이 장치는 부피가 큰 칩이나 배터리 없이 맥박, 땀, 자외선 노출과 관련된 신 호를 감지하고 무선으로 전송합니다.

웨어러블 센서는 추가 분석을 위해 사람의 포도당 농도, 혈압, 심박수 및 활동 수준을 센서에서 스마트폰으로 원활하게 전송할 수 있는 무선 기술 덕분에 어디에나 있습니다.

오늘날 대부분의 무선 센서는 자체적으로 소형 배터리로 구동되는 내장형 Bluetooth 칩을 통해 통신합니다. 그러나 이러한 기존 칩과 전원은 더 작고, 더 얇고, 더 유연한 형태를 취하는 차세대 센서에는 너무 부피가 클 것입니다.

이제 MIT 엔지니어들은 온보드 칩이나 배터리 없이 무선으로 통신하는 새로운 종류의 웨어러블 센서를 고안했습니다. 저널에 오늘 자세히 설명된 그들의 디자인 과학칩이 없는 무선 센서를 향한 길을 엽니다.

팀의 센서 디자인은 전자 피부 또는 “e-skin”의 한 형태입니다. 전자 스카치 테이프처럼 피부에 맞는 유연한 반도체 필름입니다. 센서의 핵심은 압전 특성으로 알려진 재료인 질화갈륨의 초박형 고품질 필름으로, 이는 기계적 변형에 반응하여 전기 신호를 생성하고 전기 충격에 반응하여 기계적으로 진동할 수 있음을 의미합니다. .

연구원들은 질화갈륨의 양방향 압전 특성을 활용하고 감지 및 무선 통신에 동시에 재료를 사용할 수 있음을 발견했습니다.

새로운 연구에서 팀은 순수한 단결정 질화갈륨 샘플을 생성했으며, 이를 금 전도층과 쌍을 이루어 들어오거나 나가는 전기 신호를 증폭했습니다. 그들은 그 장치가 사람의 심장 박동과 땀에 포함된 염분에 반응하여 진동할 만큼 충분히 민감하고 물질의 진동이 근처 수신기에서 읽을 수 있는 전기 신호를 생성한다는 것을 보여주었습니다. 이러한 방식으로 장치는 칩이나 배터리 없이도 감지 정보를 무선으로 전송할 수 있었습니다.

이 연구의 교신저자인 기계공학과 재료공학과 부교수인 김지환 교수는 “칩에는 많은 전력이 필요하지만 우리 장치는 전력을 많이 소비하는 칩 없이 시스템을 매우 가볍게 만들 수 있다”고 말했다. 전자 연구 연구소의 수석 연구원입니다.

“붕대처럼 몸에 붙이고 휴대폰의 무선 리더와 페어링하면 맥박, 땀 및 기타 생체 신호를 무선으로 모니터링할 수 있습니다.”

Kim의 공동 저자로는 제1저자이자 전 MIT 박사후 연구원인 김영인(현재는 신시내티 대학교 조교수); 현재 작업에 동기를 부여한 한국 화장품 회사 AMOREPACIFIC의 공동 교신 저자 한지연; MIT의 Kim Research Group 회원; 버지니아 대학교, 세인트루이스에 있는 워싱턴 대학교, 그리고 한국 전역의 여러 기관의 다른 협력자들.

순수한 공명

김지환의 그룹은 이전에 원격 에피택시(remote epitaxy)라고 불리는 기술을 개발하여 그래핀으로 코팅된 웨이퍼에서 초박형 고품질 반도체를 빠르게 성장시키고 벗겨내는 데 사용했습니다. 이 기술을 사용하여 다양하고 유연한 다기능 전자 필름을 제작하고 탐구했습니다.

그들의 새로운 연구에서 엔지니어들은 결함이 없는 순수한 형태의 매우 민감한 압전 재료인 질화갈륨의 초박형 단결정 필름을 벗겨내기 위해 동일한 기술을 사용했습니다.

팀은 본질적으로 필름 전체의 진동인 표면 탄성파의 센서 및 무선 커뮤니케이터로 질화갈륨의 순수한 필름을 사용하려고 했습니다. 이러한 파동의 패턴은 사람의 심박수를 나타낼 수 있으며, 더 미묘하게는 땀에 함유된 염분과 같은 특정 화합물이 피부에 존재함을 나타낼 수 있습니다.

연구원들은 피부에 부착된 질화갈륨 기반 센서가 고유한 고유한 “공진” 진동 또는 주파수를 가지며, 압전 재료가 동시에 전기 신호로 변환할 수 있는 주파수를 무선 수신기가 등록할 수 있다고 가정했습니다. 가속된 심박수와 같은 피부 상태의 변화는 센서의 기계적 진동과 센서가 자동으로 수신기로 전송하는 전기 신호에 영향을 미칩니다.

김영인은 “맥박이나 땀에 있는 화학물질, 피부에 자외선 노출 등의 변화가 있다면 이 모든 활동이 질화갈륨막의 탄성표면파 패턴을 변화시킬 수 있다”고 말했다. “그리고 우리 필름의 감도가 너무 높아서 이러한 변화를 감지할 수 있습니다.”

파 전송

그들의 아이디어를 테스트하기 위해 연구원들은 순수한 고품질 질화갈륨 박막을 생성하고 전기 신호를 증폭하기 위해 금 층과 쌍을 이룹니다. 그들은 반복되는 덤벨 패턴으로 금을 증착했습니다. 일반적으로 단단한 금속에 약간의 유연성을 부여하는 격자 모양의 구성입니다. 그들이 전자 피부의 표본으로 간주하는 질화갈륨과 금은 두께가 250나노미터에 불과하며 이는 사람 머리카락 너비의 약 100배에 해당합니다.

그들은 새로운 전자 피부를 자원 봉사자의 손목과 목에 놓고 근처에 있는 간단한 안테나를 사용하여 센서 자체에 물리적으로 접촉하지 않고 장치의 주파수를 무선으로 등록했습니다. 이 장치는 심박수와 관련된 지원자의 피부에 대한 질화갈륨의 표면 음향파의 변화를 감지하고 무선으로 전송할 수 있었습니다.

팀은 또한 장치를 얇은 이온 감지 막과 짝지었습니다. 대상 이온과 이 경우 나트륨을 선택적으로 끌어당기는 물질입니다. 이 향상으로 장치는 자원 봉사자가 열 패드를 잡고 땀을 흘리기 시작할 때 변화하는 나트륨 수치를 감지하고 무선으로 전송할 수 있습니다.

연구원들은 그들의 결과를 칩이 없는 무선 센서를 향한 첫 번째 단계로 보고 현재 장치가 다른 중요한 바이오마커를 모니터링하기 위해 다른 선택적 멤브레인과 짝을 이룰 수 있다고 생각합니다.

공동 저자이자 MIT 박사후 연구원인 서준민은 “나트륨 감지를 보여주었지만 감지막을 바꾸면 포도당이나 코르티솔과 같은 스트레스 수준과 관련된 표적 바이오마커를 감지할 수 있다”고 말했다. “매우 다재다능한 플랫폼입니다.”

본 연구는 아모레퍼시픽의 지원을 받았습니다.

출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2022/08/220818141821.htm