서울대 공대(학장 차국헌)는 서울대-KIST 공동연구팀(제1저자: 변정환 박사, 공동교신저자: 홍용택 서울대 전기정보공학부 교수, 정승준 한국과학기술연구원 선임연구원)이 피부처럼 늘어나면서 다양한 박막의 전기적, 기계적 및 표면형태학적 특성을 자유자재로 조절할 수 있는 신축성 플랫폼 개발에 성공했다고 밝혔다.
IoT 기술이 발전함에 따라 인체에 부착 가능한 신축성 웨어러블 일렉트로닉스가 많은 관심을 받고 있다. 그러나 기존 웨어러블 반도체 소자의 경우, 신축 시 발생하는 기계적 응력(stress)으로 인해 전기적 성능이 저하되는 문제점이 있었다. 이 때문에 안정적인 웨어러블 전자 소자 구동을 위해서는 최적화된 신축성 전자 재료 및 플랫폼에 대한 연구가 필수적이다.
웨어러블 전자 소자에 미치는 기계적 응력을 최소화하기 위해 신축성 박막의 패턴, 두께, 물질 구성 등을 변화시키는 방식에 대한 연구가 활발하게 보고되고 있지만, 폴리머(Polymer) 기반으로 기판 상에서 공정이 어렵다는 단점과 적용 가능한 신축성 전자 재료 후보군이 제한된다는 이슈가 있었다. 또한 신축 및 압축 응력이 발생할 때 박막의 전기적, 기계적, 광학적 및 표면형태학적 고유 특성이 변하는 성질이 있어 임의의 박막에 대하여 해당 특성들을 제어하는데 한계가 있었다.
이에 연구팀은 피부처럼 늘어나는 신축성 플랫폼을 개발해 임의의 박막의 특성들을 제어할 수 있는 메커니즘(mechanism)을 규명했다. 연구팀이 개발한 플랫폼은 피부처럼 얇고 신축성이 있으며, 내부에는 잉크젯 인쇄공정으로 만들어진 수십 마이크로미터 크기의 단단한 투명 구조체들이 주기적으로 배열되어 있다.
이러한 신축성 기판과 구조체 간의 주기적인 영률(Young’s modulus) 분포의 차이에 의해 신축성 플랫폼 표면에는 주기적으로 제어된 기계적 변형률 분포(strain distribution)가 나타나게 된다. 따라서 임의의 박막이 신축성 플랫폼 표면에 형성되면 그 박막 또한 동일한 변형률 분포에 의해 영향을 받게 되어, 신축 시 상기한 박막 고유 특성들이 제어되는 원리이다.
특히 박막 특성들이 플랫폼에 내부에 삽입되는 구조체의 설계 디자인(크기, 간격주기)에 따라 제어가 가능하다는 것을 규명한 것이 주목된다. 또한 관련 실험과 시뮬레이션을 통해 신축 시 금속 박막, 산화물 박막, 유기물 박막의 전기적, 기계적 및 형태학적 특성을 자유자재로 조절할 수 있음을 밝힌 데 큰 의의가 있다. 이번 연구 결과는 신축 시 발생하는 박막 특성 변화 조절을 통해 고신뢰 신축성 전자소자 설계 가능성에 신기원을 열었다는 평을 받고 있다.
본 연구는 정보통신기술진흥원 스킨트로닉스 연구과제와 과학기술정보통신부(장관 유영민) 지원의 KIST 기관고유사업으로 수행됐다.
연구결과는 국제적 학술지 ‘어드밴스드 머티리얼스(Advanced Materials)’ 최신호 뒷면 표지 논문 (Back cover highlighted)에 10월 4일자로 게재됐다.
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