녹는점 낮은 갈륨 활용, 유연성 변화시켜 개발

연구 책임자 / KAIST 정재웅 교수 연구팀

사용 목적과 신체 적용 여부에 따라 딱딱한 형태와 부드러운 형태를 하나의 전자기기에서 선택적으로 구현함으로써 기기의 모양과 유연성을 변화시킬 수 있다.



연구팀이 개발한 기술은 딱딱한 형태의 전자기기와 유연 기기의 경계를 허물어 활용도, 사용 편의성, 휴대성, 생체적합성을 모두 극대화할 수 있어 소비 전자제품뿐 아니라 생체의학, 로봇 공학 등의 다양한 분야에 혁신적 변화를 일으킬 것으로 기대된다.

1. 연구 배경

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 신체에 착용 시 각종 불편함을 일으키고, 생체이식 시 조직 파괴나 염증 등을 유발할 수 있다. 반면 유연 신축성 전자기기는 외력을 견디지 못하고 쉽게 모양이 변하기 때문에 몸에서 탈착 시 일반적인 전자기기와 같이 편리하게 사용하기 어렵다는 단점을 가진다.



2. 연구 내용

연구팀은 갈륨(Gallium)과 중합체(polymer)를 이용한 합성물질을 제작해 온도에 따라 강성률 변화가 가능한 전자 플랫폼을 구현했다. 이를 유연 신축성 전자회로와 결합해 강성률이 변화 가능한 새로운 형태의 전자기기를 구현했다.

갈륨은 이번 연구의 핵심 소재로, 금속임에도 불구하고 생체 온도(29.8℃)에서 녹는점을 가져 신체 탈부착 시 고체와 액체 간의 상태 변화가 가능하다. 이러한 점에 기반해 갈륨을 중합체에 내장해 온도에 따라 강성률 변화가 가능한 전자 플랫폼을 제작했다.

연구팀은 전자기기의 강성도를 변화시킬 수 있는 특징을 활용해 다양한 적용 분야에서 기존 전자기기가 갖는 한계점을 극복할 수 있음을 증명했다. 예를 들어, 이 기술을 휴대용 전자기기에 적용해 평상시에는 딱딱한 형태로 손에 쥔 상태나 책상 위에서 이용하고, 이동 시 몸에 부착해 부드러운 웨어러블 기기 형태로 만듦으로써 휴대성을 높일 수 있음을 보여줬다.

또한, 강성을 변환시킬 수 있는 압력 센서를 개발해 목적에 따라 민감도와 압력 감지의 범위를 조절하는 데 성공했다. 그뿐만 아니라, 뇌 조직에 이식 시 부드럽게 변화하는 뇌 탐침을 개발해 기존 딱딱한 탐침 대비 뇌 손상 및 염증 반응을 최소화할 수 있었다.

이렇게 변형 가능한 전자기기 기술은 웨어러블, 임플랜터블, 센싱기기 및 로봇 등에 적용돼 다양한 목적과 상황에 유동적으로 사용될 수 있는 다목적 전자기기 시스템 개발을 이끌 수 있을 것으로 기대된다.

정 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”라며 “이 기술을 이용하면 전자기기의 활용 폭을 크게 넓힐 수 있을 것이다”라고 말했다.



3. 문제와 기대 효과

먼저 딱딱한 모바일 기기와 부드러운 웨어러블 기기 간의 변환이 가능한 전자기기를 개발하여 두 형태의 디바이스들의 장점을 상황에 맞게 구현할 수 있도록 구현하였다. 이 디바이스의 경우, 딱딱한 형태일 때는 모바일 디바이스 또는 탁상 시계로 사용할 수 있고, 부드러운 형태일 때는 피부에 부착하여 헬스케어 목적으로 체온과 외부 자외선 측정 등 건강 정보를 측정하는 것이 가능하도록 만듦으로써, 개발된 기술로 다목적 전자기기를 구현할 수 있음을 보여주었다.

가변 유연성 전자기기 기술은 측정 민감도와 동작 범위 튜닝이 가능한 센서를 구현하여 기존 센서의 한계 극복 하는데도 사용될 수 있다. 예를 들어, 최근의 전자피부용 압력 센서는 인간 피부와 비슷한 높은 민감도를 가지도록 개발되고 있지만 제한적인 동작 범위로 매우 큰 압력은 측정하지 못하는 단점이 있다.

이러한 한계를 극복하기 위해 본 연구에서는 미세방울 형태의 갈륨을 중합체에 섞어 만든 가변 유연성 합성 소재를 정전용량 기반 압력 센서의 센싱 재료로 활용함으로써, 압력 측정 민감도와 동작 범위를 상황에 맞게 튜닝할 수 있는 압력 센서를 만들었다. 센서가 부드러운 형태일 때는 쉽게 변형이 일어날 수 있어 고민감도를 가지고, 딱딱한 형태일 때는 플랫폼의 변형이 일어나기 어려워지기 때문에 높은 압력을 측정하는 게 가능해져 좁았던 동작 범위를 보완하는데 성공했다.

뿐만 아니라, 생체이식용 디바이스 용으로 조직에 삽입 시 조직과 유사한 물성으로 변화할 수 있는 임플랜터블 전자기기를 개발하여, 가변 유연성 디바이스 기술을 통해 기존 딱딱한 임플랜트 기기가 갖는 한계를 극복할 수 있음을 보여주었다. 본 연구에서는 뇌 조직에 이식 시 부드럽게 변화하는 뇌 탐침을 개발하여, 기존 딱딱한 형태의 탐침과 대비하여 뇌 손상 및 염증 반응을 최소화할 수 있었다. 이러한 이식용 디바이스 기술은 생체적합성을 극대화해 전자기기의 체내 부작용을 최소화한다는 측면에서 많은 의료 기기에 적용될 수 있을 것으로 기대된다.