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NEW 이재진·박성준 교수팀, 유연하고 가벼운 태양전지 기반 자가 구동 웨어러블 심전도 센서 개발

  • 2024-04-18
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전자공학과·지능형반도체공학과 연구팀이 유연하고 가벼운 태양전지와 피부 부착형 바이오센서 기술을 통합해 자가 구동 웨어러블 심전도 센서를 개발했다. 세계 최고 수준의 고성능 유연 소자로 사물 인터넷과 웨어러블 헬스케어 기기, 드론과 인공위성, 전기차 등 다양한 분야에 활용될 것으로 기대된다.


이재진·박성준 전자공학과·지능형반도체공학과 교수팀은 갈륨비소(GaAs) 기반의 초유연성 에너지 하베스팅 소자와 피부 부착형 바이오센서를 결합해 자가 구동이 가능한 웨어러블 심전도 센서를 개발했다고 밝혔다. 해당 연구는 ‘초유연성 갈륨비소(GaAs) 태양전지 기반 자가 구동 웨어러블 바이오센서 통합 기술(Ultra-Thin GaAs Single-Junction Solar Cells for Self-Powered Skin-Compatible Electrocardiogram Sensors)‘이라는 논문으로 저명 학술지 <스몰 메쏘드(Small Methods, 2023년 기준 인용지수 IF=12.4, IF%=15.4)> 3월호에 게재됐다. 


아주대 전자공학과 남용현 졸업생(석사), 지능형반도체공학과 신동준 졸업생(석사)과 아주대 정보통신연구소 최준규 연구원이 공동 제1저자로 참여했다. 박익모 전자공학과 교수(공동저자)와 이재진·박성준 전자공학과·지능형반도체공학과 교수(교신저자)도 함께 했다. 이번 성과는 태양전지와 화합물 반도체 분야를 연구하는 이재진 교수(위 사진 오른쪽)팀과 플렉서블 전자소자와 바이오 센서를 연구하는 박성준 교수(위 사진 왼쪽)팀의 융합 공동 연구 결과다.


유연하고 가벼우며 높은 효율을 가진 플렉서블(flexible) 태양전지는 바이오 소자의 에너지원으로 활발히 연구되어 왔다. 신체의 움직임이 있을 때에도 안정적으로 전력을 공급할 수 있다는 장점을 가지고 있어서다. 특히 갈륨비소(GaAs) 태양전지는 다중 접합 태양전지의 구현을 용이하게 하고, 높은 전력 변환 효율을 제공한다. 이에 제한된 전류량에서 더 많은 전류를 공급할 수 있어, 바이오 기기에 활용될 수 있는 우수한 에너지원으로 주목을 받아 왔다. 


실제로 지난 수년 동안 항공·우주·국방 분야를 필두로 다양한 공정과 재료를 활용한 갈륨비소(GaAs) 태양전지 연구가 진행되어 왔으나 개발한 태양전지를 유연한 고분자 기판으로 전사하는 과정은 수월하지 않았다. 


이에 아주대 연구팀은 이전에 활용됐던 태양전지 모듈의 구조적 변형이 아니라 태양전지 자체의 물리적 변형에 주목했다. 일반적으로 태양전지 에피 구조에서 활용되고 있는 얇은 접합(shallow junction) 구조가 아닌, p-n 접합이 활성층의 하단부에 위치하는 깊은 접합(deep junction) 구조를 사용한 것. 에피 구조가 성장되는 GaAs 기판이 제거되어 초박막 활성층 영역만을 태양전지로 활용하는 박막형 태양전지에서는, 후면 반사 태양광이 하단부의 p-n 접합에 흡수되어 전력변환효율을 극대화할 수 있다. 또 동시에 얇은 고분자 기판에 성공적으로 전사할 수 있다.


이러한 접근을 통해 연구팀은 2.3μm 두께의 갈륨비소 태양전지를 50μm 두께의 PDMS 기판 위에 성공적으로 전사하여 고효율 유연 태양전지를 구현했다. 마이크로미터(μm)는 미터(m)의 백만분의 일에 해당하는 길이의 단위다. 연구팀은 또한 이를 피부 부착형 유기 전기 화학 트랜지스터(OECT)와 결합하여 자가발전이 가능한 저잡음 심전도 센서를 개발해냈다. 기존의 건물 전원을 사용한 생체신호의 경우 노이즈로 인해 신호 취득이 어려운 단점이 있으나, 아주대 연구팀은 자연친화적인 태양전지를 에너지원을 사용해 노이즈가 최소화(32.68dB의 신호 대 잡음비)된 안정적인 신호를 취득했다.


이재진 교수는 “갈륨비소(GaAs) 기반 태양전지는 가장 효율이 높은 태양전지로, 초경량화·유연화가 가능해 대형 드론이나 인공위성 등 첨단 산업에 활용되고 있다”며 “이번 연구에서 갈륨비소 태양전지를 피부 부착이 가능한 매우 얇은 박막 기판에 전사하는 데 성공했다는 점에 큰 의의가 있다”라고 설명했다. 


이 교수는 “갈륨비소 태양전지의 경우 공정에 들어가는 비용이 아직은 매우 높으나, 100% 태양광 기반의 전기차나 웨어러블 바이오 기기 등에의 적용을 위한 산업계 관심이 이어지고 있다”며 “이번 성과를 기반으로 아주대 연구팀은 앞으로 웨어러블 바이오 기기, 차세대 3D 안면인식, 증강현실(AR) 응용에 특화된 세계 최고 수준의 고성능 유연 소자 연구를 이어갈 것”이라고 덧붙였다. 


박성준 교수는 “이번 연구는 초유연성 태양전지와 바이오센서를 통합함으로써 실시간 인체 건강 모니터링이 가능한 웨어러블 전자제품 개발에 새로운 지평을 열었다는 점에서 의미가 있다"며 ”향후 재난 감지를 비롯한 사물인터넷(IoT) 분야와 AI, 가상현실, 의료 빅데이터 분석 등 다양한 부문에서 웨어러블 전자소자를 활용할 수 있을 것“이라고 말했다. 


한편 이번 연구는 한국연구재단의 ‘우수신진연구’, ‘기초연구실’, ‘4단계 BK21 사업’과 한국산업기술평가관리원의 ‘시장주도형 k-센서기술개발사업’, 과학기술정보통신부의 ‘대학ICT연구센터지원사업(ITRC)’, 국가과학기술연구회의 ‘초실감 메타버스 구현을 위한 촉감표준 및 고충실도 통합 햅틱 시스템 개발 사업’의 지원을 받아 수행됐다. 



연구진이 제안한 GaAs 태양전지 공정 과정 - 태양전지의 에피 구조와 표면개질화접착법(SMB)을 적용한 이중전사 기술의 공정 과정이다


아주대 연구팀이 개발한 고효율 유연 태양전지, 얇고 가벼우며 유연하기에 웨어러블 기기 등에 활용될 수 있다

실제 손가락에 연구팀이 개발한 심전도 센서를 부착한 모습. 초박막 GaAs 태양전지와 유기전기화학 소자를 이용해 심전도센서를 시연, 자가발전이 가능한 저잡음 심전도 센서로 손가락에서 안정적인 신호를 취득해냈다