국내 연구진, 옷·돌멩이에 착 달라붙는 전자소자 개발

[이데일리 오희나 기자] 국내 연구진이 옷이나 돌멩이에도 부착할수 있는 전자소자를 개발했다.

미래창조과학부는 고흥조 교수(광주과학기술원) 연구팀이 인공 섬모구조를 이용해 접착력을 향상시켜 옷, 돌멩이 등에도 전자소재를 단단히 부착할 수 있는 전자섬유 제작 기술을 개발했다고 7일 밝혔다.

인공 섬모구조는 수 마이크로미터의 얇은 폴리머 박막을 반도체 공정인 포토리소그래피와 건식 식각 공정을 통해 박막 가장자리에 털과 같은 모양으로 제작한 것으로 유연한 특성을 보여 울퉁불퉁한 구조물에 잘 감쌀 수 있다.

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.

기존 고성능·고집적 소자가 사용되는 전자섬유의 경우 반도체 공정을 통해 소자를 먼저 완성한 뒤 직물에 전사 인쇄하는 방법으로 만들어진다.

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.

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 확보했다.

실제 제작한 전자섬유를 학생 연구원의 셔츠에 꿰매 변형을 가하고 실생활에서 입고 다녔다. 또한 1만번의 반복적인 인장변형과 세제를 풀어 놓은 물에 담금 세탁(20분) 후 30분 간 깨끗한 물에 씻어내 건조를 해도 소자의 전기적 특성을 유지했다.

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.

웨어러블 디스플레이 및 컴퓨터, 자세교정 및 건강상태를 확인할 수 있는 헬스 모니터링 시스템 등에 적용해 사용자의 편의성을 증대시킬 수 있다. 또한 돌멩이, 나무와 같은 자연 및 지형지물 등에 전사인쇄를 통해 환경 모니터링 시스템에 적용 가능할 것으로 기대된다.

고흥조 교수(광주과학기술원) 연구팀은 미래창조과학부 기초연구사업(개인연구), 교육부 이공학개인기초연구지원사업, 산업통상자원부 산업소재핵심기술개발사업의 지원으로 연구를 수행했으며, 이번 연구 내용은 세계적 학술지 네이처 커뮤니케이션즈 1일자에 게재됐다.

고흥조 교수는 “이번 연구성과는 단순한 구조의 소자 응용에 국한돼 온 기존 전자섬유의 기술에서 한 걸음 나아가 고성능·고집적 소자들을 직물 등 여러 복잡한 표면에 손쉽게 제작할 수 있게 됐다”며 “앞으로 입기에도 편리한 웨어러블 디스플레이, 건강·환경 모니터링 센서 등 다양한 분야에 활용될 것으로 기대된다”고 밝혔다.

복잡한 구조를 갖는 차 거름망(왼쪽), 면봉(가운데), 돌멩이(오른쪽) 표면 위로 섬모구조를 이용해 전사인쇄 한 폴리이미드 박막 기판의 사진 및 주사현미경 이미지. 미래부 제공