마이크로 섬유 형태의 웨어러블 땀센서 개발
마이크로 섬유 형태의 웨어러블 땀센서 개발
  • 함예솔
  • 승인 2018.11.26 13:40
  • 조회수 296
  • 댓글 0
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한 가닥의 섬유처럼 생긴 웨어러블 땀센서가 개발돼 탈수 여부를 실시간 측정할 수 있게 됐습니다. 광주과학기술원 윤명한 교수와 경기대학교 주상현 교수 공동연구팀은 전기가 흐르는 단일 가닥의 고분자 섬유를 기반으로 웨어러블 땀센서를 개발했다고 합니다. 이는 향후 섬유 기반의 생체이식형 전자소자에 활용될 수 있을 전망입니다. 

 

실시간 땀 이온 농도 측정해 물 먹을 시간 알려주나? 출처: fotolia
실시간 땀 이온 농도 측정해 물 먹을 시간 알려주나? 출처: fotolia

땀의 이온 농도를 실시간 측정하는 웨어러블 땀센서는 여름철 폭염일수와 온열 질환이 급증하면서 더욱 주목받고 있습니다. 특히 노인과 어린이, 야외 노동자와 같은 폭염 취약계층은 탈수에 대한 민감도가 낮으므로 기기를 이용한 실시간 점검과 주의가 필요합니다. 하지만 기존 센서에 포함된 반도체 소자는 얇은 막 형태여서 늘어날 수 있는 웨어러블 형태로 구현이 어려웠습니다. 또한, 박막의 규격에 따라 성능이 변화해 정확성이 낮다는 점 때문에 상용화에 어려움이 있었습니다.

 

연구팀은 2차원 박막 형태에서 벗어나 1차원 섬유 가닥 형태의 전기화학 트랜지스터를 개발했고, 이를 기반으로 사용 편리성이 극대화된 땀센서를 제작했습니다. 직물에 센서 한 가닥을 삽입하는 간단한 제작 방식으로 생산성도 향상됐습니다. 사용된 고분자 물질의 특성으로 인해 장기간 물속에서도 안정적으로 구동되며 높은 생체 적합성을 가집니다. 

 

피부 위에서 구동하는 웨어러블 땀센서 사진. 출처: 한국연구재단
피부 위에서 구동하는 웨어러블 땀센서 사진. 출처: 한국연구재단

특히 개발된 센서는 95% 이상의 높은 재현성과 정확성을 보입니다. 반도체의 규격에 상관없이 이온 농도를 정확히 측정하는 기법을 적용한 덕분입니다. 이 방법에서는 이온 농도 변화와 측정 전류의 변화비가 비례한다는 점을 이용했습니다. 측정전류비 변화비란 측정하고자 하는 용액에서의 측정된 전류값과 기존농도에서의 전류값 사이의 변화비율입니다. 이를 통해 반도체 규격에 영향을 받는 요소들을 모두 상쇄시킬 수 있습니다.

 

웨어러블 땀센서의 모식도와 실시간 이온 농도 측정 결과. 출처: 한국연구재단
웨어러블 땀센서의 모식도와 실시간 이온 농도 측정 결과. 출처: 한국연구재단

윤명한 교수는 "수계 전도성고분자의 응용성을 기존 2차원 박막소자에서 단일 섬유형태의 소자까지 확장시키는 새로운 패러다임을 제시했다"라며 "가까운 미래에 신개념 섬유 기반 이식형 생체 전자소자의 출현을 앞당길 것으로 기대한다"고 연구 의의를 밝혔습니다.

 

물 속 안정성, 생체 적합성을 지닌 웨어러블 땀센서. 출처:한국연구재단
물 속 안정성, 생체 적합성을 지닌 웨어러블 땀센서. 출처:한국연구재단

수계전도성고분자(PEDOT:PSS)는 최근 유연전자소재 및 생체전자소재로 크게 각광받고 있는데요. 물 속에서 안정성과 생체적합성이 낮아 생체전자소자로의 응용에 제한이 있었습니다. 하지만 이 연구에서 수계 전도성고분자의 용매상 고결정성 유도를 통해 섬유를 제작함으로써 높은 전기·이온 전도성, 가교제 없는 장기간 물속 안정성 및 높은 생체적합성을 구현했습니다.

 

따라서 이번 연구에서 개발한 땀센서는 직물에 단순히 센서 한가닥만 산입해 센서를 구현할 수 있어, 섬유형 웨어러블 전자기기의 빠른 상용화에 기여할 것으로 예상됩니다.  이 연구는 네이처 자매지인 국제학술지 <NPG 아시아 머티리얼즈(NPG Asia Materials)>에 게재됐습니다.


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