KR20180009585A - 마찰전기를 이용한 압력 센서 및 이의 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 외측 필름, 외측 필름에 대향하여 이격되게 배치되는 전도성 전극 및 외측 필름과 전도성 전극 사이에 배치되는 바이오 고분자 필름을 포함하는 압력 센서 및 이의 제조방법에 관한 것으로, 본 발명에 의한 압력 센서는 생체 친화성이고 신축성이 우수한 고분자로 구성된 바이오 고분자 필름을 포함하여 인체에 무해하고, 상시 착용이 가능하다. 또한, 신체 일부에 부착되어 컴퓨터, 의료기기, 사물인터넷 기기 및 스마트폰으로 신호를 보낼 수 있는 압력 감지 시스템에 사용될 수 있다. 또한, 심전도, 근전도, 안구전도, 맥파, 심음, 혈압, 장기내압, 심박수, 심근이완, 맥박, 성문 분석, 관절 이완 감지 시스템 등에서 생체정보전달 소자로서 유용하게 이용될 수 있다.
Description
본 발명은 마찰전기에 의해 발생하는 전기적 신호로 압력을 측정하는 압력 센서에 관한 것이다.
마찰전기는 서로 다른 마찰 대전을 갖는 두 물체의 접촉에 의해 전하가 이동하여 발생하는 전기로서, 마찰전기 나노발전기(Triboelectric Nanogenerator)에 의한 에너지 수확 기술에 이용된다. 에너지 수확 기술이란 진동, 빛, 열, 전자파 등 일상 생활에서 버려지는 에너지를 모아 사용 가능한 전기 에너지로 변환하는 기술을 의미한다. 에너지 수확에 의해 발생하는 에너지는 주변 환경에 존재하는 바람이나 진동, 또는 인간의 움직임으로부터 발생되는 기계적 에너지 등을 전기 에너지로 변환한 새로운 친환경 에너지라 할 수 있다.
일상 생활에서는 마찰에 의해 발생하는 전기가 매우 많이 발생하고 있다. 따라서, 최근에는 인간의 움직임으로부터 소량의 전기를 수확하는 방법으로서 서로 다른 물체가 마찰될 때 발생하는 전자를 포획하는 기술이 연구되고 있다. 임의의 두 물체를 마찰하면 하나의 물체는 양(+)의 전기로, 다른 하나의 물체는 음(-)의 전기로 대전된다. 대전 서열은 두 물체를 마찰하여 상위의 것은 양으로, 하위의 것은 음으로 대전하는 순서로 배열한 물체의 배열이다. 도 1은 고분자 물질의 대전 서열이 표시된 대전열이다. 도 1을 참조하면, 고분자 물질의 마찰에 의한 대전의 양, 음에 대한 서열이 표시되는데, 두 물체를 마찰시킬 때 한쪽은 (+)전기로 다른쪽은 (-)전기로 대전된다. 이것은 전자를 가지려는 힘의 차이, 달리 언급하면, 전자를 내버리려는 힘의 차이가 있기 때문이며, 이러한 힘의 차이는 두 물체의 상대적인 성질에 따라 결정된다.
도 2는 상하 적층된 상부 물체 및 하부 물체 사이에 마찰전기가 발생하는 메커니즘을 개략적으로 도시한 모식도이다. 도 2를 참조하면, 상부 물체 및 하부 물체가 접촉하면 마찰 대전에 의해 각 물체들의 표면이 대전된다. 접촉했던 양 물체들이 분리되면 정전기 유도 현상에 의해 상부 물체 및 하부 물체에 보상 전하가 축적되고, 전하가 균형을 이룰 때까지 외부 전극을 통해 전류가 흐른다. 상부 물체 및 하부 물체가 다시 가까워지면 축적되었던 보상 전하가 사라지고 처음과는 반대 방향으로 전류가 흐르며, 이러한 접촉 및 분리 과정이 반복되어 양 전극간에 지속적으로 교류 전류(alternating current)가 흐르게 된다.
본 발명의 하나의 목적은 인체의 압력 변화에 의해 발생하는 마찰전기의 양전하와 음전하를 최적화하고, 마찰전기를 일으키는 물체의 접촉면 형상을 제어할 수 있는 고감도 압력 센서를 제공하는 데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 생체 정보의 하나인 인체의 압력 변화에 의해 발생되는 전기적 변화를 감지하는 인체 친화성 압력 센서를 제조하는 방법을 제공하는 데 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 압력 센서는 외측 필름, 상기 외측 필름에 대향하여 이격되게 배치되는 전도성 전극, 및 생체고분자 및 탄성체 고분자를 포함하고 상기 외측 필름과 전도성 전극 사이에 배치되는 바이오 고분자 필름을 포함하며, 상기 바이오 고분자 필름 표면과 상기 전도성 전극 표면의 적어도 일부가 상호 접촉하거나 분리될 때 접촉면에서 발생하는 마찰전기에 의해 압력을 감지하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 콜라겐/PDMS 복합체 전극의 제조방법은 콜라겐 및 폴리디메틸실록산(PDMS: polydimethylsiloxane)을 1:7의 질량비율로 혼합하여 혼합액을 제조하는 단계; 및 혼합액에 와이어 동전극(wire copper electrode)을 방사형으로 배치하고 필름으로 경화하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의한 마찰전기를 이용한 압력 센서 시스템은 인체 친화성이고 전기적 효율이 우수한 바이오 소재로 구성된 고분자 필름을 포함하여, 인체 친화적이고, 심미성, 편리성, 항시성, 안정성, 경제성, 생체적합성이 우수할 뿐 아니라 착용감이 뛰어나다. 따라서, 신체 일부에 부착되어 컴퓨터, 의료기기, 사물인터넷 기기 및 스마트폰으로 신호를 보낼 수 있는 압력 감지 시스템에 사용될 수 있다. 또한, 심전도, 근전도, 안구전도, 맥파, 심음, 혈압, 장기내압, 심박수, 심근이완, 맥박, 성문 분석, 관절 이완 감지 시스템 등에 생체정보전달 소자로서 유용하게 이용될 수 있다.
도 1은 고분자 물질의 대전 서열이 표시된 대전열이다.
도 2는 상하 적층된 상부물체 및 하부물체 사이에 마찰전기가 발생하는 메커니즘을 개략적으로 도시한 모식도이다.
도 3은 본 발명에 이용된 압력 센서 모드의 종류를 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 의한 마찰전기를 이용한 바이오 고분자 복합체 압력 센서의 모식도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 의한 콜라겐/PDMS 복합체 전극을 제조하는 과정을 도시한 사진이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 의한 콜라겐/PDMS 복합체 전극의 사진이다.
도 7은 실시예 1에 의한 콜라겐을 추출하는 과정을 도시한 사진이다
도 8은 제조예 1에 의해 제조된 콜라겐/PDMS 복합체 구리전극을 압력 센서로 이용하여 성문 분석 테스트를 진행하는 과정을 도시한 사진이다.
도 9는 제조예 1에 의해 제조된 콜라겐/DMS 복합체 구리전극을 압력 센서로 이용하여 압력에 따른 전압을 측정하는 과정을 도시한 사진이다.
도 10은 제조예 1에 의해 제조된 콜라겐/DMS 복합체 구리전극을 압력 센서로 이용하여 압력에 따른 전압을 측정한 결과를 도시한 그래프이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 의한 압력 센서가 적용된 피부 패치의 단면 모식도이다.
도 2는 상하 적층된 상부물체 및 하부물체 사이에 마찰전기가 발생하는 메커니즘을 개략적으로 도시한 모식도이다.
도 3은 본 발명에 이용된 압력 센서 모드의 종류를 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 의한 마찰전기를 이용한 바이오 고분자 복합체 압력 센서의 모식도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 의한 콜라겐/PDMS 복합체 전극을 제조하는 과정을 도시한 사진이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 의한 콜라겐/PDMS 복합체 전극의 사진이다.
도 7은 실시예 1에 의한 콜라겐을 추출하는 과정을 도시한 사진이다
도 8은 제조예 1에 의해 제조된 콜라겐/PDMS 복합체 구리전극을 압력 센서로 이용하여 성문 분석 테스트를 진행하는 과정을 도시한 사진이다.
도 9는 제조예 1에 의해 제조된 콜라겐/DMS 복합체 구리전극을 압력 센서로 이용하여 압력에 따른 전압을 측정하는 과정을 도시한 사진이다.
도 10은 제조예 1에 의해 제조된 콜라겐/DMS 복합체 구리전극을 압력 센서로 이용하여 압력에 따른 전압을 측정한 결과를 도시한 그래프이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 의한 압력 센서가 적용된 피부 패치의 단면 모식도이다.
이하, 본 발명에 의한 마찰전기를 이용한 압력 센서 및 방법에 대하여 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다. 아래에 예시되는 실시예는 본 발명의 범위를 한정하는 것은 아니며, 본 발명을 이 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 도면에서 동일한 참조부호는 동일한 구성요소를 지칭하며, 각 구성요소의 크기나 두께는 설명의 명료성을 위하여 과장되어 있을 수 있다. 또한, 소정의 물질층이 기판이나 다른 층 상에 존재한다고 설명될 때, 그 물질층은 기판이나 다른 층에 직접 접하면서 존재할 수도 있고, 그 사이에 다른 제3의 층이 존재할 수도 있다. 그리고, 아래의 실시예에서 각 층을 이루는 물질은 예시적인 것이므로, 이외에 다른 물질이 사용될 수도 있다.
도 3은 본 발명에 이용된 생체 정보를 읽는 압력 센서 모드의 종류를 도시한 도면이다. 도 3을 참조하면 본 발명에 의한 마찰전기를 발생시키는 방법으로, 기계적인 힘의 양을 전기적인 신호로 전환시킬 수 있는 버티컬 컨택-분리(vertical contact-separation) 모드 및 하나의 전극을 사용하는 단일 전극(single electrode) 모드를 기반으로 한다.
일반적으로 접촉면의 계면 형상은 마찰 대전에 큰 영향을 주지만 본 발명에 의한 압력 센서는 접촉면의 계면 형상 변화에 영향을 거의 받지 않는 생체고분자로 제조되기 때문에 접촉면의 계면 형상이 일정하게 유지되는 이점이 있다. 즉, 한쪽 전극을 감지 전극으로 사용하는 경우 다른 한쪽 전극은 인체에 접지되어 대전된 전극이 인체와 접촉하거나 분리됨에 따라 전극의 하부로부터 전자가 이동하여 전하 균형이 전체적으로 유지되는 과정에서 전류를 발생시키기 때문에 접촉되는 인체의 움직임에 의해 전극 접촉면의 계면 형상이 변화하지 않는다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 의한 마찰전기를 이용한 바이오 고분자 복합체 압력 센서의 모식도이다. 도 4를 참조하면, 압력 센서(100)는 외측 필름(110), 외측 필름(110)에 대향하여 이격되게 배치되는 전도성 전극(120)과, 상기 외측 필름(110) 및 전도성 전극(120) 사이에 마련되는 바이오 고분자 필름(130)을 포함한다. 상기 바이오 고분자 필름(130)은 생체고분자 및 탄성체 고분자를 포함한다.
신축성 있는 외측 필름(110)이 인체에서 발생하는 압력 및/또는 마찰에 의해 진동 운동 및/또는 병진 운동을 하면 신축성 있는 바이오 고분자 필름(130)에 이러한 진동이 전달되고, 이에 의해 바이오 고분자 필름(130)과 전도성 전극(120)의 적어도 일부 표면은 접촉되었다가 분리되는 과정을 반복하게 된다. 즉, 진동에 의해 바이오 고분자 필름(130)과 전도성 전극(120)의 접촉면끼리 맞닿거나 떨어지는데, 이 때 바이오 고분자 필름(130)과 전도성 전극(120)이 접촉하는 접촉면들에 전기 쌍극자층이 형성되고 전압강하(voltage drop)가 생긴다. 이에 의해, 바이오 고분자 필름(130) 표면이 분극을 일으켜 전도성 전극(120) 표면이 반대전하로 대전되어 마찰전기가 생기거나 전도성 전극(120)의 바깥 표면에 전하가 대전되면 분극현상이 일어나 바이오 고분자 필름(130)에 마찰전기가 발생하여 인체에 전달되는 것이다.
바이오 고분자 필름(130)과 전도성 전극(120) 사이에 이러한 마찰전기가 발생하면 바이오 고분자 필름(130)과 전도성 전극(120) 사이에 마찰전압이 생성된다. 즉, 상기 바이오 고분자 필름(130)과 전도성 전극(120)이 이격된 상태에서 바이오 고분자 필름(130)과 전도성 전극(120) 사이에 마찰이 발생하면 고분자 필름(130)과 전도성 전극(120)이 주기적으로 상호 접촉하거나 분리되어, 바이오 고분자 필름(130)과 전도성 전극(120) 사이에는 전하밀도의 차이가 생기게 되고, 이에 의해 마찰전압이 생성되는 것이다. 생성된 마찰전압은 전도성 전극(120)과 등전위 소스인 외부 탐침(140)에 의해 검출되어 전기적 신호를 출력할 수 있다. 이 때, 외측 필름(110)에서 발생하는 진동 운동 및/또는 병진 운동은 진동(vibration) 형태로 바이오 고분자 필름(130)에 전달될 수 있다. 외측 필름(110)에서 발생하는 진동은 음파(sound waves)의 형태로 바이오 고분자 필름(130)에 전달될 수 있다.
외측 필름(110)이 인체의 기계적인 동작인 압력에 의해 진동 운동 및/또는 병진운동을 하면 신축성 있는 바이오 고분자 필름(130)이 진동을 전달받아 바이오 고분자 필름(130)이 전도성 전극(120)에 붙었다가 떨어지는 운동을 반복적으로 실시하여 마찰전압이 생성되고, 전도성 전극(120)과 연결된 외부 탐침(140)을 통해 마찰전압을 뽑아내어 인체의 기계적인 동작을 감지한다.
본 발명에서, 상기 전도성 전극(120)과 바이오 고분자 필름(130)은 일정한 간격으로 이격되게 마련될 수 있으며, 이 때 이격되는 간격(d)는 0.5mm 내지 1mm 일 수 있으나 반드시 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 바이오 고분자 필름(130)에 포함되는 생체고분자는 콜라겐, 키토산 또는 히알루론산으로 구성된 군으로부터 선택되는 1종 이상일 수 있다.
상기 콜라겐은 인간 피부, 담배 추출물 내 Bornstein and Traub Type 1, Bornstein and Traub Type 1(산용해성), Bornstein and Traub Type 1(재조합형), 인간 폐, 닭 껍질, 닭 흉골 연골, 오리 발, 쥐 꼬리, Bornstein and Traub Type 1, 돼지 껍질, 태반, Bornstein and Traub Type 4, Bornstein and Traub Type 3, 소 아킬레스 건, Sigma®- collagen, Dermobio®- collagen, Meitek technoloogy®- type 2 collagen, Blond cosmetics BV®- pure C collagen, Pure gold collagen®- gold collagen, Hainan huayan biotech®- fish collagen, Wuhan liang zihu aquatic processing®- fish scale collagen, Dezhou yalun import&export®- hydrolysed collagen, Kamedpoland®- marine collagen, Anova-Coll®- type 2 collagen, YK planning®- allantoin&collagen, maghena®- marine collagen, Collagen beauty international®- pure collagen 및 San diego global laser cosmetics®- collagen로 구성된 군으로부터 선택되는 1종 이상일 수 있다.
상기 키토산은 shandong laizhou highly bio-products®- water soluble chitosan, G.T.C. bio corporation®- type 1 chitosan, Pure earth biotechnology®- water soluble chitosan 및 Zhejiang spread non-woven new material®- chitosan nonwoven fabrics로 구성된 군부터 선택되는 1종 이상일 수 있다.
상기 히알루론산은 Special chemicals®- hyaluronic acid, shandong galaxy bio-tec®- hyaluronic acid, Orihonor hongkong®- hyaluronic acid, Rizhao meibonda biological technology®- hyaluronic acid, Institute hyalual switzerlannd®- hyaluronic acid, shandong focuschem biotech®- hyaluronic acid, Qufu gwanglong biochemical factory®- hyaluronic acid, Hangzhou medical products®- hyaluronic acid, Qufu hantank biochemistry®- hyaluronic acid, MV cosmetiques®- hyaluronic acid, Shandong damy biotechnology®- hyaluronic acid, Coschemsupply®- hyaluronic acid, Cosmetic ingredient®- hyaluronic acid, Qufu hantang biotechnology®- hyaluronic acid, Riverpharma®- hyaluronic acid, Qufu liyang biochem industrial®- hyaluronic acid, Guanglong biochemical factory®- hyaluronic acid, Shanghai belle biotechnology®- hyaluronic acid, Gulfex medical supplies®- hyaluronic acid, Shanghai Fanpharma®- hyaluronic acid 및 Qingdao davidson int'l trading®- hyaluronic acid 로 구성된 군으로부터 선택되는 1종 이상일 수 있다.
상기 탄성체 고분자는 폴리우레탄 고분자, 폴리에스터 고분자, 폴리실리콘 고분자, 부타디엔 러버, 클로로프렌 러버, 스티렌부타디엔 러버, 에틸렌프로필렌디엔 러버, 이소프렌 러버, 아크릴로니트릴부타디엔 러버, 폴리아크릴레이트 러버 및 에피크로로히드린 러버로 구성된 군으로부터 선택되는 1종 이상일 수 있다.
상기 전도성 전극(120)은 마찰 기전력을 발생하는 전도성 물질로 구성되며 예를 들면, 니켈, 금, 은, 구리, 알루미늄, 그래핀(graphene), 탄소나노튜브 (CarbonNanoTube, CNT), ITO(Indium Tin Oxide), SHIELDEX®- Yarns, SHIELDEX®- nylon fabrcis, SHIELDEX®- fabrics, SHIELDEX®- TPU spun yarn, SHIELDEX®- waven fabrics, SHIELDEX®- knitted fabrics, SHIELDEX®- non woven fabrics, Nanjing Bright Textiles®- nylon fabrics, stainless steel fiber fabric, Nanjing Bright Textiles®- non woven fabics, 및 Ni, Cu 도금된 폴리에스테르로 구성된 군으로부터 선택되는 1종 이상으로 구성될 수 있다.
상기 외측 필름(110)은 폴리에스테르, 폴리우레탄, 폴리우레탄 고분자, 폴리에스터 고분자, PET 고분자, 폴리실리콘, 폴리실리콘 고분자, 폴리프로필렌, 폴리카프로락톤, Dow corning ®- silicone rubber, FT tec gmbh®- polyester, BECAP STARVIA®- polyurthane, ALLIANCE CAOUTCHOUC®- silicone rubber, R.E.T. REIFF ELASTOMERTECHNIK GMBH®- silicone rubber, A.E.M. SRL DI ROTA &C®- polyethylene phthalate, ERIKS+BAUDOUN-FRANCE®- polypropylene, CIE S.P.A.®- polypropylene, BILGE KAUCUK MAK.YEDEK PARCA SAN®- polyester, CELLOPLAST GD S.R.L.®- polypropylene, EMAC, STENFLEX® SIMECA® A.SCHULMAN GMBH®- polyurthane, CAUCHOS PEDRO ROMERO®- silicone rubber, E.L.B.I®- polyethylene phthalate, ESQUIM S.A.® SMI S.P.A.®- polyester, ALFA POLIMERI SRL®- polypropylene, ADESIV®- polypropylene, LUCULLUS NV POLYMERS®- polyester 및 SADCE TECH®- polyurthane 으로부터 선택되는 1종 이상으로 구성될 수 있다.
본 발명에 의한 압력 센서(100)는 인체 친화성 및 전기적 효율이 우수한 바이오 소재로 고분자 필름(130)을 구성하고 신축성 있는 전도성 전극(120)을 고분자 필름(130)과 미세간격을 두고 부착시켜 제조된 압력 마찰 구조체이다. 압력 센서(100)는 바이오 고분자 필름(130)과 전도성 전극(120) 사이에 발생하는 마찰전압에 의한 전기적 신호를 전도성 전극(120)에서 수용한다. 또한, 이러한 전기적 신호를 외부로 출력하는 외부 소자와 연결가능한 전선(미도시)을 전도성 전극(120)에 포함할 수 있다.
이하, 상기와 같은 구성을 가지는 압력 센서의 제조방법에 대하여 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 의한 콜라겐/PDMS 복합체 전극을 제조하는 과정을 도시한 사진이다. 먼저, 콜라겐과 PDMS를 1:7의 질량비율로 혼합하여 혼합액을 제조한다. 이어서 와이어 동전극을 방사형으로 배치하여 혼합액에 함침하여 필름으로 경화시켜 콜라겐/PDMS 복합체 전극을 제조한다. 도 6은 본 발명의 일 실시예에 의한 생체고분자와 PDMS 복합체를 이용하여 제조한 콜라겐/PDMS 복합체 전극의 사진이다.
본 발명에 의한 상시 착용 가능한 압력 센서는 생체 친화성 및 신축성이 우수한 고분자인 콜라겐, 키토산, 히알루론산 등과 같은 고분자가 공중합된 소재 및 전도성 소재를 이용하여 스트레인 센서(strain sensor)를 형성하고, 바이오 고분자 소재 상부 또는 측부에 서로 다른 유전상수를 갖는 전극을 구성함으로써 인체에 무해하고, 접촉면의 계면 형상 변화에 영향을 받지 않는 웨어러블 전기 소자이다.
상기한 압력 센서(100)는 신체 일부에 부착되어, 웨어러블 자가 동력 터치 시스템(wearable self powering touch system) 또는 내장된 블루투스와 연동하여 컴퓨터, 의료기기, 사물인터넷 기기 및 스마트폰으로 신호를 보낼 수 있는 압력 감지 시스템에 사용될 수 있다. 또한, 생체정보전달 소자로서 심전도, 근전도, 안구전도, 맥파, 심음, 혈압, 활동량, 장기내압, 심박수, 심근이완, 맥박, 성문 분석, 관절 이완 감지 시스템 등에도 다양하게 이용될 수 있다.
이하, 본 발명을 하기에서 구체적인 실시예를 참조하여 상세하게 설명한다. 제시된 실시예는 단지 본 발명을 구체적으로 예시하기 위한 것일 뿐이며, 본 발명의 청구범위를 제한하는 것은 아니다.
<실시예 1: 콜라겐 추출>
도 7은 실시예 1에 의한 Mayne and Zettergren Method를 이용하여 콜라겐을 추출하는 과정을 도시한 사진이다. 먼저 고체 닭껍질 267.69g을 아세트산(acetic acid) 용액 500ml에서 24시간 동안 교반시킨 후 2000rpm에서 20분동안 원심분리 하였다. 6g의 상등액을 덜어내어 NaOH 0.7M 수용액 78g에 담그고, 마찬가지로 103.69g의 껍질을 건져 NaOH 0.7M 수용액 150g에 담그고, 마지막으로 남겨진 용액 158g에 0.7M 수용액 160g을 더하여 48시간 동안 각각 상온에서 교반시켰다. 이후 2000rpm에서 5분동안 원심분리하여 총 2.29g의 콜라겐 가루를 얻었다.
<제조예 1: 콜라겐/PDMS 복합체 구리전극 제조>
PDMS 베이스(base)와 경화제를 상온에서 1:10으로 30분동안 섞어 PDMS 전구체를 제조하였다. 실시예 1에서 추출된 콜라겐과 제조된 PDMS 전구체를 1:7의 질량비율로 상온에서 혼합하여 혼합물을 제조하였다. 이후 구리 및 알루미늄 와이어를 수직 방사형으로 구부리고, 이 와이어 구조체를 제조된 혼합물에 함침시켰다. 이후 진공하 80℃에서 40분동안 필름으로 경화시켜 콜라겐/PDMS 복합체 전극을 제조하였다.
도 8은 제조예 1에 의해 제조된 콜라겐/PDMS 복합체 구리전극을 압력 센서로 이용하여 성문 분석 테스트를 진행하는 과정을 도시한 사진이다. 도 9는 제조예 1에 의해 제조된 콜라겐/DMS 복합체 구리전극을 압력 센서로 이용하여 압력에 따른 전압을 측정하는 과정을 도시한 사진이다. 도 10은 제조예 1에 의해 제조된 콜라겐/DMS 복합체 구리전극을 압력 센서로 이용하여 압력에 따른 전압을 측정한 결과를 도시한 그래프이다.
도 10을 참조하면, PDMS에 구리 와이어를 함침시켜 성문분석을 통한 전압측정을 실행한 경우, -4.34V ~ 4.50V의 전압분포 및 8.84V의 전위가 측정되었지만, PDMS/콜라겐 복합체 필름에 구리와이어를 함침시켜 성문분석을 실행한 경우, -5.64V ~ 5.16V의 전압 분포 및 10.8V의 전위차가 측정되었다. 이를 통해 기존 PDMS의 단일소재로 마찰전기를 이용한 압력센서보다 본 발명에 의한 PDMS/콜라겐 복합체로 압력센서를 구성하는 것이 효율이 우수함을 알 수 있다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 의한 압력 센서가 적용된 피부 패치의 단면 모식도이다. 도 11에 의하면 본 발명에 의한 콜라겐/PDMS 복합체 전극이 피부 패치의 내부에서 압력 센서로 작용하여 인체의 신경근을 전기적으로 자극시키는 것을 알 수 있다. 본 발명에 의한 압력 센서는 착용 가능한 심장 박동 측정 시스템, 착용가능한 맥박 측정 시스템, 블루투스 무선통신용 웨어러블 압력 감지 시스템, 만보계 고분자, 활동량 측정계 고분자, 혈압계 고분자 등 다양한 헬스케어용 웨어러블 압력 감지 시스템 등에 다양하게 적용될 수 있다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 상술한 실시예에 국한되는 것은 아니고, 본 발명의 취지 또는 범위를 벗어나지 않고 본 발명의 구조를 다양하게 변경하고 변형할 수 있다는 사실은 당업자에게 자명할 것이다. 따라서, 본 발명의 보호범위는 첨부한 특허청구범위 및 그와 균등한 범위로 정해져야 할 것이다.
100: 압력 센서 110: 외측 필름
120: 전도성 전극 130: 바이오 고분자 필름
140: 탐침
120: 전도성 전극 130: 바이오 고분자 필름
140: 탐침
Claims (12)
- 외측 필름; 상기 외측 필름에 대향하여 이격되게 배치되는 전도성 전극; 및 생체고분자 및 탄성체 고분자를 포함하고 상기 외측 필름과 전도성 전극 사이에 배치되는 바이오 고분자 필름을 포함하는 압력 센서로서, 상기 압력 센서는 상기 바이오 고분자 필름 표면과 상기 전도성 전극 표면의 적어도 일부가 상호 접촉하거나 분리될 때 접촉면에서 발생하는 마찰전기에 의해 압력을 감지하는 것을 특징으로 하는 압력 센서.
- 제1항에 있어서, 상기 외측 필름에 전달된 외부 압력에 의해 상기 바이오 고분자 필름과 상기 전도성 전극이 상호 접촉하거나 분리되는 것을 특징으로 하는 압력 센서.
- 제2항에 있어서, 상기 외측 필름에 전달된 외부 압력에 의한 진동이 음파(sound waves)의 형태로 상기 바이오 고분자 필름에 전달되는 것을 특징으로 하는 압력 센서.
- 제1항에 있어서, 상기 압력 센서는 상기 전도성 전극과 연결되어 외부 소자로 마찰 전압을 전달하는 탐침을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 압력 센서.
- 제1항에 있어서, 상기 전도성 전극과 바이오 고분자 필름은 일정한 간격으로 이격되며, 이격되는 간격(d)는 0.5 내지 1 mm인 것을 특징으로 하는 압력 센서.
- 제1항에 있어서, 상기 생체고분자는 콜라겐, 키토산 또는 히알루론산인 것을 특징으로 하는 압력 센서.
- 제1항에 있어서, 상기 탄성체 고분자는 폴리우레탄 고분자, 폴리에스터 고분자, 폴리실리콘 고분자, 부타디엔 러버, 클로로프렌 러버, 스티렌부타디엔 러버, 에틸렌프로필렌디엔 러버, 이소프렌 러버, 아크릴로니트릴부타디엔 러버, 폴리아크릴레이트 러버, 에피크로로히드린 러버로 구성된 군으로부터 선택되는 1종 이상인 것을 특징으로 하는 압력 센서.
- 제1항에 있어서, 상기 전도성 전극은 구리와이어 전극, 금 전극 및 니켈 전극으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상인 것을 특징으로 하는 압력 센서.
- 제1항에 있어서, 상기 압력 센서는 상기 전도성 전극에 수용된 전기적 신호를 외부로 출력하는 전선을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 압력 센서.
- 제1항에 있어서, 상기 압력 센서는 내장된 블루투스와 연동하여 컴퓨터, 의료기기, 사물인터넷 기기 또는 스마트폰으로 전기적 신호를 전달하는 것을 특징으로 하는 압력 센서.
- 제1항에 있어서, 상기 압력 센서는 심전도, 근전도, 안구전도, 맥파, 심음, 혈압, 활동량, 장기내압, 심박수, 심근이완, 맥박, 성문 분석 또는 관절 이완을 감지하는 생체정보전달 소자로 이용되는 것을 특징으로 하는 압력 센서.
- 콜라겐을 PDMS와 1:7의 질량비율로 혼합하여 혼합액을 제조하는 단계;
상기 혼합액에 와이어 동전극(wire copper electrode)을 방사형으로 배치하고 필름으로 경화하는 단계를 포함하는 콜라겐/PDMS 복합체 전극의 제조방법.
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| KR101829541B1 (ko) | 2018-02-14 |
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