국립한국교통대학교 김다완 교수 연구팀, 유연로봇 전자피부용 자가치유 전자패치 개발

국립한국교통대학교(총장 윤승조) 전자공학과 김다완 교수(교신) 연구팀은 성균관대학교 방창현 교수(교신)와 경희대학교 오진영 교수(교신)의 공동연구를 통해 실온에서 절단되어도 스스로 회복하는 자가치유*(self-healing) 기능을 가지는 문어의 흡반을 본뜬 피부 고밀착 미세구조를 갖는 전자 점착 패치 소자를 개발했다고 밝혔다. 이를 기반으로 외부자극과 손상에도 습하고 굴곡진 피부에서도 안정적으로 생체신호 신호를 수집할 수 있는 점에 착안하여 연구진이 개발한 소자의 자가치유 특성을 통해 외부의 손상에도 일정 시간 이후 스스로 원래 성능으로 회복하여 경제적, 산업적으로 효과적인 심전도 진단 패치를 보고하였다.
*자가치유 : 물체가 물리적인 손상을 입었을 때, 물체를 구성하는 분자 간 상호작용을 통해 스스로 손상 부위를 회복하는 특성

자가치유 소재는 소재 특유의 유동성 및 분자 간 다이나믹 결합(예: 수소 결합, 정전기적 상호작용 혹은 금속 배위 결합 등)을 통해 손상 시 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. 이러한 문제를 해결하기 위해 본 연구팀은 자가치유 소재를 이용한 생체모사 심전도 패치를 다층 구조로 설계하여 각 층마다 요구되는 조건에 맞는 물성을 재료 및 화학공학적 접근으로 구현함으로써 구조적 안정성, 자가치유 복원력, 그리고 피부와의 등각 접촉 특성 등을 성공적으로 달성하였다. 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 조절하여 각각 역할이 다른 다층을 도입하였다. 연구팀이 개발한 생체모사 심전도 패치는 피부 굴곡 순응층, 탄성적인 구조 유지층과 자가치유 촉진층을 단계적으로 배치하였다. 이를 통해 구조 기반 강한 점착력과 복원력을 부여하며 자가치유 성능이 우수한 패치를 구현하였다.

굴곡지고 마찰을 받는 피부에 효과적으로 적용하기 위해 구조 유지층에 피부 고밀착 미세구조를 제작하였다. 이러한 미세구조는 돌기를 갖는 인공문어 빨판 구조에서 소재와 물성을 개선하여 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 달성하여 기존에 우수한 자가치유 성능을 보이는 자가치유 소재들에 비해 경제성과 사용성이 크게 향상되었다.

본 연구는 한국연구재단이 추진하는 개인기초연구사업 세종펠로우십, 산업통상자원부가 추진하는 시장선도형 K-sensor 기술개발사업, 국가과학기술연구회가 추진하는 융합연구단사업, 과학기술정보통신부가 추진하는 한국연구재단 우수신진연구자지원사업 및 대학중점연구소지원사업의 지원으로 진행된 이번 연구의 성과는 국제학술지 Infomat (IF: 22.7, 재료 분야 JCR 상위 5%)에 2024년 7월 16일 온라인 게재되었다.

한편, 국립한국교통대학교는 2023년 글로컬대학30 사업에 선정되어 5년기간 약 1,000억원을 지원받게되며, 글로벌 특성화 및 연구 능력 배양을 강화하기 위하여 연구지원 사업을 강화하는 전략을 추진하고 있다.


※ 문의사항 : ☎ 043-841-5327 / 전자공학과 김다완 교수