Research area

LMI investigates interfaces between dissimilar materials at nano to macro-scale. We develop experimental and computational approaches towards understanding the fundamentals of the interfaces - physical and chemical properties of interfaces, interface formation mechanisms, and changes in mechanical / functional status of materials systems by forming interfaces. Our insights are the basis for designing newly engineered materials and advanced engineering systems.

LMI's current research efforts are focused on exploring broad areas of current and promising wearable systems including energy harvesting/storage, sensors/actuators, and integrated circuits and devices that consist of enormous ranges of dissimilar materials interfaces systems. The applications of the wearable technology could include continuously monitor diseases and particular chemicals such as glucose in blood; track physical and environment conditions for workers and athletes; and even improve surveillance and gaming.

Deformable Displays
 
Stretchable OLED
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 스트레처블 디스플레이는 플렉서블, 폴더블 디스플레이의 뒤를 잇는 차세대 디스플레이 개념으로, 다양한 form factor 의 구현이 가능한 궁극의 디스플레이이다. 이러한 스트레처블 디스플레이는 폴더블, 롤러블 디스플레이의 뒤를 잇는 스트레처블 스마트폰의 구현 뿐만 아니라, 웨어러블 디스플레이 및 3차원 tactile 디스플레이 등 여러 차세대 전자소자의 필요 구성 요소이다. 하지만 폴더블, 플렉서블 디스플레이 소자의 경우 기존의 소재를 기반으로 구조 설계를 통해 구현이 가능하나, 스트레처블 디스플레이는 기존의 소재를 바탕으로 한 구조설계로는 구현할 수 없는 기술적 한계가 있다. 따라서, 스트레처블 디스플레이를 구현하기 위해서는 스트레처블 발광소자를 구성하는 모든 소재 (전극, 홀/전자 수송층, 발광층)을 스트레처블하게 설계하는 재료공학적 접근이 절실히 필요하다.

 

 이에 LMI는 스트레처블 유기발광 다이오드 (OLED) 제작을 위해, OLED소자를 구성하는 모든 소재를 스트레처블하게 디자인하고, 이를 분석하여 최종적으로 스트레처블 OLED 소자를 제작하는 연구를 수행하고 있다. 기존에 OLED에 사용되고 있는 유기 소재에 기계적 연신성을 부여하기 위하여 가소제 혹은 연성 고분자와 혼합하였으며, 혼합 시 거동을 열역하적으로 예측하여 스트레처블 소재를 직접 디자인 하였다. 또한, 디자인된 재료를 기계적, 전기적, 광학적, 열적, X선, 미세구조 분석 등 다양한 분석론을 사용하여 그 특성을 분석하고, 기계적 특성이 달라진 원리를 탐구한다. 이러한 방법론을 통해 LMI는 세계 최초로 모든 소재가 기계적으로 스트레처블한 스트레처블 fluorescent OLED소자를 구현하였으며 우수한 기계적 특성을 갖는 것을 확인하였다. LMI는 스트레처블 소재의 정확한 구조 예측을 위한 열역학적 방법론과 고효율, 고수명을 갖는 소자 제작 기술 개발을 위해 노력하고 있다.

Self-Powered Sensors
Self-powered Tactile Sensor
 

 의수/의족 등의 인공 보철이나 로봇 등에 적용하기 위해 인체의 피부를 모방한 전자 피부는 유연성, 신축성, 자가 치유 등의 특성을 가지는 동시에 감각세포를 모사한 센서 기능들을 갖는 전자기기로 정의된다.

 전자피부는 센서, 구성 회로, 디스플레이, 전력 공급원으로 구성되는데 기존의 연구들은 주로 센서를 연구하는데 화학적, 생물학적 특성을 측정하는 경우도 있지만 피부의 주기능인 기계적인 힘과 온도 변화의 측정이 주로 연구한다.

 특히 여러 종류의 센서들은 외부 동력원을 필요로 하여 규칙적인 교체 또는 재충전을 필요로 한다는 단점이 있다.

 본 연구에서는 온도나 압력 등의 외부 자극을 느끼는 전자 피부를 위하여 단일 전극 마찰 발전기 기반의 웨어러블 자가 동력 센서를 개발하고자 한다.

 마찰 발전기가 터치에 의해 전력을 생산하고 여러 센서들에 사용되는 전기신호 변환 메커니즘을 이용하여 압력, 변형, 온도, 습도 등의 주변 환경에서의 여러 자극을 동시에 인지하는 전자 피부를 제작하고자 한다.

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Self-powered Artificial Basilar Membrane 
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 인체의 청각시스템은 아주 민감하여 광자에 해당하는 에너지의 1/100 수준의 에너지를 갖는 아주 작은 소리를 들을 수 있고, 10-7초 이내에 생기는 복잡한 소리를 인지하고, 잡음 속에서도 정확하게 신호를 감지해내는 능력이 있다. 특히, 고주파의 음에 대해서는 더 높은 민감성과 선택성을 가진다. 이러한 인간의 뛰어난 청각 능력은 수 백년 간의 연구에도 불구하고 아직까지 완벽하게 설명되지 못하고, 이러한 이유로, 신체의 기능을 대체하는 다양한 센서가 개발되고 있는 반면, 청각시스템을 완벽하게 대체할 수 있는 음향 센서는 없다.

 인간이 소리를 듣는 것은 기계적 진동이 전기적 신호가 되어 뇌를 자극함에 의해서이다. 음향 신호는 공기를 매질로 하여 압축/팽창되어 압력차(음압)를 형성하고, 이것이 외이에서 증폭되어 고막에 기계적 진동으로 전달되고, 이 진동은 중이에 있는 세 개의 뼈를 지나 달팽이관의 입구에 있는 난원창을 통해 전달되면서 달팽이관 내 림프액을 진동시키고, 액체의 진동은 달팽이관을 폈을 때 수평 방향으로 내부에 위치하는 사다리꼴 기저막을 흔들어 그 위에 있는 코르티기관의 섬모 다발을 진동시킨다. 이는 유모세포에의 이온 채널 개폐로 이어져 전기적 신호로 바뀌고 신경을 자극하여, 이 자극이 뇌간을 통해 뇌로 전달되어 소리가 인지되는 원리이다.

 소리를 전기신호로 변환하는 와우에 이상이 생기는 것은 심각한 청각 손실의 원인이고, 인공 와우 이식술은 청각을 손실한 환자의 와우에 전극을 삽입하여 청신경에 직접 전기신호를 전달하는 방식으로, 현재 상실된 청각을 복원해주는 유일한 방법이나, 인공와우는 기기수가 많고 복잡하며 부피가 커 착용이 불편하다. 또한, 큰 전력 소모로 인한 잦은 배터리 교체로 경제적 부담이 매우 크므로 전력소모를 최소화하고자 사람의 말소리 주파수 영역 (100-400 Hz)인 저주파에만 특화되어 있어, 일반적인 자연의 소리나 노래 소리를 듣는 것은 거의 불가능한 실정이다.

 이 같은 단점을 극복하기 위해 기존 인공와우의 마이크로폰 (음향센서), 시그널 프로세서의 주파수 분리/압축 기능을 모두 대체할 수 있고 배터리가 필요 없는, 자가동력형 인공 기저막을 연구하고 있다. 높은 기계-전기 신호 변환률을 보이는 마찰발전원리를 이용하여 증폭기가 필요 없고 다양한 주파수 선택성을 가질 수 있다. 또한, 기존 인공와우와 달리 음향센서부에서의 전력소모가 전혀 없고, 음향센서의 높은 전기 출력으로 시그널프로세싱 중 증폭기와 주파수 분리기능이 필요 없어, 소형화된 형태에서도 넓은 주파수 대역폭을 가진다. 궁극적으로, 저주파에서 고주파에 이르는 전 영역 (20 Hz-20 kHz)을 모두 청취할 수 있는 인공 기저막을 개발하고자 연구를 진행하고 있다.

 
Wearable biomedical sensors
Wearable Bedsore Sensor
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 본 연구에서는 욕창의 발병 원인인 피부에 지속적으로 가해지는 압력과 이로 인한 피부조직의 손상을 피부의 온도, 임피던스 변화로 센싱하고, 무선 데이터 송신을 통해 센싱한 다중 인자를 의료진이 실시간으로 모니터링 할 수 있는 IoT 기반 통합 웨어러블 센서 시스템을 구축하여, 욕창의 발현을 조기에 진단 및 예방하고 치료법을 연구할 수 있는 플랫폼을 구축하고자 함.

 외부 압력과 이에 의한 조직 손상을 측정할 수 있는 압력, 온도 및 조직 임피던스 센서를 포함하는 멀티 웨어러블 센서를 제작하여 양방향의 웨어러블 센싱 시스템 구축하고자 함.

 또한, 무선 데이터 분석 및 송수신 시스템을 구축, 진정한 IoT 기반 무선 웨어러블 센서 플랫폼 구현하고자 함.

 세브란스 피부과와의 긴밀한 협업을 통해 욕창 동물모델을 구축하여 개발한 웨어러블 센서의 향후 인체 적용 시 안정성과 유효성을 검증하고자 함.

Wearable Oxygen Sensor
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산소는 신체 에너지 생성과 조직 재생에 필수적인 요소로서, 산소가 조직으로 전달되지 않으면 심근경색, 암, 당뇨와 같은 심각한 질병이 발병하고 혈관 수술을 시행한 모든 장기이식 및 유리피판술 후 혈관폐쇄의 위험이 발생한다. 역으로, 조직산소농도를 실시간으로 정확히 측정할 수 있다면, 증상조기발견을 위한 미래 질병연구에 기여할 수 있다. 기존의 산소농도를 측정하는 기기중에 클락타입센서는 전기화학적 방식으로 측정의 정확도가 높으나, 침습적이기 때문에 측정자의 고통을 수반한다는 문제가 있다. 비침습적인 방식으로는 광학적으로 측정하는 옥시메트리, 레이저도플러등의 기술이 있으나, 실제 조직이나 피부표면의 산소농도가 아닌 헤모글로빈 농도나, 혈류 등 산소를 유추하는 간접지표를 측정하는 방식이라는 한계가 있다. 본 연구그룹에서는 비침습적이면서도, 재료공학과 소자물리를 바탕으로 새로운 웨어러블한 광발광식 산소센서 디자인을 제시하였다. 미세한 산소농도를 정확하게 측정하기 위해서는 산소에 대한 높은 민감도가 필수적이며 또한 광센서를 구동하거나 광신호를 받기 위해서는 광원이나 수광부 등 유기디바이스가 필요하기 때문에 추후 신체에 적용하기 위해서는 유연하고 탈부착이 가능한 형태로의 개발이 필요하였다. 이에, 본 그룹에서는 산소 농도에 따라 발광특성이 달라지는 염료가 들어간 산소센싱필름을 제작한 후 센싱필름의 구조변형을 통한 기체투과성을 개선하였고 또 고굴절률 산란입자를 도입하여 필름의 민감도를 향상시켰다. 또한 발광부인 유기 발광다이오드(OLED)+수광부인 유기포토다이오드(OPD)를 유연 초박막위에 제작한후 각 요소를 일체형으로 통합하여 밴드형태로 탈부착이 가능하며, 제작 단가가 저렴하기 때문에 일회성으로 측정이 가능하고 유연한 광발광식 산소센서를 개발하였다.

  본 기술을 말초혈관계질환 등의 환자에 적용할 경우 wireless data-transfer technology를 도입하여 원격 모니터링 및 지속관리가 가능하기 때문에 질환의 진행을 막고, 조기진단을 보다 정확하고 간편하게 할 수 있으며 이를 통해 의료비용이 감축되는 등 새로운 의료 플랫폼을 제시할 수 있다. 또한 본 연구그룹에서 제시하는 센서 플랫폼은 산소 외에도 이산화탄소, 글루코오즈, pH 등 다양한 생체신호 감지를 통해 다른 의학적 정보를 한번에 얻는 multi-analyte 센서로도 제작이 가능하다.추후엔 임상연구를 진행하고, 산소분포의 대면적 이미징 기술 등 동일한 원리를 바탕으로 한 차세대 기술을 연구 및 개발하고, 종래 산소측정기술기반 센서의 부정확성 또는 측정한계를 극복하여 다양한 응용분야에 적용이 기대된다.

 
Energy generation/storage Systems
Self Charging System (integration of piezoelectric nanogenerator and energy storage)
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 웨어러블 전자기기는 헬스케어 모니터링, 사물인터넷 등 다양한 곳에  활용되며 큰 관심을 받고 있다. 잦은 배터리 교체 및 주기적인 충전은 웨어러블 전자기기의 활용에 문제점이 되고 있고 주위환경에서 에너지를 얻는 energy harvesting을 통해 이 문제를 해결하고자 한다. 기존의 energy harveseter와 energy storage system을 연결해기 위해서는 정류기 장치 필수적인데 이는 통합된 전자기기의  크기를 커지게 하고 에너지 소모가 발생하는 등 웨어러블 전자기기에의 적용에 한계가 있다. LMI에서는 energy harvester 중 하나인 piezoelectric nanogenerator를 활용하여 몸의 움직임에 따라 기계적 에너지를 harvesting 하고, 이를 바로 energy storage system에 저장하여 전자기기에 에너지를 공급해줄 수 있는 자가충전형 시스템에 대한 연구를 진행하고 있다. Piezoelectric nanogenerator를 energy storage syste의 내부에 위치시켜 single unit으로 통합시켜서 그 활용도를 높이고자 한다. 몸이 나타내는 다양한 기계적 변형에 반응하여 기계적 에너지를 energy storage system에 바로 화학적 에너지로 저장시키는 시스템 구현은 전자기기의 portability와 사용지속성을 향상시킬 것이라 기대되고 있다.

Piezoelectric Nanogenrator
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Mater. Res . Express 6 (2019) 086311

Nano Energy, 79, 2021, 105445

Energy Storage System
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RSC Adv., 2020, 10, 22102-22111

 유연한 전자 기기의 활용 분야가 넓어짐에 따라 device의 flexibility의 중요성이 커지면서 이러한 device를 구동시키는 power source도 flexible 특성이 필요해지고 있다. LMI에서는 기존의 리튬 이온 배터리의 단점을 보완하는 새로운 energy storage system에 대한 연구를 진행하고 있다. 이러한 연구 중 하나는 thin film 형태의 flexible supercapacitor이다. Flexible supercapacitor는 전자기기의 무게를 줄여주며 형태의 제약이 없게 만들어 주기 때문에 주목받고 있는 에너지 저장 장치 중 하나이다. Supercapacitor를 유연하게 제작하기 위해서 본 연구실에서는 용액 공정을 개발하였다. 개발된 용액 공정으로 기판의 제한 없이 다양한 두께의 supercpacitor를 제작할 수 있다. 아래의 그림 중 에너지 저장 장치의 에너지 밀도를 비교하는데 사용하는 Ragone plot을 보면, 별모양으로 표시된 부분이 연구실에서 제작한 supercapacitor을 성능이며 power density, energy density 둘 다 높은 수준을 보이고 있다.