Soft Deformable Sensors enabled by Electrically Conductive and Structured Elastomers

Abstract

Stretchable and deformable electronics change the stereotype of conventional electronics with fixed form factor devices. However, during the past 10 years, new type of electronics components changes this stereotype rapidly. The electronic devices such as displays, transistors and sensors can endure their performances under deformation conditions. The advancement of soft electronics spread its potential to the field of healthcare recently. With increasing living standards and seeking for wellness, demands for various healthcare sensors including skin-attachable sensors or implantable sensors are increasing. The early stage of healthcare sensors are made of rigid materials so they can stimulate the soft skin and body tissue and induces contact dermatitis, inflammatory and immune reactions. Soft polymers are promising candidate to solve these problems because they can adopt a new concepts of materials and designs. Therefore, the soft sensors can obtain valuable biomarkers continuously following body shape and activities. However, there still remains a large room for improving soft sensors. Most types of soft sensors are film types that totally cover the skin or tissues which missed out on the breathability of our body. Moreover, the sensors are usually made of hydrophobic polymers so it does not fit to the water-friendly environment of our body. These overlooks cause side effects symptoms on our body and decrease the reliability of sensor performances. Therefore, to solve those problems, we developed new approaches; 1) Structured elastomeric substrates to provide stable electrical conductivity and permeability to air and liquid, 2) Surface modification that exhibits hydrophilicity and high affinity to conductive layers for reliable sensing performance. The structure of the soft sensor allows strain localization helping preserve the electrical network stably and air/liquid permeability. Surface modification can make intimate contact with the skin/tissue, and body fluids that minimize side effects and immune reaction as well as enhance adhesion force of the conductive layers to the substrates. With these features, mechanically and electrically stable and reliable soft sensors are successfully fabricated with detecting various vital signs without causing side effects. This approach allows a stable and decent signal detection of the biodata from our body so that it gives a great contribution to improving people’s health and life.

기존의 전자 장치는 그 형태가 고정되어 있어 디자인 및 사용 용도의 한계가 정해져 있다는 단점이 있다. 그러나 연성 재료를 이용한 soft electronics의 발전과 더불어 이러한 한계는 옅어지고 있다. 휘어지거나 접히는 디스플레이 및 이를 위한 연신 가능한 반도체, 전극, 센서 등이 발전되며 그동안 제한 되어 왔던 전자 산업의 응용 영역이 급속도로 확장되어 가고 있다. 그 중에서 생활 수준의 향상과 건강을 추구하는 생활 트렌드의 확산으로 인한 헬스케어로의 응용도 가속화 되어가고 있다. 기존의 헬스케어 소자는 전자 기기와 마찬가지로 딱딱한 소재로 제작이 되어 고정된 형태와 피부, 체내 조직과는 다른 물리적 특성으로 인해 여러 부작용을 유발하는 단점이 있다. 예를 들어 피부 조직을 자극하여 피부염의 유발 혹은 체내 이식 시 과다한 면역 반응, 염증을 유발하는 부작용이 심각한 문제로 대두되고 있어 헬스케어 소자를 부드러운 소자로 대체하고자 하는 필요성이 커지고 있다. Soft electronics분야에 활용되는 재료들은 기본적으로 연성 고분자 재료이므로 피부, 체내 조직과 같은 부드러운 물성이 요구되는 환경에 사용이 적합하다. 그러나 이들 재료는 사람의 체외/체내 환경과 다른 특성을 갖고 있다는 점이 극복해야할 사항이다. 고분자 재료들은 탄소를 기반으로 구성되어 있어 그 근본적인 특징이 소수성을 나타내지만 신체 환경은 수분이 풍부한 친수성이 요구되는 환경이다. 또한 생명활동을 지속하는 신체의 특성으로 인해 지속적인 땀 분비 혹은 체액의 순환이 유지되어야 하는 특성이 있어 이를 고려하여 헬스케어 소자를 제작해야하는 필요성이 있다. 그러나 대부분 기존 연구들은 이러한 특성을 고려하지 않고 연성 재료가 요구되는 환경에 주목하여 신체 조직들과의 물성은 유사하지만 수분 환경, 항상성을 유지하는 환경을 고려하지 않은 연구가 대부분인 상황이다. 피부를 완전 덮는 형태의 소자는 장기간 사용 시 접촉 피부염(contact dermatitis) 유발과 착용시의 이물감을 유발 할 수 있으며 체내 삽입의 경우는 염증반응을 지속적으로 일으킨다는 단점이 있다. 또한 소자가 소수성을 띄는 경우 땀, 체액 등을 흡수하지 못하고 높은 접촉각을 형성하여 신호를 감지하는 조직에서 탈착이 일어나는 문제가 발생할 수 있다. 따라서 연성 재료 기반의 헬스케어 소자들의 현실적이고 실용적인 활용을 위해서는 신체의 물성 뿐만 아니라 끊임 없이 생명 활동이 유지되는 신체의 환경을 고려한 친수성, 체액 투과성 등이 확보된 헬스케어의 소자 개발이 필요하다. 뿐만 아니라, 기존 전자 산업과 다른 개념을 갖는 soft electronics의 특성상 이들 소자의 제조를 위해서는 새로운 제작 설비가 필요하다. 그러나 아직 대중화 되지 않은 soft electronics 분야에 선뜻 제조 설비를 투자하는 것은 산업계에게 큰 위험부담을 지우는것이다. 따라서 기존 전자 산업에서 활용되는 제조 기법을 soft electronics 분야에 적용하여 진입 장벽을 낮추는 것이 soft electronics 분야의 산업화에 있어 중요한 고려사항이다. 본 학위 논문에서는 이러한 요구사항들을 고려하여 기존 제조 기법(금속 증착법, 전기 방사법)을 차용하여 soft electronics 소자를 제작하였으며 특히 헬스케어 소자들이 고려해야 하는 신체의 특성을 반영하여 변형이 가능한 연성 센서 소자를 제작하였다. 제 1장에서는 변형 가능한 연성 센서들에 대한 관련 문헌 조사를 수록하였다. 제 2장에서는 블록 공중합체 기판에 표면 구조를 형성, 이에 금속 증착법을 통해 전도성 영역을 형성하여 연신 가능한 전도체를 제작한 결과를 수록하였다. 제 3장은 전기 방사법과 금속 증착법을 통해 심장의 기계적 움직임과 전기적 신호를 동시에 측정하는 센서를 제작하였다. 특히 이 센서는 심장의 움직임을 수용하기 위한 변형성과 체내 이식을 위한 친수성, 그리고 체액의 순환을 고려한 기공 구조를 포함하여 높은 이식성과 낮은 부작용을 확보하였다. 제 4장은 전기 방사법과 금속 증착법을 통해 피부에 부착 가능한 심전도 측정 센서 제작 결과를 수록하였다. 특히 땀 분비가 지속적으로 일어나는 피부 특성과 여러 일상 생활에서 가해질 수 있는 센서의 변형, 환경 변화 등을 고려하여 여러 가지 활동에서도 지속적으로 착용이 가능한 센서를 디자인 하였다. 또한 기존의 피부를 덮는 심전도 센서에서 유발될 수 있는 피부 부작용을 제거하여 지속적으로 센서를 부착하여 끊임없는 심전도 모니터링을 할 수 있다. 제 5장은 전기 방사법으로 제작된 파이버 매트에 CNT 잉크를 코팅하여 압력에 반응하는 압력 센서를 제작하였음. CNT 잉크는 파이버 매트에 화학적으로 결합하여 여러 변형 환경에서도 센서의 성능 저하 없이 안정적으로 사용이 가능하며 여러 압력 센서 성능 지표가 우수한 결과를 보임. 기공 구조를 갖는 특성을 이용하여 외부 공기의 흐름을 감지하는 결과를 확인하였으며 추가적으로 신체의 호흡 능력을 평가할 수 있는 가능성을 확인함. 마지막으로 제6장은 본 학위논문에서 성취한 결과들을 요약 수록하였다.