화학硏-강원대, 스스로 손상복구하는 웨어러블 센서 개발

자가치유소재를 피복재로 사용한 땀 센서, 잘려도 20초만에 회복


[아이뉴스24 최상국 기자] 자가치유 특성을 가진 소재를 활용해 착용 중에 긁히거나 잘려도 기능이 곧바로 회복되는 웨어러블 센서가 개발됐다.

한국화학연구원 황성연·박제영 박사팀과 강원대 최봉길 교수팀은 초고속 자가치유 소재를 활용한 땀 성분 측정 센서를 개발했다고 21일 발표했다.

화학연 연구팀은 감귤류와 목질류에서 추출하는 구연산과 숙신산 등의 친환경 화합물을 합쳐 자가치유 특성을 갖는 새로운 초분자 중합체를 개발했다.

초분자 중합체는 수소결합 등의 상호작용으로 자가치유 특성을 가지는 고분자다. 연구팀이 개발한 새로운 초분자 중합체는 카르복실산(COOH)과 알콜기(OH)의 수소결합을 활용해 30초만에 손상된 소재가 원래 상태로 회복되는 특성을 가졌다.

연구팀은 이번에 개발한 소재가 30초에 8MJ/㎥(메가줄/세제곱미터)를 회복하는 수준으로 현재 세계 최고 속도를 보유한 중국 쓰촨대의 기록(2분에 6MJ/㎥)을 앞질렀다고 밝혔다.

한국화학연구원 김선미 연구원은 “수소결합으로 인해 기계적 강도가 셀 뿐 아니라 자가치유 속도가 놀라울 정도로 빨라졌다”면서 “3㎜ 두께의 절단된 소재가 상온에서 1분 후에 아령 1㎏을 들 수 있을 정도의 강도로 돌아온다”고 설명했다.

초고속 자가치유 소재를 자르고 다시 붙였더니 60초 후에 추 1㎏을 들 수 있을 정도의 강도로 회복됐다. [한국화학연구원]

강원대 연구진은 땀에 포함된 칼륨, 나트륨 이온, 수소 이온 등의 데이터를 통해 심근경색, 근육경련, 저나트륨혈증 등의 건강상태를 알 수 있는 센서를 개발했다. 땀에서 얻은 데이터를 측정하는 가느다란 실 형태의 센서와 실시간으로 스마트폰에 데이터를 전송해 보여주는 장치를 제작했다. 화학연이 개발한 초고속 자가치유 소재는 실 형태의 땀 측정 센서를 감싸는 피복재로 사용했다.

연구진은 실 형태의 센서를 바느질한 헤어밴드를 만들고 이를 고정식 자전거에 탄 피실험자에게 착용시켜 자가치유 웨어러블 센서의 기능을 확인했다. 실험 결과 고정식 자전거로 운동하는 50분 동안 땀의 전해질 농도를 정확하게 추적했으며, 운동 중에 센서를 가위로 잘라도 20초 만에 다시 정상 작동하는 것을 확인했다.

강원대 최봉길 교수는 “자가치유 땀 측정 센서는 실 형태로 바느질하듯이 꿰매는 방식”이라면서 “여러 종류의 의류제품에 적용할 수 있어 다양한 제품으로 응용될 수 있을 것”이라고 말했다.

피실험자가 땀으로 건강상태를 측정하는 자가치유 센서를 바느질한 헤어밴드를 착용한 채 운동하던 중 센서를 잘랐더니 불과 20초 만에 자가치유되어 정상적으로 작동했다. [강원대학교]

화학연-강원대의 합작으로 만들어진 이번 연구는 웨어러블 센서의 약점인 손상으로 인한 성능 저하 문제를 자가치유 소재로 해결한 것에 의의가 있다. 몸에 착용하는 웨어러블 센서는 항상 긁히거나 파손돼 성능이 떨어질 우려가 있다.

이번 연구를 주도한 한국화학연구원 황성연 박사는 “자가치유 초분자 중합체를 기반으로 한 땀 측정 센서의 설계 및 제작은 광범위한 비침습적 진단 및 의료 모니터링 응용 분야에서 스마트 웨어러블 기술에 대한 새로운 기회를 열어줄 것으로 기대한다”고 밝혔다.

이번 연구결과는 ‘바이오 센서 및 바이오 일렉트로닉스(Biosensors & Bioelectronics)’ 2월호와 ‘미국화학회 응용 재료 및 계면(ACS Applied Materials & Interfaces)’ 12월호에 각각 게재됐다.

◇논문명(1) : Highly self-healable and flexible cable-type pH sensors for real-time monitoring of human fluids.(Biosensors & Bioelectronics)

◇논문명(2) : Extremely Fast Self-Healable Bio-Based Supramolecular Polymer for Wearable Real-Time Sweat-Monitoring Sensor.(ACS Applied Materials & Interfaces)

최상국기자 skchoi@inews24.com

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