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Research

3D 구조 디바이스를 풍선 불 듯 제작하는 원천기술 개발

  • 조회. 161
  • 등록일. 2019.10.07
  • 작성자. 홍보팀

3D 구조 디바이스를 풍선 불 듯 제작하는 원천기술 개발
- DGIST 김소희 교수팀, 고분자 박막 간의 접합을 제어하는 방식을 응용한 3차원 디바이스 제작 원천기술 개발
- 다양한 형태로 제작 가능해..향후 관련 의료 및 의공학적 활용 기대

 

△DGIST 로봇공학전공 김소희 교수(앞줄 왼쪽)와 연구진


 DGIST(총장 국양)는 로봇공학전공 김소희 교수 연구팀이 3D 구조의 유연한 의료용 디바이스 제작 원천기술 개발에 성공했다고 밝혔다. 향후 관련 전기 자극 장치나 소프트 로봇 개발에 크게 활용이 될 것으로 기대된다.

 김소희 교수팀은 플라즈마를 이용해 고분자 박막의 일부분을 선택적으로 접합시키는 방법을 응용한 새로운 3D 구조물 제작 기술을 개발했다. 기술을 적용할 경우 기존 제작방식보다도 손쉬운 3차원 구조물 제작이 가능해, 향후 관련 연구에 긍정적인 영향을 줄 것으로 기대된다.

 기존의 유연한 3차원 구조물은 구조물의 면 위·아래로 접착제를 이용해 필름을 직접 붙이거나, 이미 만들어진 구조체를 기판 위에 그대로 옮겨와 붙이는 등, 수작업이 불가피했다. 이러한 측면은 제작 효율 낮춰, 관련 연구와 개발에 많은 걸림돌이 돼왔다.

 반면, 김소희 교수팀은 두 고분자 박막에 플라즈마 처리를 진행해 가장자리만 접착시키고, 접착되지 않은 부분에는 공기나 유체를 주입해 부풀려 3D 구조를 형성했다. 추가적으로, 기존 방식과 달리 생성된 3차원 구조물 안쪽과 바깥쪽에 간편한 금속 도선 설치가 가능해, 각종 센서나 액츄에이터1)로 활용이 가능하다.

 김소희 교수팀이 개발한 기술을 활용하면 복잡한 표면에도 밀착되는 맞춤형 3차원 구조의 디바이스 제작이 가능하다. 디바이스를 위치시켜 풍선 불 듯 부풀려 설치하기 때문에 뇌처럼 복잡한 표면을 지닌 신체 부위에도 맞춤형 설계가 가능하다.

 또한, 그동안 어려웠던 3차원 미세전자기계시스템(Microelectromechanical System, MEMS) 구조물에 손쉽게 수십 마이크로미터 굵기의 도선을 형성할 수 있다. 이를 활용한다면, 뇌를 포함한 신체 기관 내 압력 측정, 전기 자극 및 탐지가 가능한 장치, 소프트 로봇 등 폭넓게 활용이 가능할 것으로 기대된다.

 한편 이번 연구 결과는 10월 2일(수) ‘미국화학회 어플라이드 머티리얼즈 & 인터페이스(ACS Applied Materials & Interfaces)’ 속표지 논문으로 게재됐으며, 논문에 소개된 원천기술은 다수의 국내외 특허로 이미 출원 또는 등록된 상태다. 이번 연구는 과학기술정보통신부 중견연구자지원사업과 DGIST 일반사업의 지원으로 수행됐으며, DGIST 로봇공학전공 문현민 박사과정생과 KIST 추남선 박사후연구원이 공동 제1저자로 연구에 참여했다.

1) 액츄에이터(Actuator): 동력을 이용하여 기계를 동작시키는 구동 장치

 

   연구결과개요   

Transformation of 2D Planes into 3D Soft and Flexible Structures with Embedded Electrical Functionality 
Hyunmin Moon, Namsun Chou, Hee Won Seo, Kyeongyeon Lee, Jinhee Park and Sohee Kim*
(ACS Applied Materials & Interfaces, Online published on August 21st, 2019)(ACS Applied Materials & Interfaces, Offline published on October 2nd, 2019)

 두 고분자 박막 간의 접합을 선택적으로 조절할 수 있는 방식을 통해, 2차원의 평면적인 구조물을 3차원의 입체적인 구조물로 바꿀 수 있는 원천기술을 제시하였다. 2차원 평면상에서 접합된 부분과 접합되지 않은 부분을 패터닝한 후 접합되지 않은 부분에 유체를 주입하면 부풀어 오르면서 3차원의 구조물을 형성한다. 
 특히, 2차원 평면상에서 미세전자기계시스템(MEMS) 기술로 금속 도선 및 패드를 형성한 후 3차원 구조물로 변형할 수 있으므로, 전기적 기능을 가지면서 다양한 형태와 크기를 갖는 3차원 디바이스의 제작에 활용될 수 있다. 이는 유연성, 신축성, 생체적합성 및 접촉하고자 하는 대상과의 밀착성이 요구되는 의공학적 또는 의료용 정밀 3차원 디바이스를 제작하는 데에 널리 활용 가능할 것이다. 

 

   연구결과문답   


Q. 이번 성과 무엇이 다른가?
유연성과 신축성을 갖는 3차원 구조물을 형성하기 위한 기존 기술로는 패턴 트랜스퍼 또는 수작업을 통한 필름 접착 방식이 있다. 이들 방식과 비교할 때, 이번에 개발된 기술은 공정이 매우 간단하며 웨이퍼 단위의 대면적 공정이 가능함은 물론, 다양한 형태와 크기를 가지면서 전기적 기능까지도 포함하는 3차원 유연 디바이스의 제작이 가능하다. 

Q. 어디에 쓸 수 있나?
다양한 유연 센서 및 액츄에이터, 3차원으로 굴곡진 뇌 표면에 밀착 가능한 뇌 인터페이스 전극, 약물 전달 장치, 안구, 뇌실, 방광 등 유체로 차 있는 신체 기관 내 압력 측정 또는 전기 자극을 위한 장치, 소프트 로봇 등으로 폭넓게 활용 가능할 것으로 기대된다. 

Q. 실용화까지 필요한 시간은?
본 유연성 3차원 구조물 및 디바이스 제작 원천기술은 이미 DGIST가 국내외 특허를 출원하였다. 구체적인 적용분야별 가능성을 보인다면 당장 실용화 가능할 것이다. 

Q. 실용화를 위한 과제는?
구체적인 적용 분야에 대한 제시가 필요하여, 현재 후속 연구 중에 있다.  

Q. 연구를 시작한 계기는?
본 연구는 우연한 발견에서 시작되었다. 5~6년 전 PDMS 상에 금속 도선을 잘 패터닝하기 위한 기술을 연구하던 중에 당시 박사과정생이던 추남선 박사(공동제1저자)가 특이한 현상을 발견하였는데, 다름 아닌, 플라즈마 처리가 두 가지 다른 박막을 서로 붙게 한다는 것이었다. 그 때 발견된 현상을 잘 활용하면 3차원 구조물 제작을 위한 새로운 방식을 제시할 수 있을 것이라는 확신이 들었고, 이를 실제로 구현하고 다양한 실험을 진행해 본 결과 본 연구결과물을 도출할 수 있었다.  

Q. 어떤 의미가 있는가?
마이크로미터 단위의 굵기를 갖는 도선이 포함된 밀리미터 내지 센티미터 크기의 3차원 유연 구조물과 디바이스를 제작 가능하게 함으로써, 기존 기술로 구현할 수 없던 새로운 3차원 구조물 제작의 원천기술을 제시하였다는 데 의의가 있다. 

Q. 꼭 이루고 싶은 목표는?
본 제작기술을 활용하여, 기존의 방식으로는 해결할 수 없었던 문제의 해결이 가능한 새로운 개념의 다양한 의공학적 디바이스로 발전시켜 가고자 한다. 


   그림 설명   

[그림 1] 선택적 층간 접착 기술로 제작된 다양한 유연성 3차원 구조물


<그림(a) ~ (c)> 풍선 형상의 3차원 구조물에 공기(좌)와 액체(우)가 차 있는 모습. 약물 컨테이너 등으로 사용 가능하다.
<그림(d) ~ (f)> 여러 개의 연결된 풍선을 불어 구부러지는 정도와 힘을 조절할 수 있다. 물체를 집을 수 있는 엑츄에이터 등으로 사용 가능하다.


[그림 2] 유연하고 부드러운 3차원 디바이스에 LED를 연결하여 작동시킨 모습

신축성 재료를 부풀려서 3차원 구조로 변형한 후에도 도선이 정상적으로 연결돼있다.
  - (좌측) 부풀리기 전의 모습, (중간) LED를 켠 상태, (우측) 디바이스가 부풀려진 후에도 LED가 켜져 있는 모습.

[그림 3] 연구 논문이 게재된 ACS Applied Materials & Interfaces 표지

 

 

   논문 바로보기      ☞  ACS Applied Materials & Interfaces

 

 

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