‘30초면 손상된 소재 회복’…화학연, 초고속 자가치유 소재 개발

스마트폰에 무선으로 연결한 땀 측정 센서를 이용하여 운동 중 실시간 건강상태 측정이 가능한 자가치유 웨어러블 센서(한국화학연구원 제공)© 뉴스1

한국화학연구원은 황성연·박제영 박사팀이 초고속 자가치유 소재를 개발, 강원대 최봉길 교수팀이 이를 이용해 땀 성분 측정 센서를 제작했다고 21일 밝혔다.

화학연 연구진은 감귤류와 목질류에서 추출하는 구연산과 숙신산 등의 친환경 화합물을 합쳐 새로운 초분자 중합체를 만들었다.

초분자 중합체는 수소결합(전기 음성도가 강한 질소와 수소, 산소와 수소, 불소와 수소를 갖는 분자가 이웃한 분자를 끌어당기는 힘) 등의 상호작용으로 자가 치유 특성을 갖는 고분자다.

초분자 중합체는 말단의 카르복실산(COOH)과 알콜기(OH)가 서로 수소결합을 한다.

이로 인해 분자 간 인력이 강해져 기계적 강도가 세고, 붙었다 떨어지는 가역적 성질로 인해 잘라도 다시 붙는다.

불과 30초면 손상된 소재가 원래 상태로 회복된다. 전 세계 최고 속도를 보유했던 중국 쓰촨대의 기록을 앞질렀다. 30초에 8MJ/㎥(메가줄/세제곱미터)를 회복, 2분에 6MJ/㎥를 회복하는 쓰촨대보다 4배 이상 빠른 수준이다.

걷기나 달리기, 뛰기 등의 동작으로 인해 긁히거나 파손되는 웨어러블 센서의 한계인 손상으로 인한 성능 저하 문제를 자가치유 소재로 해결한 것이다.

김선미 연구원은 “수소결합으로 인해 기계적 강도가 셀 뿐 아니라 자가치유 속도가 놀라울 정도로 빨라졌다”며, “3㎜ 두께의 절단된 소재가 상온에서 1분 후에 아령 1㎏을 들 수 있을 정도의 강도로 돌아온다”고 말했다.

강원대 연구진은 땀에서 얻은 데이터를 측정하는 가느다란 실 형태의 센서와 실시간으로 스마트폰에 데이터를 전송해 보여주는 장치를 제작했다.

초고속 자가치유 소재는 실 형태의 땀 측정 센서를 감싸는 피복재로 쓰였다.

피실험자가 실 형태의 센서를 바느질한 헤어밴드를 착용한 채 고정식 자전거를 타는 50분 동안 땀의 전해질 농도를 정확하게 추적했다.

이때 가위로 센서를 잘랐더니 20초 만에 다시 정상 작동했다.

최봉길 교수는 “자가치유 땀 측정 센서는 실 형태로 바느질하듯이 꿰매는 방식”이라며 “여러 종류의 의류제품에 적용할 수 있어 다양한 제품으로 응용될 수 있을 것”이라고 말했다.

개발된 웨어러블 센서는 땀에 포함된 칼륨, 나트륨 이온, 수소 이온 등의 데이터를 통해 심근경색, 근육경련, 저나트륨혈증 등의 건강 상태를 알 수 있다.

연구를 주도한 황성연 박사는 “자가치유 초분자 중합체를 기반으로 한 땀 측정 센서의 설계 및 제작은 광범위한 비침습적 진단 및 의료 모니터링 응용 분야에서 스마트 웨어러블 기술에 대한 새로운 기회를 열어줄 것으로 기대한다”고 말했다.

이번 연구는 한국화학연구원의 수월성 연구그룹 육성 사업 및 연구재단의 신진연구 지원을 받아 수행됐다.

이번 연구 결과는 ‘미국화학회 응용 재료 및 계면(ACS Applied Materials & Interfaces)’ 2019년 12월호에 게재됐다.

또 ‘바이오 센서 및 바이오 일렉트로닉스(Biosensors & Bioelectronics)’ 2월호에 게재된다.


(대전=뉴스1)