찢어져도 10초 이내 자가 치유되는 전자피부 개발

서울시립대학교 전자전기컴퓨터공학부 김혁 교수(왼쪽), 서울시립대학교 전자전기컴퓨터공학부 이용주 연구원 [사진=한국연구재단 제공]

[헬스코리아뉴스 / 이창용] 국내 연구진이 마찰과 찢어짐에도 10초 내 원래대로 복구되는 전자피부를 개발했다. 장기간 일상적으로 착용할 수 있는 전자피부 상용화를 앞당겼다는 평가다.

서울시립대학교 김혁 교수 연구팀은 외부 자극 없이 10초 이내에 80% 이상의 기능을 복구할 수 있는 초고속 자가 치유 전자피부를 개발하고, 이를 통해 실시간 생체 신호 모니터링 및 AI 기반 근육 피로 평가 기술을 구현할 수 있음을 확인했다고 밝혔다.

사람의 피부를 모방한 전자피부는 웨어러블 기기의 가장 진화한 형태 중 하나로 헬스 케어 분야에서 활용도가 높다. 인체에 부착하면 촉각을 느끼거나 생체 신호를 모니터링하고 부착 부위의 상처를 치료하는 등 다양한 기능이 개발되고 있다.

하지만 반복적인 사용 중 발생하는 마찰, 찢어짐, 스크래치와 같은 기계적 손상에 취약해 장기간 착용이 어렵고 손상 시 성능 저하가 불가피하다.

현재까지 손상을 80% 복구하는 전자피부가 알려져 있지만 복구까지 1분이 걸려 측정이 단절되고, 복구 시 열과 빛 같은 외부 자극이 필요해 실용화의 걸림돌이었다.

연구팀은 전자피부의 자가 치유 성능을 높이기 위해 다양한 화합물을 합성해 최적의 조건을 구현해 냈다.

먼저 유연한 열가소성 폴리우레탄에 이황화물 화합물을 도입해 열, 빛 등 외부 자극 없이도 재결합할 수 있는 이황화 결합을 형성하도록 설계했다. 높은 복원력을 위해 분자 이동성이 높은 화합물을 첨가해 자가 치유 능력을 극대화했다. 이 화합물은 이소포론 디이소시아네이트(IPDI)로, 고분자 사슬의 유연성과 이동성을 증가시켜 자가 치유를 촉진하는 역할을 한다.

[용어설명]

열가소성 폴리우레탄(TPU): 가열하면 연성이 되는 폴리우레탄으로 유연성과 기계적 물성이 매우 높다.

이황화물 화합물: 이번 연구에서는 BIS(4-하이드록시페닐) 이황화물을 적용했다.

이황화 결합: 두 개의 황(S) 원자가 결합된 화학적 구조로, 손상된 후에도 스스로 다시 결합해 자가 치유를 가능하게 하는 중요한 메커니즘으로 작용한다.

[자가 치유 기능을 가진 전자피부의 개략도] 왼쪽에서는 인간의 피부와 유사한 100 kPa의 영률을 가지며, 피부의 굴곡진 부분과 높은 접착력을 가진다. 오른쪽 확대 영역은 전자피부가 손상되었을 때의 복구 메커니즘 설명하고 있으며, 이황화 결합(S-S)이 끊어졌다가, 다시 결합 교환을 통해 자가 회복되는 과정을 보여준다. [그림·설명=서울시립대학교 김혁 교수]

이렇게 개발된 자가 치유 전자피부는 상온에서 10초 이내에 80% 이상 기능을 회복하는 성능을 보였다.

고온·고습·저온·수중 등 극한 환경에서도 근전도 및 심전도를 안정적으로 측정할 수 있으며, 손상 후 자가 치유를 거쳐도 신호가 안정적으로 유지됨을 확인했다.

[개발된 전자피부와 기존 전자피부의 특성을 비교한 그림] 왼쪽 그래프는 10초 이내에 80% 이상의 자가 치유 성능을 보여 기존 연구보다 빠르고 높은 치유 성능을 입증하였다. 오른쪽 그래프는 빠른 치유 속도(10초), 높은 치유 능력(80% 이상), 상온에서의 치유 가능성 등에서 기존 연구를 능가하는 성과를 나타냈다. [그림·설명=서울시립대학교 김혁 교수]