옷과 돌멩이에 착 달라붙는 전자소자 개발

- 입는 스마트 전자기기, 건강‧환경 모니터링 센서 등 활용 기대 -

 

 

 

 

그림 1. 섬모구조를 이용하여 직물 위로 전사인쇄 한 박막형 폴리이미드 기판의 사진(왼쪽) 및 주사현미경 이미지(가운데). 박막형 폴리이미드 기판 주변에 형성시킨 섬모의 주사현미경 이미지(오른쪽)

 

 

 

□ 미래창조과학부(장관 최양희)는 “인공 섬모구조*를 이용해 접착력을 향상시켜 옷, 돌멩이 등에도 전자소재를 단단히 부착할 수 있는 전자섬유* 제작 기술을 개발했다”고 밝혔다.

 

* 인공 섬모구조 : 수 마이크로미터의 얇은 폴리머 박막을 반도체 공정인 포토리소그래피와 건식 식각 공정을 통해 박막 가장자리에 털과 같은 모양으로 제작한 것. 유연한 특성을 보여 울퉁불퉁한 구조물에 잘 감쌀 수 있음. 

* 전자섬유 : 전자소자의 기능을 갖는 섬유 

 

□ 이 기술은 매우 복잡하고 거친 표면을 갖는 옷, 돌멩이, 반창고 등 다양한 소재에 고성능 및 고집적 전자소자의 제작을 가능하게 한다. 이는 입고 다니면서 사용할 수 있는 웨어러블 디스플레이 및 컴퓨터 또는 의료 및 환경 모니터링 센서 분야에 활용될 수 있다.

 

  ㅇ 인공 섬모를 이용한 전사 인쇄법은 다양한 사물 및 동식물에 친환경적으로 전자소자를 부착시킬 수 있어, 사물인터넷(IoT) 및 사용자 인터페이스(user interface) 기술과 연계한 초연결 사회(hyperconnected society)*의 핵심 플랫폼 기술이 될 것으로 기대된다.

 

□ 고흥조 교수(광주과학기술원) 연구팀은 미래창조과학부 기초연구사업(개인연구), 교육부 이공학개인기초연구지원사업, 산업통상자원부 산업소재핵심기술개발사업의 지원으로 연구를 수행했으며, 이번 연구 내용은 세계적 학술지 네이처 커뮤니케이션즈 6월 1일자에 게재되었다. 

 

o 논문명과 저자 정보는 다음과 같다. 
 - 논문명 : Robust and stretchable indium gallium zinc oxide-based electronic textiles formed by cilia-assisted transfer printing 

 - 저자 정보 :  고흥조 교수(교신저자․광주과학기술원 신소재공학부), 좌성훈 교수(공동 교신저자․서울과학기술대학교 NID 융합기술대학원), 윤종원 박사(제1저자․광주과학기술원 신소재공학부) 

 

 

그림 2. 복잡한 구조를 갖는 차 거름망(왼쪽), 면봉(가운데), 돌멩이(오른쪽) 표면 위로 섬모구조를 이용하여 전사인쇄 한 폴리이미드 박막 기판의 사진 및 주사현미경 이미지

 

 

□ 논문의 주요 내용은 다음과 같다.

 

1. 연구의 필요성

 ○ 고성능‧고집적 소자가 사용되는 전자섬유의 경우 반도체 공정을 통해 소자를 먼저 완성한 뒤 직물에 전사 인쇄*하는 방법으로 만들어진다. 

  * 전사인쇄 공정: 소자를 직접 제작하기 어려운 복잡한 표면에 소자를 형성시키는 기술. 안정적인 기판에 먼저 소자를 제작한 뒤에 접착력 조절을 통해 떼어내고 원하는 표면으로 인쇄하는 방법 

 

 ○ 이 때 직물 표면의 굴곡이 매우 복잡하고 구멍이 많아 충분한 접착력을 형성하는 것이 매우 어렵다. 하지만 전자소자를 옷에 붙이기 위해서는 움직임이나 마찰 등에도 견딜 수 있는 충분한 접착력이 필요하다. 때문에 전사 인쇄 시 기존 직물이 갖는 고유 특성을 유지하면서 동시에 직물과 소자 사이의 접촉면을 늘리는 과제를 해결해야 한다.

 

 

 

그림 3. 섬모구조를 이용하여 천으로 전사인쇄 한 뒤 셔츠에 봉합한 링 오실레이터 소자의 사진 (상단 왼쪽)과 이 소자의 전기적 특성을 보여 주는 그래프(상단 중앙 및 오른쪽). 천에 전사 인쇄한 소자에 인장응력을 가하면서 측정한 전기적 특성 그래프(하단 왼쪽 및 중앙)와 세탁 및 건조 후 측정한 전기적 특성 그래프(하단 오른쪽). 검정색 선과 빨간색 선은 각각 링 오실레이터 소자의 주파수 특성과 전달 지연시간 특성을 보여주며, 인장응력과 세탁 및 건조 과정 후에도 주파수 및 지연시간의 변화가 크게 없이 안정적으로 소자가 동작함을 보여준다.  

 

 

 

2. 발견 원리

 

 ○ 연구팀은 수 마이크로미터의 얇은 두께를 갖는 고분자 유연기판 주변에 인공 섬모구조를 형성시켜 거친 직물 표면을 안정적으로 감쌀 수 있게 해 접촉 면적을 늘렸다. 

 

 ○ 더불어 매우 적은 양의 접착제(중량비로 약 5% 이내 사용)를 인공 섬모구조 주변에 형성시키는 방법을 적용해 원래 직물의 고유 특성을 유지시키면서도 전자섬유로 사용하기에 충분한 직물과 소자 사이의 접착력을 확보할 수 있었다. 

 

 ○ 실제 제작한 전자섬유를 학생 연구원의 셔츠에 꿰매 변형을 가하고 실생활에서 입고 다녔다. 또한 1만번의 반복적인 인장변형*과 세제를 풀어 놓은 물에 담금 세탁(20분) 후 30분 간 깨끗한 물에 씻어내 건조를 해도 소자의 전기적 특성을 유지했다.

  * 인장변형 : 어떤 물체를 외력을 가해 형체나 체적을 늘려 변화시키는 것

 

 ○ 또한 인공 섬모구조를 도입한 유연기판은 높은 접착력 덕분에 직물뿐만 아니라 반창고, 차(tea) 거름망, 면봉, 돌멩이 등 평평하지 않고 복잡한 표면에도 전사 인쇄가 가능해 다양한 분야로의 활용 가능성을 보여준다.

 

3. 연구 성과 

 

 ○ 웨어러블 디스플레이 및 컴퓨터, 자세교정 및 건강상태를 확인할 수 있는 헬스 모니터링 시스템 등에 적용하여 사용자의 편의성을 증대시킬 수 있다. 또한 돌멩이, 나무와 같은 자연 및 지형지물 등에 전사인쇄를 통하여 환경 모니터링 시스템에 적용 가능할 것으로 기대된다. 

 

 

 

(왼쪽부터) 고흥조 교수, 좌성훈 교수, 윤종원 박사

 

 

□ 고흥조 교수는 “이번 연구성과는 단순한 구조의 소자 응용에 국한되어 온 기존 전자섬유의 기술에서 한 걸음 나아가 고성능․고집적 소자들을 직물 등 여러 복잡한 표면에 손쉽게 제작할 수 있게 되었다. 앞으로 입기에도 편리한 웨어러블 디스플레이, 건강․환경 모니터링 센서 등 다양한 분야에 활용될 것으로 기대된다.”고 밝혔다.      <끝>

 

 

 

미래부‧GIST 대외협력팀