국내 연구진이 미국과의 공동 기술 개발로 사람의 심혈관 상태까지 감지가 가능한 소자를 개발했다. 이는 환자의 상태를 감지하는 의료 목적뿐 아니라 더 나아가 IT나 로봇기술로의 응용도 가능해질 것으로 보여 귀추가 주목된다. 특히 이 소자는 단순한 형태와 경제성까지 갖춘 것으로 알려져 더욱 기대를 모으고 있다.'
목이나 손목 등에 부착해 응급한 심혈관 상태를 감지할 수 있는 반창고 형태의 소자가 개발됐다. 국내 연구진이 미국 연구진과 공동 개발한 이 소자는 곤충의 더듬이나 소장의 융털 같은 미세 섬모구조를 모사한 것으로, 그동안 고성능 음파측정 장비로만 잡아낼 수 있었던 미세맥파까지 측정이 가능한 기술이다.
연구진은 “기존 고가의 삽입형 진단장비와는 달리 손목이나 목 부위에 반창고처럼 붙이는 방식으로 불편함을 줄이고 비용을 낮춰 사전 심혈관 질환자 모니터링에 활용이 가능하다”며 기술의 우수성을 전했다.
성균관대 화학공학부 방창현 교수와 미국 스탠포드대학 제난 바오(Zhenan Bao) 교수가 주도한 이번 연구는 미래창조과학부가 추진하는 기초연구사업 등의 지원으로 수행됐으며, 연구결과는 재료과학 분야 국제학술지 Advanced Materials 2014년 10월 30일자 온라인 판에 게재되기도 했다(논문명 : Highly Skin-Conformal Microhairy Sensor for Pulse Signal Amplification).
피부부착형 소자를 이용한 노동맥파 측정
연구 배경
연구를 통해 구현한 웨어러블 디바이스는 단어 그대로 ‘착용하는 전자기기’를 뜻한다. 옷이나 피부에 부착하여 사용자 신체의 가장 가까운 위치에서 사용자와 소통할 수 있는 전자기기인 셈이다. 이러한 웨어러블 디바이스의 장점은 주변 환경에 대한 상세 정보나 사용자의 신체 변화를 끊이지 않고 실시간으로 수집할 수 있다는 것이다. 예를 들어 스마트 안경의 경우 눈에 보이는 주변의 모든 정보의 기록이 가능하며 스마트 속옷은 체온, 심장박동과 같은 생체신호를 꾸준히 수집할 수 있다.
최근 피부에 부착 가능한 형태의 웨어러블 디바이스는 응급하고 치명적인 질병을 진단하는 체내 비삽입형(Non-invasive) 의료기기의 개념을 제시하며 주목을 끌고 있다. 이러한 맥락에서 이번 연구의 배경에는 피부부착소자와 인체의 피부와의 긴밀한 접촉이 큰 이슈로 작용했다.
자연을 모사한 미세 섬모가 있는 반창고 형태의 피부부착형 소자를 이용한 경정맥파
측정 모식도(위)와 정상인 및 심장질환 환자의 측정 데이터(아래)
연구 내용
본 연구는 피부의 부착 가능한 웨어러블 디바이스의 개념을 한 단계 발전시키기 위해 마이크로 섬모 구조를 도입해 인체의 피부와 긴밀한 접촉을 유도함으로써 다양한 맥파들에 대한 생체신호 증폭을 구현했다.
본 소자는 반창고 같은 기판 위에 금속(Au)이 증착된 박막의 필름 및 저가의 고분자층들을 결합해 힘을 측정할 수 있는 커패시턴스(Capacitance) 센서층과, 센서층 위에 곤충의 더듬이 및 소장의 융털 같은 자연을 모사한 섬모 구조로 이뤄져있다.
이때 섬모 구조는 부드러운 생체 친화적 재료(Polydimethyl Siloxane)로 제작되어 착용감을 높이고, 생체 신호를 증폭하는데 있어 효과적인 최적의 미세 섬모의 구조 및 재료적 특징을 표방한다. 이러한 반창고와 같은 섬모구조의 소자는 무선송수신기와 연결해 생체정보를 무선으로 개인용 노트북 및 스마트 시스템에 전송할 수 있다.
실제 실험에서 이 섬모구조를 소자와 피부 계면에 도입해 손목의 노동맥(RAP)을 측정한 결과, 커패시턴스(Capacitance)신호의 S/N 비율(Signal to Ratio)이 최대 12배까지 증폭됐다. 뿐만 아니라 소자는 복합한 굴곡을 가진 피부표면에 접촉면적을 넓히고 인체의 생체신호를 증폭함으로써 상대적으로 측정이 어려운 경동맥파(JVP)의 압력 및 독특한 파형을 최초로 측정하는데도 성공했다.
이를 통해 이제는 트랜지스터 기반의 고감도의 센서를 제작할 필요 없이 간단한 구조의 커패시턴스 변화를 관찰해 소자의 구현이 가능해졌으며, 무선 장치와 인터페이스 소프트웨어와 결합을 통해 착용가능하고 이동 가능한 심혈관 질환 진단의 신개념을 제시하였다.
기대 효과
연구팀은 이번 성과에 대해 “웨어러블 디바이스의 계면과 복잡한 굴곡을 갖는 사람 피부와의 접촉을 향상하고 생체 신호 검출의 문제점을 해결할 수 있는 돌파구를 제시할 것으로 판단된다”며 앞으로의 활용 가능성 대해 높은 기대감을 전했다. 또한 “자연을 모사한 설계로 마이크로 구조물의 기능과 인체 피부에 대한 학문적 이해를 극대화하고, 구조물을 이용해 피부 접촉성을 개선한 센서의 제조에 대한 이론 및 제조 공정을 확립할 수 있다”는 말로 향후 이어질 연구에 대한 방향을 밝히기도 했다.
특히 이번 연구는 공학접 접근에 기반해 의학적 응용을 실현한 대표적인 성과로 심혈관 질환의 병리학적 진단 기술을 개선할 수 있는 밑거름이 될 것으로 기대를 모으고 있다. 또한 연구를 통해 탄생한 초감응 및 초저가 유연 소자의 개발은 산업의 제조 및 응용 기술뿐만 아니라 조직공학 및 의료 진단 분야의 상시 모니터링이 가능한 모바일 헬스 케어 시스템의 발전에도 새로운 방향을 제시할 전망이다.
방 교수는 “기존의 스마트 웨어러블 소자를 경제적인 비용과 비교적 간단한 형태로 제작하여 위급한 심혈관 질환에 대응할 수 있으며 향후 맥파, 호흡 및 활동 등의 생체의 물리적인 신호를 이용하는 신개념 로봇 및 IT 기술, 감성 공학 등 다양한 분야에 활용될 수 있을 것으로 기대 된다”고 전했다.
(a) 자연을 모사한 미세 섬모가 있는
반창고 형태의 피부부착형 소자 모식도
(b) 혈관힘 측정을 위한 피부 접촉 계
면의 모식도
(C) 자연을 모사한 다양한 섬모들의 전
자현미경 이미지
방창현 교수
前 삼성전자 연구원
前 서울대학교 정밀공동설계연구소 Postdoc Fellow
前 Stanford University Postdoc Fellow
現 성균관대학교 화학공학부, 조교수
미래창조과학부 www.msip.go.kr
