실시간 핸드 제스쳐 분류를 위한 신축성 및 생체적합성 전극 어레이-칩 시스템 = A Stretchable and Biocompatible Electrode Array-Chip System for Real-Time Hand Gesture Classification

국문 초록 (Abstract)

웨어러블 바이오 전자 인터페이스는 기계적 신축성과 생체적합성, 그리고 전기생리학적 신호의 신뢰성 있는 획득 기능을 완벽하게 통합한 전극을 필요로 한다. 이에 본 연구에서는 Poloxamer와 극성 용매로 도핑된 PEDOT:PSS 복합체를 기반으로 한 신축성 전도성 전극 어레이를 제안한다.
본 연구에서 적용한 시너지 도핑 전략은 소재의 기계적 유연성을 향상시키고 피부-전극 임피던스를 감소시켰으며, 피부 순응성을 개선하여 다양한 전기생리학적 생체 신호를 안정적으로 획득할 수 있게 하였다. 실용적인 바이오 전자 시스템을 구현하기 위해, 개발된 전극 어레이는 다채널 증폭, 필터링 및 디지털화가 가능한 맞춤형 저전력 바이오 인터페이스 칩과 통합되었다.
완전 통합형 플랫폼은 20채널 근전도 기록을 기반으로 높은 정확도의 손 제스처 실시간 분류를 가능하게 하였다. 계산기 제어를 통한 보완대체의사소통 도구로서의 활용을 시연함으로써 인간-기계 인터페이스로서의 응용 가능성을 입증하였다. 본 연구는 실시간, 고정확도 상호작용을 통해 인간의 의도와 기계 지능을 연결함으로써, 차세대 신축성 바이오 전자 인터페이스를 위한 기술적 토대를 마련하였다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Wearable bioelectronic systems require electrodes that seamlessly combine mechanical elasticity, biological safety, and reliable electrophysiological sensing capabilities. Here, we report a stretchable PEDOT:PSS-based composite electrode array doped with Poloxamer and polar solvents. Our synergistic doping approach enhances mechanical flexibility and conformability while minimizing impedance, enabling the stable acquisition of diverse biosignals. For practical system realization, the electrode array was integrated with a custom low-power biointerface circuit designed for multi-channel signal processing. The resulting fully integrated platform enabled the real-time, high-accuracy classification of hand gestures from 20-channel electromyography signals. Additionally, we demonstrated its potential as a human–machine interface for augmentative and alternative communication by controlling a calculator application. This research provides a technological basis for next-generation stretchable bioelectronics, facilitating seamless interaction between human intent and machine intelligence.

목차 (Table of Contents)

• 1. 서론 1
• 2. 관련 이론
• 2.1. PEDOT:PSS 3
• 2.1.1. PEDOT:PSS의 특성 3
• 2.1.2. PEDOT:PSS 도핑 5
• 2.1.3. 가교반응을 활용한 PEDOT:PSS 광패터닝 7
• 2.2. 전기생리학적 신호 9
• 2.2.1. 심전도 9
• 2.2.2. 근전도 11
• 2.2.3. 안구전도 13
• 2.3. 머신 러닝 15
• 2.4. Wearable device 16
• 3. 실험 방법
• 3.1. 재료 17
• 3.2. PEDOT:PSS/P123/DMSO 복합 전극 및 어레이 제작 18
• 3.3. PEDOT:PSS/P123/DMSO 스트레인 센서 제작 19
• 3.4. PEDOT:PSS 직접 광패터닝 공정 20
• 3.5. 생체전위(EP) 신호 획득 21
• 3.6. 머신러닝 23
• 4. 실험 결과
• 4.1. PEDOT:PSS/P123/DMSO 복합 전극 25
• 4.1.1. 시너지 도핑 메커니즘 분석 25
• 4.1.2. 구조적, 화학적 특성 분석 27
• 4.1.2.1. 라만 분광법 27
• 4.1.2.2. 원자힘 현미경 (atomic force micoscopy, AFM) 28
• 4.1.2.3. X선 광전자 분광법 (X-ray photoelectron spectroscopy, XPS) 29
• 4.1.3. 전기적 성능 및 임피던스 특성 30
• 4.1.4. 복합 전극의 기계적 견고성 및 전기적 안정성 31
• 4.1.5. 기계적 안정성 및 내구성 평가 33
• 4.1.6. 광패터닝을 통한 고해상도 전극 어레이 제작 35
• 4.2. 생체 적합성 테스트 및 생체 신호 측정 37
• 4.2.1. 생체 적합성 평가 37
• 4.2.2. 다기능 생체 신호 측정 40
• 4.2.3. 다기능성 패치 및 동작 잡음 내성 43
• 4.3. 머신러닝 기반 손 제스처 분류 및 응용 시스템 44
• 4.3.1. 근전도 매핑 및 제스처 분류 44
• 4.3.2. Natural user interface (NUI)/Augmentative and alternative communication (AAC) 응용 시스템 구현 51
• 5. 결론 54
• 참고문헌 55
• Abstract 59