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[기술] 웨어러블 전자소자의 특성제어가 가능한 피부처럼 늘어나는 신축성 플랫폼 개발

날짜 : 2018-10-08조회수 : 123

[기술] 웨어러블 전자소자의 특성제어가 가능한 피부처럼 늘어나는 신축성 플랫폼 개발

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출처 : 한국과학기술연구원('18.10.4) 링크 : http://www.kist.re.kr/kist_web/?sub_num=2935&state=view&idx=2487&ord=0
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- 인쇄 공정으로 제작된 투명 구조체 삽입, 신축성 박막의 물리적 특성 제어
- 기계적 변형력 영향 제어 가능, 신뢰성 높은 웨어러블 전자 소자 응용 기대

최근 사물인터넷(IoT, Internet of Things) 기술이 발전함에 따라 플렉시블 전자소자를 넘어 인체에 부착 가능한 신축성 웨어러블 전자기기에 많은 관심이 집중되고 있다. 기존의 반도체 소자의 경우, 늘어나거나 수축될 때 발생하는 기계적 변형력(응력, stress)이 신축성 기판과 기능성 박막소자 사이에 서로 영향을 주어 전기적 성능이 저하되는 문제점이 있었다. 그래서 안정적인 웨어러블 전자 소자 구동을 위해서는 신축성 전자 재료 및 플랫폼에 대한 최적화 연구가 필수적으로 요구된다. 국내 연구진이 피부처럼 늘어나면서도 다양한 박막의 전기적·기계적 및 표면형태학적 특성을 자유자재로 조절할 수 있는 신축성 플랫폼 개발에 성공했다고 밝혔다. 

한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 광전하이브리드연구센터 정승준 박사팀은 서울대학교(총장 직무대리 박찬욱) 전기정보공학부 홍용택 교수 연구팀과의 공동연구를 통해 신축성 플랫폼 안에 기계적 강도가 높은 투명 구조체 조합을 삽입하여 웨어러블 기판과 박막 소자 간에 신축 시 발생하는 기계적 변형력의 영향을 제어하는 연구결과를 발표했다.

기존의 연구에서는 이러한 기계적 변형력의 영향을 최소화하기 위해 신축성 플랫폼 표면 위, 혹은 전자소자에 인위적으로 구조를 넣는 결과들이 보고되었으나, 공정이 어렵고, 적용 가능한 신축성 전자 재료 후보 군이 제한된다는 단점이 있었다. 또한 변형력 발생 시 박막 소자의 전기·기계·광학적 및 표면형태학적 고유 성질이 변하는 특성이 있어, 다양한 박막소자에 대한 해당 특성들을 제어하기에는 한계가 있었다.

KIST-서울대 공동연구진이 개발한 신축성 플랫폼은 피부처럼 얇고 신축성이 있지만, 그 내부에 기계적 강도 및 영률(Young’s modulus)*이 높은 투명한 구조체 조합들이 삽입되어 있다. 수십 마이크로미터(?m, 100만분의 1미터) 크기의 단단한 투명 구조체들이 대면적, 저비용 공정이 가능한 잉크젯 인쇄공정으로 제작되어 주기적으로 배열되어 있다. 신축성 기판과 삽입 되어있는 구조체 간의 주기적인 영률(Young’s modulus) 분포의 차이에 의해 신축성 플랫폼 표면 상에서 제어되고 있는 기계적 변형력 분포(strain distribution)를 알 수 있게 된다. 따라서 임의의 박막을 신축성 플랫폼 표면에 올려놓았을 때, 그 박막 또한 동일한 변형력 분포에 의한 영향을 받게되어, 신축 시 박막 고유 특성들이 제어되는 원리이다. 
*영률(Young’s modulus) : 고체 탄성률의 하나, 물체를 양쪽에서 잡아 늘일 때, 물체의 늘어나는 정도와 변형되는 정도를 나타내는 탄성률. 

특히 연구진은 구조체의 강도, 크기, 배열에 따라 신축 시 박막 소자가 받는 기계적 변형력 정도를 조절할 수 있을 뿐 아니라, 원하는 영역에 기계적 변형력을 집중시키거나 분산시키는 것이 가능하다는 것을 규명했다. 또한 실험과 시뮬레이션을 통해 신축 시 금속 박막, 산화물 박막, 유기물 박막 등 다양한 박막의 전기적, 기계적 및 형태학적 특성을 자유자재로 조절할 수 있음을 밝힌 것에 큰 의의가 있다. 

KIST 정승준 박사는 “이번 연구를 통해 신축 시 발생하는 변형력에 따른 박만 특성 변화를 제어할 수 있을 뿐 아니라, 변형력에 민감한 웨어러블 디스플레이 및 센서 같은 전자기기의 신뢰성을 높이는데 활용될 수 있을 것으로 기대한다.”고 밝혔다.