KR102665219B1 - 섬유형 전극 및 이를 이용한 생체 신호 모니터링 의류 - Google Patents

섬유형 전극 및 이를 이용한 생체 신호 모니터링 의류 Download PDF

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Abstract

의류의 내부와 외부, 즉 외피와 내피를 연결하는 도전 경로 구조 및 도전 경로 구조가 적용된 생체 신호 모니터링 의류가 제공된다. 상기 도전 경로 구조는 복수의 관통홀을 갖는 베이스층; 상기 베이스층의 일면 상에 배치되고, 상기 관통홀에 적어도 부분적으로 삽입된 제1 전도사; 및 상기 베이스층의 타면 상에 배치되고, 상기 관통홀에 적어도 부분적으로 삽입되어 제1 전도사와 맞닿아 도통되는 제2 전도사를 포함한다.

Description

섬유형 전극 및 이를 이용한 생체 신호 모니터링 의류{FIBROUS ELECTRODE AND CLOTHING FOR VITAL SIGN MONITORING USING THE SAME}
본 발명은 섬유형 전극(fibrous electrode), 전기 도전 경로 구조(conductive path structure) 및 생체 신호 모니터링 의류에 관한 것이다. 상세하게는, 의류의 내부와 외부, 즉 외피와 내피를 연결하는 도전 경로 구조 및 도전 경로 구조가 적용된 생체 신호 모니터링 의류에 관한 것이다.
전자적 디바이스를 이용하여 신체의 생체 신호를 모니터링하는 것은 인간의 생물학적 상태를 확인하고 유지 및 관리하기 위한 편리하고 효과적인 방법이다. 특히 최근 웨어러블 디바이스와 같이 사용자가 전자적 디바이스를 손에 들고 관리하지 않고, 일상 생활 중에 자연스럽게 편의 기능을 제공하는 기술에 대한 개발이 활발히 이루어지고 있다.
대표적인 웨어러블 디바이스로 안경, 시계, 팔찌, 반지 등의 형태의 전자적 디바이스가 개발되고 있다. 그러나 이들은 여전히 의류(clothing)에 더하여 추가적으로 착용해야하는 번거로움이 한계로 작용하고 있으며, 이러한 이유로 의류나 의복 자체가 외부 신호를 감지하거나 반응할 수 있는 스마트 웨어가 각광받고 있다.
위와 같은 모니터링 디바이스가 측정하고자 하는 생체 신호는 그 목적에 따라 무척 다양하다. 대표적인 생체 신호의 예로는 근전도(lectromyography, EMG), 심전도(electrocardiogram, ECG), 심박, 혈압, 피부 전도도, 체온 등을 들 수 있다.
대한민국 공개특허공보 제10-2008-0114107호, 2008.12.31 대한민국 공개특허공보 제10-2020-0106699호, 2020.09.15 대한민국 등록특허공보 제10-1687154호, 2016.12.19
전술한 다양한 생체 신호 중 일부, 예컨대 근전도 등은 안경, 시계, 팔찌 또는 반지 등의 형태로 구현되기에 부적절하다. 또한 안경, 시계, 팔찌, 반지 등 형태의 전자적 디바이스는 의류에 더해 추가적으로 착용해야하는 한계가 있다. 이 같은 측면에서 다양한 전기적 신호를 의류 내부 전도성 경로를 통해 전달할 수 있는 스마트 웨어가 활발히 개발되고 있다. 예를 들어, 특허문헌 1은 섬유 직물, 예컨대 의류 원단 상에 전자 부품을 고정시키고, 전도성 실을 이용해 전기적 신호가 전달되는 구조를 개시한다.
그러나 특허문헌 1의 직물 기판은 전기적 신호를 전송할 수 있는 경로를 전송할 수 있을지언정, 생체 신호를 수집하기 위해 사용되기는 곤란하다. 예컨대 근전도는 근육의 수축과 이완된 상태에서 발생하는 활동 전위를 측정하고 이를 수치화한 것으로 모니터링하고자 하는 근육에 인접하여 생체 신호를 수집해야 하며, 이를 통해 신체의 각 부위별 근육의 활성화도를 추정할 수 있다. 따라서 생체 신호 수집을 위해서는 인간의 신체 피부에 전극이 밀착되는 것이 무엇 보다 중요하다. 특히 섬유형 전극의 경우 사용자의 피부에 대한 밀착력이 높지 않기 때문에 균일한 도전성을 가지고 면적을 제공하는 형태의 섬유형 전극을 제공하는 것이 쉽지 않은 상황이다.
현재 개발 중인 근전도를 측정하는 방법은 특허문헌 2에 개시된 것과 같이 운동을 위한 의류 내측면에 피부와 밀착하는 전극을 마련하고, 의류 외부에 별도로 마련된 근전도 측정 장치와 상기 전극을 접속시키는 방법이다. 그러나 이러한 형태의 근전도 측정 시스템은 상용화되고 있지 못한 실정이다. 그 이유로서 전극이 구비된 의류의 제조 비용 문제 및 전극의 신축성의 문제 등을 들 수 있다.
또한 기존의 생체 신호 수집용 전극은 주로 금속 재질이어서 착용감이 좋지 못하고, 굴곡진 피부 표면, 또한 움직임에 따라 굴곡이 변화하는 피부 표면에 밀착되지 못하는 한계가 있다. 이에 특허문헌 3은 전도사를 이용한 전극 패턴이 사용자의 피부에 밀착하는 구조를 제시한다.
그러나 특허문헌 3과 같은 형태의 전도사를 이용한 전극 패턴은 유연성이 특히 부족한 문제가 있다. 예컨대 근전도 모니터링 의류 등의 경우 주로 운동복에 적용될 수 있다. 운동 수행시 신체 각 부위가 크게 팽창 및 수축되거나, 신축되며, 특히 사용자의 땀으로 인해 신체의 신축으로 인한 스트레스는 의류에 더욱 크게 가해질 수 있다. 특허문헌 3과 같이 하나의 전도사를 이용해 모재의 양면에 걸쳐 형성되는 전극 패턴을 형성할 경우 전극 패턴이 상기 신축에 매우 취약하며, 사용을 반복함에 따라 전도사의 단락으로 전극 패턴이 손상될 수 있다.
이에 본 발명이 해결하고자 하는 어느 과제는 의류 원단의 일면과 타면을 전기적으로 도통시키되, 매우 높은 유연성을 가지고 신축에도 불구하고 강건한 도전 경로 구조 및/또는 섬유형 전극을 제공하는 것이다.
또, 신축 상태에서 노이즈 신호의 발생을 최소화하고 신뢰도 높은 생체 신호를 수집할 수 있는 도전 경로 구조 및/또는 섬유형 전극을 제공하는 것이다.
본 발명이 해결하고자 하는 다른 어느 과제는 신축 상태에서 노이즈 신호의 발생을 최소화하고 신뢰도 높은 생체 신호를 수집할 수 있는 생체 신호 모니터링 의류를 제공하는 것이다.
또, 우수한 착용감과 사용자 편의를 제공하며, 낮은 비용으로 제조 가능한 생체 신호 모니터링 의류를 제공하는 것이다.
본 발명의 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 도전 경로 구조는 복수의 관통홀을 갖는 베이스층; 상기 베이스층의 일면 상에 배치되고, 상기 관통홀에 적어도 부분적으로 삽입된 제1 전도사; 및 상기 베이스층의 타면 상에 배치되고, 상기 관통홀에 적어도 부분적으로 삽입되어 제1 전도사와 맞닿아 도통되는 제2 전도사를 포함한다.
상기 베이스층의 일면 상에서 바라본 평면 시점에서, 상기 제1 전도사는, 폐루프를 형성하는 제1-1 전도사 패턴, 및 상기 제1-1 전도사 패턴을 둘러싸며, 폐루프를 형성하는 제1-2 전도사 패턴을 포함할 수 있다.
상기 베이스층의 일면 상에서 바라본 평면 시점에서, 상기 제1-1 전도사 패턴과 제1-2 전도사 패턴은 이격된 상태일 수 있다.
또, 상기 제1-1 전도사 패턴과 제1-2 전도사 패턴은 제2 전도사를 통해 전기적 도통된 상태일 수 있다.
상기 평면 시점에서, 상기 제1-1 전도사 패턴과 제1-2 전도사 패턴의 최소 이격 거리는 1.6mm 이상일 수 있다.
상기 베이스층의 일면 상에서 바라본 평면 시점에서, 상기 제1 전도사는, 폐루프를 형성하는 전도사 패턴을 형성하되, 상기 평면 시점에서, 상기 전도사 패턴은 부분적으로 절곡되어 만입부를 갖는 형상일 수 있다.
또, 상기 전도사 패턴의 선폭은 2.5mm 이하일 수 있다.
또한 상기 만입부는 6개 내지 8개를 구비할 수 있다.
상기 제1 전도사는 상기 제2 전도사 보다 신축성이 클 수 있다.
이 때 상기 베이스층의 일면 상에서 바라본 평면 시점에서, 상기 제1 전도사가 형성하는 제1 전도사 패턴이 차지하는 면적은, 상기 베이스층의 타면 상에서 바라본 평면 시점에서, 상기 제2 전도사가 형성하는 제2 전도사 패턴이 차지하는 면적 보다 작을 수 있다.
몇몇 실시예에서, 상기 도전 경로 구조는 상기 제1 전도사 상에 배치되고 베이스층과 분리 가능한 제1 패드 전극; 및 상기 제2 전도사 상에 배치되고 베이스층과 분리 가능한 제2 패드 전극을 더 포함할 수 있다.
상기 다른 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 신체 신호 모니터링 의류는 복수의 관통홀을 갖는 의류 원단; 상기 원단의 외측면 상에 배치되고, 상기 관통홀에 적어도 부분적으로 삽입된 제1 전도사; 및 상기 원단의 내측면 상에 배치되고, 상기 관통홀에 적어도 부분적으로 삽입되어 제1 전도사와 맞닿는 제2 전도사를 포함한다.
상기 의류 원단의 외측에 배치된 포켓을 더 포함하되, 상기 제1 전도사가 형성하는 전도사 패턴은 상기 포켓 내에 위치할 수 있다.
기타 실시예의 구체적인 사항들은 상세한 설명에 포함되어 있다.
본 발명의 실시예들에 따르면, 베이스층의 상부와 하부에 위치하는 실들을 모두 전도사로 구성하여 의류의 외면(또는 겉면 또는 표면 또는 외피)과 내면(또는 이면 또는 내피)을 연결하는 전도성 구조를 제공할 수 있다.
또, 상부 전도사와 하부 전도사, 특히 상부 전도사가 평면상 소정의 레이아웃을 갖도록 구성하여 의류 원단이 신장되는 경우에도 전극 패턴의 형상 변화 내지는 면적 변화를 줄일 수 있고, 수집되는 전기적 신호의 신뢰도를 향상시킬 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따른 효과는 이상에서 예시된 내용에 의해 제한되지 않으며, 더욱 다양한 효과들이 본 명세서 내에 포함되어 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 생체 신호 모니터링 의류의 모식도이다.
도 2는 도 1의 생체 신호 수집을 위한 전극 패턴의 모식도이다.
도 3은 도 2의 전극 패턴의 평면 레이아웃이다.
도 4는 도 2의 전극 패턴의 단면도이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 생체 신호 수집을 위한 전극 패턴의 평면 레이아웃이다.
도 6은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 생체 신호 수집을 위한 전극 패턴의 단면도이다.
도 7은 도 6의 전극 패턴을 배면 측에서 바라본 레이아웃이다.
도 8 내지 도 10은 실험예 1에 따른 결과를 나타낸 이미지이다.
도 11 및 도 12는 실험예 2에 따른 결과를 나타낸 이미지이다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 즉, 본 발명이 제시하는 실시예들에는 다양한 변경이 가해질 수 있다. 아래 설명하는 실시예들은 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 이들에 대한 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
도면에 도시된 구성요소의 크기, 두께, 폭, 길이 등은 설명의 편의 및 명확성을 위해 과장 또는 축소될 수 있으므로 본 발명이 도시된 형태로 제한되는 것은 아니다.
다른 정의가 없다면, 본 명세서에서 사용되는 모든 용어(기술 및 과학적 용어를 포함)는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 공통적으로 이해될 수 있는 의미로 사용될 수 있을 것이다. 또 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 명백하게 특별히 정의되어 있지 않는 한 이상적으로 또는 과도하게 해석되지 않는다.
공간적으로 상대적인 용어인 '위(above)', '상부(upper)', ‘상(on)’, '아래(below)', '아래(beneath)', '하부(lower)' 등은 도면에 도시되어 있는 바와 같이 하나의 소자 또는 구성 요소들과 다른 소자 또는 구성 요소들과의 상관관계를 용이하게 기술하기 위해 사용될 수 있다. 공간적으로 상대적인 용어는 도면에 도시되어 있는 방향에 더하여 사용시 소자의 서로 다른 방향을 포함하는 용어로 이해되어야 한다. 예를 들면, 도면에 도시되어 있는 소자를 뒤집을 경우, 다른 소자의 '아래(below 또는 beneath)'로 기술된 소자는 다른 소자의 '위(above)'에 놓일 수 있다. 따라서, 예시적인 용어인 '아래'는 아래와 위의 방향을 모두 포함할 수 있다.
본 명세서에서, '및/또는'은 언급된 아이템들의 각각 및 하나 이상의 모든 조합을 포함한다. 또, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 본 명세서에서 사용되는 '포함한다(comprises)' 및/또는 '포함하는(comprising)'은 언급된 구성요소 외에 하나 이상의 다른 구성요소의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다. '내지'를 사용하여 나타낸 수치 범위는 그 앞과 뒤에 기재된 값을 각각 하한과 상한으로서 포함하는 수치 범위를 나타낸다. '약' 또는 '대략'은 그 뒤에 기재된 값 또는 수치 범위의 20% 이내의 값 또는 수치 범위를 의미한다.
본 명세서에서 다르게 정의되지 않는 한, 용어 '섬유(fiber)' 또는 '실' 또는 '사(yarn or thread)'는 천연 또는 인조의 가늘고 긴 섬유 고분자 물질을 통칭하며, 한가닥 또는 복수의 연속된 장섬유(長纖維)인 필라멘트(filament), 짧은 단섬유(短纖維)들을 서로 꼬여서 만든 방적사(staple)를 포함하는 의미로 사용될 수 있다.
또, 다르게 정의되지 않는 한 용어 '전도사' '도전사' 또는 '전도성 섬유(conductive fiber)'는 전기 전도성이나 열 전도성을 갖는 섬유 소재를 통칭하며, 전도성 섬유들만의 조합, 또는 도전사와 비도전사의 합사, 또는 전도성 물질로 도금된 비도전사 등을 포함하는 의미로 사용될 수 있다.
또, 제1 방향(X)은 평면 내 임의의 일 방향을 의미하고, 제2 방향(Y)은 상기 평면 내에서 제1 방향(X)과 교차하거나 수직한 다른 방향을 의미한다. 제3 방향(Z)은 상기 평면과 교차하는 또 다른 방향을 의미한다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 대하여 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 생체 신호 모니터링 의류의 모식도이다.
도 1을 참조하면, 본 실시예에 따른 생체 신호 모니터링 의류(1)는 의류 원단(20)에 부착 고정된 전극 패턴(11)을 포함할 수 있다. 상기 의류는 운동 등의 과정에서 생체 신호, 예컨대 근전도, 심전도, 심박, 혈압, 피부 전도도 또는 체온 등을 모니터링할 수 있는 기능성 의류일 수 있다. 본 발명이 전술한 생체 신호에 국한되는 것은 아니다.
전극 패턴(11)은 의류 원단(20)의 내부와 외부, 즉 내측면과 외측면을 연결하는 도전 경로를 제공할 수 있다. 전극 패턴(11)은 복수개, 예를 들어 2개가 하나의 세트를 구성하여 함께 특정 위치에서의 생체 신호를 수집할 수 있다.
또, 하나의 세트를 구성하는 복수의 전극 패턴(11)은 어느 하나의 포켓(30) 내에 위치할 수 있다. 포켓(30) 내에는 전극 패턴(11)을 통해 전달되는 생체 신호를 측정하거나, 저장하거나, 분석하거나, 가공하여 유의미한 생체 정보를 제공하기 위한 생체 신호 측정 기기(40)가 수용될 수 있다. 생체 신호 측정 기기(40)는 복수의 전극 패턴(11)과 전기적으로 도통될 수 있다.
다만 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니며, 포켓 없이 전극 패턴(11)이 의류의 외측면 상에 노출되어 심미감을 제공할 수도 있다.
이하, 도 2 내지 도 4를 더 참조하여 본 실시예에 따른 전극 패턴, 도전 경로 구조 등에 대해 상세하게 설명한다. 도 2는 도 1의 생체 신호 수집을 위한 전극 패턴의 모식도이다. 도 3은 도 2의 전극 패턴의 평면 레이아웃이다. 도 4는 도 2의 전극 패턴의 단면도이다.
도 2 내지 도 4를 더 참조하면, 본 실시예에 따른 도전 경로 구조는 베이스층(20) 상에 배치된 전극 패턴(11)을 포함할 수 있다. 후술할 베이스층(20)은 의류 원단(20)과 실질적으로 동일한 구성요소일 수 있다.
전극 패턴(11)은 의류 원단(20)을 관통하여 의류 원단(20)의 내부와 외부를 도통시키되, 평면상 소정의 면적을 제공할 수 있다. 즉, 전극 패턴(11)은 일반적인 전도성 경로와 달리 확장된 형상을 가지며, 패드 내지는 패치와 같은 전극 기능을 제공할 수 있다.
전극 패턴(11)은 베이스층(20)의 일면, 예컨대 상면 상에 배치된 제1 전도사(100) 및 베이스층(20)의 타면, 예컨대 하면 상에 배치된 제2 전도사(200)를 포함할 수 있다.
베이스층(20)은 제1 베이스층(21) 및 제2 베이스층(22)을 포함하여 복수의 층으로 이루어질 수 있다. 예를 들어, 제1 베이스층(21)은 의류의 외피를 이루고, 제2 베이스층(22)은 의류의 내피를 이룰 수 있다. 다만, 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니며, 베이스층(20)은 단일층으로 이루어지거나, 또는 제1 베이스층(21)과 제2 베이스층(22) 사이에 추가적인 층이 개재될 수도 있다.
베이스층(20)은 복수의 관통홀(H)을 가지고, 제1 전도사(100) 및 제2 전도사(200)는 적어도 부분적으로 관통홀(H)에 삽입되거나, 관통홀(H) 내에 위치할 수 있다. 관통홀(H) 내에서 제1 전도사(100)와 제2 전도사(200)는 맞닿아 꼬이거나 교차할 수 있다. 즉, 제1 전도사(100)와 제2 전도사(200)는 관통홀(H) 내에서 맞닿는 부위에서 서로 전기적으로 도통될 수 있다.
제1 전도사(100)와 제2 전도사(200)는 각각 우수한 전기 전도도를 갖는 실일 수 있다. 앞서 설명한 것과 같이 전도사는 전도성 섬유 자체, 또는 전도성 섬유들만의 합사, 또는 전도사와 비전도사의 합사, 또는 전도성 물질로 도금된 비전도사 등을 포함할 수 있다.
평면 시점에서, 즉 베이스층(20)의 상면 평면 시점에서, 제1 전도사(100)는 제1 전도사 패턴(101)을 형성할 수 있다. 예시적인 실시예에서, 제1 전도사 패턴(101)은 폐루프를 형성하는 제1-1 전도사 패턴(110), 제1-1 전도사 패턴(110)을 둘러싸는 제1-2 전도사 패턴(120)을 포함하고, 제1-1 전도사 패턴(110)의 폐루프 내에 위치하는 제1-3 전도사 패턴(130)을 더 포함할 수 있다. 제1-1 전도사 패턴(110), 제1-2 전도사 패턴(120) 및 제1-3 전도사 패턴(130)은 각각 평면 시점에서 이격된 상태일 수 있다.
이하에서, 제1-2 전도사 패턴(120)이 평면상 최외측에 위치한 패턴을 의미하고, 제1-3 전도사 패턴(130)이 평면상 최내측에 위치한 패턴을 의미하는 것으로 설명한다. 이 경우, 다른 실시예에서, 도면에 도시된 것과 달리 제1-1 전도사 패턴(110)과 제1-2 전도사 패턴(120) 또는 제1-1 전도사 패턴(110)과 제1-3 전도사 패턴(130) 사이에는 추가적인 이격된 전도사 패턴이 위치할 수도 있다.
제1 전도사(100)가 형성하는 평면상 제1 전도사 패턴(101)의 최대 크기, 예를 들어 최외각에 위치한 제1-2 전도사 패턴(120)의 최대폭(L1)은 약 30mm 이하, 또는 약 28mm 이하, 또는 약 26mm 이하, 또는 약 24mm 이하, 또는 약 22mm 이하, 또는 약 20mm 이하일 수 있다. 제1 전도사(100)가 형성하는 패턴의 크기가 상기 범위 보다 클 경우, 특정된 소정의 위치에서의 생체 신호 수집이 곤란할 수 있다. 또, 앞서 설명한 것과 같이, 복수의 전극 패턴(11)이 하나의 세트를 구성하여 생체 신호를 수집할 경우, 하나의 전극 패턴(11)이 지나치게 커지면 인접한 전극 패턴(11) 간의 이격 거리가 증가되는 문제가 있다.
제1 전도사(100)가 형성하는 평면상 패턴의 최대폭(L1)의 하한은 충분한 신뢰도 높은 생체 신호를 수집할 수 있으면 특별히 제한되지 않으나, 예를 들어 약 5mm 이상일 수 있다.
인접한 두개의 전극 패턴(11) 간의 거리, 예컨대 각 전극 패턴(11)들의 중심 간의 이격 거리는 어느 하나의 전극 패턴(11)의 최대폭(L1)의 약 1.5배 내지 3배 범위 내에 있는 것이 바람직할 수 있다. 만일 상기 이격 거리가 지나치게 커질 경우 특정된 소정의 위치에서의 생체 신호 수집이 곤란할 수 있다.
제1 전도사(100)가 형성하는 어느 하나의 선형 패턴, 구체적으로 라인 형상으로 폐루프를 형성하는 어느 하나의 패턴, 즉 제1-1 전도사 패턴(110) 또는 제1-2 전도사 패턴(120)이 형성하는 선폭(W)은 약 1.5mm 내지 2.5mm, 또는 약 1.6mm 내지 2.4mm, 또는 약 1.7mm 내지 2.3mm, 또는 약 1.8mm 내지 2.2mm, 또는 약 1.9mm 내지 2.1mm 범위에 있을 수 있다.
선폭(W)이 지나치게 클 경우, 인접한 전도사 패턴 간에 충분한 이격 거리(D)를 확보하기 어려울 수 있다. 또, 선폭(W)이 지나치게 클 경우 베이스층(20)의 신축에 따라 형상 변화 내지는 면적 변화가 발생하여 신뢰도가 저하될 수 있다. 반면, 선폭(W)이 지나치게 작을 경우 충분한 생체 신호의 전달이 어려울 수 있다.
몇몇 실시예에서, 최내측에 위치하는 제1-3 전도사 패턴(130)은 라인 형상의 패턴이 아니라, 소정의 면적을 갖는 패드 형태로 제공될 수 있다. 이 때 제1-3 전도사 패턴(130)의 최대폭(L2)의 상한은 약 3.0mm, 또는 약 2.5mm, 또는 약 2.0mm일 수 있다. 전술한 선폭(W)과 마찬가지로, 소정의 면적을 갖는 제1-3 전도사 패턴(130)의 폭(L2)이 지나치게 커질 경우 베이스층(20)의 신축에 따라 면적 변화가 발생할 수 있다. 제1-3 전도사 패턴(130)이 독립하여 전기적 신호의 전달 경로로 기능하기 위해서는 제1-3 전도사 패턴(130)의 최대폭(L2)의 하한은 약 1.5mm일 수 있으나, 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니다.
인접한 선형 패턴 간의 이격 거리, 예컨대 제1-1 전도사 패턴(110)과 제1-2 전도사 패턴(120) 간의 이격 거리(D), 또는 제1-1 전도사 패턴(110)과 제1-3 전도사 패턴(130) 간의 이격 거리는 선형 패턴의 선폭(W)과 소정의 관계에 있을 수 있다. 예시적인 실시예에서, 전도사 패턴들(110, 120, 130) 간의 이격 거리(D)는 선폭(W)의 약 0.8배 내지 1.2배 범위에 있을 수 있다. 예컨대, 전극 패턴(11)의 최대폭(L1)이 약 20mm이고, 총 3개의 전도사 패턴들(110, 120, 130)로 구성되며, 어느 하나의 패턴 선폭(W)이 2.0mm인 비제한적인 예시에서, 제1-1 전도사 패턴(110)과 제1-2 전도사 패턴(120) 간의 이격 거리(D) 및 제1-1 전도사 패턴(110)과 제1-3 전도사 패턴(130) 간의 이격 거리는 1.6mm 내지 2.4mm, 또는 1.6mm 내지 2.0mm 범위에 있을 수 있다.
만일 전도사 패턴들 간의 이격 거리(D)가 지나치게 짧을 경우, 각 전도사 패턴들(110, 120, 130)을 통해 수집되는 전기적 신호 간에 크로스토크 현상 등이 발생할 수 있다. 반면 전도사 패턴들 간의 이격 거리(D)가 지나치게 클 경우 전극 패턴(11)의 전체 크기 증가가 야기될 수 있다.
본 실시예에 따른 전극 패턴(11)은 어느 패턴, 즉 제1 전도사(100)에 의해 형성되는 전도사 패턴을 내부가 채워진 일체로 형성하는 것이 아니라, 서로 이격된 복수의 전도사 패턴들, 즉 제1-1 전도사 패턴(110), 제1-2 전도사 패턴(120) 및 제1-3 전도사 패턴(130)으로 구성하는 점에 특징이 있다. 만일 전도사 패턴을 전체적으로 내부가 충진된 형태의 소정의 크기, 예컨대 약 20mm 수준의 크기를 갖는 전도사 패턴으로 구성할 경우, 의류의 신축에 따른 형상 변화 문제에 취약하여 신호에 노이즈가 다량 포함되거나, 또는 수집된 신호의 신뢰도가 저하될 수 있다.
한편, 예시적인 실시예에서, 전극 패턴(11)의 전체 형상, 예컨대 제1-2 전도사 패턴(120)의 형상은 평면상 만입부(11p)를 갖는 형상일 수 있다. 이에 따라 제1-1 전도사 패턴(110) 및 제1-3 전도사 패턴(130) 또한 제1-2 전도사 패턴(120)과 상응하는 형상으로 만입부를 가질 수 있다. 예를 들어, 도 3 등에 도시된 것과 같이, 제1-2 전도사 패턴(120) 등은 8개의 만입부를 갖는 8각별 형상일 수 있다.
후술할 바와 같이 전극 패턴(11)이 평면상 원형 등일 경우, 베이스층(20)의 신축에 따라 형상 변화 내지는 면적 변화가 발생하여 신뢰도가 저하될 수 있다. 따라서 균일한 평면 형상을 제공하기 위해 평면상 원형 내지는 다각형 형상에 근사하게 제공하되, 복수의 만입부(11p)를 제공하여 베이스층(20)의 신축에 따른 면적 변화를 최소화할 수 있다.
본 발명이 어떠한 이론에 국한되는 것은 아니나, 제1-1 전도사 패턴(110) 및/또는 제1-2 전도사 패턴(120) 등이 라인 형상을 가지고, 평면상 굴곡진 형상, 즉 서로 다른 방향을 향하여 연장된 수개의 직선의 조합으로 구성될 경우, 어느 하나의 신장 방향에 대해 변화율이 감소할 수 있다.
만일 만입부(11p)가 8개를 초과할 경우, 예를 들어 12개 또는 16개 등일 경우, 평면상 원 형상에 지나치게 근사하여 신축에 따른 형상 변화가 커질 수 있다. 반면 만입부(11p)가 8개에 미달할 경우 또는 6개에 미달할 경우, 예를 들어 4개, 또는 3개 등일 경우, 원형과 차이가 커져 어느 한 지점에서의 생체 신호를 온전히 수집하기 곤란하고 신호의 노이즈가 증가할 수 있다. 즉, 본 발명의 발명자는 만입부(11p)를 8개로 구성할 경우 가장 높은 신뢰도를 가지면서 신축에도 강건한 구조를 달성할 수 있음을 확인하고 본 발명을 완성하기에 이르렀다.
도면으로 표현하지 않았으나, 평면 시점, 즉 베이스층(20)의 하면 평면 시점에서, 제2 전도사(200)는 제2 전도사 패턴(201)을 형성할 수 있다.
제2 전도사 패턴(201)은 제1 전도사 패턴(101)과 실질적으로 동일하거나, 극히 유사하거나, 상응하는 복수의 패턴을 형성하거나, 복수의 패턴을 포함할 수 있다. 예시적인 실시예에서, 제2 전도사 패턴(201)은 폐루프를 형성하는 제2-1 전도사 패턴, 제2-1 전도사 패턴을 둘러싸는 제2-2 전도사 패턴을 포함하고, 제2-1 전도사 패턴의 폐루프 내에 위치하는 제2-3 전도사 패턴을 더 포함할 수 있다.
제2-1 전도사 패턴, 제2-2 전도사 패턴 및 제2-3 전도사 패턴은 각각 평면 시점에서 이격된 상태일 수 있다. 제2-1 전도사 패턴은 제1-1 전도사 패턴(110)과 두께 방향으로 중첩하고, 제2-2 전도사 패턴은 제1-2 전도사 패턴(120)과 두께 방향으로 중첩하며, 제2-3 전도사 패턴은 제1-3 전도사 패턴(130)과 두께 방향으로 중첩할 수 있다.
제2-1 전도사 패턴, 제2-2 전도사 패턴 및 제2-3 전도사 패턴의 최대폭, 선폭, 이격 거리, 만입부를 포함하는 형상 등에 대해서는 전술한 제1 전도사(100)가 형성하는 패턴과 실질적으로 동일할 수 있는 바 중복되는 설명은 생략한다.
예시적인 실시예에서, 제1 전도사(100)와 제2 전도사(200)는 서로 상이한 신축성을 가질 수 있다. 제1 전도사(100) 측에 위치한 제1 베이스층(21)이 의류의 외피를 이루고 제2 전도사(200) 측에 위치한 제2 베이스층(22)이 의류의 내피를 이루는 경우, 제1 전도사(100)는 제2 전도사(200)에 비해 더 큰 신축성을 가질 수 있다.
앞서 설명한 것과 같이 생체 신호 모니터링 의류(1)가 운동복 등으로 적용되는 경우, 의류의 신축성, 특히 의류가 땀에 젖을 경우 의류의 신축성으로 인한 문제는 더 크게 작용할 수 있다.
이 때 내측에 위치한 제2 전도사(200)는 제1 전도사(100)에 비해 더 신축성이 작은 전도사로 구성하여 착용자의 신체 및 의류의 신축에도 불구하고 착용자의 피부에 보다 높은 밀착성을 가지고 형상 변화가 유발되지 않도록 구성할 수 있다. 반면 외측에 위치한 제1 전도사(100)는 상대적으로 신축성이 큰 전도사로 구성하여 의류의 신축, 특히 신장 상황에서 제1 전도사(100) 패턴이 끊어지는 등의 손상을 최소화할 수 있다.
도면으로 표현하지 않았으나, 본 실시예에 따른 생체 신호 모니터링 의류(1)의 도전 경로 구조는 제1 전도사(100) 상에 위치한 제1 패드 전극(미도시) 및 제2 전도사(200) 상에 위치한 제2 패드 전극(미도시)을 더 포함할 수 있다. 제1 패드 전극 및 제2 패드 전극은 베이스층(20) 등과 직접적인 결합을 형성하지 않으며, 분리와 착탈이 용이하도록 전도성 겔 등으로 이루어진 패치일 수 있다. 제1 패드 전극은 제1 전도사(100)가 형성하는 전극 패턴과 생체 신호 측정 기기(40)의 전극 사이에 개재되고, 제2 패드 전극은 제2 전도사(200)가 형성하는 전극 패턴과 사용자의 피부 사이에 개재되어 전기적 신호의 수집 및 전달 특성을 향상시킬 수 있다. 또, 제1 패드 전극 및 제2 패드 전극은 의류의 원단, 즉 베이스층(20)과 직접 결합되는 것이 아니기 때문에 착용자의 착용감을 저하시키지 않고, 관리가 용이할 수 있다.
이하, 본 발명의 다른 실시예들에 대해 설명한다. 다만, 전술한 실시예와 실질적으로 동일하거나 극히 유사한 구성에 대한 설명은 생략하며, 이는 첨부된 도면으로부터 본 기술분야에 속하는 통상의 기술자에게 쉽게 이해될 수 있을 것이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 생체 신호 수집을 위한 전극 패턴의 평면 레이아웃이다.
도 5를 참조하면, 본 실시예에 따른 전극 패턴(12)은 베이스층의 상부와 하부에 배치된 제1 전도사 및 제2 전도사를 포함하여, 제1 전도사가 제1-1 전도사 패턴(110), 제1-2 전도사 패턴(120) 및 제1-3 전도사 패턴(132)을 포함하는 제1 전도사 패턴(101)을 형성하되, 제1-3 전도사 패턴(132)이 폐루프를 형성하는 형상인 점이 도 2 등의 실시예와 상이한 점이다.
즉, 제1-1 전도사 패턴(110) 및 제1-2 전도사 패턴(120) 뿐 아니라, 제1-3 전도사 패턴(132) 또한 내부가 비어 있는 폐루프 형상일 수 있다. 제1-3 전도사 패턴(132)의 선폭 등은 전술한 제1-1 전도사 패턴(110) 및 제1-2 전도사 패턴(120)과 동일할 수 있는 바 중복되는 설명은 생략한다.
도 6은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 생체 신호 수집을 위한 전극 패턴의 단면도이다. 도 7은 도 6의 전극 패턴을 배면 측에서 바라본 레이아웃이다.
도 6 및 도 7을 참조하면, 본 실시예에 따른 전극 패턴(13)은 베이스층(20)의 상부와 하부에 배치된 제1 전도사(100) 및 제2 전도사(200)를 포함하여, 제1 전도사(100)가 제1-1 전도사 패턴(110), 제1-2 전도사 패턴(120) 및 제1-3 전도사 패턴(미도시)을 포함하는 제1 전도사 패턴(101)을 형성하되, 제2 전도사(200)가 형성하는 제2 전도사 패턴(201)이 제1 전도사(100)가 형성하는 제1 전도사 패턴들(110, 120)에 비해 넓은 면적을 갖는 점이 도 2 등의 실시예와 상이한 점이다.
제1-1 전도사 패턴(110), 제1-2 전도사 패턴(120) 및 제1-3 전도사 패턴의 형상, 크기 및 배열 등에 대해서는 전술한 바 있으므로 중복되는 설명은 생략한다. 제1 전도사 패턴(101)의 평면상 형상은 도 3 또는 도 5에 도시된 것과 같은 형상일 수 있다. 이 때 제1-1 전도사 패턴(110), 제1-2 전도사 패턴(120) 및 제1-3 전도사 패턴을 구성하는 제1 전도사는 각각 서로 다른 가닥일 수 있다.
예시적인 실시예에서, 베이스층(20)의 일면 상에서 바라본 평면 시점에서 제1 전도사(100)가 형성하는 제1 전도사 패턴(101), 즉 제1-1 전도사 패턴(110), 제1-2 전도사 패턴(120) 및 제1-3 전도사 패턴의 면적의 합은, 베이스층(20)의 타면 상에서 바라본 평면 시점에서 제2 전도사(200)가 형성하는 제2 전도사 패턴(201)이 차지하는 면적 보다 작을 수 있다.
이 때, 앞서 설명한 것과 같이 제1-1 전도사 패턴(110), 제1-2 전도사 패턴(120) 및 제1-3 전도사 패턴은 평면상 서로 이격되되, 제2 전도사(200) 및 제2 전도사 패턴(201)을 통해 제1-1 전도사 패턴(110), 제1-2 전도사 패턴(120) 및 제1-3 전도사 패턴은 서로 전기적으로 도통될 수 있다. 제2 전도사 패턴(201)은 서로 이격된 복수의 전도사 패턴을 포함하지 않고, 일체로서 하나의 전극 패턴을 형성할 수 있다. 일체로 형성된 제2 전도사 패턴(201)은 전술한 제1-1 전도사 패턴(110), 제1-2 전도사 패턴(120) 및 제1-3 전도사 패턴과 모두 두께 방향으로 중첩할 수 있다.
앞서 설명한 것과 같이 본 실시예에 따른 전극 패턴(13)이 적용된 생체 신호 모니터링 의류가 운동복 등으로 적용되는 경우, 의류의 신축성으로 인한 문제가 발생할 수 있다. 이 때 내측에 위치한 제2 전도사(200)를 제1 전도사(100)에 비해 상대적으로 신축성이 작은 섬유로 구성함과 동시에, 상대적으로 큰 면적을 갖도록 제공하여 착용자 피부와의 밀착성을 높이고 전기적 신호의 수집률을 높일 수 있다.
즉, 내측에 위치한 제2 전도사(200)는 상대적으로 외측에 위치한 제1 전도사(100)에 비해 의류의 신축성 문제에 덜 민감하며, 착용자의 신체 피부와의 밀착성이 중요한 요소가 될 수 있으므로 상대적으로 큰 면적을 제공할 수 있다.
반면, 앞서 설명한 것과 같이 의류의 신축에 따른 문제를 완화하기 위해 외측에 위치한 제1 전도사(100)는 최소한의 면적을 차지하며 서로 이격되는 제1-1 전도사 패턴(110), 제1-2 전도사 패턴(120) 및 제1-3 전도사 패턴으로 구성할 수 있다.
이하, 실험예를 더 참조하여 본 발명에 대해 더욱 상세하게 설명한다.
<제조예>
제1 전도사와 제2 전도사를 이용해 전극 패턴을 제조하였다. 이 때 제1 전도사에 의해 형성되는 상부 패턴과 제2 전도사에 의해 형성되는 하부 패턴은 동일한 형상으로 하였다. 베이스층은 대략 사다리꼴 형상으로 하여, 레그 슬리브와 같이 착용할 수 있도록 구성하였다.
전극 패턴의 형상은 하기 표 1 및 표 2와 같이 다양한 형상으로 제조하였다. 제조예 1-3, 제조예 2-3에서 단위 패턴은 3개였다. 이 때 전극 패턴의 최대 직경, 즉 최대폭은 20mm로 하였다. 그리고 전술한 바와 같이 두개의 전극 패턴이 하나의 세트를 이루도록 하고, 두개의 전극 패턴의 중심 간의 거리는 40mm로 하였다.
또, 하기 제조예 1-2, 제조예 1-3, 제조예 2-2, 제조예 2-3에서 하나의 선폭은 2.0mm로 하였다. 스티치 길이는 3.6mm로 설정하였다.
제조예 1-1 제조예 1-2 제조예 1-3
패턴 형상
전도사 사용량(mm) 812 360 565
제조예 2-1 제조예 2-2 제조예 2-3
패턴 형상
전도사 사용량(mm) 822 419 693
<실험예 1: 원단 신장에 따른 변화>
제조예 1-1 내지 제조예 2-3에 따른 전극 패턴이 형성된 원단을 10%, 20% 및 30% 신장시키며 전극 패턴의 형상 변화를 측정하였다. 그리고 그 결과를 도 8 내지 도 10에 나타내었다. 도 9는 위에서부터 순차적으로 제조예 1-1, 제조예 1-3 및 제조예 1-2의 결과이다. 마찬가지로 도 10은 위에서부터 순차적으로 제조예 2-1, 제조예 2-3 및 제조예 2-2의 결과이다.
도 8 내지 도 10을 참조하면, 전체적으로 제조예 2들에 비해 제조예 1들에서 면적 변화율이 큰 것으로 확인되었다.
또, 복수의 라인 패턴으로 형성한 제조예 1-3과 제조예 2-3의 경우, 각각 제조예 1-1, 제조예 1-2, 그리고 제조예 2-1, 제조예 2-2에 비해 면적 변화율이 작은 것으로 확인되었다.
앞서 설명한 것과 같이 복수의 방향으로 연장된 부분을 갖는 경우, 특정 하나의 방향에 대한 신장에 저항할 수 있는 반면, 서로 연결된 하나의 부분만을 갖는 경우 그렇지 않은 것으로 추측된다.
<실험예 2: 신호 수집능 평가>
제조예 1-1 내지 제조예 2-3에 따른 전극 패턴이 형성된 원단을 레그 슬리브 형태로 조립하고, 착용자가 앉은 상태에서 무릎을 펴는 동작을 반복하며 근전도 신호의 수집능을 평가하였다. 그리고 그 결과를 도 11 및 도 12에 나타내었다. 도 12에서 제조예 1-1을 Cf로 표기하고, 제조예 1-2는 C1으로 표기하고, 제조예 1-3은 C3로 표기하였다. 또, 제조예 2-1은 Wf로 표기하고, 제조예 2-2는 W1으로 표기하고, 제조예 2-3은 W3으로 표기하였다.
우선 도 11을 참조하면, 하나의 라인으로 구성된 제조예 1-2 및 제조예 2-2의 경우, 각각 제조예 1-1과 제조예 1-3, 그리고 제조예 2-1과 제조예 2-3에 비해 신호 수집 능력이 열등하고 노이즈 신호가 다량 포함된 것을 확인할 수 있다.
제조예 1-1과 제조예 1-3, 그리고 제조예 2-1과 제조예 2-3의 경우 신호 수집능 및 노이즈 측면에서 유사한 정도인 것으로 확인되었다.
또, 도 12를 참조하면, 제조예 2들의 경우가, 제조예 1들의 경우에 비해 전반적으로 우수한 신호 수집능을 나타내는 것을 확인할 수 있다.
다른 측면에서, 제조예 1-3 및 제조예 2-3과 같이 전극 패턴을 구성할 경우, 제조예 1-1 및 제조예 2-1에 비해 현저하게 낮은 양의 전도성 섬유를 이용하면서도 유연하고 신축에 따른 신뢰도 하락을 완화하며 우수한 신호 수집능을 갖는 섬유형 전극을 제공할 수 있다.
이상에서 본 발명의 실시예를 중심으로 설명하였으나 이는 단지 예시일 뿐 본 발명을 한정하는 것이 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 실시예의 본질적인 특성을 벗어나지 않는 범위에서 이상에 예시되지 않은 여러 가지의 변형과 응용이 가능함을 알 수 있을 것이다.
따라서 본 발명의 범위는 이상에서 예시된 기술 사상의 변경물, 균등물 내지는 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 예를 들어, 본 발명의 실시예에 구체적으로 나타난 각 구성요소는 변형하여 실시할 수 있다. 그리고 이러한 변형과 응용에 관계된 차이점들은 첨부된 청구 범위에서 규정하는 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
1: 생체 신호 모니터링 의류
11: 전극 패턴
20: 베이스층(의류 원단)
100: 제1 전도사
200: 제2 전도사

Claims (10)

  1. 복수의 관통홀을 갖는 베이스층;
    상기 베이스층의 일면 상에 배치되고, 상기 관통홀에 적어도 부분적으로 삽입된 제1 전도사; 및
    상기 베이스층의 타면 상에 배치되고, 상기 관통홀에 적어도 부분적으로 삽입되어 제1 전도사와 맞닿아 도통되는 제2 전도사를 포함하되,
    상기 베이스층의 상기 일면 상에서 바라본 평면 시점에서, 상기 제1 전도사는,
    폐루프를 형성하는 제1-1 전도사 패턴, 및
    상기 제1-1 전도사 패턴과 이격되어 제1-1 전도사 패턴을 둘러싸며, 폐루프를 형성하는 제1-2 전도사 패턴을 포함하는 도전 경로 구조.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 관통홀 내에서 상기 제1 전도사와 제2 전도사는 맞닿아 꼬인 상태인 도전 경로 구조.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제2 전도사 패턴은 상기 제1 전도사 패턴과 적어도 부분적으로 적층 방향으로 비중첩하여, 상기 제2 전도사 패턴이 점유하는 평면상 면적은 상기 제1 전도사 패턴이 점유하는 평면상 면적 보다 크고,
    상기 제1-1 전도사 패턴과 제1-2 전도사 패턴은 제2 전도사를 통해 전기적 도통된 상태인 도전 경로 구조.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 평면 시점에서, 상기 제1-1 전도사 패턴과 제1-2 전도사 패턴의 최소 이격 거리는 1.6mm 이상인 도전 경로 구조.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 평면 시점에서, 적어도 상기 제1-2 전도사 패턴은 부분적으로 절곡되어 만입부를 갖는 형상인 도전 경로 구조.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 제1-2 전도사 패턴의 선폭은 2.5mm 이하이고,
    상기 만입부는 6개 내지 8개를 구비한 도전 경로 구조.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 제1 전도사는 상기 제2 전도사 보다 신축성이 크고,
    상기 베이스층의 일면 상에서 바라본 평면 시점에서, 상기 제1 전도사가 형성하는 제1 전도사 패턴이 차지하는 면적은,
    상기 베이스층의 타면 상에서 바라본 평면 시점에서, 상기 제2 전도사가 형성하는 제2 전도사 패턴이 차지하는 면적 보다 작은 도전 경로 구조.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 제1 전도사 상에 배치되고 베이스층과 분리 가능한 제1 패드 전극; 및
    상기 제2 전도사 상에 배치되고 베이스층과 분리 가능한 제2 패드 전극을 더 포함하는 도전 경로 구조.
  9. 복수의 관통홀을 갖는 의류 원단;
    상기 원단의 외측면 상에 배치되고, 상기 관통홀에 적어도 부분적으로 삽입된 제1 전도사; 및
    상기 원단의 내측면 상에 배치되고, 상기 관통홀에 적어도 부분적으로 삽입되어 제1 전도사와 맞닿는 제2 전도사를 포함하되,
    상기 원단의 상기 외측면 상에서 바라본 평면 시점에서, 상기 제1 전도사는,
    폐루프를 형성하는 제1-1 전도사 패턴, 및
    상기 제1-1 전도사 패턴과 이격되어 제1-1 전도사 패턴을 둘러싸며, 폐루프를 형성하는 제1-2 전도사 패턴을 포함하는, 생체 신호 모니터링 의류.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 의류 원단의 외측에 배치된 포켓을 더 포함하되,
    상기 제1 전도사가 형성하는 전도사 패턴은 상기 포켓 내에 위치하는 생체 신호 모니터링 의류.
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