KR20230055434A - 센서 구조체 및 이를 포함하는 스마트 인솔 - Google Patents
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Abstract
본 발명의 일 측면은, 착용자의 발로부터 인가되는 압력을 측정하는 제1 센서부, 및 착용자의 발의 자세를 검출하는 IMU(Inertial Measurement Unit)를 포함하는 제2 센서부를 포함하고, 상기 제1 센서부는, 원단 기재, 및 상기 원단 기재의 적어도 일부에 전도성 섬유가 복수의 빗살형 핑거가 서로 이격되어 배열된 형태로 자수된 전극을 포함하고, 상기 전도성 섬유는 전도성 섬유 원사를 포함하고, 상기 전도성 섬유 원사는 탄소나노튜브를 포함하는 제1 영역을 포함하고, 상기 탄소나노튜브 중 탄소의 함량은 95중량% 이상인 센서 구조체 및 이를 포함하는 스마트 인솔을 제공한다.
Description
본 발명은 센서 구조체 및 이를 포함하는 스마트 인솔에 관한 것이다.
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.
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.
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.
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.
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.
본 발명의 일 측면은, 착용자의 발로부터 인가되는 압력을 측정하는 제1 센서부, 및 착용자의 발의 자세를 검출하는 IMU(Inertial Measurement Unit)를 포함하는 제2 센서부를 포함하고, 상기 제1 센서부는, 원단 기재, 및 상기 원단 기재의 적어도 일부에 전도성 섬유가 복수의 빗살형 핑거가 서로 이격되어 배열된 형태로 자수된 전극을 포함하고, 상기 전도성 섬유는 전도성 섬유 원사를 포함하고, 상기 전도성 섬유 원사는 탄소나노튜브를 포함하는 제1 영역을 포함하고, 상기 탄소나노튜브 중 탄소의 함량은 95중량% 이상인 센서 구조체를 제공한다.
일 실시예에 있어서, 상기 전도섬 섬유는 상기 전도성 섬유 원사 및 비전도성 섬유 원사의 연사물일 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 탄소나노튜브의 라만 분광 강도비(IG/ID)는 1.0 이상일 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 탄소나노튜브는 단일벽 탄소나노튜브, 이중벽 탄소나노튜브, 다중벽 탄소나노튜브, 다발형 탄소나노튜브 및 이들 중 2 이상의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 하나일 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 전도성 섬유 원사는 열가소성 수지를 포함하는 제2 영역을 더 포함할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 전도성 섬유 원사의 단면에 대한 상기 제2 영역의 단면의 비가 0.01~0.9일 수 있다.
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.
일 실시예에 있어서, 상기 센서 구조체는 상기 기판의 발가락 영역, 볼 영역 및 뒤꿈치 영역에 위치할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 배선은, 전도성 섬유가 상기 기판의 적어도 일부에 자수된 것이고, 상기 원단 기재 및 상기 기판은 일체로 형성되고, 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.
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.
일 실시예에 있어서, 상기 전자 모듈은 상기 기판의 아치 영역에 위치하고, 상기 제2 센서부는 상기 전자 모듈의 내부에 위치할 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따른 센서 구조체는, 착용자의 발로부터 인가되는 압력을 측정하는 제1 센서부, 및 착용자의 발의 자세를 검출하는 IMU(Inertial Measurement Unit)를 포함하는 제2 센서부를 포함하되, 상기 제1 센서부가 원단 기재 및 상기 원단 기재의 적어도 일부에 전도성 섬유가 복수의 빗살형 핑거가 서로 이격되어 배열된 형태로 자수된 전극을 포함함으로써, 센서 구조체 및 이를 포함하는 스마트 인솔의 기계적 강도와 전기적 특성을 균형적으로 구현할 수 있고, 센서 구조체와 이를 포함하는 스마트 인솔 및 신발을 경량화할 수 있다.
또한, 상기 스마트 인솔은 원단 기재에 전도성 섬유를 자수하여 전극 및 배선을 형성한 자수 회로(embroidered circuit)를 가지므로, 기존의 FPCB(flexible printed circuit board, 유연 인쇄회로기판)로 구성된 스마트 인솔에 비해 생산성이 우수할 뿐만 아니라, 전극, 배선과 기판 간의 결합력 및 그에 따른 스마트 인솔의 내구성이 현저히 향상될 수 있다.
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.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 제1 센서부의 단면도이고;
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 원단 기재의 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.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 원단 기재의 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.
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.
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.
이하, 첨부된 도면을 참고하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
센서 구조체
본 발명의 일 측면은, 착용자의 발로부터 인가되는 압력을 측정하는 제1 센서부, 및 착용자의 발의 자세를 검출하는 IMU(Inertial Measurement Unit)를 포함하는 제2 센서부를 포함하고, 상기 제1 센서부는, 원단 기재, 및 상기 원단 기재의 적어도 일부에 전도성 섬유가 복수의 빗살형 핑거가 서로 이격되어 배열된 형태로 자수된 전극을 포함하고, 상기 전도성 섬유는 전도성 섬유 원사를 포함하고, 상기 전도성 섬유 원사는 탄소나노튜브를 포함하는 제1 영역을 포함하고, 상기 탄소나노튜브 중 탄소의 함량은 95중량% 이상인 센서 구조체를 제공한다.
상기 제1 센서부는 착용자의 발로부터 인가되는 압력에 따라 저항이 변하므로 착용자가 가하는 압력을 측정할 수 있다. 상기 제2 센서부에 포함된 상기 IMU는 이동 관성을 측정할 수 있는 가속도계, 회전 관성을 측정할 수 있는 자이로계, 방위각을 측정할 수 있는 자계로 이루어진 하나의 통합된 센서 유닛을 의미한다. 3차원 공간에서의 자유로운 움직임을 측정하기 위해 상기 IMU에 포함된 각각의 센서(가속도, 자이로, 지자계)는 3축으로 구성되며, 착용자의 발의 자세 상태(3축상 의 가속도 및 각속도)를 측정, 검출할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 제1 센서부의 단면도이다. 도 1을 참고하면, 본 발명의 일 측면에 따른 제1 센서부는, 원단 기재(100); 및 상기 원단 기재의 적어도 일부에 전도성 섬유가 복수의 빗살형 핑거가 서로 이격되어 배열된 형태로 자수된 전극(200);을 포함할 수 있다.
상기 전극(200)은 복수의 빗살형 핑거가 서로 이격되어 배열된 구조와 형태를 가지는 빗살형 전극(미도시)일 수 있으나, 그 구조와 형태가 이에 한정되는 것은 아니다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 원단 기재의 평면도이다. 상기 원단 기재(100)는 비전도성 섬유 원사 및/또는 필요한 수준의 전도성을 가지는 섬유 원사가 직조된 것일 수 있다. 특히, 상기 원단이 전도성을 가지는 섬유 원사로 직조된 경우, 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.
도 2는 경사(110) 및 위사(120)로 평직된 원단 기재(100)의 평면도를 나타내나, 상기 원단 기재(100)의 직조 방식은 평직에 한정되지 않고, 능직, 수자직, 또는 이들 중 2 이상의 조합된 것일 수도 있다.
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.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 연사물을 도식화한 것이다. 도 3을 참고하면, 상기 전극(200)을 구성하는 전도성 섬유는 전도성 섬유 원사(210) 및 비전도성 섬유 원사(220)의 연사물일 수 있다.
본 명세서에 사용된 용어, "연사물(twisted yarn)"은 두 올 이상의 실을 합하여 꼬임을 준 실을 의미한다. 즉, 상기 연사물은 상기 전도성 섬유 원사(210) 한 올과, 상기 비전도성 섬유 원사(220) 한 올을 합하여 꼰 실을 의미하며, 상기 전극(200)은 이러한 연사물이 미리 정해진 패턴으로 자수된 것일 수 있다.
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.
이에 대해, 상기 비전도성 섬유 원사(220)는 전도성 섬유 원사(210)의 인장강도, 인장신율, 인열강도와 같은 기계적 물성을 보완, 개선하여 상기 전극을 신발의 인솔에 적용할 수 있도록 해주며, 이 때, 상기 비전도성 섬유 원사(220)의 결합에 따른 전기적 특성의 열화는, 상기 전도성 섬유 원사(210)의 전도성을 높여줌으로써 보완할 수 있다.
상기 전도성 섬유 원사(210)의 전도성은 이에 포함된 전도성 물질의 종류, 함량 등에 따라 조절될 수 있으며, 상기 전도성 섬유 원사(210) 또한 종래 무기물로 이루어진 무기 섬유의 단점을 보완하기 위해, 일정 량의 유기물과 무기물이 상호 조합된 소재로 이루어질 수 있다.
상기 전도성 섬유 원사(210)는 열가소성 수지 및 탄소계 물질을 포함하는 제1 영역(211)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.
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.
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.
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.
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.
또한, 탄소나노튜브는 탄소의 함량이 높을수록 촉매와 같은 불순물이 적어 우수한 전도성을 구현할 수 있으므로, 상기 탄소나노튜브의 탄소 순도, 즉, 상기 탄소나노튜브 중 탄소의 함량은 95% 이상, 바람직하게는, 95~98%, 더 바람직하게는, 96.5~97.5%일 수 있다.
상기 탄소나노튜브의 탄소 순도가 95% 미만이면 탄소나노튜브의 구조적 결함이 유발되어 결정성이 저하될 수 있고, 탄소나노튜브가 외부 자극에 의해 쉽게 절단, 파괴될 수 있다.
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.
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.
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.
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.
상기 전도성 섬유 원사(210)는 열가소성 수지를 포함하는, 바람직하게는, 실질적으로 열가소성 수지로 구성된 제2 영역(212)을 더 포함할 수 있다. 상기 제2 영역(212)은 상기 전도성 섬유 원사(210)에 전도성을 부여하는 상기 제1 영역(211)을 지지하여 상기 전도성 섬유 원사(210)의 기계적 물성을 향상시킬 수 있다.
상기 전도성 섬유 원사(210)의 단면적에 대한 상기 제2 영역(212)의 단면적의 비가 0.01~0.9, 바람직하게는, 0.1~0.8, 더 바람직하게는, 0.4~0.7일 수 있다. 상기 제2 영역(212)의 비율이 0.01 미만이면 상기 제1 영역(211)을 충분히 지지하지 못하므로 전도성 섬유 원사의 기계적 물성이 저하될 수 있고, 0.9 초과이면 전도성 섬유 원사(210) 중 상기 제1 영역(211)의 비율이 감소하여 전도성 섬유 원사의 전도성이 저하될 수 있다.
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.
도 4를 참고하면, 상기 제1 및 제2 영역이 각각 외피 및 심재일 수 있다.
상기 제1 및 제2 영역(211, 212)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.
상기 제1 영역(211)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(210)의 연신성, 충격강도를 향상시킬 수 있다. 또한, 열가소성 폴리우레탄은 상기 전도성 섬유 원사(210)의 연신성을 향상시키면서도 탄소나노튜브의 분산을 저해하지 않으므로, 상기 전도성 섬유 원사(210)의 영역별 전도성 편차를 최소화할 수 있다.
상기 제2 영역(212)을 구성하는 열가소성 수지로서, 폴리아미드를 들 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 상기 폴리아미드는 상기 폴리우레탄의 인장강도가 낮은 문제를 보완하여 상기 전도성 섬유 원사(210)의 기계적 물성을 향상시킬 수 있다.
스마트 인솔
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, 11); 전자 모듈(20); 및 상기 센서 구조체와 상기 전자 모듈을 연결하는 배선을 포함하는 기판(30);을 포함할 수 있다.
상기 기판(30)은 종래의 가요성 합성수지판을 얇은 섬유 원단으로 대체한 것으로서, 착용자의 발의 쿠션에 전혀 영향을 주지하지 않은 재질로 이루어질 수 있다. 또한, 상기 기판(30)은 상기 센서 구조체 중 상기 제1 센서부(10)의 상기 원단 기재(100)가 평면 방향으로 족형에 맞추어 연장된 것으로서, 상기 원단 기재(100)와 일체로 구성될 수 있다.
상기 제1 센서부(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.
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.
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.
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.
상기 기판(30)은 신발의 중창, 안창에 내장되거나 그 표면에 부착, 결합될 수 있다.
상기 기판(30)은 착용자의 족형(발 모양)에 따른 형상을 가질 수 있고, 착용자의 족형에 맞추어 상기 제1 및 제2 센서부(10, 11)를 장착할 수 있다. 상기 기판(30)은 상기 센서 구조체의 원활한 작동을 보장하기 위해 착용자의 발과 가까운 상부에 위치할 수 있다.
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.
상기 전자 모듈(20)은 상기 제1 및 제2 센서부(10, 11)로부터 제공된 데이터를 측정하고 취득하기 위한 펌웨어를 포함할 수 있다. 상기 펌웨어는 상기 전자 모듈(20)의 내부 및/또는 외부에 구비된 메모리에 포함될 수 있고, 상기 제1 및 제2 센서부(10, 11)로부터 제공된 데이터를 입력받고 상기 통신 모듈을 통해 외부 장치 및/또는 그에 설치된 소프트웨어와의 데이터 통신을 제어하도록 구성될 수 있다.
상기 배터리는 배선을 통해 상기 기판(30)의 상기 센서 구조체에 전력을 공급하며, 상기 통신 모듈은 배선을 통해 상기 기판(30)의 상기 센서 구조체로부터 신호, 데이터를 수신하여 외부 장치로 송신할 수 있다.
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.
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.
상기 통신 모듈은 상기 기판(30)에 위치한 상기 센서 구조체 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.
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 구조체를 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.
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.
도 7은 발의 평균 족압을 측정한 이미지이다. 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.
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.
이에 대해, 도 8을 참고하면 상기 전자 모듈(20)은 상기 기판(30)의 아치 영역에 위치하고, 상기 배선은 상기 전도성 섬유가 상기 원단 기재(100)의 적어도 일부에 자수된 것이고, 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 인터페이스(40)를 형성하여 상기 전자 모듈(20)에 연결될 수 있다. 이러한 상기 배선의 구조와 연결 방식을 통해 하중 누적에 따른 배선의 단선 및 그에 따른 센서 구조체 및 전자 모듈(20)의 오류 내지 오작동을 원천적으로 방지할 수 있다.
상기 센서 구조체 중 상기 제2 센서부(11)는 상기 기판(30)의 발가락 영역, 볼 영역 및 뒤꿈치 영역 중 적어도 일부에 위치하여 전술한 배선 및 연결 방식에 따라 상기 전자 모듈(20)과 연결될 수 있다.
또한, 상기 제2 센서부(11')를 상기 기판(30)의 아치 영역에 위치한 상기 전자 모듈(20)의 내부에 위치시킴으로써, 상기 기판(30)으로부터 상기 제2 센서부(11') 및 상기 전자 모듈(20)을 연결하기 위한 배선을 생략하여 스마트 인솔 제조 시 작업성, 생산성을 개선할 수 있고, 상기 제2 센서부(11') 및 상기 전자 모듈(20)을 연결하는 배선의 손상, 파손, 단선 등에 따른 오류 내지 오작동을 원천적으로 방지할 수 있다.
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.
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.
100: 원단 기재
200: 전극
110: 경사 120: 위사
210: 전도성 섬유 원사 220: 비전도성 섬유 원사
211: 제1 영역 212: 제2 영역
10: 제1 센서부 11, 11': 제2 센서부
20: 전자 모듈 30: 기판
40: 인터페이스
110: 경사 120: 위사
210: 전도성 섬유 원사 220: 비전도성 섬유 원사
211: 제1 영역 212: 제2 영역
10: 제1 센서부 11, 11': 제2 센서부
20: 전자 모듈 30: 기판
40: 인터페이스
Claims (11)
- 착용자의 발로부터 인가되는 압력을 측정하는 제1 센서부, 및 착용자의 발의 자세를 검출하는 IMU(Inertial Measurement Unit)를 포함하는 제2 센서부를 포함하고,
상기 제1 센서부는,
원단 기재, 및 상기 원단 기재의 적어도 일부에 전도성 섬유가 복수의 빗살형 핑거가 서로 이격되어 배열된 형태로 자수된 전극을 포함하고, 상기 전도성 섬유는 전도성 섬유 원사를 포함하고,
상기 전도성 섬유 원사는 탄소나노튜브를 포함하는 제1 영역을 포함하고, 상기 탄소나노튜브 중 탄소의 함량은 95중량% 이상인, 센서 구조체. - 제1항에 있어서,
상기 전도섬 섬유는 상기 전도성 섬유 원사 및 비전도성 섬유 원사의 연사물인, 센서 구조체. - 제1항에 있어서,
상기 탄소나노튜브의 라만 분광 강도비(IG/ID)는 1.0 이상인, 센서 구조체. - 제1항에 있어서,
상기 탄소나노튜브는 단일벽 탄소나노튜브, 이중벽 탄소나노튜브, 다중벽 탄소나노튜브, 다발형 탄소나노튜브 및 이들 중 2 이상의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 하나인, 센서 구조체. - 제1항에 있어서,
상기 전도성 섬유 원사는 열가소성 수지를 포함하는 제2 영역을 더 포함하는, 센서 구조체. - 제5항에 있어서,
상기 전도성 섬유 원사의 단면에 대한 상기 제2 영역의 단면의 비가 0.01~0.9인, 센서 구조체. - 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 따른 센서 구조체;
전자 모듈; 및
상기 센서 구조체와 상기 전자 모듈을 연결하는 배선을 포함하는 기판;을 포함하는, 스마트 인솔. - 제7항에 있어서,
상기 센서 구조체는 상기 기판의 발가락 영역, 볼 영역 및 뒤꿈치 영역에 위치하는, 스마트 인솔. - 제8항에 있어서,
상기 배선은,
전도성 섬유가 상기 기판의 적어도 일부에 자수된 것이고,
상기 원단 기재 및 상기 기판은 일체로 형성되고,
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. - 제7항에 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 부착된, 스마트 인솔. - 제7항에 있어서,
상기 전자 모듈은 상기 기판의 아치 영역에 위치하고,
상기 제2 센서부는 상기 전자 모듈의 내부에 위치하는, 스마트 인솔.
Priority Applications (1)
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|---|---|---|---|
| KR1020210138425A KR20230055434A (ko) | 2021-10-18 | 2021-10-18 | 센서 구조체 및 이를 포함하는 스마트 인솔 |
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Family Applications (1)
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| KR (1) | KR20230055434A (ko) |
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2021
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