KR20230020809A - 기계적 메타소재로 고정된 통기성 전자 스킨 센서 패치 - Google Patents
기계적 메타소재로 고정된 통기성 전자 스킨 센서 패치 Download PDFInfo
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Abstract
본 개시의 전자 스킨 센서 패치는, 사용자의 피부에 부착되어 생체 신호를 측정하는 스킨 센서 패치로서, 개구가 형성된 기계적 메타 소재의 프레임을 포함하는 패치 바디, 상기 패치 바디의 제1 영역에 고정되는 센싱부, 상기 패치 바디의 제2 영역에 고정되어 상기 피부와 비접착(nonadherent) 상태를 유지하도록 구성된 센서 시스템부, 및 상기 패치 바디의 프레임을 따라 고정되고 상기 센싱부와 상기 센서 시스템부를 연결하는 배선을 포함한다.
Description
본 개시는 사용자의 피부에 부착되어 사용되는 스킨 센서 패치에 관한 것이다.
사물과 사물 혹은 사물과 사람이 서로 연결되는 사물 인터넷 시대가 도래하면서 웨어러블 디바이스의 역할은 더욱 강조되고 있다. 이러한 추세에 맞추어 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.
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 땀 배출에 대하여 고려해야 할 필요가 있다.
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 센서 회로가 기계적 메타소재로 고정되면서 통기성과 신축성이 있는 전자 스킨 센서 패치를 제공하고자 한다.
그러나, 본 발명의 실시예들이 해결하고자 하는 과제는 상술한 과제에 한정되지 않고 본 발명에 포함된 기술적 사상의 범위에서 다양하게 확장될 수 있다.
일 실시예에 따른 전자 스킨 센서 패치는, 사용자의 피부에 부착되어 생체 신호를 측정하는 스킨 센서 패치로서, 개구가 형성된 기계적 메타 소재의 프레임을 포함하는 패치 바디, 상기 패치 바디의 제1 영역에 고정되는 센싱부, 상기 패치 바디의 제2 영역에 고정되어 상기 피부와 비접착(nonadherent) 상태를 유지하도록 구성된 센서 시스템부, 및 상기 패치 바디의 프레임을 따라 고정되고 상기 센싱부와 상기 센서 시스템부를 연결하는 배선을 포함한다.
상기 패치 바디의 제2 영역에서 상기 센서 시스템부를 사이에 두고 상기 패치 바디의 프레임에 결합되는 센서 시스템부 커버를 더 포함할 수 있다.
상기 센서 시스템부 커버는 상기 피부를 향하는 면에 비접착성(nonadherent) 면을 포함할 수 있다.
상기 배선을 사이에 두고 상기 패치 바디의 프레임에 결합되는 배선 커버를 더 포함할 수 있다.
상기 센싱부는 일면이 노출되어 상기 피부에 접촉하도록 구성될 수 있다.
상기 센싱부는 ECG (electrocardiogram) 전극 또는 EMG (electromyogram) 전극을 포함할 수 있다.
상기 ECG 전극 또는 EMG 전극과 상기 프레임의 사이에 개재되는 스페이서를 더 포함할 수 있다.
상기 센싱부는 체액을 포집하여 검출하도록 구성된 체액 센서를 포함할 수 있다.
상기 체액 센서는, 체액이 배출되도록 구성된 체액 통로부를 갖는 개구 형성층, 및 상기 개구 형성층에 위치하여 상기 체액 통로부로 수집된 체액을 통해 흐르는 전류를 감지하도록 구성된 전극층을 포함할 수 있다.
상기 기계적 메타 소재의 프레임은 복수의 기본 변위단위체를 포함하고, 상기 복수의 기본 변위단위체 각각은, 다각형의 기본 단위셀 m개가 서로 이웃하게 위치하고, 상기 m개의 기본 단위셀 사이에는 m개의 분리부가 형성되며, 상기 기본 단위셀 사이에는 상기 기본 단위셀을 서로 연결하는 접합부가 형성되되, 상기 접합부는 상기 기본 단위셀의 외곽에 위치하는 외곽접합부와, 상기 기본 단위셀의 외곽과 접하지 않는 내부접합부가 순차로 반복되는 접합부 패턴을 가질 수 있다. 여기서, m은 4 또는 6의 정수이다.
상기 기본 변위단위체는 중심에 초기 펼쳐짐 각도(θ)가 0보다 크고 15도보다 작거나 같은 가변 크기의 제1 개구를 포함할 수 있다.
상기 제1 개구는 삼각별(3-pointed star) 형상을 가질 수 있다.
상기 기본 단위셀은 중심에 제2 개구를 포함할 수 있다.
상기 제2 개구는 삼각 형상을 가질 수 있다.
상기 제1 개구 각각의 주변으로 6개의 상기 제2 개구가 배치될 수 있다.
상기 기계적 메타 소재의 프레임은 가로방향으로 지그재그로 연장되는 제1 프레임부와 세로방향으로 지그재그로 연장되는 제2 프레임부를 포함하고, 상기 제1 프레임부와 상기 제2 프레임부는 서로 교차하여 교차점을 형성하며, 가로 및 세로 방향으로 서로 이웃한 교차점들을 연결하는 상기 제1 프레임부와 제2 프레임부에 의해 둘러싸인 개구를 가질 수 있다.
상기 개구는 중심 개구부와 상기 중심 개구부로부터 서로 어긋난 방향으로 일체로 연장된 복수의 가지 개구부를 포함할 수 있다.
상기 중심 개부구는 사각형의 형상을 가지고, 상기 가지 개구부는 상기 중심 개구부의 각 변으로부터 연장된 네 개의 가지 개구부를 포함할 수 있다.
상기 제1 프레임부와 상기 제2 프레임부는 각각 각진 마루(crest)와 골(valley)를 포함할 수 있다.
상기 제1 프레임부와 상기 제2 프레임부는 각각 라운드진 마루(crest)와 골(valley)를 포함할 수 있다.
실시예들의 전자 스킨 센서 패치에 의하면, 스킨 센서의 고정을 위하여 피부에 직접적으로 부착되는 메타 소재(metamaterial)를 적용함으로써 통기성이 높고 탄성 계수(elastic modulus)와 같은 기계적 특성이 피부와 유사하여 장시간 안정적이고 편안한 착용감을 확보할 수 있다.
또한 전자 스킨 센서 패치의 센서 시스템 회로보드가 피부에 직접적으로 부착되지 않으므로 센서 시스템 개발 시 시스템의 기계적 특성과 통기성 요구에 대한 자유도가 높고, 센서와 시스템이 일체화된 패치 시스템을 기반으로 하므로 기술의 완성도 및 활용도가 높다.
나아가 실시예들의 전자 스킨 센서 패치는 플랫폼 기술이므로 다양한 종류의 스킨 센서에 적용 가능한 확장성 높은 기술이다.
도 1은 신체의 다양한 부위 피부에 부착되어 다양한 생체 신호를 측정하는 전자 스킨 센서 패치의 예시를 나타낸 도면이다.
도 2는 일 실시예에 따른 전자 스킨 센서 패치를 도시한 평면도이다.
도 3은 도 2에 나타낸 전자 스킨 센서 패치의 분해 사시도이다.
도 4는 도 2에 나타낸 전자 스킨 센서 패치에 적용된 기계적 메타소재의 신축 방향의 기준선에 대한 기울임 각도(tilt angle)에 따른 유효 탄성 계수(effective modulus) 변화를 나타낸 그래프이다.
도 5는 도 2의 V-V 선을 따라 취한 단면도이다.
도 6은 도 2의 VI-VI 선을 따라 취한 단면도이다.
도 7은 다른 실시예에 따른 전자 스킨 센서 패치를 도시한 평면도이다.
도 8은 도 7에 나타낸 전자 스킨 센서 패치의 분해 사시도이다.
도 9는 도 8의 IX-IX 선을 따라 취한 단면도이다.
도 10은 또 다른 실시예에 따른 전자 스킨 센서 패치를 도시한 평면도이다.
도 11은 도 10에 나타낸 전자 스킨 센서 패치에 적용된 기계적 메타소재의 신축 방향의 기준선에 대한 기울임 각도에 따른 유효 탄성 계수 변화를 나타낸 그래프이다.
도 12는 또 다른 실시예에 따른 전자 스킨 센서 패치를 도시한 평면도이다.
도 13은 도 12에 나타낸 전자 스킨 센서 패치에 적용된 기계적 메타소재의 신축 방향의 기준선에 대한 기울임 각도에 따른 유효 탄성 계수 변화를 나타낸 그래프이다.
도 14는 또 다른 실시예에 따른 전자 스킨 센서 패치를 도시한 평면도이다.
도 15는 도 14에 나타낸 전자 스킨 센서 패치에 적용된 기계적 메타소재의 신축 방향의 기준선에 대한 기울임 각도에 따른 유효 탄성 계수 변화를 나타낸 그래프이다.
도 2는 일 실시예에 따른 전자 스킨 센서 패치를 도시한 평면도이다.
도 3은 도 2에 나타낸 전자 스킨 센서 패치의 분해 사시도이다.
도 4는 도 2에 나타낸 전자 스킨 센서 패치에 적용된 기계적 메타소재의 신축 방향의 기준선에 대한 기울임 각도(tilt angle)에 따른 유효 탄성 계수(effective modulus) 변화를 나타낸 그래프이다.
도 5는 도 2의 V-V 선을 따라 취한 단면도이다.
도 6은 도 2의 VI-VI 선을 따라 취한 단면도이다.
도 7은 다른 실시예에 따른 전자 스킨 센서 패치를 도시한 평면도이다.
도 8은 도 7에 나타낸 전자 스킨 센서 패치의 분해 사시도이다.
도 9는 도 8의 IX-IX 선을 따라 취한 단면도이다.
도 10은 또 다른 실시예에 따른 전자 스킨 센서 패치를 도시한 평면도이다.
도 11은 도 10에 나타낸 전자 스킨 센서 패치에 적용된 기계적 메타소재의 신축 방향의 기준선에 대한 기울임 각도에 따른 유효 탄성 계수 변화를 나타낸 그래프이다.
도 12는 또 다른 실시예에 따른 전자 스킨 센서 패치를 도시한 평면도이다.
도 13은 도 12에 나타낸 전자 스킨 센서 패치에 적용된 기계적 메타소재의 신축 방향의 기준선에 대한 기울임 각도에 따른 유효 탄성 계수 변화를 나타낸 그래프이다.
도 14는 또 다른 실시예에 따른 전자 스킨 센서 패치를 도시한 평면도이다.
도 15는 도 14에 나타낸 전자 스킨 센서 패치에 적용된 기계적 메타소재의 신축 방향의 기준선에 대한 기울임 각도에 따른 유효 탄성 계수 변화를 나타낸 그래프이다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다. 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 붙였다. 또한, 첨부 도면에 있어서 일부 구성요소는 과장되거나 생략되거나 또는 개략적으로 도시되었으며, 각 구성요소의 크기는 실제 크기를 전적으로 반영하는 것이 아니다.
첨부된 도면은 본 명세서에 개시된 실시예를 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, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지는 않는다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
또한, 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "위에" 또는 "상에" 있다고 할 때, 이는 다른 부분 "바로 위에" 있는 경우뿐 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다. 반대로 어떤 부분이 다른 부분 "바로 위에" 있다고 할 때에는 중간에 다른 부분이 없는 것을 뜻한다. 또한, 기준이 되는 부분 "위에" 또는 "상에" 있다고 하는 것은 기준이 되는 부분의 위 또는 아래에 위치하는 것이고, 반드시 중력 반대 방향 쪽으로 "위에" 또는 "상에" 위치하는 것을 의미하는 것은 아니다.
명세서 전체에서, "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. 따라서, 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.
또한, 명세서 전체에서, "평면상"이라 할 때, 이는 대상 부분을 위에서 보았을 때를 의미하며, "단면상"이라 할 때, 이는 대상 부분을 수직으로 자른 단면을 옆에서 보았을 때를 의미한다.
또한, 명세서 전체에서, "연결된다"라고 할 때, 이는 둘 이상의 구성요소가 직접적으로 연결되는 것만을 의미하는 것이 아니고, 둘 이상의 구성요소가 다른 구성요소를 통하여 간접적으로 연결되는 것, 물리적으로 연결되는 것뿐만 아니라 전기적으로 연결되는 것, 또는 위치나 기능에 따라 상이한 명칭들로 지칭되었으나 일체인 것을 의미할 수 있다.
도 1은 신체의 다양한 부위 피부에 부착되어 다양한 생체 신호를 측정하는 전자 스킨 센서 패치의 예시를 나타낸 도면이다.
도 1을 참조하면, 전자 스킨 센서 패치(11, 13, 15)는 사용자의 피부에 부착되어 생체 신호를 측정하는 용도로 사용될 수 있다. 전자 스킨 센서 패치(11, 13, 15)는 피부를 향하는 면에 접착층 또는 접착 물질을 형성하여 사용자의 피부에 부착될 수 있다.
전자 스킨 센서 패치(11, 13, 15)는 센서 시스템부와 센싱부의 구성에 따라 다양한 생체 신호를 측정하도록 구성될 수 있다. 전자 스킨 센서 패치(11, 13, 15)는 사용자의 심전도(ECG) 측정, 근전도(EMG) 측정, 맥박 측정 및 체액 검출 중 적어도 하나를 수행하도록 구성될 수 있으며, 측정 대상에 따라 사용자 신체의 다른 부위 피부에 부착되어 사용될 수 있다.
예를 들어, 전자 스킨 센서 패치(11)는 사용자의 가슴에 부착되어 심전도 측정 및 체액 검출에 사용될 수 있고, 전자 스킨 센서 패치(13)는 사용자의 다리에 부착되어 근전도 측정 및 체액 검출에 사용될 수 있으며, 전자 스킨 센서 패치(15)는 사용자의 손목에 부착되어 맥박 측정 및 체액 검출에 사용될 수 있다.
이처럼 본 개시의 전자 스킨 센서 패치는 측정 또는 검출하고자 하는 대상에 따라 적절한 위치의 사용자의 피부에 선택적으로 부착하여 사용될 수 있다.
도 2는 일 실시예에 따른 전자 스킨 센서 패치를 도시한 평면도이고, 도 3은 도 2에 나타낸 전자 스킨 센서 패치의 분해 사시도이다.
도 2를 참조하면, 본 실시예에 따른 전자 스킨 센서 패치(10)는 심전도(ECG, electrocardiogram) 측정을 위한 스킨 센서 패치로 구성될 수 있다. 이러한 전자 스킨 센서 패치(10)는 기계적 메타 소재(metamaterial)의 프레임(101)을 포함하는 패치 바디(110)와 이 패치 바디(110)에 고정되어 생체 신호를 측정하기 위한 센싱부(130), 센서 시스템부(140) 및 배선(145)을 포함한다.
기계적 메타 소재의 프레임(101)은 푸아송 비(Poisson's ratio)가 음수인 옥세틱(auxetic) 구조를 이룰 수 있다. 이러한 기계적 메타 소재의 프레임(101)은 복수의 기본 변위단위체(120)를 포함한다. 기본 변위단위체(120)는 서로 이웃하게 위치하는 다각형의 기본 단위셀(121) m개를 포함할 수 있다. 상기 m개의 기본 단위셀(121) 사이에는 m개의 분리부(124)가 형성되고, 기본 단위셀들(121) 사이에는 기본 단위셀들(121)을 서로 연결하는 접합부(125)가 형성될 수 있다. 접합부(125)는 기본 단위셀(121)의 외곽에 위치하는 외곽 접합부(125a)와, 기본 단위셀(121)의 외곽과 접하지 않는 내부 접합부(125b)가 순차로 반복되는 접합부 패턴을 가질 수 있다. 기본 변위단위체(120)는 상기 접합부 패턴에 따라 상기 m개의 기본 단위셀(121)의 상대 위치가 변화하여 활성화되는 내재된 형태를 가질 수 있다.
본 실시예에서 m은 6으로 설정되어 카고메(Kagome) 구조의 기계적 메타 소재 프레임(101)으로 이루어질 수 있다. 따라서 기본 변위단위체(120)는 6개의 삼각형 기본 단위셀(121)을 포함할 수 있다. 6개의 기본 단위셀(121) 사이에는 6개의 분리부(124)가 형성되고, 기본 단위셀(121)의 외곽에 위치하는 3개의 외곽 접합부(125a)와 기본 단위셀(121)의 외곽에 접하지 않는 3개의 내부 접합부(125b)가 순차로 반복된 접합부 패턴을 가질 수 있다.
이로써 기본 변위단위체(120)는 중심에 초기 펼쳐짐 각도(θ)가 0보다 크고 15도보다 작거나 같은 제1 개구(103)를 가질 수 있으며, 제1 개구(103)는 0보다 큰 초기 펼쳐짐 각도(θ)를 가지므로 삼각별(3-pointed star) 형상으로 이루어질 수 있다. 여기서 초기 펼쳐짐 각도(θ)는 이웃한 기본 단위셀(121) 사이의 각도의 1/2로 정의될 수 있다. 초기 펼쳐짐 각도(θ)가 0이면 개구가 형성되지 않고 초기 펼쳐짐 각도(θ)가 15도보다 크면 연신율이 줄어들어 피부의 일반적인 변형 범위인 30%보다 낮아 착용시 불편함을 느낄 수 있다. 즉, 제1 개구(103)는 초기 상태에서도 소정의 면적을 갖도록 펼쳐져 있으며, 외부에서 장력이 인가됨에 따라 제1 개구(103)의 면적은 더 커질 수 있다. 따라서 제1 개구(103)는 가변적인 개구로 이루어질 수 있다. 이렇게 구성된 본 구조는 구조가 펼쳐지며 연신하는데, 초기 개방으로 인해 이미 연신된 상태이므로 초기 펼쳐짐 각도가 커질수록 구조적 연신율이 감소할 수 있다.
이 때 삼각형의 기본 단위셀(121)은 내부에 삼각 형상의 제2 개구(104)를 가질 수 있다. 이로써 패치 바디(110)의 개구율을 향상시켜 전자 스킨 센서 패치(10)의 통기성을 최대로 확보할 수 있다. 기계적 메타 소재 프레임(101)의 패치 바디(110)는 제1 개구(103)의 초기 펼쳐짐 각도(θ)와 제2 개구(104)의 면적을 조합하여 전체적으로 대략 기공률 50%가 되도록 설정될 수 있다.
또한 패치 바디(110)는 중심선을 기준으로 전체적으로 좌우 비대칭으로 이루어질 수 있으며, 오른쪽 부분의 세로 길이가 왼쪽 부분보다 더 길게 형성될 수 있다. 전자 스킨 센서 패치(10)는 심전도 측정을 위하여 오른쪽 가슴 바로 아래쪽에 부착될 수 있으며, 상대적으로 피부 변형이 많은 배 부분에 패치 바디(110)가 부착되지 않도록 대략 직사각형의 왼쪽 하단이 제거된(생략된) 평면 구조로 이루어질 수 있다.
센싱부(130)는 사용자의 피부에 접촉하여 용도에 따른 생체 신호를 검출할 수 있는 구성을 포함할 수 있다. 본 실시예에서 센싱부(130)는 심전도 측정을 위한 ECG 전극을 포함할 수 있다. 이러한 센싱부(130)는 패치 바디(110)의 제1 영역(107)에 고정될 수 있다. 패치 바디(110)의 제1 영역(107)은 상하로 관통되어 있지 않으며 센싱부(130)의 상부는 폐쇄되어 있고 하부는 노출될 수 있다. 따라서 전자 스킨 센서 패치(10)를 피부에 부착할 때 센싱부(130)는 일면이 노출되어 피부에 접촉할 수 있는 반면 외부로는 노출되지 않도록 구성될 수 있다.
이러한 센싱부(130)는 세 개의 ECG전극들이 패치 바디(110)의 상부에서 서로 균일한 간격을 두고 이격된 세 개의 기본 단위셀들(121)에 각각 배치될 수 있다. 여기서 센싱부(130)가 배치된 기본 단위셀들(121)에는 제2 개구(104)가 형성되지 않을 수 있다.
센서 시스템부(140)는 센싱부(130)에서 검출된 생체 신호를 전송받아 필요한 신호 처리를 통해 분석하고 그 결과를 전송할 수 있다. 센서 시스템부(140)는 센서 구동 회로뿐만 아니라 데이터 전송 및 에너지 장치 등 다양한 구성요소를 포함할 수 있으며, 측정된 센서 데이터를 무선으로 전송할 수도 있다. 이러한 센서 시스템부(140)는 연성회로기판(FPCB, Flexible Printed Circuits Board) 기반의 센서 시스템으로 제작될 수 있으며, 패치 바디(110)의 제2 영역(108)에 고정될 수 있다. 제2 영역(108)은 패치 바디(110)의 오른쪽 부분 하부에 위치할 수 있다.
배선(145)은 센싱부(130)와 센서 시스템부(140)를 연결하여 그 사이에 전류 및 신호 전달을 할 수 있다. 이러한 배선(145)은 패치 바디(110)의 프레임(101)을 따라 연장하도록 구성될 수 있다.
도 3을 참조하면, 본 실시예에 따른 전자 스킨 센서 패치(10)는 세 층으로 구분될 수 있다. 즉, 기계적 메타 소재의 프레임(101)을 포함하는 패치 바디(110)가 제1 층을 이루고, 센싱부(130), 배선(145) 및 센서 시스템부(140)가 서로 연결되어 제2 층을 이루며, 센서 시스템부(140)와 배선(145)을 커버하는 센서 시스템부 커버(114)와 배선 커버(115)가 서로 연결되어 제3 층을 이룰 수 있다.
제1 층을 이루는 패치 바디(110)는 소프트(soft)하며 통기성 있고(breathable) 신축성 있는(stretchable) 폴리머 필름으로 이루어질 수 있으며, 일례로 생물의학적 드레싱 필름(biomedical dressing film)인 테가덤(Tegaderm)TM을 사용할 수 있다. 즉, 테가덤(Tegaderm)TM을 활용하여 상기한 기계적 메타 소재 프레임(101)을 제작할 수 있다. 패치 바디(110)의 다른 예로 통기성(breathable) 의학 필름 소재인 부직포(nonwoven), 폴리우레탄(polyurethane), 열가소성 탄성체(thermoplastic elastomer) 등을 포함할 수 있다.
제3 층을 이루는 센서 시스템부 커버(114)는 제2 영역(108)에서 제2 층을 이루는 센서 시스템부(140)를 사이에 두고 제1 층을 이루는 패치 바디(110)와 결합될 수 있다. 이 때 센서 시스템부(140)는 사용자의 피부에 비접착(nonadherent) 상태를 유지하도록 구성될 수 있다. 이를 위하여 센서 시스템부 커버(114)는 센서 시스템부(140)를 향하는 상부 면에 접찹층이 형성되는 반면, 피부를 향하는 면에는 비접착성 면을 포함할 수 있다. 이로써 전자 스킨 센서 패치(10)가 피부에 부착되는 경우에도 센서 시스템부(140)는 피부로부터 분리되어 패치 바디(110)에 테더링될(tethered) 수 있다.
또한 제3 층을 이루는 배선 커버(115)는 제2 층을 이루는 배선(145)을 사이에 두고 제1 층을 이루는 패치 바디(110)와 결합될 수 있다. 따라서 배선(145)은 패치 바디(110)의 프레임(101)을 따라 매립된 상태로 고정될 수 있다.
제3 층을 이루는 센서 시스템부 커버(114)와 배선 커버(115)도 통기성 있고(breathable) 신축성 있는(stretchable) 폴리머 필름으로 이루어질 수 있으며, 일례로 생물의학적 드레싱 필름(biomedical dressing film)인 테가덤(Tegaderm)TM을 사용할 수 있다.
도 4는 도 2에 나타낸 전자 스킨 센서 패치에 적용된 기계적 메타소재의 신축 방향의 기준선에 대한 기울임 각도(tilt angle)에 따른 유효 탄성 계수(effective modulus) 변화를 나타낸 그래프이다.
도 4를 참조하면, 본 실시예에 따른 전자 스킨 센서 패치(10)에 적용된 카고메(Kagome) 구조의 기계적 메타 소재 프레임(101)을 갖는 패치 바디(110)를 기준선에 대하여 인장 방향을 변화시켜 가며 유효 탄성 계수를 측정하였을 때, 기울임 각도 0도에서 90도 범위 내에서 0.2 MPa 내외의 상당히 균일한 유효 탄성 계수를 유지하는 것을 확인할 수 있다. 즉, 인장 방향에 따라 탄성 계수의 변화가 거의 없는 등방성(isotropic)의 구조임을 알 수 있다.
도 5는 도 2의 V-V 선을 따라 취한 단면도이고, 도 6은 도 2의 VI-VI 선을 따라 취한 단면도이다.
도 5를 참조하면, 센서 시스템부(140)는 패치 바디(110)의 제2 영역(108)에서 프레임(101) 하면에 위치할 수 있다. 프레임(101)의 하면에는 접착층(101a)이 형성되어 있으며, 센서 시스템부(140)는 이러한 접착층(101a)에 의해 프레임(101)에 1차로 고정될 수 있다. 접착층(101a)은 생물의학 접착제(biomedical adhesive)로 사용되는 접착제가 적용될 수 있으며, 일례로 Si 계열 점착제나 acrylate 계열 점착제가 적용될 수 있다.
또한 프레임(101)의 하면에는 센서 시스템부 커버(114)가 센서 시스템부(140)를 덮으면서 프레임(101)과 결합될 수 있다. 센서 시스템부 커버(114)는 센서 시스템부(140)와 대향하는 면에 접착층(114a)이 형성되어 프레임(101)과 결합하면서 센서 시스템부(140)를 2차로 고정시킬 수 있다. 이 때 센서 시스템부 커버(114)에서 사용자의 피부에 대향하는 면에는 접착층이 형성되지 않을 수 있다. 이로써 센서 시스템부(140)가 위치하는 패치 바디(110)의 제2 영역(108)은 피부로부터 분리되며 센서 시스템부(140)를 테더링 시킬 수 있다.
센서 시스템부(140)는 연성회로기판(FPCB, Flexible Printed Circuits Board) 기반의 센서 시스템으로 제작될 수 있는 바, 구동 IC, BLE (Bluetooth Low Energy) 등의 소자를 포함하는 회로를 포함할 수 있다.
도 6을 참조하면, 센싱부(130)는 패치 바디(110)의 제1 영역(107)에서 프레임(101)의 하면에 위치할 수 있다. 프레임(101)의 하면에는 접착층(101a)이 형성되어 있으며, 센싱부(130)는 이러한 접착층(101a)에 의해 프레임(101)에 고정될 수 있다. 이 때 센싱부(130)와 프레임(101)의 하면 사이에는 스페이서(135)가 개재되어 고정될 수 있다. 따라서 스페이서(135)는 프레임(101)의 하면에 결합되고, 센싱부(130)는 스페이서(135)에 결합되어 고정될 수 있다. 이러한 스페이서(135)는 탄성체로 이루어질 수 있고, 일례로 에코플렉스(ecoflex), PDMS (polydimethylsiloxane), 또는 폴리우레탄(polyurethane)을 포함할 수 있으며, 두께가 얇은 ECG 전극으로 이루어진 센싱부(130)를 사용자의 피부 쪽으로 더 가까이 위치하도록 두께를 유지하는 역할을 할 수 있다.
상기 도 2 내지 도 6을 참조하여 설명한 실시예에서는 심전도(ECG, electrocardiogram) 측정을 위한 스킨 센서 패치를 설명하였으나, 상기 설명한 구조의 전자 스킨 센서 패치는 근전도(EMG, electromyogram) 측정을 위한 스킨 센서 패치로 구성될 수 있다. 이 때 센싱부는 근전도 측정을 위한 EMG 전극을 포함하게 되며, 근전도 측정을 위한 부착 위치가 달라짐에 따라 패치 바디 프레임의 형상도 변경될 수 있으며, 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것이다.
도 7은 다른 실시예에 따른 전자 스킨 센서 패치를 도시한 평면도이고, 도 8은 도 7에 나타낸 전자 스킨 센서 패치의 분해 사시도이다.
도 7을 참조하면, 본 실시예에 따른 전자 스킨 센서 패치(20)는 체액을 포집하여 분석하기 위한 체액 센서 패치로 구성될 수 있으며, 일례로 땀을 포집하여 분석하기 위한 땀 센서 패치로 구성될 수 있다. 이러한 전자 스킨 센서 패치(20)는 기계적 메타 소재의 프레임(201)을 포함하는 패치 바디(210)와 이 패치 바디(210)에 고정되어 생체 신호를 측정하기 위한 센싱부(230), 센서 시스템부(240) 및 배선(245)을 포함한다.
본 실시예에서 패치 바디(210)를 구성하는 프레임(201)의 기계적 메타 소재는 도 2에 도시한 실시예에 따른 전자 스킨 센서 패치(10)에 적용된 프레임(101) 구조와 동일한 구조를 가질 수 있다. 즉, 패치 바디(210)는 카고메(Kagome) 구조의 기계적 메타 소재 프레임(201)으로 이루어질 수 있다.
본 실시예에서 패치 바디(210)는 중심선을 기준으로 전체적으로 좌우 대칭으로 이루어질 수 있다. 전자 스킨 센서 패치(20)는 땀 검출을 위하여 신체의 다양한 부분 피부에 부착될 수 있으며, 예를 들어, 가슴, 팔 또는 다리 등의 피부에 부착되어 피부로부터 방출되는 땀을 검출하여 땀의 유량, 성분 등을 측정 및 분석할 수 있다. 이러한 패치 바디(210)는 가로보다 세로가 더 긴 평면 구조로 이루어질 수 있다.
센싱부(230)는 사용자의 피부에 접촉하여 땀과 같은 체액을 검출하고 모니터링할 수 있는 구성을 포함할 수 있다. 이러한 센싱부(230)는 패치 바디(210)의 제1 영역(207)에 고정될 수 있다. 패치 바디(210)의 제1 영역(207)에서 센싱부(230)의 상부는 적어도 부분적으로 노출되어 있고 하부는 노출될 수 있다. 따라서 전자 스킨 센서 패치(20)를 피부에 부착할 때 센싱부(230)는 일면이 노출되어 피부에 접촉하도록 구성될 수 있다.
센서 시스템부(240)는 센싱부(230)에서 검출된 생체 신호를 전송받아 필요한 신호 처리를 통해 분석하고 그 결과를 전송할 수 있다. 센서 시스템부(240)는 센서 구동 회로뿐만 아니라 데이터 전송 및 에너지 장치 등 다양한 구성요소를 포함할 수 있으며, 측정된 센서 데이터를 무선으로 전송할 수도 있다. 이러한 센서 시스템부(240)는 연성회로기판(FPCB, Flexible Printed Circuits Board) 기반의 센서 시스템으로 제작될 수 있으며, 패치 바디(210)의 제2 영역(208)에 고정될 수 있다. 제2 영역(208)은 패치 바디(210)의 하부에 위치할 수 있다.
배선(245)은 센싱부(230)와 센서 시스템부(240)를 연결하여 그 사이에 전류 및 신호 전달을 할 수 있다. 이러한 배선(245)은 패치 바디(210)의 프레임(201)을 따라 연장하도록 구성될 수 있다.
도 8을 참조하면, 본 실시예에 따른 전자 스킨 센서 패치(20)는 세 층으로 구분될 수 있다. 즉, 기계적 메타 소재의 프레임(201)을 포함하는 패치 바디(210)가 제1 층을 이루고, 센싱부(230), 배선(245) 및 센서 시스템부(240)가 서로 연결되어 제2 층을 이루며, 센서 시스템부(240)와 배선(245)을 커버하는 센서 시스템부 커버(214)와 배선 커버(215)가 서로 연결되어 제3 층을 이룰 수 있다.
제1 층을 이루는 패치 바디(210)는 통기성 있고(breathable) 신축성 있는(stretchable) 폴리머 필름으로 이루어질 수 있으며, 일례로 생물의학적 드레싱 필름(biomedical dressing film)인 테가덤(Tegaderm)TM을 사용할 수 있다. 즉, 테가덤(Tegaderm)TM을 활용하여 상기한 기계적 메타 소재 프레임(201)을 제작할 수 있다.
제3 층을 이루는 센서 시스템부 커버(214)는 제2 영역(208)에서 제2 층을 이루는 센서 시스템부(240)를 사이에 두고 제1 층을 이루는 패치 바디(210)와 결합될 수 있다. 이 때 센서 시스템부(240)는 사용자의 피부에 비접착(nonadherent) 상태를 유지하도록 구성될 수 있다. 이를 위하여 센서 시스템부 커버(214)는 센서 시스템부(240)를 향하는 상부 면에 접찹층이 형성되는 반면, 피부를 향하는 면에는 비접착성 면을 포함할 수 있다. 이로써 전자 스킨 센서 패치(20)가 피부에 부착되는 경우에도 센서 시스템부(240)는 피부로부터 분리되어 패치 바디(210)에 테더링될(tethered) 수 있다.
또한 제3 층을 이루는 배선 커버(215)는 제2 층을 이루는 배선(245)을 사이에 두고 제1 층을 이루는 패치 바디(210)와 결합될 수 있다. 따라서 배선(245)은 패치 바디(210)의 프레임(201)을 따라 매립된 상태로 고정될 수 있다.
도 9는 도 7의 IX-IX 선을 따라 취한 단면도이다.
도 9를 참조하면, 센싱부(230)는 패치 바디(210)의 제1 영역(207)에서 프레임(201)의 하면에 위치할 수 있다. 프레임(201)의 하면에는 접착층(201a)이 형성되어 있으며, 센싱부(230)는 이러한 접착층(201a)에 의해 프레임(201)에 고정될 수 있다.
이러한 센싱부(230)는 사용자의 피부로부터 멀어지는 방향으로 체액이 배출되도록 체액 통로부를 형성하는 개구 형성층(231)을 포함할 수 있다. 예를 들어, 피부의 땀샘을 통해 땀이 배출되면, 개구 형성층(231)의 체액 통로부는 배출된 땀이 포집되어 이동하는 통로로 사용될 수 있다.
개구 형성층(231)의 체액 통로부는 배출된 땀이 피부로부터 멀어지는 방향으로 효과적으로 이동하여 배출될 수 있는 소정의 형태를 가질 수 있다. 또한 상기 체액 통로부는 땀을 통해 흐르는 전류를 효과적으로 감지할 수 있는 소정의 형태를 가질 수 있다. 체액 통로부는, 예를 들어, 원통 형상으로 이루어질 수 있으며, 또는 피부 부착면으로부터 멀어질수록 둘레가 감소하는 형태를 가질 수도 있다.
센싱부(230)는 체액 통로부로 수집된 사용자의 체액을 통해 흐르는 전류를 감지하기 위한 전극층(232)을 포함할 수 있다. 전극층(232)은 개구 형성층(231) 내에 위치할 수 있으며 상기 체액 통로부 내로 적어도 부분적으로 노출되어 체액과 접촉할 수 있다. 따라서 사용자의 피부의 땀샘을 통해 배출된 땀이 상기 체액 통로부를 통해 이동하는 동안 센싱부(230)의 전극층(232)은 땀을 통해 흐르는 전류를 감지할 수 있다. 센싱부(230)에서 감지한 땀을 통해 흐르는 전류는 센싱 데이터의 생성에 사용될 수 있다.
센싱부(230)는 또한 개구 형성층(231)의 하단에 소수성 층(234)을 포함하고, 개구 형성층(231)의 상단에 친수성 층(235)을 포함할 수 있다. 소수성 층(234)은 체액이 체액 통로부로 원활하게 수집되는 작용을 도모할 수 있고, 친수성 층(235)은 체액 통로부를 통해 이동되는 체액의 배출을 용이하고 효과적으로 도모할 수 있다. 나아가 개구 형성층(231)과 친수성 층(235)의 사이에 채널이 형성되거나, 또는 친수성 층(235)에 대응하는 프레임(201)의 적어도 일부는 관통되어 체액의 원활한 배출을 도모할 수 있다.
상기에서 땀과 같은 체액을 검출하고 모니터링하는 센싱부(230)의 한 예를 도시하고 설명하였지만, 본 발명의 범위는 이러한 센싱부(230)의 구조에 한정되지 않으며 체액을 흡수하여 이동시키며 검출할 수 있는 다양한 구조의 체액 센서가 적용될 수 있고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것이다.
도 10은 또 다른 실시예에 따른 전자 스킨 센서 패치를 도시한 평면도이고, 도 11은 도 10에 나타낸 전자 스킨 센서 패치에 적용된 기계적 메타소재의 신축 방향의 기준선에 대한 기울임 각도에 따른 유효 탄성 계수 변화를 나타낸 그래프이다.
도 10을 참조하면, 본 실시예에 따른 전자 스킨 센서 패치(30)는 심전도(ECG, electrocardiogram) 측정을 위한 스킨 센서 패치로 구성될 수 있다. 이러한 전자 스킨 센서 패치(30)는 기계적 메타 소재의 프레임(301)을 포함하는 패치 바디(310)와 이 패치 바디(310)에 고정되어 생체 신호를 측정하기 위한 센싱부(130), 센서 시스템부(140) 및 배선(145)을 포함한다.
기계적 메타 소재의 프레임(301)은 푸아송 비(Poisson's ratio)가 음수인 옥세틱(auxetic) 구조를 이룰 수 있다. 이러한 기계적 메타 소재의 프레임(301)은 복수의 기본 변위단위체(320)를 포함한다. 기본 변위단위체(320)는 서로 이웃하게 위치하는 다각형의 기본 단위셀(321) m개를 포함할 수 있다. 상기 m개의 기본 단위셀(321) 사이에는 m개의 분리부가 형성되고, 기본 단위셀들(321) 사이에는 기본 단위셀들(321)을 서로 연결하는 접합부가 형성될 수 있다. 접합부는 기본 단위셀(321)의 외곽에 위치하는 외곽 접합부와, 기본 단위셀(321)의 외곽과 접하지 않는 내부 접합부가 순차로 반복되는 접합부 패턴을 가질 수 있다. 기본 변위단위체(320)는 상기 접합부 패턴에 따라 상기 m개의 기본 단위셀(321)의 상대 위치가 변화하여 활성화되는 내재된 형태를 가질 수 있다.
본 실시예에서 m은 4로 설정되어 회전 사각형(rotating squares) 구조의 기계적 메타 소재 프레임(301)으로 이루어질 수 있다. 따라서 기본 변위단위체(320)는 4개의 사각형 기본 단위셀(321)을 포함할 수 있다. 4개의 기본 단위셀(321) 사이에는 4개의 분리부가 형성되고, 기본 단위셀(321)의 외곽에 위치하는 2개의 외곽 접합부와 기본 단위셀(321)의 외곽에 접하지 않는 2개의 내부 접합부가 순차로 반복된 접합부 패턴을 가질 수 있다.
이로써 기본 변위단위체(320)는 중심에 초기 펼쳐짐 각도(θ)가 0보다 크고 15도보다 작거나 같은 제1 개구(303)를 가질 수 있으며, 제1 개구(303)는 0보다 큰 초기 펼쳐짐 각도(θ)를 가지므로 힌지(접합부) 구조에 따라 사각형 또는 팔각형 형상으로 이루어질 수 있다. 여기서 초기 펼쳐짐 각도(θ)는 이웃한 기본 단위셀(321) 사이의 각도의 1/2로 정의될 수 있다. 초기 펼쳐짐 각도(θ)가 0이면 개구가 형성되지 않고 초기 펼쳐짐 각도(θ)가 15도보다 크면 연신율이 줄어들어 피부의 일반적인 변형 범위인 30%보다 낮아 착용시 불편함을 느낄 수 있다. 즉, 제1 개구(303)는 초기 상태에서도 소정의 면적을 갖도록 펼쳐져 있으며, 외부에서 장력이 인가됨에 따라 제1 개구(303)의 면적은 더 커질 수 있다. 따라서 제1 개구(303)는 가변적인 개구로 이루어질 수 있다.
이 때 사각형의 기본 단위셀(321)은 내부에 사각 형상의 제2 개구(304)를 가질 수 있다. 이로써 패치 바디(310)의 개구율을 향상시켜 전자 스킨 센서 패치(30)의 통기성을 최대로 확보할 수 있다. 기계적 메타 소재 프레임(301)의 패치 바디(310)는 제1 개구(303)의 초기 펼쳐짐 각도(θ)와 제2 개구(304)의 면적을 조합하여 전체적으로 대략 기공률 50%가 되도록 설정될 수 있다.
본 실시예에서 센싱부(130), 센서 시스템부(140) 및 배선(145)은 도 2 및 도 3을 참조하여 설명한 실시예와 동일한 구성 및 특성을 가질 수 있으므로, 반복되는 설명은 생략한다.
도 11을 참조하면, 본 실시예에 따른 전자 스킨 센서 패치(30)에 적용된 회전 사각형(Rotating squares) 구조의 기계적 메타 소재 프레임(301)을 갖는 패치 바디(310)를 기준선에 대하여 인장 방향을 변화시켜 가며 유효 탄성 계수를 측정하였을 때, 기울임 각도 0도에서 90도 사이에서 1.0 내지 1.6 MPa 범위 내의 대체로 균일한 유효 탄성 계수를 유지하는 것을 확인할 수 있다. 즉, 인장 방향에 따라 탄성 계수의 변화가 크지 않음을 알 수 있다. 다만, 회전 사각형(Rotating square) 구조에서는 방향에 따른 탄성계수 변화가 카고메(Kagome) 구조에 비해서 더 큰 편이므로, 피부 인장 방향에 따라 적절한 패치 부착방향을 설정하는 것도 가능하다.
도 12는 또 다른 실시예에 따른 전자 스킨 센서 패치를 도시한 평면도이고, 도 13은 도 12에 나타낸 전자 스킨 센서 패치에 적용된 기계적 메타소재의 신축 방향의 기준선에 대한 기울임 각도에 따른 유효 탄성 계수 변화를 나타낸 그래프이다.
도 12를 참조하면, 본 실시예에 따른 전자 스킨 센서 패치(40)는 심전도(ECG, electrocardiogram) 측정을 위한 스킨 센서 패치로 구성될 수 있다. 이러한 전자 스킨 센서 패치(40)는 기계적 메타 소재의 프레임(401)을 포함하는 패치 바디(410)와 이 패치 바디(410)에 고정되어 생체 신호를 측정하기 위한 센싱부(130), 센서 시스템부(140) 및 배선(145)을 포함한다.
본 실시예에서 패치 바디(410)를 구성하는 프레임(401)의 기계적 메타 소재는 가로방향으로 지그재그로 연장되는 제1 프레임부(401h)와 세로방향으로 지그재그로 연장되는 제2 프레임부(401v)를 포함하고, 제1 프레임부(401h)와 제2 프레임부(401v)는 서로 교차하여 교차점을 형성할 수 있다. 이 때, 패치 바디(410)에는 가로 및 세로 방향으로 서로 이웃한 교차점들을 연결하는 제1 프레임부(401h)와 제2 프레임부(401v)에 의해 둘러싸인 개구(403)가 형성될 수 있다.
패치 바디(410)에 형성되는 개구(403)는 중심 개구부(403c)와 이로부터 서로 어긋난 방향으로 일체로 연장된 복수의 가지 개구부(403d)를 포함할 수 있다. 중심 개구부(403c)는 대략 사각형의 형상을 가질 수 있으며, 이 때 가지 개구부(403d)는 사각형의 중심 개구부(403c)의 각 변으로부터 연장된 네 개의 가지 개구부(403d)를 포함할 수 있다.
본 실시예에서 제1 프레임부(401h)와 제2 프레임부(401v)는 각각 각진 마루(crest)와 골(valley)을 가지는 로겐츠(Logenz) 구조의 기계적 메타 소재 프레임(401)을 구성할 수 있다.
본 실시예에서 센싱부(130), 센서 시스템부(140) 및 배선(145)은 도 2 및 도 3을 참조하여 설명한 실시예와 동일한 구성 및 특성을 가질 수 있으므로, 반복되는 설명은 생략한다.
도 13을 참조하면, 본 실시예에 따른 전자 스킨 센서 패치(40)를 기준선에 대하여 인장 방향을 변화시켜 가며 유효 탄성 계수를 측정하였을 때, 기울임 각도 0도에서 90도 사이에서 0.2 내지 0.8 MPa 범위 내의 대체로 균일한 유효 탄성 계수를 유지하는 것을 확인할 수 있다. 즉, 인장 방향에 따라 탄성 계수의 변화가 크지 않음을 알 수 있다. 다만, 본 구조에서는 방향에 따른 탄성계수 변화가 카고메(Kagome) 구조에 비해서 더 큰 편이므로, 피부 인장 방향에 따라 적절한 패치 부착방향을 설정하는 것도 가능하다.
도 14는 또 다른 실시예에 따른 전자 스킨 센서 패치를 도시한 평면도이고, 도 15는 도 14에 나타낸 전자 스킨 센서 패치에 적용된 기계적 메타소재의 신축 방향의 기준선에 대한 기울임 각도에 따른 유효 탄성 계수 변화를 나타낸 그래프이다.
도 14를 참조하면, 본 실시예에 따른 전자 스킨 센서 패치(50)는 심전도(ECG, electrocardiogram) 측정을 위한 스킨 센서 패치로 구성될 수 있다. 이러한 전자 스킨 센서 패치(50)는 기계적 메타 소재의 프레임(501)을 포함하는 패치 바디(510)와 이 패치 바디(510)에 고정되어 생체 신호를 측정하기 위한 센싱부(130), 센서 시스템부(140) 및 배선(145)을 포함한다.
본 실시예에서 패치 바디(510)를 구성하는 프레임(501)의 기계적 메타 소재는 가로방향으로 지그재그로 연장되는 제1 프레임부(501h)와 세로방향으로 지그재그로 연장되는 제2 프레임부(501v)를 포함하고, 제1 프레임부(501h)와 제2 프레임부(501v)는 서로 교차하여 교차점을 형성할 수 있다. 이 때, 패치 바디(510)에는 가로 및 세로 방향으로 서로 이웃한 교차점들을 연결하는 제1 프레임부(501h)와 제2 프레임부(501v)에 의해 둘러싸인 개구(503)가 형성될 수 있다.
패치 바디(510)에 형성되는 개구(503)는 중심 개구부(503c)와 이로부터 서로 어긋난 방향으로 일체로 연장된 복수의 가지 개구부(503d)를 포함할 수 있다. 중심 개구부(503c)는 대략 사각형의 형상을 가질 수 있으며, 이 때 가지 개구부(503d)는 사각형의 중심 개구부(503c)의 각 변으로부터 연장된 네 개의 가지 개구부(503d)를 포함할 수 있다.
본 실시예에서 제1 프레임부(501h)와 제2 프레임부(501v)는 각각 라운드진 마루(crest)와 골(valley)을 가지는 로겐츠-서펜타인(Logenz-serpentine) 구조의 기계적 메타 소재 프레임(501)을 구성할 수 있다.
본 실시예에서 센싱부(130), 센서 시스템부(140) 및 배선(145)은 도 2 및 도 3을 참조하여 설명한 실시예와 동일한 구성 및 특성을 가질 수 있으므로, 반복되는 설명은 생략한다.
도 15를 참조하면, 본 실시예에 따른 전자 스킨 센서 패치(50)를 기준선에 대하여 인장 방향을 변화시켜 가며 유효 탄성 계수를 측정하였을 때, 기울임 각도 0도에서 90도 사이에서 0.2 내지 0.6 MPa 범위 내의 대체로 균일한 유효 탄성 계수를 유지하는 것을 확인할 수 있다. 즉, 인장 방향에 따라 탄성 계수의 변화가 크지 않음을 알 수 있다. 다만, 본 구조에서는 방향에 따른 탄성계수 변화가 카고메(Kagome) 구조에 비해서 더 큰 편이므로, 피부 인장 방향에 따라 적절한 패치 부착방향을 설정하는 것도 가능하다.
상기 도 10 내지 도 15를 참조하여 설명한 실시예들에 따른 전자 스킨 센서 패치들은 ECG 센서의 구조를 예를 들어 설명하고 있으나, 동일한 구조의 기계적 메타 소재 프레임을 갖는 패치 바디에 체액 센서 등 다른 종류의 스킨 센서를 적용하여 구성될 수 있으며, 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것이다.
이상을 통해 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 청구범위와 발명의 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.
10, 20, 30, 40, 50: 전자 스킨 센서 패치
101, 201, 301, 401, 501: 기계적 메타 소재 프레임
110, 210, 310, 410, 510: 패치 바디
130, 230: 센싱부
140, 240: 센서 시스템부
145, 245: 배선
114, 214: 센서 시스템부 커버
115, 215: 배선 커버
101, 201, 301, 401, 501: 기계적 메타 소재 프레임
110, 210, 310, 410, 510: 패치 바디
130, 230: 센싱부
140, 240: 센서 시스템부
145, 245: 배선
114, 214: 센서 시스템부 커버
115, 215: 배선 커버
Claims (20)
- 사용자의 피부에 부착되어 생체 신호를 측정하는 스킨 센서 패치로서,
개구가 형성된 기계적 메타 소재의 프레임을 포함하는 패치 바디;
상기 패치 바디의 제1 영역에 고정되는 센싱부;
상기 패치 바디의 제2 영역에 고정되어 상기 피부와 비접착(nonadherent) 상태를 유지하도록 구성된 센서 시스템부; 및
상기 패치 바디의 프레임을 따라 고정되고 상기 센싱부와 상기 센서 시스템부를 연결하는 배선
을 포함하는 전자 스킨 센서 패치. - 제 1 항에 있어서,
상기 패치 바디의 제2 영역에서 상기 센서 시스템부를 사이에 두고 상기 패치 바디의 프레임에 결합되는 센서 시스템부 커버를 더 포함하는 전자 스킨 센서 패치. - 제 2 항에 있어서,
상기 센서 시스템부 커버는 상기 피부를 향하는 면에 비접착성(nonadherent) 면을 포함하는, 전자 스킨 센서 패치. - 제 1 항에 있어서,
상기 배선을 사이에 두고 상기 패치 바디의 프레임에 결합되는 배선 커버를 더 포함하는 전자 스킨 센서 패치. - 제 1 항에 있어서,
상기 센싱부는 일면이 노출되어 상기 피부에 접촉하도록 구성된, 전자 스킨 센서 패치. - 제 1 항에 있어서,
상기 센싱부는 ECG (electrocardiogram) 전극 또는 EMG (electromyogram) 전극을 포함하는, 전자 스킨 센서 패치. - 제 6 항에 있어서,
상기 ECG 전극 또는 EMG 전극과 상기 프레임의 사이에 개재되는 스페이서를 더 포함하는, 전자 스킨 센서 패치. - 제 1 항에 있어서,
상기 센싱부는 체액을 포집하여 검출하도록 구성된 체액 센서를 포함하는, 전자 스킨 센서 패치. - 제 8 항에 있어서,
상기 체액 센서는,
체액이 배출되도록 구성된 체액 통로부를 갖는 개구 형성층; 및
상기 개구 형성층에 위치하여 상기 체액 통로부로 수집된 체액을 통해 흐르는 전류를 감지하도록 구성된 전극층
을 포함하는, 전자 스킨 센서 패치. - 제 1 항에 있어서,
상기 기계적 메타 소재의 프레임은 복수의 기본 변위단위체를 포함하고,
상기 복수의 기본 변위단위체 각각은,
다각형의 기본 단위셀 m개가 서로 이웃하게 위치하고,
상기 m개의 기본 단위셀 사이에는 m개의 분리부가 형성되며,
상기 기본 단위셀 사이에는 상기 기본 단위셀을 서로 연결하는 접합부가 형성되되, 상기 접합부는 상기 기본 단위셀의 외곽에 위치하는 외곽접합부와, 상기 기본 단위셀의 외곽과 접하지 않는 내부접합부가 순차로 반복되는 접합부 패턴을 가지는, 전자 스킨 센서 패치.
여기서, m은 4 또는 6의 정수임. - 제 10 항에 있어서,
상기 기본 변위단위체는 중심에 초기 펼쳐짐 각도(θ)가 0보다 크고 15도보다 작거나 같은 가변 크기의 제1 개구를 포함하는, 전자 스킨 센서 패치. - 제 11 항에 있어서,
상기 제1 개구는 삼각별(3-pointed star) 형상을 갖는, 전자 스킨 센서 패치. - 제 11 항에 있어서,
상기 기본 단위셀은 중심에 제2 개구를 포함하는, 전자 스킨 센서 패치. - 제 13 항에 있어서,
상기 제2 개구는 삼각 형상을 갖는, 전자 스킨 센서 패치. - 제 13 항에 있어서,
상기 제1 개구 각각의 주변으로 6개의 상기 제2 개구가 배치되는, 전자 스킨 센서 패치. - 제 1 항에 있어서,
상기 기계적 메타 소재의 프레임은 가로방향으로 지그재그로 연장되는 제1 프레임부와 세로방향으로 지그재그로 연장되는 제2 프레임부를 포함하고,
상기 제1 프레임부와 상기 제2 프레임부는 서로 교차하여 교차점을 형성하며, 가로 및 세로 방향으로 서로 이웃한 교차점들을 연결하는 상기 제1 프레임부와 제2 프레임부에 의해 둘러싸인 개구를 갖는, 전자 스킨 센서 패치. - 제 16 항에 있어서,
상기 개구는 중심 개구부와 상기 중심 개구부로부터 서로 어긋난 방향으로 일체로 연장된 복수의 가지 개구부를 포함하는, 전자 스킨 센서 패치. - 제 17 항에 있어서,
상기 중심 개부구는 사각형의 형상을 가지고,
상기 가지 개구부는 상기 중심 개구부의 각 변으로부터 연장된 네 개의 가지 개구부를 포함하는, 전자 스킨 센서 패치. - 제 16 항에 있어서,
상기 제1 프레임부와 상기 제2 프레임부는 각각 각진 마루(crest)와 골(valley)를 포함하는, 전자 스킨 센서 패치. - 제 16 항에 있어서,
상기 제1 프레임부와 상기 제2 프레임부는 각각 라운드진 마루(crest)와 골(valley)를 포함하는, 전자 스킨 센서 패치.
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| US20190069788A1 (en) * | 2016-03-11 | 2019-03-07 | The Regents Of The University Of California | Tunable, flexible and stretchable adhesive-integrated antenna |
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