-‘1000조분의 1초’ 펨토초 레이저로 찍어낸 웨어러블 바이오 센서

- 재료공학부 이정우 교수팀, 8인치 기판에 1분 내 미세 패턴 제작 성공

- 빠르게 대면적 제작, 용액공정·그래핀 활용해 경제적…헬스케어 모니터링용 디바이스 구현

부산대학교 연구진이 지금까지 레이저의 열 때문에 제한적이었던 미세 패턴 제작에 펨토초(femtosecond, 1000조분의 1초) 레이저*를 활용한 식각(에칭) 공정과 대면적 그래핀을 적용해 생체 모니터링용 웨어러블 바이오 센서를 만드는 데 성공했다.

* 펨토초 레이저: 펨토초 수준의 매우 짧은 시간 동안 발생하는 초극단 펄스 레이저.

부산대학교(총장 차정인)는 재료공학부 이정우 교수팀이 펨토초 레이저가 적용된 패터닝 공정으로 미세 패턴의 HAZ*(열 영향부, Heat-affected Zone)를 최소화시킴과 동시에 용액공정으로 대면적 산화그래핀의 코팅 및 환원을 레이저로 만들어진 미세 패턴에 적용한 유연전자소자 개발에 성공했다고 26일 밝혔다.

* HAZ: 레이저의 열에너지에 의해 소재의 전기적, 화학적, 기계적 성질의 변화가 일어난 모재(母材)의 부분.

최근 고령화 사회에 진입하면서 의료비 급증, 삶의 질에 대한 관심 증가, 치료에서 예방 중심의 의료서비스 등의 패러다임 변화는 ICT(정보통신기술)와 의료를 융합한 헬스케어 분야의 새로운 유형의 기술 발전을 요구하고 있다. 이에 따라 글로벌 IT기업들은 몸에 착용 가능한 형태의 웨어러블 헬스케어 디바이스를 경쟁적으로 출시하고, 이를 플랫폼으로 하는 헬스케어 산업 생태계를 구축해 새로운 가치 창출을 기대하고 있다.

웨어러블 헬스케어 디바이스 제작 시에는 일반적으로 소자의 성능을 높이기 위해 포토리소그래피 과정과 여러 진공 장비들이 포함된 공정을 필요로 하게 된다. 이 경우 매우 정밀하고 우수한 성능의 소자를 만들 수 있지만, 공정이 복잡해 오랜 시간이 걸리고 사용하는 소재들이 비싸다는 단점이 있다.

펨토초 레이저를 이용한 유연전자소자 제작 공정 삽화

이에 부산대 이정우 교수팀은 펨토초 레이저를 기반으로 한 식각 공정으로 공정에 사용되는 고분자 기판의 손상을 최소화하면서 미세 패턴을 제작했다. 특히, 직경 ~100 μm(마이크로미터, 100만분의 1미터) 수준의 대면적 산화그래핀을 디바이스의 소재로 사용해 펨토초 레이저 패터닝 공정과 함께 웨어러블 헬스케어 디바이스 제작의 중요 과정에 용액공정을 적용하는 기술 개발에 나서 이번에 성공한 것이다.

연구진이 개발한 소자는 사용재료를 유기용매 등을 이용해 액체화해 기판 위에 증착하는 방식인 ‘용액공정(solution process)’을 기반으로 제작되기 때문에 고비용의 장비와 복잡한 공정이 필요한 기존 포토리소그래피 기반 공정 대비 초기 비용이 매우 적다. 그리고 기존 생체적합성 소재로 헬스케어 디바이스 전극으로 주로 사용되는 금을, 대량합성할 수 있는 그래핀 소재로 대체했다는 점에서도 경제성이 크다.

또한, 펨토초 레이저 패터닝 공정을 통해 100 mm/s의 빠른 공정 속도를 기반으로 50 μm 수준의 미세 패턴을 8인치 기판 위에 1분 내에 제작할 수 있게 설계했다.

최종 구현된 소자는 130%까지 신축성을 가질 수 있으며, 피부의 온도와 수분을 포함해 심전도, 근전도, 안전도 등 전기생리학적(electrophysiology) 신호들과 같이 인체에서의 건강 관련 정보들을 매우 정확하게 감지할 수 있다.

연구를 주도한 부산대 이정우 교수는 “이번 연구 결과는 용액공정이 가능한 소재와 패터닝 기술을 적용해 헬스케어 모니터링용 디바이스를 구현했다는 데 의미가 있다”며 “상온 근방에서 소자 제작 공정을 간단히 하고 기존의 가격이 비싼 귀금속 기반 전극소재를 대체할 수 있는 그래핀을 적용하기 때문에 앞으로 많은 활용이 기대된다”고 말했다.

이번 연구는 부산대 재료공학부 이정우 교수와 서울과학기술대 신소재공학과 박창규 교수가 교신저자로 수행했다. 과학기술정보통신부의 중견연구, 기초연구실, 한국산업기술평가관리원의 전자부품산업기술개발-시장선도형 차세대 센서 사업 및 서울과학기술대의 지원을 받았다.

해당 논문은 세계적인 화학공학 분야 저널 『케미컬 엔지니어링 저널 (Chemical Engineering Journal)』에 게재됐다.

-논문 제목: Facile and rapid fabrication of wearable biosensors via femtosecond laser-directed micro-pattering with large-sized reduced graphene oxide for physiological monitoring(펨토초 레이저 패터닝 공정과 대면적 그래핀이 적용된 생체 모니터링용 웨어러블 바이오 센서)

- 논문 링크: https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1385894723065518