서울대학교 이태우 재료공학부 교수 연구팀이 신호 처리와 정보 저장, 발광 기능을 하나의 유기 반도체 소자 안에서 동시에 수행하는 통합형 반도체 개발에 성공했다. 한국연구재단은 이 연구 결과를 9일 공개했으며, 해당 성과는 재료 분야 국제학술지 네이처 머티리얼스(Nature Materials)에 게재됐다.
웨어러블 전자소자는 단순 센서 수준을 넘어 실시간 데이터 분석과 사용자 피드백 제공으로 발전하는 추세다. 그러나 기존 방식에서는 신호 처리 장치와 메모리, 디스플레이를 별도로 제작해 연결해야 해 구조가 복잡하고 전력 소모가 컸다. 연구팀은 유기 반도체 내부에 이온 수송을 촉진하는 물질을 도입해 전하 주입 장벽을 낮추는 방식으로 이 문제를 해결했다. 그 결과 기존에 발광 구동에 100V에 가까운 전압이 필요하던 유기 트랜지스터를 일반 건전지 두 개 수준인 3V 이하의 초저전압에서 작동시키는 데 성공했다.
연구팀은 전압 절감에 그치지 않고 뇌 신경세포의 정보 저장 원리를 반도체에 적용했다. 이온의 이동과 축적 특성을 활용해 외부 자극을 기억하고 반응을 조절하는 메모리 기능을 구현한 것이다. 이에 따라 이 소자는 입력 정보를 자체적으로 저장·처리하고, 별도의 디스플레이 없이 계산 결과를 곧바로 빛으로 출력한다. 계산 장치와 메모리, 표시장치를 따로 제작해 연결하는 기존 구조가 필요 없어진 셈이다.
연구팀은 이 기술이 피부에 밀착하는 온스킨(On-Skin) 디바이스에 적용될 경우 생체 신호를 실시간으로 분석하고 결과를 즉시 사용자에게 전달할 수 있을 것으로 기대한다. 이태우 교수는 “향후 지능형 인공피부와 웨어러블 헬스케어 분야의 핵심 기술로 활용될 것”이라고 밝혔다. 이번 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단의 미래유망 융합기술 파이오니아사업, 글로벌리더연구 후속사업의 지원을 받아 수행됐다.
