Stand-alone Real-time Healthcare Monitoring Driven by Integration of Both Triboelectric and Electro-magnetic Effects

Recently, the bio-healthcare market is enlarging worldwide due to various reasons such as the COVID-19 pandemic. Among them, biometric measurement and analysis technology are expected to bring about future technological innovation and socio-economic ripple effect. Existing systems require a large-capacity battery to drive signal processing, wireless transmission part, and an operating system in the process. However, due to the limitation of the battery capacity, it causes a spatio-temporal limitation on the use of the device. This limitation can act as a cause for the disconnection of data required for the user's health care monitoring, so it is one of the major obstacles of the health care device. In this study, we report the concept of a standalone healthcare monitoring module, which is based on both triboelectric effects and electromagnetic effects, by converting biomechanical energy into suitable electric energy. The proposed system can be operated independently without an external power source. In particular, the wireless foot pressure measurement monitoring system, which is rationally designed triboelectric sensor (TES), can recognize the user's walking habits through foot pressure measurement. By applying the triboelectric effects to the contact-separation behavior that occurs during walking, an effective foot pressure sensor was made, the performance of the sensor was verified through an electrical output signal according to the pressure, and its dynamic behavior is measured through a signal processing circuit using a capacitor. In addition, the biomechanical energy dissipated during walking is harvested as electrical energy by using the electromagnetic induction effect to be used as a power source for wireless transmission and signal processing. Therefore, the proposed system has a great potential to reduce the inconvenience of charging caused by limited battery capacity and to overcome the problem of data disconnection.

실시간 헬스케어 모니터링의 독립 구동을 위한 접촉대전 발전과 전자기 발전 원리의 융합

최근 COVID-19 팬데믹 등 다양한 이유로 인해 바이오 헬스케어 시장이 전세계적으로 활성화되고 있다. 그 중, 생체정보 측정 및 분석 기술은 앞으로의 기술적 혁신성과 사회경제적 파급효과를 불러일으킬 것으로 예측된다. 기존의 시스템은 생체 신호를 받아 신호 처리를 하는 과정에서 신호 송×수신부, 운영체제, 센서, 그리고 인터페이스를 구동하기 위한 대용량 배터리를 필수적으로 요구한다. 하지만, 배터리 용량의 한계가 인해 시×공간적인 기기 사용의 제한을 야기하며, 이는 사용자의 헬스케어 모니터링에 필요한 데이터의 단절에 대한 원인으로 작용할 수 있으므로 헬스케어 디바이스의 큰 걸림돌 중의 하나이다. 본 연구에서는 생체정보 측정 장치에 접촉대전 효과(Triboelectric effects)와 전자기유도 효과(Electro-magnetic effects)를 융합하여, 외부 전원을 요구하지 않는 독립 구동이 가능한 시스템을 구성하여 시×공간적으로 사용 제한이 없는 소형 생체정보 측정 모듈을 설계 및 검증했다. 특히, 다양한 헬스케어 모니터링 중 족압 계측을 통해 사용자의 보행 습관 등을 파악할 수 있는 무선 족압 계측 모니터링 시스템을 검증했다. 보행 시 발생하는 접촉×분리 움직임에서 접촉대전 효과를 이용한 효과적인 압력 센서와 압력에 따른 전기적 출력신호를 통해 족압 센서를 만들고, 축전기를 이용한 신호처리 회로를 통해 이의 동적 거동을 계측할 수 있다. 또한, 출력된 전기신호의 무선 송×수신용 전원으로 사용하기 위해 전자기 유도 효과를 이용하여 보행 시 생기는 생체역학적 에너지를 전기에너지로 수확했다. 따라서, 이번 연구는 사용자가 제한적인 배터리 용량 때문에 생기는 충전에 대한 불편함을 줄일 수 있고, 뿐만 아니라 데이터 단절에 대한 문제점을 극복할 수 있는 방법으로서 큰 잠재력을 보여줌을 시사한다.