KR101810032B1

KR101810032B1 - 무선 패치 센서 및 그의 제조방법

Info

Publication number: KR101810032B1
Application number: KR1020160050024A
Authority: KR
Inventors: 정운룡; 유인상
Original assignee: 포항공과대학교 산학협력단
Priority date: 2016-04-25
Filing date: 2016-04-25
Publication date: 2017-12-18
Also published as: KR20170121514A

Abstract

본 발명은 기판; 기판 상에 형성되고, 금속 입자를 포함하는 감지부; 감지부와 전기적으로 연결된 전도성 섬유; 감지부와 전도성 섬유를 전기적으로 연결시키고, 리퀴드 메탈을 포함하는 접합부; 및 감지부 및 접합부를 밀봉하는 커버;를 포함하고, 감지부가 스트레인을 감지하는 것인 무선 패치 센서에 관한 것이다. 본 발명의 무선 패치 센서는 낮은 스트레인에서도 분해능 및 정확도가 높고, 심첨 부근에 패치 형태로 피부에 붙여 심첨박동도의 지속적인 실시간 측정을 무선으로 할 수 있어 심장질환의 조기진단이 가능하다. 또한, 본 발명의 무선 패치 센서의 제조방법은 기판의 경화 정도를 조절하여 무선 패치 센서의 분해능과 전기적 회복 능력을 향상시킬 수 있다.

Description

무선 패치 센서 및 그의 제조방법{WIRELESS PATCH SENSOR AND METHOD FOR MANUFACTURING THE SAME}

본 발명은 무선 패치 센서 및 그의 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 스트레인을 감지할 수 있는 감지부를 포함하는 무선 패치 센서 및 그의 제조방법에 관한 것이다.

환자의 상태를 정확하게 파악하여 효과적인 치료를 하거나, 일반인의 건강의 이상여부를 판단하여 적절한 예방조치 등을 하기 위하여 인체에서 감지되는 각종 생체정보를 정확하고 효율적으로 측정하기 위한 기술이 개발되고 있다.

대표적인 생체 정보 중의 하나인 심전도(ElectroCardioGram: ECG)는 심장의 박동에 의해 심장근육이 수축 확장되면서 발생되는 활동전류를 기록한 것으로, 신체의 피부에 전극을 부착시켜 심장 근육의 수축에 따른 활동 전류를 측정한 후 측정된 전류데이터를 그래프로 묘사하는 것이다.

구체적으로, 심장 박동에 의해 심장 근육이 수축 이완할 때 발생되는 활동 전위는 심장으로부터 온몸으로 전달되는 전류를 일으키며, 이 전류는 몸의 위치에 따라 전위차를 발생시키는데 이 전위차는 인체의 피부에 부착된 표면 전극을 통해 검출하여 기록할 수 있다.

이와 같은 심전도는 심장의 이상 유무 확인하는데 이용되고 있으며, 협심증, 심근경색 및 부정맥 등 심장계 질환의 진단에 기본적인 측정방법으로 이용되고 있다.

일반적으로 심장의 전기적 이상을 측정하기 위하여 임상에서 사용하는 전극 유도법은 심장의 동방결절에서 발생한 전기적 자극이 좌우 심실과 좌우 심방으로 전도되면서 발생하는 생체 전위를 측정하는 것으로 2개 이상의 전극을 인체 표면에 부착하여 측정한다.

이처럼 전극을 이용한 측정법으로는 사지 전극 유도법과 2전극 측정법이 주로 이용되고 있다.

사지 전극 유도법은 전자기학적으로 선적분의 경로가 길면 길수록 큰 전위를 측정할 수 있다는 점을 이용하여 신체의 양쪽 팔과 다리에 전극을 부착하고 이를 케이블로 심장 전기 활동 측정 장치에 연결하여 심장의 전기적 활동을 측정토록 하는 방법이다. 이러한 사지 전극 유도법의 경우 선적분의 경로가 길면 길수록 큰 전위를 측정할 수 있는 특성을 가지기 때문에 소형화가 어렵다는 문제점과 잡음에 민감하다는 단점이 있다.

그리고 2전극 측정법은 신축성을 가지는 밴드를 이용하여 가슴 부위에 전극을 부착하여 심장의 전기적 활동을 측정하는 방법이다. 이러한 2전극 측정법의 경우 신축성을 가지는 밴드를 가슴 부위에 착용시 가슴 압박감 때문에 장시간 착용하기가 어렵다는 문제점이 있다. 또한, 최초 부착시 사용자의 실수로 인해 느슨하게 부착되거나 장시간 사용으로 인해 전극의 습도가 저감될 경우 측정되는 심장박동 신호의 품질이 떨어진다는 문제점이 있다.

이와 같은 종래의 심장박동 신호를 측정하는 장치에서 발생되는 문제점들을 해결할 수 있는 심장박동 신호 측정 장치들이 개발되었다.

예를 들면, 대한민국 등록특허공보 제10-0695152호(2007년03월08일 등록)에 "심전도 측정용 전극 및 그를 포함하는 심전도 측정 장치"가 개시되어 있다. 이는 심전도 측정용 전극에 있어서, 심전도 신호를 측정하는 신호 검출부, 신호 검출부의 일면에 도포되어 있고 접착성 및 전기 전도성을 갖는 전해질 젤 조성물, 및 신호 검출부와 전기적으로 연결되는 컨트롤러 연결부를 포함하는 심전도 측정용 전극 및 그를 포함하는 심전도 측정 장치에 관한 것이다. 이 기술의 경우 전기 전도성은 물론 접착 특성을 지닌 젤 조성물을 이용하여 신체 피부에 심전도 측정용 전극을 부착할 수 있음은 물론, 품질이 우수한 신호를 측정할 수 있다는 이점이 있다. 그러나 위에서 언급한 접착 및 전도성 특성을 가지는 젤 조성물의 경우 종래의 접착부에 비해 신체 피부로부터 탈착시 신체 피부에 고통을 어느 정도 줄일 수 있는 효과를 기대할 수 있으나, 이러한 젤 조성물 역시 장시간 사용할 경우 피부와 접촉되는 신체 부위가 빨갛게 변하는 등의 피부 손상을 초래할 수 있다는 문제점이 있다. 특히, 건강한 일반인 이외에 심장수술을 받은 환자에게 젤 조성물을 이용한 심전도 측정용 전극을 탈부착할 경우 젤 조성물의 접착 특성으로 인해 심장수술을 받은 환자가 많은 통증을 느낄 수 있다는 문제점이 있다. 또한, 젤 조성물의 경우 재사용이 아닌 일회용으로 사용됨으로써, 비용면에서 비효율적이라는 문제점이 있다.

그리고 대한민국 등록특허공보 제10-0731676호(2007년06월18일 등록)에 "이동 환경에서의 심장 전기 활동 측정을 위한 전극 패치"가 개시되어 있다. 이는 생체 전위 신호를 감지하는 원형 동심 전극부와, 전도성 금속으로 구성되며, 전극 각각을 지지하고 생체전위 신호를 전달하는 전극 지지부와, 전극 지지부를 통해 전달되는 생체 전위 신호를 입력 받아 증폭한 후 무선으로 외부로 전송하는 신호 처리 및 전송부와, 심장 전기 활동 측정을 위한 전극 패치를 인체에 접착하는 접착부와, 인체 착용시 착용감을 증진하기 위해서 완충 기능을 제공하는 완충 격리부, 및 신호 처리 및 전송부에서 생성되는 증폭된 생체 전위 신호를 외부로 전송하는 커버를 포함하는 이동 환경에서의 심장 전기 활동 측정을 위한 전극 패치에 관한 것이다. 이 기술의 경우 종래의 사지 전극 유도법에 비해 소형화된 무선 전극 패치를 이용한 심장 전기 활동 신호를 지속적으로 모니터링 할 수 있다는 이점이 있다. 하지만 무선 전극 패치를 이용함으로써, 신호 처리 및 전송부로부터 생성되어 증폭된 생체 전위 신호를 무선으로 전송받을 수 있는 심전도 측정 기기에만 적용이 가능함에 따라 종래의 널리 사용되고 있는 심전도 측정 기기에는 사용이 불가능 하여 효용성이 떨어진다는 문제점이 있다.

따라서 종래의 휴대용 심장박동 신호 측정 장치는 심장 운동의 전기적인 변화를 기록하는 심전도(Electrocardiogram)만을 측정할 수 있었고, 심장의 부피변화 및 근육의 운동과 직접적인 연관이 있는 심첨박동도를 측정할 수 있는 장치는 매우 크고 불편할 뿐만 아니라 추가적인 운영자가 필요한 문제점이 있었다. 또한, 심장질환의 조기진단을 위해 지속적인 실시간 측정이 불가능하고 일시적인 측정만 가능한 문제점이 있었다.

본 발명의 목적은 상기 문제점을 해결하기 위한 것으로, 낮은 스트레인에서도 분해능 및 정확도가 높고, 심첨 부근에 패치 형태로 피부에 붙여 심첨박동도의 지속적인 실시간 측정을 무선으로 할 수 있어 심장질환의 조기진단이 가능한 무선 패치 센서를 제공하는 데 있다.

또한, 본 발명의 다른 목적은 기판의 경화 정도를 조절하여 무선 패치 센서의 분해능과 전기적 회복 능력을 향상시킬 수 있는 무선 패치 센서의 제조방법을 제공하는 데 있다.

본 발명의 일 측면에 따르면,

기판; 상기 기판 상에 형성되고, 금속 입자를 포함하는 감지부; 상기 기판 상에 형성되는 전도성 섬유; 상기 기판 상에 형성되고, 상기 감지부와 상기 전도성 섬유를 전기적으로 연결시키고, 리퀴드 메탈을 포함하는 접합부; 및 상기 감지부 및 접합부를 밀봉하는 커버;를 포함하는 무선 패치 센서가 제공된다.

상기 감지부가 스트레인 변화에 따라 전기적 신호 변화를 유도할 수 있다.

상기 전기적 신호가 저항일 수 있다.

상기 무선 패치 센서는 두께가 10 ㎛ 내지 1 mm일 수 있다.

상기 기판이 PDMS(polydimethylsiloxane), PB(polybutadiene), PU(polyurethane), PUA(polyurethane acrylate), SBR(styrene-butadiene rubber), PVDF(polyvinylidene fluoride) 및 PVDF-TrFE(poly(vinylidenefluoride-co-trifluoroethylene)) 중에서 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다.

상기 기판의 모듈러스(modulus)가 0.01 내지 20 Mpa일 수 있다.

상기 감지부에 포함된 금속 입자가 금(Au), 은(Ag), 백금(Pt), 루테늄(Ru), 로듐(Rh), 몰리브덴(Mo), 오스뮴(Os), 이리듐(Ir), 레늄(Re), 팔라듐(Pd), 바나듐(V), 텅스텐(W), 코발트(Co), 철(Fe), 셀레늄(Se), 니켈(Ni), 비스무트(Bi), 주석(Sn), 크롬(Cr), 타이타늄(Ti), 세륨(Ce) 및 구리(Cu) 중에서 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다.

상기 감지부의 폭이 40 내지 1,000 ㎛일 수 있다.

상기 리퀴드 메탈은 갈륨-인듐 합금(eutectic gallium-indium alloy)을 포함할 수 있다.

상기 전도성 섬유가 금(Au), 니켈(Ni), 은(Ag), 백금(Pt), 루테늄(Ru), 로듐(Rh), 몰리브덴(Mo), 오스뮴(Os), 이리듐(Ir), 레늄(Re), 팔라듐(Pd), 바나듐(V), 텅스텐(W), 코발트(Co), 철(Fe), 셀레늄(Se), 비스무트(Bi), 주석(Sn), 크롬(Cr), 타이타늄(Ti), 세륨(Ce) 및 구리(Cu) 중에서 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다.

상기 커버가 PDMS(polydimethylsiloxane), PB(polybutadiene), PU(polyurethane), PUA(polyurethane acrylate), SBR(styrene-butadiene rubber), PVDF(polyvinylidene fluoride) 및 PVDF-TrFE(poly(vinylidenefluoride-co-trifluoroethylene)) 중에서 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다.

본 발명의 다른 하나의 측면에 따르면,

(a) 기판 상의 일부분에 산화막을 형성하여 산화막 패턴을 형성하는 단계; (b) 상기 산화막이 형성되지 않은 상기 기판상의 타부분에 금속 입자를 형성하여 감지부를 형성하는 단계; (c) 상기 감지부 상에 고분자를 코팅하는 단계; (d) 전도성 섬유를 상기 기판상에서 위치시키는 단계; (e) 상기 감지부와 상기 전도성 섬유를 전기적으로 연결시키는 리퀴드 메탈을 포함하는 접합부를 형성하는 단계; 및 (f) 상기 감지부 및 상기 접합부를 밀봉하는 커버를 형성하는 단계;를 포함하는 무선 패치 센서의 제조방법이 제공된다.

상기 산화막 패턴은 산화막 사이의 갭을 포함하고, 상기 갭의 폭이 40 내지 1,000 ㎛일 수 있다.

단계 (b)에서 상기 기판의 모듈러스가 10 kPa 내지 2 Mpa 일 수 있다.

단계 (b)에서 상기 산화막이 형성되지 않은 상기 기판상의 타부분에 파우더 형태의 금속 입자를 위치시키고, 고무로 문질러 상기 감지부를 형성할 수 있다.

상기 고무가 PDMS(polydimethylsiloxane), PB(polybutadiene), PU(polyurethane), PUA(polyurethane acrylate), SBR(styrene-butadiene rubber), PVDF(polyvinylidene fluoride) 및 PVDF-TrFE(poly(vinylidenefluoride-co-trifluoroethylene)) 중에서 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다.

단계 (b) 이후에, (b') 상기 기판을 열처리하는 단계를 추가로 포함할 수 있다.

단계 (b') 이후에, 상기 기판의 모듈러스가 0.01 내지 20 Mpa일 수 있다.

단계 (c)에서, 상기 고분자가 PDMS(polydimethylsiloxane), PB(polybutadiene), PU(polyurethane), PUA(polyurethane acrylate), SBR(styrene-butadiene rubber), PVDF(polyvinylidene fluoride) 및 PVDF-TrFE(poly(vinylidenefluoride-co-trifluoroethylene)) 중에서 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다.

단계 (f)에서, 상기 기판 및 상기 커버를 플라즈마 처리한 후 부착하고, 압력을 가하여 상기 감지부 및 상기 접합부를 밀봉할 수 있다.

본 발명의 무선 패치 센서는 낮은 스트레인에서도 분해능 및 정확도가 높고, 심첨 부근에 패치 형태로 피부에 붙여 심첨박동도의 지속적인 실시간 측정을 무선으로 할 수 있어 심장질환의 조기진단이 가능하다.

또한, 본 발명의 무선 패치 센서의 제조방법은 기판의 경화 정도를 조절하여 무선 패치 센서의 분해능과 전기적 회복 능력을 향상시킬 수 있다.

도 1은 본 발명의 무선 패치 센서의 개략도이다.
도 2는 금속 입자를 포함하는 감지부의 개략도이다.
도 3은 본 발명의 무선 패치 센서의 제조방법을 개략적으로 나타낸 것이다.
도 4의 (a)는 실시예 1 내지 4에 따라 제조된 무선 패치 센서의 게이지율을 측정한 결과이고, (b)는 실시예 1 및 5에 따라 제조된 무선 패치 센서의 전기적 응답을 측정한 결과이다.
도 5의 (a)는 연신/복구 사이클에서 실시예 1 및 6에 따라 제조된 무선 패치 센서의 상대적 저항 변화를 측정한 결과이고, (b)는 실시예 1에 따라 제조된 무선 패치 센서의 연신/복구 사이클을 반복하여 상대적 저항 변화를 측정한 결과이다.
도 6의 (a)는 3% 이하의 작은 스트레인에서 실시예 1에 따라 제조된 무선 패치 센서를 연신 및 압축하여 상대적 저항 변화를 측정한 결과이고, (b)는 3% 이하의 작은 스트레인에서 바깥쪽으로 굽히는 운동을 반복하여 상대적 저항 변화를 측정한 결과이다.
도 7의 (a)는 심청박동도 측정을 위한 무선 패치 센서의 바람직한 부착 위치 및 실시예 1에 따라 제조된 무선 패치 센서의 사진이고, (b)는 본 발명의 무선 패치 센서를 이용한 심청박동도 측정 시스템의 블록 다이아그램(block diagram)이고, (c)는 25세 건강한 남성의 심첨박동도를 측정한 결과이다.
도 8의 (a)는 실시예 6에 따라 제조된 무선 패치 센서를 이용하여 측정한 운동 전의 심첨박동도 곡선(contour)이고, (b)는 운동 후의 심첨박동도 곡선이고, (c)는 호흡 파동을 제외한 운동 전의 심첨박동도 곡선이고, (d)는 호흡 파동을 제외한 운동 후의 심첨박동도 곡선이다.

본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.

또한, 이하에서 사용될 제1, 제2 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지는 않는다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다.

또한, 어떤 구성요소가 다른 구성요소 상에 "형성되어" 있다거나 "적층되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소의 표면 상의 전면 또는 일면에 직접 부착되어 형성되어 있거나 적층되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 더 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.

단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

도 1은 본 발명의 무선 패치 센서의 개략도이다. 이하, 도 1을 참조하여 본 발명의 무선 패치 센서에 대해서 설명하도록 한다. 다만, 이는 예시로서 제시되는 것으로, 이에 의해 본 발명이 제한되지는 않으며 본 발명은 후술할 청구범위의 범주에 의해 정의될 뿐이다.

본 발명의 무선 패치 센서는 기판; 상기 기판 상에 형성되고, 금속 입자를 포함하는 감지부; 상기 기판 상에 형성되는 전도성 섬유; 상기 기판 상에 형성되고, 상기 감지부와 상기 전도성 섬유를 전기적으로 연결시키고, 리퀴드 메탈을 포함하는 접합부; 및 상기 감지부 및 접합부를 밀봉하는 커버;를 포함할 수 있다.

상기 무선 패치 센서는 신축성이 있어, 상기 감지부가 스트레인 변화에 따라 전기적 신호 변화를 유도할 수 있으며, 상기 전기적 신호는 저항일 수 있다.

상기 무선 패치 센서는 두께가 10 ㎛ 내지 1 mm일 수 있으며, 바람직하게는 50 내지 500 ㎛, 더욱 바람직하게는 80 내지 150 ㎛일 수 있다.

상기 기판은 신축성이 있으며, PDMS(polydimethylsiloxane), PB(polybutadiene), PU(polyurethane), PUA(polyurethane acrylate), SBR(styrene-butadiene rubber), PVDF(polyvinylidene fluoride), PVDF-TrFE(poly(vinylidenefluoride-co-trifluoroethylene)) 등일 수 있으나, 바람직하게는 PDMS일 수 있다.

상기 기판의 모듈러스(modulus)는 0.01 내지 20 Mpa일 수 있으며, 바람직하게는 0.03 내지 5 Mpa, 더욱 바람직하게는 0.3 내지 2 Mpa일 수 있다.

상기 기판의 모듈러스가 높을수록 전기적 회복 능력이 향상될 수 있다. 그러나, 상기 기판의 모듈러스는 전기적 회복 능력 이외에도 무선 패치 센서의 분해능, 내구성, 정확성 등을 고려하여 조절되는 것이 바람직하다.

상기 감지부에 포함된 금속 입자는 금(Au), 은(Ag), 백금(Pt), 루테늄(Ru), 로듐(Rh), 몰리브덴(Mo), 오스뮴(Os), 이리듐(Ir), 레늄(Re), 팔라듐(Pd), 바나듐(V), 텅스텐(W), 코발트(Co), 철(Fe), 셀레늄(Se), 비스무트(Bi), 주석(Sn), 크롬(Cr), 타이타늄(Ti), 세륨(Ce), 구리(Cu) 등이 가능하나, 바람직하게는 금일 수 있다.

상기 금속 입자는 단층으로 형성될 수 있고, 이로 인해 2D 침투 이론(percolation theory)에 따라 스트레인을 감지할 수 있다.

도 2는 상기 2D 침투 이론의 이해를 돕기 위한 금속 입자를 포함하는 감지부의 개략도이다.

도 2를 참조하면, 금속 입자간에 닿아있는 많은 접촉이 스트레인이 가해짐에 따라 금속 입자 사이의 거리가 멀어져 접촉의 수가 변하고 그에 따라 전도성 연결의 개수가 줄어들어 감지부의 저항이 민감하게 증가하게 된다.

상기 감지부의 폭은 40 내지 1,000 ㎛일 수 있으며, 바람직하게는 100 내지 900 ㎛, 더욱 바람직하게는 150 내지 850 ㎛일 수 있다.

상기 감지부의 폭에 의해 상기 무선 패치 센서의 저항이 결정될 수 있다.

상기 리퀴드 메탈은 공정 갈륨-인듐 합금(eutectic gallium-indium alloy)일 수 있다.

상기 리퀴드 메탈은 기계적 운동에도 상기 전도성 섬유와 감지부의 전기적 연결을 안정적으로 유지시킬 수 있다.

상기 전도성 섬유는 금(Au), 니켈(Ni), 은(Ag), 백금(Pt), 루테늄(Ru), 로듐(Rh), 몰리브덴(Mo), 오스뮴(Os), 이리듐(Ir), 레늄(Re), 팔라듐(Pd), 바나듐(V), 텅스텐(W), 코발트(Co), 철(Fe), 셀레늄(Se), 비스무트(Bi), 주석(Sn), 크롬(Cr), 타이타늄(Ti), 세륨(Ce), 구리(Cu) 등을 포함할 수 있으나, 바람직하게는 금과 니켈을 포함할 수 있다.

상기 커버는 상기 기판과 같은 물질이거나 다른 물질일 수 있고, PDMS(polydimethylsiloxane), PB(polybutadiene), PU(polyurethane), PUA(polyurethane acrylate), SBR(styrene-butadiene rubber), PVDF(polyvinylidene fluoride), PVDF-TrFE(poly(vinylidenefluoride-co-trifluoroethylene)) 등이 가능하나, 바람직하게는 PDMS일 수 있다.

도 3은 본 발명의 무선 패치 센서의 제조방법을 개략적으로 나타낸 것이다. 다만, 이는 예시로서 제시되는 것으로, 이에 의해 본 발명이 제한되지는 않으며 본 발명은 후술할 청구범위의 범주에 의해 정의될 뿐이다.

이하, 도 3을 참조하여 본 발명의 무선 패치 센서의 제조방법을 설명하도록 한다.

먼저, 기판 상의 일부분에 산화막을 형성하여 산화막 패턴을 형성한다(단계 a).

상기 산화막은 UVO(Ultra Violet Ozone)를 이용하여 형성할 수 있다.

상기 산화막 패턴은 산화막 사이의 갭을 포함할 수 있고, 상기 갭의 폭은 40 내지 1,000 ㎛일 수 있고, 바람직하게는 100 내지 900 ㎛, 더욱 바람직하게는 150 내지 850 ㎛일 수 있다.

다음으로, 상기 산화막이 형성되지 않은 상기 기판상의 타부분에 금속 입자를 형성하여 감지부를 형성한다(단계 b).

좀 더 상세하게 설명하면, 단계 (b)에서 상기 산화막이 형성되지 않은 상기 기판 상의 타부분에 파우더 형태의 금속 입자를 위치시키고, 고무로 문질러 상기 감지부를 형성할 수 있다.

상기 기판의 모듈러스는 10 kPa 내지 2 Mpa일 수 있고, 바람직하게는 0.01 내지 1 Mpa일 수 있고, 더욱 바람직하게는 0.03 내지 0.7 Mpa일 수 있다.

상기 기판의 모듈러스가 낮을수록 상기 금속 입자가 잘 증착될 수 있어 바람직하나, 무선 패치 센서의 전기적 회복 능력을 고려하여 조절하는 것이 바람직할 수 있다.

상기 고무는 기판과 동일한 물질을 사용할 수 있으며, PDMS(polydimethylsiloxane), PB(polybutadiene), PU(polyurethane), PUA(polyurethane acrylate), SBR(styrene-butadiene rubber), PVDF(polyvinylidene fluoride), PVDF-TrFE(poly(vinylidenefluoride-co-trifluoroethylene)) 등이 가능하나, 바람직하게는 PDMS일 수 있다.

단계 (b) 이후에, 상기 기판을 열처리하는 단계(단계 b')를 추가로 포함할 수 있다.

상기 열처리는 60 내지 180 ℃에서 수행될 수 있으며, 바람직하게는 70 내지 150 ℃, 더욱 바람직하게는 80 내지 120 ℃에서 수행될 수 있다.

상기 열처리는 3 내지 10시간 동안 수행될 수 있으며, 바람직하게는 3 내지 7시간, 더욱 바람직하게는 3 내지 5시간 동안 수행될 수 있다. 그러나, 상기 열처리 수행 시간은 상기 열처리 온도에 따라 달라질 수 있다.

단계 (b') 이후에, 상기 기판의 모듈러스가 더 향상될 수 있으며, 이로 인해 무선 패치 센서의 전기적 회복 능력을 향상시킬 수 있다.

상기 기판의 모듈러스는 0.01 내지 20 Mpa일 수 있으며, 바람직하게는 0.3 내지 5 Mpa, 더욱 바람직하게는 1 내지 2 Mpa일 수 있다.

다음으로, 상기 감지부 상에 고분자를 코팅한다(단계 c).

단계 (c)에서, 상기 고분자는 상기 기판과 동일한 물질일 수 있으며, PDMS(polydimethylsiloxane), PB(polybutadiene), PU(polyurethane), PUA(polyurethane acrylate), SBR(styrene-butadiene rubber), PVDF(polyvinylidene fluoride), PVDF-TrFE(poly(vinylidenefluoride-co-trifluoroethylene)) 등이 가능하나, 바람직하게는 PDMS일 수 있다.

다음으로, 전도성 섬유를 상기 기판상에서 위치시킨다(단계 d).

다음으로, 상기 감지부와 상기 전도성 섬유를 전기적으로 연결시키는 리퀴드 메탈을 포함하는 접합부를 형성한다(단계 e).

상기 접합은 리퀴드 메탈로 수행될 수 있으며, 상기 리퀴드 메탈의 성질은 상술한 무선 패치 센서의 리퀴드 메탈의 설명과 동일하다.

마지막으로, 상기 감지부 및 상기 접합부를 밀봉하는 커버를 형성한다(단계 f).

좀 더 상세하게 설명하면, 상기 기판 및 상기 커버를 플라즈마 처리한 후 부착하고, 압력을 가하여 상기 감지부 및 상기 접합부를 밀봉할 수 있다.

[실시예]

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 구체적으로 설명한다. 그러나, 이는 예시를 위한 것으로서 이에 의하여 본 발명의 범위가 한정되는 것이 아니다.

실시예 1: 무선 패치 센서의 제조

폴리비닐알코올(PVA, Poly(vinyl alcohol), M_w = 31,000-50,000, Sigma-Aldrich)을 정제수(DI water, 2 wt%)에 용해하고, 슬라이드글라스에 2,000 rpm으로 30초 동안 스핀코팅 하여 PVA 필름을 제조하였다. PDMS 혼합물(Sylgard 184, Dow Chemical Co., PDMS prepolymer : crosslinker = 10:1 (w/w))을 상기 PVA 필름 상에 1,000 rpm으로 60초 동안 스핀코팅하고, 습도가 40%인 80℃의 항온항습기(thermo-hygrostat)에서 17분 동안 경화시켜 PDMS 기판을 제조하였다. 상기 PDMS 기판의 모듈러스(modulus)는 0.3 Mpa이고, 두께는 80-100 ㎛였다. 상기 PDMS 기판을 라인 및 스페이스 패턴(line-and-space pattern)의 SUS(steel use stainless) 마스크로 덮고, UVO(Ultra Violet Ozone, 28 mW cm^- ²)에 1시간 동안 노출시켰다. UVO에 노출된 부분은 PDMS에서 SiO_X로 변환되었다.

금 입자(나노파우더, 입도 < 100 nm; Sigma-Aldrich)를 상기 패턴이 형성된 PDMS 기판 상에 위치시킨 후, 작은 PDMS 고무로 문질렀다(rubbing). 상기 금 입자는 UVO에 노출되지 않은 PDMS 표면에만 증착되었다. 상기 금 입자 패턴의 폭은 200 ㎛였다.

상기 금 입자 패턴이 형성된 PDMS 기판 상에 헵탄에 용해시킨 PDMS 용액(20 wt%)을 스핀코팅하여 상기 금 입자를 기판에 고정하였다. 다음으로, 80℃에서 3시간 동안 경화시켰다. 상기 금 입자 패턴의 양 끝을 리퀴드 메탈(eutectic gallium-indium alloy, E-GaIn, Sigma-Aldrich)로 칠하고, Au-Ni 전도성 직물(SILTEX CNG Type, Solueta Co. Ltd)을 연결하였다. E-GaIn는 극심한 기계적 운동에도 안정적인 전기적 계면을 보장할 수 있다.

따로 완전히 경화된 PDMS 필름(50 ㎛, 2,000 rpm으로 60초 동안 스핀코팅)을 준비하고, 상기 금 입자 패턴 부분과 상기 PDMS 필름을 각각 O₂ 플라즈마로 처리(22 sccm, 50 W로 30초)하고, 서로 부착한 후, 상온에서 5 분 동안 압력을 가하여 무선 패치 센서를 제조하였다. 상기 무선 패치 센서는 물에 PVA 필름을 용해하여 슬라이드글라스로부터 분리하였다. 상기 플라즈마 처리로 인해 부착된 PDMS 필름은 상기 무선 패치 센서를 완전히 밀봉할 수 있다. 상기 무선 패치 센서는 150㎛ 이하이다.

실시예 2: 무선 패치 센서의 제조

모듈러스가 0.3 Mpa인 PDMS 기판 대신에 모듈러스가 0.1 Mpa인 PDMS 기판을 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 무선 패치 센서를 제조하였다.

실시예 3: 무선 패치 센서의 제조

모듈러스가 0.3 Mpa인 PDMS 기판 대신에 모듈러스가 0.2 Mpa인 PDMS 기판을 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 무선 패치 센서를 제조하였다.

실시예 4: 무선 패치 센서의 제조

모듈러스가 0.3 Mpa 인 PDMS 기판 대신에 모듈러스가 0.6 Mpa인 PDMS 기판을 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 무선 패치 센서를 제조하였다.

실시예 5: 무선 패치 센서의 제조

모듈러스가 0.3 Mpa 인 PDMS 기판 대신에 모듈러스가 1.4 Mpa인 PDMS 기판을 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 무선 패치 센서를 제조하였다.

실시예 6: 무선 패치 센서의 제조

상기 금 입자 패턴의 폭을 200 ㎛ 대신에 800 ㎛로 한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 무선 패치 센서를 제조하였다.

[시험예]

시험예 1: 기판의 모듈러스에 따른 센서의 감도 변화

도 4의 (a)는 실시예 1 내지 4에 따라 제조된 무선 패치 센서의 게이지율(gauge factor, GF, (ΔR/R_o)/ε)을 측정한 결과이고, 도 4의 (b)는 실시예 1 및 5에 따라 제조된 무선 패치 센서의 전기적 응답을 측정한 결과이다.

도 4의 (a)를 참조하면, 큰 모듈러스를 갖는 기판에서 게이지율은 크게 나타났으나, 측정가능 스트레인 범위(measurable strain range)는 작게 나타났다. 작은 모듈러스를 갖는 기판에서는 측정가능 스트레인 범위는 늘어났으나, 게이지율이 감소하였다. 이는 금 입자를 문지를 때(rubbing condition) 기판의 모듈러스가 금 입자의 증착에 영향을 끼치기 때문으로 판단된다. 따라서, 기판의 모듈러스가 0.3 MPa 정도인 것이 낮은 스트레인에서도 분해능이 높고, 현실적인 측정가능 스트레인 범위(ε ~ 50%)를 가져 바람직한 것을 알 수 있었다.

도 4의 (b)를 참조하면, 20% 연신율(elongation)에서 풀어질 때, 실시예 5에 따라 제조된 무선 패치 센서(Modulus: 1.4 Mpa) 및 실시예 1에 따라 제조된 무선 패치 센서(Modulus: 0.3 Mpa)는 각각 0.1 및 0.9 초에서 90% 회복되었다. 모듈러스가 큰 기판을 사용한 무선 패치 센서가 더 우수한 전기적 회복 능력을 갖는 것을 알 수 있었다. 따라서, 무선 패치 센서는 모듈러스가 큰 기판을 사용하여 큰 스트레인으로 인한 신호 오류를 방지할 필요가 있다.

따라서, 금 입자가 잘 증착될 수 있도록 하고, 전기적 회복 능력 또한 만족하기 위해 금 입자를 문지를 때는 세미 경화된(semi-cured) PDMS 기판을 사용하여 모듈러스를 0.3 Mpa로 하고, 그 다음 완전히 경화하여 모듈러스를 1.4 Mpa로 조절하는 것이 가장 바람직한 것을 알 수 있었다.

시험예 2: 무선 패치 센서의 히스테리시스 및 안정성 확인

도 5의 (a)는 연신(stretching)/복구(releasing) 사이클에서 실시예 1 및 6에 따라 제조된 무선 패치 센서의 상대적 저항 변화를 측정한 결과이고, (b)는 실시예 1에 따라 제조된 무선 패치 센서의 연신/복구 사이클을 반복하여 상대적 저항 변화를 측정한 결과이다.

도 5의 (a) 및 (b)를 참조하면, 실시예 1 및 6에 따라 제조된 무선 패치 센서는 작은 스트레인(ε ≤ 10%)에서 히스테리시스(hysteresis)가 나타나지 않았고, 약 스트레인 40%(ε = 40%)에서 무시할 수 있는 히스테리시스가 나타났다. 또한, 연신/복구 사이클을 반복하여 실험하여도 약 스트레인 70%(ε = 70%)까지 우수한 전기적 안정성을 나타내는 것을 확인할 수 있었다.

일반적으로 신축성이 있는 스트레인 센서는 연신/복구 사이클에서 유의한 저항 히스테리시스를 나타내는데, 이에 반하여 본 발명의 무시할 수 있는 작은 히스테리시스는 기판의 변형에 따른 금 입자의 어파인 모션(affine motion)에 영향을 미침으로써, 무선 패치 센서의 우수한 스트레인 분해능 및 작은 스트레인에서의 높은 정확도를 구현할 수 있게 할 것으로 판단된다.

시험예 3: 작은 스트레인에서 무선 패치 센서의 상대적 저항 변화 측정

도 6의 (a)는 3% 이하의 작은 스트레인에서 실시예 1에 따라 제조된 무선 패치 센서를 연신(extension) 및 압축(compression)하여 상대적 저항 변화를 측정한 결과이고, (b)는 3% 이하의 작은 스트레인에서 바깥쪽으로 굽히는 운동(outward bending motion)을 반복하여 상대적 저항 변화를 측정한 결과이다.

도 6의 (a)를 참조하면, 본 발명의 무선 패치 센서는 연신(extension) 및 압축(compression) 모두에서 높은 민감도(GF = 8) 및 선형성을 나타내는 것을 알 수 있었다.

이는 안쪽으로 굽히는 운동(압축, compression)에서 금 입자 사이의 좁은 거리가 저항의 감소를 야기하고, 이에 반하여 바깥쪽으로 굽히는 운동(연신, extention)은 저항을 증가시키는 것으로 판단된다.

도 6의 (b)를 참조하면, 실시예 1에 따라 제조된 금 입자 패턴의 폭이 200 ㎛인 무선 패치 센서는 작은 스트레인에서의 반복된 연신 사이클에서도 우수한 분해능 및 신뢰성을 나타내는 것을 알 수 있었다.

시험예 4: 심첨박동도 측정

도 7의 (a)는 심청박동도 측정을 위한 무선 패치 센서의 바람직한 부착 위치 및 실시예 1에 따라 제조된 무선 패치 센서의 사진이고, (b)는 본 발명의 무선 패치 센서를 이용한 심청박동도 측정 시스템의 블록 다이아그램(block diagram)이고, (c)는 25세 건강한 남성의 심첨박동도를 측정한 결과이다.

도 7의 (a)를 참조하면, 본 발명의 무선 패치 센서는 어른의 경우 5번째 늑간격(intercostal space), 어린이의 경우 4번째 늑간격에 부착하는 것이 바람직하다. 상기 무선 패치 센서는 의료용 테이프를 이용하여 피부와 등각(conformal) 접촉하도록 부착된다.

도 7의 (b)를 참조하면, 본 발명의 무선 패치 센서는 휘트스톤 브리지(wheatstone bridge) 회로를 이용하여 저항을 측정하고, 실시간 신호를 무선 단말기(mobile device)로 전송하여 매일 심첨박동도를 측정할 수 있다.

도 7의 (c)를 참조하면, 무선 패치 센서를 붙이는 위치에 따라 다른 모양의 심첨박동도 신호가 나타나는 것을 알 수 있었다. 이는 심장이 가장 강하게 뛰는 첨점(apex)과의 상대적인 위치에 따라서 다르게 나타난다. ①의 위치는 첨점과 가장 멀고 심방과 가까워서 상대적으로 심방의 수축에 의한 효과를 가장 크게 관찰할 수 있었고, ②의 위치는 전체적인 혈류역학(hemodynamics)를 관찰하는데 유리한 것으로 판단된다. ③의 위치는 첨점과 가장 가까이 위치해서 심실의 운동에 가장 크게 영향을 받고 ESS(end-systolic-shoulder)점이 나타나는데 이는 심장질병의 판단에 많은 정보를 줄 수 있을 것으로 예상된다. 세 위치 모두 심방에 의한 A 파동의 크기는 비슷하게 나타나는데 이는 세 곳 위치의 간격보다 상대적으로 심방과의 거리가 멀어서 비슷하게 나타나는 것을 알 수 있었다. 심첨박동도 신호들의 검증을 위해 가장 위에 심전도(ECG)를 실시간으로 동시에 측정하였다.

따라서, 본 발명의 무선 패치 센서는 실시간으로 심첨박동도를 측정할 수 있는 것을 알 수 있었다.

시험예 5: 운동 전/후의 심첨박동도 측정

도 8의 (a)는 실시예 1에 따라 제조된 무선 패치 센서를 이용하여 측정한 운동 전의 심첨박동도 곡선(contour)이고, (b)는 운동 후의 심첨박동도 곡선이고, (c)는 호흡 파동을 제외한 운동 전의 심첨박동도 곡선이고, (d)는 호흡 파동을 제외한 운동 후의 심첨박동도 곡선이다. 상기 운동은 푸쉬-업(push-up) 50회였다.

도 8을 참조하면, 심첨박동도는 무선 기술에 의해 운동 중에도 계속해서 모니터링할 수 있었다. 운동 전과 후의 심첨박동도에서 박동의 주기와 세기를 비교해 보면, 운동 전과 후에 박동의 주기는 짧아지는데 이는 수축기보다 이완기에서 주로 짧아지는 것을 확인할 수 있었다. 또한 운동 전후에 이완기에서의 박동의 세기는 비슷하지만 수축기에서 훨씬 높은 세기의 파동이 나타나는 것을 확인할 수 있었다.

이상, 본 발명의 바람직한 실시예를 들어 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상의 범위 내에서 당 분야에 통상의 지식을 가진 자에 의하여 여러 가지 변형이 가능하다.

Claims

기판;
상기 기판 상에 형성되고, 금속 입자를 포함하고, 상기 금속입자가 단층으로 형성된 감지부;
상기 기판 상에 형성되는 전도성 섬유;
상기 기판 상에 형성되고, 상기 감지부와 상기 전도성 섬유를 전기적으로 연결시키고, 리퀴드 메탈을 포함하는 접합부; 및
상기 감지부 및 접합부를 밀봉하는 커버;를
포함하는 무선 패치 센서.
제1항에 있어서,
상기 감지부가 스트레인 변화에 따라 전기적 신호 변화를 유도하는 것을 특징으로 하는 무선 패치 센서.
제2항에 있어서,
상기 전기적 신호가 저항인 것을 특징으로 하는 무선 패치 센서.
제1항에 있어서,
상기 무선 패치 센서는 두께가 10 ㎛ 내지 1 mm인 것을 특징으로 하는 무선 패치 센서.
제1항에 있어서,
상기 기판이 PDMS(polydimethylsiloxane), PB(polybutadiene), PU(polyurethane), PUA(polyurethane acrylate), SBR(styrene-butadiene rubber), PVDF(polyvinylidene fluoride) 및 PVDF-TrFE(poly(vinylidenefluoride-co-trifluoroethylene)) 중에서 선택된 1종 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 무선 패치 센서.
제5항에 있어서,
상기 기판의 모듈러스(modulus)가 0.01 내지 20 Mpa인 것을 특징으로 하는 무선 패치 센서.
제1항에 있어서,
상기 감지부에 포함된 금속 입자가 금(Au), 은(Ag), 백금(Pt), 루테늄(Ru), 로듐(Rh), 몰리브덴(Mo), 오스뮴(Os), 이리듐(Ir), 레늄(Re), 팔라듐(Pd), 바나듐(V), 텅스텐(W), 코발트(Co), 철(Fe), 셀레늄(Se), 비스무트(Bi), 주석(Sn), 크롬(Cr), 타이타늄(Ti), 세륨(Ce) 및 구리(Cu) 중에서 선택된 1종 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 무선 패치 센서.
제7항에 있어서,
상기 감지부의 폭이 40 내지 1,000 ㎛인 것을 특징으로 하는 무선 패치 센서.
제1항에 있어서,
상기 리퀴드 메탈이 공정 갈륨-인듐 합금(eutectic gallium-indium alloy)을 포함하는 것을 특징으로 하는 무선 패치 센서.
제1항에 있어서,
상기 전도성 섬유가 금(Au), 니켈(Ni), 은(Ag), 백금(Pt), 루테늄(Ru), 로듐(Rh), 몰리브덴(Mo), 오스뮴(Os), 이리듐(Ir), 레늄(Re), 팔라듐(Pd), 바나듐(V), 텅스텐(W), 코발트(Co), 철(Fe), 셀레늄(Se), 비스무트(Bi), 주석(Sn), 크롬(Cr), 타이타늄(Ti), 세륨(Ce) 및 구리(Cu) 중에서 선택된 1종 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 무선 패치 센서.
제1항에 있어서,
상기 커버가 PDMS(polydimethylsiloxane), PB(polybutadiene), PU(polyurethane), PUA(polyurethane acrylate), SBR(styrene-butadiene rubber), PVDF(polyvinylidene fluoride) 및 PVDF-TrFE(poly(vinylidenefluoride-co-trifluoroethylene)) 중에서 선택된 1종 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 무선 패치 센서.
(a) 기판 상의 일부분에 산화막을 형성하여 산화막 패턴을 형성하는 단계;
(b) 상기 산화막이 형성되지 않은 상기 기판상의 타부분에 금속 입자를 형성하여 감지부를 형성하는 단계;
(c) 상기 감지부 상에 고분자를 코팅하는 단계;
(d) 전도성 섬유를 상기 기판상에서 위치시키는 단계;
(e) 상기 감지부와 상기 전도성 섬유를 전기적으로 연결시키는 리퀴드 메탈을 포함하는 접합부를 형성하는 단계; 및
(f) 상기 감지부 및 상기 접합부를 밀봉하는 커버를 형성하여 제1항의 무선 패치 센서를 제조하는 단계;를
포함하는 무선 패치 센서의 제조방법.
제12항에 있어서,
상기 산화막 패턴은 산화막 사이의 갭을 포함하고, 상기 갭의 폭이 40 내지 1,000 ㎛인 것을 특징으로 하는 무선 패치 센서의 제조방법.
제12항에 있어서,
단계 (b)에서 상기 기판의 모듈러스가 10 kPa 내지 2 Mpa 인 것을 특징으로 하는 무선 패치 센서의 제조방법.
제14항에 있어서,
단계 (b)에서 상기 산화막이 형성되지 않은 상기 기판상의 타부분에 파우더 형태의 금속 입자를 위치시키고, 고무로 문질러 상기 감지부를 형성하는 것을 특징으로 하는 무선 패치 센서의 제조방법.
제15항에 있어서,
상기 고무가 PDMS(polydimethylsiloxane), PB(polybutadiene), PU(polyurethane), PUA(polyurethane acrylate), SBR(styrene-butadiene rubber), PVDF(polyvinylidene fluoride) 및 PVDF-TrFE(poly(vinylidenefluoride-co-trifluoroethylene)) 중에서 선택된 1종 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 무선 패치 센서의 제조방법.
제16항에 있어서,
단계 (b) 이후에, (b') 상기 기판을 열처리하는 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 무선 패치 센서의 제조방법.
제17항에 있어서,
단계 (b') 이후에, 상기 기판의 모듈러스가 0.01 내지 20 Mpa인 것을 특징으로 하는 무선 패치 센서의 제조방법.
제12항에 있어서,
단계 (c)에서, 상기 고분자가 PDMS(polydimethylsiloxane), PB(polybutadiene), PU(polyurethane), PUA(polyurethane acrylate), SBR(styrene-butadiene rubber), PVDF(polyvinylidene fluoride) 및 PVDF-TrFE(poly(vinylidenefluoride-co-trifluoroethylene)) 중에서 선택된 1종 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 무선 패치 센서의 제조방법.
제12항에 있어서,
단계 (f)에서, 상기 기판 및 상기 커버를 플라즈마 처리한 후 부착하고, 압력을 가하여 상기 감지부 및 상기 접합부를 밀봉하는 것을 특징으로 하는 무선 패치 센서의 제조방법.