특허 개요
본 특허는 의복과 피부 사이에 가해지는 압력과 미끄러짐 힘을 구분하는 광섬유 기반 웨어러블 압력·전단력 센서입니다. 환형 탄성체인 토러스 외주면에 분리된 광섬유 코일을 배치하고, 가압부재와 코일 사이의 탄성 필름이 하중에 따라 코일에 접촉하도록 구성합니다. 필름 접촉으로 광섬유의 전반사 조건이 변해 광손실이 발생하는 광손실 기반 센싱 방식이며, 수직하중에서는 코일별 광손실이 균일하게 나타나고 전단력에서는 불균일하게 나타나는 패턴을 이용해 하중 종류와 전단력 방향을 판별합니다.
- 핵심 기능
가압부재에 힘이 전달되면 탄성 필름이 늘어나 광섬유 코일에 접촉하고, 접촉부에서 빛이 탄성체 방향으로 굴절하면서 코일별 광도가 변합니다. 수직하중은 복수 코일에 유사한 광손실을 만들고, 전단력은 코일별 광손실 차이를 만들어 힘의 종류와 방향을 구분합니다.
- 차별 강점
압전저항식 센서의 드리프트·히스테리시스, 정전용량식 센서의 복잡한 회로, 공압식 센서의 온도 및 곡률 민감도 문제를 줄이기 위한 광학 구조입니다. 대형 스펙트럼 분석 장비가 필요한 FBG 센서와 달리 광도 변화 기반으로 센싱하여, 웨어러블 시스템의 측정 구조를 단순화할 수 있습니다.
- 활용 범위
기술·연구 측면에서는 의복압 측정, 의복-피부 촉각 상호작용 분석, 움직임·자세 정보 측정, 운동감각 연구 분야에 활용 가능하며, 의료용 압박복과 압박 스타킹의 압력·전단력 분석에 적용할 수 있습니다. 사업 측면에서는 기능성 스포츠 의류, 재활·헬스케어 웨어러블, 맞춤형 압박 의류 및 피부 접촉 상태를 모니터링하는 스마트 의류로 확장할 수 있습니다.
연구 개발 단계
탄성 필름과 광섬유 코일의 접촉에 따른 광손실을 이용해 낮은 의복압과 전단력을 측정하는 구조·작동원리가 제시되었습니다. 수직하중과 전단력에서 코일별 광손실 분포가 달라지는 판별 원리는 설명되었으나, 반복성·장기 내구성·세탁 환경 안정성과 실제 의복 환경의 다점 실사용 검증은 구체적으로 제시되지 않았습니다.
- 센서 시료: 탄성 필름-토러스형 광섬유 코일 접촉 구조의 웨어러블 센서
- 하중 비교: 수직하중과 전단력에 따른 코일별 광손실 분포
- 측정 조건: 낮은 의복압(<10kPa)
현재 성과
탄성 필름과 광섬유 코일의 접촉으로 발생하는 광손실을 이용해 낮은 의복압과 전단력을 측정하도록 구성했습니다. 수직하중과 전단력을 하나의 센서 구조에서 구분해 측정하는 것이 목표 성능입니다.
수직하중에서는 탄성 필름이 반경 방향으로 균일하게 신장되어 각 광섬유 코일에 유사한 광손실이 발생하는 원리가 제시되었습니다. 전단력에서는 필름의 불균일 신장으로 코일별 접촉 면적과 광손실이 달라져 하중 종류와 방향을 판별합니다.
FBG 기반 방식은 광스펙트럼·파장 분석 장비가 필요하지만, 이 기술은 탄성 필름 접촉에 따른 광도 변화를 활용합니다. 분리 배치된 복수 광섬유 코일의 광손실 분포를 이용해 수직하중뿐 아니라 전단력과 그 방향까지 구분하는 구조가 차별점입니다.
상용화까지 남은 부분
반복 하중 조건에서의 측정 반복성 및 장기 내구성 검증
세탁·습기·땀·의복 굽힘 등 실제 착용 환경에서의 광학 신호 안정성 검증
의복 종류와 착용 부위별 센서 보정 방법 및 다점 센서 실사용 검증
기술 이전 형태·도입 과정
도입은 이렇게 진행됩니다.
검토 미팅
귀사 상황·데이터 구조 기준으로 적합성을 논의합니다. 자료 검토만으로 끝나도 됩니다.
PoC 공동 검증
연구팀 동행 하에 귀사 데이터 기준 재학습·성능을 확인합니다.
라이센싱 계약
PoC 결과를 기반으로 희망 형태(실시권·공동연구 등)를 협의합니다.
기술지도·후속
도입 초기 기술지도, 필요 시 후속 공동연구·정부과제 연계까지 진행합니다.
특허 정보
광섬유 기반의 웨어러블 압력 및 전단력 센서
10-2021-0149788 (2021.11.03)
1020230064323 (2023.05.10)
1026171070000 (2023.12.19)
경기욱 (한국과학기술원), 문희주 (한국과학기술원), 윤정환 (한국과학기술원)
한국과학기술원
한국과학기술원