DGIST 장경인 교수팀, POSTECH 박태호 교수팀과 공동연구로 하이브리드 고분자 기반 신축성 전자 장치 개발

외부에서 심하게 구부리거나 충격을 가해도 높은 기계적 안정성을 유지해 디스플레이, 헬스케어, 웨어러블 등 다양한 산업에 응용 가능

연구결과는 나노과학분야의 최고 학술지 ‘ACS Nano’에 게재

[장경인 교수(가운데) 연구팀]

DGIST(총장 이건우) 로봇및기계전자공학과 장경인 교수팀이 기존 무기 재료의 기계적 한계를 극복하고, 전자장치의 신축성과 내구성을 향상시킨 고안정성 신축성 전자장치 개발에 성공했다. POSTECH(총장 김성근) 화학공학과 박태호 교수팀과 공동연구를 통해 신축성 하이브리드 고분자를 개발한 연구팀은, 이를 전자장치에 적용해 변형이나 외부 충격에도 안정적으로 구동되도록 제작했으며, 향후 해당 기술이 디스플레이 산업 및 헬스케어, 웨어러블 산업 등 다양한 분야에서 활용될 것으로 기대하고 있다.

‘신축성 전자장치’ 기술은 디스플레이, 웨어러블, 헬스케어 등 다양한 분야에 적용 가능한 유망 기술이지만, 인장, 굽힘과 같은 변형이나 외부 충격 발생 시, 전자소자의 전기적 기능을 안정적으로 유지하기 어려워 이를 해결하기 위해 다양한 연구가 진행되고 있다. 이에 DGIST-POSTECH 공동연구팀은 ‘신축성 하이브리드 고분자’를 개발하고, 새로운 변형 격리 전략을 도입해 고효율의 신축성 무기 전자장치와 통합으로 변형이나 외부 충격에서도 안정적으로 구동할 수 있는 새로운 ‘신축성 전자장치’를 개발했다.

먼저, 연구팀이 개발한 ‘신축성 하이브리드 고분자’는 ‘상호침투 고분자 가교 결합(IPN)’을 통해 만들었다. ‘상호침투 고분자 가교 결합(IPN)’은 두 개 이상의 고분자가 물리적으로 또는 화학적으로 교차 결합하여 형성된 3D 고분자 구조로, 각 고분자의 특성을 유지하면서도 서로를 보강하는데, 고분자 간의 물리적 얽힘을 유도해 우수한 기계적 인터페이스를 형성함으로써 변형 시에도 높은 안정성과 성능을 유지한다. 연구팀은 서로 다른 탄성 계수를 갖는 실리콘 기반 고분자인 PDMS와 폴리우레탄(PU)을 활용해 ‘신축성 하이브리드 고분자’를 제작했다.

이후 제작된 신축성 고분자를 이용해 기판을 구성하고, 무기 재료를 기반으로 만들어져 고효율성을 갖고 있는 신축성 전자소자와 결합해 ‘신축성 전자장치’를 완성했다. 새로 제작한 전자장치는 늘리거나 구부러지는 현상이 발생할 때 한 지점에 집중되어 발생하는 변형을 분산시켜 변형에 따른 기기의 부담을 줄여줘 높은 기계적 안정성을 유지할 수 있도록 설계됐다. 이를 통해 기존 스트레쳐블 전자기기(Stretchable Electronics)에서 발생할 수 있는 물리적 손상이나 성능 저하를 크게 줄여주게 된다.

로봇및기계전자공학과 장경인 교수는 “이번 연구로 다양한 변형과 물리적 손상 등에 기계적으로 취약한 무기 재료의 성능을 안정적으로 유지할 수 있게 하는 신축성 전자장치 시스템을 개발해서 기쁘다”며 “검증을 통해 신축성 마이크로 발광 소자, 히터와 같은 응용을 통해 시스템의 안정성을 확인했으며, 추후 연구 내용을 더 발전시켜 신축성 디스플레이 산업뿐만 아니라 헬스케어, 웨어러블 산업 등 다양한 분야에서 활용될 수 있는 기술로 발전시키겠다”고 밝혔다.

한편, 이번 연구 결과는 나노과학 분야의 저명 국제 학술지인 ‘ACS Nano’에 온라인 게재됐다.

연구결과개요

Rugged Island-Bridge Inorganic Electronics Mounted on Locally Strain Isolated Substrates

(Dae Hwan Lee, Junwoo Yea, Jeongdae Ha, Dohyun Kim, Sungryong Kim, Junwoo Lee, Jang-Ung Park, Taiho Park, and Kyung-In Jang)

(ACS Nano, on-line published on 9th May, 2024)

최근 신축성 전자기기를 위해 강성 영역과 신축성 영역을 결합한 다양한 변형 격리 전략이 제안되고 있지만, 무기 재료의 기계적 변형에 대한 취약성은 성능의 주요 장애물로 부상하고 있습니다. 본 연구에서는 서로 다른 탄성 계수를 가진 헤테로폴리머(즉, 하이브리드 신축성 폴리머)를 결합한 변형 격리 시스템을 보고하고 이를 활용하여 견고한 아일랜드 브리지 무기 전자 시스템을 구축했습니다. 두 가지 유형의 프리폴리머를 동시에 가교하여 강성-신축성 계면에서 상호 침투하는 폴리머 네트워크를 형성하여 효율적인 변형 격리와 기계적 안정성을 나타내는 하이브리드 신축성 폴리머를 만들었습니다. 변형에 취약한 마이크로 LED와 히터가 하이브리드 신축성 폴리머에 통합되었을 때 인장 변형 하에서 파단이나 성능 감소가 보이지 않았으며, 이는 해당 구조가 기존의 스트레처블 전자 장치 구조를 대체할 수 있는 유망한 솔루션임을 시사합니다.

연구결과문답

Q. 이번 성과 무엇이 다른가

본 연구에서 개발된 하이브리드 스트레처블 폴리머 시스템은 두 가지 서로 다른 탄성 계수를 가진 폴리머(PDMS와 PU)를 사용하여 하이브리드 스트레처블 폴리머를 구현함. 이는 높은 기계적 안정성과 우수한 변형 차단 효과를 제공하여, 다양한 방향의 신축 환경에서도 기계적 안정성이 취약한 기능성 무기 재료의 안정성을 향상시킴.

Q. 어디에 쓸 수 있나

다양한 스트레처블 전자기기에 적용 가능함. 특히, 신축성 디스플레이, 웨어러블 전자기기, 인공 피부, 건강 모니터링 센서 등에 유용하게 사용될 수 있습니다. 이러한 기기들은 일상생활 속에서 사용자의 활동에 제약을 받지 않고도 효과적으로 기능을 수행할 수 있습니다.

Q. 실용화까지 필요한 시간과 과제는

대량 생산 과정에서의 고품질 유지, 비용 효율적인 생산 방법 개발 등의 단계가 필요하며 다양한 산업에 맞는 최적화된 추가적인 연구가 필요할 것으로 예상됨.

Q. 연구를 시작한 계기는

기존의 스트레처블 전자기기가 직면한 한계, 특히 신축 환경에 무기재료의 기계적 스트레스에 대한 취약성을 해결하고자 시작되었음.

Q. 어떤 의미가 있는가

이 연구는 스트레처블 전자기기의 발전에 중요한 기여를 할 수 있음. 특히, 기계적 안정성과 성능을 동시에 달성할 수 있는 새로운 구조와 재료의 개발을 통해, 장기간 안정적으로 구동 가능한 웨어러블 및 헬스케어 기기를 개발하는 데 큰 영향을 미칠 수 있음. 

Q. 꼭 이루고 싶은 목표는

앞으로 더 얇고 신축성 있으면서 안정적으로 전자 소자를 보호할 수 있는 시스템을 개발하여 신축성 전자소자의 산업화를 가속화시키는데 일조할 수 있는 연구를 수행할 것임.

그림설명

[그림 1] 상호침투가교 고분자(IPN) 기반의 신축성 기판과 통합형 전자장치 시스템

(그림설명) a. 개발된 신축성 전자장치의 개략도. b. 신축성 기판 내 강성 영역에서의 전자장치 개략도. c. 상호침투가교 고분자 형성 메커니즘.