착용형 무선 마찰전기 나노발전기를 이용한 실시간 호흡 모니터링

요약

호흡률은 폐쇄성 수면 무호흡증 및 낭포성 섬유증 같은 호흡기 질환 감지의 중요한 바이오마커입니다. 기존 임상 모니터는 부피가 크고 일상 사용에 부적합한 반면, 모바일 헬스 기기는 경량의 무전원 솔루션을 요구합니다. 복부 둘레 변화를 감지하여 자가 발전 전기 신호를 생성하는 허리 착용형 무선 마찰전기 나노발전기(TENG)를 제시합니다. 이론적 모델링, 기계적 테스트, 피험자 실험을 통해 다양한 호흡 리듬, 활동 상태, 체형에서 호흡률을 정확히 추적하며 스마트폰으로 데이터를 무선 전송함을 확인했습니다. 이는 일상생활에서 지속적인 호흡 모니터링을 위한 실용적이고 저비용의 대안을 입증합니다.

서론

전 지구적 대기 질 악화와 고령화 인구로 호흡기 질환 유병률이 증가하고 있습니다. 호흡의 지속적이고 비침습적 모니터링은 폐쇄성 수면 무호흡 증후군(OSAS) 및 낭포성 섬유증 같은 질환의 조기 경보를 제공할 수 있습니다. 기존 모니터링 장비는 번거롭고 외부 전원이 필요하며 장기간 가정 사용에 부적합합니다. 최근 모바일 네트워크와 저전력 전자공학의 발전으로 유연하고 착용 가능한 건강 센서에 대한 관심이 고조되었습니다. 마찰전기 나노발전기(TENG)는 경량, 고에너지 밀도, 피부 접촉 안전성으로 이 응용에 이상적입니다. 심박수, 맥박, 일반 생리 모니터링용 TENG 기반 장치가 다수 개발되었으나 호흡을 대상으로 한 것은 드뭅니다.

본 연구는 호흡 시 복부의 자연스러운 팽창과 수축을 활용하는 스마트 벨트를 소개합니다. 벨트에는 슬라이딩 모드 TENG가 내장되어 기계적 변형을 외부 전원 없이 교류 전압으로 변환합니다. 신호는 증폭, 디지털화되어 무선 모듈을 통해 스마트폰으로 전송되어 실시간 호흡 데이터를 제공합니다.

방법

소자 구조

착용형 시스템은 이중층 벨트, 슬라이딩 모드 TENG, 무선 전송 모듈로 구성됩니다. 벨트의 신축성 없는 층과 변형 가능한 층은 착용감을 유지하면서 TENG의 마찰 쌍이 제어된 슬라이딩을 할 수 있게 합니다. TENG는 100µm PTFE 필름(음성 마찰 소재)과 30µm 나일론 필름(양성 마찰 소재)에 50µm 구리 전극을 사용합니다. 5×5cm 소자는 플라스틱 슬리브에 밀봉되어 호흡 중 일관된 접촉을 보장합니다.

전기적 측정

전압 출력은 Keysight B2983A 전위차계로 기록했습니다. TENG의 고임피던스 출력은 무선 모듈 입력과 매칭하기 위해 전압 팔로워가 필요했으며, 양극성 신호를 ADC 변환을 위해 단극성으로 변환하는 레벨 시프팅 회로가 필요했습니다.

감지 원리

호흡은 복부 둘레의 사다리꼴 변위를 유도합니다. 이 변위는 호기 시 마찰 쌍을 바깥쪽으로, 흡기 시 안쪽으로 슬라이딩하게 하여 정현파 전압 파형을 생성합니다. 네 단계(밀착 접촉, 바깥쪽 슬라이딩, 정지, 안쪽 슬라이딩)는 호흡 주기에 대응합니다.

이론적 모델

변위 x(t)를 사다리꼴 파형으로 모델링하고 기존 TENG 이론을 사용하여 출력 전압 V(t)를 유도했습니다. 모델은 피크 전압과 슬라이딩 진폭 간 선형 관계를 예측하며 실험으로 검증되었습니다(식 3: V_peak = 0.01383 X_max + 0.0092).

결과 및 논의

모델 검증

해석적 예측이 시뮬레이션 호흡 중 측정된 전압과 잘 일치하여 모델의 정확성을 확인하고 설계 최적화를 안내했습니다.

기계적 테스트

신축 기계를 사용하여 슬라이딩 진폭을 0.5Hz에서 2.5-30mm로 변화시켰습니다. 출력 전압은 변위에 선형적으로 증가했으며, 30mm에서 피크 전압 1.2V를 기록했습니다. 2.5mm 변위에서도 측정 가능한 신호가 생성되어 인간 호흡에 적합함을 입증했습니다.

실시간 모니터링

누워있기, 앉기, 서기, 걷기 상태의 피험자 테스트에서 호흡에 대응하는 안정된 전압 펄스가 관찰되었습니다. 호흡률은 누울 때 0.54Hz에서 서 있을 때 0.72Hz 범위였습니다. FFT 분석으로 정상, 빠름, 깊은 호흡의 정확한 주파수 추출을 확인했습니다. 10초 무호흡 정지도 감지되어 OSAS 선별 잠재력을 보여주었습니다.

무선 전송

소형 배터리로 구동되는 무선 모듈은 TENG 출력을 디지털화하여 블루투스로 스마트폰에 전송합니다. 높은 입력 임피던스와 샘플링 레이트로 신호 진폭은 감쇠되지만 파형은 호흡 주기를 충실히 나타내며 정확한 호흡률 계산을 가능하게 합니다.

결론

슬라이딩 모드 TENG를 사용하여 복부 호흡을 측정 가능한 전기 신호로 변환하는 경량, 무배터리 허리 벨트를 제작했습니다. 이 장치는 다양한 활동에서 호흡률을 정확히 추적하고 무호흡 이벤트를 감지하며 데이터를 모바일 기기로 무선 전송합니다. 저비용, 단순성, 높은 감도로 지속적인 가정 호흡 모니터링과 조기 질병 감지를 위한 유망한 플랫폼입니다.

데이터 및 재료 가용성

모든 데이터와 재료는 원고에 포함되어 있습니다.