상처 부위가 붓고 열이 나면 스스로 상태를 판단해 압박 수위를 조절하고, 그 과정을 색으로 보여주는 '똑똑한 전자소자'가 개발됐다.

복잡한 회로를 바꾸지 않아도 하나의 소자로 디지털 연산과 기억 기능을 오갈 수 있어 차세대 웨어러블 치료기기와 스마트 전자피부 상용화 가능성을 높일 것으로 기대된다.

부산대학교 전기전자자공학부 심현석 교수 연구팀은 소자의 물리적 변경 없이 이온 상태 제어만으로 다기능성을 발휘하는 웨어러블 적응형 바이오 전자소자를 개발했다고 1일 밝혔다.

전해질의 이온 농도를 조절하는 것으로 디지털 논리회로와 아날로그 인공시냅스 모드를 자유롭게 넘나들면서 작동 상태를 색상 변화로 보여주는 차세대 완전 신축성 유기 전기화학 트랜지스터(OECT) 기술이다.

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

이온 튜닝은 소자의 물리적 구조를 바꾸지 않고도 전해질의 이온 농도 조절만으로 소자를 목적에 맞게 프로그래밍하는 것이다.

연구팀은 염화나트륨의 이온 농도를 조절해 같은 소자를 상황에 따라 빠른 연산을 수행하는 디지털 논리 스위치나 정보를 저장하고 기억하는 아날로그 인공 시냅스로도 작동하도록 만들었다.

이 소자는 또 최대 30%까지 늘어나는 환경에서도 성능 저하 없이 작동했고, 1천회 이상 반복 변형에도 물리적 균열이나 전기화학적 불안정성 없이 기능을 유지하는 완전 신축성을 보였다.

그러면서 소자 내부 이온화 상태가 달라지면 채널 물질의 빛 흡수율이 변하면서 투명한 옅은 파란색에서 짙은 파란색으로 변화하는 '보이는 전자소자'여서 외부 모니터링 장비나 스마트폰 연결 없이도 소자의 작동 상태와 메모리 입력 여부를 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 위험 신호로 인식해 압박 밴드를 스스로 느슨하게 조절한다. 이후 염증이 완화되는 회복기에는 인공 시냅스의 메모리 기능을 활용해 서서히 압박을 재개하도록 설계했다.

이를 통해 2차 조직 괴사 위험을 줄이는 스마트 치료 시나리오도 제시했다.

이번 연구 논문은 부산대 전기전자공학과 석사과정 김희나·김태헌 연구원이 공동 제1저자, 석사과정 김윤수·이희정 연구원이 공동저자, 심현석 교수가 교신저자로 참여해 나노 분야 세계적 국제 학술지인 'ACS 나노' 온라인판에 게재됐다.

심 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 "복잡한 장비 없이도 환자의 상태에 스스로 반응하고 시각적 정보를 제공하는 차세대 웨어러블 치료기기와 스마트 전자피부 상용화에 기여할 것으로 기대한다"고 말했다.