WO2020130596A1 - 복수의 관통홀을 포함한, 피부에 부착 가능한 플렉서블 패치 및 상기 플렉서블 패치를 제조하는 방법 - Google Patents

복수의 관통홀을 포함한, 피부에 부착 가능한 플렉서블 패치 및 상기 플렉서블 패치를 제조하는 방법 Download PDF

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WO2020130596A1
WO2020130596A1 PCT/KR2019/017920 KR2019017920W WO2020130596A1 WO 2020130596 A1 WO2020130596 A1 WO 2020130596A1 KR 2019017920 W KR2019017920 W KR 2019017920W WO 2020130596 A1 WO2020130596 A1 WO 2020130596A1
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WO
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flexible
layer
skin
patch
flexible patch
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PCT/KR2019/017920
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French (fr)
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한지연
연한울
김은주
김지환
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㈜아모레퍼시픽
메사추세츠 인스티튜트 오브 테크놀로지
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    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B5/00—Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons

Definitions

  • the embodiments relate to a flexible patch that can be attached to the skin, and more particularly, by having a micro through-hole patterning surface, attaching to the skin having high adhesion while having strong adhesion to the skin It relates to a possible flexible patch and a method for manufacturing the same.
  • a skin sensor is attached to a subject's skin in order to obtain information about the skin, such as skin changes and conditions.
  • the skin is the outermost and largest area of the body's outermost surface organ, which is essential for preserving the homeostasis of the compound, such as sweat, seb ⁇ m secretion, and volatile organic emissions.
  • the skin sensor attached to the skin should be manufactured in consideration of the biological properties of the skin.
  • a high-quality skin sensor for monitoring a long-term health condition or skin condition must have both adhesion and breathability as essential requirements.
  • Conventional skin sensors are manufactured using polymer substrates such as PI or PET, which have low permeability, and when attached to the skin, they block the pores of the skin and interfere with the physiological activity of the skin and prevent inflammation and irritation. Provoking problems have been raised. If the chemical attachment is additionally used for a strong bond between the skin sensor and the skin, there is a possibility that the inflammation becomes more severe. Since the infected skin loses its protective function against the virus, secondary infection or complications may occur. In addition, due to the elastic modulus of the polymer substrate, which is about 1000 times larger than that of the skin, there is a problem that the adhesion to the skin is very low and thus it cannot be attached to the skin for a long time or the re-adhesion efficiency is very low.
  • a method of manufacturing the flexible patch may be provided.
  • a flexible patch that can be adhered to the skin includes: a first flexible layer having one surface adhered to the skin; A second flexible layer harder than the first flexible layer; And a plurality of holes penetrating from one surface of the flexible patch to the other surface of the flexible patch.
  • the first flexible layer and the second flexible layer include a pre-polymer and a curing agent, and a curing agent ratio of the second flexible layer is the first flexible layer. It may have a larger value than the curing agent ratio.
  • an interval between the plurality of holes may be less than 60 ⁇ m.
  • the first flexible layer or the second flexible layer may be made of a material including poly-dimethylsiloxane (PDMS).
  • PDMS poly-dimethylsiloxane
  • the flexible patch may include a plurality of circular holes.
  • the flexible patch may further include a plurality of holes of a dumbbell.
  • the thickness t1 of the first flexible layer and the thickness t2 of the second flexible layer may be determined based on the following equation:
  • t is the thickness of the flexible patch
  • E1 is the elastic modulus of the first flexible layer
  • E2 is the elastic modulus of the second flexible layer
  • R is the curvature of the flexible patch attached to the skin
  • ⁇ dSkin is the dispersion component of the skin's contact surface
  • dPatch ⁇ represents the distribution of the touch surface of the patch
  • ⁇ pSkin is the polar component of the contact surface of the skin
  • ⁇ pPatch represents the polarity component of the contact surface of the patch.
  • a method for manufacturing a flexible patch attachable to skin includes forming a first sacrificial layer on a mold having a plurality of concave grooves formed on one surface; Forming a flexible patch layer on the first sacrificial layer; Contacting the board with a flexible patch layer, and rubbing the plate or flexible layer to remove portions of the flexible patch layer beyond the grooves; And etching the first sacrificial layer to obtain a flexible patch having a plurality of holes.
  • removing the flexible layer may include: the plate comprising a substrate; And a second sacrificial layer formed on one surface of the substrate.
  • the second sacrificial layer contacts a portion of the flexible layer exceeding the groove.
  • removing the flexible patch layer may further include heating the contact portion.
  • removing the flexible layer may further include applying pressure to the contact portion between the plate and a portion of the flexible layer over the groove.
  • the flexible patch layer may be made of a material including poly-dimethylsiloxane (PDMS).
  • PDMS poly-dimethylsiloxane
  • forming the flexible patch layer may include: forming a first flexible layer on the sacrificial layer; And forming a second flexible layer that is harder than the first flexible layer on the first flexible layer.
  • the thickness t1 of the first flexible layer and the thickness t2 of the second flexible layer may be determined based on the following equation:
  • t is the thickness of the flexible patch
  • E1 is the elastic modulus of the first flexible layer
  • E2 is the elastic modulus of the second flexible layer
  • R is the curvature of the flexible patch attached to the skin
  • ⁇ dSkin is the dispersion component of the skin's contact surface
  • dPatch ⁇ represents the distribution of the touch surface of the patch
  • ⁇ pSkin is the polar component of the contact surface of the skin
  • ⁇ pPatch represents the polarity component of the contact surface of the patch.
  • forming the first sacrificial layer includes forming a first sacrificial layer by spin coating, wherein the first sacrificial layer comprises PMMA (Poly(methyl methacrylate)). It is made of, the surface of the mold can be formed with a groove capable of forming a circular through-hole.
  • PMMA Poly(methyl methacrylate)
  • forming the first sacrificial layer includes forming a first sacrificial layer by vaporization coating, wherein the first sacrificial layer is formed to have a self-assembled monolayer (SAMs) structure.
  • SAMs self-assembled monolayer
  • a groove capable of forming a circular through hole and a dumbbell through hole may be formed on the surface of the mold.
  • a flexible patch including a through hole unlike a conventional polymer-based patch having different skin and mechanical properties (e.g., elastic modulus and Poisson's ratio), the flexible material is made of a flexible material and skin and mechanical properties (e.g. elastic Use flexible materials (e.g., PDMS) with similar coefficients, Poisson's ratio. Therefore, there is no mechanical mismatch between the interfaces when bonding to the skin. Due to this, buckling and delamination do not occur in the patch, so that the patch is not damaged. As such, there is no decrease in adhesion due to buckling, peeling, and the like, and the flexible patch has strong adhesion.
  • skin and mechanical properties e.g. elastic Use flexible materials (e.g., PDMS) with similar coefficients, Poisson's ratio. Therefore, there is no mechanical mismatch between the interfaces when bonding to the skin. Due to this, buckling and delamination do not occur in the patch, so that the patch is not damaged. As such, there is no decrease in adhe
  • the flexible patch has a plurality of holes patterned in a through structure.
  • the skin is trapped inside the hole, and thus may adhere to the skin surface.
  • the hole of the flexible patch is through-type, the volume of the skin collected inside the hole increases, and thus strong adhesion can be obtained.
  • the gap between the holes is patterned to be smaller than the size of the pores (for example, the typical minimum pore size is 60 ⁇ m), thereby obtaining high breathability.
  • the flexible patch 10 may have a geometric plane (for example, a dumbbell-shaped and circular-formed plane) in which oxetic characteristics can be implemented, thereby obtaining high skin conformability and stretchability. have.
  • a geometric plane for example, a dumbbell-shaped and circular-formed plane
  • the flexible patch may be used as a substrate used to manufacture skin sensors.
  • a skin sensor having a piezoelectric resistance strain detection function to measure skin elasticity it can be used as a substrate on which a sensor circuit is integrated.
  • the flexible patch is not limited thereto, and may be used as a substrate on which semiconductor circuits having various functions can be integrated.
  • FIG. 1A and 1B are views schematically showing a flexible patch attached to a subject's skin according to embodiments of the present invention.
  • FIG. 2 is an exemplary conceptual diagram of a method of manufacturing a flexible patch according to the first embodiment of the present invention.
  • 3A is a diagram illustrating a geometric plane of a flexible patch in which a plurality of holes are formed according to the first embodiment of the present invention.
  • 3B is a diagram showing a geometric plane of a mold used to form the geometric plane of FIG. 3A according to the first embodiment of the present invention.
  • FIGS 4A to 4D are diagrams for explaining the adhesion of the bi-layer structured flexible layer attached to the skin according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 is an exemplary conceptual diagram of a method of manufacturing a flexible patch having a geometric plane associated with an oxetic structural property, according to a second embodiment of the present invention.
  • FIG. 6A is a diagram illustrating a geometric plane of a flexible patch in which oxetic structural characteristics can be implemented according to the second embodiment of the present invention.
  • FIG. 6B is a diagram showing a geometric plane of a mold used to form the geometric plane of FIG. 6A according to the second embodiment of the present invention.
  • one part When one part is said to be “above” another part, it may be directly on top of the other part or another part may be involved therebetween. In contrast, if one part is referred to as being “just above” another part, no other part is involved in between.
  • first, second and third are used to describe various parts, components, regions, layers and/or sections, but are not limited thereto. These terms are only used to distinguish one part, component, region, layer or section from another part, component, region, layer or section. Accordingly, a first portion, component, region, layer or section described below may be referred to as a second portion, component, region, layer or section without departing from the scope of the present invention.
  • a flexible patch that can be attached to the skin, having a plurality of through holes.
  • the flexible patch has strong adhesion, so that it can be attached to the skin for a long time.
  • the flexible patch has high air permeability, so that even if it is attached to the skin for a long time, it is possible to minimize the effect on the user's skin and health.
  • FIG. 1A and 1B are views schematically showing a flexible patch attached to a subject's skin according to embodiments of the present invention.
  • the flexible patch 10 is a substrate on which a semiconductor circuit unit is integrated, and is configured such that at least one surface has a viscosity that can be attached to the skin.
  • the flexible patch 10 is configured to have high air permeability and strong adhesion, including a plurality of through holes.
  • the portion 131 attached to the skin is configured to have viscosity
  • the other portion 132 is configured to have more rigid strength.
  • the portion 131 attached to the skin is configured to have a lower modulus of elasticity.
  • the other portion 132 is configured to have a higher modulus of elasticity than the portion 131 attached to the skin.
  • the flexible patch 10 can be configured to have two or more layers. This will be described in more detail with reference to step S130 below.
  • the flexible patch 10 may include a first through hole pattern to obtain strong adhesion and high air permeability.
  • the hole of the first through-hole pattern has a circular plane, and is composed of a hole H A that penetrates a cross section of the flexible patch 10.
  • the spacing between each through hole is less than 60 ⁇ m. In some embodiments, the distance between each through hole may be 50 ⁇ m.
  • circular through holes of the first through hole pattern may be repeatedly arranged on the surface of the flexible patch 10, or circular through holes of different sizes may be variously arranged.
  • a combination of a circular through hole having a relatively large diameter and a circular through hole having a smaller diameter surrounding the center may be repeatedly arranged in the center of the enlarged region of FIG. 1A.
  • the flexible patch 10 may include a second through-hole pattern composed of geometric planes that may have oxetic structural characteristics.
  • the second through-hole pattern includes a through-hole (H C ) composed of both ends of the circular through-hole (H B ) and a connecting portion connecting the both ends.
  • H C through-hole
  • H B circular through-hole
  • connecting portion connecting the both ends.
  • each end of the through hole H C is circular
  • the connection portion is formed of a dumbbell-shaped through hole (hereinafter, a dumbbell through-hole) having a rectangular shape.
  • the distance between the dumbbell through hole (H C ) and the dumbbell through hole (H C ), the distance between the dumbbell through hole (H C ) and the circular through hole (H B ), and the circular through hole (H B ) And the distance between the circular through-hole (H B ) may be configured to less than 60 ⁇ m.
  • the center of the connection portion of one dumbbell through-hole H C and the other dumbbell through-hole H C The distance between one end is 35 ⁇ m, and the distance between one end of one dumbbell through hole H C and the other round through hole H B may be 25 ⁇ m.
  • the diameter of the circular through hole (H B ) may be 50 ⁇ m, and the internal spacing of one end of the dumbbell through hole (H C ) may be 100 ⁇ m.
  • this is merely exemplary, and may be variously set based on the breathability, adhesion, and durability of the flexible patch 10.
  • the flexible patch 10 has mechanical properties similar to that of the skin, and has strong adhesion and high breathability (nearly 100%).
  • the flexible patch 10 is attached to the skin by the viscosity of a portion 131, and the skin is collected inside the through hole. For this reason, strong adhesiveness can be obtained.
  • the hole through which the skin is collected is a through hole penetrating through the cross section of the flexible patch 10, high breathability can be secured.
  • a part of the elastic modulus is configured to be somewhat high, and can sufficiently support the semiconductor circuit, and thus can be utilized to manufacture small electronic devices that need to be attached to the skin.
  • FIG. 2 is a conceptual diagram schematically showing a manufacturing process of a flexible patch according to a first embodiment of the present invention.
  • the manufacturing method of the flexible patch 10 according to the first embodiment includes forming a sacrificial layer on a mold having a plurality of concave grooves formed on one surface (S110); And forming a flexible patch layer on the sacrificial layer (S130).
  • a wet/dry etching method is used to form a geometric planar structure, such as a micro hole patterned surface, as shown in FIG. 1.
  • a relatively soft flexible material eg, PDMS, etc.
  • a shape that forms a geometric planar structure such as a hole is damaged when a dry/wet etching method is used to form the geometric planar structure.
  • a mold 110 in which a plurality of concave grooves are formed it is possible to obtain a flexible patch layer 130 whose hole shape is not broken.
  • the mold 110 is configured to have a geometric plane because a plurality of grooves are formed on one surface.
  • the cross section of the groove forming the geometric plane of the mold 110 is concavely formed into one surface, as shown in FIG. 2.
  • any material having fluidity for example, including a flexible material used to form the flexible patch layer 130, etc.
  • the optional material fills the groove.
  • a height structure corresponding to the filled groove is formed inside the groove.
  • the groove may be configured to have a single step, or may be configured to have one or more steps.
  • the flexible patch layer 130 includes a material layer that can be attached to the skin. Therefore, when the flexible patch layer 130 is directly formed on the mold 110, it is difficult to separate the flexible patch layer 130 from the mold 110, and in this process, the flexible patch layer 130 is damaged. If it occurs, there is a fear that the quality of the flexible patch 10 is impaired.
  • a sacrificial layer having an anti-sticky layer function that prevents adhesion between the flexible patch layer 130 and the mold 110 (120) is formed between the mold frame 110 and the flexible patch layer 130 (S110). By using the sacrificial layer 120, the flexible patch layer 130 can be separated without damage from the mold 110, thereby obtaining a high-quality flexible patch 10.
  • the mold 110 is not etched by the etching solution, and can maintain its shape even when a certain heat is applied, and is configured to have a certain hardness.
  • the mold 110 is made of a non-magnetic material. In one example, it may be made of a material containing silicon (Si), but is not limited thereto, and is not removed by a material that removes the sacrificial layer 120 below, and can maintain a shape even at a specific temperature or more, and mold making It can be made of various materials that are not difficult.
  • FIG. 3A is a diagram showing a geometric plane of a mold used to form the through-hole pattern of FIG. 1 according to the first embodiment of the present invention
  • FIG. 3B is a plurality according to the first embodiment of the present invention. It is a diagram showing the geometric plane of the flexible patch in which the holes of the are formed.
  • the mold 110 has a shape and distribution of grooves that allow holes to be formed having excellent characteristics of the flexible patch 10 such as breathability and adhesion.
  • the plurality of grooves formed on the surface of the mold 110 may be configured to form a circular hole pattern.
  • a mold frame 110 in which a plurality of grooves are formed with a circular edge of a groove may be used. That is, the mold 110 is composed of a structure in which a pillar surrounding a circular empty space is formed. Using the mold frame 110 of FIG. 3A, it is possible to obtain a flexible patch 10 including a through hole having a plane of FIG. 3B.
  • a groove may be formed on the surface of the mold 110 in consideration of the design of the semiconductor circuit to be integrated on the flexible patch 10.
  • a plurality of grooves formed on the surface of the mold 110 form a circular hole pattern, while the circular hole pattern surrounds one circular hole having a relatively large diameter, and the circular hole And a combination of a plurality of circular holes having a smaller diameter.
  • the plurality of grooves formed in the mold 110 may be distributed such that the distance between the holes of the flexible patch 10 is less than 60 ⁇ m.
  • Sweat pores have a variety of sizes depending on the skin location. For example, the area of the pores has a diameter of 60 ⁇ m or more, and is known to have an average diameter of 80 ⁇ m.
  • the biological functions performed by sweat such as the amount of wastes to be discharged and the temperature control, are different depending on the skin position, they are arranged at different distribution densities depending on body parts. For example, the pores are such parts are distributed at a density of 60cm -2, the palm 400 cm -2, and the forehead 180 cm -2.
  • the gap between the holes of the flexible patch 10 should be less than 60 ⁇ m.
  • the surface of the flexible patch 10 other than the hole may block the sweat hole. Accordingly, the flexible patch 10 having a gap between holes of less than 60 ⁇ m can achieve higher air permeability (eg, almost 100% air permeability).
  • the flexible patch 10 may be manufactured using a mold 10 that has a through-hole pattern with a gap between holes of 50 ⁇ m.
  • the main factor to achieve high breathability is the spacing between through holes.
  • the size of the through hole affects both adhesion and breathability. This is because the larger the size of the through hole, the larger the area of the skin in contact with the air, but the volume of the skin to be collected decreases. In embodiments of the present invention, even if the size of the through hole is small, by reducing the distance between the through holes, high air permeability and strong adhesion can be obtained.
  • the size of the through hole can be variously set within a range that does not impair adhesion.
  • the size of the holes can be set based on the design of the semiconductor circuit to be disposed on the flexible patch 10. For example, when a part of the piezoelectric element is disposed on the through-hole on the flexible patch 10, and the circuit component is disposed to measure and transmit a current change according to the deformation of the piezoelectric element, the primary piezoelectric deformation occurs
  • the element portion may be set to form a through hole having a relatively size, and the remaining portion may form a through hole having a relatively small size.
  • the sacrificial layer 120 is made of a material usable for manufacturing a semiconductor device of nano- to micro-units.
  • the sacrificial layer 120 is made of a material containing PMMA (Poly (methyl methacrylate)).
  • PMMA Poly (methyl methacrylate)
  • the present invention is not limited thereto, and the sacrificial layer 120 may be made of a material including a polymer or the like.
  • the sacrificial layer 120 is formed on one surface of the mold 110 having a concave groove by a spin coating method (S110).
  • the thickness of the sacrificial layer 120 can be prevented from being attached between the mold frame 110 and the flexible patch layer 130, and is formed to a thickness that can be easily removed by the etching solution in step S170.
  • the flexible patch layer 130 is made of a material having a flexible property to be adhered to the skin while having a flexible characteristic so that a patch shape is deformable according to the skin contour.
  • the flexible patch layer 130 may be made of an elastomer having similar mechanical properties to skin.
  • the flexible patch layer 130 may be made of a material including poly-dimethylsiloxane (PDMS).
  • PDMS poly-dimethylsiloxane
  • the flexible patch layer 130 may be formed to have a certain thickness. If the thickness of the flexible patch layer 130 is too thin, it may not be possible to obtain a durability that can be repeatedly applied to the skin multiple times. In one example, the flexible patch layer 130 may be formed to have a thickness of 75 ⁇ m or more.
  • a flexible material eg, PDMS
  • the flexible material may fill the grooves and further overflow from inside the grooves.
  • a part of the flexible patch layer 130 may be formed at a position higher than the surface of the mold 110.
  • a casting-frame structure which is often used in the present specification for the understanding of a person skilled in the art, is a flexible material filled in a groove (or filled to overflow a groove), as shown in step S130 of FIG. 2, Refers to a structure including the mold 110, the sacrificial layer 120, and the flexible material 130, and the hardness of the flexible material may be soft or hard.
  • the flexible patch layer 130 that exceeds the groove is removed (S150).
  • the plate 150 is brought into contact with a portion of the flexible patch layer 130 (ie, the excess surface) that exceeds the groove of the mold 110, and the plate 150 and/or the flexible patch layer 130 ( That is, the part exceeding the groove is removed by rubbing the casting-frame structure).
  • the plate 150 serves as a plastering board, which pushes and removes the flexible material of the excess portion.
  • the plate 150 includes a substrate 151 and a sacrificial layer 152 formed on the substrate 151.
  • the substrate 151 may have a structure suitable for performing a rubbing function (eg, a flat structure), and durability and strength.
  • the substrate 151 may be made of a non-magnetic material.
  • the substrate 151 may be glass, or may be made of a material including silicon (Si).
  • the sacrificial layer 152 may be made of a material that can be etched by an etching solution in step S170.
  • the sacrificial layer 152 may include the same material (eg, PMMA) as the sacrificial layer 120 as shown in FIG. 2.
  • the present invention is not limited thereto, and may be etched by an etching solution in step S170, and occurs in the surface of the flexible patch layer 130 after removal in the process of rubbing contact with a portion of the flexible patch layer 130 exceeding the groove. It may be made of a material that minimizes possible damage.
  • the sacrificial layer 152 may be formed on the substrate 151 by a spin coating method, but is not limited thereto, and may be formed on the substrate 151 by various coating methods.
  • the rubbing process of step S150 may further include an additional process in order to more effectively remove the excess portion.
  • step S150 may include heating a contact portion between the flexible patch layer 130 and the plate 150. For example, by applying a heat of 70° C. or more to the contact portion between the flexible patch layer 130 and the plate 150, the flexible material in a portion exceeding the groove of the mold can be more efficiently removed.
  • the strength of the contact portion is weakened (ie, has a soft structure state). Due to this, when the plate 150 is rubbed on the flexible patch layer 130 (that is, the casting-frame structure) (or the casting-frame structure is rubbed on the plate 150), the excess portion of the flexible material is caused by relative movement. It is pushed out of the area occupied by the casting-frame structure. For example, placing a support plate on a plaster plaster and rubbing it is similar to pushing the plaster plaster underneath the support plate out of the area occupied by the support plate. Eventually, the excess portion is gradually lowered in height, and as shown in FIG. 2, the top layer of the flexible material filled in the grooves coincides with the grooved surface.
  • step S150 may include a step of flipping the top and bottom so that the flexible patch layer 130 is disposed on one surface of the plate 150 during the contact process.
  • the flexible patch layer 130 ie, a casting-frame structure
  • the area of the plate 150 may be larger than the area of the casting-frame structure.
  • step S150 may further include applying pressure to a contact portion between the flexible patch layer 130 and the plate 150.
  • the pressure can be applied using a magnet, as shown in FIG. 2.
  • the casting-frame structure and the plate 150 may be disposed between the magnet 161 and the magnet 162. Due to this, pressure may be applied to the contact portion by the attraction force between the magnet 161 and the magnet 162.
  • the casting-frame structure and the plate 150 may be made of a non-magnetic material, so that interaction of attraction between the magnet 161 and the magnet 162 does not affect. As a result of strongly scrubbing the casting-frame structure and the plate 150 in step S150, the time during which the excess portion is removed may be reduced, and the efficiency of the removal process may be improved.
  • the sacrificial layer 120 is etched using the etching solution (S170). Etching is performed while adjusting the selectivity of the etching solution so as not to etch the mold 110 and the flexible patch layer 130 while etching the sacrificial layer 120.
  • the etching solution used for etching the sacrificial layer 120 may include acetone.
  • the sacrificial layer 120 is removed by immersing the casting-frame structure in which the portion of the flexible patch layer 130 exceeding the groove is removed in the etching solution, and the mold 110 and the casting (ie, flexible patch) Layer 130 is separated.
  • the separated flexible patch layer 130 includes a plurality of holes formed by grooves of the mold 110.
  • the plurality of holes are formed in a through shape because the flexible material inside the groove is matched to the surface of the mold 110 in step S150.
  • a flexible patch layer 130 including a plurality of through-holes can be obtained, and the flexible patch layer 130 including a plurality of through-holes may be used as the flexible patch 10 Can.
  • the time during which the casting-frame structure is immersed in the etching solution can be variously set.
  • the etching time of the casting-frame structure may be determined by the thickness of the groove (ie, the thickness of the flexible patch 10), the thickness of the sacrificial layer 120, the cross-sectional area where the groove and the flexible patch layer 130 abut. have.
  • step S170 the casting-form structure in the etching solution may be ultrasonicated for a more efficient etching process.
  • the flexible patch 10 manufactured by steps S110 to S170 is manufactured in a thickness of micro units, adhesion may be increased by a plurality of holes.
  • the plurality of holes is a through-hole, and even when the flexible patch 10 is attached to the skin, it does not block the skin of the attachment portion from outside air. Therefore, the flexible patch 10 is surface treated to have a micro structure only on the patch surface (for example, an octopus sucker, or a sole of a cutting board), so that only the adhesion is good, and the breathability is relatively inferior to the conventional skin patch. Alternatively, it can have both breathability and adhesion.
  • the flexible patch 10 Since the flexible patch 10 has excellent adhesion and breathability to skin, it can be used to manufacture various electronic devices that can be attached to the skin, such as a skin sensor.
  • the flexible patch 10 may have stronger adhesion due to material properties such as components and thickness of the flexible patch layer 130.
  • FIG. 4A to 4D are views for explaining the adhesion of the flexible patch 10 attached to the skin according to an embodiment of the present invention.
  • the through hole of the flexible patch 10 is a micro unit and is very small compared to the size of the flexible patch 10, and is omitted in FIG. 4 for clarity.
  • 4A is a view for explaining the principle of attachment between an object and a surface.
  • the ability of the contact object (P) to contact the surface (S) to attach to the surface (S) is in competition between structural resistance and interfacial interactions for deformation (competitive with each other in terms of reversibility and pluripotency). It is decided by. As shown in FIG. 4A, when the surface is deformed by the object P, the energy between the object P and the surface S may be expressed by the following Equation 1-4.
  • U total represents the total potential energy
  • U adhesion represents the adhesion energy between the object (P) and the surface (S)
  • U bending is the bending associated with the resistance of the surface (S) deformed by the object (P) Energy.
  • the sign of the attachment energy and the bending energy only indicates the direction of interaction, and in other embodiments, the sign of the attachment energy may be expressed as +, and the sign of the bending energy may be expressed as -.
  • W is the work of adhesion (unit is N m -1 )
  • b is the length of the object (P) attached to the surface
  • R is the curvature
  • ⁇ is the contact between the object (P) and the surface (S) It represents the contact angle, which is the angle from the center of the part to the point where the abutting part ends.
  • D is the flexural rigidity of the object P, which is determined by the Young's modulus of the object P and the thickness of the object.
  • the surface S corresponds to the skin surface
  • the object P is a flexible patch (including the flexible patch layer 130 having a through hole) 10). Accordingly, the flexural strength D for the flexible patch 10 is determined by the elastic modulus E of the flexible patch layer 130 and the thickness t of the flexible patch layer 130.
  • the patch 10 has a high flexural strength D when it is made of a material having a large modulus of elasticity (eg, a stiff material), and/or when the thickness is thick. Accordingly, the flexible patch 10 can be stably attached on the skin surface when the flexural strength D of the flexible patch 10 decreases and/or when the adhesion between the skin surface and the flexible patch 10 is large.
  • a material having a large modulus of elasticity eg, a stiff material
  • the flexible patch 10 When the elastic modulus E of the flexible patch 10 is low, the flexible patch 10 can stably adhere on the skin surface when the thickness of the flexible patch 10 is thin.
  • the adhesion energy between the flexible patch 10 and the surface of the skin increases, the adhesion of the flexible patch 10 is enhanced.
  • the adhesion energy between the skin surface and the flexible patch 10 depends on the attachment work W.
  • the attachment work W between the flexible patch 10 and the surface of the skin is expressed by the following equation (6).
  • ⁇ d denotes a dispersive component of surface
  • ⁇ p denotes a polar component of surface
  • ⁇ dPatch denotes the variance of the touch surface of the patch (10)
  • ⁇ pSkin is the polar component of the contact surface of the skin
  • ⁇ pPatch patch 10 Ingredients.
  • the flexible patch 10 is configured based on Equation 6 above.
  • the flexible patch 10 can be utilized to manufacture a skin sensor.
  • a PDMS patch 10 with an exemplary elastic modulus of 1 MPa sufficient to support micro-element micro-elements in the micro-thickness range can be attached to the skin.
  • ⁇ d and ⁇ p of the skin surface are different for each site, but the maximum and minimum ranges of the variables are known as shown in Table 1 below.
  • a single flexible patch 10 having a modulus of elasticity lower than 1 MPa may have stronger adhesion if it has a thickness of less than 80 ⁇ m.
  • one layer of the flexible patch 10 having a modulus of elasticity lower than 1 MPa is suitable for adherence to the skin surface even at a thickness of 80 ⁇ m or more. For example, even when the thickness of one layer attached to the skin surface is 100 ⁇ m, it may be possible to adhere to the skin.
  • flexural strength D is related to the ability of the flexible patch 10 to be attached, and also to the ability to maintain the shape of the flexible patch 10. Referring to Equations 4 and 5, when the elastic modulus E of the flexible patch 10 is low, the flexible patch 10 is stably attached on the skin surface when the thickness of the flexible patch 10 is thin. Can.
  • the flexible patch 10 may have a flexural strength.
  • the flexible patch 10 may be formed of one or more layers so as to have stronger adhesion and sufficient flexural strength to support other components (eg, including electrodes, semiconductor devices, interactions, etc.). Can be configured.
  • the flexible patch layer 130 formed on the sacrificial layer 120 may include one or more sub-layers.
  • 4B is a view for explaining a flexible patch 10 having a bi-layer structure having different elastic moduli, according to an embodiment of the present invention.
  • the flexible patch 10 having a bi-layer structure includes two sub layers having different rigidities (the first flexible layer 131 of FIG. 4B and the second flexible layer 133). can do.
  • the first flexible layer 131 attached to the skin has a lower flexural strength D1 than the flexural strength D2 of the second flexible layer 132 not attached to the skin.
  • the first flexible layer 131 has an elastic modulus E1 of 0.04 MPa
  • the second flexible layer 132 has an elastic modulus E2 of 1 MPa, so that the first flexible layer The layer 131 may be formed more smoothly.
  • the flexible patch layer 130 may include a first flexible layer 131 and a second flexible layer 132 including a pre-polymer and a curing agent.
  • the second flexible layer 132 may be configured to have a larger curing agent ratio than the curing agent ratio of the first flexible layer 131.
  • the first flexible layer 131 may have a pre-polymer to curing agent ratio of 40:1
  • the second flexible layer 132 may have a pre-polymer to curing agent ratio of 10. It can consist of :1.
  • the flexural strength D of the first flexible layer 131 and the second flexible layer 132 is determined differently due to the difference in ratio of the curing agent.
  • the first flexible layer 131 is relatively soft and sticky compared to the second flexible layer 132, and the flexible patch 10 can be attached to the skin To do.
  • the relatively rigid second flexible layer 132 allows the flexible patch 10 to serve as a support (eg, a substrate) for integrating micro-scale devices when the flexible patch 10 is used to manufacture a skin sensor or the like.
  • the thicknesses of the first flexible layer 131 and the second flexible layer 132 may be different from each other.
  • the flexural strength D is determined depending on the elastic modulus E and the thickness.
  • FIG. 4C is a view for explaining a flexible patch 10 having a bi-layer structure having different thicknesses according to a first embodiment of the present invention
  • FIG. 4D is a bi according to the first embodiment of the present invention.
  • -It is a graph showing the characteristics of the flexible patch according to the thickness of the layer structure.
  • the first flexible layer 131 attached to the skin may be formed.
  • the first flexible layer 131 may be configured to have a low modulus of elasticity (eg, 0.04 Mpa) to enable proper adhesion to the skin surface.
  • a second rigid layer flexible 132 may be further formed to facilitate handling by appropriately controlling bending of the flexible patch 10.
  • the second flexible layer 132 may be configured to have a higher modulus of elasticity (eg, 1 MPa) than that of the first flexible layer 131.
  • the attached flexible patch 10 is stretched due to the characteristic of the skin surface having a generally curved structure.
  • the stretched flexible patch 10 is applied with a restoring force (F ret ) to return to before stretching.
  • the resilience (F ret ) may be analyzed as in Equation 7 below.
  • the first flexible layer 131 and the second flexible layer 132 of the flexible patch 10 may have the same tensile stress ( ⁇ ) and tensile strain ( ⁇ ) when made of the same material (eg, PDMS). .
  • F1 is the first flexible layer 131 attached to the skin
  • F2 represents the respective resilience applied to the second flexible layer 132 attached to the skin
  • t1 represents the thickness of the first flexible layer 131
  • t2 represents the thickness of the second flexible layer 132.
  • Equation 8 The total elastic modulus Eeq of the bi-layer structured flexible patch 10 may be expressed by Equation 8 below.
  • the effective elastic modulus of the flexible patch 10 and the flexural strength Rigidity can be calculated by Equation 8 above, and the result is shown in FIG. 4D.
  • the first flexible layer 131 and the second flexible layer 132 included in the bi-layer structured flexible patch 10 refer to Equation 8 above, and an article (eg, a skin) in which the flexible patch 10 is utilized It may be formed to have a thickness and elastic modulus suitable for the function of the sensor).
  • the flexible patch layer 130 having a bi-layer structure is merely exemplary, and the flexible patch layer 130 of the present invention is not interpreted as being limited to a bi-layer structure.
  • the flexible patch layer 130 may be formed in a mono layer or triple layer structure.
  • the flexible patch layer 130 may be formed in a mono layer structure including only the second flexible layer 133.
  • the flexible patch layer 130 may be formed of a triple layer structure including a rigid second flexible layer positioned between two soft first flexible layers.
  • the triple layer structure flexible patch layer 130 may include two first flexible layers having different thicknesses.
  • the first flexible layer of the portion attached to the skin may be formed with a thickness of 10 ⁇ m, and the first flexible layer on the opposite side may be formed with a thickness of 100 ⁇ m.
  • 1MPa disclosed as an elastic modulus supporting a micro device in a micro unit is merely exemplary, and the second flexible layer 132 included in the flexible patch 10 may have a different elastic modulus.
  • the flexible patch 10 may be manufactured using the sacrificial layer 120, and thus may have high durability because no damage occurs in the process of obtaining the flexible patch layer 130 having a micro unit thickness.
  • the flexible patch 10 has a plurality of through-holes and one or more multi-layer structures, excellent breathability and adhesion can be obtained.
  • FIG. 5 is an exemplary conceptual diagram of a method of manufacturing a flexible patch having a geometric plane associated with an oxetic structural property, according to a second embodiment of the present invention.
  • the flexible patch 10 may have higher breathability and/or strong adhesion due to the structure of the mold frame 110 that determines the shape, distribution, pattern, and the like of the holes formed in the flexible patch 10.
  • FIG. 6A is a diagram showing a geometric plane of a mold used to form the geometric plane of FIG. 6A according to the second embodiment of the present invention
  • FIG. 6B is oxetic according to the second embodiment of the present invention It is a diagram showing a geometric plane of a flexible patch in which structural characteristics can be implemented.
  • the flexible patch 10 may further include a plurality of through-holes in which the flat shape is a dumbbell.
  • the flexible patch 10 may have characteristics generated by the oxetic structure (ie, oxetic structure characteristics).
  • the auxetic structure generally refers to a structure in which its dimension increases in a direction orthogonal to the first direction when a tensile force is applied in the first direction.
  • the oxetic structure can be described as having a length, width and thickness, when the oxetic structure is subjected to a tensile force in the longitudinal direction, the width is increased.
  • the length and width are increased when the oxetic structure is stretched in the longitudinal direction, and the width and length are increased when stretched in the transverse direction, but the thickness is not bidirectional.
  • This oxetic structure is characterized by having a negative Poisson's Ratio.
  • both ends are circular and the center connecting the circles at both ends is composed of a pillar having a thickness smaller than the diameter of both ends, when a hole in the form of a dumbbell and a circular hole are formed in the flexible patch 10 (ie, a dumbbell -When a through hole of a dumbbell-hole pattern is formed.
  • the flexible patch 10 in which such a through hole is formed may have oxet structure characteristics. That is, the mold frame 110 is composed of a structure in which a column surrounding the empty space in the form of a circle and/or dumbbell is formed. Using the mold frame 110 of FIG. 6A, it is possible to obtain a flexible patch 10 including a through hole having a plane of FIG. 6B.
  • the spacing between holes can be formed to less than 60 ⁇ m as described above to obtain high breathability.
  • the through-hole a dumbbell ( The distance between one end of H C ) and the other round through hole H B may be 25 ⁇ m.
  • the diameter of the circular through hole (H B ) may be 50 ⁇ m
  • the internal spacing of one end of the dumbbell through hole (H C ) may be 100 ⁇ m.
  • this is merely exemplary, and may be variously set based on the breathability, adhesion, and durability of the flexible patch 10.
  • a dumbbell-shaped hole and a circular hole are formed in the method of manufacturing the flexible patch 10 according to the second embodiment.
  • a sacrificial layer 120 is formed on a mold 110 having a plurality of grooves (S110).
  • a sacrificial layer 120 may be formed to manufacture the flexible patch 10 having holes formed at intervals of several tens of micro units, such as 60 ⁇ m intervals (S130).
  • the PDMS patch layer 130 cannot be separated from the mold 110.
  • the formwork 110 is configured to form a through hole in a circular and dumbbell form, so that the contact area between the formwork 110 and the PDMS patch layer 130 increases compared to the first embodiment, and also, the spacing of the formwork 110 This is because the narrowing causes the PMMA spin coating to become unbalanced.
  • the sacrificial layer 120 is formed on the mold 110 using a vaporization coating method (S130).
  • the vaporization coating method may be self-assembled monlyaer (SAMs).
  • SAMs self-assembled monlyaer
  • the sacrificial layer 120 and the flexible patch layer 130 are formed on the mold frame 110 having a geometric plane associated with the oxetic structural properties (S110, S130), and the flexible patch layer 130 exceeds the groove ) After removing the portion (S150 ), the sacrificial layer 120 is etched to obtain a flexible patch 10 having a geometric plane having oxetic structural characteristics.
  • the flexible patch 10 according to the second embodiment causes a moisture change of about 6% when comparing the amount of change in skin moisture before and after attachment. That is, even if the flexible patch 10 is attached, almost no moisture loss occurs in the skin.
  • the flexible patch according to the embodiments of the present invention has similar mechanical properties to skin, and has a through hole and has strong adhesion and high breathability.
  • the flexible patch can be used as a substrate for various electronic devices attached to the skin, such as a skin sensor, and thus can be used infinitely in various technical fields that can utilize skin-related electronic devices such as the healthcare field and the beauty field.

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Abstract

실시예들은 일 표면이 피부에 접착 가능하고, 마이크로 단위의 반도체 소자를 지지할 수 있도록 구성된 플렉서블 패치층; 및 상기 플렉서블 패치의 일 표면에서 상기 플렉서블 패치의 다른 일 표면까지 관통되는 복수의 홀을 포함하는, 피부에 부착 가능한 플렉서블 패치 및 상기 플렉서블 패치를 제조하는 방법에 관련된다.

Description

복수의 관통홀을 포함한, 피부에 부착 가능한 플렉서블 패치 및 상기 플렉서블 패치를 제조하는 방법
관련 출원에 대한 상호 참조
본 출원은 2018년 12월 18일자로 출원된 미국 특허출원 제 16/223,623호 그리고 2019년 7월 2일자로 출원된 한국 특허출원 제10-2019-0079399호에 대한 우선권을 주장하며, 이들 출원 내용 전체가 본 출원에 참조로서 통합된다.
실시예들은 피부에 부착 가능한 플렉서블 패치(flexible patch)에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 마이크로 관통홀(micro through-hole) 패터닝 표면을 가짐으로써 피부에 대하여 강한 부착력을 가지면서 높은 통기성을 갖는 피부에 부착 가능한 플렉서블 패치 및 이를 제조하는 방법에 관한 것이다.
산업 및 경제발전으로 생활이 윤택해짐에 따라, 대다수의 현대인들은 단순히 건강한 삶을 영위하고자 하는 욕구를 넘어, 더욱 젊고 아름다운 얼굴 및 신체를 갖고 유지하고자 하는 욕구를 가지고 있다. 이러한 현대인들의 욕구를 충족해주고자, 자신의 건강 상태, 특히 피부 상태를 지속적으로 모니터링할 수 있게 해주는 (예컨대, 스킨 센서와 같은) 피부 적합형 전자 감지 기술(skin-conformable electronic sensing technology)에 대한 관심이 높아지고 있다.
일반적으로 피부의 변화, 상태 등과 같은 피부에 관한 정보를 얻기 위해서는 스킨 센서를 대상자의 피부에 부착한다. 그러나, 피부는 신체의 가장 바깥쪽에 위치하고 가장 큰 면적을 갖는 외부 표면 기관으로서, 화합물인체의 항상성(homeostasis)을 보존하는 데 필수적인, 땀, 피지 분비물 (sebμm secretion), 휘발성 유기 배출물과 같은, 숨구멍을 기반으로 하는 다양한 생리학적 행동이 수행된다. 피부에 부착되는 스킨 센서는 전술한 피부의 생물학적 특성을 고려해서 제작되어야 한다.
따라서, 장기간의 건강 상태, 또는 피부 상태를 모니터링하는 고품질의 스킨 센서는 부착성과 통기성을 모두 필수적 요건으로 가져야 한다.
종래의 스킨 센서는 낮은 침투성(poor permeability)를 갖는, PI 또는PET 등의 고분자 기판을 이용하여 제조되기 때문에, 피부에 부착될 경우 피부의 숨구멍을 막게 되어 피부의 생리 활동을 방해하고 염증과 자극을 유발하는 문제가 제기되어왔다. 스킨 센서와 피부 사이의 강력한 접합을 위해 화학 부착제가 추가로 사용되는 경우 염증이 더욱 심해질 가능성도 있다. 감염된 피부는 바이러스에 대한 보호 기능을 상실하기 때문에, 2차 감염이나 합병증이 발생할 수 있다. 또한, 피부보다 1000배 정도 큰 고분자 기판의 탄성계수 (elastic modulus)에 기인하여 피부에 대한 부착력이 매우 낮아 피부에 오랜 시간 붙이지 못하거나, 재 부착 효율이 매우 떨어지는 문제도 있다.
이를 극복하기 위해 피부의 기계적 성질과 유사한 PDMS 등의 탄성중합체 (elastomer)를 기반으로 부착 표면이 문어 빨판, 또는 도마뱀 발바닥과 같은 마이크로 구조를 갖는 스킨 센서의 개발이 시도되고 있으나, 이러한 마이크로 구조는 표면 상에만 존재하는, 비관통형 구조이다. 따라서, 제조 과정이 복잡하고, 소형화가 어려운 한계가 있다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 마이크로 홀(micro-hole) 패터닝 표면을 가짐으로써 피부에 대하여 높은 부착력을 가지면서 높은 통기성을 갖는 플렉서블 패치를 제공할 수 있다.
이외에 상기 플렉서블 패치를 제조하는 방법을 제공할 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따른 피부에 접착 가능한 플렉서블 패치는, 일 표면이 피부에 접착 가능한 제1 플렉서블 층; 상기 제1 플렉서블 층 보다 단단한 제2 플렉서블 층; 및 상기 플렉서블 패치의 일 표면에서 상기 플렉서블 패치의 다른 일 표면까지 관통되는 복수의 홀을 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 제1 플렉서블 층 및 제2 플렉서블 층은, 전-폴리머(pre-polymer) 및 경화제(curing agent)를 포함하며, 상기 제2 플렉서블 층의 경화제 비율은 상기 제1 플렉서블 층의 경화제 비율 보다 더 큰 값을 가질 수 있다.
일 실시예에서, 상기 복수의 홀 사이의 간격은 60μm 미만일 수 있다.
일 실시예에서, 상기 제1 플렉서블 층 또는 제2 플렉서블 층은 PDMS(Poly-dimethylsiloxane)을 포함하는 물질로 이루어질 수 있다.
일 실시예에서, 상기 플렉서블 패치는 원형의 복수의 홀을 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 플렉서블 패치는 아령형(dumbbell)의 복수의 홀을 더 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 제1 플렉서블 층의 두께(t1) 및 제2 플렉서블 층의 두께(t2)는 다음의 수학식에 기초하여 결정될 수 있다:
Figure PCTKR2019017920-appb-img-000001
그리고 t는 플렉서블 패치의 두께, E1은 제1 플렉서블 층의 탄성 계수, E2는 제2 플렉서블 층의 탄성 계수, R은 피부에 부착된 플렉서블 패치의 곡률, γ dSkin은 피부의 접촉 표면의 분산 성분, γ dPatch는 패치의 접촉 표면의 분산 성분을 나타내고, γ pSkin은 피부의 접촉 표면의 극성 성분, γ pPatch는 패치의 접촉 표면의 극성 성분을 나타낸다.
본 발명의 다른 일 측면에 따른 피부에 부착 가능한 플렉서블 패치 제조 방법은, 제1 희생층을 일 표면에 복수의 오목한 홈이 형성되어 있는 형틀 상에 형성하는 단계; 플렉서블 패치층을 상기 제1 희생층 상에 형성하는 단계; 판(board)을 플렉서블 패치층에 접촉시키고, 상기 판 또는 플렉서블 층을 문질러(rubbing) 홈을 초과한 플렉서블 패치층 부분을 제거하는 단계; 및 복수의 홀을 갖는 플렉서블 패치를 얻기 위해 상기 제1 희생층을 식각하는 단계를 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 플렉서블 층을 제거하는 단계는, 상기 판은 기판; 및 상기 기판(substrate)의 일 표면 상에 형성된 제2 희생층을 포함할 수 있다. 여기서, 상기 제2 희생층은 상기 홈을 초과한 플렉서블 층의 부분과 접촉한다.
일 실시예에서, 상기 플렉서블 패치층을 제거하는 단계는, 상기 접촉 부분을 가열하는 단계를 더 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 플렉서블 층을 제거하는 단계는, 상기 판과 홈을 초과한 플렉서블 층의 부분 간의 접촉 부분에 압력을 가하는 단계를 더 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 플렉서블 패치층은 PDMS(Poly-dimethylsiloxane)를 포함하는 물질로 이루어질 수 있다.
일 실시예에서, 상기 플렉서블 패치층을 형성하는 단계는, 상기 희생층 상에 제1 플렉서블 층을 형성하는 단계; 및 상기 제1 플렉서블 층 상에 상기 제1 플렉서블 보다 단단한 제2 플렉서블 층을 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 제1 플렉서블 층의 두께(t1) 및 제2 플렉서블 층의 두께(t2)는 다음의 수학식에 기초하여 결정될 수 있다:
Figure PCTKR2019017920-appb-img-000002
그리고 t는 플렉서블 패치의 두께, E1은 제1 플렉서블 층의 탄성 계수, E2는 제2 플렉서블 층의 탄성 계수, R은 피부에 부착된 플렉서블 패치의 곡률, γ dSkin은 피부의 접촉 표면의 분산 성분, γ dPatch는 패치의 접촉 표면의 분산 성분을 나타내고, γ pSkin은 피부의 접촉 표면의 극성 성분, γ pPatch는 패치의 접촉 표면의 극성 성분을 나타낸다.
일 실시예에서, 상기 제1 희생층을 형성하는 단계는, 스핀 코팅에 의해 제1 희생층을 형성하는 단계를 포함하되, 상기 제1 희생층은 PMMA(Poly(methyl methacrylate))를 포함하는 물질로 이루어지고, 상기 형틀의 표면에는 원형 관통홀을 형성 가능한 홈이 형성될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 제1 희생층을 형성하는 단계는, 기화 코팅에 의해 제1 희생층을 형성하는 단계를 포함하되, 상기 제1 희생층은 SAMs(self-assembled monolayer) 구조를 갖도록 형성되며, 상기 형틀의 표면에는 원형 관통홀 및 아령형 관통홀을 형성 가능한 홈이 형성될 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따른 관통홀을 포함한 플렉서블 패치는, 피부와 기계적 성질(예컨대, 탄성계수 및 포아송비)가 상이한 종래의 폴리머 기반의 패치와 달리, 플렉서블 물질로 피부와 기계적 성질(예컨대, 탄성 계수, 포아송비)이 유사한 플렉서블 물질(예컨대, PDMS)를 이용한다. 따라서, 피부와 접착 시 계면 간 기계적 불일치(mechanical mismatch)가 발생하지 않는다. 이로 인해, 패치에 버클링(buckling), 박리(delamination)가 발생하지 않아 패치의 손상이 발생하지 않는다. 이와 같이, 버클링, 박리 등에 따른 부착성 저하가 발생하지 않아, 상기 플렉서블 패치는 강한 부착성을 가진다.
나아가, 플렉서블 패치는 관통 구조로 패터닝된 복수의 홀을 가지고 있다. 피부 표면의 부착을 위해 외력이 적용되는 경우, 홀 내부에 피부가 포집되고, 이로 인해 피부 표면에 부착될 수 있다. 특히, 플렉서블 패치의 홀은 관통형이므로, 홀 내부에 포집되는 피부 부피가 많아져 강한 부착성을 가질 수 있다.
또한, 홀 간의 간격은 땀구멍의 크기(예컨대, 일반적인 최소 땀구멍은 60μm) 보다 작도록 패터닝되어 높은 통기성을 얻을 수 있다.
또한, 플렉서블 패치(10)는 옥세틱 특성이 구현 가능한 기하학적 평면(예컨대, 아령(dumbbell) 형상 및 원형이 형성된 평면)을 가질 수 있어, 높은 피부 적합성(skin conformability) 및 신축성(stretchability)을 얻을 수 있다.
상기 플렉서블 패치는 스킨 센서를 제조하는데 이용되는 기판으로 활용될 수 있다. 예를 들어, 피부 탄력을 측정하기 위해 압전 저항 변형 감지 기능을 갖는 스킨 센서를 제조하는데 있어서, 센서 회로가 집적되는 기판으로 활용될 수 있다. 그러나, 상기 플렉서블 패치는 이에 제한되지 않고, 다양한 기능을 갖는 반도체 회로가 집적될 수 있는 기판으로 활용될 수 있다.
본 발명 또는 종래 기술의 실시예의 기술적 해결책을 보다 명확하게 설명하기 위해, 실시예에 대한 설명에서 필요한 도면이 아래에서 간단히 소개된다. 하나 이상의 도면에서 도시된 유사한 요소를 식별하기 위해 동일한 참조 번호가 사용된다. 아래의 도면들은 본 명세서의 실시예를 설명하기 목적일 뿐 한정의 목적이 아니라는 것으로 이해되어야 한다. 또한, 설명의 명료성을 위해 아래의 도면들에서 과장, 생략 등 다양한 변형이 적용된 일부 요소들이 도시될 수 있다.
도 1a 및 도 1b는, 본 발명의 실시예들에 따른, 피험자의 피부에 부착되는 플렉서블 패치를 개략적으으로 도시한 도면이다.
도 2는, 본 발명의 제1 실시예에 따른, 플렉서블 패치를 제조하는 방법의 예시적인 개념도이다.
도 3a는, 본 발명의 제1 실시예에 따른, 복수의 홀이 형성된 플렉서블 패치의 기하학적 평면을 도시한 도면이다.
도 3b는, 본 발명의 제1 실시예에 따른, 도 3a의 기하학적 평면을 형성하는데 이용되는 형틀의 기하학적 평면을 도시한 도면이다.
도 4a 내지 도 4d는, 본 발명의 제1 실시예에 따른, 피부에 부착되는 바이 레이어 구조의 플렉서블 층의 부착성을 설명하기 위한 도면이다.
도 5은, 본 발명의 제2 실시예에 따른, 옥세틱 구조 특성에 연관된 기하학적 평면을 갖는 플렉서블 패치를 제조하는 방법의 예시적인 개념도이다.
도 6a는, 본 발명의 제2 실시예에 따른, 옥세틱 구조 특성이 구현될 수 있는 플렉서블 패치의 기하학적 평면을 도시한 도면이다.
도 6b는, 본 발명의 제2 실시예에 따른, 도 6a의 기하학적 평면을 형성하는데 이용되는 형틀의 기하학적 평면을 도시한 도면이다.
어느 부분이 다른 부분의 "위에" 있다고 언급하는 경우, 이는 바로 다른 부분의 위에 있을 수 있거나 그 사이에 다른 부분이 수반될 수 있다. 대조적으로 어느 부분이 다른 부분의 "바로 위에" 있다고 언급하는 경우, 그 사이에 다른 부분이 수반되지 않는다.
제1, 제2 및 제3 등의 용어들은 다양한 부분, 성분, 영역, 층 및/또는 섹션들을 설명하기 위해 사용되나 이들에 한정되지 않는다. 이들 용어들은 어느 부분, 성분, 영역, 층 또는 섹션을 다른 부분, 성분, 영역, 층 또는 섹션과 구별하기 위해서만 사용된다. 따라서, 이하에서 서술하는 제1 부분, 성분, 영역, 층 또는 섹션은 본 발명의 범위를 벗어나지 않는 범위 내에서 제2 부분, 성분, 영역, 층 또는 섹션으로 언급될 수 있다.
여기서 사용되는 전문 용어는 단지 특정 실시예를 언급하기 위한 것이며, 본 발명을 한정하는 것을 의도하지 않는다. 여기서 사용되는 단수 형태들은 문구들이 이와 명백히 반대의 의미를 나타내지 않는 한 복수 형태들도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함하는"의 의미는 특정 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소 및/또는 성분을 구체화하며, 다른 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소 및/또는 성분의 존재나 부가를 제외시키는 것은 아니다.
"아래", "위" 등의 상대적인 공간을 나타내는 용어는 도면에서 도시된 한 부분의 다른 부분에 대한 관계를 보다 쉽게 설명하기 위해 사용될 수 있다. 이러한 용어들은 도면에서 의도한 의미와 함께 사용중인 장치의 다른 의미나 동작을 포함하도록 의도된다. 예를 들면, 도면중의 장치를 뒤집으면, 다른 부분들의 "아래"에 있는 것으로 설명된 어느 부분들은 다른 부분들의 "위"에 있는 것으로 설명된다. 따라서 "아래"라는 예시적인 용어는 위와 아래 방향을 전부 포함한다. 장치는 90° 회전 또는 다른 각도로 회전할 수 있고, 상대적인 공간을 나타내는 용어도 이에 따라서 해석된다.
다르게 정의하지는 않았지만, 여기에 사용되는 기술용어 및 과학용어를 포함하는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 일반적으로 이해하는 의미와 동일한 의미를 가진다. 보통 사용되는 사전에 정의된 용어들은 관련기술문헌과 현재 개시된 내용에 부합하는 의미를 가지는 것으로 추가 해석되고, 정의되지 않는 한 이상적이거나 매우 공식적인 의미로 해석되지 않는다.
본 발명의 실시예들에 의하면, 복수의 관통홀을 갖는, 피부에 부착 가능한 플렉서블 패치를 제조할 수 있다. 상기 플렉서블 패치는 강한 부착성을 가지고 있어, 피부에 장시간 부착이 가능하다. 또한, 상기 플렉서블 패치는 높은 통기성을 가지고 있어, 피부에 장시간 부착해도 사용자의 피부, 건강에 미치는 영향을 최소화할 수 있다.
이하에서, 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들에 대하여 상세히 살펴본다.
도 1a 및 도 1b는, 본 발명의 실시예들에 따른, 피험자의 피부에 부착되는 플렉서블 패치를 개략적으으로 도시한 도면이다.
도 1을 참조하면, 플렉서블 패치(10)는 반도체 회로 유닛이 집적되는 기판으로서, 적어도 일 표면이 피부에 부착 가능한 점성을 갖도록 구성된다. 또한, 플렉서블 패치(10)는 복수의 관통홀을 포함하여 높은 통기성 및 강한 부착성을 갖도록 구성된다.
실시예들에 따른 플렉서블 패치(10)에서, 피부에 부착되는 부분(131)은 점성을 갖도록 구성되고, 다른 일 부분(132)은 보다 단단한 강도를 갖도록 구성된다. 예를 들어, 피부에 부착되는 부분(131)은 보다 낮은 탄성계수를 갖도록 구성된다. 다른 일 부분(132)은 피부에 부착되는 부분(131) 보다 높은 탄성계수를 갖도록 구성된다.
일 실시예에서, 플렉서블 패치(10)는 둘 이상의 층을 갖도록 구성될 수 있다. 이에 대해서는 아래의 단계(S130)를 참조하여 보다 상세하게 서술한다.
플렉서블 패치(10)는 강한 부착성 및 높은 통기성을 얻기 위해 제1 관통홀 패턴을 포함할 수 있다. 상기 제1 관통홀 패턴의 홀은 평면이 원형이고, 플렉서블 패치(10)의 단면을 관통하는 형태의 홀(H A)로 구성된다.
일 실시예에서, 각 관통홀 간의 간격이 60μm미만으로 구성된다. 일부 실시예에서, 각 관통홀 간의 간격은 50μm일 수 있다.
상기 제1 관통홀 패턴의 관통홀은 플렉서블 패치(10) 표면 상에 동일한 크기의 원형 관통홀이 반복 배치될 수도 있거나, 또는 상이한 크기의 원형 관통홀이 다양하게 배치될 수도 있다. 일 예에서, 도 1a의 확대 영역의 가운데에 상대적으로 큰 직경을 갖는 원형 관통홀과 그 주위를 보다 작은 직경을 갖는 원형 관통홀들이 둘러싸도는 조합이 반복하여 배치될 수 있다.
다른 일 실시예에서, 플렉서블 패치(10)는 옥세틱 구조 특성을 가질 수 있는 기하학적 평면으로 구성된 제2 관통홀 패턴을 포함할 수 있다. 상기 실시예에서, 제2 관통홀 패턴은 원형 관통홀(H B) 양 단과 상기 양 단을 연결하는 연결부로 구성된 관통홀(H C)을 포함한다. 도 1b에 도시된 바와 같이, 상기 관통홀(H C)은 각 단이 원형이고, 연결부는 직사각형 형태인 아령 형태의 관통홀(이하, 아령 관통홀(dumbbell through-hole)로 구성된다.
제2 관통홀 패턴에서 아령 관통홀(H C)과 아령 관통홀(H C) 간의 간격, 아령 관통홀(H C)과 원형 관통홀(H B) 간의 간격, 및 원형 관통홀(H B)과 원형 관통홀(H B) 간의 간격은 60μm이하로 구성될 수 있다.
일 예에서, 도 1b에 도시된 것과 같은 제2 관통홀 패턴을 포함한 플렉서블 패치(10)에 있어서, 하나의 아령 관통홀(H C)의 연결부 중심과 다른 하나의 아령 관통홀(H C)의 일 단 간의 간격은 35μm이고, 하나의 아령 관통홀(H C)의 일 단과 다른 하나의 원형 관통홀(H B) 간의 간격은 25μm일 수도 있다. 또한, 원형 관통홀(H B)의 직경은 50μm, 아령 관통홀(H C) 일 단의 내부 간격은 100μm일 수 있다. 그러나, 이는 단지 예시적인 것으로서, 플렉서블 패치(10)의 통기성, 부착성 및 내구성 등에 기초하여 다양하게 설정될 수 있다.
이와 같은 플렉서블 패치(10)는 피부와 유사한 기계적 특성을 갖고 있으며, 강한 부착성 및 (거의 100%인) 높은 통기성을 갖는다. 플렉서블 패치(10)는 일 부분(131)의 점성에 의해 피부에 부착되면서, 상기 관통홀 내부에 피부가 포집된다. 이로 인해, 강한 부착성을 가질 수 있다. 또한, 피부가 포집되는 홀은 플렉서블 패치(10)의 단면을 관통하는 관통홀이므로, 높은 통기성을 확보할 수 있다.
또한, 일부가 탄성계수가 다소 높도록 구성되어, 반도체 회로를 충분히 지지할 수 있어, 피부에 부착될 필요가 있는 소형 전자 기기를 제조하는데 활용될 수 있다.
<제1 실시예>
도 2는, 본 발명의 제1 실시예에 따른, 플렉서블 패치의 제조 과정을 개략적으로 도시한 개념도이다.
도 2를 참조하면, 제1 실시예에 따른 플렉서블 패치(10)의 제조 방법은 희생층을 일 표면에 복수의 오목한 홈이 형성되어 있는 형틀 상에 형성하는 단계(S110); 및 플렉서블 패치층을 상기 희생층 상에 형성하는 단계(S130);를 포함한다.
단단한(rigid) 물질에 대해서는, 도 1에 도시된 바와 같은, 마이크로 홀이 패터닝된 표면과 같은 기하학적 평면 구조를 형성하기 위해 습식/건식 에칭 방식을 이용한다. 그러나, 상대적으로 부드러운 플렉서블 물질(예컨대, PDMS 등)은 건식/습식 에칭 방식을 이용하여 기하학적 평면 구조를 형성하고자 하는 경우 홀과 같이 기하학적 평면 구조를 이루고 있는 형상이 망가지는 문제가 있다. 그러나, 플렉서블 물질의 일 표면에 복수의 홀을 형성하기 위해, 복수의 오목한 홈이 형성되어 있는 형틀(110)을 사용하는 경우, 홀의 형상이 망가지지 않는 플렉서블 패치층(130)을 얻을 수 있다.
형틀(mold)(110)은 복수의 홈이 일 표면에 형성되어 있어 기하학적 평면을 갖도록 구성된다. 형틀(110)의 기하학적 평면을 이루는 홈의 단면은, 도 2에 도시된 바와 같이, 일 표면 안으로 오목하게 형성되어 있다. 유동성을 갖는 임의의 물질(예컨대, 플렉서블 패치층(130)을 형성하는데 사용되는 플렉서블 물질 등을 포함함)이 형틀(110) 상에 형성되는 경우 상기 임의의 물질이 홈을 채우게 된다. 상기 임의의 물질이 경화되면, 채워진 홈에 대응하는 높이 구조물이 홈의 내부에 형성된다. 상기 홈은 단일 단차를 갖도록 구성되거나, 또는 하나 이상의 단차를 갖도록 구성될 수 있다.
상기 플렉서블 패치층(130)은 피부에 부착 가능하도록 부착성이 있는 물질층을 포함한다. 따라서, 플렉서블 패치층(130)이 바로 형틀(110) 상에 형성되는 경우, 플렉서블 패치층(130)을 형틀(110)로부터 분리시키는데 어려움이 있고, 이 과정에서 플렉서블 패치층(130)에 손상이 발생할 경우 플렉서블 패치(10)의 품질이 저해될 우려가 있다. 이를 극복하기 위해, 플렉서블 물질로 형틀(110)의 홈을 채우기 이전에, 플렉서블 패치층(130)과 형틀(110) 사이의 부착을 방지하는 안티-접착층(anti-sticky layer) 기능을 갖는 희생층(120)을 형틀(110)과 플렉서블 패치층(130) 사이에 형성한다(S110). 희생층(120)을 이용함으로써, 플렉서블 패치층(130)을 형틀(110)로부터 손상없이 분리할 수 있어 고품질의 플렉서블 패치(10)를 얻을 수 있다.
상기 형틀(110)은 식각 용액에 의해 식각되지 않고, 일정 열이 가해져도 형태를 유지할 수 있으며, 일정 경도를 갖도록 구성된다. 또한, 형틀(110)은 비자성물질로 이루어진다. 일 예에서, 실리콘(Si)을 포함한 물질로 이루어질 수 있으나, 이에 제한되지 않으며 아래의 희생층(120)을 제거하는 물질에 의해 제거되지 않고, 특정 온도 이상에도 형상을 유지할 수 있으며, 형틀 제작이 어렵지 않는 다양한 물질로 이루어질 수 있다.
도 3a는, 본 발명의 제1 실시예에 따른, 도 1의 관통홀 패턴을 형성하는데 이용되는 형틀의 기하학적 평면을 도시한 도면이고, 도 3b는, 본 발명의 제1 실시예에 따른, 복수의 홀이 형성된 플렉서블 패치의 기하학적 평면을 도시한 도면이다.
형틀(110)은, 통기성, 부착성 등과 같은 플렉서블 패치(10)의 특성이 우수하게 하는 홀을 생성하게 하는, 홈의 형태, 분포를 가진다. 일 실시예에서, 형틀(110)의 표면에 형성되어 있는 복수의 홈은 원형 홀 패턴을 형성하도록 구성될 수 있다. 도 3a을 참조하면, 플렉서블 패치(10)에 복수의 홀을 형성하기 위해 홈의 테두리가 원형인, 복수의 홈이 형성되어 있는 형틀(110)이 이용될 수 있다. 즉, 형틀(110)은 원형의 빈 공간을 둘러 싸는 기둥이 형성되어 있는 구조로 구성된다. 도 3a의 형틀(110)을 이용하면, 도 3b의 평면을 갖는 관통홀을 포함한 플렉서블 패치(10)를 얻을 수 있다.
또한, 플렉서블 패치(10) 상에 집적될 반도체 회로의 설계를 고려하여 형틀(110)의 표면에 홈을 형성할 수 있다. 일부 실시예에서, 형틀(110)의 표면에 형성되어 있는 복수의 홈은 원형 홀 패턴을 형성하면서, 상기 원형 홀 패턴은 상대적으로 큰 직경을 갖는 하나의 원형 홀, 및 상기 하나의 원형 홀을 둘러싸면서 보다 작은 직경을 갖는 복수의 원형 홀의 조합을 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 형틀(110)에 형성된 복수의 홈은 플렉서블 패치(10)의 홀 간의 간격이 60μm 미만이 되도록 분포할 수 있다. 땀구멍은 배치된 피부 위치에 따라 다양한 크기를 가진다. 예를 들어, 땀구멍의 면적은 60μm 이상의 직경을 가지며, 평균적으로 80μm의 직경을 가지는 것으로 알려져 있다. 또한, 배출해야 하는 노폐물의 양, 온도 조절과 같은 땀에 의해 수행되는 생물학적 기능이 피부 위치에 따라 상이하기 때문에 신체 부위에 따라 상이한 분포 밀도로 배치되어 있다. 예를 들어, 땀구멍은 등 부분에는 60cm -2, 손바닥에는 400 cm -2, 그리고 이마에는 180 cm -2의 밀도로 분포되어 있다.
이러한 땀구멍의 크기, 면적 정보에 기초할 때, 플렉서블 패치(10)의 홀 간의 간격은 60μm 미만으로 형성되어야 한다. 홀 간의 간격이 60 μm 이상인 경우, 홀 이외의 플렉서블 패치(10) 표면이 땀구멍을 차단할 수 있다. 따라서, 홀 간의 간격이 60μm 미만인 플렉서블 패치(10)는 보다 높은 통기성(예를 들어, 거의 100% 통기성)을 얻을 수 있다. 일부 실시예에서, 홀 간의 간격이 50μm인 관통홀 패턴을 갖도록 하는 형틀(10)을 이용하여 플렉서블 패치(10)를 제조할 수 있다.
높은 통기성을 얻기 위한 주된 요소는 관통홀 간의 간격이다. 관통홀의 크기는 부착성 및 통기성 모두에 영향을 미친다. 관통홀의 크기가 클수록 공기와 접촉하는 피부 면적이 증가하나, 반대로 포집되는 피부의 부피가 줄어들기 때문이다. 본 발명의 실시예들은 관통홀의 크기가 작더라도 관통홀 간의 간격을 줄임으로써, 높은 통기성 및 강한 부착성을 얻을 수 있다. 관통홀의 크기는 부착성을 저해하지 않는 범위 내에서 다양하게 설정될 수 있다.
일 실시예에서, 홀의 크기는 플렉서블 패치(10) 상에 배치될 반도체 회로의 설계에 기초하여 설정될 수 있다. 예를 들어, 플렉서블 패치(10) 상에 압전 소자의 일부가 관통홀 상에 배치되고, 상기 압전 소자의 변형에 따른 전류 변화를 측정 및 전달하도록 회로 구성요소가 배치된 경우, 주된 변형이 일어나는 압전 소자 부분은 상대적으로 크기를 갖는 관통홀을 형성하고, 나머지 부분은 상대적으로 작은 크기의 관통홀을 형성하도록 설정될 수 있다. 이 경우, 압전 소자가 배치되는 소수의 관통홀만 크기가 크고 플렉서블 패치(10)에서 대부분을 차지하는 나머지 관통홀은 피부가 포집되기 충분한 작은 크기를 가지므로, 여전히 강한 부착성을 가진다.
다시 도 2를 참조하면, 희생층(120)은 나노 단위 내지 마이크로 단위의 반도체 소자를 제조하는데 사용 가능한 물질로 이루어진다. 일 실시예에서, 희생층(120)은 PMMA(Poly(methyl methacrylate))를 포함한 물질로 이루어진다. 그러나, 이에 제한되지 않으며 희생층(120)은 폴리머 등을 포함한 물질로 이루어질 수도 있다.
일 실시예에서, 희생층(120)은 스핀 코팅 방식에 의해 오목한 홈을 갖는 형틀(110)의 일 표면 상에 형성된다(S110). 희생층(120)의 두께는 형틀(110)과 플렉서블 패치층(130) 사이의 부착을 방지 가능하고, 단계(S170)의 식각 용액에 의해 손쉽게 제거 가능한 두께로 형성된다.
플렉서블 패치층(130)은 피부 윤곽에 따라 패치 형태가 변형가능한 적응적 접촉(comformable contact)이 가능하도록 플렉서블 특성을 가지면서, 피부에 부착 가능한 부착성을 갖는 물질로 이루어진다. 일 실시예에서, 플렉서블 패치층(130)은 피부와 기계적 특성이 유사한 탄성중합체로 이루어질 수 있다. 일 예에서, 플렉서블 패치층(130)은 PDMS(Poly-dimethylsiloxane)를 포함한 물질로 이루어질 수 있다. 이와 같이 피부와 기계적 성질(예컨대, 탄성 계수, 포아송비(Poisson's Ratio) 등)이 유사한 플렉서블 물질을 이용할 경우, 상기 플렉서블 패치(10)는 피부와 접착 시 계면 간 기계적 불일치(mechanical mismatch)가 발생하지 않고, 이로 인해 패치에 버클링(buckling), 박리(delamination)가 발생하지 않아 패치의 손상이 발생하지 않고, 버클링, 박리 등에 따른 부착성 저하가 발생하지 않아 강한 부착성을 가진다.
일부 실시예에서, 플렉서블 패치층(130)은 일정 두께를 갖도록 형성될 수 있다. 플렉서블 패치층(130)의 두께가 너무 얇은 경우, 피부에 여러 번 반복 부착 가능한 정도의 내구성을 얻지 못할 수 있다. 일 예에서, 플렉서블 패치층(130)은 75μm 이상의 두께를 갖도록 형성될 수 있다.
플렉서블 패치층(130)의 두께, 구조, 기타 특성과 관련한, 플렉서블 패치층(130)에 대한 구체적인 내용에 대해서는 도 4 내지 도 5를 참조하여 보다 상세하게 서술한다.
플렉서블 패치층(130)이 희생층(120) 상에 형성되는 단계(S130)에서, 플렉서블 패치층(130)을 이루는 플렉서블 물질(예컨대, PDMS)이 홈 내부를 채우게 된다. 플렉서블 물질은 홈을 채우고, 나아가 홈 내부로부터 넘칠 수 있다. 이와 같이 홈 내부의 부피 보다 더 많은 플렉서블 물질이 공급되고 플렉서블 물질이 홈 외부로 넘치는 경우, 플렉서블 패치층(130)의 일부가 형틀(110)의 표면 보다 높은 위치에 형성될 수도 있다.
플렉서블 물질이 홈에 채워짐으로써, 또는 넘침으로써 얻어지는, 형틀(110), 희생층(120) 및 플렉서블 층(130)을 포함한 구조물은, 예를 들어 주조물을 완성하기 이전에, 형틀에 주물을 부은 상태의 구조물과 유사하다. 이하, 통상의 기술자의 이해를 돕기 위해 본 명세서 내에 종종 사용되는 주물-형틀 구조물은 도 2의 단계(S130)에 도시된 바와 같이, 플렉서블 물질이 홈에 채워진, (또는 홈을 넘치도록 채워진), 형틀(110), 희생층(120) 및 플렉서블 물질(130)을 포함하는 구조물을 지칭하며, 플렉서블 물질의 경도는 부드러울 수도, 단단할 수도 있다.
플렉서블 패치층(130)이 형성된 이후, 홈을 초과한 (즉, 형틀(110)의 표면 보다 높은 위치에 형성된) 플렉서블 패치층(130)을 제거한다(S150). 일 실시예에서, 형틀(110)의 홈을 초과한 플렉서블 패치층(130) 부분(즉, 초과 표면)에 판(150)을 접촉시키고, 판(150) 및/또는 플렉서블 패치층(130)(즉, 주물-형틀 구조물)을 문질러(rubbing) 홈을 초과한 부분을 제거한다.
판(150)은 초과 부분의 플렉서블 물질을 밀어서 제거하는, 미장 판(plastering board)과 같은 역할을 수행한다. 일 실시예에서, 판(150)은 기판(151) 및 기판(151) 상에 형성된 희생층(152)을 포함한다. 기판(151)은 문지르는 기능을 수행하기 적합한 구조(예컨대, 평평한 구조), 그리고 내구성, 및 강도를 가질 수 있다. 또한, 상기 기판(151)은 비자성 물질로 이루어질 수 있다. 일 예에서, 기판(151)은, 글래스(glass)이거나, 또는 실리콘(Si)을 포함한 물질로 이루어질 수 있다.
희생층(152)은 단계(S170)에서 식각 용액에 의해 식각될 수 있는 물질로 이루어질 수 있다. 일 예에서, 희생층(152)은 도 2에 도시된 바와 같이 희생층(120)과 동일한 물질(예컨대, PMMA)을 포함할 수 있다. 그러나, 이에 제한되지 않으며 단계(S170)에서 식각 용액에 의해 식각될 수 있고, 홈을 초과한 플렉서블 패치층(130) 부분과 문질러 접촉하는 과정에서 제거 이후의 플렉서블 패치층(130)의 표면에 발생 가능한 손상을 최소화하는 물질로 이루어질 수도 있다.
일 실시예에서, 희생층(152)은 스핀 코팅 방식에 의해 기판(151) 상에 형성될 수 있으나, 이에 제한되지 않으며, 다양한 코팅 방식에 의해 기판(151) 상에 형성될 수 있다.
단계(S150)의 문지르는 공정은 초과 부분을 보다 효율적으로 제거하기 위해, 추가적인 공정을 더 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 단계(S150)는 플렉서블 패치층(130)과 판(150) 사이의 접촉 부분을 가열하는 단계를 포함할 수 있다. 예를 들어, 플렉서블 패치층(130)과 판(150) 사이의 접촉 부분에 70℃ 이상의 열을 가하여 형틀의 홈을 초과하는 부분의 플렉서블 물질을 보다 효율적으로 제거할 수 있다.
플렉서블 패치층(130) 또는 접촉 부분에 열이 가해지면 접촉 부분의 강도가 약해진다(즉, 부드러운 구조 상태를 가진다). 이로 인해, 판(150)을 플렉서블 패치층(130)(즉, 주물-형틀 구조물)에 문지르는 경우 (또는 주물-형틀 구조물을 판(150)에 문지르는 경우) 상대적인 움직임에 의해 초과 부분의 플렉서블 물질이 주물-형틀 구조물이 차지하는 영역의 외부로 밀려난다. 예를 들어, 석고 회반죽에 지지판을 놓은 뒤 문지르면, 지지판 밑의 석고 회반죽이 지지판이 차지하는 영역 외부로 밀려나는 것과 유사하다. 결국, 초과 부분은 점점 높이가 낮아지게 되고 도 2에 도시된 바와 같이, 홈에 채워진 플렉서블 물질의 최상층은 홈이 형성된 표면에 일치하게 된다.
일 실시예에서, 단계(S150)는 접촉 과정에서 플렉서블 패치층(130)이 판(150)의 일 표면 상에 배치되도록 상하를 뒤집는(flipping) 단계를 포함할 수 있다. 뒤집는 단계가 수행되면 판(150)의 일 표면 상에 플렉서블 패치층(130)(즉, 주물-형틀 구조물)이 배치된다. 상기 실시예에서, 판(150)의 면적은 주물-형틀 구조물의 면적 보다 클 수 있다.
이런 배치 상태에서 판(150)과 주물-형틀 구조물을 문지르는 경우(rubbing), 주물-형틀 구조물의 움직임에 의해 초과 부분의 플렉서블 물질이 주물-형틀 구조물이 차지하는 영역의 외부로 밀려나며, 또한 주물-형틀 구조물의 측면에 초과 부분의 플렉서블 물질이 잔류할 확률이 더욱 적어진다.
일 실시예에서, 단계(S150)는 플렉서블 패치층(130)과 판(150) 사이의 접촉 부분에 압력을 가하는 단계를 더 포함할 수 있다. 상기 압력은 도 2에 도시된 바와 같이, 자석을 이용하여 가해질 수 있다. 일 예에서, 자석(161)과 자석(162)의 사이에 주물-형틀 구조물과 판(150)이 접촉된 상태로 배치될 수 있다. 이로 인해, 자석(161)과 자석(162) 간의 인력에 의하여 압력이 접촉 부분에 가해질 수 있다. 전술한 바와 같이, 주물-형틀 구조물 및 판(150)은 비자성물질로 이루어질 수 있어, 자석(161)과 자석(162) 사이에 인력의 상호작용이 발생하는 것에 영향을 미치지 않는다. 단계(S150)에서 주물-형틀 구조물과 판(150)을 강하게 문지른(scrubbing) 결과, 초과 부분이 제거되는 시간이 감소될 수 있어, 제거 공정의 효율이 향상될 수 있다.
단계(S150) 이후, 식각 용액을 이용하여 희생층(120)을 식각한다(S170). 식각은 희생층(120)을 식각하면서 형틀(110), 플렉서블 패치층(130)을 식각하지 않도록 식각 용액의 선택성(selectivity)을 조절하면서 이루어진다. 일 실시예에서, 희생층(120)의 식각에 사용되는 식각 용액은 아세톤(acetone)을 포함할 수 있다.
실험적인 실시예에서, 홈을 초과하는 플렉서블 패치층(130)의 부분을 제거한 주물-형틀 구조물을 식각 용액에 담금으로써 희생층(120)을 제거하고, 형틀(110)과 주물(즉, 플렉서블 패치층(130))을 분리한다. 분리된 플렉서블 패치층(130)은 형틀(110)의 홈에 의해 형성된 복수의 홀을 포함한다. 상기 복수의 홀은 단계(S150)에서 홈 내부의 플렉서블 물질을 형틀(110)의 표면에 일치시켰기 떄문에 관통형으로 형성된다. 그 결과, 도 2에 도시된 바와 같이, 복수의 관통홀을 포함한 플렉서블 패치층(130)을 얻을 수 있으며, 상기 복수의 관통홀을 포함한 플렉서블 패치층(130)은 플렉서블 패치(10)로 활용될 수 있다.
주물-형틀 구조물이 식각 용액에 담겨있는 시간은 다양하게 설정될 수 있다. 예를 들어, 주물-형틀 구조물의 식각 시간은 홈의 두께(즉, 플렉서블 패치(10)의 두께), 희생층(120)의 두께, 홈과 플렉서블 패치층(130)이 맞닿는 단면적 등에 의해 결정될 수 있다.
또한 단계(S170)에서 보다 효율적인 식각 공정을 위해 식각 용액 내 주물-형틀 구조물은 초음파 처리될 수도 있다.
단계(S110 내지 S170)에 의해 제조된 플렉서블 패치(10)는 마이크로 단위의 두께로 제조됨에도 불구하고, 복수의 홀에 의해 부착성이 증가할 수 있다. 또한, 상기 복수의 홀은 관통형 홀로서, 플렉서블 패치(10)가 피부에 부착되어도 부착 부분의 피부를 외부 공기와 차단하지 않는다. 따라서, 플랙서블 패치(10)는, 패치 표면에만 (예컨대, 문어빨판, 또는 도마백 발바닥과 같은) 마이크로 구조를 갖도록 표면 처리하여 오직 부착성만을 좋게 하고, 통기성은 상대적으로 떨어지는 종래의 스킨 패치와 달리, 통기성 및 부착성을 모두 가질 수 있다.
또한, 희생층(120)을 이용하여 플렉서블 패치층(130)을 형틀(110)로부터 분리하면, 플렉서블 패치층(130)에 복수의 홀 (또는 홀 패턴)을 생성하고 분리하는 과정에서 찢어짐과 같은 손상이 발생하지 않는다.
상기 플렉서블 패치(10)는 피부에 대한 부착성과 통기성이 매우 뛰어나므로, 스킨 센서와 같은, 피부에 부착 가능한 다양한 전자 기기를 제조하는데 활용될 수 있다.
추가적으로, 플렉서블 패치(10)는 플렉서블 패치층(130)의 성분, 두께 등과 같은 물질 특성에 의해 보다 강한 부착성을 가질 수 있다.
도 4a 내지 도 4d는, 본 발명의 일 실시예에 따른, 피부에 부착되는 플렉서블 패치(10)의 부착성을 설명하기 위한 도면이다. 플렉서블 패치(10)의 관통홀은 마이크로 단위로서 플렉서블 패치(10)의 크기에 비해 매우 작아, 도 4에서는 설명의 명료성을 위해 생략되었다.
도 4a는 물체와 표면 간의 부착 원리를 설명하기 위한 도면이다.
표면(S)에 접촉하는 접촉 물체(P)가 표면(S)에 부착되는 능력은 가역성(reversibility)과 다원성(pluripotency) 측면에서 서로 경쟁하는) 변형에 대한 구조적 저항과 계면 상호 작용 사이의 경쟁에 의해 결정된다. 도 4a에 도시된 바와 같이, 표면이 물체(P)에 의해 변형된 경우, 물체(P)와 표면(S) 사이의 에너지는 다음의 수학식 1-4에 의해 표현될 수 있다.
Figure PCTKR2019017920-appb-img-000003
Figure PCTKR2019017920-appb-img-000004
Figure PCTKR2019017920-appb-img-000005
Figure PCTKR2019017920-appb-img-000006
여기서, U total은 총 포텐셜 에너지를 나타내고, U adhesion은 물체(P)와 표면(S) 사이의 부착 에너지를 나타내며, U bending은 물체(P)에 의해 변형된 표면(S)의 저항에 연관된 굽힘 에너지를 나타낸다. 여기서, 부착 에너지와 굽힘 에너지의 부호는 단지 상호 작용의 방향을 나타내는 것으로서, 다른 실시예에서는 부착 에너지의 부호가 +, 굽힘 에너지의 부호가 -로 표현될 수도 있다.
또한, W는 부착 일(work of adhesion, 단위는 N m -1), b는 표면에 부착되는 물체(P)의 길이, R은 곡률, θ은 물체(P)와 표면(S) 사이의 접하는 부분의 중심에서 접하는 부분이 끝나는 지점까지의 각도인 접촉각(contact angle)을 각각 나타낸다. D는 물체(P)에 대한 굴곡 강도(flexural rigidity)로서, 물체(P)의 탄성 계수(Young's modulus)와 물체의 두께에 의해 결정된다.
플렉서블 패치(10)의 부착성을 보다 단순하게 설명하기 위해, 단일층(mono-layer) 구조의 플렉서블 패치(10)가 피부 표면에 부착되는 경우를 도 4a를 참조하여 서술한다.
플렉서블 패치(10)가 피부 표면에 부착되는 경우를 도 4a에 적용하면, 표면(S)은 피부 표면에 대응하고, 물체(P)는 관통홀이 형성된 플렉서블 패치층(130)을 포함한 플렉서블 패치(10)에 대응한다. 따라서, 플렉서블 패치(10)에 대한 굴곡 강도 D는 플렉서블 패치층(130)의 탄성 계수E, 그리고 플렉서블 패치층(130)의 두께 t에 의해 결정된다.
부착 에너지가 굽힘 에너지 이상이어야 패치(10)와 피부 표면 간의 부착이 가능하다. 부착 에너지가 굽힘 에너지 미만인 경우 패치(10)는 피부 표면으로부터 탈착된다. 부착의 가능 여부를 결정하는 임계 부착 일(Wc, critical work of adhesion)은 다음의 수학식 5에 의해 결정된다.
Figure PCTKR2019017920-appb-img-000007
수학식 5를 Wc로 정리하면, 물체와 표면의 부착이 유지되는 임계 부착 일(Wc)은 Wc=D/(24R 2) 로 계산된다. 플렉서블 패치(10)와 피부 표면 간의 부착 일W이 임계 부착 일Wc 이상이면 플렉서블 패치(10)가 피부 표면에 적응적 접촉(conformal contact)이 가능하다. 반면, 플렉서블 패치(10)와 피부 표면 간의 부착 일W이 임계 부착 일Wc 미만인 경우 플렉서블 패치(10)는 피부 표면에 접촉하지 않는다. 따라서, 플렉서블 패치(10)와 피부 표면 간의 부착이 가능하려면 임계 부착 일Wc의 크기가 작아지고, 및/또는 플렉서블 패치(10)와 피부 표면 간의 부착 일W의 크기가 커져야 한다.
수학식 4를 참조하면, 패치(10)가 탄성 계수가 큰 물질(예컨대, 뻣뻣한 물질)로 구성되는 경우, 및/또는 두께가 두꺼운 경우에 높은 굴곡 강도 D를 가진다. 따라서, 플렉서블 패치(10)의 굴곡 강도D가 감소하는 경우 및/또는 피부 표면과 플렉서블 패치(10) 간의 부착 일이 큰 경우 플렉서블 패치(10)를 피부 표면 상에 안정적으로 부착할 수 있다.
플렉서블 패치(10)의 탄성 계수 E가 낮은 경우, 플렉서블 패치(10)의 두께가 얇은 경우에 플렉서블 패치(10)가 피부 표면 상에 안정적으로 부착할 수 있다.
또한, 플렉서블 패치(10)와 피부 표면 간의 부착 에너지가 클수록 플렉서블 패치(10)의 부착성이 강화된다. 수학식 2를 참조하면, 피부 표면과 플렉서블 패치(10) 간의 부착 에너지는 부착 일W에 의존한다. 플렉서블 패치(10)와 피부 표면 간의 부착 일W은 다음의 수학식 6으로 표현된다.
Figure PCTKR2019017920-appb-img-000008
여기서, γ d 는 접촉 표면의 분산 성분(dispersive component of surface), γ p 는 접촉 표면의 극성 성분(polar component of surface)을 나타낸다. γ dSkin은 피부의 접촉 표면의 분산 성분, γ dPatch는 패치(10)의 접촉 표면의 분산 성분을 나타내고, γ pSkin은 피부의 접촉 표면의 극성 성분, γ pPatch는 패치(10)의 접촉 표면의 극성 성분을 나타낸다. 플렉서블 패치(10)는 상기 수학식 6에 기초하여 구성된다.
전술한 바와 같이, 플렉서블 패치(10)는 스킨 센서를 제조하기 위해 활용될 수 있다. 마이크로 두께 범위에서 마이크로 단위의 초소형 소자를 지지하는데 있어서 충분한 예시적인 탄성 계수 1MPa를 갖는 PDMS 패치(10)가 피부에 부착될 수 있다. 피부 표면의 γ d, γ p 는 부위별로 상이하나, 상기 변수들의 최대, 최소 범위는 다음의 표 1과 같이 알려져 있다.
Figure PCTKR2019017920-appb-img-000009
상기 표 1의 데이터를 상기 수학식 6에 적용하면, 피부와 PDMS 패치(10) 간의 부착 일W은 다음과 같이 대략적으로 계산된다: 31≤W≤54 mJ m -2.
탄성 계수 1MPa를 갖는 PDMS 패치(10)의 두께가 모든 피부에 대해 부착되기 위해서는 부착 일이 가장 낮은 피부 표면(Skin Min)에도 부착 가능해야 한다. 따라서, 상기 PDMS 패치(10)는 Wc=31의 값을 가져야 한다. 따라서, PDMS 패치(10)는 약 80μm의 두께로 형성되어야 상기 임계 부착 일Wc의 조건을 충족한다. 따라서, 1MPa 의 단일 플렉서블 패치(10)의 두께는 80μm 미만으로 제조되어야 피부 표면에 적합성 부착(conformal adhesion)이 가능하다.
일부 실시예에서, 1MPa 보다 낮은 탄성 계수를 갖는 단일 플렉서블 패치(10)가 80μm 미만의 두께를 가지면, 더 강한 부착성을 가질 수 있다. 다른 일부 실시예에서, 1MPa 보다 낮은 탄성 계수를 갖는 플렉서블 패치(10)의 일 층은 80μm 이상의 두께로도 피부 표면에 적합성 부착이 가능하다. 예를 들어, 피부 표면에 부착되는 일 층의 두께가 100μm인 경우에도 피부에 부착 가능할 수 있다.
전술한 바와 같이, 굴곡 강도D는 플렉서블 패치(10)의 부착 능력에 연관되고, 또한 플렉서블 패치(10)의 형상 유지 능력에 연관된다. 상기 수학식 4 및 수학식 5를 참조하면, 플렉서블 패치(10)의 탄성 계수 E가 낮은 경우, 플렉서블 패치(10)의 두께가 얇은 경우에 플렉서블 패치(10)가 피부 표면 상에 안정적으로 부착할 수 있다.
그러나, 부착성만을 고려하여 플렉서블 패치(10)의 두께가 너무 얇거나, 탄성 계수가 너무 낮게 플렉서블 패치(10)를 형성하는 경우에는 핸들링이 어렵다. 구체적으로, 플렉서블 패치(10)의 굴곡 강도가 너무 낮은 경우 플렉서블 패치(10)에 굽힘이 발생해서 핸들링하기 어렵고, 플렉서블 패치(10)의 형상이 일정하게 유지되기 어렵다. 따라서, 플렉서블 패치(10)의 굴곡 강도가 너무 낮은 경우, 플렉서블 패치(10) 상에 다른 구성요소들을 집적하는데 어려움이 있다.
이를 극복하기 위해, 피부에 부착되는 부분은 상대적으로 낮은 굴곡 강도를 갖고, 피부에는 부착되지 않아 높은 부착성의 필요성이 상대적으로 떨어지는 다른 구성요소들이 집적되는 부분은 굽힘이 발생하지 않고 형상이 유지되기 충분할 굴곡 강도를 갖도록 플렉서블 패치(10)가 구성될 수 있다. 예를 들어, 플렉서블 패치(10)는 보다 강한 부착성을 가지면서, 다른 구성요소들(예컨대, 전극, 반도체 소자, 인터렉션 등을 포함함)을 지지하기에 충분한 굴곡 강도를 갖도록, 하나 이상의 층으로 구성될 수 있다. 이러한 플렉서블 패치(10)를 제조하기 위해, 희생층(120) 상에 형성되는 플렉서블 패치층(130)은 하나 이상의 서브 층을 포함할 수 있다.
도 4b는, 본 발명의 일 실시예에 따른, 탄성 계수가 서로 상이한 바이 레이어 구조의 플렉서블 패치(10)를 설명하기 위한 도면이다.
일 실시예에서, 바이-레이어 구조를 갖는 플렉서블 패치(10)는 강도(rigidity)가 상이한 두 개의 서브 층(도 4b의 제1 플렉서블 층(131), 및 제2 플렉서블 층(133))을 포함할 수 있다. 여기서, 피부에 부착되는 제1 플렉서블 층(131)은 피부에 부착되지 않는 제2 플렉서블 층(132)의 굴곡 강도D2 보다 낮은 굴곡 강도D1를 가진다. 예를 들어, 도 4b에 도시된 바와 같이, 제1 플렉서블 층(131)은 0.04MPa 인 탄성 계수 E1를 가지고, 제2 플렉서블 층(132)은 1MPa인 탄성 계수 E2를 가지짐으로써, 제1 플렉서블 층(131)이 더 부드럽게 형성될 수 있다.
일 실시예에서, 플렉서블 패치층(130)은 전-폴리머(pre-polymer) 및 경화제(curing agent)를 포함하는 제1 플렉서블 층(131) 및 제2 플렉서블 층(132)을 포함할 수 있다. 여기서, 상기 제2 플렉서블 층(132)은 제1 플렉서블 층(131)의 경화제 비율 보다 큰 경화제 비율을 갖도록 구성될 수 있다. 일 예에서, 제1 플렉서블 층(131)은 전-폴리머(pre-polymer)와 경화제의 비율이 40:1로 이루어질 수 있고, 제2 플렉서블 층(132)은 전-폴리머와 경화제의 비율이 10:1로 이루어질 수 있다. 이러한 경화제의 비율 차이로 인해 제1 플렉서블 층(131)과 제2 플렉서블 층(132)의 굴곡 강도 D가 상이하게 결정된다.
이러한 구성 물질의 차이에 의해, 제1 플렉서블 층(131)은 제2 플렉서블 층(132)에 비해 상대적으로 부드럽고(soft), 끈적하게(sticky) 구성되며, 플렉서블 패치(10)가 피부에 부착 가능하게 한다. 상대적으로 단단한 제2 플렉서블 층(132)은 플렉서블 패치(10)가 스킨 센서 등을 제조하기 위해 사용되는 경우, 마이크로 단위의 소자를 집적하기 위한 지지체(예컨대, 기판) 역할을 수행하게 한다.
또한, 제1 플렉서블 층(131) 및 제2 플렉서블 층(132)의 두께는 서로 상이하게 형성될 수 있다. 전술한 수학식 4를 다시 참조하면, 굴곡 강도D는 탄성 계수E 및 두께에 의존하여 결정된다.
도 4c는, 본 발명의 제1 실시예에 따른, 두께가 서로 상이한 바이-레이어 구조의 플렉서블 패치(10)를 설명하기 위한 도면이고, 도 4d는, 본 발명의 제1 실시예에 따른, 바이-레이어 구조의 두께에 따른 플렉서블 패치의 특성을 나타낸 그래프를 도시한 도면이다.
일 실시예에서, 피부에 부착되는 제1 플렉서블 층(131)을 형성할 수 있다. 예를 들어, 제1 플렉서블 층(131)은 피부 표면에 대한 적합성 부착이 가능하기 위해 낮은 탄성 계수(예컨대, 0.04Mpa)를 갖도록 구성될 수 있다.
또한, 플렉서블 패치(10) 상에 집적되는 반도체 회로 등을 지지하면서, 플렉서블 패치(10)의 굽힘을 적절하게 제어하여 핸들링을 쉽게하기 위해 보다 단단한 제2 플렉서블 층(132)을 더 형성할 수 있다. 예를 들어, 제2 플렉서블 층(132)은 제1 플렉서블 층(131)의 탄성 계수 보다 높은 탄성 계수(예컨대, 1MPa)를 갖도록 구성될 수 있다.
도 4c에 도시된 바와 같이, 피부 표면 상에 바이-레이어 구조의 플렉서블 패치(10)가 부착된 경우, 일반적으로 곡면 구조를 갖는 피부 표면의 특징으로 인해, 부착된 플렉서블 패치(10)는 늘어나게 된다. 늘어난 플렉서블 패치(10)에는 늘어나기 이전으로 되돌아가려는 복원력(F ret)이 적용된다. 상기 복원력(F ret)은 다음의 수학식 7과 같이 분석될 수 있다. 상기 플렉서블 패치(10)의 제1 플렉서블 층(131) 및 제2 플렉서블 층(132)은 동일한 물질(예컨대, PDMS)로 구성된 경우 동일한 인장 응력(σ), 및 인장 변형률(ε)을 가질 수 있다.
Figure PCTKR2019017920-appb-img-000010
여기서, F1은 피부에 부착된 제1 플렉서블 층(131), F2는 피부에 부착된 제2 플렉서블 층(132)에 적용되는 각각의 복원력을 나타낸다. t1은 제1 플렉서블 층(131)의 두께, t2는 제2 플렉서블 층(132)의 두께를 나타낸다.
바이-레이어 구조의 플렉서블 패치(10)의 전체 탄성 계수Eeq는 다음의 수학식 8로 표현될 수 있다.
Figure PCTKR2019017920-appb-img-000011
일 예에서, 0.04MPa의 탄성 계수를 가져 피부에 부착되는 제1 플렉서블 층(131)의 두께가 100μm으로 형성된 경우, 플렉서블 패치(10)의 유효 탄성 계수(effective elastic modulus), 및 굴절 강도(Flexural rigidity), 그리고 플렉서블 패치(10)와 피부 표면 간의 임계 부착 일의 그래프는 상기 수학식 8에 의해 계산될 수 있고, 그 결과 도 4d와 같이 도시된다.
바이-레이어 구조의 플렉서블 패치(10)에 포함된 제1 플렉서블 층(131) 및 제2 플렉서블 층(132)은 상기 수학식 8을 참조하여, 플렉서블 패치(10)가 활용되는 제조물(예컨대, 스킨 센서)의 기능에 알맞은 두께 및 탄성 계수를 갖도록 형성될 수 있다.
전술한 바이-레이어 구조의 플렉서블 패치층(130)에 대한 설명은 단지 예시적인 것으로서, 본 발명의 플렉서블 패치층(130)이 바이-레이어 구조로 한정되어 해석되지 않는다. 다른 실시예들에서, 플렉서블 패치층(130)은 모노 레이어, 트리플 레이어 구조로 형성될 수도 있다. 일 예에서, 플렉서블 패치층(130)은 제2 플렉서블 층(133)만을 포함한 모노 레이어 구조로 형성될 수 있다. 다른 일 예에서, 플렉서블 패치층(130)은 부드러운 두 개의 제1 플렉서블 층 사이에 위치한 단단한 제2 플렉서블 층을 포함하는 트리플 레이어 구조로 형성될 수 있다. 트리플 레이어 구조의 플렉서블 패치층(130)은 두께가 서로 상이한 두 개의 제1 플렉서블 층을 포함할 수도 있다. 예를 들어, 피부에 부착되는 부분의 제1 플렉서블 층은 10μm의 두께로 형성되고, 반대편의 제1 플렉서블 층은 100μm의 두께로 형성될 수도 있다.
또한, 마이크로 단위에서 마이크로 소자를 지지하는 탄성 계수로 개시된 1MPa는 단지 예시적인 것으로서, 플렉서블 패치(10)에 포함된 제2 플렉서블 층(132)은 다른 탄성 계수를 가질 수도 있다.
이와 같이, 플렉서블 패치(10)는 희생층(120)을 이용하여 제조됨으로써, 마이크로 단위 두께의 플렉서블 패치층(130)을 얻는 과정에서 손상이 발생하지 않아 높은 내구성을 가질 수 있다.
또한, 플렉서블 패치(10)는 복수의 관통홀을 가지고, 하나 이상의 멀티-레이어 구조를 갖기 때문에 우수한 통기성과 부착성을 얻을 수 있다.
<제2 실시예>
도 5은, 본 발명의 제2 실시예에 따른, 옥세틱 구조 특성에 연관된 기하학적 평면을 갖는 플렉서블 패치를 제조하는 방법의 예시적인 개념도이다.
도 2 및 도 5 를 참조하면, 본 발명의 제2 실시예에 따른 플렉서블 패치 제조 방법은 도 2의 제1 실시예에 따른 플렉서블 패치 방법과 상당부분 유사하므로, 차이점을 위주로 설명한다.
플렉서블 패치(10)는 플렉서블 패치(10)에 형성된 홀의 형상, 분포, 패턴 등을 결정하는 형틀(110)의 구조에 의해 보다 높은 통기성 및/또는 강한 부착성을 가질 수 있다.
도 6a는, 본 발명의 제2 실시예에 따른, 도 6a의 기하학적 평면을 형성하는데 이용되는 형틀의 기하학적 평면을 도시한 도면이고, 도 6b는, 본 발명의 제2 실시예에 따른, 옥세틱 구조 특성이 구현될 수 있는 플렉서블 패치의 기하학적 평면을 도시한 도면이다.
제2 실시예에서, 플렉서블 패치(10)는 평면 형상이 아령 형태(dumbbell)인 복수의 관통홀을 더 포함할 수 있다. 이 경우, 플렉서블 패치(10)는 옥세틱 구조에 의해 발생하는 특성(즉, 옥세틱 구조 특성)을 가질 수 있다.
옥세틱 구조(Auxetic structure)는 일반적으로, 제1 방향으로 인장력을 받게 될 때, 제1 방향에 직교하는 방향으로 그 치수가 증대되는 구조를 일컫는다. 예를 들어, 옥세틱 구조가 길이, 폭 및 두께를 갖는 것으로 설명될 수 있는 경우, 옥세틱 구조가 종방향으로 인장력을 받고 있을 때, 그 폭이 증대된다. 또한, 옥세틱 구조가 종방향으로 신장될 때 그 길이와 폭이 증대되고 횡방향으로 신장될 때 그 폭과 길이가 증대되지만, 그 두께는 증대되지 않는 양방향성의 것이다. 이러한 옥세틱 구조는 음의 포아송 비(Poisson's Ratio)를 갖는 것을 특징으로 한다.
도 6a와 같이, 양단은 원형이고 상기 양단의 원형을 연결하는 중심부는 양단의 직경 보다 작은 두께의 기둥으로 구성된, 아령 형태의 홀과 원형 홀이 플렉서블 패치(10)에 형성된 경우, (즉, 아령-홀 패턴(Dumbbell-hole pattern)의 관통홀이 형성된 경우) 이러한 관통홀이 형성된 플렉서블 패치(10)는 옥세틱 구조 특성을 가질 수 있다. 즉, 형틀(110)은 원형 및/또는 아령 형태의 빈 공간을 둘러 싸는 기둥이 형성되어 있는 구조로 구성된다. 도 6a의 형틀(110)을 이용하면, 도 6b의 평면을 갖는 관통홀을 포함한 플렉서블 패치(10)를 얻을 수 있다.
일 실시예에서, 높은 통기성을 얻기 위해 홀 간의 간격은 전술한 바와 같이 60μm 미만으로 형성될 수 있다. 일 예에서, 도 6a에 도시된 것과 같이, 하나의 아령 관통홀(H C)의 연결부 중심과 다른 하나의 아령 관통홀(H C)의 일 단 간의 간격은 35μm이고, 하나의 아령 관통홀(H C)의 일 단과 다른 하나의 원형 관통홀(H B) 간의 간격은 25μm일 수도 있다. 또한, 원형 관통홀(H B)의 직경은 50μm, 아령 관통홀(H C) 일 단의 내부 간격은 100μm일 수 있다. 그러나, 이는 단지 예시적인 것으로서, 플렉서블 패치(10)의 통기성, 부착성 및 내구성 등에 기초하여 다양하게 설정될 수 있다.
이러한 옥세틱 구조 특성을 갖는 플렉서블 패치(10)를 제조하기 위해, 제2 실시예에 따른 플렉서블 패치(10)의 제조 방법에서는, 도 5에 도시된 바와 같이, 아령 형태의 홀과 원형 홀을 형성 가능한 복수의 홈을 갖는 형틀(110) 상에 희생층(120)을 형성한다(S110).
다시 도 2를 참조하면, 예컨대 60 μm 간격과 같은, 수십 마이크로 단위의 간격으로 형성된 홀을 갖는 플렉서블 패치(10)를 제조하기 위해서 희생층(120)이 형성될 수 있었다(S130). 그러나, 상기 도 2의 단계(S130) 방식이 제2 실시예에 적용되는 경우, PDMS 패치층(130)을 형틀(110)에서 분리할 수 없다. 형틀(110)이 원형 및 아령 형태의 관통홀을 형성하도록 구성되어, 형틀(110)과 PDMS 패치층(130)의 접촉 면적이 제1 실시예에 비해 증가하고, 또한, 형틀(110)의 간격이 좁아져 PMMA 스핀 코팅이 불균형하게 되기 때문이다.
따라서, 제2 실시예에 따른 플렉서블 패치(10)의 제조 방법에서는 도 5에 도시된 바와 같이, 기화 코팅 방식을 이용하여 희생층(120)을 형틀(110) 상에 형성한다(S130). 일 예에서, 기화 코팅 방식은 SAMs(Self-assembled monlyaer)일 수 있다. 기화 코팅 방식을 이용하면, PMMA 스핀 코팅에 비해 불균형 코팅이 발생하지 않는다. 이로 인해, 옥세틱 구조 특성에 연관된 기하학 평면을 갖는 형틀(110) 상에 희생층(120), 및 플렉서블 패치층(130)을 형성하고(S110, S130), 홈을 초과한 플렉서블 패치층(130) 부분을 제거한 뒤(S150), 희생층(120)을 식각하여 옥세틱 구조 특성을 갖는 기하학 평면을 갖는 플렉서블 패치(10)를 얻을 수 있다.
제2 실시예에 따른 플렉서블 패치(10)는 부착 전후의 피부 수분 변화량을 비교시 약6%의 수분 변화를 유발한다. 즉, 플렉서블 패치(10)가 부착되어도 피부의 수분 손실이 거의 일어나지 않는다.
이상에서 살펴본 본 발명은 도면에 도시된 실시예들을 참고로 하여 설명하였으나 이는 예시적인 것에 불과하며 당해 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 실시예의 변형이 가능하다는 점을 이해할 것이다. 그러나, 이와 같은 변형은 본 발명의 기술적 보호범위 내에 있다고 보아야 한다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해서 정해져야 할 것이다.
본 발명의 실시예들에 따른 플렉서블 패치는 피부와 기계적 성질이 비슷하고, 관통홀을 가져 강한 부착성 및 높은 통기성을 가진다. 이러한 플렉서블 패치는 스킨 센서와 같은 피부에 부착되는 다양한 전자기기의 기판으로 활용될 수 있어 헬스케어 분야, 뷰티 분야와 같은 피부 관련 전자기기를 활용할 수 있는 다양한 기술분야에서 무궁무진하게 이용될 수 있다.

Claims (16)

  1. 피부에 접착 가능한 플렉서블 패치로서,
    일 표면이 피부에 접착 가능한 제1 플렉서블 층;
    상기 제1 플렉서블 층 보다 단단한 제2 플렉서블 층; 및
    상기 플렉서블 패치의 일 표면에서 상기 플렉서블 패치의 다른 일 표면까지 관통되는 복수의 홀을 포함하는, 피부에 부착 가능한 플렉서블 패치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 제1 플렉서블 층 및 제2 플렉서블 층은,
    전-폴리머(pre-polymer) 및 경화제(curing agent)를 포함하며,
    상기 제2 플렉서블 층의 경화제 비율은 상기 제1 플렉서블 층의 경화제 비율 보다 더 큰 것을 특징으로 하는, 피부에 부착 가능한 플렉서블 패치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 홀 사이의 간격은 60μm 미만인 것을 특징으로 하는, 피부에 부착 가능한 플렉서블 패치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제1 플렉서블 층 또는 제2 플렉서블 층은 PDMS(Poly-dimethylsiloxane)을 포함하는 물질로 이루어진 것을 특징으로 하는, 피부에 부착 가능한 플렉서블 패치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 플렉서블 패치는 원형의 복수의 홀을 포함하는 특징으로, 피부에 부착 가능한 하는 플렉서블 패치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 플렉서블 패치는 아령형(dumbbell)의 복수의 홀을 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 피부에 부착 가능한 플렉서블 패치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 제1 플렉서블 층의 두께(t1) 및 제2 플렉서블 층의 두께(t2)는 다음의 수학식에 기초하여 결정되며,
    [수학식]
    Figure PCTKR2019017920-appb-img-000012
    그리고 t는 플렉서블 패치의 두께, E1은 제1 플렉서블 층의 탄성 계수, E2는 제2 플렉서블 층의 탄성 계수, R은 피부에 부착된 플렉서블 패치의 곡률, γ dSkin은 피부의 접촉 표면의 분산 성분, γ dPatch는 패치의 접촉 표면의 분산 성분을 나타내고, γ pSkin은 피부의 접촉 표면의 극성 성분, γ pPatch는 패치의 접촉 표면의 극성 성분을 나타내는 것을 특징으로 하는, 피부에 부착 가능한 플렉서블 패치.
  8. 제1 희생층을 일 표면에 복수의 오목한 홈이 형성되어 있는 형틀 상에 형성하는 단계
    플렉서블 패치층을 상기 제1 희생층 상에 형성하는 단계;
    판(board)을 플렉서블 패치층에 접촉시키고, 상기 판 또는 플렉서블 층을 문질러(rubbing) 홈을 초과한 플렉서블 패치층 부분을 제거하는 단계; 및
    복수의 홀을 갖는 플렉서블 패치를 얻기 위해 상기 제1 희생층을 식각하는 단계를 포함하는, 피부에 부착 가능한 플렉서블 패치 제조 방법.
  9. 제8항에 있어서, 상기 플렉서블 층을 제거하는 단계는,
    상기 판은 기판; 및 상기 기판(substrate)의 일 표면 상에 형성된 제2 희생층을 포함하며,
    상기 제2 희생층은 상기 홈을 초과한 플렉서블 층의 부분과 접촉하는 것을 특징으로 하는, 피부에 부착 가능한 플렉서블 패치 제조 방법.
  10. 제8항에 있어서, 상기 플렉서블 패치층을 제거하는 단계는,
    상기 접촉 부분을 가열하는 단계를 더 포함하는, 피부에 부착 가능한 플렉서블 패치 제조 방법.
  11. 제10항에 있어서, 상기 플렉서블 층을 제거하는 단계는,
    상기 판과 홈을 초과한 플렉서블 층의 부분 간의 접촉 부분에 압력을 가하는 단계를 더 포함하는, 피부에 부착 가능한 플렉서블 패치 제조 방법.
  12. 제8항에 있어서,
    상기 플렉서블 패치층은 PDMS(Poly-dimethylsiloxane)를 포함하는 물질로 이루어지는 것을 특징으로 하는, 피부에 부착 가능한 플랙서블 패치 제조 방법.
  13. 제8항에 있어서, 상기 플렉서블 패치층을 형성하는 단계는,
    상기 희생층 상에 제1 플렉서블 층을 형성하는 단계; 및
    상기 제1 플렉서블 층 상에 상기 제1 플렉서블 보다 단단한 제2 플렉서블 층을 형성하는 단계를 포함하는, 피부에 부착 가능한 플렉서블 패치 제조 방법.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 제1 플렉서블 층의 두께(t1) 및 제2 플렉서블 층의 두께(t2)는 다음의 수학식에 기초하여 결정되며,
    [수학식]
    Figure PCTKR2019017920-appb-img-000013
    그리고 t는 플렉서블 패치의 두께, E1은 제1 플렉서블 층의 탄성 계수, E2는 제2 플렉서블 층의 탄성 계수, R은 피부에 부착된 플렉서블 패치의 곡률, γ dSkin은 피부의 접촉 표면의 분산 성분, γ dPatch는 패치(10)의 접촉 표면의 분산 성분을 나타내고, γ pSkin은 피부의 접촉 표면의 극성 성분, γ pPatch는 패치(10)의 접촉 표면의 극성 성분을 나타내는 것을 특징으로 하는, 피부에 부착 가능한 플렉서블 패치 제조 방법.
  15. 제8항에 있어서, 상기 제1 희생층을 형성하는 단계는,
    스핀 코팅에 의해 제1 희생층을 형성하는 단계를 포함하되,
    상기 제1 희생층은 PMMA(Poly(methyl methacrylate))를 포함하는 물질로 이루어지고, 상기 형틀의 표면에는 원형 관통홀을 형성 가능한 홈이 형성된 것을 특징으로 하는, 피부에 부착 가능한 플렉서블 패치 제조 방법.
  16. 제8항에 있어서, 상기 제1 희생층을 형성하는 단계는,
    기화 코팅에 의해 제1 희생층을 형성하는 단계를 포함하되,
    상기 제1 희생층은 SAMs(self-assembled monolayer) 구조를 갖도록 형성되며, 상기 형틀의 표면에는 원형 관통홀 및 아령형 관통홀을 형성 가능한 홈이 형성된 것을 특징으로 하는, 피부에 부착 가능한 플렉서블 패치 제조 방법.
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