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KR-20260062079-A - Wearable Measurement System Incorporating Conductive Materials

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Abstract

본 명세서에 개시된 기술의 일 실시예에 따른, 착용자의 생체 신호를 측정하는 인체 착용형 측정 시스템은 무선 PCB 모듈 및 상기 무선 PCB 모듈에 결합되는 1 이상의 건식 전극을 포함하고, 1 이상의 건식 전극은 폴리(3,4-에틸렌디옥시티오펜)-폴리스티렌술폰산(PEDOT:PSS)을 포함하는 전도성 고분자, 금속 분말, 이온성 액체(ionic liquid) 및 교반 보조물질을 포함하는 전도성 소재로 이루어질 수 있다.

Inventors

  • 박성준

Assignees

  • 아주대학교산학협력단

Dates

Publication Date
20260506
Application Date
20251028
Priority Date
20241028

Claims (12)

  1. 전도성 소재로서, 폴리(3,4-에틸렌디옥시티오펜)-폴리스티렌술폰산(PEDOT:PSS)을 포함하는 전도성 고분자; 금속 분말; 이온성 액체(ionic liquid); 및 교반 보조물질을 포함하는 것을 특징으로 하는, 전도성 소재.
  2. 제 1 항에 있어서, 금속 분말은 은 플레이크(flake)를 포함하는 것을 특징으로 하는, 전도성 소재.
  3. 제 1 항에 있어서, 이온성 액체는 1-Ethyl-3-methylimidazolium bis(trifluoromethylsulfonyl) imide (EMIM TFSI)를 포함하는 것을 특징으로 하는, 전도성 소재.
  4. 제 1 항에 있어서, 교반 보조물질은 폴리우레탄(Polyurethane) 또는 계면활성제(surfactant) 중 어느 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는, 전도성 소재.
  5. 제 1 항에 있어서, 전도성 고분자는 2.5 내지 6.5중량%(wt%)의 범위를 갖고, 금속 분말은 60 내지 80중량%의 범위를 갖고, 이온성 액체는 16 내지 20중량%의 범위를 갖는 것을 특징으로 하는, 전도성 소재.
  6. 제 5 항에 있어서, 금속 분말과 교반 보조물질의 중량%는 7:3의 비를 갖는 것을 특징으로 하는, 전도성 소재.
  7. 착용자의 생체 신호를 측정하는 인체 착용형 측정 시스템으로서, 무선 PCB 모듈; 및 상기 무선 PCB 모듈에 결합되는 1 이상의 건식 전극을 포함하고, 1 이상의 건식 전극은 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 따른 전도성 소재를 포함하는 것을 특징으로 하는, 인체 착용형 측정 시스템.
  8. 제 7 항에 있어서, 1 이상의 건식 전극은 클램핑(clamping) 방식 또는 부착 방식에 의해 무선 PCB 모듈에 결합되는 것을 특징으로 하는, 인체 착용형 측정 시스템.
  9. 제 7 항에 있어서, 무선 PCB 모듈은 측정된 생체 신호를 착용자의 무선 디바이스로 전송하는 통신 모듈을 포함하는 것을 특징으로 하는, 인체 착용형 측정 시스템.
  10. 착용자의 생체 신호를 분류하는 방법으로서, 제 9 항에 따른 인체 착용형 측정 시스템으로부터 측정된 생체 신호를 수신하는 단계; 수신된 생체 신호를 전처리하는 단계; 기계학습모델을 사용하여 전처리된 생체 신호를 분석하는 단계; 및 생체 신호를 정상 생체 신호와 비정상 생체 신호로 분류하는 단계를 포함하는, 생체 신호 분류 방법.
  11. 제 10 항에 있어서, 기계학습모델은 1차원 시계열 분석(1-D time-domain analysis)과 2차원 이미지 분류(2-D image classification)를 활용하여 생체 신호를 분석하는 것을 특징으로 하는, 생체 신호 분류 방법.
  12. 명령어가 기록된 비일시적 컴퓨터 판독 가능 매체로서, 명령어는 하나 이상의 프로세서에 의해 실행될 때 제 10 항에 따른 생체 신호 분류 방법을 구현하는 것을 특징으로 하는, 명령어가 기록된 비일시적 컴퓨터 판독 가능 매체.

Description

전도성 소재를 포함하는 인체 착용형 측정 시스템{Wearable Measurement System Incorporating Conductive Materials} 본 명세서에 개시된 기술은 전도성 소재를 포함하는 인체 착용형 측정 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 연신성과 전도성이 우수한 인체 착용형 측정 시스템을 사용하여 착용자의 생체 신호를 측정하고, 기계학습모델을 사용하여 측정된 생체 신호를 분류하는 방법에 관한 것이다. 인체에 부착되어 생체 신호를 측정하기 위한 장치로써, 심전도(ECG), 근전도(EMG), 안전도(EOG) 및 뇌전도(EEG)를 측정하는 다양한 장치가 개발되어 있다. 인체의 비정상적인 생체 신호는 간헐적으로 발생하는 경우가 많기 때문에, 이상 징후를 정확히 검출하기 위해서는 장기적으로 생체 신호를 모니터링하고 이를 진단하는 과정이 필요하다. 장기적으로 수집된 데이터를 기반으로 수행되는 생체 신호 분류는 불규칙한 건강 지표를 식별하여 비정상적인 생체 신호를 조기에 발견할 수 있도록 하며, 이에 대한 최적화된 치료를 가능하게 할 수 있다. 이를 위해 인체 착용형 장치를 장기간 인체에 부착시켜 지속적으로 생체 신호를 측정할 필요성이 있으며, 생체 신호를 효과적으로 측정하기 위해서는 인체 착용형 장치의 고전도성, 높은 연신성, 접착력 및 생체적합성을 동시에 확보하여 오랜 시간 사용하여도 성능의 저하가 없도록 시스템을 최적화하여야 한다. 다만, 소재의 전기적 특성과 기계적 특성은 서로 상반되는 특성으로, 장기간 인체에 부착된 장치를 통해 효과적으로 생체 신호를 측정하기 위해서는 기존에 존재하지 않았던 새로운 소재의 개발이 필요한 실정이었다. 또한 종래의 측정 장치들은 신호를 처리하기 위한 기기와 유선으로 연결되어 휴대성과 범용성이 떨어졌으며, 장치 내 구성 요소들이 높은 기계적 특성과 전기적 특성을 동시에 가지지 않으므로 우수한 전기 전도성을 가지면서도 연신성 또한 뛰어난 장치를 제조하는 데 어려움이 있었다. 이에 편리성과 유연성을 구비하는 장치를 제조하기 위하여 우수한 전기적 특성과 높은 연신성과 같은 기계적 특성을 가지는 소재 개발과 함께 그러한 소재를 무선 신호 처리 장치에 적용하는 기술 및 장치 내 구성 요소들을 효과적으로 결합하여 특성을 최적화하기 위한 기술에 대한 연구 개발이 진행되고 있다. 본 명세서에서 인용되는 도면을 보다 충분히 이해하기 위하여 각 도면의 간단한 설명이 제공된다. 도 1은 본 명세서에 개시된 기술의 일 실시예에 따른 인체 착용형 측정 시스템을 개략적으로 나타낸 도면이다. 도 2 내지 3은 동 실시예에 따른 인체 착용형 측정 시스템 내 구성 요소들을 결합하는 과정을 개략적으로 나타낸 도면이다. 도 4는 본 명세서에 개시된 기술의 일 실시예에 따른 전도성 소재를 제조하는 과정을 나타낸 도면이다. 도 5는 전도성 소재의 단면을 나타낸 도면이다. 도 6은 전도성 소재에 포함되는 성분에 따른 이미지를 나타낸 도면이다. 도 7은 전도성 소재에 포함되는 성분에 따른 특성의 변화를 나타낸 도면이다. 도 8은 전도성 소재에 포함되는 성분의 비율에 따른 특성의 변화를 나타낸 도면이다. 도 9는 본 명세서에 개시된 기술의 일 실시예에 따른 생체 신호 분류 방법을 나타낸 도면이다. 본 명세서에 개시된 기술은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고, 이를 상세한 설명을 통해 상세히 설명하되, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 유사한 구성요소에는 동일한 참조 번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 그러나, 이는 본 명세서에 개시된 기술을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 명세서에 개시된 기술은 본 명세서에 개시된 기술의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 본 명세서에 개시된 기술을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 명세서에 개시된 기술의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 본 명세서의 설명 과정에서 이용되는 숫자(예를 들어, 제 1, 제 2 등)는 하나의 구성요소를 다른 구성요소와 구분하기 위한 식별기호에 불과하다. 또한, 본 명세서에서, 일 구성요소가 다른 구성요소와 "연결된다" 거나 "접속된다" 등으로 언급된 때에는, 상기 일 구성요소가 상기 다른 구성요소와 직접 연결되거나 또는 직접 접속될 수도 있지만, 특별히 반대되는 기재가 존재하지 않는 이상, 중간에 또 다른 구성요소를 매개하여 연결되거나 또는 접속될 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. 또한, 본 명세서에서 '~부'로 표현되는 구성요소는 2개 이상의 구성요소가 하나의 구성요소로 합쳐지거나 또는 하나의 구성요소가 보다 세분화된 기능별로 2개 이상으로 분화될 수도 있다. 또한, 이하에서 설명할 구성요소 각각은 자신이 담당하는 주기능 이외에도 다른 구성요소가 담당하는 기능 중 일부 또는 전부의 기능을 추가적으로 수행할 수도 있으며, 구성요소 각각이 담당하는 주기능 중 일부 기능이 다른 구성요소에 의해 전담되어 수행될 수도 있음은 물론이다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "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. 본 개시 내용은 도면 및 이상의 설명에서 상세하게 예시되고 설명되었지만, 본 개시 내용은 특성이 제한적인 것이 아니라 예시적인 것으로 고려되어야 하고, 단지 소정의 실시형태가 도시되고 설명되었으며, 본 개시 내용의 정신 내에 들어가는 모든 변화와 변형은 보호되는 것이 바람직함이 이해될 것이다. 이하, 본 명세서에 개시된 기술의 기술적 사상에 의한 실시예들을 차례로 상세히 설명한다. 도 1은 본 명세서에 개시된 기술의 일 실시예에 따른 인체 착용형 장치를 개략적으로 도시한 도면이다. 도 1은 본 명세서에 개시된 기술의 일 실시예에 따른 인체 착용형 측정 시스템을 나타낸 도면이고, 도 2 내지 3은 인체 착용형 측정 시스템 내 구성 요소들을 결합하는 과정을 개략적으로 나타낸 도면이다. 인체 착용형 측정 시스템은 인체의 목표 영역에 부착되어 심전도, 근전도, 안전도 및 뇌전도를 포함하는 생체 신호를 측정하기 위한 무선 인쇄 회로 기판(Printed Circuit Board, PCB) 모듈을 포함할 수 있다. PCB 모듈은 리튬 이온 배터리를 포함할 수 있으며, 통신 모듈을 또한 포함하여 부착 영역에서 생성되는 신호를 무선으로 착용자의 무선 디바이스로 전송할 수 있다. PCB 모듈은 1 이상의 전극과 결합되어, PCB 모듈 및 1 이상의 전극이 인체 착용형 측정 시스템을 구성할 수 있다. 1 이상의 전극은 전도성 소재로 이루어진 건식 전극일 수 있다. 건식 전극은 기준 전극 및 채널 전극을 포함할 수 있으며, 기준 전극을 기준으로 다른 전극의 전위차를 측정함으로써 목표 영역의 생체 신호가 측정될 수 있다. PCB 모듈과 전극은 클램핑 방식에 의해 결합될 수 있으며, 클램핑은 클립에 의해 이루어져, 클립에 전극을 삽입한 후 압착기로 고정시키는 방식에 의해 PCB 모듈과 전극이 결합될 수 있다. 또한, PCB 모듈과 전극은 부착 방식에 의해 결합될 수 있으며, 부착은 테이프에 의해 이루어질 수 있다. 특히, 부착이 카본 테이프에 의해 이루어지는 경우 PCB 모듈 내 기판에 흠집 없이 탈부착이 가능하며 0.3cm의 두께로도 안정적으로 전극의 200%까지의 연신이 가능하므로, 전극의 우수한 기계적 특성 및 전기적 특성을 유지하면서도 효과적으로 PCB 모듈과 전극을 결합시킬 수 있다. 이러한 우수한 기계적 특성 및 전기적 특성을 가지는 전극을 위한 전도성 소재의 제조 과정 및 제조된 전도성 소재의 특성이 도 4 내지 7에 도시되어 있다. 도 4는 전도성 고분자를 포함하는 전도성 소재를 제조하는 과정을 나타낸 도면이다. 도 4를 참조하면, 전도성 고분자는 실선으로 도시되어 있는 폴리(3,4-에틸렌디옥시티오펜)(PEDOT)과 점선으로 도시되어 있는 폴리스티렌술폰산(PSS)을 포함하며, 원형으로 도시되어 있는 에틸렌글리콜(EG)을 전도성 향상 물질로 포함한다. PEDOT은 폴리티오펜(polythiophene) 기반의 양이온성 고분자로, 뛰어난 전도성을 가지고 있어 투명 전극 또는 고전도 소재를 제조하는 데 활용될 수 있다. PSS은 폴리스타이렌(polystyrene) 기반의 음이온성 고분자로, 절연성과 함께 유연성을 가지고 있어 신체에 착용되는 전자기기 또는 생체 재료를 제조하는 데 활용될 수 있다. 동 실시예에서, PEDOT과 PSS이 서로 합성된 수용성 고분자인 PEDOT:PSS은 에틸렌글리콜과 함께 전도성 소재를 제조하는 데 사용된다. 도 4의 좌측은 PEDOT:PSS만이 존재하는 용액의 형태를 도시하며, 도 4의 우측은 PEDOT:PSS을 포함하는 용액에 에틸렌글리콜이 첨가된 상태의 형태를 도시한다. PEDOT:PSS만이 존재하는 경우에 비해, 에틸렌글리콜이 첨가된 경우 PEDOT과 PSS의 구조와 상호간의 경계가 느슨해지며 자연스럽게 교반이 일어나는 것을 알 수 있다. 이는 주로 전기적 상호 작용에 기인하는 PEDOT:PSS 배열에 에틸렌글리콜이 첨가됨으로써 PEDOT 체인의 변화와 함께 PEDOT과 PSS 체인 간에 상 분리가 발생하기 때문이며, 이로 인해 제조되는 전도성 소재의 전도성을 향상시키는 효과를 가져온다. 또한, 전도성 소재는 금속 분말을 포함한다. 도 5를 참조하면, 금속 분말의 일 예시로서 은(Ag) 플레이트(flake)가 사용될 수 있다. 은 플레이크는 0.05 내지 10.00 um 크기로 분쇄된 가루 형태의 무기 물질일 수 있으