전북대학교 정창규 교수(신소재공학부)가 우뭇가사리와 같은 생물인 하이드로젤(hydrogel) 재료를 이용한 기계적인 에너지 변환기술 및 센서 개발에 성공했다고 5일 밝혔다.
이번 연구 성과는 미국 펜실베이니아 주립대학교 및 중국 우한 기술대와 공동연구로 이뤄졌다. 정 교수는 해당 연구결과를 재료분야의 세계적인 저명 국제학술지인 'Advanced Materials'(IF=30.849) 최신호 메인 표지 논문으로 게재했다.
하이드로젤이란 수분을 90% 이상 머금고 있는 고분자 소재다. 대부분의 부드럽고 생체친화력이 뛰어나 화상치료 등 다양한 의료 분야에서 활용되고 있다. 최근에는 수분 내부의 이온 거동을 이용하는 이온소자(Ionotronics, 이온트로닉스 또는 이오노트로닉스)에 사용하기 위한 연구가 진행되고 있다.
이에 따르면 우리 몸을 비롯해 수많은 생체 시스템은 이온의 움직임에 의해 다양한 생명활동이 결정된다. 예를 들어 신경세포에서 전달되는 신호는 체액 내의 이온의 움직임에 의해 만들어진 전기에 의해 발생된다. 반면 현재 우리가 사용하고 있는 모든 응용소자들은 전자의 움직임 또는 전자의 거동에 의해 작동된다. 당장 이 기사를 보고 있는 스마트폰이나 컴퓨터 내부에도 이온의 거동에 의한 소자는 하나도 없다. 현재 많은 관심을 받고 있는 인공지능(AI)는 모두 소프트웨어와 관련돼 있는 것이다. SF영화에서 보았던 실제 인공지능 개체가 완성되기 위해서는 실제 생체 내에서 일어나는 메커니즘과 같은 하드웨어들이 필요할 것이다. 물론 최근 뉴로모픽(neuromophic) 반도체 소자 등 생체모방소자들이 연구되고 있으나 실제 생체는 그러한 단단한 고체로 이뤄져 있지 않으며, 액상 내 이온의 움직임이 주요하다.
이러한 이유로 이온소자 연구는 현재 첨단 연구팀들에서 활발하게 연구되고 있다. 더불어 생체 시스템과 일반전자소자 사이의 중간 인터페이스로써 이온소자가 중요한 역할을 할 것이라는 기대도 있다. 다만, 아직 기계적이 외부 자극에 활발한 반응을 보여줄 수 있는 에너지 하베스팅 소자나 자가발전 기반 센서소자로의 응용에 대한 연구는 없었다.
연구팀은 우뭇가사리의 구성 소재인 아가로오스(agarose)에 서로 다른 두 가지 이온 고분자 수용액을 추가로 녹여 넣었다. 양이온을 품은 아가로오스와 음이온을 품은 아가로오스를 서로 접합시켜, 마치 반도체 p-n 다이오드 소자와 유사한 특성을 띄는 소자를 만들었다. 또한 전도성 나노소재들을 복합체 형태로 섞어넣어 그 특성을 더욱 높일 수 있었다.
흥미롭게도 해당 이온소자를 외부의 힘으로 누르면 부피가 줄어들고, 이에 따라 내부의 이온 농도가 바뀌게 되어 최종적으로 외부에서 전기신호가 감지됐다. 이러한 특성을 이용해 에너지 소자나 센서 소자에 적용할 수 있다는 것을 이번 연구에서 밝혔다.
정창규 교수는 “이번 연구 성과는 과거 미국에서 연구할 때부터 계획했던 아이디어가 실현된 것이라 매우 기쁘다”며 “향후 높은 강도 등 첨단 역학특성을 가진 하이드로젤 합성법과 융합 후속연구를 엮어나가면 이온소자 연구 분야에 더욱 큰 임팩트를 줄 수 있을 것”이라고 말했다.
/장은성 기자
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