KR20200114673A - self-powered vital signs sensor and monitoring system using the same - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 자가 동력 활력 징후 센서 및 이를 이용한 활력징후 모니터링 시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 터치에 의해 생성된 자가 발전 전기 에너지를 이용하여 사용자의 활력 징후 정보를 센싱할 수 있는 자가 동력 활력 징후 센서 및 이를 이용한 활력징후 모니터링 시스템에 관한 것이다.The present invention relates to a self-powered vital sign sensor and a vital sign monitoring system using the same, and more particularly, a self-powered vital sign sensor capable of sensing vital sign information of a user using self-generated electric energy generated by touch And it relates to a vital sign monitoring system using the same.
인간의 활력징후(vital sign)는 인간의 체온, 맥박, 호흡 그리고 혈압 등을 말하며, 인간의 신체적 상태는 항상성 기전을 통하여 정상범주 내로 조절되고 있음이 이러한 징후로 반영된다. 활력 징후의 변화는 건강변화의 표시이다. 이는 환자의 신체적 상태를 평가하는 지표로서 환자의 상태를 판단하는 매우 중요한 측정방법 중의 하나라고 볼 수 있다. 활력징후의 측정은 신체적 정신적 스트레스와 치료, 간호의 반응 및 평소 건강 상태를 알아보는 기초 자료를 제공한다.Human vital signs refer to human body temperature, pulse, respiration, and blood pressure, and these signs reflect that the human physical condition is controlled within the normal range through homeostasis mechanisms. Changes in vital signs are an indication of changes in health. This is an index that evaluates the patient's physical condition and can be seen as one of the very important measurement methods for determining the patient's condition. The measurement of vital signs provides basic data for examining physical and mental stress, treatment, nursing response, and usual health status.
활력징후는 같은 사람에게서 측정한 신호라고 하더라도, 운동 전·후, 식사 전·후, 주위 온도 등 여러 외부 변수에 의해서 많은 변화 폭을 보인다. 따라서 병원에서 행하는 환자의 건강 상태에 대한 판단이 신뢰성을 가지기 위해서는, 판단의 근거가 되며 환자로부터 발생되는 생체신호의 지속적인 수집은 매우 중요하다.Vital signs, even if they are signals measured by the same person, show a wide range of changes due to various external variables such as before and after exercise, before and after meals, and ambient temperature. Therefore, in order for the judgment of the patient's health state to be reliable, it is the basis of the judgment, and continuous collection of bio-signals generated from the patient is very important.
한편, 외부로부터의 전력 공급은 활력 징후를 측정하기 위한 센서들이 정상적으로 동작할 수 있는 필수 조건이었다. 가장 보편적으로 사용되는 포터블 전원 공급장치로는 화학적 배터리가 있다. 하지만 이러한 화학적 배터리는 제한된 사용 수명과 화학적 오염 문제들의 한계가 있다. 이러한 불편함을 해소하기 위해 대한민국 공개특허공보 제10-2016-0105176호를 통해 마찰 대전식 발전기를 사용자의 팔에 부착한 웨어러블 장치가 제시된 바 있다.Meanwhile, power supply from the outside was a prerequisite for sensors for measuring vital signs to operate normally. The most commonly used portable power supply is a chemical battery. However, these chemical batteries have limited service life and limitations of chemical contamination problems. In order to solve this inconvenience, a wearable device in which a triboelectric generator is attached to a user's arm has been proposed through Korean Patent Publication No. 10-2016-0105176.
그 구성을 개략적으로 살펴보면 도 1a에 도시한 바와 같이, 제1 마찰 전기 발전부(TEG1)와 제2 마찰 전기 발전부(TEG2)로 구성된 마찰 전기 발전기가 마찰을 최대화하는 겨드랑이 영역에 배치될 수 있다. 도 1b에 도시한 바와 같이, 걷기나 달리기 등 팔 동작이 이루어지는 동안 상기 제1 마찰 전기 발전부(TEG1)와 상기 제2 마찰 전기 발전부(TEG2) 사이에 컨택/릴리스 마찰이 발생하고 상기 마찰에 의해 전기가 발생한다.Looking at the configuration schematically, as shown in FIG. 1A, a triboelectric generator composed of a first triboelectric generator TEG1 and a second triboelectric generator TEG2 may be disposed in an armpit area to maximize friction. . As shown in FIG. 1B, a contact/release friction occurs between the first triboelectric generator TEG1 and the second triboelectric generator TEG2 during arm movements such as walking or running, and the friction Electricity is generated by
이러한 마찰 대전식 발전기는 서로 다른 종류의 마찰대전 재료 사이의 상호적인 접촉과 분리를 이용하여 발전한다. 하지만, 현재 널리 알려진 모든 마찰 대전식 발전기들은 도전 금속이 마찰대전 박막 재료의 표면에 퇴적되어 외부로 전력을 출력하는 것들이다. 이러한 마찰 대전식 발전기는 회로의 복잡성, 마찰 발전기와 에너지 저장 장치 간의 임피던스 불일치로 인한 에너지 손실 등의 문제가 있다. 이와 동시에, 피부, 공기 등과 같은 일부 마찰 재료 상에서는 전극을 제조하는 것이 극히 어려운 바, 이러한 제한 요소들은 상술한 마찰 대전식 발전기의 발전에 아주 큰 영향을 끼치고 있다.These triboelectric generators are developed using mutual contact and separation between different types of triboelectric materials. However, all triboelectric generators that are widely known at present are those in which a conductive metal is deposited on the surface of a triboelectric thin film material to output electric power to the outside. These triboelectric generators have problems such as circuit complexity and energy loss due to impedance mismatch between the triboelectric generator and the energy storage device. At the same time, it is extremely difficult to manufacture electrodes on some friction materials such as skin, air, and the like, and these limiting factors have a great influence on the development of the triboelectric generator described above.
한편, 터치 센서는 터치 장치의 신호를 그와 선형 또는 임의의 함수 관계를 가지는 저항 또는 전압으로 변환하여 출력하여, 터치에 대해 감지하는 것이다. 이러한 터치 센서는 로봇, HMI(Human Machine Interface) 및 안전 시스템 분야에서 널리 사용될 수 있다. 종래의 터치 센서는 주로 압전 저항과 커패시턴스의 변화에 기초하여 동작하는 것이다. 하지만 외부 에너지에 의해 전력을 공급받는 터치 센서는 미래의 에너지 위기에서 널리 응용되기 어렵다. 따라서, 자체 구동되는 터치 센서를 발전시키는 것은 이러한 장치들을 장기적이고 안정적으로 동작하도록 하는 문제를 근본적으로 해결하는 관건적 요소이다.Meanwhile, the touch sensor detects a touch by converting a signal of the touch device into a resistance or voltage having a linear or arbitrary functional relationship therewith and outputting it. These touch sensors can be widely used in the fields of robots, human machine interfaces (HMIs) and safety systems. Conventional touch sensors operate mainly based on changes in piezoelectric resistance and capacitance. However, the touch sensor powered by external energy is difficult to be widely applied in the future energy crisis. Therefore, developing a self-driven touch sensor is a key factor in fundamentally solving the problem of long-term and stable operation of these devices.
본 발명은 외부 전원의 공급없이 터치에 의해 생성된 자가 발전 동력을 이용하여 사용자의 활력 징후를 실시간으로 센싱할 수 있는 자가 동력 활력 징후 센서 및 이를 이용한 활력징후 모니터링 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.An object of the present invention is to provide a self-powered vital sign sensor capable of sensing a user's vital signs in real time using a self-generated power generated by a touch without supplying external power, and a vital sign monitoring system using the same.
본 발명의 다른 목적은 터치에 의해 발생하는 전력밀도를 증가할 수 있는 자가 동력 활력 징후 센서 및 이를 이용한 활력징후 모니터링 시스템을 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to provide a self-powered vital sign sensor capable of increasing the power density generated by a touch, and a vital sign monitoring system using the same.
본 발명의 또 다른 목적은 서로 다른 활력 징후를 측정하는 자가 동력 활력 징후 센서 및 이를 이용하여 서로 다른 활력 징후 정보를 구별하는 활력징후 모니터링 시스템을 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to provide a self-powered vital sign sensor that measures different vital signs, and a vital sign monitoring system that distinguishes different vital signs information using the same.
이러한 목적들을 달성하기 위한 본 발명에 따른 자가 동력 활력 징후 센서는 터치에 의해 발생한 전하의 흐름을 전기 에너지로 변환하는 마찰 발전기, 상기 마찰 발전기에 의해 제공되는 전기 에너지에 의해 동작하는 활력 징후 센서 및 상기 활력 징후 센서를 거쳐 전달되는 전기 에너지를 감지하는 신호 감지 소자를 포함하여 이루어지는 것을 구성의 특징으로 한다.The self-powered vital sign sensor according to the present invention for achieving these objects includes a friction generator that converts the flow of charge generated by a touch into electrical energy, a vital sign sensor operated by electric energy provided by the friction generator, and the It is characterized in that it comprises a signal sensing element for sensing the electric energy transmitted through the vital sign sensor.
본 발명에 따른 바람직한 자가 동력 활력 징후 센서는 단일 전극 마찰전기 발전기(single-electrode triboelectric nanogenerator: SETENG)를 적용한다.A preferred self-powered vital sign sensor according to the present invention employs a single-electrode triboelectric nanogenerator (SETENG).
본 발명의 일 실시에 따른 자가 동력 활력 징후 센서에서의 단일 전극 마찰전기 발전기는 외부 자극에 대하여 마찰 대전 특성을 나타내는 접촉층, 상기 접촉층의 하면에 접합되는 투명 재질의 중간층, 및 상기 중간층의 하부 영역에 형성되어 상기 활력 징후 센서에 연결되는 전극층을 포함하여 이루어진다.The single electrode triboelectric generator in the self-powered vital sign sensor according to an embodiment of the present invention includes a contact layer that exhibits triboelectric properties against an external stimulus, an intermediate layer of a transparent material bonded to the lower surface of the contact layer, and a lower portion of the intermediate layer. It comprises an electrode layer formed in the region and connected to the vital sign sensor.
본 발명에 따른 바람직한 자가 동력 활력 징후 센서에서의 단일 전극 마찰전기 발전기는 강유전성 고분자물질인 P(VDF-TrFE)에 2wt%의 은나노와이어(AgNW)가 혼합되어 형성된 유전체를 접촉층으로 사용한다.A single-electrode triboelectric generator in a preferred self-powered vital sign sensor according to the present invention uses a dielectric formed by mixing 2wt% of silver nanowires (AgNW) with P (VDF-TrFE), which is a ferroelectric polymer material, as a contact layer.
본 발명에 따른 바람직한 자가 동력 활력 징후 센서에서의 단일 전극 마찰전기 발전기는 폴리디메틸실록산(PDMS)에 나노화이버(NF) 구조를 적용한다.A single electrode triboelectric generator in a preferred self-powered vital sign sensor according to the present invention applies a nanofiber (NF) structure to polydimethylsiloxane (PDMS).
본 발명에 따른 바람직한 자가 동력 활력 징후 센서에서의 단일 전극 마찰전기 발전기는 폴리디메틸실록산(PDMS)에 은나노와이어(AgNW) 전극을 포함할 수 있다.The single electrode triboelectric generator in a preferred self-powered vital sign sensor according to the present invention may include silver nanowire (AgNW) electrodes in polydimethylsiloxane (PDMS).
본 발명의 일 실시에 따른 자가 동력 활력 징후 센서의 구성은 서로 수평선상에 배치된 전극층과 활력 징후 센서를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.The configuration of the self-powered vital sign sensor according to an embodiment of the present invention is characterized in that it comprises an electrode layer and a vital sign sensor disposed on a horizontal line with each other.
본 발명의 다른 실시에 따른 자가 동력 활력 징후 센서의 구성은 상기 전극층을 이루는 두 전극 사이의 중간에 삽입되어 적층되도록 배치된 활력 징후 센서를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.The configuration of the self-powered vital sign sensor according to another embodiment of the present invention is characterized in that it comprises a vital sign sensor disposed to be stacked by being inserted between the two electrodes constituting the electrode layer.
본 발명의 바람직한 실시에 따른 자가 동력 활력 징후 센서에서 저항, 인덕터 및 커패시터 중 어느 하나로 이루어지는 수동 소자를 이용하여 상기 활력 징후 센서를 구성하는 것을 특징으로 한다.In the self-powered vital sign sensor according to a preferred embodiment of the present invention, the vital sign sensor is configured using a passive element made of any one of a resistor, an inductor and a capacitor.
본 발명의 바람직한 실시에 따른 자가 동력 활력 징후 센서에서 신호 감지 소자는 활력 징후 센서에 흐르는 전류, 전압, 전류밀도 중 어느 하나를 모니터링할 수 있다.In the self-powered vital sign sensor according to a preferred embodiment of the present invention, the signal sensing element may monitor any one of current, voltage, and current density flowing through the vital sign sensor.
본 발명의 바람직한 실시에 따른 자가 동력 활력 징후 센서를 이용한 활력 징후 모니터링 시스템은 자가 동력 활력 징후 센서가 다수 개 배열되어 이루어지고, 신체의 일부에 배치되어 터치를 통해 생성된 전기 에너지에 의해 동작하는 센서부, 상기 센서부로부터 제공된 신호에 포함된 잡음을 제거하기 위한 저역 통과 필터, 상기 저역 통과 필터를 거쳐 제공되는 신호를 분석하여 외부에 제공하기 위한 제어 신호를 생성하는 제어부, 상기 제어부로부터 제공된 신호를 무선 신호로 변환하여 전송하는 데이터 송신부 및 상기 데이터 송신부로부터 제공된 신호를 수신하여 사용자가 인식할 수 있는 형태로 표시하는 표시부를 포함하여 이루어질 수 있다.In the vital signs monitoring system using a self-powered vital sign sensor according to a preferred embodiment of the present invention, a plurality of self-powered vital sign sensors are arranged and disposed on a part of the body to operate by electric energy generated through touch. Part, a low-pass filter for removing noise included in the signal provided from the sensor unit, a control unit for analyzing a signal provided through the low-pass filter and generating a control signal for providing to the outside, a signal provided from the control unit It may include a data transmission unit that converts and transmits a wireless signal, and a display unit that receives a signal provided from the data transmission unit and displays it in a user-recognizable form.
본 발명의 바람직한 실시에 따른 자가 동력 활력 징후 센서를 이용한 활력 징후 모니터링 시스템에서 상기 센서부는 투명 터치 패널의 형상으로 이루어질 수 있다.In the vital sign monitoring system using a self-powered vital sign sensor according to a preferred embodiment of the present invention, the sensor unit may be formed in the shape of a transparent touch panel.
본 발명의 바람직한 실시에 따른 자가 동력 활력 징후 센서를 이용한 활력 징후 모니터링 시스템에서 상기 제어부는 상기 센서부로부터 제공된 감지 신호를 미리 저장된 정보와 비교하여 활력 징후 값을 할 수 있다.In a vital sign monitoring system using a self-powered vital sign sensor according to a preferred embodiment of the present invention, the control unit may compare a detection signal provided from the sensor unit with previously stored information to obtain a vital sign value.
본 발명에 따른 자가 동력 활력 징후 센서 및 이를 이용한 활력 징후 모니터링 시스템은 다음과 같은 효과를 나타낼 수 있다.The self-powered vital sign sensor and the vital sign monitoring system using the same according to the present invention may exhibit the following effects.
첫째, 외부 전원의 공급없이 터치에 의해 생성된 자가 발전 동력을 이용하여 사용자의 활력 징후를 실시간으로 센싱할 수 있다.First, it is possible to sense a user's vital signs in real time by using self-generated power generated by a touch without supplying external power.
둘째, 자가 터치에 의해 발생하는 전력밀도를 증가시킬 수 있다.Second, it is possible to increase the power density generated by self-touch.
셋째, 서로 다른 여러 종류의 활력 징후를 측정할 수 있다.Third, it can measure different types of vital signs.
도 1a 및 도 1b는 종래 기술에 따른 마찰 대전식 발전기를 구성을 개략적으로 나타낸 예시도이다.
도 2는 본 발명에 따른 자가 동력 활력 징후 센서의 구성을 개략적으로 나타낸 예시도이다.
도 3은 본 발명의 제1 실시 예에 따른 도 2의 자가 동력 활력 징후 센서의 구성을 나타낸 예시도이다.
도 4는 일반적인 단일 전극 마찰 발전기 및 본 발명에 따른 단일 전극 마찰 발전기의 기계적 안정 상태를 나타낸 예시도이다.
도 5는 폴리디메틸실록산(PDMS)이 내장된 2wt% 은나노와이어(AgNW) 합성의 고분자물질인 P(VDF-TrFE) 나노화이버를 전자현미경으로 찍은 것을 나타낸다.
도 6은 은나노와이어(AgNW)의 중량비 함량 변화에 따른 부하 저항에 대한 전력 증가를 나타낸 실험 결과 그래프이다.
도 7은 본 발명의 제2 실시 예에 따른 도 2의 자가 동력 활력 징후 센서의 구성을 나타낸 예시도이다.
도 8은 본 발명에 따른 단일 전극 마찰 발전기의 동작을 나타낸 예시도이다.
도 9는 본 발명에 따른 자가 동력 활력 징후 센서를 이용한 활력 징후 모니터링 시스템의 구성을 개략적으로 나타낸 구성도이다.
도 10은 본 발명에 따른 자가 동력 활력 징후 센서를 이용한 활력 징후 모니터링 시스템의 실험 예시도이다.1A and 1B are exemplary views schematically showing the configuration of a triboelectric generator according to the prior art.
2 is an exemplary view schematically showing the configuration of a self-powered vital sign sensor according to the present invention.
3 is an exemplary view showing the configuration of the self-powered vital sign sensor of FIG. 2 according to the first embodiment of the present invention.
4 is an exemplary view showing a mechanical stability state of a general single electrode tribological generator and a single electrode tribological generator according to the present invention.
FIG. 5 shows that a 2wt% silver nanowire (AgNW) synthetic polymer material P(VDF-TrFE) nanofiber containing polydimethylsiloxane (PDMS) was taken with an electron microscope.
6 is an experimental result graph showing an increase in power to load resistance according to a change in weight ratio content of silver nanowires (AgNW).
7 is an exemplary view showing the configuration of the self-powered vital sign sensor of FIG. 2 according to a second embodiment of the present invention.
8 is an exemplary view showing the operation of the single electrode triboelectric generator according to the present invention.
9 is a block diagram schematically showing the configuration of a vital sign monitoring system using a self-powered vital sign sensor according to the present invention.
10 is a diagram illustrating an experiment of a vital sign monitoring system using a self-powered vital sign sensor according to the present invention.
본문에 개시되어 있는 본 발명의 실시 예들에 대해서, 특정한 구조적 내지 기능적 설명들은 단지 본 발명의 실시 예를 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로, 본 발명의 실시 예들은 다양한 형태로 실시될 수 있으며 본문에 설명된 실시 예들에 한정되는 것으로 해석되어서는 안 된다.For the embodiments of the present invention disclosed in the text, specific structural or functional descriptions have been exemplified for the purpose of describing the embodiments of the present invention only, and the embodiments of the present invention may be implemented in various forms. It should not be construed as being limited to the described embodiments.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 특정 실시 예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.In the present invention, various modifications may be made and various forms may be applied, and specific embodiments will be illustrated in the drawings and described in detail in the text. However, this is not intended to limit the present invention to a specific form of disclosure, it is to be understood as including all changes, equivalents, or substitutes included in the spirit and scope of the present invention.
제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지 않는다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위로부터 이탈되지 않은 채 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다.Terms such as first and second may be used to describe various elements, but the elements are not limited by the terms. These terms are used only for the purpose of distinguishing one component from another component. For example, without departing from the scope of the present invention, a first element may be referred to as a second element, and similarly, a second element may be referred to as a first element.
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 없는 것으로 이해되어야 할 것이다. 구성요소들 간의 관계를 설명하는 다른 표현들, 즉 "~사이에"와 "바로 ~사이에" 또는 "~에 이웃하는"과 "~에 직접 이웃하는" 등도 마찬가지로 해석되어야 한다.When a component is referred to as being "connected" or "connected" to another component, it is understood that it may be directly connected or connected to the other component, but other components may exist in the middle. Should be. On the other hand, when a component is referred to as being "directly connected" or "directly connected" to another component, it should be understood that there is no other component in the middle. Other expressions describing the relationship between components, such as "between" and "just between" or "adjacent to" and "directly adjacent to" should be interpreted as well.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함한다" 또는 "가진다" 등의 용어는 개시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.The terms used in the present application are used only to describe specific embodiments, and are not intended to limit the present invention. Singular expressions include plural expressions unless the context clearly indicates otherwise. In the present application, terms such as "comprises" or "have" are intended to designate the existence of disclosed features, numbers, steps, actions, components, parts, or a combination thereof, but one or more other features or numbers, It is to be understood that the presence or addition of steps, actions, components, parts, or combinations thereof, does not preclude the possibility of preliminary exclusion.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 나타낸다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 나타내는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.Unless otherwise defined, all terms used herein, including technical or scientific terms, have the same meaning as commonly understood by one of ordinary skill in the art to which the present invention belongs. Terms such as those defined in commonly used dictionaries should be interpreted as representing meanings consistent with the meanings in the context of the related technology, and should not be interpreted as ideal or excessively formal meanings unless explicitly defined in this application. Does not.
한편, 어떤 실시 예가 달리 구현 가능한 경우에 특정 블록 내에 명기된 기능 또는 동작이 흐름도에 명기된 순서와 다르게 일어날 수도 있다. 예를 들어, 연속하는 두 블록이 실제로는 실질적으로 동시에 수행될 수도 있고, 관련된 기능 또는 동작에 따라서는 상기 블록들이 거꾸로 수행될 수도 있다.Meanwhile, when a certain embodiment can be implemented differently, a function or operation specified in a specific block may occur differently from the order specified in the flowchart. For example, two consecutive blocks may actually be executed at the same time, or the blocks may be executed in reverse depending on a related function or operation.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예들을 설명한다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.
도 2는 본 발명에 따른 자가 동력 활력 징후 센서의 구성을 개략적으로 나타낸 예시도이다. 도시한 바와 같이, 터치에 의해 발생한 전하의 흐름을 전기 에너지로 변환하는 마찰 발전기(100), 상기 마찰 발전기(100)에 의해 제공되는 전기 에너지에 의해 동작하는 활력 징후 센서(200), 및 상기 활력 징후 센서(200)를 거쳐 전달되는 전기 에너지를 감지하는 신호 감지 소자(300)를 포함하여 이루어진다.2 is an exemplary view schematically showing the configuration of a self-powered vital sign sensor according to the present invention. As shown, the
이때, 상기 마찰 발전기(100)는 외부 자극을 받는 면에 전극이 필요하지 않은 단일 전극 마찰전기 발전기(single-electrode triboelectric nanogenerator: SETENG)로 구성하는 것이 바람직하다. 이때, 상기 단일 전극 마찰전기 발전기는 투명 재질로서 웨어러블 형태로 이루어질 수 있다. 바람직하게는 상기 단일 전극 마찰전기 발전기는 그 표면에 대한 터치와 비터치 동작에 의해 약 217W/m2의 전력을 발생할 수 있다.At this time, the
상기 활력 징후 센서(200)는 저항, 인덕터 및 커패시터 중 어느 하나의 수동 소자로 이루어져 체온, 호흡, 혈압, 맥박을 포함한 활력 징후 중 적어도 어느 하나를 센싱한다.The
상기 신호 감지 소자(300)는 상기 활력 징후 센서에 흐르는 전류, 전압, 전류밀도 중 어느 하나를 모니터링한다.The
도 3은 본 발명의 제1 실시 예에 따른 도 2의 자가 동력 활력 징후 센서의 구성을 나타낸 예시도이다. 도시한 바와 같이, 단일 전극 마찰전기 발전기(110)는 외부 자극에 대하여 마찰 대전 특성을 나타내는 접촉층(111)과 상기 접촉층(111)의 하면에 접합되어 활력 징후 센서(210)에 연결되는 전극층(112)을 포함하여 구성된다. 제1 실시 예에 따른 자가 동력 활력 징후 센서(10)는 활력 징후 센서(210)가 마찰 발전기(100)의 전극(112b)과 수평선 상에 놓이도록 연결된다. 상기 단일 전극 마찰전기 발전기(110)는 접촉층(111)과, 상기 전극층(112)에 활력 징후 센서(210)을 내장한 하나의 모듈 형태로 구성될 수 있다.3 is an exemplary view showing the configuration of the self-powered vital sign sensor of FIG. 2 according to the first embodiment of the present invention. As shown, the single
이때, 활력 징후 센서(210) 및 신호 감지 소자(310)는 제1 실시 예를 나타내기 위해 도 2의 구성과 다른 부호를 사용한 것이며, 동일한 구성으로 이루어지며 동일한 동작을 나타낸다.At this time, the
일반적인 단일 전극 마찰 발전기는 도 4의 (A)에 도시한 바와 같이, 사용자의 터치가 이루어질 때 기계적으로 비안정 상태이고 박리 현상이 나타낸다. 이러한 문제를 해결하기 위해 본 발명에 따른 단일 전극 마찰전기 발전기에서는 강유전성 고분자물질인 P(VDF-TrFE)에 폴리디메틸실록산(PDMS)을 혼합한다. 이에 따라, 도 4의 (B)에 도시한 바와 같이 기계적으로 안정 상태를 나타내어 박리 현상이 나타나지 않게 되고, 투명한 상태가 될 수 있다.A typical single-electrode tribological generator is mechanically unstable when a user's touch is made, as shown in FIG. 4A and exhibits a peeling phenomenon. In order to solve this problem, in the single electrode triboelectric generator according to the present invention, polydimethylsiloxane (PDMS) is mixed with P (VDF-TrFE), which is a ferroelectric polymer material. Accordingly, as shown in (B) of FIG. 4, a mechanically stable state is exhibited, so that a peeling phenomenon does not appear, and a transparent state may be obtained.
한편, 기계적 피로와 비탄성 산란 및 섬유간 박리 현상을 방지하기 위해 상기 폴리디메틸실록산(PDMS)에 나노화이버(NF) 구조를 적용하는 것이 바람직하다.On the other hand, it is preferable to apply a nanofiber (NF) structure to the polydimethylsiloxane (PDMS) to prevent mechanical fatigue, inelastic scattering, and delamination between fibers.
상기 전극층(112)은 전극(112b)을 둘러싼 투명 재질의 중간층(112a)을 포함하는 형태로 이루어진다. 상기 폴리디메틸실록산(PDMS)층 사이의 화학적 결합에 의해 상기 접촉층(111)과 전극층(112)의 접합이 가능하도록 자외선 처리하는 것이 바람직하다.The
한편, 상기 단일 전극 마찰전기 발전기(110)는 상기 폴리디메틸실록산(PDMS)에 은나노와이어(AgNW) 전극을 포함할 수 있다. 도 5는 폴리디메틸실록산(PDMS)이 내장된 은나노와이어(AgNW) 합성의 고분자물질인 P(VDF-TrFE) 나노화이버를 전자현미경으로 찍은 것을 나타낸다. 도시한 바와 같이 마이크로 공극에 폴리디메틸실록산(PDMS)이 삽입되어 투명성을 나타낸다. 이때, 도 6은 은나노와이어(AgNW)의 중량비 함량 변화에 따른 부하 저항에 대한 전력 증가를 나타낸 실험 결과 그래프이다. 도 6에 도시한 바와 같이, 은나노와이어(AgNW)는 0wt%, 1wt%, 2wt%와 같이 실험적으로 포함시킨 결과 은나노와이어(AgNW)가 2wt% 값일 때 최적의 결과값을 갖는 것을 알 수 있다.Meanwhile, the single
도 7은 본 발명의 제2 실시 예에 따른 도 2의 자가 동력 활력 징후 센서의 구성을 나타낸 예시도이다. 제2 실시 예의 자가 동력 활력 징후 센서(20)는 제1 실시 예와 달리, 활력 징후 센서(220)가 상기 전극층(122)을 이루는 두 전극(122b, 122c) 사이의 중간에 삽입되어 적층되도록 배치된 것을 알 수 있다. 이때, 도면 부호 121은 접촉층을, 도면 부호 122a는 상기 전극층(122)의 전극(122b, 122c)을 둘러싼 투명 재질의 중간층을 나타낸다. 상기 단일 전극 마찰전기 발전기(120)는 접촉층(121)과 전극층(122)에 활력 징후 센서(220)을 내장한 하나의 모듈 형태로 구성될 수 있다. 또한, 활력 징후 센서(220) 및 신호 감지 소자(320)는 제2 실시 예를 나타내기 위해 도 2의 구성과 다른 부호를 사용한 것이며, 동일한 구성으로 이루어지며 동일한 동작을 나타낸다.7 is an exemplary view showing the configuration of the self-powered vital sign sensor of FIG. 2 according to a second embodiment of the present invention. Unlike the first embodiment, the self-powered
도 8은 본 발명에 따른 자가 동력 활력 징후 센서의 동작을 나타낸 예시도이다. 동작 원리가 터치동작의 집행자와 접촉층 사이의 접촉하는 부분에만 연관되므로, 도 8에서는 양자가 실제로 접촉하는 부분만 도시되어 있으며, 제2 실시 예의 부호를 이용하여 설명하기로 한다. 터치동작을 진행하는 자의 예를 들어 손가락이 접촉층(121)과 접촉할 때, 피부와 접촉층(121)이 대전열에서 나열 순서에 차이가 있으므로, 양자의 전자를 얻는 능력에는 차이가 있다. 피부가 전자를 잃는 능력이 비교적 강한 경우를 예로 들면, 양자가 접촉한 후 접촉표면의 미세구조 사이에는 미세한 접선 방향에서의 슬라이드가 발생하여, 마찰로 인한 표면전하를 발생하게 된다. 따라서 피부 표면은 도 8의 (a)에서와 같이 양전하를 띠고, 접촉층(121)의 표면은 음전하를 띠게 된다.8 is an exemplary view showing the operation of the self-powered vital sign sensor according to the present invention. Since the operating principle is only related to a contact portion between the executioner of the touch operation and the contact layer, in FIG. 8, only a portion in which both actually contact is shown, and will be described using reference numerals of the second embodiment. When, for example, a finger of a person performing a touch operation, when a finger contacts the
도 8의 (b)에서와 같이, 손가락을 떼게 되면, 피부와 접촉층(121) 사이의 표면전하의 평형이 파괴된다. 이때, 전자는 전극층(122)으로부터 신호 감지 소자로 이동한다. 신호 감지 소자(320)는 이와 상응하게 전기적 신호의 출력을 감지할 수 있다.As shown in (b) of FIG. 8, when the finger is removed, the balance of the surface charge between the skin and the
도 8의 (c)에서와 같이 손가락이 접촉층(121)으로부터 완전히 분리되면, 전하는 평형을 이루어 전자의 이동이 발생하지 않는다.When the finger is completely separated from the
도 8의 (d)에서와 같이 손가락을 자가 동력 활력 징후 센서(20)의 접촉층(121)의 표면에 가까워지면, 전자는 접지로부터 전극층(122)으로 이동하게 된다. 이때, 신호 감지 소자(320)로 반대 방향의 전류가 흐르게 된다.As shown in (d) of FIG. 8, when the finger approaches the surface of the
다시 손가락이 자가 동력 활력 징후 센서(20)의 접촉층(121)의 표면에 완전히 접촉하면, 표면전하가 평형 상태를 이루어, 외부 회로에서는 전자가 이동하지 않는 바, 전류의 출력을 관찰할 수 없게 된다.Again, when the finger completely contacts the surface of the
이러한 일반적인 단일 전극 마찰 발전기의 동작 원리에 제1 실시 예 및 제2 실시 예에서와 같이, 전극층(112, 122)에 활력 징후 센서(210, 220)을 연결하여 활력 징후 값을 센싱한다. 즉, 활력 징후 센서를 장착하지 않은 상태에서 터치에 의한 기본 전류의 값과 활력 징후 센서를 연결한 상태에서의 터치에 의한 전류 값의 차에 대한 정보를 신호 감지 소자(310, 320)를 이용하여 산출하여 활력 징후 센서 값으로 이용하게 된다.As in the first and second embodiments, the
도 9는 본 발명에 따른 자가 동력 활력 징후 센서를 이용한 활력 징후 모니터링 시스템(30)의 구성을 개략적으로 나타낸 구성도이다. 도 10의 실험 예시에서 나타낸 바와 같이, 상기 센서부(31)가 투명 터치 패널로 구성되어 사용자의 신체에 부착되는 것이 바람직하다.9 is a schematic diagram showing the configuration of a vital
도시한 바와 같이, 본 발명에 따른 자가 동력 활력 징후 센서를 이용한 활력 징후 모니터링 시스템(30)은 단일 전극 마찰 발전기(SETENG)를 이용한 자가 동력에 의해 동작하는 활력 징후 센서가 다수 개 배열되어 이루어지고, 신체의 일부에 배치되어 터치를 통해 생성된 전기 에너지에 의해 동작하는 센서부(31), 상기 센서부(31)로부터 제공된 신호에 포함된 잡음을 제거하기 위한 저역 통과 필터(32), 상기 저역 통과 필터(32)를 거쳐 제공되는 신호를 분석하여 외부에 제공하기 위한 제어 신호를 생성하는 제어부(33), 상기 제어부(33)로부터 제공된 신호를 유선 또는 무선 신호로 변환하여 전송하는 데이터 송신부(34), 상기 데이터 송신부(34)로부터 제공된 신호를 수신하여, 장착된 디스플레이 장치를 통해 사용자가 인식할 수 있는 형태로 표시하는 단말기(35)를 포함하여 이루어진다.As shown, the vital
정확한 터치 감지를 위해 전기 노이즈 및 누화 신호를 필터링하는데 적절한 임계 전압을 설정하는 것이 중요하다. 상기 저역 통과 필터(32)는 노이즈 제거를 위해 10MΩ의 저항과 10nF 커패시터로 구성된다.It is important to set an appropriate threshold voltage to filter out electrical noise and crosstalk signals for accurate touch detection. The
상기 제어부(33)는 상기 저역 통과 필터(32)에 의해 노이즈가 제거된 활력 징후 정보를 미리 저장된 정보와 비교하여 활력 징후 값을 산출한다.The
상기 데이터 송신부(34)는 상기 제어부(33)의 제어 신호에 따라 활력 징후 정보를 외부로 전송하는 기능을 수행한다. 이때, 무선 방식으로 송신하는 경우, 블루투스(Bluetooth), 근거리 무선통신(NFC), 지그비(Zigbee), 인프라스트럭쳐 (infrastructure) 모드 또는 애드혹(ad hoc) 모드의 와이파이(wi-fi) 방식 중 어느 하나의 방식을 적용할 수 있다.The
한편, 상기 단말기(35)는 컴퓨터, 이동통신 단말기, 랩-탑 컴퓨터, 태블릿 컴퓨터 등의 장치가 사용될 수 있다. 바람직하게 상기 단말기(35)는 사용자에게 활력 징후를 바로 보여주거나 네트워크를 통해 클라우드 저장 장치에 저장하여 건강 관리 정보를 누적 저장할 수 있다. 이상의 설명에서의 활력 징후 센서(200)가 체온, 호흡, 혈압, 맥박 등의 일반적 활력 징후를 센싱하는 것을 예시로 하였으나, 혈중 이산화탄소량, ph 센싱, 혈중 알콜 농도, 근육량, 체지방 정보 등 다양한 신체 정보를 추출하는데 사용될 수 있다.Meanwhile, the terminal 35 may be a computer, a mobile communication terminal, a laptop computer, or a tablet computer. Preferably, the terminal 35 may show vital signs to the user or store it in a cloud storage device through a network to accumulate and store health management information. Although the
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 자가 동력 활력 징후 센서 및 이를 이용한 활력 징후 모니터링 시스템은 외부 전원의 공급없이 터치에 의해 생성된 자가 발전 동력을 이용하여 사용자의 활력 징후를 실시간으로 센싱할 수 있으며, 자가 터치에 의해 발생하는 전력밀도를 증가시켜 서로 다른 여러 종류의 활력 징후를 측정할 수 있는 효과를 나타낼 수 있다.As described above, the self-powered vital sign sensor and the vital sign monitoring system using the same according to the present invention can sense the user's vital signs in real time by using the self-generated power generated by touch without supplying external power. In addition, by increasing the power density generated by self-touch, the effect of measuring different types of vital signs can be achieved.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시 예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.Although the above has been described with reference to preferred embodiments of the present invention, those skilled in the art will variously modify and change the present invention within the scope not departing from the spirit and scope of the present invention described in the following claims. You will understand that you can do it.
10, 20: 자가 동력 활력 징후 센서
100: 마찰 발전기
111, 121: 접촉층
112, 122: 전극층
112a, 122a: 중간층
112b, 122b, 122c: 전극
200, 210, 220: 활력 징후 센서
300, 310, 320: 신호 감지 소자
30: 활력 징후 모니터링 시스템
31: 센서부
32: 저역 통과 필터
33: 제어부
34: 데이터 송신부
35: 단말기10, 20: self-powered vital sign sensor 100: friction generator
111, 121:
112a, 122a:
200, 210, 220:
30: vital signs monitoring system 31: sensor unit
32: low pass filter 33: control unit
34: data transmission unit 35: terminal
Claims (17)
상기 활력 징후 센서를 거쳐 전달되는 전기 에너지를 감지하는 신호 감지 소자를 포함하여 이루어지는 자가 동력 활력 징후 센서.A triboelectric generator that converts the flow of electric charge generated by the touch into electric energy; A vital sign sensor operated by electrical energy provided by the friction generator; And
Self-powered vital sign sensor comprising a signal sensing element for sensing electrical energy transmitted through the vital sign sensor.
외부 자극을 받는 면에 전극이 필요하지 않은 단일 전극 마찰전기 발전기(single-electrode triboelectric nanogenerator: SETENG)인 것을 특징으로 하는 자가 동력 활력 징후 센서.The method of claim 1, wherein the friction generator,
Self-powered vital sign sensor, characterized in that a single-electrode triboelectric nanogenerator (SETENG) that does not require an electrode on the surface receiving external stimulation.
외부 자극에 대하여 마찰 대전 특성을 나타내는 접촉층;
상기 접촉층의 하면에 접합되는 투명재질의 중간층; 및
상기 중간층의 하단 영역에 구성되어 상기 활력 징후 센서에 연결되는 전극층을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 자가 동력 활력 징후 센서.The method of claim 2, wherein the single electrode triboelectric generator,
A contact layer exhibiting a triboelectric charge characteristic against an external magnetic pole;
An intermediate layer of a transparent material bonded to the lower surface of the contact layer; And
Self-powered vital sign sensor comprising an electrode layer configured in the lower region of the intermediate layer and connected to the vital sign sensor.
강유전성 고분자물질인 P(VDF-TrFE)에 은나노와이어(AgNW)가 혼합되어 형성된 유전체인 것을 특징으로 하는 자가 동력 활력 징후 센서.The method of claim 3, wherein the contact layer,
A self-powered vital sign sensor, characterized in that it is a dielectric formed by mixing silver nanowires (AgNW) with P (VDF-TrFE), a ferroelectric polymer material.
상기 센서부로부터 제공된 신호에 포함된 잡음을 제거하기 위한 저역 통과 필터;
상기 저역 통과 필터를 거쳐 제공되는 신호를 분석하여 외부에 제공하기 위한 제어 신호를 생성하는 제어부;
상기 제어부로부터 제공된 신호를 무선 신호로 변환하여 전송하는 데이터 송신부;
상기 데이터 송신부로부터 제공된 신호를 수신하여 사용자가 인식할 수 있는 형태로 표시하는 단말기를 포함하여 이루어지는 자가 동력 활력 징후 센서를 이용한 활력징후 모니터링 시스템.A sensor unit comprising a plurality of self-powered vital signs sensors according to claim 1 arranged and arranged on a part of the body to operate by electric energy generated through touch;
A low pass filter for removing noise included in a signal provided from the sensor unit;
A control unit that analyzes a signal provided through the low-pass filter and generates a control signal to be provided to the outside;
A data transmission unit converting the signal provided from the control unit into a wireless signal and transmitting the converted signal;
A vital sign monitoring system using a self-powered vital sign sensor comprising a terminal that receives the signal provided from the data transmission unit and displays it in a form that can be recognized by a user.
Priority Applications (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
KR1020190036800A KR20200114673A (en) | 2019-03-29 | 2019-03-29 | self-powered vital signs sensor and monitoring system using the same |
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