Research area

LMI investigates interfaces between dissimilar materials at nano to macro-scale. We develop experimental and computational approaches towards understanding the fundamentals of the interfaces - physical and chemical properties of interfaces, interface formation mechanisms, and changes in mechanical / functional status of materials systems by forming interfaces. Our insights are the basis for designing newly engineered materials and advanced engineering systems.

LMI's current research efforts are focused on exploring broad areas of current and promising wearable systems including energy harvesting/storage, sensors/actuators, and integrated circuits and devices that consist of enormous ranges of dissimilar materials interfaces systems. The applications of the wearable technology could include continuously monitor diseases and particular chemicals such as glucose in blood; track physical and environment conditions for workers and athletes; and even improve surveillance and gaming.

Deformable Displays
 
Stretchable OLED
SOLED1.png
SOLED2.png
SOLED3.png
SOLED4.png

 스트레처블 디스플레이는 플렉서블, 폴더블 디스플레이의 뒤를 잇는 차세대 디스플레이 개념으로, 다양한 form factor 의 구현이 가능한 궁극의 디스플레이이다. 이러한 스트레처블 디스플레이는 폴더블, 롤러블 디스플레이의 뒤를 잇는 스트레처블 스마트폰의 구현 뿐만 아니라, 웨어러블 디스플레이 및 3차원 tactile 디스플레이 등 여러 차세대 전자소자의 필요 구성 요소이다. 하지만 폴더블, 플렉서블 디스플레이 소자의 경우 기존의 소재를 기반으로 구조 설계를 통해 구현이 가능하나, 스트레처블 디스플레이는 기존의 소재를 바탕으로 한 구조설계로는 구현할 수 없는 기술적 한계가 있다. 따라서, 스트레처블 디스플레이를 구현하기 위해서는 스트레처블 발광소자를 구성하는 모든 소재 (전극, 홀/전자 수송층, 발광층)을 스트레처블하게 설계하는 재료공학적 접근이 절실히 필요하다.

 

 이에 LMI는 스트레처블 유기발광 다이오드 (OLED) 제작을 위해, OLED소자를 구성하는 모든 소재를 스트레처블하게 디자인하고, 이를 분석하여 최종적으로 스트레처블 OLED 소자를 제작하는 연구를 수행하고 있다. 기존에 OLED에 사용되고 있는 유기 소재에 기계적 연신성을 부여하기 위하여 가소제 혹은 연성 고분자와 혼합하였으며, 혼합 시 거동을 열역하적으로 예측하여 스트레처블 소재를 직접 디자인 하였다. 또한, 디자인된 재료를 기계적, 전기적, 광학적, 열적, X선, 미세구조 분석 등 다양한 분석론을 사용하여 그 특성을 분석하고, 기계적 특성이 달라진 원리를 탐구한다. 이러한 방법론을 통해 LMI는 세계 최초로 모든 소재가 기계적으로 스트레처블한 스트레처블 fluorescent OLED소자를 구현하였으며 우수한 기계적 특성을 갖는 것을 확인하였다. LMI는 스트레처블 소재의 정확한 구조 예측을 위한 열역학적 방법론과 고효율, 고수명을 갖는 소자 제작 기술 개발을 위해 노력하고 있다.

Wearable biomedical sensors & E-skin
 
Electronic skin(E-skin)

 전자피부는 주위 환경으로부터 물리적 자극을 인지하는 피부를 모사하는 기술로, 의수, 로봇, 인간과 기계의 상호작용 등 많은 곳에 적용될 수 있다. 전자피부는 실제 피부처럼 다양한 물리적 자극을 구별해낼 수 있는 촉각 센싱 능력을 필요로 한다.

 물리적 압력에 대해서, 피부는 빠르게 변화하는 동적인(dynamic) 자극과 정적인(static) 자극을 분류할 수 있고, 사람이 옷을 입고 있음을 인지하지 못하듯, 감각순응이라는 기능을 통해 이미 가해진 자극보다 부가적인 변화에 더 예민하게 반응할 수 있다.

 본 연구에서는, 이러한 압력에 대한 실제 피부의 반응을 압전성과 이온의 움직임으로 모사하여, 중첩되는 여러 물리적 자극들을 구별하는 자가동력의 압력센서 기반의 전자피부를 제작하고자 한다.

Multifunctional (impedance, pressure, temperature) wearable sensor on fabric for early detection of pressure ulcer

본 연구에서는 욕창의 발병 원인인 피부에 지속적으로 가해지는 압력과 이로 인한 피부조직의 손상을 피부의 온도, 임피던스 변화로 센싱하고, 무선 데이터 송신을 통해 센싱한 다중 인자를 의료진이 실시간으로 모니터링 할 수 있는 IoT 기반 통합 웨어러블 센서 시스템을 구축하여, 욕창의 발현을 조기에 진단 및 예방하고 치료법을 연구할 수 있는 플랫폼을 구축하고자 함.

 외부 압력과 이에 의한 조직 손상을 측정할 수 있는 압력, 온도 및 조직 임피던스 센서를 포함하는 멀티 웨어러블 센서를 제작하여 양방향의 웨어러블 센싱 시스템 구축하고자 함.

 또한, 무선 데이터 분석 및 송수신 시스템을 구축, 진정한 IoT 기반 무선 웨어러블 센서 플랫폼 구현하고자 함.

 세브란스 피부과와의 긴밀한 협업을 통해 욕창 동물모델을 구축하여 개발한 웨어러블 센서의 향후 인체 적용 시 안정성과 유효성을 검증하고자 하며, 현재 욕창 예방을 위한 웨어러블 센서 개발에 필요한 동물실험을 수행하여 환자에서 발생하는 욕창과 임상적, 조직학적으로 유사한 욕창 동물모델을 구축함. 구축한 동물모델을 기반으로 하여 환자에서 발생하는 초기 및 진행한 욕창 병변에 대한 모델을 확립하여 이를 센서 검증에 사용함.

 

동물실험 결과, 자석으로 압력이 가해진 마우스에서 2시간 동안 개발된 센서를 부착하여 임피던스, 압력, 온도를 실시간으로 측정한 결과, 육안으로 욕창 발병이 확인 된 시점보다 앞선 시점에서 개발된 센서가 욕창을 감지해 냄을 확인하였고, 해당 프로젝트는 범부처전주기 의료기기 사업 4차 산업혁명 및 미래 의료 환경 선도 과제의 지원을 받아 수행 중임.

pH sensor for wound monitoring

  약 3주 내에 자연적으로 치료가 되는 급성 창상과는 달리, 만성 창상의 경우 세 달 이상의 긴 시간 동안의 회복이 요구된다. 현재 만성 창상의 구체적인 치료방법은 알려진 바 없으며, 단지 습윤 드레싱을 만성 창상 위에 배치하여 습윤한 환경을 조성해줄 뿐이다. 습윤 드레싱은 자주 교체해주어야 한다는 것뿐만 아니라, 의사가 상처 부위의 상태를 확인하기 위해서는 반드시 제거되어야만 한다는 단점이 있다. 따라서 본 연구에서는 습윤 하이드로젤에 상처부위를 진단할 수 있는 염료를 혼합한 형태의 새로운 패치를 제작하고, 이를 통하여 드레싱을 제거하지 않더라도 상처의 회복 정도를 진단하고자 한다.

  건강한 사람의 피부는 약 4.1-5.8 정도의 약산성의 pH 값을 가지는 반면, 만성 창상의 경우 7~9 정도의 염기성의 pH 값을 가진다. 이러한 pH 값은 상처의 회복단계가 진행됨에 따라 서서히 정상 수치로 회복하게 되므로, 이를 이용하여 상처의 회복 정도를 진단할 수 있다. 기존의 pH 센서들은 충격에 취약하여 깨지기 쉽거나, 단단하고 크기가 매우 커서 환자들이 불편함을 느낄 수 있다. 또한 단일 지점에서의 pH 값 만을 측정할 수 있기 때문에 상처의 전체적인 상태를 진단하기에 부적합하다. 하지만 본 연구에서 제작하고자 하는 센서를 이용할 경우, 필름의 형태이기 때문에 간편하게 상처부위에 부착할 수 있으며, 광원과 스마트폰 카메라를 이용하여 측정하기 때문에 언제 어디서나 쉽게 측정이 가능하다는 장점이 있다.

  상처 부위의 pH 값을 측정하는데 이용되는 염료를 실리카 나노 입자로 인캡슐레이션 함으로써 생체적합성을 확보하였으며, 기존의 큰 마이크로입자에 비해 높은 표면적-부피 비율을 가짐으로써 주변 환경과의 수소 양이온 교환이 용이하기에 더 높은 민감도를 가질 수 있다. 또한 pH에 따라 발광하는 녹색광의 세기가 달라지는 염료와 pH 값에 무관한 청색광을 발광하는 입자를 함께 혼합함으로써, 촬영한 사진에서의 녹색광과 청색광의 비율을 계산하여 상처 부위의 pH 값을 맵핑 할 수 있다.

 
Energy Device & self-powered sensors
Self-charging supercapacitor as a glucose sensor

​ 당뇨 환자들의 불규칙한 혈당 변화에 빠르게 대응하여 일정한 혈당을 유지시키고, 환자들의 합병증 예방과 생명 유지를 위해 실시간으로 혈당을 모니터링하는 시스템의 개발이 필요하다. 현재 상용화된 연속 혈당 측정기는 채혈 방식의 단일 측정 한계를 해결하였지만, 센서의 바늘로 인한 고통과 센서의 민감도 및 정확도는 여전히 해결해야 한다.

 본 연구에서는 환자들의 삶의 질을 향상 시킬 수 있는 완전한 무통증 고민감도 혈당 센서를 개발하고자 한다.

 자가 충전형 슈퍼캐패시터 기술과 마이크로 니들을 이용한 조직액 채취 기술을 이용한 새로운 혈당 센싱의 선행 연구를 바탕으로 고민감도 혈당 센싱을 위한 전극 개발하고 전극과 효소의 고정력 향상을 위한 표면 개질 방법 연구와 코팅층의 접하력 증가를 위한 기술 개발을 진행하고자 한다.

웨어러블 의료기기 전문 기업인 (주)에이슨과 협업하여 센서의 모듈화를 진행하여 무선 데이터 송수신이 가능한 웨어러블 연속혈당측정기를 완성하고자 한다.

​ 개발한 센서의 안정성 및 유효성 검증을 위한 동물실험 및 임상실험은 연세대학교 세브란스병원 내분비내과와 협업하여 진행하며, 최종적으로 식약처의 의료기기 인증을 받아 제품화를 목표로 연구를 진행한다.

 

Self-powered Artificial Basilar Membrane 

  인간이 소리를 듣는 것은 기계적 진동이 전기적 신호가 되어 뇌를 자극함에 의해서이다. 음향 신호는 공기를 매질로 하여 압축/팽창되어 압력차(음압)를 형성하고, 이것이 외이 및 내이를 통해 와우의 유모세포에의 이온 채널 개폐로 이어져 전기적 자극이 뇌간을 통해 뇌로 전달되어 소리가 인지되는 원리이다. 와우에 이상이 생기는 것은 심각한 청각 손실의 원인이고, 인공 와우 이식술은 청각을 손실한 환자의 와우에 전극을 삽입하여 청신경에 직접 전기신호를 전달하는 방식으로, 유일한 청각을 복원 방법이나, 기기수가 많고 복잡하며 부피가 커 착용이 불편하다. 또한, 큰 전력 소모로 인한 잦은 배터리 교체로 경제적 부담이 매우 크므로 전력소모를 최소화하고자 사람의 말소리 주파수 영역 (100-400 Hz)인 저주파에만 특화되어 있어, 일반적인 자연의 소리나 노래 소리를 듣는 것은 거의 불가능한 실정이다.

 이 같은 단점을 극복하기 위해 기존 인공와우의 마이크로폰 (음향센서), 시그널 프로세서의 주파수 분리/압축 기능을 모두 대체할 수 있고 배터리가 필요 없는, 자가동력형 인공 기저막을 연구하고 있다. 높은 기계-전기 신호 변환률을 보이는 마찰발전원리를 주로 이용하고 있으며, 궁극적으로, 저주파에서 고주파에 이르는 전 영역 (20 Hz-20 kHz)을 모두 청취할 수 있는 인공 기저막을 개발하고자 한국연구재단 중견연구자사업에서 지원을 받아 연구를 진행하고 있다.

 

 음향은 미세 진동의 일종이므로, 압력센서에서 음향 센서로의 개발 단계를 거치고 있으며, 현재 마찰발전원리를 이용한 압력센서에서 압력에 대한 민감도를 향상시키기 위해 비대칭 전극 디자인을 개발하였다. 돌기 구조의 등쪽에 대칭적으로 형성된 외재 전극형 압력센서가 아닌 전극이 돌기구조를 따라 형성되도록 개발하여 압력에 따른 캐패시턴스 교차영역 변화량과 마찰전하 전달 효율을 최대화 하였다. 이러한 성능을 바탕으로 높은 민감도를 갖는 맥박센서 및 음향센서로의 활용 가능성을 확인하였다.

개발된 비대칭 전극 디자인의 마찰발전 압력센서의 analytic solution 및 finite element based solution을 통해 동작 원리 및 최적화된 구조, 배열, 밀도 등을 획득할 수 있었다.