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연 구 결 과  개 요

논문명

All-day Mobile Healthcare Monitoring system Based on Heterogeneous Stretchable Sensors for Medical Emergency

저  자

김선국 교수(교신저자/성균관대학교), 이성호 박사(공동 제1저자/전자부품연구원), 스리니바스 간들라 박사(Srinivas Gandla, 공동 제1저자/성균관대학교), 무하마드 나키(Muhammad Naqi, 공동 제1저자/성균관대학교), 정의현(공동 제1저자/성균관대학교), 윤형순(공동저자/(주)티앤엘), 이유미 교수(공동저자/연세대학교), 강선주(공동저자/성균관대학교), 권혁준 교수(공동저자/DGIST), 김희정 교수(공동저자/연세대학교), 이민구(공동저자/전자부품연구원) 

1. 연구의 필요성

 ○ 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.

 ○ 이러한 요구조건을 충족시키기 위해 본 연구진은 키리가미(kirigami) 구조와 서펜타인(serpentine) 구조를 결합한 새로운 구조를 개발하여 이를 센서에 접목시켜 유연하면서도 신축성을 갖는 고감도 생체 신호 진단 센서를 개발하였다. 

 ○ 뿐만 아니라 피부에 부착하여 움직임에 제약 없는 웨어러블 헬스케어 디바이스를 구축하기 위해 피부 친화적이면서 방수성을 갖는 유연 패치를 개발하였다.

2. 연구내용 

 ○ z-방향으로 신축이 가능한 키리가미 구조와 x,y-방향으로 신축이 가능한 서펜타인 구조를 결합하여 유연 기판을 기반으로 한 키리가미-서펜타인 구조의 유연/신축 온·습도 센서를 개발하였다.  

 ○ 개발된 센서로부터 응급상황 모니터링이 가능한 패치형태의 디바이스를 구성하고 이를 통해 신체 온도, 습도 및 움직임을 감지하여 실시간 모니터링이 가능한 모듈 및 스마트폰 어플리케이션을 구현하였다.

 ○ 유연/신축성을 갖는 다기능 센서에 x,y,z-축 방향으로 잡아당기는 힘(strain)을 인가 하였을 때, 센서부는 최대 100 %, 전극부는 최대 120 %의 잡아당기는 힘(strain)이 인가될 때까지 기계적 손상을 받지 않는 것을 확인하였다. 

 ○ 신체의 온도와 습도를 측정한 결과, 넓은 온도범위(-20 -80 )와 좁은 온도범위(30 -45 )에서 온도 변화에 따른 온도 센서의 저항값이 선형적으로 변함을 확인하였으며 시간 변화에도 안정적인 저항값을 보여주었다. 

 ○ 또한, 20 % RH에서 80 % RH까지 습도를 변화시키면서 습도 센서의 캐패시턴스 값을 측정한 결과 비교적 선형적인 변화를 나타내었고, 온도의 변화에 영향을 받지 않고 습도에 대해서만 반응하는 것을 확인하였다. 

3. 연구성과/기대효과

 ○ 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. 

★ 연구 이야기 ★

□ 연구를 시작한 계기나 배경은? 

웨어러블 헬스케어 디바이스는 장시간 지속적으로 생체신호를 정확히 감지해야 질병이나 응급상황으로 인한 변화를 정확히 판단할 수 있을 것이라고 생각하였다. 때문에 본 연구에서는 움직임에 영향을 받지 않는 신축성 구조를 개발하고, 피부에 부착하여 보다 장시간 정확한 생체 신호를 측정하기 위하여 디바이스를 패치 형태로 구성하게 되었다.  

□ 연구 전개 과정에 대한 소개

x, y, z-방향의 변화에도 기계적/전기적 영향을 받지 않는 안정성을 얻기 위해 키리가미 구조와 서펜타인 구조를 결합한 새로운 구조의 센서를 설계하였다. 피부에 유연하게 부착하기 위해 모듈도 유연한 회로 기판을 사용하여 구성하였고, 피부 친화적 패치를 사용해 움직임에도 불편함이 없는 다기능 센서 시스템을 개발하였다.

□ 연구하면서 어려웠던 점이나 장애요소는 무엇인지? 어떻게 극복(해결)하였는지?

개발된 센서는 금속(백금과 금)으로 이루어져 있기 때문에 굽힙(bending)이나 당김(strain) 등과 같은 기계적 변형에 의해 손상이 되기 쉽다. 따라서 기계적 안정성을 확보하기 위해 본 연구에서는 레이저커팅기술을 개발하여 신축성을 높였다. 그 결과 cyclic bending test 및 stretching test 후에도 변함없이 정확도 높은 생체신호 측정값을 얻을 수 있었다.

□ 이번 성과, 무엇이 다른가?

기존 센서와 달리 움직임이나 변형에 대한 신호의 영향이 없고, 피부에 부착이 가능하여 정확한 데이터 수집이 가능하기 때문에 헬스케어 뿐만 아니라 장시간 부착하여 응급상황 모니터링용 시스템으로도 적용 가능할 것으로 기대된다. 

□ 꼭 이루고 싶은 목표나 후속 연구계획은? 

현재 개발된 유연 패치 기반의 유연/신축성 스마트 센서 시스템을 통해 추후에는 헬스케어 뿐만 아니라 웨어러블 전자 및 의학 분야, 사물인터넷(IoT) 어플리케이션으로도 다양하게 연구분야를 넓히고자 한다.

...................(계속)

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