광운대 박재영교수팀, 탄소나노섬유 기반 전자타투 센서 개발

중앙일보

입력 2022.02.28 10:59

광운대 박재영교수 연구팀(전자공학과)은 전기전도성, 기계적 강도, 기체 투과성이 우수한 유연 탄소나노섬유를 개발하는데 성공하였다. 본 연구팀은 개발한 탄소나노섬유를 이용하여 피부에 무해하고 통기성이 우수하며, 재사용이 가능한 전자타투 센서를 개발하여 시연하였다. 기존 센서에 비해 성능과 안정성이 탁월해 스마트의료/헬스케어, 스포츠, 지능형로봇, 전기자동차, 국방산업 등에 핵심기술로 폭넓게 활용될 것으로 기대된다.

현재 상용 은/염화은(Ag/AgCl) 습식(Wet) 또는 겔 전극기반 센서는 전해질의 액체 휘발 및 피부 자극으로 인해 장시간 연속 생체전위 모니터링시에 신호 저하, 피부 자극 및 임피던스 불안정성과 같은 문제가 발생한다. 이러한 문제를 해결하기 위하여 피부 친화적인 건식(Dry) 전극 기반 센서개발 연구가 최근에 많이 이루어지고 있다. 건식 전극은 크게 건식 접촉 전극과 건식 용량성(비접촉) 전극으로 분류할 수 있다. 건식 용량성 전극은 신체 움직임에 따라서 센서 성능의 변화가 크기 때문에 접촉식 전극 연구가 훨씬 더 많이 이루어지고 있다. 하지만, 금(Au), 백금(Pt), 이리듐(Ir) 및 은/염화은과 같은 건식 접촉 전극은 소재와 제작공정 비용이 높고, 낮은 전극-조직 인터페이스 임피던스를 달성하는데 한계가 있다. 또한 이러한 금속기반 접촉 전극들은 제한된 가스 투과성을 가지고 있어 땀샘을 차단하고 땀 증발을 억제하여 발진, 염증성 피부를 야기시킨다.

이러한 문제점들을 해결하기 위하여 본 연구팀은 불소 중합체인 폴리 (1,1-디플루오로에틸렌) (PDFE)에 멕신(Ti3C2Tx-MXene)을 혼합한 후 전기방사기술 이용하여 나노섬유를 제작하고, 탈불화수소화 공정과 레이저를 주사하여 전기 전도성과 기계적 강도가 월등히 우수한 육각형 흑연구조의 탄소나노섬유를 개발하였다. 또한 이를 이용하여 얇고 유연하며, 기체 투과성이 우수하고, 재사용 가능한 생체전위 감지 전자타투(e-tattoo) 센서를 성공적으로 개발하였다. 본 연구팀이 개발한 탄소나노섬유는 우수한 전도성(시트 저항 = 4Ω sq-1), 500회 굽힘/해제 주기(10% 굽힘 범위에서) 이상의 안정성, 통기성/가스 투과성(?14 mg cm?2 h?1), 낮은 전극 피부 임피던스(10Hz에서 23.59kΩ cm2) 및 저잡음 생체 전위 신호(신호 대 잡음 비, SNR = 41dB)를 나타냈다. 본 연구팀이 개발한 소재와 전자타투는 지금까지 보고된 생체전위 전극소재와 센서 보다 성능과 신뢰성에서 우수하였고, 심전도(ECG), 근전도(EMG) 및 뇌파도(EEG)를 포함한 다양한 생체 전기 신호를 실시간 연속모니터링을 성공적으로 시연하였다.

이번 연구는 정부(과학기술정보통신부)의 재원으로 한국연구재단 바이오의료기술사업(2017M3A9F1031270) 과 한국산업기술평가관리원 산업기술혁신사업 (20000773, 비혈액기반 대사증후군 모니터링용 패치형 나노멀티센서 혁신기술 개발)의 지원을 받아 수행되었고, 연구 결과는 세계 최고의 기능성 소재 및 소자 전문 저널인 와일리 (WILEY) 출판의 어드밴스드 펑셔널 머트리얼즈 (Advanced Functional Materials, IF: 18.81)에 표지논문으로 게재되었다.

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