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‘부드럽고 편안하게’ 까다로운 전자섬유 성능 향상
‘부드럽고 편안하게’ 까다로운 전자섬유 성능 향상
  • 이진수 기자
  • 승인 2021.01.25 16:11
  • 댓글 0
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​[더리포트] 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.

25일 한국과학기술연구원(KIST, 원장 윤석진)에 따르면 연구원 소속 차세대반도체연구소 이현정 박사, 임정아 박사 연구팀이 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 개발했다.

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.

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)​ (그래픽=한국과학기술연구원)

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 측정할 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.

이 연구는 과학기술정보통신부(장관 최기영) 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.

 


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