발명의 배경과 필요성

기술의 배경과 문제점

• 기존 생체 모방 접착제(도마뱀 발, 조개류 단백질 등)는 사람 피부에 대한 접착력이 약하고 재사용이 어려운 문제가 있었습니다.

• 센서가 탑재된 기존 전자 패치는 접착력이 좋지 않아 상용화에 한계가 있었습니다.

• 화학 접착제를 사용하는 경우 피부 손상, 재사용 불가, 높은 비용 등의 실용적이지 못한 문제점이 있었습니다.

기술의 필요성

• 접착력이 우수하면서도 반복 사용이 가능한 혁신적인 전자 패치 개발이 필요합니다.

• 피부 손상을 유발하지 않는 생체 적합성이 뛰어난 소재의 패치가 필요합니다.

• 일상생활 중에도 생체 신호를 지속적이고 정확하게 측정할 수 있는 고성능 전자 패치가 요구됩니다.

구현 방법

기술의 원리

• 본 발명은 문어 빨판의 구조를 모방한 건식 접착 구조체를 핵심 원리로 사용합니다.

• 접착부는 고리 형상의 단면을 가지며, 높이 대 직경의 비(종횡비)가 1보다 작도록 설계되어 낮은 모듈러스(탄성)를 가지면서도 강한 접착력을 구현합니다.

• 이러한 물리적 구조를 통해 화학 접착제 없이도 피부에 안정적으로 부착되며, 반복적인 탈부착이 가능합니다.

구체적인 구현 방법

1. 홀 패턴 몰드 준비: 미세한 홀(구멍)이 배열된 실리콘 몰드를 준비합니다.

2. 고분자 구조체 형성: 몰드 위에 폴리우레탄 아크릴레이트(PUA) 같은 제1 고분자를 도포하여 홀 내부에 고분자 구조체를 형성합니다.

3. 고분자 구조체 패터닝: 식각 공정(산소 플라즈마 등)을 통해 고분자 구조체 상부를 식각하여 '인버스 석션컵' 형태의 패턴을 만듭니다.

4. 예비 고분자 몰드 제작: 패턴이 형성된 몰드 위에 제2 고분자를 부어 경화시킨 후 분리하여, 돌출부를 가진 예비 몰드를 제작합니다.

5. 최종 고분자 몰드 제작: 예비 몰드를 다시 틀로 사용하여 최종 고분자 몰드를 완성합니다.

6. 건식 접착 구조체 형성: 최종 몰드 위에 폴리디메틸실록산(PDMS) 등 제4 고분자를 도포 및 경화시켜 최종적인 건식 접착 구조체를 완성합니다.

기술의 장점

• 우수한 접착력 및 재사용성: 화학 접착제 없이도 강한 접착력을 보이며, 여러 번 반복 사용해도 성능이 유지됩니다.

• 높은 생체 적합성: 피부에 부착 후 분리해도 피부 손상이나 자극을 유발하지 않습니다.

• 유연성 및 안정성: 시스템 모듈러스가 약 108kPa로 사람 표피(약 150kPa)보다 낮아, 피부 굴곡면에 완벽히 밀착되고 움직임에도 안정적으로 작동합니다.

• 고감도 신호 측정: 초박막 센서가 피부에 밀착되어 외부 압력 없이도 맥박, 심전도 등 미세한 생체 신호를 지속적으로 고감도로 모니터링할 수 있습니다.

실험 및 결과

실험의 목적

본 발명에 따른 전자 패치의 우수성을 입증하기 위해, 기존 기술(m-pillar 구조체, 하이드로콜로이드 패치)과 비교하여 접착력, 재사용성, 피부 자극, 생체 신호 측정 정확도 등 핵심 성능 지표를 정량적으로 평가하는 것을 목적으로 합니다.

실험 방법 및 과정

1. 피부 자극 평가: 실험용 쥐의 등에 각기 다른 종류의 전자 패치(본 발명, 기존 기술)를 부착합니다.

2. 행동 모니터링: 3시간 동안 비디오 카메라로 쥐의 행동을 관찰하여 등을 긁는 횟수(자극성 지표)를 측정합니다.

3. 접착 지속력 시험: 패치가 피부에서 자연적으로 떨어질 때까지의 시간을 측정합니다.

4. 재사용성 평가: 패치를 탈부착하는 과정을 8회 반복하며 접착력의 변화를 측정합니다.

5. 피부 손상 관찰: 패치 사용 후 피부의 손상 및 염증 발생 여부를 시각적으로 확인합니다.

실험 결과

실험 결과, 본 발명에 따른 건식 접착 구조체(Gradual mSC)를 적용한 전자 패치는 모든 평가 항목에서 기존 기술 대비 월등한 성능을 보였습니다. 특히 접착력과 시스템 유연성(모듈러스)에서 뛰어난 결과를 나타냈으며, 이는 아래의 차트와 표에서 명확하게 확인할 수 있습니다.

활용 방안 및 기대효과

활용 방안

• 실시간 생체 신호 모니터링: 맥박, 혈압, 심전도, 호흡, 체온 등 다양한 생리 신호를 일상 속에서 지속적으로 측정 및 관리하는 개인 맞춤형 헬스케어 기기로 활용 가능합니다.

• 스마트 헬스케어 시스템 연동: 스마트폰, 스마트 밴드 등 외부 장치와 연동하여 데이터를 전송하고, 이상 신호 감지 시 병원이나 응급 센터에 자동으로 경고를 보낼 수 있습니다.

• 능동형 약물 전달 시스템: 전기 침투법 등을 이용하여 필요한 시점에 정확한 양의 약물을 피부를 통해 전달하는 능동적 치료 수단으로 활용될 수 있습니다.

기대효과

• 의료 패러다임 전환: 병원 중심의 치료에서 벗어나 일상 속 예방 및 관리 중심의 건강 관리 시대를 여는 데 기여합니다.

• 환자 삶의 질 향상: 피부 자극과 불편함을 최소화하여 장시간 부착이 가능하며, 만성 질환 환자의 지속적인 건강 모니터링 부담을 줄여줍니다.

• 의료비 절감: 질병의 조기 발견 및 원격 관리를 통해 불필요한 병원 방문을 줄이고, 중증 질환으로의 발전을 예방하여 사회적 의료 비용을 절감할 수 있습니다.

시장 동향

시장 규모 및 성장 전망

전자 패치가 포함된 스마트 헬스케어 및 웨어러블 디바이스 시장은 기술 발전과 인구 고령화에 힘입어 폭발적인 성장을 지속하고 있습니다. 특히 AI, IoT 기술이 접목되면서 시장은 더욱 빠르게 팽창할 전망입니다.

• 스마트 의료기기 시장은 2031년까지 연평균 15.4% 성장하여 약 183조 원 규모에 이를 것으로 전망됩니다. (출처)

• 인공지능 기반 스마트 헬스케어 시장은 연평균 42%의 빠른 성장세를 보이며, 2021년 66억 달러 규모에 도달했습니다. (출처)

• Brain 모니터링 시장은 2017년 38억 달러에서 2025년 66억 달러 규모로 성장(CAGR 6.9%)할 것으로 예상됩니다. (출처)

주요 플레이어 및 경쟁 환경

전통적인 의료기기 업체 외에 삼성, 애플, 구글 등 글로벌 ICT 기업들이 스마트 헬스케어 시장에 적극적으로 진출하며 플랫폼과 디바이스를 기반으로 시장 주도권 경쟁을 벌이고 있습니다. 이들 기업은 편리하고 저렴한 플랫폼 기반 제품을 통해 시장을 선도할 것으로 전망됩니다. (출처)

산업 동인 및 기회 요인

1. 기술 발전: 사물 인터넷(IoT), 인공지능(AI), 기계 학습(ML)의 혁신이 스마트 의료기기의 진단 정확도와 실시간 모니터링 능력을 향상시키고 있습니다.

2. 만성 질환 증가: 당뇨병, 심혈관 질환 등 만성 질환의 유병률 증가로 인해 지속적인 모니터링이 가능한 스마트 의료기기 수요가 크게 늘고 있습니다.

3. 고령 인구 증가: 전 세계적인 고령화 추세는 고령층의 건강 모니터링 및 관리를 위한 스마트 의료기기 시장의 성장을 견인하고 있습니다.

4. 소비자 건강 인식 증대: 건강 관리에 대한 소비자들의 인식이 높아지면서, 웨어러블 및 가정용 스마트 의료기기 소비가 촉진되고 있습니다. (출처)