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김대형(4기) 장학생, 신체삽입형 의료 디바이스에 응용 가능한 신소재 개발

국내 연구진이 탄성이 뛰어난 고분자와 금-은 나노선을 결합, 체내 이식용 또는 웨어러블 전자기기에
활용할 수 있는 높은 신축성과 전도성, 생체 접합성을 지닌 새로운 소재를 개발했다.

기초과학연구원(IBS) 나노입자연구단은 2018년 8월 14일 김대형 부연구단장(서울대 화학생물공학부 교수)과
현택환 단장(서울대 석좌교수 화학생물공학부) 공동연구진이 탄성의 뛰어난 고분자인 SBS에 전도성이 좋고
인체 독성이 없는 금-은 나노선을 결합해 신축성과 전도성, 생체적합성이 모두 우수한 금-은나노복합체를
개발했다고 밝혔다.

금-은 나노복합체를 이용한 웨어러블 바이오일렉트로닉스

금-은나노복합체는 피부의 전기신호를 읽을 수 있는 전극과 전기 자극을 전달하는 전극, 그리고 관절의
움직임에도 안정적으로 열을 전달하는 히터를 포함해 다양한 기능을 가지고 있는 전자피부로 활용할 수
있다. [기초과학연구원 제공]

김 부연구단장은 "금-은 나노복합체는 840%를 잡아 늘이는 기계적 변형에도 안정적으로 전기신호를 전달할
수 있고 인체 독성도 없다"며 "다양한 웨어러블 디바이스와 신체삽입형 의료기기 개발에 크게 기여할 것으로
기대한다"고 말했다.

이 연구는 이날 국제학술지 '네이처 나노테크놀로지'(Nature Nanotechnology) 온라인판에 게재됐다.

잘 늘어나면서 전기 전도성이 우수하고 동시에 생체적합성도 뛰어난 소재는 웨어러블 전자기기나
신체삽입형 의료기기 개발에 꼭 필요하지만 이런 특성을 모두 갖춘 소재를 개발하는 것은 매우
어려운 과제다.

고무처럼 잘 늘어나는 물질은 보통 전도성이 떨어지고, 전도성을 높이기 위해 은나노선 등을 많이
넣으면 신축성이 떨어진다. 또 산화가 잘되는 은나노선은 심각한 독성을 띨 수 있어 생체적합성도
떨어진다.

금-은 나노복합체 제작과정 및 신축성 실험(a)은나노선 표면을 금으로 균일하게 입힌 뒤 탄성복합체
SBS와 섞어 금-은 나노복합체를 만든다.(d, f) 금-은 나노복합체는 840%를 잘아 늘여도 3만S/㎝ 이상의
높은 전도성을 유지할만큼 신축성이 뛰어나다. [네이처 나노테크놀로지 논문 캡처]

연구진은 길이 100㎛의 긴 은(Ag) 나노선 표면을 금(Au)으로 감싼 다음 신축성이 뛰어난 탄성중합체인
SBS(poly Styrene-Butadiene-Styrene)에 섞어 전도성과 신축성, 생체적합성이 모두 좋은 금-은 나노복합체를
만드는 데 성공했다.

금-은 나노복합재에 사용된 은나노선은 표면이 금으로 균일하게 싸여있어 산화가 잘 일어나지 않기
때문에 독성을 띠지 않고 내구성도 우수하다.

또 금-은 나노선을 SBS에 섞어 굳히는 동안 금-은 나노선이 엉킨 실타래처럼 부분부분 퍼져있는
상분리(phase-separation) 현상이 일어나 잡아 늘여도 신축성과 전도성이 그대로 유지되는 것으로
확인됐다.

금-은나노복합체의 전도성은 최고 7만2천600S/㎝(평균 4만4천850S/㎝)로 금속에 육박하는 수준을
보였고, 최고 840%를 잡아 늘였을 때도 3만S/㎝ 이상의 전도성을 보일 만큼 신축성과 전도성이
우수한 것으로 나타났다.

금-은나노복합체는 피부에 붙여 뇌전도(EEG)나 근전도(EMG) 같은 다양한 전기신호를 측정, 신체
상태를 모니터링 할 수 있고, 전극과 히터를 내장시키면 전기 자극이나 열 자극을 동시에 구현하는
물리치료도 할 수 있다고 연구진은 설명했다.

금-은나노복합체를 이용한 다채널 심장 메쉬 디바이스

여러 층으로 구성된 그물 형태로 금-은나노복합체를 실험 동물인 돼지의 심장에 감아 심장 전체의 신호를
읽는 데 성공했다. 다채널 전극 층을 갖고 있어 어느 부위에 병변이 있는지도 확인할 수 있다. 원하는 곳에
전기 자극을 가해 심장 기능의 회복에 도움을 줄 수도 있다. [네이처 나노테크놀로지 논문 캡처]

연구진은 실제로 금-은나노복합체를 그물 형태로 제작해 돼지 심장을 감싸 심장 신호 변화를 모니터링하고,
부정맥 등 심장 이상에 전기 자극을 주는 실험에 성공했다. 또 손목 등 관절 부위의 온열치료에 사용할 때도
뛰어난 피부 부착력을 보였다.

김대형 부연구단장은 "금-은나노복합체는 고전도성, 고신축성, 생체친화적이어서 향후 바이오메디컬
디바이스 발전에 기여할 것"이라며 "피부 부착형이나 인체 삽입형 의료기기에 모두 활용할 수 있을
것"이라고 말했다.

IBS 나노입자연구단 현택환 연구단장(왼쪽)과 김대형 부연구단장 [기초과학연구원 제공]

김대형 장학생 논문 보기 : https://www.nature.com/articles/s41565-018-0226-8

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