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NEW 박성준 교수팀, 낮은 전력으로도 정확·안정적으로 구동가능한 정밀전자피부(e-skin) 개발
- 2025-07-02
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아주대 연구진이 낮은 전력으로도 정확하고 안정적으로 구동 가능한 정밀 전자 피부를 개발하는데 성공했다. 기존 반도체 기반 전자 피부의 약점을 보완한 것으로, 앞으로 생체신호 전반을 실시간으로 모니터링할 수 있는 첨단 바이오 기술에 널리 활용될 전망이다.
우리 학교 박성준 전자공학과·지능형반도체공학과 교수는 서울대·미국 퍼듀대 연구팀과 함께 새로운 유기물 전기화학 트랜지스터(OECT) 구조를 통해 기존 p-형 반도체 기반 전자 피부(e-skin)의 약점을 보완한 n-형 반도체 기반의 고정밀 전자피부를 개발했다고 밝혔다.
해당 연구는 ‘피부 밀착 심전도 모니터링을 위한 멸균 안정성을 가진 수직구조 n-형 유기물 전기화학 트랜지스터(Sterilizable vertical n-type organic electrochemical transistors for skin-conformal ECG monitoring)‘라는 제목으로 글로벌 저명 학술지 <재료과학 및 공학 보고(Materials Science and Engineering: R: Reports)>에 7월 게재됐다.
아주대 대학원 지능형반도체공학과 박사과정의 이인호 학생, 서울대 신소재공동연구소 김지환 박사와 미국 퍼듀대(Purdue University) 이원준 박사가 공동 제1저자로 참여했다. 박성준 아주대 전자공학과·지능형반도체공학과 교수와 강기훈 서울대 재료공학부 교수, 지엔궈 메이(Jianguo Mei) 미국 퍼듀대 화학과 교수는 교신저자로 참여했다.
전자 피부(e-skin)는 유연성과 기능성을 동시에 가져, 피부에의 밀착이 가능하면서도 생체신호를 정밀하게 측정할 수 있는 장치다. 이에 최근 외과적인 처치 없이 심박수와 체온 등 생체신호를 실시간 모니터링할 수 있는 비침습적 센서 플랫폼으로 주목받고 있다. 특히 유기 반도체 물질 기반의 유기물 전기화학 트랜지스터(OECT)는 피부 표면에서 일어나는 미세한 생체신호인 이온 농도 변화를 전기 신호로 변환·증폭할 수 있어, 단순 전극 기반의 전위차 측정 방식에 비해 더욱 정확하고 민감하게 이온 농도 변화를 측정할 수 있다. 이에 유기물 전기화학 트랜지스터(OECT)를 활용하면 생체리듬의 보다 정밀하고 안정적인 분석이 가능하다.
그동안 전자 피부(e-skin) 기술에는 유기 전기화학 트랜지스터(OECT) 채널 소재로 p-형 반도체가 활용되어 왔다. p-형 반도체가 전기적 성능과 환경 안정성 측면에서 n-형 반도체에 비해 우수한 덕분이다. 특히 p-형 반도체는 음전위 영역에서 생체신호를 효과적으로 증폭할 수 있어, 심박수나 뇌파 같은 음극성 생체신호의 감지에 적합하다.
하지만 p-형 소재는 양전위 영역의 신호에는 민감도가 떨어져, 이온 농도 변화나 전해질 조성 등 양전위 기반 생체신호의 정밀 측정에는 한계가 존재한다. 또한 생체적합성 측면에서도 한계를 보이는데, 화학적 불안정성을 갖고 있어 자외선 조사나 고온 증기 등 의료 현장에서 일반적으로 사용하는 멸균 공정을 견디기 어렵다는 특성을 가지고 있다. 때문에 피부에 밀착시켜 장기간 사용해야 하는 전자 피부의 특성상, 위생 관리에 큰 걸림돌이 될 수 있다. 멸균 공정에 대한 내성이 부족한 소재는 실제 의료 환경에서 폭넓게 활용하는데 제약이 생길 수밖에 없어서다.
이러한 p-형 소재의 한계를 극복하기 위해 대안으로 주목받는 것이 n-형 반도체다. n-형 반도체는 양전위 영역의 생체신호 감지에 유리해, p-형의 극성 한계를 보완할 수 있다. 그러나 문제는 n-형 반도체 또한 쉽지 않은 생체환경의 벽을 마주하고 있다는 점이다. n-형 반도체는 전자 구조상 LUMO 준위가 수계 산화환원 전위에 가까워, 수분이나 산소와 쉽게 반응해 산화되기 쉽다. 이로 인해 장기간 안정적으로 작동하기가 어렵고, 멸균 환경이나 땀·체액 등 실제 생체 조건에서의 내구성이 떨어지는 단점이 있다.
결국 지금까지 개발된 유기 전기화학 트랜지스터(OECT) 기반 전자 피부는 특정 극성의 생체신호에는 최적화되어 있으나, 양전위·음전위 신호를 모두 정밀하게 감지하고 반복 멸균을 견뎌내는 실용적 플랫폼으로까지의 구현은 해결되지 않은 과제로 남아 있었다.
이에 아주대 공동 연구팀은 전자공학, 재료과학, 소재공학 분야의 협력을 통해 새로운 구조의 유기 전기화학 트랜지스터(OECT)를 개발하고, 동시에 높은 결정성과 깊은 LUMO 준위를 갖는 n형 반도체 소재인 n-PBDF를 채택했다. 연구팀은 이 소재를 통해 기존 n형 반도체의 산화 취약성과 환경 불안정성 문제를 효과적으로 극복하고, 장기적 구동 안정성 또한 확보했다.
아주대 공동 연구진이 새롭게 제안한 4단자 n-형 수직 코바이노 유기물 전기화학 트랜지스터(OECT) 장치 구성 및 장치
나아가 자외선 조사나 고온 증기와 같은 멸균 공정에도 견딜 수 있는 구조적 내구성을 갖추면서, 의료 현장에서 요구되는 위생 수준과 정밀성 및 실용성을 모두 만족하는 전자 피부 플랫폼을 구현하는데 성공했다.
연구팀은 채널의 길이가 매우 짧아(500nm) 고성능 특성을 가지는 수직구조(vertical structure)를 채택하고, 채널이 짧아짐에 따라 증가하는 기생 저항을 제거하는 4단자 기반의 측정 방식을 도입함으로 374mS의 신호 증폭률을 달성했다. 이러한 구조는 초저전압(10mV)으로도 준수한 신호 증폭률을 달성할 수 있게 할 뿐 아니라, 소재의 산화 및 부반응을 최소화할 수 있다. 이는 아주 낮은 수준의 전력만으로도, 오랜 시간 안정적으로 생체신호를 정확하게 모니터링할 수 있음을 의미한다.
연구팀이 개발한 소자 구조는 1μm 두께의 파릴렌(Parylene) 기판 위에 구현이 가능해, 총 두께 2μm 미만의 초박형 센서를 제작할 수 있다. 초박형 센서는 피부에 밀착되어 생체신호 추출의 정확성을 높이며 안정성 또한 높다. 연구팀의 실험 결과 이 초박형 센서는 주름이나 사람의 움직임에 의해 발생할 수 있는 피부 압축과 인장 환경을 모사한 33% 압축 변형과 1000회 이상의 반복적인 인장 시험에서도 성능 저하 없이 안정적으로 작동했다.
연구를 주도한 아주대 박성준 교수(전자공학과·지능형반도체공학과)는 “연구팀이 개발한 새로운 구조의 유기물 전기화학 트랜지스터를 활용해 n-형 반도체 소자의 구동 안정성을 세계 최고 수준으로 끌어올렸다”라며 “높은 정밀도와 안정성을 가진 비침습적 피부 인터페이스 건강 모니터링 기술에 진전을 이뤘다는 점에 큰 의의가 있다”라고 설명했다.
박성준 교수는 이어 “이를 기반으로 그동안 p-형 반도체에만 집중되었던 소재 개발 연구 및 시장이 n-형 반도체로도 확장되는 계기가 될 것”이라며 “실시간 건강 모니터링과 원격 생체신호 분석·진단 정확도 향상을 통해 다양한 분야에서 사람들의 삶의 질을 높이는데 기여할 것으로 기대한다”라고 덧붙였다.
이번 연구는 과학기술정보통신부의 나노·소재기술개발사업, 신진연구지원사업, 신진연구자 인프라 사업의 지원을 받아 수행됐다. 또한 국가과학기술연구회의 융합연구단사업, 정보통신기획평가원의 연구지원사업, 한국산업기술진흥원의 교육훈련사업, 한국연구재단의 기초연구실사업, 한국산업기술기획평가원의 시장주도형 K-센서 기술 개발사업의 지원도 받았다.
* 위 그림 설명 : 피부 부착형 장치를 손가락에 부착하기 위한 심전도 신호 개략도(제일 왼쪽)와 실제로 손가락 관절 부분에 부착해 7일 동안 심전도 신호를 측정한 데이터(가운데 및 오른쪽). 연구팀이 구현한 초박형 센서는 피부에 밀착되어 생체신호 추출의 정확성을 높이며 안정성 또한 높다.
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