KR20160080080A - 건식 접착 시스템 및 이를 포함하는 피부접착용 웨어러블 소자 - Google Patents

Abstract

건식 접착 시스템 및 상기 건식 접착 시스템을 포함하는 피부접착용 웨어러블 소자에 관한 것이다.

Description

건식 접착 시스템 및 이를 포함하는 피부접착용 웨어러블 소자{DRY BONDING SYSTEM, AND WEARABLE DEVICE FOR SKIN BONDING INCLUDING THE SAME}

본원은, 건식 접착 시스템 및 상기 건식 접착 시스템을 포함하는 피부접착용 웨어러블 소자에 관한 것이다.

웨어러블 소자(wearable device)는 컴퓨터와 종래의 전자 기술을 도입한 의복 및 액세서리 등에 관한 것으로서, 이러한 웨어러블 소자는 흔히 인체와 직접 접촉하여 상호작용하기 때문에 소자와 인체 사이의 계면에 대한 다양한 과학이 발달하고 있다. 최근 이러한 추세에 따라 건식 접착 기술이 가지는 장점을 살려 진단 소자와 융합한 진단용 웨어러블 소자에 대한 수요와 연구가 꾸준히 늘고 있다. 예를 들면, 심전도, 맥박과 같은 생체 신호를 측정하는 패치형 센서 또는 미용 목적의 화장품 패치를 제작함에 있어서 부족했던 안정성, 통기성을 개선하고, 나아가 생체 신호를 증폭하기 위하여 건식 접착 기술을 응용하려는 연구가 계속되고 있다.

자연계에는 달팽이 점액, 홍합 단백질, 곤충 날개 접합, 게코도마뱀 발, 깡총거미 발, 엉겅퀴 씨앗 등 다양한 메커니즘의 접착 방식이 존재한다. 이와 같은 자연계의 접착 시스템은 매우 효율적인 방식이어서 이를 모방하여 의료용 밴드, 접착 테이프, 포스트잇, 벨크로 등 많은 종류의 접착제가 개발되었다. 그러나 패치 형태의 초고감도 센서를 대상에 체결하기 위해서는 다음 조건들에 부합하는 접착 방식을 사용하여야 한다. 우선, 접착 부위로 인해서 신호 전달 과정에 큰 외란(노이즈)이 발생해서는 안 된다. 다음으로 패치가 쉽게 떨어지지 않도록 측정 대상 표면의 곡률이나 거친 정도에 상관없이 충분한 정도의 접착력을 가져야 한다. 또한 탈부착이 용이하며 그 과정에서 접착력이 유지되어야 한다. 마지막으로, 측정 대상의 표면에 손상을 가해서는 안되며 특히 사람의 피부에 접착되는 경우, 피부자극, 오염, 불쾌감을 유발하지 않는 접착 방식이 사용되어야 한다.

따라서 탈착에 높은 힘이 필요하거나, 탈착 후 흔적이 남거나 또는 피부 트러블이 발생하거나, 반복 사용 시 접착력이 저하되는 등의 문제점을 가진 습식 형태의 접착 방식은 사용상의 제약이 존재한다. 이러한 맥락에서 생체모사기반 건식 접착 시스템은 미세 섬모들의 상호작용에 의해 반복적 탈부착이 가능하고 표면에 오염 및 손상을 남기지 않는 건식접착제의 개념으로서 여러 분야에서 연구가 되어왔으나, 여전히 기존의 의료용 습식 테이프를 대체할 만한 수준의 접착력까지는 미치지 못하고 있다. 또한, 피부접착용 웨어러블 센서의 경우 다양한 기술적 개념이 보고되고 있으나, 소자와 피부계면 간의 통기성이나 접합의 문제는 아직 충분한 연구가 되어있지 않은 상태이다.

대표적으로 피부접착용 초고감도 센서 기술과 생체신호 검출 최적화를 위한 건식 의료용 접착제의 종래 기술을 살펴보면, 먼저 국외 연구 사례로서 Harvard medical school (Nature Comunication 4:1702), Yang Seung-Yun 연구팀에서 선인장의 마이크로 바늘 모양의 생체 모사를 기반으로 한 건식 접착 방식이 있다. 그러나, 상기 방법은 접착력이 부족하고 초고감도 센서의 응용에는 한계가 존재한다.

두 번째로, Harvard Medical school의 Karp 연구팀의 의료기기에 부착하는 스킨패치로서, 거미줄 시스템의 생체모사를 이용하여 패치의 탈리 간편성과 피부 손상 방지에 대한 의료용 테이프의 연구가 이루어졌으나, 기존 접착제보다 접착성이 부족하며 탈리라는 하나의 방향성에만 국한되어 있다.

세 번째로, 대한민국 공개특허 제10-2011-0050382호는 미세섬모의 인터락킹을 이용한 가역적 전기커넥터, 이를 이용한 다기능 센서 및 그 제작 방법에 관한 것으로서, 생체모사 기반 나노 스케일의 구조물을 통해 전극을 연결하여 저항의 발생을 최소화시킴으로써 전기 효율을 극대화시킨 가역적 전기 커넥터와, 이러한 구조를 통해 작은 압력과 힘에도 미세하게 반응하며 작은 변화에도 크게 반응하는 민감도를 제공하는 다기능 센서를 제시하고 있으나, 나노 스케일의 인터락킹을 구현하는데 필요한 두 개의 나노 구조 표면의 접착은 진단용 웨어러블 소자로서 응용하기에 패치로서 접착 기능이 결여되어 있다.

네 번째로, University of Illinois at Urbana-Champaign의 Epidermal Electronics라는 피부접착용 웨어러블 센서로서 기존의 웨이퍼 기반의 칩과 달리 얇고 휘어지며 매우 가벼운 LAB ON A CHIP 또는 패치형 센서 시스템 등을 문신기법을 이용하여 피부에 패턴을 접착한다. 그러나 이 기술은 제작 및 구조가 복잡하여 실용화 가능성이 부족하다는 한계점이 존재하고, 문신이라는 접착 시스템을 활용하므로 피부 접착에 대한 거부감이나, 통기성, 안정성에 문제점이 존재할 수 있다.

마지막으로, School Shanghai Jiao Tong University 연구팀에서 버섯 형태의 생채 모사를 기반으로 건식 접착 스킨 패치와 건식 전극을 융합하여 ECG를 측정할 수 있는 의료용 피부 패치를 연구 중이나, 접착 구조가 전단 응력에 대해 취약하기 때문에 스킨 패치 응용에 적합하지 않다.

종합해보면, 기존의 초 고감도 센서 기술과 건식 접착 시스템 기술에 대해 다양한 연구와 발전이 있었지만, 여전히 기술의 성능적 한계점과 진단용 웨어러블 소자를 제작하기 위해 두 기술을 융합하는 것은 해결과제로 남아있다.

본원은, 건식 접착 시스템 및 상기 건식 접착 시스템을 포함하는 피부접착용 웨어러블 소자를 제공하고자 한다.

그러나, 본원이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급한 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

일 측면으로서, 본 발명은 기재 상에 형성된 빨판 챔버(sucker chamber)을 가지는 복수 개의 미세 구조물을 포함하는, 건식 접착 시스템을 제공한다.

본원에서 건식 접착이란 화학식 접착제를 사용하지 않는 접착 방식을 의미한다.

본원에서 빨판 챔버(sucker chamber)란, 문어의 빨판과 같은 형상으로서 움푹 파여져 있는 캐비티(cavity)를 가진 형상으로 빨판의 최상단 둘레면이 피접착면에 부착되는 경우 공기의 유출을 막아 빨판 내의 압력과 빨판 외의 압력의 차이를 유도할 수 있는 형상을 의미한다.

상기 미세 구조물은 폴리우레탄아크릴레이트, 폴리디메틸실록산, 폴리에틸렌테레프탈레이트, 폴리우레탄, 폴리에틸렌나프탈레이트, 및 이들의 조합들로 이루어진 군으로부터 선택되는 물질을 포함한다.

상기 접착력은 피접착면과 반데르발스 힘; 또는 부착 후 빨판의 형상 변화에 기인한 빨판 내외의 압력차이에 따른 흡입힘을 포함함을 특징한다.

상기 미세구조물은 양각구조물을 포함하고, 상기 빨판 챔버는 상기 양각구조물의 상단에 형성됨을 특징으로 한다.

양각구조물이란 도 1의 도면부호 200과 같은 구조물을 의미하며, 기재 상에 돌출된 바형 구조물일 수 있다. 이러한 형태의 경우 양각 구조물은 도 3의 (b)와 같은 캐비티를 가질 수 있고, 이 양각 구조물이 빨판의 기능을 할 수 있다.

본 발명의 미세구조물은 상기 빨판 챔버의 기저면에 언덕형양각부를 포함함을 특징으로 한다. 본원에서 기저면은 빨판 챔버의 캐비티 공간 내의 바닥면을 의미하며, 본원에서 언덕형양각부은 상기 기저면에 도 2의 (d)와 같이 구형상의 돌출부를 의미한다.

또는, 상기 미세구조물은 상기 기재면에 파여진 음각구조물이고 상기 음각구조물이 빨판 챔버임을 특징으로 한다.

음각구조물은 도 7의 (b)와 같이 기재면에 파여진 음각 기둥 형상을 의미할 수 있다. 이때 파여진 음각이 캐비티가 되고 빨판의 기능을 할 수 있다.

상기 빨판의 기저면에 언덕형양각부를 포함하고, 상기 양각부의 높이는 빨판의 깊이보다 작음을 특징으로 한다.

이러한 언덕형양각부는 언덕형양각부가 없는 형상의 접착 방식보다 훨씬 강한 접착력을 제공할 수 있다. 본 발명의 빨판은 피접착면에 부착시 접착시스템의 후면의 부착힘에 의해 형상의 변화, 즉 부피의 변화를 야기하여 흡입힘을 제공할 수 있는데 이 부피 변화의 양을 크게 증가시켜줄 수 있으며, 접착시 피접착면에 존재하는 수분에 의한 모세관힘의 생성을 일으킬 수 있는 면이 양각부가 없는 형태보다 커져 모세관힘을 부가할 수 있고, 이는 특히 습한 환경에서의 부착, 예를 들어 액체 약물도포면 또는 신체 분비물이 노출된 환경에서도 강한 접착력을 제공할 수 있다.

특히, 이 양각부의 높이는 빨판의 깊이보다 작음을 특징으로 한다. 양각부의 높이가 빨판의 깊이보다 크면 빨판의 기능을 발휘하지 못하게 될 수 있다.

상기 언덕형양각부의 형상은 몸통 중간 부분의 둘레가 상단 및 하단의 둘레보다 큼을 특징으로 할 수 있다. 구형 또는 반구형보다 좀더 큰 구형과 같은 형상일 수 있다.

특히, 상기 언덕형양각부의 둘레의 크기는 상기 빨판 챔버의 둘레보다 작으며, 피접착면에 부착되어 상기 빨판 챔버에의 흡착을 위해 상기 접착 시스템의 후면을 가압하지 않은 상태에서는 상기 언덕형양각부의 최장 둘레면은 상기 빨판 챔버의 둘레에 접하지 않고, 후면을 가압할 때 상기 최장 둘레면이 상기 빨판 챔버 내면과 접착하도록 구성됨을 특징으로 한다.

도 15에서 예시된 바와 같이, 가장 왼쪽 그림은 구형상의 언덕형양각부이 피접착면에 부착되어 후면이 가압되지 않은 상태에서는 피접착면과 빨판 챔버 내의 내면에 접하지 않으나, 중간 그림과 같이 후면이 가압된 경우, 언덕형양각부의 최장 둘레면이 빨판 챔버 내의 내면에 접하고 특히 습식 환경에서는 후면 가압을 멈추면 접촉한 둘레면과 빨판 챔버의 내면은 접촉을 유지하면서 피착착면과 접촉면까지의 공간과 접촉면과 기저면까지의 공간을 물리적으로 분리하도록 구성되고 접촉면과 기저면으로 액체가 이동되며 이에 따라 발생되는 압력의 차이로 흡입임을 유지할 수 있고, 습식환경에서 강한 접착을 유지시킬 수 있게 된다.

상기 양각구조물은 원기둥 형상이고, 상기 언덕형양각부은 상기 기저면으로부터 돌출된 구형 또는 반구형임을 특징으로 할 수 있다.

상기 양각 구조물의 지름은 1 ㎛ 내지 100 ㎛이고, 상기 양각 구조물의 높이는 1 ㎛ 내지 100 ㎛임을 특징이며, 이의 종횡비는 2/3 내지 3임을 특징으로 한다.

지름이 100㎛에 부착력이 수렴하다고 그 이후에는 부착력이 감소함을 확인하였다.

상기 복수 개의 미세 구조물의 배열 간격은, 상기 빨판 형상의 지름에 대하여 1:1 내지 1:3인 것임을 특징으로 한다.

다른 측면으로서, 본 발명은 센서부, 및 상기 센서부의 이면에 형성된 접착부를 포함하며, 상기 접착부는 본 발명의 건식 접착 시스템을 포함하는 것인, 피부접착용 웨어러블 소자를 제공한다.

또 다른 측면으로서, 본 발명은 본 발명의 건식 접착 시스템을 포함하는 피부 접착 패치로서, 상기 피부 접착 패치는 습식 환경에서 사용됨을 특징으로 하는, 피부 접착 패치를 제공한다.

또 다른 측면으로서, 본 발명은 본 발명의 건식 접착 시스템을 포함하는 약물 전달용 접착 패치를 제공하고, 상기 건식 접착 시스템이 빨판 내에 로딩된(loaded) 약물을 포함할 수 있다.

본원의 일 실시예에 따른 건식 접착 시스템과 기존의 다양한 고감도 센서를 결합하여 다양한 표면에 충분한 접착력, 접착 후 내구성, 및 탈부착 반복성이 우수한 피부접착용 웨어러블 소자를 실용화할 수 있다. 더불어, 본원의 일 실시예에 따른 건식 접착 시스템은 대면적 제조가 용이하며, 상기 건식 접착 시스템을 포함하는 피부접착용 웨어러블 소자의 경우, 피부 부착 시 접촉된 피부 표면의 오염 및 자극 등을 최소화할 수 있다.

더불어, 본원의 일 실시예에 있어서, 문어 등 연체동물의 접착 시스템을 모사한 건식 접착 시스템을 사용함으로써, 흡착 효과(suction effect)로 인해 습도가 높거나, 표면이 액체 등에 의해 젖어있는 상태에서도 접착력이 유지될 수 있다.

본원의 일 실시예에 의하면, 상기 피부접착용 웨어러블 소자를 이용하여 미세한 신호를 증폭하여 기존의 센서 기술로 측정하기 어려웠던 생체 신호를 측정함으로써 신체 물리적 질병에 대한 진단 정확도를 향상시킬 수 있다. 뿐만 아니라, 정신적 질환의 진단 또한 가능하다.

도 1은 본원의 일 실시예에 따른 건식 접착 시스템을 나타낸 모식도이다.
도 2의 (a) 내지 (d)는 본원의 일 실시예에 따른 빨판 형상을 가지는 미세 구조물을 나타낸 모식도이다.
도 3의 (a) 및 (b)는 각각 본원의 일 실시예에 따른 양각 빨판 구조를 갖는 건식 접착 시스템의 단면 광학현미경 이미지 및 모식도이다.
도 4의 (a) 및 (b)는 각각 본원의 일 실시예에 따른 음각 빨판 구조를 갖는 건식 접착 시스템의 단면 광학현미경 이미지 및 모식도이다
도 5는 본원의 일 실시예에 따른 피부접착용 웨어러블 소자를 나타낸 모식도이다.
도 6의 (a) 내지 (e)는 본원의 일 실시예에 있어서, 건식 접착 시스템의 제조 방법을 나타낸 순서도이다.
도 7의 (a) 내지 (d)는 본원의 일 실시예에 있어서, 각각 양각 빨판 구조, 음각 빨판 구조, 원기둥 구조, 및 원통형 구조를 갖는 건식 접착 시스템의 SEM 이미지를 나타낸 것이다.
도 8a 및 도 8b는 각각 본원의 일 실시예에 있어서, 건식 접착 시스템의 수집 접착력 실험 모식도 및 접착 기판을 나타낸 것이다.
도 9는 본원의 일 실시예에 있어서, 표면에 기름막이 존재하는 경우에서 수직 접착력을 측정한 결과를 나타낸 그래프이다.
도 10은 본원의 일 실시예에 있어서, 습도에 따른 수직 접착력을 측정한 결과를 나타낸 그래프이다.
도 11a 내지 도 11c는 각각 본원의 일 실시예에 있어서, 습도에 따른 수직 접착력을 측정한 결과를 비교한 그래프이다.
도 12a 및 도 12b는 각각 본원의 일 실시예에 따른 건식 접착 시스템의 수직 접착력을 측정한 결과를 나타낸 그래프이다.
도 13a 및 도 13b는, 각각 본원의 일 실시예 및 비교예에 있어서 다양한 환경 하에서 건식 접착 시스템의 수직 접착력을 측정한 결과를 나타낸 그래프이다.
도 14a 및 14b는 본원의 일 실시예에 있어서, 건식 접착 시스템을 포함하는 웨어러블 소자의 신호 증폭 효과를 나타낸 그래프이다.
도 15는 본 발명의 건식 접착 시스템이 습윤 환경에서 사용되는 모습을 예시한다.

아래에서는 첨부한 도면을 참조하여 본원이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본원의 실시예를 상세히 설명한다. 그러나 본원은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본원을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.

본원 명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 "전기적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다.

본원 명세서 전체에서, 어떤 부재가 다른 부재 "상에" 위치하고 있다고 할 때, 이는 어떤 부재가 다른 부재에 접해 있는 경우뿐 아니라 두 부재 사이에 또 다른 부재가 존재하는 경우도 포함한다.

본원 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성 요소를 "포함" 한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 본원 명세서 전체에서 사용되는 정도의 용어 "약", "실질적으로" 등은 언급된 의미에 고유한 제조 및 물질 허용오차가 제시될 때 그 수치에서 또는 그 수치에 근접한 의미로 사용되고, 본원의 이해를 돕기 위해 정확하거나 절대적인 수치가 언급된 개시 내용을 비양심적인 침해자가 부당하게 이용하는 것을 방지하기 위해 사용된다. 본원 명세서 전체에서 사용되는 정도의 용어 "~(하는) 단계" 또는 "~의 단계"는 "~ 를 위한 단계"를 의미하지 않는다.

본원 명세서 전체에서, 마쿠시 형식의 표현에 포함된 "이들의 조합(들)"의 용어는 마쿠시 형식의 표현에 기재된 구성 요소들로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 혼합 또는 조합을 의미하는 것으로서, 상기 구성 요소들로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상을 포함하는 것을 의미한다.

본원 명세서 전체에서, "A 및/또는 B"의 기재는 "A 또는 B, 또는 A 및 B"를 의미한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 예시적인 실시예를 통해 본 발명을 설명한다.

도 1은 본원의 건식 접착 시스템을 예시하는 모식도이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 본원의 건식 접착 시스템은, 기재(100) 상에 형성된 복수 개의 미세 구조물(200)을 포함한다.

본원의 일 실시예에 따르면, 상기 미세 구조물(200)은 빨판 형상을 포함할 수 있다. 본원의 일 실시예에 있어서, 상기 빨판 형상을 가지는 미세 구조물(200)은 문어 등 연체동물의 접착 시스템을 모사한 것으로서, 상기 빨판 형상은 나노 크기 또는 마이크로 크기일 수 있다.

본원의 일 실시예에 따르면, 상기 미세 구조물(200)은 도 2의 (a) 내지 (d)에 나타낸 바와 같이, 원기둥 형상 또는 원통형 형상, 또는 3 차원 형태의 입체구조를 갖는 양각형상 또는 음각형상을 포함하는 것일 수 있다.

본원의 일 실시예에 있어서, 상기 3 차원 형태의 입체구조를 갖는 미세 구조물(200)은 도 3의 (a) 및 (b)에 도시된 바와 같이, 양각형상을 포함하는 것일 수 있다.

본원의 일 실시예에 있어서, 상기 3 차원 형태의 입체구조를 갖는 미세 구조물(200)은 도 4의 (a) 및 (b)에 도시된 바와 같이, 음각형상을 포함하는 것일 수 있다. 특히, 도 4의 (b)에서 볼 수 있는 바와 같이, 음각의 캐비티 내에는 반구형과 같은 양각부를 가질 수 있다.

본원의 일 실시예에 있어서, 상기 기재(100)는 그 표면에 패터닝에 의해 미세 구조물(200)을 형성하기 위한 것이라면 특별히 제한되지 않고 사용될 수 있으며, 예를 들어, 자외선 경화성 고분자 또는 열 경화성 고분자를 포함하는 것일 수 있으며, 예를 들어, 상기 기재(100)는 폴리에틸렌테레프탈레이트(polyethyleneterephthalate, PET), 폴리디메틸실록산(polydimethylsiloxane, PDMS), 폴리우레탄(polyurethane), 폴리우레탄아크릴레이트(polyurethaneacrylate), 폴리에틸렌나프탈레이트(polyethylenenaphthalate, PEN), 및 이들의 조합들로 이루어진 군으로부터 선택될 수 있다.

본원의 일 실시예에 따르면, 상기 미세 구조물(200)은 폴리우레탄아크릴레이트(polyurethaneacrylate, PUA), 폴리디메틸실록산(polydimethylsiloxane, PDMS), 폴리에틸렌테레프탈레이트(polyethyleneterephthalate, PET), 폴리우레탄(polyurethane), 폴리에틸렌나프탈레이트(polyethylenenaphthalate, PEN), 및 이들의 조합들로 이루어진 군으로부터 선택되는 물질을 일 수 있다. 본원의 일 실시예에 있어서, 상기 미세 구조물(200)을 상기 PUA, PDMS와 같은 생체 친화적 고분자를 사용하여 제조함으로써 탈부착을 반복하여도 접착력이 감소하지 않는 내구성을 가질 수 있다.

본원의 일 실시예에 있어서, 상기 건식 접착 시스템은 마이크로 몰딩을 이용하여 제조되는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 구체적으로, 상기 건식 접착 시스템은 액상 상 분리를 이용하여 제조되는 것일 수 있다. 예를 들어, 상기 건식 접착 시스템은, 용매에 용해된 폴리올을 포함하는 제 1 용액을 기재 상에 도포하고, 상기 제 1 용액을 디웨팅(dewetting)시키고, 상기 용매를 증발시킨 후, 상기 기재 상에 생체 친화적 고분자를 포함하는 제 2 용액을 도포한 후, 상기 제 2 용액을 응고시켜 분리함으로써 제조되는 것일 수 있다.

본원의 일 실시예에 따르면, 상기 접착력은 피접착면과 사이의 반데르발스 힘, 피접착계면에 존재할 수 있는 수분에 따른 모세관 힘 및 빨판 내외의 압력 차이에 의한 흡입힘에 의한 힘일 수 있다. 현존하는 건식 접착의 경우 반데르발스 힘에만 의존하지만 본 발명은 반데르발스 힘에 더해 빨판에 의해 제공되는 흡입힘이 더해져 접착 강도를 높일 수 있고, 또한 습한 환경에서 접착력을 증대시키고 유지시킬 수 있는 특징이 있다.

본원의 일 실시예에 있어서, 상기 빨판 형상은 나노 크기 또는 마이크로 크기를 포함하는 것으로서, 음각 주형을 이용한 마이크로 몰딩 또는 음각 주형에 비상용성 액체를 이용한 리퀴드 리소그래피 등의 방법으로 제조가 가능하다. 예를 들어, 상기 빨판 형상의 압지 공간은 마이크로 크기로 형성될 수 있고, 상기 빨판 형상의 접촉부는 나노 크기 및/또는 마이크로 크기로 형성될 수 있다.

본원의 일 실시예에 따르면, 상기 미세 구조물의 크기는 약 1 ㎛ 내지 약 100 ㎛인 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 예를 들어, 상기 미세 구조물의 크기는 약 1 ㎛ 내지 약 100 ㎛, 약 1 ㎛ 내지 약 90 ㎛, 약 1 ㎛ 내지 약 80 ㎛, 약 1 ㎛ 내지 약 70 ㎛, 약 1 ㎛ 내지 약 60 ㎛, 약 1 ㎛ 내지 약 50 ㎛, 약 1 ㎛ 내지 약 40 ㎛, 약 1 ㎛ 내지 약 30 ㎛, 약 1 ㎛ 내지 약 20 ㎛, 약 1 ㎛ 내지 약 10 ㎛, 약 10 ㎛ 내지 약 100 ㎛, 약 20 ㎛ 내지 약 100 ㎛, 약 30 ㎛ 내지 약 100 ㎛, 약 40 ㎛ 내지 약 100 ㎛, 약 50 ㎛ 내지 약 100 ㎛, 약 60 ㎛ 내지 약 100 ㎛, 약 70 ㎛ 내지 약 100 ㎛, 약 80 ㎛ 내지 약 100 ㎛, 또는 약 90 ㎛ 내지 약 100 ㎛인 것일 수 있다.

본원의 일 실시예에 따르면, 상기 복수 개의 미세 구조물의 배열 간격은, 상기 빨판 형상의 지름에 대하여 약 1:1 내지 약 1:3인 것일 수 있다. 본원의 일 실시예에 있어서, 상기 미세 구조물의 배열 간격이 상기 빨판 형상의 지름에 대하여 약 1:1 내지 약 1:3 일 경우, 접촉면의 밀도를 높일 수 있다.

본원의 일 실시예에 있어서, 상기 건식 접착 시스템을 포함하여 소자를 구축할 경우, 소자의 신호가 증폭되는 것을 포함할 수 있다.

본원의 제 2 측면은, 센서부, 및 상기 센서부의 이면에 형성된 접착부를 포함하며, 상기 접착부는 본원의 제 1 측면에 따른 건식 접착 시스템을 포함하는 것인, 피부접착용 웨어러블 소자를 제공한다. 본원의 제 2 측면은 본원의 제 1 측면에 따른 건식 접착 시스템을 포함하는 것으로서, 본원의 제 1 측면에 대해 설명한 내용은 본원의 제 2 측면에서 그 설명이 생략되었더라도 동일하게 적용될 수 있다.

본원의 일 실시예에 있어서, 상기 센서부는 저항(스트레인 게이지) 또는 캐패시턴스를 측정하는 센서부인 것일 수 있다.

이와 관련하여, 도 5는 본원의 일 실시예에 따른 피부접착용 웨어러블 소자를 나타낸 모식도이다.

도 5에 도시된 바와 같이, 본원의 일 실시예에 따른 피부접착용 웨어러블 소자는 센서부(300), 및 상기 센서부(300)의 이면에 마이크로 몰딩 또는 리퀴드 리소그래피에 의해 직접 형성되거나 및/또는 접합된 접착부를 포함하며, 상기 접착부는 기재(100) 상에 형성된 빨판 형상을 가지는 미세 구조물(200)을 포함한다.

본원의 일 실시예에 따르면, 상기 센서부(300)는 종래에 사용되는 센서라면 특별히 제한되지 않으며, 바람직하게는 박막 패치형 센서, 저항(스트레인 게이지) 센서, 및 캐패시턴스 센서일 수 있다.

본원의 일 실시예에 따르면, 상기 접착부는 본원의 제 1 측면에 따른 건식 접착 시스템을 포함하는 것으로서, 장시간 피부에 부착하여도 피부 자극, 습함, 짓무름 등을 방지하여 쾌적하게 착용 가능한 피부접착용 웨어러블 소자를 제공할 수 있다. 더불어, 상기 접착부의 접착력은 반데르발스 힘에 의한 것이므로, 땀에 젖은 상태와 같은 높은 습도 하에서도 충분한 접착력을 발휘할 수 있다.

본원의 일 실시예에 있어서, 상기 접착부로서 별도의 접착 물질이 없는 물리적 방식에 의한 상기 건식 접착 시스템을 사용함으로써, 종래의 점성이 강한 실리콘계 접착 물질을 포함하는 습식 접착 시스템에 비해, 피부 자극이 적고, 탈부착이 용이하다.

본원의 일 실시예에 있어서, 본원의 일 실시예에 있어서, 상기 건식 접착 시스템을 포함하여 구축된 피부접착용 웨어러블 소자는, 소자의 신호가 증폭되는 것을 포함할 수 있. 예를 들어, 상기 건식 접착 시스템에 포함되는 미세 구조물은 피부 표면의 요철이나 곡률에 상관없이 모든 부위에 균일하고 유연하게 접촉될 수 있다. 이로 인해, 기존의 플렉서블 소자 보다 약 10 배 가량 높은 신호 민감성을 나타낼 수 있다.

이하, 본원의 실시예를 상세히 설명한다. 그러나, 본원이 이에 제한되지 않을 수 있다.

[ 실시예 ]

1. 양각 빨판 구조를 갖는 접착 시스템의 제조

본 실시예에 따른 양각 빨판 구조를 갖는 접착 시스템을 제조하기 위해, 도 6에 도시된 바와 같이 원통형의 음각 구조를 갖는 실리콘 마스터 몰드에 UV 경화성 고분자 물질로서 액상의 폴리우레탄아크릴레이트(PUA)(또는 자외선 경화성 고분자 물질인 PDMS)를 도포하고, 상기 도포된 고분자 물질 상에 PET 필름을 롤러로 밀어 형성함으로써 상기 고분자 물질을 상기 마스터 몰드 전면적에 침투시킨 후, UV(또는 열)에 노출시켰다. 이어서 경화된 상기 고분자 물질을 상기 마스터 몰드로부터 분리하였다. 상기 고분자 물질이 UV(또는 열)에 의해 경화되어 상기 마스터 몰드의 역상을 형성하였다[도 6의 (d)]. 상기 액상의 고분자 물질은 실리콘 마스터 몰드에 도포되는 과정에서 표면 에너지의 차이에 의해 상기 마스터 몰드의 표면에 먼저 도포되는데, 이 때, 도포 시간을 조절함으로써 도 7의 (a)에 나타낸 바와 같이 원기둥 중앙이 구의 형태로 비어있는 공동 구조를 갖는 양각 빨판 구조를 갖는 접착 시스템을 제조하였다.

2. 음각 빨판 구조를 갖는 접착 시스템의 제조

상기 실시예 1에서 제조된 양각 빨판 구조를 갖는 접착 시스템에 상기 실시예 1과 동일한 패터닝 과정을 1 회 반복함으로써 도 7의 (b)에 나타낸 바와 같이 음각 빨판 구조를 갖는 접착 시스템을 제조하였다[도 6의 (e)].

3. 원기둥 구조를 갖는 접착 시스템

반도체 공정을 통해 제작된 원통형의 홈이 파진 마스터 몰드를 이용하는 것 외에, 상기 실시예 1과 동일한 패터닝 공정을 이용하여 도 7의 (c)에 나타낸 바와 같이 원기둥 구조를 갖는 접착 시스템을 제조하였다.

4. 원통형 구조를 갖는 접착 시스템

상기 실시예 3에서 제조된 원기둥 구조를 갖는 접착 시스템에 UV 경화성 고분자 또는 열 경화성 고분자를 이용하여 상기 실시예 3과 동일한 과정을 1 회 반복함으로써 도 7의 (d)에 나타낸 바와 같이 원통형 구조를 갖는 접착 시스템을 제조하였다.

상기 실시예 1 및 2에 따른 3 차원 입체구조를 갖는 양각 빨판 또는 음각 빨판을 갖는 접착 시스템 중, 상기 양각 빨판 구조를 갖는 접착시스템의 경우, 사람의 피부와 같이 표면이 거친 경우에 접착 효과가 우수하며, 상기 음각 빨판 구조를 갖는 접착시스템의 경우, 실리콘 또는 유리 기판과 같이, 표면이 매끄러운 경우에 접착 효과가 우수한 것을 관찰하였다. 이는, 표면 거칠기에 따른 접촉 면적에 기인하는 것으로 사료되었다.

[ 비교예 ]

1. 평평한(flat) 구조를 갖는 접착 시스템

상기 실시예 1 내지 4에 따른 3 차원 접착 시스템의 비교예로서 평평한 구조를 갖는 접착 시스템을 제조하였다.

수직 접착력 측정

상기 실시예 1 내지 4, 및 비교예 1에 따른 접착 시스템의 수직 접착력을 실험하기 위해, 도 8a에 도시된 바와 같이 힘 측정 센서 및 상기 힘 측정 센서의 이면에 상기 실시예 1 내지 4 및 비교예 1에 따른 건식 접착부를 형성하였다. 더불어, 도 8b와 같이 실리콘 웨이퍼(도 8b의 왼쪽 도면) 및 돼지 피부(도 8b의 오른쪽 도면)를 접착 기판으로서 사용하였다.

먼저, 상기 실시예 1에 따른 상기 양각 빨판 구조를 갖는 접착 시스템의 수직 접착력을 실험하기 위해, 사람의 피부와 유사한 돼지 피부에 상기 실시예 1에 따른 양각 빨판 구조를 갖는 접착 시스템을 부착하였다. 이때, 상기 돼지 피부의 표면은 기름막이 존재하는 상태였다. 도 9에 도시된 바와 같이, 상기 실시예 1에 따른 양각 빨판 구조를 갖는 접착 시스템의 경우, 상기 실시예 3 및 비교예 1에 따른 원기둥 구조 및 평평한 구조를 갖는 접착 시스템에 비해 우수한 수직 접착력이 관찰되었다.

상기 실시예 2에 따른 상기 음각 빨판 구조를 갖는 접착 시스템의 습도에 따른 수직 접착력을 실험하기 위해, 표면에 각각 45%, 99%의 상대습도, 및 물이 존재하는 실리콘 웨이퍼에 상기 실시예 2에 따른 음각 빨판 구조를 갖는 접착 시스템을 부착하였다. 도 10에 도시된 바와 같이, 기재 상에 매우 높은 상대습도(99%)가 존재하는 경우에도, 우수한 수직 접착력이 측정되었다.

더불어, 상기 실시예 2에 따른 음각 빨판 구조를 갖는 접착 시스템과 상기 실시예 3 및 비교예 1에 따른 원기둥 구조 및 평평한 구조를 갖는 접착 시스템의 습도에 따른 수직 접착력을 비교하였다. 상기 도 11a 내지 도 11c에 도시된 바와 같이, 상대습도가 매우 높거나, 또는 기재 상에 물이 존재하는 경우, 상기 실시예 2에 따른 음각 빨판 구조를 갖는 접착 시스템이 상기 실시예 3 및 비교예 1에 비해 우수한 수직 접착력을 갖는 것을 관찰할 수 있었다.

상기 도 9 내지 도 11에 도시된 바와 같이, 상기 실시예 1 및 2에 따른 3 차원 입체구조를 갖는 양각형상 또는 음각형상을 포함하는 접착 시스템은, 건조한 상태 뿐만 아니라, 상대습도가 높거나, 표면에 기름막이 존재하는 경우에도 우수한 수직 접착력이 관찰되었다. 이는 상기 접착 시스템의 3 차원 입체구조에 의해 접촉 표면과의 접촉면적이 극대화되는 것에 기인하고, 또한 문어 등 연체동물의 빨판을 모사한 구조를 가짐으로써 수득 가능한 우수한 흡착 효과(suction effect)에 기인하는 것으로 사료되었다.

건식 접착 시스템 형성용 고분자 물질 및 접착 기판에 따른 수직 접착력 측정

상기 실시예 1 내지 4에 따른 건식 접착 시스템을 UV 경화성 고분자 물질인 PUA를 이용하여 제조하였고, 접착 기판으로서 실리콘 웨이퍼를 사용하여 수직 접착력을 측정하였다. 도 12a에 도시된 바와 같이, 음각 구조(실시예 2 및 4)의 경우 양각 구조(실시예 1 및 3)보다 높은 접착력을 나타내었으며, 프리로드가 증가함에 따라 수직 접착력이 증가하다가 일정 수준에 다다르면 수직 접착력이 증가하지 않고 유지되는 경향을 보였다. 이는 외부와의 차단되는 빈 공간에 의해서 발생하는 흡착 효과에 기인한 것으로 사료되었다.

또한, 상기 실시예 1 내지 4에 따른 건식 접착 시스템을 열 경화성 고분자 물질인 PDMS를 이용하여 제조하였고, 접착 기판으로서 돼지 피부를 사용하여 수직 접착력을 측정하였다. 도 12b에 도시된 바와 같이, 이 경우 또한 음각 구조(실시예 2 및 4)의 경우 양각 구조(실시예 1 및 3)보다 높은 접착력을 나타내었으며, 프리로드가 증가함에 따라 수직 접착력이 증가하다가 일정 수준에 다다르면 수직 접착력이 증가하지 않고 유지되는 경향을 나타냈다.

상기 도 12a 및 도 12b의 실험 모두에서 표면이 매끄러운 실리콘 웨이퍼와 표면이 거친 돼지 피부에서 어느 정도 일치하는 경향을 나타냈는데, 이는 유연성과 탄성력이 있는 고분자 소재를 이용함으로써 효율적인 흡착 효과에 기인하는 것으로 사료되었다.

다양한 환경 조건에 따른 수집 접착력의 측정

상기 실시예 1 내지 4에 따른 건식 접착 시스템을 UV 경화성 고분자 물질인 PUA를 이용하여 제조하였고, 접착 기판으로서 실리콘 웨이퍼를 사용하여 다양한 환경 조건에서의 수직 접착력을 측정하였다. 상기 도 13a에 도시된 바와 같이, 문어의 빨판 구조를 모사한 음각 빨판 구조를 갖는 접착 시스템(실시예 2)의 경우 습도가 높거나 액체 상의 환경조건에서 급격한 접착력의 증가를 나타내는 것을 확인할 수 있었다. 이는 문어가 수중에서도 다양한 표면에 용이하게 접착하는 빨판 구조에 의한 것으로서, 원통형 구멍 안에 있는 구형의 돌기가 액체와의 응집력 및 흡착 효과를 극대화시켜 접착력을 향상시키는 것으로 사료되었다.

또한, 상기 실시예 1 내지 4, 및 비교예 1에 따른 건식 접착 시스템을 열 경화성 고분자 물질인 PDMS를 이용하여 제조하였고, 접착 기판으로서 돼지 피부를 사용하여 다양한 환경 조건에서의 수직 접착력을 측정하였다. 도 13b에 도시된 바와 같이, 열 경화성 고분자 물질 및 접착 기판으로서 돼지 피부를 사용하는 경우에도 UV 경화성 고분자 물질 및 실리콘 웨이퍼를 사용하는 경우와 마찬가지로, 문어의 빨판 구조를 모사한 음각 빨판 구조를 갖는 상기 실시예 2에 따른 건식 접착 시스템에서 다양한 환경 조건 모두에서 우수한 수직 접착력을 나타내는 것을 확인할 수 있었다.

빨판 구조를 갖는 미세구조물을 포함하는 접착 시스템이 형성된 웨어러블 소자의 제조

센서부의 이면에 리퀴드 리소그래피에 의해 3 차원 입체구조의 빨판 구조를 갖는 미세 구조물을 포함하는 건식 접착부를 형성하여 본원의 일 실시예에 따른 피부접착용 웨어러블 소자를 제조하였다. 상기 본 실시예에 따른 피부접착용 웨어러블 소자 및 건식 접착 시스템은, 별도의 습식 접착제를 추가 포함하지 않는다. 본 실시예에 따른 3 차원 입체구조의 빨판 구조를 갖는 미세 구조물에 의한 건식 접착부가 포함된 소자의 접착력을 피부 또는 거친 표면 등을 대상으로 측정하였다. 이에 대한 접착력은 기존의 습식 접착제에 의한 접착력(3.5 N/cm²)과 상응하거나 우수하였다.

도 14a 및 도 14b는 본 실시예에 따른 웨어러블 소자의 신호 증폭 효과를 나타낸 그래프이다. 도 14b에 도시된 바와 같이, 본 실시예에 따른 3 차원 입체구조를 갖는 양각형상 또는 음각형상을 포함하는 접착 시스템을 포함하는 플렉서블 소자의 경우, 기존의 플렉서블 소자(도 14a)에 비해 약 10 배 이상 신호가 증폭되는 것을 확인할 수 있었다. 이는 상기 접착 시스템의 3 차원 입체구조에 의해 접촉 표면과의 접촉면적이 극대화되는 것에 기인하고, 또한 문어 등 연체동물의 빨판을 모사한 구조를 가짐으로써 수득 가능한 우수한 흡착 효과(suction effect)에 기인하는 것으로 사료되었으며, 다양한 습도 환경 조건에서 소자의 전기적 신호 증폭 효과를 기대할 수 있을 것으로 사료되었다.

전술한 본원의 설명은 예시를 위한 것이며, 본원이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본원의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.

본원의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본원의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

100 : 기재
200 : 미세 구조물
300 : 센서부

Claims (20)

1. 기재 상에 형성된 빨판 챔버(sucker chamber)을 가지는 복수 개의 미세 구조물을 포함하는,
   건식 접착 시스템.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 미세 구조물은 폴리우레탄아크릴레이트, 폴리디메틸실록산, 폴리에틸렌테레프탈레이트, 폴리우레탄, 폴리에틸렌나프탈레이트, 및 이들의 조합들로 이루어진 군으로부터 선택되는 물질을 포함하는 것인,
   건식 접착 시스템.
3. 제 1 항에 있어서,
   상기 미세구조물은 양각구조물을 포함하고,
   상기 빨판 챔버는 상기 양각구조물의 상단에 형성됨을 특징으로 하는,
   건식 접착 시스템.
4. 제 3 항에 있어서,
   상기 빨판 챔버의 기저면에 언덕형양각부를 포함하고,
   상기 언덕형양각부의 높이는 빨판 챔버의 깊이보다 작음을 특징으로 하는,
   건식 접착 시스템.
5. 제 4 항에 있어서,
   상기 언덕형양각부의 형상은 몸통 중간 부분의 둘레가 상단 및 하단의 둘레보다 큼을 특징으로 하는,
   건식 접착 시스템.
6. 제 5 항에 있어서,
   상기 언덕형양각부의 둘레의 크기는 상기 빨판 챔버의 둘레보다 작으며, 피접착면에 부착되어 상기 빨판 챔버에의 흡착을 위해 상기 접착 시스템의 후면을 가압하지 않은 상태에서는 상기 언덕형양각부의 최장 둘레면은 상기 빨판 챔버의 둘레에 접하지 않고, 후면을 가압할 때 상기 최장 둘레면이 상기 빨판 챔버 내면과 접착하도록 구성된,
   건식 접착 시스템.
7. 제 4 항에 있어서,
   상기 양각구조물은 원기둥 형상이고,
   상기 언덕형양각부은 상기 기저면으로부터 돌출된 구형 또는 반구형임을 특징으로 하는,
   건식 접착 시스템.
8. 제 4 항에 있어서,
   상기 양각 구조물의 지름은 1 ㎛ 내지 100 ㎛이고,
   상기 양각 구조물의 높이는 1 ㎛ 내지 100 ㎛임을 특징이며,
   이의 종횡비는 2/3 내지 3임을 특징으로 하는,
   건식 접착 시스템.
9. 제 1 항에 있어서,
   상기 미세구조물은 상기 기재면에 파여진 음각구조물이고 상기 음각구조물이 빨판 챔버임을 특징으로 하는,
   건식 접착 시스템.
10. 제 9 항에 있어서,
    상기 빨판의 기저면에 언덕형양각부를 포함하고,
    상기 언덕형양각부의 높이는 상기 빨판 챔버의 깊이보다 작음을 특징으로 하는,
    건식 접착 시스템.
11. 제 9 항에 있어서,
    상기 언덕형양각부의 형상은 몸통 중간 부분의 둘레가 상단 및 하단의 둘레보다 큼을 특징으로 하는,
    건식 접착 시스템.
12. 제 11 항에 있어서,
    상기 언덕형양각부의 둘레의 크기는 상기 빨판 챔버의 둘레보다 작으며, 피접착면에 부착되어 상기 빨판 챔버에의 흡착을 위해 상기 접착 시스템의 후면을 가압하지 않은 상태에서는 상기 언덕형양각부의 최장 둘레면은 상기 빨판 챔버의 둘레에 접하지 않고, 후면을 가압할 때 상기 최장 둘레면이 상기 빨판 챔버 내면과 접착하도록 구성된,
    건식 접착 시스템.
13. 제 10 항에 있어서,
    상기 음각구조물은 원기둥 형상이고,
    상기 언덕형양각부은 상기 기저면으로부터 돌출된 구형 또는 반구형임을 특징으로 하는,
    건식 접착 시스템.
14. 제 9 항에 있어서,
    상기 양각 구조물의 지름은 1 ㎛ 내지 100 ㎛이고,
    상기 양각 구조물의 높이는 1 ㎛ 내지 100 ㎛임을 특징이며,
    이의 종횡비는 2/3 내지 3임을 특징으로 하는,
    건식 접착 시스템.
15. 제 1 항에 있어서,
    상기 복수 개의 미세 구조물의 배열 간격은, 상기 빨판 형상의 지름에 대하여 1:1 내지 1:3인 것인, 건식 접착 시스템.
16. 센서부, 및 상기 센서부의 이면에 형성된 접착부를 포함하며,
    상기 접착부는 제 1 항 내지 제 13 항 중 어느 한 항에 따른 건식 접착 시스템을 포함하는 것인, 피부접착용 웨어러블 소자.
17. 제 1항 내지 제 15 항 중 어느 한 항에 따른 건식 접착 시스템을 포함하는 피부 접착 패치.
18. 제 17 항에 있어서,
    상기 피부 접착 패치는 상치 습윤 드레싱제임을 특징으로 하는,
    피부 접착 패치.
19. 제 1항 내지 제 15 항 중 어느 한 항에 따른 건식 접착 시스템을 포함하는 약물 전달용 접착 패치.
20. 제 19 항에 있어서,
    상기 건식 접착 시스템이 빨판 내에 로딩된(loaded) 약물을 포함하는,
    약물 전달용 접착 패치.

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