혁신적인 스마트 센서로 정확한 온도 및 변형률 추적으로 상처 모니터링 향상

펜실베니아 주립대학교 공과대학

인체에 사용하기에 이상적인 이 유연한 센서는 레이저 유도 그래핀을 사용하여 온도와 변형을 동시에 개별적으로 측정하여 염증 및 회복에 대한 보다 명확한 통찰력을 제공함으로써 잠재적으로 더 나은 상처 치유 모니터링을 가능하게 합니다. (이미지 :Jennifer M. McCann)

건강 관리 모니터링을 위한 자가 구동식 웨어러블 센서의 주요 과제는 동시에 발생할 때 서로 다른 신호를 구별하는 것입니다. Penn State와 중국 허베이 공과대학의 연구원들은 센서 재료의 새로운 특성을 밝혀 이 문제를 해결했으며, 이를 통해 팀은 온도와 물리적 변형을 동시에, 그러나 별도로 정확하게 측정하여 다양한 신호를 더 정확하게 찾아낼 수 있는 새로운 유형의 유연한 센서를 개발할 수 있었습니다.

"우리가 개발한 이 독특한 센서 재료는 건강 관리 모니터링에서 잠재적으로 중요한 응용 분야를 가지고 있습니다."라고 Penn State의 공학 과학 및 역학(ESM) 기념 부교수이자 Nature Communications에 발표된 연구의 공동 저자인 Huanyu "Larry" Cheng, James L. Henderson, Jr.가 말했습니다. "상처 치유로 인해 발생하는 온도 변화와 물리적 변형 또는 변형을 정확하게 측정하고 두 신호를 분리하여 이를 측정함으로써 상처 치유 추적에 혁명을 일으킬 수 있습니다. 의사는 염증과 같은 문제를 조기에 식별하여 치유 과정을 훨씬 더 명확하게 파악할 수 있습니다."

연구진은 2차원(2D) 소재인 레이저 유도 그래핀(LIG)을 사용해 혼선 없이 온도와 변형률 신호를 정확하게 측정하는 것을 목표로 했습니다. 일반 그래핀을 포함한 모든 2D 재료와 마찬가지로 레이저 유도 그래핀은 1~몇 개의 원자 두께로 독특한 특성을 가지지만 비틀림이 있습니다. 레이저 유도 그래핀은 플라스틱이나 목재와 같은 탄소가 풍부한 특정 재료를 레이저로 가열하여 표면을 그래핀 구조로 변환할 때 형성됩니다. 레이저는 본질적으로 그래핀을 재료에 직접 '기록'하므로 전자 제품, 센서 및 에너지 장치용 그래핀 패턴을 생성하는 간단하고 확장 가능한 방법입니다.

LIG는 이전에도 다양한 용도로 사용되어 왔습니다. 이전에 Cheng과 그의 팀은 가스 센서, 땀 분석을 위한 전기화학 감지기, 슈퍼커패시터 등에 이 장치를 사용했습니다. 그러나 연구원들은 LIG를 다목적의 정확한 센서로 이상적으로 만드는 새로운 특성을 발견했다고 믿습니다.

“우리 연구에서 우리는 이 물질이 열전 특성도 가지고 있다는 사실을 우연히 발견했습니다.”라고 Cheng은 말했습니다. "우리는 레이저 유도 그래핀이 열전 능력을 갖고 있다고 보고한 것은 이번이 처음이라고 생각합니다. 이는 우리가 하려는 일, 즉 온도 변화와 물리적 변형 또는 변형을 별도로 측정하는 데 매우 중요합니다."

재료의 열전 특성은 온도 차이를 전기 전압으로 변환하거나 그 반대로 변환하는 능력을 말하며, 이러한 재료를 에너지 수확 및 온도 감지와 같은 응용 분야에 사용할 수 있습니다. Cheng에 따르면, LIG의 새로 확인된 열전 특성을 통해 두 센서 측정값을 쉽게 분리할 수 있으므로 붕대에 내장된 센서와 같은 의료 응용 분야에 이상적입니다.

Cheng은 “온도와 변형률 모두에 민감한 재료가 있는 경우 재료의 변화로 인해 어떤 신호가 발생하는지 파악하기가 까다로울 수 있습니다. "그러나 레이저 유도 그래핀에서 이러한 열전 효과를 사용함으로써 우리는 본질적으로 이 두 가지 측정을 분리할 수 있습니다. 우리는 전기 저항을 보고 변형에 대한 정보를 얻는 동시에 열 전압을 측정하여 온도를 결정할 수 있습니다. 이것이 바로 의사들이 이를 사용하여 상처 부위의 온도 변동과 물리적 변화를 모두 추적하고 치유가 어떻게 진행되고 있는지에 대한 훨씬 더 명확한 그림을 얻을 수 있는 이유입니다."

그는 또한 이 센서가 매우 민감하여 섭씨 0.5도 정도의 작은 온도 변화도 감지한다고 언급했습니다. 이 소재의 설계는 다공성 그래핀과 열전 부품이 함께 작동하는 방식을 활용하여 열을 전기로 변환하는 능력이 거의 4배 향상되었습니다. 또한 센서는 최대 45%까지 늘어날 수 있을 뿐만 아니라 기능 저하 없이 다양한 모양과 표면에 맞춰질 수 있습니다.

Cheng은 “이 물질의 다공성 구조는 매우 민감한 방식으로 주변 환경과 상호 작용할 수 있는 많은 작은 공간과 채널을 생성합니다.”라고 말했습니다. "이는 세라믹 기반 재료와 같은 보다 견고한 열전 재료와 달리 인간의 연조직과의 인터페이스에 매우 적합합니다."

LIG의 열전 특성은 온도 차이가 있을 때 전력을 생산할 수 있다는 것을 의미하므로 LIG 센서는 자체 전력을 공급받습니다. Cheng에 따르면 이는 임상 환경에서 지속적인 모니터링과 원격 위치에서 화재 감지를 돕는 등의 기타 응용 분야에 특히 유용할 수 있습니다.

센서를 개선하는 것 외에도 팀은 사람들이 센서의 데이터를 원격으로 모니터링할 수 있는 무선 시스템을 개발하고 있습니다. 이를 통해 스마트폰이나 기타 장치를 사용하여 온도나 긴장과 같은 중요한 정보를 실시간으로 추적하는 것이 가능해집니다.

"예를 들어 의사는 멀리서 환자의 상태를 모니터링할 수 있고 응급 구조대원은 위험한 온도 변화에 대한 경고를 받을 수 있습니다."라고 Cheng은 말했습니다. "이러한 발전의 목표는 기술의 접근성과 효율성을 높여 일상적인 상황에서 건강 모니터링과 안전을 향상시키는 데 도움이 되는 것입니다."

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