전도성 직물 설계 구체화 & PDMS설계 레퍼런스

전도성 직물 설계 구체화 레퍼런스

1. 핵심 개념 및 용어 정리

• sEMG (표면 근전도) 측정 기기:
  • MyoWare2 Muscle Sensor: 피부 표면에서 발생하는 근육의 전기적 신호를 읽어오는 핵심 센서다.
  • ESP32: 센서가 읽어온 아날로그 근육 신호 데이터를 수집하고 처리하는 마이크로컨트롤러(하드웨어 보드)다.
• 유연 전극 (건식 전극):
  • 은도금 전도성 직물: 기존의 딱딱한 금속이나 일회용 겔 전극을 대체하여, 피부에 밀착시킬 수 있는 천 소재의 전극입니다. 본 실험에서는 직물의 형태(정사각형 vs 원형)에 따른 차이를 비교한다. 
• 측정 대상 근육:
  • 굴곡근 (Flexor): 주먹을 꽉 쥐고 손목을 안쪽으로 굽힐 때 튀어나오는 팔뚝 안쪽 근육.
  • 신전근 (Extensor): 손가락을 쫙 펴고 손목을 등 쪽으로 젖힐 때 꿈틀거리는 팔뚝 바깥쪽 굵은 근육.
• 데이터 지표:
  • 노이즈 (Noise): 전기 신호를 방해하는 불필요한 신호(피부의 땀, 각질, 유분 등에 의해 발생)입니다.
  • 기선 전압 (Baseline Voltage): 근육에 힘을 완전히 뺀 정적 휴식 상태에서의 기본 전압 수치 및 시스템 노이즈 레벨입니다.
  • 최대 진폭 (Peak): 근육을 수축(주먹을 꽉 쥠)했을 때 발생하는 근전도 신호의 가장 높은 수치입니다.

2. 실험 전체 흐름

실험은 크게 '전극 세팅 ➔ 피부 준비 ➔ 착용 ➔ 신호 측정'의 4단계로 진행된다. 

1. 전극 세팅: 전도성 직물을 정사각형(가로세로 20mm)과 원형(지름 20mm)으로 재단하고, 두 전극의 중심 간 거리를 20~22mm로 설정한다.
2. 피부 전처리: 신호 측정을 방해하는 요소를 제거하기 위해 타겟 근육(굴곡근, 신전근) 부위를 알코올 솜으로 10초간 소독하고, 합선을 막기 위해 약 30초~1분간 완전히 건조시킨다.
3. 웨어러블 착용 :
   • 피부 ➔ 전도성 직물 전극 ➔ 2mm EVA 폼 ➔ 압박 암 슬리브 순서로 착용한다.
   • 3가지 종류의 슬리브(감는형, 운동형, 쿨링형)를 번갈아 착용하며 주관적 압박 강도(1~10점)를 기록한다.
4. 데이터 측정:
   • 정적 측정: 팔에 힘을 빼고 30초간 대기. (기선 전압/노이즈 측정)
   • 동적 측정: 5초 수축(주먹 쥠) / 5초 이완(휴식)을 1세트로 하여 총 10회 반복 측정.

3. 설계

• 전처리 단계

알코올 솜 소독 및 완전 건조를 하는 이유: 피부 표면의 각질, 유분, 땀은 전기적 신호를 방해하는 '저항'으로 작용하여 노이즈를 발생시킨다. 알코올로 이를 제거하되, 알코올(물기)이 남아있으면 두 전극 사이에서 합선(Short)이 일어나 신호가 뭉개지기 때문에 30초~1분간의 '완전 건조' 시간이 있어야한다.

 

• 설계 단계

2mm EVA 폼을 덧대는 이유: 압박 슬리브만 착용할 경우 전극이 피부에 닿는 압력이 불균형해질 수 있다. 2mm 두께의 EVA 폼을 전극과 슬리브 사이에 삽입하여, 슬리브의 압박력을 전극 전체 면적에 고르게 분산시키고 움직임 중 신호가 끊기는 현상을 방지한다.

 

전극 형태를 2가지(정사각형, 원형)로 나눈 이유: 전도성 직물의 모서리 형태(각진 형태 vs 둥근 형태)나 면적 분포가 피부 접촉 및 신호 품질에 미치는 영향을 비교하기 위함.

 

• 데이터 측정 및 그룹화 설계 
  
  

피험자를 남녀 각각 5명씩 나눈 이유: 성별에 따라 팔뚝의 둘레(착용 시 압박 정도에 영향)와 기본 근육량(EMG 신호 크기에 영향)이 다르다. 이 물리적 차이가 데이터에 미치는 영향을 통제하고 유의미한 비교를 하기 위해 남녀 그룹을 명확히 나누어(남 L 사이즈, 여 M 사이즈 등 ) 데이터를 수집한다.

 

주관적 압박 강도를 1~10점 척도로 수치화한 이유: 단순히 '꽉 조이는 슬리브가 신호가 좋다'는 결론은 웨어러블 기기로서 실효성이 떨어진다. 사용자가 장시간 착용해도 거슬리지 않는 이상적인 편안함(5~6점)을 찾고, 그 적정 압박 상태에서의 신호 품질(노이즈 및 최대 진폭)이 유효한지 상호 상관관계를 분석하기 위해 주관적 지표를 객관화(수치화)했다.

 

동적 측정 전 '30초 정적 휴식'을 배치한 이유: 근육 수축 시의 최대 진폭(Peak)이 얼마나 유의미한지 알기 위해서는 기준점이 필요하다. 30초간의 정적 휴식을 통해 해당 피험자와 착용 환경에서의 기선 전압 및 시스템 기본 노이즈를 먼저 파악하여 데이터의 기준점을 확립하기 위함이다.

 

4. 참고문헌

• 텍스타일 전극의 sEMG 데이터 신뢰도 향상을 위한 설계 조건 탐색

https://www.dbpia.co.kr/journal/articleDetail?nodeId=NODE10540485

• Wearable silver nanowire dry electrodes for electrophysiological sensing 

https://mae.ncsu.edu/wp-content/uploads/sites/13/2016/08/RSCadv2015.pdfmae.ncsu

PDMS설계 레퍼런스

1. 핵심 개념 및 용어 정리

• 건식 표면근전도 전극 (Dry sEMG Electrode): 겔 형태의 습식 전극과 달리, 별도의 전해질 매질 없이 피부에 직접 밀착하여 근전도(굴곡근, 신전근) 신호를 측정할 수 있는 전극. XR 환경 등 장시간 착용이 필요한 웨어러블 기기에 필수적이다.
• AgNW (Silver Nanowires, 은 나노와이어): 가늘고 긴 형태의 은 나노 물질. 이 나노와이어들이 서로 엉켜 조밀한 네트워크(그물망)를 형성하면, 구부러지거나 늘어나도 끊어지지 않고 전기가 통하는(전기적 연결성 유지) 유연한 전도층이 만들어진다. 실험에서는 IPA(이소프로필 알코올) 용매에 분산된 형태를 사용한다.
• PDMS (Polydimethylsiloxane): 주제(Base)와 경화제(Curing Agent)를 섞어 가열하면 고무처럼 굳는 유연 탄성체(실리콘)이다. 피부와 유사한 유연성을 가지며 점착력이 뛰어나 전극의 기판(Base) 소재로 사용된다.
• Drop-casting (드롭 캐스팅): 마이크로 피펫 등을 이용하여 용액을 기판 위에 방울 떨어뜨리듯 도포하는 얇은 막 형성(코팅) 공정. 
• 열전사 (Thermal Transfer) 및 박리 (Peeling): 유리 기판에 코팅된 AgNW 필름 위에 액상 PDMS를 붓고 굳힌 뒤 떼어내면(박리), 유리에 있던 AgNW 층이 점착력이 강한 PDMS 표면으로 고스란히 옮겨붙는(전사) 현상.

2. 실험 전체 흐름

실험은 '배합 및 탈포 ➔ 코팅 ➔ 경화 및 전사 ➔ 하드웨어 연결' 순서이다.

1. PDMS 배합 및 탈포:
   • PDMS 주제와 경화제를 10:1(30g : 3g) 질량비로 계량하여 5분간 강하게 교반.
   • 진공 지퍼백과 대형 주사기를 이용해 음압을 형성하고 30분간 방치하여 내부 기포를 완전히 제거(탈포)한다.
2. AgNW 코팅 (Drop-casting):
   • 유리 기판(페트리 디시)에 10mm x 10mm 마스킹 테이프 틀을 만든다.
   • AgNW 용액 0.5ml를 떨어뜨리고 60°C 핫플레이트에서 15분간 가열하여 용매(IPA)를 증발시킵니다. 이 과정을 총 3회 반복한다.
3. 몰딩 및 열경화:
   • 건조된 AgNW 필름 위에 기포가 제거된 PDMS를 약 1mm 두께로 천천히 붓는다.
   • 80°C에서 2시간 동안 가열하여 PDMS를 고체로 경화시킨다.
4. 탈형 및 패터닝 (전극 완성):
   • 경화된 PDMS를 유리판에서 조심스럽게 박리하여 AgNW를 전사시킨다.
   • 10mm x 10mm 규격으로 재단한 후, 전도성 에폭시를 이용해 ESP32 보드와 연결될 리드선(구리선)을 밀착 부착하고 도통 테스트를 진행한다.

3. 설계

 

• 전처리 단계

PDMS 배합비를 10:1로 맞추고 5분간 교반하는 이유: 10:1은 웨어러블 센서로서 가장 적합한 PDMS의 점도와 피부 밀착 탄성을 결정하는 표준 비율이다. 또한, 미경화 현상(끈적임이 남아 굳지 않는 현상)을 막기 위해 5분간 벽면까지 철저히 긁어 교반하는 과정을 필수로 둔다.

 

탈포(기포 제거) 과정을 거치는 이유:기포가 포함된 채로 PDMS가 경화되면 전극의 물리적 내구성이 찢어지기 쉬워지며, 근전도 측정 시 전기적 신호가 끊기거나 왜곡되는 노이즈의 원인이 되기 때문이다.

 

• 나노와이어 코팅 

60°C 가열을 통한 증발 공정을 설계한 이유: AgNW가 분산되어 있는 IPA(이소프로필 알코올) 용매만을 깔끔하게 날려 보내고, 유리 기판 위에는 순수한 은 나노와이어 입자만 남기기 위함.

 

코팅 과정을 1회가 아닌 '3회 반복'하는 이유: 단일 코팅만으로는 나노와이어 간의 연결이 성글어 전기가 잘 통하지 않는다. 3회에 걸쳐 겹겹이 쌓아 올림으로써(Drop-casting 반복), 전극의 전기적 저항을 낮추고 굽힘에도 끊어지지 않는 조밀한 전도성 네트워크 필름을 형성하기 위함이다.

• 전사공정

높은 곳에서 얇은 물줄기로 PDMS를 붓는 이유: 탈포 과정을 거쳤음에도 부을 때 발생할 수 있는 미세한 기포들이 물줄기가 얇아지면서 자연스럽게 터지도록 유도하기 위함이다.

 

유리 기판에 코팅 후 PDMS로 '전사(Transfer)'하는 방식을 택한 이유: PDMS 표면에 직접 액체를 코팅하면 표면 장력 때문에 골고루 발리지 않는다. 따라서 평평한 유리에 먼저 코팅하여 형태를 잡은 뒤, 점착력이 강한 PDMS가 굳으면서 AgNW 층을 물고 떨어지게 만드는 전사 공정이 가장 균일한 표면 전도성을 얻을 수 있기 때문이다.

 

리드선 부착에 '전도성 에폭시'를 사용하는 이유: PDMS는 열에 취약한 고무 소재이므로 고온의 납땜 인두기를 사용할 수 없다. 따라서 상온에서 경화되면서 물리적 접착력과 전기적 전도성을 동시에 확보할 수 있는 전도성 에폭시를 패터닝 접착제를 사용한다. 

 

4. 참고문헌

• Wearable Silver Nanowire Dry Electrodes for Electrophysiological Sensing

https://pubs.rsc.org/en/content/articlehtml/2015/ra/c4ra15101a

• Highly Stretchable and Sensitive Strain Sensor Based on Silver Nanowire–Elastomer Nanocomposite

https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/nn501204t

• SYLGARD™ 184 Silicone Elastomer Technical Data Sheet

https://www.wpi-europe.com/downloads/content/11-3184-01-sylgard-184-elastomer.pdf