웨어러블 헬스케어 기기 및 해양 탐사 로봇 피부로의 응용을 기대하다

한양대 화학공학과 김도환 교수, KAIST 영우빈 교수 공동연구팀이 대기에서는 물론 수중에서도 초고속으로 물리적 손상과 촉각이 스스로 복원되는 자연 모사형 압전 이온성 엘라스토머 및 이에 기반한 전자 피부를 개발했다고, 한양대가 15일 밝혔다.

해양 탐사 로봇 피부, 웨어러블 헬스케어, 그리고 수중 환경 모니터링 기기 분야에 활용이 가능한 전자 피부를 개발하기 위해서는 대기와 수중 환경에 상관없이 외부 충격에도 손상이 스스로 복원되며 사용자 주변 환경을 실시간으로 감지할 수 있는 소재 개발이 필수적이다. 하지만 지금까지 대기환경에서 상처가 자율적으로 치유되는 소재는 많이 보고되었지만, 수중 환경에서 초고속으로 물리적 손상이 스스로 치유되는 동시에 촉감인지가 스스로 복원되는 소재를 구현하는 데 어려움이 있었다.

이에 연구팀은 해양 무척추동물, 특히 두족류 피부의 수중 환경에서의 자가 치유 기능과 외부 자극을 감지하는 메커니즘에서 아이디어를 얻었다. 연구팀은 폴리우레탄에 풍부한 소수성을 나타내는 탄소-불소기와 가수분해 및 에스테르화가 가능한 보로네이트에스터 결합을 도입하여 동적 소수성-가수분해 도메인(dynamic hydrophobic-hydrolytic domain)을 갖는 초고속 자가 치유형 압전 이온성(piezo-ionic) 엘라스토머를 처음으로 개발했다.

한양대 김도환 교수는 “이번 연구에서 개발한 압전 이온성 엘라스토머는 동적 소수성-가수분해 도메인을 통해 보로네이트에스터 결합의 완전 가수분해를 방지함으로써 수중에서의 우수한 자가 치유 능력을 나타낼 뿐만 아니라, 탄소-불소기와 이온 사이의 이온-쌍극자 상호작용 통해 수중에서의 우수한 촉각 기능이 발현되고 손상 후 스스로 복원되는 기술을 제시한 점에서 의미가 매우 크다”라며 “이번 성과는 최근 주목받고 있는 웨어러블 헬스케어 기기와 해양 탐사 로봇 피부 등 새로운 촉각 인터페이스에 적용된 피부 모델로의 활용이 기대된다”라고 말했다.

본 연구는 과학기술정보통신부, 한국연구재단이 추진하는 개인연구지원사업(중견연구), 나노 및 소재 기술개발사업, 첨단융합기술개발사업, 그리고 한-중 협력 연구사업의 지원으로 수행됐다.

연구결과 (논문명: Ultrafast underwater self-healing piezo-ionic elastomer via dynamic hydrophobic-hydrolytic domains)는 저명한 국제학술지 「Nature Communications」에 3월 8일(한국시간) 온라인 게재됐으며, 관련 기술로 1건의 특허를 출원 중이다.

[그림1](A) 분자 공학 기반 수중 환경 내 초고속 자가 치유가 가능한 압전 이온성 엘라스토머의 설계 개념도 (B) 보로네이트에스터 결합과 소수성기를 기반으로 한 수중 환경 내 초고속 자가 치유 메커니즘 모식도(C) 이온 구속 및 방출 효과에 기초한 기계적자극 감지 메커니즘(D) 동적 소수성-가수분해 도메인의 개념도

[그림2](A) 수중 환경 내 초고속 자가 치유가 가능한 압전 이온성 엘라스토머의 (A) 시간에 따른 자가치유 과정, (B) 자가 치유 속도 평가, (C) 수중에서의 자가 치유 효율 평가, (D) 외부 자극 감지 원리 모식도(E) 기존 이온성 소재와 압전 이온성 엘라스토머의 압력에 따른 응답성 비교(F) 압전 이온성 엘라스토머와 LED 회로를 결합한 수중 환경 내 초고속 자가치유 및 센싱 기능의 시각적 구현