코어-이중 쉘 나노와이어, 전도성 나노복합체 및 그 형성 방법

발명의 배경과 필요성

기술의 배경과 문제점

• 기존 은 나노와이어는 높은 전기전도성과 종횡비로 전도성 네트워크 형성에 유리했지만, 물질 고유의 생체독성으로 인해 생체 전극 재료로 사용되기 어려웠습니다.

• 이를 해결하기 위해 은 나노와이어 표면을 금(Au)으로 코팅하는 방법이 시도되었으나, 여전히 은 이온이 유출되는 문제가 남아 있었고, 전기화학적 특성이 낮아 효율적인 생체 신호 전달에 한계가 있었습니다.

기술의 필요성

• 생체 독성의 원인인 은 이온 유출을 근본적으로 차단하여 장기적인 생체 안정성을 확보할 필요가 있습니다.

• 전기화학적 특성을 개선하여 미세한 생체 신호도 정확하고 효율적으로 전달할 수 있는 고성능 전극 소재 개발이 시급합니다.

• 높은 전도성, 우수한 신축성, 뛰어난 생체적합성을 모두 갖춘 혁신적인 나노복합체 소재 개발을 통해 웨어러블 및 체내 이식형 기기의 성능 한계를 극복할 필요가 있습니다.

구현 방법

기술의 원리

• 본 발명은 은(Ag) 코어, 금(Au) 내부 쉘, 백금(Pt) 외부 쉘로 구성된 코어-이중 쉘 구조의 나노와이어를 핵심으로 합니다.

• Ag 코어는 높은 전도도를 담당하며, Au 내부 쉘과 Pt 외부 쉘의 이중 보호막이 Ag 이온의 유출을 효과적으로 차단하여 생체적합성을 확보합니다.

• 특히 울퉁불퉁한 엠보싱 구조의 Pt 외부 쉘은 전극의 유효 표면적을 넓혀, 전극-전해질 계면에서의 전하 이동을 촉진하고 임피던스를 낮춰 전기화학적 성능을 극대화합니다.

구체적인 구현 방법

1. Ag-Au-Pt 나노와이어 합성: 금이 코팅된 은 나노와이어(Ag-Au NW) 용액에 환원제(아스코르브산)와 백금 전구체(H2PtCl6)를 첨가합니다. 이 온화하고 느린 환원 조건에서 백금 이온이 환원되어 Ag-Au 나노와이어 표면에 엠보싱 구조의 백금 쉘을 형성합니다.

2. 전도성 나노복합체 제작: 합성된 Ag-Au-Pt 나노와이어, 백금 나노입자 전구체, 엘라스토머(SEBS) 등을 용매에 혼합하여 나노복합체 용액을 만듭니다. 이 용액을 건조시키는 과정에서 백금 전구체가 환원되어 인시츄(in-situ) 방식으로 나노입자가 고분자 매트릭스 내에 균일하게 형성됩니다.

기술의 장점

• 뛰어난 생체적합성: 금(Au)과 백금(Pt)의 이중 쉘이 은(Ag) 이온 유출을 기존 은 나노와이어 대비 88.8배 이상 억제하여 세포 독성을 획기적으로 낮췄습니다.

• 우수한 전기화학적 특성: 엠보싱 구조의 백금 쉘 덕분에 임피던스를 기존 은 나노와이어 대비 60% 이상 낮추어 미세한 생체 신호도 명확하게 측정 가능합니다.

• 높은 전도도 및 신축성: 최종 나노복합체는 약 11,000 S/cm의 높은 전도도와 약 500%에 달하는 우수한 신축성을 동시에 구현하여 어떠한 움직임에도 안정적인 성능을 유지합니다.

실험 및 결과

실험의 목적

본 연구에서는 개발된 코어-이중 쉘(Ag-Au-Pt) 나노와이어 및 이를 활용한 전도성 나노복합체의 전기적, 전기화학적 특성과 생체적합성을 기존 소재(Ag 나노와이어, Ag-Au 나노와이어)와 비교 평가하여 그 우수성을 입증하고자 하였습니다.

실험 방법 및 과정

1. 각 나노와이어(Ag, Ag-Au, Ag-Au-Pt)를 필름 형태로 제작하여 면저항, 임피던스 등 전기적, 전기화학적 특성을 분석했습니다.

2. 각 샘플을 7일간 배양한 후 용출된 은 이온의 양을 ICP-MS(유도 결합 플라즈마 질량 분석법)로 측정하여 독성 유발 가능성을 평가했습니다.

3. 각 샘플에 대한 세포 생존율 테스트를 통해 실제 세포 환경에서의 생체적합성을 검증했습니다.

4. 제작된 나노복합체 전극을 살아있는 쥐의 심장에 직접 부착하여 심전도(EGM) 신호를 측정하고, 기존 전극과 신호 대 잡음비(SNR)를 비교하여 신호 품질을 평가했습니다.

실험 결과

실험 결과, 본 발명의 Ag-Au-Pt 나노와이어 기반 나노복합체는 면저항이 소폭 증가했음에도 불구하고, 임피던스가 크게 감소하고 은 이온 유출이 현저히 억제되었으며, 세포 생존율이 매우 높은 것으로 확인되었습니다. 이는 생체적합성과 전기화학적 성능이 모두 크게 향상되었음을 의미합니다.

활용 방안 및 기대효과

활용 방안

• 웨어러블 헬스케어 기기: 피부 자극 없는 ECG(심전도), EMG(근전도) 측정용 고성능 웨어러블 전극으로 활용될 수 있습니다.

• 체내 이식형 의료기기: 동적으로 움직이는 심장 표면에 부착하여 부정맥 등 심장질환을 장기간 모니터링하고 전기 자극 치료를 수행하는 심외막 패치로 개발될 수 있습니다.

• 차세대 전자소자: 높은 전도성과 유연성을 바탕으로 한 투명 전도성 필름, 신축성 유연 전극, 고감도 센서 등 다양한 전자소자에 적용 가능합니다.

기대효과

• 의료 기술 혁신: 고품질 생체 신호 측정을 통해 질병의 조기 진단 정확도를 높이고, 맞춤형 치료를 가능하게 하여 의료 기술 발전에 기여할 수 있습니다.

• 환자 삶의 질 향상: 장기간 사용에도 안전한 생체적합성 소재를 통해 만성질환 환자의 지속적인 모니터링 및 관리 부담을 경감시켜 환자의 삶의 질을 높일 수 있습니다.

• 첨단 소재 시장 선도: 기존 은 나노와이어의 한계를 극복한 원천 기술 확보를 통해 차세대 웨어러블 및 임플란터블 기기 시장에서 강력한 기술 경쟁 우위를 확보할 것으로 기대됩니다.

시장 동향

시장 규모 및 성장 전망

본 기술이 적용될 수 있는 생체적합성 소재 및 웨어러블 디바이스 시장은 가파른 성장세를 보이고 있습니다. 특히, 생체적합성 신소재 관련 세계 시장은 2025년까지 2,500억 달러 규모로 성장할 것으로 예측되며, 연평균 성장률(CAGR)은 약 14.7%에 달할 전망입니다. (출처)

• 웨어러블 디바이스 시장: 2019년 306억 달러에서 2023년 494억 달러 규모로 연평균 11.3% 성장했습니다. (출처)

• 임플란터블 의료기기 시장: 약 116조 원 규모의 거대 시장을 형성하고 있으며, 기술 발전과 함께 지속적인 성장이 예상됩니다. (출처)

주요 플레이어 및 경쟁 환경

현재 본 기술과 직접적으로 동일한 제품을 출시한 특정 기업은 확인되지 않으나, 관련 기술 분야는 다수의 첨단 소재 기업 및 의료기기 제조사들이 경쟁하고 있습니다. 시장은 주로 아래와 같이 응용 분야에 따라 세분화되어 있습니다.

산업 동인 및 기회 요인

1. 디지털 헬스케어 시장의 급성장: 인구 고령화 및 만성 질환자 증가로 인해 실시간 건강 모니터링에 대한 수요가 폭발적으로 증가하고 있습니다.

2. 웨어러블 기술의 발전: 스마트워치 등 웨어러블 기기가 대중화되면서, 더욱 정확하고 편안한 생체 신호 측정을 위한 고성능, 생체친화적 소재의 필요성이 커지고 있습니다.

3. 의료 패러다임의 변화: 병원 중심의 치료에서 벗어나, 일상에서의 예방 및 관리를 중시하는 방향으로 의료 패러다임이 전환되면서 이식형/부착형 의료기기의 중요성이 부각되고 있습니다.