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스트레처블 디바이스(Stretchable devices)의 기술동향

곽현수(포항공과대학교 기계공학부) 2023-05-08

반도체 기술과 전자기기의 혁신은 인간친화적 (Human-interface) 웨어러블(Wearable) 장비 및 사물인터넷 (IoT) 기술을 급속 성장시켰으며, 이와 동시에 하드웨어 역시 소프트하고 신축성이 우수한 디바이스로 자연스럽게 넘어가고 있는 추세이다.

Fig 1. 을 참고 하면, 신축성 기기는 의료, 스포츠 및 소비자 전자 제품을 포함한 다양한 분야에 혁명을 일으키고 있으며 이는 다양한 형태로 존재할 수 있다. 예를 들면, 굽힘 (Bendable)이 가능하거나 접을 수 있는 삼성에서 공개한 폴더블 (Foldable) 휴대폰이 떠올릴 수 있다. 그리고 최근 20년도 CES에서 LG에서 공개한 둘둘 말 수 있는 롤러블(Rollable) TV와 같이 전자 제품의 형태 변형이 가능한 다양한 디자인들이 상용화가 되고 있다. 대다수 전자제품들의 다지인이 Bending, Folding, Rolling 으로 추세가 바뀌고 있다.

기계공학의 관점에서 봤을 때, 이들은 모두 변형에 대한 1축 자유도를 갖고 있다고 볼 수 있다. 즉, 변형시 발생되는 응력의 방향은 모두 단축으로 작용되고 있다. 만약 해당 제품들을 비틀리거나 혹은 다른 방향으로 늘리게 된다면 아마 쉽게 부서지거나 고장을 야기할 것이다. 따라서 이보다 더 어려운 기술을 요구하는 것은 바로 신축성(Stretchable) 전자기기이다. 신축성 소자는 기존 기술보다 한 층 더 업그레이드 되어 자유자재로 형태가 바뀜과 동시에 본연의 성능은 잃지 않는 기술을 포함한다.

신축성 전자 소자는 최근 몇 년동안 국내외 연구진에게 매우 인기를 끈 분야로서 특히 헬스케어에 대한 관심이 많은 요즘 시대에 스포츠 및 의료용 전자 제품에 혁명을 일으킬 수 있는 유망한 기술로 급부상하고 있다. 따라서 이러한 신축성 소자가 바로 플렉서블 혹은 소프트한 유연 전자 소자의 뒤를 이을 수 있는 차세대 기술로 예측되고 있다. 이러한 장치는 외부 신장 (Stretching) 혹은 압축 (Compression) 에 대응하여 소자 본래의 기능을 유지하도록 설계가 되야만하고 더 나아가서 다른 전자 제품에 통합 혹은 패키징되어 새로운 기능을 부여할 수 있는 브릿지 역할을 도와준다. 이들의 신축성능은 기존 플렉서블한 제품에 비하여 상대적으로 높을 수 있고 변형의 자유도 역시 높기 때문에 일반적으로 신체, 피부, 의복과 같이 임의의 외력이 작용될 수 있는 표면에 부착하여 사용하게 된다.

인간친화적 어플리케이션 뿐만 아니라 디스플레이, 태양광 패널, 2차전지, 우주산업, 로봇등 다양한 곳에 응용이 가능할 수 있다. 하지만 현재의 기술력으로 미루어볼 때 신축성소재 및 부품에 대한 상용화는 아직 초기 단계라고 판단되며 무긍무진한 연구분야라고 생각된다. 따라서 이번 기술 동향에서는 신축성 장치의 연구 현황 및 기술 동향에 대하여 설명을 해보도록 한다.

4차 산업시대의 도래와 함께 전자기기 (Electronic devices)의 형태는 유연하고 신축성 있는 디자인을 추구하고 있다.

Fig 2.는 전자제품을 구성하고 있는 하드웨어의 변화 양상을 보여주고 있다. 수십년전의 전자기기의 형태는 Rigid하고 평평하고 플랫한 형태로서 내구성에 초점을 둔 설계 형태를 보여주고 있다. 대부분의 제품에 탑재되는 물질은 FR-4 (강화 에폭시), 세라믹, 혹은 실리콘과 같은 Brittle한 물질들을 사용하였다. 이러한 물질들은 제한된 유연성능을 보유하고 있어 구부리거나 내부 열응력 매우 민감하여 쉽게 깨질 수 있었다. 이러한 문제점들을 보완하고자 추가적인 설계 및 조립 공정이 투입되다 보니 전체적인 사이즈가 커질 수 밖에 없었고 휴대성의 문제가 대두되어 왔다. 재료 및 소자 기술이 발전함에 따라서 폴리이미드, 폴리에스테르 혹은 폴리머와 같은 유연한 소자의 개발이 도입됨으로써 기존 Brittle한 재료를 벗어나 유연한 전자 장치의 제조가 가능하였다. 이는 경량화, 휴대성, 내구성 등 다양한 장점으로 인해 시장에서 인기를 끌 수 있었고 가전, 헬스케어, 자동차 등 다양한 분야에 적용할 수 있었다. 유기물질 혹은 폴리머계열의 재료들의 도입은 실리콘과 같은 전통적인 기판에서 벗어나 AMOLED, OLED, 폴리이미드 등 가볍고 유연한 소자의 개발로 이어졌다. 또한 유기 반도체 또는 탄소 나노튜브와 같은 물질은 가볍고 박막으로 가공될 수 있어 유연한 전자 제품을 만드는데 일조하였다.

Fig 2를 참고하면 이러한 기술이 적용된 Flexible한 트랜지스터, 태양광 패널을 확인할 수 있다. 플렉시블 전자 장치가 구부러지거나 접힐 때 응력이 곡률 지점에 집중될 수 있기 때문에 이를 방지하기 위해 단면이 있는 얇은 코팅막을 추가하거나 장치 중앙에 힌지를 도입한다. 코팅 필름 또는 힌지는 응력을 더 넓은 영역에 분산시켜 취약한 장치 층의 압력을 줄이고 손상을 방지하는 데 도움이 되기 떄문이다.

이 다음 세대로 각광 받는 것은 보다 다양한 형태와 변형에 적응할 수 있는 훨씬 더 유연한 전자 장치인 스트레쳐블 디바이스이다. 스트레처블 디바이스는 웨어러블 디바이스, 바이오 헬스 케어 등 높은 외부 응력을 야기할 수 있는 환경에 보다 적합하다. 구부리거나 혹은 롤링하는 경우와 비교해서 기기를 늘리는 (stretching) 행위는 구성 요소에 10 배 이상의 물리적 스트레스를 가하여 기계적 파괴를 쉽게 야기한다고 하기 때문에 보다 정교한 연구가 필요한 상황이다.

따라서 신축성 장비에 있어서 첫 번째 이슈는 이러한 내구성 (Durability) 및 신뢰성 (Reliability)을 확보는 것이다. 반복적으로 늘어나거나 구부러질 수 있기 때문에 구성 요소에 발생될 수 있는 기계적 응력과 변형에 대처해야만 한다. 이러한 구조적 강건성을 확보하기 위해서는 높은 신축성능에도 본연의 성질을 잃지 않는 신소재 및 유연소자의 개발이 필수적이다. 외부의 기계적 응력, 변형 및 노출될 수 있는 환경적 요인에 대해 유연하게 대처하고 장기적으로 신뢰성, 기능성 및 안전성을 보장할 수 있는 신축성 전자 장치의 개발은 중요하다. 따라서 신축성 전자 장치의 설계 및 제조를 하기 위해서는 무엇보다 내구성에 우선순위를 두어야 한다.

이외에도 현재 신축성 장비가 해결해야할 문제점들이 어떤것들이 있는지 알아보자.
스트레처블 기기 개발을 위해서는 내구성 뿐만 아니라 몇 가지 기술적 문제점들이 존재한다. 이들이 극복해야할 문제점들은 Fig 5에 다섯가지로 제시할 수 있다.

첫 번째로 대두되는 이슈는 바로 재료 호환성 (Material Compatiability) 이다. 예를 들면, Fig 3은 일반적인 Stretchable transisor의 시스템적 모식도를 나타낸다. 이렇게 스트레처블 기기는 크게 보면 소자를 담아두고 있는 유연한 기판 (Substrate) 층과 전기 전도성 혹은 특별한 기능을 수행하는 소자(Electrodes)의 형태로 이루어진다. 신축 성능을 구현하기 위해서는 해당 기기에 탑재되는 각각의 구성요소들이 탄성체 혹은 연신성능이 우수해야한다. 또한 그러한 조건 하에 소자층은 본인의 전기적 성능을 잃지 않고 기능을 수행해야만 한다. 따라서 이들을 구성하는 각각의 재료를 선정하는 것은 매우 중요하다. 예를 들면, 저항값이 상대적으로 높은 발광 다이오드 혹은 디스플레이와 같은 신축성 소자를 개발하기 위해서는 내부 구성요소들이 강한 열 응력을 견딜 수 있는 이러한 재료를 사용해야 한다. 이러한 재료를 사용하는 것은 호환성을 보장할 수 있고 성능을 최적화할 수 있기 때문에재료적인 호환성을 확보 하는 것은 매우 중요한 과제가 될 수 있다.

두 번째로는 제조 (Manufacturing)의 복잡성 및 높은 난이도이다. 추후에 구체적으로 소개하겠지만, 현존하는 신축성 장치들을 제조하는 방법은 전문적인 화학적인 공법들을 요구한다. 스퍼터링, 증착, 3D 프린팅 기술 혹은 포토리소그래피와 같은 마이크로 및 나노 수준의 제작 방법이 요구된다.

이들의 제작 방식을 설명하기 전에 Fig 4. 를 확인할 수 있다. 이들은 현재 개발된 Stretchable 디바이스에서 가장 흔히 볼 수 있는 구조들이다. 단편적으로 말씀드리면, 일반적으로 서펜타인 (Serpentine) 구조 형태를 갖는 소자를 위해서는 PDMS (polydimethylsiloxane)과 같은 실리콘 기반 탄성중합체 신축성 기판위에 해당 전자 구성 요소의 증착을 해야한다. 이 과정에서 포토리소그래피, 증착 또는 잉크젯 인쇄와 제작 기술과 회생층을 제거하는 등 단일 공정상 필요로하는 전문 장비 혹은 지식들이 높은 수준을 요구한다. 이와 달리 주름 (Wrinkling) 혹은 웨이비한 구조를 제작하는 방식은 화학적인 프린팅 방식을 최소화 하고 순수한 기계공학적인 원리를 활용하여 주름 전극 구조층을 제조할 수 있는데, 이는 사전 인장 (Pre-stretching) 방식으로 제조가 가능하다. 해당 부분은 추후에 구체적으로 알아보도록 한다. 하지만 이 방식은 기계적인 조건이 까다롭고 온도, 습도, 경계조건 등 외부 요인에 민감하여 제조 수율 혹은 재현성이 낮아 균일하지 않은 주름층이 형성될 수 있다. 또한 높은 신장률을 보유하지 않을 수 있어서 적용 가능성에 한계가 있다. 이외에도 Mesh-isaland 혹은 Island-bridge 구조로 불리우는 타입 역시 매우 복잡하게 제조될 것이다. 종이접기로 볼 수 있는 키리가미 구조는 높은 변형률을 확보할 수 있어서 색다른 제조 방법으로 보일 순 있지만, 구조물 특성상 외부 응력에 쉽게 끊어질 수 있으며, 커팅되는 과정이 손수작업으로 이루어지기 때문에 단순제조에 어려움이 있을 수 있다.

현재 다양한 Stretchable 한 타입 구조물이 제안되고 있는 상황임에도 불구하고확장 가능하고 효율적인 최적화된 제조 공정은 여전히 해결되야할 과제이다. 신축성 전극은 재료 자체의 특성과 설계시 고려사항 및 검증사항이 기존의 전자 장치에 비해 까다롭다. 따라서 높은 정밀도와 신뢰성으로 대규모로 확장 가능한 제조 공법을 개발하는 것은 웨어러블 기술, 바이오메디컬 장치 및 소프트 로봇 공학을 포함한 다양한 응용 분야에서 광범위하게 채택하기 위해 매우 중요한 이슈이다.

세번째는 통합 (Integration) 및 패키징(Pacakaging) 이다. 신축성 장치는 일반적으로 기능적인 시스템을 구성하기 위해 타 부품과 상호 연결이 되면서 하나의 전자구성 요소로 탑재되는 것이다. 이를 위해서는 Interconnecting 부분을 고려해야하는데, 신축성 기기의 파손이나 손상없이 이들을 통합하는 것이 가능한지에 대해선 아직 의문이 존재한다. 또한 이들은 별도의 전원 공급장치가 없기 때문에 이들이 갖고 있는 신축성 물성에 영향을 주지 않으면서 장치에 통합될 수 있는 시스템이 필요하다. 전원장치 자체가 연신성능이 존재하지않는다면 이 또한 특수한 배터리 혹은 스펙을 요구할 수 있다. 특히 신축성능을 확보하면서 보호층 Encapsulation 과 같은 공정이 부수적으로 혼합되어 디바이스의 부피가 상대적으로 커질 수 있다. 또한 제품의 평탄도 (Flatness)가 확보되지 않는다면 다른 디바이스에 패키징하는 과정에서도 문제가 발생한다. 통합 및 패키징 문제를 해결하기 위해서는 근본적으로 스트레처블 디바이스 역시 경박단소 (얇고 가벼운) 변화를 따라야 하기 때문에 위와 같은 설계 요소를 고려하면서 스케일을 다운시키는 것은 현시점에서 어려운 과제라고 생각한다.

마지막으론, 표준화 (Standardzation) 라고 생각한다. 현재 신축성 장치에 대한 표준화된 테스트 방법은 부족한 상황이고 서로 다른 설계와 재료에 대해서 비교하고 평가를 하고 있다. Stretchable 디바이스와 관련된 연구 내용을 살펴보면 신장률에 따른 전기저항도의 변화와 같은 측정을 진행하고 있는데, 이들의 테스팅 과정 역시 개이적인 기준에 따라서 진행되고 있다. 기계 및 전기적 테스팅 장비에 대한 획일화 된 장비의 도입이 시급하다.

따라서 지금까지 스트레쳐블 기기에 대한 발전방향과 기술동향에 대하여 간단하게 알아보았다. 현재 스트레쳐블 기기에 관련된 연구가 나아가야할 방향과 이들이 극복해야할 난제들 그리고 이들을 위해선 어떠한 노력이 요구되는지 알 수 있었다. 이러한 문제를 해결하려면 재료 과학, 엔지니어링, 전자 및 제조 분야의 전문 지식을 포함하는 다학제적 접근 방식이 필요하다.

스트레쳐블 연구는 아직까지 현재진행형이고 넘어야할 과제들이 많다. 일반적으로 신축성전자기기의 연구 방법은 크게 두 가지 관점으로 진행되고 있다.

Fig 6을 참고하면 신축성 및 유연한 소자를 개발하기 위해서는 재료적인 혁신(Material innovation)과 신개념의 구조물(Novel Structrue)의 복합적인 전략을 통하여 연구개발이 진행되고 있음을 알 수 있다. 일반적으로 신축성 소자는 파손되지 않고 변형 및 신축될 수 있는 재료를 개발하는 것으로서 전기적 특성을 유지하면서 기계적 변형과 변형을 견딜 수 있는 재료의 조합으로 만들어진다.

가장 대표적으로 쓰이고 있는 재료들은 전도성 고분자(Conductive polymer)로서 폴리아닐린, 폴리티오펜 및 폴리(3,4-에틸렌디옥시티오펜)(PEDOT)이 해당된다. 탄소 나노튜브 역시 탄소 원자로 만들어진 작은 튜브로 전기 전도성과 기계적 강도가 뛰어나 신축성 전극으로 사용하기에 이상적이다. 이러한 탄소 나노튜브는 호환성이 좋아 폴리머 혹은 Elasotmer를 포함한 다양한 매트릭스에 통합될 수 있다. 혹은 금이나 은과 같은 얇은 금속 나노 와이어도 신축성 전극으로 사용될 수 있다. 그래핀은 탄소 원자가 벌집 모양의 격자 모양으로 배열된 2차원 물질인데 이들 역시 전기 전도성과 기계적 강도가 뛰어나 신축성 전극으로 사용하기에 좋다. 새로운 구조물의 개발은 재료적인 발달보다는 기구학적 혹은 기계적인 원리로 외부 응력에 대하여 유연하게 대처할 수 있는 설계 구조를 개발하는 것이다. 구체적인 예시로는 주름 형상(Wrinkling or Wavy strtucture), Island-Bridge structure, 직물(Textile), Origami 혹은 Kirigami 구조, 균열(Cracking) 등이 사용 되고 있다.

보다 구체적으로 스트레쳐블 개발을 위한 재료 혹은 구조적 방향성에 대한 연구 동향을 설명을 하고자 한다. 이번 동향에선, 신축성 소자에서 널리 사용되는 액체 금속과 관련된 이야기를 해보려고 한다.

액체 금속(Liquid Metal)은 신축성 전극에 사용에 최적화된 재료 중 하나이다. 액체 금속의 장점은 변형되어도 높은 전기 전도성을 유지할 수 있다는 것이다. 또한 액체 형태이기 때문에 쉽게 성형될 수 있고 패턴 제작에 유리하기 때문에 신축성 전자재료에 사용된다. 대표적으로 갈륨(Gallium)을 기반으로 하는 액체 금속은 신축성 혹은 소프트한 소자 제조에 근간이 되고 있다. 갈륨 기반의 액체 금속은 수은과 같은 금속에 비하여 독성이 낮고 고유한 증기 압력(Vapor pressure)가 없기 때문에 취급할 때 안전한 것으로 간주된다. 또한 갈륨금속은 표면에 산화물이 존재하기 때문에 유체를 주입하고 3D 인쇄등과 같은 프린팅 제조 기술에 활용되기 쉽고 유용한 모양으로 패턴화할 수 있다. 현재 상용화 되는 액체 금속중 가장 많이 활용되는 것은 EGaIn이다. EGAIN은 Eutectic Gallium-Indium의 약자로서 거의 최저 온도에서 융해되는 상태(Eutectic)에 가까운 비율로 갈륨(Ga)과 인듐(In)으로 구성된 액체 금속 합금의 일종이다.

Fig 7는 해외 연구팀이 EGaln 을 활용하여 유연하고 신축성 있는 마이크로채널 센서를 제작한 연구 결과이다. 해당 채널의 패터닝은 SU-8기반의 포리소그래피의 방식을 적용하였다. Susbstrate 층은 Elasotmer (Ecoflex)를 활용하였다. 어드밴스드 본딩 방식을 사용하여 두 EcoFex사이에 마이크로 패터닝 된 EGaIn을 붙여 제작 하였다. 이렇게 EGaIn 물질과 Ecoflex로 제작된 신축성 마이크로 채널은 변형률이 약 495% 까지 도달이 가능하다고 보고된다⁹.

또 다른 예시로, 최근에는 액체금속을 탄성중합체 (Elastomer)에 믹싱한 복합물질로 사용하면 액체금속의 신축 성능을 보다 강화시킬 수 있다는 것이 밝혀졌다¹⁰. 흔히 Liquid Metal Composite 혹은 Liquid Metal Elastomer 로 불리는 물질은 EGaIn 과 같은 액체금속을 PDMS 혹은 Ecolfex와 같은 실리콘 계열 매트릭스 혹은 필러에 내장하여 경화시키며 제작한다. 또한 해당 필러에서 가교결합된 폴리머와 액체 금속사이의 독립적인 분자구조를 구성하기 위해서는 액체 금속의 형태가 Micro-droplet 형태일 때 극대화 된다.

Fig 8은 기존 액체 금속에 비하여 유동성이 향상되고 자가 치유가 가능한 Multi-Function 기능을 수행할 수 있는 LM 복합 물질에 대하여 제시한다. Fig 8에 따르면 액체 금속은 미세 유체 공정을 사용하여 미세 물방울 형태로 만들어질 수 있다. 액체 금속이 일련의 작은 채널과 장애물을 포함하는 채널을 통해 통과되면 수십 마이크로미터 크기의 작은 물방울로 분해가 되도록 설계하였다. 이렇게 제작 된 Micro-droplet 형태로 액체 금속은 PDMS 내부 매트릭스 가교 결합에 믹싱되고 높은 Strain 임에도 불구하고 전기전도성은 거의 일정하고 Elastical 거동을 보이는 것을 확인할 수 있다.

또한 Fig8의 아래 그림은 액체-금속 엘라스토머 복합체(Liquid Metal Embeded Elasotmer)의 성능 분석에 초점을 맞춘 것을 의미한다. 이들은 초 실리콘 고무 내 EGaIn과 젤라틴 기반의 분산으로 제작된 재료를 사용하였다. 이들의 결과 그들은 무시할 수 있는 전기 기계적 결합으로 100%를 초과하는 변형에 대해 10⁴Sm^-1 의 부피 전도도를 유지할 수 있다는 것을 입증했다. 또한 작은 전기 기계적 결합으로 상당히 높은 전기 전도도(>10⁵Sm^-1) 와 기존 Strain의 한계점인 600% 를 뛰어넘을 수 있는 복합체임을 입증했다.

또한 해당 실리콘 복합체는 200% 넘는 연신성능에도 불구하고 전기 저항의 변화율이 일정함을 보여준다. 액체-금속 복합 재료는 매트릭스 재료 특성 뿐만 아니라 액체-금속 방울의 부피 비율과 크기를 제어하여 조정할 수 있는 다양한 전기적 및 기계적 특성을 제공한다. 또한 높은 파괴 인성과 자가 치유 능력을 보여 소프트 로봇 공학, 웨어러블 전자 장치 및 기타 신축성 장치에 적용하기에 매력적인 재료이다.

Stretchable devices
Wearable
Bendable
Foldable
Bending, Folding, Rolling

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