박재영 교수(전자공학과) 연구팀, 

심전도와 피부 온도 및 수분 모니터링 가능한 초소형 통기성 패치 개발

- 피부 온도 및 수분 정도, 심전도를 원격모니터링 할 수 있는 초소형 통기성 패치 개발 -

- 스마트 의료/헬스케어, 로봇, 스포츠, 피트니스, 인공장기 등에 핵심기술로 활용 기대 -

- 국제 저명학술지 와일리출판 어드밴스드 펑셔널 머티리얼즈(Advanced Functional Materials )에 논문(IF:18.5) 게재 -

본교 전자공학과 박재영 교수 연구팀은 심전도와 피부 온도 및 수분 상태를 실시간 연속 모니터링 할 수 있는 초소형 전자피부 패치를 성공적으로 개발했다. 여러 방향에서 인가된 외부 변형과 각 센서 간의 간섭이 패치 센서의 성능에 영향이 없도록 설계하였고 패치의 통기성을 확보하여 피부 센서 인터페이스에서 열 발산과 땀 증발이 쉽게 이루어지도록 하였으며 공정 기술의 단순화와 적층형 구조를 적용하여 패치를 소형화함으로써 양산 및 상용화 가능성을 높였다.

<박재영 교수(좌)와 가간 박사과정(우)>

최근, 여러 센서들을 하나의 유연기판에 집적화하여 다양한 생체신호 정보의 측정 및 모니터링을을 통한 웨어러블 디지털 의료 및 헬스케어 사물인터넷 (IoT) 응용 연구가 활발하게 진행되고 있다. 그러나 이러한 접근 방법은 기판의 넓은 면적을 사용해야 하고, 센서 간의 신호 간섭을 포함한 성능 제한으로 인해 신뢰성을 확보할 수 없었다. 본 연구에서는 외부에서 인가된 변형으로부터 영향을 받지 않도록 전극구조를 설계하였고, 적층형 구조를 적용하여 여러 센서 간의 상호 간섭 없이 소형화함으로써 패치 센서의 성능 향상과 신뢰성을 확보하였다. 또한 다공성과 소수성을 갖는 스트레쳐블 기판위에 여러 센서들을 적층하여 통기성을 갖는 전자피부 패치를 제작하였다.

분무 코팅된 스티렌-에틸렌-부틸렌-스티렌(SEBS)을 기판 사용 및 상 분리를 통해 계층적 다공성 네트워크를 형성하였고, 탄소 나노튜브와 나노다공성 탄소(CNT@NPC) 잉크를 변형에 민감하지 않은 구조로 설계된 패턴 마스크를 사용하여 SEBS 기판에 증착하여 센서들의 전극을 형성하였다. 다공성 구조는 통기성을 향상시킬 뿐 아니라 분무 코팅 공정 중 π-π 상호 작용과 높은 운동 에너지 분산으로 인해 CNT@NPC 감지 요소와 SEBS 기판 사이의 강력한 결합을 확보할 수 있다.

탄소 나노튜브와 나노다공성 탄소 네트워크는 향상된 변형률 무감각성과 향상된 전기 전도성을 나타내었으며, 이는 기계적 변형 하에서도 안정적인 데이터 전송에 필수적이다. 3.49 mg cm-² h-¹로 측정된 전자 피부의 통기성은 땀 축적을 방지하고 적절한 땀 증발과 열 발산을 허용하여 사용자의 편안함과 안전성을 보장하며, 이는 장기 착용에 필수적인 성능이다. 또한 이 성능은 종종 국소 피부 자극을 유발하는 일반적으로 사용되고 있는 단단하고 공기 불투과성 전자 피부와 비교하여 차별화된 중요한 특성이다. 제작된 적층형 전자 피부 패치는 0.198% °C-¹의 감도로 온도를 감지하고, 0.77% %-¹의 상대 습도에서 피부 수분을 감지하며, 높은 정확도로 ECG 신호를 기록하여 뛰어난 안정성으로 26 ± 1dB의 신호 강도를 제공한다. 수집된 데이터는 실시간으로 스마트폰 인터페이스에 블루투스 무선으로 전송되어 주요 건강 지표를 원활하게 원격으로 실시간 연속모니터링할 수 있다.

<심전도, 피부 온도 및 습도를 동시에 감지 및 실시간 모니터링 할 수 있는 

통기성이 우수하고 변형에 영향을 받지 않는 적층구조의 전자피부 패치 구조 및 성능 시연>

본 연구에서 개발한 적층형 구조의 전자 피부 패치는 센서 간의 간섭을 최소화 하여 성능을 향상시킬 뿐만 아니라 각 층에 맞춤형 소재를 사용할 수 있게 하여 확장성을 향상시켰으며, 스프레이 코팅 상 분리 방법은 제조 공정을 단순화하여 대량 생산에 효율적이다. 우수한 통기성과 변형에 영향을 받지 않은 특성을 갖는 전자피부 패치는 특히 심혈관 건강, 수분 수준 및 체온의 지속적이고 비침습적 모니터링에서 의료 및 헬스케어, 피트니스, 인공장기 응용 분야에 이르까지 폭 넓게 활용될 것으로 기대된다.

이번 연구는 정부(과학기술정보통신부)의 재원으로 한국연구재단 중견연구자 지원(RS-2024-00351167) 및 한국산업기술진흥원의 산업기술혁신사업 (RS-2022-00154983, 저전력 센서와 구동을 위한 자립형전원 센서 플랫폼 개발)의 지원으로 수행되었고, 연구 결과는 세계 최고의 기능성 소재 및 소자 전문 저널인 와일리 (WILEY) 출판의 어드밴스드 펑셔널 머트리얼즈 (Advanced Functional Materials, IF: 18.5) 논문에 게재되었다.

https://doi.org/10.1002/adfm.202407978