광주과학기술원(GIST) 고흥조 교수 연구팀이 기존 고성능의 평면소자를 자동으로 3차원 형태로 변형시킬 수 있는 기술을 개발했다.

미리 설계한 형태로 변형할 수 있고 손으로 제어하기 힘든 작은 패턴이나 복잡한 구조도 구현할 수 있어 3차원 구조체가 필요한 센서, 디스플레이, 생체 로봇 등에 널리 활용될 수 있을 것으로 기대된다. 웨어러블 디바이스, 생체 로봇 등이 원하는 대로 자유자재로 구동하기 위해서는 전(全) 방향 통신이 가능한 이미지 센서, 디스플레이 소자, 에너지 소자 등과 같이 3차원 형태의 전자소자가 중요하다.

3차원 구조체에 전자소자를 직접 제작하는 공정에 대한 연구가 활발하지만 기존 평면 실리콘 기판 기반의 반도체 공정 수준을 따라잡기는 힘든 실정이었다.

반면 평면 소자를 3차원 형태로 변형시킬 수 있게 되면 기존 반도체 공정기술로 만든 고성능·고집적 평면형 전자소자를 그대로 활용할 수 있다. 다만 10마이크로미터(µm) 이하의 아주 얇은 유연 전자소자를 원하는 형태로 변형하려면 소자의 안정성이 뒷받침되어야 하며 입체로 변형시키는 고도의 기술이 필요하다.

연구팀은 가전이나 자동차 부품에 널리 쓰이는 고분자, ABS 수지 기반으로 원하는 형태로 자동으로 변형할 수 있는 가변형 프레임을 제작했다. 수동으로 형태를 변형할 때 따를 수 있는 손상을 완화하는 한편 손으로 만들기 힘든 복잡한 형태도 구현할 수 있어 의미가 있다.

먼저 노즐이 내용물을 밀어내듯 소재를 압출하는 방식의 3D 프린팅을 이용해 전단응력(면의 표면에 밀리듯이 작용하는 응력)을 갖는 ABS선을 ABS 필름 위에 인쇄했다. 그리고 일정 온도 이상으로 가열해 유동성을 부여하면, 전단응력이 해소되면서 평면에서 3차원 형태로 변형시킬 수 있는 상태로 유도한 것이 핵심이다.

실제 만들어진 가변형 고분자 프레임에 금속전극과 산화물 반도체 소자를 장착하고 형태를 변형시킨 결과, 전극과 소자에 작용하는 응력이 현저히 감소해 안정적으로 구동하는 것을 확인했다.

고성능의 평면 전자소자를 그대로 활용해 자동으로 입체로 변형할 수 있는 실마리를 제시한 이번 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 중견연구지원사업의 지원으로 수행되었고 신소재 분야 국제학술지 ‘어드밴스드 펑셔널 머티리얼스(Advanced Functional Materials)’에 11월 18일 게재되었다.