The Design of Soft Gel Conductor based Biological Signal Sensing Devices for Intimate Communication with Human

Abstract

최근 웨어러블 소자 제작이 미래 소자 개발의 주요 트렌드로 주목을 받고 있다. 기존 실리콘 기판을 넘어 보다 유연한 기판 위에 구현되어 피부에 붙이거나 몸속에 심을 수 있는 형태로 개발됨으로써 신체에서 발생하는 다양한 신호를 보다 밀접하게 받아들이는데 그 목적이 있으며, 실제로 헬스케어, 엔터테인먼트, 소프트 로봇 제작 등 다양한 분야에서의 활용 가능성이 제시되고 있다. 그러나 현재까지 개발되고 있는 웨어러블 소자의 경우 엑티브 구성요소를 담당하는 재료의 기계적 물성이 기판 재료에 비해 크게 고려가 되지 않았던 관계로 실제 몸에 착용하였을 때 반복 변형에 의한 신뢰성 이슈가 필연적으로 발생하게 된다. 더욱 나아가 우리 몸 속에서 발생하는 생체 신호는 이온의 흐름을 기반으로 하고 있기 때문에 기존 전자소자의 원리를 통해 측정하게 될 경우 신호 전달 시스템 불일치로 인한 효율 저하가 필연적으로 발생할 수 밖에 없다. 이러한 문제점들을 해결하기 위해서는 기판과 더불어 엑티브 구성요소를 이루는 재료에 대한 근본적인 개선이 필요하다고 볼 수 있다.

이를 위해 본 연구에서는 소프트 젤 기반 전도성 물질을 도입하여 현재 웨어러블 소자에서 발생하고 있는 각각의 이슈들을 해결하고자 한다. 젤은 다량의 액체를 기반으로 하고 있기 때문에 소프트하고 유연한 기계적 특성을 보유하고 있으며, 내부에 어떠한 전도성 물질을 포함하느냐에 따라 다양한 형태의 신호전달 특성을 보유할 수 있다. 첫 번째 파트에서는 전도성 고분자를 기반으로 한 전기 전도성 젤을 웨어러블 변형 센서에 도입하여 소자의 기계적 특성 및 신뢰성을 향상시킨 연구를 진행하였다. 전도성 젤의 경우 신축 환경에서도 젤 내부에 얽혀있는 고분자 전도 경로가 풀어지면서 자체적인 전기적인 특성을 유지할 수 있다는 특성을 가지고 있기 때문에 이를 정전용량 방식의 신축성 센서의 전극물질로 도입하였을 때 최대 400 % 의 신축성 및 높은 기계적 신뢰성을 나타냄을 확인할 수 있었다. 더불어 기판물질을 포함한 모든 구성 요소가 소프트 재료를 기반으로 이루어져 있기 때문에 피부에 부착시켰을 때 매우 우수한 착용감을 보여줌과 동시에 안정적으로 손가락 및 팔꿈치의 움직임을 실시간으로 감지할 수 있음을 확인하였다. 또한 추가적으로 음의 푸아송비를 가지는 2차원 요각구조 옥세틱 구조체를 변형센서 유전체 내부에 도입시켜 센서 특성을 향상시킴으로써 소자 활용 가능성을 높이기 위한 방안을 제시하였다.

두 번째 파트에서는 외부 이온 신호와의 직접적인 연동이 가능한 이오닉 소자를 개발한 연구를 밝히고자 한다. 최근 금속 및 전도성 고분자를 기반으로 한 전극을 신체 내에 삽입시켜 전자소자를 통한 생체신호를 얻기 위한 다양한 연구가 이루어지고 있다. 그러나 기존 전극물질은 재료적 측면에서 생체 적합성이 다소 떨어질 뿐 아니라 우리 몸은 기본적으로 전자가 아닌 이온의 흐름을 바탕으로 한 신호전달체계를 바탕으로 하고 있기 때문에 신호 교류 측면에서 근본적인 문제점을 내포하고 있다. 이러한 측면에서 하이드로젤은 소프트하며, 뛰어난 생체 적합성을 보유함과 동시에 다량의 용존 이온을 통한 신호 전달에 유리하다는 장점을 가지고 있기 때문에 이를 바탕으로 소자를 구현할 수 있다면 생체 신호와의 연동 측면에서 뛰어난 특성을 기대할 수 있다. 본 연구에서는 마이크로플루이딕스 칩 기반 하이드로젤 이오닉 다이오드 소자의 접합 부위가 개방된 형태의 구조를 설계하여 외부의 이온신호의 직접적인 주입 및 연동이 가능한 시스템을 제안하였다. 이를 통해 이오닉 소자를 활용한 직접적인 이온 농도 신호 검출이 가능함을 확인하였다. 더불어 다양한 이온 신호 체계에서 발생하는 증폭현상을 발견한 후 전기화학, 광학, 전산 모사 등 다방면의 분석을 통해 이에 대한 메커니즘을 규명하는 연구를 진행하였다. 마지막으로 소자 구조 개선을 통해 추가적으로 증폭효과를 향상시킬 수 있는 설계 가이드라인을 보여줌으로써 향후 생체 신호에서 발생하는 미세 이온 신호를 보다 효과적으로 측정할 수 있는 새로운 방안을 제시하고자 한다.

Due to the recent advances in electronics, devices are getting close to humans. Integrated on the flexible and stretchable substrates, wearable devices have been widely developed in skin-mountable and implantable forms to detect the various biological signals more directly. However, a large difference in mechanical properties between active components and flexible substrate materials still have been a major issue in forming stable contact with human skin. Furthermore, in case of biological signal sensing, signal transfer in human-machine interfaces also can be a critical issue due to the differences in signal carriers (i.e. electrons and ions). In this respect, a new design of active components in wearable devices as well as supporting materials is required considering their mechanical compliance and signal transfer efficiency with biological systems, respectively.

In this study, the solutions for the issues in wearable devices have been suggested by using soft gel based-conductors as an active component of wearable sensing devices. Firstly, the mechanical reliability of epidermal sensor was improved by introducing soft-gel type conductors as an electrode material for capacitive type stretchable strain sensors (Chapter 3). Due to their entangled polymeric conduction network, conductive gels have an inherent mechanical flexiblity with the unique mechano-electrical characteristics, thus the fabricated devices show a high stretchability until 400 % with a stable mechanical endurance. As all of device components were based on soft materials, it shows an excellent mechanical compliance when mounted on skins. Furthermore, a way to improve the sensing performance of capacitive type strain sensor was suggested by embedding a re-entrant auxetic frame within EcoflexTM dielectric layer.

Secondly, an ionic signal processing device was designed for the direct communication with ion-based biological signals (Chapter 4 & 5). To date, biological signals have been acquired by electronic devices using metal electrodes or conjugated electroactive polymers. However, since the signals from a biological system are mainly based on ions, the fundamental signal carrier mismatch between electrical devices and biological tissue has made direct communication persistently difficult to facilitate, creating the high impedance at human-machine interfaces (HMIs). Furthermore, as the amount of ions acquired from biological systems is very small, it is required to amplify the weak ionic signals for the effective signal processing. However, the physics of signal amplification in an ionic system has not been introduced yet, and it is very difficult to apply the mechanism of signal amplification for electrical semiconductors to an ionic system because ions are relatively heavier than electrons, so that they have low mobility. In this study, the unique sensing and amplification mechanisms were demonstrated based on the inherent features of ionic systems. By designing an open junction structure in microfluidic chip-based ionic diodes, ionic signals from the external environment can be directly transmitted to an ionic diode. Moreover, the minute ionic signals injected to the devices and also can be amplified to a large amount of ions. The signal transduction mechanism of the ion-to-ion amplification is suggested and clearly verified by systematic case studies. Finally, various methods for enhancing the amplification are suggested through the scaling down of devices.