웨어러블 전자 기기는 다양하고 복잡한 기능과 더불어 더 높은 수준의 착용감이 핵심입니다. 신체 내에 삽입되는 바이오 전자 기기의 경우에도 조직 손상을 최소화하며 피부 또는 기관들과 비슷한 물성을 필요로 합니다. 유연한 전자 기기의 개발을 위해서는 전자 부품들이 유연해야 하는데요. 이 중 전자 기기에서 가장 큰 면적을 차지하며 전력 및 신호를 전달하는 전극의 유연성이 필수입니다.
우리가 사용하는 전자 기기의 내부에는 전기 신호 및 전력을 전달할 수 있는 미세한 3차원 전극들이 존재합니다. 기존의 전자 기기에는 금, 구리, 알루미늄 등 늘어나지 않는 금속이 전극 재료로 사용되며 열, 압력, 초음파 등을 사용하는 와이어 본딩 기술이 적용됩니다. 하지만 이 기술은 단단한 표면에만 적용할 수 있죠.
이런 가운데 기초과학연구원 나노의학 연구단 박장웅 연구위원 연구팀이 울산과학기술원 이창영 교수팀과 공동으로 차세대 웨어러블 전자기기에 적용할 수 있는 3차원 전극 배선 기술을 개발했습니다. <Nano Letters>에 게재된 논문에 따르면 연구팀은 공동으로 자유자재로 늘어나는 금속 복합체를 제조하고, 이를 3D 프린팅을 통해 상온에서 세밀하게 3차원 전극으로 배선하는 기술 개발에 성공했다고 합니다.
비결은?
연구팀은 금속 내에 탄소나노튜브를 균일하게 배치해 금속 복합체를 제조했습니다. 연구팀은 탄소나노튜브가 뛰어난 기계적, 전기적 특성을 가지고 있어, 유연성 금속과 복합체를 형성했을 때 기존 유연성 금속의 낮은 기계적 강도를 보완할 수 있음을 확인했는데요. 높은 신축성을 가진 금속에 구조를 탄탄하게 보존해주는 특성을 띠는 탄소나노튜브가 더해져 유연하면서도 3차원 구조를 유지하는 전극 배선이 가능해졌다고 합니다. 단단한 표면뿐만 아니라 피부처럼 변형이 쉽고 유연한 표면에도 적용할 수 있게 된 것이죠.
연구팀은 열을 가하지 않고 상온에서 3D 프린팅 하는 3차원 전극 배선 기술도 개발했습니다. 이 기술은 상온에서 적용 가능하기 때문에 고온에 취약한 다양한 재료의 표면에도 적용 가능합니다. 연구팀은 이를 통해 유연성 금속 복합체를 노즐을 통해 뽑아내 상온에서 고전도성을 갖는 3차원 구조를 형성할 수 있음을 확인했습니다. 뿐만 아니라 연구팀은 형성된 3차원 구조의 유연성 금속 복합체에 대해 인장 강도 및 신축성, 전기 전도성, 최대 허용 전류 등을 평가해 특성이 향상됨을 확인했습니다.
기존의 3차원 전극들은 굵기가 수백 마이크로미터에 달해 전극 배선이 세밀하게 이루어지지 않아 복잡하고 집적화된 전자 기기 내에 사용하는 데에 한계가 있었습니다. 연구팀이 개발한 기술을 이용하면 3차원 전극의 굵기를 최소 5마이크로미터 수준, 즉 머리카락 10분의 1 지름 정도로 가늘게 해 세밀하고 일정한 전극 배선이 가능합니다. 이는 컴퓨터나 스마트폰에 사용되는 반도체 부품을 더 집적화하고 고성능화할 수 있게 된 것을 의미합니다.
연구팀은 "개발된 유연성 금속 복합체 및 이에 최적화된 상온 기반 고해상도 3D 프린팅 방법을 이용해 신체 표면에 부착되거나 신체 내부에 삽입될 수 있는 웨어러블 전자 기기를 개발하고자 한다"며 향후 연구 계획을 밝혔습니다.
또한 이번 연구를 주도한 박장웅 연구위원은 "스마트워치, VR 헤드셋 등 웨어러블 전자 기기들이 편안한 착용감을 위해 신체의 곡선과 유사한 형태로 발전되고 있지만, 신체 구조에 맞춰 자유롭게 변형되는 기술은 아직까지 개발되지 않았다"며 "미래에는 자유자재로 잡아당겨 피부에 붙일 수 있는 웨어러블 전자 기기나 체내에 삽입할 수 있는 유연한 바이오 전자 기기를 구현할 수 있을 것"이라고 전망했습니다.
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