박재영 교수팀, 체온, 심전도, 맥박 동시 모니터링 멀티센서 패치 개발

- 다양한 생체신호를 실시간 모니터링 가능한 유연/스트레쳐블 멀티센서 패치 개발 -

- 웨어러블 의료/헬스케어, 스포츠, 로봇, 메타버스, 자동차, 국방 산업 등에 활용 기대 -

- 네이처(Nature) 출판의 국제 저명 학술지 npj플렉시블 일렉트로닉스에 논문 게재 -

본교 전자공학과 박재영 교수팀은 체온, 심전도, 맥박, 호흡, 음성 등 다양한 생체신호를 동시에 측정 및 실시간 연속모니터링할 수 있는 나노복합소재 기반 유연/스트레쳐블 멀티센서 패치 개발에 성공했다.

여러 종류의 생체신호를 실시간 모니터링할 수 있는 센서 연구가 최근에 많이 이루어지고 있지만, 하나의 유연센서로 서로 간섭없이 동시 측정가능한 기술은 개발되지 못했다. 맥박, 호흡, 음성 등을 측정할 수 있는 유연 인장센서의 경우, 나노 입자 등의 0차원 소재를 기반으로 제작된 센서는 나노 입자가 변형 시 서로 분리되는 특성 때문에 측정범위가 좁고, 나노 와이어와 나노 튜브 등의 1차원 소재를 이용한 유연 인장센서는 상대적으로 측정범위가 넓지만 서로 엉키기 쉽고 큰 변형에도 민감도가 낮은 문제점이 있었다. 또한, 금속 박막을 이용한 유연 심전도 센서의 경우, 피부와의 접촉 저항 임피던스가 작지만 늘어나지 않기 때문에 피부 변형과 신체 움직임으로 인해 높은 잡음 (노이즈)을 갖는 생체 전위 신호를 나타냈다.

본 연구팀은 2차원 소재인 MXene 시트와 3,4-에틸렌다이옥시티오펜(EDOT)에 자가조립기술을 적용하여 고성능의 MXene@EDOT 나노복합소재를 개발하는데 성공하였다. 레이저 유도 그래핀 (LIG) 전극 소재를 유연/스트레쳐블한 SEBS 기판에 전사한 후 MXene@EDOT 소재를 다공성 그래핀 전극표면 위에 전기영동 증착법으로 균일하게 증착하여 센서를 제작하였다. 유연 체온, 심전도, 인장 센서를 같은 공정으로 제작한 후 열 압축 본딩기술을 이용하여 적층 및 패키징 함으로써 하나의 유연/스트레쳐블 센서로 제작하였다. 각각의 센서가 얇은 SEBS 기판으로 분리되었기 때문에 여러 종류의 생체신호를 서로 간섭없이 동시에 검출 및 실시간 모니터링 할 수 있는 장점이 있다. 2차원 나노 소재인 멕신시트는 변형 (스트레인)이 가해지면 균열이 발생하여 전도 경로의 저항이 순간적으로 증가하여 인장 센서의 민감도를 크게 증가시킨다. 또한, 종횡비가 높은 EDOT 체인은 브릿지 소재로 사용되어 인장 범위를 크게 넓혀준다. 본 연구팀이 개발한 SEBS/LIG/MXene@EDOT 센서는 초박형, 고탄력의 특성 때문에 사람 피부에 부착이 잘 되고, 피부 접촉 임피던스가 낮아서 높은 신호대 잡음비(SNR)의 심전도 신호를 나타내고, 고 탄력성 때문에 신체 움직임에도 방해 받지 않고 안정된 특성을 나타내었다.

본 연구팀이 개발한 유연/스트레쳐블 멀티센서 패치는 0% 부터 28% 까지의 넓은 측정 인장 범위에서 2075의 초고민감도와 0.33s의 빠른 응답 시간을 나타냈고, 안정적인 온도저항계수 (TCR, (0.52% K-1))를 지녀 우수한 온도센서 특성을 나타냈다. 또한 낮은 피부 접촉 임피던스 (10Hz에서 51.08 k)를 갖기 때문에 우수한 심전도 신호를 나타냈다. 20,000회 이상의 연속 반복 실험에서도 성능이 저하되지 않는 뛰어난 내구성을 갖기 때문에 웨어러블 스마트 의료/헬스케어, 스포츠, 로봇, 가전, 드론, 메타버스, 자동차, 국방산업 등에 핵심기술로 폭넓게 활용될 것으로 기대된다.

한편, 이번 연구는 한국 웨어러블 스마트 기기의 산업 융합을 위한 HRD 프로그램 (No.P0002397,)과 산업통상자원부 나노융합산업핵심기술개발사업(20000773)의 지원을 받아 수행되었고, 연구 성과는 네이처 (Nature) 출판의 국제 저명 학술지 npj 플렉서블 일렉트로닉스(npj Flexible Electronics, IF: 13.02, JCR: 1.09%)에 게재되었다.

https://www.nature.com/articles/s41528-022-00140-4

https://www.nature.com/npjflexelectron/