Liquid-based electronic materials for bioelectronics: current trends and challenges

연구 배경

저자들은 고체 전자 재료가 조직과 기계적으로 맞지 않고 수분과 기계적 손상에 취약해 오작동과 수명 단축을 일으킨다고 지적합니다. 주름 구조나 사행(serpentine) 구조는 유연성을 높이지만, 임계값을 넘는 반복 변형에서는 여전히 성능이 저하되고 파손되므로 전도성, 순응성, 자가치유성을 갖춘 재료가 필요합니다. 액체 기반 재료는 액체와 같은 계면으로 조직과 밀착하고 동적 변형을 견딜 수 있어 그 후보로 제시됩니다.

종설의 구성

종설은 소자 안에서의 기능에 따라 구성됩니다. 2절은 액체 기반 전도체를 이온성 액체 기반 재료, 금속·탄소 나노재료를 함유한 전도성 하이드로겔, 액체금속과 그 복합재의 세 가지로 나누어 다룹니다. 3절은 전자소자를 물로부터 보호하는 봉지용 액체 주입 표면을, 4절은 전자 부품끼리 또는 부품과 조직을 접합하는 하이드로겔 기반 접착제를 다룹니다. 각 소절은 대표 연구를 소개한 뒤 해당 재료군의 단점으로 마무리하고, 결론에서는 완전 연성 소자로 가는 방향을 논의합니다.

종설이 다룬 범위

전도체는 전도도, 신축성, 게이지율, 감도, 반복 내구성, 패터닝 해상도로 인용 연구들을 비교하며, 응용으로 변형·압력 센서, 격자 없는 터치 센서, 마찰전기 에너지 수확, 이식형 신경 자극·기록을 다룹니다. 봉지는 기계적 밀봉, 고분자 필름 코팅, 윤활액 주입층을 수분 차단 거동과 수명으로 비교합니다. 접착제는 카테콜, 키토산, 젤라틴 기반 하이드로겔을 접착 기전, 가역성, 조직 봉합 측면에서 논의합니다. 표 1은 일부 이온성 하이드로겔, 전도성 하이드로겔, 액체금속의 연신율, 전도도, 내구성을 정리합니다.

종설의 주요 정리 내용

이온성 전도체로는 50 kPa까지 2 kPa-1 이상의 감도를 보인 피라미드형 이온겔 압력 센서, 성능 저하 없이 700%까지 늘어난 이온 스킨 기반 마찰전기 나노발전기, 투명도 96.5%, 신축성 539.1%, 복원성 99.0%의 이온성 폴리디메틸실록산(PDMS) 터치 센서를 인용합니다. 주요 제약으로는 내구성, 확장성, 낮은 전도도, 이온성 액체의 증발을 꼽습니다.

나노재료 함유 하이드로겔로는 기존 이온 전도성 하이드로겔(10 미만)보다 높은 게이지율 165의 은 나노섬유 하이드로겔 변형 센서와, 은 플레이크를 넣어 374 S cm-1의 전도도와 10 kPa 미만의 영률을 보이고 250% 변형까지 안정한 폴리아크릴아마이드-알지네이트 하이드로겔을 예로 듭니다. 종설은 이들의 전도도가 여전히 기존 전자 부품에 미치지 못한다고 지적합니다.

액체금속은 채널 주입과 여러 인쇄 방식을 소개하며, 메니스커스 유도 인쇄의 해상도는 최대 50 μm, 포토리소그래피를 활용한 패턴 폭은 1.3 μm입니다. 안정성을 높인 복합재로는 2.2 × 10^6 S m-1의 MXene 도핑 액체금속 배선과, 2.24 × 10^6 S m-1의 전도도를 보이고 150% 변형 10 000회에서 저항 변화가 무시할 만했으며 좌골신경에 이식해 자극과 근전도 측정에 쓰인 탄소나노튜브 함유 이중층 액체금속 입자 섬유를 소개합니다. 남은 문제는 전극이 분리되어 산화막이 생기면 전도가 비가역적으로 끊기는 점, 높은 표면장력으로 배선이 합쳐지는 점, 산화막의 기계적 견고성입니다.

봉지에서는 크기와 강성을 키우는 기계적 밀봉, 공극과 균열로 물이 스며드는 고분자 필름과 달리 윤활액 주입층은 고분자 기지를 결함 없이 유지한다고 정리합니다. 인용된 오일 주입 거친 실리콘은 체온에서 226일 동안 수분 차단 특성을 유지했지만, 주입 액체가 고갈되면 성능이 떨어질 수 있습니다. 접착제에서는 혈액과 닿으면 4초 이내에 접착성 하이드로겔을 형성하는 지혈 분말을 포함해 카테콜, 키토산, 젤라틴 기반 하이드로겔을 다루며, 선택적 접착과 기계적 안정성이 과제로 남았다고 봅니다. 저자들은 현재의 연성 소자가 여전히 고체 전자 재료에 의존하며, 액체 기반 전도체·봉지·접착제를 결합하면 완전 연성 소자를 구현할 수 있다고 결론짓습니다.

다른 연구와의 연결

3D 인쇄용 PEDOT:PSS 잉크(Yuk 등, Nature Communications 2020)는 절연성 탄성체와 함께 인쇄할 수 있는 전도성 고분자로 전도 구조를 만들지만, 이 종설은 전도·밀봉·접착이 유지된 액체상에 의존하는 재료에 초점을 둡니다.