정재웅(왼쪽부터 시계방향) 교수, 스티브 박 교수, 이시목·권도아 박사과정생

국내 연구진이 체온에 따라 부드럽게 변신하는 신개념 전자잉크를 세계 최초로 개발했다. 이 전자잉크는 차세대 웨어러블·임플란터블 기기, 의료기기, 로보틱스 등 다양한 분야에 활용될 수 있다.

KAIST는 정재웅 전기및전자공학부 교수와 스티브 박 신소재공학과 교수 공동 연구팀이 액체금속 기반 전자잉크를 최초로 개발했다고 6일 밝혔다. 작은 노즐을 통한 직접 잉크 쓰기 방식으로 고해상도 프린팅이 가능하고, 체온에 의해 부드러워져 인체 친화적 바이오 전자소자 구현이 가능하다.

최근 웨어러블·임플란터블 생체 소자와 소프트 로보틱스 분야에서는 부드러운 사람 피부나 조직에 적용돼 건강 상태를 모니터링하고 질환을 치료하는 기술이 활발히 연구되고 있다.

기존 의료기기는 딱딱한 형태의 의료기기인 경우 부드러운 피부와 강성도 차이로 인해 피부 부착 시 불편함을 야기하거나 조직 삽입 시 염증 반응을 유발할 수 있다. 반면 피부처럼 부드러운 유연한 의료기기는 피부나 조직에 적용 시 우리 몸의 일부처럼 이질감 없이 사용될 수 있지만, 부드러운 특성으로 인해 정교한 핸들링을 어렵게 한다.

KAIST 연구진이 체온에 따라 부드럽게 변신하는 전자잉크를 세계 최초로 개발했다. 관련 이미지. [KAIST 제공]

연구팀은 고정된 강성을 갖는 기존 바이오 전자기기의 한계를 극복하기 위해 나섰다. 상온에서는 단단하여 손쉬운 핸들링으로 인체 적용을 용이하게 하고, 피부 부착 또는 조직 내 이식 후에는 체온에 의해 부드럽게 변해 조직의 일부처럼 함께 움직일 수 있는 전자 회로 제작을 가능하게 하는, 고해상도 패터닝이 가능한 액체금속 갈륨 기반 전자잉크를 개발했다.

이 전자 잉크의 핵심 소재인 갈륨은 금속임에도 불구하고 미온(29.76도)에서 녹는점을 가져 쉽게 고체와 액체 간의 상태 변화가 가능하고 뛰어난 전기전도성과 무독성을 가진다. 연구팀은 기존 갈륨의 높은 표면장력과 낮은 점도 문제를 해결, 고해상도 프린팅이 가능한 전자잉크를 구현했다.

개발된 잉크는 상용회로도선 정도의 딱딱한 상태와 피부조직처럼 부드러운 상태 간의 뛰어난 가변 강성률, 빠른 강성 변화, 높은 열전도율, 우수한 전기전도성을 지니고 있다. 이 전자잉크를 활용하면 3D 프린팅을 이용, 사용자 맞춤형 전자소자 제작도 가능하다.

연구팀은 이 기술을 통해 초박막 광 혈류측정 전자 피부센서와 무선 광전자 임플란트 장치를 제작했다. 이들 기기는 상온(25도)에서는 딱딱해 다루기 쉬운 반면, 체온(36.7도)에 노출되면 부드럽게 변환돼 피부나 조직에 적용 시 기계적 스트레스를 주지 않고 조직 변형에 순응하며 안정적으로 동작하는 게 가능하다. 사용 후 인체에서 제거 시 다시 딱딱한 형태로 변형될 수 있어 재사용을 용이하게 한다.

정 교수는 “체온에 반응해 강성을 변환할 수 있고 고해상도 프린팅이 가능한 전자잉크는 기계적 특성 변환을 필요로 하는 다목적 전자기기, 센서, 로봇 기술뿐만 아니라 의료 기기 분야에서 고정된 형태를 갖는 기존 전자기기의 한계를 극복해 다양한 새로운 가능성을 열 수 있을 것”이라고 말했다.

이번 연구 결과는 국제 학술지 ‘사이언스 어드밴시스(Science Advances)’ 2월 28일자에 게재됐다.

구본혁 기자