우리 대학 기계공학부 김승한 교수 연구팀이 튼튼하고 얇아 착용이 가능한 데다 감지능력까지 우수한 바이오 소재 기반 온도·습도 센서를 개발하는 데 성공했다. 

(왼쪽부터) 김승한 교수, 조현호 석박통합과정생, 이찬의 석사과정생

기계공학부 김승한 교수와 조현호 석박통합과정생, 이찬의 석사과정생이 참여한 연구팀은 바이오 소재인 실크 피브로인(SF), 그래핀(rGO) 소재를 활용해 이번 성과를 도출했다. 

연구팀은 두 소재를 기반으로 경제적이고 대량 생산이 가능한 딥 코팅 기법을 통해 다층박막구조를 지닌 바이오 소재 기반 필름을 제작했다. 그 결과 진주층의 구조를 모사한 형태의 다층박막구조가 실크 피브로인이 없는 단순 그래핀 기반 필름보다 기계적 특성이 232% 증가한다는 점을 원자현미경을 통한 굽힘 시험을 거쳐 확인했다. 또한, 이러한 결과물이 실크 피브로인과 그래핀의 강한 결합력에 근거한다는 점도 밝혀냈다. 

원자현미경을 활용한 굽힘 시험으로 계산된 바이오 소재 기반 필름의 기계적 특성

새롭게 개발된 바이오 소재 기반 필름은 얇으면서도 튼튼하다는 우수한 기계적 강건성을 지녔다. 또한, 표면의 풍부한 작용기 때문에 물과 결합 가능해 온도·습도 센서로 쓸 수 있다. 

새롭게 개발된 필름은 주위 온도·습도 변화에 반응한다. 필름이 물 분자와 결합해 두께가 달라지고, 이는 곧 그래핀 간 네트워크의 변화로 이어진다. 이처럼 필름에 발생한 전기적 특성의 변화를 측정함으로써 주위 환경의 온도·습도를 감지할 수 있다. 

바이오 소재 기반 온도 및 습도 웨어러블 센서 측정 메커니즘

이번 연구성과는 피인용도(IF, Impact Factor) 6.979를 기록한 국제 저명 학술지 ‘Biomacromolecules’ 2023년 24권 6호의 표지 논문으로 선정되며 그 우수성을 입증한 상태다. 

김 교수는 “새롭게 개발한 온·습도 센서는 유연하고 기계적으로 강건하며 착용 가능하다는 장점이 있다. 기존 센서들이 외부 충격에 의해 쉽게 파괴되는 한계를 지닌 것과 달리 일상 생활에서의 사용 가능성을 증대시킨 성과”라며 “지속적인 인체 상태 측정을 가능케 해 헬스케어 등 다양한 분야에 응용할 수 있을 것으로 기대하고 있다”고 전했다.