UNIST 공동연구팀, 투명 웨어러블 전자 소자 개발

UNIST 공동 연구팀이 '하이브리드 투명 전자 소자' 제조 기술개발에 성공했다.(좌측부터 박장웅 교수, 김성원 연구원, 김주희 연구원(제1저자), 변영재 교수, 김국주 박사, 홍성유 교수)

배터리 없이 작동하는 '무선 스마트 센서(wireless smart sensor)'가 울산과학기술대학(UNIST) 연구팀에 의해 개발됐다.

이 센서를 피부나 장기 등에 스티커처럼 붙이면 생체물질의 변화를 실시간으로 감지할 수 있어 언제 어디서나 건강을 진단하고 전송할 기반 기술이 마련된 것이다.

22일 UNIST(총장 조무제)에 따르면 박장웅 신소재공학부 교수와 홍성유 화학공학부 교수, 변영재 전지전자컴퓨터공학부 교수 공동 연구팀이 '하이브리드 투명 전자 소자' 제조 기술을 개발해 어드밴스드 머티리얼스(Advanced Materials) 22일자 온라인판에 논문명 'Highly Transparent and Stretchable Field-Effect Transistor Sensors Using Graphene-Nanowire Hybrid Nanostructures'로 게재했다.

공동 연구팀은 이 기술로 투명하고 자유롭게 변형되며 스티커처럼 붙일 수 있는 '무선 스마트 센서'를 구현했다.

이번에 개발한 기술에는 그래핀과 금속 나노와이어를 결합한 '하이브리드 투명 전자 소자'가 활용됐다.

이 소자는 투명한데다 반으로 접거나 잡아당겨도 전기적 특성이 유지된다.

이를 활용해 구현한 무선 스마트 센서는 사람 피부 등 여러 표면에 붙여 실시간으로 단백질 같은 생체물질의 변화를 감지할 수 있다.

이 센서를 손등에 붙여 변형이 일어나도 단백질을 감지하는 데 지장이 없었으며 공기 중에 장시간 노출시키거나 열을 가해도 산화되지 않았고, 우수한 유연성과 신축성을 유지했다.

이 센서는 내장된 안테나로 생체물질의 변화를 무선으로 전달한다.

오른쪽 사진은 금속 나노와이어 하이브리드 구조를 이용해 제작한 투명한 웨어러블 무선 스마트 센서가 손등에 부착된 모습이다. 이 센서는 오른쪽에 보이는 것처럼 손등에 붙여도 보이지 않을 정도로 투명하며, 잡아당기거나 구겨도 전기적 특성이 유지된다. 왼쪽 위 그림의 Con-A는 이번 실험에서 활용한 단백질의 이름으로 그래핀이 Con-A 단백질을 감지하면 저항이 달라지고, 이 정보를 안테나를 통해 전달하게 된다.

정보 송·수신에 필요한 전력은 송신 안테나 쪽에서 공급하므로 센서 자체에 배터리가 필요하지 않다는 것도 특징이다.

참고로 안테나는 공기 중에 신호를 뿌리고 받으면서 정보를 전하는데, 여기에 송신 안테나가 전파를 쏘면 수신 안테나가 받고 반사하는 원리가 활용된다.

제1저자로 이번 연구를 진행한 김주희 신소재공학부 석·박사통합과정 연구원은 "그래핀이 단백질을 감지하면 저항이 변하고, 이 정보를 담은 신호가 수신 안테나를 통해 공기 중에 뿌려 진다"며 "송신 안테나가 전파를 쏘고 잡는 역할을 하므로 수신 안테나가 장착된 스마트 센서에는 배터리가 필요 없다"고 설명했다.

김 연구원은 이어 "만약 송신 안테나를 휴대폰에 내장하게 되면 휴대폰 배터리를 이용해 전파를 쏘고 잡을 수 있다"고 덧붙였다.

박장웅 교수는 "이번 연구로 스마트 센서가 실용화되는 데 어려움으로 꼽혔던 배터리 문제를 해결했다"며 "투명 웨어러블 무선 스마트 센서를 구현할 방법을 제시해 차세대 웨어러블 전자 소자 개발에 한 걸음 더 내딛게 됐다"고 말했다.

[e-mail] 김기열 기자