네얼간이

프로젝트 개요

기술개발 과제

국문 : 하이드로젤 기반 바이오센서 제작을 위한 하이드로젤 기계적, 전기적 특성 향상 연구

영문 : Improving the mechanical, electrical properties for fabrication of hydrogel-based biosensor

과제 팀명

네얼간이

지도교수

김선홍 교수님

개발기간

2025년 9월 ~ 2025년 12월 (총 4개월)

구성원 소개

서울시립대학교 화학공학부·과 20203400** 안*재(팀장)

서울시립대학교 화학공학부·과 20203400** 이*수

서울시립대학교 화학공학부·과 20203400** 최*우

서울시립대학교 화학공학부·과 20213400** 전*호

서론

개발 과제의 개요

개발 과제 요약

• 본 연구는 기존의 신축성 있는 전자 피부를 제작하는데 있어 핵심 소재 중 하나인 하이드로젤의 기계적 물성, 수분 보존성, 맥박 측정 성능 향상을 목표로 한다.
• 주로 Wearable 센서나 인공 팔, 손과 같은 제품을 산업에 적용하기 위해서는 여러 활동 속에서도 버틸 수 있는 내구성, 사용자가 불편함을 느끼지 않게 할 수 있는 촉감, 수분 보존성, 센서의 정확도가 중요하게 여겨진다.
• 따라서 이러한 부분을 향상 시키고자 본 연구에서는 알지네이트의 이온 결합 네트워크와 폴리아크릴아마이드의 공유결합 크로스링킹을 결합한 이중가교 구조를 형성시켜 하이드로젤의 신축성·탄성·회복력을 증가시켰다.
• 이후 수분 보존성, 전기 전도성의 향상을 위해 기존 하이드로젤에 Li⁺이온을 첨가해 추가 실험을 진행하였다.
• Strain에 따른 저항 변화, 수분 보존도(단위 시간 당 줄어든 질량) 측정, 맥박 측정, 기계적 물성 측정에서 얻은 데이터를 통해 최적의 하이드로젤 물성비를 찾아내고 하이드로젤의 성능을 개선해 나갈 방안을 제시하였다.
• 최종적으로는 완성된 하이드로젤의 실험 결과 확인 및 개선 점 정리를 통해 앞으로 어떤 부분을 더 발전시킬 수 있을지 고찰을 진행하였다.

개발 과제의 배경

• 기존 하이드로젤은 기계적 내구성과 변형 대응력이 부족해, 알지네이트의 이온결합 네트워크와 폴리아크릴아마이드의 공유결합 크로스링킹을 결합한 이중가교 구조로 신축성·탄성·회복력을 강화할 필요가 생겼다.
• 이러한 이중 네트워크 구조는 외부 변형에도 구조가 안정적으로 복원되어 웨어러블 환경에서 장시간 사용 가능한 고내구성 소프트 센서를 구현할 수 있게 한다.
• 또한 하이드로젤의 전도성 향상은 손목 움직임에 따른 미세한 저항 변화를 정확히 검출하기 위해 필수적이며, 생체신호를 전기적 신호로 안정적으로 변환하는 기반이 된다.
• 결과적으로 기계적 강도와 전기적 신뢰성을 동시에 향상한 전도성 하이드로젤은 피부 부착형 심박 센서의 정확도, 착용감, 반복 사용성까지 모두 개선하는 효과를 제공한다.

개발 과제의 목표 및 내용

◇ 최종목표

• 하이드로젤 합성 공정 최적화 및 기계적 물성 측정, 질량 보존도 경향성 파악, 초기 저항 및 저항 변화량 측정, 맥박 측정 정확도 향상

◇ 세부목표

• 합성한 하이드로젤의 기계적 물성[Maximum strain(%), Tensile stress(kPa), Frature energy(J), Mechanical hysteresis] 분석 및 개선
• 합성한 하이드로젤의 Resistance, 질량 보존도(단위 시간 당 줄어든 질량) 측정을 통한 개선 방향 점 제시
• 첨가한 Lithium Chloride 질량에 따른 하이드로젤의 Strain-Stress curve 분석 및 최적의 비율 확인
• 첨가한 Lithium Chloride 질량에 따른 하이드로젤의 Gauge Factor(△R/R₀) 분석 및 최적의 비율 확인
• 간이 하이드로젤 센서를 이용한 맥박 측정의 정확도 확인 및 개선

관련 기술의 현황

관련 기술의 현황 및 분석(State of art)

◇ 전 세계적인 기술현황

• 전 세계적으로 하이드로젤 기반 웨어러블 센서는 높은 유연성, 생체적합성, 피부 모사 특성으로 인해 의료·헬스케어 분야에서 빠르게 연구가 확산되고 있다. 기존 하이드로젤은 공유결합과 이온결합을 동시에 포함하는 이중 네트워크 구조로 설계되며, 특히 이온결합은 변형 시 에너지를 효과적으로 소산하여 신축성과 변형 회복력 향상에 핵심적인 역할을 한다. 그러나 전통적 하이드로젤은 낮은 이온전도도, 건조 민감성, 고온 환경에서의 불안정성 등의 한계를 지녀 웨어러블 디바이스 적용에 제약이 있어 이러한 문제를 해결하기 Lithium chloride(LiCl) 첨가를 통한 흡습성 강화 및 이온전도도 향상 기술에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. LiCl은 공기 중 수분을 흡수하여 하이드로젤의 수화상태를 유지하고, 내부 이온 전달도를 증진시켜 전기적 신호 정확도를 높이는 데 효과적이다.
• 전도성 나노복합체(Conductive Nanocomposite) 설계가 주요 연구 흐름으로도 자리를 잡고 있다. 이는 Ag flakes, Ag nanowires Liquid Metal, Carbon Nanotube(CNT) 등의 전도성 필러를 하이드로젤에 균일하게 분산시키는 방식이며, 이를 통해 전도성 네트워크(Conductive Pathway)를 형성하여 저항 기반 생체신호 측정 성능을 대폭 강화할 수 있다. 이 부분의 핵심 포인트는 필러가 균일하게 분산되어 안정적인 전류 경로를 형성하는 것, 필러 첨가로 인해 기계적 물성이 저하되지 않도록 제어하는 것이다. 또한 센서 제작 시 샘플 간 재연성 확보는 산업 적용을 위해 필수적인 평가 지표로 강조되고 있다.
• 하이드로젤이 단일 재료로 사용되는 것을 넘어, 다른 고분자·필름 소재와 결합해 복층 구조로 제작되는 멀티레이어 센서도 전 세계적으로 연구되고 있다. 이 경우 하이드로젤과 다른 소재 간 접착력이 성능을 좌우하며, 접착계면에서 주름·요철이 발생하면 전도성 필러의 누출, 외부 이물질 침투, Conductive Pathway 붕괴 등으로 신호 품질이 급격히 저하될 위험이 있다. 이를 해결하기 위해 도파민 클로라이드(Dopamine Chloride) 기반 Catechol 기능기를 도입하여 접착성을 획기적으로 높이는 기술 또한 각광 받고 있다.

◇ 특허조사

• A kind of sodium alginate-acrylamide composite hydrogel and its preparation method and application

폐수 정화 방법 중 흡착은 완벽하게 중금속을 제거할 수 있는 효율적인 방법이다. 흡착제로 사용하는데에는 SA/cellulose hydrogel bead, chitosan/SA crosslinked hydrogel 등이 있다. 공통적으로 사용되는 SA의 경우 2가, 혹은 그보다 가수가 높은 이온들과 chelate를 이룰 수 있어 좋은 흡착제로 사용할 수 있다. 하지만 순수 SA는 물성이 나쁘고 물에서 쉽게 팽창하기 때문에 SA랑 AM을 1:5부터 1:12까지 합성해서 비교해 각 비율별로 중금속(Cu, Ba, Zn, Pb)이온의 흡착 정도를 측정했더니 성공적으로 흡착이 이루어진다는 것을 확인해 볼 수 있었다. 또한, swelling performance test를 통해 hydrogel의 anti-swelling performance도 관측할 수 있었다.

• Method for preparing high-strength double-network hydrogel stent by virtue of 3D printing

3D 프린팅 기술을 이용해 기계적 강도가 높은 이중 네트워크(double-network) 하이드로겔 지지체(scaffold)를 제조하는 방법. N,N-디메틸아크릴아미드(단량체), 알긴산 나트륨(SA), 하이드록시아파타이트(무기 분말) 등을 탈이온수에 혼합하여 3D 프린팅용 '솔(sol)'을 만든다. 이후, 로봇 디스펜서를 이용해 이 솔을 압출하여 원하는 3차원 형태의 지지체를 프린팅한다. 프린팅된 지지체에 자외선(UV)을 조사한다. 이 과정에서 단량체(N,N-디메틸아크릴아미드)가 광중합 및 화학적 가교반응을 일으켜 첫 번째 네트워크(화학적 결합)를 형성한다. 이렇게 1차 경화된 지지체를 염화칼슘(CaCl) 수용액에 담근다. 이로 인해 지지체 내의 알긴산 나트륨(SA)이 칼슘 이온과 반응하여 물리적으로 가교되면서 두 번째 네트워크(물리적 결합)를 형성하게 된다.

• Electrically conductive adhesive hydrogels

이 특허(US5800685A)는 전도성과 부착성을 동시에 갖춘 하이드로겔을 제조하는 방법에 관한 것으로, 수용성 양이온성 아크릴레이트나 아크릴아마이드 계열 모노머를 물에 녹인 뒤 교차결합제와 개시제를 첨가해 라디칼 중합으로 겔화시키는 과정을 핵심으로 한다. 이때 형성된 하이드로겔은 높은 수분 함량을 유지하면서도 전기전도성이 뛰어나, 피부에 밀착해도 자극이 적고 전류 전달 효율이 우수하다. 기존 전도성 겔이 접착력과 응집력의 균형을 맞추지 못해 사용 중 쉽게 흐르거나 떨어지는 문제를 가졌던 반면, 본 발명의 겔은 피부와의 접착력은 높으면서 내부 구조가 안정적으로 유지된다. 또한 겔끼리 닿아도 서로 달라붙지 않아 보관이 용이하고, 별도의 피부 준비 과정 없이 바로 부착해 사용할 수 있는 장점이 있다. 이러한 제조법은 의료용 전극, 웨어러블 전자기기, 생체신호 측정 등에서 안정적이고 사용자 친화적인 전도성 인터페이스를 제공하며, 전류 흐름에 따른 과열이나 화상 위험을 줄여 인체 안전성까지 확보한다는 점에서 기술적 의미가 크다.

◇ 특허 전략 분석

1. 기존 전도성 하이드로젤은 수분 증발로 인해 시간이 지나면 딱딱해지고 전기적 특성을 잃는 '경화 현상'이 발생한다는 문제점이 있다. 본 연구에서는 LiCl를 핵심 첨가제로 도입하여 하이드로젤의 흡습성(hygroscopicity)을 향상시켜 기존 특허들 속의 문제점을 개선해 내는 특허를 낼 수 있다. 
2. 기존 특허에 나와 있는 물리적 가교 방식을 참고하되, 하이드로젤의 회복력(Self-recovery)과 히스테리시스(Hysteresis) 감소를 위해 알지네이트, 폴리아크릴아마이드, 가교제와 이온의 비율을 '웨어러블 센싱'에 최적화된 비율로 재설계하여 새로운 특허를 낼 수 있다.

◇ 기술 로드맵

• 1세대: 단순 가교 하이드로젤 (Weak & Brittle)

시기: 1990년대

기술 특징: 단일 네트워크(Single Network). 한 종류의 고분자(예: 단순 PAAm)만 화학적으로 엉성하게 연결한 구조.

한계점

1. 두부나 젤리처럼 기계적 강도가 매우 약해, 조금만 당겨도 쉽게 끊어짐 (신축성 부족).

2. 변형 시 에너지를 분산시킬 구조가 없음.

의의: 콘택트렌즈, 상처 드레싱 등 정적인(움직임이 없는) 의료용 소재로서의 가능성 확인.

• 2세대: 고강도 이중 네트워크 하이드로젤 (Double Network Hydrogel)

시기: 2000년대 초반 ~ 2010년대 초반

기술 특징

1. DN(Double Network): 딱딱하고 잘 깨지는 첫 번째 네트워크와 부드럽고 잘 늘어나는 두 번째 네트워크를 섞음(Double Network 기술의 발견).

2. 희생 결합(Sacrificial Bond): 외부 힘을 받으면 1차 네트워크가 먼저 끊어지며 에너지를 흡수, 전체 구조 파괴를 막음.

한계점

1. 기계적 강도는 좋아졌으나, 전도성이 좋지 않음.

2. 공기 중에 두면 수분이 증발하여 딱딱해짐.

의의: 하이드로젤의 치명적 단점인 ‘약한 강도’를 극복하여, 인공 연골이나 구동기(Actuator) 등 힘을 받는 분야로 응용 확대

• 3세대: 전도성 하이드로젤 (Conductive Hydrogel)

시기: 2010년대 중반

기술 특징

1. 기존 하이드로젤에 전도성 물질(탄소나노튜브, 금속 나노와이어, 전도성 고분자 등)을 복합화함.

2. 전기 신호 전달이 가능해져 센서로서의 기능 확보.

한계점

1. 상충 관계(Trade-off): 전도성 필러(Filler)를 넣으면 하이드로젤 특유의 투명성이 사라지고 신축성이 다시 저하됨.

2. 반복적인 인장 시 전도성 네트워크가 끊어져 신호가 불안정해짐.

의의: 하이드로젤을 단순 구조재가 아닌 전자 피부(E-skin), 헬스케어 센서 등 전자 소자 영역으로 끌어들임.

• 4세대: 환경 적응형 다기능 하이드로젤 (Multi-functional Hydrogel)

시기: 2010년대 후반 ~ 현재

기술 특징

1. 이온 전도성(Ionic Conductivity): 금속 대신 염(LiCl 등)을 녹여 투명도와 신축성을 유지하며 전도성 확보.

2. 환경 내성(Environmental Stability): LiCl의 조해성을 이용해 공기 중 수분을 포집, '마르지 않는(Anti-drying)' 특성과 '얼지 않는(Anti-freezing)' 특성 구현.

한계점

1. 지나치게 높은 습도나 물속에서는 팽윤(Swelling)되어 물성이 변할 수 있어 패키징 기술이 병행되어야 함.

의의: 실험실 수준을 넘어, 실제 일상생활에서 장기간 착용 가능한 실용적 웨어러블 헬스케어 디바이스로의 연구가 진행되고 있음.

• 위의 기술 로드맵을 통해 본 연구는 2세대의 고신축성과 4세대의 환경 안정성 및 이온 전도성(LiCl)을 결합하여, '잘 끊어지지 않으면서도(Tough), 마르지 않고(Anti-drying), 전기 신호를 전달하는(Conductive)' 차세대 웨어러블 헬스케어 소재를 개발하는 연구라고 할 수 있음.

시장상황에 대한 분석

• 경쟁제품 조사 비교

1. 기존 의료용 전극 (Conventional Electrodes)

 제품명/제조사: 3M™ Red Dot™ Monitoring Electrode / (3M)
 제품개요: Ag/AgCl(은/염화은) 코팅과 젖은 젤(Wet Gel)을 사용한 표준 의료용 전극.
 핵심 기술: 전도성 젤이 피부 임피던스를 낮춰 신호를 측정하며, 접착 테이프로 고정함.
 장점: 가격이 매우 저렴하고, 신호 신뢰성이 검증되어 있음(Gold Standard).
 단점
      1. 피부 자극: 장시간 부착 시 가려움이나 발진 발생.
      2. 건조(Drying): 젤이 마르면 신호 품질이 급격히 저하됨.
      3. 움직임 노이즈: 신축성이 없는 테이프 소재라 관절 부위 부착 시 떨어지거나 노이즈 발생.

2. 상용 웨어러블 심전도 패치 (Commercial Wearable Patches)

 제품명/제조사: Zio® XT Patch / (iRhythm Technologies)
 제품개요: 가슴에 부착하여 최대 14일간 부정맥을 모니터링하는 일체형 패치.
 핵심 기술: 건식 전극(Dry Electrode) 또는 하이드로콜로이드 접착제를 사용한 소형 회로 집적 기술.
 장점: 무선으로 장기간 데이터 수집 가능, 일상생활 중 착용 가능.
 단점
      1. 이물감: 내부에 딱딱한 칩(PCB)과 배터리가 들어 있어 착용감이 느껴짐.
      2. 가격: 일회용임에도 불구하고 가격이 매우 비쌈.
      3. 접착력 저하: 땀이 나면 접착력이 떨어지거나 피부 트러블 발생.

• 마케팅 전략 제시

1. 시장 포지셔닝 전략 (Market Positioning)

 현재 웨어러블 센서 시장은 '저가형/저성능(3M Red Dot)'과 '고가형/고성능(Zio Patch)'으로 극단적으로 양분되어 있다. 본 연구를 통해 최적화 된 제품을 개발한다면, 두 시장의 간극을 메우는 '브릿지(Bridge) 전략'을 취할 수 있게 공정 최적화를 시켜 시장에서 효과적인 수요를 얻을 수 있을 것이다.

2. 핵심 마케팅 포인트 (Key Selling Points)

 • UX 차별화: "무자각(Imperceptible) 착용감"
   1. Pain Point: 기존의 딱딱한 전자 소자와 불통기성 테이프는 이물감을 주어 장시간 착용 시 사용자가 무의식적으로 제거하거나 불편함을 호소하게 만든다.
   2. Solution: Alg-PAAm 기반의 피부와 유사한 소프트 소재를 사용하여, 피부의 미세한 굴곡과 주름까지 완벽하게 밀착 시킬 수 있다면, 
      이는 일상생활의 움직임을 방해하지 않는 최상의 착용감(Comfort)을 제공할 것이다.
 • 제품 신뢰성: "마르지 않는(Anti-drying) 지속성"
   1. Pain Point: 기존 습식 전극(Wet gel)은 시간이 지나면 젤이 말라 신호 잡음(Noise)이 심해지고, 재부착이 불가능해진다.
   2. Solution: LiCl를 이용한 '수분 보존성' 향상으로 인해 '자가 보습(Self-hydrating) 메커니즘'을 통해 별도의 밀폐 없이도 장시간 촉촉한 상태를 유지 시킨다.
      이는 장기 심전도 모니터링 시 데이터의 신뢰도를 보장하는 핵심 기술이 될 것이다.

3. 타겟 고객 및 진입 시나리오 (Target Audience)

 • 1차 타겟(제품 진입기): 장기 입원 환자 및 홈 헬스케어 사용자
                           - 매일 전극을 교체해야 하는 번거로움을 줄이고, 피부가 약한 노인 및 환자들에게 '피부 자극 없는' 소재의 강점을 어필.
 • 2차 타겟(제품 성장기): 스포츠/피트니스 시장 진입
                           - 격렬한 운동 중 땀이 나거나 관절이 꺾여도 떨어지지 않는 '고신축성(High Stretchability)'과 '부착력'을 강조하여 운동량 측정 패치로 확장.

개발과제의 기대효과

기술적 기대효과

• 알지네이트 사슬 사이의 Ca²⁺이온 가교 결합은 외부 변형 시 가역적으로 끊어지면서 응력을 분산시키는 '희생 양극' 역할을 수행한다. 동시에, 화학적으로 가교된 폴리아크릴아마이드 네트워크는 구조적 형태를 유지하는 탄성 복원력을 제공한다. 이러한 메커니즘은 하이드로젤의 파괴 에너지와 파괴 응력을 향상시킬 것으로 기대된다. 이는 격렬한 신체 활동 중에도 센서가 찢어지거나 손상되지 않는 기계적 내구성을 보장한다.
• 본 과제의 하이드로젤은 전자가 아닌 이온을 전하 운반체로 사용하는 생체 모사형 전도체이다. 이는 기존의 금속 기반 전도성 복합재가 가진 '퍼콜레이션 임계값(Percolation Threshold)' 문제를 해결하고, 센싱의 신뢰성을 극대화한다.
• 하이드로젤의 상용화를 가로막는 가장 큰 장애물은 수분 증발로 인한 성능 저하와 저온에서의 결빙이다. 본 과제는 염화리튬(LiCl)과 같은 보습성 및 내동성 첨가제를 최적 비율로 배합하여 이러한 환경적 제약을 극복한다.
• 반복적인 인장과 압축이 일어나는 웨어러블 환경에서는 소재의 피로 파괴와 영구 변형이 센서 성능 저하의 주원인이 된다. 본 과제의 최적화된 이중가교 비율은 반복적인 하중 하에서도 알지네이트의 이온 결합이 재결합하는 자가 회복 특성을 부여하여, 센서의 수명을 획기적으로 연장시킨다.
• 본 과제의 하이드로젤은 리튬(Li⁺), 나트륨(Na⁺) 등의 이온이 수화된 네트워크 내에서 자유롭게 이동하므로, 1,000% 이상의 초고신장 상태에서도 전도성이 유지된다. 이는 관절의 큰 움직임부터 맥박과 같은 미세 진동까지 단절 없이 연속적으로 감지할 수 있는 광대역 동적 범위를 제공한다.

경제적, 사회적 기대 및 파급효과

• 고성능 하이드로젤 센서 기술의 확보는 스마트 워치, 스마트 패치, 피트니스 트래커 등 완제품의 부가가치를 높이는 데 기여한다. 특히, 중국 등 후발 주자들의 저가 공세가 거센 하드웨어 조립 시장과 달리, 특허로 보호받는 고기능성 소재 기술은 높은 진입 장벽을 구축하여 안정적인 수익원을 창출할 수 있다.
• 현재 고감도 생체 전극이나 전도성 페이스트, 특수 의료용 접착 소재는 다우 케미칼, 3M 등 해외 선진 기업들이 시장을 주도하고 있다. 본 과제를 통해 알지네이트-아크릴아마이드 기반의 독자적인 하이드로젤 합성 레시피와 공정 기술을 확보함으로써, 향후 연간 수백억 원 규모에 달할 것으로 예상되는 웨어러블 센서 소재의 수입을 대체하는 효과를 거둘 수 있다.
• 딱딱한 금속 센서로는 구현하기 힘든 로봇의 '촉각'을 하이드로젤 센서가 대체할 수 있다. 로봇 손가락 끝에 부착된 유연 센서는 물체의 질감, 온도, 압력을 감지하여 정교한 조작을 가능케 하며, 이는 제조용 협동 로봇이나 서비스 로봇 시장의 핵심 경쟁력이 된다.
• 기존의 홀터 모니터나 병원용 장비는 착용이 불편하고 일상생활을 방해하여 장기 모니터링이 불가능했다. 피부와 유사한 물성을 가진 하이드로젤 센서는 착용자가 인지하지 못할 정도의 편안함을 제공하여, 고령자가 거부감 없이 24시간 착용할 수 있게 한다.
• 하이드로젤 센서를 통해 수집된 방대한 생체 데이터(Big Data)는 AI 알고리즘을 통해 분석되어 개인 맞춤형 건강 관리 솔루션을 제공한다. 예를 들어, 걷는 자세의 미세한 변화를 감지하여 파킨슨병의 전조 증상을 조기에 발견하거나, 심박 변이도를 분석하여 스트레스 수준을 관리하는 등 '사후 치료' 중심의 의료 시스템을 '사전 예방 및 관리' 중심으로 전환하는 기술적 토대를 마련한다.

기술개발 일정 및 추진체계

개발 일정

구성원 및 추진체계

◇ 안민재 : 팀장 및 프로젝트 기획

◇ 이현수 : 자료 조사 및 기초 소재 합성 실험 최적화

◇ 최태우 : 맥박 측정, 어플리케이션 자료 조사 및 데이터 분석

◇ 전장호 : 기계적, 전기적 특성 측정 실험

설계

목표 달성을 위한 실험 방법

하이드로젤 합성 재료

• Sodium alginate: Ionic precuror

2D Chemical Structure

• 갈조류에서 추출한 천연 다당류 고분자로 물에 잘 녹으며, 2가 양이온(Ca²⁺)과 만나면 젤(Gel)화 되는 특성이 있다.

• 해당 실험에서의 역할

- 제1 네트워크 형성 (Rigid Network): 하이드로젤의 뼈대가 되는 첫 번째 네트워크를 형성시킨다.

- 에너지 소산 (Energy Dissipation): 외부에서 힘(Stress)이 가해지면 Ca²⁺이온과의 결합이 먼저 끊어지면서 충격을 흡수한다. 이는 하이드로젤의 Fracture energy(파괴 에너지)와 Hysteresis(이력 현상)를 향상시키는 핵심 요소이다.

• Acrylamide: Covalent precursor

2D Chemical Structure

• 아미드 결합을 가진 단량체(Monomer)로, 중합 반응을 통해 폴리아크릴아마이드(Polyacrylamide, PAAm) 고분자를 형성한다.

• 해당 실험에서의 역할

- 제2 네트워크 형성 (Soft & Elastic Network): APS와 TEMED에 의해 중합되어 길고 유연한 고분자 사슬을 형성한다.

- 신축성 부여: 공유 결합으로 연결된 해당 네트워크는 하이드로젤이 끊어지지 않고 길게 늘어날 수 있게 해주는 Maximum strain(%) 향상의 주역이다.

• Lithium chloride(LiCl)

• 리튬과 염소로 이루어진 이온성 화합물로, 흡습성이 강하다.

• 해당 실험에서의 역할

- 수분 보존 (Water Retention): 강력한 흡습성을 통해 하이드로젤 내부의 물 분자를 붙잡아 두어, 하이드로젤이 공기 중에서 마르는 것을 방지한다.

- 전도성 부여 (Conductivity): 물속에서 Li⁺와 Cl^- 이온으로 해리되어 하이드로젤에 전기 전도성을 부여한다. 이는 맥박 측정(Pulse sensing)과 같은 센서 적용 시 신호를 전달하는 매개체가 된다.

• Ammonium persulfate(APS): Photoinitiator

2D Chemical Structure

• 강력한 산화제로, 분해되면서 라디칼(Radical)을 형성하여 고분자 중합 반응을 시작하게 만드는 개시제이다.

• 해당 실험에서의 역할

- 라디칼 생성: 황산 라디칼(SO₄^{• -})을 생성하여 Acrylamide의 이중 결합을 공격하여 중합 반응을 시작(Initiation)시킨다.

• N,N-Methylenebis(acrylamide)(MBAA): Covalent crosslinker

2D Chemical Structure

• 두 개의 아크릴아마이드 그룹이 연결된 구조를 가진 '가교제'이다.

• 해당 실험에서의 역할

- 가교점 형성: 선형으로 자라나는 Polyacrylamide 사슬들 사이를 다리처럼 연결 시킨다.

- 물성 조절: MBAA의 양에 따라 젤의 탄성(Elasticity)과 강도가 결정된다. 너무 적으면 젤이 흐물거리고, 너무 많으면 부서지기 쉬워진다.

• Calcium disulfate: Ionic crosslinker

• Ca²⁺공급원으로 이온 가교제로 사용된다.

• 해당 실험에서의 역할

- 이온 가교 (Ionic Crosslinking): Alginate 사슬 사이 침투하여 Ca²⁺이온이 알지네이트의 G-block들을 서로 잡아당겨 'Egg-box structure'를 형성한다.

* Slurry 사용 이유: 물에 대한 용해도가 낮아 천천히 녹으면서 Ca²⁺이온을 서서히 방출 시키기 때문. 이는 젤이 너무 빨리 굳어 불균일해지는 것을 막고 균일한 젤을 만들기 위함이다.

• Tetramethylethylenediamine(TEMED): Crosslinking accelerator

2D Chemical Structure

• 3차 아민 화합물로, 라디칼 생성을 촉진시키는 촉매이다.

• 해당 실험에서의 역할

- 반응 촉진: APS가 라디칼을 생성하는 반응 속도를 비약적으로 높여준다. 덕분에 열을 가하거나 자외선을 쏘지 않고 상온(Room temperature)에서도 젤이 굳을 수 있게 도와준다.

하이드로젤 합성 실험 방법

◇ LiCl(xg)을 증류수 10g에 투입하여, 완전히 용해될 때까지 교반(300rpm, 10min)

◇ 용액에 Sodium alginate(0.217g), Acrylamide(1.956g)를 투입하여, 완전히 녹을 때까지 교반(300rpm, 6hr)

◇ 증류수 5g과 Calcium disulfate 0.028g을 혼합하고 1시간 가량 Sonication 진행하여, slurry 제작

◇ 용액에 Ammonium persulfate(APS) 0.022g, N,N-Methylenebis(acrylamide)(MBAA) 0.006g을 투입하여, 1시간 가량 완전히 용해될 때까지 교반

◇ 용액이 균일해지면 Calcium disulfate slurry를 투입하여, 교반(300rpm, 10s)

◇ Tetramethylethylenediamine(TEMED)(2drops) 첨가 후 준비된 mold에 붓고, 밀폐시킨 후 상온에서 경화(12hr)

간이 하이드로젤 센서 제작 방법 및 맥박 측정

◇ 하이드로젤을 1cm×7cm로 cutting하여, 양쪽 단면에 구리선을 젤 내부에 넣는다.

◇ 하이드로젤과 연결된 구리선을 sourcemeter-bending machine 와이어와 연결한다.

◇ sourcemeter-bending machine을 이용하여, 저항을 측정한다. (Current mode 상태로 1mA 전류를 인가하여, 발생하는 전압의 크기를 측정한다.)

◇ time-resistance 그래프를 plotting 하고 origin을 이용하여, baseline 설정, noise 제거 후 peak 수를 계산한다.

◇ 계산한 peak 수를 통해 맥박을 계산하고 스마트워치로 측정한 맥박과 비교, 분석한다.

결과 및 성능 평가

기계적 물성 테스트

Maximum stretching, Tensile stress 측정

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Young's modulus 비교

• 영 모듈러스는 stress-strain curve에서 초기에 그래프가 가장 가파르게 증가하는 구간의 기울기를 이용하여 계산하였다. 완전 탄성 고분자가 아니기 때문에 그래프가 접선의 기울기가 점점 완만해지며 증가하는 거동을 보인다.
• LiCl 염을 첨가하지 않은 하이드로젤에 비해 첨가한 하이드로젤의 영 모듈러스가 낮아졌다. 이는 LiCl의 리튬 이온이 알지네이트, 칼슘 이온과의 이온 가교 결합을 방해하여 발생하는 현상이다.
• 알지네이트 하이드로젤은 Ca²⁺이온과 알지네이트 사슬의 카복실레이트기(COO^-) 사이의 이온적 가교에 의해 형성되는 특유의 egg-box 구조를 기반으로 기계적 강성을 획득한다. 하지만 시스템 내에 LiCl과 같은 단가 양이온(monovalent cation)이 첨가되면, 용액의 이온 농도가 증가하면서 electrostatic screening(전기적 차폐)효과가 발생하여, 이는 Ca²⁺이온과 알지네이트 사슬의 카복실레이트기(COO^-) 사이의 결합력을 직접적으로 약화시킨다.
• Electrostatic screening 효과는 용액 중 존재하는 존재하는 이온들이 고분자 사슬의 주변에 분포하며 형성하는 이온 농도에 의해 전기적 인력이 감소하는 현상을 의미한다. Li⁺, Cl^- 이온의 농도가 증가할수록 debye length는 감소하며, 이는 전하 간 상호작용이 약해지는 것을 의미한다. 이와 같은 현상은 알지네이트 네트워크의 가교 밀도를 감소시키고, 젤의 수분 흡수 및 swell을 촉진하여 네트워크를 더욱 느슨하게 만든다. 구조적 느슨함은 결국 기계적 강도를 나타내는 영 모듈러스를 감소하는 결과를 나타낸다.

Fracture energy 분석

하이드로젤은 높은 수분 함량과 부드러운 고분자 네트워크의 특성 때문에 상대적으로 취약한 기계적 강도를 가지는데, fracture energy는 이러한 구조에서 에너지 소산 메커니즘의 유무와 정도를 파악하는 좋은 지표이다. 네트워크를 구성하는 공유결합, 이온결합, 그리고 수소결합과 같은 결합의 강도와 밀도가 증가하는 구조일수록 균열확장이 어렵기 때문에 fracture energy가 증가한다.

실험적으로 측정할 수 있는 fracture energy는 시편의 초기 크기, notch 길이, 변형 속도, 습윤 상태 등 외부 조건의 영향을 크게 받는다. 해당 연구에서는 시편의 초기 폭의 절반이 되는 notch를 설계하여, 기존 tensile stretching test와 동일한 속도인 50mm/min의 속도로 진행하였다.

계산 방법은 다음과 같다.

1. Tensile stretching test로 측정한 strain-stress curve 아래 면적을 적분한다. (이때 x축은 %(0~100)가 아닌 λ값(0~1.0)로 바꾸어 적분)

2. 적분값은 시편의 부피 당 파괴까지 흡수된 에너지 U(J/m³)를 의미하며, U값에 notch가 없는 시편의 부피(m³)을 곱하여 W(J)를 구한다.

3. W(J)은 균열에서 생성된 새로운 면적 A(시편 두께 * 초기 notch 깊이)(m²)를 나누어(W/A) 최종적으로 fracture energy(J/m²)가 구해진다.

Mechanical hysteresis 분석

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분석 방법은 다음과 같다.

1. loading-unloading 1 cycle test 진행 후 stress-strain curve를 이용하여 loading, unloading 면적을 각각 구하고 감소한 면적의 비율을 계산한다.

2. 감소한 면적이 클수록 점탄성 특성 중에 점성의 특성이 강한 것을 의미하며, 에너지 손실이 크고 변형 소산 능력이 약한 것을 의미한다. 감소한 면적이 작다면 에너지 손실이 적고 탄성 비중이 높은 것을 의미한다.

해당 그래프는 Lithium chloride의 양에 따른 hysteresis data를 구하기 위한 stress-strain curve이다. Lithium chloride의 양이 증가하면서 modulus는 감소하는 경향을 보이고 반달 모양의 그래프 면적을 계산하여 mechanical hysteresis를 측정하였다.

Mechanical hysteresis는 Lithium chloride 경향성이 크게 두드러지지 않았지만 대부분 15% 안으로 에너지 손실이 이루어지며, 본 연구에서 만든 하이드로젤이 기계적으로 에너지 소산 능력이 우수함을 나타낸다.

Water retention 분석

LiCl은 Li⁺ 이온의 높은 전하밀도에 의해 물 분자를 강하게 끌어당기는 강한 인력을 가진다. Li⁺ 이온은 다른 금속 이온보다 물과의 결합 에너지가 크기 때문에 강한 흡습성을 가지며, Cl^- 이온은 물 분자와 수소결합을 형성할 수 있는 친수성 음이온이다. 단순히 강한 흡습성을 가진 염을 투입하는 것 외에도 젤 내부의 이온 농도가 증가하게 되면 삼투압이 외부보다 높아지기면서 외부의 수분을 안으로 끌어당긴다. 측정 결과 예상대로 LiCl 양이 증가할수록 질량 보존도 역시 선형으로 증가하였다.

초기 저항 및 저항 변화량 측정

해당 그래프는 하이드로젤 기반 센서의 시간에 따른 저항 변화를 보여주며, 약 5초 부근에서 큰 저항 증가가 관찰된다. 이는 센서의 초기 안정화 시간을 의미하며, 안정화된 이후에는 1600~1650Ω 부근에서 안정적인 값을 유지한다. 이러한 저항 변화는 하이드로젤 내부의 이온 전도 네트워크가 빠르게 회복되고 일정한 baseline으로 유지되어 센서가 외부 환경 변화에 대해 안정적인 신호 측정이 가능한 것을 의미한다. 다음 결과는 해당 소재가 변형 이후 저항 회복력을 가지며 실제 생체 신호를 측정하는 실험에서도 높은 신뢰성을 나타낼 수 있음을 증명한다.

맥박 신호 분석

맥박 측정을 위해 하이드로젤을 sourcemeter에 구리선으로 연결한 후 손목에 직접 부착하였다. 전류를 흘려줌에 따라 농도 변화에 따른 확산, double-layer capacitance, polarization 등의 요소에 의해 저항이 지속적으로 상승하게 된다. 또한, Cl^-이온이 구리선을 부식시켜 CuCl, CuCl₂, Cu(OH)₂등의 화합물을 형성하고 전선의 표면적을 줄여 전류의 흐름을 방해한다. 측정 시 호흡, 떨림 등의 다양한 noise도 정확한 측정을 방해하는 요소이다.

이를 개선하기 위해 측정 data를 ALS(asymmetric least squares baseline correction) 방식을 사용하여 다른 noise들을 제거하여 peak를 측정하는 방식으로 맥박 측정을 진행하였다.

측정 결과, 위 그래프에서는 1분에 총 91개의 peak를 측정할 수 있었으며 반대 팔목의 다른 웨어러블 스마트워치에서의 측정값(92bpm)과 차이가 거의 없는 것으로 보아 웨어러블 디바이스에 적용이 가능함을 확인할 수 있었다.

포스터

완료작품의 평가

향후계획

하이드로젤 기반의 신축성·회복력이 향상된 소프트 센서는 앞으로 웨어러블 헬스케어 시장에서 핵심 소재로 자리 잡을 전망이다. 특히 알지네이트–폴리아크릴아마이드의 이중가교 구조처럼 기계적 강도와 유연성을 동시에 만족하는 하이드로젤 기술은 피부와 유사한 물성을 구현해 장시간 착용이 요구되는 의료·피트니스 디바이스에 널리 적용될 가능성이 높다. 전도성의 정밀 제어 기술이 발전함에 따라 저항 기반 신호 분석의 정확도 역시 대폭 향상될 것이며, 단순한 심박수 모니터링을 넘어 근전도(EMG), 호흡 주기, 혈관 탄성도 등 다양한 생체 신호를 수집하는 멀티센싱 플랫폼으로 확장될 수 있다. 또한 3D프린팅, 마이크로패터닝 기술과 결합하여, 개인 맞춤형 의료기기나 스마트 패치형 센서 등 새로운 응용에 진출도 가능할 것으로 예상된다. 이러한 기술적 진전은 웨어러블 기기의 신뢰성과 편의성을 높일 뿐 아니라, 원격의료와 개인 맞춤형 헬스케어 산업 전반의 혁신을 가속화할 것으로 기대되는 만큼 본 연구에서 얻은 데이터와 분석 방법 패터다임을 이용하여, 앞으로의 다양한 유연소자를 만드는 연구를 진행하는 것을 목표로 한다.

참고 문헌

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[10] Jingxuan Zheng, et al., Highly stretchable, anti-freezing, self-adhesion and self-healing zwitterionic hydrogel electrolytes for flexible electronic devices. Chemical Engineering Journal. 2025, 508(161021)