발명의 배경과 필요성

기술의 배경과 문제점

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

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

• 접착력을 높이기 위해 화학 접착제를 사용하는 경우, 피부 손상, 재사용 불가, 높은 비용 등 실용적이지 못한 문제가 있었습니다.

기술의 필요성

• 스트레스, 식생활 습관 등으로 인한 급성 심장 장애 등 생체 이상 발생 시 즉각적인 대처의 어려움이 커지고 있습니다. 특히 노인, 장애인, 환자 등 거동이 불편한 사람들에게는 더욱 중요합니다.

• 건강에 대한 관심이 증가하면서 신체 상태를 지속적으로 체크하고 관리할 수 있는 시스템에 대한 요구가 증가하고 있습니다.

구현 방법

기술의 원리

• 본 발명은 생체 피부에 부착되어 생체 신호를 측정하는 전자 패치와 이를 제어하는 제어부(스마트 밴드 등)로 구성된 생체 신호 모니터링 시스템입니다.

• 핵심 기술은 문어 빨판 구조를 모방한 건식 접착 구조체(mSC, micro suction cup)입니다. 이는 화학 접착제 없이 물리적 구조만으로 피부에 강력하고 안정적인 접착력을 제공하며, 반복적인 탈부착이 가능합니다.

• 패치에 내장된 다양한 초박막 전자 센서(스트레인, 온도 센서 등)를 통해 맥박, 혈압, 심전도 등 다양한 생체 신호를 정밀하게 측정합니다.

구체적인 구현 방법

1. 전자 패치 구성: 건식 접착 구조체, 전자 장치, 그리고 이를 보호하는 제1, 제2 보호층으로 구성됩니다. 전체 두께는 50㎛ 이하로 매우 얇습니다.

2. 건식 접착 구조체: 폴리디메틸실록산(PDMS)과 같은 고분자로 제작되며, 경화제 양을 조절하여 모듈러스(강성)를 제어합니다. 특히, 피부 쪽은 단단하고 바깥쪽으로 갈수록 부드러워지는 점진적 모듈러스 구조를 적용하여 피부와의 밀착력과 안정성을 극대화합니다.

3. 전자 장치: 스트레인 센서, 온도 센서, 근전도/뇌파 센서, 메모리 소자, 히터 등 다양한 기능을 수행하는 센서들이 구불구불한 형태로 집적되어, 피부의 움직임에도 안정적으로 작동합니다.

4. 제어부 및 통신: 스마트 밴드 형태의 제어부는 컨트롤러, 배터리, 그리고 블루투스 송수신부를 포함합니다. 측정된 데이터는 블루투스를 통해 스마트폰, 태블릿 등 외부 장치로 실시간 전송됩니다.

5. 약물 전달 기능: 필요시, 전극을 이용한 전기 침투법으로 메조기공성 실리카 나노입자에 담지된 약물을 피부를 통해 정밀하게 전달하는 치료 기능도 수행할 수 있습니다.

기술의 장점

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

• 뛰어난 생체 적합성: 피부 자극이나 손상을 유발하지 않아 장시간 부착에 용이합니다.

• 높은 측정 정확도: 피부 굴곡에 완벽히 밀착(콘포말 접촉)하여 미세한 생체 신호도 놓치지 않고 정확하게 측정합니다. 시스템 전체의 모듈러스가 사람 표피보다 낮은 약 108kPa로 설계되어 편안한 착용감을 제공합니다.

• 저비용 및 간단한 공정: 제조 공정이 비교적 간단하고 비용이 저렴하여 상용화에 유리합니다.

실험 및 결과

실험의 목적

본 발명에 따른 생체 신호 모니터링 시스템의 핵심인 건식 접착 구조체 전자 패치의 성능을 검증하기 위해 다양한 실험을 진행했습니다. 주요 목적은 기존 기술 대비 접착력, 시스템 안정성, 생체 적합성, 신호 측정 정확도 등의 우수성을 정량적으로 입증하는 것입니다.

실험 결과

1. 모듈러스 제어: PDMS와 경화제의 혼합 비율을 조절하여 건식 접착 구조체의 모듈러스(강성)를 정밀하게 제어할 수 있음을 확인했습니다. 경화제 비율이 낮아질수록 구조체는 더 부드러워졌습니다.

2. 접착력 비교: 본 발명의 점진적 모듈러스를 갖는 건식 접착 구조체(Gradual mSC)가 평평한(Flat) 구조나 기존 마이크로-필러(m-pillar) 구조에 비해 월등히 우수한 접착력을 보였습니다.

3. 시스템 안정성: 개발된 전자 패치의 전체 시스템 모듈러스는 약 108kPa로, 사람 표피의 모듈러스인 약 150kPa보다 낮게 측정되었습니다. 이는 패치가 피부처럼 유연하게 움직여 장시간 착용에도 불편함이 없고 안정적인 신호 측정이 가능함을 의미합니다.

4. 생체 적합성 및 재사용성: 실험용 쥐에 부착한 결과, 화학 접착제인 하이드로콜로이드 패치에 비해 긁는 횟수가 현저히 적어 피부 자극이 거의 없음을 확인했습니다. 또한, 8회 반복 사용 후에도 초기 접착 강도를 유지하여 뛰어난 재사용성을 입증했지만, 하이드로콜로이드 패치는 1회 사용 후 접착력이 급격히 감소했습니다.

활용 방안 및 기대효과

활용 방안

• 만성질환자 및 노약자 대상 원격 헬스 모니터링 서비스

• 응급 상황 감지 및 자동 알림 시스템(병원, 구조 센터 연동)

• 진단과 동시에 필요한 약물을 정밀하게 투여하는 '테라노스틱스(Theranostics)' 플랫폼

• 운동선수 컨디션 관리 및 피트니스 데이터 측정

기대효과

• 일상생활 속에서 불편함 없는 연속적인 건강 관리를 통해 질병의 조기 발견 및 예방에 기여합니다.

• 응급 상황 발생 시 신속한 대응을 가능하게 하여 사회적 안전망을 강화합니다.

• 개인 맞춤형 진단 및 치료를 실현하여 미래 정밀 의료 시대를 앞당기는 데 기여할 것으로 기대됩니다.

시장 동향

시장 규모 및 성장 전망

본 기술이 속한 스마트 헬스케어 시장은 매우 빠른 속도로 성장하고 있습니다. 삼정KPMG 경제연구원에 따르면, 글로벌 스마트 헬스케어 시장은 2014년 210억 달러에서 2020년 1,015억 달러 규모로 연평균 4.8배의 폭발적인 성장이 예상됩니다. 특히, 인공지능(AI) 기반 스마트 헬스케어 시장은 2021년 660억 달러에 이를 것으로 전망되며, 연평균 42%의 높은 성장률을 보일 것으로 기대됩니다.(출처: KPMG 보고서)

주요 플레이어 및 경쟁 환경

글로벌 ICT 기업들이 스마트 헬스케어 시장의 주도권을 잡기 위해 발 빠르게 움직이고 있습니다. 구글, 애플, 마이크로소프트, IBM과 같은 거대 기업들은 물론, 각국의 연구기관에서도 혁신적인 기술 개발이 활발히 이루어지고 있습니다.

산업 동인 및 기회 요인

1. 인구 고령화 및 만성질환 증가: 지속적인 건강 관리의 필요성이 사회 전반적으로 증대되고 있습니다.

2. 소득 수준 향상과 건강에 대한 관심 증대: 삶의 질 향상을 위한 예방적 건강관리에 대한 수요가 커지고 있습니다.

3. 4차 산업혁명 기술의 융합: 빅데이터, 인공지능(AI), 사물인터넷(IoT) 등 혁신 기술이 의료 분야와 결합하며 새로운 시장 기회를 창출하고 있습니다.

특히 스마트 헬스케어 시장은 빅데이터와 인공지능 기술이 성장을 주도하고 있는 것으로 나타났습니다.