나노기술 및 정책 정보

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한국재료연구원은 에너지전자재료연구실 김용훈 박사 연구팀이 종이처럼 돌돌 말리는 롤러블 근적외선 광센서 소재를 국내 최초로 개발했다고 4일 밝힘.

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

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

연구팀은 고밀도의 대기압 플라즈마 공정을 이용해 2차원 나노소재를 합성함. 이때 합성된 2차원 나노소재의 두께는 불과 머리카락 두께의 1000분의 1 수준인 수 나노미터 두께임. 연구팀은 여기에 센서 제작을 위한 간단한 전극을 형성시킴. 외부에서 근적외선 파장의 빛이 광센서에 도달하면 2차원 나노소재에서 전자-정공쌍이 발생하고 전극을 통해 외부 광전류 신호로 전달됨. 이렇게 제작된 센서 소자는 기계적인 구부림을 계속 가하거나 심지어 종이처럼 둘둘 말리더라도 전기적 특성을 잃지 않고 유지되는 특성을 가짐.

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

김용훈 박사는 “이 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 시장 선점까지도 노려볼 수 있을 것”이라고 말함.

이번 연구성과는 국제학술지 ‘나노스케일’ 1월 14일자 표지논문으로 게재됨.