- 부산대 심현석 교수팀, 논리회로와 인공시냅스 넘나드는 ‘유기 전기화학 트랜지스터‘ 구현
- 전해질 농도로 기능 바꾸고 상태는 색으로 표현…맞춤형 웨어러블 치료기기·소프트 로봇 응용 기대

상처 부위가 붓고 열이 나면 스스로 상태를 판단해 압박을 조절하고, 그 과정까지 색으로 보여주는 ‘똑똑한 전자소자’가 부산대학교 연구진에 의해 개발됐다. 복잡한 회로를 바꾸지 않아도 하나의 소자만으로 디지털 연산과 기억 기능을 오갈 수 있어, 차세대 웨어러블 치료기기와 스마트 전자피부 상용화 가능성을 높일 것으로 기대된다.

부산대학교(총장 최재원) 전기전자자공학부 심현석 교수 연구팀은 기계적 변형에도 높은 안정성을 유지하며, 소자의 물리적 변경 없이 이온 상태 제어만으로 다기능성을 발휘하는 웨어러블 적응형 바이오 전자소자를 개발했다고 1일 밝혔다.

단일 소자 내에서 전해질의 이온 농도를 조절하는 것만으로 디지털 논리회로와 아날로그 인공시냅스 모드를 자유롭게 넘나들며, 작동 상태를 색상 변화로 직관적으로 보여주는 차세대 완전 신축성 유기 전기화학 트랜지스터(OECT)* 기술이다.

* 유기 전기화학 트랜지스터(OECT): 수분 환경에서 낮은 전압으로 작동하며, 인체 조직과 부드럽게 결합하는 차세대 웨어러블 핵심 트랜지스터.

기존 다기능 전자 시스템이 기능 전환을 위해 복잡한 회로 변경이나 별도 소자 구성을 필요로 했던 한계를 극복한 이번 연구는 △이온 튜닝(Ionically Tunable) △완전 신축성(Fully Stretchable) △직관적 색상 변화(Visual Readout)라는 세 가지 핵심 특성을 구현했다.

이온 튜닝(Ionically Tunable)은 소자의 물리적 구조를 바꾸지 않고도 전해질의 이온 농도 조절만으로 소자를 목적에 맞게 프로그래밍하는 것이다. 연구팀은 게이트 전해질로 사용한 염화나트륨의 이온 농도를 조절해, 같은 소자를 상황에 따라 빠른 연산을 수행하는 디지털 논리 스위치로도, 정보를 저장하고 기억하는 아날로그 인공 시냅스*로도 작동하도록 만들었다.

* 인공 시냅스(Artificial Synapse): 인간 뇌의 신경망 연결을 모방하여, 정보를 전달하고 단기·장기적으로 기억할 수 있는 전자소자.

즉, 이온 농도가 높을 때는 디지털 회로처럼 즉각적인 스위칭이 가능하고, 농도가 낮을 때는 뇌 신경망의 시냅스처럼 정보를 일정 시간 유지하는 메모리 기능을 수행한다. 이는 기존 다기능 전자 시스템과 달리 복잡한 하드웨어 변경 없이 하나의 소자만으로도 목적에 따라 기능을 유연하게 전환할 수 있다는 의미다.

또한, 이 소자는 최대 30%까지 늘어나는 환경에서도 성능 저하 없이 작동했으며, 1,000회 이상의 반복 변형에도 물리적 균열이나 전기화학적 불안정성 없이 기능을 유지하는 완전 신축성(Fully Stretchable)을 보였다. 웨어러블 기기가 실제 인체 움직임에 따라 지속적으로 휘어지고 늘어나는 점을 고려하면, 실제 사용 가능성을 크게 높인 성과로 평가된다.

또 하나의 차별점은 직관적 색상 변화(Visual Readout)를 가지는 ‘보이는 전자소자’라는 점이다. 소자 내부 이온화 상태가 달라지면 채널 물질의 빛 흡수율이 변하면서 색이 투명한 옅은 파란색에서 짙은 파란색으로 뚜렷하게 변화한다. 덕분에 별도의 외부 모니터링 장비나 스마트폰 연결 없이도 사용자가 육안으로 소자의 작동 상태와 메모리 입력 여부를 바로 확인할 수 있다.

연구팀은 이 같은 특성을 결합해 웨어러블 적응형 논리 시스템도 실증했다. 예를 들어 상처 부위에서 체온 상승과 붓기가 동시에 감지되면 이를 ‘염증성 부종(Inflammatory edema)’* 위험 신호로 인식해 압박 밴드를 스스로 느슨하게 조절한다. 이후 염증이 완화되는 회복기에는 인공 시냅스의 메모리 기능을 활용해 즉시 다시 강하게 조이지 않고, 서서히 압박을 재개하도록 설계했다. 이를 통해 2차 조직 괴사 위험을 줄이는 스마트 치료 시나리오도 제시했다.

* 염증성 부종(Inflammatory Edema): 상처 부위가 붓고 고열이 동반되는 증상으로, 이번 연구의 스마트 전자피부가 스스로 감지해 대처하는 핵심 질환.

무엇보다 이러한 감지·판단·반응의 전 과정이 색 변화로 함께 나타나기 때문에, 사용자는 소자의 현재 상태를 직관적으로 파악할 수 있다. 센서로 작용해 정보를 읽고 기억하며 시각적으로 피드백까지 제공하는 차세대 바이오 전자 플랫폼으로의 확장 가능성을 보여준다.

외부 자극을 연산 및 기억하고 그 결과를 색상으로 시각화하는 이번 연구 논문은 부산대 전기전자공학과 석사과정 김희나·김태헌 연구원이 공동 제1저자, 석사과정 김윤수·이희정 연구원이 공동저자, 심현석 교수가 교신저자로 참여했으며, 나노 분야 세계적 국제 학술지인 『ACS Nano』 온라인판 6월 24일자에 게재됐다.

- 논문 제목: Fully Stretchable Ionically Tunable Organic Electrochemical Transistors for Wearable Adaptive Logic Bioelectronics (웨어러블 적응형 논리 바이오 전자소자를 위한 완전 신축성 이온 튜닝 유기 전기화학 트랜지스터)

- 논문 링크: https://doi.org/10.1021/acsnano.6c05309

해당 연구는 한국연구재단 기초연구사업, 포스코청암재단 포스코사이언스펠로십, 한국산업기술진흥원(KIAT) 산업혁신인재성장지원사업의 지원을 받아 수행됐다.

부산대 심현석 교수는 “이번 기술은 형태가 크게 변형되는 환경 속에서도 단일 소자가 이온 제어를 통해 논리 연산과 시냅스 기억 기능을 넘나들고, 그 과정을 실시간 색상 변화로 보여주는 혁신적인 플랫폼”이라며, “향후 별도의 복잡한 장비 없이도 환자의 상태에 스스로 반응하고 직관적인 시각적 정보를 제공하는 차세대 웨어러블 치료기기와 스마트 전자피부 상용화에 큰 기여를 할 것으로 기대한다”고 전했다.











참고자료 1. 연구 관련 추가 설명 자료(그림은 파일로도 별첨) 2. 부산대 연구진 사진(별첨)

참고자료 1

연구 이미지



그림 설명

[이온 튜닝 기반 완전 신축성 바이오 전자소자의 작동 원리 및 웨어러블 시스템 응용](a) 이온 상태 조절에 따라 단일 소자가 논리 연산 모드와 아날로그 인공 시냅스 모드로 기능이 전환되는 핵심 원리 모식도.

(b) 3x3 어레이 소자에 물리적 압력을 가했을 때, 입력된 패턴을 기억하고 이를 즉각적인 색상 변화(옅은 파란색 → 짙은 파란색)로 시각화하는 터치 패널 시연. 외부 자극이 제거된 지 60초 후에도 전류 상태와 색상이 안정적으로 유지되는 장기 기억 특성을 나타냄.

(c) 염증성 부종을 감지해 스스로 대처하는 ’웨어러블 적응형 논리 시스템‘의 소자 구성도 및 실제 발목 부착 사진. 생체 신호를 기억하는 시냅스 모드 소자와 연산을 수행하는 로직 모드 소자(NOR gate)가 통합된 회로 구조를 보여주며, 비틀거나 구겨도 정상적으로 작동함.