[파이낸셜뉴스] 국내 연구진이 충격으로 수리가 필요한 부분을 색으로 구분 가능한 새로운 소재를 개발했다. 연구진은 이 물질을 콘크리트나 실리콘 등의 소재에 주입하면 힘, 변형, 손상 등의 기계적 자극에 반응해 색이 변하는 스마트 소재로 만들 수 있다고 설명했다. 한국과학기술연구원(KIST) 전북분원 구조용복합소재연구센터 김재우 박사 연구팀은 외부 자극을 눈으로 확인할 수 있는 차세대 응력 감응형 소재의 민감도를 개선했다고 15일 밝혔다. 새 공정으로 개발한 스피로피란-고분자의 민감도가 기존 대비 850% 향상됐다고 설명했다. 이 효과는 인장, 압축, 구부림 등 다양한 변형에서도 성공적으로 나타났다. 김재우 박사는 "스피로피란 기반 응력 감응형 스마트 고분자 소재의 기계적 민감도를 획기적으로 개선할 수 있는 공정이 개발됐고, 분석을 통해 감도 향상에 대한 메커니즘을 규명했다"고 말했다. 외부 힘에 반응하는 분자 수준의 물질인 스피로피란(Spiropyran)은 물리적 자극을 받으면 화학구조가 변해 색이 변하는 성질을 갖고 있다. 이를 이용해 웨어러블 센서, 인공 피부의 소재로 사용될 수 있다. 하지만 실리콘의 경우 500% 이상의 높은 변형 후에야 색의 변화를 보일만큼 기계적 민감도가 낮아 실제 적용에 어려움이 있었다. 민감도를 높이기 위한 기존 연구들은 스피로피란과 소재를 합성하기 전에 스피로피란의 분자구조를 소재에 맞게 변형하는 방식을 사용해왔다. 연구진은 기존과는 다르게 소재와 스피로피란을 합성한 이후 특정 용매에 넣어 일종의 숙성과정을 통해 민감도를 향상시켰다. 연구진은 용매를 통해 흡수시키는 시간을 조절하며 개발한 소재의 색, 형광의 변화를 관찰한 결과 처리 시간이 길수록 민감도가 향상됨을 확인했다. 또한, 소재별로 별도의 조작을 통해 민감도를 향상시키는 기존 방식과는 다르게, 단순히 용매에 넣어 숙성시키는 후공정만으로 민감도를 높인 새로운 방식은 다양한 소재에도 쉽게 적용할 수 있는 장점이 있다. 김 박사는 "이번 연구를 기반으로 미래형 웨어러블 센서 및 인공 피부로 응용 연구에 매진할 계획"이라고 밝혔다. 연구결과는 고분자 분야 국제학술지 '마크로몰리큘스' 최신호에 게재됐다. monarch@fnnews.com 김만기 기자

UNIST는 에너지 및 화학공학부 고현협·백충기 교수팀이 듀크대 스티븐 크레이그 교수팀과 함께 색상변화로 외부 자극을 효과적으로 표현 할 수 있는 인공전자피부를 개발했다고 10일 밝혔다. 인공전자피부에 사용된 고분자 복합 소재는 은나노와이어 기반의 투명전극과 융합을 통해 마찰전기 센서로도 사용될 수 있다. 마찰 전기와의 복합화를 통한 이중 모드 인공전자피부는 음성인식, 동작인식 센서 등 다양한 분야에 적용이 가능하다. 전자피부 재료로 사용되는 역학 변색형 고분자 소재의 경우 가공성이 좋고, 별도 전원 공급 없이 외부자극에 따른 색상 변화가 나타난다는 장점이 있지만, 색상 변화가 나타나기 위해서는 강한 외부 자극이 필요하다는 문제점이 있었다. 공동연구팀은 복합 고분자 소재 스피로피란 필름의 다공성 마이크로 구조화 및 나노입자(SNPs)의 도입을 통해 외부 자극에 대한 민감도 문제를 해결했다. 복합소재에 미세한 구멍을 만들고, 그 안에 기계적 강도가 높은 실리카 나노입자를 코팅해 만들어진 이 인공전자피부는 외부 압력이 가해질 때 변색이 일어나는 스피로피란에 전달되는 힘의 양을 증가시켜 반응 민감도를 높였다. 서로 다른 기계적 특성을 가지고 있는 경우, 기계적 특성의 차이에 의해 힘이 마이크로 포어와 실리카 나노입자 주변으로 집중되는 원리를 이용한 것이다. 또한 마이크로 포어와 실리카 나노 입자에 의한 에너지 분산 효과로 인해, 신축성이 기존 재료 대비 최대 400% 증가하는 효과도 얻었다. 연구진은 "변색 고분자의 외부자극 민감도 향상을 위한 기존 연구는 분자단위의 변형 수준에서 진행돼왔으며, 마이크로·나노 구조 변형을 통해 민감도를 향상시킨 연구는 최초"라고 전했다. 고현협 교수는 "이번 성과는 복잡한 전기 신호 기반의 인공전자피부와 달리 시각적인 색깔 변화로 외부 자극의 세기를 검출할 수 있어 차세대 인공전자피부 기술에 대한 핵심적인 역할을 할 것" 이라고 기대했다. 이 연구의 제1저자인 박종화 박사후 연구원은 "직관적이고 직접적으로 정보를 전달할 수 있어 사용자가 접근하기에 더 용이할 뿐만 아니라, 외부 전원이 필요하지 않기 때문에 미래 웨어러블 디바이스 구현에 큰 도움을 줄 것" 이라고 전망했다. 이번 연구 성과는 재료 분야 국제학술지인 '어드밴스드 머티리얼즈'에 5월 9일 게재됐다. monarch@fnnews.com 김만기 기자