스스로 회복하고 형태를 유지하는 피부 부착형 전자소자 개발

- 피부처럼 부드럽고 스스로 회복되는 전자소자로 지속적 심혈관 생체신호 측정 가능성 제시 -

[연구필요성]

피부 부착형 웨어러블 전자소자는 심박, 맥파, 혈압 변화 등 생체신호를 일상생활 중 연속적으로 측정할 수 있어 차세대 디지털 헬스케어 및 개인 맞춤형 의료기술의 핵심 플랫폼으로 주목받고 있다. 특히 동맥 맥파는 심혈관 상태를 반영하는 중요한 생리신호로, 비침습적이고 지속적인 모니터링이 가능할 경우 심혈관 질환의 조기 감지와 건강 상태 관리에 활용될 수 있다.

기존 웨어러블 센서는 피부와의 밀착성이 충분하지 않아 움직임에 따른 잡음이 발생하거나, 안정적인 신호 측정을 위해 밴드·테이프·외부 압박 구조가 필요한 경우가 많았다. 이러한 구조는 장시간 착용 시 불편함을 유발하고, 피부와 센서 사이의 접촉 상태가 변하면서 측정 신뢰성이 저하될 수 있다.

자가치유 고분자는 부드럽고 피부에 잘 밀착되며 손상 후 기능을 회복할 수 있어 피부 부착형 전자소자의 유망한 소재로 제안되어 왔다. 하지만 기존 자가치유 고분자는 시간이 지남에 따라 서서히 흐르거나 변형되는 특성이 있어, 전극 패턴이 무너지거나 전기적 단락이 발생할 수 있다는 한계가 있었다. 장기간 형태를 유지하면서도 피부처럼 부드럽게 밀착되고, 손상 후 전기적 기능까지 회복할 수 있는 새로운 소재 및 소자 플랫폼 개발이 필요하다.

본 연구는 이러한 한계를 해결하기 위해 형상 안정성, 자가치유성, 피부 밀착성, 전기적 안정성을 동시에 갖춘 고분자 기반 웨어러블 전자소자 플랫폼을 개발하였다. 이를 통해 외부 압박 없이도 손목의 동맥 맥파를 안정적으로 측정할 수 있는 무선 센서를 구현함으로써, 장기 착용형 심혈관 모니터링 및 차세대 소프트 바이오전자소자 개발의 기반 기술을 제시하였다.

[연구성과/기대효과]

본 연구는 기존 자가치유 고분자의 한계였던 시간에 따른 흐름성 및 형상 변형 문제를 해결하기 위해, 가역적 이민 결합과 수소 결합이 결합된 가지형 고분자 네트워크 기반의 형상 안정 자가치유 고분자(SS-SHP)를 개발하였다. 개발된 소재는 피부와 유사한 낮은 탄성률을 유지하면서도 장기간 형상을 안정적으로 보존하였으며, 은 플레이크를 도입한 자가치유 전도체를 통해 전기적 회복성과 장기 전도 안정성을 확보하였다.

이를 기반으로 연구진은 손목 피부에 밀착되는 무선 동맥 맥파 모니터링 센서를 구현하였다. 해당 소자는 별도의 강한 압박 없이도 손목의 동맥 맥파를 측정할 수 있으며, 적외선 LED 밝기 변화를 이용해 생체신호를 광학적으로 전송하는 방식으로 동작한다. 본 연구는 장기 착용형 웨어러블 헬스케어 기기, 심혈관 상태 모니터링, 피부 부착형 소프트 전자소자, 자가치유 바이오전자 시스템 개발에 활용될 수 있을 것으로 기대된다.

[본문]

[연구결과]

A conformable shape-stable self-healing polymer platform for continuous wireless arterial pulse monitoring


Haechang Lee, Joohyuk Kang, Jaewoo Kim & Wonryung Lee

(Nature Communications, https://doi.org/10.1038/s41467-026-72754-5)

본 연구에서 개발한 형상 안정 자가치유 고분자(SS-SHP)는 기존 자가치유 고분자의 핵심 한계였던 장기 형상 변형 문제를 효과적으로 해결하였다. SS-SHP는 20일 동안 원래 형상을 유지했으며 저장 탄성률 감소가 5% 미만으로 나타나, 장기간 구조적·기계적 안정성을 확보할 수 있음을 보여주었다. 동시에 약 576 kPa의 피부 유사 탄성률을 나타내어, 생체 표면에 부드럽게 밀착되는 피부 부착형 전자소자 기판으로 적합함을 확인하였다.

또한 연구진은 SS-SHP를 기반으로 자가치유 전도체를 제작하였다. 은 플레이크가 포함된 SS-SHC는 시간이 지나도 전도성 입자의 분포가 안정적으로 유지되었고, 2주 동안 표면 저항 증가가 약 3%에 그쳤다. 이는 기존 수소결합 기반 자가치유 전도체에서 관찰되는 입자 침강 및 저항 증가 문제를 크게 개선한 결과이다.

연구진은 이러한 소재 플랫폼을 실제 웨어러블 생체신호 측정 소자로 확장하여, 손목 부착형 무선 동맥 맥파 센서를 구현하였다. SS-SHP 기반 센서는 손목의 곡면에 자연스럽게 밀착되어 별도의 외부 압박 없이도 안정적인 맥파 신호를 측정하였다. 반면 일반 PDMS 기반 센서는 피부와의 접촉이 충분하지 않아 외부 압박 없이는 명확한 맥파 신호를 얻기 어려웠다.

나아가 연구진은 동맥 박동에 따른 압력 변화를 적외선 LED의 밝기 변화로 변환해 실시간 광학 신호로 읽어내는 무선 측정 방식을 제시하였다. 이는 부피가 큰 회로 부품 사용을 줄이면서도 피부 밀착성과 무선 신호 전송 기능을 동시에 구현한 것으로, 장기 착용형 웨어러블 심혈관 모니터링 시스템으로의 확장 가능성을 보여준다.

[그림설명]

그림 1. (가) 형상 변형 자가치유 고분자를 무선 손목 맥압 센서에 적용한 개념도. 수소결합 기반의 선형 고분자 네트워크 특성으로 시간이 지나며 변형이 누적되어 전극이 서로 닿아 전기적 합선이 발생하고, LED가 작동하지 못한다. (나) 제안한 형상 안정 자가치유 고분자 기반 플랫폼 개념도. 가역적 이민 결합과 수소결합으로 강화된 가지형 네트워크가 유동 변형을 억제하여 LED를 통한 맥박 신호 전송이 안정적으로 유지된다. (다) 피부에 부착된 무선 맥압 센서 사진. 피부에 밀착되는 자가치유 플랫폼을 통해 생리 신호를 실시간 모니터링한다. (라) 형상 안정 자가치유 고분자 기반 압력 센서로 측정한 맥파 비교(비임산부 vs 임산부). 비임산부는 비교적 규칙적인 맥간격을, 임산부는 불규칙한 맥패턴을 보인다.