초록 ▼

1. 연구목표
1) 3D Device Printing HMI용 에너지 발생 소재
- 에너지 발생용 열전소재 성능지수(ZT, 300K) > 0.3, 발전용량 > 1 ㎼/cm²
- 에너지 발생용 압전소재 연신율 > 20 %, 발전용량 > 1 μW/cm²

2) 3D Device Printing HMI용 감지 소재
- piezoresistive 스트레인 센서소재 연신율 > 30 %, gauge factor > 5
- self-powered, wearable on

1. 연구목표
1) 3D Device Printing HMI용 에너지 발생 소재
- 에너지 발생용 열전소재 성능지수(ZT, 300K) > 0.3, 발전용량 > 1 ㎼/cm²
- 에너지 발생용 압전소재 연신율 > 20 %, 발전용량 > 1 μW/cm²

2) 3D Device Printing HMI용 감지 소재
- piezoresistive 스트레인 센서소재 연신율 > 30 %, gauge factor > 5
- self-powered, wearable one-patch glucose sensor 설계 및 센서용 전극
- 열전형 온도변화감지 센서 감지 온도차 < 20 ℃(2년차 목표)

3) 3D Device Printing HMI용 인터커넥터 소재
- 3차원 interconnection 전극 전도도 > 5000 S/cm, 패턴선폭 < 500 um, 탄성계수 > 5 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
- 다양한 열전 나노구조체 및 고분자 매트릭스 종류에 따른 하이브리드 열전소재의 특성 분석
○ 인쇄공정 기반 열전소자 제작공정
- 다이렉트 인쇄공정 기술(잉크젯 및 디스펜서 프린팅)
- 나노임프린팅 기법을 이용한 소재 벌크화 공정
- 3D 프린팅 공정적용 검토
○ 자가전원 소자를 위한 신규 압전소재 개발
- 압전물질의 표면 개질 및 유연한 탄성체와의 복합화를 통한 고성능 압전기반 활성 소재 개발
- 압전소재와의 접합이 가능한 유연 전극의 개발을 통한 고성능 발전소자개발
- 압전 소재의 페이스트화 및 점탄성 특성 제어

2) 3D Device Printing HMI용 감지 소재
○ 인체행동 감지를 위한 piezoresistive 센서소재 개발
- 고감도 특성을 가지는 폴리머-카본 복합체 기반 센서소재 개발
- 카본 복합체의 물리/화학적 특성에 따른 센서특성 최적화
- 3차원 프린팅 특성 최적화 및 소자 제작 응용가능성 평가
○ Self-powered, 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
○ 온도변화 감지를 위한 열전형 온도감지 센서 개발
- 열전소자와 트랜지스터 상호연결을 통한 감지 기술확립

3) 3D Device Printing HMI용 인터건넥터 소재
○ 소자 어레이화를 위한 3차원 프린팅 기반 전극소재 개발
- 고전도성을 가지는 프린터블 신규소재 개발
- 폴리머-금속소재간의 계면제어를 통한 고기능성 전도성 소재 개발
- 점탄성 특성의 제어를 통한 3차원 프린팅 특성 최적화

3. 주요 연구개발 결과 및 성과
1) 3D Device Printing기반 HMI용 열전 소재
- 신규 저 밴드갭 열전 고분자 3 종 설계 및 합성(PDPPP, PDPP3T, PDPPS)
- 신규 합성된 저 밴드갭 고분자 중 PDPPS와 PDPP3T 고분자의 열전 특성이 기존 P3HT 고분자와 비교하여 각각 4배, 5배 향상된 power factor를 나타냄(206 μV m^-1 K^-2 및 255 μV m^-1 K^-2).
- SSWCNT doped Te/PEODT 소재를 이용하여 스프레이 인쇄방법으로 수 평형 열전소자 제작(power 출력은 120 nW로 도핑 전에 비해 20배 증가)
- CNT web 열전소재를 사용하여 디스펜서 인쇄 공정으로 7 μW급 수평형 유연 열전모듈 제작 및 수직형 열전소자를 집적화 하여 120 μW급(단위 면적당 3.42 μW/cm²의 파워 출력) 열전모듈 제작

2) 3D Device Printing기반 HMI용 압전 소재
- 압전나노입자의 표면 개질을 통한 에너지 발생용 활성소재 합성
- 탄성체와 압전나노입자의 계면 제어를 통한 균질 혼합이 가능한 페이스트 제조
- 연신 및 벤딩 등의 물리적 형태변형에 따른 발전용량 분석 (압전소재발전용량 > μW/cm² /압전소재 연신율: 20%)

3) 3D Device Printing기반 HMI용 인체행동 감지 소재
- 3차원 인쇄공정이 가능한 신규소재 조성물 최적화
- 인쇄공정에 따른 소자특성 변화거동 규명
- 연신율: 50 %, gauge factor: 72

4) 프린팅 기술 기반 self-powered, wearable, one-patch glucose sensor
- 플래시 어닐링 기술을 이용한 산화그래핀 기반 저가 글루코즈센서 전극 개발
- 나노탄소 전극 기반 비침습적 글루코즈 센서 개발

5) 3D Device Printing기반 HMI 소자의 집적화를 위한 인터커넥터 소재
- 소결거동기반 3차원 프린팅용 전도성 조성물 개발
- Percolation 거동 기반 3차원 프린팅용 전도성 조성물 개발
- Storage modulus: 60 kPa, 전도도: 5,800 S/cm, 패턴선폭: 450 um

6) 직접묘화 기법을 이용한 웨어러블 3차원 적층형 압력인지소자 개발(포항공대)
- Ag precursor printing 기법을 이용하여 Ag nanoparticle - SBS blockcopolymer 복합재료의 패턴 구성.
- 복합재료의 패턴을 이용한 stretchable electrode 및 Free-standing 박막형 strain 센서 구성 및 고민감도 센서를 이용한 압력(음파) 측정
- PDMS pillar 구조 위에 Free-standing 한 PDMS film 구조를 통한 trioboelectric 에너지 하베스터를 개발하여, 낮은 압력에서도 민감하게 반응하는 self-powered 압력센서 개발.
- 고해상도 Passive-matrix 타입 저항형 압력센서 개발을 위한 기반연구로, 픽셀 간 cross-talk을 방지하기 위한 schottky junction diode 형성 복합재료 연구.

7) 3D Printing 기반 다차원 에너지 하베스터 개발 (성균관대)
- 3D printing용 탄성체/압전 나노복합체 설계 변수 도출
- 시뮬레이션을 통한 최적의 소재 설계
- 나노복합체 기계적/전기적 특성평가
- 3D printable piezoelectric 에너지 발전소자 특성 평가

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 관련 부품소재로의 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 sensor 시장은 전 세계 바이오센서 시장의 약 30%를 점유하며 고령화와 서구적 식생활의 전파로 지속적 성장세에 있음
- 사용자의 불편을 최소화하면서 체내 glucose 레벨을 간편하게 모니터링할 수 있는 웨어러블 센서 기술 확보

6. 차년도 연구계획
1) 3D Device Printing기반 HMI용 열전 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
○ 온도변화 감지를 위한 열전형 온도감지 센서 개발
- 센서용 트랜지스터 유/무기 반도체 소재 개발

2) 3D Device Printing기반 HMI용 압전 소재
- 탄성계수가 제어된 탄성체와 압전나노입자의 복합화를 통한 에너지 발생용량 향상
- Percolation 기반의 연신 전극소재를 이용한 신축 소자의 디자인 고찰

3) 3D Device Printing기반 HMI용 인체행동 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
○ button touch 감지를 위한 epidermal capcacitance 센서소재 개발 (묵)
- 인체 피부에 부착 가능한 부착력있는 기판 소재 개발
- 상기 기판에 3D 프린팅 가능한 늘어나도 전도성을 유지하는 전극 소재 개발
- 3차원 프린팅 특성 최적화 및 소자 제작 응용가능성 평가

4) 프린팅 기술 기반 self-powered, wearable, one-patch glucose sensor
- 나노탄소 전극 기반 유연 부착형 글루코즈 센서 개발
- 전극 재질/구조의 유연기판 최적화
5) 3D Device Printing기반 HMI 소자의 집적화를 위한 인터커넥터 소재
- 전도도 특성 향상을 위한 신규 금속 filler 조성물 설계 및 최적화
- 3차원 전자회로 구현을 위한 소재 및 공정기술 최적화

6) 직접묘화 기법을 이용한 웨어러블 3차원 적층형 압력인지소자 개발 (포항공대)
- Printing이 가능하면서 연신 후에도 안정적인 거동과 높은 conductivity를 가져 연신성 전극으로 사용 가능한 물질 개발.
- Schottky junction 형성을 위한 전극 코팅용 n-type 복합재료 개발
- 민감한 압력을 인지하기 위한 printable p-type 3차원 conductive 구조체 개발
- 압력센싱용 구조체(p-type)와 n-type 복합재료 필름간의 schottky junction 최적화.

7) 3D Printing 기반 다차원 에너지 하베스터 개발 (성균관대)
- AFM, PFM을 통한 탄성체/압전 나노복합체의 압전상수와 내부 변형율에 따른 압전효율 분석 및 평가
- 다양한 응력조건(pushing, bending, stretching, shaking)에서 전기적 특성 평가 및 최적화 구조 도출
- 3D printable piezoelectric 에너지 발전소자 특성 평가

7. 출구전략
1) 추진전략
- 현재 Top-down과제로 수행중인 임무형 주요사업 “3D 프린팅 기반 미래소자용 플랫폼 소재기술 개발” 1단계(2014~2016) 연구를 통하여 플랫폼 소재 기초기술을 확보하고, 이를 기반으로 웨어러블 인간-기계 인터페이스용 핵심소재를 개발함.
- 에너지 발생‧저장, 압력‧변형감지 One-patch형소자를 3D 프린팅 공정을 통하여 제조함으로써 인간-기계 인터페이스를 위한 필수적인 기반소자로 응용
- 3D 프린팅을 이용한 웨어러블 인간-기계 인터페이스 관련 기술은 원천성이 높아서 신규 IP를 다양하게 확보 가능함.
- 1차적으로 확보되는 에너지 발생‧저장용 소재는 착용형 웨어러블 기기에 사용되는 이차전지 제조기업에 기술 이전
- 파생으로 개발되는 다양한 신규 전도성 소재들은 기존의 IT 관련 소재업체와의 협력을 통한 산업지향적 기술로 연계 개발 및 기술 이전
- 초기단계의 에너지 발생용 나노제너레이터 기술은 선행연구결과를 바탕으로 수탁사업 또는 산업계 연계형 주요사업으로 스핀오프하여 응용기술 추가 개발

2) 단계별 연구수행 계획
- 1단계(3년)는 에너지발생‧저장, 압력‧변형 감지센서용 기초소재 및 기본 물성 평가를 통하여 3D Device Printing 웨어러블 인간-기계 인터페이스 구현 가능성을 확인하고 소재, 공정, 소자 관련 IP 확보
- 2단계(2년)는 1단계에서 창출된 기초원천기술을 활용하여 3D Device Printing 웨어러블 인간-기계 인터페이스 응용 및 상용화에 필요한 소재 스케일업, 소자 성능확인, 대면적 연속공정 조건 확보 등의 성과 창출

( 출처 : 연구결과 요약서 2p )

목차 Contents

• 표지 ... 12016년 주요사업 연구결과 요약서 ... 21. 연구과제 개요 ... 72. 연구목표 ... 9 가. 최종 연구목표 ... 9 나. 당해 연도 연구목표 ... 93. 주요 연구내용 ... 15 가. 과년도 추진경과 ... 15 나. 당해 연도 주요 연구내용 ... 154. 주요 연구개발 결과(연구개발목표의 달성도) ... 17 가. 3D Device Printing기반 HMI용 열전 소재 ... 18 나. 3D Device Printing기반 HMI용 압전 소재 ... 21 다. 3D Device Printing기반 HMI용 인체행동 감지 소재 ... 24 라. 프린팅 기술 기반 self-powered, wearable, one-patch glucose sensor ... 28 마. 3D Device Printing기반 HMI 소자의 집적화를 위한 인터커넥터 소재 ... 32 바. 직접묘화 기법을 이용한 웨어러블 3차원 적층형 압력인지소자 개발 (포항공대) ... 37 사. 3D Printing 기반 다차원 에너지 하베스터 개발 (성균관대) ... 405. 연구개발의 성과 ... 44 가. 과제별 기술성취수준 ... 44 나. 정성적 성과 ... 44 다. 정량적 성과(건수/금액) ... 456. 연구성과 활용계획 ... 467. 기대효과 ... 47 가. 과학기술적 관점 ... 47 나. 경제적 관점 ... 47 다. 사회적 관점 ... 48첨부1) 차년도 주요사업 연구계획 요약서 ... 49첨부 2) 중장기 연구개발로드맵 ... 55별첨 ... 56끝페이지 ... 58