장시간 부착해도 편한 전자피부 소자 탄생
장시간 부착해도 편한 전자피부 소자 탄생
  • 함예솔
  • 승인 2022.08.09 23:55
  • 조회수 929
  • 댓글 0
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DGIST 화학물리학과 이성원 교수 연구팀은 전자피부의 소자로 활용할 수 있는 매우 얇은 두께와 우수한 통기성을 갖는 나노메쉬(그물망) 구조의 유기물 전계효과 트랜지스터(Organic Field-Effect Transistor, OFET)를 세계 최초로 개발했습니다.

나노메쉬 구조의 OFET는 다양한 센서들과의 통합으로 피부 위에서 직접 생리학적 데이터를 추출하고 정보처리를 최적화할 수 있을 것으로 기대됩니다.

참고로 전자피부란 피부에 부착하는 전자기기입니다. 체온, 심박수, 근전도, 혈압 등 신호를 측정하고, 이러한 데이터를 전달하는 역할을 하니다. 

최근 웨어러블 기기를 응용한 스마트 헬스 케어 시스템에 대한 관심이 더욱 높아지면서 관련 기술의 개발이 활성화 되고 있습니다. 헬스 케어 시스템을 통한 생체신호를 실시간으로 정확하게 측정하기 위해서는 대부분의 조직 표면이 부드럽고 끊임없이 움직이기 때문에 유연한 센서(soft sensor)가 필요합니다. 이로 인해 생체표면에 직접 접촉하는 전자장치들은 플라스틱 및 고무와 같은 기판에 제조됐습니다.
 
하지만 액체 및 기체 투과성이 낮은 평면 기판 구조의 센서를 피부 표면에 장기간 부착하게 되면 예기치 못한 질병을 초래할 수 있습니다. 아토피나 신진대사 장애 등이 대표적입니다. 

그러므로 생체 표면에 직접 접촉하는 전자장치들은 장기간 역할을 수행하기 위해서 통기성이 확보돼야 합니다. 우수한 통기성을 갖춘 고분자 나노섬유 기반 나노메쉬 구조의 디바이스에 대한 연구가 주목받는 이유입니다.

 

DGIST 이성원 교수팀은 초박막 형태의 나노메쉬 구조 OFET를 제작해 착용자가 불편함을 거의 느끼지 않으면서 다양한 센서와 결합할 수 있는 소자를 개발했습니다. 특히 이번에 개발된 OFET 소자는 접히거나 곡선의 표면에서도 일정한 성능을 나타냈습니다. 1,000번 이상의 변형 및 높은 습도와 같은 가혹한 환경에서도 성능 저하가 거의 없이 안정적인 스위치 특성을 보여준 겁니다.

 

촉각센서와 통합된 액티브 메트릭스.
촉각센서와 통합된 액티브 메트릭스.

 

기존 나노메쉬 구조의 트랜지스터를 구현하기 어려웠던 이유는 표면이 거칠고, 나노섬유의 특성상 기계적 견고성과 열 및 화학적 안정성이 부족했기 때문입니다. 이성원 교수팀은 생체적합성 코팅으로 적합한 Parylene C라는 물질을 활용하여 이 문제를 동시에 해결할 수 있었습니다. 

염화 폴리(파라-실릴렌) 폴리머인 파릴렌 C는 생체 적합성, 내식성 코팅, 포장재 및 광학적으로 투명한 물질로 널리 사용되고 있습니다. 주로 전자 장치, 운송, 방위 및 항공 우주 산업 전반에 걸쳐 다양한 응용 분야에 활용됩니다.

기존에 사용하던 진공증착법 금속 또는 비금속 물질을 진공 속에서 가열하여 그 증기를 물체 표면에 박막 형태로 응착시키는 일 또는 화학적 방법에 따라 피막을 형성시켜 부착하는 공정을 사용함으로써 합성 또는 고온 공정 보다 간단하게 공정할 수 있게 됐습니다.

DGIST 화학물리학과 이성원 교수는 "나노메쉬 구조의 유기물 전계효과 트랜지스터의 개발을 처음으로 성공하였고, 나아가 센서가 부착된 active matrix 통합형 촉각센서도 성공적으로 시연했다"며, "복잡한 회로 구현을 위해 트랜지스터의 개발은 필수적이었는데, 이제 나노메쉬 구조로만 이루어진 전자피부 장치를 활용하여 장기간 생체신호를 실시간으로 측정하고 처리할 수 있을 것"이라고 말했습니다.

한편, 이번 연구는 Nanoscience & Nanotechnology 분야 저명 국제학술지 'Advanced Functional Materials'에 게재됐습니다.


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