기하학적 구조 기반의 스트레처블 디스플레이, 배터리, 의료기기, 전자피부 기술의 동향
신축성 있는 전자소자 연구는 다양한 기능을 하는 칩과 소자를 결합하여 전자피부 분야에도 다양한 응용을 가능하게 했다.
서울대학교 최인석 교수 연구팀은 리튬이온 배터리가 포함된 키리가미 구조의 스트레처블 배터리를 제시하였다(a). 수차례의 구김과 인장을 가해도 배터리의 성능이 저하되지 않고 유지됨을 확인하였다. 독일 Ilmenau Jacobs 교수 연구팀은 포토리소그래피를 통해 설펜타인 전극기반의 고신축성 디스플레이를 제작하였고 260%의 최대연신율을 가지는 것을 확인하였다(b). 특히, 비아(vertical interconnect access) 를 제작하여 Ecoflex 내에 액티브 매트릭스를 구현하였다. 설펜타인 위에는 전도성이 높은 금속인 구리(Copper)를 증착하여 상호 연결로 사용했다.
서울대학교 고승환 교수 연구팀은 최근 전도성이 높고 투명한 전극을 전자 피부에 적용하기 위해 키리가미 모양을 적용해 전극에 조정 가능한 탄성을 부여하여(0%∼400% 이상) 용도에 따라 의도적으로 변형을 가능하도록 설계하였다(a~c). 이는 높은 광학 투광도(80% 이상)를 나타내면서 10,000 싸이클의 연신 작업 후에도 우수한 가역성을 보여 개인 온열용 키리가미 히터로 사용될 수 있음을 보였다.
피부와 유사한 전자피부 기술은 피부 인터페이스 의료기기로 사용되어 질병을 진단하고 생리학적 건강을 모니터링하고 인공의수(prosthetics), 컴퓨터 시스템 및 웨어러블 로봇 장치와 제어 인터페이스를 구축하는데 매우 중요하다. 미국 노스웨스턴 대학 Rogers 교수 연구팀은 8채널 전극 기반의 폴리이미드 아일랜드와 설펜타인 모양의 크롬, 골드를 전도체로 사용하여 만든 electromyography(EMG) 센서 배열의 신호를 통해 인공 의수를 조종하였다(a). 팔이 절단된 사람의 절단 부위 근처 표피에 부착된 EMG 센서는 피실험자의 9가지 직관적인 동작(휴식, 팔꿈치 굴곡, 팔꿈치 신장, 손목 굴곡, 손목 신장, 손벌림 등)에 대해 근육이 활성화되어 전극에서 EMG 신호(85∼300 Hz)를 수집하게 된다. 유도된 EMG 신호는 패턴 인식 알고리즘을 통해 모션을 분류하여 인공 의수를 해당하는 동작으로 움직이게 한다.
카이스트 스티브 박 교수 연구팀은 대관람차 모양의 아일랜드 구조 신축성 기판에 촉각 센서를 통합하여 촉각 자극을 감지할 수 있는 전자 피부를 구현하였다(b~d). 미세 피라미드 구조의 압력센서는 아일랜드에 배치하여 연신율에 상관없이 작동하도록 설계되었다. 다공성 구조의 탄소나노튜브- Ecoflex 복합 소재 기반의 인장센서는 Ecoflex 기판에 코팅되어 연신율을 감지한다. 전자피부는 사람의 팔목에 부착되어 맥박신호를 감지할 수 있었다. 또한, 전자피부에 가해지는 다양한 촉각 자극을 압력과 인장신호로 정확히 구분할 수 있어 차세대 스트레처블 일렉트로닉스에 적용될 수 있음을 보여주었다.
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