발명의 배경과 필요성

기술의 배경과 문제점

• 기존 생체 모방 접착제(예: 도마뱀 발, 조개류 단백질)는 사람 피부에 대한 접착력이 약하고 재사용이 어려웠습니다.

• 센서 등 전자 장치가 탑재된 종래의 전자 패치는 피부 접착력이 좋지 않아 상용화에 한계가 있었습니다.

• 화학 접착제를 사용할 경우, 제거 시 피부가 손상되고 재사용이 불가능하며 비용이 비싸 실용적이지 못했습니다.

기술의 필요성

• 반복 사용이 가능하면서도 우수한 접착력을 갖는 새로운 전자 패치의 개발이 필요합니다.

• 피부 손상을 유발하지 않는 생체 적합성이 뛰어난 소재의 적용이 중요합니다.

• 장기간 안정적으로 부착하여 생체 신호를 정확하게 측정할 수 있는 고성능 패치가 요구됩니다.

구현 방법

기술의 원리

• 문어 빨판 구조를 모방한 건식 접착 구조체를 적용하여 화학 접착제 없이 물리적인 힘만으로 강력한 접착력을 구현합니다.

• 접착부의 단면을 고리 형상으로 설계하여 미세한 석션 컵(suction cup) 효과를 통해 피부에 안정적으로 밀착됩니다.

• 고분자(PDMS)와 경화제의 비율을 조절하여 패치의 모듈러스(강성)를 점진적으로 변화시켜, 피부처럼 부드럽게 움직일 수 있는 유연성을 확보합니다.

구체적인 구현 방법

1. 전자 패치는 건식 접착 구조체, 전자 장치, 그리고 이를 보호하는 제1, 제2 보호층으로 구성됩니다.

2. 접착부는 직경 500~1,500nm, 높이 50~150nm의 고리 형상으로, 내부에 오목한 석션 컵 형태의 접착 공간을 형성합니다.

3. 건식 접착 구조체는 피부에 가까운 쪽(제1 면)에서 멀어질수록(제2 면) 모듈러스가 점차 작아지는 구조를 가져 피부 굴곡에 완벽하게 대응합니다.

4. 전자 장치(스트레인 센서, 온도 센서 등)는 유연성을 극대화하기 위해 구불구불한 형태로 제작되며, 50kPa 이하의 낮은 모듈러스를 갖는 보호층으로 캡슐화됩니다.

기술의 장점

• 뛰어난 접착력 및 재사용성: 화학 접착제 없이도 강력한 접착력을 유지하며, 여러 번 반복 사용해도 성능이 저하되지 않습니다.

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

• 정확한 신호 측정: 피부에 빈틈없이 밀착(콘포말하게 부착)되어 미세한 생리 및 전기 생리 신호까지 고감도로 지속적 모니터링이 가능합니다.

• 안정적인 작동: 피부의 움직임이나 반복적인 압력에도 안정적으로 작동합니다.

• 저렴한 제조 비용: 제조 공정이 간단하고 비용이 저렴하여 상용화에 유리합니다.

실험 및 결과

실험의 목적

본 연구에서 개발한 '전자 패치'의 접착력, 생체 적합성, 신호 측정 성능 등을 기존 패치와 비교하여 정량적으로 평가하고 기술의 우수성을 입증하는 것을 목적으로 합니다.

실험 방법 및 과정

1. 모듈러스 측정: 고분자(PDMS, 실리콘 고무)와 경화제의 배합 비율을 달리하여 제작된 접착 구조체 및 보호층의 모듈러스(강성)를 측정했습니다.

2. 접착력 테스트: 개발된 패치(Gradual mSC)와 기존 패치(Flat, m-pillar)를 사람 피부에 부착한 후 접착력을 비교 측정했습니다.

3. 생체 적합성 테스트: 실험용 쥐의 등에 다양한 패치를 부착하고, 피부 자극(긁는 행동) 및 제거 후 피부 손상 여부를 관찰했습니다.

4. 신호 측정 테스트: 인체에서 발생하는 맥박, 심전도(ECG) 등 생리 신호를 측정하여 패치의 민감도와 정확성을 평가했습니다.

실험 결과

주요 실험 결과는 아래 표와 차트에 요약되어 있습니다. PDMS 기반 건식 접착 구조체는 경화제 양이 감소할수록 모듈러스가 감소하여 정밀한 제어가 가능함을 확인했습니다.

마찬가지로, 실리콘 고무 보호층의 모듈러스 또한 50kPa 이하로 제어할 수 있었습니다.

접착력 테스트에서 모듈러스가 점진적으로 변하는 'Gradual mSC' 패치는 기존 평판(Flat)이나 마이크로-기둥(m-pillar) 구조에 비해 월등히 우수한 접착력을 보였습니다.

개발된 패치의 전체 시스템 모듈러스는 약 108kPa로, 사람 표피의 모듈러스(약 150kPa)보다 낮아 불편함 없이 안정적인 부착이 가능함을 입증했습니다.

동물 실험 결과, mSC 패치는 하이드로콜로이드 패치와 달리 피부 자극이 거의 없었으며, 8회 이상 재사용 후에도 접착 강도를 유지했습니다.

활용 방안 및 기대효과

활용 방안

• 지속적인 건강 모니터링: 맥박, 혈압, 심전도, 체온 등 다양한 생체 신호를 실시간으로 측정하여 건강 상태를 지속적으로 관리합니다.

• 원격 환자 관리 시스템: 스마트 기기와 연동하여 측정된 데이터를 의료진에게 전송하고, 이상 신호 발생 시 경고 알림을 보내는 원격 의료 서비스에 활용됩니다.

• 표적 약물 전달: 전기자극(이온 삼투법)이나 히터를 이용하여 필요한 시점에, 필요한 양만큼의 약물을 피부를 통해 정밀하게 전달하는 데 사용될 수 있습니다.

• 스마트 로봇 및 웨어러블 기기: 로봇에 촉각을 부여하거나, 차세대 웨어러블 기기의 핵심 인터페이스로 적용될 수 있습니다.

기대효과

• 환자 삶의 질 향상: 만성질환자의 편안하고 지속적인 건강 모니터링 및 관리를 통해 삶의 질을 크게 개선할 수 있습니다.

• 맞춤형 정밀 의료 발전: 개인별 맞춤 진단과 치료에 필수적인 고품질 연속 데이터를 제공하여 정밀 의료 기술 발전에 기여합니다.

• 신시장 창출: 헬스케어, 뷰티, 로봇 등 다양한 산업과의 융합을 통해 새로운 부가가치와 시장을 창출할 것으로 기대됩니다.

• 의료비 절감: 질병의 조기 발견 및 효율적인 환자 관리를 가능하게 하여 사회 전체의 의료비 부담을 줄이는 데 기여할 수 있습니다.

시장 동향

시장 규모 및 성장 전망

글로벌 바이오일렉트로닉 스킨 패치 시장은 2024년 61억 달러로 평가되었으며, 2025년부터 2030년까지 연평균 10.76% 성장할 것으로 예측됩니다. (출처) 관련 시장 또한 동반 성장할 것으로 보입니다.

• 웨어러블 스킨 패치 시장: 2021년부터 2028년까지 연평균 8.4%의 성장률이 예상됩니다. (출처)

• 경피 약물 전달 시스템 시장: 2022년 29억 달러를 초과했으며, 2032년까지 연평균 8% 이상의 성장률을 보일 것으로 전망됩니다. (출처)

주요 플레이어 및 경쟁 환경

경피 약물 전달 시스템 시장은 주요 제약 회사들이 시장 지위를 강화하기 위해 전략적 제휴 및 R&D 프로젝트에 집중하고 있습니다. (출처)

산업 동인 및 기회 요인

1. 만성 질환 및 고령화 인구 증가: 만성 질환의 증가와 인구 고령화로 인해 지속적인 건강 모니터링에 대한 수요가 급증하고 있습니다.

2. 기술 발전 및 융합: 유연한 전자 기술, 바이오 센서의 발전과 더불어 IoT, AI 기술과의 통합이 시장 성장을 가속화하고 있습니다.

3. R&D 투자 확대: 정부 및 민간 기업의 혁신적인 전자 피부 소재 및 기술 개발에 대한 투자가 증가하고 있습니다. (출처)

4. 적용 분야 확대: 당뇨 관리 중심에서 비만 치료 등 비인슐린 시장으로의 확장 시도가 새로운 성장 기회를 제공하고 있습니다. (출처)