 유연하고 생체친화적인 웨어러블 기기
전자기기에 불리한 환경서도 안정성 유지
최근 사물인터넷(IoT) 기술이 발전함에 따라 플렉시블 전자소자를 넘어 인체에 부착 가능한 신축성 웨어러블 전자기기가 주목받고 있다. 하지만 웨어러블 기기가 팽창과 수축을 반복하는 동안 전기적 성능저하가 발생하는 어려움이 존재했다. 또한 생체인식형 센서를 웨어러블 기기에 적합하도록 작게 만들면 정확도와 안정성이 떨어지는 단점이 있었다. 최근 이 같은 웨어러블 기기 상용화의 걸림돌을 해결하는 신기술들이 개발돼 화제가 되고 있다.
정리 김경한 기자 │ 자료 한국연구재단, KIST, GIST
기존의 반도체 소자의 경우, 늘어나거나 수축될 때 발생하는 기계적 변형력이 신축성기판과 기능성 박막소자 사이에 서로 영향을 주게 돼 성능이 저하되는 문제점이 있었다. 그래서 안정적인 웨어러블 전자소자 구동을 위해서는 신축성 전자 재료 및 플랫폼에 대한 최적화 연구가 필수적으로 요구되고 있다.
한국과학기술연구원(KIST) 광전하이브리드연구센터 정승준 박사팀은 피부처럼 늘어나면서도 다양한 박막의 전기적·기계적 및 표면형태학적 특성을 자유자재로 조절할 수 있는 신축성 플랫폼 개발에 성공했다.
광주과학기술원(GIST) 신소재공학부 윤명한 교수팀은 옷이나 신체 등에 붙이는 패치형 센서가 박막 형태로 인해 유연성이 부족했던 점을 극복하고, 한 가닥의 섬유 형태로 유연성과 안정성을 확보한 땀센서를 개발했다.
피부처럼 늘어나는 신축성 플랫폼 개발
전기적·기계적·형태학적 특성 조절 가능
한국과학기술원(KIST) 광전하이브리드연구센터 정승준 박사팀은 서울대학교 전기정보공학부 홍용택 교수 연구팀과의 공동연구를 통해 신축성 플랫폼 안에 기계적 강도가 높은 투명 구조체 조합을 삽입함으로써 웨어러블 기판과 박막 소자 간에 신축 시 발생하는 기계적 변형력의 영향을 제어하는 연구결과를 발표했다.
기존의 연구에서는 기계적 변형력의 영향을 최소화하기 위해 신축성 플랫폼 표면 위, 혹은 전자소자에 인위적으로 구조를 넣는 결과들이 보고됐다. 하지만 공정이 어렵고, 적용 가능한 신축성 전자 재료 후보 군이 제한된다는 단점이 있었다. 또한 변형력 발생 시 박막 소자의 전기·기계·광학적 및 표면형태학적 고유 성질이 변하는 특성이 있어, 다양한 박막소자에 대한 해당 특성들을 제어하기에는 한계가 있었다.
 [그림 1] 신축성 플랫폼을 통한 박막의 물리적, 기계적 특성 제어KIST-서울대 공동연구진이 개발한 신축성 플랫폼은 피부처럼 얇고 신축성이 있지만, 그 내부에 기계적 강도 및 영률(Young’s modulus, 물체의 늘어나고 변형되는 정도를 나타내는 탄성률)이 높은 투명한 구조체 조합들이 삽입돼 있다. 수십 마이크로미터(㎛, 100만분의 1미터) 크기의 단단한 투명 구조체들이 대면적 및 저비용 공정이 가능한 잉크젯 인쇄공정으로 제작돼 주기적으로 배열돼 있다. 이를 통해 신축성 기판과 삽입된 구조체 간의 주기적인 영률 분포의 차이에 의해 신축성 플랫폼 표면상에서 제어되고 있는 기계적 변형력 분포를 알 수 있게 된다. 따라서 임의의 박막을 신축성 플랫폼 표면에 올려놓았을 때, 그 박막 또한 동일한 변형력 분포에 의한 영향을 받게 돼 신축 시 박막 고유 특성들이 제어되는 원리다.
특히 연구진은 구조체의 강도, 크기, 배열에 따라 신축 시 박막 소자가 받는 기계적 변형력 정도를 조절할 수 있을 뿐만 아니라, 원하는 영역에 기계적 변형력을 집중시키거나 분산시키는 것이 가능하다는 것을 규명했다.
연구진이 개발한 기술은 잉크젯 프린팅 공정을 통해 구조체를 삽입하기 때문에 기존의 포토리소그래피 공정이나 식각 공정이 어려웠던 폴리머 기반 신축성 플랫폼에도 저비용·대면적 공정이 가능하다는 장점이 있다.
여기에 더해, 기존 연구에서는 제어가 쉽지 않았던 신축 시 금속·산화물·유기물 박막 등 다양한 박막의 전기적, 기계적 및 형태학적 특성을 자유자재로 조절할 수 있음을 실험과 시뮬레이션을 통해 밝혀냈다. 연구팀은 이번 연구를 통해 신축 시 발생하는 기계적 변형력을 제어함으로써 고안정성을 갖춘 웨어러블 일렉트로닉스 구현이 가능할 것으로 예상했다.
KIST 정승준 박사는 “이번 연구를 통해 신축 시 발생하는 변형력에 따른 박막 특성 변화를 제어할 수 있을 뿐만 아니라, 변형력에 민감한 웨어러블 디스플레이 및 센서 같은 전자기기의 신뢰성을 높이는 데 활용될 수 있을 것으로 기대된다”고 말했다.
이번 연구는 과학기술정보통신부 지원으로 KIST 기관 고유사업과 정보통신기술진흥원 스킨트로닉스 연구과 제로 수행됐다. 연구결과는 국제학술지인 ‘Advanced Materials’ (IF: 21.950, JCR 분야 상위 1.027%) 최신호에 표지 논문(Back cover highlighted)으로 게재됐다.
단일 섬유 가닥 형태의 웨어러블 땀센서
높은 재현성 및 정확성, 물 속 안정성 갖춰
GIST 윤명한 교수와 경기대학교 주상현 교수 공동연구팀은 최근 전기가 흐르는 단일 가닥의 고분자 섬유를 기반으로 웨어러블 땀센서를 개발했다고 밝혔다.
기상청에 따르면, 지난해 10월부터 2월 13일까지 아침 최저기온이 -12℃ 이하인 한파일수가 서울의 경우 단 하루에 불과했다. 반면, 2017년 10월부터 지난해 4월까지 한파일수는 12일에 달했다. 이같이 춥지 않았던 겨울과 지구온난화의 영향으로 인해 올 여름은 그 어느 때보다 더울 수도 있다는 우려가 나오고 있다. 매년 이상기후 및 여름철 폭염일수 증가로 인해 최근 온열 질환 환자의 숫자가 크게 늘고 있다. 대부분의 온열질환은 체온 상승과 함께 탈수증을 동반하므로 수분 섭취만으로도 효과적 예방이 가능한 것으로 알려져 있다.
그런데, 고령자, 어린이 및 야외노동자와 같은 폭염 취약계층은 탈수에 대한 민감도가 떨어진다. 이들에게는 수분 섭취가 필요한 시점을 제때 알려주는 것이 필요하며, 간단히 피부로 배출된 땀에 포함된 이온 농도를 측정하는 ‘웨어러블 땀센서’의 필요성이 대두되고 있다.
 [그림 2] 피부 위에서 구동하는 웨어러블 땀센서 사진윤명한 교수 공동연구팀이 개발한 땀센서로 측정한 농도는 기존 이온 크로마토그래피로 측정한 농도와 비교할 때 매우 정확하다. 이에 따라 윤명한 교수 및 주상현 교수 공동연구팀은 안정적이면서도 손쉽게 땀의 농도를 측정할 수 있는 센서를 개발했다. 연구팀이 개발한 웨어러블 땀센서는 단일 섬유 가닥 형태의 전기화학 트랜지스터 기반 이온 농도 센서다. 기판 위에 진공증착 등에 의해 제작된 통상적 소자 구조를 탈피함으로써 박막형 웨어러블 소자에 비해 생산성 및 사용 편리성이 극대화됐다.
단일 가닥 형태의 땀센서는 기존 기기에 비해 크게 세 가지 장점을 갖추고 있다.
우선, 연구팀은 기존 섬유형 소자의 배치 재현성 및 상용화의 난관인 ‘정교한 치수 제어’의 한계를 ‘새로운 특성화 기술’을 제시했다.
기존 기술에서 센서에 사용되는 반도체는 활성층의 길이, 폭, 두께에 따라 민감하게 소자의 특성에 변화가 생겼다. 3차원 구조를 가지는 비평면 미세섬유상 공정의 경우 활성층 정의에 수백 ㎛에서 수 ㎜ 수준의 오차가 쉽게 발생해 배치마다 특성이 일정하게 구현되기 어려웠다. 하지만 이번 연구에서 제시한 특성화 기술은 이온 농도 변화에 의한 전류비 변화의 선형성을 응용해 땀 속 이온 농도를 역으로 유추하는 기술이다. 이는 활성층의 물리적 크기에 무관하며, 캐리어 농도, 체적 커패시턴스 및 핀치오프 전압 등 재료의 특성에 의해 결정된다. 이에 따라 연구팀의 센서는 95% 이상의 높은 재현성 및 정확성을 지닌다.
셋째, 상용화가 쉬운 2전극 단선 구조만으로도 3전극 트랜지스터 기능을 구현했다. 기존의 유기물 전기화학 트랜지스터 기반의 이온농도 센서는 감도가 크다는 장점이 있으나, 3전극(게이트, 소스, 드레인)으로 구동한다. 반면, 해당 연구의 경우 ‘게이트 내장형 소스전극(Gate-embedded source electrode)’을 제안해, 단일 가닥의 실 구조체만으로도 3전극 트랜지스터와 동일한 이온 농도 측정 메커니즘을 구현했으며, 이를 이론 및 실험으로 증명했다.
마지막으로, 이번에 개발된 센서는 수계 전도성고분자 섬유를 활성층으로 탑재함으로써 세척도 가능해 다양한 웨어러블 전자기기로의 응용이 기대된다.
최근 유연전자소재 및 생체전자소재로 각광받고 있는 수계 전도성고분자(PEDOT:PSS)는 물에서 불용성을 향상시키기 위해 화학적 가교제를 포함시켜 소자 제작에 이용하고 있으나, 낮은 물 속 안정성 및 생체적합성으로 인해 장기적 안정성을 필요로 하는 생체전자소자로의 응용에 제한이 있었다. 이에 반해, 이번 연구에서는 수계 전도성고분자의 용매상 고결정성 유도를 통해 섬유를 제작함으로써, 높은 전기 및 이온 전도성, 가교제 없는 장기간 물속 안정성 및 높은 생체적합성을 구현했다.
윤명한 교수팀이 개발한 땀센서는 직물에 단순히 센서 한 가닥만을 삽입해 센서를 구현할 수 있음을 의미하는 것이다. 따라서 섬유형 웨어러블 전자기기의 빠른 상용화에 기여할 것으로 분석된다. 이 연구에서 개발한 고결정성 수계고분자 섬유는 세척가능한 웨어러블 전자소자 및 체내이식형 임플란터블 전자기기로의 응용도 가능할 것으로 보인다.
 [그림 3] 웨어러블 땀센서의 모식도와 실시간 이온 농도 측정 결과
: 이 연구에서 제시한 게이트-내장형 소스 전극 기술을 통해, 실 한 가닥의 구조체만으로도 복잡한 3전극 트랜지스터 기반의 이온농도 센서와 동일한 메커니즘으로 이온의 농도를 측정할 수 있다.윤명한 교수는 “수계 전도성고분자의 응용성을 기존 2차원 박막 소자에서 단일 섬유 형태의 소자까지 확장시키는 새로운 패러다임을 제시했다”라며 “가까운 미래에 신개념 섬유 기반 이식형 생체 전자소자의 출현을 앞당길 것으로 기대된다”라고 연구의의를 설명했다.
이번 연구는 과학기술정보통신부·한국연구재단 기초연구사업(중견연구), 민군기술협력사업, 나노소재기술개발사업의 지원으로 수행됐다. 연구결과는 네이처 자매지인 국제학술지 NPG 아시아 머티리얼즈(NPG Asia Materials)의 지난해 11월 26일자에 게재됐고, 특집 논문(Featured article)으로 선정됐다.
<Energy News>
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