성균관대학교 손동희 교수·박진홍 교수 공동연구팀은 “손상 후에도 스스로 회복되고, 필요에 따라 분해·재조립이 가능한 ‘신축성 자가치유 전자회로 플랫폼”을 개발했다고 밝혔다. 본 연구는 전자피부(e-skin) 및 착용형·이식형 전자소자의 장기 안정성과 개인 맞춤형 활용을 동시에 해결할 수 있는 새로운 전자소자 패러다임을 제시한다.

전자피부는 피부 접촉 또는 체내 이식을 통해 다양한 생체 신호를 감지·처리하는 핵심 기술로, 장기간 편안한 착용을 위해서는 생체조직과 유사한 얇고 부드러우며 신축성 있는 물성이 요구된다. 그러나 이러한 특성은 동시에 기계적 변형(늘어남, 구부러짐, 찢어짐)에 매우 취약해, 반복 사용이나 장기 착용 시 소자 손상과 기능 상실로 이어지는 한계를 갖는다. 특히 의료·헬스케어 환경에서는 신체 조건과 사용 목적이 지속적으로 변하기 때문에, 단순히 손상에 강한 것을 넘어 “전기적 기능과 회로를 유연하게 바꿀 수 있는 재구성성(reconfigurability)”이 필수적이다.

공동연구팀은 이러한 문제를 해결하기 위해 전극·반도체·절연막의 모든 구성요소를 자가치유 고분자 기반으로 설계한 신축성 트랜지스터를 개발했다. 전극과 반도체에는 자가치유 고분자에 탄소나노튜브와 유기반도체를 혼합해 전기적 성능과 회복성을 동시에 확보했으며, 절연막 역시 자가치유 고분자를 박막 형태로 구현했다. 개발된 트랜지스터는 전사 방식으로 별도의 납땜이나 접합 공정 없이 조립 가능하며, 30% 인장 변형을 100회 이상 반복해도 전기적 특성을 안정적으로 유지했다. 또한 물리적 손상 후에도 자가치유를 통해 전기적 성능이 효과적으로 회복됨을 확인했다.

연구팀은 단일 소자 수준을 넘어, 자가치유 트랜지스터를 5×5 배열로 집적해 균일한 드레인 전류 특성을 검증했으며, 수중 환경에서도 안정적으로 동작함을 입증했다. 더 나아가 생체적합성 평가와 동물실험을 통해, 체내에 일주일간 이식된 상태에서도 전기적 성능이 유지됨을 확인함으로써 이식형 전자소자로서의 가능성을 제시했다.

특히 본 연구의 핵심은 ‘조립–분해–재구성’이 가능한 모듈형 전자회로 개념이다. 연구팀은 자가치유 트랜지스터를 탄소나노튜브 저항과 결합해 논리 회로를 구성하고, 기계적 변형 하에서도 안정적으로 동작함을 확인했다. 또한 자가치유 특성을 활용해 조립된 NOR 게이트를 분해한 뒤 NAND 게이트로 재구성하는 등, 하나의 하드웨어 플랫폼에서 기능을 자유롭게 전환할 수 있음을 실험적으로 입증했다.

더불어 탄소나노튜브 전극 기반의 저항형 촉각센서 모듈과 발광 커패시터 디스플레이 모듈을 자가치유 트랜지스터 배열과 결합해, 터치 입력에 따라 시각적 피드백이 구현되는 착용형 전자피부 시스템을 제작했다. 해당 시스템은 피부 부착 상태에서 물리적 변형이 가해지면 촉각센서가 이를 감지하고, 자가치유 트랜지스터를 통해 해당 위치의 발광 모듈이 구동되는 등 직관적인 사용자 상호작용을 구현했다.

공동연구팀은 “자가치유 전자회로는 손상 후 회복된 전기적 성능이 손상 전과 거의 차이가 없음을 확인했다”며, 스스로 회복하고, 사용자의 요구에 따라 형태와 기능을 바꿀 수 있는 이 기술은 차세대 웨어러블 의료기기, 로봇 피부, 지능형 보철 시스템의 핵심 플랫폼으로 확장될 것”이라고 밝혔다.

이번 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단의 지원을 받아 수행되었으며, 연구 성과는 국제학술지 Nature Electronics (Impact Factor 40.9, JCR 상위 0.2% 이내)에 2025년 5월 19일 온라인 게재되었다.

※논문명: Reconfigurable assembly of self-healing stretchable transistors and circuits for integrated systems

※저널명: 네이처 일렉트로닉스 (Nature Electronics)

※논문링크: https://doi.org/10.1038/s41928-025-01389-z

※연구포털(PURE)

-손동희: https://pure.skku.edu/en/persons/donghee-son/

-박진홍: https://pure.skku.edu/en/persons/jin-hong-park/

재구성 가능한 신축성 자가치유 전자회로

신축성 자가치유 트랜지스터와 탄소나노튜브 전극을 자가치유 고분자 기판 위에 목적에 맞게 위치 시키면 자가치유에 의해 조립되어 신축성 전자회로를 구성할 수 있다. 

자가치유 트랜지스터 2개와 부하저항을 활용하여 NAND 게이트 (위)와 NOR 게이트 (가운데)를 조립하였으며 20%의 인장에도 논리 값을 유지하는 것을 확인하였다. 

또한 이미 조립된 자가치유 전자회로는 절단 후 재조립하여 재구성 할 수 있다. 

NOR 게이트에서 트랜지스터를 절단한 후 옮겨 재조립하면 NAND게이트로 재구성 가능함을 확인하였다 (아래).

신축성 자가치유 전자회로의 웨어러블 및 임플랜터블 시스템 적용

(위) 신축성 자가치유 반도체와 전극은 촉각센서나 디스플레이, 트랜지스터와 같은 다양한 모듈로 조립될 수 있다. 

또한 조립된 모듈은 자가치유 기판에 집적되어 변형을 감지하고 해당위치에 시각적인 피드백을 제공할 수 있는 신축성 전자 피부 시스템으로 기능할 수 있음을 검증하였다. 

(아래) 자가치유 트랜지스터는 수분 저항성을 가지고 있기 때문에 체내에 이식되어서도 동작 가능하다. 

동물실험을 통하여 피하에 삽입된 상태에서 자가치유 트랜지스터가 정상적으로 기능함을 확인하였다.