네얼간이

프로젝트 개요

기술개발 과제

국문 : 접착성 하이드로젤의 기계적, 전기적 특성 향상 연구

영문 : Improving the mechanical, electrical properties of adhesive conductive hydrogel

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

• 기존의 신축성 있는 전자 피부를 제작하는데 핵심 소재 중 하나인 하이드로젤 개발
• Resistance change under different strain percentages, 수분 보존도(단위 시간 당 줄어든 질량) 측정
• 완성된 하이드로젤의 실험 결과 확인 및 개선 부분 고찰
• 접목 가능한 분야 탐색

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

• 하이드로젤 합성 공정 최적화
• Maximum strain(%), Stress(kPa), Frature energy(J)과 기계적 물성 분석 및 개선
• 하이드로젤의 접착력 측정 및 개선

관련 기술의 현황

관련 기술의 현황 및 분석(State of art)

• 전 세계적인 기술현황

내용

• 특허조사 및 특허 전략 분석

내용

• 기술 로드맵

내용

시장상황에 대한 분석

• 경쟁제품 조사 비교

내용

• 마케팅 전략 제시

내용

개발과제의 기대효과

기술적 기대효과

• 알지네이트 사슬 사이의 칼슘 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.1 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

내용

구성원 및 추진체계

내용

설계

설계사양

제품의 요구사항

내용

설계 사양

내용

개념설계안

내용

이론적 계산 및 시뮬레이션

내용

상세설계 내용

내용

결과 및 평가

완료 작품의 소개

프로토타입 사진 혹은 작동 장면

내용

포스터

내용

관련사업비 내역서

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완료작품의 평가

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향후계획

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특허 출원 내용

내용