기계공학부 홍지우 교수, 아모레퍼시픽과 통기성·열전도성 갖춘 복합막 개발

미세 기공으로 통기성 확보하면서 열전도 성능 유지…피부 밀착형 웨어러블 소재 활용 가능성 제시

hBN·PDMS 결합해 단일 공정으로 제작…피부 적용 평가 통해 기능성 확인

<(왼쪽부터) 아모레퍼시픽 R&I 센터 이정유 수석연구원(제1저자·공동교신저자), 기계공학부 이슬기 박사후연구원(공저자), 아모레퍼시픽 R&I 센터 뷰티테크 LAB 남진 팀장(공저자),  기계공학부 홍지우 교수(공동교신저자)>

기계공학부 홍지우 교수와 아모레퍼시픽 공동연구팀이 통기성과 열전도 성능을 함께 갖춘 피부 밀착형 다공성 복합막을 개발했다. 연구 결과는 10월 12일 복합소재 분야 최상위권 국제학술지인 ‘Advanced Composites and Hybrid Materials’에 온라인 게재됐다. 해당 학술지는 영향력지수(Impact Factor) 15.5로, ‘재료과학–복합소재(MATERIALS SCIENCE, COMPOSITES)’ 분야 35개 학술지 중 2위, 상위 4.3%에 해당한다.

논문 제목은 ‘One-step fabrication of a porous hBN/PDMS composite membrane for breathable and thermally dissipative skin-interface applications’이다. 미세한 기공으로 수분 배출 통로를 확보하면서도 열을 효과적으로 전달하도록 소재 내부 구조를 설계한 것이 특징이다.

피부에 직접 닿는 웨어러블 소재는 열과 습기가 쌓이는 것을 줄이면서 피부 움직임에도 유연하게 대응해야 한다. 그러나 통기성을 높이기 위해 소재 내부에 기공을 만들면 열을 잘 전달하지 못하는 공기층이 늘어나 열전도 성능이 낮아지기 쉽다. 이 때문에 두 기능을 동시에 확보하는 데 어려움이 있었다.

공동연구팀은 열전도성 입자인 육방정 질화붕소(hBN)와 유연한 실리콘계 고분자(PDMS)를 결합해 이 문제를 해결했다. 혼합물에 첨가한 휘발성 물질이 소재가 굳는 동안 빠져나가도록 해 미세 기공을 형성했다. 별도의 세척이나 추출 없이 단일 공정으로 제작할 수 있으며, 경화 조건과 휘발성 물질의 함량을 조절해 기공 구조를 제어할 수 있다.

<통기성과 열전달 기능을 함께 갖춘 피부 밀착형 다공성 복합막 개념도. 미세 기공은 수분 배출 통로를 제공하고, 기공 벽에 분포한 육방정 질화붕소(hBN) 입자는 열전달 경로를 형성한다. >

연구팀은 실험과 전산유체역학(CFD) 시뮬레이션을 통해 복합막의 열전달 특성을 분석했다. 시뮬레이션에서 확인한 피부와 복합막 사이의 열전달 양상은 실험에서 관찰된 열 축적 감소와 일치했다. 피부 적용 평가에서도 피부 수분 상태가 안정적으로 유지됐으며, 피부 변형에 유연하게 대응하는 기계적 특성이 확인됐다.

이번 연구는 본교와 아모레퍼시픽의 산학협력을 통해 소재의 기본 물성뿐 아니라 실제 피부 접촉 환경에서 요구되는 기능을 함께 평가했다는 점에서 의미가 있다. 간소화된 제조 공정과 피부 적용 평가 결과를 함께 제시해 피부 밀착형 웨어러블 소재로의 적용 가능성을 제시했다.

아모레퍼시픽은 이번에 개발한 소재를 화장품의 사용감을 객관적으로 측정하는 디지털 센서리 연구에 활용할 계획이다. 사람의 피부에 직접 제품을 바르지 않고도 사용감을 정밀하게 평가하기 위해서는 제품이 닿는 측정면에 피부의 열·수분 이동과 움직임 등 주요 물리적 특성을 구현하는 것이 중요하다. 아모레퍼시픽은 향후 이번 복합막에 화장품을 직접 도포해 피부와 제형 사이에서 나타나는 현상을 정량화하고, 실제 소비자가 느끼는 사용감과의 연관성을 검증함으로써 디지털 사용감 평가 기술을 고도화할 계획이다.

공동교신저자인 홍지우 교수는 “이번 연구는 통기성과 열전도 성능의 상충관계를 소재 내부 구조 설계로 극복한 성과”라며 “아모레퍼시픽과의 협력을 통해 학문적 발견을 실제 피부 적용에 필요한 요구와 연결할 수 있었다”고 말했다. 이어 “앞으로도 소재의 작동 원리 연구와 응용 검증을 병행해 피부에 편안하면서도 기능적으로 우수한 소재의 활용 가능성을 넓혀가겠다”고 밝혔다.

이번 연구는 아모레퍼시픽 자문과제, 한국연구재단의 바이오·의료기술개발사업과 G-LAMP 사업, 산업통상자원부의 디지털 전환 기반 의약품 지능형공정혁신 기술개발사업의 지원을 받아 수행됐다.

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