KR20200082891A - 센서 패치 - Google Patents

Abstract

사용자의 피부에 부착되는 센서 패치가 제공된다. 센서 패치는, 적어도 하나의 개구부 및 상기 적어도 하나의 개구부를 둘러싸는 프레임을 포함할 수 있고, 상기 프레임은 생체 신호를 측정하는 적어도 하나의 센서를 포함할 수 있다. 본 개시에 의하면, 적어도 하나의 개구부를 둘러싸는 프레임에 생체 신호를 측정하는 적어도 하나의 센서를 배치함으로써, 사용자의 생체 신호를 지속적으로 획득할 수 있는 효과가 있다.

Description

센서 패치{SENSOR PATCH}

본 개시는 사용자의 피부에 부착되는 센서 패치에 관한 것이다.

최근, 사물과 사물 혹은 사물과 사람이 서로 연결되는 사물 인터넷 시대가 도래하면서 웨어러블 디바이스의 역할은 더욱 강조되고 있다. 최근에는 신체와 외부 환경 사이에 상호 작용을 측정하기 위한 웨어러블 디바이스가 연구되고 있다.

생체 정보를 비 침습적, 장기적으로 측정하고, 이를 바탕으로 개인의 건강을 효율적으로 관리하고 치료에 적응하는 맞춤형 기술은, 미래의 의료 및 건강 관리 산업의 패러다임을 바꿀 수 있는 기술로 각광받고 있다. 최근에는 특히, 피부에 부착하여 생체 신호를 모니터링 할 수 있는 피부 부착형 센서에 대한 연구 또한 활발히 진행되고 있다. 생체 신호는 생체 의료 기기를 위한 중요한 정보를 제공하며, 넓은 영역의 다중 포인트로부터 개별적인 신호들을 얻기 위해서는 필수적으로 다중 생체 센서가 필요하다.

최근 연구에서는 초박막 필름 또는 접착력 있는 기판을 사용하여 살아있는 신체에서의 근전도, 심전도와 같은 생체 신호를 획득하기 위한 신체 표면용 센서가 개발되었다. 다만, 기존의 신체 표면용 센서는 피부를 덮고 있는 센서 플랫폼이 막혀 있는 구조를 가지는 것이 대부분이다.

그러나, 사람의 피부는 수분 증발, 땀 분비 등이 지속적으로 일어나는 오픈 시스템으로 구성되어 있으므로, 센서를 사용하여 장시간 동안 생체 신호를 얻고자 하는 경우에는 인체의 움직임뿐만 아니라, 피부를 통과하여 수분이 증발되는 경피 수분 손실이나 땀을 배출에 대하여 고려해야 할 필요가 있다.

신체가 움직일 시에 기판 및 센서가 잘 늘어나지 못하거나, 사용자의 피부로부터 배출되는 수분으로 인하여 기판 등의 접착력이 감소할 경우, 지속적인 생체 신호 획득에 어려움이 있을 수 있다.

또한, 피부에 부착된 센서로 인해 피부를 통하여 지속적으로 증발되어야 할 수분이 적절하게 배출되지 않으면, 사용자는 센서의 장시간 착용으로 인해 불편함을 느끼게 되고, 피부의 가려움 및 피부 괴사와 같은 위험 또한 따를 수 있다.

또한, 적절하게 배출되지 않고 피부와 피부에 부착된 센서 사이에 머무르는 수분에 의하여 센서 소자의 인체에 대한 부착성이 현저히 저하됨으로써, 측정하고자 하는 생체 신호의 정확도가 낮아지는 부작용이 존재한다.

따라서, 기존의 피부 부착형 센서의 한계를 극복하고, 다중 생체 신호의 장시간 모니터링이 가능하도록 통기성 및 투습성의 제어가 가능한 피부 부착형 센서의 필요성이 대두되고 있다.

본 개시는, 적어도 하나의 개구부를 둘러싸는 프레임에 생체 신호를 측정하는 적어도 하나의 센서를 배치함으로써 통기성 및 투습성을 확보함과 동시에, 사용자 생체 신호를 장시간 동안 지속적으로 획득할 수 있는 센서 패치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

상술한 기술적 과제를 달성하기 위한 기술적 수단으로서, 본 개시의 제1 측면은, 사용자의 피부에 부착되는 센서 패치로서, 적어도 하나의 개구부 및 상기 적어도 하나의 개구부를 둘러싸는 프레임을 포함하고, 상기 프레임은 생체 신호를 측정하는 적어도 하나의 센서를 포함하는 센서 패치를 제공할 수 있다.

본 개시의 일부 실시예에 따르면, 상기 적어도 하나의 센서는 사용자의 체액을 검출하는 체액 센서, 사용자의 전기 생리학적 신호를 검출하는 생체 전기 센서 및 사용자의 맥박을 검출하는 맥박 센서 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.

또한, 본 개시의 일부 실시예에 따르면, 상기 체액 센서는 상기 사용자의 피부로부터 멀어지는 방향으로 상기 체액이 배출되도록 하는 적어도 하나의 체액 통로부 및 상기 체액 통로부를 통해서 배출되는 사용자의 체액을 통해 흐르는 전류를 감지하기 위한 전극을 포함할 수 있다.

또한, 본 개시의 일부 실시예에 따르면, 상기 체액 통로부는 피부 부착면으로부터 멀어질수록 둘레가 감소 또는 증가할 수 있다.

또한, 본 개시의 일부 실시예에 따르면, 상기 생체 전기 센서는 하부가 상기 사용자의 피부와 접촉되어 상기 피부로부터 발생되는 수분을 흡수하는 하이드로젤, 상기 하이드로젤을 통해 흐르는 전류를 감지하기 위한 전극 및 상기 하이드로젤의 상부와 접촉되는 탄성체 멤브레인을 포함할 수 있다.

또한, 본 개시의 일부 실시예에 따르면, 상기 탄성체 멤브레인은 적어도 하나의 개구부를 포함하며, 상기 적어도 하나의 개구부는, 상기 하이드로젤의 부피가 증가함에 따라 각 개구부의 둘레가 신장되어 상기 하이드로젤에 흡수된 수분을 배출할 수 있다.

또한, 본 개시의 일부 실시예에 따르면, 상기 프레임은 상기 적어도 하나의 센서와 연결되는 적어도 하나의 전극 어레이를 포함할 수 있다.

또한, 본 개시의 일부 실시예에 따르면, 상기 프레임은 양측의 중단의 일부가 상기 개구부 방향으로 인입된 단위 프레임을 포함할 수 있다.

또한, 본 개시의 일부 실시예에 따르면, 상기 프레임은 상기 단위 프레임의 한 쌍의 꼭지점이 중첩되도록 상호 대향하는 형태로 상기 단위 프레임이 반복 배치될 수 있다.

또한, 본 개시의 일부 실시예에 따르면, 상기 프레임은 제1 단위 프레임 및 제2 단위 프레임을 포함하고, 상기 제1 단위 프레임의 일측 하단의 일부는 상기 제2 단위 프레임의 타측 상단의 일부일 수 있다.

또한, 본 개시의 일부 실시예에 따르면, 상기 프레임은 상기 센서 패치가 부착되는 피부 면과 평행한 제1 방향으로 인가되는 인장 응력에 의하여, 상기 제1 방향의 길이가 신장됨에 따라, 상기 피부 면과 평행하고 상기 제1 방향에 수직하는 제2 방향의 길이가 신장될 수 있다.

본 개시에 의하면, 적어도 하나의 개구부를 둘러싸는 프레임에 생체 신호를 측정하는 적어도 하나의 센서를 배치함으로써 통기성 및 투습성을 확보함과 동시에, 사용자의 생체 신호를 지속적으로 획득할 수 있는 효과가 있다.

도 1은 일부 실시예에 따른 센서 패치의 예시를 나타내는 도면이다.
도 2a 및 도 2b는 일부 실시예에 따른 센서 패치의 구조를 나타내는 도면이다.
도 3a 및 도 3b는 일부 실시예에 따른 체액 센서의 구조를 나타내는 도면이다.
도 4a 내지 도 4d는 일부 실시예에 따른 체액 센서를 통해 사용자의 체액이 배출되는 과정을 나타낸 도면이다.
도 5a 내지 도 5c는 일부 실시예에 따른 생체 전기 센서의 구조를 나타내는 도면이다.
도 6은 일부 실시예에 따른 탄성체 멤브레인의 구조를 나타낸 도면이다.
도 7a 내지 도 7d는 일부 실시예에 따른 생체 전기 센서를 통해 사용자의 체액이 배출되는 과정을 나타낸 도면이다.
도 8은 일부 실시예에 따른 센서 패치에 포함된 프레임의 구조를 나타내는 도면이다.
도 9는 일부 실시예에 따른 옥세틱 구조를 포함하는 센서 패치를 나타내는 도면이다.

아래에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 개시가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 개시의 실시예를 상세히 설명한다. 그러나 본 개시는 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 개시를 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.

명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 "전기적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.

이하 첨부된 도면을 참고하여 본 개시를 상세히 설명하기로 한다.

도 1은 일부 실시예에 따른 센서 패치의 예시를 나타내는 도면이다.

도 1을 참조하면, 센서 패치(10)는 사용자(1)의 신체에 부착될 수 있다. 센서 패치(10)는. 예를 들어, 센서 패치(10)의 하부에 형성된 접착층을 통해 사용자(1)의 신체에 부착될 수 있다.

센서 패치(10)는 사용자(1)의 신체 표면 중 일부에 부착되어, 사용자(1)의 심전도(ECG) 측정, 근전도(EMG) 측정, 맥박 측정 및 체액 검출 중 적어도 하나에 사용될 수 있다.

센서 패치(10)는, 예를 들어, 사용자(1)의 팔에 부착되어, 사용자(1)의 근전도 측정 및 체액 검출에 사용될 수 있다(101). 센서 패치(10)는, 다른 예로, 사용자(1)의 가슴에 부착되어, 사용자(1)의 심전도 측정 및 체액 검출에 사용될 수 있다(102). 센서 패치(10)는, 또 다른 예로, 사용자(1)의 손목에 부착되어, 사용자(1)의 맥박 측정 및 체액 검출에 사용될 수 있다(103).

이처럼 본 개시의 센서 패치는 측정 또는 검출하고자 하는 대상에 따라 사용자의 신체 표면 중 일부에 자유롭게 부착될 수 있다.

이하에서는 도 2a 및 도 2b를 통해, 본 개시의 일부 실시예에 따른 센서 패치의 구체적인 구조를 설명한다.

도 2a 및 도 2b는 일부 실시예에 따른 센서 패치의 구조를 나타내는 도면이다.

본 개시의 일부 실시예에 따른 센서 패치는 적어도 하나의 개구부 및 적어도 하나의 개구부를 둘러싸는 프레임을 포함할 수 있다.

도 2a를 참조하면, 일부 실시예에 따른 센서 패치(10)는 개구부(201) 및 개구부(201)를 둘러싸는 프레임(203)을 포함할 수 있다.

사용자(1)의 신체에 포함된 수분, 즉 체액은 사용자(1)의 피부의 경피(epidermis, 표피) 층을 통한 확산(diffusion) 또는 증발(evaporation)을 통해 배출될 수 있다. 한편, 사용자(1)의 체액은 사용자(1)의 피부의 땀샘을 통한 발한(perspiration)을 통해 배출될 수도 있다.

센서 패치(10)가 프레임(203)의 하부에 형성된 접착층을 통해 사용자(1)의 피부에 부착되면, 피부와 부착된 프레임(203)을 제외한 부분, 즉 개구부(201)를 통해 사용자(1)의 피부가 노출될 수 있다.

본 개시의 센서 패치는 적어도 하나의 개구부를 통해 센서 패치가 부착된 사용자의 피부 중 일부를 노출시킴으로써, 상대적으로 높은 환기성을 확보할 수 있는 효과가 있다.

또한, 본 개시의 센서 패치는 사용자의 피부를 통해 배출된 체액이 프레임의 하부에 형성된 접착층의 접착력을 약화시키는 것을 방지함으로써, 보다 안정적으로 생체 신호를 획득할 수 있는 효과가 있다.

한편, 본 개시의 일부 실시예에 따른 적어도 하나의 개구부를 둘러싸는 프레임은, 생체 신호를 측정하는 적어도 하나의 센서를 포함할 수 있다.도 2a를 참조하면, 일부 실시예에 따른 개구부(201)를 둘러싸는 프레임(203)은 생체 신호를 측정하는 센서를 포함할 수 있다.

센서는, 예를 들어, 사용자(1)의 체액을 검출하는 체액 센서(21)를 포함할 수 있다.

체액 센서(21)는 사용자의 피부로부터 배출되는 체액을 분석하기 위한 센서이다. 체액 센서(21)는, 예를 들어, 사용자(1)의 피부의 땀샘을 통한 발한을 통해 배출되는 땀에 대한 검출 및 모니터링을 수행할 수 있다.

체액 센서(21)는 사용자(1)의 피부로부터 멀어지는 방향으로 체액이 배출되도록 하는 적어도 하나의 체액 통로부를 포함할 수 있다. 예를 들어, 사용자(1)의 피부의 땀샘을 통해 땀이 배출되면, 체액 센서(21)의 체액 통로부는 사용자(1)의 피부의 땀샘을 통해 배출된 땀이 이동하는 통로로 사용될 수 있다.

체액 센서(21)는 체액 통로부에 존재하는 사용자(1)의 체액을 통해 흐르는 전류를 감지하기 위한 전극을 포함할 수 있다.

사용자(1)의 피부의 땀샘을 통해 배출된 땀이 체액 통로부를 통해 이동하는 동안, 체액 센서(21)의 전극은 땀을 통해 흐르는 전류를 감지할 수 있다. 체액 센서(21)가 감지한 땀을 통해 흐르는 전류는, 이후 센싱 데이터의 생성에 사용될 수 있다.

체액 통로부는 사용자(1)의 피부의 땀샘을 통해 배출된 땀이 사용자(1)의 피부로부터 멀어지는 방향으로 효과적으로 이동하여 배출될 수 있는 소정의 형태를 가질 수 있다. 또한 체액 통로부는 땀을 통해 흐르는 전류를 효과적으로 감지할 수 있는 소정의 형태를 가질 수 있다. 체액 통로부는, 예를 들어, 피부 부착면으로부터 멀어질수록 둘레가 감소하는 형태를 가질 수 있다.

한편, 센서는, 예를 들어, 사용자(1)의 전기 생리학적 신호를 모니터링 하는 생체 전기 센서(25)를 포함할 수 있다.

생체 전기 센서(25)는, 예를 들어, 사용자(1)의 신체에 흐르는 미세 전류를 감지하여, 심전도(ECG) 및 근전도(EMG) 중 적어도 하나에 대한 검출 및 모니터링을 수행할 수 있다.

생체 전기 센서(25)는 하부가 사용자(1)의 피부와 접촉되어, 사용자(1)의 피부로부터 발생되는 수분을 흡수하는 하이드로젤(hydrogel)을 포함할 수 있다.

하이드로젤(hydrogel)은 수화젤이라고도 하며, 수용성 고분자가 물리적(수소결합, 반데르 발스 힘, 소수성 상호작용, 혹은 고분자의 결정) 혹은 화학적(공유결합)인 결합에 의해 3차원의 가교를 형성하고 있는 망상구조로, 수상환경에서 용해되지 않고 내부에 포어(pore)가 있어 상당한 양의 물을 함유할 수 있는 물질을 의미할 수 있다.

본 개시의 생체 전기 센서에 사용될 수 있는 하이드로젤은 생체의 전기적 신호를 전달할 수 있는 전도성 하이드로젤로서, 심전도(ECG) 전극, 뇌전도(EEG) 전극, 근전도(EMG) 전극, 경피적 전기 신경자극기(TENS) 전극, 고주파 수술기(ESU) 접지 전극 등과 같은 의료기구용 전극으로 사용될 수 있는 소재이다.

하이드로젤은 다양한 수용성 고분자로부터 만들어질 수 있기 때문에 여러 가지 화학적 조성과 물성을 갖는다. 또한 가공이 용이하여, 응용에 따라 다양한 형태로 변형할 수 있는 장점이 있다.

특정 양의 수분을 포함하고 있는 하이드로젤은, 사용자(1)의 피부로부터 발생되는 수분을 흡수하여 부피가 상대적으로 증가할 수 있다. 반대로, 소정의 양의 수분을 포함하고 있는 하이드로젤은, 하이드로젤의 표면을 통해 수분이 증발됨에 따라 부피가 상대적으로 감소할 수 있다.

생체 전기 센서(25)는 사용자(1)의 피부로부터 하이드로젤을 통해 흐르는 전류를 감지하기 위한 전극을 포함할 수 있다. 사용자(1)의 피부를 통해 배출된 수분이 하이드로젤에 흡수되는 동안, 생체 전기 센서(25)의 전극은 사용자(1)의 피부로부터 하이드로젤을 통해 흐르는 전류를 감지할 수 있다. 생체 전기 센서(25)가 감지한 전류는 이후 센싱 데이터의 생성에 사용될 수 있다.

생체 전기 센서(25)는 하이드로젤의 상부와 접촉되는 탄성체 멤브레인을 포함할 수 있다. 탄성체 멤브레인은 적어도 하나의 개구부를 포함할 수 있다. 하이드로젤의 부피가 증가함에 따라, 각 개구부의 둘레는 신장되어 하이드로젤에 흡수된 수분을 배출할 수 있다.

한편, 센서는, 사용자의 맥박을 모니터링하는 맥박 센서(23)를 포함할 수 있다. 맥박 센서(23)는, 예를 들어, 맥박이 뛰는 위치에 접하는 피부의 변화를 감지하는 스트레인 센서(strain sensor) 또는 압력 센서(pressure sensor)를 포함할 수 있다.

스트레인 센서는 기계적인 미세한 변화(Strain)를, 전기신호로 변환해서 검출하는 센서(Sensor)이다. 예를 들어, 스트레인 센서를 사용자(1)의 피부 표면에 부착해두면, 피부 표면에서 생기는 미세한 치수의 변화를 측정하는 것이 가능해지고, 측정된 변화의 크기 및 주기로부터 사용자(1)의 맥박이 획득될 수 있다.

한편, 압력 센서는 센서에 인가되는 압력의 미세한 변화를 전기신호로 변환해서 검출하는 센서(Sensor)이다. 예를 들어, 맥박의 경우 수~십 kPa 수준의 압력을 소자에 인가할 수 있으므로 압력 센서를 사용자(1)가 피부 표면에 부착해두면 맥박에 의한 미세한 압력 변화를 측정하는 것이 가능해지고, 측정된 변화의 크기 및 주기로부터 사용자(1)의 맥박이 획득될 수 있다.

프레임(203)은 적어도 하나의 센서와 연결되는 적어도 하나의 전극 어레이를 포함할 수 있다. 전극 어레이는 복수의 센서에서 획득되는 생체 신호를 전달할 수 있다.

본 개시의 센서 패치에서, 적어도 하나의 센서 및 적어도 하나의 전극 어레이는 모두 적어도 하나의 개구부를 둘러싸는 프레임 상에 형성될 수 있으므로, 사용자의 피부를 통해 배출된 체액은 센서의 센싱 동작과 관계없이 적어도 하나의 개구부를 통해 효과적으로 배출될 수 있다.

도 2b를 참조하면, 일부 실시예에 따른 개구부를 포함하는 센서 패치(10)의 구조가 3차원으로 도시되어 있다. 확대도를 살펴보면, 프레임(203)에 포함된 하나의 단위 프레임 상에 복수의 체액 센서(21) 및 복수의 생체 전기 센서(25)가 모두 형성될 수 있다.

즉, 본 개시의 센서 패치에서, 적어도 하나의 개구부를 둘러싸는 프레임 상에서 적어도 하나의 센서가 형성되는 위치는 프레임 상의 어느 특정 위치에 한정되지 않는다. 적어도 하나의 센서가 형성되는 프레임 상의 위치는, 센서 패치의 설계 단계에서 센서 패치의 사용 목적 및 부착 위치 등에 따라 자유롭게 설정될 수 있다.

이하에서는 도 3a 내지 도 7d를 통해, 일부 실시예에 따른 센서 패치(10)의 프레임(203)에 포함될 수 있는 센서 중, 체액 센서(21) 및 생체 전기 센서(25)의 구조에 대해 상세히 살펴본다.

도 3a 및 도 3b는 일부 실시예에 따른 체액 센서의 구조를 나타내는 도면이다.

일부 실시예에 따른 체액 센서는, 사용자의 피부로부터 멀어지는 방향으로 체액이 배출되도록 하는 적어도 하나의 체액 통로부 및 체액 통로부를 통해서 배출되는 사용자의 체액을 통해 흐르는 전류를 감지하기 위한 전극을 포함할 수 있다.

도 3a를 참조하면, 체액 센서(21)는 구조체(211) 및 하판(213)의 결합을 통해 형성될 수 있다.

구조체(211)는, 예를 들어, 사용자(1)의 피부로부터 멀어지는 방향으로 체액이 배출되도록 하는 체액 통로부를 구성하는 제1 개구부(215)를 포함할 수 있다. 제1 개구부(215)의 안쪽 면에는 체액 통로부가 형성되었을 때 전류를 감지할 수 있는 전극(221)이 형성될 수 있다.

하판(213)은, 예를 들어, 사용자(1)의 피부로부터 멀어지는 방향으로 체액이 배출되도록 하는 체액 통로부를 구성하는 제2 개구부(219) 및 체액 통로부에 존재하는 사용자의 체액을 통해 흐르는 전류를 감지하기 위한 전극(221)과 연결되는 인터커넥트 전극(217)을 포함할 수 있다.

도 3a 및 도 3b를 참조하면, 구조체(211) 및 하판(213)의 결합에 의하여 제1 개구부(215) 및 제2 개구부(219)가 연결되어 체액 통로부(30)가 형성될 수 있다.

센서 패치(10)가 사용자(1)의 신체에 부착됨에 따라 센서 패치(10)에 포함된 체액 센서(21)가 사용자(1)의 신체에 접촉되면, 체액 센서(21)의 체액 통로부(30)를 통해 사용자(1)의 피부가 노출될 수 있다.

노출된 사용자(1)의 피부에서 배출된 체액은 체액 통로부(30)를 통해 배출될 수 있다. 예를 들어, 사용자(1)의 피부의 땀샘을 통해 땀이 배출되면, 체액 센서(21)의 체액 통로부는 사용자(1)의 피부의 땀샘을 통해 배출된 땀이 이동하는 통로로 사용될 수 있다.

체액 통로부(30)는 사용자(1)의 피부에서 배출된 체액이 효과적으로 이동하여 배출될 수 있는 구조를 가질 수 있다. 또한 체액 통로부(30)는 체액을 통해 흐르는 전류를 효과적으로 감지할 수 있는 형태를 가질 수 있다. 체액 통로부(30)는, 예를 들어, 표면 장력의 구배를 위해, 피부 부착면으로부터 멀어질수록 둘레가 감소 또는 증가할 수 있다.

도 4a 내지 도 4d는 일부 실시예에 따른 체액 센서를 통해 사용자의 체액이 배출되는 과정을 나타낸 도면이다.

도 4a를 참조하면, 일부 실시예에 따른 체액 센서(21)의 하판(213)은 사용자의 피부(11)에 접착될 수 있다.

사용자의 체액을 통해 흐르는 전류를 감지하기 위한 전극(221)은 피부 부착면으로부터 멀어질수록 둘레가 감소하는 구조체(211)의 개구부(215) 옆 면에 형성될 수 있으며 인터커넥트 전극(217)과 연결되어 사용자의 체액을 통해 흐르는 전류를 감지할 수 있다.

구조체(211) 및 하판(213)의 결합에 의해, 사용자의 피부(11)가 노출되는 체액 통로부(30)가 형성될 수 있다.

도 4b를 참조하면, 사용자의 피부(11)에서 배출되는 체액(41)은 체액 통로부(30)의 자연통기압(natural ventilation pressure)에 의해 체액 통로부(30) 내부에 포집될 수 있다. 체액 통로부(30) 내에 포집되는 체액(41)의 높이는 시간의 흐름에 따라 증가할 수 있다.

체액 통로부(30)에 존재하는 체액(41)은 체액 센서(21)의 양 전극(221)을 연결하여, 양 전극(221)을 통해 전류가 흐르도록 할 수 있다. 체액 센서(21)는 체액(41)을 통해 양 전극(221)으로 흐르는 전류에 기초하여 체액에 관한 센싱 데이터를 생성할 수 있다. 체액 센서(21)는, 예를 들어, 체액 통로부(30)에 존재하는 체액(41)의 높이 증가율에 기초하여 사용자의 피부(11)의 단위 시간당 체액 배출량을 결정할 수 있다. 체액 센서의 전극(221)은 나노네트워크 구조를 가질 수 있으며, 나노네트워크 구조는 높은 capacitance를 가짐으로써 체액 변화에 따른 전류 변화가 커 더욱 민감한 체액 센서를 구현할 수 있다.

도 4c를 참조하면, 사용자의 피부(11)의 체액(41) 배출이 정지되면, 체액 통로부(30) 내에 모인 체액(41)은 체액 통로부(30)의 외부로 배출될 수 있다.

체액 통로부(30) 내에 모인 체액(41)은, 예를 들어, 피부 부착면으로부터 멀어질수록 둘레가 감소하는 체액 통로부(30)의 표면 장력 특성에 의하여 체액 통로부(30)의 외부로 배출될 수 있다.

또한, 다른 예로, 체액 통로부(30) 내에 일정 부피 이상 모인 체액(41)은 체액 통로부(30)의 주변의 표면처리(220)에 의한 체액 통로부(30) 내부 및 외부 사이의 표면장력 혹은 삼투압 구배에 의해, 체액 통로부(30) 외부로 배출될 수도 있다.

본 개시의 체액 센서(21)에 사용되는 표면처리(220)는, 예를 들어 표면에 폴리머 코팅 나노입자(NPs)를 형성하여 농도 차이로 인한 삼투압 구배를 발생시킴과 동시에, 표면 에너지를 낮춰 표면 장력 구배를 만들어낼 수 있다.

체액 센서(21)는, 예를 들어, 삼투압 및/또는 표면 장력 구배를 체액 통로부(30)의 구조 및 폴리머 코팅 나노 입자의 도핑 정도를 통해 조절함으로써, 체액(41)의 이동 속도를 최적화할 수 있다.

도 4d를 참조하면, 체액 통로부(30) 외부로 배출된 체액(41)은 증발되어 체액 센서(21)로부터 제거될 수 있다. 체액(41)이 증발됨에 따라, 체액(41)에 의한 체액 센서(21)의 양 전극(221) 간 연결 또한 단절될 수 있다.

도 4a 내지 도 4d를 참조하면, 체액 센서(21)는 별도의 기계적인 구동 없이 체액 통로부(30)를 사용하여 사용자의 피부에서 분비된 체액(41)을 완전히 배출시키되, 전극(221)에 흐르는 전류에 기초하여 충분한 시간 동안 체액(41)의 배출 과정을 분석할 수 있다.

체액 센서(21)는 체액(41)의 이동 속도를 최적화함으로써, 체액(41)에 대한 충분한 분석 시간을 확보함과 동시에, 분석 이후 체액(41)을 체액 센서(21)의 외부로 완전히 배출할 수 있는 장점을 갖는다.

도 5a 내지 도 5c는 일부 실시예에 따른 생체 전기 센서의 구조를 나타내는 도면이다.

일부 실시예에 따른 생체 전기 센서는, 하부가 사용자의 피부와 접촉되어, 피부로부터 발생되는 수분을 흡수하는 하이드로젤, 하이드로젤을 통해 흐르는 전류를 감지하기 위한 전극 및 하이드로젤의 상부와 접촉되는 탄성체 멤브레인을 포함할 수 있다.

도 5a 및 도 5b를 참조하면, 생체 전기 센서(25)는 구조체(251) 및 하판(253)의 결합을 통해 형성될 수 있다.

도 5b의 (a)를 참조하면, 측면에서 바라본 구조체(251)의 단면이 도시되어 있다. 구조체(251)는, 예를 들어, 하이드로젤(250)을 고정시킬 수 있는 세부 구조체(255)를 포함할 수 있으며, 하이드로젤(250)을 통해 흐르는 전류를 감지하기 위한 전극(261)이 세부 구조체(255)의 내측에 형성될 수 있다. 세부 구조체(255)는 세부 구조체(255)에 의해 고정되는 하이드로젤(250)의 상부와 접촉되는 탄성체 멤브레인(26)을 포함할 수 있다.

도 5b의 (b)를 참조하면, 상부에서 바라본 구조체(251)의 평면도가 도시되어 있다. 세부 구조체(255)의 내측에 형성된 전극은 하이드로젤을 감싸는 형태를 가질 수 있다.

하판(253)은, 예를 들어, 하이드로젤(250)을 고정시키기 위한 제3 개구부(259) 및 하이드로젤(250)을 통해 흐르는 전류를 감지하기 위한 전극(261)과 전기적으로 연결되는 인터커넥트 전극(257)을 포함할 수 있다.

구조체(251)의 세부 구조체(255) 및 하판(253)의 제3 개구부(259)에 의해 고정되는 하이드로젤(250)은 하부가 사용자의 피부와 접촉되어, 피부로부터 발생되는 수분을 흡수할 수 있다.

하이드로젤(250)의 상부는 탄성체 멤브레인(26)과 접촉될 수 있다. 탄성체 멤브레인(26)은 적어도 하나의 개구부를 포함할 수 있다. 탄성체 멤브레인(26)에 포함된 개구부는, 하이드로젤(250)의 부피가 증가함에 따라 각 개구부의 둘레가 신장됨으로써, 하이드로젤(250)에 흡수된 수분이 배출되는 통로가 될 수 있다.

도 5a 내지 도 5c를 참조하면, 구조체(251) 및 하판(253)의 결합에 의하여 세부 구조체(255) 및 제3 개구부(259)가 연결될 수 있다. 연결된 세부 구조체(255) 및 제3 개구부(259)는 하이드로젤(250)을 둘러싸는 형태를 가지며, 하이드로젤(250)을 고정할 수 있다.

센서 패치(10)가 사용자(1)의 신체에 부착됨에 따라 센서 패치(10)에 포함된 생체 전기 센서(25)가 사용자(1)의 신체에 접촉되면, 사용자(1)의 피부에서 배출된 체액이 하이드로젤(250)에 흡수될 수 있다. 하이드로젤(250)에 흡수된 체액은 하이드로젤(250)의 상단에 형성된 탄성체 멤브레인(26)에 의해 배출될 수 있다.

도 6은 일부 실시예에 따른 탄성체 멤브레인의 구조를 나타낸 도면이다.

일부 실시예에 따른 생체 전기 센서(25)의 탄성체 멤브레인(26)은 적어도 하나의 개구부를 포함할 수 있다.

도 6을 참조하면, 일부 실시예에 따른 생체 전기 센서(25)의 탄성체 멤브레인(26)은 복수의 개구부를 가질 수 있다. 탄성체 멤브레인(26)에 포함된 복수의 개구부는 프랙탈(fractal) 구조를 가질 수 있다. 탄성체 멤브레인(26)은, 예를 들어, 복수의 개구부가 형성되기 위해 프랙탈 구조로 절개(fractal-cut)될 수 있다.

탄성체 멤브레인(26)의 절개된 부위는 개구부를 형성할 수 있으며, 하이드로젤(250)에 흡수된 체액을 배출하는 통로가 될 수 있다.

도 6의 비교표를 참조하면, 하이드로젤(250)이 사용자의 체액을 소정의 양 미만의 양 만큼 흡수한 상태, 즉 탈수(dehydrated) 상태에서, 탄성체 멤브레인(26)의 복수의 개구부는 닫혀있을 수 있다. 탄성체 멤브레인(26)의 복수의 개구부가 닫히면, 하이드로젤(250)은 사용자의 피부로부터 배출된 체액을 축적하여 저장할 수 있다.

반면, 하이드로젤(250)이 사용자의 체액을 소정의 양 이상의 양만큼 흡수한 상태, 즉 수화(hydrated) 상태에서, 탄성체 멤브레인(26)의 복수의 개구부는 개방될 수 있다. 탄성체 멤브레인(26)의 복수의 개구부가 개방되면, 하이드로젤(250)에 흡수된 체액이 개방된 복수의 개구부를 통해 배출될 수 있다.

본 개시의 생체 전기 센서는 적어도 하나의 개구부를 포함하는 탄성체 멤브레인을 통해 사용자의 피부의 습도에 반응하여 적절한 통기성을 확보하고, 용이하게 탈수/수화 상태를 조절함으로써, 하이드로젤의 습도를 적정 수준으로 유지할 수 있다.

사용자의 주변 환경에 따라 사용자의 체액 배출에 변화가 생길 경우, 생체 전기 센서는 적정 수준으로 수화된 하이드로젤을 사용자의 피부에 안정적으로 접촉시킴으로써, 상대적으로 긴 시간 동안 생체 전기 신호의 모니터링을 수행할 수 있다.

도 7a 내지 도 7d는 일부 실시예에 따른 생체 전기 센서를 통해 사용자의 체액이 배출되는 과정을 나타낸 도면이다.

도 7a를 참조하면, 일부 실시예에 따른 생체 전기 센서(25)의 하판(253)은 사용자의 피부(11)에 접착될 수 있다.

하이드로젤(250)을 통해 흐르는 전류를 감지하기 위한 전극(261)은 하판(253) 상에 형성된 인터커넥트 전극(257)과 연결될 수 있다. 생체 전기 센서(25)는 하이드로젤(250)을 통해 양 전극(261)으로 흐르는 전류에 기초하여 전기 생리학적 신호에 관한 센싱 데이터를 생성할 수 있다.

하이드로젤(250)의 하부는 사용자의 피부(11)와 접촉되어, 사용자의 피부(11)로부터 발생되는 수분을 계속하여 흡수할 수 있다.

하이드로젤(250)이 사용자의 체액을 소정의 양 미만의 양 만큼 흡수한 상태, 즉 탈수 상태에서, 하이드로젤(250)의 상부에 형성된 탄성체 멤브레인(26)의 개구부는 닫혀있을 수 있다. 탄성체 멤브레인(26)의 개구부가 닫히면, 하이드로젤(250)은 사용자의 피부로부터 배출된 체액을 축적하여 저장할 수 있다.

도 7b를 참조하면, 사용자의 피부(11)에서 배출되는 체액이 하이드로젤(250)에 흡수됨에 따라, 하이드로젤(250)의 부피가 증가할 수 있다. 하이드로젤(250)의 부피 증가로 인해, 하이드로젤(250)의 상부에 형성된 탄성체 멤브레인(26)에 대하여 사용자의 피부(11)로부터 멀어지는 방향으로 미는 힘이 가해질 수 있다(bucking).

도 7c를 참조하면, 하이드로젤(250)이 사용자의 체액을 소정의 양 이상의 양만큼 흡수한 상태, 즉 수화 상태에서, 탄성체 멤브레인(26)의 개구부는 개방될 수 있다. 하이드로젤(250)에 의하여 탄성체 멤브레인(26)에 가해진 미는 힘에 의해, 탄성체 멤브레인(26)의 개구부는 개방될 수 있다.

하이드로젤(250)의 표면이 탄성체 멤브레인(26)의 개방된 개구부에 의해 노출되면, 노출된 하이드로젤(250)의 표면으로부터 하이드로젤(250)에 흡수된 체액이 증발을 통해 배출될 수 있다.

도 7d를 참조하면, 하이드로젤(250)에 흡수된 체액이 탄성체 멤브레인(26)의 개구부를 통해 배출됨에 따라, 하이드로젤(250)의 부피가 감소할 수 있다. 하이드로젤(250)의 부피 감소로 인해, 하이드로젤(250)의 상부에 형성된 탄성체 멤브레인(26)에 대한 미는 힘의 크기는 감소될 수 있다.

하이드로젤(250)의 상부에 형성된 탄성체 멤브레인(26)에 대한 미는 힘의 크기가 감소함에 따라, 탄성체 멤브레인(26)의 개방된 개구부의 둘레 또한 감소할 수 있으며, 개방된 개구부를 통해 노출된 하이드로젤(250)의 표면으로부터 배출되는 단위 시간당 체액의 양 또한 상대적으로 감소할 수 있다.

하이드로젤(250)의 부피가 소정의 부피만큼 감소됨에 따라, 탄성체 멤브레인(26)의 개구부는 결국 다시 닫힐 수 있다.

본 개시의 생체 전기 센서는 하이드로젤의 수분 함유량에 따라 적어도 하나의 개구부 둘레의 길이를 조절할 수 있는 탄성체 멤브레인을 사용함으로써, 하이드로젤의 습도를 용이하게 적정 수준으로 유지할 수 있다.

즉, 본 개시의 생체 전기 센서는 사용자의 피부 환경에 따라, 적정 수준으로 수화된 하이드로젤을 사용자의 피부에 안정적으로 접촉시킴으로써 상대적으로 긴 시간 동안 생체 전기 신호의 모니터링을 수행할 수 있다.

도 8은 일부 실시예에 따른 센서 패치에 포함된 프레임의 구조를 나타내는 도면이다.

도 8을 참조하면, 일부 실시예에 따른 센서 패치(10)에 포함된 프레임(203)은 양측의 중단의 일부가 상기 개구부 방향으로 인입된 단위 프레임(81)을 포함할 수 있다. 프레임(203) 내에서, 단위 프레임(81)은 소정의 배치 방법에 기초하여 복수개가 반복 배치될 수 있다.

예를 들어, 프레임(203)에서, 제1 단위 프레임(81)의 한 쌍의 꼭지점은 제3 단위 프레임(83)의 한 쌍의 꼭지점과 서로 중첩(801)되어 서로 대향하는 형태로 배치될 수 있다.

다른 예로, 프레임(203)에서, 단위 프레임은 제1 단위 프레임(81)의 일측 하단의 일부와 제2 단위 프레임(82)의 타측 상단의 일부가 중첩(802)되는 형태로 배치될 수 있다.

또 다른 예로, 프레임(203)에서, 제1 단위 프레임(81)은 한 쌍의 꼭지점이 제3 단위 프레임(83)의 한 쌍의 꼭지점과 서로 중첩(801)되어 서로 대향하는 형태로 배치됨과 동시에, 제1 단위 프레임(81)의 일측 하단의 일부와 제2 단위 프레임(82)의 타측 상단의 일부가 중첩(802)되도록 배치될 수 있다. 여기서 제1 단위 프레임(81), 제2 단위 프레임(82) 및 제3 단위 프레임(83)은 옥세틱(auxetic) 구조를 이룰 수 있다.

본 개시의 프레임을 구성하는 옥세틱 구조는, 재료가 인/장력의 작용에 따라 특정 방향으로 늘어날 때 가로 방향 변형도와 세로 방향 변형도 사이의 비율을 나타내는 푸아송 비(Poisson's ratio)가 음수인 구조를 의미한다.

일반적인 재료는 가로 방향 변형도와 세로 방향 변형도의 부호가 상이하며 양의 푸아송 비를 가지는 반면, 옥세틱 구조로 이루어진 본 개시의 프레임은 가로 방향 변형도와 세로 방향 변형도의 부호가 동일하며, 음의 푸아송 비를 가질 수 있다. 즉, 프레임(203)은 가로 방향의 인장 응력에 대하여, 가로 방향으로 길이가 증가함에 따라, 세로 방향의 길이 또한 증가할 수 있다.

또한, 본 개시의 프레임을 구성하는 다양한 기계적 메타구조 중 하나로 제시된 개구형 옥세틱 구조는, 임의의 굴곡진 피부 표면에 대하여 상대적으로 넓은 면적이 접촉하면서 다양한 변형에 대해서도 프레임 내부에 변형이 일어나지 않는 안정적인 패턴 디자인이다. 즉, 본 개시의 프레임은 다양한 곡면에 구김 또는 접힘 없이 부착될 수 있으므로, 사용자의 피부에 대하여 높은 접착성을 가질 수 있다.

도 9는 일부 실시예에 따른 옥세틱 구조를 포함하는 센서 패치를 나타내는 도면이다.

도 9의 (a)를 참조하면, 일부 실시예에 따른 센서 패치(10)의 프레임은 옥세틱 구조로 결합된 복수의 단위 프레임을 포함할 수 있다. 센서 패치(10)의 프레임은 센서 패치가 부착되는 피부 면과 평행한 제1 방향(91)으로 인가되는 인장 응력에 의하여, 프레임의 제1 방향(91)의 길이가 신장됨에 따라, 피부 면과 평행하고 제1 방향(91)에 수직하는 제2 방향(93)의 길이가 신장될 수 있다.

따라서, 센서 패치(10)의 옥세틱 구조의 프레임은, 골격 특성, 근육 특성, 신체의 움직임 및 외부에서 작용하는 힘과 같은 다양한 특성에 따라 다양하게 변화할 수 있는 사용자의 피부에 대해 상대적으로 높은 접착성을 가질 수 있다.

도 9의 (b)를 참조하면, 일부 실시예에 따른 옥세틱 구조의 프레임을 포함하는 센서 패치(10)가 굴곡진 표면에 부착된 모습의 예시가 도시되어 있다.

즉, 본 개시의 센서 패치는 옥세틱 구조의 프레임을 통해 굴곡진 사용자의 피부에 대하여 높은 접착성을 가질 수 있다. 또한, 본 개시의 센서 패치는 프레임에 둘러싸인 적어도 하나의 개구부를 통해 굴곡진 사용자의 피부가 노출될 수 있도록 함으로써, 적절한 투습성 및 통기성을 확보할 수 있는 장점이 있다.

본 명세서에서, "부"는 프로세서 또는 회로와 같은 하드웨어 구성(hardware component), 및/또는 프로세서와 같은 하드웨어 구성에 의해 실행되는 소프트웨어 구성(software component)일 수 있다.

전술한 본 개시의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 개시가 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 개시의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.

본 개시의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 개시의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

Claims (11)

1. 사용자의 피부에 부착되는 센서 패치로서,
   적어도 하나의 개구부; 및
   상기 적어도 하나의 개구부를 둘러싸는 프레임;을 포함하고,
   상기 프레임은 생체 신호를 측정하는 적어도 하나의 센서를 포함하는
   센서 패치.
   
2. 제1항에 있어서,
   상기 적어도 하나의 센서는
   사용자의 체액을 검출하는 체액 센서;
   사용자의 전기 생리학적 신호를 검출하는 생체 전기 센서; 및
   사용자의 맥박을 검출하는 맥박 센서; 중 적어도 하나를 포함하는
   센서 패치.
   
3. 제2항에 있어서,
   상기 체액 센서는
   상기 사용자의 피부로부터 멀어지는 방향으로 상기 체액이 배출되도록 하는 적어도 하나의 체액 통로부; 및
   상기 체액 통로부를 통해서 배출되는 사용자의 체액을 통해 흐르는 전류를 감지하기 위한 전극;을 포함하는
   센서 패치.
   
4. 제3항에 있어서,
   상기 체액 통로부는
   피부 부착면으로부터 멀어질수록 둘레가 감소 또는 증가하는
   센서 패치.
   
5. 제2항에 있어서,
   상기 생체 전기 센서는
   하부가 상기 사용자의 피부와 접촉되어, 상기 피부로부터 발생되는 수분을 흡수하는 하이드로젤;
   상기 하이드로젤을 통해 흐르는 전류를 감지하기 위한 전극; 및
   상기 하이드로젤의 상부와 접촉되는 탄성체 멤브레인;을 포함하는
   센서 패치.
   
6. 제5항에 있어서,
   상기 탄성체 멤브레인은
   적어도 하나의 개구부를 포함하며,
   상기 적어도 하나의 개구부는, 상기 하이드로젤의 부피가 증가함에 따라 각 개구부의 둘레가 신장되어 상기 하이드로젤에 흡수된 수분을 배출하는
   센서 패치.
   
7. 제1항에 있어서,
   상기 프레임은
   상기 적어도 하나의 센서와 연결되는 적어도 하나의 전극 어레이를 포함하는
   센서 패치.
   
8. 제1항에 있어서,
   상기 프레임은
   양측의 중단의 일부가 상기 개구부 방향으로 인입된 단위 프레임을 포함하는
   센서 패치.
   
9. 제8항에 있어서,
   상기 프레임은
   상기 단위 프레임의 한 쌍의 꼭지점이 중첩되도록 상호 대향하는 형태로 상기 단위 프레임이 반복 배치된
   센서 패치.
   
10. 제8항에 있어서,
    상기 프레임은
    제1 단위 프레임; 및
    제2 단위 프레임;을 포함하고,
    상기 제1 단위 프레임의 일측 하단의 일부는 상기 제2 단위 프레임의 타측 상단의 일부인
    센서 패치.
    
11. 제1항에 있어서,
    상기 프레임은
    상기 센서 패치가 부착되는 피부 면과 평행한 제1 방향으로 인가되는 인장 응력에 의하여, 상기 제1 방향의 길이가 신장됨에 따라, 상기 피부 면과 평행하고 상기 제1 방향에 수직하는 제2 방향의 길이가 신장되는
    센서 패치.
    

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