아주대 서형탁 교수팀, 자가 치유 가능한 복합 소재 및 센서 개발

손상이 발생해도 스스로 치유할 수 있는 복합 전자 소재와 센서가 개발됐다.

아주대 서형탁 교수 연구팀은 자가치유가 가능하고 신축성이 있는 복합 소재 및 센서를 개발했다고 20일 밝혔다. 전기 전도성과 신축성 또한 매우 높아 앞으로 웨어러블 전자 기기, 소프트 로봇, 인공 피부 등에 적용될 수 있을 것으로 기대하고 있다.

연구팀은 초분자 고분자와 구리 마이크로 입자로 구성된 복합 소재를 이용해 손상을 자가 치유할 수 있는 전자 소재 기반의 웨어러블 스트레인 센서를 개발했다. 관련 내용은 ‘구리 마이크로 입자가 혼입된 초분자 고분자를 이용한 신축성 자가 치유형 전도성 복합 재료’라는 논문으로 소재 분야 국제 학술지 ‘어드밴스드 일렉트로닉 매터리얼즈’ 9월7일자 온라인판의 표지논문으로 선정됐다. 아주대 대학원 박사과정의 야스민 루바야 학생이 제1저자로 참여했다.

이번 연구는 인간의 피부가 손상을 빠르게 감지해 손상이 악화되는 것을 막고 가능한 빨리 손상을 복구하는 시스템의 자연 치유 메커니즘에서 영감을 얻었다. 연구팀은 이러한 재료 플랫폼은 새로운 유형으로 전기 전도성과 신축성, 자가 치유 특성을 동시에 통합ㆍ구현할 필요가 있다고 보고 있다. 외부 진단이나 인위적인 외부 공정 없이 자동으로 재료 손상을 복구할 수 있는 능력이 내장된 전자 재료를 개발하는 것은 고난도의 기술이며 큰 파급력을 지니고 있다는 설명이다.

연구팀은 이 연구에서 초분자 유기고분자와 구리 마이크로(1μm=1E-6m, 머리카락은 평균 100μm 두께임) 입자의 복합 소재를 활용했다. 연구팀이 개발한 이 복합 소재는 졸-겔 공정을 통해 대량 생산이 가능하며, 구리 농도를 바꿔 전도도를 조정할 수 있다. 복합 소재에서 초분자 고분자는 신축성과 치유력이 있는 수소 결합을 제공한다. 또 반도체와 전도체의 전기적 특성을 구리 입자 농도로 제어할 수 있다. 연구팀은 여러 번의 재료 절단-치유 주기에서도 회복될 수 있도록 소재의 전기적 특성을 최적화했다.

이번에 개발된 소재의 가장 중요한 특징은 높은 신축성과 손상 치유 능력을 통합해 피부와 유사한 특성을 구현했다는 점이다. 이 소재는 잘 찢어지지 않으며 원래 길이의 120%까지 늘일 수 있다. 또한 소재가 가진 전기적 및 기계적 특성이 재료 손상 후에도 자동으로 치유된다.

연구팀은 손상 5분 이내에 주변 환경 조건에서 기계적 특성의 90%와 전기적 특성의 100%를 회복할 수 있음을 확인했다.

연구팀은 이 소재를 이용해 자가치유형 웨어러블 스트레인 센서를 개발했다. 센서를 손가락에 부착해 손가락 동작 감지를 성공적으로 시연해냈고, 센서를 부분적으로 절단하거나 의도적으로 센서를 손상 시킨 뒤 센서 반응을 조사해 센서의 자가 치유 기능이 작동함을 확인했다.

서형탁 교수는 “이번에 개발한 자가 치유 소재는 고가의 소재나 복잡한 제조 공정이 아닌 저비용 재료와 공정을 이용했다”며 “인체에 부착하는 웨어러블 센서뿐 아니라 신축성이 필요한 사물인터넷 센서와 소프트 로봇, 산업 장치 등에 적용이 가능할 것”이라고 말했다.

한편 이번 연구는 과학기술정보통신부ㆍ한국연구재단 주관 해외우수신진인력지원사업, 기초연구지원사업, BK21 Four사업의 지원으로 수행됐다.

양휘모기자