신축성 있는 전자회로를 3차원 공간에 자유롭게 그리는 기술

3차원 프린팅으로 신축성있는 전자회로를 구현한 연구결과를 표현한 이미지(네이처 일렉트로닉스 표지)

신축성 있는 전자회로를 3차원 공간에 자유롭게 그리는 기술

벌써 말만 들어도 설레는 기술 아닌가요 ㅋㅋㅋ

 

우선... 전자 회로를 3차원에 그린다면, 지금처럼 기판에다가 2차원으로 그리는 것에 비해서 훨씬 다양한 모양을 만들 수가 있겠죠?

 

그리고 그 전자회로가 신축성까지 있다면... 예를 들어 인체의 관절 같이 움직임이 있는 부분 등에 부착할 수 있게 되겠죠. 이 역시 엄청난 응용성이 있는 기술일 겁니다.

이런 신박한 기술을 우리나라 연구진이 개발했다고 하네요. 이런 기술은 제가 소개를 안할 수가 없죠^^

한번 봅시당!

 

신축성, 그리고 전도성이 뛰어는 소프트 전도체를 3차원 공중에 자유롭게 그릴 수 있는 3차원 프린팅 기술이 우리 연구진에 의해 개발되었습니다.

평면기판에 구성하는 기존 전자회로의 한계를 넘어설 것이란 기대가 나오고 있습니다.

 

20일 한국과학기술연구원(KIST) 소프트융합소재연구센터 정승준 박사 연구팀은 신개념 전방위(Omni-directional) 프린팅 공정 기술을 이용한 사용자 맞춤형 자유 형상 스킨 일렉트로닉스를 구현하는 데 성공했습니다.

 

연구팀은 마치 치약을 짜내듯이 형상을 유지한 채 분사할 수 있는 소프트 전도체 소재를 개발했습니다.

개발한 소재는 용액을 분사할 때 노즐이 막히지 않게 잘 흐르면서 노즐에서 분사되자마자 3차원 공간에서 형상을 그대로 유지할 수 있습니다.

 

정승준 박사는 "기본적인 재료는 기존에 흔히 사용해 온 것처럼 실리콘 고무에 은(Ag)을 넣은 것이다. 원하는 점도와 탄성, 신축성을 얻기 위해 용액의 조성과 비율을 조절하고 유화액(emulsion) 형태의 잉크를 제작함으로써 막힘 없이 분사되면서도 공중에서 형상을 유지할 수 있도록 만든 것이 핵심"이라고 설명했습니다.

 

이번 연구로 인해서 기계적 변형에도 아주 안정적인 '자유형상 스킨 일렉트로닉스' 기술의 핵심소재가 될 것으로 기대됩니다.

스킨 일렉트로닉스는 사용자 신체와 목적에 맞는 자유롭게 변환되는 디자인과 맞춤형 공정이 요구됩니다.

또한 높은 집적도를 달성하기 위해서 반드시 3차원 회로 구현이 필요하죠.

하지만 기존 공정으로는 다양한 곡면을 가지는 신체에 적합한 자유로운 변형 가능의 회로를 만들기 어려웠습니다. 

 

또 기존 기술로는 외부 충격이나 기계적 변형 등에 의해 쉽게 부러지고 말았죠.

 

연귐이 개발한 소재의 잉크는 지지층이 없어도 전방위로 자유로운 3차원 프린팅이 가능합니다. 그리고 150%나 늘어나는 신축성과 눌러도 형상이 다시 복원되는 탄성을 가지고 있습니다.

 

늘리거나 눌러도 기존보다 2배 이상 높은 전기 전도성이 유지됩니다. 대단하죠?

이 회로는 약 80마이크로미터까지 제작이 가능하다고 합니다.

소프트 전도체의 전방위 삼차원 프린팅 과정 및 실제 프린팅한 다양한 하부 지지층 없는 자유형상 삼차원 구조. (위) 유화액 기반의 잉크를 이용해 기존에는 제작이 어려웠던 하부 지지층 없는 자유 형상의 삼차원 구조를 갖는 소프트 전도체를 프린팅하는 모습. (아래 왼쪽) 전방위 삼차원 프린팅을 이용해 제작한 다양한 형상의 소프트 전도체..(아래 오른쪽) 소프트 전도체의 부드러움과 탄성력을 보여주는 사진

 

소프트 전도체의 전방위 삼차원 프린팅을 응용한 복잡한 회로 구성 및 이를 활용한 온도 감지 및 디스플레이 스킨 일렉트로닉스. (위) 소프트 전도체의 전방위 삼차원 프린팅을 이용해 복잡한 디스플레이 회로를 소프트 기판에 구현하고, 센서 및 마이크로컨트롤러를 연결하여 온도를 표시해주는 소프트 디스플레이를 구현한 모습. (아래) 이를 피부위에 부착하여 실제로 동작하는 모습.

 

연구팀은 이 잉크를 사용해 수직방향의 미세한 기둥, 아치와 스프링 등 기존의 재료로는 만들기 어려웠던 다양한 3차원 회로를 제작하는 과정, 그리고 피부부착형 센서에 응용한 결과를 제시하였습니다.

 

이로써 "완전히 새로운 형태의 소프트 센서, 회로, 플랫폼을 제작할 수 있는 새로운 길을 열었다"고 자평했습니다.

정승준 박사는 “이번 연구를 통해 개발된 소프트 전극 소재 및 공정 기술은 기존 정형화된 전자기기의 디자인 한계를 뛰어넘어 새로운 폼팩터를 가지는 웨어러블 기기 제작에 기여하고, 나아가 사물인터넷, 가상 증강 현실을 위한 인터페이스, 바이오 인터페이스 등 분야에 활용될 수 있을 것"으로 기대했습니다.

 

연구팀은 이 개발된 소재에 대해 특허를 출원했고, 현재 관련 소재전문기업을 통해 양산 계획을 세우고 있다고 합니다. 

 

이 연구는 21일 0시에 네이처 일렉트로닉스 (Nature Electronics)에 표지논문으로 발표됐습니다.