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2014. 3. 31(월) 03:00(국제엠바고)이후부터 보도하여 주시기 바랍니다.
문의 : 국제과학비즈니스벨트과 나인광 과장(02-2110-2740), 이성훈 사무관(02-2110-2749) IBS 나노입자 연구단 김대형 교수(02-880-1634), 현택환 단장(02-880-7150)

피부 부착형 차세대 웨어러블 나노소자 개발

- 차세대 치료용 웨어러블 나노디바이스 -

□ 미래창조과학부(장관 최문기)와 국제과학비즈니스벨트 핵심 기관인 기초과학연구원(IBS, 원장 직무대행 신희섭)은「나노입자연구단(현택환 단장)」의 김대형 교수팀(서울대 화학생물공학부)이 나노 물질을 사용하여 운동 장애 질환을 진단하고 결과에 따라 치료까지 가능한 웨어러블 전자시스템을 개발했다고 밝혔다.

o 이를 통해 파킨슨병과 같은 운동 장애 질환의 발병 여부를 상시 모니터링하여 측정 결과를 메모리에 저장할 수 있으며, 저장된 정보의 패턴 분석을 통해 진단하고 필요시 피부에 약물을 투여하여 치료까지 가능하다.

o 또, 연구팀은 나노입자를 기존의 반도체 공정에 적용하여 획기적으로 전력소모를 낮춘 저전력 디바이스를 구현하는데 성공하여 웨어러블 전자시스템이 오랫동안 안정적으로 작동할 수 있게 하였다.

□ 이 연구결과는 세계 최고 권위 학술지인 네이처 나노테크놀로지(Nature Nanotechnology, IF 31.17)에 3월 31일자로 게재되었다.

* (논문제목) 운동 장애의 진단, 치료를 위한 다기능성 웨어러블 디바이스(Multifunctional wearable devices for diagnosis and therapy of movement disorders)

* (제1저자) IBS 나노입자 연구단 손동희, 이종하 연구원(박사과정)

* (교신저자) IBS 나노입자 연구단 김대형 공동연구원(서울대 교수)

□ 연구팀은 보통의 전자소자에서 사용되는 딱딱한 기판(실리콘 웨이퍼 혹은 유리기판) 대신 나노박막과 나노입자를 사용하고 기존의 반도체 기술을 변형시켜 활용함으로써 휘거나 늘일 수 있는 전자소자를 제작할 수 있었다.

o 연구팀은 기판 위에 희생층, 보호층을 먼저 코팅하고, 그 위에 산화물 및 금속 나노박막과 나노입자를 배열하여 전자소자를 제작한 후 희생층을 제거한 뒤 늘일 수 있는 패치에 전자소자를 전사-인쇄하는 방법을 구사하였다.

o 나노물질의 전사-인쇄 방법은 합성된 고성능 전자 재료들을 구부릴 수 있는 성질의 기판에 옮기는 기술이며, 쉽고 간단하게 넓은 면적에 걸쳐 적용할 수 있는 장점이 있다.

o 이 방법으로 피부와 비슷하게 25%정도까지 늘어날 수 있는 센서, 메모리 소자, 히터 등의 다양한 전자소자를 제작하였고, 다양한 나노 입자를 주입하여 약물전달 등의 치료까지 할 수 있는 시스템을 개발하여 웨어러블 의료용 전자패치 형태로 구현하였다.

o 나노박막 센서로 운동 장애의 패턴을 측정하고, 나노 박막·입자 메모리에 저장 후 분석하여 질병징후를 진단하며, 전자히터는 나노입자에 들어있는 치료용 약물이 피부에 잘 투여될 수 있도록 한다.

□ 이번 연구성과는 나노물질을 이용하면서도 기존에 존재하는 반도체 기술의 변형을 통해 피부에 부착하는 고성능 웨어러블 전자 기기에 사용될 수 있는 기초 전자소자 개발 기술을 제시한다는 점에서 매우 큰 의미를 가진다.

o 또, 기존에 존재하던 반도체 공정 기술을 변형시켜 사용할 수 있기 때문에 대량 생산이 가능하여 향후 전자산업에 막대한 영향을 끼칠 것으로 기대되며, 질병의 치료와 진단을 위한 의료 산업분야에도 광범위하게 응용될 것으로 예상된다.

□ 김대형 교수는 “이번 웨어러블 전자소자 개발 성과가 차세대 피부 부착형 헬스케어 전자 기기의 연구 개발을 선도하는 계기가 될 것”이라며 “향후 스마트폰과 같은 모바일 기기와 연동하여 활용될 경우 원격 진료 등 신시장 창출에 큰 기여를 할 수 있을 것으로 기대된다”고 소감을 밝혔다.

□ 한편, 김대형 교수는 세계최고 권위의 엠아이티 테크놀로지 리뷰(MIT Technology Review)에서 ‘35세 이하의 세상을 바꿀 위대한 과학자 35인’에 선정된 인물이다.

o 서울대학교 교수로 임용된 지 불과 2년 반 만에 순수 국내연구로 이번 연구결과를 세계 최고 저널에 발표하였다.

□ 현택환 IBS 나노입자 연구단장은 “이번 성과는 미국 하버드나 MIT 같은 최고 대학의 조교수들도 이루기 힘든 뛰어난 성과”라며 “다양한 반도체공정이 들어가서 많은 최첨단 장비들이 필요함에도 3년도 안 되는 짧은 시간에 세계적인 성과를 낼 수 있었던 데에는 IBS를 통한 전폭적인 지원이 있었기 때문”이라고 배경을 전했다.

붙임 연구결과 개요, 용어설명, 그림설명, 연구자 이력사항

연 구 결 과  개 요

1. 연구배경

현재 개발되는 웨어러블 기기들은 대부분 딱딱한 기판 위에 전자 소자를 만들고, 이 소자들을 액세서리 형태로 단순히 입거나 착용할 수 있는 형태로 제작한 것이다. 이러한 기기들은 실제로 입고, 착용할 수는 있으나 그 부피가 크고 무게가 비교적 무거워서 일상생활에 불편함을 느낀다는 단점이 있다. 한편 파킨슨병은 행동장애를 유발하는 뇌질환의 일종으로서 이를 정량적으로 측정하여 그 결과를 저장하고 데이터 분석을 통하여 진단하고 실시간으로 치료하는 것은 매우 중요하다.

2. 연구내용

새로운 형태의 웨어러블 기기로써, 피부에 부착할 수 있는 형태로 고성능 전자 소자를 구성하기 위해 나노박막과 나노입자를 적절히 조합하여 나노미터 두께의  전자 소자를 제작하였다. 이 전자 소자는 매우 얇고 가벼우며, 패치 위에 전사-인쇄된 뒤에 피부에 부착되어 늘이거나 굽혀져도 성능이 유지되는 특성을 지니고 있다.

이러한 얇고 가벼우면서도 늘일 수 있는 웨어러블 전자 기기는 운동 장애의 진단을 위한 센서/측정 데이터 저장을 위한 메모리/치료를 위한 전자히터가 포함되어 있다. 진단을 위해서 탑-다운 방식으로 생성된 실리콘 나노박막을 통해 운동 상태를 진단할 수 있는 고성능 변형 센서가 포함되어 있다. 또한 데이터 저장을 위해서 개발된 메모리 소자는 저전력으로 구동되는 차세대 저항 메모리이며, 탑-다운 방식으로 제작된 이산화티타늄 나노박막과 바텀-업 방식으로 제작된 금 나노입자의 조합으로 제작하였다. 마지막으로 치료를 위해서는 금속 나노 박막으로 구성된 전자히터를 개발하였으며, 이 전자히터가 내는 열을 통해 실리카 나노입자 안에 포함되어 있는 약물의 피부를 통한 투여를 촉진할 수 있었다.

3. 기대효과

나노물질 기반의 웨어러블 전자시스템을 피부에 부착할 수 있는 형태로 구현하는 기술은, 현재 생산되고 있는 웨어러블 기기에서 훨씬 진보한 기술로써 새로운 형태의 웨어러블 기기 산업의 지평을 열어 미래 사회 전반에 걸쳐 핵심적인 역할을 하게 될 것으로 기대된다. 나노물질을 기반하여 구현된 나노미터 두께의 웨어러블 디바이스를 통해 미래 산업 발전의 근간이 될 것으로 기대된다.

용 어 설 명

1. 나노입자

○ 지름이 나노미터 수준의 크기를 갖는 입자이다. 같은 구성성분이라도 일반적인 벌크(bulk) 물질과 완전히 다른 성질을 가진다.

2. 나노박막

○ 두께가 나노미터 수준의 크기를 갖는 박막이다.

3. 탑-다운(하향식), 바텀-업(상향식) 방식

○ 탑-다운 : 다양한 방법을 이용하여 크기가 큰 재료를 작게 만드는 방법이다. 기존의 반도체 소자의 제작을 하는데 사용된다.

○ 바텀-업 : 한 개의 원자 또는 분자의 개수를 점점 늘려서 많은 입자로 구성되어 있는 나노재료로 만드는 방법이다.

4. 저항메모리

○ 금속산화물과 양쪽의 금속 전극으로 구성된 캐패시터 타입의 구조를 가지며, 외부 전원에 따라서 저항의 상태가 가역적으로 달라질 수 있는 메모리이다. 주로 산소 및 정공이 전기장에 따른 거동에 의해 동작된다.

5. 변형 센서

○ 실리콘 (Si) 나노박막은 외부의 응력 (strain)에 의해 저항이 달라지게 된다. 이러한 특성을 바탕으로 움직임을 감지하는 센서로 사용된다.

그 림 설 명

(그림)웨어러블 전자소자를 집적시킨 의료용 패치를 피부위에 부착한 사진이다. 차세대 메모리로 각광을 받고 있는 비휘발성 저항메모리 어레이 (왼쪽) 와 실리콘 기반의 변형 센서 (오른쪽)가 구성되어 있고 늘어날 수 있는 히터가 구성되어 피부약물전달을 조절한다. 파킨슨병의 주요 증상인 떨림 현상을 센서로 모니터링하고 측정 결과를 메모리 디바이스에 저장한다. 메모리 소자내에 균일한 금 (Au) 나노입자가 랭뮤어-블로젯 (Langmuir-Blodgett) 자가조립 통해 구성되어 있어서 웨어러블 전자소자의 전력 소모를 최소화 할 수 있다. 이는 차세대 웨어러블 시스템 연구개발과 신시장 창출을 위한 혁신적인 기술이다.

연 구 자 이 력 사 항

< 김대형 조교수 >

1. 인적사항

○ 소 속 : 기초과학연구원 나노입자 연구단

○ 전 화 : 02-880-1634

○ e-mail : dkim98@snu.ac.kr

2. 학력

1996. 03 - 2000. 02	서울대학교 응용화학부 학사

2000. 03 - 2002. 02	서울대학교 응용화학부 석사

2006. 09 - 2009. 10	미국 일리노이주립대학 재료공학과 박사

3. 경력사항

2011-	서울대학교 화학생물공학부 조교수

2009-2011 펜실베니아주립대학 방문 연구원

2009-2011 일리노이주립대학 박사 후 연구원

2002-2006 ㈜케이씨텍 선임 연구원

4. 전문 분야 정보

2011 - 세상을 바꿀 젊은 과학자 TR35 선정 (MIT Technology Review)

2013 - 대한민국 미래 100대 기술과 주역 (한국공학한림원)

< 손동희 박사과정 >

1. 인적사항

○ 소속 : 기초과학연구원 나노입자연구단,

서울대학교 화학생물공학부

○ 전 화 : 02-880-1565

○ e-mail : daniel3600@snu.ac.kr

2. 학력

2001. 03 - 2007. 02   고려대학교 세종캠퍼스 물리학과 학사

2007. 03 - 2009. 02	서울대학교 나노과학기술 협동과정 석사

2012. 03 -	서울대학교 화학생물공학부 박사과정

3. 경력사항

2009. 02 - 2011. 03   SK하이닉스반도체 연구소 선임연구원

< 이종하 박사과정 >

1. 인적사항

○ 소속 : 기초과학연구원 나노입자연구단,

서울대학교 화학생물공학부

○ 전 화 : 02-880-1565

○ e-mail : vidispes@naver.com

2. 학력

2006. 03 - 2010. 02   서울대학교 재료공학부 학사

2010. 03 - 2012. 08	서울대학교 재료공학부 석사

2012. 09 -	서울대학교 화학생물공학부 박사과정

3. 경력사항

2006. 03 – 2010. 02	대통령과학장학생

2011. 03 – 2011. 08	프랑스 고등사범학교 (E.N.S. Cachan) 파견연구원