박재영 교수(전자공학과) 연구팀, 호흡부터 인체활동까지 연속모니터링하는 통기성 센서 패치 개발

 

- 호흡, 맥박, 인체활동 등 연속모니터링 하는 나노다공성 탄소소재 기반 통기성 센서 개발 -

- 디지털 의료/헬스케어, 로봇, 스포츠, 피트니스, 게임 등에 핵심기술로 활용 기대 -

- 국제 저명 학술지 엘시비어 출판의 케미컬엔지니어링저널 (IF:15.1)에 논문 게재 -

  모교 박재영 교수 연구팀(전자공학과)은 호흡 및 맥박과 같은 인체의 생리신호 뿐만 아니라 관절운동과 같은 인체활동을 실시간 연속 모니터링할 수 있는 고성능의 인장센서 패치를 성공적으로 개발했다. 초고감도와 높은 기계적 신뢰성, 그리고 신축성을 확보하여 웨어러블 의료 및 헬스케어, 게임, 스포츠, 로봇 등에 실용화 가능성을 높였으며, 통기성 확보를 통해 피부 센서 인터페이스에서 열 발산과 땀 증발이 쉽게 이루어지도록 하였다.  

박재영 교수(좌)와 가간 박사과정(우)

  최근 저항형 혹은 용량형 압력 혹은 인장센서를 유연기판에 집적화하여 다양한 생체신호 정보의 측정 및 모니터링을 통한 웨어러블 디지털 의료 및 헬스케어 사물인터넷 (IoT) 응용 연구가 활발하게 진행되고 있다. 그러나 이러한 센서들은 호흡과 같은 미세한 인체 움직임부터 인체활동까지 동시에 측정하는데 한계가 있고, 신축성이 낮고 통기성이 없어 장시간 사용 시 성능의 열화 및 데이터의 정확성 확보에 한계가 있었다. 본 연구팀은 하이브리드 다공성 탄소 (Hybrid Porous Carbon, HPC) 소재와 공기 투과성을 갖는 다공성 스티렌-에틸렌-부틸렌-스티렌(SEBS) 스트레쳐블 기판을 이용해서 성능이 우수한 저항형 인장센서를 개발했다. 하이브리드 금속 유기골격체, ZIF-8@ZIF-67로부터 얻어진 코어-쉘 구조의 나노다공성 탄소는 코발트가 풍부한 ZIF-67의 전도도와 ZIF-8의 높은 표면적 및 질소 함량을 통합함으로써 우수한 전기적 특성과 향상된 기계적 안정성을 확보하였다. 인장 센서의 저항 특성 변화는 구조적 변형, 터널링 저항, 미세균열 전파를 포함한 다양한 현상에 기인한다. HPC는 센서에 적용된 응력과 릴리스 시에 레이저 유도 그래핀 플레이크가 전기적으로 연결된 상태를 유지해 준다. 침투 임계값에 가까운 HPC 필러 함량에서 전도도는 주로 터널링 효과로 인해 발생한다. 터널링 효과란 전자가 나노카본 입자 사이의 절연 갭을 통과하여 필러 간격에 따라 전도도가 기하급수적으로 증가하는 효과를 말한다. 레이저 유도 그래핀(HPC@LEG)에 최적화된 하이브리드 나노다공성 탄소는 측정 범위와 성능 면에서 순수 LEG 센서보다 뛰어난 감도를 나타냈다. 순수 LEG 그래핀 센서는 게이지 계수(Gauge Factor, GF)가 각각 7.3과 2,492인 두 개의 선형 영역(0~12% 및 12~16%)을 나타냈다. 이와 대조적으로 HPC 강화 LEG는 3개의 선형 감도 영역, 즉 0？10%, 10？16%, 16？20%를 보였으며, GF는 3,703, 129,251, 575,542를 나타냈다. 낮은 변형률 수준에서 이러한 매끄러운 선형 반응은 선형 균열 형성에 기인하는 반면, 중간 변형률은 다공성 네트워크에 약간의 파열을 일으켜 눈에 띄는 저항 변화를 초래했다. 또한, 개발된 센서는 적절한 방열 및 땀 방출 특성을 갖추었기 때문에 센서의 성능 편차 및 피부 염증을 일으킬 수 있는 국부적 가열을 피하는 데 효과적이였다. 센서의 소수성 특성은 다양한 온도 조건에서도 최대 70% 습도까지 안정적이고 최소한의 신호 변화를 보장하여 다양한 환경에서 신뢰할 수 있는 성능을 나타냈다. 소수성과 공기 투과성의 조합은 다공성 SEBS를 다양한 웨어러블 애플리케이션을 위한 고감도 HPC@LEG 전극과 함께 이상적인 스트레쳐블 기판으로 활용하는데 매우 효과적이다. 본 연구팀은 개발된 센서를 활용하여 관절 운동, 동맥 진동 및 호흡 패턴을 실시간 연속적으로 모니터링하는 데 성공적으로 시연하였으며, 피트니스 추적, 재활 장치 및 디지털 의료 시스템 등에 폭넓게 활용될 것으로 기대된다.  

호흡과 같은 미세한 생체 신호부터 인체활동까지 모니터링 할 수 있는 하이브리드 나노다공성 탄소-다층 그래핀 기반 통기성을 갖는 초고감도 압저항 변형 센서

  이번 연구는 정부(과학기술정보통신부)의 재원으로 한국연구재단 중견연구자 지원(RS-2024-00351167) 및 한국산업기술진흥원의 산업기술혁신사업 (RS-2022-00154983, 저전력 센서와 구동을 위한 자립형전원 센서 플랫폼 개발)의 지원으로 수행되었고, 연구 결과는 화학공학분야 최고 수준의 세계적 학술지인 엘시비어(Elsevier) 출판의 케미컬엔지니어링저널(Chemical Engineering Journal, IF: 15.1)'에 논문이 게재되었다. https://doi.org/10.1016/j.cej.2024.158933   출처 : 광운대학교 최신연구성과 (kw.ac.kr)