옷과 돌멩이에 착 달라붙는 전자소자 개발 - 입는 스마트 전자기기, 건강․환경 모니터링 센서 등 활용 기대

옷과 돌멩이에 착 달라붙는 전자소자 개발 - 입는 스마트 전자기기, 건강․환경 모니터링 센서 등 활용 기대

 

등록일 2016-06-08

 

 

 

옷과 돌멩이에 착 달라붙는 전자소자 개발
- 입는 스마트 전자기기, 건강․환경 모니터링 센서 등 활용 기대 -

 
□ 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) 

□ 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.

 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. 

 

□ 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.

<참고자료> : 1. 연구결과 개요,  2. 연구이야기, 3. 용어설명, 4. 그림설명

 

연 구 결 과  개 요

 1. 연구배경
  ㅇ 최근 고성능 유연전자소자*를 위한 기술은 사용자가 자유롭게 보관하고, 사용할 수 있어 매우 편리하다. 특히 전자 섬유는 편안하게 입을 수 있고, 움직임에 따라 늘어날 수 있으며, 공기․땀의 배출이 쉽기 때문에 많은 연구가 이루어지고 있다.
       * 고성능 유연전자소자 : 전기적으로 우수한 성능을 지니고, 기계적인 변형에도 잘 견딜 수 있는 유연성을 지닌 전자소자
  ㅇ 전자섬유를 제작하는 2가지 방법이 있다. 하나는 일차원적인 실 가닥을 서로 엮어 에너지 저장/변환 시스템, 발광소자, 간단한 논리회로, 센서 등을 제작하는 것이다. 이는 복잡한 고집적 소자를 제작하기에는 한계가 있다. 또 하나는 안테나, 논리회로, 전기변환 소자, 센서 소자, 에너지 하베스팅 등 얇은 박막 소자를 먼저 안정적으로 제작한 후에 원하는 곳으로 전사 인쇄하는 방법이다. 이는 기존 상용화 되어 있는 반도체 소자 공정을 그대로 이용할 수 있고, 고성능 소자 제작에 용이하다. 
  ㅇ 후자의 경우 전자소자 및 직물 사이 경계면 불일치를 줄이는 것이 매우 중요하다. 이를 위해 얇은 고분자 기판을 이용하여 접촉면을 향상시키고, 소자를 큰 변형에도 견딜 수 있게 디자인해야 하고, 기판의 특성을 유지하도록 해야 한다. 기존 연구는 직물 변형에 소자가 견딜 수 없는 구조이거나 소자의 접촉면 확보를 위해 직물의 고유 특성을 유지하지 못하는 경우가 대부분이었다.

 2. 연구내용
  ㅇ 연구팀은 고분자 박막 기판 주변으로 인공 섬모구조를 도입하여 복잡한 구조의 직물 표면을 안정적으로 감쌀 수 있게 하였다. 또한 접착용액이 마르면서 인공 섬모 근처로 매우 적은 양의 접착제를 형성시켜 소자와 직물 사이에 접착력을 크게 향상시켰다. 이러한 접착력은 인공 섬모의 길이, 밀도, 접착제의 농도가 커짐에 따라 증가하며, 직물 뿐만 아니라 반창고, 차 거름망, 면봉, 돌멩이 등에도 성공적으로 전사인쇄가 가능하다.
  ㅇ 직물 위 전사 인쇄한 전극에 변형을 가했을 때 인공 섬모가 완충작용을 함으로써 전극에 안정성을 확보할 수 있었다. 또한, 이러한 완충 현상을 기계적인 시뮬레이션을 통해 정량 분석하였다. 이 기술을 이용하여 산화물 반도체인 인듐 갈륨 아연 산화물 (indium gallium zinc oxide, IGZO) 기반의 전자소자를 직물에 제작하였고, 이를 셔츠에 꿰매어 변형을 가하고, 실생활에서 입고, 세제 용액에 넣고 담금 세탁 및 건조를 했을 때에도 소자 특성을 유지하는 것을 확인했다.

3. 기대효과
  ㅇ 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.
       * 사물인터넷 : 인터넷을 기반으로 모든 사물을 연결하여 사람과 사물, 사물과 사물 간의 정보를 상호 소통하는 지능형 기술 및 서비스
       * 초연결사회 : 인터넷, 통신기술 등의 발달에 따라 네트워크로 사람, 데이터, 사물 등 모든 것을 연결한 사회

 

★ 연구 이야기 ★

□ 연구를 시작한 계기나 배경은?

연구실에서는 직접적으로 소자를 제작하기 힘든 표면에 전사인쇄 기술로 전자소자를 제작하는 기술을 연구하여 기존에 스티커형 전자소자를 개발하였다. 이 후에 보다 복잡한 표면 구조를 갖는 직물 등에 소자를 만들고자 하는 동기에서 이 연구를 시작하게 되었다. 

□ 연구 전개 과정에 대한 소개

주기적인 미팅을 통해 전사 인쇄 및 소자제작에 대한 다양한 아이디어를 바탕으로 만들고, 이를 바탕으로 실험을 설계하고 진행하였다. 이후 복잡한 기계적인 분석 부분은 서울과학기술대학교 좌성훈 교수팀의 전문지식을 기반으로 연구를 전개해 나갔다.

□ 연구하면서 어려웠던 점이나 장애요소가 있었다면 무엇인지? 어떻게 극복(해결)하였는지?

직물에 인공섬모구조를 이용하여 고분자 기판을 전사인쇄한 후에 얼마나 잘 붙어 있는지 접착력을 측정하는 방법과 접착력이 어떤 요인들에 의해 기인하는지를 고려하는 부분에서 많은 어려움이 존재했다. 많은 고민 끝에 압축 공기를 불어 얼마나 직물에 기판이 잘 붙어 있는지, 그리고 90도 각도로 기판을 뜯어내는 박리실험(peel test) 두 가지 방법을 통해 보다 정확하게 접착력을 구하고자 하였다. 또한 접착력에 영향을 주는 요인들을 고려하기 위해 다양한 이론 및 실험들을 통해 설명하고자 노력했다.

□ 이번 성과, 무엇이 다른가?

기존 전자 섬유 제작은 기능성을 갖는 실 가닥을 엮어서 소자를 만드는 방법과 소자를 기존 반도체 공정을 그대로 이용하여 먼저 완성한 뒤에 직물에 전사 인쇄하는 방법으로 나눌 수 있다. 고성능 집적 회로와 같이 복잡한 공정 및 소자 디자인이 요구되는 경우 전자는 한계점을 보이는 반면, 후자는 제작이 가능하다. 하지만 이 때 직물의 매우 복잡한 표면 굴곡과 구멍들 때문에 충분한 접착력을 형성하는 것이 매우 어렵기 때문에 전사 인쇄 시 소자와 직물 사이의 경계면 불일치를 해결하는 것이 매우 중요하다. 동시에 직물의 특성을 유지하고, 사람이 움직일 때 생길 수 있는 변형을 수용할 수 있는 소자 디자인이 요구된다. 이번 연구는 인공 섬모구조와 매우 적응 양의 접착제를 인공 섬모구조 주변으로 형성시키는 방법을 이용하여 기존 연구들에서 해결하지 못한 한계점들을 극복하였고, 실제 복잡한 회로를 직물에 구현함으로써 개발한 기술의 효용성을 입증했다. 

□ 꼭 이루고 싶은 목표와, 향후 연구계획은?

앞으로 좀 더 완성된 전사인쇄 기술을 위해 섬모구조의 디자인 및 구조 동을 최적화하는 과제가 남아 있다. 인공섬모를 이용하여 직물 이외에 인체, 인공물, 자연물에 부착이 가능한 인체 및 환경 모니터링 및 조절 전자 장치 등을 연구 개발할 계획이다. 

□ 기타 특별한 에피소드가 있었다면?

기판 주변에 인공 섬모 구조를 형성하여 접촉면적을 향상시켜 복잡한 구조를 갖는 직물, 돌멩이, 면봉, 차 거름망 등에 전사 인쇄를 가능하게 하고자 하였다. 추후에 전극을 직물 위에 전사 인쇄한 후에 직물을 변형시키면서 전기적 특성을 분석했을 때, 안정적인 결과를 얻었고, 추후에 추가적인 주사현미경을 통한 관찰 및 시뮬레이션 결과를 통해서 인공섬모 구조의 완충 역할을 발견할 수 있었다. 실험 결과를 바탕으로 다방면으로 분석한 결과 또 다른 새로운 결과를 도출할 수 있는 계기를 마련할 수 있었다. 

용 어 설 명

1. 네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications) 誌
  ○ Nature Publishing Group에서 발간하는 세계적인 저널로, Thomson JCR 2014년 기준 Impact Factor 11.47. 전 세계 복합 과학 분야 (Multidisciplinary sciences) 학술지 중 상위 5% 이내(3위/57개)에 해당한다.

2. 전사인쇄 공정 (Transfer printing process)
  ○ 하나의 기판 위에 있는 구조체를 떼어내어 원하는 표면에 옮기는 방법. 특히 표면이 복잡한 굴곡을 가질 경우 소자의 직접 공정이 어려워 간접적인 방법으로써 전사인쇄 공정이 사용됨.

3. 전자섬유 (Electronic textile, e-textile)
  ○ Electronic textile, E-textile, Smart textile 등으로 알려져 있으며, 전자소자의 기능과 옷과 같은 직물의 특성을 동시에 가짐.

4. 박막트랜지스터 (Thin film transistor)
  ○ 증착 등의 방법으로 반도체 박막을 형성시키고 이를 채널로 이용하여 만든 트랜지스터 (transistor)로 TFT라고도 한다. 대면적 기판 위에 형성시킬 수 있는 장점이 있고, 액정 디스플레이의 구동소자로 널리 이용되고 있음.

 

그 림 설 명

   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)

 

   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

 

  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.