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 몸에 부착할 수 있는 전자소자의 개발은 인간의 삶에 편의와 안전 등을 제공할 것으로 기대되면서 많은 연구가 활발하게 진행되고 있다. 특히 센서의 개발은 몸에 부착할 수 있는 전사소자의 개발에 시발점이 되는데, 몸에 부착할 수 있는 센서를 제작하기 위해서는 센서 본연의 역할인 감지 능력이 피부에 부착했을 시 발생하는 압력에 의한 수축과 팽창에 영향을 받지 않아야 한다.
이렇게 생체에 부착하여 인간에게 편의를 제공하기 위한 전자소자의 개발은 다양한 형태로 진행되고 있는데, 구글 글라스의 기능을 컨택트 렌즈에 탑재한 전자소자, 실제 인간의 피부를 모사하기 위한 인공 피부, 바이오 센서가 포함된 소형 의학용 전자소자가 대표적이다. 하지만, 인간의 피부에 부착하여 특정 목적을 수행하기 위한 전자소자의 개발에는 아직 많은 난제들이 있는데, 특히 다양한 센서, 센서의 동작을 제어할 각종 트랜지스터, 센서의 시그널을 전송하기 위한 통신 시스템, 전송된 시그널의 피드백으로 작용할 액추에이터 등의 집적을 구현하기란 쉽지 않다. 더불어 전자소자 구현을 위한 유기물 및 무기물 소재의 사용도 구동 환경에 따라 그 성능에 문제가 발생하여 제약이 따른다.
오사카부립대의 Takei그룹은 이러한 문제점을 극복한 저가의 공정을 사용하여 ‘스마트 밴드’라는 별칭으로, 촉각을 대신할 온도 및 촉각 센서, 센서 시그널을 전송할 무선 시스템, 주사를 대신하여 생체 내에 필요한 약물을 투입할 수 있는 시스템 등을 집적한 생체 부착형 센서 플랫폼을 개발하여 Advance Functional Materials 지에 게재하였다. 본 연구에서는 사진식각 공정없이 대면적 공정에 적합한 프린팅 공정을 사용하여 저가 공정을 실현하였으며, 무선 시스템의 코일과 터치 센서는 프린팅이 가능한 은(Ag)잉크를 사용하여 제작하였으며 온도 센서는 전도성고분자인 poly(3,4-ethylenedioxythiophene) poly(styrenesulfonate) (PEDOT:PSS)와 탄소 나노튜브 페이스트의 혼합물로 제작되었다. 마지막으로 생체에 약물을 투여하기 위한 시스템은 유연성 소재인 polydimethylsiloxane (PDMS)을 이용하여 제작되었다. 상기 구성 요소들은 kepton이라는 유연성 필름에 탑재하여 피부에 부착, 구동을 확인하였다(그림1).
터치 센서가 부착된 무선 시스템의 동작을 확인하였는데, 무선 시스템의 안테나 역할을 수행하는 코일에 사용한 프린팅한 은잉크 기반의 전극은 17μm 두께에 면저항 63mΩ/sq를 나타내었으며 코일의 구조는 전체크기 49mm×28mm, 선폭 400μm, 선간격 300μm, 코일의 감긴 회수 5회, 전체저항 101Ω, 인덕턴스 1.03μH로 구성되었다. 이렇게 제작된 코일에는 터치 센서가 장착되었으며 터치 센서의 터치 여부에 따라 공진주파수와 진폭이 달라지는 것을 확인하였다. 또한 곡률 반경 0.5mm 에 따라 휘어진 상태에서도 동작에 변함이 없다는 것을 확인하여 특정 곡률 반경 이상에서 정상적인 동작을 수행한다는 것도 확인하였다(그림2).
프린팅된 전도성고분자인 PEDOT:PSS와 탄소 나노튜브의 혼합물로 구성된 온도 센서는 체온의 범위에서 체온에 따라 저항이 선형적으로 비례한다는 것을 확인하였다. 제작된 온도 센서는 0.61%/℃의 민감도를 나타냈는데, 프린팅이 가능한 백금(pt) 기반의 온도 센서의 민감도 0.53%/℃보다 우수하다. PEDOT:PSS와 탄소 나노튜브는 각기 온도 센서 재료로 사용 가능한데 그 민감도가 0.4%/℃, 0.18%/℃로 두 물질의 혼합물에 비해서 낮은 수준을 나타낸다. 즉 두 소재의 혼합물이 온도 센서에 적합하다는 것을 보여준다. 온도 센서도 곡률 반경 3.6mm 이상의 휘어짐에서 큰 문제 없이 동작하는 것을 확인하였다.
유연성 소재인 PDMS를 이용해 제작된 약물 주입 시스템은 손에 의해 인가된 압력에 의해 약물이 투입되도록 설계되었다. 더불어, 약물이 저장되어 있는 저장소가 휘어짐에 의해 압력이 인가되어 약물이 주입되는 오작동이 방지되도록 설계되었다. 이렇게 제작된 약물 주입 시스템은 3.3천 Pa의 압력에서 115 나노리터로 주입되는 것을 확인하였다.
개별 구성 요소들의 평가 후, 실질적인 응용을 위해 실생활에도 적용하였다. 성인 남성이 식사와 운동이라는 두 상황에서 무선 시스템을 통해 실시간으로 체온의 변화를 감지함으로써 응용 적합성을 확인하였다(그림3).
출처 : 글로벌동향브리핑
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