■ 연구성과

- “피부에 붙이는 웨어러블 기기의 고성능화 앞당길 것”

전기정보공학부 홍용택 교수팀: (왼쪽부터) 홍용택 교수, 변정환 연구원, 오은호 연구원

공대(학장 이건우)는 전기정보공학부 홍용택 교수 연구팀(변정환, 오은호 연구원)이 양면 인쇄 기법 및 신축성 하이브리드 전자기술을 이용해 신축성 기판 위에 1MHz 이상의 고속 신호 처리가 가능한 회로를 구현했다고 28일 밝혔다. 이로써 신체에 부착해 건강을 모니터링 하는 웨어러블 디바이스의 개발에 청신호가 켜졌다.

신축성 전자 회로는 굴곡진 표면에 부착하거나 기판의 형태가 변형되더라도 전기적 특성을 잃지 않기 때문에, 신체 부착형 웨어러블 디바이스로서 활용이 높을 것으로 기대해 왔다. 하지만 기존의 디바이스들은 신호 처리 및 연산을 위한 회로를 내장할 수 없었기 때문에 측정된 신호를 외부에 장착된 커다란 연산 장치를 이용해 처리해야 하는 한계가 있었다.

이에 연구팀은 ‘신축성 하이브리드 전자’ 기술을 응용해 고성능 실리콘 기반의 칩을 신축성 회로에 내장할 수 있는 신축성 플랫폼을 제작했다. 연구팀은 신축 가능한 PDMS(poly dimethyl siloxane) 기판 내에 탄성 계수가 높은 PMMA(poly methyl methacrylate) 플라스틱 물질을 디스펜싱 기법을 이용해 삽입하고 그 위에 칩을 실장함으로써 회로의 안정성을 높였다.

이와 함께 연구팀은 기판 제작 시 구멍을 직접 뚫지 않고 ‘신축성 비아’를 기판 상에 함께 형성하는 방법을 개발했다. 전도성 있는 니켈 입자들이 단단한 고분자에 의해 둘러싸인 core-shell 구조를 자기조립 형태로 형성함으로써, 회로 기판의 변형에도 안정적인 전기·기계적 특성을 유지할 수 있다.

그 결과 양면에 인쇄 공정을 이용한 회로 형성 및 칩 실장이 가능한 신축성 전자 플랫폼이 탄생됐다. 특히 신축성 비아를 내장했기 때문에 양면에 제작된 회로가 전기적으로 연결될 수 있어 플랫폼의 가용 면적과 전자 회로의 집적도가 2배 이상 늘어났다.

연구팀은 이 플랫폼을 이용해 다양한 칩 기반의 논리 회로로 구성된 이진 복호기(binary decoder)를 구현했다. 외부에 기계적 신축 스트레스를 받으면서도 1MHz에서도 동작하는 데 성공했다.

홍 교수는 “신축성 기판 내 삽입된 PMMA 플라스틱 구조의 위치 및 형태를 최적화하고, 여기에 신축성 비아를 함께 제작하는 공정을 개발함으로써 혁신적인 결과를 가져왔다”며, “별도의 신호 처리 장비 없이도 신축성 회로 내에서 자체적으로 고속 신호 처리 및 연산을 할 수 있도록 하는 기술적인 토대를 마련한 것”이라고 설명했다.

본 연구 결과는 세계적인 국제 학술지 ‘어드밴스드 펑셔널 머터리얼(Advanced Functional Materials)’에 8월 3일자로 온라인 게재됐다. 이번 연구는 정보통신진흥기술센터의 지원을 받아 진행됐다.

[참고자료]

그림 1: (왼쪽) 인쇄 공정 기반 양면 신축성 플랫폼 및 이를 이용한 양면 회로 인쇄 개념도

(오른쪽 아래) 디스펜서를 통해 단일액적 프린팅되는 PMMA 및 니켈 복합체 잉크,

(오른쪽) 이를 통해 제작된 양면 회로 제작용 신축성 플랫폼

그림 2: (왼쪽부터) 비아와 스트레인 분산 구조를 포함한 기판 양 면에 제작된 이진 복호기 회로,

반복된 신축 하에서도 1 MHz의 고속 신호 출력값을 보이는 신축성 양면 이진 복호기

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