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캠브리지大, ‘비말 양 측정 섬유센서’ 개발

3D 프린팅 적용해 섬유 센서 부착… 호흡, 소리, 생물학적 세포 감지

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TIN뉴스
기사입력 2020-10-06

 

고감도, 저비용으로

비접촉식, 웨어러블, 휴대용 호흡 센서 활용 가능

  

코로나19 바이러스는 감염된 사람의 폐에서 배출되는 물방울을 통해 퍼지기 때문에 사람의 호흡기에서 외부로 배출되는 수분 방출이 어떤 영향을 주는지 측정하는 것은 더 나은 보호 장비를 개발하는데 중요한 도움을 줄 수 있다.

 

특히 숨을 고르는 것에서부터 생물학적 세포의 움직임을 안내하는 것까지, 작고 투명한 전도성 섬유(conducting fiber)를 3D 프린팅하면 ‘냄새를 맡고, 소리를 듣고, 만질 수 있는’ 장치를 만드는 데 사용할 수 있어 건강 모니터링, 사물 인터넷 및 생체 감지 응용 프로그램에 특히 유용할 수 있다.

 

미국 국제전기전자기술자협회(IEEE)가 발간하는 공학 및 응용과학 전문지 IEEE스펙트럼에 따르면 캠브리지 대학의 연구진들이 적층 제조라고도 알려진 3D 프린팅 기술을 사용하여 사람의 머리카락보다 100배 더 얇은 전자 섬유를 만들어 기존의 필름 기반 장치의 기능을 뛰어 넘는 센서를 만드는데 성공했다.

 

사이언스 어드밴스(Science Advances) 저널에도 실린 이 섬유 프린팅 기술은 비접촉식, 웨어러블, 휴대용 호흡 센서를 만드는 데 사용될 수 있다. 또한 섬유 센서는 고감도, 저비용으로 휴대폰에 부착해 호흡 패턴 정보와 음향, 이미지를 동시에 수집할 수 있다.

 

연구진들은 마스크의 바깥쪽에 섬유 센서를 부착하고 컴퓨터에 유선 연결한 후 마스크를 통해 누출되는 호흡 습기의 양을 테스트했는데 특히 호흡 부족을 재현하는 빠른 호흡 모니터링에서 기존의 플래너 칩 기반의 상업용 센서보다 훨씬 뛰어난 성능을 확인했다.

 

제1저자인 케임브리지 공대 박사과정 학생 앤디 왕(Andy Wang)은 이 섬유 센서를 사용하여 정상적인 호흡, 빠른 호흡 및 모의 기침과 같은 호흡 조건에서 마스크를 통해 누출되는 호흡 수분의 양을 조사했다.

 

섬유 센서는 바이러스 입자를 감지하도록 설계되지 않았지만, 과학적 증거는 코로나 바이러스와 같은 바이러스 입자가 호흡기 비말과 에어로졸을 통해 전파될 수 있다는 사실을 점점 더 지적하기 때문에 다양한 유형을 통해 누출되는 호흡 수분의 양과 방향 측정이 가능한 마스크는 방지 취약점에서 지표 역할을 할 수 있다.

 

앤디 왕은 “호흡에서 나오는 수분이 상업용 센서에서 사라지기까지는 오랜 시간이 걸린다”며 “이렇게 되면 빠른 호흡의 상승과 하락을 정확하게 포착할 수 있는 능력이 줄어든다”면서 “이번에 개발된 섬유는 표면적 대 부피 비율이 높은 극도로 얇고 공기 중에 매달려 있어 호흡에서 나오는 배기가스가 달라붙게 하고 또한 매우 빨리 소멸된다”고 말했다.

 

연구진은 시연에서 기침 중에는 직물이나 수술용 마스크의 경우 호흡기 수분과 물방울 누출이 대부분 앞쪽에서 나오는 반면, N95 마스크의 경우 누출이 대부분 피팅이 촘촘한 윗면과 옆면 같은 가장자리 주변에서 발생하는 것으로 파악했다.

 

그럼에도 불구하고 두 종류의 안면 마스크는 적절하게 착용하면 내쉬는 호흡의 흐름을 약화시키는 데 도움이 된다. 아울러 이러한 종류의 정보는 유행병이나 병원에서 사용하기 위한 마스크를 참조하거나 디자인하는데도 유용할 수 있다.

 

이번 연구를 주도한 케임브리지 공학과 쉐리 황(Shery Huang) 박사는 “소형 전도성 섬유로 만든 센서는 기존의 박막 기술에 비해 유체 및 가스의 부피 감지에 특히 유용하지만, 지금까지 프린팅과 기기 내장, 규모에 맞는 제조에 어려움을 겪어 왔다”고 말했다.

 

 ‘인플라이트 섬유 프린팅(inflight fiber printing)’ 기술로 제작된 섬유 센서 확대 모습 © TIN뉴스

 

연구진들은 은 및 또는 반도체용 폴리머로 만들어진 합성섬유를 3D 프린팅했는데 ‘인플라이트 섬유 프린팅(inflight fiber printing)’이라고 불리는 이 섬유 프린팅 기술은 일반적인 전기선의 구조와 유사하지만 직경이 몇 마이크로미터인 얇은 보호 폴리머 피복으로 감싼 고순도 전도성 섬유 코어를 사용하여 코어-쉘 섬유 구조를 생성한다.

 

이 기술을 활용해 전도 섬유 다발을 모니터링 회로에 연결하는 것과 관련된 어려움을 극복할 수 있었는데 첫째, 그들은 섬유를 전도성 물질로 만들어지고 보호 피복으로 포장된 복합 구조물로 설계했다. 둘째로, 그들은 어떻게 접점이 형성되는지 그리고 섬유들이 어떻게 인쇄되는지에 대한 제어의 수준을 높이기 위해 프린팅 시스템을 최적화했다.

 

특히 전도성 섬유는 지름이 3마이크로미터 미만으로 측정되며, 별도의 가공 없이 공기 중이나 표면에 매달려 있을 때 제작할 수 있으며, 가벼운 가열로 주변 대기에서 제작할 수 있어 그 결과 변화에 대응하는 속도가 훨씬 빠르다.

 

이를 통해 호흡 센서 외에도 프린팅 기술을 사용하여 생물학적 세포와 유사한 차원의 생체적합성 섬유를 만들 수 있어 세포의 움직임을 유도하고 이러한 동적 프로세스를 전기적 신호로 감지할 수 있다. 또한 섬유는 너무 작아서 육안으로는 보이지 않기 때문에 3D로 작은 전자소자를 연결하는데 사용하면 전자 장치가 공중에서 떠다니는 것처럼 보일 수 있다.

 

쉐리 황 박사는 “우리의 섬유 센서는 가볍고 저렴하며 작고 사용하기 쉽기 때문에 일반 대중이 자가 관리 테스트를 수행하여 환경에 대한 정보를 얻을 수 있도록 잠재적으로 가정용 테스트 장치로 전환될 수 있다”고 말했다.

 

연구진은 모바일 상태 모니터링 또는 바이오 머신 인터페이스 애플리케이션을 위해 여러 생물학적 마커를 동시에 모니터링 할 수 있도록 다수의 다기능 센서를 대상으로 이 섬유 프린팅 기술을 적용할 계획이라고 밝혔다.

 

또 코로나19에 맞서기 위한 더 나은 개인 보호 장비를 개발하는 즉시 적용하는 것 외에도 스포츠 응용 프로그램에 사용되는 섬유를 개발하여 운동선수의 호흡 속도와 성능을 모니터링하고 싶다고 전했다.

 

쉐리 황 박사는 “이러한 테스트는 일반적으로 간접적으로 혈액 내 산소 비율을 측정하거나 선수가 얼굴에 마스크를 착용하도록 하는 방식으로 실시된다”며 “이 섬유 기반 센서는 안경에 배치돼 기존의 방법보다 더 정확한 판독 값을 얻을 수 있을 것”이라며 “이것은 호흡수를 측정하는 매우 민감한 휴대용 방법”이라고 설명했다. 

 

김상현 기자 tinnews@tinnews.co.kr

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