파손 걱정 노(NO), 스스로 회복하는 ‘자가치유’ 웨어러블 소재 개발

인간을 비롯한 모든 생물은 상처가 생겨도 어느 정도 시간이 지나면 자연 치유된다. 자연에서 온 자기치유라는 개념을 금속에 적용해 균열과 상처가 저절로 회복되는 금속 자기치유 소재를 만날 수 있는 시대다. 금속 외에도 고분자 물질, 세라믹 등 다양한 재료로 자가 치유 능력이 가능해져 이미 여러 분야에서 스스로 치유하는 자가 치유 제품이 개발됐다. 일본 닛산은 외부 충격으로 생긴 상처가 자연스럽게 사라지는 자가 치유 페인트를 2005년 개발했고, 한국도 2010년 유사한 페인트를 개발해 주차 중 운전 미숙으로 생긴 자동차 표면의 스크래치나 문콕에 의한 상처를 쉽게 고칠 수 있다. 2012년 네덜란드 델프트공대 에릭 슐라젠 교수팀은 자가 치유 아스팔트를 소개했다. 전도성 섬유가 열을 발생시키면 아스팔트가 서로 다시 붙는 원리에 착안해 기존 아스팔트에 금속으로 만든 전도성 섬유를 넣어 도로가 파손되면 고주파 자기장을 발생시켜 자가 치유를 가능하게 한 것이다. 최근에는 우리의 건강을 스마트하게 관리하는 웨어러블 헬스케어 디바이스에도 자가 치유 기능이 더해졌다. 웨어러블 기기는 스마트 폰과 태블릿과 무선으로 연동되어서 사용하는 안경이나 시계, 밴드형 기기에서 건강 관리를 주된 목적으로 많이 사용된다. 무엇보다 웨어러블 기기에서 가장 중요한 점은 몸에 익히더라도 생활 속에서 불편한 일이 없어야 한다는 점이다. ​​

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그러나 기존 웨어러블 센서의 경우 달리기, 걷기 등 많이 움직이면 이로 인해 센서가 스치거나 파손되는 등 손상돼 디바이스 성능이 떨어지는 한계가 있었다. 이런 상황에서 한국화학연구원 연구진은 웨어러블 디바이스에 활용할 수 있는 초고속 자가 치유 소재를 개발했고, 강원도 연구진이 이 소재를 활용해 땀 성분을 측정할 수 있는 센서를 제작했다. 이 기기는 머리에 밴드 형태의 센서를 착용해 운동 중 배출되는 땀으로 건강상태를 실시간으로 측정하는데, 움직임으로 인해 센서가 긁히거나 잘리는 등 손상돼도 불과 30초 만에 손상된 소재가 원상태로 회복된다. 지금까지는 중국 쓰촨대가 2분에 6MB/Q(메가줄/m2)를 회복하며 세계 최고를 기록했지만 이 센서는 30초에 8MB/Q를 회복해 쓰촨대에 비해 4배 이상 빠른 수준을 기록했다. 웨어러블 센서의 한계인 손상에 따른 성능 저하 문제를 자기 치유 소재로 해결한 것으로 건강 측정은 물론 자기 치유까지 두 마리 토끼를 잡은 셈이다. 무엇보다 자가 치유한 측정 센서는 실로 꿰매는 방식으로 여러 종류의 의류 제품에 적용할 수 있어 다양한 제품에 응용 가능하다. ​​

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한국화학연구원 연구팀은 감귤류와 목질류에서 추출하는 구연산과 호박산 등 친환경 화합물을 합쳐 새로운 초분자 중합체를 만들었다. 초분자 중합체는 전기음성도가 강한 질소와 수소, 산소와 수소, 불소와 수소를 가진 분자가 이웃하는 분자를 끌어당기는 힘, 수소결합 등의 상호작용으로 자가 치유 특성을 가진 고분자로 수소 결합이 자가 치유의 핵심이다. 새로운 초분자중합체는 말단 카르복실산(COOH)과 알코올기(OH)가 서로 수소결합을 한다. 따라서 분자간 인력이 강해지고 기계적 강도가 강하며 붙어 떨어지는 가역적 성질에 따라 잘라도 금방 다시 붙게 된다. 한국화학연구원 김선미 연구원은 “수소 결합으로 기계적 강도가 높을 뿐 아니라 자가 치유 속도가 놀라울 정도로 빨라졌다.”3밀리 두께의 절단 된 소재가 상온에서 1분 후에 아령 1킬로를 들 수 있을 정도의 강도로 돌아온다”라고 설명했다. 강원대 연구진은 이 소재를 활용해 땀에서 얻은 데이터를 측정하는 가는 실 모양의 센서와 실시간으로 스마트폰에 데이터를 전송해 보여주는 장치를 제작했다. 초고속 자가 치유 소재는 실 모양의 땀 측정 센서를 감싸는 피복재로 사용됐다.피실험자가 실 모양의 센서를 꿰맨 헤어밴드를 착용하고 고정식 자전거를 타는 연구실험에서 50분간 땀의 전해질 농도를 정확히 추적해 운동 중 가위로 센서를 끊었더니 20초 만에 다시 정상 작동했다. 또 초고속 자가 치유 소재를 끊었다가 다시 붙인 결과 60초 만에 추 1cm를 올릴 수 있을 정도의 강도로 회복되는 것을 확인했다. ​​

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연구를 주도한 한국화학연구원의 황선영 박사는 “자기치유 초분자 중합체를 기반으로 한 땀측정 센서의 설계 및 제작은 광범위한 비침습적 진단 및 의료 모니터링 응용 분야에서 스마트 웨어러블 기술에 대한 새로운 기회를 열어줄 것”이라고 밝혔다.이번에 개발된 웨어러블 센서를 이용하면 땀에 포함된 칼륨, 나트륨, 수소이온 등의 데이터를 통해 심근경색, 근육경련, 저나트륨혈증 등의 건강상태를 알 수 있을 것으로 보인다. 4차 산업혁명 시대를 맞아 웨어러블은 사물인터넷(IoT), 인공지능(AI), 증강현실(AR), 정보통신기술(ICT), 가상현실(VR) 등 다양한 첨단기술과 함께 발전할 것으로 기대되는 만큼 다양한 분야에서 자가치유 가능성을 갖춘 웨어러블 센서의 활약을 기대해보자. 한국화학연구원의 수월성 연구그룹 육성사업 및 연구재단의 젊은 연구 지원을 받아 진행된 이번 연구 결과는 ‘바이오센서 및 바이오일렉트로닉스(Biosensors & Bioelectronics/IF: 9.518)’ 2월호*에 실렸으며, ‘미국화학회 응용재료 및 계면(ACS Applied Materials & Interfaces/IF: 8.456)’에는 12월호에 실렸다. * 논문명: Highly self-healable and flexible cable-type pH sensors for real-time monitoring of human fluids. ** 논문명: Extremely Fast Self-Healable Bio-Based Supramolecular Polymer for Wearable Real-Time Sweens.

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