KR102184201B1 - 일상생활에서 반복적으로 사용 가능하고 흡습성을 가진 음의 푸아송비를 가지는 피부부착형 센서 및 그 피부부착형 센서의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 일상생활에서 반복적으로 사용 가능하고 흡습성을 가진 음의 푸아송비를 가지는 피부부착형 센서 및 그 피부부착형 센서의 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 장시간 사용이 가능하고 탈부착이 용이한 하이드로젤 기반의 연신성 전극 및 센서로서, 빈공간이 많은 연신성 구조를 적용하여 센서 부착시에도 피부가 외부로 직접 노출되도록 하여 장시간 사용이 가능마고, 음의 푸아송 비를 가지는 연신성 구조를 0에 가깝거나 음의 푸아송비를 가지는 무릎 또는 팔꿈치 등의 부위에 부착하여 안정적인 접촉이 가능하고, 코팅해주는 금속 나노선의 농도 조절을 통해서 연신에 대한 민감도를 조절해서 연신에 둔감한 전극과 연신에 민감한 센서를 쉽게 제작할 수 있는 피부부착형 센서 및 그 센서의 제조방법에 관한 것이다.

Description

일상생활에서 반복적으로 사용 가능하고 흡습성을 가진 음의 푸아송비를 가지는 피부부착형 센서 및 그 피부부착형 센서의 제조방법{Hygroscopic On­Skin Sensors having Poisson′s ratio of human skin for Easy­to­handle Repeated Daily Uses}

본 발명은 일상생활에서 반복적으로 사용 가능하고 흡습성을 가진 음의 푸아송비를 가지는 피부부착형 센서 및 그 피부부착형 센서의 제조방법에 관한 것이다.

폴리 에틸렌 글리콜 디아크릴레이트(Poly(ethylene glycol) diacrylate, 이하 PEG-DA)는 UV 경화성을 가지는 하이드로젤 물질이다. 이 특성을 이용하여 다양한 패턴을 형성할 수 있는 장점이 있다. PEG-DA는 흡습성이 있는 젤이며 생체친화적인 물질로 현재 헬스케어 디바이스에 많이 응용되어지고 있다.

또한, 은 나노선은 높은 aspect ratio를 가진 금속나노선으로 투명전극이나 연신성 전극에 많이 사용되는 물질이다. 높은 aspect ratio를 통해서 연신이 되더라도 전류가 흐를 수 있는 네트워크를 형성하여서 연신성 전극물질로 많이 사용되어지고 있다.

기존의 여러 피부 부착형 센서들은 연신성 필름을 패치형태로 가지고 있다. 피부의 움직임을 따라 피부에 잘 부착되어 있기 위해서는 연신성 고분자를 기판으로 사용하고 있다. 하지만 이러나 연신성 고분자 물질은 흡습성과 공기투과성이 매우 떨어진다

연신성 고분자 기판에 제작된 패피형의 부착형 센서에 의해서 피부에서 발생하는 땀이 배출되지 않고 동시에 피부에 공기가 접촉되지 않게 된다. 그 결과 피부질환이 야기되는 부작용이 발생한다. 이로 인해서 장시간 피부에 부착하여 사용하지 못하는 문제점이 있다.

또한 피부와 기기 사이에 땀이 발생함에 의해서 피부와 기기의 안정적인 접촉이 떨어진다. 예를 들어 피부에 부착되어 심장의 전기적인 신호를 측정하는 심전도 센서의 경우 피부와의 접촉 저항이 크게 증가하여 심장의 전기적인 신호를 제대로 측정할 수 없게 된다.

대한민국 등록특허 제1596195호 대한민국 등록특허 제1048662호 대한민국 등록특허 제1896158호 대한민국 공개특허 제2014-0001612호

따라서 본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 실시예에 따르면, 일상생활에서 피부에 부착하여 장시간 사용이 가능하며 탈부착이 가능한 피부부착형 심전도, 근전도 센서로 적용이 가능하며, 동일한 특성과 더불어 음의 푸아송 비를 가지는 특성을 이용하여 관절에 안정적인 접촉을 하여 관절의 연신을 측정하는 관절센서로 적용이 가능한 피부부착형 센서를 제공하는데 그 목적이 있다.

본 발명의 실시예에 따르면, 장시간 사용이 가능하고 탈부착이 용이한 하이드로젤 기반의 연신성 전극 및 센서로서, 빈 공간이 많은 연신성 구조를 적용하여 센서 부착시에도 피부가 외부로 직접 노출되도록 하여 장시간 사용이 가능하고, 음의 푸아송 비를 가지는 연신성 구조를 0에 가깝거나 음의 푸아송비를 가지는 무릎 또는 팔꿈치 등의 부위에 부착하여 안정적인 접촉이 가능하고, 코팅해주는 금속 나노선의 농도 조절을 통해서 연신에 대한 민감도를 조절해서 연신에 둔감한 전극과 연신에 민감한 센서를 쉽게 제작할 수 있는 피부부착형 센서 및 그 센서의 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

그리고 본 발명의 실시예에 따르면, 적용된 연신성구조로 인해서 피부의 땀이 원활하게 배출되어 증발하며 공기와 피부도 잘 접촉할 수 있어서 종래 연신성 고분자 막을 이용한 피부 부착형 센서로 인해서 발생할 수 있는 피부 부작용을 줄일 수 있고 빈 공간으로 원할하게 증발하고 흡습성을 가진 젤이 땀을 흡수하여서 피부와 센서 사이에 땀이 배출되지 않아 접촉이 불안정해지는 부작용도 발생되지 않는, 일상생활에서 반복적으로 사용 가능하고 흡습성을 가진 음의 푸아송비를 가지는 피부부착형 센서 및 그 피부부착형 센서의 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

그리고 본 발명의 실시예에 따르면, 빈 공간이 많은 구조를 적용함으로써 매우 가벼운 센서를 제작할 수 있는, 일상생활에서 반복적으로 사용 가능하고 흡습성을 가진 음의 푸아송비를 가지는 피부부착형 센서 및 그 피부부착형 센서의 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

한편, 본 발명에서 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

본 발명의 제1목적은, 피부부착형 센서에 있어서, UV 경화성 하이드로젤에 마스크를 통해 UV를 조사하여 패터닝되는 기판; 및 상기 기판에 스프레이 코팅되는 금속 나노선 전극;을 포함하는 것을 특징으로 하는 일상생활에서 반복적으로 사용 가능하고 흡습성을 가진 음의 푸아송비를 가지는 피부부착형 센서로서 달성될 수 있다.

그리고 상기 UV 경화성 하이드로젤은 폴리에틸렌글리콜디아크릴레이트(PEG-DA)로서, 상기 기판은 PEG-DA기판인 것을 특징으로 할 수 있다.

또한, 상기 금속 나노선 전극은, 은 나노선 전극인 것을 특징으로 할 수 있다.

그리고 은 나노선의 코팅양에 따라 연신에 대한 민감도가 조절되는 것을 특징으로 할 수 있다.

또한, 상기 피부부착형 센서는, 심전도센서, 근전도센서, 연신센서, 또는 관절에 접착되는 관절센서인 것을 특징으로 할 수 있다.

본 발명의 제2목적은, 피부부착형 센서의 제조방법에 있어서, 폴리에틸렌글리콜 디아크릴레이트(PEG-DA) 용액을 준비하는 단계; 상기 PEG-DA 용액을 기판에 떨어뜨리는 단계; 상기 PEG-DA 용액에 프린팅된 마스크를 올리고 UV를 조사하여 부분 경화하는 단계; 경화되지 않은 PEG-DA 용액을 제거하여 패터닝된 PEG-DA 기판을 제작하는 단계; 및 상기 PEG-DA 기판에 은 나노선 분산용액을 스프레이 분사하여 은 나노선 전극층을 형성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 일상생활에서 반복적으로 사용 가능하고 흡습성을 가진 음의 푸아송비를 가지는 피부부착형 센서의 제조방법으로서 달성될 수 있다.

그리고 기판에 떨어뜨리는 단계 전에, 상기 PEG-DA 용액에 아크릴 산을 혼합하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.

또한 아크릴 산은 혼합된 용액 전체 대비 6 ~ 8wt%비율로 혼합되는 것을 특징으로 할 수 있다.

그리고 아크릴 산을 혼합하는 단계 전에 상기 PEG-DA용액에 2-hydroxy-2-methylpropiophenone을 혼합하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.

또한 기판 상에 폴리이미드 스페이서를 부착하고, 스페이서가 부착된 기판에 상기 PEG-DA 용액을 떨어뜨리는 것을 특징으로 할 수 있다.

그리고 은 나노선 전극층을 형성하는 단계는, 은 나노선 에탄올 분산용액을 제작하고, 히팅플레이트에 PEG-DA를 올려놓은 상태에서 상기 분산용액을 분사하는 것을 특징으로 할 수 있다.

또한, 은 나노선 에탄올 분산용액을 질소와 함께 분사시키는 것을 특징으로 할 수 있다.

그리고 은 나노선 에탄올 분산용액 분사 후, 진공에서 열처리하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.

본 발명의 실시예에 따른 피부부착형 센서에 따르면, 일상생활에서 피부에 부착하여 장시간 사용이 가능하며 탈부착이 가능한 피부부착형 심전도, 근전도 센서로 적용이 가능하며, 동일한 특성과 더불어 음의 푸아송 비를 가지는 특성을 이용하여 관절에 안정적인 접촉을 하여 관절의 연신을 측정하는 관절센서로 적용이 가능한 효과를 갖는다.

본 발명의 실시예에 따른 피부부착형 센서 및 그 센서의 제조방법에 따르면, 장시간 사용이 가능하고 탈부착이 용이한 하이드로젤 기반의 연신성 전극 및 센서로서, 빈 공간이 많은 연신성 구조를 적용하여 센서 부착시에도 피부가 외부로 직접 노출되도록 하여 장시간 사용이 가능마고, 음의 푸아송 비를 가지는 연신성 구조를 0에 가깝거나 음의 푸아송비를 가지는 무릎 또는 팔꿈치 등의 부위에 부착하여 안정적인 접촉이 가능하고, 코팅해주는 금속 나노선의 농도 조절을 통해서 연신에 대한 민감도를 조절해서 연신에 둔감한 전극과 연신에 민감한 센서를 쉽게 제작할 수 있는 장점이 있다.

그리고 본 발명의 실시예에 따른 일상생활에서 반복적으로 사용 가능하고 흡습성을 가진 음의 푸아송비를 가지는 피부부착형 센서 및 그 피부부착형 센서의 제조방법에 따르면, 적용된 연신성구조로 인해서 피부의 땀이 원활하게 배출되어 증발하며 공기와 피부도 잘 접촉할 수 있어서 종래 연신성 고분자 막을 이용한 피부 부착형 센서로 인해서 발생할 수 있는 피부 부작용을 줄일 수 있고 빈 공간으로 원할하게 증발하고 흡습성을 가진 젤이 땀을 흡수하여서 피부와 센서 사이에 땀이 배출되지 않아 접촉이 불안정해지는 부작용도 발생되지 않는 장점이 있다.

그리고 그리고 본 발명의 실시예에 따른 일상생활에서 반복적으로 사용 가능하고 흡습성을 가진 음의 푸아송비를 가지는 피부부착형 센서 및 그 피부부착형 센서의 제조방법에 따르면, 빈 공간이 많은 구조를 적용함으로써 매우 가벼운 센서를 제작할 수 있는 장점이 있다.

한편, 본 발명에서 얻을 수 있는 효과는 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 일실시예를 예시하는 것이며, 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술적 사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석 되어서는 아니 된다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 일상생활에서 반복적으로 사용 가능하고 흡습성을 가진 음의 푸아송비를 가지는 피부부착형 센서의 제조방법을 나타낸 도면,
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 빈공간이 많은 구조로 피부 부착형 센서의 수분증발 및 공기투과의 용이성을 나타낸 도면,
도 3은 본 발명의 실험예에 따른 아크릴 산(acrylic acid)의 양에 대한 피부부착형 센서의 전기적 안정도 그래프,
도 4는 본 발명의 실험예에 따른 아크릴 산(acrylic acid)의 양에 대한 피부부착형 센서의 반복테스트의 전기적 안정도 그래프,
도 5는 본 발명의 실험예에 따른 PI, PDMS, Hybrid, 네트워크 전극에 대한 수분증발속도 그래프,
도 6은 아크릴산 0wt%(B), 및 7wt% 함유(D)에 따른 5회 taping test 이후 은 나노선 층의 모습
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 PEG-DA 기반 심전도 센서로 심전도를 측정한 심전도(ECG) 신호 그래프
도 8은 본 발명의 실험예에 따라 1시간 동안 운동 후 땀에 젖은 센서로 측정한 ECG 신호 그래프,
도 9는 본 발명의 실험예에 따른 물에 담근 후 물에 완전히 젖은 ECG 센서로 측정한 ECG 신호 그래프
도 10은 본 발명의 실험예에 따라 7일동안 피부에 부착하여 착용한 뒤 측정한 ECG 신호 그래프,
도 11은 본 발명의 실험예에 따른, Dry한 PEG-DA 기반 ECG 센서, 운동 후 땀에 젖은 ECG 센서, 물에 담근 후 물에 젖은 ECG 센서, 7일 동안 착용한 ECG 센서로 측정한 연속적인 ECG 신호 그래프,
도 12는 본 발명의 실시예에 따라 은 나노선의 양을 줄여서 제작한 PEG-DA 기반 관절 연신(strain) 센서의 각도에 따른 저항 변화 그래프,
도 13은 본 발명의 실시예에 따른 관절 부착용 연신센서의 반복적인 연신에 대한 전기적 안정성 그래프를 도시한 것이다.

이상의 본 발명의 목적들, 다른 목적들, 특징들 및 이점들은 첨부된 도면과 관련된 이하의 바람직한 실시예들을 통해서 쉽게 이해될 것이다. 그러나 본 발명은 여기서 설명되는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예들은 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 통상의 기술자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다.

본 명세서에서, 어떤 구성요소가 다른 구성요소 상에 있다고 언급되는 경우에 그것은 다른 구성요소 상에 직접 형성될 수 있거나 또는 그들 사이에 제 3의 구성요소가 개재될 수도 있다는 것을 의미한다. 또한 도면들에 있어서, 구성요소들의 두께는 기술적 내용의 효과적인 설명을 위해 과장된 것이다.

본 명세서에서 기술하는 실시예들은 본 발명의 이상적인 예시도인 단면도 및/또는 평면도들을 참고하여 설명될 것이다. 도면들에 있어서, 막 및 영역들의 두께는 기술적 내용의 효과적인 설명을 위해 과장된 것이다. 따라서 제조 기술 및/또는 허용 오차 등에 의해 예시도의 형태가 변형될 수 있다. 따라서 본 발명의 실시예들은 도시된 특정 형태로 제한되는 것이 아니라 제조 공정에 따라 생성되는 형태의 변화도 포함하는 것이다. 예를 들면, 직각으로 도시된 영역은 라운드지거나 소정 곡률을 가지는 형태일 수 있다. 따라서 도면에서 예시된 영역들은 속성을 가지며, 도면에서 예시된 영역들의 모양은 소자의 영역의 특정 형태를 예시하기 위한 것이며 발명의 범주를 제한하기 위한 것이 아니다. 본 명세서의 다양한 실시예들에서 제1, 제2 등의 용어가 다양한 구성요소들을 기술하기 위해서 사용되었지만, 이들 구성요소들이 이 같은 용어들에 의해서 한정되어서는 안 된다. 이들 용어들은 단지 어느 구성요소를 다른 구성요소와 구별시키기 위해서 사용되었을 뿐이다. 여기에 설명되고 예시되는 실시예들은 그것의 상보적인 실시예들도 포함한다.

본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 '포함한다(comprises)' 및/또는 '포함하는(comprising)'은 언급된 구성요소는 하나 이상의 다른 구성요소의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.

아래의 특정 실시예들을 기술하는데 있어서, 여러 가지의 특정적인 내용들은 발명을 더 구체적으로 설명하고 이해를 돕기 위해 작성되었다. 하지만 본 발명을 이해할 수 있을 정도로 이 분야의 지식을 갖고 있는 독자는 이러한 여러 가지의 특정적인 내용들이 없어도 사용될 수 있다는 것을 인지할 수 있다. 어떤 경우에는, 발명을 기술하는 데 있어서 흔히 알려졌으면서 발명과 크게 관련 없는 부분들은 본 발명을 설명하는데 있어 별 이유 없이 혼돈이 오는 것을 막기 위해 기술하지 않음을 미리 언급해 둔다.

이하에서는 본 발명에 따른 일상생활에서 반복적으로 사용 가능하고 흡습성을 가진 음의 푸아송비를 가지는 피부부착형 센서의 구성에 대해 설명하도록 한다. 본 발명에 따른 피부부착형 센서는 UV 경화성 하이드로젤에 마스크를 통해 UV를 조사하여 패터닝되는 기판과, 이러한 기판에 스프레이 코팅되는 금속 나노선 전극을 포함하여 구성된다.

UV 경화성 하이드로젤은 폴리에틸렌글리콜 디아크릴레이트(PEG-DA)로서, 기판은 연신성 구조를 갖도록 패터닝된 PEG-DA기판으로 구성된다. PEG-DA는 흡습성이 있는 하이드로젤 물질로서, PEG-DA 기판을 빈 공간이 많은 연신성 구조로 형성함으로써 음의 푸아송 비를 갖도록 할 수 있다. 이에 따라 제작되는 피부부착형 센서는 연신이 가능하고 손으로 탈부착이 가능한 PEG-DA 기판 위에서 반복적인 연신에도 안정적으로 작동할 수 있다.

또한, 금속 나노선 전극은, 은 나노선 전극으로 구성될 수 있다.

그리고 은 나노선의 코팅양에 따라 연신에 대한 민감도가 조절된다.

이러한 본 발명에 따른 피부부착형 센서는, 심전도센서, 근전도센서, 연신센서, 또는 관절에 접착되는 관절센서로 제작될 수 있다.

이하에서는 앞서 언급한 본 발명에 따른 피부부착형 센서의 제조방법에 대해 설명하도록 한다. 도 1은 본 발명의 실시예에 따른 일상생활에서 반복적으로 사용 가능하고 흡습성을 가진 음의 푸아송비를 가지는 피부부착형 센서의 제조방법을 나타낸 도면이다.

먼저, 폴리에틸렌글리콜 디아크릴레이트(PEG-DA) 용액을 준비한다. 그리고 이러한 PEG-DA용액에 2-hydroxy-2-methylpropiophenone을 혼합하게 된다. 그리고 아크릴 산을 혼합한다. 이러한 아크릴 산은 혼합된 용액 전체 대비 6 ~ 8wt% 비율로 혼합되는 것이 바람직하다.

그리고 글라스 기판(1) 상에 폴리이미드 스페이서를 부착하고, 스페이서가 부착된 글라스 기판(1)에 PEG-DA 혼합용액을 떨어뜨리게 된다.

그리고 스페이서와 PEG-DA 용액에 프린팅된 마스크를 올리고 UV를 조사하여 부분 경화하게 된다. 그리고 경화되지 않은 PEG-DA 용액을 제거하여 빈 공간이 많은 연신성 구조에 의해 음의 푸아송 비를 갖도록 패터닝된 PEG-DA 기판(2)을 제작하게 된다. PEG-DA 기판(2)은 스페이서의 두께에 따라 기판의 두께 조절이 용이하다. 손으로 탈부착이 가능하며 연신이 가능한 두께의 PEG-DA 기판을 제작할 수 있다. 이에 따라, 일상 생활에서 필요에 따라 탈부착이 가능하여 반복적으로 사용이 가능한 기기를 제작할 수 있다.

그리고 PEG-DA 기판(2)에 은 나노선 분산용액을 스프레이 분사하여 은 나노선 전극(3)층을 형성한다.

은 나노선 전극(3)층을 형성하는 단계는, 은 나노선 에탄올 분산용액을 제작하고, 히팅플레이트에 PEG-DA를 올려놓은 상태에서 분산용액을 질소와 함께 분사시키게 된다.

이러한 은 나노선 에탄올 분산용액 분사 후, 진공에서 열처리하여 본 발명에 따른 피부부착형 센서(10)를 제작하게 된다.

이하에서는 앞서 언급한 본 발명에 따른 피부부착형 센서의 구체적 실시예에 대해 설명하도록 한다.

<UV 경화가 가능한 연신성구조를 갖도록 패터닝된 PEG-DA 기판의 제조>

Poly(ethylene glycol) diacrylate(M_n = 700 g/mol, Mw = 8000g/mol)을 질량비 19:1로 혼합하였다. 그리고 2-hydroxy-2-methylpropiophenone(HMOPP)와 앞서 혼합한 PEG-DA와 질량비 1:10으로 혼합하였다.

그리고 아크릴 산(Acrylic acid)를 전체용액의 7 wt%가 되도록 혼합하였다. 그리고 슬라이드 글라스 기판(1)에 100 mm 두께의 폴리이미드 스페이서를 부착하였다.

그리고 PEG-DA, HMOPP, Acrylic acid의 혼합용액을 스페이서가 부착된 글라스 기판(1)에 떨어뜨려주었다.

그리고 PET 필름에 프린팅된 마스크를 스페이서와 혼합용액 위에 올리고 UV(l = 365nm, 10 nW)를 6초간 쬐어주었다. 그리고 남아 있는 경화되지 않은 혼합용액을 정제수로 세척하여 제거하여 패터닝된 PEG-DA 기판(2)을 제조하였다.

<은 나노선 스프레이 코팅>

먼저 은 나노선 0.05 wt% 에탄옹 분산용액을 주사기에 주입하고, 에탄올의 증발을 위해 69도로 온도가 올라가 있는 히팅 플레이트 위에 제작된 PEG-DA 기판(2)을 올리고, 질소가 같이 뿜어져 나오는 노즐을 통해 18ml/h의 속도로 노즐과 PEG-DA 기판(2) 사이 간격을 17cm로 조절하면서 분산용약을 분사하였다.

이때, 연신에 둔감한 센서를 제작할 때는 나노선 분산용액을 8.0ml 분사하였고, 연신에 민감한 센서를 제작할 때는 은 나노선 분산용액을 4.0ml를 분사하여 코팅하였다.

그리고 스프레이 코팅이 완료된 후, 160도로 진공에서 2시간동안 열처리를 진행하여, 본 발명의 실시예에 따른 피부부착형 센서(10)를 제작하였다.

이하에서는 앞서 언급한 실시예에 따라 제작된 피부부착형 센서에 대한 실험데이터에 대해 설명하도록 한다. 먼저 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 빈공간이 많은 구조로 피부 부착형 센서의 수분증발 및 공기투과의 용이성을 나타낸 도면을 도시한 것이다. 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따라 제작된 피부부착형 센서(10)는 빈공간이 많은 구조를 가지고 있어 수분증발 및 공기투과성이 우수함을 알 수 있다.

도 3은 본 발명의 실험예에 따른 아크릴 산(acrylic acid)의 양에 대한 피부부착형 센서의 전기적 안정도 그래프를 도시한 것이다. 그리고 도 4는 본 발명의 실험예에 따른 아크릴 산(acrylic acid)의 양에 대한 피부부착형 센서의 반복테스트의 전기적 안정도 그래프를 도시한 것이다. 도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이, 아크릴산을 7 wt%정도 혼합한 경우 전기적 안정도가 우수함을 알 수 있다.

도 5는 본 발명의 실험예에 따른 PI, PDMS, Hybrid, 네트워크 전극에 대한 수분증발속도 그래프를 도시한 것이다. 도 5에 도시된 바와 같이, 코팅이 없는 시편(Open)과, 보이드가 없는 PEG 겔/Ag NW 하이브리드 필름(Hydrid Film), 본 발명의 실시예에 따른 네트워크 구조(Network electrode)와, 비교를 위해 기판으로 널리 사용되는 폴리이미드 필름(PI)과, 폴리(디메틸 실록산)필름(PDMS)의 증발 속도를 비교한 것으로. 시편의 두께는 100 μm이고, 물을 함유한 바이알(20 mL)(10.0g)이 필름으로 밀봉되어 있는지 확인하고 48 시간 동안 무게 손실을 모니터링했다.

PEG/Ag 하이브리드 겔 필름(e_h)의 증발률은 3.6 mg/h로 "코팅이 없는" 경우 (e_v = 7.2 mg/h)의 절반 정도였다. PEG 겔 필름의 증발률은 3.3 mg / h로 주목할 만하다. 이는 겔의 표면에 Ag NW가 존재하더라도 겔의 증발 속도에 영향을 미치지 않는다는 것을 의미한다. 네트워크 구조(e_n)의 증발 속도는 5.0 mg/h이었다. 네트워크 구조의 표면 분율(f_c = 0.57)은 e_v와 e_h 사이의 선형 함수(Calculation, e_n = e_v (1 - f_c) + e_hf_c.)에 의해 예측되었다. 물이나 땀은 겔 패턴에 흡수되어 겔 패턴의 상단 표면에서 증발하기 때문에 겔 패턴의 바닥에 있는 Ag NW는 피부층과의 건조한 접촉을 유지할 수 있음을 알 수 있다.

도 6은 아크릴산 0wt%(B), 및 7wt% 함유(D)에 따른 5회 taping test 이후 은 나노선 층의 모습을 나타낸 것이다. 도 6에 도시된 바와 같이, 아크릴산 7wt%를 함유한 경우 은 나노선의 안정성이 우수함을 알 수 있다.

도 7은 본 발명의 실시예에 따른 PEG-DA 기반 심전도 센서로 심전도를 측정한 심전도(ECG) 신호 그래프를 도시한 것이다. 그리고 도 8은 본 발명의 실험예에 따라 1시간 동안 운동 후 땀에 젖은 센서로 측정한 ECG 신호 그래프를 도시한 것이다. 또한, 도 9는 본 발명의 실험예에 따른 물에 담근 후 물에 완전히 젖은 ECG 센서로 측정한 ECG 신호 그래프를 도시한 것이다. 그리고 도 10은 본 발명의 실험예에 따라 7일동안 피부에 부착하여 착용한 뒤 측정한 ECG 신호 그래프를 도시한 것이다. 또한, 도 11은 본 발명의 실험예에 따른, Dry한 PEG-DA 기반 ECG 센서, 운동 후 땀에 젖은 ECG 센서, 물에 담근 후 물에 젖은 ECG 센서, 7일 동안 착용한 ECG 센서로 측정한 연속적인 ECG 신호 그래프를 도시한 것이다.

도 7 내지 도 11에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 피부부착형 센서는 적용된 연신성구조로 인해서 피부의 땀이 원활하게 배출되어 증발하며 공기와 피부도 잘 접촉할 수 있어서 종래 연신성 고분자 막을 이용한 피부 부착형 센서로 인해서 발생할 수 있는 피부 부작용을 줄일 수 있고 빈 공간으로 원할하게 증발하고 흡습성을 가진 젤이 땀을 흡수하여서 피부와 센서 사이에 땀이 배출되지 않아 접촉이 불안정해지는 부작용도 발생되지 않음을 알 수 있다.

도 12는 본 발명의 실시예에 따라 은 나노선의 양을 줄여서 제작한 PEG-DA 기반 관절 연신(strain) 센서의 각도에 따른 저항 변화 그래프를 도시한 것이다. 그리고 도 13은 본 발명의 실시예에 따른 관절 부착용 연신센서의 반복적인 연신에 대한 전기적 안정성 그래프를 도시한 것이다.

도 12 및 도 13에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 피부부착형 센서는 연신에 대한 반복성이 매우 우수함을 알 수 있고, 도 12에 도시된 바와 같이, 은 나노선의 양을 줄인 경우 연신에 대한 민감도를 높일 수 있음을 알 수 있다.

또한, 상기와 같이 설명된 장치 및 방법은 상기 설명된 실시예들의 구성과 방법이 한정되게 적용될 수 있는 것이 아니라, 상기 실시예들은 다양한 변형이 이루어질 수 있도록 각 실시예들의 전부 또는 일부가 선택적으로 조합되어 구성될 수도 있다.

1:글라스 기판
2:PEG-DA 기판
3:은 나노 전극
10:피부부착형 센서

Claims (13)

1. 피부부착형 센서에 있어서,
   UV 경화성 및 흡습성 하이드로젤에 마스크를 통해 UV를 조사하여 빈 공간이 많은 연신성 구조에 의해 음의 푸아송 비를 갖도록 패터닝되는 기판; 및
   상기 기판에 스프레이 코팅되는 금속 나노선 전극;을 포함하는 것을 특징으로 하는 일상생활에서 반복적으로 사용 가능하고 흡습성을 가진 음의 푸아송비를 가지는 피부부착형 센서.
2. 제 1항에 있어서,
   상기 UV 경화성 및 흡습성 하이드로젤은 흡습성이 좋은 폴리에틸렌글리콜 디아크릴레이트(PEG-DA)로서, 상기 기판은 PEG-DA기판인 것을 특징으로 하는 일상생활에서 반복적으로 사용 가능하고 흡습성을 가진 음의 푸아송비를 가지는 피부부착형 센서.
3. 제 2항에 있어서,
   상기 금속 나노선 전극은, 은 나노선 전극인 것을 특징으로 하는 일상생활에서 반복적으로 사용 가능하고 흡습성을 가진 음의 푸아송비를 가지는 피부부착형 센서.
4. 제 3항에 있어서,
   상기 은 나노선의 코팅양에 따라 연신에 대한 민감도가 조절되는 것을 특징으로 하는 일상생활에서 반복적으로 사용 가능하고 흡습성을 가진 음의 푸아송비를 가지는 피부부착형 센서.
5. 제 4항에 있어서,
   상기 피부부착형 센서는, 심전도센서, 근전도센서, 연신센서, 또는 관절에 접착되는 관절센서인 것을 특징으로 하는 일상생활에서 반복적으로 사용 가능하고 흡습성을 가진 음의 푸아송비를 가지는 피부부착형 센서.
6. 피부부착형 센서의 제조방법에 있어서,
   UV 경화성 및 흡습성이 좋은 폴리에틸렌글리콜 디아크릴레이트(PEG-DA) 용액을 준비하는 단계;
   상기 PEG-DA 용액을 기판에 떨어뜨리는 단계;
   상기 PEG-DA 용액에 프린팅된 마스크를 올리고 UV를 조사하여 부분 경화하는 단계;
   경화되지 않은 PEG-DA 용액을 제거하여 빈 공간이 많은 연신성 구조에 의해 음의 푸아송 비를 갖도록 패터닝된 PEG-DA 기판을 제작하는 단계; 및
   상기 PEG-DA 기판에 은 나노선 분산용액을 스프레이 분사하여 은 나노선 전극층을 형성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 일상생활에서 반복적으로 사용 가능하고 흡습성을 가진 음의 푸아송비를 가지는 피부부착형 센서의 제조방법.
7. 제 6항에 있어서,
   상기 기판에 떨어뜨리는 단계 전에, 상기 PEG-DA 용액에 아크릴 산을 혼합하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 일상생활에서 반복적으로 사용 가능하고 흡습성을 가진 음의 푸아송비를 가지는 피부부착형 센서의 제조방법.
8. 제 7항에 있어서,
   상기 아크릴 산은 혼합된 용액 전체 대비 6 ~ 8wt%비율로 혼합되는 것을 특징으로 하는 일상생활에서 반복적으로 사용 가능하고 흡습성을 가진 음의 푸아송비를 가지는 피부부착형 센서의 제조방법.
9. 제 7항에 있어서,
   상기 아크릴 산을 혼합하는 단계 전에 상기 PEG-DA용액에 2-hydroxy-2-methylpropiophenone을 혼합하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 일상생활에서 반복적으로 사용 가능하고 흡습성을 가진 음의 푸아송비를 가지는 피부부착형 센서의 제조방법.
10. 제 9항에 있어서,
    상기 기판 상에 폴리이미드 스페이서를 부착하고, 스페이서가 부착된 기판에 상기 PEG-DA 용액을 떨어뜨리는 것을 특징으로 하는 일상생활에서 반복적으로 사용 가능하고 흡습성을 가진 음의 푸아송비를 가지는 피부부착형 센서의 제조방법.
11. 제 6항에 있어서,
    상기 은 나노선 전극층을 형성하는 단계는,
    은 나노선 에탄올 분산용액을 제작하고, 히팅플레이트에 PEG-DA를 올려놓은 상태에서 상기 분산용액을 분사하는 것을 특징으로 하는 일상생활에서 반복적으로 사용 가능하고 흡습성을 가진 음의 푸아송비를 가지는 피부부착형 센서의 제조방법.
12. 제 11항에 있어서,
    상기 은 나노선 에탄올 분산용액을 질소와 함께 분사시키는 것을 특징으로 하는 일상생활에서 반복적으로 사용 가능하고 흡습성을 가진 음의 푸아송비를 가지는 피부부착형 센서의 제조방법.
13. 제 12항에 있어서,
    상기 은 나노선 에탄올 분산용액 분사 후, 진공에서 열처리하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 일상생활에서 반복적으로 사용 가능하고 흡습성을 가진 음의 푸아송비를 가지는 피부부착형 센서의 제조방법.

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