KITECH 생산기술 전문지

플렉서블 디스플레이 및 웨어러블 디바이스 산업이 급격히 성장함에 따라, 더 가볍고 얇고 휴대성이 뛰어난 접이식 디스플레이 기기의 개발 필요성이 증가하고 있다. 기존 디스플레이의 깨지기 쉬운 무기 유리 기판을 투명하고 무색의 고분자 플라스틱 기판으로 대체하려는 시도들이 있다. 디스플레이 기기의 품질을 보장하기 위해 고분자 기판은 우수한 광학 투명성, 기계적 강도, 접힘 신뢰성 등 여러 특성들을 만족해야 한다. 특히 플렉서블 디스플레이 기술분야에서 투명 고분자 필름들은 초고온의 필름 트랜지스터 제조공정 (~400℃) 하에서도 우수한 기판특성을 유지할 수 있는 높은 열 안정성이 필수적으로 요구된다.
폴리이미드(polyimide, PI)는 Dupont사의 주도 하에 1950년부터 대량생산된 고기능성 고분자 재료로, 우수한 내열성, 내화학성, 기계적 특성을 두루 갖추고 있다. 또한 낮은 유전율과 뛰어난 절연특성을 가져 전기, 전자, 광학 분야에까지 각광받는 고분자 재료이다. 폴리이미드의 우수한 안정성은 강직한 방향족 구조와 이미드 고리로 구성된 주쇄 구조와, 사슬간의 강한 상호작용에 의한 전하이동복합체(Charge Transfer Complex; CTC) 구조 형성으로부터 기인한다. 하지만 이 CTC 구조는 가시광선 영역의 빛을 흡수하기 때문에 폴리이미드가 특유의 짙은 황갈색을 띠게 하며, 낮은 광학 투과도로 투명성을 요구하는 플렉서블 디스플레이 분야에 활용을 제한시킨다. 이에 대한 대안으로 최근 연구되고 있는 것이 투명 폴리이미드(Colorless Polyimide; CPI) 필름이다. 투명 폴리이미드는 주쇄 분자구조의 개질을 통해 사슬간의 CTC 형성 정도를 조절하고, 광학 투과도를 크게 향상시킨 고분자이다. 다만, CTC 감소는 결과적으로 폴리이미드 사슬 간의 상호작용을 약화시키기 때문에 높은 투명성과 기계적 강도는 상충관계(trade-off)에 있고, 이에 따라 까다로운 분자설계 전략이 요구된다. 밀도함수이론(Density Functional Theory; DFT) 및 분자동역학(Molecular Dynamics; MD) 시뮬레이션은 폴리이미드 합성에 앞서 연구자가 설계한 단위구조로부터 폴리이미드의 광학특성, 열적특성을 예측할 수 있기 때문에 연구 시행착오를 최소화하고, 효율적인 분자설계를 가능케 한다. 본문에서는 투명 폴리이미드의 원리를 설명하고 분자 설계, 모델링을 포함한 연구동향을 다루고자 한다.

투명폴리이미드, 폴리이미드, 분자설계, 시뮬레이션

이식형 전자 장치에 지속 가능한 에너지를 공급하기 위해 기계적 에너지 하베스터 (Mechanical energy harvesters)가 중요한 연구 분야로 주목받고 있다. 특히 기계적 에너지 하베스터와 이식형 전자장치의 통합은 기존의 베터리, 슈퍼커패시터와 같은 에너지 저장 장치가 갖는 문제점을 해결할 수 있어 많은 연구가 이루어지고 있다 [1, 2]. 기존의 에너지 저장 장치는 크고 무겁고 딱딱하기 때문에 이식형 전자장치의 에너지원으로 적합하지 않다. 더불어 지속적인 충전 및 교체가 필요하기 때문에 주기적인 수술을 요구하며, 신체 내 이온으로 구성된 전해질 환경은 에너지 저장 소자를 부식시켜 체내에 심각한 문제를 야기할 수 있다 [3]. 이러한 문제를 해결하기 위해서는 전해질 내 환경에서 반영구적으로 에너지를 생산할 수 있는 작고, 가볍고, 부드러운 이식형 기계적 에너지 하베스팅 소자에 대한 연구가 필요하다.
케모-메커니컬 (Chemo-mechanical) 에너지 하베스터는 전해질 내에서 에너지 생산전극의 변형을 통해 전극 표면에서 발생하는 이온의 이동을 통해 기계적 에너지를 전기적 에너지로 변환하는 기계적 에너지 하베스터의 한 종류이다. 이는 체내 전해질 환경에서 부식현상 없이 에너지를 생성할 수 있기 때문에 이식형 에너지 하베스터로서 적합한 새로운 에너지원으로 각광받고 있다. 하지만 실제 장기에 부착하여 활용하기 위해서는 다음과 같은 추가적인 특성이 요구된다. 1) 장기 움직임에 따라 변형이 가능한 낮은 모듈러스, 2) 장기의 곡면에 부착되어 활용하기 위한 우수한 변형성, 3) 장기의 다방향 팽창 움직임을 효과적으로 수용하기 위한 다방향 하베스팅. 본 고에서는 상기 세가지 특성에 맞게 설계된 미세주름 구조를 갖는 탄소나노튜브 (carbon nanotube, CNT) 시트를 활용하여, 낮은 모듈러스, 우수한 변형성을 갖는 다축 케모-메커니컬 에너지 하베스터에 관한 연구 및 응용 가능성에 대해서 서술하고자 한다.

탄소나노튜브 시트, 미세주름구조, 기계적 에너지 하베스팅

혈액 접촉형 의료기기(blood-contacting device, BCD)는 정맥 내 약물 투여, 조직 공학, 체외 순환, 질병 관리 등 다양한 임상 분야에서 중요한 역할을 한다(그림 1(a))[1]. 카테터, 스텐트, 심박 조율기, 혈관 우회 이식편과 같은 BCD는 특히 세계 주요 사망 원인인 심혈관 질환 치료에 널리 사용된다. 2010년부터 2030년까지 심혈관 질환 관련 의료비용은 직접 비용만 8,180억 달러에 이를 것으로 예측된다[2]. 그러나 BCD가 체내에 삽입되면, 표면에 단백질, 혈액 세포, 세균 번식 등으로 표면의 생물 오염이 발생할 수 있다. 이러한 반응은 면역 체계를 자극하여 응고 연쇄 반응(coagulation cascade), 보체 시스템(complement activation), 세포 염증 반응, 혈소판 활성화가 유발되어 혈류 감염, 혈전증(thrombosis complications), 조직 손상과 같은 심각한 합병증을 초래할 수 있다. 예를 들어, 미국에서는 중심 정맥 카테터로 인해 매년 약 25만 건의 혈류 감염이 발생하며, 이로 인한 사망률은 12~25%에 달한다[3]. 국내 질병관리청의 전국 의료관련감염 감시체계(KONIS)에 의하면 2022년 기준 기구 사용 1,000일당 2.45건으로 지속적인 혈류 감염 사례가 발생하였다(그림 1(b))[4]. 관상동맥 스텐트의 경우 스텐트 혈전증이 발생할 위험이 있어 심근경색과 최대 80%에 이르는 높은 사망률로 이어질 수 있다. 이러한 이유로 관상동맥 스텐트, 인공 심장 판막, 좌심실 보조기를 사용하는 환자는 혈전 합병증을 예방하기 위해 만성적인 항혈소판제 또는 항응고제 사용이 요구된다[5]. 헤파린의 전신 항응고 요법이 혈전증을 줄이는데 도움이 되지만, 출혈 위험을 증가시키고 헤파린 유도 혈소판 감소증(HIT)과 같은 부작용도 발생할 수 있다[6]. 이러한 부작용을 해소하고 안전한 시술을 위해 국부적으로 의료기기 표면의 항혈전, 항균 기능성 코팅에 대한 지속적인 연구가 이루어지나 여전히 해결해야 할 과제들이 많이 남아 있다. 세계 의료기기 코팅 시장은 2024년 82억 달러에서 연평균 성장률 7.7%로 성장하여 2035년에는 180억 달러 규모를 형성할 것으로 예측되며(그림 1(c))[7], 의료용 표면 코팅제 및 코팅 서비스를 제공하는 해외 기업이 증가하고 있다. 대표적인 항혈전 코팅 제조업체는 Biointeractions, Edwards Lifescience, Maquet Getinge Group, W.L.Gore & Associations, Corline Systems AB, Medtronic, Surmodics, Perouse Medical, Sorin 등이 있다. 방오(antifouling) 및 친수성 저마찰 코팅 제조업체로는 Royal DSM, AST Products, Biocoat, Ension 등이 해외 시장을 선도하고 있다.

의료기기, 코팅, 항혈전, 항균, 생체소재

최근 전기차, 스마트 기기, 에너지 저장 장치 등 다양한 분야에서 리튬이온 배터리에 대한 수요가 증가하면서 고성능 배터리 개발의 중요성이 대두되고 있다. 이에 따라, 배터리 성능을 극대화할 수 있는 새로운 도전재의 개발이 활발히 진행되고 있다. 특히, 탄소 기반 도전재는 우수한 전도성과 기계적 안정성을 바탕으로 전극의 전기적 특성과 에너지 밀도와 충·방전 안정성을 개선하는 핵심 소재로 평가받고 있다. 전통적으로 사용되어 온 카본 블랙 같은 소재는 충·방전 사이클 동안 전기적 연결성을 제공하지만, 상대적으로 낮은 전도도와 구조적 한계로 인해 배터리 성능 개선에 제약이 있다. 따라서, 다양한 형태의 탄소 기반 신소재들이 도전재로 활용되며 배터리 성능을 높이기 위한 활발한 연구가 진행되고 있다. 다양한 탄소 기반 도전재 연구는 배터리의 에너지 밀도와 안정성 뿐만 아니라 충·방전 속도와 사이클 수명을 획기적으로 개선하는데 중점을 두고 있다. 이에 리튬 이온 배터리 성능 향상을 위해 개발되고 있는 탄소 기반 도전재의 연구 동향을 살펴보고 각 도전재의 특성과 발전 가능성에 대해 논의하고자 한다.

탄소 소재, 리튬이온, 도전재

기업들의 기술 혁신에 대한 높은 관심과 열정은 반드시 규제(regulation)에 대한 이해와 대응 전략을 필요로 한다. 혁신적인 기술이 결국 제품이나 서비스로 상용화되기 위해서는 법령에 따른 규정과 기술기준 등 우리 사회의 질서와 융화되어야 하기 때문이다. 규제는 본래 다수의 효용을 위한 것으로 설정됨에 따라 특정 기업이나 단체의 요구에 의해 그때그때 변경되기 어려운 특징이 있다. 때문에, 규제를 변경해야 할 필요성이 도래된 시점부터(예: 신기술 개발) 실제로 변경되는 시점까지의 시차(규제시차)가 발생한다. 혁신 기업들이 규제애로 해소를 위한 지원제도에 관심을 가져야 하는 이유이다.
산업융합촉진 옴부즈만 제도는 기업들이 융합신제품·서비스를 개발하여 사업화 하고자 할 때 장애가 되는 불합리한 규제를 발굴하고 해소하기 위해 지원하는 제도이다. 정부가 임명하는 옴부즈만은 규제 업무를 소관하는 정부 각 부처와 산업계 간의 소통 채널 역할을 수행하며, 기술 혁신을 저해하는 각종 규제를 완화하거나 혹은 양측이 만족할 수 있는 최적의 결과가 도출될 수 있도록 중재 역할을 수행한다. 산업융합 신제품의 적합성 인증제도는 시장 진입 단계에서 적합한 인증 기준의 부재로 어려움을 겪는 융합 신제품을 위한 인증제도이다. 신청 기업은 융합 기술을 반영하여 새로 만들어진 기준에 따라 신속한 인증 심사를 받을 수 있으며, 심사에 합격하면 KS, KC 등 기존 인증의 인증 마크를 부착하여 판매함으로써 시장에서의 신뢰를 확보할 수 있다.
이 두 제도는 융합신제품·서비스의 규제애로 해소를 지원하기 위해 정부에서 운영 중인 대표적인 제도이며, 한국생산기술연구원(국가산업융합센터)이 지원하고 있다. 새로운 성공 신화를 꿈꾸며 기술혁신에 매진하는 많은 기업들이 신산업 분야를 개척하거나 더 나은 제품과 서비스를 통해 우리 사회 전체를 윤택하고 안전하게 바꾸어 가는데 두 제도의 역할이 더욱 기대된다.

산업융합촉진 옴부즈만 제도, 산업융합 신제품 적합성 인증제도, 융합신제품·서비스 규제애로 해소

사람 추종 이동로봇은 사람 대신 무거운 짐을 옮겨주는 기술로 공장이나 농장에서 짐을 싣고 사람을 따라 이동하거나 골프장 등에서 캐디 역할을 하는 로봇으로 활용될 수 있다. 본 연구에서 카메라는 20 cm 높이에 설치하고 1 – 1.5 m의 거리로 사람을 추종하는 이동로봇을 개발하였다. 해당 조건에서 카메라로 사람을 직접 촬영해본 결과 사람의 전신이 보이지 않고 다리 또는 하반신만 보이는 것을 확인하였다. 따라서 본 연구에서는 사람의 하반신을 인식하여 사람을 추종하는 방식을 적용하여 로봇 개발을 시도하였다. 사람 인식은 Tiny-YOLOv3를 이용하여 딥러닝 학습 및 추론을 수행하였고, 뎁스카메라(Intel Realsense D435)와 딥러닝 임베디드컴퓨터(NVIDIA Jetson Nano)가 장착된 차륜형 이동로봇을 직접 제작하여 테스트 하였다. 로봇과 사람의 거리를 1.5 m, 로봇과 사람의 각도를 0°로 하여 추종 제어를 수행해본 결과 거리는 평균 1.4 m, 각도는 평균 0.6°를 유지하며 추종함을 확인하였다. 본 연구를 통하여 사람의 하반신 만을 인식하여 1.5 m 이내의 가까운 거리로 사람을 추종하는 이동로봇 기술 구현이 가능함을 보여주었다.

이송로봇, 인공지능, 농업용로봇, 자율주행, 사람인식

로봇이 다양한 외부환경에서 작업을 수행하면서 상호작용을 하기 위해서는 높은 강성과 역구동성을 동시에 만족하는 것이 중요하다. 본 연구는 고강성과 고역구동성을 동시에 구현가능한 컴파운드 유성감속기 설계를 제공한다. 구동 시 양 방향 구동 효율의 모델링에 기반한 역 구동 성능에 대한 분석과 이를 바탕으로 한 유효 회전 관성을 얻었다. 다음으로 컴파운드 유성 감속기의 각 기어 쌍의 맞물림 과정에서 발생하는 백래쉬에 대한 이론적 모델링을 제시한다. 또한 앞서 언급한 효율과 백래쉬를 통합적으로 고려하여 제한된 백래쉬 조건 하에서 양 방향 효율을 극대화 할 수 있는 알고리즘과 시뮬레이션을 진행하며, 최종적으로 성능 검증을 위한 프로토타입 설계 까지 제공한다. 제안하는 고강성, 고역구동성 동시 구현 및 저 백래쉬 컴파운드 유성 기어의 설계 프레임워크를 통해 높은 작업효율과 안전한 물리적 인간 로봇 상호작용이 가능한 로봇 구동이 가능할 것으로 기대한다.

로봇 구동기, 감속기, 고 효율, 고 역구동성, 저 백래쉬

본 연구에서는 외부 에너지 장치 없이 세포 증식과 분화를 촉진할 수 있는 일체형 전기 자극 시스템인 FESA(Fully Integrated Electrostimulation Assembly)를 개발하였다. FESA 시스템은 폴리도파민(PDA)이 도입된 트위스트론 에너지 하베스터와 PEDOT-코팅된 탄소나노튜브(CNT) 시트로 구성되어 있으며, 외부 전원 없이도 기계적 에너지를 전기 에너지로 변환하여 지속적이고 균일한 전기 자극을 제공할 수 있다. FESA의 구성 요소들은 높은 생체 적합성을 보였으며, 세포 생존율 평가에서도 우수한 결과를 나타냈다. 반월판 연세포 실험에서는 전기 자극이 콜라겐 I, 콜라겐 II, 글리코사미노글리칸(GAG) 등 세포외기질(ECM) 성분의 생성을 유의미하게 증가시키고, 세포 증식을 촉진하는 효과가 있음을 확인하였다.또한, FESA 시스템은 한정된 공간안에서 전류의 스케일업이 용이하며, 폭넓은 전류 밀도 범위를 제공하여 다양한 전류 요구 조건에 맞춰 조정할 수 있는 유연성을 갖추고 있다. 이 연구는 조직 공학 및 재생 의학에서 FESA 시스템의 응용 가능성을 보여주며, 향후 다양한 조직 재생 응용에 확대 적용할 계획이다.

전기자극, 전기화학적-기계적 하베스터, FESA 시스템, 생체재료, 조직공학

머신 비전 기술은 디지털 영상 관련 기술로 휴먼 인터페이스, 모바일 및 제조 현장에도 적용되고 있다. 머신 비전은 생산성 향상 측면에서 제한된 연산 시간 내에 인간이나 사물의 정보를 실시간으로 도출하여야 한다. 특히, auto focus는 카메라가 장착된 장치에 대부분 적용되고 있는데, 연산량이 많아 고해상도 영상에 대한 처리 방안이 필요하였다. 따라서, 본 사례에서는 contrast 지수에 대한 연산 속도를 향상 방안으로 병렬 처리 사례를 소개하였다. Contrast 지수를 병렬 처리로 연산하기 위하여 대부분 장치에 장착되어 있는 멀티 코어 CPU나 GPU를 활용한 가속하는 방법을 제시하였다. 멀티 코어와 GPU의 특성에 맞는 연산 구조를 검토하고 오픈 소스를 활용한 커널을 제작 및 시험하였다. 시험 결과에서는 실시간 contrast 지수 연산에는 멀티 코어가 GPU보다 우수한 성능을 보였다. 또한, 영상 데이터 크기가 증가할수록 가속 성능이 향상되는 결과를 얻었다. 이와 같은 사실로 실시간 영상 처리의 경우 멀티 코어를 활용하는 것이 유리하다는 점을 알 수 있다.

영상 처리, 연산 가속, 빅데이터, GPU, 멀티 코어

시선 정보는 인간의 인지 과정에서 중요한 요소로 자리잡고 있으며, 정보 처리 및 환경 인식과 같은 핵심 기능과 밀접하게 연결되어 있다. 이러한 이유로 다양한 분야에서 시선 정보를 활용하는 연구가 진행되고 있다. 그 중 제조 분야, 특히 표면 불량을 검출해야 하는 제품 특성 상 시선 정보가 중요하지만 매우 복잡하고 끊임없이 변화하는 제조 공장에서 시선 분석은 어려운 것이 현실이다. 기존의 연구들 또한 시선 정보의 사후 분석 혹은 정적인 객체에 대한 시선 분석 등의 연구가 주로 수행되었기에 동적 환경인 실제 현장에서 사용이 어렵다. 따라서 본 논문에서는 공장과 같은 복잡하고 동적인 환경에서 실시간으로 객체 탐지 및 시선 추적이 가능한 시스템을 제안한다. 제안 시스템은 복잡하고 동적인 환경에서 적용이 가능하도록 학습된 객체 탐지 모듈에 시선 추적이 가능한 모듈이 통합된 형태로 통합 과정에서 발생하는 지연사항을 해결한 후 실험을 위한 분석 모듈을 추가하여 구현된다. 제안한 시스템은 작업자의 시선이 실제 시나리오에 맞추어 움직였는지 분석하는 실험을 통하여 그 기능과 동적인 환경에서의 강인성을 확인하며, 시선 추적 그래프와 가시화된 히트맵을 통해 검증한다. 본 연구에서 제시한 시스템은 분석을 위한 기반 시스템으로, 추가적인 연구가 진행된다면 불량 탐지 가이드 라인 제공, 전문가의 불량 탐지 노하우 분석 등 다양한 방식으로 활용이 가능할 것으로 기대한다.

시선추적, 동적환경, 물체인식, 딥러닝

디지털 기술이 발전함에 따라 학습 교구로 스마트패드 등을 사용하게 되어 교육 방식도 디지털화 되고 있다[1]. 디지털 학습 교구는 학습자에게 다양한 콘텐츠를 제공하여 학습자의 흥미 유발에 도움을 준다. 이러한 흥미 유발은 자발적인 학습을 지속적으로 유지하는데 긍정적인 효과를 나타낸다[2]. 흥미를 유발시키는 방법은 다양하게 존재하며 그 중에는 블록을 이용한 시각, 촉각 등의 감각을 자극하는 방법도 있다. 또한 블록을 자유롭게 조합하는 창의적인 학습은 교육의 질을 높일 수 있기 때문에 넓은 인식영역은 이점을 갖는다.
블록을 인식하는 기술에는 보편적으로 적외선 센서가 사용된다. 적외선 센서는 다수의 센서를 일정 간격으로 배치하여 넓은 인식영역으로 제작 가능하고 블록의 존재 유무의 판별에 적합하지만 블록 밑면 홈의 깊이차이, 색상차이 등으로 부여할 수 있는 정보량에는 한계가 존재한다. 그래서 이러한 단점을 보완하기 위해 NFC(Near Field Communication)와 EMR(Electromagnetic Resonance)을 이용한 블록 인식을 설계했다. NFC와 EMR은 공통적으로 코일을 통해 무선통신을 수행한다. NFC는 고용량의 정보 제공이 가능하지만 다수의 코일에 대한 인식은 통신 속도의 한계로 적합하지 않고 EMR은 고속처리가 가능하지만 정보의 세분화에는 한계가 존재한다. 그러므로 각 기능의 장점을 활용하여 다수의 코일을 일정 간격으로 배치한 넓은 인식영역에서 EMR을 이용한 인식 블록의 좌표 추적과 NFC를 이용한 고용량의 블록 정보 수집을 통해 다양한 콘텐츠를 제공 가능한 교육 디바이스의 블록 인식 기술을 제안하고자 한다.

NFC, EMR, 교육 디바이스, 블록 인식