< 사진 1. 왼쪽부터 KAIST 박인규 교수, ETRI 김혜진 박사, KAIST 굴 오스만 박사과정, 김택수 교수 >
나무뿌리가 흙에 단단히 고정되는 구조를 모방해, 한국 연구진이 최대 700%까지 늘어나는 신축성을 확보하고 스트레처블 전자 제품의 상용화를 위한 새로운 기준을 제시했다. 특히 스마트 저항 밴드와 스트레처블 LED 디스플레이, 태양 전지와 같은 응용 사례를 통해 기술의 폭넓은 적용 가능성을 입증했다.
우리 대학 기계공학과 박인규 교수 연구팀이 한국전자통신연구원(ETRI)과 공동연구를 통해 스트레처블 전자 제품 개발에서 기존의 한계를 극복한 혁신적인 기술인 ‘생체 모사 인터페이스 설계(Bioinspired Interfacial Engineered Flexible Island, 이하 BIEFI)’를 개발했다고 6일 밝혔다.
이번 연구는 생체 모사 인터페이스 설계를 기반으로, 전자 제품의 유연성, 신축성과 기계적 내구성을 동시에 극대화하는 데 성공했다.
연구진은 주 뿌리(primary roots)와 보조 뿌리(secondary roots) 구조를 설계에 적용해 응력을 분산시키고, 기계적 인터로킹(interlocking)을 통해 두 기판 사이의 강력한 접착력을 구현했다.
이 구조에서 주 뿌리는 응력을 효과적으로 분산시키며 인터페이스 균열을 지연시키는 역할을 한다. 반면 보조 뿌리는 기판 사이의 접착력을 강화하고 변형 중에도 인터페이스의 안정성을 유지하도록 돕는다. 이러한 설계는 다양한 변형 상황에서도 높은 기계적 신뢰성과 소자의 성능을 제공한다.
< BIEFI 구조는 식물 뿌리의 기계적 잠금 원리를 모방하여, 주 뿌리가 응력을 분산시키고 보조 뿌리가 균열 전파와 계면 박리를 방지하도록 설계되었다. 이러한 구조는 유연성과 신축성 기판 간의 원활한 전환을 가능하게 하며, 기존 대비 최대 700%까지 신축성을 확보할 수 있다. 따라서 BIEFI 기술은 웨어러블 센서, 스트레처블 디스플레이, 스마트 헬스케어 기기 등에 활용 가능하다. >
이를 통해 연구팀은 최대 700%까지 늘어나는 신축성을 확보하고, 1,000회 이상의 물리적 변형 시도에도 안정적인 구조를 설계하는데 성공했다. 이 기술은 다양한 물리적 변형(늘림, 비틀림, 압축 등)에도 견딜 수 있도록 설계됐으며, 반복적인 변형에도 긴 사용 수명을 제공할 수 있음을 입증했다.
이 기술은 특히 실시간으로 운동 데이터를 측정할 수 있는 스마트 저항 밴드에 적용하여 사용자의 운동 강도와 균형을 정밀하게 분석할 수 있으며, 다양한 피트니스 활동에 적용할 수 있다.
또한, 스트레처블 LED 디스플레이는 늘림, 구부림, 비틀림 등 여러 변형에도 안정적으로 작동하며, 차세대 유연 디스플레이 기술의 가능성을 보인다. 더불어, 유연한 태양 전지는 에너지를 저장하고 LED를 구동하는 데 성공해, 에너지 하베스팅과 저장 장치로서의 잠재력을 입증했다.
< BIEFI 기반 스트레처블 LED 배열은 신축, 구김, 굽힘, 말림, 비틀림 등 다양한 변형 환경에서도 안정적인 성능을 유지할 수 있다. 스마트 저항 밴드는 운동 중 신체의 움직임을 실시간으로 측정하여 피트니스 모니터링과 재활 치료 등에 활용될 수 있다. >
박인규 교수는 “이러한 생체 모사형 설계가 차세대 전자 기술을 위한 새로운 표준이 될 수 있으며, 앞으로 인터페이스 설계의 최적화와 접착력 향상, 더욱 복잡한 뿌리 구조 모방 등을 통해 기술을 발전시켜 나갈 계획이다”라고 밝혔다.
이번 연구는 기계공학과 굴 오스만(Osman Gul) 박사과정이 제1 저자로 참여했으며, KAIST의 박인규 교수, 김택수 교수와 ETRI의 김혜진 박사가 연구를 총괄했다.
연구 결과는 유수의 국제 학술지 ‘네이처 커뮤니케이션즈 (Nature Communications)’에 2025년 2월 온라인판에 출판됐다. (논문명: Bioinspired Interfacial Engineering for Highly Stretchable Electronics)
(논문 링크 : https://www.nature.com/articles/s41467-025-56502-9)
한편, 이번 연구는 과학기술정보통신부의 지원을 받아 한국연구재단 중견연구자지원사업 및 정보통신기획평가원(IITP)의 지원 아래 수행됐다.
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연구 25% 늘려도 그대로인 스트레처블 디스플레이 개발
스트레처블 디스플레이는 공간 활용성, 디자인 자유도, 신체와 유사한 유연성 등의 장점으로 인해 차세대 디스플레이로 각광받고 있다. 한국 연구진이 25%까지 늘릴 수 있으며, 이미지 왜곡 없이 선명한 화질을 유지하고 15% 비율로 5,000회 늘렸다 펴도 성능이 안정적으로 유지되는 무변형(음의 푸아송비*) 스트레처블 디스플레이를 국내 최초로 개발해 화제다. *음의 푸아송 비 (Poisson’s ratio of -1): 가로 세로가 같은 비율로 늘어나는 비율로 음(-)의 값으로 표현. 일반적인 물질에서와 같이 가로로 늘릴 때 세로로 수축하는 것을 양(+)의 값으로 표현한다. 우리 대학 신소재공학과 배병수 교수(웨어러블 플랫폼 소재 기술센터장) 연구팀이 한국기계연구원(원장 류석현)과 공동연구를 통해, 신축 시 이미지 왜곡을 억제하는 전방향 신축성을 갖는 스트레처블 디스플레이용 기판 소재를 개발했다고 20일 밝혔다. 현재 스트레처블 디스플레이 기술은 대부분 신축성이
2024-09-20 -
연구 3차원 신개념 스트레쳐블 OLED 개발
우리 연구진이 골프공의 표면처럼 반복적으로 파여 있는 구조를 도입해 실제 닿는 유효 면적을 줄임으로써 면과 면 사이의 점착력을 현저히 줄인다는 아이디어로, 잡아당겨도 성능을 유지하는 신개념 스트레처블 디스플레이를 개발해 화제다. 우리 대학 전기및전자공학부 유승협 교수 연구팀이 동아대 문한얼 교수, 한국전자통신연구원(ETRI) 실감소자 연구본부와의 협력을 통해 세계 최고 수준의 높은 초기 발광 면적비와 고신축성을 동시에 갖는 유기발광다이오드(organic light-emitting diode, OLED) 디스플레이를 구현하는 데 성공했다고 10일 밝혔다. 기존의 신축형 디스플레이에서는 성능과 신축성을 동시에 확보하기 위해, 발광하는 부분은 단단한 고립구조(rigid island)에 위치해 신축 시에도 기계적 변형 없이 우수한 성능을 보이도록 하고, 이들을 연결하는 커넥터 부분은 말굽 모양 등의 구부러진 형태로 구성해 신축에 따라 용이하게 변형할 수 있게 한다. 통상적으로
2024-09-10 -
연구 땀에도 강한 웨어러블 로봇 제어 센서 선보이다
노인, 뇌졸중 환자, 외상 환자들의 다양한 재활치료에 활용되는 웨어러블 로봇이 착용자의 땀, 각질 등에도 끄떡없이 장기간 안정적으로 제어 가능하도록 도와주는 근전도 센서 기술이 개발되어 화제다. 우리 대학 전기및전자공학부 정재웅 교수와 기계공학과 김정 교수 연구팀이 공동 연구를 통해 피부 상태에 영향을 받지 않는 고품질의 전기 생리 신호 측정이 가능한 신축·접착성 마이크로니들 센서를 개발하는 데 성공했다고 23일 밝혔다. 다양한 재활치료에 활용되는 웨어러블 로봇이 사람의 움직임 의도를 인식하기 위해서는 몸에서 발생하는 근전도를 정확하게 측정하는 웨어러블 전기 생리 센서가 필요하다. 하지만 기존의 센서들은 시간에 따라 신호의 품질이 떨어지거나, 피부의 털, 각질, 땀 등의 영향을 많이 받고, 나아가 피부보다 단단한 물성으로 움직임 시 피부 변형을 따라갈 수 없어 노이즈(신호 잡음)를 발생시킬 수 있다. 이러한 단점들은 장시간의 신뢰성 높은 웨어러블 로봇 제어를
2024-01-23 -
연구 쭉쭉 늘어나는 최고 성능의 태양전지 개발
웨어러블 전자소자의 시장 규모가 급격히 커지며 에너지 공급원으로서 잡아당겨 늘려도 작동할 수 있는 스트레쳐블 태양전지가 각광 받고 있다. 이러한 태양전지를 구현하기 위해서는 빛을 전기로 전환하는 광활성층의 높은 전기적 성능과 기계적 신축성 확보가 필수적인데, 이 두 가지 특성은 서로 상충관계를 가지고 있어서 스트레쳐블 태양전지의 구현은 매우 어려운 문제였다. 우리 대학 생명화학공학과 김범준 교수 연구팀이 높은 전기적 성능과 신축성을 동시에 갖는 새로운 형태의 전도성 고분자 물질을 개발해 세계 최고 성능의 스트레처블 유기태양전지를 구현했다고 26일 밝혔다. 유기 태양전지(organic solar cells)는 빛을 받아 전기를 생산하는 광 활성층이 유기물로 구성되는 전자소자로, 기존 무기 재료 기반 태양전지에 비해 가볍고 유연하다는 장점이 있어 몸에 착용할 수 있는 웨어러블 전자소자에 사용 가능하다. 특히, 태양전지는 이러한 전자소자의 전력을 공급하는 필수적인 소자이지만,
2023-12-26 -
연구 기존 반도체 전자소자 공정과 호환되는 신축성 전도체 포토패터닝 방법 개발
우리 대학 신소재공학과 스티브 박, 전기및전자공학부 정재웅 교수 공동 연구팀이 기존의 반도체공정을 이용하여 고해상도로 패터닝할 수 있는 초기전도성이 확보된 액체금속 기반의 신축성 전도체 필름 제작 방법을 개발했다고 밝혔다. 신축성 전도체는 최근 각광받고 있는 사용자 친화형 웨어러블 소자, 신축성 디스플레이, 소프트 로봇의 전자 피부 개발에 핵심 요소로 여겨져 활발하게 연구가 진행되어왔다. 최근 신축성 전도체 중 하나로 높은 전기전도성과 신축성, 낮은 기계적 강성을 동시에 만족하고 안정성도 어느정도 확보가 된 갈륨기반의 액체금속 입자가 전도성 필러로 각광받고 있다. 하지만 액체금속 입자의 경우에는 기계적 불안정성으로 인하여 제한된 형태의 용액공정으로만 사용이 가능했기 때문에, 기존의 금속을 전자소자에 통합하는 방법인 반도체 공정을 이용하는 것이 어려웠다. 이런 이유로, 액체금속 입자 기반의 전자소자는 지금까지 연구실 수준에서 노즐 프린팅, 스크린 프린팅과 같은 제한된 방법으로
2023-07-17