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

• 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 정확도 또한 중요하게 여겨진다.
• 따라서 이러한 부분을 향상 시키고자 본 연구에서는 알지네이트의 이온 결합 네트워크와 폴리아크릴아마이드의 공유결합 크로스링킹을 결합한 이중가교 구조를 형성시켜 하이드로젤의 신축성·탄성·회복력을 강화 시키고자 한다.
• 추가적으로 Li이온도 첨가해 수분 보존성, 전도성 변화도 향상 시켜 보고자 한다.
• Resistance change under different strain percentages, 수분 보존도(단위 시간 당 줄어든 질량) 측정, 맥박 측정, 기계적 물성 측정에서 얻은 데이터를 통해 최적의 하이드로젤 물성비를 찾아내고 하이드로젤의 성능을 개선 시키고자 한다.
• 최종적으로는 완성된 하이드로젤의 실험 결과 확인 및 개선 점 정리를 통해 앞으로 어떤 부분을 더 발전시킬 수 있을지 고찰을 해보고자 한다.

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, 수분 보존도, 접착력, 맥박 정확도 성능 향상

◇ 세부목표

• 합성한 하이드로젤의 기계적 물성[Maximum strain(%), Stress(kPa), Frature energy(J)] 분석 및 개선
• 합성한 하이드로젤의 Resistance change under different strain percentages, 수분 보존도(단위 시간 당 줄어든 질량) 측정을 통한 개선 방향 점 제시
• Litium Chloride 첨가 유무에 따른 하이드로젤의 Strain-Stress curve 분석 및 최적의 비율 확인
• Litium Chloride 첨가 유무에 따른 하이드로젤의 Gauge Factor(△R/R0/Strain) 분석 및 최적의 비율 확인
• 하이드로젤의 접착력 측정 및 개선
• 하이드로젤을 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, 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 및 특허 전략 분석

• 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(CaCl₂) 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.

• 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

내용

완료작품의 평가

내용

향후계획

내용

특허 출원 내용

내용