하이드로젤 기반 이오닉 디바이스와 초음파를 이용한 터프 하이드로젤의 힐링 현상 연구

Abstract

최근 신축성 있고, 구부러지는 전자기기, 그리고 인체와 연동하는 디바이스에 대한 개발이 이슈가 되고 있다. 그중 스마트 폰이나 패드를 포함한 전자 장치의 수요가 가장 많기 때문에 신축성이 있고 구부러 지는 디스플레이나 터치패널에 대한 연구가 중점적으로 행해지고 있다. 그러나 현재 대부분의 터치 패널은 강하고 부서지기 쉬운 일반 전극을 기반으로 개발되었기 때문에, 기존 터치 패널로는 인체와 연동하는 생체적합성이나 조건을 만족시키기 힘들었다. 따라서 본 연구에서는 LiCl 이온을 함유 한 Poly acrylamide(PAAm) 하이드로 젤을 기반으로 한 이온 터치 패널을 구현하였다. 하이드로 젤은 고분자 네트워크와 물 용매의 혼합물로, 수분 함량으로 인해 생체 적합성과 기계적 특성면에서 더 많은 장점을 가지고 있다. 이 때문에 다양한 하이드로 젤에 대한 연구가 진행되었다. 그 결과 하이드로 젤은 다양한 부분에서 각광받는 재료 중 하나가 되었고 최근에는 하이드로 젤이 스피커, 스트레인 센서와 같은 장치에도 적용된 경우도 있었다. 구현된 이오닉 터치 패널은 부드럽고 신축성이 있어 기능 저하 없이 큰 변형을 견딜 수 있었을 뿐만 아니라 99 %의 투명도를 가져 디스플레이와 함께 사용이 가능하고, 신축성도 커 1000 % 이상의 높은 변형률에서도 작동 될 수 있었다. 피부 위에 바로 붙여서 사용하는 터치 패널도 구현이 가능해 이를 통해 단어 쓰기, 피아노 연주 및 게임 등을 시연할 수 있었다. 하이드로 젤의 이용도가 높아지면서 그 물성에 대한 연구도 지속적으로 진행되었다. 그 중 PAAm / alginate 하이브리드 하이드로 젤은 신축성이 높고 강도와 인성이 높은 하이드로 젤로 알려져 있으며 이에 대한 다양한 연구가 진행되었다. 하이브리드 젤은 두 가지 유형의 가교 결합 네트워크, PAAm의 공유 가교 결합 네트워크 및 alginate의 이온 가교 결합 네트워크를 통해 그 구조를 유지하는데, 특히 물리적 힘에 의해 변형되면 이중 가교 시스템에 의해 응력을 효과적으로 분산시킨다. 물리적 힘이 가해지면 PAAm 네트워크는 결합 파괴 없이 늘어나는 반면 이온 가교 된 alginate 네트워크의 이온 결합은 결합이 파괴 되어 에너지를 분산시키기 때문에 하이브리드 젤은 기존의 젤보다 월등히 높은 물리적 성질을 가지는 것으로 알려졌다. 이런 하이브리드 젤에서 가장 큰 쟁점 중 하나는 부서진 이온 결합의 빠른 회복에 대한 부분이다. 이 해리 된 이온 결합의 회복은 열 확산 기반 공정이므로 시간과 열에너지가 필요한데, 본 연구에서는 초음파 처리를 이용하여 장시간의 회복 공정 시간을 매우 크게 단축하였다. 초음파 처리는 손상된 alginate 체인의 이동성 향상제의 역할을 하는데, 실험결과 손상된 젤이 24 시간 동안 실온에서 인성의 45 %가 열적으로 회복된 반면, 초음파 처리를 통해서는 1 시간 동안 인성을 72 % 회복하였다. 또한 이온 가교제 인 칼슘 이온을 첨가하면 회복 속도가 현저히 빨라지는 것을 확인하였다. 그리고 분자 역학 시뮬레이션 프로그램 (gromacs 16)에 의해 초음파 처리 효과를 계산하였고 그 결과, 초음파 처리는 초음파 처리를 통해 물 분자의 속도를 6 배 이상 가속 된다는 결과를 얻을 수 있었다. 또한 시뮬레이션 분석결과 실험 데이터와 일치함을 확인 할 수 있었다.