쌀알만 한 크기의 생분해성 심박조율기가 생후 몇 주간 어려움을 겪는 신생아를 돕기 위해 개발되었습니다. Soft electronics는 생체 조직을 더 잘 모방하는 의료기기를 가능하게 하며, 기존의 딱딱하고 부피가 큰 장치보다 뚜어난 이점을 제공합니다. 유연한 전자 장치는 자연 조직처럼 보일 수 있어 면역 반응, 흉터 조직 생성 및 신체 거부 반응을 피할 수 있습니다. 게다가 stretchable and soft electronics using liquid metals와 self-healing soft electronics 같은 첨단 기술이 의료 분야를 변화시키고 있습니다. 이 글에서는 soft electronics가 무엇인지, 핵심 재료와 기술, 그리고 현재 적용 사례를 살펴보겠습니다.

소프트 일렉트로닉스란 무엇이며 왜 의료기기에 중요한가

Soft electronics는 구부리고, 비틀고, 늘릴 수 있는 전자 부품과 시스템을 설계하는 기술입니다. 플라스틱, 고무 또는 유연한 유리와 같은 기판 위에 제작되며, 전자소자의 구성 부품들을 손상시키지 않고 변형을 견딜 수 있도록 설계됩니다.

의료기기 분야에서 이 기술이 주목받는 이유는 명확합니다. 인체 조직과 유사한 탄성률을 가지면서도 생체 내 전기적인 신호를 인지하고 전기 자극을 생체 조직으로 전달해 치료 효과를 증대시킬 수 있기 때문입니다. 특히 웨어러블 기기를 만들기 위해서는 외부 환경에 유연하게 반응하는 센서와 몸의 움직임에 따라 신축이 자유로운 전극, 말랑하면서도 강한 힘을 내는 구동기 등 수많은 유연한 부품이 필요합니다.

상용화된 생체삽입형 전자기기는 단단한 실리콘 반도체 기반 전자 부품으로 제작돼 사람의 피부와 근육에 염증, 조직 손상 등 부작용을 일으킵니다. 이를 통해 soft electronics는 원격 환자 모니터링, 약물 전달 및 조기 질병 탐지에 활용되고 있습니다.

소프트 의료기기를 가능하게 하는 핵심 재료와 기술

전도성 고분자는 soft electronics의 핵심 재료로 자리잡고 있습니다. PEDOT:PSS는 습도 80%와 70도 이상의 열을 가해 전기전도도를 250배 높이는 방법이 개발되었으며, 125.467 S/cm라는 전기전도도를 확인했습니다. 마찬가지로 하이드로겔은 조직과 비슷한 물성을 가지면서도 높은 전도성을 제공합니다. 고전도성 하이드로겔은 247 S/cm의 전기전도도를 띄며, 탄성율 60 kPa과 파괴변형률 410%를 갖습니다.

액체금속은 stretchable and soft electronics using liquid metals 구현에 활용됩니다. 갈륨 기반 액체금속은 29.8℃의 낮은 녹는점을 가지며, 고체 상태에서는 단단하지만 액체 상태에서는 부드러워집니다. 50μm 수준의 미세 회로 인쇄가 가능하고, 전기전도도는 2.27×10⁶ S/m에 달합니다. 강성을 1,465배까지 조절할 수 있어 딱딱한 플라스틱부터 고무처럼 말랑한 상태까지 변화가 가능합니다.

Hybrid 3D printing 기술은 열가소성 폴리우레탄에 은 조각을 혼합한 신축성 전도성 잉크를 사용합니다. Self-healing soft electronics 분야에서는 외부 자극 없이 10초 이내에 80% 이상의 기능을 회복하는 전자피부가 개발되었습니다.

현재 적용되고 있는 소프트 의료기기 사례

웨어러블 센서는 피부와 조직에 매끄럽게 통합되어 생체신호와 움직임을 실시간으로 지속 모니터링합니다. AS7056과 AS7057 바이오시그널 센서는 광전용맥파, 맥파전달시간, 심박수를 측정하며 이어버드, 피트니스 밴드, 스마트워치에 적합한 저전력 설계와 소형 폼팩터를 갖추고 있습니다. 한편 AS7058은 광전용맥파, 심전도, 체임피던스, 피부전기활동을 통합 측정합니다.

생분해성 삽입형 전자기기는 수술 후 몇 주 동안 일시적 모니터링에 활용됩니다. 노스웨스턴대가 개발한 심박조율기는 가로 1.8mm, 세로 3.5mm, 두께 1mm 크기로 주사기 끝에 들어갈 만큼 작습니다. 마찬가지로 고려대 연구팀은 1cm X 1cm 크기의 생분해성 전기자극 의료기기를 개발했으며, 2주 이상 신경재생 효과를 지속합니다.

초음파 혈압센서는 수축기 혈압 오차 ±4mmHg, 이완기 혈압 오차 ±2.3mmHg로 임상 허용기준을 충족했습니다. 또한 KAIST 연구팀이 개발한 땀 패치는 6개에서 17개 챔버를 통해 요산, 젖산, 티로신 같은 대사물질을 시간 순서대로 측정합니다. KAIST의 유연 마이크로 LED는 5마이크로미터 두께와 80마이크로미터 크기로 30 밀리와트/제곱밀리미터 이상의 빛을 내며 쥐의 뇌 깊은 곳 신경세포를 자극했습니다.

결론

Soft electronics는 의료기기의 패러다임을 바꾸고 있습니다. 전도성 고분자부터 액체금속까지, 이러한 첨단 재료들은 인체 조직과 조화를 이루는 장치를 가능하게 합니다. 웨어러블 센서와 생분해성 삽입형 기기는 이미 환자 치료에 활용되고 있으며, 부작용을 최소화하면서도 뛰어난 성능을 제공합니다. 결국 이 기술은 더 안전하고 효과적인 의료 솔루션으로 우리의 건강 관리 방식을 개선할 것입니다.