마찰학(Tribology)은 전 세계의 기술 발전과 경제 발전에 필수적인 역할을 해왔다.  이에 따라 한국 산업의 상당 부분은 마찰학적 고려에서 비롯된 설계 해법과 대응책의 혜택을 받아 왔다. 대한민국은 지난 수십 년 동안 자동차, 제조업, 중공업, 조선, 전자 등 전통적인 마찰학 적용 분야에서 비약적으로 성장해 왔다. 이러한 전통 분야 이외에도 마찰학은 대한민국에서 에너지, 환경, 생명공학과 관련된 신흥 산업에 크게 기여하고 있다. 본 논문에서는 대한민국에서의 마찰학의 현황과 전망을 제시한다. 한국 마찰학회(KTS)의 역사와 활동을 설명하고, 선택된 한국 마찰학자들의 연구 성과를 개관한다. 향후 지속가능성 측면에서 마찰, 마모, 윤활 문제의 높은 관련성을 고려할 때, 대한민국 및 전 세계에서의 기술과 경제 발전과 나란히 마찰학 분야의 노력은 계속해서 확대될 것이다.

매력적인 광활성 재료로서 금속 할라이드 페로브스카이트는 다양한 광전자 응용 분야에서 뛰어난 성능을 보여준다. 연구된 여러 조성 가운데, 혼합 할라이드 페로브스카이트는 미세하게 조절 가능한 밴드갭을 지녀 특정 응용에 적합하다. 이러한 장점에도 불구하고, 광유도 할라이드 분리가 종종 재료의 광전기적 안정성을 저해한다. 본 연구에서는 유기 스페이서를 이용하여 페로브스카이트 표면을 후처리함으로써 2차원(2D) 페로브스카이트 패시베이션 층을 형성하는 전략을 채택한다. 포획(트랩) 보조 재결합 경로는, 광유도 할라이드 분리를 유발하는 표면 할라이드 결함을 패시베이션함으로써 선택적으로 조절될 수 있다. 페로브스카이트의 평탄 및 굽힘 표면에 대한 형광 수명 이미징 결과, 이온성 할라이드 결함의 중성화 패시베이션을 통해 페로브스카이트 격자가 기계적 변형을 허용하는 것으로 나타난다. 굽힘 이후에도 유연 포토디텍터의 광전류 응답은 2D 패시베이션 페로브스카이트에서 83% 이상으로 유지되며, 원형(pristine) 페로브스카이트에서는 23%로 감소한다. 2D 패시베이션 페로브스카이트로 제작한 유연 포토디텍터 어레이는 딥러닝 알고리즘과 결합하여, 평탄(>96%) 및 굽힘(>93%) 상태 모두에서 알파벳 문자를 판별하는 데 탁월한 정확도를 보인다. 본 연구에서 규명된 화학적으로 변형된 캐리어 동역학과 기계적 특성의 연계는 차세대 광전자 응용 분야를 개발하는 데 유용한 지침을 제공한다.

수십 년에 걸쳐 웨어러블 기기에 대한 관심이 증가함에 따라 센서, 트랜지스터, 로직 회로, 집적 회로와 같은 기계적 엘라스토머(elastomeric) 장치를 개발하기 위해 상당한 노력이 기울여져 왔다. 큰 기계적 변형이나 신장(stretching)에 노출되는 엘라스토머 장치를 성공적으로 구현하기 위해서는 도체, 반도체, 유전체를 포함한 모든 구성 요소가 높은 안정성과 기계적 지속성을 가져야 한다. 기계적 변형 하에서도 우수한 전기적 성능을 보이는 엘라스토머 도체는 엘라스토머 장치의 핵심 구성 요소이다. 본 연구에서는 기계적으로 견고한 집적 전자소자를 개발하기 위해 상호 연결된 2D 금 나노시트(2D gold nanosheets, AuNSs)에 기반한 완전 엘라스토머 전극을 제조하였다. AuNS 엘라스토머 전극은 50% 신장에서 2 Ω/sq 미만의 시트 저항을 보였고, 100,000회의 신장–이완(stretching–releasing) 사이클을 견딜 수 있었다. 이러한 전극은 전용 설계를 통해 PDMS 엘라스토머(P3NF/PDMS) 내 P3HT 나노피브릴(nanofibrils) 엘라스토머 반도체 및 이온 겔(ion gel)을 유전체로 조합하여 엘라스토머 트랜지스터, 인버터, NOR 및 NAND 로직 게이트를 구현하는 데 사용되었다. 또한 다양한 유형의 기계적 자극을 견딜 수 있는 엘라스토머 8×8 트랜지스터 어레이(elastomeric 8 × 8 transistor array)도 성공적으로 시연되었다. 더 나아가 연성 로봇(soft robot)에 구현된 엘라스토머 전자소자는 로봇 그립 동작 중 어떠한 간섭 성능 저하도 보이지 않았다. 제안된 프레임워크는 연성 전자(soft electronics)의 신속한 개발을 지원하고 적용 범위를 확장하는 데 기여할 것으로 기대된다.

마찰학(Tribology)은 전 세계의 기술 발전과 경제 발전에 필수적인 역할을 해왔다.  이에 따라 한국 산업의 상당 부분은 마찰학적 고려에서 비롯된 설계 해법과 대응책의 혜택을 받아 왔다. 대한민국은 지난 수십 년 동안 자동차, 제조업, 중공업, 조선, 전자 등 전통적인 마찰학 적용 분야에서 비약적으로 성장해 왔다. 이러한 전통 분야 이외에도 마찰학은 대한민국에서 에너지, 환경, 생명공학과 관련된 신흥 산업에 크게 기여하고 있다. 본 논문에서는 대한민국에서의 마찰학의 현황과 전망을 제시한다. 한국 마찰학회(KTS)의 역사와 활동을 설명하고, 선택된 한국 마찰학자들의 연구 성과를 개관한다. 향후 지속가능성 측면에서 마찰, 마모, 윤활 문제의 높은 관련성을 고려할 때, 대한민국 및 전 세계에서의 기술과 경제 발전과 나란히 마찰학 분야의 노력은 계속해서 확대될 것이다.

매력적인 광활성 재료로서 금속 할라이드 페로브스카이트는 다양한 광전자 응용 분야에서 뛰어난 성능을 보여준다. 연구된 여러 조성 가운데, 혼합 할라이드 페로브스카이트는 미세하게 조절 가능한 밴드갭을 지녀 특정 응용에 적합하다. 이러한 장점에도 불구하고, 광유도 할라이드 분리가 종종 재료의 광전기적 안정성을 저해한다. 본 연구에서는 유기 스페이서를 이용하여 페로브스카이트 표면을 후처리함으로써 2차원(2D) 페로브스카이트 패시베이션 층을 형성하는 전략을 채택한다. 포획(트랩) 보조 재결합 경로는, 광유도 할라이드 분리를 유발하는 표면 할라이드 결함을 패시베이션함으로써 선택적으로 조절될 수 있다. 페로브스카이트의 평탄 및 굽힘 표면에 대한 형광 수명 이미징 결과, 이온성 할라이드 결함의 중성화 패시베이션을 통해 페로브스카이트 격자가 기계적 변형을 허용하는 것으로 나타난다. 굽힘 이후에도 유연 포토디텍터의 광전류 응답은 2D 패시베이션 페로브스카이트에서 83% 이상으로 유지되며, 원형(pristine) 페로브스카이트에서는 23%로 감소한다. 2D 패시베이션 페로브스카이트로 제작한 유연 포토디텍터 어레이는 딥러닝 알고리즘과 결합하여, 평탄(>96%) 및 굽힘(>93%) 상태 모두에서 알파벳 문자를 판별하는 데 탁월한 정확도를 보인다. 본 연구에서 규명된 화학적으로 변형된 캐리어 동역학과 기계적 특성의 연계는 차세대 광전자 응용 분야를 개발하는 데 유용한 지침을 제공한다.

수십 년에 걸쳐 웨어러블 기기에 대한 관심이 증가함에 따라 센서, 트랜지스터, 로직 회로, 집적 회로와 같은 기계적 엘라스토머(elastomeric) 장치를 개발하기 위해 상당한 노력이 기울여져 왔다. 큰 기계적 변형이나 신장(stretching)에 노출되는 엘라스토머 장치를 성공적으로 구현하기 위해서는 도체, 반도체, 유전체를 포함한 모든 구성 요소가 높은 안정성과 기계적 지속성을 가져야 한다. 기계적 변형 하에서도 우수한 전기적 성능을 보이는 엘라스토머 도체는 엘라스토머 장치의 핵심 구성 요소이다. 본 연구에서는 기계적으로 견고한 집적 전자소자를 개발하기 위해 상호 연결된 2D 금 나노시트(2D gold nanosheets, AuNSs)에 기반한 완전 엘라스토머 전극을 제조하였다. AuNS 엘라스토머 전극은 50% 신장에서 2 Ω/sq 미만의 시트 저항을 보였고, 100,000회의 신장–이완(stretching–releasing) 사이클을 견딜 수 있었다. 이러한 전극은 전용 설계를 통해 PDMS 엘라스토머(P3NF/PDMS) 내 P3HT 나노피브릴(nanofibrils) 엘라스토머 반도체 및 이온 겔(ion gel)을 유전체로 조합하여 엘라스토머 트랜지스터, 인버터, NOR 및 NAND 로직 게이트를 구현하는 데 사용되었다. 또한 다양한 유형의 기계적 자극을 견딜 수 있는 엘라스토머 8×8 트랜지스터 어레이(elastomeric 8 × 8 transistor array)도 성공적으로 시연되었다. 더 나아가 연성 로봇(soft robot)에 구현된 엘라스토머 전자소자는 로봇 그립 동작 중 어떠한 간섭 성능 저하도 보이지 않았다. 제안된 프레임워크는 연성 전자(soft electronics)의 신속한 개발을 지원하고 적용 범위를 확장하는 데 기여할 것으로 기대된다.

폴리머/납 할라이드 페로브스카이트 복합체는 웨어러블 광전자 소자용 유망한 플랫폼이다. 특히 일차원 나노복합체는 태양 에너지 변환 섬유와 광학 센서를 위한 핵심 소재로 여겨진다. 본 연구에서는 전기방사를 통해 폴리머/페로브스카이트 전구체 용액을 제조하여 얇고 균일한 폴리머/페로브스카이트 복합 나노섬유를 형성한 뒤, 이를 포함하는 신축성 광검출기를 설계하였다. 방사 직후 나노섬유에서 전구체가 반응하는 동안 섬유 표면에는 돌출된 페로브스카이트 나노플레이트가 형성되었고, 섬유 내부에는 매립된 나노입자가 형성되었으며, 이는 이중 발광(photoluminescence) 방출을 나타냈다. 또한 고무성 기판 위의 나노섬유의 기계적 거동은 인가된 인장력에 대해 나노섬유의 방향각(α)에 강하게 의존한다. α가 감소할수록 적재된 응력이 현저히 감소하며, 이는 어떤 방향에서도 최대 15%의 변형률까지 신축성을 가능하게 한다. 페로브스카이트 나노입자의 우수한 퍼콜레이션은 녹색 및 적색 광 조사 조건에서 높은 광전류를 유도한다. 15% 변형률에서 파장 λ = 550 nm인 신축성 광검출기의 응답도(responsivity)와 검출도(detectivity)는 각각 51.2 mA W–1 및 2.23 × 1011 Jones였다. 소자의 성능은 기계적 변형 및 안정성 시험 동안 잘 유지되었다. 이 얇고 신축성 있는 소자는 웨어러블 이미지 센서로서의 큰 잠재력을 입증하기 위해 웨어러블 광검출기에 적용되었다.

내재적으로 신축 가능한 전자기기는 역동적인 생체 조직 및 곡면과의 원활한 통합을 가능하게 하여 차세대 웨어러블, 바이오인터페이스, 지능형 로보틱스에 필수적이다. 그러나 신축성 전극과 회로에 대한 정밀하고 고해상도의 패터닝은 여전히 어려워, 실제 응용을 제한하고 있다. 전통적 리소그래피는 우수한 해상도를 제공하지만, 연성 기판과의 열적 및 화학적 비상용성으로 인해 제약을 받는다. 이에 따라 소프트 리소그래피, 레이저 기반 패터닝, 프린팅 방법, 전기분무(전기분사) 증착과 같은 대안적 접근법이 중요성을 얻게 되었다. 소프트 리소그래피는 액체 금속과 같은 섬세한 재료에 적합한 경제적이고 저온 공정 옵션을 제공한다. 레이저 기반 기술은 높은 해상도와 설계 유연성을 제공하지만, 특정 기판에 대해서는 공정 파라미터의 세밀한 조정이 필요하다. 직접 잉크 작성(direct ink writing)과 잉크젯 프린팅을 포함하는 마스크 없이 수행하는 프린팅 방법은 복잡한 형상의 다목적 패터닝을 가능하게 하며, 전기분무 증착은 신축성 표면에서 비접촉 방식의 정밀 패터닝을 지지한다. 종합적으로, 이러한 기술들은 견고한 신축성 디스플레이, 무선 안테나, 정확한 생리적 모니터링을 위한 바이오전자 인터페이스의 제조를 진전시킨다. 그럼에도 불구하고, 특히 대면적 균일성, 다층 구조의 안정성, 지속가능한 공정과 관련된 과제는 지속되고 있다. 이러한 문제를 해결하기 위해서는 재료과학, 유체역학, 계면 공학, 디지털 제조 전반에 걸친 학제 간 협력이 요구된다. 본 리뷰는 신축성 전자기기 분야의 최근 진전과 남아 있는 난제를 조명함으로써, 향후 연구를 위한 지침을 제공한다.

음향방출(Acoustic emission, AE)은 고체 내부에서 변형, 균열 또는 단층과 관련된 재료 열화의 결과로서, 재료가 에너지를 갑자기 방출할 때 발생한다. 동일한 상황은 누출 주변의 유체에서 난류로 인해 발생하는 누출에서도 나타난다. 본 연구에서는 가스 저장 실린더의 원형 핀홀을 통한 누출로 인한 AE에 대해 해석적 모델링을 수행하였다. 핀홀을 통해 난류 유동과 관련된 집중력(CF)에 의해 여기되는 AE를 유발하는 변위장(displacement fields)은 Navier-Lamé 방정식을 풀이하여 도출하였다. 여기원으로서의 CF는 변동 레이놀즈 응력(fluctuating Reynolds stress, FRS)과 공간 그린 함수(spatial Green’s function)로 정식화하였다. 특히, 서로 다른 작동 조건에서 일련의 실험을 수행하여 가스 실린더의 누출에 따른 AE 신호의 특성을 탐색하였다. 마지막으로, 시뮬레이션 결과와 실험 결과를 비교하여 시뮬레이션 결과의 정확성을 검증하였다.