| 초록 |
1. 연구목표 1) 3D Device Printing HMI용 에너지 발생 소재 - 에너지 발생용 열전소재 성능지수(ZT, 300K) > 0.4, 발전용량 > 2 ㎼/cm 2 - 에너지 발생용 압전소재 연신율 > 25 %, 발전용량 > 2 μW/cm 2 2) 3D Device Printing HMI용 감지 소재 - Piezoresistive 스트레인 센서소재 연신율 > 40 %, gauge factor > 10 - Reverse iontophoresis 기반 웨어러블 글루코즈 센서 패치 연신율 >20% - 열전형 온도변화감지 센서 감지 온도차 0.5 N, Young's modulus 500 % 4) 3D Device Printing HMI용 인터커넥터 소재 - 3차원 interconnection 전극 전도도 > 7000 S/cm, 패턴선폭 10 kPa 2. 주요 연구내용 1) 3D Device Printing HMI용 에너지 발생 소재 ○ 신규 저 밴드갭 열전고분자의 설계 및 합성 - 밴드갭 제어 및 고 전하이동도 구현을 위한 분자구조 설계 - 도핑 엔지니어링을 통한 열전특성제어 ○ 유무기하이브리드 기반 열전소재 - 세라믹/고분자(또는 탄소소재) 하이브리드 소재 기반 열전소재 개발 - 탄소 및 고분자 소재의 전기전도도 향상을 위한 도핑 영향 분석 ○ 인쇄공정 기반 열전소자 제작공정 - 수직형 소자 제작 및 스크린 프린팅 적용을 위한 열전 페이스트 제작 - 열전 페이스트 제작을 위한 다양한 조성성분의 스크리닝 - 스크린 프린팅 기초 테스트 - 나노임프린팅 기법을 이용한 소재 벌크화 공정 - 3D 프린팅 공정적용 검토 ○ 계면제어 복합 압전소재 개발 - 탄성계수가 제어된 탄성체와 압전나노입자의 복합화를 통한 에너지 발생용량 향상 - Percolation 기반의 연신 전극소재를 이용한 신축 소자의 디자인 고찰 2) 3D Device Printing HMI용 감지 소재 ○ 인체행동 감지를 위한 piezoresistive 센서소재 개발 - 3차원 프린팅용 스트레인 센서소재를 이용한 적층구조 기반의 고감도 소자 제작 - 다양한 인체행동감지를 통한 HMI 소자적용 가능성 확인 ○ Wearable one-patch glucose sensor 개발 - Self-powered glucose sensor 개발을 위한 최적전원 채택 및 원패치 디자인 확립 - wearable glucose sensor 개발을 위한 기판/시료추출 시스템 등 구성요소 확립 - 고성능 glucose sensor 개발을 위한 전극소재 개발 ○ 인제감지용 열전형 온도변화감지 센서 개발 - 열전소자와 트랜지스터 상호연결을 통한 감지 기술 확립 3) 3D Device Printing HMI용 One-patch 피부부착용 기판 소재 ○ Softness, stretchability, stickiness 한 정도를 조절할 수 있는 기판 소재 개발 - 기계적 특성 분석 및 평가 - Double-layer 형태를 이용하여 One-patch 피부부착 특성 평가 4) 3D 프린팅 기반 전극 소재 및 집적화 공정기술 ○ 소자 어레이화를 위한 3차원 프린팅 기반 전극소재 개발 - 전도도 특성 향상을 위한 신규 금속 filler 조성물 설계 및 최적화 - 3차원 전자회로 구현을 위한 소재 및 공정기술 최적화 3. 주요 연구개발 결과 및 성과 1) 3D Device Printing기반 HMI용 열전 소재 ○ 신규 저 밴드갭 열전고분자의 설계 및 합성 - 1.23 eV의 신규 저 밴드갭 PDPPSe 열전고분자의 합성 및 특성 평가 - 도핑 소재 및 공정 개발을 통한 열전성능 향상 ○ 유무기하이브리드 기반 열전소재 - 열전성능지수(ZT) 0.31의 유무기 하이브리드 열전소재 개발 - 스프레이 인쇄 공정을 이용한 유연 열전소자 제작 및 출력 특성 평가 ○ CNT web 기반 열전소재 - 저분자 도핑을 이용한 p, n형 CNT web 기반 열전소재 개발 - 수직 형태의 고집적 유연 CNT web 열전 모듈 제작 및 출력 특성 평가 (3.85 μW/cm 2 ) ○ 인쇄공정 기반 열전소자 제작공정 - 다양한 인쇄공정을 이용한 100 μW급 열전모듈 제작 및 성능 평가 - Paste형태 열전소재의 스크린 인쇄공정 적용 및 집적화된 소자 제작 2) 계면제어 복합 압전소재 - 압전나노입자의 표면 개질을 통한 에너지 발생용 활성소재 합성 - 탄성계수가 제어된 탄성체와 압전나노입자의 복합화를 통한 에너지 발생용량 향상 - Percolation 기반의 연신 전극소재를 이용한 신축 에너지 발생소자 개발 - 연신 및 벤딩 등의 물리적 형태변형에 따른 발전용량 분석 (압전소재발전용량 > 2 μW/cm2 /압전소재 연신율: 25%) 3) 인체행동 감지용 Piezoresistive 센서 소재 - 3차원 적층인쇄공정 기반 센서소재 특성 최적화 및 인체행동 감지특성 확인 - 연신율: 70 %, gauge factor: 58 4) Wearable one-patch glucose sensor (작성) - 촉매가 전극의 안쪽에 위치한 역구조의 그래핀 센서 개발 - 촉매를 전극 내부에 위치시켜 안정성과 감도를 향상시킨 글루코즈센서로 개발함. - 역구조의 그래핀센서와 효소 하이드로젤을 결합한 유연 패치형 글루코즈센서 개발 5) 인체감지용 열전형 온도변화감지 센서 (5줄 내외 요약요망) - 제작된 CNT web 기반 수직 형태의 열전소자를 접촉식 열전형 온도변화 감지 센서로 응용 - 손가락 터치 온도에 즉시 응답하여 출력 전압이 약 40 mV까지 증가 - 온도 특성이 민감한 접촉식 열전센서로 응용이 가능 6) 3D Device Printing HMI용 One-patch 피부부착용 기판 소재 - Elastomer의 성질을 조절 가능하게 하는 reverse-micelle을 이용한 공정 개발 - Adhesion force (0.014–1.1 N cm–1), Young's modulus (535–16 kPa), stretchability (430–1340%) 조절 성공 - 우수한 내구도와 wet한 환경에서도 접착력이 유지됨 7) 3D 프린팅 기반 전극 소재 및 집적화 공정기술 - Percolation 거동기반 3차원 프린팅용 전도성 조성물 개발 - Storage modulus: 80 kPa, 전도도: 23,000 S/cm, 패턴선폭: 230 um 8) 직접묘화 기법을 이용한 웨어러블 3차원 적층형 압력인지소자 개발(포항공대) - 금속 전구체 프린팅을 통해 연신성전극/회로/압력센서 제조 - 프린팅을 통해 고감도 압력센서 (무게, 맥박, 소리 감지) 제조 - 안정적인 HMI 인터커넥션 기술 개발 - 고해상도 flexible 압력센서 제조 (100 pixels/cm2) 9) 3D 프린팅 기반 다차원 에너지 하베스터 개발 (성균관대) - 압전나노복합체 에너지 발전소자 특성 평가 - 에너지 발전소자의 충전 시스템 설계 4. 활용분야 및 계획 1) 핵심 IP 확보 및 상용화 전략 - 연신 전극 소재는 신축성 소자, 웨어러블소자 등으로 응용 - 연신 전극 소재는 고연성 픽셀형 E-Skin 압력센서, 마이크로저울 등으로 응용 - 산화물-카본-금속 소재 기반 전극소재는 3D 마이크로 전지 등으로 응용 - 신축성 전극, 센서, 전지 소재를 활용하여 2016년도 임무형(묶음예산) 사업의 HMI용 one-patch 소자 개발에 응용 2) 타 연구사업 연계 전략 - 개발된 플랫폼 소재를 GRL 사업 (Hybrid 3D Printing for Autonomous Microelectronics), 나노소재원천기술개발사업 (탈평면 나노전자소자를 위한 곡면인쇄용 원천소재 개발)에 활용 - 1단계 완료 후 또는 세부기술이 확보된 경우 정부 수탁사업 수주에 활용 5. 기대효과 - 향후 시장의 확대가 기대되는 웨어러블 응용소자 및 사물인터넷 관련부품소재로의 확장이 기대됨. 특히, 기술적 선점을 통한 기술 및 시장을 주도하면서 미래 성장동력산업으로의 연계가 예상됨 - 현재 압전물질 기반 에너지 발생소자는 기술적으로 태동하는 연구분야로서, 압전물질과 탄성체의 복합화를 활용한 유연 에너지 발생소자의 제조기술을 확보함으로써 기술을 선도할 수 있음 - 신규 유기 열전소재 개발 원천기술 확보 및 기술선점 - 유기 열전소재의 인쇄공정 적용을 통한 소자 집적화 및 유연 열전소재 개발 - 스마트 기기의 전력공급 문제 해결 - Glucose sens |
