▶ SNU research
체온에 반응해 사라지거나
나타나는 개인 정보
글. 최석환 연구원(기계공학부 석박통합과정)
기계공학부 고승환 교수 연구팀이 체온을 통해 개인 정보를 숨길 수 있는 차세대 웨어러블 ID 카드를 개발했다. 레이저의 높은 해상도를 활용해 부분적으로 위상을 제어하고 투명도를 조절함으로써 QR코드와 같은 정보 패턴을 빠르게 제작할 수 있는 기술을 확보한 것. <Nature Materials> 저널에 발표된 이 연구는 체온을 통해 구동할 수 있는 소프트 로봇의 개발에도 큰 역할을 할 것으로 기대를 모으고 있다.
‘액정탄성체’의 물리적 특성과 한계
액정탄성체는 외부 자극에 따라 분자의 방향이 변하는 ‘액정’의 성질과, 큰 변형을 견디고 회복할 수 있는 ‘탄성체’의 특성을 동시에 가진 물질이다. 이 두 가지 특성의 조합으로 액정탄성체가 외부 자극에 반응하는 다양한 기계적, 광학적 특성을 가지며, 이로 인해 소프트 로봇, 센서, 광학 장치, 충격완화 시스템 등
다양한 분야에서 잠재력을 가진 유망한 물질로 인정받고 있다.
액정탄성체는 분자 정렬의 정도와 그 정렬을 이루고 있는 영역의 크기에 따라 ‘상’으로 분류되는데, 그 종류로는 폴리도메인, 모노도메인, 등방성 등이 있다. 각각의 상은 다른 기계적, 광학적 성질을 가지며, 이들 상 사이의 상전이* 과정을 통해 가역적으로 기계적, 광학적 성질을 제어할 수 있다. 예를 들어 폴리도메인
상은 같은 방향의 분자 정렬을 갖는 마이크로미터 크기의 영역들의 집합으로 이루어져 있으며, 각 영역의 경계에서 빛이 산란되어 불투명한 특성을 갖는다. 이 상을 상전이온도 이상으로 가열하면, 분자 정렬의 규칙성이 사라지고 등방성 상으로 변하며, 이에 따라 액정탄성체는 투명해진다. 또한 모노도메인-등방성 상의 상전이는
가열-냉각 과정을 통해서 기계적인 모양을 바꿀 수 있다.
이처럼 액정탄성체의 물리적 특성은 분자 정렬에 의해 결정되므로 초기 분자 정렬의 설정이 매우 중요하다. 최근 3D 프린팅 등의 다양한 생산 기술을 활용하여 액정탄성체의 분자 정렬을 제어하는 기술이 발전했지만, 여전히 한계점은 존재한다. 기존 연구는 대부분 하나의 상전이만을 다루고 있으며, 액정탄성체의 세 가지 상을
활용하기 위한 전략은 아직 제시되지 않았다. 또한, 특정 상으로 한 번 제작된 액정탄성체는 상온에서 다른 상으로 재구성하기 어려워 범용성이 떨어지는 단점이 있다. 이러한 이유로 액정탄성체의 응용 분야는 제한되어왔다.
체온을 활용한 차세대 웨어러블 ID 카드
이러한 한계를 극복하기 위해 연구진은 액정탄성체의 위상을 국소적으로 제어할 수 있는 기술을 개발했다. 이 기술은 액정탄성체를 가열하고 UV 레이저를 조사(照射)해 등방성 상을 지역적으로 제어함으로써 액정탄성체의 투명도를 제어할 수 있도록 한다. 또한, 레이저의 높은 해상도를 활용해 부분적으로 투명도를 조절함으로써
필요에 따라 QR코드와 같은 정보 패턴을 빠르게 제작할 수 있음을 입증했다.
연구진은 기존의 60~70℃ 범위로 이루어진 상전이온도를 34℃ 정도로 낮춘 후 체온을 활용해 상전이가 일어나도록 설계했다. 액정탄성체가 피부에 닿으면 투명해지면서 정보 패턴이 임시적으로 사라지게 되며, 피부에서 떼어내 온도가 낮아지면 다시 정보 패턴이 나타나 재활용할 수 있다. 연구진은 1,000회 이상의 반복
테스트에서도 정보 패턴의 암호화 기능이 유지되었음을 증명했다.
특히 액정탄성체를 빛에 반응해 부분적으로 온도를 높일 수 있도록 설계함으로써 낮아진 상전이온도로 인해 피부에 부착되지 않고도 빛 조사를 통해 원격으로 정보 패턴을 암호화할 수 있다는 것도 입증했다. 이외에도 제작된 정보 패턴을 완전히 지우고 새로운 정보 패턴을 제작할 수 있게 하여 재사용이 가능하도록 했다. 이는
해당 기술을 여러 사람이 활용할 수 있다는 것을 의미한다.
고승환 교수는 이번 연구 성과에 대해 “본 기술은 정보 패턴 제작 및 체온을 통한 암호화를 통해 차세대 웨어러블 ID 카드로써 활용될 수 있을 뿐만 아니라 체온을 통해 구동할 수 있는 소프트 로봇의 개발에도 큰 역할을 할 것”이라고 설명하며 “레이저의 높은 해상도를 활용한다면 센티미터, 밀리미터 스케일의 작은
소프트 로봇을 손쉽게 구현할 수 있는 방안을 확보하는 데 큰 기여할 것”이라고 덧붙였다.