잡아 늘리고 비틀고 찌르고 구기고 밟아도…끄떡없다
카이스트 연구팀 신축성 전자장치와 전자피부 적용 아일랜드 기판 개발 1천 번 이상 잡아 늘리고 비틀고 찌르고 구기고 밟아도 끄떡없는 아일랜드 기판이 나왔다. 카이스트 KAIST 총장 이광형 는 신소재공학과 스티브 박 교수 기계공학과 김택수 교수 공동 연구팀이 기하학적으로 설계된 대관람차 모양 단단한 아일랜드 어레이 기반 신축성 기판을 개발했다고 7일 발표했다. 아일랜드란 부드러운 폴리머 내부에 존재하는 상용 칩 LED 배터리 등 들을 보호하기 위한 단단한 소재의 평평하고 얇은 판을 말한다. 아일랜드 구조의 효과적 응력 분산을 통해 칩들 주변의 폴리머가 대신 늘어나면서 신축성을 가지는 전자장치를 구현할 수 있다. 대관람차 모양으로 디자인된 단단한 아일랜드는 기존의 원이나 사각형 모양의 아일랜드와 달리 다양한 방향의 변형에도 견딜 수 있다. 사진 카이스트 박 교수 연구팀은 신축성 있는 전자장치의 아일랜드 디자인을 기하학적으로 설계해 아일랜드와 그 주변 폴리머 기판과 기계적 결합을 강하게 해주도록 설계했다. 대관람차 모양으로 디자인된 단단한 아일랜드는 기존의 원이나 사각형 모양의 아일랜드와 달리 다양한 방향의 변형에도 견딜 수 있다. 화학적 결합 없이도 모든 폴리머 재료에 응용은 물론 적용될 수 있을 것으로 기대된다. 단단한 아일랜드와 주변 폴리머 기판이 늘어날 때 그 둘이 상호작용하는 계면에서 파괴가 일어나는 지점을 디지털 이미지 상관관계와 유한 요소 분석 시뮬레이션을 통해 강한 기계적 연동을 가능하게 하도록 설계했다. 단단한 아일랜드 어레이 구조는 기존의 딱딱하고 늘어나지 않는 소자들을 늘어나는 폴리머 소재와 결합해 신축성 있는 전자장치 구현을 가능하게 한다. 전자장치가 모든 방향으로 쉽게 늘어나고 줄어들 수 있으면 태블릿 PC나 스마트폰을 사용자가 원하는 대로 화면을 늘려 비디오 시청을 쉽게 하거나 크기를 줄여 휴대성을 극대화할 수 있다. 이러한 편의성과 기능성을 극대화 시킬 수 있는 스트레처블 일렉트로닉스 stretchable electronics 는 미래 유망한 기술로 주목받고 있다. 전자 장치가 변형됐을 때 단단한 아일랜드와 부드러운 폴리머 사이의 계면에는 결함이 발생하기 쉬우며 이로 인해 전극의 안정성이 취약하다. 현재 기술로는 안정적 신축성 전자장치를 구현하는데 u3000어려움이 있다. u3000 현재까지 계면에 화학적 처리를 통해 안정성을 높인 연구가 존재하는데 화학약품은 인체에 해로우며 비틀리거나 구김 등 3D 변형에 취약한 모습을 보인다． 연구팀은 문제 해결을 위해 기계적 결합력을 증가시키고 다양한 변형을 가능하게 하도록 수직 방향으로의 변형 저항성을 증가시킨 대관람차 모양의 아일랜드 디자인을 도출했다. 연구팀의 대관람차 모양의 아일랜드 어레이는 반복적 잡아 늘리기 비틀면서 늘리기 강하게 찌르기 구기고 밟기 등의 상황에서 일어날 수 있는 모든 외부 자극과 비슷한 상황에 대해 약 1천회 동안 안정성을 보였다. 연구팀은 아일랜드와 폴리머 사이의 계면에서 찢어지는 두 가지 방식 골절 우세 현상 박리 우세 현상 을 제어함으로써 탄성 계수 모듈러스 가 서로 다른 다양한 폴리머들에서도 적용 가능함을 확인했다. 연구팀은 아일랜드 위에 LED 칩과 동전형 전지를 부착해 신축성 있는 디스플레이와 배터리 팩을 구현했다. 자체 제작한 촉각 센서 압력센서와 인장센서 를 활용해 이용자의 u3000건강정보를 u3000수집할 u3000수 u3000있는 u3000전자 피부를 만들었다. 이 전자 피부는 사용자의 맥박과 관절의 움직임을 모니터링하는 차세대 헬스케어 기기로 이용될 수 있다. 연구팀이 개발한 기하학적으로 설계된 대관람차 아일랜드 전자장치는 신축성이 필요한 전자장치 분야에 활발히 적용돼 가까운 미래에 상용화될 수 있을 것으로 기대된다. 스티브 박 교수는 “앞으로 신축성 전자장치의 상용화를 위해서는 기기가 노출될 수 있는 혹독한 조건에서 높은 내구성을 확보하는 것이 매우 중요하다”며 “연구팀이 u3000개발한 u3000기술은 다양한 변형 모드에서 높은 내구성을 u3000가지는 u3000신축성 전자장치를 u3000제작하는데 u3000큰 u3000도움을 u3000줄 것으로 기대된다ˮ라고 말했다. KAIST 신소재공학과 양준창 박사와 이승규 박사과정이 공동 제1 저자로 참여한 이번 연구 논문명 Geometrically engineered rigid island array for stretchable electronics capable of withstanding various deformation modes 는 국제 학술지 ‘사이언스 어드밴시스 Science Advances ’ 6월 8권 22호에 표지논문으로 출판됐다.
카이스트 KAIST 총장 이광형은 신소재공학과 스티브 박 교수 기계공학과 김택수 교수 공동 연구팀이 천 번 이상 잡아 늘리고 비틀고 찌르고 구기고 밟아도 끄떡없는 아일랜드 어레이 기반 신축성 기판을 개발했다고 7일 발표했는데 아일랜드란 부드러운 폴리머 내부에 존재하는 상용 칩 LED 배터리 등 들을 보호하기 위한 단단한 소재의 평평하고 얇은 판을 말하는 것으로 아일랜드는 아일랜드 구조의 효과적 응력 분산을 통해 칩들 주변의 폴리머가 대신 늘어나면서 신축성을 가지는 전자장치를 구현할 수 있게 되었다.