금오공대 박정환 교수 연구팀, 플래시 광(光) 기반 헬스케어 센서용 다공성 그래핀 구현

박정환 교수, 김찬혁 학생(상단 좌·우) 최세진·김정현 학생, 이한얼 교수(하단 좌로부터)

[구미=경북IT뉴스] 국립금오공과대학교(총장 곽호상) 박정환 교수(38) 연구팀(기계공학부 기계시스템공학전공)이 플래시 광*을 통해 삼차원(3D) 다공성 그래핀 소재를 구현하고, 이를 실시간 생체신호 모니터링 시스템에 적용하는 데 성공했다고 밝혔다. * 플래시 광: 쉬운 예로 어두운 곳에서 사진을 찍을 때 순간적으로 강하게 나오는 백색 빛으로서 자외선, 가시광선, 적외선의 빛을 모두 포함하고 있다.

국립금오공대를 비롯해 전북대, 미국 코넬대 등과의 국제 공동연구를 통해 이루어진 이번 연구는 에너지 분야 최상위급 SCI 학술지인 Energy&Environmental Materials(상위 7.9 %, IF:13.0)의 3월호 온라인판에 ‘Wearable Multifunctional Health Monitoring Systems Enabled by Ultrafast Flash-Induced 3D Porous Graphene(초고속 플래시 유도 3D 다공성 그래핀으로 구현된 웨어러블 다기능 헬스 모니터링 시스템)’이라는 제목으로 게재됐다.(☞ 논문 바로가기: https://doi.org/10.1002/eem2.70005)

‘피부 부착형 웨어러블 헬스케어 센서’는 신체의 생체신호를 실시간으로 측정하여 건강 상태를 모니터링 할 수 있는 차세대 기술로 각광받고 있다. 이러한 웨어러블 전자소자의 구현을 위해 우수한 전기 전도성과 뛰어난 기계적 유연성 및 내구성을 가진 그래핀이 혁신적인 재료로 평가받고 있다. 그러나 기존 그래핀은 고비용 및 비효율적인 제조 방식, 복잡한 공정 때문에 상용화에 어려움이 있었다.

박정환 교수 연구팀은 이러한 한계를 극복하기 위해 강한 플래시 광을 순간적으로 플라스틱 필름에 내리쬐어 내부 폴리머 구조를 변화시킴으로써, 수 밀리 초(10-3초, 0.001초) 이내의 초고속으로 넓은 면적의 그래핀 소재를 합성하는 데 성공했다. 

또한, 플래시 광의 세기, 조사 시간/횟수 등을 세밀히 최적화함으로써, 고순도·고전도성의 3D 다공성 그래핀을 구현했다. 높은 공극률**을 갖춘 다공성 그래핀은 넓은 표면적을 가지고 있기 때문에 센서의 민감도를 향상시켜 우수한 감지 성능을 나타낸다. ** 공극률: 재료나 물질 속의 빈공간이 얼마나 있는지 비율로 나타낸 것

연구팀은 위 기술을 통하여 기존의 비싸고 복잡한 그래핀 제조 공정 문제를 극복하였을 뿐만 아니라, 합성된 3D 다공성 그래핀의 이점을 극대화하여 신체의 움직임, 온도, 땀 이온 변화를 높은 민감도로 감지할 수 있는 피부 부착형 실시간 생체 신호 모니터링 센서를 개발하는 데 성공했다.

박정환 교수는 “빛과 물질간의 상호작용을 이용하면 본 연구에서와 같이 미래 전자소재의 상용화를 위한 생산 플랫폼 혁신에 크게 기여할 수 있으며, 본 연구에서 개발된 소재는 헬스케어 센서를 비롯한 다방면의 차세대 웨어러블 전자소자에 적용 가능하다”라며 연구의 의의를 밝혔다.

한편, 이번 연구 성과는 과기부와 한국연구재단이 추진하는 나노·소재기술개발사업(소재글로벌영커넥트사업), 중견연구자지원사업, 기초연구실지원사업의 지원을 받아 수행됐다.