KR102558039B1 - 젤라틴 및 키토산 하이드로젤을 포함하는 주파수 선택적 신호 댐퍼 및 이를 이용한 신호 측정 장치 - Google Patents
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Abstract
본 발명은, 비뉴턴유체 (non-Newtonian fluid) 특성을 가진 점성고분자와 졸-겔 상전이 특성을 보이는 하이드로젤을 포함하는 주파수 선택적 신호 댐퍼.
Description
본 발명은 젤라틴 및 키토산의 하이드로젤에 기초한 주파수 선택적 신호 댐퍼 및 이를 이용한 어플리케이션에 대한 것이다.
종래 기술에서는 전자 소자의 신호의 선택적인 댐핑 및 감지를 위해 크게 소재로 직접 흡음을 하거나 신호처리 등의 방법을 이용하여 구현하려는 시도가 있었다.
소재의 경우 다공성 소재를 이용하여 반사되는 신호의 에너지 손실을 이용하거나 공진을 이용한 구조 등을 이용하여 선택적인 댐핑을 진행해왔다. 하지만 이러한 소재들은 매우 높은 진동수의 음을 흡수하며 (>1,000 Hz 이상) 그 이하의 진동수에서는 댐핑이 낮거나 선택적으로 흡음이 매우 어렵고 댐핑 대역대를 조절할 수 없다는 단점이 있다.
특히, 일례로, 충격의 흡수를 줄여주기 위해 만들어진 알파겔, D3O와 같은 상업용 제품과 같은 경우에는 낮은 진동수 흡음을 타겟으로 하여 물질의 고유진동수를 타겟으로 하여 흡음을 하거나 점성 성질을 조절하여 흡음을 진행하나, 1) 대역폭 설정이 불가능하거나 2) 흡음 구역과 투과 구역간의 차이가 3배 이상의 높은 흡음율을 보이기 힘들고, 3) 대역폭을 능동적으로 조절하기가 매우 어렵다는 점이 있다. 이는 기존의 고분자 물질의 유리전이온도가 실온 이하이므로 실온에서 극적인 전이를 갖기가 힘들다. 또한 전단 농화(shear thickening) 고분자의 경우 그 변화가 극적으로 이루어지지 않는다는 단점이 있다.
신호 처리와 같은 경우에는 노이즈 캔슬링과 같은 파동의 간섭을 이용하는 방법, 또는 머신러닝, 딥러닝과 같은 신호처리 알고리즘을 이용하여 감지된 신호를 제거하는 후처리 방법 등이 존재한다. 하지만 이를 위해서는 복잡한 하드웨어의 전자회로를 필요로 하거나 많은 데이터베이스를 기반으로 하는 소프트웨어 공정이 필요하며 이에 따라 소재에 불필요한 디바이스 및 소프트웨어가 필요하다는 단점이 있다.
본 발명은 기존의 물리적 신호의 선택적인 댐핑이 불가능하거나 회로 등의 매우 복잡한 공정을 거쳤던 단점을 해결할 수 있는 재료 특성에 기반한 선택적 댐핑이 가능한 재료를 제공함을 목적으로 한다.
일 측면으로서, 본 발명은 비뉴턴유체(non-Newtonian fluid) 특성을 가진 점성고분자와 졸-겔 상전이 특성을 보이는 하이드로젤을 포함하는 주파수 선택적 신호 댐퍼를 제공한다. 특히, 선택적으로 신호를 댐핑한 영역, 즉 노이즈 영역에서, 상기 점성고분자가 전단 농화의 특성을 보이고, 상기 하이드로젤이 졸 상을 가지는 경우, 이 영역에서 주파수에 대한 탄젠트 델타 값의 기울기(선택도)가 큰, 선택적으로 주파수 신호를 댐핑하는 특성을 보여준다. 상기 점성고분자는 댐핑 영역(노이즈 영역)에서 데버러 수(Deborah number)가 1 이하이다.
본 발명의 하이드로젤은, 점탄성 고분자를 포함하는 졸-겔 상전이 특성의 하이드로젤에 의한 하이드로젤이다. 주파수 선택적 신호 댐퍼란, 진동 또는 전기 신호와 같은 주파수 신호의 특정 주파수 신호는 댐핑 또는 흡수하고, 다른 영역의 신호는 통과시키는 재료를 의미한다. 피측정되는 신호는 물리적 또는 전기 신호일 수 있다. 물리적 신호는 진동 또는 충격에 따른 신호일 수 있다. 예를 들어, 음파신호, 심박수 및 맥박은 물리적 신호의 예일 수 있다. 전기신호는 뇌파, 심전도 등은 전기 신호의 예일 수 있다.
댐핑 영역(노이즈 영역)에서 전단 농화(shear thinning) 특성의 비뉴턴유체 (non-Newtonian fluid) 특성을 가지는 점성고분자가 키토산이며, 댐핑 영역(노이즈 영역)에서 졸 상을 가지는 졸-겔 상전이 특성을 보이는 하이드로젤은 젤라틴인 경우, 댐핑 주파수 대역(50 Hz 이하)에서, 주파수에 대한 탄젠트 델타 값(tan delta value)이 4 이상인 특징이 있다.
주파수에 대한 탄젠트 델타 값은 주파수에 대한 덴젠트 델타 값의 기울기이며, 본 발명에서는 선택도(selectivity)로 명명한다. 이는 DMA 로 측정한 Tan delta 를 frequency 에 따른 기울기로 구할 수 있다. 작은 주파수 변화에도 높은 덴젠트 델타 값을 보임을 뜻하며, 이는 댐핑 주파수를 전후로 높은 주파수 선택도를 보임을 의미한다. 즉, 두개의 다른 주파수를 가진 신호가 들어왔을 때 더 높은 선택도를 보여준다. 다른 하이드로젤 또는 점탄성 소재들이 통상 3 이하의 값을 보임에 비해, 본 발명의 하이드로젤은 최대 15의 선택도 값을 가짐을 특징으로하며, 선택적 주파수 신호 댐퍼로서 우수한 성능을 보이며, 신호를 구분할 수 있는 센서로서 높은 성능을 보인다.
상기 젤라틴은 상기 키토산 100중량부에 20 내지 500 중량부임을 특징으로 한다. 이 범위의 조성비에서, 본 발명의 댐퍼는 5 이상의 높은 선택도 값을 보여준다.
본 발명의 댐퍼는 50℃ 이하의 온도에서, 50Hz 이하의 물리적 신호를 선택적 댐핑한다. 특히, 상온(25도)에서는 1Hz 이하의 물리적 신호를 선택적으로 댐핑한다. 본 발명의 댐퍼는 사람의 움직임과 같은 낮은 주파수 대역의 신호를 댐핑하여, 생체신호를 측정하는 장치에서 사람의 움직임에 따른 노이즈 신호를 제거하여 측정 대상 주파수를 질을 높일 수 있다.
다른 측면으로서, 본 발명은 상기의 주파수 선택적 신호 댐퍼를 포함하는, 생체신호 측정용 전극을 제공한다. 상기 생체신호는, 심박수, 뇌파, 심전도, 맥박 또는 목소리일 수 있다.
다른 측면으로서, 본 발명은 상기 주파수 선택적 신호 댐퍼를 포함하는, 신호 구분 센서를 제공한다.
다른 측면으로서, 본 발명은 진동 센서와 함께, 상기 주파수 선택적 신호 댐퍼가 댐퍼로서 활용된 진동 측정 장치는 제공한다. 진동 측정 장치는 상기 진동 측정 센서의 일면 또는 양면에 적층된 상기의 주파수 선택적 신호 댐퍼를 포함한다.
상기 진동 측정 센서는, 기판 및 상기 기판 상에 위치되고, 크랙을 포함한 전도성층을 포함하고, 상기 전도성층은 서로 마주하면서 적어도 일부 면이 서로 접촉하고 있는 크랙면을 갖고, 외부 물리적 자극에 따라 상기 크랙면이 이동하면서 접촉면적이 변화하거나 단락 혹은 재접촉 되면서 전기적 저항이 변화하게 되고 이 변화를 측정함으로써 외부 자극을 측정하는 센서일 수 있다.
본 발명은 댐핑 대역에서 매우 높은 선택도를 가지고, 높은 신호대잡음비를 가진 주파수 선택적 댐핑 소재를 제공한다.
도 1은, 본 발명의 선택도(Selectivity)에서 주파수에 따른 탄젠트 델타 값의 기울기의 계산을 예시하기 위한, 그래프의 예시이다.
도 2 본 발명의 실시예1의 하이드로젤(Chitosan+Gelatin)과, 다른 재료들의 각 재료의 댐핑 주파수 대역에서의 선택도 값들의 막대 그래프이다.
도 3은, 본 발명의 실시예 1 내지 3의 선택도 값을 보여준다.
도 4는 본 발명의 실시예 1의 하이드로젤 위에 진동 센서를 올려놓고, 400Hz와 50Hz의 물리적 진동을 가했을 때 신호대잡음비 결과이다.
도 5는 본 발명의 실시예 1의 하이드로젤과 대조군으로 PDMS의 진동이 통과했을 때의 투과된 크기(amplitude) 값을 측정한 결과이다.
도 6은, 본 발명의 댐퍼가 다른 진동 센서와 함께 댐퍼로 사용되는 것을 예시하는 진동 측정 장치를 예시한다.
도 2 본 발명의 실시예1의 하이드로젤(Chitosan+Gelatin)과, 다른 재료들의 각 재료의 댐핑 주파수 대역에서의 선택도 값들의 막대 그래프이다.
도 3은, 본 발명의 실시예 1 내지 3의 선택도 값을 보여준다.
도 4는 본 발명의 실시예 1의 하이드로젤 위에 진동 센서를 올려놓고, 400Hz와 50Hz의 물리적 진동을 가했을 때 신호대잡음비 결과이다.
도 5는 본 발명의 실시예 1의 하이드로젤과 대조군으로 PDMS의 진동이 통과했을 때의 투과된 크기(amplitude) 값을 측정한 결과이다.
도 6은, 본 발명의 댐퍼가 다른 진동 센서와 함께 댐퍼로 사용되는 것을 예시하는 진동 측정 장치를 예시한다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대해 상세히 설명한다. 본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로서 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 단계, 동작, 구성요소, 부분품 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 기술분야에서 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.
본 발명의 하이드로젤은, 주파수 대역에 따라 졸-겔 전이를 보이며 비뉴턴 유체 거동을 보이는 고분자를 포함하는 하이드로젤이다. 예를 들어, 졸-겔 전이를 보이는 하이드로젤은 젤라틴이며, 비뉴턴 유체 거동을 보이는 고분자는 키토산이다.
본 발명의 하이드로젤은, 기존의 물리적 신호의 선택적인 댐핑이 불가능하거나 매우 회로 등의 복잡한 공정을 거쳤던 단점을 해결할 수 있는 선택적 댐핑이 가능하다.
본 발명의 하이드로젤의 선택적 댐핑은 비뉴턴 성질인 전단농화(shear thickening) 및 전단 담화(shear thinning) 성질을 응용하여 댐핑이 물리적 진동 신호의 주파수에 따라 달라지는 특성을 응용한 것으로서, 노이즈 대역(50Hz 이하)에서 전단 농화하다고 알려진 키토산과, 신호 대역(50Hz 이상)에서 노이즈 졸에서 젤로의 상전이를 갖는 젤라틴에 기초하여, 노이즈 대역(50Hz 이하)에서는 전단 농화 및 졸 상에 따른 댐핑이 일어나고, 신호대역에서는 전단 담화와 젤 상에 따른 신호 투과되는 원리에 기초한 것이다.
본 발명의 하이드로젤은 온도를 조절하여 댐핑폭을 조절할 수 있는 장점이 있다. 특히, 전단 농화 한 특성에서는 상대적으로 높은 주파수에서 댐핑되는 특성을, 전단 담화한 특성에서는 상대적으로 높은 주파수에서 투과되는 특성을 이용하였다.
본 발명은 선택적 신호의 댐핑을 재료적인 관점에서 점탄성 특성과 하이드로젤의 전이 특성을 이용하여 해결하였다. 점탄성 특성은 시간에 관한 기계적 특성이므로 이를 정의할 수 있는 시간 요소 중 스트레스가 복구되는 시간인 완화시간(Relaxation time)이 댐핑 대역의 폭을 결정하고 저장 탄성률(Storage modulus)와 손실 탄성율(Loss modulus)의 비인 탄젠트 델타 가 댐핑의 폭을 결정한다. 이는 외부 진동의 주기에 해당하는 시간과 완화 시간의 비를 데버러 수(Deborah number)로 정의할 수 있으며 이 데버러 수가 1보다 작거나 큰지에 따라서 거시적으로 재료가 점성인지 탄성인지를 결정할 수 있고 즉, 댐핑이 일어나거나 일어나지 않음을 결정하는 척도로 볼 수 있다. 선택도가 높으면 더버러 수가 1을 기점으로 댐핑이 일어나는 주파수와 일어나지 않는 주파수에서의 흡음 특성이 차이나므로 선택도가 높은 것이 명확하게 특정 주파수에서의 댐핑을 가능하게 한다.
추가적으로 온도에 따라서 완화 시간 이 급격하게 바뀜에 따라 댐핑 밴드도 급격하게 바뀐다. 하이드로젤의 사슬의 높은 확산계수로 인해 본 발명의 하이드로젤에 높은 확산 계수를 제공하게 되고, 이것이 주파수나 온도에 따른 완화 시간 의 급격한 변화를 유도하는 것으로 판단된다.
다음과 같이, 본 발명의 젤라틴/키토산 하이드로젤을 제조하였다.
키토산 분말(Sigma-Aldrich)을 2중량%의 아세트산 용액(Samchun)에 하루 동안 용해시켜 4중량%의 키토산 용액을 준비하였다. 수산화 나트륨 용액으로 용액의 내부 pH를 5-6으로 조절하였다.
돼지 피부로부터의 젤라틴(G2500; Sigma-Aldrich)과 탈이온수로 10중량% 젤라틴 용액을 제조하였다.
상기 두 용액을 젤라틴 대 키토산의 질량 비율이 2:1로 혼합하고 추가 증류수로 농도를 5중량%로 조정하였고, 혼합 용액을 50℃에서 3 시간 동안 교반 하였다.
실시예1의 방법에서, 젤라틴 대 키토산의 비율을 5:1로 하여 본 발명의 하이드로젤을 제조하였다.
실시예1의 방법에서, 젤라틴 대 키토산의 비율을 1:5 (0.2:1)로 하여 본 발명의 하이드로젤을 제조하였다.
이하, 상기 실시예를 통해 제조된 본 발명의 하이드로젤과 대조군으로서 다른 하이드로젤 및 점탄성 소재와의 선택도 값을 통해, 본 발명의 우수한 특성을 설명한다.
선택도(Selectivity)는 주파수에 대한 탄젠트 델타 값으로 정의한다. 선택도는 주파수에 대한 덴젠트 델타 값의 기울기이다. 이는 Dynamic mechanical analysis (DMA) 장비를 이용하여 주파수 자극에 따른 Tan delta 값을 측정한 후에, 도 1에서와 같이 주파수에 따른 기울기를 계산한 값이다.
도 2는 본 발명의 실시예1의 하이드로젤(Chitosan+Gelatin)과, 다른 재료들의 각 재료의 댐핑 주파수 대역에서의 선택도 값들의 막대그래프이다. 실시예1의 하이드로젤은 다른 하이드로젤 및 점탄성 소재에 비해 월등한 값을 가집니다. 이는 실시예 1의 하이드로젤의 내부의 많은 점성 결합(i.e. 수소결합) 등을 가짐과 동시에 물의 이동성으로 인한 급격한 완화 시간의 변화로 높은 에너지흡수율과 높은 선택도를 보임으로 댐퍼로서의 성능이 우수함을 보여준다.
도 3은, 본 발명의 실시예 1 내지 3의 선택도 값을 보여준다. 본 발명의 하이드로젤의 두 성분인 키토산과 젤라틴의 조성비에 따라 선택도 값이 달라지지만, 젤라틴이 상기 키토산 100중량부에 20 내지 500 중량부로 포함되는 경우, 매우 높은 선택도 값이 4 이상을 보여준다.
실시예 1의 하이드로젤 위에 진동 센서를 올려놓고, 50℃ 온도에서의 400Hz와 50Hz의 물리적 진동을 가했을 때 선택적 흡음이 가능한지 확인하였다. 이의 결과를 도 4를 통해 확인할 수 있다. PDMS 센서(도 4의 오른쪽 막대그래프의 Normal)에 비해서 실시예1의 하이드로젤(도 4의 오른쪽 막대그래프의 Hydrogel) 위에 올려 두었을 때 신호대잡음비가 2배 이상 오른 것을 확인할 수 있다.
실시예 1의 하이드로젤과 대조군으로 PDMS의 진동이 통과했을 때의 투과된 크기(amplitude) 값을 측정한 결과를 도 5에 제시하였다. 도 5에서 회색 값은 PDMS의 결과이며, 색이 있는 값은 본 발명의 하이드로젤의 값이다. PDMS의 경우 온도에 무관하게 100 Hz 이하의 진동을 댐핑하지 못하였다. 그러나 본 발명은 상온에서는 5Hz의 낮은 주파수 대역을 댐핑 함을 보여주고, 45도이하에서는 25Hz 이하의 주파수 대역을 완전히 댐핑함을 보여준다.
본 발명의 댐퍼는 직접 신호를 선택적으로 측정하는 센서로 활용될 수도 있고, 도 5에와 같이 다른 센서와 함께 댐퍼로서 활용될 수 있다. 예를 들어, 통상의 진동 센서와 함께 활용되어 생체 내의 음파, 맥박, 심박수와 같은 신호를 측정하는데 활용될 수 있다. 도 5는, 진동 등을 측정할 수 있는 센서(도 6의 sensor)의 일면 또는 양면에 본 발명의 하이드로젤 댐퍼가 적층된 형태의 생체 신호 측정 수단을 예시한다.
도 6에서 예시된 신호 측정 수단에서 센서는 전기신호에 의한 센서일 수 있고, 예를 들어 본 발명의 한국 등록 특허(10-2104944 및 10-2044152)의 크랙 센서일 수 있다.
Claims (14)
- 댐핑 영역(노이즈 영역)에서 전단 농화(shear thinning) 특성을 가지는 키토산, 및
댐핑 영역(노이즈 영역)에서 졸 상을 가지는 젤라틴을 포함하는, 하이드로겔을 포함하는,
주파수 선택적 신호 댐퍼. - 삭제
- 삭제
- 삭제
- 삭제
- 제1항에 있어서,
댐핑 주파수 대역에서, 주파수에 대한 탄젠트 델타 값(tan delta value)이 4 이상인,
주파수 선택적 신호 댐퍼. - 제6항에 있어서,
상기 젤라틴은 상기 키토산 100중량부에 20 내지 500 중량부인,
주파수 선택적 신호 댐퍼. - 제1항에 있어서,
50℃ 이하의 온도에서, 50Hz 이하의 물리적 신호를 선택적 댐핑하는,
주파수 선택적 신호 댐퍼. - 제1항의 주파수 선택적 신호 댐퍼를 포함하는, 생체신호 측정용 전극.
- 제9항에 있어서,
상기 생체신호는, 심박수, 뇌파, 심전도, 맥박 또는 목소리인, 생체신호 측정용 전극. - 제1항의 주파수 선택적 신호 댐퍼를 포함하는, 신호 구분 센서.
- 제11항에 있어서,
상기 신호 구분 센서는 패스필터 또는 스탑 필터인, 신호 구분 센서. - 진동 측정 센서;
상기 측정 센서의 일면 또는 양면에 적층된 제1항의 주파수 선택적 신호 댐퍼를 포함하는,
진동 측정 장치. - 제13항에 있어서,
상기 진동 측정 센서는,
기판 및
상기 기판 상에 위치되고, 크랙을 포함한 전도성층을 포함하고,
상기 전도성층은 서로 마주하면서 적어도 일부 면이 서로 접촉하고 있는 크랙면을 갖고, 외부 물리적 자극에 따라 상기 크랙면이 이동하면서 접촉면적이 변화하거나 단락 혹은 재접촉 되면서 전기적 저항이 변화하게 되고 이 변화를 측정함으로써 외부 자극을 측정하는 센서인,
진동 측정 장치.
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