KR20240028711A - 피부 부착형 투명전극 및 이의 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 피부 부착형 투명전극, 이의 제조방법, 이를 포함하는 웨어러블 전자 장치 및 이를 포함하는 창상 치유용 패드에 관한 것으로서, 본 발명에 따른 피부 부착형 투명전극은 피부에 대한 부착력, 생체 적합성, 광투과도 및 피부와의 등각 접촉성이 현저히 우수할 뿐만 아니라 땀과 같은 외부 환경에 의해 용해되지 않아 안정성을 현저히 향상시킬 수 있다.
Description
본 발명은 피부 부착형 투명전극 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
최근 사물인터넷(IoT)의 발달과 웰빙에 대한 관심 증대로 인해 웨어러블 전자 장치에 대한 관심과 연구가 증가하고 있다.
한편, 창상은 외부에서 가해진 자극에 의해 피부 및 피하 조직의 파괴가 이뤄진 상태로서, 자연적으로 치유가능한 가벼운 창상이 대부분이나, 4주 내지 8주가 지나도록 치유가 이뤄지지 않고 피부와 피하조직 이상의 깊이까지 궤양형태로 발생하는 만성 창상이 있다. 혈액순환 장애를 갖고 있는 만성질환자들은 특히 만성 창상에 더욱 취약하여 작은 상처에도 세균에 쉽게 노출될 수 있어 패혈증과 같은 2차 감염을 피하기 어렵다. 또한, 이의 치료를 위해 드레싱을 지속적으로 교체해주어야 하고, 보다 상태가 악화될 경우 조직제거, 피부이식 등의 수차례의 외과적 수술이 필요하다. 즉, 만성 창상은 환자 및 보호자의 고통을 가중시킬 뿐만 아니라 치료 비용의 부담 또한 커져 이의 치료의 중요성이 커지는 실정이다.
만성 창상을 치료하기 위한 연구가 지속적으로 전개되면서, 자연 창상 치유 메커니즘에 초점을 맞춰 자연치유가 불가능해진 만성창상 부위에 압력, 전기자극, 빛, 초음파 등의 에너지를 가하여 세포의 이동과 증식을 강화하는 방식으로 치유를 하려는 방안이 제시된다. 그 중에서 상처 부위에 전기자극을 가하는 상처 치유 방법이 지속적인 세포 실험과 동물 실험을 통해 그 효용성이 밝혀졌으나, 피부에 직접 부착하기 위한 전극 소재로 하이드로젤이 상용화된 바 있다. 그러나, 하이드로젤 소재는 낮은 전기 전도도를 가지며, 투명도가 낮아 심미안적으로 환자들을 불안하게 하고, 수분의 증발로 인한 점착력의 감소라는 문제를 가지고 있다.
이와 같이 웨어러블 전자 장치 또는 창상 치료에 사용되는 전극 소재는 신체에 잘 부착되어야 하기 때문에 부착성이 있는 전극 재료의 개발이 매우 중요하다. 특히, 신체에 부착하여 신체의 움직임을 감지하거나 생체 신호를 감지하는 바이오센서의 경우, 단순히 단단히 부착되는 것에서 더 나아가 피부에 등각적으로 접촉할 수 있도록 부착되어야 하기 때문에 피부와의 등각 접촉성이 우수한 전극 재료가 필요하다. 피부 부착형 전극 재료는 피부와의 등각 접촉성뿐만 아니라 생체 적합성 및 심미적 사용을 위한 투명도가 요구된다.
이러한 특성을 위해 장치의 총 두께를 줄이면서 상용 접착제를 활용하거나 피부 접촉 전극의 표면에 부착성을 부여하는 방안이 제시되고 있다.
그러나 상용 접착제를 통해 전극을 피부에 부착시키는 방안은 접착제의 종류에 따라 피부에 자극을 일으킬 위험이 높으며, 더욱이 접착제가 전극과 피부의 직접적 접촉을 차단하여 전기 신호 감지를 방해할 수 있어 부적합하다.
한편, 전극 재료 자체에 부착성을 부여하는 방안으로서, 용매에 녹는 열가소성 고분자에 대한 연구가 진행되고 있다. 일례로, 비특허문헌 1은 은 나노 메쉬(Nano-Mesh)와 폴리비닐알코올(PVA)를 피부상에 위치시킨 후 물을 분산시켜 물에 녹는 PVA의 성질을 이용하여 부착성과 전기적 특성을 부여하는 방안을 개시하고 있다. 그러나, 상술한 방식에 따르면, 주로 물로 이루어진 땀에 의해 고분자를 용해시켜 해당 전극 또는 이를 포함하는 장치를 손상시킨다는 단점이 있다. 또한, 피부를 구부리는 등의 움직임으로 인해 부착된 전극과 피부 사이가 들뜨는 현상이 나타나 피부와의 등각 접촉성이 부족한 한계를 가진다.따라서, 부착성, 생체 적합성 및 투명도뿐만 아니라 땀과 같은 외부 환경에 의해 영향을 받지 않고 피부와의 등각 접촉성이 향상된 피부 부착형 전극 재료가 필요한 실정이다.
W.-H. Yeo, Y.-S. Kim, J. Lee, A. Ameen, L. Shi, M. Li, S. Wang, R. Ma, S. H. Jin, Z. Kang, Y. Huang, J. A. Rogers, Adv. Mater. 2013, 25, 2773
본 발명의 일 목적은 피부에 대한 부착력, 생체 적합성, 광투과도 및 피부와의 등각 접촉성이 현저히 우수함과 동시에 땀과 같은 외부 환경에 의해 용해되지 않아 안정성이 현저히 향상된 피부 부착형 투명전극 및 이의 제조방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 일 목적은 부착력이 우수하여 별도의 접착제를 사용하지 않아도 피부에 부착 가능하여 분리 시에 피부 자극을 일으키지 않고 전기적 특성의 조절이 용이한 피부 부착형 투명전극 및 이의 제조방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 일 목적은 상술한 피부 부착형 투명전극을 포함하는 웨어러블 전자 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 일 목적은 상술한 피부 부착형 투명전극을 포함하는 창상 치유용 패드를 제공하는 것이다.
일 구현예는 알코올 용해성 생체적합성 탄성중합체 매트릭스 및 상기 매트릭스에 임베딩된 전도성 물질 네트워크를 포함하고, 상기 생체적합성 탄성중합체 매트릭스의 일면은 알코올에 접촉시 용해되어 피부에 등각적으로 코팅되는 것을 특징으로 하는 피부 부착형 투명전극을 제공한다.
다른 일 구현예는 상술한 피부 부착형 투명전극을 포함하는 웨어러블 전자 장치를 제공한다.
또 다른 일 구현예는 상술한 피부 부착형 투명전극을 포함하는 창상 치유용 패드를 제공한다.
또 다른 일 구현예는 기판 상에 자기조립 단분자막을 형성하는 제1단계; 상기 자기조립 단분자막 상에 전도성 물질 네트워크를 형성하는 제2단계; 및 상기 전도성 물질 네트워크가 형성된 기판 상에 알코올 용해성 생체적합성 탄성중합체 용액을 도포 및 건조하여 알코올 용해성 생체적합성 탄성중합체 매트릭스에 임베딩된 전도성 물질 네트워크를 제조하는 제3단계; 를 포함하는 피부 부착형 투명전극의 제조방법을 제공한다.
본 발명에 따른 피부 부착형 투명전극은 피부에 대한 부착력, 생체 적합성, 광투과도 및 피부와의 등각 접촉성이 현저히 우수할 뿐만 아니라 땀과 같은 외부 환경에 의해 용해되지 않아 안정성을 현저히 향상시킬 수 있어, 이에 따라 보다 우수한 성능을 가진 웨어러블 전자 장치 및 창상 치유용 패드를 제공할 수 있다.
도 1은 일 실시예에 따른 피부 부착형 투명전극의 모식도이다.
도 2는 일 실시예에 따른 상기 창상 치유용 패드의 모식도이다.
도 3은 일 실시예에 따른 피부 부착형 투명전극의 제조방법을 나타낸 도면이다.
도 4는 일 실시예에 따른 피부 부착형 투명전극의 피부 자극 시험 결과를 나타낸 도면이다.
도 5 내지 도 7는 세포 배양 시험 결과를 나타낸 도면이다.
도 8은 PDMS, PVA 및 PU의 응력-변형률 곡선(Stress-strain curve)이다.
도 9은 PDMS, PVA 및 PU에 에탄올 또는 탈이온수를 분사한 후 수행한 인장 시험 결과를 나타낸 도면이다.
도 10 내지 도 13은 일 실시예에 따른 피부 부착형 투명전극의 접착력 평가 결과를 나타낸 도면이다.
도 14는 실시예 1에 따른 전극의 SEM 이미지이다.
도 15은 실시예 1에 따른 전극의 투과도를 나타낸 도면이다.
도 16는 실시예 1에 따른 표면 저항을 나타낸 도면이다.
도 17는 외부 환경에 의한 전기적 특성의 변화를 나타낸 도면이다.
도 18 및 도 19은 일 실시예에 따른 피부 부착형 투명전극을 스트레인 센서로 제작한 후 피부와의 등각 접촉성을 평가한 결과를 나타낸 도면이다.
도 20은 임피던스 분석을 위한 실험방법을 나타낸 도면이고, 도 21는 그 결과를 나타낸 도면이다.
도 22은 한쪽 팔에 장착 가능한 ECG 센서의 설계 모식도이다.
도 23은 실시예 1에 따른 전극을 이용한 Lead 1 ECG 센서의 측정 결과를 나타낸 도면이다.
도 24는 한쪽 팔에 장착 가능한 ECG 센서의 측정 결과를 나타낸 도면이다.
도 25은 EMG 신호 측정을 위한 실험방법을 나타낸 도면이고, 도 26는 그 결과를 나타낸 도면이다.
도 2는 일 실시예에 따른 상기 창상 치유용 패드의 모식도이다.
도 3은 일 실시예에 따른 피부 부착형 투명전극의 제조방법을 나타낸 도면이다.
도 4는 일 실시예에 따른 피부 부착형 투명전극의 피부 자극 시험 결과를 나타낸 도면이다.
도 5 내지 도 7는 세포 배양 시험 결과를 나타낸 도면이다.
도 8은 PDMS, PVA 및 PU의 응력-변형률 곡선(Stress-strain curve)이다.
도 9은 PDMS, PVA 및 PU에 에탄올 또는 탈이온수를 분사한 후 수행한 인장 시험 결과를 나타낸 도면이다.
도 10 내지 도 13은 일 실시예에 따른 피부 부착형 투명전극의 접착력 평가 결과를 나타낸 도면이다.
도 14는 실시예 1에 따른 전극의 SEM 이미지이다.
도 15은 실시예 1에 따른 전극의 투과도를 나타낸 도면이다.
도 16는 실시예 1에 따른 표면 저항을 나타낸 도면이다.
도 17는 외부 환경에 의한 전기적 특성의 변화를 나타낸 도면이다.
도 18 및 도 19은 일 실시예에 따른 피부 부착형 투명전극을 스트레인 센서로 제작한 후 피부와의 등각 접촉성을 평가한 결과를 나타낸 도면이다.
도 20은 임피던스 분석을 위한 실험방법을 나타낸 도면이고, 도 21는 그 결과를 나타낸 도면이다.
도 22은 한쪽 팔에 장착 가능한 ECG 센서의 설계 모식도이다.
도 23은 실시예 1에 따른 전극을 이용한 Lead 1 ECG 센서의 측정 결과를 나타낸 도면이다.
도 24는 한쪽 팔에 장착 가능한 ECG 센서의 측정 결과를 나타낸 도면이다.
도 25은 EMG 신호 측정을 위한 실험방법을 나타낸 도면이고, 도 26는 그 결과를 나타낸 도면이다.
본 명세서에 기재된 실시 형태는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 일 구현예에 따른 기술이 이하 설명하는 실시형태로 한정되는 것은 아니다. 또한 일 구현예의 실시 형태는 당해 기술분야에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 개시를 더욱 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다.
또한 명세서 및 첨부된 특허청구범위에서 사용되는 단수 형태는 문맥에서 특별한 지시가 없는 한 복수 형태도 포함하는 것으로 의도할 수 있다.
또한, 본 명세서에서 사용되는 수치 범위는 하한치와 상한치와 그 범위 내에서의 모든 값, 정의되는 범위의 형태와 폭에서 논리적으로 유도되는 증분, 이중 한정된 모든 값 및 서로 다른 형태로 한정된 수치 범위의 상한 및 하한의 모든 가능한 조합을 포함한다. 본 발명의 명세서에서 특별한 정의가 없는 한 실험 오차 또는 값의 반올림으로 인해 발생할 가능성이 있는 수치범위 외의 값 역시 정의된 수치범위에 포함된다.
나아가, 명세서 전체에서 어떤 구성요소를 "포함"한다는 것은 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있다는 것을 의미한다.
본 발명자는 종래의 피부 부착형 투명전극 소재가 부착성, 투과도 등의 물성을 만족하더라도 땀에 의해 용해되는 문제 및 피부와의 등각 접촉성이 부족한 문제가 있어 웨어러블 전자 장치, 창상 치유용 패드 등에 적용하기에 부적합함을 인식하였다. 이를 해결하기 위한 연구를 거듭한 결과, 본 발명자는 알코올 용해성 생체적합성 탄성중합체 매트릭스에 임베딩된 전도성 물질 네트워크를 포함하는 피부 부착형 투명전극이 상술한 문제를 해결함과 동시에 현저히 우수한 피부에 대한 부착력, 생체 적합성 및 광투과도를 가짐을 발견하여 본 발명을 완성하였다.
도 1은 일 구현예에 따른 피부 부착형 투명전극의 모식도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하며 본 개시에 따른 피부 부착형 투명전극에 대해 상세히 설명한다. 첨부한 도면은 기술자에게 본 발명의 기술적 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위하여 어디까지나 예시적으로 제공되는 것으로서, 본 발명은 이하 제시되는 도면들로 한정되지 않고 다른 형태로 얼마든지 구체화될 수 있다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 구현예에 따른 피부 부착형 투명전극은 알코올 용해성 생체적합성 탄성중합체 매트릭스 및 상기 매트릭스에 임베딩된 전도성 물질 네트워크를 포함하고, 상기 생체적합성 탄성중합체 매트릭스의 일면은 알코올에 접촉시 용해되어 피부에 등각적으로 코팅되는 것을 특징으로 한다.
일 구현예에 따른 피부 부착형 투명전극은 알코올 용해성 생체적합성 탄성중합체 매트릭스에 임베딩된 전도성 물질 네트워크를 포함함으로써, 상기 생체적합성 탄성중합체 매트릭스의 일면은 알코올에 접촉시 용해되어 피부에 등각적으로 코팅될 수 있다. 또한, 별도의 접착제를 사용하지 않아도 피부에 부착시킬 수 있는 우수한 부착력을 가질 수 있으며, 이에 따라 접착제에 따른 피부 자극 문제 및 전기 신호 감지도 감소 문제도 발생하지 않을 수 있다.
일 구현예에 있어서, 상기 생체적합성 탄성중합체 매트릭스의 일면은 피부의 모공의 형상을 따라 등각적으로 코팅되는 것일 수 있다. 이로써, 상기 피부 부착형 투명전극은 신호 감지도가 보다 향상되어 보다 우수한 성능을 가진 웨어러블 전자 장치 및 창상 치유용 패드를 제공할 수 있다.
일 구현예에 있어서, 상기 전도성 물질은 금속 나노와이어, 금속 나노입자, 금속 나노메쉬, 탄소 나노튜브, 그래핀계 화합물, 그래파이트 및 전도성 고분자로 이루어지는 군에서 선택되는 하나 또는 둘 이상의 조합일 수 있다.
상기 금속 나노와이어, 금속 나노입자 또는 금속 나노메쉬의 금속은 일 예로 은(Ag), 금(Au), 백금(Pt), 구리(Cu), 알루미늄(Al) 또는 이들의 합금을 포함할 수 있으며, 구체적으로, 은을 포함할 수 있다.
상기 전도성 고분자는 일 예로 폴리(3,4-에틸렌디옥시티오펜): 폴리(스티렌설포네이트), 폴리에틸렌디옥시티오펜, 폴리아닐린, 폴리피롤, 폴리티오펜, 폴리p-페닐렌, 폴리p-페닐렌비닐렌, 폴리아세틸렌, 폴리디아세틸렌, 폴리티오펜비닐렌, 폴리플러렌 및 이들의 유도체로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나 또는 둘 이상이 혼합된 혼합물을 포함할 수 있으며, 바람직하게는 폴리(3,4-에틸렌디옥시티오펜):폴리(스티렌설포네이트)를 사용할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
일 구현예에 있어서, 상기 전도성 물질은 1차원 전도성 물질을 포함할 수 있으며, 바람직하게는 금속 나노와이어를 포함할 수 있다. 상기 금속 나노와이어의 직경은 비한정적으로 10 ㎚ 내지 500 ㎚, 구체적으로 20 ㎚ 내지 300 ㎚, 보다 구체적으로 20 ㎚ 내지 100 ㎚일 수 있으며, 종횡비는 60 내지 3000, 구체적으로 100 내지 1500, 보다 구체적으로 300 내지 1500일 수 있다.
일 구현예에 있어서, 상기 생체적합성 탄성중합체는 유리전이온도가 -10 ℃ 이하인 열가소성 중합체일 수 있으며, 구체적으로는 상기 유리전이온도가 -20 ℃ 이하 또는 -30 ℃ 이하일 수 있다.
상기 생체적합성 탄성중합체는 폴리우레탄, 폴리옥시에틸렌-폴리부틸렌 테레프탈레이트 공중합체, 스타이렌-부타디엔 공중합체 (styrene-butadiene rubber, SBR), 스타이렌-에틸렌-부틸렌-스타이렌 공중합체 (styrene-ethylene-butylene-styrene, SEBS), 스타이렌-에틸렌-프로필렌-스타이렌 공중합체 (styrene-ethylene-propylene-styrene, SEPS), 스타이렌-부타디엔-스타이렌 공중합체 (styrene-butadiene-styrene, SBS), 스타이렌-이소프렌-스타이렌 공중합체 (styrene-isoprene-styrene, SIS), 스타이렌-이소부틸렌-스타이렌 공중합체 (styrene-isobutylene-styrene, SIBS) 또는 이들의 조합을 포함할 수 있으나 알코올에 용해될 수 있는 탄성중합체라면 이에 제한되지는 않는다. 바람직하게는 상기 생체적합성 탄성중합체는 폴리우레탄을 포함할 수 있다.
일 구현예에 있어서, 상기 폴리우레탄은 폴리에테르계 디올 구조단위를 포함할 수 있으며, 구체적으로 폴리테트라메틸렌에테르 디올 구조단위를 포함할 수 있다. 이로써 알코올에는 용해되나 수용액에는 용해되지 않는 특성을 가질 수 있어 본 발명의 목적을 보다 바람직하게 달성할 수 있다. 또한 지환족 이소시아네이트계 단량체로부터 유래된 구조단위를 포함할 수 있으며, 예를 들어 이소포론 디이소시아네이트 또는 4,4-디시클로헥실메탄 디이소시아네이트일 수 있으나 이에 제한되지는 않는다.
일 구현예에 있어서, 생체적합성 탄성중합체를 용해할 수 있는 알코올은 구체적으로 C1-3 알코올일 수 있으며, 보다 구체적으로는 에탄올일 수 있다.
일 구현예에 있어서, 상기 생체적합성 탄성중합체는 비수용성일 수 있으며, 이로써 이를 포함하는 피부 부착형 투명전극이 알코올에 용해되어 피부에 효과적으로 부착된 후 땀, 비 등과 같은 수용성 물질에 의해 녹지 않아 이를 적용한 제품의 내구성을 높일 수 있다.
일 구현예에 있어서, 상기 생체적합성 탄성중합체는 영률(Young's modulus)이 500 kPa 이하, 400 kPa 이하, 300 kPa 이하 또는 250 kPa 이하일 수 있으며, 하한은 일례로 100 kPa 또는 150 kPa일 수 있다.
일 구현예에 있어서, 상기 생체적합성 탄성중합체의 파단 신율(Elongation at break)은 알코올이 도포된 생체적합성 탄성중합체의 파단 신율보다 크고, 증류수가 도포된 생체적합성 탄성중합체의 파단 신율보다 작은 것일 수 있다.
이때, 알코올 도포 시 상기 생체적합성 탄성중합체의 파단 신율이 감소하는 것은 상기 생체적합성 탄성중합체가 알코올에 용해되어 생체적합성 탄성중합체 분자간 결합이 약해짐에 따른 결과로 해석되며, 증류수 도포 시 상기 생체적합성 탄성중합체의 파단 신율이 증가하는 것은 상기 생체적합성 탄성중합체가 증류수에 용해되지 않고 오히려 생체적합성 탄성중합체 분자간 결합이 단단히 형성됨에 따른 결과로 해석된다.
일 구현예에 있어서, 상기 매트릭스의 두께는 100 ㎛ 내지 200 ㎛, 구체적으로 150 ㎛ 내지 200 ㎛, 더욱 구체적으로 160 ㎛ 내지 180 ㎛일 수 있다. 상기 범위에서 피부 부착형 투명전극의 광투과도, 부착성 등의 물성을 구현할 수 있다.
일 구현예에 있어서, 상기 전도성 물질 네트워크의 두께는 10 ㎚ 내지 500 ㎚, 구체적으로 10 ㎚ 내지 250 ㎚, 보다 구체적으로는 50 ㎚ 내지 150 ㎚일 수 있다.
일 구현예에 있어서, 상기 전도성 물질 네트워크의 두께와 상기 매트릭스의 두께의 비는 1 : 1000 내지 2000, 1 : 1500 내지 2000 또는 1 : 1600 내지 1800일 수 있으며, 상기 범위에서 피부 부착형 투명전극의 광투과도, 부착성, 전기전도도 등뿐만 아니라 외부환경에 의한 안정성을 보다 향상시킬 수 있다.
일 구현예에 있어서, 상기 전도성 물질 네트워크는 알코올 접촉시 용해되어 피부에 등각적으로 코팅되는 상기 매트릭스의 일면에 접하도록 매트릭스의 내부에 임베딩되는 것일 수 있으며, 이로써 상기 전도성 물질 네트워크가 피부에 접하는 면 방향으로 위치하여 신호 감지도가 보다 향상될 수 있다.
상기 전도성 물질 네트워크가 상기 매트릭스의 일면에 접하도록 매트릭스의 내부에 임베딩될 때, 상기 전도성 물질 네트워크가 매트릭스 상에 완전히 임베딩되거나 부분적으로 임베딩될 수 있으며, 바람직하게는 부분적으로 임베딩된 형태일 수 있다. 보다 바람직하게는 상기 매트릭스의 일면 상에는 전도성 물질 네트워크가 노출되고 상기 매트릭스의 타면 상에는 전도성 물질 네트워크가 노출되지 않은 것일 수 있다. 이로써 전도성 물질 네트워크가 노출된 일면 부분을 피부에 점착시켜 전기적 특성을 향상시킬 수 있고, 이에 따라 생리학적 신호를 보다 효과적으로 감지하거나 전기적 자극에 의한 치유 효과가 향상될 수 있다.
일 구현예에 있어서, 상기 피부 부착형 투명전극은 550 nm 내지 700 nm에서의 광투과율이 65% 이상 또는 70% 이상일 수 있으며 상한은 일례로 85% 또는 90%일 수 있다.
일 구현예에 있어서, 상기 피부 부착형 투명전극은 전기적 자극에 의한 창상 치유 용도를 가지는 것일 수 있으며, 상기 창상은 외부에서 가해진 자극에 의해 피부 및 피하 조직의 파괴가 이뤄진 상태를 의미한다. 상기 창상은 자연적으로 치유가능한 가벼운 창상 및 만성 창상 모두를 포함할 수 있으며, 구체적으로 상기 창상은 만성 창상일 수 있다.
본 발명은 상술한 바와 같은 피부 부착형 투명전극을 포함하는 웨어러블 전자 장치를 제공한다.
일 구현예에 있어서, 상기 피부 부착형 투명전극은 스트레인 센서, 온도센서, 압력센서, 광센서, 진동센서, 바이오센서 등을 포함한 각종 센서, 전자스킨, 플렉서블 디스플레이 및 스트레쳐블 디스플레이 등의 다양한 웨어러블 전자 장치에 적용될 수 있으며, 특히 피부의 굴곡진 표면을 대상으로 하는 신체부착형 웨어러블 전자장치에 적용될 수 있으나, 의류형 또는 액세서리형 웨어러블 전자장치에의 적용을 제한하는 것은 아니다.
일 구현예에 있어서, 상기 센서는 생리학적 신호를 감지하고 전기적인 자극의 전압, 주파수, 시간 또는 자극의 형태를 조절하는 함수 생성기를 포함하는 것일 수 있으며, 상기 생리학적 신호는 이에 제한되는 것은 아니나 일례로 심전도, 심근도, 신체의 움직임 등을 수 있다. 상기 자극의 형태는 일례로 사인, 펄스, 사각 등일 수 있다.
또한, 본 발명은 상술한 바와 같은 피부 부착형 투명전극을 포함하는 창상 치유용 패드를 제공한다. 도 2는 일 구현예에 따른 상기 창상 치유용 패드의 모식도이며, 이를 참조하여 본 개시에 따른 창상 치유용 패드를 상세히 설명한다.
일 구현예에 따른 창상 치유용 패드는 이격하여 위치하는 2개 이상의 피부 부착형 투명전극(10) 및 상기 2개 이상의 피부 부착형 투명전극 사이를 전기적으로 연결하는 전원공급부(20)를 포함할 수 있으며, 구체적으로 상기 2개 이상의 투명전극은 창상(1)을 사이에 두고 이격하여 위치할 수 있다.
일 구현예에 있어서, 상기 2개 이상의 피부 부착형 투명전극 사이에 전기적으로 연결되는 함수 생성기를 더 포함할 수 있으며, 상기 함수 생성기는 전기적인 자극의 전압, 주파수, 시간 또는 자극의 형태를 조절하는 역할을 한다. 전기적인 자극의 특성을 조절함으로써 창상의 위치, 크기, 깊이, 형태, 환자의 회복 정도 등에 따라 치료의 정도를 결정할 수 있다.
일 구현예에 있어서, 상기 창상 치유용 패드는 상기 피부 부착형 투명전극을 포함함으로써, 접착제를 실질적으로 포함하지 않는 것일 수 있다. 보다 상세하게 알코올 용해성 생체적합성 탄성중합체를 포함하여 피부 부착력이 현저히 향상되어 별도의 접착제를 사용하지 않아도 피부에 효과적으로 부착될 수 있으며, 이에 따라 접착제에 따른 피부 자극 문제 및 전기 신호 감지도 감소 문제도 발생하지 않을 수 있다.
한편, 본 명세서에서 접착제를 실질적으로 포함하지 않는다는 것은 피부 부착형 투명전극 또는 창상 치유용 패드의 작동에 실질적으로 영향을 미치는 범위 내에서는 포함되지 않는다는 것을 의미하며, 불순물 또는 기타 공지의 부가적 효과를 위해 미량의 범위로 포함되는 것을 제외하는 것은 아니다. 구체적으로 접착제는 창상 치유용 패드 총 중량에 대해 1 중량% 이하, 0.1 중량% 이하, 0.01 중량% 이하 또는 0.001 중량% 이하로 포함될 수 있으며, 하한으로는 0 중량% 이상일 수 있다.
일 구현예에 있어서, 상기 창상 치유용 패드는 전기적 자극에 의해 창상을 치유하는 것일 수 있으며, 상기 창상은 구체적으로 만성 창상일 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 피부 부착형 투명전극의 제조방법을 나타낸 도면이며, 이하 이를 참조하여 피부 부착형 투명전극의 제조방법을 상세히 설명한다.
본 발명의 일 구현예에 따른 피부 부착형 투명전극의 제조방법은 기판 상에 자기조립 단분자막을 형성하는 제1단계; 상기 자기조립 단분자막 상에 전도성 물질 네트워크를 형성하는 제2단계; 및 상기 전도성 물질 네트워크가 형성된 기판 상에 알코올 용해성 생체적합성 탄성중합체 용액을 도포 및 건조하여 알코올 용해성 생체적합성 탄성중합체 매트릭스에 임베딩된 전도성 물질 네트워크를 제조하는 제3단계; 를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 제1단계는 기판 상에 자기조립 단분자막을 형성하는 단계로서, 상기 기판은 광을 투과시킬 수 있는 투명한 물질을 포함할 수 있고, 예를 들면, 실리콘 기판, 유리 기판, 또는 고분자 기판을 포함할 수 있으나 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 실리콘 기판은 단일 실리콘 기판 또는 p-Si 기판을 포함할 수 있고, 상기 유리 기판은, 규산알칼리계 유리, 무알칼리계 유리, 또는 석영 유리 중 어느 하나 또는 이들의 조합으로 이루어질 수 있으나, 이에 제한되지 않고, 다양한 물질로 이루어질 수 있다.
상기 고분자 기판은 폴리에틸렌 테레프탈레이트(polyethylene terephthalate, PET), 폴리에틸렌 나프탈레이트(polyethylene naphtalate, PEN), 폴리이미드(polyimide, PI), 및 폴리우레탄(polyurethane) 중 어느 하나 또는 이들의 조합으로 이루어질 수 있으나, 이에 제한되지 않고, 다양한 물질로 이루어질 수 있다. 다만, 고분자 기판은 투명한 플렉서블 디스플레이에 사용될 있을 정도의 투명성과 유연성을 가지는 한 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.
일 구현예에 있어서, 상기 제1단계는 상기 기판 상에 자기조립 단분자막 형성용 용액을 코팅하는 단계; 및 자기조립 단분자막 형성용 용액이 코팅된 상기 기판을 어닐링하는 단계; 를 포함하는 것일 수 있다.
구체적으로, 상기 자기조립 단분자막 형성용 용액은 실란계 화합물을 포함하는 용액일 수 있다. 실란계 화합물로는 Si(R1)4-nR2 n로 표시될 수 있으며, 상기 R1은 히드록시, C1-C4알콕시 또는 할로겐이고, R2는 C1-C20알킬, C1-C20카르복시알킬, C1-C20아미노알킬, C1-C20퍼플루오로알킬, C1-C20플루오로알킬 또는 C2-C20아크릴옥시알킬이며, n은 1 내지 3의 정수이다. 구체적으로 알콕시실란(alkoxysilane)계 화합물 또는 클로로실란계 화합물 등일 수 있고, 보다 구체적으로 표면을 소수성으로 처리할 수 있도록 불소기가 치환된 알콕시실란(alkoxysilane)계 화합물 또는 불소기가 치환된 클로로실란계 화합물일 수 있다.
구체적으로, 상기 어닐링은 100 ℃ 내지 180 ℃ 또는 100 ℃ 내지 150 ℃에서 수행되는 것일 수 있다.
상기 제2단계는 상기 자기조립 단분자막 상에 전도성 물질 네트워크를 형성하는 단계로서, 상기 전도성 물질에 관하여는 상술한 바를 적용할 수 있다. 구체적으로는 상기 제2단계는 전도성 물질 용액을 상기 자기조립 단분자막 상에 코팅하는 단계를 포함할 수 있다. 상기 코팅 방식은 예를 들어, 스핀코팅(spin coating), 스프레이코팅(spray coating), 잉크젯코팅(inkjet coating), 슬릿코팅(slit coating) 또는 딥코팅(deep coating) 등의 방법을 사용할 수 있으나, 그 방법을 특별하게 한정하는 것은 아니다.
상기 제3단계는 상기 전도성 물질 네트워크가 형성된 기판 상에 알코올 용해성 생체적합성 탄성중합체 용액을 도포 및 건조하여 전도성 물질 네트워크가 임베딩된 알코올 용해성 생체적합성 탄성중합체 매트릭스를 제조하는 단계로서, 상기 알코올 용해성 생체적합성 탄성중합체관하여는 상술한 바를 적용할 수 있다. 상기 도포는 용액공정으로 박막을 형성하는 다양한 방법이 수행될 수 있으며, 바람직하게는 스핀코팅(spin coating), 드롭캐스팅(drop casting), 딥코팅(dip coating), 분무 코팅(spray coating), 플로우 캐스팅(flow casting), 스크린 프린팅(screen printing), 잉크젯 프린팅 및 마이크로 컨택 프린팅 중에서 선택된 적어도 하나의 방법으로 수행될 수 있고 보다 바람직하게는 드롭캐스팅으로 수행될 수 있다.
일 구현예에 있어서, 상기 피부 부착형 투명전극의 제조방법은 상기 알코올 용해성 생체적합성 탄성중합체 매트릭스에 임베딩된 전도성 물질 네트워크를 상기 자기조립 단분자막이 형성된 기판에서 분리하는 제4단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 구현예에 따른 창상 치유 방법은 피부 부착형 투명전극을 부착할 피부 부위를 알코올로 처리하는 단계; 상기 알코올로 처리된 피부 부위에 상술한 피부 부착형 투명전극을 부착하는 단계; 및 상기 피부 부착형 투명전극에 전기적 자극을 가하는 단계; 를 포함하는 것을 특징으로 한다.
일 구현예에 있어서, 상기 피부 부착형 투명 전극은 창상 부위를 사이에 두고 서로 이격하여 위치하는 2개 이상의 피부 부착형 투명전극을 포함할 수 있다.
일 구현예에 있어서, 상기 전기적 자극은 함수 생성기를 통해 생성되는 것일 수 있다.
일 구현예에 따른 창상 치유 방법은 상술한 피부 부착형 투명전극에 포함되는 생체적합성 탄성중합체 매트릭스의 일면이 알코올 접촉시 용해되어 피부에 등각적으로 부착되어 신호 감지도가 보다 향상되어 보다 효과적으로 창상을 치유할 수 있다. 또한, 별도의 접착제를 사용하지 않아도 피부에 부착시킬 수 있는 우수한 부착력을 가지는 투명전극을 이용하여, 접착제에 따른 피부 자극 문제 및 전기 신호 감지도 감소 문제없이 창상을 치유할 수 있다.
이하, 실시예 및 실험예를 하기에 구체적으로 예시하여 설명한다. 다만, 후술하는 실시예 및 실험예는 일부를 예시하는 것일 뿐, 본 명세서에 기재된 기술이 이에 한정되는 것은 아니다.
<실시예 1> 피부 부착형 투명전극의 제조
우선, Si 웨이퍼 기판 상에 형성된 자기조립 단분자막(Self-assembled monolayers, SAMs)은 Si 웨이퍼 기판이 놓인 진공 챔버에서 트리클로로(1H,1H,2H,2H-퍼플루오로옥틸)실란(Sigma Aldrich) 용액을 증발시키고 135 ℃에서 1시간 동안 어닐링하여 형성된다.
평균 직경 및 길이가 각각 30 ㎚ 및 30 ㎛인 0.63 중량%의 은 나노와이어(Novarials 社)를 에탄올에 분산시킨 분산액을 준비하고 상기 분산액을 증발시킨 후 0.3 ㎖를 SAM이 형성된 기판(2.5 ㎝ x 2.5 ㎝)에 스프레이 코팅을 하여 SAM 상에 은나노와이어 네트워크를 형성하였다. 구체적으로, 노즐과 기판 사이의 거리가 15 ㎝이고 0.3 ㎖ min-1의 속도로 스프레이 코팅을 수행했다.
그 후, 폴리에테르계 친수성 PU(AdvanSource Biomaterials 社의 Hydromed D4) 10 중량%를 에탄올 및 증류수의 중량비가 19 : 1인 용매에 용해하여 PU 용액을 준비하였다. 상기 PU 용액을 은나노와이어 네트워크가 형성된 기판 상에 드롭 캐스팅하고 실온에서 4시간 동안 건조시켜 은나노와이어 네트워크가 임베딩된 PU 매트릭스를 제조하였다.
마지막으로, 제조된 PU 매트릭스를 상온에서 SAM이 형성된 기판으로부터 은나노와이어 네트워크가 임베딩되어있는 PU 매트릭스를 분리하여 피부 부착형 투명전극을 제조하였다.
<실험예 1> 생체적합성 평가
생체적합성 평가는 피부 자극 시험과 세포 배양 시험을 통해 수행되었다.
피부 자극 시험을 위해 실시예 1에서 제조한 전극을 피부에 부착한 후에 4시간, 8시간 및 12시간 경과한 후에 떼어내어 피부 자극 정도를 측정하였고, 그 결과를 도 4에 나타내었다. 도 4를 참조하면, 실시예 1에서 제조한 전극이 제거된 부위(흰색 점선)에 홍조, 잔류물 및 통증이 발생하지 않았으며, 이를 통해 일 실시예에 따른 피부부착형 투명전극은 피부 자극도가 낮음을 확인할 수 있다.
세포 배양 시험을 위해 실시예 1에서 제조한 전극(또는 Ag/PU), 폴리우레탄(PU; AdvanSource Biomaterials 社의 Hydromed D4) 및 폴리(디메틸실록산)(PDMS; Sylgard 184 elastomer kit, Dow Corning)을 각각 첨가하여 마우스 섬유아세포(L929)를 배양하였다. 세포 배양 배지는 10% 소태아혈청(FBS) 및 1% 항생제를 포함하는 2 ㎖의 high glucose Dulbecco's modified Eagle's medium(DMEM)이며, 배양 조건은 37 ℃, 5% CO2 및 95% 습도이고, 3일에 걸쳐 매일 live/dead cell staining(n=1), CCK8 assay(n=2)에 의한 세포생존율(cell viability test) 및 DNA content assay(PicoGreen, n=3)에 의한 증식시험을 통해 관찰하였다. 또한, 양성대조군(positive control)은 세포배양배지에서만 배양하였고 음성대조군(negative control)은 항마이신 A가 첨가된 세포배양배지에서 배양하였다. 그 결과를 각각 도 5 내지 도 7에 나타내었고, 도 5을 참조하면, Fluorescent live/dead staining image는 3일 후 모든 경우에서 양성대조군과 유사한 규칙적인 세포 형태를 나타내어, 세포 적합성이 높고 세포에 독성이 없는 소재임을 알 수 있다. 도 6를 참조하면, PDMS 및 PU의 경우 1일째부터 세포 생존율이 80% 이상인 반면, Ag/PU의 경우 1일째에 70%의 낮은 세포 생존율을 보였으나 시간이 지남에 따라 세포생존율이 지속적으로 증가했다. 이때, 세포 생존율은 양성대조군에서 성장한 세포 수(NB)에 대한 각 샘플 표면에서 성장한 세포 수(NA)의 비율(NA/NB)을 의미한다. 도 7를 참조하면, 모든 경우에서 3일 동안 DNA 농도가 증가하는 경향을 나타내어 세포 증식에 있어서 생체적합함을 확인했다.
<실험예 2> 기계적 물성 평가
기계적 물성을 평가하기 위해 PDMS, PVA 및 PU를 2 cm Х 0.5 cm의 크기로 준비하여 인장 시험을 수행했으며, 인장 시험은 1kgf 로드셀이 있는 Universal Testing Machine(UTM, WL2100C, WithLab)를 사용하여 수행되었고 그 결과를 도 8에 나타내었다. 도 8은 각 고분자 재료의 응력-변형률 곡선(Stress-strain curve)으로서, 이를 참조하면, PU의 영률은 PDMS와 PVA보다 훨씬 작은 225kPa 미만이었다.
또한, 각 고분자 재료에 대한 용매의 영향을 확인하기 위하여 에탄올 또는 탈이온수를 분사한 후 인장 시험을 수행하였으며, 그 결과를 도 9에 나타내었다. 도 9을 참조하면, PDMS는 탈이온수 또는 에탄올로 인해 단축된 파단 신율을 나타내지 않았으며, 이는 탈이온수와 에탄올이 PDMS의 주요 폴리머 사슬을 변경할 수 없음을 의미한다. 대조적으로, PVA는 탈이온수와 에탄올 모두에 의해 용해되기 때문에 파단신율이 120%에서 70%로 단축되었고 인장강도가 낮아졌다. PU는 에탄올을 처리한 경우에서만 파단신율이 800%에서 700%로 더 빠르게 단축되었고, 탈이온수를 처리한 경우 고분자 내의 공유 결합을 파괴하지 않음을 알 수 있었다. 이를 통해, PU 소재가 알코올에는 용해되나 탈이온수에는 용해되지 않아 땀과 같은 외부환경에도 안정적으로 사용할 수 있어 피부 부착형 전극으로 사용되기에 적합함을 알 수 있다.
<실험예 3> 접착력 평가
전극의 접착력 평가를 위해 인공 피부에 수행된 180° 박리 테스트(ASTM F2256) 및 사람의 팔뚝에 수행된 90° 박리 테스트(ASTM D6862)를 수행하였으며, 1kgf 로드 셀이 있는 UTM(WL2100C, WithLab)으로 수행하였다. 인공피부는 APURES의 Micropig Franz Cell Membrane(FCM)을 이용하였으며, 두개의 FCM 사이에 실시예 1에서 제조한 전극(50 mm Х 50 mm)을 위치시킨 후 에탄올을 분사하고 부드러운 압력을 가하여 부착시켰다. 그 후 50 mm min-1의 박리 속도로 실시예 1에서 제조한 전극을 박리하였고, 그 결과를 도 10에 나타내었다. 또한, 90° 박리 테스트는 50 mm Х 150 mm으로 준비한 실시예 1에서 제조한 전극을 사용하여 사람의 팔뚝에 수행되었으며, 그 결과를 도 11에 나타내었다. 도 10 및 도 11를 참조하면, 실시예 1에서 제조한 전극은 인공피부에서 0.08 N cm -1 , 사람의 피부에서 0.05 N cm -1의 계면 인성(interfacial toughness)을 보였다. 또한 시판되는 Tegaderm 필름을 사용하여 동일한 테스트를 수행한 결과, Tegaderm에서 측정된 계면 인성 값은 인공피부 및 사람의 팔뚝에서 각각 0.008 및 0.007 N cm -1였고, EcoFlex(00-30, Smooth-On, <0.04N cm -1) 및 PDMS(Sylgard 184, Dow Corning, <0.04N cm -1)와 같은 엘라스토머의 보고된 계면 인성 값에 따르면, 일 실시예에 따른 피부 부착형 전극은 인공피부와 사람의 피부 모두에 접착 특성이 우수함을 알 수 있다.
또한, 인장 시험은 접촉 면적이 30 mm Х 30 mm인 FCM과 접촉 면적이 50 mm Х 50 mm인 손등에 대해 수행되었고 그 결과를 각각 도 12 및 도 13에 나타내었다. 도 12 및 도 13을 참조하면, 실시예 1에서 제조한 전극은 인공피부 및 사람의 피부에서 각각 0.3 N cm-2 및 0.2 N cm-2의 인장 강도를 가진다.
<실험예 4> 투과율 및 전기적 특성 평가
투과율(transmittance)은 UV-가시광선 분광법을 사용하여 측정되었다. 표면저항(sheet resistance)은 four-point probe를 사용하여 측정되었다. 또한, Field-emission scanning electron microscopy(FE-SEM, IT500, JEOL Ltd)을 이용하여 피부 박리 후의 전극을 분석하였다. 또한, 화학적 안정성 평가를 위해 외부 환경에 의한 전기적 특성의 변화를 관찰하였고, 구체적으로 실시예 1에 따른 피부부착형 전극을 탈이온수, pH 4.01 버퍼 용액(Reagent Duksan), pH 6.86 버퍼 용액(Reagent Duksan) 및 주변 공기(ambient condition)에 노출시켜 저항값의 변화율을 측정했다. 저항은 최대 12시간에 걸쳐서 4시간마다 digital multimeter(Fluke)를 사용하여 측정되었다. 그 결과를 도 14 내지 도 17에 나타내었다.
도 14는 실시예 1에 따른 전극의 SEM 이미지로서, 이를 참조하면 기판에서 분리된 후 은 나노와이어가 폴리우레탄 상에 안정적으로 침투하여 임베딩된 것을 확인할 수 있다.
한편, 은 나노와이어는 코팅 방식으로 스프레이 코팅을 이용하여 사용량을 조절함에 따라 투과도 및 표면 저항을 조절할 수 있으며, 도 15 및 도 16는 각각 실시예 1에 따른 전극의 투과도 및 표면 저항을 도시한 것으로서, 이를 참조하면, 30 ohm sq-1 표면 저항을 가진 샘플은 550 nm 파장의 빛에서 약 70%의 광투과율을 보이고, 은나노와이어가 유리기판 상에 코팅된 전극(도 16에서 Bare로 표시됨)보다 은나노와이어가 PU에 임베딩된 후의 전극(도 16에서 Embedded로 표시됨)의 표면 저항이 70 ohm sq -1로 증가함을 확인할 수 있다. 이는 은나노와이어가 임베딩된 PU 전극이 기판에서 분리될 때 PU에 기계적 자극이 가해졌기 때문이다.
도 17는 외부 환경에 의한 전기적 특성의 변화를 나타낸 도면으로서, 이를 참조하면, 상대 저항값(R/Rt=0)은 탈이온수, pH 4.01 버퍼 용액, pH 6.86 버퍼 용액 및 주변 공기에 각각 12시간 노출된 후 50% 미만, 좋게는 30% 미만으로 변화했다.
<실험예 5> 스트레인 센서로의 적용
실시예 1에 따른 피부부착형 투명전극(3cm Х 0.5cm)을 모션 감지용 스트레인 센서로 제작하여 피부와의 등각 접촉성을 확인하였다. 기준 전극으로 AgNW/PDMS 전극을 사용하였으며, 상기 AgNW/PDMS 전극(3cm Х 0.5cm)은 AgNW가 스프레이 코팅된 유리 기판 상에 폴리디메틸실록산 주제, 폴리디메틸실록산 경화제를 10 : 1의 중량비로 혼합하여 제조한 분산액을 300rpm에서 15초 동안 스핀-코팅한 후, 90°C에서 1시간 동안 경화하여 제조하였다. 저항값의 변화는 digital multimeter(DMM 6500, Keithley)를 사용하여 손가락과 목에서 측정되었으며, 그 결과를 도 18 및 17에 나타내었다. 도 18을 참조하면, AgNW/PDMS 전극은 손가락을 구부림에 따라 공극이 발생하고 주름에 밀착되지 않으며 손가락 굽힘 주기(도 18의 화살표)에서 저항 변화가 나타나지 않음을 확인할 수 있다. 이와 달리, 실시예 1에 따른 전극은 PU 매트릭스가 표면상에서 에탄올에 의해 재용해가 되는 과정을 통해 생성되는 주름과 등각 접촉할 수 있어 스트레인 센서에 동작 정보를 효과적으로 전달할 수 있다. 또한, 손가락 굽힘 주기에서 저항 변화가 뚜렷하게 관찰되었다. 도 19은 식수의 움직임을 감지하기 위해 목젖에 장착되었으며, 마찬가지로 물을 마신 때(도 19의 화살표)에 저항 변화가 뚜렷이 관찰되었다.
<실험예 6> 전기생리학적 특성 평가
전기생리학적 특성 평가를 위해 임피던스 분석, ECG 및 EMG 신호 모니터링을 수행하였다. 임피던스 분석은 우선 실시예 1에 따른 전극(2 cm Х 2 cm) 및 상용 Ag/AgCl 겔 전극(1.5 cm Х 2 cm)(2223H, 3M)을 준비한 후, 도 20에서와 같이 양 전극을 팔에 1cm 간격으로 부착하고 전극을 100 mV에서 1 Hz 내지 1 MHz 범위의 주파수를 갖는 전기화학적 임피던스 분광기(SP-300, BioLogic)에 연결하여 수행되었다. 임피던스 분석 결과를 도 21에 나타내었으며, 이를 참조하면, 실시예 1에 따른 전극은 Ag/AgCl 전극보다 더 낮은 임피던스를 나타냄을 알 수 있다. 이를 통해 일 실시예에 따른 피부 부착형 투명전극은 계면 임피던스 특성을 향상시킬 수 있다.
다음으로, ECG 신호 측정은 데이터 수집 보드(심박수 모니터 센서 SKU: DFRobot의 SEN 0213)를 Arduino UNO에 연결하고 상용 Ag/AgCl 전극을 기준 전극으로 사용하여 수행되었으며, 2가지 방법으로 수행되었다.
첫번째는 기존의 Lead 1 ECG 측정으로, 실시예 1에 따른 전극, Ag/AgCl 전극 및 건조한 Ag/AgCl 전극을 오른쪽 팔, 왼쪽 팔과 왼쪽 다리에 부착하여 실시하였고 그 결과를 도 23에 나타내었다. 건조한 Ag/AgCl 전극은 부착 전 주변 공기 조건에서 2시간 동안 건조한 것으로, 전극의 하이드로겔 부분이 건조되었기 때문에 신호 대 잡음비(signal-to-noise ratio)가 낮게 나타났다. 반면, 실시예 1에 따른 전극은 건조과정을 거치지 않은 Ag/AgCl 전극과 유사하게 높은 신호 대 잡음비를 보였다.
두번째는 도 22과 같이 한쪽 팔에 장착 가능한 ECG 센서를 설계하여 실시하였고, 구체적으로 실시예 1에 따른 전극 두개와 기준 전극을 오른쪽 팔에 부착하고 왼손 손가락으로 실시예 1에 따른 전극 중 하나를 터치하여 ECG 신호를 감지하였고 그 결과를 도 24에 나타내었다. 이를 참조하면, 한쪽 팔에 장착한 ECG 센서에 의해 측정된 신호는 통상적으로 얻어지는 PQRSTU ECG 신호 형태를 띄었으나, 기존의 Lead 1 ECG 측정보다 훨씬 더 깊은 TU 밸리를 나타냈다
마지막으로, EMG 신호 측정은 데이터 수집 보드(SZH-HWS010)를 Arduino UNO에 연결하고 상용 Ag/AgCl 전극을 기준 전극으로 사용하여 수행되었고 도 25과 같이 실시예 1에 따른 전극 두개는 전완(forearm)에, 기준 전극은 상완(upper arm)에 부착되었다. EMG 신호 측정 결과를 도 26에 나타내었으며, 이를 참조하면 실시예 1에 따른 전극은 Ag/AgCl 전극과 유사한 성능으로 근전도 신호를 측정할 수 있음을 알 수 있다.
이를 통해, 일 실시예에 따른 피부 부착형 투명전극은 전기생리학적 신호를 우수하게 측정할 수 있으며, 건조에 의해 성능이 감소하는 상용 Ag/AgCl 전극이 가지는 문제가 없음을 알 수 있다. 또한, 일 실시예에 따른 피부 부착형 투명전극은 피부 자극 및 전기적 특성의 저하를 일으키는 접착제의 사용 없이도 피부에 부착할 수 있으며, 생체적합성, 광투과도 및 피부 순응도가 우수하고, 땀을 흘린 상태에서도 안정적으로 작동할 수 있는 장점을 가진다.
이상과 같이 본 명세서에서는 특정된 사항들과 한정된 실시예에 의해 본 개시가 설명되었으나 이는 본 개시의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 개시는 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 개시가 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다.
따라서, 본 명세서에 기재된 사상은 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니되며, 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 이 특허청구범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 것들은 본 명세서에 기재된 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.
10: 피부 부착형 투명전극
20: 전원공급부
1: 창상
20: 전원공급부
1: 창상
Claims (31)
- 알코올 용해성 생체적합성 탄성중합체 매트릭스 및 상기 매트릭스에 임베딩된 전도성 물질 네트워크를 포함하고,
상기 생체적합성 탄성중합체 매트릭스의 일면은 알코올에 접촉시 용해되어 피부에 등각적으로 코팅되는 것을 특징으로 하는 피부 부착형 투명전극. - 제1항에 있어서,
상기 생체적합성 탄성중합체 매트릭스의 일면은 피부의 모공의 형상을 따라 등각적으로 코팅되는, 피부 부착형 투명전극. - 제1항에 있어서,
상기 전도성 물질은 금속 나노와이어, 금속 나노입자, 금속 나노메쉬, 탄소 나노튜브, 그래핀계 화합물, 그래파이트 및 전도성 고분자로 이루어지는 군에서 선택되는 하나 또는 둘 이상의 조합인, 피부 부착형 투명전극. - 제1항에 있어서,
상기 전도성 물질은 1차원 전도성 물질을 포함하는, 피부 부착형 투명전극. - 제4항에 있어서,
상기 전도성 물질은 금속 나노와이어를 포함하는, 피부 부착형 투명전극. - 제1항에 있어서,
상기 생체적합성 탄성중합체는 유리전이온도가 -10 ℃ 이하인 열가소성 중합체인, 피부 부착형 투명전극. - 제1항에 있어서,
상기 생체적합성 탄성중합체는 폴리우레탄을 포함하는, 피부 부착형 투명전극. - 제7항에 있어서,
상기 폴리우레탄은 폴리에테르계 디올 구조단위를 포함하는, 피부 부착형 투명전극. - 제1항에 있어서,
상기 알코올은 C1-3 알코올인, 피부 부착형 투명전극. - 제1항에 있어서,
상기 생체적합성 탄성중합체는 비수용성인, 피부 부착형 투명전극. - 제1항에 있어서,
상기 생체적합성 탄성중합체는 영률(Young's modulus)이 500 kPa 이하인, 피부 부착형 투명전극. - 제1항에 있어서,
상기 생체적합성 탄성중합체의 파단 신율(Elongation at break)은 알코올이 도포된 생체적합성 탄성중합체의 파단 신율보다 크고, 증류수가 도포된 생체적합성 탄성중합체의 파단 신율보다 작은, 피부 부착형 투명전극. - 제1항에 있어서,
상기 피부 부착형 투명전극은 550 nm 내지 700 nm에서의 광투과율이 65% 이상인, 피부 부착형 투명전극. - 제1항에 있어서,
상기 피부 부착형 투명전극은 전기적 자극에 의한 창상 치유 용도를 가지는, 피부 부착형 투명전극. - 제14항에 있어서,
상기 창상은 만성 창상인, 피부 부착형 투명전극. - 제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 따른 피부 부착형 투명전극을 포함하는 웨어러블 전자 장치.
- 제16항에 있어서,
상기 웨어러블 전자 장치는 센서, 전자스킨, 플렉서블 디스플레이 또는 스트레쳐블 디스플레이인, 웨어러블 전자 장치. - 제16항에 있어서,
상기 웨어러블 전자 장치는 생리학적 신호를 감지하고 전기적인 자극의 전압, 주파수, 시간 또는 자극의 형태를 조절하는 함수 생성기를 포함하는, 웨어러블 전자 장치. - 제1항 내지 제15항 중 어느 한 항에 따른 피부 부착형 투명전극을 포함하는 창상 치유용 패드.
- 제19항에 있어서,
접착제를 실질적으로 포함하지 않는, 창상 치유용 패드. - 제19항에 있어서,
전기적 자극에 의해 창상을 치유하는, 창상 치유용 패드. - 제19항에 있어서,
이격하여 위치하는 2개 이상의 피부 부착형 투명전극 및 상기 2개 이상의 피부 부착형 투명전극 사이를 전기적으로 연결하는 전원공급부를 포함하는, 창상 치유용 패드. - 제22항에 있어서,
상기 2개 이상의 피부 부착형 투명전극 사이에 전기적으로 연결되는 함수 생성기를 더 포함하는, 창상 치유용 패드. - 제22항에 있어서,
상기 2개 이상의 피부 부착형 투명전극은 창상을 사이에 두고 이격하여 위치하는, 창상 치유용 패드. - 기판 상에 자기조립 단분자막을 형성하는 제1단계;
상기 자기조립 단분자막 상에 전도성 물질 네트워크를 형성하는 제2단계; 및
상기 전도성 물질 네트워크가 형성된 기판 상에 알코올 용해성 생체적합성 탄성중합체 용액을 도포 및 건조하여 알코올 용해성 생체적합성 탄성중합체 매트릭스에 임베딩된 전도성 물질 네트워크를 제조하는 제3단계;
를 포함하는 피부 부착형 투명전극의 제조방법. - 제25항에 있어서,
상기 제1단계는 상기 기판 상에 자기조립 단분자막 형성용 용액을 코팅하는 단계; 및 자기조립 단분자막 형성용 용액이 코팅된 상기 기판을 어닐링하는 단계; 를 포함하는 것인, 피부 부착형 투명전극의 제조방법. - 제26항에 있어서,
상기 자기조립 단분자막 형성용 용액은 불소기가 치환된 알콕시실란계 화합물 또는 불소기가 치환된 클로로실란계 화합물인, 피부 부착형 투명전극의 제조방법. - 제25항에 있어서,
상기 알코올 용해성 생체적합성 탄성중합체 매트릭스에 임베딩된 전도성 물질 네트워크를 상기 자기조립 단분자막이 형성된 기판에서 분리하는 제4단계를 더 포함하는, 피부 부착형 투명전극의 제조방법. - 피부 부착형 투명전극을 부착할 피부 부위를 알코올로 처리하는 단계;
상기 알코올로 처리된 피부 부위에 제1항 내지 제15항 중 어느 한 항에 따른 피부 부착형 투명전극을 부착하는 단계; 및
상기 피부 부착형 투명전극에 전기적 자극을 가하는 단계;
를 포함하는 창상 치유 방법. - 제29항에 있어서,
상기 피부 부착형 투명전극은 창상 부위를 사이에 두고 서로 이격하여 위치하는 2개 이상의 피부 부착형 투명전극을 포함하는, 창상 치유 방법. - 제29항에 있어서,
상기 전기적 자극은 함수 생성기를 통해 생성되는 것인, 창상 치유 방법.
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| W.-H. Yeo, Y.-S. Kim, J. Lee, A. Ameen, L. Shi, M. Li, S. Wang, R. Ma, S. H. Jin, Z. Kang, Y. Huang, J. A. Rogers, Adv. Mater. 2013, 25, 2773 |
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