생체 친화성 소재 기반의 자가소멸형 전자시스템 개발돼
고대 황석원 교수팀 연구결과,
고려대학교(총장 정진택) KU-KIST융합대학원 황석원 교수팀이 삼성서울병원팀과 순천향대와의 공동연구를 통해 자연에서 유래한 물질인 유기산과 탄산염을 이용하여, 사용자가 능동적으로 자가소멸(self-destruction) 시킬 수 있는 전자시스템에 관한 연구를 진행했다.
해당 기술은 향후 보안수준이 높은 군, 정부 기밀사항과 관련된 통신 및 데이터 보안 시스템에 적용할 수 있을 것으로 기대된다.
이번 연구결과는 세계적인 학술지 ‘ACS Nano’ 11월 29일자로 온라인에 게재됐다.
* 논문명 : Biologically Safe, Degradable Self-Destruction System for On-Demand, Programmable Transient Electronics, (https://doi.org/10.1021/acsnano.1c05463)
연구팀은 수용액 상에서 유기산의 일종인 시트르산(citric acid)와 탄산수소소듐(sodium bicarbonate)이 만나면 폭발적인 가스 생성반응이 일어나는데, 이를 유연한 전자 소자의 고분자 기판(substrate)과 미세유체 시스템(microfluidic system)에 적용하여 물 자극으로 신속하게 소멸하는 형태를 다양하게 입증했고, 반응물과 생성물이 인체와 환경에 무해한 물질로 이루어져 있어 생체 친화적인 자가 소멸 방식의 전자시스템을 구현했다고 밝혔다.
현재까지 제시된 방식으로는 열, 빛, 전기, 용매 등 다수의 유도 자극을 통해 전자 소자를 소멸시키는 자극형 자가소멸 시스템을 선보였다. 그러나 기존의 방법들은 전자 소자들을 빠르게 소멸시킬 수 있지만, 기본 반응물 또는 생성물들이 독성이 있어서 소멸 전후로 환경오염, 인체에 유해성을 나타내기 때문에 2차적인 문제를 초래할 수 있는 단점이 존재한다. 이에 반해, 본 연구는 전자 소자를 기타 오염물질을 발생시키지 않고, 보안 위협 등의 상황에서 1분 내로 신속하게 제거하거나 (예, Kill Switch, Boeing Black), 전자폐기물을 발생시키지 않는 친환경적인 전자 제품의 처분 방식으로 응용할 수 있는 기반 기술을 개발했다.
볼 밀(ball mill)을 도입한 기계적인 물성 조절 연구를 통해 유기산과 탄산염 입자들을 수 μm 크기 내로 분쇄해 미세하게 만들어 유연/신축 상질의 고분자들과 균일하게 혼합할 수 있어, 다양한 기판 제작이 가능하다. 이를 기반으로 여러 전자 소자들을 이 복합체 기판 위에 집적화하는 기술을 통해 전자시스템들을 구성했으며, 안정적으로 동작하는 성능을 확인했다. 또한, 소멸을 유발하는 화합물의 생체적합도 실험을 통해 염증 유발 및 조직 손상도가 대조군에 비해 조직학적으로, 면역학적으로 특이점이 발견되지 않아 유발 물질의 생물학적 안정성을 확인했다.
* 볼 밀 (ball mill) : 원통 안에 쇠구슬이나 세라믹 구슬들이 들어 있어 크기 조절할 소재를 넣고 돌리면
부딪치고 마찰하여 분쇄하는 분쇄기 또는 분쇄 기술.
황석원 교수는 “이번 연구결과는 완전한 생분해성, 생체 친화성 소재로 능동제어 가능한 주문형 자가소멸 시스템을 구현하였고, 이를 통해 현재 큰 사회적 문제가 되는 전자기기 폐기물 처리 같은 환경문제의 해결책으로 제시될 수 있으며, 또한 군사 및 기밀 정보를 다루는 보안 시스템에 적용해서 정보유출 방지 솔루션을 제공할 수 있을 것으로 기대된다”고 연구 의의를 밝혔다.
연구 결과 개요
1. 연구배경
현재 반도체 및 전자 공학에서 소자들이 가지고 있는 중요한 지표 중 하나는 장기간 사용 시에 성능 저하가 발생하지 않고, 안정적으로 동작할 수 있는 신뢰성을 가지고 있는 것이다. 하지만 최근에 제시된 새로운 반도체 기술은 장기간이 아닌 특정하게 제어된 물리적 수명을 가지고 사용자의 목적에 따라 사용할 수 있는 트렌지언트 일렉트로닉스 (transient electronics) 혹은 소멸성 및 분해성 전자소자 (degradable electronics)라고 불리는 연구가 대두되고 있다.
새롭게 도래한 이 분야는 물, 열, 빛, 미생물 및 이외의 요인으로 소멸 기능이 활성화할 수 있는 물질들로 이루어져 있지만, 제작된 소자의 성능은 상용 소자의 수준을 유지하여 산업 또는 일상에서 사용할 수 있는 기능을 유지하되, 불필요하거나 제거해야 할 상황이 발생할 때에 물리적, 화학적으로 완전히 분해하여 사라지게 할 수 있다.
기존의 외부 자극에 의한 능동적 분해가 가능한 기술들은 열, 빛, 전기 자극으로 인해 발화, 부식성 화합물, 기계적인 파괴 등으로 이어지는 기술들을 제시하였는데 이는 독성을 나타내는 물질들이 많거나, 외부 자극에 반응하는 화합물 합성이 어렵거나, 분해 속도가 빠르지 않거나 분해 조절이 어려운 단점들이 있다.
따라서 이러한 문제를 해결하기 위해서는 (1) 생체 친화적 소재, (2) 저 비용의 원천 물질 및 손쉬운 제조/합성 기술, (3) 능동적이고 주문 제어 가능한 자가소멸 시스템 제조기술 개발을 통해 효과적이고 프로그램된 형태로 소멸할 수 있으며, 전후 과정이 환경적으로나 생물학적으로 무해한 자가소멸 시스템의 필요성이 대두된다.
2. 연구내용
본 연구에서는 자연으로부터 유래한 물질들인 유기산과 탄산수소염의 기포 생성반응을 이용하여 추가적인 화학적 합성 방법 및 정제 없이 효과적으로 물을 통해 자극되어 제어 가능한 형태로 전자 소자를 소멸할 수 있는 자가소멸 시스템을 개발하고 제시하였다.
생체친화성 및 생분해성이 있는 시트르산과 탄산수소소듐을 볼 밀이라는 기계적인 물성 조절 과정을 통해 미립자 형태로 분쇄한 뒤에, 유연/신축성의 천연 고분자 젤라틴, 합성 고분자인 PLGA (Poly(lactic-co-glycolic acid))에 각각 혼합하여 균질한 복합체 기판을 제조하였고, 이를 전자 소자의 기판으로 사용하였다. 복합체 기판 위에서 여러 소자를 집적하여 안정적인 소자의 동작 성능을 확인하고 난 뒤, 물에 노출 시켜 급속하게 전기적으로 물리 화학적으로 저하/소멸하는 특성을 보여주었다.
미세유체 시스템과의 결합으로 주문/제어 가능한 무선 전자시스템의 소멸 과정을 실증할 수 있었으며, 유기산과 탄산수소염의 복합화합물의 안정성을 쥐를 이용한 생체적합성 실험을 수행하였고, 최초로 소멸을 유발하는 물질의 생체적합성을 증명하였다. 이 결과를 통해서, 생체친화적 물질 기반의 능동 제어형 자가소멸 시스템을 구현한 것을 입증하였다.
3. 기대효과
탄산수소염과 유기산의 반응을 이용한 자가소멸 전자시스템 및 제작 연구는 능동적으로 소멸 기능을 활성화할 뿐만 아니라 자연에서 유래한 물질들을 기반으로 하여 제작 비용이 저렴하고, 친환경적이며, 물성 제어할 수 있는 기술로 다양한 방식의 자가 소멸시스템으로 응용할 수 있다. 더 나아가 주문형 소멸 기능은 군사 및 정보 보호 목적의 하드웨어적인 보안시스템으로 적용할 수 있으며, 전자폐기물을 줄이는 친환경 제품 제작에도 깊이 관여할 가능성이 높아 현재 주요한 관심사가 되는 지속 가능한 개발 기술의 새로운 솔루션을 제시할 수 있을 것으로 전망된다.
논문에 게재된 대표 그림 설명
A. 상용 IC 칩과 분해 가능한 소자로 이루어진 무선으로 동작 가능한 자가소멸형 전자시스템의 구성 전개도와 소멸 과정의 핵심 화학반응. 1) 시트르산과 탄산수소소듐의 가스 생성 반응, 2) 시트르산과 금속 마그네슘의 산화 환원 반응. B. 자가소멸형 무선전자시스템의 안정적인 동작하는 광학이미지. C. 상온에서 물 자극으로 인해 소멸하는 전자시스템의 시간 순차 이미지들.
A. 탄산수소소듐의 볼밀에 의한 기계적인 분쇄로 입자가 미세화되는 과정의 현미경 이미지들. B. 볼 밀 시간에 따른 입자 크기의 변화 그래프. C. 분해성 PLGA 복합체 기판 위의 산화마그네슘으로 제작된 저항체 소자의 물에 의한 소멸과정. D. 분해성 복합체와 일반 고분자 기판에 각각 집적된 저항체 소자의 전기적 저하 시간 비교 실험. E. 미세유체 시스템을 이용하여 제어가능한 자가소멸 시스템의 프로그래밍된 작동 이미지들.
연구진 소개 이력사항
신정웅 석박통합과정 (제1저자)
1. 인적사항
- 소속: 고려대학교 KU-KIST융합대학원
- E-mail: jngwngshin@gmail.com
2. 학력사항
- 2015년 – 현재 고려대학교 KU-KIST융합대학원 석박통합과정
- 2015년 경희대학교 물리학과 (이학사) / 화학과 (이학사)
3. 전문분야 정보
- Flexible/Stretchable electronics
- Wearable/Implantable devices
- Transient/Bioresorbable electronic systems
황석원 교수(교신저자)
1. 인적사항
- 소속: 고려대학교 KU-KIST융합대학원
- 전화: 02-3290-5970
- E-mail: dupong76@korea.ac.kr
2. 학력사항
- 2013년 Department of Materials Science and Engineering, University of Illinois at Urbana-Champaign (Ph.D.)
- 2003년/2005년 한양대학교 재료공학부 (학사/석사)
3. 경력사항
- 2014년 – 현재 고려대학교 KU-KIST융합대학원 교수
- 2013년 – 2014년 Postdoc. University of Illinois at Urbana-Champaign
- 2005년 – 2008년 삼성전자 반도체연구소 차세대연구팀
4. 전문분야 정보
- Flexible/Stretchable electronics
- Wearable/Implantable devices
- Transient/Bioresorbable electronic systems
