서정목 교수팀, 유연 전자소자 접착 기술 개발

하이드로겔 기반 다층 적층 방식으로 유연 전자소자 집적화 성공

높은 생체 적합성으로 웨어러블 및 삽입형 전자기기 적용 가능

[사진 1. (왼쪽부터) 서정목 교수, 조예진 연구원, 이유림 연구원]

전기전자공학과 서정목 교수 연구팀이 다양한 재료를 안정적으로 결합할 수 있는 혁신적인 접착 기술을 개발했다. 해당 기술은 웨어러블 및 삽입형 의료 전자기기에 활용될 수 있으며, 뛰어난 접착 성능으로 의료기기 및 고성능 반도체 패키징 기술에 혁신을 가져올 것으로 기대된다. 

유연 전자소자는 부드러운 물질로 구성된 전자소자로, 높은 편의성과 다양한 응용 가능성으로 모바일 헬스케어 분야에서 주목받고 있다. 이러한 유연 전자소자는 공정 기술의 발전에 따라 다양한 기능이 요구되면서 엘라스토머와 하이드로겔 소재에서부터 다양한 연산 기능을 제공하는 실리콘 기반 칩까지 그 구성 요소가 다양해졌다.

그러나 이러한 구성 요소들은 각기 다른 물리적 특성, 표면 특성, 수분함량을 가지고 있어 하나의 장치로 통합하는 데 어려움이 있었다. 유연 전자소자가 동적인 체내외 환경에서 안정적으로 작동하려면 구성 요소 간 강한 결합이 유지돼야 하는데, 기존의 접착 기술은 일부 요소만 부착할 수 있거나 접착력이 부족했다.

[그림 1. 다양한 물질 사이 접착이 가능한 접착 기술 모식도]

이에 연구팀은 다양한 작용기를 가진 하이드로겔 소재의 다층 적층 방식을 도입해, 다양한 소재로 이루어진 유연 전자소자의 구성 요소들을 안정적으로 접착해 집적하는 기술을 개발했다.

[그림 2. (왼쪽) 접착 기술을 이용해 통합한 웨어러블 전자기기: 하이드로겔 터치패널, 스트레인 센서, 듀얼 센서
(오른쪽) 접착 기술을 이용해 통합한 삽입형 전자기기: 신경 자극 및 심전도 기록 전극]

새롭게 개발된 접착 기술은 물질의 종류나 특성에 관계없이 1분 이내에 강한 접합이 가능하며, 재료 특성에 맞는 접착 조건 설정이 가능해 유연 전자소자를 구성하는 재료의 손상을 최소화할 수 있다. 또한, 높은 생체 적합성을 가져 웨어러블 및 삽입형 전자기기에 적용될 수 있다. 이는 다양한 바이오 전자기기에 적용돼 의료 분야에 혁신을 가져올 수 있는 잠재력을 보여준다. 

이와 더불어 마이크로미터 미만의 얇은 두께, 높은 투명도, 강한 접착 강도, 낮은 공정 온도 및 빠른 접착 프로세스를 기반으로 높은 집적도가 요구되는 고성능 연산 프로세서를 위한 2.5D 및 3D 반도체 패키징 기술에도 적용될 것으로 기대된다. 

서정목 교수는 “새롭게 개발된 접착 기술을 활용해 유연 전자소자를 집적하게 되면, 높은 유연성과 신축성이 요구되는 극한 환경에서도 안정적 동작이 가능해질 것”이라며, “이는 통합의 어려움으로 인한 유연 전자소자 기능성의 제약이라는 기존 문제를 해결함과 동시에 다양한 형태의 전자기기 패키징 분야에 새로운 패러다임을 제시할 것”이라고 연구 의의를 밝혔다.

한편 연구는 과학기술정보통신부의 재원으로 나노소재기술개발사업과 범부처전주기의료기기연구개발사업의 지원을 받아 수행됐다. 연구 결과는 전자 공학 및 재료 분야의 권위 있는 학술지 ‘엔피제이 플렉시블 일렉트로닉스(npj Flexible Electronics, IF=12.3, JCR 상위 1.8%)’에 7월 12일 게재됐다.

논문정보

● 논문 제목: Universal hydrogel adhesives with robust chain entanglement for bridging soft electronic materials

● 논문 주소: https://www.nature.com/articles/s41528-024-00327-x