아주대 연구팀이 실크 단백질 나노섬유를 활용해 터치로 전기를 생산하는 전자 피부를 구현해냈다. 인체의 피부나 소프트 로봇에 부착해 움직임으로부터 전기 에너지를 생산하거나 감각기관으로 사용되는 차세대 바이오 전자 소자로 활용될 수 있을 것으로 전망된다.

14일 김성환 아주대 교수(물리학과·대학원 에너지시스템학과)는 실크 단백질 나노섬유 위에 탄소나노섬유 잉크로 회로를 그려 넣은 전자문신을 개발, 이를 마찰전기 수확 소자로 동작시키는 데 성공했다고 밝혔다. 실크 단백질은 누에고치에서 나온 생체친화적 소재다.

최근 전 세계적으로 인체 피부에 부착할 수 있는 차세대 헬스케어용 전자 소자에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 그중에서도 마찰·정전기 현상을 에너지원으로 삼는 마찰전기 수확 소자는 인체의 평소 움직임을 전기 에너지로 전환할 수 있다는 점에서 더욱 많은 관심을 받고 있다. 마찰전기 수확 소자는 헬스케어 소자의 동작을 위한 에너지원으로, 더 나아가 인체 움직임의 정보를 전달하는 인공 촉각 기관으로 응용할 수 있다.

그러나 높은 에너지 효율을 위해 소자와 궁합이 잘 맞는 소재를 사용해야 한다는 점이 인체 피부에 직접 접촉, 전기 에너지를 생산하는 데 있어 걸림돌이 돼 왔다.

이에 김성환 아주대 교수 연구팀은 천연 실크 단백질에 주목했다. 누에고치에서 나온 실크 단백질은 생체친화적이고 물리적·화학적 물성이 우수해 활용 가능성이 높은 바이오 고분자 소재다.

연구진은 먼저 전기방사 방법을 활용해 인간 머리카락 50분의 1 두께인 실크 나노섬유 종이를 제작했다. 여기에 탄소 나노섬유 잉크를 활용, 붓으로 실크 나노섬유 종이에 원하는 모양의 회로를 그려 넣은 뒤 다시 실크 나노섬유 종이를 덮어 문신 스티커를 완성했다. 물을 살짝 묻힌 피부에 스티커를 올려놓기만 하면 전자문신이 형성된다.

이렇게 만든 전자문신은 두께가 매우 얇아 손의 지문과 같이 촘촘하게 주름진 표면에도 올릴 수 있으며, 샤워를 제외한 여타 일상생활 속에서도 안정적으로 전기적 특성을 유지할 수 있다. 전자문신의 사용을 마치면 물티슈로 가볍게 닦아내면 되기에 관리도 쉽다. 탄소 나노섬유에서 기인할 수 있는 유해성은 전자문신 중간에 삽입된 실크 나노섬유가 차단해 준다.

흥미롭게도 전자문신은 피부 터치에 가장 좋은 효율을 나타냈다. 이는 정전 효율을 위해 라텍스 장갑 등 다른 이물질을 착용하지 않아도 됨을 의미한다. 이렇게 수확된 전기 에너지는 LED나 스톱워치 등 소형기기를 구동하기에 충분했다. 터치로 전기 신호를 발생시킬 수 있다는 것은 인공 촉각 기관으로도 활용 가능함을 의미한다. 아주대 연구팀은 피부에 픽셀 문신을 구현, 손가락 터치로 그린 글씨가 전기 신호로 전환돼 전달될 수 있음을 확인했다고 설명했다.

이번 연구 성과는 에너지 소재 분야 최고 권위지 중 하나인 '어드밴스드 에너지 머트리얼즈' 6월11일자에 온라인 게재됐다. 본 연구에는 제1저자로 아주대 나렌다 고굴라 BK 연구 조교수가, 교신저자로 김성환 교수가 참여했다. 논문 제목은 '인간-기계 인터페이스를 위한 실크 단백질과 탄소 나노튜브에 기반을 둔 자가발전, 무지각 전자문신'이다.