서울대 공대 기계공학부 고승환 교수팀, 섬유 기반 차세대 인간-기계 인터페이스 (HMI) 생체 전극 개발
- 통기성 있는 섬유 기반의 차세대 웨어러블 생체전극 및 전자소자 패터닝 기술 개발

■ 연구 필요성
전기방사된 나노섬유 멤브레인을 기반으로 한 유연한 전자기기는 높은 생체 적합성과 우수한 기계적 성능으로 인해 큰 주목을 받고 있다. 하지만 일반적으로 섬유 기판 위에 전도성 있는 물질을 패터닝하려면 고가의 진공 시스템 또는 별도의 마스크를 제작하는 추가 공정이 반드시 필요한 실정이다.

■ 연구 성과 / 기대 효과
이에 서울대 기계공학부 고승환 교수와 건국대 김시윤 교수 공동연구팀은 진공 장비를 구비하지 않고도 필터레이션 공정 수행이 가능하도록 나노섬유 멤브레인 아래에 지지대인 카본페이퍼를 배치해 모세관 현상을 이용한 효율적 유체 흐름을 유도하는 시스템을 개발했다. 이를 활용하면 후처리 단계에서 레이저의 광열 효과로 나노와이어와 기판을 강하게 접합시켜 기계적 안정성을 향상시킬 수 있다. 또한 이 시스템에서는 강력한 초음파 처리에도 회로가 안정적으로 유지되고, 손으로 잡아당길 시에도 기판의 패턴이 안정적으로 남는다는 점이 증명됐다. 본 연구팀은 쥐 심장 표면 신호 기록을 위한 ECG 전극, 피부에 부착할 수 있는 전기화학 바이오센서, 맞춤형 근전도(EMG) 기반 인간-기계 인터페이스(HMI) 등 다양한 응용 사례를 통해 이번에 개발한 공정 시스템 및 결과물의 강점을 입증했다.

■ 연구 내용

□ 연구 개요
o 부드러운 나노섬유 위에 전극을 패터닝할 수 있는 프린팅 기술이 국내에서 개발됐다.
o 서울대학교 고승환 교수 건국대학교 김시윤 교수 공동연구팀 (공동 제1저자 윤혁준 석사, 공동 제 1저자 최준화 박사, 공동 제 1저자 김진 박사)은 디스펜서 시스템을 이용한 필터레이션 기반의 직접적인 금속 나노와이어 패터닝 방법을 개발했다.

□ 연구 배경
o 전기방사*된 나노섬유 멤브레인을 기반으로 한 유연한 전자기기는 높은 생체 적합성과 우수한 기계적 성능으로 인해 큰 주목을 받고 있다.
o 하지만 일반적으로 섬유 기판 위에 전도성 있는 물질을 패터닝하려면 고가의 진공 시스템 또는 별도의 마스크를 제작하는 추가 공정이 반드시 필요한 실정이다.

□ 연구 결과
o 이에 본 연구팀은 나노섬유 멤브레인 아래에 지지대인 카본페이퍼를 배치해 모세관 현상을 이용한 효율적인 유체 흐름을 유도함으로써 고가의 진공 장비 없이도 필터레이션 공정을 수행할 수 있는 시스템을 개발했다.
o 이 시스템을 활용하면 후처리 단계에서 레이저의 광열 효과**로 나노와이어***와 기판을 강하게 접합시켜 기계적 안정성을 향상시킬 수 있다. 또한 이 시스템에서는 강력한 초음파 처리에도 회로가 안정적으로 유지되고, 손으로 잡아당길 시에도 기판의 패턴이 안정적으로 남는다는 점이 증명됐다.
o 본 연구팀은 쥐 심장 표면 신호 기록을 위한 ECG 전극, 피부에 부착할 수 있는 전기화학 바이오센서, 맞춤형 근전도(EMG) 기반 인간-기계 인터페이스(HMI) 등 다양한 응용 사례를 통해 이번에 개발한 공정 시스템 및 결과물의 강점을 입증했다. 또한 해당 연구는 높은 신축성과 통기성, 전도성을 갖춘 전자기기를 효율적으로 제작할 수 있는 가능성을 열어주었으며, 다양한 헬스케어 및 의학 분야에서의 응용 가능성을 증명했다.
o 이번 연구 성과는 재료 분야 국제 저명학술지 ‘Advanced Functional Materials (AFM)’에 올해 5월 29일 게재되었다.

□ 용어 설명
  *전기방사 : 고전압 전기장을 이용하여 고분자 용액 또는 용융체를 미세한 섬유 형태로 방사하는 공정
  **광열효과 : 특정 물질이 빛을 흡수하여 열로 변환하는 현상.
  ***나노와이어 : 지름이 나노미터 수준으로 매우 얇고 길이가 긴 일차원 구조의 전도성 물질.



(그림1) 레이저를 이용한 전도성 하이드로젤 미세 패터닝 공정
(A) 카본 페이퍼의 모세관 현상을 이용한 전기방사 나노섬유 멤브레인(ENM) 위에 국소 필터레이션 기반 나노와이어 프린팅 공정.
(B) 탄소지에 의한 빠른 액체 배수 효과가 나노와이어 잉크가 ENM 위에 퍼지는 것을 방지하여 좁은 영역에 집중된 나노와이어 프린팅을 가능하게 함.
(C) 각각 유리와 카본 페이퍼에 올린 후, ENM 위에 프린팅된 나노와이어의 흔적이 선폭과 균일성에서 현저한 차이를 보임.
(D) 나노와이어(NW)–eTPU 인터페이스의 기계적 안정성을 높이기 위한 레이저 임베딩 공정.
(E) 레이저의 광열 효과로 인한 나노와이어 임베딩.
(F) 레이저 처리 후, NW-eTPU 인터페이스의 기계적 안정성이 향상된 것을 보여주는 세척 내구성 테스트.




(그림2) 디스펜싱 공정을 통해 개발된 다양한 생체 센서 어플리케이션
(A) 6채널 ECG 센서를 부착한 쥐의 심장
(B) 은나노와이어, 은-금 코어쉘 나노와이어, 은-금,백금 합금 나노와이어 디스펜싱을 통해 전기화학센서를 제작하고 해당 센서로 Ascorbic acid 검출
(C) 맞춤형 근전도(EMG) 기반 인간-기계 인터페이스(HMI)