[세종=뉴스핌] 이경태 기자 = 국내 연구진이 3D 프린팅 펜과 같은 방식으로 신축성과 전도성이 높은 소프트 전도체 소재를 세계 최초로 개발하는 데 성공했다. 향후 정밀한 반도체 회로기판을 비롯해 로봇, 메타버스, 바이오 센서 회로 제작에도 활용이 가능할 것으로 보인다.

과학기술정보통신부는 한국과학기술연구원(KIST) 소프트융합소재연구센터 정승준 박사 연구팀이 신개념 전방위 프린팅 공정 기술을 이용해 사용자 맞춤형 자유 형상 스킨 일렉트로닉스를 구현하는데 성공했다고 21일 밝혔다. 

한국과학기술연구원(KIST) 소프트융합소재연구센터 정승준 박사 연구팀이 개발한 사용자 맞춤형 자유 형상 스킨 일렉트로닉스 소재가 네이처 일렉트로닉스(Nature Electronics, IF 33.255)에 표지논문으로 21일 게재됐다. [자료=과학기술정보통신부] 2023.04.20 biggerthanseoul@newspim.com

최근에는 기존 실리콘 기반의 반도체 소자와 달리 피부와 같이 부드러운 스킨 일렉트로닉스의 발전으로 실시간 건강 신호 모니터링, 신경회로 인터페이스등과 같은 인체 밀착형 휴먼 머신 인터페이스가 가능해지고 있다. 

스킨 일렉트로닉스는 사용자 신체와 사용 목적에 맞는 자유형상 디자인과 맞춤형 공정이 요구되며, 동시에 높은 집적도를 위해 복잡한 삼차원 회로 구현이 필요하다.

그러나 기존 반도체 공정이나 3D 프린팅 기술로는 다양한 곡면을 가지는 신체에 맞춰 자유롭게 변형가능한 회로를 제작하는데 한계가 있었다. 

정승준 박사 연구팀은 스킨 일렉트로닉스의 핵심 소재인 소프트 전도체를 삼차원으로 직접 그릴 수 있는 기술을 개발하고, 이를 이용해 기계적 변형에도 안정적으로 동작하는 자유형상 스킨 일렉트로닉스를 이번에 선보였다.

연구팀은 잉크의 유화작용을 이용해 전방위로 자유로운 삼차원 프린팅이 가능하면서 동시에 노즐이 막히는 문제 또한 획기적으로 줄일 수 있는 소프트 전도성 소재를 개발한 것이다.

유화작용은 어떤 액체 속에 그것과 섞이지 않는 다른 액체를 미세입자로 분산시키는 것이다. 

소프트 전도체의 전방위 삼차원 프린팅을 응용한 복잡한 회로 구성 및 이를 활용한 온도 감지 및 디스플레이 스킨 일렉트로닉스 [자료=과학기술정보통신부] 2023.04.20 biggerthanseoul@newspim.com

연구팀은 이같은 기술 개발의 해답을 마요네즈에서 찾았다.

정승준 박사는 "마요네즈는 토출된 그 모양 그대로 가지고 있으면서 그 형상을 유지하기도 좋다"며 "동시에 외부에서 힘을 주면 굉장히 잘 발리게 되는데 이게 바로 유화작용의 특성"이라고 설명했다. 정 박사는 "이 특성을 활용한다면 저희는 프린팅된 그 형상을 유지하면서도 프린팅될 때 좁은 노즐을 통과할 때도 막힘없이 되지 않을까라고 생각했던 것"이라고 덧붙였다.

연구팀은 이같은 성질을 활용해 150% 이상 늘어나도 높은 전도도가 유지되는 소프트 전극을 전방위로 자유롭게 직접 그릴 수 있어, 복잡한 삼차원의 신축성 회로를 사용자에 맞게 제작할 수 있다는 점을 증명해냈다.

연구팀은 또 이번 연구를 통해 개발된 소프트 전도성 소재에 대해 소재전문기업을 통해 양산 가능성을 검토하고 있다. 실제 양산되면 웨어러블 및 생체 의학기기, 소프트 로봇, 프린팅 산업 분야에 활용될 경우 파급 효과 있을 것으로 연구팀은 내다보고 있다.

정 박사는 "정밀한 회로도 등을 만들기 위한 토출 직경을 75~80 마이크로미터까지 구현할 수 있을 것"이라며 "센서, 기판 등에 연결이 되기 때문에 탄성이 있는 실리콘 러버 고무소재와 공유결합을 할 수 있는 접착력을 지녔다"고 설명했다.

그는 "피부 접착식 센서의 경우, 접촉면이 떨어지는 에어갭이 문제인데 이 소재를 활용하면 맞춤형 회로를 만들어 접촉면과 센서 사이 간격을 좁일 수 있다"며 "인체에도 해롭지 않기 때문에 안전성 측면에서도 우려하지 않아도 된다"고 말했다.

이번 연구 성과는 네이처 일렉트로닉스(Nature Electronics, IF 33.255)에 표지논문으로 21일 게재됐다.

biggerthanseoul@newspim.com