[지금은 과학] 전자회로를 3차원 공간에 자유롭게 그린다

KIST 연구팀, 신축성과 전도도 높은 소프트 전도체 3D 프린팅 기술 개발

3차원 프린팅으로 신축성있는 전자회로를 구현한 연구결과를 표현한 이미지(네이처 일렉트로닉스 표지) [사진=과학기술정보통신부]

[아이뉴스24 최상국 기자] 신축성과 전도성이 뛰어난 소프트 전도체를 공중에 자유롭게 그릴 수 있는 새로운 개념의 3차원 프린팅 기술이 개발됐다. 평면기판에 구성하는 기존 전자회로의 한계를 넘어 3차원 공간에 회로를 그릴 수 있어 더욱 다양한 형태의 전자기기가 등장할 것으로 기대된다.

20일 한국과학기술연구원(KIST) 소프트융합소재연구센터 정승준 박사 연구팀은 신개념 전방위(Omni-directional) 프린팅 공정 기술을 이용해 사용자 맞춤형 자유 형상 스킨 일렉트로닉스를 구현하는데 성공했다고 발표했다.

KIST 연구팀은 마요네즈나 크림을 짜듯이 형상을 유지한 채 분사할 수 있는 소프트 전도체 소재를 발명했다. 개발한 소재는 용액을 분사하는 노즐이 막히지 않게 잘 흐르면서도 노즐에서 토출되자마자 3차원 공간에서 형상을 그대로 유지할 수 있어 3차원 회로를 제작할 수 있게 해 준다.

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 설명했다.

이번 연구성과는 기계적 변형에도 안정적으로 동작하는 '자유형상 스킨 일렉트로닉스' 기술의 핵심소재가 될 것으로 기대된다.

스킨 일렉트로닉스는 사용자 신체와 사용 목적에 맞는 자유형상 디자인과 맞춤형 공정이 요구되며, 동시에 높은 집적도를 위해 복잡한 3차원 회로 구현이 필요하다. 그러나 기존 반도체 공정이나 3D 프린팅 기술로는 다양한 곡면을 가지는 신체에 맞춰 자유롭게 변형가능한 회로를 제작하기 어려웠다. 기존에 보고된 전도성 잉크로 3차원 구조를 가지는 회로를 제작할 경우, 외부 충격이나 기계적 변형에 의해 쉽게 부서지거나 성능이 저하되는 한계가 있었다.

연구팀이 개발한 소재는 잉크의 유화작용(어떤 액체 속에 그것과 섞이지 않는 다른 액체를 미세입자로 분산시키는 것)을 이용해 하부지지층 없이도 전방위로 자유로운 3차원 프린팅이 가능하며 150% 이상 늘어나는 신축성, 눌러도 형상이 복원되는 탄성을 가지고 있다. 늘리거나 눌러도 기존 전도성 고분자보다 2배 이상 높은 전도도가 유지된다. 제작할 수 있는 회로의 직경은 약 80마이크로미터 정도까지 가능하다.

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. [사진=과학기술정보통신부]

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. [사진=과학기술정보통신부]

연구팀은 이 잉크로 수직방향의 미세 기둥, 아치, 스프링 등 기존의 소프트 전도체로는 만들기 어려웠던 다양한 3차원 회로를 제작하는 과정과 피부부착형 센서에 응용한 결과를 보여주면서 "완전히 새로운 형태의 소프트 센서, 회로, 플랫폼을 제작할 수 있는 새로운 길을 열었다"고 자평했다.

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 기대했다.

연구팀은 개발된 소재의 조성에 관한 특허를 출원했으며 현재 관련 소재전문기업을 통해 양산 가능성을 검토하고 있다고 밝혔다.

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

◇논문명: Omnidirectional printing of elastic conductors for three-dimensional stretchable electronics

◇저자 : 이병문(제1저자 및 교신저자), 조현주(제1저자), 고영표, 유용상, 김희숙, 정재욱, 정승준(교신저자)

/최상국 기자(skchoi@inews24.com)