KR20200087053A - 연신 안테나를 이용한 센서 시스템 - Google Patents

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KR20200087053A
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sensing signal
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윤영준
마쯔히사 나오지
니우 시미아오
바오 제난
버넷 윌리암
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삼성전자주식회사
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더 보드 어브 트러스티스 어브 더 리랜드 스탠포드 주니어 유니버시티
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Abstract

실시예는 센서 시스템으로서, 연신 안테나 및 연신 저항을 구비하는 제1 센서를 포함하고, 상기 연신 저항의 연신 정도에 대응하는 센싱 신호를 생성하여 상기 안테나를 통해 상기 센싱 신호를 판독부로 전송하며, 제1 주파수에 대응하는 제1 영역에서 동작하도록 구성된 태그부; 상기 태그부와 유도 결합 방식으로 결합하고 상기 센싱 신호를 수신하여 판독하며, 제2 주파수에 대응하는 제2 영역에서 동작하도록 구성된 판독부를 포함하고, 상기 제1 주파수는 30MHz 이상 50MHz 이하의 범위에 포함되고, 상기 제2 주파수는 상기 제1 주파수와 상이하다.

Description

연신 안테나를 이용한 센서 시스템{SENSOR SYSTEM USING STRETCHABLE ANTENNA}
본 발명은 센서 시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 연신 안테나를 이용한 센서 시스템에 관한 것이다.
종래의 피부 부착형 센서 시스템의 경우, 연신이 가능한 고무 소재의 기판 위에 센서부를 형성하고, 리지드(rigid)한 회로부를 고무 소재의 기판에 실장하여 센서 시스템을 구성하였다. 이러한 종래 센서 시스템의 센서와 신호처리 회로는 연신되도록 물결 모양(wavy)으로 형성된 배선으로써 서로 연결된다.
또한, 종래의 다른 센서 시스템의 경우, 센서부에 무선 통신이 가능한 안테나를 더 실장하여, 센서에서 측정된 신호를 외부에서 판독(readout)하는 시스템으로 구성되었다.
또한, 종래의 또 다른 센서 시스템의 경우, 연신가능한 센서에 안테나를 연결하여 센서의 연신 정도에 대응하는 공진 주파수 변동을 외부에서 판독할 수 있는 시스템으로 구성되었다.
하지만, 이러한 종래의 센서 시스템의 경우, 피부 부착은 가능하나 시스템의 부피가 크고(bulky) 착용감이 좋지 않아 연신가능한/스트레처블(flexible/stretchable) 전자기기의 장점이 나타나지 않고, IC 등의 구동을 위해서 별도의 배터리가 필요하다는 문제점이 있다.
또한, 종래의 다른 센서 시스템의 경우, 무선 통신을 이용하여 신호를 외부에서 판독할 수 있지만, 상용 NFC 주파수(13.56MHz)를 사용할 수 없어 현재 사용되고 있는 휴대전화 등과의 호환성이 없고, 공진 주파수 변조를 수신하는 시스템이므로 센서의 연신 정도에 따른 주파수 변조에 취약한 문제점이 있다.
또한, 종래의 또 다른 센서 시스템의 경우, 리지드한 회로부가 내장되기 때문에 착용감이 좋지 않다는 문제점이 있다.
본 발명은 상술한 문제점을 극복하기 위한 것으로서, 부피가 작고 별도의 배터리가 필요하지 않은 안테나를 구비하는 태그(tag)를 포함하는 센서 시스템을 제공하기 위함이다.
또한, 본 발명은 상용 NFC 주파수(13.56MHz)를 사용할 수 있는 센서 시스템을 제공하기 위함이다.
또한, 본 발명은 피부 부착이 가능하면서도 착용감이 개선된 연신가능한 태그를 포함하는 센서 시스템을 제공하기 위함이다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 본 발명의 기재로부터 당해 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
실시예는 센서 시스템을 제공하고, 이러한 센서 시스템은, 연신 안테나 및 연신 저항을 구비하는 제1 센서를 포함하고, 상기 연신 저항의 연신 정도에 대응하는 센싱 신호를 생성하여 상기 안테나를 통해 상기 센싱 신호를 판독부로 전송하며, 제1 주파수에 대응하는 제1 영역에서 동작하도록 구성된 태그부; 상기 태그부와 유도 결합 방식으로 결합하고 상기 센싱 신호를 수신하여 판독하며, 제2 주파수에 대응하는 제2 영역에서 동작하도록 구성된 판독부를 포함하고, 상기 제1 주파수는 30MHz 이상 50MHz 이하의 범위에 포함되고, 상기 제2 주파수는 상기 제1 주파수와 상이하다.
또한, 실시예에 따른 센서 시스템의 상기 제2 주파수는 13. 56MHz이고, 상기 제1 영역은 상기 제1 주파수와 제1 결합 계수에 대응하는 영역이고 상기 제2 영역은 상기 제2 주파수와 제2 결합 계수에 대응하는 영역이며, 상기 제1 결합 계수는 상기 제2 결합 계수보다 크다.
또한, 실시예에 따른 센서 시스템의 상기 안테나는 연신 전극으로 형성된, 인덕터 및 제1 커패시터를 포함하며, 상기 인덕터는 제1 연신 전극을 소정의 방향으로 감아 형성된 나선형 형상이고, 상기 커패시터는 상기 인덕터의 일부 및 상기 인덕터의 일부와 중첩되는 제2 연신 전극으로 형성되며, 상기 인덕터와 상기 커패시터는 제1 상태로부터 제2 상태로 연신된다.
또한, 실시예에 따른 센서 시스템의 상기 제2 상태에서, 상기 제1 연신 전극의 저항값은 제1 기준 저항값 이하이고, 상기 제2 연신 전극의 저항값은 제2 기준 저항값 이하이다.
또한, 실시예에 따른 센서 시스템의 상기 제1 상태에서 상기 연신 저항의 저항값은 제3 기준 저항값 이하이다.
또한, 실시예에 따른 센서 시스템의 상기 제1 기준 저항값, 상기 제2 기준 저항값, 및 상기 제3 저항값은 각각 100Ω, 3Ω, 및 1000Ω이다.
또한, 실시예에 따른 센서 시스템의 상기 커패시터는 상기 인덕터의 일부와 상기 제2 연신 전극 사이에 유전체가 포함된 샌드위치 구조이고, 상기 제1 연신 전극 및 상기 제2 연신 전극의 전도도는 0.05 Ohm/square 미만이다.
또한, 실시예에 따른 센서 시스템의 상기 샌드위치 구조는 2개의 SEBS 유전체를 포함한다.
또한, 실시예에 따른 센서 시스템의 상기 인덕터는, 상기 제1 상태에서, 451.5nH의 인덕턴스를 가지고 저항값은 2.98Ω이며, 상기 제2 상태에서, 595.2nH의 인덕턴스를 가지고 저항값은 41.7Ω이다.
또한, 실시예에 따른 센서 시스템의 상기 제1 상태 및 상기 제2 상태에서 상기 커패시터의 단위 커패시턴스는 각각 16.3pF/cm2 및 22.0 pF/cm2이다.
또한, 실시예에 따른 센서 시스템의 상기 제1 센서는 피부에 부착 가능한 저항성 변형 센서이고, 타소 나노튜브 소재로 형성된다.
또한, 실시예에 따른 센서 시스템의 상기 제1 상태는 연신되지 않은 상태이고, 상기 제2 상태는 상기 제1 상태보다 50% 연신 된 상태이다.
또한, 실시예에 따른 센서 시스템의 상기 안테나는, 다이오드, 제2 커패시터, 및 제1 동작 주파수 범위를 갖는 제1 링오실레이터를 더 포함하고, 상기 다이오드는 상기 제2 영역에 대응하는 무선 전력 신호를 정류하도록 구성되고, 상기 제2 커패시터는 상기 정류된 무선 전력 신호에 대응하는 에너지를 저장하도록 구성되며, 상기 제1 링오실레이터는 상기 제2 커패시터에 저장된 에너지를 이용하여 구동되고, 상기 제1 동작 주파수 범위 내에서, 상기 제1 센서의 연신 정도에 따라 상기 센싱 신호의 주파수를 변조하여 제1 변조 센싱 신호를 생성하도록 구성되며, 상기 판독부는, 상기 주파수 변조된 센싱 신호를 판독하도록 구성된다.
또한, 실시예에 따른 센서 시스템의 상기 안테나는 제2 센서 및 제2 동작 주파수 범위를 갖는 제2 링오실레이터를 더 포함하고, 상기 제2 링오실레이터는 상기 제2 동작 주파수 범위 내에서, 상기 제2 센서의 연신 정도에 따라 상기 센싱 신호의 주파수를 변조하여 제2 변조 센싱 신호를 생성하도록 구성되고, 상기 제1 센서와 상기 제1 링오실레이터가 매칭되고, 상기 제2 센서와 상기 제2 링오실레이터가 매칭되며, 상기 제1 동작 주파수 범위와 상기 제2 동작 주파수 범위는 서로 상이하다.
또한, 실시예에 따른 센서 시스템의 상기 판독부는 상기 제1 변조 센싱 신호 및 상기 제2 변조 센싱 신호를 각각 구별하여 판독하도록 구성된다.
또한, 실시예에 따른 센서 시스템의 상기 판독부는 상기 제1 동작 주파수 범위에 대응하는 제1 밴드패스 필터 및 상기 제2 동작 주파수 범위에 대응하는 제2 밴드패스 필터를 포함하고, 상기 제1 밴드패스 필터 및 상기 제2 밴드패스 필터를 이용하여, 상기 제1 변조 센싱 신호와 상기 제2 변조 센싱 신호를 각각 구별하여 판독하도록 구성된다.
또한, 실시예에 따른 센서 시스템의 상기 다이오드는 metal-semiconductor Schottky 구조이다.
또한, 실시예에 따른 센서 시스템의 상기 다이오드, 상기 제2 커패시터, 제2 센서, 상기 제1 링오실레이터, 및 상기 제2 링오실레이터는 모두 연신가능한 소재로 형성된다.
본 발명은 부피가 작고 별도의 배터리가 필요하지 않은 안테나를 구비하는 태그(tag)를 포함하는 센서 시스템을 제공할 수 있다.
또한, 본 발명은, 상용 NFC 주파수(13.56MHz)를 사용할 수 있는 센서 시스템을 제공할 수 있다.
또한, 본 발명은 피부 부착이 가능하면서도 착용감이 개선된 연신가능한 태그를 포함하는 센서 시스템을 제공할 수 있다.
도 1은 실시예에 따른 센서 시스템의 블록도 이다.
도 2a는 실시예에 따른 안테나의 형상을 나타낸 것이고, 도 2b는 실시예에 따른 안테나의 인덕턴스 특성을 나타내는 그래프이다.
도 3a은 실시예에 따른 커패시터의 형상이고, 도 3b는 실시예에 따른 커패시터의 구조이며, 도 3c는 실시예에 따른 커패시터의 특성을 나타내는 그래프이다.
도 4a 및 도 4b는 실시예에 따른 안테나의 특성을 나타내는 그래프이다.
도 5a는 공진 주파수별 출력 전압을 나타내는 그래프이다.
도 5b는 실시예에 따른 시스템의 동작 영역을 나타내는 그래프이다.
도 5c는 각 영역에서 품질 계수의 변화에 따른 시스템의 감도를 나타내는 그래프이다.
도 6a는 실시예에 따른 센서이고, 도 6b는 실시예에 따른 센서의 특성을 나타내는 그래프이다.
도 7a는 실시예에 따른 태그부의 연신 정도에 따른 출력 전압을 나타내는 그래프이고, 도 7b는 실시예에 따른 태그부와 판독부 사이의 수평 거리에 따른 출력 전압을 나타내는 그래프이다.
도 7c는 실시예에 따른 태그부와 판독부 사이의 수직 거리에 따른 출력 전압을 나타내는 그래프이다.
도 8은 다른 실시예에 따른 센서 시스템의 구체적인 구성이다.
도 9는 또 다른 실시예에 따른 센서 시스템의 구체적 구성이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 명세서에 개시된 실시 예를 상세히 설명하되, 동일하거나 유사한 구성요소에는 동일, 유사한 도면 부호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 이하의 설명에서 사용되는 구성요소에 대한 접미사 "모듈" 및 "부"는 명세서 작성의 용이함만이 고려되어 부여되거나 혼용되는 것으로서, 그 자체로 서로 구별되는 의미 또는 역할을 갖는 것은 아니다. 또한, 본 명세서에 개시된 실시 예를 설명함에서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 명세서에 개시된 실시 예의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 첨부된 도면은 본 명세서에 개시된 실시 예를 쉽게 이해할 수 있도록 하기 위한 것일 뿐, 첨부된 도면에 의해 본 명세서에 개시된 기술적 사상이 제한되지 않으며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
제1, 제2 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 이러한 구성요소들은 상술한 용어들에 의해 한정되지는 않는다. 상술한 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
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.
단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
본 출원에서, "포함한다" 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.
이하, 도 1을 참조하여 실시예에 따른 센서 시스템을 설명한다.
실시예에 따른 센서 시스템(1)은 피부 부착형 연신가능한 태그부(10, 이하 태그부라 함) 및 연신가능한 판독부(20, 이하 판독부라 함)를 포함하고 태그부(10)와 판독부(20)는 소정의 공진 주파수(f, 예를 들어 13.5Mhz)를 이용하여 유도 결합(Inductive-coupling) 방식으로 결합되어 있다.
태그부(10)와 판독부(20)는 NFC 또는 RFID 등의 무선 통신을 이용하여 서로 통신할 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
판독부(20)는 무선 전력 신호를 통해 비접촉식으로 태그부(10)에 구동 전원을 공급하고 태그부(10)에서 생성된 센싱 신호를 진폭 변조(amplitude modulation) 신호 감지 방식으로 수신하여 판독한다. 구체적으로, 판독부(20)는 안테나(21) 및 회로부(22)를 포함하여 사용자의 옷에 부착될 수 있고, 안테나(21)에서 얻은 출력 전압(Vo)의 진폭을 이용하여 태그부(10)의 센싱 신호를 판독한다.
안테나(21)는 그 등가 회로로서, 서로 직렬 연결된 연신가능한 인덕터(인덕터라 함, Lr) 및 기생 저항(Rr)으로 표현될 수 있고, 회로부(22)는 진폭 변조(amplitude modulation)에 의한 센싱 신호를 판독한다.
태그부(10)와 판독부(20) 사이에는 3개의 파라미터인, 공진 주파수(f), 품질 계수(Quality Factor, Q), 및 결합 계수(coupling coefficient, k)가 존재하고, 공진 주파수(f) 및 품질 계수(Q)는 이하의 수학식 1로 나타낼 수 있다.
[수학식 1]
Figure pat00001
여기에서, Ltag, Ctag, 및 Rtag는 각각 안테나(11)의 인덕턴스, 커패시턴스, 및 기생 저항값을 의미한다.
태그부(10)는 연신가능한 안테나(11, 이하, 안테나라 함) 및 연신가능한 센서(12, 이하 센서라 함)를 포함하고, 센서(12)에 포함된 연신가능한 저항(Rs, 도 6참조, 이하 저항이라 함)의 연신 정도에 대응하는 저항값의 변화에 따라 부하 변조(loading modulation)에 의해 센싱 신호를 생성하고, 안테나(11)를 통해 판독부(20)에 센싱 신호를 전송할 수 있다.
안테나(11)는 그 등가 회로로서, 서로 병렬 연결된, 인덕터(Lt)와 연신가능한 커패시터(이하 커패시터라 함, Ct), 및 기생 저항(Rt)으로 표현될 수 있다.
이하, 도 2를 참조하여 실시예에 따른 인덕터(Lt)를 설명한다. 도 2a는 실시예에 따른 안테나의 형상을 나타낸 것이고, 도 2b는 실시예에 따른 안테나의 인덕턴스 특성을 나타내는 그래프이다.
도 2a를 참조하면, 안테나(11)는 연신가능한 전도체를 소정의 방향(예를 들어 반시계 방향)으로 감아 나선형 형상으로 형성되며, 감긴 형상의 연신가능한 전도체가 도 1을 참조하여 설명한 인덕터(Lt)를 형성할 수 있다. 이때, 연신가능한 전도체는 고 전도의 연신가능한 은 나노파티클(Ag nanoparticle)을 폴리우레탄(PU)에 임베딩(embedding)하여 제작되며, 연신가능한 전도체의 전도도는 0.5 Ohm/square 미만의 값인 것이 바람직하나 이에 한정되는 것은 아니다.
인덕터(Lt)는 충분한 감도(S, 도 5b 참조)를 제공하기 위해 100nH를 초과하는 인덕턴스를 가져야 하고 내부 저항은 제1 기준 저항값(100Ω) 이하이어야 한다.
이하, 인덕터(Lt)를 제조하는 방법을 구체적으로 설명한다.
먼저, 스텐실 인쇄 또는 디스펜서 인쇄 방식으로 연신가능한 전극(이하, 연신 전극이라 함.) 예를 들어, 스티렌-부타디엔-에틸렌 수지(SEBS: Styrene-Ethylene-Butylene-Styrene) 전극상에 연신가능한 도체 잉크(플레이크와 엘라스토머의 복합 잉크, PE873)를 나선형 형상으로 인쇄한다. 이때 프린터(예를 들어, Voltera V-one)를 이용할 수 있으며, SEBS 기판은 고 항복 전압, 우수한 유전 누설 및 높은 연신 가능성의 특성을 가지고 있고, 10μm H1221의 SEBS기판 일 수 있다.
필요한 인덕턴스에 도달하기 위해 4번 회전하여 4.9cm * 4.5cm 크기의 나선형 모양 인덕터를 형성하는 것이 바람직하다. 폭이 4mm인 넓은 라인은 전체 나선형 길이와 폭의 비율을 최소화하도록 설계되어 품질 계수(Q) 값을 높이기 위해 인덕터 내부 저항을 줄일 수 있다. 이때, 인덕터(L)의 패턴은 알티움 디자이너(Altium Designer) 소프트웨어를 이용하여 설계될 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
다음으로, 105℃에서 30분 동안 어닐링(annealing)하여 인쇄된 도체 잉크를 완전히 경화시킨다.
도 2b를 참조하면, 실시예에 따른 인덕터(Lt)는 제1 상태(0% 연신(strain)된 상태) 상태에서 인덕턴스가 451.5nH이고, 인덕터(Lt)로 인한 기생 저항(Rt)의 저항값은 2.98Ω을 가지고 있으며, 제1 상태에서, 인덕턴스는 595.2nH가 되어 31.8% 증가하였고 저항값은 41.7Ω로 약 14배 증가한다. 이때, 기생 저항(Rt)의 저항값이 여전히 제1 기준 저항값(100Ω) 이하이기 때문에, 높은 연신 조건에서도 시스템(1)을 성공적으로 작동시킬 수 있다.
이하, 도 3을 참조하여 실시예에 따른 커패시터(Ct)를 설명한다. 도 3a은 실시예에 따른 커패시터의 형상이고, 도 3b는 실시예에 따른 커패시터의 구조이며, 도 3c는 실시예에 따른 커패시터의 특성을 나타내는 그래프이다.
커패시터(Ct)는 낮은 전극 저항을 유지하면서 수십pF의 커패시턴스를 갖는 것이 바람직하다. 도 3a를 참조하면, 커패시터(Ct)가 낮은 전극 저항을 갖도록 하기 위해, 커패시터(Ct)는 나선형 모양 인덕터(Lt) 상에 연신 전극을 인덕터(Lt)의 일부와 중첩시켜 형성된다.
구체적으로, 도 3b를 참조하면, 커패시터(Ct)는 나선형 모양 인덕터(Lt) 위에 은 나노파티클 연신 전극(Ag)을 중첩시기고 인덕터(Lt)와 연신 전극(Ag) 사이에 2층의 SEBS 유전체를 적층 하여 샌드위치 구조로 형성된다. 즉, 인덕터(Lt) 위에 2개의 SEBS 유전체를 적층 한 다음, 다른 하나의 전극(Ag)을 적층 하여 샌드위치 구조의 커패시터(Ct)를 제조한다.
도 3c를 참조하면, 커패시터(Ct)는 제1 상태에서 16.3pF/cm2 단위 커패시턴스를 가지고, 제2 상태(50% 연신(strain)된 상태)가 되면 전극(Ag)의 넓이가 커지고 유전체(SEBS)의 두께는 얇아져 단위 커패시턴스는 22.0 pF/cm2로 증가한다. 이때, 늘어난 전극(Ag)의 저항값은 제2 기준 저항값(예를 들어, 3Ω) 이하의 낮은 전극 저항을 유지하기 때문에, 높은 연신 조건에서도 시스템(1)을 성공적으로 작동시킬 수 있다.
이하, 도 4를 참조하여, 안테나(11)의 특성을 설명한다. 도 4a 및 도 4b는 실시예에 따른 안테나의 특성을 나타내는 그래프이다.
안테나(11)는 인덕터(Lt)와 커패시터(Ct)로써 태그부(10)의 공진 구조를 형성한다. 상술한 수학식 1에, 도 2b에 도시된 인덕턴스 값과 도 3c에 도시된 커패시턴스 값을 대입하여 품질 계수(Q)를 계산할 수 있다.
구체적으로, 도 4를 참조하면, 태그부(10)가 제1 상태(0% 연신)에서 제2 상태(50% 연신)로 연신되면 태그부(10) 고유 공진 주파수(f)는 68.1MHz에서 46.0MHz로 떨어지고 품질 계수(Q)는 8.1에서 1.2로 떨어진다.
판독부(20)는 결합 계수(k)에서 13.56MHz에서 정확하게 공진하도록 설계된다. 이러한 설계는 최대 감도를 제공하여 최대 무선 작동 거리를 보장한다.
그러나 판독부의 공진 주파수 13.56MHz만 사용해서는 공진주파수(f)에 대한 대역폭이 매우 좁으며, 품질계수(Q) 저하(drop)의 허용 범위가 좁다. 즉, 기생 저항(Rt)의 증가와 인덕터(Lt)의 인덕턴스의 증가로 안테나(11)의 품질계수(Q)가 저하되어 시스템(1)은 안정적으로 작동할 수 없다. 또한, 결합 계수(k)가 증가하면 태그부(10)의 안테나(11)가 판독부(20)의 안테나(21)에 강한 로딩 효과(loading effect)를 유발하여, 안테나(11)의 감도(S, 도 5 a참조)는 급격하게 저하된다.
따라서, 이러한 문제점을 해결하기 위해, 종래 13.56MHz 이외의 다른 공진 주파수 영역 대에서 작동하는 안테나(11)를 설계할 필요가 있다.
실시예에 따른 판독부(20)는 13.56MHz의 공진 주파수에서 동작하고, 태그부(10)는 제1 상태뿐 아니라 제2 상태가 되어 결합 계수(k)가 높은 경우에도 13.56MHz 의 공진 주파수 이외의 다른 주파수 영역에서 동작 가능하다.
이하, 도 5를 이용하여 실시예에 따른 태그부(10)와 판독부(20)의 동작 영역을 구체적으로 설명한다. 도 5a는 공진 주파수(f)별 출력 전압(Vo)을 나타내는 그래프이다. 도 5b는 실시예에 따른 시스템의 동작 영역을 나타내는 그래프이다. 도 5c는 각 영역에서 결합 계수(k)의 변화에 따른 시스템의 감도(S)를 나타내는 그래프이다.
도 5a를 참조하면, k = 0.5 및 Q = 10인 경우, 출력 전압(Vo)의 변화율(즉, 도 5a의 그래프 기울기)을 감도(S)로 정의하면, 센서(12)의 저항(Rs)이 102Ω 내지 103Ω인 구간 내에서, 공진 주파수(f)가 정확히 13.56MHz이거나, 30MHz보다 큰, 50MHz 또는 100MHz인 경우에서 그래프 기울기가 가파르다, 즉 공진 주파수(f)가 13.56MHz이거나, 50MHz 또는100MHz에서 감도(S)가 높다.
구체적으로, 도 5b를 참조하면, 센서의 저항(Rs)이 700Ω인 경우, 판독부(20)는 제1 영역(R1)에서 동작하고, 태그부(10)는 제2 영역(R2)에서 동작할 수 있다.
제1 영역(R1)은 낮은 결합 계수(k)(0.1 이하)와 13. 56MHz의 공진 주파수(f)에 대응하는 영역이다. 또한, 제1 영역(R1)은 연신에 따른 공진 주파수(f)의 작은 변화에 감도(S)가 크게 변하는 영역이다.
제2 영역(R2)은 높은 k값(0.2이상)과 30MHz 이상 50MHz 이하의 공진 주파수(f)에 대응하는 영역이고, 공진 주파수(f)가 변하더라도 감도(S)는 높게 유지될 수 있는 영역이다.
또한, 제2 영역(R2)은 품질계수(Q) 저하의 허용 범위가 넓다. 구체적으로, 도 5c를 참조하면, 품질계수(Q)가 10에서 1로 감소할 경우, 제2 영역(R2)에서의 감도(S)는 3.93 mV/Ω에서 2.18 mV/Ω으로 떨어지는 반면, 제1 영역(R1)에서의 감도(S)는 -2V/Ω에서 -0.17mV/Ω으로 급격히 떨어진다. 따라서, 제2 영역(R2)에서는 품질계수(Q)의 변화가 크더라도 감도(S)변화는 제1 영역 (R1)보다 적다.
즉, 다시 도 4를 참조하면, 태그부(10)가 제1상태에서 제2 상태가 되면 태그부(10)의 공진 주파수(f)는 68.1MHz에서 46.0MHz가 된다. 이때 품질 계수(Q)는 8.1에서 1.2로 크게 떨어졌지만, 제2 영역(R2)에서의 감도(S)는 3.93 mV/Ω에서 2.18 mV/Ω으로 적게 떨어지므로, 품질계수(Q)의 변화가 크더라도 감도(S)변화가 적다.
또한, 제2 영역(R2)의 공진 주파수(f)는 30MHz 이상으로 높기 때문에, 커패시터(Ct)의 커패시턴스 값은 큰 값이 아니어도 된다. 따라서, 커패시터(Ct)를 형성하는 전극(Ag)은 더 이상 얇을 필요가 없어, 제조 곤란성을 감소시키고 연신되어도 감도(S) 변화가 적어 신뢰도가 향상된다.
이하, 도 1, 도 5a, 및 도 6을 참조하여, 실시예에 따른 센서를 설명한다. 도 6a는 실시예에 따른 센서이고, 도 6b는 실시예에 따른 센서의 특성을 나타내는 그래프이다.
도 1 및 도 6a를 참조하면 센서(12)는 피부에 부착 가능한 저항성 변형 센서로서, 저항(Rs)을 포함하고, 폴리디메틸실록산(PDMS: Polydimethyl Siloxane) 이 임베딩된 탄소 나노튜브(CNT: carbon nano tube)일 수 있으며, 커피 링 효과(coffee ring effect)를 기반으로 한 연신가능한 센서일 수 있다.
피부에 부착된 센서(12)는 저항(Rs)의 연신 정도에 대응하는 진폭 변조에 따른 의한 센싱 신호를 생성한다. 상술한 바와 같이, 판독부(20)는 수신된 센싱 신호에 대응하는 출력 전압(Vo)의 진폭을 이용하여 태그부(10)의 센싱 신호를 판독한다.
센서(12)는 높은 감도(S)를 가져야 하며 이를 위해 저항(Rs) 값은 제1 상태에서 제3 기준 저항(103Ω) 보다 작아야 한다.
도 6b를 참조하면, 센서(12)가 심장 박동 센서일 경우의 측정 시간에 따른 저항(Rs)의 저항값을 나타낸다. 심장 박동에 대응하여 센서(12)가 연신되고 그에 따라 저항(Rs)의 저항값은 펄스 형상을 나타낸다. 이러한 펄스 형상에 대응하여 태그부(10)에서 부하 변조에 의한 센싱 신호가 생성되고, 판독부(20)는 센싱신호에 대응하는 출력 전압(Vo)의 진폭을 이용하여 센싱 신호를 판독한다.
설명의 편의를 위해 센서(12)는 심박 센서인 것으로 설명하였으나, 실시예가 이에 제한되는 것은 아니며, 호흡 및 신체 움직임 등 인간의 생물학적 신호를 연신가능한 저항을 이용하여 감지하기 위한 센서라면 어떠한 센서라도 포함될 수 있다.
이하, 도 7을 참조하여 실시예에 따른 태그부(10)의 연신 정도 및 태그부(10)와 판독부(20)사이의 거리에 따른 시스템(1)의 특성을 설명한다.
도 7a는 실시예에 따른 태그부의 연신 정도에 따른 출력 전압을 나타내는 그래프이고, 도 7b는 실시예에 따른 태그부와 판독부 사이의 수평 거리에 따른 출력 전압을 나타내는 그래프이다.
도 7c는 실시예에 따른 태그부와 판독부 사이의 수직 거리에 따른 출력 전압을 나타내는 그래프이다.
도 7a를 참조하면, 저항(Rs)의 저항값이 제3 기준 저항(103Ω) 이하인 구간에서 저항(Rs)이 제1 상태로부터 제2 상태가 될 때까지 그래프의 기울기에 대응하는 감도(S)는 매우 높은 값을 유지한다. 또한, 인간의 생물학적 펄스 신호는 저항(Rs)이 제1 상태로부터 제2 상태가 되어도 인간의 생물학적 펄스 신호에 대응하는 출력 전압(Vo)으로 검출된다. 따라서, 실시예에 따른 시스템(1)은 태그부(10)가 제2 상태가 되어도 작은 인간의 생물학적 신호를 검출 할 수 있다.
도 7b를 참조하면, 태그부(10)와 판독부(20) 사이의 수직(Vertical) 거리가 4.2mm에서부터 증가함에 따라 저항(Rs)의 저항값이 제3 기준 저항(103Ω) 이하인 구간에서, 도 7b에 도시된 곡선의 기울기에 대응하는 감도(S)는 증가하다가 빠르게 감소한다. 수직 거리가 20mm를 초과하면, 곡선은 거의 평탄 해지고 감도(S)는 0에 가까워진다. 즉, 수직 거리가 4.2mm일 때 출력 전압(Vo)의 피크가 가장 높고 수직 분리 거리가 20mm를 초과하여 23.4mm에 도달하면 출력 전압(Vo)은 거의 검출되지 않는다.
도 7c를 참조하면, 태그부(10)와 판독부(20) 사이의 수평(또는 측면(lateral)) 거리가 0mm에서부터 증가함에 따라 저항(Rs)의 저항값이 제3 기준 저항(103Ω) 이하인 구간에서, 감도(S)는 증가하다가 빠르게 감소한다. 수평 거리가 25mm를 초과하면 곡선은 거의 평탄해지고 감도(S)는 0에 가까워진다. 즉, 수평 거리가 0mm일 때 출력 전압(Vo)의 피크가 가장 높고 수평 분리 거리가 25mm를 초과하여 35mm에 도달하면 출력 전압(Vo)은 거의 검출되지 않는다.
이하, 도 1 및 도 8을 참조하여 다른 실시예에 따른 안테나(111)를 설명한다. 도 8은 다른 실시예에 따른 센서 시스템의 구체적인 구성이다.
도 8을 참조하면, 안테나(111)는 도 1에 도시된 인덕터(Lt), 커패시터, 및 기생 저항(Rt)에 추가로, 연신 가능한 다이오드(D1, 이하, 다이오드라 함), 커패시터(C), 연신 가능한 트랜지스터(S, 이하, 트랜지스터라 함), 및 연신 가능한 링오실레이터(Ring oscillator, Ro)를 포함하고, 센서(12)에 연결될 수 있다.
인덕터(Lt), 커패시터(Ct), 기생 저항(Rt), 및 센서(12)는 도 1을 참조하여 설명한 내용과 동일하므로 상세한 설명은 생략한다.
다이오드(D)는 판독부(20)에서 송신된 제2 영역에 대응하는 무선 전력 신호를 정류한다. 이를 위해, 다이오드(D)의 동작 주파수는 100MHz 이상, 파괴 전압은 50V 이상일 수 있고, 역방향 누설 전류(Reverse leakage current)는 100nA 보다 작고, 순방향 전류(forward current)는 0.1mA 이상이다. 이러한 특성을 구현하기 위해, 다이오드(D1)는 금속-반도체 쇼트키(metal-semiconductor Schottky) 구조가 적용될 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
커패시터(C)에는 다이오드(D)에 의해 정류된 신호에 대응하는 에너지가 저장되고, 저장된 에너지는 링오실레이터(Ro)의 구동 전원으로 사용된다.
트랜지스터(S)는 링오실레이터(Ro)에 의해 제어되는 트랜지스터로서, 부하 변조에 사용된다.
링오실레이터(Ro)는 고유의 동작 주파수 범위를 가지고 안테나(111)의 연신 정도에 따라 센싱 신호의 주파수를 변조한다. 즉, 저항(Rs)의 연신 정도에 따라 링오실레이터(Ro)의 동작 주파수가 변경되고, 이에 대응하여 변조된 센싱 신호가 생성된다. 변조된 센싱 신호는 안테나(111)를 통해 판독부(20)로 전송된다.
링오실레이터(Ro)는 무선 주파수 회수 에너지(RF harvested energy)를 사용하기 때문에 15V 미만의 낮은 동작 전압과 1mW 미만의 저소비 전력, 및 100Hz를 초과하는 넓은 주파수 영역이 요구된다.
복수의 센서를 이용하여 복수의 신체 신호를 모니터링 하기 위해서는 복수의 센서 및 복수의 센서에 대응하는 복수의 링오실레이터를 포함하는 복수의 태그부를 구성할 수 있다.
예를 들어, 심박수, 호흡 수 및 신체 움직임을 모니터링 하는 경우, 심박수 센서, 호흡 수 센서, 및 신체 움직임 센서, 그리고 이들 센서에 각각 매칭되는 3개의 링오실레이터를 포함하는 3개의 태그부를 소정의 인체 위치에 각각 부착하여 심박수, 호흡 수 및 신체 움직임을 모니터링할 수 있다. 구체적으로, 이러한 3개의 링오실레이터의 동작 주파수 범위가 각각 20-40Hz, 70-100 Hz, 300-500Hz로서 서로 중첩되지 않는다.
판독부(20)에는 20-40Hz, 70-100 Hz, 300-500Hz에 대응하는, 알고리즘 및 밴드패스 필터(bandpass filter)를 각각 포함할 수 있고, 이러한 알고리즘 및 밴드패스 필터를 이용하여 각 링오실레이터의 동작 주파수 대역에 대응하는 변조된 센싱 신호를 구별하여 판독할 수 있다.
이상에서, 설명의 편의를 위해, 실시예에 따른 센서 시스템은 하나의 태그부(10)와 하나의 판독부(20)를 포함하는 것으로 설명하였으니, 실시예가 이에 한정되는 것은 아니며 실시예는, 복수의 태그부와 하나의 판독부를 또는 복수의 태그부와 복수의 판독부를 포함하는 시스템을 포함할 수 있다.
도 9는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 센서 시스템이다. 이하, 도 9를 참조하여본 발명의 또다른 실시예에 따른 센서 시스템을 설명한다.
도 9를 참조하면, 또 다른 실시예에 따른 센서 시스템은, 제1 내지 제3 태그부(10a, 10b, 10c) 및 판독부(20)를 포함한다.
제1 내지 제3 태그부(10a, 10b, 10c)는 대응하는 제1 내지 제3 안테나(111a, 111b, 111c)를 각각 포함한다. 제1 내지 제3 태그부(10a, 10b, 10c) 각각은 도 8을 참조하여 설명한 3개의 태그부(10)와 구성이 동일하므로 상세한 설명은 생략한다.
제1 내지 제3 태그부(10a, 10b, 10c) 각각은 신체의 서로 다른 부분의 생체 신호, 예를 들어, 심박수, 호흡, 및 신체 움직임 등을 모니터링 할 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
판독부(20)는 도 8을 참조하여 설명한 판독부(20)의 구성 모두 포함하고, 추가로 회로부(22)를 포함할 수 있다. 도 8의 판독부(20)와 동일한 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다.
회로부(22)는 안테나(21)와 연결되어 있고, 서로 다른 주파수에서 각각 동작하는 제1 밴드 패스 필터(22f1), 제2 밴드 패스 필터(22f2), 및 제3 밴드 패슬 필터(22f3)를 포함하고, 메모리(22m)와 처리 회로(22p)를 포함한다.
메모리(22m)는 제1 태그부(10a), 제2 태그부(10b) 및 제3 태그부 (10c)로부터 감지된 신호를 판독부(20)가 구별하도록 처리 회로(22p)에 의해 실행되는 신호 처리 알고리즘과 같은 명령이 저장될 수 있다.
이상에서 설명의 편의를 위해, 3개의 태그부(10a, 10b, 10c) 및 판독부(20)를 포함하는 것으로 설명하였으니, 실시예가 이에 한정되는 것은 아니며 복수의 태그부와 하나의 판독부를 또는 복수의 태그부와 복수의 판독부를 포함하는 시스템을 포함할 수 있다.
이상에서 본 발명의 실시 예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다. 따라서, 상세한 설명은 모든 면에서 제한적으로 해석되어서는 아니 되고 예시적인 것으로 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 첨부된 청구항의 합리적 해석에 의해 결정되어야 하고, 본 발명의 등가적 범위 내에서의 모든 변경은 본 발명의 범위에 포함된다.
1: 센서시스템
10: 태그부
11: 안테나
12: 센서
20: 판독부
22: 판독회로

Claims (18)

  1. 센서 시스템으로서,
    연신 안테나 및 연신 저항을 구비하는 제1 센서를 포함하고, 상기 연신 저항의 연신 정도에 대응하는 센싱 신호를 생성하여 상기 안테나를 통해 상기 센싱 신호를 판독부로 전송하며, 제1 주파수에 대응하는 제1 영역에서 동작하도록 구성된 태그부;
    상기 태그부와 유도 결합 방식으로 결합하고 상기 센싱 신호를 수신하여 판독하며, 제2 주파수에 대응하는 제2 영역에서 동작하도록 구성된 판독부
    를 포함하고,
    상기 제1 주파수는 30MHz 이상 50MHz 이하의 범위에 포함되고, 상기 제2 주파수는 상기 제1 주파수와 상이한, 센서 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제2 주파수는 13. 56MHz이고,
    상기 제1 영역은 상기 제1 주파수와 제1 결합 계수에 대응하는 영역이고 상기 제2 영역은 상기 제2 주파수와 제2 결합 계수에 대응하는 영역이며,
    상기 제1 결합 계수는 상기 제2 결합 계수보다 큰, 센서 시스템.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 안테나는 연신 전극으로 형성된, 인덕터 및 제1 커패시터를 포함하며,
    상기 인덕터는 제1 연신 전극을 소정의 방향으로 감아 형성된 나선형 형상이고,
    상기 커패시터는 상기 인덕터의 일부 및 상기 인덕터의 일부와 중첩되는 제2 연신 전극으로 형성되며,
    상기 인덕터와 상기 커패시터는 제1 상태로부터 제2 상태로 연신되는, 센서 시스템.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 제2 상태에서, 상기 제1 연신 전극의 저항값은 제1 기준 저항값 이하이고, 상기 제2 연신 전극의 저항값은 제2 기준 저항값 이하인, 센서 시스템.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 제1 상태에서 상기 연신 저항의 저항값은 제3 기준 저항값 이하인, 센서 시스템.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 제1 기준 저항값, 상기 제2 기준 저항값, 및 상기 제3 저항값은 각각 100Ω, 3Ω, 및 1000Ω인, 센서 시스템.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 커패시터는 상기 인덕터의 일부와 상기 제2 연신 전극 사이에 유전체가 포함된 샌드위치 구조이고,
    상기 제1 연신 전극 및 상기 제2 연신 전극의 전도도는 0.05 Ohm/square 미만인, 센서 시스템.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 샌드위치 구조는 2개의 SEBS 유전체를 포함하는, 센서 시스템.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 인덕터는,
    상기 제1 상태에서, 451.5nH의 인덕턴스를 가지고 저항값은 2.98Ω이며,
    상기 제2 상태에서, 595.2nH의 인덕턴스를 가지고 저항값은 41.7Ω인, 센서 시스템.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 제1 상태 및 상기 제2 상태에서 상기 커패시터의 단위 커패시턴스는 각각 16.3pF/cm2 및 22.0 pF/cm2인, 센서 시스템.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 제1 센서는 피부에 부착 가능한 저항성 변형 센서이고, 타소 나노튜브 소재로 형성된, 센서 시스템.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 제1 상태는 연신되지 않은 상태이고, 상기 제2 상태는 상기 제1 상태보다 50% 연신 된 상태인, 센서 시스템.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 안테나는, 다이오드, 제2 커패시터, 및 제1 동작 주파수 범위를 갖는 제1 링오실레이터를 더 포함하고,
    상기 다이오드는 상기 제2 영역에 대응하는 무선 전력 신호를 정류하도록 구성되고,
    상기 제2 커패시터는 상기 정류된 무선 전력 신호에 대응하는 에너지를 저장하도록 구성되며,
    상기 제1 링오실레이터는 상기 제2 커패시터에 저장된 에너지를 이용하여 구동되고, 상기 제1 동작 주파수 범위 내에서, 상기 제1 센서의 연신 정도에 따라 상기 센싱 신호의 주파수를 변조하여 제1 변조 센싱 신호를 생성하도록 구성되며,
    상기 판독부는, 상기 주파수 변조된 센싱 신호를 판독하도록 구성된, 센서 시스템.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 안테나는 제2 센서 및 제2 동작 주파수 범위를 갖는 제2 링오실레이터를 더 포함하고,
    상기 제2 링오실레이터는 상기 제2 동작 주파수 범위 내에서, 상기 제2 센서의 연신 정도에 따라 상기 센싱 신호의 주파수를 변조하여 제2 변조 센싱 신호를 생성하도록 구성되고,
    상기 제1 센서와 상기 제1 링오실레이터가 매칭되고, 상기 제2 센서와 상기 제2 링오실레이터가 매칭되며, 상기 제1 동작 주파수 범위와 상기 제2 동작 주파수 범위는 서로 상이한, 센서 시스템.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 판독부는
    상기 제1 변조 센싱 신호 및 상기 제2 변조 센싱 신호를 각각 구별하여 판독하도록 구성된, 센서 시스템.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 판독부는
    상기 제1 동작 주파수 범위에 대응하는 제1 밴드패스 필터 및 상기 제2 동작 주파수 범위에 대응하는 제2 밴드패스 필터를 포함하고,
    상기 제1 밴드패스 필터 및 상기 제2 밴드패스 필터를 이용하여, 상기 제1 변조 센싱 신호와 상기 제2 변조 센싱 신호를 각각 구별하여 판독하도록 구성된, 센서 시스템.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 다이오드는 금속-반도체 쇼트키(metal-semiconductor Schottky) 구조인, 센서 시스템.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 다이오드, 상기 제2 커패시터, 제2 센서, 상기 제1 링오실레이터, 및 상기 제2 링오실레이터는 모두 연신가능한 소재로 형성된, 센서 시스템.
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