트랜지스터 작동 중에는 정공 채널이 형성되고, 양이온 유도 전기 이중층이 형성된다.
서울대학교 연구진이 신호 처리, 메모리, 발광 기능을 하나의 반도체 소자 내에서 동시에 수행할 수 있는 초저전압 전기화학 유기 발광 트랜지스터(OLED)를 개발했습니다. 연구팀은 발광 고분자 반도체 채널에 이온 수송 촉진제를 도입하여 드레인 전극 계면에서 전기 이중층을 형성함으로써, 기존 방식에서 사용되던 고전압이나 불안정한 n형 도핑 없이도 효율적인 전자 주입이 가능하도록 했습니다.
그 결과, 해당 장치는 단순한 단일 활성층 구조를 유지하면서 저전압 작동과 넓고 공간적으로 고정된 광 방출, 그리고 신경 형태 신호 처리 기능을 모두 구현했습니다.
해당 연구 결과는 학술지 네이처 머티리얼즈(Nature Materials)에 게재되었습니다.
웨어러블 전자기기는 스마트워치와 스마트 안경을 넘어 차세대 사용자 친화적인 플랫폼으로 빠르게 진화하고 있으며, 향후 피부에 부착하거나 이식하는 기기로까지 확장될 전망입니다.
특히, 피부에 부착하는 웨어러블 기기는 감지, 신호 처리, 메모리 및 디스플레이 기능을 단일 플랫폼에 결합한 집적 반도체 기술과 함께 차세대 의료 및 미래 전자 산업을 위한 핵심 기반 기술로 여겨지고 있습니다.
최근 들어 웨어러블 전자기기는 단순한 생체 신호 감지를 넘어 실시간 신호 처리 및 시각화 단계로 발전했습니다.
그러나 지금까지 이러한 기능들은 일반적으로 서로 연결된 별도의 장치들을 사용하여 구현되어 왔기 때문에 복잡한 구조, 부피가 크고 견고한 부품, 그리고 높은 에너지 소비라는 문제점을 안고 있었습니다. 따라서 단순한 장치 아키텍처 내에 여러 기능을 통합하는 것이 중요한 과제로 남아 있습니다.
1. 현재 기기들이 부족한 이유는 무엇인가?
유기 발광 트랜지스터는 트랜지스터와 발광 다이오드의 기능을 하나의 소자에 결합할 수 있기 때문에 차세대 웨어러블 전자 기기의 유망한 후보로 주목받고 있습니다.
하지만 기존의 측면 전극 구조를 갖는 유기 트랜지스터는 전극 간 거리가 길고 전자 주입 장벽이 크기 때문에 80~180V의 높은 동작 전압이 필요합니다.
전기화학적 이온 도핑을 사용하여 작동 전압을 낮추더라도 여전히 3.5V 이상이 필요하며, 발광 영역이 좁고 불안정하여 실제 디스플레이 및 지능형 웨어러블 전자 시스템에서의 실용적인 활용이 제한됩니다.
2. 새로운 트랜지스터의 작동 원리
연구팀은 신호 처리, 메모리 및 발광 기능을 하나의 유기 트랜지스터에 통합한 초저전압 전기화학 유기 발광 트랜지스터를 개발했습니다.
연구팀은 활성층에 이온 수송 촉진제를 첨가하여 전극 계면에서 전기 이중층 형성을 유도함으로써, 기존 방식에서 사용되는 고전압이나 불안정한 도핑에 의존하지 않고 효율적인 전자 주입을 위한 새로운 메커니즘을 도입했습니다.
이를 통해 기존에는 작동에 너무 낮다고 여겨졌던 3.5V 미만의 전압에서도 빛을 방출할 수 있었으며, 동시에 넓고 안정적인 발광 영역을 유지할 수 있었습니다.
이 장치는 신호 처리 및 메모리 특성도 보여주었는데, 반복적인 자극 하에서 반응이 누적되고 시간이 지나도 유지되었으며, 단 두 개의 1.5V 배터리로 작동하는 유연한 웨어러블 디스플레이 시스템에서 그 성능이 더욱 입증되었습니다.
본 연구는 단순한 단일 활성층 구조에서도 안정적인 발광과 지능형 기능을 동시에 구현할 수 있음을 보여줌으로써 웨어러블 기기 응용 분야에서 유기 트랜지스터의 잠재력을 크게 확장합니다.
3. 웨어러블 기기에 미칠 수 있는 잠재적 영향
본 연구는 신호 처리, 메모리 및 발광 기능을 단일 장치에 통합함으로써, 여러 개의 개별 부품을 제작하고 연결해야 하는 기존 웨어러블 전자 시스템의 한계를 줄였다는 점에서 의미가 있다.
특히, 입력 자극에 대한 누적적이고 기억력 있는 반응을 보여줌으로써, 정보를 처리하고 그 결과를 빛을 통해 즉시 표시할 수 있는 차세대 전자 장치의 잠재력을 부각시킨다.
기존의 웨어러블 기기는 사용자가 움직이는 동안 측정된 신호를 실시간으로 확인하기 어렵게 만드는 반면, 이 기술은 실시간 모니터링과 즉각적인 정보 전달을 지향합니다.
이 기술은 재활, 응급 환자 치료, 운동 모니터링, 피부 부착형 전자 기기 및 스마트 헬스케어와 같은 분야로 확장될 것으로 예상되며, 관련 산업의 핵심 기반 기술 역할을 할 수 있을 것입니다.
이태우 교수는 2026년에 Science와 Nature에 연이어 논문을 발표하며 세계적인 연구 경쟁력을 입증했습니다.
본 연구는 발광, 신호 처리 및 메모리 기능을 저전압에서 단일 반도체 소자에 통합함으로써 기존의 발광 소자를 뛰어넘어 차세대 지능형 웨어러블 전자 기기의 새로운 방향을 제시합니다.
이번 연구를 이끈 이태우 교수는 "이번 연구는 프로세싱, 메모리, 디스플레이 유닛을 별도로 제작하고 연결할 필요 없이 모든 기능을 단일 반도체 소자 내에 통합할 수 있음을 보여준다는 점에서 특히 의미가 크다"고 말했다.
그는 또한 "앞으로 우리는 이 기술을 지능형 인공 피부 및 웨어러블 헬스케어에 적용 가능한 피부 부착형 반도체 플랫폼으로 더욱 발전시킬 계획입니다."라고 덧붙였다.
이 기술은 기존의 발광 반도체를 뛰어넘어 단일 저전압 반도체 소자에서 다기능성을 구현한다는 점에서 중요한 의미를 지닙니다.
이러한 점에서 이는 인간과 기계 간의 실시간 상호작용을 가능하게 하는 지능형 피부 부착형 웨어러블 전자 기기의 새로운 방향을 제시합니다.
게시 시간: 2026년 6월 22일