에너지시스템학과

김성환·박지용 교수 연구팀이 누에고치에서 추출한 실크 단백질을 활용해 실제 피부와 비슷한 특성을 가지는 바이오 소재 기반 전자 피부를 구현하는 데 성공했다.

김성환·박지용 아주대 교수(물리학과·대학원 에너지시스템학과)와 민경택 한국산업기술대 교수(나노광공학과)는 실제 피부처럼 역학적 변형이 가능하고 수분도 머금을 수 있는 실크 단백질 기반 전자 소자를 개발했다고 밝혔다.

이번 연구 성과는 나노과학기술 분야 저명 학술지인 5월24일자에 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 선행되어야 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 그동안의 전자 피부 연구는 생체 조직과의 접합력이나 적합성, 수분 투습성 등에서 한계를 보여 왔다. 기존의 전자피부가 주로 고무나 PDMS와 같이 탄성을 지닌 합성 고분자 기판을 활용해 만들어져 왔기 때문. 이러한 이유로 기존의 전자 피부는 생체 조직과의 완벽한 인터페이스를 만들기에는 어려움이 많았다. 합성 고분자 기판은 실제 인체에 부착했을 때 이질감을 느끼기 쉽고, 특수한 화학 처리 없이는 생체 조직에 잘 접합되지 않아서다. 산소·수분 투과도가 낮아 오랜 시간 인체에 부착하는 경우 땀이 차거나 염증을 일으킬 가능성도 있다. 때문에 기존 기판 소재들은 땀과 같은 체액 속 생리 활성 물질이 전자 피부의 전자 소자에 도달할 수 있게 하는 통로 역할을 하기 어렵다.

아주대·한국산업기술대 연구팀은 생체 조직를 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 도입하여 투명하고 늘릴 수 있는 수화젤 필름을 구현했다. 

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

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

김성환 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 전했다. 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, 그리고 생체 조직과의 인터페이스 문제는 상대적으로 간과되어 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.

*사진1 - 왼쪽부터 김성환 교수, 박지용 교수, 민경택 교수

*사진2 - 단백질 기반의 전자 피부. 투명하고 잘 늘어나 피부의 변형에 따라 함께 움직이며, 접합력도 뛰어나다.