[대학저널 임지연 기자] 아주대학교(총장 박형주) 김성환·박지용 교수(물리학과·대학원 에너지시스템학과)와 한국산업기술대학교(총장 안현호) 민경택 교수(나노광공학과)가 실제 피부처럼 역학적 변형이 가능하고 수분도 머금을 수 있는 실크 단백질 기반 전자 소자를 개발했다.

이번 연구 성과는 나노과학기술 분야 저명 학술지인 <ACS 나노(ACS Nano)> 5월 24일자에 온라인 게재됐다. 논문 제목은 ‘생체조직과 유사한 단백질 기반 전자 피부(Protein-Based Electronic Skin Akin to Biological Tissues)’다.

신체 조직에 부착할 수 있는 전자·광학 소자에 대한 연구는 최근 전세계적으로 매우 활발히 진행되고 있다. 작은 크기의 전자·광학 소자를 이용해 인간의 생체 신호를 직접 읽어 분석할 수 있기에 차세대 헬스케어 소자로 주목 받고 있는 것.

이러한 소자를 구현해내기 위해서는 실제 인간 생체 조직처럼 유연하며 늘릴 수 있는 전자 소자의 구현이 선행돼야 한다. 이에 전세계 연구자들은 유연 기판에 전극과 전자 소자를 집적, 다양한 인체 신호를 읽고 분석하는 소자들을 개발해왔다. 이러한 소자는 피부를 인공적으로 모방한 전자 소자로 ‘전자 피부’라 불리고 있다. 하지만 그동안 전자 피부 연구는 생체 조직과의 접합력이나 적합성, 수분 투습성 등에서 한계를 보여 왔다.

아주대·한국산업기술대 연구팀은 생체 조직을 구성하는 성분 중 하나인 단백질, 그 중에서도 자연에서 구할 수 있는 실크 단백질에 주목했다. 실크 단백질은 누에고치에서 추출할 수 있으며 높은 인장력과 탄성을 지니고 있다. 연구팀은 실크 단백질의 물성을 더욱 개선하기 위해 칼슘 이온과 글리세롤을 도입해 투명하고 늘릴 수 있는 수화젤 필름을 구현했다.

구현된 투명 실크 필름은 피부와의 접합력이 매우 높았다. 또 실제 피부에 부착한 상태에서 피부의 역학적 변형에 따라 동일하게 변형됐다. 더불어 실제 생체 조직과 같이 많은 수분을 머금을 수도, 확산을 통해 수분이 투과될 수도 있음이 확인됐다.

연구팀은 이에 더해 나노와이어 전극을 집적해 전류가 흐를 수 있는 전자 회로를 구현했고, 이 회로는 역학적 변형이나 수분 침투에도 안정적으로 구동했다. 연구팀이 개발한 전자 회로에는 LED나 RF안테나 같은 다양한 전자 소자의 집적이 가능하다.

김성환 아주대 교수는 “이번에 개발한 실크 기판에서 도파민 수용액의 도파민과 물이 기판을 투과, 전극에 반응하는 것을 확인했다”며 “센서의 개념을 성공적으로 구현해 낸 것으로, 실제 인체의 피부에서 외부 자극이 피부층을 통해 내부의 신경에 전달되는 것과 같은 원리”라고 말했다. 도파민은 뇌신경 세포의 흥분 전달 작용을 하는 신경전달 물질이다.

이번에 개발된 소재 기술은 앞으로 다양한 헬스케어 소자에 적용될 수 있을 것으로 기대된다.

김 교수는 “전자 피부 연구가 유연 전자 소자 집적에 있어 많은 진전을 이뤄왔지만 생체 적합성, 생체 조직과의 인터페이스 문제는 상대적으로 간과돼 왔다”며 “이번 연구로 생체 구성 성분인 단백질을 통해 전자 피부 구현이 가능하다는 점, 그리고 이를 활용해 생체 조직과 전자 소자 사이의 물성 차를 극복해낼 수 있다는 점을 보여줬다는 데 의의가 있다”고 설명했다.

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