광운대 박재영 교수팀, 초소형 통기성 전자피부 패치 개발 … 심전도·온도·습도 실시간 원격모니터링 가능

광운대학교는 전자공학과 박재영 교수팀이 심전도와 피부 온도, 수분 상태를 실시간으로 모니터링할 수 있는 초소형 전자피부 패치를 개발했다고 31일 밝혔다.

외부 변형 등으로부터 패치 센서의 성능에 영향이 없게 전극구조를 설계했으며 통기성을 확보해 피부 센서 인터페이스에서 열 발산과 땀 증발이 쉽게 이뤄지도록 했다. 공정 기술 단순화와 패치 소형화로 상용화 가능성을 높였다는 평가다.

최근 여러 센서를 하나의 유연기판에 집적해 다양한 생체신호를 측정하는 웨어러블 디지털 의료·헬스케어 사물인터넷(IoT) 응용 연구가 활발히 진행되고 있다. 그러나 이런 접근방법은 기판의 넓은 면적을 사용해야 하고, 센서 간 신호 간섭 등으로 성능이 제한돼 신뢰성을 확보할 수 없었다.

연구팀은 분무 코팅된 스티렌-에틸렌-부틸렌-스티렌(SEBS)을 기판 사용과 상 분리를 통해 계층적 다공성 네트워크를 형성했고, 탄소 나노튜브와 나노다공성 탄소(CNT@NPC) 잉크를 변형에 민감하지 않은 구조로 설계된 패턴 마스크를 사용해 SEBS 기판에 증착해 센서들의 전극을 형성했다. 다공성 구조는 통기성을 향상하고, 분무 코팅 공정 중 π-π 상호 작용과 높은 운동 에너지 분산으로 인해 CNT@NPC 감지 요소와 SEBS 기판 사이의 강력한 결합을 확보할 수 있다.

탄소 나노튜브와 나노다공성 탄소 네트워크는 향상된 변형률 무감각성과 전기전도성을 나타냈다. 이는 기계적 변형하에서 안정적인 데이터 전송에 필수적이다. 3.49㎎ ㎝⁻² h⁻¹로 측정된 전자 피부의 통기성은 땀 축적을 방지하고 적절한 땀 증발과 열 발산을 허용해 사용자가 편안하게 오랜 시간 착용할 수 있게 한다. 이는 종종 국소 피부 자극을 유발하는 공기 불투과성 전자 피부와 비교해 차별화된 특성이다.

이번에 제작된 적층형 전자 피부 패치는 0.198% °C⁻¹의 감도로 온도를 감지하고, 0.77% %⁻¹의 상대 습도에서 피부 수분을 감지하며, 높은 정확도로 심전도(ECG) 신호를 기록해 뛰어난 안정성을 제공한다. 수집된 데이터는 실시간으로 스마트폰 인터페이스에 무선으로 전송돼 주요 건강 지표를 원격으로 관찰할 수 있다.

박 교수는 "이번 연구에서 개발한 적층형 구조의 전자 피부 패치는 우수한 성능과 확장성, 제조공정 단순화를 통한 대량생산성 등을 갖췄다"며 "특히 심혈관 건강과 수분·체온의 지속적이고 비침습적 모니터링부터 의료·헬스케어, 피트니스, 인공장기 응용 분야에 이르기까지 폭넓은 활용이 기대된다"고 말했다.

이번 연구 결과는 세계 최고의 기능성 소재와 소자 전문 저널인 '어드밴스드 펑셔널 머트리얼즈'에 실렸다.

이번 연구는 한국연구재단 중견연구자 지원 및 한국산업기술진흥원 산업기술혁신사업의 지원을 받아 수행됐다.