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심박수 측정도 가능한 부드럽고 편안한 전자섬유 나온다

등록일 : 2021-01-24

광전소재연구단 임정아, 스핀융합연구단 이현정 박사팀

조회수 : 550

- 원하는 모양의 전극을 실에 말아 섬유형 광전자소자 성능 향상
- 섬유형 광다이오드를 천에 삽입하여 손 끝에서 심박수 측정 가능

입을 수 있는 소자(웨어러블 디바이스)의 발전과 더불어 가볍고 편안한 섬유와 스마트 전자소자를 융합한 전자섬유(E-textile) 기술이 차세대 신기술로 주목받고 있다. 특히 섬유 고유의 특성을 유지하면서 전기적 특성을 가지는 섬유형 전자소자(Fiber electronic device)는 전자섬유를 구현하기 위한 핵심 소자 중 하나이다.

일반적으로 반도체와 전극, 절연막 등의 층으로 구성된 광전자소자는 전극의 크기와 구조에 따라 소자의 성능이 크게 달라진다. 섬유형 전자소자를 만들기 위해서는 쉽게 휘어지는 데다가 얇은 실 위에 소자를 형성시켜야 하기 때문에 소자의 크기를 마이크로미터 단위인 실의 두께보다 크게 만들 수 없어 소자의 성능을 향상시키는데 한계가 있었다. 이런 가운데, 국내 연구진이 이러한 한계를 뛰어넘어 성능을 향상시키는 기술을 개발해 화제다.

한국과학기술연구원(KIST, 원장 윤석진) 차세대반도체연구소 이현정 박사, 임정아 박사 연구팀은 원하는 전극을 잉크젯 프린터로 프린팅하여 제작하고 그 위에 반도체가 코팅된 전극 실을 굴려주기만 하면, 원하는 전극 구조가 돌돌 말려져있는 트랜지스터, 광다이오드와 같은 섬유형 전자소자를 제작할 수 있는 기술을 개발했다고 밝혔다.

이현정 박사 연구팀은 2019년 
탄소나노튜브(CNT, Carbon Nanotube) 잉크를 물을 머금고 있는 고분자인 하이드로젤 기판에 프린트한 후 전사 (transfer) 하여 원하는 표면에 전극을 구성할 수 있는 기술을 개발한 바 있다.(Nano Letters 2019, 19, 3684-3691) 하이드로젤 위에 프린팅된 CNT 전극은 마치 물에 떠 있는 것과 같아 그 위에 섬유를 굴리면 전극구조의 손상 없이 쉽게 섬유의 표면으로 옮겨질 수 있을 것이라 예상하고 임정아 박사 연구팀과 함께 연구한 결과 실제 반도체층과 CNT 전극의 손상 없이 고성능 섬유형 소자를 제작해냈다. 개발한 CNT 전극이 감싸진 섬유형 트랜지스터는 1.75mm 구부림 반경까지 크게 구부려도 80% 이상의 성능이 안정적으로 유지되었다.

또한 CNT 전극의 반투명한 특성을 활용, 빛을 흡수하여 전류를 발생시킬 수 있는 반도체층이 코팅된 전극 실을 CNT 전극으로 감싸 빛을 감지할 수 있는 섬유형 광다이오드를 제작하는데 성공하였다. 제작된 섬유형 광다이오드는 넓은 가시광선 영역의 빛을 감지할 수 있으며 평면형 소자에 뒤떨어지지 않는 우수한 감도를 보였다. 연구팀이 개발한 섬유형 광다이오드를 LED 소자와 함께 천에 삽입하여 장갑처럼 끼면, 손끝에서 흐르는 혈액양의 변화에 따라 바뀌는 LED 빛의 반사 세기를 섬유형 광다이오드가 감지하여 사용자의 맥박을 측정 빛을 혈관에 비춰 혈액의 양에 다라 달라지는 빛의 세기를 광센서를 이용하여 측정하는 심장박동 측정 방법인 광혈류측정(photoplethysmogram; PPG)을 활용함
할 수 있었다.

KIST 임정아 박사는 “개발한 손가락장갑형 심박수 측정기는 집게형 심박수 측정기를 대체하여 편안하고 부드러운 느낌으로 측정자에게 쉽게 다가갈 수 있으며, 언제나 어디서나 실시간으로 심박수를 측정할 수 있는 장점이 있다.”라고 말했다. 공동 연구책임자인 이현정 박사는 “이번 연구는 섬유형 소자 개발에 있어 과제로 남아있는 전극 형성 기술에 대한 새로운 접근법을 제시하는 것으로, 섬유형 광전자소자의 성능 향상에서부터 복잡한 회로를 가지는 섬유형 전자소자의 개발을 앞당길 수 있을 것이라 기대한다.”라고 밝혔다.

본 연구는 과학기술정보통신부(장관 최기영) 지원 아래 KIST 주요사업 및 한국연구재단 중견후속연구 및 나노소재원천기술개발사업으로 수행되었으며, 나노소재 분야의 국제학술지 ‘ACS Nano’ (IF: 14.588, JCR 분야 상위 5.255%) 최신 호에  게재되었다.

* (논문명) Spirally Wrapped Carbon Nanotube Microelectrodes for Fiber Optoelectronic Devices beyond Geometrical Limitations toward Smart Wearable E Textile Applications
- (제 1저자) 한국과학기술연구원 김형준 학생연구원
- (제 1저자) 한국과학기술연구원 강태형 박사후연구원
- (교신저자) 한국과학기술연구원 이현정 책임연구원
- (교신저자) 한국과학기술연구원 임정아 책임연구원

<그림설명>
 

 

 

[그림 1]
CNT 전극 전사를 통한 인체 신호 모니터링용 광전소자 구현 전략에 관한 모식도
전극을 하이드로젤에 프린팅하고 섬유를 전극 위로 굴려서 전극이 전사된 모습(왼쪽), 
전사 공정을 통해 제작한 광다이오드를 섬유에 삽입하여 손 끝에서 광혈류측정에 응용되는 모식도와 실제 심박 측정 특성(오른쪽).

 

[그림 2]
(a) 본 연구진이 개발한 섬유형 소자 구현을 위한 CNT 전극 전사 공정
(b) 본 연구진이 개발한 기술을 이용하여 원하는 크기의 전극이 실을 감싸서 전사된 사진

  

[그림 3]
(a) 본 연구진이 구현한 섬유형 트랜지스터의 소자 구조, 사용된 물질의 분자구조와 각 구성 요소에 대한 명명
(b) CNT 전극이 전사된 섬유형 트랜지스터의 모습을 보여주는 사진(왼쪽), CNT 전극과 유기반도체 채널 모습을 보여주는 주사현미경 사진(오른쪽)
(c) 전극을 전사하는 길이에 따라 채널 폭을 순차적으로 증가시켰을 때 섬유형 트랜지스터의 출력특성(output curve) 비교 그래프
(d) 채널 폭이 증가함에 따라 선형적으로 증가하는 전류 그래프
(e) 소자를 구부렸을 때 섬유형 트랜지스터의 전달특성(transfer curve) 그래프
diF-TESADT: 본 연구에서 사용한 단분자 유기 반도체, 2,8-Difluoro-5,11-bis(triethylsilylethynyl)anthradithiophene
PMMA : 본 연구에서 사용한 절연성 고분자, Poly(methacrylic acid methyl ester)

 

[그림 4]
(a) 본 연구진이 구현한 섬유형 광다이오드의 소자 구조, 사용된 물질의 분자구조와 각 구성 요소에 대한 명명
(b) 광 활성층의 광흡수 스펙트럼과 제작한 소자의 에너지 밴드 다이어그램
(c) 638nm 파장대 빛의 세기별 제작한 소자의 전류밀도-전압 특성
(d) 인체 신호를 모니터링 하기 위해 제작한 소자를 섬유에 삽입하고 LED와 함께 광혈류측정을 할 수 있음을 보여주는 사진
(e) 투과 및 반사된 서로 다른 두 파장대의 빛을 섬유에 삽입된 소자로 확인한 광혈류측정(PPG) 데이터
PTB7-Th : 본 연구에서 사용한 p-type 반도체 donor 물질, Poly([2,6′-4,8-di(5-ethylhexylthienyl)benzo[1,2-b;3,3-b]dithiophene]{3-fluoro-2[(2-ethylhexyl)carbonyl]thieno[3,4-b]thiophenediyl})
PC71BM : 본 연구에서 사용한 n-type 반도체 acceptor 물질, [6,6]-Phenyl C71 butyric acid methyl ester
PPG : 빛을 활용하여 맥파를 측정하는 광혈류측정, photoplethysmogram

 

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한국과학기술연구원은 개인정보의 처리업무를 위탁하는 경우 다음의 내용이 포함된 문서에 의하여 처리하고 있습니다. - 위탁업무 수행 목적 외 개인정보의 처리 금지에 관한 사항 - 개인정보의 관리적·기술적 보호조치에 관한 사항 - 개인정보의 안전관리에 관한 사항 위탁업무의 목적 및 범위, 재위탁 제한에 관한 사항, 개인정보 안전성 확보 조치에 관한 사항, 위탁업무와 관련하여 보유하고 있는 개인정보의 관리현황점검 등 감독에 관한 사항, 수탁자가 준수하여야할 의무를 위반한 경우의 손해배상책임에 관한 사항 또한, 위탁하는 업무의 내용과 개인정보 처리업무를 위탁받아 처리하는 자(“수탁자”)에 대하여 해당 홈페이지에 공개하고 있습니다. 한국과학기술연구원은 원활한 개인정보 업무처리를 위하여 다음과 같이 개인정보 처리업무를 위탁하고 있습니다. [시스템 운영] - 수탁자 : ㈜워드앤코드 - 위탁업무내용 : 시스템 운영 및 유지보수 - 개인정보의 보유 및 이용기간 : KIST 견학 완료일로부터 1년 정보주체와 법정대리인이 권리·의무 및 그 행사방법 개인정보주체는 다음과 같은 권리를 행사 할 수 있으며, 만14세 미만 아동의 법정대리인은 그 아동의 개인정보에 대한 열람, 정정·삭제, 처리정지를 요구 할 수 있습니다. 또한, 개인정보주체가 개인정보 열람, 정정·삭제, 처리정지를 요구한 경우 처리요구를 받은 날로부터 10일 이내에 그 결과를 알려야 하며, 처리요구가 완료되기 전까지는 개인정보의 이용 및 제공을 제한하고 있습니다. 가. 개인정보 열람 요구 한국과학기술연구원에서 보유하고 있는 개인정보파일은 「개인정보보호법」제35조(개인정보의 열람)에 따라 자신의 개인정보에 대한 열람을 요구할 수 있습니다. 다만, 아래에 해당 하는 경우에는 법 제35조 5항에 의하여 열람을 제한할 수 있습니다. - 법률에 따라 열람이 금지되거나 제한되는 경우 - 다른 사람의 생명·신체를 해할 우려가 있거나 다른 사람의 재산과 그 밖의 이익을 부당하게 침해 할 우려가 있는 경우 - 공공기관이 다음 각 목의 어느 하나에 해당하는 업무를 수행할 때 중대한 지장을 초래하는 경우 1) 조세의 부과·징수 또는 환급에 관한 업무 2) 「초·중등교육법」및「고등교육법」에 따른 각급 학교,「평생교육법」에 따른 평생교육시설, 그 밖의 다른 법률에 따라 설치된 고등교육기관에서의 성적 평가 또는 입학자 선발에 관한 업무 3) 학력·기능 및 채용에 관한 시험, 자격 심사에 관한 업무 4) 보상금·급부금 산정 등에 대하여 진행 중인 평가 또는 판단에 관한 업무 5) 다른 법률에 따라 진행 중인 감사 및 조사에 관한 업무 나. 개인정보 정정·삭제 요구 한국과학기술연구원이 보유하고 있는 개인정보파일은 「개인정보보호법」제36조(개인정보의 정정·삭제)에 따라 정정·삭제를 요구할 수 있습니다. 다만, 다른 법령에서 그 개인정보가 수집 대상으로 명시되어 있는 경우에는 그 삭제를 요구할 수 없습니다. 다. 개인정보 처리정지 요구 한국과학기술연구원이 보유하고 있는 개인정보파일은 「개인정보보호법」 제37조(개인정보의 처리정지 등)에 따라 처리정지를 요구할 수 있습니다. 다만, 아래에 해당하는 경우에는 법 제37조 2항에 의하여 처리정지 요구가 거절될 수 있습니다. - 법률에 특별한 규정이 있거나 법령상 의무를 준수하기 위하여 불가피한 경우 - 다른 사람의 생명·신체를 해할 우려가 있거나 다른 사람의 재산과 그 밖의 이익을 부당하게 침해 할 우려가 있는 경우 - 공공기관이 개인정보를 처리하지 아니하면 다른 법률에서 정하는 소관 업무를 수행할 수 없는 경우 - 개인정보를 처리하지 아니하면 정보주체와 약정한 서비스를 제공하지 못하는 등 계약의 이행이 곤 란한 경우로서 정보주체가 그 계약의 해지 의사를 명확하게 밝히지 아니한 경우 개인정보의 파기 한국과학기술연구원은 원칙적으로 개인정보의 이용 목적이 만료되면 지체없이 파기합니다. 가. 파기 절차 - 개인정보는 목적 달성 후 즉시 또는 별도의 공간에 옮겨져 내부방침 및 기타 관련법령에 따라 일정기간 저장된 후 파기됩니다. 별도의 공간으로 옮겨진 개인정보는 법률에 의한 경우가 아니고서는 다른 목적으로 이용되지 않습니다. 나. 파기 방법 - 보유기간이 만료되었거나 개인정보의 처리목적달성, 해당 업무의 폐지 등 그 개인정보가 불필요하게 되었을 때에는 지체없이 파기합니다. 전자적 파일형태의 정보는 기록을 재생할 수 없는 기술적 방법을 사용합니다. 종이에 출력된 개인정보는 분쇄기로 분쇄하거나 소각을 통하여 파기합니다. 개인정보 안전성 확보 조치 한국과학기술연구원은 아래와 같이 개인정보의 안전성을 확보하기 위한 조치를 시행하고 있습니다. 가. 개인정보 취급직원의 최소화 및 교육 개인정보를 취급하는 직원은 반드시 필요한 인원에 한하여 지정 · 관리하고 있으며 취급직원을 대상으로 안전한 관리를 위한 교육을 실시하고 있습니다. 나. 개인정보에 대한 접근 제한 개인정보를 처리하는 데이터베이스시스템에 대한 접근권한의 부여·변경·말소를 통하여 개인정보에 대한 접근통제를 위해 필요한 조치를 하고 있으며 침입차단시스템을 이용하여 외부로부터의 무단 접근을 통제하고 있습니다. 다. 접속기록의 보관 개인정보처리시스템에 접속한 기록(웹 로그, 요약정보 등)을 최소 6개월 이상 보관·관리하고 있습니다. 라. 개인정보의 암호화 개인정보는 암호화 등을 통해 안전하게 저장 및 관리되고 있습니다. 또한, 중요한 데이터는 저장 및 전송 시 암호화하여 사용하는 등 별도 보안기능을 사용하고 있습니다. 마. 보안프로그램 설치 및 주기적 점검·갱신 해킹이나 컴퓨터 바이러스 등에 의한 개인정보 유출 및 훼손을 막기 위하여 보안프로그램을 설치하고 주기적으로 갱신·점검하고 있습니다. 바. 비인가자에 대한 출입 통제 개인정보를 보관하고 있는 개인정보시스템의 물리적 보관 장소를 별도로 두고 이에 대해 출입통제 절차를 수립, 운영하고 있습니다. 개인정보 자동수집 장치의 설치, 운영 및 거부에 관한 사항 ① 한국과학기술연구원은 이용자에게 개별적인 맞춤서비스를 제공하기 위해 이용정보를 저장하고 수시로 불러오는 ‘쿠기(cookie)’를 사용합니다. ② 쿠키는 웹사이트를 운영하는데 이용되는 서버(http)가 이용자의 컴퓨터 브라우저에게 보내는 소량의 정보이며 이용자의 PC 컴퓨터내의 하드디스크에 저장되기도 합니다. 가. 쿠키의 사용목적: 이용자가 방문한 각 서비스와 웹 사이트들에 대한 방문 및 이용형태, 인기 검색어, 보안접속 여부, 등을 파악하여 이용자에게 최적화된 정보 제공을 위해 사용됩니다. 나. 쿠키의 설치∙운영 및 거부 : 웹브라우저 상단의 도구>인터넷 옵션>개인정보 메뉴의 옵션 설정을 통해 쿠키 저장을 거부 할 수 있습니다. 다. 쿠키 저장을 거부할 경우 맞춤형 서비스 이용에 어려움이 발생할 수 있습니다. 개인정보 열람청구 - 정보주체는 개인정보 보호법 제35조에 따른 개인정보의 열람 청구를 아래의 부서에 할 수 있습니다. 한국과학기술연구원은 정보주체의 개인정보 열람청구가 신속하게 처리되도록 노력하겠습니다. ▶ 개인정보 열람청구 접수․처리 부서 부서명 : 홍보팀 담당자 : 임두리 연락처 : 02-958-6416 / two_ri@kist.re.kr - 정보주체는 제1항의 열람청구 접수․처리부서 이외에, 행정안전부의 ‘개인정보보호 종합지원 포털’ 웹사이트(www.privacy.go.kr)를 통하여서도 개인정보 열람청구를 하실 수 있습니다. ▶ 행정안전부 개인정보보호 종합지원 포털 → 개인정보 민원 → 개인정보 열람등 요구 (공공아이핀을 통한 실명인증 필요) 권익침해 구제방법 개인정보주체는 개인정보침해로 인한 피해를 구제 받기 위하여 개인정보 분쟁조정위원회, 한국인터넷진흥원 개인정보 침해신고센터 등에 분쟁해결이나 상담 등을 신청할 수 있습니다. ☞ 개인정보 분쟁조정위원회 : 1833-6972 (www.kopico.go.kr) ☞ 개인정보 침해신고센터 : (국번없이) 118 (privacy.kisa.or.kr) ☞ 대검찰청 사이버범죄수사단 : 02-3480-3571(cybercid@spo.go.kr) ☞ 경찰청 사이버안전국 : (국번없이) 182(cyberbureau.police.go.kr) 개인정보보호 책임자 및 담당자 연락처 개인정보보호책임자 및 담당자 연락처 개인정보 보호책임자 경영지원본부장 강구인 개인정보 보호담당자 사이버보안팀장 최연호/사이버보안팀 안종욱 개인정보취급자 부서명 : 홍보팀 담당자 : 임두리 연락처 : 02-958-6416, two_ri@kist.re.kr Fax.02-958-6149 개인정보처리방침의 변경 이 개인정보처리방침은 시행일로부터 적용되며, 법령 및 방침에 따른 변경내용의 추가, 삭제 및 정정이 있는 경우에는 가능한 변경사항의 시행 7일 전부터 공지사항을 통하여 고지할 것입니다. 단, 분야별로 관리되는 개인정보파일 수량 및 개인정보 보호책임자 변경 시는 고지를 생략합니다. ① 본 방침은 2020년 7월 1일부터 시행됩니다.

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