아주대·광운대 연구팀, 배터리 필요 없는 무선 ‘초소형 피부 센서’ 개발

헬스케어 분야 원천 기술 확보, 공학·보안·환경 분야 활용 기대

‘Science Translational Medicine’ 4월 4일자 온라인 게재

아주대학교와 광운대학교 연구팀이 개발한 무선 ‘초소형 피부 센서’. [사진=아주대학교 제공]

국내 연구진이 배터리 없이 무선 통신으로 구동할 수 있는 초소형 피부 센서를 개발했다. 이 센서는 인체 곳곳의 체온과 피부 압력을 측정할 수 있어 앞으로 스마트 헬스케어 분야에 널리 활용될 전망이다.

5일 아주대학교는 한승용 교수(기계공학과) 연구팀이 몸 전체의 온도와 압력을 측정할 수 있는 피부 센서를 개발, 여러 임상 실험을 통해 그 성능을 증명했다고 밝혔다.

이 연구는 광운대학교 김정현 교수팀(전자융합공학과)과 함께 진행했다. 연구팀이 개발한 피부 센서는 배터리를 필요로 하지 않고 무선 통신 기술(near-field communication, NFC)을 활용해 작동할 수 있다.

이번 연구 성과는 과학 및 의학 분야 저명 학술지인 ‘사이언스 중개 의학(Science Translational Medicine)’ 4월4일자 온라인판에 게재 되었다. 논문 제목은 ‘배터리 없이 무선 통신 가능한 센서를 통한 몸 전체의 생체 신호 측정(Battery-free, wireless sensors for full-body pressure and temperature mapping)’이다.

아주대-광운대 공동 연구팀이 개발한 센서는 기존 방식에 비해 이용이 쉽고, 크기가 작은데다 정확도도 향상됐다. 그동안 개발되어온 생체 신호 수집을 위한 센서들은 동시에 여러 개 신호를 처리하거나 보다 정확하게 신호를 측정하기 위해 유선 통신 기술을 사용했는데, 이 경우 전선들이 복잡하게 엉키고 사용자의 움직임에 제약을 주는 한계점을 가졌다. 그러나 공동 연구팀이 개발한 피부 센서는 무선 통신 방식을 이용해 사용자의 편의를 개선했다.

한승용 아주대학교 교수(왼쪽)과 김정현 광운대학교 교수.[사진=아주대학교 제공]

또한 기존 센서들은 배터리를 포함하고 있어 사용자의 피부에 강하게 접착시키기 어렵고 크기와 두께가 커 착용이 불편했다. 한 교수팀은 배터리를 포함하지 않아도 되는 피부 센서를 개발, 센서의 두께를 얇게 만들었다.

연구팀이 개발한 피부 센서의 두께는 500µm(마이크로미터) 이하로 착용하고 있어도 사용자가 이물감을 전혀 느끼지 못할 정도다. 또 얇은 두께 덕에 피부의 주름에 강하게 접착할 수 있어 상대적으로 정확한 생체 신호를 얻을 수 있다.

연구팀이 개발한 센서는 구동에 필요한 전력을 안테나의 전자기파에서 받는 구조다. 이에 휴대폰을 소지하고 있기만 하면 언제 어디에서나 본인의 몸 상태를 확인할 수 있다. 센서가 휴대폰 안테나에서 발생하는 전자기파를 받아들여 이를 구동 에너지로 이용하는 것. 휴대폰은 센서가 보내온 신호를 확인하는 측정 장비가 된다. 기존의 센서들은 고가의 무거운 측정 장비들을 필요로 했다. 한 교수 연구팀이 개발한 센서는 아주 낮은 전력으로도 구동할 수 있기에 인체에 무해하다.

연구팀은 인체 전부를 커버할 수 있는 큰 사이즈의 대면적 안테나를 이용해 수십 개에서 수백 개의 센서 신호를 동시에 인식할 수 있는 시스템을 만들었다. 그리고 이를 활용해 몸 전체의 상태를 보여주는 생체 신호 지도를 그려내는 데까지 성공했다.

연구팀은 미국 종합병원(Northwestern Prosthetic Center, Carl Hospital)과의 협업을 통해 상이군인과 장애인, 노인을 비롯한 환자들을 대상으로 한 여러 임상실험에 센서를 적용해 그 성능을 확인했다. 연구팀의 센서는 △환자가 잠을 자는 동안의 체온 변화 △압력으로 인한 피부 궤양 △인공 의족 및 의수 내부의 환경 관찰 등의 용도로 활용됐다.

한승용 교수 연구팀이 개발한 피부 센서는 헬스케어 분야 원천 기술 확보 뿐 아니라 기존에 유선 방식을 적용하여 사용 중인 여러 센서를 모두 무선화 시킬 수 있는 플랫폼으로 공학, 보안, 환경 등의 분야에서 널리 활용될 것으로 보인다.

한승용 교수는 “스마트 헬스 케어 분야 기술력을 한 단계 끌어올릴 수 있는 기술로 원천 기술 확보의 기반이 되었다는 점에서 의미 있는 연구 성과”라며 “의료계를 넘어 다양한 공학 기반 센서로도 응용될 것으로 기대한다”고 말했다.

김정현 교수는 “NFC 무선 통신이 가지는 짧은 통신 거리의 한계를 극복하기 위해 차기 연구를 수행하고 있으며 좋은 결과를 기대한다”고 했다.