UNIST 손재성 교수팀, 신축성과 내구성 모두 우수한 무기 반도체 박막 개발

파킨슨병 환자 모니터링 장치에 실증·값싼 용액공정으로 제조

▲ 개발된 저항메모리를 이용한 파킨슨병 환자 모니터링 장치 a) 자가 발전이 가능한 파킨슨병 환자 모니터링 기기. 손목에 부착할 수 있다. b) 기기의 회로 구성 모식도  © 특허뉴스

패치형 헬스모니터링 기기나, 접히고 말리는 디스플레이에는 유연한 반도체를 써야 한다. 유연 반도체 대부분은 유기물 기반인데, 무기물 기반의 유연 반도체가 개발됐다. 딱딱하고 잘 부스러지는 것으로 알려진 무기 소재로 만든 반도체라 눈길을 끈다. 고온고압 공정 자체를 잘 견디는 무기 소재인데다가 내구성도 좋아 다양한 플렉서블 전자기기 개발에 쓰일 수 있을 것으로도 기대된다.

UNIST 신소재공학과 손재성·최문기·김주영 교수팀은 황화은(Ag2S) 무기반도체 박막을 저렴한 용액공정으로 합성하는 데 성공했다. 합성된 박막으로 제작된 저항 변화 메모리소자(RRAM, 알 램)를 파킨슨병 환자 모니터링 장치에 적용해 무기반도체 박막의 성능도 입증했다. 개발된 장치를 환자 몸에 붙이면 근육 경련과 같은 파킨슨병 환자의 운동이상을 감지할 수 있다.

손 교수팀이 개발한 황화은 무기반도체 박막은 반도체 특성을 보임과 동시에 신축성이 좋다. 기존 무기반도체 소재는 이온 결합 등으로 이루어져 있어 본질적으로 쉽게 부서지는 특성이 있지만, 이번에 개발된 황화은 박막은 연신 변형률이 15%에 이를 정도로 신축성이 우수한 반도체 소재이다.

제 1저자인 조승기 연세대학교 KIURI 연구단 박사 후 연구원은 “무기 반도체소재는 유기화합물 반도체 소재보다 선천적으로 우수한 열적·화학적 안정성을 지녀, 고온다습한 특수 환경에서도 안정적으로 구동 가능한 스트레쳐블 전자 소자에 쓸 수 있다”고 설명했다.

특히 이번에 개발된 무기반도체 박막은 기존과 달리 저렴한 저온 용액공정으로 제조할 수 있어 상업화에도 유리하다. 무기반도체 입자와 용매가 섞인 용액을 기판 위에서 회전시켜 고르게 코팅하는 방식이다. 용매는 증발시켜 제거한다.

공동 제1저자인 조소영 UNIST 신소재공학과 석사과정 연구원은 “원재료에 상당한 고온·고압을 가하는 기존 생산 방법은 박막 생산비가 비쌀뿐더러, 메모리 반도체 소자를 이루는 다른 재질 층이 고온 고압을 견디지 못해 소자 제작에 바로 적용하기 힘들다는 단점이 있었다” 고 설명했다.

또 연구진은 이를 이용해 세계 최초로 ‘신축성을 지닌 박막형 황화은 기반 저항메모리 반도체’를 개발했다. 이 메모리 반도체 소자는 높은 on/off 전류비 차이, 작동 내구성을 보여 패치형 헬스모니터링 기기 개발에도 쓰일 수 있었다.

▲ 무기 박막 반도체 제작 과정 a) 황화은(Ag2S) 잉크 및 박막 제작 과정 모식도 b) 실리콘 웨이퍼(기판) 위에 올라간 박막을 사진 촬영한 이미지 c) 박막 표면을 전자현미경으로 촬영 이미지  © 특허뉴스

공동 제1저자인 양우정 UNIST 신소재공학과 석․박사통합과정 연구원은 “스트레쳐블 저항 변화 메모리를 모션 센서와 결합해 파킨슨병 환자를 모니터링 할 수 있는 패치형 장비를 개발했다”며, “터치센서를 이용하면 대면적 매트릭스 디바이스 제작도 가능하다”고 설명했다.

이번 연구는 세계적 과학저널 ‘어드밴스드 머티리얼스(Advanced Materials)’ 4월 30일 온라인판에 발표됐으며, 표지논문(inside back cover)으로 선정되어 출판을 앞두고 있다.

논문명은 Solution-Processed Stretchable Ag2S Semiconductor Thin Films for Wearable Self-powered Nonvolatile Memory 이다.