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Ceramist > Volume 27(3); 2024 > Article
본질적 유연성을 지닌 인공피부를 위한 물질 및 소자 기술

Abstract

Electronic skin (e-skin) refers to the electronic devices that mimic the functionalities of human skin, such as their physical attributes and capabilities of sensing diverse stimuli including but not limited to tactile, temperature, humindity, and etc. These e-skin devices can also be used to sense physiological signals and provide appropriate feedback therapy, when equipped with proper modules. For either purpose, it is imperative that the e-skin devices conform to the dynamic surfaces of the human skin and deform freely following the daily activities of our body, in terms of improving the quality and accuracy of the retrieved biosignals and providing sustainable operation over prolonged amounts of time. Thus, a soft and deformable nature is required for the e-skin devices, and advancements in intrinsically stretchable materials and device technologies have led to the creation of e-skin devices that closely mimic the mechanical properties of the skin. This similarity facilitates their seamless integration and enhances their long-term stability. In this article, we offer a concise overview of these stretchable materials and the related device technology, particularly highlighting their use in robotic and biomedical e-skin applications.

서론

전자 피부(electronic skin, e-skin)는 인간 피부의 특성과 기능을 모방하도록 설계된 유연하고 신축성 있는 전자 장치이다. 전자 피부의 초기 개념은 1970년대에 도입되었으며,[1,2] 전자 부품을 유연한 재료와 통합하여 인간 피부의 감각 능력을 재현하는 것을 목표로 개발이 되었으나, 초기 개발은 사용 가능한 재료와 제작 공정에 의해 제한이 되었다. 그러나 21세기 초에 유연한 인공 피부 장치[3] 연구를 필두로, 이러한 전자 피부 장치를 로봇 공학,[4,5] 의수,[6,7] 웨어러블 건강 모니터링 및 치료 기기,[8,9] 인간-기계 인터페이스[10,11] 등 다양한 잠재적 응용 분야에서 활용할 수 있는 방안에 대해 활발한 연구가 이루어 지고 있다. 전자 피부 장치는 그 용도에 따라 크게 두 가지 유형으로 분류될 수 있다. 첫 번째는 로봇 공학 및 의수를 위한 인공 전자 피부(artificial e-skin)로, 인간 신체 부위의 기능을 복제하거나 복원하는 것을 목표로 하며 두 번째는 치료용 전자 피부(biomedical e-skin)로, 다양한 질병의 예방 및 진단을 위해 실시간으로 생리학적 데이터를 수집하고 가능한 경우 즉각적인 치료적 개입을 제공하는 것을 목표로 한다(Fig. 1).[12]
Fig. 1.
Classification of soft e-skins into 1) artificial e-skins for robotics and prosthetics, and 2) biomedical e-skins to conduct real-time physiological data-based diagnosis and therapy. Modified from Koo et al., Annu. Rev. Biomed. Eng., 2024, 26, 331-355 with permission of Annual Reviews[12]
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두 가지 유형의 전자 피부 장치에 대한 연구는 각기 다른 방향으로 집중되고 있다. 예를 들어, 인공 전자 피부의 경우, 촉각(압력 및 변형), 온도, 진동 및 습도 등 인간 피부의 기능을 정확하게 모방하는 데 초점이 맞춰져 있다.[13,14] 이를 위해 고해상도 및 대면적 커버리지를 갖춘 다중 모드 센싱이 가능한 유연하고 신축성 있는 센서가 광범위하게 연구되어 왔고, 이러한 인공 전자 피부를 장착한 로봇 시스템은 복잡한 작업을 수행하기 위해 주변 환경에 대한 정보를 얻을 수 있다. 또한, 이러한 전자 피부는 의수 장치로 생체와 결합되어 감각과 시각 같은 인간 신체 기능을 복원할 수도 있다.[15,16] 이 유형의 전자 피부는 인간 피부에 직접 착용되는 것이 아니라 로봇 또는 의수 장치에 적용되므로, 바람직한 특성으로는 높은 내구성, 자가 치유 및 적용 장치에 대한 강력한 접착성 등이 포함된다. 이는 장치의 수명과 일관된 성능을 위해 필수적이다.
한편, 치료용 전자 피부의 주요 목표는 원하는 생리 데이터를 높은 신뢰도로 정확하게 수집하는 것이다. 이는 인간 피부와 치료용 전자 피부의 탄성 계수를 일치시켜 치료용 전자 피부를 인간 피부에 일체화 시킴으로써 달성할 수 있다.[17,18] 전자 장치가 인간 피부에 일체화되면 감지 능력이 극대화되고 부작용이 감소하여, 장기적으로 치료용 전자 피부를 이용한 지속적인 건강 모니터링에 중요한 역할을 한다. 또한, 치료용 전자 피부는 생체 적합성이 요구되며, 분비물로 인한 인간 피부-전자 피부간의 인터페이스의 열화를 극복하는 방법 또한 매우 중요하다. 마지막으로, 통합된 우연 액추에이터를 통해 적절한 피드백 치료를 보장하려면 치료용 전자 피부 재료의 저항이 낮아야 한다. 따라서, 피부와 유사한 기계적/물리적 특성을 가진 재료로부터 고성능 센서와 액추에이터를 개발하는 데 많은 연구 노력이 기울여졌다.[19-21] 이 유형의 전자 피부 장치의 발전은 주로 새로운 유연하고 신축성 있는 재료의 합성, 그리고 하드웨어 및 소프트웨어 측면에서의 장치 설계 및 통합 전략을 통해 이루어지고 있다.
본 투고문에서는 유연한 전자 피부 장치의 최근 기술 발전을 소개하고, 특히 인공 및 치료용 전자 피부를 위한 재료와 장치 전략을 소개하고자 한다. 두 가지 다른 전자 피부에서 요구되는 특징을 논의하고, 이러한 특징을 달성한 최첨단 전자 피부 응용 사례들을 소개하고자 한다.

본론

2.1 유연한 전자 피부를 위한 디자인 전략 및 공정 기술들

인공 및 치료용 전자 피부 장치는 모두 안전하고 효율적인 인간-기계 상호작용 및 인간 신체와의 원활한 상호작용을 보장하기 위해 높은 기계적 순응성을 필요로 한다.[22] 전자 피부를 구성하는 기능적 전자 장치들, 예를 들어 센서, 액추에이터, 데이터 저장 및 전송 모듈, 에너지 장치 등은 그 기능과 성능을 저하시키지 않으면서 신체의 역동적인 형태와 움직임에 순응해야 한다. 초기 전자 피부 연구는 개별 기능적 소자, 특히 센서 소자에 신축성을 부여하는 데 중점을 두었으며, 반복되는 물리적 변형에도 높은 민감도와 내구성을 갖추는 것을 목표로 하였다.[23,24] 전자 소자에 신축성을 부여하는 다양한 전략들이 보고 되었지만, 그 중에서 신축성을 갖는 구조적 설계를 이용하는 방식과, 본질적으로 유연성이 있는 재료를 전자 소자 제작의 기본 구성 요소로 사용하는 방식이 높은 성능과 기계적 자유도를 동시에 달성하는 데 매우 효과적임이 입증되었다.[25,26] 전자의 접근 방식은 기하학적으로 설계된 디자인을 이용하여 신축성을 확보하면서, 높은 전기적 성능을 위해 결정 구조를 가진 무기 재료를 활용하는 방법이다. 신축성을 부여하는 이러한 디자인으로는 버클 구조,[27] 섬-다리 구조,[28] 구불구불한 똬리 구조/벌집 모양 구조,[29] 그리고 키리가미 구조[30] 등이 있다. 또한 일반적으로 이러한 구조를 바탕으로 한 신축성 전자 소자는 굽힘 강성을 최소화하고 기계적 성능을 향상시키기 위해 나노 스케일 두께의 전자 재료를 사용한다. 위에 설명된 디자인들을 보다 자세히 설명하면 다음과 같다.
먼저 초박형 무기 재료를 기반으로 한 버클 구조는, 미리 변형된 탄성 기판에 소자를 부착한 후 변형을 해제하여 제작을 할 수 있다. 신축성의 정도는 탄성 기판의 사전 변형 정도를 조정하여 설계할 수 있으며, 이 전략은 다양한 기능성 전자 피부 장치 개발에 널리 채택된 바가 있다. 그 예로는 다양한 인간의 활동을 감지할 수 있는 피부 부착형 센서,[31] 광용적맥파 신호를 모니터링하는 광전자 피부,[32] 투명한 습도 감지 전자 피부[33] 등이 있다. 섬-다리 구조의 경우, 개별 기능성 전자 소자는 분리된 섬 배열 형태로 배치가 되며, 각 섬들이 변형에 강한 특성이 갖는 구조로 된 연결부로 연결이 된다. 가해진 변형은 신축된 연결부를 통해 효과적으로 분산이 되며, 이때 섬 형태의 기능성 소자들은 영향을 받지 않기 때문에, 기능성 소자는 높은 성능을 위해 결정 구조를 갖는 무기 재료를 기반으로 제작하게 된다. 이러한 섬-다리 구조를 갖는 유연 전자 피부 장치로는 모니터링 및 치료를 위한 치료용 패치,[34] 온도 표시 및 변형 감지를 위한 다기능 전자 피부,[35] 생체 모방 기계수용기가 내장된 전자 피부[36] 등이 있다. 기능성 전자 소자는 가해진 변형을 견딜 수 있게 기하학적으로 설계된 구조물(예들 들어, 똬리 모양의 지지체 혹은 생체 모방형 지지체) 위에 제작될 수 있다. 그 예로, 패턴화된 벌집 모양으로 제작된 전극은 가해지는 변형에 대해 높은 기계적 안정성을 보여주었으며, 피부에 부착하여 심전도를 측정하는데 사용될 수 있음이 보고되었다.[37] 똬리 모양의 신축성 있는 전극 제작도 보고된 바가 있는데, 이 신축성 전극은 관절쪽 피부에 부착하여 열을 전달하거나, 심장 표면에 부착하여 심장 활동을 모니터링하고 열을 전달하여 치료를 제공하는 심외막 장치로 사용된 적이 있다.[38,39] 또한 탄성을 지닌 기판에 전략적으로 개구부(예: 키리가미 구조)를 형성함으로써, 구조의 비틀림 변형을 통해 가해지는 기계적 변형을 효과적으로 완화할 수 있는 방법도 있다. 최근 보고된 연구에서는 키리가미 구조의 전극을 기반으로 한 다기능 전자 피부의 제작을 시연했으며, 해당 전극의 견고한 기계적 특성 덕분에 다양한 생리 신호를 효과적으로 모니터링 할 수 있음을 보고하였다.[40]
무기물 재료 기반의 구조적 신축성을 지닌 전자 피부 장치는 재료적 특성을 기반한 높은 전기적 특성을 지님에도 불구하고, 여러가지 단점을 가지고 있다. 첫째로는, 신축성이 있는 연결부나 기하학적인 신축성 구조를 사용해야 하기 때문에 제작되는 소자들의 밀도가 제한을 받게 된다. 또한, 복잡한 기하학적 구조와 그에 따른 어려운 공정 방식은 생산 비용의 증가를 야기하며, 이는 대량 생산에 바람직하지 않다는 단점이 있다. 아무리 신축성이 있는 구조물 및 설계를 사용한다고 하더라도, 무기물 기반 소자가 한번 파손되거나 손상이 되면 해당 소자는 수리가 불가능하기 때문에 전체 장치를 교체해야 되는 단점도 있다. 이러한 단점을 극복하기 위해, 재료 자체가 본질적으로 유연한 물질을 기반으로 전자 피부 장치를 개발하는 것에 대한 관심이 높아지고 있다. 본질적 유연 전자 재료로 제조된 장치는 높은 내구성, 소자 밀도, 경제성, 그리고 기계적/물리적 특성의 조정 가능성을 제공할 수 있기 때문이다. 이러한 본질적 유연 전자 재료는 전도성 혹은 반도체성 나노 재료를 탄성 복합체에 통합하는 방식으로 쉽게 합성할 수 있다.[41,42] 재료의 전기적/기계적 특성은 넣어주는 나노 재료의 양을 통해 조정할 수 있으며, 일반적으로 더 많은 양의 나노 재료는 전기적 특성을 향상시키지만, 기계적 특성은 저하시킨다. 하지만 본질적 유연 전자 재료의 장점에도 불구하고, 본질적 유연 재료를 바탕으로 제작된 신축성 장치의 성능은 무기물 재료 기반의 신축성 장치에 비해 일반적으로 열등하다. 게다가, 대부분의 본질적 유연 전자 재료는 용액 공정을 기반으로 가공을 해야 되어 현재 반도체 산업에서 사용되고 있는 진공 증착 기반의 공정 장비들과 호환되지 않아 소자 및 장치를 제작함에 있어 상당한 제약이 따르게 된다. 따라서 본질적으로 유연한 고급 전자 피부 장치를 위해 새로운 공정 기술과 재료 기술에 대한 연구가 필요하다. 신축성 전자 소자를 제작하기 위해 구조적 신축성을 부여하는 방식과 본질적 유연 소재를 활용하는 방식에 대한 간단한 비교 및 설명이 Fig. 2에 설명되어 있으며, 다음 섹션에서는 다양한 신축성 장치 제작 전략을 기반으로 한 인공 전자 피부 장치와 치료용 전자 피부 장치에 대해 소개할 예정이며, 피부와 같은 특성과 기능을 부여하는 최첨단 기술에 대해 중점적으로 소개하고자 한다.
Fig. 2.
Comparison of fabrication methods for stretchable elctronics
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2.1.1 인공 전자 피부

인공 전자 피부의 주요 목적은 앞서 강조했듯이 인간 피부의 기능을 모방하는 것이다. 이를 달성하려면 우리의 피부가 가진 복잡한 특징을 이해해야 한다. 피부는 보호 장벽의 역할뿐만 아니라 정교한 감각 인터페이스로서 촉각, 온도 조절, 그리고 통증까지 감지하는 것이 가능하다. 이러한 복잡한 기능을 모방하려면 인공 전자 피부는 다양한 감각, 구동 및 보호 장치를 포함해야 한다. 이는 의수나 로봇에서 이러한 인공 전자 피부 장치를 사용할 때에 정교한 제어를 가능하게 하며, 인간의 신체와 유사한 기능을 수행하는 것을 가능하게 한다. 이와 같이 인간 피부의 기능을 온전하게 모방하기 위해, 인공 전자 피부는 다양한 특성을 지녀야 한다. 특히, 인체의 자유로움과 높은 활동성을 모사하기 위해, 인공 전자 피부 장치는 높은 기계적 순응성을 가져야 하며, 장치 내에 높은 해상도로 센서 및 액추에이터가 배열되어야 한다. 또한, 인간 피부의 다양한 감각 수용체를 모사하기 위해선 다양한 입력을 동시에 감지/구분할 수 있어야 한다. 인간 피부의 수용체는 보통 습도, 온도, 진동 및 촉각 정보를 감지하고 구분할 수 있으며, 이를 모사하기 위해서 다양한 센서가 탑재된 신축성 인공 전자 피부 장치 개발이 최근 몇 년간 연구의 초점이 되고 있다.
Jung et al.[43]은 2020년에 압력, 온도, 그리고 공기의 흐름을 감지할 수 있는 다기능 유연 인공 전자 피부 장치의 개발을 보고하였다. 연구팀은 피부의 털을 모사한 polydimet hylsiloxane (PDMS) 재질 기반의 공기 흐름 감지 센서, 은(Ag)과 탄소 나노튜브를 기반으로한 온도 센서, 그리고 탄소 나노튜브와 PDMS 기반의 capacitance 타입 압력 센서를 각기 개발한 후, 각 센서를 수직 적층 시키되 센서층 간을 절연물질로 분리시켜 층간 간섭현상을 최소화시켰다(Fig. 3). 이렇게 수직적층 시킨 다기능 센서는 피부의 수용체를 훌륭히 모사하였으며, 연구팀은 각 센서가 서로간의 간섭이 없이 각기 다른 입력을 잘 구분하여 감지할 수 있음을 보여주었다.
Fig. 3.
Schematic illustration comparing human skin with the developed multi-modal sensor. Reproduced from Jung et al., Flex. Printed Electron., 2020, 5, 025003 with permission of IOP Publishing[43]
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다중 모드 센싱 외에도, 로봇 및 의수 장치를 위한 인공 전자 피부는 화학적, 광학적, 물리적, 열적 충격과 같은 다양한 외부 입력으로부터 잠재적인 손상을 견딜 수 있는 탄력성을 필요로 한다. 이러한 특성은 인공 전자 피부가 초박형의 부드러운 재료를 기반으로 하기 때문에 최적화하기 어렵고 종종 상충이 된다. 이러한 점에서, 하이드로겔은 생체 조직과 유사한 고유 특성, 뛰어난 기계적 특성 및 기능성으로 인해 견고한 전자 피부 제작을 위한 유망한 재료로 각광받고 있다.[44] 특히, 두 개의 물리적 또는 화학적으로 가교된 폴리머로 구성된 이중 네트워크 하이드로겔은 높은 강도를 유지하면서도 우수한 신축성을 유지하여 광범위하게 연구되고 있다. 또한 하이드로겔의 다공성 특성은 이온 전도성과 기능성 나노 재료를 쉽게 원하는 양만큼 하이드로겔 내부에 넣을 수 있게 하기 때문에, 전기적 성능 조절이 용이하여 전자 피부 소자로의 응용을 위한 이상적인 재료로 쓰이고 있다. 이처럼 지난 몇 년간, 고급 기능을 갖춘 전자 피부 장치를 위해 하이드로겔의 기계적 특성을 맞춤화하기 위한 다양한 연구가 진행되고 있다.
Qu et al.[45]은 상이한 두 하이드로겔 층을 순차적으로 중합하는 방식을 이용해, 신축성이 있고 굉장히 질기며, 압력 측정이 가능한 합성물 개발을 보고하였다. 각각의 하이드로겔 층은 서로 상이한 기계적 특성을 갖도록 설계가 되었으며, 보다 자세히 질기고 압력 측정에 용이한 특성을 갖는 하이드로겔 전구체를 먼저 중합한 후에 좀 더 유연하게 설계된 하이드로겔 전구체를 중합함으로 피부에 온전한 접촉을 이루어 압력 측정을 안정적으로 할 수 있게 하였다(Fig. 4). 상이한 두 하이드로겔 기반의 합성물은 최종적으로 3600% 이상 안정적으로 인장 되는 신축성과, 200 kPa 이상의 압력을 견딜 수 있는 견고한 특성, 그리고 피부에 잘 부착이 되는 성능을 보유하였다. 연구팀은 보다 피부와 맞닿는 유연한 하이드로겔 층에 tannins와 proline과 같은 생물학적 고분자를 포함시켜, 상처 부위에서 박테리아의 증식을 억제하고 회복을 증진시킬 수 있는 가능성 또한 보여주었다.
Fig. 4.
Schematic illustration of the synthesis process of the layered hydrogel composite and the design principle of the composite. Reproduced from Qu et al., Chem. Eng. J., 2021, 425, 131523 with permission of Elsevier[45]
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인간 피부의 자가 치유 특성을 모방할 수 있는 인공 전자 피부 장치는 그 가치가 매우 크다. 자가 치유는 전자 피부 장치의 수명을 연장시킬 수 있는 가장 효과적인 수단일 뿐만 아니라, 손상된 부품의 교체 비용을 크게 줄여준다. 기계적으로 우수한 특성과 자가 치유 특성을 동시에 달성하기 위해서는 분자 레벨에서의 설계와 특정 기능을 부여하기 쉬운 고분자 기반의 탄성 매트릭스를 재료로 사용하는 것이 선호되고 있다. 폴리우레탄(PU)은 이러한 두 가지 특성을 모두 제공할 수 있어 많은 각광을 받고 있으며, 특히 PU를 구성하는 하드 및 소프트 세그먼트에서 발생하는 미세구조의 고유한 불균일성은 PU의 뛰어난 신축성과 형태 보존력을 동시에 제공한다. 이러한 PU의 특성은 다른 탄성 중합체에 비해 높은 기계적 강도와 손상에 대한 저항성을 보장해 준다. 또한 PU 내부의 동적이고 가역적인 공유 결합은 자가 치유 능력을 추가로 제공합니다. 이와 같이, 최근 연구는 높은 기계적 강도를 가지면서 동시에 자가 치유 특성을 보유한 인공 전자 피부 장치를 개발하는 데 중점을 두고 있다.
Ying et al.[46]은 PU 매트릭스 안에 입자 크기가 랜덤한 다분산계의 하드 세그먼트, 소수성을 지닌 소프트 세그먼트, 그리고 자가 치유 특성을 지닌 이황화물 결합을 조합하여 기계적 특성이 매우 우수하면서도 신축성이 뛰어난 인공 전자 피부 장치를 개발하였다(Fig. 5). 앞선 Qu et al.의 연구팀과는 달리, 순차적 중합과정이 아닌 원스텝 중합과정을 통해야 보다 빠른 자가 치유 특성과 우수한 기계적 성질을 동시에 얻을 수 있었고, 그렇게 제작된 PU 기반 인공 전자 피부 장치는 반으로 갈라진 상태에서 6시간이 지나면 거의 완벽하게(93% 이상) 자가 수복이 되는 것이 확인되었다. 또한 소수성을 지닌 소프트 세그먼트를 첨가하였기 때문에, 물 안에 3일동안 담가져 있어도 인공 전자 피부 장치의 신축성 및 전기적 특성이 유지되는 현상을 확인하였고, 자가 치유 특성이 인공 전자 피부의 압력 감지 능력, 기계적 특성, 그리고 전기적 성능과 무관하게 항시 유지되는 것이 보고되었다.
Fig. 5.
Schematic illustration describing the molecular design of PU-based artificial e-skin. Reproduced from Ying et al., ACS Appl. Mater. Interfaces. 2020, 12, 11072-11083 with permission of ACS Publications[46]
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최적의 성능을 보장하기 위해 인공 전자 피부 장치는 로봇이나 의수 장치의 역동적인 표면에 단단히 부착되어야 한다. 피부와 인공 전자 장치와의 온전한 접촉 및 결합이 항상 성능 향상을 위한 필수 요소는 아니지만, 전자 피부는 정밀한 기능을 위해 호스트 구조물의 동적인 동작 환경에 맞춰 변형하면서 접착을 유지할 수 있어야 한다. 전통적인 화학 접착제는 시간이 지나면서 열화 되거나 환경 조건에 의해 물리적, 화학적으로 손상될 수 있다. 최근에 습한 환경과 건조한 환경 모두에서 뛰어난 성능을 발휘하는 생체 구조 모방 접착제가 화학 접착제의 대안으로 보고되었다. 모방된 생체 구조는 화학적으로 불활성인 재료로 구성되어 접착층으로서의 역할을 하며, 접착시킬 목표물이나 자신을 손상시키지 않고도 효과적인 가역적 접착을 제공하는 도구로 사용될 수 있어 인공 전자 피부 장치에 쓰일 접착제로서의 높은 가능성을 보여주었다.
Baik et al.[47]은 아주 간단한 용액 기반 공정을 이용하여 문어 다리의 빨판 구조를 모사한 접착층의 개발을 최근 보고하였다. 연구팀은 마이크로 사이즈의 움푹 패인 동그란 구멍 형태의 구조가 어레이로 형성된 실리콘 기판을 self-assembled monolayer로 처리하여 소수성을 띄게 한 후, polyuret hane-acrylate (PUA) 기반의 용매 전구체를 그 위에 붓고 polyethylene terephthalate (PET) 필름으로 덮은 후 중합시켜 1차 몰드를 만든 후, 해당 몰드를 이용하여 다시 한번 역패턴 모양으로 PUA 구조체를 만들어 문어 다리의 빨판 모양을 정확하게 모사하였다(Fig. 6). 특히, PUA는 낮은 공기 투과성을 갖고 있어, 제작된 PUA 기반 접착층은 습하고 건조한 환경 모두에서 빨판 기반의 강하고 반복가능한 접착력을 보유하였다. 해당 접착층은 화학 접착제를 사용하지 않기 때문에 접착 표면에 어떠한 잔여물도 남기지 않으며, 문어 빨판 구조의 흡착력을 기반으로 대상 표면에 접착하기 때문에 구조물이 무너지지 않는 이상 접착력을 상실하지 않기 때문에 반복적으로 매우 오랫동안 접착층으로 사용이 가능하였다.
Fig. 6.
Description of fabrication process and mechanism of octopus-inspired dry adhesive. Reproduced from Baik et al., Nature, 2017, 546, 396-400 with permission of Springer Nature[47]
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이 섹션에서는 인간 피부의 기능을 모방하는 인공 전자 피부의 최근 발전 사항을 소개하였다. 이러한 발전은 단순히 감지 기능을 부여하는 것뿐만 아니라 내구성을 더욱 향상시키는 데 중점을 두었다. 이 섹션에서 설명된 기술적 발전과 더불어 피부와 같은 전자 장치를 위한 새로운 재료와 장치 기술 개발을 위한 지속적인 노력이 소프트 로봇 공학 및 의수를 위한 지능형 인공 전자 피부의 성장을 가속화할 것으로 기대된다.

2.1.2 치료용 전자 피부

인공 전자 피부는 주로 외부 입력을 감지하고 구분하는 반면, 치료용 전자 피부는 주로 부착 지점에서 생리 신호를 감지하도록 설계된다. 치료용 전자 피부는 뇌파(EEG), 안구운동전위도(EOG), 심전도(ECG), 근전도(EMG) 등 다양한 생리 신호를 정확하게 포착하도록 설계가 되며, 이를 이용하여 사용자 결정에 따른 치료 개입을 적시에 가능하게 하는 정밀한 판독값을 제공하는 것을 목표로 한다. 따라서 이러한 치료용 전자 피부 장치는 즉각적으로 반응할 수 있는 유연 액추에이터를 포함하여야 하고, 사용자에게 실시간으로 이상 활동을 알리는 유연 디스플레이 모듈과 연결되거나 통합되어야 한다.[48]
인공 전자 피부 장치와 치료용 전자 피부 장치의 요구 사항과 응용 분야는 다르기 때문에, 각각 장차에서 요구되는 물리적 특성 또한 다르게 된다. 치료용 전자 피부 장치는 높은 신뢰도의 생체 전위를 실시간으로 수집해야 하는데, 이러한 신호는 보통 표피나 인간 신체 깊은 곳에서 기원한다. 높은 신호 대 잡음 비율(signal-to-noise ratio, SNR)을 보장하기 위해서는 전자 장치를 인간 피부의 목표 지점에 최대한 밀착해서 부착해야 하고, 이를 위해 전자 장치와 피부 간의 기계적 모듈(Young's modulus)이 유사해야 한다.[49] 이러한 밀착 접촉을 달성하는 것은 센서 장치의 높은 민감도뿐만 아니라 최소한의 부작용으로 피부에 부착되는 견고한 인터페이스를 구축하는 데도 중요하다. 앞의 섹션에서 설명한 신축성 장치 제조의 두 방법은 모두 적용 가능하지만, 각각의 방법에는 장단점이 있다. 예를 들어, 고성능의 무기 재료를 활용하는 구조적 설계를 기반으로 한 신축성 장치는 대량 생산 가능성이 있으며 우수한 전기적 성능을 보인다. 그러나 사용된 재료의 경직성은 초기 기계적 손상에서 회복되지 않을 수 있다. 이러한 재료의 고유한 경직성은 시간이 지남에 따라 생체/비생체 인터페이스를 악화시켜 신축성 설계에도 불구하고 장치의 효율성을 저하시킬 수 있다. 또한 신축성을 띄게 설계된 구조를 사용하는 것은 전자 소자의 밀도를 낮추기 때문에 센서 및 타 기능성 전자 소자의 해상도가 낮아지는 결과를 초래할 수 있다.
반면, 본질적으로 유연한 재료로 제작된 장치는 우수한 내구성과 신뢰성, 그리고 높은 장치 밀도를 가진다. 그러나 본질적으로 유연한 도체, 반도체 및 절연체 재료 본연의 성능이 무기 재료에 비해 현저히 낮다는 것이 주요 문제이다. 전기적 특성이 향상된 본질적으로 유연한 도체 및 반도체의 합성 연구가 상당히 활발히 이루어졌지만,[50,51] 본질적으로 유연한 절연체에 적합한 재료를 찾는 것은 여전히 어려운 도전 과제로 남아있다. 현재 본질적으로 유연한 전자/광전자 장치에서 사용되는 대부분의 절연 재료는 일반적으로 용액 공정으로 증착되는 고분자 및 탄성중합체다. 이는 현재 사용 중인 진공 기반 반도체 공정 장비들과 호환되지 않으며, 용액 공정 기반으로 증착되는 이러한 재료들은 두껍기 때문에 낮은 동작 전압과 높은 속도를 요구하는 트랜지스터 및 회로를 구축하는 데 특히 불리하다. 또한, 이러한 절연체는 다양한 유기 용매에 취약하여 소자를 제작하는 과정에서 어려움을 초래한다. Wang et al.[52]은 azide 물질을 탄성중합체에 혼합하여 화학적으로 내구성이 있는 절연 물질을 개발, 해당 재료를 기존의 진공 기반 반도체 공정과 호환되게 개선하여 기존의 본질적으로 유연한 전자소자들과는 다르게 고해상도와 넓은 영역을 커버할 수 있는 신축성 트랜지스터와 센서 소자의 어레이를 제작할 수 있음을 보고하였다. 하지만 본질적 유연 소재의 공정을 처음으로 확장성 있게 개선을 한 혁신에도 불구하고, 용액 공정 기반의 탄성중합체를 절연체 재료로 사용하면 증착 두께의 한계 때문에 여전히 높은 동작 전압 문제를 해결할 수 없었으며, 이는 특히 치료용 전자 피부 장치로의 응용에 바람직하지 않다는 문제가 있다.
이러한 문제점을 해결할 수 있는 본질적 유연 절연체의 저온, 진공 증착 기술이 최근에 우리나라에서 보고되었다.[53] 이 절연체는 진공 장비를 사용하여 증착이 되기 때문에 두께의 정밀한 제어가 가능하며, 대면적으로 균일하게 증착이 되고, 열적, 화학적 내구성이 뛰어남과 동시에 기존의 다른 진공 기반 반도체 장비들과 호환이 가능하여, 본질적 유연 트랜지스터 소자 제작에 활용될 시 제작된 소자의 전기적 성능이 기존 무기재료 기반으로 제작된 신축성 전자 소자와 비견되는 것을 보여주었다(Fig. 7). 본질적으로 유연한 재료의 이러한 진보는 제작되는 소자의 더 높은 성능을 보장할 뿐만 아니라 다양한 기능의 장치들을 단일 플랫폼에 통합할 수 있게 만들어 보다 진보된 치료용 전자 피부의 발전을 위한 초석을 제공한다고 할 수 있다.
Fig. 7.
Schematic illustration describing the vacuum deposition process of intrinsically stretchable dielectric and its characteristics. Reproduced from Koo et al., Nat. Electron., 2023, 6, 137-145 with permission of Springer Nature[53]
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치료용 전자 피부 장치와 인간 피부 간의 밀착 접촉을 확립하는 것이 생리 신호의 정확한 감지를 위해 중요하지만, 장치의 통기성 및 생체 적합성과 같은 다른 특성들도 장치의 지속 가능한 동작을 위해 고려되어야 한다. 다행히 기판 재료로 가장 많이 사용되는 합성 고분자들의 상당 수가 생체 적합성이 있는 것으로 알려져 있지만, 장시간 이러한 치료용 전자 피부 장치를 사용하게 되면 피부와 전자 장치 사이에 땀과 같은 분비물들이 축적될 수 있다. 이러한 분비물이 장기간 제거되지 않으며 피부에 염증을 유발할 수 있으며 정확한 생리 신호를 감지하는 것을 방해하고, 또 전자 장치가 피부에서 박리되는 것을 유발하기 때문에 피부와 전자 장치 사이에 분비물이 쌓이지 않고 효과적으로 제거하는 것이 중요하다. 통기성이 있는 전자 피부 장치는 이러한 문제를 완화하여 전자 피부 장치를 편안하게 장기간 착용할 수 있게 한다. 전자 피부 장치의 통기성에 가장 큰 영향을 미치는 요소는 기판 재료인데, 기존에 가장 많이 사용되는 플라스틱이나 탄성중합체들은 대부분이 낮은 투과성을 보유하고 있다. 따라서 이러한 기판 재료에 다공성과 투과성을 부여하기 위한 전략이 광범위하게 연구되고 있다.
Yeon et al.[54]은 피부의 땀구멍을 모사한 치료용 전자 피부 장치의 개발을 선보인 후, 해당 장치를 이용하면 수 주간의 기간동안 피부에 어떠한 이상 없이 안정적으로 건강정보를 수집할 수 있음을 보고하였다. 땀구멍을 모사하기 위해 구멍 형태의 패턴을 만든 후 인공 피부 장치를 프랙털 구조 형태로 절단하여 실제 피부의 땀구멍이 절단된 부위 사이로 노출이 되게 만듦과 동시에 장치에 구조적인 신축성을 부여하였다(Fig. 8). 이로 인해 제작된 전자 피부 장치는 사용자의 피부에 큰 이물감 없이 장시간 부착될 수 있었고, 격렬한 운동 뒤 발생하는 땀이 자연스럽게 증발하여 전자 피부 장치의 성능에 아무런 영향을 주지 않는 것을 실험적으로 입증하였다.
Fig. 8.
Schematic illustration of perforated e-skin with sweat-pore inspired structures and stretchable designs. Reproduced from Yeon et al., Sci. Adv., 2021, 7, eabg8459 with permission of American Association for the Advancement of Science[54]
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Peng et al.[55]은 또다른 연구에서 키토산 기판을 이용하여 투과성이 있는 치료용 전자 피부 장치의 제작을 보고하였다. 키토산은 천연고분자 물질로 높은 생체 적합성과 간단한 처리 기술로 많은 각광을 받고 있는 재료이지만, 물과 증기의 투과성이 매우 낮은 물질로 알려져 있었다. 연구팀은 낮은 투과성을 해결하기 위해, 인체에 무해한 가소제를 키토산 박막에 첨가하여 마이크론 사이즈의 틈새 구조를 만들어 내는 방식을 발명하였다. 이렇게 인위적으로 만들어진 틈새는 피부와 외부 환경이 소통할 수 있는 채널 역할을 수행하였고, 틈새를 통해 습기와 수분이 효과적으로 흐르는 것을 실험적으로 확인하였다(Fig. 9). 제작된 투과성 키토산 기판 위에 나노선 네트워크 형태의 금 전극을 증착하여 치료용 전자 피부 장치 제작을 완성하였으며, 해당 장치를 이용하여 장시간 동안 생체 신호를 안정적으로 정확도 있게 측정할 수 있음을 보여주었다.
Fig. 9.
Schematic illustration of chitosan substrate fabrication for use as electronic skin. Reproduced from Peng et al., Adv. Funct. Mater., 2022, 30, 2112241 with permission of John Wiley & Sons[55]
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결론

최근 몇 년 동안 전자 피부 장치의 재료 및 제작 기술에 있어 상당한 진전이 보고되었다. 이러한 진전은 특히 센서 민감도의 향상, 기계적 내구성의 개선, 피부와 같은 기능의 실현에서 두드러지고 있다. 또한 급격한 발전을 이루고 있는 인공지능(artificial intelligence, AI) 기술이 전자 피부 기술과 결합하면서 장치들이 더욱 스마트해지고 있으며, 신뢰성과 효율성이 높아져 소프트 로봇 및 의료 분야에서 혁신적인 변혁을 이룰 수 있을 것이라 기대가 되고 있다. 혁신적인 기술들의 개발이 앞다투어 보고되고 있지만 아직 기술의 성숙도 측면에서는 가야 할 길이 많이 남았으며, AI 기술을 탑재한 전자 피부 장치가 상업화 단계에 도달하기에는 많이 이르다는 평가가 지배적이다. 뿐만 아니라 두 분야의 성과가 융합되면서 세심한 주의를 요하는 해결 과제들이 속속히 등장하고 있다.
가장 중요한 과제는 양질의 데이터 수집이다. 높은 공간, 시간, 또는 데이터 해상도를 갖춘 전자 피부 장치를 개발하는 것은 여전히 어려운 일로, 이는 수집되는 데이터의 품질과 양에 직접적인 영향을 미친다. 데이터 수집 외에도 데이터의 전처리가 필수적이다. 여러 장치에서 측정된 데이터를 동기화하고 표준화해야 하며, 통계적 이상치와 오류 데이터를 제거해야 한다. 전처리된 데이터는 분석에 더 적합해지지만, 이를 위한 유연 장치와 방법론은 극히 제한적이며 주로 추가 최적화가 필요한 기계 학습(machine learning, ML)에 의존한다. 하지만 학습을 위한 고품질의 라벨 및 데이터를 확보하는 것은 시간 소모적이면서 쉽지 않고, 종종 전문가나 사용자의 개입이 필요하기 때문에 수월하게 이루어지는 것이 힘들다.
수집, 처리된 데이터를 효율적으로 전송하는 솔루션을 개발하는 것도 중요하다. 전자 피부 장치의 특성상 데이터의 전송이 무선으로 실시간 전송이 되어야 하지만, 이런 데이터 전송 모듈을 개발하는 연구는, 특히 신축성 있고 변형 가능한 형식으로는, 아직 충분히 탐구되지 않고 있다. 가장 큰 이유 중 하나는, 데이터의 전송을 위해서는 안테나 소자가 필요한데, 신축 변형이 일어나면 전송 가능한 대역폭대도 같이 변하기 때문이다. 최근의 연구에서 변형에 둔감한 안테나 기술이 개발되었지만,[56] 이러한 데이터 전송 모듈을 다른 기능성 소자와 하나의 플랫폼에 통합하여 시스템화 시키는 것은 복잡하고 어려운 작업으로, 제작 및 재료 호환성 문제를 야기한다. 게다가 5 G 및 그 후속 기술과 같은 고급 연결 기술의 급속한 등장으로 인해 생성되는 데이터의 양이 기하급수적으로 증가하고 있는 추세이다. 이러한 데이터를 처리하고 저장, 관리하는 것은 전처리 프로세스를 한번 거친 후라도 상당히 난이도가 있는 도전 과제이다. 데이터 처리 지연과 네트워크 자원에 가하는 막대한 부담으로 인해 중앙 집중식 클라우드 컴퓨팅에만 의존하는 것은 실현 가능하지 않다. 지연 문제를 완화하기 위해, 필수 계산을 네트워크의 가장자리로 이동시키는 엣지 컴퓨팅이 도입될 수 있으나, 엣지 장치에 맞는 소프트웨어 및 하드웨어를 개발하는 것 또한 기술의 진보가 필요하며, 특히 클라우드 컴퓨팅 요구 사항과 스펙을 일치시키는 것이 매우 어렵다.
지능형 전자 피부 시스템의 개발을 위해서는 여러 기능성 소자들을 통합하는 것이 필요하며, 이러한 다양한 소자들을 한꺼번에 구동 시키려면 상당한 에너지원이 필요하다. 기존의 단단하고 부피가 큰 배터리는 웨어러블 응용 분야에 적합하지 않으며, 유망한 대안으로는 무선 충전이 가능한 박막형 배터리, 또는 유연한 형식으로 설계된 자가 에너지 수확 모듈이 있다. 하지만 로봇, 의수, 그리고 치료용 전자 피부 장치에서의 잠재적 응용을 감안할 때, 두 가지 전력 솔루션 모두 지속 가능하고 장기적인 운영을 보장하기 위해 상당한 혁신이 필요하다.
마지막 과제는 보안 및 프라이버시 문제로, 특히 치료용 전자 피부 장치와 관련이 있다. 치료용 전자 피부 장치는 사용자의 신체 활동에 대한 정보를 수집할 수 있으며, 이는 민감한 정보로 간주될 수 있다. 이러한 데이터를 보호하는 것은 매우 중요하지만, 현재는 아직까지 전자 피부 장치의 보안 및 프라이버시 위험을 해결하는 포괄적인 솔루션은 존재하지 않으며, 웨어러블 장치의 보안 및 프라이버시 측면을 해결하기 위한 추가 연구 및 개발에 노력을 기울여야 한다. 이러한 도전 과제들이 많이 남았음에도 불구하고, 인공 및 치료용 전자 피부 분야는 학계와 산업계 모두에서 상당한 관심을 끌고 있으며, 전자 피부 장치가 우리 일상 생활과 더 밀접하게 통합이 되면 인간 사회에 큰 혜택을 가져올 것으로 기대가 된다.

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56.S. H. Kim, A. Basir, R. Avila, et al, Nature. 629, 1047–1054 (2024) https://doi.org/10.1038/s41586-024-07383-3.
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Biography

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⊙⊙ 구 자 훈
⊙ 2020년 서울대학교 협동과정 바이오엔지니어링 전공 박사
⊙ 2020∼2023년 서울대학교 화학공정신기술 연구소 책임연구원
⊙ 2023년∼ 세종대학교 반도체시스템공학과 조교수
⊙ 연구분야: 신축성 전자소자, 본질적 유연 소재 및 소자 기술 개발
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