펜스테이트 과학자들, 전도성 잉크 개발로 바디 아트를 바이오센서로 바꾸다, 왜 안 되겠어

펜실베이니아 주립대학의 과학자들이 피부에 직접 칠할 수 있는 전도성 잉크를 개발했다. 이 잉크는 마르면 생체 모니터링용 기능성 전극으로 변신하며, 화려한 맞춤 디자인으로 피부에 그림을 그릴 수 있다. 연구진은 이 연구 결과를 국립과학원회보(PNAS)에 발표했다.

앞서 보도된 바와 같이, 임시 문신을 통해 피부에 부착하는 표피 전자기기(e-타투)는 10년 넘게 존재해 왔다. 이 e-타투는 접착제 없이 피부에 부착되며 거의 눈에 띄지 않고, 일반적으로 임시 문신을 통해 부착되어 초박형 폴리머에 내장된 회로 요소를 이용해 전기적 측정(온도, 변형 등 다른 측정도 가능)을 가능하게 한다. 그러나 곡면이나 털이 있는 표면에서는 제대로 작동하지 않으며, 생체 신호가 공간적으로 분포하기 때문에 더 넓은 영역을 커버하려면 개인 맞춤형 전극 배치 설계가 필요하다. 그래서 과학자들은 창의적인 방법을 모색해 왔다. 예를 들어, 2024년에는 연구진이 특수 폴리머 기반 전도성 잉크를 개발해 머리카락이 있어도 두피에 인쇄하여 뇌파를 측정할 수 있게 했다.

펜스테이트 기계공학자 래리 청(Larry Cheng)은 이번 PNAS 논문의 공동 저자로, 10년 넘게 EEG, ECG, EMG 등 생체 모니터링용 전극 설계를 연구해 왔다. 금속 같은 단단한 재료를 사용하면 안정적인 생체 모니터가 되지만, 운동 중처럼 사용자가 많이 움직이면 쉽게 떨어진다. 하이드로겔은 최근 대체 재료로 부상했는데, 물을 흡수하고 팽창하며 움직임에 따라 피부와 함께 늘어나기 때문이다. 그러나 하이드로겔은 상당히 빨리 분해되어 장기간 사용 시 이러한 이점을 잃는다. 땀이나 머리카락도 생체 신호 기록의 정확도를 떨어뜨릴 수 있는데, 상업용 전극은 미리 제작된 후 피부에 부착되므로 공극이 생겨 센서 판독값이 약해지기 때문이다.

청 등은 이 문제를 해결하기 위해 전도성 잉크를 개발하기로 했다. 그들은 여러 종류의 폴리머와 산성 첨가제를 수성 에탄올/폴리비닐알코올 용액에 혼합했다. PEDOT:PSS(폴리(3,4-에틸렌다이옥시티오펜):폴리(스티렌술포네이트))는 전기 전도성을 제공했고, DBSA(4-도데실벤젠술폰산)는 가소제 역할을 하여 잉크에 유연성을 부여했다. 연구진은 새 전도성 잉크의 약칭을 WE-PPD로 줄였다. "잉크 자체는 거의 페이스 페인트처럼 행동합니다,"라고 청은 말했다. "처음에는 거의 투명하지만, 식용 색소를 사용해 원하는 색상으로 착색할 수 있어 만화 캐릭터나 슈퍼맨 같은 디자인을 그릴 수 있습니다. 이를 통해 웨어러블을 개인의 취향에 완전히 맞춤화할 수 있습니다." 잉크가 피부의 윤곽을 채우기 때문에 결과 전극은 매우 높은 피부 접촉성을 가지며, 따라서 더 나은 신호 기록이 가능하다. 또한 다공성 은 텍스처에 통합하거나 단단한 장치와 결합할 수 있다.

그려진 센서는 실험실에서 인간 피험자를 대상으로 테스트되었다. 런닝머신에서 달리거나 역기를 들 때 심장 활동 모니터링, 로봇 손 제스처 인식, 그리고 공동 저자가 일상 활동을 하는 동안 머리카락을 통해 뇌 활동(EEG)을 모니터링했다. 그려진 전극은 저자들에 따르면 파손되기 전까지 최대 170%까지 늘어날 수 있었고, 표준 의료용 필름보다 훨씬 높은 수증기 투과성을 보였으며, 장기간 사용해도 피부 자극이 없었다. "우리는 12시간 동안 일상 사용을 테스트했지만, 이것이 이 전극의 한계는 아닙니다,"라고 청은 말했다. "전극 자체는 씻어낼 수 있고 쉽게 다시 바를 수 있습니다. 큰 아이디어는 미래에는 더 비싼 센싱 모듈을 시스템과 분리해 두고, 전극 자체는 일회용으로 사용할 수 있다는 것입니다. 잉크 한 병으로 여러 번 칠할 수 있는 충분한 재료를 제공할 수 있습니다."