의료용 전자 피부, 소프트 로봇의 감지 시스템 등 다양한 분야 응용 기대
포스텍은 기계공학과 이안나 교수, 이정락 박사, 박사과정 곽현수·김준식 씨 연구팀이 접히고 늘어나는 유연 전자소자의 고질적 한계를 구조 설계만으로 해결하는 데 성공했다고 3일 밝혔다.
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| ▲ 포스텍 기계공학과 이안나 교수. [포스텍 제공] |
이번 연구는 기계 및 구조역학 분야 국제 저명 학술지 '국제기계과학저널'에 게재됐다.
스마트폰을 수천 번 접었다 펴도 화면이 멀쩡한 이유는 폰 화면 안쪽에 숨어 있는 작은 '주름'에 있다. 금속 전극에 있는 주름은 기기를 구부리거나 당길 때 늘어나고 줄어들며 충격을 흡수한다.
덕분에 전극이 끊어지지 않고 오래 버틸 수 있다. 이 기술은 폴더블 스마트폰은 물론 피부에 붙여 심박수나 혈압을 재는 건강 센서처럼 몸에 착용하는 전자기기에도 필요한 핵심 원리다.
그러나 이 주름을 만들기가 매우 까다롭다. 기존 방식은 탄성 있는 고무 재질의 바탕판 한쪽 면에 얇은 금속 필름을 붙이는 구조였는데 이렇게 하면 주름이 생기기도 전에 구조 전체가 한쪽으로 먼저 휘어버리는 문제가 있었다.
이를 막으려면 바탕판 두께를 금속 전극 두께의 1000배 이상으로 두껍게 만들어야 했다. 그러다 보니 기기 자체도 두꺼워지고 30~40% 이상 늘리면 주름도 무너졌다.
연구팀은 그 원인이 재료 자체에 있는 것이 아니라 '비대칭 구조', 즉 금속 필름이 한쪽에만 붙어 있어 힘의 균형이 무너지는 데 있다고 봤다.
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| ▲ 대칭형 박막-기판 시스템에서 주름 형상과 위상 변화를 예측하는 수학 모델 및 구조 모식도. [포스텍 제공] |
해법은 단순했다. 금속 필름을 한쪽이 아닌 두 개의 바탕판 사이에 넣어 '샌드위치 구조'로 만든 것이다. 위아래가 같은 힘으로 균형을 이루자 원치 않는 '휨' 현상이 사라졌다. 또한, 복잡한 화학 처리 없이 얇은 막을 살짝 누르기만 해도 자연스럽고 균일한 주름이 형성됐다.
결과는 놀라웠다. 바탕판 두께를 기존 대비 200분의 1 수준인 전극 두께의 5배 미만으로 줄이는 데 성공했다. 특히 전극 구조를 100% 이상 늘려도 끊어지거나 무너지지 않았다.
기기를 더 얇고 가볍게 만들면서 훨씬 잘 늘어나는 전극을 구현할 수 있게 된 것이다. 연구팀은 나아가 주름의 높이와 간격을 계산하는 수학적 모델도 개발해 원하는 형태의 주름 구조를 처음부터 설계할 수 있는 토대도 마련했다.
이번 연구는 폴더블 스마트폰뿐 아니라 관절처럼 움직임이 많은 신체 부위에 부착하는 의료용 전자 피부, 자유롭게 형태를 바꾸는 소프트 로봇의 감지 시스템 등 다양한 분야에 걸쳐 폭넓은 응용이 기대된다.
이안나 교수는 "바탕판의 두께 비를 기존 대비 획기적으로 줄이면서도 100% 이상 변형에서 안정적인 작동이 가능함을 입증했다"며 "고신축 전자소자 분야에서 구조 설계 방식을 바꿀 수 있는 중요한 결과"라고 밝혔다.
KPI뉴스 / 장영태 기자 3678jyt@kpinews.kr
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