차세대 웨어러블 전자 기기에 적용할 수 있는 3차원 전극 배선 기술이 개발됐다. 많은 전기 회로 부품들은 하나의 판 위에 분리할 수 없는 형태로 결합되어 기능을 한다. 이 부품들은 전극이라는 전선 구조물을 통해 전기적으로 연결되어 있다. 전기 회로 내에서 전극 및 부품들을 효율적으로 배치하고 연결하는 기술을 ‘배선 기술’이라고 한다.

▲ 3D 프린팅을 통해 상온에서 세밀하게 3차원 전극 배선이 가능해졌다.

박장웅 IBS 나노의학 연구단 연구위원 연구팀은 자유자재로 늘어나는 금속 복합체를 제조하고, 3D 프린팅을 통해 금속 복함체를 상온에서 세밀하게 3차원 전극으로 배선하는 기술 개발에 성공했다. 우리가 사용하는 전자 기기 내부에는 미세한 3차원 전극들이 존재하는 데, 전기 회로의 한정된 면적 내에서 부품을 수직 방향으로 쌓아올려 배선의 효율성을 높여준다.

▲ 단차가 있는 칩 형태에 3D 프린팅 된 금속 복합체의 3차원 구조.

이번 연구에서는 금속 내에 탄소나노튜브를 균일하게 배치하여 금속 복합체를 만들었다. 뛰어난 신축성을 가진 금속과 구조를 탄탄하게 유지해주는 특성을 가진 탄소나노튜브가 더해졌다. 단단한 표면뿐만 아니라 피부처럼 변형이 쉽고 유연한 표면에도 전극 배선이 가능해진 것이다.

연구진은 열을 가하지 않고 상온에서 3D 프린팅 하는 3차원 전극 배선 기술도 개발했다. 이 기술은 상온에서 적용 가능하기 때문에 고온에 취약한 다양한 재료의 표면에도 적용 가능하다. 또한 뾰족한 노즐을 이용하여 3차원 전극의 구조와 기능을 다양하게 바꿀 수 있다.

이번에 개발한 3차원 전극 배선 기술을 이용하면 3차원 전극의 굵기를 최소 5마이크로미터 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.

▲ 아치 형태로 3D 프린팅 된 금속 복합체. 다양한 종횡비로 기존의 전극을 뛰어넘는 형태의 새로운 전극 형성이 가능하다.

박장웅 연구위원은 “스마트워치, VR 헤드셋 등 웨어러블 전자 기기들이 편안한 착용감을 위해 신체의 곡선과 유사한 형태로 발전되고 있지만, 사용자의 신체 형태에 맞게 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.

연구결과는 국제학술지 나노 레터스(Nano Letters) 8월 15일자 온라인 판에 실렸다.

IBS 커뮤니케이션팀
박인혜