본 연구에서는 기존의 포토리소그래피 공정을 보완 또는 대체를 목적으로, 레이저를 활용한 패터닝 기술 도입을 통해 용액공정이 적용 가능하게 하여 passive 또는 active 특성을 갖는 유연전자소자를 고속, 초미세, 대면적으로 제작하고, 최종적으로 피부에 부착 또는 인체 내에 삽입 가능한 바이오메디 컬 센서를 구현하고자 한다.이에 대한 구체적 목표는 아래...

본 제안연구의 내용을 압축하는 키워드는 ‘고성능 에너지 시스템’, ‘bottom-up 방식의 과학적 디바이스 설계’, ‘적층형 디바이스’, ‘센서 구동’이다. 웨어러블 전자소자의 안정적인 구동을 위해 2차전지, 태양전지를 결합시키고 에너지 매니지먼트 시스템을 도입하여 디바이스의 효율적인 에너지 관리를 할 수 있는 고성능 에너지 시스템을 개발할 것이다. 또한, 현재 사용되고 있는 대부분의 스트레쳐블 디바이스가 island-bridge 형태인 것에 착안하여, 실제 에너지 소재가 탑재되는 island 부분 이외에 island들을 연결시켜주는 배선 영역인 bridge 부분까지 적층구조를 도입하여 island가 bridge 위에 존재 할 수 있게 하여 island-bridge 형태 디바이스의 원천적인 한계를 극복하고 전체적인 areal coverage를 증가 시킬 것이다. 이와 같은 인체와 유사한 부드러운 특성을 가지면서 단위 면적당 active 소자가 존재하는 면적을 넓힐 수 있는 적층형 디바이스는 bottom-up 방식의 과학적 디바이스를 설계를 통해 이루어질 것이다. 최종적으로 구현된 피부 부착형 고성능 에너지 시스템의 평가를 위하여 2가지 이상의 센서 구동 시험에 적용할 것이다. 본 연구그룹은 2013년부터 미국 UIUC 재료공학과-Northwestern Univ. 기계공학과와의 공동연구를 통해 수 GPa 의 Young’s modulus를 갖는 칩 형태의 배터리, III-V 태양전지, 그리고 일반적인 회로구성에 사용되는 resistor, capacitor, inductor 등을 수 kPa 의 Young’s modulus를 갖는 패키징 시스템을 이용하여 피부에 부착 가능한 에너지 소자를 개발하였다. 이를 통해 신체의 움직임에도 디바이스가 안정적으로 구동됨 ( ~30 %의 elastic stretchability 확보)을 확인하였고, 디바이스-피부 계면에서 응력집중이 일어나지 않음을 실험 및 FEA 계산을 통해 증명하여 장기간 착용시에도 편안함을 유지할 수 있음을 보였고 에너지 매니지먼트 시스템을 적용하여 태양전지-배터리 간에 효율적인 에너지 사용을 할 수 있음을 보였다. 더불어 피부 부착형 무선 온도센서에도 적용이 가능하여 자전거 타는 도중의 피부 온도변화를 무선으로 모니터링 하였고, 이 결과는 2016년 PNAS에 발표되었다. 또한, 이 패키징 시스템을 응용하여 foldable한 구조 (윗면: 태양전지, 아랫면: 배터리)를 구현하여 areal coverage를 증가 시킬 수 있었다. 이 패키징 시스템을 발전시켜 2017년 전자소자가 2개 층으로 중첩되어 기계적으로 안정성을 갖고 존재할 수 있는 결과를 얻었고 Adv. Funct. Mater. 에 발표하였다. 최근 본 연구 그룹은 stretchable 소자가 대부분으로 구성하고 있는 island-bridge 형태에서, bridge가 차지하는 공간이 기계적으로 신축성만 갖게 하고 특정 active 소자로서의 특성을 갖게 하는 데는 기여하지 못한다는 한계점에 착안하여 적층시 아래층의 bridge가 존재하는 위치에, 위층에서는 island를 존재하게 하여 전체 디바이스 두께를 감소시키면서 areal coverage를 극대화 시킬 수 있는 방법을 발견하였다. 이와 같은 본 연구그룹의 선행연구 결과는 기본적으로 웨어러블 헬스케어 디바이스가 안정적으로 구동할 수 있는 기계적 플랫폼을 제공하고 에너지 소자의 디바이스 내 coverage를 극대화 시키는 장점을 갖는다.