DGIST 대구경북과학기술원

- DGIST 강홍기 교수·KIST 정승준 박사 공동 연구팀, 투명 고분자 열전 소재의 인쇄 공정을 이용한 초고속 무전력 광열 효과 온도센서 기술 개발

- 뇌 자극·암 치료·초고속 PCR 등에 제시되고 있는 나노 광열 현상을 빛의 간섭 없이 직접 고해상도 측정할 수 있는 가능성 열어…‘Materials Horizons’ 10월 온라인 게재

 DGIST(총장 국양)의 전기전자컴퓨터공학과 강홍기 교수는 KIST(원장 윤석진) 소프트융합소재연구센터 정승준 박사와 빛을 이용하여 발생하는 온도 변화를 실시간으로 빠르고 정밀하게 측정할 수 있는 투명 온도 센서를 개발했다고 6일(화) 밝혔다. 본 기술은 민감한 온도 변화를 활용하는 다양한 바이오 응용 디바이스 발전에 기여할 것으로 기대된다.

 플라즈모닉 나노 물질을 이용한 광열 효과는 빛을 이용한 독특한 발열 특성으로 인해 최근 뇌신경 자극, 약물 전달, 암 치료, 초고속 PCR과 같은 다양한 바이오 응용 분야에 폭넓게 제시되고 있다. 하지만, 이러한 광열 현상에 의한 온도 변화 측정은 여전히 열화상 카메라를 이용한 간접적이고 느린 계측 방식에 의존하고 있어 빠르게는 수 밀리초 수준, 좁게는 수십 마이크로미터 수준으로 변하는 단일 세포 수준의 국소적인 온도 측정에는 적합하지 않다는 한계가 있다. 이처럼 온도 변화의 정밀한 정보 부재로 인하여, 광열 효과 기술은 높은 응용 파급 효과에도 불구하고, 정밀한 온도 변화에 따른 생물학적 변화의 이해와 안정적인 임상 적용에 대한 우려가 제기되어 왔다.

 이에 본 공동 연구진은 온도 차 발생에 의한 빠른 전하 이동으로 전압 신호가 발생하는 열전 효과를 이용해 수 밀리초 미만의 빠른 온도 변화도 측정할 수 있는 온도센서 기술을 개발했다. 특히, 전하 저장에 적합한 전도성 고분자인 투명 ‘PEDOT:PSS’의 유기 열전층 활용을 통해 빛에 의한 간섭을 줄인 직접적인 광열 현상 측정 기술을 확립했다.

 50나노미터 두께의 얇은 PEDOT:PSS 열전 센서는 가시광선 영역에서 평균 97%의 높은 투명도를 확보하여 광열 현상 부위에 직접적인 적용이 가능하기 때문에, 빛의 간섭을 최소화하여 다양한 광열 바이오 공학 및 의학 응용 기술에 직접 적용할 수 있다. 또한, 사용된 고분자 열전 소재의 경우 저온 용액 공정이 가능하여, 일반 반도체 공정에 비해 소자 제작이 간단한 잉크젯 프린팅 공정을 이용하여 제작하였으며, 프린팅 공정의 장점인 높은 디자인 자유도를 활용할 수 있었다.

 본 연구를 통해 개발한 투명 열전 온도센서 기술은 최근 광유전학을 통해 널리 알려진 빛을 이용한 뇌 활동 조절의 광학적 신경 인터페이스의 메커니즘을 이해하는 데 활용될 수 있으며, 국소적 높은 열로 암 세포를 치료하는 원리 분석에 활용될 수 있다는 점에서 핵심적인 기술이다. 또한, 무전력 동작 원리를 통해 웨어러블 소자, 투명 디스플레이 소자 및 전력 반도체의 국부적인 열화 현상의 분석 등 차세대 반도체 기술에도 적용할 수 있을 것으로 기대된다.

 DGIST 전기전자컴퓨터공학과 강홍기 교수는 “빠르고 국소적인 열 발생이 최대 장점인 광열 효과를 직접 정밀하게 측정하는 기술을 제안했다는 점에서 의미가 있다”라며 “향후 미세 반도체 공정을 통해 다양한 바이오 전자 칩과의 결합하여 심층적인 바이오 공학 분석과 의공학 적용 가능성을 기대한다”라고 말했다.  

 본 연구는 DGIST 전기전자컴퓨터공학과 이준희 박사과정생, 홍나리 박사후연수연구원, KIST의 황성권 박사과정생 주도의 공동 연구로 진행되었으며, 한국연구재단을 통해 과학기술정보통신부에서 지원하는 기초연구사업 , 국가핵심소재연구단-특화형 사업, KIST 기관고유사업, DGIST 기관고유사업의 지원을 받아 수행되었다.  

 이번 연구의 성과는 관련 분야 최우수 국제학술지인 ‘Materials Horizons’에 온라인 게재됐다.

 

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연구결과개요

High temporal resolution transparent thermoelectric temperature sensors for photothermal effect sensing

Junhee Lee, Seongkwon Hwang, Nari Hong, Jeonghun Kwak, Jae Eun Jang, Seungjun Chung, and Hongki Kang

(Materials Horizons, on-line published on October 18th, 2022)

 

나노물질 기반의 광열 효과는 높은 시공간 분해능의 발열 특성으로 인해 신경 조절, 광열 치료, 광열 약물 전달과 같은 다양한 의공학 분야에 유용한 기술로서 활발히 개발되고 있다. 하지만, 광열 효과에 의한 온도 변화를 직접적으로 측정하는 데 있어 기존 온도센서들의 낮은 투명도는 빛에 의한 간섭을 피할 수 없기에 적합하지 않다. 또한, 수십 ms 수준의 느린 온도 측정 성능은 나노 물질의 광열 특성에 의한 빠른 열 발생 속도를 모니터링 하기에 부족하다는 한계를 가지고 있다.

본 연구에서는 이러한 문제를 해결하기 위해 열전 효과의 빠른 응답 특성을 활용하여 PEDOT:PSS 열전 소재 기반의 높은 시간 분해능을 가지는 투명 열전 온도센서를 개발하였다. PEDOT:PSS 열전 층은 최근 양자점 디스플레이 양산 공정에 활용되는 잉크젯 프린팅 공정을 통해 제작되었다. 또, 온도 측정을 위해 따로 구동 전력이 필요하지 않기 때문에 외부 전력에 의한 자체 발열 현상이 없어 더욱 정밀한 모니터링이 가능하다. 본 연구의 투명 열전 온도센서는 광학적 투명도, 생체 적합성 및 고속의 온도 측정 성능의 검증을 통해 다양한 바이오 소자에 적용될 수 있음을 확인하였다. 투명 열전 온도센서는 신경 신호 측정을 위한 미세 전극과의 결합을 통해 향후 신경 인터페이스의 기본적인 메커니즘 이해에 활용될 수 있으며, 다양한 반도체 소자의 온도 측정 기술에 활용될 수 있을 것으로 기대된다.

 

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연구결과문답

Q. 이번 성과 무엇이 다른가?

• 온도센서 기술들은 낮은 투명도 및 느린 계측 속도로 인해 광열 효과에 의한 빠른 온도 변화를 직접적으로 정밀하게 측정 할 수 없었다.

• 연구의 투명 열전 온도센서는 빛에 의한 간섭 없이 광열 효과에 의한 온도 변화를 수 ms 수준으로 고속 모니터링이 가능하게 했다.
• , 생체 적합성이 뛰어난 유기 열전 소재를 잉크젯 인쇄 공정함으로써 복잡한 패터닝 과정 없이도 높은 디자인 자유도로 미세 구조를 제작하여 향후 환자 맞춤형 소자 등 다양한 바이오 응용 분야에 활용할 수 있음을 검증하였다.

Q. 어디에 쓸 수 있나?

• 온도 변화 기술은 최근 빛을 이용한 암 치료, 뇌 활동 조절, 초고속 PCR 등 파급효과가 높은 다양한 의공학 분야에 제시 되어 왔다. 하지만, 정확한 온도 변화 측정이 제한적인 점이 늘 응용 한계점으로 언급되어 왔다. 본 투명 열전 온도센서를 이용하면, 정밀한 계측을 통해 앞서 언급한 응용 분야의 안정적인 활용이 가능하다.

• 잉크젯 인쇄 공정이 가능하다는 장점이 있어 유연 소자 및 웨어러블 바이오 센서 등에 적용될 수 있다.
• , 열전 소재의 특성으로 전력 소모 없이 동작이 가능하다는 장점이 있어, 다양한 반도체 소자의 성능 감소를 일으키는 특정 영역의 발열 현상을 계측하면서 동시에 온도에 따른 발생 전압을 수확하는 기술로 활용하는 등, 차세대 반도체 소자의 안정성 모니터링에도 적용될 수 있다.

Q. 실용화까지 필요한 시간과 과제는?

• 연구에서 제작된 투명 열전 온도센서 소자는 현재 광학적 기술을 통한 신경 활성 측정은 가능하지만, 전기적 신경 신호 기록을 위한 전극을 도입하기에는 아직 구조적인 한계가 존재한다.

• 세포 온도 변화와 전기 신호를 동시에 측정할 수 있는 미세 전극칩 및 열전 온도센서의 소형화 및 소자 구조 개선, 공정 프로세스 개발을 진행하고 있으며, 빠른 시일 내에 생물학적으로 유의미한 응용 결과를 찾기 위해 노력하고 있다.

Q. 연구를 시작한 계기는?

• 효과를 이용한 온도 변화 기술은 암 치료, 뇌 활동 조절, 초고속 PCR 등 다양한 바이오 공학 및 의공학 응용 분야에 적용되어 활발한 연구와 개발이 되고 있다. 파급효과가 높은 응용 분야인데, 실용화를 위해서는 온도 변화의 정밀한 분석과 제어가 필요하나 기존 온도 센서 기술은 여러 가지 기술적인 한계가 있어서, 기술 적용이 제한되었다.

• 기술적 한계를 극복하고 직접적으로 정밀하게 광열 효과에 의한 온도 변화를 측정할 수 있는 온도 센서가 필요하다는 것을 인지하였고, 본 연구진이 확보하고 있던 유기 열전 소재와 미세 인쇄 공정 기술이 기존의 문제를 획기적으로 해결할 수 있음을 인지하여, 성공적인 온도 센서 개발을 통해 앞서 언급한 다양한 뇌공학, 의공학 기술의 상용화에 기여하고자 하는 목표를 가지고 연구를 시작하였다.

Q. 어떤 의미가 있는가?

• 연구는 광학적 신경 신호 측정 및 신경 활성 조절 분야 및 온도 변화에 따른 암세포의 반응 등의 핵심적인 이해를 도울 수 있는 핵심 기술 요소로써 활용될 수 있다.

• 에너지 발전 및 펠티어 쿨링 등 에너지 응용 분야로 많은 발전을 이루고 있는 열전 소재를 생체 친화적 투명 열전 온도 센서로 개발하여 파급효과가 높은 바이오 전자 및 의공학에 제시하는 최초의 시도로 향후 온도 센서 응용 다양화와 추가 발전 가능성을 높일 수 있는 중요한 업적이 될 수 있을 것으로 기대한다.
• 기술의 높은 투명도 및 유연성을 바탕으로 디스플레이 및 웨어러블 반도체 소자 등의 기술에 적용할 수 있으며, 우수한 생체 적합성 소재의 적용을 통해 생체 신호 측정 등의 바이오 소자에 활용할 수 있다.

Q. 꼭 이루고 싶은 목표는?

• 연구를 통해 검증된 열전 온도센서의 단일 세포의 온도 변화 측정 가능성을 기반으로 미세 전극 어레이칩과 결합된 새로운 다기능성 바이오칩 공정 기술 및 활용 가능성에 대한 검증을 이어가고자 한다.

• 세포의 온도 및 신호의 상관관계에 대한 이해를 바탕으로 신경 인터페이스의 기본 메커니즘에 대한 심층적인 분석을 하고자 한다.
• 내 조건에서의 기술 확립을 기반으로 생체 내 신경세포들이 광 자극에 의한 온도 변화를 측정하는 플랫폼을 구축하고자 한다.

• 변화의 정밀 정보를 요구하는 응용 분야에 종사하는 다양한 공학자, 과학자와 협업하여 궁극적으로 우리의 질병을 치료하고, 삶을 이롭게 하는 높은 파급효과의 다양한 응용 연구 개발로 확장하고자 한다.

 

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그림설명

[그림 1] 투명 열전 온도센서 개발 개념도

(그림설명) 잉크젯 인쇄 공정에 의해 제작된 투명 열전 온도센서의 동작 원리. 투명한 열전 층에서 광열 효과에 의해 발생한 온도 차이에 따라 생성된 제벡 전압을 측정 (우측)

 

[그림 2] 투명 열전 온도센서의 온도 측정 성능 비교 

(그림설명) 10 ms 미만의 광열 온도 변화에 따른 투명 열전 온도센서 (실선) 및 열화상 카메라 (원)의 온도 측정 성능 비교 (좌측). 투명 열전 온도센서의 경우 1 ms 동안의 광열 온도 변화까지 측정 가능한 우수한 성능을 가짐 (우측)