손상돼도 20초 만에 원래 상태로 돌아오는 웨어러블 센서 개발

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한국화학연구원 "세계 최고 속도 보유 중국보다 4배 이상 빨라"

땀으로 건강 상태를 측정하는 자가치유 센서를 바느질한 헤어밴드를 착용한 채 운동하던 중 센서를 잘랐더니 불과 20초 만에 자가치유돼 정상적으로 작동했다. (사진=한국화학연구원 제공)
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긁히거나 잘려도 금세 원래 상태로 돌아오는 웨어러블 센서가 나왔다.

한국화학연구원은 황성연·박제영 박사팀과 강원대 최봉길 교수팀이 초고속 자가치유 소재를 개발해 땀 성분을 측정할 수 있는 센서를 제작했다고 21일 밝혔다.

웨어러블 센서의 한계인 손상으로 인한 성능 저하 문제를 자가치유 소재로 해결한 것으로 불과 30초면 손상된 소재가 원래 상태로 회복하는 것이 핵심이다.

땀, 맥박, 혈류 등 신체 정보를 측정해 질병 진단에 활용하는 웨어러블 기기는 걷기나 달리기 등으로 센서가 손상되면 성능이 떨어진다.

이를 해결하기 위해 먼저 화학연구원 연구진은 감귤류와 목질류에서 추출하는 구연산과 숙신산 등의 친환경 화합물을 합쳐 새로운 초분자 중합체를 만들었다.

초분자 중합체는 수소결합(전기 음성도가 강한 질소와 수소, 산소와 수소, 불소와 수소를 갖는 분자가 이웃한 분자를 끌어당기는 힘) 등의 상호작용으로 자가치유 특성을 가진 고분자다.


이어 강원대 연구진은 땀에서 얻은 데이터를 측정하는 가느다란 실 형태의 센서와 실시간으로 스마트폰에 데이터를 전송해 보여주는 장치를 제작했다. 초고속 자가치유 소재는 실 형태의 땀 측정 센서를 감싸는 피복재로 사용했다.

실 형태의 센서를 바느질한 헤어밴드를 착용한 채 고정식 자전거를 타고 실험한 결과 50분 동안 땀의 전해질 농도를 정확하게 추적해 냈다. 운동 중 가위로 센서를 잘랐더니 20초 만에 다시 정상 작동했다.


불과 30초면 손상된 소재가 원래 상태로 회복되는 셈으로 세계 최고 속도를 보유한 중국 쓰촨대(2분)보다 4배 이상 빠른 수준이라고 연구팀은 설명했다.

이번에 개발한 웨어러블 센서는 땀에 포함된 칼륨과 나트륨 이온, 수소 이온 등의 데이터를 통해 심근경색, 근육경련, 저나트륨혈증 등의 건강 상태를 알 수 있다고 연구팀은 덧붙였다.

초고속 자가치유 소재를 개발한 한국화학연구원 바이오화학연구센터 연구진. 왼쪽부터 김선미 연구원, 박제영 박사. (사진=한국화학연구원 제공)
김선미 연구원은 "수소결합으로 기계적 강도가 셀 뿐 아니라 자가치유 속도가 놀라울 정도로 빨라졌다"며 "3㎜ 두께의 절단된 소재가 상온에서 1분 후에 아령 1㎏을 들 수 있을 정도의 강도로 돌아온다"고 설명했다.

최봉길 강원대 교수는 "여러 종류의 의류 제품에 적용할 수 있어 다양한 제품으로 응용될 수 있을 것"이라고 말했다.

이번 연구 결과는 분석과학 분야 권위지 '바이오 센서 및 바이오 일렉트로닉스' 2월호 등에 실렸다.

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