정예환 융합전자공학부 교수 연구팀이 지난달 23일 세계 최초로 고무처럼 형태를 변형해도 무선 통신 성능을 유지하는 전자피부 개발에 성공했다. 전자피부는 현재 개발이 활발하게 이뤄지고 있는 웨어러블 기기에 적용될 가능성이 높다. 

기존 웨어러블 기기의 RF 회로 기술(무선 주파수 신호를 처리ㆍ전송하는 데 사용되는 전자 회로를 설계하고 구현하는 기술)에 사용되는 신축성 기판은 물리적 변화에 민감해 변형이 이뤄지면 성능 변화가 나타난다는 한계가 존재했다. 정 교수는 기계적 변형에도 무선 통신 및 무선 전력 수신 기능을 유지하는 신축성 무선 기기를 개발했다.

그의 연구는 학계에 보고되지 않은 세계 최초의 기술이라는 점에서 큰 의의를 지닌다. 해당 연구 논문은 세계 권위의 국제 학술지 네이처(Nature)에 게재되며 그 성과를 인정받았다. 새로운 연구를 통해 일상에 윤택함을 더한 정 교수를 만나 자세한 이야기를 들어봤다. 

기존 웨어러블 기기의 RF 회로 기술에 사용되는 신축성 기판은 물리적 변화에 민감해 기계적 변형이 있으면 전자기적 성능 변화가 나타나고 높은 유전 손실로 상당한 에너지 소멸이 이뤄질 수 있다. 또한 방열 특성 부족으로 인한 열 방출 한계로 성능이 제한된다.

정 교수는 해당 한계를 극복하기 위해 새로운 신소재를 개발했다. 신축성을 가진 고무 재질의 기판에 세라믹 나노입자를 혼합하고 조립하는 공정을 사용했다. 해당 과정을 거쳐 개발한 신소재는 튜닝이 가능해 RF 소자 및 회로로부터 발생하는 고주파 전기 특성 변화를 효과적으로 방어할 수 있다.

또한 무선주파수 범위에서 유전 손실을 줄이고 높은 열 전도율을 가지는 동시에 기계적 탄성률은 기존 신축성 기판과 비슷하게 유지했다. 해당 성능을 통해 장거리 무선통신 기능과 무선 전력 수신 기능을 가능하도록 했다.

그가 개발한 전자피부는 90미터 거리에서도 배터리 없이 무선으로 생체신호를 송수신할 수 있는 획기적인 기술이다. 또한 밴드 형태의 웨어러블 기기를 통해 큰 신체 동작에도 각종 생체신호를 무선으로 정확히 측정하고, 뇌파를 안정적으로 측정할 수 있다.

신축성 기기는 자유로운 변형이 이뤄지는 동시에 전자기기의 성능을 유지하며 반복적인 기계적 움직임에도 강해야 하므로 연구가 어려운 분야다. 따라서 신축성 무선 기기에 관한 연구는 여러 전문가가 서로 협력해 전문 분야에 대한 지식을 나누고 연구하는 과정이 중요하다. 정 교수 역시 이번 연구를 위해 전자공학, 신소재공학, 화학공학 등 다양한 분야의 전문가들과 협력했다. 

연구를 시작하게 된 계기에 대해 정 교수는 "신축성과 무선 기능을 고루 갖춘 기기가 오랜 기간 개발되지 않았기에 새롭게 도전했다"고 말했다.

최근 웨어러블 기기에 대한 관심이 커지며 실시간 데이터 통신을 위한 무선 장치의 수요가 증가했다. 또한 실생활에 효율적으로 적용할 수 있는 차세대 의료 기기 개발이 주목받는 추세다.

이번 연구는 전자피부 개발 외에도 타 연구에 필요한 개념들을 제공했다는 점에서 의의가 있다. 대표적으로 6G 영역의 주파수를 해결할 원천기술을 들 수 있다. 최근 고속 무선 통신을 위해 무선 작동 주파수가 GHz 영역(예: LTE 및 5G)에서 sub-THz 영역(예: 6G) 영역으로 높아지고 있다. 주파수가 높아질수록 고주파 구성요소의 전기적 특성 변화가 더욱 두드러지기 때문에 해결할 필요성이 대두된다. 

복합 신소재의 나노 입자의 분산도를 조절하는 기술은 웨어러블 산업에 큰 도움을 제공할 것으로 기대된다. 그는 이번 기술에 대해 "복합 소재의 기계적, 전기적, 유변학적 특성에 큰 영향을 줄 것으로 기대되고 있다"고 긍정적으로 평가하며 "아직은 부족한 고주파 시스템에 적용할 기판 소재에 대한 선도적 연구로서 가치가 높다"고 판단했다. 

'JUNG RESEARCH GROUP - Flexible Electronic Device Lab'을 맡고 있는 정 교수는 인류의 발전을 더디게 하는 공학 문제를 연구하며 삶의 질을 향상하고자 노력하고 있다. 

인간의 윤택한 삶에 집중한 그는 "차세대 전자기기는 웨어러블 형태 또는 생체 이식형으로 발전할 것이다"고 예측하며 "해당 분야의 개발을 위해 기존의 딱딱하고 유연하지 않은 전자기기 기술을 대체해 반도체 소자부터 회로 기판, 전극 소재 등에 대한 전체적인 재개발을 이뤄보고자 한다"고 미래 목표를 밝혔다. 

정 교수는 한양인들이 다양한 연구와 도전을 해봤으면 좋겠다고 조언했다. 

"저도 연구를 시작해서 결과를 얻기까지 수없이 실패했어요. 그러나 꼭 이루고 싶은 목표가 있다면 더욱 노력했으면 좋겠어요. 실패를 두려워 말고 기회로 삼아 계속 노력하다 보면 언젠간 성공할 거예요!"