1. 서론
가상과 현실 간의 데이터 변환이 강조되는 인공지능(Artificial intelligence, AI) 시대에서, 인공 감각 기술은 외부 자극을 감지하고 지능적으로 피드백하는 핵심 역할을 한다. 이 기술은 시각, 후각, 미각, 청각, 촉각의 다섯 가지 인간 감각을 모방하여 객관적인 감지 능력을 제공한다.[1–3] 인공 감각 시스템은 외부 자극을 체계적으로 감지하고 디지털화하는 지각 인터페이스로 구성되며, 첨단 감지 기술, 신호 전송, 지능형 알고리즘을 통합하여 생물학적 감각의 범위를 확장할 수 있다.[4–6] 이와 함께 나노소재 기술 및 인공지능 데이터 처리 등의 관련 연구가 지속되면서,[7,8] 디지털 헬스케어,[9] 스마트 로봇,[10] 스마트 농업과[11] 같은 분야에서 생체 감각 시스템과 환경을 연결하는 데 중요한 역할을 할 것으로 많은 기대를 받고 있다.
인공 감각 소자는 인간의 오감을 모사하기 위해 자극 변환,[12] 인공 신경 시스템을 통한 신호 전달,[4] 신호 전환,[13] 그리고 디지털 신호로 인식하는 과정을[10] 따른다. 이를 구현하기 위해 표면 구조와 밴드갭이 최적화된 저차원 나노 소재가 감지 소자에 결합되어 특정 자극에 대한 높은 감도와 선택성을 제공할 수 있다.[14,15] 0차원 (0-Dimensional, 0D), 1차원 (1-Dimensional, 1D), 2차원 (2-Dimensional, 2D) 나노소재는 사용자가 원하는 대로 조정 가능한 에너지 밴드갭, 넓은 활성 표면적, 우수한 감도를 갖추고 있어 외부 자극을 효과적으로 변환하는 데 널리 사용되며, 가로 크기, 입자 크기, 층 두께와 같은 구조적 특성에 따라 전자적 특성을 제어할 수 있어 감각 신호의 감지 범위를 확장할 수 있다.[16] 또한, 나노소재의 높은 표면 대 부피 비율은 전자/정공 이동 제한을 통한 감도와 반응 속도의 극대화는 실시간 환경 변화 감지에 특화되어 있다.[17] 그렇기에 특히나 즉각적이고 정밀한 감각 신호 변환이 요구되는 인공 감각 시스템 설계에 있어 나노소재는 그러한 요구를 충족할 수 있는 최적의 후보군이다.[18]
높은 감도와 빠른 반응 속도 외에도, 저차원 나노소재는 대면적 채널 제작에 강점을 지닌다. 기존 센서는 크기와 제작 방식의 한계로 인해 넓은 면적을 효율적으로 감지하기 어려운 반면, 인공 감각 시스템은 인간 감각 기관과 유사한 밀리미터(mm)∼센티미터(cm) 크기로 구현되어야 하므로, 대규모 제조 공정이 필수적이다.[19,20] 특히, 나노소재의 용액 기반 가공은 기존의 고체 기반 공정(예: 기계적 박리, 화학 기상 증착)보다 비용 효율적이며 확장성이 뛰어나고, 다양한 용매에서 안정적으로 분산될 수 있어 추후의 공정이 용이하다.[21,22] 이를 통해 균일한 나노소재 분포를 유지하면서도 대면적 센서 제작이 가능하며, 공정 단순화 및 비용 절감 효과를 제공할 수 있다.[23] 감각 소자 내에서 나노소재를 효과적으로 결합하기 위해, 증발 기반 결합(Evaporation-based assembly), 외부 매개 결합(Assisted assembly), 직접 패턴 형성(Direct patterning) 등의 결합 공정이 활용된다.[22,24] 감각 유형에 따라 최적화된 공정이 적용되며, 이를 통해 높은 감도, 선택성, 신뢰성을 갖춘 감지 채널을 구현할 수 있다. 특히, 최 근 연구에서는 저차원 나노소재를 코팅 /프린팅 공정을 활용하여 감각 소자에 통합하는 사례가 활발히 보고되고 있으며, 이러한 기술을 기반으로 한 인공 감각 시스템의 실용화가 점차 가속화되고 있다.[25,26]
본 리뷰에서는 저차원 나노소재를 이용한 고성능 인공 감각 소자 제작 기술에 대한 종합적인 연구 동향을 살펴본다. 나노소재 선택에서 센서 소자 제작에 이르는 전반적인 과정을 다루며 (Fig. 1), 인공 감각 소자의 핵심 구성 요소인 0차원 (Nanoparticle), 1차원 (Carbon nanotube, CNT), Nanowire), 2차원 (Transition metal dichalcogenide, Black phosphorous, BP) 나노소재의 합성과 분산 방법을 먼저 소개한다. 이후, 해당 나노소재를 감각 소자에 적용하기 위한 대표적인 코팅/프린팅 기술을 정리하고, 증발 기반 결합 – 드랍 캐스팅(Drop casting), 스핀 코팅 (Spin coating), 스프레이 코팅 (Spray coating), 딥 코팅(Dip coating), 외부 매개 결합 – 랭뮤어-블랏젯 (Langmuir–Blodgett (LB)), 랭뮤어-스케이퍼 (Langmuir–Schaefer, LS), 그리고 직접 패턴 형성 – 3D 프린팅 (3D printing), 잉크젯 프린팅(Inkjet printing)과 같은 최신 용액 결합 기술을 분석한다. 상기 기술을 활용하여 제작된 대표적 인공 감각 소자인 전자코 (Electronic (E)-nose) (후각), 전자혀 (E-tongue) (미각), 전자피부 (E-skin) (촉각)의 실제 성능 구현을 살펴보고, 마지막으로, 인공 감각 시스템의 환경 안정성, 소자 간 균일성 확보, AI 기반 머 신러 닝 소 프트 웨어 및 시스템과의 통합 등 남아 있는 주요 기술적 과제를 논의하며, 이를 해결하기 위한 연구의 방향성을 제시한다.
Fig. 1.
Schematic representation of solution-processed nanomaterials for artificial sense technology. Various nanomaterial dimensions, including 0-Dimensional (0D), 1-Dimensional (1D), and 2-Dimensional (2D), have been integrated into sensory devices mimicking the five human senses through evaporation-based methods, assisted assembly, and direct patterning.
2. 저차원 나노소재의 용액 기반 가공
저차원 나노소재를 인공 감각 소자에 결함 없고 접촉 저항 없이 결합하기 위해 용액 공정 기반 코팅 기술이 주를 이뤄 개발되어 왔다.[27,28] 이 공정은 전구체 기반 화학 합성과 같은 하향식 (Top-down) 방법과 액상 박리, 알칼리 금속 삽입 등의 상향식 (Bottom-up) 방법으로 구성된다.[29,30] 상향식 방법의 대표적인 예로 0차원 할라이드 페로브스카이트 (Halide perovskite)를 전구체에서 합성하는 방식이 있다. Protesescu 그룹은 액상 전구체 기반 합성을 이용해 CsPbX₃ (X = Cl, Br, I) 나노결정 (Nanocrystals, NCs)을 합성했다.[31] 이를 위해 기존의 금속 칼코겐화물 나노결정 합성 방식을 응용한 고온 주입법을 사용하였으며, 추가적인 Cs 전구체를 빠르게 주입하는 방식으로 단분산 나노결정 콜로이드 서스펜션을 형성했다 (Fig. 2(a)). 그 결과, 합성된 CsPbX₃ NCs은 할라이드 성분 비율에 따라 가시광선 영역에서 발광 파장을 조절할 수 있으며, 높은 색 순도를 갖는 광발광 방출 특성을 보였다. 또한, 투과 전자 현미경 (Transmission electron microscope, TEM) 이미지 분석 결과, 합성된 CsPbX₃ NCs은 크기 면에서 거의 단분산 상태임이 확인되었다 (Fig. 2(b)).[32] 또 다른 용액 가공 기반 방식으로 0차원 금속 나노입자를 액상에서 합성하는 방법이 있다.[33] 예를 들어, 금 나노입자(AuNPs)는 염화금산 수화물의 산성 환경에서 화학 반응을 통해 합성되고, 폴리아닐린, 리포산과 같은 안정제를 활용하여 해당 입자의 형태와 크기를 조절할 수 있다.[34]
Fig. 2.
Processable solutions of 0D, 1D, and 2D nanomaterials for artificial sensory sense technology. (a) Photograph of the quantum dot (QD) dispersions. Reproduced from Wu et al. Langmuir 2017;33:12689-12696, with permission of American Chemical Society.[32], (b) TEM image of a colloidal dispersion of CsPbBr3 NCs prepared by precursor-based solution-phase synthesis. Reproduced from Wu et al. Langmuir 2017;33:12689-12696, with permission of American Chemical Society.[32], (c) Transmission electron microscope (TEM) images of as-synthesized Silver nanowires (AgNW) by soft solution-processing. Reproduced from Sun et al. Nano Lett. 2002;2:2567-2578, with permission of American Chemical Society.[38], (d) TEM image of CsPbBr3 nanoplates prepared by self-assembly synthesis. Reproduced from Zhang et al. J. Am. Chem. Soc. 2016;138:13155-13158, with permission of American Chemical Society.[41]
1차원 및 2차원 나노구조의 용액 가공 합성은 0차원 나노구조에 비해 높은 구조적 이방성 때문에 더 어렵다. 따라서, 초음파 처리 (Ultrasonication), 전단 혼합 (Shear mixing), 볼 밀링 (Ball-milling)과 같은 기계적 힘을 가해 3차원 구조를 박리하는 하향식 접근법이 주로 활용된다.[35] 다양한 방법(예: 레이저 기화 (Laser vaporization), 고압 CO 변환 (High pressure CO conversion), 아크 방전(Arc discharge)으로 합성된 CNTs의 다발을 액상 박리하여 반도체형 (Semiconducting, S) 및 금속형 (Metallic, M) CNT의 안정적인 분산액을 제조할 수 있다.[36] 그러나, 이러한 CNTs는 소수성을 띠고 있어, 수용액 내에서 안정적으로 분산시키기 위해 다양한 양친매성 계면활성제의 적용이 필수적이고, 계면활성제의 소수성 부분이 CNT 표면을 감싸고, 친수성 부분이 수용액 내에서 안정화를 돕는 구조를 가지게 된다.[37] 상향식 접근법 또한 다양한 1차원 나노구조의 합성에 활용되며, 대표적으로 Silver nanowires (AgNW)는 주형 유도 합성 (Template-directed synthesis)을 통해 높은 수율, 제어 가능한 형상, 높은 종횡비로 제조할 수 있다. 구체적으로, PtNPs는 PtCl₂를 에틸렌 글라이콜(EG)에서 약 160° C로 환원하여 형성되며, 이는 용액 내에서 이종 핵 생성 (Heterogeneous nucleation)을 유도하여 Ag가 성장할 수 있는 씨앗 역할을 한다. 이후, AgNO₃과 폴리비닐피롤리돈 (PVP)을 환류 용액에 첨가하면, AgNO₃가 EG에 의해 환원되면서 종횡비 약 1000, 가로 크기 약 40 nm의 AgNWs가 형성된다 (Fig. 2(c)).[38]
유사한 방식으로, 2차원 나노소재도 용액 내에서 하향식 및 상향식 접근법을 통해 합성될 수 있다. 하향식 방법에서는 기계적 전단력 또는 전기화학적 전위를 가해 층간 반데르발스 상호작용(vander Waals interaction)을 극복함으로써 다양한 층상 결정을 2차원 나노시트 구조로 박리할 수 있다.[30] 먼저, 층상 결정은 초음파 처리, 전단 혼합, 볼 밀링과 같은 액상 박리 방법을 통해 용액 내에서 박리 및 안정화될 수 있다. 박리된 2차원 나노시트는 다양한 유기 용매에서 안정화될 수 있으며, 높은 비등점과 적절한 표면 장력을 가진 N-메틸피롤리돈 (NMP) 및 디메틸포름아마이드(DMF) 와 같은 용매가 선호된다. 그러나, NMP 및 DMF 내에서의 2차원 분산액은 고체 상태 응용에 제한적인데, 이는 용매를 완전히 증발시키는 과정에서 물질의 열화 가능성이 있기 때문이다. 이를 해결하기 위해, 낮은 비등점을 가진 용매 (예: 물 및 알코올)와의 혼합 용매 시스템을 활용하여 표면 장력을 조정하거나, 안정제를 활용한 수용액 기반 시스템이 보고되었다.[22] Kang 그룹은 BP, MoS₂, WS ₂, WSe₂, InSe 등의 다양한 2차원 반도체 소재가 탈산소화된 에탄올-물 혼합 용매에서 성공적으로 안정화될 수 있음을 확인했다.[39] 삽입 기반 박리(Intercalation-based exfoliation)는 반데르발스 결합을 약화시켜 2차원 나노시트를 대량 합성할 수 있는 또 다른 용액 가공 공정이다. 특히, 알칼리 금속 삽입 기반 박리는 Li, Na, K 등의 알칼리 이온을 층상 물질에 삽입하여 마이크로미터급 가로 크기를 가진 2차원 나노시트를 합성하는 방식으로 보고되었다.[40] 또한, 2차원 할라이드 페로브스카이트도 용액 내에서 합성될 수 있으며, Zhang 그룹은 층별 적층 (Layer-by-layer stacking) 공정을 활용하여 2차원 페로브스카이트 나노구조의 자기 조립 (Self-assembly)을 보고하였으며, 이는 원자 수준의 정밀도로 대면적 2차원 할라이드 페로브스카이트 초격자를 제작할 수 있는 간단한 접근법을 제시했다 (Fig. 2(d)).[41]
다양한 용액 기반 가공 기술은 나노소재의 차원 구조에 따른 뚜렷한 구조적 및 기능적 표면 특성을 유지하면서도 대량 생산이 가능하여, 이후 코팅/프린팅 공정을 통해 대면적 인공 감지 채널을 형성하고 다양한 감지 플랫폼에 적용할 수 있는 기반을 마련하였다.[42] 예를 들어, 양자 규모의 0차원 구조는 다수의 활성 엣지 사이트(Active edge sites)를 포함하고 있어 외부 자극에 대한 뛰어난 감도를 나타내며, 양자 구속 효과 (Quantum confinement effect) 및 엣지 효과(Edge effect)로 인해 높은 광발광 특성을 보인다. 이러한 특성은 바이오센싱 및 형광 기반 인공 감각 플랫폼에 활용될 수 있다.[43] 또한, 1차원 나노구조는 높은 전류 전송 능력 (Current carrying capacity)과 신축성을 가지며, 높은 표면 대 부피 비 및 길이 대 직경 비와 같은 구조적 장점을 지닌다. 이러한 특성은 인공 변형 감지 센서 또는 환경 센서로 활용하는 데 유리하다.[44] 뿐만 아니라, 2차원 나노구조는 원자층 수준의 얇은 두께를 가지며, 우수한 전하 이동도 (Charge carrier mobility), 높은 on/off 비율을 나타낸다. 이러한 특성 덕분에 광 감지, 가스 센싱과 같은 인공 감각 응용에서 높은 감도를 제공할 수 있다.[45]
3. 용액 가공된 나노소재와 인공 감각 소자의 결합 방식
원하는 기능을 가진 나노소재를 용액 기반 가공한 후, 다음 단계는 이를 인공 감각 시스템의 원하는 소자 구성 요소에 통합하는 것이다. 신뢰성이 높고 우수한 성능을 갖춘 응용을 위해, 가공된 나노소재를 소자의 특정 부위에 균일하고 안정적으로 코팅/프린팅하는 과정이 필수적이다. 이를 위해 다양한 용액 가공 나노소재의 코팅/프린팅 기술이 개발되었으며, 대표적인 방식으로는 (i) 용액을 증발시켜 특정 영역에 나노소재를 결합하는 증발 기반 결합 (ii) 소자 표면 구조를 활용하여 나노소재의 패터닝을 유도하는 외부 매개 결합, (iii) 노즐을 이용해 나노소재를 원하는 영역에 패턴을 직접 형성하는 직접 패턴 형성이 있으며, 이러한 기술들은 나노소재를 원하는 소자 부위에 정밀하게 배치하여 인공 감각 시스템의 성능을 최적화하는 데 중요한 역할을 한다 (Fig. 3).
Fig. 3.
Evaporation-based assembly, assisted assembly, and direct patterning method of solution-processed nanomaterials for sensory device integrations. (a) Drop casting process of AgNWs suspension on superhydrophilic surface. Reproduced from Fox et al. ACS Appl. Nano Mater. 2021;4:7628-7639, with permission of American Chemical Society.[46], (b) Spin coating process. TEM images of the spin coated single-walled carbon nanotube network of the pristine, the cleansed, and HNO3 and SOCl2 treated film. Reproduced from Jo et al. ACS Nano 2010;4:5382-5388, with permission of American Chemical Society.[51], (c) Schematics of forming a CNT-chlorosulfonic acid (CSA) film on a glass substrate by dip coating. Reproduced from Mirri et al. ACS Nano 2012;6:9737-9744, with permission of American Chemical Society.[54] (d) Formation process of CsPbI3 QD film on a glass substrate via spray coating.[56] John Wiley & Sons. 2019 WILEY-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim, (e) Schematics of LB technique process of transferring QR onto the ZnO sol-gel/ITO substrate.[58] John Wiley & Sons. 2021 Wiley-VCH GmbH, (f) Photograph of spreading MXene nanosheets on a silicon substrate by LS technique (left). Scanning electron microscope (SEM) image of MXene (right). Reproduced from Kim et al. ACS Appl. Mater. Interfaces 2020;12:42294-42301, with permission of American Chemical Society.[60], (g) Different lengths of printed AgNWs on a PET substrate by inkjet printing and SEM image of the edge. Reproduced from Finn et al. ACS Appl. Mater. Interfaces 2015;7:9254-9261, with permission of American Chemical Society.[66], (h) Schematics of the 3D printing of MSCs on hydrophilic substrate. Reproduced from Orangi et al. ACS Nano 2019;14:640-650, with permission of American Chemical Society.[72]
3.1. 용액 가공된 나노소재의 증발 기반 소자 결합
드롭 캐스팅은 가장 기본적인 코팅 방식으로, 콜로이드 나노소재를 포함한 큰 액적을 기판의 목표 영역에 떨어뜨린 후, 용매가 증발하면서 필름이 형성될 때까지 건조하는 과정이다. Fox 그룹은 AgNWs를 드롭 캐스팅 방식으로 코팅하였으며, 접촉 (Contact), 확산 (Spreading), 증발(Evaporation), 필름 형성 (Film formation) 단계를 통해 해당 소재가 기판에 균일하게 증착됨을 보고했다 (Fig. 3(a)).[46] 드롭 캐스팅은 0차원,[47] 1차원,[48] 2차원[49]을 포함한 모든 차원의 나노소재 필름을 제작하는 가장 기본적인 기술로 널리 사용된다. 그러나, 이 방법은 모세관 흐름에 의해 용매가 외부로 흐르며 발생하는 커피 링 효과 (Coffee ring effect)에 의해 나노소재가 기판 가장자리에 축적되는 비균일한 증착 패턴이 형성될 수 있다는 단점이 있다.[50] 스핀 코팅은 또 다른 증발 기반 코팅 기술로, 나노소재 분산액을 고속 회전하는 기판 위에 떨어뜨려 균일한 막을 형성하는 방식이다. 이 과정에서 원심력이 작용하여 용액이 퍼지면서 얇고 균일한 코팅이 형성된다. Jo 그룹은 CNT 네트워크를 스핀 코팅하여 높은 밀도의 전도성 필름을 형성하였으며, 이후 세척 공정과 후처리를 통해 필름의 전기적 특성을 향상시켰다 (Fig. 3(b)).[51] 스핀 코팅은 몇 초에서 몇 분 내에 넓은 면적을 균일하게 코팅할 수 있는 장점이 있지만, 공정 중 상당한 양의 나노소재 용액이 손실되는 단점이 있다.[52] 또한, 비평면 기판에서는 균일한 코팅이 어렵다는 한계가 있다. 반면, 딥 코팅은 목표 기판을 콜로이드 분산액에 담근 후 천천히 인출하는 방식으로, 이 과정에서 기판이 액체에서 인출되면서 용매가 증발하고, 이후 건조 및 후처리 반응을 통해 필름이 고정된다.[53] Mirri 그룹은 CNT-chlorosulfonic acid 용액에 유리 기판을 침지 후 일정한 속도로 인출하여 투명한 필름을 제작하였으며 (Fig. 3(c)), 결과적으로 코팅 방향을 따라 잘 정렬된 CNT 다발이 형성되었고, 필름은 등방성 전도성을 나타냈다.[54] 스프레이 코팅은 상대적으로 넓은 면적(최대 미터 단위)까지 나노소재 필름을 제작할 수 있는 방식으로, 미세한 콜로이드 입자 액적을 목표 기판에 분사하여 코팅하는 공정이다.[55] 분사된 입자는 기판의 온도와 용매의 증발 속도에 따라 서로 응집하여 필름을 형성한다. Yuan 그룹은 무기 페로브스카이트 CsPbI₃ quantum dots을 스프레이 코팅하여 초박형 필름 정제 (Ultrathin-film purification) 기술을 적용한 자동화 공정을 보고하였다 (Fig. 3(d)).[56]
3.2. 용액 가공된 나노소재의 외부 매개 소자 결합
외부 매개 결합 방식은 입자의 크기와 극성과 같은 물질적 특성을 활용하며, 이를 기판의 물리적 특성과 결합하여 조립을 유도하는 방식이다.[57] 대표적인 외부 매개 결합 방식으로 LB 코팅과 LS 코팅이 있다. LB 방법에서는 나노소재를 휘발성 유기 용매에 분산시킨 후, 이를 수용액 상에 도포하여 단층을 형성한다. 이후, 이중 기계 장벽을 이용하여 표면적을 점진적으로 줄여 나노소재를 고밀도로 압축하여 균일한 단층을 만든다. Rhee 그룹은 LB 방법을 활용하여 양자 나노로드 (Quantum nanorods) 필름을 제작하였고 기판의 위치를 조정하여 연속적인 단층 적층을 수행함으로써 다층 필름을 제작하였다 (Fig. 3(e)).[58] 이와 달리, LS 방법은 기판을 수면에서 수평으로 이동시키는 방식에 기반한다. 이 과정에서는 기판을 수면 위에서 직접 찍어내거나, 수면에 잠긴 상태에서 천천히 인출하여 나노소재의 친수성 및 소수성 특성을 고려한 단층을 형성한다. LS 방법은 특정 필름 유형에서 보다 정밀한 단층 형성 및 균일한 적층 구조 형성이 가능하다는 장점을 가진다. 특히, 표면 특성이 복잡하거나 민감한 나노소재를 다룰 때 더욱 유리하다.[59] Kim 그룹은 LS 방법을 활용하여 대면적 MXene 단층 필름을 제작하였으며, 표면 압력(π) 이 40 mNㆍ m⁻¹에 도달했을 때 MXene 판이 완전히 덮이며 거의 빈 공간이 없는 조밀한 필름을 형성하는 것이 확인되었다 (Fig. 3(f)).[60] 정리하자면, LB 기술은 용액 기반 나노소재로부터 균일한 단층 형성을 가능하게 하며, LS 기술은 이를 확장하여 다층 필름 제작이 가능하도록 한다.[61] 그러나, 두 방법 모두 수용액 하위층에서 나노소재 분산을 안정적으로 유지해야 하며, 민감한 공정 조건을 정밀하게 조절해야 하기 때문에 대규모 제조에 한계가 있다.[62]
3.3. 용액 가공된 나노소재의 소자 상 직접 패턴 형성
증발 기반 및 외부 매개 결합 방식은 넓은 평면 기판 위에 균일한 얇은 나노소재 필름을 형성할 수 있지만, 사전 설계된 센서 소자 영역에 마이크로미터 수준의 정밀한 패터닝을 구현하는 것 또한 중요하다. 이를 위해 콜로이드 나노소재를 기반으로 한 잉크를 개발하고, 이를 3D 프린터를 이용하여 원하는 표면에 직접 패턴을 형성하는 기술에 대한 관심이 증가하고 있다.[63,64] 잉크젯 프린팅과 3D 프린팅 기술은 나노소재를 활용하여 다양한 구조를 유연하게 제작할 수 있다는 점에서 점점 더 주목받고 있다. 잉크젯 프린팅은 일반적으로 100 피코리터(pL) 이하의 극소량의 용액을 사용하여 나노소재를 정밀하게 도포할 수 있다.[65] Finn 그룹은 잉크젯 프린팅을 활용하여 길이 및 폭을 제어할 수 있는 AgNW 패턴 구조를 제작하였으며, 80회 프린팅을 통해 고밀도 네트워크를 형성할 수 있음을 보고했다 (Fig. 3(g)).[66]. 최근 연구에서는 고농도 잉크젯 프린팅에 대한 연구가 활발히 진행되고 있으며, 안정적인 나노소재 프린팅 메커니즘을 위해 점도를 1∼100 cP 범위에서 조절하는 방법이 개발되고 있다.[67] 또한, 더 높은 점도의 잉크 및 나노소재 잉크 라이브러리를 확장하는 연구도 병행되고 있다.[68] 잉크젯 프린팅이 2차원 평면 필름 제작에 초점을 맞추고 있는 반면, 3D 프린팅은 z축을 포함한 3D 구조 형성이 가능하다는 장점이 있다.[69] 이를 통해, 나노소재를 생물학적 및 기계적 시스템뿐만 아니라,[70] 광전자 소자 패터닝에도 정밀하게 배치할 수 있다.[71] Orangi 그룹은 압출 방식(Extrusion-based) 3D 프린팅을 이용하여 첨가제 없이 물 기반의 MXene 잉크를 사용한 전고체 마이크로 슈퍼커패시터 (Micro-supercapacitors)를 제작하였다. MXene 잉크는 내부 직경 230∼600 μ m의 노즐이 장착된 주사기로 압출되었으며, MXene 잉크의 유변학적 특성 덕분에 압출된 층이 구조적으로 견고하게 유지되어 수 밀리미터 높이의 전극을 적층할 수 있었다 (Fig. 3 (h)). 또한, 프린팅된 잉크는 수평 방향으로 균일하게 정렬되었으며, 사전 설계된 패턴대로 형성됨이 확인되었다.[72] 나노소재 분산액의 3D 프린팅에서는 목적에 맞는 적절한 나노소재를 신중하게 선택하는 것이 필수적이며, 나노소재의 종류에 따라 최적화된 프린팅 기술을 결정하는 과정이 필요하다.[73,74]
4. 용액 가공된 나노소재를 활용한 인공 감각 소자의 설계 방법 및 구현 성능
4.1. 용액 가공된 나노소재를 활용한 인공 후각 소자
인간의 후각 시스템에서 냄새 분자는 상부 비강 상피 내 후각 감각 뉴런의 특정 후각 수용체와 상호작용하여 신호 전달을 활성화하고, 이를 뇌의 후각 중추로 전달한다. 전자 코(E-nose) 개념은 이러한 생물학적 메커니즘을 모방하여 개발되었다. E-nose는 다중 센서 배열과 전기 변환기를 기반으로 데이터를 수집하며, 빅데이터 분석을 결합하여 정밀한 냄새 식별이 가능하도록 설계되었다.[75] Chen 그룹은 드롭 캐스팅 방법을 활용하여 여덟 개의 인접 전극(IDEs)이 패터닝된 유연한 산화 그래핀 (Graphene Oxide, GO) 가스 센서 배열을 제작하였다 (Fig. 4(a)). 이후, 아세톤, 이소프렌, 암모니아, 황화수소 등 질병 관련 가스 네 종류에 대한 센서 반응을 분석하였다. 각 IDE에서 측정된 전류는 상대적 반응으로 변환된 후, 주성분 분석 (Principal Component Analysis)을 이용하여 개별 가스를 식별하였다. 제작된 센서 배열은 50 ppm 농도의 시험 가스에 대한 높은 감도를 나타냈다 (Fig. 4(b)). 마지막으로, 건강한 대조군과 폐암 환자 그룹을 대상으로 한 임상 호기 분석을 수행하였으며, 인공 신경망(Artificial Neural Network, ANN)을 활용하여 테스트한 결과, 민감도 95.8%, 특이도 96.0%를 나타냈다. 또한, 전체 데이터의 50%를 학습 데이터로 무작위 할당한 후 수신자 조작 특성 (Receiver operating characteristics) 곡선 분석을 진행한 결과, 곡선 아래 면적(Area uner curve)값이 0.996으로 도출되어 높은 분류 성능을 확인하였다 (Fig. 4(c)).[76] 이 외에도 E-nose 기술은 다양한 나노소재를 통합한 다중 배열 가스 센서로 발전하고 있다.[77] 이러한 기술은 대기 중 화학물질 모니터링, 유독 및 폭발성 가스 감지 등 환경 분석 분야에서 활용될 가능성이 높으며, 더 나아가 임상 의료에서 호기 분석을 통한 질병 조기 진단 기술로도 기여할 수 있을 것으로 기대된다.[78–80]
Fig. 4.
(a) Schematics of E-nose by metal-ion-induced assembly of GO, (b) Responses of GO multi-arrays to VOCs, (c) Artificial Neural Network (ANN) estimation of clinical EB analysis and ROC curve analysis for the ANN model using the E-nose system. Reproduced from Chen et al. ACS Appl. Mater. Interfaces 2020;12:17713-17724, with permission of American Chemical Society.[76]
4.2. 용액 가공된 나노소재를 활용한 인공 미각 소자
생체 모방 미각 센서는 음식 분자가 미각 수용체 세포와 물리화학적 상호작용을 하는 생물학적 과정을 기반으로 개발되었으며, 이러한 기술은 전자 혀(E-tongue)로 발전하여 유체 센서로 활용되고 있다.[81] 현재의 E-tongue 설계는 세포 기반 구조를 포함하며, 특정 미각 수용체를 갖는 생물학적 세포주를 전극에 부착하여 생화학 반응을 모방함으로써 감도와 선택성을 향상시키고 있다.[82] 또한, 비생물학적 수용체 물질과의 결합을 통해서도 E-tongue의 성능을 더욱 향상시킬 수 있다. Jung 그룹은 미뢰를 모방한 E-tongue을 개발하였으며, 다양한 나노소재 및 결합 방법을 활용하여 단일 식이 화합물 내 네 가지 미각 - 짠맛, 신맛, 떫은맛, 단맛을 감지할 수 있도록 제작하였다 (Fig. 5(a)). 이 과정에서, 폴리메틸메타크릴레이트 (PMMA)를 Si 웨이퍼에 스핀 코팅한 뒤, Ti/SiO₂ 층을 드롭 캐스팅하여 전극을 개질하였다 (Fig. 5(b)). 이후, 각 미각을 감지하도록 설계된 네 가지 지질막을 해당 작동 전극 (Working electrodes)에 드롭 캐스팅하여 적용하였다. 분석 성능을 평가하기 위해, 짠맛, 신맛, 떫은맛, 단맛 분자의 다양한 농도에 대한 개회로 전위 (Open-circuit potential)를 측정하였다. 센서-미각 상호작용의 교정 곡선 (Calibration curves)은 해당 미각 용액의 농도와 로그 비례 관계를 나타냈으며 (Fig. 5(c)), 개별 미각 자극에 대한 높은 선택성을 보였다 (Fig. 5(d)). 이를 통해, 각 지질막이 특정 미각을 효과적으로 구별할 수 있음을 확인하였다.[83] E-tongue은 미각 시스템을 기반으로 유체 내 물질을 감지하는 데 특화되어 있어, 특히 식품 품질 관리에서 널리 활용되고 있으며, 바이오제약 분야에서도 구강 투여 의약품의 평가 및 품질 관리를 위한 도구로 발전하고 있다.[84]
Fig. 5.
(a) Operating mechanism and (b) device configuration of E-tongue, (c) Open-circuit voltage responses of the E-tongue to four tastes, (d) Selectivity of E-tongue for corresponding taste. Reproduced from Kim et al. ACS Appl. Mater. Interfaces 2023;15:46041-46053 with permission of American Chemical Society.[83]
4.3. 용액 가공된 나노소재를 활용한 인공 촉각 소자
촉각은 온도 수용체가 온도를 감지하고, 통각 수용체가 통증을 감지하며, 기계 수용체가 압력 및 촉각 자극을 감지하는 방식으로 이루어진다.[85] 이러한 원리를 바탕으로, 인공 전자 피부(E-skin)는 인간 피부를 모방하여 본질적으로 유연하고 신축성을 갖춘 구조로 발전하고 있으며, 온도와 압력을 동시에 감지할 수 있는 방향으로 연구가 진행되고 있다.[86] Xu 그룹은 AgNWs를 색 변화가 가능한 실리콘 고무 기판에 스프레이 코팅하여 신축성이 있는 다중 모드 E-skin을 설계하였다 (Fig. 6(a)). 이 소자는 신축성을 유지하면서도 압력, 변형, 온도, 전압을 정밀하게 감지할 수 있는 네 가지 감지 모드를 제공하며, 동시에 시각적 반응을 통해 갈색에서 녹색, 최종적으로 밝은 노란색으로 색상이 변화하는 특징을 가진다. 또한, 인간 표피의 표면을 모방하기 위해 연마지를 템플릿으로 사용하였다. 주사전자현미경 (Scanning electron microscope) 이미지 분석 결과, 연마지를 이용해 제작된 마이크로 패턴 실리콘 고무 기판의 구조와 열변색 분자 및 AgNWs가 표면에 균일하게 코팅된 것이 확인되었다 (Fig. 6(b)). 제작된 센서에 다양한 압력을 가한 후 전류-전압(I-V) 곡선을 측정한 결과, 곡선의 기울기가 가해진 압력에 비례하여 변화하는 것이 확인되었다 (Fig. 6(c)). 또한, 반복적인 하중 가압/제거 실험에서도 높은 정밀도를 유지하였다 (Fig. 6(d)). 변형 센서의 성능 평가에서도 히스테리시스 곡선 (Hysteresis curves) (Fig. 6(d))을 통한 전기적 저항 변화 분석을 통해 우수한 가역성을 확인하였다 (Fig. 7(e)). 특히, 압축 변형 센서는 60%, 80%, 90%의 다양한 압축 변형에서도 안정적이고 뚜렷한 응답을 나타내며, 뛰어난 반복성을 보였다 (Fig. 6(f)).[87] 이 외에도, 증발 기반 결합을 활용한 스탬핑 (Stamping) 기술로 반도체 나노와이어를 병렬 인쇄 (Parallel printing) 하는 방식이나, 은 나노잉크를 패터닝하는 기술 등 다양한 접근법을 통해 E-skin 은 소재 개발과 소자 통합 측면에서 큰 발전을 이루었다.[88,89] 이러한 기술은 소프트 로보틱스 (Soft robotics) 및 사물인터넷(IoT) 장치 등 다양한 분야에서 활용될 가능성이 점점 커지고 있다.[90]
Fig. 6.
(a) Schematics of structure and sensing modes of E-skin, (b) SEM images of E-skin surface at various stages of fabrication, (c) The I– V curves of the pressure sensor, (d) Pressure sensing during loading/unloading cycles under different applied pressures, (e) Hysteresis curves of the strain sensor, (f) Strain sensing during repeated stretching and releasing cycles under varying degrees of applied strain. Reproduced from Kim et al. ACS Appl. Mater. Interfaces 2021;13:30205-30212, with permission of American Chemical Society.[87]
5. 결론
본 리뷰에서는 다차원 나노소재의 용액 가공 기술이 인간의 감각을 모방하는 인공 감각 시스템에서 성공적으로 적용되고 있음을 소개하였다. 소재 합성 및 분산에서부터 프린팅 및 결합 과정까지의 핵심 공정 기술을 종합적으로 검토하였으며, 각 과정에서 중요한 요소들을 분석하였고, 이를 통해 인공 감각 시스템에서 높은 감도와 대면적 소자와의 통합이 필수적인 만큼, 나노소재는 적합한 용액 가공 및 프린팅 기술과 결합되어야 함을 알 수 있었다. 그러나, 실제 환경에서의 인공 감각 시스템 응용을 위해서는 여전히 해결해야 할 기술적 과제가 남아 있다. 첫째, 나노소재의 환경 안정성(Ambient stability)을 보장하기 위한 연구가 필요하다. 박리 및 분산 과정에서 나노소재는 표면 결함과 기능성 작용기를 노출할 가능성이 있고 해당 소재가 실제 소자에 적용되면 수분과 산소에 직접적으로 노출되면서 성능 변화가 발생할 수 있다.[91] 따라서, 인공 감각 소자는 실제 환경에서 마주하는 동적인 습도, 산소, 온도 변화에 대해 안정적인 특성을 유지할 수 있어야 한다.[92] 둘째, 목표하는 나노소자의 특성에 맞는 나노소재를 선택하고, 이에 적합한 결합 방식을 적용하며, 결합 과정 전반에서 균일성과 재현성을 확보하기 위한 세부적인 공정 조정이 필요하다. 외부 매개 결합 및 직접 패턴 형성 방식과 같은 자동화된 기계 시스템을 활용하는 방식은 소자 간 편차가 상대적으로 적은 반면, 증발 기반 결합은 증발 조건의 차이로 인해 환경에 따라 성능 일관성을 확보하는 데 어려움이 존재한다.[93] 따라서, 증발 및 코팅 공정의 세부적인 최적화가 이루어져야 각 인공 감각 소자가 일관된 성능을 유지할 수 있다. 셋째, AI 기반 기계학습 소프트웨어와의 통합이 필수적이다.[25,26] 인간 감각이 처리하는 미세한 자극을 정확하게 입력하기 위해서는 신호와 노이즈 간의 정밀한 구별이 필요하며, 이상 감지 및 다변량 데이터의 분류 등의 기능이 필수적이다.[94,95] 따라서, 소재 및 소자 개발뿐만 아니라, 이를 보완하는 고성능 소프트웨어의 개발이 병행되어야 한다.[96,97] 마지막으로, 인공 감각-소재-소자 시스템 통합 기술이 중요하다. 단순히 소재와 소자의 프린팅 및 결합 과정만이 아니라, 데이터 수집 및 사용자 모니터링 시스템 또한 정밀하게 통합되어야 한다. 특정 감각 기능에 맞춘 시스템의 크기, 형태, 기계적 변형 등에 대한 설계 원칙이 최적화될 필요가 있다. 용액 가공 저차원 나노소재는 이미 고성능 인공 감각 시스템을 구현하는 데 많은 성공을 거두었다. 상기 세 가지의 기술적 과제를 해결한다면, 인류의 감각 정보를 가상 세계로 전송하는 디지털 혁신의 시대를 열 수 있을 것으로 기대한다.
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