발명의 배경과 필요성

기술의 배경과 문제점

기존의 인공 피부 및 보철 기술은 실제 피부의 복잡하고 정교한 감각 능력을 완벽하게 재현하는 데 여러 한계를 가지고 있었습니다.

• 기능적 한계: 많은 절단 수술 환자들이 사용하는 의지는 실제 팔의 기능을 대체하기보다 미용이나 보조적 역할에 그치는 경우가 많습니다.

• 기계적 불일치: 기존의 딱딱한 전자장치와 부드러운 생체 조직 간의 기계적 특성 차이로 인해 착용감과 성능이 저하되는 문제가 있었습니다.

• 기존 센서의 한계: 압력 감지 고무(PSR)와 같은 소재는 반응 시간이 느리고, 반복 사용 시 측정값에 오차가 발생하는 이력현상이 심각했습니다.

• 맞춤 설계의 어려움: 빠른 반응 속도를 가진 단결정 실리콘 기반 장치는 유연성이 부족하여, 다양한 신체 부위의 움직임과 형태에 맞춰 맞춤 설계하기 어려웠습니다.

기술의 필요성

이러한 문제들을 해결하고, 실제 피부처럼 다양한 자극을 감지하며 자연스럽게 반응하는 차세대 스마트 보철 및 인공 피부 기술의 개발이 시급한 상황입니다.

• 인간의 감각 능력 복제: 외부 환경의 압력, 온도, 습도 등 복합적인 정보를 수집하고 처리하는 인간의 피부 감각 능력을 모사할 기술이 필요합니다.

• 보철물 성능 향상: 의지의 유용성과 성능을 극대화하여 절단 환자들이 실제 신체처럼 느끼고 사용할 수 있도록 도와야 합니다.

• 기술 혁신의 기회: 부위별 특성을 고려한 기하학적 배치와 다양한 감지 기능을 통합하는 기술은 스마트 보철물 및 인공 피부 분야를 획기적으로 발전시킬 잠재력을 가지고 있습니다.

구현 방법

기술의 원리

본 발명은 극초박형의 단결정 실리콘 나노리본(SiNR)을 이용하여 스트레인, 압력, 온도, 습도 등 다양한 외부 자극을 동시에 감지할 수 있는 신축성 전자장치를 구현합니다. 여러 기능의 센서와 히터, 봉지층을 쌓아 올린 다층 구조를 통해 실제 피부와 유사한 기능을 수행합니다.

• 다층 구조: 유연한 실리콘 고무(PDMS)로 이루어진 봉지층 사이에 히터, 제1 센서 어레이(스트레인, 압력, 온도), 제2 센서 어레이(습도)를 순차적으로 적층하여 제작됩니다.

• 스트레인/압력 센서: 실리콘 나노리본의 압전저항 특성(물리적 변형 시 전기 저항이 변하는 성질)을 이용하여 가해진 변형이나 압력을 측정합니다.

• 온도 센서: p-n형으로 도핑된 실리콘 나노리본 다이오드의 온도에 따른 전기적 특성 변화를 이용해 외부 온도를 감지합니다.

• 습도 센서: 폴리이미드 봉지층과 금속 전극 사이에 형성된 전기용량(capacitance)이 습도에 따라 변하는 원리를 이용하여 습도를 측정합니다.

구체적인 구현 방법

본 전자장치는 다음과 같은 반도체 공정과 전사 인쇄 기술을 결합한 총 8단계의 과정을 통해 제작됩니다.

1. 폴리이미드 코팅: 실리콘 옥사이드 웨이퍼 위에 폴리이미드(PI)를 얇게 코팅합니다.

2. 실리콘 나노멤브레인(SiNM) 전사 및 경화: 도핑된 SiNM을 코팅된 웨이퍼 위에 옮기고 열을 가해 경화시킵니다.

3. 실리콘 나노리본(SiNR) 형성: 포토리소그래피 공정을 이용해 SiNM을 원하는 모양으로 패터닝하여 SiNR을 만듭니다.

4. 금속 증착 및 패터닝: 센서의 전극 역할을 할 금속을 증착시키고 패턴을 형성합니다.

5. 폴리이미드 봉지 및 경화: 센서 소자 위를 다시 폴리이미드로 덮어 보호층을 만듭니다.

6. 폴리이미드 에칭: 필요한 전기적 연결부 등을 노출시키기 위해 폴리이미드의 일부를 식각합니다.

7. 장치 분리 및 전사: 완성된 장치를 웨이퍼에서 떼어내어 유연한 PDMS 필름 위로 옮깁니다.

8. 최종 봉지: 마지막으로 PDMS로 전체를 감싸 신축성 있는 전자장치를 완성합니다.

기술의 장점

• 뛰어난 감도 및 신뢰도: 초박형 단결정 실리콘 나노리본을 사용하여 높은 민감도와 기계적 내구성을 동시에 확보했습니다.

• 부위특이적 맞춤 설계: 손목, 손등 등 신체 부위별 움직임과 변형률에 따라 직선형(S1)부터 구불구불한 형태(S6)까지 센서의 기하학적 구조를 최적화하여 적용할 수 있습니다.

• 다기능 통합 센싱: 스트레인, 압력, 온도, 습도 등 다양한 물리적, 환경적 자극을 하나의 장치에서 동시에 감지할 수 있습니다.

• 우수한 생체 적합성 및 유연성: 전체 장치를 부드러운 PDMS 소재로 봉지하여 피부에 완벽하게 밀착되고, 격렬한 움직임에도 안정적인 성능을 유지합니다.

실험 및 결과

실험의 목적

본 연구의 실험은 개발된 피부 보철용 신축성 전자장치의 핵심 성능을 다각적으로 검증하고, 다양한 일상생활 시나리오에서의 실제 적용 가능성을 확인하는 데 목적이 있습니다. 이를 통해 센서의 감도, 내구성, 신뢰도를 정량적으로 평가하고, 최종적으로 인간의 감각을 효과적으로 모사할 수 있는지 증명하고자 했습니다.

실험 방법 및 과정

1. 피부 스트레인 분포 측정: 12개의 동작 포착 카메라 시스템을 사용하여 주먹 쥐기, 손목 굽히기 등 다양한 동작 시 피부의 부위별 스트레인 분포를 3차원으로 정밀하게 측정했습니다.

2. 센서 설계별 성능 평가: 직선형(S1)부터 곡률이 큰 구불구불한 형태(S6)까지 6가지로 다르게 설계된 SiNR 센서에 대해 신장 시험을 진행하여, 곡률에 따른 감도와 내구성의 관계를 분석했습니다.

3. 일상생활 모사 테스트: 전자장치를 부착한 보철 손으로 악수하기, 키보드 누르기, 뜨겁거나 차가운 컵 잡기, 젖은 표면 만지기 등 실제 생활에서 마주할 수 있는 복합적인 상황에서의 센서 반응을 테스트했습니다.

4. 신경 인터페이스 연결 및 신호 전달: 동물(라트) 모델의 말초신경에 백금 나노와이어(PtNW)로 제작된 다채널 전극 어레이(MEA)를 연결하고, 센서에서 감지된 신호를 전기 자극으로 변환하여 신경계로 성공적으로 전달되는지 확인했습니다.

실험 결과

다양한 실험을 통해 본 기술의 우수한 성능이 입증되었습니다. 특히 압력 센서의 감도를 극대화하기 위해 도입된 공동(cavity) 구조의 효과가 두드러졌습니다. 아래 표는 공동 구조 유무에 따른 압력 감도 차이를 보여줍니다.

압력 감도 비교: 공동(Cavity) 유무에 따른 SiNR 압력 센서의 성능

실험 결과, 공동 구조를 적용했을 때 압력 감도가 약 10배 이상 향상되어 미세한 압력 변화도 효과적으로 감지할 수 있음을 확인했습니다. 또한, 큰 곡률을 가진 S6 센서는 신축성이 요구되는 환경에서도 안정적인 온도 측정이 가능했으며, 제작된 모든 센서는 다양한 일상생활 모사 테스트에서 빠르고 신뢰성 높은 반응을 보였습니다.

활용 방안 및 기대효과

활용 방안

• 스마트 보철물: 절단 환자를 위한 인공 팔, 다리 등에 적용하여 촉각, 압력, 온도를 느끼게 함으로써 실제 신체와 같은 감각을 제공할 수 있습니다.

• 웨어러블 헬스케어 기기: 피부에 부착하여 맥박, 체온, 움직임, 근육의 긴장도 등 다양한 생체 신호를 실시간으로 정밀하게 모니터링하는 패치 형태로 활용 가능합니다.

• 첨단 로보틱스: 로봇 손의 표면에 적용하여 인간과 유사한 수준의 섬세한 물체 조작 및 외부 환경과의 상호작용을 가능하게 합니다.

• 재활 및 스포츠 과학: 재활 치료 중인 환자의 움직임이나 운동선수의 자세를 정량적으로 분석하고 실시간 피드백을 제공하여 효율을 높일 수 있습니다.

기대효과

• 절단 환자의 삶의 질 향상: 보철물을 통해 잃어버렸던 감각을 되찾게 함으로써, 환자들이 심리적 안정감을 얻고 일상생활에 더 적극적으로 참여할 수 있도록 돕습니다.

• 미래 의료/헬스케어 혁신: 정밀한 비침습적 생체 신호 모니터링을 통해 질병의 조기 진단, 맞춤형 건강 관리, 원격 의료 서비스의 고도화를 이끌 수 있습니다.

• 차세대 휴먼-머신 인터페이스(HMI) 선도: 인간과 기계가 더욱 직관적이고 감각적으로 상호작용할 수 있는 새로운 길을 열어 가상현실, 증강현실 등 관련 산업 발전에 기여합니다.

시장 동향

시장 규모 및 성장 전망

전 세계적으로 인구 고령화와 당뇨병, 심혈관 질환 등 만성 질환이 증가하면서 장애 유병률이 높아지고 있습니다. WHO 세계장애 보고서에 따르면, 전 세계 인구의 약 15%가 장애를 가지고 있으며, 이는 재활 서비스 및 보조 기술에 대한 수요 증가로 직접 이어지고 있습니다. 특히 신축성 전자 피부와 스마트 보철물 시장은 이러한 사회적 변화와 기술 발전에 힘입어 빠르게 성장하고 있습니다. (출처: WHO)

• 혁신의 가속화: 최근 전자 피부 기술 혁신의 약 65%는 온도, 압력 등 다기능 센서 통합에 집중되고 있으며, 72%는 유연한 전자장치 개발에 초점을 맞추고 있습니다.

• 웨어러블 수요 급증: 피트니스 및 건강 관리에 대한 소비자 관심이 높아지면서 웨어러블 부문 수요가 63% 급증했으며, 이는 전자 피부 기술의 주요 응용 시장으로 부상하고 있습니다.

• 원격 의료로의 전환: 기술 개발의 약 59%가 원격 건강 모니터링을 목표로 하고 있으며, 이는 전자 피부가 미래 헬스케어의 핵심 요소가 될 것임을 시사합니다.

(출처: Global Growth Insights)

산업 동인 및 기회 요인

1. 사회 구조적 수요 증가: 전 세계적인 인구 고령화와 만성 질환자 증가는 재활 및 보조 기술에 대한 지속적이고 구조적인 수요를 창출하고 있습니다. 이는 스마트 보철물 및 전자 피부 시장의 안정적인 성장 기반이 됩니다.

2. 첨단 기술의 융합: 인공지능(AI), 자가 치유 소재, 나노 기술 등 혁신 기술이 전자 피부와 결합하면서 기존의 한계를 뛰어넘는 새로운 기능과 응용 분야가 끊임없이 창출되고 있습니다. 이는 높은 부가가치를 가진 신시장 개척의 기회 요인입니다.

3. 헬스케어 패러다임의 전환: 병원 중심에서 벗어나 개인의 일상 속에서 건강을 관리하는 예방 및 맞춤형 헬스케어로 패러다임이 변화하고 있습니다. 실시간 생체 신호 모니터링이 가능한 전자 피부 기술은 이러한 변화의 핵심적인 역할을 수행할 잠재력을 가집니다.