우리 학교 기계공학과 박인규 교수 연구팀이 사용자 맞춤형 3D 형상의 웨어러블 전자장치 제조 관련 원천 기술을 개발했다고 지난달 13일 밝혔다. 해당 기술은 미래의 주요 기술로 주목받는 사용자 맞춤형 전자장치의 개발에 있어서 기존의 제작 공정의 문제점을 해결하여 차세대 웨어러블 전자장치 개발의 전환점이 될 수 있는 계기가 될 것으로 기대된다. 제 1 저자로 최중락 박사과정 학생과 교신저자로 박인규 교수가 참여한 해당 논문은 융합연구 분야 최상위 학술지인 <사이언스 어드벤스(Science Advances)> (2020년 기준 impact factor 14.14)지에 게재되었다. 

기존 웨어러블 전자장치의 문제점과 개발된 기술의 원리

    웨어러블 전자장치는 가장 흔하게는 액세서리형(스마트 안경, 스마트 워치 등)에서부터 직물/의류 일체형(직물 센서, 스마트 웨어 등)이나 신체부착형(스킨 패치형 센서 등)에 이르기까지 다양한 종류가 개발되며 차세대 IT 시장의 격전지로서 주목받고 있다. 특히 시계나 안경처럼 획일화된 디자인이 아니라, 착용자의 신체 부위에 딱 들어맞는 맞춤형 디자인을 필요로 하는 제품들이 점차 출시되고 있다. 이에 따라 관련 연구 과제로서 신축성(stretchability), 착용성(conformability), 그리고 사용자 맞춤 제작 가능(customizability)의 세 마리 토끼를 모두 잡을 수 있는 전자장치의 필요성이 제시되었다. 특히 기존의 웨어러블 전자장치들은 대부분 필름 형태와 같은 이차원의 신축성을 가지기 때문에, 입체적이고 복잡한 형태인 삼차원 형상의 제품에 활용함에 있어 어려움이 있다는 문제점이 지적되고 있다.

    연구팀은 해당 문제를 열 성형 기술 및 사전왜곡 패터닝 기술을 통하여 해결하고자 하였다. 먼저 원하는 3D 전자장치를 디자인하고 이를 사전왜곡 패터닝 기술을 통해 2D 필름에 인쇄한다. 그 이후에 열 성형을 통해 원하는 3D 형상을 가지도록 성형한다. 이때 열 성형 과정을 거치기 때문에 설계자가 기대하는 디자인으로 자유로이 형태가 변할 수 있다는 점과 더불어 3D 몰드의 형태와 표면 질감까지 복제하여 착용감을 향상시킬 수 있다. 또한 사용된 전극 기판의 경우 열 성형이 가능한 고신축성 물질이기 때문에, 제작된 3D 전자장치의 경우 고신축성, 기계전기적 안정성을 보여준다. 

추후 적용 분야 및 후속 연구

    해당 연구에서는 원천 기술을 이용한 센서와 액추에이터, 스피커와 무선 IoT 기기 등에 적용하여 활용 가능성을 제시하였다. 먼저 정전식 손가락형 터치 센서에 적용하여 인체에서 가장 민감한 부분 중 하나인 손가락에 맞는, 원하는 부위에 전자 부품들을 비교적 정확하게 위치시킬 수 있는 소프트 프레임 디바이스를 개발하였다. 4개의 터치 센서를 이용하여 탭, 더블탭, 플릭, 회전 등의 모션을 성공적으로 인식하였다. 반구형 모양으로 삼차원으로 신축되는 스피커나 NFC와 연동되는 발뒤꿈치 압력 센서 등 또한 사용자 맞춤형 기기로서의 발전 가능성을 입증했다. 

    열 성형 소재와 전극, 센서에 대한 최적화나 고온에서의 열 성형 공정 조건, 상용되는 IC 칩과의 호환성 등은 후속 연구 과제로 남겨졌다. 연구진은 제안된 방법이 3D 형상의 웨어러블 전자장치가 현재보다 더 다양한 기능을 할 수 있도록 제조하는 데에 기여할 것이라고 기대하였다.