[논문]마이크로 프로세서 기반 Lock-In-Amp를 이용한 텍스타일 직물전극의 체온 측정에 관한 연구

이강휘; 이성수; 이정환; 송하영

doi:10.5370/kiee.2017.66.7.1141

문제 정의

본 연구에서는 써미스터의 비선형성에 의한 오차를 최소화하기 위하여 보상 저항을 병렬로 연결하여 합성저항(써미스터 + 병렬보상저항)의 선형성을 측정 범위 내에서 유지하도록 하였으며, 마이크로 프로세서의 디지털 입출력 핀의 토템-폴(totem– pole)구성의 입/출력 임피던스를 이용한 Lock-In-Amp 회로를 추가로 구성하여 저항 양단에서 측정되는 미세한 저항 변화를 측정할 수 있도록 설계하였다. 기존의 스킨센서 또는 체온계를 통한 유아체온 측정에 있어 장시간 무구속 체온 모니터링 문제점[12,13]을 본 연구에서는 자수 직물 기반 미세 온도 변화를 기법을 통해 개선하고자 하였다. 특히 직물 기반의 미세 온도(저항) 변화 측정이 가능한 소형의 무선 통신 기반 솔루션은 사람의 체온을 모니터링 하는 분야 이외에도 동물 또는 산업용 미세 온도 측정 분야에도 적용이 가능하다.
모듈이 장착된 베스트를 통한 온도 데이터를 획득하기 위하여 유아를 대상으로 통합형 베스트를 착용시켜 일상생활의 변화에 따른 텍스타일 직물전극 기반의 체온 변화를 모니터링하였다. 본 실험은 약물투여나 혈액채취 등의 침습적 행위가 개입되지 않은 비침습적 연구이며 신체적 변화가 e래되지 않는 단순접f 측정장비 또는 관찰장비만을 사용하는 연구로써 생명윤리법상 심의면제에 해당 한다[10,11]. 본 실험에서 온도 모니터링 장치가 부착된 의복을 착용하여 액와 부위에서의 체온을 측정하였다.
본 연구에서 제작 설계된 직물전극이 통합된 모듈을 장착된 의류를 착용한 상태에서 일상생활의 체온측정을 실험하기 위하여 도전성 직물전극 기반의 통합형 의류 베스트를 디자인 설계하였다. 의류 착장의 인체 상태에서 통합화 된 텍스타일 직물전극 모듈을 손쉽게 수정 보완하면서 베스트 디자인 설계를 완성할 수 있도록 가상의 3D 디지털 의류설계 프로그램CAD인 ‘CLO Digital Fashion’(CLO Company, USA)를 활용하였다.
본 연구에서는 도전 섬유와 미세 온도 센싱 기술을 융합하여 유아복에 통합된 형태의 무구속적 유아 체온 모니터링 시스템을 제안하였다. 유아 내의류에 통합된 자수 기법은 피부에 직접적으로 도전사가 닿지 않는 원단의 윗부분에는 도전사가 노출되도록하고, 원단 밑 부분에는 윗실인 도전사를 잡아주는 일반 폴리에 스터사가 스티치(stitch)된 이중 자수 구조로 직물전극 설계하였으며 의복과의 통합성을 높이고 세탁의 편의성을 유지하기 위하여 스냅버튼형 써미스터를 이용한 체온 측정 모듈을 설계하였다.
따라서, 저항형 써미스터를 이용하여 측정범위 안에서 온도에 대한 저항값을 선형적으로 측정하기 위해서는 선형화 작업이 필수적이다. 본 연구에서는 선형화를 위하여 써미스터 센서와 병렬로 보상 저항을 연결하여 온도에 따른 합성저항(써미스터 + 병렬 보상저항)의 선형성을 측정 범위내에서 유지하도록 하였다.
기존의 유아 건강 모니터링 의료 시스템은 유아 인체에 의료 장치를 장기간 부착하기에 활동상 매우 불편하고 피부에 손상을 입힐 수 있으므로, 도전기능이 있는 섬유를 사용하여 의류구조에 통합화 한 웨어러블 형태로 인체 활동에 편안하고 무구속적인 센싱 모니터링이 가능하다[3][4]. 유아의 미세한 온도변화를 감지하기 위하여 본 연구에서는 마이크로프로세서 기반의 Lock-In-Amp 회로 및 저항 보상 회로를 설계하여 효율적이면서 저전력 소형의 웨어러블 센서 통합 의복을 디자인 하고 이 시스템의 성능을 시험하였다.

제안 방법

그림 7과 같은 환경에서 실험하여 그 데이터를 측정하였다. 온도의 가변을 위해 그림 7(b)와 같은 코일이 내장된 발열 섬유를 사용하여 직물 전도사가 배선된 직물을 그 발열 패드 상단에 위치하였으며 Reference 온도 측정 장비(GL-100,Graphtec)는 동일하게 의복의 액와 부위에 근접한 곳에 설치하여 5시간 동안 온도 변화를 측정하였다. 실험은 25℃부터 40℃까지 발열시트를 이용하여 온도를 증감 시켰으며 그림 8(a) 그래프는 보상 회로를 사용하지않고 데이터를 측정하였으며 그 결과 33℃를 기준으로 온도 변화가 클수록 편차가 크게 나타나는 것을 볼 수 있었다.
그림 1은 미세한 온도 변화에 따른 써미스터의 저항 변화를 측정하기 위한 Lock-In-Amp의 회로도를 나타낸다. 구성 요소로는 ADC 기능이 있는 마이크로프로세서와 양전원 입출력이 가능한 증폭기 및 저항으로 구성되어있으며 R_X 에는 측정 하는 저항을 연결하였다. 동작 원리는 I/O1과 I/O2를 통해 디지털 펄스를 교차로 발생시키면 R₀, R_X, R₁의 연결을 통해 R_X 에는 바이폴라(bipolar) 신호가 출력된다.
유아 내의류에 통합된 자수 기법은 피부에 직접적으로 도전사가 닿지 않는 원단의 윗부분에는 도전사가 노출되도록하고, 원단 밑 부분에는 윗실인 도전사를 잡아주는 일반 폴리에 스터사가 스티치(stitch)된 이중 자수 구조로 직물전극 설계하였으며 의복과의 통합성을 높이고 세탁의 편의성을 유지하기 위하여 스냅버튼형 써미스터를 이용한 체온 측정 모듈을 설계하였다. 그리고 소형의 저전력 기반의 트랜스듀서 개발을 위해 8bit 기반의 마이크로 프로세서와 무선 통신 칩셋을 사용하여 측정된 데이터를 A/D 변환하여 2.4GHz 대역의 주파수로 무선 전송하였다. 본 연구에서는 써미스터의 비선형성에 의한 오차를 최소화하기 위하여 보상 저항을 병렬로 연결하여 합성저항(써미스터 + 병렬보상저항)의 선형성을 측정 범위 내에서 유지하도록 하였으며, 마이크로 프로세서의 디지털 입출력 핀의 토템-폴(totem– pole)구성의 입/출력 임피던스를 이용한 Lock-In-Amp 회로를 추가로 구성하여 저항 양단에서 측정되는 미세한 저항 변화를 측정할 수 있도록 설계하였다.
5℃)보다 높을 때 적색 LED를, 정상이면 녹색 LED를, 낮으면 파란색 LED를 켜도록 설계하였다. 모듈의 크기는 지름이 4cm이며 배터리는 3.7V 리튬폴리머 배터리를 사용하여 내부의 레귤레이터를 통해 3.3V 동작 전압을 유지하도록 하였으며 USB 단자 및 충전회로를 통해 충전이 가능하도록 설계하였다. 하드웨어 설계를 위한 블록다이어그램은 다음 그림 3과 같다.
체온은 심부(深部) 체온에 가까운 온도를 측정하고자 액와 부위에서 온도측정이 가능하도록 도전사를 겨드랑이 아래 2cm부터 배선하여 심부에 위치한 모듈과 연결 되도록 그림 9와 같이 배선 설계하였다. 모듈이 장착된 베스트를 통한 온도 데이터를 획득하기 위하여 유아를 대상으로 통합형 베스트를 착용시켜 일상생활의 변화에 따른 텍스타일 직물전극 기반의 체온 변화를 모니터링하였다. 본 실험은 약물투여나 혈액채취 등의 침습적 행위가 개입되지 않은 비침습적 연구이며 신체적 변화가 e래되지 않는 단순접f 측정장비 또는 관찰장비만을 사용하는 연구로써 생명윤리법상 심의면제에 해당 한다[10,11].
본 논문에서는 마이크로프로세서와 높은 입력 임피던스를 갖는 계장 증폭기를 사용하여 1Ω 미만의 저항 변화를 감지하는 Lock-In-Amp 회로를 설계하였으며 왼쪽 가슴부위의 컨트롤러에서 도전사로 자수 된 직물 배선을 통해 겨드랑이 부위에 연결된 써미스터(thermistor)의 저항 변화를 측정하였다. 설계된 LockIn-Amp는 마이크로프로세서의 두 개의 입출력 핀을 통해 리액턴스가 안정화 되는 시간을 고려한 100us 이내의 상호 반대되는 펄스를 발생시켜 증폭기를 통하여 얻어지는 아날로그신호를 마이크로프로세서에서 디지털 신호로 변환하였다.
본 실험은 약물투여나 혈액채취 등의 침습적 행위가 개입되지 않은 비침습적 연구이며 신체적 변화가 e래되지 않는 단순접f 측정장비 또는 관찰장비만을 사용하는 연구로써 생명윤리법상 심의면제에 해당 한다[10,11]. 본 실험에서 온도 모니터링 장치가 부착된 의복을 착용하여 액와 부위에서의 체온을 측정하였다. 측정 결과 피부 체표의 온도는 36℃에서 38℃ 내외의 온도범위에서 측정되었다.
본 연구에서 Lock-In-Amp로 유도되는 온도 신호를 프로세서 기반으로 데이터를 획득하기 위하여 그림 2와 같은 펌웨어 알고리즘을 설계하였다. 총합을 나타내는 Stotal을 0으로 e기화 한 후 프로세서의 I/O1 포트에서는 High 신호를 I/O2 포트에서는 Low 신호를 발생시킨다.
따라서 써미스터를 선형화하기 위하여 Steinhart-Hart방정식을 마이컴등을 이용하여 계산하여 온도 값을 얻을 수 있으나, 소형, 저전력의 마이컴을 사용하는 경우에는 자연로그 및 지수의 계산이 저전력에 부담이 될 수 있어, 병렬로 저항을 삽입하여 온도-저항 특성을 선형적으로 만들어 A/D하여 바로 온도로 변환하는 방법을 사용하기도 한다. 본 연구에서는 병렬 보상저항을 추가하여 선형화 하는 방법을 사용하였다. 써미스터 저항 R_t(T)에 병렬 보상저항 R_P가 연결된다면 전체 합성 저항R_tp(T)은 다음과 같이 나타나게 된다.
본 연구에서는 써미스터의 비선형성에 의한 오차를 최소화하기 위하여 보상 저항을 병렬로 연결하여 합성저항(써미스터 + 병렬보상저항)의 선형성을 측정 범위 내에서 유지하도록 하였으며, 마이크로 프로세서의 디지털 입출력 핀의 토템-폴(totem– pole)구성의 입/출력 임피던스를 이용한 Lock-In-Amp 회로를 추가로 구성하여 저항 양단에서 측정되는 미세한 저항 변화를 측정할 수 있도록 설계하였다.
본 연구에서는 유아의 체온 상태를 무구속적으로 모니터링 하기 위해 직물전극을 의류에 배선하여 액와(腋窩) 부위의 체표온도를 측정하였다. 기존의 유아 건강 모니터링 의료 시스템은 유아 인체에 의료 장치를 장기간 부착하기에 활동상 매우 불편하고 피부에 손상을 입힐 수 있으므로, 도전기능이 있는 섬유를 사용하여 의류구조에 통합화 한 웨어러블 형태로 인체 활동에 편안하고 무구속적인 센싱 모니터링이 가능하다[3][4].
본 논문에서는 마이크로프로세서와 높은 입력 임피던스를 갖는 계장 증폭기를 사용하여 1Ω 미만의 저항 변화를 감지하는 Lock-In-Amp 회로를 설계하였으며 왼쪽 가슴부위의 컨트롤러에서 도전사로 자수 된 직물 배선을 통해 겨드랑이 부위에 연결된 써미스터(thermistor)의 저항 변화를 측정하였다. 설계된 LockIn-Amp는 마이크로프로세서의 두 개의 입출력 핀을 통해 리액턴스가 안정화 되는 시간을 고려한 100us 이내의 상호 반대되는 펄스를 발생시켜 증폭기를 통하여 얻어지는 아날로그신호를 마이크로프로세서에서 디지털 신호로 변환하였다. 이러한 방식은 외부 신호 발생기를 필요로 하지 않을 뿐만 아니라 낮은 프로세서 의 변환 해상도(resolution)의 성능에서도 측정 양단에 발생하는 수 uV 대역의 전압 변화를 검출할 수 있다[5].
동작 원리는 I/O1과 I/O2를 통해 디지털 펄스를 교차로 발생시키면 R₀, R_X, R₁의 연결을 통해 R_X 에는 바이폴라(bipolar) 신호가 출력된다. 여기서 저항 R0, R1은 RX에 바이어스(bias) 전류를 유도하기 위한 저항이며 마이크로프로세서의 I/O 핀에서의 입출력 전류를 고려하여 최대값을 넘지 않도록 R_X 값을 조정하였다. R_X 에 걸린 신호는 증폭기로 입력이 되어져 출력은 위상이 반전되고 증폭률이 곱해진 값을 얻을 수 있다.
본 연구에서는 도전 섬유와 미세 온도 센싱 기술을 융합하여 유아복에 통합된 형태의 무구속적 유아 체온 모니터링 시스템을 제안하였다. 유아 내의류에 통합된 자수 기법은 피부에 직접적으로 도전사가 닿지 않는 원단의 윗부분에는 도전사가 노출되도록하고, 원단 밑 부분에는 윗실인 도전사를 잡아주는 일반 폴리에 스터사가 스티치(stitch)된 이중 자수 구조로 직물전극 설계하였으며 의복과의 통합성을 높이고 세탁의 편의성을 유지하기 위하여 스냅버튼형 써미스터를 이용한 체온 측정 모듈을 설계하였다. 그리고 소형의 저전력 기반의 트랜스듀서 개발을 위해 8bit 기반의 마이크로 프로세서와 무선 통신 칩셋을 사용하여 측정된 데이터를 A/D 변환하여 2.
체온 측정 통합 모듈의 설계를 위해 8bit 마이크로 프로세서(Atmea328,Atmel)를 사용하였으며 시간과 온도 데이터를 저장하기 위해 RTC(Real-Time-Clock)와 플래쉬 메모리를 사용하였다. 저장된 데이터는 2.4GHz 근거리 무선 통신 기반인 무선 칩셋(nRF24L01,Nordic)을 통해 PC에서 데이터를 모니터링할 수 있도록하였다. 프로그래밍은 프로세서에 Arduino 부트로더(bootloader)를 이식하여 C코드를 사용하여 작성하였으며 양자화된 데이터는 이미 선형화 회로를 거A기 때문에 추가의 변환 공식 없이 실제 온도로 변환하여 그에 따른 온도표에 따라서 정상(36.
체온 측정 통합 모듈의 설계를 위해 8bit 마이크로 프로세서(Atmea328,Atmel)를 사용하였으며 시간과 온도 데이터를 저장하기 위해 RTC(Real-Time-Clock)와 플래쉬 메모리를 사용하였다. 저장된 데이터는 2.
프로그래밍은 프로세서에 Arduino 부트로더(bootloader)를 이식하여 C코드를 사용하여 작성하였으며 양자화된 데이터는 이미 선형화 회로를 거A기 때문에 추가의 변환 공식 없이 실제 온도로 변환하여 그에 따른 온도표에 따라서 정상(36.5∼37.5℃)보다 높을 때 적색 LED를, 정상이면 녹색 LED를, 낮으면 파란색 LED를 켜도록 설계하였다.

이론/모형

본 연구에서는 Lock-In-Amp회로를 이용하여 위의 두 가지 문제를 해결하였다. 그림 1은 미세한 온도 변화에 따른 써미스터의 저항 변화를 측정하기 위한 Lock-In-Amp의 회로도를 나타낸다.
본 연구에서는 체표온을 측정하기 위하여 NTC(Negative Temperature Coefficient) 써미스터(NTSE-1, China)를 사용하였다. 측정에 사용한 써미스터는 실온(25℃)에서 약 10㏀의 저항을 가지고 있으며 체온 측정 범위(30 ~ 45℃)에서는 8.
의류 착장의 인체 상태에서 통합화 된 텍스타일 직물전극 모듈을 손쉽게 수정 보완하면서 베스트 디자인 설계를 완성할 수 있도록 가상의 3D 디지털 의류설계 프로그램CAD인 ‘CLO Digital Fashion’(CLO Company, USA)를 활용하였다.

성능/효과

온도의 가변을 위해 그림 7(b)와 같은 코일이 내장된 발열 섬유를 사용하여 직물 전도사가 배선된 직물을 그 발열 패드 상단에 위치하였으며 Reference 온도 측정 장비(GL-100,Graphtec)는 동일하게 의복의 액와 부위에 근접한 곳에 설치하여 5시간 동안 온도 변화를 측정하였다. 실험은 25℃부터 40℃까지 발열시트를 이용하여 온도를 증감 시켰으며 그림 8(a) 그래프는 보상 회로를 사용하지않고 데이터를 측정하였으며 그 결과 33℃를 기준으로 온도 변화가 클수록 편차가 크게 나타나는 것을 볼 수 있었다. 그림 8(b) 그래프는 선형화 회로를 적용한 데이터이며 이 결과를 통해 온도의 선형화가 실제 온도와의 편차가 감소하는 것을 볼 수 있다.
26Ω/5cm로 나타났다. 또한 표 3에서 보는 바와 같이, 본 연구의 도전사가 적용되어 단직과 중직의 자카드 직물전극은 단직(single layer cloth)의 전기전도도는 0.12~0.14Ω/13cm, 중직(double layer cloth)의 전기전도도는 0.12~0.17Ω/13cm 범위를 가짐으로써 적용된 도전사 직물전극의 배선으로 인한 임피던스의 변화를 최소화하여 안정적인 저항 변화 측정이 가능하다[9].
그림 6에서 온도 변화에 따른 써미스터 저항 변화를 저항 보상회로를 적용하기 전 데이터와 적용한 후의 데이터를 측정하여그 변화를 비교하였다. 체온이 변화하는 범위를 기준으로 20℃에서 40℃ 사이를 측정하였으며 선형화를 통해 저항의 온도 변화가 선형적으로 변화하였음을 알 수 있었다. 그림 7과 같은 환경에서 실험하여 그 데이터를 측정하였다.
본 실험에서 온도 모니터링 장치가 부착된 의복을 착용하여 액와 부위에서의 체온을 측정하였다. 측정 결과 피부 체표의 온도는 36℃에서 38℃ 내외의 온도범위에서 측정되었다. 그림 10의 결과에서 보는 바와 같이, 0.
3Ω/5cm 수준이다. 표 1에서 G도전사는 두 가닥의 50데니어(Denier) 은(Ag) 코팅사가 2합으로 150데니어 폴리에스테르 사에 커버링 된 타입으로써 250데니어의 G도전사에서 나타난 임피던스는 0.31Ω/5cm이며, Y도전사는 G도전사 위에 30데니어 폴리에스테르 사가 추가되어 우방향 꼬임(S연꼬임)으로 커버링 된 280데니어의 도전사로서 임피던스는 0.26Ω/5cm로 나타났다. 또한 표 3에서 보는 바와 같이, 본 연구의 도전사가 적용되어 단직과 중직의 자카드 직물전극은 단직(single layer cloth)의 전기전도도는 0.

후속연구

특히 직물 기반의 미세 온도(저항) 변화 측정이 가능한 소형의 무선 통신 기반 솔루션은 사람의 체온을 모니터링 하는 분야 이외에도 동물 또는 산업용 미세 온도 측정 분야에도 적용이 가능하다. 차후 본 시스템 및 의복 제작 기법을 활용하여 유아 또는 성인의 수면 시 체온을 측정하고 추가로 가속도 센서를 통해 수면 시 체온에 따른 움직임을 기록하여 수면의 질을 분석 하는 연구를 수행하고자 한다.

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	휘스톤 브릿지의 단점을 보완하는 저항 변화 감지 회로는?	본 논문에서는 마이크로프로세서와 높은 입력 임피던스를 갖는 계장 증폭기를 사용하여 1Ω 미만의 저항 변화를 감지하는 Lock-In-Amp 회로를 설계하였으며 왼쪽 가슴부위의 컨트롤러에서 도전사로 자수 된 직물 배선을 통해 겨드랑이 부위에 연결된 써미스터(thermistor)의 저항 변화를 측정하였다. 설계된 LockIn-Amp는 마이크로프로세서의 두 개의 입출력 핀을 통해 리액턴스가 안정화 되는 시간을 고려한 100us 이내의 상호 반대되는 펄스를 발생시켜 증폭기를 통하여 얻어지는 아날로그신호를 마이크로프로세서에서 디지털 신호로 변환하였다.
	스마트 의류제품군에는 어떤 것이 연구되고 있는가?	최근 생체·환경 신호의 측정 및 분석, 무선 데이터전송, 단말기 개발 등의 IT 기술의 발달과 더불어 섬유 기술을 융합 구현한 도전성(導電性) 섬유 기반의 직물센서 및 직물전극(textile electrode)을 적용하여 언제 어디에서나 건강관련 생체신호 측정·관리가 가능한 생체신호 모니터링 스마트 의류제품들이 개발되고있다. 또한 스마트 의류제품군에는 IT기술이 융합 구현되어 도전 섬유를 적용한 직물전극 통합형(integrated) 인체 센싱 모니터링 용도의 웨어러블(wearable) 라이프케어(life care) 제품에 관련한 연구가 활발히 진행되고 있다[1]. 인간에게 있어 가장 인체 친화적이며 무구속적인 소재인 텍스타일(섬유)을 활용한 직물전극(textile-based electrode)의 장점은 섬유가 유동적이기 때문에 필요한 형태로 디자인하여 의류에 착용 가능하도록 통합(embedded) 할 수 있다[2].
	기존의 유아 건강 모니터링 의료 시스템의 단점과 대안은?	본 연구에서는 유아의 체온 상태를 무구속적으로 모니터링 하기 위해 직물전극을 의류에 배선하여 액와(腋窩) 부위의 체표온도를 측정하였다. 기존의 유아 건강 모니터링 의료 시스템은 유아 인체에 의료 장치를 장기간 부착하기에 활동상 매우 불편하고 피부에 손상을 입힐 수 있으므로, 도전기능이 있는 섬유를 사용하여 의류구조에 통합화 한 웨어러블 형태로 인체 활동에 편안하고 무구속적인 센싱 모니터링이 가능하다[3][4]. 유아의 미세한 온도변화를 감지하기 위하여 본 연구에서는 마이크로프로세서 기반의 Lock-In-Amp 회로 및 저항 보상 회로를 설계하여 효율적이면서 저전력 소형의 웨어러블 센서 통합 의복을 디자인 하고 이 시스템의 성능을 시험하였다.

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