전도성 고분자의 전기전도도 향상 메커니즘 모식도(사진. DGIST)

DGIST 신물질과학전공 이성원 교수 연구팀이 기존보다 전기전도도를 250배 이상 향상시킨 전도성 고분자(PEDOT:PSS) 제작 기술을 개발했다고 밝혔다. 이번 연구 성과는 피부부착 및 삽입형 생체전극 등 생체의료기기 분야 개발에 큰 도움이 될 전망이다. 

고령화 사회의 진입과 개인맞춤형 진료에 대한 사회적 관심이 대두되면서 웨어러블 의료기기 연구가 활발히 진행 중이다. 특히 생체신호를 측정하는 전자기기는 피부에 장시간 밀착되기 때문에 인체에 무해하고 자극이 없는 소재나 공정으로 제작해야 한다. 이 때문에 현재 세계적으로 연구되고 있는 전도성 고분자는 생체의료분야에 적합한 소재다. 

전도성 고분자는 전기전도성을 갖는 비금속 소재로써, 디스플레이나 유기태양전지 등 투명전극을 필요로 하는 분야에 두루 쓰인다. 유연한 특성과 뛰어난 가공성 덕분에 대량생산이 가능한 생체친화적 신소재로 각광받고 있다. 하지만 금속보다 훨씬 낮은 전기전도도로 인해 활용 폭이 낮은 실정이다. 이를 해결하고자 전기전도도를 향상시키는 방법들이 개발되고 있지만 대부분 유기용매나 산성 물질들이 사용되고 있다. 이 때문에 유해물질을 제거하는 추가 공정 및 비용 등이 발생해 생체의료분야의 응용이 제한적인 실정이다.

전도성고분자의 생체전극으로의 응용 데이터(사진. DGIST)

이에 DGIST 이성원 교수 연구팀은 온도와 습도를 제어한 열수처리(Hydrothermal Treatment)를 통해 전기전도도를 향상시키는 새로운 제작 기술을 개발했다. 연구팀은 상대습도 80% 이상에서 70℃ 이상의 열을 가할 시 전도성 고분자 내부의 PEDOT 양이온과 PSS 음이온의 결합력이 약화돼 상분리가 일어남을 발견했다. 이로 인해 전도성 물질인 PEDOT 양이온의 얽힘 현상이 발생하며 전도도가 높아짐을 확인했다. 연구팀은 이와 같이 제작된 전도성 고분자로 생체전극을 만들었고, 기존보다 약 250배 향상된 125.367 지멘스퍼센티미터(S/㎝-1)의 전기전도도를 측정할 수 있었다.

연구팀은 추가적으로 피부온도 측정 및 심전도 모듈과 연동한 심전도 측정 등 다양한 실험을 통해 실제 생체전극으로 활용 가능성이 높음을 규명할 수 있었다. 특히 이번 연구는 고압증기멸균기(Autoclave)의 멸균공정으로 소자의 전기전도도를 높일 수 있어, 실제 의료현장에서의 일반적인 멸균과정을 통해서도 사용 가능한 간단하고 효율적인 공정이라고 설명했다.

DGIST 이성원 교수는 “생체적합성이 좋은 전도성 고분자를 인체에 무해하면서 손쉽고 간단한 방법으로 전기전도도를 획기적으로 개선했다”라며 “본 기술을 적용하면 전극 저항을 100배 이상 줄일 수 있어, 에너지 효율을 높이고 의료 분야로의 활용 폭이 넓어질 것”이라고 밝혔다.