강원대, 개발된 소재 이용 땀 성분 측정 센서 제작
의료‧헬스케어 웨어러블 기기의 센서가 손상돼도 빠른 시간 안에 스스로 복구할 수 있는 소재가 개발됐다.
한국화학연구원은 황성연·박제영 박사팀이 초고속 자가치유 소재를 개발하고, 강원대 최봉길 교수팀이 이를 이용해 땀 성분 측정 센서를 제작했다고 21일 밝혔다.
땀이나 혈류 등을 이용해 건강상태를 모니터링하고 질병을 확인할 수 있는 웨어러블 기기는 걷기나 달리기 등의 동작으로 센서가 손상되면 성능이 떨어진다.
화학연 연구진은 감귤류와 목질류에서 추출하는 구연산과 숙신산 등의 친환경 화합물을 합쳐 새로운 초분자 중합체를 만들었다. 초분자 중합체는 수소결합 등의 상호작용으로 자가 치유 특성을 갖는 고분자다. 수소결합은 전기 음성도가 강한 질소와 수소, 산소와 수소, 불소와 수소를 갖는 분자가 이웃한 분자를 끌어당기는 힘으로, 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.
30초면 손상된 소재가 원래 상태로 회복되는데 최고 속도를 보유했던 중국 쓰촨대의 기록을 앞질렀다. 30초에 8MJ/㎥(메가줄/세제곱미터)를 회복해 2분에 6MJ/㎥를 회복하는 쓰촨대보다 4배 이상 빠른 수준이다.
또 강원대 연구진은 이 소재를 이용해 땀에서 얻은 데이터를 측정하는 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 추적했고, 가위로 센서를 절단하자 20초 만에 다시 정상 작동했다.
개발된 웨어러블 센서는 땀에 포함된 칼륨, 나트륨 이온, 수소 이온 등의 데이터를 통해 심근경색, 근육경련, 저나트륨혈증 등의 건강 상태를 알 수 있다.
황성연 박사는 “자가치유 초분자 중합체를 기반으로 한 땀 측정 센서는 의료 웨어러블 기술에서 다양하게 활용될 것으로 기대한다”고 말했다.
이번 연구 결과는 ‘미국화학회 응용 재료 및 계면(ACS Applied Materials & Interfaces)’ 2019년 12월호에 실렸다. 또 ‘바이오 센서 및 바이오 일렉트로닉스(Biosensors & Bioelectronics)’ 2월호에 게재된다.