소재가 유연하면서 착용자에 따라서 형태가 순응적일 수 있는 의료 모니터링 디바이스가 도입이 확대되고 있다.

코로나 팬데믹 시기에 원격 진료의 필요성이 높아지고 기술적 발전으로 센서 정확도가 향상됨에 따라서, 의료 분야의 다양한 영역에서 웨어러블 의료 모니터링 디바이스의 사용이 늘어나고 있다.

특히 원격의료에 사용하기 위한 웨어러블 센싱 및 모니터링 디바이스 개발이 활발하게 이루어지고 있다.

지난 몇 년 사이에 원격의료가 빠르게 성장하고 있으며, 특히나 코로나 팬데믹 동안에 의사와 환자의 접촉이 제한됨으로써 원격의료가 더 박차를 가하게 되었다.

원격의료는 환자를 환자 자신의 집에서 원격적으로 모니터링할 수 있으므로, 더 긴급한 환자들을 위해서 병원의 병상을 비워 둘 수 있다. 웨어러블 기술은 병원 환경에서 진단을 위해서 활용될 수 있는데, 더 큰 잠재력을 가진 것은 원격의료 모니터링에 활용될 때이다.

이러한 웨어러블 센싱 디바이스는 폴리머, 박막 필름, 2D 소재, 여타 나노소재 같은 플렉서블 소재를 사용해서 만들어진다.

이러한 센싱 디바이스를 또 다른 센서, 전원 소스(배터리, 태양광 셀, 혹은 나노제너레이터 같은 에너지 하베스터 장치 사용 가능), 통신 기술(데이터를 중앙의 프로세싱 시스템으로 전송), 여타 회로들과 통합한다.

전자 부품들을 웨어러블 기술에 사용하도록 충분히 작고 플렉서블하게 만든다는 것이 간단하지만은 않다.

그러므로 이러한 부품들을 만들기 위해서 다양한 나노소재들(특히 2D 소재들)을 사용한다. 비용적으로 잘 맞고 통합하기가 쉽기 때문이다.

그런데 또 다른 접근법에 대해서 관심이 높아지고 있다. 그것은 웨어러블 디바이스에다 곧바로 센서를 프린트하는 것이다. 센서는 모니터링 시스템으로 가장 중요한 역할을 하는 요소이다.

이러한 프린티드 센서는 2D 소재와 여타 나노소재를 사용하기도 하나, 또 다른 소재들을 사용할 수도 있다.

곧바로 웨어러블 의료 모니터링 디바이스에다 센서를 프린트하는 것은 훨씬 더 간단하고 쉬운 방법으로서, 더 많은 웨어러블 모니터링 디바이스를 상용화하도록 일조할 수 있을 것이다.

기존의 좀더 경제적이고 쉬운 프린팅 기술을 사용한다면 특히 더 그럴 것이다.

■ 프린티드 센서의 이점

웨어러블 디바이스 용으로 서브스트레이트 상으로 박막 센서를 제조할 수 있는 일련의 진보된 증착 및 나노증착 기법들이 등장해 있는 한편으로(이러한 기법들은 유연성과 형태적 순응성이라는 점에서 연성 폴리머를 주로 사용), 다양한 바이오메디컬 센서들을 스크린 프린팅 기법을 사용해서 프린트할 수 있다.

잉크젯 프린팅과 전사 프린팅 같은 기법들을 사용할 수도 있다. 하지만 스크린 프린팅이 센서를 프린트하기 위해서 가장 좋은 방법인 것으로 여겨진다.

스크린 프린팅은 관련 장비가 폭넓게 공급되고 있으며, 상대적으로 가격대가 낮고, 복잡한 증착 기법들보다 사용하기가 손쉽다.

그러므로 의료 모니터링 디바이스로 프린티드 센서를 제조하기 위해서 훨씬 더 확장이 용이하고 상용화하기가 유리한 접근법을 제공한다.

스크린 프린팅 역시도 폴리머 용액에서부터 전도성 나노소재 잉크에 이르기까지 다양한 소재들을 사용할 수 있다. 그러므로 다양한 센서들을 프린트할 수 있는 범용성 뛰어난 플랫폼을 제공한다.

그렇다면 왜 다른 제조 기법들을 놔두고 센서를 프린트하는 것일까? 스크린 프린팅은 한 번의 프린트로 동일한 패턴을 대량으로 제조할 수 있는 간단하고, 빠르고, 효율적인 프린팅 기법이다.

대규모 운용과 상용화 관점에서 볼 때, 스크린 프린팅은 다른 기법들과 비교해서 더 낮은 비용으로 손쉽게 대량 제조가 가능하다.

성능 관점에서 스크린 프린팅은 고분해능 패터닝이 가능하며 넓은 면적에 걸쳐서 프린트가 가능하다.

또한 스크린 프린팅은 필요에 따라서 특정 위치에다 재료를 증착할 수 있으므로 기존 제조 기법들과 비교해서 낭비를 줄일 수 있다. 모든 것을 한 번에 끝낼 수 있기 때문이다. 대규모 제조일 때는 특히 더 그렇다.

그러므로 프린팅 기법은 제조 상의 많은 이점을 거둘 수 있다. 뿐만 아니라 프린팅 기법은 매우 얇은 센서를 제조할 수 있고 디바이스 표면에다 프린트를 하는 것도 가능하므로 의료 웨어러블로 디자인 측면에서 많은 것들을 가능하게 한다.

이러한 접근법은 웨어러블의 재료 매트릭스로 디바이스들을 통합하는 것보다 훨씬 더 간단하다.

또한 필요에 따라서 프린트를 할 수 있기 때문에 좀더 맞춤화된 센서를 제조할 수 있으며, 다른 센서를 제조하기 위해서 프린팅 공정을 변경하는 것이 통상적인 제조 라인보다 훨씬 더 손쉽다.

스크린 프린팅에 사용할 수 있는 소재 역시도 그 범위가 매우 폭넓다. 제조하고자 하는 센서 타입에 따라서 다양한 소재들을 사용할 수 있다.

일련의 금속들을 프린트 가능한 전도성 잉크로 조제한 다음에 센서를 프린트할 수 있다.

웨어러블 의료 센서에 흔히 사용되는 금속들로는 금, 구리, 백금, 니켈, 알루미늄, 은을 들 수 있다.

금속 외에도 일련의 나노소재 화합물(그래핀, 탄소 나노튜브 화합물), 기능적 나노소재 잉크, 은 화합물 모두가 프린티드 의료 웨어러블 센서에 활성 센싱 표면으로서 사용되고 있다.

이러한 센서들을 위해서는 그 위에다 프린트를 할 수 있는 플랫폼을 필요로 한다. 이것은 흔히 전도성 폴리머의 형태를 띤다. 그럼으로써 센서가 피부나 다른 부품들과 더 잘 상호작용할 수 있고 높은 감도와 신뢰성을 제공할 수 있다.

PEDOT:PSS가 프린티드 센서에 가장 널리 사용되는 폴리머 플랫폼이다. 폴리아세틸렌, 폴리피롤, 폴리페닐렌, 폴리(p-페닐렌 비닐렌), 폴리티오펜 폴리아닐린 같은 다른 폴리머 소재들을 사용할 수도 있다.

■ 프린티드 센서를 활용한 의료 모니터링 애플리케이션

프린티드 의료 센서에 다양한 소재들을 활용할 수 있는 것과 마찬가지로, 의료 모니터링 디바이스에 따라서도 각기 다른 타입의 프린티드 센서를 사용할 수 있다.

예를 들어서 스트레인(변형률)을 측정하는 센서를 보자. 스트레인 기반 센서는 일정한 형태의 움직임을 측정할 수 있다. 이러한 웨어러블 센서는 인체 생리학적 신호 모니터링과 인체 관절 모션 모니터링에 흔히 사용된다.

또 다른 예로는 다양한 생체분자와 생체 신호를 측정하는 것을 들 수 있다. 스트레인 기반이 아닌 센서가 해당 생체분자를 직접적으로 검출하거나 또는 환자가 나타내는 생리학적 파라미터를 직접 측정한다.

분자 센싱은 혈액 속에 들어 있는 다양한 생체분자들을 검출할 수 있다. 대표적인 것으로 혈당을 들 수 있다. 사람 피부의 땀도 검출할 수 있다. 그리고 이제는 프린티드 센서를 사용해서 환자의 호흡수와 심박수를 측정할 수도 있으며 원격 심전도(ECG) 모니터링도 가능하다.

웨어러블로 센서 어레이를 사용할 수도 있다. 센서 어레이는 다중의 센서들을 결합해서 좀더 복잡한 조직이나 다양한 자극 각도에서 분석이 필요한 조직을 검사할 수 있다.

센서 어레이는 보행 시의 걸음걸이를 모니터링하거나, 휠체어 사용자의 앉은 자세를 모니터링하거나, 피부를 모니터링할 때 유용하다.

웨어러블 의료 디바이스에 사용하기 위한 프린티드 온도 센서 개발도 빠르게 발전하고 있다.

열 감지는 병을 진단하기 위해서 매우 중요하다. 인체는 병이 있을 때 열 스트레스에 시달리고, 피부 체온과 심부 체온이 높아지는 것은 심각한 질병을 나타내는 것일 수 있다.

의료용 웨어러블로 프린티드 온도 센서를 사용해서 심혈관, 당뇨, 호흡기 질환 같은 만성 질환을 진단할 수 있으며 암을 진단할 수도 있다.

■ 맺음말

환자의 다양한 건강 요소들을 원격적으로 측정하기 위한 효과적인 방법으로서 의료 모니터링 웨어러블의 도입이 확대되고 있다.

이러한 웨어러블로 가장 중요한 역할을 하는 것이 환자를 측정하기 위한 센싱 시스템이다. 환자가 의료 모니터링 디바이스를 장시간 편안하게 착용할 수 있도록 하기 위해서는 센서와 여타 부품들이 유연해야 한다.

극히 얇은 나노소재를 사용해서 플렉서블 센서를 제조할 수도 있는데, 디바이스 표면상으로 센서를 프린트하는 것이 일이 훨씬 쉽고, 원재료를 더 적게 필요로 하고, 확장이 용이하다.

다양한 프린티드 의료 웨어러블이 이미 등장하고 있다(상용화와 연구 단계 모두). 이 글에서 소개한 프린팅 기법들은 의료 웨어러블의 보급을 확대하는 데 기여할 것이다.

많은 프린팅 기술 중에서도 스크린 프린팅이 가장 유력해 보인다. 스크린 프린팅은 범용성이 뛰어나며, 다양한 소재들을 사용할 수 있다. 이렇게 제조된 프린티드 센서를 사용해서 심박수를 측정하는 것에서부터 질병의 징후를 포착하고 혈액 중의 다양한 생체분자를 측정하는 것에 이르기까지 사람의 건강에 관련된 다양한 측면들을 모니터링 할 수 있다.

※ 저자

글 / 리암 크리칠리(Liam Critchley) 
제공 / 마우저 일렉트로닉스(Mouser Electronics)

리암 크리칠리(Liam Critchley)는 화학과 나노 기술을 전문으로 하는 기고가, 저널리스트, 커뮤니케이터로서, 분자 차원의 기초 원리를 다양한 영역에 어떻게 응용할지 알리는 역할을 하고 있다. 자신의 지식을 바탕으로 과학자들과 일반인 모두를 위해서 복잡한 과학적 주제를 쉽게 설명하고자 한다. 화학과 나노 기술을 아우르는 다양한 주제와 산업 분야에 걸쳐서 350건 이상의 기사를 발표했다.

유럽에서 나노기술 산업 협회(NIA)의 과학 커뮤니케이션 책임자이며, 몇 년 전부터 전세계 기업, 협회, 미디어 웹사이트를 위한 기고 기사를 쓰고 있다. 나노 기술과 화학 공학으로 화학 석사학위를 취득했다.

미국 국립 그래핀 협회(NGA)와 국제 기구인 나노테크놀로지 월드 네트워크(NWN)의 자문 위원이며, 영국의 과학 학술 단체인 GlamSci의 이사회 위원이다. 영국 나노의약 협회(BSNM) 및 국제 첨단 소재 협회(IAAM) 회원이다. 또한 다수의 학술 저널에 피어 리뷰어로 참여하고 있다.