발명의 배경과 필요성

기술의 배경과 문제점

최근 웨어러블 전자기기가 주목받고 있지만, 기존의 견고한 센서와 액추에이터가 통합된 장치들은 다음과 같은 한계점을 가지고 있습니다.

• 착용의 불편함: 인체와 부피가 큰 장치 간의 기계적 부조화로 인해 착용감이 떨어집니다.

• 부자연스러운 외관: 기존 패션 안경이나 시계와 어울리지 않는 설계로 인해 외관상 부자연스럽습니다.

• 신호 잡음 발생: 견고한 센서가 인체에 완전히 밀착되지 않아(비등각 부착) 부정확한 신호를 수집할 수 있습니다.

기술의 필요성

이러한 문제들을 해결하고 웨어러블 장치의 광범위한 사용을 위해, 다음과 같은 특징을 가진 새로운 형태의 장치가 요구됩니다.

• 인간의 피부에 등각으로(conformally) 부착되어 완벽한 밀착감을 제공해야 합니다.

• 투명성을 확보하여 착용 시 눈에 띄지 않는 자연스러운 외관을 가져야 합니다.

• 정확한 데이터 수집을 위한 높은 신호 대 잡음 비(SNR)를 확보해야 합니다.

구현 방법

기술의 원리

본 발명의 투명하고 신축성 있는 전기 자극기는 패터닝된 제1 보호층, 패터닝된 전극층, 패터닝된 제2 보호층, 그리고 부착층으로 구성된 다층 구조를 가집니다. 특히 전극층은 전도성을 높이기 위해 그래핀/은 나노와이어/그래핀 다중층으로 제작됩니다. 각 층의 상세한 구성은 아래 표와 같습니다.

구체적인 구현 방법

투명하고 신축성 있는 전기 자극기는 다음 12단계의 공정을 통해 제조됩니다.

1. 니켈로 피복된 실리콘 기판 위에 제1 보호층을 형성합니다.

2. 포토리소그래피 공정을 통해 제1 보호층을 패터닝합니다.

3. 패터닝된 제1 보호층 위에 그래핀 층을 전사합니다.

4. 그래핀 층 위에 은 나노와이어 분산액을 코팅한 후 가열하여 은 나노와이어 층을 형성합니다.

5. 은 나노와이어 층 위에 다시 그래핀을 전사하여 다중층을 만듭니다.

6. 그래핀/은 나노와이어/그래핀 다중층을 패터닝합니다.

7. 패터닝된 다중층 위에 제2 보호층을 형성합니다.

8. 제2 보호층을 패터닝합니다.

9. 지지층 역할을 할 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA)를 코팅합니다.

10. 에칭액으로 니켈 희생층을 제거하여 실리콘 웨이퍼로부터 자극기를 분리합니다.

11. 분리된 전기 자극기를 피부 부착용 필름(폴리디메틸실록산)에 전사합니다.

12. 아세톤 용액으로 PMMA 지지층을 제거하여 최종 완성합니다.

기술의 장점

• 투명성 및 심미성: 가시광선 영역에서 높은 투과율을 보여 피부에 부착 시 거의 보이지 않아 미적으로 우수합니다.

• 우수한 신축성 및 기계적 안정성: 기존의 투명 전극(ITO)과 달리, 심하게 구부려도 균열이 발생하지 않고 높은 전기 전도도를 유지하여 인체의 동적인 움직임에도 안정적입니다.

• 향상된 전도성: 그래핀 층 사이에 은 나노와이어를 결합하여, 초기 그래핀 전극(696.5 Ω/□) 대비 면 저항을 98.8 Ω/□까지 획기적으로 낮추었습니다.

• 피부 등각 부착: 초박형, 경량의 유연한 설계로 피부 굴곡에 따라 완벽하게 밀착되어 편안한 착용감과 높은 신호 품질을 동시에 제공합니다.

실험 및 결과

실험의 목적

개발된 투명 신축성 전기 자극기의 성능을 검증하기 위해 광학적, 전기적, 기계적 특성을 종합적으로 평가하고, 실제 전기 자극기로서의 성능을 확인하는 실험을 수행하였습니다.

실험 방법 및 과정

1. 전기적 특성 평가: 초기 그래핀, 금 도핑 그래핀, 은 나노와이어가 코팅된 그래핀 헤테로구조체 각각의 면 저항을 측정하여 전도성 향상 정도를 비교하였습니다.

2. 기계적 특성 평가: 다양한 굽힘 반경에 따라 저항 변화를 측정하여, 기존 투명 전극(ITO) 필름과 기계적 내구성 및 유연성을 비교 분석하였습니다.

3. 전기 자극 성능 평가: 돼지 피부에 자극기를 부착한 후, 전극 간 거리와 피부 두께에 따른 기록 전압의 변화를 관찰하고, 자극 주파수별 최소 감지 전압을 측정하였습니다.

실험 결과

실험 결과, 은 나노와이어를 코팅한 그래핀 전극은 초기 그래핀이나 금만 도핑한 경우에 비해 면 저항이 크게 감소하여 전도성이 월등히 향상됨을 확인했습니다.

또한, 전기 자극 성능 평가에서 자극 주파수가 높을수록 더 낮은 전압으로도 감지가 가능함을 확인하였으며, 이는 주파수와 최소 감지 전압이 반비례 관계에 있음을 보여줍니다.

활용 방안 및 기대효과

활용 방안

• 대화형 인간-기계 인터페이스(iHMI): 기계 제어 및 피드백 전송 시스템에 적용할 수 있습니다.

• 웨어러블 의료 및 헬스케어 기기: 움직임 장애 진단 및 치료, 생체 신호 모니터링 등 다양한 분야에 활용이 가능합니다.

• 전자 피부(E-skin): 로봇 공학이나 가상현실에서 촉각을 구현하는 인공 피부로 사용될 수 있습니다.

기대효과

• 심미적으로 우수하고 편안한 웨어러블 기기의 상용화를 촉진할 수 있습니다.

• 개인의 사생활을 보호하면서도 지속적인 건강 모니터링이 가능해져 디지털 헬스케어 시장 성장에 기여할 수 있습니다.

• 사용자에게 이질감 없는 새로운 차원의 인터페이스 경험을 제공하여 관련 산업 생태계를 확장시킬 수 있습니다.

기술의 완성도 및 이전 정보

기술 완성도(TRL)

본 기술과 직접 관련된 TRL 수준은 명시적으로 확인하기 어렵지만, 유사 기술인 '나노복합소재 기반 생체신호 모니터링 유연/신축 센서 기술' 과제는 시작 TRL 4단계(실험실 규모 성능 평가)에서 종료 TRL 7단계(신뢰성 평가)를 목표로 진행되었습니다. 이는 해당 기술 분야가 연구실 수준을 넘어 시제품 제작 및 신뢰성 평가 단계에 있음을 시사합니다. (출처: PD제도 도입 이후 우리원 전체 사업 중 산업핵심 및 글로벌전문 일부 ..., PowerPoint 프레젠테이션)

기술이전 희망 가격

본 기술의 구체적인 기술이전 희망 가격은 공개적으로 명시된 정보가 없습니다. 일반적으로 기술이전 가격은 기술의 완성도, 시장성, 예상 수익, 협상 당사자 간의 합의 등 다양한 요인에 의해 결정됩니다. (참조: KIMM CORE TECHNOLOGIES)