아주대·GIST 연구팀, 인체 생체신호 모니터링 위한 전자피부 개발

[한국대학신문 이정환 기자] 국내 연구진이 아주 낮은 수준의 전압에서도 생체신호를 정확하게 측정할 수 있는 유연한 고감도 전자피부를 구현해냈다. 머리카락 두께 100분의 1 수준의 초박막 센서로 인체의 다양한 움직임에도 안정적이고 정확하게 생체신호 측정이 가능해 헬스케어 기술 발전에 기여할 것으로 보인다.

12일 아주대학교(총장 최기주)는 박성준 교수(전자공학과·지능형반도체공학과) 연구팀이 광주과학기술원(GIST) 연구팀과 공동으로 수직 형태의 채널구조를 갖는 초유연·초저전압 전자피부를 개발했다고 밝혔다.

해당 연구는 ‘표피 신호 모니터링을 위한 초유연성 수직 코바이노 유기 전기화학 트랜지스터(Ultraflexible Vertical Corbino Organic Electrochemical Transistors for Epidermal Signal Monitoring)’라는 논문으로 저명 학술지 <어드밴스드 머티리얼스(advanced materials)> 11월호에 게재됐다.

왼쪽부터 아주대 박사과정 이인호 학생(공동 제1저자), 서울대 김지환 박사후연구원(공동 제1저자), 광주과학기술원(GIST) 김영석 박사( 공동 제1저자), 강기훈 서울대 교수(공동저자), 광주과학기술원 윤명한 교수(교신저자), 아주대 박성준 교수(교신저자).

아주대 지능형반도체공학과 박사과정 이인호 학생, 서울대 신소재공동연구소 김지환 박사후연구원과 광주과학기술원(GIST) 김영석 박사가 공동 제1저자로 참여했다. 강기훈 서울대 재료공학부 교수(공동저자), 광주과학기술원 윤명한 신소재공학부 교수(교신저자)와 아주대 박성준 전자공학과·지능형 반도체공학과 교수(교신저자)가 이번 연구를 주도했다.

연구팀이 개발한 초박막 장치. 이 장치를 활용한 센서는 총 두께가 머리카락 두께의 100분의 1 수준으로, 얇고 가벼우며 유연하기에 웨어러블 기기 등에 널리 활용될 수 있다.

유연하고 가벼우며 생체친화적인 전자피부(e-skin)는 최근 국내외에서 활발히 연구되고 있다. 피부에 부착해 외과적 처치 없이 생체신호를 모니터링할 수 있는 비침습적 센서로 활용될 수 있기 때문. 그중에서도 유기 전기화학 트랜지스터는 피부 계면에서 일어나는 미세한 이온 변화를 전기 신호로 변환할 수 있어, 높은 감도의 비침습적 측정이 필요한 생체리듬 모니터링 센서에 활발히 적용되고 있다.

그러나 현재까지 개발된 전자피부 형태의 유기 전기화학 트랜지스터는 피부에 부착된 상태에서, 인간의 일상 움직임에 따라 소자의 형태가 변형되기 때문에 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 시에 안정적이고 높은 감도로 신호를 측정해내기 어렵다는 한계도 존재했다.

피부 부착형 장치를 통해 부위별로 측정할 수 있는 생리학적 신호의 개략도와 실제로 인체에 부착된 공동 연구팀 개발 장치 사진.

공동 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 고감도의 유기 전기화학 트랜지스터를 개발할 수 있었다.

연구팀은 개발한 수직 구조의 유기 전기화학 트랜지스터를 1마이크로미터(μm) 두께의 고분자 기반 기판 위에 구현, 머리카락 두께의 100분의 1 수준인 총 두께 2마이크로미터의 초박형 센서를 제작했다. 해당 센서는 33% 압축 변형과 1000회 이상의 반복적인 인장 시험에서도 성능 저하 없이 안정적인 작동을 보였다. 다양한 움직임 속에서도 신뢰성 높은 생체신호를 측정할 수 있음을 입증한 것.

피부 부착형 장치를 통해 부위별로 측정한 생리학적 신호. (a-b) 심전도 신호 측정 (c-e) 근전도 신호 측정 (f-g) 안전도 신호 측정

이러한 기술은 실시간 건강 모니터링과 원격 생체신호 분석·진단 등 다양한 분야에서 활용될 수 있을 전망이다. 예를 들면 만성질환 환자의 심박수와 호흡 데이터를 별도의 무거운 장비 없이 지속적으로 모니터링하고, 원격으로 환자의 상태를 확인해 조기 진단하는 방식 등이다.

박성준 아주대 교수는 “이번 연구를 통해 초저전압에서 높은 감도로 생체신호를 측정할 수 있는 비침습적 피부 인터페이스 건강 모니터링 기술에 획기적 진전을 이루어냈다”며 “다양한 기능을 갖춘 초소형·초박형 웨어러블 기기의 구현 가능성을 높이고, 장기간 사용해도 성능을 안정적으로 유지할 수 있는 방안을 제시할 수 있을 것”이라고 설명했다. 이어 “앞으로의 후속 연구를 통해 혁신적인 솔루션을 제공, 사람들의 삶의 질을 높이는데 크게 기여할 수 있을 것으로 기대한다”라고 덧붙였다.

이번 연구는 과학기술정보통신부 나노소재글로벌영커넥트·나노소재기술개발사업과 아주대 연구비 지원을 받아 수행됐다.