 응답하여, 상기 목표 기공 개폐량을 따르지 않고 상기 필터의 기공 개폐량을 소정 시간동안 미리 결정된 개폐량 이하로 유지시키는 단계를 더 포함하는, 필터의 투과성 제어 방법.
제 1 항에 있어서,
복수 시점의 상기 제 2 공간의 호흡 상태 평가값을 기반으로, 상기 필터 사용자가 미리 결정한 시간 구간 이상 호흡을 수행하지 않는다고 결정하는 단계를 더 포함하는, 필터의 투과성 제어 방법.
제 1 항에 있어서,
상기 호흡 상태 평가값 및 필터의 기공 개폐량은 적어도 하나의 센서에 의해 측정되고, 무선 통신을 통해 상기 컴퓨팅 디바이스로 송신되는, 필터의 투과성 제어 방법.
제 16 항에 있어서,
상기 필터는 마스크를 구성하고,
상기 센서는 상기 마스크에 구비되며,
상기 컴퓨팅 디바이스는 스마트 워치, 스마트폰, 태블릿 PC 또는 노트북 중 적어도 하나를 포함하는, 필터의 투과성 제어 방법.
제 1 공간으로부터 제 2 공간으로 이동하는 유체에 포함된 입자를 필터링하기 위한 필터의 투과성을 상기 제 2 공간의 호흡 상태에 적응적으로 제어하기 위한 장치로서, 상기 장치는 프로세서 및 메모리를 포함하고,
상기 프로세서는,
제 1 시점의 상기 제 2 공간의 호흡 상태 평가값 및 상기 필터의 기공 개폐량을 측정하고;
제 1 인공 신경망을 이용하여, 상기 제 1 시점의 호흡 상태 평가값 및 기공 개폐량을 기반으로 상기 제 1 시점에 후속하는 제 2 시점의 상기 제 2 공간의 호흡 상태 평가값을 예측하고; 그리고
제 2 인공 신경망을 이용하여, 상기 제 2 시점의 상기 제 2 공간의 호흡 상태 평가값을 기반으로 상기 제 2 시점의 상기 필터의 목표 기공 개폐량을 결정하도록 구성되는, 필터 투과성 제어 장치.
프로세서에 의해 실행 가능한 명령어들을 포함하는 컴퓨터 판독 가능한 저장 매체로서, 상기 명령어들은 제 1 공간으로부터 제 2 공간으로 이동하는 유체에 포함된 입자를 필터링하기 위한 필터의 투과성을 상기 제 2 공간의 호흡 상태에 적응적으로 제어하기 위한 것이고, 상기 명령어들은 상기 프로세서에 의해 실행되었을 때 상기 프로세서로 하여금,
제 1 시점의 상기 제 2 공간의 호흡 상태 평가값 및 상기 필터의 기공 개폐량을 측정하고;
제 1 인공 신경망을 이용하여, 상기 제 1 시점의 호흡 상태 평가값 및 기공 개폐량을 기반으로 상기 제 1 시점에 후속하는 제 2 시점의 상기 제 2 공간의 호흡 상태 평가값을 예측하고; 그리고
제 2 인공 신경망을 이용하여, 상기 제 2 시점의 상기 제 2 공간의 호흡 상태 평가값을 기반으로 상기 제 2 시점의 상기 필터의 목표 기공 개폐량을 결정하게 하도록 구성되는, 컴퓨터 판독 가능한 저장 매체.