[붙임] 연구결과 개요

1.연구배경

유연 피부 전극은 전기생리학적 신호 수집, 질병 진단, 인간-기계 상호작용과 같은 분야를 위한 웨어러블 바이오 전자소자에 널리 사용되고 있다. 이러한 시스템에서 고품질의 생체 신호 수집을 위해서 전극이 피부와 밀접 접촉을 통해 낮은 임피던스를 유지하고 강한 접착력을 통해 장기적인 기계 및 전기적 안정성을 보유할 수 있어야 한다. 해당 문제를 해결하기 위해 습식 전극과 건식 전극이 연구되었지만 모든 요구사항을 충족시키는 것은 어려운 과제로 남아있다.

상용화된 Ag/AgCl 젤 및 전도성 하이드로젤과 같은 습식 전극은 유연한 젤이 피부의 굴곡진 표면에 밀접 접촉이 가능하여 낮은 임피던스 구현이 가능하지만 시간에 따른 수분 증발로 인한 젤의 변형으로 인해 임피던스가 증가하고 신호 안정성이 낮아지는 문제가 있다. 건식 전극은 고체 전도성 물질을 사용하여 장기간 안정성을 보유하고 있지만 단단한 금속 기반의 전도성 물질을 이용하기 때문에 전극이 피부와 밀접 접촉을 형성하지 못하여 피부의 움직임으로 인한 노이즈가 큰 문제가 있다. 해당 한계점을 극복하기 위해 전도성 나노 물질 기반의 건식 전극(그래핀, 전도성 고분자, 은 나노와이어)이 개발되어 피부와 밀접 접촉을 구현하여 안정적인 신호 수집이 가능하지만 하이드로 젤 기반의 습식 전극 대비 낮은 전도성과 재사용이 불가능하고 약한 접착력으로 인해 장기적인 사용이 어려운 문제가 있다.

최근 공융 갈륨-인듐(EGaIn) 및 갈린스탄(Galinstan) 같은 갈륨 기반 액체금속은 높은 전도성, 낮은 증기압, 변형성, 생체 적합성 특성으로 인해 피부 표면에 장기간 밀접 접촉이 필요한 피부 전극 분야에서 각광 받고 있다. 하지만 액체금속의 높은 유동성으로 인해 압력 발생시 액체금속이 주변으로 퍼지게 되어 전기적 단락을 발생하며 자체 접착력이 낮아 장기간 접착을 유지하기 어렵다. 이를 해결하기 위해, 액체금속을 복합재와 혼합하여 사용하지만 전도성이 낮아지는 문제가 있다.

따라서 피부 전극 분야 적용에 다양한 장점을 보유한 액체금속을 현실적으로 사용하기 위해서 액체금속의 외부 압력에 의한 유출을 억제함과 동시에 접착력을 확보를 통해 장기간 안정적인 밀접 접촉을 유지할 수 있는 기술이 필요하다.

2.연구내용

본 연구팀은 생체모사 돌출 팁(protruding tip) 구조가 결합된 액체금속(Galinstan)이 주입된 미세 채널과 미세 기둥 구조를 이용한 생체 신호 측정용 피부 전극 패치를 개발했다. 미세 채널 구조과 결합된 돌출 팁은 액체금속이 표면과 밀접 접촉 형성을 가능하게 할 뿐만 아니라 액체금속의 변형성으로 인한 표면 유출을 억제할 수 있다. 또한, 미세 채널 주위에 배열된 미세 기둥 구조는 패치의 반복 부착성과 접착력을 향상함으로써 장기적인 기계 및 전기적 안정성을 유지할 수 있어 기존 전극의 한계점을 극복할 수 있다.

돌출 팁은 물리 기반의 반데르발스 힘을 증폭시키고 유효 접촉 면적을 증가시켜 강한 접착력 및 반복 부착성을 구현할 수 있다. 이를 통해 반복 부착성이 낮고 피부 발진을 일으킬 수 있는 화학 접착제 기반의 Ag/AgCl 상용 전극에 비해 높은 접착력, 반복 부착성, 7일간의 장기간 기계적 안정성 및 생체 적합성을 보유함을 확인했다.

미세 채널의 돌출 팁은 채널의 끝 부분을 좁게 만드는 재돌입(re-entrant) 구조를 형성하게 되며 채널 끝 부분의 기하학적인 구조각 변화는 액체금속의 유출 임계압력을 향상시키게 되어 구조각 변화가 없는 기본적인 채널 구조에 비해 더 높은 외부 압력에 의한 유출을 억제할 수 있다. 이를 실험적으로 비교한 결과, 90 kPa의 외압에서 유출이 발생한 일반 채널구조 비해 돌출 팁이 있는 채널 구조는 2배 이상인 200 kPa이 넘는 외압에서도 유출이 발생하지 않아 돌출 팁 구조의 우수성을 확인했다. 또한 미세 채널의 돌출 팁은 팁 자체의 밀접 접촉 접착 특성으로 인해 접착력이 없는 채널 내부의 액체금속을 피부 표면과 밀접 접촉 구현이 가능함을 SEM을 이용한 단면 이미지를 통해 확인하였다. 이러한 밀접 접촉으로 인해 상용 전극에 비해 5분의 1의 낮은 임피던스를 보유했을 뿐만 아니라 시간의 지남에 따라 임피던스가 증가하는 전도성 젤 기반의 상용 전극과 달리 액체금속의 낮은 증기압 특성으로 인해 7일간의 장기간 전기적 안정성 및 20회 반복 사용성을 보유하고 있음을 확인하였음.

밀접 접촉을 통한 낮은 임피던스, 돌출 팁 구조에 의한 강력한 접착력, 반복 부착성 및 장기간 기계적 전기적 안정성을 보유한 패치의 실적용 성능을 확인하기 위해 심전도(ECG) 측정 실험을 진행한 결과 상용 전극에 비해 2배 이상의 SNR(signal-to-noise ratio)을 보유할 뿐만 아니라 걷기, 달리기와 같은 활동중에서도 20 이상의 SNR 유지를 통해 우수한 성능을 입증했다.

3.기대효과

이번 연구는 기존 유연 피부 전극이 동시에 충족시킬 수 없던 전극-피부 밀접 접촉 구현과 높은 접착력과 반복 사용성을 통한 장기간 기계적 전기적 안정성을 보유함과 동시에 우수한 성능 지표를 달성했다는 점에서 큰 의미를 지닌다. 패치에 적용된 돌출 팁 구조를 이용한 액체금속 유출 방지 매커니즘은 기존 방식에 비해 액체금속 성능을 저해하지 않고 온전히 활용할 수 있어 액체금속 기반의 유연 전극 및 생체 신호 모니터링 웨어러블 디바이스 설계에 새로운 방안을 제시할 수 있다.

해당 연구에서 보여준 높은 전기적, 기계적 성능 및 안정성은 생체 신호 측정용 웨어러블 디바이스 뿐만 아니라 소형 디바이스를 위한 미세 전자 회로 및 인터커넥터로 활용 범위를 확장이 가능하다.

[붙임] 용어설명

1.액체금속(갈린스탄)

갈륨(Gallium) 기반의 액체금속(liquid metal) 종류중 하나인 갈린스탄(Galinstan)은 갈륨, 인듐(Indium), 주석(Tin)의 합금으로, 상온에서 액체 상태로 존재하는 금속이다. 독성이 낮고 전기가 매우 잘 통하며, 몸의 움직임에 따라 자유롭게 형태가 변해 유연한 전자 소자의 핵심 소재로 쓰인다. 높은 표면장력을 가져 둥글게 뭉치려는 성질이 있다.

2.반데르발스 힘(Van der Waals force)

아주 가까운 거리에 있는 분자들 사이에 작용하는 미세한 인력으로, 전하를 띠지 않는 중성 분자 사이에서도 발생한다. 피부를 이루는 분자와 실리콘 분자가 밀착되면 이 반데르발스 힘이 자연스럽게 생긴다.

이 힘은 하나만으로는 매우 약하지만, 도마뱀 발처럼 수많은 미세 구조가 동시에 표면에 닿으면 크게 증폭된다. 도마뱀 발바닥의 미세한 털 하나하나는 거의 접착력이 없지만, 수백만 개가 한꺼번에 작용하면서 벽이나 천장에도 달라붙을 수 있다.

이번 연구는 기둥 끝에 안쪽으로 말린 ‘팁 구조’를 더해 접촉 안정성을 높였다. 이 구조 덕분에 화학 접착제 없이도 피부에 잘 붙으면서, 자극 없이 쉽게 떼어낼 수 있다.

3.임피던스(Impedance)

전극과 피부 사이에서 전류의 흐름을 방해하는 저항값. 이 값이 낮을수록 심장 박동이나 근육의 움직임 같은 미세한 생체 신호를 더 정확하게 감지할 수 있다. 이번 연구에서는 액체금속이 피부와 직접 닿는 구조를 통해 이 값을 획기적으로 낮췄다.

4.SNR(Signal to noise ratio)

잡음(Noise) 전력 대비 신호(Signal) 전력의 세기를 나타내는 비율로, 측정된 생체 신호의 품질과 정밀도를 평가하는 핵심 지표이다. 주로 데시벨(dB) 단위로 표기하며, SNR 값이 높을수록 잡음의 영향이 적고 유효한 신호 정보가 뚜렷하다는 것을 의미한다. 이는 결과적으로 임상 진단의 정확도를 높이고 오진의 위험을 줄이는 데 필수적이다.

[붙임] 연구결과 개요, 용어설명

그림1. 젤과 접착제가 없는 패치의 미세 구조

(i) 유연한 소재 내부에 액체금속 관이 있다. 이 관은 바닥 면이 뚫려 있어 피부와 액체 금속 전극이 밀착된다. 관 주변에는 미세 기둥(Micro-pillar)들이 둘러싸고 있다. 왼쪽 하단 삽도는 기둥 끝부분에 돌출된 팁 구조 보여준다. 센서를 부착했을 때는 돌출된 팁이 피부에 부착되는 형태다.

(ii) 액체금속이 표면에 고르게 젖어(Surface wetting) 빈틈없이 채워짐으로써, 피부와의 전기적 접촉을 극대화하는 원리를 보여준다.

(iii) 유연한 미세 기둥 구조들이 피부의 굴곡진 표면에도 빈틈없이 밀접한 접촉을 형성하여, 물리적인 상호작용(반데르발스 힘 등)을 극대화함으로써 강력한 접착력을 만드는 원리를 나타낸다.

그림2. 피부 부착 성능 및 단면 분석

(i) 화학 접착제 없이도 100g의 무게 추를 거뜬히 버티는 모습. 미세 기둥의 물리적 결합만으로도 강력한 접착력이 발생함을 보여준다.

(ii) 장시간 부착 후 피부 비교. 기존 전극(왼쪽)은 떼어낸 자리에 자국이 남았지만, 개발된 패치(오른쪽)는 5시간 후에도 피부 자극이 전혀 없음을 확인했다.

(iii) 전자현미경(SEM)으로 촬영한 패치의 단면. 액체금속이 채널 내부에 담겨있고, 개방형 구조 덕분에 피부와 직접 맞닿아 있는 모습을 볼 수 있다. 이 구조 덕분에 전기 저항을 기존의 5분의 1 수준으로 낮출 수 있었다.

그림3. 움직임에 따른 심전도(ECG) 신호 품질 비교

걷거나 뛰는 격렬한 운동 중에 측정한 심전도 신호 비교. 파란색의 기존 전극(아래)은 움직일 때마다 파형이 심하게 흔들리고 잡음이 섞이는 반면, 빨간색의 개발된 패치(위)는 격렬한 움직임 속에서도 기존 대비 2배 더 선명하고 깨끗한 심전도 신호를 유지함을 확인할 수 있다.