Design and Engineering of Bioresorbable Electronic Materials for Transient Electronics = 시한성 전자소자용 체내흡수형 전자소재 설계 및 응용

국문 초록 (Abstract)

체내 삽입형 의료용 전자소자는 환부 표면에 물리적 접촉을 통해 환자로부터 정밀한 생체정보를 실시간으로 획득하고 진단 및 치료까지 수행할 수 있는 차세대 의료용 전자소자이다. 하지만, 삽입형 전자소자는 체내 반영구적 삽입으로 인한 체외 추출 수술을 필연적으로 수행해야 할 뿐만 아니라 체내 삽입과 같은 과정에서 발생하는 체내 장기 손상, 환부의 면역 반응, 감염과 같은 막대한 신체적 부담을 동반한다. 이러한 환자의 신체적, 경제적 부담을 최소화하기 위해 생분해성 소재를 활용한 시한성 전자소자의 개념이 대두되고 있다. 체내 삽입 후 필요한 기능을 수행한 후 일정 시간이 지나면 자연스럽게 분해되어 체내로 흡수되거나 흡수되지 않고 방출됨으로써 전자소자 제거 수술의 필요성을 최소화한다. 대표적으로, 뇌압 측정을 위한 뇌삽입형 센서, 심장 표면에 부착하여 전기자극을 인가하는 페이스 메이커, 약물전달을 위한 원격 약물 전달 장치, 손상된 말초신경의 재생을 촉진하는 신경전기자극기 등이 보고되었다. 이러한 전자소자의 기능을 구현하는데 생분해성 무기물 기반의 박막형 전자소재가 전도체 및 반도체와 같은 필수적인 역할을 수행하고 있다. 지금까지 보고된 생분해성 금속으로는 마그네슘, 몰리브덴, 아연, 텅스텐, 철이 있고, 실리콘, 산화아연이 생분해성 무기 반도체 소재로 보고되었다. 본 학위논문에서는 기존 생분해성 무기 금속 및 반도체 소재의 한계점을 짚고, 다루지 못했던 특성을 합금을 통해 구현하고자 하였다. 따라서, 시한성 전자소자에 활용할 수 있는 무기 금속 및 반도체 소재의 설계와 박막화를 위하여 생분해성 소재의 물리기상증착공정의 이해와 응용에 집중하여 연구를 서술한다.
첫 번째 파트에서는, 높은 전기화학반응성을 가지는 마그네슘 금속의 부식저항성 향상을 위한 합금화 전략을 제안한다. 마그네슘의 높은 전기전도성, 생체적합성에도 불구하고 빠른 체내 분해 속도로 인하여 전자소자의 실용화 관점에서 한계점을 보이고 있다. 마그네슘–아연 합금의 설계를 통해 순수 마그네슘의 낮은 양극전위의 향상을 유도하고 체내 부식저항성을 높이는 소재적 접근을 수행한다. 그러나 기존 금속 합금의 제작과정에서 필연적으로 형성되는 상분리 석출상은 소재의 내부 갈바닉 부식의 가속화로 인해 불균일 부식이 일어나고, 이는 최종적으로 소자의 신뢰성 하락으로 이어진다. 따라서, 상분리 최소화와 균질 단상의 마그네슘–아연 합금의 박막 소재 제작을 위해 스퍼터링 공정을 사용했다. 기존 무기 금속의 박막 공정에서 일어나는 결정화 이론을 생분해성 합금 소재로 확장함으로써 성공적인 합금 박막을 제작했다. 제작된 생분해성 금속 합금 박막의 전기화학적, 기계적 특성 평가를 통해 기존 마그네슘 박막 대비 향상된 내식성과 안정성을 확인하였고, 무선전력송수신 박막전자소자 제작을 통해 체내삽입형 열치료용 소자로의 가능성을 확인했다.
두 번째 파트에서는, 실리콘 기반 시한성 전자소자가 다루지 못하는 에너지 영역의 응용을 이루고자 생분해성 반도체 화합물 박막을 설계하고 응용한다. 체내신호의 검출, 데이터처리 및 분석을 위하여 실리콘 나노맴브레인 기반의 집적회로형 시한성 전자소자가 발전해왔다. 그러나 유일한 생분해성 반도체 소재인 실리콘과 산화아연 기반의 중간 및 큰 밴드갭 에너지 영역대로는 커버하지 못하는 응용처들이 여전히 남아있다. 특히, 체내에서 발생하는 열에너지와 단백질 간의 상호작용에서 발생하는 낮은 영역대의 에너지를 활용하기 위해서는 낮은 밴드갭 에너지를 가지는 반도체 소재가 필요하다. 따라서, 약 0.6 ~ 0.88 eV 밴드갭 에너지를 가지는 마그네슘 실리사이드 소재의 박막을 제작하고 생분해특성 및 반도체 특성 평가를 진행하였다. 이를 활용하여 저온열전소자를 제작하였고, 낮은 구동전압 및 높은 전하이동도를 가지는 박막 트랜지스터 소재로 활용하였다.
본 학위논문에서는 체내 삽입형 전자소자의 실용화를 저해하는 체내 반영구적 삽입에 따른 외과적 제거수술의 부담과 생체 내 손상, 감염 등의 한계를 극복하기 위해, 시한성 전자소자용 생분해성 기능성 무기 소재를 설계하고 활용한다. 이를 위해 비평형 공정인 스퍼터링 박막화 공정을 기반으로, 생분해성 합금 및 반도체 화합물 제작이라는 두 가지 전략을 제시한다. 첫째, 내식성과 기계적 안정성을 갖춘 생분해성 Mg–3Zn 금속 합금 박막을 제안하고 이를 체내 삽입형 무선 전력 전송 열치료 소자에 적용하였다. 둘째, 낮은 에너지 영역에서 동작 및 활용이 가능한 저밴드갭 에너지를 가지는 생분해성 화합물 반도체 박막을 평가하고, 이를 기반으로 저온 열전소자 및 박막 트랜지스터에의 응용 가능성을 입증하였다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Implantable bioelectronic devices have emerged as a promising platform for next–generation medical diagnostics and therapies by enabling real–time acquisition of physiological signals through direct contact on target tissues or organs. Despite their clinical potential, conventional implantable devices inevitably require surgical extraction after use, which can lead to needs of secondary operation accompanying tissue damage, increased risk of infection, and economic burdens for patients. To address these limitations, the new concept of implantable electronics, called transient electronics—devices that naturally degrade into molecules in vivo after performing their function—has garnered increasing attention. Transient electronics are designed to operate over a defined functional period and then undergo controlled biodegradation, eliminating the need for surgical retrieval. Biodegradable electronics have witnessed significant progress in recent years, enabling the development of resorbable systems such as physiological sensors, wireless neural stimulators, and drug delivery modules that combine precise functionality with biocompatible degradation. A diverse range of materials—spanning bioresorbable metals, semiconductor compounds, and soft polymer encapsulants—has been developed to optimize device performance under physiological conditions. There is increasing emphasis on enhancing the electrical performance, biocompatibility, and mechanical compliance of materials to accommodate the dynamic and delicate nature of biological tissues. In this context, future advances in transient electronics are anticipated to focus on the development of integrated, multifunctional systems capable of real–time diagnostics, localized therapy, and autonomous bioresorption—representing a significant step toward personalized and minimally invasive medical technologies.
Such systems rely on a carefully engineered combination of biodegradable inorganic and organic materials, wherein the inorganic components provide electrical functionality, while the organic constituents serve as substrates and encapsulants to ensure mechanical stability and biocompatibility. For successful operation within biological environments, biodegradable thin–film materials must not only deliver reliable electrical performance and predictable transience but also exhibit high mechanical softness and minimal mismatch with surrounding tissues. To address these requirements, a variety of biodegradable metals—such as Mg (Mg), molybdenum (Mo), zinc (Zn), tungsten (W), and iron (Fe)—have been explored as conductive elements. Likewise, semiconducting materials including Si (Si) and zinc oxide (ZnO) have been investigated for their potential in transient sensing and circuit applications. Despite these advances, key challenges remain. Rapid degradation rates, susceptibility to localized galvanic corrosion, and limited mechanical compliance continue to hinder device stability and long–term functionality in vivo.
In the first part, a materials–based strategy was introduced to enhance the corrosion resistance of Mg—a metal known for its high electrical conductivity and excellent biocompatibility, yet prone to rapid in vivo degradation. To address this limitation, a homogeneous Mg–Zn alloy thin film was synthesized via radio–frequency (RF) sputtering, aiming to eliminate the phase separation typically observed in conventionally cast alloys. This approach yielded a single–phase microstructure, which significantly improved both electrochemical stability and mechanical integrity, as verified through systematic corrosion and nano–tensile testing. Leveraging these properties, a wireless thin–film heater was successfully fabricated using the Mg–Zn alloy electrode, demonstrating its feasibility as a bioresorbable thermotherapeutic device for implantable applications.
In the second part, Mg silicide (Mg2Si), a biodegradable semiconductor, was investigated to enable low–power electronic applications that are difficult to realize with conventional Si–based transient devices due to their relatively wide bandgap. Mg2Si thin films, possessing a narrow bandgap of approximately 0.6 to 0.88 eV, were successfully synthesized and systematically characterized. The films exhibited both favorable biodegradability and intrinsic semiconducting properties. When integrated into low–temperature thermoelectric generators and thin–film transistors, the devices operated at reduced voltages and demonstrated high carrier mobilities, thereby highlighting the potential of Mg2Si for next–generation bioresorbable and energy–efficient electronic systems.
These studies establish a unified framework for engineering high–performance transient electronic devices by leveraging bioresorbable material platforms and scalable thin–film fabrication processes, thereby advancing their applicability in next–generation implantable medical technologies.

목차 (Table of Contents)

• Abstract
• Table of Contents
• List of Figures
• Chapter 1. Introduction: Biomedical transient electronics 1
• 1.1. Implantable transient electronics 2
• 1.2. Bioresorbable electronics materials 8
• 1.3. Theoreticle background in thin film sputtering 18
• Chapter 2. Results and discussion: Solid–solution Mg–Zn alloy thin film for high corrosion resistance bioresorbable conductor 23
• 2.1. Bioresorbable metal conductors 24
• 2.2. Design of Mg–Zn binary alloy thin film 26
• 2.3. Corrosion characteristics of Mg–3Zn alloy thin film 40
• 2.4. Nanomechanical property of solid–solution Mg–3Zn thin film 55
• 2.5. Device application to wireless powering heating trace for implantable thermotherapy 59
• 2.6. Biocompatibility of Mg–3Zn alloy thin film 61
• 2.7. Conclusion 63
• 2.8. Experimental section: Materials and method 63
• Chapter 3. Results and discussion: Narrow–bandgap semiconductor compound for transient electronics 72
• 3.1. Transient electronics using bioresorbable inorganic semiconductors 73
• 3.2. Design of biodegradable Mg2Si semiconductor compound thin film 79
• 3.3. Electronic and thermoelectric properties of Mg2Si compound thin film 89
• 3.4. Device application to biodegradable thermoelectric thin film energy harvester 95
• 3.5. Biodegradation of Mg2Si compound thin film 105
• 3.6. B:Mg2Si–based biodegradable thin film transistor 113
• 3.7. Conclusion 116
• Chapter 4. Conclusion of thesis 119
• Reference 123
• Abstract in Korean 135
• Curriculum Vitae 139