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의료용 웨어러블 디자인 및 소재에 영향을 미치는 다양한 모양과 크기

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글/Arrow Electronics 제공

의료용 및 피트니스 웨어러블의 종류는 광범위하다. 2021년 전 세계 웨어러블 의료용 기기의 시장 규모는 213억 달러로 평가되었으며, 2022년부터 2030년까지 연평균 28.1%의 성장률을 보일 것으로 예상된다.

대부분의 사람들은 웨어러블을 생각할 때 FitBit 또는 Apple Watch가 떠오를 것이다. 그러나 인기 있는 이러한 소비자 웨어러블 외에도 환자를 평가하고, 장기간 모니터링하고, 심지어 치료에 개입하기 위해 임시로 착용하는 소형 의료 기기가 많이 있다. 최근 몇 년 동안 성장한 분야 중 하나는 심장 부정맥 및 기타 심장 관련된 질환이 있는 환자의 진단, 치료 및 모니터링이었다.

심전도 검사(ECG/EKG), 뇌파 검사(EEG), 근전도 검사(EMG) 및 전기 요법 기기와 같은 접지 드레싱과 전극 웨어러블 기기에는 피부에 부착하는 접착제와 함께 전극 및 접지 접점을 사용한다. 진단을 위해 전기 자극을 측정하거나 전자 펄스를 신체에 전달하는 이러한 생물 의학 및 진단 장치의 경우, 내구성, 생체 적합성 및 환자의 편안함이 주요 고려 사항이다.

경피용 패치와 같은 일부 웨어러블 장치는 서방형 약물을 전달한다. 일반적으로 장시간 착용할 경우, 접착력과 통기성의 균형을 유지하고 착용자가 편안해야한다. 사용된 소재가 착용자에게 전달되는 약물과 의약품에 부정적인 영향을 끼치지 않는 것도 중요하다.

혈당 스트립 및 당뇨병 검사는 미세 유체 진단 장치의 일반적인 예이다. 혈액, 땀 또는 다른 액체의 분자 수준에서 포도당 및 pH 수준 등의 생물 지표를 추적하는 데 사용되는 이 장치는 작고 착용자의 데이터를 수집하는 센서가 있어 복잡하며 인쇄된 플렉스 회로, PCB 어셈블리, 전극 및 배터리를 갖추고 있어야 한다.

웨어러블 생체 인식 모니터링 장치는 생체 인식 마커와 온도, 심박수, 호흡 및 움직임을 비롯한 정보를 추적하는 광범위한 범주이다. 예를 들면 연속 포도당 모니터, 혈압 모니터 및 수면 추적기가 있다. 수집된 정보를 무선으로 전송하는 기능을 포함한 해당 기능에는 플렉스 회로 및 배터리 어셈블리와 같은 내부 구성품이 필요하며 접착제를 사용하여 사용자에게 부착해야 할 수도 있다.

의료용 웨어러블 기기가 계속 작동하려면 제외해야 하는 요소가 많이 있다. 물과 같은 액체는 명백히 제외되어야 하며 흙, 먼지, 심지어 전자파 간섭 모두 제대로 작동하는 데 위협이 된다. 특히 소비 시장에서 장치가 비용 효율적이고 내구성이 있어야 하기 때문에 설계자에게 여러 문제를 야기한다.

의료용 웨어러블, 특히 밀봉 개스킷에 사용되는 소재는 의료용 웨어러블 제조에 매우 중요하다. 원하지 않는 오염 물질을 차단해야 할 뿐만 아니라 장치에서의 위치에 따라 사람과의 접촉에도 안전해야 한다. 인체 조직, 체액, 의료용 액체 또는 약물과 접촉하는 의료용 밀봉 개스킷은 보철 및 보조기 제조에 사용되는 3D 프린터 내부의 내화성 밀봉 개스킷 등 의료 전자 장치 내부의 소재와 다른 소재로 만들어진다.

의료 기기 및 웨어러블 기기의 개스킷을 밀봉하는 데 사용되는 소재는 비용 효율적이고 신뢰할 수 있어야 하며 대용량 정밀 제작을 지원하는 동시에 용도에 따라 FDA 및 기타 표준을 비롯한 규제 요구 사항을 충족해야 한다. 의료용 웨어러블에 사용하기 위해 선택된 모든 소재는 사용자의 편의와 기능성의 균형을 맞추어야 한다.

밀봉 개스킷을 포함한 모든 부품에는 내화성, 전기 전도 및 정전기 방전 방지 기능이 필요하다. 이러한 모든 요구 사항으로 다양한 폴리머와 탄성중합체에 이르는 여러 소재 중 선택할 수 있다. 

의료용 웨어러블 사용자의 일상 생활을 고려할 때 습기가 일관되게 중요한 요소이므로 밀봉 개스킷이 매우 중요하다. 땀, 목욕, 심지어 수영에도 견뎌야 한다. 사람들은 전자 제품의 방수 기능이 충분하여 샤워를 하거나 수영을 할 때 전자 제품을 착용해도 된다고 기대하게 되었다. 또한 웨어러블 기기가 가끔 부딪치거나 딱딱한 표면에 떨어져도 견뎌낼 것이라고 기대한다. 단독 소유자가 있는 소비자용 장치나 여러 환자가 임시로 착용하는 의료 진단 장치이든 관계없이 며칠, 몇 주, 몇 개월, 심지어 몇 년 동안 안정적으로 작동해야 한다.

유연성과 내구성이 모두 핵심 고려 사항이기 때문에 의료용 웨어러블에는 단단한 소재와 부드러운 소재가 조합되어야 한다. 이러한 이유로 폴리카보네이트와 열가소성 엘라스토머(TPE)를 사용하여 일반적으로 인체 조직 접촉과 관련된 하우징과 인터페이스를 의료 등급 표준에 맞게 구축한다. TPE는 웨어러블 기기를 편안하게 착용하게 하는 밀봉 개스킷과 부드러운 부품에 특히 적합하다. 전반적으로 정기적인 사용으로 오래 지속되는 내구성 장치는 내화학성을 갖추고 접착력이 강한 소재로 구성되어야 한다.

웨어러블 기기는 정기적인 세척을 견뎌야 하지만 시간이 지남에 따라 플라스틱을 분해할 수 있는 로션 및 스킨 크림과 접촉할 수 있기 때문에 내화학성이 중요하다. 또한 의료인이 피부에 도포한 기기가 알코올 소독약과 접촉할 수 있다. 이러한 웨어러블 기기 내의 전자 장치도 세척 용제로부터 보호되어야 하며, 의료용 웨어러블 기기를 세척하는 가장 좋은 방법은 방사선이나, 이로 인해 다른 문제가 발생한다.

의료 기기를 살균하는 한 가지 방법은 방사선에 노출시키는 것이다. 단, 장치의 복잡성과 부품에 따라 방사선에 의해 손상될 수 있다. 데이터를 저장하고 처리하기 위한 메모리가 있는 스마트 웨어러블 기기에서는 특히 플래시 메모리에 방사선이 유해할 수 있다. 방사선에 노출되는 의료 기기에 대한 사용 제한이 있을 뿐만 아니라, 지구 궤도 밖에서 사용하기 어렵다.

의료용 및 피트니스 웨어러블은 점점 더 복잡해지고 있다. 소비자가 멋진 피트니스 추적기를 구입하든 병원에서 환자 여러 명이 사용해야 하는 진단 추적기를 배포하든 상관없이 초기 비용이 높을수록 수명에 대한 기대치가 높아진다. 즉, 설계 과정에서 견뎌야 하는 조건을 고려해야 하므로 소재와 구성품 모두가 유연하고 내구성을 갖추어야 한다. 

leekh@seminet.co.kr
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