KR102137447B1

KR102137447B1 - Porous nano membrane materials based dry electrodes for electro-physiological signal measurements and fabrication methods thereof

Info

Publication number: KR102137447B1
Application number: KR1020180062980A
Authority: KR
Inventors: 박재영; 윤효상; 파르타
Original assignee: 광운대학교 산학협력단
Priority date: 2018-05-31
Filing date: 2018-05-31
Publication date: 2020-07-24
Anticipated expiration: 2038-05-31
Also published as: KR20190136811A

Abstract

다공성 나노 멤브레인 기반의 생체신호 측정용 건식 전극 및 그 제조방법이 개시된다. 일 실시 예에 따른 생체신호 측정용 건식 전극은, 유연한 소재의 다공성 나노 멤브레인과, 여과되지 않고 다공성 나노 멤브레인의 기공들에 입자들이 채워지는 형태로 다공성 나노 멤브레인에 코팅되어 건식 전극을 형성하는 전도성 물질을 포함한다.Disclosed is a dry electrode for measuring bio-signals based on a porous nano-membrane and a method for manufacturing the same. The dry electrode for bio-signal measurement according to an embodiment is a conductive material that is coated on a porous nano-membrane in the form of particles filled in pores of a porous nano-membrane and a porous nano-membrane of a flexible material to form a dry electrode. It includes.

Description

Porous nano membrane materials based dry electrodes for electro-physiological signal measurements and fabrication methods thereof}

본 발명은 생체신호 측정용 전극 및 그 제조기술에 관한 것이다.The present invention relates to an electrode for biosignal measurement and a manufacturing technology thereof.

개인의 건강관리 및 질병 예방을 위해서는 EEG(Electroencephalography), EMG(Electromyography), EOG(Electrooculography), ECG(Electrocardiography) 등과 같은 다양한 종류의 생체신호를 장시간 연속으로 모니터링하는 것이 중요하다. 하지만, 상용화된 생체신호 모니터링 센서는 피부-전극 간 전도성 향상을 위해 습식 전극을 사용하는 것이 일반적이다. 습식 전극은 외부에 노출되면 쉽게 오염이 되기 때문에, 장시간 사용할 수 없다는 단점을 가진다.For personal health care and disease prevention, it is important to continuously monitor various types of biosignals such as EEG (Electroencephalography), EMG (Electromyography), EOG (Electrooculography), and ECG (Electrocardiography) for a long time. However, commercialized bio-signal monitoring sensors generally use wet electrodes to improve the conductivity between skin and electrodes. Since the wet electrode is easily contaminated when exposed to the outside, it has a disadvantage that it cannot be used for a long time.

일 실시 예에 따라, 10일 이상의 장시간 동안 안정적으로 생리학적 신호를 연속 모니터링하기 위해 생체 적합성이 뛰어나고 피부-전극 간 접촉이 용이한 유연한 구조의 건식 전극 및 그 제조방법을 제안한다.According to one embodiment, a dry structure of a flexible structure having excellent biocompatibility and easy contact between skin-electrodes and a method of manufacturing the same are proposed to continuously monitor physiological signals stably for a long time of 10 days or more.

또한, 높은 정확도로 모니터링 가능하고 생체 적합성을 가진 고 전도성 소재를 이용한 건식 전극 및 그 제조방법을 제안한다. 나아가, 균일하게 전극 패턴이 형성되는 건식 전극 및 그 제조방법을 제안한다.In addition, a dry electrode using a highly conductive material capable of monitoring with high accuracy and having biocompatibility, and a method for manufacturing the same are proposed. Furthermore, a dry electrode in which an electrode pattern is uniformly formed and a method of manufacturing the same are proposed.

일 실시 예에 따른 생체신호 측정용 건식 전극은, 유연한 소재의 다공성 나노 멤브레인과, 여과되지 않고 다공성 나노 멤브레인의 기공들에 입자들이 채워지는 형태로 다공성 나노 멤브레인에 코팅되어 건식 전극을 형성하는 전도성 물질을 포함한다.The dry electrode for bio-signal measurement according to an embodiment is a conductive material that is coated on a porous nano-membrane in the form of particles filled in pores of a porous nano-membrane and a porous nano-membrane of a flexible material to form a dry electrode. It includes.

전도성 물질은 진공 흡입(vacuum suction)을 통해 다공성 나노 멤브레인에 채워질 수 있다. 이때, 다공성 나노 멤브레인에 전도성 물질로 이루어진 분산용액이 부어지고, 진공 흡입을 통해 분산용액 내 입자들이 다공성 나노 멤브레인의 기공들에 균일하게 채워질 수 있다.The conductive material can be filled into the porous nano-membrane through vacuum suction. At this time, a dispersion solution made of a conductive material is poured into the porous nano-membrane, and particles in the dispersion solution can be uniformly filled in the pores of the porous nano-membrane through vacuum suction.

다공성 나노 멤브레인은, 섬유, 종이, 나일론 및 폴리머 중 적어도 하나로 이루어진 다공성 구조체일 수 있다. 이때, 다공성 나노 멤브레인은, 필터 멤브레인(filter membrane), 섬유 다발(fiber bundle), 나노튜브 다발(nanotube bundle), 전기 방사(electro-spinning), 다공성 금속 폼(porous metal form), 폴리머 폼(polymer form), 나일론 폼(nylon form) 중 적어도 하나로 이루어진 마이크로 및 나노 스케일의 동공 구조를 갖는 다공성 물질일 수 있다.The porous nano-membrane may be a porous structure made of at least one of fiber, paper, nylon, and polymer. At this time, the porous nano-membrane, filter membrane (filter membrane), fiber bundle (fiber bundle), nanotube bundle (nanotube bundle), electro-spinning (electro-spinning), porous metal foam (porous metal form), polymer foam (polymer) form), may be a porous material having a micro- and nano-scale pupil structure made of at least one of a nylon form.

전도성 물질은, 환원 그래핀 옥사이드(reduced graphene oxide: RGO), 탄소 나노튜브(carbon nanotube: CNT), 금속 나노튜브(metal nanotube), 금속 나노와이어(metal nanowire), 금속 나노입자(metal nanoparticle), 전도성 폴리머(conductive polymer) 또는 이들 물질의 혼합을 통한 하이브리드 구조의 물질일 수 있다.Conductive materials include reduced graphene oxide (RGO), carbon nanotube (CNT), metal nanotube, metal nanowire, metal nanoparticle, It may be a conductive polymer or a material of a hybrid structure through a mixture of these materials.

전도성 물질은, 입자 크기가 다공성 나노 멤브레인의 기공 크기보다 더 작거나 같으며, 진공 흡입을 통해 다공성 나노 멤브레인의 기공들에 채워질 수 있다.The conductive material has a particle size smaller than or equal to the pore size of the porous nanomembrane, and can be filled in the pores of the porous nanomembrane through vacuum suction.

생체신호 측정용 건식 전극은, 원하는 형태의 건식 전극 형성을 위해 다공성 나노 멤브레인의 원하지 않는 부분에는 전도성 물질이 코팅되지 않도록 형성되어 전도성 물질에 부착된 이후 전극 패턴이 형성되면 제거되는 섀도우 마스크를 더 포함할 수 있다. 섀도우 마스크는, 다공성 나노 멤브레인에서 전극이 형성되지 않는 영역을 완전하게 커버하기 위하여, 탄성 또는 유연성을 가지는 소재인 PDMS, ecoflex, rubber, silicone, stainless steel film 중 적어도 어느 하나를 사용할 수 있다.The dry electrode for biosignal measurement further includes a shadow mask that is formed so that a conductive material is not coated on an undesired portion of the porous nanomembrane to form a dry electrode of a desired shape, and then is removed when an electrode pattern is formed after being attached to the conductive material. can do. As a shadow mask, at least one of PDMS, ecoflex, rubber, silicone, and stainless steel films, which are elastic or flexible materials, may be used to completely cover a region where an electrode is not formed in the porous nanomembrane.

다른 실시 예에 따른 생체신호 측정용 건식 전극 제조방법은, 전도성 물질이 마련되는 단계와, 다공성 나노 멤브레인의 기공들에 전도성 물질이 채워지는 형태로 전도성 물질이 다공성 나노 멤브레인에 코팅되어 건식 전극을 형성하는 단계를 포함한다.According to another embodiment of the present invention, a method for manufacturing a dry electrode for biosignal measurement includes a step in which a conductive material is provided, and a conductive material is coated on a porous nanomembrane in a form in which pores of the porous nanomembrane are filled with a conductive material to form a dry electrode. It includes the steps.

건식 전극을 형성하는 단계는, 다공성 나노 멤브레인 상에 전도성 물질로 이루어진 분산용액이 부어지는 단계와, 진공 흡입을 통해 분산용액 내 입자들이 다공성 나노 멤브레인의 기공들에 균일하게 채워지는 단계를 포함할 수 있다.The step of forming the dry electrode may include pouring a dispersion solution made of a conductive material on the porous nano-membrane, and uniformly filling the pores of the porous nano-membrane particles in the dispersion solution through vacuum suction. have.

생체신호 측정용 건식 전극 제조방법은, 원하는 형태의 건식 전극 형성을 위해 다공성 나노 멤브레인의 원하지 않는 부분에는 전도성 물질이 코팅되지 않도록 하는 섀도우 마스크가 다공성 나노 멤브레인에 부착되는 단계와, 건식 전극 패턴이 형성되면 섀도우 마스크가 제거되는 단계를 더 포함할 수 있다.The method for manufacturing a dry electrode for biosignal measurement includes a step of attaching a shadow mask to a porous nanomembrane so that a conductive material is not coated on an undesired portion of the porous nanomembrane to form a dry electrode of a desired shape, and a dry electrode pattern is formed. When the shadow mask is removed may further include a step.

생체신호 측정용 건식 전극 제조방법은, 다공성 나노 멤브레인 소재에 영향을 주지 않는 범위 내에서 고온 건조 방식을 통해 습기를 제거하는 단계를 더 포함할 수 있다.The method for manufacturing a dry electrode for biosignal measurement may further include removing moisture through a high temperature drying method within a range not affecting the porous nano-membrane material.

일 실시 예에 따른 건식 전극은 생체 적합성이 뛰어나 10일 이상의 장시간 동안 안정적으로 생리학적 신호를 연속 모니터링할 수 있다. 또한, 유연한 구조를 가져 피부-전극 간 접촉이 용이하고, 다공성 나노 멤브레인 소재의 두께에 따라 유연성을 조절하는 것이 가능하다.The dry electrode according to an embodiment has excellent biocompatibility and can continuously monitor physiological signals stably for a long time of 10 days or more. In addition, it has a flexible structure to facilitate skin-electrode contact, and it is possible to adjust flexibility according to the thickness of the porous nano-membrane material.

고 전도성 소재를 이용한 건식 전극을 통해 높은 정확도로 모니터링이 가능하고 생체 적합성을 확보할 수 있다. 독성이 없는 소재와 공정으로 제작 가능하기 때문에, 한 달 이상 장시간 동안 착용하여도 피부 발진 등의 트러블을 유발하지 않으며, 반복사용 하더라도 성능이 저하되지 않는다. 높은 전도성을 가지는 고성능 전극을 적은 비용으로 빠른 시간 내 제작이 가능하기 때문에 상용화가 가능하며 효과적이다.It is possible to monitor with high accuracy and secure biocompatibility through dry electrodes made of highly conductive materials. Since it can be manufactured with non-toxic materials and processes, it does not cause trouble such as skin rash even if it is worn for a long period of time for more than a month, and even after repeated use, performance does not deteriorate. Since it is possible to manufacture a high-performance electrode having high conductivity at a low cost and in a short time, it is commercialized and effective.

나아가, 진공 흡입 방식을 사용함에 균일한 전극 패턴을 제조할 수 있고 적은 힘을 사용하며 제조 공정이 단순하고 효율적이다.Furthermore, by using a vacuum suction method, a uniform electrode pattern can be produced, a small force is used, and the manufacturing process is simple and efficient.

도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 생체신호 측정용 건식 전극의 단면을 도시한 도면,
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 생체신호 측정용 건식 전극 제조방법을 도시한 도면,
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 다공성 나노 멤브레인에 전극을 패터닝 방법을 도시한 도면,
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 진공 흡입 원리를 설명하기 위한 도면,
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 진공 흡입을 통해 CRGO 분산용액 내 입자들이 나일론 멤브레인의 기공들에 채워지는 모습을 도시한 도면,
도 6은 본 발명의 일 실시 예에 따른 생체신호 측정용 건식 전극의 이미지 및 측정 결과를 도시한 도면,
도 7은 본 발명의 일 실시 예에 따른 생체신호 측정용 건식 전극의 사용 예 및 ECG 신호 모니터링 모습을 도시한 도면,
도 8은 본 발명의 일 실시 예에 따른 피험자의 휴식시간 동안에 Matlab을 이용한 RIF 필터 이후에 얻어진 ECG 신호를 도시한 도면,
도 9는 본 발명의 일 실시 예에 따른 CRGO 기반 건식 전극의 ECG 측정 결과를 도시한 도면,
도 10은 본 발명의 일 실시 예에 따른 CRGO 기반 건식 전극 상에서 배양된 셀들의 live/dead assay 결과를 도시한 도면이다.1 is a view showing a cross-section of a dry electrode for measuring bio-signals according to an embodiment of the present invention,
2 is a view showing a method for manufacturing a dry electrode for measuring bio-signals according to an embodiment of the present invention;
3 is a view showing a method of patterning an electrode on a porous nano-membrane according to an embodiment of the present invention,
4 is a view for explaining the vacuum suction principle according to an embodiment of the present invention,
5 is a view showing a state in which the particles in the CRGO dispersion solution are filled in the pores of the nylon membrane through vacuum suction according to an embodiment of the present invention,
6 is a view showing an image and a measurement result of a dry electrode for bio-signal measurement according to an embodiment of the present invention,
7 is a view showing an example of the use of a dry electrode for measuring bio-signals and ECG signal monitoring according to an embodiment of the present invention,
8 is a view showing an ECG signal obtained after an RIF filter using Matlab during a subject's break according to an embodiment of the present invention;
9 is a view showing the ECG measurement results of the CRGO-based dry electrode according to an embodiment of the present invention,
10 is a view showing the results of live/dead assay of cells cultured on a CRGO-based dry electrode according to an embodiment of the present invention.

본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시 예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시 예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시 예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.Advantages and features of the present invention, and methods for achieving them will be clarified with reference to embodiments described below in detail together with the accompanying drawings. However, the present invention is not limited to the embodiments disclosed below, but may be implemented in various different forms, and only the embodiments allow the disclosure of the present invention to be complete, and common knowledge in the technical field to which the present invention pertains. It is provided to fully inform the holder of the scope of the invention, and the invention is only defined by the scope of the claims. The same reference numerals refer to the same components throughout the specification.

본 발명의 실시 예들을 설명함에 있어서 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이며, 후술되는 용어들은 본 발명의 실시 예에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.In the description of the embodiments of the present invention, when it is determined that a detailed description of known functions or configurations may unnecessarily obscure the subject matter of the present invention, the detailed description will be omitted, and terms to be described below are used in the embodiments of the present invention. These terms are defined in consideration of the function of and can be changed according to the intention or custom of the user or operator. Therefore, the definition should be made based on the contents throughout this specification.

또한, 각 블록 또는 각 단계는 특정된 논리적 기능들을 실행하기 위한 하나 이상의 실행 가능한 인스트럭션들을 포함하는 모듈, 세그먼트 또는 코드의 일부를 나타낼 수 있으며, 몇 가지 대체 실시 예들에서는 블록들 또는 단계들에서 언급된 기능들이 순서를 벗어나서 발생하는 것도 가능함을 주목해야 한다. 예컨대, 잇달아 도시되어 있는 두 개의 블록들 또는 단계들은 사실 실질적으로 동시에 수행되는 것도 가능하며, 또한 그 블록들 또는 단계들이 필요에 따라 해당하는 기능의 역순으로 수행되는 것도 가능하다.In addition, each block or each step can represent a module, segment, or portion of code that includes one or more executable instructions for executing specified logical functions, and in some alternative embodiments referred to in blocks or steps It should be noted that it is possible for functions to occur out of sequence. For example, two blocks or steps shown in succession may in fact be executed substantially simultaneously, and it is also possible that the blocks or steps are performed in the reverse order of the corresponding function as necessary.

이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예를 상세하게 설명한다. 그러나 다음에 예시하는 본 발명의 실시 예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 다음에 상술하는 실시 예에 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 실시 예는 이 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위하여 제공된다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. However, the embodiments of the present invention exemplified below may be modified in various other forms, and the scope of the present invention is not limited to the embodiments described below. Embodiments of the present invention are provided to more fully describe the present invention to those of ordinary skill in the art.

도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 생체신호 측정용 건식 전극(이하 '건식 전극'이라 칭함)의 단면을 도시한 도면이다.1 is a view showing a cross-section of a dry electrode (hereinafter referred to as a “dry electrode”) for measuring a biosignal according to an embodiment of the present invention.

도 1을 참조하면, 일 실시 예에 따른 건식 전극(20)은 다공성 나노 멤브레인(10) 상에 환경 친화적이거나 생체 적합성을 가지는 전도성 물질이 코팅되어 피부-전극 간 접촉이 용이하게끔 유연한(flexible) 구조를 가진다. 이때, 다공성 나노 멤브레인(10) 소재의 두께에 따라 유연성을 조절하는 것이 가능하다. 독성이 없는 소재와 공정으로 제작 가능하기 때문에, 한 달 이상 장시간 동안 착용하여도 피부 발진 등의 트러블을 유발하지 않으며, 반복사용 하더라도 성능이 저하되지 않는다. 높은 전도성을 가지는 고성능 전극을 적은 비용으로 빠른 시간 내 제작이 가능하기 때문에 상용화가 가능하며 효과적이다.Referring to FIG. 1, the dry electrode 20 according to an embodiment is coated with an environmentally friendly or biocompatible conductive material on the porous nano-membrane 10, so that it is flexible to facilitate contact between skin and electrodes. Have At this time, it is possible to adjust the flexibility according to the thickness of the porous nano-membrane 10 material. Since it can be manufactured with non-toxic materials and processes, it does not cause trouble such as skin rash even if it is worn for a long period of time for more than a month, and even after repeated use, performance does not deteriorate. Since it is possible to manufacture a high-performance electrode having high conductivity at a low cost and in a short time, it is commercialized and effective.

건식 전극(20)은 다공성 나노 멤브레인(10)으로부터 여과(filtering)되지 않고 다공성 나노 멤브레인(10)의 기공들들 표면에 채워지는 전도성 물질 입자들에 의해 형성된다. 도 1에서 다공성 나노 멤브레인(10)의 크기는 47mm이고, 다공성 나노 멤브레인(10) 상에 전도성 물질에 의해 형성되는 건식 전극(20)의 크기는 38mm이고 면적은 1,134mm²이나, 그 크기 및 면적은 이에 한정되는 것은 아니다.The dry electrode 20 is formed by particles of conductive material that are not filtered from the porous nanomembrane 10 but are filled in the surfaces of the pores of the porous nanomembrane 10. In FIG. 1, the size of the porous nano-membrane 10 is 47 mm, and the size of the dry electrode 20 formed by a conductive material on the porous nano-membrane 10 is 38 mm and the area is 1,134 mm ² , but its size and area Is not limited to this.

일 실시 예에 따른 건식 전극(20)은, 진공 흡입(vacuum suction)을 이용하여 다공성 나노 멤브레인(10)에 전도성 물질을 코팅하는 방식을 사용한다. 이 경우, 표면 장력(surface tension)이 강하여 쉽게 코팅이 되지 않은 액상 코팅제도 쉽고 균일하게(uniform) 코팅할 수 있다. 진공 흡입을 통한 다공성 나노 멤브레인 코팅의 예는 도 4를 참조로 하여 후술한다.The dry electrode 20 according to an embodiment uses a method of coating a conductive material on the porous nano-membrane 10 using vacuum suction. In this case, since the surface tension is strong, the liquid coating that is not easily coated can be easily and uniformly coated. An example of the porous nano-membrane coating through vacuum suction will be described later with reference to FIG. 4.

일 실시 예에 따른 다공성 나노 멤브레인(10)은 섬유(fiber), 종이, 나일론(nylon) 및 폴리머(polymer) 중 적어도 하나로 이루어진 다공성 구조체이다. 예를 들어, 다공성 나노 멤브레인(10)은 필터 멤브레인(filter membrane), 섬유 다발(fiber bundle), 나노튜브 다발(nanotube bundle), 전기 방사(electro-spinning), 다공성 금속 폼(porous metal form), 폴리머 폼(polymer form), 나일론 폼(nylon form) 중 적어도 하나로 이루어진 마이크로 및 나노 스케일의 동공 구조를 갖는 다공성 물질이다. 이하, 후술되는 도면에서는 설명의 편의를 위해 다공성 나노 멤브레인(10)은 나일론 멤브레인(nylon membrane)을 중심으로 설명하고자 하나, 이에 한정되는 것은 아니다.The porous nano-membrane 10 according to an embodiment is a porous structure made of at least one of fiber, paper, nylon, and polymer. For example, the porous nano-membrane 10 includes a filter membrane, a fiber bundle, a nanotube bundle, electro-spinning, a porous metal form, It is a porous material having a micro- and nano-scale pupil structure made of at least one of a polymer form and a nylon form. Hereinafter, in the drawings to be described later, for convenience of description, the porous nano-membrane 10 is to be mainly described as a nylon membrane, but is not limited thereto.

전극 패턴을 형성하는 전도성 물질은 전도성을 띄는 마이크로 및 나노 스케일의 크기를 갖는 물질 또는 이들 물질의 혼합을 통한 하이브리드 구조의 물질이다. 예를 들어, 전도성 물질은 환원 그래핀 옥사이드(reduced graphene oxide: RGO), 탄소 나노튜브(carbon nanotube: CNT), 금속 나노튜브(metal nanotube), 금속 나노와이어(metal nanowire), 금속 나노입자(metal nanoparticle), 전도성 폴리머(conductive polymer) 또는 이들 물질의 혼합을 통한 하이브리드 구조의 물질이다. 이때, 전도성 물질의 입자는 그 크기가 다공성 나노 멤브레인(10)의 기공들(pore) 크기보다 더 작은 것이 바람직하다. 이하, 후술되는 도면에서는 설명의 편의를 위해 전도성 물질은 GO를 RGO로 화학적 변환한 CRGO(Chemical Conversion of GO to RGO) 분산용액(solution)을 중심으로 설명하고자 하나, 이에 한정되는 것은 아니다.The conductive material forming the electrode pattern is a material having conductive micro and nano-scale sizes or a material having a hybrid structure through a mixture of these materials. For example, conductive materials include reduced graphene oxide (RGO), carbon nanotube (CNT), metal nanotube, metal nanowire, and metal nanoparticles (metal) It is a hybrid structure material through nanoparticle, conductive polymer, or a mixture of these materials. At this time, the particles of the conductive material is preferably smaller than the size of the pores (pore) of the porous nano-membrane 10. Hereinafter, in the drawings to be described later, for convenience of description, the conductive material is mainly described as a chemical conversion of GO to RGO (Chemical Conversion of GO to RGO) dispersion solution, but is not limited thereto.

도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 생체신호 측정용 건식 전극 제조방법을 도시한 도면이다.2 is a view showing a method of manufacturing a dry electrode for measuring bio-signals according to an embodiment of the present invention.

도 2를 참조하면, 우선, GO를 RGO로 화학적 변환한 CRGO(Chemical Conversion of GO to RGO) 분산용액(solution)(14)을 제조한다. 예를 들어, 고 결정성의 그래핀(Graphine)을 분말 상태의 그래파이트(graphite) 혹은 그래파이트 플레이크(flake)로부터 산화 그래핀(Graphine Oxide: GO) 분산용액을 제조하여 합성하고, 이를 환원하여 용매에 분산시켜 CRGO 분산용액(140)을 제조한다.Referring to FIG. 2, first, a chemical conversion of GO to RGO (Chemical Conversion of GO to RGO) dispersion solution 14 is prepared. For example, a highly crystalline graphene (Graphine) is prepared by synthesizing a dispersion of graphene oxide (Graphine Oxide: GO) from powdered graphite or graphite flakes, and reducing it to disperse in a solvent. To prepare a CRGO dispersion solution 140.

이어서, CRGO 분산용액(140)을 나일론 멤브레인(100)이 포함된 장치에 부은다(CRGO solution pouring). 이어서, 나일론 멤브레인(100)을 포함한 하우징(190)에 진공 펌프(180)를 이용하여 진공 흡입(vacuum suction)을 시행하면, CRGO 분산용액(140) 내 입자들이 하우징(190) 내 나일론 멤브레인(100)의 기공들에 균일하게 증착이 된다. 나아가, 나일론 멤브레인(100)의 소재에 영향을 주지 않는 범위 내에서 고온 건조 방식을 통해 습기를 모두 제거한다. 예를 들어, 90℃ 이상에서는 나일론 멤브레인(100)의 물성 특성에 변화를 주기 때문에, 진공 흡입 이후에는 90℃ 이하의 온도 범위에서 약 10분 이상(예를 들어 15분) 가열(Hot plate 90℃, 15min) 하여 습기를 모두 제거한다. 그러면, CRGO 전극(CRGO based electrodes)(200)이 생성된다. 나아가, CRGO 전극(200) 상에 전기화학적 증착을 통해 전도성 물질, 예를 들어 금속 나노입자, 금속 나노와이어, 전도성 폴리머 등을 추가로 코팅 및 증착할 수 있다.Subsequently, the CRGO dispersion solution 140 is poured into a device including the nylon membrane 100 (CRGO solution pouring). Subsequently, when vacuum suction is performed on the housing 190 including the nylon membrane 100 using a vacuum pump 180, particles in the CRGO dispersion solution 140 are provided with a nylon membrane 100 in the housing 190. ) Is uniformly deposited in the pores. Furthermore, all moisture is removed through a high temperature drying method within a range that does not affect the material of the nylon membrane 100. For example, since the properties of the nylon membrane 100 are changed at 90°C or higher, after vacuum suction, heating is performed for about 10 minutes or more (for example, 15 minutes) in a temperature range of 90°C or lower (for example, hot plate 90°C). , 15min) to remove all moisture. Then, CRGO based electrodes 200 are generated. Further, a conductive material, for example, metal nanoparticles, metal nanowires, conductive polymers, etc. may be additionally coated and deposited on the CRGO electrode 200 through electrochemical deposition.

도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 다공성 나노 멤브레인에 전극을 패터닝 방법을 도시한 도면이다.3 is a view showing a method of patterning an electrode on a porous nano-membrane according to an embodiment of the present invention.

도 3을 참조하면, 친환경공법을 이용해 제작된 CRGO 분산용액을 준비하고, 나일론 멤브레인(100)과 섀도우 마스크(210)를 준비한다. 도 3에 도시된 바와 같이, 나일론 멤브레인(100)은 페이퍼(paper) 형태일 수 있고, 섀도우 마스크(210)는 접착성 PI 필름(Adhesive PI film)일 수 있다. 이때, 섀도우 마스크(210)에 면도칼(razor blade) 등을 이용하여 원하는 형상을 디자인할 수 있다.Referring to FIG. 3, a CRGO dispersion solution prepared using an eco-friendly method is prepared, and a nylon membrane 100 and a shadow mask 210 are prepared. As illustrated in FIG. 3, the nylon membrane 100 may be in the form of paper, and the shadow mask 210 may be an adhesive PI film. At this time, a desired shape may be designed by using a razor blade or the like in the shadow mask 210.

이어서, 나일론 멤브레인(100)에 섀도우 마스크(210)를 부착한다. 그리고 섀도우 마스크(210)가 부착된 나일론 멤브레인(100)에 CRGO 분산용액(140)을 부으고(RGO solution drop casting), 진공 펌프 등을 이용하여 진공 흡입을 수행한다(vaccum suction). 이때, CRGO 분산용액(140) 내 입자들이 나일론 멤브레인(100)의 기공들에 증착되어 패턴이 형성(Patterned RGO on Nylon Membrane)되나, 섀도우 마스크(210)로 가려진 부분에는 패턴이 형성되지 않는다.Subsequently, a shadow mask 210 is attached to the nylon membrane 100. Then, the CRGO dispersion solution 140 is poured into the nylon membrane 100 to which the shadow mask 210 is attached (RGO solution drop casting), and vacuum suction is performed using a vacuum pump or the like (vaccum suction). At this time, the particles in the CRGO dispersion solution 140 are deposited on the pores of the nylon membrane 100 to form a pattern (Patterned RGO on Nylon Membrane), but the pattern is not formed on the part covered by the shadow mask 210.

나일론 멤브레인(100) 상에 CRGO 전극(200) 패턴이 형성되면, 건조(drying) 이후 섀도우 마스크(210)를 제거한다(Peel-off the film). 섀도우 마스크(210)는 나일론 멤브레인(100) 상에서 전극이 형성되지 않는 영역을 완전하게 커버하기 위하여, 탄성 또는 유연성을 가지는 소재를 사용할 수 있다. 예를 들어, PDMS, ecoflex, rubber, silicone, stainless steel film 등이 있다.When the CRGO electrode 200 pattern is formed on the nylon membrane 100, the shadow mask 210 is removed after drying (Peel-off the film). The shadow mask 210 may use a material having elasticity or flexibility in order to completely cover an area where no electrode is formed on the nylon membrane 100. Examples include PDMS, ecoflex, rubber, silicone, and stainless steel film.

도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 진공 흡입 원리를 설명하기 위한 도면이다.4 is a view for explaining the vacuum suction principle according to an embodiment of the present invention.

도 4를 참조하면, CRGO 분산용액(140)을 나일론 멤브레인(100)에 부은 후(drop) 진공 흡입을 수행하면, CRGO 분산용액(140) 내 입자들이 나일론 멤브레인(100)의 기공들에 균일하게 증착이 된다. CRGO 분산용액(140)을 나일론 멤브레인(100)에 부으는 방식(drop)에서는 CRGO 분산용액(140) 내 입자들이 나일론 멤브레인(100)의 기공들에 불규칙적으로 채워지게 된다. 이에 비해, 진공 흡입 방식은 내부에 음압(negative pressure)을 형성하고 형성된 음압을 이용하여 나일론 멤브레인(100)의 기공들에 CRGO 분산용액(140) 내 입자들을 채우는 방식으로, 진공 흡입을 사용하면 CRGO 분산용액(140) 내 입자들이 나일론 멤브레인(100)의 기공들에 균일하게 채워지게 된다. 음압을 형성하기 위해 진공 펌프(180)를 사용할 수 있고, 진공관 안에 열을 가하는 방식을 사용할 수도 있다.4, when the CRGO dispersion solution 140 is poured into the nylon membrane 100, and vacuum suction is performed, particles in the CRGO dispersion solution 140 are uniformly distributed in the pores of the nylon membrane 100. It becomes deposition. In the method of pouring the CRGO dispersion solution 140 into the nylon membrane 100, particles in the CRGO dispersion solution 140 are irregularly filled in the pores of the nylon membrane 100. On the other hand, the vacuum suction method is a method of filling the particles in the CRGO dispersion solution 140 in the pores of the nylon membrane 100 by forming a negative pressure therein and using the formed negative pressure. The particles in the dispersion solution 140 are uniformly filled in the pores of the nylon membrane 100. A vacuum pump 180 may be used to form negative pressure, or a method of applying heat in the vacuum tube may be used.

도 4의 예는 진공 펌프(180)를 이용하여 진공 흡입하는 방식을 도시한 것이다. 나일론 멤브레인(100)을 포함하는 하우징(190)은, 상부는 진공 흡입을 위한 진공 펌프(180)와 연결되고, 하부는 여과된 샘플이 수용되는 필터 홀더(미도시)와 연결된다. 이때, 진공 펌프(180)의 진공 흡입을 통해 CRGO 분산용액(140) 내 입자들이 나일론 멤브레인(100)의 기공들에 채워지게 된다.The example of FIG. 4 illustrates a vacuum suction method using the vacuum pump 180. The housing 190 including the nylon membrane 100 is connected to a vacuum pump 180 for vacuum suction at the top and a filter holder (not shown) for receiving the filtered sample at the bottom. At this time, particles in the CRGO dispersion solution 140 are filled in the pores of the nylon membrane 100 through vacuum suction of the vacuum pump 180.

도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 진공 흡입을 통해 CRGO 분산용액 내 입자들이 나일론 멤브레인의 기공들에 채워지는 모습을 도시한 도면이다.5 is a view showing a state in which the particles in the CRGO dispersion solution are filled in the pores of the nylon membrane through vacuum suction according to an embodiment of the present invention.

도 5를 참조하면, 진공 펌프(180)의 진공 흡입을 통해 CRGO 분산용액(140) 내 입자들이 나일론 멤브레인(100)의 기공들에 채워지게 된다. 진공 흡입을 사용하면, 입자들을 균일하게 채울 수 있고, 적은 힘을 사용하여 보다 많은 양의 입자들을 채울 수 있게 된다. CRGO 분산용액(140) 내 입자들의 크기는 나일론 멤브레인(100)의 기공 크기보다 작아 여과되어 빠질 수 있으나, 진공 펌프(180)의 진공 흡입을 통해 나일론 멤브레인(100)의 기공들에 채워지는 원리이다.Referring to FIG. 5, particles in the CRGO dispersion solution 140 are filled in the pores of the nylon membrane 100 through vacuum suction of the vacuum pump 180. Using vacuum suction, particles can be uniformly filled, and a larger amount of particles can be filled with less force. The size of the particles in the CRGO dispersion solution 140 is smaller than the pore size of the nylon membrane 100 and may be filtered out, but the principle is that the pores of the nylon membrane 100 are filled through vacuum suction of the vacuum pump 180. .

도 6은 본 발명의 일 실시 예에 따른 생체신호 측정용 건식 전극의 이미지 및 측정 결과를 도시한 도면이다.6 is a view showing an image and a measurement result of a dry electrode for measuring bio-signals according to an embodiment of the present invention.

보다 세부적으로, 도 6의 (a)는 다공성 나일론 멤브레인 페이퍼의 SEM 이미지를, (b)는 CRGO 전극의 SEM 이미지를, (c)는 제작된 건식 전극의 면 저항 측정값을, (d)는 테이프 테스트를 통한 제작된 전극의 안정성 테스트 모습을, (e)는 C1s에서의 X-선 광전자 분광법(X-Ray Photoelectron Spectroscopy: XPS) 측정 결과를, (f)는 CRGO 전극의 X-선 회절(X-Ray Diffraction: XRD) 측정 결과를, (g)는 제작된 샘플의 라만 스펙트라(Raman spectra)를, (h) Ag/AgCl 전극 및 CRGO 전극의 임피던스 측정 결과를 각각 도시한 것이다.More specifically, FIG. 6(a) shows an SEM image of a porous nylon membrane paper, (b) an SEM image of a CRGO electrode, (c) a measured sheet resistance of the fabricated dry electrode, and (d) The stability test of the produced electrode through the tape test, (e) shows the results of X-Ray Photoelectron Spectroscopy (XPS) measurement in C1s, and (f) shows the X-ray diffraction of the CRGO electrode ( X-Ray Diffraction (XRD) measurement results, (g) shows the Raman spectra of the fabricated sample, (h) Ag/AgCl electrode and CRGO electrode, respectively.

도 6을 참조하면, 높은 전도성을 가지는 고성능 전극(예를 들어, CRGO 전극)을 적은 비용으로 빠른 시간 내 제작이 가능하기 때문에 상용화가 가능하며 효과적이다.Referring to FIG. 6, commercialization is possible and effective because a high-performance electrode having high conductivity (for example, a CRGO electrode) can be manufactured in a short time at a low cost.

도 7은 본 발명의 일 실시 예에 따른 생체신호 측정용 건식 전극의 사용 예 및 심전도(electrocardiogram: ECG) 신호 모니터링 모습을 도시한 도면이다.7 is a view showing an example of the use of a dry electrode for measuring bio-signals and an electrocardiogram (ECG) signal monitoring according to an embodiment of the present invention.

보다 세부적으로, 도 7의 (a)는 제작된 다공성 나일론 멤브레인/CRGO 기반의 건식 전극의 외관을, (b)는 착용 3일 이후의 제작된 CRGO 기반 건식 전극의 착용 모습을, (c)는 착용 3일 이후의 제작된 Ag/AgCl 전극의 착용 모습을, (d)는 다공성 나일론 멤브레인/CRGO 기반의 터치 센서 메커니즘을, (e)는 피험자의 손가락을 이용한 ECG 신호 모니터링 모습을 도시한 것이다.In more detail, FIG. 7(a) shows the appearance of the fabricated porous nylon membrane/CRGO-based dry electrode, (b) wears the fabricated CRGO-based dry electrode after 3 days of wearing, and (c) the 3 days after wearing, the Ag/AgCl electrode was fabricated, (d) shows a porous nylon membrane/CRGO-based touch sensor mechanism, and (e) shows ECG signal monitoring using a subject's finger.

도 7 (d)에 도시된 바와 같이, 다공성 나일론 멤브레인에 CRGO가 코팅된 전극을 가진 터치 센서를 제조할 수 있다.As shown in Figure 7 (d), it is possible to manufacture a touch sensor having an electrode coated with CRGO on a porous nylon membrane.

도 8은 본 발명의 일 실시 예에 따른 피험자의 휴식시간 동안에 Matlab을 이용한 RIF 필터 이후에 얻어진 ECG 신호를 도시한 도면이다.8 is a view showing an ECG signal obtained after an RIF filter using Matlab during a subject's rest time according to an embodiment of the present invention.

보다 세부적으로, 도 8의 (a)는 Ag/AgCl 전극을, (b)는 CRGO 기반 건식 전극의 ECG 신호를 각각 도시한 것이다.More specifically, FIG. 8(a) shows the Ag/AgCl electrode, and (b) shows the ECG signal of the CRGO-based dry electrode, respectively.

도 9는 본 발명의 일 실시 예에 따른 CRGO 기반 건식 전극의 ECG 측정 결과를 도시한 도면이다.FIG. 9 is a diagram illustrating ECG measurement results of a CRGO-based dry electrode according to an embodiment of the present invention.

보다 세부적으로, 도 9의 (a)는 14일 이후의 ECG 측정 결과를, (b)는 30일 이후의 ECG 측정 결과를 각각 도시한 것이다.More specifically, FIG. 9(a) shows ECG measurement results after 14 days and (b) ECG measurement results after 30 days, respectively.

도 9를 참조하면, 한 달 이상 장시간 동안 착용하여도 피부 발진 등의 트러블을 유발하지 않으며, 반복사용 하더라도 성능이 떨어지지 않음을 알 수 있다. 일 실시 예에 따른 건식 전극은 생체 적합성이 뛰어나 10일 이상의 장시간 동안 안정적으로 생리학적 신호를 연속 모니터링할 수 있다. 또한, 유연한 구조를 가져 피부-전극 간 접촉이 용이하다.Referring to FIG. 9, it can be seen that even when worn for a long period of time for more than a month, it does not cause trouble such as skin rash, and performance does not deteriorate even after repeated use. The dry electrode according to an embodiment has excellent biocompatibility and can continuously monitor physiological signals stably for a long time of 10 days or more. In addition, it has a flexible structure to facilitate skin-electrode contact.

도 10은 본 발명의 일 실시 예에 따른 CRGO 기반 건식 전극 상에서 배양된 셀들의 live/dead assay 결과를 도시한 도면이다.10 is a view showing the results of live/dead assay of cells cultured on a CRGO-based dry electrode according to an embodiment of the present invention.

도 10을 참조하면, 모든 전극 상 세포들은 95% 이상의 생존률을 나타내고 있다.Referring to FIG. 10, cells on all electrodes exhibit a survival rate of 95% or more.

이제까지 본 발명에 대하여 그 실시 예들을 중심으로 살펴보았다. 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 실시 예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.So far, the present invention has been focused on the embodiments. Those skilled in the art to which the present invention pertains will understand that the present invention can be implemented in a modified form without departing from the essential characteristics of the present invention. Therefore, the disclosed embodiments should be considered in terms of explanation, not limitation. The scope of the present invention is shown in the claims rather than the foregoing description, and all differences within the equivalent range should be interpreted as being included in the present invention.

10: 다공성 나노 멤브레인 20: 생체신호 측정용 건식 전극
100: 나일론 멤브레인 140: CRGO 분산용액
180: 진공 펌프 190: 하우징
200: CRGO 전극 210: 섀도우 마스크10: porous nano-membrane 20: dry electrode for biosignal measurement
100: nylon membrane 140: CRGO dispersion solution
180: vacuum pump 190: housing
200: CRGO electrode 210: shadow mask

Claims

Porous nano-membrane of flexible material; And
A conductive material coated on the porous nano-membrane in a form in which particles are filled in the pores of the porous nano-membrane without being filtered to form a dry electrode;
It includes,
The conductive material
A dry electrode for biosignal measurement, characterized in that it is filled in a porous nano-membrane through vacuum suction.

delete

According to claim 1,
A dry electrode for biosignal measurement characterized in that a dispersion solution made of a conductive material is poured into a porous nanomembrane, and particles in the dispersion solution are uniformly filled in the pores of the porous nanomembrane through vacuum suction.

The method of claim 1, wherein the porous nano-membrane
A dry electrode for biosignal measurement, characterized in that it is a porous structure made of at least one of fiber, paper, nylon, and polymer.

The method of claim 4, wherein the porous nano-membrane
Filter membrane, fiber bundle, nanotube bundle, electro-spinning, porous metal form, polymer form, nylon foam form) a dry electrode for measuring bio-signals, characterized in that it is a porous material having a micro- and nano-scale pupil structure consisting of at least one.

The method of claim 1, wherein the conductive material
Reduced graphene oxide (RGO), carbon nanotube (CNT), metal nanotube, metal nanowire, metal nanoparticle, conductive polymer polymer) or a hybrid electrode through a mixture of these materials.

The method of claim 1, wherein the conductive material
The particle size is less than or equal to the pore size of the porous nano-membrane, and the dry electrode for biosignal measurement characterized in that it is filled in the pores of the porous nano-membrane through vacuum suction.

The method of claim 1, wherein the dry electrode for measuring bio-signals
A shadow mask that is formed so that a conductive material is not coated on an undesired portion of the porous nano-membrane to form a desired type of dry electrode, and is removed when an electrode pattern is formed after being attached to the conductive material;
It characterized in that it further comprises a dry electrode for measuring bio-signals.

The method of claim 8, wherein the shadow mask
For biosignal measurement, characterized in that at least one of PDMS, ecoflex, rubber, silicone, and stainless steel films, which are elastic or flexible materials, is used to completely cover the region where the electrode is not formed in the porous nanomembrane. Dry electrodes.

A step in which a conductive material is provided; And
Forming a dry electrode by coating the porous nano-membrane with the conductive material in a form in which the pores of the porous nano-membrane are filled with a conductive material through vacuum suction;
Method for manufacturing a dry electrode for measuring bio-signals, comprising a.

The method of claim 10, wherein the step of forming the dry electrode
The step of pouring a dispersion solution made of a conductive material on the porous nano-membrane; And
Uniformly filling the pores of the porous nano-membrane particles in the dispersion solution through vacuum suction;
Method for manufacturing a dry electrode for measuring bio-signals, comprising a.

The method of claim 10, wherein the method for manufacturing a dry electrode for measuring bio-signals
Attaching a shadow mask to the porous nano-membrane so that a conductive material is not coated on an unwanted portion of the porous nano-membrane to form a desired type of dry electrode; And
When the dry electrode pattern is formed, the shadow mask is removed;
A method of manufacturing a dry electrode for measuring bio-signals, further comprising a.

The method of claim 10, wherein the method for manufacturing a dry electrode for measuring bio-signals
Removing moisture through a high temperature drying method within a range not affecting the porous nano-membrane material;
A method of manufacturing a dry electrode for measuring bio-signals, further comprising a.