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DGIST, 장시간 부착해도 편하게 사용할 수 있는 전자피부소자 세계 최초 개발

화학물리학과 이성원 교수 연구팀, 장기간 생체신호 실시간으로 측정하고 처리
전자피부 디바이스의 통합 시스템 구축에 한걸음

입력 2022-08-04 16:26 | 수정 2022-08-08 00:18

▲ (왼쪽에서 오른쪽으로) DGIST 화학물리학과 이성원 교수, 최혁주 박사과정생.ⓒDGIST

DGIST(총장 국양) 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 세계최초로 개발에 성공했다고 4일 밝혔다.

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

전자피부란 피부에 부착하는 전자기기로 체온, 심박수, 근전도, 혈압 등 신호를 측정하고, 이러한 데이터를 전달하는 역할을 한다. 최근 웨어러블 기기를 응용한 스마트 헬스 케어 시스템에 대한 관심이 더욱 높아지면서 관련 기술의 개발이 활성화되고 있다.

헬스 케어 시스템을 통한 생체신호를 실시간으로 정확하게 측정하기 위해서는 대부분의 조직 표면이 부드럽고 끊임없이 움직이기 때문에 유연한 센서(soft sensor)가 요구되는데, 그로 인해 생체표면에 직접 접촉하는 전자장치들은 플라스틱 및 고무와 같은 기판에 제조돼 왔다.
 
하지만, 액체 및 기체 투과성이 낮은 평면 기판 구조의 센서를 피부 표면에 장기간 부착하게 되면 예기치 못한 질병(아토피, 신진대사 장애 등)을 초래할 수 있다.

그러므로 생체 표면에 직접 접촉하는 전자장치들은 장기간 역할을 수행하기 위해서 통기성이 확보되어야 하는데 우수한 통기성을 갖는 고분자 나노섬유 기반 나노메쉬 구조의 디바이스에 대한 연구가 많은 주목을 받고 있다.

이에 DGIST 이성원 교수팀은 초박막 형태의 나노메쉬 구조 OFET를 제작하여 착용자가 불편함을 거의 느끼지 않으면서 다양한 센서와 결합할 수 있는 소자를 개발했다.

특히 개발한 OFET 소자는 접히거나 곡선의 표면에서도 일정한 성능을 보이며, 1,000번 이상의 변형 및 높은 습도와 같은 가혹한 환경에서도 성능 저하가 거의 없이 안정적인 스위치 특성을 보여줬다.

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

기존에 사용하던 진공증착법을 사용함으로써 합성 또는 고온 공정 보다 간단하게 공정할 수 있도록 했다.

DGIST 화학물리학과 이성원 교수는 “나노메쉬 구조의 유기물 전계효과 트랜지스터의 개발을 처음으로 성공했고, 나아가 센서가 부착된 active matrix 통합형 촉각센서도 성공적으로 시연했다”고 말했다.

이어 “복잡한 회로 구현을 위해 트랜지스터의 개발은 필수적이었는데, 이제 나노메쉬 구조로만 이뤄진 전자피부 장치를 활용하여 장기간 생체신호를 실시간으로 측정하고 처리할 수 있을 것”이라고 전했다.

한편, 이번 연구는 Nanoscience & Nanotechnology 분야에서 저명한 국제학술지 ‘Advanced Functional Materials’에 게재됐다.

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