We first propose a conductive dry adhesives (CDA) combining gecko-inspired structures and carbon nanocomposites. Mushroom-shaped high-aspect-ratio (HAR) microstructures are replicated from Si mas-ters by using elastomeric composites made of carbon nanofillers and poly(dimethylsiloxane) (PDMS). The optimization of viscosity of prepolymer and curing conditions guarantee the defect-free replication over large-areas ($~2 in^{2}$). To enhance the electrical percolation of 1D carbon nanotubes (CNTs) in an elastomer-ic matrix at low loading of fillers (~1 wt%), a small content of higher dimensional carbon fillers (i.e., car-bon black, nano graphite, and graphene nanopowder) are added into the mixture. The co-doping of gra-phene nanopowders and CNTs into the elastomeric matrix show the lowest volume resistance (~100 Ohm-cm) based on a synergetic effect in percolation at optimized mixing ratio (1:9). The measured normal adhesion force of the CDA on replicated skin surfaces ranges from 0.7 to $1.3 N/cm^{2}$, which is comparable to that of commercial 3M tape. The CDA maintains its adhesion force without severe degradation even after cyclic test up to 30 times. The newly developed dry adhesive can be used as an all-in-one type electrode system for obtaining electrocardiogram (ECG) signals from body and as an universal conductive adhesive on various substrates for operating LEDs.
최근 스마트 모바일 기기에 대한 대중들의 관심이 증가함에 따라 기존의 모바일 기기의 혁신성을 이어갈 수 있는 차세대 정보기기로 스킨 패치형 웨어러블 플랫폼이 주목받고 있다. 이러한 차세대 기기는 사용자 피부에 부작용 없이 장기간 사용가능한 탈부착 기술과 신체 활동에 의한 플랫폼의 변형에도 회로적 특성을 유지할 수 있는 신축성 전기전도 소재 기술 등의 세부 요소 기술들로 이루어져 있다. 특히, 차세대 웨어러블 플랫폼에 활용 가능한 탈부착 기술 중 하나로 건식 접착 기술의 대표격인 게코도마뱀 발바닥을 모사한 미세 섬모구조가 주목 받고 있다. 게코 발바닥 모사 기반의 미세 섬모는 고 종횡비 구조를 가지고 있어 rough 한 피부 표면에 효율적으로 탈부착 가능하며, 탈부착 메커니즘으로 van der Waals 힘을 이용하기 때문에 반 영구적인 접착 성능을 보이는 장점을 지니고 있다. 하지만 현재까지 개발된 게코 발바닥 모사형 건식 접착 기술은 주로 향상된 나노 제작기술을 바탕으로 고도화된 미세 섬모구조를 구현하는 연구에 집중되어 있었으며 제작된 건식 접착 패치의 기능성 (function)에 대한 연구는 거의 보고된 바가 없다. 이에 본 연구에서는 탄소 나노소재를 이용한 전도성 탄성중합체를 활용하여 새로운 개념의 자연모사형 전도성 건식 접착패치(gecko-inspired conductive dry adhesives)를 구현하는 기술을 개발하였다.
새로운 개념의 전도성 미세 섬모구조를 구현하기 위한 세부 기술 요소로는 고도화된 미세섬모 구현 기술과 전도성 탄성 중합체 제작 기술이 필요하다. 이를 위하여, 생체모방형 미세 섬모구조는 나노 섬모 패턴이 형성된 실리콘 몰드를 제작하고 이를 통하여 직접 고분자를 몰딩하는 replica molding 기술을 이용하였다. 또한 전도성 탄성 중합체는 전기적 특성을 향상시키기 위해 electrical percolation theory 를 이용하여 서로 다른 기하구조와 성질을 갖는 탄소 나노소재 (탄소나노튜브(1D), 그래핀(2D), 그라파이트(2D), 카본블랙(0D))를 최적화된 비율로 섞어 제작하였다.
한편, 접착 특성 및 전도도 특성에 직접적으로 영향을 주는 미세 섬모구조의 구조안정성을 확보하기 위해 이론적 계산과 정성적 방법 (SEM 이미지 관찰 등)등을 이용하였다.
제작된 전도성 건식 접착패치는 웨어러블 플랫폼으로서의 활용 가능성을 평가하기 위하여 접착 특성, 전기적 특성을 측정하였다. 건식 접착 패치는 수직방향의 접착력으로 피부 굴곡을 모사한 기판에서 약 $1.3 N/cm^{2}$ 의 접착성을 보였다. 또한 인체 조직에의 반복적인 탈부착 특성을 평가하기 위해 앞서 말한 피부 모사기판에 30 회 탈부착 테스트를 진행하였고 제작된 건식 접착패치가 주기적인 Cleaning 을 통해 반 영구적으로 접착 특성을 유지할 수 있음을 확인 하였다. 한편, 건식접착 패치 제작에 이용된 전도성 탄성중합체의 전기적 특성은 0.001~1 S/m 수준의 전도성 수치를 보였고 특히 탄소나노튜브(1D)-그래핀(2D)를 9:1 비율로 섞은 하이브리드 탄성 중합체에서 ~1 S/m 의 가장 높은 전도성 수치를 보였다. 이는 정성적인 SEM 이미지 관찰을 통해 그래핀이 탄소나노튜브의 전기적 네트워크를 향상시켜 줌을 증명하였다. 최적화된 전도성 건식 접착패치는 최종적으로 심전도 (Electrocardiograms, ECGs) 측정에 활용되었고 기존의 습식 심전극으로 측정 가능한 수준의 심전도 파형을 얻을 수 있었다.
이러한 결과들을 통하여 전도성 건식 접착 패치가 차세대 웨어러블 디바이스로서의 잠재력을 지니고 있음과 더 나아가 기존의 건식 접착패치의 응용처를 넓힐 수 있음을 확인하였다.
