광주과학기술원 고흥조 교수 연구팀이 기존의 고성능 평면소자를 3차원 형태로 변형시킬 수 있는 기술을 개발했습니다. 연구팀의 기술을 이용하면 고성능 평면소자를 미리 설계한 형태로 변형시키는 것이 가능합니다. 또한 손으로 제어하기 힘든 작은 패턴이나 복잡한 구조도 구현할 수 있죠. 덕분에 3차원 구조체가 필요한 센서, 디스플레이, 생체 로봇 등에 널리 활용될 수 있을 전망입니다. 해당 연구 논문은 <Advanced Functional Materials>에 게재됐습니다.
2차원을 3차원으로 바꾸는 법
웨어러블 디바이스, 생체로봇 등이 원하는 대로 자유자재로 구동하려면 전(全) 방향으로 통신이 가능해야 합니다. 이에 이미지 센서, 디스플레이 소자, 에너지 소자 등과 같은 3차원 형태의 전자소자가 중요한데요. 3차원 구조체에 전자소자를 직접 제작하는 공정에 대한 연구가 활발히 진행 중이지만, 기존의 평면 실리콘 기판을 기반으로로 하는 반도체 공정 수준을 따라잡기는 힘든 실정이었죠.
평면 소자를 3차원 형태로 변형시킬 수 있게 되면 기존 반도체 공정기술로 만든 고성능·고집적 평면형 전자소자를 그대로 활용할 수 있습니다. 다만 µm 이하의 아주 얇은 유연 전자소자를 원하는 형태로 변형하려면 소자의 안정성이 뒷받침돼야 합니다. 뿐만 아니라 입체로 변형시키는 고도의 기술도 필요하죠.
연구팀은 ABS 수지 기반으로 원하는 형태로 자동으로 변형가능한 가변형 프레임을 제작했습니다. 참고로 ABS 수지란 아크릴로나이트릴(A), 부타디엔(B), 스티렌(S)의 세 가지 성분으로 구성된 고분자 합성수지입니다. 뛰어난 성형성과 가공성을 가지기 때문에 가전 및 자동차 부품 등으로 이용되죠. 연구팀의 프레임은 수동으로 형태를 변형할 때 따를 수 있는 손상을 완화할 수 있습니다. 또한 손으로 만들기 힘든 복잡한 형태도 구현할 수도 있죠.
연구팀은 먼저 노즐이 내용물을 밀어내듯 소재를 압출하는 방식의 3D 프린팅을 이용해 전단응력을 갖는 ABS선을 ABS 필름 위에 인쇄했습니다. 그 다음 일정 온도(유리전이 온도) 이상으로 가열해 유동성을 부여했는데요. 그 결과 ABS 선은 전단응력이 해소되면서 평면에서 3차원 형태로 변형된 상태를 유도할 수 있었습니다.
- 전단응력?
면의 표면에 밀리듯이 작용하는 응력을 말합니다.
- 유리전이?
액체를 냉각할 때, 그 물질 고유의 온도영역에서 급격히 굳는 현상을 말합니다.
연구팀은 실제로 만든 가변형 고분자 프레임에 금속전극과 산화물 반도체 소자를 장착하고 형태를 변형시켰습니다. 실험 결과 연구팀은 전극과 소자에 작용하는 응력이 현저히 감소해 안정적으로 구동되는 걸 확인했습니다.
연구팀의 형태 변형기술은 평면 형태의 고성능 전자소자를 원하는 3차원 형태로의 구현을 가능하게 합니다. 특히 이 기술은 미리 설계한 형태로 자동으로 변해 손으로 제어하기 힘든 매우 작은 크기나, 복잡한 구조를 구현할 수 있습니다. 이 기술은 3차원 구조체가 필요한 센서, 디스플레이, 통신 장비, 웨어러블 장치, 생체 로봇 등의 플랫폼 개발에 큰 역할을 할 것으로 기대됩니다.
연구팀은 "본 연구에서 박막형 전자소자를 안정적으로 3차원 형태 변형을 시킬 수 있는 기술을 개발했다. 이 기술을 이용해 대면적의 박막형 전자소자를 복잡한 형태로 구현해 3차원 전자소자의 기능성을 활용할 수 있는 연구를 진행할 계획"이라고 밝혔습니다.
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