기계연-KAIST,

땀의 미세한 포도당 수치를 진단할 수 있는 웨어러블 기술 개발

- 전기방사 섬유 상 금속/금속산화물 기반 나노구조체 전사 기술 개발

- 개발된 나노구조체가 전사된 미세 섬유 텍스타일로 웨어러블 헬스케어 응용 접목

- 다양한 기능성 의복의 고안 및 웨어러블 시스템 영역을 확장하여 

차세대 웨어러블 시스템에 유용하게 사용될 것으로 기대

□과학기술정보통신부 산하 한국기계연구원(원장 류석현, 이하 기계연) 정준호 책임연구원과 KAIST 박인규 교수 공동연구팀은 ‘전기방사 섬유 상 금속 및 금속산화물 기반 나노구조체 전사 기술’을 개발했다. 연구팀이 개발한 기술은 신축성이 우수한 마이크로 스케일의 전기방사 섬유로서, 웨어러블 헬스케어 응용에 접목해 땀의 미세한 포도당 수치 진단이 가능하고 다양한 기능성 의복의 고안 및 웨어러블 시스템 영역을 확장할 기술이다.

<나노구조체가 전사된 전기방사 섬유의 개발과 웨어러블 헬스케어 응용 컨셉(그림제공=카이스트)>

□연구팀은 일상 속 웨어러블 헬스케어 응용을 위해 기반 고분자의 열적 거동 특성(열 변형 특성) 및 산소 플라즈마 처리를 통한 표면 특성을 고려해, 신축성이 우수한 마이크로 스케일의 전기방사 섬유 위 금속/금속산화물 나노구조체의 안정적인 전사를 처음으로 선보였다.

□기존 나노구조체의 전사 기술은 섬유의 굴곡진 형상과 낮은 표면 접착력으로 인해 웨어러블 시스템을 위한 기능성 섬유 제조에 있어서 한계가 있었다.

□ 연구팀은 이러한 한계점 극복을 위해 금속/금속산화물 기반의 정교한 나노구조체를 수 마이크로 스케일의 곡면 형태인 전기방사 섬유 위에 전사하는 안정적인 공정을 개발했다. 나노 원형, 마이크로 원형, 나노 사각형, 나노 그물, 나노 라인, 나노 십자가와 같은 다양한 구조체의 전기방사 섬유 상 전사가 가능하다. 또한 금, 은, 알루미늄, 니켈과 같은 금속 재료부터 이산화티타늄, 이산화규소와 같은 금속산화물까지 다양한 재료의 나노구조체 전사가 가능해졌다.

< (가)다양한 형상의 나노/마이크로구조체 및 (나) 다양한 금속/금속산화물 나노구조체의 전기방사 섬유상 전사 결과(그림제공=카이스트) >

□또한 열 성형이 가능한 열가소성 고분자를 선정해 안정적으로 섬유화했으며 산소 플라즈마 처리를 통한 나노구조체 지지 고분자의 식각과 표면 개질로 인한 화학적 결합 증진을 유도한 바 있다. 이는 착용할 수 있는 전기방사 섬유 위에 나노구조체가 결합돼 다양한 기능성 의복의 고안 및 웨어러블 시스템 영역을 확장할 것이라는데 의미가 크다.

□기계연 정준호 책임연구원은 “수 마이크로미터 직경을 갖는 섬유의 3차원 곡면 표면에 정형화된 수백 나노미터 크기의 구조체를 저가, 대면적으로 조립한 최초의 시도”라며 “기존 나노섬유의 기능적 한계를 뛰어넘을 수 있는 새로운 방안을 제시했다는 면에서 큰 의미가 있다”라고 밝혔다.

□KAIST 박인규 교수는 “개발한 차세대 전기방사 섬유상 나노구조체의 전사 공정은 본질적인 문제인 섬유 상 나노구조체의 적용 한계, 낮은 범용성, 대량 생산의 어려움을 해결할 수 있을 것으로 기대되고, 추후 웨어러블 헬스케어 응용을 포함한 다양한 웨어러블 시스템으로 확장될 수 있을 것이다”라며 “이는 웨어러블 나노기술의 압도적 선도 국가가 되기 위한 발판이 될 것이다”고 연구의 의의를 설명했다.

□KAIST 기계공학과 하지환 박사과정이 제1 저자로 참여한 이번 연구는 저명 국제 학술지 ‘어드밴스드 펑셔널 머터리얼스(Advanced Functional Materials)’ 2024년 4월 온라인판에 출판됐다. (논문명: Nanotransfer Printing of Functional Nanomaterials on Electrospun Fibers for Wearable Healthcare Applications)

□이번 연구는 과학기술정보통신부 및 산업통상자원부의 재원으로 한국연구재단 중견연구자지원사업, 산업기술알키미스트프로젝트의 지원을 받아 수행됐다.

< (왼쪽부터) 정준호 책임연구원, 박인규 교수, 하지환 박사과정(사진제공=카이스트) >

< Advanced Functional Materials 논문 초록(그림제공=카이스트) >