본 발명은 신장, 압축, 굽힘, 비틀림 등 다양한 기계적 변형에도 안정적으로 작동하는 신축성 및 연성 전자 소자와 그 제조 방법에 관한 것입니다. 특히 박막 증착 공정과 구불구불한 패턴을 활용하여 기존 기술의 한계를 극복하고, 웨어러블 기기나 생체 부착형 소자에 적용 가능한 차세대 기술을 제시합니다.

발명의 배경과 필요성

기술의 배경과 문제점

• 멀티미디어 기술의 발전으로 플렉서블 디스플레이, 웨어러블 기기 등 연성(Flexible) 전자 소자의 중요성이 크게 증대되고 있습니다.

• 기존의 신축성 소자 제조에 사용되던 실리콘 전사(Transfer) 공정은 시간이 많이 소요되고 대면적으로 제작하기 어려운 한계가 있었습니다.

기술의 필요성

• 일상 생활 속 다양한 움직임과 외부 환경에 대응하기 위해, 신장, 압축, 굽힘, 비틀림 등 기계적 변형에도 성능을 유지하는 안정적인 전자 소자가 필요합니다.

• 웨어러블 기기, 스마트 의료 기기, 전자 피부 등 인체에 직접 적용 가능한 생체 적합성과 유연성을 갖춘 새로운 형태의 전자 소자 개발이 요구됩니다.

구현 방법

기술의 원리

• 탄성 기재 위에 패턴화된 고분자 층과 전자 소자를 적층하고, 전체를 다시 고분자 층으로 캡슐레이션하여 외부 변형으로부터 소자를 보호하는 구조를 가집니다.

• 핵심 전자 소자로는 비휘발성 저항 메모리(RRAM)를 사용하며, 전극 사이에 금속 나노입자 층을 삽입하여 전력 소모를 크게 줄입니다.

• 전극과 고분자 층에 구불구불한(Serpentine) 패턴을 적용하여, 소자가 늘어나거나 구부러질 때 변형을 효과적으로 분산시켜 전기적 연결성과 구조적 안정성을 확보합니다.

구체적인 구현 방법

1. 폴리(메틸 메타크릴레이트)(PMMA)와 제1 고분자를 실리콘 기판에 순차적으로 코팅 및 경화합니다.

2. 제1 고분자 층을 구불구불한 형태로 패턴화합니다.

3. 패턴화된 고분자 층 위에 비휘발성 저항 메모리 소자를 제작합니다.

4. 전자 소자 위에 제2 패턴화된 고분자 층을 형성하여 소자를 캡슐레이션합니다.

5. 실리콘 기판과 PMMA 희생층을 제거하여 캡슐레이션된 소자만 분리합니다.

6. 분리된 소자를 폴리디메틸실록산(PDMS)과 같은 최종 탄성 기재에 부착하여 완성합니다.

기술의 장점

• 뛰어난 기계적 안정성: 약 25%의 신장률에서도 안정적인 전기적 작동을 보이며, 굽힘과 비틀림에도 강합니다.

• 저전력 구동: 금 나노입자 층을 적용한 MINIM 구조는 기존 MIM 구조 대비 셋/리셋 전류를 최대 1,000배까지 감소시켜 웨어러블 기기의 장시간 사용에 유리합니다.

• 대면적 제작 용이: 박막 증착 및 용액 공정을 기반으로 하여, 기존의 실리콘 전사 공정보다 대면적화 및 대량 생산에 유리합니다.

• 높은 데이터 저장 밀도: 단일 셀에서 여러 저항 상태를 구현하는 다중 레벨 셀(Multi-Level Cell) 동작이 가능하여 저장 용량을 높일 수 있습니다.

실험 및 결과

실험의 목적

본 연구에서는 제작된 신축성 및 연성 저항 메모리 소자의 전기적 성능과 기계적 안정성을 평가하는 것을 목적으로 합니다. 특히, 금 나노입자 층의 유무와 구조에 따른 메모리 특성 변화를 중점적으로 분석하고, 다양한 기계적 변형(신장, 굽힘, 비틀림) 하에서의 작동 안정성을 검증하고자 합니다.

실험 방법 및 과정

1. 금 나노입자 합성 (실시예 1): HAuCl4·3H2O, 올레일아민 등을 혼합하고 가열하여 금 나노입자를 합성한 후 클로로포름에 분산시킵니다.

2. 메모리 소자 제작 (실시예 2): 실리콘 웨이퍼 위에 PMMA와 폴리이미드를 스핀코팅하고, 알루미늄 전극 증착, TiO2 나노멤브레인 스퍼터링, 금 나노입자 조립(랭뮤어-블로젯 공정), 상부 전극 증착 및 패터닝, RIE 공정을 통해 소자 구조를 완성합니다. 이후 아세톤으로 소자를 분리하여 PDMS 기판으로 옮깁니다.

3. 특성 평가 (실시예 3): 제작된 MIM, MISIM, MINIM 구조에 대해 양극성 전류-전압(I-V) 곡선을 측정하여 셋/리셋 전류, On/Off 비율, 내구성 및 데이터 보유율 등 전기적 특성을 평가합니다.

4. 기계적 안정성 평가 (실시예 4): 소자를 최대 25%까지 신장시키거나 굽히고 비트는 등 기계적 변형을 가하면서 I-V 특성을 측정하여 성능 변화를 관찰합니다.

실험 결과

실험 결과, 3개의 금 나노입자 층을 포함하는 MINIM 구조가 나노입자가 없는 MIM 및 MISIM 구조에 비해 월등히 낮은 전력으로 구동되었으며, 더 높은 On/Off 비율을 보여 메모리 소자로서의 성능이 우수함을 확인했습니다. 또한, 25%의 높은 신장률에서도 안정적인 전기적 특성을 유지하여 뛰어난 기계적 안정성을 입증했습니다.

활용 방안 및 기대효과

활용 방안

• 웨어러블 전자기기: 스마트워치, 피트니스 밴드, 스마트 의류 등에 내장되어 사용자의 움직임에 제약 없이 편안한 착용감을 제공하는 메모리 소자로 활용될 수 있습니다.

• 헬스케어 및 의료기기: 피부처럼 부드럽게 부착하여 생체 신호를 지속적으로 모니터링하는 전자 피부(E-skin)나 체내 삽입형 의료기기에 적용 가능합니다.

• 소프트 로보틱스: 로봇의 유연한 관절이나 표면에 부착되어 움직임과 감각을 제어하는 센서 및 메모리 시스템으로 활용될 수 있습니다.

기대효과

• 차세대 전자 산업 선도: 기존의 딱딱한 전자 기기의 형태를 벗어나, 유연하고 신축적인 폼팩터 혁신을 통해 새로운 시장을 창출하고 관련 산업을 선도할 수 있습니다.

• 사용자 편의성 증대: 인체 및 다양한 곡면에 완벽하게 밀착 가능한 전자 기기를 구현하여 사용자 경험과 편의성을 획기적으로 향상시킬 수 있습니다.

• 에너지 효율 증대: 저전력 구동 기술을 통해 웨어러블 및 모바일 기기의 배터리 사용 시간을 연장하여 에너지 효율을 높이는 데 기여합니다.

시장 동향

시장 규모 및 성장 전망

신축성 및 연성 전자 소자 기술이 적용되는 핵심 시장인 글로벌 웨어러블 기술 시장은 2022년 1,380억 달러로 평가되었으며, 연평균 성장률(CAGR) 13.6%를 기록하며 2032년에는 4,917억 4,000만 달러에 이를 것으로 전망됩니다.(출처) 이러한 성장은 건강 모니터링에 대한 관심 증가와 기술적으로 진보된 스마트 웨어러블 장치 수요 증가에 기인합니다.

• 스마트 의류 시장은 2021년 27.4억 달러에서 연평균 약 26.8%로 폭발적으로 성장하여 2030년에는 180억 달러에 이를 것으로 예상됩니다.(출처)

• 글로벌 플렉서블 및 인쇄 전자 시장은 2025년부터 2030년까지 연평균 18.2%의 성장률을 기록할 것으로 예측됩니다.(출처)

주요 플레이어 및 경쟁 환경

신축성 및 연성 전자 소자 시장은 특정 기업이 독점하기보다는, 다양한 소재 및 공정 기술이 경쟁하고 발전하는 양상을 보입니다. 특히 핵심 부품인 투명 전극 분야에서는 기존의 ITO(Indium Tin Oxide)를 대체하기 위한 금속 나노와이어, 그래핀, 전도성 고분자(PEDOT:PSS) 등 신소재 기술 개발이 활발하게 이루어지고 있습니다.

산업 동인 및 기회 요인

1. 사물 인터넷(IoT) 및 AI 기술의 확산: 실시간 건강 모니터링, 개인 맞춤형 서비스를 제공하는 AI 기반 웨어러블 기기에 대한 수요가 시장 성장을 견인하고 있습니다.

2. 헬스케어 패러다임의 변화: 원격 환자 모니터링 및 예방 중심의 헬스케어에 대한 관심이 증가하면서, 생체 신호를 측정할 수 있는 웨어러블 의료기기 시장이 빠르게 성장하고 있습니다.

3. 소비자 가전의 폼팩터 혁신: 플렉서블 디스플레이를 채용한 폴더블 스마트폰의 성공은, 소비자들이 새로운 형태의 전자기기에 대한 높은 수용도를 가지고 있음을 보여주며, 이는 신축성 소자 기술의 상용화 가능성을 높입니다.

4. 대량 생산 기술의 발전: 롤투롤(Roll-to-Roll) 인쇄 공정과 같은 대규모 생산 기술의 발전은 플렉서블 전자소자의 생산 비용을 낮추고 대중화를 앞당기는 핵심 요인입니다.(출처)