메니스커스 기술 활용, 전압의 인가 없이 곡면 부도체 마이크로 패턴 인쇄

한국전기연구원(KERI) 스마트 3D프린팅 연구팀의 설승권 박사팀과 울산과학기술원(UNIST) 정임두 교수팀이 3D 프린터로 증강현실(AR) 기반 내비게이션을 구현할 수 있는 스마트 콘택트렌즈의 핵심 기술을 개발했다.

스마트 콘택트렌즈는 사람 눈에 일반 렌즈처럼 장착돼 각종 정보를 제공해주는 제품으로, 주로 건강을 진단하고 치료하는데 관련 연구가 이루어지고 있다. 최근에는 구글 등에서 AR을 구현할 수 있는 디스플레이 용도로 스마트 콘택트렌즈 개발에 나서고 있지만, 기술 난이도가 높아 상용화까지 많은 난관이 놓여 있다.

스마트 콘택트렌즈로 AR을 구현하기 위해서는 낮은 전력으로도 구동이 가능한 전기변색 디스플레이가 적합하고, 그 소재로는 가격 경쟁력이 높고 색상 간 대비와 전환이 빠른 ‘순수 프러시안 블루’ 색상이 주목받는다.

하지만, 기존에는 전기 도금 방식으로 색을 기판에 필름 형태로 코팅해 사용하다 보니, 다양한 정보(글자, 숫자, 이미지)를 표현할 수 있는 진보된 디스플레이를 제작하는 데 한계가 있었다.


KERI-UNIST의 성과는 전압의 인가 없이도 3D 프린터를 이용해 렌즈 디스플레이에 마이크로 패턴을 인쇄해 AR을 구현할 수 있는 기술이다. 핵심은 메니스커스(Meniscus)다. 메니스커스는 물방울 등을 일정 압력으로 지그시 누르거나 당기면 모세관 현상에 의해 물방울이 터지지 않으면서 외벽에 곡면이 형성되는 현상이다.

프러시안 블루는 마이크로 노즐과 기판 사이에 형성된 메니스커스 안에서 용매의 증발을 통해 결정화된다. 기존 전기 도금처럼 전압을 인가할 경우 기판이 반드시 전도체여야 했지만, 메니스커스 현상을 활용하면 용매의 자연 증발로 결정화가 되기 때문에 사용 가능한 기판의 제약이 없다는 것이 큰 장점이다.

이러한 노즐의 이동을 통해 연속적으로 프러시안 블루의 결정화가 이루어지면서 마이크로 패턴을 형성할 수 있다. 평면뿐만 아니라 곡면에도 패턴 형성이 가능하다. 연구팀의 마이크로 패턴 기술은 AR용 스마트 콘택트렌즈 디스플레이에 적용될 수 있는 수준(7.2 ㎛)으로 아주 미세하며. 색상도 연속적이고 균일하다.

주요 기대 활용 분야는 내비게이션이다. 간단하게 렌즈를 착용하는 것만으로도 AR을 통해 사람의 눈앞에서 내비게이션이 펼쳐진다. 큰 인기를 끌었던 ‘포켓몬 고’ 같은 게임도 스마트폰이 아닌 스마트 콘택트렌즈로 즐길 수 있다.

KERI 설승권 박사는 “우리의 성과는 AR을 구현하기 위한 기존 스마트 고글이나 안경보다 훨씬 편하고 저렴한 스마트 콘택트렌즈를 상용화 할 수 있는 3D 프린팅 기술”이라고 밝히며 “AR 기기의 소형화 및 범용성에 크게 기여할 것”이라고 전했다.

관련 연구결과는 우수성을 인정받아 재료과학 분야 세계적 학술지인 ‘어드밴스드 사이언스(Advanced Science/IF 17.521/JCR 4.71%)’ 표지논문으로 최근 게재됐다.

연구팀은 이번 성과가 AR 분야는 물론, 프러시안 블루의 마이크로 패터닝이 필요한 배터리 및 바이오센서 관련 기업들의 많은 관심을 받을 것이라 보고, 관련 수요업체를 발굴해 기술이전을 추진한다는 계획이다.

한편, KERI는 과학기술정보통신부 국가과학기술연구회 산하 정부출연연구기관이다. 설승권 박사는 과학기술연합대학원대학교(UST) KERI 캠퍼스 교수로도 활동하고 있다.