전북대학교 연구진이 실크(비단)의 원재료인 누에고치실을 활용한 바이오소재에서의 전기발생 특성을 새롭게 규명하고, 친환경성 동작센서를 개발해 세계 학계의 주목을 받고 있다.

이에 따르면 이 대학 정창규 교수팀(공대 신소재공학부)은 누에고치실 기반 나노섬유 필름을 전기방사법(electrospinning)을 활용해 제작하고, 간단한 에탄올 담금처리에 의해 유도된 전기발생 효과를 활용한 친환경성 무전원 동작센서를 개발했다고 밝혔다.

이번 연구 결과는 나노소재·에너지 분야 저명 학술지인 ‘나노 에너지(Nano Energy, Impact factor: 19.069)’ 온라인판에 게재됐다. 제1저자는 전북대 손창완 석사과정생과 김현승 박사과정생이다.

연구진에 의하면 기계적인 변형이 가해졌을 때 전기적인 변화가 생기는 현상을 압전 현상이라고 한다. 압전 소재는 센서나 엑추에이터(모터·감속기 등 물리적 동작을 가능케 하는 장치), 자가발전 에너지 소자 등 다양한 분야에 적용되는 만큼 전자제품의 핵심적인 재료다.

현재 대부분의 압전소재로 세라믹 계열 혹은 합성고분자 계열의 물질이 가장 많이 활용되고 있다. 그러나, 합성과정에서 나오는 인체에 유해한 부산물이나 자연환경에서 부식이 되지 않는 단점으로 인해 친환경적 특성과 인체적합성을 동시에 갖는 압전소재 개발이 요구되는 상황이다. 이에 거미/누에 실크, 양파껍질, 셀룰로오스, 단백질 기반의 바이오 압전소재 개발이 주목받고 있으나, 기존 세라믹 계열 압전소재 대비 낮은 압전 특성을 갖고 있다. 게다가 정확히 규명되지 않은 바이오재료의 압전현상 원인에 대한 이해도가 연구의 걸림돌로서 작용하고 있다.

이에 연구팀은 바이오소재의 압전현상에 대한 명확한 메커니즘을 규명하고 응용하기 위해 누에고치실을 나노단위 섬유형태의 필름으로 제작해 연구를 진행했다. 간편한 에탄올 용액 담금 처리를 활용해 누에고치실을 구성하는 피브로인 단백질의 비정질성 알파상을 결정성 베타 단백질 상으로 변환되고, 이로 인해 발생한 분자구조의 변화에 의해 압전 현상과 유사한 현상이 증폭됨을 입증했다. 이를 분석해 기존에 명확히 밝혀지지 않던 누에고치실의 전기적인 특성 메커니즘이 분자 구조적 변화에 의해 증가하는 수소결합이 갖는 쌍극자에 의한 것임을 밝혔다. 기존 압전소재들과는 다른 이유로 압전현상과 유사한 특성이 발생된다는 것. 

나아가 제작된 누에고치 나노섬유필름은 신체 각 부위에 부착하였을 때, 신체 동작 정도나 동작이 발생한 신체부위를 구분할 수 있는 자가발전 센서로 개발할 수 있음을 확인했다. 더불어, 연구팀이 제작한 누에고치 나노파이버 필름은 흙속에서도 독성 부산물 없이 분해되는 것을 확인, 우수한 친환경성과 생체적합성을 가진다는 것을 검증했다. 

정창규 교수는 “이번 연구는 바이오 고분자의 화학적/구조적 특성 분석을 이용해 명확하게 밝혀지지 않던 바이오소재의 유사 압전현상 원인을 밝혀낼 수 있었다” 며 “차후 친환경 바이오 고분자의 전기적 연구와 응용처를 열어 줄 계기가 됐다는 점에서 의의가 있다”고 설명했다.

/장은성 기자