국립금오공과대학교(총장 곽호상)는 박정환 기계공학부 교수 연구팀이 플래시 광을 통해 삼차원(3D) 다공성 그래핀 소재를 구현하고, 이를 실시간 생체신호 모니터링 시스템에 적용하는 데 성공했다고 2일 밝혔다.
국립금오공대를 비롯해 전북대, 미국 코넬대 등과의 국제 공동연구를 통해 이루어진 이번 연구성과는 최근 에너지 분야 최상위급 SCI 학술지인 '에너지 앤 엔바이런멘탈 머티리얼즈(Energy&Environmental Materials) 3월호 온라인판에 게재됐다.
'피부 부착형 웨어러블 헬스케어 센서'는 신체의 생체신호를 실시간으로 측정하여 건강 상태를 모니터링 할 수 있는 차세대 기술로 각광받고 있다. 이러한 웨어러블 전자소자 구현을 위해 우수한 전기 전도성과 뛰어난 기계적 유연성·내구성을 가진 그래핀이 혁신적인 재료로 평가받고 있다. 그러나 기존 그래핀은 고비용 및 비효율적인 제조 방식, 복잡한 공정 때문에 상용화에 어려움이 있었다.
연구팀은 강한 플래시 광을 순간적으로 플라스틱 필름에 내리쬐어 내부 폴리머 구조를 변화시킴으로써, 수 밀리 초(10-3초, 0.001초) 이내의 초고속으로 넓은 면적의 그래핀 소재를 합성하는 데 성공했다.
또 플래시 광의 세기, 조사 시간·횟수 등을 세밀히 최적화함으로써, 고순도·고전도성의 3D 다공성 그래핀을 구현했다. 높은 공극률(재료나 물질 속 빈공간이 얼마나 있는지 비율로 나타낸 것)을 갖춘 다공성 그래핀은 넓은 표면적을 가지고 있기 때문에 센서의 민감도를 향상시켜 우수한 감지 성능을 나타낸다.
연구팀은 이 기술을 통해 기존의 비싸고 복잡한 그래핀 제조 공정 문제를 극복하였을 뿐만 아니라, 합성된 3D 다공성 그래핀의 이점을 극대화했다. 신체의 움직임, 온도, 땀 이온 변화를 높은 민감도로 감지할 수 있는 피부 부착형 실시간 생체 신호 모니터링 센서를 개발하는 데 성공한 것이다.
박정환 교수는 “빛과 물질간의 상호작용을 이용하면 이번 연구에서와 같이 미래 전자소재의 상용화를 위한 생산 플랫폼 혁신에 크게 기여할 수 있다”면서 “이번에 개발된 소재는 헬스케어 센서를 비롯한 다방면의 차세대 웨어러블 전자소자에 적용 가능하다”고 밝혔다.
한편, 박정환 교수를 중심으로 김찬혁 금오공대 학부연구생, 이한얼 전북대 신소재공학부 교수, 김정현 전북대 박사과정생, 최세진 전북대 석사과정생이 함께 참여한 이번 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 나노·소재기술개발사업(소재글로벌영커넥트사업), 중견연구자지원사업, 기초연구실지원사업의 지원을 받아 수행됐다.
구미=정재훈 기자 jhoon@etnews.com
