일본 와세다 대학은 고분자 나노 시트를 이용하고, 열처리를 하지 않고 전자 소자를 고정하는 봉지 기술을 개발했다. 개발한 밀봉 기술을 이용하는 웨어러블 장치를 피부에 붙여 작동시켰고, 유연한 생체 조직 표면에서도 안정적으로 전류가 통하는 것을 확인했다고 한다.

이에 따라 피부에 부착하는 웨어러블 디바이스의 실현 가능성이 높아 건강 의료 및 스포츠 분야에의 응용이 기대된다.

현재 보급된 웨어러블 디바이스의 형태는 시계와 안경처럼 전통적인 타입이 일반적이다. 이 연구소 관계자는 “박막 형성 기술의 진보와 함께 피부 등의 생체 조직에 반창고처럼 부착하는 시대가 앞당겨질 것으로 예상하고 있다”고 말했다. 반창고 형 디바이스는 피부에 위화감없이 붙여 건강 의료 분야에서의 건강 관리, 선수의 능력 관리 등에 응용할 수 있다.

피부에 붙이기 위해서는 디바이스 전체를 얇고 부드럽게 하는 전자 회로를 구성하는 LED나 IC 칩 등의 소자를 부드러운 플라스틱 박막 표면에 설치해야 한다. 그러나 납땜 등의 전자 소자 고정 방법은 150~300℃의 고온 처리를 필요로 하기 때문에 접합부가 경화된다. 그리고 기판을 얇게 할수록 소자의 안정적인 고정이 어려워진다.

포토 리소그래피에 의한 미세 가공 및 금속 증착에서 소자를 직접 기재 상에 만드는 방법도 있지만, 비싼 마스크와 고순도의 진공 공정을 필요로 하기 때문에 디바이스 전체의 작성 시간 및 비용 절감을 실질적으로 구현해야 하는 과제가 있었다.

연구소는 지금까지 소재로 고무(폴리스티렌-폴리 부타디엔-폴리스티렌 혼성 중합체:SBS)를 이용하는 것으로, 기존보다 100배 부드러운 나노 시트를 개발했다. 이번 롤투롤 방식을 사용함으로써, 롤 모양의 PET(폴리에틸렌) 필름 상에 SBS 나노 시트를 제막(製膜)했다. SBS 나노 시트 및 PET 필름 사이에 수용성 폴리비닐알코올(PVA)층을 형성하고, 종이 테이프의 틀을 이용해 PET 필름에서 쉽게 벗길 수 있도록 했다.

▲ 그림 1. 두 장의 SBS 나노 시트에 끼워진 LED. LED를 뒷면에서 관찰하면 SBS 나노 시트에 인쇄된

배선이 전극에 조밀하게 추종하고 있었다.

이 SBS 나노 시트 표면에 잉크 흡수층을 코팅한 후 가정용 잉크젯 프린터를 이용해 실버 잉크를 인쇄한다. 인쇄 배선에 LED를 싣고 다른 SBS 나노 시트에 끼워넣는 것으로 LED를 밀봉한다. 최종적으로 PVA층을 물에 용해시켜 ‘SBS 나노 시트-잉크 흡수층-인쇄 배선-LED-SBS 나노 시트’의 5층 구조를 PET 필름으로부터 박리해 피부에 붙이는 새로운 방법을 개발했다.

▲ 그림 2. 배선 사이에 칩 저항기를 배치하고 SBS 나노 시트로 봉지 모습. (왼쪽: 두께가 2500 nm의 시트,

오른쪽: 두께가 250nm의 나노 시트를 사용했다.) 흰색 점선 내부에서는 봉지용의 나노 시트가 기재

측에 밀착하지 않고 떠있다. 막 두께가 얇고 추종성이 높은 나노 시트에 저항하면 밀폐성이 향상되었다.

연구소는 SBS 나노 시트로 전자 소자를 끼움으로써 납땜 등의 고온 처리 공정을 이용하지 않고 배선과 전자 소자를 연결하는데 성공한 것이다. 이때 나노 시트의 인쇄 배선과 전자 소자의 전극부는 항상 접촉했다.

또한 나노 시트의 두께를 얇게 할수록 전자 소자의 밀폐성이 향상돼 보다 작은 접촉 저항에서의 연결을 가능해졌다. 이는 인쇄 배선과 소자의 전기적 연결은 나노 시트 특유의 유연성과 밀착성에 유래하는 것임이 분명해졌다.

SBS 나노 시트와 LED로 구성된 두께 약 800nm의 디바이스를 피부에 붙인 결과, 생체 조직 표면에서도 LED를 안정적으로 점등시키는 데 성공했다.

▲ 그림 3. SBS 나노 시트에 LED 점등 회로를

구현해 팔에 부착한 모습. 피부에서도 배선과

LED의 전기적 연결은 안정적이었다. 흰 테이프

테두리는 나노 시트의 부착에 사용된 프레임이다.

이번에 개발한 기술은 내열성이 낮은 플라스틱 기판 및 전자 소자에 응용할 수 있기 때문에 정밀 기기의 봉지에도 유용할 것으로 기대된다. 전자 회로의 배선은 PC와 가정용 잉크젯 프린터에서 설계, 인쇄할 수 있기 때문에 쉽고 저렴한 비용으로 부착할 수 있는 전자 장치의 제작이 가능해졌다. 연구소 관계자는 “앞으로 학습용 키트로의 이용도 전망된다”고 말했다.

향후 연구소는 나노 시트 표면에 회로와 센서, 안테나를 집적함으로써 부착할 수 있는 전자 장치의 개발을 진행시켜 건강 의료 및 스포츠 과학 분야로 응용을 목표로 할 계획이다. 

김희성 기자 (npnted@hellot.net)