웨어러블·친환경·의료용기기에 다양한 솔루션 제공하는 ‘차세대 실’

고려대학교(총장 김동원) KU-KIST 융합대학원 황석원 교수 연구팀은 생분해성 기반의 유연/신축성 폴리머 PGCL(polyglycolide-co-e-caprolactone) 소재를 개발하고, 해당 소재를 이용해 다양한 웨어러블, 의료용 전자소자를 구현했다.

이 기술은 고신축성 생분해성 엘라스토머 기반의 친환경 소자 및 생체 의료용 기기 개발에 활용이 될 것으로 기대된다.

기존에 반영구적으로 사용하는 전자소자와 다르게 생분해성 혹은 시한성 전자 공학 기술 (biodegradable/transient electronics)는 제한된 수명을 가지고 있으며, 사용자가 원하는 기능을 완전하게 수행한 이후에 친환경적으로 또는 생체친화적으로 분해되어 소멸하는 고유한 기술 특징을 가지고 있어, 녹색 전자 기술(green electronics)과 바이오전자소자(bioelectronics)의 비약적 발전을 이루고 있다.

그러나 현재까지 연구되고 있는 생분해성 고분자 기판 및 보호층은 낮은 유연/신축성 및 조절 불가능한 분해성 등 약점을 가지고 있어 운동성이나 변형이 많은 환경에서는 적용이 불가능했다.

이번 연구에서는 기존의 생분해성 소재가 가지는 제약을 극복할 수 있는 ~1200% 이상의 높은 인장 신축성을 가지고 있는 PGCL 엘라스토머 소재를 이용했고, 개환 중합(ring open polymerization)에서 단량체(monomer) 비율에 따른 엘라스토머 소재의 물성 특성화 연구를 진행하고 사용하는 환경에 맞게 소재를 이용할 수 있는 다변화 특성을 확보했다.

연구진은 전자소자의 박막 형태의 보호층으로 사용하여 체액이나 물에 의한 생분해성 전자소자의 향상된 보호 특성을 보고했고, 더 나아가 전도성 물질과 엘라스토머와 혼합하여 변형 가능하고, 분해성 있는 전도성 복합소재를 이용해 센서 및 유연/신축형 연결선 (interconnects) 등 응용 가능성을 보여줬다.

최종적으로, 연구진은 복합 PGCL 소재를 이용하여 열 방출형 약물 담지층, 전도성 히터층, 생체 정보 감지층으로 구성된 유연/신축형 전자 봉합 시스템을 구현하고, 피부에 결합할 수 있는 무선 임베디드 칩을 디자인 및 제작해 생체 온도를 실시간으로 모니터링하면서 마이크로 히터를 이용한 열전달에 반응할 수 있는 약물 전달 시스템을 완성했다.

황석원 고려대 교수는 “이번 연구결과는 고신축성, 생분해성 엘라스토머 및 유연/신축형 전자용/의료용 소재의 개발을 통해 기존 물질의 한계를 뛰어넘어 생분해성 엘라스토머 기반 전자소자의 가능성을 보여주며, 이러한 연구 성과를 응용하면 웨어러블/친환경/의료용기기 등 다양한 솔루션을 제공할 수 있을 것”이라고 기대했다.

Highly Elastic, Bioresorbable Polymeric Materials for Stretchable, Transient Electronic Systems, J.W. Shin, D.J. Kim, T.M. Jang, W.B. Han, J.H. Lee, G.J. Ko, S.M. Yang, K. Rajaram, S. Han, H. Kang, J.H. Lim, C.H. Eom, A. J. Bandodkar, & S.W. Hwang, Nano-Micro Letters, (2024), 16, 102