초록 ▼

1. 연구목표
1) 3D Device Printing HMI용 에너지 발생 소재
- 에너지 발생용 열전소재 성능지수(ZT, 300K) > 0.4, 발전용량 > 2 ㎼/cm²
- 에너지 발생용 압전소재 연신율 > 25 %, 발전용량 > 2 μW/cm²
2) 3D Device Printing HMI용 감지 소재
- Piezoresistive 스트레인 센서소재 연신율 > 40 %, gauge factor > 10
- Reverse iontophoresis 기반 웨어러

1. 연구목표
1) 3D Device Printing HMI용 에너지 발생 소재
- 에너지 발생용 열전소재 성능지수(ZT, 300K) > 0.4, 발전용량 > 2 ㎼/cm²
- 에너지 발생용 압전소재 연신율 > 25 %, 발전용량 > 2 μW/cm²
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 < 20 ℃
3) 3D Device Printing HMI용 One-patch 피부부착용 기판 소재
- Adhesion force > 0.5 N, Young’s modulus < 100 kPa, Elongation at break > 500 %
4) 3D Device Printing HMI용 인터커넥터 소재
- 3차원 interconnection 전극 전도도 > 7000 S/cm, 패턴선폭 < 400 um, 탄성계수 > 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/cm²)
○ 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 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
○ 유무기하이브리드 기반 열전소재
- 다양한 유무기 열전 나노구조체에 따른 하이브리드 열전소재의 특성 분석
- 나노카본, 열전 무기입자를 이용한 고성능 하이브리드 열전소재 개발
○ 인쇄공정 기반 열전소자 제작공정(소자구조 설계)
- 바코팅, 디스펜서 프린팅 공정을 이용한 박막형 열전 소자 제작 공정 기법 개발 및 발전용량 특성 평가
- 신규 소재를 적용한(잉크의 페이스트화) 수직(벌크) 형태의 단위 열전 소자의 제작 기술 개발 및 발전용량 특성 평가
2) 계면제어 복합 압전 소재
○ 압전기반 유연/신축 에너지 발생 소재 특성향상
- 압전나노입자의 분산성 제어를 통한 특성향상 기술 개발
- 연신 에너지 발생소재의 연신율에 따른 발전 용량 최적화
3) 인체행동 감지용 Piezoresistive 센서 소재
○ 압력센서용 저항변화 소재 및 3차원 프린팅공정 기반 센서소자 제작
- 3차원 프린팅 기반 센서소자의 감도 > 0.01 kPa-1
- 압력센서 소재의 탄성계수 < 5 MPa
4) Wearable one-patch glucose sensor
○ 하이드로젤 일체형 원패치 센서 개발
- 최적전원 채택 및 원패치 디자인 확립
- wearable glucose sensor 개발을 위한 기판/시료추출 시스템 등 구성요소 확립
- reverse iontophoresis 전극 소재 개발
- 효소고정화 최적화
- 고성능 glucose sensor 개발을 위한 전극최적화 및 통합시스템 구축
5) 인체감지용 열전형 온도변화감지 센서
○ 센서용 유/무기 열전 소재 개발
- 열전 무기 입자를 도입한 높은 출력 전압을 가지는 접촉식 열전형 온도변화감지 열전소재 개발
- 고분자(PEDOT:PSS) 및 나노카본기반 열 저항 변화형 온도변화감지 소재 개발
6) 3D Device Printing HMI용 One-patch 피부부착용 기판 소재
○ 부분적으로 늘어나지 않는 기판 소재 개발
- 3D 프린팅이 가능한 Rigid part 기판 소재 개발
- Rigid part 패터닝 공정기술 개발, 패턴선폭 < 350 um
- Rigid-stretchable part의 young’s modulus 차이조절 > 100배
7) 3D 프린팅 기반 전극 소재 및 집적화 공정기술
○ 3차원 형상 구조의 인터커넥션을 위한 3차원 프린팅 기반 연신전극용 소재 및 공정기술 개발
- 3차원 프린팅 기반 연신전극 선저항 < 5 Ω/cm
- 3차원 프린팅 기반 연신전극 연신율 > 0.2
8) 직접묘화 기법을 이용한 웨어러블 3차원 적층형 압력인지소자 개발(포항공대)
- 트랜지스터나 다이오드 없이 프린팅 만으로 고해상도 픽셀형 압력센서제조 ( > 100 pixels/ cm2)
- HMI에 적용하여 웨어러블 촉각 센서에 응용
- 3차원 센서 적층형 멀티 센서 제조: 감지 영역이 다른 센서 적층(레이어 두께 < 100 um, 적층 센서 개수 > 2개)
9) 3D 프린팅 기반 다차원 에너지 하베스터 개발 (성균관대)
○ 압전나노복합체 특성 평가 및 충전 시스템 설계
- AFM, PFM을 통한 압전나노복합체의 압전상수와 내부 변형율에 따른 압전효율 분석 및 평가
- 외부 응력 조건(bending)에서 전기적 특성 평가 및 최적화 구조 도출
- 최적화된 압전나노복합체 에너지 발전소자의 충전 가능성 확인
- 3D 프린팅기반 에너지 하베스터의 내부 압전 파우더 함량조절을 통한 에너지 발전소자 제작 (10V, 1.5uA)

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 소재 업체와의 협력을 통한 산업지향적 기술로 연계 개발 및 기술 이전
- 초기단계의 에너지 발생용 나노제너레이터 기술은 선행연구결과를 바탕으로 수탁사업 또는 산업계 연계형 주요사업으로 스핀오프하여 응용 기술 추가 개발
2) 단계별 연구수행 계획
- 1단계(3년)는 에너지발생‧저장, 압력‧변형 감지센서용 기초소재 및 기본물성 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 : 2017년 주요사업 연구결과 요약서 2p )

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 2017년 주요사업 연구결과 요약서 ... 2
• 1. 연구과제 개요 ... 8
• 2. 연구목표 ... 10
• 가. 최종 연구목표 ... 11
• 나. 당해 연도 연구목표 ... 11
• 3. 주요 연구내용 ... 16
• 가. 과년도 추진경과 ... 16
• 나. 당해 연도 주요 연구내용 ... 16
• 4. 주요 연구개발 결과(연구개발목표의 달성도) ... 18
• 가. 3D Device Printing 기반 HMIN용 유/무기 하이브리드 열전 소재 ... 19
• 나. 계면제어 복합 압전소재 ... 22
• 다. 인체행동 감지용 Piezoresistive 센서 소재 ... 25
• 라. Wearable one-patch glucose sensor ... 29
• 마. 인체감지용 열전형 온도변화감지 센서 ... 38
• 바. 3D Device Printing HMI용 One-patch 피부부착용 기판 소재 ... 38
• 사. 3D 프린팅 기반 전극소재 및 집적화 공정기술 ... 41
• 아. 직접묘화 기법을 이용한 웨어러블 3차원 적층형 압력인지소자 개발 (포항공대) ... 45
• 자. 3D 프린팅 기반 다차원 에너지 하베스터 개발 (성균관대) ... 47
• 5. 연구개발의 성과 ... 50
• 가. 과제별 기술성취수준 ... 50
• 나. 정성적 성과 ... 50
• 다. 정량적 성과(건수/금액) ... 52
• 6. 연구성과 활용계획 ... 53
• 7. 기대효과 ... 54
• 가. 과학기술적 관점 ... 54
• 나. 경제적 관점 ... 54
• 다. 사회적 관점 ... 55
• 첨부 1) 차년도 주요사업 연구계획 요약서 ... 56
• 첨부 2) 중장기 연구개발로드맵 ... 63
• 별첨. 정량성과 상세 목록 ... 64
• 끝페이지 ... 69