KAIST 기계공학과 박인규 교수 연구팀에서 생체 신호 및 신체 압력 모니터링에 활용가능한 액체 금속 기반의 웨어러블 유연 압력 센서를 개발했습니다. 이 기술을 이용하면 맥박, 혈압 등 다양한 생체 신호를 연속적으로 모니터링할 수 있다고 하는데요. 욕창과 같이 압력으로 인해 발생하는 여러 질병 예방에 활용될 전망입니다. 해당 연구 논문은 <Advanced Healthcare Materials>에 게재됐습니다.
유연하고 민감한 센서
최근 헬스케어에 대한 관심이 커짐에 따라 웨어러블 유연 센서 개발이 활발히 진행되고 있습니다. 기능성 소재를 기반으로 다양한 고감도의 유연 센서가 많이 개발되고 있는데요. 하지만 기존의 고체 소재 기반 센서는 웨어러블 디바이스로 활용되기에는 신축성, 신호 반복성 및 안정성 측면에서 한계를 보입니다.
이러한 점을 보완하기 위해 현재 액체 소재 기반 유연 센서가 다양하게 개발되고 있습니다. 액체 전극 중에서도 특히 갈린스탄(Galinstan)과 같은 액체 금속은 신축성에 제한이 없습니다. 또한 무독성, 높은 전기 전도도, 전기ㆍ기계적 안정성 등의 특징을 가졌죠. 덕분에 신축성 소자 및 웨어러블 디바이스 요소로써 활용도가 매우 높습니다. 하지만 기존의 액체 금속 기반 유연 압력 센서는 안정적이지만 매우 감도가 낮습니다. 때문에 맥박이나 신체 압력 모니터링과 같은 수 kPa 수준의 작은 범위의 압력 측정에 활용하기 어려웠습니다.
이번 연구에서는 다중물질 3D 프린팅 기술을 활용해 단단한 마이크로 범프 구조물을 액체 금속 채널에 배치해 작은 압력에도 신호 변화가 크게 나타날 수 있도록 했습니다. 이러한 구조를 통해 마이크로 범프가 없는 일반 액체 금속기반 압력 센서보다 6배 이상의 높은 감도를 얻었습니다. 뿐만 아니라 고체 기반 유연 압력 센서 수준의 감도를 얻을 수 있었습니다.
웨어러블 디바이스로 활용한다
개발된 유연 압력 센서는 1만 회 이상의 인장, 굽힘 등 다양한 물리 변형에도 안정적인 신호 회복을 보였습니다. 또한 다양한 환경 요인(온도, 습도)에도 안정적인 감지 성능을 보여 웨어러블 디바이스로써 활용될 수 있는 큰 가능성을 보였죠. 연구팀은 이러한 성능을 바탕으로 평상시와 운동 시의 맥박, 혈압을 측정하여 그 변화를 연속적으로 감지해 건강 상태를 모니터링할 수 있음을 확인했습니다.
연구팀은 센서가 부착된 양말과 무선 통신 시스템을 구축했습니다. 연구팀은 이를 통해 누워있는 사람의 다양한 자세 변화 도중 나타나는 신체 압력 및 그 변화를 원격으로 모니터링할 수 있었다고 합니다.
박인규 교수는 "개발한 고감도 및 고신뢰성 액체 금속기반 유연 압력 센서를 통해 다양한 생체 건강 정보를 연속적으로 수집할 수 있었다"며 "이를 이용하여 다양한 헬스 케어ㆍ헬스 모니터링 어플리케이션, 특히 욕창과 같이 압력으로 인해 나타나는 다양한 질병 관리 및 예방 분야에 활용될 수 있을 것으로 기대된다"고 말했습니다.
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