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웨어러블, 생체이식용 컨포머블 전자 소자 제작
송지현 (Ji-Hyeon Song)(단국대학교 기계공학부 조교수)/jhsong at dankook.ac.kr/

1. 본인의 연구를 대략적으로 소개해주세요.

- 저는 융합기술을 통해 기존 디바이스의 한계를 넘어서는 차세대 전기소자 및 기기를 개발하고 있습니다. 구체적으로는 유연하며 인장 가능한 센서, 에너지 하베스터, 에너지 저장장치 등을 개발합니다. 소자를 설계할 때 전도성 나노 물질, 압전 물질 등의 스마트 재료와 serpentine, kirigami 등의 기능성 구조를 활용합니다. 또한 설계된 재료와 형상을 가공하고 제작할 수 있는 공정 개발 및 개선 연구도 활발히 진행하고 있습니다. 보통 마이크로-/나노스케일의 적층 공정을 활용하며 공정분석을 위해 유한요소해석(Finite element analysis, FEA), 분자동역학 (Molecular dynamics, MD) 등의 시뮬레이션도 수행합니다. 개발된 소자는 생체신호를 측정하는 웨어러블 디바이스나 바이오메디컬 디바이스, AR/VR, 로보틱스 등의 분야에 적용할 수 있습니다.



2. 인쇄전자기술을 이용하여 레고처럼 단위 센서를 조립하여 센서의 크기, 모양, 용도를 자유롭게 변경할 수 있는 기술을 개발하신걸로 알고 있습니다. 이 연구에서 개발된 투명한 변위 센서는 어떤 장점과 특징을 가지고 있나요?

- 본 연구에서 개발된 센서는 인쇄전자기술을 이용해 대량으로 센서를 인쇄, 기판에서 분리한 뒤 마치 레고처럼 단위 센서를 연결하고 조립합니다. 이를 통해 인쇄가 완료된 후에도 활용처에 따라 다양한 크기, 형태, 성능의 센서 제작이 가능하다는 장점이 있습니다.

센서는 전기수력학 프린팅 (Electrohydrodynamic jet printing, EHD) 방식을 이용하여 압전 재료를 구불구불한 serpentine 구조로 제작하였습니다. 단위 센서는 원래 길이의 2배까지 인장 가능하며 변위에 따라 선형적으로 전압을 출력하여 변위 센싱이 가능합니다. 본 유연한 박막형 센서는 2차원 형상 뿐만 아니라 꽃, 새, 뱀 등의 다양한 3차원 형상으로도 확장 가능하며, 3차원 구조체는 평행 방향 뿐만 아니라 다양한 방향의 변위를 센싱 할 수 있습니다. 단일, 피막형, 그리고 레고처럼 조립된 센서들은 웨어러블 및 생체 이식용 기기에 적용 가능함을 확인하였습니다. 손가락 및 손목에 부착되어 움직임에 따라 다른 전압 출력을 나타내 웨어러블 기기로의 활용 가능성을 보였습니다. 또한 심장의 박동상태를 모니터링 하는 생체 탐침으로 사용이 가능합니다. 그리고 쥐의 피하에 이식되어 근육의 움직임을 성공적으로 모니터링하면서 의학 분야의 사용 가능성도 보였습니다.




3. 기존의 신축성 센서와 이 연구에서 개발된 센서의 주요 차이점은 무엇인가요?

- 고령화 사회로 진입함에 따라 의료기기의 필요성이 증대되고 있습니다. 신축성 기기의 웨어러블 및 이식용 기기로서 활용 이점은 많은 연구에서 발표되어 왔습니다. 하지만 실제 사용을 위한 원가절감을 위해서는 대량생산 이후에 활용처 혹은 사용자에 따른 맞춤화가 필요합니다. 대부분의 신축성 인쇄 센서는 적용되는 기기의 디자인이나 기능을 수정하면 설계부터 제작까지 모든 과정을 다시 진행해야 합니다. 또한 기판과 일체형으로 제작되므로, 소자의 성능은 기판의 특성에 제한을 받게 됩니다. 이처럼 기존 인쇄기술을 이용한 제작법에서 여러가지 종류의 기기를 만들거나 사용자 맞춤형으로 제작하기 위해서는 공정조건을 바꿔가며 제작해야 하기 때문에 공정 효율 및 난이도 측면에서 한계점이 존재합니다. 본 연구에서 개발한 기술은 단일 센서를 대량생산 이후 활용처에 맞게 다양한 모양으로 조립, 변형시키며 기능성을 추가할 수 있다는 장점이 있습니다. 웨어러블 센서로서 사용자 맞춤화가 가능할 뿐만 아니라 이식용 기기로까지 추가적인 활용이 가능합니다.


4. 컨포멀 전자소자를 제작하고 웨어러블/바이오 어플리케이션에 적용하는 과정에서 주로 사용되는 기술과 장비는 무엇인가요?

- 유연하고 인장가능한 전자소자 제작을 위해서 폴리머와 같이 인장 가능한 재료를 사용하거나 wavy, serpentine, origami, kirigami 등 인장 가능한 구조를 활용하는 방법이 있습니다. 예를 들어 아래 그림의 연구에서는 인장가능한 PDMS 재료와 yarn 구조를 이용하여 사람 목의 움직임에 따라 유연하게 움직이며 움직임을 센싱하여 거북목 등 자세 교정에 활용가능한 센서를 개발하였습니다.
또한 아래 그림의 연구에서는 유연하지만 인장이 되지 않는 압전 필름에 키리가미 구조를 적용하여 인장가능한 변위 센서를 제작하였습니다. 개발한 변위센서로 VR 글러브를 제작하여 피아노를 성공적으로 연주할 수 있었습니다.
이처럼 컨포멀 전자소자 제작을 위해서는 적용하고자 하는 웨어러블/바이오 어플리케이션에 맞게 구조 및 재료를 설계하는 과정이 중요합니다. 또한 소자를 제작하고 가공할 수 있는 공정도 매우 중요합니다. 공정을 제대로 이해하고 공정 및 공정변수를 제대로 선택해야 원하는 재료를 원하는 스케일과 구조로 제작할 수 있습니다. 또한 공정에 따라 원가절감, 대량생산 등이 가능해지므로 제작 공정은 센서의 상용화에도 중요합니다. 저희 연구실에서는 전극이나 소자의 인쇄를 위해 EHD 프린팅, 나노스프레이, 스퍼터링 등의 적층공정을 주로 활용합니다. 또한 레이저 공정을 이용하여 필름의 커팅이나 표면 특성화가 가능합니다. 그 외의 마이크로-/나노 스케일 가공공정도 많이 활용하고 있습니다.


5. 개발하신 웨어러블 전자소자의 앞으로의 활용방안이나 연구동향 등을 알려주세요.

- 현재까지는 설계에 초점을 맞춰 인장가능한 센서 소자를 개발, 센서의 기능 및 성능을 확장시키는 연구를 했다면, 앞으로는 상용화를 위해 실제 체내·​외에서 신호를 신뢰성 있게 측정할 수 있도록 내구성이 높은 소형화된 센서 소자를 제작하려고 합니다. 오염 등 외부 환경에서도 작동하며 오랜 기간 체내에서 신호를 측정할 수 있는 내구성이 요구됩니다.


이를 위해 소재 선정 과정에서 생체적합성을 고려하며, 생분해성 및 투명한 재료들도 활용할 계획입니다. 또한 센서의 소형화를 위해서는 센서의 설계 뿐만 아니라 공정도 개선해야 합니다. 이와 같이 개선된 센서는 웨어러블 디바이스와 생체 이식용 센서로 적용되어 생체 신호를 성공적으로 측정할 수 있을 것입니다. 이는 고령화되며 개인의 건강에 대한 관심이 급증하는 시기에 디지털 헬스케어 분야에 기여할 수 있습니다.

앞으로는 센서 뿐만 아니라 엑추에이터, 에너지 하베스터, 에너지 저장장치 등으로 연구분야를 확장시키고 싶습니다. 개발된 전자 소자의 어플리케이션 적용을 위해 의과학대학교, 국외 대학, 기업 등 여러 기관과의 협업도 계획하고 있습니다.


6. 현재 근무중이신 단국대학교 Smart Design & Manufacturing Lab. 에 대해 소개해 주세요. (4차 산업혁명 선도 연구실 선정, 다른 과와의 차별성, 특징, 구성원, 프로젝트, 단체사진 등)

- 단국대학교 스마트 설계 및 생산 연구실 (Smart Design & Manufacturing Lab., SDML)은 2020년 9월에 개설되었습니다. 현재 유연 전기 소자, 스마트 센서, 스트레처블 센서, 마이크로-/나노 공정 등에 대한 연구를 활발히 수행하고 있습니다. 최종 목표는 센서의 설계 다양화를 통해 기능성을 확장하며, 소형화 및 내구성 있는 센서를 개발하여 웨어러블, 생체이식용 센서를 상용화시키는 것입니다. 센서의 제작을 위한 EHD 프린터, 나노 스프레이, 레이저 등의 장비와 성능 측정을 위한 일렉트로미터, 소스미터, 정밀 스테이지 등의 장비를 보유하고 있습니다.

한국연구재단과 중소벤처기업부, 한국산업기술진흥원 등에서 컨포멀 전자 소자를 개발하는 연구 사업과 스마트 센서, 디지털 헬스케어, 미래자동차 등의 인력양성사업에 참여하고 있습니다. 연구실의 분위기는 자유로운 편이며, 자발적으로 연구할 수 있는 분위기를 조성하려고 노력하고 있습니다.
7. 연구를 진행하면서 많은 분들로부터 영향을 받았을 것으로 생각됩니다. 어떤 연구자들로부터 어떤 영향을 받았는지 궁금합니다.

- 저는 운이 좋아 석사, 박사, 포닥 과정에서 모두 좋은 지도교수님을 만났으며, 지도교수님들께 많은 영향을 받았습니다.

석사, 박사 지도교수님이신 서울대학교 기계공학과 안성훈 교수님께서는 오랜 시간을 함께한 만큼 저에게 많은 영향을 주셨습니다. 교수님의 지도를 받으며 연구를 어떻게 하는지부터, 연구 제안서 작성하는 방법 등 여러가지를 배웠습니다. 특히 연구 아이디어를 내는 방법에 대해 많은 인사이트를 주셨는데, 교수님께서는 한가지 분야의 전공 지식과 함께 다른 분야에 대한 관심과 기초 지식을 가지고 여러 아이디어를 융합하여 창의적인 연구분야를 개척하셨습니다. 또한 연구실 인원이 약 30명 내외로 매우 많은 편인데, 모든 학생을 최선을 다해 지도 해주시며 연구실을 잡음 없이 운영하시는 모습으로부터 많은 것을 배웠습니다.

조지아텍 Yan Wang교수님께서는 박사과정 공동 지도 교수님으로서 저에게 연구에 대한 흥미와 교수의 꿈을 심어주셨습니다. Wang 교수님께서는 학생들을 항상 친절히 대해주셨으며, 시뮬레이션 툴을 다루는 방법부터 논문 작성법까지 하나하나 세심히 알려주셨습니다. 교수님께서는 항상 일과 삶의 균형을 중요하게 생각하셔 가족들과 함께 보내는 시간, 건강을 챙기는 시간 등을 강조하셨습니다. 지도 학생들에게 연구자로서 건강한 삶의 방식에 대해 알려주시고 건강하고 여유있는 삶의 태도를 가지게 지도해주신 것에 대해 감사드립니다. 지금도 이를 실천하면서 생활하려고 노력중입니다.

NTU 이석우 교수님께서는 포닥 교수님으로 언제나 학생을 진심으로 배려해주시고 존중해주시는 점에서 많은 것을 배웠습니다. 연구실적이 뛰어나시면서도 학생들에게 매우 평판이 좋아서 나중에 교수님과 같이 연구실을 운영해야겠다는 생각을 많이 했습니다. 코로나가 한창 심했었고 포닥 생활을 길지 않게 해서 많은 연구를 하지는 못했지만, 짧은 기간동안 많은 것을 느끼고 배울 수 있게 해주셨습니다.


8. 연구 활동을 통해 느끼신 점, 자부심, 보람 등에 대해 이야기해 주실 수 있을까요?

- 연구 활동은 창의적인 과정으로 문제와 답이 정해져 있지 않기 때문에 어떤 문제를 풀 것인지 스스로 정의하고 그 문제의 답을 찾아가야 합니다. 저는 문제를 정의하고 답을 찾는 과정, 생각한 가설이 실험으로 검증되는 과정에서 흥미를 느낍니다. 요즘처럼 AI가 대세인 세상에서 인간만이 가능한 창의적인 생각을 계속 할 수 있는 점이 연구의 묘미인 것 같습니다.

또한 학생들에게 답이 정해져 있는 전공 교과목의 문제가 아닌 연구문제를 정의하고 해결하는 방식을 교육하는 과정에서 보람을 느낍니다. 학생들이 실험을 통해 연구결과를 내고, 결과를 정리해 학회에 참석하고 논문을 투고하는 과정 등에서 많은 것을 배울 수 있을 것이라 생각됩니다.


9. 이 분야로 진학하려는 후배들에게 어떤 조언을 해 주시겠습니까? (또는 이 분야로 창업하려는 사업가들에게 어떤 조언을 해 주시겠습니까?)

- 앞서 언급했듯이 이 분야의 연구는 특히 아이디어가 중요한 경우가 많습니다. 좋은 아이디어를 얻기 위해서 두가지를 조언하고 싶습니다.

첫째로 논문을 많이 읽고 트랜드를 잘 파악하는 것이 중요합니다. 다른 연구자들이 어떤 연구를 했는지 알아야 새로운 연구 아이디어를 낼 수 있기 때문입니다. 또한 여러 분야에 관심을 가지고 자신의 연구 분야와 접목할 수 있는 기회를 찾아보는 것도 중요합니다.

둘째로 건강한 생활을 하는 것이 중요합니다. 잠을 충분히 자고 건강한 음식을 먹고 운동을 꾸준히 하는 것이 연구에 큰 도움이 됩니다. 여유를 가지고 여가생활을 하거나 가족들과 시간을 보내는 것도 좋습니다. 연구는 장기전이기 때문입니다. 창의적인 아이디어는 연구실에만 앉아있는다고 생각나는 것이 아니라 오히려 일생생활에서 좋은 아이디어를 얻을 수 있습니다.


* 송지현 교수의 최근(대표) 논문 5개 이하

- Jo, H., Song, Y., Lee, D., Kang, Y. J., Ahn, J., & Song, J. H. (2024). Lego-​Like Model Reconfigurable and Transparent Stretchable Strain Sensor for Wearable and Biomedical Applications (Adv. Funct. Mater. 3/2024). Advanced Functional Materials, 34(3), 2470017., Inside Back Cover

- Song, Y., Jo, H., & Song, J. H. (2023). Multiresponsive 3D Structured PVDF Cube Switches for Security Systems Using Piezoelectric Anisotropy. ACS Applied Materials & Interfaces, 15(32), 38550-38561. Supplementary Journal Cover

- Jo, H., Bae, Y., Song, Y., Han, J., & Song, J. H. (2023). Stretchable multi-mode sensor with single and simultaneous sensing modes for human neck motion tracking. Applied Materials Today, 33, 101874.

- Song, J.H., Kim, Y.G., Cho, Y., Hong, S., Choi, J.Y., Kim, M.S., and Ahn, S.H., (2023), Stretchable Strain and Strain-rate Sensor using Kirigami-cut PVDF Film, Advanced Materials Technologies, 2201112

- Kim, Y. G., Song, J. H., Hong, S., & Ahn, S. H. (2022). Piezoelectric strain sensor with high sensitivity and high stretchability based on kirigami design cutting. npj Flexible Electronics, 6(1), 1-8

 




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