국내 연구진이 고무처럼 잘 늘어나면서 전기가 잘 통하는 첨단 바이오 소재를 개발했다. 뇌 주름을 모방한 이 소재는 다양한 웨어러블 기기를 만드는 데 활용될 것으로 기대된다.
이태일 가천대 바이오나노학과 교수와 오진영 경희대 화학공학과 교수 공동연구팀은 고무와 금속을 섞어 뇌 주름 모양의 '금속-탄성체 나노 구조체'를 만드는 기술을 개발했다고 23일 밝혔다.
최근 웨어러블 로봇이나 전자 피부처럼 쉽게 착용할 수 있는 전자기기 개발이 활발하다. 사람 몸에 착용하기 위해선 잘 구부러지는 디스플레이가 필요한 만큼 전기가 통하면서 유연한 소재가 필수적이다. 하지만 신축성 전극 개발은 금속 물질과 탄성체의 반발력으로 서로 섞이지 않는다는 한계가 있다.
연구팀은 속도론적 방법이라는 새로운 방법을 사용했다. 속도론적 방법은 에너지 변환과 흐름에 관련된 열역학이 아닌, 화학 반응의 경로와 속도를 탐구한다. 연구팀은 고무 탄성체 기판 위에 금속 박막을 증착하는 시스템에서 고무와 금속 물질의 증착 속도를 조절하는 방식이다.
구체적으로 고무 분자의 이동속도와 금속 원자의 증착 속도 간의 상대적 차이를 조절해 '나노니들' 형태의 금속구조체가 연결된 '금속-탄성체 나노상'을 만드는 데 성공했다. 나노니들은 머리카락 굵기보다 얇은 미세바늘로, 화학물질을 전달하는 역할을 하기도 한다.
고무 탄성체 기판 표면에 형성된 '금속-탄성체 나노상'은 기판과 계면 사이의 기계적 불안정성을 유도한다. 증착 이후에는 수 시간에 걸쳐 뇌 주름 같은 형태의 표면 주름이 만들어진다. 이 과정을 거치면 주름으로 유연성이 높아지고, 금속 나노구조를 통해 기계적·화학적·열적 내구성을 얻게 된다.
연구팀은 "기존 신축성 전극이 가질 수 없었던 매우 뛰어난 내구성을 바탕으로 차세대 웨어러블 의료 전자기기나 가상현실(VR)과 같은 응용 분야의 전극 소재로 널리 활용될 수 있을 것"이라고 설명했다.
이번 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단의 신진연구사업의 지원을 받았다. 연구성과는 재료 분야 국제 학술지 '네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)'에 지난 9일 게재됐다.
참고자료
Nature Communications, DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-024-47223-6