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Research

장시간 부착해도 편하게 사용할 수 있는 그물망 구조의 전자피부 소자 세계 최초 개발

  • 조회. 68
  • 등록일. 2022.08.04
  • 작성자. 대외협력팀

- DGIST 이성원 교수팀, 그물망(나노메쉬) 구조의 전자피부 소자(유기물 전계효과 트랜지스터) 세계최초로 개발성공

- (나노메쉬) 구조로만 이루어진 전자피부 장치로 장기간 생체신호를 실시간으로 측정하고 처리하는 등 전자피부 디바이스의 통합 시스템 구축에 한걸음

 

 

 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 성공했다. 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 활성화 되고 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 제조되어왔다.

 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 한다. 따라서 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 개발하였다. 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 보여주었다.

 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 C 라는 물질을 활용하여 이 문제를 동시에 해결할 수 있었다. 또한, 기존에 사용하던 진공증착법을 사용함으로써 합성 또는 고온 공정 보다 간단하게 공정할 수 있도록 하였다.

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

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

 

 

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연구결과개요

An All-nanofiber-based Substrate-less, Extremely Conformal, and Breathable Organic Field Effect Transistor for Biomedical Applications

 

Gihyeok Gwon, Hyeokjoo Choi, Jihoon Bae, Nora Asyikin Binti Zulkifli, Wooseong Jeong, Seungsun Yoo, Dong Choon Hyun, and Sungwon Lee

(Advanced Functional Materials, on-line published on 06.26, 2022)

 

나노메쉬 기반 전자 장치는 복잡한 표면에서도 등각 접촉을 할 수 있으며, 우수한 유연성 및 땀 투과성으로 인해 상당한 관심을 끌고 있다. 그러나 나노 메쉬 구조에 복잡한 전자 장치를 구축하는 것은 평평한 기판에서보다 상대적으로 낮은 기계적 특성과 가공성으로 인해 실제 실생활에 적용하기에 제한적이었다. 이러한 나노 섬유 기반의 소자들이 시스템 수준의 응용 프로그램을 달성하기 위해서는 유기 전계 효과 트랜지스터(Organic, Field-Effect Transistor, OFET)소자와 다양한 센서의 통합이 요구되며 이는 나노메쉬 기반 통합 시스템의 핵심 구성 요소 중 하나이다. 본 연구에서 구부러진 피부와 등각 접촉할 수 있는 생체 적합성, 초박형(~1.5 μm), 초경량(1.85 g/m2) 및 기계적으로 내구성이 우수한 나노메쉬 기반 유기 트랜지스터를 처음으로 시연하였다. 개발된 OFET3.02 × 104 ± 0.9 × 104on/off , 0.05 ± 0.02 cm2V-1s-1의 이동도, 1.7 ± 0.2 V/Decadesubthreshold slope -6 ± 0.5 V의 임계 전압 등 우수한 전기적 성능을 보여준다. 나노메쉬 트랜지스터의 변형을 이해하기 위해 시뮬레이션을 통해 균열 개시 메커니즘을 COMSOL프로그램을 통해 규명하였다. 또한, 나노메쉬에 촉각센서가 통합된 active matrix 성공적으로 시연하였으며, 생물 의학 전자 분야에서의 잠재적 적용 가능성을 보여준다.

 

 

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연구결과문답

Q. 이번 성과 무엇이 다른가?

기존 전자피부 장치의 스위치 소자로 제작된 트랜지스터 소자들은 평평한 기판에서 제작되어 인체에 장기간 사용할 경우 예기치 못한 질병을 초래할 수 있으므로 부적절하였다. 하지만, 본 연구에서는 통기성이 우수한 나노메쉬 구조의 유기물 전계효과 트랜지스터를 세계최초로 개발하였으며, 생체신호를 장기간 추출할 수 있는 시스템을 구축하였다.

Q. 어디에 쓸 수 있나?

나노메쉬 구조의 전자소자들은 트랜지스터의 개발 부족으로 복잡한 전자 장치를 구축하는데 제한적이었다. 하지만, 본 연구를 통해 장기간 사용이 필요로 하는 전자피부 장치의 통합과 다양한 회로를 구성할 수 있다.

Q. 실용화까지 필요한 시간과 과제는?

현재 나노메쉬 구조의 디바이스들은 지속적으로 개발되고 있으며 다양한 연구들이 진행 중이다. 아직은 나노메쉬 구조의 에너지 저장장치가 개발되지 않아 외부전력이 필요한 상태이다. 만일 나노메쉬 구조의 에너지 저장장치를 개발할 경우 이른 시일 내에 나노메쉬 구조로만으로 구성된 통합 전자소자가 실용화 될 것이다.

Q. 연구를 시작한 계기는?

본 연구는 인체 내에서 생체신호 측정 및 신호처리를 할 수 있는 전자소자를 개발하기 위해 시작되었으며, 앞으로 더 많은 전자소자 장치를 개발할 예정이다.

Q. 어떤 의미가 있는가?

최근 나노메쉬 기반 디바이스들은 우수한 통기성을 통해 장기간 인체에 부착할 수 있어 많은 연구들이 진행되어 왔다. 하지만, 거친 표면으로 인해 복잡한 회로구현이 어려워 실생활 적용에 제한적 이었다. 본 연구를 통해 피부와 등각 접촉할 수 있는 나노메쉬 구조의 유기 트랜지스터를 처음으로 시연하였다. 그러므로 향후에는 다양한 나노메쉬 구조의 디바이스들과 통합하여 복잡한 회로구현도 가능할 것이며, 생물 의학 전자 분야에서의 잠재적 적용 가능성을 보여준다.

Q. 꼭 이루고 싶은 목표는?

연구진은 하나의 통합된 원격 의료 기기 시스템을 제작하고자 한다. 에너지 하베스터를 통해 얻은 에너지를 저장하는 에너지 저장장치, 그리고 축전된 에너지를 사용하여 생체 신호를 측정 및 데이터를 전달하는 센서 등을 유연하고 웨어러블하게 만들어 외부전력 없이 건강을 진단할 수 있는 플랫폼을 만들 계획이다.

 

 

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그림설명

[그림 1] 나노메쉬 기반 유기 전계효과 트랜지스터

 공정이 비교적 간단하며 기존에 사용되던 진공증착법을 통해 만들어진 나노메쉬 구조 유기 전계효과 트랜지스터이다. 본 소자는 초박형(~1.5 ㎛) 및 초경량(1.85 g/m2)이며 통기성이 매우 우수한 소자로써 생체신호를 장기간 측정 및 처리하기에 적합하다.

 

[그림 2] 촉각센서와 통합된 active matrix

 촉각센서가 통합된 다양한 크기의 active matrix를 구현하였다. 전기적 및 기계적 특성들 모두 우수하였으며 다양한 센서들과 통합하여 복잡한 회로 구현도 가능할 것으로 보인다.

 

 

 

 

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