몸에 직접 붙이는 생체정보 센서 개발 성공

 

[그림 1] 생체 적합성이 우수하며 점착성이 있는 빛으로 형성할 수 있는 신형 겔 

 

[그림 2] 신형시트형 센서

[그림 3] 인간의 손가락에 부착된 변형 센서

 

일본 과학기술진흥기구(JST) 전략적 창조연구추진사업의 일환으로 추진된 연구에서 도쿄대학 연구진은 점착성 겔을 이용하여, 습포와 같이 몸에 붙이는 것 만으로 생체정보를 계측할 수 있는 시트형 센서 제작에 성공하였다.

 

빅데이터나 사물인터넷(Internet of Things: IoT) 등 정보통신기술의 급격한 발전에 따라 실공간에서 여러 가지 정보를 계측하는 새로운 센싱기술의 중요성이 증가하고 있다. 특히, 인간의 생체정보를 계측하는 기술의 연구개발이 활발하게 진행되고 있다. 그 결과 손목시계형 웨어러블 디바이스 등 장착하는 것만으로 일상에서의 맥박을 간단하게 계측할 수 있는 생체정보계측시스템이 개발되는 등 관련 기술이 빠르게 개발되고 있다.

 

인간의 운동이나 생체정보를 높은 정밀도로 전자적 계측하기 위해서는, 센서나 전자회로를 계측대상에 가까이 할 필요가 있다.

 

특히 센서를 측정대상에 직접 접촉시키는 것으로 계측의 신뢰성을 개선할 수 있다. 하지만 종래 일렉트로닉스에서는 실리콘을 중심으로 단단한 전자소재를 만들었으며, 단단한 전자부품을 생체에 직접 접착하는 경우 장착 시 위화감 등의 문제가 있었다. 또한 단단한 센서는 생체의 다이나믹한 운동과 같은 간섭의 영향도 있다.

 

이에 고분자 필름이나 고무시트와 같은 유연한 소재 위에 전자부품을 형성하는 기술에 관한 연구가 활발하게 진행되고 있다. 예를 들어 유기 트랜지스터라고 부르는 유연한 전자 스위치가 두께 1마이크로미터의 고분자 필름 위에 형성되어 구부림 반경 10마이크로미터까지 구부려도 깨지지 않는 디바이스가 개발되었다. 이러한 유연성이 있는 전자회로를 생체에 직접 접착하기 위해서는, 생체와 직접 접착하는 표면에 대한 연구가 더욱 필요하다.

 

구체적으로는 표면에서 생체와의 친화성이 좋고, 유연함을 특징으로 가지는 소재가 필요하며, 습한 생체조직 상에서도 미끄러지지 않고 안정적으로 유지할 수 있는 기술이 필요하다.

 

이러한 배경 하에서 연구진은 습포와 같은 몸에 접착하는 것 만으로 생체계측을 할 수 있는 시트형 전자회로의 제작에 성공하였다. 이 전자회로는 인간의 피부와 랫트의 심장의 표면에 집적 접착하여 뒤틀림과 같은 생리량이나 심전과 같은 생리전기신호를 계측 가능하는 것이 밝혀졌다. 또한 시트형 전자회로의 표면에 점착성이 있어, 접촉하고 있는 표면이 역동적으로 움직이더라도 전자회로가 몸의 표면에서 떨어지지 않는다.

 

이번 연구에서 연구진은 두께 1.4 마이크로미터의 매우 얇은 폴리 에칠렌 테레프탈레이트(PET)라는 고분자 필름에 고성능 유기 트랜지스터의 집적회로를 제작하여 생체에 직접 접촉하는 전극부분만 점착성이 있는 겔을 형성하였다. ([그림 1], [그림 2a]) 제작한 집적회로는 4.8 x 4.8 평방센치미터의 면적에 144 (12x12)개의 센서를 4밀리미터 간격으로 배열하였다.

 

겔이 부착된 전극은 생체와 직접 접촉하여 생체에서 전기신호를 계측하는 센서로 기능한다. 이 집적회로는 대상물이 역동적으로 움직이더라도 부서지지 않는다. 예를 들어 팽창하고 있는 고무풍선과 같이 표면이 늘어나 100% 압축 뒤틀림을 보이는 실험에서도 전기 성능이 손실되지 않는다는 것을 확인하였다. ([그림 2]b)

 

개발에 있어 결정적인 기술은 생체 접합성이 우수한 소재뿐만 아니라 접착성있고 빛으로 형성할 수 있는 겔을 만드는 것에 성공한 것이다. ([그림 1]) 이 신형 겔 소재는 폴리로텍신(polyrotaxane)이라고 불리는 slide-ring gel 중에서 폴리비닐알코올(Polyvinyl alcohol, PVA)을 균일하게 분산되어 형성되었다. 빛에서 여러 가지 형태를 형성할 수 있기 때문에 격자 상태에서 배열한 센서의 전극부분만 이 신형 겔을 형성할 수 있었다.

 

([그림 2a]) 또한 신형겔은 점착성이 있기 때문에 습한 생체조직과 좋은 접촉을 유지할 수 있었다. 종래의 수법에서는 생체조직이 움직이면 생체 표면과 접촉하고 있는 전극의 위치가 움직이게 되어 떨어지거나 하는 문제가 있었다. 이 신형 겔의 개발에 따라, 이러한 종래의 문제를 해결할 수 있었다.

 

이번에 제작한 디바이스는 유기 디바이스와 점착성 겔의 우수한 유연성을 이용하여 랫의 심장의 표면에 붙이면 3시간 이상에 걸쳐 양호한 수준의 접촉을 유지할 수 있다. 그 결과 질 좋은 신호로 심장계측을 하는 것이 가능하다. 또한 PVA는 녹아 점착성이 사라지기 때문에 계측 후에 디바이스는 심장에 부담을 주지 않고, 간단히 떼어낼 수 있다. 이와 같은 설계방법을 이용하여 인간의 피부에 부착하는 변형 센서를 제작하였다. 이 센서는 인간의 피부에 직접 부착하는 것으로 손가락의 움직임과 같은 생체의 역동적인 움직임을 계측하는 것이 가능하다. ([그림 3])

 

연구진은 2013년 두께 1마이크로미터급의 고분자 필름 위에 유기 트랜지스터를 제작하여 터치센서나 근전계측센서를 응용하는 것에 성공하였다. 그 연구를 발전시킨 이번 연구에 의해 세계 최초로 빛으로 형성할 수 있는 점착성 겔의 개발에 성공하게 되면서, 두께 1마이크로미터의 센서를 활용하여 대상물의 역동적인 움직임에서도 생체정보를 안정적으로 장시간에 걸쳐 계측할 수 있게 되었다.

 

본 연구에서 개발된 디바이스는 생체에 직접 접착할 수 있기 때문에 생체의 역동적인 운동 정보를 추적할 수 있는 다점 계측 센서가 실현됨에 따라 헬스케어, 스포츠, 의료 및 복지 등 다방면에서 응용이 기대된다.종래의 웨어러블 일렉트로닉스는 손목시계나 안경과 같은 몸에 가까이 하는 아이템에 전자회로를 도입하여 물건의 스마트화를 추진하였다. 하지만 본 연구에 따라 습포나 반창고와 같의 몸에 직접 붙이는 전자부품을 도입하는 것이 가능하게 되었다.

 

그 결과 센서 시스템을 몸에 부착하여 일상적으로 생활하면서 24시간 스트레스 없이 생체정보를 계측하는 기술에 응용할 수 있을 것으로 기대된다.또한 본 연구에 의해 습포와 같은 센서는 동물실험의 단계에 있긴하지만, 피부뿐만 아니라 심장과 같은 체내의 조직에도 부착할 수 있다는 것을 확인하였다. 향후 체내생식형 전자시스템에 응용되어 전자 디바이스의 응용범위가 보다 넓어질 것으로 기대된다.

 

본 연구는 2014년 12월 19일 ‘Nature Communications’에 게재된 논문 “A strain-absorbing design for tissue–machine interfaces using a tunable adhesive gel”을 통해 공개되었다.

http://mirian.kisti.re.kr/futuremonitor/view.jsp?cn=GTB2014120468&service_code=03

KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑

 

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