우리 학교 기계공학과 박인규 교수가 이끄는 연구팀이 지난 7월 4일 한국생산기술연구원 조한철 박사와의 공동 연구를 통해 온도에 의해 팽창하는 입자를 이용하여 표면에 불규칙적 3D 마이크로 돔 구조를 제작하는 기술을 개발하고, 해당 기술을 바탕으로 3D 마이크로 구조 기반 표면 형태 제어 기술 및 고감도 압력센서 설계 관련 원천기술을 개발했다고 밝혔다.  
 

기존 마이크로 구조 제작과정의 한계

 다양한 전자기기의 발달과 사용 빈도의 증가로 인해 기기의 작동을 편리하게 만들기 위한 센서의 수요가 점점 늘어남에 따라, 최근에는 압력을 가하거나 조건에 따라 자유로이 변형이 가능한 웨어러블 형태의 센서 및 유연 압력센서의 개발에 대한 관심도 또한 비례하여 높아지고 있다.

 이 때, 유연 압력센서의 표면에 3D 마이크로 구조를 적절히 어레이한 필름을 사용하면 센서의 전반적인 성능을 증진시킬 수 있다. 따라서 3D 마이크로 구조의 크기나 밀도 등 구조의 특성을 자유로이 조절할 수 있는 방식의 개발은 센서 개발 및 성능의 증진을 위해 필수적인 요소로 취급된다.

 기존의 마이크로 구조 제작 방식들은 원하는 패턴의 역상으로 제작된 몰드에 액상 형태의 엘라스토머*를 붓고 굳혀 제작하는 방식을 채택하고 있다. 이는 몰드가 필수적으로 요구되고 제작 과정에서 3D 마이크로 구조의 크기 및 형태를 유연하게 조절하기 힘들다는 한계점을 가진다.
 

풍선처럼 부푸는 입자에서 얻은 발상

 연구진은 기존 방식들에서 나타난 유연성의 부재를 열팽창성 마이크로 캡슐을 이용해 해결했다. 열팽창성 마이크로 캡슐은 일종의 ‘풍선’으로, 이를 유연 탄성중합체와 혼합하여 필름을 제작하고 온도 변화를 가하면, 유연 필름 내부에 혼재된 캡슐이 팽창하여 표면에 마이크로 돔 구조가 불규칙하게 형성되어 패턴 몰드 없이도 3D 마이크로 구조를 제작할 수 있게 된다.

 연구의 원리는 생각보다 복잡하지 않다. 열팽창성 마이크로 캡슐에 적절한 온도 변화를 가하면 캡슐의 내부에서는 액상의 탄화수소가 상변화를 통해 기체로 변화하면서 내부에서 밀어내는 압력이 증가한다. 동시에, 캡슐의 외부를 구성하는 열가소성 고분자는 표면의 연화가 발생하여 열팽창성 마이크로 캡슐이 팽창하게 된다. 이러한 원리로, 아무런 변화가 가해지지 않은 상태에서는 6~11㎛ 정도의 크기를 가지는 캡슐이 온도에 따라 약 30~50㎛까지 팽창하며 마이크로 구조를 형성하게 된다. 

3D 마이크로 구조 기반 센서의 장점

 이번 연구에서 개발한 3D 마이크로 구조 기반 압저항형 센서는 불규칙적인 돔 구조를 바탕으로 하고 있어 센서의 민감도가 굉장히 높을 뿐만 아니라, 패턴 몰드 없이도 제작할 수 있어 기존의 몰드 방식을 채택한 마이크로 구조 기반 센서들에 비해 저비용으로 고성능의 센서를 대면적화하여 제작할 수 있다는 장점이 있다.

 연구진은 본 연구에서 제작한 3D 마이크로 구조 기반 압저항형 센서가 헬스케어/인간-기계 상호작용/개인 보안 등 다양한 고부가가치 산업에 널리 활용되는 초석이 될 것이라 전망한다고 밝혔다.

학생들에게 전하는 말

 박 교수는 물질의 상변화와 열팽창이라는 개념을 새롭게 도입하여 기존의 복잡하고 비싼 제작 방법을 대체하면서도 더 우수한 특성을 만들 수 있었음을 언급하며, “학생들도 본인의 학습과 연구에 있어 해결하기 힘든 문제가 있으면 좀 더 다양하고 새로운 관점에서 문제를 바라보고 해결책을 찾아보는 습관을 가져보기 바란다”고 전했다.
 

엘라스토머*
상온에서 고무와 같은 탄성을 가지고, 고온으로 가열하면 용융 가소화되어 통상적인 플라스틱 성형기로 성형 가공이 가능한 고분자 재료