KR102647691B1 - 양면 몰딩 공정을 통한 마이크로니들 전극의 제조 방법 및 그 방법에 의해 제조되는 마이크로니들 전극 - Google Patents
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Abstract
본 발명의 실시예에 따른 양면 몰딩 공정을 통한 마이크로니들 전극의 제조 방법은, 마이크로니들 전극의 상면부와 하면부를 각각 성형하기 위한 상면 몰드와 하면 몰드를 구비한 양면 몰드를 제작하는 단계, 상기 상면 몰드와 상기 하면 몰드 사이에 저융점의 금속 합금을 로드하는 단계, 상기 금속 합금을 미리 설정된 저온으로 가열하면서 상기 상면 몰드와 상기 하면 몰드를 가압하여 상기 마이크로니들 전극을 성형하는 단계, 상기 마이크로니들 전극의 상면부를 노출시키기 위하여 상기 상면 몰드를 분리하는 단계, 상기 마이크로니들 전극의 상면부에 뾰족하게 돌출된 니들부를 제외한 다른 상면부의 표면에 광경화성 절연물질을 도포하는 단계, 상기 마이크로니들 전극의 상면부에 절연층을 형성하기 위하여 상기 광경화성 절연물질을 광경화시키는 단계, 및 상기 하면 몰드에서 상기 마이크로니들 전극을 분리하는 단계를 포함할 수 있다.
Description
본 발명은 양면 몰딩 공정을 통한 마이크로니들 전극의 제조 방법 및 그 방법에 의해 제조되는 마이크로니들 전극에 관한 것으로서, 더 상세하게는 마이크로니들 전극의 제조 방법을 개선하여 마이크로니들 전극의 생산성을 높일 수 있고, 마이크로니들 전극의 구조를 개선하여 생체신호의 측정시 발생되는 노이즈를 줄일 수 있는 양면 몰딩 공정을 통한 마이크로니들 전극의 제조 방법 및 그 방법에 의해 제조되는 마이크로니들 전극에 관한 것이다.
일반적으로, 마이크로니들은 크게 solid, coated, dissolvable, hollow의 4종류로 구분 가능하며, 이에 사용되는 재료는 실리콘(silicon), 금속(metal), 폴리머(polymer) 등이 있다.
특히, 금속 마이크로니들은 solid, coated 또는 hollow 등의 형태로 사용 가능하다. 상기와 같은 금속 마이크로니들은 약물전달, 피부전처리, 봉합, 채혈, 생체신호 측정용 전극 등과 같은 다양한 용도로 활용할 수 있다.
여기서, 생체 신호 측정용 금속 마이크로니들은 인간의 몸에서 발생되는 다양한 종류의 전기적 생체 신호를 측정하는데 사용될 수 있다. 즉, 인간의 몸에는 ECG(electrocardiogram), EMG(electromyogram), EEG(electroencephalogram) 등과 같은 다양한 전기적 생체 신호가 발생하고 있다.
상기와 같은 생체 신호들은 건강함의 지표로 삼을 수 있기 때문에 이들을 측정하기 위한 다양한 기술이 연구되고 있다. 즉, 가장 대표적인 방법으로는 전극을 피부에 부착해 생체 신호들을 측정하는 방법이 있으며, 이는 건식 전극과 습식 전극으로 구분할 수 있다.
다만, 피부를 통해 전기적 신호를 얻는 방법은 피부의 가장 바깥층에 존재하는 각질층에 의해 측정 정확도가 저하되는 문제점이 있다. 상기와 같은 각질층은 죽은 세포로 이루어져 있는 얇은 층이므로, 전기적 신호를 매개할 전해질이 거의 존재하지 않는다.
이를 극복하기 위해서, 최근에는 각질층을 뚫고 피부의 내부에서 직접 신호를 얻는 마이크로니들 전극이 연구되고 있으며, 그 중에서도 고통과 침습을 최소화하는 마이크로니들 전극이 중점적으로 연구되고 있다.
상기와 같은 마이크로니들 전극은 전도성을 가져야 하므로 금속으로 제작될 수 있지만, 그로 인해 두 가지 문제가 발생할 수 있다. 첫째는 금속-용액 사이에 발생하는 헬름홀츠 층으로 인하여 캐피시턴스가 형성하고, 해당 캐피시턴스는 임피던스와 비례하기 때문에 전기적 생체신호 전달에 방해를 받는 문제점이 있다. 둘째는 각질층을 통한 노이즈의 전달로서, 각질층은 시간, 계절, 날씨 등 다양한 용인에 따라 수분의 함량이 크게 달라진다. 수분 함량이 충분한 각질층은 전기적 신호를 전달할 수 있지만, 이로 인해서 노이즈가 발생되는 문제점이 있다.
금속 마이크로니들 전극은 금속 재료의 특성상 높은 강도를 가지기 때문에 피부의 투과에 좋은 소재이지만, 높은 성형 난이도를 가지고 있다는 제약이 있다. 특히, 기존의 금속 마이크로니들 전극은 금속 재료를 깎아서 수백 마이크로미터의 구조물을 제작하기 때문에 생산성이 떨어지고 전문적인 제작기기를 필요로 한다.
한편, 마이크로니들 전극의 니들부를 코팅하는 기술은 'coated microneedle'이라는 이름으로 이미 많은 연구가 실시되고 있으며, 다양한 약물의 전달 매개로 사용되고 있다. 마이크로니들 전극의 표면 코팅에는 parylene, PMMA, PLA, SU-8 등과 같은 다양한 종류의 물질이 사용되고 있지만, 이들은 마이크로니들 전극의 구조, 녹는점, 표면처리 여부 등과 같은 다양한 조건에 큰 영향을 받을 수 있고 복잡한 제작공정과 기계가 필요한 한계가 있다.
특히, 니들부를 제외한 표면을 코팅하는 기술은 금속 마이크로니들 전극에 한해서만 필요하므로 기술 개발이 부족한 실정이다. 따라서, 마이크로니들 전극의 니들부를 제외한 표면에 절연층을 효율적으로 코팅하기 위한 방법 및 구조에 대한 기술 개발이 매우 절실하다.
관련 선행기술문헌으로는 한국공개특허 제10-1314091호 (발명의 명칭: 치료 부위내 경피 유전자 전달을 위한 일렉트로 마이크로니들 집적체 및 이의 제조방법, 등록일: 2013.09.26), 및 한국등록특허 제10-0771522호 (발명의 명칭: 전도성 폴리머 미세바늘 전극시트 및 그 제작방법, 등록일: 2007.10.24)가 있다.
본 발명의 실시예는, 저융점의 금속 합금을 이용하여 양면 몰딩 공정을 통해 마이크로니들 전극을 신속 간편하게 제조할 수 있고, 그에 따라 마이크로니들 전극의 생산성을 극대화시킬 수 있는 양면 몰딩 공정을 통한 마이크로니들 전극의 제조 방법 및 그 방법에 의해 제조되는 마이크로니들 전극을 제공한다.
또한, 본 발명의 실시예는, 마이크로니들 전극에서 니들부를 제외한 표면에 절연층을 효과적으로 코팅할 수 있고, 마이크로니들 전극의 표면에 코팅된 절연층으로 인하여 각질층과의 반응에 의한 노이즈 발생을 미연에 방지할 수 있는 양면 몰딩 공정을 통한 마이크로니들 전극의 제조 방법 및 그 방법에 의해 제조되는 마이크로니들 전극을 제공한다.
본 발명의 일실시예에 따르면, 마이크로니들 전극의 상면부와 하면부를 각각 성형하기 위한 상면 몰드와 하면 몰드를 구비한 양면 몰드를 제작하는 단계, 상기 상면 몰드와 상기 하면 몰드 사이에 저융점의 금속 합금을 로드하는 단계, 상기 금속 합금을 미리 설정된 저온으로 가열하면서 상기 상면 몰드와 상기 하면 몰드를 가압하여 상기 마이크로니들 전극을 성형하는 단계, 상기 마이크로니들 전극의 상면부를 노출시키기 위하여 상기 상면 몰드를 분리하는 단계, 상기 마이크로니들 전극의 상면부에 뾰족하게 돌출된 니들부를 제외한 다른 상면부의 표면에 광경화성 절연물질을 도포하는 단계, 상기 마이크로니들 전극의 상면부에 절연층을 형성하기 위하여 상기 광경화성 절연물질을 광경화시키는 단계, 및 상기 하면 몰드에서 상기 마이크로니들 전극을 분리하는 단계를 포함하는 양면 몰딩 공정을 통한 마이크로니들 전극의 제조 방법을 제공한다.
바람직하게, 상기 금속 합금은 전도체 특성을 갖는 저융점의 Bi-In-Sn 합금을 포함할 수 있다.
상기 마이크로니들 전극을 성형하는 단계에서는, 상기 금속 합금의 융점보다 높은 온도로 미리 설정된 시간동안 가열한 후 상기 상면 몰드와 상기 하면 몰드를 가압할 수 있다.
바람직하게, 상기 마이크로니들 전극은, 판 형상으로 마련된 전극부, 및 상기 전극부의 상면부에서 뾰족하게 돌출된 복수개의 상기 니들부를 포함할 수 있다. 이때, 상기 상면 몰드의 하면부에는 상기 니들부들을 형성하기 위한 상면 캐비티가 형성될 수 있다. 그리고, 상기 하면 몰드의 상면부에는 상기 상면 캐비티와 대응되는 위치에 상기 전극부를 형성하기 위한 하면 캐비티가 형성될 수 있다.
바람직하게, 상기 광경화성 절연물질은 생체안전성과 부도체 특성을 갖는 유연 재질의 PUA(poly urethane acrylate)를 포함할 수 있다.
상기 광경화성 절연물질을 도포하는 단계에서는, 상기 광경화성 절연물질이 상기 마이크로니들 전극의 상면부 중 상기 니들부를 제외한 표면에 설정 두께로 평탄하게 도포될 수 있다.
예를 들면, 상기 광경화성 절연물질을 도포하는 단계는, 상기 하면 몰드의 상면부에 도포 안내 커버를 안착시켜 상기 마이크로니들 전극의 상면부를 제외한 다른 부위를 덮는 단계, 상기 도포 안내 커버가 덮힌 상태에서 상기 마이크로니들 전극의 상면부에 상기 광경화성 절연물질을 공급하는 단계, 및 상기 마이크로니들 전극의 상면부에 공급된 상기 광경화성 절연물질을 상기 설정 두께로 만드는 단계를 포함할 수 있다.
여기서, 상기 도포 안내 커버는, 상기 설정 두께와 동일한 두께의 필름 형상으로 마련될 수 있고, 상기 마이크로니들 전극의 상면부와 대응하는 부위에 도포홀부가 형성될 수 있다.
그리고, 상기 광경화성 절연물질을 공급하는 단계에서는 상기 광경화성 절연물질을 상기 도포홀부에 공급할 수 있다.
또한, 상기 광경화성 절연물질을 설정 두께로 만드는 단계에서는 상기 도포홀부에 공급된 상기 광경화성 절연물질에 공기를 송풍시켜 상기 도포홀부의 내부에 공급되지 못한 상기 광경화성 절연물질을 제거할 수 있다.
바람직하게, 본 발명의 일실시예에 따른 양면 몰딩 공정을 통한 마이크로니들 전극의 제조 방법은, 상기 광경화성 절연물질을 도포하는 단계와 상기 상기 광경화성 절연물질을 광경화시키는 단계 사이에 진행하여 상기 니들부의 표면에 묻은 상기 광경화성 절연물질을 제거하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 광경화성 절연물질을 제거하는 단계에서는, 상기 니들부보다 연한 재질의 이물질 제거 블록을 상기 니들부에 가압하여 상기 니들부를 상기 이물질 제거 블록에 박은 후 상기 이물질 제거 블록을 상기 니들부에서 분리함으로써 상기 니들부의 표면에 잔류된 상기 광경화성 절연물질을 제거할 수 있다.
바람직하게, 상기 양면 몰드를 제작하는 단계에서는 상기 상면 몰드와 상기 하면 몰드를 동일한 방식으로 개별적으로 제작할 수 있다.
상기 양면 몰드를 제작하는 단계는, 마이크로 밀링 장치를 이용하여 상기 마이크로니들 전극의 상면부 또는 하면부에 대응하는 형상으로 마스터 몰드를 제작하는 단계, 상기 마스터 몰드에 PDMS 재질을 주입한 후 가열 경화시켜 PDMS 역상 몰드를 제작하는 단계, 상기 PDMS 역상 몰드에 PLA(poly lactic acid) 재질을 주입한 후 가열 경화시켜 PLA 마이크로 니들을 제작하는 단계, 및 상기 PLA 마이크로 니들에 PDMS 재질을 주입한 후 가열 경화시켜 상기 상면 몰드 또는 상기 하면 몰드를 제작하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 저융점의 금속 합금으로 형성된 전극부, 상기 전극부와 동일한 저융점의 금속 합금으로 형성되고 상기 전극부의 상면부에서 뾰족하게 돌출된 형태로 마련되며 상기 전극부의 상면부에 서로 이격되게 배치된 복수개의 니들부, 및 상기 전극부의 상면부 중 상기 니들부들을 제외한 표면에 설정 두께로 형성된 절연층을 포함하는 마이크로니들 전극을 제공한다.
여기서, 상기 전극부와 상기 니들부들은, 양면 몰드에 의한 양면 몰딩 공정을 통해 일체형 구조로 제작될 수 있다.
그리고, 상기 절연층은, 상기 마이크로니들 전극의 상면부 중 상기 니들부를 제외한 표면에 광경화성 절연물질을 설정 두께로 평탄하게 도포한 후 광경화 공정을 통해 마련될 수 있다.
또한, 상기 금속 합금은 전도체 특성을 갖는 저융점의 금속물질로 마련될 수 있고, 상기 광경화성 절연물질은 생체안전성과 부도체 특성을 갖는 유연 재질의 광경화성 고분자물질로 마련될 수 있다.
예컨대, 상기 금속 합금은 50℃~150℃의 녹는점을 가질 수 있도록 Bi(bismuth), Pb(lead), Sn(tin), Cd(cadmiun) 또는 In(indium) 중 적어도 하나의 금속물질로 이루어질 수 있다. 뿐만 아니라, 상기 광경화성 절연물질은 폴리우레탄 아크릴레이트(PUA, polyurethane acrylate) 계열, 불포화 폴리에스테르(unsaturated polyester) 계열, 폴리에스터 아크릴레이트(polyester acrylate) 계열 또는 에폭시 아크릴레이트(epoxy acrylate) 계열 중 어느 한 계열의 광경화성 고분자물질로 이루어질 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 양면 몰딩 공정을 통한 마이크로니들 전극의 제조 방법 및 그 방법에 의해 제조되는 마이크로니들 전극은, 양면 몰드를 사용한 양면 몰딩 공정을 통해 마이크로니들 전극을 저융점의 금속 합금으로 제조하므로, 절삭 공정을 통해 마이크로니들 전극을 제조하는 기존의 방식과 비교하여 마이크로니들 전극의 생산성을 대폭 높일 수 있고, 마이크로니들 전극의 대량 생산도 용이하게 실현할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 양면 몰딩 공정을 통한 마이크로니들 전극의 제조 방법 및 그 방법에 의해 제조되는 마이크로니들 전극은, 저융점의 금속 합금을 사용함으로써 양면 몰딩 공정을 통해 마이크로니들 전극을 원활하게 제조할 수 있고, 양면 몰딩 공정시 저융점의 금속 합금을 낮은 온도에서 녹일 수 있어 금속 합금을 녹이기 위한 에너지 소모와 시간 낭비를 감소시킬 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 양면 몰딩 공정을 통한 마이크로니들 전극의 제조 방법 및 그 방법에 의해 제조되는 마이크로니들 전극은, 마이크로니들 전극의 상면부 중 니들부를 제외한 전극부의 상면부에 절연층을 안정적으로 형성하므로, 금속 합금 재질의 니들부가 피부를 통해 생체 신호를 정확하게 측정할 수 있고, 절연층이 금속 합금 재질의 전극부와 피부의 각질층을 절연시켜 전극부와 각질층의 반응에 따른 생체 신호의 노이즈 발생도 미연에 방지할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 양면 몰딩 공정을 통한 마이크로니들 전극의 제조 방법 및 그 방법에 의해 제조되는 마이크로니들 전극은, 광경화성 절연물질을 마이크로니들 전극 중 니들부를 제외한 전극부의 표면에 도포한 후 빛의 조사에 따른 광경화 반응에 따라 절연층을 형성하므로, 절연층의 코팅이 매우 간편하고 신속하게 이루어질 수 있고, 절연층이 니들부의 표면에 존재하지 않기 때문에 니들부의 접촉 불량에 따른 생체 신호의 감지 오류를 방지할 수 있다.
도 1과 도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 마이크로니들 전극이 도시된 정면도 및 평면도이다.
도 3 내지 도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 양면 몰딩 공정을 통한 마이크로니들 전극의 제조 방법이 순차적으로 도시된 도면이다.
도 9와 도 10은 도 3 내지 도 8에 도시된 마이크로니들 전극의 제조 방법에 따라 제조된 마이크로니들 전극의 실험 결과를 나타낸 도면이다.
도 3 내지 도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 양면 몰딩 공정을 통한 마이크로니들 전극의 제조 방법이 순차적으로 도시된 도면이다.
도 9와 도 10은 도 3 내지 도 8에 도시된 마이크로니들 전극의 제조 방법에 따라 제조된 마이크로니들 전극의 실험 결과를 나타낸 도면이다.
이하에서, 본 발명에 따른 실시예들을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. 그러나, 본 발명이 실시예들에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 각 도면에 제시된 동일한 참조 부호는 동일한 부재를 나타낸다.
도 1과 도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 마이크로니들 전극(100)이 도시된 정면도 및 평면도이다.
도 1과 도 2를 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 마이크로니들 전극(100)은, 전극부(110), 니들부(120) 및 절연층(130)을 포함할 수 있다.
본 실시예의 마이크로니들 전극(100)은 피부에 직접 밀착시켜 피부 내부에서 생체 신호를 측정할 수 있다. 따라서, 전극부(110)와 니들부(120)는 생체 신호를 측정하거나 전달하기 위해 금속 소재로 형성할 수 있고, 절연층(130)은 전극부(110)와 피부의 각질층 사이를 절연시켜 각질층과의 반응에 따른 노이즈의 발생을 미연에 방지하도록 절연 소재로 형성할 수 있다.
전극부(110)는 저융점의 금속 합금(M)으로 형성될 수 있다. 예를 들면, 전극부(110)는, 복수개의 니들부(120)가 상면부에 형성된 판 형상의 전극판(112), 및 전극판(112)의 하면부에 돌출되게 마련된 전극돌기(114)를 포함할 수 있다.
여기서, 전극판(112)의 상면부는 생체 신호의 측정시 피부에 밀착될 수 있다. 이때, 전극판(112)은 니들부(120)들에서 측정되는 생체 신호를 전달 받은 후 전극돌기(114)로 전달할 수 있다.
그리고, 전극돌기(114)는 전극판(112)의 하면부에서 기둥 형상으로 돌출된 부재로서, 마이크로니들 전극(100)의 손잡이 역할을 수행할 수 있고, 뿐만 아니라 전극부(110)로부터 전달 받은 생체 신호를 외부로 전달하는 단자 역할도 수행할 수 있다.
니들부(120)는 전극부(110)와 동일한 저융점의 금속 합금(M)으로 형성될 수 있고, 전극부(110)의 상면부에서 뾰족하게 돌출된 형태로 복수개가 마련될 수 있다. 상기와 같은 니들부(120)들은 전극부(110)의 상면부에 서로 이격되는 패턴으로 배치될 수 있다.
여기서, 니들부(120)는 삼각뿔, 원뿔, 사각뿔, 오각뿔 등과 같이 다양한 니들 형태로 마련될 수 있지만, 본 실시예에서는 설명의 편의를 위하여 니들부(120)가 사각뿔 형태로 제조되는 것으로 설명한다.
그리고, 전극부(110)와 니들부(120)들은 양면 몰드(140)에 의한 양면 몰딩 공정을 통해 일체형 구조로 제작될 수 있다. 즉, 전극부(110)와 니들부(120)는 저융점의 금속 합금(M)을 사용하여 양면 몰딩 공정을 통해 용이하게 제조될 수 있다.
상기와 같은 금속 합금(M)은, 저융점 재질이기 때문에 상대적으로 낮은 온도에서 양면 몰딩 공정으로 성형할 수 있지만, 니들부(120)를 피부에 원활하게 찔러 넣기 위한 강도를 가질 수 있으며, 뿐만 아니라 생체 신호를 감지 및 전달하기 위해 전도성을 가질 수 있다.
| 물질명 | 조성비(%) | 녹는점(℃) | ||||
| Bi | Pb | Sn | Cd | In | ||
| BASE metal | 55.5 | 44.5 | 0 | 0 | 0 | 124 |
| Rose's metal | 50 | 25 | 25 | 0 | 0 | 119 |
| MELLOTTES metal | 52.5 | 32 | 15.5 | 0 | 0 | 95 |
| Cerrosafe | 42.5 | 37.7 | 11.3 | 8.5 | 0 | 88 |
| Wood's metal | 50 | 25 | 12.5 | 12.5 | 0 | 70 |
| BEND metal | 50 | 26.7 | 13.3 | 10 | 0 | 70 |
| Field's metal | 32.5 | 16.5 | 0 | 0 | 51 | 62 |
| Cerrolow136 | 49 | 18 | 12 | 0 | 21 | 58 |
위의 표 1에 도시된 바와 같이, 저융점의 금속 합금(M)은 전도체 특성을 갖는 저융점의 금속물질로 마련될 수 있다. 구체적으로, 금속 합금(M)은 Bi(bismuth), Pb(lead), Sn(tin), Cd(cadmiun) 또는 In(indium) 중 적어도 하나의 금속물질로 이루어질 수 있다. 상기와 같은 금속 합금(M)은 50℃~150℃ 범위의 녹는점을 갖는 것이 바람직하다. 이하, 본 실시예에서는 금속 합금(M)이 Bi-In-Sn 합금인 것으로 설명한다.
절연층(130)은 전극부(110)의 상면부 중 니들부(120)들을 제외한 표면(S)에 설정 두께(T)로 형성될 수 있다. 절연층(130)은 마이크로니들 전극(100)의 상면부 중 니들부(120)들을 제외한 표면(S)에 광경화성 절연물질(P)을 설정 두께(T)로 평탄하게 도포한 후 광경화 공정을 통해 형성될 수 있다.
예를 들면, 광경화성 절연물질(P)은 생체안전성과 부도체 특성을 갖는 유연 재질의 광경화성 고분자물질로 마련될 수 있다. 구체적으로, 광경화성 절연물질(P)은 폴리우레탄 아크릴레이트(PUA, polyurethane acrylate) 계열, 불포화 폴리에스테르(unsaturated polyester) 계열, 폴리에스터 아크릴레이트(polyester acrylate) 계열 또는 에폭시 아크릴레이트(epoxy acrylate) 계열 중 어느 한 계열의 광경화성 고분자물질로 이루어질 수 있다. 이하, 본 실시예에서는 광경화성 절연물질(P)이 폴리우레탄 아크릴레이트(PUA, polyurethane acrylate) 계열인 것으로 설명한다.
상기와 같이 구성된 본 발명의 일실시예에 따른 양면 몰딩 공정을 통한 마이크로니들 전극(100)의 제조 방법을 살펴보면 다음과 같다.
도 3 내지 도 8를 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 마이크로니들 전극(100)의 제조 방법은, 마이크로니들 전극(100)의 상면부와 하면부를 각각 성형하기 위한 상면 몰드(142)와 하면 몰드(144)를 구비한 양면 몰드(140)를 제작하는 단계(도 3 참조), 상면 몰드(142)와 하면 몰드(144) 사이에 저융점의 금속 합금(M)을 로드하는 단계(도 4의 (a)와 (b) 참조), 금속 합금(M)을 미리 설정된 저온으로 가열하면서 상면 몰드(142)와 하면 몰드(144)를 가압하여 마이크로니들 전극(100)을 성형하는 단계(도 4의 (c) 참조), 마이크로니들 전극(100)의 상면부를 노출시키기 위하여 상면 몰드(142)를 분리하는 단계(도 5의 (d) 참조), 마이크로니들 전극(100)의 상면부에 뾰족하게 돌출된 니들부(120)를 제외한 다른 상면부의 표면(S)에 광경화성 절연물질(P)을 도포하는 단계(도 5의 (d)와 (e), 도 6의 (f), 도 7 및 도 8 참조), 마이크로니들 전극(100)의 상면부에 절연층(130)을 형성하기 위하여 광경화성 절연물질(P)을 광경화시키는 단계(도 6의 (g) 참조), 및 하면 몰드(144)에서 마이크로니들 전극(100)을 분리하는 단계(도 6의 (h) 참조)를 포함한다.
도 3과 도 4에 도시된 바와 같이, 양면 몰드(140)를 제작하는 단계에서는, 양면 몰드(140)를 구성하는 상면 몰드(142)와 하면 몰드(144)를 각각 제작할 수 있다.
상면 몰드(142)는 마이크로니들 전극(100)의 상면부를 성형하기 위한 금형으로써, 상면 캐비티(143)가 하면부에 형성될 수 있다. 상면 캐비티(143)는 니들부(120)들과 전극부(110)의 상면부(예컨대, 전극부(112)의 상면부)에 대응되는 형상으로 마련될 수 있다.
하면 몰드(144)는 마이크로니들 전극(100)의 하면부를 성형하기 위한 금형으로써, 하면 캐비티(145)가 하면부에 형성될 수 있다. 하면 캐비티(145)는 전극부(110)의 하면부(예컨대, 전극부(112)의 하면부 및 전극돌기(114))에 대응되는 형상으로 마련될 수 있다.
예를 들면, 양면 몰드(140)를 제작하는 단계는, 마이크로 밀링 장치를 이용하여 마이크로니들 전극(100)의 상면부 또는 하면부에 대응하는 형상으로 마스터 몰드(150)를 제작하는 단계(도 3의 (a) 참조), 마스터 몰드(150)에 PDMS 재질을 주입한 후 가열 경화시켜 PDMS 역상 몰드(152)를 제작하는 단계(도 3의 (b)와 (c) 참조), PDMS 역상 몰드(152)에 PLA(poly lactic acid) 재질을 주입한 후 가열 경화시켜 PLA 마이크로 니들(154)을 제작하는 단계(도 3의 (d)와 (e) 참조), 및 PLA 마이크로 니들(154)에 PDMS 재질을 주입한 후 가열 경화시켜 상면 몰드(142) 또는 하면 몰드(144)를 제작하는 단계(도 3의 (f)와 (g) 참조)를 포함할 수 있다.
도 3에는 상면 몰드(142)를 제작하는 과정을 순차적으로 도시하고 있지만, 이에 한정되는 것은 아니며 상면 몰드(142)의 제작 과정과 동일한 방법으로 하면 몰드(144)를 제작할 수 있기 때문에 하면 몰드(144)의 제작 과정은 생략하기로 한다.
또한, 도 3의 (f)에서는 PDMS 필름(156)을 이용하여 PLA 마이크로 니들(154)의 하부 형상을 적절한 높이로 단차지게 만들 수 있다. 즉, PDMS 필름(156)을 PLA 마이크로 니들(154)의 하부에 감아서 전극부(110)의 두께를 적절하게 설정할 수 있다.
도 4의 (a)와 (b)에 도시된 바와 같이, 저융점의 금속 합금(M)을 로드하는 단계에서는, 상면 몰드(142)와 하면 몰드(144)를 벌린 상태에서 상면 캐비티(143)와 하면 캐비티(145) 사이에 저융점의 금속 합금(M)을 투입한다.
도 4의 (c)에 도시된 바와 같이, 마이크로니들 전극(100)을 성형하는 단계에서는, 금속 합금(M)을 미리 설정된 저온으로 가열하면서 상면 몰드(142)와 하면 몰드(144)를 가압할 수 있다. 즉, 금속 합금(M)의 융점보다 높은 온도로 미리 설정된 시간동안 가열하면서 상면 몰드(142)와 하면 몰드(144)에 소정의 압력을 가한다.
예를 들면, 본 실시예의 금속 합금(M)으로 사용되는 Bi-In-Sn 합금은, 62℃라는 낮은 온도에서 융점을 갖기 때문에 진공 임프린터에서 80℃의 열을 30분 동안 가해주고, 이후에 1.5N의 힘을 상면 몰드(142)와 하면 몰드(144)에 가하면서 45℃까지 냉각시킨 후 상면 몰드(142)와 하면 몰드(144)에 작용되는 압력을 제거한다. 상기와 같은 방식을 통하여 Bi-In-Sn 합금 재질의 마이크로니들 전극(100)을 제작할 수 있다.
도 5의 (d)에 도시된 바와 같이, 상면 몰드(142)를 분리하는 단계에서는, 상면 몰드(142)를 하면 몰드(144)의 상측으로 분리시켜 마이크로니들 전극(100)의 상면부를 외부로 노출시킬 수 있다. 즉, 마이크로니들 전극(100)은 하면 몰드(144)에 배치된 상태에서 니들부(120)와 전극부(110)의 상면부를 외부로 노출시킨 상태이다.
도 5의 (d)와 (e), 도 6의 (f), 도 7 및 도 8에 도시된 바와 같이, 광경화성 절연물질(P)을 도포하는 단계에서는, 마이크로니들 전극(100)의 상면부 중 니들부(120)들을 제외한 다른 상면부의 표면(S)에 광경화성 절연물질(P)을 설정 두께(T)로 도포할 수 있다. 즉, 광경화성 절연물질(P)이 마이크로니들 전극(100)의 상면부 중 니들부(120)를 제외한 전극부(110)의 상면부 표면에 설정 두께(T)로 평탄하게 도포될 수 있다.
예를 들면, 광경화성 절연물질(P)을 도포하는 단계는, 하면 몰드(144)의 상면부에 도포 안내 커버(160)를 안착시켜 마이크로니들 전극(100)의 상면부를 제외한 다른 부위를 덮는 단계(도 7의 (a) 참조), 도포 안내 커버(160)가 덮힌 상태에서 마이크로니들 전극(100)의 상면부에 광경화성 절연물질(P)을 공급하는 단계(도 7의 (b) 참조), 및 마이크로니들 전극(100)의 상면부에 공급된 광경화성 절연물질(P)을 설정 두께로 만드는 단계(도 5의 (e) 참조)를 포함할 수 있다.
여기서, 도포 안내 커버(160)는 설정 두께(T)와 동일한 두께의 필름 형상으로 마련될 수 있다. 상기와 같은 도포 안내 커버(160)에는 마이크로니들 전극(100)의 상면부와 대응하는 부위에 도포홀부(162)가 형성될 수 있다.
그리고, 광경화성 절연물질(P)을 공급하는 단계에서는, 광경화성 절연물질(P)을 도포홀부(162)에 충분히 공급할 수 있다.
또한, 광경화성 절연물질(P)을 설정 두께(T)로 만드는 단계에서는, 도포홀부(162)에 공급된 광경화성 절연물질(P)에 공기를 송풍시켜 도포홀부(162)의 내부에 공급되지 못한 광경화성 절연물질(P)의 초과량을 제거할 수 있다
도 6의 (g)에 도시된 바와 같이, 광경화성 절연물질을 광경화시키는 단계에서는 마이크로니들 전극(100)의 상면부에 빛을 조사시켜 광경화성 절연물질(P)을 광경화시킬 수 있고, 그에 따라 도포홀부(162)의 내부에 절연층(130)을 형성할 수 있다.
도포 안내 커버(160)는 절연층(130)의 완성시 하면 몰드(144)의 상면부에서 탈거시킬 수 있다.
도 8에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 양면 몰딩 공정을 통한 마이크로니들 전극(100)의 제조 방법은, 광경화성 절연물질(P)을 제거하는 단계를 더 포함할 수 있다.
즉, 광경화성 절연물질(P)을 제거하는 단계는, 광경화성 절연물질(P)을 도포하는 단계와 광경화성 절연물질(P)을 광경화시키는 단계 사이에 진행할 수 있고, 니들부(120)의 표면에 묻은 광경화성 절연물질(P)을 더 안정적으로 제거할 수 있다.
일례로, 광경화성 절연물질(P)을 제거하는 단계에서는, 니들부(120)들보다 연한 재질의 이물질 제거 블록(170)을 니들부(120)들에 가압하여 니들부(120)들을 이물질 제거 블록(170)에 박을 수 있고, 그런 다음에 이물질 제거 블록(170)을 니들부(120)들에서 분리함으로써 니들부(120)들의 표면에 잔류된 광경화성 절연물질(P)을 완전하게 제거할 수 있다.
상기와 같은 이물질 제거 블록(170)은 PDMS를 경화제와 20:1 비율로 혼합 후 70℃에서 30분간 경화시켜 만들어진 가공되지 않은 기본 PDMS(uncured bare PDMS)로 제공될 수 있다.
도 6의 (h)에 도시된 바와 같이, 마이크로니들 전극(100)을 분리하는 단계에서는 하면 몰드(144)의 하면 캐비티(145)에서 완성된 마이크로니들 전극(100)을 꺼낼 수 있다.
한편, 도 9와 도 10에는 전술한 바와 같이 제조된 마이크로니들 전극(100)의 성능을 실험한 실험 결과가 그래프로 도시되어 있다.
도 9에 도시된 바와 같이, 도 9의 그래프에는, 마이크로니들 전극(100)에 코팅된 절연층(130)의 두께를 변경하면서 임피던스를 측정했을 때, 코팅 두께에 따른 임피던스의 변화를 그래프로 나타내고 있다. 즉, 절연층(130)의 두께가 증가함에 따라 임피던스도 증가하고 있음을 확인할 수 있다. 상기와 같은 임피던스는 전기적 저항을 의미하는 것으로 절연층(130)이 절연 기능을 수행하고 있음을 확인할 수 있다.
도 10에 도시된 바와 같이, 도 10의 그래프에는, 생체 신호 중 ECG를 측정할 때 기존의 습식 전극(Ag/AgCl)과 본 실시예의 마이크로니들 전극(100)(Bi-In-Sn MAE)의 측정 결과를 비교한 그래프이다. 즉, 도 10의 (b)에 도시된 마이크로니들 전극(100)(Bi-In-Sn MAE)의 측정 결과가 도 10의 (a)에 도시된 습식 전극(Ag/AgCl)의 측정 결과보다 더 크게 나타나는 것을 확인할 수 있다. 따라서, 본 실시예의 마이크로니들 전극(100)(Bi-In-Sn MAE)이 생체 신호를 측정하는 감도가 더 좋기 때문에 생체 신호를 더 정밀하고 정확하게 측정할 수 있다.
이상과 같이 본 발명의 실시예에서는 구체적인 구성 요소 등과 같은 특정 사항들과 한정된 실시예 및 도면에 의해 설명되었으나 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상적인 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 따라서, 본 발명의 사상은 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 청구범위뿐 아니라 이 청구범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 것들은 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.
100: 마이크로니들 전극
110: 전극부
112: 전극판
114: 전극돌기
120: 니들부
130: 절연층
140: 양면 몰드
160: 도포 안내 커버
170: 이물질 제어 블록
P: 광경화성 절연물질
M: 금속 합금
T: 절연층의 설정 두께
110: 전극부
112: 전극판
114: 전극돌기
120: 니들부
130: 절연층
140: 양면 몰드
160: 도포 안내 커버
170: 이물질 제어 블록
P: 광경화성 절연물질
M: 금속 합금
T: 절연층의 설정 두께
Claims (14)
- 마이크로니들 전극의 상면부와 하면부를 각각 성형하기 위한 상면 몰드와 하면 몰드를 구비한 양면 몰드를 제작하는 단계;
상기 상면 몰드와 상기 하면 몰드 사이에 저융점의 금속 합금을 로드하는 단계;
상기 금속 합금을 미리 설정된 저온으로 가열하면서 상기 상면 몰드와 상기 하면 몰드를 가압하여 상기 마이크로니들 전극을 성형하는 단계;
상기 마이크로니들 전극의 상면부를 노출시키기 위하여 상기 상면 몰드를 분리하는 단계;
상기 마이크로니들 전극의 상면부에 뾰족하게 돌출된 니들부를 제외한 다른 상면부의 표면에 광경화성 절연물질을 도포하는 단계;
상기 마이크로니들 전극의 상면부에 절연층을 형성하기 위하여 상기 광경화성 절연물질을 광경화시키는 단계; 및
상기 하면 몰드에서 상기 마이크로니들 전극을 분리하는 단계;
를 포함하는 양면 몰딩 공정을 통한 마이크로니들 전극의 제조 방법.
- 제1항에 있어서,
상기 금속 합금은 전도체 특성을 갖는 저융점의 Bi-In-Sn 합금을 포함하며,
상기 마이크로니들 전극을 성형하는 단계에서는, 상기 금속 합금의 융점보다 높은 온도로 미리 설정된 시간동안 가열한 후 상기 상면 몰드와 상기 하면 몰드를 가압하는 것을 특징으로 하는 양면 몰딩 공정을 통한 마이크로니들 전극의 제조 방법.
- 제1항에 있어서,
상기 마이크로니들 전극은, 판 형상으로 마련된 전극부; 및 상기 전극부의 상면부에서 뾰족하게 돌출된 복수개의 상기 니들부;를 포함하며,
상기 상면 몰드의 하면부에는 상기 니들부들을 형성하기 위한 상면 캐비티가 형성되고, 상기 하면 몰드의 상면부에는 상기 상면 캐비티와 대응되는 위치에 상기 전극부를 형성하기 위한 하면 캐비티가 형성된 것을 특징으로 하는 양면 몰딩 공정을 통한 마이크로니들 전극의 제조 방법.
- 제1항에 있어서,
상기 광경화성 절연물질은 생체안전성과 부도체 특성을 갖는 유연 재질의 PUA(poly urethane acrylate)를 포함하며,
상기 광경화성 절연물질을 도포하는 단계에서는, 상기 광경화성 절연물질이 상기 마이크로니들 전극의 상면부 중 상기 니들부를 제외한 표면에 설정 두께로 평탄하게 도포되는 것을 특징으로 하는 양면 몰딩 공정을 통한 마이크로니들 전극의 제조 방법.
- 제4항에 있어서,
상기 광경화성 절연물질을 도포하는 단계는,
상기 하면 몰드의 상면부에 도포 안내 커버를 안착시켜 상기 마이크로니들 전극의 상면부를 제외한 다른 부위를 덮는 단계;
상기 도포 안내 커버가 덮힌 상태에서 상기 마이크로니들 전극의 상면부에 상기 광경화성 절연물질을 공급하는 단계; 및
상기 마이크로니들 전극의 상면부에 공급된 상기 광경화성 절연물질을 상기 설정 두께로 만드는 단계;
를 포함하는 것을 특징으로 하는 양면 몰딩 공정을 통한 마이크로니들 전극의 제조 방법.
- 제5항에 있어서,
상기 도포 안내 커버는, 상기 설정 두께와 동일한 두께의 필름 형상으로 마련되고, 상기 마이크로니들 전극의 상면부와 대응하는 부위에 도포홀부가 형성되며,
상기 광경화성 절연물질을 공급하는 단계에서는 상기 광경화성 절연물질을 상기 도포홀부에 공급하고,
상기 광경화성 절연물질을 설정 두께로 만드는 단계에서는 상기 도포홀부에 공급된 상기 광경화성 절연물질에 공기를 송풍시켜 상기 도포홀부의 내부에 공급되지 못한 상기 광경화성 절연물질을 제거하는 것을 특징으로 하는 양면 몰딩 공정을 통한 마이크로니들 전극의 제조 방법.
- 제1항에 있어서,
상기 광경화성 절연물질을 도포하는 단계와 상기 상기 광경화성 절연물질을 광경화시키는 단계 사이에 진행하여 상기 니들부의 표면에 묻은 상기 광경화성 절연물질을 제거하는 단계;
를 더 포함하는 양면 몰딩 공정을 통한 마이크로니들 전극의 제조 방법.
- 제7항에 있어서,
상기 광경화성 절연물질을 제거하는 단계에서는, 상기 니들부보다 연한 재질의 이물질 제거 블록을 상기 니들부에 가압하여 상기 니들부를 상기 이물질 제거 블록에 박은 후 상기 이물질 제거 블록을 상기 니들부에서 분리함으로써 상기 니들부의 표면에 잔류된 상기 광경화성 절연물질을 제거하는 것을 특징으로 하는 양면 몰딩 공정을 통한 마이크로니들 전극의 제조 방법.
- 제1항에 있어서,
상기 양면 몰드를 제작하는 단계에서는 상기 상면 몰드와 상기 하면 몰드를 동일한 방식으로 개별적으로 제작하며,
상기 양면 몰드를 제작하는 단계는,
마이크로 밀링 장치를 이용하여 상기 마이크로니들 전극의 상면부 또는 하면부에 대응하는 형상으로 마스터 몰드를 제작하는 단계;
상기 마스터 몰드에 PDMS 재질을 주입한 후 가열 경화시켜 PDMS 역상 몰드를 제작하는 단계;
상기 PDMS 역상 몰드에 PLA(poly lactic acid) 재질을 주입한 후 가열 경화시켜 PLA 마이크로 니들을 제작하는 단계; 및
상기 PLA 마이크로 니들에 PDMS 재질을 주입한 후 가열 경화시켜 상기 상면 몰드 또는 상기 하면 몰드를 제작하는 단계;
를 포함하는 것을 특징으로 하는 양면 몰딩 공정을 통한 마이크로니들 전극의 제조 방법.
- 저융점의 금속 합금으로 형성된 전극부;
상기 전극부와 동일한 저융점의 금속 합금으로 형성되고, 상기 전극부의 상면부에서 뾰족하게 돌출된 형태로 마련되며, 상기 전극부의 상면부에 서로 이격되게 배치된 복수개의 니들부; 및
상기 전극부의 상면부 중 상기 니들부들을 제외한 표면에 설정 두께로 형성된 절연층;
을 포함하는 마이크로니들 전극.
- 제10항에 있어서,
상기 전극부와 상기 니들부들은,
양면 몰드에 의한 양면 몰딩 공정을 통해 일체형 구조로 제작되는 것을 특징으로 하는 마이크로니들 전극.
- 제10항 또는 제11항에 있어서,
상기 절연층은,
상기 마이크로니들 전극의 상면부 중 상기 니들부를 제외한 표면에 광경화성 절연물질을 설정 두께로 평탄하게 도포한 후 광경화 공정을 통해 마련되는 것을 특징으로 하는 마이크로니들 전극.
- 제12항에 있어서,
상기 금속 합금은 전도체 특성을 갖는 저융점의 금속물질로 마련되고,
상기 광경화성 절연물질은 생체안전성과 부도체 특성을 갖는 유연 재질의 광경화성 고분자물질로 마련되는 것을 특징으로 하는 마이크로니들 전극.
- 제13항에 있어서,
상기 금속 합금은 50℃~150℃의 녹는점을 가질 수 있도록 Bi(bismuth), Pb(lead), Sn(tin), Cd(cadmiun) 또는 In(indium) 중 적어도 하나의 금속물질로 이루어지며,
상기 광경화성 절연물질은 폴리우레탄 아크릴레이트(PUA, polyurethane acrylate) 계열, 불포화 폴리에스테르(unsaturated polyester) 계열, 폴리에스터 아크릴레이트(polyester acrylate) 계열 또는 에폭시 아크릴레이트(epoxy acrylate) 계열 중 어느 한 계열의 광경화성 고분자물질로 이루어지는 것을 특징으로 하는 마이크로니들 전극.
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