외부자극 인지하며 물건 잡는 소프트 로봇 구현
봉합없이 원하는 힘으로 심장에 착용가능한 심장질환 진단·치료 전자소자까지
황석원 교수팀, 고신축성·생분해성 엘라스토머 및 전자 기술 개발
연구결과, Nature Communications 논문 게재돼

▲ 왼쪽부터 KU-KIST 융합대학원 한원배 박사(제1저자), 고관진 박사과정(제1저자), 황석원 교수(교신저자)

KU-KIST 융합대학원 황석원 교수 연구팀은 친환경/생체친화적 물질 기반의 고신축성 생분해성 고분자 소재 및 다양한 요소기술을 개발하고, 인지기능을 갖는 소프트 로봇과 심장질환 진단/치료용 전자소자를 구현했다. 이번 연구는 생분해성과 고신축성을 요하는 다양한 전자소자에 적용되어, 바이오메디컬, 웨어러블 및 친환경 연구 분야의 고성능화와 고도화에 핵심적인 역할을 할 수 있을 것으로 기대된다.

이번 연구결과는 세계적 권위 학술지 ‘Nature Communications(IF=17.694)’지에 4월 20일 온라인 게재됐다.
* 논문명 : Ultra-Stretchable and Biodegradable Elastomers for Soft, Transient Electronics

* 저널명 : Nature Communications (Nat. Commun. 2023, https://doi.org/10.1038/s41467-023-38040-4)

시한성 전자소자(transient electronics)는 소자 본연의 기능을 일정 기간 동안 안정적으로 수행한 후, 체내 혹은 환경에서 용해/분해/분리되어 물리적 상태 및 전기적 기능을 소멸하는 기술로써, 바이오메디컬 및 친환경 전자 시스템 분야에 혁신을 가져왔다. 그러나, 이 전자소자의 기판소재로 사용되는 기존 고분자 물질의 제한적인 유연/신축성은 시간에 따라 움직이거나 늘어나는 신체 및 다양한 환경으로의 응용을 저해한다. 따라서, 시한성 전자소자의 고도화 및 고성능화를 위해서는 기존의 고무와 같은 신축성/탄성이 있는 고분자인 엘라스토머(elastromer)처럼 훌륭한 기계적 성질을 가지면서 동시에 생분해성을 갖는 소재의 개발이 절실하다. 즉, 고신축성 생분해성 엘라스토머(biodegradable elastomer)의 개발이 필수적인 셈이다.

이번 연구에서는 친환경/생체친화적 물질로 공중합(copolymerization)을 통해 1600% 이상의 높은 신축성을 갖는 생분해성 엘라스토머를 개발했다. 훌륭한 기계적 특성과 더불어 이 소재는 시한성 전자소자의 구현에 필요한 광투과도(optical tranparency), 접착성(adhesion force), 내화학성(organic solvent tolerance) 등의 물리적 특성 및 생분해성도 기존의 생분해성 엘라스토머에 대비해 매우 우수했다. 소재의 전반적인 물성을 조절할 수 있는 기술도 확보해, 소자 맞춤형 소재의 개발도 가능하다.


연구진은 소재를 얇은 막(thin film) 형태로 제작하고 LED 디스플레이와 트랜지스터의 기판 및 보호막으로 사용함으로써 다양한 전자소자로의 응용 가능성을 보였다. 뿐만 아니라, 이 소재를 매트릭스로 사용해 전도성 물질과 혼합함으로써, 다양한 변형에도 전기적 특성을 잘 유지하거나 작은 자극에도 저항이 민감하게 변하는 전도성 복합소재를 각각 개발했다.

더 나아가, 생분해성 엘라스토머를 이용해 공압 구동 소프트 로봇을 구현하고, 앞서 개발된 전도성 복합소재와 생분해성 반도체 물질 기반의 응력 센서(strain sensor)와 온도 센서를 소프트 로봇에 결합시켜서, 외부 자극을 인지하면서 물건을 잡을 수 있는 스마트 로봇을 개발했다. 로봇은 이러한 인지기능을 통해 매우 부드러운 솜과 같은 물체를 미리 입력된 힘으로 살며시 잡을 수도 있으며, 물체의 온도가 너무 뜨거울 때는 자동으로 손을 떼는 등 마치 사람의 손가락처럼 기능할 수 있었다.

또한, 연구진은 심장질환의 진단과 치료에 사용될 수 있는 시한성 전자소자를 구현했다. 먼저, 인체의 조직과 비슷한 기계적 강도를 갖도록 생분해성 엘라스토머 기반의 소프트한 3차원 메쉬(mesh) 소자를 설계하고, 생체신호를 읽거나 전기자극을 할 수 있는 전도성 복합소재 기반의 신축성 전극을 형성시켰다. 그리고, 가오리 꼬리에서 영감을 받아 케이블 타이(cable tie)와 비슷한 벨트 구조를 소자에 결합하여 원하는 힘으로 별다른 봉합 없이(suture-free) 심장에 소자를 착용시킬 수 있도록 했다. 최종적으로, 동물실험을 통해, 개발된 전자소자가 약 8주 동안 큰 면역 반응 없이 생체친화적으로 안정적인 진단/자극 기능을 할 수 있음을 증명했다.

황석원 고려대 교수는 “이번 연구 결과는 시한성 전자소자의 고도화 및 고성능화에 필수적인 생분해성 엘라스토머 및 관련 요소기술을 개발한 것으로, 기존 소재로는 달성하기 힘들었던 생분해성 고신축/유연 전자소자에 적용되어 새로운 작동모드 및 기능을 창조할 수 있을 것으로 기대하고, 환경적/경제적 측면에서의 지속가능성도 제시할 수 있을 것”이라고 기대했다.

이번 연구는 한국연구재단 개인기초연구 중견후속사업, 범부처 전주기 의료기기 연구개발사업 및 정보통신기획평가원 ICT 명품인재양성사업의 지원을 받아 수행됐다.

[ 그 림 설 명 ]



▲그림1. a. 생체적합/생분해성 단량체인 L-lactide와 ɛ-caprolactone로부터 합성된 poly(L-lactide-co-ɛ-caprolactone) (PLCL) 생분해성 엘라스토머의 분자구조와 기계적 변형에 따른 고분자 사슬의 가역적 움직임. b. 개발된 생분해성 엘라스토머의 높은 신축성 및 생분해 특성과 전도성 복합소재, 소프트 로봇, 심장질환 타겟 전자소자로의 응용을 나타내는 PLCL 기반으로 제작된 인공 꽃. c. 곰팡이 위에 놓인 PLCL 막. d. 곰팡이에 의해 분해되는 PLCL 막. e. 시간에 따른 PLCL 막의 생분해 비율.



▲그림2. a,b. 수용액(PBS) 내에서 가수분해되는 PLCL 막과 분자량에 따른 생분해속도 비교. c. 1500% 이상 늘어날 수 있는 PLCL의 고신축성. d. 분자량에 따른 기계적 특성. e. 40% 변형에 대한 높은 탄성도. f. PLCL의 높은 인성과 찢어짐에 대한 저항성. g. 생분해 비율에 따른 기계적 특성의 변화. h. 6개월 동안의 상온 보관에 따른 기계적 특성의 변화. i. 기존의 생분해성 고분자 및 비생분해성 엘라스토머와 비교해 높은 기계적 특성을 보이는 PLCL. j. PLCL을 기판 및 보호막으로 사용해서 제작한 유연/신축 LED 디스플레이 어레이와 다양한 변형에 대한 작동 안정성.



▲그림3. a. 기계적 변형에도 전도성의 변화가 크지 않은 전도성 복합소재 (PLCL/PP). b,c. 전도성 물질인 PEDOT:PSS 및 첨가제인 P14[TFSI]의 함량에 따른 전도성과 신축성의 변화. d. PLCL/PP 기반으로 구현된 유연/신축 전자소자와 다양한 변형하에서의 안정적 거동. e. PLCL/PP 전극과 상용전극(Ag/AgCl)으로 측정된 생체신호(ECG, electrocardiogram)의 비교. f. PLCL/PP 전극의 수용액 내에서의 생분해 거동. g. 기존에 제작된 생분해성 전도성 복합소재 대비 높은 전도도와 신축성을 나타내는 PLCL/PP. h. 기계적 변형에 저항이 매우 민감하게 변하는 전도성 복합소재 (PLCL/Mo)의 전도성 물질(Mo flake) 함량에 따른 전기적 거동. I. PLCL/Mo 기반의 6x6 압력 센서 어레이의 매우 가벼운 물체인 솜을 센싱하는 능력 평가.


▲그림4. a. 생분해성 무기물 및 전도성 복합소재 기반의 온도/압력 센서가 통합된 PLCL 기반의 공압구동 소프트 그리퍼. b. 공압에 따른 굽힘 거동과 그리퍼에 가해지는 응력 분포. c. 공압에 대한 굽힘 각도 변화의 실험적/이론적 분석. d. 각기 다른 공압에 대한 반복적 굽힘 안정성. e. 물체의 온도에 따라 거동하는 소프트 그리퍼. 최대허용 온도 80도씨가 입력값으로 설정되면, 80도씨를 초과할 경우 그리퍼가 물체를 놓게 됨. f. 입력된 힘으로 물체를 잡는 그리퍼의 거동. 100 Pa이 입력되면 100 Pa이 감지되는 순간까지의 힘으로만 물체를 잡고, 입력값이 없을 경우 최대의 힘으로 물체를 잡음. 


▲그림5. a. 봉합 없이 탈부착이 가능한 PLCL 기반의 심장질환 진단/치료용 시한성 메쉬 전자소자. 생체신호의 측정과 전기자극을 위한 PLCL/PP 및 PLCL/Mo 기반의 전극/센서가 통합되고, 가오리 꼬리를 모사한 결합벨트가 설계됨. b. 가오리 모사 결합벨트의 결합 및 해체 시의 힘의 거동. c. 심장 조직의 기계적 강도와 유사하게 설계된 메쉬 구조의 기계적 거동. d. 쥐의 심장에 결합된 전자소자의 8주 동안의 생분해 거동과 생체신호 측정의 안정성. e. 8주 동안의 전기자극 능력 평가. f. 전자소자의 삽입 전과 삽입 8주 후의 조직 검사. 섬유질이 발견되나 큰 면역 반응은 없음. g,h. 삽입에 따른 심장 기능(ejection fraction)의 변화 측정 및 피검사 결과.

커뮤니케이션팀 서민경(smk920@korea.ac.kr)