과학기술정보통신부	보도자료

보도시점	2023. 4. 21.(금) 00시 (2023. 4. 21.(금) 조간)	배포	2023. 4. 20.(목) 09:00

신축성과 전도도가 높은 소프트 전도체를

자유롭게 그리는 신개념 삼차원 프린팅 기술 개발

- 인체 친화형 자유 형상 스킨 일렉트로닉스 제작 기술을 구현하여

피부와 같이 부드러운 스킨 일렉트로닉스에 적용 가능 -

- 개인 맞춤형 웨어러블 기기에 적용할 수 있는 소프트 전도체 공정 기술 개발 -

과학기술정보통신부(장관 이종호, 이하 ‘과기정통부’)는 한국과학기술연구원 (원장 윤석진, 이하 ‘KIST') 소프트융합소재연구센터 정승준 박사 연구팀이 신개념 전방위 프린팅 공정 기술을 이용하여 사용자 맞춤형 자유 형상 스킨 일렉트로닉스를 구현하는데 성공했다고 밝혔다.

이번 연구는 과기정통부의 나노소재기술개발사업과 KIST 주요사업, 세종과학펠로우쉽의 지원으로 수행되었으며, 연구의 성과는 네이처 일렉트로닉스 (Nature Electronics, IF 33.255)에 표지논문으로 4월 21일 게재*되었다.

* 논문명: Omnidirectional printing of elastic conductors for three-dimensional stretchable electronics

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.

KIST 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 발표하였다.

기존에 보고된 전도성 잉크로 삼차원 구조를 가지는 회로를 제작할 경우, 외부 충격이나 기계적 변형에 의해 쉽게 부서지거나 성능이 저하되는 한계가 있었다. 연구팀은 잉크의 유화작용*을 이용해 전방위로 자유로운 삼차원 프린팅**이 가능하면서 동시에 노즐이 막히는 문제 또한 획기적으로 줄일 수 있는 소프트 전도성 소재를 개발하였다.

*유화작용: 어떤 액체 속에 그것과 섞이지 않는 다른 액체를 미세입자로 분산시키는 것

**전방위 삼차원 프린팅: 한 층씩 쌓아가는 기존의 3D 프린팅과 달리 하부층 없이 3차원으로 프린팅 가능한 기술

이를 통해 150% 이상 늘어나도 높은 전도도가 유지되는 소프트 전극을 전방위로 자유롭게 직접 그릴 수 있어, 복잡한 삼차원의 신축성 회로를 사용자에 맞게 제작할 수 있다.

본 연구에서 개발된 소프트 전도성 소재는 현재 관련 소재전문기업을 통해 양산 가능성을 검토하고 있으며, 웨어러블 및 생체 의학기기, 소프트 로봇, 프린팅 산업 분야에 활용될 경우 파급 효과 있을 것으로 기대된다.

KIST 정승준 박사는 “본 연구를 통해 개발된 소프트 전극 소재 및 공정 기술은 기존 정형화 된 전자기기의 디자인 한계를 뛰어넘어 새로운 폼팩터를 가지는 웨어러블 기기 제작에 기여하고, 나아가 사물인터넷, 가상 증강 현실을 위한 인터페이스, 바이오 인터페이스 등 분야에 활용될 수 있을 것으로 기대한다” 라고 전했다.

담당 부서	기초원천연구정책관	책임자	과 장	김현옥	(044-202-4570)
	융합기술과	담당자	서기관	최부용	(044-202-4573)
유관기관	한국과학기술연구원	교신저자	책임연구원	정승준	(02-958-5305)
		1저자	박사후연구원	이병문	(02-958-5305)

논문 정보

□ 논문명

○ Omnidirectional printing of elastic conductors for 3D stretchable electronics / Nature Electronics

□ 저자

○ 이병문(제1저자 및 교신저자), 조현주(제1저자), 고영표, 유용상, 김희숙, 정재욱, 정승준(교신저자)

□ 내용 요약

1. 연구의 필요성

○ 스킨 일렉트로닉스(Skin electronics)는 피부처럼 부드럽고 늘어날 수 있는 전자기기로 사람의 피부와 장기에 빈틈없이 붙어 기존에는 감지가 어려웠던 실시간 바이오 시그널을 고정밀도로 감지하고, 피부의 다양한 기능을 대신하는 등 기존의 단단한 실리콘 반도체 기반의 전자소자로는 불가능했던 인체-전자기기 인터페이스를 가능하게 한다.

○ 이러한 스킨 일렉트로닉스는 유전적 다양성에 기반하는 다양한 모양의 인체에 맞춤형으로 제작되어야 한다. 하지만 기존의 반도체 공정은 마스크를 기반으로 고정된 형태의 회로를 대량으로 생산하는 데 적합하지만, 전자회로를 다양한 인체의 모양에 맞춤형으로 제작하는 것에는 적합하지 않다.

○ 또한 복잡하고 실용적인 스킨 일렉트로닉스를 제작하기 위해서는 다양한 삼차원 구조의 소프트 전도체가 필요한데, 부드럽고 늘어날 수 있는 전자소재를 삼차원으로 구조로 형성하는 것은 기존 반도체 공정으로 불가능하다.

○ 다양한 모양의 회로를 손쉽게 그릴 수 있는 삼차원 프린팅 기술을 이용해 주로 단단한 재료를 위주로 삼차원 구조를 제작할 수 있었지만, 기존의 삼차원 프린팅은 한층 한층 적층하는 방식으로 구조체를 만들기 때문에 만들 수 있는 모양에 한계가 있었고, 미세한 전도체를 수직 방향으로 형성하는 등의 복잡하고 받침구조가 없는 삼차원의 회로를 제작하는 것이 불가능하였다.

○ 특히, 고분자, 용매, 전도성 입자 등으로 복잡하게 구성되어 있는 소프트 전도체 잉크의 유변학적 특성(rheology)을 조절하는 것이 매우 어렵기 때문에 부드럽고 탄성력을 갖는 전자소재를 하부 지지층 없이 수직 방향의 자유도를 갖는 삼차원 구조체를 형성하는 것은 기존 삼차원 프린팅 기술로는 불가능했다.

2. 연구내용

○ 하부 지지층 없이 수직 방향의 자유도를 갖는 전방위 삼차원 프린팅(omnidirectional printing)을 위해서는 노즐을 통과해 토출된 잉크가 마치 단단한 고체와 같이 형태를 유지하며 중력을 버틸 수 있어야 하며, 동시에 노즐을 막지 않고 안정적으로 토출되어야 한다.

○ 기존의 소프트 전도체를 위한 잉크는 탄성력을 위한 고분자에 높은 전도도를 위한 전도성 입자들이 고농도로 혼합되어 높은 점도를 갖게 되는데, 이를 프린팅하기 위해 고분자를 녹이는 용매를 도입하여, 점도를 낮추고 프린팅이 가능하게 하였다.

○ 하지만 이러한 용매의 도입은 점도를 낮출 뿐만 아니라, 액체의 성질을 나타내는 점성계수(loss modulus)를 높여 잉크가 토출되었을 때 중력을 버티지 못해 구조를 유지하지 못하고 액체처럼 무너지게 된다. 묽어진 고분자 용액은 전단력(shear stress)에 의해 에너지를 소실하는 변형을 하게 되고, 고체 입자 간 거리가 가까워지게 되면 반데르발스 힘에 의해 다시 돌이킬 수 없는 뭉침 현상을 유발한다. 이러한 입자 간 뭉침은 노즐 막힘의 주요 원인이 되며, 묽은 잉크임에도 불구하고, 프린팅 안정성을 매우 낮추었다.

○ 연구팀은 고분자를 녹이는 용매와 더불어 고분자와 섞이지 않는 용매를 도입하여 유화액(emulsion) 형태의 잉크를 제작함으로써 전방향 삼차원 프린팅이 가능하면서도 프린팅 안정성 또한 높이는 결과를 얻을 수 있었다. 유화를 통해 형성된 분산상(dispersed phase) 방울이 다른 액체 방울 또는 고체 입자와 인터페이스를 형성하고, 전단력이 가해졌을 때 방울들이 구형의 모양을 변형함으로써 에너지를 저장하게 된다. 이렇게 에너지를 저장하는 변형을 통해 잉크의 탄성계수는 현저하게 높아지고, 토출된 잉크가 고체와 같이 구조를 유지할 수 있게 한다.

○ 또한, 높은 전단력이 가해졌을 때는 분산상 방울들이 이동하여 잉크가 액체처럼 흐르며 손쉽게 노즐에서 토출되게 되는데, 이때 분산상 방울들은 고체 입자 간의 뭉침을 효과적으로 막아주어 잉크가 노즐을 막지 않고 안정적으로 토출되도록 돕는다.

○ 연구팀은 이러한 잉크의 개발을 통해 수직방향의 미세 기둥, 아치, 스프링 등, 기존의 소프트 전도체로는 만들기 어려웠던 다양한 삼차원 구조를 손쉽게 형성할 수 있었으며, 이렇게 형성된 전도체는 150% 이상의 신축성과 탄성력을 지녀, 다양한 외부 자극에도 망가지지 않고 부드럽게 순응할 수 있었다.

○ 특히, 잉크의 유변학적 특성을 위해 도입한 분산상 방울들은 열 경화 과정에서 증발하며 전도체 표면에 미세 모공을 형성한다. 이 과정에서 미세 모공 표면에 전도성 입자들이 밀집하게 되는데, 이는 소프트 전도체의 전기전도도를 현저하게 높이는 결과를 나타내었다.

○ 연구팀은 고전도성 소프트 전도체를 삼차원으로 프린팅하여 센서로의 응용가능성을 보여주었고, 복잡한 회로를 포함하는 스킨 일렉트로닉스를 구현하여 기술의 실용성과 응용 가능성을 보여주었다.

3. 연구성과 및 기대효과

○ 기존의 적층형태의 삼차원 프린팅으로는 제작이 불가능 했던 하부 지지층 없는 전방향 삼차원 구조의 전도체를 소프트 재료를 이용해 제작할 수 있어 완전히 새로운 폼펙터를 제공함으로써 새로운 형태의 소프트 센서, 회로, 플랫폼을 제작할 수 있는 새로운 길을 열었음을 시사한다.

○ 연구에 적용한 유화작용을 이용한 잉크의 유변학적 조절은 단순한 전기 전도체 이외의 다양한 재료에 응용할 수 있어, 반도체, 세라믹, 기타 소프트 재료 등 삼차원 공정과 새로운 폼펙터가 필수적인 분야에 큰 파급력을 가져올 것으로 기대 된다.

연구 이야기

<작성 : 한국과학기술연구원 정승준 책임연구원 >

□ 연구 배경

○ 지난 10년간 우리가 사용하는 전자기기의 성능 향상과 더불어 눈부시게 발전한 영역이 바로 사용자의 필요에 따라 변화할 수 있는 프리폼팩터 (free-form factor) 기술입니다. 굽힘 혹은 늘림과 같은 기계적 변형에도 그 성능이 유지될 수 있도록 전자기기에 유연함이 요구될 뿐 아니라 최근에는 신체와 같이 다양한 굴곡면이나 임의의 형상에 부착이 가능한 소프트 전자기기에 대한 수요가 크게 늘고 있습니다. 소프트 전자기기의 핵심은 기계적 변형에도 안정적으로 전도성을 유지할 수 있는 소프트 전극을 활용한 회로 기술이며 특히 최근 높은 집적도가 요구됨에 따라 복잡한 삼차원 소프트 회로 구현에 필요성이 높아지고 있습니다. 그러나 기존의 반도체 공정이나 3D 프린팅 공정으로는 다양한 곡면상에 자유롭게 변형가능한 회로를 맞춤형으로 제작하기 어렵다는 한계를 갖고 있습니다. 발상의 전환으로 3D 프린팅 공정을 활용하되 액체 상태의 전도성 잉크를 마치 생크림처럼 만든다면 프린팅 후 삼차원 형상을 유지하면서 자유롭게 소프트 전극을 그려나갈 수 있을 거라 생각 하여 연구를 시작하였습니다.

□ 연구 내용

○ 기존에도 전도성 잉크로 삼차원 구조를 가지는 회로를 구성한 연구들이 있었으나, 외부 충격이나 기계적 변형에 의해 쉽게 부서지거나 전기적 특성이 급격히 저하되는 한계가 있었습니다. 이러한 충격이나 굽힘, 늘림과 같은 변형에도 그 성능을 유지하기 위해서는 전극 자체가 탄성이 있어야 한다 판단한 저희 연구진은 탄성 소재와 전도성 소재를 복합화하여 전극 소재를 제작하였고, 여기에 유화작용을 할 수 있는 소재를 추가하여 마치 크림 혹은 마요네즈와 같이 프린팅 후 형상을 잘 유지할 수 있으면서 탄성과 전도성을 모두 가질 수 있는 신개념의 전극 소재로 발전시킬 수 있었습니다. 본 연구진이 개발한 전도성 잉크는 마치 크림을 짜듯이 프린팅 안정성 또한 매우 높을 뿐 아니라 토출된 형상을 그대로 유지하기 때문에 전방위로 자유롭게 프린팅할 수 있는 공정 기술을 개발할 수 있었습니다. 이를 통해 150% 이상 당겨도 높은 전도도가 유지되는 소프트 전극을 하부 지지층 없이도 삼차원으로 그릴 수 있었고, 복잡한 신축성 회로를 사용자 맞춤형으로 구현할 수 있었습니다. 또한 다층 구조를 가지는 소프트 회로 역시 삼차원 전극 기술을 활용하여 제작할 수 있음을 보여주었습니다.

□ 기대 효과

○ 프린팅 기술은 디스플레이 등과 같은 많은 산업에서 차세대 패터닝 공정으로 주목받았지만, 기존의 반도체 공정 대비 낮은 해상도와 한정된 소재로 인해 다양한 응용 분야로 확장되는데 한계가 있었다 생각합니다. 일반적으로 3D 프린팅이라 생각하면 가로-세로-높이 방향으로 한층한층 쌓아가는 공정이라 생각하고 점도가 낮은 잉크가 프린팅에 유리할 것이라 생각하겠지만, 생각을 넓혀 높이 방향의 각도까지 자유도를 가질 수 있다면 기존의 반도체 공정이 절대 구현하지 못하는 새로운 패터닝 기술이 될 수 있습니다. 이를 위해 단순히 잘 흐르는 액체가 좋은 잉크라는 생각에서 벗어나 새로운 타입의 잉크를 개발하고 이를 통해 기존의 반도체 공정 혹은 3D 프린팅이 구현할 수 없었던 소프트하면서 삼차원 구조를 가지는 회로를 제작할 수 있었습니다. 본 연구가 프린팅이라는 공정에서 기대하는 일반적인 생각에서 벗어나 프린팅만이 구현할 수 있는 새로운 폼팩터 소자를 제작할 수 있는 기반이 되길 기대 합니다.

용 어 설 명

네이처 일렉트로닉스(Nature Electronics) 誌

○ 전기전자 분야 세계 최고 권위 학술지(Impact Factor(영향력 지수) : IF 33.255)

2. 스킨 일렉트로닉스(Skin electronics)

○ 피부처럼 부드럽고 늘어날 수 있는 전자기기로 사람의 피부와 장기에 빈틈없이 붙어 기존에는 감지가 어려웠던 실시간 바이오 시그널을 고정밀도로 감지하고, 압력감지와 같은 피부의 다양한 기능을 대신하는 등 기존의 단단한 실리콘 반도체 기반의 전자소자로는 불가능했던 인체-전자기기 인터페이스를 가능하게 한다. 스킨 일렉트로닉스에 포함되는 다양한 전자소자들은 피부 또는 고무와 같이 부드럽고 탄성력을 지닌다.

3. 전방위 삼차원 프린팅(Omnidirectional printing)

○ 한 층씩 쌓아가는 기존의 3D 프린팅과 달리 하부 지지층 없이 수직 방향을 포함한 다양한 방향의 삼차원 구조체를 직접 프린팅 하는 기술

4. 유화액(Emulsion)

○ 우유처럼 액체가 다른 액체에 콜로이드 상태로 퍼져 있는 용액이다. 주로 서로 섞이지 않는 두 액체 사이에 일어난다. 작은 미세입자 형태로 퍼져있는 액체를 분산상(dispersed phase)이라 하고 분산상을 감싸고 있는 액체를 연속상이라고 한다.

5. 유변학적 특성(Rheology)

○ 유동성 물질의 변형과 움직임의 특성을 나타낸다. 외부에서 주어지는 힘이나 에너지에 대하여 반응하는 탄력, 변형, 유동 등의 다양한 현상을 포함한다.

그 림 설 명

[그림 1] 소프트 전도체의 전방위 삼차원 프린팅을 위한 유화액 잉크

유화작용을 소프트 전도체 잉크에 도입하여 노즐 막힘이 없으면서도, 프린팅 직후 높은 구조 안정성을 갖는 모습을 보여줌. 아래 그림은 기존의 유화작용 없이 묽히는 방식의 잉크를 사용하였을 때 구조가 무너지거나 노즐이 쉽게 막히는 것을 보여줌.

[그림 2] 소프트 전도체의 전방위 삼차원 프린팅 과정 및 실제 프린팅한 다양한 하부 지지층 없는 자유형상 삼차원 구조

▶(상단) 유화액 기반의 잉크를 이용해 기존에는 제작이 어려웠던 하부 지지층 없는 자유 형상의 삼차원 구조를 갖는 소프트 전도체를 프린팅하는 모습

▶(하단 왼쪽) 전방위 삼차원 프린팅을 이용해 제작한 다양한 형상의 소프트 전도체.

▶(하단 오른쪽) 소프트 전도체의 부드러움과 탄성력을 보여주는 사진.

[그림 3] 소프트 전도체의 전방위 삼차원 프린팅을 응용한 복잡한 회로 구성 및 이를 활용한 온도 감지 및 디스플레이 스킨 일렉트로닉스

▶(상단) 소프트 전도체의 전방위 삼차원 프린팅을 이용해 복잡한 디스플레이 회로를 소프트 기판에 구현하고, 센서 및 마이크로컨트롤러를 연결하여 온도를 표시해주는 소프트 디스플레이를 구현한 모습.

▶(하단) 이를 피부위에 부착하여 실제로 동작하는 모습.

연구자 이력사항

< 정승준, 교신저자 >

1. 인적 사항

○ 소속 : 한국과학기술연구원
첨단소재기술연구본부 소프트융합소재연구센터

○ 전화 : 02-958-5305

2. 학력

○ 2002.3. ~ 2006.8. : 고려대학교 전기전자공학부 학사

○ 2006.9 ~ 2012.8. :    서울대학교 전기컴퓨터공학부 박사

3. 경력 사항

○ 2023.03 – 현재     고려대학교 KU-KIST 융합대학원 학연교수

○ 2021.03 – 현재     한국과학기술연구원 책임연구원

○ 2017.12 – 2021.02  한국과학기술연구원 선임연구원

○ 2016.05 – 2017.11  서울대학교 물리천문학부 BK 조교수

○ 2013.05 – 2016.04  UC Berkeley 박사 후 연구원

○ 2012.09 – 2013.04  서울대학교 반도체공동연구소 연수연구원

4. 기타 정보

○ 2022 한국플렉시블일렉트로닉스산업협회 협회장상

○ 2021 KIST 미래과학인재상

○ 2020 KIST Young Fellow

○ 2019 한국정보디스플레이학회 KIDS Award 1st (Gold)

< 이병문, 제1저자 >

1. 인적사항

○ 소속 : 한국과학기술연구원, Stanford University

○ 전화 : 02-958-5305

2. 학력

○ 2007.3. ~ 2014.2. : 서울대학교 전기·정보공학부 학사

○ 2014.3. ~ 2020.8. : 서울대학교 전기·정보공학부 박사

3. 경력 사항

○ 2020.9. ~ 현재 : 한국과학기술연구원, 박사후연구원

○ 2023.1. ~ 현재 : Stanford University, 방문박사후연구원

4. 기타 정보

○ 2021.9. ~ 현재 : 세종과학펠로우십(과학기술정보통신부)