Welcome to MDM Lab
The field of electronic devices is transitioning from traditional electronics technology, characterized by rigid materials and predetermined specifications found in devices like PCs and smartphones, towards wearable devices and personalized next-generation electronics. The development of future electronics presents challenges in recycling and reusing methods that were applicable to conventional electronic waste disposal, as determined by material characteristics. The expected exponential increase in electronic waste presents a significant environmental challenge. Therefore, the development of Biodegradable Electronics Technology wherein components rapidly decompose and disappear after a certain operational period without generating toxic by-products, will play a crucial role in addressing the environmental issues associated with forthcoming electronic waste. Moreover, the rapid progress of the future electronics industry raises apprehensions regarding energy resource consumption and environmental issues, particularly in conjunction with the escalating power consumption. The research in the Zero-Waste/Eco-Friendly Electronic Materials is conducting investigations that integrate Biodegradable Electronics Technology with environmentally friendly energy harvesting technologies including triboelectric, thermoelectric, and solar cells to address the environmental challenges arising from the development of future electronics.
Below is an introduction to some of the latest research findings from our laboratory.
Flexible & stretchable eco-degradable conductive paste
The biodegradable conductive paste, designed to decompose in natural environments like soil and seawater, represents an environmentally friendly electronic material technology. Notably, conductive paste has attracted considerable attention for its cost-effective processing of large-area devices through screen printing techniques. Conductive paste by incorporating metal inorganic particles into a polymer solution finds applications in various forms, including conductive electrodes, wires, and planar electronic components (inductors, capacitors, etc.). The paste formed by blending molybdenum particles with the flexible polymer PBAT, maintains its electrical properties even in highly elastic environments, rendering it suitable for future sensor patch devices exposed to constant human movement or external impacts. We have successfully implemented a wearable strain sensor device that operates reliably even in joints undergoing significant length deformations using biodegradable conductive paste. Furthermore, leveraging its capability to be used in a freestanding state separated from the substrate, we have applied it to highly flexible serpentine-shaped electrical wires and 3D pop-up variable-frequency coils.
Green energy harvester using triboelectricity
In our daily lives, our bodies continuously generate numerous movements. If we harness such movements as an energy source, it becomes possible to drive electronics without resource consumption or environmental issues. The induction of friction between two objects with different dielectric constants through various mechanical actions generates static electricity, creating electrical energy. Utilizing microfabrication processes to create microstructures with an increased contact area where friction occurs leads to efficient frictional power generation. Additionally, electronic materials constituting harvesting components are applied in ultrathin film form (~100 nm) on a flexible polymer to ensure stable power generation across diverse deformations.
Biodegradable soft robots
Futuristic soft robots that utilize composite and thermoset materials into multi-layered and miniature structures with soft electronics exacerbate recycling and repair challenges. A soft robot with multifunctional capabilities enabled by fully biodegradable, functionally transient sensors alleviate the robotic waste issue. Simple combination of a pre-patterned poly(glycerol sebacate) (PGS) elastomer sheet with polybutylene adipate terephthalate (PBAT) strain limiters and polyanhydride (PA) adhesives through a cut-and-paste process facilitates fabrication of actuators with diverse inflation trajectories. Integration of serpentine designed Mg sensor on deformable PGS and Si thin film and Mo sensors on stiff PBAT film enables proprioceptive and exteroceptive sensing of various factors including motion strain, tactile pressure, pH, and temperature. Closed-loop control with curvature and tactile feedback was implemented with bendable robot fingers. An underwater robot, a robotic globe and a balloon catheter evaluate the practical applicability of biodegradable robots with multifunctional sensing capabilities from a sustainability perspective.
References
전자 소자 분야는 PC나 스마트폰과 같은 기기에 사용되던 기존의 경직된 소재와 고정된 사양의 전자 기술에서 벗어나, 웨어러블 기기 및 개인 맞춤형 차세대 전자 기술로 전환되고 있습니다. 이러한 미래 전자 소자의 개발은 기존 전자 폐기물 처리 방식에 사용되던 재활용 및 재사용 방법의 한계를 보이며, 이는 소재의 특성에 의해 제약을 받습니다. 예상되는 전자폐기물의 기하급수적 증가는 심각한 환경적 문제를 야기합니다. 이에 따라, 구성 요소가 일정 작동 기간 후 유독성 부산물을 생성하지 않고 신속히 분해·소멸되도록 설계되어, 다가오는 전자 폐기물 문제를 해결하는 데 핵심적인 역할을 할 “Biodegradable Electronics Technology” 개발이 필수적입니다. 또한 미래 전자산업의 급속한 발전은 전력 소비가 급증함에 따른 에너지 자원 소비와 환경 문제에 대한 우려를 불러일으키고 있습니다. 제로-웨이스트/친환경 전자 소재 연구는 이러한 환경적 과제를 해결하기 위해, Biodegradable Electronics Technology을 마찰전기, 열전기, 태양전지와 같은 친환경 에너지 수확 기술과 통합하는 연구를 수행하고 있습니다. 이를 통해, 미래 전자 기술 개발이 초래할 환경 문제를 해결하기 위한 혁신적인 해결책을 제시하고자 합니다.
아래는 우리 연구실의 최신 연구 결과의 일부 소개자료입니다.
유연하고 늘어나는 생분해성 전도성 페이스트
생분해성 전도성 페이스트는 토양이나 해수와 같은 자연 환경에서 분해될 수 있도록 설계된 친환경 전자 소재 기술입니다. 특히, 전도성 페이스트는 스크린 프린팅 기법을 통해 대면적 디바이스를 비용 효율적으로 제조할 수 있어 주목받고 있습니다. 이러한 페이스트는 금속 무기 입자를 고분자 용액에 혼합하여 제조되며, 도전성 전극, 배선, 평면형 전자 소자(인덕터, 커패시터 등)와 같은 다양한 형태로 활용됩니다. 몰리브덴 입자와 유연한 고분자인 PBAT를 혼합하여 제작된 전도성 페이스트는 높은 탄성 환경에서도 전기적 특성을 유지하여, 지속적인 인간의 움직임이나 외부 충격에 노출되는 미래형 센서 패치 디바이스에 적합합니다. 우리는 생분해성 전도성 페이스트를 활용하여 큰 길이 변형이 발생하는 관절에서도 안정적으로 작동하는 웨어러블 스트레인 센서 디바이스를 성공적으로 구현하였습니다. 또한, 기판으로부터 분리된 독립형 상태에서도 사용 가능한 특성을 바탕으로, 고도로 유연한 서펜타인 형태의 전기 배선 및 3D 팝업 가변 주파수 코일에 이를 적용하는 데 성공하였습니다. 이러한 연구는 생분해성 도전성 페이스트가 차세대 유연 전자 및 웨어러블 소자에 있어 핵심적인 역할을 할 가능성을 입증합니다.
마찰전기를 이용한 녹색 에너지 수확
우리의 일상생활에서 신체는 끊임없이 다양한 움직임을 생성합니다. 이러한 움직임을 에너지원으로 활용한다면, 자원 소비나 환경 문제 없이 전자 기기를 구동하는 것이 가능해집니다. 서로 다른 유전율을 가진 두 물체 사이에서 발생하는 마찰을 통해 정전기를 유도하고, 이를 전기에너지로 변환할 수 있습니다. 미세구조 제작 공정을 활용하여 마찰이 발생하는 접촉 면적을 증가시키는 미세 구조를 설계하면 마찰 전력 생성의 효율성을 크게 향상시킬 수 있습니다. 더불어, 에너지 하베스팅 구성 요소의 전자 재료를 초박막 형태(~100 nm)로 유연한 고분자 위에 적용함으로써, 다양한 변형 환경에서도 안정적인 전력 생성을 구현할 수 있습니다.
생분해성 소프트 로봇
미래형 소프트 로봇은 복합재 및 열경화성 소재를 다층화하고 소형화된 구조로 구현하며, 소프트 전자 기술과 결합됨에 따라 재활용 및 수리의 어려움을 가중시킵니다. 이에 반해, 완전히 생분해 가능하고 기능적으로 일시적인 센서를 탑재한 다기능 소프트 로봇은 로봇 폐기물 문제를 완화하는 데 기여할 수 있습니다. 미리 패터닝 된 poly(glycerol sebacate) (PGS) 엘라스토머 시트와 polybutylene adipate terephthalate (PBAT) 변형 제한 소재 및polyanhydride (PA) 접착제를 절단 및 접착(cut-and-paste) 방식으로 단순히 조합하여 다양한 팽창 궤적을 가진 액추에이터를 제작할 수 있습니다. 변형 가능한 PGS에 서펜타인 형태로 설계된 Mg 센서, 단단한 PBAT 필름에 Si 박막 및 Mo 센서를 통합하여 움직임 변형, 접촉 압력, pH, 온도 등의 다양한 요소를 측정할 수 있는 고유수용성(proprioceptive) 및 외부수용성(exteroceptive) 감지 기능을 구현하였습니다. 이를 통해 굽힘형 로봇 손가락에 곡률 및 접촉 피드백을 활용한 폐루프 제어(closed-loop control)가 가능함을 입증하였습니다. 수중 로봇, 구형 로봇, 풍선 카테터 지속 가능성 관점에서 다기능 감지 기능을 갖춘 생분해성 로봇의 실용적인 적용 가능성을 제시합니다.
참고문헌
