[붙임] 연구결과 개요

1. 연구배경

증강현실 (Augmented Reality, AR)은 실제로 존재하는 환경에 가상의 환경을 합쳐져 사용자의 시야에 마치 실제로 존재하는 것처럼 보여주는 기술이다. 이를 구현하기 위한 수단으로 최근에는 애플 글라스(Apple glass), 마이크로소프트 사의 홀로렌즈(Hololens) 등의 제품이 출시되고 있다. 하지만 이들은 착용에 거추장스럽거나 가격이 매우 비싸다는 단점이 있기에 실생활에서 널리 사용하기 힘든 문제가 있다. AR 기기의 소형화 및 범용성 향상을 위해 콘택트렌즈 표면에 디스플레이를 구현하고자 하는 다양한 연구가 진행되고 있지만, 지금까지는 LED 불빛을 키는 수준에 머물러 있어 아직까지 AR을 구현할 수준의 연구는 보고되지 않았다.

본 연구에서는 낮은 전력으로도 구동할 수 있으며 높은 색상 대비 및 전환이 빠른 프러시안 블루 소재를 이용한 전기변색 디스플레이를 결합한 스마트 콘택트렌즈를 구현함으로써 사용자가 더 자연스럽게 착용할 수 있으며 더욱 저렴하게 제작할 수 있게 하여 기존의 한계를 극복하고자 했다. 눈에 착용하였을 때 시야에 AR이 구현되려면 사람의 동공 면적 안에 모든 디스플레이가 구현되어야 하고 이를 위해서는 매우 미세하게 소재를 패터닝 하는 기술이 필요하다. 본 연구에서는 이 문제를 극복하기 위해 ‘메니스커스 기반 3D 프린팅’ 기술을 활용하여 마이크로 스케일의 패터닝을 구현하고자 했다.

2. 연구내용

본 연구에서는 내비게이션 기능을 가진 AR 스마트 콘택트렌즈를 구현하기 위해 ‘메니스커스 기반 3D 프린팅’ 기술을 활용했고, 특수 제작된 ‘프러시안 블루 기반 프린팅 잉크’, 마이크로 프린팅을 통한 ‘저전력 전기변색 디스플레이’, 그리고 실시간 내비게이션 시스템을 개발했다.

기존에 보고된 연구에 따르면 프러시안 블루 소재는 전기 도금 공정을 사용하여야만 전기변색 디스플레이를 만들 수 있어 기판이 반드시 전도체여야 하는 문제와 특정 위치에만 패터닝을 할 수 없었다. 하지만 본 연구에서는 메니스커스 기반 프린팅 기술을 이용하여 전기 도금 없이도 용매의 자연 증발을 유도하여 프러시안 블루 결정체를 형성할 수 있었고 노즐 이동을 통해 연속적으로 원하는 형상의 마이크로 패턴을 프린팅할 수 있었다.

최적의 프린팅 조건을 찾기 위해서 잉크의 농도, 프린팅 속도, 노즐 직경 등의 변수를 조정하였다. 프린팅된 마이크로 패턴이 프러시안 블루 결정체로 잘 이루어졌는지 분석하기 위해서 라만분광측정, 전자주사현미경, 에너지 분산형 엑스선 분광기를 이용하여 구성 원소, 분자 결합, 그리고 결정 구조를 측정했다. (그림 1-3)

전기 도금 없이 프린팅된 프러시안 블루 패턴의 변색 성능을 측정하기 위해서 순환 전류전압법을 이용하여 전기변색 반응이 가장 안정적으로 잘 일어나는 전압 범위와 전해질 종류, 내구성 평가를 진행했다. 프러시안 블루의 전기변색은 전압 범위 –0.2V~0.5V, pH 4 농도의 1M KCl 전해질에서 200회 이상의 반복에도 성능저하 없이 뚜렷한 색상변화를 보여줬다. (그림 4)

스마트 콘택트렌즈를 제작하기 위해서는 먼저 메니스커스 기반 프린팅 기술을 이용하여 내비게이션 기능을 할 동공 크기의 패터닝 된 투명 전극 위에 방향 화살표, GO, STOP 등의 방향 지시 신호를 프린팅하였다. 앞서 제작된 전기변색 디스플레이를 하이드로겔 소재 소프트렌즈와 결합하여 완성된 형상의 스마트 콘택트렌즈를 제작했다. (그림 5)

내비게이션 구현을 위해서는 아두이노 기반 GPS 모듈을 통해 실시간 좌표데이터를 얻고 교차로를 지날 때마다 최신화된 방향 전환 정보를 스마트 콘택트렌즈로 전송하고 전기변색 디스플레이상에서 이에 해당하는 방향 지시 패턴이 깜빡거리며 사용자에게 보이게 된다. (그림 5)

3. 기대효과

본 연구는 AR을 구현하기 위한 기존 스마트 고글이나 안경보다 훨씬 편하고 저렴한 스마트 콘택트렌즈를 상용화할 수 있는 3D 프린팅 기술로서 AR 기기의 소형화 및 범용성에 크게 기여할 것으로 기대한다. 또한 이번 성과가 VR 분야는 물론, 프러시안 블루의 마이크로 패터닝이 필요한 배터리나 바이오센서 관련 기업들의 많은 관심을 받을 것이라 보고, 관련 수요 업체를 발굴하여 기술이전이 가능할 것으로 기대한다.

[붙임] 용어설명

1. 프러시안 블루 (Prussian Blue, PB)

푸른색을 띠는 염료로 물감이나 잉크로 많이 사용되며 독성을 띠지 않아 청바지를 염색하는 데 많이 사용된다. 알칼리 금속이온이 포함된 전해질에서 전기를 가할 시 투명, 파랑, 그리고 초록색으로 색깔이 변화되는 전기변색 특성을 보이고 있어 이를 이용한 전기변색 디스플레이를 만들고자 하는 시도가 많이 이루어지고 있다.

2. 메니스커스 기반 프린팅 (Meniscus-guided micro printing)

마이크로 피펫의 노즐 입구와 기판 사이에서 생기는 모세관 현상에 의해 프린팅 잉크가 곡면을 이루는 원리를 이용한 프린팅 기법이다. 형성된 잉크 메니스커스를 따라 나노입자가 이동되는데 이와 동시에 메니스커스 표면에서 용매가 증발하고, 그로 인해 나노입자 사이에 작용하는 강한 인력으로 적층이 된다.

3. 순환 전압전류법 (Cyclic Voltammery test)

순환 전압전류법은 전기화학 분석법 중 하나로 전극 표면에서 어떠한 반응이 일어나고 있는가를 직접적으로 파악할 수 있는 기법으로 시간에 따라 일정하게 전압을 변화시킬 때 그에 따라 발생하는 전류를 측정한다.

4. 전기변색 (Electrochromism)

전기변색은 전기화학적 반응을 통해 물질의 색이 변하는 현상이다. 전자 또는 이온의 이동에 따른 산화 환원반응에 의해 일어나며 물질에 따라 다양한 색상을 띈다.

5. 전기 도금 (Electroplating)

어떠한 물건의 표면 상태를 개선하기 위해 다른 금속의 얇은 층을 입히는 것을 말한다. 이 과정에서 전기에너지가 사용되면 ‘전기 도금법’이라 하고, 전기 없이 화학반응을 활용하는 방법을 ‘무전해 도금법’이라고 한다. 특히 전기 도금법은 반지와 같은 장신구를 만들 때 주로 사용된다.

[붙임] 그림설명

그림 1. 메니스커스 기반 프린팅 개요도 및 프러시안 블루 잉크 특성

.a: 프러시안 블루잉크의 메니스커스 형성 및 결정화되는 과정의 모식도

b: 농도에 따른 프러시안 블루 잉크의 모습

c: 잉크 농도와 증착 시간과의 관계

d: 피펫 노즐에서 메니스커스를 형성하는 과정 확대 사진

e: 프러시안 블루 잉크의 점성 특성

f: 프린팅된 프러시안 블루 패턴의 표면 분석 및 원소 함유 분석 결과

g: 라만 스펙트럼 기법을 이용한 프러시안 블루의 형성 여부 분석

그림 2. 프린팅 조건에 대한 프린팅된 프러시안 블루 라인의 특성 분석

a: 프린팅 속도와 잉크의 농도를 변화시켰을 때 프린팅 품질 광학 이미지

b: 프린팅 속도와 잉크의 농도가 프린팅 품질에 미치는 영향 분석 도표

c: 연속적으로 잘 프린팅된 패턴의 두께 분석

d: 잘 프린팅된 패턴의 표면 조도 분석

그림 3. 노즐 직경(Inner diameter, ID)과 프린팅된 라인의 너비 관계 분석

a-d: 다양한 노즐 직경으로 프린팅된 프러시안 블루 패턴 너비 비교

e: 메니스커스 기반 프린팅으로 글씨를 쓴 모습

f: 메니스커스 기반 프린팅으로 전 세계 랜드 마크를 그리고 동전과 크기 비교를 한 모습

그림 4. 프러시안 블루 패턴의 전기화학적 특성 분석 결과

a: KCl 농도 및 산성도가 다른 4가지 전해질 조건에서 측정된 순환 전압전류법 결과

b: 순환 전압전류법으로 측정된 그래프의 각 전압 지점에서의 프러시안 블루의 색상변화 이미지

c: 4가지 전해질 조건에서 시행된 프러시안 블루 패턴의 내구성 평가 결과

d: 4가지 전해질 조건에서 시행된 프러시안 블루 패턴의 전하 용량 변화 측정 결과

그림 5. 콘택트렌즈에 내비게이션 기능이 적용된 전기변색 디스플레이 작동 원리.

a: GPS 모듈, 아두이노 우노, 전기변색 디스플레이가 삽입된 스마트 렌즈로 이루어진 내비게이션 시스템 모식도

b: 콘택트렌즈 실제 사진

c: 내비게이션 시스템 촬영을 위한 카메라 셋업

d: 방향 지시 신호를 최신화하는 작동 원리

e: 실시간 GPS 좌표에 따라 사용자에게 경로를 보여주는 콘택트렌즈 화면 모습