김혁 교수 서울시립대 전자전기컴퓨터공학과

"차세대 웨어러블 헬스케어 기술 만들겠습니다"

이는 최근 마찰과 찢어짐에도 10초 내 원래대로 복구되는 전자피부를 개발한 서울시립대 전자전기컴퓨터공학과 김혁 교수의 목표다.

김 교수는 최근 외부 자극 없이 10초 이내에 80% 이상의 기능을 복구할 수 있는 초고속 자가 치유 전자피부를 개발하고 이를 통해 실시간 생체 신호 모니터링이나 AI 기반 근육 피로 평가 기술을 구현할 수 있음을 확인했다.

전자피부는 웨어러블 헬스 케어, 개인 맞춤형 의료, 정밀 의학과 같은 다양한 분야에서 혁신적인 기술로 주목받고 있다.

특히, 실시간 생체 신호 모니터링을 통해 피로, 근육 상태, 심박수 등을 비침습적으로 감지할 수 있어 헬스 케어 분야에서 활용도가 높다.

최근 연구들은 이러한 전자 피부를 보다 유연하고 신축성 있게 만드는 데 초점을 맞추고 있으며 다양한 생체 신호를 감지하는 기능을 추가하려는 시도가 이루어지고 있다.

현재까지 개발된 전자피부는 반복적인 기계적 손상(스크래치, 절단 등)에 취약하여 장기간 안정적인 신호측정이 어렵다는 한계가 있다.

특히 기존 자가 치유형 전자피부의 경우 손상 후 기능을 복구하는데 시간이 오래 걸리거나 외부 자극(열, 빛 등)이 필요해 실생활 적용이 어려웠다.

또 1분 이내(기존 세계 최고 수준의 전자피부는 손상 후 60초 내에 80% 회복)에 기능을 복구할 수 있는 전자피부는 보고된 사례가 거의 없으며 이 상용화의 큰 걸림돌이 되고 있다.

이같은 상황이 김 교수가 이번 연구를 하게끔 만들었다.

김 교수는 "전자 피부(E-skin)는 웨어러블 의료 기기, 인체 모니터링, 로봇 인터페이스 등 다양한 분야에서 활용 가능성이 높은 기술이지만 기존 전자 피부는 기계적 손상 시 복구가 어렵고 자가 치유 속도가 느리며 외부 자극(열, 빛 등)이 필요한 한계가 있었다"고 말했다.

이어 "이러한 문제를 해결하고자 상온에서 빠르게 자가 치유가 가능한 전자피부를 개발하고 이를 통해 웨어러블 기술의 실용성과 안정성을 높이고자 연구를 시작하게 됐다"며 "특히 실생활에서 반복적인 손상에도 자가 치유가 가능한 소재 개발이 필요하다고 판단해 연구를 진행하게 됐다"고 덧붙였다.

이 교수에 따르면 이 연구는 자가 치유 기능을 극대화하고 극한 환경에서도 안정적으로 작동하는 전자피부를 개발하는 것을 목표로 진행됐다.

먼저 열가소성 폴리우레탄(TPU)에  bis(4-hydroxyphenyl) -disulfide를 도입하여 외부 자극 없이 상온에서 재결합이 가능한 이황화 결합을 형성했고 비대칭 고리 구조를 가진 디이소시아네이트(IPDI)를 첨가해 TPU의 체인 이동성을 증가시켜 자가 치유 속도를 향상시켰다.

이후 개발된 전자피부의 자가 치유 속도와 능력을 평가한 결과 손상 후 10초 이내에 80% 이상의 기능을 회복하는 성능을 확인했으며 고온, 저온, 수중, 고습, 저습과 같은 극한 환경에서도 자가 치유가 가능함을 검증했다.

또 전자피부를 활용해 인체의 움직임, 근전도(EMG), 심전도(ECG) 등의 생체 신호를 측정했고 절단 후 자가 치유된 상태에서도 신호의 안정성이 유지됨을 확인했다.

마지막으로 전자피부에서 수집된 생체 신호를 딥러닝 기반 빅데이터 해석 모델과 결합하여 실시간으로 근육 피로도를 모니터링할 수 있는 시스템을 구축했다.

해당 시스템은 95% 이상의 정확도로 피로도를 분석하는 성과를 얻었으며 이를 통해 자가 치유 기능과 실시간 생체 신호 분석 기능을 모두 갖춘 고성능 전자 피부를 개발하는 데 성공했다.

하지만 이 연구가 항상 순조롭지만은 않았다.

김 교수에 따르면 연구 과정에서 가장 어려웠던 점은 상온에서 높은 자가 치유 특성을 가지면서도 인간 피부와 유사한 약 100 kPa의 영률을 만족하는 셀프힐링 폴리머를 제작하는 것이었다.

자가 치유 성능을 극대화하려면 분자들의 이동성이 높아야 하지만 이는 소재의 기계적 강도를 저하시킬 수 있어 피부와 유사한 영률을 동시에 만족하기가 쉽지 않았다.

이러한 문제를 해결하기 위해 이황화 결합을 형성할 수 있는 bis(4-hydroxyphenyl) disulfide와 체인 이동성을 조절할 수 있는 디이소시아네이트(IPDI)의 합성 비율을 계속해서 반복적으로 조절하며 최적의 조건을 찾는 데 집중했다.

최적화된 조건 수많은 합성 실험과 기계적 특성 평가를 통해 최종적으로 자가 치유 능력과 영률을 동시에 만족하는 최적의 합성 비율을 도출해 상온에서도 빠르고 안정적으로 자가 치유가 가능한 전자피부를 개발할 수 있었다.

이번에 개발된 전자 피부는 세계 최초로 10초 이내에 자가 회복이 가능한 전자피부로 기존 연구에서 요구되었던 외부 자극(열, 빛 등) 없이도 상온에서 빠르게 자가 치유가 가능한 점이 가장 큰 차별점이다.

인간 피부와 유사한 약 100 kPa의 영률을 유지하면서도 높은 자가 치유 성능을 확보해 실용성과 내구성을 동시에 충족시켰다.

특히, 고온, 저온, 수중, 고습, 저습 등 극한 환경에서도 안정적인 자가 치유가 가능함을 실험적으로 입증했으며 절단 후 자가 치유된 상태에서도 근전도(EMG)와 심전도(ECG) 등 생체 신호가 안정적으로 측정됐다.

또 개발된 전자피부는 딥러닝 기반 빅데이터 해석 모델과 결합되어 실시간으로 근육 피로도를 정확도 95% 이상으로 분석할 수 있어 기존 전자 피부와는 차별화된 실용적 기능과 상용화 가능성을 입증했다.

개발된 전자피부는 웨어러블 헬스케어, 스포츠, 의료, 산업 분야 등에서 활용될 수 있다.

스마트 패치나 웨어러블 기기에 적용해 근전도(EMG), 심전도(ECG) 등 생체 신호를 실시간으로 감지하고 운동선수나 재활 환자의 피로도와 건강 상태를 모니터링하는 데 활용될 수 있다.

또 산업 현장에서는 근로자의 피로도를 실시간으로 모니터링해 사고를 예방하고 로봇이나 인체-기계 인터페이스에도 적용 가능할 것으로 기대된다.

김 교수의 목표는 차세대 웨어러블 헬스케어 기술을 만드는 것이다.

그는 "현재 연구에서는 초고속 자가 회복이 가능한 전자피부를 개발하고 이를 통해 생체 신호, 심전도(ECG), 근전도(EMG)를 안정적으로 측정했으며 측정된 근전도 데이터를 활용해 근육 피로도를 예측하는 모델을 구축했다"며 "향후에는 이러한 연구에 그치지 않고, 개발된 전자 피부를 활용해 근육뿐만 아니라 심전도, 뇌파(EEG), 피부 온도, 혈당, 산소 포화도(SpO2) 등 다양한 생체 신호를 측정하고, 이를 기반으로 예측과 피드백이 가능한 모델을 개발하고자 한다"고 말했다.