KR20220057246A - 용액 공정 기반의 자가 구조 변형에 따른 초정밀 접촉이 가능한 피부 부착용 전자 장치 및 그 제조 방법 - Google Patents

용액 공정 기반의 자가 구조 변형에 따른 초정밀 접촉이 가능한 피부 부착용 전자 장치 및 그 제조 방법 Download PDF

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Abstract

본 실시예들은 기존의 하이드로겔과 달리 완전히 건조된 통기성 젤라틴 막의 자가 구조 변형을 통해 사용자의 피부에 초정밀 접촉을 가능하게 함으로써 기계적 동작 안정성 및 우수한 전기적 감지 특성을 확보하면서 반복적으로 탈부착이 가능할 뿐만 아니라 피부 염증을 예방할 수 있는 생체적합성이 높은 피부 부착 센서를 제공하고, 복잡한 진공 공정 없이 간단한 용액 공정을 기반으로 이러한 피부 부착 센서를 제작하는 방법을 제공한다.

Description

용액 공정 기반의 자가 구조 변형에 따른 초정밀 접촉이 가능한 피부 부착용 전자 장치 및 그 제조 방법 {ALL-SOLUTION-PROCESSED ON-SKIN ELECTRONICS WITH ULTRA-CONFORMAL CONTACT THROUGH SELF-RECONFIGURATION AND MANUFACTURING METHOD THEREOF}
본 발명이 속하는 기술 분야는 자가 구조 변형에 따른 초정밀 접촉이 가능한 피부 부착용 전자 장치 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
이 부분에 기술된 내용은 단순히 본 실시예에 대한 배경 정보를 제공할 뿐 종래기술을 구성하는 것은 아니다.
피부 부착형 전자 소자는 피부 일체형 센서 시스템, 인간-기계 인터페이스 시스템, 건강 관리 모니터링 시스템 등의 다양한 응용 분야에 적용할 수 있다.
기존의 피부 부착형 전자 소자의 기판은 인공 고분자 재료를 이용하였으나 이러한 재료는 사용자의 피부 상태에 맞게 형태학적 특성을 조절하는 것이 쉽지 않다. 또한, 안정적으로 피부와 접촉을 하기 위해서 별도의 접착제 및 스트랩와 같은 추가 체결 장치가 필요하며 이러한 별도의 체결 장치는 물리적, 생리적, 전기 생리적 신호를 전기적 신호로 변환하는 과정에서 신호를 왜곡시킬 뿐만 아니라 생체적합성 문제로 인해서 장시간 착용시 사용자에게 피부 질환을 일으킬 수 있는 문제점들이 있다.
한국공개특허공보 제10-2019-0038233호 (2019.04.08) 한국공개특허공보 제10-2000-0069655호 (2000.11.25)
본 발명의 실시예들은 기존의 하이드로겔과 달리 완전히 건조된 통기성 젤라틴 막의 자가 구조 변형을 통해 사용자의 피부에 초정밀 접촉을 가능하게 함으로써 기계적 동작 안정성 및 우수한 전기적 감지 특성을 확보하면서 반복적으로 탈부착이 가능할 뿐만 아니라 피부 염증을 예방할 수 있는 생체적합성이 높은 피부 부착 센서를 제공하고, 복잡한 진공 공정 없이 간단한 용액 공정을 기반으로 이러한 피부 부착 센서를 제작하는 데 발명의 주된 목적이 있다.
본 발명의 명시되지 않은 또 다른 목적들은 하기의 상세한 설명 및 그 효과로부터 용이하게 추론할 수 있는 범위 내에서 추가적으로 고려될 수 있다.
본 실시예의 일 측면에 의하면, 용액 공정에 기반한 초정밀 접촉이 가능한 피부 부착 센서의 제조 방법에 있어서, 유연층에 전도 물질을 포함하는 제1 용액을 코팅하고 열처리하여 전극을 형성하는 제1 용액 처리 단계, 및 상기 전극에 상기 젤라틴을 포함하는 제2 용액을 코팅하고 열처리하여 젤라틴 막을 형성하는 제2 용액 처리 단계를 포함하는 용액 공정에 기반한 피부 부착 센서의 제조 방법을 제공한다.
상기 용액 공정에 기반한 피부 부착 센서의 제조 방법은 상기 제2 용액 처리 단계 이후에, 상기 유연층을 상기 전극으로부터 제거하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 제2 용액 처리 단계는, 상기 제2 용액을 50 ℃ 내지 100 ℃ 범위의 온도에서 열처리하여 건조시킬 수 있다.
본 실시예의 다른 측면에 의하면, 피부 부착 센서에 있어서, 전도 물질로 형성된 전극, 및 상기 전극에 부착되며 젤라틴으로 형성된 젤라틴 막을 포함하는 피부 부착 센서를 제공한다.
상기 젤라틴 막은 50 ℃ 내지 100 ℃ 범위의 온도에서 열처리되어 건조된 상태이고 다공성 구조로 형성될 수 있다.
상기 젤라틴 막은 고체적 성질을 갖는다.
상기 젤라틴 막은 점탄성 계수가 1 이하이고, 유리 전이 온도가 240 ℃ 이상일 수 있다.
상기 젤라틴 막이 젖은 피부의 물 분자를 흡수하여 수직 방향으로 팽윤 현상이 발생하고, 상기 물 분자는 상기 젤라틴의 네트워크로 침투하여 펩타이드 사슬 사이의 거리를 수직적으로 넓히고, 상기 물 분자가 증발되면 상기 젤라틴 막이 상기 피부의 주름을 따라 굴곡을 덮는 형태로 변형될 수 있다.
상기 젤라틴 막이 변형되면서 상기 전도 물질의 네트워크를 변화시킬 수 있다.
상기 젤라틴 막이 자가 구조 변형 현상에 의해 피부의 형태를 모사하여 접착제 없이 상기 피부에 직접적으로 부착됨으로써 피부 접촉에 따른 기생 커패시턴스를 감소시키고 높은 생체적합성의 수분 흡수-탈수 공정을 통해 자가 구조 변형이 가능하기 때문에 재사용이 가능하다.
상기 전도 물질은 전도성 고분자 PEDOT:PSS(poly(3,4-ethylenedioxythiophene):poly(styrenesulfonate)), 탄소 나노 튜브 (single walled carbon nanotubes: SWCNTs, multi walled carbon nanotubes: MWCNTs), 금속성(Ag, Ni, Pt, Au), 반도체(Si, InP, GaN, ZnO), 금속 나노 구조체 (나노 파티클, 나노 와이어, 나노 튜브) 물질, 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다.
본 실시예의 또 다른 측면에 의하면, 전기적 변화를 감지하는 피부 부착 센서, 및 상기 피부 부착 센서로부터 검출된 전기 신호의 세기를 측정하고 상기 전기 신호의 세기를 출력하는 처리부를 포함하며, 상기 피부 부착 센서는, 전도 물질로 형성된 전극, 및 상기 전극에 부착되며 젤라틴으로 형성된 젤라틴 막을 포함하는 것을 특징으로 하는 전자 장치를 제공한다.
상기 처리부는, 상기 피부 부착 센서에 연결되며 상기 피부 부착 센서로부터 상기 전기 신호를 입력받는 신호 입력부, 상기 입력받은 전기 신호를 아날로그 신호에서 디지털 신호로 변환하는 아날로그 디지털 컨버터, 및 상기 디지털 신호를 전송하는 통신부를 포함하며, 상기 통신부는 사용자의 컴퓨팅 디바이스에 설치된 애플리케이션과 연동하여 상기 디지털 신호를 송수신할 수 있다.
상기 피부 부착 센서는 플렉시블(flexible) 장치 또는 웨어러블(wearable) 장치일 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명의 실시예들에 의하면, 완전히 건조된 통기성 젤라틴 막의 자가 구조 변형을 통해 사용자의 피부에 초정밀 접촉을 가능하게 함으로써 기계적 동작 안정성 및 우수한 전기적 감지 특성을 확보하면서 반복적으로 탈부착이 가능할 뿐만 아니라 피부 염증을 예방할 수 있는 효과가 있다.
도 1 및 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 피부 부착 센서의 제조 방법을 예시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 피부 부착 센서의 구조를 예시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 피부 부착 센서의 젤라틴 막의 농도에 따른 특성을 예시한 도면이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 피부 부착 센서의 자가 구조 변형 현상을 예시한 도면이다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 피부 부착 센서의 기계적 전기적 안정성을 예시한 도면이다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 전도 물질/젤라틴 막이 적용된 ECG 센서 및 EMG 센서의 감지 특성을 예시한 도면이다.
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 피부 부착 센서의 생체 적합성을 예시한 도면이다.
이하, 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지기능에 대하여 이 분야의 기술자에게 자명한 사항으로서 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략하고, 본 발명의 일부 실시예들을 예시적인 도면을 통해 상세하게 설명한다.
본 발명의 실시예들은 피부 부착 소자의 평면적 구조가 가진 피부의 미세한 주름, 각질층 및 땀구멍 등의 형태학적 특성에 영향을 받는 본질적 한계를 극복하기 위해서, 기존 하이드로겔과 차별화된 완전히 건조된 젤라틴 막을 기반으로 전도성 물질이 집적된 이중층 구조로 구성한다.
본 발명의 실시예들은 완전히 건조된 젤라틴 막과 전도성 물질을 포함하는 이중층 구조를 통해 별도의 접착제 없이 피부에 반복적으로 탈부착이 가능하고, 피부와 완벽한 접촉 및 통기성을 확보할 수 있다. 피부 형태학적 특성에 영향을 받지 않아서 사용자에게 불편함 없이 안정적인 성능을 확보할 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따른 피부 부착 센서는 물리적 모션 센서, 전기 생리학적 ECG(electrocardiogram) 및 EMG(electromyogram) 센서 등에 활용 가능하고, 헬스 케어 시스템, 로봇 및 인간-기계 인터페이스, 스포츠 장비, 의료 장비 등의 다양한 분야에 적용이 가능하다.
본 발명의 실시예들에 따른 피부 부착 센서는 복잡한 진공 공정 없이 간단한 용액 공정에 기반하여 제작되므로 대량 생산이 용이하다.
도 1 및 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 피부 부착 센서의 제조 방법을 예시한 도면이다.
용액 공정에 기반한 피부 부착 센서의 제조 방법은 제1 용액 처리 단계(S110) 및 제2 용액 처리 단계(S120)를 포함한다.
제1 용액 처리 단계(S110)는 유연층(210)에 전도 물질을 포함하는 제1 용액을 코팅하고 열처리하여 전극(220)을 형성한다.
제2 용액 처리 단계(S120)는 전극에 젤라틴을 포함하는 제2 용액을 코팅하고 열처리하여 젤라틴 막(230)을 형성한다. 제2 용액 처리 단계(S120)는 제2 용액을 50 ℃ 내지 100 ℃ 범위의 온도에서 열처리하여 건조시킨다. 50 ℃ 미만의 온도에서는 건조가 제대로 안되어 통기성 구조를 완전하게 형성하지 못하고, 100 ℃ 초과의 온도에서는 젤라틴 막의 통기성 구조를 훼손하게 된다.
용액 공정에 기반한 피부 부착 센서(200)의 제조 방법은 제2 용액 처리 단계(S120) 이후에, 유연층을 전극으로부터 제거하는 단계(S130)를 더 포함할 수 있다.
은 나노와이어/젤라틴 막 이중층 구조를 형성하는 공정을 예시적으로 설명한다.
폴리이미드(polyimide, PI) 필름 위에 은 나노와이어(Silver nanowires)를 스프레이를 통해 증착한다.
폴리이미드(polyimide, PI) 필름 외에도 폴리스티렌(polystyrene, PS), 폴리카보네이트(polycarbonate, PC), 폴리에틸렌테레프탈레이트(polyethyleneterephthalate, PET), 폴리비스페놀 A(polybisphenol A), 폴리에틸렌(polyethylene) 등과 같은 다른 유연 유기 기판에도 적용이 가능하다.
은 나노와이어 외에도 전도성 고분자 PEDOT:PSS(poly(3,4-ethylenedioxythiophene):poly(styrenesulfonate)), 탄소 나노 튜브 (single walled carbon nanotubes: SWCNTs, multi walled carbon nanotubes: MWCNTs), 금속성(예컨대, Ni, Pt, Au), 반도체(예컨대, Si, InP, GaN, ZnO), 금속 나노 구조체 (나노 파티클, 나노 와이어, 나노 튜브 등의) 물질, 또는 이들의 조합도 적용이 가능하다.
스프레이 코팅읕 통해 은 나노와이어 용액 0~1 ml를 스프레이로 PI 필름 위에 분사하여 100~130 ℃ 온도에서 5~10 분간 열처리를 하여 증착한다.
스프레이 증착 방법뿐만 아니라 스핀 코팅(spin coating), 스크린 프린팅(screen-printing), 잉크젯 프린팅(ink-jet printing) 또는 마이크로접촉 프린팅(micro-contact printing)과 같은 다양한 용액 코팅 방법으로 대체 가능하다.
은 나노와이어가 증착되어 있는 PI 기판 위에 젤라틴 용액을 코팅하여 증착한 후 10~30 분간 50 ~ 100 ℃의 온도로 열처리를 가한다. 다양한 용액 코팅 방법이 적용될 수 있다. 스핀 코팅(spin coating)을 이용할 때 250~2000 rpm의 스핀 속도로 10~60초 동안 공정을 진행한다.
젤라틴 용액은 순수한 용액에 젤라틴 파우더 10~40 % (w/v)를 50~100 ℃의 온도에서 20~60 분 동안 용해시켜 얻어낼 수 있으며, 농도, 온도, 시간은 요구되는 설계 사항에 따라 변경이 가능하다.
열처리 된 젤라틴 필름은 10μm 미만의 두께로 형성될 수 있다. 기존의 젤라틴 하이드로겔과 다르게 완전 건조된 필름이므로 얇은 두께와 완전히 건조되어 다공성 구조를 가지게 되고 통기성을 확보할 수 있다.
PI 필름으로부터 고체화된 젤라틴 필름을 벗겨낸다. 이러한 공정을 통해서 자가 구조 변형이 가능한 피부 부착 센서를 제작할 수 있다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 피부 부착 센서의 구조를 예시한 도면이다.
본 실시예에 따른 피부 부착 센서는 젤라틴 필름 위에 전도 물질이 집적되어 있는 간단한 이중층 구조이다. 본 센서의 크기는 유연 필름의 크기 제어를 통해 원하는 수준으로 손쉽게 제어할 수 있다.
기존의 피부 부착형 전자 장치는 접착제 없이 피부에 직접 부착하는 것이 어렵지만, 본 실시예에 따른 피부 부착 센서는 자가 구조 변형이 가능한 전도 물질/젤라틴 이중층 구조를 통해 접착제 없이 피부에 부착할 수 있다. 통기성이 있는 젤라틴 필름의 특성에 의해서 피부 질환을 예방할 수 있다. 센서에서 획득된 신호가 접착제에 의한 왜곡 현상을 받지 않으므로 기존의 피부 부착형 전자 장치에 비해 높은 신호 대 잡음비(signal-to-noise ratio)를 얻을 수 있다.
피부 부착 센서(30)는 전도 물질로 형성된 전극(10) 및 전극(10)에 부착되며 젤라틴으로 형성된 젤라틴 막(20)을 포함한다.
전도 물질은 전도성 고분자 PEDOT:PSS(poly(3,4-ethylenedioxythiophene):poly(styrenesulfonate)), 탄소 나노 튜브 (single walled carbon nanotubes: SWCNTs, multi walled carbon nanotubes: MWCNTs), 금속성(Ag, Ni, Pt, Au), 반도체(Si, InP, GaN, ZnO), 금속 나노 구조체 (나노 파티클, 나노 와이어, 나노 튜브 등의) 물질 또는 이들의 조합도 적용이 가능하다.
젤라틴 막(20)은 50 ℃ 내지 100 ℃ 범위의 온도에서 열처리되어 건조된 상태이고 다공성 구조로 형성된다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 피부 부착 센서의 젤라틴 막의 농도에 따른 특성을 예시한 도면이다.
도 4의 (a)는 농도에 따른 젤라틴 막의 팽창 속도이고, 도 4의 (b)는 농도에 따른 젤라틴 막의 열화 속도이고, 도 4의 (c)는 농도에 따른 젤라틴 막의 광학 이미지이고, 도 4의 (d)는 농도에 따른 젤라틴 막의 팽창 열화 효율(팽창 속도/열화 속도*100)이고, 도 4의 (e)는 농도에 따른 젤라틴 막의 건조 속도이고, 도 4의 (f)는 4000-600 cm-1에서 농도에 따른 젤라틴 막의 FTIR(Fourier-Transform Infrared Spectroscopy) 스펙트럼이고, 도 4의 (g)는 40 ℃에서 젤라틴 막과 젤라틴 하이드로겔의 저장탄성률을 나타내고, 도 4의 (h)는 젤라틴 막의 온도에 따른 저장탄성률(Storage moduli)과 손실탄성률(loss moduli)을 나타내고, 도 4의 (i)는 젤라틴 막의 온도에 따른 탄젠트 델타를 나타낸다.
탄젠트 델타는 손실탄성률/저장탄성률로 정의될 수 있다. 탄젠트 델타 <1 이면 고체 특성을 나타내며, 다른 하이드로겔과 비교하여 최적화된 젤라틴 막의 고체 형태는 향상된 열 안정성으로 실온에서 유지될 수 있다.
젤라틴 막은 기존의 하이드로겔과 다르게 완전히 건조된 상태로 고체적인 특성을 보인다. 젤라틴 막은 점성이 약한 고체적 성질을 갖고, 점탄성 계수(△G'37/G"37)가 1 이하이고, 유리 전이 온도가 240 ℃ 이상이다. 기존의 하이드로겔과 다르게 젤라틴 막의 유리 전이 온도는 242 ℃을 확인할 수 있다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 피부 부착 센서의 자가 구조 변형 현상을 예시한 도면이다.
도 5의 (a)는 피부에 닿은 젤라틴 막의 자가 구조 변형 메커니즘을 나타내고, 도 5의 (b)는 젤라틴 막의 변형 전 상태의 SEM(Scanning Electron Microscope) 이미지이고, 도 5의 (c)는 젤라틴 막의 변형 후 상태의 SEM 이미지이고, 도 5의 (d)는 표면에 초정밀 접착된 전도 물질/젤라틴 막에 대한 단면 SEM 이미지이고, 도 5의 (e)는 젤라틴 막의 변형에 따라 변형된 전도 물질의 네트워크에 대한 평면 확대 SEM 이미지이고, 도 5의 (f)는 스트레칭, 압축, 비틀림과 같은 다양한 유형의 물리적 변형을 받는 피부에 있는 전도 물질/젤라틴 막의 광학 이미지이다.
피부 부착 센서의 젤라틴 막은 물 분자의 흡수 및 증발에 통해 자가 구조 변형이 가능하다.
젤라틴 막을 젖은 피부에 올려 놓으면 물 분자를 흡수하여 수직 방향으로 팽윤 현상이 발생한다. 물 분자는 젤라틴의 네트워크로 침투하여 펩타이드 사슬 사이의 거리를 수직적으로 넓힌다. 젤라틴의 네트워크의 변형으로 피부의 굴곡을 모두 덮을 수 있다. 물 분자가 자연 증발되면 젤라틴 막이 피부의 주름 형태와 동일하게 변형된다. 주름의 굴곡을 덮는 형태로 변형되어 빈틈없이 피부와 맞닿게 된다. 젤라틴 막이 변형되면 전도 물질의 네트워크를 변화시킨다.
물 분자의 흡수 및 증발을 통한 젤라틴 막의 자가 구조 변형 현상에 의해 피부의 주름 형태를 동일하게 모사하고, 다양한 유형의 물리적 변형에도 접착제 없이 피부에 지속적으로 부착되어 있음을 확인할 수 있다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 피부 부착 센서의 기계적 전기적 안정성을 예시한 도면이다.
도 6의 (a)는 전도 물질/젤라틴 막의 굽힘 반경에 따른 상대적 저항 변화를 나타내고, 도 6의 (b)는 전도 물질/젤라틴 막이 적용된 스트레인 센서의 히스테리시스 특성을 나타내고, 도 6의 (c)는 표면의 거칠기에 따른 전도 물질/젤라틴 막의 굽힘 반경에 따른 상대적 저항 변화를 나타내고, 도 6의 (d)는 1000번의 굽힘/펴짐 테스트에서 전도 물질/젤라틴 막의 상대적 저항 변화를 나타내고, 도 6의 (e)는 전도 물질/젤라틴 막이 적용된 스트레인 센서의 실시간 반응을 나타내고, 도 6의 (f) 및 (g)는 눈 깜빡임 및 이마 찡그림과 같은 미세한 움직임을 감지하는 전도 물질/젤라틴 막이 적용된 모션 센서의 상대적 저항 변화를 나타내고, 도 6의 (h)는 온도에 따른 상대적 저항 변화를 나타내고, 도 6의 (i)는 192 시간 동안 80 % 습도에 노출된 후 시트 저항 변화를 나타낸다.
자가 구조 변형 현상 없이 기판과 접촉된 전도 물질/젤라틴 막은 저 스트레인 부분에서 감도 차이가 크게 났으며 일정 수준의 굽힘 반경 이상에서는 기판과의 공간적인 분리가 생겨서 더 이상 감지할 수 없다. 반면 자가 구조 변형 현상을 통해서 기판과 접촉된 전도 물질/젤라틴 막은 높은 수준의 굽힘 반경에서도 기판과의 분리되지 않았으며 높은 기계적 전기적 안정성을 확인할 수 있다.
서로 다른 거칠기를 가진 기판위에 전도 물질/유연 필름과 전도 물질/젤라틴 막을 부착하여 굽힘 반경에 따른 상대적 저항 변화를 측정한 결과, 전도 물질/유연 필름의 상대적 저항 변화는 거칠기의 영향을 많이 받는 것에 비하여 전도 물질/젤라틴 막은 영향을 적게 받는 것을 확인할 수 있다. 이러한 결과는 피부 부착용 모션 센서가 피부 주름의 형태의 영향을 받지 않고, 같은 결과 값을 나타낼 수 있음을 나타낸다.
실제 전도 물질/젤라틴 막 기반의 모션 센서의 작동을 확인하기 위해서 눈 옆과 이마의 위치에 전도 물질/젤라틴 막을 붙여 움직임에 대한 상대적 저항 변화를 측정한 결과, 눈 깜빡임과 이마 찡그림과 같은 미세한 근육의 움직임을 성공적으로 감지하는 것을 확인할 수 있다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 피부 부착 센서의 감지 특성을 예시한 도면이다.
도 7의 (a)는 전도 물질/젤라틴 막이 적용된 ECG 센서 및 EMG 센서의 접촉 임피던스를 나타낸다.
도 7의 (b)는 Ag/AgCl의 상용 전극과 전도 물질/젤라틴 막이 적용된 ECG 센서의 ECG 신호를 나타내고, 도 7의 (c)는 달리는 동작과 걷는 동작에서 실시간 측정된 ECG 신호를 나타낸다.
도 7의 (d)는 Ag/AgCl의 상용 전극과 전도 물질/젤라틴 막이 적용된 EMG 센서의 EMG 신호를 나타내고, 도 7의 (e)는 1000번의 굽힘/펴짐 테스트에서 EMG 센서의 안정성을 나타내고, 도 7의 (f)는 팔의 이완 수축 동작에서 측정된 EMG 신호를 나타낸다.
도 7의 (g) 및 (h)는 전도 물질/젤라틴 막이 적용된 ECG 센서 및 EMG 센서의 재사용에 따른 ECG 신호 및 EMG 신호를 나타내고, 도 7의 (i)는 Ag/AgCl의 상용 전극과 전도 물질/젤라틴 막이 적용된 센서의 SNR을 나타내고, 도 7의 (j)는 재사용된 센서의 SNR을 나타낸다.
전도 물질/젤라틴 막 기반의 생체 신호 센서의 특성을 평가한 결과, 전도 물질/젤라틴 막은 피부와의 완벽한 접촉에 의한 기생 커패시턴스의 감소로 낮은 접촉 임피던스를 보였다. 전도 물질/젤라틴 막에 의해 측정된 ECG 신호 및 EMG 신호를 통해 상업용 Ag/AgCl 전극에 비해 우수한 감지 특성을 나타냄을 확인할 수 있다.
재사용 횟수에 따라 자가 구조 변형 현상을 여러 번 겪어도 정확하게 ECG 및 EMG 신호를 우수하게 측정할 수 있음을 나타낸다. 이는 물의 흡수 및 증발을 통한 자가 구조 변형 현상을 통해 피부 부착용 전자 소자의 재사용성을 나타낸다. 기존의 피부 부착용 전자 소자는 임의의 접착제를 통한 피부와의 접촉 방식을 사용하기 때문에 탈부착 과정에서의 전자 소자의 성능 저하 및 소자 파괴를 유도할 수 있으나, 본 실시예에 따른 피부 부착 센서는 재사용 후에도 우수한 감지 성능과 기계적인 안정성을 나타낸다. 접착제 없이 피부에 부착됨으로써 피부 접촉에 따른 기생 커패시턴스를 감소시키고 재사용이 가능하다.
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 피부 부착 센서의 생체 적합성을 예시한 도면이다.
도 8의 (a)는 피부 부착 센서를 포함하는 전자 장치를 예시한 도면이다. 도 8의 (b)는 Ag/AgCl의 상용 전극과 전도 물질/젤라틴 막이 적용된 센서를 팔에 부착하고 3일 후 피부 반응을 나타내고, 도 8의 (c)는 PDMS, PI와 비교한 전도 물질/젤라틴 막의 증기 투과성을 나타내고, 도 8의 (d)는 PDMS, PI와 비교한 전도 물질/젤라틴 막의 SEM 이미지를 나타낸다.
상업용 Ag/AgCl 전극을 부착한 위치에는 눈에 띄는 피부 염증이 관찰되는 반면 AgNWs/젤라틴 전극을 부착한 위치에는 피부 염증이 발견되지 않는다.
기존 피부 부착형 전자 소자의 기판에 많이 사용되는 PDMS(Polydimethylsiloxane), PI(Polyimide)와 비교하여 젤라틴 막의 높은 수증기 투과성은 피부 호흡을 방해하지 않아 피부 염증을 예방할 수 있다. 이를 통해 젤라틴 막을 이용한 피부 부착용 전자 소자의 높은 생체 적합성을 확인할 수 있다.
전자 장치는 피부 부착 센서 및 처리부를 포함한다. 전자 장치의 피부 부착 센서는 실시예에 따른 피부 부착 센서에 대응한다. 전자 장치는 다양한 구성요소들 중에서 일부 구성요소를 생략하거나 다른 구성요소를 추가로 포함할 수 있다. 예컨대, 디스플레이부 또는 전원부를 추가로 포함할 수 있다.
피부 부착 센서는 대상체에 부착 가능하다. 예컨대, 전자 장치는 휴대용 웨어러블 장치일 수 있다. 전자 장치는 스마트폰과 연동할 수 있다.
처리부는 피부 부착 센서를 이용하여 전기적 변화 신호를 수집하고, 신호를 변환한다.
처리부는 신호 입력부, 아날로그 디지털 컨버터, 통신부를 포함할 수 있다. 신호 입력부는 피부 부착 센서에 연결되며 피부 부착 센서로부터 전기 신호를 입력받는다.
아날로그 디지털 컨버터는 신호 입력부로부터 입력받은 전기 신호를 아날로그 신호에서 디지털 신호로 변환한다.
통신부는 아날로그 디지털 컨버터에서 변환된 디지털 신호를 다른 장치에 유/무선으로 전송한다. 통신부는 와이어링 또는 블루투스 등의 다양한 무선 프로토콜을 이용하여 장치와 연결될 수 있다. 전자 장치는 사용자의 컴퓨팅 디바이스(예컨대, 스마트폰, 태블릿, 퍼스널컴퓨터 등)에 설치된 애플리케이션과 연동하여 데이터를 송수신할 수 있다.
전자 장치에 포함된 구성요소들이 분리되거나 복수의 구성요소들은 상호 결합되어 적어도 하나의 모듈로 구현될 수 있다. 구성요소들은 장치 내부의 소프트웨어적인 모듈 또는 하드웨어적인 모듈을 연결하는 통신 경로에 연결되어 상호 간에 유기적으로 동작한다. 이러한 구성요소들은 하나 이상의 통신 버스 또는 신호선을 이용하여 통신한다.
전자 장치는 하드웨어, 펌웨어, 소프트웨어 또는 이들의 조합에 의해 로직회로 내에서 구현될 수 있고, 범용 또는 특정 목적 컴퓨터를 이용하여 구현될 수도 있다. 장치는 고정배선형(Hardwired) 기기, 필드 프로그램 가능한 게이트 어레이(Field Programmable Gate Array, FPGA), 주문형 반도체(Application Specific Integrated Circuit, ASIC) 등을 이용하여 구현될 수 있다. 또한, 장치는 하나 이상의 프로세서 및 컨트롤러를 포함한 시스템온칩(System on Chip, SoC)으로 구현될 수 있다.
전자 장치는 하드웨어적 요소가 마련된 컴퓨팅 디바이스에 소프트웨어, 하드웨어, 또는 이들의 조합하는 형태로 탑재될 수 있다. 컴퓨팅 디바이스는 각종 기기 또는 유무선 통신망과 통신을 수행하기 위한 통신 모뎀 등의 통신장치, 프로그램을 실행하기 위한 데이터를 저장하는 메모리, 프로그램을 실행하여 연산 및 명령하기 위한 마이크로프로세서 등을 전부 또는 일부 포함한 다양한 장치를 의미할 수 있다.
도 1에서는 각각의 과정을 순차적으로 실행하는 것으로 기재하고 있으나 이는 예시적으로 설명한 것에 불과하고, 이 분야의 기술자라면 본 발명의 실시예의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 도 1에 기재된 순서를 변경하여 실행하거나 또는 하나 이상의 과정을 병렬적으로 실행하거나 다른 과정을 추가하는 것으로 다양하게 수정 및 변형하여 적용 가능할 것이다.
본 실시예들은 본 실시예의 기술 사상을 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 실시예의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 실시예의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 실시예의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (14)

  1. 용액 공정에 기반한 피부 부착 센서의 제조 방법에 있어서,
    유연층에 전도 물질을 포함하는 제1 용액을 코팅하고 열처리하여 전극을 형성하는 제1 용액 처리 단계; 및
    상기 전극에 상기 젤라틴을 포함하는 제2 용액을 코팅하고 열처리하여 젤라틴 막을 형성하는 제2 용액 처리 단계
    를 포함하는 용액 공정에 기반한 피부 부착 센서의 제조 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제2 용액 처리 단계 이후에,
    상기 유연층을 상기 전극으로부터 제거하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 용액 공정에 기반한 피부 부착 센서의 제조 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제2 용액 처리 단계는,
    상기 제2 용액을 50 ℃ 내지 100 ℃ 범위의 온도에서 열처리하여 건조시키는 것을 특징으로 하는 용액 공정에 기반한 피부 부착 센서의 제조 방법.
  4. 피부 부착 센서에 있어서,
    전도 물질로 형성된 전극; 및
    상기 전극에 부착되며 젤라틴으로 형성된 젤라틴 막
    을 포함하는 피부 부착 센서.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 젤라틴 막은 50 ℃ 내지 100 ℃ 범위의 온도에서 열처리되어 건조된 상태이고 다공성 구조로 형성된 것을 특징으로 하는 피부 부착 센서.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 젤라틴 막은 고체적 성질을 갖는 것을 특징으로 하는 피부 부착 센서.
  7. 제4항에 있어서,
    상기 젤라틴 막은 점탄성 계수가 1 이하이고, 유리 전이 온도가 240 ℃ 이상인 것을 특징으로 하는 피부 부착 센서.
  8. 제4항에 있어서,
    상기 젤라틴 막이 젖은 피부의 물 분자를 흡수하여 수직 방향으로 팽윤 현상이 발생하고, 상기 물 분자는 상기 젤라틴의 네트워크로 침투하여 펩타이드 사슬 사이의 거리를 수직적으로 넓히고, 상기 물 분자가 증발되면 상기 젤라틴 막이 상기 피부의 주름을 따라 굴곡을 덮는 형태로 변형되는 것을 특징으로 하는 피부 부착 센서.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 젤라틴 막이 변형되면서 상기 전도 물질의 네트워크를 변화시키는 것을 특징으로 하는 피부 부착 센서.
  10. 제4항에 있어서,
    상기 젤라틴 막이 자가 구조 변형 현상에 의해 피부의 형태를 모사하여 접착제 없이 상기 피부에 부착됨으로써 피부 접촉에 따른 기생 커패시턴스를 감소시키고 재사용이 가능한 것을 특징으로 하는 피부 부착 센서.
  11. 제4항에 있어서,
    상기 전도 물질은 전도성 고분자 PEDOT:PSS(poly(3,4-ethylenedioxythiophene):poly(styrenesulfonate)), 탄소 나노 튜브(single walled carbon nanotubes: SWCNTs, multi walled carbon nanotubes: MWCNTs), 금속성(Ag, Ni, Pt, Au), 반도체(Si, InP, GaN, ZnO), 금속 나노 구조체(나노 파티클, 나노 와이어, 나노 튜브) 물질 또는 이들의 조합을 포함하는 것을 특징으로 하는 피부 부착 센서.
  12. 전기적 변화를 감지하는 피부 부착 센서; 및
    상기 피부 부착 센서로부터 검출된 전기 신호의 세기를 측정하고 상기 전기 신호의 세기를 출력하는 처리부를 포함하며,
    상기 피부 부착 센서는,
    전도 물질로 형성된 전극; 및
    상기 전극에 부착되며 젤라틴으로 형성된 젤라틴 막을 포함하는 것을 특징으로 하는 전자 장치.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 처리부는,
    상기 피부 부착 센서에 연결되며 상기 피부 부착 센서로부터 상기 전기 신호를 입력받는 신호 입력부;
    상기 입력받은 전기 신호를 아날로그 신호에서 디지털 신호로 변환하는 아날로그 디지털 컨버터; 및
    상기 디지털 신호를 전송하는 통신부를 포함하며,
    상기 통신부는 사용자의 컴퓨팅 디바이스에 설치된 애플리케이션과 연동하여 상기 디지털 신호를 송수신하는 것을 특징으로 하는 전자 장치.
  14. 제12항에 있어서,
    상기 피부 부착 센서는 플렉시블(flexible) 장치 또는 웨어러블(wearable) 장치인 것을 특징으로 하는 전자 장치.
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KR20000069655A (ko) 1996-12-23 2000-11-25 데이비드 엠 모이어 피부에 확고히 국소 부착되고 편안하게 떼어지는 접착제
JP2019042109A (ja) * 2017-09-01 2019-03-22 学校法人早稲田大学 生体用電極および生体用電極の製造方法
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