칩, 배터리 필요없는 전자 피부

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전자 피부, 현 응용 분야와 그 한계

웨어러블 센서는 사람의 활력징후(바이탈 사인)를 추적하는 데 유용하게 사용될 수 있습니다. 하지만 이런 장치는 일반적으로 부피가 큰 마이크로칩과 배터리가 필요합니다. 최근 과학자들은 칩이나 배터리 없이 인체의 심박수와 화학 구성에 대한 데이터를 무선으로 전송할 수 있는 매우 얇은 "전자 피부(이하 e-스킨)"를 발명했습니다.

최근 유연하고 신축성 있는 회로와 센서의 발전에 힘입어 테이프처럼 몸에 달라붙는 전자 피부, 즉 e-스킨이개발되었습니다. 이러한 장치는 사용자의 건강 상태를 추적하기 위한 건강 모니터링 플랫폼으로 사용될 수 있습니다. e-스킨을 일상생활에서 더 광범위하게 사용하기 위해서는 데이터 무선 통신이 필요합니다. 하지만 무선 통신을 가능케 하기 위해서는 마이크로칩을 사용할 수밖에 없는데, 이는 e-스킨의 유연성이 제한되고 많은 전력을 소비한다는 것을 의미합니다.

 

칩이 필요 없는 전자 피부 개발

이를 해결하기 위해, MIT 연구원들은 칩이 필요 없는 무선 e-스킨를 고안했습니다. 개발된 e-스킨은 두껍고 단단한 집적회로 칩을 사용하지 않기 때문에 매우 얇게 설계될 수 있습니다. 집적회로 칩이 e-스킨에 추가되어야 한다면 칩의 높은 전력 소비로 인해 많은 열을 발생시킵니다. 하지만 새로 개발된 e-스킨은 칩을 사용하지 않기 때문에 불편함이나 피부 손상을 유발하지 않고 몇 주에 달하는 오랜 기간 동안 착용할 수 있다고 합니다.

개발된 전자 피부의 작동 원리

개발된 e-스킨은 재료의 표면에 물결치는 음파를 조사하는 센서를 사용합니다. 우리가 사용하는 스마트폰은 이러한 표면 음파를 조작할 수 있는 수십 개의 음향 장치를 가지가 있습니다. 개발된 e-스킨은 불과 200 나노미터 두께의 순수한 단결정 질화 갈륨 막으로 만들어집니다. 이 얇은 압전 필름은 전기 신호를 음파로 변환시킬 수 있고, 반대로 음파를 전기 신호로 변환하는 것도 가능합니다. 각각의 질화 갈륨 막은 각각 고유 진동 주파수를 갖는데, 이 진동 신호는 압전 필름에 의해 스마트폰 무선 수신기가 감지할 수 있는 전기 신호로 변환됩니다. e-스킨의 물리적 조건 변화는 이의 진동에 영향을 미쳐 감지 가능한 전기적 신호의 변화를 초래하는데, 이 모든 과정에는 칩이나 배터리가 필요하지 않습니다.

연구팀은 이 질화 갈륨 막을 금, 티타늄, 그리고 다른 물질들을 사용해 설계했는데, 이는 e-스킨의 안테나와 같은 역할을 합니다. 그들은 그 장치를 단지 20 마이크로미터 두께, 즉 평균 머리카락의 약 5분의 1 지름의 실리콘 고무 패치에 설계했습니다. 연구팀은 설계된 e-스킨을 실험 대상자들의 손목과 목에 올려놓았습니다. 이때, 맥박과 심박수와 관련된 장치의 표면 음파의 변화를 관찰할 수 있었는데, 이를 통해 e-스킨이 운동을 추적하고 심장 이상을 감지하려고 할 때 유용할 수 있다는 것을 보였습니다. 연구팀은 e-스킨이 일주일 동안 매일 약 17시간 동안 지속적으로 심박수와 맥박을 관찰할 수 있다는 것을 발견했습니다. 비슷한 용례로 e-스킨은 사용자의 움직임을 무선으로 감지하는 가상 현실과 다른 엔터테인먼트 응용 프로그램에서도 사용될 수 있습니다.

연구원들이 센서를 얇은 막 감지기와 결합했을 때, 예를 들어, 실험 대상자가 열 패드를 잡고 땀을 흘리기 시작했을 때, 피부의 나트륨 수치의 변화를 감지할 수 있었습니다. 이로 보았을 때, e-스킨은 다른 센서와 같이 활용되어 혈중 포도당 수치나 우울증 및 공황장애를 추적하는 스트레스 호르몬인 코르티솔과 같은 다른 화학물질을 분석하는 데 도움을 줄 수 있습니다. 또한, 연구팀은 e-스킨이 자외선에 민감하다는 것을 발견했습니다. 이는 e-스킨이 자외선 노출 과다 혹은 비타민 D 결핍을 방지하는 데 사용될 수도 있다는 것을 시사합니다.

 

* 원본 기사: https://spectrum.ieee.org/electronic-skin-chipless-batteryless

* 논문 보기: https://www.science.org/doi/10.1126/science.abn7325