건국대, 졸업생 저자로 참여한 연구 네이처 게재

허수원 박사, 자가구동 피부부착형 심전센서 개발 이화학연구소·동경대 공동연구… 9월 27일자 게재

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사진;허수원 박사 제공;건국대학교

(더 마이스=정인태기자) 건국대 졸업생인 허수원 박사가 제1저자로 참여한 한·일 공동 연구진이 배터리가 필요없는 ‘피부 부착형 심전도 측정 장치’를 개발, 이 결과를 세계 최고 국제학술지인 네이처(Nature, 논문명: Self-powered ultra-flexible electronics via nano-grating-patterned organic photovoltaics)에 9월 27일 자로 게재했다고 4일 밝혔다.

연구진은 초박형 유기 태양 전지를 유기 전기 화학 트랜지스터와 한 평면에 결합하고 별도의 전원 없이도 피부에 붙일 수 있는 초박형 센서를 개발했다.

피부에 붙이기만 하면 혈압이나 맥박 등을 측정할 수 있는 웨어러블 바이오센서는 여럿 개발됐지만 이를 작동하기 위한 전원의 공급이 문제였다. 웨어러블 기기에 전원을 공급하기 위해서는 별도의 전원장치를 전선을 통해 연결해야 했다.

연구진은 이를 극복하기 위해 가볍고 유연한 ‘유기태양전지(OPV)’를 바이오센서에 적용하려 시도해왔지만 피부 주름과 동작 시 발생하는 기계적인 변형으로 태양전지 효율이 크게 떨어져 전원 공급에 차질이 생겼다. 허 박사는 나노 구조를 도입한 OPV와 ‘유기전기화학트랜지스터(OECT)’를 결합해 이 문제를 해결했다.

연구진은 1마이크로 두께(μm, 1um는 100 만분의 1m)의 매우 얇은 플라스틱기판 위에 OPV와 OECT를 결합했다. 일반적으로 유연한 OPV는 단단한 OPV와 비교했을 때 에너지 효율이 떨어진다.

허 박사는 이를 해결하기 위해 전자 수송층인 산화아연과 광활성층인 고분자 반도체에 1차원 선형구조 (1D-grating)를 소프트 임프린팅법으로 형성했다. 이 구조는 약 700나노미터(nm, 1nm는 10억분의 1m) 주기의 반복적인 패턴으로 이루어져 있는데 이는 OPV의 흡광 특성을 향상시킬 뿐 아니라 전자의 이동을 향상시킴으로써 에너지 변환 효율을 극대화할 수 있었다.

허 박사가 개발한 OPV의 또 다른 장점은 OPV가 놓인 각도가 변해도 효율이 크게 떨어지지 않는다는 점이다. 기존의 태양전지는 빛이 들어오는 각도가 클 경우 빛이 반사돼 에너지 변환 효율이 떨어졌지만 허 박사가 만든 패턴은 들어오는 빛의 반사를 최소화시킴으로써 움직임으로 인한 효율 저하가 발생하지 않았다. 또한 900번 가까이 수축과 이완 작업을 반복해도 에너지 변환 효율은 기존의 75%를 유지하는 것으로 나타났다. 허 박사가 개발한 OPV는 기계적인 변형이 발생하는 환경에서도 안정적으로 전기적 성능의 유지가 가능함을 보여주었다.

이 바이오센서를 손가락과 가슴에 붙이고 흔히 쓰이는 조명 아래 두자 OECT가 OPV에서 발생하는 전기를 이용, 피부에서 발생하는 심박수를 구동 신호 대 잡음비 (S / N 비) 25.9 데시벨(dB)의 높은 정확도로 얻어냈다.

허 박사는 “이번에 개발한 플랫폼은 자가 발전 가능한 더 많은 차세대 전자 기기에 적용될 수 있을 것”이라며 “취득한 생체 정보를 처리하는 회로 및 무선 전송 시스템과 통합함으로써 추후 차세대 자립 기반 센서 시스템의 기반 기술을 제공할 수 있을 것으로 기대한다”고 밝혔다.

건국대 신소재공학과 나노 및 전자소재 연구실(Nano and information materials lab, 지도교수 문두경)에서 박사학위를 받은 허 박사는 현재 일본 이화학연구소(RIKEN) Center for Emergent Matter Science (CEMS) 그룹의 Emergent Functional Polymer Research Team (Team leader: 케이슈케 타지마) 소속 연구원으로 그 동안 나노 구조를 이용, 이들의 형태와 간격을 조절해 빛 에너지의 흡광량 증대, 파장대별 흡광량 조절 및 메커니즘 규명 연구를 수행해왔다.

이번 연구는 RIKEN의 박성준 박사(현, 삼성전자 삼성종합기술원 유기재료연구소), 일본 도쿄대 이원령 박사(현, KAIST Postdoctoral researcher)가 제1 공동저자로 연구를 주도하고 켄지로 후쿠다(Research Scientist, 이화학연구소), 케이슈케 타지마(Team leader, 이화학연구소) 타카오 소메야 교수(동경대)가 공동 교신저자 참여했다.

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