아주대, 자유롭게 접고 펼치는 전자장치 신기술 개발

[이데일리 신하영 기자] 아주대 연구진이 전자장치의 접힘 부위에서 발생하는 전도성 저하와 내구력 한계를 동시에 해결하는 신기술을 개발했다. 2D 평면 상태의 전자장치를 자유롭게 접고 펼쳐 3D 입체구조로 변형 가능한 차세대 디스플레이·웨어러블 기기의 상용화를 앞당길 핵심 기술로 평가받는다.

사진=아주대 제공

아주대는 한승용(사진) 기계공학과 교수팀이 이러한 연구 성과를 거뒀다고 12일 밝혔다. 이번 연구에는 기계공학과 박사과정의 공도현 학생, 석사과정의 황수현·강민지 학생이 제1 저자로 참여했으며 한승용 교수는 교신저자를 맡았다. 연구 결과는 국제 저명 학술지(npj Flexible Electronics) 11월 호에 게재됐다.

연구팀은 고강도·고유연 섬유 강화 오리가미 전자장치를 개발하는 데 성공했다. 오리가미(Origami)는 ‘종이접기’를 뜻하는 말로 유연한 전자소자를 통해 접었다 펴는 등 형상을 3차원 으로 변형할 수 있는 기술이다. 최근 오리가미 구조를 디스플레이 등 전자장치에 적용하려는 시도가 활발하다. 얇고 가벼운 2D 평면 상태의 종이를 여러 방식으로 접어 다양한 3D 입체구조를 만들 수 있어서다.

아주대는 “종이접기처럼 연한 소재를 활용해 제약 없이 여러 번 접었다 펴거나, 구겼다가 펼 수도 있는 전자장치의 구현이 가능해지면 우리가 꿈꾸는 차세대 디스플레이뿐 아니라 우주산업과 웨어러블 기기, 소프트 로봇 등의 분야에 활용이 가능하다”고 설명했다.

그동안 이러한 기술이 실제 제품에 적용되지 못한 가장 큰 이유는 2차원의 평면을 접어 3차원의 구조를 만드는 과정에서 나타나는 접힘 부위의 전도성 변화와 내구력 저하 때문이다. 여러 번 접고 펴는 과정에서 전극이 찢어지거나 전도성이 급격히 떨어지면서 성능이 불안정해지고, 반복된 변형으로 인해 내구성이 크게 떨어지는 한계를 가지고 있는 것. 이는 평면 구조의 전자장치가 입체구조로 발전하는 과정에서 반드시 해결해야 할 문제로 여겨져 왔다.

연구팀은 이러한 한계를 극복하기 위해 섬유, 그중에서도 ‘나일론’을 이용해 이러한 문제를 해결했다. 연구팀은 접을 수 있는 유연한 고분자 소재 기반의 전극(PEDOT:PSS)에 찢어지지 않는 나일론 섬유를 내장한 복합체를 적용했다. 연구팀이 개발한 유연 전극은 디스플레이 장치를 접는 과정에서 발생하는 문제를 최소화하고 전도성 변화를 억제, 반복 접힘 시 발생하던 성능 저하 문제를 근본적으로 해결했다. 나일론이라는 섬유가 유연한 소재를 보완해 찢어짐을 방지하고 내구성을 높일 수 있었던 것이다.

이번 연구는 한국연구재단 중견연구사업 등의 지원을 받아 수행했다. 한승용 교수는 “그동안 오리가미 기술이 적용된 전자장치가 상용화되지 못했던 가장 큰 걸림돌이 바로 접힘부위의 전도성 불안정과 내구성 저하였다”라며 “이번 연구를 통해 이러한 문제를 해결하는 방안을 찾아낸 것으로 나일론 이외의 다른 섬유로도 확장이 가능할 전망”이라고 했다. 한 교수는 이어 “이번 성과가 평면과 입체를 자유롭게 오가는 차세대 4D 디스플레이 및 웨어러블 전자기기 개발의 뿌리 기술이 될 수 있기를 기대한다라고 덧붙였다.