[Accounts of Chemical Research2019]_Flexible Electronics toward Wearable Sensing.
- 이 논문은 바이오 센서에 관심이 있어 학부연구생으로 연구실에 들어갔을 때 선배님께서 추천해주셨던 논문이다.
- 모든 사진은 이 논문에서 참고했다.
이 논문은 웨어러블 센서의 연구를 다루고 있다. 웨어러블 센서는 개인 맞춤형 의료를 실현하는 데 중요한 역할을 하며, 인체에서 지속적으로 데이터를 수집해 건강 상태의 변화를 감지할 수 있다. 그러나 기존의 단단한 전자 재료는 피부와의 기계적 불일치로 인해 센서 오류를 유발하는 한계가 있다. 이 논문은 웨어러블 센서 기술을 발전시키기 위해 유연 전자 기기의 활용 가능성과 그 실현 방안을 탐구한다.
1. Materials and Device Fabrication
유연 전자 장치는 일반적으로 Substrate, Active Layer, Interface Layer로 구성된다.
- Substrate는 장치 구조를 지지하는 기본 층이다.
- Active Layer은 장치의 주기능을 담당하며, 탄소나노튜브(CNTs)와 그래핀 같은 나노소재로 제작된다.
- Interface Layer는 활성층과 기판 간의 안정적 결합을 지원한다.
Liquid Metals
Liquid metal은 높은 전도성, flexibility, self-healing 특성으로 웨어러블 센서에 적합한 소재이다. 곡면과 부드러운 표면에서도 효과적으로 작동하며, 생리학적 데이터 모니터링에 유용하다.
제작 기술
- 물리적 전사법은 나노소재를 정렬하여 기판에 직접 전사한다.
- 용액 공정은 나노소재와 계면활성제를 혼합하여 인쇄 가능한 잉크로 제작한다.
- Roll-to-Roll(R2R) 공정은 대규모 제작이 가능하며 상업적 생산에 적합하다.
2. Flexible Electronics For Physical Sensing
E-skin
전자 피부는 나노와이어 트랜지스터와 압력 감지 고무(PSR)를 결합하여 촉각 압력을 감지하고 매핑할 수 있다. 이를 통해 사람의 피부와 유사한 민감도로 데이터를 수집할 수 있다. 또한, OLED와 통합하면 실시간으로 압력을 시각화할 수 있어 의료 및 인터랙티브 장치에 활용도가 높다.
웨어러블 응용
- ECG(심전도), 피부 온도, UV 센서가 결합된 웨어러블 패치는 생체 신호를 실시간으로 모니터링할 수 있다.
- Electronic Whiskers는 가스 흐름과 변형을 감지하며, 로봇 및 의료 장치에 응용할 수 있다.
3. Flexible Electronics For Chemical Sensing
땀 센서의 중요성
땀은 비침습적으로 접근할 수 있는 체액으로, 다양한 화학 물질을 포함하고 있어 건강 상태를 반영한다.
젖산, 포도당, Na⁺, K⁺와 같은 바이오마커를 실시간으로 모니터링하여 탈수, 낭포성 섬유증, 약물 농도를 추적할 수 있다.
Iontophoresis Technology
피부에 화학적 자극을 가해 땀을 유도하고 이를 분석하는 기술이다.
미세유체 시스템과 결합하면 땀 증발을 방지하고 데이터의 정확도를 높일 수 있다.
대량 생산
Roll-to-Roll(R2R) 인쇄 기술은 고성능 센서를 대량 생산할 수 있으며, 상업적 활용 가능성을 높인다.
도전 과제와 전망
도전 과제
- 지속적이고 정확한 데이터 수집을 보장하는 견고한 시스템이 부족하다.
- 물리적·화학적 데이터와 건강 상태 간의 상관성을 탐구하기 위한 추가 연구가 필요하다.
전망
- 혈압, 심박수, 호흡수와 같은 생체 신호와 분자 데이터를 통합적으로 모니터링할 수 있는 시스템 개발이 기대된다.
- 웨어러블 센싱 기술과 대규모 데이터 수집을 통해 개인 맞춤형 헬스케어의 새로운 가능성이 열릴 것이다.
웨어러블 바이오 센서는 개인 맞춤형 헬스케어를 실현하는 데 핵심적인 역할을 한다. 비침습적이고 실시간으로 데이터를 제공하는 이 기술은 조기 진단과 질병 관리의 새로운 패러다임을 제시한다. 유연 전자 장치와 바이오 센서 기술의 발전은 개인의 삶을 더욱 건강하고 풍요롭게 만들 잠재력을 가지고 있다.