DGIST 대구경북과학기술원

- 나노메쉬 생체소자의 상용화를 위해 필요한 물성인 내구성이 기존대비 50배 이상 뛰어나

- 세계 최초 내구성과 세탁 안정성이 탁월한 고내구도 나노메쉬 생체소자 개발로 재료분야 저명한 국제학술지 ‘Materials Today’ 논문 게재

 DGIST(총장 국양) 화학물리학과 이성원 교수 연구팀은 한국지질자원연구원 최지혁 박사 연구팀과 공동연구를 통해 세계 최초로 내구성과 세탁 안정성이 탁월한 고내구도 나노메쉬 생체소자를 개발했다.

 ‘통기성 나노 메쉬 생체디바이스’는 액체 및 기체 투과성이 우수한 차세대 웨어러블 디바이스이다. 피부에 부착하여 장기간 생체신호를 모니터링 하는 경우 땀의 축적이 일어나지 않기 때문에 피부염 및 각종 피부질환을 예방할 수 있다는 장점과 체액 투과성도 좋아 체내 삽입 시에도 신진대사에 영향을 주지 않는다는 우수성 등을 가지고 있다.  

 하지만, 기존의 통기성 나노 메쉬 생체디바이스는 고분자 나노파이버-메쉬 구조위에 금속을 증착한 방법으로 제조하기 때문에, 내구성이 약하고, 필름 기반 웨어러블 디바이스보다 전기적 신호의 결함이 쉽게 발생하는 문제점이 있다. 즉, 디바이스의 내구성 취약으로 외부 충격 시 얇은 고분자 나노파이버 위에 증착된 금속에 갈라짐 등이 발생하게 되어 전기적 신호의 결함이 쉽게 발생하게 된다.

 연구팀은 이를 해결하기 위해, 나노파이버 메쉬 기판에 코어쉘 메탈나노와이어 네트워크가 삽입된 디바이스를 만들어 취약한 내구성을 극복하였다. 해당 기술은 먼저 고분자 나노섬유 위에 은 나노와이어를 도포 하고, 광소결 방식을 통해 물리적으로 결합하여 내구성을 강화하고, 화학 안정성 및 생체 친화성 향상을 위해 금이 은을 감싸는 이중 구조의 금속 나노와이어를 제작하는 기술이다. 연구팀은 제작된 디바이스의 내구성 확인을 위해 실제 50회 세탁을 진행했으며, 세탁 후에도 전기적 신호가 정상적으로 전달되면서, ‘최초의 세탁 가능한 통기성 나노메쉬 생체디바이스’ 개발에 성공을 확인했다.

 DGIST 화학물리학과 이성원 교수는 “생체 친화성 측면에서 가장 진보한 나노섬유 기반 생체 소자기술은 그동안 내구성이 가장 약점으로 문제되어 왔는데, 이번 연구를 통하여 하나의 해결방안을 제시하게 됐다”며, “앞으로 해당 기술이 다양한 분야에서 활용되기를 기대한다”고 밝혔다.

 한편, 이번 연구는 화학물리학과 이성원 교수팀(정우성 박사, 배지훈, 최혁주, 마요한 박사과정생, 이선민, 이선학 석사과정생)과 한국지질자원연구원 최지혁 박사 연구팀(박서연 석사연구생)이 공동으로 수행했으며, 한국연구재단 선도연구인 ‘자성기반 라이프케어센터’의 지원으로 수행됐다. 연구 결과는 재료 분야 저명한 국제학술지 ‘Materials Today’에 게재됐다.

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연구결과개요

Washable, stretchable, and reusable core–shell metal nanowire network-based electronics on a breathable polymer nanomesh substrate

Wooseong Jeong*, Seonmin Lee, Hyeokjoo Choi, Jihoon Bae, Seon-Hak Lee , Yoohan Ma, Seungsun Yoo, Jae-Hyun Ha, Jung-Il Hong, Seoyeon Park, Kyoohee Woo, Ji-Hyuk Choi, Sungwon Lee**

(Materials Today, IF = 26.943, published on 13th December 2022)

고분자 나노파이버-메쉬를 기판으로 제작된 “통기성 디바이스”는 착용자의 불편함을 최소화 시키기 위해 최근에 활발히 연구가 되었다. 비록 이 디바이스들은 피부와 등각의 접촉을 함과 동시에 피부트러블을 예방할 수 있는 기체 및 액체 투과성을 가지나 전기적인 특성과 내구성은 기존의 필름기반 디바이스와 비교하였을 때 현저히 낮다는 단점이 있다. 이 연구에서, 월등히 우수한 내구도의 나노메쉬 기판 삽입형 은-금 코어쉘 나노와이어 네트워크 구조(embedded Ag–Au core–shell nanowire network)를 광소결-도금 공정(IPL-EP process)을 통해 제작하였고 이를 응용해 고내구도 통기성 디바이스를 제작하였다. 이 디바이스는 우수한 통기성과 내구성을 전기적 특성의 저하 없이 가질수 있도록 설계되었다. 고내구도 통기성 디바이스는 낮은 면저항 (1.4 Ω sq−1), 사이클 안정성 (20,000회 이상), 화학안정성 (물-기반 용액, 부식을 유발하는 H2O2 용액), 세탁 안정성 (20회 이상)과 재사용성의 특성을 가진다. 그리고 이 통기성 디바이스는 재사용이 가능한 전도성 섬유와 의류에도 사용이 되었다. 특히 모션 디텍팅을 위한 스트레인센서나 열 치료를 위한 웨어러블 히터가 세탁후 재사용이 가능함을 시연하였다. 추가로 통기성 디바이스를 응용한 전도성 섬유는 우수한 전기 특성 (0.3 Ω cm−1)과 우수한 내구성 (전기특성이 50회 세탁후에도 안정)을 보인다. IPL-EP 프로세스는 대면적 공정을 통한 고 내구도의 통기성 디바이스, 전자 의류, 그리고 다른 생체의료용 디바이스에 접목할 수 있는 잠재력을 가진다.

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연구결과문답

Q. 이번 성과 무엇이 다른가?

기존의 통기성 디바이스는 제작공정의 문제로 전기적인 물성과 내구도가 낮다는 큰 단점이 존재한다. 본 연구는 통기성 디바이스의 고질점인 전기적인 물성과 내구도 모두 극복한 사례의 연구이다. 통기성의 기능을 위해 전기적인 신호나 내구성을 양보하지 않아도 된다는 큰 장점이 있다.

Q. 어디에 쓸 수 있나?

실생활에 응용 될 수 있는 통기성 디바이스 플랫폼을 만드는데 궁극적으로 사용 될 계획이다. 변형이 잘되고 물리적 안정성, 기체 및 액체투과성이 높고, 더불어 내구성과 전기적 안정성까지 보장되기 때문에 활용폭은 굉장히 다양하다.

Q. 실용화까지 필요한 시간과 과제는?

대략 2~3년 정도 시간이 필요할거라 생각한다. 이유는 대면적 공정을 위해 파일롯트 시스템의 구축이 필수적이고 통기성 디바이스를 제작하는데 걸리는 공정 시간은 15분 이내로 짧으나 이를 위한 공정은 크게 4가지전기방사, 스프레이공정, 광소결공정, 도금공정 가 들어간다. 트러블 슈팅과 인라인공정으로 생산설비를 구축하는데 많은 노력과 시간이 소요될 것이다.

Q. 연구를 시작한 계기는?

통기성 디바이스는 우수한 기체 및 액체투과성으로 인해 체액의 고임현상이나 땀이 차는 현상이 발생하지 않아 체내에 삽입하거나 피부에 장시간 착용 시에 신진대사의 장애나 피부질환을 방지할 수 있는 큰 장점이 있다. 허나, 이러한 장점에도 통기성 디바이스는 실생활에 응용될 수 있을 정도의 전기적인 신호와 내구성을 가지지 않는게 아쉬웠고 이를 해결하기 위해 본 연구를 시작하였다.

Q. 어떤 의미가 있는가?

통기성 디바이스는 2017년 이후로 새롭게 웨어러블 디바이스 소자의 카테고리로 급부상하였다. 하지만, 낮은 전기적인 신호와 내구성으로 인해 실제 응용이 국한되어 연구를 위한 연구의 단계에서 그쳤다. 본 연구팀은 실생활 응용에도 전혀 지장이 없는 통기성 디바이스를 만들었고 실제 세탁기에 돌리거나 세탁 후 재사용을 하더라도 사용 가능한 디바이스 플랫폼을 세계 최초로 구축하였다. 기술적인 진보로 보나 실용성으로 보나 엄청난 의미가 있고 재료과학 최상위 저널지에 개제가 되었다.

Q. 꼭 이루고 싶은 목표는?

원격 진료사회가 한발 앞으로 다가오면서 웨어러블 기기에 대한 수요와 기술이 발전이 되고 있는데 이에 저희 연구가 유연 에너지 소자의 연구에 기여되어 많은 연구가 활발히 이루어지고 상용화에 앞장설 수 있는 기술로 사용되길 기대합니다.

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그림설명

[그림 1] 고내구도 통기성 디바이스 이미지와 설명

a) 피부에 부착된 고내구도 통기성 디바이스.(scale bar = 2 cm) b) 고내구도 통기성 디바이스 이미지 (scale bar = 2 cm). c) 고내구도 통기성 디바이스 제작 공정.
d) 고내구도 통기성 디바이스 IPL-EP 처리 전 후 이미지 (scale bar = 5 mm). e) f) 고내구도 통기성 디바이스 전자현미경 사진 (scale bar = e) 4 um, f) 400 nm). g) EDS mapping 이미지 (scale bar = 200 nm).  
  

[그림 2] 통기성 디바이스의 고 내구도 물성 데이터

a) 굽힘에 따른 전기저항 변화. b) 스트레칭에 따른 전기저항 변화. c) 반복 스트레칭에 따른 전기저항 변화. d) 물이 담긴 비커에 디바이스를 위치시킨 후 1,000 rpm으로 교반기를 돌렸을 때 시간에 따른 저항변화. e) d실험에서의 시간에 따른 디바이스 표면 사진(scale bar = 200 um). f) 화학 안정성, 부식촉진테스트. g) 옥외 폭로 테스트 (sclae bar = 3 cm)