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아주대학교 김성환 교수팀

아주대 연구팀이 실크 단백질 나노섬유를 활용해 터치로 전기를 생산하는 전자 피부를 구현해냈다. 이에 인체의 피부나 소프트 로봇에 부착해 움직임으로부터 전기 에너지를 생산하거나 감각기관으로 활용할 수 있는 차세대 바이오 전자 소자로 활용될 수 있을 것으로 보인다.

14일 김성환 아주대 교수(물리학과·대학원 에너지시스템학과)는 실크 단백질 나노섬유 위에 탄소나노섬유 잉크로 회로를 그려 넣은 전자문신을 개발, 이를 마찰전기 수확 소자로 동작시키는 데 성공했다고 밝혔다. 실크 단백질은 누에고치에서 나온 생체친화적 소재다.

이번 연구 성과는 에너지 소재 분야 최고 권위지 중 하나인 '어드밴스드 에너지 머트리얼즈 (Advanced Energy Materials, Impact Factor 25.245)' 6월11일자에 온라인 게재됐다.

논문 제목은 '인간-기계 인터페이스를 위한 실크 단백질과 탄소 나노튜브에 기반을 둔 자가 발전, 무지각 전자문신(Self-powered and imperceptible electronic tattoos based on silk protein nanofiber and carbon nanotubes for human-machine interfaces)'이다. 이번 연구에는 제1저자로 아주대 나렌다 고굴라(Narendar Gogurla) BK 연구 조교수가, 교신저자로 김성환 교수가 참여했다.

최근 전 세계적으로 인체의 피부에 부착할 수 있는 차세대 헬스케어용 전자 소자에 대한 연구가 매우 활발하다. 그 중에서도 흔히 발생하는 마찰·정전기 현상을 에너지원으로 삼는 마찰전기 수확 소자는 인체의 평소 움직임을 전기 에너지로 전환할 수 있다는 점에서 더욱 많은 관심을 받고 있다. 마찰전기 수확 소자는 헬스케어 소자의 동작을 위한 에너지원으로, 더 나아가 인체 움직임의 정보를 전달하는 인공 촉각 기관으로 응용할 수 있다.

그러나 높은 에너지 효율을 위해 소자와 궁합이 잘 맞는 소재를 사용해야 한다는 점(예: 머리카락과 플라스틱이 가장 좋은 정전기를 발생시킴)이 인체 피부에 직접 접촉, 전기 에너지를 생산하는 데 있어 걸림돌이 되어 왔다. 더불어 피부의 굴곡에 상관없이 소자가 피부에 부착 되어야 하고, 구성 성분도 인체에 무해한 것으로 구성해야 한다는 점이 마찰전기 수확 소자 관련 연구의 난관으로 여겨져 왔다.

이에 김성환 아주대 교수 연구팀은 천연 실크 단백질에 주목했다. 누에고치에서 나온 실크 단백질은 생체친화적이고 물리적·화학적 물성이 우수해 활용 가능성이 높은 바이오 고분자 소재다.

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(그림 설명) (좌) 실크 마찰전기 전자문신 개념도. 생체적합한 전자문신으로 피부 터치로 전기 에너지를 모을 수 있다. (우) 인공 촉각기관 실험. 피부 위 픽셀을 구현하여 터치로 그린 글씨 정보가 전기 신호로 전달될 수 있음을 보여준다.

연구진은 먼저 전기방사 방법을 활용하여 인간 머리카락 50분의 1 두께인 실크 나노섬유 종이를 제작했다. 여기에 탄소 나노섬유 잉크를 활용, 붓으로 실크 나노섬유 종이에 원하는 모양의 회로를 그려 넣고, 다시 실크 나노섬유 종이를 덮어 문신 스티커를 완성하였다. 이를 물을 살짝 묻힌 피부에 올려놓기만 하면 전자문신을 형성하는 것이 가능하다.

이렇게 만든 전자문신은 두께가 매우 얇아 손의 지문과 같이 촘촘하게 주름진 표면에도 올릴 수 있으며, 샤워를 제외한 여타 일상 생활 속에서도 안정적으로 전기적 특성을 유지할 수 있다. 전자문신의 사용을 마치면 물티슈 등으로 가볍게 닦아내면 되기에 관리도 쉽다. 탄소 나노섬유에서 기인할 수 있는 유해성은 전자문신 중간에 삽입된 실크 나노섬유가 차단해 준다.

피부에 부착한 전자문신은 흥미롭게도 피부 터치에 가장 좋은 효율을 보여주었다. 이는 정전 효율을 위해 라텍스 장갑 등 다른 이물질을 착용하지 않아도 됨을 의미한다. 이렇게 수확된 전기 에너지는 LED나 스탑워치 등 소형 기기를 구동하기에 충분했다. 터치로 전기 신호를 발생시킬 수 있다는 것은 인공 촉각 기관으로도 활용 가능함을 의미한다. 아주대 연구팀은 피부에 픽셀 문신을 구현, 손가락 터치로 그린 글씨가 전기 신호로 전환되어 전달될 수 있음을 성공적으로 보여주었다.

김성환 교수는 "인체 피부에 전자회로를 집적하려는 연구는 많은 진전을 이루어 왔지만 생체 적합성 및 생체 조직과의 인터페이스 문제는 상대적으로 간과되어 온 측면이 있다"며 "실크 단백질과 같은 생체 물질 단백질을 활용하면 생체 조직과 전자 소자의 상이한 물성 차이를 극복할 인터페이스를 제공할 수 있다"고 말했다.

김 교수는 이어 "이번에 개발한 소재 기술은 천연 바이오 소재들이 생명체 및 인공 생명체를 위한 전자 소자 구현에 적용될 수 있음을 보여줬다는 데 의의가 있다"며 "앞으로 다양한 헬스케어 소자와 소프트 로보틱스 분야에 적용할 수 있을 것"이라고 덧붙였다.

이번 연구는 농촌진흥청 주관 농업정책지원기술개발 사업, 한국연구재단 주관 중견연구자지원사업, BK21 Four 사업과 경기도 주관 지역협력연구센터사업(GRRC)의 지원으로 수행됐다.
/김영래기자 yrk@kyeongin.com