[한국기술뉴스] 한국재료연구원 에너지전자재료연구실 김용훈 박사 연구팀이 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 공정을 이용해 2차원 나노소재를 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.

​연구결과는 ‘나노스케일(Nanoscale)’에 1월 14일 게재됐다.