피부부착 저전력 차세대 웨어러블 치료 나노소자 개발

김대형 교수팀, 운동 장애 질환 진단ㆍ치료 가능 시스템 만들어

연구팀이 개발한 웨어러블 전자소자를 집적시킨 의료용 패치를 피부위에 부착한 사진

아주경제 이한선 기자 = 30대의 젊은 교수가 피부 부착형 저전력의 차세대 치료용 웨어러블 나노소자를 개발해 향후 원격 진료 등 의료 산업 발전의 길을 넓혔다.

미래창조과학부는 기초과학연구원(IBS) 나노입자연구단 김대형 교수팀(37, 서울대 화학생물공학부)이 나노 물질을 사용해 운동 장애 질환을 진단하고 치료까지 가능한 웨어러블 전자시스템을 개발했다고 31일 밝혔다.
 

김대형 교수

김 교수는 세계최고 권위의 MIT 테크놀로지 리뷰에서 ‘35세 이하의 세상을 바꿀 위대한 과학자 35인’에 선정된 인물로 서울대 교수로 임용된 지 2년 반 만에 순수 국내연구결과를 세계 최고 저널에 발표했다.

연구결과는 세계 최고 권위 학술지인 네이처 나노테크놀로지 31일자로 게재됐다(제1저자 : IBS 나노입자 연구단 손동희, 이종하 연구원(박사과정), 교신저자 : IBS 나노입자 연구단 김대형 공동연구원(서울대 교수)).

2011년 파스와 비슷한 패치에 센서 기능을 갖춘 반도체 소자를 결합한 웨어러블 나노소자를 개발한 연구팀은 이번에 저전력으로 구동이 가능하도록 이상화티타늄 나노박막과 금나노입자의 조합으로 제작한 메모리 소자를 추가했다.

개발한 소자는 자체에 메모리를 탑재해 질병 데이터를 저장하고 향후 진단에 필요한 정보를 제공할 수 있게 된다.

약물을 저장할 수 있는 기공을 포함한 실리카 나노입자는 전자히터가 작동해 피부로 스며드는 치료용 약물의 양을 조절할 수 있다.

연구팀은 스프링의 형태로 소자의 회로를 배열해 25%까지 늘어날 수 있어 부착한 상태에서 인체가 활동하는 데 어려움을 줄여준다.

회로의 훼손을 막기 위해 유기물 보호층을 고팅하는 방법도 썼다.

연구팀은 향후 배터리와 무선통신 기능, 처리장치까지 탑재해 센싱과 데이터 저장, 정보의 전달과 처리까지 가능한 웨어러블 치료 나노소자를 후속으로 연구할 예정이다.

후속 연구 완료 전까지는 갤럭시 기어와 같은 스마트워치 등을 활용해 선을 연결하고 배터리와 정보 전달 등을 할 수 있도록 할 계획이다.

기존의 웨어러블 기기가 딱딱한 반도체 소자를 탑재해 피부에 부착해 활동하기가 번거로왔다면 이번에 개발된 소자는 파스와 같이 얇고 신축성이 있어 인체를 움직이고 활동하는 데 불편이 크게 줄어들 수 있는 것이 장점이다.

이같은 웨어러블 치료용 나노소자가 상용화될 경우 최근 추진되고 있는 원격진료 서비스가 활성화되면서 관련 산업이 성장할 수 있는 계기를 제공할 수 있을 것으로 예상된다.

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

연구는 질병의 상태를 정량적으로 센서를 통해 측정하고 결과를 저장하면서 데이터 분석을 통해 진단하고 실시간으로 치료할 수 있는 길을 제시했다는 평가를 받는다.

현택환 IBS 나노입자연구단장은 “교수 임용 2년반만에 순수 국내 개인 연구로 이같은 세계적 연구결과를 내기는 어려운 일”이라며 “이번 연구는 반도체 공정을 위해 20억원이 넘는 다양한 장비가 들어가는 등 비용이 많이 들어갔는데 논란에도 불구하고 이같은 연구 결과는 IBS가 없었으면 불가능했을 것”이라고 말했다.

IBS는 정부 출연연구소나 대학 등에서 하기 힘든 대형 기초 연구에 수십억원의 지원을 하는 역할을 한다.

우수한 연구자에게 연구비를 몰아줘 성과를 낼 수 있도록 하겠다는 목표에서 설립된 기관이 IBS다.

IBS는 기초 연구비의 쏠림 현상이 일어나면서 대학의 중견 연구사업의 경쟁률이 올라가고 연구단장이나 그룹리더 선정 과정이 투명하지 못한 것이 아니냐는 비판을 받기도 했다.

미래창조과학부는 이같은 지적에 따라 앞으로 늘어나는 기초 연구개발비를 중견 연구자 프로젝트 선정 과정에 집중 투입해 선정률을 높이기로 했다.

IBS는 연구단에 부그룹리더를 두기로 하는 등 학계의 소외를 해소하는 방안도 함께 추진하고 있다.

연구팀이 개발한 시스템은 파킨슨병과 같은 운동 장애 질환의 발병 여부를 상시 모니터링해 측정 결과를 메모리에 저장할 수 있고 저장된 정보의 패턴 분석을 통해 진단하는 한편 필요시 피부에 약물을 투여해 치료하는 것이 가능하다.

연구팀은 나노입자를 기존의 반도체 공정에 적용해 전력소모를 낮춘 저전력 디바이스를 구현하는데 성공하고 웨어러블 전자시스템이 오랫동안 안정적으로 작동할 수 있게 했다.

연구진은 보통의 전자소자에서 사용되는 딱딱한 기판 대신 나노박막과 나노입자를 사용하고 기존의 반도체 기술을 변형시켜 활용해 휘거나 늘일 수 있는 전자소자를 제작할 수 있었다.

기판 위에 희생층, 보호층을 먼저 코팅하고 위에 산화물 및 금속 나노박막과 나노입자를 배열해 전자소자를 제작한 후 늘일 수 있는 패치에 전자소자를 전사-인쇄하는 방법을 구사했다.

나노물질의 전사-인쇄 방법은 합성된 고성능 전자 재료들을 구부릴 수 있는 성질의 기판에 옮기는 기술로 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 제작하고 다양한 나노 입자를 주입해 약물전달 등의 치료까지 할 수 있는 시스템을 개발해 웨어러블 의료용 전자패치 형태로 구현했다.

나노박막 센서로 운동 장애의 패턴을 측정하고 나노 박막·입자 메모리에 저장 후 분석해 질병징후를 진단하는 한편 전자히터는 나노입자에 들어있는 치료용 약물이 피부에 잘 투여될 수 있도록 역할을 한다.

이번 연구성과는 나노물질을 이용하면서도 기존에 존재하는 반도체 기술의 변형을 통해 피부에 부착하는 고성능 웨어러블 전자 기기에 사용될 수 있는 기초 전자소자 개발 기술을 제시한 것으로 평가된다.

기존에 존재하던 반도체 공정 기술을 변형시켜 사용할 수 있어 대량 생산이 가능해 향후 전자산업에 막대한 영향을 끼치고 질병의 치료와 진단을 위한 의료 산업분야에도 광범위하게 응용될 것으로 예상된다.