국내 연구진이 기계적 안정성이 우수하면서도 접촉성이 좋아 마이크로 미터(μm) 단위의 세포수준에도 달라붙는 패치 구조체 개발에 성공했다. 이로써 패치와 피부간 신호 및 물질 전달이 잘 이루어져 향후 생체진단 신뢰도나 약물 패치의 성능이 획기적으로 증가할 것으로 보인다. 

ETRI(한국전자통신연구원)는 한국 과학자들이 주축이 된 국내·외 공동 연구진이 복잡하고 울퉁불퉁한 곳에도 잘 달라붙는 바이오패치 구조체 개발에 성공했다고 밝혔다.

이를 통해 향후 웨어러블 기기의 표면 설계에 접목할 경우 생체와 기기간 신호, 정보, 물질 전달 효율을 획기적으로 높이고 튼튼한 시스템 구성이 가능할 것으로 보고 있다. 본 기술은 세계적 학술지인 어드밴스드 머터리얼즈(Advanced Materials)에 지난달 게재됐다. 논문은 프론티스피스(Frontispiece) 표지에도 선정됐다.

그동안 전 세계 연구진들은 사람 생체표면에 달라붙는 웨어러블 기기 개발을 위해 노력해 왔다. 하지만, 패치를 생체표면에 달라붙게 하기 위해 얇게 만들다보니 기계적 안정성이 급격히 떨어지는 한계가 있었다. 이로 인해 막이 쉽게 찢어지거나 말려, 한 번 부착하면 위치를 옮기거나 떼기가 힘들어 1회용으로 밖에 사용하지 못한다는 문제점이 있었다.

ETRI는 문제점 해결을 위해 액체가 고체에 젖어 들어가며 정밀한 접촉이 이뤄지는 현상에 착안, 고체와 고체 사이에서도 젖는 현상이 일어날 수 있다고 보고, 이를 ‘젖음현상(Wetting)’이라 정의, 현상을 규명했다.

연구진은 기계적 안정성과 우수한 젖음성을 동시에 구현하기 위해 폴리 우레탄 아크릴레이트(PUA)라는 고분자 소재를 사용해 임프린트 기반으로 서로 다른 크기를 갖는 구조들이 공존하는 박막을 제작했다.

젖음성이 뛰어난 얇은 나노 박막과 젖음성은 적지만 얇은 박막을 지탱할 수 있는 마이크로 박막들을 계층적으로 위치시켜 500 마이크로미터에서 800 나노미터 까지의 3층 계층 구조 박막을 제작했다. 따라서 본 구조는 멀티스케일 구조여서 해당 특성을 모두 갖는다.

이로써 탈부착이 쉽고 재사용이 가능할 만큼 기계적 안정성이 우수하면서도 수 마이크로미터(㎛) 세포수준의 거칠기에도 빈틈없는 접촉이 가능했다. 그동안 난제였던 기계적 안정성과 접촉성능의 한계를 극복한 셈이다.

또한, 이번 성과는 특정 재료나 환경에 한정된 것이 아닌 일반적인 설계 원리를 규명했다고 연구진은 밝혔다. 이에 따라 피부뿐만 아니라 붙이는 대상이 다르거나 PUA와 다른 재료가 바뀌어도 구조체를 설계하는데 문제가 없다고 설명했다. 맞춤형 설계가 가능한 것이다.

실험을 위해 연구진은 대략 1×1 cm 크기의 26 마이크로미터 두께 패치를 제작했다. 동영상속 패치는 손가락 위에 올려두니 찰싹 달라붙었다. 나노수준의 접촉이어서 눈에 보이지는 않았지만 물에 젖듯이 붙음을 보여줬다.

연구진은 본 패치가 매우 복잡한 표면의 나뭇잎, 돼지의 피부, 사람의 머리카락을 이용, 세포 수준의 곡률을 가지는 표면 위에서도 매우 정밀한 접촉성과 높은 기계적 안정성으로 반복적 탈부착이 가능함도 증명했다.

기본적으로 패치는 임프린트로 제작되어 롤투롤(Roll to Roll) 공정을 활용, 대면적화가 가능하고 PUA 이외 소재도 제작 가능하다.

연구진은 향후 사람의 피부에 잘 달라붙는 패치 개발을 통해 양질의 생체정보를 얻을 수 있어 웨어러블 기기의 보편화에 큰 도움이 될 것으로  전망했다. 아울러 사람의 피부로부터 얻을 수 있는 생체정보를 모니터링 가능한 패치 개발에 주력할 계획이라고 말했다.

또한 본 기술을 바탕으로 설계변수를 다양화해 젖음성과 접착력을 높이고 대면적 공정 개발을 통해 생산단가를 줄이는 연구도 계획 중이다. 상용화 시점은 5~10년 내로 보고 있다.

ETRI는 본 연구가 KIST, 미국 펜실베니아대학교, 시카고 대학교와의 공동연구 성과라고 밝혔다. 이번 논문은 ETRI ICT소재연구그룹의 김준수 연구원이 1저자이고 문승언 박사가 공동저자로 참여했으며, 미국 펜실베니아대 박사후 연구원으로 있는 조혜성 박사가 교신 저자로 참여했다.

본 연구는 국가과학기술연구회 융합연구사업과 ETRI-KIST 협력연구사업 지원으로 개발됐다.