화섬정보 10. 19

Tufts University 공과 대학의 연구팀에서 개발한 생체 재료 기반의 잉크는 신체활동 변화 및 주변 환경에 따라 색상이 변화되는 잉크로 신체 변화와 환경 변화를 스스로 감지하는 직물의 개발을 가능하게 함. 개발된 잉크는 주변환경에서 발생하는 화학적 물질에 반응하고, 이러한 물질의 양을 정량화하는 것이 가능해짐.

< pH에 반응하는 생체 활성 잉크로 인쇄된 T-셔츠>

연구팀의 책임저자인 Fiorenzo Omenetto교수는 보편적으로 사용되는 스크린 인쇄방법을 통해 개발된 생리 활성 잉크를 사용할 경우, 다양한 환경 조건을 감지하는 센서 제작에 있어 부드럽고, 착용 가능한 직물의 대량생산이 가능해질 것으로 전망함.

본 연구에서 개발된 생체 활성 잉크는 혁신적이지만, 잉크의 인쇄방법은 다양한 조건에서 적용 가능하며, 대량생산이 가능한 스크린 프린팅 방법으로, 복잡한 인쇄 패턴을 고해상도로 옷, 신발, 안면 마스크와 같은 직물에 바로 인쇄가 가능한 방법임.

웨어러블 센서는 인체의 활동 및 건강 등을 모니터링하는데 각광 받고 있으며, 대부분의 웨어러블 장치는 웨어러블 패치, 손목 밴드 및 심박수, 혈당 등의 정보를 모니터링함에 있어 전자 장치를 통합하여 개발됨.

연구 기술은 색상 변화로 박테리아 오염 여부를 나타내는 페트리디쉬, 종이 센서, 실험실 장갑을 제작하기 위해 잉크젯 프린팅용 생체 활성 실크 잉크를 개발한 이전의 선행연구를 기반으로 시작함.

Tufts 대학 연구팀이 제시한 이번 연구는 전자 장치와의 통합이 아닌, 다른 접근 방식으로 국부적인 패치부터 매우 넓은 영역에 이르기까지 모니터링이 가능한 ‘의복’을 센서로 사용함. 이는 비전자, 비색 검출 방법으로 패치부터 전신에 이르기까지의 매우 넓은 면적을 감지할 수 있음. 연구의 제1저자인 Giusy Matzeu는 본 연구에서 개발된 잉크를 스크린 인쇄하여 의복으로 착용하는 경우 신체의 광범위한 영역을 덮거나, 실내 인테리어와 같은 넓은 면적에도 적용할 수 있음.

연구팀에서 개발한 가먼트 센서를 가능하게 하는 것은 활성화된 실크 기반의 잉크임. 잉크에 사용된 기질로서 실크는 pH에 민감하고, 젖산 산화 효소와 같은 다양한 효소 분자를 삽입하여 땀이나 젖산의 농도에 따라 표시됨. 실크 피브로인 단백질에 화학적으로 민감한 염료, 효소, 항체 등과 같은 생리 활성 분자로 수정하여 다양한 생리 활성 잉크를 제작할 수 있으며, 이러한 잉크를 통해 피부의 건강이나 탈수 정도, 착용자의 피로 정도를 평가할 수 있음.

<생체 재료 기반 잉크의 제조의 단계>

잉크는 증점제(thickner)로 알긴산 나트륨을, 가소제(plasticizer)로 글리세롤을 사용하여 스크린 프린팅용 잉크로 제조됨. 개발된 스크린 프린팅용 바이오 잉크는 기존의 스크린 프린팅용 잉크와 같이 의류, 나무, 플라스틱, 종이 등 다양한 표면에 적용하여 수백 마이크론에서 수십 미터의 패턴을 출력할 수 있음. 잉크에 의해 색상이 변화함으로서 다양한 주변환경 변화에 대응하는 시각적인 신호를 감지할 뿐 아니라, 카메라 이미징 분석을 통해 보다 정확한 정보의 수집이 가능함. 특히, 이미지 분석을 통해 광범위한 영역에서 색 반응에 대한 고해상도 맵을 얻을 수 있고, 전반적으로 생리적, 환경적 상태에 대한 분석이 가능해짐. 이론적으로 대기 질의 추적 및 역학을 위한 환경 모니터링 시스템 개발이 가능함.

<티셔츠 뒷면에 있는 분산형 스크린 인쇄 비색 pH 센서 사진>

티셔츠 뒷면에 있는 분산형 스크린 인쇄 비색 pH 센서를 실험한 결과, 비색 pH센서를 스크린 인쇄 시, pH 5에서 pH 7로 변할 때, 색상이 변화하였으며, 중첩에 따라 매핑의 색상이 변화함.

 <티셔츠 뒷면에 있는 분산형 스크린 인쇄 비색 pH 센서 사진>

위 그림의 d와 같이 운동이 끝날 때 땀의 국부적인 pH의 변화에 따라 색상이 변화하는 영역이 생김. 또한, 본 연구팀의 공동연구자로, Tufts 대학에서 박사학위를 취득한 Laia Mogas-Soldevila는 해당 기술을 이용하여 타피스트리를 제작한 후, 미국 및 유럽의 박물관에 전시함. 

<pH 센서가 스크린 인쇄된 패치, 스카프 및 타피스트리>

위 그림의 작품은 관객과의 상호작용을 위하여 만들어졌으며, 관객이 다양한 무독성 화학 물질을 직물에 뿌리면, 타피스트리 직물의 패턴이 변형됨. Mogas-Soldevila는 이에 대해 “예술과 공학이 서로 협업할 때의 좋은 예시”라고 말하며, 공학 분야에서 생체 활성 잉크는 주변 환경에 반응하고, 상호교감이 가능한 타피스트리 및 표면을 위해 개발되고, 1000년의 역사를 가진 스크린 프린팅 기술을 통해 현대에 적용 가능한 웨어러블 센서로서의 사용 가능성을 확인하는 계기가 됨.

해당 연구는 U.S. Army Natick Soldier Research, Development and Engineering Center (W911QY-15-2-0001), the Office of Naval Research (N00014-19-1-2399) 및 Stavros Niarchos Foundation의 기부금으로 수행됨.