▲ 젤과 접착제가 없는 패치의 미세 구조 / (i) 유연한 소재 내부에 액체금속 관이 있다. 이 관은 바닥 면이 뚫려 있어 피부와 액체 금속 전극이 밀착된다. 관 주변에는 미세 기둥(Micro-pillar)들이 둘러싸고 있다. 왼쪽 하단 삽도는 기둥 끝부분에 돌출된 팁 구조 보여준다. 센서를 부착했을 때는 돌출된 팁이 피부에 부착되는 형태다. (ii) 액체금속이 표면에 고르게 젖어(Surface wetting) 빈틈없이 채워짐으로써, 피부와의 전기적 접촉을 극대화하는 원리를 보여준다. (iii) 유연한 미세 기둥 구조들이 피부의 굴곡진 표면에도 빈틈없이 밀접한 접촉을 형성하여, 물리적인 상호작용(반데르발스 힘 등)을 극대화함으로써 강력한 접착력을 만드는 원리를 나타낸다.(그림 및 설명=UNIST)  © 특허뉴스

심전도 검사 패치를 부착할 때 느껴지는 차가운 젤의 이질감과, 제거 후 남는 피부 자국은 오랜 불편 요소였다. 신호 정확도를 높이기 위해 사용해 온 젤과 화학 접착제가 피부 발진과 가려움을 유발하는 사례도 적지 않았다. 이러한 한계를 기존 재료나 화학 성분의 변화 없이 구조 설계만으로 극복한 심전도 패치가 개발됐다.

UNIST 기계공학과 정훈의 교수 연구팀은 액체금속과 고무 실리콘을 활용한 미세 구조 설계를 통해 젤과 화학 접착제가 필요 없는 고성능 심전도 패치를 개발했다고 밝혔다. 개발된 패치는 피부에 부착하는 순간의 냉감이 없고, 격렬한 움직임 중에도 기존 상용 제품보다 더 선명한 심전도 신호를 기록할 수 있는 것이 특징이다.

이번 패치의 핵심은 20마이크로미터(㎛) 폭의 액체금속 관을 달팽이 집처럼 말아 배치한 전극 구조다. 피부에 직접 닿는 관 하부가 개방된 형태로 설계돼 심장 박동에서 발생하는 미세 전기 신호가 액체금속 전극으로 바로 전달된다. 이 구조 덕분에 신호 전달을 돕기 위한 젤 없이도 심전도 측정이 가능하다. 액체금속이 피부 압력으로 새어 나올 수 있는 문제는 관 하단에 안쪽으로 말린 수평 돌기 구조를 추가해 해결했다.

접착 방식 역시 기존 패치와 다르다. 패치 표면에는 지름 28㎛, 높이 20㎛의 미세 돌기들이 분포돼 있는데, 이 돌기들은 갓의 가장자리처럼 튀어나온 형태를 띤다. 이러한 구조는 피부의 미세한 굴곡에 맞춰 접촉 면적을 넓히며, 화학 접착제 없이도 강한 물리적 접착력을 만든다. 실제로 100g의 하중을 견딜 수 있을 정도의 접착력을 확보해, 움직임에 따른 신호 잡음을 크게 줄였다.

성능 평가 결과, 개발된 패치는 전극 저항이 상용 심전도 패치보다 5배 이상 낮았으며, 걷기나 뛰기와 같은 격렬한 활동 중에도 약 2배 높은 신호 정확도를 유지했다. 또한 일회용 패치와 달리 500회 이상 재사용이 가능해 내구성 측면에서도 우수한 성능을 보였다. 젤이 마르면서 신호 품질이 저하되는 기존 방식과 달리, 장시간 사용에도 안정적인 측정이 가능하다는 점도 확인됐다.

정훈의 교수는 “액체금속의 누설 문제와 피부 접착 문제를 정교한 구조 설계만으로 동시에 해결한 것”이라며 “피부가 민감한 환자를 대상으로 하는 장기 건강 모니터링 기술, 고정밀 인간 기계 상호작용 인터페이스 등 차세대 웨어러블 시스템의 원천 기술로 활용될 것으로 기대한다”고 말했다.

연구팀은 해당 기술을 ㈜앤빅스랩에 이전해 상용화를 추진 중이다. 기술의 사업성을 인정받아 중소벤처기업부의 팁스(TIPS) 과제에 선정됐고, 초기 투자 유치에도 성공했다. ㈜앤빅스랩은 정훈의 교수와 UNIST 전기전자공학과 김재준 교수가 공동 창업한 기업으로, 이번 패치 기술에 온칩 AI를 결합한 웨어러블 헬스케어 솔루션 개발을 추진하고 있다.

이번 연구 성과는 국제학술지 어드밴스드 사이언스(Advanced Science)에 표지 논문(Inside Front Cover)으로 선정돼 1월 5일 출판됐다. 

논문명은 Self-Adhesive Liquid Metal Channel Patch with Tip-Guided Conformal Coupling and Leakage Suppression for Skin Bioelectronics이다.