(대전=세종충청뉴스) 송윤영 기자 = KAIST(총장 이광형)는 바이오및뇌공학과 조영호 교수 연구팀이 피부에서 발생하는 땀을 실시간으로 투과시키며 피부와의 접촉면적을 획기적으로 개선한 다공성 헤어셀 구조의 맥파※ 센서를 개발했다고 17일 밝혔다.
※ 맥파: 심장이 박동할 때 발생하는 파동을 말한다.
헤어셀 구조란 피부의 섬모와 같이 다공성 표면 위에 여러 개의 섬모가 형성돼있는 구조를 말한다.
새로 개발된 다공성 헤어셀 구조의 맥파 센서 기술은 맥파 외 피부 온도, 피부 전도도 등 타 생체신호 센서들의 결합을 통해, 인간의 정신건강 상태를 상시 장기적으로 판별하는 연구에 적용하고 있다.
KAIST 바이오및뇌공학과 석민호 박사과정의 주도로 개발한 이번 연구는 국제 학술지 `나노스케일 어드벤시스(Nanoscale Advances)' 7월 27일 字 온라인판에 게재됐다. 논문명: A Porous PDMS Pulsewave Sensor with Haircell Structures for Water Vapor Transmission Rate and Signal-to-Noise Ratio Enhancement)
기존 폴리머 기반 맥파 센서는 땀 투과도가 피부의 하루 평균 땀 발생량 (432g/m2) 보다 낮아 장기간 부착 시 접촉성 피부염, 가려움 등의 피부 문제를 일으키는 단점이 있으며, 피부에 안정적으로 접촉할 수 있는 면적이 낮아 맥파 신호의 정확도가 떨어지는 문제를 지닌다.
조영호 교수 연구팀은 문제 해결을 위해, 폴리디메틸실록산(PDMS) 고분자 내에 구연산을 결정화 후 에탄올로 녹여 작고 균일한 공극을 형성함으로써 맥파 센서의 땀 투과도를 높였으며, 이러한 다공성 고분자 표면에 헤어셀 구조를 형성해 피부와의 접촉면적을 획기적으로 넓혀 맥파 센서의 측정 정확도를 개선한 다공성 헤어셀 구조의 맥파 센서를 제작했다.
본 다공성 헤어셀 구조의 맥파 센서의 땀 투과도는 하루 486g/m2을 보여 피부의 하루 평균 땀 발생량보다 많고, 기존 기술 대비 72% 증가함을 보였다. 또한 피부에 장기간 부착 시에도 피부 트러블이 발생하지 않음을 7일간의 연속 부착 실험을 통해 입증했다. 측정 정확도(≈신호대잡음비※)는 22.89를 보여, 기존 기술 대비 측정 정확도를 약 9배 높였다.
※ 신호대잡음비: 잡음의 크기 대비 맥파 신호의 크기 정도를 말한다.
조영호 교수는 "이번 연구를 통해 피부 트러블 없이 인간의 건강 상태를 상시 모니터링할 수 있는 웨어러블 센서를 개발했고 인공피부로서의 상시 사용성 역시 확립했다ˮ고 말했다.
한편, 이번 연구는 알키미스트 프로젝트 사업의 지원을 통해 수행됐다.
□ 연구개요
배경
본 연구는 피부부착형 맥파센서의 땀 투과도와 측정 정확도를 높이기 위하여 균일한 공극과 헤어셀 구조를 지닌 다공성 헤어셀 구조의 맥파센서를 제작하였다. 기존 폴리머 기반 맥파센서는 땀 투과도(382g/day/m2)가 피부의 일 평균 땀 배출량(432g/m2) 보다 낮아 장기간 부착 시 발진과 가려움 등의 피부 트러블을 일으킬 수 있는 문제를 지니고, 피부에 안정적으로 부착될 수 있는 접촉면적이 낮아 맥파 신호의 측정 정확도(신호대잡음비 = 2.67)가 낮은 문제를 지닌다. 이에 본 연구에서는 PDMS 폴리머 내에 구연산 입자를 결정화하고 이를 에탄올로 녹여 작고 균일한 공극을 형성함으로써 센서의 땀 투과도를 향상시켰으며, 다공성 PDMS 폴리머 표면에 헤어셀 구조를 형성하여 피부와 센서 간 접촉면적을 넓혀 맥파 측정의 정확도를 획기적으로 증가시켰다.
2. 연구 내용
본 연구에서는 땀 투과도와 맥파 측정 정확도를 향상시키기 위하여 다공성 PDMS의 최적 제작 조건과 헤어셀 구조의 최적 치수를 선정하였다. 다공성 PDMS의 최적 제작 조건을 찾기 위해 구연산과 PDMS의 질량비를 0.5:1, 1:1, 1.5:1, 2:1로 다르게 설정해 형성되는 공극 크기와 공극률의 균일도를 비교했다. 그 결과, 구연산과 PDMS 질량비 0.5:1일 때 공극 크기와 공극률의 균일도가 가장 높아 질량비 0.5:1을 최적 제작 조건을 선정했다.
헤어셀 구조의 최적 치수의 경우, 헤어셀 지름은 다공성 PDMS의 평균 공극 크기(21um)를 고려하여 30um로 선정했고, 헤어셀 높이는 인간 피부의 평균 거칠기(27um)와 헤어셀에 좌굴이 발생하는 높이(120um)를 고려하여 0, 50, 100um 높이 중 피부와의 접촉면적이 가장 큰 100um를 최적 헤어셀 높이로 선정했다.
헤어셀 사이 간격은 헤어셀에 좌굴이 일어났을 때 기울어진 길이(90um)를 고려하여 90um로 선정하였다. 제작된 다공성 헤어셀 구조 맥파센서의 땀 투과도는 486g/day/m2, 측정 정확도(≈신호대잡음비)는 22.89를 보여 기존 폴리머 기반 맥파센서 대비 땀 투과도는 72% 향상시켰고, 측정 정확도는 약 9배 향상시켰다. 또한 피부의 하루 평균 땀 발생량(432g/m2) 이상의 땀 배출이 가능하여 장기간 부착 시에도 피부에 저자극임을 7일간의 연속 부착 실험을 통해 실험적으로 입증했다.
3. 기대 효과
본 다공성 헤어셀 구조의 맥파센서 기술은 기존 피부 접촉센서의 장기 사용에 의한 피부 문제와 측정 정확성 문제를 해결함으로써 인간의 건강 상태에 관한 생체신호 모니터링을 위한 웨어러블 센서의 상시 장기 사용성을 확립했으며, 맥파 신호 외 피부 온도, 피부 전도도 등 타 생체신호 센서들을 결합하여 인간의 신체건강 상태뿐만 아니라 정신건강 상태를 생체신호를 통해 판별하는 웨어러블 센서 개발에 적용이 가능하다.
