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KAIST와 ETRI(한국전자통신연구원) 공동 연구팀이 나무뿌리가 흙에 단단히 고정되는 구조를 모방해 최대 700%까지 늘어나는 전자기판을 개발했다고 6일 밝혔다. 이 기술은 스마트 웨어러블 기기와 스트레처블 디스플레이 등에 활용될 수 있을 것으로 기대된다.

그간 유연 기판과 신축성 기판을 결합하는 과정에서 탄성 계수(elastic modulus) 차이로 인한 기계적 불안정성은 스트레처블 전자제품의 상용화에 장애물이었다. 기존에는 서펜틴 구조, 키리가미 구조, 리지드 아일랜드 방식 등 다양한 접근법이 시도됐지만 장기간 사용 시 성능 저하, 인터페이스 균열 등의 문제가 있었다.

KAIST 기계공학과 박인규 교수 연구팀이 이끈 이번 연구는 '생체 모사 인터페이스 설계(BIEFI)'라는 새로운 기술을 적용해 유연성과 내구성을 향상시켰다. 기존 방식과 비교해 600% 이상 신축성이 향상된 것으로 나타났다.

연구팀은 유연한 폴리이미드(PI) 기판에 주 뿌리(primary roots)와 보조 뿌리(secondary roots) 구조를 적용해 신축성 기판인 에코플렉스(Ecoflex)와 결합했다. 주 뿌리는 응력을 효과적으로 분산시켜 인터페이스 균열을 지연시키는 역할을 한다. 보조 뿌리는 기계적으로 서로 맞물리는 효과를 통해 두 기판 사이의 결합을 강화한다.

연구팀이 개발한 '유연한 기계적 잠금 메커니즘'은 1000회 이상의 반복 변형에도 안정적인 성능을 유지했다. 유한 요소 해석(FEA)을 통해 검증한 결과, 이 구조는 늘림, 비틀림, 압축 등 다양한 물리적 변형에서도 내구성을 유지하는 것으로 확인됐다.

연구팀은 개발한 기술을 적용해 스트레처블 LED 디스플레이, 태양 전지 어레이, 스마트 저항 밴드 등 다양한 응용 제품을 구현했다. 스트레처블 LED 디스플레이는 여러 변형에도 안정적으로 작동했다.

또한 연구팀은 BIEFI 기술을 피트니스용 저항 밴드에 적용해 운동 중 실시간으로 움직임을 감지하고 분석하는 시스템을 개발했다. 이 시스템은 탄소나노튜브(CNT) 기반 변형 센서와 두 개의 가속도계를 결합해 다양한 운동 패턴을 모니터링했다.

유연한 태양 전지를 활용한 에너지 시스템도 구현했다. 연구팀은 BIEFI 플랫폼에 유연한 태양 전지를 부착해 에너지를 저장하고 LED를 구동하는 데 성공했다고 밝혔다. 다양한 변형 상태에서도 안정적인 성능을 유지한 것으로 확인됐다.

박인규 교수는 “이러한 생체 모사형 설계가 차세대 전자 기술을 위한 새로운 표준이 될 수 있으며, 앞으로 인터페이스 설계의 최적화와 접착력 향상, 더욱 복잡한 뿌리 구조 모방 등을 통해 기술을 발전시켜 나갈 계획이다”라고 밝혔다.

이번 연구는 국제 학술지 '네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)' 2025년 2월 온라인판에 출판됐다.

육지훈 기자editor@popsci.co.kr