△ 웨어러블 의료기기 기술들이 개발되고 있다.

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

21일 학계 등에 따르면 국내 연구진들은 최근 땀 속 포도당 농도 측정 초박막형 센서, 생체 신호 모니터링 가능 고감도 전자 피부, 초민감 전자피부용 압력센서 등을 개발했다.

한국과학기술연구원(KIST) 센서시스템연구센터 이원령 선임연구원, 양자기술연구단 한재훈 선임연구원, 생체재료연구센터 전호정 센터장팀은 최근 두께 4마이크로미터(㎛, 100만분의 1m) 초박막 기판 위에 인간 건강 상태와 관련한 다양한 바이오마커를 빛의 세기로 관찰할 수 있는 기술을 구현했다.

건강 모니터링을 위해 개발되는 웨어러블(착용형) 센서는 두께가 얇을수록 부착이 쉽고 잘 휘어지지만 실제로는 무선 통신 시스템 등이 필요해 두께가 1㎜ 이상 두꺼워지는 문제가 있어 활용이 어려웠다.

이에 연구팀은 바이오마커 농도에 따라 변하는 트랜지스터 전류가 마이크로 발광다이오드(μLED) 밝기를 조절하는 방식으로 포도당이나 젖산, pH 등 생체 신호를 통신회로 없이 빛의 세기로 전달할 수 있는 시스템을 개발했다.

이 장치를 신축성 배터리 회로와 결합해 땀 속에 존재하는 포도당을 확인하고 생체 신호의 농도를 LED를 촬영한 근적외선 영상으로 정량화하는 데도 성공했다.

이 장치는 빛의 세기만으로 생화학 신호를 증폭하고 전송하는 방법을 제시해 초박막형 센서 기술 발전에 기여할 것으로 연구팀은 기대했다.

연구팀은 새 무선 모니터링 시스템의 초박막형 생화학센서 디바이스 구현을 통해 환자들에게 디바이스의 착용 위화감이 없이 정밀한 건강 모니터링을 장기간 제공할 수 있으며 당뇨병 등 대사 질환 환자들의 삶의 질을 향상하는 데 기여할 수 있을 것으로 기대했다.

아주대학교 전자공학과·지능형반도체공학과 박성준 교수팀은 최근 광주과학기술원(GIST) 신소재공학부 윤명한 교수팀과 함께 수직 형태의 채널구조를 갖는 초유연·초저전압 전자피부를 개발했다.

전자 피부는 인간의 피부에 부착해 심박수, 체온 등 생체신호를 감지하고 다양한 정보를 수집할 수 있는 전자장치이다.

통상 전자 피부 제작에는 미세한 이온 변화를 전기 신호로 변환할 수 있는 유기 전기화학 트랜지스터(전기 스위치와 전압 증폭 작용을 하는 반도체 소자)가 활발하게 활용돼왔다.

현재까지 개발된 전자 피부 형태의 유기 전기화학 트랜지스터는 피부에 부착된 상태에서 인간이 움직일 때마다 내부 소자의 형태가 변형돼 감도 높은 생체 신호 측정이 어렵다는 한계가 있었다.

연구팀은 유기 전기화학 트랜지스터가 양옆에 전극이 배치된 평면 구조로 이뤄져 있다는 점에서 한계가 비롯된다고 보고 전극이 위아래로 배치된 수직 구조를 취하기로 결정했다.

이번에 개발된 유기 전기화학 트랜지스터는 전류가 흐르는 채널의 길이가 500㎚ 미만이며 움직임이 발생할 경우 소자가 받는 힘을 분산하기 위해 원형 형태로 설계됐다.

연구팀은 해당 유기 전기화학 트랜지스터를 1㎛ 두께의 고분자 기반 기판 위에 설치해, 머리카락 두께의 100분의 1 수준인 2㎛ 두께로 이뤄진 초박형 센서를 제작했다.

새롭게 개발된 기기의 신호 증폭률은 400㎳로 종전 방식으로 제작된 기기에 비해 10배 이상 높으며 구동 안정성 또한 30배 이상 향상됐다고 연구팀은 설명했다.

연구팀은 아주 낮은 전압으로도 높은 감도로 생체 신호를 측정할 수 있는 비침습적 모니터링 기술을 개발했다는 점에서 의의가 있으며 추후 다양한 기능을 갖춘 초소형·초박형 웨어러블 기기를 구현하는 데에도 도움이 될 것으로 내다봤다.

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.

압력 센서는 작은 변화나 힘을 감지해 신호로 변환하는 장치로 스마트폰, 헬스케어 기기 등에서 터치, 심박수, 근육 움직임을 감지하는 데 사용되고 있다.

특히 압력 센서 기반의 전자피부는 인간의 피부처럼 미세한 압력을 감지해 웨어러블 디바이스, 의료 모니터링 기기, 로봇의 감각 시스템 등 다양한 분야에 활용된다.

전자피부를 더 실용적으로 사용하려면 단순히 압력을 감지하는 것에서 나아가 더 민감하게 반응하고 투명성과 유연성을 함께 갖추어야 한다. 이를 위해 성능을 높이기 위한 연구가 활발히 진행되고 있다.

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 기대했다.

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• 강찬우 기자
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