KR20210048015A - A sensor structure and a smart insole comprising the same - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 센서 구조체 및 이를 포함하는 스마트 인솔에 관한 것이다.The present invention relates to a sensor structure and a smart insole including the same.
발에 과도한 부하가 가해지면 부하에 대한 인체의 반작용이 발생하고 부하가 반복적이고 지속적으로 작용하면 부상이 발생할 가능성이 높아진다. 이를 예방하기 위해 부하를 측정하고 평가하기 위한 센서를 신발에 내장할 필요가 있다. 그리고 이 센서를 작동시킬 배터리와, 센서의 신호를 외부 장치로 전송하기 위한 통신 모듈이 필요하다.When an excessive load is applied to the foot, a reaction of the human body to the load occurs, and if the load is repeatedly and continuously applied, the likelihood of injury increases. To prevent this, it is necessary to incorporate sensors to measure and evaluate the load in the shoe. In addition, a battery for operating this sensor and a communication module for transmitting a signal from the sensor to an external device are required.
한국공개특허 제10-2014-0062541호는, 신발 내부의 바닥에 접촉되고, 상기 스마트 인솔의 동작을 제어하는 회로부가 설치되는 바닥층, 상기 바닥층에 상응하는 형상으로 형성되며, 상기 바닥층 상에 결합되고, 온도, 습도 또는 압력의 변화에 따라 정전용량이 변화하는 스마트 섬유로 제조되는 감지층, 및 상기 감지층을 커버하는 커버층을 포함하는 스마트 인솔을 개시한다.Korean Patent Laid-Open Publication No. 10-2014-0062541 is a floor layer in contact with the floor inside the shoe and on which a circuit unit for controlling the operation of the smart insole is installed, is formed in a shape corresponding to the floor layer, and is combined on the floor layer. , Disclosed is a smart insole comprising a sensing layer made of a smart fiber whose capacitance changes according to changes in temperature, humidity, or pressure, and a cover layer covering the sensing layer.
종래 이러한 스마트 섬유로는, 고강도 전도사, 섬유 기반의 센서사, 광섬유(POF), 세라믹사, 탄소사, 금속사 등이 알려져 있으나, 일반적인 탄소사, 금속사 등은 전도성은 우수하지만 빈번한 굽힘, 충격 등에는 취약한 문제가 있다.Conventionally, as such smart fibers, high-strength conductive yarns, fiber-based sensor yarns, optical fibers (POF), ceramic yarns, carbon yarns, metal yarns, etc. are known, but general carbon yarns, metal yarns, etc. have excellent conductivity but frequent bending and impact. There is a fragile problem on the back.
따라서, 스마트 섬유를 신발, 의복류 중 가장 많은 하중이 가해지는 신발 인솔, 구체적으로, 스마트 인솔에 포함된 센서 구조체와 같은 하위 구성에 적용하기 위해서는 섬유의 기계적 강도와 전기적 특성을 균형적으로 구현할 필요가 있다.Therefore, in order to apply the smart fiber to a sub-structure such as a shoe insole, specifically, a sensor structure included in the smart insole, it is necessary to implement the mechanical strength and electrical properties of the fiber in a balanced manner. have.
본 발명은 전술한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은 기계적 강도와 전기적 특성이 균형적으로 구현된 센서 구조체와 이를 포함하는 스마트 인솔을 제공하는 것이다.The present invention is to solve the problems of the prior art, and an object of the present invention is to provide a sensor structure in which mechanical strength and electrical characteristics are implemented in a balanced manner, and a smart insole including the same.
본 발명의 일 측면은, 전극, 및 전도성 커버가 순차적으로 적층된 센서 구조체에 있어서, 상기 전도성 커버는 전도성 섬유 원사 및 비전도성 섬유 원사의 연사물이 직조된 원단으로 이루어진 센서 구조체를 제공한다.One aspect of the present invention provides a sensor structure in which an electrode and a conductive cover are sequentially stacked, wherein the conductive cover is made of a fabric in which a conductive fiber yarn and a twisted yarn of a non-conductive fiber yarn are woven.
일 실시예에 있어서, 상기 전극은 복수의 빗살형 핑거가 서로 이격되어 배열된 빗살형 전극일 수 있다.In one embodiment, the electrode may be a comb-shaped electrode in which a plurality of comb-shaped fingers are arranged to be spaced apart from each other.
일 실시예에 있어서, 상기 전도성 섬유 원사는 탄소계 물질을 포함하는 제1 영역을 포함할 수 있다.In one embodiment, the conductive fiber yarn may include a first region including a carbon-based material.
일 실시예에 있어서, 상기 탄소계 물질은 탄소나노튜브, 풀러렌, 그래핀, 그라파이트, 탄소섬유, 카본블랙 및 이들 중 2 이상의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 하나일 수 있다.In one embodiment, the carbon-based material may be one selected from the group consisting of carbon nanotubes, fullerenes, graphene, graphite, carbon fiber, carbon black, and combinations of two or more of them.
일 실시예에 있어서, 상기 전도성 섬유 원사는 열가소성 수지를 포함하는 제2 영역을 더 포함할 수 있다.In one embodiment, the conductive fiber yarn may further include a second region including a thermoplastic resin.
일 실시예에 있어서, 상기 전도성 섬유 원사의 단면적에 대한 상기 제2 영역의 단면적의 비는 0.01~0.9일 수 있다.In one embodiment, a ratio of the cross-sectional area of the second area to the cross-sectional area of the conductive fiber yarn may be 0.01 to 0.9.
본 발명의 다른 일 측면은, 상기 센서 구조체; 전자 모듈; 및 상기 센서 구조체와 상기 전자 모듈을 연결하는 배선을 포함하는 기판;을 포함하는 스마트 인솔을 제공한다.Another aspect of the present invention, the sensor structure; Electronic module; And a substrate including a wire connecting the sensor structure and the electronic module.
일 실시예에 있어서, 상기 센서 구조체는 상기 기판의 발가락 영역, 볼 영역 및 뒤꿈치 영역에 위치할 수 있다.In an embodiment, the sensor structure may be located in a toe area, a cheek area, and a heel area of the substrate.
일 실시예에 있어서, 상기 배선은, 상기 센서 구조체로부터 인솔의 외부를 향해 반지름 방향으로 1차 연장되고, 상기 인솔의 둘레를 따라 원주 방향으로 2차 연장되어 상기 기판의 내측 아치 영역에서 포트 및 인터페이스를 형성하여 상기 전자 모듈에 연결될 수 있다.In one embodiment, the wiring is primarily extended in a radial direction from the sensor structure toward the outside of the insole, and is secondarily extended in a circumferential direction along the circumference of the insole to form a port and an interface in the inner arch area of the substrate. May be connected to the electronic module.
일 실시예에 있어서, 상기 전자 모듈은 통신 모듈 및 배터리를 포함하고, 상기 통신 모듈은 착용자의 몸에 부착된 외부 센서와 통신하고, 상기 외부 센서는 착용자의 관절 부위, 상기 관절 부위에 연결된 복수의 뼈 부위, 또는 이들의 조합에 부착될 수 있다.In one embodiment, the electronic module includes a communication module and a battery, the communication module communicates with an external sensor attached to the wearer's body, and the external sensor is a joint portion of the wearer, a plurality of connected to the joint portion. It may be attached to a bone site, or a combination thereof.
본 발명의 일 측면에 따른 센서 구조체는, 전도성 섬유 원사 및 비전도성 섬유 원사의 연사물이 직조된 원단으로 이루어진 전도성 커버를 포함함으로써, 센서 구조체 및 이를 포함하는 스마트 인솔의 기계적 강도와 전기적 특성을 균형적으로 구현할 수 있다.The sensor structure according to an aspect of the present invention includes a conductive cover made of a fabric in which a twisted yarn of a conductive fiber yarn and a non-conductive fiber yarn is woven, thereby balancing the mechanical strength and electrical properties of the sensor structure and the smart insole including the same. It can be implemented as an alternative.
본 발명의 효과는 상기한 효과로 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 상세한 설명 또는 청구범위에 기재된 발명의 구성으로부터 추론 가능한 모든 효과를 포함하는 것으로 이해되어야 한다.The effects of the present invention are not limited to the above effects, and should be understood to include all effects that can be deduced from the configuration of the invention described in the detailed description or claims of the present invention.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 센서 구조체의 단면도이고;
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 전도성 커버의 평면도이고;
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 연사물을 도식화한 것이고;
도 4 및 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 전도성 섬유 원사의 단면도이고;
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 센서 구조체 및 외부 센서의 구동 원리를 도식화한 것이고;
도 7은 발의 평균 족압을 측정한 이미지이고;
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 스마트 인솔의 평면도이다.1 is a cross-sectional view of a sensor structure according to an embodiment of the present invention;
2 is a plan view of a conductive cover according to an embodiment of the present invention;
3 is a schematic diagram of a continuous project according to an embodiment of the present invention;
4 and 5 are cross-sectional views of a conductive fiber yarn according to an embodiment of the present invention;
6 is a schematic diagram of a sensor structure and a driving principle of an external sensor according to an embodiment of the present invention;
7 is an image measuring the average foot pressure of the foot;
8 is a plan view of a smart insole according to an embodiment of the present invention.
이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 따라서 여기에서 설명하는 실시예로 한정되는 것은 아니다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.Hereinafter, the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. However, the present invention may be implemented in various different forms, and therefore is not limited to the embodiments described herein. In the drawings, parts irrelevant to the description are omitted in order to clearly describe the present invention, and similar reference numerals are attached to similar parts throughout the specification.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 부재를 사이에 두고 "간접적으로 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 구비할 수 있다는 것을 의미한다.Throughout the specification, when a part is said to be "connected" with another part, this includes not only "directly connected" but also "indirectly connected" with another member interposed therebetween. . In addition, when a part "includes" a certain component, it means that other components may be further provided, rather than excluding other components unless specifically stated to the contrary.
이하, 첨부된 도면을 참고하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하기로 한다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
센서 구조체Sensor structure
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 센서 구조체의 단면도이다. 도 1을 참고하면, 본 발명의 일 측면에 따른 센서 구조체는, 전극(100), 및 전도성 커버(200)가 순차적으로 적층된 센서 구조체에 있어서, 상기 전도성 커버(200)는 전도성 섬유 원사 및 비전도성 섬유 원사의 연사물이 직조된 원단으로 이루어질 수 있다.1 is a cross-sectional view of a sensor structure according to an embodiment of the present invention. Referring to Figure 1, the sensor structure according to an aspect of the present invention, in the sensor structure in which the
상기 전극(100)은 복수의 빗살형 핑거가 서로 이격되어 배열된 빗살형 전극(미도시)일 수 있으나, 그 구조와 형태가 이에 한정되는 것은 아니다.The
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 전도성 커버의 평면도이다. 상기 전도성 커버(220)는 필요한 수준의 전도성을 가지는 섬유 원사가 직조된 원단으로서, 이러한 원단은 압력, 온도, 습도와 같은 외부 조건에 따라 전기용량, 저항과 같은 전기적 특성이 변화하므로, 센서 또는 그 부품으로 사용되고 있으며, 소위, “섬유 센서”라고도 한다.2 is a plan view of a conductive cover according to an embodiment of the present invention. The
도 2는 전도성 섬유 원사 및 비전도성 섬유 원사의 연사물이 경사(210) 및 위사(220)로 평직된 전도성 커버의 평면도를 나타내나, 상기 연사물의 직조 방식은 평직에 한정되지 않고, 능직, 수자직, 또는 이들 중 2 이상의 조합된 것일 수도 있다.2 shows a plan view of a conductive cover in which a twisted yarn of a conductive fiber yarn and a non-conductive fiber yarn is plain weave with
본 명세서에 사용된 용어, "평직"은 경사와 위사가 한 올씩 상하 교대로 교차되어 만들어진 직물을 의미하고, "능직"은 경사사 또는 위사가 한 올, 두 올 또는 그 이상의 올이 교대로 계속 교차하여 조직점(경사가 나와있는 부분)이 대각선 방향으로 연결된 선이 나타나도록 만들어진 직물을 의미하며, "수자직"은 경사와 위사의 조직점을 최대한 적게 하면서 이들을 붙이지 않고 떨어뜨려서 직물의 표면에서 경사 또는 위사만 보이도록 만들어진 직물의 의미한다.As used herein, the term "plain weave" refers to a fabric made by alternating warp and weft yarns one by one, and “twill” refers to a warp yarn or weft yarn that is made by alternating one, two, or more yarns. It means a fabric made so that a line that crosses and connects the tissue points (the part where the inclination is protruding) appears in a diagonal direction, and "Suzy Weave" means that the tissue points of the warp and weft are as small as possible, and they are separated from the surface of the fabric without attaching them. Or it means a fabric made so that only the weft is visible.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 연사물을 도식화한 것이다. 도 3을 참고하면, 상기 전도성 커버(200)는 전도성 섬유 원사(221) 및 비전도성 섬유 원사(222)의 연사물이 직조된 원단으로 이루어질 수 있다.3 is a schematic diagram of a continuous project according to an embodiment of the present invention. Referring to FIG. 3, the
본 명세서에 사용된 용어, "연사물(twisted yarn)"은 두 올 이상의 실을 합하여 꼬임을 준 실을 의미한다. 즉, 상기 연사물은 상기 전도성 섬유 원사(221) 한 올과, 상기 비전도성 섬유 원사(222) 한 올을 합하여 꼰 실을 의미하며, 상기 전도성 커버(200)는 이러한 연사물이 직조된 것일 수 있다.As used herein, the term "twisted yarn" means a yarn twisted by combining two or more yarns. That is, the twisted yarn means a braided yarn by combining one strand of the
종래 전도성 섬유 원사로는, 고강도 전도사, 섬유 기반의 센서사, 광섬유(POF), 세라믹사, 탄소사, 금속사 등이 알려져 있으나, 일반적인 탄소사, 금속사와 같은 무기 섬유는 전도성은 우수하지만 빈번한 굽힘, 충격 등에는 취약한 문제가 있었고, 이를 신발, 의복류 중 가장 많은 하중이 가해지는 신발 인솔, 구체적으로, 스마트 인솔에 포함된 센서 구조체와 같은 하위 구성에 적용하는데 한계가 있었다.Conventionally, as conductive fiber yarns, high-strength conductive yarns, fiber-based sensor yarns, optical fibers (POF), ceramic yarns, carbon yarns, metal yarns, etc. are known, but inorganic fibers such as general carbon yarns and metal yarns have excellent conductivity but frequent bending. , Impact, etc. There was a weak problem, and there was a limitation in applying this to the sub-structure such as the sensor structure included in the shoe insole, specifically, the sensor structure included in the smart insole, which is the shoe insole that has the most load among shoes and clothing.
이에 대해, 상기 비전도성 섬유 원사(222)는 전도성 섬유 원사(221)의 인장강도, 인장신율, 인열강도와 같은 기계적 물성을 보완, 개선하여 상기 전도성 커버를 신발의 인솔에 적용할 수 있도록 해주며, 이 때, 상기 비전도성 섬유 원사(222)의 결합에 따른 전기적 특성의 열화는, 상기 전도성 섬유 원사(221)의 전도성을 높여줌으로써 보완할 수 있다.In contrast, the
상기 전도성 섬유 원사(221)의 전도성은 이에 포함된 전도성 물질의 종류, 함량 등에 따라 조절될 수 있으며, 상기 전도성 섬유 원사(221) 또한 종래 무기물로 이루어진 무기 섬유의 단점을 보완하기 위해, 일정 량의 유기물과 무기물이 상호 조합된 소재로 이루어질 수 있다.The conductivity of the
상기 전도성 섬유 원사(221)는 열가소성 수지 및 탄소계 물질을 포함하는 제1 영역(2211)을 포함할 수 있다. 상기 탄소계 물질은 필요한 수준의 전기전도성을 가지는 것으로서, 예를 들어, 탄소나노튜브, 풀러렌, 그래핀, 그라파이트, 탄소섬유, 카본블랙 및 이들 중 2 이상의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 하나일 수 있고, 바람직하게는, 탄소나노튜브일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.The
상기 탄소나노튜브는 벽의 개수에 따라 단일벽 탄소나노튜브(Single wall carbon nanotube), 이중벽 탄소나노튜브(Double wall carbon nanotube), 다중벽 탄소나노튜브(Multi wall carbon nanotube), 절두된 원뿔형의 그래핀(truncated graphene)이 다수 적층된 중공관 형태의 탄소나노섬유(cup-stacked carbon nanofiber) 및 이들 중 2 이상의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 하나일 수 있고, 바람직하게는, 제조의 용이성 및 경제성이 우수한 다중벽 탄소나노튜브일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.Depending on the number of walls, the carbon nanotubes are single-walled carbon nanotubes, double-walled carbon nanotubes, multi-walled carbon nanotubes, and truncated conical graphenes. It may be one selected from the group consisting of cup-stacked carbon nanofibers in the form of a hollow tube in which a plurality of truncated graphenes are stacked and a combination of two or more of them, and preferably, it is excellent in ease of manufacture and economy. It may be a multi-walled carbon nanotube, but is not limited thereto.
상기 탄소나노튜브의 라만 스펙트럼 중 파수 1580±50㎝-1 영역에 존재하는 피크를 G 밴드라고 하며, 이는 탄소나노튜브의 sp2 결합을 나타내는 피크로서, 구조적 결함이 없는 탄소 결정을 나타내는 것이다. 또한, 파수 1360±50㎝-1 영역에 존재하는 피크를 D 밴드라고 하며, 이는 탄소나노튜브의 sp3 결합을 나타내는 피크로서, 구조적 결함을 가지는 탄소를 나타내는 것이다.In the Raman spectrum of the carbon nanotubes, a peak present in the wavenumber 1580±50cm -1 region is referred to as a G band, which indicates a sp2 bond of the carbon nanotubes, indicating a carbon crystal without structural defects. In addition, the peak present in the wavenumber 1360±50cm -1 region is referred to as the D band, which represents the sp3 bond of the carbon nanotubes and represents the carbon having structural defects.
나아가, 상기 G 밴드 및 D 밴드의 피크 값을 각각 IG 및 ID라고 하며, 양자 간 비율인 라만 분광 강도비(IG/ID)를 통해 탄소나노튜브의 결정성을 수치화하여 측정할 수 있다. 즉, 라만 분광 강도비가 높은 값을 나타낼수록 탄소나노튜브의 구조적 결함이 적은 것을 의미하므로, 상기 라만 분광 강도비가 높은 값을 나타내는 탄소나노튜브를 사용하는 경우, 보다 우수한 전도성을 구현할 수 있다.Furthermore, the peak values of the G band and the D band are referred to as I G and I D , respectively, and the crystallinity of the carbon nanotubes can be quantified and measured through the Raman spectral intensity ratio (I G / I D ), which is a ratio between the two. have. That is, the higher the Raman spectral intensity ratio is, the less structural defects of the carbon nanotubes are. Therefore, when a carbon nanotube having a high Raman spectral intensity ratio is used, more excellent conductivity can be realized.
구체적으로, 상기 탄소나노튜브의 라만 분광 강도비(IG/ID)가 1.0 이상일 수 있다. 상기 탄소나노튜브의 IG/ID 값이 1.0 미만이면 비정질 탄소가 다량 함유되어 탄소나노튜브의 결정성이 불량하고, 이에 따라 열가소성 수지와 혼련 시 전도성 향상 효과가 미약할 수 있다.Specifically, the Raman spectral intensity ratio (I G /I D ) of the carbon nanotubes may be 1.0 or more. If the I G / I D value of the carbon nanotube is less than 1.0, a large amount of amorphous carbon is contained, resulting in poor crystallinity of the carbon nanotube. Accordingly, the effect of improving conductivity may be weak when kneaded with a thermoplastic resin.
또한, 탄소나노튜브는 탄소 함량이 높을수록 촉매와 같은 불순물이 적어 우수한 전도성을 구현할 수 있으므로, 상기 탄소나노튜브의 탄소 순도가 95% 이상, 바람직하게는, 95~98%, 더 바람직하게는, 96.5~97.5%일 수 있다.In addition, since carbon nanotubes have fewer impurities such as catalysts, the higher the carbon content, so that the carbon nanotubes have a carbon purity of 95% or more, preferably 95 to 98%, more preferably, It can be 96.5~97.5%.
상기 탄소나노튜브의 탄소 순도가 95% 미만이면 탄소나노튜브의 구조적 결함이 유발되어 결정성이 저하될 수 있고, 탄소나노튜브가 외부 자극에 의해 쉽게 절단, 파괴될 수 있다.If the carbon purity of the carbon nanotubes is less than 95%, structural defects of the carbon nanotubes may be caused, thereby reducing crystallinity, and the carbon nanotubes may be easily cut and destroyed by external stimulation.
또한, 다중벽 탄소나노튜브는 상호 응집되어 다발(bundle) 형태로 존재할 수 있다. 이러한 다발형 탄소나노튜브의 평균 다발 직경은 1~10㎛, 바람직하게는, 3~5㎛, 더 바람직하게는, 3.5~4.5㎛일 수 있고, 평균 다발 길이는 10~100㎛, 바람직하게는, 30~60㎛, 더 바람직하게는, 45~55㎛일 수 있다.In addition, the multi-walled carbon nanotubes may be aggregated with each other to exist in the form of a bundle. The average bundle diameter of these bundle-type carbon nanotubes may be 1 to 10 μm, preferably 3 to 5 μm, more preferably 3.5 to 4.5 μm, and the average bundle length is 10 to 100 μm, preferably , 30 ~ 60㎛, more preferably, it may be 45 ~ 55㎛.
상기 다발형 탄소나노튜브는 열가소성 수지 내에 분산되어 3차원 네트워크 구조를 형성할 수 있고, 이러한 네트워크 구조가 견고하게 형성될수록 전도성이 향상될 수 있다. 특히, 상기 다발형 탄소나노튜브의 평균 다발 직경과 평균 다발 길이를 일정 범위로 조절함으로써 상기 네트워크 구조를 견고하게 형성할 수 있다.The bundle-type carbon nanotubes may be dispersed in a thermoplastic resin to form a three-dimensional network structure, and the stronger the network structure is, the better the conductivity may be. In particular, the network structure can be firmly formed by adjusting the average bundle diameter and the average bundle length of the bundle-type carbon nanotube in a predetermined range.
상기 다발형 탄소나노튜브의 평균 다발 직경이 1㎛ 미만이거나 평균 다발 길이가 100㎛ 초과이면 분산성이 저하되어 상기 전도성 섬유 원사 중 상기 제1 영역의 부위별 전도성이 불균일해질 수 있고, 평균 다발 직경이 10㎛ 초과이거나 평균 다발 길이가 10㎛ 미만이면 네트워크 구조가 불안정해지면서 전도성이 저하될 수 있다.If the average bundle diameter of the bundle-type carbon nanotubes is less than 1 μm or the average bundle length exceeds 100 μm, dispersibility may be lowered, resulting in non-uniform conductivity for each portion of the first region of the conductive fiber yarn, and the average bundle diameter If this value exceeds 10 μm or the average bundle length is less than 10 μm, the network structure becomes unstable and the conductivity may decrease.
상기 탄소나노튜브의 함량은 상기 제1 영역의 총 중량을 기준으로 0.1~50중량%, 바람직하게는, 0.1~30중량%일 수 있다. 상기 탄소나노튜브의 함량이 0.1중량% 미만이면 전도성 섬유 원사에 충분한 전도성을 부여할 수 없고, 50중량% 초과이면 전도성 섬유 원사의 성형성, 작업성, 연신성이 저하될 수 있다.The content of the carbon nanotubes may be 0.1 to 50% by weight, preferably 0.1 to 30% by weight, based on the total weight of the first region. If the content of the carbon nanotubes is less than 0.1% by weight, sufficient conductivity cannot be imparted to the conductive fiber yarn, and if it exceeds 50% by weight, the moldability, workability, and stretchability of the conductive fiber yarn may be deteriorated.
상기 전도성 섬유 원사(221)는 열가소성 수지를 포함하는, 바람직하게는, 실질적으로 열가소성 수지로 구성된 제2 영역(2212)을 더 포함할 수 있다. 상기 제2 영역(2212)은 상기 전도성 섬유 원사(221)에 전도성을 부여하는 상기 제1 영역(2211)을 지지하여 상기 전도성 섬유 원사(221)의 기계적 물성을 향상시킬 수 있다.The
상기 전도성 섬유 원사(221)의 단면적에 대한 상기 제2 영역(2212)의 단면적의 비가 0.01~0.9, 바람직하게는, 0.1~0.8, 더 바람직하게는, 0.4~0.7일 수 있다. 상기 제2 영역(2212)의 비율이 0.01 미만이면 상기 제1 영역(2211)을 충분히 지지하지 못하므로 전도성 섬유 원사의 기계적 물성이 저하될 수 있고, 0.9 초과이면 전도성 섬유 원사(221) 중 상기 제1 영역(2211)의 비율이 감소하여 전도성 섬유 원사의 전도성이 저하될 수 있다.The ratio of the cross-sectional area of the
도 4 및 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 전도성 섬유 원사의 단면도이다. 도 4는 상기 제1 및 제2 영역이 각각 외피 및 심재인, 즉, 내-외의 위치에 있는 전도성 섬유 원사의 단면도이고, 도 5는 상기 제1 및 제2 영역이 각각 상-하 또는 좌-우의 위치에 있는 전도성 섬유 원사의 단면도이다.4 and 5 are cross-sectional views of conductive fiber yarns according to an embodiment of the present invention. FIG. 4 is a cross-sectional view of a conductive fiber yarn in which the first and second regions are a skin and a core material, that is, in an inner-outer position, and FIG. 5 is a cross-sectional view of the first and second regions, respectively. It is a cross-sectional view of a conductive fiber yarn in position.
도 4를 참고하면, 상기 제1 및 제2 영역이 각각 외피 및 심재일 수 있다.Referring to FIG. 4, the first and second regions may be an outer skin and a core material, respectively.
상기 제1 및 제2 영역(2211, 2212)에 포함된 상기 열가소성 수지는, 예를 들어, 폴리아미드, 폴리이미드, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리에틸렌 공중합체, 폴리에스테르, 폴리아크릴로니트릴, 폴리스티렌, 폴리카보네이트, 아라미드, 폴리에틸렌테레프탈레이트, 폴리우레탄, 스티렌-에틸렌 공중합체, 스티렌-에틸렌-부타디엔-스티렌 공중합체, 스티렌-에틸렌-프로필렌-스티렌 공중합체, 스티렌-부타디엔-스티렌 공중합체, 스티렌-이소프렌-스티렌 공중합체, 에틸렌-프로필렌-디엔 공중합체(EPDM), 에틸렌-아세트산비닐 공중합체, 에틸렌-메틸아크릴레이트 공중합체, 에틸렌-에틸아크릴레이트 공중합체, 에틸렌-부틸아크릴레이트 공중합체, 말레산무수물 그라프트된 폴리프로필렌, 말레산무수물 그라프트된 선형 저밀도 폴리에틸렌, 말레산무수물 그라프트된 저밀도 폴리에틸렌, 말레산무수물 그라프트된 스티렌-에틸렌-부틸렌-스티렌 공중합체 및 말레산무수물 그라프트된 스티렌-에틸렌-부타디엔-스티렌 공중합체로 이루어진 군에서 선택된 1 이상의 성분을 포함할 수 있다.The thermoplastic resin included in the first and
상기 제1 영역(2211)에서 상기 탄소계 물질과 혼합되는 열가소성 수지로서, 폴리우레탄, 바람직하게는, 열가소성 폴리우레탄을 들 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 열가소성 폴리우레탄(thermoplastic polyurethane, TPU)은 상기 전도성 섬유 원사(221)의 연신성, 충격강도를 향상시킬 수 있다. 또한, 열가소성 폴리우레탄은 상기 전도성 섬유 원사(221)의 연신성을 향상시키면서도 탄소나노튜브의 분산을 저해하지 않으므로, 상기 전도성 섬유 원사(221)의 영역별 전도성 편차를 최소화할 수 있다.As a thermoplastic resin mixed with the carbon-based material in the
상기 제2 영역(2222)을 구성하는 열가소성 수지로서, 폴리아미드를 들 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 상기 폴리아미드는 상기 폴리우레탄의 인장강도가 낮은 문제를 보완하여 상기 전도성 섬유 원사(221)의 기계적 물성을 향상시킬 수 있다.The thermoplastic resin constituting the second region 2222 may include polyamide, but is not limited thereto. The polyamide may improve the mechanical properties of the
스마트 인솔Smart insole
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 스마트 인솔의 평면도이다. 도 8을 참고하면, 본 발명의 다른 일 측면에 따른 스마트 인솔은, 상기 센서 구조체(10); 전자 모듈(20); 및 상기 센서 구조체와 상기 전자 모듈을 연결하는 배선을 포함하는 기판(30);을 포함할 수 있다.8 is a plan view of a smart insole according to an embodiment of the present invention. Referring to Figure 8, the smart insole according to another aspect of the present invention, the
상기 기판(30)은 얇은 가요성 합성수지판으로 착용자의 발의 쿠션에 전혀 영향을 주지하지 않은 재질로 이루어질 수 있다. 상기 센서 구조체(10)는, 예를 들어, 압력 센서, 온도 센서, 습도 센서, 3축 가속도 센서, 3축 자이로 센서, 3축 지자기 센서, GPS 센서 및 이들 중 2 이상의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 하나일 수 있고, 바람직하게는, 압력 센서일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.The
상기 압력 센서에 의해 압력 분포를 측정함으로써 착용자의 활동 간 인체의 각 부위에 전달되는 하중 내지 충격을 정밀하게 측정, 분석, 평가할 수 있을 뿐만 아니라, 착용자의 부상을 예방, 치료, 진단할 수 있다.By measuring the pressure distribution by the pressure sensor, it is possible to accurately measure, analyze, and evaluate the load or impact transmitted to each part of the human body during the wearer's activities, as well as prevent, treat, and diagnose the wearer's injuries.
또한, 착용자의 발의 상태와 주변 환경을 측정하기 위해 상기 기판 중 임의의 부분은 온도 센서, 습도 센서를 더 포함할 수 있다. 상기 온도 센서는 극한 조건, 예를 들어, 극저온 및 극고온 지역에서 착용자가 기온에 따른 위험에 노출되는 것을 방지할 수 있다. 예를 들어, 온도 센서가 해당 지역의 기온이 30℃ 이상임을 감지하면 착용자가 안전한 장소로 옮겨가도록 할 수 있다.In addition, in order to measure the condition of the wearer's foot and the surrounding environment, any portion of the substrate may further include a temperature sensor and a humidity sensor. The temperature sensor may prevent the wearer from being exposed to dangers due to temperature in extreme conditions, such as cryogenic and extremely high temperature regions. For example, if a temperature sensor detects that the temperature in the area is above 30°C, the wearer can move to a safe place.
또한, 추가의 센서로서 3축 가속도 센서, 3축 자이로 센서, 3축 지자기 센서, GPS 센서 중 하나 이상이 상기 기판에 설치될 수 있다. 상기 3축 가속도 센서는 착용자가 정지했을 때의 기울기, 가속도, 진동 및 충격을 측정할 수 있다. 상기 3축 자이로 센서는 착용자의 변동 위치가 변할 때 변화량을 측정할 수 있다. 그리고 상기 3축 지자기 센서는 자기장을 통해 착용자의 정확한 방위를 파악할 수 있다. 상기 GPS 센서를 통해 착용자의 보행거리를 계산할 수 있고 신속하게 착용자의 위치를 파악할 수 있다.In addition, as an additional sensor, at least one of a 3-axis acceleration sensor, a 3-axis gyro sensor, a 3-axis geomagnetic sensor, and a GPS sensor may be installed on the substrate. The 3-axis acceleration sensor may measure inclination, acceleration, vibration, and shock when the wearer stops. The 3-axis gyro sensor may measure the amount of change when the change position of the wearer changes. In addition, the 3-axis geomagnetic sensor can determine the exact orientation of the wearer through the magnetic field. Through the GPS sensor, the walking distance of the wearer can be calculated and the location of the wearer can be quickly determined.
상기 기판(30)은 신발의 중창, 안창에 내장되거나 그 표면에 부착, 결합될 수 있다. 예를 들어, 중창과 안창을 하나의 부재로 만들어서 여기에 기판(30)과 배터리 및 통신 모듈을 내장할 수 있다.The
상기 기판(30)은 착용자의 족형(발 모양)에 따른 형상을 가질 수 있고, 착용자의 족형에 맞추어 상기 센서 구조체(10)들을 장착할 수 있다. 상기 기판(30)은 상기 센서 구조체(10)의 원활한 작동을 보장하기 위해 착용자의 발과 가까운 상부에 위치할 수 있다.The
배터리 및 통신 모듈을 포함하는 전자 모듈(20)은 착용자의 발의 쿠션에 영향을 덜 주기 위해서, 상기 스마트 인솔의 내측 아치 부위에 위치할 수 있다.The
상기 배터리는 배선을 통해 상기 기판(30)의 상기 센서 구조체(10)에 전력을 공급하며, 상기 통신 모듈은 배선을 통해 상기 기판(30)의 상기 센서 구조체(10)들로부터 신호, 데이터를 수신하여 외부 장치로 송신할 수 있다.The battery supplies power to the
상기 외부 장치는 착용자 휴대폰 단말기, 관리자 휴대폰 단말기, 회사 관리서버, 병원 서버 등일 수 있다. 상기 통신 모듈과 외부 장치 사이의 통신 방식은 근거리인 경우에 블루투스일 수 있고, 와이파이, 무선통신(무전기) 또는 인터넷일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.The external device may be a wearer mobile phone terminal, an administrator mobile phone terminal, a company management server, a hospital server, or the like. The communication method between the communication module and the external device may be Bluetooth, Wi-Fi, wireless communication (radio), or Internet, but is not limited thereto.
상기 센서 구조체, 통신 모듈 및 외부 장치의 제어 및 통신 방법으로는 한국특허출원 제10-2013-7024781호, 한국특허출원 제10-2012-0126930호에 기재된 것을 참고하여 적용할 수 있다.The sensor structure, the communication module, and the control and communication method of the external device may be applied with reference to those described in Korean Patent Application No. 10-2013-7024781 and Korean Patent Application No. 10-2012-0126930.
상기 통신 모듈은 상기 기판(30)에 위치한 상기 센서 구조체(10) 외에도 착용자의 상태를 추가로 검사할 목적으로 착용자의 몸에 부착된 외부 센서(미도시)와 무선으로 데이터를 송수신할 수 있다. 예를 들어, 상기 외부 센서는 착용자의 관절 부위, 상기 관절 부위에 연결된 복수의 뼈 부위 또는 이들의 조합에 부착될 수 있다. 본 명세서에 사용된 용어, "관절 부위", "뼈 부위"는 착용자의 관절 또는 뼈의 상부에 위치하는 착용자의 표피 또는 그 주변을 의미할 수 있고, "부착"은 접착제, 점착제 등에 의한 부착뿐만 아니라 밴드 등을 이용한 물리적, 기계적 결합을 포함하는 개념으로 이해될 수 있다.In addition to the
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 센서 구조체 및 외부 센서의 구동 원리를 도식화한 것이다. 도 6을 참고하면, 착용자의 관절 부위, 예를 들어, 무릎 관절, 고관절, 척추 관절, 경추 관절 등에 외부 센서를 장착한 경우에, 상기 통신 모듈은 상기 센서 구조체(10)를 통한 데이터와 관절 부위의 외부 센서를 통한 데이터를 모두 상기 외부 장치에 송신할 수 있다. 이 경우, 착용자의 관절 운동량과 발의 하중의 데이터를 분석하여, 착용자의 부상의 위험을 방지하는데 사용할 수 있다.6 is a schematic diagram of a sensor structure and a driving principle of an external sensor according to an embodiment of the present invention. Referring to FIG. 6, when an external sensor is mounted on a joint portion of a wearer, for example, a knee joint, a hip joint, a spine joint, a cervical spine joint, the communication module includes data and a joint portion through the
또한, 상기 외부 센서는 관절 부위에 연결된 복수의 뼈 부위에 부착될 수 있다. 예를 들어, 상기 외부 센서는 무릎 관절에 연결된 정강뼈(경골) 및 넙다리뼈(대퇴골) 부위, 즉, 종아리 및 허벅지에 각각 부착될 수 있다. 정강뼈 및 넙다리뼈 부위에 각각 부착된 외부 센서는 착용자의 활동에 의해 관절에 가해지는 하중을 추적, 역산하여 상기 외부 장치에 송신할 수 있다.In addition, the external sensor may be attached to a plurality of bone regions connected to the joint region. For example, the external sensor may be attached to the tibia (tibia) and femur (femur) regions connected to the knee joint, that is, the calf and the thigh, respectively. External sensors respectively attached to the tibialis and femurs may track, invert, and transmit a load applied to the joint by the wearer's activity to the external device.
도 7은 발의 평균 족압을 측정한 이미지이고, 도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 기판의 평면도이다.7 is an image obtained by measuring the average foot pressure of the foot, and FIG. 8 is a plan view of a substrate according to an exemplary embodiment of the present invention.
도 7을 참고하면, 착용자의 활동 간 신발에 가해지는 족압, 즉, 하중은 주로 발가락 영역, 볼 영역, 및 뒤꿈치 영역에 집중되며, 반대로 아치 영역, 바람직하게는, 내측 아치 영역에는 거의 하중이 인가되지 않는다.Referring to FIG. 7, the foot pressure, that is, the load applied to the shoe between the wearer's activities is mainly concentrated in the toe area, the cheek area, and the heel area, whereas the arch area, preferably, the inner arch area, is almost applied with a load. It doesn't work.
이러한 평균 족압 분포에 따르면, 종래와 같이, 예를 들어, 한국등록특허 제10-1780654호와 같이 센서로부터 연장된 복수의 배선과 아치 영역에 위치한 전자 모듈이 발의 볼 영역과 아치 영역 사이에서 연결되어 인터페이스를 형성하는 경우, 상기 인터페이스는 작업화의 변형에 따른 하중이 큰 영역에 위치하므로 하중 누적에 의해 배선에 단선이 발생하는 경우 센서 및 전자 모듈의 오류 내지 오작동을 유발할 수 있다.According to this average foot pressure distribution, as in the prior art, for example, as in Korean Patent No. 10-1780654, a plurality of wires extending from the sensor and an electronic module located in the arch area are connected between the ball area and the arch area of the foot. When an interface is formed, since the interface is located in a region where a load is large due to deformation of the working shoe, if a wire break occurs due to load accumulation, an error or malfunction of the sensor and the electronic module may be caused.
이에 대해, 도 8을 참고하면 상기 전자 모듈(20)은 상기 기판(30)의 아치 영역에 위치하고, 상기 배선은 상기 기판(30) 상에서 상기 센서 구조체(10)로부터 인솔의 외부를 향해 반지름 방향으로 1차 연장되고, 상기 인솔의 둘레를 따라 원주 방향으로 2차 연장되어 상기 기판의 내측 아치 영역에서 포트 및 인터페이스(40)를 형성하여 상기 전자 모듈(20)에 연결될 수 있다. 이러한 상기 배선의 구조는 하중 누적에 따른 배선의 단선 및 그에 따른 센서 구조체(10) 및 전자 모듈(20)의 오류 내지 오작동을 원천적으로 방지할 수 있다.On the other hand, referring to FIG. 8, the
전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 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.The above description of the present invention is for illustrative purposes only, and those of ordinary skill in the art to which the present invention pertains will be able to understand that other specific forms can be easily modified without changing the technical spirit or essential features of the present invention will be. Therefore, it should be understood that the embodiments described above are illustrative and non-limiting in all respects. For example, each component described as a single type may be implemented in a distributed manner, and similarly, components described as being distributed may also be implemented in a combined form.
본 발명의 범위는 후술하는 청구범위에 의하여 나타내어지며, 청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.The scope of the present invention is indicated by the claims to be described later, and all changes or modified forms derived from the meaning and scope of the claims and the concept of equivalents thereof should be construed as being included in the scope of the present invention.
100: 전극
200: 전도성 커버
210: 경사
220: 위사
221: 전도성 섬유 원사
222: 비전도성 섬유 원사
2211: 제1 영역
2212: 제2 영역
10: 센서 구조체
20: 전자 모듈
30: 기판
40: 인터페이스100: electrode
200: conductive cover
210: slope
220: weft
221: conductive fiber yarn
222: non-conductive fiber yarn
2211: first area
2212: second area
10: sensor structure
20: electronic module
30: substrate
40: interface
Claims (10)
상기 전도성 커버는 전도성 섬유 원사 및 비전도성 섬유 원사의 연사물이 직조된 원단으로 이루어진, 센서 구조체.In the sensor structure in which an electrode and a conductive cover are sequentially stacked,
The conductive cover is made of a fabric in which a twisted yarn of a conductive fiber yarn and a non-conductive fiber yarn is woven, the sensor structure.
상기 전극은 복수의 빗살형 핑거가 서로 이격되어 배열된 빗살형 전극인, 센서 구조체.The method of claim 1,
The electrode is a comb-shaped electrode in which a plurality of comb-shaped fingers are arranged to be spaced apart from each other, the sensor structure.
상기 전도성 섬유 원사는 탄소계 물질을 포함하는 제1 영역을 포함하는, 센서 구조체.The method of claim 1,
The conductive fiber yarn includes a first region containing a carbon-based material, the sensor structure.
상기 탄소계 물질은 탄소나노튜브, 풀러렌, 그래핀, 그라파이트, 탄소섬유, 카본블랙 및 이들 중 2 이상의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 하나인, 센서 구조체.The method of claim 3,
The carbon-based material is one selected from the group consisting of carbon nanotubes, fullerenes, graphene, graphite, carbon fibers, carbon black, and combinations of two or more of them, a sensor structure.
상기 전도성 섬유 원사는 열가소성 수지를 포함하는 제2 영역을 더 포함하는, 센서 구조체.The method of claim 3,
The conductive fiber yarn further comprises a second region comprising a thermoplastic resin, the sensor structure.
상기 전도성 섬유 원사의 단면적에 대한 상기 제2 영역의 단면적의 비는 0.01~0.9인, 센서 구조체.The method of claim 5,
The ratio of the cross-sectional area of the second region to the cross-sectional area of the conductive fiber yarn is 0.01 to 0.9.
전자 모듈; 및
상기 센서 구조체와 상기 전자 모듈을 연결하는 배선을 포함하는 기판;을 포함하는, 스마트 인솔.The sensor structure according to any one of claims 1 to 6;
Electronic module; And
Containing, a smart insole; a substrate including a wire connecting the sensor structure and the electronic module.
상기 센서 구조체는 상기 기판의 발가락 영역, 볼 영역 및 뒤꿈치 영역에 위치하는, 스마트 인솔.The method of claim 7,
The sensor structure is located in the toe area, the ball area and the heel area of the substrate, smart insole.
상기 배선은,
상기 센서 구조체로부터 인솔의 외부를 향해 반지름 방향으로 1차 연장되고,
상기 인솔의 둘레를 따라 원주 방향으로 2차 연장되어 상기 기판의 내측 아치 영역에서 포트 및 인터페이스를 형성하여 상기 전자 모듈에 연결되는, 스마트 인솔.The method of claim 7,
The wiring is,
It first extends in a radial direction toward the outside of the insole from the sensor structure,
The smart insole is connected to the electronic module by extending a second circumferential direction along the circumference of the insole to form a port and an interface in an inner arch region of the substrate.
상기 전자 모듈은 통신 모듈 및 배터리를 포함하고,
상기 통신 모듈은 착용자의 몸에 부착된 외부 센서와 통신하고,
상기 외부 센서는 착용자의 관절 부위, 상기 관절 부위에 연결된 복수의 뼈 부위, 또는 이들의 조합에 부착된, 스마트 인솔.The method of claim 7,
The electronic module includes a communication module and a battery,
The communication module communicates with an external sensor attached to the wearer's body,
The external sensor is attached to a joint portion of the wearer, a plurality of bone portions connected to the joint portion, or a combination thereof, a smart insole.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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