발명의 배경과 필요성

기술의 배경과 문제점

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

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

• 화학 접착제를 사용하는 경우, 패치 분리 시 피부 손상, 재사용 불가, 높은 비용 등의 문제점이 발생했습니다.

기술의 필요성

• 접착력이 우수하면서도 반복 사용이 가능한 새로운 방식의 건식 접착 구조체가 필요합니다.

• 인체에 무해하고 피부 손상을 유발하지 않는 생체적합성이 뛰어난 접착 기술이 요구됩니다.

• 웨어러블 의료 기기의 안정적인 피부 부착과 정확한 생체 신호 측정을 위한 고성능 접착 솔루션이 필요합니다.

구현 방법

기술의 원리

• 본 기술은 문어 등 두족류 동물의 빨판 구조를 모방하여, 화학 접착제 없이 물리적인 구조만으로 강력한 접착력을 구현합니다.

• 접착부는 고리 형상의 단면을 가진 수많은 나노미터 크기의 석션 컵(suction cup) 또는 분화구(crater) 형상으로 구성되며, 피부 표면에 밀착하여 흡착력을 발생시킵니다.

• 구조체의 몸체부는 여러 층으로 구성되며, 피부와 가까운 쪽에서 바깥쪽으로 갈수록 모듈러스(Modulus, 탄성률)가 점차적으로 작아지는 구조를 가져 피부 변형에 유연하게 대응하고 안정적인 접착을 유지합니다.

• 주요 소재는 생체적합성이 우수한 고분자인 폴리디메틸실록산(PDMS)을 사용하며, 경화제 함량을 조절하여 모듈러스를 제어합니다.

구체적인 구현 방법

1. 고분자 구조체 형성: 홀(hole)이 형성된 패턴 몰드 위에 제1 고분자(PUA)를 도포한 후, 상부 고분자만 제거하여 홀 내부에만 고분자 구조체를 남깁니다.

2. 구조체 패턴 형성: 산소 플라즈마 식각 공정을 통해 고분자 구조체 상부를 식각하여 역 석션 컵(inverse suction cup) 형태의 패턴을 만듭니다.

3. 예비 몰드 및 최종 몰드 제작: 제2 고분자와 제3 고분자(PUA)를 차례로 이용하여 패턴을 복제하는 방식으로 최종 고분자 몰드를 제작합니다.

4. 최종 건식 접착 구조체 형성: 완성된 고분자 몰드 위에 최종 소재인 제4 고분자(PDMS)를 제공하고 경화시킨 후 분리하여 최종 건식 접착 구조체를 완성합니다.

기술의 장점

• 우수한 접착력 및 재사용성: 화학 접착제 없이도 강력한 접착력을 가지며, 8회 이상 반복 사용하여도 접착력을 유지합니다.

• 뛰어난 생체적합성: 인체에 무해한 소재를 사용하여 부착 후 분리 시 피부 손상이나 자극을 유발하지 않습니다.

• 낮은 시스템 모듈러스: 전자 패치 전체 시스템의 모듈러스가 약 108kPa로, 실제 사람 표피(약 150kPa)보다 낮아 피부처럼 유연하게 움직이며 안정적인 부착이 가능합니다.

• 간단한 공정 및 저렴한 비용: 기존 반도체 공정을 활용하여 제조 공정이 비교적 간단하고 제조 비용이 저렴합니다.

실험 및 결과

실험의 목적

본 발명에 따른 건식 접착 구조체의 기계적 특성, 접착 성능, 재사용성 및 생체적합성을 정량적으로 평가하고, 기존 기술 대비 우수성을 입증하는 것을 목적으로 합니다. 이를 위해 모듈러스 측정, 접착력 비교, 동물 실험 등 다양한 분석을 수행했습니다.

실험 방법 및 과정

1. 모듈러스 측정: PDMS와 경화제의 혼합 비율을 달리하여 제작된 구조체의 모듈러스를 측정하여 재료 특성을 분석했습니다.

2. 접착력 비교: 본 발명의 구조체(mSC)와 기존 평판(Flat), 마이크로 필러(m-pillar) 구조체의 접착력을 비교 평가했습니다.

3. 동물 실험: 실험용 쥐의 등에 각기 다른 패치를 부착하고, 부착 유지 시간, 스크래치 행동(자극성 평가), 탈착 후 피부 손상 여부를 관찰하여 생체적합성과 안정성을 검증했습니다.

4. 재사용성 평가: 하이드로콜로이드 패치와 본 발명의 패치를 반복적으로 탈부착하며 접착력 변화를 측정했습니다.

실험 결과

PDMS 내 경화제 함량을 조절함으로써 구조체의 모듈러스를 수십 kPa에서 수 MPa까지 정밀하게 제어할 수 있음을 확인했습니다. 경화제 비율이 낮을수록 구조체는 더 유연해졌습니다.

PDMS 혼합비에 따른 모듈러스 변화

본 발명의 점진적 모듈러스 구조(Gradual mSC)는 기존 평판, 마이크로 필러, 단일 모듈러스 구조체보다 월등히 높은 접착력을 보였습니다.

본 발명의 패치는 시스템 전체 모듈러스가 사람 표피보다 낮아, 피부와 같은 움직임에도 안정적인 접착을 유지했습니다.

화학 접착제인 하이드로콜로이드 패치는 1회 사용 후 접착력이 급격히 감소했지만, 본 발명의 패치는 8회 이상 재사용해도 접착력이 유지되었으며 피부 손상을 일으키지 않았습니다.

전자 패치 재사용 후 접착 강도 유지 비교

활용 방안 및 기대효과

활용 방안

• 웨어러블 의료기기: 스트레인 센서, 온도 센서, 심전도(ECG) 센서 등 다양한 전자 장치와 결합하여 초박막 전자 패치로 활용할 수 있습니다.

• 실시간 생체 신호 모니터링: 맥박, 혈압, 호흡, 체온 등 다양한 생리 신호를 지속적이고 고감도로 모니터링하는 헬스케어 시스템에 적용 가능합니다.

• 능동형 약물 전달 시스템: 전기 침투법 등을 이용하여 필요에 따라 약물의 경피 전달 속도를 제어하는 스마트 패치로 활용할 수 있습니다.

기대효과

• 의료 편의성 증대: 사용자가 일상생활에서 불편함 없이 장시간 정확한 생체 신호를 측정할 수 있어 원격 진료 및 만성질환 관리에 기여합니다.

• 환자 삶의 질 향상: 피부 자극과 손상이 없어 민감한 피부를 가진 환자나 고령자도 안전하게 사용할 수 있습니다.

• 새로운 시장 창출: 기존 접착 패치의 한계를 극복함으로써, 고성능 웨어러블 디바이스, 전자약, 스마트 헬스케어 등 관련 산업의 성장을 견인할 수 있습니다.

시장 동향

시장 규모 및 성장 전망

건식 접착 기술이 적용되는 핵심 시장인 웨어러블 의료기기 및 전자 피부 패치 시장은 매우 빠른 성장세를 보이고 있습니다. 만성 질환 유병률 증가, 고령화, 헬스케어에 대한 관심 증대로 인해 시장은 폭발적으로 성장할 전망입니다.

• 글로벌 웨어러블 의료기기 시장: 2025년 482억 6천만 달러에서 2030년까지 996억 3천만 달러에 이를 것으로 예상되며, 연평균 성장률(CAGR)은 15.60%를 기록할 것으로 보입니다. (출처: Mordor Intelligence)

• 글로벌 전자 피부 패치 시장: 2023년 165억 달러 규모에서 2032년에는 500억 달러에 이를 것으로 전망되며, 연평균 14% 이상의 높은 성장률이 예상됩니다. (출처: GMI Insights)

산업 동인 및 기회 요인

1. 만성 질환 및 고령화: 당뇨, 고혈압 등 만성 질환의 증가와 인구 고령화로 인해 지속적인 건강 모니터링 및 재택 관리 수요가 급증하고 있습니다.

2. 기술 발전: AI 기반 바이오센서, 유연 전자 제품, IoT 통합 등 관련 기술의 발전이 웨어러블 기기의 성능을 향상시키고 새로운应用 가능성을 열고 있습니다.

3. 원격 환자 모니터링 확대: 정부 및 보험사의 원격 환자 모니터링 프로그램에 대한 지원과 보상 증가가 시장 성장을 가속화하는 주요 요인입니다.

4. 생체모사 기술의 부상: 본 발명과 같은 생체모사 기반 점착 기술은 기존 화학 접착제의 한계(피부 자극, 재사용 불가)를 극복하는 혁신적인 대안으로 주목받고 있습니다. (출처: KIST)