소프트 회로: 새로운 방식으로 구부러지고 꼬이는 전자 장치의 길을 열다.
이 소프트 회로는 두 개의 다른 층으로 구성되어 있다. 9개의 LED가 있는 상단 층과 21개의 액체 금속 연결부로 연결된 9개의 센서가 있는 하단 층이다. 전체 두께는 몇 장의 종이와 비슷하다.
휴대전화나 다른 전자 기기가 부드러운 소재로 만들어졌다면, 그 용도는 어떻게 바뀌었을까? 더 내구성이 있을까? 병원 건강 모니터링 장비가 덜 단단한 구성 요소로 만들어졌다면, 환자가 착용하기 더 쉬웠을까?
그런 유형의 전자 기기는 아직 먼 미래일 수 있지만, 연구자들은 이를 구성하는 부드러운 전자 구성 요소를 구성하는 혁신적인 방법을 개발했다.
버지니아 공대 기계 공학과의 수석 연구원이자 준교수인 마이클 바틀릿 팀의 프로젝트 초점은 내부의 모든 전자 연결을 관리하는 회로에 맞춰져 있다.
Nature Electronics에 게재된 이 새로운 기술은 액체 금속 미세 물방울을 사용하여 계단과 같은 구조를 만들어 비아라고 하는 작은 전도성 통로를 형성한다. 이러한 비아는 이전 기술처럼 하드웨어에 구멍을 뚫지 않고도 회로 층을 통과하고 가로지르는 전기 연결을 만든다.
"이를 통해 고급 소프트 로봇, 웨어러블 기기, 높은 기능성을 유지하면서 늘어나고 구부러지고 꼬일 수 있는 전자 기기와 같은 흥미로운 가능성에 더 가까워졌다."라고 바틀릿은 말한다.
바틀릿의 팀이 개발한 이전의 소프트 회로 연구는 유연하지 않은 재료를 소프트 전자 복합재와 작고 전기를 전도하는 액체 금속 방울로 대체한다. 이러한 소프트 전자 장치는 가젯에 새로운 수준의 내구성을 제공하는 빠르게 부상하는 기술 분야의 일부이다.
이 프로젝트에서 연구자들은 소프트 회로 기판, 특히 서로 위에 쌓인 층 사이로 전류를 전달하는 문제를 다루었다. 이는 회로 기판이 차지하는 좁은 공간에서 전류를 잘 활용하는 데 중요하다.
기존의 단단한 전자 장치는 오늘날 일반적인 다층 전자 장치를 만드는 데 필수적인 비아를 만드는 확립된 기술을 사용하지만, 종종 회로 기판에 구멍을 뚫어야 하며, 이는 단단한 재료를 사용하여 이러한 층을 연결할 때 작동한다. 펀칭된 구멍이 벌어질 수 있는 유연한 재료에서 해당 전류를 제어하려면 다른 접근 방식이 필요하다.
팀의 새로운 기술은 구멍을 만들지 않고 액체 금속 미세 방울을 사용하여 소프트 비아와 평면 상호 연결을 형성하여 회로 층을 통과하고 가로지르는 전기 연결을 만들어 이러한 과제를 극복한다. 이 공정에는 포토레진 내에서 액체 금속 물방울의 지시된 층화가 포함된다. 자외선 노출 중에 발생하는 불규칙성을 활용하여 연구자들은 물방울이 3D로 제어 가능하게 조립될 수 있는 계단과 같은 구조를 만든다.
이 접근 방식은 매우 다재 다능하며, 이러한 액체 금속 비아와 상호 연결은 여러 유형의 재료로 구현될 수 있다. 그들은 더 나아가 제조 접근 방식을 여러 번 수행하고 점점 더 많은 층을 만들 수 있다.
전자 장치 및 기타 마이크로 및 나노 기술을 만드는 알려진 방법에서 자외선 노출 중에 마스크 가장자리 이상 또는 언더커팅이라고 하는 결함은 일반적으로 표준 제조에 어려움을 준다. 그러나 연구자들은 이 버그를 특징으로 바꾸었다. 자외선 노출 영역의 가장자리로 인해 액체 금속 물방울이 계단과 같은 수직 패턴으로 침전되고 층화된다.
이 지시된 조립을 통해 물방울이 포토레진을 통과하는 연속 경로를 형성하여 상단 및 하단 층을 연결한 다음 완전히 경화되어 구성을 제자리에 고정한다. 이 과정은 동시에 일어나고, 물방울의 정착이 빠르기 때문에 여러 개의 비아를 만드는 과정이 1분도 걸리지 않는다.
"원치 않는 이러한 가장자리 효과를 활용함으로써, 빠르고 병렬 방식으로 서로 다른 회로 층을 연결하는 부드럽고 전도성 있는 비아를 만들 수 있다."라고 바틀릿과 함께 하는 박사후 연구원인 첫 번째 저자인 동해호가 말했다.
"우리는 이 모든 것을 소프트 디바이스의 유연성과 기계적 무결성을 유지하면서 수행할 수 있다."
"평면 내 및 평면 관통 회로 층과 통합함으로써 복잡하고 다층 구조의 부드럽고 유연한 회로를 만들 수 있다." 바틀릿이 말했다.
"이를 통해 여러 개의 소프트 비아와 상호 연결이 병렬적이고 공간적으로 제어되는 방식으로 생성되는 새로운 형태의 소프트 전자 장치가 가능해졌다. 이는 이 분야를 발전시키는 데 매우 중요하다."
펜실베이니아 대학의 다른 연구원들이 이 작업에 기여했다.
이 연구에 대한 지원은 바틀릿 해군 연구소 청년 연구원 프로그램 상과 국립과학재단 초보교수 경력개발(CAREER)상, 그리고 버지니아 공대에서 제공되었다.
출처: Virginia Tech