서형탁 교수팀, 자가치유 가능하고 신축성 있는 복합 소재 및 센서 개발
우리 학교 서형탁 교수 연구팀이 손상이 발생하면 스스로 치유할 수 있는 복합 전자 소재와 센서를 개발하는 데 성공했다. 전기 전도성과 신축성 또한 매우 높아 앞으로 웨어러블 전자 기기, 소프트 로봇, 인공 피부 등에 적용될 수 있을 것으로 기대된다.
서형탁 교수(신소재공학과·대학원 에너지시스템학과)는 초분자 고분자와 구리 마이크로 입자로 구성된 복합 소재를 이용하여 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(Intrinsically Stretchable and Self-Healing Electroconductive Composites Based on Supramolecular Organic Polymer Embedded with Copper Microparticles)’라는 논문으로 소재 분야 국제 학술지 <어드밴스드 일렉트로닉 매터리얼즈(Advanced Electronic Materials)> 9월7일자 온라인판의 표지논문으로 선정됐다. 아주대 대학원 박사과정의 야스민 루바야 학생이 제1저자로 참여했다.
인간의 피부는 손상을 빠르게 감지해 손상이 악화되는 것을 막고 가능한 빨리 손상을 복구한다. 이에 인간 피부를 비롯한 생물학적 시스템의 자연 치유 메커니즘에서 영감을 얻어 자가 치유와 자가 복구가 가능한 재료에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 이러한 재료 플랫폼은 새로운 유형으로 전기 전도성과 신축성, 자가 치유 특성을 동시에 통합·구현할 필요가 있다. 외부 진단이나 인위적인 외부 공정 없이 자동으로 재료 손상을 복구할 수 있는 능력이 내장된 전자 재료를 개발하는 것은 고난도의 기술이며 큰 파급력을 지니고 있다.
연구팀은 이 연구에서 초분자 유기고분자 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 바꾸어 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 최적화하였다.
이번에 개발된 소재의 가장 중요한 특징은 높은 신축성과 손상 치유 능력을 통합하여 피부와 유사한 특성을 구현했다는 점이다. 이 소재는 잘 찢어지지 않으며 원래 길이의 120%까지 늘릴 수 있다. 또한 소재가 가진 전기적 및 기계적 특성이 재료 손상 후에도 자동으로 치유되어 연구팀은 손상 5분 이내에 주변 환경 조건에서 기계적 특성의 90%와 전기적 특성의 100%를 회복할 수 있음을 확인했다.
아주대 연구팀은 이 소재를 이용해 자가치유형 웨어러블 스트레인 센서를 개발했다. 연구팀은 센서를 손가락에 부착하여 손가락 동작 감지를 성공적으로 시연해냈다. 또 센서를 부분적으로 절단, 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.
이번 연구는 과학기술정보통신부·한국연구재단 주관 해외우수신진인력지원사업, 기초연구지원사업, BK21 Four사업의 지원으로 수행됐다.
