기초과학연구원(IBS, 원장 노도영) 나노의학 연구단(단장 천진우) 박장웅 교수(연세대 신소재공학과) 연구팀은 UNIST 이상영 교수팀, 밀라노대학과 공동으로 피부에 부착하여 여드름과 염증을 치료하는 투명 온열패치를 개발했다. 이 패치는 신소재와 첨단 프린팅 기법으로 제작되어 얇고 투명한 데다 유연하며, 무선 충전 및 휴대 가능하다. 즉 미용과 편의성을 동시에 구현한 셈이다.

여드름과 염증은 남녀노소 고민하는 피부질환이다. 이러한 피부질환은 피부에 따뜻한 열을 가해주는 온열 요법¹⁾으로 치료할 수 있다. 피부에 열을 가해 혈관이 확장되면 혈액순환이 원활해져 염증이 완화되며, 피부를 구성하는 콜라겐 분자의 운동이 활발하게 일어나 약물의 침투를 돕기 때문이다. 기존의 온열패치는 구동 모듈과 배터리 등이 별도 필요하고 부피가 커 부착 가능 부위가 한정적이었다. 투명하지 않아 쉽게 눈에 띄는 문제도 있었다. 이번 연구로 연구진은 전극, 배터리, 무선통신 요소 등 모든 구성요소가 투명하고 유연한 온열패치 개발에 성공하고 그 효과를 실험으로 입증했다.

연구진은 핵심부품인 전극을 투명하면서도 유연하게 만들기 위해 ‘메탈릭 글래스’²⁾와 ‘나노 와이어’³⁾를 이용했다. 인듐주석산화물(Indum Tin Oxcide)을 소재로 삼는 기존 투명전극은 휘어지거나 늘어나지 않아 피부 부착 장치의 부품으로 적합하지 않기 때문이다. 우선 연구진은 신축성이 뛰어난 메탈릭 글래스를 1차원 섬유 형태로 만들어 미세한 그물 구조로 제작하였다. 그물 사이의 빈 공간은 나노미터 두께의 얇은 실인 나노 와이어로 채워 전도성이 높고 유연한 투명전극을 구현하였다.

또한 ‘전기수력학 프린팅 기법’⁴⁾을 이용해 은(Ag) 잉크를 격자무늬로 찍어내어 투명 배터리를 제작했다. 전기수력학 프린팅 기법은 정전기적 힘으로 전극물질과 전해질을 마이크로미터 단위로 정밀하게 출력해낸다. 전극과 배터리는 통신 회로와 연결되어 무선으로 패치를 충전할 수 있다. 충전한 패치를 가볍게 누르면 온열이 발생하여 언제 어디서든 사용이 가능하다.

연구진은 개발한 패치로 피부에 1분 정도 온열을 가한 후 피부의 생리학적 변화를 관찰하였다. 그 결과 혈류량이 13분 동안 증가하고 수분흡수도 역시 약 1.9배 증가하였다. 온열패치의 성능을 실험으로 입증하여 의료 목적으로 활용될 가능성을 보여준 것이다.

박장웅 연구위원은 “이번 연구로 모든 구성요소가 투명하고 동시에 유연한 무선충전 온열패치를 최초로 선보였다”며 “미용 산업 및 의료 분야 등에 다양하게 활용될 뿐 아니라 피부에 부착하는 차세대 웨어러블 기기 플랫폼이 될 것으로 기대한다”고 전했다.

이번 연구결과는 국제 학술지‘나노 레터스(Nano Letters, IF 11.238)’에 7월 8일 출판되었다.

그림설명

▲ 그림 1. (좌)투명한 스마트 온열 패치, (우)패치를 손등에 부착한 모습연구진이 개발한 온열패치는 얇고 유연하여 피부에 부착하여도 불편하지 않다. 또한 패치 뒤의 글씨가 충분히 보일 정도로 투명성이 뛰어나 눈에 잘 띄지 않는다.

▲ 그림 2. 온열 패치로 온열을 가한 후의 피부 상태 변화온열 패치의 스위치를 가볍게 누르면 2초 내로 온화한 열이 피부에 전해진다. 장치에서 발생하는 열은 41 °C로 설정되어 저온화상을 걱정할 필요가 없다. 온열 패치로 피부에 약 1분간 온열을 가하는 것만으로 혈류량이 13분 동안 증가한 상태가 유지되었다.

▲ 그림 3-1(위), 3-2(아래). 온열 패치 사용 모습을 표현한 일러스트여드름, 염증 치료를 위해 연구진이 개발한 투명 패치를 사용하고 있는 모습을 표현한 일러스트.