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핵심내용

자연을 모사한 섬모구조형 웨어러블 소자 개발로 심장병 진단을 위한 미세맥파 측정


□ 국내 연구진이 미국 연구진과 공동으로 목이나 손목에 부착하여 응급한 심혈관 상태를 감지할 수 있는 반창고 형태의 소자를 개발하였다.

o 이 소자는 곤충의 더듬이나 소장의 융털 같은 미세 섬모구조를 모사한 것으로 고성능 음파측정 장비로만 잡아낼 수 있었던 미세맥파를 측정할 수 있다고 한다.

o 기존 고가의 삽입형 진단장비와 달리 손목이나 목 부위에 반창고처럼 붙이는 방식으로 불편함을 줄이고 비용을 낮춰 사전 심혈관 질환자 모니터링에 활용이 가능하다

□ 성균관대 화학공학부 방창현 교수와 미국 스탠퍼드대학 제난 바오(Zhenan Bao) 교수가 주도한 이번 연구는 미래창조과학부가 추진하는 기초연구사업(신진 연구) 등의 지원으로 수행되었고, 연구결과는 재료과학 분야 국제학술지 어드밴스드 머티리얼즈(Advanced Materials)지 10월 30일자 온라인 판에 게재되었다.

* 논문제목 : Highly Skin-Conformal Microhairy Sensor for Pulse Signal Amplification
□ 개발된 센서는 피부에 부착된 상태에서 노동맥*과 경정맥**을 모니터링하고 즉각적인 피드백을 제공할 수 있도록 고안되었으며, 기존 혈압 측정기로 측정할 수 없는 미세한 목 부분의 경정맥파를 측정할 수 있어 더욱 주목받고 있다.

* 노동맥(RAP, Radial Artery Pulse) : 보통 맥박을 짚는 혈관으로 독특한 파형은 심혈관 질환의 임상정보와 관련이 있는 것으로 알려져 있다.

** 경정맥(JVP, Jugular Venous Pressure) : 뇌로부터 목 부위에 합류해 심장으로 되돌아가는 혈관으로 내경정맥파는 우심방, 우심실, 판막에 대한 심혈관 질환과 관련이 있는 것으로 알려져 있다.

□ 핵심은 미세한 생체신호를 증폭하기 위해 미세한 힘을 감지하는 곤충의 더듬이나 음식물을 흡수하는 소장의 융털에서 볼 수 있는 미세 섬모구조를 센서용 소자에 도입한 것이다.

o 이러한 미세 섬모구조는 복잡한 굴곡이 있는 피부와의 접촉면적을 넓히는 데도 도움이 되었다는 설명이다.

□ 연구팀은 인체의 맥박, 호흡 및 활동정보 등을 측정하여 병리학적 진단 및 생체신호 기반으로 하는 웨어러블 소자 기술에 적용할 수 있을 것으로 내다보고 있다.

o 방 교수는“기존 스마트 웨어러블 소자를 경제적인 비용으로 비교적 간단한 형태로 제작하여 위급한 심혈관 질환에 대응할 수 있으며, 향후 맥파, 호흡 및 활동 등의 생체의 물리적인 신호를 이용하는 신개념 IT 기술, 감성 공학, 로봇 기술 등의 다양한 분야에 활용될 수 있을 것으로 기대 된다”고 밝혔다.

상세내용

연 구 결 과  개 요

웨어러블 디바이스(wearable device)주2란 단어 그대로 ‘착용하는 전자기기’를 뜻한다. 옷이나 피부에 부착하여 사용자 신체의 가장 가까운 위치에서 사용자와 소통할 수 있는 전자기기인 셈이다.

웨어러블 디바이스의 장점은 주변 환경에 대한 상세 정보나 사용자의 신체 변화를 실시간으로 끊이지 않고 지속적으로 수집할 수 있다는 것이다. 예를 들어 스마트 안경의 경우 눈에 보이는 주변의 모든 정보의 기록이 가능하며 스마트 속옷은 체온, 심장박동과 같은 생체신호를 꾸준히 수집할 수 있다.

최근 피부에 부착 가능한 형태의 웨어러블 디바이스는 체내 비삽입형(non-invasive)주3의 응급하고 치명적인 질병을 진단하는 새로운 의료기기의 개념을 제시하며 주목을 끌고 있다. 이러한 맥락에서 피부부착소자와 인체의 피부와의 긴밀한 접촉이 큰 이슈로 작용해 왔다.

2. 연구 내용

본 연구는 피부의 부착 가능한 웨어러블 디바이스의 개념을 한 단계 발전시키기 위해 마이크로 섬모 구조를 도입하여 인체의 피부와의 긴밀한 접촉을 유도하여 다양한 맥파들에 대한 생체신호 증폭을 가능하게 하였다.

본 소자는 반창고 같은 기판 위에 힘을 측정할 수 있는 커패시턴스(Capacitance) 센서층을 금속(Au)이 증착된 박막의 필름 및 저가의 고분자 층들을 결합하여 제작한 후 센서층 위에 곤충의 더듬이 및 소장의 융털 같은 자연을 모사한 섬모 구조를 제작하였다.(그림 1)

또 자연을 모사한 섬모 구조는 부드러운 생체 친화적 재료(PDMS, Polydimethyl siloxane)로 제작되어 착용감을 높이고, 생체 신호를 증폭하는데 있어서의 효과적인 최적의 미세 섬모의 구조 및 재료적 특징을 분석하였다. 이러한 반창고와 같은 섬모구조의 소자는 무선송수신기와 연결하여, 생체정보를 무선으로 개인용 노트북 및 스마트 시스템에 전송할 수 있게 제작되었다.

구체적으로 자연을 모사한 섬모구조를 소자와 피부 계면을 도입하여 손목의 노동맥(RAP)주4를 측정하는데 있어 커패시턴스 (Capacitance)신호의 S/N 비율 (Signal to Ratio)주5을 최대 12배 증폭하였다.(그림 2)

나아가 자연을 모사한 섬모 구조의 소자는 복합한 굴곡을 가진 피부표면에 접촉면적을 넓히고 인체의 생체신호를 증폭함으로써 상대적으로 측정이 어려운 경동맥파(JVP)주6의 압력 및 독특한 파형을 최초로 측정하는데 성공하였다. (그림 3) 트랜지스터 기반의 고감도의 센서를 제작할 필요 없이 간단한 구조의 커패시턴스 변화를 관찰하여 소자를 구현이 가능하고, 무선 장치와 인터페이스 소프트웨어와 결합하여 간단한 모바일 개념의 시스템을 구현하여 착용가능하고 이동 가능한 심혈관 질환 진단의 신개념을 제시하였다.

3. 기대 효과

본 연구를 통하여 웨어러블 디바이스의 계면과 복잡한 굴곡을 갖는 사람 피부와의 접촉을 향상하고 생체 신호 검출의 문제점을 해결할 수 있는 돌파구를 제시할 것으로 판단된다. 또한 자연을 모사한 설계로부터 마이크로 구조물의 기능과 인체 피부에 대한 학문적 이해를 극대화하고, 구조물을 이용한 피부 접촉성 개선한 센서의 제조에 대한 이론 및 제조 공정을 확립할 수 있다.

또한 공학접 접근을 토대로 의학적 응용을 통한 심혈관 질환의 병리학적 진단 기술을 개선할 수 있는 밑거름이 될 것으로 기대된다. 또한 본 연구는 초감응 및 초저가 유연 소자의 개발로 산업의 제조 및 응용 기술뿐만 아니라 조직공학 및 의료 진단 분야의 상시 모니터링이 가능한 모바일 헬스 케어 시스템의 발전에 새로운 방향을 제시할 수 있다.

연 구 결 과 문답