Integrated Human Motion Sensors and Triboelectric Generator for Wearable Electronic System

Abstract

최근 기존의 딱딱한 디바이스를 부드럽게 만들어 사람 몸에 부착한 상태로 사용하고자 하는 연구가 각광을 받고 있다. 의료 목적으로 사용될 수도 있고, 운동을 돕는다거나 외부 기기 조종기로 사용될 수 있는 이 입을 수 있는 디바이스를 통해 사람들은 더욱 나은 삶을 만들 수 있기를 기대한다. 그러기 위해서는 3가지 기술적인 요소들이 해결되어야 한다. 이 디바이스는 신축성이 있어 입은 사람이 크게 불편함을 느끼지 않아야 하며, 스마트하여 다양한 신호들을 자동으로 감지하여 외부 기기와 정보를 주고 받아야 한다. 마지막으로 항상 작동 되어야 하는 기기이므로 오랜 시간 동작하는 게 중요하다. 하지만 입어야 한다는 제약 때문에 배터리의 부피 또한 작을 수 밖에 없어서 문제점으로 지적되어 왔다. 이 학위 논문에서는 이러한 문제점들을 해결하고자 생활을 하며 발생되고 낭비되는 마찰력을 이용하여 전기를 발전하고 배터리에 충전하였다. 또한 이렇게 충전된 전기가 피부에 부착 할 수 있는 센서들을 구동시키는데 사용할 수 있음을 증명하기 위해 우리는 에너지 장치와 웨어러블 센서들이 통합된 시스템을 구현하고자 하였다. 이 시스템은 늘어나는 에너지 제공 장치들(트라이보 일렉트릭 제너레이터 그리고 슈퍼캐퍼시터 혹은 리튬 이온 배터리)과 연결된 센서들, 무선 통신 유닛 그리고 기타 전자 기기들(가속도 센서, 블루투스 모듈, 마이크로 콘트롤러)로 이뤄져 있다. 모든 기기들은 몸 위에 착용되어나 옷 위에 실로 꿰매어 부착되어 있고 각 기기들은 모두 전도성 실로 연결되어 있다. 걷거나 뛸 때 흔드는 팔의 움직임이 트라이보 일렉트로 제너레이터를 동작시켜 마찰을 전기로 바꾸게 되고 이 전기는 에너지 저장장치에 충전된다. 충전된 전기는 압력 감지 센서나 낙상 감지 센서 그리고 기타 전자 기기들에 공급이 된다. 압력 감지 센서는 사람의 의식적인 신호인 특정 버튼을 누르는 것을 감지할 수 있어 휴먼-머신 인터페이스로 사용되었다. 낙상 감지 센서는 사람의 낙상 사고로 인한 응급 상황을 감지하여 자동으로 병원에 응급 요청을 보내는데 사용되었다. 여기서 만든 압력 감지 센서와 전기 발전 장치들은 모두 천을 기반으로 한 기기로, 플렉서블하거나 스트레쳐블하며 옷과 비슷한 기계적 성질을 갖고 있어 손쉽게 옷에 부착하거나 몸 위에 입은 상태로 사용할 수 있었다.

Wearable electronics that can be worn on a users body have received wide attention due to their applicable potential as a biomedical device, healthcare device, and human-machine interface. Significant progress has been made in this technology, but still, they solve three technical problems to function practically. The wearable device should be stretchable so the wearer do not feel discomfort on it and be smart so it automatically senses the various signals from the wearer then exchanges the information through its external network. Among those signals, some are conscious signals to enter commands, and the others are unconscious signals inadvertently generated from the human body which could be used as a critical information for medical treatment. The wearable devices can figure out what the wearer needs and provide him/her with the proper service using those signals. Finally, the wearable devices should be able to continuously actuate in the extended period of time. However, it has a limit on its power capacitance because it is only permitted on the narrow area and the battery has to be thin for its wearability. In order to solve these issues, here we use the meaninglessly wasted friction energy which is generated on the human body to be converted into the electric power and then charges the battery to extend the actuation time. To prove the charged electricity is able to operate the wearable devices, we compose the integrated human motion sensors and energy devices for wearable electronic system. This system is composed of stretchable power supply devices (triboelectric generator and supercapacitor or micro battery) interconnected with sensors, wireless units, and electronics (3-axis accelerometer, Bluetooth module, and microcontroller) through conductive carbon fibers on a jacket. Stretchable energy devices are worn on the human body (wrist or chest) and commercial devices are sewn on the chest region. The generated power from triboelectric generator during arm movements in walking or running are transferred via conductive threads to rectifiers and then energy storage unit. The charged unit supply power to pressure sensor or fall detection sensors and electronics. The pressure sensor detects the conscious signal (press a certain buttons) and is used as human–machine interfaces for controlling machines wirelessly. The fall detection sensor detects the emergency state (the wearers falling accident) and automatically sends the emergency signal (email) to the hospital. All of these sensors and energy devices are fabricated with fabric-like electrode, which had high stretchability and mechanical properties (e.g., stiffness) of fabrics. Thus, it could be easily stretched and worn on a wrist or integrated on clothes without causing any discomforts