Wearable health monitoring is a promising technology that monitors various health indicators such as pulse, blood pressure, body pressure etc. with wearable sensors and provides valuable information for early diagnosis and prevention of disease for people. Conventional wearable devices are so rigid and bulky that it is difficult to wear conformally on the skin, leading uncomfortableness, and inaccuracy of data. Recently, researchers try to develop soft sensors which can be attached on skin without any restriction of human movement and deliver reliable data. Wearable pressure sensors capable of sensitive, precise, and continuous measurement of physiological and physical signals have great potential for the determination of human health status and early diagnosis of disease. Especially wearable soft pressure sensor has a lot of potential because it can detect various bio-signal and body pressure with simple sensor attachment. Liquid metal-based pressure sensor has been highlighted for its intrinsic stretchability and electromechanical stability as wearable electronic component. However, high sensitivity and reliable structure for liquid metal-based pressure sensor are still challenging obstacles to be solved.
This work introduces a 3D-printed rigid microbump-integrated liquid metal-based soft pressure sensor (MLP) for wearable health monitoring applications. Using multi-material fused deposition modeling (FDM) 3D-printed master mold, a fabrication of liquid metal microchannel and integration of microbump array above the microchannel were directly achieved. A rigid (Polylactic acid, PLA) and a water-soluble thermoplastic polymer filament (Polyvinyl alcohol, PVA) were chosen for fabrication of liquid metal microchannel and the integration of microbump. By changing the ratio between the thickness of top elastomer and that of bump ($k_t$) and the ratio between the width of microchannel and that of microbump ($k_w$), the correction factor χ that is the ratio the pressure transmitted to the microchannel and the effective mechanical modulus could be designed. The microbump integration leads to enhancing the sensitivity of pressure sensor ($0.16 kPa^{-1}$) due to locally concentrated deformation of the microchannel. Also, MLP could have a low limit of detection (~ 16 Pa), and fast response ($\tau_{80} ~ 77 ms$) with negligible signal drifting (< 0.5 %) and stable signal response under cyclic loading. In addition, MLP shows excellent robustness against 10,000 cycles of multidirectional stretching/bending, temperature change, and water immersion.
Finally, these characteristics enable a wide range of applications as demonstrated in health monitoring systems with the help of reliable packaging system. Wearable pulse monitoring system measured the pulse wave and monitored the changes in the pulse rate during exercise. Also, a cuff-less blood pressure estimation system was developed using pulse transit time (PTT). Through wireless and wearable body pressure monitoring system, it was confirmed that pressure is applied to each body part differently according to various lying postures and floor conditions. In addition, through the development of performance and design of the system for practical use in hospitals, wireless and wearable bedsore prevention system was developed and pre-clinical test of 6-hour monitoring was conducted. The pressure and temperature values were recorded continuously and their changes with respect to the changes of lying postures could be monitored. It is expected that the proposed sensor and health monitoring systems can monitor blood pressure and body pressure in real-time for the prevention of cardiovascular-based diseases and pressure-based skin diseases such as bedsores in the future.
웨어러블 헬스 모니터링은 신체에 부착할 수 있는 다양한 센서를 통해 지속적으로 생체 건강 정보를 파악하여 건강을 유지하는데 활용되어 그 발전 가능성이 매우 큰 분야로 평가받고 있다. 상업적으로 활용되고 있는 웨어러블 디바이스는 단단하고 부피가 커 피부에 밀착되어 활용되기 어려운 한계가 있기 때문에 최근 굽힐 수 있고 늘어날 수 있는 형태의 유연 센서가 개발되고 있다. 특히 유연 압력 센서는 신체에 부착되어 신체에서 발생하는 압력과 외부와 접촉하여 발생하는 생체 신호를 연속적으로 측정하여 사람의 건강 상태를 확인하거나 질병을 진단할 수 있어 높은 발전 가능성을 지니고 있다. 그중 액체 금속 기반 유연 압력 센서는 액체 금속의 매우 잘 늘어날 수 있고 전기기계적 성질이 매우 안정적이기 때문에 큰 발전 가능성을 지니고 있어 많은 연구가 진행되고 있지만 현재 개발된 압력 센서는 감도와 안정성이 낮은 한계점이 있다.
본 연구에서는 액체 금속 마이크로 채널과 3D 프린트된 단단한 마이크로 범프의 집적을 통해 기존 액체 금속 기반 압력 센서의 낮은 민감도를 향상시키면서 동시에 안정적인 성능을 지니고 있는 유연 압력 센서를 개발을 목표로 한다. 다중물질 3D 프린팅 기술을 통해 마이크로 채널 몰드가 되는 수용성의 Polyvinyl alcohol(PVA)과 단단한 Polylactic acid(PLA)의 마이크로 범프 복합 구조를 활용하여 마이크로 범프와 마이크로 채널의 집적을 한번의 공정으로 제작하는 방법을 개발하였다. 탄성 중합체 윗면의 두께와 마이크로 범프의 높이 비($k_t$)와 마이크로 채널 폭과 마이크로 범프 폭의 비($k_w$) 조절을 통해 마이크로 채널에 전달되는 압력의 비율 correction factor χ를 증가시키고, effective mechanical modulus를 감소하는 효과를 통해 압력 센서의 감도를 조절할 수 있었다. 이를 통해 압력 감지 부의 설계된 마이크로 범프 집적 구조를 통해 마이크로 채널의 부분적으로 집중된 변형을 유도하여 압력에 대한 민감도 ($0.16 kPa^{-1}$)를 크게 향상시킬 수 있었고 이를 통해 16 Pa의 낮은 검출한계(limit of detection), 77 ms의 짧은 응답시간($\tau_{80}$)을 갖는 센서를 구현할 수 있었다. 동시에 액체 금속을 활용함으로써 10,000회의 반복 압력 실험에 대해 매우 작은 drifting (< 0.5 %) 및 안정적인 신호를 보였고, 여러 방향에 대한 인장, 굽힘, 그리고 온도, 습도 등의 다양한 물리적/환경적 요인 대해서도 매우 안정적인 신호 회복 특성을 보여 웨어러블 헬스 모니터링 디바이스로의 활용 가능성을 확인할 수 있었다.
이를 통해 본 연구에서는 웨어러블 헬스 모니터링 어플리케이션으로 웨어러블 맥박 및 혈압 모니터링 시스템과 무선 통신 기반 웨어러블 신체 압력 모니터링 시스템을 구현하였다. 손목에 부착된 압력 센서를 통해 맥박을 측정하고 운동 중 나타나는 맥박의 변화를 모니터링 할 수 있었고, Pulse transit time (PTT) 측정을 통해 Cuff-less 혈압 예측 시스템을 제작할 수 있었다. 웨어러블 신체 압력 모니터링 시스템을 통해, 압력 센서를 다양한 부위에 부착하여 누워있는 다양한 자세 및 바닥 상태에 따라 신체 부위 별로 다르게 압력이 가해지는 것을 확인할 수 있었다. 또한 실제 병원에서의 활용을 위한 다양한 기능 및 디자인 설계를 통해 무선 통신기반 웨어러블 욕창 예방 모니터링 시스템으로 개발을 진행하여 6시간 장시간 연속 모니터링과 다양한 자세에 따른 압력 변화 모니터링이 가능함을 확인하였다. 본 연구에서 제안하는 센서 및 이를 활용한 시스템을 통해 실시간으로 혈압 및 신체 압력을 모니터링하여 심혈관 기반 질병 및 욕창과 같은 압력에 기반한 피부 질병을 예방할 수 있는 웨어러블 헬스 모니터링 시스템으로 발전할 수 있을 것으로 기대된다.
