[붙임] 연구결과 개요, 용어설명, 그림설명

[연구결과 개요]

1. 연구배경

접착 기술은 접착하는 두 물체의 물성, 대상 표면의 굴곡 및 거칠기와 접착 계면의 면적 등의 요소가 결합된 복합적인 기술이다. 특히, 높은 접착력을 가지면서 접착된 계면에서 균열 전파를 정밀하게 제어하는 기술은 고성능 스마트 접착 기술에 있어서 매우 중요하다. 이전 연구들은 주로 소재의 물성 조절, 자연모사 미세구조 형성 등의 통하여 탄성 최적화, 에너지 소산, 최대 접착 계면 확보의 원리로 접착력을 증가시켜 왔다. 하지만 이러한 기술들은 표면의 굴곡 및 거칠기를 따라가는데에 한계가 있었으며, 굽힘이나 인장과 같은 변형에 취약하다는 특징이 있다. 이를 해결하기 위하여 키리가미, 오리가미와 같이 변형에 능동적으로적응할 수 있는 메타구조에 관한 연구가 이루어져 왔으며, 이러한 구조를 활용한 균열 전파 제어, 응력 소산을 통해 접착력을 강화시키는 연구가 진행되었다. 하지만 이러한 미시적, 거시적 접근을 결합하여 다중 스케일에서 강한 접착력 및 균열 전파 제어를 이루고자 하는 연구는 진행된 바 없으며, 단일 원리에 의존하여 접착하는 것은 고성능 스마트 접착 기술의 개발 및 응용 분야를 제한시켰다. 따라서 혁신적인 접착 기술을 개발하기 위해서는 미시적, 거시적인 스케일에서 균열을 제어하는 것이 필수적이다.

2. 연구내용

본 연구팀은 마이크로 스케일의 미세 접착구조와, 균열 전파를 제어할 수 있는 메타구조를 활용하여 표면의 굴곡과 거칠기에 적응하며, 다중 스케일에서 균열을 제어할 수 있는 하이브리드 패치를 개발했다. 먼저 하이브리드 패치의 표면에는 직경 20, 높이 15 마이크로미터의 미세 접착구조가 형성되어 있다. 이 미세구조들은 육각형 단면을 특징으로 하며, 접착 강도를 높이기 위해 계면 접촉 면적을 최대화하도록 육각형 배열로 정렬되어 있다. 배열의 기둥 간격 비율(PSR= 미세기둥 간 간격/미세기둥의 기둥 직경)은 0.5에서 3까지 다양하지만, PSR 0.5인 샘플이 구조적으로 무결성을 유지하며 가장 높은 접착 강도를 보인다. 비선형 메타구조의 경우, 임계길이가 직사각형 절단 구조의 절반보다 작은 경우, 발생하는 균열이 겹치지 않아, 균열 트래핑 효과가 극대화 된다. 반대로 임계 길이가 절단 구조의 절반보다 큰 경우, 균열이 최대 박리 강도에 도달하기 전에 병합되며 불안정한 접착이 이루어지게 된다. 비선형 메타구조는 박리 과정에서 전파-트래핑-역전파 과정을 거치며 균열을 제어할 수 있으며, 이에 따라 매우 높은 수준의 접착 강도를 가지게 된다. 뿐만아니라 연구팀은 Kendall peel model을 응용한 수학적 분석을 거쳐 최적의 디자인 파라미터를 조절한 설계를 고안했다. 이러한 강하고 방향성 접착이 가능한 스마트 접착 기술은 다중 스케일에서 균열 전파를 제어하며 상용 접착 테이프보다 70배 높은 강도를 보이고, 방향성 있는 접착이 가능하며 프로그래머블하고, 재사용성 또한 뛰어나다. 또한, 연구진은 하이브리드 패치를 웨어러블 VR 디바이스에 적용시키는 데모를 진행하였다. 제작된 패치는 빠르고, 격한 움직임에도 안정적인 피부 접착 성능을 보였으며, 피부자극 없이 높은 고성능 스마트 접착 기술임을 보였다.

3. 기대효과

본 연구에서 개발한 프로그래머블 메타 패치는 피부 접착을 위해 화학적인 접착제에만 의존하였던 패치들과 달리 고분자 소재만을 사용하였음에도 접착 강도 및 재사용성, 생체 친화성이 매우 뛰어난 기술이다. 이 기술을 통하여 VR 시스템 제어를 위한 모션 컨트롤 뿐만 아니라 고강도, 프로그래머블한 특성을 통한 높은 범용성을 응용해 접착 기술 발전에 큰 기여를 하여 산업현장, 생체 전극, 웨어러블 디바이스 분야 등에 이바지할 것으로 기대된다.

[용어설명]

1. 키리가미 (Kirigami)

오리가미의 변형으로 평면 물체의 선을 따라 칼로 오려내 패턴 및 구조물을 만드는 방식

2. 오리가미 (Oirigami)

종이 접기와 같은 의미로, 평면 물체를 접거나 결합하여 구조물을 만드는 방식

3. 균열 트래핑 (Crack trapping)

물체에 부착된 필름 등 박리 시 필름과 물체 사이의 균열이 박리 방향으로 진행 되는 현상

[그림설명]

그림1. 개발된 프로그래머블 메타 패치 사진

(a) 프로그래머블 메타 패치의 사진 및 육각 마이크로 구조물 SEM 이미지
(b) 박리 방향에 따른 프로그래머블 메타 패치의 접착 강도 변화

그림2 개발된 프로그래머블 메타 패치의 균열 컨트롤 원리

(a) 마이크로 스케일의 균열 형성
(b) 인터커넥션 팁에서의 매크로 스케일 균열 발생
(c) 매크로+마이크로 스케일의 균열 발생 및 방향 역전으로 인한 접착 강도 증가

그림3 프로그래머블 메타 패치를 활용한 예시

(a) VR 모션 컨트롤을 위한 프로그래머블 메타 패치 모식도
(b) 메타 패치를 활용한 VR 아바타 모션 컨트롤