찢어지거나 베여도 높은 신축성을 유지하는 새로운 이온성 하이드로겔이 개발돼 차세대 웨어러블 기기 상용화를 앞당길 전망이다.
중국 옌산대학교 연구팀은 기존 웨어러블 전자 기기의 고질적인 문제였던 미세 균열 현상을 해결한 인터페이스 공학 기반 하이드로겔을 개발했다고 17일(현지시간) 밝혔다.
이번 연구 결과는 국제학술지 '중국 고분자 과학 저널'(Chinese Journal of Polymer Science)에 게재됐다.
연구팀은 폴리아크릴산(PAA) 네트워크에 L-아르기닌으로 변형한 규소텅스텐산 나노복합체를 혼합했다. 이를 통해 소재 내부에 형성된 정전기적 힘과 수소 결합이 외부에서 가해지는 기계적 스트레스를 분산시켜 균열 전파를 억제한다.
기계적 테스트 결과 이 하이드로겔은 파단 신율 1572%, 인성 1483kJ/m³, 파괴 에너지 6.82kJ/m²를 기록했다. 특히 미리 칼집을 낸 상태에서도 균열이 더 진행되지 않고 1000% 이상 늘어나는 등 극한의 변형에도 뛰어난 균열 저항성을 보였다.
또한 별도의 접착제 없이 종이, 피부, 금속, 유리 등 다양한 표면에 강하게 달라붙는 자가 접착성을 지녔다. 이온 전도도는 0.15S/m 수준으로 유연성을 유지하면서도 안정적인 전기 신호 전달이 가능하다.
이를 활용해 제작한 웨어러블 스트레인 센서는 손가락, 손목, 팔꿈치 등 큰 신체 움직임은 물론 볼 부풀리기, 삼키기 같은 미세한 생리적 작용까지 정확하게 감지했다.
유연한 생체 전극으로도 활용 가능성이 확인됐다. 기존 상용 전극(Ag/AgCl)보다 피부 접촉 저항이 낮고, 더 선명한 심전도(ECG) 신호를 포착했다. 신호 대 잡음비는 21.70으로 상용 전극(17.27)보다 높았다.
연구팀은 "이번에 개발된 하이드로겔은 차세대 웨어러블 전자 기기, 스마트 재활 장비, 인간-기계 상호작용 시스템을 위한 유망한 소재가 될 것"이라고 밝혔다.