생분해성 전자세라믹 소재 및 바이오 응용

강승균_서울대학교 재료공학부 교수

1. 서론

전자소자기술의 발달과 함께 전자소자를 활용한 의료 진단치료 기술이 크게 발전하고 있다. 특히 인체에 부착하여 실시간으로 몸의 상태를 모니터링하고, 취득한 데이터를 통해 빅데이터 기반 진단을 수행한 후 다시 부착된 전자소자를 활용하여 치료하는 스마트 헬스케어 기술이 주목받고 있다. 전자소자를 활용하는 형태는 크게 체외에 부착하는 웨어러블 소자와 체내에 삽입하는 삽입형 소자가 있다. 사용에 대한 접근성은 웨어러블 소자가 우수하지만, 민감한 진단이 필요하거나 국소적인 치료가 필요한 단계에서는 삽입형 의료소자가 활용이 된다. 다만, 삽입형 의료소자는 침습적인 수술이 필요하여서 이를 이용하는데 거부감이 매우 크다. 이러한 문제점을 해결하기 위해 제안된 새로운 기술의 한 방향이 바로 생분해성 전자소자이다.
  생분해성 소재의 개념은 새로운 것은 아니다. 수술 부위나 상처부위를 봉합하기 위해 사용하는 봉합사도 생분해성 고분자를 이용해 만들어지고 있으며 과거처럼 실을 제거하기 위해서 병원을 다시 찾는 수고로움을 덜고 있다.[1] 또한 최근에는 부러진 뼈를 고정하기 위해 삽입하는 의료용 나사도 생분해성 금속을 이용하여 제작하고 있다.[2] 생적합성이 우수하며 생분해가 가능한 소재를 활용하면 일정 기간 사용 후 체내에서 제거해야하는 상황에서 제거수술을 별도로 할 필요가 없기 때문에 수술로 인한 감염 문제, 불편함, 비용 문제 등을 쉽게 해결할 수 있다. 특히 체내에 장기간 남아있는 소자의 경우, 체내를 돌아다니며 조직에 손상을 가할 수 있고 외부 감염균이 침입했을 때 바이오필름을 형성하는 공간이 되어 감염 문제를 야기할 수 있다.[3] 또한 수술의 경우, 과도한 출혈이 발생하거나 2차 감염이 발생할 수 있으며 제거 과정 자체가 매우 위험한 고위험군 수술도 존재한다. 생분해성 전자소자는 이처럼 체내에 잔류하거나 제거를 위한 2차 수술의 위험성으로부터 해방시켜주는 기술이다.
  생분해성 전자소자의 연구를 크게 변화시킨 계기는 바로 고성능의 무기질 전자소자, 대표적으로 실리콘 단결정의 나노박막이 활용되면서부터이다.[4] 일반적으로 알려진 실리콘 단결정은 물에 녹는 물질로 인식되어 있지 않았다. 이러한 이유는 실리콘 단결정이 물에 녹는 속도가 하루에 수나노 정도밖에 되지 않기 때문인데 실리콘 단결정을 수백 나노의 박막으로 활용함으로써 생분해 전자소자로 활용하는 것이 가능해진 것이다. 유연신축성과 생분해성 속도를 가속하기 위해 대체로 박막형으로 활용되는 이 전자소자는 생분해성 고분자를 기판으로 활용하고 무기질의 생분해성 전자소재를 결합하여 고성능을 갖춘 기능소자로 활용된다. 생분해성 반도체, 금속, 절연체 등 생분해성 물질에 대한 연구와 이를 소자로 제작하기 위한 공정기술에서부터 응용까지 다양한 연구가 진행되고 있다.[3-9]
  생분해성 전자소자 기술은 생분해성 의료소자기술로의 응용과 함께 미래 시대의 친환경 전자소자기술로도 가치를 높이고 있다.[10] 전자소자 활용의 급증은 미래 사회의 폐전자소자 문제를 야기하고 있으며 생체적합성이 우수한 생분해성 전자소자가 폐기물이 없는 전자소자의 대안 중 하나로 부각되고 있다.[10] 또한 이와 같은 기술은 전자소자를 필요할 때 폐기할 수 있는 보안용 소자로의 활용 가능성도 내포하고 있다.[10] 그림 1은 생분해성 전자소자의 연구방향과 응용방향을 시각으로 도시한 자료이다. 본 기고문에서는 핵심적인 생분해성 전자소재에 대한 생분해 원리와 생분해성 전자소자의 수명을 결정하는 보호피막기술, 공정기술과 이를 응용한 생분해성 뇌압측정 센서에 대한 소개를 간략하게 진행하고자 한다.

그림1. 생분해성 전자소자의 연구분야 및 응용 분야. Adapted with
permission from References [10]. ⓒ 2021 Elsevier

그림5. PBAT/Mo 복합재 잉크의 pH10 환경에서의 가속분해 이미지 (상), 인쇄된 생분해성 전도성 잉크의 전기적 특성과 유연성을 보여주는 예 (하) Adapted with permission from References [9]. ⓒ 2021 John Wiley and Sons

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