고체→액체, 상황에 따라 물성 변하는 전자기기 개발

[아이뉴스24 최상국 기자] 책상 위에서는 단단한 고체 형태를 유지하다가 몸에 착용하면 부드럽게 바뀌는 '물성 가변형' 전자기기가 등장할 가능성이 높아졌다.

6일 KAIST 전기및전자공학부 정재웅 교수 연구팀은 사용 목적과 신체 적용 여부에 따라 딱딱한 형태와 부드러운 형태를 하나의 전자기기에서 선택적으로 구현할 수 있는 기술을 개발했다고 발표했다.

연구팀이 개발한 기술은 기기의 모양과 유연성을 상황에 따라 변화시킬 수 있어 전자제품은 물론 생체의학, 로봇 공학 등 다양한 분야로의 응용이 기대된다.

KAIST 변상혁 연구원과 한국전자통신연구원의 심주용 박사가 1저자로 참여하고 이주현, 라자 콰지(Raza Qazi) 연구원 등이 참여한 이번 연구는 국제 학술지 ‘사이언스 어드밴시스(Science Advances)’ 11월 1일 자에 게재됐다. (논문명: Mechanically transformative electronics, sensors, and implantable devices).

일반적으로 전자기기는 사용 목적에 따라 특정 강성을 갖도록 설계된다. 스마트폰, 노트북은 딱딱한 형태로 손에 쥐거나 테이블 위에 놓고 사용하기 적합하고, 최근 활발히 개발되는 유연 신축성 전자기기는 착용성이 뛰어나 웨어러블 형태로 활용되고 있다.

하지만 딱딱한 형태의 전자기기는 착용이 불편할 수 있고 생체이식 시에는 조직 파괴나 염증 등을 유발할 수 있다. 반면 유연 신축성 전자기기는 외력을 견디지 못하고 쉽게 모양이 변하는 단점을 가진다.

연구팀은 갈륨과 중합체(폴리머)를 이용한 합성물질을 제작해 온도에 따라 강성 변화가 가능한 전자 플랫폼을 개발하고 이를 유연 신축성 전자회로와 결합해 강성률이 변할 수 있는 새로운 형태의 전자기기를 구현했다.

이번 연구의 핵심인 갈륨은 금속임에도 불구하고 녹는점이 낮은 특성을 띤다. 고체일 때는 높은 강성률(9.8 GPa)을 갖지만 생체온도인 29.8℃에서 액체로 변한다. 신체에 착용하면 체온에 의해 액체가 되기 때문에 탈부착 시 고체와 액체 간의 상태 변화가 가능하다. 연구팀은 이를 활용해 갈륨을 중합체에 내장해 온도에 따라 강성률 변화가 가능한 전자 플랫폼을 제작했다.

연구팀은 전자기기의 강성을 변화시킬 수 있는 특징을 활용한 다양한 응용 가능성을 제시했다. 휴대용 전자기기에 적용해 평상시에는 딱딱한 형태로 책상 위에서 이용하고, 이동 시에는 몸에 부착해 부드러운 웨어러블 기기 형태로 만들 수 있다. 또한 뇌 조직에 이식 시 부드럽게 변화하는 뇌 탐침을 개발해 뇌 손상 및 염증 반응을 최소화할 수 있다.

정재웅 교수는 “평상시 딱딱한 형태의 전자기기로 쓰이나 몸에 부착 시 혹은 내부 장기에 이식 시 우리 신체 조직처럼 부드럽고 신축성 있게 변환될 수 있는 기기 플랫폼 기술 개발을 통해, 일반적인 전자기기와 유연 기기가 갖는 단점은 없애면서 사용 목적에 따라 각각의 장점을 극대화할 수 있는 전자기기를 개발했다."면서 "이 기술을 이용하면 전자기기의 활용 폭을 크게 넓힐 수 있을 것”으로 기대했다.

이번 연구는 한국연구재단 신진연구자지원사업 및 기초연구실 지원사업의 지원을 받아 수행됐다.

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