웨어러블 기술의 혁신: 개인 맞춤형 바이오센서 문신을 위한 프린트-인-플레이스 전자공학

듀크 대학교 프랫 공학대학원, 노스캐롤라이나 더럼

완전한 프린트-인-플레이스 전자 기술은 높은 접착력의 임베디드 전자 문신과 환자 맞춤형 바이오센서를 탑재한 밴드 같은 기술을 가능하게 할 수 있습니다.

새끼손가락 아래쪽에 직접 인쇄된 두 개의 전자 활성 리드가 전압이 가해지면 LED를 켭니다.

기존 전자 문신의 한계

기존 전자 문신은 유연한 전기 부품을 포함하는 얇고 유연한 고무 패치입니다. 이 얇은 필름은 임시 문신처럼 피부에 달라붙으며, 초기 버전의 유연한 전자공학은 심장 및 뇌 활동 모니터와 근육 자극기를 포함하도록 만들어졌습니다. 그러나 직접 표면 수정을 통해 맞춤형 전자공학을 추가해야 하는 분야에는 적합하지 않습니다.

저온에서 모든 기판에 인쇄 가능한 은 나노와이어 잉크 개발

연구진은 에어로졸 프린터를 사용해 저온에서 모든 기판에 인쇄할 수 있는 은 나노와이어를 함유한 새로운 잉크를 개발했습니다. 이 잉크는 추가 공정 없이도 전도성을 유지하는 얇은 필름을 생성합니다. 인쇄 후 2분 이내에 건조되며, 50% 굽힘 변형을 1,000회 이상 견뎌도 높은 전기적 성능을 유지합니다.

새끼손가락에 직접 인쇄된 전자 회로 시연

시연에서 두 개의 전자 활성 리드가 새끼손가락 아래쪽에 인쇄되었습니다. 손가락 끝 부분에서 리드는 작은 LED 조명과 연결됩니다. 두 인쇄 리드의 하단에 전압을 가하면 손가락이 구부러지고 움직여도 LED가 계속 켜져 있습니다.

기능성 트랜지스터 제작을 위한 다중 프린터블 구성 요소 결합

전도성 잉크는 두 가지 다른 프린터블 구성 요소와 결합해 기능성 트랜지스터를 만들 수 있습니다. 프린터는 먼저 탄소 나노튜브의 반도체 스트립을 깔고, 건조된 후 플라스틱이나 종이 기판을 프린터에서 꺼내지 않은 상태에서 양쪽으로 수 센티미터 연장된 두 개의 은 나노와이어 리드를 인쇄합니다. 그 위에 2차원 물질(육방정계 질화붕소)의 비전도성 유전체 층을 인쇄하고, 마지막으로 은 나노와이어 게이트 전극을 인쇄합니다.

기존 공정의 복잡한 후처리 단계 완전 배제

현재 기술로는 이 단계 중 적어도 하나는 기판을 꺼내 화학 세척, 경화 공정, 유기물 제거를 위한 장시간 베이킹 같은 추가 공정이 필요합니다. 프린트-인-플레이스 기술은 이러한 단계를 전혀 필요로 하지 않으며, 각 층이 완전히 건조되어 재료 혼합을 방지해야 함에도 불구하고 지금까지 보고된 최저 전체 공정 온도에서 완료할 수 있습니다.

대량 제조 대체가 아닌 신속 프로토타이핑 및 맞춤형 밴드에 활용

이 인쇄 방식은 웨어러블 전자공학의 대량 제조 공정을 대체하지는 않지만, 신속 프로토타이핑이나 바이오센서를 내장한 밴드 같은 응용 분야에 가치가 있습니다.

자세한 정보는 켄 킹어리(Ken Kingery)에게 문의하세요. 이메일: [보호된 이메일]; 전화: 919-660-8414.