가볍고 작은 웨어러블 전자기기는 다양한 생체 데이터를 모니터링할 수 있어 유용하다. 하지만 최근에는 한걸음 더 나가 인간 피부에 전자회로를 인쇄해 인체 모니터링을 한다는 방법이 모색되고 있다. 펜실베이니아주립대학 등 연구팀이 새로 실온에서 피부에 전자회로를 인쇄해 생체 데이터를 모니터링하는 기술을 개발했다고 발표했다.
연구팀은 생체 데이터 모니터링 등에 응용 가능한 유연성 높은 전자회로를 제조하는 방법으로 고체 분말 집합체를 융점보다 낮은 온도에서 가열, 굳게 소결하는 방법에 주목해왔다. 금속 나노 입자를 소결시켜 종이나 천 등 표면에 전자회로를 직접 인쇄할 수 있지만 소결에 필요한 온도는 인간 피부에 너무 높다는 문제가 있었다.
펜실베이니아주립대학 후안우 쳉(Huanyu Cheng) 교수 연구팀도 한번 웨어러블 센서로 사용 가능한 유연성을 가진 인쇄형 전자회로를 개발하고 있었지만 금속나노 입자 결합 과정에서 문제로 피부에 직접 인쇄하는 기술 실현에는 이르지 못했다. 전자회로에 사용하는 은나노 입자를 소결하려면 300도 고온이 필요했던 것.
연구팀은 당연히 피부가 이런 고온을 견딜 수 없고 더 낮은 온도에서 소결을 가능하게 할 방법을 모색했다. 그리고 전자회로 아래에 소결조제(sintering aid)라는 물질층을 만들고 그 위에 인쇄된 전자회로 중 은나노 입자 결합에 필요한 에너지량을 줄이는 방법을 개발했다.
연구팀이 개발한 소결조제는 박리 가능한 페이스 마스크 주성분인 생분해성 폴리머 페이스트와 계란을 구성하는 탄산칼슘 등으로 이뤄져 있다. 소결조제층은 은나노 입자가 축적되어 소결에 필요한 에너지량을 줄인다. 소결조제층 성분과 인쇄 재료를 바꿨더니 은나노 입자를 상온에서 소결할 수 있다는 걸 알게 됐다는 설명이다.
또 요철이 있는 피부에 갑자기 전자회로를 인쇄하는 게 아니라 매끄러운 소결조제층 위에 전자회로를 인쇄해 전자회로가 휘거나 부러질 때 전기 기계적 성능을 향상시켰다고 한다. 소결조제와 전자회로층은 인간 피부 외에 의류와 종이에도 인쇄 가능하다.
연구팀은 실제로 나무 스탬프와 은나노 입자로 이뤄진 전자회로와 소결조제층을 배치하고 인간 손등에 인쇄하는 실험을 실시했다. 피부 위에 전자회로와 소결조제를 덮고 냉온 헤어드라이어로 용제를 증발시켜 실온에서 은나노 입자 전자회로를 소결시키는데 성공했다고 한다.
실제로 피부에 인쇄된 전자회로는 체온과 피부 수분, 혈중 산소, 심박수, 호흡수, 혈압, 심전도 등을 측정할 수 있었다고 한다. 연구팀은 피부에 직접 인쇄한 전자회로에 의해 측정한 데이터 정밀도는 기존 피부에 장착한 웨어러블 센서와 같거나 더 뛰어났다고 설명했다.
피부에 인쇄된 전자회로는 물에 젖어도 괜찮지만 뜨거운 물로는 쉽게 제거할 수 있으며 분리되면 재활용하는 것도 가능하다고 한다. 제거할 때 피부가 손상되지 않기 때문에 노인이나 아기한테도 사용할 수 있다.
연구팀은 또 유사 기술을 이용해 종이 위에 전자회로를 인쇄하고 여기에 판매되는 무선 통신 칩을 추가한 간단한 기판을 만들 수 있다. 이 간이 보드를 소매 안쪽에 붙여 피부에 인쇄된 전자회로 센서로부터 데이터를 수집하고 다른 장치로 보낼 수도 있다.
연구팀은 이 접근 방식은 새로운 소결조제층을 이용해 수백도 온도를 대체할 접근 방식으로 금속 나노 입자를 저온이나 상온에서 소결할 수 있다며 피부에 인쇄하는 센서는 상용 웨러버르 제품보다 신호 품질이나 성능이 뛰어나 다른 확장 모듈과 결합해 건강 상태를 모니터링하는 웨어러블 전자기기를 대체할 수 있다고 설명하고 있다. 관련 내용은 이곳에서 확인할 수 있다.