우리 학교 바이오및뇌공학과 조영호 교수 연구팀이 피부에서 발생하는 땀을 실시간으로 투과시키며 피부와의 접촉면적을 획기적으로 개선한 다공성 헤어셀 구조*의 맥파** 센서를 개발했다고 지난달 17일 밝혔다. 

개발된 센서의 원리와 기존 맥파 센서와의 차이점

    기존의 폴리머 기반 맥파 센서는 수분을 투과시킬 수 있는 양이 피부의 하루 평균 땀 발생량보다 적다. 따라서, 장기간 부착 시 접촉성 피부염, 가려움 등의 피부 문제를 일으키며, 피부에 안정적으로 접촉하는 면적 또한 적어 측정할 수 있는 맥파 신호의 정확도가 떨어지는 문제가 발생한다. 이에 연구팀은 폴리머에 구연산을 첨가한 후 온도 조절을 통해 석출한 구연산 결정을 에탄올로 녹여내어 폴리머 내에 작고 균일한 공극을 형성한 다공성 고발습성 폴리머 박막을 개발하고 그 위에 맥파 센서를 제작하여 하루 평균 땀 발생량 이상의 수분 투과도를 가지도록 하였다. 또한 맥파 센서 표면에 유연한 헤어셀 구조를 형성하여 피부와 접촉할 수 있는 면적을 넓혀 맥파 신호와 잡음의 비를 획기적으로 개선하며 신호 감지의 정확성을 높였다. 이에 헤어셀 구조의 맥파 센서의 땀 투과도는 기존 기술 대비 72% 증가하였고, 신호대잡음비는 22.89를 보여 측정 정확도를 기존 기술 대비 약 9배 향상시켰으며, 센서를 피부에 7일 간 부착하여도 피부 트러블이 발생하지 않음을 실험적으로 입증하였다.

설계의 아이디어와 연구 과정 중 어려움

    맥파 신호의 측정 정확도를 향상시키기 위해서는 맥파 센서와 피부의 접촉면적을 넓히는 것이 중요하다. 이에 연구팀은 사람의 대장에 있는 섬모(헤어셀)가 영양분을 보다 효과적으로 흡수하기 위해 원기둥 모양으로 형성되어 접촉면적을 높였다는 점에서 영감을 얻었다. 하지만, 다공성 고발습성 폴리머 박막을 개발하는 과정과 헤어셀 구조를 설계하는 과정에서 어려움이 있었다. 첫째로, 연구팀은 풀리머와 구연산의 혼합 질량비, 그리고 구연산 석출을 위한 온도에 따라 결정의 크기와 분포가 다양하게 변화함을 관찰하였다. 이에 질량비와 온도를 변화시켜가며 공극의 크기와 분포를 균일하게 조절할 수 있는 최적의 공정 조건을 실험적으로 찾아 폴리머 박막을 개발하는 과정에서의 문제를 해결하였다. 둘째로, 맥파 신호의 측정 정확도를 향상시키기 위해 맥파 센서와 피부의 접촉면적을 넓히려고 헤어셀을 부드럽게 만들었다. 하지만 피부와 접촉할 때 헤어셀이 휘어지며 인접한 헤어셀과 서로 닿게 되어 미세한 맥파 신호를 측정하기 불리하였다. 이에 헤어셀이 피부와 접촉할 때 인접 헤어셀끼리 서로 닿지 않으면서 피부와 접촉하는 면적을 최대로 할 수 있는 굵기와 길이, 그리고 간격을 이론식과 시뮬레이션을 통해 결정하여 어려움을 극복하였다.

추후 적용 분야

    개발한 헤어셀 구조의 맥파 센서는 피부 온도, 피부 전도도 등 인간의 감정과 연관이 있는 생체신호를 측정할 수 있다. 따라서, 피부에 나타나는 생체신호를 측정하여 인간의 신체적 건강뿐만 아니라 정신적 건강 상태를 상시 장기적으로 판별하는 웨어러블 센서 분야에 응용될 가능성이 높다. 

    조 교수는 “최근 피부부착형 웨어러블 센서에 관한 연구들이 활발히 진행되고 있지만, 실제 상시 장기간 착용할 경우의 현실적인 문제 해결이나 적용 가능성 확립에 관한 연구는 미흡한 상태”라며 본 연구의 의의를 설명하였다. 마지막으로 현실적 문제 해결이나 기술의 완성도 향상을 위해서 기술의 근원을 따라 파고드는 심도 깊은 기초연구가 뒷받침되어야 함을 강조하였다.

헤어셀 구조*
피부의 섬모와 같이 다공성 표면 위에 여러 개의 섬모가 형성되어있는 구조.

맥파**
심장이 박동할 때 발생하는 파동.