[학생 인터뷰] 석민호 박사과정 학생, 숨 쉬는 웨어러블 맥파 센서 개발

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다공성 헤어셀 구조의 맥파센서

: (a) 맥파센서 상단면 현미경 사진; (b) 헤어셀 높이별(0um, 50um, 100um) 전자현미경 사진

이번 학생 인터뷰에서는 2021년 7월 27일 나노스케일 어드벤시스 (Nanoscale Advances)에 게재된 피부 부착형 맥파 센서에 대한 인터뷰를 진행하였습니다.

안녕하세요, 바쁘실 텐데 인터뷰에 참여해 주셔서 감사합니다. 개발하신 다공성 헤어셀 구조의 맥파 센서에 대해 몇 가지 질문을 드리겠습니다.

Q1. 자기소개 간단히 부탁드립니다.

안녕하세요. 현재 카이스트 바이오 및 뇌공학과 조영호 교수님 연구실(나노감응시스템 연구실)에서 박사과정 중인 석민호입니다.

Q2. 개발하신 다공성 헤어셀 구조의 맥파 센서에 대해 설명해 주실 수 있나요?

개발된 다공성 헤어셀 구조의 맥파 센서는 센서의 수분투과도와 맥파 신호 측정의 정확도를 향상시킨 센서입니다. 기존의 폴리머 기반 맥파 센서는 수분을 투과시킬 수 있는 양이 피부의 하루 평균 땀 배출량 (432 g/m2) 보다 낮아 장기간 부착 시 피부 발진, 가려움 및 따가움 등을 유발할 수 있으며, 센서가 피부에 안정적으로 접촉될 수 있는 면적이 적어 피부를 통해 측정할 수 있는 맥파 신호의 정확도가 떨어지는 문제가 발생합니다. 이에 본 연구팀은 수분투과도 향상을 위해, 폴리머에 구연산을 첨가한 후 온도 조절을 통해 석출한 구연산을 에탄올로 녹여내어 폴리머 내부에 작고 균일한 공극을 형성한 다공성 고발습성 폴리머 박막을 개발하고, 그 위에 맥파 센서를 집적하여 하루 평균 땀 배출량 이상의 수분투과도를 가지도록 했습니다. 또한 맥파 신호 감지의 정확성 향상을 위해, 피부와 맞닿는 다공성 고발습성 폴리머 박막 표면에 균일하고 유연한 헤어셀 구조를 형성하여 피부와 접촉하는 면적을 넓혀 맥파 신호와 잡음의 비를 획기적으로 개선하였습니다.

본 헤어셀 구조의 맥파 센서의 수분투과도는 486g/day/m2으로 기존 기술 대비 72% 증가하였으며, 신호대잡음비는 22.89를 보여 맥파 신호의 측정 정확도를 기존 기술 대비 약 9배 향상시켰고, 본 맥파 센서를 피부에 7일 간 부착하여도 피부 트러블이 발생하지 않음을 실험적으로 입증하였습니다.

Q3. 맥파 센서 개발의 중요성에 대해 설명 부탁드립니다.

최근 피부부착형 웨어러블 센서에 관한 연구가 활발히 진행되고 있지만, 대부분 피부에 부착하여 생체신호를 측정할 수 있는 고성능 센서 개발에 집중되어 있고 실제 상시 장기간 착용 시 피부 트러블 발생 유무에 관한 현실적인 문제 해결이나 적용 가능성 확립에 관한 연구는 미흡한 상태입니다. 이에 본 맥파 센서의 개발은 피부부착 시 땀 투과도를 피부 땀 배출량 보다 향상하여 상시 장기간 착용 시 발생하는 피부 트러블을 줄여 피부부착형 웨어러블 센서의 현실적인 문제를 해결하고 실 적용성을 확립한 점에서 중요성이 있습니다.

Q4. 땀 배출에 용이하고 정확도가 높은 피부 부착형 센서이기 때문에 다양한 활용이 가능할 것으로 보입니다. 어떤 곳에서 유용하게 쓰일 수 있을까요?

개발된 헤어셀 구조의 맥파 센서는 피부 온도, 전도도 등 인간의 감정과 연관이 있는 생체신호를 측정할 수 있는 센서들과 함께 제작할 수 있어, 피부에 나타나는 생체신호를 측정하여 인간의 신체적 건강뿐만 아니라 정신적 건강 상태를 상시 장기적으로 모니터링하는 웨어러블 센서 분야에 활용될 수 있습니다.

Q5. 연구를 진행하면서 까다로웠거나 힘들었던 부분이 있으셨나요? 있으셨다면 어떻게 해결하셨는지 궁금합니다.

다공성 고발습성 폴리머 박막을 공정하는 과정과 헤어셀 구조를 설계하는 과정에서 어려움이 있었습니다.

먼저, 다공성 고발습성 폴리머 박막을 개발하는 과정에서는 폴리머와 구연산의 적정 혼합 질량비와 구연산 석출을 위한 온도에 따라 결정(공극)의 크기와 분포가 다양하게 변화하였습니다. 이에 질량비와 온도를 변화시켜가며 공극의 크기와 분포를 균일하게 조절할 수 있는 최적의 공정 조건을 실험적으로 확립하였습니다.

한편, 헤어셀 구조를 설계하는 과정에서는 맥파 신호의 측정 정확도 향상을 위해 맥파 센서와 피부의 접촉면적을 넓히려고 헤어셀을 길고 유연하게 제작하였는데, 피부와 접촉 시 헤어셀이 휘어져서 인접한 헤어셀과 서로 엉키게 되어 미세한 맥파 신호를 측정하기 힘들어졌습니다. 이에 헤어셀이 피부와 접촉 시 휘어져 인접 헤어셀간 서로 엉키지 않으면서 피부와 접촉하는 면적을 최대로 할 수 있는 헤어셀의 굵기, 길이 그리고 간격을 이론식과 시뮬레이션을 통해 결정하여 어려움을 극복하였습니다.

[참고 자료]

Seok, Minho, et al. "A porous PDMS pulsewave sensor with haircell structures for water vapor transmission rate and signal-to-noise ratio enhancement." Nanoscale Advances (2021).

권재명 기자 (kwon_jae_myeong@kaist.ac.kr)