Development of skin-mountable bio-integrated sensors, charge-trap memory, and quantum-dot information display

Abstract

최근 다양한 생리학적 데이터를 얻을 목적으로 인체에 붙일 수 있는 전자 장치를 개발하기 위해 많은 연구자들이 지속적인 노력을 기울여 왔습니다. 그러나 부드럽고 곡면으로 이루어 진 인체의 피부에 딱딱한 전자 장치를 장착하기 어려운 까닭에, 변형 가능한 전자 장치의 개발에 대한 필요성이 대두 되었습니다. 이와 관련하여, 유기 반도체 물질과 같은 본질적으로 유연한 물질뿐만 아니라 벌크 형태일 때에는 변형성이 부족하지만 그 두께 및 크기를 조절하여 변형이 용이하게 만들어진 나노 입자, 나노 와이어 및 나노 리본과 같은 초박형/초소형 물질이 인체 부착 형 전자 장치의 고성능 동작을 위한 주요 물질로 사용되기 시작하였습니다. 본 논문은 이러한 나노 물질을 다양한 목적으로 통합시킨, 피부와 유사한 기계적 성질을 가지는 피부 부착 형 전자 장치의 세 가지 예에 대한 연구 내용을 소개하고 있습니다. 첫 번째로, 초박막, 단결정 실리콘 나노 리본을 활용한 변형률, 압력 및 온도 센서 어레이와 더불어, 눅눅한 정도를 느낄 수 있는 습도 센서, 체온 모사를 위한 히터 및 신경 자극을 위한 신축성 다중 전극 어레이가 활용 된 스마트 인공 피부 보철 장치를 개발 하였습니다. 본 연구에서 개발된 피부 보철 장치는 사람의 피부와 비슷한 신축성을 가진 동시에, 사람의 피부가 느낄 수 있는 외부 자극을 느낄 수 있고, 사람의 체온을 모사 하는 등, 최대한 사람의 피부와 비슷한 특성 및 성능을 지니도록 고안되어 향후 로봇 팔, 의수 등에 적용 가능할 거라 기대합니다. 두 번째로, 나노 결정으로 이루어진 플로팅 게이트를 갖춘 피부 부착 형 비휘발성 메모리 어레이를 개발 하였습니다. 나노 결정 플로팅 게이트는 Langmuir-Blodgett 방법을 사용하여 넓은 영역에 걸쳐 균일하게 조립됩니다. 균일한 나노 결정 플로팅 게이트는 성능의 균일성을 향상시킴과 동시에, 메모리 윈도우 마진과 정보 저장 성능을 향상시킵니다. 또한, 초박형 실리콘 나노 멤브레인으로 제작 된 회로를 기반으로 한 증폭기와 늘일 수 있는 피부 부착 형 전극을 이용하여 심전도를 측정하고 심장 박동 수의 변화를 개발된 메모리에 저장하는 데모를 선보였으며, 이는 향후에 피부 부착 형 소자를 의료 어플리케이션에 적용할 수 있는 가능성을 열었다 할 수 있습니다. 세 번째로, 피부에 붙일 수 있는 초박형 양자점 발광 다이오드 디스플레이를 개발하였습니다. 먼저 낮은 작동 전압으로 높은 휘도를 얻기 위해 양자점을 구조적으로 최적화 시켰습니다. 이렇게 최적화된 양자점을 활용하여 양자점 발광 다이오드 어레이로 구성된 양자점 디스플레이를 디자인 하였으며 이의 활용성을 보이기 위하여 문자, 숫자, 기호 및 애니메이션으로 구성된 다양한 패턴이 피부에 부착된 양자점 디스플레이를 통해 보여 질 수 있음을 시연 하였습니다. 개발된 양자점 디스플레이의 사용 중 안정성을 입증하기 위해 구겨짐 및 반복되는 구부림과 같은 다양한 기계적 변형에도 성능에 영향이 없음을 확인 하였습니다. 또한, 입을 수 있는 전자 소자로의 활용성을 보이기 위하여 유연한 전자 장치를 디스플레이와 함께 집적하여 주변 온도 및 걸음 수를 측정하고 곧바로 피부에 부착된 디스플레이로 이를 확인할 수 있음을 시연 하였습니다. 본 논문에서 개발된 세 전자 장치는 미래의 피부 부착 형 전자 장치의 실현에 중요한 구성 요소입니다. 이번 연구 결과를 활용하여 변형 가능한 센서, 액추에이터, 데이터 저장 장치 및 디스플레이 분야에서 새로운 기회가 창출 되고, 완전히 통합된 피부 부착 형 전자 장치의 개발이 가속화되기를 기대합니다.