"혈당 재는 전자피부 나올까"…신개념 3D 프린팅 기술 개발

[서울=뉴시스]윤현성 기자 = 인체 표면에 부착돼 혈당이나 혈압을 매 시간마다 체크해주는 전자피부의 개발이 실현될 수 있을 것으로 기대된다. 인체 친화적이고 신축성과 전도도(전류 통과 정도)가 높으면서 형상까지 자유자재로 만들 수 있는 신개념 3D 프린팅 기술이 개발되면서 이같은 전자피부에 활용될 수 있는 신소재가 탄생하게 됐다.

21일 과학기술정보통신부에 따르면 한국과학기술연구원(KIST) 소프트융합소재연구센터 정승준 박사 연구팀이 신개념 전방위 프린팅 공정 기술을 이용해 사용자 맞춤형 '자유 형상 스킨 일렉트로닉스'를 구현하는 데 성공했다.

이번 연구는 과기정통부 나노소재기술개발사업과 KIST 주요사업, 세종과학펠로우쉽의 지원으로 수행됐다. 연구 성과는 이날 국제 학술지 네이처 일렉트로닉스 (Nature Electronics, IF 33.255)에 표지논문으로 게재됐다.

기존 실리콘 기반의 반도체 소자와 달리 피부와 같이 부드러운 스킨 일렉트로닉스가 발전하면서 실시간 건강 신호 모니터링, 신경회로 인터페이스 등과 같은 인체 밀착형 휴먼 머신 인터페이스가 가능해지고 있다.

이처럼 사람 피부에 부착하는 스킨 일렉트로닉스는 사용자 신체와 사용 목적에 맞는 자유형상 디자인과 맞춤형 공정이 요구된다. 그만큼 높은 집적도를 위해 복잡한 3차원 회로를 구현해야만 한다.

하지만 기존의 반도체 공정이나 3D 프린팅 기술에는 다양한 곡면을 가지는 신체에 맞춰 자유롭게 변형 가능한 회로를 제작하는데 한계가 분명했다. 기존 3D 프린팅 기술은 아래에서부터 한층씩 쌓아가는 방법을 활용했기에 하부지지층이 반드시 필요하고, 두께·방향 등에 프린팅 자유도가 낮았다.

기존의 전도성 잉크도 단점이 컸다. 기존에 보고된 전도성 잉크로 3차원 구조를 가지는 회로를 제작할 경우, 외부 충격이나 기계적 변형에 의해 쉽게 부서지거나 성능이 저하되는 문제가 나타났기 때문이다.

이에 연구팀은 스킨 일렉트로닉스의 핵심 소재인 소프트 전도체를 3차원으로 직접 그릴 수 있는 기술을 개발하고, 이를 이용해 기계적 변형에도 안정적으로 동작하는 자유형상 스킨 일렉트로닉스를 구현해냈다.

잉크의 유화작용(한 액체와 섞이지 않는 다른 액체를 미세입자로 분산시키는 것)을 이용해 전방위로 자유로운 3D 프린팅이 가능해진 것이다. 기존의 방식과 달리 하부 지지층 없이 공중에서도 인쇄가 가능하고, X·Y·Z 축을 넘어 두께·방향·각도 등을 모두 자유자재로 조절할 수 있다. 유화작용을 통한 새로운 소프트 전극 소재 잉크로 노즐이 막히는 문제 또한 획기적으로 줄이는 데 성공했다.

이같은 신기술을 통해 150% 이상 늘어나도 높은 전도도가 유지되는 소프트 전극을 전방위로 자유롭게 직접 그릴 수 있어 복잡한 3차원 신축성 회로를 사용자에 맞게 제작할 수 있다는 게 연구진의 설명이다.

이번에 개발된 소프트 전도성 소재는 현재 관련 소재전문기업을 통해 양산 가능성을 검토하고 있다. 특히 웨어러블 및 생체 의학기기, 소프트 로봇, 프린팅 산업 분야에 활용될 경우 파급 효과 있을 것으로 기대된다.

연구를 주도한 정승준 박사 또한 소프트 로봇, 웨어러블 기기, 바이오·헬스케어 부문 등에서의 활용도에 집중하고 있다.

흔히 생각하는 금속성의 '딱딱한' 로봇에는 신소재가 활용될 소지가 적지만, 사람과 밀접한 공존지능을 갖고 사람과 같은 '말랑말랑한' 형태의 소프트 로봇의 표면에 활용될 수 있다는 것이다.

정 박사는 소프트로봇의 사례로 디즈니 애니메이션 '빅 히어로'에 나오는 로봇 '베이맥스'를 언급하기도 했다. 로봇이 관절에 의해서 움직이는 게 아니라 로봇의 형상 자체가 바뀌는 형태로 발전할 수 있다는 관측이다. 이같은 소프트 로봇의 표면에 있는 회로 쪽에도 이번에 개발된 소재가 적용될 수 있을 것으로 보인다.

또한 높은 유연성과 전도도로 피부에 부착하는 센서 등에도 활용 가능성이 높다. 연구팀은 인체에 무해한 소재로 제작을 진행 중인데, 생체 삽입까지는 아직 어려운 단계지만 피부 표면에서는 소재 활용 가능성이 높다.

현재 혈당 측정은 손가락 끝에 직접 바늘로 피를 내는 방식 등이 활용되고 있다. 하지만 신소재가 적용된 전자피부가 상용화되면 어디서나 편하게 자동으로 혈당이 측정되고 휴대전화 앱 등으로 공유하는 모니터링 시스템이 구축될 수 있을 것으로 전망된다.

이외에도 메타버스(가상현실) 환경 등에서 활용 되는 센서, 컴퓨팅 디바이스 등에도 이번에 개발된 신소재가 유용하게 활용될 수 있을 것으로 기대된다.

정 박사는 "본 연구를 통해 개발된 소프트 전극 소재 및 공정 기술이 기존 정형화 된 전자기기의 디자인 한계를 뛰어넘어 새로운 폼팩터를 가지는 웨어러블 기기 제작에 기여하고, 나아가 사물인터넷, 가상 증강 현실을 위한 인터페이스, 바이오 인터페이스 등 분야에 활용될 수 있을 것으로 기대한다"고 말했다.


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