There are numerous emerging soft and wearable electronics technologies that can measure various essential information of human. Amongst properties of soft and wearable electronics, customizability is becoming an important key factor towards state-of-the art wearable electronics owing to the increasing demands for industry 4.0 that satisfy the user’s diverse design needs such as robotics, virtual reality, and health monitoring. Therefore, we present a thermoforming based three-dimensional (3D) electronics: 3D-structured electronics and 3D-shaped electronics. Firstly, we present a fabrication method of customizable tactile sensor based thermoformed 3D-structured electronics. Thermoforming process transforms patterned 2D film-based electronics to elastically deformable 3D-structured electronics, which have a planar top surface with supporting legs. The 3D-structured electronics have high modulus tunability and high mechanical properties (negligible hysteresis, high creep resistance). These unique properties can be utilized to high-performance and customizable tactile sensor. Secondly, we present a fabrication method of 3D-shaped electronics based on pre-distorted pattern generation and thermoforming. Through this method, custom-designed 3D-shaped electronics is fabricated through the thermoforming process. The fabricated 3D-shaped electronics has high 3D conformability because the thermoforming process enables the complete replication of both the overall shape and the surface texture of the 3D mold. Furthermore, the usage of thermoplastic elastomer and a liquid metal-based conductive electrode allows for high thermoformability during the device fabrication as well as high stretchability during the device operation.
최근 4차 산업혁명으로 사물 인터넷, 인공지능의 개발에 따라 VR/AR, 로봇, 웨어러블, 의료 분야 등 다양한 미래 기술분야에 적용될 수 있는 연구가 활발히 진행되고 있다. 이런 다양한 분야에 적용하기 위해서는 사용자 맞춤형 유연 전자장치 기술의 개발이 필수적이다. 하지만 아직까지 이런 사용자 맞춤형 유연 전자장치의 기술은 미미하다. 따라서 본 연구는 열 성형을 활용하여 삼차원 구조, 삼차원 형상의 전자장치를 개발하였으며, 이를 통해 다양한 분야에서 적용할 수 있는 사용자 맞춤형 유연 전자장치를 소개하고자 한다. 첫 번째로는 열 성형된 삼차원 구조를 활용하여 고 성능의 사용자 맞춤형 촉각 센서를 제작하였다. 기존의 촉각 센서의 경우 유연 소자를 활용하고 고감도의 성능에 집중되어서 개발되어 있기 때문에, 유연 소자 자체의 히스테리시스 및 좁은 압력 범위로 인해 다양한 압력 신호(시간에 따른 빠른 압력 변화, 고 압력)에 대해서 정확한 압력을 측정하기 어려움 점이 있다. 따라서 신뢰성 있는 데이터가 필요한 사물 인터넷 및 인공지능에 아직까지 적용하기 어려운 실정이다. 이에 반해 제작된 열 가소성 플라스틱 기반의 삼차원 구조체 기반의 촉각 센서는 유연 소자의 특성을 가짐과 동시에 높은 기계적 특성(높은 선형성, 적은 히스테리시스)을 가진다. 이와 더불어, 사용자의 요구에 맞춰 성능을 설정할 수 있다. 이를 통해서 제작된 정전용량 식 촉각 센서는 기존의 제작된 센서에 비해 고성능, 고감도, 고신뢰성, 고범위의 특성을 가지며, 사용자가 원하는 압력 범위 및 기능에 맞게 디자인 할 수 있다. 두 번째로 사용자 맞춤형 삼차원 형상의 유연 전자장치를 개발하였다. 기존의 연구들은 대부분 이차원 필름 형태의 신축성이 있는 웨어러블 전자장치이므로, 복잡한 형상을 가진 삼차원 형상의 표면에 부착할 수 없다는 단점이 있다. 본 연구에서는 이러한 문제를 해결을 위해, 열 성형 기술 및 사전왜곡 패터닝 기술을 개발하였다. 열 성형이 가능한 전극 및 기판을 제작하고, 이를 사전왜곡 패터닝 기술을 통하여 이차원 필름에 인쇄한 후, 열 성형을 통하여 원하는 삼차원 형상을 가지도록 성형하는 방식을 개발하였다. 이렇게 개발 된 삼차원 전자장치는 사용자가 원하는 디자인으로 최소의 오차를 가지며 정확히 제작이 가능하다. 또한 사용된 전극 및 기판의 경우 열 성형이 가능한 고 신축성 물질이기 때문에, 제작된 삼차원 전자장치의 경우 고 신축성 및 기계/전기적 안정성을 보여준다.
