△ 신개념 웨어러블 의료기기 기술이 잇따라 개발되고 있다.

국내에서 차세대 웨어러블 의료기기 기술들이 잇따라 개발, 상용화가 기대되고 있다.

31일 학계 등에 따르면 국내 연구진들은 최근 초민감 전자피부용 압력센서, 고무처럼 유연하지만 자동차 하중 견디는 인공근육, 배터리 없이도 동작하는 고감도 압력센서 등을 개발했다.

대구경북과학기술원(DGIST) 에너지공학과 이윤구 교수팀은 최근 전북대 기계공학과 임재혁 교수팀과 함께 인간의 뇌에서 신호를 주고받는 방식을 본떠 만든 압력 센서를 개발했다.

이 기술은 AI기반 디지털 헬스케어 기기와 같은 미래형 기기에 적용될 수 있으며 투명성과 물리적인 유연성까지 갖추어 투명디스플레이나 웨어러블 기기 등 다양한 분야에서 활용될 수 있을 것으로 기대된다.

연구팀은 인간의 뇌에서 신호를 주고받는 방식을 본떠 만든 압력센서를 개발했다.

뇌는 뉴런과 아교세포가 협력해 복잡하고 빠르게 신호를 전달한다.

연구팀은 이 구조를 본떠 나노입자들로 이루어진 네트워크를 만들어 작은 압력에도 민감하게 반응하는 압력센서를 설계했다.

이번에 개발된 압력센서는 아주 민감할 뿐 아니라 투명하고 유연하다. 

심박수와 손가락 움직임 같은 작은 변화는 물론, 물방울의 압력까지도 감지할 수 있다.

또 1만번 이상 사용해도 안정적으로 작동하며 뜨거운 환경이나 습기가 많은 환경에서도 성능이 떨어지지 않는다.

연구팀은 센서 구동에 대한 기초적인 메커니즘 연구를 지속해 향후 인간의 피부를 모사한 인공 촉각 센서의 개발과 투명디스플레이의 상용화를 위한 기술개발로 확장할 수 있을 것으로 내다봤다.

울산과학기술원(UNIST) 기계공학과 정훈의 교수팀은 최근 형상 기억 고분자에 강자성 입자를 결합, 자유자재로 강성을 변화시킬 수 있는 인공근육을 개발했다.

연구팀은 가변 강성 소재인 형상 기억 고분자(외부 자극에 의해 특정한 형태로 변형된 후 자극이 사라지면 원래 형태로 돌아오는 특성을 갖는 고분자)에 스스로 자화 상태를 유지할 수 있는 강자성 입자를 결합, 하중 지지력과 신축성을 크게 높인 소프트 인공근육을 개발했다.

개발한 인공근육은 부드러운 상태에서는 8배 이상 늘어나고, 딱딱한 상태에서는 자기 무게의 3690배에 달하는 자동차 하중도 견딜 수 있다.

고무처럼 말랑말랑한 상태에서 단단한 상태까지 강성 변화율이 최대 2700배에 이른다고 연구팀은 설명했다.

마이크로 로봇, 생체의료 기기, 웨어러블 기기 등에 활용할 수 있을 것으로 기대된다.

연구팀은 기존 인공근육의 한계를 극복한 우수한 기계적 특성과 구동 성능을 바탕으로 다양한 분야에서 혁신적인 응용이 가능하고 다중 자극 방식인 레이저 가열과 자기장 제어를 통해 신장, 수축, 굽힘, 비틀림과 같은 기본적인 동작부터 물건을 집어 원하는 위치에 놓는 복잡한 동작까지 원격으로 구현할 수 있을 것이라고 기대했다.

광운대학교 전자공학과 박재영 교수팀은 최근 높은 전기 음성도를 갖는 바나듐멕신(V2CTX-MXene)이 기능화된 불소고분자 복합 나노섬유 소재, 통기성을 갖는 고성능의 마찰전기 나노발전기, 배터리 없이도 인체활동 및 자세를 실시간 모니터링 할 수 있는 웨어러블 무전원 센서를 성공적으로 개발했다.

연구팀은 전기방사 기술을 사용해 높은 전기 음성도와 안정성, 유연성을가진 'V2CTX폴리(비닐리덴-플루오라이드-코-헥사플루오로프로필렌)' 복합 나노섬유 매트를 성공적으로 개발했고 이를 이용해 마찰 전기 나노발전기의 성능을 크게 향상시켰다.

바나듐 멕신 표면의 풍부한 작용기(-F, -O 및-OH)를 활용해 전기 음성도를 높였고 폴리머 매트릭스에 마이크로 커패시터 네트워크를 형성해 전자 포획용량과 함께 유전 특성을 향상 시켰으며, 전하 손실은 크게 감소시켰다.

전기 양성도를 갖는 폴리에틸렌옥사이드(PEO) 나노섬유 매트와 결합해 제작된 마찰 전기 나노발전기는 18.2W/m2의 높은 전력밀도를 나타냈으며 이는 순수한 PVDF-HFP 나노섬유 기반 나노발전기보다 3.5배 더 높은 성능이다.

나노섬유 메트를 이용해 제작된 나노발전기는 통기성이 뛰어나서착용성과 안정성이 우수하며 다양한 인체 활동으로부터 수확된 에너지는 스톱워치나 온습도계와 같은 상업용 전자기기 구동에 필요한 전기를 충분히 공급했다.

또 25.17 VkPa-1(1~42kPa)의 높은 민감도를 가진 무전원 웨어러블 압력센서로 활용해 걷기, 달리기, 점프, 앉기 및 자전거 타기 등 다양한 인체활동 및 자세의 실시간 모니터링에 성공적으로 시연했다.

연구팀은 나노발전기 기반의 무전원 센서가 전자피부, 로봇, 휴먼-머신 인터페이스, 다양한 웨어러블 의료 및 헬스케어 기기 등에 폭넓게 활용 및 응용될 것으로 기대했다.

강찬우 기자ehealth@e-healthnews.com