주요 연구성과
NEW 기계공학과 연구팀, 구겨도 주름 스스로 펼 수 있는 차세대 전자 장치 개발
- 2023-12-15
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우리 학교 기계공학과 한승용∙강대식∙고제성 교수 연구팀이 구김과 펼침을 반복해도 주름이 잡히지 않는 새로운 디스플레이 장치를 개발했다. 형상기억폴리머 소재를 활용한 것으로, 연구팀은 번데기 안에 날개를 구긴 상태로 존재하는 나비에서 영감을 얻었다.
아주대 기계공학과 연구팀은 이번 연구 성과를 ‘형상 변형에 기반한 구겨져도 복구가능한 전자장치(Crumple-Recoverable Electronics based on Plastic to Elastic Deformation Transitions)’라는 제목의 논문으로 12월6일자 <네이처 일렉트로닉스(Nature Electronics)>에 발표했다. 기계공학과 자연모사실험실의 한승용 교수, 강대식 교수, 고제성 교수가 공동 교신저자로 참여했다. 우리 학교 노연욱 박사와 이승곤 석사졸업생(현 삼성전자)은 공동 제1저자로 함께 했다.
기계공학과 연구팀은 형상기억폴리머 소재를 활용해 자유롭게 형태를 변형할 수 있으면서, 접힌 부분의 구겨진 구름을 스스로 펼 수 있는 전자 장치를 개발했다. 형상기억폴리머는 폴리우레탄 계열의 폴리머로써 변형을 해도 유리전이온도 이상에서 본래 형상으로 돌아가는 스마트 소재다.
최근 접을 수 있는 ‘폴더블 디스플레이’ 기반 전자 장치에 대한 관심이 높다. 그러나 반복해서 접고 펴는 과정에서 발생하는 주름이 장치의 성능을 저하시키거나, 화면 왜곡과 같은 문제를 야기한다. 이에 앞선 연구들에서 유연한 재료를 이용해 주름 문제를 해결하려 시도했지만, 이러한 재료의 경우 높은 마찰력, 형태 유지의 어려움, 낮은 내구성 등으로 인해 실제 적용에 한계가 많았다.
아주대 연구팀은 이러한 문제를 해결하기 위해, 나비 날개의 메커니즘에 착안, 부드러움과 딱딱함을 약 700배까지 조절할 수 있는 형상기억폴리머를 활용해 전자장치를 제작했다. 이 장치는 엘라스토머(고무와 같은 특성을 가진 폴리머 재료로 큰 변형을 겪어도 원래의 형태로 돌아갈 수 있는 높은 탄성을 지님)층을 결합해, 회복 불가능한 소성 변형을 방지하는 완충 기능을 갖추고 있다. 소성 변형이란 ‘주름’과 같이 물질이 접힘으로 인해 원래의 형상으로 돌아오지 못할 정도로 변형된 상태를 말한다.
이번에 개발한 전자 장치는 작은 알약에 압축해 보관할 수 있을 정도의 크기로, 단단한 강성을 유지하지만 꺼내서 열을 가하면 형상기억폴리머의 강성이 순간적으로 낮아져 주름이 사라진다. 그리고 이 과정에서 전극이 재연결되어, 구겨지기 전과 같은 터치 패널 기능을 수행할 수 있다.
한승용 교수는 “나비는 우화가 시작되기 전, 날개 크기에 비해 협소한 번데기 안에 날개를 구긴 상태로 존재한다”며 “나비는 이 주름을 무리 없이 완벽하게 펼쳐내는데, 이는 체액이 마르면서 주름이 펴지고, 날개의 강성이 증가하는 고유한 메커니즘 덕분”이라고 설명했다.
연구팀은 나비의 우화 과정에서 영감을 얻었는데, 우화란 번데기에서 허물을 벗고 나비가 되는 과정을 말한다. 연구팀의 전자 복합체는 구겨졌을 때 강성이 급격히 낮아져 주름을 펼 수 있고, 사용 중에는 강성이 높아져 사용자의 편의성을 확보할 수 있는 구조다.
한 교수는 이어 “이번 연구 성과로 전자 장치의 휴대성이 크게 높아지고, 장기적으로는 전자 폐기물 감소에 기여할 수 있다”며 “앞으로 폴리머 기반 발광층(PLED)과 결합되어, 새로운 사용자 맞춤형 디스플레이로 활용될 수 있을 것”이라고 말했다.
이번 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 신진연구 및 중견연구 지원사업으로 수행됐다.
나비의 우화 과정에서 영감을 받아 제작된 아주대 연구팀의 전자 장치
알약에 압축 보관했다가 펴도 문제 없이 사용 가능한 터치패널
* 위 사진 설명 - 아주대 기계공학과 연구팀. 왼쪽부터 한승용 교수, 강대식 교수, 고제성 교수, 노연욱 박사, 이승곤 석사졸업생
# 관련 기사 보기 - 한국경제(12.7.) "나비 날개서 힌트, 구겼다 펴도 멀쩡한 터치패널 개발했죠"