피부처럼 움직이는 소재로 웨어러블 기기 개선 가능

연구진은 유전율이 높은 세라믹 나노입자 클러스터를 탄성 폴리머에 삽입하여 이 물질을 개발했다.

이 소재는 피부 탄력성과 운동 유형을 모방할 뿐만 아니라 유전체 특성을 조정하여 인터페이스 전자 장치에 대한 운동의 파괴적인 영향에 대응하고 에너지 손실을 최소화하며 열을 발산하도록 역설계되었다.

라이스 대학교 기계 공학 조교수이자 네이쳐 연구의 주요 저자인 라우델 아빌라(Raudel Avila)는 "우리 팀은 시뮬레이션과 실험을 결합하여 피부처럼 매끄럽게 변형될 수 있는 물질을 설계하고, 늘어날 때 내부에 전하가 분포하는 방식을 변경하여 무선 주파수 통신을 안정화하는 방법을 이해할 수 있었다."라고 말한다. "어떤 면에서 우리는 기계적 이벤트에 대한 전기적 반응을 신중하게 설계하고 있다."

재료와 디자인의 올바른 선택을 식별하는 데 도움이 되는 시뮬레이션 수행을 담당한 아빌라는 전자 장치가 안테나와 같은 무선 주파수(RF) 요소를 사용하여 전자기파를 보내고 받는다고 말한다.

아빌라는 "셀룰러 수신 상태가 좋지 않거나 Wi-Fi 신호가 매우 불확실한 장소에 가본 적이 있다면 아마도 신호가 약할 때 느끼는 불만을 이해하실 것이다."라고 말한다. “정보를 전달하려고 할 때 우리는 특정 주파수에서 작업한다. 서로 통신하는 두 개의 안테나는 지정된 주파수에서 그렇게 한다. 따라서 통신이 안정적으로 유지되도록 하려면 해당 주파수가 변경되지 않도록 해야 한다.

"이동성과 유연성을 갖도록 설계된 시스템에서 이를 달성하기 위한 과제는 RF 구성 요소의 모양이 변경되거나 변형되면 주파수 이동이 발생하여 신호 중단이 발생한다는 것이다."

기판에 내장된 나노 입자는 이러한 혼란에 대응하는 역할을 하며, 핵심 설계 요소는 의도적인 분포 패턴이다. 입자 사이의 거리와 클러스터의 모양 모두 RF 구성 요소의 전기적 특성과 공진 주파수를 안정화하는 데 중요한 역할을 했다.

"클러스터링 전략은 매우 중요하며 실험적 관찰만으로 이를 해결하는 방법을 알아내는 데 훨씬 더 오랜 시간이 걸린다."라고 아빌라는 말한다.

한양대학교 전 연구원이자 현재 노스웨스턴 대학교 박사후 연구원인 김선홍은 연구팀이 신축성 전자 장치의 RF 신호 안정성 문제를 해결하기 위해 창의적인 접근 방식을 취했다고 지적한다.

“웨어러블 의료기기, 소프트 로봇공학, 얇고 가벼운 고성능 안테나 등 다양한 분야에 우리 기술이 적용될 수 있다고 믿는다.”고 전직 한양 연구원이자 현재 핀란드 탐페레 대학교에서 박사후 연구원으로 재직 중인 압둘 바시르(Abdul Basir)는 말한다.

웨어러블 장치 기술은 건강 관리에 지대한 영향을 미치며 새로운 형태의 개인 모니터링, 진단 및 관리를 가능하게 한다. 스마트 웨어 시장 예측은 최종 사용 측면에서 가장 큰 비중을 차지하는 건강 및 피트니스 기술의 혁신적인 잠재력을 반영한다.

바시르는 "무선 피부 통합 신축성 전자 장치는 건강 응급 상황, 전자 건강 관리 및 보조 기술에서 핵심적인 역할을 한다"라고 덧붙인다.

이 물질이 효과적인 웨어러블 기술 개발을 지원할 수 있는지 테스트하기 위해 연구원들은 안테나, 코일 및 전송선을 포함한 여러 가지 신축성 무선 장치를 구축하고 개발한 기판과 표준 엘라스토머 모두에서 성능을 평가했다. 세라믹 나노입자가 첨가되었다.

아빌라는 “전자 장치를 기판 위에 올려놓고 늘리거나 구부리면 시스템의 공진 주파수가 안정적으로 유지되는 것을 볼 수 있다.”라고 말한다. “우리는 우리 시스템이 긴장 상태에서도 최대 30미터(~98피트) 거리에서 안정적인 무선 통신을 지원한다는 것을 보여주었다. 표준 기판을 사용하면 시스템 연결이 완전히 끊어진다.”

원거리 통신 시스템의 무선 작동 거리는 다른 유사한 피부 인터페이스 시스템의 무선 작동 거리를 초과한다. 또한, 새로운 소재는 다양한 크기와 다양한 신체 부위에 맞도록 설계된 다양한 웨어러블 플랫폼에서 무선 연결 성능을 향상시키는 데 사용될 수 있다.

예를 들어, 연구원들은 뇌전도(EEG) 및 근전도(EMG) 활동, 무릎 움직임 및 체온을 포함하여 몸 전체의 건강 데이터를 모니터링하기 위해 머리, 무릎, 팔 또는 손목에 착용할 수 있는 웨어러블 생체 공학 밴드를 개발했다. 유아 머리에 착용하면 최대 30%, 성인 머리에 착용하면 최대 50%까지 늘어날 수 있는 것으로 나타난 헤드밴드는 30m 무선 거리에서 실시간 뇌파 측정값을 성공적으로 전송했다.

"피부 형태에 완벽하게 부합하고 주요 생리학적 신호를 모니터링할 수 있는 피부 인터페이스 신축성 RF 장치는 사용자 경험을 방해하지 않는 기계적, 전기적 특성과 성능을 제공하기 위해 개별 재료 레이아웃과 전자 부품의 중요한 설계가 필요하다."라고 아빌라는 말한다.

"웨어러블이 계속 발전하고 사회가 기술과 상호 작용하는 방식, 특히 의료 기술의 맥락에서 영향을 미치면서 고효율 신축성 전자 장치의 설계 및 개발은 안정적인 무선 연결을 위해 매우 중요해졌다."

한국 정부의 과학기술정보통신부는 정보통신기획평가원과 한국연구재단을 통해 이 연구에 자금을 지원했다. 본 보도자료의 내용은 전적으로 저자의 책임이며 반드시 자금 지원 기관의 공식 견해를 대변하는 것은 아니다.

출처: 라이스대학교