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심박수 측정도 가능한 부드럽고 편안한 전자섬유 나온다
의학약학 한국과학기술연구원 (2021-01-25)

- 원하는 모양의 전극을 실에 말아 섬유형 광전자소자 성능 향상
- 섬유형 광다이오드를 천에 삽입하여 손 끝에서 심박수 측정 가능

 

KIST 김형준 학생연구원, 강태형 박사, 이현정 박사, 임정아 박사

<KIST 김형준 학생연구원, 강태형 박사, 이현정 박사, 임정아 박사>


입을 수 있는 소자(웨어러블 디바이스)의 발전과 더불어 가볍고 편안한 섬유와 스마트 전자소자를 융합한 전자섬유(E-textile) 기술이 차세대 신기술로 주목받고 있다. 특히 섬유 고유의 특성을 유지하면서 전기적 특성을 가지는 섬유형 전자소자(Fiber electronic device)는 전자섬유를 구현하기 위한 핵심 소자 중 하나이다.

일반적으로 반도체와 전극, 절연막 등의 층으로 구성된 광전자소자는 전극의 크기와 구조에 따라 소자의 성능이 크게 달라진다. 섬유형 전자소자를 만들기 위해서는 쉽게 휘어지는 데다가 얇은 실 위에 소자를 형성시켜야 하기 때문에 소자의 크기를 마이크로미터 단위인 실의 두께보다 크게 만들 수 없어 소자의 성능을 향상시키는데 한계가 있었다. 이런 가운데, 국내 연구진이 이러한 한계를 뛰어넘어 성능을 향상시키는 기술을 개발해 화제다.

한국과학기술연구원(KIST, 원장 윤석진) 차세대반도체연구소 이현정 박사, 임정아 박사 연구팀은 원하는 전극을 잉크젯 프린터로 프린팅하여 제작하고 그 위에 반도체가 코팅된 전극 실을 굴려주기만 하면, 원하는 전극 구조가 돌돌 말려져있는 트랜지스터, 광다이오드와 같은 섬유형 전자소자를 제작할 수 있는 기술을 개발했다고 밝혔다.

이현정 박사 연구팀은 2019년 탄소나노튜브(CNT, Carbon Nanotube) 잉크를 물을 머금고 있는 고분자인 하이드로젤 기판에 프린트한 후 전사 (transfer) 하여 원하는 표면에 전극을 구성할 수 있는 기술을 개발한 바 있다.(Nano Letters 2019, 19, 3684-3691) 하이드로젤 위에 프린팅된 CNT 전극은 마치 물에 떠 있는 것과 같아 그 위에 섬유를 굴리면 전극구조의 손상 없이 쉽게 섬유의 표면으로 옮겨질 수 있을 것이라 예상하고 임정아 박사 연구팀과 함께 연구한 결과 실제 반도체층과 CNT 전극의 손상 없이 고성능 섬유형 소자를 제작해냈다. 개발한 CNT 전극이 감싸진 섬유형 트랜지스터는 1.75mm 구부림 반경까지 크게 구부려도 80% 이상의 성능이 안정적으로 유지되었다.

또한 CNT 전극의 반투명한 특성을 활용, 빛을 흡수하여 전류를 발생시킬 수 있는 반도체층이 코팅된 전극 실을 CNT 전극으로 감싸 빛을 감지할 수 있는 섬유형 광다이오드를 제작하는데 성공하였다. 제작된 섬유형 광다이오드는 넓은 가시광선 영역의 빛을 감지할 수 있으며 평면형 소자에 뒤떨어지지 않는 우수한 감도를 보였다. 연구팀이 개발한 섬유형 광다이오드를 LED 소자와 함께 천에 삽입하여 장갑처럼 끼면, 손끝에서 흐르는 혈액양의 변화에 따라 바뀌는 LED 빛의 반사 세기를 섬유형 광다이오드가 감지하여 사용자의 맥박을 측정 할 수 있었다.

KIST 임정아 박사는 “개발한 손가락장갑형 심박수 측정기는 집게형 심박수 측정기를 대체하여 편안하고 부드러운 느낌으로 측정자에게 쉽게 다가갈 수 있으며, 언제나 어디서나 실시간으로 심박수를 측정할 수 있는 장점이 있다.”라고 말했다. 공동 연구책임자인 이현정 박사는 “이번 연구는 섬유형 소자 개발에 있어 과제로 남아있는 전극 형성 기술에 대한 새로운 접근법을 제시하는 것으로, 섬유형 광전자소자의 성능 향상에서부터 복잡한 회로를 가지는 섬유형 전자소자의 개발을 앞당길 수 있을 것이라 기대한다.”라고 밝혔다.

본 연구는 과학기술정보통신부 지원 아래 KIST 주요사업 및 한국연구재단 중견후속연구 및 나노소재원천기술개발사업으로 수행되었으며, 나노소재 분야의 국제학술지 ‘ACS Nano’ (IF: 14.588, JCR 분야 상위 5.255%) 최신 호에  게재되었다.
 * (논문명) Spirally Wrapped Carbon Nanotube Microelectrodes for Fiber Optoelectronic Devices beyond Geometrical Limitations toward Smart Wearable E‑Textile Applications
  - (제 1저자) 한국과학기술연구원 김형준 학생연구원
  - (제 1저자) 한국과학기술연구원 강태형 박사후연구원
  - (교신저자) 한국과학기술연구원 이현정 책임연구원
  - (교신저자) 한국과학기술연구원 임정아 책임연구원
 

연구결과 개요

1. 연구배경
입을 수 있는 소자(Wearable device)의 발전과 더불어 가볍고 편안한 섬유와 스마트 전자소자를 융합한 전자섬유 (E-textile) 기술이 차세대 기술로 주목받으면서, 실과 같은 형태를 가지고있어 천의 특징을 유지하면서도 전자소자의 기능을 부여 할 수 있는 섬유형 전자소자 (Fiber electronic device)의 개발에 대한 연구가 집중되고 있다.
지금까지 섬유형 전자소자의 개발은 섬유 실 위에 반도체, 전극, 절연막 등의 구성요소를 적층하는 방법으로 이루어지고 있으며, 마이크로 두께의 얇고 곡면인 실에 상기 구성요소들의 마이크로 구조를 형성해야 하는 어려움이 있었다. 특히, 전극의 크기와 패턴 구조는 소자 성능을 결정하는 매우 중요한 특성이나, 기존에는 진공증착 기법이나 단순 표면 코팅 방법으로 전극을 형성하여, 얇은 실 위에서 원하는 전극 구조를 효과적으로 제어할 수 있는 방법이 없었다.

2. 연구내용
본 연구팀은 섬유형 전자소자를 제작하는데 있어 섬유 크기의 한계를 뛰어넘어 전극의 구조를 손쉽게 제어할 수 있는 방법을 개발하였다. 먼저 원하는 전극의 마이크로 구조를 잉크젯 프린팅하여 제작하고, 그 위에 반도체가 코팅되어 있는 전극 실을 굴려주기만 하면, 원하는 전극 구조가 돌돌 말려져 있는 섬유형 전자소자를 완성할 수 있다.
이 연구에서 공동연구진은 본 기술 개발을 위해 먼저 전극소재로 전도성이 우수하고, 유연하며, 반투명 필름을 형성하여 투명전극으로 활용이 가능한 탄소나노튜브 (carbon nanotube; CNT)에 주목하였다. 탄소나노튜브는 계면활성제와 물에 분산하여 잉크젯 프린팅이 가능한 잉크로 제작할 수 있다. 또한 섬유에 전극을 쉽게 전사 (transfer) 하기 위한 기판으로 물을 머금고 있어 물렁물렁한 ‘하이드로젤 (Hydrogel)’을 이용하였다. 연구팀은 선행연구에서 하이드로젤 내부에는 무수히 작은 구멍이 나 있어 잉크젯 프린팅한 CNT 잉크의 물과 계면활성제는 구멍으로 빠져나가고 물과 친하지 않은 CNT 전극만 표면에 남게 되는 것을 보고한 적 있다. 이렇게 남겨진 CNT 전극 패턴은 마치 물에 떠 있는 것과 같아 그 위에 섬유를 굴려도 전극 구조의 손상 없이 쉽게 섬유형 소자의 표면으로 옮겨질 수 있을 것이라 기대하였다.
연구팀은 이러한 방법을 이용하여 실제 반도체 층과 CNT 전극의 손상 없이 고성능 섬유형 소자를 제작할 수 있음을 보였다. CNT 전극이 감싸진 섬유형 트랜지스터는 실을 굴리는 길이에 따라 전극의 폭이 늘어나고 그에 따라 전류 값도 비례해서 증가하게 된다. 150 μm 의 간격을 두고 소스와 드레인 전극을 제작하였으며 12 mm 까지 CNT 전극을 감는 길이를 증가시켜 보았을 때, 출력 전류가 기존에 폭이 작았던 소자에 비해서 10배 가량 증가하는 효과를 나타내었다. 기존에는 소스와 드레인 전극을 진공 증착 방법으로 형성하여 전극 사이 채널 거리나 폭을 제어하는데 한계가 있었으나, 개발한 방법을 이용하면 유기반도체가 코팅된 실을 굴리는 길이에 따라 채널의 폭이 늘어나고 그에 따라 전류 값도 비례해서 증가하게 된다. 제작한 섬유형 트랜지스터는 1.75 mm 반경으로 구부렸을 때에도 전극의 손상 없이 성능이 80% 이상 안정하게 유지되는 것을 확인할 수 있었다.
또한 CNT 전극의 반투명한 특성을 활용하여, 빛을 흡수하여 전류를 발생시킬 수 있는 반도체층이 코팅된 전극실을 CNT 전극으로 감싸 빛을 감지할 수 있는 섬유형 광다이오드를 제작하는 데 성공하였다. 제작된 섬유형 광다이오드는 넓은 가시광선 영역의 빛을 감지할 수 있으며 평면형 소자와 유사한 감도를 보였다. 이러한 광전류의 생성은 CNT 전극 아래 반도체층에서 발생하였으며, CNT 전극의 두께를 달리하여 전극의 투과도와 전도도를 제어함에 따라 최적의 성능을 보이는 소자를 얻을 수 있었다. 연구팀은 실제로 LED 소자와 함께 섬유형 광다이오드를 천에 삽입하여 손가락에 장갑처럼 끼면 손 끝에서 혈액의 양의 변화에 의해 바뀌는 LED 빛의 세기를 섬유형 광다이오드가 감지하여 사용자의 맥박을 측정할 수 있음을 보여주었다. 이는 섬유형 광다이오드를 이용하여 사용자의 건강상태를 확인할 수 있음을 보여주는 예로써, 차세대 웨어러블 소자로 충분히 응용 가능하다는 것을 제시하는 결과이다. 

3. 기대효과
본 연구는 섬유형 전자소자 개발에 있어 한계 기술로 여겨졌던 전극 형성 기술에 대해 새로운 접근법을 제시한 것으로, 얇은 실의 구조적 한계를 뛰어넘어 원하는 구조의 전극 패턴을 섬유형 전자소자에 구성할수 있음을 보여주는 의미있는 결과이다. 특히, 섬유형 전자소자 개발에 있어 광다이오드와 같은 광전자소자의 구현은 투명전극을 필요로하여 매우 제한적으로 보고가 되고 있었으나, 본 연구에서 제시된 전극 형성 방법을 이용하면 손쉽게 섬유형 광다이오드를 제작할 수 있다. 개발된 섬유형 광다이오드는 실제 인체신호 모니터링에 적용 가능할 정도의 민감도와 성능을 가져, 차세대 웨어러블 플랫폼으로의 전자섬유의 실현 가능성에 한걸음 더 다가간 결과라고 할 수 있다. 이러한 전극 형성 기술을 더 발전시키면 향후 보다 복잡한 회로도 섬유에 형성할 수 있어 보다 진보된 전자섬유의 개발에 기여할 수 있을것이라 기대된다.
 

연구결과 문답

□ 연구를 시작한 계기나 배경은?

◯ 입을 수 있는 소자(Wearable device)의 발전과 더불어 가볍고 편안한 섬유와 스마트 전자소자를 융합한 전자섬유 (E-textile) 기술이 차세대 기술로 주목받으면서, 실과 같은 형태를 가지고 있어 천의 특징을 유지하면서도 전자소자의 기능을 부여 할 수 있는 섬유형 전자소자 (Fiber electronic device)의 개발에 대한 연구가 집중되고 있다.
◯ 지금까지 섬유형 전자소자의 개발은 섬유 실 위에 반도체, 전극, 절연막 등의 구성요소를 적층하는 방법으로 이루어지고 있으며, 마이크로 두께의 얇고 곡면인 실에 상기 구성요소들의 마이크로 구조를 형성해야 하는 어려움이 있었다. 특히, 전극의 크기와 패턴 구조는 소자 성능을 결정하는 매우 중요한 특성이나, 기존에는 진공증착 기법이나 단순 표면 코팅 방법으로 전극을 형성하여, 얇은 실 위에서 원하는 전극 구조를 효과적으로 제어할 수 있는 방법이 없었다.
◯ 본 연구팀은 선행 연구결과로부터 원하는 전극 패턴을 잉크젯 프린팅 방법으로 자유롭게 먼저 제작하고, 이를 섬유에 전사하여 섬유형 전자소자의 전극을 형성하는 방법을 생각해냈다. 본 연구팀은 2019년에 탄소나노튜브 전극을 하이드로젤에 프린팅하여 마치 스티커처럼 원하는 기판에 전극을 옮겨 붙일수 있는 기술을 개발하여 나노소재분야 국제할술지  Nano Letters 에 보고한 바 있다. 본 기술의 특징은 탄소나노튜브 전극 패턴이 마치 물에 떠 있는 것과 같아 다른 물질로 쉽게 이동해갈수 있다는 점이다. 이러한 점에 착안하여 전극실을 이러한 전극 패턴 위에 굴려 아무런 손상 없이 옮겨 붙일수 있다면 앞서 언급한 기존 섬유형 전자소자의 전극 형성 기술의 한계를 뛰어넘을수 있을 것이라 기대하였다. 

□ 이번 성과, 무엇이 다른가?

◯ 기존의 섬유형 전자소자의 전극 형성은 박막형 소자 제작에서 활용되었던 진공증착 방식을 사용하거나 섬유를 전도성 물질에 담궈서 코팅하는 방식으로 이루어졌었다. 첫 번째 방식은 전극 패턴의 크기가 얇은 실의 두께에 제한되며 진공공정이 3차원 곡면을 가지는 섬유에 적합하지 않은 문제가 있다. 두 번째 방법은 전극의 마이크로 패턴 형성이 불가능하고 전극 구조의 최적화가 어렵다는 한계가 있었다. 섬유형 전자소자의 성능 향상을 위해서는 전극 구조 최적화를 위한 연구가 반드시 필요하나 이러한 전극 형성 기술의 한계로 인해 연구가 거의 이루어지지 않고 있었다.
◯ 연구팀은 섬유형 전자소자를 제작하는데 있어 섬유 크기의 한계를 뛰어넘어 전극의 구조를 손쉽게 제어할 수 있는 방법을 개발하였다. 먼저 원하는 전극의 마이크로 구조를 잉크젯 프린팅하여 제작하고, 그 위에 반도체가 코팅되어 있는 전극 실을 굴려주기만 하면, 원하는 전극 구조가 돌돌 말려져 있는 섬유형 전자소자를 완성할 수 있다.
◯ 이러한 시도는 세계적으로 보고된 바 없는 최초의 시도였으며, 섬유형 트랜지스터 소자에 적용하여 전사된 CNT 전극의 특성과, 반도체 층에 미치는 효과, 소자 구동의 가능성 등을 검증하였다.
◯ 또한 CNT의 반투명 특성과 광흡수층을 활용하여 섬유형 광다이오드를 제작하는데 성공하였다. 섬유형 광다이오드의 개발은 투명전극의 필요성으로 인해 연구개발 사례가 많이 보고 되지 않고 있는 분야이다. 이번에 개발된 섬유형 광다이오드는 특히 광혈류측정으로의 응용이 가능할 정도의 광감응 특성을 가지고 있으며, 섬유형 광다이오드를 이용하여 맥파 측정 가능성을 보인 최초의 사례이다.

□ 실용화된다면 어떻게 활용될 수 있나?

◯ 개발된 섬유형 전자소자는 옷이나 장갑 등 의복에 신호 처리 시스템, 배터리 등과 함께 삽입되어 사용자의 거부감없이 건강상태를 실시간으로 모니터링 할 수 있는 전자섬유 기술에 활용될 수 있을것으로 기대된다.

□ 기대효과와 실용화를 위한 과제는?

◯ 섬유형 전자소자 기술은 아직까지 전세계적으로 연구 초기단계로 실용화를 위해서는 소자 성능의 향상과 함께 환경안정성, 내구성, 소비 전력 등에 있어서 많은 개선이 필요하다.
◯ 이번에 개발된 섬유형 광전자소자의 전극 전사기술은 CNT 전극 소재를 응용하여 구현되었으나, 보다 고전도도를 가지는 다양한 전극소재를 이용하여 전극의 전도도 및 특성 향상에 대한 추가 연구가 필요하다. 또한 추가적으로 다른 전자제어시스템과의 연동을 위한 interconnect 형성 기술의 개발이 요구된다.
◯ 본 연구에서 개발한 광다이오드 소자의 경우에는, 빛이 조사되었을 때 소자가 반응하는 반응속도의 개선, 착용자의 움직임에 따른 노이즈를 최소화 시킬수 있는 방법, 신호를 RF나 NFC와 같이 무선으로 전달할 수 있는 방법 등의 기술의 보완이 추가적으로 요구된다.

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[그림 1]
CNT 전극 전사를 통한 인체 신호 모니터링용 광전소자 구현 전략에 관한 모식도
전극을 하이드로젤에 프린팅하고 섬유를 전극 위로 굴려서 전극이 전사된 모습(왼쪽), 전사 공정을 통해 제작한 광다이오드를 섬유에 삽입하여 손 끝에서 광혈류측정에 응용되는 모식도와 실제 심박 측정 특성(오른쪽).|

 

본 연구진이 개발한 섬유형 소자 구현을 위한 CNT 전극 전사 공정

[그림 2]
(a) 본 연구진이 개발한 섬유형 소자 구현을 위한 CNT 전극 전사 공정
(b) 본 연구진이 개발한 기술을 이용하여 원하는 크기의 전극이 실을 감싸서 전사된 사진

 

본 연구진이 구현한 섬유형 트랜지스터의 소자 구조, 사용된 물질의 분자구조와 각 구성 요소에 대한 명명

[그림 3]
(a) 본 연구진이 구현한 섬유형 트랜지스터의 소자 구조, 사용된 물질의 분자구조와 각 구성 요소에 대한 명명
(b) CNT 전극이 전사된 섬유형 트랜지스터의 모습을 보여주는 사진(왼쪽), CNT 전극과 유기반도체 채널 모습을 보여주는 주사현미경 사진(오른쪽)
(c) 전극을 전사하는 길이에 따라 채널 폭을 순차적으로 증가시켰을 때 섬유형 트랜지스터의 출력특성(output curve) 비교 그래프
(d) 채널 폭이 증가함에 따라 선형적으로 증가하는 전류 그래프
(e) 소자를 구부렸을 때 섬유형 트랜지스터의 전달특성(transfer curve) 그래프
  
diF-TESADT: 본 연구에서 사용한 단분자 유기 반도체,
2,8-Difluoro-5,11-bis(triethylsilylethynyl)anthradithiophene
PMMA : 본 연구에서 사용한 절연성 고분자, Poly(methacrylic acid methyl ester)

 

본 연구진이 구현한 섬유형 광다이오드의 소자 구조, 사용된 물질의 분자구조와 각 구성 요소에 대한 명명

[그림 4]
(a) 본 연구진이 구현한 섬유형 광다이오드의 소자 구조, 사용된 물질의 분자구조와 각 구성 요소에 대한 명명
(b) 광 활성층의 광흡수 스펙트럼과 제작한 소자의 에너지 밴드 다이어그램
(c) 638nm 파장대 빛의 세기별 제작한 소자의 전류밀도-전압 특성
(d) 인체 신호를 모니터링 하기 위해 제작한 소자를 섬유에 삽입하고 LED와 함께 광혈류측정을 할 수 있음을 보여주는 사진
(e) 투과 및 반사된 서로 다른 두 파장대의 빛을 섬유에 삽입된 소자로 확인한 광혈류측정(PPG) 데이터

PTB7-Th : 본 연구에서 사용한 p-type 반도체 donor 물질,
Poly([2,6′-4,8-di(5-ethylhexylthienyl)benzo[1,2-b;3,3-b]dithiophene]{3-fluoro-2[(2-ethylhexyl)carbonyl]thieno[3,4-b]thiophenediyl})
PC71BM : 본 연구에서 사용한 n-type 반도체 acceptor 물질, [6,6]-Phenyl C71 butyric acid methyl ester
PPG : 빛을 활용하여 맥파를 측정하는 광혈류측정, photoplethysmogram

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