의료용 웨어러블에서 핵심 역할을 하는 인쇄 가능한 센서

(출처: woravut - stock.adobe.com)

유연하면서 착용자에게 잘 맞는 의료 모니터링 기기에 대한 관심이 높아지고 있다¹. 코로나19 팬데믹 기간 동안 원격 진료의 필요성과 센서의 정확도 향상에 힘입어 웨어러블 헬스 모니터링 기기는 다양한 의료 분야에서 더욱 보편화되었다. 특히 원격 진료를 위한 웨어러블 감지 및 모니터링 기기의 개발이 활발해졌다. 지난 수년 간 원격 의료는 크게 성장했으며, 의사와 환자 간 접촉이 제한되었던 팬데믹 기간 동안에는 자택에 있는 환자를 원격으로 모니터링함으로써 병원들이 병상을 확보하는 데 크게 기여했다. 웨어러블 기술은 임상 환경에서 분석을 제공하는 데 사용될 수 있지만, 가장 잠재력이 큰 영역은 원격 헬스 모니터링 분야이다.

이러한 웨어러블 감지 장치는 일반적으로 폴리머, 박막, 2D 소재, 그 밖에 나노 소재와 같은 유연한 소재를 사용한다. 헬스 모니터링 기기는 착용자에게 잘 맞는 유연한 소재로 구성되며, 센서나 전원장치(예를 들면 배터리, 태양 전지, 또는 나노 발전기 같은 다른 유형의 에너지 하베스팅 기기 등) 같은 전자부품, 중앙 처리 시스템으로 데이터를 전송하는 통신 기술, 그리고 관련 회로를 통합하는 경우가 많다.

웨어러블 기술에 사용할 수 있을 만큼 작고 유연한 전자 부품을 만들기가 그리 간단하지는 않기 때문에 다양한 나노 소재, 특히 2D 소재가 이러한 부품을 만드는 데 자주 사용된다. 그 이유는 이들 소재가 적합하고 쉽게 통합할 수 있기 때문이다. 하지만 모니터링 시스템의 가장 중요한 요소인 센서를 웨어러블 기기에 직접 인쇄하는 새로운 방식이 최근에 관심을 모으고 있다.

이러한 인쇄 센서는 2D 소재 및 그 밖에 다른 나노 소재로 만들어지기도 하지만 다른 소재들이 사용되기도 한다. 웨어러블 헬스 모니터링 기기에 센서를 인쇄할 수 있다면 더 많은 웨어러블 모니터링 기기를 훨씬 더 간단하고 쉽게 상용화할 수 있다. 특히, 기존의 저렴하고 사용하기 쉬운 인쇄 기술을 사용하여 센서를 인쇄할 경우에는 더욱 그렇다.

왜 인쇄 센서인가?

웨어러블 기기용 기판(유연성과 적합성 때문에 주로 연성 폴리머)에 박막 센서를 제작할 수 있는 다양한 첨단 증착 및 나노 증착 방법도 있지만, 스크린 인쇄 기술을 사용하여 여러 생체 의료 센서를 인쇄할 수 있다. 인쇄 기술 중에서도 스크린 인쇄가 잉크젯 인쇄나 전사 인쇄(transfer printing)와 같은 다른 기술들에 비해 센서를 인쇄하는 데 가장 적합한 옵션으로 간주된다.

스크린 인쇄 장비는 널리 사용 가능하고 비용이 상대적으로 저렴하며 고급 증착 방법보다 사용하기 쉽기 때문에, 의료 모니터링 기기에 인쇄 센서를 사용하는 데 훨씬 더 확장성이 뛰어나고 상용화 가능 면에서도 유리하다. 또한 스크린 인쇄는 폴리머 용액부터 전도성 나노 소재 잉크에 이르기까지 다양한 소재들과 함께 사용할 수 있으므로 다양한 센서를 인쇄할 수 있는 다목적 플랫폼이다.

그렇다면 다른 제조 방식으로 센서를 제작하지 않고 굳이 스크린 인쇄를 사용하는 이유는 무엇일까? 그것은 바로 스크린 인쇄는 한 번의 인쇄로 동일한 패턴을 대량으로 생산할 수 있는 간단하고 빠르며 효율적인 인쇄 기술이기 때문이다. 대규모 작업과 상용화 가능성을 고려할 때 스크린 인쇄는 다른 방법보다 저렴한 비용으로 대량 생산에 쉽게 적용할 수 있다.

성능 측면에서도, 스크린 인쇄는 고해상도 패터닝을 제공하며 넓은 영역에 인쇄할 수 있다. 또한 모든 공정이 한 번에 이루어지기 때문에 기존 제조 방식에 비해 특히 대규모로 폐기물을 줄이는 데 도움이 된다.

따라서 인쇄 방법을 사용하면 여러 가지 제조상의 이점이 있다. 그 외에도 인쇄 방법을 사용하면 매우 얇을 뿐만 아니라 기기 표면에 인쇄할 수 있는 센서를 생산할 수 있기 때문에 의료용 웨어러블에 더 많은 디자인 기능을 제공할 수 있다. 이 방식은 웨어러블의 소재 매트릭스에 디바이스를 통합하는 것보다 훨씬 간단하다. 또한 주문형 인쇄가 가능하고 인쇄 공정을 변경하여 일반적인 제조 라인보다 훨씬 쉽게 다른 센서를 만들 수 있기 때문에 더욱 맞춤형 센서를 만들 수 있다.

스크린 인쇄에 활용할 수 있는 소재의 범위는 매우 넓다. 제작하는 센서의 유형에 따라 다양한 소재를 사용할 수 있다. 다양한 금속을 인쇄 가능한 전도성 잉크로 만들어 센서를 제작할 수도 있다. 웨어러블 헬스 센서에 일반적으로 사용되는 금속으로는 금, 구리, 백금, 니켈, 알루미늄, 은 등이 있다. 금속 외에도 다양한 나노 소재 복합체(그래핀, 탄소 나노튜브 복합체), 기능성 나노 소재 잉크, 은 복합체 등이 의료용 인쇄 가능 웨어러블 센서의 활성 감지 표면에 사용되었다.

이러한 센서는 인쇄할 플랫폼도 필요하다. 센서가 피부 및 다른 구성 요소와 더 잘 상호 작용하여 더 높은 감도와 신뢰성을 제공할 수 있도록 전도성 폴리머의 형태를 취하는 경우가 많다. 현재 인쇄 센서에 가장 널리 사용되는 폴리머 플랫폼은 PEDOT:PSS이지만 그 밖에 폴리아세틸렌, 폴리피롤, 폴리페닐렌, 폴리(p-페닐렌 비닐렌), 폴리티오펜 폴리아닐린 등 다양한 폴리머 소재들도 있다.

의료용 모니터링 애플리케이션에서 주목할 만한 인쇄 센서

인쇄된 헬스 센서 제작에 다양한은 소재를 사용할 수 있는 것처럼, 각종 인쇄 가능한 센서가 헬스 모니터링 기기에 사용된다. 스트레인 기반 센서(strain-based sensor)를 예로 들어 보자. 스트레인 기반 센서는 움직임의 형태를 측정하는데, 이러한 웨어러블 센서는 인체 생리적 신호 모니터링 및 인체 관절 움직임 모니터링에 사용된다.

이 밖에 다양한 생체 분자와 인체 신호를 측정하는 헬스케어 전용 분야도 있다. 비 스트레인 기반 센서는 관심 있는 생체 분자를 직접 감지하거나 환자가 나타내는 생리적 파라미터를 직접 측정하여 감지한다. 분자 감지 관점에서 보면 혈중 포도당 수치와 사람의 피부에서 땀의 존재 여부가 일반적인 생체 분자이며, 혈액 내 여러 생체 분자를 감지할 수 있다. 신호 감지 관점에서, 인쇄 센서는 환자의 호흡과 심장 박동 수준을 감지하고 원격 심전도(electrocardiogram, ECG) 모니터링을 제공할 수 있다.

또 다른 종류의 웨어러블용 인쇄 센서로 센서 어레이를 들 수 있다. 센서 어레이에서는 여러 센서가 함께 작동하여 여러 자극 각도에서 분석이 필요한 더 이슈나 복잡한 문제들을 감지한다. 센서 어레이는 보행 중 걸음걸이 모니터링, 휠체어 사용자의 앉은 자세 모니터링, 피부 모니터링 등에 유용하다.

마지막으로 예시하고자 하는 것은 웨어러블 헬스 기기용 인쇄 온도 센서의 개발이다. 우리 몸에 질병이 생기면 신체가 열 스트레스를 받고, 이로 인한 피부와 심부 체온의 상승이 심각한 질병의 주요 지표가 될 수 있기 때문에, 열 감지는 질병 감지에 있어 핵심적인 영역이다. 의료 웨어러블은 인쇄된 온도 센서를 사용하여 심혈관 질환, 당뇨병, 폐 질환, 암과 같은 다양한 만성 질환을 감지할 수 있다.

다재다능한 접근법 ‘스크린 인쇄’

헬스 모니터링 웨어러블은 환자의 다양한 건강 요소를 원격으로 측정하는 효과적인 방법으로 각광받고 있다. 이러한 웨어러블의 가장 중요한 측면은 환자에 대한 분석을 제공하는 감지 시스템이다. 환자가 헬스 모니터링 기기를 장시간 착용할 수 있도록 하려면 센서와 그 밖에 다른 소자들이 웨어러블 구성 요소와 함께 유연해야 한다. 예를 들어 얇은 나노 소재를 사용하여 유연한 센서를 통합하는 것도 가능하지만, 디바이스 표면에 센서를 인쇄하는 것이 훨씬 더 쉽고 소재가 적게 필요하며 확장성도 훨씬 뛰어나다.

이미 상업적으로나 학문적으로 다양한 인쇄 의료 웨어러블이 존재한다. 지금까지 소개한 인쇄 방법은 의료 웨어러블의 광범위한 확산을 위한 경로를 제공한다. 다양한 옵션이 있지만, 스크린 인쇄는 매우 다재다능하고 다양한 소재와 함께 사용하여 심박수부터 질병의 가능성 감지, 혈액 내 다양한 생체 분자 등 개인의 건강 상태를 모니터링하는 센서를 만들 수 있기 때문에 선도적인 인쇄 기술이다.

출처

• 1. https://www.futuremarketinsights.com/reports/wearable-medical-devices-market. 2023년 6월 15일 액세스.

저자 소개

리암 크리츨리(Liam Critchley)는 화학 및 나노 기술 전문 작가이자 저널리스트, 커뮤니케이션 전문가다. 분자 수준의 화학 물질을 다양한 응용 분야에 어떻게 적용할 수 있는지에 대해 연구한다. 그는 과학자와 비과학자 모두에게 복잡한 과학적 주제를 자신만의 독특한 방식으로 쉽게 설명하는 것으로 유명하다. 또한 그는 화학과 나노기술을 넘나드는 다양한 과학 및 산업 분야 전반에 걸쳐 350편 이상의 기고를 집필했다. 리암은 유럽 NIA(Nanotechnology Industries Association)의 수석 과학 커뮤니케이션 책임자로 지난 몇 년 동안 전 세계의 많은 기업, 협회 및 미디어 웹사이트에 글을 기고했다. 또한 미국 NGA, 글로벌 단체인 NWN의 자문이사, 영국 과학자선단체인 GlamSci의 이사회 멤버로도 활동 중이다. 리암은 영국 나노의학 학회(BSNM)와 국제 첨단소재 협회(IAAM)의 회원이며, 여러 학술 저널의 심사위원으로도 활동하고 있다.