- 여러가지 변형에 견딜 수 있으며 다양한 소재 적용 가능

이번 연구결과가 게재된 국제학술지 '사이언스 어드밴시스' 6월 8권 22호 표지.[KAIST 제공]
이번 연구결과가 게재된 국제학술지 '사이언스 어드밴시스' 6월 8권 22호 표지.[KAIST 제공]

[헤럴드경제=구본혁 기자] 한국과학기술원(KAIST)은 신소재공학과 스티브 박 교수, 기계공학과 김택수 교수 공동 연구팀이 기하학적으로 설계된(대관람차 모양) 단단한 아일랜드 어레이 기반 신축성 기판을 개발했다고 7일 밝혔다.

아일랜드란 부드러운 폴리머 내부에 존재하는 상용 칩(LED, 배터리 등)들을 보호하기 위한 단단한 소재의 평평하고 얇은 판을 말한다. 아일랜드 구조의 효과적인 응력 분산을 통해 칩들 주변의 폴리머가 대신 늘어나면서 신축성을 가지는 전자장치를 구현할 수 있다.

박 교수 연구팀은 신축성 있는 전자장치의 아일랜드 디자인을 기하학적으로 설계해 아일랜드와 그 주변 폴리머 기판과의 기계적 결합을 강하게 해주도록 설계했다. 대관람차 모양으로 디자인된 단단한 아일랜드는 기존의 원이나 사각형 모양의 아일랜드와 달리 다양한 방향의 변형에도 견딜 수 있으며 화학적 결합 없이도 모든 폴리머 재료에 응용 및 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. 이렇게 강한 기계적 연동은 유기화합물을 통한 화학적 결합을 하지 않기 때문에 인체에 해가 없어 피부에 부착하는 신축성　전자장치 분야에도 폭넓게 응용 및 적용될 수 있을 것으로 기대된다.

전자　장치가　변형됐을 때　단단한　아일랜드와　부드러운　폴리머　사이의　계면에는　결함이　발생하기　쉬우며　이로　인해　전극의　안정성이　취약하다. 이로　인해, 현재 기술로는 안정적인　신축성　전자장치를　구현하는데　어려움이　있다.　현재까지　계면에　화학적　처리를　통해　안정성을　높인　연구가　존재하지만　화학　약품은　인체에　해로우며　비틀이기나 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 반복적인 잡아늘리기, 비틀면서 늘리기, 강하게 찌르기, 구기고 밟기 등의 실상황에서 일어날 수 있는 모든 외부 자극과 유사한 상황에 대해 약 1000회 동안 안정성을 보였다.

연구팀은 아일랜드와 폴리머 사이의 계면에서 찢어지는 두 가지 방식(골절 우세 현상, 박리 우세 현상)을 제어함으로써 탄성 계수(모듈러스)가 상이하게 다른 다양한 폴리머들에서도 적용 가능함을 확인했다.

나아가 연구팀은 아일랜드 위에 LED 칩과 동전형 전지를 부착해 신축성 있는 디스플레이와 배터리 팩을 구현했다.

또한 자체 제작한 촉각 센서(압력센서와 인장센서)를 활용해 사용자의　건강정보를　수집할　수　있는　전자 피부를 만들었다. 이 전자 피부는 사용자의 맥박과 관절의 움직임을 모니터링하는 차세대 헬스케어 기기로 이용될 수 있다.

고신축성 고안정성　신축성　전자장치를　위한　대관람차　모양의　아일랜드　설계　 및　특성평가．[KAIST 제공]
고신축성 고안정성　신축성　전자장치를　위한　대관람차　모양의　아일랜드　설계　 및　특성평가．[KAIST 제공]

연구팀이 개발한 기하학적으로 설계된 대관람차 아일랜드 전자장치는 신축성이 필요한 전자장치 분야에 활발히 적용돼 가까운 미래에 상용화될 수 있을 것으로 기대된다.

스티브 박 교수는 “향후 신축성 전자장치의 상용화를 위해서는 일상 사용 시, 기기가 노출될 수 있는 혹독한 조건에서 높은 내구성을 확보하는 것이 매우 중요하다”며 “개발한　기술은 다양한 변형 모드에서 높은 내구성을　가지는　신축성 전자장치를　제작하는데　큰　도움을　줄 것으로 기대된다”고 말했다.

한국연구재단 지원으로 수행된 이번 연구결과는 국제학술지 ‘사이언스 어드밴시스’ 6월 8권 22호 표지논문으로 출판됐다.


nbgkoo@heraldcorp.com