[디지털비즈온 김맹근 기자] 첨단 나노(10억분의 1미터) 소재를 기반으로 한 나노 플랫폼 기술은 생물학적 시스템을 모방하고 공학적으로 디자인하여 다양한 기능을 부여할 수 있는 이상적인 모델로 인간과 기계(장치)를 연결하는 휴먼 인터페이스 분야에서 큰 주목을 받고 있다.

특히, 착용형 나노 플랫폼은 우수한 피부 적합성과 생분해성, 높은 기계적 강도와 유연성, 뛰어난 전기전자적 특성과 동작 안정성을 제공함으로써 차세대 휴먼 인터페이스 기술을 혁신적으로 발전시킬 수 있는 잠재력을 가지고 있다.

착용형 나노 플랫폼 기술 개발 동향

최근 휴먼 인터페이스 기술은 뇌-컴퓨터 인터페이스, 메타버스 그리고 햅틱 피드백 인터페이스와 같은 다양한 ICT 융복합 분야에서 폭넓게 연구되고 있다. 특히, 생체조직에 결합될 수 있는 생체 전자 장치들은 ICT와 결합된 의료 및 의공학 분야에서 큰 잠재적 응용 가능성을 보이고 있다.

나노 재료를 기반으로 한 착용형 생체 전극은 인간(인체)과 연결이 되어야 하기 때문에 높은 생체 적합성을 가져야 하며, 생체 전기 신호를 정확하게 분석하기 위해서는 우수한 전기전자적 특성을 가져야 한다.

생체 전극을 기반으로 한 착용형 나노 플랫폼은 신체 움직임에 의해 정확성 및 신뢰성이 영향을 받지 않으면서도 생체 신호를 실시간으로 모니터링할 수 있는 다기능 생체 센서로 작용할 수 있어야 한다. 혁신 나노 소재 및 공정 기술의 발전으로 인해 생체 전자 공학 분야에서 휴먼 인터페이스 기술은 최근 몇 년간 중요한 연구 관심사가 되었다.

최근에는 인간의 정보 처리를 모방하는 뉴로모픽 시스템과 휴먼 인터페이스를 결합하여 기존 컴퓨팅 시스템에 비해 에너지 면에서도 효율적이면서 우수한 성능을 확보하려는 연구가 진행되고 있다. 성균관대학교 손동희 연구 그룹은 황금거북잎벌레를 모방하여 터치 자극과 색상 감지를 실시간 처리할 수 있는 감각 뉴로모픽 시스템을 개발하였다.

전기 생리학적 신호 검출을 위한 착용형 나노 플랫폼

근전도(Electromyography: EMG) 모니터링은 근육 약화, 근육 경련, 신경 손상과 같이 근육과 신경 상태를 분석하기 위한 생체 정보를 제공한다. 대만 National University of Science and Technology의 C. W. Chiu 연구 그룹은 근전도 신호 모니터링을 위해 reduced graphene oxide(rGO) / polystyrene sulfonate ethylene(PEDOT:PSS) / polyvinylidene fluoride(PVDF) / 탄소 나노섬유 기반 생체 감지 전극을 개발하였다.

이러한 전도성 나노섬유는 전기방사 방식을 통해 합성되었으며 착용형 생체 센서를 통해 사람의 종아리와 팔로부터 근골격 근전도 고감도 신호를 장시간 연속적으로 모니터링 하는데 성공하였고, 이를 통해 인체와의 높은 생체 적합성, 자기 치유 능력 그리고 피부 접착성을 확보한 휴먼 인터페이스 기술을 선보였다.

광운대학교 하태준 연구 그룹은 사다리꼴 구조의 단일벽 탄소 나노튜브/젤라틴 전극 배열을 3D 프린팅을 포함한 저온 용액 공정을 통해 제작하였고 높은 생체 적합성의 나노 복합체 생체 전극을 직접 두피에 부착하여 머리카락의 간섭 없이도 뇌전도 신호를 감지하는데 성공하였다.