| 초록 |
1.분석자 서문 피부는 인체에서 가장 큰 기관이자 내부장기, 혈관, 근육, 진피 및 표피상에서 생체 신호를 처리하는 풍부한 진단 인터페이스(diagnostic interface)를 제공한다. 따라서 부드럽고 유연하며 신축성 있는 전자장치는 연조직(soft tissues)과의 인터페이스를 통하여 로봇 피드백 및 제어(robotic feed-back and control), 재생의학(regenerative medicine) 및 지속적인 건강 모니터링을 가능하게 한다. 본 분석물에서는 두께, 열 질량, 탄성계수 및 수증기 투과성과 같은 물리적 특성을 가진 전자장치 세트를 설명하기 위하여 ldquo;랩-온-스킨(lab-on-skin) rdquo;이라는 용어를 도입하였다. 이들 장치는 표피에 등각적으로 얇게 적층되기 때문에 기존의 모니터링 장치의 오류를 완화시키는 동시에 비침습적으로 장기간/지속적인 상태로 정확한 모니터링을 제공할 수 있다. 최근 들어 보다 향상된 기능과 신뢰성을 갖춘 소프트 센서들의 설계 및 제작으로 이들 장치가 연구실을 떠나 임상 환경으로 도입되기 시작하였다. 따라서 본 분석물에서는 먼저 소프트 전자기기에 사용되는 재료, 설계 전략 및 동력 시스템에 대하여 검토하고, 이들 시스템이 심장, 피부, 전기생리 및 땀을 이용한 진단학에서 어떻게 응용되고 있는지를 고찰하고자 한다. 이를 통하여 웨어러블 건강 모니터링의 향후 연구 방향에 대한 분석 및 전망을 할 수 있을 것으로 기대한다. 2. 목차 1. 서론 2. Lab-on-Skin 3. 설계 및 재료 3.1. 기계적 고려사항 3.2. 패키징 3.3. 전자 재료 4. 피부 통합 5. 동력에 대한 전략 6. 'Lab-on-Skin' 장치 6.1. 심장학 6.2. 피부과 6.3. 전기생리학 6.4. 땀 진단 7. 결론 및 전망 피부는 인체의 생리 상태를 나타내는 생체 신호를 엑서스하기 위한 이상적인 플랫폼을 제공한다. 고분자과학, 박막필름 처리 및 나노기술의 최근 개발은 초박적이고 부드러운 전자장치가 반데르발스 힘을 통해 접착제나 테이프의 필요 없이 피부와 친밀하고도 견고한 접촉으로 형성할 수 있음을 보여준다. 본 분석물에서는 헬스케어 응용프로그램을 위한 진단을 수행할 수 있는 고분자 플랫폼을 기반으로 한 피부 유사 장치를 설명하기 위하여 ldquo;랩-온-스킨 rdquo;이라는 개념을 도입하였다. 지금까지 연구는 심장 기능, 피부과학을 포함한 많은 응용 분야에서 임상 관련 정보를 제공할 수 있는 신축성 있고 유연한 장치를 생산하기 위하여 장치 기능, 재료 탐사, 피부 통합 기술, 동력 전달 시스템 및 기계 설계, 전기생리학 및 땀 진단에까지 상당한 기술적 발전을 이루어내었다. 공학 및 기술 개선의 관점에서 보면 랩-온-스킨 시스템은 무선 전원 및 통신 개발, 그리고 매끄럽고 안정적인 피부와의 통합에서 살펴보아야 한다. 무선 전원 및 통신 측면에서의 목표는 실시간 무선 모니터링 기능과 임상 환경을 넘어서는 이동성을 구현할 수 있도록 효율적인 무선 전력 전송 기술을 개발하는 것이 가장 시급하다. 시스템적 관점에서 통신은 통신이 가장 전력이 많이 소비되는 동작이기 때문에 데이터 전송 시 듀티 사이클링을 통하여 전력 소비를 줄일 수 있다. 현재까지 개발된 장비들은 저전력 소형 블루투스 기술이 높은 공간 및 시간 해상도로 안정적인 연결을 제공할 수는 있지만 현재의 박막 배터리의 기능을 넘어서는 전력을 소비하기 때문에 추가 에너지 저장소가 요구되는 상황이다. 따라서 미래의 웨어러블 랩-온-스킨 장비는 에너지를 보다 효율적으로 전송, 변환 및 저장할 수 있는 보다 발전된 솔루션이 등장하여야 한다. 피부와의 하드 소프트 통합 전략은 단기간에 고성능 웨어러블 전자제품을 만들 수 있는 가장 유망한 방법으로 생각되며, 최근 태양전지, 박막 배터리, RF 통신, 유도성 전원에 대한 연구에서 입증된 바와 같이 전력 및 통신에 대한 신뢰할 만한 솔루션을 제공할 것으로 기대된다. 이 분야에서 주요 도전 과제는 초박형이면서도 유연성 있는 캡슐화 기법을 개발하는 것으로, 다중 레벨 상호 연결 레이어, 스트레인 격리 패키징, 자가조립 시스템 등이 연구되고 있다. 본 분석물을 통하여 우리는 미래의 ldquo;랩-온-스킨 rdquo; 장치가 임상 진료를 위한 일회용 저비용 표피 전자문신과 지속적인 모니터링 및 건강검진을 위한 신뢰성 있는 진단 기능을 갖춘 재사용이 가능한 유연한 피부 패치의 2가지 형태로 구현될 것으로 예상된다. 랩-온-스킨 장치의 발달은 향후 공학 및 기술의 개선, 신뢰성 및 정확한 진단 기능을 위한 특정 용도에 맞춘 설계의 발달, 임상 사례 연구 및 검증을 통하여 발전할 것으로 기대한다. 또한 랩-온-스킨 시스템의 실제 구현을 위해서는 의학, 임상학 및 공학 분야의 개인 및 학제 간의 협력이 무엇보다 중요하며 철저한 임상 테스트 및 검증 없이는 실현이 불가능하다. 따라서 이들 기기를 이용한 새로운 진단 메커니즘을 임상으로 도입하기 위해서는 기존에 사용되고 있는 골든 스탠더드와의 비교분석이 무엇보다 선행되어야 한다. 마찬가지로 대규모 임상 연구 역시 해당 질병을 진단 및 예측할 수 있는 명확한 기준 신호 및 바이오마커를 확립하고 이들 시스템이 기존의 골든 스탠더드들과 비교할 때 얼마나 정확성과 신뢰성을 갖는지를 검증하여야 함을 간과해서는 안 된다. References 1. Liu, Y.; Pharr, M.; Salvatore, G. Lab-on-Skin: a review of flexible and stretchable electronics for wearable health monitoring ACS Nano 2017, 11, 9614-9635. 2. Kaltenbrunner, M.; Sekitani, T.; Reeder, J.; Yokota, T.; Kuribara, K.; Tokuhara, T.; Drack, M.; SchwOdiauer, R.; Graz, I.; Bauer-Gogonea, S.; Bauer, S.; Someya, T. An Ultra-Lightweight Design for Imperceptible Plastic Electronics Nature 2013, 499, 458 ndash; 463. 3. Lemaitre, J.; Chaboche, J.-L. Mechanics of Solid Materials; Cambridge University Press: Cambridge, 1994. 4. Dargaville, T. R.; Farrugia, B. L.; Broadbent, J. A.; Pace, S.; Upton, Z.; Voelcker, N. H. Sensors and Imaging for Wound Healing: A Review Biosens. Bioelectron. 2013, 41, 30 ndash; 42. 5. Lee, C. H.; Ma, Y.; Jang, K.-I.; Banks, A.; Pan, T.; Feng, X.; Kim, J. S.; Kang, D.; Raj, M. S.; McGrane, B. L.; Morey, B.; Wang, X.; Ghaffari, R.; Huang, Y.; Rogers, J. A. Soft Core/Shell Packages for Stretchable Electronics Adv. Funct. Mater. 2015, 25, 3698 ndash; 3704. 6. Xu, S.; Zhang, Y.; Jia, L.; Mathewson, K. E.; Jang, K.-I.; Kim, J.; Fu, H.; Huang, X.; Chava, P.; Wang, R.; Bhole, S.; Wang, L.; Yoon, J. N.; Guan, Y.; Flavin, M.; Han, Z.; Huang, Y.; Rogers, J. A. Soft Microfluidic Assemblies of Sensors, Circuits, and Radios for the Skin Science 2014, 344, 70 ndash; 74. 7. Ma, Y.; Pharr, M.; Wang, L.; Kim, J.; Liu, Y.; Xue, Y.; Ning, R.; Wang, X.; Chung, H. U.; Feng, X.; Rogers, J. A.; Huang, Y. Soft Elas |
