웨어러블 기술용 신속 저비용 센서 프로토타이핑

UC 버클리 엔지니어들은 웨어러블 기술을 위한 센서 제작 신기술을 개발하여 의료 연구자들이 기존 방법보다 훨씬 빠르고 훨씬 저렴한 비용으로 새로운 설계를 프로토타입 테스트할 수 있게 했습니다.

이 기술은 클린룸에서 컴퓨터 칩을 만드는 데 사용되는 다단계 공정인 포토리소그래피를 대체합니다. 새로운 방법은 200달러짜리 비닐 커터를 사용하여 소량 센서 제작 시간을 거의 90% 단축하고 비용을 거의 75% 절감한다고 렌샤오 쉬(Renxiao Xu) 박사가 말했습니다.

"대부분의 의료 기기 연구자들은 포토리소그래피 배경 지식이 없습니다."라고 쉬 박사는 말했습니다. "우리 방법은 컴퓨터에서 센서 설계를 변경한 다음 파일을 비닐 커터로 보내 제작하는 것을 쉽고 저렴하게 만듭니다."

웨어러블 센서는 연구자들이 환자로부터 장기간 의료 데이터를 수집하는 데 사용됩니다. 피부용 접착 반창고부터 장기용 신축성 임플란트까지 다양합니다.

이 장치들은 인터커넥트(interconnects)라고 불리는 평평한 와이어, 센서, 전원, 스마트폰 앱이나 다른 수신기로 데이터를 통신하는 안테나로 구성됩니다. 완전한 기능을 유지하려면 피부와 장착된 장기와 함께 늘어나고, 구부러지고, 뒤틀리면서 회로에 손상을 줄 수 있는 변형을 생성하지 않아야 합니다.

낮은 변형 유연성을 달성하기 위해 엔지니어들은 '아일랜드-브리지(island-bridge)' 구조를 사용한다고 쉬 박사는 말했습니다. 아일랜드에는 상용 저항, 커패시터, 탄소 나노튜브 같은 실험실 합성 구성 요소 등 딱딱한 전자 및 센서 부품이 들어 있습니다. 브리지는 아일랜드들을 서로 연결합니다. 나선형과 지그재그 형태가 스프링처럼 늘어나 큰 변형을 수용합니다.

과거 연구자들은 포토리소그래피를 사용하여 이러한 아일랜드-브리지 시스템을 구축했습니다. 빛을 사용하여 반도체 웨이퍼에 패턴을 만드는 다단계 공정입니다.

새로운 기술은 의료 연구자들이 테스트에 일반적으로 필요한 1~2더즌 샘플을 만들 때 특히 더 간단하고 빠르며 경제적입니다.

공정은 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET) 접착 시트를 마일러(이축 연신 PET) 기판에 부착하는 것으로 시작합니다. 다른 플라스틱도 작동한다고 쉬 박사는 말했습니다.

비닐 커터는 두 가지 유형의 컷으로 구조를 형성합니다. 첫 번째인 터널 컷은 상단 PET 층만 자르고 마일러 기판은 건드리지 않습니다. 두 번째인 관통 컷은 두 층을 모두 자릅니다.

이것만으로 아일랜드-브리지 센서를 생산하기에 충분합니다. 터널 컷은 상단 접착 PET 층에 인터커넥트 경로를 추적하는 데 사용되며, 잘린 PET 세그먼트를 벗겨내면 노출된 마일러 표면에 인터커넥트 패턴이 남습니다.

다음으로 전체 플라스틱 시트를 금(또는 다른 전도성 금속)으로 코팅합니다. 나머지 상단 PET 층을 벗겨내면 명확한 인터커넥트, 아일랜드의 노출된 금속 개구부와 접촉 패드가 있는 마일러 표면이 남습니다.

센서 요소를 접촉 패드에 부착합니다. 저항 같은 구성 요소의 경우 전도성 페이스트와 일반 열판을 사용하여 결합을 고정합니다. 탄소 나노튜브 같은 일부 실험실 합성 구성 요소는 가열 없이 패드에 직접 적용할 수 있습니다.

이 단계가 완료되면 비닐 커터가 관통 컷을 사용하여 나선형, 지그재그 등 센서 윤곽을 조각합니다.

연구자들은 이 기술을 시연하기 위해 다양한 신축성 요소와 센서를 제작했습니다. 하나는 코 아래에 장착되어 센서 앞뒤의 미세한 온도 변화를 기반으로 호흡을 측정합니다.

또 다른 프로토타입은 방수 슈퍼커패시터 어레이로 구성되어 배터리처럼 전력을 저장하지만 더 빠르게 방출합니다.

"콘덴서나 전극을 추가하여 심전도 측정을 하거나, 칩 크기 가속도계와 자이로스코프를 추가하여 움직임을 측정하는 더 복잡한 센서도 만들 수 있습니다."라고 쉬 박사는 말했습니다.

그러나 크기는 센서 커팅의 한 가지 주요 제한 사항입니다. 최소 피처가 200~300마이크로미터 폭인 반면, 포토리소그래피는 수십 마이크로미터 피처를 생성할 수 있습니다. 하지만 대부분의 웨어러블 센서는 그런 미세한 피처를 필요로 하지 않는다고 쉬 박사는 말했습니다.

연구자들은 이 기술이 웨어러블 센서나 신종 질병을 연구하는 모든 실험실의 표준 기능이 될 수 있다고 믿습니다. 프로토타입은 고성능 컴퓨터 지원 설계(CAD) 소프트웨어나 비닐 프린터용으로 특별히 만든 더 간단한 앱으로 설계할 수 있습니다.