[형상기억고분자 기반 스마트 접착 기술 개발]

 

 

POSTECH 기계공학과 김진태 교수·김석 교수 연구팀은 미국 Texas Tech University 및 Northwestern University 연구진과 공동으로, 사용 중에는 피부에 안정적으로 부착되지만 필요할 때 열을 가하면 접착력이 급격히 감소해 손쉽게 제거할 수 있는 형상기억고분자(Shape Memory Polymer, SMP) 기반 스마트 접착 기술을 개발했다. 이번 연구 결과는 국제학술지 Nature Communications에 게재됐다.

피부에 부착하는 웨어러블 센서와 의료용 패치는 정확한 생체신호 측정을 위해 피부에 안정적으로 밀착되어야 한다. 그러나 강한 접착력은 기기를 제거할 때 피부를 함께 잡아당겨 자극과 손상을 일으킬 수 있으며, 특히 영유아나 고령자와 같이 피부가 민감한 사용자에게 문제가 될 수 있다. 기존 의료용 접착제는 부착 후 접착력을 능동적으로 조절하기 어렵기 때문에 ‘사용할 때는 강하게, 제거할 때는 약하게’라는 상반된 요구를 동시에 만족시키는 것이 중요한 과제로 남아 있었다.

연구팀은 이를 해결하기 위해 피라미드 구조가 미리 프로그래밍된 형상기억고분자 접착제를 설계했다. 평상시에는 피라미드 구조가 눌려 평평한 상태를 유지하기 때문에 피부와 넓은 면적으로 밀착해 높은 접착력을 제공한다. 반면 제거가 필요할 때 형상기억고분자의 유리전이온도 이상으로 가열하면 숨겨져 있던 피라미드 구조가 다시 솟아오른다. 이 과정에서 피부와 접착제 사이에 공기층이 형성되고 실제 접촉 면적이 급격히 줄면서 접착제가 피부에서 자연스럽게 분리된다. 논문의 Fig. 1은 이러한 ‘Adhesion ON–OFF’ 구조 전환 원리를 보여준다.

구조 최적화를 통해 연구팀은 열 활성화 전후 접착 에너지를 최대 약 99%까지 감소시켰다. 동시에 비활성 상태에서는 실제 피부 위에서 소형 웨어러블 기기를 안정적으로 지지할 수 있는 접착력을 유지했다. 또한 3차원 디지털 영상 상관법(3D-DIC)을 이용해 접착제를 제거할 때 피부 내부에서 발생하는 변형을 정량적으로 측정했다. 그 결과, 일반적인 부착 상태에서는 박리 과정에서 피부에 뚜렷한 변형이
발생하는 반면, 열에 의해 활성화된 SMP 접착제는 거의 힘을 가하지 않고 분리되며 피부 표면 아래의 변형 역시 크게 억제되는 것을 확인했다.

연구팀은 여기에 키리가미(kirigami) 구조를 적용해 손가락, 팔꿈치, 귓불, 코와 같이 곡률이 큰 신체 부위에서도 접착제가 피부를 따라 유연하게 변형되도록 했다. 키리가미 구조는 방향에 따라 유효 강성을 최대 97%까지 낮추는 동시에 수분이 통과할 수 있는 통로를 제공해 통기성도 향상시켰다. 특히 2방향 키리가미 구조를 이용하면 코와 팔꿈치처럼 두 방향으로 동시에 휘어진 복잡한 피부 표면에서도 밀착이 가능하고, 열을 가하면 스스로 떨어져 나갈 수 있음을 확인했다.

 

 

마지막으로 연구팀은 개발한 접착제를 무선 기계음향(mechano-acoustic) 웨어러블 센서와 결합해 실제 생체신호 측정 성능을 검증했다. 평상시에는 기존 상용 접착제와 유사한 수준으로 호흡, 심장 활동, 기침 및 발성 등에 따른 신호를 안정적으로 측정했지만, 열 활성화 후에는 피부와 센서의 기계적 결합이 약해지면서 신호가 감소하고 기기가 자연스럽게 분리됐다. 이를 통해 하나의 접착 플랫폼이 안정적인 생체신호 측정과 필요 시 저자극 제거라는 두 기능을 동시에 제공할 수 있음을 입증했다.

이번 연구는 화학적 접착 특성을 변화시키는 기존 방식과 달리, 형상기억고분자의 구조적 변형을 이용해 피부와의 접촉 면적 자체를 능동적으로 조절한다는 점에서 차별화된다. 향후 장기간 부착이 필요한 웨어러블 의료기기와 생체전자기기뿐 아니라 상처 드레싱, 영유아 및 고령자용 피부 부착형 센서 등 강한 부착력과 피부 친화적인 제거가 동시에 요구되는 다양한 의료 분야에 활용될 것으로 기대된다.

이번 연구에는 POSTECH의 김우현·정혜인 연구원 등을 비롯해 Texas Tech University의 ChangHee Son 교수와 Northwestern University의 John A. Rogers 교수 연구팀이 참여했으며, 김진태·김석·ChangHee Son 교수가 교신저자로 연구를 이끌었다. 연구는 한국형 ARPA-H 프로젝트와 한국연구재단(NRF)의 지원을 받아 수행됐다.