서울대, 하나로 다 되는 ‘만능 반도체’ 개발

- 초저전압 구동으로 기존 유기 반도체의 발광 한계 해결

- 지능형 인공피부와 웨어러블 헬스케어 분야 활용 기대

초저전압 유기발광트랜지스터 동작 원리 및 웨어러블 응용. (자료제공: 한국연구재단)

정보 처리는 물론, 기억과 발광까지 단 하나의 디바이스에서 모두 수행 가능한 초저전압 반도체가 개발됐다.

한국연구재단(이사장 홍원화)은 서울대학교 이태우 교수 연구팀이 아주 낮은 전압에서도 빛나는 영역이 넓고 밝으며, 정보를 기억하는 기능을 동시에 갖춘 새로운 반도체 디바이스를 구현했다고 6월 10일 밝혔다.

웨어러블 전자소자는 단순히 생체 신호를 감지하는 수준을 넘어, 데이터를 실시간으로 처리하고 시각화해 사용자에게 전달하는 방향으로 발전하고 있다. 그러나 신호 처리, 기억, 시각화 기능을 모두 구현하기 위해서는 각기 다른 장치들을 일일이 연결해야 하는데, 이로 인해 구조가 복잡해지고 에너지 소모가 커지는 물리적 한계가 뒤따랐다.

유기 트랜지스터는, 이러한 다양한 기능을 한 번에 구현하는데 용이하고 생체처럼 부드러운 물질로 이루어져 차세대 웨어러블 전자소자에 유망하지만, 밝은 빛을 내기 위해 높은 전압이 필요하고 발광 영역이 좁아 불안정하다는 점이 문제로 지적돼 왔다. 여기에 신호 처리와 기억 기능까지 하나로 통합하는 데 따른 기술적 제약까지 겹치면서, 실제 지능형 웨어러블 전자기기로 활용하는 데 많은 어려움이 있었다.

연구팀은 기존 디바이스가 가진 고전압 구동 문제와 좁은 발광 영역의 한계를 극복하기 위해, 새로운 발광 원리를 개발했다. 먼저 발광 반도체 내부에 특수 물질(이온 수송 촉진제)을 넣어 전기가 주입되는 에너지 장벽을 낮췄다. 그 결과, 기존에는 발광을 위해 100V에 가까운 높은 전압이 필요했던 유기 트랜지스터를 우리가 흔히 쓰는 1.5V 건전지 2개(3.0V 이하)만으로도 넓고 안정적인 빛을 내게 하는 데 성공했다.

또한, 이번 연구는 단순히 전압을 낮춘 것을 넘어, 우리 몸의 신경 세포가 정보를 저장하고 기억하는 원리와 같이 이온이 움직이고 쌓이는 원리를 활용해, 정보를 저장하고 처리하는 차세대 메모리 기능을 반도체 하나에 통합했다는 점이 핵심이다. 외부에서 들어오는 자극이 반복되면서 반도체가 이를 기억하고 반응을 조절, 마치 사람의 뇌처럼 지능적인 정보 처리를 가능하게 만들었다. 

이를 통해 개발된 반도체는 외부 컴퓨터 및 디스플레이가 없이도 입력된 신호를 실시간으로 계산하고, 그 결과를 별도의 장치 없이 즉각적으로 빛을 내는 기능을 하나의 온스킨형 디바이스로 사용자에게 보여줄 수 있다. 

이태우 교수는 “이번 연구는 계산 장치, 메모리, 표시장치를 따로 제작하여 연결할 필요 없이 하나의 반도체 디바이스 안에서 모든 기능을 통합 구현할 수 있음을 보여준 성과”라며 “향후 지능형 인공피부와 웨어러블 헬스케어 분야의 핵심 기술로 활용될 것으로 기대된다”고 밝혔다.

이번 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단의 미래유망 융합기술 파이오니아사업, 글로벌 리더연구 후속사업, 산업자원통상부의 한국에너지기술평가원 인력양성 사업의 지원으로 수행됐다. 연구 결과는 재료 분야 국제학술지 ‘네이처 머티리얼스(Nature Materials)’에 6월 8일 온라인 게재됐다.

[Ceramic Korea (세라믹뉴스)=이광호 ]