바이오인

웨어러블 헬스 모니터링 디바이스를 위한 최신 소프트 드라이 일렉트로드의 연구 동향

◈ 목차

요약문

1. 서론

2. 본론

  2.1. 소프트 건식 전극을 위한 재료와 공정

  2.2. 향상된 통기성을 위한 전략

  2.3. 향상된 피부 접착성 소프트 전극 제작

3. 결론

◈본문

요약문

전기생리학 신호는 인간의 모든 신체 활동과 연관되어 있는 중요한 건강상태의 지표로 볼 수 있 다. 모바일 헬스케어에 대한 높아지는 관심과 수요로 인해 헬스 모니터링을 위한 웨어러블 디바 이스에 관심이 쏠리고 있다. 기존 임상에서 일반적으로 사용되는 은/염화은(Ag/AgCl) 기반 습식 전 극은 우수한 신호 품질을 제공하지만 젤 증발 및 피부 자극으로 인해 장기간 신호를 모니터링하는데 한계가 있다. 따라서 젤이나 추가 접착제 없이 작동할 수 있는 건식 전극은 웨어러블 헬스 모니터링 디바이스 개발에 중요한 요소 중 하나이다. 기존 습식 전극에 비해 건식 전극은 사용 편 의성, 장기 안정성, 생체적합성 측면에서 다양한 장점을 제공한다. 이 리포트는 고성능 소프트 및 건식 전극에 대한 최신 연구를 체계적으로 요약한다. 건식 전극을 위한 연질 소재, 생체적합성 소재, 제조 기술, 통기성 확보 기술 및 향상된 피부 접착성 소프트 전극 제작 기술에 대한 최근 개 발 내용을 리뷰한다. 마지막으로 다양한 건식 전극의 개발 과제와 장점에 대해 논의하고 향후 연구를 위한 연구 방향을 제시한다.

1. 서론

 인간의 장기와 조직은 심전도검사(ECG), 뇌전도검사(EEG), 근전도검사(EMG), 전기안구검사(EOG)와 같은 전기생리학적 신호를 통해 기능하며, 이는 임상 치료, 행동 분석 및 신체 개선을 위한 생 리적 활동을 평가하는 데 중추적인 역할을 한다. ECG 는 심장 건강을 측정하고 심혈관 문제를 감지한다. EEG 는 치매, 종양, 간질과 같은 뇌질환에 대한 통찰력을 제공한다. EOG 는 수면 분석 및 망막 자극 피드백을 위한 안구운동 모니터링으로 응용된다. EMG 는 근육 건강, 피로 분석, 동작 인식 및 운동보조기구 제어 등과 관련이 있다.

 전기생리학적 신호는 피부에 부착한 습식 및 건식 전극으로 감지될 수 있다. 은/염화은(Ag/AgCl)과 같은 기존 습식 전극은 일반적이지만 피부 자극 위험, 신호 저하, 장기간 또는 착용형 사용 시 불편함 등의 한계가 있다. 나노/마이크로 프로세스의 발전으로 건식 전극이 도입되어 신호 품질, 유용성 및 휴대성이 보장되었다. 회로 및 무선 시스템과의 통합으로 독립적인 무선 플랫폼이 탄생하여 웨어러블 인간-기계 인터페이스 및 임상 건강 모니터링 솔루션에 대한 연구가 촉진되었다. 습식 전극에서 건식 전극으로의 발전은 생체 신호 획득에 있어 상당한 변화를 예고하고 기존 습 식 전극과 관련된 단점을 최소화하며 다양한 응용 분야에서 지속적이고 비침습적인 웨어러블 헬 스 모니터링의 가능성을 확장시키고 있다.

 웨어러블 생리 모니터링을 위해 고품질의 전기생리학적 신호 수집을 보장하는 전극을 개발하려면 안정적인 기계적/전기적 특성을 갖춘 고성능 건식 전극이 필수적이다. 높은 전도성은 표면 전기 변위 필드와 전하 캐리어 밀도를 강화하여 전기생리학적 신호 측정에서 신호대잡음비를 증 폭시킨다. 기존 금속 전극은 전도성이 뛰어나지만 웨어러블 기기에 필요한 유연성이 부족하다. 유 연함은 웨어러블 디바이스로서 착용성과 전기생리학적 신호 수집의 안정성에 매우 중요한 요소이 다. 따라서 발전된 나노 물질과 이를 다루기 위한 나노/마이크로 공정을 적용한 유연 전기소자는 굽힘, 늘어남, 비틀림과 같은 인간의 움직임으로 인한 변형에도 불구하고 전기적 성능을 가능하게 한다. 또한 적절한 신축성을 확보하는 것 역시 인간의 피부 움직임과 전극의 형상을 일치시켜 움 직임에 의한 노이즈를 줄이고 안정적인 전기생리학적 신호 감지를 하는 데 필수적이다. 생체적합 성이 높은 탄소 기반 물질, 금속, 폴리머 등의 소재 이용은 장기간 모니터링 중에도 피부 자극이나 세포독성을 방지하는 데 중요한 역할을 한다. 사람의 피부 수분 생성(평균 40 g/h/m2 이상)을 고려할 때 전극 통기성은 편안함과 신호 안정성에 매우 중요하다. 적절한 환기는 습기로 인한 신호 드리프트를 억제하여 전기생리학적 신호 품질에 큰 영향을 미친다. 이 리포트에서는 웨어러블 헬스 모니터링을 위한 소프트 드라이 전극의 최근 발전 사항을 포괄적으로 리뷰하기 위해 전극 재료 및 공정, 향상된 통기성 전략 및 향상된 피부 접착성 소프트 전극 제작 기술에 대하여 짚어 보며 미래의 웨어러블 의료 애플리케이션의 성능 향상에 대한 통찰력을 제공한다.

2. 본론

2.1. 소프트 건식 전극을 위한 재료와 공정

 생체신호 전극에 관한 최근 연구에서는 신호 품질이 높고 부드럽고 건조한 전극에 적합한 다 양한 재료를 제안하고 있다. 건식 전극의 사용성을 결정하는 주요 재료 특성은 전기전도도, 기계 적 신축성 및 생체적합성을 포함한 전기/기계/생물학적 특성으로 구분된다. 상업용 Ag/AgCl 습식 전극은 전극 부착에 앞서 피부 클리닝을 통해 낮은 피부-전극 임피던스를 달성하고 피부-전극 접 촉 면적을 최대화하며 안정적인 신호 수집을 위한 향상된 전도성을 제공한다. 마찬가지로 건식 전극의 개발에서 피부-전극의 임피던스의 최적화는 중요한 달성 과제이며 피부-전극 접촉 면적, 전극 재료 등을 적절하게 설계하는 것이 중요하다. 고유한 재료 특성은 기계적 유연성 및 생체적합 성과 같은 고성능 건식 전극 특성에 큰 영향을 미친다. 하나의 사례로, 부드러우며 접촉 면적을 극 대화한 바이오센서를 제작하기 위해 다공성의 신축성 있는 전극 소자를 개발한 연구가 있다. 높은 신축성과 변형저항 달성을 목적으로 유연한 기판을 구현하기 위해 은 나노플레이크(Ag Nanoflake, AgNF)를 섞은 실리콘 레진을 정교한 디스펜싱 시스템으로 프린팅하고 이후에 스팀 에칭 기 법으로 다공성 실리콘-AgNF 복합체를 만들어 높은 신축성과 더불어 피부와 전극 접촉 면적을 최대화하였다. 또한 전기도금으로 스킨과 접촉하는 부분에 금을 증착하여 생체적합성이 높은 전극 시스템을 개발하였다. 이러한 전극 시스템의 미세 다공성 특성으로 인해 전극-피부 접촉 면적이 크게 증가하여 낮은 스킨 임피던스(1.0kΩ @ 1,000Hz)의 성능을 보여주었다. 의료적 응용으로 심외막 표면에 등각 접촉을 극대화하기 위해 수용성 의료 테이프의 보강층을 적층하였고 이를 동물의 심외막 표면에 붙여 실제 심전도 신도를 측정하는 연구를 수행하였다. 개발된 전극 시스템의 부드럽고 얇은 특성과 향상된 부착성으로 심외막 표면에 매우 안정적인 접촉과 신호 수집 능력을 보여주었다(그림 1).

그림 1. 다공성 전극 제조공정 개략도 및 동물실험 결과

 탄소 기반의 전극 시스템 역시 소프트 드라이 전극으로 주목되고 있다. 다른 연구에서는 기능화된 전도성 그래핀(Functionalized Conductive Graphene, FCG)과 Ag 를 Aerosol Jet printing 공정 방법으로 프린팅하여 제작한 소프트 드라이 전극 시스템을 활용한 새로운 형태의 하이브리드 전 자장치를 소개했다(그림 2). 인쇄된 나노멤브레인 하이브리드 전자장치는 Ag의 산화를 방지하고 생체적합성을 높이기 위해 FCG 를 코팅 물질로 사용하며, 피부와 접촉하여 감지 전극으로 사용하였다. FCG 전극의 구조적 신뢰성과 굴곡성은 일상 활동 중 최대 피부 신축성(30%)을 초과하는 최대 60%까지 늘어나 충분한 것으로 입증되었다. 또한 FCG 전극의 구불구불한 패턴의 메시 구조는 피부 밀착성을 향상시켜 움직임에서 발생하는 신호의 모션 아티팩트를 감소시켜 수집된 신호 퀄리티를 향상시켰다. 이를 기반으로 EMG를 측정하여 다양한 디바이스를 조작하는 시연을 통해 소프트 드라이 전극 시스템 기반 웨어러블 디바이스의 광범위한 인간-기계 인터페이스에서 유용성을 입증했다.

그림 2. 프린팅된 탄소 전극 기반 웨어러블 휴먼-머신 인터랙션 연구 결과

2.2. 향상된 통기성을 위한 전략

 인체는 피부를 통해 매일 600~900 gm−2h −1 (성인의 경우)의 물과 수산화탄소, 산소를 배출한다. 이러한 피부의 액체/가스 방출은 통기성이 좋지 않은 금속 전극, 패치형 전극을 사용할 때 피부 자극이나 가려움증과 같은 불편함의 원인이 되었다. 또한 우리 피부와 센서 사이에 정체된 땀과 가스는 피부 임피던스 증가로 인한 감지 신호 저하, 땀과의 금속 반응으로 인한 독성, 접착력 약 화로 인한 전극 박리, 전자파 장애 등의 다양한 문제를 야기한다. 이러한 문제를 해결하기 위해 차세대 웨어러블 헬스 모니터링 디바이스들에 대해 소재, 구조 등의 다양한 방법으로 접근하면서 소프트 드라이 전극 시스템의 통기성 향상에 중점을 두었다. 정량적인 통기성 평가를 위해 전극 시스템을 대상으로 수증기 투과율(WVTR, g*m −2 *day−1 )을 측정하며, 온도와 습도가 제한된 대상을 통 해 투과되는 수증기의 양을 측정한다.

 Polydimethylsiloxane(PDMS), Polyethylene terephthalate(PET), Polyurethane(Pu), Polyimide(PI)는 유 연하고 생체적합성이 좋아 소프트 헬스 모니터링 디바이스의 기판으로 사용되는 주된 재료 중 하나이다. 그러나 이러한 소재는 통기성이 부족하다. 이를 개선하기 위한 연구로, breath figure 공정 방법을 이용하여 은나노와이어(AgNW)와 복합체를 이룬 다공성 AgNW/PU 필름을 개발하였다. 공정 과정 중에 첨가된 유기용매의 증발로 기판이 냉각되면서 생성된 마이크로 사이즈의 물방울들이 기판에 응축되어 규칙적인 물방울로 표면에 배열되고, 결국 물방울들이 증발하여 breath 형 상의 배열이 남아 다공성 필름을 형성할 수 있게 된다. 이렇게 생성된 AgNW/TPU 필름은 ~0.023 g*cm−2 *h −1의 WVTR을 보인 반면, 아무 처리도 되지 않은 TPU 필름은 ~0.002 g*cm−2 *h −1 미만의 WVTR 을 나타냈다. AgNW/TPU 필름의 뛰어난 통기성은 실제 인체 피부에 7일간 사용해도 알레 르기 반응이나 땀 축적이 전혀 발생하지 않을 정도로 장기간 착용성을 향상시켜 통기성 전자제 품의 편안함과 내구성을 입증했다.

그림 3. 다공성 AgNW/PU 필름 제조공정 및 성능평가 결과

 다른 방법으로 전극 소자의 통기성 향상을 위해서 전기방사 공정 방법을 이용하여 나노메시 구조를 만들어 통기성을 확보한 사례도 있다. 전기방사 공정을 통해 300~500nm 두께의 PVA 나노 섬유 메시를 제조한 후, 그 위에 70~100nm 두께의 Au 층을 증착하여 사람 피부에 부착할 수 있 는 메시 형태의 전도체를 형성했다. Au 나노메시 전도체의 SEM 이미지를 보면, 땀 분비를 방해 하지 않으면서 땀구멍 주위에 전도체가 부착되어 통기성이 뛰어나 피부 자극과 염증이 눈에 띄게 감소한 것으로 나타났다(그림 4). 수분 투과 테스트에서 나노메시 전극은 열린 병과 동일한 투과율을 보여 전극의 매우 우수한 수분 투과성을 입증했다. 통기성이 뛰어나 나노메시 도체를 사용하여 사용자에게 편안한 부착감을 선사했다.

그림 4. 전기방사 공정으로 제작한 나노메시 전극 시스템

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