머리카락 정도의 얇은 두께를 가지면서도 사용자의 움직임에 따른 노이즈가 적고, 자유자재로 말 수 있는 근적외선 광센서 소재 개발돼 웨어러블 기기나 사람의 피부 적용이 가능할 것으로 기대된다.

과학기술정보통신부 산하 정부출연연구기관인 한국재료연구원(KIMS, 원장 이정환) 에너지전자재료연구실 김용훈 박사 연구팀(제1저자 최정민 석사과정, 공동교신 충북대학교 조병진 교수, 부산대학교 박민혁 교수)이 롤러블 근적외선 광센서 소재를 국내 최초로 개발하는데 성공했다.

개발된 기술은 최근 각광받고 있는 차세대 2차원 나노소재를 이용해 머리카락 정도의 얇은 두께를 가지면서 종이처럼 손쉽게 둘둘 말 수 있는 점이 특징이다. 사용자의 움직임에 따른 노이즈가 적고 자유자재로 말 수 있기 때문에 웨어러블 기기나 사람의 피부에 부착이 가능하다. 향후 패치 형태로 응용 및 차세대 신체정보 모니터링 플랫폼으로의 개발이 기대된다.

기존의 연구는 2차원 나노소재를 기계적으로 박리하거나 고온에서 합성 후 원하는 기판에 전사해야 한다는 문제점이 있었다. 연구팀은 광반응성이 뛰어난 2차원 나노소재를 유연기판 위에 직접 성장시킬 수 있는 저온 플라즈마 공정기술을 개발해 이 문제를 해결했다. 100℃ 이하의 낮은 온도에서도 손쉽게 고품질의 2차원 나노소재를 연속으로 합성할 수 있고 별도의 전사공정이 필요 없어 향후 가격적인 측면에서도 큰 경쟁력을 가질 수 있다.

연구팀은 고밀도의 대기압 플라즈마(Atomic Pressure Plasma) 공정을 이용해 2차원 나노소재(MoS2, Molybdenum disulfide)를 합성했다. 이때 합성된 2차원 나노소재의 두께는 불과 머리카락 두께의 1,000분의 1 수준인 수 나노미터 두께이다. 연구팀은 여기에 센서 제작을 위한 간단한 전극을 형성시켰다. 외부에서 근적외선 파장의 빛(850㎚)이 광센서에 도달하면 2차원 나노소재에서 전자-정공쌍이 발생하고 전극을 통해 외부 광전류 신호로 전달된다. 이렇게 제작된 센서 소자는 기계적인 구부림을 계속 가하거나 심지어 종이처럼 둘둘 말리더라도 전기적 특성을 잃지 않고 유지되는 특성을 가진다.

웨어러블 디바이스 분야 전 세계 시장 규모는 2020년 기준으로 약 520억 달러에 달한다. 특히 인간의 피부에 간편하게 부착하거나 밴드와 같이 패치 형태를 지닌 광센서는 현재 빠른 속도로 성장하는 웨어러블 디바이스의 중요한 핵심 부품이다. 향후 피트니스 및 웰니스 시장뿐만 아니라 건강 진단 및 치료, 원격 의료 등과 같은 분야에서 확대 적용될 것으로 예상된다.

연구책임자인 김용훈 선임연구원은 “본 기술이 상용화되면 낮은 제조 원가를 통해, 현재 미국과 유럽, 일본을 중심으로 한 웨어러블 헬스케어 분야의 해외 의존도 감소는 물론 수입 대체까지 가능하다”며 “향후 이를 기반으로 패치형 전자 피부(Electronic Skin) 시장 선점까지도 노려볼 수 있을 것”이라고 말했다.

이번 연구성과는 과학기술정보통신부 나노 및 소재 기술개발사업 소재혁신선도프로젝트(국가핵심소재연구단) 사업의 지원을 받아 수행됐으며, 연구결과는 세계적인 학술지인 나노스케일(Nanoscale)誌의 2021년 1월14일자 표지논문으로 게재됐다.

한편 연구팀은 본 연구를 바탕으로 건강 모니터링용 롤러블 광센서를 비롯해 곡률이 존재하는 다양한 디스플레이 및 차량 등에 적용 가능한 광대역 파장에서의 고감도 광센서 개발 후속 연구를 활발히 진행 중에 있다.