소식
황석원 교수팀, 전자소자의 수명 제어를 위한 고효율 보호막 기술 개발로 Advanced Functional Materials 게재
2024.06.17 Views 591
전자소자의 수명 제어를 위한 고효율 보호막 기술 개발
황석원 교수팀 연구결과, Advanced Functional Materials 논문 게재
황석원 교수팀 연구결과, Advanced Functional Materials 논문 게재
▲왼쪽부터 고관진 박사, 강희석 석사, 한원배 박사, 황석원 교수 (교신저자)
□ 고려대학교 (총장 김동원) KU-KIST 융합대학원 황석원 교수 연구팀은 생분해성/생체친화적 물질 기반의 초고효율 보호막 소재 및 공정을 개발하고, 다양한 생분해성 전자소자 컴포넌트를 구현하여 수명을 크게 연장시켰다. 이번 연구는 생분해성과 기계적인 유연성이 요구되는 다양한 전자소자 시스템에 적용되며, 체내 및 습한 환경에서 물리적/전기적 기능을 장시간 안정적으로 유지하는 핵심적인 역할을 할 수 있을 것으로 기대된다.
□ 이번 연구결과는 권위있는 재료 학술지 ‘Advanced Functional Materials (IF=19.0)’지에 5월 08일 게재되었다.
* 논문명 : Materials and Designs for Extremely Efficient Encapsulation of Soft, Biodegradable Electronics
* 저널명 : Advanced Functional Materials (2024, https://doi.org/10.1002/adfm.202403427)
□ 생분해성 물질로 이루어진 전자소자(biodegradable, transient electronics)는 소자 본연의 기능을 안정적으로 수행한 후, 체내 또는 환경에서 무해한 물질로 용해, 분해, 또는 분리되어 물리적 상태와 전기적 기능이 사라지는 기술로, 바이오메디컬 및 친환경 전자 시스템 분야에 혁신적인 변화를 가져왔다. 이러한 분해 특성을 가지는 전자소자 기술의 실용적인 사용은 기능을 안정적으로 유지하는 기능적 수명시간(functional lifetime)의 제어 기술이 필요하다. 지금까지 전자소자의 수명시간 제어를 위해 분해환경부터 보호할 수 있는 보호막 기술이 개발되었으나, 높은 물 분자 투과율로 인해 전자소자의 수명을 제어하지 못하거나, 단단하고 부서지기 쉬운 특성으로 인해 지속적으로 움직이는 신체 및 다양한 환경에 적용하는 데 어려움을 겪었다. 따라서 높은 보호 성능과 유연성을 동시에 갖춘 생분해성 소재 및 디자인 개발이 필수적이다.
□ 이번 연구에서는 생분해성 고분자에 적용 가능함과 동시에 물 분자 투과율이 낮은 입자를 도입하여 얇은 필름 형태의 높은 보호막 성능을 갖는 고효율 보호막 기술을 개발했다. 전자소자의 수명을 연장할 수 있는 능력이 기존 보호막 기술에 대비해 매우 우수하며, 기계적 변형 하에서도 보호막 성능을 유지할 수 있는 특성을 보였다. 더 나아가, 이론적 모델을 통해 특성을 검증하였고, 기존의 생분해성 물질에 적용한 보호막을 발광 소자를 포함한 트랜지스터, 캐패시터, 무선 코일에 구현함으로써, 전자소자의 수명 제어 기술 및 다양한 생분해성 물질로의 실용 가능성을 제시했다.
□ 이번 연구결과는 권위있는 재료 학술지 ‘Advanced Functional Materials (IF=19.0)’지에 5월 08일 게재되었다.
* 논문명 : Materials and Designs for Extremely Efficient Encapsulation of Soft, Biodegradable Electronics
* 저널명 : Advanced Functional Materials (2024, https://doi.org/10.1002/adfm.202403427)
□ 생분해성 물질로 이루어진 전자소자(biodegradable, transient electronics)는 소자 본연의 기능을 안정적으로 수행한 후, 체내 또는 환경에서 무해한 물질로 용해, 분해, 또는 분리되어 물리적 상태와 전기적 기능이 사라지는 기술로, 바이오메디컬 및 친환경 전자 시스템 분야에 혁신적인 변화를 가져왔다. 이러한 분해 특성을 가지는 전자소자 기술의 실용적인 사용은 기능을 안정적으로 유지하는 기능적 수명시간(functional lifetime)의 제어 기술이 필요하다. 지금까지 전자소자의 수명시간 제어를 위해 분해환경부터 보호할 수 있는 보호막 기술이 개발되었으나, 높은 물 분자 투과율로 인해 전자소자의 수명을 제어하지 못하거나, 단단하고 부서지기 쉬운 특성으로 인해 지속적으로 움직이는 신체 및 다양한 환경에 적용하는 데 어려움을 겪었다. 따라서 높은 보호 성능과 유연성을 동시에 갖춘 생분해성 소재 및 디자인 개발이 필수적이다.
□ 이번 연구에서는 생분해성 고분자에 적용 가능함과 동시에 물 분자 투과율이 낮은 입자를 도입하여 얇은 필름 형태의 높은 보호막 성능을 갖는 고효율 보호막 기술을 개발했다. 전자소자의 수명을 연장할 수 있는 능력이 기존 보호막 기술에 대비해 매우 우수하며, 기계적 변형 하에서도 보호막 성능을 유지할 수 있는 특성을 보였다. 더 나아가, 이론적 모델을 통해 특성을 검증하였고, 기존의 생분해성 물질에 적용한 보호막을 발광 소자를 포함한 트랜지스터, 캐패시터, 무선 코일에 구현함으로써, 전자소자의 수명 제어 기술 및 다양한 생분해성 물질로의 실용 가능성을 제시했다.
□ 연구진은 먼저 기존의 생분해성 고분자를 기반으로 생분해성/생체적합성을 갖는 무기 입자를 적절한 비율로 배합해 용액을 제조했다. 또한, 입자의 종횡비를 포함한 형태를 제어하여 같은 혼합 비율에서 보호 성능의 효율성을 극대화했다. 추가적인 물리적/화학적 처리 없이 용액 공정을 기반한 몰딩 공법을 적용한 이 필름은 높은 보호 성능과 유연성을 보였으며, 반복적인 기계적 변형 하에서도 이러한 특성들이 잘 유지됨을 확인했다.
□ 복합소재 필름 기반의 보호막 성능 평가를 위해 생분해성 금속인 마그네슘(Mg)기반의 저항 소자위에 적용한 후, 물속에서의 저항 변화를 관찰하였다. 그 결과, 기존의 생분해성 고분자인 폴리카프로락톤(Polycaprolactone)만 사용했을 때 대비해서 2200% 이상의 기능적 수명을 향상시켰으며, 이 특성은 기존에 보고된 유/무기 기반 보호막 소재와 대비해서도 월등하다.
□ 연구진은 생분해성/생체적합성 유기 입자의 필름 내 물 분자의 확산을 제한하는 메카니즘을 검증했다. 복합체 내 도입된 유기 입자는 물의 투과율이 매우 낮은 물리적 장애물로 작용하여 필름 내 물 분자의 확산을 제한한다는 사실을 확인하였고, 기존에 정립된 이론적 모델을 통해 검증했다. 더 나아가, 유기 입자의 종횡비를 포함한 구조적 특성에 따라 동일한 물질 및 혼합 비율에서도 물의 투과율 제한 성능의 효율이 달라짐을 계산과학으로 증명함으로써 용도에 맞는 수명시간 제어 기술에 대한 가능성을 확인하였다.
□ 연구진은 생분해성 합성 고분자인 폴리카프로락톤 (PCL), 폴리락타이드 (PLA), 폴리락타이드글리콜엑시드 (PLGA) 뿐만 아니라, 천연 고분자인 셀룰로오스아세테이트 등에 적용하여 범용적인 보호막 기술임을 확인하였으며, 개발된 보호막 소재를 실리콘 기반의 생분해성 트랜지스터, 캐패시터, 무선 시스템의 기판 및 보호막 소재로써 응용했다. 또한, 무선으로 동작하는 발광소자에 응용하여, 약 30일 이상 물속에서 발광소자의 무선 동작 기능을 안정적으로 확보하였음을 증명했다.
□ 황석원 고려대 교수는 “이번 연구결과는 기존에 제어가 힘든 분해성 전자소자의 기능적 수명시간을 효율적으로 제어할 수 있는 초고효율 생분해성 보호막 기술을 개발한 것으로서, 기계적인 유연성을 포함한 분해성 전자소자에 적용되어 기존 기술로는 달성하기 힘들었던 수십일 이상의 긴 수명을 확보할 수 있을 것이고, 다양한 유연 전자소자의 보호막으로서 적용 가능하여 실용 가능성을 확대할 것”이라고 기대했다.
□ 이번 연구는 한국연구재단 개인기초연구 중견후속사업, 범부처 전주기 의료기기 연구개발사업 및 정보통신기획평가원 ICT 명품인재양성사업의 지원을 받아 수행됐다.
□ 복합소재 필름 기반의 보호막 성능 평가를 위해 생분해성 금속인 마그네슘(Mg)기반의 저항 소자위에 적용한 후, 물속에서의 저항 변화를 관찰하였다. 그 결과, 기존의 생분해성 고분자인 폴리카프로락톤(Polycaprolactone)만 사용했을 때 대비해서 2200% 이상의 기능적 수명을 향상시켰으며, 이 특성은 기존에 보고된 유/무기 기반 보호막 소재와 대비해서도 월등하다.
□ 연구진은 생분해성/생체적합성 유기 입자의 필름 내 물 분자의 확산을 제한하는 메카니즘을 검증했다. 복합체 내 도입된 유기 입자는 물의 투과율이 매우 낮은 물리적 장애물로 작용하여 필름 내 물 분자의 확산을 제한한다는 사실을 확인하였고, 기존에 정립된 이론적 모델을 통해 검증했다. 더 나아가, 유기 입자의 종횡비를 포함한 구조적 특성에 따라 동일한 물질 및 혼합 비율에서도 물의 투과율 제한 성능의 효율이 달라짐을 계산과학으로 증명함으로써 용도에 맞는 수명시간 제어 기술에 대한 가능성을 확인하였다.
□ 연구진은 생분해성 합성 고분자인 폴리카프로락톤 (PCL), 폴리락타이드 (PLA), 폴리락타이드글리콜엑시드 (PLGA) 뿐만 아니라, 천연 고분자인 셀룰로오스아세테이트 등에 적용하여 범용적인 보호막 기술임을 확인하였으며, 개발된 보호막 소재를 실리콘 기반의 생분해성 트랜지스터, 캐패시터, 무선 시스템의 기판 및 보호막 소재로써 응용했다. 또한, 무선으로 동작하는 발광소자에 응용하여, 약 30일 이상 물속에서 발광소자의 무선 동작 기능을 안정적으로 확보하였음을 증명했다.
□ 황석원 고려대 교수는 “이번 연구결과는 기존에 제어가 힘든 분해성 전자소자의 기능적 수명시간을 효율적으로 제어할 수 있는 초고효율 생분해성 보호막 기술을 개발한 것으로서, 기계적인 유연성을 포함한 분해성 전자소자에 적용되어 기존 기술로는 달성하기 힘들었던 수십일 이상의 긴 수명을 확보할 수 있을 것이고, 다양한 유연 전자소자의 보호막으로서 적용 가능하여 실용 가능성을 확대할 것”이라고 기대했다.
□ 이번 연구는 한국연구재단 개인기초연구 중견후속사업, 범부처 전주기 의료기기 연구개발사업 및 정보통신기획평가원 ICT 명품인재양성사업의 지원을 받아 수행됐다.
