언제 어디서나 건강 진단할 수 있는 무선통신 기반 전자피부 개발

- DGIST 장경인 교수팀, 식물의 넝쿨 구조 모방한 전도선 고안해 휴대전화로 건강 정보 파악할 수 있는 전자피부 개발에 성공해 -

- 환자들을 위한 원격 진료 및 치료 서비스 제공할 수 있을 것으로 기대 -

DGIST 연구팀이 반창고처럼 붙여 생체신호를 수집 및 분석해 휴대전화로 전송할 수 있는 전자피부를 개발했다. 이 전자피부를 활용하면 사용자가 언제 어디서든지 피부에 부착해 자신의 건강을 진단하고, 치료에도 활용할 수 있을 것으로 기대된다.

DGIST는 로봇공학전공 장경인 교수 연구팀이 미국 일리노이대학교 존 로저스 교수 연구팀과 공동연구를 통해 식물의 넝쿨 구조를 모방한 전도선을 활용한 무선통신 기반 전자피부를 개발했다고 10일(월) 밝혔다.

고령화에 따른 의료비 증가, 치료에서 예방 중심의 의료 서비스 패러다임 변화, 삶의 질에 대한 관심 증가 등으로 웨어러블 컴퓨터 분야의 연구 및 관련 산업은 세계 각국의 미래 성장동력으로 부상하고 있다. 하지만, 대부분의 웨어러블 컴퓨터 혹은 전자피부 기술은 의료 시스템 형태가 아닌 단일 센서 형태로 개발되고 있다.

이러한 단일 센서들을 활용한 건강 정보 수집 및 분석은 별도의 장비를 갖춘 병원이나 연구실 등에서만 진행할 수 있어, 자유롭게 활동하는 사용자의 생체정보를 정밀하고 연대기적으로 분석 및 치료하기에는 불가능하다는 점이 한계점으로 지적돼 왔다.

이러한 한계를 극복하기 위해 장경인 교수 연구팀은 인간의 생체신호 수집에서부터 저장, 분석, 외부 기기로의 무선통신까지 가능한 전자피부를 개발했다. 연구팀은 중앙처리장치(CPU), 메모리, 센서, 안테나 등이 포함된 상용 집적회로소자와 연구팀이 새롭게 고안한 스프링 구조의 고신축성 전도선, 초연성 재질의 신소재를 활용했다.

상용화된 집적회로소자를 전자피부에 활용하려는 시도는 많았으나, 딱딱한 재질의 집적회로소자를 높은 신축성이 필요한 전자피부에 활용하기 위해서는 각각의 소자를 전기적으로 이어주는 신축성이 높은 전도선이 필요해 아직까지 구현되지 못하고 있었다.

연구팀은 금속과 폴리머 복합재료를 사용해 식물 넝쿨의 구조를 기하학적으로 모사한 초신축성 전도선을 고안 및 개발했으며, 이를 활용해 집적회로소자가 내장된 고신축성 전자피부를 구현하는데 성공했다.

연구팀이 개발한 전자피부는 얇고 부드러우면서도 별도의 접착제가 없이도 붙일 수 있어 사용자가 신체 원하는 부위에 반창고처럼 직접 부착할 수 있다. 또한, 하나의 독립된 컴퓨터처럼 작동하기 때문에 생체신호의 수집, 분석, 저장이 가능하며 무선통신으로 휴대전화 어플리케이션에 전송해 건강 정보를 진단할 수 있다.

연구팀은 사람의 가슴에 전자피부를 직접 부착해 심전도, 가슴의 움직임 등의 생체 신호를 수집했고, 전자피부에 내장된 초소형 컴퓨팅시스템을 이용해 심박수 및 호흡수 등의 건강 정보를 분석한 뒤 무선안테나로 연구팀이 직접 코딩한 휴대전화 어플리케이션에 전송하는 실험도 마쳤다.

DGIST 로봇공학전공 장경인 교수는 “무선통신 기반 전자피부는 빅데이터와 인공지능을 활용해 언제 어디서나 건강 정보를 수집, 저장, 분석하는 의료 시스템으로 발전시킬 수 있다”며 “앞으로 도서산간 지역이나 의료 사각지대에 있는 환자들의 원격 진료 및 치료 서비스를 제공하는데 활용 가능한 전자피부 시대를 열고 싶다”고 말했다.

한편, 이번 연구 결과는 국제학술지 네이처의 자매지인 ‘네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)’ 6월 21일자 온라인 판에 게재됐으며, 한국연구재단 신진연구자지원사업으로 수행됐다.

◆연구결과개요

Self-Assembled, Three Dimensional Network Designs for Soft Electronics

Kyung-In Jang, Kan Li, Ha Uk Chung, Sheng Xu, Han Na Jung, Yiyuan Yang, Jean Won Kwak, Han Hee Jung, Juwon Song, Ce Yang, Ao Wang, Zhuangjian Liu, Jong Yoon Lee, Bong Hoon Kim, Jae-Hwan Kim, Jungyup Lee, Yongjoon Yu, Bum Jun Kim, Hokyung Jang, Ki Jun Yu, Jeonghyun Kim, Jung Woo Lee, Jae-Woong Jeong, Young Min Song, Yonggang Huang, Yihui Zhang, and John A. Rogers

(Nature Communications, Online published on June 21th, 2017)

신체의 피부 조직처럼 부드럽고 별도의 접착제 없이 직접 피부에 부착할 수 있는 무선통신 기반의 고신축성 전자피부는 질병의 지속적인 임상진단 또는 치료를 목적으로 높은 수요가 있다. 최근까지 제안돼 온 전자피부는 대부분 평면형 S커브로 구성된 신축성 전도선을 사용했는데, 변형자유도가 높지 않아 신축성이 높지 않은 한계가 있다.

연구팀이 개발한 3차원 스프링 모양의 전도선은 변형자유도가 매우 높아 많은 수의 상용 집적회로로 구성된 의료용 전자시스템 제작이 가능하다. 이번 연구에서는 3차원 스프링 모양의 전도선의 설계부터 무선통신 기반의 고신축성 전자피부의 제작까지 폭넓은 연구를 수행했다. 연구팀은 개발된 전자피부를 이용해 심박수, 호흡수를 직접 측정했으며 해당 건강정보를 별도의 보조 시스템 없이 휴대폰에 직접 무선으로 전송하는데 성공했다.

◆그림설명1. 무선통신 기반 전자피부

연구팀이 개발한 무선통신 기반 전자피부 사진. 전자피부는 수많은 집적회로소자와 초신축 전도선으로 구성돼 있으며 전자피부 전체는 접착성 고무 재질로 덮여 있어, 외부 충격으로부터 시스템을 보호하면서도 피부에 직접 부착할 수 있게 도와준다.

◆그림설명2. 전자피부의 주요 부위를 확대한 사진

사각형 구조를 가지는 집적회로소자(검은색)와 스프링 구조의 전도선(노란색)이 정교하게 연결돼 건강 정보를 측정할 수 있다.

◆그림설명3. 식물의 넝쿨 구조와 이를 모사한 전자피부의 전도선

(좌측) 이상적인 신축성 구조를 띄고 있는 식물의 넝쿨 구조. (우측) 연구팀은 식물의 넝쿨 구조에서 아이디어를 얻어 3차원 반도체 공정을 활용해 식물의 넝쿨 구조를 모사한 전도선의 대량생산 공정을 고안했다. 사진에 나타난 것과 같이 초신축성 전자피부를 위한 맞춤형 전도선을 제작했다.

◆연구 결과 문답

Q.이번 성과 무엇이 다른가?

A.상용화된 집적회로소자를 전자피부에 활용하고자 하는 시도는 많았다. 하지만, 딱딱한 집적회로소자를 신축성이 높은 전자피부에 활용하기 위해서는 각각의 소자를 전기적으로 이어주는 전도선이 매우 높은 신축성을 가져야해 아직까지 구현되지 못했다. 연구팀은 이를 극복하기 위해 식물 넝쿨의 구조를 모사해 초신축성 전도선을 개발했고, 이를 이용해 집적회로소자가 내장된 고신축성 전자피부를 개발하는데 성공했다.

Q.어디에 쓸 수 있나?

A.연구팀이 개발한 전자피부를 사용하면, 사람의 피부에서 생체신호를 수집하고 분석된 건강신호를 휴대전화로 직접 전송이 가능하다. 연구팀은 무선통신 기반의 전자피부를 가슴에 직접 부착해 피부로부터 심전도 및 가슴의 움직임 등의 생체신호를 수집했고, 전자피부에 내장된 초소형 컴퓨팅시스템을 이용해 심박수 및 호흡수 등의 건강 정보를 분석한 뒤, 무선안테나를 이용해 직접 제작한 휴대전화 어플리케이션에 전송하는 과정을 직접 선보였다.

Q.실용화까지 필요한 시간은?

A.건강 진단용으로는 1년 내로 일반인에게 직접 적용 가능하며, 치료용으로는 적합한 임상실험을 거친 후 2~5년 정도 필요할 것으로 예상된다.

Q.실용화를 위한 과제는?

A.기술적으로는 이미 실용화가 가능한 수준이며, 다양한 질환을 가진 환자에 적용하기 위한 임상실험 단계를 앞두고 있다.

Q.연구를 시작한 계기는?

A.단일 센서로만 구성된 전자피부를 개발하다가, 병원의 의료진을 만날 기회가 있었다. 연구자와는 달리 의료 현장에서 환자와 마주하는 의료진이 볼 때 측정용 프로브로만 사용되는 단일 센서 보다는 측정/분석/저장/무선통신이 가능한 의료시스템이 필요하다는 사실을 알게 됐다. 그 후, 의료시스템으로 역할을 할 수 있는 전자피부를 개발하는데 온 힘을 기울였다.

Q.어떤 의미가 있는가?

A.무선통신기반의 전자피부는 빅데이터 기반의 연대기적인 건강 진단부터 인공지능을 이용한 맞춤형 치료까지 가능한 4차 산업혁명의 핵심 플랫폼이다. 앞으로 병원 중심의 의료시스템에서 환자 중심의 의료시스템으로 패러다임을 바꾸는 데 일조할 것으로 예상한다. 또한, 연구 단계의 고비용 전자소자를 활용하는 것이 아닌 대량생산된 고성능 집적회로를 그대로 활용할 수 있다는 장점이 있다.

Q.꼭 이루고 싶은 목표는?

A.향후 도서산간 지역이나 빈곤층 등의 의료 사각지역에 있는 환자들의 원격 진료 및 치료 서비스를 제공할 수 있는 의료 공공재 개념의 전자피부 시대를 개척하고자 한다.