IBS 나노의학 연구단,
나노기술 이용해 투명하고 유연한 무선충전 온열패치 개발
기초과학연구원(IBS, 원장 노도영) 나노의학 연구단(단장 천진우) 박장웅 교수(연세대 신소재공학과) 연구팀은 UNIST 이상영 교수팀, 밀라노대학과 공동으로 피부에 부착하여 여드름과 염증을 치료하는 투명 온열패치를 개발했다. 이 패치는 신소재와 첨단 프린팅 기법으로 제작되어 얇고 투명한 데다 유연하며, 무선 충전 및 휴대 가능하다. 즉 미용과 편의성을 동시에 구현한 셈이다.
여드름과 염증은 남녀노소 고민하는 피부질환이다. 이러한 피부질환은 피부에 따뜻한 열을 가해주는 온열 요법(Thermal therapy)1)으로 치료할 수 있다. 피부에 열을 가해 혈관이 확장되면 혈액순환이 원활해져 염증이 완화되며, 피부를 구성하는 콜라겐 분자의 운동이 활발하게 일어나 약물의 침투를 돕기 때문이다. 기존의 온열패치는 구동 모듈과 배터리 등이 별도 필요하고 부피가 커 부착 가능 부위가 한정적이었다. 투명하지 않아 쉽게 눈에 띄는 문제도 있었다. 이번 연구로 연구진은 전극, 배터리, 무선통신 요소 등 모든 구성요소가 투명하고 유연한 온열패치 개발에 성공하고 그 효과를 실험으로 입증했다.
연구진은 핵심부품인 전극을 투명하면서도 유연하게 만들기 위해 ‘메탈릭 글래스’ (Metallic glass)2)와 ‘나노 와이어’ (Nano wire)3)를 이용했다. 인듐주석산화물(Indum Tin Oxcide)을 소재로 삼는 기존 투명전극은 휘어지거나 늘어나지 않아 피부 부착 장치의 부품으로 적합하지 않기 때문이다. 우선 연구진은 신축성이 뛰어난 메탈릭 글래스를 1차원 섬유 형태로 만들어 미세한 그물 구조로 제작하였다. 그물 사이의 빈 공간은 나노미터 두께의 얇은 실인 나노 와이어로 채워 전도성이 높고 유연한 투명전극을 구현하였다.
또한 ‘전기수력학 프린팅 기법’ 전기수력학 프린팅 기법(Electro-hydrodynamic jet-printing)4)을 이용해 은(Ag) 잉크를 격자무늬로 찍어내어 투명 배터리를 제작했다. 전기수력학 프린팅 기법은 정전기적 힘으로 전극물질과 전해질을 마이크로미터 단위로 정밀하게 출력해낸다. 전극과 배터리는 통신 회로와 연결되어 무선으로 패치를 충전할 수 있다. 충전한 패치를 가볍게 누르면 온열이 발생하여 언제 어디서든 사용이 가능하다.
연구진은 개발한 패치로 피부에 1분 정도 온열을 가한 후 피부의 생리학적 변화를 관찰하였다. 그 결과 혈류량이 13분 동안 증가하고 수분흡수도 역시 약 1.9배 증가하였다. 온열패치의 성능을 실험으로 입증하여 의료 목적으로 활용될 가능성을 보여준 것이다.
박장웅 연구위원은 “이번 연구로 모든 구성요소가 투명하고 동시에 유연한 무선충전 온열패치를 최초로 선보였다”며 “미용 산업 및 의료 분야 등에 다양하게 활용될 뿐 아니라 피부에 부착하는 차세대 웨어러블 기기 플랫폼이 될 것으로 기대한다”고 전했다.
이번 연구결과는 국제 학술지‘나노 레터스(Nano Letters, IF 11.238)’에 7월 8일 출판되었다.
[참조]
1) 온열 요법(Thermal therapy) : 피부에 따뜻한 열을 가하여 혈액순환과 물질대사를 촉진하고 신경 및 근육의 피로를 완화함으로써 치료를 돕는 방법이다.
2) 메탈릭 글래스(Metallic glass) : 비정질 합금으로 형성된 첨단 신소재로, 일반 금속보다 신축성이 월등히 뛰어나며 고온에도 쉽게 녹슬지 않는다. 전기적 특성 또한 우수하여 유연하고 신축성 있는 투명전극의 재료로 적합하다.
3) 나노 와이어(Nano wire) : 나노미터 단위의 크기를 가지는 와이어 구조체를 말한다. 나노와이어가 불규칙적으로 연결된 박막은 뛰어난 광투과성을 가지기 때문에 투명전극으로 사용될 수 있다.
4) 전기수력학 프린팅 기법(Electro-hydrodynamic jet-printing) : 전극물질과 전해질을 잉크처럼 써서 부품 위에 찍어내는 원리는 잉크젯 프린팅과 동일하지만, 노즐과 기판 사이 전기장을 걸어 잉크를 미세하게 조정함으로써 마이크로미터(㎛, 1㎛=100만 분의 1m) 단위 고해상도로 출력할 수 있다.
연구 추가 설명
논문명
Integration of Transparent Supercapacitors and Electrodes Using Nanostructured Metallic Glass Films for wirelessly Rechargeable, Skin Heat Patches
저자정보
Sangil Lee, Sang-Woo Kim, Matteo Ghidelli, Hyeon Seok An, Jiuk Jang, Andrea Li Bassi*, Sang-Yong Lee*, Jang-Ung Park*
연구이야기
[연구 배경]
여드름, 염증과 같은 피부 질환은 온열 요법(thermal therapy)을 이용하여 증상을 완화하고 치료할 수 있다. 지속적이고 주기적으로 온열을 가하는 치료법에 활용될 수 있는 착용형·부착형 히터에 대한 연구가 진행되고 있다.
기존의 온열패치는 구동 모듈이나 배터리 등을 함께 부착해야하기 때문에 큰 부피를 차지하여 부착할 수 있는 부위가 한정적이었다. 구성요소가 투명하지 않아 쉽게 눈에 띄는 문제점도 있었다. 이 문제를 해결하기 위해 장치의 모든 구성요소를 유연하고 투명하게 구현하는 연구를 진행했다.
[연구 과정]
기존의 ITO(인듐주석산화물) 기반 투명전극은 휘어지거나 늘어날 수 없어 피부 부착 장치의 재료로 적합하지 않다. 본 연구에서는 투명성과 유연성을 겸비한 투명 전극 제작을 위해 메탈릭 글래스와 나노 와이어를 이용하였다. 우선 메탈릭 글래스를 1차원 전도체 섬유 형태로 제작하여 미세한 그물 구조의 전극을 형성하였다. 그물 구조 사이의 빈 공간을 나노와이어로 채워 높은 전도성과 투명성을 가지는 유연한 전극을 구현했다.
또한 전기수력학 프린팅 기법을 이용해 높은 해상도를 갖는 투명한 배터리를 제작해 이를 장치에 통합하였다. 그 결과 모든 구성요소가 투명하고 얇으면서 유연한 온열패치 개발에 성공했다. 나아가 이를 피부에 직접 적용해 온열 패치의 성능을 실험적으로 입증하였다. 미용과 치료목적을 모두 충족하는 새로운 피부 부착장치의 플랫폼을 구현하여 건강관리 및 의료 분야까지 다양한 활용 가능성을 제시한 것이다.
[어려웠던 점]
밀라노 대학과 함께 투명 전극의 재료인 메탈릭 글래스를 형성하는 연구를 진행하였는데, 샘플을 주고받는 데 시간이 다소 소요되어 연구를 빨리 진척시키기 어려웠다.
[향후 연구계획] 본 연구에서 제작한 스마트 온열 패치는 높은 투명성과 유연성을 보여주며, 미용과 치료목적을 동시에 달성하였다. 건강관리 및 의료분야까지 활용가능성을 보여준다. 향후 진행될 연구에서는 이에 더해 피부건강을 진단할 수 있는 센서 기술 개발에 집중할 예정이다.
그림 설명
그림 1. (좌)투명한 스마트 온열 패치, (우)패치를 손등에 부착한 모습
연구진이 개발한 온열패치는 얇고 유연하여 피부에 부착하여도 불편하지 않다. 또한 패치 뒤의 글씨가 충분히 보일 정도로 투명성이 뛰어나 눈에 잘 띄지 않는다.
그림 2. 온열 패치로 온열을 가한 후의 피부 상태 변화
온열 패치의 스위치를 가볍게 누르면 2초 내로 온화한 열이 피부에 전해진다. 장치에서 발생하는 열은 41 °C로 설정되어 저온화상을 걱정할 필요가 없다. 온열 패치로 피부에 약 1분간 온열을 가하는 것만으로 혈류량이 13분 동안 증가한 상태가 유지되었다.
그림 3-1(위), 3-2(아래). 온열 패치 사용 모습을 표현한 일러스트
여드름, 염증 치료를 위해 연구진이 개발한 투명 패치를 사용하고 있는 모습을 표현한 일러스트.
연구진 이력사항
[박장웅 IBS 나노의학 연구단 연구위원, 공동교신저자]
1. 인적사항
· 소속 : IBS 나노의학 연구단, 연세대학교 신소재공학과
· 전화 : 02-2123-2851
· 이메일 : jang-ung@yonsei.ac.kr
2. 학력
· 2000 : 한양대학교 학사 (세라믹공학)
· 2003 : 한국과학기술원(KAIST) 재료공학과 석사
· 2009 : 미국 University of Illinois at Urbana-Champaign(UIUC) 박사 (재료공학)
3. 경력사항
· 2009 ~ 2010 Harvard 대학 박사후 연구원
· 2010 ~ 2014 UNIST 신소재공학부 조교수
· 2014 ~ 2018 UNIST 신소재공학부 부교수
· 2018 ~ 현재 연세대학교 신소재공학과 부교수 및 IBS 나노의학 연구단 연구위원
[이상일 연세대 신소재공학과 학생 연구원, 제1저자]
1. 인적사항
· 소속 : 연세대학교 신소재공학과
· 이메일 : sangil@wearablelab.net
2. 학력
· 2019 : 국민대학교 신소재공학 학사
3. 경력사항
· 2019 ~ 현재 연세대학교 신소재공학과 연구원
