성균관대학교 산학협력단

신소재공학부 김미소 교수 연구팀, 3D 프린팅 기반 차세대 유연 세라믹 복합체 센서 개발

- 광경화 방식 3D 프린팅 기술로 고성능 유연 센서 구현

▲ 신소재공학부 김미소 교수(왼쪽)와 이동수 박사과정생(오른쪽)

신소재공학부 김미소 교수 연구팀은 디지털 광학기술(Digital Light Processing, DLP) 3D 프린팅 공정을 활용하여 고유전성 세라믹과 광경화성 유연 레진, 전도성 필러를 결합한 유연 세라믹 복합체 기반의 광범위 압력 센서를 개발했다고 14일 전했다.

DLP는 광경화 기반의 3D 프린팅 기술로 특정 파장의 광원을 사용하여 광경화성 수지를 경화시키는 방식이다. DLP 공정은 UV 광원을 이용하여 디지털 마이크로 미러 장치(DMD)를 통해 원하는 형태의 이미지를 조사해 단층 레이어를 형성하고, 이를 연속적으로 쌓아 3차원의 구조체를 형성한다. 이 기술은 빛을 이용하기 때문에 고해상도 및 정밀한 형태의 구조체를 빠르게 형성할 수 있는 장점이 있다. 또한, 다양한 소재와 호환할 수 있어 의료, 엔지니어링, 전자기기 등 여러 산업 분야에서 폭넓게 응용될 수 있다.

스마트 헬스케어, 웨어러블 기기, 로봇 공학 등 다양한 분야에서 유연하고 고성능의 압력 센서를 구현하기 위한 연구가 많은 주목을 받고 있다. 기존의 세라믹 복합체 구조 제작은 리소그래피나 몰드 제작과 같이 공정이 복잡하고 비용이 큰 반면 본 연구는 DLP 3D 프린팅 기술을 사용하여 다양한 구조의 세라믹 복합체의 프로토타입을 신속하게 제작할 수 있다.

김미소 교수 연구팀은 기계적으로 유연하면서도 광경화 3D 프린팅 방식에 적합한 광경화성 수지 개발을 위해 상용 유연 수지에 4-아크릴로일 모르폴린(ACMO) 모노머를 혼합하는 방식을 제안하였다. 제안한 혼합 광경화 수지소재에 고유전율 세라믹인 티탄산바륨 분말과 전도성 필러인 카본 나노 튜브(MWCNT)의 최적 함량을 추가함으로써 최종적으로 높은 유전 특성을 갖는 유연 세라믹 복합체를 제작했다.

▲ DLP 3D 프린팅 공정을 이용한 유연 세라믹 복합체 제작 및 유연압력센서 모식도

또한 연구팀은 센서의 민감도를 향상시킬 수 있는 대칭적인 모래시계 구조를 제안하여, 유한 요소 해석을 통해 압력에 대한 응력 분포를 확인한 후, 이를 DLP 3D 프린팅 공정으로 제작하였다. 제안한 모래시계 구조는 대칭성과 응력 집중 효과로 인해 작은 압력에서도 큰 변형을 보이며 넓은 압력 범위에서 높은 민감도를 나타냄을 확인하였다.

최종적으로 제안한 모래시계 단위 구조를 8 x 8 배열 형태로 적용한 유연 세라믹 복합체 센서로 제작하여 작은 외부 압력에 민감하게 반응할 수 있는 정전용량식 유연압력센서 시스템을 구현했다. 이 센서는 반복적인 저압 환경에서도 안정적이고 신뢰성 있는 신호를 유지했다.

김미소 교수는 “본 연구를 통해 3D 프린팅을 통해 단일 공정 프로세스(one-step synthesis)로 유연 세라믹 복합체의 구조체와 물성을 동시 제어하여 넓은 압력 범위의 유연 압력 센서에 적용한 것이 큰 의미가 있다. DLP 3D 프린팅 공정 내 더 다양한 소재를 적용하고 구성 요소 비율 조절을 통해 정전 방식 이외의 더 넓은 범위의 센서 및 에너지 소자 응용 분야에서 활용될 수 있을 것으로 기대한다.”고 설명했다.

김 교수의 이번 연구는 한국연구재단 중견연구자지원사업과 STEAM연구사업(BRIDGE융합연구개발) 지원을 받아 수행되었다. 본 연구 성과는 공학 분야 JCR 랭킹 상위 1.11% 이내의 세계적인 국제학술지 Composite Part B: Engineering(IF: 13.1)에 최근 온라인 게재되었다.

※ 논문명: Engineering digital light processing ceramic composites for wide-range flexible sensing arrays

※ 저자명: Miso Kim(교신저자), Dongsu Lee(제1저자), Dong Hwi Kim(공동저자), Hyungyong Kim (공동저자), Hong Min Seung(한국표준과학연구원, 공동저자), Hyun-Cheol Song(KIST, 공동저자)

※ DOI: https://doi.org/10.1016/j.compositesb.2024.111595