이기원 교수(화학공학과), 자립형 피부 부착 전자소자를 위한 단일체 집적 전략 제시

- 에너지 수확·센싱·신호처리의 분산 구조 한계를 줄이는 모놀리식 집적 방향 제안 -

- 국제 저명 학술지International Journal of Extreme Manufacturing (IF: 21.3, 상위0.7%) 게재 -

본교 화학공학과 이기원 교수는 자립형 피부 부착 전자소자(self-contained skin electronics)의 구현을 위한 핵심 설계 원리로 단일체(monolithic) 집적 전략을 제시한 논문을 게재하였다. 이번 논문은 피부 위에서 작동하는 전자소자가 외부 전원이나 복잡한 배선에 대한 의존을 줄이면서도 약한 생체·기계 신호를 안정적으로 감지하기 위해 요구되는 차세대 시스템 구조를 분석한 연구이다.

자립형 피부 전자소자를 위한 단일체 집적 개념: 분리 조립형 구조와 에너지-센서 집적 및 센서-정보 집적 기반 모놀리식 구조 비교

피부 부착형 전자소자는 인체 움직임, 환경 변화, 생리 신호가 동시에 작용하는 조건에서 매우 약한 신호를 감지해야 한다. 특히 웨어러블 헬스케어, 전자피부(e-skin), 인간-기계 인터페이스(HMI) 등으로 응용 범위가 확대되면서, 단일 센서가 아닌 다중 센서 배열을 통해 시간적·공간적 정보를 수집하는 시스템으로 발전하고 있다. 이 과정에서 전력 공급, 신호 전달, 데이터 처리 구조가 복잡해질수록 신호대잡음비(SNR)를 작게 유지하는 것이 핵심 과제로 부상하고 있다.

기존 웨어러블 전자소자는 에너지 수확 소자, 전력관리 회로(PMIC), 에너지 저장 장치, 센서 배열, 프로세서를 각각 분리해 조립하는 방식에 기반해 왔다. 그러나 이러한 분리형 구조에서는 각 구성요소를 연결하는 배선과 계면에서 에너지 손실과 임피던스 변동이 누적된다. 논문은 특히 DC-DC 전력 변환 과정에서 약 20~30%, AC-DC 변환 과정에서 약 40~80%의 에너지 손실이 발생할 수 있으며, 피부의 반복 변형은 배선 저항과 정전용량 변화를 유발해 센싱 신뢰도를 떨어뜨릴 수 있다고 설명한다.

이에 연구진은 자립형 피부 전자소자의 성능 한계를 단순히 개별 소재나 센서 감도 문제가 아니라, 에너지·센싱·정보처리 모듈이 물리적으로 분산되어 있는 “시스템 구조의 문제”로 재정의하였다. 논문은 최근 연구 동향을 바탕으로 단일체 집적의 두 가지 방향을 제시한다.

첫 번째는 에너지 변환과 센싱 기능을 하나의 소자 수준에서 결합하는 물리적 집적이다. 이 방식은 자극이 발생한 위치에서 에너지를 생성하고 곧바로 센싱 신호로 전환함으로써 긴 배선, 외부 전력 전달, 별도 전력관리 회로에 따른 손실과 잡음을 줄일 수 있다.

대표 사례로 논문은 마찰전기-정전용량 전위를 이용해 이온젤 기반 환원 그래핀 산화물(rGO) 트랜지스터를 직접 구동하는 인공 시냅스형 기계수용기 배열을 소개한다. 해당 구조는 외부 전원 공급이나 PMIC 없이도 자가구동 방식으로 압력 자극을 감지하며, 느린 적응형 압력 감지와 빠른 적응형 압력 감지를 하나의 플랫폼에서 구현한다. 16개 소자 배열에서는 필기 스타일, 표면 질감, 패턴 분류에서90.04%의 정확도를 달성해 단일체 집적이 소자 구조 단순화에 그치지 않고 신호 품질과 인식 성능을 함께 높일 수 있음을 보여준다.

두 번째 방향은 센서 밀도를 무작정 높이기보다, 적은 수의 센서로부터 고해상도 정보를 복원하는 계산적 집적이다. 논문은 6채널 신축성 근전도(EMG) 센서 배열과 생성형EMG 네트워크를 결합해 고해상도 근육 활동 지도를 재구성하고, 손동작 인식과 보행 예측에서 기존32채널 시스템에 준하는 성능을 달성한 사례를 분석하였다. 이 접근은 센서와 정보 추출 과정의 거리를 줄여 분산 하드웨어에 의존하는 정도를 낮추며, 동일 하중 조건에서 비신축성 센서 대비 평균 SNR이 12 dB에서 15 dB로 향상되는 결과를 보였다.

이번 논문의 의의는 단일체 집적을 하나의 제작 기술이 아니라, 피부 위 전자시스템의 전체 구조를 재설계하는 제조 전략으로 제시했다는 데 있다. 물리적 집적은 소자 수준의 배선 잡음과 계면 손실을 줄이고, 계산적 집적은 시스템 수준의 하드웨어 중복성을 줄인다. 두 접근은 서로 다른 기술 경로를 취하지만, 궁극적으로는 에너지 수확, 감지, 연산 기능을 하나의 플랫폼 안에서 긴밀하게 결합해 피부 부착형 전자소자의 신뢰성과 확장성을 높인다는 공통 목표를 갖는다.

향후 이러한 전략은 웨어러블 헬스케어, 재활 모니터링, 소프트 로보틱스, 전자피부, 인간-기계 인터페이스 분야에서 활용될 수 있을 것으로 기대된다. 특히 장시간 착용 환경에서 발생하는 변형, 신호 드리프트, 환경 잡음에 대응하기 위해서는 개별 센서의 성능 향상뿐 아니라 소자·회로·알고리즘을 함께 고려한 통합 설계가 중요하며, 이번 논문은 그 방향성을 제시한 연구 성과로 평가된다.

이번 연구는 광운대학교 이기원 교수, 가천대학교 김대건 교수, 아주대학교 박성준 교수가 공동으로 참여하였다. 연구 결과는 농촌진흥청(RS-2026-25503336)의 지원을 받아 “Monolithic integration for self-contained skin electronics”라는 제목으로 국제 학술지 International Journal of Extreme Manufacturing(IF: 21.3, 상위0.7%)에 2026년 4월 21일자 온라인판에 게재되었다.

Web link: https://doi.org/10.1088/2631-7990/ae5d9e