땀·움직임에도 흔들림 없다…POSTECH, 진피형 바이오 전극 구현
피부 표면 넘어 진피층서 생체신호 측정…차세대 피지컬 AI 확장 기대
피부 각질층을 통과한 뒤 진피층에서 유연한 구조로 변환되는 ‘진피형 바이오 전극’ 개념도. 이번 연구는 생체재료 분야 권위지 어드밴스드 머티리얼즈(Advanced Materials) 표지 논문으로 선정됐다.[제공=POSTECH]
피부가 거부하지 않으면서도 외부 환경 변화에 흔들리지 않는 차세대 바이오 전극이 개발됐다.
웨어러블 기술의 고질적 한계로 꼽혀온 신호 불안정성과 조직 자극 문제를 동시에 풀 수 있는 접근으로 평가되며 학계의 주목을 받고 있다.
POSTECH 기계공학과 임근배 교수 연구팀은 이중호·윤가은 박사와 박성민 교수, 김철홍 교수와 함께 통증과 염증 반응을 최소화하면서 안정적으로 생체신호를 측정할 수 있는 ‘진피형 바이오 전극(Dermal electronics)’을 개발했다고 밝혔다.
이번 연구 성과는 생체재료 분야 국제 학술지 어드밴스드 머티리얼즈(Advanced Materials) 표지 논문으로 게재됐다.
스마트워치로 심박수를 측정하고 패치형 기기로 혈당을 확인하는 시대가 열리면서 웨어러블 기기는 일상형 건강관리 도구로 빠르게 자리 잡고 있다.
다만 이를 가능하게 하는 전극 기술은 여전히 뚜렷한 한계를 안고 있다.
피부 표면에 부착하는 표피형 전극은 사용이 간편하다는 장점이 있지만 땀이나 건조함, 신체 움직임 같은 외부 변수에 따라 신호가 쉽게 흔들린다.
반면 피부 안으로 삽입하는 미세침 전극은 비교적 정밀한 신호 측정이 가능하지만 구조가 단단해 조직을 자극하고 염증 반응을 유발할 수 있다.
웨어러블 전극 기술이 편의성과 안정성 사이에서 절충을 강요받아온 이유다.
연구팀이 개발한 전극은 삽입 순간에는 바늘처럼 단단한 형태를 유지하다가, 피부 각질층을 통과해 진피층에 도달하면 부드러운 구조로 전환되는 ‘구조 변환형 전극’이다.
같은 소재라도 구조 설계에 따라 전혀 다른 물성을 구현할 수 있다는 점에 착안한 결과다.
핵심은 극유연성 생체 소재를 초소형으로 정밀 가공하고, 발포성 구조 변환 설계를 접목한 데 있다.
연구팀은 발포성 소재를 희생층으로 활용해 전극이 수 초 내 피부 각질층을 통과한 뒤 진피층에 안정적으로 자리 잡도록 구현했다.
이후 진피층에서는 전극이 스스로 유연한 상태로 바뀌면서 주변 세포와 조직에 가해지는 기계적 스트레스를 줄인다.
몸이 전극을 강한 이물질이 아니라 공존 가능한 구조로 받아들이도록 유도한 셈이다.
연구팀은 동물 모델과 사람 대상 실험을 통해 이 전극이 장기간 삽입된 상태에서도 조직 손상이나 면역 반응이 거의 나타나지 않는다는 점을 확인했다.
또 진피층에 안정적으로 위치한 전극은 외부 환경 변화의 영향을 거의 받지 않아, 땀이나 탈수 상태, 장시간 착용 조건에서도 신호 정확도가 안정적으로 유지되는 것으로 나타났다.
이번 연구는 단순히 기존 웨어러블 전극의 성능을 개선한 데 그치지 않고, 생체신호 측정 위치를 피부 표면에서 진피층으로 확장했다는 점에서 의미가 크다.
향후 정밀 의료기기뿐 아니라 생체 데이터를 지속적으로 수집·분석하는 차세대 피지컬 AI 기술로도 연결될 수 있다는 평가다.
임근배 POSTECH 교수는 “이번 기술은 의료 진단 기기를 넘어, 생체 데이터를 정밀하게 수집해 AI와 결합하는 차세대 피지컬 AI 기술로도 확장될 수 있다”며 “단순한 건강 측정을 넘어 인간의 생체 정보를 지속적으로 이해하고 활용하는 새로운 데이터 기반 기술의 출발점이 될 것”이라고 말했다.
한편 이번 연구는 과학기술정보통신부 나노·소재기술개발사업과 중견연구자지원사업, 교육부 학문후속세대지원사업의 지원을 받아 수행됐다.
발포 반응을 통한 모듈러스 변환을 통해 경피형 생체전극의 구조적 순응 (Structural adaptability) 특성을 구현하여 세포의 기계적 스트레스를 해소하는 메커니즘 모식도
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