세계를 선도하는
최첨단 유연전자소자 연구

신기술 분야를 선도하기 위해 마련한 연구실의 주요 장비 및 기술에 대해서도 말씀 부탁드립니다.

우리 연구실은 반도체소자 제작을 위한 최첨단 반도체 공정 장비를 보유 중입니다. 미세 패턴화를 위해 포토리소그래피라는 반도체 공정을 이용하는데, 이때 우리 연구실이 단독으로 보유 중인 옐로우룸/클린룸에서 마스크 얼라이너 등의 장비를 활용합니다. 금, 은, 구리 등의 금속 증착, 반도체 웨이퍼 식각, 절연체 증착 장비 등 각종 고성능 장비도 보유하고 있습니다.

마이크로 LED에 기반한 유연/신축성 디스플레이 제작을 위한 픽-앤-플레이스 장비, LED의 제작 장비를 함께 보유하고 있어 패널 레벨의 디스플레이 제작이 가능합니다. 복합체 기반 신축성 신소재 개발을 위해 나노입자 분산용 장비, 기판 제작 장비와 온도 압력 조절이 가능한 다수의 오븐도 갖췄습니다.

유연/신축성 회로 제작에 필요한 인쇄회로기판 제작용 레이저 장비와 밀링 장비도 있습니다. 이를 활용해 구부러지거나 늘어나는 대면적 회로 제작이 가능하죠. 웨어러블 기기나 생체이식형 기기의 회로 제작을 위한 솔더스테이션과 완성도 높은 패키징을 위한 3D프린터 또한 보유하고 있습니다.

최근 공동연구를 통해 기존에 보고된 바 없는 나노복합소재 기술을 이용해 세계 최초로 고성능, 고효율, 고안전성을 지닌 신축성 웨어러블 무선통신 시스템을 개발해 주목받으셨습니다.

해당 연구는 ‘변형 불변 신축성 무선주파수 전자기기(Strain-Invariant Stretchable Radio-Frequency Electronics)’라는 타이틀로 세계 권위의 국제학술지 <네이처>(Nature, IF 64.8) 5월 23일 자에 게재됐습니다. 웨어러블 헬스케어, 삽입형 의료기기, 메타버스 등의 발전을 위해서는 광범위한 데이터를 효율적으로 전송하는 무선통신 기술 개발이 필수적입니다. 하지만 기존 무선통신 전자기기들은 늘어나거나 변형되면 작동주파수 대역까지 같이 변해 무선통신기기로 사용이 불가능했습니다. 이러한 문제점들을 해결하고자 나노 클러스터 기반의 나노복합소재를 개발했고, 이를 기판으로 활용해 작동주파수를 안정화하는 데 성공했습니다. 해당 기술은 또 높은 열전도율, 낮은 모듈러스 등 신축성 전자기기 개발을 위한 필수 성능을 갖췄습니다.

이번 연구 성과는 아무리 늘리거나 구부려도 고성능의 장거리 무선 통신과 고효율의 무선 전력 수신 기능을 유지하는 웨어러블 기기용 핵심 기술이며, 세계 최초의 기술이라는 점에서 학문적, 산업적 의미가 큽니다. 향후 웨어러블 무선통신 시스템에 큰 발전을 가져올 수 있을 것으로 기대하고 있습니다.

VR 속 온도 구현 기술, AR · 메타버스에서의 촉각 재현 기술 등을 개발하신 바 있습니다. 해당 성과에 관해서도 설명을 부탁드립니다.

VR(가상현실), AR(증강현실), 메타버스 등 XR(확장현실) 환경에서 중요한 것은 현실감입니다. 사용자에게 생생한 경험을 전달할 수 있어야 하죠. 이에 따라 XR 환경에서 인간의 감각 자극을 구현하기 위한 연구가 활발합니다. 해당 기술들은 게임뿐 아니라 의료 시술 훈련이나 군사 훈련 등에도 활용할 수 있고, 감각 신경 손상 환자에게 대체 감각을 전달해 재활 치료의 효과를 높일 수도 있습니다. 응용 분야가 다양하기 때문에 세계적으로 크게 주목받는 분야입니다.

그동안 웨어러블 기기로 복잡한 진동 햅틱을 구현하는 기술(2022년), 웨어러블 기기로 냉 · 열감을 구현하는 기술(2023년), 웨어러블 기기로 진동-냉 · 열감을 동시에 구현하는 기술(2024년) 등을 개발하며, 계속해 연구 성과를 업그레이드해 왔습니다. 해당 성과들은 전자공학 분야 세계 권위지인 <네이처 일렉트로닉스>(Nature Electronics)와 <미국 국립과학원회보>(Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS)) 온라인판에 실린 바 있습니다.

앞서 언급한 것 외에 연구실만의 자랑거리나 특징이 있다면 말씀해 주세요.

우리 연구실은 높은 수준의 연구를 수행하지만, 성과 창출만을 추구하지 않습니다. 소속 연구원들이 학위 또는 연수 기간 동안 항상 지적으로 자극받고, 즐겁게 연구할 수 있는 환경을 조성하려 노력하고 있어요. 학생과 연구원이 학업과 진로 목표를 잘 세우고 성공적으로 이뤄갈 수 있도록 지원하려 합니다.

유연전자소자 기술은 전자공학뿐만 아니라, 신소재공학, 기계공학 등 다학제 간 융합연구가 필수적인 기술입니다. 우리 연구실은 미국 노스웨스턴대, 조지아공대, 위스콘신대, 라이스대 등 해외 주요 대학 · 연구소와 협업하며 다학제 간 교류를 활발히 진행하고 있습니다. 또 학생들이 장기간 해외 파견연구를 수행하며 노하우를 확보하고 최신 기술을 습득할 수 있게 지원합니다. 삼성전자, LG전자, 삼성디스플레이, LG디스플레이, STECO 등 국내 주요 기업과의 산학협력도 활발히 추진하며 산업체 최신 기술 동향을 파악하고 공동 기술을 개발하는 데도 힘쓰고 있습니다.

마지막으로, 향후 연구실 운영 계획과 앞으로의 목표에 대해 말씀 부탁드립니다.

유연/신축성 전자기기는 반도체 제작 방법, 패키징 방법, 회로 제작 방법 등 모든 측면에서 기존 전자기기의 공정과 호환성이 떨어집니다. 또 잦은 기계적 변형에 의해 내구성과 신뢰성이 취약한 면이 있습니다. 특히 변형에 의한 특성 변형 보상 기술도 시급합니다. 예를 들어, 반도체 소자 수준에서 소자의 구부러짐 또는 늘림에 의해 전기적 특성이 변하기 마련인데, 이를 보상하기 위한 원천기술이 부재한 상황입니다. 신축성 디스플레이 또한 늘어날 때 이미지가 왜곡되거나 해상도가 저하되는 문제가 존재하므로 이를 보상할 수 있는 원천기술이 필요합니다.

우리 연구실에서는 이러한 보상 기술을 중점으로 연구를 진행하고 있습니다. 변형에도 고유한 특성이 완벽하게 유지되는 유연/신축성 전자기기 개발이 최종 목표입니다. 이와 더불어 유연 반도체의 패키징 기술, 인캡슐레이션(봉지) 기술, 웨어러블기기와 생체이식형 기기의 패키징 기술 개발 연구도 활발히 진행 중입니다.