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====경제적, 사회적 기대 및 파급효과==== | ====경제적, 사회적 기대 및 파급효과==== | ||
| − | + | ◇ 웨어러블 및 유연 전자소자 산업 경쟁력 강화 | |
| + | 본 연구에서 확보한 신축성 전극 기술은 웨어러블 센서, 전자 피부, 스마트 의류 등 급성장 중인 유연 전자 산업의 핵심 구성요소로 활용될 수 있다. 신축성 전극의 조성 및 제조 기술을 확보함으로써 수입 의존도가 높은 고기능성 전자소자 소재 시장에서 기술 자립을 실현할 수 있으며 이는 국내 전자소자 및 헬스케어 산업 전반의 기술 경쟁력 향상으로 이어지고 신소재 산업의 내재화 및 상용화 촉진에도 크게 기여할 수 있다. | ||
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| + | ◇ 제조 비용 절감 및 대량 생산 효율성 확보 | ||
| + | 기존의 진공 증착, 스퍼터링 등 고가 장비 기반 전극 제조 방식에 비해 본 연구에서 제시하는 프린팅 공정은 장비 투자비와 공정 시간을 크게 줄일 수 있다. 특히 점도 조절이 용이한 전도성 잉크 형태로 전극을 제작함으로써 대량 생산 체계를 구축할 수 있고, 유연 소자 양산 시 경제적 효율성이 대폭 향상된다. 이러한 공정 단순화와 생산성 증대는 기업에서 쉽게 적용 가능한 기술적 기반을 제공하여 산업 전반의 생산 비용 절감과 기술 확산을 가속화할 수 있다. | ||
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| + | ◇ 스마트 헬스케어 및 소프트 로봇 분야로의 확산 | ||
| + | 개발된 신축성 전극은 인체의 움직임에 따라 변형이 가능한 특성을 지녀 심박수·근전도 등 생체신호를 실시간으로 측정하는 웨어러블 센서나 전자 피부 시스템에 직접 적용될 수 있다. 또한 소프트 로봇 구동부나 인체 인터페이스 장치 등 다양한 차세대 응용 기술에 확장 가능하여 미래형 스마트 헬스케어 및 휴먼 인터페이스 산업 발전에 기여한다. 이러한 기술의 사회적 확산은 고령화 사회에서의 건강관리, 재활치료, 맞춤형 의료기기 개발 등 사회적 가치 창출로 이어질 것으로 기대된다. | ||
===기술개발 일정 및 추진체계=== | ===기술개발 일정 및 추진체계=== | ||
2025년 12월 1일 (월) 17:32 판
프로젝트 개요
기술개발 과제
국문 : Ag 플레이크 신축성 도체의 전기적, 기계적 특성 최적화
영문 : Optimization of the Electro-Mechanical Properties of Ag Flake Stretchable Conductor
과제 팀명
김가네
지도교수
김선홍 교수님
개발기간
2025년 9월 ~ 2025년 12월 (총 4개월)
구성원 소개
서울시립대학교 화학공학과 2022340008 김선민(팀장)
서울시립대학교 화학공학과 2020560036 정재우
서울시립대학교 화학공학과 2022340014 김채윤
서울시립대학교 화학공학과 2022340047 최서연
서론
개발 과제의 개요
개발 과제 요약
◇ 신축성 전자 소자가 신체와 같은 곡면에 잘 부착되기 위해 기판의 높은 신축성이 요구되며 동시에 높은 전도성을 유지해야 하는 과제가 존재한다.
◇ 전도성 필러를 탄성 고분자에 분산시켜 프린팅하는 방식은 전도성과 신축성을 효과적으로 구현할 수 있으나, 필러 함량이 증가하면 전도성이 향상되는 반면 신축성이 감소하는 상충 관계가 발생한다.
◇ 본 연구에서는 이러한 전도성과 신축성의 균형을 맞추기 위해 전도성 필러인 Ag flake와 실리콘 탄성체인 Ecoflex를 기반으로 한 전도체(conductor)를 제작하고, 혼합 비율에 따른 물성 변화를 분석한다. 전도성 필러의 함량과 용매의 비율에 따른 전기적, 기계적 특성을 측정하여 조성물 간의 최적의 비율을 도출할 수 있다.
◇ Percolation threshold는 절연 물질이 전도성 물질로 변환되는 최저 필러 농도, 즉 시료 전체에 걸쳐 전기 경로가 형성되는 최저 필러 농도이다. 제작된 conductor의 경우, 매우 낮은 필러 함량에서 전도성을 갖지 않으며, 특정 Ag flake 농도 이상부터 전도성을 가져 conductor로서 기능을 수행할 수 있다. Ag flake 함량을 미세 조절하여 저항이 측정되는 지점의 농도를 통해 percolation threshold 값을 측정할 수 있다.
개발 과제의 배경
◇ 신축성 전자소자는 웨어러블 기기, 소프트 로보틱스 이식형장치 등에 널리 활용되며, 장기, 피부 등과 같은 곡면에 잘 부착될 수 있다. 곡면에서의 부착성을 높이기 위해서는 기판의 탄성 계수를 낮추는 것이 중요하므로 신축성 전자소자는 높은 전도성과 신축성을 동시에 요구한다.
◇ 이를 위해 전도성 필러를 탄성 고분자에 분산시켜 제작한 잉크를 기판 위에 프린팅하는 방식이 효과적이지만, 전도성 필러 함량에 따라 전도성과 신축성이 반비례하는 상충 관계가 발생한다. 따라서 두 특성이 균형을 이루는 최적의 조성을 찾는 연구가 필수적이다.
◇ 신축성 전자소자의 경우 전도성 필러 함량 ϕ가 percolation threshold(ϕc)에 가까울수록 낮은 strain이 가해져도 전도도가 급격히 하락하고 전도도가 붕괴된다. 이는 신축 환경에서 conductor 내의 전류가 흐를 수 있는 연속 네트워크에 변화가 생겨 쉽게 끊어지며 발생한다. 신축성 전도체의 strain tolerance를 conductor의 ϕ와 ϕc 비율로서 파악하고 신뢰성을 확보한다. 충전재량 ϕ가 많으면 전도성이 상승하지만 입자 간의 rigid domain 형성으로 신축성이 감소하고, ϕ가 적으면 반대로 신축성이 증가하지만 percolation 경계 근처에서 전도도가 붕괴되기에 ϕc 주변의 trade-off 지점을 탐색하는 것이 요구된다.
◇ 본 연구는 Ag flake의 함량 변화에 따른 전도체의 물성을 분석하고, 이를 통해 전도성과 신축성을 동시에 확보할 수 있는 최적 조성을 제시함으로써 전도체 설계 방법론 확립에 기여하고자 한다.
개발 과제의 목표 및 내용
◇ 본 연구의 목표는 screen printing/film casting 공정으로 신축성 있는 전도체를 제조하고, 전기전도성과 기계적 신축성 사이의 상충 관계를 체계적으로 평가 및 해석하여 최적의 조성을 도출하는 것이다. 전도성과 신축성이 상충되기 때문에 단순히 전도성 필러의 양을 늘림에 따라 두 특성이 동시에 향상되지 않기에 최적의 비율을 찾는 것이 요구된다.
◇ 전도성 필러인 Ag flake의 양을 변수로 두어 각 실험군마다 양을 다르게 하여 전도체를 제작하여 각 전도체의 물성을 평가하는 과정으로 최적 전극 조성을 얻어 웨어러블 기기 및 유연 소재 개발 등에 적용 가능한 기술을 제시하고자 한다.
◇ 주사전자현미경(SEM) 등과 같은 장비들을 활용하여 전도성과 신축성을 평가하기 위한 parameter들을 측정하여 편차를 최소화하여 정확한 데이터를 도출한다.
◇ 전도성 필러 Ag flake의 양을 조절하며 측정을 통해 전도성 경로가 형성되는 percolation threshold 지점을 파악하여 ϕ와 ϕc의 비율을 계산하고, trade-off 현상을 파악하여 신축성 전자소자의 trade-off 현상에 대해 분석하고 신뢰성을 확보한다.
관련 기술의 현황
관련 기술의 현황 및 분석(State of art)
- 전 세계적인 기술현황
내용
- 특허조사 및 특허 전략 분석
내용
- 기술 로드맵
내용
시장상황에 대한 분석
- 경쟁제품 조사 비교
내용
- 마케팅 전략 제시
내용
개발과제의 기대효과
기술적 기대효과
◇ 전도성·신축성 최적화 기술 확보 본 연구를 통해 전도성 필러인 Ag flake의 함량과 용매 비율 등 주요 공정 변수가 전도체의 전기적·기계적 특성에 미치는 영향을 체계적으로 분석함으로써, 신축성과 전도성을 동시에 확보할 수 있는 최적 조건을 도출할 수 있다. 이러한 결과는 단순한 소재 개발을 넘어 신축성 전극의 물성 조절 메커니즘을 이해하는 데 중요한 기초 자료가 된다. 특히 기존에는 전도성을 높이면 신축성이 저하되는 상충 관계(trade-off)가 존재했으나, 본 연구를 통해 두 특성이 공존할 수 있는 조성 설계 방향을 제시함으로써 신축성 전자소자의 성능 향상에 직접적으로 기여할 수 있다.
◇ 프린팅 기반 전극 제조 공정의 고도화 프린팅 공정은 기존의 박막 증착이나 스퍼터링 방식보다 공정이 단순하고 비용이 저렴하며 대면적 패터닝이 가능하다는 장점이 있다. 본 연구에서는 Ag flake/Ecoflex 복합 소재를 활용하여 프린팅 공정의 점도, 경화 조건, 두께 제어 등 세부 매개변수를 최적화함으로써, 균일한 전극 형성 및 반복 인장 후에도 안정적인 전도 특성을 유지할 수 있는 제조 기술을 확립한다. 이는 차세대 유연 전자소자 제작에 필요한 핵심 공정 기술로 발전할 가능성을 지니며 다양한 프린팅 플랫폼(스크린 프린팅, 잉크젯 프린팅 등)에 적용할 수 있는 확장성을 갖는다.
◇ 복합소재 구조 거동의 정량적 이해 확보 전극의 전기적 특성(전도도, 저항)과 기계적 특성(인장강도, 연신율)을 실험적으로 측정하고 상호 연관성을 분석함으로써 복합 소재의 구조적 거동에 대한 정량적 이해를 확보한다. 이러한 데이터는 향후 유사한 전도성 복합 소재 설계 시 신속한 조성 최적화 및 성능 예측을 가능하게 하며 데이터 기반 소재 설계(Data-driven materials design)의 기초 자료로 활용될 수 있다.
경제적, 사회적 기대 및 파급효과
◇ 웨어러블 및 유연 전자소자 산업 경쟁력 강화 본 연구에서 확보한 신축성 전극 기술은 웨어러블 센서, 전자 피부, 스마트 의류 등 급성장 중인 유연 전자 산업의 핵심 구성요소로 활용될 수 있다. 신축성 전극의 조성 및 제조 기술을 확보함으로써 수입 의존도가 높은 고기능성 전자소자 소재 시장에서 기술 자립을 실현할 수 있으며 이는 국내 전자소자 및 헬스케어 산업 전반의 기술 경쟁력 향상으로 이어지고 신소재 산업의 내재화 및 상용화 촉진에도 크게 기여할 수 있다.
◇ 제조 비용 절감 및 대량 생산 효율성 확보 기존의 진공 증착, 스퍼터링 등 고가 장비 기반 전극 제조 방식에 비해 본 연구에서 제시하는 프린팅 공정은 장비 투자비와 공정 시간을 크게 줄일 수 있다. 특히 점도 조절이 용이한 전도성 잉크 형태로 전극을 제작함으로써 대량 생산 체계를 구축할 수 있고, 유연 소자 양산 시 경제적 효율성이 대폭 향상된다. 이러한 공정 단순화와 생산성 증대는 기업에서 쉽게 적용 가능한 기술적 기반을 제공하여 산업 전반의 생산 비용 절감과 기술 확산을 가속화할 수 있다.
◇ 스마트 헬스케어 및 소프트 로봇 분야로의 확산 개발된 신축성 전극은 인체의 움직임에 따라 변형이 가능한 특성을 지녀 심박수·근전도 등 생체신호를 실시간으로 측정하는 웨어러블 센서나 전자 피부 시스템에 직접 적용될 수 있다. 또한 소프트 로봇 구동부나 인체 인터페이스 장치 등 다양한 차세대 응용 기술에 확장 가능하여 미래형 스마트 헬스케어 및 휴먼 인터페이스 산업 발전에 기여한다. 이러한 기술의 사회적 확산은 고령화 사회에서의 건강관리, 재활치료, 맞춤형 의료기기 개발 등 사회적 가치 창출로 이어질 것으로 기대된다.
기술개발 일정 및 추진체계
개발 일정
내용
구성원 및 추진체계
내용
설계
설계사양
제품의 요구사항
내용
설계 사양
내용
개념설계안
내용
이론적 계산 및 시뮬레이션
내용
상세설계 내용
내용
결과 및 평가
완료 작품의 소개
프로토타입 사진 혹은 작동 장면
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포스터
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관련사업비 내역서
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완료작품의 평가
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향후계획
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특허 출원 내용
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