840%까지 늘어나면서 전도성 높은 생체 친화적 다기능 고무 개발
미래형 웨어러블 디바이스 및 신체삽입형 의료 디바이스 응용성 커
[서울=뉴스핌] 김영섭 기자 = 국내 연구진이 높은 신축성과 전도성을 띠면서도 인체에 독성이 없는, 이른바 팔방미인격의 전도성 고무를 만드는 데 성공했다.
이번에 개발한 전도성 고무는 최대 840%까지 늘어나는 기계적 변형에도 안정적으로 전기신호를 전달할 수 있어 다양한 웨어러블 디바이스와 신체 삽입형 의료기기 개발에 크게 기여할 것으로 기대된다.
14일 과학기술정보통신부와 기초과학연구원(IBS·원장 김두철)에 따르면 IBS 나노입자연구단 김대형 부연구단장(서울대 화학생물공학부 교수)과 현택환 단장(서울대 석좌교수) 공동연구진은 여러 기능을 갖춘 전도성 고무(금-은나노복합체, Ag-Au nanocomposite)를 개발했다.
이번 연구결과는 ‘네이처 나노테크놀로지(Nature Nanotechnology)' 온라인판에 이날 게재됐다.
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| [그림] 금 코팅된 은나노와이어의 합성 : 은나노와이어의 표면에 금을 균일하게 입혔다. 금을 표면에 입힐 경우 산화 반응 등이 일어나지 않아 안정적이다. 연구진은 강력한 산화제(H2O2)를 처리한 결과, 은나노와이어는 산화되었지만(그림 가장 오른쪽 위) 금을 입힌 은나노와이어(그림 가장 오른쪽 아래)는 산화되지 않았음을 실험으로 확인했다. 2018.08.14 [자료=IBS] |
연구진은 금(Au)이 입혀진 길이가 긴 은(Ag) 나노 와이어(금-은 나노와이어)와 고무 성분인 ‘SBS(스티렌-부타디엔-스티렌·Styrene-Butadiene-Styrene) 엘라스토머’를 섞어 전도성 금-은(Ag)나노복합체를 만들었다.
엘라스토머는 플라스틱과 고무의 성질을 갖고 있는 합성수지다. SBS 엘라스토머는 스티렌(C8H8)과 부타디엔(C4H6)로 만들어진 열가소성고분자로 열과 압력에 의한 가공이 쉽고 잘 늘어난다.
이번에 개발한 금-은 나노복합체는 기존에 연구된 전도성 고무와 비슷한 전도도 영역에서 최고 840%의 신장력을 기록하고, 기존의 은 나노와이어 복합체 문제였던 독성과 산화현상 문제도 해결했다.
은 나노와이어는 높은 전도성과 안정적인 전기특성으로 각광받았으나 독성으로 인해 활용이 어려웠다. 이번 연구에서 길이가 긴 은(Ag)나노와이어 표면에 손상 없이 균일하게 금을 입혀 생체 독성을 유발시키는 은 이온 유출을 차단해 생체 친화성을 높였다. 또한, 물에 산화되기 쉬운 생체 환경 내에서도 오래 사용할 수 있는 내구성도 갖췄다.
연구진은 금-은나노복합체를 그물 형태로 제작해 실험을 진행했다. 그물 형태의 금-은나노복합체는 돼지의 심장을 감싸 심장 신호의 변화를 모니터링하고, 전기 자극을 주는데 성공했다. 넓은 면적이라 심장 움직임에 전혀 영향을 주지 않으면서도 부정맥 등 심장 이상이 있을 때 효과적으로 전기 자극을 가해 치료를 수행했다.
IBS 연구진은 이번에 개발한 금-은나노복합체가 움직임이 큰 피부 위에서도 안정적으로 전기를 전달할 수 있어 향후 차세대 웨어러블 의료기기 개발에 획기적인 소재로 활용될 것으로 기대된다고 밝혔다.
금-은나노복합체는 피부에서 발생하는 다양한 전기 신호를 측정해 신체 상태를 모니터링 할 수 있다. 금-은나노복합체에 전극과 히터를 내장시키면 전기 자극이나 열 자극을 동시에 구현해 간단한 물리치료가 가능하다. 이때, 자유자재로 늘어나기 때문에 움직임에도 큰 불편함을 주지 않는다는 것도 장점이다.
김대형 IBS 부연구단장은 “이번에 개발한 금-은나노복합체는 고전도성, 고신축성, 생체 친화적이어서 향후 바이오메디컬디바이스 발전에 기여할 것”이라며 “피부에서나 인체 삽입형 의료기기에 모두 활용이 가능할 것”이라고 전망했다.
◆ 연구진이 직접 전하는 연구이야기
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| 기초과학연구원(IBS·원장 김두철) 나노입자연구단 현택환(왼쪽) 단장(서울대 석좌교수)과 김대형(오른쪽) 부연구단장(서울대 화학생물공학부 교수) 공동연구진이 높은 신축성과 전도성을 띠면서도 인체에 독성이 없는 전도성 고무(금-은나노복합체, Ag-Au nanocomposite)를 만드는 데 성공했다. 2018.08.14 [자료=IBS] |
- 연구를 시작한 계기나 배경은?
▲ 생체친화적이고 높은 전도성, 그리고 높은 신축성을 갖는 복합체를 만드는 것이 관건이다. 전도도가 매우 높은 은나노와이어의 표면을 금으로 코팅함으로써 높은 전도성과 생체친화성을 극대화시킬 수 있다.
- 어려웠던 점이나 장애요소는 무엇인지? 어떻게 극복(해결)했는지?
▲ 기본적으로 은과 금은 전극전위 차이 때문에 섞었을 때 갈바닉 교환반응으로 인해 은이 녹아 나간다. 때문에 갈바닉 교환반응을 억제하면서 금을 은나노와이어 표면에 코팅하는 것이 어려웠다.
또한 금-은나노와이어를 엘라스토머와 섞어 복합체를 만들었을 때 일어나는 상분리 현상의 원인과 결과를 분석하는 데 어려움을 겪어 분석을 하는 데 많은 노력이 필요했다. 다행히 기초과학연구원의 다양한 장비 지원 덕에 그 현상의 원인을 이해할 수 있었다.
- 이번 성과, 무엇이 다른가?
▲ 은나노와이어는 높은 전도도 덕분에 많은 각광을 받으며 많이 사용돼 왔지만 가장 큰 단점이 생체친화성이었다. 이번 연구를 통해 높은 전도도를 갖는 은나노와이어를 독성문제 없이 생체친화적으로 사용할 수 있게 함으로써 새로운 재료를 제시했다.
또한 엘라스토머와 섞어 고무복합체를 만들었을 때 기존에 연구된 전도성 고무 중 비슷한 전도도 영역에서의 최고의 산장력인 840%까지 늘릴 수 있었다. 이러한 고무 복합체는 다양한 웨어러블 또는 인체 삽입형 디바이스로 모두 활용이 가능할 것으로 기대된다.
- 꼭 이루고 싶은 목표와, 향후 연구계획은?
▲ 은의 독성을 더욱 더 줄인 생체친화적이고 전도성과 신축성을 향상시킨 복합체를 개발 중이며, 그물 형태로 제작된 나노복합체를 활용해 질병동물 모델에서 더욱 구체적인 치료효과 검증을 진행 예정이다.
kimys@newspim.com
