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Research

반창고처럼 붙여 신체를 실시간 체크하는 센서 개발

  • 조회. 438
  • 등록일. 2019.12.23
  • 작성자. 홍보팀

- 뱀의 움직임, 거미줄 구조, 종이 공예의 특징을 모사한 복합 구조 설계로 센서의 안정성을 대폭 개선
- 생체 진단 외 스마트 피부, 의류 및 가축 진단 등 다양한 분야 활용 기대돼

 

 

 DGIST 정보통신융합전공 권혁준 교수는 성균관대 김선국 교수 연구팀과 함께 24시간 실시간으로 생체 신호와 특정 움직임을 모니터링 할 수 있는 ‘피부 부착 패치형 건강 진단 센서 시스템’을 개발했다. 센서를 반창고 붙이듯 간단하게 피부에 부착해 건강 정보를 수집할 수 있어 향후 다양한 분야에서의 활용이 기대된다.

 웰빙시대에 발맞춰 다양한 웨어러블 헬스케어 소자 연구가 진행 중이다. 하지만 인간의 다양한 움직임과 땀과 같은 분비물처럼 신체 생체정보 수집에는 수많은 장애물들이 존재해, 관련 상품 개발에는 많은 어려움이 있어왔다. 이에 따라 권 교수팀은 격렬한 운동이나 긴박한 응급 상황처럼 다양한 상황 속에서도 안정적인 생체 정보 수집을 가능케 하는 센서 개발에 집중했다.

 그 결과, 일상생활에서 볼 수 있는 다양한 구조를 레이저로 정밀하게 제작, 신체 정보를 수집하는 센서의 안정성을 높이는데 성공했다. 권 교수팀은 구불구불 기어가는 뱀의 형상과 거미줄 구조에 착안해 큰 신체 움직임에도 센서가 손상 없이 작동할 수 있는 안정적인 구조를 구현했다. 더 나아가, 지그재그 모양의 종이 공예 구조를 응용해 센서가 수직 방향으로 갖는 신축성을 크게 향상시켜 인체의 격렬한 움직임에도 견딜 수 있도록 했다.

 또한 이번에 개발된 패치형 센서는 생체 친화적인 방수 재질로 제작돼 피부에 잘 부착되지 않아 정확한 정보를 얻기 힘든 문제점을 개선했다. 추가적으로 블루투스로 스마트폰과 연결이 가능해, 신체정보를 24시간 클라우드서버에 저장할 수도 있다. 이는 지속적인 관리가 필수적인 영유아와 독거노인, 위험한 환경에 노출되는 군인, 소방관 등 다양한 응급상황에 신속한 대처가 가능하도록 해 줄 것으로 기대된다. 

 권혁준 교수는 “이번 센서 개발에 있어서 격렬한 신체 움직임에도 견딜 수 있는 구조적인 안정성과 피부 밀착력을 함께 확보하는 것이 관건이었다”며 “반창고 붙이듯 붙이기만하면 다양한 인체정보를 수집할 수 있어 매우 유용하며, 향후 가축과 같은 동물들의 질병 관찰과 모니터링에도 적용 가능 할 것으로 기대된다”고 말했다. 

 본 연구는 전기전자 분야 세계적 학술지인 IEEE(Transaction on Industrial Electronics) 온라인판에 11월 7일(목) 게재됐다.


   연구결과개요  

All-day Mobile Healthcare Monitoring System Based on Heterogeneous Stretchable Sensors for Medical Emergency
(Sungho Lee, Srinivas Gandla, Muhammad Naqi, Uihyun Jung, Sunju Kang, Hyungsoon Youn, Dogi Pyun, Yumie Rhee, Hyuk-Jun Kwon*, Heejung Kim*, Min Goo Lee* and Sunkook Kim*)
(IEEE Transactions on Industrial Electronics, on-line published on 7th November, 2019) 

 사람의 인공피부 및 착용형 전자 센서 기술들은 신체 건강 정보들을 개인 스마트폰으로 전달 할 수 있게 되면서 매우 큰 관심을 끌고 있다. 하지만 소자의 구조와 특성, 전자 재료 등의 발전에도 불구하고 일상생활 속의 다양한 움직임, 생체 분비물 등으로 인해 안정적으로 하루 종일 사람의 피부의 생체 신호를 실시간으로 모니터링 하는 것은 생각처럼 쉽지 않다. 

 따라서 본 연구에서는 다양한 자연 모사 구조 (뱀의 구불거림, 거미줄, 종이오리기의 복합 구조)를 통해 기계적으로 안정적인 (변형율은 매우 작으면서 큰 변형이 가능) 센서 구조와 높은 산소 침투성(~80 g/mh)과 높은 부착력(~200 gf/12mm), 그리고 생체 친화적인 물질의 패치 구조를 통해 피부 착용감과 착용성을 높혀 24시간 일상생활을 하면서도 큰 무리 없이 실시간으로 생체 신호 (체온, 습도, 특정 움직임)를 측정하여 응급 상황을 감지하는 진단 시스템을 개발 하였다.

 더 나아가 개발된 실시간 건강 진단 시스템은 블루투스 무선 연결 환경을 통해 개인의 스마트폰과 연결이 가능하게 하여 사용 편의성을 높혔으며 서버와의 클라우드 환경을 통해 실시간으로 건강 진단 정보를 저장하여 자신의 건강 진단 이력을 손쉽게 확인할 수 있다.   
논문 바로보기IEEE Transactions on Industrial Electronics


   연구결과문답   

Q. 이번 성과 무엇이 다른가?
 다양한 자연 모사 구조 (뱀의 구불거림, 거미줄, 종이공예의 복합 구조)를 통해 기계 및 전기적 안정성을 높힌 복합 구조를 설계하여 사람들의 일상적인 움직임(눌려짐, 잡혀짐, 당겨짐, 비틀어짐 등)에 따른 피부의 변형에 대해 안정적으로 대응 할 수 있다.
 높은 산소 침투성과 부착력, 그리고 방수성을 가지는 생체 친화적인 물질(식약청 기준에 준하는 생물학적 안정성이 확보: 세포독성, 감작성, 급성독성, 피부자극, 발열성 등)을 일반 반창고와 같은 다공성 패치 형태로 제작하여 장시간 사용하여도 불편하지 않고 피부에 잘 밀착되어 보다 정확한 생체 신호를 측정 할 수 있다.

Q. 어디에 쓸 수 있나?
 일반적인 생체 신호 모니터링을 통한 질병의 초기 신호 감지와 특정 움직임을 통한 응급 상황 대처가 가능하다. 예를 들어 영유아, 독거노인, 군인, 소방관들에게서 발생할 수 있는 고열 및 낙상 등의 응급상황 발생 시 신속한 응급조치가 가능하다.
 병원과 산후조리원에서 간호사들의 레귤러 체크 등에도 용이하며, 가축 등에 부착하여 가축 질병에 대한 빠른 대처가 가능하여 축산 유통 산업에서도 적용 가능 할 것으로 기대된다.

Q. 실용화까지 필요한 시간과 과제는?
 병원과 임상연구를 통해 인허가를 위한 후속 단계가 필요하고 추가적인 여러 기능을 통한 다양한 환경에 적용하기 위한 센서와 시스템에 대한 추가 연구도 진행 중에 있다.

Q. 연구를 시작한 계기는?
 웨어러블 헬스케어에 대한 관심이 많아지고 있지만 착용자의 환경 (일상 생활 중의 움직임, 땀 및 수분 등의 생체 분비물)에 의해 피부에 안정적으로 장시간 부착되어 사용이 어려운 상황을 이해하고 이를 극복해 보고자 하였다.

Q. 어떤 의미가 있는가?
 자연의 힘에 잘 적응된 구조의 특징을 다양하게 모사하여 복합적인 기계 및 전기적 안정성을 높힌 복합 구조를 설계하였고 이를 통해 장기적이고 실시간으로 신뢰성 높은 일반적인 생체 신호 뿐 만 아니라 고열 및 낙상 등의 응급 상황을 인지하여 초기 대처가 가능하여 위험한 상황에서의 생명 보호가 가능해졌다. 뿐만 아니라 애완동물 및 가축 등에도 적용 가능하여 전염병 및 질병에 따른 보다 신속한 초기 대응이 가능할 것으로 기대한다.        

Q. 꼭 이루고 싶은 목표는?
 본 연구의 센서 시스템을 바탕으로 다양한 기능이 추가된 발전된 후속 웨어러블 헬스케어 센서 시스템의 개발과 이를 통해 사람, 동물 뿐 아니라 사물에도 맞춤식 기능을 적용하여 세상 사람들에게 또 하나의 기능으로서 도움을 줄 수 있는 연구가 되었으면 좋겠다.


   그림 설명   

[그림 1] 복합적 자연 모사 구조가 적용된 스마트 웨어러블 실시간 진단 센서

(그림설명) 다양한 자연 모사 구조 (뱀의 구불거림, 거미줄, 종이공예의 복합 구조)를 통해 기계 및 전기적 안정성을 높힌 센서 구조를 설계하여 일상적인 움직임 (눌려짐, 당겨짐, 잡혀짐, 비틀어짐 등) 및 땀 등의 피부 분비물을 통한 피부의 변형에 안정적으로 대응하는 피부 부착형 센서 플랫폼

 

[그림 2] 복합적 자연 모사 구조가 적용된 센서 플랫폼의 피부 환경에서의 안정성

 

(그림설명) 일상적인 움직임 (눌려짐, 당겨짐, 잡혀짐, 비틀어짐 등)에 따른 피부의 최대 변형률 범위 (최대 30%)에서의 센서의 변형 모습과 이에 따라 발생하는 내부 응력 분포와 크기; 피부의 최대 변형 환경에도 센서 구조에 발생하는 최대 내부 응력의 크기가 매우 작음

 

 

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