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다자유도 형상 변형가능한 전자장치 개발

Multi-DOF Shape- Morphable Electronic Devices

  • 공도현 (아주대학교 일반대학원)

초록/요약

최근 전자장치는 다양하게 변화하는 환경에 적응하기 위해 유연성과 신축성을 기반으로 한 형상 적응 능력이 요구되고 있다. 유연한 전자장치는 높은 기계적 순응성（mechanical compliance）을 바탕으로 동적인 환경에서의 높은 적응성을 달성하였지만 과도한 형상 변형에는 취약하다는 한계를 가진다. 이를 위해 기존에는 별도의 외부 프레임, 지지 구조를 도입하여 구조적 강건성 （structural robustness）를 확보하고자 하지만, 이는 형상의 적응성을 제한하는 요인으로 작용된다. 본 연구에서는 높은 기계적 순응성과 구조적 강건성을 동시에 확보하기 위하여, 구조 제어 메커니즘이 통합된 형상 재구성 전자 복합체를 개발하였다. 제안된 전자 복합체는 약 550 배의 강성 변화를 갖는 가변 강성 고분자인 shape memory polymer （SMP）와 필름 형태의 전자 소자로 구성된다. 강성 모드의 전환을 통해 전자 복합체는 형상을 전기적 파손 없이 다자유도로 변형할 수 있고, 이후 형상을 고정하며 유지하는 높은 구조적 강건성을 확보할 수 있다. 이러한 강성 조절 기반 구조 제어 전략을 기반으로 전자 복합체는 사용자의 감지 목표에 맞춰 선택적으로 성능을 증폭할 수 있는 맞춤형 센서, 고압축성 발광 복합체, 그리고 초실감 터치 디바이스를 구현하였다. 이러한 활용에서 반복적인 형상 변형 및 사용 과정에서도 전기적인 안정성과 구조적 견고함을 유지하는 것을 확인하였다. 본 연구는 유연 전자 장치의 형상 제어를 위해 사용하던 외부 프레임을 소재 내부의 강성 조절 메커니즘으로 대체하였다. 이를 통해 전자장치의 변형성과 구조를 제어할 수 있는 시스템을 하나의 복합체에 통합하였다. 또한 강성 조절을 통한 중립면 이동 개념을 제시하여 다양한 전자 소자를 적용하여 사용 목적에 따라 능동적으로 형상을 변형할 수 있는 새로운 형태의 적응형 전자 장치의 가능성을 제안한다. 주제어: 형상 변형 전자장치, Shape memory polymer, 3 차원 전자장치, 중립면, 적응형 구조

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목차

제 1 장 서 론 1
제 1 절 연구 배경 1
제 2 장 본 론 5
제 1 절 구조적 제어가 가능한 형상 변형 전자장치의 설계 및 특성 5
1. 강성 조절을 통한 전자 복합체의 변형 특성 전환 5
2. 열기계적 변형 특성 제어 시스템 8
3. 전자 복합체의 박리 없는 적층 구조 설계 10
제 2 절 전기적 특성에 대한 이론적 분석 및 유한 요소 해석 (FEA) 13
1. 복합체의 복합 변형에 대한 이론적 모델 분석 13
2. 전기적 특성에 대한 시뮬레이션 분석 17
제 3 절 굽힘 강성 조절을 통한 구조적 강건성 확보 20
1. 전기적으로 안정적인 형상 재구성 20
2. 강성 조절을 통한 구조적 견고함 강화 22
제 4 절 형상 변형을 통한 센서의 외력 선택적 증폭 25
1. 구조에 따른 선택적 외력 증폭 기능 25
2. 굽힘, 압력, 인장에 대해 민감도나 범위 증폭가능한 변형 센서 27
3. 가역적 변형을 통한 사용자 맞춤형 센서 33
제 5 절 형상 변형 디스플레이 어플리케이션 36
1. 초소형 폼팩터를 가진 형상 변형 LED 패널 개발 36
2. 사용자의 터치 경험 개선을 위한 초실감 입체형 터치 패널 38
제 3 장 결 론 42
참고문헌 44

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