대구경북과학기술원(DGIST·디지스트)은 전기전자컴퓨터공학과 강홍기 교수가 카이스트 소프트융합소재연구센터 정승준 박사와 빛을 이용해 발생하는 온도 변화를 실시간으로 빠르고 정밀하게 측정할 수 있는 투명 온도 센서를 개발했다고 6일 밝혔다.
이 기술은 민감한 온도 변화를 활용하는 다양한 바이오 응용 디바이스 발전에 기여할 것으로 기대된다.
플라즈모닉 나노 물질을 이용한 광열 효과는 빛을 이용한 독특한 발열 특성으로 인해 최근 뇌신경 자극, 약물 전달, 암 치료, 초고속 PCR과 같은 다양한 바이오 응용 분야에서 주목받고 있다. 하지만 광열 현상에 의한 온도 변화 측정은 여전히 열화상 카메라를 이용한 간접적이고 느린 계측 방식에 의존하고 있어 빠르게는 수 밀리초 수준, 좁게는 수십 마이크로미터 수준으로 변하는 단일 세포 수준의 국소적인 온도 측정에는 적합하지 않다는 한계가 있다.
이처럼 온도 변화의 정밀한 정보 부재로 인해 광열 효과 기술은 높은 응용 파급 효과에도 불구하고 정밀한 온도 변화에 따른 생물학적 변화의 이해와 안정적인 임상 적용에 대한 우려가 제기돼 왔다.
이에 공동 연구진은 온도 차 발생에 의한 빠른 전하 이동으로 전압 신호가 발생하는 열전 효과를 이용해 수 밀리초 미만의 빠른 온도 변화도 측정할 수 있는 온도센서 기술을 개발했다. 특히 전하 저장에 적합한 전도성 고분자(투명 PEDOT:PSS)의 유기 열전층 활용을 통해 빛에 의한 간섭을 줄인 직접적인 광열 현상 측정 기술을 확립했다.
50나노미터 두께의 얇은 PEDOT:PSS 열전 센서는 가시광선 영역에서 평균 97%의 높은 투명도를 확보해 광열 현상 부위에 직접적인 적용이 가능하기 때문에 빛의 간섭을 최소화해 다양한 광열 바이오 공학 및 의학 응용 기술에 직접 적용할 수 있다.
또 사용된 고분자 열전 소재의 경우 저온 용액 공정이 가능해 일반 반도체 공정에 비해 소자 제작이 간단한 잉크젯 프린팅 공정을 이용해 제작했으며 프린팅 공정의 장점인 높은 디자인 자유도를 활용할 수 있었다.
이번 연구를 통해 개발한 투명 열전 온도센서 기술은 최근 광유전학을 통해 널리 알려진 빛을 이용한 뇌 활동 조절의 광학적 신경 인터페이스 메커니즘을 이해하는 데 활용될 수 있으며 국소적 높은 열로 암 세포를 치료하는 원리 분석에 활용될 수 있다는 점에서 핵심적인 기술이다.
또 무전력 동작 원리를 통해 웨어러블 소자, 투명 디스플레이 소자 및 전력 반도체의 국부적인 열화 현상의 분석 등 차세대 반도체 기술에도 적용할 수 있을 것으로 기대된다.
디지스트 전기전자컴퓨터공학과 강홍기 교수는 “빠르고 국소적인 열 발생이 최대 장점인 광열 효과를 직접 정밀하게 측정하는 기술을 제안했다는 점에서 의미가 있다”며 “향후 미세 반도체 공정을 통해 다양한 바이오 전자 칩과 결합해 심층적인 바이오 공학 분석과 의공학 적용 가능성을 기대한다”라고 말했다.
이 연구는 디지스트 전기전자컴퓨터공학과 이준희 박사과정생, 홍나리 박사후연수연구원, 카이스트의 황성권 박사과정생 주도의 공동 연구로 진행됐으며 한국연구재단을 통해 과학기술정보통신부에서 지원하는 기초연구사업, 국가핵심소재연구단-특화형 사업, 카이스트 기관고유사업, 디지스트 기관고유사업의 지원을 받아 수행됐다. 이번 연구 성과는 관련 분야 최우수 국제학술지인 ‘Materials Horizons’에 온라인 게재됐다.
대구=최일영 기자 mc102@kmib.co.kr
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