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늘어나는 웨어러블 의료기기 기술 개발…상용화는?
자가 복구 땀성분 측정 센서·온도조절 소자 등 등장
[기사입력 2020-01-22 06:45]
△웨어러블 의료기기 관련 기술이 늘고 있다.

국내에서 웨어러블 의료기기에 사용될 수 있는 각종 기술들이 개발돼 상용화가 기대되고 있다.

22일 업계에 따르면 국내 연구진이 초고속 자가치유 소재 땀성분 측정 웨어러블 센서, 인공피부의 전원으로 사용할 수 있는 온도조절 소자, 광 치료 웨어러블기기 활용 OLED 기술 등을 개발했다.

한국화학연구원 황성연·박제영 박사팀은 최근 강원대 최봉길 교수팀과 함께 초고속 자가 치유 소재를 활용한 땀 성분 측정 웨어러블 센서를 개발했다고 21일 밝혔다.

의료용 웨어러블 기기는 땀, 맥박, 혈류 등 신체 정보를 측정해 질병 진단에 활용하는데 걷기나 달리기 등으로 센서가 손상되면 성능이 떨어진다.

연구팀은 구연산과 숙신산 등 친환경 화합물로 새로운 초분자 중합체를 만들었다.

초분자 중합체는 수소결합 등을 통해 자가치유 특성을 갖는 고분자다. 수소결합은 기계적 강도가 세고 분자 간 인력이 강해 떨어졌다가도 다시 붙는 성질이 강하다.

강원대 연구팀이 이 초분자 중합체로 감싼 실 형태 땀 측정 센서를 헤어밴드에 적용하고 50분 동안 자전거 타기 실험을 진행한 결과, 땀의 전해질 농도를 정확하게 측정해 냈다.

운동 중 센서를 잘랐더니 20초 만에 자가 치유돼 정상적으로 작동했다.

평균 자가 치유 시간은 30초로 세계 최고 속도를 보유한 중국 쓰촨대(2분)보다 4배 이상 빠른 수준이라고 연구팀은 설명했다.

연구팀은 이 땀 측정 센서로 칼륨, 나트륨, 수소 농도를 측정해 심근경색·근육 경련·저나트륨혈증 등 진단에 활용할 수 있을 것으로 기대했다.

한국전자통신연구원(ETRI)은 사람의 피부 표면 온도와 비슷한 31℃에서 온도가 낮으면 팽창해 구멍이 닫히고 높으면 자동으로 열려 열 방출을 전원 없이 조절이 가능한 방열(放熱, heat sink)소자를 개발, 인공피부의 전원으로 사용할 수 있을 것으로 기대했다.

연구진은 이번 성과의 핵심이 땀샘과 같이 유연한 박막 환경에서 온도에 따라 냉각을 조절한다는 점이라고 설명했다.

연구진은 온도에 따라 물의 흡수량이 달라지는 온도 반응성 하이드로겔을 마치'풍차'와 같은 모양으로 만들어 일정온도 보다 낮으면 물을 머금어 팽창해 닫히고 온도가 높게 되면 물을 배출해 수축하는 밸브를 만들었다.

연구진이 만든 방열소자의 크기는 3 cm x 3 cm 크기로 인공 땀샘 2만개가 들어가 있다. 소자 두께는 70 마이크로 미터(㎛)이고 땀샘의 단위구조인 셀의 크기는 100 ㎛, 밸브는 20 ㎛ 크기의 수준이다.

박막의 구조는 두 개의 층으로 구분돼 위층은 프레임으로 단위구조 셀을 지지해 주는 역할을 하며 아래층은 밸브 구조로 제작돼 고분자간 결합을 통해 유연한 박막 형태의 냉각 소자를 만들었고 내부는 용매인 물로 채워지게 된다.

특히 팽창수축을 반복하는 밸브는 사람의 땀샘 크기와 유사하게 설계됐다. 연구진은 본 기술의 핵심으로 밸브구조를 설계하는 기술과 기능을 갖추기 위해 밸브를 제작하는 기술로 국내·외 특허출원을 해둔 상태다.

구조 성능 입증을 위해 온도에 따른 증발량을 측정한 결과 기존 박막에  비해 저온에서 증발이 30% 가량 억제됨을 보였다. 반복되는 실험에도 구조체는 일정한 성능을 유지하는 것을 확인하여 인공 땀샘으로의 기능도 입증했다.

연구진은 이 기술로 향후 크기의 대면적화도 가능하고 밸브의 패턴은 반도체 공정을 통해 만들었으며 이를 고분자 재료로 복제해 만들었다고 설명했다.

여기에 사용된 기술들은 모두 상용 기술로서, 대면적 적용이 가능하다.

연구진은 열전소자를 보강해 손목에 시계와 같은 전자장치를 착용만 하고 있어도 체온과 같은 생체정보를 주기적으로 센싱이 가능토록 만들 계획이다.

국내 연구진이 광 치료용 웨어러블 의료기기로 활용할 수 있는 유기발광다이오드(OLED) 마스크 원천 기술을 개발했다.

한국과학기술원(KAIST) 최경철 교수팀은 최근 분당서울대병원 박경찬 교수팀과 함께 얇고 유연한 광 치료용 '프리폼(Freeform·자유자재 형태) 유기발광다이오드(OLED) 마스크 원천 기술'을 개발했다'

광 치료는 빛을 이용해 체내 생화학 반응을 촉진하는 치료법으로 발광다이오드(LED) 마스크, 레이저 기기 등이 대표적인 광 치료 기기이다.

최근 상처 치유, 주름 개선 등 피부 재생 분야에서 LED 마스크 기술이 주목을 받고 있지만 LED는 빛을 균일하게 쏘기 어렵고 딱딱한 형태여서 피부에 밀착할 수 없다는 한계가 있다.

연구팀은 얇고 유연하면서 균일하게 빛을 내는 특성을 갖는 OLED를 이용해 피부뿐만 아니라 옷감, 종이 등에 자유자재로 부착할 수 있는 프리폼 OLED를 제작했다.

4.8마이크로미터(㎛·100만분의 1m) 두께의 박막 2개 층 사이에 0.4마이크로미터 두께 OLED를 넣은 샌드위치 구조로, 전체 두께가 10마이크로미터로 매우 얇아 다양한 소재의 표면에 붙일 수 있다.

박막 층은 수분과 산소에 취약한 OLED를 보호할 수 있도록 외부와 차단하는 장벽층(barrier)과 플라스틱, 접착제를 합성해 제작했다.

이렇게 만든 프리폼 OLED를 각질형성세포(상처 치유에 중요한 역할을 하는 피부 표피 세포)를 제거한 실험 쥐에 부착한 뒤 10분 동안 빛을 쪼여준 결과 8일 후 각질형성세포가 21% 재생된 것으로 나타났다.

광 치료를 하지 않은 대조군은 각질형성세포가 전혀 재생되지 않았다.

또 실제 사람의 표피와 내피를 구성하는 세포로 만든 인공피부 모델에 프리폼 OLED를 붙이고 10∼20분 동안 빛을 쪼여준 결과 광 치료를 하지 않은 대조군보다 표피가 30% 이상 두꺼워졌다.

표피가 두꺼워졌다는 것은 피부가 재생됐다는 것을 의미한다.

프리폼 OLED는 1000차례의 반복적인 접힘에도 정상적으로 작동했으며, 물세탁 후에도 수명이 1000시간 넘게 유지됐다고 연구팀은 설명했다. 


강찬우 기자  ehealth@e-healthnews.com
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