경희대, 초저전력 고감도 전자피부용 반도체 온도센서 개발

경희대 화학공학과 오진영 교수 연구팀이 체온을 측정할 수 있는 초저전력 고감도 전자피부용 반도체 온도센서를 개발했다. 연구 결과는 소재 분야 저명 학술지 〈Advanced Functional Materials〉 (IF=19.00) 1월 4일(목) 표지논문으로 게재됐다.

경희대학교(총장 한균태) 화학공학과 오진영 교수 연구팀이 체온을 측정할 수 있는 초저전력 고감도 전자피부용 반도체 온도센서를 개발했다. 연구 결과는 1월 4일(목) 소재 분야 저명 학술지 〈Advanced Functional Materials〉(IF=19.00)에 표지논문으로 게재됐다.

전자피부는 인체 표면에서 다양한 생리학적 신호를 실시간으로 모니터링할 수 있어 의료, 스포츠 등 다양한 산업에서 활용이 기대되는 차세대 전자기기다. 전자피부는 실시간 체온 측정이 가능해 코로나바이러스와 같이 전염성이 높은 질병의 감염을 간접적으로 확인하는 수단으로 매우 효과적이다.

전자피부용 온도센서는 센서가 피부에 밀착해 인체의 움직임에도 신속 정확하게 온도를 측정해야 한다. 현재 개발된 웨어러블 센서는 전력 소비가 크고, 센서의 감도가 낮은 한계를 지니고 있다. 또한 피부가 늘어나거나 굽는 만큼 센서도 신축성과 내구성이 높아야 한다. 현존 웨어러블 센서는 소재적 한계를 해결하지 못했고, 측정 범위와 측정 데이터의 신뢰성이 확보되지 않아 개발에 난항을 겪고 있다. 이러한 상황에 오진영 교수 연구팀이 피부처럼 늘어나는 반도체 소자를 활용해 전자피부용 센서 개발에 물꼬를 텄다.

(좌) 초전력 고감도 전자피부용 반도체 온도센서 구조, (우) 실제 전자피부 온도센서 부착 이미지 및 온도 센서 성능 지표 (Sensitivity: 온도감지능력, Stretchability: 연신율, Power consumption: 소비전력)

오진영 교수 연구팀은 과거 피부처럼 늘어나는 반도체 소자를 개발하는 등 웨어러블 기술 분야에 큰 강점을 지녔다. 이번 연구에서도 늘어나도 전기적으로 안정적인 반도체 트랜지스터 소자가 활용됐다. 특히 초저전력 고감도 온도 측정이 가능할 수 있도록 문턱전압 이하에서의 트랜지스터 전류(문턱 밑 전류, Subthreshold conduction)를 활용했다. 이 영역에서 전압은 매우 낮으며 트랜지스터 또한 원리적으로 온도에 매우 민감한 전류 흐름을 보여 초저전력 고감도 온도 측정이 가능했다.

신축성과 감도도 진일보했다. 문턱 밑 전류는 전압변화 대비 가장 높은 전류 증가 효율을 갖는데, 개발한 센서는 100% 늘어난 상태에서도 1°당 9.4%의 높은 온도변화 감도를 기록하며 높은 정확성과 안정성을 보였다. 오진영 교수는 “문턱전압(Threshold Voltage)의 변화가 없어 측정 기준점이 굉장히 정확하다”고 강조했다. 반도체 트랜지스터는 액티브 매트릭스(Active Matrix) 방식으로 설계돼 고집적 반도체 소자로 개발됐다. 그 결과 매우 낮은 전압에서도 작동해 1 나노와트 (nW) 이하의 전력을 소비해 기존 마이크로 와트 대비 소비 전력은 1,000배 이상 감소했다.

이번 센서 개발로 실시간 체온 측정을 통해 질병의 간이 진단과 건강관리의 효율성을 높일 발판을 마련했다. 오진영 교수는 체온 외에도 다양한 생체 신호를 측정하는 센서 개발에 나설 계획이다. 오진영 교수는 “이번 연구로 전자피부용 웨어러블 센서의 원천 기술을 확보했다”며 “체온 외에도 땀과 같은 다양한 생체 신호를 측정하는 센서를 개발할 계획”이라고 말했다. 이번 연구결과는 한국연구재단, 한국산업기술기획평가원, 경기도(GRRC)의 지원을 받아 수행됐다.

온라인 중앙일보