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Aug 07, 2023

Curvy 전자제품은 사탕 포장지에서 영감을 받아 대량 생산에 한 걸음 더 가까워졌습니다.

투수에게 경기력의 모든 세부사항을 알려줄 수 있는 곡선형 센서가 가죽 가죽에 장착된 야구공을 상상해 보십시오. 읽을 수 있는 유연한 마이크로칩이 내장된 콘택트 렌즈를 상상해 보세요.

투수에게 경기력의 모든 세부사항을 알려줄 수 있는 곡선형 센서가 가죽 가죽에 장착된 야구공을 상상해 보십시오. 당뇨병 환자가 손가락을 찔릴 필요가 없도록 눈의 포도당 수치를 읽을 수 있는 유연한 마이크로칩이 내장된 콘택트 렌즈를 상상해 보십시오.

이는 엔지니어들이 구부러지고 유연한 전자 장치를 위해 꿈꾸는 몇 가지 응용 분야에 불과합니다. 그러나 아직까지는 대량생산이 가능한 방법이 없었다. Science Advances의 최근 논문 덕분에 이러한 상황은 바뀔 수 있습니다. 이 논문은 전통적으로 2차원 전자 장치를 곡면 주위에 평평한 평면 시트로 대량 생산하는 우아한 방법을 자세히 설명하고 있습니다.

공동 저자이자 중국 베이징 소재 칭화대학교 공과대학 교수인 Xue Feng은 "이것은 사탕을 포장하는 것과 같습니다."라고 말했습니다. 포장지는 2D 평면이지만 둥근 사탕을 안을 수 있도록 변형될 수 있다고 그는 설명합니다.

예를 들어 Apple Watch의 처리 칩과 같은 오늘날 대부분의 웨어러블 전자 장치는 평면 실리콘 웨이퍼에 내장되어 있습니다(웨어러블 기술과 문신 예술이 만나 두 가지 모두를 혁신하기 위해 참조). 시계 본체는 평면입니다. 이 최근 연구의 초기에 Zhejiang에 있는 Tsinghua University의 유연한 전자 기술 연구소의 전기 엔지니어인 공동 수석 저자인 Ying Chen은 곡면을 감싸기 위해 실리콘 칩을 구부리고 구부리려고 했습니다. “그러나 실리콘은 부서지기 쉽고 단단하며 변형되기 어렵습니다.”라고 그녀는 말합니다. “부러지기 쉬워요.”

Chen은 대체 솔루션을 찾기 시작했고 2009년부터 수학 논문을 발견했습니다. 이 논문은 재료를 낭비하는 주름을 피하면서 둥근 물체를 평평한 시트에 가장 효율적으로 감싸는 방법에 대한 이론적 솔루션을 제시했습니다. 해당 논문의 방정식을 기반으로 Chen과 Feng은 기하학적 모델링을 사용하여 곡선을 쉽게 감싸는 2D 시트의 가장 효율적인 모양을 설계했습니다. 풍선을 감싸는 종이 조각과 같은 직사각형보다는 구부러진 물체를 감싸는 꽃잎이 있는 압축 꽃과 유사한 모양이 가장 효율적인 모양이라는 것을 발견했습니다. 부서지기 쉬운 실리콘 대신에 신축성 있는 엘라스토머, 반도체 재료, 금속을 사용했습니다.

다음 질문은 생산 라인에서 제조된 수천 개의 동일한 물체에 대해 꽃잎이 정확히 동일한 위치에 떨어지도록 곡선 물체 주위에 꽃잎을 물리적으로 감싸는 방법이었습니다. Chen은 "정렬이 중요합니다"라고 말했습니다. 왜냐하면 그것이 궁극적으로 제품의 기능에 영향을 미칠 수 있기 때문입니다.

처음에 그녀는 손으로 둥근 물체에 꽃잎을 부드럽게 구부린 다음 뒷면을 벗겨내고 자외선을 사용하여 곡면에 전자 장치를 경화시켰습니다. 프로세스를 자동화하기 위해 그녀와 Feng은 꽃잎 모양의 시트와 둥근 물체가 모두 시험관 너비 약 1cm의 얇은 튜브 내부에 배치되는 부드러운 프레스를 설계했습니다. 그런 다음 풍선이 튜브 내부에서 부풀어 오르면서 꽃잎에 부드럽고 균일한 압력을 가하여 곡선 개체를 감싸게 됩니다.

꽃잎은 직사각형 시트보다 훨씬 효율적으로 이 구를 감쌉니다. 이미지 출처: Xingye Chen, Xue Feng, Ying Chen

곡면형 센서를 제조하는 데 있어서 가장 중요한 과제 중 하나는 "실제로 우리가 관심을 갖고 있는 물체에 센서를 적용하는 것"이라고 하와이 대학교 마노아(Mānoa)의 기계 공학 교수 타일러 레이(Tyler Ray)는 말합니다. 이 저자들은 전통적인 2D 방법을 사용하여 센서를 제조한 다음 이를 3차원 물체에 부착하는 "영리하고 우아한 방법"을 고안했습니다. 그러나 Ray는 이 작업을 수행하는 다른 방법이 있다고 지적합니다. 예를 들어 여기에 제안된 전사 인쇄 대신 3D 인쇄 방법을 사용하는 것입니다. 그러나 그는 이 방법의 장점은 잘 이해되고 잘 제어된 제조 기술에 의존하는 반면, 3D 프린팅은 단위당 시간이 더 많이 걸리고 비용이 많이 든다는 점이라고 강조합니다.

생의학 엔지니어 Philipp Gutruf는 이 논문에서 제공하는 확장 가능한 접근 방식과 설계 지침이 문헌에 귀중한 추가 자료라고 생각한다고 말합니다. 그는 다른 논문에서 시연된 3D 개체 주위에 2D 템플릿을 감싸는 일반적인 접근 방식을 보았습니다. 예를 들어 쥐의 제어 및 모니터링을 위해 무선 장치에 심장을 감싸는 것입니다. 그러나 여기서 확장 가능한 접근 방식은 새로운 것이며 구형 모양에 대한 설계 지침은 매우 유용할 수 있다고 투산에 있는 애리조나 대학의 Gutruf는 말합니다. 이 작업이 생물의학 장치에 필요한 다른 복잡한 형태에 적용 가능한지는 아직 밝혀지지 않았습니다.