신축성 전자소자 플랫폼을 활용해 박막의 물리적, 기계적 특성을 제어한 모습.

국내 연구진이 피부처럼 잘 늘어나면서도 변형될 때 받는 힘을 자유자재로 분산시킬 수 있는 웨어러블 전자소자 플랫폼을 개발했다. 비틀어도 성능이 떨어지지 않고 안정적으로 구동하는 웨어러블 기기를 개발하는 길이 열릴 것으로 보인다.

정승준 한국과학기술연구원(KIST) 광전하이브리드연구센터 선임연구원 연구팀은 홍용택 서울대 전기정보공학부 교수팀과 함께 박막의 다양한 전기적·기계적 특성과 형태를 자유자재로 조절할 수 있는 신축성 전자소자 플랫폼을 개발하는 데 성공했다고 3일 밝혔다.

최근 인체에 부착해 사용할 수 있는 신축성 웨어러블 전자기기가 각광을 받고 있지만, 기존 반도체 소자의 경우 늘리거나 수축시킬 때 나타나는 기계적 변형력(응력)이 신축성 기판과 기능성 박막소자에 영향을 미쳐 소자의 성능이 떨어지는 문제가 있었다.

이런 문제를 해결하기 위해 연구진은 피부처럼 얇고 높은 신축성을 가진 소재(박막) 안에 강도가 높은 투명 구조체를 삽입해 완충재 역할을 할 수 있도록 만들었다. 즉, 수십 마이크로미터(㎛·1㎛는 100만 분의 1m) 크기의 투명 구조체가 일정한 간격으로 배열된 형태다.

이때 신축성 기판과 삽입된 구조체 간에 규칙적인 탄성률 차이, 즉 ‘영률’(물체를 양쪽에서 잡아 늘일 때, 물체의 늘어나는 정도와 변형되는 정도를 나타내는 탄성률) 차이가 생긴다. 따라서 만약 외부에서 기계적 변형이 가해질 경우 탄성 차 분포의 변화를 통해 기계적 변형력의 분포를 파악할 수 있다. 프린터와 같은 인쇄식 공정으로 제작도 간편하다.

이를 바탕으로 연구진은 구조체의 강도와 크기, 배열에 따라 신축 시 박막 소자가 받는 기계적 변형력 정도를 조절할 수 있다는 사실을 규명했다. 원하는 영역에 기계적 변형력을 집중시키거나 분산시킬 수도 있는 것으로 나타났다. 이 같은 제어 기술은 금속, 산화물, 유기물 등 다양한 종류의 박막에도 적용 가능한 것으로 확인됐다. 

정 연구원은 “이번 연구를 통해 신축 시 발생하는 변형력에 따른 박막 특성 변화를 제어할 수 있을 뿐만 아니라, 변형력에 민감한 웨어러블 디스플레이, 센서 같은 전자기기의 신뢰성을 높이는데 활용될 수 있을 것”으로 기대했다.

연구 결과는 국제학술지 ‘어드밴스드 머티리얼스’ 8월 21일자 온라인판에 먼저 게재된 데 이어 최신호 표지논문으로 선정됐다.