피부 부착형 차세대 웨어러블 나노소자 개발

차세대 치료용 웨어러블 나노디바이스

▲ (사진제공=미래창조과학부) 웨어러블 전자소자를 집적시킨 의료용 패치를 피부위에 부착한 사진이다. 차세대 메모리로 각광을 받고 있는 비휘발성 저항메모리 어레이 (왼쪽) 와 실리콘 기반의 변형 센서 (오른쪽)가 구성되어 있고 늘어날 수 있는 히터가 구성되어 피부약물전달을 조절한다. 파킨슨 병의 주요 증상인 떨림 현상을 센서로 모니터링하고 측정 결과를 메모리 디바이스에 저장한다. 메모리 소자내에 균일한 금 (Au) 나노입자가 랭뮤어-블로젯 (Langmuir-Blodgett) 자가조립 통해 구성되어 있어서 웨어러블 전자소자의 전력 소모를 최소화 할 수 있다. 이는 차세대 웨어러블 시스템 연구개발과 신시장 창출을 위한 혁신적인 기술이다. 

(대전=기술사신문) 황병국기자 = 미래창조과학부(장관 최문기)와 국제과학비즈니스벨트 핵심 기관인 기초과학연구원(IBS, 원장 직무대행 신희섭)은「나노입자연구단」의 김대형 교수팀(서울대 화학생물공학부)이 나노 물질을 사용하여 운동 장애 질환을 진단하고 결과에 따라 치료까지 가능한 웨어러블 전자시스템을 개발했다고 밝혔다. 

이를 통해 파킨슨병과 같은 운동 장애 질환의 발병 여부를 상시 모니터링하여 측정 결과를 메모리에 저장할 수 있으며, 저장된 정보의 패턴 분석을 통해 진단하고 필요시 피부에 약물을 투여하여 치료까지 가능하다. 

또, 연구팀은 나노입자를 기존의 반도체 공정에 적용하여 획기적으로 전력소모를 낮춘 저전력 디바이스를 구현하는데 성공하여 웨어러블 전자시스템이 오랫동안 안정적으로 작동할 수 있게 하였다. 

이 연구결과는 세계 최고 권위 학술지인 네이처 나노테크놀로지(Nature Nanotechnology, IF 31.17)에 3월 31일자로 게재되었다. 

연구팀은 보통의 전자소자에서 사용되는 딱딱한 기판(실리콘 웨이퍼 혹은 유리기판) 대신 나노박막과 나노입자를 사용하고 기존의 반도체 기술을 변형시켜 활용함으로써 휘거나 늘일 수 있는 전자소자를 제작할 수 있었다. 

연구팀은 기판 위에 희생층, 보호층을 먼저 코팅하고, 그 위에 산화물 및 금속 나노박막과 나노입자를 배열하여 전자소자를 제작한 후 희생층을 제거한 뒤 늘일 수 있는 패치에 전자소자를 전사-인쇄하는 방법을 구사하였다. 

나노물질의 전사-인쇄 방법은 합성된 고성능 전자 재료들을 구부릴 수 있는 성질의 기판에 옮기는 기술이며, 쉽고 간단하게 넓은 면적에 걸쳐 적용할 수 있는 장점이 있다.

이 방법으로 피부와 비슷하게 25%정도까지 늘어날 수 있는 센서, 메모리 소자, 히터 등의 다양한 전자소자를 제작하였고, 다양한 나노 입자를 주입하여 약물전달 등의 치료까지 할 수 있는 시스템을 개발하여 웨어러블 의료용 전자패치 형태로 구현하였다. 

나노박막 센서로 운동 장애의 패턴을 측정하고, 나노 박막·입자 메모리에 저장 후 분석하여 질병징후를 진단하며, 전자히터는 나노입자에 들어있는 치료용 약물이 피부에 잘 투여될 수 있도록 한다. 

이번 연구성과는 나노물질을 이용하면서도 기존에 존재하는 반도체 기술의 변형을 통해 피부에 부착하는 고성능 웨어러블 전자 기기에 사용될 수 있는 기초 전자소자 개발 기술을 제시한다는 점에서 매우 큰 의미를 가진다.

또, 기존에 존재하던 반도체 공정 기술을 변형시켜 사용할 수 있기 때문에 대량 생산이 가능하여 향후 전자산업에 막대한 영향을 끼칠 것으로 기대되며, 질병의 치료와 진단을 위한 의료 산업분야에도 광범위하게 응용될 것으로 예상된다. 

김대형 교수는 “이번 웨어러블 전자소자 개발 성과가 차세대 피부 부착형 헬스케어 전자 기기의 연구 개발을 선도하는 계기가 될 것”이라며 “향후 스마트폰과 같은 모바일 기기와 연동하여 활용될 경우 원격 진료 등 신시장 창출에 큰 기여를 할 수 있을 것으로 기대된다”고 소감을 밝혔다.

한편, 김대형 교수는 세계최고 권위의 엠아이티 테크놀로지 리뷰(MIT Technology Review)에서 ‘35세 이하의 세상을 바꿀 위대한 과학자 35인’에 선정된 인물이다.

서울대학교 교수로 임용된 지 불과 2년 반 만에 순수 국내연구로 이번 연구결과를 세계 최고 저널에 발표하였다. 

현택환 나노입자 연구단장은 “이번 성과는 미국 하버드나 MIT 같은 최고 대학의 조교수들도 이루기 힘든 뛰어난 성과”라며 “다양한 반도체공정이 들어가서 많은 최첨단 장비들이 필요함에도 3년도 안 되는 짧은 시간에 세계적인 성과를 낼 수 있었던 데에는 IBS를 통한 전폭적인 지원이 있었기 때문”이라고 배경을 전했다.