[논문]무기유연전자소자를 이용한 바이오메디컬 디바이스

김대형; 최창순

무기유연전자소자를 이용한 바이오메디컬 디바이스 원문보기

인포메이션 디스플레이 = Information display, v.14 no.4, 2013년, pp.45 - 52

김대형 (서울대학교 공과대학 화학생물공학부) , 최창순 (서울대학교 공과대학 화학생물공학부)

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AI 본문요약
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문제 정의

이러한 유연디바이스들은 신체 내부 장기와 피부에 적용되어 다양한 기능을 수행하였고 실제 환자의 건강상태를 모니터링하는 데 있어 매우 중요하다. 또한 이러한 유연전자소자의 바이오메디컬 소자로서의 응용 가능성 및 향후 예상되는 동향에 대해 논의해 볼 것이다.
이 글을 통하여 의학적, 연구적 응용을 포함한 단결정 무기물질을 활용한 고성능 유연전자소자를 적용한 바이오메디컬 분야의 몇 가지 연구동향에 대해 살펴보았다. 이 연구는 기존의 딱딱한 웨이퍼 기반 전자소자에서는 할 수 없었던, 부드럽고 곡면 형태의 조직에 적합하며, 인체에 삽입할 수 있거나 비침습적인 유연전자소자를 이용하여 신체에서 다양한 생체 신호 계측을 하고 이를 바탕으로 치료를 하는 시스템을 포함한다.

제안 방법

[26] 실리콘 나노멤브레인을 기반으로 개별적인 증폭장치를 가진 멀티플렉싱 고밀도 전극을 구현함으로써 높은 공간적, 시간적 해상도로 측정할 수 있는 디바이스를 구현하였다. 휘어지는 멀티플렉싱 맵핑 디바이스는 투과하는 핀이나 접착제 없이 표면장력만으로 심장 근육에 붙어있을 수 있다(그림 3a).
^[46]실제로 3~6개월 이내에 50% 이상의 신호 감소를 경험할 수 있다. 다른 대안으로 제시된 개념은 작은 네모 형태로 잘라진 실리콘 칩을 플라스틱 기판 위에 멀티플렉싱 전기회로로 구성하였다.^[47]하지만 이 아이디 어는 일부에서는 효과적일 수 있지만, 여전히 딱딱한 실리콘 칩을 사용하기 때문에 국부적으로만 유연하고 전체적으로는 여전히 잘 휘어지지 않아 완벽한 전면 컨택을 시킬 수 없다는 단점을 지니고 있다.
따라서 하나의 카테터 위에 접촉 센서, 여러 개의 전극 어레이가 있는 다기능성 벌룬 카테터를 개발하였다.^[23]디바이스의 모습은 그림 2에서 확인할 수 있다.
이 글을 통하여 의학적, 연구적 응용을 포함한 단결정 무기물질을 활용한 고성능 유연전자소자를 적용한 바이오메디컬 분야의 몇 가지 연구동향에 대해 살펴보았다. 이 연구는 기존의 딱딱한 웨이퍼 기반 전자소자에서는 할 수 없었던, 부드럽고 곡면 형태의 조직에 적합하며, 인체에 삽입할 수 있거나 비침습적인 유연전자소자를 이용하여 신체에서 다양한 생체 신호 계측을 하고 이를 바탕으로 치료를 하는 시스템을 포함한다. 비록 지금까지의 기술은 다양한 물리적 상호작용을 이용했지만, 앞으로는 새로운 개념의 센서, 마이크로전기역학적, 미세유체적 요소를 유연하고 늘어날 수 있는 형태에 적용한 바이오케미컬 디바이스가 연구될 것이라고 예상된다.
또한 늘어날 수 있는 µ-iLED(inorganic LED)와 온도 센서도 포함한다(그림 2c). 이러한 디바이스는 동물실험을 통하여 그 성능이 검증되었는데, 실제로 심전도 센서를 이용하여 살아있는 돼지에서 팽창된 벌룬을 심장막에 접촉시켜 심전도를 측정하였고 이를 바탕으로 심장 근육에 알에프 에너지를 가하여 어블레이션 치료를 진행하였다(그림 2d,e). 특히 심전도를 측정하는 것은 다른 진단 기구 없이도 어블레이션이 잘 되었는지 빠르게 알 수 있기 때문에 벌룬 어블레이션 카테터에서 유용하다.
부정맥, 심근경색, 심혈관 질환 등 대부분의 심장 질환에 있어 심장의 전기신호(심전도)를 측정하는 것은 매우 중요하다. 이를 위하여 현재 병원에서 주로 사용되는 상용화된 전극의 경우 하나의 채널로 구성된 전극만 있는 디바이스를 이용하여 각 지점마다 일일이 전기신호를 측정해야 했다. 하지만 RF 어블레이션(ablation)과 같은 치료과정에서는 동시에 여러 지점에서 전기 신호를 측정하여 심장 표면을 맵핑(mapping)하여 비정상적인 심전도를 발생시키는 포인트를 찾아내는 것이 매우 중요하다.

성능/효과

또한 다른 접착제나 전도성 젤을 사용하지 않기 때문에 장기적으로 사용할 수도 있다. 이마에 붙인 EES로 EEG 측정하여 알파 리듬을 확인할 수 있었으며, 퓨리에 변환을 통해 10Hz 부근에서 알파리듬의 특별한 패턴을 보이는 것을 확인할 수 있었다(그림 4c). 이러한 패턴의 차이는 눈을 감고 있는 기간과 뜨고 있는 기간에 대응되며, 10초와 14초에도 눈을 뜨는 신호와 깜박이는 신호에 대응되는 신호를 확인하였다.
(그림 4a). 전자소자의 디자인 개선을 통하여 시스템 모듈러스(system modulus)가 피부와 같은 150kPa 이하가 되게 하여, 실제로 피부에 붙인 후 콘포컬 현미경을 이용하여 단면을 관찰한 결과 EES가 거친 표면을 가지는 피부 위에서 반데르발스 힘에 의해 콘포멀 컨택을 하는 것을 확인할 수 있었다(그림 4b). 또한 다른 접착제나 전도성 젤을 사용하지 않기 때문에 장기적으로 사용할 수도 있다.

후속연구

비록 지금까지의 기술은 다양한 물리적 상호작용을 이용했지만, 앞으로는 새로운 개념의 센서, 마이크로전기역학적, 미세유체적 요소를 유연하고 늘어날 수 있는 형태에 적용한 바이오케미컬 디바이스가 연구될 것이라고 예상된다. 또한 재료와 디바이스 분야에서의 혁신적인 아이디어와 생물/비생물 인터페이스에 대한 기초적인 이해가 요구될 것이다. 역학적, 열적, 화학적 에너지를 수집하거나 무선통신을 이용한 에너지 공급 시스템에 대한 연구도 진행될 것이다.
이 연구는 기존의 딱딱한 웨이퍼 기반 전자소자에서는 할 수 없었던, 부드럽고 곡면 형태의 조직에 적합하며, 인체에 삽입할 수 있거나 비침습적인 유연전자소자를 이용하여 신체에서 다양한 생체 신호 계측을 하고 이를 바탕으로 치료를 하는 시스템을 포함한다. 비록 지금까지의 기술은 다양한 물리적 상호작용을 이용했지만, 앞으로는 새로운 개념의 센서, 마이크로전기역학적, 미세유체적 요소를 유연하고 늘어날 수 있는 형태에 적용한 바이오케미컬 디바이스가 연구될 것이라고 예상된다. 또한 재료와 디바이스 분야에서의 혁신적인 아이디어와 생물/비생물 인터페이스에 대한 기초적인 이해가 요구될 것이다.
또한 재료와 디바이스 분야에서의 혁신적인 아이디어와 생물/비생물 인터페이스에 대한 기초적인 이해가 요구될 것이다. 역학적, 열적, 화학적 에너지를 수집하거나 무선통신을 이용한 에너지 공급 시스템에 대한 연구도 진행될 것이다. 이러한 연구들로 인해 기초과학에 대한 연구와 인류 건강 증진을 위한 연구가 향후 몇 년간 많이 진행될 것으로 예상된다.
역학적, 열적, 화학적 에너지를 수집하거나 무선통신을 이용한 에너지 공급 시스템에 대한 연구도 진행될 것이다. 이러한 연구들로 인해 기초과학에 대한 연구와 인류 건강 증진을 위한 연구가 향후 몇 년간 많이 진행될 것으로 예상된다.
이번 기고지에서는 위의 아이디어들을 이용하여 다양한 인체삽입형, 혹은 인체부착형 유연전자소자에 대한 적용 예들을 소개할 것이다. 즉, 뇌 수술을 위한 진단기구, 인간-컴퓨터 제어 시스템을 위한 인터페이스^[24,28], 피부를 기반으로 한 생리현상 모니터링^[25], 심장 질환 치료를 목적으로 풍선 카테터(balloon catheter)에 적용한 연구^[23]를 소개할 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	전자소자를 몸 안에 이식하는 것에 대한 어려움은 무엇인가?	전자소자를 몸 안에 이식하는 것은 여러 가지로 어려 움이 따른다. 유연하고 부드러운 신체 장기에 붙여지기 위한 기계적 특성을 고려해야 할 뿐 아니라 전기적인 누설 전류는 심장과 뇌에 치명적인 손상을 줄 수 있다. 이러한 문제점들을 해결하기 위한 핵심기술은 두 가지로 요약된 다.
	단결정 무기물질을 이용한 고성능 전자소자의 특징은 무엇인가?	실제로 실생활에 응용되는 대부분의 전자기기는 실리콘이라는 단결정 무기물질을 기반으로 제작된 반도체 소자를 포함하고 있다. 하지만 이러한 오늘날 많이 사용되는 단결정 무기물질 (예를 들어 실리콘, 갈륨비소)을 이용한 고성능 전자소자는 기본적으로 딱딱하며, 평면 형태인데 반하여[1-6] 신체는 부드럽 고, 곡면 형태를 가진다. 따라서 보다 인간 친화적인 전자 기기를 개발하기 위해서는 이러한 기계적 성질의 차이점을 해결해야 한다.
	전자 소자와 신체의 기계적 특성의 차이를 해결하기 위하여 어떤 연구가 진행되고 있는가?	위와 같은 문제점을 해결하기 위한 방법으로 유연한 기계적 특성을 갖는 전자소자의 개발에 대한 요구가 증대되었고 대표적으로 유기전자재료의 사용이 고려되어 왔으며, 디스플레이[10-12], 태양전지[13-15], 전자회로 등 다른 종류의 전자소자[16-18]에 적용될 수 있는 가능성 때문에 많은 연구가 진행되고 있다. 그러나 단분자 혹은 고분자 유기물질을 반도체 물질로 사용하는 많은 유기전 자소자는 비록 휘어질 수 있고 곡면에 적용될 수 있다고 할지라도 유기물의 낮은 전자이동도 및 산소, 물 등에 취약한 특성으로 인하여 신체 내의 뇌나 심장 등의 장기 위에서 고성능으로 안정적으로 작동하는 전자소자를 만들기 힘들다.

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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