창간 37주년 기념

Special 첨단 바이오 융합소재 개발 동향과 미래 전망(1)

자가충전 웨어러블 땀이온 모니터링 플랫폼 개발

박재영_광운대학교 전자공학과 교수

1. 서론

최근 자가 충전형 웨어러블 바이오 전자기기 및 플랫폼의 필요성이 증대되고 있으며, 이는 실시간 비침습적 빅데이터 수집을 통해 개인 맞춤형 건강 모니터링을 혁신할 수 있는 가능성을 내포하고 있다[1,2]. 현재 사용되고 있는 웨어러블 스마트기기의 지속적인 작동은 기존의 전원 공급 장치(예: 배터리)에 크게 의존하고 있으며, 이러한 장치들은 크기, 용량 및 환경적 영향 측면에서 한계를 가지고 있다[3]. 최근 나노기술의 발전은 인간의 움직임에서 발생하는 생체역학적 에너지를 전기로 변환할 수 있는 웨어러블 에너지 하베스터라는 형태로 유망한 해결책을 제시하고 있다[4,5]. 

  예를 들어, 생체역학적 에너지 하베스터는 스마트 의류에 통합되어 신체 활동을 모니터링하고 피트니스 지표를 실시간으로 추적하는 센서에 전력을 공급할 수 있다[6]. 또한 이러한 하베스터는 재활 분야에 적용되어 착용형 장치에 전력을 공급함으로써 환자의 움직임 회복을 추적하고 보조할 수 있다[7]. 나아가 스마트워치나 보청기와 같은 에너지 자립형 웨어러블 전자기기의 개발에도 기여함으로써 충전 빈도를 줄이고 사용자 편의성을 향상시킬 수 있다[8]. 이러한 하베스터는 외부 전원 공급의 필요성을 제거하고, 자체 구동 방식의 연속적인 작동을 가능하게 한다[9,10].

  따라서 전반적인 에너지 수확 효율과 다양한 움직임에 대한 적응성을 향상시키기 위해, 전자기 및 마찰전기 시스템을 결합한 복합 발전기가 포함된 고급 하베스터가 개발되어야 한다[11]. 최근 Gai 등[12]은 TENG과 EMG를 결합한 단방향 하이브리드 나노발전기 모듈을 보고하였으며, 이는 실시간 땀 분석 시스템에 전력을 공급할 수 있는 가능성을 보여주었지만, 전력 밀도 및 운동 호환성 측면에서 한계가 있었다. 이러한 한계를 해결하기 위해서는 다양한 방향의 인체 움직임에서 기계적 에너지를 효율적으로 수확할 수 있는 하이브리드 하베스팅 방식이 탐색되어야 하며, 이를 통해 장치의 전반적인 효율성과 실용성을 높일 수 있다. 이를 위해 고도로 소형화되고 높은 성능을 가진 하이브리드 에너지 하베스터의 크기 및 구조 설계에 중점을 두어야 하며, 인체 움직임으로 인한 저주파 신호를 포함한 다양한 생체역학적 에너지원으로부터 에너지를 효율적으로 수확할 수 있어야 한다[13]. 해당 장치는 높은 출력 전력 밀도, 자체 충전 능력, 다양한 실시간 응용에 적합한 소형 설계를 갖추어야 한다[14].

  한편, 땀은 전해질, 대사물, 단백질 등 건강 상태를 반영하는 다양한 바이오마커를 포함하고 있어 임상적으로 중요한 생체액으로 인정받고 있다[15]. 혈액 채취와 달리 땀은 비침습적으로 채취할 수 있으며, 지속적인 모니터링이 가능해 웨어러블 건강 장치에 특히 적합하다. 최근 웨어러블 센서 기술의 발전으로 신체 활동 중 땀 속 주요 생화학 물질을 신뢰성 있게 측정할 수 있게 되었으며, 예를 들어 3D 프린팅 기술로 제작된 웨어러블 건강 모니터는 땀 속의 포도당, 젖산, 요산 농도 및 발한 속도를 정확히 추적할 수 있다[16]. 이러한 발전은 땀 기반 모니터링이 당뇨병, 통풍, 신장 질환, 심장병 등 일반적인 질병을 추적하고 진단하는 데 유용한, 간단하면서도 비침습적인 방법이 될 수 있음을 시사한다[17]. 그러나 기존 자체 구동형 웨어러블 패치는 소수의 전해질에만 초점을 맞추고, 땀 속의 다른 중요한 바이오마커는 간과하는 경우가 많다[18]. 따라서 다양한 땀 바이오마커를 정확하고 신뢰성 있게 측정할 수 있는 웨어러블 바이오센서 개발이 중요하다. 특히 땀 속 칼륨(K⁺), 나트륨(Na⁺), 칼슘(Ca²⁺) 농도는 전해질 불균형(저칼륨혈증, 저나트륨혈증, 고칼슘혈증) 및 신장 기능 저하 상태를 진단하는 데 임상적으로 중요하다. pH 수치는 여드름, 어류비늘증, 칸디다 감염 등의 피부 질환 병태생리에 대한 통찰을 제공하며[19], 체온 모니터링은 체온 조절 능력 평가에 필수적이다.

  본 연구에서는 전자기력-마찰전기 복합 발전기(ETHG)와 고성능 전해질 감지 패치를 결합한 자가 발전형 생체 감지 플랫폼을 새롭게 제안하였다. Halbach 배열 자석을 사용한 전자기력 발전기(EMG)는 높은 자속 밀도를 통해 고출력 전력을 생성하며, 고성능 나일론@폴리알릴아민(Nylon@PAMI) 및 PVDF@Co₃O₄ 나노섬유 필름을 활용한 마찰전기 발전기(TENG)는 높은 출력 전압을 생성한다. 이러한 복합 발전기 접근 방식은 전력 밀도를 향상시킬 뿐만 아니라 제작 공정을 단순화하고 시스템의 충전 성능 및 내구성을 개선한다. 전해질 센서 측면에서는 질소 도핑된 나노기공 탄소(NPC)를 전극에 적용하여 Na⁺, K⁺, Ca²⁺ 감지 민감도를 향상시키고, pH 측정에서도 우수한 성능을 발휘한다. 또한 개발한 시스템은 마이크로플루이딕스 기술이 적용된 유연한 패치와 결합되어 실시간으로 땀을 모니터링하며, 데이터를 블루투스를 통해 무선 전송함으로써 지속적인 건강 모니터링을 위한 효율적이고 견고한 플랫폼을 제공한다.

2. 본론

그림 1은 인간의 생체역학적 에너지로부터 전력을 수확하여 실시간으로 땀을 지속적으로 모니터링할 수 있는 자가 발전형 바이오센싱 시스템을 시각적으로 표현한 것이다. 그림 1a는 센서 패치의 기본적인 구성도를 나타내고 있으며, 그림 1b, 1c는 제안된 안드로이드 애플리케이션 시스템과 인체 적용 예시를 보여준다. 그림 1d는 하이브리드 하베스터 각 구성 요소의 층별 구조 배열을 상세히 설명하고 있다. 이 플랫폼은 하이브리드 에너지 하베스터, 배터리 충전 기능이 포함된 전력 관리 회로(PMC), 그리고 에너지 저장 장치, 세 가지 주요 구성 요소로 이루어져 있다. 하이브리드 에너지 하베스터는 네 개의 스프링이 보조된 EMG와 하나의 프리스탠딩 모드 TENG로 구성되었다. EMG는 두 개의 직사각형 Halbach 자석 세트와 나선형 코일로 구성되며, 각 자석 세트는 여섯 개의 자석으로 이루어져 있다.

그림 1. a) 바이오센싱 패치의 층별 구조도. b) 제안된 모바일 애플리케이션 시스템의 응용 예시도. c) 자가충전 무선 땀 모니터링 시스템의 개념도. d) 하이브리드 하베스터의 각 기능성 구성 요소에 대한 층별 구조 배열도.

  각 Halbach 자석 세트의 양쪽에는 중립 압축 스프링이 위치하여 자석 배열이 움직일 때 프레임 끝단과 탄성적으로 상호작용하게 되며, 이로 인해 충돌로 인한 에너지 손실을 최소화할 수 있다. PVDF@Co₃O₄는 음전하 마찰전기 물질로 작용하고, Nylon-11@PAMI는 양전하 마찰전기 물질로 작용하여 전력을 생성한다. 이러한 마찰전기 생성 장치는 외부 움직임에 따라 Halbach 자석 배열이 진동하면서 상호작용하는 마찰 물질 간에 전하를 생성하고, 생성된 전하는 전극에 의해 수확된다. 생성된 에너지는 재충전 가능한 리튬 이온 배터리에 저장되며, 바이오센싱 회로의 전원으로 활용된다. 이러한 시스템은 외부 전원 없이도 지속적으로 작동할 수 있는 자가 구동형 땀 센서 시스템을 가능하게 합니다. 이는 착용자의 땀 속 전해질(Na⁺, K⁺, Ca²⁺), pH, 온도 정보를 실시간으로 감지하고, 무선으로 데이터를 전송하여 개인 맞춤형 건강 모니터링이 가능하다.

-----이하 생략

<본 기사는 일부 내용이 생략되었습니다. 자세한 내용은 세라믹코리아 2025년 6월호를 참조바랍니다. 정기구독하시면 지난호보기에서 PDF 전체를 열람하실 수 있습니다.>