아주대·GIST, 생체신호 모니터링하는 전자피부 개발

[이데일리 신하영 기자] 아주 낮은 수준의 전압에서도 생체신호를 정확하게 측정하는 고감도 전자 피부가 국내 연구진에 의해 개발됐다.

사진=아주대 제공

아주대는 박성준(사진) 전자공학과 교수팀이 광주과학기술원(GIST) 연구팀과 공동으로 수행한 연구에서 이러한 성과를 얻었다고 13일 밝혔다. 이번 연구에는 아주대 지능형반도체공학과 박사과정 이인호 학생, 서울대 신소재공동연구소 김지환 박사후연구원과 광주과학기술원(GIST) 김영석 박사가 공동 제1저자로 참여했다. 연구 결과는 국제 저명 학술지(Advanced Materials) 11월호에 게재됐다.

유연하고 가벼우며 생체친화적인 전자피부(e-skin)는 최근 국내외에서 활발히 연구되고 있다. 피부에 부착해 외과적 처치 없이 생체신호를 모니터링할 수 있어서다. 그중에서도 유기 전기화학 트랜지스터는 피부 계면에서 일어나는 미세 이온 변화를 전기 신호로 변환할 수 있어 생체리듬 모니터링 센서에 적용되고 있다.

현재까지 개발된 전자피부 형태의 유기 전기화학 트랜지스터는 피부에 부착된 상태에서 인간의 일상 움직임에 따라 소자의 형태가 변형되기에 전기적 평형 상태를 유지하기 어렵다는 단점이 있었다. 이는 유기 전기화학 트랜지스터가 일반적으로 양옆에 전극이 배치된 평면 구조(planar structure)를 사용하기 때문이다. 또 평면 구조의 특성상 반도체 채널 길이를 1마이크론 이하로 짧게 만들기 어려워 피부 부착 시 높은 감도로 신호를 측정해내기 어렵다는 한계도 존재했다.

연구팀은 이에 전극을 위아래로 배치한 수직 구조(vertical structure)를 채택하여 500나노미터(nm) 미만의 채널 길이를 갖는 수직 구조 형태의 소자를 개발했다. 해당 소자는 특히 기계적 변형 시 소자가 받는 힘을 안전하게 분산시키기 위해 원형 채널 형태로 설계됐다. 이 구조는 기생 저항을 효과적으로 제거하기 위해 4단자 기반의 측정 방식을 도입, 400mS의 세계 최고 수준 증폭률을 달성했다. 이를 통해 기존 방식에 비해 증폭률과 구동 안정성을 각각 10배, 30배 이상 향상시킨 고감도 전기화학 트랜지스터를 개발할 수 있었다.

이러한 기술은 실시간 건강 모니터링과 원격 생체신호 분석·진단 등 다양한 분야에서 활용될 전망이다. 예를 들면 만성질환 환자의 심박수와 호흡 데이터를 별도의 장비 없이 지속적으로 모니터링하고, 원격으로 환자 상태를 조기 진단하응 방식이다.

이번 연구는 과학기술정보통신부의 나노소재기술개발 사업 등의 지원을 받아 수행했다. 박성준 아주대 교수는 “이번 연구를 통해 초저전압에서 높은 감도로 생체신호를 측정하는 비침습적 피부 인터페이스 건강 모니터링 기술에 획기적 진전을 이뤄냈다”며 “다양한 기능을 갖춘 초소형·초박형 웨어러블 기기 구현 가능성을 높이고, 장기간 사용해도 성능을 안정적으로 유지하는 방안을 제시할 수 있을 것”이라고 설명했다.