첨단 액체 금속 웨어러블 압력 센서로 정밀 건강 모니터링

소프트 압력 센서는 소프트 로보틱스, 전자 피부, 웨어러블 전자장치 등 다양한 분야에서 상당한 연구 관심을 받아왔습니다. 연구자들은 생리적·물리적 신호를 민감하고 정밀하며 지속적으로 측정할 수 있는 고감도 웨어러블 압력 센서를 개발했으며, 건강 모니터링 애플리케이션과 질병 조기 진단에 큰 잠재력을 보여줍니다.

소프트 압력 센서는 지속적 건강 모니터링에 사용되려면 높은 순응성, 고감도, 저비용, 장기 성능 안정성, 환경 안정성을 가져야 합니다. 카본 나노튜브와 그래핀 등 기능성 물질을 사용하는 기존 고체 상태 소프트 압력 센서는 훌륭한 감지 성능을 보였으나, 신축성 기판과 기능성 물질 사이의 거리로 인해 제한된 신축성, 신호 드리프트, 장기 불안정성 문제를 겪습니다.

이러한 문제를 극복하기 위해 액체 금속을 사용하는 액체 상태 전자장치가 다양한 웨어러블 애플리케이션에 도입되었습니다. 이 물질들 중 갈리늄, 인듐, 주석의 공융 합금인 갈린스탄(Galinstan)은 웨어러블 애플리케이션에 활용할 수 있는 훌륭한 기계적·전기적 특성을 가집니다. 하지만 현재의 액체 금속 기반 압력 센서는 낮은 압력 감도를 가지고 있어 건강 모니터링 장치로의 적용이 제한됩니다.

연구자들은 3D 프린팅된 강성 마이크로범프 어레이 통합 액체 금속 기반 소프트 압력 센서를 개발했습니다. 3D 프린팅의 도움으로 강성 마이크로범프 어레이와 액체 금속 마이크로채널용 마스터 몰드 통합을 동시에 달성하여 제조 공정 복잡성을 줄였습니다. 강성 마이크로범프와 마이크로채널 통합을 통해 새로운 압력 센서는 이전에 보고된 액체 금속 기반 압력 센서에 비해 극도로 낮은 검출 한계와 향상된 압력 감도를 가집니다. 제안된 센서는 10,000회의 압력, 굽힘, 신축 사이클에서도 무시할 만한 신호 드리프트를 보이며 다양한 환경 조건에서도 우수한 안정성을 나타냈습니다.

이러한 성능 결과는 다양한 건강 모니터링 장치에 훌륭한 센서가 됩니다. 첫째, 연구팀은 운동 중 맥박을 지속적으로 모니터링하고 PTT 계산을 기반으로 한 비침습적 커프리스 혈압 모니터링 시스템에 활용할 수 있는 착용형 손목밴드 장치를 시연했습니다. 그런 다음 무선 웨어러블 발뒤꿈치 압력 모니터링 시스템을 도입했는데, 이는 3개의 3D-BLiPS와 무선 통신 모듈을 통합합니다.