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표제지

목차

초록 15

I. 서론 18

I-1. 연구의 필요성 및 목표 18

I-2. 웨어러블 의료기기 연구 동향 20

I-3. 인체와 수소이온의 관계 36

I-4. 수소이온 관련 연구 동향 및 적용사례 39

II. 인체의 수소이온측정 및 시스템 개발에 관한 연구 53

II-1. 인체의 수소이온측정 연구의 필요성 53

II-2. 인체 수소이온측정에 관한 연구 54

II-3. 위산역류 측정의 필요성 63

II-4. 자기장이 이온에 미치는 영향에 대한 선행연구 71

II-5. 수소이온측정 방법 80

II-6. 수소이온 측정시스템 개발 89

1) 적용 센서 특성 및 동작 원리 89

2) pH 측정 Probe 제작 93

II-7. 수소이온 측정시스템 개발의 조건과 개선책 109

III. ISFET 소자를 이용한 산성-중성-알칼리성 용액 내 나노자성입자 분포에 따른 pH 특성 연구 111

III-1. 용액 내 나노자성입자 분포에 따른 pH 농도 측정 연구의 필요성 111

III-2. 나노자성입자 구조와 pH 농도 측정을 위한 ISFET 소자 특성 분석 113

III-3. pH에 따른 이온 활성 소자 내의 전하 운반자 밀도 변화 특성 119

III-4. 나노자성입자 용액 내 외부 자기장의 세기에 따른 pH분석과 활용 127

III-5. 용액 내 나노자성입자 분포에 따른 pH 특성 측정 연구 결과 요약 134

IV. 결론 136

참고문헌 138

Abstract 147

연구실적 (안명천) 151

표목차

Table 1. Indications for outpatient esophageal pH testing 62

Table 2. Performance objectives of pH measurement ISFET sensor... 100

Table 3. Comparison of IDS measurement values for pH buffer... 102

Table 4. Test to set the optimal VDS and IDS[이미지참조] 108

Table 5. pH sensitivity, VGS/pH specification, and pH values for...[이미지참조] 118

그림목차

Fig. 1. World market forecast for wearable device. 21

Fig. 2. Research trend of electrophysiological signal detection sensor. 25

Fig. 3. Research trend of exhalation gas detection sensor 27

Fig. 4. Research trend of blood sugar detection sensor 30

Fig. 5. Non-invasive human implantable medical device... 32

Fig. 6. Examples of epidermal tBFCs and components:... 35

Fig. 7. Atomic structure of free radicals. 37

Fig. 8. Schematic diagram of mitochondria, animal cells. 38

Fig. 9. Apoptosis (cell suicide) mechanism schematic. 39

Fig. 10. Plastic optical fiber structure 41

Fig. 11. Reflection spectrum of pH liquid solution... 42

Fig. 12. Prototype soil pH sensor 44

Fig. 13. Correlation between potential and pH 45

Fig. 14. Main screen for pH measurement SW... 46

Fig. 15. pH measurement smartphone SW flowchart. 47

Fig. 16. Rhine river water pollution early warning system 49

Fig. 17. Fuel cell operation principle and basic structure 52

Fig. 18. Before(Top) and after(Bottom) skin barrier damage... 55

Fig. 19. Wireless pH measuring instrument: (a) Oral measuring... 57

Fig. 20. Concept of wound monitoring using smart dressing with pH sensor. 59

Fig. 21. Wound treatment coatings and side effects from infection. 59

Fig. 22. Results of animal experiments with coatings containing a... 61

Fig. 23. Necessity of wearable gastric acid reflux measurement... 64

Fig. 24. Market data related to gastric acid measurement:... 65

Fig. 25. Gastroesophageal reflux disease monitoring system. 68

Fig. 26. Anatomy and symptoms of pharyngeal reflux disease. 69

Fig. 27. Laryngeal damage image taken with a rigid endoscopy... 70

Fig. 28. Laryngeal damage image taken with a rigid endoscope... 70

Fig. 29. A conceptual diagram showing that a charged object... 71

Fig. 30. Comparative experiment of the amount of sediment... 75

Fig. 31. Experiment with bubble convection in the... 78

Fig. 32. MHD effect around the cathode: (a) Lorentz force downward... 79

Fig. 33. pH measuring electrode with pH sensitive membrane 82

Fig. 34. Membrane mechanism of glass electrode: (a) Diffusion of... 83

Fig. 35. Reference electrode including reference electrolyte,... 83

Fig. 36. Schematic diagram of potential for each... 85

Fig. 37. Potential schematic diagram for each reference electrode... 87

Fig. 38. Solid line is ideal reaction, broken line is real reaction.... 88

Fig. 39. Cross section of ISFET sensor by SEM. 90

Fig. 40. ISFET sensor: (a) Temperature... 91

Fig. 41. Structure diagram of development target pH measuring probe. 92

Fig. 42. Fabricated pH measuring probe. 92

Fig. 43. ISFET pH sensor Kit. 93

Fig. 44. ISFET sensor and reference electrode integrated pH... 94

Fig. 45. Experimental values of [VG-ID], [VD-ID], and [pH-ID] to...[이미지참조] 95

Fig. 46. Circuit design using AFE (Analog Front-End) IC for ISFET sensor. 96

Fig. 47. ISFET measurement circuit using null-balancing circuit. 97

Fig. 48. Labview based display and analysis SW. 98

Fig. 49. Embedded circuit board developed for performance testing and experimentation. 99

Fig. 50. The base model of the Winsense Co., Ltd. and the Type A... 103

Fig. 51. Compared with Winsense Co., Ltd, the Type B pH sensor... 104

Fig. 52. As a result of experiment by separating the reference... 105

Fig. 53. Comparison of characteristics of the integrated Type B pH... 106

Fig. 54. In case of the integrated Type B pH sensor model, drift... 107

Fig. 55. Test for optimal VDS and IDS setting of the integrated Type B pH sensor model.[이미지참조] 108

Fig. 56. (a) SEM photo of nano magnetic particles (SPHERO™)... 114

Fig. 57. (a) Schematic diagram of a composite gate, dual dielectric... 117

Fig. 58. Photographs for three different measuring status of nano... 120

Fig. 59. The variation curves of output voltage V(pH)＝VDS and pH...[이미지참조] 122

Fig. 60. Schematic diagram for the operational principle with H+-ion...[이미지참조] 126

Fig. 61. (a) The pH measurement method system according to the... 129

Fig. 62. Schematic of magnetic hyperthermia cancer treatment using by... 132

수식목차

Eq.1. Hydrogen ion activity formula. 81

Eq.2. Nernst equation. 84

Eq.3. In the Nernst equation, the equation where only T (Kelvin temperature) is a variable. 88

Eq.4. ISFET pH sensor output correction linear regression. 116

초록보기

웨어러블 의료기기는 최근에 더 관심을 받고 있다. 전자 의료기기와 BT (Bio-technology 바이오 기술), NT (Nano-technology 나노기술), IT (Information-technology 정보 기술), 에너지 관련 기술 등 각 분야에서 많은 발전을 이루었으며 이제는 기술의 융합을 통해 의료기기의 새로운 패러다임을 가져올 수 있는 시점을 맞이하고 있다.

진정한 웨어러블은 독립된 에너지를 활용할 때 가능하나, 현재는 배터리를 가능한 한 오래 사용할 수 있도록 소모 전력을 줄이는 방향으로 개발이 이루어지고 있으며, 이를 뒷받침하기 위해서 미소 전력을 생산하는 에너지 하베스팅 기술에 많은 연구가 이루어지고 있다. 또한 웨어러블 의료기기는 인체 삽입과 인체 착용으로 분류될 수 있으며, Pacemaker와 같이 단독으로 동작을 하는 기기와 생체신호 모니터링 기기처럼 외부와 통신을 하므로 정보를 주고받는 기기로 구분될 수도 있다.

본 연구에서는 배터리를 가능한 한 오래 사용하면서 생체신호를 외부와 통신하는 웨어러블 의료기기의 개발과 생활 속에서 접하는 전자기장에 대한 영향을 선행연구하고 NMPs (Nano magnetic particles, 나노 자성입자)가 수소이온측정에 끼치는 영향을 실험하였다.

실험을 통해 개발되는 의료기기는 역류하는 위산을 인·후두에서 측정하기 위해 작은 측정 프로브를 코로 삽입하여 24시간 동안 모니터링하게 된다. 전체 시스템은 측정 프로브, 데이터 수집/제어/무선 송신부로 구성된 데이터 처리부와 무선수신/저장으로 구성된 데이터 저장부, PC형 분석 SW와 스마트폰용 App로 구성된다.

수소이온측정을 하기 위해 pH 측정법 가운데 ISFET (Ion-selective field effect transistor) 소자를 이용한 측정 전극과 기준전극 일체형 프로브를 개발하였으며 pH 버퍼 용액을 이용하여 실험한 결과 사용 가능한 측정값을 얻을 수 있었다. 그러나 시간에 따른 연속 측정 시 Drift 현상이 발생했다. 이 부분을 개선하기 위해서는 ISFET 소자의 PCB 장착과정과 신호선의 연결에 대한 보완 및 기준전해액의 Diaphragm에 대한 보완이 필요한 것으로 판단된다.

측정 프로브와 연결된 회로부는 CVCC (Constant voltage constant current) 전원방식과 Null-Balancing 회로를 측정부에 적용하여 pH 1.0 ~ 14.0까지 측정할 수 있음을 확인하였다.

자기장 안에서 이온 측정하는 경우 로렌츠 힘 (Lorentz force)의 법칙에 따라 이온의 움직임은 자기장의 영향을 받게 된다. 본 실험에서는 NMPs 용액을 추가하여 그 변화에 대해 실험했다.

첫 번째는 NMPs 용액과 pH 완충 용액을 섞은 후 시간의 변화에 따라 pH 측정값이 더 높아짐을 관찰할 수 있었다. 두 번째는 NMPs 용액과 pH 완충 용액을 섞은 후 외부에서 자기장을 인가하여 자기장이 세질 때 pH 농도가 낮아지는 것을 확인할 수 있었다.

위 두 가지의 실험을 통해 NMPs가 시간이 지나면서 수소이온과 결합하므로 ISFET 센서의 감응이 작아져 pH 값이 커지는 것을 알 수 있었다. 또한 자기장이 세지면 NMPs 분포가 ISFET 센서 주변으로 변하고 센서의 수소이온에 대한 감응이 활발해지므로 pH 값이 낮아지는 것을 알 수 있었다.

현대인은 많은 질병을 새로운 진단 및 치료 방법을 통해 극복해 가고 있다. 본 연구는 위산역류로 생활의 질이 낮아지고 위험한 질병에 이르는 것을 사전에 방지하고, 정확한 진단을 통해 치료가 이루어지도록 도움을 줄 수 있을 것이라 기대한다.

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