브랜치 나노시트, 브랜치 나노시트의 형성 방법, 및 브랜치 나노시트를 포함하는 나노복합체

발명의 배경과 필요성

기술의 배경과 문제점

• 기존에는 신축성을 갖는 바이오 전극을 제조하기 위해 나노시트나 나노입자 등 다양한 나노물질을 전도성 필러로 활용하는 연구가 진행되어 왔습니다.

• 하지만 기존 나노물질은 침투 문턱값이 높아 원하는 수준의 전기적 성능을 구현하는 데 명확한 한계가 있었습니다.

기술의 필요성

• 따라서 기존 기술의 성능 한계를 극복하고, 더 낮은 함량으로도 우수한 전기적 특성을 발현할 수 있는 혁신적인 나노 소재 개발의 필요성이 대두되었습니다.

• 특히, 높은 전기전도도와 신축성을 동시에 만족시키면서도 생체에 적용 가능한 차세대 바이오 전극의 개발이 시급한 과제입니다.

구현 방법

기술의 원리

• 본 발명의 브랜치 나노시트는 넓은 시트 바디(sheet body)와 여기에 연결된 여러 개의 길고 가는 브랜치(branch)로 구성된 독특한 계층적 구조를 가집니다.

• 이러한 구조는 금 전구체, 계면활성제, 환원제를 특정 조건에서 혼합하여 반응시키는 간단한 화학적 합성법을 통해 형성됩니다.

• 나노시트는 중앙에서 가장자리로 갈수록 두께가 두꺼워지는 구조적 특징을 가지며, 이는 전기적 안정성 및 기계적 특성 향상에 기여합니다.

• 필요에 따라 나노시트 표면에 백금(Pt) 코팅층을 추가하여 전기화학적 성능을 극대화할 수 있습니다.

구체적인 구현 방법

브랜치 나노시트(hB-AuNS)는 다음과 같은 단계로 형성됩니다.

1. 반응 용액 형성: 금 전구체(HAuCl₄)와 양이온성 및 음이온성 계면활성제(PDDA, CTAB, SDS 등)를 탈이온수에 용해시켜 반응 용액을 제조합니다.

2. 환원제 첨가 및 반응: 제조된 반응 용액에 환원제(아스코르브산)를 첨가하고, 실온에서 24시간 동안 반응시켜 브랜치 나노시트를 형성합니다.

3. 세척 및 분산: 형성된 생성물을 탈이온수와 에탄올로 여러 번 세척한 후, 후속 공정을 위해 에탄올, 톨루엔, 또는 테트라하이드로퓨란(THF)에 분산시킵니다.

4. 리간드 교환 (선택): 표면의 과잉 리간드를 제거하고 분산성을 향상시키기 위해 옥탄티올(octanethiol)을 이용한 리간드 교환을 수행합니다.

기술의 장점

• 낮은 침투 문턱값: 독특한 구조 덕분에 기존 금 나노시트(2.74 vol.%)나 금 나노입자(5.02 vol.%)보다 현저히 낮은 1.56 vol.%의 침투 문턱값을 가집니다.

• 우수한 전기전도도 및 신축성: 낮은 함량에서도 높은 전기전도도(2.13 vol.%에서 91 S/cm)와 신축성(1.26 vol.%에서 약 80%)을 동시에 나타냅니다.

• 향상된 전기화학적 성능: 백금 코팅 시, 임피던스가 약 30배 감소하고 전하 저장 용량은 82 mC/cm²로 크게 증가합니다.

• 간단한 공정 및 대량 생산: 복잡한 장비 없이 간단한 화학 반응으로 대량 합성이 가능하여 상용화에 유리합니다.

실험 및 결과

실험의 목적

본 발명에 따른 브랜치 나노시트의 우수한 전기적, 기계적, 전기화학적 특성을 기존 나노 물질(금 나노시트, 금 나노입자)과 비교하여 검증하고, 바이오 전극으로서의 최종 성능을 평가하는 것을 목적으로 합니다.

실험 방법 및 과정

1. 나노복합체 제조: 브랜치 나노시트, 금 나노시트, 금 나노입자를 각각 폴리스티렌(PS) 및 폴리우레탄(TPU) 고분자와 혼합하여 나노복합체 필름을 제조했습니다.

2. 전기적 특성 평가: 각 나노복합체의 부피 분율에 따른 전기전도도를 측정하여 침투 문턱값을 비교 분석했습니다.

3. 전기화학적 특성 분석: 백금 코팅 전후의 브랜치 나노시트 복합체에 대해 전기화학 임피던스 분광법(EIS) 및 순환 전압전류법(CV)을 수행하여 임피던스와 전하 저장 용량을 측정했습니다.

4. 생체 내 성능 테스트: 제작된 바이오 전극을 이용하여 실제 쥐의 심전도(ECG), 근전도(EMG), 좌골 신경 신호를 기록하고 신호 대 잡음비(SNR)를 평가했습니다.

실험 결과

침투 문턱값 비교 실험 결과, 브랜치 나노시트가 다른 나노 물질에 비해 월등히 낮은 값을 보여 훨씬 적은 양으로도 효율적인 전도성 네트워크 형성이 가능함을 확인했습니다.

또한, 브랜치 나노시트 표면에 백금(Pt)을 코팅하여 전극의 성능이 극적으로 향상되는 것을 확인하였으며, 주요 성능 지표 비교는 아래 표와 같습니다.

생체 내 실험 결과, 백금 코팅된 브랜치 나노시트 전극(hB-AuNS-TNC@Pt)은 코팅 전 전극 대비 약 6배 높은 신호 대 잡음비(SNR)를 보이며, 심전도, 근전도 등 다양한 생체 신호를 고품질로 기록하는 데 성공했습니다.

활용 방안 및 기대효과

활용 방안

• 신축성 바이오 전극: 심전도(ECG), 근전도(EMG) 등 생체 신호를 장시간 안정적으로 모니터링하는 웨어러블 및 스마트 패치 형태의 의료기기에 적용됩니다.

• 전기 자극 치료기기: 낮은 임피던스와 높은 전하 전달 능력을 바탕으로 심장 박동 조절, 신경 자극 등 치료 목적의 이식형 또는 부착형 전기 자극 장치에 활용될 수 있습니다.

• 고성능 센서 플랫폼: 넓은 표면적과 우수한 전기화학적 특성을 활용하여 혈당, 젖산 등 다양한 생화학 물질을 감지하는 고감도 바이오센서의 핵심 전극 소재로 사용될 수 있습니다.

기대효과

• 의료·헬스케어 분야 발전 기여: 장기적이고 안정적인 생체 신호 모니터링을 통해 만성 질환 관리 및 개인 맞춤형 헬스케어 서비스의 질을 획기적으로 향상시킬 수 있습니다.

• 차세대 웨어러블 기기 시장 선도: 우수한 성능과 생체적합성을 바탕으로 피부 부착형, 의류 일체형 등 다양한 형태의 차세대 웨어러블 의료기기 상용화를 앞당길 수 있습니다.

• 소재 산업 경쟁력 강화: 간단한 공정으로 대량 생산이 가능하여 고성능 전도성 나노소재의 국산화 및 가격 경쟁력을 확보하고, 관련 산업의 기술 격차를 벌릴 수 있습니다.

시장 동향

시장 규모 및 성장 전망

본 기술이 적용될 수 있는 스크린 인쇄 전극 시장은 2025년 6억 5,246만 달러 규모로 평가되며, 연평균 8.7% 이상 성장하여 2035년까지 15억 달러를 돌파할 것으로 전망됩니다. (출처)

• 글로벌 스마트의류 시장은 연평균 성장률(CAGR) 약 26.8%로 급성장하여 2030년에는 180억 달러에 이를 것으로 예측됩니다. (출처)

• 글로벌 웨어러블 의료기기 시장 역시 연평균 20.28% 성장하여 2029년 약 761.1억 달러 규모에 도달할 것으로 예상됩니다. (출처)

주요 플레이어 및 경쟁 환경

현재 관련 시장은 높은 기술적 장벽으로 인해 소수의 기업이 주도하기보다, 혁신 기술을 바탕으로 한 새로운 시장 진입 기회가 열려있습니다. 다만, 기술 상용화를 위해서는 다음과 같은 과제를 해결하고 경쟁 기술과의 차별성을 확보해야 합니다.

산업 동인 및 기회 요인

1. 전극 소재 혁신 및 기술 발전: 저비용 고효율 생산을 가능하게 하는 적층 제조 및 자동 스크린 인쇄 기술의 발전이 산업 활용을 가속화하고 있습니다.

2. 소형화 및 센서 통합 추세: 소형·고성능 센서에 대한 시장 수요 증가가 스크린 인쇄 전극과 같은 소형화에 유리한 기술의 발전을 촉진하고 있습니다.

3. 만성질환 및 고령 인구 증가: 24시간 지속적인 모니터링 및 원격 진료에 대한 사회적 요구가 급증하며 웨어러블 의료기기 시장의 폭발적인 성장을 견인하고 있습니다.