[붙임] 연구결과 개요

1.연구배경

피부 부착형 전자기기(Skin-interfaced electronics, SIEs)는 인체의 피부와 완벽하게 일체화되어 다양한 생리학적 신호를 지속적으로 모니터링할 수 있는 생체전자 장치로, 개인 맞춤형 헬스케어 모니터링, 경피 약물 전달, 인간-기계 상호작용 등 다양한 분야에서 혁신을 일으킬 것으로 기대되고 있다. 그러나 SIEs의 잠재력을 완전히 실현하기 위해서는 피부의 미세한 굴곡을 따라 밀접한 부착이 필수적이며, 이는 고품질의 생체 신호 획득을 위해 중요하다. 부적절한 부착은 신호 저하와 체동 아티팩트(Motion artifact)로 인한 잡음 증가로 이어져 장치의 신뢰성을 크게 저해시킬 수 있다.

SIEs는 정적 조건에서의 안정적인 피부 부착뿐만 아니라 동적 움직임에도 적응해야 한다. 사용자들은 다양한 물리적 활동을 하면서 장치에 상당한 변형을 가하기 때문에, 이러한 장치들은 피부에 순응하면서도 동작에 적응할 수 있어야 한다. 그러나 피부는 상당한 거칠기와 동적 특성을 가진 복잡한 표면이기 때문에 정적 및 동적 조건 모두에서 밀접한 접촉을 유지하는 것은 어려운 과제이다.

기존의 접근 방식은 화학적 접착제에 의존했지만, 이는 특히 취약한 영유아와 노인들에게 피부 자극을 유발하고 장기적인 사용성을 저해할 수 있다. 이를 해결하기 위해 디바이스 자체를 수 마이크로 및 그 이하의 두께로 매우 얇게 제작하는 전자 피부 (Epidermal electronics) 기술도 제안됐다. 얇게 제작된 디바이스는 낮은 굽힘 강성을 통해 낮은 접착력으로도 피부 굴곡을 따라 밀착이 가능하여 피부 자극을 최소화할 수 있다. 하지만, 자체 접착력이 낮은 탓에 배터리, 블루투스 모듈, 각종 센서와 같이 무겁지만 다바이스로 활용하기 위해 필수적인 전자요소들을 결합시킬 수 없다는 큰 단점이 존재한다.

이처럼 현재까지 제시된 피부 부착 기술은 각각의 한계점으로 인해 1) 강력한 피부 접착력, 2) 굴곡 표면 및 피부 동작 적응성, 3) 사용자가 원할 때 저자극성 쉬운 탈착을 모두 결합한 피부 부착 패치의 개발은 여전히 이 분야의 과제로 남아있었다.

2.연구내용

따개비의 접착 단백질은 거친 표면을 따라 흐른 뒤 경화를 통해 단단하게 표면에 고정된다. 본 연구팀은 따개비의 접착 메커니즘에 영감을 받아 형상기억고분자(Shape memory polymer, SMP)1)를 접착 소재로 활용했다. SMP는 가변 강성 특성을 통해 녹는점 이상으로 가열 시, 강성이 낮아지고 작은 압력만 가해도 거친 표면을 따라 밀착할 수 있으며, 이후 냉각을 통해 높은 강성을 회복하여 극대화된 접착력을 확보할 수 있다. 또한, 사용자가 탈착을 원할 시 재가열을 통해 표면 굴곡을 따라 적응된 형상이 본래의 형상으로 회복되면서 접촉 면적을 낮춰 대상 표면으로부터 손쉽게 떼어낼 수 있다. 하지만, 강한 접착력을 유지하기 위해 냉각된 SMP는 높은 강성을 보이기 때문에 피부의 움직임 발생 시, 접착 계면에 높은 응력이 집중되어 원하지 않은 탈착이 발생하거나 냉각된 SMP의 낮은 신축성으로 SMP의 파손이 발생할 수 있어, 피부 접착 패치로 활용이 어려웠다.

이 같은 한계는 아르마딜로의 갑옷 구조를 모방해 해결했다. 아르마딜로의 외피는 테셀레이션 구조(Tessellated structure)2)라고 불리는 독특한 디자인을 통해 높은 강성과 유연성을 동시에 갖고 있다. 아르마딜로 외피의 단단한 뼈 조각들 사이에는 샤피 섬유(Sharpey’s fiber)라고 알려진 콜라겐 재질의 부드러운 관절로 연결되어 있다. 이러한 테셀레이션 구조는 높은 강성과 유연성 사이의 기계적 상충 관계를 피할 수 있다. 본 연구팀은 테셀레이션 구조에 영감을 받아 단단한 강성을 지닌 SMP를 다수의 조각으로 배열하고 조각 사이를 유연한 탄성 고분자를 채워 SMP의 강력하면서도 스위칭 가능한 피부 접착 특성과 움직임 적응성을 동시에 확보할 수 있는 패치를 개발했다.

개발된 모션 적응형 테셀레이션 피부 패치는 기존 상용 피부 접착 패치보다 월등히 높은 접착력을 보일 뿐만 아니라, 형상 회복을 통해서 약 50배 낮은 접착력으로 쉬운 탈착으로 피부 자극을 최소화할 수 있다.

또한, 은나노와이어와 같은 전도성 나노 소재를 개발된 피부 부착 패치 표면에 전사(Transfer)하여 피부 굴곡과 동적인 움직임에도 안정적인 기계적/전기적 연결이 가능하였다. 본 연구진은 이러한 피부 부착형 생체 전극을 활용하여 헬스케어 모니터링 디바이스를 제작하였으며, 사용자의 다양한 움직임에도 밀접한 접촉을 유지하여 심전도, 근전도, 심박수, 혈압 등을 지속적으로 측정이 가능함을 보였다.

3.기대효과

개발된 모션 적응형 테셀레이션 피부 패치는 1) 강력한 부착력, 2) 동작 적응성, 3) 접착 스위칭 특성, 4) 낮은 접촉 임피던스 및 높은 신호 대 잡음비를 기반으로 인체의 피부와 완벽하게 일체화되어 다양한 생리학적 신호를 지속적으로 모니터링할 수 있는 헬스케어 모니터링 디바이스로 활용될 수 있다. 이 패치는 심전도(ECG), 근전도(EMG), 심박수, 혈압 등의 다양한 생체신호를 움직임이 있는 환경에서도 정확하게 측정할 수 있어, 개인화된 건강 관리와 원격 의료 서비스에 큰 기여를 할 것으로 예상된다. 또한, 높은 재사용성과 접착력 스위칭 특성으로 인해 경제성과 지속가능성 측면에서도 장점을 가진다.

뿐만 아니라, 경피 약물 전달, 군인 수행능력 트래킹 장치, 웨어러블 증강 현실 시스템, 인간-기계 인터페이스 등 다양한 분야에서 활용이 가능할 것으로 기대된다. 특히 이 기술의 높은 신뢰성, 편안함, 그리고 다기능성은 웨어러블 기기의 실용성과 수용성을 크게 향상시킬 것이다.

더불어, 다종 전자 부품들의 통합이 가능해짐에 따라, 기존 웨어러블 디바이스의 한계를 극복하고 더 다양하고 복잡한 기능을 갖춘 장치 개발이 가능해질 것으로 예상된다. 이는 의료, 스포츠, 군사, 산업 안전 등 다양한 분야에서 혁신적인 응용을 이끌어낼 수 있을 것이다.

[붙임] 용어설명

1.형상 기억 고분자

외부 자극(열, 전기, 자기장, 빛 등)에 반응하여 크기, 모양, 강성 등을 변화시킬 수 있는 스마트 소재.

2.테셀레이션

격자 구조로 도형들을 겹치지 않고 빈틈없이 평면이나 공간을 채우는 방식. 본 연구에서는 단단한 접착 소재와 유연한 소재를 테셀레이션 구조로 배치했다.

[붙임] 그림설명

그림1 개발된 ‘모션 적응 테셀레이션’ 피부 패치의 컨셉과 디자인

(a) 따개비의 접착 메커니즘과 아르마딜로의 ‘테셀레이션’ 외피 구조

(b) 개발된 모션 적응형 테셀레이션 피부 패치 모식도

(c) 개발된 모션 적응형 테셀레이션 피부 패치의 움직임 적응 특성, 스위칭 접착 특성, 다종 전자 부품 통합 가능성 모식도

그림2 개발된 모션 적응형 테셀레이션 패치를 피부에 부착한 사진

(a) 돼지 피부와 표면 적응 후 테셀레이션 패치의 공초점 현미경 이미지

(b) 피부에 표면 적응 후 견고하게 부착된 테셀레이션 피부 패치와 재가열 및 표면 형상 회복 후 쉽게 탈착되는 테셀레이션 피부 패치 사진

(c) 피부 표면의 굴곡과 변형에도 부착을 유지하는 테셀레이션 피부 패치 사진

그림3 헬스케어 웨어러블 디바이스로 제작된 패치

(a) 피부 패치를 이용한 웨어러블 디바이스의 구조

(b) 다양한 신체활동에 걸친 생체신호 수집

(c) 측정된 생체신호 결과