아주대 공동 연구팀, 피부 부착해 생체 신호·주변 정보 센싱 가능한 초박막·초유연 광센서 개발

[아주대 제공]

[헤럴드경제(수원)=박정규 기자]손가락에 부착한 얇고 유연한 디바이스를 통해 여러 신호와 데이터를 안정적으로 포착할 수 있다면 어떨까?

나아가 이러한 통신 시스템에 활용되는 ‘빛’을 필요에 따라 막아 보안과 안전까지 확보할 수 있다면? 우리가 꿈꿔온 차세대 웨어러블 통신 그리고 군사 및 헬스케어 기술을 현실로 만들 수 있는 초박막·초유연 광센서 기술이 국내 연구진에 의해 구현됐다.

5일 아주대(총장 최기주)는 아주대·서울시립대 공동 연구팀이 초박막·초유연 근적외선 광센서를 개발했다고 밝혔다. 두께 3μm(마이크로미터 마이크로미터(μm): 마이크로미터(μm)는 1m의 백만분의 일, 1mm의 천분의 일에 해당한다. 사람의 머리카락이 보통 50~100μm 두께다.

이 센서는 기존 광센서를 뛰어넘는 속도와 감도를 갖춘데다 유연성까지 우수해 피부 부착형 센서와 웨어러블 기반 광통신 등에 널리 활용될 수 있을 전망이다.

해당 연구는 ‘각도 무관·장거리 근적외선 통신이 가능한 피부 부착형 MHz급 유기 광검출기 개발(Skin-Conformal MHz-Speed Organic Photodetectors for Angle-Free and Long-Range Near-Infrared Communication)’이라는 제목으로 <네이쳐 커뮤니케이션즈(Nature Communications)> <네이쳐 커뮤니케이션즈(Nature Communications)>: <네이쳐(Nature)>의 자매지. 임팩트 팩터(Impact Factor) 15.7로 다학제 과학(Multidisciplinary science) 분야 10위(JCR 상위 7.0%) 수준 학술지다.

이번 연구에는 아주대 석박사 통합과정 김재현 학생(지능형반도체공학과), 서울시립대 박사과정 최효정 학생(전자전기컴퓨터공학부), 일본 오사카대 후쿠다 겐지로(Kenjiro Fukuda) 교수(전기전자정보통신공학부)가 공동 제1저자로 참여했다. 공동 저자로는 아주대 최준규 박사(정보통신전자연구소)·정재빈 석박사 통합과정생(지능형반도체공학과)과 계면물질 합성을 담당한 중앙대 홍종인 교수(화학과)가 함께 했다. 공동 교신저자로 초박막화 및 피부 밀착형 구조 설계를 연구한 일본 도쿄대의 소메야 타카오(Takao Someya) 교수(전기공학정보시스템학부), 소자 성능 및 광응답 특성 최적화를 담당한 서울시립대 김혁 교수(전자전기컴퓨터공학부)가 참여해 다학제적 협력 연구를 수행했다. 박성준 아주대 교수(전자공학과·지능형반도체공학과)는 연구 전반을 총괄했다.

광센서(Photo Sensor)는 빛의 유무와 변화 및 강도를 감지해 특정 물체의 존재나 크기 혹은 상태 등을 파악하는 데 활용된다. 스마트폰에서 주변 환경에 맞게 화면의 밝기를 자동으로 조정하거나, 심박수나 혈중 산소포화도 등을 감지하고 측정하는 스마트워치, 화재 감지나 침입 경보 같은 안전 및 보안 시스템과 자율주행 기술 등에도 광센서는 널리 활용되고 있다.

광센서는 자외선, 가시광선, 적외선 중 어떤 특정 영역의 빛을 감지하고, 어떤 원리나 구조를 활용하는지에 따라 활용 방식이 다양하다. 그 중 ‘근적외선 유기 광검출기(NIR-OPD)’란 우리 눈에 보이지 않는 근적외선(NIR) 영역의 빛을 전기 신호로 변환할 수 있는 유기 반도체 기반 센서다.

이 기술을 활용하면 미세한 빛을 노이즈 없이 감지할 수 있어 생체 신호나 특정 가스의 농도 등의 정보를 센싱할 수 있다. 이에 최근 ▷웨어러블 헬스케어 ▷피부 부착형 기기 ▷무선 광통신▷휴먼–머신 인터페이스 등 다양한 분야에서 핵심 요소로 주목받고 있다. 가볍고 유연한 유기 반도체 소재의 특성 덕분에 실제 피부나 의류에 밀착이 가능하고, 유기 소자의 분자 구조를 조절해 감도·속도·파장 특성을 자유롭게 설계해 최적화할 수 있다는 장점이 있다.

특히 최근에는 센서의 반응 속도를 더욱 빠르게 하기 위해 박막화, 소자 면적 축소, 계면층 엔지니어링 등 다양한 접근이 시도되고 있다. 웨어러블 기기의 수요가 증가하면서 실제 피부의 굴곡이나 인체의 움직임에도 안정적으로 동작하는 유연·초박막 구조에 대한 관심 또한 높아지고 있다.

그러나 기존에 활용되어온 센서 기술은 여전히 여러 한계를 가지고 있다. 그 중 ‘속도–감도–유연성’ 간 상충이 가장 주요한 문제로 남아 있다. 고속 응답을 위해 고결정성 유기막을 사용하면 기계적 유연성이 떨어져 변형 시 쉽게 성능이 저하되고, 반대로 유연성을 높이면 전하 이동도가 낮아져 감도와 속도가 모두 저하되기 때문이다.

또한 광활성층의 불균일한 상 분리와 계면 트랩은 전하 재결합과 노이즈를 증가시켜 고감도 센서의 구현을 어렵게 했으며, 단단한 기판 기반의 기존 유기 광검출기(OPD)는 사람의 손가락 주름과 같은 수 μm 수준의 미세 곡면에서 안정적 성능을 유지하기가 힘들었다. 더불어 빛이 비스듬하게 들어올 경우 감도가 급격히 감소하게 되는 각도 의존성 문제 역시 센서를 실제 피부 부착형 광통신이나 움직임이 많은 환경에서의 웨어러블 센서로 확장하는 데 큰 걸림돌로 남아 있었다.

공동 연구팀은 다학제적 협력을 통해 기존 센서의 속도와 감도 및 유연성의 한계를 해결하기 위해, 소자 내부 광활성층과 정공 운송층 사이에 카바졸 기반의 아인산(carbazole-based phosphonic acid, PACz) 박막을 만들어 전하 이동 경로를 정밀하게 제어하는 새로운 계면공학 전략에 주목했다. 특히 PACz 기반 계면층에 브롬(Bromine, Br)을 도입함으로써 광활성층 내부의 상 분포를 보다 안정적으로 유지하고, 전하 전달 효율을 향상시키는 방식으로 유기 소자의 고속 응답성과 유연성을 동시에 확보할 수 있는 기술적 돌파구를 제시했다.

연구팀은 이를 바탕으로 두께 3μm 수준의 초박막 구조에서도 1MHz 이상의 근적외선 응답 속도와 높은 검출도, 0–90° 전 입사각에서의 성능 유지를 모두 만족하는 유기 광감지 소자 개발에 성공했다. 또한 이러한 고속·고감도 특성을 피부 부착 환경에서도 유지하도록 설계해, 실제 사람 피부 위에서 100m 이상 떨어진 곳에서 나오는 영상의 오디오 신호를 안정적으로 수신할 수 있는 센서 시스템을 구현하는 데에도 성공했다.

김혁 서울시립대학교 교수(전자전기컴퓨터공학부)는 “이번 연구는 유기 광검출기에서 오랫동안 제기돼 온 응답 속도, 형태 안정성, 입사각 의존성의 한계를 계면공학적 접근을 통해 동시에 해결한 점에서 의미가 있다”며 “해당 기술은 피부 부착형 센서와 장거리 무선 광통신 등 다양한 웨어러블 응용으로 확장될 잠재력이 크다”라고 말했다.

박성준 아주대 교수(전자공학과·지능형반도체공학과)는 “초박막화와 계면 설계를 동시에 고려한 이번 접근법은 실제 인체 환경에서의 신뢰성을 한 단계 끌어올린 사례”라며 “웨어러블 기반 광통신과 차세대 헬스케어 기술의 실질적 적용 가능성을 크게 높였고, 앞으로 휴먼–머신 인터페이스를 포함한 다양한 인체 친화형 광전자 시스템으로 확장되는 핵심적 기술이 될 것”이라고 전했다.

이번 연구는 과학기술정보통신부의 나노·소재 기술 개발 프로그램(소재글로벌영커넥트 사업, 나노미래소재원천기술개발 사업), 개인기초연구 과제(우수신진연구), 신진연구자 인프라구축사업, 대학ICT연구센터사업(ITRC), 중견연구자지원 사업(이공분야기초연구 사업), 글로벌기초연구실지원사업, 한국연구재단(NRF)의 시스템반도체 융합전문인력 육성사업과 산업통상자원부의 바이오 융복합기술 전문인력양성사업, 시장선도를 위한 한국 주도형 K-Sensor 기술개발 사업, 첨단전략산업초격차기술개발 사업, 산업혁신인재성장지원 사업(한국산업기술진흥원(KIAT)) 및 서울시립대학교 반도체연구센터의 연구 인프라 지원을 받아 수행됐다.