웨어러블 진단 및 재활 응용을 위한 신축성 전자소자 기술 Stretchable Electronic Devices for Wearable Diagnosis and Rehabilitation Applications

의료기술의 발달로 인간의 평균수명이 지속적으로 증가하면서, 단순히 물리적인 수명연장에 그치는 것이 아니라 신체능력이 취약한 고령 인구층의 삶의 질을 유지시키는 것이 중요한 사회적 요구사항으로 대두되고 있다. 특히, 초고령화 사회에 빠르게 진입하고 있는 우리나라의 경우[1], 신경계 또는 근골격계 손상 등으로 인해 신체기능이 원활하지 않아 일상적인 동작을 스스로 수행하기 어려운 뇌병변 및 지체 장애인의 수가 꾸준히 증가하고 있다[2]. 그리하여 환자 당사자들의 삶의 질 저하뿐만 아니라 환자들의 사회복귀 지연으로 인한 국가 경쟁력 저하, 이들을 치료하고 돌보는 데에 소요되는 경제적 비용 등으로 인한 국가적 부담은 앞으로 더욱 커질 것으로 예측되고 있다. 고령자에게 발생하는 뇌병변 및 지체 장애의 원인 중 가장 높은 비중을 차지하는 것은 뇌졸중으로, 뇌혈관이 막히거나 출혈이 일어나면서 뇌신경 세포가 손상되어 발생하는 질환이다. 뇌졸중은 발병 직후 사망률이 크게 높지 않지만 후유증이 상당하여 대부분이 신체장애를 겪게 된다. 발병 후 시간이 지남에 따라 증가하는 사망률을 감소시키기 위해서는 발병 직후부터 적극적인 재활훈련의 시행이 가장 중요하다. 자신의 의지대로 움직일 수 없는 뇌졸중 환자의 재활치료는 신경 가소성에 바탕을 두고 있다. 이는 많은 양의 반복적이고 집중적인 신체 움직임 훈련을 통해 뇌와 신체의 각 부위 간에 새로운 신경을 연결하는 것으로 발병 초기에 지속적이고 집중적으로 이루어져야만 높은 효과를 볼 수 있기 때문이다. 지금까지의 뇌신경계 환자 재활치료는 주로 병원에서 물리치료사에 의해 1:1로 진행되어 왔다. 하지만, 이러한 방식은 치료진척도의 정량화나 정밀한 피드백이 불가능하며, 과도한 노동력 소모와 전문인력 부족으로 인해 효과적인 재활치료를 수행하기 어렵다는 한계를 지니고 있다. 재활훈련의 효과를 높이기 위해서는 기존에 물리치료사에 의해 이루어졌던 반복적이고 지루한 훈련이 아닌, 환자의 동기부여를 극대화하고 자발적이고 지속적인 참여를 유도할 수 있는 새로운 치료방식의 도입이 필요하다. 이를 위해 최근에는 재활치료 기기와 가상현실 기반 인터페이스를 연동함으로써 마치 게임을 하듯이 환자들의 흥미를 유발할 수 있는 재활치료 기법이 운동, 작업, 인지, 신경치료 등 다양한 영역에 적용되고 있다. 예를 들어, 캐나다의 IREX라는 제품은 게임을 즐기고 있는 환자의 동작을 인식하여 환자의 단일 관절에서부터 전체적인 신체 기능까지 검진할 수 있는 쌍방향 가상현실 재활치료 프로그램이다. 이는 환자들은 가상현실에 몰입하여 날아오는 물체를 막거나, 가상현실 안을 탐험하기도 하고, 가상의 교사와 상호 작용을 하면서 자신들이 진단과 치료를 받고 있다는 것조차 잊고 더 적극적으로 반응할 수 있다. 이러한 외골격형 로봇들은 임상적으로 그 효과가 입증되어 일부 병원에서 재활치료에 실제로 활용되고 있다. 하지만 대부분 고가의 중대형 기기로서 한정된 대수만 운용이 가능하여 치료를 받을 수 있는 환자 수와 치료 시간이 제한되고 의료비 부담이 높아진다는 문제점을 지니고 있다. 특히 착용형 로봇의 경우, 재활치료 기기는 일반인이 아닌 환자 중심의 형태와 기능을 가져야 한다는 점을 고려하면 행동이 부자연스럽고 근력이 부족한 환자들을 위해 착용 편의성 향상과 경량화가 필수적이다. 최근에는 이러한 외골격형 로봇의 단점을 극복하기 위해 유연하고 가벼운 소재로 이루어진 소프트 웨어러블 재활기기를 구현하기 위한 연구가 활발히 진행되고 있다. 미국 Harvard 대학의 Biodesign 연구실에서는 신축성과 밀착력이 우수한 옷감 소재에 각종 센서들을 결합하여 환자 편의성을 높인 하지재활용 Soft Exosuit를 개발하고 있다. 고령화로 인해 뇌신경 질환 발병 및 장애 유병률이 급증하고 환자들이 적절한 치료를 받지 못한 채 여러 기관을 전전하는 재활난민 현상이 사회문제화되면서, 보다 많은 환자들에게 집중적이고 효과적인 재활치료를 제공할 수 있는 신개념 재활치료 기기에 대한 요구는 나날이 높아지고 있다. 따라서 유연 전자소자 기술을 적용한 피부밀착형 진단 및 재활치료 기기는 저출산, 고령화 시대의 국민 건강 및 삶의 질 향상을 위해 우선적으로 추진되어야 할 대표적 공공기술에 속한다고 할 수 있을 것이다. 하지만, 다품종 소량의 특성을 가지는 고난이도 융합기술로서 민간 주도만으로는 빠른 발전을 기대하기 어려우며, 산-학-연 간의 긴밀한 협력관계를 통해 기초 소재부터 소자 및 공정, 소프트웨어 콘텐츠 등 ICT 전반에 걸친 기술 개발과 이들 간의 융합이 필수적으로 이루어져야만 한다. 또한, 인증절차 등 실제 시장진입까지 많은 시간과 노력이 소요되는 의료기기의 특성을 감안하면, 단기적인 기술 개발 전략뿐만 아니라 관련 법규나 규정 등에 대한 정부차원의 논의와 보완이 필요하다. 기존의 웨어러블 재활치료 기기에서는 센서를 구동하고 신호를 처리하기 위한 구동/신호처리 모듈을 딱딱한 PCB 기판상에 제작하여 장착하는 방식을 사용해왔다. 하지만 피부밀착형 재활치료기기를 구현하기 위해서는 구동/신호처리부 또한 신축성 기판상에 센서, 배선 등과 함께 일체형으로 제작하는 기술이 필요하다. 신축성 전자회로 기술은 지난 십 수년간 활발히 연구되어 온 분야이며, 트랜지스터, 센서, 발광소자 등으로 구성된 다양한 용도의 신축성 전자회로들이 개발되어 왔다[11]. 특히 모든 회로의 핵심이 되는 트랜지스터의 경우, 실리콘, 산화물, 유기반도체, 탄소나노튜브, 그래핀 등 다양한 소재를 활용한 박막트랜지스터들이 요구 성능과 목적에 맞게 활용되고 있다. 그러므로 재활치료 기기용 구동/신호처리 회로는 비교적 고성능과 높은 신뢰성이 함께 요구되므로 실리콘이나 산화물 반도체 기반의 박막트랜지스터가 적합하다. 한편 산화물 반도체 박막트랜지스터를 이용한 신축성 회로의 예를 보여준다. 산화물 반도체 박막트랜지스터는 저온 제작이 가능하고, 채널 이동도가 높으며, 누설 전류가 작고 동작 신뢰성이나 균일도가 높아 플렉시블 센서나 디스플레이 등에 널리 활용되고 있다[14]. 산화물 반도체 박막은 일반적인 스퍼터링(Sputtering) 공정 등에 의해 증착이 가능하므로 단결정 실리콘 나노 박막트랜지스터에서와 같은 채널층 전사 단계가 불필요하여 저비용으로 대면적 구현이 가능하다는 장점을 가지고 있다. 현재 한국전자통신연구원(ETRI)에서는 피부밀착형 재활치료 기기에 활용이 가능한 기술로서 고해상도 감각 입출력 전자피부, 뇌파 감지 및 자극용 전극 어레이 등 다양한 피부밀착/인체삽입형 소자의 구동과 신호처리를 위한 신축성 산화물 박막트랜지스터 회로를 개발 중에 있다.