기존 3차원 전극 배선 한계 해결…반도체 집적화 기대
“피부 부착·삽입 가능 웨어러블 기기 구현 가능할 것”
국내 연구진이 차세대 웨어러블 전자기기에 적용할 수 있는 3차원 전극 배선 기술을 개발했다. 배선 기술은 제한된 면적의 전자 회로 내에서 부품 및 전극을 효율적으로 배치하고 연결하는 기술을 말한다.
14일 기초과학연구원(IBS) 나노의학 연구단 박장웅 연구위원 연구팀은 울산과학기술원(UNIST) 이창영 교수팀과 공동으로 자유자재로 늘어나는 금속 복합체를 제조, 3D 프린팅을 통해 상온에서 세밀하게 3차원 전극으로 배선하는 데 성공했다.
일반적으로 전자 기기 내부에는 각 부품들 간 전기 신호 및 전력이 전달될 수 있도록 미세한 3차원 전극들이 연결한다. 기존의 3차원 미세 전극들에는 금, 구리, 알루미늄 등 늘어나지 않는 금속이 사용됐다. 이 과정에서 사용되는 ‘와이어 본딩’ 기술(미세한 금속 와이어를 서로 다른 회로에 이어 붙이는 기술)은 열, 압력, 초음파 등을 이용하는데 단단한 표면에만 적용될 수 있다.
연구진은 이번 연구를 통해 이러한 한계를 극복한 금속 복합체를 제조했다. 이 금속 복합체는 금속 내에 탄소나노튜브를 균일하게 배치하여 만든 것으로, 높은 신축성을 가진 금속에 구조를 탄탄하게 보존해주는 특성을 가진 탄소나노튜브가 더해져 유연하면서도 3차원 구조를 유지하는 전극 배선이 가능해졌다. 단단한 표면뿐만 아니라 피부처럼 변형이 쉽고 유연한 표면에도 적용될 수 있다.
또 연구진은 열을 가하지 않고 상온에서 3D 프린팅을 하는 3차원 전극 배선 기술도 개발했다. 이 기술은 상온에서 적용 가능하기 때문에 고온에 취약한 재료의 표면에도 적용이 가능하다. 또 뾰족한 노즐을 이용하여 3차원 전극의 구조와 기능을 다양하게 바꿀 수 있다.
아울러 이번 연구에서 연구진은 수백 마이크로미터(µ)에 달하는 굵기로 인해 전극 배선이 세밀하지 못했던 기존 3차원 전극의 한계도 극복했다. 이번에 개발한 기술을 이용하면 3차원 전극의 굵기를 최소 5µ 수준, 즉 머리카락 10분의 1 지름 정도로 가늘게 하여 세밀하고 일정한 전극 배선이 가능하다. 컴퓨터나 스마트폰에 사용되는 반도체 부품을 더 집적화하고 고성능화할 수 있게 된 것이다.
박장웅 연구위원은 “스마트워치, VR 헤드셋 등 웨어러블 전자 기기들이 편안한 착용감을 위해 신체의 곡선과 유사한 형태로 발전되고 있지만, 신체 구조에 맞춰 자유롭게 변형되는 기술은 아직까지 개발되지 않았다”며 “미래에는 자유자재로 잡아당겨 피부에 붙일 수 있는 웨어러블 전자 기기나 체내에 삽입할 수 있는 유연한 바이오 전자 기기를 구현할 수 있을 것”이라고 전망했다.
이번 연구 성과는 국제 학술지 ‘나노 레터스(Nano Letters)’ 15일 11시(한국시간) 표지 논문으로 게재됐다.
