초경량·초유연 생체 친화적 웨어러블 디바이스 및 전자피부 개발분야 세계적 권위자인 이성원 디지스트(DGIST) 화학물리학과 교수가 최근 고분자 나노섬유에 그래핀 나노월(GNW)을 직접 성장시킨 나노-온-나노(nano-on-nano)' 구조를 개발하고, 이를 활용해 웨어러블 가스센서의 감지 성능을 높이는 데 성공했다.
이성원 교수 연구팀의 최혁주 박사과정생을 비롯해 충남대, 한밭대, 경북대, 구미전자정보기술원, 한국생산기술연구원 연구진이 공동으로 수행한 이번 연구성과는 최근 국제학술지 '어드벤스드 피버 머티리얼즈'에 게재됐다. 이번 기술은 향후 개인의 호흡 환경이나 산업 현장의 유해가스를 실시간으로 모니터링하는 차세대 웨어러블 센서에 활용될 것으로 기대된다.
피부나 마스크에 부착해 주변 유해가스를 실시간으로 감지하는 웨어러블 센서에 대한 관심이 높다. 이런 센서는 장시간 착용을 위해 가볍고 유연하면서 공기와 수분이 잘 통해야 하는 동시에, 미량의 가스도 빠르게 감지할 수 있어야 한다. 고분자 나노섬유로 만든 나노메쉬는 통기성과 유연성이 뛰어나지만, 표면적과 기능성이 제한적이라는 한계가 있다. 특히 고분자는 열에 약해 고온 공정이 필요한 그래핀 등 기능성 탄소 나노소재를 표면에 직접 형성하기 어려웠다.
연구팀은 이러한 한계를 해결하기 위해 내열성 고분자 나노섬유로 구성된 3차원 나노메쉬 표면에 그래핀 나노월을 직접 성장시키는 기술을 개발했다. 저온 플라즈마 화학기상증착(CVD) 기술과 내열성 나노섬유를 활용해 나노섬유의 형태를 유지하면서도, 섬유 표면을 따라 수직 방향의 그래핀 나노월을 형성하는 데 성공했다. 이를 통해 나노메쉬의 통기성과 유연성을 유지하면서 가스와 반응할 수 있는 표면을 크게 확장했다.
연구팀은 특히 그래핀 나노월이 단순히 센서의 표면적을 넓히는 데 그치지 않고, 나노월 사이의 좁은 공간에 가스 분자를 오래 머물게 하는 '구속 효과(confinement effect)'를 만든다는 사실을 규명했다. 실험과 가스 수송 시뮬레이션 결과, 계층형 그래핀 나노월 내부에서는 가스 분자의 이동 경로와 국소적인 충돌이 증가해 그래핀 표면과 가스 분자 간 상호작용이 더욱 활발해지는 것으로 나타났다. 이번에 개발한 센서를 실제 웨어러블 마스크 형태의 플랫폼에도 적용한 결과 높은 통기성과 유연성을 유지하면서 장시간 가스 모니터링이 가능하다는 것도 확인했다.
이성원 교수는 “고분자 나노메쉬 위에 기능성 나노구조를 직접 형성하는 '나노-온-나노' 기술은 향후 가스센서뿐만 아니라 다양한 통기성 웨어러블 전자소자의 성능을 높이는 데 활용될 수 있을 것”이라고 말했다.
한편, 이성원 교수는 세계 최초로 그물망 구조 전자피부소자와 눈깜빡임으로 전기를 만드는 에너지 하베스팅 소자를 개발하는 등 무겁고 단단한 배터리 없이도 장기간 환자의 생체 신호를 모니터링할 수 있는 원격 의료 및 스마트 헬스케어시스템을 구현하는 핵심기반 기술들을 개발해 관련 연구성과를 주요 국제 학술지에 게재해 왔다.
대구=정재훈 기자 jhoon@etnews.com
