유연한 압력 및 온도 이중

Dec 21, 2023

Scientific Reports 12권, 기사 번호: 17434(2022) 이 기사 인용

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측정항목 세부정보

호흡 상태는 인간의 건강과 밀접한 관련이 있는 필수 생리학적 지표입니다. 호흡 패턴 인식을 위한 웨어러블 플렉서블 호흡 센서는 개인의 의료 진단, 건강 모니터링 등을 위한 생리적 신호 세부 정보를 제공할 수 있다는 점에서 많은 주목을 받고 있습니다. 그러나 현재 단일 모드 감지를 사용하는 플렉서블 호흡 센서 기반 스마트 마스크는 상대적으로 작은 양만을 감지할 수 있습니다. 특히 입호흡과 코호흡을 정확하게 구별하는 능력이 부족합니다. 이에, 최대 8가지 인간의 호흡 패턴을 인식할 수 있는 듀얼 센싱 모드 호흡 센서가 탑재된 스마트 마스크를 제작하였다. 호흡 센서는 새로운 3차원(3D) 버클링 탄소 나노섬유 매트를 활성 물질로 사용하여 압력과 온도 감지 기능을 동시에 구현합니다. 센서의 압력 모델은 호흡 기류에 의해 생성된 압력을 정밀하게 감지할 수 있는 높은 감도를 나타내며, 온도 모델은 호흡으로 인한 비접촉 온도 변화를 구현할 수 있습니다. 실시간 인식 기능과 입 호흡과 코 호흡을 정확하게 구별하는 기능을 활용하여 입 호흡 증후군의 발병을 모니터링하기 위해 안면 마스크가 더욱 개발되었습니다. 이중 감지 모드 센서는 건강 모니터링에 큰 응용 가능성을 가지고 있습니다.

코로나바이러스 질병 2019(COVID-19)의 급속한 전 세계 확산을 완화하기 위해 많은 노력이 기울여졌지만 백신은 빠르게 변이하는 새로운 코로나바이러스의 확산을 억제하기에는 부족합니다1,2. 공공장소에서 마스크를 착용하는 것은 세계보건기구(WHO)에서 권장했으며, 대부분의 국가에서 질병 확산을 방지하고 코로나19 팬데믹 상황에서 개인의 건강을 보호하기 위해 널리 시행하고 있습니다. 그러나 마스크를 장기간 착용하면 부작용이 발생할 수 있습니다. 천식 환자나 어린이의 경우 호흡 곤란이나 급성 호흡기 질환은 눈에 띄지 않습니다. 심각한 호흡 문제는 비정상적인 입 호흡을 유발할 수 있으며 심지어 제때에 경보를 울리는 데 필요한 호흡 부전을 일으킬 수도 있습니다. 따라서 휴대용 웨어러블 기기를 기반으로 한 일일 호흡 모니터링은 어린이나 호흡기 문제가 있는 환자의 비정상적인 호흡 상태를 조기에 경고하는 데 큰 의미가 있습니다. 호흡은 개인의 건강 성과를 임상적으로 평가하는 데 중요한 역할을 하는 필수 생리학적 지표입니다3,4. 일반적으로 코호흡이 어려울 때에는 공기 섭취를 늘리기 위해 입으로 숨을 쉬는 경향이 있습니다. 천식이 있는 어린이는 입으로 숨을 쉴 가능성이 더 높습니다5. 습관적이거나 장기적으로 입으로 호흡하는 경향은 아이의 턱 발달, 두개골 모양, 치아 교합에 부정적인 영향을 미칠 뿐만 아니라 수면 무호흡증과도 연관됩니다. 구강 호흡 증후군의 발병을 예방하기 위해 이 집단의 조기 다학제적 진단을 위해서는 호흡에 대한 실시간 모니터링이 필요합니다5,6. 마스크로 인해 호흡 저항이 증가하면 이 문제가 악화될 수 있습니다. 더욱이, 입 호흡과 천식 사이의 중요한 연관성을 시사하는 많은 결과가 있습니다7. 따라서 일상생활에서 사용자의 호흡상태를 지속적으로 모니터링하고, 특히 코와 입 호흡을 정확하게 인식함으로써 개인 건강관리 모니터링, 급성 호흡기 질환의 조기경보, 의학적 진단 등의 기회를 제공할 수 있다.

유연한 호흡 센서를 기반으로 한 스마트 마스크는 지속적인 호흡 모니터링과 전염병 예방을 실현하는 중요한 방법입니다. 현재 많은 연구에서는 습도, 압력 또는 온도 센서와 같은 호흡 모니터링을 실현하기 위해 다양한 감지 메커니즘을 기반으로 하는 유연한 센서를 제안했습니다8,9,10,11,12,13. 아주 최근에는 Someya et al. 호흡 모니터링13을 실현하기 위해 초박형, 초경량 정전압 센서를 통합한 스마트 페이스 마스크를 설계했습니다. Daoet al. 유연한 CNT 원사를 핫와이어로 사용하여 실시간 인간 호흡을 위한 웨어러블 열 흐름 센서를 시연했습니다8. Peng 등은 실시간 호흡 모니터링 및 폐쇄성 수면 무호흡증-저호흡 증후군 진단을 위한 마찰전기 나노발전기를 기반으로 한 자가 동력 전자 피부(e-skin)를 보고했습니다14. 또한 흡입 및 호기 가스의 수분량 변화를 감지하여 호흡을 모니터링하기 위해 많은 습도 센서가 제작되었습니다. 그러나 단일 모드 감지를 기반으로 하는 이러한 호흡 센서는 상대적으로 적은 수의 호흡 패턴만 모니터링할 수 있으며, 특히 입 호흡과 코 호흡을 구별하는 능력이 부족합니다. 단일 감지 기능은 다양한 호흡 패턴 모니터링에 대한 증가하는 요구를 충족할 수 없습니다. 단일 모드 감지 센서는 입과 코 호흡의 간섭으로 인해 한계가 있습니다. 예를 들어, 코심호흡과 입호흡의 흐름세기가 같은 범위에 있을 때, 같은 주파수 아래에 있기 때문에 구별하기가 어렵습니다. 단일 모드 센서 장치에서 다양한 호흡 상태를 감지하는 것은 대략적으로 실현될 수 있지만 신호 결합 및 상호 간섭은 측정 정확도를 감소시키고 작업 조건이 변경될 때 교정이 필요합니다. 또한 이러한 기존 이중 모드 센서는 호흡 공기 흐름19,20,21,22,23,24으로 인한 다양한 물리적 자극을 동시에 모니터링할 만큼 민감하지 않습니다. 다양한 감지 모델 구조를 구축하여 인체의 여러 생체 신호를 동시에 모니터링할 수 있는 다중 감지 기능을 갖춘 일종의 감지 소재가 바람직합니다.