기계적 변형력 영향 제어 가능, 신뢰성 높은 웨어러블 전자 소자 응용 기대
[기계신문] 최근 사물인터넷(IoT, Internet of Things) 기술이 발전함에 따라 플렉시블 전자소자를 넘어 인체에 부착 가능한 신축성 웨어러블 전자기기에 많은 관심이 집중되고 있다.
이를 위해서는 신축성 기판뿐 아니라 그 위에 제작된 박막 소자 또한 기계적으로 안정적이어야 하기 때문에, 신축성 배선, 신축성 반도체 재료 등에 대한 연구가 활발하게 진행되고 있다.
특히 인·장력이 가해질 시 발생하는 기계적 변형력이 신축성 기판과 박막 소자 사이에 서로 영향을 주기 때문에, 안정적인 전자소자 구동을 위해서는 기계적 변형력 영향을 제어하는 연구가 반드시 수행되어야 한다.
기존 연구에서는 기계적 변형력의 영향을 최소화하기 위해 신축성 플랫폼 표면 위, 혹은 전자소자에 인위적으로 구조를 넣는 결과들이 보고되었으나, 공정이 어렵고 적용 가능한 신축성 전자 재료 후보군이 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.
최근 한국과학기술연구원(KIST) 광전하이브리드연구센터 정승준 박사팀은 서울대 전기정보공학부 홍용택 교수 연구팀과의 공동연구를 통해 피부처럼 늘어나면서도 다양한 박막의 전기적·기계적 및 표면형태학적 특성을 자유자재로 조절할 수 있는 신축성 플랫폼 개발에 성공했다고 밝혔다.
연구팀이 개발한 신축성 플랫폼은 피부처럼 얇고 신축성이 있지만, 그 내부에 기계적 강도 및 영률(Young’s modulus, 물체를 양쪽에서 잡아 늘일 때 물체의 늘어나는 정도와 변형되는 정도를 나타내는 탄성률)이 높은 투명한 구조체 조합들이 삽입되어 있다.
수십 마이크로미터 크기의 단단한 투명 구조체들이 대면적, 저비용 공정이 가능한 잉크젯 인쇄공정으로 제작되어 주기적으로 배열되어 있다.
신축성 기판과 삽입되어 있는 구조체 간의 주기적인 영률 분포의 차이에 의해 신축성 플랫폼 표면 상에서 제어되고 있는 기계적 변형력 분포를 알 수 있게 된다.
따라서 임의의 박막을 신축성 플랫폼 표면에 올려놓았을 때, 그 박막 또한 동일한 변형력 분포에 의한 영향을 받게 되어 신축 시 박막 고유 특성들이 제어되는 원리이다.
특히 연구팀은 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 박막 특성 변화를 제어할 수 있을 뿐 아니라, 변형력에 민감한 웨어러블 디스플레이 및 센서 같은 전자기기의 신뢰성을 높이는데 활용될 수 있을 것으로 기대한다”고 밝혔다.
이로써 잉크젯 프린팅 공정을 통해 구조체를 삽입하기 때문에 기존의 포토리소그래피 공정이나 식각 공정이 어려웠던 폴리머 기반 신축성 플랫폼에 저비용, 대면적 공정이 가능해졌으며, 신축 시 발생하는 기계적 변형력을 제어함으로써 고안정성을 가지는 웨어러블 일렉트로닉스 구현이 가능할 것으로 기대된다.
한편, 이번 연구는 과학기술정보통신부 지원으로 KIST 기관고유사업과 정보통신기술진흥원 스킨트로닉스 연구과제로 수행되었으며, 연구결과는 국제 학술지 ‘Advanced Materials’ 최신호에 표지 논문으로 게재되었다.