반도체를 레고 블록처럼 원하는대로 분해·재조립한다고?

▲ 성균관대학교 손동희 교수팀과 박진홍 교수팀이 공동연구를 통해 별도의 납땜이나 접합 과정 없이 단면을 붙이기만 하면, 레고 블록처럼 조립되는 '신축성 자가치유(self-healing) 반도체'를 활용한 맞춤형 바이오 전자회로를 개발했다. 사진은 개발한 자가치유전자회로를 피부에 적용한 전자피부시스템 모습. 한국연구재단 제공

별도의 납땜이나 접합 과정 없이 단면을 붙이기만 하면, 레고 블록처럼 조립되는 '신축성 자가치유(self-healing) 반도체'를 활용한 맞춤형 바이오 전자회로가 국내 연구진에 의해 개발됐다. 이는 원하는 대로 기능을 바꾸고 회로를 재배치할 수 있는 '조립형 자가치유 반도체' 기술이다.

한국연구재단(이사장 홍원화, NRF)은 21일 성균관대학교 손동희 교수팀과 박진홍 교수팀이 공동연구를 통해 이같이 '맞춤형 바이오 전자회로' 개발을 알리면서 "(이 기술은) 체내 이식과 분해 후 재조립에도 성능을 유지해, 지능형 임플랜터블(Implantable : 체내삽입형이라는 의미로 디지털약, 스마트 콘택트렌즈처럼 체내에 집어넣어 사용하는 기기, 기술을 통칭) 및 웨어러블 기기 개발에 기여할 것으로 기대된다"고 밝혔다.

우선, 한국연구재단은 이번 연구 배경에 대해 "몸에 착용하거나 체내에 삽입하는 웨어러블 및 임플랜터블 기술이 점점 발전하면서 전자소자 역시 유연하고 회복력 있는 전자피부 형태로 진화하고 있지만, 기존의 전자피부는 한 번 설계한 기능과 모양을 바꾸기 어려워 사용자의 신체 부위나 생리 조건에 따른 개인 맞춤형 시스템 구현에 한계가 있다"면서 "또 신체의 움직임에 따라 늘어나고 구부러지거나 찢어지는 등의 손상에 취약해 채내외에서 장기간 안정적으로 작동할 수 있는 전자소자 개발이 필요하다"고 설명했다.

신축성 자가치유 트랜지스터의 구성요소와 특성 (위) 신축성 자가치유 트랜지스터의 구조와 이를 구성하는 탄소나노튜브 전극과 반도체 나노복합재. (가운데) 신축성 자가치유 트랜지스터의 전기적 기계적인 안정성. 신축성 자가치유 트랜지스터는 30%의 인장에 100회 노출되어도 전기적 특성을 유지하며 기계적 손상 후에도 스스로 회복할 수 있다. (아래) 5x5 자가치유 트랜지스터 배열의 드레인 전류와 이동도를 통한 균일한 성능을 확인하였다. // 그림설명 및 그림제공 : 성균관대학교 손동희 교수 Copyright 2025, Springer Nature. — **▲신축성 자가치유 트랜지스터의 구성요소와 특성** (위) 신축성 자가치유 트랜지스터의 구조와 이를 구성하는 탄소나노튜브 전극과 반도체 나노복합재. (가운데) 신축성 자가치유 트랜지스터의 전기적 기계적인 안정성. 신축성 자가치유 트랜지스터는 30%의 인장에 100회 노출되어도 전기적 특성을 유지하며 기계적 손상 후에도 스스로 회복할 수 있다. (아래) 5x5 자가치유 트랜지스터 배열의 드레인 전류와 이동도를 통한 균일한 성능을 확인하였다. // 그림설명 및 그림제공 : 성균관대학교 손동희 교수 Copyright 2025, Springer Nature. 한국연구재단 제공

이에 성균관대 공동연구팀은 먼저, 반도체 트랜지스터(전자 신호 및 전력을 증폭하거나 전환하는 데 사용하는 반도체 소자)를 이루는 모든 구조에 '자가치유고분자'를 적용해 손상 후 성능을 회복할 수 있도록 했다.

'자가치유고분자'란 물리적 손상을 입은 고분자가 스스로 결함을 감지해 구조를 복구하는 지능형 재료로, 이 연구에서는 신축성 고분자인 PDMS(폴리디메틸실록산)가 주요 물질로 사용됐다고 한다.

그리고는 트랜지스터를 구성하는 전극과 반도체는 신축성 고분자를 기반으로 한 '탄소나노튜브(머리카락 굵기의 10만분의 1로 얇고 가벼우면서 철보다 강하고 전기전도성, 열전도성이 우수한 신소재)'와 유기반도체를 혼합해 제작하고, 절연막은 자가치유고분자를 박막형태로 코팅해 구현했다.

재구성 가능한 신축성 자가치유 전자회로 신축성 자가치유 트랜지스터와 탄소나노튜브 전극을 자가치유 고분자 기판 위에 목적에 맞게 위치시키면 자가치유에 의해 조립되어 신축성 전자회로를 구성할 수 있다. 자가치유 트랜지스터 2개와 부하저항을 활용하여 NAND 게이트 (위)와 NOR 게이트 (가운데)를 조립하였으며 20%의 인장에도 논리값을 유지하는 것을 확인하였다. 또한 이미 조립된 자가치유 전자회로는 절단 후 재조립하여 재구성 할 수 있다. NOR 게이트에서 트랜지스터를 절단한 후 옮겨 재조립하면 NAND 게이트로 재구성 가능함을 확인하였다 (아래). // 그림설명 및 그림제공 : 성균관대학교 손동희 교수 Copyright 2025, Springer Nature. — **▲재구성 가능한 신축성 자가치유 전자회로** 신축성 자가치유 트랜지스터와 탄소나노튜브 전극을 자가치유 고분자 기판 위에 목적에 맞게 위치시키면 자가치유에 의해 조립되어 신축성 전자회로를 구성할 수 있다. 자가치유 트랜지스터 2개와 부하저항을 활용하여 NAND 게이트 (위)와 NOR 게이트 (가운데)를 조립하였으며 20%의 인장에도 논리값을 유지하는 것을 확인하였다. 또한 이미 조립된 자가치유 전자회로는 절단 후 재조립하여 재구성 할 수 있다. NOR 게이트에서 트랜지스터를 절단한 후 옮겨 재조립하면 NAND 게이트로 재구성 가능함을 확인하였다 (아래). // 그림설명 및 그림제공 : 성균관대학교 손동희 교수 Copyright 2025, Springer Nature. 한국연구재단 제공

또한, 자가치유 트랜지스터가 수중 환경에서도 동작이 가능한 것을 확인한 후 생체적합성 검사를 거쳐 체내에 일주일간 이식했을 때 전기적 성능을 유지함을 동물 실험을 통해 검증해냈다.

공동연구팀은 이렇게 개발한 트랜지스터로 자가치유가 가능한 특성을 활용, 분해하고 새롭게 이어 붙여 조립하는 모듈형 회로설계에 적용됐다. 그런 후 '논리회로'의 연산을 바꾸고 기계적 변형이 가해져도 동작 가능함을 실험으로 검증한 연구팀은 해당 모듈로 만지면 시각적 상호작용을 하는 웨어러블 전자피부 시스템을 시연했다.

여기서 '논리회로'는 디지털 회로를 구성하는 가장 기본적인 요소로 논리 연산을 수행하고 그 결과를 출력하는 전자회로라고 한다.

신축성 자가치유 전자회로의 웨어러블 및 임플랜터블 시스템 적용 (위) 신축성 자가치유 반도체와 전극은 촉각센서나 디스플레이, 트랜지스터와 같은 다양한 모듈로 조립될 수 있다. 또한 조립된 모듈은 자가치유 기판에 집적되어 변형을 감지하고 해당 위치에 시각적인 피드백을 제공할 수 있는 신축성 전자 피부 시스템으로 기능할 수 있음을 검증하였다. (아래) 자가치유 트랜지스터는 수분 저항성을 가지고 있기 때문에 체내에 이식되어서도 동작가능하다. 동물실험을 통하여 피하에 삽입된 상태에서 자가치유 트랜지스터가 정상적으로 기능함을 확인하였다. // 그림설명 및 그림제공 : 성균관대학교 손동희 교수 Copyright 2025, Springer Nature. — **▲신축성 자가치유 전자회로의 웨어러블 및 임플랜터블 시스템 적용** (위) 신축성 자가치유 반도체와 전극은 촉각센서나 디스플레이, 트랜지스터와 같은 다양한 모듈로 조립될 수 있다. 또한 조립된 모듈은 자가치유 기판에 집적되어 변형을 감지하고 해당 위치에 시각적인 피드백을 제공할 수 있는 신축성 전자 피부 시스템으로 기능할 수 있음을 검증하였다. (아래) 자가치유 트랜지스터는 수분 저항성을 가지고 있기 때문에 체내에 이식되어서도 동작가능하다. 동물실험을 통하여 피하에 삽입된 상태에서 자가치유 트랜지스터가 정상적으로 기능함을 확인하였다. // 그림설명 및 그림제공 : 성균관대학교 손동희 교수 Copyright 2025, Springer Nature. 한국연구재단 제공

손동희 교수는 이번 연구 성과에 대해 "자가치유 기능과 재구성 가능성을 하나의 전자 플랫폼에 융합한 최초의 사례 중 하나"라며 "단순히 손상 복구에 그치지 않고, 회로를 분해하고 재조립함으로써 다양한 기능으로 변형 가능한 점이 큰 차별점이고, 또한 실제 피부 부착 실험과 동물 이식 실험까지 진행하여 실용성을 입증한 점도 주목할 만하다"고 자평했다.

또한 기대 효과에 대해 "자가치유 전자소자는 손상되더라도 스스로 전기적·기계적 특성을 회복함으로써 장기간 안정적인 모니터링 및 치료가 가능하기 때문에 만성 질환 환자의 건강관리, 장기 이식 후 모니터링, 뇌신경 장애 치료 기기 등의 수명을 획기적으로 늘릴 수 있을 것"이라며 "자가치유 가능한 신축성 가변형 전자회로 및 모듈 기술은 향후 뇌-신경 치료 기기, 체내 삽입형 센서, 스마트 인공피부 등 헬스케어 및 바이오전자 분야에 적용될 수 있다"고 전망했다.

그러면서 손 교수는 후속 목표나 계획에 대해 "앞으로는 자가치유 회로에 인공지능(AI) 신호처리 기능을 융합하여, 생체 신호를 스스로 판단하고 반응할 수 있는 '지능형 바이오 전자피부'를 구현하고자 한다"면서 "실시간 진단과 치료가 가능한 통합 플랫폼으로 발전시켜, 의료 접근성이 낮은 지역에서도 사용 가능한 글로벌 헬스케어 솔루션으로 확장하는 것이 궁극적인 목표"라고 강조했다.

박진홍 교수는 "자가치유 기능을 발전시키면 결함 감지, 자기 진단, 자기 복구의 순환 메커니즘을 갖춘 지능형 자가치유 시스템으로 진화할 것으로 기대된다"고 전했다.

한편, 이번 연구는 과학기술정보통신부(장관 유상임)와 한국연구재단이 추진하는 바이오·의료기술개발사업 및 우수신진연구사업 지원으로 수행됐으며, 연구의 성과는 국제학술지 <네이처 일렉트로닉스(Nature Electronics)>에 지난 19일자로 온라인 게재됐다.