2025~2021 찢어져도, 베여도 스스로 회복하는 웨어러블 반도체 소자 개발

작성일 2024-05-17

화학공학과 오진영 교수 연구팀이 상처를 스스로 치유하는 반도체 핵심 소자를 개발했다. 이번 연구는 스탠포드 대학 제난바오(Zhenan Bao) 교수와 국제 공동연구로 진행됐다. 사진 왼쪽부터 화학공학과 Ngoc Thanh Phuong Vo 석박사통합과정 대학원생, 오진영 교수.

화학공학과 오진영 교수 연구팀, 스탠포드 대학과 공동연구 진행
48시간 내 상처 및 전기적 특성 회복하는 트랜지스터 개발

우리 인체의 피부처럼 늘어나고, 상처가 나도 스스로 치유되는 전자기기가 개발됐다. 화학공학과 오진영 교수 연구팀이 세계 최초로 자가 치유 기능을 가진 신축성 전계효과 트랜지스터 개발에 성공했다. 이번 연구는 전자피부 분야의 선구자인 스탠포드 대학의 제난바오(Zhenan Bao) 교수와 국제 공동연구로 진행됐다. 연구 결과는 기술의 학술적 성취를 인정받아 ＜Nature Communication(IF=16.6)＞에 최근 게재됐다.

난제였던 트랜지스터화 소재 원천 기술 개발
과거에 자가 치유 반도체에 대한 연구 성과가 보고된 적은 있지만, 트랜지스터를 구성하는 모든 전자 소재(전도체, 반도체, 부도체)가 손상 시 소자 내에서 동시에 자가 치유될 수 있는 소재 기술은 아직 개발되지 못했다. 오진영 교수는 “부품별 치유 기술은 개발됐지만, 이를 통합해 트랜지스터화하는 소재 기술이 난제였다”고 설명했다.

오진영 교수 연구팀은 자가 치유 탄성체(부도체)를 기반으로 고분자 반도체 나노웹 형성 기술(반도체)과 금속원자와의 나노컴포짓 기술(전도체)을 개발해 늘어나면서도 상처가 나면 후처리 없이 스스로 치유되는 전계효과 트랜지스터 및 이를 활용한 반도체 논리회로를 세계 최초로 구현했다.

연구팀은 자가 치유 특성을 시험하기 위해 트랜지스터를 수술용 칼로 절단한 후, 자가 치유 고분자 소재의 점탄성 거동을 이용해 스스로 상처 부위를 접합시켜 원래의 형태로 복원시켰다. 상처 회복에는 별도의 후처리 없이 48시간이 소요됐다. 회복 과정에서 반도체와 부도체의 전극 층이 정확히 재결합해 전기적 특성이 90% 이상 복원됐다.

그림 설명.
a) 자가치유 전계효과 트랜지스터 액티브-매트릭스 5x5 어레이 전자피부. b) 트랜지스터 소자 구조.
c) 자가치유 후 재작작동 되는 트랜지스터 어레이 전류 (빨간색). d) 손상부위가 자가치유된 고분자 반도체 나노구조 전류 맵핑.
e) 자가치유 전후 트랜지스터 모폴로지
f) 자가치유 트랜지스터 기반 논리회로 (Inverter, NAND, NOR) 소자.

전자피부 개발 핵심 소재, 국제 연구 교류 활성화 희망
개발한 기술은 전자피부 개발의 핵심이 될 것으로 전망된다. 오진영 교수는 “개발한 트랜지스터는 신축성과 자가 치유 능력을 갖춰 피부 부착형 웨어러블 기기인 전자피부의 핵심 소자가 될 것”이라고 말했다. 인체 내 줄기세포가 다양한 조직으로 분화되듯 자가 치유 트랜지스터 또한 전자피부에 필요한 모든 구성 요소 개발의 기초가 될 것으로 보인다.

이번 연구는 전자피부 분야의 석학인 제난바오 교수 연구팀과 공동으로 진행됐다. 오진영 교수는 “전자피부 분야의 최전선인 미국에서도 이루기 어려운 일을 해냈다. 경희 재학생 역량이 돋보인 사례”라며 “대학원생 연구원 파견 등 국제 연구 교류 확대를 위해 노력할 것”이라고 말했다.

앞으로 연구팀은 단순한 트랜지스터를 넘어 인체와 융합하는 전자 피부 시스템 개발에 나설 계획임을 밝혔다. 이번 연구는 한국연구재단, 한국산업기술기획평가원, 그리고 경기도(GRRC)의 지원을 받아 수행됐다.

오진영 교수는 “전자피부 분야의 최전선인 미국에서도 이루기 어려운 일을 해냈다. 경희 재학생 역량이 돋보인 사례”라고 강조했다.