'피부에 착붙' 전자패치로 심전도·체온 24시 모니터링, 심근경색·부정맥 초기에 잡는다

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2022. 5. 26.

'피부에 착붙' 전자패치로 심전도·체온 24시 모니터링, 심근경색·부정맥 초기에 잡는다

작성자관리자 작성일자2022-04-18 09:41

 

 

 

‘피부에 착붙’ 전자패치로 심전도·체온 24시 모니터링,

심근경색·부정맥 초기에 잡는다

- 표준연-성균관대, 피부에 부착해 심전도‧체온 실시간 측정하는 전자패치 개발 -

- 부작용 없이 24시간 착용할 수 있어 의료용 웨어러블 기기에 활용 가능 -

 

 

한국표준과학연구원(KRISS, 원장 박현민)과 성균관대학교(총장 신동렬)가 피부에 부착해 생체신호를 측정할 수 있는 의료용 실리콘 전자패치 기술을 개발했다. 

 

이번 기술의 핵심성과는 화학 접착제 없이도 피부 접착력이 우수한 실리콘 전자패치와 탄소나노섬유 기반의 신축성 전극이다. 심전도, 체온 등 생체신호를 24시간 상시 모니터링할 수 있어 의료용 웨어러블 기기 등에 활용할 수 있다.

 

의료용 웨어러블 기기는 인구 고령화와 심혈관질환의 증가, 비대면 원격의료 확대로 수요가 증가하는 추세다. 특히 심근경색, 협심증, 부정맥 등의 심혈관질환은 전조증상을 환자가 인지하지 못해 치료의 골든타임을 놓치는 경우가 많아, 웨어러블 기기 등을 이용해 생체신호를 상시 모니터링하는 것이 중요하다.

 

기존의 전자패치는 신체를 움직이거나 피부에 땀과 유분이 발생하면 접착력이 급격히 떨어져 상시 착용이 어렵다. 이를 보완하기 위해 화학접착제를 사용하는 경우 피부 가려움증, 알러지 등의 부작용이 발생할 수 있다. 생체 전기신호를 전달하기 위해 전도성 소재를 사용하나, 화학적‧열적 내구성이 약해 전기적 성능이 쉽게 저하된다. 

 

공동연구팀은 기존 제품의 문제점을 개선하기 위해 물 속에서도 미끄러지지 않는 물방개 앞발의 미세구조를 모방해 운동이나 샤워 중에도 떨어지지 않을 만큼 피부 접착력이 뛰어난 전자패치 소재를 개발했다. 인체에 무해한 의료용 실리콘으로 제작됐으며 통기성과 배수성이 우수해 장시간 안정적으로 착용할 수 있다. 

 

탄소나노섬유 소재의 신축성 전극은 피부가 접히거나 늘어나도 전기전도성을 잘 유지한다. 기존 전자패치 전극의 약한 내구성을 보완하기 위해, 전도성 소재인 탄소나노섬유를 실리콘 표면에 뿌리박는 새로운 구조를 고안했다. 신체 움직임에 따라 늘어나면서도 패치와 전극이 쉽게 분리되지 않아 신축성, 전도성, 내구성을 동시에 확보했다.

 

공동연구팀은 개발된 패치 소재와 신축성 전극, 온도센서를 결합해 웨어러블 패치를 구현했다. 성능 시연 결과 운동 후 피부에 땀이 흐른 상태에서도 접착력이 안정적으로 유지되었으며 심전도와 체온을 실시간으로 모니터링 가능했다. 

 

이번에 개발한 기술을 적용하면 기존 제품 대비 제작 공정을 단순화하고 비용을 절감할 수 있어 대량생산에도 유리하다.

 

KRISS 김민석 역학표준그룹장은 “기존 의료용 전자패치는 해외 제품이 전부로, 그마저도 성능 면에서 폭넓은 활용이 어려웠다”며 “이번 성과는 원격진료 및 진단에 기여할 수 있어 국내 웨어러블 의료기기 산업에 마중물 역할을 할 것”이라고 전망했다.

 

성균관대학교 방창현 교수는 “후속 연구를 통해 심전도 외에도 맥박, 혈압, 호흡수, 체온 등 4대 생체활성징후 및 산소포화도를 실시간 측정해 종합 진단할 수 있는 웨어러블 센서를 개발할 예정”이라고 밝혔다.

 

KRISS 주요사업 및 한국연구재단 신진연구자 지원사업 등의 지원을 받아 수행한 이번 연구의 성과는 세계적인 학술지 케미컬 엔지니어링 저널(Chemical Engineering Journal, IF: 13.273)에 게재됐으며 어드밴스드 펑셔널 머티리얼즈(Advanced Functional Materials, IF: 18.808) 표지(back cover) 논문으로 선정됐다.

 

붙임1

연구성과 추가 설명

 

 

용어

○ 심전도(Electrocardiography, ECG): 정해진 시간에 심장의 전기적 활동을 해석하는 것. 심전도는 피부에 부착된 전극과 신체 외부의 장비에 의해 기록된다.

 

○ 탄소나노섬유(carbon nanotube, CNT): 원통형 모양의 나노 구조를 지니는 탄소의 동소체이다. 기계적, 전기적 그리고 열적 특성이 매우 우수하며 이로 인해 나노 복합재료 제조 분야에서 기존의 첨가제를 대체할 수 있는 혁신적인 물질로 여겨지고 있다.

 

○ 탄성 고분자(Polydimethylsiloxane; PDMS): 외력(外力)을 가해서 잡아당기면 몇 배나 늘어나고, 외력을 제거하면 원래의 길이로 돌아가는 성질을 가지는 고분자 화합물이다. 실리콘 소재가 이에 해당한다.

 

○ 흡반(Suction Cups): 동물이 다른 동물 또는 다른 물체에 흡착하기 위한 기관. 빨판 · 흡착기라고도 한다.

 

○ 용액기반 제조공정 (Solution process): 유기용매, 고분자 전구체 등의 액체 상태의 사용재료를 사용하여 기판 위에 전자·반도체·기능성 고분자 소재 등을 성형하는 방식을 말한다. 진공 환경에서 금속이나 화합물을 증발시켜 기판의 표면에 박막을 만드는 고가의 진공증착 방식과 달리, 소규모 장비를 이용하는 빠르고 저가형의 공정 방식이다.

 

○ 모세관력: 액체의 표면장력이 나노입자를 더 이상 공기 쪽으로 벗어나지 못하게 붙잡는 힘.

기존 연구와 차별점

기존의 웨어러블 전자패치는 신체 표면의 여러 가혹한 환경(수중 및 습한 표면, 거칠고 굴곡진 피부, 역동적인 신체의 움직임 등)에서 안정적으로 신체 표면에 부착하여 생체신호를 모니터링하기 어려웠다. 특히 이러한 환경을 견디면서도 피부 부작용(붉어짐, 가려움, 알러지 등)을 피하기에는 기술적‧소재적 제약이 존재했다. 또한 기존 전도성 신축 소재들은 화학적·기계적·열적 내구성이 떨어지고, 그에 따라 전기적 성능이 저하되는 한계가 있었다.

본 연구는 수컷 물방개의 앞발의 수중 접착 메커니즘을 수직·수평 양방향에서 규명하고, 이를 모사한 인공 접착 소재를 개발하여, 웨어러블 전자패치 소재의 기존 한계점을 개선했다. 또한 탄소나노섬유를 실리콘 표면에 뿌리박는 신개념의 용액기반 제조공정으로 높은 신축성, 전도성, 내구성 및 발수성을 동시에 갖는 유연 전극 소재를 개발해, 기존 전도성 신축 소재들의 내구성 한계를 극복했다.

연구 에피소드

인체에 부작용이 없으면서도 접착력이 우수한 소재를 개발하기 위해 다양한 동물들의 신체구조에 주목하였다. 연구 초기에는 문어 빨판에서 착안한 소재 개발을 진행하였고, 이후 본 연구성과 달성 시에는 물방개 앞발 구조에서 힌트를 얻었다. 수컷 물방개는 짝짓기를 위하여 암컷 물방개의 등에 장시간 안정적으로 붙어있을 수 있도록 앞발 구조가 진화되어 있다. 수컷 물방개의 앞발에 존재하는 흡반 컵 및 미세주름의 수중 점착 메커니즘을 규명하고, 이를 구조적으로 모사하여 수중 및 역동적인 환경에서 안정적인 접착력과 우수한 통기성 그리고 땀 배수성을 갖는 인공 접착 소재를 개발하였다.

활용

분야

1. 웨어러블 디바이스의 기초 요소인 우수한 내구성의 신축성 전극 기술 확보

의료기기, 웨어러블 디바이스, 반도체, 디스플레이, 모바일 등의 산업 분야에 있어 기초 요소가 되는 우수한 내구성의 신축성 전극 제조 기술을 확보함으로써 해당 산업의 기술적‧산업적 도약에 기여

 

2. 습윤/역동적인 환경에서 피부 점착 성능 문제 해결

 피부 부작용(붉어짐, 가려움, 알러지 등) 없이 습윤하거나 역동적인 피부에 접착이 가능한 새로운 개념의 인터페이스 시스템을 제안하여, 추후 웨어러블 디바이스, 생체 외부 및 내부의 의료용 진단/치료 디바이스 기술과 융합해 다양한 응용 가능 

 

3. 대면적 탄소나노복합소재 미세구조 제작 공정 기술 확보

본 연구가 개발한 탄소나노섬유를 탄성 고분자(Polydimethylsiloxane; PDMS) 표면에 뿌리박는 새로운 방식의 용액기반 제조공정은, 반도체 제작 공정과 같이 고가의 복잡한 진공 공정과 다르게 저가형의 대면적/대용량 생산이 가능

관련 사업

○ KRISS 주요사업(역학측정표준기술 고도화)

○ 과학기술정보통신부 한국연구재단 신진연구자 지원사업(체액포집 및 청정접착이 가능한 하이브리드 미세흡착 구조를 통한 비칩습형 글루코스 패치센서 개발) 등

논문 정보

게재성과 1

- 저널: 케미컬 엔지니어링 저널(Chemical Engineering Journal, IF: 13.273)

- 논문명: Enhanced biocompatibility and multidirectional wet adhesion of insect-like synergistic wrinkled pillars with microcavities

- 주소: https://doi.org/10.1016/j.cej.2021.132467

 

게재성과 2: 표지(back cover)논문으로 선정

- 저널: 어드밴스드 펑셔널 머티리얼즈(Advanced Functional Materials, IF: 18.808)

- 논문명: Tough Carbon Nanotube-Implanted Bioinspired Three-Dimensional Electrical Adhesive for Isotropically Stretchable Water-Repellent Bioelectronics

- 주소: https://doi.org/10.1002/adfm.202107285

연구 이미지

(1)

 

▲ 수컷 물방개의 앞발 구조를 모사한 생체친화 피부접착 패치 개념도 

이미지

설명

(1)

수컷 물방개 앞발을 현미경으로 관찰하면 기둥형 흡반 컵 구조와 미세주름을 볼 수 있다. 이를 모사하여 수직‧수평 방향에서 접착 메커니즘을 규명하고 수학적으로 분석해 새로운 모델을 제시했다. 삼차원 미세 표면구조는 높은 통기성과 수분배수 및 모세관력을 보여주어, 피부 부착 시 최소화된 자극으로 안정적으로 접착된다.

연구 이미지

(2)

 

▲ 탄소나노복합소재의 제작 공정 개념도 및 이의 전기적/내구적 성능

이미지

설명

(2)

피부부착형 전자패치의 제작 모식도이다. 탄소나노섬유를 패치 소재의 주름진 표면에 스프레이 코팅하고, 그 위에 액상의 고분자 전구체를 바른 생체모사 흡반 컵을 접촉하고 굳힘으로써 탄소나노섬유가 고분자 표면에 전사된 형식의 탄소나노복합소재 접착패치를 제작하였다. 그림B와 같이 단면을 확대하면 탄소나노섬유의 뿌리가 고분자 실리콘에 박혀있는 모습을 볼 수 있다. 해당 소재로 실험 결과 신축 시 높은 전기적 특성과 내구성을 보였다.

연구 이미지

(3)

 

▲ 물방개 모사 접착패치의 발수, 신축 및 접착 성능 개요도

이미지

설명

(3)

물방개 앞발 구조를 모사한 전도성 패치의 피부 접착력과 외부의 인장에 의한 전도성 건조‧습윤 환경에서 시뮬레이션하였다. 미세주름 구조는 평평한 구조에 비해 외부 인장에 대한 소재 변화율이 적어 내구성 면에서 유리함을 보였다.

또한 초소수성 표면 성질로 접착과정에서 피부표면에 존재하는 수분을 배수하는 능력이 확인되었으며 습윤 피부에서 패치의 강한 접착력으로 피부를 끌어 올리는 모습을 확인하였다.

연구 이미지

(4)

 

▲ 젖은 피부에 부착하여 심전도 및 온도 측정이 가능한 신축성 전자패치

이미지

설명

(4)

신축성 전자패치는 운동 전후 및 운동 중에도 피부에 지속적으로 안정감 있게 부착되며, 피부에 부착한 채로 운동을 실시할 시 체온과 심전도 변화를 전기적 신호를 통해 실시간으로 모니터링할 수 있다. 본 연구에서 개발한 패치를 신체에 부착 후, 32℃의 온도에서 가벼운 운동을 실시하며 심전도(P, QR, S, T 신호) 모니터링을 실시하였다.

 

 

※ 연구 이미지 및 설명: 표준연 김민석 박사, 성균관대학교 방창현 교수 Copyright 2022, Elsevier

 

붙임2

사진 자료

 

 

 

▲ 어드밴스드 펑셔널 머티리얼즈(Advanced Functional Materials) 학술지 표지논문으로 선정 (back cover)

 

 

▲ 탄소나노섬유 전극이 삽입돼 신축성이 뛰어난 실리콘 전자패치

 

 

▲ 공동연구팀이 실리콘 전자패치의 피부 부착을 시연하고 있다

 

 

 

 

 

▲ KRISS-성균관대 공동연구팀

(좌측부터 김다완 KRISS 객원연구원, 전승환 성균관대 석박통합과정생, 김민석 KRISS 책임연구원, 황귀원 성균관대 석박통합과정생, 민형호 KRISS 학생연구원, 김진형 성균관대 석박통합과정생)

 

붙임3

김민석 역학표준그룹장 프로필

 

1. 인적사항

 ○ 성 명 : 김 민 석

 ○ 소 속 : 한국표준과학연구원 물리표준본부 역학표준그룹

 ○ 직 급 / 직 위 : 책임연구원 / 그룹장

 

 

 

 

 

2. 경력사항

 ○ 2002 – 2012, 한국표준과학연구원 선임연구원  

 ○ 2005 – 현재 한국연합과학기술대학원 교수

 ○ 2008 – 2009, 미국국립표준기술원 방문연구원

 ○ 2011 – 2013, 지식경제부 지정 중력가속도 데이터센터 센터장

 ○ 2012 – 현재 한국표준과학연구원 책임연구원

 ○ 2021 – 현재 한국표준과학연구원 역학표준그룹 그룹장

 

3. 학회활동

 ○ 한국정밀공학회 정회원, 논문편집위원

 

4. 전문 분야 정보

 ○ 힘, 토크 측정표준, 촉각센서, 웨어러블 센서

 

5. 발표논문 및 특허

 ○ “MoS2-Based Tactile Sensor for Electronic Skin Applications” Adv. Mater. 2016. 4. 등 SCI급 다수

 ○ "생체모방 다중감각 피부센서" 등 국내외 특허 다수

 

 

 

붙임4

방창현 교수 프로필

 

1. 인적사항

 ○ 성 명 : 방 창 현

 ○ 소 속 : 성균관대학교 화학공학과

 

 

 

 

 

2. 경력사항

 ○ 2005~2006 : 삼성전자 연구원 

 ○ 2012~2013 : 서울대학교 정밀공동설계연구소박사, 박사 후 연구과정

 ○ 2013~2014 : 스탠포드 대학교, 박사 후 연구과정 

 ○ 2014~2020 : 성균관대학교 화학공학과 및 나노기술학과 조교수 

 ○ 2015~현재 : 성균관대학교 삼성융합의과학원, 겸임교수

 ○ 2020~현재 : 성균관대학교 화학공학과, 부교수 

 ○ 2021~현재 : 한국차세대과학한림원 회원

 

3. 학회활동

 ○ 한국고분자학회 종신회원, 한국바이오칩학회 임원

 

4. 전문 분야 정보

 ○ 표면 및 계면 공학, 생체모사 소재, 반도체 나노공정, 의료용 소자 및 소재 

 

5. 발표논문 및 특허

 ○ "A wet-tolerant adhesive patch inspired by protuberances in suction of octopi", Nature, 2017. 6. 등 SCI급 다수 

 ○ "점착성 패치" 등 국내외 특허 다수