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발광다이오드, 웨어러블 기기 개발 미래 먹거리 기대
국내 연구진, OLED·LED 활용 원천 기술 개발 성공
[기사입력 2020-05-14 06:42]

국내 연구진이 신소재를 활용한 웨어러블 의료기기 개발의 초석을 마련하는데 성공했다.

14일 업계에 따르면 국내 연구팀이 유기발광다이오드(OLED)와 발광다이오드(LED)를 활용한 웨어러블 기기 원천 기술을 개발했다.

한국과학기술원(KAIST) 최경철 교수팀은 분당서울대병원 박경찬 교수팀과 함께 얇고 유연한 광 치료용 '프리폼(Freeform·자유자재 형태) OLED'를 개발했다.

광 치료는 빛을 이용해 체내 생화학 반응을 촉진하는 치료법으로 발광다이오드(LED) 마스크, 레이저 기기 등이 대표적인 광 치료 기기이다.

최근 상처 치유, 주름 개선 등 피부 재생 분야에서 LED 마스크 기술이 주목을 받고 있지만 LED는 빛을 균일하게 쏘기 어렵고 딱딱한 형태여서 피부에 밀착할 수 없다는 한계가 있다.

연구팀은 얇고 유연하면서 균일하게 빛을 내는 특성을 갖는 OLED를 이용해 피부뿐만 아니라 옷감, 종이 등에 자유자재로 부착할 수 있는 프리폼 OLED를 제작했다.

4.8마이크로미터(㎛·100만분의 1m) 두께의 박막 2개 층 사이에 0.4마이크로미터 두께 OLED를 넣은 샌드위치 구조로, 전체 두께가 10마이크로미터로 매우 얇아 다양한 소재의 표면에 붙일 수 있다.

박막 층은 수분과 산소에 취약한 OLED를 보호할 수 있도록 외부와 차단하는 장벽층(barrier)과 플라스틱, 접착제를 합성해 제작했다.

이렇게 만든 프리폼 OLED를 각질형성세포(상처 치유에 중요한 역할을 하는 피부 표피 세포)를 제거한 실험 쥐에 부착한 뒤 10분 동안 빛을 쪼여준 결과 8일 후 각질형성세포가 21% 재생된 것으로 나타났다.

광 치료를 하지 않은 대조군은 각질형성세포가 전혀 재생되지 않았다.

또 실제 사람의 표피와 내피를 구성하는 세포로 만든 인공피부 모델에 프리폼 OLED를 붙이고 10∼20분 동안 빛을 쪼여준 결과 광 치료를 하지 않은 대조군보다 표피가 30% 이상 두꺼워졌다.

표피가 두꺼워졌다는 것은 피부가 재생됐다는 것을 의미한다.

프리폼 OLED는 1000차례의 반복적인 접힘에도 정상적으로 작동했으며, 물세탁 후에도 수명이 1천시간 넘게 유지됐다고 연구팀은 설명했다.

최경철 교수는 "피부 미용을 위한 마스크팩, 상처 치유용 패치뿐만 아니라 옷이나 모자 등에 부착하는 광 치료용 웨어러블 기기로 활용할 수 있을 것"이라고 말했다. 

국내 연구진이 전도성 접착제를 이용해 손톱 크기의 유연한 기판 위에 마이크로 LED 수천 개를 배열하는 데 성공, 의료용 웨어러블기기에 적용할 수 있을 것으로 전망해 주목받고 있다.

성균관대 김태일 교수와 삼성전자 연구팀은 고분자 접착제와 나노급(1㎚ = 10억분의 1m) 크기 금속 입자를 이용해 전기가 통하는 접착제를 개발, 작은 기판에 마이크로 LED를 수직으로 연결해 수천개 배열에 성공했다.

머리카락 굵기보다 작은 100㎛(1㎛ = 100만분의 1m) 이하 크기의 LED 소자를 기판 위에 고밀도로 집적하려면 전극끼리 연결하는 기술이 관건이다.

금속와이어를 이용해 전극을 수평으로 연결하거나 열을 가해 소자를 고정하는 방식이 쓰이고 있지만, 고온·고압 공정이 필요해 열에 의해 변형되는 유연한 기판에는 적용하기 어려웠다.

연구팀은 개발한 접착제를 이용해 상온·저압 공정에서 가로 1㎝, 세로 8㎜의 손톱 크기 유연한 기판 위에 초소형(전극 크기 15㎛) 마이크로 LED 수천개를 집적하는 데 성공했다.    

이는 가로 5㎝, 세로 5㎝ 크기 기판 위에 60만개의 마이크로 LED를 배열할 수 있는 수준이다. 기존 상용 기술보다 집적도가 20배 이상 높은 것이다.

접착제 표면은 연꽃 꽃잎에서 일어나는 발수 현상 원리를 적용해 '젖음'과 '젖지 않음' 상태를 선택적으로 조절할 수 있도록 설계했다.

이렇게 만든 전도성 접착제는 '선택적 전도성'을 가져 접착력과 안정성이 뛰어나다.

또 마이크로 LED 전극을 수평이 아닌 수직으로 연결함으로써 집적 밀도를 최대한 높였다고 연구팀은 설명했다.

섭씨 100도의 온도와 1기압 이하 압력 조건에서도 제작 가능해 유연한 기판에도 적용할 수 있다.

수율도 99.9%(LED 1000개 중 999개가 켜짐) 수준으로 매우 높게 나타났다.

김태일 교수는 "기술이 상용화한다면 유연한 웨어러블 전자소자나 의료용 웨어러블 기기, 유연한 마이크로 LED 디스플레이 등에 활용할 수 있을 것"이라고 말했다.

한편 이번 연구 성과는 최근 국제 학술지 '어드밴스드 머티리얼스(Advanced Materials)'에 표지논문으로 게재됐다.  


김양순 기자  ehealth@e-healthnews.com
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