KR20150136442A - Interface Between Living Body and Wearable Device - Google Patents

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KR20150136442A
KR20150136442A KR1020140159931A KR20140159931A KR20150136442A KR 20150136442 A KR20150136442 A KR 20150136442A KR 1020140159931 A KR1020140159931 A KR 1020140159931A KR 20140159931 A KR20140159931 A KR 20140159931A KR 20150136442 A KR20150136442 A KR 20150136442A
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wearable device
electrode
sensor
rubber
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Application number
KR1020140159931A
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Korean (ko)
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김대형
현택환
손동희
이종하
김재민
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서울대학교산학협력단
기초과학연구원
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Abstract

The present invention relates to an interface between a living body and a wearable device. More particularly, in an interface between a living body and a wearable device which includes a biocompatibility patch and at least one electrode which is formed on a side of the biocompatibility patch, the present invention relates to the interface where the at least one electrode touches the electrode of the wearable device.

Description

생체와 웨어러블 기기 간의 인터페이스{Interface Between Living Body and Wearable Device}Interface between Living Body and Wearable Device {Interface Between Living Body and Wearable Device}

본 발명은 생체와 웨어러블 기기 간의 인터페이스에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 본 발명은 생체적합성 패치 및 상기 생체적합성 패치의 한 면에 형성된 하나 이상의 전극을 포함하는 생체와 웨어러블 기기 간의 인터페이스에 있어서, 상기 하나 이상의 전극이 웨어러블 기기의 전극과 접촉하는 것인 인터페이스에 대한 것이다.The present invention relates to an interface between a living body and a wearable device. More particularly, the present invention relates to a biocompatible patch and an interface between the wearable device and a living body comprising at least one electrode formed on one side of the biocompatible patch, wherein the at least one electrode contacts an electrode of the wearable device, Interface.

전형적인 생체용 패치, 예를 들면, 피부 패치는 인체에 사용하기 위한 수동 약물 방출장치로서 주로 사용되어 왔다. 이러한 장치의 예는 담배 금연을 위한 니코틴 패치 및 배멀미 영향을 완화시키기 위해 소정양의 드람아민(Dramamine)을 투여하도록 적용된 배멀미 패치를 포함한다.A typical biopsy patch, e. G., A skin patch, has been primarily used as a passive drug release device for use in the human body. Examples of such devices include a nicotine patch for cigarette smoking cessation and a seakeum patch adapted to administer a small amount of dramamine to alleviate the seasick effect.

현재, 이러한 패치에 다양한 센서를 장착하거나, 연산장치 또는 약물을 탑재하여 치료용 목적으로 사용하려는 시도들이 다양하게 진행되고 있다.Currently, various attempts have been made to use various sensors in such a patch, or to use a computation device or drug for therapeutic purposes.

Kim 등은 실리콘 나노박막 기술에 기반한 동작(움직임)을 감지하는 센서 등의 전자소자를 피부에 직접 전사하여, 생체 신호를 감지할 수 있다는 점을 보고하였다(Epidermal Electronics, Science . 2011, 333, 838). Kim 등은 외부에서 가해진 힘에 의해서 저항값이 변화하는 것을 측정함으로써 움직임을 감지하였고, 이를 통해 근육신호, 뇌파신호를 금속 전극을 통해 전압신호로 변환하여 실시간으로 측정하였다(Epidermal Electronics, Science . 2011, 333, 838.).Kim et al. Reported that electronic devices such as sensors for sensing motion based on silicon nanofiltration technology can be directly transferred to the skin to sense bio-signals (Epidermal Electronics, Science . 2011 , 333, 838). Kim et al. Measured motion by measuring the change in resistance value by external force, and converted muscle signals and EEG signals into voltage signals through metal electrodes and measured them in real time (Epidermal Electronics, Science . 2011 , 333, 838.).

Wang 등은 글루코스 산화효소가 표면에 결합되어 있는 실리콘 웨이퍼를 이용하여 글루코스와 글루코스 산화효소의 반응으로 인한 실리콘 내부 전하의 변화를 통해 글루코스의 양을 측정하였다(Silicon-based Nanochannel Glucose Sensor, Applied Physics Letter 2008, 92, 013903). Wang 등은 이러한 원리를 바탕으로 피부에서 분비되는 땀 분비물속에 존재하는 적은 양의 글루코스를 측정하였다.Wang et al. Measured the amount of glucose by changing the internal charge of silicon due to the reaction between glucose and glucose oxidase using a silicon wafer having a surface of glucose oxidase bound thereto (Silicon-based Nanochannel Glucose Sensor, Applied Physics Letter 2008 , 92, 013903). Based on this principle, Wang et al. Measured a small amount of glucose present in the secretion of sweat secreted from the skin.

Kim 등은 센서를 통해 얻은 데이터를 무선으로 전달하여 질병을 치료하는 방법을 보고하였다(Injectable, Cellular-Scale Optoelectronics with Applications for Wireless Optogenetics, Science 2013, 340, 6129). Kim 등의 연구결과는 체온을 정확히 측정할 수 있으면, 인체 내부에서 벌어지는 질병 징후를 예측할 수 있고, 또한, 질병을 효과적으로 치료할 수 있다는 점에 기초한 것이다.Kim et al. Reported a method of treating diseases by wirelessly transmitting data obtained through sensors (Injectable, Cellular-Scale Optoelectronics with Applications for Wireless Optogenetics, Science 2013 , 340, 6129). The research results of Kim et al. Are based on the fact that the accurate temperature measurement can predict the disease symptoms in the human body and can effectively treat the disease.

Son 등은 생체에 착용할 수 있는 패치 위에, 생체 신호를 측정하는 센서를 설치하고, 생체 신호를 메모리에 저장하며, 히터를 통해 약물 투여를 촉진할 수 있다고 보고하였다(Multifunctional Wearable Devices for Diagnosis and Therapy of Movement Disorders, Nature Nanotechnology 2014, DOI: 10.1038/NNANO. 2014. 38).Son et al. Reported that a biosignal sensor is installed on a patch that can be worn on a living body, the bio-signal is stored in a memory, and the drug can be accelerated through a heater (Multifunctional Wearable Devices for Diagnosis and Therapy of Movement Disorders, Nature Nanotechnology 2014 , DOI: 10.1038 / NNANO. 2014. 38).

그러나 종래의 치료용 패치 및 최근에 개발된 전자 패치는 전원공급과 데이터처리기능 및 외부기기와의 연동이 어려웠다. 전자치료 패치 내에 있는 움직임 감지센서는 외부전원을 통해서만 작동되기 때문에 행동반경에 제약이 심하다. 또한, 데이터처리를 위한 전자장비가 항상 동반되어야 하는 문제점이 있다.However, conventional treatment patches and recently developed electronic patches have difficulties in power supply, data processing functions, and interworking with external devices. Motion detection sensors in electronic therapy patches are restricted by their action radius because they are only actuated by external power. In addition, there is a problem that electronic equipment for data processing must be always accompanied.

대한민국 특허출원 제10-2008-0025456호는 간편하게 상완에 착용하여 인체의 중요 장기인 심장의 전기적 활동을 측정하고, 무선으로 전송 가능한 임베디드 기반의 완장형 생체 계측 단말기를 개시하고 있다. 그러나 상기 대한민국 특허출원 제10-2008-0025456호의 기술은 인체의 움직임이 아닌 심장의 전기적 활동을 측정하며, 상기 측정 결과를 저장할 수 없고 즉시 무선으로 전송해야 한다는 점에서, 본 발명과 대비된다.Korean Patent Application No. 10-2008-0025456 discloses an embedded-based armband type biometric terminal capable of measuring the electrical activity of the heart, which is an important organ of the human body, by being easily worn on the upper arm and transmitting the same wirelessly. However, the technology of Korean Patent Application No. 10-2008-0025456 contrasts with the present invention in that it measures the electrical activity of the heart, not the movement of the human body, and can not store the measurement results and must be transmitted wirelessly.

생체, 특히 피부는 지속적으로 땀, 피지 등을 분비하고, 각질을 발생시킨다. 또한, 피부 분비물과 공기 중의 먼지와 결합하여 피부를 오염시킨다. 이러한 피부의 오염 및 시간에 따른 오염 상태의 변화로 인하여 웨어러블 기기, 예를 들면, 스마트 시계 또는 스마트 밴드를 통해 체온이나 맥박을 측정할 때, 상기 스마트 시계 또는 스마트 밴드의 전극과 피부 사이의 임피던스가 변하게 된다. 따라서 이러한 임피던스의 변화로 인해, 스마트 시계 또는 스마트 밴드의 전극을 통한 측정값을 신뢰하기 어렵게 된다.The living body, especially the skin, constantly secretes sweat, sebum and the like, and generates keratin. It also combines with skin secretions and dust in the air to pollute the skin. The impedance between the electrodes of the smart watch or the smart band and the skin when measuring body temperature or pulse through a wearable device, for example, a smart watch or a smart band, due to contamination of the skin and change in contamination state with time, . Thus, due to this change in impedance, it is difficult to trust the measured value through the electrodes of the smart clock or smart band.

이러한 종래 기술의 단점을 극복하기 위해, 본 발명자들은 피부 부착형 전자 패치에 탑재되어 있는 센서의 전극과, 데이터 저장, 분석, 외부 기기로의 송신 기능이 탑재된 웨어러블 스마트 전자기기를 연결하는, 생체와 웨어러블 기기 간의 인터페이스를 제안함으로써 피부의 모양 변화나 오염 상태에 영향을 받지 아니할 수 있다는 점에 착안하여 본 발명을 완성하였다.In order to overcome the disadvantages of the prior art, the inventors of the present invention have proposed a technique for connecting electrodes of sensors mounted on a skin-attachable electronic patch and a wearable smart electronic device equipped with a function of data storage, analysis, And a wearable device, the present invention has been completed in view of the fact that it may not be influenced by a shape change or contamination state of the skin.

또한, 본 발명의 인터페이스는 전극을 통해 외부, 예를 들면, 웨어러블 기기의 전원으로부터 전력을 공급받을 수 있기 때문에, 상기 인터페이스 내부에 배터리와 같은 에너지 공급원을 별도로 구비할 필요가 없다.In addition, since the interface of the present invention can receive power from an external source such as a wearable device through an electrode, it is not necessary to separately provide an energy supply source such as a battery inside the interface.

더욱이, 본 발명의 인터페이스는 연동하여 사용하는 웨어러블 기기의 연산장치를 사용하므로, 애플리케이션 프로세서(AP) 또는 중앙연산처리장치(CPU)와 같은 연산장치를 구비할 필요가 없다.Furthermore, since the interface of the present invention uses a computing device of a wearable device to be used in conjunction, it is not necessary to provide a computing device such as an application processor (AP) or a central processing unit (CPU).

본 발명의 목적은 하나 이상의 전극을 포함하는 생체와 웨어러블 기기 간의 인터페이스에 있어서, 상기 하나 이상의 전극이 웨어러블 기기의 전극과 접촉하는 것인 인터페이스를 제공하는 것이다.It is an object of the present invention to provide an interface between a living body and a wearable device including at least one electrode, wherein the at least one electrode contacts an electrode of the wearable device.

즉, 본 발명은 웨어러블 기기의 연산장치(예를 들면, AP 또는 CPU)와 전원장치를 사용하여 생체신호를 측정하고, 함께 탑재된 무선 송수신 모듈을 이용하여 외부기기로 데이터를 전송하며, 외부 신호를 받아들여 결속된 패치 상의 히터를 동작하게 하여 약물을 투여할 수도 있는, 전자패치와 웨어러블 기기 간의 인터페이스를 제공한다.That is, the present invention measures biomedical signals using a computing device (e.g., AP or CPU) of a wearable device and a power supply device, transmits data to an external device using a wireless transmission / reception module mounted together, And an interface between the electronic patch and the wearable device, which may receive the drug by operating the heater on the bundled patch.

전술한 본 발명의 목적은 하나 이상의 전극을 포함하는 생체와 웨어러블 기기 간의 인터페이스에 있어서, 상기 하나 이상의 전극이 웨어러블 기기의 전극과 접촉하는 것인 인터페이스를 제공함으로서 달성될 수 있다.The above-described object of the present invention can be achieved by providing an interface between a living body including at least one electrode and a wearable device, wherein the at least one electrode is in contact with an electrode of the wearable device.

본 발명에서 "웨어러블 기기"란 신체에 용이하게 착용할 수 있는 의류 또는 악세사리 내부에 통합된 전자제품 또는 컴퓨터를 지칭한다. 상기 웨어러블 기기에는 스마트 시계, 스마트 밴드, 스마트 안경 등이 포함된다."Wearable device" in the present invention refers to an electronic product or computer integrated within a garment or accessory that is easily worn on the body. The wearable device includes a smart watch, a smart band, smart glasses, and the like.

본 발명의 인터페이스에 사용되는 생체적합성 패치는 실리콘 고무, 폴리우레탄 고무, 니트릴 고무, 클로로프렌 고무, 또는 에틸렌 프로필렌 고무일 수 있다.The biocompatible patch used in the interface of the present invention may be a silicone rubber, a polyurethane rubber, a nitrile rubber, a chloroprene rubber, or an ethylene propylene rubber.

본 발명의 하나의 실시태양에 있어서, 상기 실리콘 고무의 점착성을 이용하여 상기 인터페이스를 생체에 부착할 수 있다. 상기 생체 부착면의 반대쪽 면은 웨어러블 기기와 접촉하게 된다.In one embodiment of the present invention, the interface can be attached to the living body using the tackiness of the silicone rubber. And the opposite surface of the living attachment surface comes into contact with the wearable device.

상기 실리콘 고무는 폴리디메틸실록산, 폴리디에틸실록산, 폴리메틸에틸실록산, 폴리페닐메틸실록산 또는 폴리페닐에틸실록산일 수 있다.The silicone rubber may be polydimethylsiloxane, polydiethylsiloxane, polymethylethylsiloxane, polyphenylmethylsiloxane or polyphenylethylsiloxane.

본 발명의 인터페이스에 포함되는 하나 이상의 전극은 구리, 은, 금 또는 백금, 또는 이들의 합금, 또는 알루미늄, 스테인레스 합금 등 비교적 습도에 안정한 금속으로 제조될 수 있다. 상기 전극은 본 발명의 인터페이스와 웨어러블 기기와의 접촉면에 형성되어 상기 웨어러블 기기와 신호를 주고 받을 수 있다.The one or more electrodes included in the interface of the present invention can be made of copper, silver, gold or platinum, or alloys thereof, or metals that are relatively humidity stable, such as aluminum, stainless alloys. The electrode may be formed on a contact surface between the interface of the present invention and the wearable device to exchange signals with the wearable device.

한편, 본 발명의 인터페이스는 상기 전극을 통해 상기 웨어러블 기기로부터 에너지를 공급받을 수 있다. 예를 들면, 상기 전극을 통해 상기 웨어러블 기기에 내장된 배터리로부터 상기 인터페이스로 전력이 공급될 수 있다.Meanwhile, the interface of the present invention can receive energy from the wearable device through the electrode. For example, power can be supplied to the interface from a battery built in the wearable device through the electrode.

본 발명의 인터페이스는 추가로 센서를 포함할 수 있다. 본 발명의 인터페이스에 포함될 수 있는 센서는 온도 센서, 움직임 감지 센서, 또는 생체 전압 측정 센서일 수 있다. 상기 생체 전압에는 뇌파, 근전도, 심전도 신호 등이 포함될 수 있다.The interface of the present invention may further include a sensor. The sensor that may be included in the interface of the present invention may be a temperature sensor, a motion detection sensor, or a bio-voltage measurement sensor. The bioelectric voltage may include an electroencephalogram, an electromyogram, an electrocardiogram signal, and the like.

또한, 본 발명의 인터페이스는 추가로, 상기 전극을 통해 데이터를 상기 웨어러블 기기로 전송하여 상기 웨어러블 기기에 포함된 무선 데이터 전송 모듈을 통해 외부 기기로 데이터를 무선 전송할 수 있다. 무선 데이터 전송 모듈은 센서로부터 읽어 들인 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하는 아날로그-디지털 변환기를 포함할 수 있다. 또한, 무선 데이터 전송 모듈은 아날로그 회로를 구동하는 마이크로 컨트롤러를 포함할 수 있다. 더욱이, 무선 데이터 전송 모듈은 변환된 디지털 신호를 외부 기기로 전송해 주는 블루투스, 지그비, 와이파이 등의 상용 프로토콜을 이용하는 전송 모듈을 포함할 수 있다.In addition, the interface of the present invention may further transmit data to the wearable device through the electrode, and wirelessly transmit data to an external device through a wireless data transmission module included in the wearable device. The wireless data transmission module may include an analog-to-digital converter for converting an analog signal read from the sensor into a digital signal. The wireless data transmission module may also include a microcontroller that drives the analog circuitry. Furthermore, the wireless data transmission module may include a transmission module that uses a commercially available protocol such as Bluetooth, ZigBee, and WiFi for transmitting the converted digital signal to an external device.

또한, 본 발명의 인터페이스는 추가로 히터를 포함할 수 있다. 예를 들면, 본 발명의 인터페이스에 포함될 수 있는 온도 센서는 히터의 기능을 할 수도 있다. 즉, 상기 온도 센서는 생체의 온도에 따른 센서의 저항값 변화를 통해 온도를 측정하는 것일 수 있는데, 이 경우 상기 센서의 저항에 전류를 공급하면 상기 저항에서 열을 발생시킴으로써 히터의 역할을 하게 된다.Further, the interface of the present invention may further include a heater. For example, a temperature sensor that may be included in the interface of the present invention may also function as a heater. That is, the temperature sensor may measure the temperature through a change in the resistance value of the sensor according to the temperature of the living body. In this case, if a current is supplied to the resistance of the sensor, heat is generated in the resistor to serve as a heater .

또한, 본 발명의 인터페이스는 추가로 메모리 소자를 포함할 수 있다. 예를 들면, 상기 메모리 소자는, 전도체 층 사이에 형성된 부도체 층으로 이루어지는 비휘발성 저항 변화 메모리 소자에 있어서, 제1 전극; 상기 제1 전극에 인접하여 형성된 제1 금속산화물로 이루어진 부도체 층; 상기 제1 금속산화물 부도체 층에 인접하여 형성된 금속 나노입자 층; 상기 금속 나노입자 층에 인접하여 형성된 제2 금속산화물로 이루어진 부도체 층; 및 상기 제2 금속산화물 층에 인접하여 형성된 제2 전극을 포함하는, 비휘발성 저항 변화 메모리 소자일 수 있다.Further, the interface of the present invention may further include a memory element. For example, the memory device is a nonvolatile resistance-variable memory device comprising a non-conductive layer formed between conductor layers, the non-volatile resistance-variable memory device comprising: a first electrode; A non-conductive layer made of a first metal oxide formed adjacent to the first electrode; A metal nanoparticle layer formed adjacent to the first metal oxide nonconductor layer; A non-conductive layer made of a second metal oxide formed adjacent to the metal nanoparticle layer; And a second electrode formed adjacent to the second metal oxide layer.

상기 비휘발성 저항 변화 메모리 소자를 구불구불한 패턴의 도선으로 연결함으로써 본 발명의 인터페이스에 포함되는 센서에 의해 수집된 정보를 저장할 수 있게 된다. 이러한 정보는 상기 인터페이스의 전극과 상기 웨어러블 기기의 전극의 접촉에 의해 상기 웨어러블 기기로 전송된다. 상기 전송된 정보는 상기 웨어러블 기기에 설치된 연산 장치 및 연산 프로그램의 실행에 의해 분석된다.By connecting the nonvolatile resistance-variable memory element with a wire of a serpentine pattern, the information collected by the sensor included in the interface of the present invention can be stored. This information is transmitted to the wearable device by contact between the electrode of the interface and the electrode of the wearable device. The transmitted information is analyzed by execution of a computing device and an arithmetic program installed in the wearable device.

본 발명의 인터페이스는 추가로 약물충전된 다공성 실리카 나노입자를 포함할 수 있다. 상기 약물충전된 다공성 실리카 나노입자를 생체와 접촉하는 면에 형성시키면, 본 발명의 인터페이스를 약물 투여 수단으로서 사용할 수 있다. 특히, 상기 인터페이스가 히터를 포함하는 경우에는, 웨어러블 기기로부터 에너지를 공급받아 상기 히터를 통해 열을 발생시킴으로써, 상기 다공성 실리카 나노입자로부터 약물 방출을 촉진시킬 수 있다.The interface of the present invention may further comprise drug loaded porous silica nanoparticles. When the drug-packed porous silica nanoparticles are formed on the surface in contact with the living body, the interface of the present invention can be used as a drug administration means. In particular, when the interface includes a heater, energy can be supplied from the wearable device to generate heat through the heater, thereby facilitating drug release from the porous silica nanoparticles.

본 발명의 인터페이스는 웨어러블 기기와의 연동을 통해서 센서 기능 및 치료 기능을 행동반경에 제약 없이 실시간으로 가능하게 한다.The interface of the present invention enables the sensor function and the treatment function in real-time without restriction of the action radius through interworking with the wearable device.

또한, 웨어러블 기기를 통해 상기 인터페이스가 수집한 다양한 데이터를 실시간으로 저장 또는 무선 전송하여 환자의 효과적인 치료를 가능하게 할 수 있다.In addition, various data collected by the interface through a wearable device can be stored or wirelessly transmitted in real time, thereby enabling effective treatment of a patient.

도 1은 피부 상에 부착한 움직임 감지 센서를 포함한 패치 및 이와 무선 데이터 송수신이 가능한 스마트 밴드를 연결한 사진이다.
도 2는 도 1에 따라 생체에 부착된 인터페이스와 스마트 시계의 연동에 대한 측면개략도이다.
도 3은 피부 부착형 패치에 포함된 움직임 감지 센서의 저항이 손목의 움직임의 빠르기에 따라 (0.25~1Hz) 변화하는 것을 스마트 밴드에 포함된 무선 송신 장치를 이용하여 무선 전송한 데이터를 보여준다.
도 4는 히터가 포함된 피부 부착형 패치가 무선 수신장치가 포함된 스마트 밴드와 연결되어 스마트폰으로부터 전송된 신호를 받아 히터가 작동되고, 이를 적외선 카메라로 찍어 확인하는 모습을 보여준다.
도 5는 도 4에서 스마트폰 무선 신호의 전송 및 중단을 반복했을 때, 그 온도 변화를 나타내는 그래프이다.1 is a photograph showing a patch including a motion sensor attached on the skin and a smart band capable of transmitting and receiving wireless data.
FIG. 2 is a side view schematically showing the interface between a smart body and an interface attached to a living body according to FIG. 1; FIG.
FIG. 3 shows data that the resistance of the motion detection sensor included in the skin-attachment patch varies according to the speed of movement of the wrist (0.25 to 1 Hz) by wireless transmission using a wireless transmission device included in the smart band.
FIG. 4 shows a state in which a skin-attachment patch including a heater is connected to a smart band including a wireless receiving device, receives a signal transmitted from a smartphone, activates a heater, and confirms it by using an infrared camera.
FIG. 5 is a graph showing changes in temperature when the transmission and the interruption of the smartphone radio signal are repeated in FIG.

이하, 다음의 도면을 들어 본 발명을 보다 구체적으로 설명하고자 한다. 그러나 다음의 도면에 대한 설명은 본 발명의 구체적인 실시 태양을 특정하여 설명하고자 하는 것일 뿐이며, 본 발명의 권리 범위를 이들에 기재된 내용으로 한정하거나 제한해석하고자 의도하는 것은 아니다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to the following drawings. It is to be understood, however, that the description of the following drawings is intended to illustrate specific embodiments of the invention only, and is not intended to limit or limit the scope of the invention.

도 1을 보면, 본 발명의 인터페이스를 손목에 부착하고, 웨어러블 기기, 예를 들면, 스마트 시계 또는 스마트 밴드를 착용한 것을 보여 준다. 상기 인터페이스의 전극과 상기 웨어러블 기기의 전극이 접촉(점선으로 표시됨)하여 상기 인터페이스와 상기 웨어러블 기기 간에 신호를 주고받는다.1, the interface of the present invention is shown attached to a wrist and wearable, such as a smart watch or a smart band. An electrode of the interface and an electrode of the wearable device are in contact with each other (indicated by a dotted line) to exchange signals between the interface and the wearable device.

도 2는 상기 도 1을 측면에서 바라본 것이다. 도 2에 나타나 있듯이, 본 발명의 인터페이스는 손목의 생체에 부착되어 있고, 손목에 착용된 웨어러블 기기는 전극을 통해 상기 인터페이스와 접촉하고 있다.FIG. 2 is a side view of FIG. 1; FIG. As shown in FIG. 2, the interface of the present invention is attached to the living body of the wrist, and the wearable device worn on the wrist is in contact with the interface through the electrodes.

도 6을 보면, 본 발명의 인터페이스를 치료 시스템에 적용한 실시 태양이 나타나 있다. 도 6에 나타나 있듯이, 인터페이스에는 센서, 히터(온도 센서) 및 약물충전된 다공성 실리카 나노입자(나타나 있지 아니함)가 포함되어 있다. 상기 인터페이스는 웨어러블 기기로부터 전력을 공급받아서 센서로부터 측정된 생체 신호를 상기 웨어러블 기기로 전송한다. 상기 센서로부터 전달받은 신호를 웨어러블 기기에서 분석하여 약물 투입이 필요하다고 판단하면, 웨어러블 기기로부터 공급받은 전력을 사용하여 상기 히터가 가동되고, 상기 히터의 작동에 의해 발생한 열이 상기 다공성 실리카 나노입자에 충전되어 있는 약물이 방출된다.Turning now to FIG. 6, an embodiment is shown in which the interface of the present invention is applied to a treatment system. As shown in Figure 6, the interface includes sensors, heaters (temperature sensors), and drug-loaded porous silica nanoparticles (not shown). The interface receives power from the wearable device and transmits the measured bio-signal from the sensor to the wearable device. The heater is operated using electric power supplied from the wearable device and heat generated by the operation of the heater is applied to the porous silica nanoparticles The charged drug is released.

상기 히터는 온도 센서의 역할을 동시에 수행하기 때문에, 히터에 의해 발생한 열로 인하여 일정한 온도까지 상승한 경우에 상기 웨어러블 기기(에 설치된 앱(app))의 명령에 따라 히터의 작동이 중지되고, 이로써 피부가 화상을 입지 아니하게 된다.Since the heater simultaneously functions as a temperature sensor, when the temperature of the heater rises to a certain temperature due to heat generated by the heater, the operation of the heater is stopped in response to a command from the wearable device (app) No image is formed.

또한, 웨어러블 스마트 전자 기기는 무선전송 모듈을 포함할 수 있다. 따라서 웨어러블 스마트 전자 기기와 결속된 센서로부터 신호를 전달받아 외부 기기로 전송할 수 있고, 함께 결속된 히터를 외부에서 켜고 끄거나 온도를 조절할 수도 있다.The wearable smart electronic device may also include a wireless transmission module. Therefore, it is possible to transmit the signal to the external device by receiving signals from the sensor coupled with the wearable smart electronic device, and to turn on and off the bonded heater together or to control the temperature.

상기 히터는 온도 센서의 역할을 동시에 수행하기 때문에, 히터에 의해 발생한 열로 인하여 일정한 온도까지 상승한 경우에 상기 웨어러블 스마트 전자 기기(에 설치된 애플리케이션(application))의 명령에 따라 히터의 작동이 중지되고, 이로써 피부에 화상을 입지 아니하게 된다.Since the heater simultaneously performs the role of the temperature sensor, when the temperature of the heater is raised to a certain temperature due to the heat generated by the heater, the operation of the heater is stopped according to an instruction of the application installed in the wearable smart electronic device The skin is not burned.

본 발명의 인터페이스에 형성되는 전극은 그 모양과 개수에 제한을 받지 아니하고, 연동하여 사용할 웨어러블 기기 또는 인터페이스에 구현된 센서의 개수나 종류에 따라 적절한 개수 또는 형상을 가질 수 있다.The electrodes formed on the interface of the present invention are not limited in shape and number, and may have an appropriate number or shape depending on the number or types of sensors mounted on the wearable device or the interface to be used in cooperation with each other.

도 7에 나타내었듯이, 본 발명의 인터페이스에는 직사각형 모양의 전극이 5개 형성되어 있다. 예를 들어, 웨어러블 기기의 외부 전극이 5개이고, 손목의 방향에 따라 5개가 일렬로 장착된 경우에, 인터페이스를 손목에 부착하면, 손목에 착용한 상기 웨어러블 기기가 손목을 중심으로 일정 각도 회전하는 경우에도 상기 인터페이스의 전극과 상기 웨어러블 기기의 전극 간의 물리적 접촉을 지속적으로 유지시킬 수 있다.
As shown in Fig. 7, five rectangular electrodes are formed in the interface of the present invention. For example, when five external electrodes of the wearable device and five of them are arranged in a line along the direction of the wrist, when the interface is attached to the wrist, the wearable device worn on the wrist is rotated around the wrist at a predetermined angle The physical contact between the electrode of the interface and the electrode of the wearable device can be continuously maintained.

실시예 1. 움직임 감지 센서 및 전극을 포함한 부착형 패치의 제조EXAMPLE 1 Preparation of Attachment Patches Including Motion Sensing Sensors and Electrodes

실리콘 웨이퍼 상에 PMMA 및 PI를 스핀 코팅하였다. 붕소로 도핑된(도핑 농도: 약 9.7×1018/cm3) SOI(silicon-on-insulator) 웨이퍼의 포토리소그래피 및 반응성 이온 에칭(reactive ion etching (RIE))(SF6 플라즈마, 50 sccm, 체임버 압력은 50 mTorr) 공정에 의해 80 nm 두께의 실리콘 나노멤브레인을 형성하였고, 이를 상기 PI 필름 위에 전사인쇄하였다. 이어서, 열증발법을 통해 금속화(metallization)(Cr/Au, 7 nm/70 nm 두께)를 수행하였고, 이후, 포토리소그래피 및 습식 화학적 에칭에 의해 특정 패턴으로 금속 필름을 형성하였다. 다음에, 최상부 PI 층을 가리고(masking) 전체 세 개 층(PI/소자/PI)을 O2 및 SF6 RIE에 의해 패턴화하였고 에칭하였다. PMMA 희생층을 아세톤을 사용하여 제거함으로써 상기 전체 소자를 상기 실리콘 웨이퍼에서 떼어내었다. 떼어낸 상기 소자를 피부 패치(skin patch)에 전사인쇄하였다.
PMMA and PI were spin-coated on a silicon wafer. Photolithography and reactive ion etching (RIE) of a silicon-on-insulator (SOI) wafer doped with boron (doping concentration: about 9.7 x 10 18 / cm 3 ) (SF 6 plasma, 50 sccm, The pressure was 50 mTorr) to form a 80 nm thick silicon nanomembrane, which was then transferred and printed onto the PI film. Metallization (Cr / Au, 7 nm / 70 nm thick) was then performed via thermal evaporation and then a metal film was formed in a specific pattern by photolithography and wet chemical etching. Next, the top three PI layers were masked and all three layers (PI / device / PI) were patterned and etched by O 2 and SF 6 RIE. The entire device was removed from the silicon wafer by removing the PMMA sacrificial layer using acetone. The removed device was transferred and printed on a skin patch.

실시예 2. 메모리 소자 및 약물충전된 다공성 실리카 나노입자의 제조Example 2. Preparation of memory devices and drug-packed porous silica nanoparticles

폴리(메틸 메타크릴레이트)(PMMA)(A11, Microchem, USA; 약 1 μm, 3000 rpm에서 30초간 스핀코팅됨) 및 폴리이미드(PI)(polyamic acid, Sigma Aldrich, USA; 약 1.2 μm, 4000 rpm에서 60초간 스핀코팅됨)의 전구체 용액의 박층들을 실리콘 핸들 웨이퍼(Si handle wafer)(test grade, 4science, Korea) 상에 스핀코팅하였다. 상기 PMMA와 PI를 200℃에서 2시간 동안 경화시킨 후, 제1 전극으로서 사용되는 알루미늄을 열증착법을 통해 증착시켰고(350 nm 두께), 포토리소그래피에 의해 패턴화시켰으며, 습식 에칭을 수행하였다. 이후에, 먼저 제1 TiO2 나노멤브레인(nanomembrane)(두께 66 nm)을 RF 마그네트론 스퍼터링(RF magnetron sputtering)을 하였다(기저 압력 5×10-6 Torr, 실온, 증착 압력 5 mTorr, 20 sccm, RF 전력 150 W)(제1 금속산화물 부도체 층). 금 나노입자를 랭뮤어-블로젯 조립 공정(LB assembly process)을 통해 상기 제1 TiO2 나노멤브레인 상에 조립하였다. 먼저, 올레일아민으로 캐핑된(capped) 금 나노입자를 클로로포름에 분산시켰다(50 mg/mL). 상기 분산액을 LB 수조(Langmuir-Blodgett trough; IUD 1000, KSV instrument, Finland)의 물 하위상(water sub-phase) 위에 적가하였다. 용매를 증발시킨 후, 표면층을 모바일 배리어(mobile barrier)를 사용(5 mm/min)하여 압축하였다. 표면 압력이 30 mN/m이 된 후에, 기판을 들어올리고 1 mm/min의 속도로 담금으로써 상기 금 나노입자 층을 상기 기판 위에 조립하였다.(PMMA) (A11, Microchem, USA; about 1 μm, spin coated at 3000 rpm for 30 seconds) and polyamic acid (PI) (polyamic acid, Sigma Aldrich, coated for 60 seconds at rpm) was spin-coated onto a silicon handle wafer (test grade, 4science, Korea). After the PMMA and PI were cured at 200 ° C for 2 hours, aluminum used as the first electrode was deposited by thermal evaporation (350 nm thickness), patterned by photolithography, and wet etched. Then, a first TiO 2 nanomembrane (66 nm thick) was RF magnetron sputtered (base pressure: 5 × 10 -6 Torr, room temperature, deposition pressure: 5 mTorr, 20 sccm, RF Power 150 W) (first metal oxide nonconductor layer). The gold nanoparticles were assembled on the first TiO 2 nanomembrane via a Langmuir-Blodgett process (LB assembly process). First, gold nanoparticles capped with oleylamine were dispersed in chloroform (50 mg / mL). The dispersion was added dropwise onto the water sub-phase of a Langmuir-Blodgett trough (IUD 1000, KSV instrument, Finland). After evaporating the solvent, the surface layer was compressed using a mobile barrier (5 mm / min). After the surface pressure reached 30 mN / m, the substrate was lifted and immersed at a rate of 1 mm / min to assemble the gold nanoparticle layer on the substrate.

이후, 상기 제1 TiO2 나노멤브레인의 증착과 동일한 방법을 사용하여, 상기 금 나노입자 층 위에 제2 TiO2 나노멤브레인(제2 금속산화물 부도체 층)을 증착시켰다(66 nm 두께). 알루미늄 제2 전극을 열증착법에 의해 상기 제2 TiO2 나노멤브레인에 인접하여 증착하였다. 상기 제2 전극층을 포토리소그래피 방법에 의해 패턴화하여, 구불구불한 패턴의(serpentine-patterned) 저항 메모리를 제작하였다. 다음에, 상기 PI 전구체를 스핀코팅하여 상기 중성 역학층(neutral mechanical plane) 부근에 상기 활성 층을 형성하였고, O2 및 SF6를 사용하는 RIE 공정(O2 유량 100 sccm, 체임버 압력 100 mTorr, 150 W RF 전력, 5분; SF6 유량 50 sccm, 체임버 압력 55 mTorr, 250 W RF 전력, 4분 30초)을 통해 전체 소자 구조를 형성하였다.Then, using the same method as the deposition of the TiO 2 nano-membrane of claim 1, it was deposited to a second TiO 2 nano-membrane (second non-conductive metal oxide layer) on the gold nanoparticle layer (66 nm thick). An aluminum second electrode was deposited adjacent to the second TiO 2 nanomembrane by thermal evaporation. The second electrode layer was patterned by a photolithography method to fabricate a serpentine-patterned resistance memory. Next, the PI precursor was spin-coated to form the active layer near the neutral mechanical plane, and an RIE process using O 2 and SF 6 (O 2 flow rate of 100 sccm, chamber pressure of 100 mTorr, 150 W RF power, 5 min; SF 6 flow rate 50 sccm, chamber pressure 55 mTorr, 250 W RF power, 4 min 30 sec).

상기 메모리 소자 제작 후, 실리콘 웨이퍼 상의 전체 소자를 끓는 아세톤에 담갔다. 상기 아세톤으로 PMMA 층을 제거하였고, 상기 PI로 캡슐레이션된 소자를 상기 실리콘 핸들 웨이퍼로부터 분리하였다. 이후, 상기 메모리 소자를 수용성 테이프(3M, USA)를 사용하여 분리한 후, 인쇄된 PDMS (polydimethyl siloxane) 위로 옮긴 후, 다시 피부용 패치(Derma-Touch, Kwang Dong Pharmaceutical Co., Ltd., Korea) 위로 옮겼다. 파라미터 분석기(parameter analyzer: B1500A, Agilent, USA)를 사용하여 전기적 측정을 수행하였다.
After the fabrication of the memory device, all devices on the silicon wafer were immersed in boiling acetone. The PMMA layer was removed with acetone and the PI encapsulated device was separated from the silicon handle wafer. Thereafter, the memory element was separated using a water-soluble tape (3M, USA), transferred onto printed PDMS (polydimethyl siloxane), and then applied again to a skin patch (Derma-Touch, Kwang Dong Pharmaceutical Co., Ltd., Korea) I moved up. Electrical measurements were performed using a parameter analyzer (B1500A, Agilent, USA).

실시예 3. 생체와 웨어러블 기기 간의 인터페이스 적용Embodiment 3. Application of Interface between Living Body and Wearable Device

움직임 감지 센서 및 전극을 포함한 부착형 패치를 손목에 부착하고 이를 무선 데이터 송수신장치를 통합한 스마트 밴드에 연결하였다. 상기 패치의 전극과 상기 웨어러블 기기의 전극이 접촉하여 상기 패치와 웨어러블 기기 간에 신호를 주고 받는다(도 1). 이후 스마트 밴드를 착용한 손목을 움직여 속도(0.25~1Hz)에 따라 변화하는 움직임 감지 센서의 저항을 스마트 밴드에 통합된 무선 송신 장치를 이용하여 데이터를 측정하여 도 3과 같은 그래프를 얻었다.
Attachment patches, including motion sensors and electrodes, were attached to the wrist and connected to a smart band incorporating a wireless data transceiver. The electrodes of the patch and the electrodes of the wearable device contact each other to exchange signals between the patch and the wearable device (FIG. 1). Then, the resistance of the motion sensor, which changes according to the speed (0.25 ~ 1 Hz) by moving the wrist wearing the smart band, was measured by using a wireless transmission device integrated in the smart band.

실시예 4. 히터(온도 센서)의 적용Example 4. Application of a heater (temperature sensor)

움직임 감지 센서, 전극 및 히터을 포함한 부착형 패치를 손목에 부착하고 이를 무선 데이터 송수신장치를 통합한 스마트 밴드에 연결하였다. 이후 스마트폰으로 히터를 작동시키는 신호를 전송하고 이를 적외선 카메라로 촬영하였다(도 4). 무선 신호의 전송 및 중단을 반복했을 때, 그 온도 변화를 적외선 카메라로 측정하여 도 5와 같은 그래프를 얻었다.Attachment patches, including motion sensors, electrodes and heaters, were attached to the wrist and connected to a smart band incorporating wireless data transceivers. Thereafter, a signal to activate the heater was transmitted to the smartphone and the infrared camera was used (FIG. 4). When the transmission and the interruption of the wireless signal were repeated, the temperature change was measured with an infrared camera to obtain a graph as shown in FIG.

Claims (11)

생체적합성 패치 및 상기 생체적합성 패치의 한 면에 형성된 하나 이상의 전극을 포함하는 생체와 웨어러블 기기 간의 인터페이스에 있어서, 상기 하나 이상의 전극이 웨어러블 기기의 전극과 접촉하는 것인 인터페이스.An interface between a body and a wearable device comprising a biocompatible patch and at least one electrode formed on one side of the biocompatible patch, wherein the at least one electrode contacts an electrode of the wearable device. 제1항에 있어서, 상기 생체적합성 패치가 실리콘 고무, 폴리우레탄 고무, 니트릴 고무, 클로로프렌 고무 및 에틸렌 프로필렌 고무로 이루어진 군으로부터 선택되는 고무로 제조된 것임을 특징으로 하는 인터페이스.The interface of claim 1, wherein the biocompatible patch is made of a rubber selected from the group consisting of silicone rubber, polyurethane rubber, nitrile rubber, chloroprene rubber, and ethylene propylene rubber. 제2항에 있어서, 상기 실리콘 고무가 폴리디메틸실록산, 폴리디에틸실록산, 폴리메틸에틸실록산, 폴리페닐메틸실록산 및 폴리페닐에틸실록산으로 이루어진 군으로부터 선택되는 것임을 특징으로 하는 인터페이스.3. The interface of claim 2, wherein the silicone rubber is selected from the group consisting of polydimethylsiloxane, polydiethylsiloxane, polymethylethylsiloxane, polyphenylmethylsiloxane, and polyphenylethylsiloxane. 제1항에 있어서, 상기 하나 이상의 전극이 구리, 은, 금, 알루미늄, 스테인레스 합금 및 이들의 합금으로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나로 제조된 것임을 특징으로 하는 인터페이스.The interface according to claim 1, wherein the at least one electrode is made of any one selected from the group consisting of copper, silver, gold, aluminum, a stainless alloy and alloys thereof. 제1항에 있어서, 추가로 센서를 포함하는 인터페이스.The interface of claim 1, further comprising a sensor. 제5항에 있어서, 상기 센서가 온도 센서, 움직임 감지 센서 및 생체 전압 측정 센서로 이루어진 군으로부터 선택되는 것임을 특징으로 하는 인터페이스.6. The interface of claim 5, wherein the sensor is selected from the group consisting of a temperature sensor, a motion sensor, and a bio-voltage measurement sensor. 제1항에 있어서, 추가로 메모리 소자를 포함하는 인터페이스.2. The interface of claim 1, further comprising a memory element. 제1항에 있어서, 상기 인터페이스가 상기 전극을 통해 상기 웨어러블 기기로부터 에너지를 공급받는 것임을 특징으로 하는 인터페이스.The interface of claim 1, wherein the interface is powered by the wearable device via the electrode. 제1항에 있어서, 추가로 약물충전된 다공성 실리카 나노입자를 포함하는 것인 인터페이스.The interface of claim 1, further comprising drug loaded porous silica nanoparticles. 제1항에 있어서, 추가로 무선 전송 모듈을 포함하는 인터페이스.The interface of claim 1, further comprising a wireless transmission module. 제10항에 있어서, 상기 무선 전송 모듈이 아날로그-디지털 변환기 및 마이크로 콘트롤러를 포함하고, 블루투스, 지그비 및 와이파이로 이루어진 군으로부터 선택되는 상용화된 프로토콜로 동작하는 전송 모듈을 포함하는 것임을 특징으로 하는 인터페이스.11. The interface of claim 10, wherein the wireless transmission module comprises an analog-to-digital converter and a microcontroller, and a transmission module operating with a commercial protocol selected from the group consisting of Bluetooth, ZigBee and WiFi.
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20180065227A (en) * 2016-12-07 2018-06-18 (주)샤픈고트 Wearable apparatus having iot function mountable on glasses and capable of linkage with smart terminal
WO2020040328A1 (en) * 2018-08-23 2020-02-27 전자부품연구원 Detachable wearable device comprising flexible patch

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