'전도성 갖추고 변형도 자유롭게…韓 연구팀, 신개념 '3D 프린팅' 기술 개발

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

[이데일리 함정선 기자] 3D 프린팅 후 지지대 없이 그대로 형상을 유지하면서도 전도성을 지녀 자유롭게 변형할 수도 있는 신개념 전극 소재가 개발됐다. 이 기술을 이용하면 라텍스 장갑처럼 인체에 밀착하고도 움직임이 자유로운 ‘바이오 기기’ 등도 개발할 수 있다는 설명이다.

과학기술정보통신부는 한국과학기술연구원(KIST) 소프트융합소재연구센터 정승준 박사 연구팀이 신개념 전방위 프린팅 공정 기술을 이용해 ‘사용자 맞춤형 자유 형상 스킨 일렉트로닉스’를 구현하는 데 성공했다고 20일 밝혔다.

이번 연구는 과기정통부의 나노소재기술개발사업과 KIST 주요사업, 세종과학펠로우쉽 지원으로 수행됐으며 연구의 성과는 네이처 일렉트로닉스 (Nature Electronics, IF 33.255)에 표지논문으로 4월 21일 게재된다.

기존 실리콘 기반의 반도체 소자와 달리 피부처럼 부드러운 ‘스킨 일렉트로닉스’의 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 공정을 요구하며. 동시에 높은 집적도를 위해 복잡한 삼차원 회로 구현도 필요하다. 그러나 기존 반도체 공정이나 3D 프린팅 기술로는 다양한 곡면을 가지는 신체에 따라 자유롭게 변형 가능한 회로를 제작하는 데는 한계가 있었다.

정승준 KIST 박사 연구팀은 스킨 일렉트로닉스의 핵심 소재인 ‘소프트 전도체’를 3D로 직접 그릴 수 있는 기술을 개발하고 이를 이용해 기계적 변형에도 안정적으로 동작하는 자유형상 스킨 일렉트로닉스를 발표했다.

기존 전도성 잉크로 3D 구조를 가지는 회로를 제작할 경우, 외부 충격이나 기계적 변형에 의해 쉽게 부서지거나 성능이 저하되는 것이 문제로 제작됐다. 이에 연구팀은 잉크의 유화작용을 이용해 전방위로 자유로운 3D 프린팅이 가능하면서 동시에 노즐이 막히는 문제 또한 획기적으로 줄일 수 있는 소프트 전도성 소재를 개발했다.

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 개발한 소프트 전도성 소재는 현재 관련 소재전문기업을 통해 양산 가능성을 검토하고 있으며, 웨어러블·생체 의학기기, 소프트 로봇, 프린팅 산업 분야에 활용해 파급 효과를 누리게 될 것으로 기대되고 있다.

정승준 KIST 박사는 “본 연구를 통해 개발한 소프트 전극 소재와 공정 기술은 기존 정형화한 전자기기의 디자인 한계를 뛰어넘어 새로운 폼팩터를 가지는 웨어러블 기기 제작에 기여하고 나아가 사물인터넷, 가상 증강 현실을 위한 인터페이스, 바이오 인터페이스 등 분야에 활용할 수 있을 것으로 기대한다”고 말했다.

소프트 전도체의 전방위 삼차원 프린팅 과정 및 실제 프린팅한 다양한 하부 지지층 없는 자유형상 삼차원 구조