스마트 헬스케어를 위한 심장활동 신호 검출용 접촉식 직물전극의 구조가 센싱 성능에 미치는 영향

조현승,구혜란,양진희,이강휘,김상민,이정환,곽휘권,고윤수,오윤중,박서연,김신혜,이주현 한국감성과학회 2018 감성과학 Vol.21 No.4

The purpose of this study was to investigate the effect of contact type textile electrode structure on heart activity signal acquisition for smart healthcare. In this study, we devised six contact type textile electrodes whose electrode size and configuration were manipulated for measuring heart activity signals using computerized embroidery. We detected heart activity signals using a modified lead II and by attaching each textile electrode to the chest band in four healthy male subjects in a standing static posture. We measured the signals four times repeatedly for all types of electrodes. The heart activity signals were sampled at 1 ㎑ using a BIOPAC ECG100, and the detected original signals were filtered through a band-pass filter. To compare the performance of heart activity signal acquisition among the different structures of the textile electrodes, we conducted a qualitative analysis using signal waveform and size as parameters. In addition, we performed a quantitative analysis by calculating signal power ratio (SPR) of the heart activity signals obtained through each electrode. We analyzed differences in the performance of heart activity signal acquisition of the six electrodes by performing difference and post-hoc tests using nonparametric statistic methods on the calculated SPR. The results showed a significant difference both in terms of qualitative and quantitative aspects of heart activity signals among the tested contact type textile electrodes. Regarding the configurations of the contact type textile electrodes, the three-dimensionally inflated electrode (3DIE) was found to obtain better quality signals than the flat electrode. However, regarding the electrode size, no significant difference was found in performance of heart signal acquisition for the three electrode sizes. These results suggest that the configuration method (flat/3DIE), which is one of the two requirements of a contact type textile electrode structure for heart activity signal acquisition, has a critical effect on the performance of heart activity signal acquisition for wearable healthcare. Based on the results of this study, we plan to develop a smart clothing technology that can monitor high-quality heart activity without time and space constraints by implementing a clothing platform integrated with the textile electrode and developing a performance improvement plan. 본 연구의 목적은 스마트 헬스케어를 위해 접촉식 직물전극의 구조가 심장활동 신호 획득에 미치는 영향을 연구하는 것이다. 본 연구에서는 심장활동 신호 측정을 위하여 전극의 크기와 구성방식을 조작한 6종의 접촉식 직물전극을 컴퓨터 자수 방식으로 구현하였고, 이를 가슴밴드에 부착하여 응용형 리드 II(modified Lead II) 방식으로 심장활동 신호를 검출하였다. 건강한 신체의 남성 4명을 대상으로 서서 정지한 자세에서 각 직물전극을 사용하여 심장활동 신호를 검출하였으며, 모든 유형의 전극에 걸쳐 4회씩 반복측정 하였다. 심장활동 신호의 수집을 위해 BIOPAC ECG100 장비를 사용하여 1 ㎑로 샘링하였으며, 검출된 원 신호를 대역통과 필터를 사용하여 필터링하였다. 직물전극의 구조에따른 심장활동 신호 획득의 성능을 비교하기 위하여 신호의 파형과 크기를 파라미터로 하여 정성적 분석을 실시였고, 각 전극을 통하여 획득된 심장활동 신호의 SPR(signal power ratio)을 산출함으로써 정량적 분석을 실시하였다. 산출된 SPR 값을 대상으로 하여 비모수 통계분석 방식의 차이검정과 사후검정을 실시함으로써 6개 전극의 구조에 따른 심장활동 신호 획득의 성능 차이를 구체적으로 분석하였다. 연구 결과 접촉식 직물전극의 구조에 따라 심장활동 신호의 품질에는 정성적, 정량적 측면에 걸쳐 모두 주요한 차이가 있는 것이 고찰되었다. 접촉식 직물전극의 구성 측면에 있어서는 입체극이 평면극에 비해 더 우수한 품질의 신호가 검출되는 것으로 나타났다. 한편 3가지 전극 크기에 따른 심장활동 신호 획득의 유의한 성능 차이는 발견되지 않았다. 이러한 결과는 심장활동 신호 획득을 위한 접촉식 직물전극 구조의 두 가지 요건 구성방식(평면/입체)이 웨어러블 헬스케어를 위한 심장활동 신호 획득의 성능에 주요한 영향을 미치는 것을 시사한다. 본 연구 결과를 기반으로 후속 연구에서는 직물전극이 일체형으로 통합된 의복형 랫폼을 구하고 성능 고도화 방안을 연구함으로써, 시공간의 제약 없이 고품질의 심장활동 모니터링이 가능한 스마트 의류 기술을 개발하고자 한다.

전기화학적 특성 개선을 위해 Pt 나노구조를 가지는 미세전극 제작

우현수(Hyeonsu Woo),김수현(Suhyeon Kim),김강현(Kanghyun Kim),윤승빈(Seungbin Yoon),안태창(Taechang An),김건휘(Geon Hwee Kim),임근배(Geunbae Lim) 대한기계학회 2021 大韓機械學會論文集B Vol.45 No.5

공간해상도가 우수한 미세전극은 그 작은 크기로 인해 임피던스와 노이즈가 증가하는 한계가 있다. 따라서 고성능의 미세전극을 개발하기 위해서는 공간해상도와 임피던스 특성을 동시에 개선할 수 있는 표면처리 기술의 개발이 필요하다. 본 연구에서는 전기화학도금을 이용하여 미세전극 표면에 수십 nm 크기의 Pt 나노구조물을 제작하였다. Pt 나노구조로 표면개질된 미세전극은 개질하기 전의 미세전극과 비교하여 임피던스 수치가 평균 86% 감소하였다. 또한, CSC 측정과 EIS 분석, 임피던스 등가회로 모델링을 통해 Pt 나노구조를 가지는 미세전극의 개선된 전기화학적 특성을 확인하였다. 본 연구에서 제안한 표면개질 기술은 기존의 제작된 전극에도 적용 가능한 후처리 기술로 다양한 구조와 재료를 가진 미세전극에 적용할 수 있다. Microelectrodes with excellent spatial resolution have a limit of large impedance and noise. Therefore, to develop a high-performance microelectrode, it is necessary to develop a surface modification technology that can simultaneously improve spatial resolution and the impedance characteristics. In this study, Pt nanostructures of several tens of nanometers were synthesized on the surface of microelectrodes via electrochemical deposition. The impedance value of the Pt nanostructure-based surface-modified microelectrode was reduced by an average of 86%, compared with that of the bare microelectrode. In addition, through the CSC measurement, EIS analysis, and impedance equivalent circuit modeling, the improved electrochemical properties of Pt nanostructure-based modified microelectrodes were confirmed. The surface modification used in this study is a post-processing technology that is utilized for prefabricated electrodes, and it can be applied to microelectrodes with various structures and materials.

전극 구조에 따른 유기 트랜지스터 특성

이붕주,Lee, Boong-Joo 한국전자통신학회 2013 한국전자통신학회 논문지 Vol.8 No.1

본 논문에서는 유기박막트랜지스터용 절연막에 활용코자 플라즈마 중합방법을 이용하여 PMMA 절연막을 제작하였다. 유기트랜지스터 성능향상을 위해 전극구조에 따른 특성을 파악하고자 트랜지스터의 이동도 및 출력특성을 본결과, 상부전극구조의 경우 최대 이동도는 $8{\times}10^{-3}[cm^2V^{-1}s^{-1}]$을 보이고 하부전극구조의 경우 $2{\times}10^{-4}[cm^2V^{-1}s^{-1}]$의 낮은 이동도 값을 얻었으며, 하부전극구조의 경우 off current값이 증가되는 특성을 볼 수 있다. 그러므로 유기트랜지스터의 전극구조는 상부전극 방식이 좋은 것 알 수 있었다. In this paper, We have fabricated PMMA thin films by plasma polymerization method for organic thin film transistor's insulator layer. For improving the characteristics of organic transistor, we tested transistor's mobility and output values with organic transistor's electrode structures. As a results, the mobility of top contact was $8{\times}10^{-3}[cm^2V^{-1}s^{-1}]$, that of bottom contact was $2{\times}10^{-4}[cm^2V^{-1}s^{-1}]$. Also, off current of bottom contact was increased. Therefore, we recommend the top contact electrode structure of organic transistor.

1P-659 축전식 탈염 장치에서 셀 구조에 따른 탈염성능 연구

김나현,유석준,최재환 한국공업화학회 2017 한국공업화학회 연구논문 초록집 Vol.2017 No.1

탄소전극(CDI), 음이온막과 탄소전극(ACDI), 양이온막과 탄소전극(CCDI), 양/음이온막과 탄소전극(MCDI)으로 구성된 네 종류의 축전식 탈염용 셀을 제작하여 탈염성능을 비교하였다. 각각의 셀에 대해 셀 전위를 0.6-1.4 V로 변화시켜 탈염실험을 진행하면서 유출수의 농도와 pH 변화를 측정하여 흡착용량(SAC)과 전극반응을 해석하였다. CDI는 전극반응이 일어나지 않는 낮은 전위에서 운전하지만 탄소입자 표면의 작용기나 용존산소는 낮은 전위에서도 전극반응을 일으켜 탈염성능을 저하시키는 요인으로 작용한다. 그 결과 SAC와 전하효율은 MCDI>CCDI>ACDI>CDI 셀의 순으로 나타났다. CDI 공정에서 탈염성능을 향상시키기 위해서는 전극반응을 억제하면서 이온선택성을 갖는 탄소전극의 개발이 시급한 것으로 판단된다.

새로운 전극구조를 가진 AC-PDP의 전기광학적 특성 (I)

이우근,조정수 부산대학교 생산기술연구소 2000 生産技術硏究所論文集 Vol.58 No.-

새로운 전극구조를 가진 ac 플라즈마 디스플레이 패널(Plasma Display Panels, PDP)을 설계하여 전기 광학적 특성을 고찰하였다. 새로 설계된 전극은 종래의 ac 플라즈마 디스플레이 패널의 전극구조에 비하여 긴 방전경로를 가지고 있으며, 작은 전극 면적을 가지고 있다. 새로운 전극구조의 방전전압 특성은 종래의 구조에 비하여 큰 변화가 없었으나, 소비전력과 광효율 특성에 있어서 최대 40% 정도의 향상을 나타내었다. A new type ac plasma display panel(PDP) cells are designed and tested electrically and optically. This cell has the longer discharge path length and the smaller electrode area than conventional cell. It shows a higher luminous efficiency and a lower power consumption about 30∼40% improvement than the conventional ac PDP cells.

계층적 나노구조체로 개질된 전극활용을 통한 전기활성 미생물의 이소부탄올 생산성 증가에 관한 연구

라주아,상병인,양영헌,조은철 한국공업화학회 2018 한국공업화학회 연구논문 초록집 Vol.2018 No.0

본 연구에서는 Au Nanoislands(Au), Cysteamine(NH2), Au Nanocolloid(Au NPs)를 graphite(GF) 전극 표면에 계층 구조로 개질했을 때 전기활성 미생물의 이소부탄올 생산량 증가 및 전자활용 효율 변화에 대해 조사하였다. 이소부탄올 생산 가능한 전기활성 미생물인 Shewanella oneidensis MR-1::pJL23을 이용하여 최적 전극전압(-0.6 V)에서 GF 표면을 계층적으로 개질했을 때 개질하지 않은 전극에 비해 이소부탄올 생산량이 4.6배까지 증가하였다. 이 결과는 전극의 구조변화에 따른 미생물의 전자 활용 능력과 흡착구조의 변화와 연결하여 설명하고자 하였다. 최적화된 전극인 GF-Au-NH2-Au NPs을 사용하여 미생물을 96시간 배양할 경우, 전기효율이 81%까지 개질하지 않은 전극보다 3.2배 향상되었고 이소부탄올 생산량이 문헌에서 보고된 수치보다 3.7배 향상된 것을 알 수 있다.

A Design of Jacquard Woven Textile Electrode to Monitor the Electrical Activity of the Heart for Smart Clothing

송하영,이주현,Song, Ha-Young,Lee, Joo-Hyeon Korea Fashion and Costume Design Association 2010 한국의상디자인학회지 Vol.12 No.2

오늘날 인간의 수명이 연장되고, 웰빙과 건강에 대한 관심이 증가됨에 따라서 언제 어디서나 건강을 모니터링 할 수 있는 건강 스마트 의류 시스템이 개발되고 있다. 이를 위하여 최근에는 생체신호의 모니터링이 가능하도록 디자인된 의류에 통합된 형태의 직물 전극이 개발되고 있다. 혁신적으로 의류 시스템에 통합되어 착용 가능한 니트, 우븐, 자수방식의 텍스타일 전극에 대한 다양한 연구가 개발 제시되고 있으며, 이의 일부는 상용화되어 있다. 이에 본 연구는 경위사의 일정한 직조제어 자동화 시스템이 가능한 컴퓨터 자카드 직기의 캐드(CAD) 직조디자인 방식을 통하여 생체신호 센싱 기능이 향상된 새로운 텍스타일 전극디자인을 연구하고자 하였다. 이를 위하여 본 연구에서는 기존 생체신호 센싱 전극의 개발 및 연구 동향, 비직물/전극 타입에 대한 단점과 장점에 대한 비교 분석을 이론적으로 살펴보고, 자카드 직조 직물 기반으로 심전도 센싱용 텍스타일 전극을 디자인하여 실험 연구하였다. 자카드 직조 방식의 심전도 센싱용 직물 전극은 전극 인터페이스 디자인 방식, 이중직물형 직조 디자인 방식, 사가공 등의 요인들을 고려하여 개발하였다. 본 연구에서 도출된 최종 자카드 직조 직물 기반의 텍스타일 전극은 스마트 의류에 통합시킨 텍스타일 전극 모듈로서 적용되여 향후 상용화 방안을 모색할 수 있다.

미생물연료전지에서 전극구조가 기질분해에 미치는 영향 연구

신유진(Yujin Shin),이명은(Myoung-Eun Lee),박치훈(Chi-Hoon Park),안용태(Yongtae Ahn) 대한환경공학회 2017 대한환경공학회지 Vol.39 No.8

미생물연료전지는 하폐수에 존재하는 다양한 유기성물질을 전기에너지로 변환시킬 수 있는 생물전기화학적공정이다. 본 연구에서는 전산모사를 통하여 산화전극의 크기, 전극간 거리, 전체 산화전극면적이 기질분해에 미치는 영향을 알아보고자 하였다. 생활하수를 처리하는 다중산화전극 및 SPA (Spaced electrode assembly)형 연속식 미생물연료전지공정을 모사하였으며, 전산모사결과에 따르면 단일전극의 크기에 의한 영향보다는 전극간 거리가 짧을수록 기질분해속도가 빠른 것으로 나타났다. 특히 전체 산화전극의 면적이 큰 경우가 기질분해가 가장 빠른 것으로 나타났다. 본 연구를 통하여 미생물연료전지공정의 설계에 있어서 율속단계로 알려진 환원전극의 크기 외에도 산화전극의 크기 및 전극간 거리 또한 기질분해 속도에 영향을 미칠 수 있는 중요한 인자임을 알 수 있었다. Microbial fuel cells (MFC) are bio-electrochemical processes that can convert various organic materials present in wastewater into electrical energy. For scaling-up and practical application of MFC, it is necessary to investigate the effect of anode size, electrode distance, and total area of anode on substrate degradation. Spaced electrode assembly (SPA) type microbial fuel cell with multiple anodes treating domestic wastewater was used for simulation. According to computer simulation results, the shorter the distance between electrodes than the size of single electrode, the faster the substrate degradation rate. Particularly, when the total area of the anode is large, the substrate decomposition is the fastest. In this study, it was found that the size of the anode and the distance between the electrodes as well as the cathode electrode, which is known as the rate-limiting step in the design of the microbial fuel cell process, are also important factors influencing the substrate degradation rate.

근거리 전기방사를 이용한 광합성 전자 추출용 전도성 입체 마이크로 구조물 전극 제작

이정준(Jeongjun Lee),서일호(Il Ho Seo),박승현(SeungHyun Park),김선일(Seon Il Kim),류원형(WonHyoung Ryu) 대한기계학회 2022 大韓機械學會論文集B Vol.46 No.5

최근 소형 전자기기용 에너지 저장장치에 대한 수요가 증가함에 따라 다양한 전극 제작 방법 관련 연구가 진행되어 왔다. 에너지 저장장치용 전극 제작을 위해 전기수력학적 프린팅, 근거리 전기방사, 압출 기반 3D 프린팅이 사용되었다. 하지만 프린팅 방식으로 제작한 전극은 2차원에 국한되거나, 전도성을 위한 후처리 공정이 필요하며 해상도가 노즐 직경 크기로 제한되는 한계점이 있다. 이에 본 연구에서는 고해상도 패터닝이 가능한 근거리 전기방사를 통해 전도성 잉크 적층 방식으로 후처리 공정을 줄인 마이크로 입체 구조물 전극 제작 공정을 개발하였다. 제작된 전극 위에 틸라코이드 막 추출물을 도포하여 광합성 전류를 측정하였다. 평면 전극 대비 115% 증가한 전류 밀도가 측정되어 개발한 공정의 전극 표면적 증가 효과를 확인하였다. Recently, there have been many research works on electrode fabrication of energy harvesting or storage devices processes to meet increasing demands to drive small electronic devices. In previous studies, electrohydrodynamic printing, near-field electrospinning, and extrusion-based 3D printing has been utilized to fabricate electrodes for the compact energy storage. However, these attempts had the limitations of 2D structure, printing resolution, or need for post treatment for electrical conductivity. In this study, 3D microstructure electrode fabrication process was developed based on near-field electrospinning (NFES) that can print and stack conductive lines with high resolution without post treatment. Thylakoid membranes were deposited on the fabricated 3D microelectrodes and photosynthetic currents were measured. The photosynthetic current density measured on the fabricated electrode was increased 115% compared to that of a flat electrode. This result confirmed the increased surface area of the 3D micro electrode fabricated by NFES.

겔 고분자 전해질을 이용하여 코팅식 일체형 전극 구조를 갖는 층상형 구조 전지

노정언(JungEon Noh),장우혁(WooHyeok Jang),최주승(JooSeung Choi),김천곤(ChunGon Kim) 항공우주시스템공학회 2023 항공우주시스템공학회 학술대회 발표집 Vol.2023 No.05