본문 바로가기 사이드메뉴 바로가기 주메뉴 바로가기

주메뉴영역

주메뉴영역

혁신으로 세상을 바꾸는 융복합 대학, DIGIST
Innovative University Changing the World through Convergence
이 페이지를 SNS로 퍼가기

Research

전기전도도 250배 향상된 생체친화적 전도성 고분자 제작 기술 개발

  • 조회. 272
  • 등록일. 2020.11.17
  • 작성자. 홍보팀

- DGIST 신물질과학전공 이성원 교수팀, 생체친화적이고 제작 공정이 단순한 전도성 고분자의 전기전도도 향상 기술 개발
- 피부부착 및 삽입형 생체전극 전자소자 개발에 폭 넓은 활용 기대

 

이성원 대구경북과학기술원(DGIST) 신물질과학전공 교수(오른쪽), 정우성 대구경북과학기술원(DGIST) 신물질과학전공 석박사통합과정생(제1저자,가운데), 권기혁 대구경북과학기술원(DGIST) 신물질과학전공 석사과정생(왼쪽)이다.


 DGIST는 신물질과학전공 이성원 교수 연구팀이 기존보다 전기전도도를 250배 이상 향상시킨 전도성 고분자(PEDOT:PSS) 제작 기술을 개발했다고 17일(화) 밝혔다. 이번 연구 성과는 피부부착 및 삽입형 생체전극 등 생체의료기기 분야 개발에 큰 도움이 될 전망이다. 

 고령화 사회의 진입과 개인맞춤형 진료에 대한 사회적 관심이 대두되면서 웨어러블 의료기기 연구가 활발히 진행 중이다. 특히 생체신호를 측정하는 전자기기는 피부에 장시간 밀착되기 때문에 인체에 무해하고 자극이 없는 소재나 공정으로 제작해야 한다. 이 때문에 현재 세계적으로 연구되고 있는 전도성 고분자는 생체의료분야에 적합한 소재다. 

 전도성 고분자는 전기전도성을 갖는 비금속 소재로써, 디스플레이나 유기태양전지 등 투명전극을 필요로 하는 분야에 두루 쓰인다. 유연한 특성과 뛰어난 가공성 덕분에 대량생산이 가능한 생체친화적 신소재로 각광받고 있다. 하지만 금속보다 훨씬 낮은 전기전도도로 인해 활용 폭이 낮은 실정이다. 이를 해결하고자 전기전도도를 향상시키는 방법들이 개발되고 있지만 대부분 유기용매나 산성 물질들이 사용되고 있다. 이 때문에 유해물질을 제거하는 추가 공정 및 비용 등이 발생해 생체의료분야의 응용이 제한적인 실정이다.

 이에 DGIST 이성원 교수 연구팀은 온도와 습도를 제어한 열수처리(Hydrothermal Treatment)를 통해 전기전도도를 향상시키는 새로운 제작 기술을 개발했다. 연구팀은 상대습도 80% 이상에서 70도 이상의 열을 가할 시 전도성 고분자 내부의 PEDOT 양이온과 PSS 음이온의 결합력이 약화돼 상분리가 일어남을 발견했다. 이로 인해 전도성 물질인 PEDOT 양이온의 얽힘 현상이 발생하며 전도도가 높아짐을 확인했다. 연구팀은 이와 같이 제작된 전도성 고분자로 생체전극을 만들었고, 기존보다 약 250배 향상된 125.367 지멘스퍼센티미터(S/cm-1) 의 전기전도도를 측정할 수 있었다.

 연구팀은 추가적으로 피부온도 측정 및 심전도 모듈과 연동한 심전도 측정 등 다양한 실험을 통해 실제 생체전극으로 활용 가능성이 높음을 규명할 수 있었다. 특히 이번 연구는 고압증기멸균기(Autoclave)의 멸균공정으로 소자의 전기전도도를 높일 수 있어, 실제 의료현장에서의 일반적인 멸균과정을 통해서도 사용 가능한 간단하고 효율적인 공정이라고 설명했다.

 DGIST 이성원 교수는 “생체적합성이 좋은 전도성 고분자를 인체에 무해하면서 손쉽고 간단한 방법으로 전기전도도를 획기적으로 개선했다.”며, “본 기술을 적용하면 전극 저항을 100배 이상 줄일 수 있어, 에너지 효율을 높이고 의료분야로의 활용 폭이 넓어질 것”이라고 밝혔다. 

 한편 이번 연구는 DGIST 신물질과학전공 정우성 석박사통합과정생과 권기혁 석사과정생이 공동 1저자로 참여했으며, 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 지원하는 선도연구센터지원사업으로 수행됐다. 연구 결과는 국제학술지 ‘바이오센서스 앤 바이오일렉트로닉스(Biosensors and Bioelectronics)’에 10월 8일 온라인 게재됐다.

 

 

 연구결과개요     

Enhancing the conductivity of PEDOT:PSS films for biomedical application via hydrothermal treatment

Wooseong Jeonga, Gihyeok Gwona, Jae-Hyun Haa, Dongha Kima, Ki-Joo Eomb, Ju Hyang Parkc, Seok Ju Kangb, Bongseop Kwakd, Jung-Il Honga, Shinbuhm Leea, Dong Choon Hyunc**, Sungwon Leea,* 
(Biosensors and bioelectronics, IF = 10.257 on-line published on 8th October 2020) 

노령화 사회와 개인맞춤형 진료에 대한 사회적 관심이 무척 늘어난 요즘 몸에 붙이거나 삽입하여 생체 신호를 측정하는 웨어러블 진료기기에 대한 연구가 활발하게 진행되고 있다. 생체신호를 측정하는 전자기기의 경우는 피부 또는 신체조직에 장시간 붙어 있어야하기 때문에 유해하거나 자극을 야기하는 재료나 공정을 통해 제작하여선 안 된다. 현재로서는 기존의 소자 제작을 위해 금을 이용하여 진공증착공정을 주로 이용하지만, 비싼 재료가격 복잡한 공정은 상업화를 하는데 있어서 한계점으로 지적되고 있다. 

본 연구에서는 기존의 재료보다 훨씬 값싸고 간단한 공정을 통해서 전자소자 제작을 할 수 있도록 하는 기술을 제안하였다. 최종적으로 오직 온도와 습도의 제어를 통한 위 기술은 PEDOT:PSS의 전기전도도를 약 250배 향상시켰고, 이에 해당하는 메커니즘을 다양한 분석을 통해 규명하였다. 그리고 위 기술을 통해 제작한 PEDOT:PSS 전극을 통해 LED 점등과 심전도를 측정을 성공하였다. 또한 시간에 따른 전기전도도도 거의 동일하게 유지된다. 본 연구를 응용하여 체내 삽입형 및 피부부착형 생체전극을 개발하는데 추가연구를 할 계획이다.

DOI : 10.1016/j.bios.2020.112717

 


 연구결과문답     
Q. 이번 성과 무엇이 다른가?
생체적합성이 좋은 전도성 고분자 PEDOT:PSS는 금속에 비해 비교적 낮은 전기전도도를 가지기 때문에 활용 폭이 제한적이다. 그렇기 때문에 전기전도도를 향상시키는 방법들이 개발되어 왔지만 대부분의 방법은 유기용매나 산성 물질들을 사용한다. 이는 인체에 유해하기 때문에 전도성 고분자가 신체부착 및 삽입 전자소자로 응용되는데 제한적일 수 밖에 없었다. 본 성과는 인체에 무해한 방법으로 전기전도도를 향상시킨 것이 큰 차별점이다. 

Q. 어디에 쓸 수 있나?
생체적합성이 좋은 전도성 고분자 PEDOT:PSS의 낮은 전기전도도를 인체에 무해한 방법으로 손쉽게 간단하게 개선할 수 있다. 전도성 고분자를 이용하여 생체전극을 제조한 후 본 기술을 사용한다면 전극의 저항을 100배 이상 줄일 수 있다. 그렇기 때문에 전력공급 측면에서 효율을 높일 수 있어 생체전극으로 활용될 수 있고 의료분야로의 활용 폭이 넓어질 것으로 예상한다.

Q. 실용화까지 필요한 시간과 과제는?
대략 2~3년 정도 시간이 필요할거라 생각한다. 내구성측면에서 굉장히 안정적이기 때문이다. 체내삽입형 및 피부부착형 생체전극을 만들어 추가 테스트를 진행하여 내구성을 확보할 수 있으면 금방 실용화가 가능하다고 생각한다.  

Q. 연구를 시작한 계기는?
통기성이 좋은 습도센서를 개발하기 위해 본 연구에서 사용된 전도성고분자를 사용하여 여러 가지 물성을 분석하던 도중 특정구간에서 이상 현상을 발견하였다. 이를 학생들이 집요하게 파고들었다. 그리고 본 현상의 활용 방안을 고민하였고 만들어진 결과가 본 연구이다. 생각보다 실용적이고 장점이 많았다. 

Q. 어떤 의미가 있는가?
본 기술은 인체에 무해한 방법이고 굉장히 간단한 프로세스이다. 전도성고분자인 PEDOT:PSS 자체는 생체적합성이 좋아서 의료용 디바이스로도 많이 응용되지만 전기전도도가 낮아서 제한적이다. 다만 기존연구들의 방법은 물질자체가 생체적합성이 좋다하더라도 전도도향상법이 유해하다. 이와 다르게, 본 연구는 생체적합성이 좋은 물질을 인체에 무해한 방법으로 전기전도도를 향상시켰다.  

Q. 꼭 이루고 싶은 목표는?
연구실에서 그치는 학술적인 연구가 아닌 상용화에 이루어질 수 있는 기술들을 개발하고 싶다. 이 연구는 그런 측면에서 의미가 있고 5년 이내에 대량생산이 가능한 체내 삽입형 생체전극을 만들어 시장에 출시하고 싶다. 

 

 

 그림설명     
[그림 1] 연구팀이 개발한 전도성 고분자의 전기전도도 향상 메커니즘 모식도

(그림설명) 
a. 전기전도도 향상 메커니즘. 상대습도 80 RH% 이상에서 물의 연속적인 계면이 표면에 형성이 된다. 물분자가 전도성고분자 PEDOT:PSS 내부의 PEDOT 양이온(전도성 물질)과 PSS 음이온(비전도성 물질)의 결합력을 약화시킨다. 이 때, 70 ℃ 이상의 열을 가해주면 PEDOT 양이온과 PSS 음이온이 물과 기름이 분리가 되듯 상분리가 일어난다. b. 트리트먼트 전 c. 후의 상분리 이미지 (주황색: PEDOT 양이온, 갈색: PSS 음이온). 전도성 물질인 PEDOT 양이온의 얽힘현상으로 인해 전기전도도가 향상이 된다.

 

[그림 2] 연구팀이 개발한 전도성고분자의 생체전극으로의 응용 데이터

(그림설명)
(a) 생체전극을 만들어 피부에 붙인 사진 (좌: 피부, 우: 피부위의 생체전극, scale bar = 300 um) 
(b) Hydrothermal treatment 처리 전 후 생체전극의 저항변화 
(c) 생체전극을 손가락에 붙인 사진 (scale bar = 8 mm) 
(d) 손가락을 구부렸을 때와 폈을 때의 저항변화, 손가락의 움직임을 감지할 수 있음을 암시 
(e) 온도센서와 결합하여 피부 온도를 읽어낼 수 있음. (scale bar = 8 mm) 
(f) 심전도 모듈과 연동하여 심전도 측정이 가능함 (scale bar = 10 mm) 

 

[그림 3] 연구팀이 개발한 전도성고분자로 만든 생체전극의 향상된 전기전도도로 인해 LED가 켜지는 모습

 

 
 
 
 
 
 

 

 

콘텐츠 담당 담당부서  :   홍보팀 ㅣ 053-785-1135