DGIST, 통기성 ‘전자피부’ 구현 위한 초박막 나노메쉬 전극 개발 성공

DGIST(총장 이건우)가 화학물리학과 이성원 교수 연구팀과 한밭대 강현일 교수, 경북대 노종욱 교수 연구팀과 공동으로 반도체 제조에 사용되는 전사(transfer) 기술을 응용해 통기성(나노메쉬) 기판 위에 고해상도 전자피부(e-skin) 기기를 구현하는 데 성공했다.

전자피부는 건강 모니터링이나 생체 신호 측정을 위해 인체나 살아있는 조직 표면에 밀착되는 초박형 전자기기다. 전자피부가 효과적으로 작동하기 위해서는 피부 굴곡을 그대로 따라가는 '등각접촉(conformal contact)'과 장시간 착용해도 땀이나 습기가 빠지지 않아 발생하는 피부 자극·염증을 최소화하는 높은 통기성이 필수적이다. 이런 관점에서, 고분자 나노섬유가 그물처럼 얽힌 형태의 나노메쉬 기판은 통기성이 뛰어나 차세대 전자피부 소재로 주목받고 있다.

그러나 나노메쉬 표면은 섬유가 얽힌 거친 구조를 가지고 있고, 고분자 소재 특성상 열에 약해 고온에서 진행되는 정밀 미세 공정을 적용하기 어렵다는 문제가 있어, 실제 전자 소자 제작에는 한계가 있었다.

또 연구팀은 이러한 구조적 한계를 해결하기 위해 반도체 소자 제작에서 사용하는 전사기술을 나노메쉬 구조에 맞게 변형해 적용하는 새로운 방식(간접 전사, indirect transfer)을 도입했다. 이를 통해 나노메쉬 기판 위에서도 고해상도 패턴을 가진 전자회로를 안정적으로 구현하는 데 성공했다.

특히 기존 나노메쉬 전극이 안정적 전도성을 확보하기 위해 보통 100nm 이상의 두께가 필요했던 반면, 이번에 개발된 초박막 나노메쉬 전극은 20nm 이하의 두께에서도 높은 전기전도도를 확보했다. 또한 전극은 굽힘 반경 0.5~2.5㎜의 극한 변형 환경, 물·과산화수소·아세톤 등 다양한 화학적 환경, 그리고 높은 온도·습도, pH 변화 등 피부의 생리적 조건에서도 성능이 거의 저하되지 않는 우수한 내구성을 보여 전자피부 적용에 매우 적합함을 입증했다.

이성원 교수는 "고해상도이면서도 통기성을 갖춘 전극은 차세대 웨어러블 기기 개발의 핵심 기술"이라며 "이번 성과는 통기성 기반 전자피부의 실용화를 한 단계 앞당긴 중요한 연구"라고 말했다.

한편 이번 연구는 한국연구재단의 지역혁신 선도연구센터사업과 DGIST 일반사업의 지원으로 수행됐으며, 연구 결과는 국제 저명 학술지인 'Materials Today'에 게재됐다.