레고처럼 분해하고 재조립하는 반도체 개발

- 자가치유성 전자회로 기술로 임플랜터블/웨어러블 시스템 혁신

신축성 자가치유 전자회로의 웨어러블 및 임플랜터블 시스템 적용. (자료제공: 한국연구재단)

원하는 대로 기능을 바꾸고 회로를 재배치할 수 있는 조립형 자가치유 반도체 기술이 개발됐다. 체내 이식과 분해 후 재조립에도 성능을 유지해, 지능형 임플랜터블(Implantable) 및 웨어러블 기기 개발에 기여할 것으로 기대된다. 임플랜터블은 체내삽입형이라는 의미로 디지털약, 스마트 콘택트렌즈처럼 체내에 집어넣어 사용하는 기기, 기술을 통칭한다.

한국연구재단(이사장 홍원화)은 성균관대학교 손동희 교수팀, 박진홍 교수팀이 공동연구를 통해 별도의 납땜이나 접합 과정 없이 단면을 붙이기만 하면 레고처럼 조립되는 신축성 자가치유 반도체를 활용한 맞춤형 바이오 전자회로를 개발했다고 5월 22일 밝혔다.

몸에 착용하거나 체내에 삽입하는 웨어러블 및 임플랜터블 기술이 점점 발전하면서 전자소자 역시 유연하고 회복력 있는 전자피부 형태로 진화하고 있다. 

하지만 기존의 전자피부는 한 번 설계한 기능과 모양을 바꾸기 어려워 사용자의 신체 부위나 생리 조건에 따른 개인 맞춤형 시스템 구현에 한계가 있다. 또한 신체의 움직임에 따라 늘어나고 구부러지거나 찢어지는 등의 손상에 취약해 채내외에서 장기간 안정적으로 작동할 수 있는 전자소자 개발이 필요하다.

공동연구팀은 먼저, 반도체 트랜지스터를 이루는 모든 구조에 자가치유고분자를 적용해 손상 후 성능을 회복할 수 있도록 했다.

트랜지스터를 구성하는 전극과 반도체는 신축성 고분자를 기반으로 한 탄소나노튜브와 유기반도체를 혼합해 제작하고, 절연막은 자가치유고분자를 박막형태로 코팅해 구현했다.

자가치유 트랜지스터가 수중 환경에서도 동작이 가능한 것을 확인한 후, 생체적합성 검사를 거쳐 체내에 일주일간 이식했을 때 전기적 성능을 유지함을 동물 실험을 통해 검증했다. 이렇게 개발한 트랜지스터는 자가치유가 가능한 특성을 활용, 분해하고 새롭게 이어 붙여 조립하는 모듈형 회로설계에 적용됐다.

논리 회로의 연산을 바꾸고 기계적 변형이 가해져도 동작 가능함을 실험으로 검증한 연구팀은 해당 모듈로 만지면 시각적 상호작용을 하는 웨어러블 전자피부 시스템을 시연했다.

손동희 교수는 “자가치유 가능한 신축성 가변형 전자회로 및 모듈 기술은 향후 뇌-신경 치료 기기, 체내 삽입형 센서, 스마트 인공피부 등 헬스케어 및 바이오전자 분야에 적용될 수 있다”고 말했다.

박진홍 교수는 “자가치유 기능을 발전시키면 결함 감지, 자기 진단, 자기 복구의 순환 메커니즘을 갖춘 지능형 자가치유 시스템으로 진화할 것으로 기대된다”고 밝혔다.

과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 바이오·의료기술개발사업과 우수신진연구사업 지원으로 수행된 이번 연구의 성과는 국제학술지 ‘네이처 일렉트로닉스(Nature Electronics)’에 5월 19일 온라인 개재됐다.

[Ceramic Korea (세라믹뉴스)=이광호 ]