전자제품이 제2의 피부가 된다.
- 기술 / 문광주 기자 / 2024-03-19 10:06:00
4'00" 읽기
- 새로운 웨어러블 장치가 처음으로 신축성과 강력함을 동시에 갖춰
- 1제곱센티미터당 2,500개 이상의 센서 수용
- 인간의 손가락 끝보다 10배 더 민감한 전자 장치도 개발
- 문제는 아직 방수가 안 돼, 추가 기술 필요
피트니스 트래커, 스마트워치 등은 오랫동안 널리 사용돼고 있다. 예를 들어 우리의 요청에 따라 그들은 우리의 스포츠 활동이나 수면을 모니터링한다. 스마트 의류도 늘어나고 있다. 이러한 웨어러블은 여전히 비교적 크지만, 앞으로는 점점 더 작아질 수 있으며 착용하거나 석고로 붙이는 것이 아니라 이식도 가능하다. 그런 전자 장치는 작은 센서를 사용하여 혈압이나 뇌파와 같은 신체 신호를 평가함으로써 건강을 모니터링하고 질병을 더욱 쉽게 진단할 수 있다.
연구원들은 수년 동안 이러한 웨어러블 기기를 연구해 왔다. 지금까지 한 가지 과제는 인접한 피부나 조직층을 자극하거나 손상시키지 않는 방식으로 전자 장치를 설계하는 것이었다. 이를 달성하려면 착용자가 움직일 때 재료가 구부러지고 늘어날 수 있어야 한다. 또한 전자 제품은 긁히지 않을 정도로 부드러워야 한다.
나노튜브 덕분에 신축성 있는 전자 장치
스탠포드 대학의 동라이 즈홍Donglai Zhong이 이끄는 연구팀은 새로운 접근 방식을 테스트했다. 재료 과학자들은 자체 개발한 부드러운 전극과 스위치, 탄소 나노튜브로 구성된 신축성 있는 회로와 트랜지스터를 설계했다. 나노튜브는 반도체 역할을 하며 나머지 전자 장치를 둘러싸는 탄성 있는 그물 모양 구조를 형성한다. 그 결과, 연구진이 보고한 대로 회로는 늘어나거나 변형되는 경우에도 작동한다.
“우리는 새로운 재료뿐만 아니라 회로 설계와 회로 제조 공정도 개발해야 했다. 여러 층이 서로 쌓여 있고 한 층이 작동하지 않으면 모든 것을 처음부터 시작해야 한다"고 스탠포드 대학의 수석 저자인 즈헤나 바오Zhenan Bao는 설명했다.
매우 민감한 전자 장치가 점자를 인식
여러 번의 시도 끝에 Zhong과 그의 동료들은 마침내 이 제조 공정을 사용해 이전 버전보다 5배 더 작고 천 배 더 빠른 속도로 작동하는 집적 회로가 있는 웨어러블용 재료를 얻었다. 새로운 전자 설계를 통해 1제곱센티미터당 2,500개 이상의 센서를 수용할 수 있다. 그 결과 인간의 피부만큼 얇고 신축성이 좋아졌다.
과학자들은 이미 이 기술을 사용해 인간의 손가락 끝보다 10배 더 민감한 전자 장치 등 다양한 프로토타입을 만들었다. Zhong과 그의 동료들이 보고한 바와 같이 "인공 손가락 끝"의 센서는 작은 모양의 위치와 방향은 물론 점자 단어 전체도 인식했다. “점자를 사용하면 대개 한 번에 한 글자씩 느낄 수 있다”며 "이러한 고해상도를 사용하면 미래에는 단 한 번의 터치로 전체 단어 또는 전체 문장을 인식하는 것이 가능할 것이다"고 즈홍은 말했다.
피트니스 트래커와 웨어러블 디스플레이를 위한 향상된 센서
새로 개발된 디자인을 통해 재료 연구원들은 최초로 상업적으로 이용 가능한 성능을 갖춘 신축성 있고 휴대 가능한 마이크로 LED 디스플레이를 구축했다. 적절하게 작은 크기의 이전 버전의 탄성 회로는 디스플레이로 기능할 만큼 충분한 전력을 생성할 만큼 빠르지 않았다.
Bao는 “신축성 집적 회로는 이제 처음으로 많은 응용 분야에 사용할 수 있을 만큼 충분히 작고 빠르다”고 설명했다. 새로운 장치는 팔찌와 같은 착용 가능한 피트니스 추적기로 사용되는 것 외에도 미래에 뇌나 장에 이식될 수도 있다. "우리는 이것이 웨어러블 센서와 이식형 신경 및 장 프로브를 더욱 민감하게 만들고 더 많은 센서에 전력을 공급하며 잠재적으로 전력을 덜 사용하게 되기를 바란다.“
의학에서 새로운 전자 장치는 신경이나 근육 신호를 기록하는 센서 역할을 할 수 있다. 이를 통해 기존 센서보다 더 많은 신호를 동시에 감지할 수 있다. Bao는 “이는 강력하고 생체 적합성이 있는 차세대 뇌-기계 인터페이스로 이어질 수 있다”고 말했다.
문제는 아직 방수가 안 돼
이론적으로 새로 개발된 재료로 만든 장치는 이전과 동일한 기계를 스크린에 사용할 수 있기 때문에 전자 제조업체가 쉽게 생산할 수 있다. 팀의 보고에 따르면 사용된 재료만 교체하고 기계를 약간 조정해야 했다.
그러나 탄력 있고 신축성이 있는 전자 장치가 시장에 출시되기 위해서는 더 많은 연구가 필요하다. 예를 들어, 회로는 아직 충분히 안정적으로 작동하지 않으며 방수 기능도 없다. 따라서 장치에는 먼저 습기로부터 보호하기 위한 덮개가 필요하며 이 덮개는 신축성도 있어야 한다. (Nature, 2024; doi: 10.1038/s41586-024-07096-7)
출처: Stanford University
- 새로운 웨어러블 장치가 처음으로 신축성과 강력함을 동시에 갖춰
- 1제곱센티미터당 2,500개 이상의 센서 수용
- 인간의 손가락 끝보다 10배 더 민감한 전자 장치도 개발
- 문제는 아직 방수가 안 돼, 추가 기술 필요
전자제품이 제2의 피부가 될 때
새로운 웨어러블 장치가 처음으로 신축성과 강력함을 동시에 갖췄다.
착용할 수 있는 센서:
재료 연구원들은 센서가 제2의 피부처럼 느껴지는 효과적이고 편안한 웨어러블을 개발하기 위해 오랫동안 노력해 왔다. 이제 연구팀은 큰 진전을 이루었다. 그들이 개발한 전자 장치는 처음으로 탄력 있고 신축성이 있으며 동시에 고성능이다. 이러한 웨어러블 전자 장치는 신체 기능을 모니터링하거나 점자를 읽는 데 도움이 될 수 있다. 하지만 시장에 출시되기까지는 아직 넘어야 할 장애물이 남아 있다.
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| ▲ 스마트워치와 피트니스 트래커는 오랫동안 일상생활의 일부였다. 연구원들은 이제 미래에 더욱 편안하게 착용할 수 있는 전자 재료를 개발했다. pixabay |
피트니스 트래커, 스마트워치 등은 오랫동안 널리 사용돼고 있다. 예를 들어 우리의 요청에 따라 그들은 우리의 스포츠 활동이나 수면을 모니터링한다. 스마트 의류도 늘어나고 있다. 이러한 웨어러블은 여전히 비교적 크지만, 앞으로는 점점 더 작아질 수 있으며 착용하거나 석고로 붙이는 것이 아니라 이식도 가능하다. 그런 전자 장치는 작은 센서를 사용하여 혈압이나 뇌파와 같은 신체 신호를 평가함으로써 건강을 모니터링하고 질병을 더욱 쉽게 진단할 수 있다.
연구원들은 수년 동안 이러한 웨어러블 기기를 연구해 왔다. 지금까지 한 가지 과제는 인접한 피부나 조직층을 자극하거나 손상시키지 않는 방식으로 전자 장치를 설계하는 것이었다. 이를 달성하려면 착용자가 움직일 때 재료가 구부러지고 늘어날 수 있어야 한다. 또한 전자 제품은 긁히지 않을 정도로 부드러워야 한다.
나노튜브 덕분에 신축성 있는 전자 장치
스탠포드 대학의 동라이 즈홍Donglai Zhong이 이끄는 연구팀은 새로운 접근 방식을 테스트했다. 재료 과학자들은 자체 개발한 부드러운 전극과 스위치, 탄소 나노튜브로 구성된 신축성 있는 회로와 트랜지스터를 설계했다. 나노튜브는 반도체 역할을 하며 나머지 전자 장치를 둘러싸는 탄성 있는 그물 모양 구조를 형성한다. 그 결과, 연구진이 보고한 대로 회로는 늘어나거나 변형되는 경우에도 작동한다.
“우리는 새로운 재료뿐만 아니라 회로 설계와 회로 제조 공정도 개발해야 했다. 여러 층이 서로 쌓여 있고 한 층이 작동하지 않으면 모든 것을 처음부터 시작해야 한다"고 스탠포드 대학의 수석 저자인 즈헤나 바오Zhenan Bao는 설명했다.
매우 민감한 전자 장치가 점자를 인식
여러 번의 시도 끝에 Zhong과 그의 동료들은 마침내 이 제조 공정을 사용해 이전 버전보다 5배 더 작고 천 배 더 빠른 속도로 작동하는 집적 회로가 있는 웨어러블용 재료를 얻었다. 새로운 전자 설계를 통해 1제곱센티미터당 2,500개 이상의 센서를 수용할 수 있다. 그 결과 인간의 피부만큼 얇고 신축성이 좋아졌다.
과학자들은 이미 이 기술을 사용해 인간의 손가락 끝보다 10배 더 민감한 전자 장치 등 다양한 프로토타입을 만들었다. Zhong과 그의 동료들이 보고한 바와 같이 "인공 손가락 끝"의 센서는 작은 모양의 위치와 방향은 물론 점자 단어 전체도 인식했다. “점자를 사용하면 대개 한 번에 한 글자씩 느낄 수 있다”며 "이러한 고해상도를 사용하면 미래에는 단 한 번의 터치로 전체 단어 또는 전체 문장을 인식하는 것이 가능할 것이다"고 즈홍은 말했다.
피트니스 트래커와 웨어러블 디스플레이를 위한 향상된 센서
새로 개발된 디자인을 통해 재료 연구원들은 최초로 상업적으로 이용 가능한 성능을 갖춘 신축성 있고 휴대 가능한 마이크로 LED 디스플레이를 구축했다. 적절하게 작은 크기의 이전 버전의 탄성 회로는 디스플레이로 기능할 만큼 충분한 전력을 생성할 만큼 빠르지 않았다.
Bao는 “신축성 집적 회로는 이제 처음으로 많은 응용 분야에 사용할 수 있을 만큼 충분히 작고 빠르다”고 설명했다. 새로운 장치는 팔찌와 같은 착용 가능한 피트니스 추적기로 사용되는 것 외에도 미래에 뇌나 장에 이식될 수도 있다. "우리는 이것이 웨어러블 센서와 이식형 신경 및 장 프로브를 더욱 민감하게 만들고 더 많은 센서에 전력을 공급하며 잠재적으로 전력을 덜 사용하게 되기를 바란다.“
의학에서 새로운 전자 장치는 신경이나 근육 신호를 기록하는 센서 역할을 할 수 있다. 이를 통해 기존 센서보다 더 많은 신호를 동시에 감지할 수 있다. Bao는 “이는 강력하고 생체 적합성이 있는 차세대 뇌-기계 인터페이스로 이어질 수 있다”고 말했다.
문제는 아직 방수가 안 돼
이론적으로 새로 개발된 재료로 만든 장치는 이전과 동일한 기계를 스크린에 사용할 수 있기 때문에 전자 제조업체가 쉽게 생산할 수 있다. 팀의 보고에 따르면 사용된 재료만 교체하고 기계를 약간 조정해야 했다.
그러나 탄력 있고 신축성이 있는 전자 장치가 시장에 출시되기 위해서는 더 많은 연구가 필요하다. 예를 들어, 회로는 아직 충분히 안정적으로 작동하지 않으며 방수 기능도 없다. 따라서 장치에는 먼저 습기로부터 보호하기 위한 덮개가 필요하며 이 덮개는 신축성도 있어야 한다. (Nature, 2024; doi: 10.1038/s41586-024-07096-7)
출처: Stanford University
[더사이언스플러스=문광주 기자]
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