Research Performance

[공과대학]유기준 교수팀, 초고정밀 피부 온도 모니터링을 위한 금-실리콘 퓨전 나노막 기반 웨어러블 센서 개발

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  • Writer 연세기술지주
  • Date 21.11.12

유기준 교수팀, 초고정밀 피부 온도 모니터링을 위한 금-실리콘 퓨전 나노막 기반 웨어러블 센서 개발

세계 최초로 골드 도핑 초박막 실리콘을 적용한 초고감도 센서 어레이 개발

8일 어드밴스드 머티리얼즈(Advanced Materials, IF 30.849) 게재


[그림 1. 실리콘 나노막에 골드를 도핑하는 프로세스 및 골드 도핑 실리콘 나노막의 이미지, 열 민감도가 향상되는 원리]


공과대학 전기전자공학과 유기준 교수 연구팀은 세계 최초로 고온에서 반도체와 금속의 퓨전을 통해 반도체의 밴드갭 조절이 가능하다는 것을 규명하고, 이를 활용해 초고민감도의 플렉시블 열 감지용 센서를 개발했다. 연구팀이 개발한 퓨전 재료 기반의 온도 센서는 기존 웨어러블 온도 센서 대비 수십 배 이상의 온도 변화에 민감하고 반응 속도가 빨라 다양한 전자기기에 활용될 수 있을 것으로 예측된다. 


체온은 인체의 건강 정보 표준으로서 매우 중요한 역할을 한다. 특히 코로나19 대유행 사례와 같이, 정밀 진단 및 체온과 질병 관련성 추적 연구를 위해 고정밀 체온 모니터링이 필요하다. 수많은 과학자들이 체온 모니터링 연구를 진행하고 있지만, 바이러스 감염, 어린이, 노인 등 고위험군에 대한 정밀하고 지속적인 체온 모니터링은 거의 불가능했다. 또한 현재 가장 널리 이용되고 있는 적외선(IR) 카메라를 사용한 간접 온도 측정은 카메라와 감지 대상 사이의 환경 조건 및 대상의 움직임 등에 큰 영향을 받아 지속적 측정에 어려움을 겪고 있다.


반면, 직접 감지 방식의 센서 개발은 이러한 문제를 최소화해 측정 정확도를 향상시킬 수 있으며 지속적인 체온 모니터링이 가능하다. 웨어러블 표피 온도 센서는 신축성과 낮은 영률(Young’s modulus), 투과성 등 피부와 비슷한 물리적 특성으로 인해 피부 표면에 직접 부착돼 기존 간접 온도 센서의 단점을 완전히 극복할 수 있다. 대표적으로 실리콘, 금속, 그래핀 등 다양한 무기물과 유기물 기반의 직접 감지 온도 센서들이 활발하게 개발되고 있다.


그러나 현재까지 개발된 웨어러블 온도 센서는 낮은 저항온도계수(TCR), 느린 열 반응속도, 독성으로 인한 낮은 인체 안전성, 유연성과 투과성의 부족 등의 한계로 인해, 사람 피부에 완전히 부착돼 활동하는 동안 지속적으로 정확한 측정을 하는 데 어려움이 있다.



[그림2. 인체 피부에 부착된 골드 도핑 실리콘 나노막 센서 어레이(위), 특정 글자 모양에 부분적으로 열을 가하며 측정한 결과 데이터(아래)]


이에 유기준 교수팀은 세계 최초로 완전히 새로운 금-실리콘 나노막 퓨전 방법을 이론 및 시뮬레이션, 실험을 통해 정립했고 세계 최고 수준의 열 민감도인 TCR(-377270.72 ppm/℃)을 갖는 초고정밀 웨어러블 온도 센서 어레이를 개발했다. 이를 통해 인체에 직접 센서를 부착하고 수십 분 동안 사이클을 타면서 극한의 환경에서 신체의 움직임과 땀과 같은 수분의 영향 없이 정확하게 피부 온도 및 호흡을 연속적으로 모니터링할 수 있다는 것을 규명했다.


실리콘은 유기물 대비 내산화성으로 인해 다양한 작업 조건에서 높은 신뢰성을 보이며 고온 공정이 가능하고 높은 인체 안전성을 가지며 트랜지스터 등의 전자소자로 널리 사용되고 있다. 또한 실리콘 기반 센서의 빠른 열 반응속도도 큰 장점 중 하나다. 그러나 꿈의 소재로 여겨졌던 실리콘의 유일한 단점인 낮은 열 민감도로 인해 온도 센서로서의 사용은 제한돼 왔다. 본 연구진은 금이 실리콘 내에서 깊은 불순물(deep impurity)로 작용해 실리콘의 페르미 에너지 준위(fermi energy level)를 이동시키고 활성화 에너지(activation energy)를 증가시켜 열 민감도를 크게 향상시키는 현상을 이론적으로 재정립하고 시뮬레이션을 통해 검증하고 실험을 통해 확인했다. 


기존 실리콘에 비해 열 민감도를 수십 배 이상 향상시키는 최적의 조건에서 고온 공정을 통해 형성된 금-실리콘 퓨전 나노막을 유연한 기판에 완전히 옮긴 후 캡슐화 층을 포함해 매우 얇고 신축성 있는 설펜틴 메쉬 구조로 제작했다. 따라서 부드럽고 유연한 장치를 타투 스티커처럼 몸에 맞게 부착할 수 있어 신체의 움직임과 땀과 같은 수분의 영향 없이 정확한 온도 변화 측정 및 호흡 모니터링이 가능하다. 


또한 금-실리콘 퓨전 재료 기반 온도 센서 어레이는 같은 형태의 실리콘과 금 센서에 비해 더 높은 공간 분해능과 정확한 감지 기능을 제공한다. 사이클 테스트 등 다양한 실험을 통해 높은 셀 간 균일성과 낮은 히스테리시스를 식별해 센서의 안전성과 정확성을 확인했다. 


[그림 3. 골드 도핑 나노막 센서를 인체 피부에 부착한 상태로 사이클을 타는 동안 연속적으로 모니터링한 체온(위) 및 호흡(아래) 데이터]


해당 기술은 소재 및 전기전자 분야에서 난제로 여겨졌던 실리콘의 유일한 단점을 해결하는 초고감도 플렉시블 금-실리콘 퓨전 재료 기반 웨어러블 온도 센서의 세계 최초 개발로, 이를 통해 인체 건강관리 및 정밀 진단, 체온과 질병 관련성 연구의 획기적인 발판을 마련했다. 또한 금 도핑을 통한 실리콘의 에너지 준위 이동 및 성질 변화는 높은 열 민감도의 온도 센서뿐 아니라 추후 다양한 센서 개발과 전기 및 전자 애플리케이션에 대한 적용 가능성이 무한해 바이오 분야, 반도체 분야, 웨어러블 센서 관련 연구 및 산업 발전에 큰 영향을 끼칠 것으로 예상된다. 


유기준 교수는 “이번 연구는 8년에 걸쳐 진행된 장기 프로젝트로, 모두가 불가능하다고 여겼던 문제를 마침내 풀게 됐다.”며 “이 연구를 통해 얻어진 금-실리콘의 퓨전이 된 웨어러블 플렉시블 소자를 통해 단기적으로는 매우 정확하게 COVID-19와 같은 감염병을 실시간 및 장기 모니터링 가능한 센서로 개발 가능하며, 장기적으로는 온도 센서뿐만 아니라 집적회로 등의 기존 일렉트로닉스 대비 훨씬 좋은 성능을 보이는 일렉트로닉스의 개발이 가능할 것이라고 기대한다.”고 전했다. 또한 “현재 실리콘 기반의 집적 회로는 성능을 높이는 데 물리적인 한계가 있지만 금-실리콘 퓨전이 된 신소재를 활용한다면 이를 극복하는 것은 분명히 어렵지 않을 것”이라고 밝혔다. 현재 유기준 교수 연구팀은 금-실리콘 퓨전 재료를 활용해 트랜지스터 및 집적회로 개발과 상용화를 위한 연구에 박차를 가하고 있다.


제1저자인 상민규·강교원 학생(연세대 전기전자공학과 석박통합과정)은 “본 연구를 통해 완전히 새로운 방법의 금-실리콘 나노막 퓨전 방법을 연구해 초고민감도를 위한 최적의 도핑 조건을 찾아내 이를 적용한 플렉시블 웨어러블 센서 제작과 실험을 통한 규명에 성공했다.”며, “이는 전기전자 소자에 널리 사용되는 실리콘의 단점을 극복해낸 뛰어난 발견으로, 그 가치가 매우 높아 바이오 전기전자 분야와 반도체 분야 발전에 큰 영향을 미칠 수 있는 연구가 될 것”이라고 전했다.


본 연구는 Baoxing Xu 교수(버지니아대학)와 국제협업을 통해 진행됐으며 11월 8일 융합연구 분야 최고 권위지인 ‘어드밴스드 머티리얼즈(Advanced Materials, Impact Factor: 30.849)’에 게재됐다. 과학기술정보통신부의 나노소재원천사업과 기초연구사업의 지원을 받아 수행됐다.


논문정보

● 논문제목: Ultra-high Sensitive Au-doped Silicon Nanomembrane Based Wearable Sensor Arrays for Continuous Skin Temperature Monitoring with High Precision

● 논문주소: https://doi.org/10.1002/adma.202105865


용어설명

● 영률(Young’s modulus)

고체 재료의 강성을 측정하는 역학적 특성으로, 물체에 주어진 압력을 알 때 그 물체가 변형된 정도를 예측할 수 있다. 재료의 영률을 적절하게 활용해 원하는 부분에 등각적 접촉을 할 수 있다.


● 저항온도계수(TCR)

저항값이 온도에 따라 변화하는 비율로, 이 값의 절댓값이 크면 온도에 민감하다는 것을 의미한다.


● 페르미 에너지 준위(fermi energy level)

물질 내부에서 원자가 가지는 에너지 준위 중 가장 높은 곳은 원자에서 가장 먼 최외각 준위인데, 이 준위에 위치한 전자의 에너지를 페르미 에너지 준위라고 한다. 페르미 에너지 준위는 도핑을 통해 달라질 수 있다. 


● 활성화 에너지(activation energy)

p형 반도체에서 활성화 에너지는 페르미 에너지 레벨에서 발란스 밴드 에너지 레벨의 차이를 의미하며, 실리콘과 같은 반도체에서 이 활성화 에너지가 크면 TCR 방정식*에 따라 온도에 따른 민감도가 크다는 것을 의미한다. 


*출처:연세소식(2021.11.12.)