스마트 기기의 외형(Form-factor)을 결정하는 디스플레이. 양옆 또는 위아래로 반복해 접고 펼 수 있는 사각형 플렉서블(Flexible) 디스플레이가 인기다. 이젠 여기서 더 나아가 고해상 대화면이면서 휴대성도 갖춘 차세대 프리폼(Free-form) 디스플레이 연구가 활발하다.

특히, 고무줄처럼 자유자재로 변형이 가능하면서도 디스플레이 소자의 성능이 떨어지지 않는 스트레처블(Stretchable) 기술이 주목받고 있다. 스트레처블 기술은 디스플레이를 공처럼 원형으로 말거나 다시 늘릴 수 있는 프리폼 디스플레이 구현의 핵심 기술이기 때문이다.

몸 움직임 따라 늘었다 줄었다… 스트레처블 연구, 세계적 학술지 게재

삼성전자 종합기술원은 사람의 피부에 부착, 몸의 움직임에 따라 늘고 줄면서도 성능 저하 없이 정상 동작 가능한 ‘스트레처블 센서와 OLED 디스플레이 개발 연구’ 결과를 지난 6월 4일(미국 현지시간), 세계적인 학술지 ‘사이언스 어드밴시스(Science Advances)’에 발표했다^[1]. 이번 연구는 연신(길이를 늘임)에 따른 기기의 성능 안정성을 구현했다. 또한 반도체 공정에 적용이 가능해, 스트레처블 기기의 상용화 가능성을 업계 최초로 입증했다.

연구진은 스트레처블 OLED 디스플레이와 광혈류 측정(Photoplethysmography, PPG) 센서를 하나의 기기에 통합해 ‘스트레처블 전자 피부’ 폼 팩터로 구성했다. 광혈류 측정이란 혈관에 LED 등의 빛을 투사해 혈액이 통과할 때 혈관의 팽창과 수축에 따라 빛의 반사율이 달라지는 원리를 이용, 맥파를 측정하는 방법이다. 이로써 향후 스트레처블 기기의 응용처를 보다 넓힐 수 있다는 가능성도 입증한 셈이다.

▲ 스트레처블 기기의 새로운 가능성을 입증한 삼성전자 종합기술원 연구진. (왼쪽부터) 삼성전자 종합기술원 유기소재랩 정종원 전문(공동제1저자), 윤영준 전문(교신저자), 이영준 전문(공동제1저자)

피부 부착해 1천 번 움직여도 정상 작동… 웨어러블 헬스케어 제품 가능성 입증

이번 연구의 가장 큰 성과는 탄성력과 복원력이 우수한 고분자 화합물 ‘엘라스토머’의 조성과 구조를 바꿔 이를 업계 최초로 기존 반도체 공정을 통해 스트레처블 OLED 디스플레이와 광혈류 센서의 기판에 적용, 디스플레이와 센서를 30% 늘려도 성능 저하없이 정상 동작하는 것을 확인한 것이다.

▲ 삼성전자 종합기술원 스트레처블 헬스 모니터링 시스템

연구진은 요골동맥(앞팔의 바깥쪽을 통하는 동맥으로 보통 맥을 짚는 동맥)이 위치한 손목 안쪽에 스트레처블 광혈류 측정 심박 센서와 OLED 디스플레이를 통합한 전자 피부를 부착했다. 전자 피부는 손목 움직임에 따른 피부의 최대 변형 정도인 30%까지 특성 저하가 없었다. 또한, 1,000회 반복해 길이를 늘렸을 때도 OLED 디스플레이와 광혈류 센서가 안정적으로 구동했다. 특히 광혈류 센서는 손목이 움직일 때를 기준으로 고정형 실리콘 센서 대비 2.4배 높은 심박 신호를 추출하는 결과를 얻었다.

윤영준 전문연구원은 “연신 성능이 높은 센서와 디스플레이는 실제 피부와 일체감이 우수하기 때문에 수면, 운동 등 일상에서 제약 없이 장시간 생체 정보를 측정할 수 있는 것이 장점”이라며, “특정 질환을 지닌 환자뿐 아니라 일반인과 영유아를 위한 웨어러블 헬스케어 제품으로 응용 가능성도 클 것으로 기대한다”고 밝혔다.

▲ 삼성전자 종합기술원 윤영준 전문연구원

독자 소재와 소자 기술 적용… 내성과 안정성 확보

스트레처블 디스플레이는 폼팩터 혁신의 종착점이라고도 할 만큼 기술 구현이 어렵다. 일반적으로 디스플레이가 늘어나거나 모양이 변할 때는 장치가 끊어지거나 성능 저하가 발생한다. 이를 극복하려면 기판, 전극, 박막트랜지스터, 발광층, 센서 등 모든 소재와 소자가 물리적 신축성과 전기적 특성을 동시에 유지해야 한다.

연구진은 기존 스트레처블 기기 기판에 사용되던 플라스틱 소재를 엘라스토머로 교체하고, 업계 최초로 미세 패터닝과 대면적 공정이 가능한 포토 리소그라피 공정을 활용하여 디스플레이와 센서를 구현하였다.

엘라스토머는 변형에 따른 연신률과 복원력이 플라스틱에 비해 수십에서 수백 배까지 우수한 소재다. 하지만, 열에 취약해 기존 반도체 공정을 적용하기 어렵다는 한계가 있었다. 연구진은 소재의 분자 조성을 조절해 내열성을 강화하고 분자 사슬을 화학적으로 묶어, 반도체 공정에 사용되는 물질에 대한 내성도 확보했다.

또한, 소자 구조를 개선해 연신에 따른 복원력이 낮은 OLED의 안정성도 극복했다. 이영준 전문연구원은 “외부 압력이 가해지면 소자에 변형이 발생하는데, 이때 OLED 등 딱딱한 소자들은 쉽게 깨지거나 특성 저하 문제가 발생한다”며 “이를 극복하기 위해 연신 성능이 강한 엘라스토머 영역에 외부 압력을 집중시키고 OLED 픽셀 영역에는 최소화하는 ‘아일랜드(Island) 구조’를 적용했다”고 말했다.

이와 동시에 엘라스토머 영역에는 미세한 균열을 형성해 변형에 대한 안정성을 높인 ‘연신 전극 소재(Cracked Metal)’를 적용함으로써 OLED 픽셀 자체는 변형되지 않으면서 픽셀 사이의 공간과 배선 전극이 늘거나 줄어들 수 있도록 설계했다.

▲ 아일랜드(Island) 구조로 형성된 OLED와 균열 금속(Cracked Metal) 전극

▲ 삼성전자 종합기술원 이영준 전문연구원

기술 정확도 높여 스트레처블 기기 상용화 힘쓸 것

스트레처블 센서는 피부와 접착성이 우수하다. 이 때문에 기존 고정형 웨어러블 기기 센서에 비해 노이즈 신호가 적어 보다 높은 감도로 지속적인 심박 측정이 가능하다.

삼성전자 종합기술원 연구진이 개발한 스트레처블 광혈류 센서와 OLED 디스플레이는 기존 스트레처블 소재를 비롯해 소자의 성능과 공정의 한계를 극복한 결과다. 특히, 엘라스토머 소재의 내화학성과 내열성을 확보해 향후 고해상 대화면의 스트레처블 기기 상용화 가능성을 높였다는 데에도 의미가 크다.

정종원 전문연구원은 “전자 피부 해상도와 연신성, 측정 정확도를 양산 수준으로 올려 스트레처블 기기의 상용화에 더 다가가는 것이 목표”라며 “앞으로 전자 피부 심박 센서뿐 아니라 산소 포화도, 근전도, 혈압 등 다양한 생체 신호를 모니터링할 수 있는 스트레처블 센서와 고해상도 프리폼 디스플레이로 확장할 것”이라고 강조했다.

▲ 삼성전자 종합기술원 정종원 전문연구원

□ 인간 두뇌의 기억과 학습 등의 능력을 모방하는 인공지능 센서 개발

양희준 카이스트(KAIST) 물리학과 교수 연구팀은 멤리스터^[1] 소자를 기반으로 뇌의 기능을 모방해 글자를 인식할 수 있는 인공지능 센서를 개발했다.

연구 결과를 담은 ‘2차원 멤리스터에 기반한 언어 학습용 센서 내 축적 컴퓨팅(In-sensor reservoir computing for language learning via two-dimensional memristors)’ 제목의 논문은 뇌의 정보 처리 과정을 모방하는 뉴로모픽 기술에 새로운 방향을 제시한 성과를 인정받아 지난 14일(미국 현지시간) ‘사이언스 어드밴시스(Science Advances)’에 게재됐다.

뇌 신경망은 신경세포인 뉴런과 뉴런과 뉴런 사이를 연결하는 시냅스 등으로 구성돼 있다.

시냅스는 뉴런에서 입력된 정보를 연산하고 학습하는 기능을 수행한다.

특히, 시냅스에서의 정보 처리는 대단히 효율적으로 이루어져 약 20W 수준의 에너지를 사용할 뿐이다.

예를 들어, 인간과 바둑 대국을 진행한 인공지능 프로그램은 인간의 2,800배에 달하는 약 56kW의 에너지를 소모하는 것으로 알려져 있다.

시냅스 정보 처리가 효율적인 이유는 일을 많이 하는 부위의 시냅스 연결은 강해져 정보를 빠르게 처리하는 반면 그렇지 않은 부위의 연결은 끊어지는 ‘시냅스 가소성’이라 부르는 현상 때문이다.

사물인터넷(IoT), 엣지 컴퓨팅 등 적은 소비 전력을 필요로 하는 분야에서는 ‘시냅스 가소성’ 현상을 포함한 인간의 뇌에서 일어나는 정보 처리 과정을 모방하는 뉴로모픽 기술에 대한 연구가 활발하게 진행되고 있다.

양희준 교수 연구팀은 멤리스터 소자를 활용해 뉴로모픽 기술을 구현할 수 있는 인공지능 센서를 연구했다.

연구팀은 두 개의 전극 사이에 황화주석 소재를 끼워 넣은 멤리스터 소자를 만들었다.

소자의 전자 구조를 정교하게 조절할 수 있는 황화주석 소재는 멤리스터 소자가 ‘시냅스 가소성’과 같은 특징을 보일 수 있도록 했다.

연구팀은 여러 글자가 섞여 있는 복잡한 환경에서 이 소자를 적용한 인공지능 센서를 한글 인식에 활용해 유용성을 검증했다. 그 결과 ‘가자’, ‘사자’ 등 간단한 한글을 91% 수준으로 인식하는 데 성공했다.

양희준 교수는 “이번 연구는 황화주석 기반 멤리스터 소자의 뉴로모픽 적용 가능성을 확인했다는 데 의미가 있다”며 “향후 5년 안에 초저전력, 초고집적 인공지능 소자를 구동할 수 있도록 관련 소재, 부품 기술 연구에 주력할 계획”이라고 말했다.

양희준 교수 연구팀의 이번 연구는 2017년 6월 삼성미래기술육성사업 지원 과제로 선정돼 지원을 받고 있다.

□ 세균 검출 시간을 기존 대비 1/12이하로 단축할 수 있는 인공 항체 개발

김종호 한양대학교 에리카(ERICA) 캠퍼스 재료화학공학과 교수 연구팀은 세균성 감염병을 신속하게 진단하고 치료할 수 있는 새로운 인공항체 기술을 개발했다.

이번 연구 결과를 담은 논문은 새로운 나노 인공항체 합성법과 진단·치료 기술에 대한 원천 연구로 인정받아 ‘다가 나노시트 인공항체를 이용한 선택적 세균 감지와 불활성화(Multivalent Nanosheet Antibody Mimics for Selective Microbial Recognition and Inactivation)’ 제목으로 지난달 23일(독일 현지시간) ‘어드밴스드 머티리얼스(Advanced Materials)’에 게재됐다.

단백질 기반의 기존 항체는 세균을 선택적으로 인식하고 효과적으로 사멸시킬 수 있어 다양한 감염병의 진단과 치료에 사용되고 있지만, 생산에 3개월 이상 소요되고, 장기 보관 시에는 영하 20∼70도 사이의 저온 상태를 유지해야 하는 등 관리가 어렵다.

최근에는 단백질 항체의 특성을 가지면서도 빠르게 합성할 수 있고, 안정적인 상태 유지가 용이한 인공 항체에 대한 연구가 활발히 이뤄지고 있다.

김종호 교수 연구팀은 페로브스카이트^[2]를 적용한 금속 화합물 나노 시트에 펩타이드^[3]를 부착 시켜 인공 항체를 합성했고, 식중독의 원인인 대장균·살모넬라·포도상구균 등을 대상으로 실험했다.

김종호 교수가 합성한 인공 항체와 세균 결합체에 근적외선을 쬐면 결합된 부분이 진동하면서 마찰을 일으켜 70℃ 이상의 열을 발생시키고, 이 열이 세균을 사멸시킬 수 있다.

인공 항체를 활용해 세균을 사멸시키는 것은 획기적인 시도이다.

혈액, 소변 등에 포함된 세균을 검출하기 위해서는 현재 12시간 이상이 필요한 반면 이번에 개발한 인공 항체를 이용하면 세균 검출과 소멸 시간을 1시간 이내로 줄일 수 있다.

또, 김종호 교수가 합성한 인공 항체는 3일 이내에 합성할 수 있고 실온에서도 안정한 장점이 있다.

김종호 교수는 “이번 연구에 적용한 식중독 원인균 이외의 보다 다양한 종류의 감염병을 진단하고 치료에 도움을 주기 위한 연구를 지속할 예정”이라고 말했다.

김종호 교수 연구팀의 이번 연구는 2015년 9월 삼성미래기술육성사업 지원 과제로 선정돼 지원을 받고 있다.

□ 삼성미래기술육성사업, 2013년부터 1조 5천억 원 연구 지원

삼성미래기술육성사업은 우리나라의 미래를 책임지는 과학 기술 육성을 목표로 2013년부터 1조 5천억 원을 출연해 시행하고 있는 연구 지원 공익 사업이다.

삼성미래기술육성사업은 지금까지 670개 과제에 8,708억 원을 지원했다. 국제학술지에 총 2,127건의 논문이 게재됐고, 이 중 네이처(7건), 사이언스(8건), 셀(1건) 등을 포함해 최상위 국제 학술지에 소개된 논문도 186건에 달한다.

특히, 사이언스 8건 중에는 지난달 16일(미국 현지시간) 김도헌 서울대학교 물리천문학부 교수가 세계적인 석학 및 전문가 9명과 공동 작업을 통해 작성한 리뷰 논문이 포함돼 있다.

삼성미래기술육성사업 지원을 받은 ‘네이처·사이언스·셀’ 게재 연구 논문 중 리뷰 논문 게재는 처음이다.

삼성전자는 CSR 비전 ‘함께가요 미래로! Enabling People’ 아래 삼성미래기술육성사업, 협력회사 상생·물대펀드, 스마트공장, C랩 아웃사이드 등 상생 활동과 청소년 교육 사회공헌 활동을 펼치고 있다.

▲ 삼성미래기술육성사업 지원을 받아 최상위 학술지에 논문을 게재한 교수들(왼쪽부터 카이스트 양희준 교수, 한양대학교 에리카 캠퍼스 김종호 교수, 서울대학교 김도헌 교수)

1월 24일(현지시간), 삼성전자 종합기술원 연구진은 세계적인 학술지 ‘사이언스 어드밴시스(Science Advances)’에 새로운 혈당 측정법에 대한 논문을 게재했다. MIT 연구팀과 공동으로 연구한 이번 결과물은 직접 피를 뽑지 않고 레이저 빛을 이용해 혈당을 측정하는 비침습 혈당 측정 기술이다.

▲ 혈당 측정의 새로운 가능성을 입증한 삼성전자 종합기술원 연구진들. (왼쪽부터) 삼성전자 종합기술원 모바일 헬스케어랩 남성현 마스터(교신저자), 장호준 전문, 박윤상 전문(공동1저자), 이우창 전문, 박종애 랩장

새로운 ‘라만 분광법’ 도입, 정확도도 업계 최고 수준

연구진이 주목한 비침습 혈당 측정법은 1990년대부터 꾸준히 연구돼 온 방식. 당뇨병 환자의 통증과 불편함을 최소화할 수 있어 큰 기대를 받아왔지만 채혈 없이 혈액 내 혈당 농도를 정확히 측정해야 하기에 학계의 난제(難題)로 꼽혀왔다.

연구진은 난제를 풀기 위해 비침습 혈당 측정에 라만 분광법(Raman spectroscopy) 을 적용했다. 라만 분광법이란 레이저 빛을 이용해 물질을 식별하는 분석법이다. 레이저 빛이 특정 물질에 조사(照射)돼 산란될 때 물질 분자의 고유 진동에 의해 산란된 빛의 파장이 변하는데, 이 현상을 이용한다. 물질이 여러 개 일 땐 신호가 복잡하게 섞이기도 하는데, 이 분석법은 다른 비침습 방식과 비교했을 때 특정 물질을 구분하는 식별 능력이 매우 뛰어나다. 때문에 혈당 측정의 신뢰도를 높일 수 있다.

연구진은 측정 방식의 정확도를 높이기 위해 ‘비(非)접촉 사(斜)축(non-contact off-axis) 라만 시스템’을 개발했다. 이는 비스듬히 기울인 빛을 피부 아래층에 도달하게 해 우리 몸속 혈당의 라만 스펙트럼을 얻어내는 기술이다. 이 방식으로 비침습 신호 측정의 정확도 지표인 상관계수^[2]를 업계 최고 수준인 0.95로 끌어올릴 수 있었다.

연구진은 라만 스펙트럼 내 혈당 신호 추출을 위한 신호처리 방법도 고안했다. 이로써 혈당을 측정할 때 센서나 사람의 움직임 등 주변의 영향을 최소화할 수 있다. 기존 통계 분석 기반의 비침습 혈당 측정 방식과 비교해 라만 스펙트럼의 물리적 특성을 이용, 혈당 예측도를 높인 점도 주목할 만하다.

삼성전자 종합기술원 남성현 마스터는 “비침습 혈당 측정 기술은 30년 난제로 불릴 만큼 어려운 기술로 이번 연구는 기존의 틀을 깨고 비침습 혈당 측정기술에 명확한 실험적 증거와 방향을 제시했다는 점에 큰 의미가 있다”며 “추가 연구를 통해 비침습 혈당 센서의 상용화에 힘쓸 것”이라고 말했다.