이번 연구에서는 실크 바이오 고분자를 천연 색소인 멜라닌으로 도핑해 전기 전도도를 조절할 수 있는 바이오 반도체층으로 전환하는 기술을 세계 최초로 구현했다.
연구팀은 실크 단백질과 멜라닌을 결합한 바이오 반도체를 나노섬유 구조로 구현해 머리카락 굵기의 10분의 1 수준에 불과한 초박형 피부 전자소자를 제작하는 데 성공했다. 해당 전자문신은 물 분사 후 자연 건조 방식으로 피부에 부착되며, 실크 고분자의 우수한 통기성과 피부 접합성, 그래핀 전극의 뛰어난 전도성이 결합돼 착용감과 측정 안정성 모두를 확보했다.
이 전자문신은 '심전도 측정' '피부 수분량 측정' '호흡 감지' '자외선 감지' 등 다양한 생리 및 환경 정보를 실시간으로 측정할 수 있다. 특히 실크-멜라닌 바이오 반도체층은 피부와 전극 사이의 전기적 연결을 가능하게 해, 상용 젤 전극보다 우수한 심전도 신호 측정 성능을 보였다. 교류 저항 기반의 경피 수분량 측정 정확도 또한 향상시켰다.
또 연구팀은 멜라닌의 수분 감응 전도 특성을 활용해 미세한 호흡 패턴을 정밀하게 감지하고, 마스크와 같은 웨어러블 장치와의 결합 가능성을 입증했다. 더 나아가 멜라닌의 광전도성을 기반으로 자외선(UV) 감지 기능을 갖춘 광센서를 개발, 햇빛 노출량을 실시간으로 모니터링함으로써 피부 손상 및 피부암 예방에 활용될 수 있는 가능성도 확인했다.
김 교수는 "이번 연구는 생체 적합성과 첨단 전자 감지 기능 사이의 간극을 메우는 혁신적인 기술"이라며 "다양한 생리 신호를 편안하고 지속적으로 추적할 수 있는 지속 가능한 웨어러블 헬스케어 기기 개발에 큰 기여를 할 수 있을 것으로 기대한다"고 말했다.
한편 이번 연구는 과학기술정보통신부의 '차세대 유망 패스트트랙 기술실용화 사업'의 지원을 받아 수행됐다. 연구 성과는 재료과학 분야의 저명 국제학술지 'Materials Horizons'에 지난 27일 게재됐다. 해당 논문 'Semiconducting and environmental-responsive melanin-doped silk nanofibres for multifunctional electronic tattoos'는 박사후연구원 샬릭 람 조쉬(Shalik Ram Joshi) 박사와 대학원생 이수훈 연구원이 공동 제1저자로 김 교수가 교신저자로 참여했다.
한양대 관계자는 "연구팀은 향후 개인 건강 모니터링, 환경 감지, 생체 의료 진단 등 차세대 웨어러블 전자기술 분야로의 응용 확대를 목표로 연구를 이어갈 예정"이라고 밝혔다.
