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  • 기사등록 2019-12-11 12:00:01
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[기계신문] 웨어러블 모바일 헬스케어 디바이스는 최근 다양한 연구가 진행되고 있지만, 실제로 장시간 사용하기에는 불편함이 있을 뿐만 아니라 피부에 완벽히 부착되어 있는 것이 아니기 때문에 정확한 정보를 습득하는 데에 어려움이 있을 수 있다.


헬스케어 기술은 다른 분야에 비해 삶의 질에 직접적인 영향을 주기 때문에 지속적으로 건강을 체크하면서 질병의 초기 신호를 정확하고 빠르게 감지하여 모니터링하는 기술은 웨어러블 모바일 헬스케어 디바이스에 중요한 요소 중 하나이다.


최근 성균관대학교 신소재공학과 김선국 교수 연구팀과 한국전자부품연구원 이성호·이민구 연구원이 피부에 부착하는 신축성 있는 패치형태의 센서로 최장 7일간 생체신호를 실시간으로 모니터링하는 시스템을 구축했다.



▲ (a) 신체로부터 온도와 습도, 움직임을 모바일 어플리케이션을 통해 실시간으로 모니터링하고 저장할 수 있는 모듈을 개발하여 응급상황 모니터링이 가능한 패치형태의 스마트 디바이스를 구성하였다. (b) 키리가미-서펜타인 구조의 다기능 센서는 기계적 전기적 안정성 및 신뢰성을 확보하기 위해 그림과 같이 여러 층 구조로 설계되었다.



연구팀은 착용자의 움직임에도 불구하고 안정적으로 피부 표면의 온도나 습도, 보행·넘어짐 등 착용자의 동작을 포착할 수 있는 새로운 디자인의 고감도 생체신호 모니터링 센서를 개발했다.


뱀처럼 구불구불한 형상의 서펜타인 구조를 통해 x축과 y축 방향으로 유연성을 확보하는 한편, 키리가미 구조를 통해 z축에 대해서도 신축성을 부여함으로써, 패치가 가진 응력의 최대 200%까지 압력을 가해도 기계적·전기적으로 안정성을 유지하도록 설계했다.


키리가미(Kirigami)는 ‘자르다’를 의미하는 일본어 ‘kiri’와 ‘종이’를 뜻하는 ‘gami’가 합쳐진 것으로, 특정 패턴이나 모양으로 자른 뒤 접었을 때 입체 형상을 나타내는 것을 말한다.



▲ 키리가미-서펜타인 센서에 대해 xy-방향, x-방향, z-방향으로 각각 30%까지 변형을 주면서 신축에 대한 안정성을 확인하였다.



신체변화를 모니터링, 질병의 초기신호를 감지할 수 있는 웨어러블 헬스케어 디바이스에 관한 연구가 활발하나 장시간 사용하기 불편하거나 피부에 잘 밀착되지 않아 정확한 정보를 모니터링하는 데 한계가 있었다.


이에 연구팀은 착용성을 고려해 피부에 밀착되어 움직임에 제약을 주지 않도록 피부 친화적이면서 방수성을 갖는 다공성 실리콘 점착제로 된 패치에 해당 센서를 구현해냈다.



▲ (a, b) 다양한 온도범위에서 온도 센서의 저항값 변화가 선형적임을 확인하였고, 시간 변화에도 안정적으로 저항값이 유지되는 것을 알 수 있다. (c, d) 20-80 %RH에서 습도 센서의 캐패시턴스 값이 선형적으로 변화하였으며, 20 -50 의 온도 변화에 영향을 받지 않음을 확인하였다.



생체 친화적이며 피부에 적합한 점착성을 가진 실리콘을 활용하였으며 식약처 기준에 준하는 생물학적 안전성(biocompatibility ; 세포독성, 감작성, 급성독성, 피부자극, 발열성)이 확보된 패치를 사용했다는 설명이다.


원리는 피부 온도 변화에 따라 나타나는 신축성 백금센서의 저항변화를 이용하는 것이다. 이를 통해 20~50범위에서 0.2 이내의 오차범위로 온도를 측정할 수 있도록 했다. 나아가 스마트폰 어플리케이션을 통해 실시간으로 신호변화를 확인할 수 있도록 무선통신 모듈도 함께 구현했다.



▲ (a) 각각 다른 상황에 있는 작업자에 대해 8시간 동안 체온 변화 모니터링을 진행하였으며, 업무 환경에 따라 다른 생체 신호 결과를 보여주었다. (b) 패치형태의 다기능 센서를 가슴과 무릎에 부착하여 실시간으로 움직임을 측정한 결과이다.



성균관대 김선국 교수는 “이번 연구 결과는 생체 신호를 지속적으로 모니터링하여 응급상황을 빠르게 대처할 수 있는 웨어러블 헬스케어 디바이스로서의 활용을 기대할 수 있으며, 특히 운동선수나 신생아, 노인에게 적용한다면 보다 더 효과적일 것이라고 기대된다”면서 “향후 병원과의 임상연구를 통해 인허가를 위한 후속연구를 진행할 계획”이라고 전했다.


한편, 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 중견연구자지원 사업 및 바이오의료기술개발사업의 지원으로 수행된 이번 연구 성과는 ‘IEEE Transaction on Industrial Electronics’에 11월 6일 게재되었다.


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이은아 기자 lena@mtnews.net

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