성균관대 방창현 교수 공동연구팀, 자가치유 접착 패치 개발

전자피부 센서용 3D 마이크로 구조 기반

문어의 빨판 구조와 치유 능력 본뜬 자가치유 소재 개발

자가치유 소재의 구조화 문제 해소

[서울=뉴시스] (왼쪽부터) 성균관대 방창현 교수(교신저자), 경희대 오진영 교수(교신저자), 한국교통대 김다완 교수(교신저자), 임도현 박사과정생(제1저자), 정민우 박사과정생(제1저자) (사진=성균관대 제공) *재판매 및 DB 금지

[서울=뉴시스]박지은 인턴 기자 = 성균관대 화학공학부/고분자공학부 방창현 교수 연구팀은 경희대 오진영 교수, 한국교통대 김다완 교수와의 공동연구를 통해 절단돼도 스스로 회복하는 자가치유(self-healing,물체가 물리적인 손상을 입었을 때, 물체를 구성하는 분자 간 상호작용을 통해 스스로 손상 부위를 회복하는 특성) 기능을 가지는 전자 점착 패치 소자를 개발했다.

[서울=뉴시스] 문어의 빨판구조와 치유 성능을 모사한 패치 (사진=성균관대 제공) *재판매 및 DB 금지

연구팀은 문어의 흡반을 본떠 피부 고밀착 미세구조를 갖는 이 전자 점착 패치 소자를 기반으로 습하고 굴곡진 피부와 외부자극에서도 안정하게 생체신호를 수집하고 개발한 소자의 자가치유 특성을 이용해 외부의 손상에도 일정 시간 이후 스스로 원래 성능으로 회복해 경제적, 산업적으로 효과적인 심전도 진단 패치를 보고했다.

자가치유 소재는 소재 특유의 유동성 및 분자 간 다이나믹 결합(예시 : 수소 결합, 정전기적 상호작용 혹은 금속 배위 결합 등)을 통해 스스로 손상 부위를 회복하는 특성을 가진다.

이러한 소재를 적용하면 외부 요인에 의한 손상이 발생할 수 있는 모든 기계 및 전자 장치의 내구성을 크게 향상시킬 수 있다.

그러나 소재 특유의 유동성은 자가치유 복원력과 기계적 물성 간의 상충 효과를 일으켜 다기능적 미세구조를 갖는 자가치유 전자소자 구현의 어려움으로 인해 응용 범위를 제한하는 등 여러 문제에 직면해 있다.

성균관대 방창현 교수 공동연구팀은 이러한 문제를 해결하기 위해 자가치유 소재를 이용한 생체모사 심전도 패치를 다층 구조로 설계해 각 층마다 요구되는 조건에 맞는 물성을 재료 및 화학공학적 접근으로 구현함으로써 구조적 안정성, 자가치유 복원력, 그리고 피부와의 등각 접촉 특성 등을 성공적으로 달성했다.

이는 현재 자가치유 소재가 직면한 가장 큰 과제를 효과적으로 극복한 사례로, 향후 여러 소재 및 분야에 응용 가능성을 크게 향상시킨 것으로 볼 수 있다.

구체적으로 본 연구팀은 소재 유동성과 자가치유 복원력의 상충 효과를 해결하기 위해 자가치유고분자의 분자 간 다이나믹 결합 비율을 조절해 각각 역할이 다른 다층을 도입했다.

[서울=뉴시스] 생체모사 자가치유 점착 패치의 심전도 신호 수집 응용 (사진=성균관대 제공) *재판매 및 DB 금지

 

연구팀이 개발한 생체모사 심전도 패치는 피부 굴곡 순응층, 탄성적인 구조 유지층과 자가치유 촉진층을 단계적으로 배치했다.

이를 통해 구조 기반 강한 점착력과 복원력을 부여하며 자가치유 성능이 우수한 패치를 구현했다.

연구팀은 굴곡지고 마찰을 받는 피부에 효과적으로 적용하기 위해 구조 유지층에 피부 고밀착 미세구조를 제작했다.

이러한 미세구조는 방창현 교수가 지난 2017년 네이처 지에 보고한 돌기를 갖는 인공문어 빨판 구조에서 소재와 물성을 개선해 격한 움직임과 거칠고 습한 피부에서 안정적인 점착이 가능하고 외부의 손상에 대해서 기능을 스스로 회복할 수 있는 효과적인 신체부착형 전자소자를 개발한 것이다.

또한 연구팀이 개발한 자가치유 패치는 기존에 말랑말랑한 껌과 같은 물성을 가지는 자가치유 소재와 달리 미세구조를 잘 형성하고 유지할 수 있었으며 전원장치나 부가적인 장비 없이도 높은 자가치유 성능을 달성해 기존에 우수한 자가치유 성능을 보이는 자가치유 소재들에 비해 경제성과 사용성이 크게 향상됐다.

본 연구는 산업통상자원부가 추진하는 시장선도형 K-sensor 기술개발사업, 국가과학기술연구회가 추진하는 융합연구단사업, 과학기술정보통신부가 추진하는 한국연구재단 우수신진연구자지원사업, 대학중점연구소지원사업 및 개인기초연구사업 세종펠로우쉽의 지원으로 수행됐다.

또한 연구팀의 이번 연구성과는 국제학술지 InfoMat 7월 16일 온라인 게재됐다.


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