KR20200037856A - 웨어러블 열전 디바이스 - Google Patents

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KR20200037856A
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thermoelectric
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flexible band
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재용 이
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쓰리엠 이노베이티브 프로퍼티즈 컴파니
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Abstract

웨어러블 열전 디바이스는 착용자의 피부의 다수의 지점에 대한 공간적 및 시간적 냉각/가열을 위해 제공된다. 디바이스는 어레이로서 가요성 밴드에 의해 지지되는 다수의 열전 유닛을 포함한다. 제어 회로가 열전 유닛을 선택적으로 그리고 순차적으로 턴 온 및 턴 오프시키기 위해 스위치 신호를 제공한다.

Description

웨어러블 열전 디바이스
본 개시는 공간적 및 시간적 냉각/가열을 위해 이용될 수 있는 웨어러블 열전 디바이스(wearable thermoelectric device), 및 이를 제조 및 사용하는 방법에 관한 것이다.
웨어러블 디바이스는 다양한 기능을 위해 널리 이용가능하다. 예를 들어, 스마트 손목밴드(smart wristband) 또는 워치(watch)가 활동 추적기(activity tracker)로서 사용될 수 있다.
착용자의 피부의 다수의 지점에 대한 온도를 제어 및 관리함으로써 착용자에게 개인적 편안함을 전달하고자 하는 요구가 있다. 본 개시는 착용자의 피부의 다수의 지점에 대한 공간적 및 시간적 냉각/가열을 위해 이용될 수 있는 웨어러블 열전 디바이스를 제공한다.
일 태양에서, 본 개시는 내측 면 및 내측 면 반대편의 외측 면을 갖는 가요성 밴드(flexible band)를 포함하는 웨어러블 열전 디바이스를 기술한다. 디바이스는 어레이(array)로서 가요성 밴드에 의해 지지되는 복수의 열전 유닛(thermoelectric unit)을 추가로 포함하고, 각각의 열전 유닛은 가요성 밴드의 내측 면 상의 작동 표면(working surface)을 포함한다. 제어 회로가 열전 유닛의 어레이에 전기적으로 접속된다. 제어 회로는 열전 유닛을 선택적으로 그리고 순차적으로 턴 온(turn on) 및 턴 오프(turn off)시키기 위해 열전 유닛의 어레이에 스위치 신호(switch signal)를 제공하도록 구성된다.
다른 태양에서, 본 개시는 웨어러블 열전 디바이스를 포함하는 시스템을 기술한다. 디바이스는 내측 면 및 내측 면 반대편의 외측 면을 갖는 가요성 밴드; 어레이로서 가요성 밴드에 의해 지지되는 복수의 열전 유닛 - 각각의 열전 유닛은 가요성 밴드의 내측 면 상의 작동 표면을 포함함 -; 및 열전 유닛의 어레이에 전기적으로 접속되는 제어 회로를 포함한다. 제어 회로는 열전 유닛을 선택적으로 그리고 순차적으로 턴 온 및 턴 오프시키기 위해 열전 유닛의 어레이에 스위치 신호를 제공하도록 구성된다. 그래픽 사용자 인터페이스(graphical user interface, GUI)가 프로세서에 의해 실행되고, 사용자로부터 명령어를 수신하고 명령어를 디바이스의 제어 회로로 송신하도록 구성된다.
다른 태양에서, 본 개시는 어레이로서 가요성 밴드에 의해 지지되는 복수의 열전 유닛을 제공하는 단계를 포함하는 방법을 기술한다. 각각의 열전 유닛은 가요성 밴드의 내측 면 상의 작동 표면을 포함한다. 방법은 열전 유닛을 선택적으로 그리고 순차적으로 턴 온 및 턴 오프시키기 위해, 제어 회로를 통해, 열전 유닛의 어레이에 스위치 신호를 제공하는 단계를 추가로 포함한다.
본 개시의 예시적인 실시예에서 다양한 예상 밖의 결과 및 이점이 얻어진다. 본 개시의 예시적인 실시예의 하나의 그러한 이점은 본 명세서에 기술된 웨어러블 열전 디바이스가 착용자의 피부의 다수의 지점 상에 다양한 냉각/가열 경로/패턴을 제공할 수 있다는 것이다. 웨어러블 열전 디바이스의 성능은 착용자에 의해 수동으로 제어되거나 지정된 착용자에게 자동으로 맞춤화될 수 있다.
본 개시의 예시적인 실시예의 다양한 태양 및 이점이 요약되었다. 위의 요약은 본 개시의 각각의 예시된 실시예 또는 본 소정의 예시적인 실시예의 모든 구현예를 기술하도록 의도된 것은 아니다. 하기의 도면 및 상세한 설명은 본 명세서에 개시된 원리를 사용하는 소정의 바람직한 실시예를 더욱 특정하게 예시한다.
본 개시는 첨부 도면과 관련하여 본 개시의 다양한 실시예의 하기의 상세한 설명을 고려하여 더욱 완전히 이해될 수 있다.
도 1은 일 실시예에 따른, 웨어러블 열전 디바이스의 측면 사시도.
도 2a는 일 실시예에 따른, 웨어러블 열전 디바이스의 개략도.
도 2b는 일 실시예에 따른, 웨어러블 열전 디바이스의 일부분의 개략도.
도 3a는 일 실시예에 따른, 웨어러블 열전 디바이스의 평면도.
도 3b는 도 3a의 웨어러블 열전 디바이스의 단면도.
도 4는 일부 실시예에 따른, 웨어러블 열전 디바이스의 냉각/가열 경로의 개략도.
도 5는 일 실시예에 따른, 모바일 디바이스(mobile device)에 무선으로 접속되는 웨어러블 열전 디바이스의 개략도.
도 6은 일 실시예에 따른, 사용자로부터 명령어를 수신하고 웨어러블 열전 디바이스를 제어하기 위한 그래픽 사용자 인터페이스(GUI)의 예시적인 스크린샷.
도 7a는 일 실시예에 따른, 도 6의 GUI의 일부분의 예시적인 스크린샷.
도 7b는 다른 실시예에 따른, 도 6의 GUI의 일부분의 예시적인 스크린샷.
도 7c는 다른 실시예에 따른, 도 6의 GUI의 일부분의 예시적인 스크린샷.
도 8a는 일 실시예에 따른, 웨어러블 열전 디바이스를 위해 제공되는 GUI의 일부분을 예시하는 도면.
도 8b는 다른 실시예에 따른, 웨어러블 열전 디바이스를 위해 제공되는 GUI의 일부분을 예시하는 도면.
도 8c는 다른 실시예에 따른, 웨어러블 열전 디바이스를 위해 제공되는 GUI의 일부분을 예시하는 도면.
도 8d는 다른 실시예에 따른, 웨어러블 열전 디바이스를 위해 제공되는 GUI의 일부분을 예시하는 도면.
도 8e는 다른 실시예에 따른, 웨어러블 열전 디바이스를 위해 제공되는 GUI의 일부분을 예시하는 도면.
도 8f는 다른 실시예에 따른, 웨어러블 열전 디바이스를 위해 제공되는 GUI의 일부분을 예시하는 도면.
도 8g는 다른 실시예에 따른, 웨어러블 열전 디바이스를 위해 제공되는 GUI의 일부분을 예시하는 도면.
도면에서, 유사한 도면 부호는 유사한 요소를 지시한다. 축척대로 도시된 것이 아닐 수 있는 전술된 도면이 본 개시의 다양한 실시예를 제시하지만, 상세한 설명에 언급된 바와 같이, 다른 실시예가 또한 고려된다. 모든 경우에, 본 개시는 현재 개시되는 개시 내용을 명백한 제한으로서가 아니라 예시적인 실시예의 표현으로서 기술한다. 본 개시의 범주 및 사상에 속하는 많은 다른 변형 및 실시예가 당업자에 의해 고안될 수 있는 것이 이해되어야 한다.
본 개시는 착용자의 피부의 다수의 지점에 대한 공간적 및 시간적 냉각/가열을 위해 이용될 수 있는 웨어러블 열전 디바이스를 제공한다. 습도, 고온, 강한 직사 일광, 실내 공조, 땀 등과 같은, 주변 환경으로 인해 사람이 불편하게 느낄 수 있는 많은 원인이 있다. 본 명세서에 기술된 웨어러블 열전 디바이스는 착용자의 피부 상의 다수의 지점, 예를 들어 손목 부위에 대한 온도를 제어 및 관리함으로써 착용자에게 개인적 편안함을 전달할 수 있다. 본 명세서에 기술된 디바이스 및 방법은 예를 들어 손목, 팔, 이마, 귀 아래의 부위 등과 같은 다양한 위치에 광범위하게 적용될 수 있다. 본 명세서에 기술된 디바이스 및 방법은 단독으로 또는 다양한 개인 안전 제품과 함께 적용될 수 있다.
도 1은 일 실시예에 따른, 웨어러블 열전 디바이스(100)의 측면 사시도이다. 웨어러블 열전 디바이스(100)는 내측 면(12) 및 내측 면(12) 반대편의 외측 면(14)을 갖는 가요성 밴드(10)를 포함한다. 웨어러블 열전 디바이스(100)가 착용자 상에 배치될 때, 내측 면(12)은 착용자의 피부와 직접 접촉할 수 있고 외측 면(14)은 공기에 노출될 수 있다.
열전 유닛(20a)의 어레이(20)가 가요성 밴드(10)에 의해 지지된다. 각각의 열전 유닛(20a)은 가요성 밴드(10)의 내측 면(12) 상의 작동 표면을 포함한다. 웨어러블 열전 디바이스(100)가 착용자의 신체 상에 착용될 때, 열전 유닛(20a)의 작동 표면은 착용자의 신체 상의 다수의 지점에 직접 접촉하거나 매우 근접할 수 있다. 가요성 밴드가 예를 들어 손목, 팔, 이마, 귀 아래의 부위 등과 같은 다양한 신체 위치에 대한 응용에 따라 구성되거나 형상화되거나 구조화될 수 있는 것이 이해되어야 한다.
디바이스(100)는 가요성 밴드(10)에 의해 지지되는 제어 회로(30)를 추가로 포함한다. 제어 회로(30)는 열전 유닛(20a)의 어레이(20)에 전기적으로 접속된다. 제어 회로(30)는 열전 유닛(20a)을 선택적으로 그리고 순차적으로 턴 온 및 턴 오프시키기 위해 열전 유닛(20a)의 어레이(20)에 스위치 신호를 제공하도록 구성된다.
도 1에 도시된 바와 같은 웨어러블 열전 디바이스(100)는 가요성 손목밴드이다. 가요성 밴드(10)는 예를 들어 직조 천, 부직 천, 중합체 재료 등과 같은 임의의 적합한 가요성 재료로 제조될 수 있다. 열전 유닛(20a)의 작동 표면이 착용자의 신체 표면에 대항하여 가압될 수 있도록 가요성 밴드(10)의 대향하는 단부들을 연결하는 기계식 클립(mechanical clip)(40)이 제공된다.
도 2a는 일 실시예에 따른, 열전 유닛(20a)의 어레이(20)를 제어하기 위한 제어 회로(30)의 개략도를 예시한다. 제어 회로(30)는 열전 유닛(20a)에 전기적으로 접속되는 스위치(30a)의 어레이를 포함하고, 마이크로프로세서(32)가 스위치(30a)에 전기적으로 접속된다. 마이크로프로세서(32)는 열전 유닛(20a)을 선택적으로 그리고 순차적으로 턴 온 및 턴 오프시키기 위해 제어 신호를 생성하여 스위치(30a)의 어레이로 송신할 수 있다.
도 2a의 도시된 실시예에서, 스위치(30a)는 대응하는 열전 유닛(20a)을 제어하도록 병렬로 접속된다. 일부 실시예에서, 스위치(30a)는 마이크로프로세서(32)로부터 제어 신호를 동시에 수신할 수 있다. 제어 신호는 일련의 "온" 및 "오프" 신호를 포함할 수 있다. 스위치에 의해 수신된 제어 신호가 "온" 신호일 때, 대응하는 열전 유닛은 턴 온될 수 있고; 스위치에 의해 수신된 제어 신호가 "오프" 신호일 때, 대응하는 열전 유닛은 턴 오프될 수 있다. 이러한 방식으로, 마이크로프로세서(32)는 열전 유닛(20a)을 선택적으로 그리고 순차적으로 턴 온 및 턴 오프시키기 위해 스위치(30a)로 다양한 "온" 및 "오프" 신호를 송신할 수 있다.
도 2b의 도시된 실시예에서, 마이크로프로세서(32)는 전원(5)에 의해 전력공급되는 열전 유닛(20a)을 선택적으로 그리고 순차적으로 턴 온 및 턴 오프시키기 위해 순차 펄스 신호(sequential pulse signal)(34)를 생성할 수 있다. 펄스 신호(34)는 열전 유닛 중 하나 이상을 선택적으로 턴 온시키고 시간 주기 T 후에 그러한 하나 이상의 열전 유닛을 턴 오프시킬 수 있다. 예를 들어, 시간 t1에서, 마이크로프로세서(32)는 스위치 s1으로 펄스 신호를 송신하여 스위치 s1에 접속된 열전 유닛 u1을 턴 온시키고 시간 주기 T 후에 열전 유닛 u1을 턴 오프시킬 수 있고; 시간 t2에서, 마이크로프로세서(32)는 스위치 s2로 펄스 신호를 송신하여 스위치 s2에 접속된 열전 유닛 u2를 턴 온시키고 시간 주기 T 후에 열전 유닛 u2를 턴 오프시킬 수 있고; 시간 t3에서, 마이크로프로세서(32)는 스위치 s3로 펄스 신호를 송신하여 스위치 s3에 접속된 열전 유닛 u3를 턴 온시키고 시간 주기 T 후에 열전 유닛 u3를 턴 오프시킬 수 있고; 시간 tn에서, 마이크로프로세서(32)는 스위치 sn으로 펄스 신호를 송신하여 스위치 sn에 접속된 열전 유닛 un을 턴 온시키고 시간 주기 T 후에 열전 유닛 un을 턴 오프시킬 수 있다. "온/오프" 신호(예컨대, 펄스 신호)가 다수의 스위치로 동시에 송신되어 대응하는 열전 유닛을 턴 온/오프시킬 수 있는 것이 이해되어야 한다. 시간 주기 T가 가변적일 수 있는 것이 또한 이해되어야 한다. 시간 주기 T는 또한, 제어 회로(30)를 통해, 상이한 열전 유닛에 대해 그리고/또는 상이한 시간에 동일하거나 상이하도록 제어될 수 있다.
도 2b의 제어 회로(30')는 스위치로서 트랜지스터(transistor)(30a')를 포함한다. 트랜지스터 이외의 임의의 적합한 스위치가 열전 유닛(20a)을 턴 온 및 턴 오프시키는 데 사용될 수 있는 것이 이해되어야 한다. 마이크로프로세서(32)가 열전 유닛(20a)을 선택적으로 그리고 순차적으로 턴 온/오프시키도록 스위치를 제어하기 위해 펄스 신호(34) 이외의 임의의 적합한 제어 신호를 생성할 수 있는 것이 또한 이해되어야 한다.
도 3a는 일 실시예에 따른, 웨어러블 열전 디바이스(300)의 부분 평면도를 예시한다. 도 3b는 웨어러블 열전 디바이스(300)의 단면도를 예시한다. 웨어러블 열전 디바이스(300)는 가요성 밴드(10) 및 가요성 밴드(10)에 의해 지지되는 열전 유닛(20a)의 어레이를 포함한다. 열전 유닛(20a)은 각각 하나 이상의 열전 p-n 접합부(thermoelectric p-n junction)(21)를 포함한다. 일부 실시예에서, 열전 p-n 접합부(21)는 열전 회로를 형성하도록 n-형 및 p-형 열전 칩(thermoelectric chip)의 어레이를 전기적으로 접속시킴으로써 형성될 수 있다. 열전 칩은 가요성 밴드(10)에 연결되는 가요성 기판(27)에 의해 지지될 수 있다. 일부 실시예에서, 가요성 기판(27)은 림(rim)을 따라 가요성 밴드(10)에 스티칭되거나(stitched) 접착될(glued) 수 있다. 예시적인 가요성 열전 유닛 또는 모듈 및 열전 유닛 또는 모듈을 제조하는 방법이 본 명세서에 참고로 포함되는 PCT/US2017/038690호(리(Lee) 등)에 기술되어 있다.
도 3b의 도시된 실시예에서, 각각의 열전 유닛(20a)은 n-형 및 p-형 열전 칩의 어레이를 포함한다. 칩의 각각의 단부는 열전 회로(예컨대, 열전 p-n 접합부(21))를 형성하도록 전극(23, 25)에 의해 전기적으로 접속된다. 열전 회로 내에서 전류 흐름이 있을 때, 열전 유닛(20a)의 서로 반대편에 있는 표면들(22, 24) 사이의 온도차가 열 흐름(heat flow)(26)을 통해 발생될 수 있다.
웨어러블 열전 디바이스(300)는 대상 표면(3)(예컨대, 사람 피부) 상에 배치될 수 있고, 이때 내측 면(12)은 대상 표면(3)을 향한다. 열전 유닛(20a)의 작동 표면(22)은 대상 표면(3) 상의 다수의 지점과 직접 접촉하거나 매우 근접할 수 있다. 일부 실시예에서, 열전 유닛(20a)의 작동 표면(22)은 예를 들어 약 5 ㎟ 내지 약 10 ㎠, 약 10 ㎟ 내지 약 10 ㎠, 또는 약 25 ㎟ 내지 약 5 ㎠ 범위 내의 접촉 면적을 가질 수 있다. 인접한 열전 유닛들(20a) 사이의 거리는 예를 들어 약 1 mm 내지 약 10 cm, 약 2 mm 내지 약 5 cm, 또는 약 5 mm 내지 약 2 cm 범위 내에 있을 수 있다. 열전 유닛(20a)과 접촉하는 대상 표면(3) 상의 다수의 지점은 서로 분리된 개별적인 것일 수 있다.
도시된 실시예에서, 작동 표면(22)은 각각 냉각 표면(cooling surface)이고, 열전 유닛(20a)은 각각의 냉각 표면(22)으로부터 가요성 밴드(10)의 외측 면(14) 상의 그의 고온 표면(hot surface)(24)으로의 열 흐름(26)을 허용하도록 각각 구성된다. 일부 실시예에서, 작동 표면(22)이 가열 표면일 수 있고 외측 표면(24)이 냉각 표면일 수 있고; 일부 실시예에서, 일부 열전 유닛(20a)의 작동 표면(22)이 냉각 표면일 수 있고 다른 열전 유닛(20a)의 작동 표면(22)이 가열 표면일 수 있는 것이 이해되어야 한다. 대상 표면(3) 상의 다수의 지점을 냉각 또는 가열하기 위한 열전 유닛(20a)의 배열은 원하는 응용에 좌우될 수 있다.
선택적으로, 열 전도성 층(29a)이 작동 표면(22)과 대상 표면(3) 사이에 배치되어 이들 사이의 열 교환을 촉진할 수 있다. 열 전도성 층(29a)은 예를 들어 탄소 나노튜브(Carbon Nanotube, CNT)-기반 복합재와 같은 임의의 적합한 열 전도성 재료를 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 열 전도성 층(29a)은 피부와 접촉하게 될 비-접착성 열 전도성 표면을 포함할 수 있다. 열 전도성 층(29a)은 쓰리엠 컴퍼니(3M Company)(미국 미네소타주 세인트 폴)로부터 구매가능한, 열 전도성 아크릴 인터페이스 패드, 또는 열 전도성 실리콘 인터페이스 패드를 포함할 수 있다.
고온/냉각 표면(24)은 열 교환을 위해 공기에 노출된다. 일부 실시예에서, 웨어러블 열전 디바이스(300)는 열전 유닛(20a)의 고온 표면(24) 상에 배치되는 선택적인 열 전도성 층(29b)을 포함할 수 있다. 선택적인 열 전도성 층(29b)은 예를 들어 금속 유기 골격체(Metal Organic Framework, MOF)를 가진 초흡수성 중합체(Super Absorbent Polymer, SAP)를 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 열 전도성 층(29b)은 예를 들어 쓰리엠 컴퍼니(미국 미네소타주 세인트 폴)로부터 구매가능한 열 전도성 열 확산 테이프와 같은 열 확산 층을 포함할 수 있다.
본 명세서에 기술된 웨어러블 열전 디바이스는 공간적 및 시간적 냉각/가열을 위해 대상 표면의 다수의 지점 상에 다양한 냉각/가열 경로/패턴을 형성하도록 그의 열전 유닛을 선택적으로 그리고 순차적으로 턴 온 및 턴 오프시킬 수 있다. 도 4는 일부 실시예에 따른, 웨어러블 열전 디바이스(300)의 예시적인 냉각/가열 경로(41, 42)의 개략도를 예시한다. 냉각/가열 경로(41)에서, 열전 유닛(20a)은 u1 온 및 오프, u2 온 및 오프, u3 온 및 오프, u4 온 및 오프, u8 온 및 오프, u7 온 및 오프, u6 온 및 오프, 및 u5 온 및 오프의 순서로 순차적으로 턴 온 및 오프된다. 냉각 경로(42)에서, 제1 및 제2 열 내의 열전 유닛(20a)은 u1 온 및 오프, u5 온 및 오프, u6 온 및 오프, u2 온 및 오프, u3 온 및 오프, u7 온 및 오프, u6 온 및 오프, 및 u4 온 및 오프의 순서로 순차적으로 턴 온 및 턴 오프된다.
본 명세서에 기술된 냉각/가열 경로/패턴은 열전 유닛의 온/오프 상태의 시간 및 공간적 분배를 지칭할 수 있다. 다양한 냉각/가열 경로/패턴이 열전 유닛에 스위치 신호를 제공하는 제어 회로를 통해, 열전 유닛을 선택적으로 그리고 순차적으로 턴 온 및 턴 오프시킴으로써 형성될 수 있는 것이 이해되어야 한다. 도 4의 실시예에서, 열전 유닛은 하나씩 순차적으로 턴 온 및 오프된다. 다수의 열전 유닛이 선택되고 동시에 턴 온될 수 있는 한편, 다른 열전 유닛이 "오프" 상태에 있는 것이 이해되어야 한다. 순차적으로 턴 온되는 열전 유닛이 서로 공간적으로 인접할 필요는 없는 것이 또한 이해되어야 한다.
도 5는 일 실시예에 따른, 모바일 디바이스(110)에 무선으로 접속되는 웨어러블 열전 디바이스(120)의 개략도를 예시한다. 웨어러블 열전 디바이스(120)는 열전 유닛(124)의 어레이, 및 열전 유닛(124)을 (예컨대, 펄스 신호(34)를 통해) 선택적으로 그리고 순차적으로 턴 온/오프시키기 위해 열전 유닛(124)에 전기적으로 접속되는 제어 회로(126)를 포함한다. 웨어러블 열전 디바이스(120)는 제어 회로(126)에 접속되는 무선 컴포넌트(122)를 추가로 포함한다. 무선 컴포넌트(122)는 예를 들어 저전력 블루투스(Bluetooth Low Energy, BLE) 컴포넌트를 포함할 수 있다.
모바일 디바이스(110)는 모바일 디바이스(110)와 웨어러블 열전 디바이스(120) 사이의 데이터 전송을 위해 웨어러블 열전 디바이스(120)의 무선 컴포넌트(122)와 함께 작동할 수 있는 무선 컴포넌트(112)를 포함한다. 모바일 디바이스(110)는, 그의 프로세서(116)에 의해 실행되고 디스플레이(118)에 의해 표시되는 그래픽 사용자 인터페이스(GUI)(114)를 추가로 포함한다.
일부 실시예에서, GUI(114)는 모바일 디바이스(110), 예컨대 스마트 폰 상에서 실행되는 모바일 앱(mobile app)으로서 제공될 수 있다. 모바일 앱은 프로세서(116)에 의해 실행되도록 설계된 임의의 적합한 프로그래밍 언어(예컨대, 파이썬(Python))의 컴퓨터 프로그램일 수 있다.
프로세서(116)는 예를 들어 하나 이상의 범용 마이크로프로세서, 특수 설계된 프로세서, 주문형 집적 회로(ASIC), 필드 프로그래머블 게이트 어레이(FPGA), 개별 로직의 집합, 및/또는 본 명세서에 설명된 기술을 실행할 수 있는 임의의 유형의 처리 디바이스를 포함할 수 있다.
모바일 디바이스는 또한 정보를 저장하는 메모리를 포함할 수 있다. 메모리는 본 명세서에 기술된 방법 또는 프로세스(예컨대, 기계 학습 알고리즘(machine learning algorithm))를 형성하기 위한 명령어를 저장할 수 있다. 메모리는 또한 웨어러블 열전 디바이스에 관련된 데이터를 저장할 수 있다.
일부 실시예에서, 모바일 디바이스가 예를 들어 스마트 워치 형태의 단일 디바이스이도록 웨어러블 열전 디바이스와 통합될 수 있는 것이 이해되어야 한다.
도 6은 일 실시예에 따른, 웨어러블 열전 디바이스를 수동으로 또는 자동으로 제어하기 위해 사용자로부터 명령어를 수신하기 위한 예시적인 그래픽 사용자 인터페이스(GUI)(114)의 스크린샷이다. GUI(114)는 사용자가 웨어러블 열전 디바이스(120)에 관련된 명령어 및 뷰 정보(view information)를 입력할 수 있는 GUI 스크린(401)을 포함한다. GUI 스크린(401) 내에, 사용자가 무선 접속(예컨대, 무선 컴포넌트들(112, 122) 사이의 무선 접속)을 턴 온/오프시키기 위해 사용하기 위한 무선 버튼(402)이 제공된다. 사용자가 아래에서 추가로 논의될 자동-학습 기능(auto-learning function)을 턴 온/오프시키기 위해 사용하기 위한 자동-학습 버튼(404)이 제공된다. 웨어러블 열전 디바이스(120)의 전원(128)의 전력 수준을 표시하기 위한 배터리 전력 박스(406)가 제공된다. 열전 유닛의 온도 정보를 표시하기 위한 그리고/또는 사용자가 열전 유닛의 온도를 조절하기 위해 사용하기 위한 온도 박스(408)가 제공된다. 사용자가 냉각/가열 경로 또는 패턴을 생성하기 위해 유닛 선택 박스(410)를 사용할 수 있다. GUI(114)는 사용자가 웨어러블 열전 디바이스의 동작을 관찰, 모니터링, 및 제어하기 위해 사용할 수 있는 임의의 적합한 기능 버튼, 박스 또는 다른 툴(tool)을 포함할 수 있는 것이 이해되어야 한다. 자동-학습 버튼(404) 및 유닛 선택 박스(410)의 기능은 추가로 후술될 것이다.
자동-학습 버튼(404)이 턴 온될 때, 프로세서(예컨대, 도 5의 프로세서(116))가 웨어러블 열전 디바이스의 동작을 자동으로 최적화하기 위해 기계 학습 알고리즘을 실행할 수 있다. 프로세서는 본 명세서에 기술된 기계 학습 알고리즘을 수행하기 위해 프로그램 명령어(예컨대, 소프트웨어 명령어)를 실행할 수 있다. 그러한 최적화는 예를 들어 선호도, 주변 조건, 이전 동작 이력 등과 같은 이용가능한 데이터에 기초할 수 있다.
일부 실시예에서, 자동-학습 버튼(404)이 턴 온될 때, 기계 학습 알고리즘은 웨어러블 열전 디바이스를 제어하기 위해 GUI의 사용자의 동작을 모니터링할 수 있다. 예를 들어, 기계 학습 알고리즘은 사용자가 유닛 선택 박스(410)를 통해 생성한 냉각/가열 경로 또는 패턴을 찾아낼 수 있다.
일부 실시예에서, 기계 학습 알고리즘은 추가로 모니터링된 데이터를 분석하고, 분석에 기초하여 소정 상황 하에서의 사용자 선호 냉각/가열 경로 또는 패턴을 결정하고, 의사-결정 데이터(decision-making data)를 생성할 수 있다. 의사-결정 데이터는 최적화된 또는 사용자 선호 방식으로 웨어러블 열전 디바이스를 구동시키기 위해 웨어러블 열전 디바이스의 제어 회로(예컨대, 도 5의 제어 회로(126))로 송신될 수 있다.
일부 실시예에서, 기계 학습 알고리즘은 웨어러블 열전 디바이스를 구동시키기 위해 의사-결정 데이터를 자동으로 생성할 수 있다. 의사-결정 데이터는 예를 들어 환경 참조/요인, 및 이력 참조(history reference)에 관련된 데이터(예컨대, 이전 사용자 선택 모드)와 같은 다양한 참조 파라미터에 관련된 데이터를 적용함으로써 생성될 수 있다. 환경 참조/요인은 예를 들어 지역 날씨 조건(예컨대, 온도, 습도, 풍속 등), 사용자의 활동량(예컨대, 가속도계로부터의 데이터), 지역 시간 및 위치 정보(예컨대, 도시, 해변, 체육관 등), 주변 밝기(예컨대, 실외, 실내, 주간, 또는 야간) 등을 포함할 수 있다.
일부 실시예에서, 기계 학습 알고리즘은 환경 요인과 이력 참조를 상관시킴으로써 의사-결정 데이터를 생성할 수 있다. 생성된 의사-결정 데이터는 지정된 사용자에게만 맞춤화된 최상의 체감 성능(feeling performance)을 위한 가장 최적화된 동작 모드를 나타낼 수 있다. 본 명세서에 기술된 웨어러블 열전 디바이스는, 기계 학습 알고리즘과 결합될 때, 착용자가 착용자의 피부 상의 다수의 지점의 냉각/가열에 관하여 정말로 원하는 것을 학습함으로써 착용자에게 주목할 만한 편안함을 제공할 수 있다.
도 7a 내지 도 7c는 사용자가 냉각/가열 경로 또는 패턴을 생성하기 위해 사용할 수 있는 GUI(예컨대, 도 5의 GUI(114))에 의해 제공되는 다양한 예시적인 유닛 선택 박스(410a, 410b, 410c)의 스크린샷이다. 유닛 선택 박스는 각각 웨어러블 열전 디바이스의 열전 유닛(예컨대, 도 5의 열전 유닛(124))의 어레이를 나타내는 다수의 버튼/툴(412)을 포함한다. 버튼(412)은 사용자가 냉각/가열 경로 또는 패턴을 생성하기 위해 버튼(12) 중 하나 이상을 선택할 수 있도록 선택가능하다. 도 7a 내지 도 7c에 도시된 바와 같이, 버튼(412)은 다양한 구성으로 배열될 수 있다. 일부 실시예에서, 유닛 선택 박스 내의 버튼(412)의 배열은 웨어러블 열전 디바이스 상의 열전 유닛(124)의 배열을 따를 수 있다.
도 8a 내지 도 8g는 사용자가 냉각/가열 경로 또는 패턴을 생성하기 위해 사용할 수 있는 GUI에 의해 제공되는 다양한 예시적인 유닛 선택 박스의 스크린샷이다. 도 8a의 유닛 선택 박스(420a)에서, 버튼(412) 중 일부는 냉각/가열 경로 또는 패턴을 형성하기 위해 1, 2, 3 및 4의 순서로 (예컨대, 손가락을 통해 짧게 터치함으로써) 선택된다.
도 8b의 유닛 선택 박스(420b)에서, 버튼(412) 중 일부는 1, 2, 3, 4, 5, 6 및 7의 순서로 (예컨대, 짧게 또는 길게 터치함으로써) 선택되고, 여기서 1, 4 및 6은 각각 길게 터치함으로써 선택되고, 2, 3, 5 및 7은 짧게 터치함으로써 선택된다. 이러한 방식으로, 버튼(412)은 순차적 그룹(예컨대, 그룹 1, 2 및 3)으로 그룹화되고, 여기서 열전 유닛의 대응하는 그룹은 순차적으로 턴 온/오프되도록 제어될 수 있다.
도 8c의 유닛 선택 박스(420c)는 버튼(412)의 어레이를 포함하는 제1 서브-박스(422a), 및 버튼(412)을 그룹화하고 그룹을 순차적으로 나열하는 제2 서브-박스(422b)를 포함한다. 도시된 실시예에서, 제1 서브-박스(422a) 내의 버튼(412) 중 일부는 각각의 버튼(412)을 제2 서브-박스(422b) 내로 드래그 및 드롭함(dragging and dropping)으로써 선택되고, 여기서 버튼은 냉각/가열 경로 또는 패턴을 형성하기 위해 순차적 순서(예컨대, 1, 2, 3 …)로 그룹화되고 나열된다.
도 8d의 유닛 선택 박스(420d)는 버튼(412)의 어레이를 포함하는 제1 서브-박스(432a), 및 버튼(412)을 그룹화하고 그룹을 순차적으로 나열하는 제2 서브-박스(432b)를 포함한다. 도시된 실시예에서, 제2 서브-박스(432b) 내의 그룹 중 하나(예컨대, 그룹 1, 2, 3 … 8)가 먼저 (예컨대, 터치함으로써) 선택될 수 있고, 제1 서브-박스(432a) 내의 대응하는 버튼(412)이 선택되어 그러한 선택된 그룹으로 그룹화될 수 있다. 그룹 번호에 대응하는 그룹 라벨(예컨대, 1, 2, 3, 4, 5)이 제1 서브-박스(432a) 내의 선택된 버튼(412)에 대해 보여질 수 있다.
도 8e의 유닛 선택 박스(420e)에서, 버튼(412) 중 일부는 1, 2, 3, 4, 5, 6 및 7의 순서로 터치-스와이핑(touch-swiping)에 의한 드로우(draw)를 통해 선택된다. 선택된 버튼(412)을 순차적으로 연결하는 방향 와이어(directional wire)(432)가 박스(420) 내에서 보여진다. 이러한 방식으로, 대응하는 열전 유닛은 방향 와이어(432)에 의해 보여진 순서로 순차적으로 턴 온/오프되도록 제어될 수 있다.
도 8f의 유닛 선택 박스(420f)는 버튼(412)의 어레이를 포함하는 제1 서브-박스(442a), 및 다양한 냉각/가열 경로 또는 패턴의 이용가능한 옵션을 나열하는 제2 서브-박스(442b)를 포함한다. 제2 서브-박스(442b) 내의 냉각/가열 경로 또는 패턴은 (예컨대, 손가락으로 터치함으로써) 선택되고/되거나 경로(434)를 통해 제1 서브-박스(442) 내로 드래그될 수 있다. 선택된 냉각/가열 경로 또는 패턴은 제1 서브-박스(442a) 내에서 보여질 수 있다. 일부 실시예에서, 제2 서브-박스(442b) 내에 나열된 냉각/가열 경로 또는 패턴은 라벨링될 수 있다. 예를 들어, 도 8g에 도시된 바와 같이, 냉각/가열 경로 중 하나가 위에서 논의된 기계 학습 알고리즘에 의해 선택될 수 있는 "제안됨(suggested)"으로 라벨링된다.
달리 지시되지 않는 한, 본 명세서 및 실시예에 사용되는 양 또는 성분, 특성의 측정치 등을 표현하는 모든 수는 모든 경우에 용어 "약"에 의해 수식되는 것으로 이해되어야 한다. 따라서, 반대로 지시되지 않는 한, 전술한 명세서 및 첨부된 실시예의 목록에 기재된 수치 파라미터는 본 개시의 교시 내용을 이용하는 당업자가 얻고자 하는 원하는 특성에 따라 달라질 수 있다. 최소한으로, 그리고 청구된 실시예의 범주에 대한 균등론의 적용을 제한하려는 시도로서가 아니라, 각각의 수치 파라미터는 적어도 보고된 유효 숫자의 수의 관점에서 그리고 통상의 반올림 기법을 적용함으로써 해석되어야 한다.
본 개시의 예시적인 실시예는 본 개시의 사상 및 범주로부터 벗어남이 없이 다양한 수정 및 변경을 취할 수 있다. 따라서, 본 개시의 실시예는 후술되는 예시적인 실시예로 제한되는 것이 아니라, 청구범위에 기재된 한정 및 그의 임의의 등가물에 의해 좌우되어야 한다는 것이 이해되어야 한다.
예시적인 실시예의 목록
예시적인 실시예가 아래에 나열된다. 실시예 1 내지 실시예 13 및 실시예 14 내지 실시예 24 중 임의의 실시예가 조합될 수 있는 것이 이해되어야 한다.
실시예 1은 웨어러블 열전 디바이스로서,
내측 면 및 내측 면 반대편의 외측 면을 갖는 가요성 밴드;
어레이로서 가요성 밴드에 의해 지지되는 복수의 열전 유닛 - 각각의 열전 유닛은 가요성 밴드의 내측 면 상의 작동 표면을 포함함 -; 및
열전 유닛의 어레이에 전기적으로 접속되는 제어 회로를 포함하고,
제어 회로는 열전 유닛을 선택적으로 그리고 순차적으로 턴 온 및 턴 오프시키기 위해 열전 유닛의 어레이에 스위치 신호를 제공하도록 구성되는, 웨어러블 열전 디바이스이다.
실시예 2는 실시예 1에 있어서, 작동 표면 중 적어도 하나는 냉각 표면인, 디바이스이다.
실시예 3은 실시예 1 또는 실시예 2에 있어서, 열전 유닛은 각각 하나 이상의 열전 p-n 접합부를 포함하는, 디바이스이다.
실시예 4는 실시예 2 또는 실시예 3에 있어서, 열전 유닛 중 적어도 하나는 공기에 노출되는 고온 표면을 포함하는, 디바이스이다.
실시예 5는 실시예 1 내지 실시예 4 중 어느 한 실시예에 있어서, 작동 표면 상에 배치되는 열 전도성 층을 추가로 포함하는, 디바이스이다.
실시예 6은 실시예 1 내지 실시예 5 중 어느 한 실시예에 있어서, 제어 회로는 마이크로프로세서 및 복수의 스위치를 추가로 포함하고, 마이크로프로세서는 복수의 스위치로의 순차 펄스 신호를 생성하도록 구성되는, 디바이스이다.
실시예 7은 실시예 6에 있어서, 스위치는 병렬로 접속되는, 디바이스이다.
실시예 8은 실시예 6 또는 실시예 7에 있어서, 스위치는 각각 트랜지스터를 포함하는, 디바이스이다.
실시예 9는 실시예 1 내지 실시예 8 중 어느 한 실시예에 있어서, 제어 회로에 접속되는 무선 컴포넌트를 추가로 포함하는, 디바이스이다.
실시예 10은 실시예 9에 있어서, 무선 컴포넌트는 저전력 블루투스(BLE) 컴포넌트를 포함하는, 디바이스이다.
실시예 11은 실시예 1 내지 실시예 10 중 어느 한 실시예에 있어서, 대향하는 단부들을 연결하기 위한 기계식 클립을 추가로 포함하는 손목밴드인, 디바이스이다.
실시예 12는 시스템으로서,
선행하는 실시예 중 어느 한 실시예의 웨어러블 열전 디바이스; 및
프로세서에 의해 실행되는 그래픽 사용자 인터페이스(GUI) - GUI는 사용자로부터 명령어를 수신하고, 명령어를 디바이스의 제어 회로로 송신하도록 구성됨 - 를 포함하는, 시스템이다.
실시예 13은 실시예 12에 있어서, GUI는 모바일 디바이스에 제공되는, 시스템이다.
실시예 14는 방법으로서,
어레이로서 가요성 밴드에 의해 지지되는 복수의 열전 유닛을 제공하는 단계 - 각각의 열전 유닛은 가요성 밴드의 내측 면 상의 작동 표면을 포함함 -; 및
열전 유닛을 선택적으로 그리고 순차적으로 턴 온 및 턴 오프시키기 위해, 제어 회로를 통해, 열전 유닛의 어레이에 스위치 신호를 제공하는 단계를 포함하는, 방법이다.
실시예 15는 실시예 14에 있어서, 작동 표면은 냉각 표면이고, 열전 유닛 중 하나 이상이 각각 선택되고 턴 온될 때, 선택된 열전 유닛은 각각의 냉각 표면으로부터 가요성 밴드의 외측 면 상의 열전 유닛의 하나 이상의 고온 표면으로의 열 흐름을 허용하도록 구성되는, 방법이다.
실시예 16은 실시예 15에 있어서, 열전 유닛의 고온 표면을 공기에 노출시키는 단계를 추가로 포함하는, 방법이다.
실시예 17은 실시예 15 또는 실시예 16에 있어서, 열전 유닛의 고온 표면 상에 배치되는 열 전도성 층을 제공하는 단계를 추가로 포함하는, 방법이다.
실시예 18은 실시예 14 내지 실시예 17 중 어느 한 실시예에 있어서, 스위치 신호를 제공하는 단계는, 마이크로프로세서를 통해, 복수의 열전 유닛에 접속된 복수의 스위치로의 순차 펄스 신호를 생성하는 단계를 추가로 포함하는, 방법이다.
실시예 19는 실시예 14 내지 실시예 18 중 어느 한 실시예에 있어서, 제어 회로에 접속되는 무선 컴포넌트를 제공하는 단계를 추가로 포함하는, 방법이다.
실시예 20은 실시예 14 내지 실시예 19 중 어느 한 실시예에 있어서, 프로세서에 의해 실행되는 그래픽 사용자 인터페이스(GUI)를 통해, 사용자로부터 명령어를 수신하고, 명령어를 제어 회로로 송신하는 단계를 추가로 포함하는, 방법이다.
실시예 21은 실시예 14 내지 실시예 20 중 어느 한 실시예에 있어서, 스위치 신호를 제공하는 단계는, 기계 학습 알고리즘을 통해, 의사-결정 데이터를 자동으로 생성하고, 스위치 신호를 생성하기 위해 생성된 의사-결정 데이터를 제어 회로로 송신하는 단계를 추가로 포함하는, 방법이다.
실시예 22는 실시예 21에 있어서, 의사-결정 데이터는 환경 요인과 이력 참조를 상관시킴으로써 생성되는, 방법이다.
실시예 23은 실시예 12 또는 실시예 13에 있어서, GUI는 웨어러블 열전 디바이스의 열전 유닛의 어레이를 나타내는 다수의 선택가능한 버튼을 제공하는, 시스템이다.
실시예 24는 실시예 20에 있어서, GUI는 웨어러블 열전 디바이스의 열전 유닛의 어레이를 나타내는 다수의 선택가능한 버튼을 제공하는, 방법이다.
본 명세서 전반에 걸쳐 "하나의 실시예", "소정 실시예", "하나 이상의 실시예" 또는 "일 실시예"에 대한 언급은, 용어 "실시예"에 선행하는 용어 "예시적인"을 포함하든 포함하지 않든 간에, 그 실시예와 관련하여 기술된 특정 특징, 구조, 재료, 또는 특성이 본 개시의 소정의 예시적인 실시예 중 적어도 하나의 실시예에 포함됨을 의미한다. 따라서, 본 명세서 전반에 걸쳐 여러 곳에서 "하나 이상의 실시예에서", "소정 실시예에서", "하나의 실시예에서" 또는 "일 실시예에서"와 같은 문구의 등장은 반드시 본 개시의 소정의 예시적인 실시예 중 동일한 실시예를 지칭하는 것은 아니다. 또한, 특정 특징, 구조, 재료, 또는 특성은 하나 이상의 실시예에서 임의의 적합한 방식으로 조합될 수 있다.
본 명세서가 소정의 예시적인 실시예를 상세히 기술하였지만, 당업자는 전술한 내용을 이해할 때 이들 실시예에 대한 변경, 변형 및 등가물을 용이하게 안출할 수 있는 것이 인식될 것이다. 따라서, 본 개시가 본 명세서에 전술된 예시적인 실시예로 부당하게 제한되어서는 안 된다는 것이 이해되어야 한다. 특히, 본 명세서에 사용되는 바와 같이, 종점에 의한 수치 범위의 언급은 그 범위 내에 포함되는 모든 수를 포함하도록 의도된다(예컨대, 1 내지 5는 1, 1.5, 2, 2.75, 3, 3.8, 4, 및 5를 포함함). 또한, 본 명세서에 사용되는 모든 수는 용어 "약"에 의해 수식되는 것으로 가정된다. 또한, 다양한 예시적인 실시예가 기술되었다. 이들 및 다른 실시예는 하기 청구범위의 범주 내에 있다.

Claims (22)

  1. 웨어러블 열전 디바이스(wearable thermoelectric device)로서,
    내측 면 및 내측 면 반대편의 외측 면을 갖는 가요성 밴드(flexible band);
    어레이(array)로서 가요성 밴드에 의해 지지되는 복수의 열전 유닛(thermoelectric unit) - 각각의 열전 유닛은 가요성 밴드의 내측 면 상의 작동 표면(working surface)을 포함함 -; 및
    열전 유닛의 어레이에 전기적으로 접속되는 제어 회로를 포함하고,
    제어 회로는 열전 유닛을 선택적으로 그리고 순차적으로 턴 온(turn on) 및 턴 오프(turn off)시키기 위해 열전 유닛의 어레이에 스위치 신호(switch signal)를 제공하도록 구성되는, 웨어러블 열전 디바이스.
  2. 제1항에 있어서, 작동 표면 중 적어도 하나는 냉각 표면(cooling surface)인, 디바이스.
  3. 제1항에 있어서, 열전 유닛은 각각 하나 이상의 열전 p-n 접합부(thermoelectric p-n junction)를 포함하는, 디바이스.
  4. 제2항에 있어서, 열전 유닛 중 적어도 하나는 공기에 노출되는 고온 표면(hot surface)을 포함하는, 디바이스.
  5. 제1항에 있어서, 작동 표면 상에 배치되는 열 전도성 층을 추가로 포함하는, 디바이스.
  6. 제1항에 있어서, 제어 회로는 마이크로프로세서 및 복수의 스위치를 추가로 포함하고, 마이크로프로세서는 복수의 스위치로의 순차 펄스 신호(sequential pulse signal)를 생성하도록 구성되는, 디바이스.
  7. 제6항에 있어서, 스위치는 병렬로 접속되는, 디바이스.
  8. 제6항에 있어서, 스위치는 각각 트랜지스터(transistor)를 포함하는, 디바이스.
  9. 제1항에 있어서, 제어 회로에 접속되는 무선 컴포넌트를 추가로 포함하는, 디바이스.
  10. 제9항에 있어서, 무선 컴포넌트는 저전력 블루투스(Bluetooth Low Energy, BLE) 컴포넌트를 포함하는, 디바이스.
  11. 제1항에 있어서, 대향하는 단부들을 연결하기 위한 기계식 클립(mechanical clip)을 추가로 포함하는 손목밴드인, 디바이스.
  12. 시스템으로서,
    제1항 내지 제11항 중 어느 한 항의 웨어러블 열전 디바이스; 및
    프로세서에 의해 실행되는 그래픽 사용자 인터페이스(graphical user interface, GUI) - GUI는 사용자로부터 명령어를 수신하고, 명령어를 디바이스의 제어 회로로 송신하도록 구성됨 - 를 포함하는, 시스템.
  13. 제12항에 있어서, GUI는 모바일 디바이스(mobile device)에 제공되는, 시스템.
  14. 방법으로서,
    어레이로서 가요성 밴드에 의해 지지되는 복수의 열전 유닛을 제공하는 단계 - 각각의 열전 유닛은 가요성 밴드의 내측 면 상의 작동 표면을 포함함 -; 및
    열전 유닛을 선택적으로 그리고 순차적으로 턴 온 및 턴 오프시키기 위해, 제어 회로를 통해, 열전 유닛의 어레이에 스위치 신호를 제공하는 단계를 포함하는, 방법.
  15. 제14항에 있어서, 작동 표면은 냉각 표면이고, 열전 유닛 중 하나 이상이 각각 선택되고 턴 온될 때, 선택된 열전 유닛은 각각의 냉각 표면으로부터 가요성 밴드의 외측 면 상의 열전 유닛의 하나 이상의 고온 표면으로의 열 흐름(heat flow)을 허용하도록 구성되는, 방법.
  16. 제15항에 있어서, 열전 유닛의 고온 표면을 공기에 노출시키는 단계를 추가로 포함하는, 방법.
  17. 제15항에 있어서, 열전 유닛의 고온 표면 상에 배치되는 열 전도성 층을 제공하는 단계를 추가로 포함하는, 방법.
  18. 제14항에 있어서, 스위치 신호를 제공하는 단계는, 마이크로프로세서를 통해, 복수의 열전 유닛에 접속된 복수의 스위치로의 순차 펄스 신호를 생성하는 단계를 추가로 포함하는, 방법.
  19. 제14항에 있어서, 제어 회로에 접속되는 무선 컴포넌트를 제공하는 단계를 추가로 포함하는, 방법.
  20. 제14항에 있어서, 프로세서에 의해 실행되는 그래픽 사용자 인터페이스(GUI)를 통해, 사용자로부터 명령어를 수신하고, 명령어를 제어 회로로 송신하는 단계를 추가로 포함하는, 방법.
  21. 제14항에 있어서, 스위치 신호를 제공하는 단계는, 기계 학습 알고리즘(machine learning algorithm)을 통해, 의사-결정 데이터(decision-making data)를 자동으로 생성하고, 스위치 신호를 생성하기 위해 생성된 의사-결정 데이터를 제어 회로로 송신하는 단계를 추가로 포함하는, 방법.
  22. 제21항에 있어서, 의사-결정 데이터는 환경 요인과 이력 참조(history reference)를 상관시킴으로써 생성되는, 방법.
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