한창수 교수팀, 차세대 스트레처블 디바이스 핵심기술 개발
디스플레이, 센서, 터치패널 등 다양한 분야 활용 기대

 

▲공과대학 기계공학부 한창수 교수

 

‘스트레처블 디바이스(Stretchable Device)’는 ‘플렉서블 디바이스(Flexible Device)’의 발전된 형태로 개발을 위해서는 소재가 매우 중요하다. 장시간 사용해도 모양이 유지되며, 온습도 변화에도 큰 영향을 받지 않아야 한다.


공과대학 기계공학부 한창수 교수 연구팀이 기존의 스트레처블 디바이스에 주로 활용되던 하이드로젤의 단점을 해결하기 위해 비휘발성 이온젤을 사용하는 ‘차세대 스트레처블 디바이스’의 핵심기술을 개발했다.


이번에 사용된 이온젤은 기존 하이드로젤이나 다른 유기 전도성 젤에 비하여 주위 온습도 환경 변화에 민감하게 반응하지 않고 장시간 그 모양과 형태를 유지한다. 이러한 특성으로 인해 한 번 제작한 이온젤을 다시 재활용 할 수 있으며 이로 인해 제작에 투입되는 비용과 시간을 모두 줄일 수 있게 된다. 아울러 이온젤의 안정적인 특성 덕분에 스트레쳐블 센서, 스트레처블 터치패널, 인공피부의 소재와 같은 스트레처블 디바이스의 프로토타입 제작에 바로 활용할 수 있다.


이번 이온젤의 합성방법은 스트레쳐블 소재합성의 원천기술로서 다른 연구자들의 스트레쳐블 소재 제작에도 큰 영향을 미칠 것으로 보인다. 이온젤의 고분자나 분산매, 이온용액을 다른 더 좋은 재료로 치환한다면 더욱더 활용가치가 높은 스트레처블 소재를 만들 수 있게 된다.

 

▲이온젤의 구성 성분 및 구조

 

스트레처블 디바이스는 플렉서블 디바이스에서 한 단계 더 발전한 형태의 디바이스로 스트레체블 헬스 모니터링 장치로 많이 응용되고 있다. 기존의 딱딱한 형태 (스마트 워치, 스마트 스트랩 등) 로는 피부와 일정한 접촉을 유지할 수 없어 정확한 모니터링을 하는데 한계가 있기 때문이다.


스트레쳐블 디바이스를 만들기 위해 많이 쓰이는 물질 중 하나는 고분자 네트워크 속에 액체가 분산된 구조로서 10배 이상 늘어나며 액체의 비율이 높아 투명한 젤 타입 물질이다. 그중에서도 가장 많이 연구된 것은 하이드로젤이다. 구성성분이 물로서 재료 접근성이 높으며, 생체적합성과 높은 전도도를 지니는 동시에 투명하기 때문이다. 단, 젤 속의 물이 증발함에 따라 오랜 시간 사용이 불가하다는 치명적인 단점이 있었다.


하이드로젤의 단점을 보완하기 위해 이번 연구에서는 PVC (polyvinyl chloride)를 고분자 네트워크로 DBA (dibutyl adipate)를 분산질로 활용하고 전도성 물질로 [EMIM+][TFSI-] (1-Ethyl-3-methylimidazolium bis(trifluoromethylsulfonyl)imide)를 첨가해서 전도도를 높인 이온젤을 제작하고 이를 인장센서로 활용하는 실험을 진행하였다. 젤의 구성성분인 PVC, DBA, [EMIM+][TFSI-]는 소수성물질이라 습도 변화에 영향을 덜 받고 증발하지도 않는다는 장점이 있다.

 

▲ 이온젤은 온습도 변화에 큰 영향을 받지 않고 형태를 유지할 수 있다

 

해당 이온젤은 300%까지 늘어날 수 있고 30회 반복 인장실험 후에도 탄성을 유지하였다. 인장센서로서의 성능은 기존의 메탈 인장센서와 비슷하나 투명하며 잘 늘어난다는 점에서 활용 가치가 매우 높다.


온도 및 습도 변화에도 인장센서로서의 성능이 크게 변하지 않았고, 3주간 이온젤을 공기중에 방치시켜도 젤 속의 DBA나 이온용액이 거의 증발하지 않고 그대로 남아 있었다.


이온젤을 활용하여 인장 센서를 제작해 성능을 평가한 결과 센서로서 우수한 성능을 보였으며, 투명장갑 형태로 제조하여 수신호에 따라알파벳 입력, 마우스 컨트롤을 할 수 있는 디바이스를 구현하였다.

 

▲ 이온젤 장갑을 활용하여 수화로 알파벳을 입력할 수 있다.

 

 

한창수 교수는“이번 연구는 아직까지 구현이 어려운 스트레처블 소자에 꼭 필요한 핵심소재를 개발했으며, 이를 활용해 스트레처블 디스플레이, 스트레처블 센서, 스트레처블 입력장치, 스트레처블 터치패널, 투명 수화 입력장치 등 다양한 분야에서 활용될 수 있을 것으로 기대된다.”며 연구의 의의를 설명했다.


이번 연구는 한국연구재단의 지원으로 수행되었으며, 재료과학분야 권위있는 저널인 ‘Journal of Materials and Chemistry A’에 온라인판에 게재되었다.

 

 * 저널 링크 : https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2020/TA/D0TA00090F#!divAbstract  
 * 논문명 : Humidity-resistive, elastic, transparent ion gel and its use in a wearable, strain-sensing device
 * 저자 정보 : 손영준 (공동1저자, 고려대 박사과정), 배진우 (공동1저자, 한국과학기술교육대학교 교수), 이호정 (공동저자, 고려대 석사과정), 배성현 (성균관대 박사과정), 백승현 (성균관대 교수) 전경용 (교신저자, 고려대 연구교수), 한창수 (교신저자, 고려대 교수)

 

커뮤니케이션팀 문석환(moonsky1@korea.ac.kr)