[베리타스알파=김하연 기자] 국내 연구진이 미래형 웨어러블 디바이스의 핵심 기술인 ‘부드러운 전자 회로’ 실용화를 앞당길 연구를 발표했다.
서울대 공대(학장 차국헌)는 전기·정보공학부 홍용택 교수 연구팀(오은호 연구원)이 주름진 탄소나노튜브 확산 방지벽을 이용해 장기 신뢰성을 가지며 신축이 가능한 액체 금속-고체 금속 간 접합 기술을 개발했다고 3일 밝혔다.
이로써 수평 방향 뿐 아니라, 기존 신축성 전자 분야에서 난제로 여겨지는 수직 방향의 변형에서도 반도체 칩과 신축성 전극의 접합부가 안정적으로 동작할 수 있어 신축성 전자 회로 및 웨어러블 디바이스의 개발에 청신호가 켜졌다.
수은이나 갈륨과 같은 액체 금속은 상온에서 액체 상태를 유지하면서도 높은 전기 전도성을 가지고 있어 신축성 전자 회로에 널리 쓰여 왔다. 그러나 액체 금속은 일반적으로 다른 금속과 접합했을 때 결정 구조에 잘 침투하고 금속의 성질을 변화시키는 특성이 있어 문제가 되어 왔다.
이에 연구팀은 ‘주름진 탄소나노튜브 확산 방지벽’을 액체 금속과 고체 금속 사이에 삽입해 액체 금속이 확산되지 못하고 전자만 통과할 수 있도록 했다.
연구팀은 신축 가능한 실리콘 고무 기판을 미리 늘려둔 상태로 은 회로를 인쇄한 뒤, 그 위에 탄소나노튜브를 약 100나노미터 정도로 얇게 형성한 후에 늘려둔 기판을 원상복귀시켰다. 그 결과 은 회로와 탄소나노튜브 박막 위에 동일한 주름을 형성해 마치 스프링처럼 펴지면서 신축이 가능해졌다.
이렇게 제작된 주름진 탄소나노튜브 위에는 액체 금속을 올려도 아래에 형성된 금속 박막으로 액체 금속이 침투하지 못한다. 이와 함께 연구팀은 주름진 확산 방지벽과 액체 금속을 이용해 신축성 회로에 표면실장소자를 접합하는 방법을 선보였다.
기존의 방법으로는 부드러운 신축성 회로와 딱딱한 표면실장소자가 연결되는 접합부에 수직 방향의 큰 스트레스를 주면 접합부가 파괴되는 기술적 한계가 있었다. 이에 연구팀은 표면실장소자의 접합부가 액체 금속 위에 떠 있는 플로우팅(floating) 접합 기술을 개발해 딱딱한 소자와 부드러운 기판을 스트레스 없이 전기적으로 접합시켰다.
홍용택 교수는 “이렇게 제작된 회로는 늘려도 안정적으로 동작할 뿐만 아니라, 표면실장소자를 위에서 반복적으로 눌러도 회로가 손상 없이 동작하는 뛰어난 성능을 나타낸다”며, “사용자가 실제로 누르면서 상호작용해야 하는 신체부착형 디스플레이나 모바일 기기의 제작에 응용할 수 있을 것”이라고 설명했다.
본 연구 결과는 세계적인 국제 학술지 ‘어드밴스드 펑셔널 머터리얼(Advanced Functional Materials)’에 12월 19일자로 게재됐으며, 28호의 인사이드 커버 이미지로 선정됐다. 이번 연구는 정보통신진흥기술센터의 지원을 받아 진행됐다.
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